JPH1163918A - 光スポット位置測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 撮像素子上における光スポット径を最適に定
めることにより、光スポットの位置を精度良く測定可能
な光スポット位置測定装置を提供する。 【解決手段】 投光器よりの光を測定対象物に照射して
光スポットを形成し、その光スポットを複数個所から撮
像して、撮像された光スポットの像の位置の視差から測
定対象物までの距離を測定する際に使用される光スポッ
ト位置測定装置であって、測定対象物に光を照射して光
スポットを形成する投光器と、受光素子アレイを撮像部
とするカメラとを有してなり、撮像部に形成される前記
光スポットの像の径が、半値全幅で各単位受光素子の大
きさの３〜３９倍とされていることを特徴とする光スポ
ット位置測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定対象物上に形
成した光スポットを複数箇所から撮像し、三角測量に基
づいて測定対象物までの距離または測定対象物の位置を
測定するのに使用される光スポット位置測定装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、工業計測分野、測量分野におい
て、写真計測が使用されるようになってきている。その
理由は、写真計測によれば、ビル、橋梁等の大型構造物
の形状計測など、測定者が必要な測定点に接近すること
が困難な場合においても計測が可能である上、通常の測
量機器と異なり、時間的に変化する形状を短時間で構造
物全体にわたって計測できる等、様々な長所があるため
である。

【０００３】測量分野においても、多数の測定点を同時
に計測できることから、平板測量に代わる簡便な方式と
して、使用される範囲が広がりつつある。

【０００４】これまでの写真計測では、写真乾板等を利
用した銀塩カメラでステレオ写真を撮影し、図化作業者
が、例えば図化機と呼ばれる装置を使用して、これを平
面図、等高線図にしていくという作業を行っていた。し
かし、最近では計算機を利用した解析図化機と呼ばれる
ものが開発され、ほぼ自動的に図化作業が行えるように
なった。

【０００５】また、写真撮影時には電子カメラが利用さ
れることが多くなってきた。この理由は、電子カメラで
写真を撮影した場合、スキャナ等を通すことなく画像を
直接計算機に取り込み、解析図化装置にかけることがで
きるからである。また、電子カメラは、写真乾板や写真
フィルムと異なり、画像が電子化されていることから、
長期間保存してもデータの劣化がないという長所もあ
る。

【０００６】電子カメラでは、撮像レンズで形成した対
象物の実像を、通常はＣＣＤを用いた光検出器アレイで
検出する。ここで得られたデータは、ＣＣＤ上の位置関
係を考慮した上で画像処理等を行うのに使用されたり、
撮像を行った検出器の配列と同じ順序で表示装置上に表
示されたりする。写真計測においては、ＣＣＤ上の位置
関係を考慮した上で、計算機上で画像中の任意の２点間
の距離を測定し、これを対象物上での長さに変換するな
どして、対象物の大きさの測定を行う。

【０００７】実際の写真計測では、通常、以下のような
作業を行う。測定対象物の計測したい測定点に、複数の
ターゲットと呼ばれる反射器を貼り付け、このターゲッ
トからの反射光を写真で撮影する。または、レーザ等で
測定対象物上の測定点を点状に照明して、すなわち光マ
ークを照射して、それを撮影する。このようにして、測
定対象における測定点を画像として記録する。このと
き、視差画像が得られるように、複数の地点において画
像を撮影しておく。

【０００８】次に、この視差画像を用いて、測定位置か
ら被測定点（ターゲットを貼り付けた所、または光マー
クを照射した所）までの距離を計算し、被測定点の３次
元座標を計算することにより、測定対象物の形状を測定
したり、測定対象物までの距離を測ったりする。

【０００９】同時に複数の点を測定したい場合には、測
定したい点数だけのターゲットを測定対象物に貼るか、
レーザ等で測定したい点数だけ測定対象物を照明しなけ
ればならない。しかし、ビル、橋梁等の大型構造物の形
状測定など、測定者が測定対象物に近寄れないような状
況では、多数のターゲットを測定対象物に貼るのは現実
的でない。また、製品検査等、測定対象物が多数ある場
合にも、測定対象物にターゲットを貼るのは手間がかか
りすぎる。従って、レーザ等により、測定対象物上の測
定点を点状に照明する方が実用的である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電子写真を
利用した画像計測においては、投影した光スポットの位
置をいかに高い精度で測定するかが最終的な計測精度を
決定する。光スポットの位置を高精度で求める方法とし
て、一般的に、光スポットの像のＣＣＤ上での重心位置
を求め、その位置から光スポットの中心位置を求める方
法が使用されている。この方法によれば、受光素子の間
隔より狭い分解能で重心位置を決定できるので、高い精
度で光スポットの位置を決定することができる。

【００１１】しかしながら、光スポットのＣＣＤ上での
像の径は、大きすぎても小さすぎても重心位置の決定精
度が悪くなる。たとえば、像の大きさが１ピクセル内に
入ってしまえば、ＣＣＤセル単位では光スポットの像の
位置が求まるが、そのＣＣＤ内のどこに重心があるかは
求めることができず、分解能はＣＣＤセルの大きさによ
って決定されてしまって、それ以上向上しない。逆に光
スポットの像が大きく広がっている場合には、光スポッ
ト像の中心から離れた点における信号の量子化誤差やノ
イズの影響が相対的に大きくなるため、重心位置の決定
精度が悪くなってしまう。

【００１２】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであり、撮像素子上における光スポット径を最適
に定めることにより、光スポットの位置を精度良く測定
可能な光スポット位置測定装置を提供することを課題と
する。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の手段は、投光器よりの光を測定対象物に照射して光ス
ポットを形成し、その光スポットを複数個所から撮像し
て、撮像された光スポットの像の位置の視差から測定対
象物までの距離または測定対象物の位置を測定する際に
使用される光スポット位置測定装置であって、測定対象
物に光を照射して光スポットを形成する投光器と、受光
素子アレイを撮像部とするカメラとを有してなり、撮像
部に形成される前記光スポットの像の径が、半値全幅で
各単位受光素子の大きさの３〜３９倍とされていること
を特徴とする光スポット位置測定装置である。

【００１４】ここに、「単位受光素子の大きさ」とは、
ある単位受光素子の中心と、その隣の受光素子の中心の
間隔のことをいう。

【００１５】後に説明するように、撮像部に形成される
光スポットの像の径が、半値全幅で各単位受光素子の大
きさの３倍以上となると、安定して１ピクセルの１／１
０以内の精度で測定が可能になる。また、撮像部に形成
される光スポットの像の径が、半値全幅で各単位受光素
子の大きさの３９倍以下であると、ノイズの影響による
測定精度の悪化を、１ピクセルの１／１０程度に抑える
ことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】通常の電子写真は、各々の画素は
８ビットで量子化されており、画像を構成する信号はそ
れぞれ０〜２５５の値をとりうる。しかしながら、スポ
ットの像の中心が明るい側に飽和してしまうことを避け
るため、通常はピーク値でも信号の大きさが２４０を超
えないようにされている。又、被測定物を同時に写し込
む必要から、スポットの背景の像の明るさも、信号の大
きさが１００を下回ることがないような条件で撮影する
ことが多い。従って、検出できる光スポット自体の信号
値としては、０〜２５５というような広い範囲の信号値
が得られることはめったに無く、通常は広くて信号値と
して１００程度の幅があるだけである。

【００１７】そこで、光スポットの像の信号のピーク値
を信号の大きさ１００として、各ＣＣＤの出力信号から
光スポットの像の信号の重心位置を求めた場合の、真の
中心位置からの誤差を計算することにする。光スポット
の像の信号のピーク位置を画素の中心から、画素の中心
から±０．５ピクセルまでずれた位置まで変化させ、出
力信号から求めた重心位置と真の中心位置との誤差を各
々の位置について求め、その最大値をプロットしたもの
を図１に示す。

【００１８】図１において、横軸は光スポットの像の半
値全幅とＣＣＤセル単位受光素子の大きさ（ＣＣＤセル
間隔）との比、縦軸はＣＣＤセル間隔で正規化した誤差
の大きさを示す。誤差を求める計算においては、ＣＣＤ
セルのウィンドウサイズ（開口率）は、０．６とした。

【００１９】図１から、光スポットの半値全幅がＣＣＤ
セル間隔の３倍を超えた後は、誤差の大きさは常に0.05
以下であることが分かる。従って、光スポットの像の位
置をＣＣＤセル間隔の１／１０の精度で計測するために
は、光スポットの像の径を、半値全幅でＣＣＤセル間隔
の３倍以上とすればよい。

【００２０】一方、光スポットの像の径（半値全幅）の
上限値は、ノイズを考慮して決定される。

【００２１】ｎ番目のＣＣＤセルからの真の信号をａ_n
とし、そのセルからの信号に含まれているノイズをｒ_n
とすると、正しい重心の位置は、

【００２２】

【数１】 となる。しかし、ノイズが乗っていると、その信号から
計算される重心位置は、

【００２３】

【数２】 となる。統計的に

【００２４】

【数３】 であるので、（２）式は近似的に、

【００２５】

【数４】 となる。従って、（３）式の第２項が十分小さければ、
ノイズのある環境でも精度良く重心位置が求まる。

【００２６】そこで、光スポットの像の径に対する第２
項の大きさを計算する。ノイズとしては、２σでＣＣＤ
セルの信号の大きさの最小単位の２倍程度の正規分布ノ
イズを仮定し、その他の条件は前述の条件と同一条件で
計算を行った。

【００２７】ノイズがランダムであることから、（３）
式の大きさはランダムに変化するが、統計的に処理を施
し、２σの値を求めて図２に示す。図２において、横軸
は光スポットの像の半値全幅とＣＣＤセル間隔との比、
縦軸はＣＣＤセル間隔で正規化した誤差の大きさ
（（３）式における第２項の２σ）を示す。

【００２８】ノイズによる寄与がＣＣＤセル間隔の0.05
を超えなければ、光スポットの像の重心位置をＣＣＤセ
ル間隔の１／１０の精度で求めることができる。図２に
よると、この値に対応する光スポットの像の径の上限
は、半値全幅でＣＣＤセル間隔の３９倍であることがわ
かる。

【００２９】光スポットの像の径（半値全幅）をＣＣＤ
セル間隔の３〜３９倍にするには、(1) 投影する光スポ
ットを予めこの条件を満たすような大きさにする(2) 小
さな光スポットを撮像したときに、この条件を満たすよ
うな撮像レンズ系を用いるの２通りの方法があるが、
(2) の方法は解像度の低いレンズで撮像を行うことを意
味し、投影された光スポット以外のものも全てぼんやり
と撮影されることになって好ましくない。よって、通常
は(1) の方法を採用することが好ましい。

【００３０】撮像された像の大きさａ（mm）と撮像レン
ズの焦点距離ｆ（mm）、被写体の見かけの大きさα（ra
d）の間には、 ａ＝ｆα という関係がある。前記の条件を満たすためには、ａは
ＣＣＤセル間隔の３〜３９倍とする必要があるから、 α＝（３〜３９×ＣＣＤセル間隔）／ｆ となる。たとえば、焦点距離ｆ＝１００mm、ＣＣＤセル
間隔が１０μｍのカメラを用いれば、α＝0.3〜3.9（mr
ad）となる。

【００３１】従って、光投光装置としては、0.3〜3.9
（mrad）の光を投影できるものを使用すればよい。これ
は、たとえば１０ｍ先で３〜３９mmの光スポット径（半
値全幅）となるような広がりを有する光投光装置であ
る。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、測定対象物に光を照射して光スポットを形成する投
光器と、受光素子アレイを撮像部とするカメラとを有し
てなり、撮像部に形成される前記光スポットの像の径
が、半値全幅で各単位受光素子の大きさの３〜３９倍と
されているので、撮像素子上における光スポット径が最
適となり、光スポットの位置が精度良く測定可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】光スポット径と、光スポットの重心位置が受光
素子中心からずれたときの測定誤差との関係を示す図で
ある。

【図２】光スポット径と、ノイズによる測定誤差の大き
さの関係を示す図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】投光器よりの光を測定対象物に照射して光
   スポットを形成し、その光スポットを複数個所から撮像
   して、撮像された光スポットの像の位置の視差から測定
   対象物までの距離または測定対象物の位置を測定する際
   に使用される光スポット位置測定装置であって、測定対
   象物に光を照射して光スポットを形成する投光器と、受
   光素子アレイを撮像部とするカメラとを有してなり、撮
   像部に形成される前記光スポットの像の径が、半値全幅
   で各単位受光素子の大きさの３〜３９倍とされているこ
   とを特徴とする光スポット位置測定装置。