JPH06300536A

JPH06300536A - 物体の形状測定装置

Info

Publication number: JPH06300536A
Application number: JP8742493A
Authority: JP
Inventors: Shigenobu Shinohara; 茂信篠原; Takashi Suzuki; 高志鈴木; Hirobumi Yoshida; 博文吉田; Hiroaki Ikeda; 弘明池田; Masao Sumi; 正雄角
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1993-04-14
Filing date: 1993-04-14
Publication date: 1994-10-28
Anticipated expiration: 2017-12-16
Also published as: JP3356321B2

Abstract

(57)【要約】【目的】光学系の小型化、移動物体の位置と形状の測
定が可能な物体の形状測定装置を提供する。【構成】光走査により移動する物体の形状を測定する
物体の形状測定装置であって、光源１と受光器２を用い
被測定物体からの反射光を受光器で検出して被測定物体
までの距離と速度を測定する距離・速度計Ａ、該距離・
速度計Ａからの出射光を２次元的に走査する光走査手段
８〜１４、該光走査手段による各走査時刻を計測する計
時手段１５、距離・速度計による測定値と光走査手段に
よる走査点と計時手段による時刻から被測定物体の形状
と位置を演算する演算手段１６とを備えたことを特徴と
する。この構成により、時刻毎に速度により距離補正を
行って移動する被測定物体の形状を測定することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光を利用した距離・速
度計からの出射光を２次元的に空間走査して移動物体に
照射し、移動物体の３次元位置及び形状を計測する物体
の形状測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物体の形状を計測する従来の能動型の方
法として、三角測量法があるが、３次元計測のために三
角測量法を用いる装置では、装置が大型化し測定可能距
離範囲が制限されることが欠点である。その他の方法と
しては、照度型ステレオ法、モアレ法、干渉法などがあ
るが、これらの方法による３次元計測では、移動物体の
形状計測が困難である。一方、光レーダ法では、光走査
をして３次元画像を得ることができるが、移動物体に適
用した例はない。

【０００３】図１３は形状計測用レーザ距離計の光ビー
ム走査装置の従来例を示す図である。三角測量法による
静止３次元物体の形状測定装置の１例として、マークリ
ューの論文「同期スキャナに基づいたレーザ距離
計」（"Laser range finder basedon synchronized sca
nners" 著者:Marc Rioux 1 November 1984 Vol. 23, p
p.3837-3844 APPLIED OPTICS)を引用し、距離計の光ビ
ーム走査装置について図１３により簡単に説明する。

【０００４】図１３において、光源Ｓから出た光（レー
ザ）は、多面角錐鏡６１の面、さらに平面鏡Ｍ１、Ｍ３
で反射された後、被測定物体６２の表面で反射される。
この光は、平面鏡Ｍ３、Ｍ２、多面角錐鏡６１の別の面
で反射されて位置検出器Ｄに入射する。このとき、平面
鏡Ｍ１、Ｍ２を適度な角度に設定し固定しておくと、多
面角錐鏡６１を高速で回転させることで、光は左右方向
に走査される。一方、平面鏡Ｍ３の角度をゆっくり変化
させることで、光は、手前方向に走査される。このよう
に多面角錐鏡６１の回転と平面鏡Ｍ３の角度変化で測定
光を２次元的に走査しながら、三角測量法によって距
離、すなわち「深さ」を測定すれば３次元形状を得るこ
とができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のレーザ距離計を用いた物体形状測定装置では以下の
ような問題があった。

【０００６】（１）位置検出器の性能の制約から、測定
できる距離の範囲（深さの範囲）が制限される。

【０００７】（２）平面鏡Ｍ１とＭ２を離して設置する
ので、光学系の寸法が大きくなる。

【０００８】（３）距離のみを検出するので、測定時間
内に物体が移動することによる形状の見かけの変化分を
補正することができない。

【０００９】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、光学系の小型化、移動物体の位置と形状の測定が
可能な物体の形状測定装置を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そのために本発明は、光
走査により移動する物体の形状を測定する物体の形状測
定装置であって、光源と受光器を用い被測定物体からの
反射光を受光器で検出して被測定物体までの距離と速度
を測定する距離・速度計、該距離・速度計からの出射光
を２次元的に走査する光走査手段、該光走査手段による
各走査時刻を計測する計時手段、距離・速度計による測
定値と光走査手段による走査点と計時手段による時刻か
ら被測定物体の形状と位置を演算する演算手段とを備え
たことを特徴とするものである。

【００１１】

【作用】本発明に係る物体の形状測定装置では、光源と
受光器を用い被測定物体からの反射光を受光器で検出し
て被測定物体までの距離と速度を測定する距離・速度
計、該距離・速度計からの出射光を２次元的に走査する
光走査手段、該光走査手段による各走査時刻を計測する
計時手段、距離・速度計による測定値と光走査手段によ
る走査点と計時手段による時刻から被測定物体の形状と
位置を演算する演算手段とを備えたので、時刻毎に速度
により距離補正を行って移動する被測定物体の形状を測
定することができる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は本発明に係る物体の形状測定装置の１実施
例を示すブロック図である。

【００１３】図１において、距離・速度計Ａは、光を利
用して物体までの距離と速度を同時に計測するもので、
少なくとも１つの光源１、その光源１と近接した受光器
２、受光器２からの信号に基づいて距離を検出する距離
検出部３と速度を検出する速度検出部４、距離検出部３
と速度検出部４からの出力信号を用いて距離と速度を演
算する距離・速度演算部５、光源１を励起するための電
源６、及び光源１からの出射光を平行光とするレンズ系
７等によって構成されるものであり、自己混合型の半導
体レーザを用いたもの（例えば特願昭６３−２６５５８
５号参照）等がある。図１の距離・速度計Ａでは、光源
１からの出射光の一部が受光器に結合するように構成さ
れる自己混合型の光源の場合を示したが、反射光を受光
器２に導くために別のレンズ系を追加するように構成し
てもよい。平面鏡８、９は、距離・速度計Ａからの出射
光（レーザビーム）を２次元的に走査するためのもので
あり、これらを駆動するためのものがステップモータ１
０、１１、モータ駆動回路１２、１３、モータ制御回路
１４である。計時回路１５は、被測定物体１８上の各走
査点（計測点）の計測時刻を測定するためのものであ
り、コンピュータ１６は、距離・速度計Ａからの距離、
速度の計測値及び計時回路１５からの計測時間、さらに
は光走査の角度情報などにより被測定物体１８の形状を
演算し、さらに走査装置を制御する制御信号を出力する
ためのものである。表示装置１７は、被測定物体の形状
の３次元画像を表示するためのものである。

【００１４】次に、上記物体の形状測定装置による形状
計測の原理を説明する。図２は形状計測における座標系
を説明するための図、図３は形状計測面上での距離速度
測定順序を説明するための図、図４は移動物体の距離画
像復元の原理を説明するための図、図５は移動物体の形
状計測の手順を示すフローチャートであるレーザビーム
の走査は、上記図１に示したように２枚の平面鏡８、９
によってＸ，Ｙ方向に行うので、形状計測における座標
の原点は、図２に示すように上下方向走査用の平面鏡９
の中心とし、例えば装置から正面に遠ざかる方向をｚの
正方向、上下方向をＹ軸、左右方向をＸ軸にとる右手系
とする。

【００１５】上記座標系において、装置により直接得る
ことのできるデータは、光源１から物体表面の或る１点の座標Ｐまでの光路
上の距離Ｌ_r Ｙ＝０，Ｘ＝０の面を基準としたレーザビームの走
査角θ_x、θ_ｙ光軸方向に感じた速度Ｖ_ｒである。その他、必要なパラメータ等を図２に示すよう
に定義する。すなわち、光源１からＸ方向走査用の平面
鏡８までの距離をＬ’、Ｘ方向走査用の平面鏡８からＹ
方向走査用の平面鏡９までの距離をＬ₀、Ｙ方向走査用
の平面鏡９上でのレーザビームの反射点をＸ_p、反射点
Ｘ_pから物体表面の座標Ｐまでの距離をＬ、距離ＬをＹ
＝０のＸＺ平面に投影した長さをＬ₁とする。その結
果、物体表面の座標Ｐ＝（ｘ，ｙ，ｚ）は、幾何学的な
関係より次のようになる。

【００１６】

【数１】Ｌ＝Ｌ_r−Ｌ’−Ｌ₀ｓｅｃθ_x （１）Ｌ₁＝Ｌ／（１＋ｃｏｓ²θ_xｔａｎ²θ_y）^1/2 （２）ｘ＝Ｌ₀ｔａｎθ_x＋Ｌ₁ｓｉｎθ_x （３）ｙ＝Ｌ₁ｃｏｓθ_xｔａｎθ_y （４）ｚ＝Ｌ₁ｃｏｓθ_x （５）本発明に係る物体の形状測定装置は、先に述べたように
１本のレーザビームを走査し各々の方向の距離と速度の
情報を順次獲得していくものであるが、その順序の１例
を示したのが図３である。その順序は、例えば図中の１
で示した右下隅から左方向へ向けて計測を初め、２、
３、……を経てｍまで行う。勿論、図示のように左方向
へ走査した後上方向に少しずらし反対の右方向へ走査す
る折り返し走査ではなく、左端から右端に戻って上方向
に少しずらし同じ左方向に繰り返し走査するようにして
もよいことはいうまでもない。静止物体の形状計測で
は、各走査点において距離データのみからその走査点の
物体表面の座標を求めていけばよいが、移動物体の場合
には、各走査点から得た座標を物体の移動速度で補正し
なければならない。速度は、ドップラ効果や自己混合効
果を利用して得られるビート信号から計測される。そこ
で、計測後の処理の簡単化のため、１番目の計測を開始
してからｍ番目の計測を終了するまで、物体の速度ベク
トルＶは変わらないものとする。

【００１７】この仮定のもとでは、時刻Ｔ_pに座標Ｐに
あった物体表面の或る１点は、ｍ番目の計測を終える時
刻Ｔ_mに座標Ｐ′に移動していることになる。この様子
を示したのが図４である。従って、座標Ｐ′は、次のよ
うに与えられる。

【００１８】

【数２】Ｐ′＝Ｐ＋Ｖ（Ｔ_m−Ｔ_p）（６）さらに、簡単のため物体の移動方向がｚ軸方向だけであ
ると限定すれば、

【００１９】

【数３】Ｐ′＝Ｐ＋Ｖ_z（Ｔ_m−Ｔ_p）（７）となる。ここで、Ｖ_zはＺ軸方向のベクトルで、その大
きさはＺ方向から座標を測定した際の速度Ｖ_rである。

【００２０】次に形状計測の手順を説明する。形状計測
の場合には、図５に示すように予め、またはスタート
後、走査範囲、１計測点の計測平均回数等計測の条件を
入力する（ステップＳ１）。この時点で、レーザビーム
は、計測面上の原点方向、即ち、Ｚ軸方向に向けてある
ため、先ず、計測開始点にビームを移動する（ステップ
Ｓ２）。計測開始点は、計測面で右下隅つまりＸ，Ｙそ
れぞれ最小値のところである。ここで最初の距離計測を
実行した後計時回路のカウンタをスタートする（ステッ
プＳ３〜Ｓ４）。その後、順次、光走査と距離速度計測
とを繰り返す（ステップＳ５）。最後の計測点での計測
が終了した後、カウンタを止める（ステップＳ６）。

【００２１】その後、各測定点ごとの時間が均一である
とし、計測にかかった時間と計測点の総数から、最初の
計測点の計測が終わった時点を基点として各計測点での
測定時刻を求める（ステップＳ７）。この時刻と計測で
求めた速度をもとに式（７）を用いて計測で求めた位置
ベクトルを各々補正して最終計測点の計測が終わった時
点での物体の距離画像を求める（ステップＳ８）。これ
をコンピュータのディスプレイ上にグラフィック表示し
（ステップＳ９）、最後にレーザビームを原点に戻し
（ステップＳ１０）、計測を終了する。

【００２２】図６は本発明に係るレーザビームスキャナ
の構成を示す図、図７はモータ制御回路の構成例を示す
図、図８はステップモータの駆動を説明するための図、
図９はモータ駆動回路の動作を説明するためのタイミン
グチャート、図１０はレーザビームスキャナのＸ，Ｙ方
向の分解能を説明するための図である。

【００２３】レーザビームスキャナは、図１で示したよ
うにＸ，Ｙ方向の走査用に平面鏡８（Ｍ１），９（Ｍ
２）を有し、それぞれ独立したステップモータ１０、１
１で駆動するものであり、その光走査系の部分を示した
のが図６である。このような平面鏡８、９による光走査
では、光の走査角はミラーの回転角の２倍となる。ステ
ップモータ１０、１１の軸は、入力する時系列パルスの
立ち上がりで決まった角度だけ回転する。このステップ
モータ１０、１１をコンピュータで操作するには、コン
ピュータから時系列パルスを直接出力することも可能で
あるが、外付けの回路でコンピュータのバス出力を時系
列パルスに変換して行うように構成してもよい。その後
者の例を示したのが図７である。

【００２４】モータ制御回路１４は、コンピュータ１６
からの指令を受けてモータ駆動用の時系列パルスを発生
するものである。各ステップモータは、入力する時系列
のパルスの１個のパルスの立ち上がり毎に決まった最小
角度θ_minだけ回転し、時系列パルスの数をｐとする
と、ｐθ_minの角度だけ回転してその位置に停止する。
図７において、発振器２１の出力をゲート回路２２を通
して分周回路２３で分周し、そのパルスをゲート回路２
８でモータ及びそれぞれの回転方向に振り分けて出力す
るように構成している。バイナリカウンタ２４は、モー
タに出力するパルスの数をカウントするものである。制
御回路２５は、モータに出力するパルスの数の設定、バ
イナリカウンタ２４のリセット及びＸ，Ｙ軸用モータの
振り分け、回転方向の指示を行うものであり、Ａポート
からパルス数の設定を行い、Ｃポートからの命令によ
り、バイナリカウンタ２４のリセット及びＸ，Ｙ軸用モ
ータの振り分け、回転方向の指示を行っている。コンパ
レータ２６は、バイナリカウンタ２４の出力値を制御回
路２５の設定値と比較するものであり、その比較結果に
よりゲート回路２２を制御するのがゲート制御回路２７
である。

【００２５】ステップモータの駆動では、例えば平面鏡
８を回転させるステップモータ１０において、モータ制
御回路１４の出力端子Ｍ１ＣＷが時計方向に回転させる
出力信号を、出力端子Ｍ１ＣＣＷが反時計方向に回転さ
せる出力信号をそれぞれ発生し、同様に、平面鏡９を回
転させるステップモータ１１において、モータ制御回路
１４の出力端子Ｍ２ＣＷが時計方向に回転させる出力信
号を、出力端子Ｍ２ＣＣＷが反時計方向に回転させる出
力信号をそれぞれ発生するものとすると、以下のように
動作する。まず、図８に示すように平面鏡の１ステップ
走査で回転させたいモータの回転角度に相当する駆動パ
ルスの数を制御回路２５に設定し、そのＡポートから２
進数で出力させる（ステップＳ１１）。そして、制御回
路２５によりステップモータ１０、１１毎に回転方向を
判断してＣポートからゲート回路２８の各ゲート制御信
号を出力すると共に（ステップＳ１２）、カウンタリセ
ット命令をＣポートから出力することによって、バイナ
リカウンタ２４をリセットする（ステップＳ１３）。そ
して、リセット信号の立ち下がりでスタート命令を生成
しゲート制御回路２７をクリアしてゲート回路２２をオ
ンにし（ステップＳ１５）、ゲート回路２８を通して各
モータにパルスを出力し駆動する（ステップＳ１６）。
バイナリカウンタ２４のカウント値が制御回路２５の設
定値と一致するまでモータにパルスを出力し、コンパレ
ータ２６の一致出力によりゲート制御回路２７が動作し
てゲート回路２２をオフにしモータへのパルスを停止す
る（ステップＳ１８）。この一連の動作をコンピュータ
１６からの指示にしたがって行う。その波形をタイムチ
ャートで示したのが図９である。この動作は、連続でも
よいが、等時間間隔ごとに走査ビームを移動させ、移動
後次の移動まで小停止時間を挿入してもよい。

【００２６】このようなレーザビームスキャナでは、走
査角が等間隔となるので、スキャナの原点から測定対象
点までの距離によって１走査ステップ間での測定点の変
位距離が異なる。１走査ステップをモータの１、２、３
ステップ分としたときの距離Ｚに対する走査間隔の関係
を示したのが図１０である。従って、遠方の物体を細か
く測定しようとすると、１走査ステップを小さくしなけ
ればならない。

【００２７】上記レーザビームスキャナにおいては、ス
テップモータの最大自起動周波数ｆ_maxを越えるような
短い時間のパルスの伝達を防ぐために、基準となるクロ
ックに２ｆ_maxを選び、分周回路２３で２分周してモー
タに伝えている。このようにモータには、ｆ_maxを越え
る周波数のパルスは入力されない。上記の例は、モータ
へ供給されるパルス周波数を５ｋＨｚに設定したもので
ある。

【００２８】次に計時回路について説明する。図１１は
計時回路の構成例を示す図、図１２は計時回路の動作を
説明するための図である。移動物体の形状計測では、各
測定点を何時計測したかがわからないと、物体の速度が
わかっても、すべての計測が終わった時点で物体の形状
を復元できない。そこで、各測定点を何時計測したかを
知るために計時回路１５が必要となる。この計時回路１
５は、図１１に示すように水晶発振器３１の１０ＭＨｚ
のクロックを分周回路３２で例えば１００Ｈｚまで分周
し、これを１６ビットのバイナリカウンタ３３、３４で
カウントしている。そして、コンピュータへの接続は、
インタフェース回路３５を介し、また、これを通してバ
イナリカウンタ３３、３４のリセットも行う。

【００２９】次に動作を説明する。水晶発振器３１から
のクロックパルスは、分周回路３２によって分周され、
バイナリカウンタ３３、３４に入力される。図１２に示
すようにまず、コンピュータ１６からのスタート命令に
よって、インタフェース回路３５は、バイナリカウンタ
３３、３４をリセットし（ステップＳ２１）、しかる後
分周されたパルスを計測開始する（ステップＳ２２）。
そして、ビーム走査を終了すると同時にコンピュータ１
６から計測終了信号を受けると、その時のバイナリカウ
ンタ３３、３４の値をインタフェース回路３５で読み込
み（ステップＳ２３、Ｓ２４）、コンピュータ１６のデ
ータバスに伝送する。バイナリカウンタ３３、３４の出
力値に分周パルス１個の周期を掛算すれば、全測定点を
計測するのに要した時間を求めることができるので、測
定点の個数をｍとしてその全計測時間を（ｍ−１）で除
算すれば、１個の測定点の計測に要した時間τを求める
ことができる。したがって、この場合、スキャナを等時
間間隔で走査しているので、測定時間開始時刻を零とす
ると、Ｎ番目の測定点の測定時刻は（Ｎ−１）τとして
求めることができる。

【００３０】なお、本発明は、上記の実施例に限定され
るものではなく、種々の変形が可能である。例えば上記
の実施例では、２次元的光走査の機構を２枚の平面鏡で
構成したが、測定対象物の形、大きさ、速度、存在位置
までの距離等に対応して上記と異なった走査を行うため
の制御方式を採用してもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、距離・速度計からの出射光を２次元的に走査
しながら光源と受光器を用い被測定物体からの反射光を
受光器で検出して被測定物体までの距離と速度を測定す
ると共に、各走査時刻を計測するので、各走査点の距離
を時刻と速度から補正し移動する被測定物体の形状と位
置を正確に求めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る物体の形状測定装置の１実施例
を示すブロック図である。

【図２】形状計測における座標系を説明するための図
である。

【図３】形状計測面上での距離速度測定順序を説明す
るための図である。

【図４】移動物体の距離画像復元の原理を説明するた
めの図である。

【図５】移動物体の形状計測の手順を示すフローチャ
ートである。

【図６】レーザビームスキャナの構成を示す図であ
る。

【図７】モータ制御回路の構成例を示す図である。

【図８】ステップモータの駆動を説明するための図で
ある。

【図９】モータ駆動回路の動作を説明するためのタイ
ミングチャートである。

【図１０】レーザビームスキャナのＸ，Ｙ方向の分解
能を説明するための図である。

【図１１】計時回路の構成例を示す図である。

【図１２】計時回路の動作を説明するための図であ
る。

【図１３】形状計測用レーザ距離計の光ビーム走査装
置の従来例を示す図である。

【符号の説明】

１…光源、２…受光器、３…距離検出部、４…速度検出
部、５…距離・速度演算部、６…電源、７…レンズ系、
８、９…平面鏡、１０、１１…ステップモータ、１２、
１３…モータ駆動回路、１４…モータ制御回路、１５…
計時回路、１６…コンピュータ、１７…表示装置、Ａ…
距離・速度計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者角正雄東京都東大和市湖畔２丁目325番８号

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光走査により移動する物体の形状を測定
する物体の形状測定装置であって、光源と受光器を用い
被測定物体からの反射光を受光器で検出して被測定物体
までの距離と速度を測定する距離・速度計、該距離・速
度計からの出射光を２次元的に走査する光走査手段、該
光走査手段による各走査時刻を計測する計時手段、距離
・速度計による測定値と光走査手段による走査点と計時
手段による時刻から被測定物体の形状と位置を演算する
演算手段とを備えたことを特徴とする物体の形状測定装
置。
【請求項２】光走査手段は、距離・速度計からの出射
光をＸ方向とＹ方向に走査する２枚の平面鏡と該平面鏡
を駆動するステップモータと該ステップモータを制御す
る制御回路からなることを特徴とする請求項１記載の物
体の形状測定装置。【請求項２】演算手段は、各走査点における被測定物
体までの距離を時刻と速度で補正処理することを特徴と
する請求項１記載の物体の形状測定装置。