JPH11218409A

JPH11218409A - ３次元情報計測方法及び装置

Info

Publication number: JPH11218409A
Application number: JP10021992A
Authority: JP
Inventors: Toshio Norita; 寿夫糊田; Fumiya Yagi; 史也八木
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1998-02-03
Filing date: 1998-02-03
Publication date: 1999-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】広い角度範囲にわたる空間に配置された物体の
３次元情報を比較的簡単な構成で高速に且つ安定して計
測できるようにすること。【解決手段】回転体型ミラー１１と当該回転体型ミラー
１１の中心軸Ｊに受光軸が一致するように配置された撮
像装置１２とを用い、中心軸Ｊ上の周囲の空間に配置さ
れた対象物の３次元情報を計測する３次元情報計測方法
であって、中心軸Ｊ上から参照光を投射して対象物を走
査し、参照光の投射角度δに対応する物理量と、対象物
により反射された参照光が回転体型ミラー１１を介して
撮像装置１２で撮像されたときに得られる投影像の位置
に対応する物理量とに基づいて、対象物の３次元情報を
求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の３次元情報
を広い角度範囲にわたって計測して入力するための３次
元情報計測方法及び装置に関し、例えば、周囲１８０
度、２７０度、さらには３６０度の全方位にわたって計
測することの可能な３次元情報計測方法及び装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、バーチュアルリアリティや移動ロ
ボットの技術がめざましく進歩してきている。これらの
分野では、撮影の対象となる物体の３次元情報を入力す
ることが必要とされ、これにともなって３次元情報計測
装置に対する関心と需要が高まっている。

【０００３】移動ロボットにおいては、移動する際、障
害物に衝突しないようにするために、常に周囲に障害物
がないかどうかを監視し、障害物がある場合にはこれを
避ける必要がある。周囲にある物体が障害物であるか否
かの判断は、例えば、移動ロボットに３次元情報計測装
置を搭載することによって周囲にある物体までの距離を
計測し、その距離が所定の値よりも小さな値となったこ
とに基づいて行われる。このような判断は、実時間で行
う必要があり、各方位毎についての距離の計測を全周に
わたって高速で行うことが要求される。

【０００４】従来より、周囲にある物体までの距離を広
い角度範囲にわたって計測する手法として、距離計測装
置のカメラ部分を撮影しながら回転させる手法が用いら
れている。回転が遅い場合には各方位についてカメラの
視線が物体をとらえるタイミングの時差が大きくなり、
鈍い監視となる。回転を高速にすれば、カメラの視線が
速く周囲を見廻すので、時差が小さくなり、鋭い監視と
なる。しかし、そのための機構が大型化し、回転による
騒音の問題が生じる。

【０００５】一方、カメラ部分を回転させる代わりに、
距離測定のための参照光の投光及び受光を行うための２
つのミラーを一体的に設け、それらを同時に回転させる
全方位距離検出装置が提案されている（特開平７─１９
１１４２号）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の公報に
開示された全方位距離検出装置では、前述のミラーを周
壁が透明な円筒形のケーシングの中に収め、ケーシング
の軸まわりに回転させることにより参照光を周囲の物体
に照射し、その反射光を受けることにより距離計測を行
っている。ミラーはロータを介したモータによって駆動
されており、ロータやモータなども全てケーシングの中
に収められているため回転騒音が低減される効果があ
る。しかし、カメラの視線を回転させる手法に比べて構
造が複雑である。参照光の投光及び受光のための２つの
ミラーを同時に回転させるためにサイズが大きくなり、
回転を高速にした場合に装置の安定性が悪くなる。

【０００７】本発明は上述の問題に鑑みてなされたもの
で、広い角度範囲にわたる空間に配置された物体の３次
元情報を比較的簡単な構成で高速に且つ安定して計測す
ることのできる３次元情報計測方法及び装置を提供する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る方
法は、回転体型ミラーと当該回転体型ミラーの中心軸に
受光軸が一致するように配置された撮像装置とを用い、
前記中心軸の周囲の空間に配置された対象物の３次元情
報を計測する３次元情報計測方法であって、前記中心軸
上から参照光を投射して前記対象物を走査し、前記参照
光の投射角度に対応する物理量と、前記対象物により反
射された前記参照光が前記回転体型ミラーを介して前記
撮像装置で撮像されたときに得られる投影像の位置に対
応する物理量とに基づいて、前記対象物の３次元情報を
求める。

【０００９】請求項２の発明に係る装置は、回転体型ミ
ラーと当該回転体型ミラーの中心軸に受光軸が一致する
ように配置された撮像装置とを有し、前記中心軸の周囲
の空間に配置された対象物の３次元情報を求める３次元
情報計測装置であって、ビーム状の参照光を投射する参
照光投射手段と、前記参照光の投射方向が前記中心軸を
中心とする周方向に変化するように前記参照光を偏向し
て主走査を行うための主走査手段と、前記参照光の投射
方向が前記中心軸に沿った方向に変化するように前記参
照光を偏向して副走査を行うための副走査手段と、前記
参照光の副走査における投射方向である投射角度に対応
する物理量と、前記対象物により反射された前記参照光
についての前記撮像装置により得られる投影像の位置に
対応する物理量とに基づいて、前記対象物の３次元情報
を求める３次元情報算出手段と、を有してなる。

【００１０】請求項３の発明に係る装置は、前記中心軸
上に設けられ、円錐面状に拡がる放射状の参照光を投射
する放射状参照光投射手段と、前記参照光の投射角度が
変化するように前記参照光を偏向して副走査を行うため
の副走査手段と、前記参照光の副走査における投射方向
である投射角度に対応する物理量と、前記対象物により
反射された前記参照光についての前記撮像装置により得
られる投影像の位置に対応する物理量とに基づいて、前
記対象物の３次元情報を求める３次元情報算出手段と、
を有してなる。

【００１１】投射角度に対応する物理量として、投射角
度それ自体、又は投射角度に関連した物理量、例えば、
副走査を開始してからの経過時間、光源、ミラー、又は
スリットなどの移動量などが用いられる。投影像の位置
に対応する物理量として、投影像の位置の基準位置から
の距離、投影像が投影された画素のにらむ方向などが用
いられる。

【００１２】本明細書において「中心軸上から参照光を
投射して」との記載中の「中心軸上」には、中心軸上及
びその周辺を含む。

【００１３】

【発明の実施の形態】〔第１の実施形態〕図１は第１の
実施形態に係る３次元情報計測装置１Ａの構成を示す図
である。

【００１４】図１において、３次元情報計測装置１Ａ
は、映像ミラー１１Ａ、撮像装置１２Ａ、光源１３Ａ、
走査光学系１４Ａ、走査ミラー１５Ａ、及び回転駆動装
置１６Ａなどから構成される。

【００１５】映像ミラー１１Ａは、双曲線、楕円、放物
線などの二次曲線を中心軸である軸Ｊのまわりに回転さ
せて得られる二次曲面を有した回転体型ミラー（又は回
転面型ミラー）である。つまり、映像ミラー１１Ａは、
軸Ｊに関して対称であり、しかも軸Ｊを含む平面による
断面がその接線の横軸に対する傾きを単調に増加させる
曲線となる形状である。映像ミラー１１Ａは、軸Ｊが鉛
直方向に沿うように、且つ反射面が下方に向いた状態に
設置される。

【００１６】映像ミラー１１Ａの下方には、受光軸が軸
Ｊに一致するように撮像装置１２Ａが設けられている。
撮像装置１２Ａは光学レンズ及び撮像素子を備える。撮
像装置１２Ａとして例えばビデオカメラが用いられる。
撮像装置１２Ａには映像ミラー１１Ａで反射した光が入
射するので、撮像装置１２Ａによって全方位を対象とし
た撮影が可能である。したがって、軸Ｊのまわりの全て
の方位に存する物体の像は、撮像装置１２Ａそれ自体を
はじめとして３次元情報計測装置１Ａの各構成部材によ
って影になる部分を除けば、撮像装置１２Ａの撮像素子
により同時に撮像される１つの画像の中に取り込まれる
こととなる。

【００１７】撮像装置１２Ａの下方には、軸Ｊに沿っ
て、光源１３Ａ、走査光学系１４Ａ、走査ミラー１５
Ａ、及び回転駆動装置１６Ａがこの順で設置されてい
る。光源１３Ａからは参照光が発せられ、走査光学系１
４Ａを通ることによって適当な径を有する参照光ビーム
に整えられる。この参照光ビームは、走査ミラー１５Ａ
で反射して周囲の空間へ投射される。

【００１８】走査ミラー１５Ａは、軸Ｊに垂直な軸のま
わりに角度制御が可能である。つまり、走査ミラー１５
Ａの反射面に垂直な軸と軸Ｊとのなす角度である偏角φ
が、所定の範囲で可変制御される。したがって、走査ミ
ラー１５Ａから投射される参照光ビームは、例えば、偏
角φが最小のときに実線Ｐ１１の方向に投射され、偏角
φが最大のときは実線Ｐ１２の方向に投射される。すな
わち、実線Ｐ１１とＰ１２との間の矢印Ｂ’で示す角度
範囲において、参照光ビームが照射される。この角度範
囲内に物体が存する場合に、その物体は参照光ビームに
よって軸Ｊに沿った方向に走査される。物体からの反射
光は、破線Ｐ１３，Ｐ１４などで示される経路を経て撮
像装置１２Ａに入射する。

【００１９】本明細書において、軸Ｊに沿った方向の走
査を副走査とする。副走査のために、走査ミラー１５Ａ
に対して偏角φの制御機構が設けられる。但し、走査ミ
ラー１５Ａとして、角度制御機構付のもの、例えばガル
バノスキャナーのようなものを使用すれば、偏角φの制
御のための機構を別途設けることなく、簡易な構成で実
現できる。

【００２０】回転駆動装置１６Ａは、モータ又はモータ
とギヤなどからなり、走査ミラー１５Ａ、又は走査ミラ
ー１５Ａに加え光源１３Ａと走査光学系１４Ａのいずれ
か又は両方を、矢印Ａで示すように軸Ｊを中心として回
転させる。これによって、走査ミラー１５Ａから投射さ
れる参照光ビームは、軸Ｊを中心とする周方向に変化す
るように偏向され、軸Ｊのまわりの全ての方位に照射さ
れる。したがって、軸Ｊのまわりのどの方位に存する物
体に対しても、参照光ビームによる走査が行われる。本
明細書において、軸Ｊを中心とする周方向の走査を主走
査とする。

【００２１】３次元情報計測装置１Ａでは、上述した主
走査と副走査とを組み合わせることによって、矢印Ｂ’
で示す角度範囲について全ての方位に走査が行われ、そ
の範囲内に存する物体の計測が行われる。

【００２２】つまり、主走査の１周期（矢印Ａの方向の
１回転）に対し、走査ミラー１５Ａの角度を副走査方向
の分解能分だけ変化させ、この角度の変化を矢印Ｂ’で
示す範囲で片道１回の副走査の間繰り返す。これによっ
て、矢印Ｂ’で示す範囲において、軸Ｊまわりの全方位
にわたって、存在する物体を参照光ビームで走査する。

【００２３】次に、３次元情報計測装置１Ａによって物
体の３次元情報を計測する原理について、図２及び図３
などを参照して説明する。図２は３次元情報計測装置１
Ａが３次元形状の物体ＯＢ１〜ＯＢ４の置かれた環境下
に設置された状態を示す図である。

【００２４】図３は図２の状態で３次元情報計測装置１
Ａを動作させた場合において、ある副走査タイミングに
おける主走査の１周期に対して、撮像装置１２Ａによっ
て撮像される参照光スポットの軌跡Ｚ１〜Ｚ４の例を示
す図である。

【００２５】図３において、参照光スポットの方位角を
基準縦軸Ｙから時計まわりに計った角度θで表し、ま
た、参照光スポットの観測位置を画像の中心Ｏからの距
離ｒで表わす。

【００２６】この場合、方位角θの角度位置における参
照光スポットの観測位置ｒは、参照光ビームの投射の起
点位置が明らかになっていれば、その参照光ビームが投
射されたときの投射角度δと、参照光ビームの投射の起
点位置からその参照光ビームが到達する物体ＯＢ上の点
Ｐまでの距離ｄ（図２参照）とによって、一意に定ま
る。投射角度δは、走査ミラー１５Ａの偏角φによって
一意に定まる。すなわち、換言すれば、物体ＯＢまでの
距離ｄは、走査ミラー１５Ａの偏角φと観測位置ｒとか
ら求められる。

【００２７】したがって、距離ｄは、映像ミラー１１Ａ
の形状定義式と、撮像装置１２Ａ及び走査光学系１４Ａ
などの位置関係とから、三角測距の原理に基づいて算出
可能である。このような処理又は操作を０〜３６０度の
全ての方位角θについて繰り返すことにより、走査ミラ
ー１５Ａのある偏角φに関して、軸Ｊまわりの全周の角
度範囲に存する物体ＯＢについての距離ｄを算出するこ
とができる。さらに偏角φを副走査範囲内で変化させる
ことによって、軸Ｊまわりの全方位にわたって置かれた
物体ＯＢについての３次元情報を算出することができ
る。

【００２８】３次元情報算出部ＰＲにおいて、撮像装置
１２Ａの撮像素子からの出力、主走査及び副走査におけ
る制御量又は係数、及び予め設定された定数などに基づ
いて、全方位についての距離ｄの算出、つまり物体ＯＢ
の３次元情報の算出が行われる。その算出方法及び処理
回路については後述する。〔第２の実施形態〕図４は第
２の実施形態に係る３次元情報計測装置１Ｂの構成を示
す図である。

【００２９】３次元情報計測装置１Ｂにおいても、第１
の実施形態に係る３次元情報計測装置１Ａの場合と同様
な形状の映像ミラー１１Ｂが設けられる。映像ミラー１
１Ｂの下方に、受光軸が軸Ｊに一致するように撮像装置
１２Ｂが設けられている。

【００３０】撮像装置１２Ｂの下方で且つ軸Ｊに沿った
位置に、円錐状光投射装置４３及び走査ミラー４４が設
けられている。円錐状光投射装置４３は、投射口４３Ｋ
から円錐面状の参照光４５を下方へ向かって投射する。
つまり、参照光４５は、その進行方向に直角な面による
断面が円環であり、進行方向への距離に比例して直径が
大きくなる。走査ミラー４４は、映像ミラー１１Ｂと同
様な形状であり、その反射面が上方に向いた状態に設置
される。走査ミラー４４の反射面に当たる参照光４５は
環状となる。走査ミラー４４は、駆動装置４６によっ
て、軸Ｊに沿った上下方向に往復直線移動する。走査ミ
ラー４４の移動によって、円錐状光投射装置４３と走査
ミラー４４との間の距離が変化する。これによって、参
照光４５の走査ミラー４４に当たる位置が変化し、その
反射光の投射角度δが変化する。

【００３１】走査ミラー４４が破線Ｙ２１の位置にある
場合には、参照光４５は走査ミラー４４の傾きの小さい
位置に入射して反射され、放射状の参照光Ｐ２１となっ
て周囲空間に投射される。走査ミラー４４が実線Ｙ２２
の位置にある場合には、参照光４５は走査ミラー４４の
傾きの大きい位置に入射して反射され、放射状の参照光
Ｐ２２となって周囲空間に投射される。投射された参照
光Ｐ２１，２２の物体からの反射光は、破線Ｐ２３，Ｐ
２４などで示される経路を経て撮像装置１２Ｂに取り込
まれる。このように、参照光Ｐ２１，２２は、０〜３６
０度の全ての方位角θにわたって同時に、つまり主走査
方向に対しては同時に投射され、走査ミラー４４の移動
によって副走査が行われる。

【００３２】したがって、第２の実施形態の３次元情報
計測装置１Ｂにおいては、第１の実施形態の場合のよう
に主走査を行うための回転駆動装置１６Ａを設ける必要
がない。その上、参照光Ｐ２１，２２は全方位に対して
同時に投射されるので、第１の実施形態のような周方向
における走査の時差がない。

【００３３】３次元情報計測装置１Ｂにおいても、第１
の実施形態の３次元情報計測装置１Ａと同様の原理で物
体ＯＢの３次元情報が計測される。すなわち、参照光４
５が走査ミラー４４によって反射され、放射状の参照光
を投射角度δで投射しているときの走査ミラー４４の位
置をｙとする。この場合、撮像装置１２Ｂにおける参照
光の観測位置ｒは、図２及び図３に示す場合と同様に、
投射角度δと、参照光ビームの投射の起点位置からその
参照光ビームが到達する物体ＯＢ上の点Ｐまでの距離ｄ
（図２参照）とによって、一意に定まる。したがって、
物体ＯＢまでの距離ｄは、走査ミラー４４の位置ｙと観
測位置ｒとから求められる。

【００３４】なお、走査ミラー４４を移動させる代わり
に、円錐状光投射装置４３を移動させてもよい。〔第３の実施形態〕図５は第３の実施形態に係る３次元
情報計測装置１Ｃの構成を示す図、図６は３次元情報計
測装置１Ｃに用いられるマスク５４の外観を示す図であ
る。

【００３５】図５に示されるように、３次元情報計測装
置１Ｃにおいても、第１の実施形態における３次元情報
計測装置１Ａの場合と同様な形状の映像ミラー１１Ｃが
設けられ、その下方において軸Ｊに受光軸が一致する撮
像装置１２Ｃが設けられている。撮像装置１２Ｃの下方
には、軸Ｊ上に光源５３が設けられている。また、光源
５３を覆うように、円筒状のマスク５４が軸Ｊ上に設け
られている。マスク５４は、駆動装置５５によって、軸
Ｊに沿った上下方向に往復直線移動する。

【００３６】図６によく示されるように、マスク５４の
外周面にはその周方向に沿って１周分のスリットＳ１が
設けられている。スリットＳ１は、マスク５４の一部を
透明材料で製作することによって設けられる。また、上
下に２分割された円筒状部材を隙間を開けて配置し、そ
れらを構造部材によって互いに連結することによって、
スリットＳ１の設けられたマスク５４を構成してもよ
い。

【００３７】光源５３から放射される光は、スリットＳ
１から洩れて外部に放射される。すなわち、図５に示す
ように、光源５３から放射された光は、マスク５４が破
線Ｙ３１の位置にある場合には、断面が円環状の参照光
Ｐ３１となって周囲に投射される。マスク５４が実線Ｙ
３２の位置にある場合には、同じく円環状の参照光Ｐ３
２となって周囲に投射される。このように、マスク５４
の移動によって、図５の矢印Ｑ２で示される範囲に参照
光が投射される。したがって、マスク５４を移動させる
ことによって、軸Ｊまわりの全方位にわたり、周囲に存
在する物体を参照光で走査することができる。物体から
の反射光は、破線Ｐ３３，Ｐ３４などを経て撮像装置１
２Ｃに取り込まれる。

【００３８】なお、マスク５４を移動させる代わりに、
光源５３を移動させてもよい。〔第４の実施形態〕図７は第４の実施形態に係る３次元
情報計測装置１Ｄの構成を示す図、図８は３次元情報計
測装置１Ｄに用いられるマスク６４の外観を示す図であ
る。

【００３９】図７に示されるように、３次元情報計測装
置１Ｄにおいても、第１の実施形態の場合と同様な形状
の映像ミラー１１Ｄが設けられ、その下方において受光
軸が軸Ｊに一致する撮像装置１２Ｄが設けられている。
撮像装置１２Ｄの下方において軸Ｊ上に光源６３が設け
られている。また、光源６３を覆うように、円筒状のマ
スク６４が軸Ｊ上に設けられている。マスク６４は、駆
動装置６５によって、軸Ｊを中心として回転駆動され
る。

【００４０】図８によく示されるように、マスク６４の
外周面に螺旋状の１周分のスリットＳ２が設けられてい
る。スリットＳ２は、マスク６４の一部を透明材料で製
作することによって設けられる。

【００４１】光源６３から放射される光は、スリットＳ
２から洩れて外部に参照光として投射される。スリット
Ｓ２が螺旋状であるため、スリットＳ２を抜けた参照光
は螺旋状に放射される。すなわち、図７に示すように、
光源６３から放射された光は、周方向のある角度位置で
は上方へ向かう参照光Ｐ４１となり、周方向の他のある
角度位置では下方へ向かう参照光Ｐ４２となる。このよ
うに、外部へ投射される参照光は、周方向の角度位置に
応じてその投射角度δが異なり、全体として投射角度δ
の最大と最小との間において螺旋状に連続する。このよ
うな螺旋状の参照光は、それ自体がマスク６４の回転に
ともなって回転し、マスク６４が１回転することによっ
て、周方向の全ての角度に対して矢印Ｑ３で示される範
囲の全ての方位に投射される。

【００４２】したがって、マスク６４を回転させること
によって、軸Ｊまわりの全方位にわたり、周囲に存在す
る物体を参照光で走査することができる。物体からの反
射光は破線Ｐ４３，Ｐ４４などの経路を経て撮像装置１
２Ｄに取り込まれる。

【００４３】３次元情報計測装置１Ｄにおいては、距離
ｄは、映像ミラー１１Ｄ及びスリットＳ２の形状定義
式、並びに、映像ミラー１１Ｄ、撮像装置１２Ｄ、光源
６３、及びマスク６４などの位置関係、マスク６４の回
転角ψから、三角測距の原理に基づいて算出可能であ
る。つまり、距離ｄは、回転角ψと観測位置ｒ（図２参
照）とから算出される。〔第５の実施形態〕図９は第５の実施形態に係る３次元
情報計測装置１Ｅの構成を示す図、図１０は３次元情報
計測装置１Ｅに用いられる他の走査レンズ１７の外観を
示す斜視図である。

【００４４】図９に示されるように、３次元情報計測装
置１Ｅにおいても、第１の実施形態に係る３次元情報計
測装置１Ａの場合と同様な形状の映像ミラー１１Ｅが設
けられる。映像ミラー１１Ｅの下方に、受光柚が軸Ｊに
一致するように撮像装置１２Ｅが設けられている。

【００４５】撮像装置１２Ｅの下方で且つ軸Ｊに沿っ
て、光源１３Ｅ、走査光学系１４Ｅ、走査ミラー１５
Ｅ、及び回転駆動装置１６Ｅがこの順で設置されてい
る。光源１３Ｅからは参照光が発せられ、走査光学系１
４Ｅを通ることによって適切な径を有する参照光ビーム
に整えられる。この参照光ビームは、走査ミラー１５Ｅ
で反射して進行方向が変わり、走査レンズ１７を通過し
た後に投射される。走査レンズ１７は、軸Ｊに平行な上
下方向に位置制御が可能である。これにより、走査レン
ズ１７への参照光ビームの入射位置が変化し、投射され
るビームの偏角が変わる。

【００４６】例えば、図９に示すように走査レンズ１７
として凹レンズを使用した場合において、走査レンズ１
７がＹ５１の位置にある場合には、参照光ビームは実線
Ｐ５１の方向に投射され、走査レンズ１７がＹ５２の位
置にある場合には、参照光ビームは実線Ｐ５２の方向に
投射される。すなわち、実線Ｐ５１とＰ５２との間の矢
印Ｂ’で示す角度範囲において、参照光ビームが照射さ
れる。この角度範囲内に物体が存する場合に、その物体
は参照光ビームによって軸Ｊに沿った方向に走査され
る。これが本実施形態における副走査である。物体から
の反射光は、破線Ｐ５３、Ｐ５４などで示される経路を
経て撮像装置１２Ｅに入射する。

【００４７】回転駆動装置１６Ｅは、モータまたはモー
タとギヤなどからなり、走査ミラー１５Ｅ及び走査レン
ズ１７、又はそれらに加えて光源１３Ｅと走査光学系１
４Ｅのいずれか又は両方を、矢印Ａで示すように軸Ｊを
中心として回転させる。これによって、走査レンズ１７
から投射される参照光ビームは、軸Ｊを中心とする周方
向に変化するように偏向され、軸Ｊのまわりの全ての方
位に照射される。したがって、軸Ｊのまわりのどの方位
に存する物体に対しても、参照光ビームによる走査が行
われる。これが本実施形態における主走査である。

【００４８】上述した主走査と副走査とを組み合わせる
ことによって、矢印Ｂ’で示す角度範囲について全ての
方位に走査が行われ、その範囲内に存する物体の計測が
行われる。すなわち、主走査の１周期（矢印Ａの方向の
１回転）に対し、走査レンズ１７の位置をずらすことに
より参照光ビームの照射角度を副走査方向の分解能分だ
け変化させ、この角度の変化を矢印Ｂ’で示す範囲で片
道１回の副走査の間繰り返す。これによって、矢印Ｂ’
で示す範囲において、軸Ｊまわりの全方位にわたって、
存する物体を参照光ビームで走査する。

【００４９】なお、上述の実施形態では走査ミラー１５
Ｅと走査レンズ１７をともに軸Ｊまわりに回転させて主
走査を行うようにしたが、走査レンズ１７を、例えば、
図１０に示すように環状の走査レンズ１７Ｅとし、その
中心軸を含む面による断面を凹レンズの形状としてもよ
い。このような走査レンズ１７Ｅを、その中心軸が軸Ｊ
と一致するように設置すれば、走査ミラー１５Ｅのみを
回転させることで主走査が可能になる。もちろんこの場
合にも、副走査を行うにあたっては走査レンズ１７Ｅを
上下方向に位置制御することが必要である。なお、走査
レンズ１７Ｅの断面の形状を凸レンズの形状とすること
も可能である。〔３次元情報の算出方法の説明〕次に、３次元情報算出
部ＰＲにおける３次元情報の算出処理について、図１１
乃至図１７を参照して説明する。

【００５０】図１１は３次元情報計測装置１と計測の対
象となる物体ＯＢ上の点Ｐとの光学的な関係を示す図、
図１２は撮像装置１２によって観測される参照光スポッ
トの軌跡Ｚの撮像素子７１上における結像状況を模式的
に示す図、図１３は３次元情報計測装置１の処理回路の
例を示すブロック図、図１４は３次元情報計測装置１の
処理回路の他の例を示すブロック図、図１５は撮像素子
７１上における投射光の太さ及び輝度の一例を示す図、
図１６は撮像素子７１のある１つの画素に注目して、投
射光によって１フレーム毎に照射されるときの光量の変
化をプロットした図、図１７は画像データの時間重心演
算を行う処理回路１０の構成を示すブロック図である。

【００５１】撮像装置１２には、映像を電気信号に変換
するためにＣＣＤなどの撮像素子が使用されている。と
ころで、現在実用化されている撮像素子の多くは、直交
座標系に配列された多数の受光素子で構成されている。
したがって、前述の図３で示したように、ある副走査タ
イミングにおける参照光ビームの主走査１周期分又は円
環状の参照光（これらを「投射光」ということがある）
の軌跡Ｚの画像は、撮像素子７１上では模式的に図１２
のように結像していることとなる。

【００５２】撮像素子７１上の画像に基づいて３次元情
報を算出するには、撮像素子７１の各画素が、刻々と走
査されていく投射光のうちどの時点の投射光に基づくも
のであるかを知ることにより行われる。

【００５３】いま、撮像素子７１がＣＣＤであるとし
て、撮像素子７１上の座標（Ｈｉ，Ｖｊ）で示される１
つの画素Ｅ１に着目する。画素Ｅ１上には、画素Ｅ１と
撮像装置１２のレンズ主点７３とを結んだ直線（光線）
Ｌ０が映像ミラー１１により反射した直線（光線）Ｌ１
上に存在する点Ｐの像が結像する。

【００５４】直線Ｌ０と直線Ｌ１とのなす角度γは、直
線Ｌ０の映像ミラー１１への入射角に応じて定まる。し
たがって、直線Ｌ１の水平線に対する角度も定まる。画
素Ｅ１上の像に対応する点Ｐは、直線Ｌ１上のどこかに
存在する。

【００５５】投射光の像を撮像装置１２で撮影し、画素
Ｅ１の出力（電気信号）に注目していると、画素Ｅ１に
対応する点Ｐを投射光が通過する際に、その出力がピー
ク値を示す。したがって、画素Ｅ１の出力がピーク値を
示す瞬間の投射光の投射角度δと、その投射光の起点と
なる点の空間座標である投光主点７６とを把握すること
ができれば、これら投射角度δと投光主点７６とによっ
て、どこかに点Ｐの存在する直線Ｌ２が規定されること
となる。

【００５６】以上のようして導かれた直線Ｌ１と直線Ｌ
２との交点が、点Ｐの３次元位置となる。このようなプ
ロセスを撮像素子７１上の全ての画素について適用すれ
ば、全画素に対応する点についての３次元情報を算出す
ることができる。

【００５７】なお、投光主点７６については、投射光学
系７５が各実施形態で様々な構成になっているため、そ
れらの違いにより投光主点７６の位置や位置の時間変化
が異なる。しかし、投射光学系７５を特定の構成とした
場合には、時間変化と投射角度δとは１対１で対応す
る。したがって、３次元情報の算出には、投射角度δと
投光主点７６の位置とのうち投射角度δが検出できれば
十分である。

【００５８】図１３において、矢印記号のうち太い矢印
記号は主としてデータの流れを示し、細い矢印記号は主
として指令の流れを示す。図１４においても同様であ
る。図１３に示されるように、処理回路ＰＲ１は、２つ
のメモリバンク８１，８２、比較器８３、及びフレーム
番号発生器８４から構成される。メモリバンク８１及び
メモリバンク８２は、それぞれ撮像装置１２によって得
られる画像と同じサイズの記憶容量を有したメモリであ
る。

【００５９】撮像素子７１から出力されるアナログの画
像データは、公知のアナログ処理回路を経てＡ／Ｄ変換
された後、デジタルの画像データとして処理回路ＰＲ１
に入力される。

【００６０】一方のメモリバンク８１には、各画素の画
像データのうち輝度値が書き込まれる。他方のメモリバ
ンク８２には、撮像素子７１の各画素について輝度がピ
ーク値を示す時点の画像のフレーム番号が書き込まれ
る。ここで、画像のフレーム番号は、３次元情報を入力
するための上述のプロセスが開始されてからの経過時間
に対応する。つまり、画像のフレーム番号は、物体ＯＢ
を副走査方向に走査する際の投射光の投射角度δに対応
することとなる。

【００６１】処理回路ＰＲ１に入力される画像データの
輝度値Ｓ１１は、比較器８３によって、各画素の過去の
最大輝度値を記憶しているメモリバンク８１の当該画素
の輝度値Ｓ１２と比較される。もし、入力された輝度値
Ｓ１１がメモリバンク８１に記憶されている輝度値Ｓ１
２よりも大きければ、メモリバンク８１のその画素に相
当する番地の輝度値を輝度値Ｓ１１に書き換えた上、メ
モリバンク８２の当該番地の内容をフレーム番号発生器
８４から供給されるフレーム番号に書き換える。

【００６２】この処理を、撮像素子７１の画素配列のラ
イン数、及びその他の条件から定まる総フレーム数だけ
繰り返すと、メモリバンク８１には、各画素の出力がピ
ーク値になったときの輝度値が記憶され、また、メモリ
バンク８２にはそれに対応するフレーム番号が記憶され
ることになる。メモリバンク８２に記憶されたフレーム
番号をもとに、各画素について、輝度がピーク値を示す
時点の投射光の投射角度δが求められる。

【００６３】処理回路ＰＲ１によると、比較的簡単な回
路構成によって投射光の投射角度δ（又はそれに対応す
る物理量）を求めることができる。しかし、処理回路Ｐ
Ｒ１においては、投射角度δの分解能を撮像素子７１の
画素ピッチより高くすることはできない。

【００６４】そこで、処理回路ＰＲ１の回路構成を発展
させ、投射角度δを求めるに際し、より高い分解能を達
成することのできる処理回路ＰＲ２について、図１４を
参照して説明する。

【００６５】図１４に示されるように、処理回路ＰＲ２
は、ディレイメモリ９６ａ，９６ｂ，９６ｃ，９６ｄ、
メモリバンク９１，９２，９３，９４，９５，９８、比
較器９７、及びフレーム番号発生器９９から構成され
る。各メモリバンク９１〜９５，９８は、それぞれ撮像
装置１２によって得られる画像と同じサイズの記憶容量
を有したメモリである。ディレイメモリ９６ａ〜ｄは、
入力される画像データをそれぞれ１フレームづつ遅延さ
せる。

【００６６】ディレイメモリ９６ａ〜ｄは、それぞれ直
列に接続されており、各ディレイメモリ９６ａ〜ｄの出
力信号は、それぞれメモリバンク９２〜９５に取り込ま
れる。これにより、５フレーム分の連続した画像データ
を同時に参照することができる。

【００６７】処理回路ＰＲ２に入力された画像データの
輝度値Ｓ２１は、２フレーム分だけ遅延された時点で、
比較器９７によって、その画素についての過去の最大出
力値を記憶しているメモリバンク９３の当該画素につい
ての輝度値Ｓ２２と比較される。もし、２フレーム分だ
け遅延された画像データの輝度値Ｓ２１がメモリバンク
９３の当該画素に対応する輝度値より大きければ、その
時点で、メモリバンク９１〜９５のそれぞれに入力され
ている輝度値に、それぞれのメモリバンク９１〜９５の
当該番地の輝度値が書き換えられる。さらに、メモリバ
ンク９８の当該番地の内容が、フレーム番号発生器９９
から供給される出力データのフレーム番号に書き換えら
れる。

【００６８】このような処理を、撮像素子７１の画素配
列のライン数、及びその他の条件から定まる総フレーム
数だけ繰り返すと、メモリバンク９１〜９５，９８には
次の内容が記憶される。すなわち、メモリバンク９３に
は各画素がピーク値を出力したときのその輝度値が、メ
モリバンク９２にはピーク値を示した１フレーム後の投
射光によるその画素の輝度値が、メモリバンク９１には
ピーク値を示した２フレーム後の投射光によるその画素
の輝度値が、それぞれ記憶される。一方、メモリバンク
９４にはピーク値を示した１フレーム前の投射光による
その画素の輝度値が、メモリバンク９５にはピーク値を
示した２フレーム前の投射光によるその画素の輝度値
が、それぞれ記憶される。また、メモリバンク９８には
それらに対応するフレーム番号が記憶される。

【００６９】ここで、投射光が、例えば図１５に示され
るように、その太さが撮像素子７１上で結像した際に５
画素相当のサイズであり、その輝度分布がガウス分布の
ように中央に１つのピーク値を持つ単調な山形の形状で
あるものとする。このような場合に、ある１つの画素に
注目し、照射される光量の変化をフレーム毎にプロット
すれば図１６に示すグラフが得られる。

【００７０】つまり、ある画素の光量は、５フレーム分
において有意な値を示し、且つその値はフレーム毎に変
化する。しかも、ガウス分布のように山形に変化する。
したがって、一連の処理の終了後には、各メモリバンク
９１〜９５に記憶されるデータは、メモリバンク９５、
メモリバンク９４の順で光量の値が増し、メモリバンク
９３で極大となり、メモリバンク９２、メモリバンク９
１の順で光量が低下する。これら各メモリバンク９１〜
９５に記憶された５つのデータをもとに、それらの重心
を計算することによって、フレーム間隔すなわち画素ピ
ッチよりも細かな刻みで、投射光の中心点つまりはピー
ク値の位置を求めることができる。このような重心演算
を行うアルゴリズムに関しては、本出願人が開示した特
願平７−２９９９２１号に詳しく説明されている。

【００７１】以上説明したように、処理回路ＰＲ２によ
ると、撮像素子７１の画素ピッチよりも高い分解能で投
射光の投射角度δを求めることができ、したがって高精
度に３次元情報を計測することができる。しかし、実際
には、投射光学系７５及び撮像装置１２の光学系の特性
などに起因して、投射光の像に何らかのノイズが加わる
ことが多い。その結果、輝度分布に複数のピーク値が発
生したり、分布が平坦となってピーク値の位置がはっき
りしなくなったりし、理想形状から大きく外れることが
ある。その場合には、上述の方法ではピーク値の位置の
計算結果がノイズに大きく左右されてしまう。

【００７２】このようなノイズの影響は、輝度のピーク
値が得られたタイミングの前後に、２フレームずつにと
どまらず、もっと十分に長い期間をとって、その間の光
量に基づいて演算を行うことにより低減することができ
る。その方法について、図１７を参照して説明する。

【００７３】図１７に示されるように、処理回路１０
は、減算器１２１、定常光データメモリ１２２、第１演
算装置１２３、第２演算装置１２４、及び除算器１２５
から構成される。

【００７４】撮像装置１２から出力された画像データＸ
ｉは、減算器１２１によって投射光以外の不要な定常光
成分が除去された後、第１演算装置１２３及び第２演算
装置１２４に送られる。

【００７５】第１演算装置１２３は、撮像素子７１の各
画素について、画像データＸｉとその画像データＸｉが
出力されたタイミングすなわちフレーム番号ｉとの積Ｘ
ｉ・ｉを求め、その全フレームにわたる総和Σ（Ｘｉ・
ｉ）を算出する。第２演算装置１２４は、前述の画像デ
ータＸｉの全フレームにわたる総和ΣＸｉを算出する。
そして、除算器１２５において、画像データＸｉの時間
重心Σ（ｘｉ・ｉ）／Σｘｉを算出する。なお、この演
算方法については、本出願人が開示した特願平８−３０
８１０６号において詳しく説明されている。

【００７６】上述の第１〜第４の実施形態の３次元情報
計測装置１Ａ〜Ｅによると、広い角度範囲にわたる空間
に配置された物体の３次元情報を計測することができ
る。特に、撮像装置として用いられる映像ミラー１１Ａ
〜Ｅを移動させる必要がないので、従来のようにその駆
動装置が不要であり、したがって駆動装置の小型化を図
ることができる。また、駆動される部分を軽量且つ小型
化することができるので高速での駆動を安定して行うこ
とができる。したがって、軸Ｊのまわりに配置された物
体の３次元情報を比較的簡単な構成で高速に且つ安定し
て入力することができる。特に、第２及び第３の実施形
態においては、放射状の参照光が用いられており、走査
ミラー４４及びマスク５４を主走査方向に駆動する必要
がないため、この利点は更に強調される。

【００７７】上述の実施形態において、３次元情報計測
装置１Ａ〜Ｅは軸Ｊのまわりの３６０度の視野範囲にわ
たって存在する物体の３次元情報の入力が可能である。
したがって、３次元情報の入力に際し、装置自体を移動
させる必要がなく、例えばワンショットの容易な操作又
は動作のみで全周の３次元情報の計測を行うことができ
る。

【００７８】上述の実施形態において、３次元情報計測
装置１Ａ〜Ｅは軸Ｊまわり３６０度の視野範囲にわたっ
て存在する物体の３次元情報の入力が可能であるが、視
野範囲が例えば１８０度又は２７０度などの場合でも勿
論適用可能である。この場合において、映像ミラー１１
Ａ〜Ｅとして、計測範囲外の部分の欠けるものを用いて
もよく、また、参照光ビーム又は参照光における主走査
範囲の不要な部分を省略することもできる。

【００７９】上述の実施形態において、光学的な機構部
と３次元情報算出部ＰＲ又は処理回路ＰＲ１，２とは、
同一の筐体内に組み込んでもよいし、また互いに別の筐
体内に組み込んでもよい。３次元情報算出部ＰＲ又は処
理回路ＰＲ１，２の全体又は一部として、パーソナルコ
ンピュータなどを用いることも可能である。その他、３
次元情報計測装置１Ａ〜Ｅの全体又は各部の構造、形
状、及び配置位置、また、処理回路ＰＲ１，ＰＲ２の回
路構成、処理内容などは、本発明の主旨に沿って適宜変
更することができる。

【００８０】

【発明の効果】本発明によると、広い角度範囲にわたる
空間に配置された物体の３次元情報を比較的簡単な構成
で高速に且つ安定して計測することができる。

【００８１】請求項３の発明によると、主走査方向に駆
動する必要がないので、一層の高速化と安定化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態に係る３次元情報計測装置の構
成を示す図である。

【図２】３次元情報計測装置が３次元形状の物体の置か
れた環境下に設置された状態を示す図である。

【図３】撮像装置によって観測される参照光スポットの
軌跡を示す図である。

【図４】第２の実施形態に係る３次元情報計測装置の構
成を示す図である。

【図５】第３の実施形態に係る３次元情報計測装置の構
成を示す図である。

【図６】第３の実施形態に用いられるマスクの外観を示
す図である。

【図７】第４の実施形態に係る３次元情報計測装置の構
成を示す図である。

【図８】第４の実施形態に用いられるマスクの外観を示
す図である。

【図９】第５の実施形態に係る３次元情報計測装置の構
成を示す図である。

【図１０】３次元情報計測装置に用いられる環状レンズ
の外観を示す斜視図である。

【図１１】３次元情報計測装置と計測の対象となる物体
上の点との光学的な関係を示す図である。

【図１２】参照光スポットの軌跡の撮像素子上における
結像状況を模式的に示す図である。

【図１３】３次元情報計測装置の処理回路の例を示すブ
ロック図である。

【図１４】３次元情報計測装置の処理回路の他の例を示
すブロック図である。

【図１５】撮像素子上における投射光の太さ及び輝度の
一例を示す図である。

【図１６】撮像素子の１つの画素についての光量の変化
を示す図である。

【図１７】画像データの時間重心演算を行う処理回路の
構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１，１Ａ〜Ｅ３次元情報計測装置１１，１１Ａ〜Ｅ映像ミラー（回転体型ミラー）１２，１２Ａ〜Ｅ撮像装置（撮像装置）１５Ａ，１５Ｅ走査ミラー（参照光投射手段、副走査
手段）１６Ａ，１６Ｅ回転装置（主走査手段）１７走査レンズ（放射状参照光投射手段）１７Ｅ走査レンズ（放射状参照光投射手段）４５走査ミラー（放射状参照光投射手段）４６駆動装置（副走査手段）５４マスク（放射状参照光投射手段）５５駆動装置（副走査手段）６４マスク（放射状参照光投射手段）６５駆動装置（主走査手段，副走査手段）Ｊ軸（中心軸）ＯＢ物体（対象物） δ 投射角度Ｚ参照光スポットの軌跡（投影像）ｒ観測位置（位置）ｄ距離（３次元情報）ＰＲ３次元情報算出部（３次元情報算出手段）ＰＲ１，ＰＲ２処理回路（３次元情報算出手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転体型ミラーと当該回転体型ミラーの中
心軸に受光軸が一致するように配置された撮像装置とを
用い、前記中心軸の周囲の空間に配置された対象物の３
次元情報を計測する３次元情報計測方法であって、前記中心軸上から参照光を投射して前記対象物を走査
し、前記参照光の投射角度に対応する物理量と、前記対象物
により反射された前記参照光が前記回転体型ミラーを介
して前記撮像装置で撮像されたときに得られる投影像の
位置に対応する物理量とに基づいて、前記対象物の３次
元情報を求める、ことを特徴とする３次元情報計測方法。
【請求項２】回転体型ミラーと当該回転体型ミラーの中
心軸に受光軸が一致するように配置された撮像装置とを
有し、前記中心軸の周囲の空間に配置された対象物の３
次元情報を求める３次元情報計測装置であって、ビーム状の参照光を投射する参照光投射手段と、前記参照光の投射方向が前記中心軸を中心とする周方向
に変化するように前記参照光を偏向して主走査を行うた
めの主走査手段と、前記参照光の投射方向が前記中心軸に沿った方向に変化
するように前記参照光を偏向して副走査を行うための副
走査手段と、前記参照光の副走査における投射方向である投射角度に
対応する物理量と、前記対象物により反射された前記参
照光についての前記撮像装置により得られる投影像の位
置に対応する物理量とに基づいて、前記対象物の３次元
情報を求める３次元情報算出手段と、を有してなることを特徴とする３次元情報計測装置。
【請求項３】回転体型ミラーと当該回転体型ミラーの中
心軸に受光軸が一致するように配置された撮像装置とを
有し、前記中心軸の周囲の空間に配置された対象物の３
次元情報を求める３次元情報計測装置であって、前記中心軸上に設けられ、円錐面状に拡がる放射状の参
照光を投射する放射状参照光投射手段と、前記参照光の投射角度が変化するように前記参照光を偏
向して副走査を行うための副走査手段と、前記参照光の副走査における投射方向である投射角度に
対応する物理量と、前記対象物により反射された前記参
照光についての前記撮像装置により得られる投影像の位
置に対応する物理量とに基づいて、前記対象物の３次元
情報を求める３次元情報算出手段と、を有してなることを特徴とする３次元情報計測装置。