(57)【要約】【課題】  カメラでマークの位置の変位の時刻暦を測定すると、測定期間中にカメラ自体が変位した場合に、測定結果に誤差が重畳される。【解決手段】  観測装置が、測定対象マーク及び基準マークを撮像し、画像データを取得する。観測装置で取得された画像データが制御装置に入力される。制御装置は、画像データから測定対象マーク及び基準マークの位置情報を算出する。さらに、測定対象マークの異なる時刻における位置情報から、測定対象マークの変位量を算出し、基準マークの異なる時刻における位置情報から、観測装置の変位量を算出し、観測装置の変位量に基づいて、測定対象マークの変位量を補正する。【選択図】  図１
2010145231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象マーク及び基準マークを撮像し、画像データを取得する観測装置と、
前記観測装置で取得された画像データが入力され、該画像データから前記測定対象マーク及び前記基準マークの位置情報を算出する制御装置と、
を有し、
前記制御装置は、
前記測定対象マークの異なる時刻における位置情報から、該測定対象マークの変位量を算出し、
前記基準マークの異なる時刻における位置情報から、前記観測装置の変位量を算出し、
前記観測装置の変位量に基づいて、前記測定対象マークの変位量を補正する変位測定装置。
【請求項２】
前記観測装置は、レンズと受像面とを含み、
前記制御装置は、前記観測対象マーク及び前記基準マークの位置情報を、前記レンズの光軸からの角度で表される角度座標で表し、
前記基準マークの位置情報から、前記観測装置の変位量を、前記レンズの光軸からの角度変化量で表し、
前記観測対象マークの角度座標の変化量を、前記観測装置の前記角度変化量に基づいて補正する請求項１に記載の変位測定装置。
【請求項３】
測定対象マーク及び基準マークを、少なくとも２つの時刻において、観測装置で撮像して画像データを取得する工程と、
前記測定対象マーク及び前記基準マークの画像データに基づいて、前記測定対象マークの位置の時刻暦を算出する工程と、
前記基準マークの画像データに基づいて、該基準マークの位置情報を算出し、前記観測装置の変位量を算出する工程と、
前記観測装置の変位量に基づいて、前記測定対象マークの位置の時刻暦を補正する工程と
を有する変位測定方法。
【請求項４】
前記観測装置は、レンズと受像面とを含み、
さらに、
前記測定対象マークの位置の時刻暦を、前記レンズの光軸からの角度で表される角度座標の時刻暦に変換する工程と、
前記観測装置の変位量を、前記角度座標の変化量で表す工程と
を有し、
前記時刻暦を補正する工程において、前記角度座標で表された前記測定対象マークの位置の時刻暦を、前記観測装置の前記角度座標の変化量に基づいて補正する請求項３に記載の変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置を用いて、対象物の変位を測定する変位測定装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
２台のカメラを用いて同一のマークを撮像することにより、ステレオ計測を行うことができる（特許文献１）。一般的なステレオ計測を行う際には、２つのカメラのレンズの光軸を相互に平行に配置し、光軸方向に関して、２つのカメラのレンズの主点の位置を一致させる。１つの目標マークを２つのカメラで同時に撮像することにより、目標マークの位置を検出することができる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２４２４８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のステレオ計測においては、２つのカメラの位置及び姿勢に高い精度が要求される。また、１つのマークを２つのカメラで同時に撮像する必要があるため、計測時のカメラの設置条件が制約を受ける。また、静止したマークの位置の測定には有用であるが、マークの位置の変位の時刻暦の測定には適さない。特に、測定期間中にカメラ自体が変位すると、測定結果に誤差が重畳される。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一観点によると、
測定対象マーク及び基準マークを撮像し、画像データを取得する観測装置と、
前記観測装置で取得された画像データが入力され、該画像データから前記測定対象マーク及び前記基準マークの位置情報を算出する制御装置と、
を有し、
前記制御装置は、
前記測定対象マークの異なる時刻における位置情報から、該測定対象マークの変位量を算出し、
前記基準マークの異なる時刻における位置情報から、前記観測装置の変位量を算出し、
前記観測装置の変位量に基づいて、前記測定対象マークの変位量を補正する変位測定装置が提供される。
【０００６】
本発明の他の観点によると、
測定対象マーク及び基準マークを、少なくとも２つの時刻において、観測装置で撮像して画像データを取得する工程と、
前記測定対象マーク及び前記基準マークの画像データに基づいて、前記測定対象マークの位置の時刻暦を算出する工程と、
前記基準マークの画像データに基づいて、該基準マークの位置情報を算出し、前記観測装置の変位量を算出する工程と、
前記観測装置の変位量に基づいて、前記測定対象マークの位置の時刻暦を補正する工程と
を有する変位測定方法が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
観測装置自体の変位量に基づいて、測定対象マークの位置の時刻暦を補正するため、測定期間中に観測装置自体の変位及び姿勢変化の影響を受けることなく、測定対象マークの位置の時刻暦を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に、実施例による変位測定装置の概略図を示す。ＸＹＺ直交座標系（グローバル座標系）が定義された空間にステージ１２が配置され、その上に測定対象物１０が載置され、固定されている。測定対象物１０の表面に、複数の測定対象マークＡが固定されている。測定対象マークＡは、測定対象物１０の表面に直接描画することにより形成してもよいし、マークが形成された部材を測定対象物１０の表面に貼り付けてもよい。
【０００９】
測定対象物１０は、外力が加えられることにより変形する。測定対象物１０が変形すると、測定対象マークＡが変位する。
【００１０】
ステージ１２の上に、第１の基準部材１３及び第２の基準部材１４が固定されている。第１の基準部材１３の表面に、複数の第１の基準マークＥ１、Ｅ２、Ｅ３が固定され、第２の基準部材１４の表面に、複数の第２の基準マークＦ１、Ｆ２、Ｆ３が固定されている。
【００１１】
第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０が、測定対象マークＡを観測する。第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０には、例えば、ディジタルカメラ等の撮像装置が用いられる。観測対象マークＡに、１からｎまで通番を付したとき、一部の観測対象マークＡ１〜Ａｉが第１の観測装置２０で観測され、他の観測対象マークＡｉ＋１〜Ａｎが第２の観測装置３０で観測される。なお、すべての観測対象マークＡ１〜Ａｎが、両方の観測装置２０及び３０で観測されるようにしてもよいし、一部の観測対象マークＡｊ〜Ａｊ＋ｍが、両方の観測装置２０及び３０で観測されるようにしてもよい。
【００１２】
第１の基準マークＥ１〜Ｅ３が、第１の観測装置２０で観測され、第２の基準マークＦ１〜Ｆ３が、第２の観測装置３０で観測される。
【００１３】
第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０の各々は、レンズと受像面とを含む。第１の観測装置２０に固定された第１のローカル座標系が定義され、第２の観測装置３０に固定された第２のローカル座標系が定義される。第１のローカル座標系は、第１の観測装置２０のレンズの光軸に一致するＷ軸、Ｗ軸に垂直で、かつ相互に直交するＵ軸及びＶ軸で定義され、その原点は、レンズの主点に一致する。受像面は、ＵＶ面に平行である。第２のローカル座標系は、第２の観測装置３０のレンズの光軸に一致するＴ軸、Ｔ軸に垂直で、かつ相互に直交するＲ軸及びＳ軸で定義され、その原点は、レンズの主点に一致する。受像面は、ＲＳ面に平行である。
【００１４】
第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０で撮像された画像データが、処理装置４０に入力される。処理装置４０は、入力された画像データを処理し、観測対象物１０の形状変化の時刻暦を求める。形状変化の時刻暦は、画像表示装置４１に画像として表示される。
【００１５】
図２に、実施例による変位測定方法のフローチャートを示す。まず、ステップＳＡ１において、ＣＡＤを用いて測定対象物の形状を定義する。測定対象物の形状は、ＣＡＤ座標系内に定義される。
【００１６】
ステップＳＡ２において、ＣＡＤ座標系と関連付けたグローバル座標系（ＸＹＺ座標系）を定義する。通常は、ＣＡＤ座標系をグローバル座標系として採用すればよい。
【００１７】
ステップＳＡ３において、ＣＡＤで定義された測定対象物を、仮想的に複数の有限要素に分割する。
【００１８】
図３に、有限要素に分割された測定対象物１０を示す。測定対象物１０の表面に複数の測定対象マークＡが固定されている。図３は、測定対象物１０が立方体の多数の要素に分割された例を示している。各要素の頂点に節点Ｂが画定される。各要素を、多角形の表面を持つ任意の立体形状としてもよい。この場合、多角形の表面の頂点が節点Ｂとなる。制御装置４０は、グローバル座標系における各節点Ｂの位置を記憶する。
【００１９】
ステップＳＡ４において、実際の測定対象物１０に取り付けられている測定対象マークＡのグローバル座標系における位置を、制御装置４０に記憶させる。さらに、第１の基準マークＥ１〜Ｅ３及び第２の基準マークＦ１〜Ｆ３の各々のグローバル座標系における位置を、制御装置４０に記憶させる。
【００２０】
ステップＳＡ５において、グローバル座標系が定義された空間内に、第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０を配置し、固定する。制御装置４０に、第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０の、グローバル座標系内における位置と姿勢を記憶させる。第１の観測装置２０の位置は、そのレンズの主点のグローバル座標で特定される。第１の観測装置２０の姿勢は、そのレンズの光軸、即ちＷ軸の方向と、Ｕ軸の方向とで特定される。同様に、第２の観測装置３０の位置は、そのレンズの主点のグローバル座標で特定され、姿勢は、Ｔ軸及びＲ軸の方向で特定される。
【００２１】
実施例では、第１の観測装置２０に固定された第１のローカル座標系のＷ軸が、グローバル座標系のＺ軸に平行になり、第２の観測装置３０に固定された第２のローカル座標系のＴ軸が、グローバル座標系のＸ軸に平行になるように、第１及び第２の観測装置２０、３０を配置した。この配置の場合、第１の観測装置２０は、Ｗ軸に直交する方向、すなわちＸＹ面内方向の変位を観測し、第２の観測装置３０は、Ｔ軸に直交する方向、すなわちＹＺ面内方向の変位を観測することができる。
【００２２】
観測対象物１０に予想される変形に応じて、第１及び第２の観測装置２０、３０を配置することが好ましい。例えば、外力の向きがＸＹ面に平行であり、その大きさがＺ方向に関してほぼ一定であれば、測定対象物１０の変形は、ほぼＸＹ面に平行な方向に生じると予測される。この変形は、主として第１の観測装置２０によって観測することができる。
【００２３】
以下の説明では、観測対象物１０が、主としてＸＹ面内に平行な方向に変形すると予測される場合について説明する。
【００２４】
ステップＳＡ６において、測定対象物１０に外力を加えながら、観測対象マークＡ及び第１の基準マークＥ１〜Ｅ３を、第１の観測装置２０で撮像し、観測対象マークＡ及び第２の基準マークＦ１〜Ｆ３を、第２の観測装置３０で撮像する。撮像された画像データは、制御装置４０に入力される。制御装置４０は、画像解析を行うことにより、受像面内における観測対象マークＡの像の位置を計測する。以下の工程では、第１の観測装置２０で取得された画像データの処理について説明する。第２の観測装置３０で取得された画像データの処理も、同様に行われる。
【００２５】
第１の観測装置２０の受像面は、第１のローカル座標系のＵＶ面に平行である。このため、受像面内の位置は、Ｕ座標及びＶ座標で特定される。観測時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２・・・における画像データを解析することにより、これらの観測時刻における観測対象マークＡの受像面内の位置、すなわち（Ｕ，Ｖ）座標を検出する。以下、観測対象マークＡ１の位置の検出方法の一例について説明する。
【００２６】
まず、画像データから、観測対象マークＡ１を含む長方形の領域を切り取る。切り取られた領域の（Ｕ，Ｖ）座標、例えば長方形の１つの頂点の（Ｕ，Ｖ）座標を記憶する。切り取られた画像データに、ノイズ除去を目的として、低域通過フィルタ、または収縮膨張操作等の処理を行う。ノイズが除去された画像データを用い、切り取られた領域内における観測対象マークＡ１の位置を検出する。
【００２７】
マーク位置の検出には、重心演算かピーク値検出法を用いることが好ましい。マークの像がぼやけている場合があるため、エッジ検出法やパターンマッチング法による位置検出は適さない。光強度にしきい値を設定し、しきい値以上の画素についてのみ重心演算を行うことにより、背景の光強度の強弱の影響を受けにくくすることができる。
【００２８】
切り取られた領域の位置、及び切り取られた領域内における観測対象マークＡ１の位置により、受像面内における観測対象マークＡ１の（Ｕ，Ｖ）座標を算出することができる。同様の方法で、他の観測対象マークＡ２〜Ａｎの（Ｕ，Ｖ）座標を求める。さらに、第１の基準マークＥ１〜Ｅ３の（Ｕ，Ｖ）座標を求める。
【００２９】
図４に示すように、観測対象マークＡ１、Ａ２・・・、及び第１の基準マークＥ１〜Ｅ３ごとに、座標及び変位量の時刻暦テーブルが準備されている。この時刻暦テーブルには、時刻ごとに、（Ｕ，Ｖ）座標及び変位量（ΔＵ，ΔＶ）を記憶する領域が確保されている。求められた（Ｕ，Ｖ）座標の値を、図４に示した時刻暦テーブルの（Ｕ，Ｖ）座標記憶領域に記憶する。
【００３０】
ステップＳＡ７において、観測対象マークＡ及び第１の基準マークＥ１〜Ｅ３の各々の受像面内における時刻暦から、観測対象マークＡ及び第１の基準マークＥ１〜Ｅ３の各々について、観測時刻ごとの変位を計算する。例えば、観測対象マークＡ１の時刻ｔ０及びｔ１における位置が（Ｕ１０，Ｖ１０）及び（Ｕ１１，Ｖ１１）である場合、観測時刻ｔ１における観測対象マークＡ１の変位（ΔＵ１１，ΔＶ１１）は、（Ｕ１１−Ｕ１０、Ｖ１１−Ｖ１０）になる。図４に示した時刻暦テーブルの変位量記憶領域に、計算により求められた変位量（ΔＵ，ΔＶ）を記憶する。
【００３１】
次に、観測対象マークごと、及び観測時刻ごとの変位量から、（Ｕ，Ｖ）座標上で抽出された複数の点（抽出点）における変位量を観測時刻ごとに算出し、算出結果を記憶する。以下、抽出点の変位量を算出する方法について説明する。
【００３２】
図５に、算出された変位量を記憶するテーブルの一例を示す。観測時刻ごとに、抽出点の変位量を記憶するテーブルが準備されている。抽出点は、例えば、Ｕ軸方向及びＶ軸方向に、ある格子間隔で設けた正方格子の格子点に一致するように抽出される。抽出点のＵ座標は、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３・・・となり、Ｖ座標は、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３・・・となる。抽出点ごとに、変位量（ΔＵ，ΔＶ）を記憶する領域が確保されている。
【００３３】
図６を参照して、抽出点（Ｕｉ，Ｖｊ）における変位量の算出方法について説明する。（Ｕ，Ｖ）平面上に、複数の観測対象マークＡ１〜Ａｎが分布する。観測時刻ｔ１における観測対象マークＡ１〜Ａｎの各々のＵ軸方向の変位量ΔＵは、図４に示したように既に求められている。抽出点（Ｕｉ，Ｖｊ）における変位量は、変位量が既知の複数の点の変位量から、例えば補間演算等により推測することができる。Ｖ軸方向の変位量ΔＶも、同様に推測することができる。観測時刻ｔ２以降の各観測時刻について同様の処理を行い、観測時刻ごとに、図５に示したテーブルの変位量記憶領域に、算出された変位量を格納する。
【００３４】
なお、図５に示した変位量記憶用のテーブルを準備する代わりに、変位量の近似関数を決定してもよい。変位量の近似関数ｆｕ、ｆｖは、受像面上の位置を（Ｕ，Ｖ）とし、経過時間をｔとして、下記のように表記することができる。
ΔＵ＝ｆｕ（Ｕ，Ｖ，ｔ）
ΔＶ＝ｆｖ（Ｕ，Ｖ，ｔ）
ステップＳＡ８において、レンズ特性を考慮して、受像面上の（Ｕ，Ｖ）座標を、第１のローカル座標系のＷ軸を基準とした２つの極角φＵ及びφＶに変換する。さらに、変位量ΔＵ及びΔＶを、極角の変化量ΔφＵ及びΔφＶに変換する。
【００３５】
図７に、角度φＵ及びφＶの定義を示す。受像面上のＵＶ座標上に１つの点（着目点）が決まると、ＵＶＷローカル座標系内に、受像面上の着目点及びＵＶＷ座標系の原点を通過する１つのベクトルＧが決まる。ベクトルＧは、受像面上の着目点の位置に像を結ぶ観測対象マークに向かう。ベクトルＧをＵＷ面に垂直投影した像ＧＵとＷ軸とのなす角度をφＵと定義し、ベクトルＧをＶＷ面に垂直投影した像ＧＶとＷ軸とのなす角度をφＶと定義する。受像面上の１つの点が、１つのベクトルＧに対応する。ベクトルＧは、角度座標（φＵ，φＶ）で表すことができる。このため、受像面上の１つの座標（Ｕ，Ｖ）が、１つの角度座標（φＵ，φＶ）に対応する。このため、受像面上の（Ｕ，Ｖ）座標を、角度座標（φＵ，φＶ）に変換し、変位量（ΔＵ，ΔＶ）を、角度の変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）に変換することができる。
【００３６】
図８に示すように、観測時刻ごとに、抽出点に対応する角度座標（φＵ，φＶ）と、角度の変化量（ΔφＵ、ΔφＶ）との関係を示す角度変化量テーブルが準備されている。角度変化量テーブルには、抽出点ごとに、角度変化量を記憶する領域が確保されている。変換により算出された角度変化量（ΔφＵ、ΔφＶ）を、角度変化量の記憶領域に格納する。
【００３７】
なお、図８に示した角度変化量テーブルの代わりに、角度変化量の近似関数を決定してもよい。角度変化量の近似関数ｆφＵ、ｆφＶは、経過時間をｔとして、下記のように表記することができる。
ΔφＵ＝ｆφＵ（φＵ，φＶ，ｔ）
ΔφＶ＝ｆφＶ（φＵ，φＶ，ｔ）
ステップＳＡ９において、基準マークＥ１〜Ｅ３の像の変位に基づいて、第１の観測装置２０の変位及び姿勢の変化を求める。基準マークＥ１〜Ｅ３は観測期間中は移動しないものとする。基準マークＥ１〜Ｅ３の像が移動したように観測された場合、第１の観測装置２０自体が移動し、またはその姿勢が変化したためと考えられる。以下、第１の観測装置２０の変位及び姿勢の変化を求める方法について説明する。
【００３８】
図９に、第１の撮像装置２０の外乱による変位、及び姿勢の変化と、ローカル座標系との関係を示す。第１の撮像装置がＵ、Ｖ、Ｗ軸方向に並進移動する変位を、それぞれΔＵＤ、ΔＶＤ、及びΔＷＤとする。また、Ｕ軸、Ｖ軸、及びＷ軸を中心とした回転方向の変位を、それぞれΔθＵＤ、ΔθＶＤ、ΔθＷＤとする。また、原点から基準マークＥ１までの距離をｄとする。
【００３９】
第１の観測装置２０に、外乱による角度変化ΔθＵＤが生じたときの第１の基準マークＥ１の角度座標（φＵ，φＶ）の変化量（ΔφＵＤ，ΔφＶＤ）は、下記の式または近似式で表される。
【００４０】
【数１】
2010145231.tif 000003
【００４１】
第１の観測装置２０に、外乱による角度変化ΔθＶＤが生じたときの第１の基準マークＥ１の角度座標（φＵ，φＶ）の変化量（ΔφＵＤ，ΔφＶＤ）は、下記の式または近似式で表される。
【００４２】
【数２】
2010145231.tif 000004
【００４３】
第１の観測装置２０に、外乱による変位ΔＵＤが生じたときの第１の基準マークＥ１の角度座標（φＵ，φＶ）の変化量（ΔφＵＤ，ΔφＶＤ）は、下記の近似式で表される。
【００４４】
【数３】
2010145231.tif 000005
【００４５】
第１の観測装置２０に、外乱による変位ΔＶＤが生じたときの第１の基準マークＥ１の角度座標（φＵ，φＶ）の変化量（ΔφＵＤ，ΔφＶＤ）は、下記の近似式で表される。
【００４６】
【数４】
2010145231.tif 000006
【００４７】
第１の観測装置２０に、外乱による角度変化ΔθＷＤが生じたときの第１の基準マークＥ１の角度座標（φＵ，φＶ）の変化量（ΔφＵＤ，ΔφＶＤ）は、比例定数をｋ１として、下記の近似式で表される。
【００４８】
【数５】
2010145231.tif 000007
【００４９】
第１の観測装置２０に、外乱による変位ΔＷＤが生じたときの第１の基準マークＥ１の角度座標（φＵ，φＶ）の変化量（ΔφＵＤ，ΔφＶＤ）は、比例定数をｋ２として、下記の近似式で表される。
【００５０】
【数６】
2010145231.tif 000008
【００５１】
上述の式及び近似式から、第１の観測装置２０に、外乱による変位（ΔＵＤ，ΔＶＤ，ΔＷＤ，ΔθＵＤ，ΔθＶＤ，ΔθＷＤ）が生じたときの第１の基準マークＥ１の角度座標（φＵ，φＶ）の変化量（ΔφＵＤ，ΔφＶＤ）は、下記の近似式で表されると考えられる。
【００５２】
【数７】
2010145231.tif 000009
【００５３】
上述の近似式のうち、角度変化量ΔφＵＤ及びΔφＶＤは、基準マークＥ１を観測することにより得られる。基準マークＥ１までの距離ｄ、基準マークＥ１の角度座標（φＵ，φＶ）は既知である。未知数は、ΔＵＤ、ΔＶＤ、ｋ２ΔＷＤ、ΔθＵＤ、ΔθＶＤ、及びｋ１ΔθＷＤの６個である。３個の基準マークＥ１〜Ｅ３の変位を観測すれば、６個の連立方程式が得られる。従って、上記６個の未知数を決定することができる。すなわち、第１の観測装置の変位量、及び姿勢の変化量が決定される。なお、３個の基準マークＥ１〜Ｅ３は、６個の連立方程式から１組の解を決定できるような位置に配置されている。
【００５４】
図８に示した角度変化量テーブルに記憶されている角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）は、第１の観測装置２０が移動せず、その姿勢も変化しないことを前提としている。第１の観測装置２０に外乱による変位（ΔＵＤ，ΔＶＤ，ΔＷＤ，ΔθＵＤ，ΔθＶＤ，ΔθＷＤ）が生じている場合には、角度変化量テーブルに記憶されている角度変位量（ΔφＵ，ΔφＶ）を補正しなければならない。
【００５５】
ステップＳＡ１０において、第１の観測装置２０に生じた外乱による変位（ΔＵＤ，ΔＶＤ，ΔＷＤ，ΔθＵＤ，ΔθＶＤ，ΔθＷＤ）に基づいて、角度変化量テーブルに記憶されている角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）を補正する。例えば、抽出点の角度座標が（φＵ０，φＶ０）であり、ローカル座標の原点から抽出点までの距離がｄ０であり、補正前の角度変化量が（ΔφＵ０，ΔφＶ０）である場合、補正後の角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）は、下記の近似式で表される。
【００５６】
【数８】
2010145231.tif 000010
【００５７】
第１の観測装置２０の外乱による変位及び姿勢変化ΔＵＤ，ΔＶＤ、ΔＷＤ、ΔθＷＤは、その変化量が微小であれば、観測対象物１０から第１の観測装置２０までの距離によらず、測定結果に与える影響は小さい。これに対し、観測対象物１０から第１の観測装置２０までの距離が遠い場合には、第１の観測装置２０の外乱による姿勢の変化ΔθＵＤ、及びΔθＶＤは、その変化量が微小であっても、測定結果に与える影響が大きくなる。
【００５８】
第１の観測対象物２０の外乱による変位及び姿勢変化が微小である場合には、近似的にΔＵＤ，ΔＶＤ、ΔＷＤ、ΔθＷＤを０とし、ΔθＵＤ、及びΔθＶＤのみに基づいて、角度変化量テーブルに記憶されている角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）を補正してもよい。この場合には、３個の基準マークを観測する必要はなく、１つの基準マークを観測することによって、補正を行うことが可能である。
【００５９】
ステップＳＡ１１において、図８に示した補正後の角度変化量テーブルに基づいて、第１の観測装置２０で観測されている表面上の節点Ｂの各々の角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）を、観測時刻ごとに算出する。
【００６０】
節点Ｂのグローバル座標は、ステップＳＡ３で既に記憶されている。グローバル座標系と第１のローカル座標系との関係は、ステップＳＡ５で既に記憶されているため、節点Ｂのグローバル座標から、当該節点Ｂの角度座標（φＵ、φＶ）を求めることができる。図８に示した補正後の角度変化量テーブルを参照して、節点Ｂの角度座標（φＵ，φＶ）から、その角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）を、補間演算等により算出することができる。
【００６１】
図１０に示すように、節点Ｂ１、Ｂ２・・・の角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）の時刻暦を記憶するためのテーブルが準備されている。このテーブルには、節点ごと、及び観測時刻ごとに、角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）を記憶する領域が確保されている。算出された角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）を、図１０に示したテーブルの角度変化量記憶領域に格納する。
【００６２】
ステップＳＡ１２において、第１の観測装置２０で観測されている表面上の節点Ｂの各々の角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）を、グローバル座標系における変位量（ΔＸ，ΔＹ）に変換する。
【００６３】
図１１を参照して、節点Ｂ１の角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）を、グローバル座標系における変位量（ΔＸ，ΔＹ）に変換する方法について説明する。第１の観測装置２０では、第１のローカル座標系のＷ軸に垂直な方向への変位を計測することとしたため、節点Ｂ１の変位方向は、Ｗ軸に垂直であると仮定する。
【００６４】
節点Ｂ１を含みＷ軸に垂直な仮想平面Ｓｗを定義する。第１のローカル座標系において（φＵ，φＶ）方向に延びる仮想直線と仮想平面Ｓｗとの交点が、時刻ｔ＝ｔｉにおける節点Ｂ１に一致する。（φＵ＋ΔφＵ，φＶ＋ΔφＶ）方向に延びる仮想直線と仮想平面Ｓｗとの交点が、時刻ｔ＝ｔｉ＋１における節点Ｂ１に一致する。このようにして、時刻ｔｉからｔｉ＋１までの節点Ｂ１の変位（ΔＸ，ΔＹ）を算出することができる。
【００６５】
外力がＺ方向に関して均一であり、その向きがＸＹ面に平行である場合には、各節点の変位量は、Ｚ方向に関してほぼ一定であると考えられる。この条件下で、第１の観測装置２０で観測される表面上の節点以外の節点の変位量を算出することができる。具体的には、点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の節点の変位量は、（Ｘ，Ｙ）座標が、この節点の（Ｘ，Ｙ）座標と等しく、かつ第１の観測装置２０で観測される表面上に位置する節点の変位量と同一であると推測される。
【００６６】
図１２に示すように、節点Ｂ１、Ｂ２・・・の各々の変位（ΔＸ，ΔＹ）を記憶する変位時刻暦テーブルが準備されている。このテーブルには、節点ごと、及び観測時刻ごとに、変位（ΔＸ，ΔＹ）を記憶するための領域が確保されている。算出された変位量を、この変位量時刻暦テーブルの該当記憶領域に格納する。
【００６７】
第２の観測装置３０で得られた画像データにより、同様の方法で、第２の観測装置３０で観測される表面上の節点の各々の観測時刻ごとの変位（ΔＹ，ΔＺ）が求まる。第２の観測装置３０で得られた画像データに基づいて算出された各節点の変位ΔＹが、Ｚ方向に関してほぼ一定であれば、第１の観測装置２０で得られた画像データに基づいて算出された変位（ΔＸ，ΔＹ）がＺ方向に関してほぼ一定であるという予測が妥当であったことがと確認される。
【００６８】
ステップＳＡ１３において、図１２に示した節点の変位量時刻暦テーブルに基づいて、測定対象物１０の形状の変化の様子を、画像表示装置４１に動画として表示する。
【００６９】
図１３に、画像表示装置４１の概略図を示す。表示画面内に対象物表示領域４２が確保されており、その外側に、操作部４３、経過時間表示バー４４、及び表示指令部４５が表示されている。対象物表示領域４２内に、対象物が３次元的に表示される。操作部４３を通して、表示開始、表示停止、表示一時停止等の操作を行う。経過時間表示バー４４には、現在表示されている時刻までの経過時間が棒状に表示される。また、経過時間表示バーを介して観測開始からの経過時間を指定して、指定された時刻からの形状の変化を表示させることができる。
【００７０】
表示指令部４５を通して、対象物表示領域４２内に表示されている画像の拡大、縮小、回転等の指示を行う。このため、種々の視点から観測対象物１０の変形を確認することができる。なお、各節点の変位量を拡大して表示することができる。観測対象物の形状を変化が僅かである場合には、変位量を拡大して表示することにより、形状の変化を視認しやすくなる。
【００７１】
測定対象物の形状を、時間の経過と共に連続的に表示することにより、測定対象物１０の形状の変化を、視覚的に容易に把握することができる。各部の変形量を容易に把握できるようにするために、等変位量線を表示したり、変位量に応じて表示色を変えるコンター表示を行ってもよい。
【００７２】
上記実施例では、観測対象物１０が、主としてＸＹ面に平行な方向にのみ変位するという条件を仮定した。次に、第２の観測装置３０により、Ｚ方向への変位が検出された場合について説明する。
【００７３】
図１４に示すように、観測対象物１０上の観測対象マークＡｉが、第１の観測装置２０で観測され、観測対象マークＡｊが、第２の観測装置３０で観測される。第１の観測装置２０で取得された画像データの解析により、観測対象マークＡｉが、Ｗ軸に垂直な方向、すなわちＸＹ面に平行な方向に、Ａｉ（ｔ＝ｔｉ）からＡｉ（ｔ＝ｔｉ＋１）に変位したと推測される。同様に、第２の観測装置３０で取得された画像データの解析により、観測対象マークＡｊが、Ｔ軸に垂直な方向、すなわちＹＺ面に平行な方向に、Ａｊ（ｔ＝ｔｉ）からＡｊ（ｔ＝ｔｉ＋１）に変位したと推測される。
【００７４】
観測対象マークＡｉ及びＡｊの近傍の節点Ｂｋの変位は、観測対象マークＡｉ及びＡｊの変位の影響を受ける。観測対象マークＡｉの変位のみを考慮すると、節点Ｂｋの変位先は、ＸＹ面に平行な方向に変位した点Ｂｋｉと予測される。観測対象マークＡｊの変位のみを考慮すると、節点Ｂｋの変位先は、ＹＺ面に平行な方向に変位した点Ｂｋｊと予測される。実際の変位は、変位先Ｂｋｉへの変位と、変位先Ｂｋｊへの変位とを合成したものとなる。変位先Ｂｋｉへの変位と、変位先Ｂｋｊへの変位とを重み付けして合成することにより、実際の変位先Ｂｋ（ｔ＝ｔｉ＋１）が求まる。重み付けは、節点Ｂｋから観測対象マークＡｉ及びＡｊまでの距離等を考慮して行う。
【００７５】
一般的なステレオ計測においては、１つの観測対象マークを２台のカメラで同時に観測しなければならない。上記実施例による方法では、２台の観測装置２０、３０で、異なる観測対象マークＡｉ、Ａｊを観測しても、節点Ｂｋの３次元方向の変位を推測することができる。なお、観測装置の数は、１台または２台に限定されない。３台以上の観測装置を用いてもよい。
【００７６】
次に、１つの観測対象マークを２台の観測装置２０、３０で観測する場合の変位の算出方法について説明する。
【００７７】
図１５に示すように、１つの観測対象マークＡｉを第１の観測装置２０及び第２の観測装置３０の両方で観測している。第１の観測装置２０で取得された画像データの解析により、Ｗ軸に対して垂直な方向への変位先Ａｉ１（ｔ＝ｔｉ＋１）が決定される。第２の観測装置３０で取得された画像データの解析により、Ｔ軸に対して垂直な方向への変位先Ａｉ２（ｔ＝ｔｉ＋１）が決定される。実際の変位先Ａｉ（ｔ＝ｔｉ＋１）は、第１のローカル座標系の原点と変位先Ａｉ１（ｔ＝ｔｉ＋１）とを結ぶ直線ＳＬ１と、第２のローカル座標系の原点と変位先Ａｉ２（ｔ＝ｔｉ＋１）とを結ぶ直線ＳＬ２との交点に一致する。このようにして、実際の変位先Ａｉ（ｔ＝ｔｉ＋１）を算出することができる。
【００７８】
上記実施例では、ステップＳＡ８において、ローカル座標系における極角φＵ及びφＶで、抽出点の位置及び変位を表している。極角φＵ及びφＶは、観測装置と観測対象マークとの距離に依存する倍率の影響を受けない。倍率の違いを考慮して演算を行う必要がないため、変位量算出のための演算時間を短縮することが可能になる。
【００７９】
次に、図１６を参照して、観測対象物１０に測定対象マークを固定する他の構成例について説明する。
【００８０】
図１６に示すように、例えば観測対象物１０の１つの表面１４が、第１の観測対象物２０に対向している。第１の観測装置２０から見て横方向を向く表面１５に、複数のマーク表示部材１１が取り付けられている。マーク表示部材１５の各々は、表面１５から突出しており、第１の観測装置２０に対向する表面を含む。第１の観測装置２０に対向する表面に、観測対象マークＣが表示されている。
【００８１】
表面１５がＷ軸に平行である場合、表面１５に直接描画したマークを第１の観測装置２０で観測することはできない。図１６に示したように、表面１５から突出したマーク表示部材１１を取り付けることにより、表面１５に対して固定された観測対象マークＣを第１の観測装置２０で観測することができる。
【００８２】
図１に示した第２の観測装置３０では、図１６の表面１５に固定された観測対象マークのＸ軸方向の変位を検出することができない。マーク表示部材１１を用いて表面１５に固定された観測対象マークＣを、第１の観測装置２０で観察することにより、観測対象マークＣのＸ軸方向の変位を検出することが可能になる。
【００８３】
Ｗ軸に直交し、表面１５に含まれる方向（図１６においてはＶ軸方向）に関して、マーク表示部材１１同士が重ならないように配置することが好ましい。このように配置すると、表面１５に固定されたすべての観測対象マークＣを第１の観測装置２０で観測することができる。
【００８４】
Ｗ軸方向に関して異なる位置に配置される観測対象マークＣのうち、第１の観測装置２０の被写界深度内に位置するものは、受像面上に結像させることができる。被写界深度からはずれて受像面上に結像しない場合でも、重心演算等の手法を用いて、観測対象マークＣの像の（Ｕ，Ｖ）座標を検出することができる。
【００８５】
図１７に、上記実施例による形状変化測定装置を搭載することができる射出成型機の正面図を示す。射出成型機３４０が、射出装置３５０及び型締装置３７０を含んで構成される。
【００８６】
射出装置３５０は、加熱シリンダ３５１を備え、加熱シリンダ３５１に、樹脂を供給するホッパ３５２が配設される。また、加熱シリンダ３５１内に、スクリュー３５３が進退自在かつ回転自在に配設される。スクリュー３５３の後端は、支持部材３５４によって回転自在に支持される。支持部材３５４に、サーボモータ等の計量モータ３５５が駆動部として取り付けられている。計量モータ３５５の回転が、計量モータ３５５の出力軸３６１に取り付けられたタイミングベルト３５６を介して、被駆動部のスクリュー３５３に伝達される。計量モータ３５５の出力軸３６１の後端に、検出器３６２が直結している。検出器３６２は、計量モータ３５５の回転数または回転量を検出する。検出器３６２により検出された回転数または回転量に基づいて、スクリュー３５３の回転速度が求められる。
【００８７】
射出装置３５０はさらに、スクリュー３５３と平行なねじ軸３５７を回転自在に備える。ねじ軸３５７の後端は、サーボモータ等の射出モータ３５９の出力軸３６３に取り付けられたタイミングベルト３５８を介して、射出モータ３５９に連結されている。従って、射出モータ３５９によってねじ軸３５７を回転させることができる。ねじ軸３５７の前端は支持部材３５４に固定されたナット３６０と螺合させられる。駆動部である射出モータ３５９を駆動し、タイミングベルト３５８を介して駆動伝達部であるねじ軸３５７を回転させると、支持部材３５４が前後進する。
【００８８】
支持部材３５４に、荷重の検出器であるロードセル３６５が取り付けられている。支持部材３５４の前後進運動が、ロードセル３６５を介してスクリュー３５３に伝えられることにより、スクリュー３５３が前後進する。ロードセル３６５により検出された力に対応するデータが、制御装置３１０に送出される。射出モータ３５９の出力軸３６３の後端に、検出器３６４が直結している。検出器３６４は、射出モータ３５９の回転数または回転量を検出する。検出器３６４により検出された回転数及び回転量に基づいて、スクリュー３５３の前後進方向の移動速度または前後進方向の位置が求められる。
【００８９】
型締装置３７０は、可動側の金型３７１が取り付けられた可動プラテン３７２と、固定側の金型３７３が取り付けられた固定プラテン３７４とを含む。可動プラテン３７２と固定プラテン３７４とは、タイバー３７５によって連結される。可動プラテン３７２はタイバー３７５に沿って摺動可能である。また、型締装置３７０は、トグル機構３７７を含む。トグル機構３７７は、一端が可動プラテン３７２と連結し、他端がトグルサポート３７６と連結する。トグルサポート３７６の中央において、ボールねじ軸３７９が回転自在に支持されている。トグル機構３７７に設けられたクロスヘッド３８０に固定されたナット３８１が、ボールねじ軸３７９に螺合させられている。また、ボールねじ軸３７９の後端にプーリ３８２が配設され、サーボモータ等の型締モータ３７８の出力軸３８３とプーリ３８２との間に、タイミングベルト３８４が架け渡されている。
【００９０】
型締装置３７０において、駆動部である型締モータ３７８を駆動すると、型締モータ３７８の回転が、タイミングベルト３８４を介して、駆動伝達部であるボールねじ軸３７９に伝達される。そして、ボールねじ軸３７９及びナット３８１によって、運動方向が回転運動から直線運動に変換され、トグル機構３７７が作動させられる。トグル機構３７７の作動により、可動プラテン３７２がタイバー３７５に沿って摺動し、型閉じ、型締め及び型開きが行われる。
【００９１】
型締モータ３７８の出力軸３８３の後端に、検出器３８５が直結している。検出器３８５は、型締モータ３７８の回転数または回転量を検出する。検出器３８５により検出された回転数または回転量に基づいて、ボールねじ軸３７９の回転に伴って進退するクロスヘッド３８０の位置、または、トグル機構３７７によってクロスヘッド３８０に連結された被駆動部である可動プラテン３７２の位置が求められる。制御装置３１０が、計量モータ３５５、射出モータ３５９、型締モータ３７８を制御する。
【００９２】
可動側の金型３７１と固定側の金型３７３との間に、キャビティｃａｖが形成される。キャビティｃａｖと加熱シリンダ３５１の内部とが連通している。
【００９３】
型締めを行うと、可動側の金型３７１及び固定側の金型３７３に応力が印加され、これらの金型がわずかに変形する。射出成形品の形状の精密度を高めるために、金型のわずかな変形を観測することが望まれる。
【００９４】
可動側の金型３７１と固定側の金型３７３の側面に複数の観測対象マークが固定される。これらの観測対象マークを、上記実施例による形状変化装置を用いて観測することにより、金型の変形の様子を画像により確認することができる。
【００９５】
上記実施例では、観測対象マークＡの変位量を検出するための観測装置２０。３０にディジタルカメラを用いたが、他の方法で変位量を検出してもよい。例えば、レーザ変位計を用いて観測対象マークの変位量を検出することも可能である。
【００９６】
また、上記実施例では、図５に示した抽出点の座標（Ｕｉ，Ｖｊ）（ｉ，ｊ＝１、２、３・・・）及びその変位（ΔＵ，ΔＶ）を、図８に示したすように、角度座標（φＵｉ，φＶｊ）（ｉ，ｊ＝１、２、３・・・）に変換したが、観測対象マークＡｉ（ｉ＝１、２、３・・・）の座標（Ｕ，Ｖ）及びその変位（ΔＵ，ΔＶ）を、角度座標（φＵ，φＶ）及び角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）に変換することも可能である。
【００９７】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】実施例による形状変化測定装置の概略図である。
【図２】実施例による形状変化測定方法を示すフローチャートである。
【図３】測定対象物を仮想的に複数の有限要素に分割した状態を示す線図である。
【図４】観測対象マークの座標及び変位量の時刻暦を記憶するテーブルを示す図表である。
【図５】抽出点（Ｕ，Ｖ）の変位量（ΔＵ，ΔＶ）を記憶するテーブルを示す図表である。
【図６】観測対象マークの変位量から、抽出点の変位量を算出方法を説明するためのグラフである。
【図７】ローカル座標の角度φＵ、φＶの定義を示す線図である。
【図８】抽出点（φＵ，φＶ）の角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）を記憶するテーブルを示す図表である。
【図９】観測装置の変位（ΔＵ，ΔＶ，ΔＷ，ΔθＵ，ΔθＶ，ΔθＷ）の定義を示す線図である。
【図１０】節点の角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）の時刻暦を記憶するテーブルを示す線図である。
【図１１】角度変化量（ΔφＵ，ΔφＶ）を、グローバル座標系の変位量（ΔＸ，ΔＹ）に変換する方法を説明するための線図である。
【図１２】節点の変位量（ΔＸ，ΔＹ）の時刻暦を記憶するテーブルを示す線図である。
【図１３】実施例による形状変化測定装置に用いられる画像表示装置の概略図である。
【図１４】第１の観測装置で観測された観測対象マークの変位と、第２の観測装置で観測された他の観測対象マークの変位とに基づいて、節点の変位量を算出する方法を説明するための線図である。
【図１５】１つの観測対象マークを、第１及び第２の観測装置で観測した場合に、観測対象マークの変位量を算出する方法を説明するための線図である。
【図１６】観測対象マークの固定方法の他の例を示す斜視図である。
【図１７】実施例による形状変化測定装置を装着することが可能な射出成型機の正面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０  観測対象物
１１  マーク表示部材
１２  ステージ
１３  第１の基準部材
１４  第２の基準部材
２０  第１の観測装置
３０  第２の観測装置
４０  処理装置
４１  画像表示装置
４２  対象物表示領域
４３  操作部
４４  経過時間表示バー
４５  表示指令部
Ａ、Ｃ  観測対象マーク
Ｂ  節点
Ｅ１〜Ｅ３  第１の基準マーク
Ｆ１〜Ｆ３  第２の基準マーク
ＸＹＺ  グローバル座標系
ＵＶＷ  第１のローカル座標系
ＲＳＴ  第２のローカル座標系
【図１】
2010145231.tif 000011
【図２】
2010145231.tif 000012
【図３】
2010145231.tif 000013
【図４】
2010145231.tif 000014
【図５】
2010145231.tif 000015
【図６】
2010145231.tif 000016
【図７】
2010145231.tif 000017
【図８】
2010145231.tif 000018
【図９】
2010145231.tif 000019
【図１０】
2010145231.tif 000020
【図１１】
2010145231.tif 000021
【図１２】
2010145231.tif 000022
【図１３】
2010145231.tif 000023
【図１４】
2010145231.tif 000024
【図１５】
2010145231.tif 000025
【図１６】
2010145231.tif 000026
【図１７】
2010145231.tif 000027