JP4401989B2 - 3D image information acquisition system - Google Patents

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本発明は、それぞれ異なる位置から出射した複数のレーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物で反射した各レーザ光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次元画像情報取得システムであって、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システムに関する。   The present invention acquires three-dimensional image information of a measurement object by irradiating the measurement object with a plurality of laser beams emitted from different positions and receiving the reflected light of each laser beam reflected by the measurement object. This is a three-dimensional image information acquisition system, which is suitable for a technical field such as a machine vision system (industrial image inspection apparatus) or a laser radar that knows the state of a measurement object from information of a laser beam returned to the measurement object. It relates to a system that can be used.

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 is known in which a three-dimensional image of an object is acquired from captured images of the object captured from different directions by the plurality of cameras. (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被写体の3次元位置を計測し、被写体の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、単純にカメラで撮像した撮影画像に基づいて被写体の3次元位置を計測するのみでは、模様のない一様な表面を持つ物体に対しては物体表面の3次元位置を計測できないという問題がある。   In Non-Patent Document 1, it is possible to measure a three-dimensional position of a subject based on a plurality of photographed images as needed, acquire a three-dimensional image of the subject, and create a virtual three-dimensional image. 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, simply measuring the 3D position of a subject based on a captured image captured by a camera cannot measure the 3D position of the object surface for an object having a uniform surface without a pattern. is there.

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2では、1つのレーザ出射器から出射されるレーザ光を、1つのカメラによって受光している。例えば、特に対象物の表面が、出射されるレーザに対して反射率が高い場合など、対象物の表面の角度(対象物の形状)によっては、対象物の表面で反射したレーザ光がカメラに入射しない場合がある。非特許文献2では、このような対象物の表面については、3次元位置情報を取得できないといった問題がある。   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 2, laser light emitted from one laser emitter is received by one camera. For example, depending on the angle of the surface of the object (the shape of the object), such as when the surface of the object has a high reflectivity with respect to the emitted laser, the laser light reflected by the surface of the object may enter the camera. It may not be incident. Non-Patent Document 2 has a problem that three-dimensional position information cannot be acquired for the surface of such an object.

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という問題がある。また、対象物に投影されたスリット状のレーザ光を高速に走査して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、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1つのカメラによって撮影している。非特許文献3においても、非特許文献2同様、対象物の表面の反射率や、対象物の表面の角度(対象物の形状)によって、対象物の表面で反射したレーザ光がカメラに入射しない場合があり、このような対象物の表面については、3次元位置情報を取得できないといった問題があった。   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. There is a problem that it must be set and is difficult to automate. In addition, there is a limit to acquiring the three-dimensional position information by scanning the slit-shaped laser light projected on the object at high speed. Further, in Non-Patent Document 3, the deformation state of the slit-shaped laser light projected on the object is photographed with one camera. In Non-Patent Document 3, similarly to Non-Patent Document 2, laser light reflected on the surface of the object does not enter the camera depending on the reflectance of the surface of the object or the angle of the surface of the object (the shape of the object). In some cases, there is a problem that the three-dimensional position information cannot be obtained for the surface of such an object.

本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであり、測定対象物の表面反射率や表面形状によらない、高精度な測定対象物の3次元画像情報を、高速に取得可能な3次元画像情報取得システムを提供する。   The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and obtains high-precision three-dimensional image information of a measurement object at high speed irrespective of the surface reflectance and surface shape of the measurement object. A possible three-dimensional image information acquisition system is provided.

上記目的を達成するために、本発明は、それぞれ異なる位置から出射した複数のレーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物で反射した各レーザ光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次元画像情報取得システムであって、振幅変調信号に従って時間変調したレーザ光を、測定対象物の同一範囲に向けてそれぞれ異なる方向から同時に照射する、それぞれ異なる位置に配置された複数のレーザ光出射部と、測定対象物で反射した複数のレーザ光を受光して、受光した複数のレーザ光に応じた電気信号をそれぞれ出力する複数の光電変換器と、各光電変換器それぞれに対応して設けられた、平面上に配列された複数のマイクロ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、測定対象物からの複数のレーザ光を、対応する各光電変換器の受光面それぞれに導く、それぞれ異なる位置に配置されたマイクロミラーアレイ空間変調素子と、各光電変換器から出力された電気信号それぞれについて、各光電変換器の受光面が受光した複数のレーザ光それぞれに応じた電気信号成分を識別する電気信号成分識別部と、各レーザ光それぞれの出射位置の情報と、各マイクロミラーアレイ空間変調素子における前記ON状態のマイクロミラーの配列位置の情報とを用いて、各レーザ光に対応する電気信号成分それぞれについて、測定対象物の3次元位置情報を求める位置情報算出部と、各レーザ光に対応する電気信号成分それぞれについて求められた、複数の前記測定対象物の3次元位置情報に基づき、前記測定対象物の3次元画像情報を作成する3次元画像情報作成部とを有する3次元画像情報取得システムを提供する。 In order to achieve the above object, the present invention irradiates a measurement object with a plurality of laser beams emitted from different positions, and receives the reflected light of each laser beam reflected by the measurement object. Is a three-dimensional image information acquisition system for acquiring three-dimensional image information, and simultaneously irradiates laser light, which is time-modulated in accordance with an amplitude modulation signal, from different directions toward the same range of an object to be measured, at different positions. A plurality of arranged laser beam emitting units, a plurality of photoelectric converters that receive a plurality of laser beams reflected by the measurement object, and output electrical signals corresponding to the received plurality of laser beams, respectively; An element having a plurality of micromirrors arranged on a plane provided corresponding to each converter, and a micromirror selected from these micromirrors. By controlling the reflecting surface of-to be in a predetermined direction and turning it on, a plurality of laser beams from the measurement object reflected by the micro mirror in the on state are respectively received by the light receiving surfaces of the corresponding photoelectric converters. For each of a plurality of laser beams received by the light receiving surface of each photoelectric converter, with respect to each of the micromirror array spatial modulation elements arranged at different positions and the electric signals output from the respective photoelectric converters. Each laser beam is obtained by using an electrical signal component identifying unit for identifying a signal component, information on the emission position of each laser beam, and information on the arrangement position of the micromirrors in the ON state in each micromirror array spatial modulation element. For each of the electric signal components corresponding to the position information calculation unit for obtaining the three-dimensional position information of the measurement object, and the electric signal corresponding to each laser beam Provided is a three-dimensional image information acquisition system having a three-dimensional image information creation unit that creates three-dimensional image information of the measurement object based on three-dimensional position information of the plurality of measurement objects obtained for each of the minutes To do.

また、前記複数のレーザ光出射部から同時に出射される複数のレーザ光それぞれは、前記振幅変調信号により時間変調されるとともに、さらに各レーザ光毎に識別可能な符号化変調信号で時間変調され、前記電気信号成分識別部は、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、複数のレーザ光それぞれに応じた電気信号成分を識別することが好ましい。   Each of the plurality of laser beams emitted simultaneously from the plurality of laser beam emitting units is time-modulated by the amplitude modulation signal and further time-modulated by an encoded modulation signal that can be identified for each laser beam, Preferably, the electrical signal component identification unit identifies electrical signal components corresponding to each of a plurality of laser beams using information of a coded modulation signal included in the electrical signal.

また、前記マイクロミラーアレイ空間変調素子は、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受光面に導くことが好ましい。この際、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。   Further, the micromirror array spatial modulation element is configured such that the micromirrors in the ON state occupy 50% or more of all the micromirrors, the micromirror control patterns are sequentially switched, and the laser light spatially modulated according to the control patterns is generated. It is preferable to guide to the light receiving surface of the photoelectric converter. At this time, the control patterns that are sequentially switched are preferably control patterns that are orthogonal to each other.

本発明の3次元画像情報取得システムによれば、測定対象物の3次元画像情報を、測定対象物の表面反射率や表面形状に関わらず、高精度かつ高速に取得することができる。   According to the three-dimensional image information acquisition system of the present invention, the three-dimensional image information of the measurement object can be acquired with high accuracy and high speed regardless of the surface reflectance and the surface shape of the measurement object.

以下、本発明の3次元画像情報取得システムについて、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 system of the present invention will be described in detail based on a preferred embodiment shown in the accompanying drawings.

図1は、本発明の3次元画像情報取得システムの一実施形態である3次元形画像情報取得システム(以降、システムという)10の外観図である。
システム10は、それぞれ異なる位置から出射したレーザ光を測定対象物Sに照射し、測定対象物Sで反射した各レーザ光の反射光を、それぞれ異なる位置に配置した複数の光電変換器それぞれの受光面で受光することにより取得される測定対象物Tの表面の3次元位置情報と、測定対象物T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システムである。
FIG. 1 is an external view of a three-dimensional image information acquisition system (hereinafter referred to as a system) 10 which is an embodiment of the three-dimensional image information acquisition system of the present invention.
The system 10 irradiates the measurement object S with laser light emitted from different positions, and receives the reflected light of each laser light reflected by the measurement object S from each of a plurality of photoelectric converters arranged at different positions. This is a system that acquires three-dimensional image information from the three-dimensional position information of the surface of the measurement target T acquired by receiving light on the surface and the reflectance on the surface of the measurement target T.

システム10は、それぞれ異なる所定の配置位置に配置された、3次元画像情報を取得可能な複数(n個)の3次元カメラD(D、D、・・・D)それぞれと、複数の3次元カメラDの動作(レーザ光の出射など)を制御する制御装置14と、複数の3次元カメラDから出力される3次元画像情報を含む電気信号を用いて、測定対象物Sの測定対象領域T表面の3次元画像情報を取得するコンピュータ16と、を有する。各3次元カメラD〜Dは、それぞれ、レーザ光を測定対象物Tに照射するとともに、測定対象物Sからの反射光を受光して、受光した電気信号から測定対象物Sの表面の3次元位置情報および反射率の情報に応じた電気信号を出力する。 The system 10 includes a plurality (n pieces) of three-dimensional cameras D (D 1 , D 2 ,... D n ) that can acquire three-dimensional image information that are arranged at different predetermined arrangement positions. The measurement object S is measured using a control device 14 that controls the operation of the three-dimensional camera D (e.g., emission of laser light) and an electrical signal including three-dimensional image information output from the plurality of three-dimensional cameras D. And a computer 16 that acquires three-dimensional image information of the surface of the target region T. Each of the three-dimensional cameras D 1 to D n irradiates the measurement target T with laser light, receives reflected light from the measurement target S, and detects the surface of the measurement target S from the received electrical signal. An electrical signal corresponding to the three-dimensional position information and reflectance information is output.

各カメラD〜Dは、レーザ光を出射するレーザ光出射ユニット20と、測定対象物Tの表面から反射したレーザ光の反射光を受光して電気信号に変換するための光学ユニット30と、光学ユニット30で受光したレーザ光を信号処理し、電気信号のデジタルデータに変換するデータ処理ユニット50とを有する。各カメラD〜Dは、それぞれ異なる所定の配置位置に配置されており、それぞれのカメラD〜Dから出射されるレーザ光全てが、測定対象物S表面のほぼ同一範囲を照射するよう、各カメラD〜Dそれぞれのレーザ光出射孔11の向きが調整されている。加えて、各カメラD〜Dは、それぞれのカメラD〜Dの光学ユニット30の、後述する光電変換器38の受光面(図4参照)全てが、測定対象物S表面の同一の測定対象領域Tで反射された、各レーザ光の反射光を受光するように、ファインダ12の向きやズームが調整されている。 Each of the cameras D 1 to D n includes a laser light emitting unit 20 that emits laser light, and an optical unit 30 that receives the reflected light of the laser light reflected from the surface of the measurement target T and converts it into an electrical signal. And a data processing unit 50 for processing the laser light received by the optical unit 30 and converting the laser light into digital data of an electrical signal. Each camera D 1 to D n are arranged at predetermined positions different from each, all laser light emitted from each of the camera D 1 to D n, illuminates substantially the same range of the measuring object S Surface As described above, the orientations of the laser light emission holes 11 of the respective cameras D 1 to D n are adjusted. In addition, each of the cameras D 1 to D n has the same light receiving surface (see FIG. 4) of the photoelectric converter 38 (described later) of the optical unit 30 of each camera D 1 to D n as the surface of the measuring object S. The direction and zoom of the finder 12 are adjusted so that the reflected light of each laser beam reflected by the measurement target region T is received.

図2は、各カメラD〜Dが受光するレーザ光について説明する図である。図2を用い、各カメラD〜Dにおける測定対象物Sの測定対象領域T内の点Pからの反射光の受光について説明する。例えば、カメラDは、点PからカメラDへと向かう反射光路Rを進むレーザ光の反射光を受光する。点Pは、測定対象領域T内の点であり、各カメラD〜Dから出射されたレーザ光の全てが照射されている。各レーザ光から出射されたレーザ光は、それぞれ図2に示す出射光路L〜Lを進んで点Pに到達し、点Pにおいて様々な方向に反射する。カメラDは、反射光路Rを進行する各レーザ光の反射光の成分を全て受光する。すなわち、カメラDは、L、L、L・・・Lで表されるn個の経路(パス)のレーザ光(の反射光)を受光する。カメラD〜Dのそれぞれのカメラにおいても、それぞれ同様にn個のパスのレーザ光を受光する。すなわち、測定対象領域中の1つの点に対し、n個のカメラ全体で、合計n×n個のパスのレーザ光を受光する。本発明の3次元画像情報取得システムでは、このように、測定対象領域Tにおける1つの測定単位領域(詳しくは、後述するマイクロミラーアレイ空間変調素子34の、1つのマイクロミラーに対応する領域)毎に、n×n個のレーザ光の反射光の情報を得ることができる。 FIG. 2 is a diagram illustrating laser beams received by the cameras D 1 to D n . The reception of reflected light from the point P in the measurement target region T of the measurement target S in each of the cameras D 1 to D n will be described with reference to FIG. For example, the camera D 1 receives the reflected light of the laser light traveling on the reflected light path R 1 from the point P toward the camera D 1 . The point P is a point in the measurement target region T, and all of the laser beams emitted from the cameras D 1 to D n are irradiated. The laser beams emitted from the respective laser beams travel on emission optical paths L 1 to L n shown in FIG. 2 to reach the point P, and are reflected in various directions at the point P. Camera D 1 is receiving all the components of the reflected light of each laser beam propagating the reflected light path R 1. That is, the camera D 1 receives laser light (reflected light) of n paths represented by L 1 R 1 , L 2 R 1 , L 3 R 1 ... L n R 1. . Each of the cameras D 2 to D n similarly receives laser light of n paths. That is, a total of n × n paths of laser light are received by all n cameras for one point in the measurement target region. Thus, in the three-dimensional image information acquisition system of the present invention, each measurement unit region in the measurement target region T (specifically, a region corresponding to one micromirror of a micromirror array spatial modulation element 34 to be described later). In addition, information on the reflected light of n × n laser beams can be obtained.

例えば、カメラDが受光する、n個の経路(パス)のレーザ光の反射光は、それぞれ光強度が異なる。これは、測定対象物S表面の反射率や傾きに起因する。例えば、図2に示す例においては、カメラDから出射されるレーザ光Lは、点P部分の測定対象物表面と略垂直な入射角で点Pに到達し、経路Lの入射角と略対象な反射角の経路R1を通ってカメラDに到達する。このような経路Lを通ってカメラDが受光する反射光の強度は、比較的強い。これに対し、カメラDからのレーザ光Lnは、点P部分の測定対象物表面と略平行な経路Lを通って点Pに到達し、経路Lの入射角と大きく異なる(対称でない)反射角の経路Rを通ってカメラDに到達する。このような経路Lを通ってカメラDが受光する反射光の強度は、比較的弱い。逆に言えば、例えば、カメラDの位置に配置されたレーザ光源のみから測定対象物Sの表面を照射し、カメラDの位置に配置した受光ユニットのみで反射光をするのでは、測定対象物Sの点Pについて、比較的弱いレーザ光の反射光の情報しか得ることはできない。このような、比較的弱いレーザ光の反射光の情報からは、ノイズ成分が強く(S/N比が悪い)、精度の低い3次元位置情報しか取得することができない。本発明の3次元画像情報取得システムでは、不特定な反射率で、かつ不特定な表面形状の測定対象物に対し、それぞれ異なる複数の位置からレーザ光を照射することで、測定対象物における測定対象領域のあらゆる部分に、高強度のレーザ光を照射することを可能としている。そして、それぞれ異なる複数の位置に反射光の受光面を配置することで、測定対象物における測定対象領域のあらゆる部分から、あらゆる角度で反射するレーザ光をそれぞれ受光する。本発明の3次元画像情報取得システムは、このような構成によって、不特定な反射率かつ不特定な表面形状の測定対象物に対し、測定対象領域内のあらゆる部分について、高強度のレーザ光の反射光の情報を取得することを可能としている。 For example, the camera D 1 is received, the reflected light of the laser beam of n path (path), each light intensity are different. This is due to the reflectance and inclination of the surface of the measuring object S. For example, in the example shown in FIG. 2, the laser beam L 2 emitted from the camera D 2 reaches the point P at an incident angle substantially perpendicular to the surface of the measurement object at the point P, and the incident angle of the path L 2 through the path R1 of substantially symmetrical reflection angle to reach the camera D 1. The intensity of the reflected light received by the camera D 1 through such a path L 2 R 1 is relatively high. In contrast, laser light Ln from the camera D n reaches the point P through the measurement object surface substantially parallel to the path L n of the point P portion, not significantly different (symmetric to the incident angle of the path L n ) The camera reaches the camera D 1 through the reflection angle path R 1 . The intensity of the reflected light received by the camera D 1 through such a path L n R 1 is relatively weak. Conversely, for example, the surface of the measuring object S only from a laser light source disposed at the position of the camera D n irradiated, only the light receiving unit disposed in the position of the camera D 1 to the reflected light, measured With respect to the point P of the object S, only information on the reflected light of the relatively weak laser beam can be obtained. From such information of reflected light of a relatively weak laser beam, it is possible to acquire only three-dimensional position information with a strong noise component (poor S / N ratio) and low accuracy. In the three-dimensional image information acquisition system of the present invention, the measurement object is measured by irradiating the measurement object having an unspecified reflectance and an unspecified surface shape from a plurality of different positions. It is possible to irradiate high-intensity laser light on any part of the target region. And the light-receiving surface of reflected light is arrange | positioned in several different positions, respectively, and the laser beam reflected at every angle is received from every part of the measurement object area | region in a measurement object, respectively. With such a configuration, the three-dimensional image information acquisition system of the present invention can apply high-intensity laser light to any part in a measurement target region with respect to a measurement target having an unspecified reflectance and an unspecified surface shape. It is possible to acquire information of reflected light.

図3は、システム10の制御装置14について説明する概略ブロック図である。制御装置14は、測定データバス49、および制御データバス56を介して各カメラD〜Dとそれぞれ接続されている。制御装置14は、各カメラD〜D(詳しくは、各カメラのレーザ光出射ユニット20、光学ユニット30、およびデータ処理ユニット50)の測定動作を制御する各種信号(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、クロック信号など)を生成し、各カメラの所定のユニットに供給する。制御装置14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、パワースプリッタ46、RFスプリッタ48、測定データバス49、システム制御器51、制御データバス56を有する。 FIG. 3 is a schematic block diagram illustrating the control device 14 of the system 10. The control device 14 is connected to the cameras D 1 to D n via the measurement data bus 49 and the control data bus 56, respectively. The control device 14 controls various signals (oscillation frequency control signal, phase) that control the measurement operation of each camera D 1 to D n (specifically, the laser light emission unit 20, the optical unit 30, and the data processing unit 50 of each camera). A control signal, a control pattern signal, a PN encoded modulation signal, a clock signal, etc.) are generated and supplied to a predetermined unit of each camera. The control device 14 includes an oscillator 41, a power splitter 42, an amplifier 43, a phase shifter 44, an amplifier 45, a power splitter 46, an RF splitter 48, a measurement data bus 49, a system controller 51, and a control data bus 56.

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。   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.

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を介してパワースプリッタ46に供給される。パワースプリッタ46では、発振器41にて発振した信号を、測定データバス49を介して各カメラD〜Dそれぞれのレーザ光照射ユニット20に分配する。各カメラD〜Dに分配された信号は、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する。これらの信号(RF変調信号または位相シフト変調信号)は、増幅器45を介してRFスプリッタ48に送られる。RFスプリッタ48は、これらの信号(RF変調信号または位相シフト変調信号)を、測定データバス49を介して、各カメラD〜Dそれぞれのデータ処理ユニット50に分配する。
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 power splitter 46 via the amplifier 43. The power splitter 46 distributes the signal oscillated by the oscillator 41 to the laser light irradiation units 20 of the cameras D 1 to D n via the measurement data bus 49. Signals distributed to the cameras D 1 to D n are used as RF modulation signals. The other signal is supplied to the transporter 44.
The phase shifter 44 passes the RF modulation signal without phase shifting, and shifts the phase by 90 degrees according to the phase control signal to generate a phase shift modulation signal. These signals (RF modulation signal or phase shift modulation signal) are sent to the RF splitter 48 via the amplifier 45. The RF splitter 48 distributes these signals (RF modulation signal or phase shift modulation signal) to the data processing units 50 of the cameras D 1 to D n via the measurement data bus 49.

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。システム制御器51で生成した各種制御信号のうち、制御パターン信号およびPN符号化変調信号は、制御データバス56を介して、各カメラD〜Dへそれぞれ送られる。 The system controller 51 is a part that generates various control signals based on instructions from the computer 14. Of the various control signals generated by the system controller 51, the control pattern signal and the PN coded modulation signal are sent to the cameras D 1 to D n via the control data bus 56, respectively.

図4は、カメラD〜Dについて説明する図である。カメラD〜Dは、それぞれ同様な構成であり、図4は、カメラDについて代表して示している。以降、カメラDについて代表して説明する。
カメラDは、レーザ光出射ユニット20と、光学ユニット30と、データ処理ユニット50とを有する。レーザ光出射ユニット20は、制御装置14の測定データバス49および制御データバス56と接続されている。
FIG. 4 is a diagram illustrating the cameras D 1 to D n . The cameras D 1 to D n have the same configuration, and FIG. 4 shows the camera D 1 as a representative. Later, it is described as a representative camera D 1.
The camera D 1 includes a laser light emitting unit 20, an optical unit 30, and a data processing unit 50. The laser beam emitting unit 20 is connected to the measurement data bus 49 and the control data bus 56 of the control device 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。レーザドライバには、制御装置14より、測定データバス49を介して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、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。   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. An amplitude modulation signal is sent from the control device 14 to the laser driver via the measurement data bus 49, and laser light is emitted from the laser diode in accordance with the amplitude modulation signal. The amplitude modulation signal (hereinafter referred to as RF modulation signal) is used for time-modulating the light intensity of the laser light emitted from the laser diode 24.

光学ユニット30は、測定対象物Sの測定対象領域T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4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 target region T of the measurement target S. As shown in FIG. 4, the bandpass filter 31 sequentially from the upstream side of the optical path of the laser light. 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 disposed. 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T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 bandpass filter 31 is a narrowband 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 light from the measurement target T. 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T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 light arriving from the measuring object T reflected by the micromirror in the ON state is arranged to be guided to the light receiving surface of the photoelectric converter 38.

図5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5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。上述のように、カメラDの光電変換器38は、L、L、L・・・Lで表されるn個の経路(パス)のレーザ光(の反射光)を受光する。空間変調素子34の各マイクロミラーは、測定対象領域Tの、各マイクロミラーに対応する各測定単位領域それぞれで反射された、n個のパスを通るレーザ光の反射光の情報それぞれを、この光電変換器38の受光面に送る。システム10ではn個のカメラが配置されており、システム10全体では上述のように、測定対象領域Tの、各マイクロミラーに対応する1つの測定単位領域毎に、n×n個のパスを通るレーザ光の反射光の情報がそれぞれ得られる。
FIG. 5 is a diagram for explaining the reflection of laser light in the micromirrors in the ON state and the OFF state. In FIG. 5, 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 photoelectric converter 38 through the lens 36, and the laser light reflected by the reflecting surface of the micromirror B in the OFF state is connected to the photoelectric converter 38. Reflects in different directions. Thus, the laser beam reflected by the micromirror in the ON state is received by the photoelectric converter 38. As described above, the photoelectric converter 38 of the camera D 1 has the laser light of n paths represented by L 1 R 1 , L 2 R 1 , L 3 R 1 ... L n R 1. (Reflected light) is received. Each micromirror of the spatial modulation element 34 receives information on the reflected light of the laser beam passing through the n paths reflected by each measurement unit region corresponding to each micromirror in the measurement target region T. It is sent to the light receiving surface of the converter 38. In the system 10, n cameras are arranged. As described above, the entire system 10 passes n × n paths for each measurement unit area corresponding to each micromirror in the measurement target area T. Information on the reflected light of the laser light is obtained.

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の制御により、全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。
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. Under the control of the micromirror controller 35, more than half of all the micromirrors are sequentially switched to different control patterns of the micromirrors that are turned on.

なお、空間変調素子34のマイクロミラーの制御パターンが順次異なるパターンに切り換えられてレーザ光は空間変調され、この空間変調されたレーザ光が光電変換器38の受光面に導かれるように構成される。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、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。   The control pattern of the micromirror of the spatial modulation element 34 is sequentially switched to a different pattern so that the laser light is spatially modulated, and this spatially modulated laser light is guided to the light receiving surface of the photoelectric converter 38. . The control pattern of the micromirror is preferably a control pattern that is orthogonal to each other, where the ON state of the micromirror 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、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。
図6(a)は、64個(=8個×8個)のマイクロミラーアレイの空間変調素子34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。
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6(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 is a pattern of arrangement of micromirrors in which the spatial modulation element 34 is turned on. This control pattern is a pattern created by using a tensor product between each row of the Hadamard matrix. is there.
FIG. 6A is a diagram for explaining an example of the control pattern of the spatial modulation elements 34 of the 64 (= 8 × 8) micromirror arrays as viewed from the reflective surface side of the micromirrors.
The micromirrors are arranged in a rectangular shape with 8 rows in the vertical direction and 8 rows in the horizontal direction. In FIG. 6A, 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6(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6(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6(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6(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. 6B, 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, 0th order, first order, second order, . . . . . , 7th order is a one-dimensional control pattern in the horizontal direction. On the other hand, as shown in FIG. 6C, 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 desired order pattern is selected from the horizontal one-dimensional control pattern shown in FIG. 6B, and a desired order pattern is selected from the vertical one-dimensional control pattern shown in FIG. 6C.

図6(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. 6A, 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、異なる制御パターンに順次切り替えながら測定対象物T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. .
As described above, the spatial modulation element 34 reflects the laser light coming from the measurement object T while sequentially switching to different control patterns.

光学レンズ36は、光電変換器38の受光面にミラー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デバイスが設けられ、このデバイスからそれぞれ電気信号が出力される。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。
The optical lens 36 is configured to form an image of laser light on the light receiving surface 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. Devices such as a photomultiplier tube and an avalanche photodiode are provided, and electrical signals are output from the devices. 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 such as a CCD (Charged Coupled Device) image sensor divided 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.

光電変換器38から出力された電気信号は、データ処理ユニット50へと送られる。データ処理ユニット50は、光電変換器38から出力された電気信号を、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)として取り出し、中間周波数デジタル信号としてコンピュータ14に送る部分である。データ処理ユニット50は、ミキサ47、ローパスフィルタ52、A/D変換器54、増幅器55、56とを有して構成されている。   The electrical signal output from the photoelectric converter 38 is sent to the data processing unit 50. The data processing unit 50 mixes the electric signal output from the photoelectric converter 38 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), and performs RF modulation. The signal component of the laser light time-modulated with the signal is extracted as an intermediate frequency signal (IF signal) and sent to the computer 14 as an intermediate frequency digital signal. The data processing unit 50 includes a mixer 47, a low-pass filter 52, an A / D converter 54, and amplifiers 55 and 56.

ミキサ47には、制御装置14のRFスプリッタ48から分配された、RF変調信号又は位相シフト変調信号が、制御装置14の測定データバス49を介して送信される。ミキサ47は、この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、光電変換器38から出力され、増幅器56を経て増幅された電気信号と乗算(ミキシング)し、出射の際にRF変調信号で時間変調されたレーザ光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、制御装置14の移相器44では、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ており、ミキサ47はこれらのローカル信号と合成電気信号のミキシング(乗算)を行う。   The RF modulation signal or phase shift modulation signal distributed from the RF splitter 48 of the control device 14 is transmitted to the mixer 47 via the measurement data bus 49 of the control device 14. The mixer 47 uses the RF modulation signal or the phase shift modulation signal as a local signal, and multiplies (mixes) the electric signal output from the photoelectric converter 38 and amplified through the amplifier 56, and performs RF modulation upon emission. This is a part that outputs an intermediate frequency signal (IF signal) having information of laser light time-modulated by the 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. In addition, in the RF modulation signal of each frequency, the phase shifter 44 of the control device 14 generates a local signal that does not shift the phase of the RF modulation signal and a local signal that shifts the phase of the RF modulation signal by 90 degrees. The mixer 47 performs mixing (multiplication) of these local signals and the synthesized electric signal.

ローパスフィルタ52は、ミキサ47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、時間変調されたレーザ光の信号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、増幅器53で増幅された後、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。各カメラD〜Dそれぞれから、このような中間周波数デジタル信号が出力される。 The low-pass filter 52 filters the signal including the intermediate frequency signal (IF signal) output from the mixer 47 and the high-order component to remove the high-order component, and includes only the signal information of the time-modulated laser beam. This is the part that makes the intermediate frequency signal. The intermediate frequency signal is amplified by the amplifier 53, converted to an intermediate frequency digital signal by the A / D converter 54, and supplied to the computer 14. Such an intermediate frequency digital signal is output from each of the cameras D 1 to D n .

コンピュータ14は、図7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、カメラDの各ユニットの駆動(レーザ光の出射や、マイクロミラーの駆動など)を制御する各種信号を、制御装置14の制御回路ユニット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. 7, the computer 14 includes a CPU 60, a memory 62, and a ROM (not shown), and a data processor 64 is functionally configured by executing computer software. The computer 14 is connected to the display 16.
The CPU 60 instructs the control circuit unit 50 of the control device 14 to generate various signals for controlling the driving of each unit of the camera D (emission of laser light, driving of the micromirror, etc.), and data to be described later. This is a part that substantially performs the calculation of each process of the processing unit 64.

データ処理部64は、各カメラD〜Dから送信された中間周波数デジタル信号それぞれに基づき、各カメラ毎に取得した中間周波数デジタル信号毎に、測定対象物Tの3次元位置情報と測定対象物Tの表面の反射率を算出して、これら各カメラ毎の測定対象物Tの3次元位置情報と測定対象物Tの表面の反射率に基づいて、測定対象物Sの測定対象領域Tの3次元画像情報を作成して出力する部分である。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、重み付け係数設定部74と、3次元画像情報生成部76とを有する。
信号変換部66は、各カメラD〜Dから送信された中間周波数デジタル信号それぞれについて、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。これにより、各カメラD〜Dから送信された中間周波数デジタル信号それぞれについて、測定対象領域Tにおける1つの測定単位領域(マイクロミラーアレイ空間変調素子34の、1つのマイクロミラーに対応する領域)毎の測定単位領域信号成分に分割し、さらにこの測定単位領域信号成分毎に、各測定単位領域で反射される、n個のレーザ光反射光毎のレーザ光信号成分に分割する。そして、各レーザ光信号成分における信号強度に応じて、重み付け係数を設定する。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装置14のシステム制御器51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 based on each of the intermediate frequency digital signals transmitted from the cameras D 1 to D n , and for each intermediate frequency digital signal acquired for each camera, the three-dimensional position information of the measurement target T and the measurement target The reflectance of the surface of the measuring object T is calculated, and the measurement target region T of the measuring object S is calculated based on the three-dimensional position information of the measuring object T for each camera and the reflectance of the surface of the measuring object T. This is a part for creating and outputting three-dimensional image information. 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, a reflectance calculation unit 72, a weighting coefficient setting unit 74, and a three-dimensional image information generation unit 76. Have
The signal converter 66 is a part that converts the intermediate frequency digital signal using the control pattern signal and the PN encoded modulation signal for each of the intermediate frequency digital signals transmitted from the cameras D 1 to D n . Thereby, for each of the intermediate frequency digital signals transmitted from the cameras D 1 to D n , one measurement unit region in the measurement target region T (region corresponding to one micromirror of the micromirror array spatial modulation element 34). Each measurement unit region signal component is further divided into measurement unit region signal components, and each measurement unit region signal component is further divided into laser light signal components for each of n reflected laser light beams reflected by each measurement unit region. Then, a weighting coefficient is set according to the signal intensity in each laser light signal component. Since the control pattern signal is a signal created by the system controller 51 of the control device 14 in accordance with an instruction from the computer 14, the control pattern signal is known, and signal conversion is performed using this control pattern signal.

制御パターン信号は、図6(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マイクロミラーにて反射されるレーザ光の情報(測定単位領域信号成分)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)。   The control pattern signal is a signal that realizes a control pattern created by using a tensor product between the components of each row of the Hadamard matrix as shown in FIGS. For this reason, the signal converter 66 uses the known control pattern signal to perform Hadamard inverse transform from the intermediate frequency digital signal obtained by each control pattern and reflect the laser light reflected by each micromirror. Information (measurement unit region signal component) 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).

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、各カメラ毎の空間変調素子34それぞれの、各マイクロミラー毎に反射されるレーザ光の情報(測定単位領域信号成分)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。
なお、各カメラ毎にアダマール逆変換にて求められる、各マイクロミラー毎に反射されるレーザ光の情報(測定単位領域信号成分)は、各カメラD〜Dから出射されるレーザ光(n個のレーザ光)が互いに重畳されている。このため、以下に示すようにレーザ光の出射の際に時間変調に用いた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レーザ光に対応した中間周波数デジタル信号(レーザ光信号成分)に分解する。PN符号化変調信号の自己相関性及び直交性については後述する。
Since each row of the Hadamard matrix has orthogonality (the inner product of each row is 0), the synthesis matrix representing the control pattern obtained by the tensor product of the components of each row of the Hadamard matrix is also between the synthesis matrices. Maintain orthogonality. 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 (measurement unit region signal component) of the laser beam reflected by each micromirror of each of the spatial modulation elements 34 for each camera can be easily decomposed using the Hadamard transform process.
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 laser beam information reflected for each micromirror.
Incidentally, obtained by Hadamard inverse transform for each camera, information of the laser beam reflected on each micro mirror (measurement unit domain signal component), the laser beam (n emitted from each camera D 1 to D n Laser beams) are superimposed on each other. For this reason, as shown below, an intermediate frequency digital signal (laser light signal) corresponding to each laser light is utilized by utilizing the autocorrelation and orthogonality of the PN coded modulation signal used for time modulation when the laser light is emitted. Component). The autocorrelation and orthogonality of the PN encoded modulation signal will be described later.

上述したように各カメラD〜Dからのレーザ光出射ユニット20からは、測定対象物Sの測定対象領域Sに向けて同時にレーザ光を出射するが、その際、PN符号化変調信号を用いてレーザ光の出射のON/OFFを制御し時間変調している。
図8は、PN符号化変調信号の一例を示す図である。図8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 laser light emission units 20 from the cameras D 1 to D n simultaneously emit laser light toward the measurement target region S of the measurement target S. At this time, the PN encoded modulation signal is transmitted. Using this, time modulation is performed by controlling on / off of laser light emission.
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a PN encoded modulation signal. In FIG. 8, one period of the PN encoded 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 0004401989
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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 0004401989
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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 0004401989
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Figure 0004401989
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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6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. 6 is obtained, the value becomes 0.

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、どのレーザ光の信号情報が含まれているかを識別し、レーザ光毎の信号情報(レーザ光信号成分)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マイクロミラーの反射位置における各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。
信号変換部66では、このように、n個のカメラそれぞれについて、各マイクロミラーの反射位置におけるn個のレーザ光それぞれの時間変調の信号情報を取得する。すなわち、測定対象物S表面の1つの測定単位領域(1つのマイクロミラーに対応する)につき、n×n個のレーザ光の時間変調の信号情報(電気信号)が得られる。
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. It is possible to identify which laser beam signal information is included, and to decompose and extract the signal information (laser beam signal component) for each laser beam.
In this way, the signal conversion unit 66 performs the reflection position of each micromirror from the intermediate frequency digital signal by Hadamard inverse transformation and decomposition (coding identification conversion) using the autocorrelation and orthogonality of the PN coded modulation signal. Signal information of time modulation of each laser beam in can be acquired.
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).
In this way, the signal conversion unit 66 acquires time-modulated signal information of each of the n laser beams at the reflection position of each micromirror for each of the n cameras. That is, for one measurement unit region (corresponding to one micromirror) on the surface of the measurement object S, time-modulated signal information (electric signal) of n × n laser beams is obtained.

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 0004401989
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Figure 0004401989
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すなわち、各レーザ光の信号の位相ずれ量の、RF変調信号の周波数に関する比を求めることで、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。
That is, the distance ρ of the measurement target T is calculated using the equation (6) by obtaining the ratio of the phase shift amount of each laser beam signal with respect to the frequency of the RF modulation 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 measuring 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.

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9(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、各レーザ光情報に対応したレーザダイオード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9(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. 9A, 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 corresponding to each piece of laser beam information is defined as a point Q (position coordinate). (Refer to (a, b, c)), the reflection position of the measuring object T is a point P (position coordinates (x, y, z)), and the spatial modulation element 34 to which the laser beam reflected at the point P is directed It is assumed that the position of the micromirror is R (position coordinates (−x 0 , −y 0 , −z 0 )). At this time, as shown in FIG. 9B, 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 0004401989
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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。このようにして、各測定対象領域毎に、n×n個のレーザ光の時間変調の信号情報それぞれについて、3次元位置情報が取得される。 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). )). In this manner, three-dimensional position information is acquired for each of the time modulation signal information of n × n laser beams for each measurement target region.

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, and supplies this to the reflectance calculation unit 72. 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、システム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。反射率算出部72では、このように、各測定対象領域毎に、n×n個のレーザ光の時間変調の信号情報それぞれについて、反射率情報が取得される。   By irradiating the measurement target T with the laser light in this way, the distance between the system 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. In this way, the reflectance calculation unit 72 acquires the reflectance information for each of the time-modulated signal information of n × n laser beams for each measurement target region.

重み付け係数設定部74は、1つの測定単位領域につき取得される、n×n個のレーザ光の時間変調の信号情報(電気信号)に応じて、各信号情報毎に重み付け係数を設定する。上述のように、1つのカメラが受光する、測定対象物S表面の同一地点Pからの複数のレーザ光の反射光の強度は、n個のレーザ光毎にそれぞれ異なっている。また、このような同一地点Pからの複数のレーザ光の反射光の強度それぞれは、n個の各カメラでもそれぞれ異なっている。1つの測定単位領域につき取得される、n×n個のレーザ光の時間変調の信号情報(電気信号)は、このような反射光の強度に応じた信号であり、信号の強度もそれぞれ異なる。当然、信号の強度が低いとノイズ成分が高く(S/N比が低く)、このような信号を用いて後述の距離情報や反射率情報を算出しても、低い精度の情報しか得ることはできない。重み付け係数設定部74は、1つの測定単位領域からの反射光の強度に応じた、n×n個のレーザ光の時間変調の信号情報(電気信号)それぞれの強度に応じて、各信号毎に算出される後述の距離情報や反射率情報を重み付けするための、重み付け係数をそれぞれ設定しておく。設定した重み付け係数は、3次元画像情報生成部76に送られ、3次元画像情報の作成に用いられる。   The weighting coefficient setting unit 74 sets a weighting coefficient for each signal information according to the signal information (electric signal) of time modulation of n × n laser beams acquired for one measurement unit region. As described above, the intensity of reflected light of a plurality of laser beams received by one camera from the same point P on the surface of the measuring object S is different for each of the n laser beams. The intensity of the reflected light of the plurality of laser beams from the same point P is different in each of the n cameras. The signal information (electric signal) of time modulation of n × n laser beams acquired for one measurement unit region is a signal corresponding to the intensity of such reflected light, and the signal intensity is also different. Naturally, when the signal strength is low, the noise component is high (the S / N ratio is low), and even if distance information and reflectance information described later are calculated using such a signal, only information with low accuracy can be obtained. Can not. The weighting coefficient setting unit 74 is provided for each signal in accordance with the intensity of each of the time-modulated signal information (electric signals) of the n × n laser beams according to the intensity of the reflected light from one measurement unit region. Weighting coefficients for weighting calculated distance information and reflectance information described later are set in advance. The set weighting coefficient is sent to the three-dimensional image information generation unit 76 and is used to create three-dimensional image information.

3次元画像情報生成部76では、重み付け係数設定部74で設定した重み付け係数を用い、各測定対象領域毎に、n×n個のレーザ光の時間変調の信号情報それぞれに基づいて算出された、3次元位置情報および反射率情報のそれぞれを重み付けし、それぞれ重み付けしたn×n個の3次元位置情報および反射率情報を用いて平均化した値を算出する。このように重み付けして平均化する(重心値を求める)ことで、各測定単位領域毎に、強い強度の反射光に基づいて算出された値が支配的な、精度の高い3次元位置情報および反射率の情報が得られる。3次元画像情報生成部76では、このようにして得られた高精度の3次元位置情報および反射率の情報を用い、測定対象物Tの高精度の3次元画像情報を生成する。生成された3次元画像情報はディスプレイ16に送られて、画像表示される。なお、本発明の3次元画像情報取得システムでは、このように、各測定単位領域毎に、n×n個のレーザ光の時間変調の信号情報それぞれについて信号強度に応じた重み付け係数を設定し、3次元位置情報および反射率情報のそれぞれを重み付けして平均化して、3次元画像情報の作成に係る高精度の3次元位置情報および反射率の情報を得ることに限定されない。本発明の3次元画像情報取得システムでは、重み付け係数を用いずに、n×n個のレーザ光の時間変調の信号情報を積算した値を用いて、3次元位置情報および反射率情報を求めてもよい。このような場合でも、反射強度が高いレーザ光の時間変調信号の成分が支配的な、S/N比の高い3次元位置情報および反射率の情報が得られる。より高精度な3次元画像情報を取得するには、n×n個のレーザ光の時間変調の信号情報それぞれについて、重み付けして平均化する(重心値を求める)ことが好ましい。   The three-dimensional image information generation unit 76 uses the weighting coefficient set by the weighting coefficient setting unit 74 and is calculated based on the signal information of time modulation of n × n laser beams for each measurement target region. Each of the three-dimensional position information and the reflectance information is weighted, and an average value is calculated using the weighted n × n pieces of the three-dimensional position information and the reflectance information. By weighting and averaging (determining the centroid value) in this way, highly accurate three-dimensional position information in which the value calculated based on the strong reflected light is dominant for each measurement unit region, and Reflectance information is obtained. The three-dimensional image information generation unit 76 generates high-precision three-dimensional image information of the measurement target T using the high-accuracy three-dimensional position information and reflectance information obtained in this way. The generated three-dimensional image information is sent to the display 16 and displayed as an image. In the three-dimensional image information acquisition system of the present invention, as described above, for each measurement unit region, a weighting coefficient corresponding to the signal intensity is set for each of the signal information of time modulation of n × n laser beams, The three-dimensional position information and the reflectance information are each weighted and averaged to obtain highly accurate three-dimensional position information and reflectance information related to the creation of the three-dimensional image information. In the three-dimensional image information acquisition system of the present invention, three-dimensional position information and reflectance information are obtained using a value obtained by integrating time-modulated signal information of n × n laser beams without using a weighting coefficient. Also good. Even in such a case, three-dimensional position information and reflectance information having a high S / N ratio, in which the component of the time-modulated signal of the laser light having a high reflection intensity is dominant, can be obtained. In order to obtain more accurate three-dimensional image information, it is preferable to average each of the n × n pieces of time-modulated signal information of the laser beams by weighting (determining a centroid value).

システム10は、以上のように構成される。次に、システム10の作用について説明する。
図10(a)〜(d)は、システム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 system 10 is configured as described above. Next, the operation of the system 10 will be described.
10A to 10D are timing charts of various trigger signals generated when the system 10 is driven.

まず、制御装置14のシステム制御器51にて、コンピュータ14の指示に応じて、各カメラにおいて測定対象物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10(a)参照)が生成される。
次に、システム制御器51では、各カメラの空間変調素子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, the system controller 51 of the control device 14 generates an image trigger signal (see FIG. 10A) that starts capturing a three-dimensional image of the measurement target T in each camera in response to an instruction from the computer 14. Is done.
Next, the system controller 51 generates a frame trigger signal so that the spatial modulation element 34 of each camera is controlled 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10(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、レーザ光は複数のカメラから、複数同時に出射されるので、光電変換器38における受光において、どのカメラからのレーザ光を受光したのか識別可能としなければならない。このため各レーザ光をPN符号化変調信号によって時間変調(レーザ光の出射のON/OFF)するために、システム制御器51はレーザ光毎に互いに異なるPN符号化変調信号を生成し、各カメラのレーザドライバにそれぞれ供給する。
すなわち、各カメラから出射されるレーザ光の強度は時間変調されるとともに、さらに、PN符号化変調信号によるレーザ光の出射のON/OFFにより時間変調される。周波数fは50MHz〜10GHzであり、PN符号化変調信号による出射のON/OFFの切換周波数は100KHz〜10MHzであり、時間変調の周波数範囲が互いに大きく異なる。
As shown in FIG. 10B, 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, a plurality of laser beams are emitted from a plurality of cameras at the same time. Therefore, in the light reception by the photoelectric converter 38, it must be possible to identify which camera the laser beam is received from. Therefore, in order to time-modulate each laser beam with a PN encoded modulation signal (ON / OFF of laser beam emission), the system controller 51 generates a different PN encoded modulation signal for each laser beam, and each camera Supplied to each laser driver.
In other words, the intensity of the laser light emitted from each camera is time-modulated and further time-modulated by ON / OFF of the emission of the laser light by the PN encoded modulation signal. The frequency f is 50 MHz to 10 GHz, the output ON / OFF switching frequency by the PN encoded modulation signal is 100 KHz to 10 MHz, and the frequency range of time modulation is 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10(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. 10C). 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、各カメラの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のマイクロミラーは所定の制御パターンで制御されているので、ON状態のマイクロミラーで反射されたレーザ光のみが光電変換器38に導かれて受光される。時間変調の信号情報を有するレーザ光は、光電変換器38にて電気信号に変換され、増幅器48で増幅されてミキサ47に供給される。   In this manner, an RF modulation signal having the frequency f in mode 1 is generated, and the laser light time-modulated is emitted from the laser light emission unit 20 of each camera. 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. Since the micromirror of the spatial modulation element 34 is controlled by a predetermined control pattern, only the laser light reflected by the micromirror in the ON state is guided to the photoelectric converter 38 and received. The laser light having time-modulated signal information is converted into an electric signal by the photoelectric converter 38, amplified by the amplifier 48, 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10(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. 10D), converted into an intermediate frequency digital signal, and supplied to the computer 14.

こうして、モード1におけるレーザ光の出射、受光が終了すると、順次モード2、3……に切り換えられ、制御回路ユニット50にて順次信号処理されてコンピュータ14に供給される。   Thus, when the emission and reception of the laser beam in mode 1 are completed, the mode is sequentially switched to modes 2, 3,..., Signal processing is sequentially performed by the control circuit unit 50, and the computer 14 is supplied.

例えば、i番目(i=1〜nの自然数)のカメラDiのレーザダイオード22から出射される時間変調したレーザ光の強度振幅Ai(t)を下記式(10)のように定め(pi(t)はPN符号化変調信号による時間変調成分)、各カメラのミキサ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、さらに、測定対象物Tの表面で反射し、さらにON状態のマイクロミラーで反射されることで、1つのカメラが受光したレーザ光の電気信号の振幅を下記式(12)で定めると、IF信号は下記式(13)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, the intensity amplitude A i (t) of the time-modulated laser beam emitted from the laser diode 22 of the i-th (i = 1 to n natural number) camera Di is determined by the following equation (10) (p i (T) is a time-modulated component based on a PN encoded modulation signal), and local signals A 0 (t) and A 90 (t) supplied to the mixer 47 of each camera are defined by the following equation (11), and the measurement target When the amplitude of the electrical signal of the laser beam received by one camera is determined by the following equation (12) by being reflected by the surface of the object T and further reflected by the micro mirror in the ON state, the IF signal is expressed by the following equation ( 13). 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 0004401989
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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 supplied to the computer 14 in this way 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(13)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 (13) (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、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、レーザ光毎に、かつ空間変調素子34の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 phase shift amount of the electrical signal output from the photoelectric converter 38 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 laser beam and for each micromirror of the spatial modulation element 34. 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レーザ光の空間変調素子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。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、例えばレーザ光が赤、緑及び青の3原色の可視レーザ光であれば、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。
As described above, according to the present invention, the three-dimensional position of the measurement target T irradiated to the laser light using the time-modulated phase shift information and the position information of each micromirror in the laser light incident on the spatial modulation element 34 of the laser light. Information can be acquired at high speed. 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 reflectance r i represents the reflectance of the surface of the measurement target T. For example, if the laser light is visible laser light of the three primary colors of red, green, and blue, 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.

このようにシステム10では、それぞれ異なる複数の位置からレーザ光を照射することで、また、それぞれ異なる複数の位置に反射光の受光面を配置することで、不特定な反射率かつ不特定な表面形状の測定対象物に対し、測定対象領域内のあらゆる部分について、高強度のレーザ光の反射光の情報を取得することを可能としている。本発明の3次元画像情報取得システムでは、レーザ光が識別可能な符号化変調信号で時間変調されており、複数の位置から同時にレーザ光を照射しても、この符号化変調信号を用いてレーザ光(の反射光)をそれぞれ識別可能となっている。本発明の3次元画像情報取得システムは、このような構成によって、レーザ光照射ユニット自体を移動することなく、測定対象領域内のあらゆる部分について、高強度のレーザ光の反射光の情報を取得することができ、短時間で(高速に)高精度の3次元画像情報を取得することができる。   As described above, the system 10 irradiates the laser beam from a plurality of different positions, and arranges the light receiving surfaces of the reflected light at the plurality of different positions, thereby providing an unspecified reflectance and an unspecified surface. Information on the reflected light of high-intensity laser light can be acquired for any part in the measurement target region with respect to the shape measurement target object. In the three-dimensional image information acquisition system of the present invention, the laser light is time-modulated with a coded modulation signal that can be identified, and even if laser light is irradiated simultaneously from a plurality of positions, the laser is used using this coded modulation signal. Each light (the reflected light) can be identified. With such a configuration, the three-dimensional image information acquisition system of the present invention acquires information on the reflected light of high-intensity laser light for any part in the measurement target area without moving the laser light irradiation unit itself. It is possible to acquire highly accurate three-dimensional image information in a short time (at high speed).

以上、本発明の3次元画像情報取得システム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 system 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次元画像情報取得システムの一実施形態の3次元形画像情報取得システムの外観図である。1 is an external view of a three-dimensional image information acquisition system according to an embodiment of the three-dimensional image information acquisition system of the present invention. 図1に示す3次元画像情報取得システムにおいて、各カメラD〜Dが受光するレーザ光について説明する図である。In the three-dimensional image information acquiring system shown in FIG. 1, a diagram each camera D 1 to D n will be described laser light received. 図1に示す3次元画像情報取得システムの制御装置について説明する概略ブロック図である。It is a schematic block diagram explaining the control apparatus of the three-dimensional image information acquisition system shown in FIG. 図1に示す3次元画像情報取得システムのカメラD〜Dについて説明する図で、カメラDについて代表して示す概略ブロック図である。In view for camera D 1 to D n of the three-dimensional image information acquiring system will be described as shown in FIG. 1 is a schematic block diagram showing a representative Camera D 1. 図1に示す3次元形画像情報取得システム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 system shown in FIG. (a)〜(c)は、図1に示す3次元形画像情報取得システム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 system shown in FIG. 図1に示す3次元形画像情報取得システム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 system shown in FIG. 図1に示す3次元形画像情報取得システム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 | alteration signal produced | generated in the three-dimensional image information acquisition system shown in FIG. (a)及び(b)は、図1に示す3次元形画像情報取得システムにおいて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 system shown in FIG. (a)〜(d)は、図1に示す3次元形画像情報取得システム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 in the three-dimensional image information acquisition system shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 3次元形画像情報取得システム
14 制御装置
16 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
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 パワースプリッタ
47 ミキサ
48 RFスプリッタ
49 測定データバス
50 データ処理ユニット
51 システム制御器
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
74 重み付け係数設定部
76 3次元画像情報生成部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Three-dimensional image information acquisition system 14 Control apparatus 16 Computer 20 Laser beam emission unit 22 Laser diode 24 Laser driver 28 Optical lens 30 Optical unit 31 Band pass filter 32 Optical lens 33 Prism 34 Micro mirror array spatial modulation element 35 Micro mirror control 36 Optical lens 37 Mirror 38 Photoelectric converter 41 Oscillator 42 Power splitter 43 Amplifier 44 Phase shifter 45 Amplifier 46 Power splitter 47 Mixer 48 RF splitter 49 Measurement data bus 50 Data processing unit 51 System controller 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 74 weighting coefficient setting unit 76 three-dimensional image information generation unit

Claims (7)

それぞれ異なる位置から出射した複数のレーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物で反射した各レーザ光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次元画像情報取得システムであって、
振幅変調信号に従って時間変調したレーザ光を、測定対象物の同一範囲に向けてそれぞれ異なる方向から同時に照射する、それぞれ異なる位置に配置された複数のレーザ光出射部と、
測定対象物で反射した複数のレーザ光を受光して、受光した複数のレーザ光に応じた電気信号をそれぞれ出力する複数の光電変換器と、
各光電変換器それぞれに対応して設けられた、平面上に配列された複数のマイクロ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、測定対象物からの複数のレーザ光を、対応する各光電変換器の受光面それぞれに導く、それぞれ異なる位置に配置されたマイクロミラーアレイ空間変調素子と、
各光電変換器から出力された電気信号それぞれについて、各光電変換器の受光面が受光した複数のレーザ光それぞれに応じた電気信号成分を識別する電気信号成分識別部と、
各レーザ光それぞれの出射位置の情報と、各マイクロミラーアレイ空間変調素子における前記ON状態のマイクロミラーの配列位置の情報とを用いて、各レーザ光に対応する電気信号成分それぞれについて、測定対象物の3次元位置情報を求める位置情報算出部と、
各レーザ光に対応する電気信号成分それぞれについて求められた、複数の前記測定対象物の3次元位置情報に基づき、前記測定対象物の3次元画像情報を作成する3次元画像情報作成部とを有する3次元画像情報取得システム。
Three-dimensional image information for acquiring three-dimensional image information of a measurement object by irradiating the measurement object with a plurality of laser beams emitted from different positions and receiving the reflected light of each laser beam reflected by the measurement object An acquisition system,
A plurality of laser beam emitting units arranged at different positions, which simultaneously irradiate laser beams that have been time-modulated according to amplitude-modulated signals, from different directions toward the same range of the measurement object;
A plurality of photoelectric converters that receive a plurality of laser beams reflected by the measurement object and output electrical signals corresponding to the received laser beams;
An element having a plurality of micromirrors arranged on a plane provided corresponding to each photoelectric converter, and the reflective surface of the micromirror selected from these micromirrors is controlled in a predetermined direction. By turning them on, the laser beams reflected from the micromirrors in the ON state are guided to the respective light receiving surfaces of the corresponding photoelectric converters and are arranged at different positions. A mirror array spatial modulation element;
For each electrical signal output from each photoelectric converter, an electrical signal component identification unit that identifies electrical signal components corresponding to each of a plurality of laser beams received by the light receiving surface of each photoelectric converter;
Using the information on the emission position of each laser beam and the information on the arrangement position of the micromirrors in the ON state in each micromirror array spatial modulation element, for each electrical signal component corresponding to each laser beam, the measurement object A position information calculation unit for obtaining the three-dimensional position information of
A three-dimensional image information creating unit that creates three-dimensional image information of the measurement object based on the three-dimensional position information of the plurality of measurement objects obtained for each electrical signal component corresponding to each laser beam; 3D image information acquisition system.
前記電気信号成分識別部において識別された各電気信号成分の強度が大きいほど、大きな重み付け係数を各電気信号成分に対して設定する重み付け係数設定部を備え、A weighting coefficient setting unit that sets a larger weighting coefficient for each electric signal component as the intensity of each electric signal component identified in the electric signal component identification unit is larger;
前記3次元画像情報作成部は、各レーザ光に対応する電気信号成分それぞれについて求められた複数の前記測定対象物の3次元位置情報のそれぞれを、前記重み付け係数を用いて重み付けし、前記測定対象物の3次元画像情報を作成する請求項1に記載の3次元画像情報取得システム。The three-dimensional image information creation unit weights each of the three-dimensional position information of the plurality of measurement objects obtained for each electric signal component corresponding to each laser beam using the weighting coefficient, and The three-dimensional image information acquisition system according to claim 1, wherein three-dimensional image information of an object is created.
前記振幅変調信号を用いて、各レーザ光それぞれの出射位置から測定対象物までの距離情報を算出する距離情報算出部を備え、A distance information calculation unit that calculates distance information from the emission position of each laser beam to the measurement object using the amplitude modulation signal,
前記位置情報算出部は、前記距離情報を更に用いて、測定対象物の3次元位置情報を求める請求項1又は2に記載の3次元画像情報取得システム。The three-dimensional image information acquisition system according to claim 1, wherein the position information calculation unit obtains three-dimensional position information of the measurement object by further using the distance information.
前記複数のレーザ光出射部から同時に出射される複数のレーザ光それぞれは、前記振幅変調信号により時間変調されるとともに、さらに各レーザ光毎に識別可能な符号化変調信号で時間変調され、
前記電気信号成分識別部は、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、複数のレーザ光それぞれに応じた電気信号成分を識別する請求項1乃至3のいずれかに記載の3次元画像情報取得システム。
Each of the plurality of laser beams emitted simultaneously from the plurality of laser beam emitting units is time-modulated by the amplitude modulation signal and further time-modulated by an encoded modulation signal that can be identified for each laser beam,
The electrical signal component identifying unit can use the information coded modulation signal included in the electrical signal, according to one of claims 1 to 3 for identifying an electrical signal components corresponding to the plurality of laser beams 3D image information acquisition system.
前記マイクロミラーアレイ空間変調素子は、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受光面に導く請求項1乃至4のいずれかに記載の3次元画像情報取得システム。 In the micromirror array spatial modulation element, the micromirrors in the ON state occupy 50% or more of all the micromirrors, the micromirror control patterns are sequentially switched, and the laser light spatially modulated in accordance with the control patterns is converted into the photoelectrical light. The three-dimensional image information acquisition system according to any one of claims 1 to 4, wherein the three-dimensional image information acquisition system is guided to a light receiving surface of a converter. 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請求項に記載の3次元画像情報取得システム。 The three-dimensional image information acquisition system according to claim 5 , wherein the control patterns that are sequentially switched are control patterns that are orthogonal to each other. 前記電気信号成分識別部において識別された各電気信号成分それぞれから測定対象物の表面における反射率を算出する反射率算出部を有し、A reflectance calculation unit that calculates the reflectance at the surface of the measurement object from each of the electrical signal components identified by the electrical signal component identification unit;
前記3次元画像情報作成部は、複数の前記反射率のそれぞれを、前記重み付け係数を用いて重み付けし、前記測定対象物の3次元画像情報を作成する請求項2乃至6のいずれかに記載の3次元画像情報取得システム。  The said three-dimensional image information preparation part weights each of the said some reflectance using the said weighting coefficient, and produces the three-dimensional image information of the said measurement target object in any one of Claim 2 thru | or 6. 3D image information acquisition system.
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