(57)【要約】【課題】測定対象物の3次元方向および回転の変位を非接触に測定する。【解決手段】測定対象物10に2軸反射板13および反射板14,15が装着されている。光源11による入射光が、2軸反射板13によって2軸方向に分割され、それぞれが反射板14,15で反射され、戻り反射板16,17を介した複数の反射光を、カメラ18で受光する。そして、該受光された複数の反射光のそれぞれの変位から、測定対象物10の変位を算出する。これにより、2軸反射板13によって分割された2軸を含む3次元方向での測定対象物10の変位、および該2軸に垂直な軸を回転中心とした回転の変位を、1台のカメラ18で非接触にて検出することができる。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を複数の方向に分割するように反射させる分割手段と、該分割された光のそれぞれを所定範囲の角度方向に反射する複数の反射手段とが装着された測定対象物に対し、その3次元での変位を測定する変位測定装置であって、
前記測定対象物への入射光を発生させる発光手段と、
前記測定対象物において前記分割手段で分割され、前記複数の反射手段でそれぞれ反射された複数の反射光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光された前記複数の反射光のそれぞれの変位から、前記測定対象物の3次元での変位を算出する算出手段と、
を有することを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
前記算出手段は、前記測定対象物の3次元の各軸に対する移動量および回転量を算出することを特徴とする請求項1に記載の変位測定装置。
【請求項３】
前記分割手段は、前記3次元の各軸のうちの2軸に対応する第1および第2の方向に前記入射光を分割することを特徴とする請求項2に記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記算出手段は、前記3次元の各軸のうちの、前記第1および第2の方向に対応しない軸に対する回転量を算出することを特徴とする請求項3に記載の変位測定装置。
【請求項５】
さらに、前記反射手段による反射光を、前記受光手段の受光面に垂直に入射するように反射する戻り反射手段を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の変位測定装置。
【請求項６】
前記反射手段のそれぞれは、当該反射手段への入射光と反射光とのなす角度が0度より大きくかつ90度未満となるように前記測定対象物に装着されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の変位測定装置。
【請求項７】
前記入射光は、所定のパターン像を形成する光であることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載の変位測定装置。
【請求項８】
前記受光手段の受光面は複数の撮像素子からなり、前記複数の反射光のそれぞれを該受光面の異なる領域で受光して、各反射光に対応する前記パターン像を検出することを特徴とする請求項7に記載の変位測定装置。
【請求項９】
前記発光手段は、レーザによって前記入射光を発生することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の変位測定装置。
【請求項１０】
前記測定対象物は複数であり、
前記測定対象物のそれぞれに、前記分割手段および前記複数の反射手段が装着されていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか1項に記載の変位測定装置。
【請求項１１】
前記発光手段は、前記複数の測定対象物のぞれぞれに対する前記入射光を発生し、
前記受光手段は、前記複数の測定対象物のそれぞれからの前記複数の反射光を受光することを特徴とする請求項10に記載の変位測定装置。
【請求項１２】
前記複数の測定対象物は前記入射光の光軸方向に並置され、
第1の測定対象物に装着された前記分割手段は、前記入射光を、前記第1の測定対象物に装着された前記反射手段の方向と、第2の測定対象物に装着された前記分割手段の方向とに分割することを特徴とする請求項11に記載の変位測定装置。
【請求項１３】
請求項1乃至12のいずれか1項に記載の変位測定装置における測定対象物。
【請求項１４】
発光手段、受光手段、および算出手段を有し、入射光を複数の方向に分割するように反射させる分割手段と、該分割された光のそれぞれを、所定範囲の角度方向に反射する複数の反射手段とが装着された測定対象物に対し、その3次元での変位を測定する変位測定方法であって、
前記発光手段が、前記測定対象物への入射光を発生させ、
前記受光手段が、前記測定対象物において前記分割手段で分割され、前記複数の反射手段でそれぞれ反射された複数の反射光を受光し、
前記算出手段が、前記受光手段で受光された前記複数の反射光のそれぞれの変位から、前記測定対象物の3次元での変位を算出する、
ことを特徴とする変位測定方法。
【請求項１５】
コンピュータ装置で実行されることにより、該コンピュータ装置を請求項1乃至12のいずれか1項に記載の変位測定装置における前記算出手段として機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、該測定対象物の変位を非接触に測定する変位測定装置および変位測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、対象物に接触することなく、その変位もしくは振動を測定する非接触型の変位計測定装置が提案されている。例えば、対象物に平行な照射光をあて、その反射光をカメラ等の撮像素子で取り込み、その対象物の動きに連動した反射光の動きを撮像素子で検知することで、対象物の変位もしくは振動を測定する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。ここで、特許文献1において非接触により対象物の変位計測を行う構成を図11に示す。図11において、レーザドライバ101の制御によってレーザ光源102からレーザ光が発せられる。なおレーザ光源102には、光の波長を制限する照射光側フィルタが備えられている。103は照射光を絞るコリメータレンズA、WKは測定対象物、104は反射光を絞るコリメータレンズB、105は反射光を撮像する撮像素子である。測定対象物WKが破線で示すように移動する(Z方向への移動とする)と、移動前と後では撮像素子105における受光位置が変動する。読み出し回路106側でこの受光位置の変動量を演算することで、測定対象物WKのZ方向における変位を検出する。
【０００３】
また、非接触型の変位計測装置の他の構成例として、測定対象物に装着されたミラーにより複数回反射されたレーザ光を撮像素子により受光することで、測定対象物の表面粗さを変位として検出するものがある(例えば、特許文献2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2008-96123号公報
【特許文献２】特開平06-102030号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記図11に示す変位計測装置の構成では、測定対象物WKが図中上下(光軸に対して直角方向)に変位した場合には、撮像素子105では該変位を検出できない。また、上記従来の他の構成においては、測定対象物が測定光の光軸に対して直角方向に変位した場合であっても撮像素子で該変位を検出することが可能であるが、測定対象物が光軸方向に変位した場合には、該変位を検出できない。すなわち、従来の非接触型の変位計測装置では、測定対象物の平面内のみでの変位、あるいは鉛直方向のみでの変位しか測定することができず、3次元方向の移動や回転による変位を検出することはできなかった。
【０００６】
本発明は上記課題を解決するために、測定対象物の3次元方向および回転の変位を非接触にて測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための一手段として、本発明の変位測定装置は以下の構成を備える。すなわち、入射光を複数の方向に分割するように反射させる分割手段と、該分割された光のそれぞれを所定範囲の角度方向に反射する複数の反射手段とが装着された測定対象物に対し、その3次元での変位を測定する変位測定装置であって、前記測定対象物への入射光を発生させる発光手段と、前記測定対象物において前記分割手段で分割され、前記複数の反射手段でそれぞれ反射された複数の反射光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光された前記複数の反射光のそれぞれの変位から、前記測定対象物の3次元での変位を算出する算出手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、測定対象物の3次元方向および回転の変位を非接触にて測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る1実施形態における変位測定装置の構成例を示す図、
【図２】本実施形態における2軸反射板の構成を示す図、
【図３】本実施形態におけるカメラ撮像面の像の一例を示す図、
【図４】撮像面での像の変位例を示す図、
【図５】本実施形態における変位量検出の幾何的原理を説明するための図、
【図６】本実施形態における3次元での変位測定を説明する図、
【図７】各変位方向によるカメラ撮像面での像の動きを説明する図、
【図８】変位測定装置の他の構成例を示す図、
【図９】他の構成例におけるカメラ撮像面の像の一例を示す図、
【図１０】変位測定装置の他の構成例を示す図、
【図１１】従来の非接触型の変位計測装置の構成例を示す図、である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態は特許請求の範囲に関わる本発明を限定するものではなく、また、本実施形態で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。
【００１１】
＜第1実施形態＞
本実施形態では、測定対象物の3次元方向の移動および回転等を非接触にて検出可能とする変位測定装置を示す。この変位測定装置は、測定対象物の微細な振動を検出可能とすることから、様々なシーンに適用可能である。例えば物体を撮影して投影しながら、該投影した画像を電子データ化して保存する撮像投影システムに対しての適用が考えられる。この場合、測定対象となる物体に対し、所定距離をおいて投影撮像系を設置する必要があり、例えば該物体を下側から撮影したい場合、物体を撮像系の上部空間にフレーム等を用いて固定する必要がある。このような場合に、この取り付け用フレームの振動に伴う、物体と投影撮像系とにおける相対的な振動の計測を行うことが可能となり、さらに、撮像投影システムにおいて該振動の計測結果をフィードバックした投影制御を行うことも可能となる。
【００１２】
以下では、本実施形態の変位測定装置が撮像投影系に適用される場合を想定して、対象物の変位を検出するための構成および方法について説明する。
【００１３】
●装置構成
図1に、本実施形態における変位測定装置の構成例を示す。同図において、10は測定対象物(以下、対象物と称する)であり、図中では省略しているが、地面に接している支柱によって固定されている。11は発光により光を照射する光源、12は光源11からの光を平行光にするためのコリメータレンズである。以下、コリメータレンズ12によって得られた平行光を、入射光L1と称する。光源11としてレーザを用いれば、コリメータレンズ12の設置は不要になる。13は、光源11からの光を直角2方向に分割する2軸反射板であり、入射光L1を、対象物10におけるX、Yの2軸方向に分割した光L2、L3を生成する。2軸反射板13は対象物10に予め装着されているが、その詳細な構成については後述する。
【００１４】
2軸反射板13でX軸方向に分割された光L2は、対象物10に予め装着された反射板14によって、L1、L2で決定される平面内で、L2に対してaθの角度方向に反射する。なお本実施形態では、詳細は後述するが、反射板14による反射光の変位をその光路に基づく幾何的な演算によって検出するため、aθは所定範囲の角度であり、具体的には0度より大きく90度未満の角度となる。また、2軸反射板13でY軸方向に分割されたもう一方の光L3は、L2と同様に、対象物10に装着された反射板15によって、L1、L3で決定される平面内で、L3に対してbθの角度方向に反射する。bθについてもaθと同様に、0度より大きく90度未満の角度となる。言い換えれば、対象物10に対し反射板14,15はそれぞれ、対象物10への入射光軸と、反射後に対象物10から受光装置であるカメラ18まで戻る光軸とが平行でなく、ある一定の角度を有するように配置されている。
【００１５】
反射板14,15による反射光は、それぞれが戻り反射板16,17によって整列させられた後、光量調整フィルタ19を介して適切な光量が、複数の撮像素子を有するカメラ18に入射する。カメラ18による撮影画像はPC等の制御部100に随時送られる。制御部100では、複数毎の撮影画像から反射光の変位を検出し、詳細は後述するが、該反射光の変位量に基づいて対象物10の変位量を算出する。
【００１６】
図1に示すように本実施形態の変位測定装置においては、光源11からの光を対象物10に照射し、対象物10における所定の2軸方向に分割した後の反射光をカメラ18で受光し、該反射光の変位から対象物10の変位量を検出することができる。
【００１７】
図2は、2軸反射板13の詳細構成を示す図である。同図において、下面21から垂直に入る入射光L1は、2分割反射面22でその半量が光路を90度曲げられ、横面20から出射されることで、第1の方向(X軸方向)に平行な光L2が得られる。対して、下面21からの入射光L1の残りが、その光軸に対して45度の傾斜で設置された全反射ミラー24によって、第1の方向に対して90度の角度である第2の方向に反射されることで、Y軸方向に平行な光L3が得られる。
【００１８】
図3は、カメラ18における受光面(以下、撮像面)における、反射光によって形成されるパターン像の様子を示す図である。なお、図中右の領域aは対象物10のX軸側からの反射光に対応する領域であり、すなわち像31は、対象物10のX軸方向に分割された光L2による像である。同様に、図中左の領域bは対象物10のY軸側からの反射光に対応する領域であり、すなわち像32は、対象物10のY軸方向に分割された光L3による像である。本実施形態ではカメラ18において、受光位置の変位量を検出する必要がある。したがって、光源11からの入射光として、図3に示すクロス形状等の所定パターン像を形成する光線を用いることで、撮像面上での受光位置の変位量検出を容易としている。
【００１９】
また、撮像面においてL2の像31がX軸方向、Y軸方向に動く量(変位量)をそれぞれax、ayとし、同様にL3の像32がX軸方向、Y軸方向に動く量(変位量)をそれぞれbx、byとする。なお本実施形態では、カメラ18の撮像面が対象物10に対して平行に設置されているものとし、したがって、撮像面におけるX軸方向、Y軸方向は、対象物10のX軸方向、Y軸方向に一致する。
【００２０】
●変位量検出(概要)
以下、上記構成からなる本実施形態の変位測定装置における変位量検出の動作について、まずその概要を説明する。
【００２１】
図1に示す構成において、対象物10に反射板14がaθ=60°で装着されており、対象物10がX軸方向に距離Xの移動のみがあったとする(X平行移動)。この場合、図3に示すカメラ18の撮像面上における像の変位量は、光路計算によれば図4(a)に示すようになる。すなわちこの場合、各変位量が以下のように求められる。
【００２２】
ax＝P・X
ay＝0              …(1)
bx＝0
by＝0
P＝-1.87
なお、(1)式においてPは係数であり、aθが45度の時にはP=-1.71となり、30度のときにはP=-1.5になる。係数Pが負の値となっているのは、対象物10のX軸に対する動き方向が、戻り反射板16によって撮像面上では逆方向になるためである。
【００２３】
同様に、対象物10に反射板15がbθ=60°で装着されており、対象物10がY軸方向に距離Yの移動のみがあった場合(Y平行移動)には、撮像面上での像の変位量は、光路計算によれば図4(b)に示すようになる。すなわちこの場合、各変位量が以下のように求められる。
【００２４】
ax＝0
ay＝0              …(2)
bx＝0
by＝P・Y＝(-1.87)・Y
上記(1),(2)式によれば、撮像面上での像の変位量から対象物10の移動量を検出するためには、予め係数Pを決定しておく必要があり、この係数Pはすなわち、対象物10の移動量に対する、撮像面上での像の変位量の倍率であることが分かる。
ここで図5に、本実施形態における変位量検出の幾何的原理を示し、係数Pの決定方法について説明する。なお、図5では表現を平易にするため、Y軸方向とX軸方向とを同一平面内に展開した様子を示す。
【００２５】
図5において、入射光L1は2軸反射板13によってX軸方向(図中X方向)の光L2とY軸方向(図中Y方向)の光L3に2分割される。ここで、対象物10がX方向に距離Xだけ移動した場合、2軸反射板13および反射板14も図中点線で示す位置に移動することで、2分割反射面22の反射面1および反射板14の反射面2も距離Xを移動し、X軸方向への光軸は破線で示すL2'となる。反射面2による反射光は、戻り反射板16で反射し、入射光L1と平行に配置されたカメラ18の撮像面に垂直に入射する。なお、この場合の戻り反射板16の傾きは、カメラ18に入射する光軸に対して(90°−aθ)/2である。これにより、対象物10の距離Xの移動に対し、撮像面での像の変位量axが検出される。
【００２６】
このとき、反射面1は入射光L1に対し45度傾斜しているので、L2とL2'間の距離もXである。反射面2に対するL2とL2'の各交点をe、gとし、L2の反射光とL2'の交点をfとしたとき、fgの長さKは幾何学的に以下の(3)式によって求められる。
【００２７】
K＝(1+(1/tan(aθ))+(1/tan(90°-(aθ/2))))・X      …(3)
一方、戻り反射板16に入射した光L2、L2'は、反射されて撮像面に到達する。該到達光と戻り反射板16との交点と、その戻り反射板16による反射光と撮像面との交点との距離をZとすると、距離Zは、入射光がL2である場合とL2'である場合から、撮像面での像の変位量axを用いて以下の(4),(5)式の2通りで表わされる。
【００２８】
Z＝(ax+K)・tan(aθ)          …(4)
Z＝ax・tan(45°+(aθ/2))      …(5)
これら(4),(5)式より、axは以下の(6)式のようにKとaθで表わされる。
【００２９】
ax＝K・tan(aθ)/(tan(45°+(θ/2))-tan(aθ))      …(6)
ここで、(6)式に(3)式を代入し、方向を合わせるために-1を乗じると、以下の(7)式が得られる。
【００３０】
ax＝(1+(1/tan(aθ))+(1/tan(90°-(aθ/2))))・tan(aθ)/(tan(45°+(θ/2))-tan(aθ))・X・(-1)      …(7)
ここで(7)式に対しaθの値を代入することで、撮像面におけるX方向の変位量axが以下のように求まる。
【００３１】
aθ＝60°のとき、ax＝X・(-1.87)
aθ＝45°のとき、ax＝X・(-1.71)
aθ＝30°のとき、ax＝X・(-1.5)
このように求められたaxの値は、上記図4(a)に示した光路計算結果、すなわち(1)式と一致する。なおこのとき、ay、byについては対象物10がY軸方向に移動していないので、ay＝by＝0である。また、bxについても光軸の経路(光路長)が変わらないので、bx＝0である。
【００３２】
一方、Y軸方向に分割された光L3についても、入射光L1に対して光L2と線対称の配置をなすと考えられるため、上記光L2の場合と同様の演算が可能である。すなわち、対象物10がY軸方向に距離Yだけ移動した場合、axを算出するための上記(7)式と同様に、bxの算出式が以下の(8)式として得られる。
【００３３】
by＝(1+(1/tan(bθ))+(1/tan(90°-(bθ/2))))・tan(bθ)/(tan(45°+(θ/2))-tan(bθ))・Y・(-1)      …(8)
ここで(8)式に対しbθ＝60°を代入することでbyが以下のように求まり、これは上記図4(b)に示した実験結果、すなわち(2)式と一致する。
【００３４】
by＝(-1.87)・Y
以上、(7),(8)式に示すように本実施形態では、対象物10に対する反射板14,15の装着角度にそれぞれ依存するaθ、bθの値によって、対象物10の変位に対する撮像面での変位の倍率である係数Pが決定される。(7),(8)式からも分かるように、対象物10の変位をより敏感に検知するには、aθ、bθの値をより90度に近づければ良い。
【００３５】
●変位量検出(3次元)
以上のように、対象物10がX軸方向のみ、もしくはY軸方向のみに動いた場合を例として、カメラ18の撮像面上での像の変位量から、対象物10のXもしくはY方向の動きが検出できる旨を説明した。本実施形態ではさらに、対象物10が3次元での複合的な動きをした場合においても、Z軸を含めた各軸方向への変位量、さらに各軸に対する回転量をも検出可能とすることを特徴とする。すなわち本実施形態における対象物10は、図6に示すように、各軸方向(X,Y,Z)及び各回転方向(Xθ,Yθ,Zθ)への変位が可能であり、以下ではaθ=bθ=60°として説明する。
【００３６】
なお、上述したように対象物10は地面からの支柱(不図示)によって支えられることで、空中に固定されている。対象物10における支柱の支持位置は、対象物10が水平を保つように配置されることが妥当であり、対象物10の重心位置を考慮した配置となることが考えられる。ここで単純に、対象物10が均一な組成からなり、図6に示すように厚み一定の正方形状を呈していれば、その4頂点や4辺、または対向する2頂点や2辺等に支持位置が設けられることが想定される。このような対象物10に対する支持位置の特性を考慮すれば、各軸に平行な回転中心(回転軸)は、対象物の中心を通過する軸となることが予想される。例えばZ軸に平行な回転中心でZθ回転する場合には、対象物10の中央が回転中心軸になる。したがって以下では、対象物10が1辺が2Rの正方形状であり、回転Zθの回転中心軸から各辺への距離がRであるとして説明する。
【００３７】
まず、対象物10がX軸方向にXだけ動いた場合における撮像面での変位量は、実験により上記(1)式のように求められる。Y軸方向にYだけ動いた場合も同様に、変位量が上記(2)式のように求められる。
【００３８】
対象物10がZ軸方向にZだけ動いた場合には、撮像面での像の変位量は、光路計算により以下の(9)式のように求められる。
【００３９】
ax＝Z・(-0.5)
ay＝0              …(9)
bx＝0
by＝Z・(-0.5)
ここで図7(a)に、この場合の対象物10の動きに対する撮像面での像の変位の実験例を示す。同図によれば、対象物10がZ軸方向に0.3mm移動した際に、撮像面(領域a)での像はX軸方向に0.15mm移動している。なおこの場合、不図示ではあるがY軸方向についても同様に、撮像面(領域b)での像はY軸方向に0.15mm移動する。この実験結果は、上記(9)式に一致する。
【００４０】
また、対象物10がX軸に平行な回転中心でXθ回転した場合、撮像面での像の変位量は光路計算により以下のように求められる。なお、Lは光源11から2軸反射板13までの距離である。
【００４１】
ax＝sin(Xθ)・L・(-0.15)
ay＝sin(Xθ)・L・(4.46)      …(10)
bx＝0
by＝sin(Xθ)・L・(0.65)
ここで図7(c)に、この場合の対象物10の動きに対する撮像面での像の変位の実験例を示す。同図によれば、対象物10がX軸回転中心でXθ=0.1°回転した際に、撮像面(領域a)での像はX軸方向に0.354mm、Y軸方向に10.487mm移動している。なお、同図の例ではL=1350mmである。この実験結果は、上記(10)式に一致する。
【００４２】
同様に、対象物10がY軸に平行な回転中心でYθ回転した場合、撮像面での像の変位量は光路計算により以下のように求められる。
【００４３】
ax＝sin(Yθ)・L・(-0.65)
ay＝0                        …(11)
bx＝sin(Yθ)・L・(-4.46)
by＝sin(Yθ)・L・(-0.15)
ここで図7(d)に、この場合の対象物10の動きに対する撮像面での像の変位の実験例を示す。同図によれば、対象物10がY軸回転中心でYθ=0.1°回転した際に、撮像面(領域a)での像はX軸方向に1.53mm移動している。この実験結果は、上記(11)式に一致する。
【００４４】
同様に、対象物10がZ軸に平行な回転中心でZθ回転した場合、撮像面での像の変位量は光路計算により以下のように求められる。なお、Rは対象物10における回転中心から各辺までの距離である。
【００４５】
ax＝sin(Zθ)・R・(-1.77)
ay＝sin(Zθ)・R・(0.037)      …(12)
bx＝sin(Zθ)・R・(-0.037)
by＝sin(Zθ)・R・(1.77)
ここで図7(b)に、この場合の対象物10の動きに対する撮像面での像の変位の実験例を示す。同図によれば、対象物10がZ軸回転中心でZθ=0.1°回転した際に、撮像面(領域a)での像はX軸方向に1.626mm、Y軸方向に0.04mm移動している。なお、同図の例ではR=525mmである。この実験結果は、上記(12)式に一致する。
【００４６】
対象物10が3次元での複合的な動きをする場合にも、撮像面での像の変位量ax、ay、bx、byとしてある値が検出される。その際、ax、ay、bx、byは、対象物10の変位に応じた上記(1),(2)式および(9)〜(12)式を合算することで、以下の(13)式のように算出される。
【００４７】
ax＝{X・(-1.87)}+{Z・(-0.5)}+{sin(Xθ)・L・(-0.15)}+{sin(Yθ)・L・(-0.65)}+{sin(Zθ)・R・(-1.77)}
ay＝{sin(Xθ)・L・(4.46)}+{sin(Zθ)・R・(0.037)}            …(13)
bx＝{sin(Yθ)・L・(-4.46)}+{sin(Zθ)・R・(-0.037)}
by＝{Y・(-1.87)}+{Z・(-0.5)}+{sin(Xθ)・L・(0.65)}+{sin(Yθ)・L・(-0.15)}+{sin(Zθ)・R・(1.77)}
なお、ここではaθ=bθ=60°の場合を例として説明したが、aθ、bθが他の値をとった場合でも各値の係数が変化するのみで、上記および以下の各式の一般性は失われない。
【００４８】
ここで回転角Xθ、Yθは、対象物10を固定する不図示の支柱のうち、X軸、Y軸に対して回転対象位置にある支柱が回転に同期して交互に伸び縮みするか、交互に曲げが生じるかによって発生しうる。実験やシミュレーション結果によれば発生する回転角Xθ、Yθは、他の4変数(X,Y,Z,Zθ)に比較して十分に小さいため、Xθ=Yθ=0とみなせる。よって上記(13)式は以下の(14)式と同等となり、撮像面での変位量ax、ay、bx、byは4変数(X,Y,Z,Zθ)で表現できる。
【００４９】
ax＝{X・(-1.87)}+{Z・(-0.5)}+{sin(Zθ)・R・(-1.77)}
ay＝{sin(Zθ)・R・(0.037)}                          …(14)
bx＝{sin(Zθ)・R・(-0.037)}
by＝{Y・(-1.87)}+{Z・(-0.5)}+{sin(Zθ)・R・(1.77)}
すなわち(14)式は、以下の行列式(15)で表わされる。
2014219328.tif 000003
さらに、この行列式(15)の両辺に逆行列を乗じて左辺と右辺を入れ替えることで、4変数(X,Y,Z,Zθ)を求めるための行列式(16)が得られる。
2014219328.tif 000004
すなわち上記(16)式によれば、カメラ18の撮像面上における像の変位量を検知することで、対象物10の3次元空間での移動量が検出される。具体的には、カメラ18から得られる信号を画像処理によって数値化することでax、ay、bx、byの値を取得し、PC等の演算装置(不図示)によって上記(16)式に基づく演算を行えば良い。
【００５０】
なお(16)式では、aθ=bθ=60°である場合の係数を含むが、aθ、bθが他の値をとった場合にも、該(16)式における4×4行列内の係数値が変わるのみであり、該係数値は事前に算出可能である。
【００５１】
以上説明したように本実施形態によれば、測定対象物の3次元方向での変位量、およびZ軸方向を回転中心とした回転による変位を、1つの測定装置で同時に、非接触にて測定することができる。
【００５２】
＜他の実施形態＞
以下、本発明における他の実施形態について説明する。
【００５３】
図8は、本発明における変位測定装置の他の構成例を示す図である。同図において、上述した図1と同様の構成には同一番号を付し、説明を省略する。すなわち図8の構成では、図1において対象物10を測定するための入射光の光軸方向に、さらに対象物25を並置することで、2個対象物の変位測定を行う。なお図中では省略しているが、対象物10,25は地面に接している支柱によってそれぞれ固定されている。
【００５４】
光源11からの出射光は、まず対象物25用の2軸反射板26で直角2方向に分割され、所定の角度をつけた反射板27,28で反射された後、戻り反射板16,17を介して撮像装置18(カメラ)に入射する。上述した実施形態では、対象物10用の2軸反射板13において、Y軸方向への分割のために全反射ミラーを用いる例を示したが、対象物25用の2軸反射板26ではハーフミラー用いる。これにより、2軸反射板26の入光面から入射光は、その上部にある、対象物10に装着された2軸反射板13に入射する。その後は上記実施形態と同様に、対象物10と対象物25のそれぞれによる反射光が、撮像装置18上に共に入射する。
【００５５】
図8に示す構成によって撮像装置18に入射した光は、撮像面上に図9に示す像を形成する。図9において、領域28,29はそれぞれ対象物10,25に対応し、各領域における像は独立に変位する。したがって、領域ごとに上記(16)式を用いて、対象物10,25の3次元での変位量を求めることができる。
【００５６】
また図10は、本発明における変位測定装置の他の構成例を示す図である。同図において、上述した図8と同様の構成には同一番号を付し、説明を省略する。すなわち図10の構成では、図8と同様に2個の対象物10,25の変位測定を行うが、その配置が異なる。
【００５７】
図10に示すような配置であっても、図8の場合と同様に、対象物10,25の3次元での変位量を求めることができる。ただしこの場合は、aθ,bθを小さくすることでZ方向の変位の最小分解能が向上する点が、上記実施形態とは異なる。さらに図10に示す構成例であれば、光源11およびカメラ18を最下部に設置する必要がないため、例えば作業用テーブルに対象物25を載置するのみで、スペースを有効利用することが可能となる。
【００５８】
また、本発明は、上述した実施形態の機能(例えば、上記の各部の処理を各工程に対応させたフローチャートにより示される処理)を実現するソフトウェアのプログラムコードを記録した記憶媒体を、システム或いは装置に供給することによっても実現できる。この場合、そのシステム或いは装置のコンピュータ(又はCPUやMPU)が、コンピュータが読み取り可能に記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し実行することにより、上述した実施形態の機能を実現する。
【図１】
2014219328.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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