JP2005233759A

JP2005233759A - ３次元計測システム

Info

Publication number: JP2005233759A
Application number: JP2004042960A
Authority: JP
Inventors: Kunihiro Hoshino; 邦弘星野; Kenkichi Tamura; 兼吉田村
Original assignee: National Maritime Research Institute
Current assignee: National Maritime Research Institute
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2005-09-02
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: JP4045341B2

Abstract

【課題】簡単な装置構成で高分解能を実現し、検出データの演算処理を簡単且つ高速に行うことができる３次元計測システムを提供する。
【解決手段】互いに異なる位置に配置され、シングルスポット光の反射光をＸ軸上の異なる領域に集束する光学系２３Ｌ及び２３Ｒと、互いに異なる位置に配置され、光学系２３Ｌ及び２３ＲによってＸ軸上の異なる領域に集束されたシングルスポット光の反射光をそれぞれ受光し、Ｘ軸上における輝度分布を表す第１及び第２の検出信号をそれぞれ出力するラインセンサ２２Ｌ及び２２Ｒと、シングルスポット光の反射光を、Ｙ軸上に集束する光学系２３Ｃと、該光学系２３ＣによってＹ軸上に集束された反射光を受光し、Ｙ軸上における輝度分布を表す第３の検出信号を出力するラインセンサ２２Ｃと、第１〜第３の検出信号に基づいて、検出対象におけるシングルスポット光の照射位置に関する情報を求める演算処理部３とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、物体の位置や形状を光学的に計測するための３次元計測システムに関する。

従来より、対象物に向けて光ビームを照射し、その反射光を検出することにより、対象物の位置や形状を３次元的に計測することが行われている。このような光学的な計測方法は、対象物を非接触で検出することができるので、巨大構造物を計測する場合や、人間が立ち入ることができない危険な領域において計測を行う場合に有利である。一方、水中において、船舶や、海洋構造物や、港湾施設等の被災状況を調査する際には、マルチビーム音響測探機やサイドスキャンソナーのように、音波や超音波を用いる機器が成果を上げている。しかしながら、確認のためには、水中においても対象物を光学的に計測することが要望されている。

光学的な３次元計測方法としては、例えば、対象物から反射された反射光を２つのビデオカメラを用いて受光し、それぞれのビデオカメラによって検出された２つの２次元座標に基づいて、三角測量の原理を用いることにより奥行きを算出する方法が知られている。しかしながら、このような方法においては、光ビームを２次元的に検出する際に、２次元平面上における光ビームの輝度中心を求める必要がある等、画像処理解析が煩雑である。また、ビデオカメラ自体の動作が遅いので、対象物全体を検出するのに時間がかかるという問題がある。

また、特許文献１には、３次元座標データにより生成した３次元画像に陰影を正確且つ簡単に付することができる３次元画像生成装置が開示されている。この３次元画像生成装置は、対象物に向けて光ビームを照射して対象物の表面に照射スポットを形成する光ビーム照射手段と、光ビームの放射方向を変更して対象物の表面に形成される照射スポットの位置を変更する放射方向変更手段と、対象物の表面からの反射光を集光して結像する結像手段と、結像手段による反射光の結像位置に一列に配置された複数の受光素子からなるラインセンサと、対象物の表面に対する光ビームの各照射スポットの位置毎に、光ビームの放射方向及びラインセンサによって検出される反射光の受光位置に基づいて対象物の表面に関する３次元座標データを計算する座標変換手段と、各照射スポットの位置毎に計算した各３次元座標データに基づいて対象物の３次元画像を生成する画像処理手段とを備えており、各照射スポットの位置毎に計測した反射光の受光幅を、対象物の表面の陰影を表す陰影情報として利用する。

或いは、特許文献２には、面積及び表面までの距離において広範囲に及ぶ測定対象物の表面形状を３次元化できる３次元立体形状測定装置が開示されている。この３次元立体形状測定装置は、測定対象に向けて光ビームを出射して測定対象物の表面に照射スポットを形成する光ビーム出射器と、測定対象物の表面の照射スポットからの反射光を集光して結像する結像器と、結像器による反射光の結像位置に配置されて測定対象物の表面の照射スポットからの距離を検出するための距離検出器と、光ビーム出射器、結像器及び距離検出器を組み込んだ筐体と、該筐体を異なる２軸線回りに回転可能に支持する支持機構と、筐体を２軸線回りにそれぞれ独立して回転させる回転アクチュエータとを備えており、距離検出器によって検出される距離が、測定対象物の表面の３次元立体形状の測定のために用いられる。

特許文献１及び特許文献２においては、スポット照射光の反射光を集光して結像させ、ラインセンサを用いて反射光を検出している。しかしながら、特許文献１及び特許文献２においては、反射光を受光する際に、光学系や検出器を含むユニット自体を回転させることにより反射光の受光位置を調節しているので、複雑な動的機構が必要となり、装置が大掛かりなものになってしまう。
特開２００２−９２６３２号公報特開２００３−１１４１０９号公報

そこで、上記の点に鑑み、本発明は、簡単な装置構成で高分解能を実現し、検出データの演算処理を簡単且つ高速に行うことができる３次元計測システムを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明に係る３次元計測システムは、検出対象にシングルスポット光を照射し、検出対象によって反射された反射光を受光することにより、検出対象の位置又は形状を３次元的に計測するシステムであって、互いに異なる位置に配置され、シングルスポット光の反射光を第１の軸上の異なる領域に集束する第１及び第２の光学系と、互いに異なる位置に配置され、上記第１及び第２の光学系によって第１の軸上の異なる領域に集束された反射光をそれぞれ受光し、第１の軸上における輝度分布を表す第１及び第２の検出信号をそれぞれ出力する第１及び第２のラインセンサと、シングルスポット光の反射光を、第１の軸とは異なる第２の軸上に集束する第３の光学系と、該第３の光学系によって第２の軸上に集束された反射光を受光し、第２の軸上における輝度分布を表す第３の検出信号を出力する第３のラインセンサと、上記第１〜第３の検出信号に基づいて、検出対象におけるシングルスポット光の照射位置に関する情報を求める演算処理手段とを具備する。

本発明によれば、検出対象の表面において反射されたシングルスポット光の反射光を、光学系によって１軸上に集束し、ラインセンサを用いて受光するので、高精度の検出信号を高速に取得することができる。また、エリアセンサを用いる場合と比較して、検出信号の演算処理が簡単になるので、シングルスポット光の照射位置に関する情報を簡単且つ高速に求めることが可能になる。さらに、ラインセンサを含む検出系を駆動する駆動機構を設ける必要がないので、簡単且つ安価にシステムを構成することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る３次元計測システムの構成を示すブロック図である。この３次元計測システムは、シングルスポット光走査投影部１と、３次元計測部２と、演算処理部３と、制御部４と、表示部５とを含んでいる。

シングルスポット光走査投影部１は、検出対象である物体１００に照射されるシングルスポット光１０１を発生すると共に、そのシングルスポット光１０１によって物体１００の表面を走査する。
図２は、図１に示すシングルスポット光走査投影部１の構成を示す模式図である。シングルスポット光走査投影部１は、レーザ発振装置１１と、ガルバノメータ１２及び１３と、発散レンズ１４とを含んでいる。

レーザ発振装置１１は、例えば、ビーム径が約１ｍｍのレーザビームを発生する。レーザの発振波長としては任意のものを使用することができるが、使用環境や、検出対象の物性等に応じて発振波長を選択することが望ましい。例えば、海中の構造物を検査する場合には、発振波長が５３２ｎｍ〜５４３ｎｍ程度の緑色レーザ光源を使用することにより、水中における光の減衰を少なくすることができる。

ガルバノメータ１２は、例えば、Ｙ軸を回転軸として往復回転運動することにより、レーザ発振装置１１から出射したレーザ光をＸＺ平面上において偏向する。また、ガルバノメータ１３は、例えば、Ｘ軸を回転軸として往復回転運動することにより、ガルバノメータ１２から反射されたレーザ光をＹＺ平面上において偏向する。発散レンズ１４は、ガルバノメータ１２及び１３によって偏向されたレーザ光の偏向角を増幅させる。ガルバノメータ１２及び１３の動作は、後述する制御部４によって制御されており、これにより、レーザ光が所望の位置に照射される。

図３は、図１に示す３次元計測部２の構成を説明するための模式図である。図３の（ａ）に示すように、３次元計測部２は、ラインＣＣＤ（charge coupled device）センサ２２Ｌ、２２Ｃ、２２Ｒ、及び、平凸型シリンドリカルレンズ２３Ｌ、２３Ｃ、２３Ｒをそれぞれ含む３つの検出部２１Ｌ、２１Ｃ、２１Ｒを有している。これらの検出部２１Ｌ、２１Ｃ、２１Ｒは、物体１００を、左方向、中央、右方向からそれぞれ臨むように配置されており、集光領域２４Ｌ、２４Ｃ、２４Ｒに関する情報をそれぞれ収集する。

図３の（ｂ）に示すように、平凸型シリンドリカルレンズ２３は、２次元の集光領域２４から入射した光を、１軸上に集束させ、ラインＣＣＤセンサ２２に入射させる。また、ラインＣＣＤセンサ２２は、平凸型シリンドリカルレンズ２３によって集束された光を受光し、１軸上における輝度分布を表す検出データ（検出信号）を出力する。図３の（ａ）に示すように、検出部２１Ｌ及び２１Ｒにおいて、平凸型シリンドリカルレンズ２３Ｌ及び２３Ｒは、中心軸が集光領域のＸ軸と平行になるように配置されている。これにより、集光領域２４Ｌ及び２４Ｒから入射した光は、ラインＣＣＤセンサ２２Ｌ及び２２ＲによってＸ軸上の輝度分布として検出される。また、検出部２１Ｃにおいて、平凸型シリンドリカルレンズ２３Ｃは、中心軸が集光領域のＹ軸と平行になるように配置されている。これにより、集光領域２４Ｃから入射した光は、ラインＣＣＤセンサ２２ＣによってＹ軸上の輝度分布として検出される。

ラインＣＣＤセンサ２２を含む検出機器としては、汎用のファクトリカル・オートメーション（ＦＡ）用ラインＣＣＤカメラを用いることができる。ＦＡ用ラインＣＣＤカメラは、例えば、画素数７４５０個、画素サイズ４．７μｍ×４．７μｍ、ビデオレート４０ＭＨｚ、スキャンレート０．１９２ｍｓｅｃといった性能を有する。このようなラインＣＣＤカメラを用いることにより、一般的な２次元のエリアＣＣＤセンサと比較して約７０万倍、また、高速のエリアＣＣＤセンサと比較しても約４万倍のサンプリングレートを低コストで実現できる。また、上記のラインＣＣＤカメラにより、一般的なエリアＣＣＤセンサの約１８０倍、また、高分解能エリアＣＣＤセンサの約５６倍の計測分解能を得ることができる。

再び図１を参照すると、演算処理部３は、３次元計測部２から出力された検出信号に基づいて演算処理を行うことにより、物体１００に照射されたシングルスポット光の空間位置座標を順次算出し、それらの空間位置座標に基づいて、物体１００の位置を表す座標データや物体１００の形状を表す画像データを生成する。制御部４は、シングルスポット光走査投影部１における動作を制御すると共に、演算処理部３における演算処理を制御する。これらの演算処理部３及び制御部４は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）６によって構成されても良い。表示部５は、ＣＲＴディスプレイ等の表示画面を含んでおり、演算処理部３によって生成されたデータに基づいて、物体１００の位置や画像に関する情報等を表示する。

次に、本実施形態に係る３次元計測システムの動作について、図１及び図４〜図７を参照しながら説明する。図４は、本実施形態に係る３次元計測システムの動作を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１において、図１に示すように、制御部４の制御の下で、シングルスポット光走査投影部１が、シングルスポット光を発生して物体１００に照射する。ここで、シングルスポット光の照射位置の座標を（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）とする。

ステップＳ２において、３次元計測部２は、物体１００から反射されたシングルスポット光１０１を、検出部２１Ｌ、２１Ｃ、２１Ｒによって検出する。これにより、図５の（ａ）〜（ｃ）に示す３つの検出データ（検出信号）が取得される。ここで、図５の（ａ）は、検出部２１Ｌによって検出されたシングルスポット光のＸ軸上における輝度分布を表している。また、図５の（ｂ）は、検出部２１Ｒによって検出されたシングルスポット光のＸ軸上における輝度分布を表している。さらに、図５の（ｃ）は、検出部２１Ｃによって検出されたシングルスポット光のＹ軸上における輝度分布を表している。図１に示す演算処理部３は、これらの輝度分布に基づいて、輝度がピークとなる座標Ｘ_Ｌ、Ｘ_Ｒ、及び、Ｙ_Ｃを求める。

次に、ステップＳ３において、演算処理部３は、座標Ｘ_Ｌ及びＸ_Ｒと、検出部２１Ｌと検出部２１Ｒとの間の位置関係とを用いて、三角測量の原理に基づいてシングルスポット光の奥行きＺ（即ち、物体１００におけるシングルスポット光の照射位置と３次元計測部１との距離）を算出する。図６は、三角測量の原理を説明するための図である。図６に示すように、Ａ地点及びＢ地点から検出対象１１０を臨む場合に、奥行きＺは、視差（Ｘ_Ｌ−Ｘ_Ｒ）と、Ａ地点とＢ地点との距離ｄと、ラインＣＣＤカメラの焦点距離ｆとを用いて、次式によって表される。
Ｚ＝ｄ・ｆ／（Ｘ_Ｌ−Ｘ_Ｒ） …（１）
この原理を用いることによって求められた奥行きＺと、３次元計測部２との位置関係とから、シングルスポット光１０１のＺ座標Ｚ_０が求められる。

次に、ステップＳ４において、演算処理部３は、式（１）によって求められた奥行きＺを用いて、シングルスポット光１０１のＸ座標Ｘ_０及びＹ座標Ｙ_０を求める。これらの座標は、次式によって表される。
Ｘ_０＝ｄ・Ｘ_Ｌ／（Ｘ_Ｌ−Ｘ_Ｒ）＝Ｘ_Ｌ×Ｚ／ｆ …（２）
Ｙ_０＝ｄ・Ｙ_Ｃ／（Ｘ_Ｌ−Ｘ_Ｒ）＝Ｙ_Ｃ×Ｚ／ｆ …（３）
これにより、シングルスポット光の座標（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）が求められる。

ステップＳ５において、シングルスポット光による走査領域が残っている場合には、制御部４は、シングルスポット光走査投影部１に、シングルスポット光の投影位置を移動させる。これにより、再びステップＳ１〜Ｓ４の処理が繰り返され、シングルスポット光の座標情報（例えば、（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１））が収集される。一方、シングルスポット光による走査領域を全て走査し終えた場合には、処理はステップＳ７に移行する。

ステップＳ７において、演算処理部３は、収集されたシングルスポット光の座標情報（Ｘ_０，Ｙ_０，Ｚ_０）、（Ｘ_１，Ｙ_１，Ｚ_１）、…に基づいて、物体１００の位置及び形状を算出し、画像データを生成する。さらに、表示部５は、そのような画像データに基づいて、物体１００を画面に表示する。

以上説明したように、本実施形態によれば、２次元の集光領域を１次元の軸上に集束させることにより、エリアＣＣＤセンサよりも高分解能で高速に動作するラインＣＣＤセンサを使用してシングルスポット光を検出することができる。従って、集光領域に関する高精度の情報を高速に取得することが可能になる。また、１軸上に表された輝度分布のピーク位置に基づいて演算を行うので、エリアＣＣＤセンサを用いる場合には必要であった検出データの処理解析が不要になり、簡単且つ高速にシングルスポット光の照射位置に関する情報を求めることが可能になる。さらに、シリンドリカルレンズを用いて１軸方向の検出を行うことにより、シングルスポット光を検出するためにセンサ側の向きを変化させる必要がなくなるので、複雑な駆動機構を省いて装置構成を簡単にすることができる

本実施形態においては、１次元の軸上に集束されたシングルスポット光を検出するために、ラインＣＣＤセンサを用いているが、この他にも、１次元的に光を検出する様々な検出器を用いることができる。そのような検出器として、例えば、１次元ＰＳＤ（position sensitive detector、若しくは、position sensitive device）が挙げられる。

ＰＳＤは、半導体位置検出素子とも呼ばれており、比較的接合面の面積が大きい（例えば、１ｍｍ×１２ｍｍや、１０ｍｍ×１０ｍｍ）ｐ−ｉ−ｎ構造を有している。ここで、ｐ−ｉ−ｎ構造とは、ｐ形半導体とｎ形半導体とを含むｐｎ接合の間に、真性半導体（ｉ形半導体）であるｉ層を設けた構造のことをいう。このｉ層を、ｐｎ接合における空乏層よりも厚くなるように配置することにより、半導体の障壁容量が小さくなるので、一般的なｐｎ接合と比較して応答が高速になる。このようなｐ−ｉ−ｎ構造の両端に電極を形成し、ｐ−ｉ−ｎ構造の主面に向けてスポット光を照射すると、電荷が発生して両端の電極に到達する。その際に、電極に到達する電荷の量は、スポット光の照射位置から電極までの距離に反比例する。そこで、両端の電極から取り出された電流を測定して所定の計算を行うことにより、ｐ−ｉ−ｎ構造の主面におけるスポット光の照射位置を求めることができる。このようにシンプルな動作原理に基づくＰＳＤを用いることにより、応答性が速く、信頼性の高い位置検出を行うことができる。また、ＰＳＤは、高分解能を有することから、精度の高い検出器を実現することができる。
１次元ＰＳＤとしては、例えば、浜松ホトニクス社の製品（例えば、型番Ｓ８５５４）を用いることができる。

図７は、本発明の一実施形態に係る３次元計測システムの変形例を説明するための図である。図７に示すように、図１の３次元位置計測部２に含まれる３つの検出部の各々を、次のように変形しても良い。即ち、集光領域からの光が入射する平凸型シリンドリカルレンズ２３の上流に、集光レンズ２５を設ける。これにより、図３の（ｂ）に示す場合と比較して、集光領域２４が広がるので、さらに広範囲に渡って３次元計測を行うことが可能になる。

本発明は、構造物の位置や形状を光学的に計測するための３次元計測システムにおいて利用可能である。

本発明の一実施形態に係る３次元計測システムの構成を示すブロック図である。図１に示すシングルスポット光走査投影部の構成を示す模式図である。図１に示す３次元計測部の構成を説明するための図である。本発明の一実施形態に係る３次元計測システムの動作を示すフローチャートである。図１に示す３次元計測部によって検出されたシングルスポット光の輝度分布を示す図である。三角測量の原理を説明するための図である。本発明の一実施形態に係る３次元計測システムの変形例を説明するための図である。

符号の説明

１シングルスポット光走査投影部
２３次元計測部
３演算処理部
４制御部
５表示部
６パーソナルコンピュータ（ＰＣ）
１１レーザ発振装置
１２、１３ガルバノメータ
１４発散レンズ
２１Ｌ、２１Ｃ、２１Ｒ検出部
２２、２２Ｌ、２１Ｃ、２１ＲラインＣＣＤセンサ
２３、２３Ｌ、２３Ｃ、２３Ｒ平凸型シリンドリカルレンズ
２４、２４Ｌ、２４Ｃ、２４Ｒ集光領域
２５集光レンズ
１００物体
１０１シングルスポット光
１１０検出対象

Claims

検出対象にシングルスポット光を照射し、検出対象によって反射された反射光を受光することにより、検出対象の位置又は形状を３次元的に計測するシステムであって、
互いに異なる位置に配置され、シングルスポット光の反射光を第１の軸上の異なる領域に集束する第１及び第２の光学系と、
互いに異なる位置に配置され、前記第１及び第２の光学系によって第１の軸上の異なる領域に集束された反射光をそれぞれ受光し、第１の軸上における輝度分布を表す第１及び第２の検出信号をそれぞれ出力する第１及び第２のラインセンサと、
シングルスポット光の反射光を、第１の軸とは異なる第２の軸上に集束する第３の光学系と、
前記第３の光学系によって第２の軸上に集束された反射光を受光し、第２の軸上における輝度分布を表す第３の検出信号を出力する第３のラインセンサと、
前記第１〜第３の検出信号に基づいて、検出対象におけるシングルスポット光の照射位置に関する情報を求める演算処理手段と、
を具備する３次元計測システム。
前記第１〜第３の光学系の各々が、シリンドリカルレンズを含む、請求項１記載の３次元計測システム。
前記第１〜第３のラインセンサが、ラインＣＣＤ（charge coupled device）センサ、又は、１次元ＰＳＤ（position sensitive detector、若しくは、position sensitive device）を含む、請求項１又は２記載の３次元計測システム。
前記演算処理手段が、前記第１及び第２の検出信号に基づいて、三角測量の原理を用いて、第１及び第２の軸とは異なる第３の軸上におけるシングルスポット光の照射位置に関する情報を求める、請求項１〜３のいずれか１項記載の３次元計測システム。
前記演算処理手段が、第３の軸上におけるシングルスポット光の照射位置に関する情報と、前記第１又は第２の検出信号とに基づいて、第１の軸上におけるシングルスポット光の照射位置に関する情報を求めると共に、第３の軸上における前記シングルスポット光の照射位置に関する情報と前記第３の検出信号とに基づいて、第２の軸上における前記シングルスポット光の照射位置に関する情報を求める、請求項４記載の３次元計測システム。
検出対象に照射されるシングルスポット光を発生するシングルスポット光発生手段をさらに具備する請求項１〜５のいずれか１項記載の３次元計測システム。
前記シングルスポット光発生手段が発生するシングルスポット光によって検出対象を走査する走査手段と、
前記走査手段によるシングルスポット光の走査を制御する制御手段と、
をさらに具備する、
請求項６記載の３次元計測システム。
前記第１〜第３のラインセンサの各々が、検出対象の複数の位置に順次照射されるシングルスポット光の反射光を順次検出し、
前記演算処理手段が、前記第１〜第３のラインセンサから順次出力される複数の第１〜第３の検出信号に基づいて、第１〜第３の軸上におけるシングルスポット光の複数の照射位置に関する情報を求め、該情報に基づいて、検出対象の形状を表す画像データを生成する、請求項１〜７のいずれか１項記載の３次元計測システム。