JPH04102004A - 位置検出素子 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明はスポット光（像）あるいはスリット光（像）が
投影されている画素ホトセンサの位置に対応するディジ
タル量をリアルタイムで出力する位置検出素子に関する
ものであり、高速がっ高精度で、しかも、連続的に計測
できる２次元位置検出センサとしての一般的応用に加え
て、特に、光学系を利用した非接触の形状計測装置への
応用を意図して発案されたものである。

光学系を利用した非接触の３次元形状計測装置は、ＣＡ
Ｄ／ＣＡＭ、コンピュータビジョンあるいはロボットビ
ジョンをはじめとする工学分野のみならず、医学、服飾
学などの分野における生体や自然物の計測と解析など、
多方面においてその応用が期待されている。

［従来の技術］ 従来から、ステレオビジョン法や光投影法など、映倫を
利用した３次元形状計測法が種々検討されている。しか
し、ステレオビジョン法では、撮像面全域にわたる濃淡
信号データを取り扱うことになるので、膨大な記憶容量
と高速データ処理装置を必要とするうえ、例えば、対応
点検出のような複雑な処理過程を必要としており、高速
で簡便な実用装置化は未だ困難な状況にある。

これに対して、光投影法は、照射光を制御して検出対象
映像を限定するので、必要な映像の抽出が容易で、処理
情報量もそれほど大量ではなく、現段階では、最も一般
的で実用化の可能性も高いと考えられる。この光投影法
では、スポット状あるいはスリット状の光ビームを被測
定物体上に投射し、その時の被測定物体表面のスポット
状あるいはスリット状光学儂を撮像面上に結像させる。

この時、光源と撮像装置の相対的配置関係が既知である
ならば、被測定物体表面上の点の空間座標は投射光の位
置とそれに対応する光学像の撮像面上での位置とから、
三角測量の原理に基づき一義的に特定できる。したがっ
て、光投影法では、光ビームを順次偏向させて光ビーム
によって被測定物体表面を走査し、各光ビームに対応す
る光学像の撮像面上での位置を検出することによって被
測定物体の形状を測定する。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、従来の光投影法の殆ど全ては、撮像装置
としてビジコンあるいはＣＯＤカメラなど走査型の撮像
装置を用いているので、前述の光学像の撮像面上での位
置を知るために、いちいち、撮像面全体を電気的に走査
する必要がある。すなわち、１個の光学像の位置情報を
得るために、１フイ一ルド分の走査時間を要している。

一方、実用上十分な精度で被測定物体の形状を計測する
には多数の光学像の位置情報を必要とするから、従来の
方法では一般に数秒以上の計測時間を要し、高速で動く
物体はもちろん、生体などの比較的動きの遅い物体の計
測への応用すら不十分な状況におった。この問題点を解
決するために、出願者らは先に独立画素センサからなる
非走査型撮像素子と、これを用いた形状計測法及び装置
（昭和６１年　特許願　第２７１２５１号）、および、
ｐｓＤアレイを用いた形状計測装置（昭和６２年　特許
願　第２０３８６２号）を考案した。これらの手法は従
来の光投影法の計測時間を抜本的に短縮するものではあ
るが、前者では、各画素フォトセンサに１個づつメモリ
要紫を独立に接続しなければならないので画素フォトセ
ンサ数に比例して周辺素子数が看しく増大する。したが
って、先に特許出願した装置（昭和６１年　特許願　第
２７１２５１号）をそのまま現存する素子を用いて作製
するとなると極めて大型のもにならざるを得ない。

そこで前記特許顧では高速性をやや犠牲にした妥協案を
も提案している。これら妥協案によっても従来方式より
も高速化は可能ではあるが、あくまでも妥協案であり、
提案した計測法の長所を全面的に活用するに至っていな
い。提案した計測法の長所を全面的に満足するには、提
案した非走査型撮像素子をＩＣ化しなければならないが
、これには今しばらくの時間を必要とするようである。

方、後者の方式（昭和６２年　特許願　第２０３８６２
）では、ＰＳＤアレイの各行を構成するセンサはアナロ
グ型位置検出素子であるため、その出力（光学像の位置
情報）はある時間間隔の積分量になり、光学像の急峻な
変化に追随できず誤差がおおきくなるうえ、雑音も測定
精度に直接影響を与える。

本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであり、その
目的は、前記の両特許願で提出した撮像素子の長所を兼
ね備えた位置検出素子を提供し、前記特許願に記載した
計測法に基づく小型の高速形状計測装置を実現すること
である。

［問題点を解決するための手Ｇ］ 第１図に、本発明による位置検出素子の概念図を示す。

この図は１チヤンネル（１行）分を示したもので、実際
の位置検出素子の構造は後述するように、第１図のセン
サを１チヤンネルとして多チヤンネル構成とした２次元
的構造をとる。さて、第１図において、光スイッチＰｏ
、Ｐ、、ｐ２．ｐ３・・・・ｐ、２．’ｐイー１が各々
画素を構成し、この光スィッチ＜画素）が抵抗Ｒ０，Ｒ
，，Ｒ２，Ｒ３゜・・・・Ｒｅ−２＋　Ｒ１１−１＋　
を通して電ｆＪｖｃに対してほぼ並列的に接続されてい
る。いま、光スィッチＰｋ（ｋ＝０．　１．　２．　３
−−−ｎ−２，ｎ−１）にスポット光（像）あるいはス
リット光（像）が入射しているものとすると、このスイ
ッチだけがオン状態で他のスイッチはオフ状態であるか
ら、この時の出力電圧ｖｋは、式（１）で与えられる。

ｖｋ＝ｏ　　　　　　（ｋ＝０） このように出力電圧ｖｋは光スィッチＰ、に固有のもの
となるから、　出力電圧からどの光スィッチ（ＩＩ素）
に光が入射しているか、すなわち、入射光の位置を知る
ことができる。さて、この出力信号をコンピュータなど
でディジタル処理する場合には、図に示したように、こ
の出力信号をＡ／Ｄ変換器Ｃでディジタル化してメモリ
Ｍに格納すればよい、その際、ＰＳＤアレイのように加
算、減算、割り算回路は不要であるし、式（１）に基づ
いて電源電圧ｖｃを適切に大きくとれば増幅する必要も
ない。また、この時、抵抗の抵抗値をＪ−に の様に定めれば、メモリＭに格納されたデータが光スィ
ッチ（画素）アドレスｋを直接与えることになり、徨の
演算処理が極めて容易になる。なお、ここでｂはＡ／Ｄ
変換器のピット幅、■、はＡ／Ｄ変換器の入力電圧幅を
示している０以上が本発明の基本的な概念である。

さて、次に実際の構成例を示す。まず、光スィッチとし
ては光が入射したときアクティブ状態になるものであれ
ばなんでも良く、現存するもので１例を挙げると、第２
図のものが考えられる。以下では、この光スィッチを例
にとって説明を進める。まず、この光スィッチを１画素
として２炊元アレイを作る。以下では、便宜上、２次元
アレイはすべて左上から行番号ｉ＝ｏ、　　ｌ、　　２
．　３・・Ｉｎｎ−２，ｎ−１および列番号ｊ＝０．　
１．　２゜３・・・・ｍ−２，ｍ−１で参照する。さて
、つぎに、第３図のような２次元抵抗層アレイをつくり
、各画素の陽極部と接続する。抵抗層アレイの各行間は
絶縁層で分離し、各行内の抵抗層（列抵抗）は順次良導
層で直列的に接続されている。また、同一列番号ｊをも
つ抵抗層はすべて同一の抵抗値Ｒ，をもつ、各画素の陽
極Ａと抵抗層の接続は、第４図に示すように抵抗層間の
良導層で行う、なお、第４図は第１行（ｉチャンネル）
を抜きだして示したものである。また、出力電圧は各行
毎にＡ／Ｄ変換変換器Ｃ上ってディジタル化されたのち
メモリＭｌに格納される。

［作用］ 以上の構成の位置検出素子の受光面にスポット光（像）
あるいはスリット光（像）が入射すると、受光面が離散
的な■素センサによって構成されているので、ＰＳＤセ
ンサのようにある時間間隔の積分量を出力するのではな
く、現に光（像）が入射している画素の位置情報をリア
ルタイムで出力する。また、その位置情報は離散的な債
をとるから、その離散幅を越えない限り雑音が精度に影
響を及ぼすことはない、したがって、入射光の位置が急
峻に変化する場合でもそれに追随して正確な位置情報を
与えることができる。しかも各画素センサ毎に信号処理
素子およびメモリを設ける必要はなく、各チャンネル（
行）毎に１個づつ設ければ良いから素子が小型にできる
。また、各行毎に設けたメモリとして大容量のものある
いはデュアルポートメモリを使用すれば、連続的計測も
可能である。さらに、構造も簡単であるから、現在の技
術でＩＣ化することも容易である。以上、要するに、本
発明はＩＣ化も可能な小型、高精度、高速、かつ、連続
計測用位置検出素子を提供するものである。

［発明の効果］ 受光面上の入射光あるいは投影偉の位置から着目点の位
置を検出するタイプの位置検出素子は現在広範に利用さ
れているが、本発明はそのような分野で、高速かつ高精
度で、しかも連続的に着目点の２次元的な位置変化を検
出できる素子として一般的な応用が期待できる。しかし
、本発明を光投影法に基づく形状計潤製！の撮像面とし
て応用すれば、高速かつ高精度で、連続的に計測できる
レンジファインダーが実現でき、その効果は絶大である
。以下にその１案を示す、第５図はシステム構成の概念
図である。この方法ではスリット光ｊｌｌから投射され
たスリット光２を回転ミラー等３により一定角速度で偏
向させ対象３次元シーン４上を走査する。したがって、
投射スリット光２の位置はスリット光が基準位置検出セ
ンサ５を横切った瞬間からの経過時間６から求めること
ができる。この経過時間６を本発明になる位置検出素子
７に接続されたメモリ８のアドレスバスにのせる。した
がって、本手法ではメモリ８のアドレスがスリット光２
の位置情報を与えることになる。

一方、投射スリット光２の走査に伴い対応するスリット
像９が本発明になる位置検出素子７によつて構成された
撮像面上を水平方向に移動すると、この素子は撮像面上
でのスリット像９の位置情報をリアルタイムで出力する
から、これをメモリ８のデータバスに乗せ前述の経過時
間６を与えるクロックと同一のクロックによってメモリ
８に格納する。このように本手法ではスリット光２を１
回高速で走査するだけで、３次元位置情報を計算するの
に必要な情報がメモリ８のアドレスとそのメモリが格納
しているデータの形で獲得できる。また、このとき大容
量あるいはデュアルポートメモリを使用すれば連続的に
３次元シーンの計測ができる０例えば、１チヤンネルあ
たり３２にワードのメモリを接続し、１シーンあたり２
５６ワードを割り付けると、連続して１２８シーンの計
測が可能である０以上のように、本発明による位置検出
素子をスリット光投影法に基づくレンジファインダの撮
像面として応用すれば、高精度、高速度で、しかも、連
続的に３次元シーンの位置情報を獲得できる装置の作製
が可能となるので、動きのある物体に対しても極めて良
好な形状計測が可能となり、ＣＡＤ／ＣＡＭ、　　コン
ピュータビジョン、移動ロボットの視覚、身体計測、コ
ンピュータグラフィックスなと、産業分野はもとより、
工学、医学、服飾学など多方面での応用が期待される。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の基本的な概念図、 第２図は、画素を構成する光スィッチの１例、第３図は
、２次元抵抗層アレイの構成例、第４図は、本発明の位
置検出素子の１行く１チヤンネル）分の模式図、 第５図は、本発明の位置検出素子を撮像素子として応用
した高速・連続レンジファ インダシステムの構成例 Ａ　・・・・光スィッチ（＝１ｉ素センサ）の陽極ｂ　
・・・Ａ／Ｄ変換器のピット幅 Ｃ・・・・・・Ａ／Ｄ変換器 Ｄ　・・・ホトダイオード Ｃ１・・・ｉ行（ｉチャンネル）のＡ／Ｄ変換器Ｋ　・
・・・光スィッチ（＝画素センサ）の陰極Ｍ　　・・・
・・・メモリ ・・・ｉ行（ｉチャンネル）のメモリ 　Ｐ ・・・オペアンプ Ｐ　Ｊ　（ｊ＝０．１．２・＝・ｎ−２，ｎ−１）　・
・・・光スィッチ（冨画素センサ） ＲＪ　（ｊ＝０．１．２−−−・ｎ−２，ｎ−１）　・
・−抵抗値Ｒ，の抵抗ｖｅ　・・・・・・位置検出素子
の電源電圧Ｖ　ｃｅ　　・・・・周辺回路素子の電源電
圧ｖ１　・・・・・・Ｐｋがアクティブ時の出力電圧ｖ
、Ｐ　・・・Ａ／Ｄ変換器の入力電圧幅１　・・・　レ
ーザ光源 ２　・・・　投射スリット光 ３　・・・　回転ミラー等 ４　・・・　被測定物体（３次元シーン）５　・・・　
規準位置検出用フォトセンサ６　・・・　経過時間（ス
リット光位置情報）７　・・・　位置検出素子（撮像面
） ８　・・・　メモリ ９　・・・　スリット状光学惨 １０　・・・Ａ／Ｄ変換器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 分割型画素ホトセンサ群に対応して分割された抵抗素子
   群を持つスポット光（像）あるいはスリット光（像）位
   置検出素子。