JPH0432702A - 測距装置 - 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（よ　光を用いて物体の３次元的位置を非接触で
測定する光学的３次元測距装置　特に光情報処理技術を
用いた測距装置に関するものであム従来の技術 空間コード化法と呼ばれる従来例の３次元測距装置の構
成を第１１図を用いて説明すも第１１図（ａ）、　（ｅ
）はそれぞれ従来の３次元測距装置の原理を示す平面図
と正面図であム　２０は光１ｉ　　２１はマスクパター
ン発生装置２２は円柱状の対象物体２３は角柱状の対象
物Ｊ、＊、２４はマスクパターン発生装置により発生さ
れた第１１図（ｂ）〜（ｄ）にＡ−Ｃで示したマスクパ
ターンが対象物体に照射された後の反射光を撮像するＴ
Ｖカメラであり光源２０とは距離ｄだけ離して配置され
ていも　また２５はＴＶ左カメラ４の撮影画像の画像処
理部であり、　２値化処理部２５ａ、　２値化画像メモ
リ部２５ｂ、コード化処理部２５ｃ、距離演算部２５ｄ
から成っていも 次番へ　この従来の３次元測距装置の動作を第１１図を
用いて説明すも　まず、初めにマスクパターン発生装置
２１では第１１図のパターンＡが発生され次にパターン
Ｂ、さらにパターンＣと順次マスクパターンが発生され
対象物体２２．２３に照射されもこの対象物体２２．２
３からの反射光はＴＶ左カメラ４により撮影され　２値
化処理部２５ａにより２値化画像に変換された後　　２
値化画像メモリ部２５ｂに逐久　記憶されも　この記憶
された２値化画像を、２値化画像メモリ部２５ｂから読
みだし　コード化処理部２５ｅで、ディジタル化電気信
号に基づく画像処理を行う。その結果　例えば　第１１
図の点Ｐの明暗パターンは明部を１で暗部をＯで表すと
第１１図に表示したように　マスクパターンＡに対して
は０、マスクパターンＢに対しては０、マスクパターン
Ｃに対してはｌ、−Ｘ　　点Ｑに対しては（０，１，１
）といったコード化が行われも　こうして光源２０の投
影角Φで決まる扇状の領域毎にコードが割り当てられ　
それぞれ１本のスリット光線とみなす事ができも　従っ
て、各マスクバタンごとに情景をＴＶカメラで撮影し　
明暗パターンを２値化処理部２５ａにより２値化処理を
行った徽　２値化画像メモリ部２５ｂに順次記憶し各マ
スクパターン毎のビットブレーンを構成していく。

こうして得られた多重ビツトブレーン画像の横方向の位
置は観測方向θに相当し　一人　投影角Φは前記の例え
ば（０，０，１）のようなビットコードから判別できム
　すなわ板　この観察方向θと投影角Φとから注目点の
３次元座標力（以下の三角測量の原理に基づく３つの式
を用いて距離演算部２５ｃで計算されも Ｘ＝Ｚ　　ｔ　　ａ　ｎ　θ　　　　　　　　　　　　
　−（１）Ｙ＝Ｚ　　ｔ　　ａ　ｎ　ξ　　　　　　　
　　　　　　・　（２）Ｚ　＝ｄ／（ｔａｎθ−ｔａｎ
（Φ＋Φ０））　　　　・　（３）発明が解決しようと
する課題 上記のような構成の従来の３次元測距装置の持つ問題点
について、以下に述べも この従来例の３次元測距装置で１山　対象物体の３次元
座標（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を（１）式〜（３）式を用いて求め
るために（よ　投影角Φを求める必要が有も　そのため
番ζ　　数種類の異なったパターンを対象物体に投影し
　その各々の投影パターンに対応した撮像パターンを、
ディジタル電気信号に基づいた画像処理技術を用いてコ
ード化情報に変換していも　その結果　複数のパターン
を投影しなければならず、マスクパターン発生装置が複
雑になａ　また複数の撮像パターンを記憶するためのメ
モリ部を要する。

更に　ディジタル電気信号に基づいた画像処理技術によ
りコード化情報に変換する必要があるた玖　マスクパタ
ーンの絵素数が増加した場合に（Ｌ処理時間がかかると
言った問題が有り、投影できるマスクパターンは一方向
にのみ明暗パターンを有する１次元のものに実際上　限
定されるという問題点を有していた 本発明Ｉｔ　　！次元あるいは２方向に明暗パターンを
有する２次元のパターンを対象物体に投影しその反射パ
ターンをＴＶカメラで撮影し　その反射像と対象物体の
３次元的形状あるいは位置により決まる標準反射パター
ンとのパターンマツチングを光情報処理技術を用いて実
行する事により、マスクパターン発生装置が複雑になる
、複数の撮像パターンを記憶するためのメモリ部が必要
となゑ　あるいはマスクパターンの絵素数増加に伴う、
計算時間の増加に起因する実質的にマスクパターンが１
次元に限定されるという従来の３次元測距装置の欠点を
改善する事を目的とすム 課題を解決するための手段 上記課題を解決するため１　本発明の測距装置（よ　所
定の投影パターンを発生するパターン発生装置と、この
マスクパターンを対象物体に照射する投影光源と、前記
対象物体からの前記マスクパターンの反射像を撮影する
ＴＶカメラと、このＴＶカメラの撮影像を表示する第１
の空間光変調素子と、この第１の空間光変調素子を平行
コヒーレント光で照射するレーザ光源と、前記第１の空
間光変調素子をその前側焦点面に置いた第１のレンズと
、この第１のレンズの後側焦点面に配置した第２の空間
光変調素子と、この第２の空間光変調素子をその前側焦
点面に置いた第２のレンズと、この第２のレンズの後側
焦点面に置いた光検出器とを備えかス　前記第２の空間
光変調素子に所定の標準反射パターンの計算機ホログラ
ム像を表示する構成となす。

あるい法　所定の投影パターンを発生するパターン発生
装置と、このマスクパターンを対象物体に照射する投影
光源と、前記対象物体からの前記マスクパターンの反射
像を撮影するＴＶカメラと、このＴＶカメラの撮影像を
表示する空間光変調素子と、この空間光変調素子を平行
コヒーレント光で照射するレーザ光源と、前記空間光変
調素子をその前側焦点面に置いたレンズと、このレンズ
の後側焦点面に配置した複数の受光部からなる光検出器
とを有する構成となす。

あるい（よ　所定の投影パターンを発生するパターン発
生装置と、このマスクパターンを対象物体に照射する投
影光源と、前記対象物体からの前記マスクパターンの反
射像を撮影するＴＶカメラと、このＴＶカメラの撮影像
を表示する第１の空間光変調素子と、この第１の空間光
変調素子を平行コヒーレント光で照射するレーザ光源と
、前記第１の空間光変調素子をその前側焦点面に置いた
第１のレンズと、この第１のレンズの後方に配置したビ
ームスプリッタと、このビームスプリッタの透過側ある
いは反射側に位置する前記第１のレンズの後側焦点面に
配置した第２の空間光変調素子と、前記ビームスプリッ
タの他方側に位置する前記第１のレンズの後側焦点面に
配置した複数の受光部からなる第１の光検出器と、この
第２の空間光変調素子をその前側焦点面に置いた第２の
レンズと、この第２のレンズの後側焦点面に置いた第２
の光検出器とを備え　かつ、前記第２の空間光変調素子
に所定の標準反射パターンの計算機ホログラム像を表示
する構成となす。

作　　用 上記手段の作用は以下の通りであ４ すなわ板　パターン発生装置により発生した１次元ある
いは２次元のマスクパターンを対象物体に投影Ｌ　　Ｔ
Ｖカメラにより撮像した対象物体からの反射像を第１の
空間光変調素子に表示Ｌ　第２の空間光変調素子に対象
物体の３次元的座標あるいは位置により決まる標準反射
パターンの計算機ホログラム像を表示し　この計算機ホ
ログラム像と対象物体からの反射像との間のパターンマ
ツチングを、　レーザ光源と第１及び第２のレンズを用
いた光情報処理技術により実行する事で、あるい（よ　
第１の空間光変調素子に表示された反射像を光学的にフ
ーリエ変換しその変換像のパターンを複数の検出部から
構成された光検出器で検出する事により構成が簡単弘　
かス　高精度でがっ高速処理が可能な３次元測距装置を
提供する事ができも 実施例 次く　まず、本発明の３次元測距装置の第１の実施例の
構成について第１図を用いて説明すも第１図（ａ）は本
発明の３次元測距装置の第１の実施例の構成図であム　
１は平行光を発生する白色光源１ａ、マスクパターンを
記録したフィルム１ｂとから成るパターン投影装置　２
は認識対象物化　３は対象物体２からの反射像を撮影す
るＴＶカメラ、　４はＴＶカメラ３の撮影像を表示する
第１の空間光変調素子であり本実施例では液晶デイスプ
レィを用いていも　また５は半導体レーザ５ａと、コリ
メータレンズ５ｂとから成り、平行光で第１の空間光変
調素子４を照射するレーザ光＃　６はパターン投影装置
１で投影したマスクパターンと、対象物体の３次元的形
状あるいは位置により決まる標準反射パターンに対して
、予め計算しておいた計算機ホログラム像を記憶してお
くメモリ、　７はメモリ６から読みだした計算機ホログ
ラム像を表示する第２の空間光変調素子であり、本実施
例では液晶デイスプレィを用いていム８は第１のレンズ
であり、その前側焦点面に第１の空間光変調素子４が配
置され　後側焦点面に第２の空間光変調素子７が配置さ
れていａ　９は第２のレンズであり、その前側焦点面に
第２の空間光変調素子７が配置されていも　１０は光検
出器であり、第２のレンズ９の後側焦点面に配置されて
いる。

次（二　この様に構成された本発明の３次元測距装置の
第１の実施例の動作について、第１図〜第４図を用いて
説明すも　図中の番号で第１図と同一番号のもの１表　
同じものを示す。

まず、パターン発生装置１により第１図（ｂ）に示した
マスクパターンカ丈　対象物体２に投影されも　もしこ
の時、第２図に示したように　対象物体２に段差がなけ
れば　投影パターンと相似形の反射パターンＡＩが発生
すム　ところ力（もし第３図に示したように対象物体２
に段差が存在すると、反射パターン（戴　この段差によ
り変形され反射パターンＢとして第１図（Ｃ）に示した
ようなパターンとして反射される。これらの反射パター
ンはＴＶカメラ３により撮影され　第１の空間光変調素
子４に表示されも この表示像（よ　レーザ光源５によりコヒーレントな平
行光で背面から照射されも　この時、第１のレンズ８（
よ　その前側焦点面に第１の空間光変調素子４が配置さ
れているので、第１のレンズ８の後側焦点面すなわ板　
第２の空間光変調素子７面上に対象物体２からの反射像
の光学的フーリエ変換像が形成されも ＝Ｘ　　この時、第２の空間光変調素子７に（よ第４図
に（ａ）〜（ｃ）で図示した各種の標準反射パターンに
対して、予め計算し　メモリ６に記憶しておいたフーリ
エ変換計算機ホログラム像力（表示されているので、対
象物体２からの反射像の光学的フーリエ変換像と、標準
反射パターンのフーリエ変換計算機ポログラム像との光
学的積算が実行されも また　第２のレンズ９の前側焦点面と第２の空間光変調
素子７を配置した面とを一致させているので、第２のレ
ンズ９の後側焦点献　すなわち光検出器１０面上＆へ　
この光学的積算結果のフーリエ変換像　すなわち、対象
物体からの反射像と標準パターンとのパターンマツチン
グの結果力丈　スポットの輝度の大きさとして表れる。

これを光検出器１０で検出することで、対象物体２から
の反射像を複数の標準反射パターン中から、　１つに特
定できる。従って、この特定された　すなわ杖　パター
ンマツチングされた標準反射パターンのピッチから対象
物体の段差、すなわ板　高さを検出する事ができる。第
４図にはマスクパターンとして一方向にのみ明暗の周期
性をもつ１次元パターンを示したハ　例えば市松模様の
ような二方向に明暗の周期性を持つ２次元パターンを用
いてＬ　１次元パターンの場合と全く同様の動作により
対象物体の高さを検出する事ができも 以上の様に本発明の３次元測距装置の第１の実施例によ
れは　従来例の３次元測距装置の様に投影角Φを求める
為に数種類の異なったパターンを対象物体に投影し　そ
の各々の投影パターンに対応した撮像パターンをディジ
タル電気信号に基づいた画像処理技術を用いて処理して
対象物体の高さ情報を得るといった方式とは異なり、　
１種類のマスクパターンを投影した事でのみ得られる対
象物体からの反射パターンと、標準反射パターン七のパ
ターンマツチングという光情報処理技術を用いる事て　
マスクパターン発生装置が複雑になる事を防止でき、か
ス　マスクパターンの絵素数の増加にかかわらず高速処
理が可能なたべ　１次元のみならず２次元の精細なマス
クパターンを用いた高分解能の３次元測距装置を実現で
きム次は　本発明の３次元測距装置の第２の実施例につ
いて第５図〜第６図を用いて、その構成を説明すも 第５図（ａ）ｆ；Ｌ　　本発明の３次元測距装置の第２
の実施例の構成図であム　図中の番号で第１図と同じの
もの１表　同一のものを示している。

３０はＴＶ左カメラにより撮像された対象物体２からの
反射パターンを表示する空間光変調素子であり、本実施
例では強誘電液晶デイスプレィを用いていム　３１（ヨ
　　レンズであり空間光変調素子３０はこのレンズ３１
の前側焦点面上に配置されていも３２（主　　第６図に
図示したように半径方向及び円周方向に分割された複数
の検出部から構成された光検出器であり、レンズ３１の
後側焦点面に配置されていも この本発明の第２の実施例の動作について、第２＠　第
３＠　第５図〜第７図を用いて以下に説明すも まず、パターン投影装置ｌにより第５図（ｂ）に示した
マスクパターン力（対象物体２に投影されも　もしこの
時、第２図に示したように　対象物体２に段差がなけれ
（戯　投影パターンと相似形の反射パターンＡ１が発生
ずム　ところ力（もし第３図に示したように対象物体２
に段差が存在すると、反射パターン（よ　この段差によ
り変形され反射パターンＢとして第５図（Ｃ）に示した
ようなパターンとして反射されも　これらの反射パター
ンはＴＶ左カメラにより撮影され　空間光変調素子３０
に表示されも この表示像よ　レーザ光源５によりコヒーレントな平行
光で背面から照射されも　この時、レンズ３１（訳　　
その前側焦点面に空間光変調素子３０が配置されている
ので、レンズ３１の後側焦点面すなわ板　光検出器３２
上に対象物体２からの反射像の光学的フーリエ変換像が
形成される。この光学的フーリエ変換像は　第７図（ａ
）〜（ｃ）で図示したように　対象物体２からの反射パ
ターンによって決まる固有のパターンを持つ。従って、
光学的フーリエ変換像の半径方向の位置および方向を光
検出器３２上の分割された複数の検出部の検出信号か収
　対象物体２からの反射パターンを特定でき、これから
対象物体２の高さを検出する事ができも以上の様に構成
された本発明の３次元測距装置の第２の実施例によれ（
瓜　第１の実施例と同様の効果を上げる事ができも　さ
らに　この本発明の３次元測距装置の第２の実施例によ
れば　第１の実施例と比べて光情報処理部の構成が簡略
化されかス　対象物体２からの反射像パターンを特定す
るのにいくつもの標準反射像パターンとの比較を行う必
要が無いので高速化を図れるという効果を得ることがで
きる。

次に　本発明の第３の実施例について説明する。

第３の実施例（よ　上記第２の実施例における光検出器
３２の検出部の細分化による多数の検出部からの信号を
処理するための配線処理の煩雑性、あるいは精度を改善
できるものである。

まず、その構成を第８図および第９図を用いて説明する
。図中の番号で第１図および第５図と同じ番号のものは
　同一のものを示していも５０はビームスプリッタであ
り、第１のレンズ８と第２の空間光変調素子７の間の光
路中に配置されていム　５１は第１の光検出器であり、
第９図のａおよびｂに図示したように半径方向あるいは
円周方向に分割された複数の検出部から構成されており
、、かつ、　第１のレンズ８のビームスプリッタ５０の
反射側に位置する後側焦点面に配置されていム　７は第
２の空間光変調素子であり、第１のレンズ８のビームス
プリッタ５０の透過側に位置する後側焦点面に配置され
ていも５２は第２の光検出器であム 次圏　本発明の３次元測距装置の第３の実施例の動作に
ついて、第２皿　第３図および第８図〜第９図を用いて
説明すも まず、パターン発生装置ｌにより第８図（ｂ）に示した
マスクパターンバ　対象物体２に投影されも　もしこの
時、第２図に示したように　対象物体２に段差がなけれ
は　投影パターンと相似形の反射パターンＡｌが発生す
も　ところ力（もし第３図に示したように対象物体２に
段差が存在すると、反射パターンは　この段差により変
形され反射パターンＢとして図示したようなパターンと
して反射されも これらの反射パターンはＴＶ左カメラにより撮影され　
第１の空間光変調素子４に表示されａこの表示像（よ　
レーザ光源５によりコヒーレントな平行光で背面から照
射されも　この時、第１のレンズ８（よ　その前側焦点
面に第１の空間光変調素子４が配置されているので、第
１のレンズ４のビームスプリッタ５０の反射面側に位置
する後側焦点面すなわ板　第１の光検出器５１上に対象
物体２からの反射像の光学的フーリエ変換像が形成され
も この光学的フーリエ変換像（よ・対象物体２からの反射
パターンによって決まる固有のパターンを持１　すなわ
敷　第１０図に示した光学的フーリエ変換像のピッチが
反射像の明暗パターンの空間周波数（パターンの周期）
を示し　光学的フーリエ変換像の傾きθが反射像の明暗
パターンの傾き（パターンが周期性を持つ方向）を各々
示していも従って、第９図ａで示した第１の光検出器５
Ｉを用いれば　反射像の明暗パターンが周期性を持つ方
向を検出でき４　まｔ−第９図すで示した第１の光検出
器５１を用いれば　反射像の明暗パターンの空間周波数
を知ることができへ そこで、この第１の光検出器５１の検出信号に基づいて
、第２の空間光変調素子７に表示するフーリエ変換計算
機ホログラム像　すなわ板　対象物体２からの反射像を
特定する為の標準パターンの明暗パターンの周期あるい
は傾きの概略値を知ることができへ そこで、この概略値からメモリ６から読みだし第２の空
間光変調素子７に表示する標準反射像パターンの数を絞
り込むことが可能となる。この絞り込まれた標準反射像
パターンを順次、第２の空間光変調素子７上に表示Ｌ　
第１の空間光変調素子４に表示した対象物体２からの反
射パターンとのパターンマツチングが第１のレンズ８、
　ビームスプリッタ５０の透過伝　第２の空間光変調素
子７、第２のレンズ９を介して実行されも この光学的パターンマツチングの結果を第２の光検出器
５２により検出する事で、対象物体２の高さを測定でき
も このよう１′、本発明の３次元測距装置の第３の実施例
によれ（′Ｌ　初めにマツチングを実行する標準反射パ
ターンの候補を絞り込んだ後で、高精度の光学的パター
ンマツチングを行う事が可能となり、高速かつ高精度の
３次元測距装置を実現できる。

発明の効果 以上のように本発明によれば　構成が簡単で、、かつ、
　高精度でかつ高速処理が可能な３次元測距装置を提供
する事ができも

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の３次元測距装置の第１の実施例の構成
図　第２図および第３図は本発明の３次元測距装置の第
１の実施例の動作説明＠　第４図は本発明の３次元測距
装置の第１の実施例で用いる標準反射パターンのフーリ
エ変換計算機ホログラム像の説明医　第５図は本発明の
３次元測距装置の第２の実施例の構成図　第６図は本発
明の３次元測距装置の第２の実施例における光検出器の
構成図　第７図は本発明の３次元測距装置の第２の実施
例における種々の対象物体からの反射パターンの光学的
フーリエ変換像　第８図は本発明の３次元測距装置の第
３の実施例の構成図　第９図ａ、ｂは本発明の３次元測
距装置の第３の実施例の第１の光検出器の構成＠　第１
０図は本発明の３次元測距装置の動作説明医　第１１図
は従来の３次元測距装置の原理図であム １・・・・パターン発生装置　２・・・・対象物体　３
・・・・ＴＶカメラ、　４・・・・第１の空間光変調素
子、５・・・・レーザ光ｌｔ　６・・・・メモリ、　７
・・・・第２の空間光変調素子、　８・・・・第１のレ
ンｘ　９・・・・第２のレンＸ　　１０・・・・光検出
器５０・・・・ヒームスブリッ久　５１・・・・第１の
光検出＠　　５２・・・・第２の光検出器 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名第 図 悄李反引ハ０ターフ フーリエｓ；ｉ蹟針簿ＩＫホロクフム１龜第 図 第 図 反射ｌでターン 光学的フーリエ′ｔＬ強１＆ 第 図 ＣＣＬ） 第１０図 ■ 第１ １図 （α）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）所定の投影パターンを発生するパターン発生装置
   と、このマスクパターンを対象物体に照射する投影光源
   と、前記対象物体からの前記マスクパターンの反射像を
   撮影するＴＶカメラと、このＴＶカメラの撮影像を表示
   する第１の空間光変調素子と、この第１の空間光変調素
   子を平行コヒーレント光で照射するレーザ光源と、前記
   第１の空間光変調素子をその前側焦点面に置いた第１の
   レンズと、この第１のレンズの後側焦点面に配置した第
   ２の空間光変調素子と、この第２の空間光変調素子をそ
   の前側焦点面に置いた第２のレンズと、この第２のレン
   ズの後側焦点面に置いた光検出器とを備えかつ、前記第
   ２の空間光変調素子に所定の標準反射パターンの計算機
   ホログラム像を表示する事を特徴とする測距装置。
2. （２）所定の投影パターンを発生するパターン発生装置
   と、このマスクパターンを対象物体に照射する投影光源
   と、前記対象物体からの前記マスクパターンの反射像を
   撮影するＴＶカメラと、このＴＶカメラの撮影像を表示
   する空間光変調素子と、この空間光変調素子を平行コヒ
   ーレント光で照射するレーザ光源と、前記空間光変調素
   子をその前側焦点面に置いたレンズと、このレンズの後
   側焦点面に配置した複数の受光部からなる光検出器とを
   備えた事を特徴とする測距装置。
3. （３）所定の投影パターンを発生するパターン発生装置
   と、このマスクパターンを対象物体に照射する投影光源
   と、前記対象物体からの前記マスクパターンの反射像を
   撮影するＴＶカメラと、このＴＶカメラの撮影像を表示
   する第１の空間光変調素子と、この第１の空間光変調素
   子を平行コヒーレント光で照射するレーザ光源と、前記
   第１の空間光変調素子をその前側焦点面に置いた第１の
   レンズと、この第１のレンズの後方に配置したビームス
   プリッタと、このビームスプリッタの透過側あるいは反
   射側に位置する前記第１のレンズの後側焦点面に配置し
   た第２の空間光変調素子と、前記ビームスプリッタの他
   方側に位置する前記第１のレンズの後側焦点面に配置し
   た複数の受光部からなる第１の光検出器と、この第２の
   空間光変調素子をその前側焦点面に置いた第２のレンズ
   と、この第２のレンズの後側焦点面に置いた第２の光検
   出器とを備え、かつ、前記第２の空間光変調素子に所定
   の標準反射パターンの計算機ホログラム像を表示する事
   を特徴とする測距装置。