JP2506974B2 - ロボット用視覚装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光を用いて物体の形状及び位置を検出する
ロボット用視覚装置に関するものである。

従来の技術 従来のロボット用視覚装置の構成を図面に基づいて以
下に説明する。第12図は従来のロボット用視覚装置の構
成図である。１はレーザ、２は図中のＸ方向にビームを
走査する第１の偏向ミラー、３は図中のＹ方向にビーム
を走査する第２の偏向ミラー４は対象物、５は対象物４
からの反射光を集光する集光レンズ、６は集光レンズの
後方に配置された二次元アレイ光検出器である。

次にこの従来例のロボット用視覚装置の原理を第13図
を用いて説明する。第13図でＳを集光レンズ５の中心、
Ｌをレーザ１からの出射ビームの中心、Ｏを対象物４上
の点、Θ及びΦを各々点Ｏからの反射ビーム、レーザ１
からの出射ビームが基線LSと成す角度とし、Ｄを基線LS
の長さと置けば点Ｏまでの距離ｈは式（１）で表され
る。

ｈ＝DtanΘtanΦ（tanΘ＋tanΦ） ・・・式（１） ここで角度Θは集光レンズ５の光軸の向きであり式
（２）で与えられる tanΘ＝f/d ・・・式（２） f:集光レンズ５の焦点距離 d:集光レンズ５の中心と、二次元アレイ光検出器上のビ
ーム検出点の距離 従って、第１及び第２の偏向ミラー２、３によりＸ方
向及びＹ方向にレーザビームを走査し、二次元アレイ光
検出器６上に集光させる二次元アレイ光検出器６上のビ
ーム検出点Ｓと出射ビームの中心Ｌ及び対象物４上の点
Ｏの間で式（１）、式（２）を三次元に拡張する事で対
象物４との三次元的距離計測が可能となる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら上記の様な構成では、対象物の形状は三
次元座標値の集合として認識される。従って、この様な
従来のロボット用視覚装置を例えば組立ロボットに適用
し、多種の部品中から特定の部品を識別しかつこの特定
の部品の位置を検出してこれをハンドリングしようとす
る場合、あるいはある部品の特定の部位の位置を検出し
ようとする場合、三次元座標データから該当部品の特徴
量を抽出しその後該当部品の特徴量の三次元的空間座標
からのロボットハンドにアクセス指令を送らなければな
らない。この特徴量抽出のための処理のためには全種類
の対象物の三次元座標データをメモリーとして用意しな
ければならない上に測定データと逐一対応させる必要が
あり結果として、大容量メモリと長い演算時間を必要と
した。

従って、ロボット用視覚装置として装置が大型にな
る。処理時間が長い、消費電力が大きいといった問題点
を有していた。

本発明は、かかる問題点に鑑み空間光変調素子に一度
蓄えた画像を、フーリエ変換レンズで光学的にフーリエ
変換処理し、その０次光成分から対象物の位置検出し、
高次成分から対象物の特徴量を検出することで、小型で
高速処理可能なロボット用視覚装置を提供することを目
的とする。

課題を解決するための手段 本発明は、光源と、この第１の光源からのビームを対
象物上で走査するビーム走査手段と、前記対象物からの
散乱光を集光する集光レンズと、この集光レンズの結像
位置に配置された空間光変調素子と、この空間光変調素
子を照射する第２の光源と、この第２の光源と前記空間
光変調素子との間に配置したビームスプリッタと、この
ビームスプリッタからの反射光路中に配置されたフーリ
エ変換レンズと、このフーリエ変換レンズにより結像さ
れた光を受光する受光素子素子とを備えたことを特徴量
ロボット用視覚装置である。

作用 本発明は、上記した構成によりまず第１の光源により
対象物を照射し、その散乱光を集光した画像を空間光変
調素子に一度蓄え、フーリエ変換レンズで光学的にフー
リエ変換処理し、その０次光成分から対象物の位置検出
し、高次成分から対象物の特徴量を検出することで、小
型で高速処理可能なロボット用視覚装置を提供すること
ができる。

実施例 第１図は本発明の第１の実施例の平面図である。10は
スリット状の発光パターンを有する第１のレーザ光源、
11は第１の光源10のビームを走査するビーム走査手段、
12は対象物、13は対象物12からの散乱光を集光する集光
レンズ、14は集光レンズ13の結像位置に配置された空間
光変調素子、15は第２のレーザ光源、16は第２の光源15
からの光をコリメートするコリメートレンズ、17はビー
ムスプリッタであり光を反射及び透過する。18はフーリ
エ変換レンズであり空間光変調素子15からその焦点距離
に相当する距離離して反射光路中に配置されている、19
は二次元CCD素子でありフーリエ変換レンズ18の結像位
置から一定距離離間して配置されている。

第２図は本実施例の空間光変調素子の構成図である。
20はガラス基板、21は透明電極、22は光吸収膜、23は反
射膜、24は液晶配向膜、25はスメクチック液晶の層であ
る。

この様に構成された本実施例の空間光変調素子の動作
を以下に説明する。絞り込まれた書き込み光が入射する
と、光吸収膜22により熱に変換されるこの熱により液晶
層25が加熱される。この時、スメクチック液晶はスメク
チック相からネマチック相にさらに液相へと相変化し、
スメクチック相に冷却される課程で散乱状態が形成され
る。

すなわち、書き込み光が入射した微小領域のみが局所
的散乱状態となる。従って、本実施例の空間光変調素子
全体を読み取り光で照射すると、書き込み光が入射した
部分からは反射膜23からの反射光が散乱されて戻ってこ
ないので暗部となる。また液晶の散乱状態は透明電極21
間に電圧を印加することで初期状態すなわち、透明に復
帰させることが可能である。

以上のように構成された本発明の第１の実施例につい
て第１図〜第５図を用いてその動作を説明する。まず第
１の光源10で対象物12を照射する。その対象物12からの
反射散乱光は集光レンズ13により数十μｍ程度の微小ス
ポットに集光される。この微小スポットが空間光変調素
子14の書き込み光になる。従ってその微小スポットが照
射された領域の液晶は散乱状態となる。この様に対象物
12からの反射光が液晶の散乱状態として空間光変調素子
14記録される。次に、第２の光源15を発光させコリメー
タレンズ16により平行光としビームスプリッタ17を透過
させ空間光変調素子14全体を照射する。

この時、対象物12からの反射光に相当する部分は散乱
状態となっているので第２の光源による照射光の反射光
路では暗部となる。従ってフーリエ変換レンズ18への入
射光は対象物12からの反射光により振幅変調された入力
パターンとみなせる。また、本実施例では空間光変調素
子14とフーリエ変換レンズ18との距離をフーリエ変換レ
ンズ18の焦点距離と等しくしているので、フーリエ変換
レンズ18の像側焦点位置には対象物12からの反射光によ
り振幅変調された入力パターンのフーリエ変換像がえら
れる。

第３図はこのフーリエ変換像の一例である。図のよう
に空間光変調素子14上に直線状のパターン30が形成され
ているとすると、フーリエ変換レンズ18により直線状パ
ターン30のフーリエ変換像は、直線状パターン30と直交
する方向に０次光、±１次光、・・・、±ｎ次光まで順
次回折光が並ぶ。

第４図はフーリエ変換像の他の例である。図のように
空間光変調素子14上に十字型のパターンが形成されてい
るとすると、フーリエ変換レンズ18により回折光は互い
に直交する２方向の０次光、±１次光、・・・、±ｎ次
光まで順次並ぶ。この様に、空間光変調素子14上に形成
されるパターンに対応した特定のフーリエ変換像が得ら
れる。またこれらのフーリエ変換像はフーリエ変換レン
ズ18の結像位置で見るかぎり空間光変調素子14上のパタ
ーンの位置によらず一定位置に現れる。

一方本実施例では二次元CCD素子19は、フーリエ変換
レンズ18の結像位置から一方距離離間して配置されてい
る。従って、第５図に示した様に空間光変調素子14上の
パターンの位置によってフーリエ変換像の位置が変化す
る。この時、二次元CCD素子19上の０次光の位置を検出
することで空間光変調素子14上の書き込み光の位置が分
かる。従ってこの書き込み光の位置をd,集光レンズ13の
焦点距離をｆとし式（１）、（２）から空間光変調素子
14上のパターンすなわち対象物12の第１の光源10により
照射された部位の三次元空間座標が０次光の位置という
１点で代表して求めることができる。

また、フーリエ変換像の高次光パターンすなわち対象
物12固有の三次元空間的形状（例えば突起，穴，エッジ
等）の特徴パターンを予め計算あるいは実測した基準パ
ターンと比較することで、三次元空間座標データと逐一
比較することなく所望の部品あるいは部位を特定するこ
とができる。この特定した部品あるいは部位の三次元空
間座標が前述したように０次光の位置という１点で代表
して求めることができる。

そこで、第１の光源10からの出射ビームを逐次ビーム
走査手段11により対象物面12上を走査し、この１走査毎
に集光レンズ13により集光した対象物面12からの散乱光
を空間光変調素子14に書き込み、第２の光源15により空
間光変調素子14上のパターンをフーリエ変換レンズ18に
よりフーリエ変換し、その高次回折光パターン分布を基
準パターンと比較し所望の部品あるいは部位を特定す
る。所望の部品あるいは部位を特定できれば、０次光の
CCD素子19上の位置からその特定の部品あるいは部位の
位置を三次元空間座標値として検出し、例えばロボット
ハンドをその位置にアクセスする。

従って本実施例によれば空間光変調素子とフーリエ変
換レンズを用いることで、フーリエ変換像の高次光パタ
ーンから対象物を固有の三次元的形状（例えば突起，
穴，エッジ等）を検出することで特定しかつ、その固有
の三次元的形状の三次元空間での位置をフーリエ変換像
の０次光の位置という１点で代表して求めることができ
装置の小型化，高速処理化が可能となる。

次に本発明の第２の実施例について第６図を用いて説
明する図中の10〜18までは、第１図のもの同一のものを
示している。19aは焦点可変レンズ、19bはリレーレン
ズ、19cは２次元CCD素子である。焦点可変レンズ19a
は、フーリエ変換レンズ18の光軸方向に移動可能に構成
されている。本実施例では、フーリエ変換レンズ18の焦
点位置及びこの焦点位置から一定距離離間した第２の焦
点位置の２つの焦点位置をとる構成と成っている。

以下のこの実施例の動作を説明する。第１の実施例と
同様、まず第１の光源10で対象物12を照射する。その対
象物12からの反射散乱光は集光レンズ13により数十μｍ
程度の微小スポットに集光される。この微小スポットが
空間光変調素子14の書き込み光になる。従ってその微小
スポットが照射された領域の液晶は散乱状態となる。こ
の様に対象物12から反射光が液晶の散乱状態として空間
光変調素子14記録される。次に、第２の光源15を発光さ
せコリメータレンズ16により平行光としビームスプリッ
タ17を透過させ空間光変調素子14全体を照射する。この
空間光変調素子14からの反射光をフーリエ変換レンズ18
でフーリエ変換するが、この時焦点可変レンズ19aはフ
ーリエ変換レンズ18の焦点位置にその焦点が合わされて
いる。従って、第１の実施例とは異なり完全なフーリエ
変換パターンがえられる。この完全なフーリエ変換パタ
ーンと基準パターンと比較し一致するまでビーム走査手
段11によりビームを走査していく。

基準パターンと一致すると、焦点可変レンズ19aを第
２の焦点位置に移動させる。この状態では第１の実施例
と同様、０次光のCCD素子19c上の位置からその特定の部
品あるいは部位の位置を三次元空間座標値として検出で
きる。

従って、前述の本発明の第１の実施例と同様に空間光
変調素子とフーリエ変換レンズとを備えることで、装置
の小型化，処理の高速化ができ本発明の第１の実施例と
同様の効果を得ることができ、さらに本発明の第１の実
施例とは異なり、対象物の特定の三次元形状を特定する
際完全なフーリエ変換パターンを用いることが可能とな
る。その結果、より細密な三次元形状を特徴量として用
いることができるので位置検出精度を向上でき、ロボッ
トの位置決め精度を高められるという利点も有してい
る。

次に本発明の第３の実施例を第７図〜第11図を用いて
説明する。図中の14、18は第１及び第２の実施例と同じ
ものを示している。50はその中心から外側に向かって微
小領域50a,50b,50c,50d,50eから構成された例えばホロ
グラフィクな加工法で形成された同心円状状回折格子で
ありフーリエ変換レンズ18の結像面すなわちフーリエ変
換面にその中心がフーリエ変換レンズ18の光軸と一致す
る様に配置されている。またこれらの微小領域50a〜50e
は、第８図に示す様に中心から外側に向かって回折角が
大きくなる様すなわち、これらの微小領域への入射光が
より外側に回折されるように構成されている、特に微小
領域50aは回折せず入射光が直進する領域である。

一方、フーリエ変換面でのフーリエ変換像は第３図お
よび第４図に示した様に、０次光はフーリエ変換レンズ
18の光軸上に結像し、±１次光から順次高次光に向かっ
て光軸から離れた位置に結像する。従って、０次光は常
に微小領域50aに入射し、より高次光は50b〜50eの順に
回折角が大きくなる領域に入射する。

また、第７図に示した様に空間光変調素子14上のパタ
ーンが、フーリエ変換レンズ18の光軸上に無くてもフー
リエ変換面上では光軸上のパターンと同じ位置に結像す
る。すなわち、空間光変調素子14でのパターンの平行移
動には影響されない。

第９図は、０次光の検出系の説明図である。51は同心
円状回折格子50の後方に配置された集光レンズ、52は２
次元PSD素子である。空間光変調素子14上のパターンの
位置により図中の光路Ｘ、Ｙのように０次光の光路が異
なる。すなわち、同心円状回折格子50の微小領域50aへ
の入射角が変化する。その結果、集光レンズ51による２
次元PSD素子52上での結像位置が変化する。従って、２
次元PSD素子52上での結像位置を検出すれば式（１）及
び式（２）から空間光変調素子14上のパターンすなわち
対象物12の第１の光源10により照射された部位の三次元
空間座標が０次光の位置という１点で代表して求めるこ
とができる。

また、同心円状回折格子50によりフーリエ変換像の高
次光成分を光軸からより離間するよう回折させるので、
０次光の検出系に高次光が漏れ込むことを防止でき、S/
N比の高い位置検出ができる。

第10図は、同心円状回折格子50で回折された高次光成
分の検出係の説明図である。53は高次光成分の回折光の
検出器であり、同心円状に検出領域が構成されている。
これらの同心円状検出器は、同心円状回折格子50の各々
の微小領域からの回折光を受光する位置に設けられてい
る。従って、この同心円状の各受光領域の受光状態すな
わち、その領域に回折光が到達しているか否かを検出す
ればフーリエ変換レンズ18によるフーリエ変換パターン
がどの様な回折光成分から構成されているかを検出で
き、対象物固有のフーリエ変換パターンを特定できる。
特に第11図に示した様に、高次光成分の回折光の検出器
53をその円周方向に分割し、各々の受光セルの検出状態
を独立に受光する構成とすれば第９図に示した検出器よ
り細密なパターンを特定できる。

以上の様に構成した本発明の第３の実施例によれば、
対象物固有の三次元形状のフーリエ変換パターンの０次
光と高次光をフーリエ変換面上で分離でき、対象物固有
の三次元形状を認識するための高次光成分は完全なフー
リエ変換像として取り出すことができかつ、０次光を利
用して対象物固有の三次元形状の位置を三次元的に認識
できるという本発明の第２の実施例と同様の効果をあげ
ることができる。

さらに、本実施例によれば同心円状の回折格子とそれ
による結像位置に同心円状の受光素子を配置しているの
で、空間光変調素子14上のパターンがフーリエ変換レン
ズ18の光軸のまわりに回転してもその影響を受けないと
いう利点を有している。

発明の効果 以上のように本発明のロボット用視覚装置において
は、フーリエ変換レンズで光学的にフーリエ変換処理
し、その０次光成分から対象物の位置検出し、高次成分
から対象物の特徴量を検出することで、小型で高速処理
可能にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のロボット用視覚装置の
平面図、第２図は同実施例の空間光変調素子の構成図、
第３図、第４図及び第５図は同実施例の動作説明図、第
６図は本発明の第２の実施例のロボット視覚装置の平面
図、第７図は本発明の第３の実施例のロボット視覚装置
の構成図、第８図は同実施例における同心円状回折格子
の動作説明図、第９図は同実施例における０次光検出系
の平面図、第10図は同実施例における高次光成分の検出
系の説明図、第11図は同同心円状回折格子の他の実施例
の説明図、第12図は従来例のロボット用視覚装置の構成
図、第13図は同従来例の動作説明図である。 10……第１の光源、11……ビーム走査手段、12……対象
物、13……集光レンズ、14……空間光変調素子、15……
第２の光源、16……コリメータレンズ、17……ビームス
プリッタ、18……フーリエ変換レンズ、19……CCD素
子、20……ガラス基板、21……透明電極、22……光吸収
膜、23……反射層、24……液晶配向膜、25……液晶、19
a……可変焦点レンズ、50……同心円状回折格子、51…
…集光レンズ、52……２次元PSD素子、53……高次回折
光の検出器。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、この第１の光源からのビームを対
   象物上で走査するビーム走査手段と、前記対象物からの
   散乱光を集光する集光レンズと、この集光レンズの結像
   位置に配置された空間光変調素子と、この空間光変調素
   子を照射する第２の光源と、この第２の光源と前記空間
   光変調素子との間に配置したビームスプリッタと、この
   ビームスプリッタからの反射光路中に配置されたフーリ
   エ変換レンズと、このフーリエ変換レンズの焦点位置か
   ら光軸方向に一定距離離間して配置された受光素子とを
   備えたことを特徴とするロボット用視覚装置。
2. 【請求項２】受光素子を焦点可変レンズと光電変換素子
   とから構成したことを特徴とする請求項１記載のロボッ
   ト用視覚装置。
3. 【請求項３】フーリエ変換レンズの焦点位置近傍に回折
   光分離素子を配置すると共に、この回折光分離素子の後
   方に０次光を集光する集光レンズとを備えたことを特徴
   とする請求項１記載のロボット用視覚装置。
4. 【請求項４】回折光分離素子をその半径方向に回折角度
   分布を有する同心円状回折格子により構成したことを特
   徴とする請求項３記載のロボット用視覚装置。