(57)【要約】【課題】広角レンズ部と望遠レンズ部とを具備したカメラ、および、それを用いたカメラ付きロボットを提供する。【解決手段】カメラ５０は、広角レンズ（低倍率広角レンズ群１および高倍率広角レンズ群６）を有する第１レンズ部としての広角レンズ部と、前記広角レンズよりも高倍率の望遠レンズ（高倍率望遠レンズ群５）を有し撮影状態を制御可能な第２レンズ部としての望遠レンズ部２０と、撮影対象物２１からの入射光の光束の光軸１１を、広角レンズ部１０の光軸１３の方向と望遠レンズ部２０の光軸１２の方向とに分割するハーフミラー２と、広角レンズ部１０および望遠レンズ部２０を経た入射光を撮像する撮像素子１５，１６とを含み、望遠レンズ部２０の撮像素子１６の手前には、光軸１２が通過するレンズ４１を概光軸１２と直交するＸ−Ｙ方向に動かす駆動部としてのＸ−Ｙ駆動部４０を備えている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の倍率のレンズを有する第１レンズ部と、
前記第１レンズ部よりも高倍率のレンズを有し撮影状態を制御可能な第２レンズ部と、
撮影対象物からの入射光の光束の光軸を、前記第１レンズ部の光軸の方向と前記第２レンズ部の光軸の方向とに分割するビームスプリッターと、
前記第１レンズ部および前記第２レンズ部を経た前記入射光を撮像する撮像素子と、を含むことを特徴とするカメラ。
【請求項２】
請求項１に記載のカメラにおいて、
前記第２レンズ部は、前記第２レンズ部の光軸が通過するレンズを有し該レンズを前記第２レンズ部の光軸と直交する方向に動かすことが可能な駆動部を備えたことを特徴とするカメラ。
【請求項３】
請求項２に記載のカメラにおいて、
前記駆動部が前記第２レンズ部のレンズと前記撮像素子との間の前記第２レンズ部から出射された光の光軸に配置されたことを特徴とするカメラ。
【請求項４】
請求項２または３に記載のカメラにおいて、
前記駆動部のレンズが単レンズであることを特徴とするカメラ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のカメラにおいて、
前記撮像素子が、前記第１レンズ部および前記第２レンズ部の各々に配置されたことを特徴とするカメラ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載されたカメラと、
前記カメラにより取得した撮影対象物としての作業対象物の画像による距離および形状のうち少なくとも一方の情報に基づいて前記作業対象物に対して作業を実施するロボット部と、を備えたことを特徴とするカメラ付きロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラ、および、それを用いたカメラ付きロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
作業対象物のカメラ画像から距離や形状を計測する技術が、組み立てロボット、検査ロボット、移動ロボットなどの産業用ロボットのための視覚や、ＣＡＤ形状データの入力などの工業計測に利用されている。例えば、カメラ付きロボットに用いる画像認識用のカメラには、作業対象物を広角な視野で撮影するカメラ機能と、その広角カメラ機能により撮影された画像から、所望の部分を迅速かつ正確に探索して高倍率に拡大して撮影する望遠カメラ機能とを具備していることが要求される。
このようなカメラ付きロボットに適用可能な広角レンズ部と望遠レンズ部とを備えたカメラが、例えば特許文献１に紹介されている。
【０００３】
特許文献１に記載のカメラ（カメラ装置システム）は、広角な視野で撮影対象物を撮影する広角レンズ部（広角カメラ部）と、撮影対象物の一部視野を高倍率に拡大して撮影可能な望遠レンズ部（望遠カメラ部）とを有しており、これら２つのレンズ部により撮影対象物の広角撮影と望遠撮影とを同時に行い、望遠レンズ部に備わる焦点調整レンズ部（ズーム）やＸ−Ｙ駆動系（パン・チルト）などの撮影操作によって撮影方向と撮影倍率を制御し、広角レンズ部が撮像する全景内の所望の方向の一部を望遠撮影することが可能になっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２３８３２６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、特許文献１に記載のカメラでは、広角レンズ部と望遠レンズ部との２つの光軸を有しているので、広角レンズ部により撮影される撮影対象物の全景映像の所望の一部分を探索して望遠レンズ部により望遠撮影するためには、２つの光軸の位置関係を予めキャリブレーションしておく必要があったり、また、光軸の異なる広角映像から所望の一部分を探索するための複雑な制御が必要になったりするなどの課題があった。
また、例えば、特許文献１のカメラをロボットに搭載してカメラ付きロボットを構成した場合に、広角レンズ部の映像と望遠レンズ部の映像との画角が不一致となることにより、２つのレンズ部の画像の位置関係が錯綜して画像認識に誤差が生じることによってカメラ付きロボットが所望の作業を実行できない虞があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例にかかるカメラは、所定の倍率のレンズを有する第１レンズ部と、前記第１レンズ部よりも高倍率のレンズを有し撮影状態を制御可能な第２レンズ部と、撮影対象物からの入射光の光束の光軸を、前記第１レンズ部の光軸の方向と前記第２レンズ部の光軸の方向とに分割するビームスプリッターと、前記第１レンズ部および前記第２レンズ部を経た前記入射光を撮像する撮像素子と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
上記構成のカメラによれば、撮影対象物からの入射光の光束の光軸をビームスプリッターにより第１レンズ部の光軸の方向と第２レンズ部の光軸の方向とに二分割しているので、第１レンズ部の光軸と第２レンズ部の光軸とは実質的に一致している。これにより、第１レンズ部と第２レンズ部との視差が生じないので、視野の広い第１レンズ部（広角レンズ部）が撮影する撮影対象物の全景内の所望の一部分を、迅速、且つ、正確に探索して第２レンズ部（望遠レンズ部）により望遠撮影することができる。
【０００９】
［適用例２］上記適用例にかかるカメラにおいて、前記第２レンズ部は、前記第２レンズ部の光軸が通過するレンズを有し該レンズを前記第２レンズ部の光軸と直交する方向に動かすことが可能な駆動部を備えたことを特徴とする。
【００１０】
これによれば、第１レンズ部が撮影する撮影対象物の全景内の所望の一部分を、カメラの姿勢を変えることなく高倍率の第２レンズ部の視野に収めて望遠撮影することができる。
【００１１】
［適用例３］上記適用例にかかるカメラにおいて、前記駆動部が前記第２レンズ部のレンズと前記撮像素子との間の前記第２レンズ部から出射された光の光軸に配置されたことを特徴とする。
【００１２】
これによれば、少ない動力で駆動部を駆動させて撮影対象物の所望の部分を望遠撮影することができる。
【００１３】
［適用例４］上記適用例にかかるカメラにおいて、前記駆動部のレンズが単レンズであることを特徴とする。
【００１４】
これによれば、駆動部の小型・軽量化が図られるので、より少ない動力で駆動部を駆動させることができる。
【００１５】
［適用例５］上記適用例にかかるカメラにおいて、前記撮像素子が、前記第１レンズ部および前記第２レンズ部の各々に配置されたことを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、第１レンズ部および第２レンズ部による撮影対象物の撮像を同時に行うことができるので、より高速で高精度に第１レンズ部の全景内の所望の一部分の望遠撮影を第２レンズ部によって行うことができる。
【００１７】
［適用例６］本適用例にかかるカメラ付きロボットは、上記適用例のいずれかに記載されたカメラと、前記カメラにより取得した撮影対象物としての作業対象物の画像による距離および形状のうち少なくとも一方の情報に基づいて前記作業対象物に対して作業を実施するロボット部と、を備えたことを特徴とする。
【００１８】
これによれば、上記適用例のカメラを備えていることにより、作業対象物の形状や位置を高速、且つ、高精度に認識してロボット部の制御を行えるので、高性能なカメラ付きロボットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のカメラの光学系の一実施形態の概略構成を示すブロック図。
【図２】カメラの光学系の変形例の概略構成を示すブロック図。
【図３】本発明のカメラを用いたカメラ付きロボットの構成例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
〔カメラ〕
図１は、本発明におけるカメラの一実施形態の概略構成を示すブロック図である。
図１において、本実施形態のカメラ３０は、撮影対象物２１を広角な視野で撮影する第１レンズ部としての広角レンズ部１０と、広角レンズ部１０が有するレンズよりも高倍率なレンズを有し撮影対象物２１の一部視野を高倍率に拡大して撮影する制御が可能な第２レンズ部としての望遠レンズ部２０と、撮影対象物２１からの入射光の光束の光軸１１を広角レンズ部１０の光軸１３の方向と望遠レンズ部２０の光軸１２の方向とに分割するビームスプリッターとしてのハーフミラー２と、広角レンズ部１０および望遠レンズ部２０を経た撮影対象物２１からの入射光をそれぞれ撮像する撮像素子１５，１６とを備えている。
【００２２】
広角レンズ部１０は、撮影対象物２１から撮像素子１５への間の一光軸上に配置され、最低一つのレンズを含み、一般的には複数のレンズを含んでいる（図中、撮影対象物２１から撮像素子１５に延びる光軸には光軸１１および光軸１３の２つの符号が付されているが、これらは一つの光軸である）。
また、広角レンズ部１０は、撮影対象物２１側に配置された所定の倍率のレンズを有する低倍率広角レンズ群１と、その低倍率広角レンズ群１のレンズよりも高倍率のレンズを有し低倍率広角レンズ群１と撮像素子１５との間に配置された高倍率広角レンズ群６とを含む。
【００２３】
撮影対象物２１からの入射光の光軸１１は、ハーフミラー２により広角レンズ部１０の光軸１３の方向と望遠レンズ部２０の光軸１２の方向とに分割されている。本実施形態では、撮影対象物２１からの入射光（光軸１１）が入射される広角レンズ部１０の前段部位としての低倍率広角レンズ群１と後段部位としての高倍率広角レンズ群６との間にハーフミラーが配置され、光軸１１が、広角レンズ部１０の光軸１３の方向と望遠レンズ部２０の光軸１２の方向とに分割されている。
【００２４】
撮影対象物２１から広角レンズ部１０の低倍率広角レンズ群１に入射した入射光（光軸１１）は、一部がハーフミラー２を透過して直進し（光軸１３）、入射光の他の一部がハーフミラー２により反射されて望遠レンズ部２０の前段部位である焦点調整レンズ群３に入射する。
ハーフミラー２を透過して直進した入射光の一部（光軸１３）は、高倍率広角レンズ群６を経て広角レンズ部１０用の撮像素子１５に至る。
また、ハーフミラー２により反射された入射光の他の一部（光軸１２）は、焦点調整レンズ群３を経てミラー４により所定の方向に屈曲し、高倍率望遠レンズ群５を経て望遠レンズ部２０用の撮像素子１６に至る。
【００２５】
なお、望遠レンズ部２０の高倍率望遠レンズ群５は、ズームレンズ系とすることができる。
また、撮像素子１５，１６には、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサーや、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサーなどを用いることができる。
【００２６】
上記構成のカメラ３０によれば、撮影対象物２１からの一つの入射光の光束の光軸１１をハーフミラー２により広角レンズ部１０の光軸１３の方向と望遠レンズ部２０の光軸１２の方向とに二分割しているので、広角レンズ部１０の光軸１３と望遠レンズ部２０の光軸１２とは実質的に一致している。これにより、注視点（代表的には例えば画面中央）に対して広角レンズ部１０と望遠レンズ部２０との視差が生じず、複雑な制御を必要とすることなく、視野の広い広角レンズ部１０が撮影する撮影対象物２１の全景内の所望の一部分を、迅速、且つ、正確に探索して望遠レンズ部２０により望遠撮影することができる。
【００２７】
また、上記構成のカメラ３０では、広角レンズ部１０および望遠レンズ部２０の各々に撮像素子１５，１６が配置されている。
これにより、広角レンズ部１０および望遠レンズ部２０による撮影対象物２１の撮像を同時に行うことができるので、より高速、且つ、高精度に、広角レンズ部１０による撮影対象物２１の全景内の所望の一部分の望遠撮影を望遠レンズ部２０により行うことができる。
【００２８】
上記第１の実施形態で説明したカメラ３０は、以下の変形例として実施することも可能である。
【００２９】
以下、カメラの変形例について図面を参照して説明する。
（変形例）
図２は、カメラの光学系の変形例の概略構成を示すブロック図である。なお、上記実施形態との共通部分については同一符号を付して説明を省略し、上記実施形態と異なる構成を中心に説明する。
図２において、本変形例のカメラ５０の概略構成は、上記第１の実施形態のカメラ３０（図１を参照）とほとんど同じ構成となっている。即ち、カメラ５０は、広角レンズ部１０と、望遠レンズ部２０と、撮影対象物２１からの入射光の光軸１１を広角レンズ部１０の光軸１３の方向と望遠レンズ部２０の光軸１２の方向とに分割するハーフミラー２と、広角レンズ部１０および望遠レンズ部２０を経た撮影対象物２１からの入射光をそれぞれ撮像する撮像素子１５，１６とを備えている。
【００３０】
本変形例のカメラ５０の望遠レンズ部２０には、望遠レンズ部２０の光軸１２が通過するレンズ４１を光軸１２と直交するＸ−Ｙ方向に動かす駆動部としてのＸ−Ｙ駆動部４０が備えられている。さらに詳細には、レンズ４１を含むＸ−Ｙ駆動部４０は、第２レンズ部としての望遠レンズ部２０と撮像素子１６との間の望遠レンズ部２０から出射された光の光軸１２が通過するように配置されている。
【００３１】
本変形例のカメラ５０の構成によれば、望遠レンズ部２０に備えられたＸ−Ｙ駆動部４０により、広角レンズ部１０が撮影する撮影対象物２１の全景内の所望の一部分を、カメラ５０の姿勢を変えることなく高倍率の望遠レンズ部２０の視野に収めて望遠撮影することができる。
また、上記構成のように、カメラ５０の望遠レンズ部２０において、Ｘ−Ｙ駆動部４０が望遠レンズ部２０用の撮像素子１６の手前に配置されていることにより、少ない動力でＸ−Ｙ駆動部４０を駆動させて撮影対象物２１の所望の部分を望遠撮影することができる。
【００３２】
なお、本変形例のカメラ５０において、Ｘ−Ｙ駆動部４０のレンズ４１には、例えば凸レンズなどの単レンズが用いられている。これにより、Ｘ−Ｙ駆動部４０の小型・軽量化が図られるので、より少ない動力でＸ−Ｙ駆動部４０を駆動させることができる。
【００３３】
上記第１の実施形態および変形例のカメラ３０，５０は、作業対象物（撮影対象物）の形状や位置を認識するカメラと、そのカメラにより取得される作業対象物の撮像データに基づいて作業対象物に対して作業を実施するロボットとを含むカメラ付きロボットのカメラとして好適である。以下、上記第１の実施形態および変形例のカメラ３０，５０を用いたカメラ付きロボットの一実施形態について図面に沿って説明する。
【００３４】
（第２の実施形態）
〔カメラ付きロボット〕
図３は、カメラ付きロボット（カメラ付きロボットシステム）の構成例を示す説明図である。なお、本実施形態では、上記実施形態および変形例で説明したカメラ３０およびカメラ５０のうち、変形例のカメラ５０を搭載したカメラ付きロボットについて説明する。
図３において、カメラ付きロボット１００は、作業対象物としてのワークＷに対して作業を実施するロボット部１１０と、ワークＷの形状や位置を認識するカメラ５０と、ワークＷを載置する載置部７０と、制御部１５０とを備えている。
【００３５】
本実施形態では、ロボット部１１０に所謂多関節型ロボットを用いたカメラ付きロボット１００について説明する。ロボット部１１０は、ベース２５と、アーム１７Ａ，１７Ｂと、ロボットハンド１１９を含む手首部１１８と、それぞれを回動自在に支持する関節部である第１軸１１２、第２軸１１４、第３軸１１６とを有している。
ロボット部１１０を設置するベース２５は、第１回転軸１１１を備え、ベース２５より上方のロボット部１１０本体を設置面との鉛直軸を中心に回転させることができる。ベース２５には、第１軸１１２を介してアーム１７Ａが回動自在に取り付けられている。アーム１７Ａは、第２回転軸１１３を備え、アーム１７Ａ自身が軸方向に回転することができる。アーム１７Ａには、第２軸１１４を介してアーム１７Ｂが回動自在に取り付けられている。
【００３６】
アーム１７Ｂは、第３回転軸１１５を備え、アーム１７Ｂ自身が軸方向に回転することができる。アーム１７Ｂには、第３軸１１６を介して手首部１１８が回動自在に取り付けられている。
手首部１１８の先端にはロボットハンド１１９が設けられ、ワークＷに対して作業を実施できるようになっている。これらの第１〜第３軸１１２，１１４，１１６、第１〜第３回転軸１１１，１１３，１１５、およびロボットハンド１１９は、図示しないモーターや空圧機器等により操作される複数のアクチュエーター（不図示）の駆動により回動するように構成されている。複数のアクチュエーターは、制御部１５０からのケーブル８５を介して送られる制御信号に基づいて駆動される。
【００３７】
カメラ５０（図２を併せて参照のこと）は、ロボット部１１０の手首部１１８に設置されている。このカメラ５０により撮像されたワークＷを含む画像は、画像信号としてケーブル８６を介して制御部１５０に送られる。
【００３８】
制御部１５０は、画像処理装置１３０と、ロボット動作制御部４４と、光照射制御部４５と、コンピューター６０とを少なくとも有している。
光照射制御部４５は、ワークＷが載置される載置部７０に対して所定の周期で光を照射する光照射部４８を有している。光照射部４８は、ケーブル８７により光照射制御部４５に接続され、ワークＷに対して光を照射する周期等が制御される。
画像処理装置１３０は、画像入力部３２と、位置情報取得部３４とを少なくとも有し、ロボット部１１０のカメラ５０で撮像され画像入力部３２を介して入力されたワークＷを含む画像を処理してワークＷの形状や位置の情報を取得する。
位置情報取得部３４は、例えば、画像比較部３５と、点拡散関数算出部３６と、画像生成部３７と、位置算出部３９とを有し、種々の演算処理を行ってワークＷの形状や位置の情報を取得する。
コンピューター６０は、中央処理装置として機能し、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＨＤＤ、シーケンサー、およびロボットコントローラー等からなるハードウェア資源と、ＲＯＭやＨＤＤ等に記憶された種々のソフトウェアとを有機的に協働させることにより、ロボット部１１０、画像処理装置１３０、および光照射制御部４５等を総括的に制御する。
ロボット動作制御部４４は、コンピューター６０の指令に基づいて上述のロボット部１１０の動作を制御しワークＷに対して所定の作業を実施する。
【００３９】
カメラ付きロボット１００は、載置部７０に載置されたワークＷに対して所定の作業を実施する。本実施形態では、生産効率向上、および設備の汎用化や簡素化のためにワークＷの整列装置や位置決め装置を設けていないため、ワークＷは載置部７０上にランダムな姿勢で載置されるものと仮定する。このため、ロボット部１１０は、作業を実施するワークＷの位置や姿勢をワークＷ毎に検出する必要がある。したがって、カメラ付きロボット１００は、カメラ５０を用いて載置部７０に載置されるワークＷを撮像して位置検出を行う。
【００４０】
カメラ５０は、上記変形例で説明した構成を有している。即ち、図２に示すように、上記第１の実施形態のカメラ３０（図１を参照）とほとんど同じ構成となっている。即ち、カメラ５０は、広角レンズ部１０と、望遠レンズ部２０と、撮影対象物２１（図３においてワークＷを含む載置部７０）からの入射光の光軸１１を広角レンズ部１０の光軸１３の方向と望遠レンズ部２０の光軸１２の方向とに分割するハーフミラー２と、広角レンズ部１０および望遠レンズ部２０を経た撮影対象物２１（載置部７０）からの入射光をそれぞれ撮像する撮像素子１５，１６とを備え、さらに、望遠レンズ部２０の撮像素子１６の手前に、望遠レンズ部２０の光軸１２が通過するレンズ４１を光軸１２と直交するＸ−Ｙ方向に動かすＸ−Ｙ駆動部４０が備えられている。
これにより、広角レンズ部１０が撮影する撮影対象物２１の全景（ワークＷを含む載置部７０）内の所望の一部分（ワークＷ）を、カメラ５０の姿勢を変えることなく高倍率の望遠レンズ部２０の視野に収めて望遠撮影することができる。したがって、図３に示すカメラ付きロボット１００の載置部７０において、作業対象物であるワークＷの形状や位置を高速、且つ、高精度に認識してロボット部１１０の制御を行えることにより、高性能なカメラ付きロボット１００を提供することができる。このように、本発明のカメラ（上記第１の実施形態および変形例においてカメラ３０，５０）は、カメラ付きロボットなどに用いるマシンビジョンとして好適である。
【００４１】
以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態およびその変形例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
【００４２】
例えば、上記第１の実施形態および変形例では、広角レンズ部１０および望遠レンズ部２０の各々に撮像素子１５，１６が配置した。これに限らず、本発明のカメラにおいて撮像素子は一つであってもよい。
撮像素子を一つにする場合には、図１および図２において、例えば、広角レンズ部１０側の撮像素子１５をそのまま配置することとして、望遠レンズ部２０の光軸１２を、高倍率望遠レンズ群５を通過した後でビームスプリッターを用いて広角レンズ部の光軸１３と一致させればよい。
【００４３】
また、上記変形例のカメラ５０において、Ｘ−Ｙ駆動部４０のレンズ４１に例えば凸レンズなどの単レンズを用いた。これに限らず、レンズ４１は、例えば凸レンズと凹レンズとを貼り合わせた所謂複合レンズ等を用いることもできる。
【符号の説明】
【００４４】
１…低倍率広角レンズ群、２…ビームスプリッターとしてのハーフミラー、３…焦点調整レンズ群、４…ミラー、５…第２レンズ部としての望遠レンズ部の高倍率望遠レンズ群、６…第１レンズ部としての広角レンズ部の高倍率広角レンズ群、１０…第１レンズ部としての広角レンズ部、１１…入射光の光軸、１２…第２レンズ部としての望遠レンズ部を通過する光軸、１３…第１レンズ部としての広角レンズ部を通過する光軸、１５，１６…撮像素子、１７Ａ，１７Ｂ…アーム、２０…第２レンズ部としての望遠レンズ部、２１…撮影対象物、２５…ベース、３０，５０…カメラ、３２…画像入力部、３４…位置情報取得部、３５…画像比較部、３６…点拡散関数算出部、３７…画像生成部、３９…位置算出部、４０…駆動部としてのＸ−Ｙ駆動部、４１…レンズ、４４…ロボット動作制御部、４５…光照射制御部、４８…光照射部、６０…コンピューター、７０…載置部、８５，８６，８７…ケーブル、１００…カメラ付きロボット、１１０…ロボット部、１１１…第１回転軸、１１２…第１軸、１１３…第２回転軸、１１４…第２軸、１１５…第３回転軸、１１６…第３軸、１１８…手首部、１１９…ロボットハンド、１３０…画像処理装置、１５０…制御部、Ｗ…作業対象物としてのワーク。
【図１】
2013005425.tif 000003
【図２】
2013005425.tif 000004
【図３】
2013005425.tif 000005