JPH02502398A - 回折による距離測定 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １０発明の名称 回折による距離測定 及豆Ω里１ 本発明は一般に光学距離計のメカニズムを利用した距離測定の概念に関し、より 詳細には、単色光で照らされた目標物の表面から回折格子の距離の関係と、格子 を通して観測される次数０の各回折像から高次の回折像の各相対的変位とを相関 させることにより距離を測定する方法に関する。

１　および　・ 光学距離計は距離の情報を表示するカメラである。

従来の二次元のカメラは入射光または反射光で物体のでの距離によって決まる。

光学距離測定カメラには本質的に能動と受動の２つの種類がある。能動と受動の 違いは目的物の照射され方による。能動の距離計（レンジファインダ）は目標物 を照射する光源を制御し、受動の距離計は周囲の照明のみに依存する。

受動の距離測定には、形状分析、多数の（一般に立体的な）ビュー、被写界深度 または光学的焦点分析の３つの主な原理が適用される。受動の距離測定の３つの 原理のすべての実施例は、従来の二次元カメラで実現される０例えば形状分析の １つのの方式は既知のサイズの目標物を観測および表示（撮影）し、かつ表示さ れたサイズを単に測定するだけでカメラから目標物の距離を決定することにより 実現される。または、１つの目標物の水平方向に片寄った２つのビューが撮影さ れかつその２枚の写真が既知の深度のある点に登録されると、互いに間違のある 他のいかなる距離も登録された写真間の水平方向の寸法の違いを測定することに より測定できる。そのような多数のビューを用いる方法は三角測量の手順の変形 で、能動の距離測定にも使用される。受動の距離測定の最後の原理は被写界深度 または焦点分析である。焦点がぼけたレンズの錯乱円の半径がレンズから被写体 への距離に比例するので、焦点が最も合う位置に目標物を配置するとレンズのケ ースにつけられた目盛りを参照することにより目標物の距離がすぐに読めるよう に、レンズのケースに較正目盛りをつけることができる。

光を用いた能動の距離測定には距離計に制御される光源が必要である。最も熱心 な研究が行なわれている分野は三角測量、飛行時間（ＬＡＤＡＲ）　、投影パタ ーン（Ｍｏｉｒｅ）および焦点較正である。三角測量においては立体写真システ ムの第２カメラは、投光器のように明確な構造をもつ光源に置替えられる０通常 、投光器からはシート状に光が出る。投光器の軸線をまっすぐに見ると、光が入 射する表面の奥行の形状がいかなるものあっも、光のシートは直線に見える。ま た軸線を外れた位置から見ると光の面は曲がっているように見える。光の面の湾 曲の形状は深さと相関させることは容易である。

明確な構造をもつ光源を用いた別の方法では、被写体に一様に間隔を置いて配置 された、一対の二次元パターンを放射しなければならない、この２つのパターン は互いに干渉してモアレ模様のパターンを作り、容易に撮影できる。モアレ模様 の地形図的形状はカメラから被写体の距離の変化に比例する。　ＬＡＤＡＲはレ ーダによる電磁気の距離測定に似ている。違いは能動の光源としてパルス変調レ ーザが使用されることである。

特別に設計された距離計のセンサはレーザから目標物を経て距離計に戻る飛行時 間を測定する。　ＬＡＤＡＲシステムは高価なうえに扱いにくく不正確であるが 、三角測量およびモアレ模様に基づくシステムよりも光源がセンサと同軸にある という大変重要な利点がある。その結果、測定される儂がさえぎられたり影がで きることはない。

能動の光源を用いた測定の別の同軸システムは焦点較正（分析）である、そのよ うなシステムでは、カメラからペンシルビーム（光線束）が発せられる。較正さ れたレンズから見えるビームの錯乱円の半径は、目標物までの距離の約数である 。

光学距離計を使用する場合には、それが能動であるか受動であるかにかかわらず 、単一の共通な欠点のあることが一般に明らかである。公知のシステムはすべて 、かなり多数の精巧の光学素子、面倒な目盛り調べ、二軸性の光源および表示シ ステム、かなり高次の数学モデルを解決するための非常に高性能な装置を必要と する。光学距離測定の従来技術は、前記の欠点のうち最初の３つを避けてリアル タイムの距離データが得られる技術である。カルフォルニア州ロスアンゼルスの 南カルフォルニア大学の像処理研究所Ｐ、シャプルとＴ、　Ｃ，ストランドの行 っているこ分野の研究によると距離は格子のタルボ−回折像を用いて測定できる ことがわがつった。　１９８４年３月１５日付の応用光学、第２３巻、第６号の の記事で、シャプルとストランドは１つの方法を論じている。その方法はリアル タイムの測定能力がありかつその方法のもとになる物理現象および測定された変 数である２つの根本的な面において以前の方法の多くのものとは異なる。方法は 回折現象を利用しかつ明暗比の変数を測定するものである。シャプルとストラン ドの方法は、格子のフレネル回折パターンの明暗比が、格子からの距離の関数お よび光の周波数によって変化することによる。しかし明暗比を測定すると明らか に欠点が増える。任意の距離情報を得るため単色のコヒーレント光の照明が電磁 界スペクトルの全体を不連続の周波数で発光しなければならないし、そのような 方法には不必要な費用がかかり、測定距離が１０メートル未満の場合には、不必 要に複雑化しなければならない、出願者にはシャプルとストランドの方法の重要 な要素が見落されているように思われ、回折現象をさらに調査しなければならな いように息われる。　回折格子は１００年以上もの開広範囲の応用に用いられて きた光学素子である。光学装置は主な光学素子により、光の波長に近い中心のあ る均等に間隔を置いて配置された直線から成る０回折格子により反射されたかま たは透過された光の性質は多数の学位論文、専攻論文、論説、テキストの主題と なってきた。残存している文献には回折による距離測定の発明の中心の現象の理 論的説明があるが、シャプルとストランドの前記研究を除けば、出願者の入手で きる現在の文献も特許の徹底的な調査も本主眼には明確な示唆を与えない、　回 折現象はしばしばフラウンホーファ回折とフレネル回折の２つの一般的種類に分 けられる。前者は格子を通る光が平面波として扱われる単純な場合である。一方 、波面は格子の間隔に関して湾曲を示す場合、より複雑なフレネル分析を用いる ことにより、副次的な回折効果を算定しなければならない、特に照射される点光 源は球状の波面を有する光を放射する。ホログラフィ−によって作られるような 細かく間隔を置いて配置された格子においては、湾曲した波面の効果は、いくつ かの距離測定に有効な範囲である数メートルの距離で顕著である。

出願者は、回折現象の利用、より詳細には回折像の次数の角度の変位を回折格子 から点光源までの距離の関数として表わすことによる距離測定の方法の開発を試 みた０回折格子を通して単色光の点光源を見ると・点光源の多数の像が認められ る０次数０の回折像は点光源の正確な位置に見えるが、次数の高い回折像は格子 の周波数、格子から点光源の距離、点光源から放射する光の色によって決る角度 で斜に配置される。特に、点光源の距離の関数としての次数の高い回折像の角度 の変位の効果はフレネル回折の場合のみ、すなわち点光源から波面が格子のサイ ズに関して湾曲している場合にのみ認められる。この方法による測定は点光源が 格子に近い場合に非常に正確である。角度の変位の割合は、点光源が格子から遠 のくにれでますます減少する。（初めの実験は、１ａａ＋あたり６００本の線が 刻まれた１０）の格子によりｌＩＩ＋の距離で赤い点光源により目標物の１次回 折の変位角度の測定可能な変化を明らかに示した。格子は、半インチのビディコ ン管に焦点を合わせ、焦点距離がＩＯｈ＋ｍのレンズによりｌ０ｃｍの距離で確 認した。） 前記の方法の最も簡単な実施例は、単色光のペンシルビームな目標への放射、格 子を通した目標の観察、および次数が０の位置からの次数の高い回折像の変位の 測定を意図するものである。そのような距離計は、単に目盛りをつけた目標物を 測定ることによって目盛りをつけることができ、変位と距離の相関関係のあるス ケールを確立することができる。変位の示度は、目盛りをつけたビューア−１あ るいは光電管の線形配列またはテレビカメラのような電気センサにより、目で読 み取ることができる。装置は放射されたビームとファインダーが光学的に同軸に ある場合、大変有効である。これにより、目で見えるあらゆる地点の測定が可能 である。

この方法をより高度に実施するには、１つか２つの移動可能なミラーを使用して 、水平方向および垂直方向のフィールドの同軸放射と見る角度を変えることであ る。これにより立体表面の絵素ごとの距離情報を得ることができる。そような走 査装置は本技術において公知であるが、距離情報を得るため、走査装置内に回折 格子を含ませることは、出願者の入手できる文献には発表されていない。

回折格子の多くの興なるピッチは単一の基板に製造することができる。その製造 のための技術には電子ビームリトグラフィーおよびホログラフィ−の光学要素（ ＨＯＥ’　Ｓ）が含まれる０次数の具なる回折格子の配列により別々の段階での 距離測定ができる。そのような実施例において、距離が不連続に増加すると、光 は個々の格子中で独特な変位をする。

フレネル回折の限界以上に測定距離を広げるため、回折格子は遠くの物体のサイ ズを測定するのに使用される。光の直線または正方形が放射される場合、光は格 子が次数０の回折像から１次回折像を分離するのに十分な距離に来るまで連続的 な物体として見える。前記の連続的な配列でのように、目標物の距離は、格子の どのピッチで直線または固体物が３つの連続的な像（１次回折の像が２つと、フ ィールドの中心の次数０の像が１つ）が分離するかを調べることにより測定でき る。この種の距離測定は形状分析に似ているが、前記の方法を用いることにより 、一層便利になる。

距離測定方法および回折像の前記調査は様々な長所や欠点があり、出願者は本発 明中でそれぞれ長所は取り入れ、欠点は避けるよう努力した。

従って、本発明の目的は、観察される被写体または目標物に近い最大限の精度で 、０〜３メートルの非常な近距離での測定に利用できる正確な距離測定方法を開 発することである。

本発明の別の目的は、光学装置の使い過ぎを避けることである。

本発明のさらに別の目的は、簡単に目盛りをつけらるシテムを開発することであ る。

また別の目的は、二軸照明や副次的表示システムの必要性を回避することである 。

さらにまた別の本発明の目的は、精巧な分析または合成技術および装置に頼る必 要がなく、むしろ大学や視覚教材を製造する小規模の会社、または光学コンピュ ータの研究所で通常入手できる装置で実現できる距離測定システムを提供するこ とである。

本発明の目的と長所の一部はこれまで説明し、一部は本発明から明らかになるか 、または本発明の実施によりわかるであろう０本発明は、本文中に示しかつ説明 され、または本文献を読むことにより推定される新品、図形、実施例および組み 合わせから成る。

ｉ豆皇里至 本発明の目的は、単色光のペンシルビームな放射し、照らされた目標物を回折格 子を通して見、かつ次数０の回折像の位置から高次の回折像の変位を測定するこ とにより実現されることがわかった。距離測定の目盛り調べは、公知の距離の目 標物を測定し、かつ回折像と目標物の距離の相関関係のあるスケールを確立する ことである。放射されるビームとファインダーが光学的に同軸にある場合、ＩＸ 光はされない、そのような配置では、光学素子は最少限で良く、目盛り調べが簡 単であり、同軸照明と副次的表示システムのためのスケールが簡潔で、高度な数 学的分析および合成装置はない。

図面の簡単な説明 第１図は、湾曲した波面のフレネル回折を描く。

第２図は、距離測定装置の好適な実施例の図である。

旺１塵！里 添付の図面、第１図および第２ｒ！ＩＪに、より詳細に触れる。第１図は点光源 Ｓｏ５から放射する波面が伝播し回折格子７に近づくところを描いている０回折 格子７のＳｌ　、およびＳ２地点では湾曲した波面６が回折さ。

れる、その結果、回折格子のもう一方の側の波面パターンは、隣接する開口部を 通って伝播する波面と相互に作用し、それにより互いに干渉するか、または強化 する。波面の強化地点は、それぞれ次数Ｏの回折像と１次回折像であるＩｏ　１ １および１１１２．１２′で終わる。

好適な実施例の第２図は、第１図に描かれるフレネル回折現象を利用した簡単な 装置である。単色光の光源１は、ビーム分割器３の表面に単色光のビーム２を集 中させる。ビームはもう１つの道２′に沿って目標物５に反射する。従って照ら されるＳｏまたは同様の点光源は、光がちとぐと発生している這６′沿いに伝播 し返され、ビーム分割器３を通過し、ビーム６′として出て来る。ビーム６′は 、回折格子７にぶつかる直前に、様式化された矢印の描くように湾曲される。

ビームは、第１図に描かれ説明されているのと同様に、回折格子７で回折される 。わかりやすくするために、次数０の回折像８および１次回折像９のみに関連す る波面またはビームが描かれる０回折像は対物レンズ１０に集中して通過し、現 われ、次数０の回折像１１および１次回折像１２として示される。観測可能かつ 実験的に繰り返し可能な現象は、回折格子７から点光源＄０５の距１ｉ１３およ び次数Ｏの回折像１１と１次回折像１２との間の変位１３′の対応で示される。

当業者には、対物レンズｌＯがビデオカメラと取り替え可能で、伝統的に平面に 放射される回折像１１および１２がビデオスクリーンに現われることがすぐに明 らかとなる。これ以後、距離１３が変位１３’　と相関関係になるように装置に 目盛をつけるのは簡単になる。

広い見地から考えろと、本発明は図面や本文中で論じられる特定の実施例に制限 されるべきではないが、本発明の原理に従いかつその利益を得るため、添付の特 許請求の範囲を逸脱することなく様々な変化や新案が考えることはできる。

国際調査報告

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. １．照射された目標物の表面からの回折格子の距離間の関係を、前記格子を通し て観察される、高次の回折像の、次数０のそれぞれの回折像の位置からのそれぞ れの相対的変位と相関されることによる、回折による距離測定の方法。
2. ２．前記目標物を単色光で照射する段階を含む、請求項１に記載の距離測定の方 法。
3. ３．遠くの点光源から放射されて回折格子を通過し、それにより点光源の光の波 面が様々な次数の多数の回折像に対応する多数の波面の分割される光を観察し、 高次の回折像の次数０のそれぞれの回折像からの見かけ上の変位と、前記点光源 の、前記回折格子か‘らの物理的距離を相関させることを含む、光学的な距離測 定の方法。
4. ４．点光源を単色光で照射する段階を含む、請求項３に記載の距離測定の方法。
5. ５．データが求められる目標物を照射するために使用される単色光の光源と、 目標物によって反射された光を受けてその波面を多数の次数の回折像に分割する 回折格子と、前記回折像の各次数の変位を観測しかつ区別し、それにより次数０ の回折像の位置からの変位が前記目標物からの前記回折格子の絶対距離に比較さ れる手段を含む、回折による距離測定装置。
6. ６．回折格子が前記単色光の１つ波長の整数倍に等しい少なくとも２つの隣接し た間隔を得るように刻線された、間隔の等しい直線を含む請求項５に記載の距離 測定装置。
7. ７．観測手段がビデオカメラを含む、請求項５に記載の距離測定装置。