JPH07208946A - ３次元認識装置 - Google Patents
３次元認識装置Info
- Publication number
- JPH07208946A JPH07208946A JP2194694A JP2194694A JPH07208946A JP H07208946 A JPH07208946 A JP H07208946A JP 2194694 A JP2194694 A JP 2194694A JP 2194694 A JP2194694 A JP 2194694A JP H07208946 A JPH07208946 A JP H07208946A
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Abstract
(57)【要約】
【構成】 半導体レーザ２を用いた３次元認識装置にお
いて、前記半導体レーザ２から射出されるレーザ光の波
長を一定の割合で増減をくり返すように連続的に周波数
変調する周波数変調回路１と、前記レーザ光を平行にす
るコリメータレンズ３を通した後、前記レーザ光を２方
向に分岐するビームスプリッタ４と、一方のレーザ光を
反射するように基準光路端に設けたミラー５と、他方の
レーザ光を測定視野内で被測定物に照射しながら走査す
るスキャナ８と、前記ミラー５から反射される基準レー
ザ光と前記被測定物からの反射レーザ光とを前記ビーム
スプリッタ４でミキシングして生成されるビート信号を
検出する光検出器６と、前記ビート信号の周波数又は周
期から前記被測定物の距離を演算する距離演算回路１２
と、前記距離演算回路１２の後段に、前記スキャナ８の
スキャンステップごとに角度検出器１０からの信号を読
み込む形状演算回路１３からなる。 【効果】 小形、安価でしかも高速の応答性を持ち、高
精度の被測定物の形状認識が出来るという効果がある。
いて、前記半導体レーザ２から射出されるレーザ光の波
長を一定の割合で増減をくり返すように連続的に周波数
変調する周波数変調回路１と、前記レーザ光を平行にす
るコリメータレンズ３を通した後、前記レーザ光を２方
向に分岐するビームスプリッタ４と、一方のレーザ光を
反射するように基準光路端に設けたミラー５と、他方の
レーザ光を測定視野内で被測定物に照射しながら走査す
るスキャナ８と、前記ミラー５から反射される基準レー
ザ光と前記被測定物からの反射レーザ光とを前記ビーム
スプリッタ４でミキシングして生成されるビート信号を
検出する光検出器６と、前記ビート信号の周波数又は周
期から前記被測定物の距離を演算する距離演算回路１２
と、前記距離演算回路１２の後段に、前記スキャナ８の
スキャンステップごとに角度検出器１０からの信号を読
み込む形状演算回路１３からなる。 【効果】 小形、安価でしかも高速の応答性を持ち、高
精度の被測定物の形状認識が出来るという効果がある。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はロボット等に搭載し、被
測定物、又は障害物の形状を認識する３次元認識装置に
関する。
測定物、又は障害物の形状を認識する３次元認識装置に
関する。
【０００２】
【従来技術】被測定物の形状を認識する方法としては光
を媒体に利用した方式が数多く提案されており、カメラ
を用いた画像処理による方法や３角測量法の原理を利用
した方法がある。３角測量を利用する形状測定技術は、
例えば特開平１−３０８９０５号公報に開示されてい
る。すなわち、測定対象物に照射した光スポットの反射
光を位置検出器の受光面に集光して、３角測量の演算に
よって該測定対象物の照射面の高さを計測する方法にお
いて、上記測定対象物に照射する光スポットを光束位置
変更手段を介して、該測定対象物面上において走査移動
せしめると共に、該各走査移動ステップごとに上記位置
検出器からの出力値を読み込み、これに所定の演算を加
えた出力値群を計測値とすることを要旨とする。また、
上記方法を具体化する構造としては、光源と上記測定対
象物間との光束上に、該測定対象物面上に照射する光ス
ポットを走査移動する光束位置変更手段を介挿すると共
に、上記位置検出器の後段に該各走査移動ステップごと
に出力値を読み込み、これに所定の演算を加える同期演
算回路を構成していた。
を媒体に利用した方式が数多く提案されており、カメラ
を用いた画像処理による方法や３角測量法の原理を利用
した方法がある。３角測量を利用する形状測定技術は、
例えば特開平１−３０８９０５号公報に開示されてい
る。すなわち、測定対象物に照射した光スポットの反射
光を位置検出器の受光面に集光して、３角測量の演算に
よって該測定対象物の照射面の高さを計測する方法にお
いて、上記測定対象物に照射する光スポットを光束位置
変更手段を介して、該測定対象物面上において走査移動
せしめると共に、該各走査移動ステップごとに上記位置
検出器からの出力値を読み込み、これに所定の演算を加
えた出力値群を計測値とすることを要旨とする。また、
上記方法を具体化する構造としては、光源と上記測定対
象物間との光束上に、該測定対象物面上に照射する光ス
ポットを走査移動する光束位置変更手段を介挿すると共
に、上記位置検出器の後段に該各走査移動ステップごと
に出力値を読み込み、これに所定の演算を加える同期演
算回路を構成していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが従来の方法で
はたとえば画像処理による方法では形状認識等には適す
るが高価であり、又奥行き方向における距離測定精度が
悪く、又画像処理に要する演算時間のため応答性が悪い
などの欠点があった。又３角測量法による方法は応答性
は良いものの、広い測定範囲をカバーし、又精度良く測
定するには特に光学系が大きくなり、又高価なセンサと
なり、ロボット搭載用センサとしては適さない等の欠点
があった。そこで本発明は小形かつ高精度でしかも安価
で構成できる３次元認識装置を提供する事を目的とす
る。
はたとえば画像処理による方法では形状認識等には適す
るが高価であり、又奥行き方向における距離測定精度が
悪く、又画像処理に要する演算時間のため応答性が悪い
などの欠点があった。又３角測量法による方法は応答性
は良いものの、広い測定範囲をカバーし、又精度良く測
定するには特に光学系が大きくなり、又高価なセンサと
なり、ロボット搭載用センサとしては適さない等の欠点
があった。そこで本発明は小形かつ高精度でしかも安価
で構成できる３次元認識装置を提供する事を目的とす
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に本発明は半導体レーザを用いた３次元認識装置におい
て、前記半導体レーザから射出されるレーザ光の波長を
一定の割合で増減をくり返すように連続的に周波数変調
する変調回路と、前記レーザ光を平行にするコリメータ
レンズを通した後、前記レーザ光を２方向に分岐するビ
ームスプリッタと、一方のレーザ光を反射するように基
準光路端に設けたミラーと、他方のレーザ光を測定視野
内で被測定物に照射しながら走査するスキャナと、前記
ミラーから反射される基準レーザ光と前記被測定物から
の反射レーザ光とを前記ビームスプリッタでミキシング
して生成されるビート信号を検出する光検出器と、前記
ビート信号の周波数又は周期から前記被測定物の距離を
演算する距離演算回路と、前記距離演算回路の後段に、
前記スキャナのスキャンステップごとに角度検出器から
の信号を読み込む形状演算回路からなる。
に本発明は半導体レーザを用いた３次元認識装置におい
て、前記半導体レーザから射出されるレーザ光の波長を
一定の割合で増減をくり返すように連続的に周波数変調
する変調回路と、前記レーザ光を平行にするコリメータ
レンズを通した後、前記レーザ光を２方向に分岐するビ
ームスプリッタと、一方のレーザ光を反射するように基
準光路端に設けたミラーと、他方のレーザ光を測定視野
内で被測定物に照射しながら走査するスキャナと、前記
ミラーから反射される基準レーザ光と前記被測定物から
の反射レーザ光とを前記ビームスプリッタでミキシング
して生成されるビート信号を検出する光検出器と、前記
ビート信号の周波数又は周期から前記被測定物の距離を
演算する距離演算回路と、前記距離演算回路の後段に、
前記スキャナのスキャンステップごとに角度検出器から
の信号を読み込む形状演算回路からなる。
【０００５】
【作用】上記手段により半導体レーザ、光検出器等を含
む光学系を小形に構成することが出来、又安価に構成す
る事が出来る。また高速にビームをスキャンする事によ
って高速の応答性が得られ、又検出ビート信号の周波数
又は周期から距離及び形状を求めるために測定視野の広
がりや被測定物までの距離等の制約がなく、又高精度の
計測及び形状認識ができる。
む光学系を小形に構成することが出来、又安価に構成す
る事が出来る。また高速にビームをスキャンする事によ
って高速の応答性が得られ、又検出ビート信号の周波数
又は周期から距離及び形状を求めるために測定視野の広
がりや被測定物までの距離等の制約がなく、又高精度の
計測及び形状認識ができる。
【０００６】
【実施例】以下に本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。図１は本発明の３次元認識装置の構成を示すブロッ
ク図である。１は周波数変調回路で、半導体レーザ２か
ら射出されるレーザ光の波長を一定の割合で連続的に変
調させる。このために半導体レーザ２への注入電流を一
定の割合で連続的に変化させる。３は半導体レーザから
の射出光を平行にするコリメータレンズ、４はレーザ光
を基準ビームとしてミラー５へ、又測定ビームとして集
光レンズ７を通過し、スキャナ８に伝搬する２光束に分
配し、かつそれぞれの反射光をミキシングするためのビ
ームスプリッタ。スキャナ８は測定ビームを視野範囲で
走査し、９はスキャナとしてポリゴンミラーを用いた場
合のモータ。１０は測定ビーム（モータ）角度検出のた
めの角度検出器。被測定物１４で反射した散乱光はスキ
ャナ８、散乱光を集光するための集光レンズ７及びビー
ムスプリッタ４を経由して、フォトディテクタ等を用い
た光検出器６に達し、ここで上記基準ビームとミキシン
グされビート信号が検出される。１１はビート信号の周
波数又は周期を計測する周期／周波数計測回路、１２は
周期又は周波数から被測定物の照射スポット点までの距
離を演算する距離演算回路。１３は距離演算回路出力と
角度検出器１０の出力から被測定物の形状を求めるため
の形状演算回路。
る。図１は本発明の３次元認識装置の構成を示すブロッ
ク図である。１は周波数変調回路で、半導体レーザ２か
ら射出されるレーザ光の波長を一定の割合で連続的に変
調させる。このために半導体レーザ２への注入電流を一
定の割合で連続的に変化させる。３は半導体レーザから
の射出光を平行にするコリメータレンズ、４はレーザ光
を基準ビームとしてミラー５へ、又測定ビームとして集
光レンズ７を通過し、スキャナ８に伝搬する２光束に分
配し、かつそれぞれの反射光をミキシングするためのビ
ームスプリッタ。スキャナ８は測定ビームを視野範囲で
走査し、９はスキャナとしてポリゴンミラーを用いた場
合のモータ。１０は測定ビーム（モータ）角度検出のた
めの角度検出器。被測定物１４で反射した散乱光はスキ
ャナ８、散乱光を集光するための集光レンズ７及びビー
ムスプリッタ４を経由して、フォトディテクタ等を用い
た光検出器６に達し、ここで上記基準ビームとミキシン
グされビート信号が検出される。１１はビート信号の周
波数又は周期を計測する周期／周波数計測回路、１２は
周期又は周波数から被測定物の照射スポット点までの距
離を演算する距離演算回路。１３は距離演算回路出力と
角度検出器１０の出力から被測定物の形状を求めるため
の形状演算回路。
【０００７】以下その動作について説明する。半導体レ
ーザ２からレーザ光を射出させ、周波数変調回路１から
注入電流を半導体レーザ光の周波数が急激に変化するモ
ードホップを起こさない周波数範囲内で直線的たとえば
三角波状に変化させると、注入電流に比例して半導体レ
ーザ光の周波数が変化し、次式（１）で示される周波数
ｆで周波数変調される。 ｆ＝ｆ0 ＋ｆ’ｔ （１） ただし、ｆ0 は変調開始点の周波数、ｆ’は周波数変化
率、ｔは時間 この半導体レーザ光はコリメータレンズ３を通りビーム
スプリッタ４で２分され、方向が９０度曲げられた一方
の光ビームは基準光路のミラー５に当たって反射され、
ビームスプリッタ４を通り光検出器６に入射する。この
基準光Ａは次式（２）で表される。 Ａ＝Ａ1 ｅｘｐ｛−２πｊ（ｆ0 ＋ｆ’ｔ）ｔ｝ （２） ただしＡ1 は基準光強度 またビームスプリッタ４を通過した他方の光ビームは集
光レンズ７、スキャナ８を通り被測定物１３に向けて放
射され、その反射波はスキャナ８、集光レンズ７を通り
ビームスプリッタ４で方向が９０度曲げられ光検出器６
に入射される。この測定光Ｂは基準光Ａに対する時間遅
れをτ、光路差をＲとすれば次式（３）で表される。 Ｂ＝Ｂ1 ｅｘｐ｛−２πｊ（ｆ0 ＋ｆ’（ｔ−τ））（ｔ−τ）｝（３） ただし、Ｂ1 は測定光強度、τ＝２Ｒ／Ｃ、Ｃは光速 光検出器６では基準光Ａと測定光Ｂがミキシングされ、
次式（４）で表される電気信号Ｖ1 が得られる。文字Ｘ
の絶対値をＡＢＳ（Ｘ）として表わすと Ｖ1 ＝｛ＡＢＳ（Ａ＋Ｂ）｝2 ＝Ａ1 2＋Ｂ1 2＋２Ａ1 Ｂ1 ｃｏｓ｛２π（ｆ0 τ＋２ｆ’τｔ−ｆ’τ2 ）｝（ ４） ただし、ｆ’τ2 ＜＜ｆ0 τで、無視でき、又（４）式
の交流分のみを取り出すとその出力信号Ｖ2 は次式
（５）で表される。 Ｖ2 ＝２Ａ1 Ｂ1 ｃｏｓ｛２π（ｆ0 τ＋２ｆ’τｔ）｝ （５） （５）式の第２項目がビート信号の周波数ｆｂとなり次
式（６）で表される。 ｆｂ＝２ｆ’τ＝２ｆ’・２Ｒ／Ｃ （６） （６）式からわかるようにビート周波数は光路差Ｒに比
例しＲ＝ｆｂ・Ｃ／（４ｆ’）で表される。又周波数計
測の変わりにビート信号の周期Ｔｂ（１／ｆｂ）を求め
れば更に高精度の計測が可能になる。上記のようにして
求めた光路差Ｒに対して光学系内部の固定の光路差をｒ
とすれば求める被測定物までの距離はＲｘ＝Ｒ−ｒで表
される。
ーザ２からレーザ光を射出させ、周波数変調回路１から
注入電流を半導体レーザ光の周波数が急激に変化するモ
ードホップを起こさない周波数範囲内で直線的たとえば
三角波状に変化させると、注入電流に比例して半導体レ
ーザ光の周波数が変化し、次式（１）で示される周波数
ｆで周波数変調される。 ｆ＝ｆ0 ＋ｆ’ｔ （１） ただし、ｆ0 は変調開始点の周波数、ｆ’は周波数変化
率、ｔは時間 この半導体レーザ光はコリメータレンズ３を通りビーム
スプリッタ４で２分され、方向が９０度曲げられた一方
の光ビームは基準光路のミラー５に当たって反射され、
ビームスプリッタ４を通り光検出器６に入射する。この
基準光Ａは次式（２）で表される。 Ａ＝Ａ1 ｅｘｐ｛−２πｊ（ｆ0 ＋ｆ’ｔ）ｔ｝ （２） ただしＡ1 は基準光強度 またビームスプリッタ４を通過した他方の光ビームは集
光レンズ７、スキャナ８を通り被測定物１３に向けて放
射され、その反射波はスキャナ８、集光レンズ７を通り
ビームスプリッタ４で方向が９０度曲げられ光検出器６
に入射される。この測定光Ｂは基準光Ａに対する時間遅
れをτ、光路差をＲとすれば次式（３）で表される。 Ｂ＝Ｂ1 ｅｘｐ｛−２πｊ（ｆ0 ＋ｆ’（ｔ−τ））（ｔ−τ）｝（３） ただし、Ｂ1 は測定光強度、τ＝２Ｒ／Ｃ、Ｃは光速 光検出器６では基準光Ａと測定光Ｂがミキシングされ、
次式（４）で表される電気信号Ｖ1 が得られる。文字Ｘ
の絶対値をＡＢＳ（Ｘ）として表わすと Ｖ1 ＝｛ＡＢＳ（Ａ＋Ｂ）｝2 ＝Ａ1 2＋Ｂ1 2＋２Ａ1 Ｂ1 ｃｏｓ｛２π（ｆ0 τ＋２ｆ’τｔ−ｆ’τ2 ）｝（ ４） ただし、ｆ’τ2 ＜＜ｆ0 τで、無視でき、又（４）式
の交流分のみを取り出すとその出力信号Ｖ2 は次式
（５）で表される。 Ｖ2 ＝２Ａ1 Ｂ1 ｃｏｓ｛２π（ｆ0 τ＋２ｆ’τｔ）｝ （５） （５）式の第２項目がビート信号の周波数ｆｂとなり次
式（６）で表される。 ｆｂ＝２ｆ’τ＝２ｆ’・２Ｒ／Ｃ （６） （６）式からわかるようにビート周波数は光路差Ｒに比
例しＲ＝ｆｂ・Ｃ／（４ｆ’）で表される。又周波数計
測の変わりにビート信号の周期Ｔｂ（１／ｆｂ）を求め
れば更に高精度の計測が可能になる。上記のようにして
求めた光路差Ｒに対して光学系内部の固定の光路差をｒ
とすれば求める被測定物までの距離はＲｘ＝Ｒ−ｒで表
される。
【０００８】図１においてスキャナ前面の点（ビームの
回転中心）を座標（０、０）とし、角度検出器１０で検
出される基準面に対する法線からのビームの角度をθと
すれば、被測定物の形状を表す座標（Ｘ，Ｙ）は次式で
表される。 Ｘ＝Ｒｘ・ｓｉｎθ Ｙ＝Ｒｘ・ｃｏｓθ この値の連続変化が被測定物の形状を表す。
回転中心）を座標（０、０）とし、角度検出器１０で検
出される基準面に対する法線からのビームの角度をθと
すれば、被測定物の形状を表す座標（Ｘ，Ｙ）は次式で
表される。 Ｘ＝Ｒｘ・ｓｉｎθ Ｙ＝Ｒｘ・ｃｏｓθ この値の連続変化が被測定物の形状を表す。
【０００９】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば半導体
レーザの周波数変調特性を用い、レーザ光を走査し、こ
のときの基準光と測定光の反射波をミキシングによって
生じるビート信号から得られる距離とビーム角度データ
から形状を求めることにより、小形、安価でしかも高速
の応答性を持ち、高精度の被測定物の形状認識が出来る
という効果がある。
レーザの周波数変調特性を用い、レーザ光を走査し、こ
のときの基準光と測定光の反射波をミキシングによって
生じるビート信号から得られる距離とビーム角度データ
から形状を求めることにより、小形、安価でしかも高速
の応答性を持ち、高精度の被測定物の形状認識が出来る
という効果がある。
【図１】本発明の実施例
１ 周波数変調回路 ２ 半導体レーザ ３ コリメータレンズ ４ ビームスプリッタ ５ ミラー ６ 光検出器 ７ 集光レンズ ８ スキャナ ９ モータ １０ 角度検出器 １１ 周期／周波数計測回路 １２ 距離演算回路 １３ 形状演算回路 １４ 被測定物
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 長谷川 秀法 福岡県北九州市八幡西区黒崎城石２番１号 株式会社安川電機内
Claims (1)
- 【請求項１】 半導体レーザを用いた３次元認識装置に
おいて、 前記半導体レーザから射出されるレーザ光の波長を一定
の割合で増減をくり返すように連続的に周波数変調する
周波数変調回路と、 前記レーザ光を平行にするコリメータレンズを通した
後、前記レーザ光を２方向に分岐するビームスプリッタ
と、一方のレーザ光を反射するように基準光路端に設け
たミラーと、他方のレーザ光を測定視野内で被測定物に
照射しながら走査するスキャナと、 前記ミラーから反射される基準レーザ光と前記被測定物
からの反射レーザ光とを前記ビームスプリッタでミキシ
ングして生成されるビート信号を検出する光検出器と、 前記ビート信号の周波数又は周期から前記被測定物の距
離を演算する距離演算回路と、 前記距離演算回路の後段に、前記スキャナのスキャンス
テップごとに角度検出器からの信号を読み込む形状演算
回路からなることを特徴とする３次元認識装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2194694A JPH07208946A (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | ３次元認識装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2194694A JPH07208946A (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | ３次元認識装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07208946A true JPH07208946A (ja) | 1995-08-11 |
Family
ID=12069230
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2194694A Pending JPH07208946A (ja) | 1994-01-21 | 1994-01-21 | ３次元認識装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07208946A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103792540A (zh) * | 2012-10-31 | 2014-05-14 | 波音公司 | 调制激光测距器和方法 |
-
1994
- 1994-01-21 JP JP2194694A patent/JPH07208946A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103792540A (zh) * | 2012-10-31 | 2014-05-14 | 波音公司 | 调制激光测距器和方法 |
| US9335415B2 (en) | 2012-10-31 | 2016-05-10 | The Boeing Company | Modulated laser range finder and method |
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