JP3005698B2 - スペックルノイズの除去装置 - Google Patents
スペックルノイズの除去装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光を用いた距離
計測装置などに用いるスペックルノイズの除去装置に関
するものである。
計測装置などに用いるスペックルノイズの除去装置に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】３次元距離計測は、ロボットビジョンに
限らず、医用、アパレル等多くの分野で重要な情報入力
手段となっている。このような計測の中で、レーザ光を
用いた手法は、安定性や計測精度の点から他の手法と比
較して優れている。
限らず、医用、アパレル等多くの分野で重要な情報入力
手段となっている。このような計測の中で、レーザ光を
用いた手法は、安定性や計測精度の点から他の手法と比
較して優れている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前述したレー
ザ光を用いた距離計測では、レーザの高い干渉性のため
にスペックルノイズが発生し、計測精度に対して悪影響
を与えていた。ここで、スペックルノイズとは、レーザ
光のように高い可干渉性を持つ波によって発生するノイ
ズである。
ザ光を用いた距離計測では、レーザの高い干渉性のため
にスペックルノイズが発生し、計測精度に対して悪影響
を与えていた。ここで、スペックルノイズとは、レーザ
光のように高い可干渉性を持つ波によって発生するノイ
ズである。
【０００４】このようなレーザ光を用いた距離計測で
は、レーザスポット光やスリット光を計測対象に投影
し、その反射光を撮像して距離を計測する。そのため、
スペックルノイズの発生原因としては、物体表面での
波長程度の凹凸による光路差、物体表面から撮像素子
までの経路の違いによる光路差の２つが考えられる。し
たがって、スペックルノイズを除去するためには、複数
の光路を伝搬してきた光をインコヒーレント加算するこ
とによって除去できることになる。
は、レーザスポット光やスリット光を計測対象に投影
し、その反射光を撮像して距離を計測する。そのため、
スペックルノイズの発生原因としては、物体表面での
波長程度の凹凸による光路差、物体表面から撮像素子
までの経路の違いによる光路差の２つが考えられる。し
たがって、スペックルノイズを除去するためには、複数
の光路を伝搬してきた光をインコヒーレント加算するこ
とによって除去できることになる。
【０００５】この手法を実現するために、物体または撮
像素子を振動させることも考えられるが、そのような振
動はセンサにとって悪影響を与えてしまい、距離計測器
などに適用するスペックルノイズの除去方法として採用
することはできない。
像素子を振動させることも考えられるが、そのような振
動はセンサにとって悪影響を与えてしまい、距離計測器
などに適用するスペックルノイズの除去方法として採用
することはできない。
【０００６】本発明の目的は、前述の課題を解決し、撮
像系で用いている結像レンズの絞り位置を変化させるこ
とにより、センサに悪影響のある振動を与えることな
く、確実にスペックルノイズを除去するスペックルノイ
ズの除去装置を提供することである。
像系で用いている結像レンズの絞り位置を変化させるこ
とにより、センサに悪影響のある振動を与えることな
く、確実にスペックルノイズを除去するスペックルノイ
ズの除去装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明によるスペックル
ノイズの除去装置は、レーザ光を物体面に投射し、その
反射光を撮像系によって撮像する装置に用いられるスペ
ックルノイズの除去装置において、前記撮像系の結像レ
ンズの絞り位置を可変する絞り位置可変手段と、前記絞
り位置可変手段によって絞り位置を変えた複数枚の画像
をインコヒーレント加算する平均化手段とを含む構成と
してある。
ノイズの除去装置は、レーザ光を物体面に投射し、その
反射光を撮像系によって撮像する装置に用いられるスペ
ックルノイズの除去装置において、前記撮像系の結像レ
ンズの絞り位置を可変する絞り位置可変手段と、前記絞
り位置可変手段によって絞り位置を変えた複数枚の画像
をインコヒーレント加算する平均化手段とを含む構成と
してある。
【０００８】
【作用】本発明によれば、絞り位置を変えた複数の画像
を取り込み、これを平均化するようにした。つまり、各
絞り位置での画像は、光強度として入力されており干渉
性はない。したがって、複数の画像を平均化することに
より、スペックルノイズが除去できることになる。
を取り込み、これを平均化するようにした。つまり、各
絞り位置での画像は、光強度として入力されており干渉
性はない。したがって、複数の画像を平均化することに
より、スペックルノイズが除去できることになる。
【０００９】
【実施例】次に、実施例をあげて、本発明を詳細に説明
する。図１は、本発明によるスペックルノイズの除去装
置の一実施例を示したブロック図、図２は実施例に係る
除去装置に用いる液晶シャッタを示した図である。
する。図１は、本発明によるスペックルノイズの除去装
置の一実施例を示したブロック図、図２は実施例に係る
除去装置に用いる液晶シャッタを示した図である。
【００１０】この実施例のスペックルノイズの除去装置
は、図１に示すように、レーザ光を用いた計測装置に組
み込んだものである。レーザ光源１１は、ＣＰＵ１５か
らの信号により、レーザコントローラ１８を介して制御
されている。レーザ光源１１から発振したレーザ光は、
物体面Ａに照射され、その反射光が結像レンズ１２によ
って、ＣＣＤ１４上の観察面Ｂに結像する。
は、図１に示すように、レーザ光を用いた計測装置に組
み込んだものである。レーザ光源１１は、ＣＰＵ１５か
らの信号により、レーザコントローラ１８を介して制御
されている。レーザ光源１１から発振したレーザ光は、
物体面Ａに照射され、その反射光が結像レンズ１２によ
って、ＣＣＤ１４上の観察面Ｂに結像する。
【００１１】液晶シャッタ（位置可変手段）１３は、結
像レンズ１２内に組み込まれており、この実施例では、
図２に示すように、７×７の合計４９個のシャッタ素子
を独立して開閉できるようにしてある。液晶シャッタ１
３は、ドライバ１９によって開閉駆動され、駆動のタイ
ミングは、カメラコントローラ１６に合わせられてい
る。
像レンズ１２内に組み込まれており、この実施例では、
図２に示すように、７×７の合計４９個のシャッタ素子
を独立して開閉できるようにしてある。液晶シャッタ１
３は、ドライバ１９によって開閉駆動され、駆動のタイ
ミングは、カメラコントローラ１６に合わせられてい
る。
【００１２】ＣＣＤカメラ１４の出力は、カメラコント
ローラ１６によって、画像メモリ１７の入力信号として
変換され、その変換された信号は、画像メモリ１７に一
時記憶される。ＣＰＵ１５は、画像メモリ１７上でデー
タの処理を行い、物体面Ａの三次元的な表面形状を算出
して出力する。ＣＰＵ１５の出力は、ＣＲＴ，プリンタ
や磁気記録装置等からなる表示・記録装置２０に出力さ
れる。
ローラ１６によって、画像メモリ１７の入力信号として
変換され、その変換された信号は、画像メモリ１７に一
時記憶される。ＣＰＵ１５は、画像メモリ１７上でデー
タの処理を行い、物体面Ａの三次元的な表面形状を算出
して出力する。ＣＰＵ１５の出力は、ＣＲＴ，プリンタ
や磁気記録装置等からなる表示・記録装置２０に出力さ
れる。
【００１３】この実施例のように、撮像素子としてＣＣ
Ｄカメラ１４を用いた場合には、１／３０秒で１画面が
取り込まれる。したがって、この期間内に液晶シャッタ
１３による全ての絞りのパターンを出現させることによ
って、距離計算用のＣＰＵ１５には、特別な演算をさせ
る必要がない。
Ｄカメラ１４を用いた場合には、１／３０秒で１画面が
取り込まれる。したがって、この期間内に液晶シャッタ
１３による全ての絞りのパターンを出現させることによ
って、距離計算用のＣＰＵ１５には、特別な演算をさせ
る必要がない。
【００１４】次に、ＣＰＵ１５内で行われるスペックル
ノイズの除去の方法について、さらに詳しく説明する。
物体面Ａから拡散するレーザ光は、図３に示すように、
結像レンズ１２により集光され観察面Ｂに結像する。こ
のとき、液晶シャッタ１３の絞りＷ1 および絞りＷ2 を
経て結像する光複素振幅は、次式で表される。 Ｖ（x,w1,t) ＝∫w1 E0 (ξ)exp｛(iφ (ξ) ｝・exp(-iωt) ・exp ｛（i π／λ）〔（｜ξ-w1 ｜2 ／Ｒ）＋｜w1-x｜2 ／ｒ〕｝dW …（１） Ｖ（x,w2,t) ＝∫w2 E0 (ξ)exp｛(iφ (ξ) ｝・exp(-iωt) ・exp ｛（i π／λ）〔（｜ξ-w2 ｜2 ／Ｒ）＋｜w2-x｜2 ／ｒ〕｝dW …（２）
ノイズの除去の方法について、さらに詳しく説明する。
物体面Ａから拡散するレーザ光は、図３に示すように、
結像レンズ１２により集光され観察面Ｂに結像する。こ
のとき、液晶シャッタ１３の絞りＷ1 および絞りＷ2 を
経て結像する光複素振幅は、次式で表される。 Ｖ（x,w1,t) ＝∫w1 E0 (ξ)exp｛(iφ (ξ) ｝・exp(-iωt) ・exp ｛（i π／λ）〔（｜ξ-w1 ｜2 ／Ｒ）＋｜w1-x｜2 ／ｒ〕｝dW …（１） Ｖ（x,w2,t) ＝∫w2 E0 (ξ)exp｛(iφ (ξ) ｝・exp(-iωt) ・exp ｛（i π／λ）〔（｜ξ-w2 ｜2 ／Ｒ）＋｜w2-x｜2 ／ｒ〕｝dW …（２）
【００１５】ここで、w1およびw2の選択は、それぞれの
絞り位置で結像されるスペックル強度に相関が低いもの
が好ましい。したがって、それぞれの光強度分布の相互
相関を求めると次式のように表される。 γ（x,α) ＝｜∫exp 〔（ 2πi ／λ) ・｛ [（１／Ｒ）＋（１／ｒ）] α・ｗ−２α・x ／ｒ｝〕dw｜2 …（３） ただし、w1＝−w2＝αとした。この式において、Ｒ＝13
5mm,ｒ＝26mm ,ｗ＝ 0.1mmとするとαによる相関値の変
化は、図４のようになる。この結果から約 0.1mm以上離
せば十分異なった光強度分布となることがわかる。
絞り位置で結像されるスペックル強度に相関が低いもの
が好ましい。したがって、それぞれの光強度分布の相互
相関を求めると次式のように表される。 γ（x,α) ＝｜∫exp 〔（ 2πi ／λ) ・｛ [（１／Ｒ）＋（１／ｒ）] α・ｗ−２α・x ／ｒ｝〕dw｜2 …（３） ただし、w1＝−w2＝αとした。この式において、Ｒ＝13
5mm,ｒ＝26mm ,ｗ＝ 0.1mmとするとαによる相関値の変
化は、図４のようになる。この結果から約 0.1mm以上離
せば十分異なった光強度分布となることがわかる。
【００１６】（実験例）次に、具体的な実験例をあげ
て、さらに説明する。この実験では、レーザ光源１１と
して、波長830nｍの半導体レーザを用い、石膏で作製し
た三角柱の表面を対象面Ａとした。この対象面Ａからの
散乱光を、絞り位置可変な液晶シャッタ１３を組み込ん
だ結像レンズ１２によって集光し、ＣＣＤカメラ１４に
よって撮像した。
て、さらに説明する。この実験では、レーザ光源１１と
して、波長830nｍの半導体レーザを用い、石膏で作製し
た三角柱の表面を対象面Ａとした。この対象面Ａからの
散乱光を、絞り位置可変な液晶シャッタ１３を組み込ん
だ結像レンズ１２によって集光し、ＣＣＤカメラ１４に
よって撮像した。
【００１７】図５は、レンズ位置の変化による撮像光強
度分布の相関を示す図である。これは図４と同一の条件
を用いた。この結果から、 0.1mm程度で相関が低くなる
ことがわかる。したがって、この結果から絞り位置は十
分余裕をもって 0.2mm毎とし、縦横７個ずつ合計４９個
の絞りを設定した。
度分布の相関を示す図である。これは図４と同一の条件
を用いた。この結果から、 0.1mm程度で相関が低くなる
ことがわかる。したがって、この結果から絞り位置は十
分余裕をもって 0.2mm毎とし、縦横７個ずつ合計４９個
の絞りを設定した。
【００１８】図６は、平均化する画像の枚数によるスペ
ックル度の変化を示す図である。この結果から、１０枚
程度の画像の平均によって、スペックルの除去は効果的
に除去されていることがわかる。ここで、スペックル度
とは、元のレーザ光強度分布に対してどの程度スペック
ルが重畳しているかを示す指標であって、ここでは、撮
像される光の強度分布がガウス分布になるとし、この分
布からの差をスペックル度とした。
ックル度の変化を示す図である。この結果から、１０枚
程度の画像の平均によって、スペックルの除去は効果的
に除去されていることがわかる。ここで、スペックル度
とは、元のレーザ光強度分布に対してどの程度スペック
ルが重畳しているかを示す指標であって、ここでは、撮
像される光の強度分布がガウス分布になるとし、この分
布からの差をスペックル度とした。
【００１９】図７は、スペックルノイズを含むスポット
光の強度分布図を示す図である。スペックルノイズの影
響により、強度分布に片寄りを生じていることが確認で
きる。図８は、絞り位置を変えて入力した１６枚の画像
を平均した画像の強度分布を示す図である。図７と比較
して、スペックルノイズの影響により生じる片寄りが改
善されていることが確認できる。
光の強度分布図を示す図である。スペックルノイズの影
響により、強度分布に片寄りを生じていることが確認で
きる。図８は、絞り位置を変えて入力した１６枚の画像
を平均した画像の強度分布を示す図である。図７と比較
して、スペックルノイズの影響により生じる片寄りが改
善されていることが確認できる。
【００２０】この条件によって、対象物体の位置を変化
させ、ＣＣＤ１４の撮像面上でのスポットの動きを計測
した結果を図９と図１０に示す。図９は、スペックルノ
イズを除去する前の状態を示した図であり、図１０は、
図８の条件によってスペックルノイズを除去した結果を
示した図である。図９では、スポットが左右に振れてい
るが、図１０ではその振れが改善されているのが確認で
きる。これは各計測点を直線に当てはめそのずれを計算
すると図９と比較し、1/40に改善された。
させ、ＣＣＤ１４の撮像面上でのスポットの動きを計測
した結果を図９と図１０に示す。図９は、スペックルノ
イズを除去する前の状態を示した図であり、図１０は、
図８の条件によってスペックルノイズを除去した結果を
示した図である。図９では、スポットが左右に振れてい
るが、図１０ではその振れが改善されているのが確認で
きる。これは各計測点を直線に当てはめそのずれを計算
すると図９と比較し、1/40に改善された。
【００２１】以上説明した実施例に限定されず、種々の
変形ができる。例えば、撮像素子としてＴＶカメラを用
いた場合には、１フレームの画像入力内で目的の絞りを
設定すればよく、特別な処理装置を必要とせずに、スペ
ックルノイズを除去することができる。
変形ができる。例えば、撮像素子としてＴＶカメラを用
いた場合には、１フレームの画像入力内で目的の絞りを
設定すればよく、特別な処理装置を必要とせずに、スペ
ックルノイズを除去することができる。
【００２２】また、液晶シャッタは、絞りが４９個の例
で説明したが、１フレームの1/30秒以内に１６個程度の
絞りを開閉させたもので十分にスペックルノイズは除去
することが可能であり、従来のレーザを用いた測距装置
に容易に取り付けすることが可能となる。
で説明したが、１フレームの1/30秒以内に１６個程度の
絞りを開閉させたもので十分にスペックルノイズは除去
することが可能であり、従来のレーザを用いた測距装置
に容易に取り付けすることが可能となる。
【００２３】さらに、図１におけるＣＣＤカメラ１４お
よびカメラコントローラ１６は、ＰＳＤ等のセンサに置
き換えても、同様に実施できる。
よびカメラコントローラ１６は、ＰＳＤ等のセンサに置
き換えても、同様に実施できる。
【００２４】最後に、本発明をまとめると、以下の通り
である。レーザを用いた距離計測におけるスペックルノ
イズの影響は、図１１（Ａ）に示すように、レーザビー
ムの強度分布に対して無視することができない。したが
って、このスペックルノイズのために、レーザビームの
中心位置が正確に算出できず、距離計測の誤差の原因と
なっている。スペックルノイズの発生原因は、レーザの
高い干渉性によるものであり、伝播する光路によってラ
ンダムに変化する。そこで、本発明では、撮像系の絞り
位置を変えることにより、図１１（Ｂ）に示すように、
スペックルノイズの異なる複数のパターンを発生させ、
これらをインコヒーレントに加算させることにより、図
１１（Ｃ）に示すように、１撮像時間内に除去しようと
いうものである。
である。レーザを用いた距離計測におけるスペックルノ
イズの影響は、図１１（Ａ）に示すように、レーザビー
ムの強度分布に対して無視することができない。したが
って、このスペックルノイズのために、レーザビームの
中心位置が正確に算出できず、距離計測の誤差の原因と
なっている。スペックルノイズの発生原因は、レーザの
高い干渉性によるものであり、伝播する光路によってラ
ンダムに変化する。そこで、本発明では、撮像系の絞り
位置を変えることにより、図１１（Ｂ）に示すように、
スペックルノイズの異なる複数のパターンを発生させ、
これらをインコヒーレントに加算させることにより、図
１１（Ｃ）に示すように、１撮像時間内に除去しようと
いうものである。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザを用いた距離計測などにおいて問題となるスペッ
クルノイズを、撮像系の絞り位置を変えて撮像し、複数
の画像を平均化するようにしたので、各絞り位置での画
像は、光強度として入力されており干渉性はないため
に、スペックルノイズを除去することができる。
レーザを用いた距離計測などにおいて問題となるスペッ
クルノイズを、撮像系の絞り位置を変えて撮像し、複数
の画像を平均化するようにしたので、各絞り位置での画
像は、光強度として入力されており干渉性はないため
に、スペックルノイズを除去することができる。
【図１】本発明によるスペックルノイズの除去装置の一
実施例を示したブロック図である。
実施例を示したブロック図である。
【図２】実施例に係るスペックルノイズの除去装置に用
いる液晶シャッタを示した図である。
いる液晶シャッタを示した図である。
【図３】実施例に係るスペックルノイズの除去装置の動
作を説明する図である。
作を説明する図である。
【図４】αによる相関値の変化を示した図である。
【図５】レンズ位置の変化による撮像光強度分布の相関
を示す図である。
を示す図である。
【図６】平均化する画像の枚数によるスペックル度の変
化を示す図である。
化を示す図である。
【図７】スペックルを含むスポット光の強度分布図を示
す図である。
す図である。
【図８】絞り位置を変えて入力した１６枚の画像を平均
した画像の強度分布を示す図である。
した画像の強度分布を示す図である。
【図９】スペックルノイズを除去する前の状態を示した
図である。
図である。
【図１０】図８の条件によってスペックルノイズを除去
した結果を示した図である。
した結果を示した図である。
【図１１】本発明によるスペックルノイズの除去装置の
実施例の動作を説明するための線図である。
実施例の動作を説明するための線図である。
１１ レーザ光源 １２ 結像レンズ １３ 液晶シャッタ １４ ＣＣＤカメラ １５ ＣＰＵ １６ カメラコントローラ １７ 画像メモリ １８ レーザコントローラ １９ ドライバ ２０ 表示・記録装置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小島 竜一 東京都足立区綾瀬７−20−３ (56)参考文献 特開 平３−287002（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−18713（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30
Claims (1)
- 【請求項１】 レーザ光を物体面に投射し、その反射光
を撮像系によって撮像する装置に用いられるスペックル
ノイズの除去装置において、 前記撮像系の結像レンズの絞り位置を可変する絞り位置
可変手段と、 前記絞り位置可変手段によって絞り位置を変えた複数枚
の画像をインコヒーレント加算する平均化手段と、を含
むことを特徴とするスペックルノイズの除去装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3258481A JP3005698B2 (ja) | 1991-09-10 | 1991-09-10 | スペックルノイズの除去装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3258481A JP3005698B2 (ja) | 1991-09-10 | 1991-09-10 | スペックルノイズの除去装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0571918A JPH0571918A (ja) | 1993-03-23 |
| JP3005698B2 true JP3005698B2 (ja) | 2000-01-31 |
Family
ID=17320813
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3258481A Expired - Fee Related JP3005698B2 (ja) | 1991-09-10 | 1991-09-10 | スペックルノイズの除去装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3005698B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009128084A (ja) * | 2007-11-21 | 2009-06-11 | Toyo Seiki Seisakusho:Kk | 被計測物の表面ならびにレーザ反射光による粒状斑点模様の同時撮像方法とその装置 |
| JP5882674B2 (ja) | 2011-10-24 | 2016-03-09 | キヤノン株式会社 | 多波長干渉計、計測装置および計測方法 |
| JP5954979B2 (ja) | 2011-12-15 | 2016-07-20 | キヤノン株式会社 | 多波長干渉計を有する計測装置 |
| WO2017138210A1 (ja) * | 2016-02-12 | 2017-08-17 | ソニー株式会社 | 撮像装置、撮像方法及び撮像システム |
| CN113804101A (zh) * | 2020-06-11 | 2021-12-17 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 透过散射介质的无侵入光学成像和定位的装置和方法 |
-
1991
- 1991-09-10 JP JP3258481A patent/JP3005698B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH0571918A (ja) | 1993-03-23 |
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