JP3643794B2 - レーザを用いた形状計測方法及びシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザを用いた形状計測方法及びシステムに関し、特に、高速で移動する目標の形状を計測するレーザを用いた形状計測方法及びシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
先ず、図５〜図６を参照して、レーザを用いた従来の形状計測システムについて説明する。図５は、その一例を示す概要図であり、該形状計測システム２００は、概略的に述べると、レーザ光源２００Ａと、参照光受光素子２００Ｂと、反射光受光素子２０６，画素２０７，ミラー２２２及びミラー制御回路２２１を有する反射光受光手段２００Ｃと、時間計測回路２００Ｄと、演算回路２００Ｅとを備えている。
【０００３】
この形状計測システム２００においては、レーザ光源２００Ａから投光された投光ビーム２１１のうち計測すべき目標２１４に当ってはねかえってミラー２２２を介し反射光受光素子２０６に入射する受光ビーム２０５から得られる反射信号２００ｇと、投光ビーム２１１の一部が参照光受光素子２００Ｂに入射して得られる参照信号２１３との間の遅れ時間を時間計測回路２００Ｄにおいて計測し、この遅れ時間から形状計測システム２００と目標２１４との間の距離を演算回路２００Ｅで算出することにより目標の形状を計測する。
【０００４】
次に、図７に示されるフローチャートを参照して、この形状計測システム２００を用いた形状計測方法について各工程毎に説明すると、従来の形状計測方法は、主に、レーザ投光工程と、参照光受光工程と、反射光受光工程と、時間計測工程と、演算工程とを含んでおり、形状の計測を開始すると、まず、レーザ投光工程（ステップＳ２００）において、レーザ光源２００Ａから投光ビーム２１１が目標２１４に向けて投光される。投光ビーム２１１は、所定の時間間隔のパルスからなるパルス列として投光される。
【０００５】
レーザ光源２００Ａから放射された投光ビーム２１１の一部は、参照光受光工程（ステップＳ２０１）において、例えばビームスプリッター（図示せず）を介して参照光受光素子２００Ｂへ導かれ、光信号から電気信号へ変換されて参照信号２１３となる。
【０００６】
一方、反射光受光工程（ステップＳ２０２）において、レーザ光源２００Ａから発光された投光ビーム２１１は、目標２１４で反射した後、受光ビーム２０５としてミラー２２２に入射する。その後、受光ビーム２０５は、ミラー２２２で反射して反射光受光素子２０６へ導かれ、ここで電気信号に変換されて反射信号２００ｇとなる。
【０００７】
次に、ステップＳ２０３の時間計測工程について、図５及び図７に加え、図５に示した形状計測システム２００の動作タイミングを示すチャートである図６を参照して説明する。時間計測工程は、粗測工程及び精測工程を含んでいる。まず、粗測工程においては、粗測回路２４０ｄで参照信号２１３から波形の特定の位置を判別して生成された発光タイミング信号２００ｈを発生し、精測工程においては、精測回路２４０ｃで反射信号２００ｇから波形の特定の位置を判別して生成された受光タイミング信号２００ｉを発生する。
【０００８】
一方、クロック２３０からはパルス状のクロック信号２３０ａからなるパルス信号列が粗測回路２４０ｄ及び精測回路２４０ｃの各々にクロック周期２３３で送られており、発光タイミング信号２００ｈ及び受光タイミング信号２００ｉの差から遅れ時間Ｔを計測することにより、演算工程（ステップＳ２０４）において、次式（１）に基づいて形状計測システム２００と目標２１４との間の距離Ｒを算出する。
Ｒ＝Ｖ×Ｔ／２ ・・・式（１）
ここで、Ｖは光速度を表わしている。
【０００９】
更に詳しく述べると、距離計測に対し数ｃｍ以下の測定精度が要求される場合には、時間精度として１００ｐｓ程度の精度が求められるが、ディジタル的にクロック信号２３０ａのカウントを行う方法では、回路動作速度の制限から、精度要求の実現が困難である。従って、従来の方法では、上述の遅れ時間Ｔを求めるために、発光タイミング信号２００ｈから受光タイミング信号２００ｉまでの大まかな時間を、広範囲の時間測定が可能であるディジタル的なクロック周期２３３のカウントにより粗測時間２００Ｋとして計測すると共に、発光タイミング信号２００ｈの発生からその後のクロック信号２３０ａの終了までの時間差（第１精測時間２０１ｊ）と、受光タイミング信号２００ｈの発生からその後のクロック信号２３０ａの終了までの時間差（第２精測時間２０２ｊ）とを狭範囲であるが精度のよいアナログ的な時間−電圧変換により計測した上で、次式（２）により距離Ｒを演算する方法が採用されている。
【００１０】
Ｒ＝Ｖ×（Ｔｓ１＋Ｔｒ−Ｔｓ２）／２ ・・・式（２）
ここで、Ｔｒは粗測時間２００Ｋ，Ｔｓ１は第１精測時間２０１ｊ，Ｔｓ２は第２精測時間２０２ｊをそれぞれ表わしている。即ち、第１及び第２精測時間２０１ｊ，２０２ｊを表わしている精測時間信号２００ｊと、粗測時間２００Ｋを表わす粗測時間信号２００ｋとが演算回路２００Ｅに入力され、そこで前述した演算が行われ、得られた距離情報は距離信号として出力される。これにより、目標２１４の形状を計測することができる。
【００１１】
以上の距離計測工程を、演算回路２００Ｅからのミラー角度信号２２０を反射光受光手段２００Ｃのミラー制御回路２２１に送り、ミラー２２２をその２軸それぞれの回りに２次元的にスキャンしながら第１番画素２０７ｃ１から第Ｎ番画素２０７ｃＮまでの各画素について個別に行うことにより、目標の２次元平面に対する高さ情報を計測することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の形状計測システムでは、機械的にミラー２２２をスキャンするため、１つの画素の計測から次の画素の計測までに待ち時間が必要となる。従って、目標２１４が高速で移動するミサイルのような飛翔体の場合、全画素についてミラー２２２をスキャンしている間に目標２１４の位置が変化するため、２次元の位置及び高さ計測値に誤差が生じ、目標の形状を精確に計測することができないという問題があった。しかも、ミラーを的確に制御して計測を行う必要がある。
【００１３】
従って、本発明の主な目的は、高速で移動する目標であってもその形状を精確に計測することができる形状計測方法及びシステムを提供することにある。
【００１４】
また、本発明の別の目的は、粗測回路を共通化し演算速度を向上させることができる形状計測方法及びシステムを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、鋭意研究を進めた結果、複数の反射光受光素子で反射光を受光し、各反射光受光素子から出力される反射信号に対して一対の粗測回路及び精測回路からなる計測回路で遅れ時間を計測することで、高速で移動する目標についての前述の課題を解消しうることを知見し、その知見に基づいて第１の発明を完成したのである。
【００１６】
ところが、この第１の発明により前述した課題は見事に解消されるものの、第１の発明は、各反射光受光素子から出力された反射信号について粗測計測及び精測計測を行っていたため、計測回路がどちらかと言えば複雑となり、システム全体が大型化するので、第１の発明には改善すべき余地が残されていることが分かった。
【００１７】
そこで、本発明者等は、更に鋭意研究を続けた結果、目標の形状を計測するに際し、目標までの絶対距離精度はそれほど重要ではなく、目標の形状計測にかかわる相対的距離精度が重要であることを知見した。そして、本発明者等は、この知見に基づいて、粗測距離を少なくとも１つの粗測回路において計測する構成とすることにより第１の発明の問題点を解消しうる第２の発明を完成した。
【００１８】
従って、上述の目的を達成するために、本発明は、レーザ光源から投光されたレーザ光のうち目標に当ってはねかえった反射光から得られる反射信号と前記レーザ光の一部の参照光から得られる参照信号との間の遅れ時間をクロック信号列に基づいて検出し、該遅れ時間から前記目標の距離を算出することにより前記目標の形状を計測する形状計測方法において、前記反射光を複数の反射光受光素子を用いて受光し、各反射光受光素子から反射信号を出力すると共に、各反射信号について距離計測を並列に行うことを特徴としている。
【００１９】
また、請求項２に記載の本発明のように、各反射光受光素子の受光ビームは、反射光の入射方向に対してそれぞれ所定の角度をなしていることが好ましい。
【００２０】
また、次の発明によれば、遅れ時間は、参照信号に基づいて発生する発光タイミング信号及びクロック信号列のうちの対応クロック信号の間の時間差である第１精測時間と、反射信号に基づいて発生する受光タイミング信号及びクロック信号列のうちの対応クロック信号の間の時間差である第２精測時間と、双方の前記対応クロック信号間のクロック周期の数から求められる粗測時間とから算出され、反射信号のそれぞれについて粗測時間を計測するようになっている。
【００２１】
また、次の発明のように、遅れ時間は、反射信号に基づいて発生する受光タイミング信号と該受光タイミング信号にディレイをかけて発生する計測終了タイミング信号に対応するクロック信号列のうちの対応クロック信号との間の時間差である精測時間と、参照信号に基づいて発生する発光タイミング信号に対応するクロック信号列のうちの対応クロック信号と計測終了タイミング信号に対応するクロック信号列のうちの対応クロック信号との間の時間差である粗測時間とから算出され、前記粗測距離は１つの反射信号について計測されるようになっている。
【００２２】
上述の目的を達成するため、次の発明は、レーザ光を投光するレーザ光源と、前記レーザ光の一部を参照レーザ光として受光し参照信号に変換する参照光受光手段と、前記レーザ光のうち目標に当ってはねかえった反射光を受光し反射信号に変換する複数の反射光受光素子を有する反射光受光手段と、前記反射信号及び前記参照信号の間の遅れ時間を各反射信号について並列的に検出する時間計測手段と、前記検出された遅れ時間に基づき前記目標までの距離を算出する演算手段とを有することを特徴とする形状計測システムを提供している。
【００２３】
次の発明によれば、請求項５の形状計測システムにおいて、前記各反射光受光素子の受光ビームは、反射光の入射方向に対してそれぞれ所定の角度をなしている。
【００２４】
更に、次の発明による形状計測システムにおいて、前記反射信号及び前記参照信号の間の遅れ時間を各反射信号について並列的に検出する時間計測手段は、少なくとも１つの粗測回路と複数の精測回路とを含み、前記粗測回路は、前記反射信号のうち少なくとも１つの反射信号について前記目標までの粗測距離を計測するものであり、前記精測回路は、各反射信号について前記反射信号及び前記参照信号と対応するクロック信号の間の時間差を検出するものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明するが、図中、同一符号は同一又は対応部分を示すものとする。また、本発明は、以下の説明から分かるように、この実施形態に限定されるものではなく、種々の改変が可能である。
【００２６】
図１は、本発明の第１実施例に係る形状計測システム１０の構成を概略的に示す図であり、この形状計測システム１０は、先ず概略的に述べると、レーザ光源１０Ａと、参照光を受光するための参照光受光素子１０Ｂと、対応する画素ｃ１〜ｃＮを含む複数の反射光受光素子１６を有する反射光受光手段１０Ｃと、各画素について距離計測を行うため後述する精測回路及び粗測回路を有する時間計測手段１０Ｄと、この時間計測手段１０Ｄからの各信号に基づいて目標１４までの距離計算を行う演算手段１０Ｅとを含んでいる。また、この時間計測手段１０Ｄは、時間の基準となるクロック信号をパルス状に発生するクロック３０を含んでいる。
【００２７】
レーザ光源１０Ａは、目標１４に投光できるものであれば特に限定されることはなく、適宜のレーザ光源を使用することができる。本発明は時間計測を行うものであるから、レーザ光源１０Ａから投光されるレーザ光の波長は、例えば距離方向の分解能、捕捉目標のレーザ反射率等に応じて或いは無関係に適宜選択して使用される。
【００２８】
図１において、参照光受光手段１０Ｂは、レーザ光源１０Ａから発光された投光ビーム１１の一部を図示しない例えばビームスプリッターを介して受光すると共に、その投光ビーム１１を参照信号（電気信号）１３に変換する。参照光受光手段１０Ｂにより得られた参照信号１３に基づいて投光ビーム１１が投光される際の発光タイミングが認識されることとなる。参照光受光手段１０Ｂとしては、この機能を有するものであれば特に限定されることはなく、従来公知の受光素子を用いることができる。
【００２９】
この第１実施例において、反射光受光手段１０Ｃは、格子状に配列された複数の反射光受光素子１６からなる。各反射光受光素子１６に対応する受光ビーム１５は、反射光の入射方向に向かって四角錐状にひろがっていて（図１参照）、これを画素と定義する。従って、各受光ビーム１５は、四角錐の軸線方向から入射した光のみ信号として検出できる範囲を示していると考えることができる。こうして、反射光は、各反射光受光素子１６に入射し、そこで反射信号ｇ１〜ｇＮに変換される。これら一連の工程は各反射光受光素子１６で略同時に、即ち並列的行われる。
【００３０】
また、この好適な実施例において、各受光ビーム１５もしくは各画素ｃ１〜ｃＮは、反射光の入射方向に対してそれぞれ所定の角度で傾斜していることが分かる。そのため、各反射光受光素子１６の受光ビームに対する反射光の入射角が分かることにより、従来のようにミラーの運動を機械的に制御することなく、換言すれば、ミラーを使用することなく、各入射方向についての目標１４上の部位と形状計測システム間の距離を計測することで目標表面の凹凸が分かり、目標の表面形状を認識することが可能となる。
【００３１】
反射光受光素子１６の格子配列はＬ行Ｍ列からなり、受光ビームの広がり角や計測すべき目標の大きさによっても変わるが、Ｌの数は１０〜３０であり、Ｍの数は１０〜３０である。ＬとＭを乗じて得られた値が１００〜１０００になることが好ましい。ＬとＭを乗じて得られた値が１０００以上の場合、得られる精度はほぼ同一であるにもかかわらず、回路が複雑となり、しかも、経済的観点から不利になるので好ましくない。一方、ＬとＭを乗じて得られた値が１００以下の場合、精度が劣ることになるため好ましくない。また、格子形状は正方形に限定されることはなく、他の形状でもよいことは明らかである。反射光受光手段１０Ｃは、反射光を電気信号としての反射信号ｇ１〜ｇＮに変換する機能を有するものであれば特に限定されることはなく、従来公知の受光素子を反射光受光手段として用いることができる。具体的には、ＣＣＤ、フォトダイオード、光電子増倍管を反射光受光手段として使用することができる。
【００３２】
時間計測手段１０Ｄは、複数の時間計測回路１０ｄ１〜１０ｄＮと、時間の基準となるクロック３０とから構成されており、各時間計測回路は、精測回路ｄと粗測回路ｆとからなっている。そして、これらの時間計測回路は、前述した画素延いては反射光受光素子１６にそれぞれ対応するように設けられ、また、各反射光受光素子についての遅れ時間の計測が各時間計測回路で時間的に並行して行われるように構成されている。そのように構成したため、個別に行われる従来の形状計測方法よりも計測時間が短縮されるので、目標が高速で移動する場合であっても精度よく目標の形状を計測することができる。
【００３３】
演算手段１０Ｅは、各時間計測回路の精測回路ｄ及び粗測回路ｆで後述するように求められた精測時間信号及び粗測時間信号等に基づいて、形状計測システム１０と目標１４の間の距離延いては目標の形状を求めるものである。
【００３４】
次に、図１及び図２を参照して、上述した第１実施例による形状計測システム１０を用いた形状計測の方法について各工程毎に説明する。該形状計測方法は、図５〜図７に関連して説明した従来例と同様に、レーザ投光工程と、参照光受光工程と、反射光受光工程と、時間計測工程と、演算工程とを含んでいる。
【００３５】
先ず、レーザ投光工程において、レーザ光源１０Ａから投光ビーム１１が投光されると、投光ビーム１１は目標１４へ向かって進むと共に、その一部が参照光受光手段１０Ｂへ向かって進む。この場合、目標１４の全体が照射されるように投光ビーム１１が投光されるのが好ましい。そして、参照光受光工程では、レーザ光源１０Ａから投光された投光ビーム１１の一部が、参照光受光手段１０Ｂに入射し、発光タイミングを表す参照信号１３に変換された後、発光タイミング信号ｈ１〜ｈＮをそれぞれ発生するため時間計測手段１０Ｄの各粗測回路ｆ１〜ｆＮへ入力される。
【００３６】
また、反射光受光工程において、投光ビーム１１は目標１４に反射し、反射光受光手段１０Ｃの画素ｃ１〜画素ｃＮに対応する反射光受光素子１６に反射光が入射しそれぞれ電気信号に変換された後、対応する反射信号ｇ１〜ｇＮとして時間計測手段１０Ｄの各精測回路ｄ１〜ｄＮへ入力される。
【００３７】
次に、時間計測工程について図２を参照して説明する。この図２は、第１実施例における画素に対する動作タイミングを示す図である。従来例と同様に、第１精測時間１ｊは、発光タイミング信号ｈの発生時点に対するその直後のクロック信号３０−１の変化点（立下り部）の時間差を表わし、第２精測時間２ｊは、受光タイミング信号ｉの発生時点に対する最初のクロック信号３０−２の変化点の時間差を表わし、粗測時間Ｋは、上述した最初のクロック信号３０−１の変化点から受光タイミング信号ｉが発生した直後のクロック信号３０−２の変化点までのクロック周期３３の数に対応する時間を表わすと定義される。
【００３８】
各粗測回路ｆ１〜ｆＮは、入力された参照信号１３により波形の特定の位置を判別して発光タイミング信号ｈ１〜ｈＮを各精測回路ｄ１〜ｄＮへ出力すると共に、クロック３０から入力されるクロック信号に基づいて、クロック周期３３のカウントを始めることにより粗測時間Ｋの計測を開始する。
【００３９】
一方、精測回路ｄ１〜ｄＮは対応する発光タイミング信号ｈ１〜ｈＮをそれぞれ受け、クロック信号３０−１の変化点との差である第１精測時間１ｊを計測する。その後、各精測回路ｄ１〜ｄＮは、対応する反射信号ｇ１〜ｇＮを受けて、波形の特定の位置を判別して受光タイミング信号ｉ１〜ｉＮを各粗測回路ｆ１〜ｆＮに出力すると共に上述した第２精測時間２ｊを計測する。各粗測回路ｆ１〜ｆＮは受光タイミング信号ｉ１〜ｉＮを受けると、粗測時間Ｋの計測を終了する。計測した第１精測時間１ｊ及び第２精測時間２ｊに対応する精測時間信号ｊ１〜ｊＮと、粗測時間Ｋに対応する粗測時間信号ｋ１〜ｋＮは、演算手段１０Ｅに入力される。
【００４０】
最後に、演算工程において、演算手段１０Ｅに入力された種々の信号に基づいて、次式（３）に従い、形状計測システム１０と目標１４との間の距離Ｒｉを算出する。
Ｒｉ＝Ｖ×（Ｔｓ１ｊ＋Ｔｒｋ−Ｔｓ２ｊ）／２ ・・・式（３）
ここで、Ｖは光速度、Ｔｓｌｊは第１精測時間１ｊ、Ｔｒｋは粗測時間Ｋ、Ｔｓ２ｊは第２精測時間２ｊをそれぞれ表わしている。そして、画素ｃ１〜画素ｃＮの各々に対する距離計測は、投光ビーム１１の発光に対して並列に行われ、以上の工程を踏むことにより、目標までの距離延いては目標の形状が計測されるのである。
【００４１】
以上説明したように、第１実施例によれば、反射光の受光及び反射信号への変換は、各反射光受光素子で行われ、また、各反射光受光素子に対する遅れ時間の計測は、投光ビーム１１の発光に対して並列に行われる。そのため、各反射光受光素子に対する遅れ時間の計測時間が短縮されることで、静止している目標の形状を計測できることはもちろんのこと、移動する目標、特に、高速で移動する例えば飛行機，ミサイル，ロケット等のような目標の形状を高い精度で計測することができる。また、ミラーを使用しないので、従来のようにミラーを機械的に制御する必要がなくなるため、操作性が向上するだけでなく、ミラーの制御に用いられていた制御回路が不要となることで回路の簡略化を通じてシステム全体の小型化が図られる。
【００４２】
次に、本発明の第２実施例について説明するが、第１実施例について図１及び図２を用いて説明したものと実質的に同一の機能を有する素子については同様の符号を付してその説明を省略もしくは簡単にする。第１実施例に係る形状計測システムは、１つの画素に対して精測回路と粗測回路の双方を有する構成としたため、画素の数が多くなるほど回路が大型化するが、第２実施例では、粗測回路を簡略化し、複数の精測回路に対して粗測回路を共通化することで回路の小型化を図っている。
【００４３】
図３は、本発明の第２実施例に係る形状計測システム１００の構成を示す概要図である。図３に示されるように、この形状計測システム１００は、レーザ光源１００Ａと、参照光を受光するための複数の反射光受光素子を含む参照光受光手段１００Ｂと、反射光を受光するための反射光受光手段１００Ｃと、各反射光受光素子に対し遅れ時間Ｔを計測するための時間計測手段１００Ｄと、該時間計測手段１００Ｄからの信号を基に距離計算を行う演算手段１００Ｅとから主要部が構成されている。
【００４４】
時間計測手段１００Ｄは、複数の精測回路１００ｄ１〜１００ｄＮと、単一の粗測回路５３と、受光判定回路５７と、遅延回路５１と、時間の基準となるクロック信号を発生するクロック３０とから構成されている。また、精測回路１００ｄ１〜１００ｄＮは、反射光受光手段１００Ａを構成する複数の反射光受光素子１０６延いては画素１００ｃ１〜１００ｃＮにそれぞれ対応するように設けられており、精測回路１００ｄ１〜１００ｄＮに入力された反射信号のうち最も早く入力された反射信号は、受光判定回路５７と遅延回路５１とを介して粗測回路５３に入力されるように構成されている。
【００４５】
次に、第２実施例における形状計測システムを用いて目標の形状を計測する方法について説明する。この方法は、第１実施例と同様に、レーザ投光工程と、参照光受光工程と、反射光受光工程と、時間計測工程と、演算工程とを含んでいる。ここで、時間計測工程を除く各工程は、第１実施例において説明したものと同様であるから、時間計測工程についてのみ説明する。
【００４６】
図４は、第２実施例における画素に対する動作タイミングを示す図である。この場合、精測時間１０２ｊは、受光タイミング信号５４ｉが発生してから計測終了タイミング信号１２１が発生した直後のクロック信号３０−３の変化点までの時間差を表し、粗測時間１００Ｋは、発光タイミング信号１００ｈ後の最初のクロック信号３０−１の変化点から計測終了タイミング信号１２１が発生した直後のクロック信号３０−３の変化点までのクロック周期３３の数に対応する時間を表わすと定義される。
【００４７】
時間計測工程において、各精測回路１００ｄ１〜１００ｄＮは、反射信号ｇ１〜反射信号ｇＮについて、それぞれ波形の特定の位置を判別して受光タイミング信号５４ｉ１〜５４ｉＮを受光判定回路５７に出力する。受光判定回路５７は受光タイミング信号５４ｉ１〜受光タイミング信号５４ｉＮに基づき、精測時間の基準となる受光タイミング判定信号５２を出力するが、これは、遅延回路５１で遅延をかけられるので、図４では受光タイミング信号５４ｉの左側に表されている。
【００４８】
ここで、受光タイミング判定信号５２の判定アルゴリズムとしては、最初の受光タイミング信号が入力されたときに出力する方法や、ノイズ除去のために複数の受光タイミング信号が入力されたときに出力する方法を用いうる。その後、受光タイミング判定信号５２は、遅延回路５１により目標として想定される大きさをカバーするだけの遅延時間１３１で表わされる時間分遅らせ、計測終了タイミング信号１２１として出力される。
【００４９】
続いて、画素１００ｃ１〜画素１００ｃＮに対応する系統について時間計測方法の説明を行う。粗測回路５３は、参照信号１０３から波形の特定の位置を判別して生成された発光タイミング信号１００ｈに基づいて粗測時間１００Ｋの計測を開始し、遅延回路５１から出力された計測終了タイミング信号１２１を受けて粗測時間１００Ｋの計測を終了する。一方、精測回路１００ｄ１〜１００ｄＮは、受光タイミング信号５４ｉと計測終了タイミング信号１２１直後のクロック信号３０−３の変化点との差である精測時間１０２ｊを計測する。
【００５０】
計測した精測時間１０２ｊに対応する精測時間信号１００ｊと、粗測時問１００Ｋに対応する粗測時間信号１００ｋとは演算手段１００Ｅに入力され、距離計算後、距離信号として出力される。ここで、精測時間１０２ｊをＴｓｊ、粗測時間１００ＫをＴｒとすると、距離Ｒｉは式（４）により算出できる。
Ｒｉ＝Ｖ×（Ｔｒ−Ｔｓｊ）／２ ・・・式（４）
ここで、Ｖは光速度を表わしている。この第２実施例でも、言うまでもなく画素１００ｃ１〜画素１００ｃＮの各々に対する距離計測は、投光ビーム１１の発光に対して並列に行われる。
【００５１】
第２実施例による形状計測方法及びシステムにおいては、式（３）及び（４）を比較すると分かるように、式（３）の第１精測時間１ｊに相当するＴｓｌｊ分だけ絶対距離精度は劣化するが、画素間の相対距離精度は第１実施例と変わらず時間計測回路が大幅に簡略化され回路規模が小さくされている。そのため、第１実施例の作用・効果に加えて、システムの信頼性の向上と小形化を図ることができるといった作用・効果が得られる。
【００５２】
以上、第１及び第２実施例を例示して本発明を説明してきたが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更しうることはいうまでもない。例えば、発光タイミング信号及び受光タイミング信号に基づく種々の計時については、実施例のようにパルスの立下り変化点ではなく立上りの変化点を用いてもよい。また、第２実施例においては、唯一つの粗測回路が設けられているが、複数の反射光受光素子を複数のグループに分け、各グループに１つの粗測回路を設けるようにしてもよい。また、反射光受光手段に光増幅回路を設ける構成としてもよい。
【００５３】
更に、本発明の別の実施例によれば、レーザを用いた形状計測方法の各工程を実行するためのプログラムが収められた記録媒体や、形状計測システムに用いるための反射光受光手段が提供されることはいうまでもない。
【００５４】
【発明の効果】
以上の説明から了解されるように、本発明によれば、反射光を複数の反射光受光素子を用いて受光し、各反射光受光素子から反射信号を出力すると共に、各反射信号について距離計測を並列に行うようになっているので、複雑な機械的な制御を行うことなく、静止目標の計測は勿論のこと、高速で移動する目標でもその形状を精度良く計測することができる。
【００５５】
本発明によれば、各反射光受光素子の受光ビームは、反射光の入射方向に対してそれぞれ所定の角度をなしているので、受光ビームに対する反射光の入射角度が分かるので、目標の凹凸のような表面形状が認識しやすくなる。
【００５６】
また、本発明によれば、遅れ時間は、参照信号に基づいて発生する発光タイミング信号及びクロック信号列のうちの対応クロック信号の間の時間差である第１精測時間と、反射信号に基づいて発生する受光タイミング信号及びクロック信号列のうちの対応クロック信号の間の時間差である第２精測時間と、双方の前記対応クロック信号間のクロック周期の数から求められる粗測時間とから算出され、反射信号のそれぞれについて粗測時間を計測するように構成されているため、計測された距離の精度が高いので、そのような特性が要求される用途に特に適応することができる。
【００５７】
また、本発明のように、遅れ時間は、反射信号に基づいて発生する受光タイミング信号と該受光タイミング信号にディレイをかけて発生する計測終了タイミング信号に対応するクロック信号列のうちの対応クロック信号との間の時間差である精測時間と、参照信号に基づいて発生する発光タイミング信号に対応するクロック信号列のうちの対応クロック信号と計測終了タイミング信号に対応するクロック信号列のうちの対応クロック信号との間の時間差である粗測時間とから算出され、前記粗測距離は１つの反射信号について計測されるように構成することにより、目標の距離精度は若干低下するものの、形状については精度良く計測可能であることに加え、粗測回路が１系統となってシステムを簡略化でき、目標までの距離精度が大まかでよい用途に特に適している。
【００５８】
更に、本発明の形状計測システムによると、前記反射信号及び前記参照信号の間の遅れ時間を各反射信号について並列的に検出する時間計測手段は、少なくとも１つの粗測回路と複数の精測回路とを含み、前記粗測回路は、前記反射信号のうち少なくとも１つの反射信号について前記目標までの粗測距離を計測するものであり、前記精測回路は、各反射信号について前記反射信号及び前記参照信号の間の遅れ時間を検出するようになっているので、上記本発明と同様に、目標の距離精度は若干低下するものの、形状については精度良く計測可能であることに加え、粗測回路が１系統となり簡略化でき、目標までの距離精度が大まかでよい用途に特に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による形状計測システムの構成を示す概略図である。
【図２】図１に示した第１実施例における画素に対する動作タイミングを示すチャートである。
【図３】本発明の第２実施例による形状計測システムの構成を示す概略図である。
【図４】図３に示した第２実施例における画素に対する動作タイミングを示すチャートである。
【図５】従来の形状計測システムの構成を示す図である。
【図６】図５に示した形状計測システムにおける画素に対する動作タイミングを示すチャートである。
【図７】従来の形状計測方法のフローチャートである。
【符号の説明】
１０Ａ レーザ光源
１０Ｂ 参照光受光手段
１０Ｃ 反射光受光手段
１０Ｄ 時間計測手段
１０Ｅ 演算手段
１１ 投光ビーム(レーザ光）
１３ 参照信号
１４ 目標
１５ 受光ビーム
１６ 反射光受光素子
３０−１ クロック信号
３０−２ クロック信号
３０−３ クロック信号
５３ 粗測回路
５４ｉ１ 受光タイミング信号
５４ｉ２ 受光タイミング信号
５４ｉＮ 受光タイミング信号
１００Ａ レーザ光源
１００Ｂ 参照光受光手段
１００Ｃ 反射光受光手段
１００Ｄ 時間計測手段
１００Ｅ 演算手段
１００ｄ１ 精測回路
１００ｄ２ 精測回路
１００ｄＮ 精測回路
１０３ 参照信号
１２１ 計測終了タイミング信号
１ｊ 第１精測時間
２ｊ 第２精測時間
ｄ１〜ｄＮ 精測回路
ｆ１〜ｆＮ 粗測回路
ｇ１〜ｇＮ 反射信号
ｈ１〜ｈＮ 発光タイミング信号
ｉ１〜ｉＮ 受光タイミング信号
Ｋ 粗測時間
Ｔ 遅れ時間

Claims (4)

1. レーザ光源から投光されたレーザ光のうち目標に当ってはねかえった反射光から得られる反射信号と前記レーザ光の一部の参照光から得られる参照信号との間の遅れ時間をクロック信号列に基づいて検出し、当該遅れ時間から前記目標の距離を算出することにより前記目標の形状を計測する形状計測方法において、
   前記反射光を複数の反射光受光素子を用いて受光し、各反射光受光素子から反射信号を出力すると共に、各反射信号について距離計測を並列に行い、
   前記遅れ時間は、前記反射信号に基づいて発生する受光タイミング信号と全受光タイミング信号に基づいて生成した一つの受光タイミング判定信号にディレイをかけて発生する計測終了タイミング信号に対応する前記クロック信号列のうちの対応クロック信号との間の時間差である精測時間と、前記参照信号に基づいて発生する発光タイミング信号に対応する前記クロック信号列のうちの対応クロック信号と前記計測終了タイミング信号に対応する前記クロック信号列のうちの対応クロック信号との間の時間差である粗測時間とから算出されることを特徴とするレーザを用いた形状計測方法。
2. 前記各反射光受光素子の受光ビームは、反射光の入射方向に対してそれぞれ所定の角度をなしていることを特徴とする請求項１に記載の形状計測方法。
3. レーザ光を投光するレーザ光源と、前記レーザ光の一部を参照レーザ光として受光し参照信号に変換する参照光受光手段と、前記レーザ光のうち目標に当ってはねかえった反射光を受光し反射信号に変換する複数の反射光受光素子を有する反射光受光手段と、前記反射信号及び前記参照信号の間の遅れ時間を各反射信号について並列的に検出する時間計測手段と、前記検出された遅れ時間に基づいて前記目標までの距離を算出する演算手段とを有し、
   前記時間計測手段は、複数の精測回路と当該複数の精測回路のうち一部または全部に共通となる粗測回路とを含み、
   前記粗測回路は、前記参照信号に基づいて発生する発光タイミング信号に対応する前記クロック信号列のうちの対応クロック信号と前記計測終了タイミング信号に対応する前記クロック信号列のうちの対応クロック信号との間の遅れ時間を計測することにより粗測距離を計測するものであり、
   前記精測回路は、前記反射信号に基づいて発生する受光タイミング信号と全受光タイミング信号に基づいて生成した一つの受光タイミング判定信号にディレイをかけて発生する計測終了タイミング信号に対応する前記クロック信号列のうちの対応クロック信号との間の遅れ時間を検出するものであることを特徴とする形状計測装置。
4. 前記各反射光受光素子の受光ビームは、反射光の入射方向に対してそれぞれ所定の角度をなしていることを特徴とする請求項３に記載の形状計測装置。

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