(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光光軸と照明光を射出する光源とを有し、前記投光光軸を経て前記照明光を投射する投光光学系と、受光光軸と撮像素子とを有し、測定対象からの再帰反射光を前記受光光軸を経て撮像素子で受光する受光光学系と、前記撮像素子で撮像されたデータを処理する制御演算装置とを具備し、前記投光光学系は前記投光光軸を測定対象に向け前記照明光を投射し、前記受光光学系に対して高低方向、水平方向に相対回転可能な投光ユニットと、該投光ユニットを前記受光光学系に対して高低方向、水平方向に相対回転させ、前記照明光の投射角を変更する投射角変更手段と、前記受光光軸に対する前記投光光軸の方向角を検出する方向検出手段とを有し、
前記撮像素子として、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサが用いられ、該撮像素子は受光した前記再帰反射光について画素単位で受光光強度を検出し、受光像の重心位置を検出して受光位置を求め、前記制御演算装置は、求められた前記受光位置に基づき前記投射角変更手段を制御して前記投光ユニットの射出方向を制御することを特徴とする画像測定装置。
【請求項２】
前記制御演算装置は、撮像エリアの画像と共に測定対象に照射された照明光の画像として照射点を取得し、複数の撮像エリアの画像を前記照射点を基準として部分的に重合せ、繋ぎ合せる請求項１の画像測定装置。
【請求項３】
前記制御演算装置は、複数の撮像エリアの画像を部分的に重合せ、繋ぎ合せ、複数の撮像エリアの画像を重合せる基準が、撮像エリアの画像から抽出した特徴点である請求項１の画像測定装置。
【請求項４】
前記撮像素子が距離画像センサであり、前記測定対象の画像を取得すると共に前記測定対象を３次元で計測する請求項１から請求項３のいずれかの画像測定装置。
【請求項５】
前記光源は半導体レーザであり、該半導体レーザは閾値を超える駆動電流でレーザ発光し、前記半導体レーザを閾値以下又は閾値を超える駆動電流で発光させる様構成した請求項１から請求項４のいずれかの画像測定装置。
【請求項６】
前記方向検出手段は、前記照明光の一部を分割する光学部材と該光学部材に導かれた分割光を受光する４分割素子である請求項１から請求項４のいずれかの画像測定装置。
【請求項７】
前記方向検出手段は、前記照明光の一部を分割する光学部材と該光学部材に導かれた分割光を受光するプロファイルセンサである請求項１の画像測定装置。
【請求項８】
前記投光ユニットはフォーカス機能を有する請求項１の画像測定装置。
【請求項９】
前記投光ユニットは、前記照明光の光束を拡大する光束径拡大手段を有する請求項１の画像測定装置。
【請求項１０】
前記光束径拡大手段は、前記投光光軸に挿脱可能に設けられたディフューザである請求項９の画像測定装置。
【請求項１１】
前記受光光学系は受光倍率を拡大する変倍機能を有する請求項１の画像測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインドアレイアウト測定や、構造物の構築等の分野での測定に用いられる画像測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
所定の対象エリア内の測定又は測定対象の測定と、対象エリアの画像の取得又は測定対象の画像の取得及び測定結果と画像との関連付けを行うものに、画像トータルステーション、３Ｄイメージスキャナがある。
【０００３】
画像トータルステーションは専用の測距機能と測角機能を具備し、高い精度で撮像画像に測距、測角データの写込みが可能であるが、トータルステーションの構造が基本であり、鉛直回転軸や水平回転軸を有し、且つ鉛直回転軸及び水平回転軸の回転角を検出する角度検出器を必要とする等複雑であり、高価な装置となっていた。
【０００４】
又、３Ｄイメージスキャナは、瞬時にポイントの距離を測定できるが、パルスレーザ光線を発光する等の特別な光源を必要とし、更にトータルステーションと同様、鉛直回転軸や水平回転軸を必要とし、構造が複雑であり、又メンテナンス、校正が複雑であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００６−５０３２７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は斯かる実情に鑑み、簡単な構造で容易に対象エリア、又は測定対象の画像が取得できると共に対象エリアの測定が行える画像測定装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、投光光軸と照明光を射出する光源とを有し、前記投光光軸を経て前記照明光を投射する投光光学系と、受光光軸と撮像素子とを有し、測定対象からの再帰反射光を前記受光光軸を経て撮像素子で受光する受光光学系と、前記撮像素子で撮像されたデータを処理する制御演算装置とを具備し、前記投光光学系は前記投光光軸を測定対象に向け前記照明光を投射する投光ユニットと、該投光ユニットを高低方向、水平方向に回転し、前記照明光の投射角を変更する投射角変更手段と、前記受光光軸に対する前記投光光軸の方向角を検出する方向検出手段とを有する画像測定装置に係るものである。
【０００８】
又本発明は、前記制御演算装置は、撮像エリアの画像と共に測定対象に照射された照明光の画像として照射点を取得し、複数の撮像エリアの画像を前記照射点を基準として部分的に重合せ、繋ぎ合せる画像測定装置に係るものである。
【０００９】
又本発明は、前記制御演算装置は、複数の撮像エリアの画像を部分的に重合せ、繋ぎ合せ、複数の撮像エリアの画像を重合せる基準が、撮像エリアの画像から抽出した特徴点である画像測定装置に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記撮像素子が距離画像センサであり、前記測定対象の画像を取得すると共に前記測定対象を３次元で計測する画像測定装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記撮像素子は画素の集合体であり、前記投射角変更手段は画素のピッチに合わせて投光光軸の向きを変更する画像測定装置に係るものである。
【００１２】
又本発明は、前記光源は半導体レーザであり、該半導体レーザは閾値を超える駆動電流でレーザ発光し、前記半導体レーザを閾値以下又は閾値を超える駆動電流で発光させる様構成した画像測定装置に係るものである。
【００１３】
又本発明は、前記方向検出手段は、前記照明光の一部を分割する光学部材と該光学部材に導かれた分割光を受光する４分割素子である画像測定装置に係るものである。
【００１４】
又本発明は、前記方向検出手段は、前記照明光の一部を分割する光学部材と該光学部材に導かれた分割光を受光するプロファイルセンサである画像測定装置に係るものである。
【００１５】
又本発明は、前記投光ユニットはフォーカス機能を有する画像測定装置に係るものである。
【００１６】
又本発明は、前記投光ユニットは、前記照明光の光束を拡大する光束径拡大手段を有する画像測定装置に係るものである。
【００１７】
又本発明は、前記光束径拡大手段は、前記投光光軸に挿脱可能に設けられたディフューザである画像測定装置に係るものである。
【００１８】
又本発明は、前記受光光学系は受光倍率を拡大する変倍機能を有する画像測定装置に係るものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、投光光軸と照明光を射出する光源とを有し、前記投光光軸を経て前記照明光を投射する投光光学系と、受光光軸と撮像素子とを有し、測定対象からの再帰反射光を前記受光光軸を経て撮像素子で受光する受光光学系と、前記撮像素子で撮像されたデータを処理する制御演算装置とを具備し、前記投光光学系は前記投光光軸を測定対象に向け前記照明光を投射する投光ユニットと、該投光ユニットを高低方向、水平方向に回転し、前記照明光の投射角を変更する投射角変更手段と、前記受光光軸に対する前記投光光軸の方向角を検出する方向検出手段とを有するので、前記受光光学系で撮像する撮像エリア内の任意な点を照明光で照射でき、前記方向検出手段又は前記撮像素子上の照射点像の位置に基づき照射点の方向角を測定できる。
【００２０】
又本発明によれば、前記制御演算装置は、撮像エリアの画像と共に測定対象に照射された照明光の画像として照射点を取得し、複数の撮像エリアの画像を前記照射点を基準として部分的に重合せ、繋ぎ合せるので、撮像エリアの画像より広範囲に亘る測定が可能となる。
【００２１】
又本発明によれば、前記撮像素子が距離画像センサであり、前記測定対象の画像を取得すると共に前記測定対象を３次元で計測するので、３次元データ付画像を容易に取得することができる。
【００２２】
又本発明によれば、前記撮像素子は画素の集合体であり、前記投射角変更手段は画素のピッチに合わせて投光光軸の向きを変更するので、角度分解能を向上させることができる。
【００２３】
又本発明によれば、前記光源は半導体レーザであり、該半導体レーザは閾値を超える駆動電流でレーザ発光し、前記半導体レーザを閾値以下又は閾値を超える駆動電流で発光させる様構成したので、駆動電流を調整することで広範囲を照射する照明光として、又ピンポイントで照射する照明光として簡単に切替えが可能となる。
【００２４】
又本発明によれば、前記方向検出手段は、前記照明光の一部を分割する光学部材と該光学部材に導かれた分割光を受光する４分割素子であり、又前記方向検出手段は、前記照明光の一部を分割する光学部材と該光学部材に導かれた分割光を受光するプロファイルセンサであるので、４分割素子又はプロファイルセンサの検出結果に基づき照射点の方向角を測定できる。
【００２５】
又本発明によれば、前記投光ユニットはフォーカス機能を有するので、照射点をピンポイントで照射することができ、再帰反射光のＳ／Ｎを増大させることができる。
【００２６】
又本発明によれば、前記投光ユニットは、前記照明光の光束を拡大する光束径拡大手段を有するので、広範囲で照明光による照明が可能であり、測定対象の捕捉が容易になる。
【００２７】
又本発明によれば、前記光束径拡大手段は、前記投光光軸に挿脱可能に設けられたディフューザであるので、簡単に前記照明光の光束を拡大することができる。
【００２８】
又本発明によれば、前記受光光学系は受光倍率を拡大する変倍機能を有するので、角度分解能を更に向上させることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例に係る画像測定装置を示す概略構成図である。
【図２】該画像測定装置の投光光学系部分の背面図である。
【図３】（Ａ）は前記画像測定装置の要部を示し、投光光学系の第１の変更例を示す概略構成図、（Ｂ）は該投光光学系のプロファイルセンサを示す説明図である。
【図４】前記投光光学系の第２の変更例を示す概略構成図である。
【図５】前記投光光学系の第３の変更例を示す概略構成図である。
【図６】前記投光光学系の第４の変更例を示す概略構成図である。
【図７】（Ａ）は半導体レーザに通電した場合の電流値と発光状態を示すグラフ、（Ｂ）は半導体レーザに通電した場合の電流値が閾値以下と閾値を超える場合の発光強度、発光波長の関係を示すグラフである。
【図８】受光光学系に用いられる受光レンズで、変倍機能を有する構成の一例を示す説明図である。
【図９】受光光学系に於ける撮像素子と入射角との関係を示す説明図である。
【図１０】投光ユニット射出角を変更した場合の、前記撮像素子上での再帰反射光の受光位置の変化を示す説明図である。
【図１１】撮像エリアより広い範囲を測定する場合を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００３１】
図１は、本発明の第１の実施例に係る画像測定装置１を示している。
【００３２】
該画像測定装置１は、主に、測定装置本体２、整準部３、回動機構部４から構成される。前記整準部３上に前記回動機構部４が設けられ、該回動機構部４に回転軸９を介して前記測定装置本体２が設けられている。前記整準部３は、前記回動機構部４を介して前記測定装置本体２を水平姿勢に整準する整準機能を有し、前記回動機構部４は、前記測定装置本体２を水平方向に回動する機能を有する。
【００３３】
前記測定装置本体２は投光光学系５、受光光学系６、制御演算装置７、筐体８を具備し、該筐体８には前記投光光学系５、前記受光光学系６、前記制御演算装置７が収納される。
【００３４】
前記受光光学系６は鏡筒１１を含み、該鏡筒１１の内部に、受光レンズ１２、該受光レンズ１２の略焦点位置に設置された撮像素子１３及び該撮像素子１３が実装されたプリント基板１４が収納されている。前記受光レンズ１２は受光光軸１５上に配設され、又該受光光軸１５は水平に延出し、前記撮像素子１３の中心を通過している。
【００３５】
尚、前記受光レンズ１２は、光学系を構成するレンズ群を模式的に表している。又、前記撮像素子１３はＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等多数の画素で構成されたものであり、各画素は前記受光光軸１５通過点を原点として座標位置が特定され、又個々に受光信号を発すると共に発せられる受光信号と座標位置とは関連付けられている。
【００３６】
前記受光レンズ１２には測定対象からの再帰反射光２９′が入射し、該再帰反射光２９′は前記撮像素子１３上に結像する様になっている。
【００３７】
前記投光光学系５について説明する。
【００３８】
前記投光光学系５は前記鏡筒１１と連結された２股フレーム１６を有し、該２股フレーム１６に水平回転軸１７が回転自在に設けられ、該水平回転軸１７に高低回転フレーム１８が前記水平回転軸１７と一体に回転する様に固着されている。該水平回転軸１７は、水平であり、且つ前記受光光軸１５と直角の方向に延出し、該受光光軸１５と前記水平回転軸１７の軸心との距離は既知となっている。
【００３９】
図２に示される様に、前記水平回転軸１７の一端には高低モータ１９が設けられ、該高低モータ１９には高低角検出器、例えば高低角エンコーダ２１が設けられている。前記高低回転フレーム１８は前記水平回転軸１７を介して前記高低モータ１９によって傾動され、又該高低モータ１９の傾き角は前記高低角エンコーダ２１によって検出される様になっている。
【００４０】
又、前記高低角エンコーダ２１による前記高低回転フレーム１８の回転範囲、水平モータ２３による投光ユニット２５の回転範囲は、即ち照明光２９の回転範囲が前記受光光学系６の画角と同等、或は画角以上となる様に設定される。
【００４１】
尚、前記高低角エンコーダ２１、水平角エンコーダ２４（後述）は、それぞれ基準点としての０°を有しており、前記照明光２９の再帰反射光２９′が前記撮像素子１３の中心で受光される位置が、前記高低角エンコーダ２１、前記水平角エンコーダ２４の０°となっている。又、前記高低角エンコーダ２１、前記水平角エンコーダ２４は、方向検出手段を構成している。該方向検出手段は前記照明光２９の射出方向を検出すると共に前記受光光軸１５と投光光軸２６との関係を検出する。
【００４２】
前記高低回転フレーム１８は上端、下端にそれぞれ水平突出部を有するかすがい形状となっており、上下水平突出部を貫通する鉛直回転軸２２が回転自在に設けられる。該鉛直回転軸２２の上端には前記水平モータ２３が設けられ、該水平モータ２３には水平角検出器、例えば水平角エンコーダ２４が設けられている。前記鉛直回転軸２２は、基準位置（前記投光光軸２６と前記受光光軸１５とが平行な位置）で鉛直方向に延出し、且つ前記水平回転軸１７とは直角となっている。
【００４３】
前記鉛直回転軸２２には前記投光ユニット２５が固着され、該投光ユニット２５は前記鉛直回転軸２２と一体に回転し、前記投光ユニット２５は前記鉛直回転軸２２を介し、前記水平モータ２３によって回転され、前記投光ユニット２５の回転量、即ち水平角は前記水平角エンコーダ２４によって検出される様になっている。
【００４４】
前記投光ユニット２５は、前記投光光軸２６を有し、該投光光軸２６上に光源２７、投光レンズ２８が配置されている。前記投光光軸２６は、可視光、或は不可視光の照明光２９を発する。又、前記投光レンズ２８は、投光光学系を構成するレンズ群を模式的に表している。尚、投光光学系５に焦点合せ機構を設けてもよい。
【００４５】
次に、前記制御演算装置７について説明する。
【００４６】
該制御演算装置７は、主に、演算処理部（ＣＰＵ）３１、光源コントローラ３２、モータコントローラ３３、記憶部３４、操作部３５、表示部３６を具備している。
【００４７】
前記光源コントローラ３２は前記光源２７を所要のタイミングで発光させ、前記モータコントローラ３３は前記高低モータ１９、前記水平モータ２３を所要のタイミングで駆動する。前記光源コントローラ３２及び前記光源２７は、発光手段を構成し、前記高低モータ１９、前記水平モータ２３、前記モータコントローラ３３は投射角変更手段を構成する。
【００４８】
前記記憶部３４には、半導体記憶装置、各種メモリカード、ＨＤＤ等の投光光学系５の記憶装置が用いられ、前記記憶部３４はプログラム格納領域、データ格納領域を有する。
【００４９】
前記プログラム格納領域には前記画像測定装置１の作動、測距に必要な各種プログラムが格納されている。
【００５０】
該各種プログラムには、前記光源コントローラ３２の発光タイミング、前記撮像素子１３の受光タイミング等のタイミングを制御するタイミング制御プログラム、前記撮像素子１３上での前記再帰反射光２９′の受光位置を受光画素の位置から判断し、前記照明光２９の発光タイミングと前記撮像素子１３の前記再帰反射光２９′を受光したタイミングとの時間の偏差で測定点迄の測距を行い、又前記撮像素子１３の前記再帰反射光２９′の受光位置を受光画素の位置から判断し、測定点の水平角、高低角を測定し、更に測距、測角の結果に基づき測定点の３Ｄ計測を行う測定プログラム、前記操作部３５からの指令に基づき、又前記高低角エンコーダ２１、水平角エンコーダ２４の測距結果に基づき前記照明光２９の照射方向を制御する投光制御プログラム、前記操作部３５から入力された信号を指令信号に変換する信号変換プログラム、測定対象エリアの画像、測定状態、測定対象エリア内に於ける測定点等を前記表示部３６に表示させる為の表示プログラム、測定対象エリアが前記受光光学系６で得られる撮像エリア（単一の画像）より広い場合は、前記受光光学系６で取得する複数の撮像画像を合成し、広範囲の撮像エリアを含む画像とする画像合成プログラム等が含まれる。
【００５１】
又、前記データ格納領域には、前記撮像素子１３で取得した撮像エリア（受光光学系が有する画角で決定されるエリア）の画像データが格納され、測定点の測距データ、測角データ、３Ｄデータが、座標位置に関連付けられて格納される。
【００５２】
前記操作部３５は、作業者が作業を実行するに必要な情報を入力し、又作業を実行させる為の指令を入力する。
【００５３】
前記表示部３６には、前記受光光学系６で取得された画像、該画像中で測定点を示すカーソル、或は測定条件等の各種情報が表示され、又前記表示部３６をタッチパネルとし、該表示部３６より測定点の指定、作業者が作業を実行するに必要な情報の入力、又作業を実行させる為の指令が入力できる様にしてもよい。
【００５４】
以下、第１の実施例の作用について説明する。
【００５５】
前記画像測定装置１を室内の所定位置、例えば、中央に設置する。前記整準部３により、前記測定装置本体２を整準し、該測定装置本体２を整準した状態で、前記回動機構部４により前記測定装置本体２を所定の向きに回転させ位置決めする。
【００５６】
前記受光光学系６により対象エリアを撮像し、撮像された対象エリアは前記表示部３６に表示される。表示された対象エリア内で測定点を決定し、前記操作部３５により測定点を指定する。前記光源コントローラ３２により前記光源２７が駆動され、前記照明光２９がパルス光として射出される。
【００５７】
測定点が指定されることで、前記演算処理部３１により、前記投光光学系５から発せられる前記照明光２９が測定点に照射される様に、前記高低モータ１９、前記水平モータ２３が駆動制御される。又、測定点からの前記照明光２９の反射光（再帰反射光２９′）は、前記受光レンズ１２を介して前記撮像素子１３に受光され、該撮像素子１３の受光信号は前記演算処理部３１に入力され、信号処理されると共に受光位置が演算され、演算結果は画像として前記表示部３６に表示される。従って、該表示部３６には前記対象エリアの画像に前記照射点（照射点の画像）が重合して表示される。
【００５８】
又、前記投光光学系５が焦点合せ機構を具備する場合は、前記照明光２９が測定点で集光する様に、焦点合せ機構を作動させる。前記照明光２９を測定点に集光させることで、測定点からの再帰反射光２９′の光強度が向上し、Ｓ／Ｎが増大し、測定精度が向上する。更に、焦点合せの状態は、前記表示部３６に表示された状態で確認する。又、前記照明光２９が可視光の場合は、目視で焦点合せの状態を確認する様にしてもよい。
【００５９】
測定点が設定され、該測定点に照明光２９が射出されると、再帰反射光２９′が検出され、前記照明光２９の発光タイミングと前記再帰反射光２９′の受光タイミングとの時間差で前記測定点迄の距離が測定される。又、前記再帰反射光２９′の前記撮像素子１３上での受光位置から、前記受光光軸１５を基準とした高低角、水平角が求められる。更に、前記演算処理部３１によって前記測定点の測距結果、高低角、水平角に基づき、前記撮像素子１３の中心を原点とする３次元データが演算される。
【００６０】
尚、測定点の設定は、前記表示部３６上で設定してもよく、或は前記照明光２９が可視光の場合は、作業者が前記照明光２９の照射位置を視認して決定してもよい。
【００６１】
上記測定作動に於いて、受光系は固定で、前記投光ユニット２５（即ち、前記投光光軸２６）のみ回転させればよく、回転部分は前記投光ユニット２５のみであり、軽量で構造を簡単にすることができる。又、照射点の位置は、前記撮像素子１３の受光結果から測定されるので、前記投光ユニット２５の駆動は高精度を要求されない。
【００６２】
而して、対象エリアの画像を取得できると共に対象エリア内の任意の点について、任意の箇所について簡単に３Ｄ測定を行うことができる。更に、測定点の画像を対象エリアの画像に重合させた画像を保存することで、測定の状況或は測定点の確認作業が容易となる。
【００６３】
更に、前記照明光２９をパルス発光させつつ、前記高低モータ１９、前記水平モータ２３を制御し、前記照明光２９を水平方向、及び鉛直方向に所定の速度で走査することで、測定対象の全エリアについて３Ｄデータを取得することが可能となる。
【００６４】
図３は、前記投光光学系５の第１の変更例を示している。
【００６５】
上記第１の実施例では、方向検出手段が高低角エンコーダ２１、水平角エンコーダ２４によって構成されたが、第１の変更例ではプロファイルセンサ４３によって方向検出手段が構成される。
【００６６】
図３中、図１中で示したものと同等のものには同符号を付してある。
【００６７】
前記投光光軸２６上で、前記投光レンズ２８より測定対象側の位置に光束分割部材としてのハーフミラー４１が配設され、該ハーフミラー４１によって分割された光軸上に偏向部材としてのミラー４２が配設される。前記投光レンズ２８を透過した照明光２９が前記ハーフミラー４１で分割され、分割された一部光２９ａが前記ミラー４２で反射される。該ミラー４２で反射された前記一部光２９ａは前記投光光軸２６と平行となっている。
【００６８】
２股フレーム１６の前記ミラー４２と対向した位置にプロファイルセンサ４３が設けられる。又、前記投光光軸２６の基準位置で、前記一部光２９ａは前記プロファイルセンサ４３に垂直に入射する。
【００６９】
該プロファイルセンサ４３は、図３（Ｂ）に示される様に、受光面が直交する２直線で４分割された受光センサ（４分割素子）であり、且つ分割部の受光量を比較し、各分割部の受光量が等しくなった状態で、光束の中心と受光面の中心とが一致したと判断するものである。第１の変更例では、光束の中心と受光面の中心とが一致した状態が前記投光ユニット２５の基準位置と判断される。
【００７０】
前記投光光軸２６の水平角、高低角は、前記プロファイルセンサ４３の中心に対する前記一部光２９ａの変位量に１：１に対応し、前記プロファイルセンサ４３で前記一部光２９ａの受光位置を検出することで前記投光光軸２６の射出方向が検出できる。而して、前記ハーフミラー４１、前記ミラー４２、前記プロファイルセンサ４３は、方向検出手段を構成する。尚、プロファイルセンサ４３としては、２次元ＣＣＤプロファイルセンサ或は２次元ＣＭＯＳプロファイルセンサ等が用いられる。
【００７１】
図４は、前記投光光学系５の第２の変更例を示している。
【００７２】
上記第１の変更例では、方向検出手段が前記ハーフミラー４１、前記ミラー４２、前記プロファイルセンサ４３によって構成されたが、第２の変更例では、一部光２９ａの位置を検出するセンサとして、アブソリュートパターン４４、受光素子４５が用いられている。
【００７３】
図４中、図３中で示されたものと同等のものには同符号を付してある。
【００７４】
第１の変更例と同様に、前記ハーフミラー４１、前記ミラー４２によって照明光２９の一部が分割され、分割された光は一部光２９ａとして受光素子４５に垂直に入射される。
【００７５】
前記ミラー４２で反射された前記一部光２９ａの光路上に前記アブソリュートパターン４４が設けられ、前記一部光２９ａは前記アブソリュートパターン４４を透過して前記受光素子４５に受光される。従って、該受光素子４５は前記一部光２９ａが透過した部分の前記アブソリュートパターン４４の像を検出し、前記一部光２９ａの位置を検出する。
【００７６】
前記受光素子４５は受光したパターンにより基準位置からの前記一部光２９ａの偏差を検出し、又偏差は前記投光光軸２６の高低角、水平角と１：１に対応しているので、前記受光素子４５の検出結果に基づき前記投光光軸２６の高低角、水平角を検出することができる。
【００７７】
図５は、前記投光光学系５の第３の変更例を示している。
【００７８】
該第３の変更例では、前記投光ユニット２５に光束径拡大手段を設けたものである。
【００７９】
第３の変更例では、光束径拡大手段として前記投光レンズ２８の位置を光軸方向に移動する位置可変機構を設けたものである。前記投光レンズ２８の位置を変更することで前記照明光２９の光束が拡大し、広範囲を照射することができる。尚、前記投光レンズ２８を液体レンズとして該投光レンズ２８の焦点距離を変更することで、照明光２９の広がり角を変更する様にしてもよい。
【００８０】
従って、前記照明光２９の光束を拡げ、先ず照明範囲を広くした状態で測定対象の概要を捉え、次に測定点での照明光の輝度が増大する様に前記照明光２９を集光させる。
【００８１】
図６は、前記投光光学系５の第４の変更例を示している。
【００８２】
第４の変更例では、光束径拡大手段としてディフューザ４６を前記投光レンズ２８の測定対象側に設けたものであり、又前記ディフューザ４６を前記投光光軸２６に対して挿脱可能としたものである。
【００８３】
前記ディフューザ４６を前記投光光軸２６に挿入した状態で、前記照明光２９を照射することで該照明光２９の光束は前記ディフューザ４６で拡大され、測定対象を広範囲で照射し、前記ディフューザ４６を取除くことで、前記照明光２９は集光された状態で測定対象を照射する。
【００８４】
前記投光光学系５の第５の変更例として、前記光源２７を半導体レーザとして、該光源２７に通電する電流値を制御し、前記光源２７から発せられる光の光束の拡縮を行う様にしたものである。
【００８５】
図７（Ａ）（Ｂ）に示される様に、半導体レーザは、該半導体レーザに通電する電流が閾値を超えるとレーザを発振することが知られている。従って、測定対象を広範囲で照射する場合は、前記光源２７に閾値以下の電流を通電して光を自然放出させ、測定点を局部的に照射する場合、或は測定を実行する場合は、閾値を超える電流を前記光源２７に通電してレーザ光を照射させる様にする。
【００８６】
次に、前記受光光学系６の第１の変更例を説明する。
【００８７】
第１の変更例では、受光レンズ１２に変倍機能を付加したものである。
【００８８】
図８は、変倍機能を有する受光レンズ１２の一例を示している。図８中、４８ａ，４８ｂは前記受光光軸１５に沿って一体に移動するフォーカシングレンズであり、４９は前記フォーカシングレンズ４８ａ，４８ｂの間に固定的に設けられた凹レンズ、５０は前記フォーカシングレンズ４８ｂと撮像素子１３との間に設けられたリレーレンズである。
【００８９】
前記フォーカシングレンズ４８ａ，４８ｂを移動させることで前記撮像素子１３に結像される像を拡大、縮小させることができる。
【００９０】
前記受光光学系６に変倍機能を設けることで、測定対象像を拡大し、撮像の分解能を向上させることができる。
【００９１】
前記投光光学系５による前記照明光２９の水平及び鉛直の振り角は、前記撮像素子１３の画素ピッチに対応する分解能となっている。即ち、前記高低モータ１９による高低回転フレーム１８の回転、前記水平モータ２３による前記投光ユニット２５の回転は、それぞれ前記投光光軸２６の角度（水平角及び高低角）を前記撮像素子１３の画素ピッチで回転させることができる角度分解能を有する構造となっている（図１参照）。
【００９２】
従って、前記受光光学系６により倍率を増大させると、測定対象像に対する１画素ピッチの角度が相対的に小さくなり、前記投光光学系５の角度分解能が向上する。
【００９３】
図９は、撮像素子１３を受光レンズ１２の焦点位置に配置した場合の、角度分解能を表している。対象物体に対する角度測定の分解能は、ａｒｃＴＡＮ（画素ピッチｐ／受光レンズ１２の焦点距離ｆ）で求められる。従って、撮像素子１３の画素数（即ち画素ピッチ）と、受光レンズ１２の焦点距離の組合わせを適宜選択することで、所望の角度分解能を得ることができる。
【００９４】
尚、前記撮像素子１３として、ＣＣＤ或はＣＭＯＳセンサを用いることで、構成する画素１３ａ単位で受光光強度を検出することができる。従って、前記撮像素子１３に結像する光束の径が、画素ピッチより大きい場合でも、画素からの信号に基づき前記再帰反射光２９′の受光像の重心位置を検出することで、画素単位の解像度で前記再帰反射光２９′の受光位置を検出することができる。
【００９５】
又、前記撮像素子１３の前記再帰反射光２９′の受光位置の検出結果を前記投光ユニット２５の駆動部制御にフィードバックすることで、前記投光ユニット２５の射出方向の分解能を画素単位迄向上させることができる。
【００９６】
図１０は、前記投光ユニット２５の高低角又は水平角を変更し、前記照明光２９の射出方向を変更した場合の、前記撮像素子１３上での前記再帰反射光２９′の受光位置の変化を説明する。尚、図１０は高低角を変更した場合を示している。
【００９７】
図１０によれば、前記投光ユニット２５の角度変位を制御することで、前記撮像素子１３上での受光位置を画素ピッチ毎に変位させることができ、前記受光レンズ１２の変倍機能を用いて受光倍率を増大することで、拡大した受光像上での位置変位を相対的に小さくすることができ、その結果角度分解能を向上させることができる。
【００９８】
更に、図１に示す画像測定装置１に於いて、前記投光光学系５に図５で示される第３の変更例或は、図６で示される第４の変更例、或は図７で示される第５の変更例を適用し、前記照明光２９の光束の拡縮を行い、更に図８で例示された変倍光学系を前記受光光学系６に適用し、受光倍率を増大、縮小することができる。
【００９９】
前記投光光学系５の変更例の適用により、前記照明光２９により広範囲を照明でき、容易に測定対象を捉えることができ、捉えた後は前記照明光２９の光束を収縮させ、高輝度の照明光２９で測定点を照射することができ、測定点からの再帰反射光２９′のＳ／Ｎを向上させることができる。更に、前記受光光学系６の受光倍率を増大することで、角度分解能を向上させることができる。而して、作業の容易性、作業性の向上を図りつつ測定精度を向上させることができる。
【０１００】
次に、上記実施例に於ける、撮像素子１３に距離画像素子を用いた場合の第２の実施例を、図１、図５、図６及び図８を参照して説明する。
【０１０１】
ここで、距離画像素子は多数の画素によって構成され、測定対象を撮像可能であると共に測定対象に照射した光が反射して距離画像素子に受光される迄の時間を各画素毎に測定し、３次元距離画像をリアルタイムに取得することができるものである。
【０１０２】
第２の実施例では投光光学系５として、照明光２９の光束を拡縮できる機能を有し（図５、図６参照）、又、受光光学系６として受光倍率を増大、縮小可能な機能を有する（図８参照）。
【０１０３】
先ず、前記投光光学系５の光束径拡大手段により照明光２９の光束を拡大し、広範囲で照射し、測定対象をできるだけ容易に捕捉できる様にする。測定対象が捕捉できたら、前記照明光２９の光束を絞り、測定対象の所要点に限定してピンポイントに照射する。
【０１０４】
前記所要点からの再帰反射光２９′が距離画像素子である前記撮像素子１３に入射し、該撮像素子１３の各画素毎に測定対象の所要点迄の距離が測定される。又、前記撮像素子１３上での画素の位置から、高低角、水平角が測定される。従って、前記所要点を３次元で計測することができる。
【０１０５】
本実施例に於いても、容易に測定対象の捕捉、測定点の選定が容易に行え、更にＳ／Ｎを高くして高精度での３次元計測を行うことができる。
【０１０６】
又、測定精度を高めた状態で、広範囲を測定する場合について説明する。
【０１０７】
受光倍率を増大することで、角度測定の分解能が高まり精度が向上するが、一方で画角が小さくなり、前記受光光学系６での撮像エリアが狭まり、測定範囲も狭まる。
【０１０８】
撮像エリアより広い対象エリアが設定された場合は、対象エリアに撮像エリアを、パッチワークの様にして嵌込むことで測定範囲を拡大する。
【０１０９】
図１１は、隣接する撮像エリア画像５１，５１を位置合せしつつ、繋ぎ合せ、対象エリア５２に嵌込む様子を示している。
【０１１０】
前記撮像エリア画像５１を繋ぎ合せる方法の１つとして、隣接する撮像エリア画像５１，５１を水平方向で重合せ部５１ａだけ重合せて繋ぎ合せ、又上下方向で重合せ部５１ｂだけ重合せて繋ぎ合せる。重合せ部５１ａ，５１ｂを利用して隣接する撮像エリア画像５１，５１の位置合せを行い、隣接する撮像エリア画像５１の連続性を確保する。
【０１１１】
又、重合せ部５１ａ，５１ｂを利用して隣接する撮像エリア画像５１，５１の位置合せを行う場合、測定対象に照明光２９をピンポイントで照射し、前記照明光２９で照射された照射点５３を基準点として用いることができる。例えば、前記照明光２９の照射点の位置を変えない様に、前記受光光学系６の撮像エリアを移動することで（即ち、前記投光光軸２６を前記受光光軸１５の移動方向と逆方向に移動させることで）、照射点を隣接する撮像エリア画像５１の共通点とすることができ、又、照射点の各撮像エリア画像５１中の座標は前記撮像素子１３からの受光信号で直ちに特定でき、得られる座標値に基づき隣接する画像を合成することで、画像処理をすることなく、隣接する撮像エリア画像５１の繋ぎ合せを行うことができる。
【０１１２】
又、ピンポイントで複数点を照射し、照射した点を画像処理により特徴点として抽出し、抽出した特徴点に基づき隣接する撮像エリア画像５１，５１を重合せてもよい。この場合は各撮像エリア画像５１，５１に有効な特徴点が見つかった段階で照明光２９の光束をフォーカスし、得られた照射点を基準点として設定することが有効である。
【符号の説明】
【０１１３】
１              画像測定装置
２              測定装置本体
３              整準部
４              回動機構部
５              投光光学系
６              受光光学系
７              制御演算装置
９              回転軸
１２            受光レンズ
１３            撮像素子
１５            受光光軸
１９            高低モータ
２１            高低角エンコーダ
２３            水平モータ
２４            水平角エンコーダ
２５            投光ユニット
２６            投光光軸
２７            光源
２８            投光レンズ
２９            照明光
２９′          再帰反射光
３１            演算処理部
３２            光源コントローラ
３３            モータコントローラ
３４            記憶部
３５            操作部
３６            表示部
４１            ハーフミラー
４２            ミラー
４３            プロファイルセンサ
４４            アブソリュートパターン
４５            受光素子
４６            ディフューザ
５１            撮像エリア画像
５２            対象エリア
【図１】
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【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】
0006009753.tif 000009
【図９】
0006009753.tif 000010
【図１０】
0006009753.tif 000011
【図１１】
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