JP2007163429A - Three-dimensional distance measuring method, and instrument therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、３次元距離測定方法およびその装置に関し、さらに詳細には、三角測量法を応用した変位測定装置などに用いて好適なレーザー光を利用した３次元距離測定方法およびその装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional distance measuring method and apparatus, and more particularly, to a three-dimensional distance measuring method and apparatus using laser light suitable for use in a displacement measuring apparatus to which triangulation is applied.
従来より、測定対象物としての物体の形状を測定するための装置として、例えば、三角測量法の原理を応用したものであって、レーザー光を利用する変位測定装置が知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a device for measuring the shape of an object as a measurement object, for example, a displacement measurement device that applies the principle of triangulation and uses laser light is known.
こうした変位測定装置は、レーザー光を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を受光手段であるセンサに投光し、センサで受光した反射光たるレーザー光より取得したアナログ情報をデジタル情報に変換し、その変換したデジタル情報を基に測定対象物の位置の解析を行うというものである。 Such a displacement measuring device irradiates a measurement object with laser light, projects reflected light from the measurement object onto a sensor as a light receiving means, and digitally acquires analog information obtained from laser light as reflected light received by the sensor. The information is converted into information, and the position of the measurement object is analyzed based on the converted digital information.
従来、このような変位測定装置が有する投光手段から測定対象物に向けて出射されたレーザー光は、投光手段と測定対象物との間に配設されたレンズの作用により、測定対象物に対して点状のスポット光や線状のスリット光として照射されていた。 Conventionally, a laser beam emitted from a light projecting unit included in such a displacement measuring device toward a measurement object is measured by the action of a lens disposed between the light projecting unit and the measurement object. Are irradiated as spot light or linear slit light.
また、こうしたレーザー光を利用する変位測定装置においては、測定対象物からの反射光を受光する受光手段として、例えば、電荷転送素子（以下、「ＣＣＤ」と適宜に称する。）や相補性金属酸化半導体（以下、「ＣＭＯＳ」と適宜に称する。）からなるラインイメージセンサ、あるいは、位置検出素子（以下、「ＰＳＤ」と適宜に称する。）などが用いられていた。特に、精度の高い測定を行う場合には、例えば、特許文献１として提示する特開平７−１４６１１３号公報に開示されているように、ＣＣＤまたはＣＭＯＳからなるラインイメージセンサが一般に用いられていた。
Further, in such a displacement measuring apparatus using laser light, as a light receiving means for receiving reflected light from a measurement object, for example, a charge transfer element (hereinafter referred to as “CCD” as appropriate) or a complementary metal oxide. A line image sensor made of a semiconductor (hereinafter appropriately referred to as “CMOS”) or a position detection element (hereinafter appropriately referred to as “PSD”) has been used. In particular, when highly accurate measurement is performed, for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-146113 presented as
ここで、上記したようなラインイメージセンサを備えた変位測定装置においては、ラインイメージセンサの出力を用いて測定対象物の位置の解析を行うものであるが、その出力を直接使う場合には、実際にラインイメージセンサが持つ分解能（例えば、４μｍピッチである。）がその測定装置の分解能の限界となる。
Here, in the displacement measuring apparatus provided with the line image sensor as described above, the position of the measurement object is analyzed using the output of the line image sensor, but when using the output directly, The resolution (for example, 4 μm pitch) of the line image sensor is the limit of the resolution of the measuring device.
このため、ラインイメージセンサが持つ分解能以上の細かいピッチの検出位置を得ようとする場合には、ラインイメージセンサの各画素から得られたアナログ情報を用いて、重心位置計算や最小自乗法などを利用して光軸位置を推定するという手法がとられていた。 For this reason, when trying to obtain a detection position with a fine pitch that is higher than the resolution of the line image sensor, using the analog information obtained from each pixel of the line image sensor, centroid position calculation, least square method, etc. A method of estimating the position of the optical axis by using it has been taken.
ところが、ラインイメージセンサの各画素から得られたアナログ情報（アナログ値）は、スペックルパターンによる測定誤差が生じたり、測定対象物における被測定面の角度や表面形状により反射特性の影響を大きく受けやすいため、分解能をあまり高くできないという問題点があった。 However, the analog information (analog value) obtained from each pixel of the line image sensor has a measurement error due to a speckle pattern, and is greatly affected by reflection characteristics due to the angle of the surface to be measured and the surface shape of the measurement object. There was a problem that the resolution could not be so high because it was easy.
こうした問題点を解決するために、従来は、画素数の多いラインイメージセンサを用いることで分解能を高くするという手法が採用されていた。
In order to solve these problems, conventionally, a method of increasing the resolution by using a line image sensor having a large number of pixels has been employed.
しかしながら、画素数の多いラインイメージセンサは、その面積が大きなものとなり、また、受光レンズの焦点距離を伸ばす必要もあるため、結果として装置全体が大きくなるという新たな問題点を招来するものであった。例えば、７４５０画素、４．７μｍピッチであるイメージセンサの場合には、受光長が３５．０ｍｍ、パッケージ長は５３．６ｍｍであった。
本発明は、従来の技術の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、装置全体の構成を小型化することが可能であるとともに、高い分解能を達成することのできる３次元距離測定方法およびその装置を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above-described various problems of the prior art. The object of the present invention is to reduce the size of the entire apparatus and to achieve high resolution. It is an object of the present invention to provide a three-dimensional distance measuring method and apparatus capable of achieving the above.
上記目的を達成するために、本発明は、レーザー光を測定対象物に照射し、当該測定対象物からの反射光を線状光に変換し、格子状に整列して配置された複数の受光素子に対して、当該線状光を整列方向に対して斜めに照射し、受光素子を当該線状光の延長方向に沿って読み出すようにしたものである。 In order to achieve the above object, the present invention irradiates a measurement object with laser light, converts reflected light from the measurement object into linear light, and receives a plurality of light receiving elements arranged in a lattice pattern. The element is irradiated with the linear light obliquely with respect to the alignment direction, and the light receiving element is read out along the extending direction of the linear light.
即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、測定対象物にレーザー光を照射して上記測定対象物からの反射光をエリアイメージセンサにより受光し、上記エリアイメージセンサ上における受光位置に基づいて上記測定対象物までの距離を測定する３次元距離測定方法において、レーザー光を照射された測定対象物からの反射光を線状光に変換し、格子状に整列して複数配置された受光素子を有するエリアイメージセンサに対し、上記線状光を上記エリアイメージセンサ上における照射領域の延長方向が上記整列した複数の受光素子の所定の整列方向に対して所定の角度θをもって傾くように照射し、上記照射領域の延長方向に沿う順序で上記受光素子の出力を取得し、上記取得した受光素子の出力に応じて上記測定対象物までの距離を測定するようにしたものである。
That is, according to the first aspect of the present invention, the object to be measured is irradiated with laser light, the reflected light from the object to be measured is received by the area image sensor, and the light receiving position on the area image sensor is received. In the three-dimensional distance measurement method for measuring the distance to the measurement object based on the above, the reflected light from the measurement object irradiated with the laser light is converted into linear light, and a plurality of lines are arranged in a lattice pattern. With respect to an area image sensor having a light receiving element, the extension direction of the irradiation region on the area image sensor is inclined with a predetermined angle θ with respect to a predetermined alignment direction of the plurality of aligned light receiving elements. Irradiate and acquire the output of the light receiving element in the order along the extending direction of the irradiation region, and measure the distance to the measurement object according to the acquired output of the light receiving element In which was to so that.
また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記所定の角度θは、
θ＝ｔａｎ−１（ｎ＋１）
ｎ：上記照射領域の延長方向に沿って配置された受光素子の数
であるようにしたものである。
Moreover, the invention according to
θ = tan −1 (n + 1)
n: The number of light receiving elements arranged along the extending direction of the irradiation region.
また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、上記測定対象物からの反射光をシリンダーレンズに入射して線状光に変換するようにしたものである。
The invention according to
また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記エリアイメージセンサは、モノクロイメージセンサまたはカラーイメージセンサであるようにしたものである。 According to a fourth aspect of the present invention, the area image sensor according to any one of the first, second, or third aspect of the present invention is a monochrome image sensor or a color image sensor. It is intended to be.
また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、測定対象物にレーザー光を照射して上記測定対象物からの反射光をエリアイメージセンサにより受光し、上記エリアイメージセンサ上における受光位置に基づいて上記測定対象物までの距離を測定する３次元距離測定装置において、格子状に整列して複数配置された受光素子を有するエリアイメージセンサと、レーザー光を照射された測定対象物からの反射光を線状光に変換するとともに、上記エリアイメージセンサに対し、上記線状光を上記エリアイメージセンサ上における照射領域の延長方向が上記整列した複数の受光素子の所定の整列方向に対して所定の角度θをもって傾くように照射する照射手段と、上記照射領域の延長方向に沿う順序で上記受光素子の出力を取得する取得手段とを有し、上記取得手段により取得した受光素子の出力に応じて上記測定対象物までの距離を測定するようにしたものである。
In the invention according to
また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項５に記載の発明において、上記所定の角度θは、
θ＝ｔａｎ−１（ｎ＋１）
ｎ：上記照射領域の延長方向に沿って配置された受光素子の数
であるようにしたものである。
Further, in the invention according to
θ = tan −1 (n + 1)
n: The number of light receiving elements arranged along the extending direction of the irradiation region.
また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項５または６のいずれか１項に記載の発明において、上記照射手段は、シリンダーレンズであるようにしたものである。
The invention described in
また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項５、６または７のいずれか１項に記載の発明において、上記エリアイメージセンサは、モノクロイメージセンサまたはカラーイメージセンサであるようにしたものである。 According to an eighth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the fifth, sixth and seventh aspects of the present invention, the area image sensor is a monochrome image sensor or a color image sensor. It is intended to be.
本発明によれば、装置全体の構成を小型化することが可能であるとともに、高い分解能を達成することのできる３次元距離測定方法およびその装置を提供することができるという優れた効果が奏される。 According to the present invention, it is possible to downsize the overall configuration of the apparatus, and it is possible to provide a three-dimensional distance measuring method and apparatus capable of achieving high resolution. The
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による３次元距離測定方法およびその装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。 Hereinafter, an example of an embodiment of a three-dimensional distance measurement method and apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図１には、本発明の実施の形態の一例による３次元距離測定装置の概念構成説明図が示されている。
FIG. 1 is a conceptual configuration explanatory diagram of a three-dimensional distance measuring apparatus according to an example of an embodiment of the present invention.
この３次元距離測定装置１０は、レーザーダイオードなどから構成されて測定対象物１６にレーザー光を照射する投光手段としてのレーザー光照射装置１２と、測定対象物１６を載置してＸＹＺ方向（図１におけるＸＹＺ直交座標系を示す参考図を参照する。）に任意に移動可能な測定対象物載置台１４と、レーザー光照射装置１２からレーザー光を照射された測定対象物１６からの反射光をスポット状に集光する集光レンズ１８と、集光レンズ１８によりスポット状に集光された反射光を線状の反射光に変換して出射するシリンダーレンズ２０と、シリンダーレンズ２０から出射された線状の反射光を受光するＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２とを有して構成されており、測定対象物載置台１４に載置した測定対象物１６の表面形状を測定するものである。このＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２は、モノクロイメージセンサである。
This three-dimensional
なお、上記した各構成部材は、測定対象物載置台１４上の測定対象物１６に対してレーザー光照射装置１２よりレーザー光を照射可能である位置にレーザー光照射装置１２が配置され、測定対象物載置台１４の測定対象物１６からの反射光を集光可能な位置に集光レンズ１８が配置され、集光レンズ１８によりスポット状に集光された反射光が入射可能な位置にシリンダーレンズ２０が配置され、シリンダーレンズ２０から出射された線状の反射光を受光可能な位置にＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２が配置されている。
Each of the constituent members described above is arranged such that the laser
次に、上記した各構成部材をさらに詳細に説明すると、レーザー光照射装置１２は、適宜な波長（例えば、赤色レーザーの波長である。）のレーザー光を出射することができるように、レーザーダイオードや光学系を組み合わせて構成されている。
Next, each of the above-described constituent members will be described in more detail. The laser
また、測定対象物載置台１４は、図示しないモーターなどの駆動手段により、Ｘ方向、Ｙ方向ならびにＺ方向に任意に移動可能に構成されている。 Further, the measurement object mounting table 14 is configured to be arbitrarily movable in the X direction, the Y direction, and the Z direction by a driving unit such as a motor (not shown).
ここで、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２は、その受光面２２ａが、図１のＸＹＺ直交座標系を示す参考図におけるＸ軸およびＹ軸により規定されるＸＹ平面に沿って配置されている。そして、この受光面２２ａ上には、図２に示すように、正方形状の受光素子（画素）２２ｂが、Ｘ軸に沿う行方向に複数個（この実施の形態においては、１２８８個である。）整列して位置するとともに、Ｙ軸に沿う列方向に複数個（この実施の形態においては、１０３３個である。）整列して位置するようにして、格子状に複数個が整列配置されている。
Here, the CMOS
そして、集光レンズ１８により集光されたスポット状の反射光を線状の反射光に変換して出射するシリンダーレンズ２０は、受光面２２ａにおける線状の反射光の照射領域中心（「照射領域中心」とは、線状の反射光の照射領域において、当該線状に沿う光量が最も高い領域を意味する。）Ａが、上記列方向にほぼ沿うが上記列方向よりも若干傾いて位置するように、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２に対して斜めに配置されている。なお、上記照射領域中心Ａの傾きについては、後に詳述する。
The
以上の構成において、上記した３次元距離測定装置１０を用いて、任意の形状を有する測定対象物１６を測定する際の動作について説明する。
The operation | movement at the time of measuring the measuring
まず、レーザー光照射装置１２を作動させてレーザー光を出射すると、レーザー光照射装置１２から出射されたレーザー光は、測定対象物載置台１４上の測定対象物１６に投射される。
First, when the laser
このレーザー光の測定対象物１６への投射により生じた測定対象物１６からの反射光は、集光レンズ１８に入射してスポット状に集光される。そして、集光レンズ１８から出射したスポット状に集光されたレーザー光は、シリンダーレンズ２０に入射して、シリンダーレンズ２０によりそのプロファイルを線状に変換されて出射される。
The reflected light from the
こうしてシリンダーレンズ２０から出射された線状の反射光が、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２の受光面２２ａに投光されることになり、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２の受光面２２ａで受光した線状の反射光より取得した情報に基づいて、測定対象物１６の位置の解析を行う処理が行われる。
Thus, the linear reflected light emitted from the
次に、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２の受光面２２ａで受光した線状の反射光より取得した情報に基づいて、測定対象物１６の位置の解析を行う処理の詳細について説明するが、図３（ａ）（ｂ）には、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２の受光面２２ａの一部を拡大した説明図が示されており、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２の受光面２２ａには、上記したように正方形形状の受光素子２２ｂが規則正しく整列して配置されている。
Next, details of a process for analyzing the position of the
なお、以下の説明においては、シリンダーレンズ２０として、焦点距離がｆ＝−８０ｍｍのものを用い、また、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２として、モノクロイメージセンサであって、受光面２２ａの受光素子２２ｂが、６μｍ×６μｍの画素ピッチで列方向に１０３３画素、行方向に１２８８画素ずつ整列して配置されているものを用いた（図２を参照する。）。なお、このＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２の受光長は７．７２８ｍｍであり、そのパッケージ長は１４．２２ｍｍである。
In the following description, the
そして、測定対象物１６の位置の解析を行う際には、列方向に７画素分、行方向に１２８８画素分のエリア（以下、「計測用エリア」と適宜に称する。）を切り出して解析を行う（図３（ａ）を参照する。）。
Then, when analyzing the position of the
また、上記したように、シリンダーレンズ２０から出射された線状の反射光は、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２の受光面２２ａにおける線状の反射光の照射領域中心Ａが、受光面２２ａにおける受光素子２２ｂの列方向にほぼ沿うが当該列方向よりも若干傾いて位置するように、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２の受光面２２ａに斜めに投光される。
As described above, the linear reflected light emitted from the
この受光面２２ａにおける線状の反射光の照射領域中心Ａの傾きは、ある一つの受光素子２２ｂと、当該ある一つの受光素子２２ｂから行方向に１画素分進むとともに列方向に７画素分進んだ所にある画素とを結んだ直線と重なる様な傾きに設定されている（図３（ｂ）を参照する。）。
The inclination of the irradiation area center A of the linear reflected light on the
従って、上記したように列方向に７画素分のエリアを切り出すこの実施の形態における照射領域中心Ａの傾きは、三角測量で使用する面（基線（この実施の形態においては、基線は行方向（Ｘ軸方向）へ延長する。）を有する面）に対する角度θが８１度に設定する必要があり、照射領域中心Ａがこうした傾きを得られるようにシリンダーレンズ２０を配置する。
Therefore, as described above, the inclination of the irradiation area center A in this embodiment that cuts out the area for 7 pixels in the column direction is the surface used in the triangulation (base line (in this embodiment, the base line is the row direction ( It is necessary to set the angle θ with respect to the surface having a) extending in the X-axis direction) to 81 degrees, and the
図４（ａ）には、実際に受光面２２ａに線状の反射光を投光した場合の概念説明図が示されている。なお、受光面２２ａに配置された受光素子２２ｂを特定するための画素番号は、図４（ａ）に示す矢印の順番で付していくこととする。
FIG. 4 (a) shows a conceptual explanatory diagram when linear reflected light is actually projected onto the
そして、線状の反射光の計測に際しては、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２の受光面２２ａの各受光素子２２ｂで得られた受光光量を読み出すことになるが、その読み出しの際には、それぞれの受光素子２２ｂに付した画素番号の順番に従って、各受光素子２２ｂで読み出した受光光量を読み出す（図４（ｂ）参照）。
When measuring the linear reflected light, the received light amount obtained by each light receiving
ここで、受光素子２２ｂに付した画素番号の順番に従って読み出した受光光量を画素番号順に直線上に並べると、図４（ｂ）に示すようなガウス分布を示す。従って、この直線上に並べたデータは、ラインイメージセンサにより取得されたデータと同様に扱うことができる。
Here, when the received light amounts read in the order of the pixel numbers assigned to the
従って、上記のようにして直線上に並べたデータに基づいて重心位置計算を行うことにより、従来のラインイメージセンサと同様な手法により測定対象物１６の位置の解析を行うことができる。
Therefore, by calculating the center of gravity based on the data arranged on the straight line as described above, the position of the
以下、本発明の理解を容易にするために、図５（ａ）に示すＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２の受光面２２ａの簡単なモデルを用いて本発明の作用を説明する。この図５（ａ）は、線状の反射光が投光されて、以下のようにして受光素子２２ｂのそれぞれに番号を付したＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２の概念説明図を示している。
Hereinafter, in order to facilitate understanding of the present invention, the operation of the present invention will be described using a simple model of the
即ち、この図５（ａ）に示すモデルにおいては、受光面２２ａに配置された受光素子２２ｂのそれぞれに、便宜的に図３（ｂ）に示すように順番に画素番号を付して説明する。この画素番号の付け方は、以下の通りである。
That is, in the model shown in FIG. 5A, each of the
計測用エリアにおける照射領域中心Ａが属する列上に位置する受光素子２２ｂのそれぞれに対して、図３（ｂ）において受光面２２ａの最左上に位置する受光素子２２ｂに画素番号として「１番」を付け、画素番号が１番の受光素子２２ｂが属する列の受光素子２２ｂに対して、図３（ｂ）において上から順番に「２番」、「３番」、「４番」、「５番」、「６番」、「７番」と画素番号を付す。さらに、計測用エリアにおける照射領域中心Ａが属する列上に位置するとともに、画素番号として１〜７番を付され列の右側に配置された列上に位置する受光素子２２ｂのそれぞれに対して、図３（ｂ）において上から順番に「８番」、「９番」、「１０番」、「１１番」、「１２番」、「１３番」、「１４番」と画素番号を付す。
For each of the
なお、図５（ａ）において、受光面２２ａ上に示された山形図形は、受光面２２ａに投光された線状の反射光の光量の強度分布、換言すれば、受光素子２２ｂの各列において受光した光量の強度分布のイメージ図を示している。光量の強度分布が存在している範囲（図５（ａ）において破線で示す照射領域の末端で囲われている部分）には光が存在していることを意味しており、照射領域中心Ａがある位置は光量の強度分布が最も高い位置となっている。
In FIG. 5A, the chevron figure shown on the
図５（ａ）に示すように、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２で受光された測定対象物１６からの線状の反射光は実際には幅Ｗを備えた帯状の光となり、１番から１４番までの１４個の受光素子２２ｂにわたって線状の反射光が投光される。
As shown in FIG. 5A, the linear reflected light from the
従って、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２上における「行方向２画素×列方向７画素」の範囲に存在する受光素子２２ｂが線状の反射光を受光することになるが、照射領域中心Ａが列方向から若干傾いているため、各受光素子２２ｂがそれぞれ受光する光量はそれぞれ異なることになる。
Therefore, the
ここで、この３次元距離測定装置１０においては、線状の反射光を行方向における矢印Ｂ方向（図５（ａ）を参照する。）に１／７画素ずつ移動させ、この１／７画素の移動毎に各受光素子２２ｂの受光光量を測定する。
Here, in the three-dimensional
なお、従来のラインイメージセンサにおいては、反射光は１画素ずつ移動させ、１画素毎に反射光の情報を得ていた。 In the conventional line image sensor, the reflected light is moved pixel by pixel, and information on the reflected light is obtained for each pixel.
しかしながら、３次元距離測定装置１０では、反射光の移動量を１画素よりさらに細分化し、スタートの位置から１／７画素ずつ行方向へ移動させて、その移動毎に反射光の情報を得るようになされている。
However, in the three-dimensional
このように、反射光を１／７画素ずつ移動する場合には、反射光を１画素ずつ移動する場合に比べて７倍の解像度で情報を処理することが必要となるが、後述するように３次元距離測定装置１０においては高い分解能が達成されるため、反射光を１画素ずつ移動する場合に比べて７倍の解像度で情報を処理することが可能となり、より精確な計測を行うことが可能になる。
As described above, when the reflected light is moved by 1/7 pixels, it is necessary to process information at a resolution seven times that when the reflected light is moved by one pixel. Since the high resolution is achieved in the three-dimensional
図５（ｂ）には、図５（ａ）に示した例において線状の反射光を１／７画素ずつ１画素分行方向へ移動させた場合における、１番から１４番の画素番号の受光素子２２ｂでの１／７画素の移動毎の受光光量の強度分布が示されている。
FIG. 5B shows light reception of
また、線状の反射光を１／７画素ずつ１画素分行方向へ移動させるに際しては、図５（ａ）に示されている線状光の位置をスタートの位置とした。このスタート位置は移動量が０なので、図５（ｂ）においては「０画素」として強度分布が示されている。この移動量０画素の位置で光量分布の重心位置計算を行うと、画素番号が７番と８番との受光素子２２ｂの間に重心位置が存在していた。
Further, when the linear reflected light is moved by 1/7 pixels in the row direction, the position of the linear light shown in FIG. 5A is set as the start position. Since the movement amount at this start position is 0, the intensity distribution is shown as “0 pixel” in FIG. 5B. When calculating the gravity center position of the light amount distribution at the position of the
次に、移動量０画素の位置から１／７画素分移動した移動量１／７画素における光量分布の重心位置は、画素番号が８番と９番との受光素子２２ｂの間に存在している。
Next, the barycentric position of the light amount distribution in the
さらに、１／７画素分移動した移動量２／７画素における光量分布の重心位置は、画素番号が９番と１０番との受光素子２２ｂの間に重心位置が移動した。
Furthermore, the barycentric position of the light amount distribution in the
移動量３／７画素以降も同様に、１／７画素分移動する毎に光量分布の重心位置は移動していく。 Similarly, after the movement amount of 3/7 pixels, the center of gravity position of the light amount distribution moves each time the movement is 1/7 pixels.
こうした１／７画素分の移動に伴う重心位置の移動量は、それぞれ同じ量の移動量であり、その量はちょうど１画素分である。つまり、線状の反射光が１／７画素分移動する毎に、重心位置は１画素分ずつずれて次の画素へと移動していく。 The amount of movement of the center of gravity position accompanying the movement of 1/7 pixels is the same amount of movement, and the amount is exactly one pixel. That is, every time the linear reflected light moves by 1/7 pixel, the center of gravity shifts by one pixel and moves to the next pixel.
即ち、実際には１／７画素分のみの移動が行われているものであるが、本発明による３次元距離測定装置１０によれば、それが１画素分移動したという情報に変換される。こうして得られた情報は、実際の移動量の７倍であり、この情報を用いることにより７倍の解像度になるという効果が得られる。
In other words, in actuality, only the movement of 1/7 pixel is performed, but according to the three-dimensional
次に、上記した本発明による３次元距離測定装置１０の作用について、図６（ａ）に示す受光面２２ａのより実際のＣＭＯＳエリアイメージセンサに近いモデルを用いて説明する。
Next, the operation of the above-described three-dimensional
この図６（ａ）に示す受光面２２ａのモデルは、「行方向８画素×列方向７画素」の計測エリアを備えているものとする。画素番号は、図６（ａ）において最上段の列の最左側の行から最右側の行へ向けて順番に付され、最右側の行の次は一段下の列の最左側の行へ戻って上記と同様に付される。
The model of the
ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２においては、この図６（ａ）に示す画素番号の順番で各受光素子２２ｂで取得された受光光量が出力される。
In the CMOS
このため、図４（ａ）あるいは図５（ｂ）に示した画素番号の順に解析するために、各受光素子２２ｂからの出力を以下に説明するように処理する。
Therefore, in order to analyze in the order of the pixel numbers shown in FIG. 4A or FIG. 5B, the output from each light receiving
図６（ｂ）、図６（ｃ）および図７には、こうした各受光素子２２ｂからの出力の処理手法の概念図が示されている。
FIGS. 6B, 6C, and 7 show conceptual diagrams of processing methods of such outputs from the respective
即ち、図４（ａ）および図５（ｂ）で示したように、メモリのアドレス上に画素番号が列方向の順で並ぶようにするために、各受光素子２２ｂの出力を画素番号の順番で７画素毎にメモリのアドレス上に格納していく。
That is, as shown in FIGS. 4A and 5B, in order to arrange the pixel numbers in the order of the column direction on the memory addresses, the outputs of the respective
つまり、各受光素子２２ｂにおける出力の読み出しは、画素番号１、２、３、・・・、５４、５５、５６の順で進んでいくが、各受光素子２２ｂの出力を解析する際には画素番号１、９、１７、・・・、４０、４８、５６の順で処理を行いたいので、読み出した各受光素子２２ｂの出力を処理したい順序に対応させて格納していく。
That is, the reading of the output from each light receiving
即ち、１列目の受光素子２２ｂの読み出しにおいては、図６（ａ）に示すように、画素番号１、画素番号２、画素番号３、画素番号４、画素番号５、画素番号６、画素番号７および画素番号８の出力が得られるが、得られた出力は希望する順序に処理できるように調整して格納されるものであり、画素番号１の出力は処理順序が１番目になるようアドレス１に格納し、次に読み出される画素番号２の出力は８番目に処理を行いたいのでアドレス８に格納し、画素番号３の出力は１５番目に処理を行いたいのでアドレス１５に格納し、画素番号４以降も同様にして格納する。
That is, in the reading of the
つまり、各受光素子２２ｂの出力が所望の順序が処理されるように、画素番号１と画素番号２との間は６アドレス分あけて出力を格納し、また、画素番号２と画素番号３との間も６アドレス分あけて出力を格納するというようにして、各受光素子２２ｂの出力を６アドレス分の間隔を開けてメモリのアドレス上に格納していく。
That is, the outputs are stored with 6 addresses between the
そして、２列目の受光素子２２ｂの読み出しにおいては、図６（ｂ）に示すように、画素番号９、画素番号１０、画素番号１１、画素番号１２、画素番号１３、画素番号１４、画素番号１５、画素番号１６のデータが得られる。
In the reading of the
この２列目の受光素子２２ｂの読み出しにおいても、１列目の受光素子２２ｂの読み出しと同様に、読み出した各受光素子２２ｂの出力を処理したい順序に対応させて格納していく。
Also in the reading of the
即ち、画素番号９の出力は処理順序が２番目になるようアドレス２に格納し、画素番号１０以降については、１列目の処理と同様に、６アドレス分あけて出力を順次に格納していく。
That is, the output of
図７には、上記のようにして１列目から７列目までの画素番号を処理する手法を概念的に示しており、各受光素子２２ｂの出力は各列毎に６アドレスごとに格納し、すべての受光素子２２ｂの出力を一列のラインに並びかえたものを示している。
FIG. 7 conceptually shows a method of processing the pixel numbers from the first column to the seventh column as described above, and the output of each light receiving
これは、計測用エリアの各受光素子２２ｂの出力を解析処理時の画素番号に対応させて並び替えたものであり、これにより図４（ａ）に示した順序、つまり、自動的に処理方向である列方向に沿って読み出した場合と同じ結果を得ることができる。
そして、上記で説明した本発明による３次元計測装置１０により得られる分解能は、計測エリアが列方向に７画素分、行方向に１２８８画素分であることより、前画素数は９０１６となり、６μｍピッチのＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２を用いて分解能が７倍になったことから、０．８５７μｍピッチに相当することになる（図８（ａ）参照。）。
This is the result of rearranging the outputs of the respective
The resolution obtained by the three-
また、図９（ａ）は本発明による３次元計測装置１０の測距特性を示すグラフであり、図９（ｂ）は従来のラインイメージセンサの測距特性を示すグラフである。
FIG. 9A is a graph showing the distance measurement characteristics of the three-
即ち、図９（ａ）は、列方向に７画素分使用した本発明による３次元計測装置１０により得られた測距特性を示すグラフであり、縦軸にＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２上の重心位置（μｍ）をとり、横軸に受光面２２ａから測定対象物１６までの距離（ｍｍ）をとっている。また、図９（ｂ）は、従来のラインイメージセンサ、即ち、１列の画素のみを使用した場合に得られた測距特性を示すグラフであり、縦軸にラインイメージセンサ上の重心位置（μｍ）をとり、ラインイメージセンサから測定対象物１６までの距離（ｍｍ）をとっている。
9A is a graph showing distance measurement characteristics obtained by the three-
この図９（ａ）と図９（ｂ）とを比較すると、図９（ａ）は図９（ｂ）よりも測距特性が滑らかに変化しており、分解能が向上したことを示している。 Comparing FIG. 9 (a) and FIG. 9 (b), FIG. 9 (a) shows that the distance measurement characteristics change more smoothly than FIG. 9 (b), and the resolution is improved. .
ところで、基線に対する照射領域中心Ａの傾斜角度θは、図８（ｂ）に示すように、
θ＝ｔａｎ−１（ｎ＋１）
によって決定される。ここで、ｎは、計測用エリア内における列方向の画素数を示している。
By the way, the inclination angle θ of the irradiation area center A with respect to the base line is as shown in FIG.
θ = tan −1 (n + 1)
Determined by. Here, n indicates the number of pixels in the column direction in the measurement area.
つまり、本発明による３次元計測装置１０では、計測用エリア内における列方向の画素数は「７」であったので、「ｎ＝７」となり、
θ＝ｔａｎ−１（ｎ＋１）
＝ｔａｎ−１（７＋１）＝８２．９
上記において説明したように、本発明による３次元距離測定装置１０を用いれば、従来の３次元距離測定装置と同様な光学系を使用し、さらに、従来の３次元距離測定装置と同等の強度の光を使用しているにもかかわらず、光の照射方法およびデータの処理方法に手を加えることで、これまでのものよりも装置が小型で、かつ、高分解能な距離測定装置を実現する事ができる。
That is, in the three-
θ = tan −1 (n + 1)
= Tan −1 (7 + 1) = 82.9
As described above, when the three-dimensional
なお、上記した実施の形態は、以下の（１）乃至（４）に示すように変形することができるものである。
The embodiment described above can be modified as shown in the following (1) to (4).
（１）上記した実施の形態においては、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２がモノクロイメージセンサである場合について説明したが、これに限られるものではないことは勿論であり、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２はカラーイメージセンサでもよい。
(1) In the above embodiment, the case where the CMOS
図１０（ａ）には、本発明による３次元距離測定装置１０において、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２に代えて用いることができるＣＭＯＳエリアイメージセンサ１０２の概念説明図が示されている。
FIG. 10A is a conceptual explanatory diagram of a CMOS
このＣＭＯＳエリアイメージセンサ１０２は、正方形形状の４つ配置された受光素子（画素）から形成されるブロックが格子状に複数整列して構成されている。なお、４つの受光素子とは、１個の赤色受光素子１０２ａ、２個の緑色受光素子１０２ｂ、一個の青色受光画素１０２ｃである。
The CMOS
ここで、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ１０２上に反射光として赤色の線状光が投光される場合には、当該赤色の線状光は赤色受光素子１０２ａにより受光されるので、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ１０２が有する受光素子のなかで、測定に際して必要とされるのは赤色受光素子１０２ａのみである。図１０（ｂ）には、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ１０２より赤色受光素子１０２ａのみを抜粋した概念説明図が示されている。
Here, when red linear light is projected as reflected light onto the CMOS
従って、赤色の線状光を投光する場合は、図１０（ｂ）に示すような配列の受光素子、即ち、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２と同様な配列の受光素子で受光するものと見なすことができ、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ１０２は、上記したＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２と同様にして用いることが可能である。
Therefore, when projecting red linear light, it can be considered that light is received by the light receiving elements arranged as shown in FIG. 10B, that is, the light receiving elements arranged in the same manner as the CMOS
（２）上記した実施の形態においては、ＣＭＯＳエリアイメージセンサ２２上の受光素子の使用範囲を、「列方向７画素×行方向１２８８画素」としたが、これに限られるものではないことは勿論であり、列方向や行方向の受光素子数は任意の数に設定することができる。
(2) In the above-described embodiment, the use range of the light receiving element on the CMOS
（３）上記した実施の形態においては、測定対象物１６から反射されたレーザー光を線状の反射光に変換するためにシリンダーレンズ２０を配置したが、これに限られるものではないことは勿論であり、測定対象物１６から反射されたレーザー光のプロファイルを線状に変えることができるものであればよく、例えば、フレネルレンズやスリットなどを適宜に選択するようにしてもよい。
(3) In the above-described embodiment, the
（４）上記した実施の形態ならびに上記した（１）乃至（３）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。 (4) You may make it combine suitably the embodiment shown above and the modification shown in said (1) thru | or (3).
本発明は、立体的な物体の形状を測定する際に利用することができるものであり、例えば、ロボットアームと当該ロボットアームにより把持すべき物体との距離を測定する際などに利用することができる。 The present invention can be used when measuring the shape of a three-dimensional object, for example, when measuring the distance between a robot arm and an object to be gripped by the robot arm. it can.
１０ ３次元距離測定装置
１２ レーザー光源
１４ 測定対象物載置台
１６ 測定対象物
１８ 集光レンズ
２０ シリンダーレンズ
２２ ＣＭＯＳエリアイメージセンサ
２２ａ 受光面
２２ｂ 受光素子（画素）
１０２ ＣＭＯＳエリアイメージセンサ
１０２ａ 赤色受光素子
１０２ｂ 緑色受光素子
１０２ｃ 青色受光素子
DESCRIPTION OF
102 CMOS
Claims (8)
レーザー光を照射された測定対象物からの反射光を線状光に変換し、
格子状に整列して複数配置された受光素子を有するエリアイメージセンサに対し、前記線状光を前記エリアイメージセンサ上における照射領域の延長方向が前記整列した複数の受光素子の所定の整列方向に対して所定の角度θをもって傾くように照射し、
前記照射領域の延長方向に沿う順序で前記受光素子の出力を取得し、
前記取得した受光素子の出力に応じて前記測定対象物までの距離を測定する
ことを特徴とする３次元距離測定方法。 A three-dimensional distance that irradiates a measurement object with laser light, receives reflected light from the measurement object by an area image sensor, and measures a distance to the measurement object based on a light receiving position on the area image sensor In the measurement method,
Converts the reflected light from the measurement object irradiated with laser light into linear light,
For an area image sensor having a plurality of light receiving elements arranged in a grid, the extension direction of the irradiation region on the area image sensor is in a predetermined alignment direction of the aligned light receiving elements. Irradiate with a predetermined angle θ to tilt,
Obtaining the output of the light receiving element in the order along the extending direction of the irradiation region;
A distance to the measurement object is measured according to the acquired output of the light receiving element.
前記所定の角度θは、
θ＝ｔａｎ−１（ｎ＋１）
ｎ：前記照射領域の延長方向に沿って配置された受光素子の数
である
ことを特徴とする３次元距離測定方法。 The three-dimensional distance measuring method according to claim 1,
The predetermined angle θ is
θ = tan −1 (n + 1)
n: the number of light receiving elements arranged along the extending direction of the irradiation region.
前記測定対象物からの反射光をシリンダーレンズに入射して線状光に変換する
ことを特徴とする３次元距離測定方法。 In the three-dimensional distance measuring method according to any one of claims 1 and 2,
A three-dimensional distance measuring method, wherein reflected light from the measurement object is incident on a cylinder lens and converted into linear light.
前記エリアイメージセンサは、モノクロイメージセンサまたはカラーイメージセンサである
ことを特徴とする３次元距離測定方法。 In the three-dimensional distance measuring method according to any one of claims 1, 2, or 3,
The area image sensor is a monochrome image sensor or a color image sensor.
格子状に整列して複数配置された受光素子を有するエリアイメージセンサと、
レーザー光を照射された測定対象物からの反射光を線状光に変換するとともに、前記エリアイメージセンサに対し、前記線状光を前記エリアイメージセンサ上における照射領域の延長方向が前記整列した複数の受光素子の所定の整列方向に対して所定の角度θをもって傾くように照射する照射手段と、
前記照射領域の延長方向に沿う順序で前記受光素子の出力を取得する取得手段と
を有し、前記取得手段により取得した受光素子の出力に応じて前記測定対象物までの距離を測定する
ことを特徴とする３次元距離測定装置。 A three-dimensional distance that irradiates a measurement object with laser light, receives reflected light from the measurement object by an area image sensor, and measures a distance to the measurement object based on a light receiving position on the area image sensor In the measuring device,
An area image sensor having a plurality of light receiving elements arranged in a grid pattern;
The reflected light from the measurement object irradiated with the laser light is converted into linear light, and the extension direction of the irradiation region on the area image sensor is aligned with respect to the area image sensor. Irradiating means for irradiating with a predetermined angle θ with respect to a predetermined alignment direction of the light receiving elements;
Obtaining means for obtaining the output of the light receiving element in the order along the extending direction of the irradiation region, and measuring the distance to the measurement object according to the output of the light receiving element obtained by the obtaining means. A characteristic three-dimensional distance measuring device.
前記所定の角度θは、
θ＝ｔａｎ−１（ｎ＋１）
ｎ：前記照射領域の延長方向に沿って配置された受光素子の数
である
ことを特徴とする３次元距離測定装置。 The three-dimensional distance measuring device according to claim 5,
The predetermined angle θ is
θ = tan −1 (n + 1)
n: the number of light receiving elements arranged along the extending direction of the irradiation region.
前記照射手段は、シリンダーレンズである
ことを特徴とする３次元距離測定装置。 The three-dimensional distance measuring device according to any one of claims 5 and 6,
The irradiation means is a cylinder lens. A three-dimensional distance measuring device.
前記エリアイメージセンサは、モノクロイメージセンサまたはカラーイメージセンサである
ことを特徴とする３次元距離測定装置。 In the three-dimensional distance measuring device according to any one of claims 5, 6 and 7,
The area image sensor is a monochrome image sensor or a color image sensor.
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|---|---|---|---|
| JP2005363673A JP2007163429A (en) | 2005-12-16 | 2005-12-16 | Three-dimensional distance measuring method, and instrument therefor |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP2151742A1 (en) | 2008-07-29 | 2010-02-10 | Nitto Denko Corporation | Three-dimensional sensor optical waveguide, and three-dimensional sensor employing the same |
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-
2005
- 2005-12-16 JP JP2005363673A patent/JP2007163429A/en active Pending
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