JPS62277538A - ３次元物体計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 （産業上の利用分野） 本発明は、３次元物体計測装置に関する。

（従来の技術） プロシーディング　オブ　ザ　アイイーイーイー６５巻
、１号（１９７７）にレーザステレオメトリ　（Ｌａｓ
ｅｒ　Ｓｔｅｒｅｏｍｅｔｒｙ　）として、３次元物体
の表面反射光をストリークカメラを用いて時間分解計測
する装置に関する論文が発表されている。

第１０図は前記論文に示された装置の構成を示す略図で
ある。

モードロックレーザ９１の発生したパルス光は、ガサレ
オ形の望遠鏡９２で拡大されビームスプリッタ９３を介
して被測定対象９４に投射される。

被測定対象９４からの反射光は撮像レンズ９５とリレー
レンズ９７を介してストリークカメラ９８に入射させら
れる。

撮像レンズ９５による反射光の像が形成される位置にス
リット９６を配置して特定の高さの領域を切り出すよう
にしている。

この提案によれば物体の表面状況を光の走行距離の差（
時間差）に置き換えて知ることができる。

また物体内部構造を明らかとするために、短パルス光と
ストリークカメラを用いる方法については、特願昭６０
−２６５５５２号（発明の名称、光により物体内部の情
報を得る装置）に示されている。

第１１図は前記光により物体内部の情報を得る装置の構
成を示す略図である。

レーザ光源１０７からのパルス光は入射用光ファイバ１
０３を介して被写体１０１に入射される。

この被写体１０１の内部の物質の影８を受けた光は、物
体の反対側に配置されている受光部１０２により捕捉さ
れ、多チヤンネルファイバ束１０９を介してストリーク
管１１０に入射させられる。

ストリーク管１１０の出力（象はＳＩＴカメラ１１２に
より撮影されモニタ１１４等に表示される。

（発明が解決しようとする問題点） 第１０図に示した従来の方法では物体の表面状況を知る
ことができる。

また反射光の成分には物体内部の構造による成分も含ま
れてはいるが、その点については言及されていない。

第１１図に示した光により物体内部の情報を得る装置で
は、光パルスが被写体に入射する際、入射用ファイバの
出力端の状態で決まで発光分布をもつことになる。

これにより得られる被写体透過光強度はこの発光分布と
物体の内部構造に起因する散乱等の合成として得られる
複雑なものとなり、出力の解析が容易ではない。

本発明の目的は、３次元物体の表面の３次元的形状と、
３次元物体の内部の３次元的構造を同時に明らかにする
ことができる３次元物体計測装置を提供することにある
。

（問題を解決するための手段） 前記目的を達成するために、本発明による３次元物体計
測装置は、短いパルス幅の平面波パルスを発生する光源
と、前記光源からの光で物体を照射する照射光学系と、
ストリークカメラと、前記物体からの反射光および透過
光を前記ストリークカメラに接続する光学系から構成さ
れている。

そして前記光源としてレーザ光源が通している。

また前記照射光学系は、物体の前方からと後方から同時
に短パルス光を照射し、物体からの前方への反射光、後
方への反射光、前方への透過光、後方への透過光をスト
リークカメラに導くものである。

物体の前面、背面からの反射光をストリークカメラを用
いて時間分解計測した際得られる物体の断面距離画像と
、物体の前方への透過光像とから物体の外形と内部分布
を２次元像に再構成できる。

物体を照射する平面波パルスはレーザのビームをビーム
エキスパンダとかシリンドリカルレンズにより拡大して
得られる。

前記物体からの反射光および透過光を前記スｌ−ＩＪ−
クカメラに接続する光学系は前記物体の表面と裏面のス
トリークカメラまでの光学距離が等距離、または±３０
ｃｍ程度の距離で可変とすることができる。

前記物体からの反射光および透過光を前記スｌ−ＩＪ−
クカメラに接続する光学系はストリークカメラの入力ス
リット直前に、物体の表面または裏面に焦点を合わせた
結像レンズを有しており、前記入力スリットで任意の高
さの泣面を切り出すように構成できる。

前記照射光学系には物体の表面と裏面の何れかを選択照
射するためのシャッタが設けられている。

前記ストリークカメラには、前記スリット像だけではな
く物体の反射または透過の２次元像を入射させても良い
。

（実施例） 以下図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する。

第１図は本発明による３次元物体計測装ぽの実施例を示
す略図である。

パルスレーザ装置１は時間的に十分短いパルスを発生す
る。

このパルス光はビームスプリッタ２で分割され一部はト
リガ信号発生用に利用される。ビームスプリンタ２を通
過した光はビームエキスパンダ３で光束の直径が拡大さ
れ、ビームスプリッタ４で分離される。

ビームスプリンタ４を透過した光は全反射鏡５、全反射
鏡１０を介して被測定物体１２を図中上方向から照射す
る。

ビームスプリフタ４で反射した光は、光学遅延系を形成
する固定反射鏡６の第１面で反射され、光学遅延系を形
成する可動反射鏡７により２回反射されて固定反射鏡６
の第２面で反射される。

そしてシャッタアパーチャ９、全反射鏡１１を介して被
測定物体１２を図中下方向から照射する。

ビームスブリフタ２で反射された光パルスの一部は検出
器２０により電気信号に変えられ、増幅器２１で増幅後
、遅延回路２２を通じてストリークカメラ２５のトリガ
信号とする。

全反射鏡５−シャッタアパーチャ８−全反射鏡１０を介
して被測定物体に照射され、反射された光は逆の経路を
通りビームスプリッタ４を介してストリークカメラ２５
に導かれる。

同様にして、全反射鏡６−全反射鏡７−全反射鏡６−シ
ヤノタアパーチヤ９−全反射鏡１１を介して被測定物体
１２に照射され、被測定物体１２の表面で反射した光は
、やはり逆の経路をたどりストリークカメラ２５に導か
れる。

次に、被測定物体１２を透過した光は入射経路とは別の
経路をたどって同様にストリークカメラ２５に入射する
。

ストリークカメラ２５の入力スリット２．↓の前には、
結像レンズ２３が取付けられている。

この結像レンズ２３の塩点位置は、目的に応して物体の
表または裏に合わされる。

前記結像レンズ２３をズームレンズにすると、物体の任
意の部分の拡大倍率を変えろことができて便利である。

ストリークカメラ２５としては、光源のパルス繰り返し
周波数によって、または物体１２によって、単掃引方式
または、シンクロスキャン方式の間引方式を選択するこ
とができる。

ストリークカメラ２５により得られた時間分解画（象は
、読み出し装置２６により読み出し、解析。

再構成等の全ての処理を行う。

物体１２の全ての形状や内部構造を明らかとするには、
物体１２と照射光学系の相対位置を変えて全ての部分を
スキャンする等の操作が必要となる。

以上の系を用いて、３次元物体１２の３次元的表面構造
や３次元的内部構造を明らかにできる。

以下にその動作を示す。

〔１〕ストリークカメラの入力スリットによる像の切り
出しを行う場合。

（１）表面反射光による表面構造の計測ストリークカメ
ラ５のスリット２４面上に物体１２の反射（象をレンズ
２３を用いて結（象する。

この像からスリット２４により切り出された一部をスト
リーク管の光電陰極面上に結（象する。

この像の時間や強度特性を明らかにすることで物体の表
面状態がわかる。

この際、レンズ２３からの短パルス光は平面波であると
考える。

第２図に示すように、凹凸のある物体１２Ａからの反射
光は、その物体の凹凸の深さの２倍の時間的遅延のある
反射波となってストリークカメラに入射する。

これをストリーク動作させ時間分解解析することで、第
３図のような出力像が得られる。これを物体の凹凸の深
さｄｌはその物質の置かれている環境の、光の速度をＣ
とすると、ストリーク像における時間遅れｔから次の式
で与えられる。

ｄ、＝Ｃ−ｔ／２・・・・・・・・・・・・（１−１）
（２）物体の透過像による計測 次に、物体１２Ａの透過像による物体の評価を第４図お
よび第５図を参照して説明する。

物体１２Ａの内部の屈折率が均一にｎであるとする。

その際の第４図の物体に対する透過時間差しは次の式で
与えられる。

ｔ＝　（ｎ／Ｃ）　　（Ｗ２　　Ｗｌ　）、　　・・・
・・・・・・・・・（２−１）第５図に示すように時間
差ｔを測定することができるから、（Ｗ２　　Ｗｌ）が
既知であれば屈折率ｎの値を、ｎが既知であれば（Ｗ２
−Ｗ、）を与えることができる。

実際の未知の３次元物体に対しては、はじめに反射光を
用いて３次元物体の外形を求める。

次に透過光像から内部の屈折率、透過率分布を求めると
いう手順になる。

第７図は本発明による３次元物体計測装置の第２の実施
例を示す略図である。

第１図に示した第１の実施例と大部分共通するので共通
の符号を付して基本的に異なる部分についてのみ説明す
る。

ビームスプリッタ２と４の間に光学遅延系を挿入する。

光学遅延系は、固定全反射鏡１３．可動反射鏡１４、可
動反射鏡制御部１５から構成されている。

可動反射鏡制御部１５は、可動反射鏡の位置を読みとる
ことができ、可動反射鏡の位置を調整することができる
。

遅延回路２２の遅延量は読み取り系２６の読み取り値に
より変化させられる。

可動反射鏡７も同様に他の可動反射鏡制御部１６により
制御される。

被測定物体１２は被測定物体制御部１７により上下動お
よび回転させられる。

被測定物体制御部１７は読み取り系２６の制御下におか
れ、被測定物体の光ビームに対する位置を必要に応じて
制御することができる。

第６図に前記実施例装置を用いて未知の３次元物体の測
定をする場合の手順を示す。

被測定物体１２の位置を設定後、前後から光ビームを照
射してそれぞれからの反射光のストリーク像をｌ＝Δｔ
−Ｃ／２の関係式を用いて評価することにより表面およ
び裏面の形状を求める。

この形状のデータは読み取り系２６内のメモリに格納さ
れる。

なおこの際の形状認識で得られたストリーク像の強度分
布に対して細線化処理、ピーク点連結等の画像処理技術
を用いることができる。

次に被測定物体制御部１７により被測定対象を一定角度
（例えば４５°）回動してその状態における表面および
裏面の形状を求める。この手順を繰り換えして表面の形
状のデータを得る。

各位置における反射光間の時間差を求めることにより各
位置における物体の厚さに関するデータを得ることがで
きる。

もし物体の厚みがＯまたはＯとみなし得る程度であれば
、表面または裏面からの反射光のストリーク像の位置は
光路長により決まる。

反射鏡６と反射鏡７の間隔を調整して、中心点までの表
裏の反射光の光路長を等しくする。

この状態において被測定物体を配置すると物体の厚みＷ
の分だけ、反射光のストリークカメラに到達する時間が
短くなる。

被測定物体の基準点を前記中心点になるように配置し、
ストリーク像の任意の点における中心からの時間差をΔ
’ｌ’ｗ　（ΔＴＷだけ早（像が現れる）とすると中心
からその点までの距ＭＷは次の式で与えられる。

Ｗ＝２ΔＴｗ−Ｃ／２ これにより第６図中段右側に示すように被測定物体の外
部形状が得られる。

次に透過光像は物体内部の屈折率と透過率の影響を受け
る。

前述のようにして物体の表面形状が決定され、内部の屈
折率と透過率が均一であったとすると出力光の強度は次
の式で与えられる。

Ｔ＝Ｉ（１−ｅｘｐ　　（Ａ−Ｗｉ） Ａは減衰定数、ＩＯは入射光強度、Ｗｉは物体の厚さを
表す。

また屈折率がｎであるとすると平面入射光波に対して物
体の存在する部分は次の式の示す量だけ遅延させられる
。

Δｔ　ｎ　＝Ｗ　ｉ　／　（Ｃ／　ｎ＞したがって減衰
定数Ａと屈折率ｎはそれぞれ次の式で与えられる。

Ａ　＝　−ｊ！　ｎ　（Ｉ　／　Ｉ　ｏ　）　／　Ｗ　
ｉｎ−Δｔｎ−ｃ／Ｗｉ 以上の操作を物体を上下動、および回転させて行うこと
により物体の３次元データを得ることができる。

第１図または第７図に示した実施例装置においてストリ
ークカメラ２５の入射面に配置されている入力スリット
２４を取り外しても測定が可能である。

第８図に投射光路の例を、第９図にストリーク像を示す
。

ビームスプリッタ４から物体１２Ａの凹面（表面）迄の
距離を７！１、ビームスプリンタ４から物体１２Ａの平
面（裏面）迄の距離を１２とする。

物体の高さをｈとして物体の反射、透過像を２次元的に
ストリーク管に入射させることにより第８図に示すよう
な像が得られる。

表面からの反射波によるストリーク１象が現れて、通過
像が現れるまでの時間は、次の式で与えられる。

Ｌ　−（β２−１１　）／Ｃ＋ｎＷ２　／’ｃまた裏面
からの反射像が現れるまでの時間は次の式で与えられる
。

ｔ＝２　（Ｊ！２−β１）／に の方法によれば、次のような操作状の利点が得られる。

ストリークカメラを動作させない、つまり掃引をしない
静的な状態でストリークカメラの出力をみながら光学系
を調整できる。

掃引をした場合物体からの反射、透過２次元像を、トリ
ガ系の遅延時間を変えることで別々に観測できる。

ただし、このような２次元（象は、前述のスリットを用
いた場合より明確になる物体の凹凸に伴う光の遅延が重
なってしまうため、３次元的な形状の解析をする分解能
は不十分である。

第１図に示した実施例でパルスレーザ光源１としてＣＰ
　Ｍ　（Ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ　Ｐｕ１ｓｅ　Ｍｏｄｅ　
１ｏｃｋｅｄ　）リング色素レーザを用い、ストリーク
カメラとして同期掃引方式において１０ピコ秒、単掃引
において１．５ピコ秒のものを用いて内部にエタノール
を入れた洗浄ビンについて測定を行い、物体の奥行き方
向の空間分解能が１．４ｍｍ以下であることを確認した
。

以上詳しく説明した実施例について本発明の範凹内で種
々の変形を施すことができる。

物体の表面と裏面までの、ストリークカメラからの光学
的距離が同じである場合、掃引を行っても２つの像が重
なってしまう。この場合は、一方の光学経路にあるシャ
ンクを閉じることで反対側の光学経路に基づく反射光像
のみが得られる。

以上では、短パルス光が平面波で、ある程度大きな断面
積を持って入射した場合を論じてきた。物体の通過像を
論議する場合、平面波で、微小径の短パルス光を用いる
ことも必要である。その際は、一方の光学経路のアパー
チャを絞ってビーム径を小さくする等の手段を用いる。

（発明の効果） 以上詳しく説明したように本発明による３次元物体計測
装置は、短いパルス幅の平面波パルスを発生する光源と
、前記光源からの光で物体を照射する照射光学系と、ス
トリークカメラと、前記物体からの反射光および透過光
を前記ストリークカメラの接続する光学系から構成され
ている。

したがって、３次元物体の外部の情報と内部の情報を知
ることができる。

そのため、非接触で３次元物体の表面構造や、内部構造
を光を用いて計測できる。

表面の凹凸の分解能は、ストリークカメラの時間分解能
Δむで決まる。

凹凸の最小幅ｄは ｄ−Δｔ−Ｃ／２ 商品として発売されているストリークカメラ（Ｃ１５８
７浜松ホトニクス社製）を用いると単掃引で　０．３ｍ
ｍ シンクロスキャン動作で　０．８　ｍ　ｍであり、この
値はストリークカメラから物体までの距離に依存しない
。

同様に物体の内部屈折率ｎは物体の厚さＤとの関係から
求まり、均一物質で物体が成る場合Δｔ＝Ｄ／（ｃ／ｎ
）　　　より Ｄ−ｎ＝ｃ・Δｔ　　と表わされ 単掃引で Ｄ−ｎ＝０．６ｍｍ シンクロスキャン方式で　　ｐ−ｎ＝４．５ｍｍとなる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による３次元物体計測装万の第１の実施
例を示す略図である。 第２図は表面形状の測定の例を示す略図である。 第３図は第２図に示した物体の反射光によるストリーク
（象を示すグラフである。 第４図は透過光による物体の内部構造の測定の例を示す
略図である。 第５図は第４図に示した物体の反射光によるストリーク
像を示すグラフである。 第６図は表面の形状と内部の構造の測定を行う場合の一
連の手順の例を示すグラフである。 第７図は本発明による３次元物体計測装置の第２の実施
例を示す略図である。 第８図はストリークカメラの前面の入力スリットを外し
２次元像を入射させるようにした実施例を示す配冒図で
ある。 第９図は第８図に示した実施例で得られるストリーク像
を示すグラフである。 第１０図は従来の３次元物体の表面反射光をストリーク
カメラを用いて時間分解計測する装置の略図である。 第１１図は従来の光により物体内部の情報を得る装置の
構成を示す略図である。 １・・・パルスレーザ装置 ２．４・・・ビームスプリッタ ３・・・ビームエキスパンダ ５．１０．１１・・・反射鏡 ６・・・光学遅延系を形成する固定反射鏡７・・・光学
遅延系を形成する可動反射鏡８．９・・・シャッタアパ
ーチャ １２．１２Ａ・・・被測定物体 ２０・・・検出器 ２１・・・増幅器 ２２・・・遅延回路 ２３・・・撮（象レンズ ２４・・・スリット ２５・・・ストリークカメラ ２６・・・読み取り部 ２７・・・モニタ 特許出願人　浜松ホトニクス株式会社 代理人　弁理士　　井　ソ　ロ　　壽 才２図 才３図 、５ｐａｃε オ６図 ）７「− Ｔ７ｒｎｅ 郁１≦ ＴＩ、’７Ｅ　５Ｆ’Ａ（Ｅ

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）短いパルス幅の平面波パルスを発生する光源と、
   前記光源からの光で物体を照射する照射光学系と、スト
   リークカメラと、前記物体からの反射光および透過光を
   前記ストリークカメラに接続する光学系から構成した３
   次元物体計測装置。
2. （２）前記光源はレーザ光源である特許請求の範囲第１
   項記載の３次元物体計測装置。
3. （３）前記照射光学系は、物体の前方からと後方から同
   時に短パルス光を照射し、物体からの前方への反射光、
   後方への反射光、前方への透過光、後方への透過光をス
   トリークカメラに導くものである特許請求の範囲第１項
   記載の３次元物体計測装置。
4. （４）物体の前面、背面からの反射光をストリークカメ
   ラを用いて時間分解計測した際得られる物体の断面距離
   画像と、物体の前方への透過光像とから物体の外形と内
   部分布を２次元像に再構成できる特許請求の範囲第３項
   記載の３次元物体計測装置。
5. （５）平面波パルスはレーザのビームをビームエキスパ
   ンダとかシリンドリカルレンズにより拡大して得られた
   ものである特許請求の範囲第１項記載の３次元物体計測
   装置。
6. （６）前記物体からの反射光および透過光を前記ストリ
   ークカメラに接続する光学系は前記物体の表面と裏面の
   ストリークカメラまでの光学距離が等距離、または±３
   ０ｃｍ程度の距離で可変とするものである特許請求の範
   囲第１項記載の３次元物体計測装置。
7. （７）前記物体からの反射光および透過光を前記ストリ
   ークカメラに接続する光学系はストリークカメラの入力
   スリット直前に、物体の表面または裏面に焦点を合わせ
   た結像レンズを有しており、前記入力スリットで任意の
   高さの位置を切り出すように構成した特許請求の範囲第
   １項記載の３次元物体計測装置。
8. （８）前記物体からの反射光および透過光を前記ストリ
   ークカメラの接続する光学系はズームレンズ系をもち物
   体の任意の部分の拡大倍率を変えることができる特許請
   求の範囲第１項記載の３次元物体計測装置。
9. （９）前記照射光学系には物体の表面と裏面の何れかを
   選択照射するためのシャッタが設けられている特許請求
   の範囲第１項記載の３次元物体計測装置。
10. （１０）前記ストリークカメラには物体の反射または透
    過の２次元像が入射させられる特許請求の範囲第１項記
    載の３次元物体計測装置。
11. （１１）前記光源はパルス列を発生するレーザ光源であ
    り、前記ストリークカメラは前記パルス列に同期して動
    作させられるものである特許請求の範囲第１項記載の３
    次元物体計測装置。