JP4488930B2

JP4488930B2 - レーザ計測装置

Info

Publication number: JP4488930B2
Application number: JP2005063476A
Authority: JP
Inventors: 卓史吉田; 憲明木村; 恭二土井; 孝佳弓井
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2025-03-08
Also published as: JP2006250543A

Description

本発明は、レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光や蛍光を受光することにより測定対象物の３次元画像情報や蛍光分布を取得するレーザ計測装置に関する。例えば、測定対象物の３次元画像情報を取得する３次元画像情報取得装置であり、測定対象物が発する蛍光特性を取得する蛍光検出装置である。３次元画像情報取得装置は、例えばマシンビジョンシステム（産業用画像検査装置）や測定対象物から反射し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ができる。

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。

対象物の３次元位置情報を取得する方法として、例えば、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１）。
また、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）。

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、２００５年１月２８日検索、インターネット、＜URL:http://www.ihi.co.jp/ihi/technology/gihou/image/43-4-2.pdf＞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＞「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、２００５年１月２８日検索、インターネット、＜http://www.tri.pref.osaka.jp/group/sense/oldfile/3d/3d3.htm＞

一方、このような３次元位置情報、３次元画像、３次元形状を取得する方法では、複雑な形状を成した構造物において、幅が狭く深さの深い凹部（狭深部）の底面や屈曲した狭深部の底面の３次元形状の情報を取得することは極めて困難である。
例えば、上記非特許文献１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レーザ光を走査させるが、このとき、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。さらに、屈曲した狭深部の底面にレーザ光を照射することも困難である。さらに、測定対象物上ではレーザ光のスポットを絞る必要があるので、測定対象物はレーザ光の照射エネルギに耐え得る材料に限られる。このように、狭深部の底面や屈曲した狭深部の底面の３次元形状の情報を取得することは困難である。

上記非特許文献２の方法を用いて、カメラ及び撮影レンズを構成する部分にイメージングファイバを接続し、イメージングファイバを狭深部に挿入して異なる方向から撮影することも考えられる。この場合、多数のイメージングファイバを狭深部に挿入して、それぞれ所望の方向から撮影することは極めて困難である。また、複眼カメラにより、底面の微小な凹凸を測定しようとしても、狭深部の狭い空間のために、複眼カメラの配置の自由度が制限されて、所定の視野角度を持って２方向から底面を撮影することはできない。

また、上記非特許文献３におけるレーザ光のスリット投影は、狭深部が屈曲している場合、狭深部の底面の所望の位置にスリット状のレーザ光を照射することは困難である。また、パターン形状を有するレーザ光を狭深部の底面に照射する場合においても、狭深部の底面の所望の位置に、所定のパターン形状でレーザ光を照射することは困難である。
このような測定対象物における３次元位置情報の取得は、複雑な形状をした部品を扱う自動車分野、電子工学分野、バイオ分野、ロボット光学分野等において望まれている。

そこで、本発明は、測定対象物、例えば狭深部の底面等の測定対象物の表面に、レーザ光を照射し、この測定対象物から到来する光を受光することにより測定対象物の情報を自動的に取得する装置であって、従来のシステムとは異なる方法を用いて高速に情報を取得するレーザ計測装置、例えば測定対象物の反射光を計測することで、３次元位置情報を取得する３次元画像情報取得装置や測定対象物が発する蛍光を計測する蛍光検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、レーザ光を測定対象物に照射し、この測定対象物の表面で反射したレーザ光を受光することにより測定対象物の情報を取得するレーザ計測装置であって、それぞれ波長の異なる複数のレーザ光を測定対象物に照射する複数のレーザダイオードを有し、これら複数のレーザダイオードからそれぞれ振幅変調信号に従って光強度を時間変調すると共に符号化変調信号に従って変調されたレーザ光を出射するレーザ光出射部と、レーザ光を照射した測定対象物から到来する光を受光して電気信号に変換する光電変換器と、前記レーザ光出射部から出射された複数のレーザ光を一方の端部から伝送して他方の端部から測定対象物に向けて照射するライトガイドファイバと、この照射によって測定対象物から到来する光を一方の端部から取り込んで伝送し前記光電変換器の配された他方の端部の側に導くイメージングファイバと、を有するガイドファイバと、前記イメージングファイバの前記他方の端部と前記光電変換器の受光面との間の光路上に設けられ、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％以上を占めるように、マイクロミラーの制御パターンを順次切り換え、この制御パターンに応じて、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した、測定対象物から到来する光を前記光電変換器の受光面に導き、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射した測定対象物から到来する光を前記光電変換器と異なる方向に導くマイクロミラーアレイ空間変調素子と、前記ＯＮ状態のマイクロミラーで反射され前記光電変換器で受光された光の電気信号に含まれる符号化変調信号の情報を利用して前記光電変換器で受光された光が前記複数のレーザ光のうちどのレーザ光に基づくものかを識別し、各レーザ光の前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報と測定対象物における反射率とを取得するとともに、これら位相ずれ情報及び反射率と、前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報とを用いて測定対象物の３次元位置情報を求めるデータ処理部と、を有し、レーザ光を２次元的に走査することなく測定対象物の前記３次元位置情報を得ることを特徴とするレーザ計測装置を提供する。

ここで、前記データ処理部は、前記位相ずれ情報及び前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報とともに、前記レーザ光の前記レーザ光出射部における出射位置の情報とを用いて測定対象物の３次元位置情報を求めることが好ましい。

その際、前記レーザ光出射部は、５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの高周波の振幅変調信号を用いてレーザ光を時間変調し、前記データ処理部は、前記電気信号における前記位相ずれ情報を取得し、この位相ずれ情報を用いて、前記レーザ計測装置と測定対象物との間の距離情報を求めることが好ましい。さらに、前記データ処理部は、求められた前記距離情報と前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報とから、レーザ光の前記レーザ計測装置への到来方向と直交する方向における測定対象物の位置情報を求めることが好ましい。

また、前記データ処理部は、前記振幅変調信号及び前記振幅変調信号を所定量位相シフトさせた位相シフト変調信号をそれぞれ参照信号とし、この参照信号を用いて、前記電気信号から、前記位相ずれ情報とともに測定対象物の表面における前記反射率の情報を取得することが好ましい。

また、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。

本発明では、マイクロミラーアレイ空間変調素子のＯＮ状態となるマイクロミラーの２次元位置情報と、レーザ光が照射された測定対象物からの反射光の位相ずれ情報とを用いて、測定対象物の情報、例えば３次元位置情報及び反射率や蛍光緩和特性を求め、これらの情報から測定対象物の３次元画像情報や蛍光分布を高速に取得する。その際、測定対象物に照射するレーザ光を伝送するライトガイドファイバ及び測定対象物から到来する光を伝送するイメージングファイバを有するガイドファイバを用いるので、狭深部や微小部分にガイドファイバを近づけることにより、これらの部分の３次元位置情報や蛍光緩和特性等をきわめて容易に取得することができる。

以下、本発明のレーザ計測装置について、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。

図１は、本発明のレーザ計測装置は、３次元画像情報取得装置及び蛍光検出装置の両機能を備えたレーザ計測装置（以降、装置という）１０の外観図である。まず、３次元画像情報取得装置の機能から説明する。
装置１０は、複数（ｎ個）のレーザ光を同一の出射位置から出射させて、狭深部Ｓ中の測定対象物Ｔに照射し、このときの測定対象物Ｔからの反射光を受光することにより取得される、測定対象物Ｔの３次元位置情報及び測定対象物Ｔの表面における反射率を用いて、３次元画像情報を取得する装置である。図１中、測定対象物Ｔは、狭深部Ｓの底面である。

装置１０は、レーザ光を測定対象物Ｔに照射し測定対象物Ｔからの反射光を受光することにより出力される電気信号から測定対象物の３次元画像情報を含んだ信号を出力する本体部１２と、レーザ光を伝送して測定対象物Ｔに向けて照射するとともに、測定対象物Ｔからの反射光を受光手段に向けて伝送するガイドファイバ１３と、本体部１２から出力された信号を用いて測定対象物Ｔの３次元画像情報を取得するコンピュータ１４と、を有する。
コンピュータ１４は、本体部１２から出力される信号を用いてデータ処理を行う他、本体部１２の各ユニットの駆動や駆動のタイミングを制御する制御部分でもある。

ガイドファイバ１３は、本体部１２から出射されたレーザ光を伝送し、一方の端部から測定対象物Ｔに向けて照射するライトガイドファイバ１３ａと、この照射によって測定対象物Ｔから到来する反射光を端部から取り込んで伝送し、本体部１２の光電変換器に導くイメージングファイバ１３ｂとを有する。

ライトガイドファイバ１３ａの一方の端部はファイバ開口端となっており、この開口端から測定対象物Ｔに向けてレーザ光を照射するようになっており、他方の端部はファイバコネクタ１３ｅを介して後述する光学ユニット３０と接続されている。ライトガイドファイバ１３ａは、本体部１２から出射する複数のレーザ光をまとめて伝送するように１本で構成されている。ライトファイバ１３ｂにより伝送されるレーザ光は、ファイバ内で反射を繰り返して伝送されるため、ライトファイバ１３ｂから照射されるレーザ光の強度分布は均一になり、測定対象物Ｔに均一に照射することができる。
イメージングファイバ１３ｂには、一方の端部に測定対象物Ｔからの反射光を収束させる対物レンズ１３ｃが、他方の端部に接眼レンズ１３ｄが設けられ、ファイバコネクタ１３ｅを介して、レーザ光の反射光を光学ユニット３０に導くように構成されている。イメージングファイバ１３ｂは、径の小さい約１００００〜２００００本のファイバが束ねられて構成されたものである。

図２は、本体部１２の装置構成を示したブロック図である。
本体部１２は、レーザ光出射ユニット２０と、光学ユニット３０と、レーダ回路ユニット４０と、制御回路ユニット５０とを有する。制御回路ユニット５０は、コンピュータ１４と接続されている。

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、図２に示すように、レーザダイオード２２（２２ａ〜２２ｈ）と、レーザダイオード２２ａ〜２２ｈを駆動するレーザドライバ２４（２４ａ〜２４ｈ）と、レーザドライバ２４のそれぞれに振幅変調信号を分配するパワースプリッタ２６と、レーザダイオード２２ａ〜２２ｈのそれぞれに対応して設けられた光学レンズ２８ａ〜２８ｈとを有する。レーザ光出射ユニット２０のレーザ光はライトガイドファイバ１３ａに導かれるように、レーザ光出射ユニット２０はファイバコネクタ１３ｅを介してガイドファイバ１３と接続されている。

レーザドライバ２４ａ〜２４ｈには、後述するＰＮ符号化変調信号が供給され、レーザダイオード２４ａ〜２４ｈの出射のＯＮ／ＯＦＦがＰＮ符号化変調信号により制御される。また、パワースプリッタ２６に供給される振幅変調信号（以降、ＲＦ変調信号という）は、予め定められた周波数（５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ）の信号で、レーザダイオード２４ａ〜２４ｈ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。

レーザ光出射ユニット２０は、複数のレーザダイオードを有するが、本発明においては、レーザダイオードの個数に制限はなく、複数であってもよいし、１つであってもよい。
また、本実施形態ではレーザダイオードのレーザ光は、１本のライトガイドファイバ１３ａを経由して伝送される同一波長の照射光であるが、波長の異なるレーザ光であってもよい。この場合、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）及びＢ（青）の３原色の可視レーザ光を同一の領域に照射することによって、後述するように測定対象物Ｔの表面における３原色の反射率を得ることができ、３次元カラー画像情報として取得することができる。

光学ユニット３０は、測定対象物Ｔの表面で反射し、イメージングファイバ１３ｂを経由して伝送された反射光を受光する部分で、図２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。

バンドパスフィルタ３１は、３次元計測の場合には、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。なお、後述するように蛍光検出を行う場合には、照射するレーザ光を除去し、対象となる蛍光のみを通すバンドパスフィルタを用いる。
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。

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。

図３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３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。

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。

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。

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４（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４（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。

図４（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４（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４（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４（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。

図４（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状態に、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。

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。

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ている部分である。これらのデバイスからそれぞれ電気信号が出力される。なお、光電変換器３８に設けられる上記デバイスの数は限定されず、複数個でもよく、又１個であってもよい。これらのデバイスは複数のマイクロミラーの異なる領域で反射されたレーザをそれぞれ別々に受光するようにデバイスを配置してもよい。こうすることによりＯＮ状態のマイクロミラーで反射されるレーザ光を別々に受光し、短時間に３次元画像情報を取得することができる。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。

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。

レーダ回路ユニット４０は、レーザ光出射ユニット２０のパワースプリッタ２６にＲＦ変調信号を供給するとともに、光電変換器３８から出力された電気信号を、パワースプリッタ２６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）として取り出す部分である。
具体的には、レーダ回路ユニット４０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、８つのミキサ４７（４７ａ〜４７ｈ）及びミキサ４７ａ〜４７ｈのそれぞれに対応した増幅器４８（４８ａ〜４８ｈ）を有する。

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、レーザ光を時間変調する。

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２６に供給され、ＲＦ変調信号として用いられる。他方の信号は移相器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し、これらの信号を、増幅器４５を介してパワースプリッタ４６に供給する部分である。
パワースプリッタ４６は、光電変換器３８の複数の光電子倍増管等のデバイスに対応して設けられたミキサ４７ａ〜４７ｈにＲＦ変調信号又は位相シフト変調信号を分配する部分である。

ミキサ４７は、供給された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から出力され増幅された電気信号と乗算（ミキシング）することにより合成し、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。また、各周波数のＲＦ変調信号において、移相器４４により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、ミキサ４７はこれらのローカル信号と電気信号のミキシング（乗算）を行う。
なお、本実施形態では、位相器４４及びミキサ４７ａ〜４７ｈを用いて、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を生成して、信号の合成を行うが、位相器４４及びミキサ４７ａ〜４７ｈの替わりに、ＩＱ（In-phase, Quadrature-phase）ミキサを用いることもできる。

制御回路ユニット５０は、レーザ光出射ユニット２０、光学ユニット３０及びレーダ回路ユニット４０の駆動を制御する各種制御信号（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）を生成し、所定のユニットに供給するとともに、レーダ回路ユニット４０から出力される信号を処理する部分である。
制御回路ユニット５０は、システム制御器５１、ローパスフィルタ５２、増幅器５３及びＡ／Ｄ変換器５４を有する。

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。
ローパスフィルタ５２は、レーダ回路ユニット４０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位相情報及びＰＮ符号化変調信号の情報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。
なお、レーザ回路ユニット４０から出力される信号は、光電変換器３８の８つの光電子倍増管毎に独立に出力され、それぞれ別々にフィルタ処理、増幅、Ａ／Ｄ変換されて、コンピュータ１４にパラレル信号として供給される。

コンピュータ１４は、図５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、本体部１２の各ユニットを駆動、制御する各種信号を制御回路ユニット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。

データ処理部６４は、中間周波数デジタル信号から、３次元画像を構成する測定対象物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とを有する。
信号変換部６６は、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。
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回路ユニット５０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。

制御パターン信号は、図４（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）。
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、各マイクロミラー毎に反射されるレーザ光の情報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、アダマール逆変換にて求められる受光したレーザ光の情報は、複数のレーザダイオード２４から出射される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。

上述したようにレーザ光出射ユニット２０は、８つのレーザダイオード２２ａ〜２２ｈを用いて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６は、ＰＮ符号化変調信号の一例を示す図である。図６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＝｛ａ_k｝(kは自然数)を求めることができる。

さらに、系列符号Ｃ＝｛ａ_０，ａ_１，ａ_２，………，ａ_n−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Ｔ_ｑ１・ｃ（Ｔ_ｑ１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Ｔ_ｑ１・Ｃは、{ａ_ｑ１，ａ_ｑ１＋１，ａ_ｑ１＋２，………，ａ_{ｑ１＋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Ｔ_ｑ２・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，Ｔ_ｑ１・Ｃ，Ｔ_ｑ２・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。

具体的に説明すると、長さｎの系列符号をＣ＝｛ｂ₀，ｂ₁，ｂ₂，………,ｂ_n-1｝とし、上記作用素Ｔ_ｑを系列符号Ｃに作用させた系列符号をＣ’＝Ｔ_ｑ・Ｃ、すなわちＣ’＝｛ｂ_q，ｂ_q+1，ｂ_q+2，………,ｂ_q+n-1}として、系列符号ＣとＣ’との間の相互相関関数Ｒ_cc'(q)を下記式（２）のように定義される。ここで、Ｎ_Aは系列符号における項a_iと項b_q+iの（ｉは０以上ｎ−１以下の整数）一致する数であり、Ｎ_Dは系列符号における項a_iと項b_q+iの不一致の数である。また、Ｎ_AとＮ_Dの和は系列符号長さｎとなる（Ｎ_A＋Ｎ_D＝ｎ）。ここで、iとｑ＋iはｍｏｄ（ｎ）で考える。

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、Ｎ_A−Ｎ_D＝−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。

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Ｒ_ｃｃ’（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Ｒ_ｃｃ’（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、Ｒ_ｃｃ’（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。

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ＰＮ符号の復号を行い、これにより、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。

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変調信号に対する上記位相ずれ量を取得し、この位相ずれ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。

すなわち、各レーザ光の信号の位相ずれ量である、ＲＦ変調信号の周波数に関する位相ずれθ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）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θを算出する。

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７（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、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７（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。

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。こうして、測定対象物Ｔの表面の３次元位置情報がディスプレイ１６に供給されて測定対象物Ｔの３次元形状が表示される。

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、ＲＦ変調信号の周波数別に算出され、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。

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、装置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。取得された測定対象物Ｔの画像情報はディスプレイ１６に送られて、先に送られた測定対象物Ｔの３次元形状とともに３次元画像として画像表示される。
装置１０は、以上のように構成される。

次に、装置１０の作用について説明する。
図８（ａ）〜（ｄ）は、装置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。

まず、制御回路ユニット５０にて、コンピュータ１４の指示に応じて、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８（ａ）参照）が生成される。
次に、システム制御器５１では、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。

図８（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、所定の周波数ｆで変調されたレーザ光が複数同時に出射される。その際、光電変換器３８における受光においてど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レーザドライバ２４ａ〜２４ｈに供給する。
すなわち、レーザ光の強度は周波数ｆで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。

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８（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。

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、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。

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８（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。

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、次に、順次モード２、３……に切り換えられ、各モードにおいて周波数ｆにより変調されたレーザ光を照射し、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。

例えば、ｉ番目（ｉ＝１〜ｎの自然数、ｎはレーザ光の数）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Ａ_i（ｔ）を下記式（１０）のように定め（ｐ_i（ｔ）はＰＮ符号化変調信号による時間変調成分）、ミキサ４７に供給されるローカル信号Ａ_０（ｔ），Ａ_９０（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して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。

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。

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・ｒ_i・ｃｏｓ（θ_i）及び１／２・ｒ_i・ｓｉｎ（θ_i）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。

距離情報算出部６８では、求められた１／２・ｒ_i・ｃｏｓ（θ_i）及び１／２・ｒ_i・ｓｉｎ（θ_i）の値から位相ずれθ_i（以降、位相ずれ角度という）算出する。この位相ずれ角度θ_i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。この位相ずれ角度θ_i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。

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・ｒ_i・ｃｏｓ（θ_i），１／２・ｒ_i・ｓｉｎ（θ_i）の値を用いて反射率ｒ_i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。

なお、３次元位置情報及び反射率を求める際、異なるレーザ光によって測定対象物Ｔの同じ領域が照射されて、同じ領域の３次元位置情報および反射率が同時に求められる場合がある。この場合３次元位置情報の平均値および反射率の平均値を採用したり、反射率が大きな値を持つレーザ光から得られた３次元位置情報を採用してもよい。

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ｒ_i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。
このように、装置１０は、空間変調素子３４を用いるので、従来のように、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る必要が無く、図２に示す光学レンズ３２として大口径のものを用いることができる。これにより、レーザ光の集光能力も増大するので、遠方の測定対象物を低出力のレーザ光を用いて短時間に３次元画像を取得することができる。
なお、上記実施形態では、狭深部Ｓにガイドファイバ１３を挿入して測定対象部Ｔの３次元位置情報を取得するが、測定対象物Ｔは狭深部Ｓに限定されるわけではない。例えば、平面上の微小部分であってもよい。ガイドファイバ１３をこの微小部分近づけて、レーザ光を照射することで、極めて容易に微小部分の表面形状を知ることもできる。

また、装置１０は、測定対象物Ｔにレーザ光を照射し、この照射によって発する蛍光特性分布を求める蛍光検出装置として用いることができる。
この場合、図２に示す装置の光電変換器３８の前面に、図９に示すようにレーザ光を除去し、測定対象物Ｔの発する蛍光を透過するフィルタ８０を配置するとよい。
この場合、コンピュータ１４は、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射され光電変換器３８で受光された蛍光の電気信号の、振幅変調信号に対する位相ずれ量を取得するとともに、この位相ずれ量と、ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報とを用いて測定対象物の蛍光特性（蛍光緩和時定数）を求める。

具体的には、コンピュータ１４の反射率算出部７２では、信号変換部６６から供給された１／２・ｒ_i・ｃｏｓ（θ_i），１／２・ｒ_i・ｓｉｎ（θ_i）の値を用いて、ｔａｎ（θ_i）を求め、この値から位相ずれ量である角度θ_i（位相ずれ角度）を算出する。この場合、角度θ_i（位相ずれ角度）は、蛍光色素の発する蛍光の蛍光緩和時定数に依存しており、例えば１次緩和過程で表した場合、ｃｏｓ成分及びｓｉｎ成分は、下記式（１４），（１５）で表される。

ここで、θは位相ずれ角度であり、ωはレーザ光の変調周波数であり（ω＝２πｆ）、τは蛍光緩和時定数である。

すなわち、ｉ番目のレーザ光の照射による蛍光の電気信号（蛍光信号）のｃｏｓ成分（１／２・ｒ_i・ｃｏｓ（θ_i））及びｓｉｎ成分（１／２・ｒ_i・ｓｉｎ（θ_i））の比ｔａｎ（θ_i）から求められる位相ずれ角度θ_iを用いて、上記式（１４）、（１５）から、蛍光緩和時定数τを求めることができる。
この蛍光緩和時定数τは、蛍光色素の種類によって変わる。このため、蛍光緩和時定数τを求めることで、２つの蛍光色素の比率を特定することができる。

このように、蛍光色素を有する測定対象物Ｔに、所定の周波数で強度変調したレーザ光を照射し、そのとき発する蛍光を検出することにより、蛍光緩和時定数τから蛍光の種類を識別することができる。また、位相ずれ角度θとともに、反射率ｒ_iを求めることができるが、この場合、反射率ｒ_iは蛍光強度を表す。この蛍光強度ｒ_iと、マイクロミラーの位置座標とから、蛍光特性分布である蛍光強度の２次元分布を求めることができる。
また、蛍光緩和時定数τは、マイクロミラー毎に求められるので、マイクロミラーの位置情報から蛍光緩和時定数の２次元分布を求めることもできる。
装置１０は、ガイドファイバ１３を、蛍光色素を有する測定対象物Ｔに近づけてレーザ光を測定対象物Ｔに向けて照射することにより、蛍光強度の２次元分布を取得することができ、さらに蛍光緩和時定数τや蛍光緩和時定数τの２次元分布を求めることができる。

以上、本発明のレーザ計測装置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。

本発明のレーザ計測装置の一実施形態の３次元形画像情報取得装置の外観図である。図１に示す３次元形画像情報取得装置の本体部の装置構成を示すブロック図である。図１に示す３次元形画像情報取得装置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。（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す３次元形画像情報取得装置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。図１に示す３次元形画像情報取得装置のコンピュータの構成を示すブロック図である。図１に示す３次元形画像情報取得装置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。（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す３次元形画像情報取得装置において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）〜（ｄ）は、図１に示す３次元形画像情報取得装置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。本発明のレーザ計測装置の実施形態であり、蛍光検出装置として図１に示す装置を機能させるときの、構成の一部を説明する図である。

符号の説明

１０レーザ計測装置
１２本体部
１３ガイドファイバ
１３ａライトガイドファイバ
１３ｂイメージングファイバ
１３ｃ対物レンズ
１３ｄ接眼レンズ
１３ｅ，１３ｆファイバコネクタ
１４コンピュータ
１６ディスプレイ
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
２６，４２，４６パワースプリッタ
２８，３２，３６光学レンズ
３０光学ユニット
３４マイクロミラー空間変調素子
３７ミラー
３８光電変換器
４０レーダ回路ユニット
４１発振器
４３，４５，４８，５３増幅器
４４移相器
４７ミキサ
５０制御回路ユニット
５１システム制御器
５２ローパスフィルタ
５４Ａ／Ｄ変換器
６０ＣＰＵ
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
７０３次元位置情報算出部
７２反射率算出部

Claims

レーザ光を測定対象物に照射し、この測定対象物の表面で反射したレーザ光を受光することにより測定対象物の情報を取得するレーザ計測装置であって、
それぞれ波長の異なる複数のレーザ光を測定対象物に照射する複数のレーザダイオードを有し、これら複数のレーザダイオードからそれぞれ振幅変調信号に従って光強度を時間変調すると共に符号化変調信号に従って変調されたレーザ光を出射するレーザ光出射部と、
レーザ光を照射した測定対象物から到来する光を受光して電気信号に変換する光電変換器と、
前記レーザ光出射部から出射された複数のレーザ光を一方の端部から伝送して他方の端部から測定対象物に向けて照射するライトガイドファイバと、この照射によって測定対象物から到来する光を一方の端部から取り込んで伝送し前記光電変換器の配された他方の端部の側に導くイメージングファイバと、を有するガイドファイバと、
前記イメージングファイバの前記他方の端部と前記光電変換器の受光面との間の光路上に設けられ、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％以上を占めるように、マイクロミラーの制御パターンを順次切り換え、この制御パターンに応じて、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した、測定対象物から到来する光を前記光電変換器の受光面に導き、ＯＦＦ状態のマイクロミラーで反射した測定対象物から到来する光を前記光電変換器と異なる方向に導くマイクロミラーアレイ空間変調素子と、
前記ＯＮ状態のマイクロミラーで反射され前記光電変換器で受光された光の電気信号に含まれる符号化変調信号の情報を利用して前記光電変換器で受光された光が前記複数のレーザ光のうちどのレーザ光に基づくものかを識別し、各レーザ光の前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報と測定対象物における反射率とを取得するとともに、これら位相ずれ情報及び反射率と、前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報とを用いて測定対象物の３次元位置情報を求めるデータ処理部と、を有し、
レーザ光を２次元的に走査することなく測定対象物の前記３次元位置画像情報を得ることを特徴とするレーザ計測装置。
前記データ処理部は、前記位相ずれ情報及び前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報とともに、前記レーザ光の前記レーザ光出射部における出射位置の情報とを用いて測定対象物の３次元位置情報を求める請求項１に記載のレーザ計測装置。
前記レーザ光出射部は、５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの高周波の振幅変調信号を用いてレーザ光を時間変調し、
前記データ処理部は、前記電気信号における前記位相ずれ情報を取得し、この位相ずれ情報を用いて、前記レーザ計測装置と測定対象物との間の距離情報を求める請求項１又は２に記載のレーザ計測装置。
前記データ処理部は、求められた前記距離情報と前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報とから、レーザ光の前記レーザ計測装置への到来方向と直交する方向における測定対象物の位置情報を求める請求項３に記載のレーザ計測装置。
前記データ処理部は、前記振幅変調信号及び前記振幅変調信号を所定量位相シフトさせた位相シフト変調信号をそれぞれ参照信号とし、この参照信号を用いて、前記電気信号から、前記位相ずれ情報とともに測定対象物の表面における前記反射率の情報を取得する請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ計測装置。
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１〜５のいずれか１項に記載のレーザ計測装置。