JP3900627B2 - 形状認識装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物の表面形状を非接触で遠隔から認識できる形状認識装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、対象物の表面形状を遠隔で非接触に認識する形状認識装置が知られており、たとえば、船艙にバラ積みされた石炭や鉄鉱石などの対象物の表面位置、すなわち対象物の積層高さの計測などに用いられている。
【０００３】
図２に示すように、このような従来の形状認識装置１は、例えば、レーザー投光部２、部分透過ミラー３、Ｘ軸ミラー４およびその駆動部５、Ｙ軸ミラー６およびその駆動部７、保護窓部８、撮像素子９などからなるセンサヘッド部１０と、システム制御部１１、パルスレーザー発振器１２、スキャナ制御回路１３、時間間隔計測回路１４などからなる信号処理部１５とで構成されている。
【０００４】
そして、システム制御部１１からの指令に基づいてパルスレーザー発振器１２からパルスレーザー光が発信され、レーザー投光部２からパルスレーザー光が投光され、パルスレーザー光は、部分透過ミラー３、Ｘ軸ミラー４およびＹ軸ミラー６、保護窓部８を介して、船艙１６内にバラ積みされた対象物１７へ照射される。
【０００５】
この時、システム制御部１１からの指令に基づいてスキャナ制御回路１３によりＸ軸ミラー４の駆動部５およびＹ軸ミラー６の駆動部７が制御され、Ｘ軸ミラー４およびＹ軸ミラー６が回転または往復旋回されて、レーザー投光部２からのパルスレーザー光が船艙１６内にバラ積みされた対象物１７上で二次元走査される。
【０００６】
そして、対象物１７から反射されたレーザー光は、保護窓部８、Ｙ軸ミラー６、Ｘ軸ミラー４、および、部分透過ミラー３を介して撮像素子９で受光され、撮像素子９からの受光信号が時間間隔計測回路１４へ送られて、時間間隔計測回路１４が、パルスレーザー光が投光されてから受光されるまでの時間を計測し、システム制御部１１がこの時間に基づき、対象物１７までの距離を求めると共に、これらの距離データを合成して対象物の表面形状を認識する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の形状認識装置１においては、撮像素子９によって受光される反射レーザー光がＹ軸ミラー６およびＸ軸ミラー４を介して受光される構成となっていたため、計測速度が遅くなってしまうという問題があった。
【０００８】
すなわち、レーザー投光部２からのパルスレーザー光は極めて細い線径であるが、対象物１７で反射されて戻ってくる反射レーザー光量を高感度に検出するため、Ｘ軸ミラー４およびＹ軸ミラー６のミラー径をたとえば５〜６ｃｍ程度にまで大きくせざるを得ないのが実状であった。
【０００９】
その結果、ミラーの大型化に伴なって駆動部５、７に負担がかかり、ミラーの走査スピードが遅くなるため、対象物１７の形状認識が素速く行えないという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は、上述の実状に鑑み、ミラーの小型化を可能とし、ミラーの走査スピードを高めて、高速で対象物の形状認識が可能となる形状認識装置を提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、パルスレーザー光をＸ軸ミラーおよびＹ軸ミラーを用いて二次元走査しつつ対象物に向けて投光する投光部と、前記対象物からの反射レーザー光を受光する受光部とを、部分透過ミラーを用いることなく、センサヘッド部に分離配置し、
前記投光部は、対象物で反射されて戻ってくる反射レーザー光でなく、対象物に投光される線径が極めて小さいパルスレーザー光のみを通すと共に前記Ｘ軸ミラーおよび前記Ｙ軸ミラーを小型化し、更にＸ軸ミラーの駆動部と、Ｙ軸ミラーの駆動部とを備え、
前記受光部は、広角レンズ若しくは魚眼レンズからなる集光レンズと、該集光レンズの焦点領域に設置された撮像素子とで構成され、
前記Ｘ軸ミラーおよび前記Ｙ軸ミラーの小型化により、前記Ｘ軸ミラーの駆動部と前記Ｙ軸ミラーの駆動部との負担を軽減してパルスレーザー光の走査スピードを高速化し、
前記受光部の集光レンズは、パルスレーザー光の走査範囲と同じかそれより広い視野角を有することにより、対象物で反射された反射レーザ光を集光し、
前記パルスレーザー光が投光されてから受光されるまでの時間を計測して、対象物までの距離を求め、これらの距離データを合成して対象物の表面形状を認識するように構成したことを特徴とする形状認識装置にかかるものである。
【００１２】
この場合において、前記センサヘッド部に、対象物のレーザー光軌跡を撮影可能な撮像装置を備えるようにしても良い。
【００１３】
上記構成によれば以下のような作動が得られる。
【００１４】
センサヘッド部を構成する投光部により、パルスレーザー光をＸ軸ミラーおよびＹ軸ミラーを用いて二次元走査しつつ対象物に向けて投光し、前記対象物からの反射レーザー光を受光部で受光する。
【００１５】
この際、受光部を、パルスレーザー光の走査範囲と同じかそれより広い視野角を有する集光レンズと、この集光レンズの焦点領域に設置された撮像素子とで構成したので、Ｘ軸ミラーおよびＹ軸ミラーを大型化する必要がなくなり、その分、Ｘ軸ミラーおよびＹ軸ミラーを大幅に小型化することが可能となる。
【００１６】
この結果、Ｘ軸ミラーおよびＹ軸ミラーが軽量となり、それぞれの駆動部の負担が大幅に軽減されるので、パルスレーザー光の走査スピードを高速化することが可能となり、対象物に対する形状計測速度を極めて高速化することができ、よって、対象物が動く場合や、センサヘッド部を動かすような場合でも、支障なく、距離の測定を行わせることが可能となる。
【００１７】
この場合において、前記センサヘッド部に、撮像装置を備えて対象物のレーザー光軌跡を撮影させるようにすることもできる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図示例と共に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態の一例であり、形状認識装置の基本的な構成については、図２と同様であるため、同一の部分については同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００２０】
又、本実施の形態では、図２と同様、船艙１６内にバラ積みされた鉄鉱石などの対象物１７の形状を認識する場合について説明する。
【００２１】
本発明は、センサヘッド部１０を、投光部１９と受光部２０に分離したところにその特徴がある。
【００２２】
より具体的に説明すると、投光部１９におけるパルスレーザー光を投光する保護窓部８の側部に、対象物１７から反射されたレーザー光を受光する受光部２０を取付ける。上記受光部２０は、船艙１６内に対するパルスレーザー光の走査範囲と同じかそれより広い視野角を有する集光レンズ２１と、この集光レンズ２１の焦点領域に配設された例えばフォトダイオードなどの撮像素子２２とで構成されている。集光レンズ２１は、広角レンズ、好ましくは、魚眼レンズを用いるのが良い。
【００２３】
これに伴い、投光部１９に設けられるＸ軸ミラー２３およびＹ軸ミラー２４を小型化する。
【００２４】
更に、必要に応じて、センサヘッド部１０に船艙１６内を撮影可能な撮像装置２５を設ける。上記撮像装置２５は、船艙１６内を撮影可能な視野角を有する集光レンズ２６と、集光レンズ２６の焦点領域に配設されたＣＣＤなどの撮像素子２７とで構成されている。
【００２５】
これに伴って、信号処理部１５に、撮像素子２７からのレーザー光軌跡の映像信号を画像処理する画像処理回路２８を設け、画像処理回路２８で画像処理した映像を表示可能なシステム制御／画像表示部２９を設ける。
【００２６】
次に、上記構成の形状認識装置１の動作について説明する。
【００２７】
センサヘッド部１０の投光部１９からパルスレーザー光が投光されると、パルスレーザー光は、船艙１６内にバラ積みされた鉄鉱石などの対象物１７に当たって反射される。その反射光が、受光部２０のパルスレーザー光の走査範囲と同じかそれより広い視野角を有する集光レンズ２１で集光され、撮像素子２２に受光されることになる。これにより、時間間隔計測回路１４やシステム制御／画像表示部２９によって対象物１７までの距離を測定することが可能となる。
【００２８】
したがって、本実施の形態によれば、対象物によって反射されたレーザー光をＹ軸ミラー２４およびＸ軸ミラー２３を介して受光せずに、集光レンズ２１を通して受光するようにしているので、反射レーザー光を受けるためにＸ軸ミラー２３およびＹ軸ミラー２４を大型化する必要がなくなり、その分、Ｘ軸ミラー２３およびＹ軸ミラー２４を大幅に小型化することが可能となる。ちなみに、従来はミラー径を５〜６ｃｍ程度にする必要があったが、本実施の形態ではミラー径を７〜８ｍｍ程度にまで小型化することが可能となった。
【００２９】
この結果、Ｘ軸ミラー２３およびＹ軸ミラー２４が軽量となり、それぞれの駆動部５、７の負担が大幅に軽減されるので、パルスレーザー光の走査スピードを数ｋＨｚ程度にまで高速化することが可能となり、対象物１７に対する形状計測速度を極めて高速化することができ、よって、対象物１７が動く場合や、センサヘッド部１０を動かすような場合でも、支障なく、距離の測定を行わせることが可能となる。
【００３０】
一方、センサヘッド部１０に取付けた撮像装置２５では、対象物１７を走査するパルスレーザー光の反射光は、船艙１６内を撮影可能な視野角を有する集光レンズ２６を通して、ＣＣＤなどの撮像素子２７に規則的な投光スポット列像として撮影され、撮像素子２７からの映像信号は、画像処理回路２８で画像処理された後、システム制御／画像表示部２９へ送られ、システム制御／画像表示部２９で、時間間隔計測回路１４からの往復時間のデータと合成されて対象物１７の表面の凹凸の処理が行われ、対象物１７の表面形状が認識されると共に対象物１７の表面形状が表示される。
【００３１】
尚、上記実施例では、対象物１７として船艙１６内にバラ積みされた鉄鉱石などの例を説明したがこれに限らないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の形状認識装置によれば、センサヘッド部からの対象物に投光される線径が極めて小さいパルスレーザー光のみがＸ軸ミラーおよびＹ軸ミラーを通ることになり、Ｘ軸ミラーおよびＹ軸ミラーの大幅な小型化を図ることが可能となり、Ｘ軸ミラーおよびＹ軸ミラーを軽量とすることができるので、それぞれの駆動部の負担を軽減でき、パルスレーザー光の走査スピードを高速化することが可能となり、対象物の形状計測速度の高速化を図ることができるという優れた効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例に係る形状認識装置を示す構成図である。
【図２】従来の形状認識装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１形状認識装置
３ 部分透過ミラー
５ 駆動部
７ 駆動部
１０センサヘッド部
１７対象物
１９投光部
２０受光部
２１集光レンズ
２２撮像素子
２３Ｘ軸ミラー
２４Ｙ軸ミラー
２７撮像素子

Claims (2)

1. パルスレーザー光をＸ軸ミラーおよびＹ軸ミラーを用いて二次元走査しつつ対象物に向けて投光する投光部と、前記対象物からの反射レーザー光を受光する受光部とを、部分透過ミラーを用いることなく、センサヘッド部に分離配置し、
   前記投光部は、対象物で反射されて戻ってくる反射レーザー光でなく、対象物に投光される線径が極めて小さいパルスレーザー光のみを通すと共に前記Ｘ軸ミラーおよび前記Ｙ軸ミラーを小型化し、更にＸ軸ミラーの駆動部と、Ｙ軸ミラーの駆動部とを備え、
   前記受光部は、広角レンズ若しくは魚眼レンズからなる集光レンズと、該集光レンズの焦点領域に設置された撮像素子とで構成され、
   前記Ｘ軸ミラーおよび前記Ｙ軸ミラーの小型化により、前記Ｘ軸ミラーの駆動部と前記Ｙ軸ミラーの駆動部との負担を軽減してパルスレーザー光の走査スピードを高速化し、
   前記受光部の集光レンズは、パルスレーザー光の走査範囲と同じかそれより広い視野角を有することにより、対象物で反射された反射レーザ光を集光し、
   前記パルスレーザー光が投光されてから受光されるまでの時間を計測して、対象物までの距離を求め、これらの距離データを合成して対象物の表面形状を認識するように構成したことを特徴とする形状認識装置。
2. 前記センサヘッド部に、対象物のレーザー光軌跡を撮影可能な撮像装置を備えた請求項１記載の形状認識装置。

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