特開 2022-111555 撮影装置、及び構造物検査システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022111555

(43)【公開日】2022-08-01

(54)【発明の名称】撮影装置、及び構造物検査システム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/88 20060101AFI20220725BHJP

【ＦＩ】

G01N21/88 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021007055

(22)【出願日】2021-01-20

(71)【出願人】

【識別番号】000220343

【氏名又は名称】株式会社トプコン

(74)【代理人】

【識別番号】100187322

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 直輝

(72)【発明者】

【氏名】石鍋 郁夫

(72)【発明者】

【氏名】桐生 徳康

(72)【発明者】

【氏名】高本 悠介

(72)【発明者】

【氏名】大佛 一毅

【テーマコード（参考）】

2G051

【Ｆターム（参考）】

2G051AA90

2G051AB02

2G051AC16

2G051BA02

2G051BA06

2G051BA10

2G051BA20

2G051BB01

2G051BB02

2G051BB09

2G051BB17

2G051CA03

2G051CA07

2G051CB01

2G051CC09

2G051EA23

(57)【要約】

【課題】照明をなるべく低い位置に設置して必要な照度を低減するとともに、撮影範囲も確保すること。
【解決手段】移動体に搭載され、移動体が構造物の表面に対して並行移動しながら検査するための撮影装置であって、移動体の後方に配置され、構造物の表面に向けて移動方向と交差するライン方向に延びる光を照射する、ライン方向に沿って複数配置された線状照射光源を備えた照明部と、構造物を撮影するためのライン方向に沿って複数配置された少なくとも３台以上のラインカメラと、を備え、ラインカメラのうち少なくともライン方向の最も外側にある一対のラインカメラの各々が外側に向けて配置され、ラインカメラの撮像素子の受光面と、ラインカメラの光学系の主面と、構造物の表面がシャインプルーフの条件を満たすように、ラインカメラが配置されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

移動体に搭載され、前記移動体が構造物の表面に対して並行移動しながら検査するための撮影装置であって、
前記移動体の後方に配置され、
前記構造物の表面に向けて移動方向と交差するライン方向に延びる光を照射する、前記ライン方向に沿って複数配置された線状照射光源を備えた照明部と、
前記構造物を撮影するための前記ライン方向に沿って複数配置された少なくとも３台以上のラインカメラと、を備え、
前記ラインカメラのうち少なくとも前記ライン方向の最も外側にある一対のラインカメラの各々が外側に向けて配置され、前記ラインカメラの撮像素子の受光面と、前記ラインカメラの光学系の主面と、前記構造物の表面がシャインプルーフの条件を満たすように、前記ラインカメラが配置されている、撮影装置。

【請求項2】

前記構造物の表面及び前記ライン方向に直交する断面における、前記構造物に対する前記ラインカメラの前記光学系の光軸の角度と、前記構造物の表面に対する前記照明部の光軸の角度が異なる、請求項１に記載の撮影装置。

【請求項3】

前記移動体は車両であり、前記照明部及び前記ラインカメラが前記構造物の表面からの距離が０．８ｍ以下となる場所に設置されている、請求項１又は２に記載の撮影装置。

【請求項4】

複数の前記線状照射光源の配置間隔がライン方向外側に向かうにつれて小さい、請求項１から３のいずれか一項に記載の撮影装置。

【請求項5】

前記照明部の照明光学系が、ファイバ光源の出射側に配置されたコリメートレンズと、シリンダレンズからなるレンズユニットを含んでいる、請求項１から４のいずれか一項に記載の撮影装置。

【請求項6】

前記ラインカメラが撮影した画像を補正するキャリブレーション部を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の撮影装置。

【請求項7】

構造物検査システムであって、
移動体と、
移動体の後方に配置されて搭載され、移動体が構造物の表面に対して並行移動しながら検査するための撮影装置と、
前記構造物の表面に向けて移動方向と交差するライン方向に延びる光を照射する、前記ライン方向に沿って複数配置された線状照射光源を備えた照明部と、
前記構造物を撮影するための前記ライン方向に沿って複数配置された少なくとも３台以上のラインカメラと、を備え、
前記ラインカメラのうち少なくとも前記ライン方向の最も外側にある一対のラインカメラの各々が外側に向けて配置され、前記ラインカメラの撮像素子の受光面と、前記ラインカメラの光学系の主面と、前記構造物の表面がシャインプルーフの条件を満たすように、前記ラインカメラが配置されている、構造物検査システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、撮影装置に関する。

【背景技術】

【0002】

路面のひび割れ等を検査するには、カメラ等の撮影装置を自動車等の車両に搭載し、走行しながら路面を撮影し、その撮影画像を解析することによって、路面に生じたひび割れ等を検出している。

【0003】

例えば、特許文献１には車両に搭載した撮影装置を用いて、撮影装置を車両から真下に向けて撮影し、路面の性状を検査する装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－１８１３９６号公開公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、路面の画像を撮影するには照明も必要である。照明とカメラとは概ね同じ高さに設置される。なるべく撮影範囲を広げようとしてカメラを上方、すなわち高い位置に設置すると、照明も路面までの距離が大きくなり、撮影に必要な照度も大きくなってしまう。一方で、カメラを下方、すなわち低い位置に設置してしまうと、撮影範囲が狭まってしまう。

【0006】

以上により、本開示は、照明をなるべく低い位置に設置して必要な照度を低減するとともに、撮影範囲も確保することができる撮影装置、及び構造物検査システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の実施形態に係る撮影装置は、移動体に搭載され、移動体が構造物の表面に対して並行移動しながら検査するための撮影装置であって、移動体の後方に配置され、構造物の表面に向けて移動方向と交差するライン方向に延びる光を照射する、ライン方向に沿って複数配置された線状照射光源を備えた照明部と、構造物を撮影するためのライン方向に沿って複数配置された少なくとも３台以上のラインカメラと、を備え、ラインカメラのうち少なくともライン方向の最も外側にある一対のラインカメラの各々が外側に向けて配置され、ラインカメラの撮像素子の受光面と、ラインカメラの光学系の主面と、構造物の表面がシャインプルーフの条件を満たすように、ラインカメラが配置されている。

【0008】

また、本開示の実施形態に係る構造物検査システムは、移動体と、移動体の後方に配置されて搭載され、移動体が構造物の表面に対して並行移動しながら検査するための撮影装置と、前記構造物の表面に向けて移動方向と交差するライン方向に延びる光を照射する、前記ライン方向に沿って複数配置された線状照射光源を備えた照明部と、前記構造物を撮影するための前記ライン方向に沿って複数配置された少なくとも３台以上のラインカメラと、を備え、前記ラインカメラのうち少なくとも前記ライン方向の最も外側にある一対のラインカメラの各々が外側に向けて配置され、前記ラインカメラの撮像素子の受光面と、前記ラインカメラの光学系の主面と、前記構造物の表面がシャインプルーフの条件を満たすように、前記ラインカメラが配置されている。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、照明をなるべく低い位置に設置して必要な照度を低減するとともに、撮影範囲も確保することができる撮影装置、構造物検査システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本開示の実施形態に係る撮影装置及びそれを用いた構造物検査システムの構成について示す図である。

【図2】シャインプルーフの条件について説明するための図である。

【図3】照明部について説明するための図である。

【図4】撮影光学系と照明光学系の光軸の関係について説明するための図である。

【図5】照明光学系の一例について説明するための図である。

【図6】実施例における必要照度と照射面における放射照度のシミュレーション結果について示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しながら本開示の実施形態に係る構造物検査システムについて説明する。図１は、本開示の実施形態に係る撮影装置、及びこの撮影装置を用いた構造物検査システムの概要を示す図である。

【0012】

構造物検査システム１は、撮影装置１００と、移動体２００と、分析装置３００を備えている。構造物を検査するための撮影装置１００は、移動体２００に搭載され、移動体２００が構造物の表面ＭＳに対して並行移動しながら、撮影装置１００によって構造物の表面ＭＳを撮影することにより画像を取得し、取得した画像を分析装置３００により分析することで構造物の表面を検査するものである。

【0013】

移動体２００は例えば車両、又は飛行体である。車両は人間が運転する自動車等の車両に限られず、自動運転による無人運転の車両も含まれる。飛行体は無人航空機などの遠隔操作又は予め定められた航路を自律飛行する飛行体であって、構造物との距離を一定に保つことができるものが含まれる。したがって、並行移動には厳密に平行移動するものに限られず、ほぼ一定の距離を保ちながら移動することが含まれる。

【0014】

撮影装置１００は、より具体的にはラインカメラ、ラインセンサをカメラとして用いるものである。ここではラインカメラを移動体２００の移動により走査して画像を取得するので、ラインカメラと統一して表記することにする。すなわち、移動体の移動方向が走査方向となる。なお、走査しながら撮影する画像を画像処理により統合できるのであれば、撮影装置１００のカメラはエリアセンサカメラを用いても構わない。

【0015】

ラインカメラは、一方向に配列された画素を持つ受光素子１１０と、複数のレンズ等の光学素子から構成された撮影光学系１２０を備えている。受光素子１１０は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子である。

【0016】

構造物は、例えば道路の路面、建築物の壁面などであって、表面にある程度の平坦性が担保されるものであって、より具体的には例えばアスファルトの路面である。一般道や高速道路程度のアスファルトの路面程度の平坦性があるものが対象となり、完全に平面でなくても構わない。したがって、例えば路面などが検査対象の場合は車両を走行させながら、又は飛行体を飛行させながら撮影を行う。壁面が対象の場合は壁面に沿って移動する移動体や飛行体により撮影することもできる。

【0017】

分析装置３００は、例えばＰＣなどの計算機であって、分析装置記憶部３９０と、分析部３５０を備えている。分析装置記憶部３９０は、撮影装置１００より送信され受信した画像、又は撮影装置１００の撮影装置記憶部１９０に記憶された画像を、所定の記憶媒体を仲介して分析装置記憶部３９０に移し替えた画像を記憶する。分析部３５０は分析装置記憶部３９０に記憶された画像を読みだして分析する機能を有する。より具体的には、画像解析により路面等の構造物の表面にあるひび割れ等を検出する。

【0018】

さらに分析装置３００は、読み込んだ画像を補正する画像補正部３６０を備えていてもよい。後述するにように撮影された画像が、ライン方向外側が歪んだ状態で撮影されるものである場合、その歪みを補正する画像処理を行うこともできる。

【0019】

このような構造物検査システム１において、路面の画像を撮影するにあたり、なるべく撮影範囲を広げようとして撮影装置１００を移動体２００の上方、すなわち高い位置に設置すると、照明から路面までの距離が大きくなり、撮影に必要な照度も大きくなってしまう。一方で、撮影装置１００を下方、すなわち低い位置に設置してしまうと、撮影範囲が狭まってしまう。

【0020】

不必要に照明の光量を増やすことは、高価な光源を採用することになり不経済であるばかりではなく、一般道や高速道においては光安全上の問題が生じる。

【0021】

また、路面に対して垂直に撮影面を向けた状態よりも撮影範囲を広げようとして、路面に対して斜めに配置した場合、撮影範囲の中で焦点が合う部分と合わない部分が生じる、すなわちピントがずれる場所が発生してしまう。

【0022】

そこで、本開示の実施形態に係る撮影装置１００にあっては、受光素子１１０の受光面１１０Ｓと、撮影光学系１２０の主面１２０Ｓと、検査対象である構造物の表面ＭＳとが、シャインプルーフの条件を満たすように配置することにより、撮影範囲を広げつつ、焦点が合っている画像を撮影することができる。

【0023】

上記の要件を満たすために、本開示の実施形態に係る撮影装置１００には、受光素子１１０の受光面１１０Ｓ又は撮影光学系の主面１２０Ｓの角度を調整する機能を備えている。より具体的には、例えば光学系の主面１２０Ｓを構成するレンズ主面のチルト機能を実現するレンズチルト機構が設けられている。

【0024】

図２は、シャインプルーフの条件について説明する図である。この図では、移動方向に垂直な断面においてライン方向の外側に配置される一方のラインカメラの受光素子１１０、その受光素子１１０の撮影光学系１２０と、構造物の表面ＭＳとの位置関係を示している。シャインプルーフの原理とは、受光素子１１０の受光面１１０Ｓと、光学系の主面１２０Ｓと、検査対象である構造物の表面ＭＳとが、同一直線Ｃ上で交わる場合、合焦状態となる物体面（構造物の表面ＭＳ）も同一直線Ｃ上で交わるというものである。したがって、このようなシャインプルーフの原理に基づく条件は、受光素子１１０の受光面１１０Ｓと、光学系の主面１２０Ｓと、構造物の表面ＭＳが同一直線Ｃ上で互いに交わることである。これにより、広い撮影範囲にピントを合わせることができる。

【0025】

このようにシャインプルーフの条件を満たすように配置される撮影装置１００は、ライン方向に沿って一列に配置される複数のラインカメラ１００Ｒ、１００Ｃ、１００Ｌのうち、最も外側にあるラインカメラ１００Ｒ、１００Ｌである。各々のラインカメラ１００Ｒ、１００Ｌは、その向きが路面に対して垂直から水平の間でシャインプルーフの条件を満たすように外側に斜めに向けて配置される。

【0026】

また、最も外側にあるラインカメラ１００Ｒ、１００Ｌは、上記のごとく外側に配置されているので、その中間、すなわち真ん中の部分の撮影領域が抜けてしまう。そのために、これらの外側一対のラインカメラの内側にも少なくとも１台のラインカメラ１００Ｃを配置することが好ましい。その配置角度は適宜設定できるが、例えば路面に対して垂直に配置することができる。これにより、少なくとも３台のラインカメラ１００Ｒ、１００Ｃ、１００Ｌを用いて低い位置に配置しても広範囲に合焦状態での撮影が可能になる。

【0027】

このように、ラインカメラはシャインプルーフの条件を満たすように配置されるので、ライン方向外側の像は歪むことになる。これを補正するため、カメラの内部パラメータを調整することにより取得画像の歪みを補正するキャリブレーション部１６０を備えていてもよい。キャリブレーション部１６０は、カメラの内部パラメータを用いて、撮影される画像を補正する機能を有する。そのようなカメラの内部パラメータは、相対的な位置関係が既知の基準対象物の各基準点を異なる位置から複数枚撮影し、その撮影された複数枚の画像に基づき求められている。例えば特許第３６９６３３６号などに記載されているカメラキャリブレーション法を用いることができる。

【0028】

このような撮影装置１００においては、撮影範囲を照らすために同じくライン方向に延びる光を照射する照明部１５０が設けられている。図３は照明部１５０について説明する図である。照明部１５０は例えば、ライン方向に沿って一列に配置される複数の線状照射光源１５０ＬＡ、１５０ＬＢ、…１５０ＬＦ、１５０ＲＡ、１５０ＲＢ、…１５０ＲＦを有している。配置される線状照射光源の個数はこの図に示された個数に限定されるものではない。

【0029】

各線状照射光源は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）やＬＤ（レーザダイオード）などの固体光源から放射された光を、複数の光路、例えば光ファイバ等に分け、これを介して伝播させ、最終的に出射側で照明光学系により成形した線状光源を出力するものである。なお、光源としてＬＤを用いた場合はコヒーレント性により像にスペックルが生じる可能性があるので、光路中にモードスクランブラを設けてコヒーレント性を低減させてもよい。

【0030】

光源より放射される光の波長は、例えば９４０ｎｍである。このような光は、水蒸気による吸収がある波長であり、街路樹の影など太陽光の影響を低減し、昼夜問わず安定した性能を得ることができる。したがって、９４０ｎｍの波長の光が含まれる光源であることが好ましい。

【0031】

各線状光源の照明光学系は、例えばファイバの出射側に設けられたコリメートレンズと、シリンダレンズ（シリンドリカルレンズ）との組み合わせからなるレンズユニットにより構成してもよい。このようなレンズユニットは、ファイバから出射された光をコリメートレンズにより平行光に成形した後、シリンダレンズ（例えば入射面が略円形、出射面が平坦面である、いわゆる蒲鉾型レンズ等）により線状光に成形することができる。このようなレンズユニットを用いることにより、ファイバから分波した複数の線状照射光源を所望の配置にすることができる。

【0032】

このような複数の線状照射光源が、その光の照射される線状方向とライン方向とを合わせて、ライン方向に沿って複数配置されることで、ライン方向において各線状照射光源から照射される光が重畳して照射され、ラインカメラの撮影範囲を適切に照射する。線状照射光源配置の仕方は自由であるが、例えば図３のように移動体２００や撮影装置１００の中心からライン方向に対称に配置することができる。

【0033】

また、これらの複数の線状照射光源の配置間隔は、ライン方向外側に向かうにつれて小さくなっていることが好ましい。光の強さは逆２乗の法則により距離の２乗に反比例するので、撮影した画像における明るさをより均一にするためには、ライン方向の外側ほど照射面における照度を高くする必要がある。特に本開示の実施形態においては、外側の両ラインカメラをシャインプルーフの条件を満たすように外側に傾けていることから、全てのラインカメラを垂直配置しているよりも、外側により多くの照度が必要である。そのために、複数の線状照射光源の配置間隔は、ライン方向外側に向かうにつれて小さく、より密に配置することが好ましい。このようにすることにより、後述するようにライン方向の外側において不足し受光面において低下する照度を均一化することができる。

【0034】

また、ライン方向においてラインカメラとラインカメラの間に線状照射光源が位置するように配置することが好ましい。これにより、所望の照度分布を実現することができる。

【0035】

あるいは、外側に配置される線状照射光源の出力を大きくし、照射面における照度分布が、外側の方が大きくなるようにしてもよい。所望の照度分布を実現することができる。

【0036】

また、照明光学系の光軸と、撮影光学系の光軸とは、構造物の表面に対する角度が異なっていることが好ましい。図４は、撮影光学系と照明光学系の光軸の関係について説明するための図であり、構造物の表面ＭＳとライン方向に直交する断面における、照明光学系の光軸と、撮影光学系の光軸を示している。この図において、ラインカメラ１００Ｌによる撮影光学系の光軸は構造物の表面ＭＳに対しては垂直方向に向いている（ライン方向については両外側のラインカメラはシャインプルーフの条件を満たしている）。これに対し、照明部１５０による照明光学系の光軸は、この角度とは異なる角度、例えばこの垂直な方向から５～２０度傾いた角度で入射する関係となっている。なお、図面はわかりやすさのために描かれており、必ずしも上記の角度関係とはなっていない。このように照明系と撮影系を同一平面におかないことにより、道路のひびが斜めから照明されるので、影ができやすくなる。これにより、道路表面とひびのコントラストを得やすくなる。

【0037】

以上説明した本開示の実施形態に係る構造物検査システムについて実施例を示す。撮影装置１００は、例えば普通自動車である移動体２００の後方に所定の取付治具などにより取り付けることができる。この際、高さは路面から０．８ｍ以下となる位置に取り付けることが好ましく、例えば０．７ｍの高さの位置に取り付けられる。また、撮影装置は、例えばラインカメラ１００Ｒ、１００Ｃ、１００Ｌの３台のラインカメラを設置することができ、そのうち両外側のラインカメラ１００Ｒ、１００Ｌが路面に対してそれぞれ外側に向いてシャインプルーフの条件を満たすように配置され、真ん中のラインカメラ１００Ｃは路面に対して垂直な向きで配置されている。また、ラインカメラ１００Ｒからラインカメラ１００Ｌまでの間隔はライン方向において例えば１．４ｍである。このような配置によればライン方向に例えば３．８ｍの撮影範囲を確保することができて、１車線分の撮影をすることができ、一般道路や高速道路の路面性状を確認することができる。

【0038】

また、照明部１５０は、照明系と撮影系が同一平面におかれないように斜めに向けて配置され、例えば垂直な方向から５～２０度傾けて配置されている。各線状照射光源は、例えば片側９個、両側１８個の線状照射光源が配置されていてもよい。なお、ラインカメラの個数、線状照射光源の個数については必要な照度と撮影範囲に応じて適宜可能であり、この例に限られるものではない。

【0039】

このような一例における、必要照度と、照射面における放射照度のシミュレーション結果について図６に示す。この図において、横軸はライン方向の位置（ｍｍ）を、縦軸は照度（Ｗ／ｍｍ^２）を表しており、実線の曲線で示されたのが照射面における必要照度である。また、点によりプロットされているのが、シミュレーション結果に基づく放射照度である。この図によればライン方向の全ての領域において、放射照度が必要照度を上回り、必要な光が照射面に供給されることがわかる。

【0040】

以上により、本開示の実施形態に係る撮影装置、構造物検査システムは、移動体に搭載され、移動体が構造物の表面に対して並行移動しながら検査するための撮影装置であって、移動体の後方に配置され、構造物の表面に向けて移動方向と交差するライン方向に延びる光を照射する、ライン方向に沿って複数配置された線状照射光源を備えた照明部と、構造物を撮影するためのライン方向に沿って複数配置された少なくとも３台以上のラインカメラと、を備え、ラインカメラのうち少なくともライン方向の最も外側にある一対のラインカメラの各々が外側に向けて配置され、ラインカメラの撮像素子の受光面と、ラインカメラの光学系の主面と、構造物の表面がシャインプルーフの条件を満たすように、ラインカメラが配置されていることにより、照明をなるべく低い位置に設置して必要な照度を低減するとともに、撮影範囲も確保することができる。

【0041】

また、構造物の表面及びライン方向に直交する断面における、構造物に対するラインカメラの光学系の光軸の角度と、構造物の表面に対する照明部の光軸の角度が異なることにより、道路のひびが斜めから照明されるので、影ができやすくなり、道路表面とひびのコントラストを得やすくなる。

【0042】

また、移動体は車両であり、照明部及びラインカメラが構造物表面からの距離が０．８ｍ以下となる場所に設置されていることにより、必要な照明の光量を減らすことができる。

【0043】

また、複数の線状照射光源の配置間隔がライン方向外側に向かうにつれて小さいことにより、ライン方向の外側において不足し受光面において低下する照度を均一化することができる。

【0044】

照明部の照明光学系が、ファイバ光源の出射側に配置されたコリメートレンズと、シリンダレンズからなるレンズユニットを含んでいることにより、ファイバから分波した複数の線状照射光源を所望の配置にすることができる。

【0045】

また、ラインカメラが撮影した画像を補正するキャリブレーション部を備えることにより、シャインプルーフの条件に配置したことにより外側が歪んで撮像された像を補正することができる。

【0046】

以上で、本開示の実施形態の説明を終えるが、本開示の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0047】

１ 構造物検査システム
１００ 撮影装置
１１０ 受光素子
１１０Ｓ 受光面
１２０ 撮影光学系
１２０Ｓ 主面
１２１ コリメートレンズ
１２２ シリンダレンズ
１５０ 照明部
１５０ＬＦ 線状照射光源
１６０ キャリブレーション部
１９０ 撮影装置記憶部
２００ 移動体
３００ 分析装置
３５０ 分析部
３６０ 画像補正部
３９０ 分析装置記憶部
Ｃ 直線
ＭＳ 表面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】