JPH0634323A

JPH0634323A - 距離測定装置

Info

Publication number: JPH0634323A
Application number: JP4209799A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yokoyama; 敦横山; Takayuki Ashigahara; 隆之芦ヶ原
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-05-07
Filing date: 1992-07-14
Publication date: 1994-02-08
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: JP3175317B2

Abstract

(57)【要約】【目的】測定対象物体の三次元座標位置とその明るさ
または色とを同時に測定できるようにする。【構成】測定対象物体４からの光がプリズム８によっ
て分割されて距離画像センサー６１および濃淡画像撮像
素子６２に供給される。また、異なる場所から異なる波
長の光を測定対象物体に同時に出射し、測定対象物体か
ら反射された光を、プリズムおよび光学フィルター等に
より、異なる波長の複数の光に分割して、それぞれ対応
する受光センサーに供給することにより、受光センサー
から見た測定対象物体の死角の問題を解決しつつ、短時
間で距離を測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三次元物体の形状測定
に好適な距離測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定対象物体の表面の三次元座標位置す
なわち三次元形状を計測するために、スリット光を走査
しながらリアルタイムに測定対象物体までの距離を求め
る距離測定装置が知られている。この距離測定装置は、
スリット光を走査し測定対象物体からの反射スリット光
を、非走査型撮像素子等の距離画像センサーを用いてリ
アルタイムで検出し、空間に座標を一意的に設定する。

【０００３】図９は、このような従来の距離測定装置の
構成例を示す。赤外光レーザ源等から成る光源１により
照射された光は、光学系２によりスリット状にされ、こ
のスリット光は、ガルバノミラー等から成るスキャニン
グミラー３を用いて反射される。スリット光は、スキャ
ニングミラー３を回転させることにより測定対象物体４
上で走査される。

【０００４】測定対象物体４から反射されたスリット光
は、光学系７によって、非走査型撮像素子６上に結像さ
せられる。測定対象物体４からの反射スリット光が非走
査型撮像素子６内で２次元に配列された各セル６Ｃを横
切るタイミングが、制御部５内の微分または積分回路等
を用いて求められ、その時のスキャニングミラー３の回
転位置が求められる。このスキャニングミラー３の回転
位置、および非走査型撮像素子６とスキャニングミラー
３との位置関係から、三角測量の原理で、非走査型撮像
素子６の各セル６Ｃ毎に測定対象物体４までの距離が、
測定される。

【０００５】図１０に、上述した図９の距離測定装置が
採用している三角測量の原理を示す。非走査型撮像素子
６と、この素子中に設けられている一つのセル６Ｃ上に
光学像が結像させられる測定対象物体４上の点までの距
離Ｄは、三角測量の原理で、非走査型撮像素子６とスキ
ャニングミラー３の回転中心との距離Ｂ、スキャニング
ミラー３で反射した光と非走査型撮像素子６とのなす角
θ₁、非走査型撮像素子６とそこに入射する測定対象物
体４からの反射光とのなす角θ₂、およびスキャニング
ミラー３の回転中心と非走査型撮像素子６との間の垂直
方向の距離ａによって定まり、図１０の右側に示された
式で表現される。

【０００６】Ｂ、θ₂、ａの三つの変数については、あ
らかじめ実測、またはキャリブレーションによって計測
出来る。θ₁は、上述した様に、非走査型撮像素子６内
のセル６Ｃを測定対象物体４からの反射光が横切るタイ
ミングを求め、スキャニングミラー３の回転位置を求め
る事によって求められる。従って、測定対象物体４まで
の距離Ｄが、非走査型撮像素子６内の各セル毎に三角測
量の原理に基づいて求められる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ロボットによるハンド
リング作業、各種検査作業等において、測定対象物体４
の三次元位置情報の他にそれに対応する濃淡画像を必要
とする場合が多い。すなわち、距離画像では、距離画像
センサーである非走査型撮像素子６の各セル６Ｃに対応
する測定対象物体４の三次元座標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が
得られるが、この３次元座標位置における濃淡値（Ｉ）
が必要となる場合が数多くある。

【０００８】しかしながら、従来の距離測定装置におい
ては、距離画像センサーの各セルに対応する三次元座標
（Ｘ，Ｙ，Ｚ）データしか得られず、この三次元座標位
置に対応する測定対象物体表面の明るさ（濃淡画像）は
得られなかった。

【０００９】従来の一般的な測定対象物体の表面の明る
さ（濃淡画像）を測定する方法としては、ＣＣＤカメラ
等の走査型の画像入力装置を用いて映像信号の形で測定
する方法がある。

【００１０】図１１は、異なる位置に置かれた距離画像
センサー６およびＣＣＤカメラ等の走査型の画像入力装
置６Ｔを用いて測定対象物体４の３次元座標位置とその
明るさまたは色とを各々測定する態様を示す。しかしな
がら、画像入力装置６Ｔによって測定された各明るさま
たは色が、距離画像センサー６によって求められたの三
次元座標位置のどこに正確に相当するのか判定すること
は、非常に困難である。

【００１１】また、ＣＣＤ等の濃淡画像撮像素子による
画像撮り込み時に測定対象物体上をスリット光が走査さ
れると、ノイズが画像に混入する。これを回避するため
に、測定対象物体上にスリット光が照射されていない時
に、濃淡画像素子による画像を撮り込みを行うと、測定
対象物体の三次元座標位置とその明るさまたは色とを同
時に測定出来なくなり、測定に長時間を要する事にな
る。

【００１２】他方、上述した三角測量の原理に基づく距
離測定では、測定対象物体に対して非走査型撮像素子
（以下以、受光素子と呼ぶ）から見た死角が存在する。
すなわち、測定対象物体に対し、投光部と受光部が異な
る方向に存在する為、測定対象物体の凹凸により、影に
なる部分が生じる。図１２に示した例では、測定対象物
体４Ｄに対して、光源１から光学系２を通してスキャニ
ングミラー３にスリット状の光を反射させて投光してい
る。ここでスキャニングミラー３によるスリット光の照
射範囲は、図１２のＲ１の範囲であり、他方、受光素子
６と光学系７とにより受光可能な範囲は、図１２のＲ２
の範囲である。

【００１３】上述のように、測定対象物体４Ｄの表面に
凹凸があると、受光素子６に対して、投光された光が影
になるエリアＳが生じる。従って、このエリアＳの部分
については、受光素子６に光が届かないため距離を求め
ることができない事になる。

【００１４】この死角の問題を解決する為には、図１３
に示すように、一組の投光器（光源１、光学系２および
スキャニングミラー３）から測定対象物体４Ｄに投光す
るだけではなく、測定対象物体４Ｄ上の死角となる部分
に投光するために、異なる場所から異なる投光器（光源
１１、光学系１２およびスキャニングミラー１３）を用
いて、測定対象物体４Ｄに投光することが提案されてい
る。これにより、測定物体４Ｄに対して、光が走査され
る空間内の領域は、エリアＲ１とエリアＲ３となり、図
１２で示したような死角は少なくなる。

【００１５】しかし、図１３に示された方法には、次の
ような問題がある。すなわち、図１３の距離測定装置に
おいては、光学系７と受光素子６からなる一つの受光部
が、異なる位置にある異なる投光器から照射された光
を、それぞれ、別々のタイミングで感知して、各投光器
から照射された光毎に距離を測定しなければならない
が、同時に光を照射した場合には、測定対象物体上の光
はどちらの投光器から照射されたものなのか分からなく
なる。従って、このように複数の同じ投光器を単に異な
る場所に配置する場合、各投光器の光照射のタイミング
を変えて、測定対象物体を照射し、受光部で受光しなけ
ればならない。

【００１６】このようにタイミングを変えて距離を測定
する方法の一例が、図１４に示されている。まず、第１
の投光器からの照射光を用いて死角がある第１の距離画
像を撮り込み、この操作が終了した後、所定の異なる場
所に配置されている第２の投光器からの照射光を用い
て、先に求めた第１距離画像の死角を補うような第２距
離画像を撮り込む。当然、第２距離画像にも死角が存在
する可能性がある。そこで、これら２つの距離画像を重
ねて、死角部分を補う。

【００１７】しかしながら、この方法では、２枚の距離
画像を撮り込むタイミングが異なるために、先に撮り込
んだ距離画像を何らかの記憶媒体に保存しておく必要が
ある。すなわち、測定時間が単純に２倍以上必要とな
り、また実施するのに必要な構成も複雑になってしま
う。

【００１８】本発明は、測定対象物体の三次元座標位置
とその明るさまたは色とを同時に測定できるようにする
ことを第１の目的とする。

【００１９】本発明の第２の目的は、測定対象物体の死
角の問題を解決し、簡単な構成で、短時間に距離を測定
できるようにすることにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の距離測
定装置は、スリット光を測定対象物体の表面に沿って走
査し、測定対象物体からの反射スリット光が、距離画像
センサー（例えば、図１の実施例の距離画像センサー６
１）を構成するセルを通過する時点を検出して測定対象
物体の表面の三次元座標位置を測定する距離測定装置で
あって、測定対象物体の濃淡値または色を測定する濃淡
画像撮像素子（例えば、図１の実施例の濃淡画像撮像素
子６２）と、測定対象物体からの光を分割して、距離画
像センサーおよび濃淡画像撮像素子に供給する光学素子
（例えば、図１の実施例のプリズム８）とを備えること
を特徴とする。

【００２１】請求項２に記載の距離測定装置は、光学素
子と濃淡画像撮像素子との間に、測定対象物体からの反
射スリット光を除去する第１フィルター（例えば、図１
の実施例のフィルタ９）を備えることを特徴とする。

【００２２】請求項３に記載の距離測定装置は、光学素
子と距離画像センサーとの間に、測定対象物体からの反
射スリット光のみを透過させる第２フィルター（例え
ば、図１の実施例のフィルタ１０）を備えることを特徴
とする。

【００２３】請求項４に記載の距離測定装置は、スリッ
ト光を測定対象物体の表面に沿って走査し、測定対象物
体からの反射スリット光が、距離画像センサーを構成す
るセルを通過する時点を検出して測定対象物体の表面の
三次元座標位置を測定する距離測定装置であって、測定
対象物体の濃淡値または色を測定する濃淡画像撮像素子
（例えば、図３のフォトダイオードＰＤＩ）を、距離画
像センサーの各セル（例えば、図３のセル６０）に設け
たことを特徴とする。

【００２４】請求項５に記載の距離測定装置は、それぞ
れ、相異なる位置に配置されて、相異なる波長の光を測
定対象物体に向けて出射する複数の投光手段（例えば、
図７の実施例の光源１Ａ、光学系２Ａおよびスキャニン
グミラー３Ａの組と、光源１Ｂ、光学系２Ｂおよびスキ
ャニングミラー３Ｂの組）と、これら複数の投光手段の
それぞれに対応させて配置される複数の受光手段（例え
ば、図７の実施例の受光センサー６Ａおよび６Ｂ）と、
測定対象物体からの光を分割して、複数の受光手段に向
けて出射する分光手段（例えば、図７の実施例のプリズ
ム８０）と、それぞれ、対応する受光手段と、分光手段
との間に配置され、対応する受光手段に割り当てられた
波長の光のみ透過させる複数の光学フィルター（例え
ば、図７の光学フィルター１０Ａおよび１０Ｂ）とを備
えることを特徴とする。

【００２５】請求項６に記載の距離測定装置は、それぞ
れ、相異なる位置に配置されて、相異なる波長の光を測
定対象物体に向けて出射する複数の投光手段（例えば、
図７の実施例の光源１Ａ、光学系２Ａおよびスキャニン
グミラー３Ａの組と、光源１Ｂ、光学系２Ｂおよびスキ
ャニングミラー３Ｂの組）と、これら複数の投光手段の
それぞれに対応させて配置される複数の受光手段（例え
ば、図７の実施例の受光センサー６Ａおよび６Ｂ）と、
測定対象物体からの光を受けて、複数の受光手段に対し
てそれぞれに割り当てられた波長の光を供給する分光手
段（例えば、異なる波長の光を異なる方向に出射するハ
ーフミラー）とを備えることを特徴とする。

【００２６】

【作用】請求項１の構成の距離測定装置においては、測
定対象物体からの光が分割されて距離画像センサーおよ
び濃淡画像撮像素子に供給される。従って、測定対象物
体の三次元座標位置とその明るさまたは色とを同時に測
定できる。

【００２７】請求項２の構成の距離測定装置において
は、測定対象物体からの光のうち反射スリット光が、第
１フィルターによって除去されて濃淡画像撮像素子に供
給される。従って、濃淡画像素子によって得られる画像
にノイズが混入するのを防止でき、測定対象物体の明る
さまたは色を正確に測定できる。

【００２８】請求項３の構成の距離測定装置において
は、測定対象物体からの光のうち反射スリット光のみが
第２フィルターによって透過させられて距離画像センサ
ーに供給される。従って、測定対象物体の三次元座標位
置を正確に測定できる。

【００２９】請求項４の構成の距離測定装置において
は、距離画像センサーを構成する各セルに、測定対象物
体からの反射スリット光が供給されるときには、そのセ
ルの濃淡画像撮像素子に、測定対象物体からの光が供給
される。従って、測定対象物体の三次元座標位置とその
明るさまたは色とを同時に測定できる。

【００３０】請求項５の構成の距離測定装置において
は、それぞれ相異なる位置に配置された複数の投光手段
から、相異なる波長の光が測定対象物体に向けて出射さ
れ、分光手段が、複数の投光手段のそれぞれに対応させ
て配置された複数の受光手段に向けて、測定対象物体か
らの光を分割して出射し、分光手段と対応する受光手段
との間にそれぞれ配置された複数の光学フィルターが、
対応する受光手段に割り当てられた波長の光のみを透過
させて対応する受光手段に供給する。従って、相異なる
位置に配置された複数の投光手段から同時に光を出射す
ることができるので、死角の問題を解決しつつ短時間で
距離を測定できるとともに、記憶媒体等を使用する必要
がないから、簡単な構成で距離を測定できる。

【００３１】請求項６の構成の距離測定装置において
は、それぞれ相異なる位置に配置された複数の投光手段
から、相異なる波長の光が測定対象物体に向けて出射さ
れ、分光手段が、複数の投光手段のそれぞれに対応させ
て配置された複数の受光手段に対して、測定対象物体か
らの光のうち、それぞれに割り当てられた波長の光を供
給する。従って、相異なる位置に配置された複数の投光
手段から同時に光を出射することができるので、死角の
問題を解決しつつ短時間で距離を測定できるとともに、
記憶媒体等を使用する必要がないから、簡単な構成で距
離を測定できる。

【００３２】

【実施例】図１は、本発明の距離測定装置の一実施例の
構成を示す光学経路図である。この実施例は、測定対象
物体の表面の三次元座標位置と明るさとをリアルタイム
で同時に測定するものである。図１中、光源１、光学系
２、スキャニングミラー３および測定対象物体４は、前
述の図９の従来例と同一なので、ここでは説明を省略す
る。

【００３３】距離画像センサー６１、およびＣＣＤ等か
らなる白黒画像撮り込み用濃淡画像撮像素子６２は、測
定対象物体４の映像が光学系７Ａおよびプリズム８によ
り結像する位置に配置されている。すなわち、光学系７
Ａにより撮り込まれた測定対象物体４からの光は、プリ
ズム８によって距離画像センサー６１および濃淡画像撮
像素子６２の両方向に分割され、各々の上に結像され
る。距離画像センサー６１および濃淡画像撮像素子６２
のそれぞれの各セルは、適当なキャリブレーション等に
より、対応付けがなされている。

【００３４】濃淡画像撮像素子６２とプリズム８との間
には、測定対象物体４からの反射スリット光の波長であ
る赤外光をカットするフィルター９が配置されており、
濃淡画像撮像素子６２に赤外光が入射されないようにさ
れている。距離画像センサー６１とプリズム８との間に
は、測定対象物体４からの反射スリット光の波長帯域で
ある赤外光のみを透過させるフィルター１０が配置され
ている。

【００３５】上述のように構成することにより、距離画
像センサー６１上でスリット光が結像され、従来と同様
にリアルタイムで距離が測定されると同時に、フィルタ
ー９によってカットされる赤外帯域光以外の光が濃淡画
像撮像素子６２に結像され、測定対象物体４の画像とし
て受像される。ここで、濃淡画像撮像素子６２の各セル
と距離画像センサ６１の各セルの各々の位置関係は一意
的に決まり、求められた測定対象物体４の各三次元座標
位置における明るさが同定できる。

【００３６】以上のように、図１の実施例によれば、プ
リズム８を用いて入射光光路を分割する事により、距離
画像センサー６１により測定された測定対象物体４の三
次元座標位置と、ＣＣＤ等の濃淡画像撮像素子６２によ
り測定された明るさとの正確な対応付けが可能となる。

【００３７】また、ＣＣＤ等の濃淡画像撮像素子６２の
前に赤外光をカットするフィルター９を設ける事によ
り、測定対象物体４の明るさを測定している時、測定対
象物体４の三次元座標位置を測定する為に用いられるス
リット光による影響が除去される。この事により、測定
対象物体の三次元座標位置の明るさを正確に測定でき
る。

【００３８】なお、上記実施例においては、濃淡画像撮
像素子６２として白黒撮り込み用のものを使用したが、
カラー用の濃淡画像撮像素子を用いてカラー画像を撮り
込む事も可能である。これにより、測定対象物体４の三
次元座標位置の測定と、その位置の色の測定とを同時に
行うことができる。

【００３９】また、距離画像センサー６１とプリズム８
の間に配置されるるフィルター１０は、距離画像センサ
ー６１の特性としてスリット光以外の外乱光が入射され
てもさしつかえない場合、省略してもよい。

【００４０】また、上記実施例は、スリット光として赤
外光を用いた例であるが、距離画像センサー６１におけ
る分光感度特性が紫外光で十分な感度を得られる場合、
使用する紫外光のみをカットするフィルターをフィルタ
ー９として使用する事により、スリット光として紫外光
を使用する事が可能となる。

【００４１】また、距離画像センサー６１の可視光領域
の光感度特性が十分であり距離画像を測定できる場合に
は、可視光のスリット光を用いる事ができる。この場
合、明るさや色を測定するための濃淡画像に若干ノイズ
が入る可能性があるが、上記実施例の構成により、濃淡
画像および距離画像を測定でき、フィルター９およびフ
ィルター１０を省略してもよい。

【００４２】図２は、本発明の距離測定装置の別の実施
例の距離画像センサーの各セルの構成例を示す。このセ
ルは、リアルタイムに距離画像および濃淡画像を測定す
るセンサー上の１つのセルである。すなわち、このセル
６０は、距離画像センサー部６１Ａと濃淡画像センサー
部６２Ａとを有し、距離画像センサー６１Ａにより、ス
リット光が横切ったタイミングを検出し、これに近接し
た位置に配置された濃淡画像センサー部６２よりこのセ
ル６０上に結像する測定対象物体４の像の明るさ（濃淡
値）を検出する。距離画像センサー部６１Ａの出力信号
は、インバータＩ５にセル選択信号Ｘ１が供給されたと
きに取り出される。濃淡画像センサー部６２Ａの出力信
号は、アナログスイッチＡ６にセル選択信号Ｘ２が供給
されたときに取り出される。この様に、距離画像センサ
ー部６１Ａと濃淡画像センサー部６２Ａとを非常に近接
した位置に配置する事により、測定対象物体４の同じ箇
所（実際には非常に近接した箇所）の三次元座標位置と
その明るさ（結像された像の濃淡値）とを同時に測定可
能となる。

【００４３】図３は、図２のセンサーの具体的回路を示
す。図２の距離画像センサ部６１Ａは、図３の回路で
は、２つのフォトダイオードＰＤＡおよびＰＤＢを含ん
だ回路で実現され、スリット光が２つのフォトダイオー
ドＰＤＡおよびＰＤＢを横切るタイミングを検出し、各
セル６０に対応する測定対象物体４の三次元座標位置を
測定する。図２の濃淡画像センサー部６２Ａは、図３の
回路においてはフォトダイオードＰＤＩを用いて構成さ
れ、アレイ状に配列された各セル６０上に結像された測
定対象物体４の像の濃淡値を測定する。すなわち、シフ
トレジスタ等から選択信号Ｘ２が与えられた時に、フォ
トダイオードＰＤＩの内部容量に蓄電されている電荷
が、このフォトダイオードＰＤＩに結像されている像の
光量に応じて放電し、そのアナログ信号から各セルに結
像した濃淡値が測定される。

【００４４】図４は、図３のセル６０の２つのフォトダ
イオードＰＤＡおよびＰＤＢを含んで構成された距離画
像センサ部６１Ａの構成を説明する機能ブロック図であ
る。ここでは、測定対象物体４に投射されるスリット光
は、垂直方向に延びるスリットが水平方向に走査される
ものとする。各セル６０には、スリット光の移動方向に
隣接して左フォトセンサ２０Ａおよび右フォトセンサ２
０Ｂが配設されている。左および右フォトセンサ２０Ｂ
は、２つのフォトダイオードＰＤＡおよびＰＤＢに相当
する。左フォトセンサ２０Ａは、水平方向に沿って左側
に配設され、右フォトセンサ２０Ｂは、水平方向に沿っ
て右側に配設されている。すなわち、左フォトセンサ２
０Ａは、先にスリット光を受ける位置に配設され、右フ
ォトセンサ２０Ｂは、後でスリット光を受ける位置に配
設されている。

【００４５】左および右センサ２０Ａおよび２０Ｂの出
力側には、それぞれアンプ２２Ａおよび２２Ｂが設けら
れている。アンプ２２Ａおよび２２Ｂは、それぞれ左お
よび右センサ２０Ａおよび２０Ｂの出力を増幅する。ア
ンプ２２Ａおよび２２Ｂを設けているのは、スリット光
の光量が小さくても検出を可能にするためである。

【００４６】比較器２４は、アンプ２２Ａおよび２２Ｂ
の出力を比較し、前者が後者より大きいときには、第１
の状態の信号（例えば、「Ｌ」）を出力し、後者が前者
より大きいときには、第２の状態の信号（例えば、
「Ｈ」）を出力する。ゲート２６は、セル選択信号を受
けているときに、比較器２４の出力を外部に出力する。

【００４７】図５は、スリットの幅方向に広がり（分
散）を持ったスリット光が、水平方向の左から右に通過
したときの左および右フォトセンサ２０Ａおよび２０Ｂ
の光電流の変化を示す。図５に示されているように、ま
ず、左センサ２０Ａの光電流が増大した後に減少し、続
いて、右センサ２０Ｂの光電流が増大した後に減少す
る。従って、比較器２４は、始め、第１の状態の信号
（例えば、「Ｌ」）を出力し、続いて、第２の状態の信
号（例えば、「Ｈ」）を出力する。

【００４８】比較器２４の出力第１の状態の信号から第
２の状態の信号に切り替わる瞬間、すなわち左センサ２
０Ａの光電流より、右センサ２０Ｂの光電流の方が大き
くなった瞬間（図５の矢印で示されている時点）が「そ
のセルをスリット光が通過した時点：Ｔ_X」としてメモ
リセルに記憶される。この時点Ｔ_Xから、スリット光を
走査させている図１のミラー３の回転角度が求まり、三
角測量法により、測定対象物体４までの距離を測定でき
る。

【００４９】図３に戻って、図４の左および右センサ２
０Ａおよび２０Ｂは、それぞれ、フォトダイオードＰＤ
ＡおよびＰＤＢにより構成され、図４のアンプ２２Ａお
よび２２Ｂが、それぞれ、ＣＭＯＳインバータと、その
入出力を短絡するアナログスイッチとを使用したクロッ
ク型アンプにより構成され、図４の比較器２４が、ＣＭ
ＯＳインバータを２個正帰還結合させてアナログスイッ
チにより中間電位にバランスさせるクロック型比較器に
より構成されている。

【００５０】図４のアンプ２０Ａは、図３に示されてい
るように、フォトダイオードＰＤＡの出力すなわちカソ
ードの電位を反転するインバータＩ１と、このインバー
タの入力端子と出力端子との間に接続されるアナログス
イッチＡ１とを備えて構成される。図４のアンプ２０Ｂ
は、図３に示されているように、フォトダイオードＰＤ
Ｂの出力すなわちカソードの電位を反転するインバータ
Ｉ１と、このインバータの入力端子と出力端子との間に
接続されるアナログスイッチＡ２とを備えて構成され
る。フォトダイオードＰＤＡおよびＰＤＢのアノード
は、接地されている。アナログスイッチＡ１およびＡ２
は、クロック信号すなわち制御信号φ３によって制御さ
れる。

【００５１】図４の比較器２４は、図３に示されている
ように、一方の入力端子が他方の出力端子に接続され、
他方の出力端子が一方の入力端子に接続されるインバー
タＩ３およびＩ４と、インバータＩ１の出力端子と、イ
ンバータＩ３の入力端子およびインバータＩ４の出力端
子の接続点との間に接続されるアナログスイッチＡ３
と、インバータＩ２の出力端子と、インバータＩ３の出
力端子およびインバータＩ４の入力端子の接続点との間
に接続されるアナログスイッチＡ４と、インバータＩ３
の入力端子と出力端子との間すなわちインバータＩ４の
入力端子と出力端子との間に接続されるアナログスイッ
チＡ５とを備えて構成される。アナログスイッチＡ３お
よびＡ４は、クロック信号すなわち制御信号φ２によっ
て制御される。アナログスイッチＡ５は、クロック信号
すなわち制御信号φ１によって制御される。

【００５２】図６は、制御信号φ１、φ２およびφ３の
時間変化を示す。フェーズａにおいては、制御信号φ３
が「Ｈ」となるので、アナログスイッチＡ１およびＡ２
が短絡状態となって、インバータＩ１およびＩ２の出力
すなわち点ＩＡおよびＩＢの電位が中間電位にリセット
される。

【００５３】フェーズｂにおいては、制御信号φ１、φ
２およびφ３がすべて「Ｌ」となるので、２個のフォト
ダイオードＰＤＡおよびＰＤＢの内部容量に蓄積されて
いる電荷が、光の強さに応じて放電する。

【００５４】フェーズｃにおいては、制御信号φ１が
「Ｈ」となるので、アナログスイッチＡ５が短絡状態と
なり、インバータＩ４の出力すなわち点ＳＡの電位、お
よびインバータＩ３の出力すなわち点ＳＢの電位が中間
電位にバランスさせられる。この間、フォトダイオード
ＰＤＡおよびＰＤＢの放電が引き続き行われる。

【００５５】フェーズｄにおいては、制御信号φ２が
「Ｈ」となるので、アナログスイッチＡ３およびＡ４が
短絡状態にされる。フェーズｃにおいて中間電位になっ
ている点ＳＡおよびＳＢの電位は、点ＳＡが「Ｈ」で点
ＳＢが「Ｌ」の状態か、点ＳＡが「Ｌ」で点ＳＢが
「Ｈ」の状態に安定しようとするので、アナログスイッ
チＡ３およびＡ４が短絡状態にされて、点ＳＡが点ＩＡ
に、点ＳＢが点ＩＢにそれぞれ直接接続されると、フォ
トダイオードＰＤＡおよびＰＤＢに照射された光の強さ
の相違が、点ＩＡおよびＩＢの電位に反映されているか
ら、点ＳＡおよびＳＢは、電位の低い方が「Ｌ」とな
り、電位の高い方が「Ｈ」となって安定する。

【００５６】点ＳＢの電位は、インバータＩ５（これは
図４のゲート２６に相当する）に「Ｈ」のセル選択信号
Ｘ１が与えられたときに（フェーズｂの終了間隔）、イ
ンバータＩ５によって反転されて、ディジタル値Ｙとし
て外部に出力される。外部では、このディジタル値Ｙを
監視しており、「Ｈ」から「Ｌ」（点ＳＢでは、「Ｌ」
から「Ｈ」）に切り替わった時点を捕らえ、この時点を
「そのセルをスリット光が通過した時点」とする。

【００５７】なお、セルが観測している物体上にスリッ
ト光が照射されていないときには、左右どちらのセンサ
２０Ａおよび２０Ｂにもバイアス光が照射されているこ
とになるが、この場合、わずかな外からのノイズやフォ
トダイオードの特性の違い等が原因で点ＳＢの電位が、
「Ｈ」および「Ｌ」のどちらに倒れるか決定できない。
そこで、フォトダイオードＰＤＡをフォトダイオードＰ
ＤＢよりも少し大きくする、点ＩＡと接地点との間に微
少な電流が流れるように極めて大きな抵抗を挿入する等
の対策を施して、フォトダイオードＰＤＡおよびＰＤＢ
に全く同じ量の光が入射したときに、フォトダイオード
ＰＤＡの方に光が多く照射されるのと同じ状態（点ＳＢ
が「Ｌ」になる状態）になるようにする必要がある。

【００５８】図２および図３に示されたセル構成の実施
例によれば、各セル６０に結像された測定対象物体４の
画像について、その三次元位置座標位置および明るさ
（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｉ）を同時に測定できる。図３に示した
回路を一つのセル回路とする、距離・濃淡画像センサー
のＬＳＩ化も可能であり、この場合は解像度も向上し、
測定対象物体の三次元座標位置と明るさとのの対応も非
常に正確に行う事が出来る。また、同一視線方向、同一
解像度で測定対象物体の同じ位置に対応する距離画像と
濃淡画像を高速に撮り込むことが可能となる為、従来困
難であった各種検査、ロボットによるハンドリング作業
等に有効に用いることが可能となる。

【００５９】図７は、測定対象物体に対する受光部から
の死角の少ない測定を高速に行う本発明の一実施例を示
す。この実施例の特徴は、相異なる位置（すなわち測定
対象物体４Ｄに対して対称の位置）に配置されて相異な
る波長λ_Aおよびλ_Bの光をそれぞれ出射する光源１Ａお
よび１Ｂと、これらの光源１Ａおよび１Ｂに対応させて
配置された受光センサー６Ａおよび６Ｂと、測定対象物
体４Ｄから反射され光学系７を介して供給される相異な
る波長λ_Aおよびλ_Bの光をそれぞれ分割して受光センサ
ー６Ａおよび６Ｂに向けて出射するプリズム８０と、プ
リズム８０と受光センサー６Ａとの間に配置されて波長
λ_Aの光のみを透過させる光学フィルター１０Ａと、プ
リズム８０と受光センサー６Ｂとの間に配置されて波長
λ_Bの光のみを透過させる光学フィルター１０Ｂとを使
用して、同時に２枚の距離画像を得る点にある。なお、
光学系７、プリズム８０、受光センサー６Ａおよび受光
センサー６Ｂの位置関係は、光学系７を通して入射して
くる光の光路に対して、受光センサー６Ａと６Ｂとが全
く同じ位置にあるように配置する。すなわち、測定対象
物体４Ｄの任意の一点が、受光センサー６Ａおよび６Ｂ
の全く同じ位置に対応するように配置される。

【００６０】光源１Ａから出射された波長λ_Aの光は、
光学系２Ａによりスリット状の光ＬＡとされ、スキャニ
ングミラー３Ａによって反射されて測定対象物体４Ｄの
表面を走査する。光源１Ｂは、光源１Ａが波長λ_Aの光
を出射すると同時に、波長λ_Bの光を出射し、この光
は、光学系２Ｂによりスリット状の光ＬＢとされ、スキ
ャニングミラー３Ｂによって測定対象物体４Ｄの表面を
走査する。

【００６１】測定対象物体４Ｄによって反射された光Ｌ
ＡおよびＬＢは、光学系７を通ってプリズム８０に入射
する。プリズム８０は、測定対象物体４Ｄによって反射
されたスリット光ＬＡを、スリット光ＬＡＡおよびＬＡ
Ｂに分光し、測定対象物体４Ｄによって反射されたスリ
ット光ＬＢを、スリット光ＬＢＡおよびＬＢＢに分光す
る。

【００６２】光学フィルター１０Ａは、光源１Ｂから出
射された波長λ_Bの光すなわちスリット光ＬＢＡを透過
しないので、受光センサー６Ａに結像する光は、光源１
Ａによって出射された波長λ_Aの光すなわちスリット光
ＬＡＡである。同様に、光学フィルター１０Ｂは、光源
１Ａによって出射された波長λ_Aの光すなわちスリット
光ＬＡＢを透過しないため、受光センサー６Ｂに結像す
る光は、光源１Ｂによって出射された波長λ_Bの光すな
わちスリット光ＬＢＢである。

【００６３】このように、異なる位置から同時に波長の
異なるスリット光を出射し、複数のセンサーに対して結
像する光の波長を選択して距離測定を行うことにより、
従来のように、複数の光源からの光の出射タイミングを
異ならせ、さらに複数の受光センサーの受光タイミング
を異ならせる必要がなくなるので、短時間で距離測定を
行えるようになる。

【００６４】図８は、図７の実施例による距離測定動作
を模式的に示したものである。図８の第１投光器とは、
光源１Ａ、光学系２Ａおよびスキャニングミラー３Ａの
組のことである。第２投光器とは、光源１Ｂ、光学系２
Ｂおよびスキャニングミラー３Ｂの組のことである。図
８は、図１４と対比して示しているが、異なる２つの投
光器から投光された光を用いて、これらに対応した距離
画像が同時に計測可能となる。また、光路的に全く同じ
位置にある２つの受光センサーによって得られたの距離
画像は、そのまま重ね合わせることが出来るため、容易
に死角の少ない距離画像が求められる。

【００６５】なお、上記実施例においては、プリズムに
よって分光し、各受光センサーに入射する光の波長を選
択するためにに光学フィルターを用いているが、プリズ
ムおよび光学フィルターの代わりに、各受光センサーに
割り当てられた波長の光のみの光を対応する受光センサ
ーに供給する分光特性のハーフミラー等を使用すること
もできる。

【００６６】また、上記実施例は、投光器を２つ使用し
ているが、測定対象物体の表面の凹凸の状態によって
は、死角がより少なくなるように、３つ以上の投光器、
ならびにそれに対応する数の受光センサーを使用しても
良い。

【００６７】また、上記実施例は、リアルタイム距離画
像センサに関するものであるが、本発明は、これに限定
されず、例えば、参照光を測定対象物体に投光し、投光
器とは異なる位置にある受光部を用いて測定対象物体か
らの反射光を検出して距離を測定する装置にも同様に適
用でき、死角問題を解決できる。要するに、本発明は、
広く一般に、三角測量の原理に基づく距離測定に適用出
来る。

【００６８】

【発明の効果】請求項１の距離測定装置によれば、測定
対象物体からの光を分割して距離画像センサーおよび濃
淡画像撮像素子に供給するようにしたので、測定対象物
体の三次元座標位置とその明るさまたは色とを同時に測
定できる。従って、測定時間を短縮できる。

【００６９】請求項２の距離測定装置によれば、測定対
象物体からの光のうち反射スリット光を第１フィルター
によって除去して濃淡画像撮像素子に供給するようにし
たので、濃淡画像素子によって得られる画像にノイズが
混入するのを防止でき、測定対象物体の明るさまたは色
を正確に測定できる。

【００７０】請求項３の距離測定装置によれば、測定対
象物体からの光のうち反射スリット光のみを第２フィル
ターによって透過させて距離画像センサーに供給するよ
うにしたので、測定対象物体の三次元座標位置を正確に
測定できる。

【００７１】請求項４の距離測定装置によれば、距離画
像センサーを構成する各セルに、濃淡画像撮像素子を設
けたので、各セルに、測定対象物体からの反射スリット
光が供給されるときには、そのセルの濃淡画像撮像素子
に、測定対象物体からの光が供給されるから、測定対象
物体の三次元座標位置とその明るさまたは色とを同時に
測定できる。

【００７２】請求項５の距離測定装置によれば、それぞ
れ相異なる位置に配置された複数の投光手段から、相異
なる波長の光を測定対象物体に向けて出射し、複数の投
光手段のそれぞれに対応させて配置された複数の受光手
段に向けて、分光手段よって、測定対象物体からの光を
分割して出射し、分光手段と対応する受光手段との間に
それぞれ配置された複数の光学フィルターによって、対
応する受光手段に割り当てられた波長の光のみを透過さ
せて対応する受光手段に供給するので、相異なる位置に
配置された複数の投光手段から同時に光を出射すること
ができるから、死角の問題を解決しつつ短時間で距離を
測定できるとともに、記憶媒体等を使用する必要がない
ので、簡単な構成で距離を測定できる。

【００７３】請求項６の距離測定装置によれば、それぞ
れ相異なる位置に配置された複数の投光手段から、相異
なる波長の光を測定対象物体に向けて出射し、複数の投
光手段のそれぞれに対応させて配置された複数の受光手
段に対して、分光手段によって、測定対象物体からの光
のうち、それぞれに割り当てられた波長の光を供給する
ので、相異なる位置に配置された複数の投光手段から同
時に光を出射することができるから、死角の問題を解決
しつつ短時間で距離を測定できるとともに、記憶媒体等
を使用する必要がないので、簡単な構成で距離を測定で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の距離測定装置の一実施例の構成を示す
光学経路図である。

【図２】本発明の距離測定装置の別の実施例の距離画像
センサーの各セルの構成例を示すブロック図である。

【図３】図２に示されたセルの回路構成例を示す回路図
である。

【図４】図３に示されたセルの距離画像センサー部６１
Ａの構成を説明する機能ブロック図である。

【図５】反射スリット光の移動に伴う左フォトセンサー
２０Ａおよび右フォトセンサー２０Ｂの光電流の時間変
化を示すグラフである。

【図６】図４に示されたアンプ２２Ａおよび２２Ｂなら
びに比較器２４に供給される制御信号φ１、φ２および
φ３の一例を示すタイミング図である。

【図７】本発明の距離測定装置の他の実施例の構成を示
す光学経路図である。

【図８】図７の実施例の動作を模式的に示すブロック図
である。

【図９】従来の距離測定装置の一例を示す光学経路図で
ある。

【図１０】図９の従来例の三角測量による距離測定の原
理を示す図である。

【図１１】従来の距離画像センサー６およびＣＣＤカメ
ラ等の走査型の画像入力装置６Ｔを用いて測定対象物体
４の３次元座標値とその明るさおよび色とを各々測定す
る態様を示す図である。

【図１２】従来の距離測定装置における死角の問題を示
す説明図である。

【図１３】死角の問題を解決する従来の距離測定装置の
一例を示す図である。

【図１４】図１３の従来例の動作を模式的に示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ光源２Ａ，２Ｂ光学系３Ａ，３Ｂスキャニングミラー４，４Ｄ測定対象物体６Ａ，６Ｂ受光センサー８，８０プリズム９，１０，１０Ａ，１０Ｂフィルター６０セル６１距離画像センサー６１Ａ距離画像センサー部６２濃淡画像素子６２Ａ濃淡画像センサ部ＰＤＡ，ＰＤＢ，ＰＤＩフォトダイオード

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スリット光を測定対象物体の表面に沿っ
て走査し、前記測定対象物体からの反射スリット光が、
距離画像センサーを構成するセルを通過する時点を検出
して前記測定対象物体の表面の三次元座標位置を測定す
る距離測定装置において、前記測定対象物体の濃淡値または色を測定する濃淡画像
撮像素子と、前記測定対象物体からの光を分割して、前記距離画像セ
ンサーおよび前記濃淡画像撮像素子に供給する光学素子
とを備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】前記光学素子と前記濃淡画像撮像素子と
の間に、前記測定対象物体からの反射スリット光を除去
する第１フィルターを備えることを特徴とする請求項１
記載の距離測定装置。
【請求項３】前記光学素子と前記距離画像センサーと
の間に、前記測定対象物体からの反射スリット光のみを
透過させる第２フィルターを備えることを特徴とする請
求項１記載の距離測定装置。
【請求項４】スリット光を測定対象物体の表面に沿っ
て走査し、前記測定対象物体からの反射スリット光が、
距離画像センサーを構成するセルを通過する時点を検出
して前記測定対象物体の表面の三次元座標位置を測定す
る距離測定装置において、前記測定対象物体の濃淡値または色を測定する濃淡画像
撮像素子を、前記距離画像センサーの各セルに設けたこ
とを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項５】それぞれ、相異なる位置に配置されて、
相異なる波長の光を測定対象物体に向けて出射する複数
の投光手段と、前記複数の投光手段のそれぞれに対応させて配置される
複数の受光手段と、前記測定対象物体からの光を分割して、前記複数の受光
手段に向けて出射する分光手段と、それぞれ、対応する受光手段と、前記分光手段との間に
配置され、対応する受光手段に割り当てられた波長の光
のみを透過させる複数の光学フィルターとを備えること
を特徴とする距離測定装置。
【請求項６】それぞれ、相異なる位置に配置されて、
相異なる波長の光を測定対象物体に向けて出射する複数
の投光手段と、前記複数の投光手段のそれぞれに対応させて配置される
複数の受光手段と、前記測定対象物体からの光を受けて、前記複数の受光手
段に対してそれぞれに割り当てられた波長の光を供給す
る分光手段とを備えることを特徴とする距離測定装置。