JPH11237222A - ３次元計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】光電変換の受光面積を必要な分解能を確保でき
る最小限度まで縮小し、光電変換信号のＳ／Ｎ比を高め
て高精度の計測を実現する。 【解決手段】仮想平面ＶＳに向かってラスタ走査をする
ように光ビームＬを投射し、仮想平面を主走査方向Ｘ及
び副走査方向Ｙに細分化した各サンプリング区画ｓｐを
通過する時点での計測対象Ｑで反射した光ビームの入射
角度に応じた特定データを出力する３次元計測装置１に
おいて、入射した光ビームを受光する例えば１次元位置
検出型の光電変換デバイス２５の受光面に計測対象の光
学像を一方向に圧縮して結像させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体に光ビームを
投射して物体形状を非接触で計測する３次元計測装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】レンジファインダと呼称される非接触型
の３次元計測装置（３次元カメラ）は、接触型に比べて
高速の計測が可能であることから、ＣＧシステムやＣＡ
Ｄシステムへのデータ入力、身体計測、ロボットの視覚
認識などに利用されている。

【０００３】レンジファインダに好適な計測方法として
光投影法が知られている。この方法は、物体を光学的に
走査して三角測量の原理に基づいて距離画像（３次元画
像）を得る方法であり、ビーム状の参照光を投射して物
体のラスタ走査を行う能動的計測方法の一種である。ラ
スタ走査には、例えば左から右へ一方向の主走査を行う
形態と、左から右への走査とその逆の方向の走査とを交
互に行う形態（往復主走査）とがある。物体で反射した
参照光は光電変換素子の受光面に入射する。受光面上で
のスポット位置は入射角度に対応するので、スポット位
置を検出することによって物体との距離を算出すること
ができる。

【０００４】従来においては、走査範囲内の各位置から
の反射光を受光するため、ＣＣＤエリアセンサやＰＳＤ
（位置検知型の光検出器）などの２次元撮像デバイスが
用いられ、又は複数個の１次元撮像デバイスを並べて用
いることによって疑似的に２次元の受光面が形成されて
いた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のようにビーム光
を投射する３次元計測では、光電変換の受光面積が大き
いほど、検出信号のＳ／Ｎ比は低い。受光面のうちのス
ポットの占める割合が小さくなるからである。素子によ
っては受光面積の増大につれて応答速度も低下する。

【０００６】本発明は、光電変換の受光面積を必要な分
解能を確保できる最小限度まで縮小し、光電変換信号の
Ｓ／Ｎ比を高めて高精度の計測を実現することを目的と
している。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、シリ
ンドリカルレンズ（円柱レンズ）に代表される一方向の
集束特性を有した光学部材を用いて、計測対象の光学像
を光電変換デバイスの受光面に結像させる。

【０００８】ビーム光を投射する計測では、走査中の任
意の時点における主副の両方向の走査位置を特定するこ
とができるので、投光側と受光側とで視差が生じる方向
（通常は副走査方向に設定される）についてのみ、スポ
ット位置を検出すればよい。したがって、計測対象の光
学像（原理的には全体のうちの走査位置の１点のみが明
るい像）を、視差の生じない方向（例えば主走査方向）
に圧縮しても計測に支障はない。光電変換デバイスとし
ては、圧縮された像（模式的には１次元の像）を投影す
ることができる帯状の受光面を有したものであればよい
ことになり、走査範囲に対応した２次元の受光面を有す
る必要はない。

【０００９】請求項１の発明の装置は、仮想平面に向か
ってラスタ走査をするように光ビームを投射し、前記仮
想平面を主走査方向及び副走査方向に細分化した各サン
プリング区画を通過する時点での計測対象で反射した前
記光ビームの入射角度に応じた特定データを出力する３
次元計測装置であって、入射した前記光ビームを受光す
る光電変換デバイスと、計測対象の光学像を一方向に圧
縮して前記光電変換デバイスの受光面に結像させる光学
部材と、を有している。

【００１０】請求項２の発明の３次元計測装置におい
て、前記光電変換デバイスは１次元位置検出型デバイス
である。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る３次元計測装
置１の概要を示す図、図２は受光系２０の構成図であ
る。

【００１２】３次元計測装置１は、仮想平面ＶＳに向か
ってラスタ走査をするように光ビームＬを投射する投光
系１０、計測対象の物体Ｑで反射した光ビームＬを受光
する受光系２０、及び計測値に応じた特定データＤＤを
記憶するフレームメモリ６０を備えている。

【００１３】投光系１０は、光源としての半導体レーザ
（ＬＤ）１１、主走査手段であるガルバノミラー１２
Ｘ、及び副走査手段であるガルバノミラー１２Ｙから構
成されている。各ガルバノミラー１２Ｘ，１２Ｙは、光
ビームＬを反射するミラーとそれを回動させる電磁機構
とからなる。電磁機構には、クロックＳＰＣＬＫのカウ
ント値をルックアップテーブル形式で補正した後にＤ／
Ａ変換した駆動電圧が与えられる。ルックアップテーブ
ルには、例えば仮想平面ＶＳ上での走査速度が一定にな
るようにミラーの回動速度を変化させるための変換デー
タが格納されている。主走査は１ライン毎にビーム偏向
の方向が反転する往復形式である。副走査は１ラインの
主走査毎に間欠的に行われる。主走査においては、ビー
ム偏向速度が副走査よりも大きいので、駆動電圧が示す
制御目標値と実際の回動角度位置とのずれが生じ易い。
そこで、特にガルバノミラー１２Ｘには仮想平面ＶＳ上
での光スポットの位置を正確に把握するために回動角度
センサが設けられている。なお、以下において主走査方
向（Ｘ方向）を水平方向とし、副走査方向（Ｙ方向）を
垂直方向とするものとして説明することがある。

【００１４】受光系２０は、結像レンズ２１、可視光と
光ビームＬとを分離するプリズム２２、モニター用のカ
ラー撮影像を出力するためのＣＣＤ撮像デバイス２３、
本発明に特有の構成要素であるシリンドリカルレンズ２
４、及び光ビームＬの入射角度を検出するための受光デ
バイス２５からなる。

【００１５】受光デバイス２５は、受光面に入射した光
のスポット位置に応じたアナログ信号を出力する１次元
の位置検知型検出器（ＰＳＤ）であって、Ｙ方向のスポ
ット位置を検出するように配置されている。ＰＳＤを用
いることにより、ＣＣＤ撮像デバイスを用いる場合と比
べて電荷蓄積が不要となる分だけ走査を高速化すること
ができる。そして、１次元のデバイスであることから２
次元のデバイスよりも受光面が小さく、Ｓ／Ｎ比が良好
である。シリンドリカルレンズ２４は、図２のように結
像レンズ２１によってプリズム２２の端面に投影された
光学像ｚ１をＸ方向に圧縮してＰＳＤ２５の受光面に再
結像させる。受光系２０と上述の投光系１０とはＹ方向
に一定距離を隔てて配置されており、互いの配置関係は
既知である。したがって、プリズム２２に入射した光ビ
ームＬのＹ方向の入射角度が判れば、物体Ｑにおける光
ビームＬが照射された部位と装置内の基準位置との距離
を周知の三角測量法を適用して求めることができる。光
ビームＬのＹ方向の入射角度は、受光デバイス２５の受
光面における中心と受光スポットとの距離に対応する。
走査期間において受光デバイス２５の出力を周期的にサ
ンプリングすれば、仮想平面ＶＳをＸ方向及びＹ方向に
細分化した各サンプリング区画（原理的には点）ｓｐ毎
に物体Ｑの奥行き（仮想平面ＶＳと直交する方向の位
置）を計測することができる。すなわち、サンプリング
区画ｓｐを画素とする距離画像を得ることができる。

【００１６】本実施形態においては、受光デバイス２５
の出力を量子化した検出データＹｐが特定データＤＤと
してフレームメモリ６０に書き込まれる。その際に、各
サンプリング区画ｓｐのＸ方向及びＹ方向の位置データ
Ｘｇ，Ｙｇがフレームメモリ６０のアドレス指定に用い
られる。これにより、検出データＹｐを単純に発生順に
書き込むのとは違って、フレームメモリ６０のアドレス
空間である仮想画面における画素配列が仮想平面ＶＳの
画素配列と一致することになる。したがって、フレーム
メモリ６０から一方向主走査形式のラスタ走査を行うよ
うにアドレス指定をしてデータを読み出しても何ら不都
合が生じない。単純な書込みではライン毎に画素配列方
向が入れ代わってしまうので、読出しの以前に画素の並
べ替えを行うか、読出し時に複雑なアドレス指定を行う
必要がある。

【００１７】フレームメモリ６０に書き込まれた検出デ
ータＹｐは、距離画像の表示のために読み出され、ルッ
クアップテーブル（ＬＵＴ）７１及びＤ／Ａ変換器７２
を経てＮＴＳＣ形式のビデオ信号として図示しないディ
スプレイに出力される。ＬＵＴ７１には、距離画像を求
める三角測量演算を行い且つその結果にキャリブレーシ
ョンに基づく補正を加えるのに相当する変換データが記
憶されている。キャリブレーションは例えば平面を計測
するものである。フレームメモリ６０の読出しは、ビデ
オ映像表示のフレーム周期毎に行われる。検出データＹ
ｐに基づく距離画像は投光系１０からみた物体Ｑの３次
元情報である。

【００１８】図３は出力画像サイズを示す図である。画
像の水平画素数は「１２８」である。主走査用のガルバ
ノミラー１２Ｘの駆動方向の反転に要する時間を考慮し
て画像の両端にそれぞれ１６画素分のマージンを設け
る。また、ミラーの回動ムラやノイズに係わらず所定数
のデータを得るために１画素当たり２回のサンプリング
を行う。したがって、１ライン走査時間Ｈは、サンプリ
ングクロックＳＰＣＬＫの３２０周期〔３２０＝（１２
８＋１６×２）×２〕に相当する。主走査の制御におい
てはサンプリングクロックＳＰＣＬＫをカウントして駆
動信号を生成する。往復形式であるので、サンプリング
クロックＳＰＣＬＫの６４０周期毎にカウンタをリセッ
トする。

【００１９】垂直画素数は「９６」である。Ｙ方向の帰
線期間（ミラー復帰期間）を４Ｈとする。したがって、
１画面の走査時間Ｖは１００Ｈとなる。副走査において
も主走査と同様にサンプリングクロックＳＰＣＬＫをカ
ウントして駆動信号を生成する。

【００２０】図４は制御系の要部のブロック図である。
３次元計測装置１は、マイクロプロセッサを備えたＣＰ
Ｕ５１とともに、走査制御及びデータ入出力制御を担う
コントローラ５２を備えている。コントローラ５２は複
数の回路モジュールを集積化した半導体デバイス（例え
ばゲートアレイ）である。コントローラ５２によるガル
バノミラー１２Ｘの制御にはＬＵＴ３３及びＤ／Ａ変換
器３４が係わり、ガルバノミラー１２Ｙの制御にはＬＵ
Ｔ３１及びＤ／Ａ変換器３２が係わる。ガルバノミラー
１２Ｘの回動角度センサ信号（０〜５ボルト）は、Ａ／
Ｄ変換器３５で１２ビットのデータに変換された後、Ｌ
ＵＴ３６を経て位置データＸｇとしてコントローラ５２
に入力される。

【００２１】また、コントローラ５２にはＬＵＴ３９か
らの検出データＹｐが入力される。ＬＵＴ３９の入力
は、ＰＳＤ２５が出力する２種の検出信号Ｙ１，Ｙ２を
それぞれＤ／Ａ変換器３７，３８で量子化したものであ
る。検出データＹｐの値は次式で表される。

【００２２】Ｙｐ＝（Ｙ１−Ｙ２）／Ｙ１＋Ｙ２ Ｙ１：Ｙ方向の第１電極の出力信号（光電流） Ｙ２：Ｙ方向の第２電極の出力信号 図５はコントローラ５２の機能構成を示すブロック図で
ある。

【００２３】コントローラ５２は、書込み制御部５１
０、メモリ制御部５２０、及び表示制御部５３０を有し
ている。書込み制御部５１０は、Ｘカウンタ５１１、Ｙ
カウンタ５１２、及び比較器５１３を有している。メモ
リ制御部５２０は、アドレスコントローラ５２１、デー
タコントローラ５２２、メモリステータスレジスタ５２
３、及び制御信号発生回路５２４を有している。

【００２４】Ｘカウンタ５１１及びＹカウンタ５１２に
は、分周器５４１からサンプリングクロックＳＰＣＬＫ
が入力される。Ｘカウンタ５１１のカウント値（０〜６
３９）は主走査の駆動制御に用いられる。Ｙカウンタ５
１２のカウント値（０〜９９）は副走査の駆動制御及び
アドレス指定に用いられる。比較器５１３及びＹＣＵＥ
レジスタ５４２は、主走査の駆動信号に対するガルバノ
ミラー１２Ｘの動作遅れを考慮して副走査のタイミング
を調整するために設けられている。ＹＣＵＥレジスタ５
４２にはＣＰＵ５１から計測条件に応じた最適値がセッ
トされる。アドレスデコーダ５４３は、ＣＰＵ５１から
直接にアドレスを指定してフレームメモリ６０をアクセ
スするのか、書込み制御部５１０からアドレスを指定し
てアクセスするのかを切り換える回路である。なお、Ｃ
ＰＵ５１からの制御アドレスで指定されてフレームメモ
リ６０から読み出されたデータは、メモリ制御部５２０
を介してＣＰＵ５１へ転送される。

【００２５】フレームメモリ６０に対する書込みにおい
て、アドレスコントローラ５２１は、Ｙカウンタ５１２
からの位置データＹｇ及びガルバノミラー１２Ｘからの
位置データＸｇによってアドレス指定を行う。図中の
（ｗ）は書込み用であることを示す。また、読出しにお
いて、アドレスコントローラ５２１は、表示制御部５３
０からの位置データＸｇ，Ｙｇによってアドレス指定を
行う。図中の（ｒ）は読出し用であることを示す。例え
ば、位置データＸｇ，Ｙｇが７ビットであり、フレーム
メモリ６０としてアドレス（Ａｄｄ．）がＡ₀ 〜Ａ₁₅の
１６ビットである素子を用いた場合には、Ａ₀ 〜Ａ₆ を
位置データＸｇに割り当て、Ａ₇ 〜Ａ₁₃を位置データＹ
ｇに割り当て、残りのＡ₁₄，Ａ₁₅をバンク指定に割り当
てる。

【００２６】データコントローラ５２２は、特定データ
ＤＤとしての検出データＹｐの書込み及び読出しを担
う。メモリステータスレジスタ５２３は、フレームメモ
リ６０における４個のバンクＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの状態を記
憶する。

【００２７】表示制御部５３０は、クロック発生部５３
からの各種の同期信号に基づいて読出しアドレス（Ｘ
ｇ，Ｙｇ）を生成してアドレスコントローラ５２０に与
える。また、所定の同期信号とともにデータコントロー
ラ５２２からの検出データＹｐを図示しないディスプレ
イへ出力する。

【００２８】図６はフレームメモリ６０のバンクの使い
分けの一例を示す図である。３次元計測装置１において
は、フレームメモリ６０が４個のバンクＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
に区画され、これらバンクＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄが書込み→表
示（読出し）→待機（アイドル）→クリアの順にローテ
ーション形式で使用される。例えばバンクＣへの書込み
を行っているときには、それ以前に前回の計測のデータ
が書き込まれているバンクＢの読出しを行うとともに、
バンクＤのデータ消去を行う。そのとき、バンクＡにつ
いては何らアクセスをしない。次の計測のときには、バ
ンクＤに今回のデータを書込み、バンクＣから前回のデ
ータを読み出す。このようなメモリ制御により、周期的
に計測を繰り返しながら各回の計測で得られたデータを
順次に出力する並行処理動作が可能となり、動体の位置
変化を表示することができる。ただし、本実施形態で
は、データの書込み（つまり１画面分の走査）と表示の
ための読出しとは非同期である。表示のフレーム周期は
１画面分の走査時間より短い。したがって、最新の１画
面分のデータ（フレーム）の書込みが完了するまでは、
１回前のフレームが繰り返し読み出されて表示されるこ
とになる。フレーム周期（例えば１／３０秒）で１画面
の走査を終えるようにした場合には、書込みと読出しと
を同期させてフレーム周期で表示を更新することができ
る。

【００２９】以上の実施形態において、フレームメモリ
６０の利用形態について種々の変形例がある。例えば、
検出データＹｐを記憶せずにルックアップテーブル７１
に入力して距離データＤｚに変換し、その距離データＤ
ｚをフレームメモリ６０に書き込んでもよい。ディスプ
レイへのデータ出力に際しては、フレームメモリ６０か
ら読み出した距離データＤｚを直接にＤ／Ａ変換器７２
に入力してビデオ信号に変換する。検出データＹｐをＹ
方向のアドレス指定に用い、位置データＹｇをフレーム
メモリ６０に書き込むことも可能である。つまり、受光
系２０からみた物体Ｑの奥行きを記憶する。用途によっ
てはこの構成が好ましい。位置データＹｇと検出データ
Ｙｐのどちらかのデータをフレームメモリ６０に書込
み、他方のデータをＹ方向のアドレス指定に用いるよう
に、記憶内容とアドレスとの入れ換えるようにしてもよ
い。ディスプレイへのデータ出力に際しては、フレーム
メモリ６０に書き込んだデータの種類に応じてルックア
ップテーブルに予め格納しておいた２種の変換データの
一方を選択して用いる。

【００３０】

【発明の効果】請求項１又は請求項２の発明によれば、
光電変換の受光面積を必要な分解能を確保できる最小限
度まで縮小し、光電変換信号のＳ／Ｎ比を高めて高精度
の計測を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る３次元計測装置の概要を示す図で
ある。

【図２】受光系の構成図である。

【図３】出力画像サイズを示す図である。

【図４】制御系の要部のブロック図である。

【図５】コントローラの機能構成を示すブロック図であ
る。

【図６】フレームメモリのバンクの使い分けの一例を示
す図である。

【符号の説明】

１ ３次元計測装置 ＶＳ 仮想平面 Ｌ 光ビーム Ｘ 主走査方向 Ｙ 副走査方向 ｓｐ サンプリング区画 Ｑ 計測対象 ＤＤ 特定データ ２４ シリンドリカルレンズ（光学部材） ２５ 光電変換デバイス

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】仮想平面に向かってラスタ走査をするよう
   に光ビームを投射し、前記仮想平面を主走査方向及び副
   走査方向に細分化した各サンプリング区画を通過する時
   点での計測対象で反射した前記光ビームの入射角度に応
   じた特定データを出力する３次元計測装置であって、 入射した前記光ビームを受光する光電変換デバイスと、 計測対象の光学像を一方向に圧縮して前記光電変換デバ
   イスの受光面に結像させる光学部材と、を有したことを
   特徴とする３次元計測装置。
2. 【請求項２】前記光電変換デバイスは、１次元位置検出
   型デバイスである請求項１記載の３次元計測装置。