JPH1038536A - ３次元形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被計測物までの距離が遠くなっても計測可能で
一度に計測できる領域が広く、かつ高精度での測定が可
能とする。 【解決手段】２波長強度変調レーザ光発生装置１で長短
２つの異なる周波数で強度変調を加えて合成し、そのレ
ーザ光１２を走査装置１４を介して被計測物１５に照射
する。被計測物１５から反射された反射レーザ光１８
を、走査装置１４、集光レンズ１６を介して受光装置１
７で受光し、電気信号１９に変換し、信号分離器２０で
高周波成分と低周波成分に分離する。この分離された信
号と、２波長強度変調レーザ光発生装置１から得られる
照射するレーザ光１２の強度変調信号とから絶対距離情
報２５を生成し、３次元情報生成装置２で、絶対距離情
報２５と走査装置１４から得られる角度情報２９とから
３次元情報３０を得る。その３次元情報３０を３次元形
状表示装置３１で表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、強度変調を加えた
レーザ光の入射光と反射光の位相差により３次元形状を
計測する３次元形状計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば船殻部材や橋梁の大型鋼鉄
構造物等の被計測物の３次元形状を計測する３次元形状
計測装置では、主な計測方式としてパルス方式と位相差
方式がある。

【０００３】パルス方式では、パルス状のレーザ光を被
計測物に照射し、その照射光と被計測物から反射された
受信光の時間差を測定し、その時間差より被計測物まで
の距離を求め、また送信方向より被計測物の方位を決定
し、このように得られた距離情報と、角度情報より、３
次元形状情報を得る。

【０００４】また、位相差方式では、まず、レーザ光に
強度変調を加えて被計測物に照射し、その照射光と被計
測物から反射された受信光の位相のずれを測定し、その
位相差より被計測物までの距離を求め、また送信方向よ
り被計測物の方位を決定し、このように得られた距離情
報と、角度情報より、３次元形状情報を得る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の３次元
形状計測装置では、距離方向の分解能を上げ、かつ、一
度に広範囲の領域を計測するためには、パルス方式にお
いては、パルス幅を狭くする必要がある。すなわち、反
射光を測定する手段のクロックを高速化し、信号を広帯
域化することが必要である。そのためには、装置が複雑
化することとなり、コストも増大する。

【０００６】また、位相差方式においては、計測できる
絶対距離に限界がある。図５は強度変調を加えたレーザ
光の、送信光と受信光の位相差を表した図である。縦軸
は光強度、横軸は計測時間であり、実線が送信光、破線
が受信光の波形を示す。図５において、（ａ）に示すよ
うに、送信光と受信光の位相のずれが１波長以内である
場合であれば、絶対距離の計測が可能であるが、（ｂ）
に示すように、送信光と受信光の位相のずれが１波長以
上になると、絶対距離の計測が困難となり、相対距離計
測しかできず、一度に計測する領域が制限される。これ
は、変調周波数が低い場合は計測距離に対するレーザ光
の波長が大きいため、あまり問題とならないが、変調周
波数を上げていった場合、計測距離に対するレーザ光の
波長が小さくなるため問題が生じる。

【０００７】また、変調周波数を下げると一度に計測す
る領域は広がるが、計測精度が下がるという問題があ
る。すなわち、高精度、かつ、広範囲領域での計測を行
うには、計測可能な絶対距離が短くなるため、計測装置
を被計測物のそばまで移動しなければならず、計測シス
テムの大規模化、高価格化を要求され、装置が複雑にな
ることとなる。

【０００８】本発明は、上記の課題を解決するためにな
されたもので、その目的とするところは、被計測物まで
の距離が遠くなっても計測可能で一度に計測できる領域
が広く、かつ、高精度での測定が可能な、測距器として
も十分実用に供することのできる３次元形状計測装置を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る３次元形状
計測装置は、レーザ光発生手段と、前記レーザ光発生手
段に２つ以上の異なる周波数の強度変調信号を入力し長
短２波長以上のレーザ光を発生させる強度変調手段と、
前記レーザ光発生手段により発生されたレーザ光を被計
測物の所定の位置に照射するべく走査する走査手段と、
前記被計測物に照射されたレーザ光のうち反射したレー
ザ光を受光する受光手段と、前記受光手段で得られた信
号を高周波成分と低周波成分の信号に分離する信号分離
手段と、前記信号分離手段で得られた前記高周波成分及
び低周波成分の信号と前記強度変調手段より得られる強
度変調信号との位相差に基づいて前記被計測物までの距
離情報を求める距離情報生成手段と、前記距離情報生成
手段で得られた距離情報と前記走査手段から得られる角
度情報とに基づいて前記被計測物の３次元情報を生成す
る３次元情報生成手段とを具備したことを特徴とする。

【００１０】本発明による３次元形状計測装置は、上記
構成によって以下の作用・効果を有する。多波長強度変
調レーザ光発生手段によりレーザ光に長短２つ以上の異
なる周波数で強度変調が加えられ、長短２波長以上のレ
ーザ光が発生される。その発生されたレーザ光は、走査
装置を経由して被計測物に照射される。照射されたレー
ザ光のうち被計測物から反射されたレーザ光を受光装置
で受光し、電気信号に変換し、この電気信号は信号分離
器に送られ、信号分離器により高周波成分と低周波成分
の信号に分離される。信号分離器で分離された高周波成
分と低周波成分の信号と、強度変調手段より得られる強
度変調信号とが距離情報生成装置に送られ、それぞれの
信号の位相差に基づいて、被計測物までの高精度の絶対
距離情報が求まる。

【００１１】一方、走査装置により与えられる角度情報
が角度情報出力装置により３次元情報生成装置に送られ
る。また、３次元情報生成装置において、上記した絶対
距離情報と角度情報より、被計測物の３次元の形状情報
が生成される。

【００１２】従って、各周波数成分のレーザ光の位相差
情報に基づいて３次元形状情報を生成するので、それぞ
れの波長により低周波成分の信号では粗計測、高周波成
分の信号では高精度の計測を行える、すなわち、一度に
計測することのできる領域が広がり、かつ、高精度の３
次元形状情報を得ることができ、測距器としても十分実
用に供することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形
態に係る３次元形状計測装置の構成を示すブロック図で
ある。以下、長短２つの異なる周波数で強度変調を加え
る場合で説明する。図１に示すように、１は２波長強度
変調レーザ光発生装置である。この２波長強度変調レー
ザ光発生装置１は、レーザ光発生装置１０と、これに接
続されている、レーザ光発生装置１０を制御する強度変
調器１１とから構成される。

【００１４】強度変調器１１から、２つ以上の異なる周
波数の強度変調信号をレーザ光発生装置１０に入力す
る。その強度変調信号に基づいて長短２波長以上の２波
長強度変調レーザ光１２をレーザ光発生装置１０で発生
させる。発生された２波長強度変調レーザ光１２は、固
定ミラー１３ａ及び１３ｂ、走査装置１４を経由して被
計測物１５に照射される。この走査装置１４は、例えば
２軸の回転装置、例えばモータ等と、ミラー等の光反射
機能を有する部材との組み合わせによって構成される。
照射されたレーザ光１２のうち、被計測物１５から反射
した反射レーザ光１８は、走査装置１４を経由して集光
レンズ１６で集光され、受光装置１７により電気信号１
９に変換される。この電気信号１９は、信号分離器２０
で高周波成分信号２１と低周波成分信号２２とに分離さ
れ、距離情報生成装置２４に送られる。また、強度変調
器１１で与えられる強度変調信号が強度変調信号出力装
置２３を介して距離情報生成装置２４に入力される。

【００１５】上記距離情報生成装置２４は、強度変調信
号出力装置２３から与えられる強度変調信号と、上記高
周波成分信号２１及び低周波成分信号２２とから、絶対
距離情報２５を生成し、３次元情報生成装置２に出力す
る。ここで、３次元情報生成装置２は、３次元情報処理
装置２６と３次元情報出力装置２７とから構成される。

【００１６】また、上記３次元情報生成装置２には、角
度情報出力装置２８から出力された走査装置１４の角度
情報２９が入力される。この３次元情報生成装置２はこ
の角度情報２９と上記した絶対距離情報２５とから３次
元情報３０を生成し、３次元形状表示装置３１に出力し
て表示する。

【００１７】次に上記実施形態の動作を図２、図３及び
図４を参照して説明する。被計測物１５の３次元形状を
計測する場合、まず、強度変調器１１によって、レーザ
光発生装置１０より発生されるレーザ光を制御する。具
体的には、レーザ光に、長短２つの異なる周波数例えば
１０ＭＨｚと４５０ＭＨｚの周波数で強度変調を加え
る。以下、２波長強度変調レーザ光１２は、１０ＭＨｚ
と４５０ＭＨｚの周波数で強度変調を加えた場合につい
て説明する。この場合、１０ＭＨｚに対応する信号を利
用することにより、最大１５ｍまでの領域の絶対距離計
測が可能であり、かつ、信号処理における位相の分解能
を０．１°とすると、４５０ＭＨｚに対応する信号によ
り高精度の計測が可能となり、最小０．０９３ｍｍの精
度での計測が可能となる。

【００１８】上記強度変調が加えられた２波長強度変調
レーザ光１２を、連続なスポット状に照射する。このレ
ーザ光１２は、固定ミラー１３ａ及び１３ｂを経由して
走査装置１４に至り、この走査装置１４により、方位角
方向Ｕ及び仰角方向Ｖに走査されて被計測物１５に照射
される。被計測物１５に照射された２波長強度変調レー
ザ光１２は、被計測物１５により反射される。この被計
測物１５で反射された反射レーザ光１８は、走査装置１
４を経由して集光レンズ１６で集光され、受光装置１７
で受光されて、電気信号１９に変換される。この電気信
号１９の波形を表したのが図２である。縦軸は受光装置
１７の出力であり、横軸は計測時間である。上記被計測
物１５より反射された反射レーザ光１８は、１０ＭＨｚ
と４５０ＭＨｚの周波数を持つ、合成された強度変調を
持つレーザ光であるので、各波長のレーザ光強度の加算
分に、被計測物１５の反射率を考慮したものとなる。

【００１９】このようにして得られた電気信号１９は、
信号分離器２０に送られる。信号分離器２０では、高周
波成分すなわち短波長成分（この場合４５０ＭＨｚ）の
高周波成分信号２１と、低周波成分すなわち長波長成分
（この場合１０ＭＨｚ）の低周波成分信号２２とに分離
される。この分離された高周波成分信号２１及び低周波
成分信号２２の波形を表したのが図３及び図４である。
図３及び図４の縦軸は信号分離器２０の出力であり、横
軸は計測時間である。

【００２０】また、距離情報生成装置２４には、強度変
調器１１より得られる強度変調信号が、強度変調信号出
力装置２３を介して入力される。距離情報生成装置２４
では、強度変調信号出力装置２３から送られた強度変調
信号と、信号分離器２０から送られた高周波成分信号２
１及び低周波成分信号２２とを比較して、その位相のず
れを算出し、その算出された情報に基づいて、計測装置
から被計測物１５までの絶対距離情報２５を得る。この
絶対距離情報２５は３次元情報生成装置２に送られる。

【００２１】一方、被計測物１５に対する走査装置１４
の走査方向である方位角方向Ｕ及び仰角方向Ｖの角度情
報２９は、角度情報出力装置２８より３次元情報生成装
置２に送られる。

【００２２】上記３次元情報生成装置２内の３次元情報
処理装置２６は、距離情報生成装置２４で生成した絶対
距離情報２５及び角度情報出力装置２８から与えられる
角度情報２９に基づいて、３次元情報を生成し、３次元
情報出力装置２７へ出力する。この３次元情報出力装置
２７は、３次元情報処理装置２６から送られてくる３次
元情報を被計測物１５の３次元情報３０に変換して記憶
し、この被計測物１５の３次元情報３０を例えばモニタ
等の３次元形状表示装置３１へ出力して表示する。

【００２３】なお、上記実施形態では、長短２つの異な
る周波数で強度変調を加えたレーザ光を用いて計測する
形態を示したが、３つ以上の長短異なる周波数で強度変
調を加えたレーザ光を用いて計測してもよい。例えば、
さらに２５０ｋＨｚの変調周波数のレーザ光を併用する
ことが可能であり、この場合にはさらに計測可能距離は
のび、最大６００ｍとなる。この場合でももちろん、計
測精度が下がることはない。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、各
波長ごとのレーザ光の位相差情報を基に３次元情報を生
成するので、それぞれの波長により低周波成分の信号で
は粗計測、高周波成分の信号では高精度の計測を行え、
一度に計測することのできる領域が広がり、かつ、高精
度の３次元形状情報を得ることができ、測距器としても
十分実用に供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る３次元形状計測装置
の構成を示すブロック図。

【図２】同実施形態における受光装置の出力波形を示す
図。

【図３】同実施形態における信号分離器の高周波成分の
出力波形を示す図。

【図４】同実施形態における信号分離器の低周波成分の
出力波形を示す図。

【図５】従来の位相差方式の３次元形状計測装置での出
力波形を示す図。

【符号の説明】

１ ２波長強度変調レーザ光発生装置 ２ ３次元情報生成装置 １０ レーザ光発生装置 １１ 強度変調器 １２ ２波長強度変調レーザ光 １３ａ、１３ｂ 固定ミラー １４ 走査装置 １５ 被計測物 １６ 集光レンズ １７ 受光装置 １８ 反射レーザ光 １９ 電気信号 ２０ 信号分離器 ２１ 高周波成分信号 ２２ 低周波成分信号 ２３ 強度変調信号出力装置 ２４ 距離情報生成装置 ２５ 絶対距離情報 ２６ ３次元情報処理装置 ２７ ３次元情報出力装置 ２８ 角度情報出力装置 ２９ 角度情報 ３０ ３次元情報 ３１ ３次元形状表示装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 博久 長崎県長崎市深堀町五丁目717番１号 三 菱重工業株式会社長崎研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光発生手段と、 前記レーザ光発生手段に２つ以上の異なる周波数の強度
   変調信号を入力し、長短２波長以上のレーザ光を発生さ
   せる強度変調手段と、 前記レーザ光発生手段により発生されたレーザ光を被計
   測物の所定の位置に照射するべく走査する走査手段と、 前記被計測物に照射されたレーザ光のうち反射したレー
   ザ光を受光する受光手段と、 前記受光手段で得られた信号を高周波成分と低周波成分
   の信号に分離する信号分離手段と、 前記信号分離手段で得られた前記高周波成分及び低周波
   成分の信号と、前記強度変調手段より得られる強度変調
   信号との位相差に基づいて前記被計測物までの距離情報
   を求める距離情報生成手段と、 前記距離情報生成手段で得られた距離情報と、前記走査
   手段から得られる角度情報とに基づいて前記被計測物の
   ３次元情報を生成する３次元情報生成手段とを具備した
   ことを特徴とする３次元形状計測装置。