(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、
前記濃度パターンマスクとして、Ｘ軸方向に複数の領域に分割され各領域に濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第１の濃度パターンマスクと、Ｘ軸方向に複数の領域に分割され各領域に前記第１の濃度パターンマスクとは逆の濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第２の濃度パターンマスクと、前記第１及び第２の濃度パターンマスクと濃度反転部が重畳することのない第３、第４の濃度パターンマスクとを有し、
前記第１及び第２の濃度パターンマスクを用いて前記被測定物に光を照射した後、前記第３及び第４の濃度パターンマスクを用いて前記被測定物に光を照射することを特徴とする位置計測装置。
【請求項２】
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、
前記濃度パターンマスクとして、Ｘ軸方向に複数の領域に分割され各領域に濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第１の濃度パターンマスクと、前記第１の濃度パターンマスクとは異なる複数の領域に分割され各領域に濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第２の濃度パターンマスクと、前記第１及び第２の濃度パターンマスクとは逆の濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第３及び第４の濃度パターンマスクと、を有し、
前記第１乃至第４の濃度パターンマスクを切り替えて用いることを特徴とする位置計測装置。
【請求項３】
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、
前記濃度パターンマスクとして、Ｘ軸方向に複数の領域に分割され各領域に濃度傾斜を持つ濃度パターンが複数形成された第１の濃度パターンマスクと、前記第１の濃度パターンマスクとは逆の濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第２の濃度パターンマスクと、を有し、前記第１及び第２の濃度パターンマスクを切り替えて用いることを特徴とする位置計測装置。
【請求項４】
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、
前記濃度パターンマスクとして、異なった分光スペクトラム特性を持つ複数の濃度パターンマスクを有し、そのスペクトラム特性と画像入力装置の持つ複数の色フィルターの分光スペクトラム特性を同一として計測を行うことを特徴とする位置計測装置。
【請求項５】
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、
前記濃度パターンマスクとして、Ｘ軸方向に複数に分割され、夫々の濃度パターン繰り返し数が２n倍となるような構成を採る第１の濃度パターンマスクと、前記第１の濃度パターンマスクとは逆の濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第２の濃度パターンマスクと、を有することを特徴とする位置計測装置。
【請求項６】
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、
前記濃度パターンマスクとして、異なったスペクトラム特性を持ち、且つ夫々の濃度パターン繰り返し数が２n倍となるような構成を採る濃度パターンマスクを有し、そのスペクトラム特性と画像入力装置の持つ複数の色フィルターの分光スペクトラム特性を同一として計測を行うことを特徴とする位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元の位置計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
これまで機械装置の振動等に関わる３次元計測は、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸毎に異なるセンサーを配し、それからの出力を用いて処理、評価を行うのが常であった。
強度比法は、被測定物を含む対象空間に濃度分布を有する２次元画像を投影し、そのパターンが照射された空間を、画像入力装置を用いて撮影し、それを基に３次元情報を得る方式である。
領域分割強度比法は、従来の単一領域を用いる強度比法の弱点であるＺ軸方向の感度を向上すべく提案されたものである。強度比法においては、Ｘ軸方向に対し１方向にのみ逆の濃度傾斜を持つ１組の濃度パターンマスクを有するが、領域分割強度比法はＸ軸を複数の領域に分割することで、分割された領域内に従来の濃度比を与えることにより、濃度傾斜をより急なものとできることから、僅かなＺ軸の凹凸が増幅されて得られることとなる。その動作は本件出願人の領域分割強度比法関連特許出願である特願２００１−０８１６０３に詳しい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら領域分割強度比法は夫々分割された領域の境界において、入力画像が暗くなる濃度パターンの濃い領域では画像入力装置の雑音による影響を受け、明るい領域では飽和による誤差を生じる等、不感帯を生じたり著しい精度の低下が見られる。
ところで画像入力技術の急速な発展により、入力装置はその性能向上と価格の低下が著しい。本発明は、近年長足の発展を遂げている固体画像入力素子を３次元計測に導入することにより、小型、堅牢、且つ安価な３次元位置計測装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、前記濃度パターンマスクとして、Ｘ軸方向に複数の領域に分割され各領域に濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第１の濃度パターンマスクと、Ｘ軸方向に複数の領域に分割され各領域に前記第１の濃度パターンマスクとは逆の濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第２の濃度パターンマスクと、前記第１及び第２の濃度パターンマスクと濃度反転部が重畳することのない第３、第４の濃度パターンマスクとを有し、前記第１及び第２の濃度パターンマスクを用いて前記被測定物に光を照射した後、前記第３及び第４の濃度パターンマスクを用いて前記被測定物に光を照射することを特徴とする。
請求項２記載の発明は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、前記濃度パターンマスクとして、Ｘ軸方向に複数の領域に分割され各領域に濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第１の濃度パターンマスクと、前記第１の濃度パターンマスクとは異なる複数の領域に分割され各領域に濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第２の濃度パターンマスクと、前記第１及び第２の濃度パターンマスクとは逆の濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第３及び第４の濃度パターンマスクと、を有し、前記第１乃至第４の濃度パターンマスクを切り替えて用いることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、前記濃度パターンマスクとして、Ｘ軸方向に複数の領域に分割され各領域に濃度傾斜を持つ濃度パターンが複数形成された第１の濃度パターンマスクと、前記第１の濃度パターンマスクとは逆の濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第２の濃度パターンマスクと、を有し、前記第１及び第２の濃度パターンマスクを切り替えて用いることを特徴とする。
【０００５】
請求項４記載の発明は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、前記濃度パターンマスクとして、異なった分光スペクトラム特性を持つ複数の濃度パターンマスクを有し、そのスペクトラム特性と画像入力装置の持つ複数の色フィルターの分光スペクトラム特性を同一として計測を行うことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、前記濃度パターンマスクとして、Ｘ軸方向に複数に分割され、夫々の濃度パターン繰り返し数が２n倍となるような構成を採る第１の濃度パターンマスクと、前記第１の濃度パターンマスクとは逆の濃度傾斜を持つ濃度パターンが形成された第２の濃度パターンマスクと、を有することを特徴とする。
請求項６記載の発明は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸何れの方向にも自由な移動を可能とする保持機構により支えられた被測定物の位置を計測する位置計測装置において、被測定物に光を照射する光源と、光源と被測定物の間に介在された濃度パターンマスクと、被測定物の反射光を入力する画像入力装置と、画像入力装置と接続されるＺ方向移動量演算器及びＸＹ方向移動量演算器とを備え、前記濃度パターンマスクとして、異なったスペクトラム特性を持ち、且つ夫々の濃度パターン繰り返し数が２n倍となるような構成を採る濃度パターンマスクを有し、そのスペクトラム特性と画像入力装置の持つ複数の色フィルターの分光スペクトラム特性を同一として計測を行うことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。図１は被測定物を振動体に取り付けた状態を示す図、図２は被測定物をコイルスプリングで懸架した状態を示す図、図３は本発明の位置計測装置において光源と画像入力装置を示す図、図４は本発明の位置計測装置において画像入力装置と移動量演算器を示す図、図５ないし図１３は濃度パターンマスクを示す図、図１４は濃度パターンとフィルターを示す図である。
図１に示すように測定対象となる被測定物１は振動体２と一体、若しくは密に結合されており、被測定物１の動きを忠実に反映するものである。また、加速度計のような用途における実施例としては、図２に示すように、コイルスプリング３により被測定物１を中空に保持することで、ＸＹＺ何れの方向にも自由に移動可能とし、且つ元の位置に戻るような構造を採っている。なおスプリング３は黒色に、被測定物１は白色に着色することにより受光部でのコントラストを強調し、計測中の動作を安定させている。あわせて不要なオーバーシュートを押さえる目的で、ダンパーとして例えば適当な粘度を有するオイルを用いる。
【０００７】
図３に示すように、これらの被測定物１に対し、光源から図５に示す異なる２種類の濃度傾斜を有する濃度パターン（濃度パターンマスク１１）を順次被測定物１に放射し、それからの反射光を画像入力装置５で受ける。この画像入力装置５からの出力を用い、図４に示す処理装置、即ちＺ方向移動量演算器６及びＸＹ方向移動量演算器７で処理を行うことにより画像入力装置５と被測定物１の距離（Ｚ）を計測することができる。これは強度比法として広く知られていることから、これの動作に関する詳細は省略する。
図５の例ではＸ軸方向の領域数は１であるが、濃度傾斜を有する濃度パターンをＸ軸方向に複数個に分割した濃度パターンを順次被測定物１に放射するのが領域分割強度比法である。図６に示すのが領域数２に分割した例である。本例では２分割であるが、さらに領域分割数を増やすことでＺ軸方向の感度が改善される。
次にパターン放射用の光源４から濃度パターンマスク１１を取り去るか、若しくは同様の効果を与えることができる第２の光源を用いることにより、被測定物１を照射する。ここで被測定物１の左右、天地（Ｘ、Ｙ）方向への移動量を画像入力装置及び図４に示す処理装置を用い検出する。濃度パターンマスク１１のダイナミックレンジを狭く設定する等、被測定物のエッヂを明確に識別できるように考慮を払えばＺ軸用とＸＹ軸用に別々の光源を用いることなく、３次元計測を連続して行うことも可能であり、高速、安価な計測を行うことが可能な３次元位置計測装置を提供できる。
【０００８】
請求項１における実施例に関わる動作を説明する。前述した３次元位置計測装置において、図６に示す濃度パターンマスクを用いた場合、Ｘ軸中央の境界領域においては濃度パターンマスク１１が黒から白に急に変化する。そのため濃度パターンマスク１１の濃い黒の領域では入力画像が暗くなり、画像入力装置５の雑音による影響を受けやすい。また明るい白の領域では飽和による誤差を生じるため、これまでは正確なＺ軸方向の測定が困難であった。
請求項１の実施例では、図６に示す濃度パターンの照射後、図７に示すような図６に示す濃度パターンと濃度反転部が重畳しない濃度パターンマスク１１を用いて照射を行い、夫々の分割領域の１０％に相当する境界領域を取り除いた後、合成、計測を行うことで領域分割強度比法の課題であった濃度パターン境界領域におけるＺ軸方向計測の不正確さを解消できる。
【０００９】
請求項２における実施例及びその動作を以下に述べる。領域分割数の多い濃度パターンマスク１１を用いると、Ｘ軸方向の解像度が領域分割数の少ない濃度パターンマスク１１を用いる場合と比べ相対的に低下する。Ｚ軸方向の精度はＸ軸方向の距離を用いて演算を行うことから、Ｘ軸方向の解像度の低下は即ちＺ軸方向の精度の低下を齎す。
請求項２の実施例では複数の領域分割数の異なる濃度パターンマスク１１を切り替えながら用い、複数回の撮影を行うことにより、夫々の値を参照しながら処理を行うことができるために高精度が得られる。濃度パターンマスクの実施例を図８、図９に示す。図８、図９は強度比法では不可欠な、図５に示す逆方向の濃度パターンマスク１１を省略してある。本実施例では４種類の濃度パターンマスク１１を用い、それを切り替えながら４回の撮影で得たデータからＺ軸方向の距離を求める。
図８に示す実施例は領域分割数２と領域分割数４の濃度パターンマスク１１を用いたものである。図９の実施例では、請求項１で示した如く、濃度反転部が重畳しないように設定した夫々領域分割数の異なる濃度パターンマスクを用いて照射を行い、夫々の分割領域の１０％に相当する境界領域を取り除いた後、合成、計測を行う。こうすることで、領域分割強度比法の課題であった濃度パターン境界領域におけるＺ軸方向計測の不正確さを解消できる。図９に示す実施例では領域分割数２と領域分割数３の濃度パターンマスクを用いている。
【００１０】
請求項３における実施例及びその動作を以下に述べる。請求項３における実施例は、測定時間の短縮を図ることで高速に被測定物の位置を検出することを可能とし、特に振動の検出等動きのあるものの検出に有用である。請求項３の実施例である濃度パターンマスクの構成例を図１０に示す。図１０は強度比法では不可欠な、図４に示すような逆方向の濃度パターンマスク１１を省略してある。以下の説明は便宜上、片方向の濃度パターンマスク１１に付いてのものであり逆方向もまた同様である。
請求項２で用いた濃度パターンマスク１１は図９の上と下に示す通り２枚必要であるが、請求項３の実施例においては図１０に示す１枚の濃度パターンマスク１１に図９に示す２種類の濃度パターンを書き込んである。この濃度パターンマスク１１を用い比測定物１を照射することで、同一画面からのデータを基に処理を行ってＺ軸方向の距離を求めることができるため、２度の撮影を一度で済ませることを可能とし高速な測定を行える。この際、比測定物１上には２種類のパターンが同時に照射されていなければならない。同様に請求項１における図６、図７に示す実施例、並びに請求項２の図８に示す実施例においても、本請求項の実施例を適用することにより同様の効果を得ることができる。
【００１１】
請求項４における実施例及びその動作を以下に述べる。請求項３に関わる実施例は撮影回数を減少させることにより高速撮影を可能としている。請求項４に関わる実施例は、これまで述べてきた異なる複数の濃度パターンマスク１１に夫々異なったスペクトラム特性を与えることで、被測定物１に同時に異なる複数の濃度パターンマスク１１を照射し、これを濃度パターンマスク１１と同様のスペクトラム特性を持つ画像入力装置５のフィルターにより弁別することで、１度の撮影でＺ軸方向の距離測定を可能としている。
請求項４に関わる実施例を図１４に基づき説明する。被測定物１及び光源４は全スペクトラムを包含する白色とする。図９に示す領域分割数が２及び３の濃度パターンマスク１１のうち図１４に示すように、領域分割数２のマスクを赤色に着色し、領域分割数３のマスクを青色に着色する。同時に画像入力装置５にも同様のスペクトラム特性を持つ赤色、青色、２種類のフィルターを画像入力装置５の各画素毎に装着し撮影を行うことで、１度の撮影で２種類の濃度パターンに対応することを可能としている。
ディジタルカメラに用いられているＣＣＤはＲＧＢ３種類のフィルターを装着することも多く、このうちＲ（赤色）とＢ（青色）は波長領域で重畳することが少ないことから、これを流用することもできる。濃度パターンマスク１１を３種類以上用いるに当たっては、図１４に示したように夫々のスペクトラム特性が重畳することのない様に留意しなければならない。
【００１２】
請求項５における実施例及びその動作を以下に述べる。領域分割法における境界領域の精度低下を補うために、境界領域をずらした濃度パターンマスクを用いることでの対応をこれまで述べてきた。しかし、これらの手法は濃度パターンマスク１１上の領域のずれを補正しなければならない等で、夫々の位置を特定するための演算が複雑になる嫌いがあった。
請求項５に関わる実施例における濃度パターンマスクの構成例を図１１に示す。図１１は強度比法では不可欠な、図５に示すような逆方向の濃度パターンマスク１１を省略してある。以下の説明は便宜上、片方向の濃度パターンマスク１１に付いてであるが逆方向もまた同様である。実施例ではＸ軸方向に３分割された濃度パターンマスク１１の領域分割数を、中央が１に対し上が２、下が４であり、夫々２ｎ倍となるように設定されている。このことによりＺ方向の距離の演算に不可欠なＸ方向の距離を換算するに当たり、従来の方法では誤差が大きくなりがちな変換テーブルを用いたり、複雑な演算を必要としたものが、夫々２倍、４倍の乗算を用いれば済む。
これはビットをシフトすることで容易に対応できることから、演算器のハードウェア化に際してもコンパクトな設計ができ、高速、低コスト、高信頼性を同時に実現できる。また図１１に示す実施例では、先ず中央にある領域を分割していない濃度パターンマスク１１を用い概略のＺ方向距離を測定し、必要に応じ領域分割数の多い濃度パターンマスク１１を用いてＺ方向距離を求めることで、あたかも副尺を用いて測定するような測定を可能とし、精度の確認を容易ならしめている。
【００１３】
請求項６における実施例及びその動作を以下に述べる。これの動作の基本は請求項５に述べた動作と基本的には同じである。請求項６に関わる実施例においては装置の小型化特に被測定物の小型化に留意している。
請求項６に関わる発明の実施例においては、図１１に示す領域分割数１と領域分割数２の濃度パターンを図１２に示す赤色の１枚の濃度パターンマスク１１とし、図１１に示す領域分割数４の濃度パターンを図１３に示す青色の１枚の濃度パターンマスクとし、２枚のマスクに置換えている。同時に画像入力装置５にも、同様のスペクトラム特性を持つ赤色、青色、２種類のフィルターを画像入力装置５の各画素毎に装着し撮影を行うことで、１度の撮影で２種類の濃度パターンに対応することを可能としており、小型であるにもかかわらず請求項５に示す発明と同様の効果を得られる。
【００１４】
【発明の効果】
以上のべたように、本発明によれば、固体画像入力素子を３次元計測に導入することにより、小型、堅牢、且つ安価な３次元位置計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】被測定物を振動体に取り付けた状態を示す図である。
【図２】被測定物をコイルスプリングで懸架した状態を示す図である。
【図３】本発明の位置計測装置において光源と画像入力装置を示す図である。
【図４】本発明の位置計測装置において画像入力装置と移動量演算器を示す図である。
【図５】濃度パターンマスクを示す図である。
【図６】濃度パターンマスクを示す図である。
【図７】濃度パターンマスクを示す図である。
【図８】濃度パターンマスクを示す図である。
【図９】濃度パターンマスクを示す図である。
【図１０】濃度パターンマスクを示す図である。
【図１１】濃度パターンマスクを示す図である。
【図１２】濃度パターンマスクを示す図である。
【図１３】濃度パターンマスクを示す図である。
【図１４】濃度パターンとフィルターを示す図である。
【符号の説明】
１  被測定物
２  振動体（保持機構）
３  コイルスプリング（保持機構）
４  光源
５  画像入力装置
６  Ｚ方向移動量演算器
７  ＸＹ方向移動量演算器
１１  濃度パターンマスク
【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】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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