JPH07234104A

JPH07234104A - 光点位置計測装置及び光点位置計測方法

Info

Publication number: JPH07234104A
Application number: JP6049900A
Authority: JP
Inventors: Yasuji Ogawa; 保二小川
Original assignee: Wacom Co Ltd
Current assignee: Wacom Co Ltd
Priority date: 1994-02-22
Filing date: 1994-02-22
Publication date: 1995-09-05
Anticipated expiration: 2017-06-04
Also published as: JP3288523B2; US5642164A

Abstract

(57)【要約】【目的】テレビカメラを用いた光点位置計測の高精度
化を図る。【構成】テレビカメラ１の対物レンズ４に取り付けら
れたシリンドリカルレンズ５は光学的変換手段を構成
し、被測定物体に含まれる光点３から発する光を集光し
て互いに交差する十文字形の線状像７に変換する。テレ
ビカメラ１に格納されたＣＣＤイメージセンサ６は線状
像７を受光して対応する画像データを出力する。画像処
理演算器２は画像データを処理して線状像７から対応す
る直線を抽出しその交点を演算して光点３の位置を割り
出す。シリンドリカルレンズ５は一対のシリンドリカル
レンズ面を有しており、各々の円筒軸は互いに交差して
十文字形の線状像７を生成する様にしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は直接的又は間接的に光を
発する１個又は複数個の点光源の位置を、撮像デバイス
を利用して測定する光点位置計測装置及び光点位置計測
方法に関する。より詳しくはかかる光点位置計測の高精
度化技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば三次元物体の形状計測を行
なう場合、被測定物体に走査型レーザ投光器を用いてレ
ーザビームを照射し、物体上に生じるレーザスポットを
２台のテレビカメラで撮像するステレオ法が行なわれて
いる。各テレビカメラから出力される画像信号を演算処
理し各スポットの三次元位置を求める。被測定物体表面
に沿ったレーザスポットの走査と三次元座標の計測を同
期して逐次行なう事により、三次元物体の表面形状を測
定する。この様な計測システムにおいて測定精度を向上
する為には、テレビカメラの分解能を改善する必要があ
る。しかしながら、その為にはテレビカメラに組み込ま
れるＣＣＤイメージセンサ等の撮像デバイスの画素数を
大幅に増大しなければならないが、これは製造技術上困
難である。

【０００３】撮像デバイスの画素数を増加させる事なく
見掛け上分解能を改善する為の技術が提案されており、
例えば特公平３−３１３６２号公報に開示されている。
これによれば、テレビカメラの対物レンズにクロスフィ
ルタを取り付け、ターゲット光点からの光線をクロスフ
ィルタによってストリーク状の十文字像に変換し、撮像
デバイスの受光面に投影させている。この投影像を画像
処理し十文字像の交点をサブピクセル単位で算出して各
ターゲットを構成する点光源の位置を割り出すものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの様な
従来技術では、光点位置検出の精度を上げる為には、強
い光を発する光源を使用しなければならないという欠点
があった。クロスフィルタによって変換されたストリー
ク状の十文字像は主たる光のパワーが中心に集中してお
り、周辺に分散している光のパワーは微々たるものであ
る。この為光のパワーが有効に利用されていない。結果
的に、位置検出の精度を上げる為には光点から発する光
のパワーを強くせざるを得ない。換言すると、光点から
の光がある程度強くないとストリーク状の十文字像が鮮
明に投影されない為、感度が悪いという欠点がある。こ
の様な欠点故に、上述した三次元物体形状計測等におい
ては、テレビカメラから被測定物体までの距離的制約
や、物体表面の反射率等の制約が生じており、応用分野
が自ずと制限され例えば土木測量等への適用を困難なも
のにしていた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題に鑑み、本発明は微弱な光を発する光点であっても高
精度で位置計測を可能にする事を目的とする。かかる目
的を達成する為に以下の手段を講じた。即ち本発明にか
かる交点位置計測装置は基本的な構成として、光学的変
換手段と撮像手段と画像処理演算手段とを備えている。
光学的変換手段は被測定物体に含まれる光点から発する
光を集光して互いに交差する複数の線状像に変換する。
撮像手段は線状像を受光して対応する画像データを出力
する。画像処理演算手段は画像データを処理して複数の
線状像から対応する複数の直線を抽出しその交点を演算
して光点の位置を割り出す。かかる構成において、前記
光学的変換手段は複数のシリンドリカルレンズ面を有し
ており、各々の円筒軸は互いに交差して該複数の線状像
を生成する様にした事を特徴とする。例えば、前記光学
的変換手段は一対のシリンドリカルレンズ面を有してお
り、各々の円筒軸は互いに直交して十文字形の線状像を
生成する。一対のシリンドリカル面は１個のレンズに形
成されており、各シリンドリカルレンズ面はレンズの光
軸に関し中心対称的に多分割されている。

【０００６】本発明にかかる光点位置計測方法は変換手
順と撮像手順と算出手順とからなる。変換手順では、互
いに交差する円筒軸を有する複数のシリンドリカルレン
ズ面を備えた光学的変換手段を用いて、被測定物体に含
まれる光点から発する光を集光し、互いに交差する複数
の線状像に変換する。次に撮像手順では、撮像手段を用
いて線状像を受光し対応する画像データを出力する。最
後に算出手順では、画像処理演算手段を用いて画像デー
タを処理し複数の直線を抽出してその交点を演算し前記
光点の位置を割り出す。

【０００７】

【作用】本発明によれば、例えば円筒軸が互いに直交し
た一対のシリンドリカルレンズ面を備えたレンズをテレ
ビカメラの対物レンズに付加し、又は対物レンズとして
用い、光学的変換手段を構成している。これにより光点
から発する光を互いに直交する十文字形の線状像に変換
できる。従来のクロスフィルタを用いた変換と異なり直
交シリンドリカルレンズ面を用いた変換では光点から発
する光パワーを周辺に向って均一に分散させる事ができ
るとともに、線状像の輪郭をシャープに形成可能であ
る。相当程度の輝度を有し且つシャープな輪郭を備えた
十文字形の線状像を画像処理する事により、直交直線の
交点をサブピクセルオーダで極めて精密に割り出す事が
できる。従って、光点の発する光パワーが微弱であって
も全光量が有効に利用され、光点位置を非常に高い精度
で安定に計測する事ができる。レーザビームでスポット
走査を行なう三次元物体形状の計測システム等におい
て、測定可能な距離を延長する事ができ、又レーザ走査
の高速化に伴なう感度の低下を補う事が可能となる。

【０００８】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる光点位置計測装
置の第１実施例を示すブロック図である。本装置はテレ
ビカメラ１とコンピュータ等からなる画像処理演算器２
とを備えている。テレビカメラ１は被測定物体に含まれ
る光点３を撮像する。画像処理演算器２はテレビカメラ
１により得られた撮像を処理し光点位置を表わす情報を
出力する。テレビカメラ１の対物レンズ４にはシリンド
リカルレンズ５が取り付けられており光学的変換手段を
構成する。シリンドリカルレンズ５は複数のシリンドリ
カルレンズ面を有しており各々の円筒軸は互いに交差し
ている。本例ではシリンドリカルレンズ５は一対のシリ
ンドリカルレンズ凹面を有しており、各々の円筒軸は互
いに直交している。対物レンズ４とシリンドリカルレン
ズ５からなる光学的変換手段は、光点３から発する光を
集光して互いに交差する複数の線状像に変換する。本例
では、互いに直交する十文字形の線状像に変換する。テ
レビカメラ１には撮像手段として例えばＣＣＤイメージ
センサ６が組み込まれており、十文字形の線状像７を受
光して対応する画像データを出力する。画像処理演算器
２は画像データを処理して十文字形の線状像７から対応
する一対の直線を抽出し、その交点を演算して光点３の
位置を割り出す。

【０００９】図２は、図１に示したシリンドリカルレン
ズ５の具体的な構成例を示す模式的な斜視図である。前
述した様に、シリンドリカルレンズ５は一対のシリンド
リカルレンズ面Ａ，Ｂを有しており、各々の円筒軸Ｃ
Ａ，ＣＢは互いに直交している。円筒軸ＣＡ，ＣＢの交
点はレンズ５の中心Ｏを通る光軸上に位置する。一方の
シリンドリカルレンズ面Ａはレンズ５の光軸に関し中心
対称的に２分割されている。他方のシリンドリカルレン
ズ面Ｂも光軸に関し中心対称的に２分割されている。従
ってシリンドリカルレンズ５は点対称的な表面形状を有
している事になる。

【００１０】図３は、図２に示したシリンドリカルレン
ズ５の端面形状を表わす模式図である。図示する様に、
円筒軸ＣＡ方向から観察すると、シリンドリカルレンズ
面Ａの凹形状が現われる。又、円筒軸ＣＢ方向から観察
するとシリンドリカルレンズ面Ｂの凹形状が認められ
る。一対の直交シリンドリカルレンズ面Ａ，Ｂを有する
レンズ５を対物レンズ４（図１）に付加すると、対物レ
ンズ４により焦点を結ぶべき光点３からの光束が、レン
ズ表面の通過領域に応じて２分される。２分された各々
の光束が直交シリンドリカルレンズ面Ａ，Ｂを通過する
為、十文字形の線状像として結像する事になる。本来点
として結像すべき光束が、シリンドリカルレンズ面の円
筒軸と直交する方向に発散させられるからである。本例
では凹形状のシリンドリカルレンズ面を採用している
が、発散機能という観点からすれば、凸形状のシリンド
リカルレンズ面であっても良い事は勿論である。この様
にシリンドリカルレンズ面を介在させる事で光点３の光
パワーを均一に周辺に向って分散させる事ができるとと
もに、シャープな線状像を生成可能である。特に、図２
に示したシリンドリカルレンズ５は軸対称的な表面形状
を有しており、四方向に向って光パワーを均一に分散で
き、形状的に整った十文字像を得る事ができる。

【００１１】図４は、図２に示した多面シリンドリカル
凹レンズ５の製造方法を示す説明図である。（Ａ）に示
す様に、光学ガラスの表面に対して研磨面を備えた回転
ドラムを圧接し回転研磨して一方のシリンドリカル凹レ
ンズ面を形成する。この様にして得られたシリンドリカ
ルレンズ面の円筒軸は回転ドラムの回転軸と一致してい
る。次に（Ｂ）に示す様に、光学ガラスの配置を９０°
回転した状態で、再び回転ドラムを圧接し他方のシリン
ドリカルレンズ凹面を形成する。なお、本例では研磨方
式により２面４分割のシリンドリカル凹レンズ５を作成
したが、これに代えて射出成形法により作成しても良
い。

【００１２】次に図５を参照して、画像処理演算手順の
一例を詳細に説明する。（Ａ）に示す様に、ＣＣＤイメ
ージセンサに投影された十文字形の線状像７と整合する
様に直交座標系（Ｘ，Ｙ）を設定する。次に（Ｂ）に示
す様に、Ｘ軸方向に投影した十文字形状の面積値を計算
する。この様にして得られたヒストグラムカーブを微分
する。その結果を（Ｃ）に示す。微分カーブの極大値及
び極小値に対応するＸ座標値ｘ１，ｘ２を夫々求める。
このｘ１，ｘ２により規定されるバンドエリアに含まれ
る画像データを用いて、Ｙ軸方向の線状像を最小二乗法
により直線近似し対応する直線を抽出する。同様な処理
によりＸ方向に沿った線状像に対応する直線を最小二乗
法により抽出する。一対の直線の交点を演算して光点の
位置を割り出す。

【００１３】図６は本発明にかかる光点位置計測装置の
第２実施例を示す模式的な斜視図である。光点３とＣＣ
Ｄイメージセンサ６との間に、凸レンズ４０と複合シリ
ンドリカルレンズ５０が介在しており光学的変換手段を
構成している。凸レンズ４０は図１に示した対物レンズ
４と対応しており、光点３から発した光をＣＣＤイメー
ジセンサ６に集束させる。複合シリンドリカルレンズ５
０は略三角形状のシリンドリカル凸レンズ５１及び５２
を貼り合わせたものである。一方のシリンドリカル凸レ
ンズ５１は垂直方向の円筒軸を有しており、集束光の半
分量を通過させ水平方向に発散する。他方のシリンドリ
カル凸レンズ５２は水平方向の円筒軸を有しており、集
束光のうち残りの半分量を垂直方向に発散させる。この
結果ＣＣＤイメージセンサ６には十文字形の線状像７が
投影される。本例に用いた複合シリンドリカルレンズ５
０は図２に示した２面４分割シリンドリカル凹レンズ５
の様に点対称ではないが、比較的容易に作成する事が可
能である。

【００１４】図７は、図６に示した複合シリンドリカル
レンズ５０の作成方法の一例を示す説明図である。本例
では長尺形状のシリンドリカルレンズを先ず円筒軸と垂
直なカットライン５３に沿って切断する。切断された一
方をさらに斜行カットライン５４に沿って切断し三角形
のシリンドリカルレンズ５２及び５５を得る。他方につ
いても斜行カットライン５６に沿って切断し一対の三角
形状を有するシリンドリカルレンズ５１及び５７を得
る。この様にして加工された三角形状を有するシリンド
リカルレンズ５１，５２を切断面を介して接合すると、
図６に示した複合シリンドリカルレンズ５０が得られ
る。

【００１５】図８は本発明にかかる光点位置計測装置の
第３実施例を示す模式図である。本例では光点３とＣＣ
Ｄイメージセンサ６との間に２面４分割シリンドリカル
凸レンズ５００が介在している。このシリンドリカル凸
レンズ５００は対物レンズも兼ねており、単独で光学的
変換手段を構成する。２個のシリンドリカル面を持つレ
ンズを対物レンズとして使用する場合は、各シリンドリ
カル面は凸形状である必要がある。シリンドリカル凸面
の円筒軸に直交する断面は球面凸レンズと同一の機能を
有し、光点３の像はレンズ公式に従って集束する。一方
シリンドリカル凸面の円筒軸に沿った断面は長方形なの
で光点から発した光は集束しない。即ちシリンドリカル
凸レンズは球面凸レンズと組み合わせる事なく単独で光
点を線状像に変換投影する事ができる。各円筒軸が直交
する一対のシリンドリカル凸面を備えた２面４分割シリ
ンドリカル凸レンズ５００においては、光軸に沿った光
束が通過領域に応じて２分され、２分された各々の光束
が直交する線状像として結像する事になる。一般に、こ
の様なレンズは表面の分割数と各分割された面に割り付
けるシリンドリカル凸面の数に応じて、任意の方向に沿
った任意の本数の線状像を生成する事が可能である。

【００１６】図９を参照して、図７に示した２面４分割
シリンドリカル凸レンズ５００の作成方法の一例を説明
する。本例では金型を用いてシリンドリカル凸レンズを
作成している。金型は図４に示した方法と同様に加工さ
れ、回転ドラムを用いた直交研磨が行なわれる。なお作
成方法はこれに限られるものではなく、直接研磨で２面
４分割シリンドリカル凸レンズを作成しても良い。

【００１７】図１０は、対物レンズの機能を兼ね備えた
シリンドリカル凸レンズの作用を説明する為の模式図で
ある。シリンドリカル凸レンズ５０１の円筒軸に直交す
る断面は凸形状を有しており、光点３から発した光束は
レンズ公式に従って集束する。一方シリンドリカル凸レ
ンズ５０１の円筒軸に沿った断面は長方形なので何等集
束しない。この結果、ＣＣＤイメージセンサ６には円筒
軸と平行な線状像７０１が投影されることになる。

【００１８】図１１は本発明にかかる光点位置計測装置
の第４実施例を示す模式的なブロック図である。今まで
に説明した第１ないし第３実施例では、直交シリンドリ
カル面が単一のレンズを用いて表面分割的に形成されて
いた。これに対し本例では互いに分離した一対のシリン
ドリカルレンズを用いて十文字形の線状像を合成してい
る。図示する様に、光点３から発した光束はハーフミラ
ーあるいはビームスプリッタ（図示せず）により２光束
に分離される。一方の光路にはシリンドリカルレンズ５
０Ａと対物レンズ４０Ａとからなる光学変換手段が介在
している。シリンドリカルレンズ５０Ａは垂直な円筒軸
を有しており、ＣＣＤイメージセンサ６の表面に水平な
線状像７Ａを投影する。他方の光路にはシリンドリカル
レンズ５０Ｂと対物レンズ４０Ｂとからなる光学変換手
段が介在している。シリンドリカルレンズ５０Ｂは水平
な円筒軸を有しておりＣＣＤイメージセンサ６の表面に
垂直な線状像７Ｂを投影する。互いに直交する線状像７
Ａ，７Ｂは光学系（図示せず）を介して合成され十文字
形の線状像７が生成される。

【００１９】図１２は、図１１に示したシリンドリカル
レンズ５０Ａと対物レンズ４０Ａからなる光学変換手段
の動作説明図である。（Ａ）はシリンドリカルレンズ５
０Ａの円筒軸と直交する面に沿った水平幾何光学図であ
り、（Ｂ）は同じく円筒軸に平行な面に沿った垂直幾何
光学図である。（Ａ）に示す様に、仮にシリンドリカル
レンズ５０Ａが介在しない場合には、光点３から光軸に
沿って発した光束は対物レンズ４０Ａにより集光されＣ
ＣＤイメージセンサ６の表面にスポット結像する。しか
しながら実際にはシリンドリカルレンズ５０Ａが介在し
ており凸面に沿って屈折を受けるので入射光束はデフォ
ーカスされ、ＣＣＤイメージセンサ６に水平線状像７Ａ
が投影される事になる。一方（Ｂ）に示す様にシリンド
リカルレンズ５０Ａの垂直断面は単純な板状であり何等
屈折作用を奏しない。従って、垂直断面に沿って入射し
た光束は対物レンズ４０Ａにより一点に集束される。

【００２０】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、少
なくとも２つのシリンドリカル面を持つレンズをテレビ
カメラの対物レンズに付加して、又は対物レンズとして
用いる事により、光点がシャープな十文字形線状像に変
換され、光パワーを均一に周辺に分散する事ができる。
従って、光点の発する光が微弱であっても光を有効に利
用でき、光点位置を非常に高い精度で安定に計測する事
が可能になる。レーザ光でスポット走査を行なう三次元
物体形状計測システム等において、測定可能距離を延長
する事ができ、又レーザ走査の高速化を図る際の感度不
足を補う事が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる光点位置計測装置の第１実施例
を示すブロック図である。

【図２】第１実施例に含まれる２面４分割シリンドリカ
ル凹レンズの斜視図である。

【図３】同じく２面４分割シリンドリカル凹レンズの端
面形状を示す模式図である。

【図４】同じく２面４分割シリンドリカル凹レンズの製
造方法を示す工程図である。

【図５】図１に示した画像処理演算器の処理手順を示す
説明図である。

【図６】本発明にかかる光点位置計測装置の第２実施例
を示す模式的な斜視図である。

【図７】第２実施例に含まれる複合シリンドリカルレン
ズの作成方法を示す説明図である。

【図８】本発明にかかる光点位置計測装置の第３実施例
を示す模式的な斜視図である。

【図９】第３実施例に含まれる２面４分割シリンドリカ
ル凸レンズの製造方法を示す説明図である。

【図１０】シリンドリカル凸レンズの動作説明図であ
る。

【図１１】本発明にかかる光点位置計測装置の第４実施
例を示す模式的な斜視図である。

【図１２】第４実施例に含まれるシリンドリカル凸レン
ズの作用説明図である。

【符号の説明】

１テレビカメラ２画像処理演算器３光点４対物レンズ５シリンドリカルレンズ６ＣＣＤイメージセンサ７十文字形線状像

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物体に含まれる光点から発する光
を集光して互いに交差する複数の線状像に変換する光学
的変換手段と、該線状像を受光して対応する画像データ
を出力する撮像手段と、該画像データを処理して複数の
線状像から対応する複数の直線を抽出しその交点を演算
して前記光点の位置を割り出す画像処理演算手段とを備
えた光点位置計測装置において、前記光学的変換手段は複数のシリンドリカルレンズ面を
有しており、各々の円筒軸は互いに交差して該複数の線
状像を生成する様にした事を特徴とする光点位置計測装
置。
【請求項２】前記光学的変換手段は一対のシリンドリ
カルレンズ面を有しており、各々の円筒軸は互いに直交
して十文字形の線状像を生成する事を特徴とする請求項
１記載の光点位置計測装置。
【請求項３】一対のシリンドリカルレンズ面は１個の
レンズに形成されており、各シリンドリカルレンズ面は
レンズの光軸に関し中心対称的に多分割されている事を
特徴とする請求項２記載の光点位置計測装置。
【請求項４】互いに交差する円筒軸を有する複数のシ
リンドリカルレンズ面を備えた光学的変換手段を用い
て、被測定物体に含まれる光点から発する光を集光し、
互いに交差する複数の線状像に変換する変換手順と、撮
像手段を用いて該線状像を受光し対応する画像データを
出力する撮像手順と、画像処理演算手段を用いて該画像
データを処理し複数の直線を抽出してその交点を演算し
前記光点の位置を割り出す算出手順とを行なう光点位置
計測方法。
【請求項５】前記変換手順は、互いに直交する円筒軸
を有する一対のシリンドリカルレンズ面を介して十文字
形の線状像を生成する手順である請求項４記載の光点位
置計測方法。