JP2006258464A - Three-dimensional image information acquisition system - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To determine three-dimensional location information and reflectivity of an object to be measured and acquire three-dimensional images at high speed on the basis of the information through the use of both two-dimensional location information of each micromirror of spatial modulation elements of a micromirror array and phase shift information of temporal modulation of optical intensity of a laser beam incident onto the spatial modulation elements of the micromirror array. <P>SOLUTION: The system for acquiring three-dimensional location information of an object to be measured by irradiating a laser beam to the object to be measured and receiving reflected light from the object to be measured is provided with a plurality of light reception surfaces for receiving a laser beam reflected at the object to be measured and comprises a photoelectric converter for converting information of the laser beam received at each light reception surface into an electric signal and outputting it; a spatial modulation element of the micromirror array for controlling the reflecting surface of a selected micromirror in a prescribed direction into an ON state for every one of a plurality of partial regions and guiding reflected light of a laser beam reflected at the micromirror in an ON state from the object to be measured to different light reception surfaces; and a data processing part for determining three-dimensional location information of the object to be measured through the use of both phase shift information of each electric signal and location information of the micromirror in an ON state in reach partial region. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、レーザ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することにより測定対象物の3次元画像情報を取得する3次元画像情報取得装置であって、例えばマシンビジョンシステム(産業用画像検査装置)や測定対象物に当たって戻ってきたレーザ光の情報から測定対象物の状態を知るレーザレーダ等の技術分野に好適に用いることのできる装置に関する。   The present invention is a three-dimensional image information acquisition apparatus that acquires three-dimensional image information of a measurement object by irradiating the measurement object with laser light and receiving reflected light from the measurement object. The present invention relates to an apparatus that can be suitably used in a technical field such as (industrial image inspection apparatus) or a laser radar that knows the state of a measurement object from information of a laser beam returned upon hitting the measurement object.

近年、産業用ロボットや工作機械における作業の自動化において、作業対象とする対象物の3次元位置情報を利用して正確な作業を行うことが望まれている。
対象物の3次元位置情報を取得するには、種々の方法が知られている。
複数のカメラを搭載したシステムでは撮影画像を用いて対象物の位置情報を取得し、また複数の距離センサを用いたシステムでは対象物の距離情報を距離センサから取得する。また、カメラと距離センサを組み合わせたシステムでは対象物の撮影画像と距離情報を取得して対象物の3次元位置情報を取得する。
また、軍事、保安用レーザレーダとして、また火星探査ロボットとして、対象物の3次元位置情報を取得することが望まれている。
In recent years, in the automation of work in industrial robots and machine tools, it has been desired to perform accurate work using the three-dimensional position information of a target object.
Various methods are known for acquiring three-dimensional position information of an object.
In a system equipped with a plurality of cameras, position information of an object is acquired using a captured image, and in a system using a plurality of distance sensors, distance information of the object is acquired from the distance sensor. Further, in a system in which a camera and a distance sensor are combined, a captured image of the object and distance information are acquired, and three-dimensional position information of the object is acquired.
Further, it is desired to acquire three-dimensional position information of an object as a military or security laser radar or as a Mars exploration robot.

例えば、複数のカメラを搭載したシステムでは、複数のカメラで異なる方向から撮影した対象物の撮影画像から対象物の3次元画像を取得する方法が知られている(非特許文献1)。
また、レーザ光をポリゴンミラーやガルバノミラーに反射させて対象物上で2次元的に走査し、対象物から反射されてくるレーザ光を受光することによって対象物の位置情報を知り、これと別途三角測量法やパルスエコー法を用いて求めた距離情報とともに対象物の3次元位置情報を取得する方法が知られている(非特許文献2)。
また、レーザ光を対象物上にスリット投影して、対象物に投影されたスリット状のレーザ光の変形状態を用いて対象物の3次元形状を知る方法が知られている(非特許文献3)。
For example, in a system equipped with a plurality of cameras, a method of acquiring a three-dimensional image of an object from captured images of the object captured from different directions with a plurality of cameras is known (Non-Patent Document 1).
Also, the laser beam is reflected on a polygon mirror or galvanometer mirror, scanned two-dimensionally on the object, and the laser beam reflected from the object is received to know the position information of the object, separately from this. There is known a method of acquiring three-dimensional position information of an object together with distance information obtained by using a triangulation method or a pulse echo method (Non-Patent Document 2).
Further, a method is known in which laser light is slit-projected on an object and the three-dimensional shape of the object is known using the deformation state of the slit-shaped laser light projected on the object (Non-patent Document 3). ).

平成10年度補正予算 煽動的コンテンツ市場環境整備事業、「多カメラ同時撮影による非制止物体の3次元モデルデータ採取装置」、2004年5月6日検索、インターネット、<URL:http//www.dcaj.org/bigbang/mmca/works/04/04_050.html>1998 Supplementary Budget Dynamic Content Market Environment Improvement Project, “3D Model Data Collection Device for Non-stopped Objects by Simultaneous Shooting with Multiple Cameras”, May 6, 2004 Search, Internet, <URL: http // www.dcaj .org / bigbang / mmca / works / 04 / 04_050.html> 関本清英他4名、「三次元レーザレーダの開発」、石川島播磨技法第43巻第4号 平成15年7月号、2004年5月6日検索、インターネット、<URL: http://www.ihi.co.jp/ihi/technology/gihou/image/43-4-2.pdf>Sekimoto Kiyohide et al., “Development of 3D Laser Radar”, Ishikawajima Harima Technique, Vol. 43, No. 4, July 2003, May 6, 2004, Internet, <URL: http: // www .ihi.co.jp / ihi / technology / gihou / image / 43-4-2.pdf> 「3次元モデリング表示技術」、大阪府立産業技術総合研究所、2004年5月6日検索、インターネット、<http://www.tri.pref.osaka.jp/group/sense/oldfile/3d/3d3.htm>"3D Modeling Display Technology", Osaka Prefectural Industrial Technology Research Institute, May 6, 2004 search, Internet, <http://www.tri.pref.osaka.jp/group/sense/oldfile/3d/3d3 .htm>

上記非特許文献1では、必要に応じて複数の撮影画像に基づいて3次元画像を取得して仮想的な3次元画像を作成することができる。また、人の体型を計測対象物として人の体型の3次元画像を作成することができる。しかし、3次元画像を取得する際、システム使用者が複数のカメラで撮影された撮影画像を位置合わせするための基準点を別途定める必要があり、自動化するのが困難である。
また非特許文献2では、3次元位置情報を所望の分解能で取得する際、ポリゴンミラーやガルバノミラーを回転させて反射させレーザ光の光束を絞って対象物上で走査させる際、光束の大きいレーザ光を反射する大型のポリゴンミラーやガルバノミラーを高速に回転させて3次元位置情報を取得するのには限界がある。
また、非特許文献3では、3次元形状を求めることはできるが、対象物の距離情報を得て3次元位置情報を取得するには、対象物上に予め距離情報を得るための参照点を設定しなければならず、自動化するのが困難である。
In the said nonpatent literature 1, a three-dimensional image can be acquired based on a some picked-up image as needed, and a virtual three-dimensional image can be created. In addition, it is possible to create a three-dimensional image of a human body shape using the human body shape as a measurement object. However, when acquiring a three-dimensional image, it is necessary for a system user to separately define a reference point for aligning captured images captured by a plurality of cameras, which is difficult to automate.
Further, in Non-Patent Document 2, when acquiring three-dimensional position information with a desired resolution, a laser having a large light beam is used when a polygon mirror or a galvano mirror is rotated and reflected to narrow down the light beam of the laser beam and scanned on the object. There is a limit to acquiring three-dimensional position information by rotating a large polygon mirror or galvanometer mirror that reflects light at high speed.
In Non-Patent Document 3, a three-dimensional shape can be obtained, but in order to obtain distance information of an object and obtain three-dimensional position information, a reference point for obtaining distance information in advance on the object. Must be set and difficult to automate.

そこで、本発明は、レーザ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することにより測定対象物の3次元画像情報を自動的に取得する装置であって、従来のシステムとは異なる方法を用いて高速に3次元画像を取得する3次元画像情報取得装置を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention is an apparatus for automatically acquiring three-dimensional image information of a measurement object by irradiating the measurement object with laser light and receiving reflected light from the measurement object, An object of the present invention is to provide a three-dimensional image information acquisition apparatus that acquires a three-dimensional image at high speed using different methods.

上記目的を達成するために、本発明は、レーザ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することにより測定対象物の3次元画像情報を取得する3次元画像情報取得装置であって、レーザ光の光強度を振幅変調信号に従って時間変調して測定対象物に照射するレーザ光出射部と、測定対象物で反射したレーザ光を受光する複数の受光面を備え、各受光面で受光したレーザ光の情報を、各受光面毎にそれぞれ電気信号に変換して出力する光電変換器と、前記測定対象物と前記光電変換器の各受光面との間のレーザ光の光路上に設けられ、平面上に複数のマイクロミラーが配列されて構成されたレーザ光反射面を有する素子であり、前記レーザ光反射面は、それぞれ所定数のマイクロミラーが配列された複数の部分領域に分割されており、各部分領域毎に、選択されたマイクロミラーの反射面を所定の向きに制御してON状態にすることにより、このON状態のマイクロミラーで反射した測定対象物からのレーザ光の反射光を、各部分領域毎にそれぞれ異なる前記受光面へと導くマイクロミラーアレイ空間変調素子と、前記光電変換器それぞれから出力された、各受光面毎の電気信号における前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報を各電気信号毎に取得するとともに、この各電気信号毎の位相ずれ情報と、各部分領域それぞれの前記ON状態のマイクロミラーの位置情報とを用いて測定対象物の3次元位置情報を求めるデータ処理部とを有することを特徴とする3次元画像情報取得装置を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a three-dimensional image information acquisition device that acquires three-dimensional image information of a measurement object by irradiating the measurement object with laser light and receiving reflected light from the measurement object. A laser light emitting unit for time-modulating the light intensity of the laser light in accordance with an amplitude modulation signal and irradiating the measurement object; and a plurality of light receiving surfaces for receiving the laser light reflected by the measurement object. Laser light received between the measurement object and each light receiving surface of the photoelectric converter, which converts the information of the laser light received by the surface into an electrical signal for each light receiving surface and outputs the electrical signal An element having a laser light reflecting surface provided on a road and having a plurality of micromirrors arranged on a plane, each of the laser light reflecting surfaces being a plurality of partial regions each having a predetermined number of micromirrors arranged Divided into Thus, for each partial region, the reflection surface of the laser beam reflected from the measurement object reflected by the micromirror in the ON state is controlled by turning on the reflecting surface of the selected micromirror in a predetermined direction. And a phase difference information for the amplitude modulation signal in the electrical signal for each light receiving surface output from each of the photoelectric converters and the micromirror array spatial modulation element that leads to the different light receiving surfaces for each partial region. Data processing for obtaining three-dimensional position information of an object to be measured by obtaining each electric signal and using phase shift information for each electric signal and position information of the micromirrors in the ON state of each partial region And a three-dimensional image information acquisition device.

なお、本発明の3次元画像情報取得装置は、各受光面毎の電気信号それぞれを、各電気信号毎に識別可能な符号化変調信号で時間変調する符号化変調手段を備え、前記データ処理部は、前記電気信号に含まれる符号化変調信号の情報を利用して、前記電気信号に変換されたレーザ光の反射光を受光した受光面を識別して、この受光面に前記レーザ光の反射光を導く前記レーザ光反射面の部分領域を特定し、この特定した部分領域の前記ON状態のマイクロミラーの位置情報を用いて、前記3次元位置情報を求めることが好ましい。なお、前記複数の受光面は、それぞれ同一の平面上に配列されていることが好ましい。   The three-dimensional image information acquisition apparatus of the present invention includes coding modulation means for time-modulating each electric signal for each light receiving surface with a coded modulation signal that can be identified for each electric signal, and the data processing unit Uses the information of the encoded modulation signal included in the electrical signal to identify a light receiving surface that has received the reflected light of the laser light converted into the electrical signal, and reflects the laser light on the light receiving surface. Preferably, a partial area of the laser light reflecting surface that guides light is specified, and the three-dimensional position information is obtained using position information of the micromirror in the ON state of the specified partial area. The plurality of light receiving surfaces are preferably arranged on the same plane.

また、前記光電変換器の各受光面毎に出力された電気信号を、前記振幅変調信号と同一周波数の信号を参照信号として用いてミキシングして、前記振幅変調信号で時間変調されたレーザ光の信号成分を中間周波数信号として取り出す中間周波数信号生成手段を有し、
前記データ処理部は、この中間周波数信号を用い、前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報を取得するとともに、この位相ずれ情報と、各部分領域毎の前記ON状態のマイクロミラーの位置情報とを用いて測定対象物の3次元位置情報を求めることが好ましい。
Also, the electrical signal output for each light receiving surface of the photoelectric converter is mixed using a signal having the same frequency as the amplitude modulation signal as a reference signal, and the laser light time-modulated with the amplitude modulation signal Having an intermediate frequency signal generating means for extracting a signal component as an intermediate frequency signal;
The data processing unit uses the intermediate frequency signal to acquire phase shift information for the amplitude modulation signal, and uses the phase shift information and the position information of the micromirrors in the ON state for each partial region. It is preferable to obtain the three-dimensional position information of the measurement object.

また、前記中間周波数信号生成手段におけるミキシング処理に先がけて、前記光電変換器の各受光面毎に出力された複数の電気信号を合成する電気信号合成手段を備え、中間周波数信号生成手段は、前記電気信号合成手段において生成された合成電気信号を、前記振幅変調信号と同一周波数の信号を参照信号として用いてミキシングすることが好ましい。   Prior to the mixing process in the intermediate frequency signal generating means, the intermediate frequency signal generating means comprises the electric signal synthesizing means for synthesizing a plurality of electric signals output for each light receiving surface of the photoelectric converter. It is preferable that the combined electric signal generated in the electric signal combining means is mixed using a signal having the same frequency as the amplitude modulation signal as a reference signal.

また、前記中間周波数信号生成手段は、前記振幅変調信号及び前記振幅変調信号を所定量位相シフトさせた位相シフト変調信号を参照信号として前記中間周波数信号を取り出し、前記データ処理部は、この中間周波数信号から、前記位相ずれ情報とともに測定対象物の表面における反射率の情報を求め、この反射率の情報と前記3次元位置情報とを3次元画像情報とすることが好ましい。   Further, the intermediate frequency signal generation means takes out the intermediate frequency signal by using the amplitude modulation signal and a phase shift modulation signal obtained by phase shifting the amplitude modulation signal by a predetermined amount as a reference signal, and the data processing unit It is preferable to obtain reflectance information on the surface of the measurement object together with the phase shift information from the signal, and use the reflectance information and the three-dimensional position information as three-dimensional image information.

また、前記データ処理部は、前記位相ずれ情報及び前記ON状態のマイクロミラーの位置情報とともに、前記レーザ光の前記レーザ光出射部における出射位置の情報とを用いて測定対象物の3次元位置情報を求めることが好ましい。   In addition, the data processing unit uses the phase shift information and the position information of the micromirrors in the ON state, and information on the emission position of the laser beam in the laser beam emission unit, and the three-dimensional position information of the measurement object. Is preferably obtained.

また、前記レーザ光出射部は、互いに周波数の異なる複数の振幅変調信号を用いてレーザ光を時間変調し、前記データ処理部は、異なる周波数の振幅変調信号毎に前記電気信号における前記位相ずれ情報を取得し、この複数の位相ずれ情報を用いて、3次元画像情報取得装置と測定対象物との間の距離情報を求めることが好ましい。   The laser beam emitting unit time-modulates the laser beam using a plurality of amplitude modulation signals having different frequencies, and the data processing unit performs the phase shift information in the electrical signal for each amplitude modulation signal having a different frequency. It is preferable to obtain distance information between the three-dimensional image information acquisition device and the measurement object using the plurality of pieces of phase shift information.

また、前記データ処理部は、求められた前記距離情報と前記ON状態のマイクロミラーの位置情報とから、レーザ光の3次元画像情報取得装置への到来方向と直交する方向における測定対象物の位置情報を求めることが好ましい。   Further, the data processing unit determines the position of the measurement object in the direction orthogonal to the arrival direction of the laser light to the three-dimensional image information acquisition device from the obtained distance information and the position information of the micromirror in the ON state. It is preferable to seek information.

また、前記レーザ光出射部は、波長の異なる複数のレーザ光を出射し、これらのレーザ光毎に前記測定対象物における表面の反射率の情報を求めることにより、測定対象物のカラー画像情報を取得することが好ましい。   Further, the laser beam emitting unit emits a plurality of laser beams having different wavelengths, and obtains color image information of the measurement object by obtaining information on the reflectance of the surface of the measurement object for each of the laser beams. It is preferable to obtain.

また、前記マイクロミラーアレイ空間変調素子は、各部分領域毎に、ON状態のマイクロミラーが全マイクロミラーの50%以上を占める、マイクロミラーの制御パターンが順次切り換えられ、この制御パターンに応じて空間変調されたレーザ光を前記光電変換器の各受光面に導くことが好ましい。なお、この順次切り換えられる前記制御パターンは、互いに直交性を有する制御パターンであることが好ましい。   In the micromirror array spatial modulation element, the micromirror control pattern is sequentially switched for each partial region, and the micromirrors in the ON state occupy 50% or more of all the micromirrors. It is preferable to guide the modulated laser light to each light receiving surface of the photoelectric converter. The control patterns that are sequentially switched are preferably control patterns that are orthogonal to each other.

本発明では、マイクロミラーアレイ空間変調素子の各マイクロミラーの2次元位置情報と、このマイクロミラーアレイ空間変調素子に入射するレーザ光における光強度の時間変調における位相ずれ情報とを用いて、測定対象物の3次元位置情報及び反射率を求めることで、これらの情報から測定対象物の3次元画像情報を高速に取得することができる。さらに、赤、緑及び青の3原色の可視レーザ光を用いることで、レーザ毎の反射率を求めることができ、色情報の有する3次元画像情報を高速に取得することができる。   In the present invention, the measurement object is measured using the two-dimensional position information of each micromirror of the micromirror array spatial modulation element and the phase shift information in the time modulation of the light intensity of the laser light incident on the micromirror array spatial modulation element. By obtaining the three-dimensional position information and the reflectance of the object, the three-dimensional image information of the measurement object can be acquired at high speed from these information. Further, by using visible laser beams of the three primary colors of red, green and blue, the reflectance for each laser can be obtained, and the three-dimensional image information possessed by the color information can be acquired at high speed.

以下、本発明の3次元画像情報取得装置について、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。   Hereinafter, the three-dimensional image information acquisition apparatus of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

図1は、本発明の3次元画像情報取得装置の一実施形態である3次元形画像情報取得装置(以降、装置という)10の外観図である。
装置10は、測定対象領域Tの範囲内に存在する測定対象物に照射したレーザ光のうち測定対象物からの反射光を受光することにより取得される測定対象物の3次元位置情報と、測定対象物の表面における反射率とにより3次元画像情報を取得する装置である。3次元画像情報取得装置10は、レーザ光を出射させて測定対象領域Tの測定対象物に照射し、測定対象領域Tの測定対象物の表面で反射したレーザ光を受光する。
FIG. 1 is an external view of a three-dimensional image information acquisition apparatus (hereinafter referred to as an apparatus) 10 which is an embodiment of the three-dimensional image information acquisition apparatus of the present invention.
The apparatus 10 measures the three-dimensional position information of the measurement object acquired by receiving the reflected light from the measurement object among the laser beams irradiated to the measurement object existing within the measurement object region T, and the measurement. This is an apparatus for acquiring three-dimensional image information based on the reflectance on the surface of an object. The three-dimensional image information acquisition apparatus 10 emits laser light to irradiate the measurement target in the measurement target region T, and receives the laser light reflected from the surface of the measurement target in the measurement target region T.

装置10は、レーザ光を測定対象領域Tの測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を受光することにより出力される電気信号から、測定対象領域Tにおける測定対象物の3次元画像情報を含んだ信号を出力する本体部12と、本体部12から出力された信号を用いて測定対象物の3次元画像情報を取得するコンピュータ14と、を有する。
コンピュータ14は、本体部12から出力される信号を用いてデータ処理を行う他、本体部12の各ユニットの駆動や駆動のタイミングを制御する制御部分でもある。
The apparatus 10 irradiates a measurement target in the measurement target region T with a laser beam and receives a reflected light from the measurement target, and outputs a three-dimensional image of the measurement target in the measurement target region T. It has a main body 12 that outputs a signal including information, and a computer 14 that acquires three-dimensional image information of the measurement object using the signal output from the main body 12.
The computer 14 performs data processing using a signal output from the main body unit 12 and is also a control unit that controls driving of each unit of the main body unit 12 and driving timing.

図2は、本体部12の装置構成を示したブロック図である。
本体部12は、レーザ光出射ユニット20と、光学ユニット30と、レーダ回路ユニット40と、制御回路ユニット50とを有する。制御回路ユニット50は、コンピュータ14と接続されている。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a device configuration of the main body 12.
The main body 12 includes a laser beam emitting unit 20, an optical unit 30, a radar circuit unit 40, and a control circuit unit 50. The control circuit unit 50 is connected to the computer 14.

レーザ光出射ユニット20は、レーザ光を出射する部分であり、レーザダイオード22と、レーザダイオード22を駆動するレーザドライバ24と、レーザダイオード22から出射するレーザ光を調節する光学レンズ28とを有する。   The laser light emitting unit 20 is a part that emits laser light, and includes a laser diode 22, a laser driver 24 that drives the laser diode 22, and an optical lens 28 that adjusts the laser light emitted from the laser diode 22.

レーザドライバには、後述するレーダ回路ユニットより振幅変調信号が送られ、この振幅変調信号に応じてレーザダイオードからレーザ光を出射させる。振幅変調信号(以降、RF変調信号という)は、例えば周波数(50MHz〜10GHz)の信号で、レーザダイオード24から出射されるレーザ光の光強度を時間変調するために用いられる。   An amplitude modulation signal is sent to the laser driver from a radar circuit unit described later, and laser light is emitted from the laser diode in accordance with the amplitude modulation signal. An amplitude modulation signal (hereinafter referred to as an RF modulation signal) is a signal having a frequency (50 MHz to 10 GHz), for example, and is used for temporally modulating the light intensity of the laser light emitted from the laser diode 24.

光学ユニット30は、測定対象領域Tの測定対象物の表面で反射して到来したレーザ光を受光する部分で、図2に示すようにレーザ光の光路の上流側から順に、バンドパスフィルタ31、光学レンズ32、プリズム33、マイクロミラーアレイ空間変調素子(以降、空間変調素子という)34、光学レンズ36、ミラー37及び光電変換器38が配置されている。空間変調素子34はマイクロミラー制御器35と接続されている。   The optical unit 30 is a part that receives laser light that has been reflected and arrived at the surface of the measurement object in the measurement target region T. As shown in FIG. 2, in order from the upstream side of the optical path of the laser light, a bandpass filter 31, An optical lens 32, a prism 33, a micromirror array spatial modulation element (hereinafter referred to as a spatial modulation element) 34, an optical lens 36, a mirror 37, and a photoelectric converter 38 are arranged. The spatial modulation element 34 is connected to the micromirror controller 35.

バンドパスフィルタ31は、レーザ光の波長帯域の光を透過させて、それ以外の波長帯域の光を遮断する狭帯域フィルタで、不必要な外光を遮断し、測定対象物からの反射光のSN比を向上させる。
プリズム33は、後述する空間変調素子34とともに用いて、空間変調素子34のマイクロミラーで反射したレーザ光を、斜行面33aで透過あるいは全反射させる部分である。
具体的には、プリズム33は、空間変調素子34のマイクロミラーのうち、所定の向きに反射面の向いたマイクロミラー(ON状態のマイクロミラー)にて反射されたレーザ光のみプリズム33の斜行面33aを透過させ、所定の向きに反射面が向かないマイクロミラー(OFF状態のマイクロミラー)にて反射されたレーザ光を斜行面33aで全反射させるように配置される。
The band pass filter 31 is a narrow band filter that transmits light in the wavelength band of the laser light and blocks light in the other wavelength bands, blocks unnecessary external light, and reflects reflected light from the measurement object. Improve the signal-to-noise ratio.
The prism 33 is a portion that is used together with the spatial modulation element 34 described later and transmits or totally reflects the laser beam reflected by the micromirror of the spatial modulation element 34 on the oblique surface 33a.
Specifically, in the prism 33, only the laser light reflected by the micromirror having the reflecting surface in a predetermined direction (the micromirror in the ON state) among the micromirrors of the spatial modulation element 34 is skewed. The laser beam that is transmitted through the surface 33a and reflected by a micromirror whose reflection surface does not face in a predetermined direction (a micromirror in the OFF state) is disposed so as to be totally reflected by the oblique surface 33a.

空間変調素子34は、平面上に配列された複数のマイクロミラー、例えば一辺が12μmの矩形状のミラーを有する素子であり、これらのマイクロミラーのうち選択されたマイクロミラーの反射面を所定の向きに制御してON状態にすることにより、このON状態のマイクロミラーで反射した、測定対象物から到来したレーザ光を光電変換器38の受光面に導くように配置されている。   The spatial modulation element 34 is a plurality of micromirrors arranged on a plane, for example, an element having a rectangular mirror with a side of 12 μm, and a reflection surface of a micromirror selected from these micromirrors is set in a predetermined direction. By being controlled to ON state, the laser beam that has been reflected from the micromirror in the ON state and has arrived from the measurement object is guided to the light receiving surface of the photoelectric converter 38.

図3は、ON状態及びOFF状態のマイクロミラーにおけるレーザ光の反射を説明する図である。図3では、4個×4個のマイクロミラーアレイを用いて説明している。
ON状態にあるマイクロミラーAの反射面で反射したレーザ光はレンズ36を介して光電変換器38の受光面39に導かれ、OFF状態にあるマイクロミラーBの反射面で反射したレーザ光は光電変換器38と異なる方向に反射する。このように、ON状態にあるマイクロミラーで反射されたレーザ光は光電変換器38にて受光される。
FIG. 3 is a diagram for explaining the reflection of laser light in the micromirrors in the ON state and the OFF state. In FIG. 3, a description is given using 4 × 4 micromirror arrays.
The laser light reflected by the reflecting surface of the micromirror A in the ON state is guided to the light receiving surface 39 of the photoelectric converter 38 via the lens 36, and the laser light reflected by the reflecting surface of the micromirror B in the OFF state is photoelectrically converted. Reflects in a different direction from the transducer 38. Thus, the laser beam reflected by the micromirror in the ON state is received by the photoelectric converter 38.

光学レンズ36は、光電変換器38の受光面39にミラー37を介してレーザ光を結像させるように構成される。
光電変換器38は、受光したレーザ光を電気信号に変換する部分であり、光電子倍増管やアバランシェフォトダイオード等の、4つの光電変換デバイス38a〜38dが並べられることで構成されている。各光電変換デバイス38a〜38dは、それぞれ、受光面39a〜39dを備え、各受光面に入射した光に応じた電気信号を出力する。なお、光電変換器38に設けられる上記デバイスの数は4個に限定されず、4個以上でも4個以下でもよい。
The optical lens 36 is configured to form an image of laser light on the light receiving surface 39 of the photoelectric converter 38 via the mirror 37.
The photoelectric converter 38 is a part that converts received laser light into an electrical signal, and is configured by arranging four photoelectric conversion devices 38 a to 38 d such as a photomultiplier tube and an avalanche photodiode. Each of the photoelectric conversion devices 38a to 38d includes light receiving surfaces 39a to 39d, and outputs an electrical signal corresponding to light incident on each light receiving surface. Note that the number of the devices provided in the photoelectric converter 38 is not limited to four, and may be four or more or four or less.

光学ユニット30では、空間変調素子34の、複数のマイクロミラーが平面上に配列されたミラー面29全体が、測定対象領域Tからのレーザ光の反射光(測定対象物からの反射光)全体を受光するように構成されている。また、空間変調素子34のミラー面29全体からの反射光を、光電変換デバイス38の受光面39(受光面39a〜39d)全体が受光するように構成されている。すなわち、測定対象領域Tからの反射光の成す像全体の大きさと、空間変調素子34のミラー面29全体の大きさが対応している。また、ミラー面29全体から反射光の成す像全体の大きさと、光電変換デバイス38の受光面39(受光面39a〜39d)全体の大きさが対応している。図4は、測定対象領域Tからの反射光と空間変調素子34のミラー面29との対応、およびミラー面29からの反射光と光電変換デバイス38の受光面39との対応について説明する概略図である。   In the optical unit 30, the entire mirror surface 29 of the spatial modulation element 34 on which a plurality of micromirrors are arranged on a plane is the entire reflected light of the laser light from the measurement target region T (reflected light from the measurement target). It is configured to receive light. In addition, the entire light receiving surface 39 (light receiving surfaces 39a to 39d) of the photoelectric conversion device 38 receives light reflected from the entire mirror surface 29 of the spatial modulation element 34. That is, the size of the entire image formed by the reflected light from the measurement target region T corresponds to the size of the entire mirror surface 29 of the spatial modulation element 34. Further, the overall size of the image formed by the reflected light from the entire mirror surface 29 corresponds to the overall size of the light receiving surface 39 (light receiving surfaces 39a to 39d) of the photoelectric conversion device 38. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the correspondence between the reflected light from the measurement target region T and the mirror surface 29 of the spatial modulation element 34, and the correspondence between the reflected light from the mirror surface 29 and the light receiving surface 39 of the photoelectric conversion device 38. It is.

図4に示すように、空間変調素子34のミラー面29全体は、それぞれ複数のミラー面が配列された4つの部分ミラー領域29a〜29dに分割されている。空間変調素子は、後述するマイクロミラー制御器35によって、各部分ミラー領域29a〜29d毎に異なるパターンで、1つ1つのミラーの角度が制御される。測定対象領域Tにおいて反射したレーザ光は、光学レンズ32、プリズム33によって成形・反射されて、空間変調素子34のミラー面29全体に入射する。各部分ミラー領域29a〜29dには、それぞれ、測定対象領域Tにおける、それぞれ異なる部分測定領域Ta〜Tdからの反射光が入射される。各部分ミラー領域29a〜29dのそれぞれのON状態のミラーで反射されたレーザ光それぞれは、プリズム33を通りミラー37で反射されて、光電変換デバイス38a〜38dの各受光面39a〜39dにそれぞれ入射する。光学ユニット30では、このように、空間変調素子34のミラー面29の、各部分ミラー領域29a〜29dで反射された(詳しくは、ON状態のミラーで反射された)レーザ光それぞれは、光電変換デバイス38a〜38dの、それぞれ異なる受光面39a〜39dにそれぞれ入射する。   As shown in FIG. 4, the entire mirror surface 29 of the spatial modulation element 34 is divided into four partial mirror regions 29a to 29d each having a plurality of mirror surfaces arranged. In the spatial modulation element, the angle of each mirror is controlled by a micromirror controller 35 to be described later in a different pattern for each of the partial mirror regions 29a to 29d. The laser light reflected in the measurement target region T is shaped and reflected by the optical lens 32 and the prism 33 and enters the entire mirror surface 29 of the spatial modulation element 34. Reflected light from different partial measurement areas Ta to Td in the measurement target area T is incident on the partial mirror areas 29a to 29d, respectively. The laser beams reflected by the respective ON-state mirrors of the respective partial mirror regions 29a to 29d are reflected by the mirror 37 through the prism 33, and are incident on the light receiving surfaces 39a to 39d of the photoelectric conversion devices 38a to 38d, respectively. To do. In the optical unit 30, as described above, each of the laser beams reflected by the partial mirror regions 29a to 29d (specifically, reflected by the mirrors in the ON state) of the mirror surface 29 of the spatial modulation element 34 is photoelectrically converted. The light is incident on different light receiving surfaces 39a to 39d of the devices 38a to 38d, respectively.

本発明の3次元像取得装置によれば、このように、複数の光電変換デバイスの各受光面毎に、ON状態のマイクロミラーで反射されるレーザ光を別々に受光して、受光したレーザ光に応じた電気信号を出力する。そして、出力したそれぞれの電気信号を個別にデータ処理することで、短時間に3次元画像情報を取得することができる。なお、上記デバイスは用いるレーザ光によって適するデバイスが異なり、例えば近赤外(800〜1200μm)のレーザ光にはアバランシェフォトダイオードが、可視帯域(400μm〜800μm)のレーザ光にはアバランシェフォトダイオード又は光電子倍増管が好適に用いられる。   According to the three-dimensional image acquisition apparatus of the present invention, as described above, the laser light reflected by the micromirrors in the ON state is separately received for each light receiving surface of the plurality of photoelectric conversion devices, and the received laser light is received. The electric signal according to is output. And by processing each output electric signal individually, three-dimensional image information can be acquired in a short time. Note that the above devices differ depending on the laser light used. For example, an avalanche photodiode is used for laser light in the near infrared (800 to 1200 μm), and an avalanche photodiode or photoelectron is used for laser light in the visible band (400 μm to 800 μm). A multiplier tube is preferably used.

なお、光電変換器38には、CCD(Charged Coupled Device)撮像素子等の受光面を領域に分けて受光し、領域毎に信号を蓄積し、蓄積された信号を順次出力する撮像素子は用いられない。後述するように、レーザ光の時間変調に用いるRF変調信号は50MHz〜10GHzであるため、順次蓄積された信号を出力するCCD撮像素子では、このような高周波で変調する信号に対応して高速に駆動することができないからである。   The photoelectric converter 38 is an image sensor that receives a light receiving surface of a CCD (Charged Coupled Device) image sensor or the like by dividing it into regions, accumulates signals for each region, and sequentially outputs the accumulated signals. Absent. As will be described later, since the RF modulation signal used for time modulation of the laser light is 50 MHz to 10 GHz, a CCD image pickup device that sequentially outputs accumulated signals responds quickly to signals modulated at such high frequencies. This is because it cannot be driven.

ここで、空間変調素子34について、より詳細に説明しておく。空間変調素子34は、例えばテキサス・インスツルメンツ社製のデジタルマイクロミラーデバイス(商標)が挙げられる。デジタルマイクロミラーデバイスは、例えば1024×768個のマイクロミラーの配列面の下部にSRAM(Static Ram)を設け、このSRAMを利用して生成される静電気引力を用いて、マイクロミラーをそれぞれ所定の向き(+12度又はマイナス12度)に回転させる素子である。
空間変調素子34は、各マイクロミラーの状態をON状態/OFF状態に切り換えるためのマイクロミラー制御器35と接続されている。マイクロミラー制御器35は、各部分ミラー領域29a〜29d毎に、複数のマイクロミラーそれぞれの反射面の向きを制御する。マイクロミラー制御器35の制御により、各部分ミラー領域29a〜29d毎に、全マイクロミラー(各部分領域毎の全てのマイクロミラー)のうち半数以上がON状態となるマイクロミラーの異なる制御パターンに順次切り換えられる。マイクロミラーの制御パターンは、マイクロミラーのON状態を1、OFF状態を−1とすると、各部分ミラー領域29a〜29d毎の制御パターンは、互いに直交性を有する制御パターンであるのが好ましい。例えばアダマール行列を用いて生成されるのが好ましい。
Here, the spatial modulation element 34 will be described in more detail. Examples of the spatial modulation element 34 include a digital micromirror device (trademark) manufactured by Texas Instruments. In the digital micromirror device, for example, an SRAM (Static Ram) is provided below the arrangement surface of 1024 × 768 micromirrors, and each micromirror is oriented in a predetermined direction using electrostatic attraction generated using the SRAM. It is an element that rotates (+12 degrees or minus 12 degrees).
The spatial modulation element 34 is connected to a micromirror controller 35 for switching the state of each micromirror to the ON state / OFF state. The micromirror controller 35 controls the direction of the reflecting surface of each of the plurality of micromirrors for each of the partial mirror regions 29a to 29d. Under the control of the micromirror controller 35, for each partial mirror region 29a to 29d, different control patterns of micromirrors in which more than half of all micromirrors (all micromirrors in each partial region) are in the ON state are sequentially applied. Can be switched. The control pattern of the micromirror is preferably a control pattern having orthogonality to each of the partial mirror regions 29a to 29d, where the micromirror ON state is 1 and the OFF state is -1. For example, it is preferably generated using a Hadamard matrix.

具体的に説明すると、各部分ミラー領域29a〜29d毎の制御パターンは、空間変調素子34のON状態とするマイクロミラーの配置のパターンであり、この制御パターンは、アダマール行列の各行同士のテンソル積を利用して作成されたパターンである。各部分ミラー領域29a〜29dは、ぞれぞれ同様の制御パターンによって制御される。以下、複数の部分ミラー領域29a〜29dのうち1つの部分ミラー領域29aを説明し、複数の部分ミラー領域における制御パターンの説明とする。図5(a)は、64個(=8個×8個)のマイクロミラーが配列された部分ミラー領域29aについて、マイクロミラーの反射面の側から見た制御パターンの一例を説明する図である。図5(a)に示す例では、例えば、複数の部分ミラー領域29a〜29dからなる、空間変調素子34のミラー面29全体では、256(64×4)個のマイクロミラーが配列されていることとなる。1つの部分ミラー領域29aにおいて、マイクロミラーは、縦方向に8列、横方向に8列、矩形形状に配列されている。図5(a)中、灰色のマイクロミラーはON状態、白色のマイクロミラーはOFF状態を示している。
このような制御パターンは、ON状態のマイクロミラーが全マイクロミラーの50%以上占める制御パターンである。制御パターンは、後述する制御回路ユニット50にて作成される制御パターン信号で制御される。
More specifically, the control pattern for each of the partial mirror regions 29a to 29d is a micromirror arrangement pattern in which the spatial modulation element 34 is turned on. This control pattern is a tensor product between each row of the Hadamard matrix. This is a pattern created using. Each of the partial mirror regions 29a to 29d is controlled by the same control pattern. Hereinafter, one partial mirror region 29a among the plurality of partial mirror regions 29a to 29d will be described, and a control pattern in the plurality of partial mirror regions will be described. FIG. 5A is a diagram for explaining an example of a control pattern viewed from the reflective surface side of the micromirror with respect to the partial mirror region 29a in which 64 (= 8 × 8) micromirrors are arranged. . In the example shown in FIG. 5A, for example, 256 (64 × 4) micromirrors are arranged on the entire mirror surface 29 of the spatial modulation element 34, which includes a plurality of partial mirror regions 29a to 29d. It becomes. In one partial mirror region 29a, the micromirrors are arranged in a rectangular shape with 8 rows in the vertical direction and 8 rows in the horizontal direction. In FIG. 5A, the gray micromirror indicates the ON state, and the white micromirror indicates the OFF state.
Such a control pattern is a control pattern in which the micromirrors in the ON state occupy 50% or more of all the micromirrors. The control pattern is controlled by a control pattern signal created by a control circuit unit 50 described later.

図5(b)に示すように行列要素が1又は−1で構成される8行8列のアダマール行列のうち、各行の行列要素の組みを上から順番に0次、1次、2次、.....、7次として横方向の1次元制御パターンとする。一方、図5(c)に示すように8行8列のアダマール行列のうち、各行の行列要素の組みを上から順番に0次、1次、2次、.....、7次とし縦方向の1次元制御パターンとする。そして、図5(b)に示す横方向の1次元制御パターンから所望の次数のパターンを選択し、図5(c)に示す縦方向の1次元制御パターンから所望の次数のパターンを選択する。   As shown in FIG. 5B, among the 8-by-8 Hadamard matrix in which the matrix elements are 1 or −1, the combinations of the matrix elements in each row are in order from the top to the 0th order, the first order, the second order, . . . . . , 7th order is a one-dimensional control pattern in the horizontal direction. On the other hand, as shown in FIG. 5C, among the 8-by-8 Hadamard matrix, a set of matrix elements in each row is assigned in order from the top, 0th order, first order, second order,. . . . . , 7th order and a vertical one-dimensional control pattern. Then, a pattern of a desired order is selected from the one-dimensional control pattern in the horizontal direction shown in FIG. 5B, and a pattern of the desired order is selected from the one-dimensional control pattern in the vertical direction shown in FIG.

図5(a)では、横方向の1次元制御パターンは4次、縦方向の1次元制御パターンは6次が選択されている。
一方、空間変調素子34において制御しようとするマイクロミラーの縦方向及び横方向の位置における、横方向の1次元制御パターン及び縦方向の1次元制御パターンの値(1又は−1)をそれぞれ参照し、縦方向の値と横方向の値の積が1になる場合、制御しようとするマイクロミラーはON状態とし、積が−1となる場合マイクロミラーはOFF状態に設定する。例えば、3行5列の位置にあるマイクロミラーMの、横方向の1次元制御パターンの値は−1であり、縦方向の1次元制御パターンの値は−1であり、積は1である。このことから、マイクロミラーMはON状態に設定される。こうしてON状態のマイクロミラーの数が全マイクロミラーの数の50%以上となる制御パターンの制御パターン信号が作成される。
この場合、マイクロミラーの制御パターンは、横方向の1次元制御パタ−ン及び縦方向の1次元制御パターンを組み合わせて64通り(=8×8)作成でき、この64個の異なる制御パターンを順次切り換えるように制御パターン信号が作成される。
このように制御パターンは、アダマール行列の選択された各行同士のテンソル積によって生成される。
In FIG. 5A, the horizontal one-dimensional control pattern is selected as the fourth order, and the vertical one-dimensional control pattern is selected as the sixth order.
On the other hand, the values (1 or −1) of the horizontal one-dimensional control pattern and the vertical one-dimensional control pattern at the vertical and horizontal positions of the micromirror to be controlled in the spatial modulation element 34 are respectively referred to. When the product of the vertical value and the horizontal value is 1, the micromirror to be controlled is set to the ON state, and when the product is −1, the micromirror is set to the OFF state. For example, the value of the one-dimensional control pattern in the horizontal direction of the micromirror M located at the position of 3 rows and 5 columns is -1, the value of the one-dimensional control pattern in the vertical direction is -1, and the product is 1. . For this reason, the micromirror M is set to the ON state. Thus, a control pattern signal of a control pattern in which the number of micromirrors in the ON state is 50% or more of the total number of micromirrors is created.
In this case, the control pattern of the micromirror can be created in 64 ways (= 8 × 8) by combining the horizontal one-dimensional control pattern and the vertical one-dimensional control pattern, and these 64 different control patterns are sequentially generated. A control pattern signal is created to switch.
Thus, the control pattern is generated by a tensor product between selected rows of the Hadamard matrix.

なお、64個のマイクロミラーを1つずつON状態とし、他はOFF状態とすることによって、空間変調素子34にて反射されるレーザ光を順次受光することもできる。しかし、1つのマイクロミラーで反射されて受光されるレーザ光は微弱であるため、後処理として行う増幅や検波等の処理により、微弱なレーザ光により生成された電気信号はノイズに埋もれ易い。しかし、上述したように、ON状態のマイクロミラーが全マイクロミラーの半数以上を占める上記制御パターンを用いることにより、後処理として行う増幅や検波等においてノイズに埋もれることは少なくなる、といった効果を呈する。
このように空間変調素子34は、各部分ミラー領域29a〜29dのそれぞれにおいて、異なる制御パターンに順次切り替えながら測定対象領域から到来するレーザ光を反射する。
Note that the laser light reflected by the spatial modulation element 34 can be sequentially received by turning on the 64 micromirrors one by one and turning the others off. However, since the laser light reflected and received by one micromirror is weak, an electric signal generated by the weak laser light is easily buried in noise by processing such as amplification and detection performed as post-processing. However, as described above, by using the control pattern in which the micromirrors in the ON state occupy more than half of all the micromirrors, there is an effect that it is less likely to be buried in noise in post-processing amplification or detection. .
In this way, the spatial modulation element 34 reflects the laser light coming from the measurement target region while sequentially switching to different control patterns in each of the partial mirror regions 29a to 29d.

レーダ回路ユニット40は、レーザ光出射ユニット20のレーザドライバ24にRF変調信号を供給するとともに、各光電変換器38a〜38dそれぞれから出力した電気信号を変調する後述のRF振幅変調器に、後述するPN符号化変調信号を供給し、各電気信号をPN符号化変調信号により変調する。そして、このような各光電変換器38a〜38dそれぞれから出力した電気信号を、レーザドライバ24に供給されたRF変調信号と同一の信号を参照信号(以降、ローカル信号という)として用いてミキシングし、RF変調信号で時間変調されたレーザ光の信号成分を中間周波数信号(IF信号)として取り出す部分である。
具体的には、レーダ回路ユニット40は、発振器41、パワースプリッタ42、増幅器43、移相器44、増幅器45、RFコンバイナ46、ミキサ47、増幅器48、上述の光電変換器38a〜38dにそれぞれ対応して接続された、RF振幅変調器49a〜49dを有する。
The radar circuit unit 40 supplies an RF modulation signal to the laser driver 24 of the laser light emission unit 20 and also uses an RF amplitude modulator, which will be described later, to modulate an electrical signal output from each of the photoelectric converters 38a to 38d. A PN encoded modulation signal is supplied, and each electric signal is modulated by the PN encoded modulation signal. Then, the electrical signals output from each of the photoelectric converters 38a to 38d are mixed using the same signal as the RF modulation signal supplied to the laser driver 24 as a reference signal (hereinafter referred to as a local signal), This is a part for extracting the signal component of the laser light time-modulated with the RF modulation signal as an intermediate frequency signal (IF signal).
Specifically, the radar circuit unit 40 corresponds to the oscillator 41, the power splitter 42, the amplifier 43, the phase shifter 44, the amplifier 45, the RF combiner 46, the mixer 47, the amplifier 48, and the photoelectric converters 38a to 38d described above. RF amplitude modulators 49a to 49d connected to each other.

発振器41は、発振周波数制御信号によって設定された発振周波数で信号を発振する部分である。発振した信号はレーザ光を時間変調するRF変調信号として用いられる。例えば、50MHz〜10GHzのマイクロ波〜ミリ波帯域の周波数で発振される。発振周波数は、複数の周波数、例えば2つの周波数とし、この2つの周波数でレーザ光を時間変調する。複数の周波数でレーザ光を時間変調するのは、異なる周波数でレーザ光を時間変調することにより、後述するように、装置10から測定対象物までの絶対距離を求めるためである。   The oscillator 41 is a part that oscillates a signal at the oscillation frequency set by the oscillation frequency control signal. The oscillated signal is used as an RF modulation signal for time-modulating the laser light. For example, it oscillates at a frequency in the microwave to millimeter wave band of 50 MHz to 10 GHz. The oscillation frequency is a plurality of frequencies, for example, two frequencies, and the laser light is time-modulated with these two frequencies. The reason why the laser light is time-modulated with a plurality of frequencies is to obtain the absolute distance from the apparatus 10 to the measurement object, as will be described later, by time-modulating the laser light with different frequencies.

パワースプリッタ42は、発振器41にて発振した信号を分離する部分である。分離された一方の信号は増幅器43を介してレーザドライバ24に供給され、RF変調信号として用いられる。他方の信号は移送器44に供給される。
移相器44は、RF変調信号を位相シフトさせることなく通過させ、また位相制御信号に応じて90度位相シフトさせて位相シフト変調信号を生成し、これらの信号を、増幅器45を介してミキサ47に送る部分である。ミキサ47については、後述する。
The power splitter 42 is a part that separates the signal oscillated by the oscillator 41. One of the separated signals is supplied to the laser driver 24 via the amplifier 43 and used as an RF modulation signal. The other signal is supplied to the transporter 44.
The phase shifter 44 passes the RF modulation signal without phase shifting and generates a phase shift modulation signal by shifting the phase by 90 degrees in accordance with the phase control signal. 47 is a part to be sent. The mixer 47 will be described later.

RF振幅変調器49a〜49dそれぞれは、上述の光電変換デバイス38a〜38dそれぞれと接続されており、各光電変換デバイス38a〜38dから出力される電気信号が入力される。RF振幅変調器49a〜49dには、後述するPN符号化変調信号が供給され、各光電変換デバイス38a〜38dから出力される電気信号が、PN符号化変調信号によって時間変調される。RFコンバイナ46は、RF振幅変調器49a〜49dによって時間変調されて出力された変調電気信号それぞれを1つの電気信号に合成して出力する。RFコンバイナ46において複数の変調電気信号が合成されて得られた合成変調電気信号は、増幅器48に送られる。増幅器48では、合成変調信号を増幅してミキサ47に送る。   Each of the RF amplitude modulators 49a to 49d is connected to each of the photoelectric conversion devices 38a to 38d described above, and an electric signal output from each of the photoelectric conversion devices 38a to 38d is input thereto. The RF amplitude modulators 49a to 49d are supplied with PN encoded modulation signals, which will be described later, and the electrical signals output from the photoelectric conversion devices 38a to 38d are time-modulated with the PN encoded modulation signals. The RF combiner 46 combines each of the modulated electric signals that are time-modulated by the RF amplitude modulators 49a to 49d and outputs the combined electric signals. A combined modulated electric signal obtained by combining a plurality of modulated electric signals in the RF combiner 46 is sent to an amplifier 48. The amplifier 48 amplifies the combined modulation signal and sends it to the mixer 47.

ミキサ47は、供給されたRF変調信号又は位相シフト変調信号をローカル信号として用いて、上述の合成変調信号が増幅器48において増幅された電気信号と乗算(ミキシング)し、変調電気信号(PN符号化変調信号で時間変調された電気信号)の情報を有する中間周波数信号(IF信号)と高次成分を含んだ信号を出力する部分である。電気信号の検波は、公知の方法で行われる。RF変調信号は周波数が僅かに異なる少なくとも2つの信号が生成され、これらの信号はローカル信号として用いられる。また、各周波数のRF変調信号において、移相器44によりRF変調信号の位相をシフトさせないローカル信号とRF変調信号の位相を90度シフトさせたローカル信号が生成され、ミキサ47はこれらのローカル信号と電気信号のミキシング(乗算)を行う。   The mixer 47 uses the supplied RF modulation signal or phase shift modulation signal as a local signal, and multiplies (mixes) the above-described combined modulation signal with the electric signal amplified by the amplifier 48 to generate a modulated electric signal (PN encoding). This is a part that outputs an intermediate frequency signal (IF signal) having information of an electric signal (time-modulated with a modulation signal) and a signal including higher-order components. The detection of the electric signal is performed by a known method. The RF modulation signal generates at least two signals having slightly different frequencies, and these signals are used as local signals. Further, in the RF modulation signal of each frequency, a local signal in which the phase of the RF modulation signal is not shifted by the phase shifter 44 and a local signal in which the phase of the RF modulation signal is shifted by 90 degrees are generated. And electrical signal mixing (multiplication).

制御回路ユニット50は、レーザ光出射ユニット20、光学ユニット30及びレーダ回路ユニット40の駆動を制御する各種制御信号(発振周波数制御信号、位相制御信号、制御パターン信号、PN符号化変調信号)を生成し、所定のユニットに供給するとともに、レーダ回路ユニット40から出力される信号を処理する部分である。
制御回路ユニット50は、システム制御器51、ローパスフィルタ52、及びA/D変換器54を有する。
The control circuit unit 50 generates various control signals (oscillation frequency control signal, phase control signal, control pattern signal, PN encoded modulation signal) for controlling the driving of the laser light emitting unit 20, the optical unit 30, and the radar circuit unit 40. In addition, the signal is supplied to a predetermined unit and a signal output from the radar circuit unit 40 is processed.
The control circuit unit 50 includes a system controller 51, a low-pass filter 52, and an A / D converter 54.

システム制御器51は、コンピュータ14からの指示に基づいて各種制御信号を生成する部分である。
ローパスフィルタ52は、レーダ回路ユニット40から出力された中間周波数信号(IF信号)と高次成分を含んだ信号をフィルタ処理して高次成分を除去し、変調電気信号(PN符号化変調信号で時間変調された電気信号)の情報のみを含んだ中間周波数信号とする部分である。中間周波数信号は、A/D変換器54で中間周波数デジタル信号とされ、コンピュータ14に供給される。
The system controller 51 is a part that generates various control signals based on instructions from the computer 14.
The low-pass filter 52 filters the signal including the intermediate frequency signal (IF signal) output from the radar circuit unit 40 and the high-order component to remove the high-order component, and generates a modulated electric signal (PN encoded modulation signal). This is a portion to be an intermediate frequency signal including only information of a time-modulated electric signal). The intermediate frequency signal is converted into an intermediate frequency digital signal by the A / D converter 54 and supplied to the computer 14.

コンピュータ14は、図6に示すように、CPU60とメモリ62と、さらに図示されないROMを有し、コンピュータソフトウェアを実行させることによりデータ処理部64が機能的に構成される。コンピュータ14はディスプレイ16に接続されている。
CPU60は、本体部12の各ユニットを駆動、制御する各種信号を制御回路ユニット50に作成するように指示し、また後述するデータ処理部64の各処理の演算を実質的に行う部分である。
As shown in FIG. 6, the computer 14 has a CPU 60, a memory 62, and a ROM (not shown), and a data processing unit 64 is functionally configured by executing computer software. The computer 14 is connected to the display 16.
The CPU 60 is a part that instructs the control circuit unit 50 to generate various signals for driving and controlling each unit of the main body unit 12 and substantially performs operations of each process of the data processing unit 64 described later.

データ処理部64は、中間周波数デジタル信号から、3次元画像を構成する測定対象物の3次元位置情報と測定対象物の表面の反射率を算出する部分である。データ処理部64は、信号変換部66と、距離情報算出部68と、3次元位置情報算出部70と、反射率算出部72とを有する。
信号変換部66は、中間周波数デジタル信号を、制御パターン信号及びPN符号化変調信号を用いて変換する部分である。
制御パターン信号は、コンピュータ14の指示に従って制御回路ユニット50で作成される信号であるため、制御パターン信号は既知であり、この制御パターン信号を用いて信号変換される。
The data processing unit 64 is a part that calculates the three-dimensional position information of the measurement object constituting the three-dimensional image and the reflectance of the surface of the measurement object from the intermediate frequency digital signal. The data processing unit 64 includes a signal conversion unit 66, a distance information calculation unit 68, a three-dimensional position information calculation unit 70, and a reflectance calculation unit 72.
The signal converter 66 is a part that converts the intermediate frequency digital signal by using the control pattern signal and the PN coded modulation signal.
Since the control pattern signal is a signal created by the control circuit unit 50 in accordance with an instruction from the computer 14, the control pattern signal is known and is converted using this control pattern signal.

制御パターン信号は、上述のように、空間変調素子34の部分ミラー領域29a〜29dそれぞれに供給される、図5(a)〜(c)に示したようにアダマール行列の各行の成分同士のテンソル積を利用して作成される制御パターンを実現する信号である。このため、信号変換部66では、既知である制御パターン信号を利用して、各部分ミラー領域毎の各制御パターンにて得られる中間周波数デジタル信号から、アダマール逆変換を行って、各部分ミラー領域の各マイクロミラーにて反射されるレーザ光の情報を求めることができる。なお、アダマール逆変換を利用した信号変換処理については、本願出願人により既に出願されている(特願2001−188301号参照)。   As described above, the control pattern signal is supplied to each of the partial mirror regions 29a to 29d of the spatial modulation element 34, and the tensor between the components of each row of the Hadamard matrix as shown in FIGS. It is a signal that realizes a control pattern created by using a product. For this reason, the signal conversion unit 66 performs Hadamard inverse transform from the intermediate frequency digital signal obtained by each control pattern for each partial mirror region by using a known control pattern signal, and each partial mirror region The information of the laser beam reflected by each micromirror can be obtained. The signal conversion processing using Hadamard inverse transformation has already been filed by the present applicant (see Japanese Patent Application No. 2001-188301).

1つの部分ミラー領域に供給される制御パターンにおいて、アダマール行列の各行同士は直交性を有する(各行同士の内積は0となる)ことから、アダマール行列の各行の成分同士のテンソル積にて得られる、制御パターンを表す合成行列も合成行列同士で互いに直交性を維持する。上記アダマール逆変換の処理は、上記合成行列の逆行列を用いて逆変換する処理であるが、この逆変換は、合成行列が直交性を有することから、規格化因子を除き上記合成行列を用いて行うアダマール変換と同様の処理内容となる。これにより、アダマール変換の処理を用いて、各部分ミラー領域毎に、各マイクロミラーで反射されるレーザ光の情報を容易に分解することができる。
上記制御パターンはアダマール行列の行成分同士のテンソル積によって得られる合成行列によって表されるため、互いに直交性を有するものであるが、本発明においては、制御パターンは、上記合成行列によって生成される必要はなく、各マイクロミラー毎に反射されるレーザ光の情報に分解できる限りにおいて特に制限されない。
In the control pattern supplied to one partial mirror region, each row of the Hadamard matrix has orthogonality (the inner product of each row is 0), and thus is obtained by a tensor product between the components of each row of the Hadamard matrix. The synthesis matrix representing the control pattern also maintains orthogonality between the synthesis matrices. The Hadamard inverse transformation process is an inverse transformation process using the inverse matrix of the synthesis matrix. This inverse transformation uses the synthesis matrix except for the normalization factor because the synthesis matrix has orthogonality. The same processing content as the Hadamard transformation performed. Thereby, the information of the laser beam reflected by each micromirror can be easily decomposed | disassembled for every partial mirror area | region using the process of Hadamard transformation.
Since the control pattern is represented by a composite matrix obtained by a tensor product between the row components of the Hadamard matrix, the control patterns are orthogonal to each other. In the present invention, the control pattern is generated by the composite matrix. It is not necessary and is not particularly limited as long as it can be decomposed into information of laser light reflected for each micromirror.

上述のように、光電変換デバイス38a〜38dそれぞれの受光面39a〜39dには、空間変調素子34の部分ミラー領域29a〜29dそれぞれに対応するミラーからの反射光が入射する。これら光電変換デバイス38a〜38dそれぞれから、それぞれの受光面に入射したレーザ光に応じて出力された電気信号について、アダマール逆変換を行なうことで、各部分ミラー領域の各マイクロミラー毎に反射されるレーザ光の情報を容易に分解することができる。   As described above, the reflected light from the mirrors corresponding to the partial mirror regions 29a to 29d of the spatial modulation element 34 is incident on the light receiving surfaces 39a to 39d of the photoelectric conversion devices 38a to 38d, respectively. From each of the photoelectric conversion devices 38a to 38d, the electrical signals output according to the laser light incident on the respective light receiving surfaces are reflected by the micromirrors in the partial mirror regions by performing Hadamard inverse transformation. Information of the laser beam can be easily decomposed.

なお、アダマール逆変換にて求められる、空間変調素子34の部分ミラー領域29a〜29dそれぞれが受光した(反射した)レーザ光の情報は、各光電変換デバイス38a〜38dにおいて電気信号に変換された後、RFコンバイナ46において合成されて信号変換部66に送られる。このため、信号変換部66に送られる電気信号は、各光電変換デバイス38a〜38dから出力される電気信号(部分ミラー領域29a〜29dそれぞれが受光したレーザ光の情報)が互いに重畳されている。このため、以下に示すように各光電変換デバイス38a〜38dから出力される電気信号の時間変調に用いたPN符号化変調信号の自己相関性及び直交性を利用して、各光電変換デバイス38a〜38d(すなわち、部分ミラー領域29a〜29d)に対応した中間周波数デジタル信号に分解する。   In addition, after the information of the laser beam which each partial mirror area | region 29a-29d of the spatial modulation element 34 calculated | required by Hadamard inversion received (reflected) is converted into an electrical signal in each photoelectric conversion device 38a-38d Are combined in the RF combiner 46 and sent to the signal converter 66. For this reason, the electrical signals sent to the signal conversion unit 66 are superimposed on the electrical signals output from the photoelectric conversion devices 38a to 38d (information on the laser beams received by the partial mirror regions 29a to 29d, respectively). For this reason, as shown below, each photoelectric conversion device 38a-38 is utilized using the autocorrelation and orthogonality of the PN encoding modulation signal used for the time modulation of the electric signal output from each photoelectric conversion device 38a-38d. It is decomposed into an intermediate frequency digital signal corresponding to 38d (that is, the partial mirror regions 29a to 29d).

上述したように各光電変換デバイス38a〜38dから出力された電気信号は、4つのRF振幅変調器49a〜49dによって、それぞれPN符号化変調信号を用いて、電気信号の振幅が時間変調されている。
図7は、PN符号化変調信号の一例を示す図である。図7では、PN符号化変調信号の1周期分が示されている。
PN符号化変調信号は値が0又は1からなる信号で、一定の時間間隔シフトすることによって相関関数の値が0又は−1/n(nは後述する系列符号の長さ)となる。
PN符号化変調信号は、一例を挙げると以下のように作成される符号化系列データを用いて信号化することができる。
次数k=5、符号系列の長さn=31とし、係数h1=1,h2=1,h3=0,h4=1,h5=1とし、初期値a0=1,a1=1,a2=0,a3=1,a4=0としたとき下記式(1)に示す漸化式で一意的にPN系列符号C={ak}(kは自然数)を求めることができる。
As described above, the electric signals output from the photoelectric conversion devices 38a to 38d are time-modulated by the four RF amplitude modulators 49a to 49d using the PN encoded modulation signals, respectively. .
FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a PN encoded modulation signal. In FIG. 7, one period of the PN coded modulation signal is shown.
The PN encoded modulation signal is a signal having a value of 0 or 1, and the value of the correlation function becomes 0 or -1 / n (n is the length of a sequence code described later) by shifting by a certain time interval.
For example, the PN encoded modulation signal can be converted into a signal using encoded sequence data created as follows.
The order k = 5, the length of the code sequence n = 31, the coefficients h 1 = 1, h 2 = 1, h 3 = 0, h 4 = 1, h 5 = 1, and the initial values a 0 = 1, a When 1 = 1, a 2 = 0, a 3 = 1, and a 4 = 0, the PN sequence code C = {a k } (k is a natural number) is uniquely expressed by the recursion formula shown in the following formula (1). Can be sought.

Figure 2006258464
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さらに、系列符号C={a,a,a,………,an−1}を用いて基準となる符号化系列信号を生成するとともに、さらにこの系列符号Cをq1ビット、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Tq1・c(Tq1は、ビット方向にq1ビット、ビットシフトする作用素である)を用いて符号化系列信号を生成する。ここで、系列符号Tq1・Cは、{aq1,aq1+1,aq1+2,………,aq1+N−1}である。さらに、系列符号Cをq2ビット(例えば、q2=2×q1)、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Tq2・Cを用いて符号化系列信号を生成する。
この符号化系列信号を生成するために用いられる系列符号C,Tq1・C,Tq2・Cは、互いに直交する特性を有するので、生成される符号化系列信号も互いに直交する性質を有する。
Further, a reference encoded sequence signal is generated using the sequence code C = {a 0 , a 1 , a 2 ,..., A n−1 }, and the sequence code C is further converted into q1 bits, bits An encoded sequence signal is generated using a sequence code T q1 · c that is bit-shifted in the direction (T q1 is an operator that bit-shifts q1 bits in the bit direction). Here, the sequence code T q1 · C is {a q1 , a q1 + 1 , a q1 + 2 ,..., A q1 + N−1 }. Further, a coded sequence signal is generated using a sequence code T q2 · C obtained by shifting the sequence code C by q2 bits (eg, q2 = 2 × q1) and bit-shifting in the bit direction.
Since the sequence codes C, T q1 · C and T q2 · C used to generate the encoded sequence signal have characteristics that are orthogonal to each other, the generated encoded sequence signals also have a property to be orthogonal to each other.

具体的に説明すると、長さnの系列符号をC={b0,b1,b2,………,bn-1}とし、上記作用素Tを系列符号Cに作用させた系列符号をC’=T・C、すなわちC’={bq,bq+1,bq+2,………,bq+n-1}として、系列符号CとC’との間の相互相関関数Rcc'(q)を下記式(2)のように定義される。ここで、NAは系列符号における項aiと項bq+iの(iは0以上n−1以下の整数)一致する数であり、NDは系列符号における項aiと項bq+iの不一致の数である。また、NAとNDの和は系列符号長さnとなる(NA+ND=n)。ここで、iとq+iはmod(n)で考える。 More specifically, a sequence code having a length n is C = {b 0 , b 1 , b 2 ,..., B n-1 }, and a sequence code in which the operator T q is applied to the sequence code C. C ′ = T q · C, that is, C ′ = {b q , b q + 1 , b q + 2 ,..., B q + n−1 }, between the sequence codes C and C ′ The cross-correlation function R cc ′ (q) is defined as the following formula (2). Here, N A is a number in which the term a i and the term b q + i in the sequence code coincide with each other (i is an integer between 0 and n−1), and N D is the term a i and the term b q in the sequence code. + i is the number of mismatches. The sum of N A and N D is the sequence code length n (N A + N D = n). Here, i and q + i are considered as mod (n).

Figure 2006258464
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上記PN系列符号において2つの系列符号を項毎にmod(2)で加算した結果はもとのPN系列符号を巡回シフトしたPN系列符号になる性質があり、PN系列符号の値が0となる個数は値が1となる個数より1つだけ少ないので、NA−ND=−1となる。これより、PN系列符号において下記式(3)および(4)に示す値を示す。 In the above PN sequence code, the result of adding two sequence codes for each term by mod (2) has a property of becoming a PN sequence code obtained by cyclically shifting the original PN sequence code, and the value of the PN sequence code is 0. Since the number is one less than the number where the value is 1, N A −N D = −1. Accordingly, the values shown in the following formulas (3) and (4) in the PN sequence code are shown.

Figure 2006258464
Figure 2006258464
Figure 2006258464
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上記式(3)よりビットシフト量が0、すなわちq=0(mod(n))の場合、式(3)に示すようにRcc’(q)の値は1となり自己相関性を有する。一方、ビットシフト量が0でない、すなわちq≠0(mod(n))の場合、式(4)に示すようにRcc’(q)は−(1/n)となる。ここで系列符号長さnを大きくすることにより、Rcc’(q)(q≠0)の値は0に近づく。
すなわち、系列符号CとC’は自己相関性を持ち、かつ直交性を有するといえる。
このようなPN系列符号の値を0,1として時系列信号としたのがPN符号化系列信号である。したがって、PN符号化変調信号も互いに自己相関性及び直交性を有する。このことから、図7におけるC1の信号と、C2〜C5の信号の相関関数を求めると値が0となる。
From the above equation (3), when the bit shift amount is 0, that is, q = 0 (mod (n)), the value of R cc ′ (q) is 1 as shown in equation (3), and has autocorrelation. On the other hand, when the bit shift amount is not 0, that is, q ≠ 0 (mod (n)), R cc ′ (q) is − (1 / n) as shown in Expression (4). Here, by increasing the sequence code length n, the value of R cc ′ (q) (q ≠ 0) approaches zero.
That is, it can be said that the sequence codes C and C ′ have autocorrelation and orthogonality.
A PN coded sequence signal is a time series signal with such PN sequence code values of 0 and 1. Therefore, the PN coded modulation signals also have autocorrelation and orthogonality with each other. Therefore, when the correlation function between the C 1 signal and the C 2 to C 5 signals in FIG.

信号変換部66は、中間周波数デジタル信号に含まれるPN符号化変調信号で時間変調された信号に対して、制御回路ユニット50にて生成されたPN符号化変調信号の相関関数を利用することにより、RF振幅変調期49a〜49dのうち、どのRF振幅変調器において振幅変調された信号情報が含まれているか、すなわち、空間変調素子34の部分ミラー領域29a〜29dのうち、どの部分ミラー領域に入射されて反射されたレーザ光に応じた電気信号であるかを識別し、部分ミラー領域毎の信号情報に分解して抽出することができる。
このようにして、信号変換部66は、アダマール逆変換及びPN符号化変調信号の自己相関性及び直交性を利用した分解(符号化識別変換)により、中間周波数デジタル信号から、各部分ミラー領域の各マイクロミラーの反射位置におけるレーザ光の時間変調の信号情報を取得することができる。
なお、PN符号化変調信号による時間変調は100KHz〜10MHzの周波数で行われ、RF変調信号によるレーザ光の時間変調の周波数(50MHz〜10GHz)に比べて低周波である。
The signal conversion unit 66 uses the correlation function of the PN encoded modulation signal generated by the control circuit unit 50 for the signal time-modulated with the PN encoded modulation signal included in the intermediate frequency digital signal. In the RF amplitude modulation periods 49a to 49d, which RF amplitude modulator contains the signal information subjected to amplitude modulation, that is, in which partial mirror region of the partial mirror regions 29a to 29d of the spatial modulation element 34 It is possible to identify whether the electric signal corresponds to the incident and reflected laser light, and to decompose and extract the signal information for each partial mirror region.
In this way, the signal converter 66 performs the Hadamard inverse transform and the decomposition (encoding identification conversion) using the autocorrelation and orthogonality of the PN encoded modulation signal, from the intermediate frequency digital signal, to each partial mirror region. It is possible to acquire signal information of time modulation of laser light at the reflection position of each micromirror.
Note that the time modulation by the PN encoded modulation signal is performed at a frequency of 100 KHz to 10 MHz, which is lower than the frequency of the laser light time modulation by the RF modulation signal (50 MHz to 10 GHz).

距離情報算出部68は、周波数の異なる複数のRF変調信号に対応した各レーザ光の信号の位相ずれ情報を取得し、これより、RF変調信号の周波数に対する上記位相ずれ量の変化(相対位相変化量)を取得し、この相対位相変化量を用いて測定対象物Tの距離情報を求める。
具体的には、本体部12のレーザ光出射ユニット20のレーザダイオード22から測定対象物Tまでの距離と測定対象物Tの表面上の反射点からレンズ32に至るまでの距離をρ、RF変調信号の波長をλ、RF変調信号の周波数をf、光速度をc、各レーザ光の信号の、RF変調信号に対する位相ずれをθとすると、距離ρは、下記式(5)を介して下記式(6)のように表すことができる。
The distance information calculation unit 68 acquires phase shift information of each laser beam signal corresponding to a plurality of RF modulation signals having different frequencies, and from this, the change in the phase shift amount relative to the frequency of the RF modulation signal (relative phase change). (Quantity) is obtained, and distance information of the measuring object T is obtained using this relative phase change amount.
Specifically, the distance from the laser diode 22 of the laser beam emitting unit 20 of the main body 12 to the measurement object T and the distance from the reflection point on the surface of the measurement object T to the lens 32 are represented by ρ and RF modulation. When the wavelength of the signal is λ, the frequency of the RF modulation signal is f, the speed of light is c, and the phase shift of each laser light signal with respect to the RF modulation signal is θ, the distance ρ is expressed by the following equation (5) as follows: It can be expressed as equation (6).

Figure 2006258464
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Figure 2006258464
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すなわち、各レーザ光の信号の位相ずれ量を求めることで、測定対象物Tの距離ρを式(6)を用いて算出する。
なお、距離ρはレーザダイオード22から測定対象物Tの表面上の反射点を経由して光学レンズ36までの距離であるが、この距離ρを知れば十分である。光学レンズ32から光電変換器38の受光面までの光路の距離、さらにはミキサ47にいたる伝送線路の距離は既知であるため、予め定められた補正式等を用いて正しい値に修正することができる。
距離情報算出部68は、具体的には、信号変換部66で算出された各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光毎の信号情報を取得する。この信号情報は、ミキサ47へ入る参照信号であるRF変調信号の位相シフトを0としたときr・cos(θ)(rは測定対象物の表面における反射率、θは位相ずれ量)となり、RF変調信号を90度位相シフトさせたときr・sin(θ)となることから、距離情報算出部68は、これらの信号を用いて位相ずれ量θを算出する。この位相ずれ量θは、RF変調信号の少なくとも2つの周波数毎に取得されるので、この周波数に関する位相ずれ量の微分を算出することで位相ずれ情報の感度(dθ/df)を求める。
That is, the distance ρ of the measurement target T is calculated using the equation (6) by obtaining the phase shift amount of each laser beam signal.
The distance ρ is the distance from the laser diode 22 to the optical lens 36 via the reflection point on the surface of the measurement object T, but it is sufficient to know this distance ρ. Since the distance of the optical path from the optical lens 32 to the light receiving surface of the photoelectric converter 38 and the distance of the transmission line leading to the mixer 47 are known, it can be corrected to a correct value using a predetermined correction equation or the like. it can.
Specifically, the distance information calculation unit 68 acquires the signal information for each laser beam at the reflection position of each micromirror calculated by the signal conversion unit 66. This signal information is r · cos (θ) (where r is the reflectance on the surface of the object to be measured and θ is the amount of phase shift) when the phase shift of the RF modulation signal that is the reference signal that enters the mixer 47 is 0. Since r · sin (θ) is obtained when the RF modulation signal is phase-shifted by 90 degrees, the distance information calculation unit 68 calculates the phase shift amount θ using these signals. Since the phase shift amount θ is acquired for each of at least two frequencies of the RF modulation signal, the sensitivity (dθ / df) of the phase shift information is obtained by calculating the differential of the phase shift amount with respect to this frequency.

3次元位置情報算出部70は、距離情報算出部68で算出された距離ρを用い、さらに、ON状態のマイクロミラーの位置情報とを用いて、レーザ光が反射した測定対象物Tの位置を3次元位置情報として求める部分である。
具体的には、図8(a)に示すように、光学レンズ32の中心を原点OとしてXYZ直交座標系を定め、レーザダイオード22の出射位置を点Q(位置座標(a,b,c)とする)、測定対象物Tの反射位置を点P(位置座標(x,y,z)とする)、点Pで反射したレーザ光が向かう空間変調素子34のON状態にあるマイクロミラーの位置R(位置座標(−x0,−y0,−z0)とする)とする。このとき、図8(b)に示すように、距離POは、レンズ32の倍率mと距離ROとを用いてPO=m×ROと表すことができる。なお、マイクロミラーの位置Rのうちz0は装置固有の寸法として設定されている。
一方、距離ρは下記式(7)で表すことができる。また、点Pの位置x,y,zは、下記式(8)で表すことができることから、式(7)及び式(8)を用いて倍率mは下記式(9)で表すことができる。
The three-dimensional position information calculation unit 70 uses the distance ρ calculated by the distance information calculation unit 68 and further uses the position information of the micromirror in the ON state to determine the position of the measurement target T reflected by the laser light. This is a part to be obtained as three-dimensional position information.
Specifically, as shown in FIG. 8A, an XYZ orthogonal coordinate system is defined with the center of the optical lens 32 as the origin O, and the emission position of the laser diode 22 is set to a point Q (position coordinates (a, b, c)). And the position of the micromirror in the ON state of the spatial modulation element 34 to which the laser beam reflected by the point P is directed to the point P (position coordinates (x, y, z)). Let R be (position coordinates (−x 0 , −y 0 , −z 0 )). At this time, as shown in FIG. 8B, the distance PO can be expressed as PO = m × RO using the magnification m of the lens 32 and the distance RO. Note that z 0 of the position R of the micromirror is set as a dimension unique to the apparatus.
On the other hand, the distance ρ can be expressed by the following formula (7). Moreover, since the position x, y, z of the point P can be expressed by the following formula (8), the magnification m can be expressed by the following formula (9) using the formula (7) and the formula (8). .

Figure 2006258464
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3次元位置情報算出部70は、上記式(9)に従って、距離ρ、レーザダイオード22の出射位置(位置座標(a,b,c))、ON状態にあるマイクロミラーの位置(位置座標(−x0,−y0,−z0))を用いて倍率mを算出し、さらに式(8)を用いて測定対象物Tの反射位置の3次元位置情報(位置座標(x,y,z))を求める。こうして、測定対象物Tの表面の3次元位置情報がディスプレイ16に供給されて測定対象物Tの3次元形状が表示される。 The three-dimensional position information calculation unit 70 follows the above equation (9), the distance ρ, the emission position of the laser diode 22 (position coordinates (a, b, c)), the position of the micromirror in the ON state (position coordinates (− x 0 , −y 0 , −z 0 )) is used to calculate the magnification m, and further, the three-dimensional position information (position coordinates (x, y, z) of the reflection position of the measuring object T is calculated using equation (8). )). Thus, the three-dimensional position information on the surface of the measuring object T is supplied to the display 16 and the three-dimensional shape of the measuring object T is displayed.

反射率算出部72は、測定対象物Tの表面における反射率を算出する。
距離情報算出部68において説明したように、信号変換部66では、各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光の信号情報が、RF変調信号の周波数別に算出され、これが反射率算出部72に供給される。この信号は、ミキサ47へ入る参照信号であるRF変調信号の位相シフトを0としたときに得られる信号情報は上述したようにr・cos(θ)となり、RF変調信号を90度位相シフトさせたときに得られる信号情報はr・sin(θ)となる。これら2つの信号情報の値から反射率算出部72は反射率rを算出する。
The reflectance calculation unit 72 calculates the reflectance on the surface of the measurement target T.
As described in the distance information calculation unit 68, the signal conversion unit 66 calculates the signal information of each laser beam at the reflection position of each micromirror for each frequency of the RF modulation signal, and supplies this to the reflectance calculation unit 72. The For this signal, the signal information obtained when the phase shift of the RF modulation signal that is the reference signal that enters the mixer 47 is set to 0 is r · cos (θ) as described above, and the RF modulation signal is phase-shifted by 90 degrees. The signal information obtained at this time is r · sin (θ). The reflectance calculator 72 calculates the reflectance r from the values of these two signal information.

このようにレーザ光を測定対象物Tに照射することにより、装置10と測定対象物Tとの間の距離及び測定対象物Tの表面における反射率rを求めることができ、測定対象物体Tの表面の3次元空間内での反射率を画像情報として得ることができる。取得された測定対象物Tの画像情報はディスプレイ16に送られて、先に送られた測定対象物Tの3次元形状とともに3次元画像として画像表示される。   By irradiating the measurement target T with the laser light in this way, the distance between the apparatus 10 and the measurement target T and the reflectance r on the surface of the measurement target T can be obtained. The reflectance in the three-dimensional space on the surface can be obtained as image information. The acquired image information of the measuring object T is sent to the display 16 and displayed as a three-dimensional image together with the three-dimensional shape of the measuring object T sent earlier.

装置10は、以上のように構成される。次に、装置10の作用について説明する。
図9(a)〜(d)は、装置10の駆動の際に生成される各種トリガ信号のタイミングチャートである。
The apparatus 10 is configured as described above. Next, the operation of the device 10 will be described.
9A to 9D are timing charts of various trigger signals generated when the device 10 is driven.

まず、制御回路ユニット50にて、コンピュータ14の指示に応じて、測定対象物Tの3次元画像の取り込みを開始する画像トリガ信号(図9(a)参照)が生成される。
次に、システム制御器51では、空間変調素子34を所定の制御パターンでマイクロミラーを制御するようにフレームトリガ信号が生成される。フレームトリガ信号とは、空間変調素子34の制御パターンを切り換えるためのトリガ信号であって、上述したようにマイクロミラーのON状態の配列を所定のパターンに制御した制御パターンを順次切り換えるためのトリガ信号である。
First, in response to an instruction from the computer 14, the control circuit unit 50 generates an image trigger signal (see FIG. 9A) that starts capturing a three-dimensional image of the measurement target T.
Next, the system controller 51 generates a frame trigger signal so that the spatial modulation element 34 controls the micromirror with a predetermined control pattern. The frame trigger signal is a trigger signal for switching the control pattern of the spatial modulation element 34, and as described above, the trigger signal for sequentially switching the control pattern in which the arrangement of the micromirrors in the ON state is controlled to a predetermined pattern. It is.

図9(b)に示すように、順次モード1、モード2、………の各モードに切り換えるためのフレームトリガ信号が生成される。各モードでは、予め定められた図示されない制御パターン信号が生成されてマイクロミラー制御器35に供給される。
フレームトリガ信号が生成されると、レーザ光は測定対象物で反射され、空間変調素子34を介して複数の光電変換器38a〜38dそれぞれにおいて受光されて電気信号に変換される。そして、各光電変換器38a〜38dからの電気信号は、合成されて信号変換部66へと送られる。この合成された電気信号(合成変調電気信号)の信号成分について、どの光電変換器の受光面で受光したのか識別可能としなければならない。このため各光電変換器38a〜38dから出力される電気信号をPN符号化変調信号によって時間変調するために、システム制御器51は各光電変換器38a〜38d毎に互いに異なるPN符号化変調信号を生成し、各光電変換器38a〜38dに対応するRF振幅変調器49a〜49dそれぞれに供給する。
上述のように、PN符号化変調信号による時間変調は100KHz〜10MHzの周波数で行われ、RF変調信号によるレーザ光の時間変調の周波数(50MHz〜10GHz)に比べて低周波であり、それぞれ時間変調の周波数範囲が互いに大きく異なる。
As shown in FIG. 9B, a frame trigger signal for sequentially switching to each mode of mode 1, mode 2,... Is generated. In each mode, a predetermined control pattern signal (not shown) is generated and supplied to the micromirror controller 35.
When the frame trigger signal is generated, the laser light is reflected by the measurement object, received by each of the plurality of photoelectric converters 38a to 38d via the spatial modulation element 34, and converted into an electrical signal. The electrical signals from the photoelectric converters 38 a to 38 d are combined and sent to the signal converter 66. It is necessary to be able to identify the light receiving surface of which photoelectric converter has received the signal component of the combined electric signal (synthetic modulation electric signal). For this reason, in order to time-modulate the electrical signals output from the photoelectric converters 38a to 38d with the PN encoded modulation signals, the system controller 51 generates different PN encoded modulation signals for the photoelectric converters 38a to 38d. It is generated and supplied to the RF amplitude modulators 49a to 49d corresponding to the photoelectric converters 38a to 38d, respectively.
As described above, the time modulation by the PN coded modulation signal is performed at a frequency of 100 KHz to 10 MHz, which is lower than the frequency of the laser light time modulation by the RF modulation signal (50 MHz to 10 GHz), and each time modulation. The frequency ranges are greatly different from each other.

さらに、システム制御器51では、移相器44を駆動させるための位相トリガ信号が生成される(図9(c)参照)。位相トリガ信号の生成により、周波数fのRF変調信号に対して、位相シフト量0(位相シフトしない)及び位相シフト量90度の2つローカル信号を生成するように、位相制御信号が生成される。   Further, the system controller 51 generates a phase trigger signal for driving the phase shifter 44 (see FIG. 9C). By generating the phase trigger signal, a phase control signal is generated so as to generate two local signals with a phase shift amount of 0 (no phase shift) and a phase shift amount of 90 degrees with respect to the RF modulation signal of frequency f. .

このようにして、モード1における周波数fのRF変調信号が生成され、レーザ光出射ユニット20から時間変調したレーザ光が出射される。測定対象物Tの表面で反射したレーザ光は、光学ユニット30に入り、プリズム33を経由して空間変調素子34に導かれる。空間変調素子34の各部分ミラー領域毎に、マイクロミラーは所定の制御パターンで制御され、各部分ミラー領域毎のON状態のマイクロミラーで反射されたレーザ光のみが、各部分ミラー領域それぞれに対応する光電変換器38(の受光面39)に入射する。各光電変換器38a〜38dにおいて、各受光面39a〜39dに入射した光は電気信号に変換され、この電気信号は、RF振幅変調器49a〜49dそれぞれにおいて、供給されたPN符号化変調信号に応じて変調され、増幅器48a〜48dそれぞれで増幅されてミキサ47に供給される。   In this way, an RF modulation signal having the frequency f in mode 1 is generated, and the laser light that is time-modulated is emitted from the laser light emission unit 20. The laser light reflected from the surface of the measurement target T enters the optical unit 30 and is guided to the spatial modulation element 34 via the prism 33. For each partial mirror region of the spatial modulation element 34, the micromirror is controlled with a predetermined control pattern, and only the laser light reflected by the micromirrors in the ON state for each partial mirror region corresponds to each partial mirror region. Is incident on the photoelectric converter 38 (the light receiving surface 39). In each of the photoelectric converters 38a to 38d, the light incident on each of the light receiving surfaces 39a to 39d is converted into an electric signal, and this electric signal is converted into a supplied PN encoded modulation signal in each of the RF amplitude modulators 49a to 49d. Accordingly, the signals are modulated, amplified by the amplifiers 48 a to 48 d, and supplied to the mixer 47.

一方、移相器44では、パワースプリッタ42で分離されたRF変調信号が位相シフト量0(位相シフトしない)及び位相シフト量90度に順次制御されてローカル信号が生成され、これらのローカル信号がミキサ47に供給される。
ミキサ47では、増幅器48から供給された電気信号を2つのローカル信号のそれぞれでミキシング(乗算)し、IF信号及び高次成分からなる信号が生成される。IF信号には、周波数fの時間変調の信号情報と、PN符号化変調信号による時間変調の信号情報が含まれる。
さらに、生成された信号からローパスフィルタ52により高次成分が除去され、周波数fの時間変調の信号情報とPN符号化変調信号による時間変調の信号情報とからなるIF信号が生成される。
こうして増幅器53を介してA/D変換器54に取り込まれ、順次サンプリングクロック信号(図9(d)参照)に従ってサンプリングされ、中間周波数デジタル信号とされ、コンピュータ14に供給される。
On the other hand, in the phase shifter 44, the RF modulation signal separated by the power splitter 42 is sequentially controlled to a phase shift amount 0 (no phase shift) and a phase shift amount 90 degrees to generate local signals. It is supplied to the mixer 47.
In the mixer 47, the electric signal supplied from the amplifier 48 is mixed (multiplied) with each of the two local signals to generate a signal composed of the IF signal and higher-order components. The IF signal includes time-modulated signal information of frequency f and time-modulated signal information based on a PN-coded modulated signal.
Further, a high-order component is removed from the generated signal by the low-pass filter 52, and an IF signal composed of time-modulated signal information of the frequency f and time-modulated signal information based on the PN encoded modulation signal is generated.
In this way, the signal is taken into the A / D converter 54 via the amplifier 53, sequentially sampled according to the sampling clock signal (see FIG. 9D), converted into an intermediate frequency digital signal, and supplied to the computer 14.

例えば、周波数fのレーザ光が測定対象物Tの表面で反射され、さらにON状態のマイクロミラーで反射し、i番目(i=1〜4の自然数)の光電変換器38の受光面39で受光されて、このi番目の光電変換器38から出力された電気信号の振幅を、下記式(10)で定め(pi(t)はPN符号化変調信号による時間変調成分、θiは、光電変換器38で出力された電気信号のRF変調信号に対する位相ずれ量を表す)、ミキサ47に供給されるローカル信号A(t),A90(t)を下記式(11)で定めると、IF信号は下記式(12)のように表される。このIF信号のうち高次成分はローパスフィルタ52を用いて除去され、A/D変換され中間周波数デジタル信号が生成される。 For example, a laser beam having a frequency f is reflected on the surface of the measuring object T, further reflected by the micromirror in the ON state, and received by the light receiving surface 39 of the i-th (i = 1 to 4 natural number) photoelectric converter 38. Then, the amplitude of the electric signal output from the i-th photoelectric converter 38 is determined by the following equation (10) (p i (t) is a time modulation component by a PN encoded modulation signal, and θ i is a photoelectric When the local signals A 0 (t) and A 90 (t) supplied to the mixer 47 are defined by the following formula (11), the phase shift amount of the electrical signal output from the converter 38 with respect to the RF modulation signal is determined. The IF signal is expressed by the following equation (12). High-order components in the IF signal are removed by using a low-pass filter 52 and A / D converted to generate an intermediate frequency digital signal.

Figure 2006258464
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このようにしてコンピュータ14に供給された中間周波数デジタル信号は、各モード毎に順次メモリ62に記録される。
信号変換部66では、各モードの中間周波数デジタル信号を用いて、アダマール逆変換及び符号化識別変換が行われる。
各モード毎に定められるマイクロミラーのON状態の制御パターンは、アダマール行列の各行間のテンソル積を利用したパターンを用いるので、この各モードの制御パターン毎に得られた中間周波数デジタル信号を用いてマイクロミラー毎の中間周波数デジタル信号に分解する。この分解はアダマール逆変換を利用して行われる。
The intermediate frequency digital signal thus supplied to the computer 14 is sequentially recorded in the memory 62 for each mode.
In the signal conversion unit 66, Hadamard inverse conversion and coding identification conversion are performed using the intermediate frequency digital signal of each mode.
Since the control pattern of the ON state of the micromirror determined for each mode uses a pattern using a tensor product between each row of the Hadamard matrix, the intermediate frequency digital signal obtained for each control pattern of each mode is used. It decomposes into an intermediate frequency digital signal for each micromirror. This decomposition is performed using Hadamard inverse transformation.

さらに、レーザ光の時間変調に用いたPN符号化系列信号は自己相関性及び直交性を有するので、時間変調に用いたPN符号化系列信号とアダマール逆変換の施された中間周波数デジタル信号との間の相関関数を算出することで、レーザ光毎に中間周波数デジタル信号を分解する符号化識別変換が行われる。すなわち、式(12)における1/2・ri・cos(θi)及び1/2・ri・sin(θi)が得られる。これらの値は、距離情報算出部68及び反射率算出部72に供給される。 Furthermore, since the PN encoded sequence signal used for laser light time modulation has autocorrelation and orthogonality, the PN encoded sequence signal used for time modulation and the intermediate frequency digital signal subjected to Hadamard inverse transformation are used. By calculating the correlation function between them, coding discrimination conversion for decomposing the intermediate frequency digital signal is performed for each laser beam. That, 1/2 · r i · cos in equation (12) (θ i) and 1/2 · r i · sin (θ i) is obtained. These values are supplied to the distance information calculation unit 68 and the reflectance calculation unit 72.

距離情報算出部68では、求められた1/2・ri・cos(θi)及び1/2・ri・sin(θi)の値から角度θiを算出する。角度θiは、各光電変換器38a〜38dから出力された電気信号のRF変調信号に対する位相ずれ量である。この位相ずれ量を上述した式(6)に代入することで、測定対象物Tの距離ρが求められる。この距離ρは、各光電変換器38で受光した反射レーザ光毎に、かつ、各光電変換器38に対応する部分ミラー領域の各マイクロミラー毎に求められる。3次元位置情報算出部70では、距離情報算出部68で求められた距離ρとマイクロミラーの位置情報とを用いてレーザ光の反射した測定対象物Tの表面の3次元位置座標(x,y,z)が上述した式(8)及び(9)を用いて求められる。 In the distance information calculation unit 68 calculates an angle theta i from the value of 1/2 was determined r i · cos (θ i) and 1/2 · r i · sin (θ i). The angle θ i is the amount of phase shift of the electrical signal output from each of the photoelectric converters 38a to 38d with respect to the RF modulation signal. By substituting this phase shift amount into the above-described equation (6), the distance ρ of the measuring object T is obtained. This distance ρ is obtained for each reflected laser beam received by each photoelectric converter 38 and for each micromirror in the partial mirror region corresponding to each photoelectric converter 38. In the three-dimensional position information calculation unit 70, the three-dimensional position coordinates (x, y) of the surface of the measuring object T reflected by the laser beam using the distance ρ obtained by the distance information calculation unit 68 and the position information of the micromirror. , Z) is obtained using the above-described equations (8) and (9).

さらに、反射率算出部72では、信号変換部66から供給された1/2・ri・cos(θi),1/2・ri・sin(θi)の値を用いて反射率riが求められる。
こうして3次元位置情報算出部70及び反射率算出部72で求められた3次元位置情報及び反射率がディスプレイ16に供給されて、測定対象物Tの3次元画像が表示される。
Further, the reflectance calculating section 72, supplied from the signal converting section 66 1/2 · r i · cos ( θ i), the reflectivity r using the value of 1/2 · r i · sin (θ i) i is required.
In this way, the three-dimensional position information and the reflectance obtained by the three-dimensional position information calculation unit 70 and the reflectance calculation unit 72 are supplied to the display 16 and a three-dimensional image of the measurement target T is displayed.

このように、本発明では空間変調素子34に入射するレーザ光における時間変調の位相ずれ情報及び各マイクロミラーの位置情報を用いて、レーザ光に照射される測定対象物Tの3次元位置情報を高速に取得することができる。なお、本発明では、各光電変換デバイス38a〜38dから出力された電気信号を、RFコンバイナ46において合成した後、ミキサ47においてローカル信号(RF変調信号の位相をシフトさせない信号とRF変調信号の位相を90度シフトさせた信号)とをミキシングし、変調電気信号(PN符号化変調信号で時間変調された電気信号)の情報を有する中間周波数信号(IF信号)と高次成分を含んだ信号を出力している。   As described above, in the present invention, the three-dimensional position information of the measurement object T irradiated to the laser light is obtained by using the time modulation phase shift information in the laser light incident on the spatial light modulator 34 and the position information of each micromirror. It can be acquired at high speed. In the present invention, the electrical signals output from the photoelectric conversion devices 38a to 38d are combined by the RF combiner 46, and then the local signal (the signal that does not shift the phase of the RF modulation signal and the phase of the RF modulation signal) is mixed by the mixer 47. And an intermediate frequency signal (IF signal) having information of a modulated electric signal (electric signal time-modulated with a PN-coded modulated signal) and a signal including higher-order components. Output.

さらに、測定対象物Tの表面における反射率を求めることができるので画像情報とすることができ、この画像情報と3次元形状とともに用いて3次元画像情報を高速に取得することができる。
なお、反射率riは測定対象物Tの表面の反射率を表し、例えばレーザ光源として赤、緑及び青の3原色の可視レーザ光を用いれば、3原色における測定対象物Tの表面における反射率を求めることができる。すなわち、測定対象物Tの表面の色情報を取得することができ、測定対象物Tの3次元カラー画像を取得することができる。
このように、装置10は、空間変調素子34を用いるので、従来のように、レーザ光を反射する大型のポリゴンミラーやガルバノミラーを高速に回転させる必要が無く、図2に示す光学レンズ32として大口径のものを用いることができる。これにより、レーザ光の集光能力も増大するので、遠方の測定対象物を低出力のレーザ光を用いて短時間に3次元画像を取得することができる。
Furthermore, since the reflectance on the surface of the measuring object T can be obtained, it can be used as image information, and the three-dimensional image information can be acquired at high speed using this image information and the three-dimensional shape.
The reflectivity r i represents the reflectivity of the surface of the measurement target T. For example, if visible laser beams of the three primary colors of red, green, and blue are used as the laser light source, the reflection on the surface of the measurement target T in the three primary colors. The rate can be determined. That is, the color information of the surface of the measurement target T can be acquired, and a three-dimensional color image of the measurement target T can be acquired.
Thus, since the apparatus 10 uses the spatial modulation element 34, it is not necessary to rotate a large polygon mirror or galvanometer mirror that reflects the laser light at a high speed as in the prior art, and the optical lens 32 shown in FIG. A thing with a large diameter can be used. Thereby, the condensing capability of the laser beam is also increased, and thus a three-dimensional image can be acquired in a short time using a low-power laser beam from a distant measurement object.

以上、本発明の3次元画像情報取得装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。   The three-dimensional image information acquisition apparatus of the present invention has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and various improvements and modifications may be made without departing from the gist of the present invention. Of course.

本発明の3次元画像情報取得装置の一実施形態の3次元形画像情報取得装置の外観図である。It is an external view of the three-dimensional image information acquisition apparatus of one Embodiment of the three-dimensional image information acquisition apparatus of this invention. 図1に示す3次元形画像情報取得装置の本体部の装置構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the apparatus structure of the main-body part of the three-dimensional image information acquisition apparatus shown in FIG. 図1に示す3次元形画像情報取得装置において用いられるマイクロミラーのON状態とOFF状態におけるレーザ光の反射を説明する図である。It is a figure explaining reflection of the laser beam in the ON state and OFF state of the micromirror used in the three-dimensional image information acquisition apparatus shown in FIG. 図1に示す3次元形画像情報取得装置における、測定対象領域Tからの反射光と空間変調素子のミラー面との対応、およびミラー面からの反射光と光電変換デバイスの受光面との対応について説明する図である。In the three-dimensional image information acquisition apparatus shown in FIG. 1, the correspondence between the reflected light from the measurement target region T and the mirror surface of the spatial modulation element, and the correspondence between the reflected light from the mirror surface and the light receiving surface of the photoelectric conversion device It is a figure explaining. (a)〜(c)は、図1に示す3次元形画像情報取得装置において用いられるマイクロミラーの制御パターンを説明する図である。(A)-(c) is a figure explaining the control pattern of the micromirror used in the three-dimensional image information acquisition apparatus shown in FIG. 図1に示す3次元形画像情報取得装置のコンピュータの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the computer of the three-dimensional image information acquisition apparatus shown in FIG. 図1に示す3次元形画像情報取得装置において生成されるPN符号化変調信号の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the PN encoding modulation signal produced | generated in the three-dimensional image information acquisition apparatus shown in FIG. (a)及び(b)は、図1に示す3次元形画像情報取得装置において3次元位置情報を求める方法を説明する説明図である。(A) And (b) is explanatory drawing explaining the method of calculating | requiring three-dimensional position information in the three-dimensional image information acquisition apparatus shown in FIG. (a)〜(d)は、図1に示す3次元形画像情報取得装置にて生成される各種トリガ信号のタイミングチャートである。(A)-(d) is a timing chart of the various trigger signals produced | generated with the three-dimensional image information acquisition apparatus shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 3次元形画像情報取得装置
12 本体部
14 コンピュータ
20 レーザ光出射ユニット
22 レーザダイオード
24 レーザドライバ
28 光学レンズ
30 光学ユニット
31 バンドパスフィルタ
32 光学レンズ
33 プリズム
34 マイクロミラーアレイ空間変調素子
35 マイクロミラー制御器
36 光学レンズ
37 ミラー
38 光電変換器
39 受光面
40 レーダ回路ユニット
41 発振器
42 パワースプリッタ
43 増幅器
44 移相器
45 増幅器
46 RFコンバイナ
47 ミキサ
48 増幅器
49 RF振幅変調器
50 制御回路ユニット
51 システム制御器
52 ローパスフィルタ
54 A/D変換器
60 CPU60
62 メモリ
64 データ処理部
66 信号変換部
68 距離情報算出部
70 3次元位置情報算出部
72 反射率算出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 3D-type image information acquisition device 12 Main part 14 Computer 20 Laser light emission unit 22 Laser diode 24 Laser driver 28 Optical lens 30 Optical unit 31 Band pass filter 32 Optical lens 33 Prism 34 Micromirror array spatial modulation element 35 Micromirror control 36 Optical lens 37 Mirror 38 Photoelectric converter 39 Light receiving surface 40 Radar circuit unit 41 Oscillator 42 Power splitter 43 Amplifier 44 Phase shifter 45 Amplifier 46 RF combiner 47 Mixer 48 Amplifier 49 RF amplitude modulator 50 Control circuit unit 51 System controller 52 Low-pass filter 54 A / D converter 60 CPU60
62 memory 64 data processing unit 66 signal conversion unit 68 distance information calculation unit 70 three-dimensional position information calculation unit 72 reflectance calculation unit

Claims (6)

レーザ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することにより測定対象物の3次元画像情報を取得する3次元画像情報取得装置であって、
レーザ光の光強度を振幅変調信号に従って時間変調して測定対象物に照射するレーザ光出射部と、
測定対象物で反射したレーザ光を受光する複数の受光面を備え、各受光面で受光したレーザ光の情報を、各受光面毎にそれぞれ電気信号に変換して出力する光電変換器と、
前記測定対象物と前記光電変換器の各受光面との間のレーザ光の光路上に設けられ、平面上に複数のマイクロミラーが配列されて構成されたレーザ光反射面を有する素子であり、前記レーザ光反射面は、それぞれ所定数のマイクロミラーが配列された複数の部分領域に分割されており、各部分領域毎に、選択されたマイクロミラーの反射面を所定の向きに制御してON状態にすることにより、このON状態のマイクロミラーで反射した測定対象物からのレーザ光の反射光を、各部分領域毎にそれぞれ異なる前記受光面へと導くマイクロミラーアレイ空間変調素子と、
前記光電変換器それぞれから出力された、各受光面毎の電気信号における前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報を各電気信号毎に取得するとともに、この各電気信号毎の位相ずれ情報と、各部分領域それぞれの前記ON状態のマイクロミラーの位置情報とを用いて測定対象物の3次元位置情報を求めるデータ処理部とを有することを特徴とする3次元画像情報取得装置。
A three-dimensional image information acquisition device for acquiring three-dimensional image information of a measurement object by irradiating the measurement object with laser light and receiving reflected light from the measurement object,
A laser beam emitting unit that time-modulates the light intensity of the laser beam according to the amplitude modulation signal and irradiates the measurement object;
A photoelectric converter that includes a plurality of light receiving surfaces that receive the laser light reflected by the measurement object, converts the information of the laser light received by each light receiving surface into an electrical signal for each light receiving surface, and
An element having a laser light reflecting surface provided on the optical path of laser light between the measurement object and each light receiving surface of the photoelectric converter, and configured by arranging a plurality of micromirrors on a plane; The laser light reflecting surface is divided into a plurality of partial regions each having a predetermined number of micromirrors arranged, and the reflective surface of the selected micromirror is controlled in a predetermined direction for each partial region. A micromirror array spatial modulation element for guiding the reflected light of the laser beam from the measurement object reflected by the micromirror in the ON state to the light receiving surface that is different for each partial region,
The phase shift information with respect to the amplitude modulation signal in the electric signal for each light receiving surface output from each of the photoelectric converters is acquired for each electric signal, and the phase shift information for each electric signal and each partial region A three-dimensional image information acquisition apparatus comprising: a data processing unit that obtains three-dimensional position information of a measurement object using position information of each of the micromirrors in the ON state.
各受光面毎の電気信号それぞれを、各電気信号毎に識別可能な符号化変調信号で時間変調する符号化変調手段を備え、
前記データ処理部は、前記電気信号に含まれる符号化変調信号の情報を利用して、前記電気信号に変換されたレーザ光の反射光を受光した受光面を識別して、この受光面に前記レーザ光の反射光を導く前記レーザ光反射面の部分領域を特定し、この特定した部分領域の前記ON状態のマイクロミラーの位置情報を用いて、前記3次元位置情報を求める請求項1に記載の3次元画像情報取得装置。
Each of the electrical signals for each light-receiving surface comprises a coding modulation means for time-modulating each of the electrical signals with a coded modulation signal that can be identified for each electrical signal,
The data processing unit uses the information of the encoded modulation signal included in the electrical signal to identify a light receiving surface that has received the reflected light of the laser light converted to the electrical signal, and The partial area of the laser light reflecting surface that guides the reflected light of the laser light is specified, and the three-dimensional position information is obtained using position information of the micromirror in the ON state of the specified partial area. 3D image information acquisition apparatus.
前記複数の受光面は、それぞれ同一の平面上に配列されている請求項1または2記載の3次元画像情報取得装置。   The three-dimensional image information acquisition apparatus according to claim 1, wherein the plurality of light receiving surfaces are arranged on the same plane. 前記光電変換器の各受光面毎に出力された電気信号を、前記振幅変調信号を参照信号として用いてミキシングして、前記振幅変調信号で時間変調されたレーザ光の信号成分を中間周波数信号として取り出す中間周波数信号生成手段を有し、
前記データ処理部は、この中間周波数信号を用い、前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報を取得するとともに、この位相ずれ情報と、各部分領域毎の前記ON状態のマイクロミラーの位置情報とを用いて測定対象物の3次元位置情報を求める請求項1〜3のいずれか1項に記載の3次元画像情報取得装置。
The electrical signal output for each light receiving surface of the photoelectric converter is mixed using the amplitude modulation signal as a reference signal, and the signal component of the laser light time-modulated by the amplitude modulation signal is used as an intermediate frequency signal. An intermediate frequency signal generating means for extracting,
The data processing unit uses the intermediate frequency signal to acquire phase shift information for the amplitude modulation signal, and uses the phase shift information and the position information of the micromirrors in the ON state for each partial region. The three-dimensional image information acquisition apparatus according to claim 1, wherein the three-dimensional position information of the measurement object is obtained.
前記中間周波数信号生成手段におけるミキシング処理に先がけて、前記光電変換器の各受光面毎に出力された複数の電気信号を合成する電気信号合成手段を備え、
中間周波数信号生成手段は、前記電気信号合成手段において生成された合成電気信号を、前記振幅変調信号と同一周波数の信号を参照信号として用いてミキシングする請求項4記載の3次元画像情報取得装置。
Prior to the mixing process in the intermediate frequency signal generating means, comprising an electric signal synthesizing means for synthesizing a plurality of electric signals output for each light receiving surface of the photoelectric converter,
5. The three-dimensional image information acquisition apparatus according to claim 4, wherein the intermediate frequency signal generation unit mixes the combined electric signal generated by the electric signal combining unit using a signal having the same frequency as that of the amplitude modulation signal as a reference signal.
前記中間周波数信号生成手段は、前記振幅変調信号及び前記振幅変調信号を所定量位相シフトさせた位相シフト変調信号を参照信号として前記中間周波数信号を取り出し、
前記データ処理部は、この中間周波数信号から、前記位相ずれ情報とともに測定対象物の表面における反射率の情報を求め、この反射率の情報と前記3次元位置情報とを3次元画像情報とする請求項4または5記載の3次元画像情報取得装置。
The intermediate frequency signal generation means takes out the intermediate frequency signal using the amplitude modulation signal and a phase shift modulation signal obtained by phase shifting the amplitude modulation signal by a predetermined amount as a reference signal,
The data processing unit obtains information on the reflectance at the surface of the measurement object together with the phase shift information from the intermediate frequency signal, and uses the reflectance information and the three-dimensional position information as three-dimensional image information. Item 6. The three-dimensional image information acquisition device according to Item 4 or 5.
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