JPH09500730A - 接近不可能な中空空間の３次元測定用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、検査ヘッド又はキャリヤ上に配置された光源及びカメラを用いて接近不可能な中空空間（例えば、排水路パイプ）を３次元測定する装置に関し、それにより、構造光源が用いられ、前記カメラ及び前記構造光源は、共通の入射出射アパーチャを有し、前記アパーチャの前に、少なくとも部分的に一つの共通の光学軸を有するか又は少なくとも部分的に平行な軸を有し、その間の距離は、パターンの源点とカメラの対象物側の主平面間の距離ａより実質的に小さい。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 接近不可能な中空空間の３次元測定用装置技術分野 本発明は、請求の範囲第１項及び第２項の前提部記載の接近不可能な中空空間 の３次元測定用装置に関する。背景技術 多くの場合、接近不可能な中空空間を検査するために又は小さな中空空間内視 鏡用に遠隔制御カメラビークルが用いられる。より廉価でより効率的な画像処理 装置が利用できるようになったので、一方でオペレータが中空空間を視覚的に検 査するのを補助するために、他方で、前記中空空間を（半）自動的に測定するた めに、検査装置は画像処理装置を装備するものが多くなってきた。光学系（カメ ラ及び照明）の構成を大きく決定する主要な目的がオペレータの補助であるので 、従来の市販の装置は、一定の非構造光で照明されている。 カメラ画像を評価することによる被検査中空空間の完全な３次元測定は、公知 なように、構造光又は第２のカメラ（ステレオビジョン装置）を必要とするであ ろう。さらに、ある程度の測定の正確さを達成するためには、公知の方法では、 検査方向に対して垂直な方向の部品間隔を最小距離にする必要がある。公知の３ 次元光学測定方法を使用するのは、オペレータの目視 検査の邪魔になるからばかりではなく、必要とされるスペースのためだけでも問 題外である。 多くの検査ビークルにおいては、カメラはパン／チルトヘッドに位置する。カ メラの軸の向きは、カメラの軸の回りのそしてそれと垂直に走る一つの軸の回り の回転により生じる。目の中央軸とは垂直に走る軸(axes)の回りの頭の２つの回 転による人間の目の通常用いられる方向付けとは反対に、これらの回転の組合せ は最終的に水平線の回りに回転する検査部位の画像を生じる。従来技術（特許公 報DE 30 19 339 C1）によれば、この回転は、カメラのセンサ素子の逆回転によ り補償可能である。問題点 従来の検査装置の一つにいては、中空空間の深さを測定可能にするために、上 述のように、ステレオビジョン装置又は、もし必要ならば、スイッチでオンでき る構造光のもう一つの光源が内視鏡又はカメラビィークル上に配される。なぜな らば、対象空間の多少とも大きな体積が画像の鮮明さの深さのためにレンズの像 平面に結像されるからである。角錐台状の物体平面切断体積が各々画素（ピクセ ル）に割り当てられる。したがって、追加の測定を全くしないで、カメラのみを 用いることにより、非常に不正確な寸法測定が可能になり、結像率を用いて検出 された構造の較正は行われない。 Ｘ−Ｚ平面の画像の断面（図１及び式｛１｝参照）は、このことをより明白に する。座標（Ｘ，Ｚ）を有 する点Ｐは、焦点距離ｆのレンズを用いて座標（ｘ，ｚ）を有する画像点Ｂに結 像される。結像式（ｘ，ｚ測定座標の好適な選択により像逆転を考慮に入れて） により、Ｘ＝ｘ・（Ｚ／ｆ−１）｛１｝が得られ、即ち、対象の距離Ｚを知らな ければ、光軸からの点Ｐの距離Ｘを決定することができない。 （例えば、近接検出器を用いた）簡単な距離検出は、ある環境において、像平 面に平行な平面に位置する平面構造に対してのみ可能である。他の対象の場合は 各単一画像ポイントの距離は、通常光切断法即ちステレオカメラを用いて決定さ れる。これらの方法は、２つの光学系（２つのカメラ又は構造光とカメラ）の視 差の評価に基づく。図２は、光切断法の原理を示すもっとも簡単な例、レーザ光 により照明された対象点の画像、を示す。照明された対象には、その時、結像条 件｛１｝に加えて、照明光経路により切断されるということが当てはまる。レー ザ光は、光学軸と点（０，ａ）で角度ｗで交差する。光学軸及びレーザ光により 得られる（Ｘ−Ｚ）平面の観測で十分である。 レンズを用いた結像の場合は、結像条件｛１｝が当てはまり、対象点と照明レー ザ光の交差により、Ｘ＝Ｚ・ｔａｎ（ｗ）−ｂ｛２｝即ちＸ＝（Ｚ−ａ）・ｔａ ｎ（ｗ）｛３｝が得られる。公知の光切断法の場合は、照明パターンとレンズの 主平面との交差点が、基準点（ｂ，０）として用いられる。点Ｐの座標軸（Ｘ， Ｚ）は、像平面で測定されたｘ−座標、光線角ｗと知られている焦点距離ｆによ り得られる： Ｘ＝ｘ・（ｆ・ｔａｎ（ｗ）−ｂ／（ｘ−ｆ・ｔａｎ（ｗ）） ｛４｝及び Ｚ＝ｆ・（ｘ−ｂ）／（ｘ−ｆ・ｔａｎ（ｗ）） ｛５｝ 通常、投影面で一つの点を測定するのみでは十分でない。したがって、通常、 測定される対象に適合した線又は光構造が投影される。従来技術の装置において は、構造投影装置は、カメラの次の距離ｂの位置にある。非常にコンパクトな測 定装置が利用可能な用途、例えば管を検査するためのプローブなどには、公知の 光切断面装置の場合は、構造投影装置を中心に取り付けることができない。下記 の平面の場合が単純に示すように、この装置は、特に、円筒状の中空空間を調べ るとき又は管を検査するときに、かなりの欠点がある。この単純な例においては 、構造投影装置は、光学軸に対して角度ｗ＝±ｗ１で２つのレーザ光を出射する 。図３は、設定を示す。光線の進路及び結像条件により、像平面で測定されたｘ −座標の値から光切断面点の座標（Ｘ，Ｚ）を算出する式｛６｝及び｛７｝が得 られる： Ｘ＝ｂ／２＋（ｆ・ｔａｎ（ｗ）・（ｘ＋ｂ））／（ｘ−ｆ・ｔａｎ（ｗ）） ｛６｝及び Ｚ＝ｆ・（ｘ＋ｂ）／（ｘ−ｆ・ｔａｎ（ｗ）） ｛７｝ もし、管の測定されるべき公称幅域又は測定されるべき中空空間のスペース及 び寸法にあまり制限がない場合、適合パターン（即ち互いに対して斜めに傾いて いる照明及びカメラの光学軸）を用いて照明を実行することが可能であり、管又 は中空空間の斜め断面が測定される（図３参照）、したがって、構造投影装置に もっとも近接している側が（測定ポイントがカメラからあまり離れていないので ）高い精度で測定されるが、測定ポイントがカメラから大きく離れたところに位 置する管の反対側は、より低い精度で測定される。しばしば、光切断面の各部分 が像の鮮明な収束の帯域から外れて位置する、即ち全く測定できない極端な状況 が生じる。 （像平面内の）ｘ−座標の測定誤差σ_Xにより式｛８｝及び｛９｝で与えられ る対象座標Ｘ，Ｚの測定誤差σ_X及びσ_Zが生じる： σ_X＝｜（ｆ・ｔａｎ（ｗ）・（ｂ＋ｆ・ｔａｎ（ｗ））・σ_X／（ｘ−ｆ・ｔ ａｎ（ｗ））²｜ ｛８｝及び σ_X＝｜（ｆ・（ｂ＋ｆ・ｔａｎ（ｗ））・σ_Z／（ｘ−ｆ・ｔａｎ（ｗ））² ｜ ｛９｝ Ｚ座標測定の誤差の典型的な進路の計算が示すように（図４上段参照）、左（ 破線）及び右（実線）の光路でＺ−座標測定の正確さが変化する。さらに、Ｘ座 標測定（図４下段参照）の測定精度の進路は、この種の測定装置の場合は、最大 の測定精度は、カメラ及び構造投影装置の直前において達成されることを示す。 外側の領域の測定精度は、それに比べてかなり低い。 しかし、管などの中空空間の検査又は内視鏡を用いた検査において関心が持た れる領域（｜Ｘ｜＞ｂ／ ２）は、まさにこれらの領域に存在するが、標準の光切断法の最大の測定精度の 領域では部分的に構造光を用いた切断が全く不可能である（測定されるべき対象 の形状のため）。したがって、これらの方法を用いると、比較的不正確な測定が 管内において又は同様の中空空間において行われる。 さらに、これらの測定方法を用いて管を調べる場合、投影される光切断面には 比較的大きな相違があり、対象の座標の算出は比較的複雑である。管を図３に示 す装置の円錐状の光構造により照明すると、例えば、座標Ｘ，Ｙ，Ｚ（比較のた めに下記の式｛１３｝及び｛１４｝に示される本発明の装置の場合の計算参照） を算出する式｛１０｝〜｛１２｝が得られる： 公知の装置の場合、両方の光学系が隣り合って配され、該両系の光学軸は、こ の距離に対する少なくとも一つの斜めの角度を有する。所望の測定精度を達成す るために、装置の部品間の最小限度の距離、即ち、検査方向に垂直な方向への装 置の延長を維持することが絶対必要である。したがって、これらの装置は、単に 光り幅の小さい対象（管、槽、小さな中空空間など） の内側を測定するためには、ただ希に使用可能であるだけである。 中空空間形状の３次元測定において、特にカメラ画像の回転位置の修正が従来 技術により補償される場合は、両方の装置（ステレオビジョン装置と、カメラ及 び構造照明）に異なる問題が生じる。 カメラと構造照明から成る装置の場合は、個別の座標の解像精度は、カメラと 構造照明間の距離により制限される。装置のできるだけ簡単な操作を確保にする ために、カメラは、通常、中央に配される。このようにして、（測定精度を限定 する）カメラと構造投影装置間の距離は、可能な最大の値（検査装置の直径）の 半分に制限される、即ち、精度がさらに限定される。さらにまた、湾曲した境界 を有する中空空間をそのような装置で検査する場合、照明パターンのソースポイ ントが軸の外側に位置するため、照明パターンと中空空間の壁に見えるパターン ならびにこれらの二つと投影された像間には多様性がある。このため、対象の当 該構造の座標を決定するために、照明構造、対象に投影された構造、カメラでみ られた構造間の座標変換及び形式変換の複雑な計算が必要である。空間における カメラと光源間の距離の位置は、これらの構造変換において考慮に入れられる。 さらに、この距離が、投影されたパターンをカメラ画像上でシフトさせ、その大 きさは、距離と検査装置が中空空間の壁部となす角度に依存する。カメラ画像か らの対象座標の計算を単純化する公知の方法は、測定されるべき対象の形状に適 合したパターンを照明することである。このパターンの投影が距離と角度に依存 してシフトするため、その方法をこれらの方法とともに用いることはできない。 もし、さらに、カメラの像と水平線間の角度を補償する装置が利用されると、 カメラの像と照明構造の回転（即ち補償角）が、依然として構造変換の計算時に 考慮に入れられなければ成らない。 他方、ステレオビジョン装置の場合は、深さデータの計算に入るカメラの位置 は、パン／チルトヘッドの回転のため空間的に変化することを考慮に入れなけれ ばならない。カメラの像が、従来技術により、水平線に対する像位置の補償を施 される場合は、対象座標の決定時の計算の複雑さはさらに増大する。 本発明の目的は、従来技術と比べてかなり単純化された測定を行うことが可能 な、接近不可能な中空空間の３次元的測定用の装置を創造することである。この 目的は、本発明によれば、請求の範囲第１項及び２項により、達成される。本発 明の有利な態様は、従属項に記載される。発明 本発明の基本的な概念は、検査装置の平均軸又はパン／チルトヘッドで傾斜さ せられ回転させられるプラットフォームの平均法線を、カメラ及び放射された構 造照明の（平均）軸と、又は２つのカメラの軸と、一致させ、そして、もし必要 ならば、請求の範囲第３項による光路に配された回転可能な光学素子を用いて、 一つ又は複数の像の回転位置の必要な補償を行うこと である。この光学素子は、その回転が、光学軸の回りでの像平面位置の回転をも たらすように設計される。そのような素子の例としては、単一プリズム（例えば 、ペカン(Pechan)プリズム、ダブプリズム即ちアベ−ケーニッヒプリズム）の装 置又は円柱レンズの装置がある。本発明の有利な効果 測定方法を実施する本発明の装置においては、カメラの光学軸は、１又は多数 のビームスプリッタを用いて実質的に構造投影装置の軸上に置くことができる。 もし、後者が軸に対して対称な（例えば円錐形の）光のパターンを投影し、該装 置が管の中心に導かれれば（即ち、カメラ及び投影装置の光学軸が管の軸上に位 置すれば）、管軸に垂直な断面が測定される。円筒状の管の場合は、円形断面上 の全ての点は、同じ精度で測定される。交差の全ての点は、センサ素子（例えば ＣＣＤマトリックス）上に等しく鮮明に結像され、均質な表面の場合は、構造投 影装置及び結像が適した品質であれば同じ強度を有する。 図５に示す本発明の原理から明らかなように、本発明の装置は、検査プローブ の（通常平均の）長手の軸又は回転されられ傾斜させられるプラットホーム上の 法線に関して対称である。この対称性により、このプラットホームとその上の法 線によって与えられる測定座標系と外部の標的座標系（例えば、チャンネルの地 形に用いられる座標系）間の座標の変換をかなり単純化することができる。本装 置が回転対称であるので、 光学軸と測定ポイントとこの軸間の距離によって得られる平面内の座標（Ｒ，Ｚ ）を有するポイントを有する光切断面を見るだけで十分である。この座標系のゼ ロ点は、レンズの主平面にあり、パターンのソースポイント（カメラの光学軸と の交差点）は、（０，ａ）（図５参照）にある。座標の計算は、式｛１３｝及び ｛１４｝によりおこなわれる： Ｒ＝（ｒ・ｔａｎ（ｗ）・（ｆ−ａ））／（ｒ−ｆ・ｔａｎ（ｗ）） ｛１３ ｝； Ｚ＝ｆ・（ｒ−ａ・ｔａｎ（ｗ））／（ｒ−ｆ・ｔａｎ（ｗ）） ｛１４｝ 式｛１３｝及び｛１４｝により、ｒの測定の誤差σ_rにより対象の測定座標の 下記の誤差σ_Z、σ_Rが得られる： σ_R＝｜（ａ−ｆ）・ｆ・ｔａｎ²（ｗ）／（ｒ−ｆ・ｔａｎ（ｗ））²｜・σ_r ｛１５｝ σ_Z＝｜（ａ−ｆ）・ｆ・ｔａｎ（ｗ）／（ｒ−ｆ・ｔａｎ（ｗ））²｜・σ_r ｛１６｝ 図６は、図３の方法（実線及び破線（図４参照））の測定精度と比較される本 発明の方法（点線）との比較を示す。各々の場合、２・ｆの基準長さ又は交差点 （０，０，−２・ｆ）ならびに光線角度ｗ＝±３０°が予測された。 図６に示される半径方向及び光学軸の方向の距離への測定精度の進路が示すよ うに、測定精度は、光学軸Ｒ＝０に対して対称性があり、装置と対応する寸法を 有し、特に測定ポイントと光学軸の距離が長ければ、 公知の方法による達成可能な精度より良好である。 方法のさらに特別な利点は、構造照明とカメラとの横方向の長さが測定精度に 関して決定的ではなく、むしろ光学軸方向の距離がそうであることにより得られ る。この方法に基づく測定装置はしたがって最小の半径で実現でき、この理由に より隙間幅の小さい対象の内部を検査すること（管探測装置及び内視鏡の典型的 な用途）に特に適している。 さらに、構造光及びカメラから成る本発明の装置に置いては、検出されたパタ ーンの形と照明パターンとの違いを進路又は検査ヘッドの中心に対する中空空間 の壁部の形にのみ合わせて逆に辿ることが可能であり、他方、検出されたパター ンの大きさは、この壁の検査ヘッドへの距離及びカメラと照明管の既知の距離に のみ依存する。照明及びカメラの光学軸が正確に一致すると、照明パターンの中 心点とカメラ画像の中心点は常に互いに対して一定である。中心点が中空空間の 壁部への距離に依存してシフトしない、即ち、照明パターンの適当な選択により 、画像評価及び解読が大いに単純化される。 カメラ画像の回転位置の本発明による補償がビームスプリッタ及び検査される 中空空間断面の間に配された回転可能な光学素子により行われれば、さらに、照 明及び検出パターン間の相対回転位置の恒常性が確かなものになる。回転角度、 傾斜角度、又は補償角度が知られていない場合でさえも、結像された中空空間の ３次元の測定は測定座標の系で実行することができ、 即ち、カメラ画像の評価がさらに単純化される。 ビームスプリッタによるほとんど同一の光学軸上に存在する２つのカメラから 成る本発明の装置は、ステレオ評価に基づく公知の方法に比べて対象の座標の計 算を単純化する。２つのカメラから成る本発明の装置を図７に示す。対象点（Ｒ ，Ｚ）が、焦点距離ｆ又はｆ２を有するレンズによりカメラ１又は２のセンサ素 子に投影される。結像の条件は、 Ｒ＝ｒ・（Ｚ／ｆ−１） ｛１７｝又は Ｒ＝ｒ２・（Ｚ２／ｆ２−１） ｛１８｝ であり、そして、Ｚ２＝Ｚ＋ａ｛１９｝の条件により、対象の座標を計算するた めの式｛２０｝及び｛２１｝が得られる： Ｒ＝ｒ２・ｒ・（ｆ＋ａ−ｆ２）／（ｆ２・ｒ−ｒ２・ｆ） ｛２０｝及び Ｚ＝ｆ・（ｒ２・（ａ−ｆ２）＋ｆ２・ｒ）／（ｆ２・−ｒ２・ｆ） ｛２１ ｝ もしカメラがパン／チルトヘッドに取り付けられ、そして本発明の回転位置の 補償が利用されれば、これらの画像の評価は従来技術のステレオカメラと比べて 、３つの異なる回転（カメラの画像位置の回転、回転し、かつ傾斜したプラット フォームの法線の回りのカメラの距離の回転）を考慮に入れることが必要でなく なるので、さらに大幅に単純化される。 測定方法は、光学軸間の小さい距離に対して許容性がある。本発明の測定方法 の利点は、少しの制約条件下、装置の構成部品（構造投影装置及びカメラ又は２ つのカメラ）の光学軸が平行で、両者間の距離が測定精度に達するのに必要とさ れる距離（“有効距離ａ”）よりもずっと小さければすぐに利用できる。レンズ の又は単一レンズで作られたカメラレンズの厚さが無視できるほど小さくない装 置においては、この距離ａは、有効なカメラレンズの対象物側主平面の距離の光 学軸への投影、又は有効カメラレンズの対象物側主平面と投影されたパターンの ソースポイント間の距離の対応する投影である。発明の更なる改良 本発明のその他の有利な改良は、請求の範囲第４項〜第１４項に記載されてい る。 請求の範囲第４項に係る本発明の更なる改良においては、ビームスプリッタ（ １３）が、カメラと入射光学素子との間に配され、又は請求の範囲第５項によれ ばビームスプリッタ（８）が、像位置を回転させるための光学素子（７）とカメ ラとの間に配される。部分光路（ｂ）又は（ｅ）から来る構造照明は、共通の入 口及び出口アパーチャ（５）に到達する。請求の範囲６による回転対称な光構造 を有する照明の場合は、両方の装置は、等価である。両装置は、回転対称な光構 造が投影されなければ、相違し、キャリヤ（４）は、光学軸（ｆ）の回りに回転 し、請求の範囲第３項に係る像位置が補正される。その結果： −請求の範囲第４項のビーム分割の場合は、投影された光構造の回転になり、 他方、 −請求の範囲第５項のビーム分割の場合は、この回転も補償される。 さらに、請求の範囲第４項及び第５項によれば、共通の光路におけるカメラ及 び構造照明の光学軸を、中空空間がパン／チルトヘッドに向かってシフトする場 合に、投影されたパターンの中心点がカメラ画像の方にシフトしないような仕方 で一致させることができる。 請求の範囲第７項に係るもう一つの改良においては、ビームスプリッタ（８） 又は（１３）に発生する強度損失が最小化される。構造光ソースから発生する直 線偏波は、このビームスプリッタによりほとんど弱められないで、ビームスプリ ッタに対して対応する偏波方向の向きをもって到着する。もしさらに対象に達し そこから偏波ビームスプリッタまで帰ってくる光路に沿って、偏波方向の回転が なければ、円偏波構造の放射を有する中空空間の照明を、例えば好適にアライメ ントされた４分のλ薄膜（λ／４ lamina）を用いて達成可能である。中空空間 から来る光線も次に円偏波化され、次に遅延素子を通るときに、ビームスプリッ タをカメラ方向にほとんど弱められないで通るように直線偏波化される。 請求の範囲第８項の更なる改良を用いて、第３の部分光路（ｇ）をもう一つの ビームスプリッタ（６）で発生させることが可能であり、もう一つのカメラで検 出する。このカメラは、このようにして記録された画像を目視検査用にそしてキ ャリヤ又はカメラビークル を中空のキャビティ内で操縦するのに使用することができるオペレータを補助す るために利用可能である。 請求の範囲第９項により、このビームスプリッタが入射ビームを波長で選択的 に部分光路（ｇ）及び（ｂ）に分割すれば、特に低損失のビーム分割を達成する ことが可能になる。もしこのビームスプリッタが、例えば、構造照明の狭い帯域 の放射の波長の回りの狭いスペクトル範囲からの放射のみが、ビームスプリッタ から部分光路内へ構造光ソースの方向に又は元の方向に反射させられるように設 計されれば、このようにして白色光の照明（図８には示してない）から発生した 入射光の最大量は他方の部分光路に入る。構造照明により中空空間に発生する光 のパターンはほとんどこの部分光路では見えない、即ち、カメラ画像はほとんど 現在まで従来の検査装置を用いて得られた画像に対応する。他方、もう一つの部 分光路においては、ほとんど対象の構造照明から得られる放射のみが存在する、 即ち、構造照明により対象に創造されたパターンが最大のコントラストで投影可 能である。 簡素化された本発明のステレオ画像評価は請求の範囲第１０項に係るもう一つ の改良を用いて行うことができる。特に単純化された画像評価演算が、下記の特 別な場合（式｛２０｝及び｛２１｝参照）について得ることができる： １．特別な場合：ａ≠０；ｆ＝ｆ２，（ｒ２≠ｒ） Ｒ＝ａ・ｒ２ｒ／ｆ・（ｒ−ｒ２） ｛２２｝及び Ｚ＝ｒ２・（ａ−ｆ）＋ｆ・ｒ／（ｒ−ｒ２） ｛２３｝ ２．特別な場合：ａ＝０；ｆ≠ｆ２，（ｒ２≠ｒ） Ｒ＝ｒ２・ｒ・（ｆ−ｒ２）／（ｆ２・ｒ−ｒ２・ｆ） ｛２４｝及び Ｚ＝ｆ・ｆ２・（ｒ−ｒ２）／（ｆ２・ｒ−ｒ２・ｆ） ｛２５｝ もし、請求の範囲第１１項による有効な焦点距離の一つが設定できるならば、 もし焦点距離がｒ＝ｒ２が当てはまるように設定されれば、結果としてさらに単 純化された対象の座標の計算が得られる。対象座標（Ｒ，Ｚ）の結果は： Ｒ＝ｒ・（ａ／（ｆ２−ｆ）−１） ｛２６｝及び Ｚ＝ｆ・ａ／（ｆ２−ｆ） ｛２７｝ である。 請求の範囲第１２項により鏡やプリズムなどの偏向素子を用いると、光路を曲 げることができ、装置全体の空間的広がりを最適化できる。 請求の範囲第１３項により、結像光学素子（例えば、レンズ、凹面鏡、放物面 反射鏡）を光路内に用いると、光学的性質（例えば焦点の深さ、個々のカメラの 有効焦点距離、構造照明放射特性、波長選択ビームスプリッタの波長範囲、構造 光ソースとカメラ間又は個別のカメラ間の有効距離）を最適化することができる 。 もし、請求の範囲第１４項によるキャリヤ（４）が回転可能なパン又はパン／ チルトヘッド上に配されれば、装置全体を中空空間の異なる断面にアライメント させることができる。 もし、例えば請求の範囲第１５項に係る超音波センサなどのさらに別のセンサ がこのキャリヤ上に配置されれば、又は、それとともに回転可能なように配され れれば、請求の範囲第３項に係る本発明の画像の回転は、特に有利である。それ により、中空空間の制限された角度範囲のみをカバーし、キャリヤとともに回転 する用にアライメントすることができる。この回転運動により、センサは全中空 空間又は中空空間の個々の部分をスキャンし、このようにして角度に関して分解 された測定を行うことができる。もしビデオ画像の位置回転からくる回転運動を 本発明により補償すれば、この角度スキャンニングは光学式測定又は目視検査を 損じることなく行われる。 本発明の３次元測定の上記の性質により、説明された装置は、特に排水路等の ゴミ処理パイプラインを検査したり、供給ラインを検査したり、内視鏡に用いた りするのに特に適している。発明の説明 請求の範囲第１項、第３項及び第４項又は第５項〜第１２項に係る本発明の実 施例は、図８により一層明らかにされる。それは、共通のキャリヤ（例えばパン ／チルトヘッドのプラットフォーム）（４）上の光学素子の装置の平面図である 。 図８において、（ｄ）は、構造化され、偏光した、狭い帯域の光源（３）の、 ミラー（１１）及びレンズ（１２）を経て偏光ビームスプリッタ（８）に至る部 分光路を表す。偏光方向をこのビームスプリッタに好適にアライメントさせるこ とにより、構造照明は、ほとんど弱められないで４分のλ薄膜（１０）に到達す る。そこから波長選択ビームスプリッタ（６）に届く放射は、円偏光の４分のλ 薄膜に対応するアライメントを有し、レンズ（１２）を介して光学素子又はアパ ーチャ（５）に届き、もし必要ならば、例えば、回転可能なペカン(Pechan)プリ ズム又はダブプリズムを介してそこから中空空間（１）の測定されるべき断面に 到達する。光パターンがそこで生成され、そこから発生する放射は、光学素子又 はアパーチャ（５）を介して、もし必要ならば、例えば回転可能なペカン（Pech an）プリズム又はダブプリズム（７）を介して、レンズ（１２）に到達し、そこ から波長選択ビームスプリッタ（６）に達する。ほぼ構造照明の波長の狭いスペ クトル域からの放射を除き、中空空間から来る放射は、このビームスプリッタを 通って、ほとんど影響を受けることなく部分光路（ｇ）に、即ち光路（１１）を （カラー）カメラ（２）上に曲げてやるためにレンズ（１２）及び２つのプリズ ムを介して、入る。構造照明により発生した光から来る円又は楕円偏光放射は、 ４分のλ薄膜を通って、部分光路（ｂ）内の偏光ビームスプリッタに入る。それ は、４分のλ薄膜の背後で、ほとんど垂直の方向の放射に偏光され、構造照明か ら発生し、反対方向に走り、したがって、偏光ビームスプリッタ（８）からほと んど完全に部分光路（ｃ）に向けられてカメラに至る。 ミラーによって構造照明を部分光路（ｄ）及び（ｂ）を経て共通の光学軸（ｆ ）に反射させることと等価なのは、もし回転対称な光構造を用いるのであれば、 構造照明を（ｅ）で示される部分光路及びビームスプリッタ（１３）を経て反射 させることである。遅延素子（１０）は、この解決の変形例では不要とされ、ビ ームスプリッタ（８）は、部分光路（ｂ）からくる１００パーセントの放射をカ メラ（９）に反射させることが可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ，ＵＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．検査ヘッド又はキャリヤ（４）上に配置された光源及びカメラ（９）を用い て接近不可能な中空空間（１）（例えば、排水路パイプ）を３次元測定するため の装置において、 構造光源（３）が用いられ、前記カメラ及び前記構造光源は、共通の入射出射 アパーチャ（５）を有し、前記アパーチャ（５）の前に、少なくとも部分的に一 つの共通の光学軸（ｆ）を有するか又は少なくとも部分的に平行な軸を有し、そ の間の距離は、パターンのソースポイントとカメラレンズの対象物側の主平面と の間の距離ａより実質的に小さいことを特徴とする装置。 ２．さらに、第２のカメラ（２）が用いられ、前記中空空間は、光源からの非構 造光を用いて照明され、両方のカメラは、共通の入射又は出射アパーチャ（５） を有し、前記アパーチャ（５）の前に、少なくとも部分的に一つの共通の光学軸 （ｆ）を有するか又は少なくとも部分的に平行な軸を有し、その間の距離は、カ メラレンズの対象物側の主平面間の距離ａより実質的に小さいことを特徴とする 請求の範囲第１項記載の装置。 ３．前記入射アパーチャ（５）と前記カメラ（９）との間又は前記カメラ（２） と（９）との間に、像位置を回転させる光学素子（例えば、ペカン（Pechan）プ リズム、ダブプリズム、プリズム又は多重円柱レンズ の系）（７）が回転可能に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項又 は第２項記載の装置。 ４．前記構造光源は、ビームスプリッタ（１３）を介して前記共通の光学軸（ｆ ）及び前記出射アパーチャ（５）に到達することを特徴とする請求の範囲第１項 又は第３項記載の装置。 ５．前記構造光源は、ビームスプリッタ（８）を介して前記共通の光学軸（ｂ及 びｆ）ならびに前記出射アパーチャ（５）に到達することを特徴とする請求の範 囲第３項記載の装置。 ６．前記構造光源は、回転対称なパターンを出射することを特徴とする請求の範 囲第１項、第３項又は第４項記載の装置。 ７．前記構造光源は、偏光を出射し、前記ビームスプリッタ（８）又は（１３） は、偏光ビームスプリッタとして設計され、遅延素子、例えば、４分のλ薄膜（ λ／４ lamina）（１０）が前記ビームスプリッタと前記中空空間との間に配さ れることを特徴とする請求の範囲第４項又は第５項記載の装置。 ８．前記カメラ（９）又は前記構造光源（３）への部分光路において、もう一つ のビームスプリッタ（６）が配置され、このように生じる第３の部分光路（ｃ） が第２のカメラ（２）に達していることを特徴とする請求の範囲第１項、第３項 〜第６項のいずれか１項に記載の装置。 ９．前記ビームスプリッタ（６）は、光を波長に関して選択的に部分光路（ｇ） 及び（ｂ）に分割すること を特徴とする請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記載の装置。 １０．前記カメラ（２）及び（９）のレンズは、可変な有効焦点距離を有し、そ して／あるいは前記光学軸上の主平面の可変な有効間隔を有することを特徴とす る請求の範囲第２項記載の装置。 １１．前記カメラ（２）又は（９）の少なくとも一方のレンズは、前記有効な焦 点距離において調節可能であることを特徴とする請求の範囲第１０項記載の装置 。 １２．それぞれ（部分）光路を折り曲げる偏向素子（１１）（プリズム、ミラー ）が前記光路の一つ又は幾つかに配置されていることを特徴とする請求の範囲第 １項〜第１１項のいずれか１項に記載の装置。 １３．結像光学素子（例えば、レンズ、凹面鏡、放物面鏡）（１２）が個々の光 路に配されていることを特徴とする請求の範囲第１項〜第１２項のいずれか１項 に記載の装置。 １４．キャリヤが回転可能なパンヘッド又はパン／チルトヘッドに配置されてい ることを特徴とする請求の範囲第１項〜第１３項のいずれか１項に記載の装置。 １５．例えば超音波センサなどの更なるセンサが、前記キャリヤ、パンヘッド、 又はパン／チルトヘッドに配置されていることを特徴とする請求の範囲第１４項 記載の装置。 １６．供給又は処理パイプラインの検査のためのもしくは内視鏡に使用する請求 の範囲第１項〜第１５項の いずれか１項に記載の装置。