KR101644713B1 - 거리 측정 장치 - Google Patents

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KR101644713B1
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가부시끼가이샤 도시바
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Abstract

본 발명은 광학 방식의 거리 측정 장치의 측정 범위의 확대 기능에 관한 것이다.
거리 측정 장치의 분해능을 저하시키지 않고, 측정 범위의 확대를 용이하게 행할 수 있는 거리 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 실시 형태에 따른 거리 측정 장치는, 피측정물의 표면에 레이저 빔을 조사하여, 당해 레이저 빔의 반사 위치를 카메라로 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출한 레이저 빔의 위치 검출 정보를 수신하여, 상기 피측정물과 미리 설정하는 기준 표면과의 거리를 구하는 거리 연산부를 구비하는 광학식 삼각 측량법의 거리 측정 장치이며, 상기 검출부는, 레이저 광원과, 레이저 광원으로부터 조사된 상기 레이저 빔을 조사 위치에서 소정의 빔 사이즈로 성형하는 콜리메이터를 구비하는 복수의 광 빔 생성 광학부와, 복수의 상기 레이저 빔을 펄스 광으로서 시계열로 점등하는 펄스 신호를 생성하고, 당해 펄스 광의 식별 신호를 생성하는 광 빔 점등 제어부를 구비하는 광 빔 생성부와, 상기 기준 표면에 직교하는 방향으로 설치되어, 상기 피측정물로부터 반사하는 상기 복수의 레이저 빔의 위치를 검출하고, 상기 위치 검출 정보를 생성하는 카메라부와, 복수의 상기 레이저 빔의 투광 위치와 상기 레이저 빔의 반사광의 수광 위치를, 상기 광 빔 생성부와 상기 카메라 부를 미리 설정되는 위치에 고정하여 설정하는 광학 설정부를 구비하고, 상기 광 빔 생성부는, 상기 복수의 레이저 빔을 상기 카메라의 시야 공간 내에 있어서, 미리 설정되는 측정 거리 범위를 분할하는 상기 기준 표면으로부터의 복수의 거리 측정 범위마다, 당해 기준 표면에 대하여 미리 정하는 입사 각도로 투광하고, 또한 상기 카메라부의 시야각 단부선과 상기 레이저 빔 궤적선이 교차하여 이루는 절단선의 상기 카메라의 연직 방향의 거리를, 복수의 상기 거리 측정 범위로서 설정하고, 상기 거리 연산부는, 복수의 상기 거리 측정 범위마다의 상기 기준 표면으로부터의 거리와 상기 카메라의 위치 검출 정보를 대응지은, 미리 설정되는 복수의 교정 테이블을 구비하고, 상기 카메라부로부터 보내진 상기 위치 검출 정보 및 상기 식별 신호를 수신하여, 상기 거리 측정 범위에 대응하는 상기 교정 테이블을 참조하여 상기 기준 표면으로부터의 거리를 구하고, 상이한 복수의 거리 측정 범위를 1대의 카메라로 측정하여 거리 측정 범위를 확대하는 것이다.

Description

거리 측정 장치{DISTANCE MEASURING APPARATUS}
<관련 출원>
본 출원은 일본 특허 출원 제2014-047817호(출원일 2014년 3월 11일)를 기초로 하여, 이 출원으로부터 우선권의 이익을 향수한다. 본 출원은, 이 출원을 참조함으로써 동 출원의 내용 모두를 포함한다.
본 발명은 광학 방식의 거리 측정 장치의 측정 범위의 확대 기능에 관한 것이다.
종래부터 피측정물과의 거리를 비접촉으로 구하는 삼각 측량법을 측정 원리로 하는 광학 방식의 거리 측정 장치가 있다. 이 거리 측정 장치는, 예를 들어 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이, 피측정물(3)의 기준 표면에 대하여 그 연직 방향으로 카메라(20)를 설치하고, 피측정물(3)의 기준 표면(S)에 대하여 소정의 투광 각도(θi)로 레이저 빔(Bi)을 조사하고, 피측정물(3) 표면의 연직 방향의 위치 변화를, 레이저 빔(Bi)의 반사광의 수광 위치의 변화로서 카메라(20)로 검출하여, 피측정물(3)의 기준 표면 위치(Sr)로부터의 거리를 구하도록 하고 있다.
일반적으로, 이 경우에 사용되는 카메라(20)는 에리어 스캔형 CCD 카메라나, 레이저 빔의 광축과 수광하는 카메라(20)의 광축이 동일 평면 상에 있도록 설정되는 라인 스캔형 CCD 카메라가 사용된다.
이러한 광학 방식의 삼각 측량법에 의한 거리 측정 장치의 분해능은, 카메라(20)의 거리 측정 범위(D)를 CCD 카메라(20)의 촬상 소자의 비트수로 제산한 값이 되므로, 측정 범위와 분해능은 트레이드 오프가 되는 관계에 있다.
그로 인해, 상이한 거리 측정 범위에 대하여 2개의 레이저 빔을 조사하고, 각각의 레이저 빔의 검출 위치를 식별하여 측정 범위를 확대하고자 하는 기술이 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본 특허 공개 제2011-196883호 공보
특허문헌 1에 개시된 거리 측정 장치는, 상이한 거리 측정 범위를 식별하기 위한 2개의 레이저 빔의 검출 개수와 그 검출 위치 범위를 구하여, 레이저 빔의 검출 패턴의 상이로부터 각각의 거리 측정 범위에 대응하는 교정 테이블을 참조하여 거리를 구하는 방식이다.
따라서, 거리 측정 범위를 확대하는 경우, 레이저 빔의 검출 개수와 검출 위치 범위를 식별하는 식별 처리가 복잡해지는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 거리 측정 장치의 분해능을 저하시키지 않고, 측정 범위의 확대를 용이하게 행할 수 있는 거리 측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 실시 형태에 따른 거리 측정 장치는, 피측정물의 표면에 레이저 빔을 조사하여, 당해 레이저 빔의 반사 위치를 카메라로 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출한 레이저 빔의 위치 검출 정보를 수신하여, 상기 피측정물과 미리 설정하는 기준 표면과의 거리를 구하는 거리 연산부를 구비하는 광학식 삼각 측량법의 거리 측정 장치이며, 상기 검출부는, 레이저 광원과, 레이저 광원으로부터 조사된 상기 레이저 빔을 조사 위치에서 소정의 빔 사이즈로 성형하는 콜리메이터를 구비하는 복수의 광 빔 생성 광학부와, 복수의 상기 레이저 빔을 펄스 광으로서 시계열로 점등하는 펄스 신호를 생성하고, 당해 펄스 광의 식별 신호를 생성하는 광 빔 점등 제어부를 구비하는 광 빔 생성부와, 상기 기준 표면에 직교하는 방향으로 설치되어, 상기 피측정물로부터 반사하는 상기 복수의 레이저 빔의 위치를 검출하고, 상기 위치 검출 정보를 생성하는 카메라부와, 복수의 상기 레이저 빔의 투광 위치와 상기 레이저 빔의 반사광의 수광 위치를, 상기 광 빔 생성부와 상기 카메라 부를 미리 설정되는 위치에 고정하여 설정하는 광학 설정부를 구비하고, 상기 광 빔 생성부는, 상기 복수의 레이저 빔을 상기 카메라의 시야 공간 내에 있어서, 미리 설정되는 측정 거리 범위를 분할하는 상기 기준 표면으로부터의 복수의 거리 측정 범위마다, 당해 기준 표면에 대하여 미리 정하는 입사 각도로 투광하고, 또한 상기 카메라부의 시야각 단부선과 상기 레이저 빔 궤적선이 교차하여 이루는 절단선의 상기 카메라의 연직 방향의 거리를, 복수의 상기 거리 측정 범위로서 설정하고, 상기 거리 연산부는, 복수의 상기 거리 측정 범위마다의 상기 기준 표면으로부터의 거리와 상기 카메라의 위치 검출 정보를 대응지은, 미리 설정되는 복수의 교정 테이블을 구비하고, 상기 카메라부로부터 보내진 상기 위치 검출 정보 및 상기 식별 신호를 수신하여, 상기 거리 측정 범위에 대응하는 상기 교정 테이블을 참조하여 상기 기준 표면으로부터의 거리를 구하고, 상이한 복수의 거리 측정 범위를 1대의 카메라로 측정하여 거리 측정 범위를 확대할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
상기 구성의 거리 측정 장치에 따르면, 거리 측정 장치의 분해능을 저하시키지 않고, 측정 범위의 확대를 용이하게 행할 수 있는 거리 측정 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 실시 형태의 거리 측정 장치의 구성도.
도 2는 실시 형태의 상세 구성의 설명도.
도 3은 실시 형태의 처리 동작을 설명하는 타임 차트도.
본 실시 형태를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다. 도 1은, (a)에 도시하는 본 실시 형태의 구성과 거리 검출부(1)의 광학계 설정을, (b)에 도시하는 종래의 거리 측정 장치의 광학계와 대비하여 설명하기 위한 도면이다.
또한, 도 2는 검출부(1)의 상세 구성을 설명하는 블록 구성도이고, 도 3은 이 거리 측정 장치(100)의 검출 신호의 처리 동작을 설명하는 타임 차트이다.
본 실시 형태의 거리 측정 장치(100)는 삼각 측량법을 측정 원리로 하는 광학식 거리 측정 장치이며, 피측정물(3)의 표면에 기준 표면(S)에 대하여 입사각(θi)으로 레이저 빔을 조사하고, 이 레이저 빔의 반사 위치를 피측정물(3)의 기준 표면(S)의 연직 방향으로부터 카메라부(11)로 검출하는 검출부(1)와, 검출부(1)에서 검출한 레이저 빔의 위치 검출 정보를 수신하여, 피측정물(3)과 미리 설정하는 기준 표면(S)과의 거리를 구하는 거리 연산부(2)를 구비한다.
검출부(1)는, 도시하지 않은 레이저 광원과 이 레이저 광원으로부터 조사된 레이저 빔을 거리 측정 범위에 있어서, 미리 정해지는 빔 출력으로, 미리 정하는 빔 사이즈 이하가 되도록 성형하는 도시하지 않은 콜리메이터를 구비하는 복수의 광 빔 생성 광학부(12p, 12q, 12r)와, 각각의 광 빔 생성 광학부(12p, 12q, 12r)에서 생성되는 복수의 레이저 빔(Bp, Bq, Br)을 펄스 광으로서 시계열로 점등하는 펄스 신호(Stp, Stq, Str)를 생성하고, 각각의 펄스 광의 식별 신호(Srp, Srq, Srr)를 생성하는 광 빔 점등 제어부(12m)를 구비하는 광 빔 생성부(12)를 구비한다.
여기서, 광 빔 생성 광학부(12p, 12q, 12r)의 부호 p, q, r은 각각의 레이저 빔(Bp, Bq, Br)에 대응하고, 이후, 마찬가지로 이들 레이저 빔(Bp, Bq, Br)과의 대응짓기, 식별에는 동일한 부호 p, q, r을 붙여 기술한다.
또한, 기준 표면(S)에 직교하는 방향으로 설치되어, 피측정물(3)로부터 반사하는 복수의 레이저 빔(Bp, Bq, Br)을 촬상하는 CCD 카메라(11a)와, CCD 카메라(11a)의 검출 신호(Sap, Saq, Sar)로부터 레이저 빔의 위치를 판독하여 위치 검출 정보를 생성하는 위치 검출 정보 처리부(11b)를 구비하는 카메라부(11)와, 복수의 레이저 빔의 투광 위치와 레이저 빔의 반사광의 수광 위치를, 광 빔 생성부(12)와 카메라부(11)를 미리 설정되는 위치에 고정하여 설정하는 광학 설정부(13)를 구비한다.
본 실시 형태에 있어서는, 3개의 레이저 빔(Bp, Bq, Br)의 경우에 대하여 설명하지만, 이 개수는 2개 이상이면 그 개수는 한정되지 않는다.
CCD 카메라(11a)는 라인 스캔형 CCD 카메라, 에리어 스캔형 CCD 카메라 중 어느 것이어도 좋지만, 여기에서는 라인 스캔형 CCD 카메라의 경우에 대하여 설명한다.
이어서, 광 빔 생성부(12)의 상세 구성과 그 광학계의 설정 방법에 대하여 설명한다. 도 1의 (a)는, 도 1의 (b)에 도시하는 종래의 거리 측정 범위(D)를 복수의 거리 측정 범위(Dp+Dq+Dr)로 확대한 광학계의 설정예를 도시한 것이다.
각각의 거리 측정 범위에는, 광 빔 생성 광학부(12p, 12q, 12r)로부터 레이저 빔(Bp, Bq, Br)을 소정의 입사각(θi)으로 조사한다.
그리고, CCD 카메라(11a)의 시야각(θf) 공간 내에 있어서, CCD 카메라(11a)의 시야각 단부선(A, B)과 레이저 빔(Bp, Bq, Br)의 궤적선이 교차하여 이루는 절단선(Lp, Lq, Lr)의 연직 방향의 거리가, 각각 거리 측정 범위(Dp, Dq, Dr)로서 설정된다.
이 거리 측정 범위(Dp, Dq, Dr)는 레이저 빔 생성 광학부(12p, 12q, 12r)의 수평 방향의 설치 간격을 조정함으로써, 거리 측정 범위(Dp)와 거리 측정 범위(Dq)를, 또한 거리 측정 범위(Dq)와 거리 측정 범위(Dr)를 각각 오버랩하도록 설정하는 것도 가능하다.
또한, 광 빔 생성 광학부(12p, 12q, 12r)에서 생성하는 레이저 빔의 형상은, 각각의 거리 측정 범위(Dp, Dq, Dr)에 있어서, 소정의 빔 사이즈 이하의 형상이 되도록 콜리메이트(collimate)되며, CCD 카메라(11a)의 피사계 심도의 설정은, 이들 복수의 거리 측정 범위에 있어서 미리 설정되는 측정 분해능 이하의 착란원(錯亂圓)이 되도록, CCD 카메라의 카메라 렌즈의 초점 거리 및 F값(조리개)을 선택한다.
각각의 위치 검출 분해능은, 각각의 거리 측정 범위를 CCD 카메라(11a)의 거리 측정 방향의 비트수 N으로 나눈 값, 즉 각각을 Dp/N, Dq/N, Dr/N으로 할 수 있다.
이어서, 광 빔 점등 제어부(12m)의 동작에 대하여 설명한다. 도 3은 광 빔 점등 제어부(12m)가 제어하는 레이저 빔의 점등 타이밍과, 카메라부(11)에서 검출한 위치 검출 정보로부터 대응하는 거리 측정 범위의 거리를 구하는 거리 연산부(2)의 연산 처리 타이밍을 도시한 타임 차트이다.
도 3에 있어서, 도면 부호 Ts는 CCD 카메라(11a)의 광신호 축적 시간이 되는 1라인의 주사 개시 신호 Sts의 주사 주기를, 또한 도면 부호 Tp는 이 주사 개시 신호 Sts에 동기한, 거리 연산부(2)의 거리 연산 주기를 나타낸다.
광 빔 점등 제어부(12m)는, 주사 개시 신호 Sts에 동기한 소정의 펄스 폭(tw)으로 소정의 발광 에너지를 생성하는 펄스 신호(Stp, Stq, Str)를, 대응하는 광 빔 생성 광학부(12p, 12q, 12r)의 각각에 주사 주기(Ts)에 동기하여 연산 주기마다 시계열로 보낸다.
그리고, CCD 카메라(11a)는 펄스 신호(Stp, Stq, Str)를 인가하여 발광된 레이저 빔의 반사광을 수광하고, 그 검출 신호(Sap, Saq, Sar)를 인가한 다음 주사 주기의 타이밍에서 순차적으로 위치 검출 정보 처리부(11b)에 보낸다.
또한, 펄스 신호(Stp, Stq, Str)에 동기한 교정 테이블(2a)의 식별 신호(Srp, Srq, Srr)를 카메라부(11) 및 거리 연산부(2)에 보낸다.
위치 검출 정보 처리부(11b)는 3개의 펄스 신호의 Stp, Stq, Str에 대응하는 검출 신호(Sap, Saq, Sar) 수신 후, 수신한 각 주사 주기(Ts) 내에서, 또는 3번째 검출 신호 Sar을 수신한 후부터 다음 주사 주기(Ts) 사이의 타이밍에서, 검출한 1개 또는 복수의 검출 신호(Sap, Saq, Sar)의 위치 검출 정보를 생성하여 거리 연산부(2)에 보낸다.
그리고, 거리 연산부(2)는, 복수의 거리 측정 범위마다의 기준 표면(S)으로부터의 거리와 CCD 카메라(11a)의 위치 검출 정보를 대응지은, 미리 설정되는 복수의 교정 테이블(2a)(2ap, 2aq, 2ar)을 구비하고, 위치 검출 정보 처리부(11b)로부터 보내진 위치 검출 정보 및 식별 신호(Srp, Srq, Srr)를 수신하여, 각각의 거리 측정 범위(Dp, Dq, Dr)에 대응하는 교정 테이블(2a)(2ap, 2aq, 2ar)을 참조하여 기준 표면(S)으로부터의 거리를 미리 설정되는 연산식에 기초하여 구한다.
따라서, 예를 들어 도 1의 (a)에 도시하는 동일 수광축 상에서 검출되는 P, Q, R의 점의 경우에도, 레이저 빔(Bp, Bq, Br)의 점등 시간을 식별하여 각각의 거리를 측정할 수 있다.
이렇게 구성된 거리 측정 장치(100)에 따르면, 시계열로 펄스 점등된 레이저 빔의 위치 검출 정보를 식별하여, 상이한 복수의 거리 측정 범위를 1대의 카메라로 측정하여, 레이저 빔의 점등 주기마다, 또는 레이저 빔의 전체 점등 주기+1주기의 연산 주기 이내의 도 3의 파선으로 나타내는 타이밍에서 거리 측정이 가능하게 된다.
또한, 광 빔 생성 광학부(12p, 12q, 12r)의 기하광학적인 조건 설정과, 광 빔 점등 제어부(12m)의 점등 회로수를 적절히 선택하여 미리 대응하는 교정 테이블(2a)을 복수 작성함으로써, 임의의 거리 측정 범위를 심플한 구성으로 선택할 수 있다.
따라서, 거리 측정 장치의 분해능을 저하시키지 않고, 측정 범위의 확대를 용이하게 행할 수 있는, 상이한 복수의 거리 측정 범위를 1대의 카메라로 측정하여 거리 측정 범위를 확대하는 거리 측정 장치를 제공할 수 있다.
이상 설명한 실시 형태의 거리 측정 장치에 따르면, 거리 측정 장치의 분해능을 저하시키지 않고, 측정 범위의 확대를 용이하게 행할 수 있는 거리 측정 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시 형태를 설명하였지만, 이 실시 형태는 예로서 제시한 것이며, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이 실시 형태는, 그 밖의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하며, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 또한, 이들 실시 형태나 그 변형은 발명의 범위나 요지에 포함됨과 마찬가지로, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등 범위에 포함된다.

Claims (3)

  1. 피측정물의 표면에 레이저 빔을 조사하여, 당해 레이저 빔의 반사 위치를 카메라로 검출하는 검출부와, 상기 검출부에서 검출한 레이저 빔의 위치 검출 정보를 수신하여, 상기 피측정물과 미리 설정하는 기준 표면과의 거리를 구하는 거리 연산부를 구비하는 광학식 삼각 측량법의 거리 측정 장치로서,
    상기 검출부는, 레이저 광원과, 레이저 광원으로부터 조사된 상기 레이저 빔을 조사 위치에서 소정의 빔 사이즈로 성형하는 콜리메이터를 구비하는 복수의 광 빔 생성 광학부와,
    복수의 상기 레이저 빔을 펄스 광으로서 시계열로 점등하는 펄스 신호를 생성하고, 당해 펄스 광의 식별 신호를 생성하는 광 빔 점등 제어부를 구비하는 광 빔 생성부와,
    상기 기준 표면에 직교하는 방향으로 설치되어, 상기 피측정물로부터 반사하는 상기 복수의 레이저 빔의 위치를 검출하는 카메라와, 상기 위치 검출 정보를 생성하는 위치 검출 정보 생성부를 구비하는 카메라부와,
    복수의 상기 레이저 빔의 투광 위치와 상기 레이저 빔의 반사광의 수광 위치를, 상기 광 빔 생성부와 상기 카메라부를 미리 설정되는 위치에 고정하여 설정하는 광학 설정부를 구비하고,
    상기 광 빔 생성부는, 상기 복수의 레이저 빔을 상기 카메라의 시야 공간 내에 있어서, 미리 설정되는 측정 거리 범위를 분할하는 상기 기준 표면으로부터의 복수의 거리 측정 범위마다, 당해 기준 표면에 대하여 미리 정하는 입사 각도로 투광하고, 또한 상기 카메라의 시야각 단부선과 상기 레이저 빔 궤적선이 교차하여 이루는 절단선의 상기 카메라의 연직 방향의 거리를, 복수의 상기 거리 측정 범위로서 설정하고, 상기 거리 연산부는, 복수의 상기 거리 측정 범위마다의 상기 기준 표면으로부터의 거리와 상기 카메라의 위치 검출 정보를 대응지은, 미리 설정되는 복수의 교정 테이블을 구비하고, 상기 카메라부로부터 보내진 상기 위치 검출 정보 및 상기 식별 신호를 수신하여, 상기 거리 측정 범위에 대응하는 상기 교정 테이블을 참조하여 상기 기준 표면으로부터의 거리를 구하고,
    상이한 복수의 거리 측정 범위를 1대의 카메라로 측정하여 거리 측정 범위를 확대할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 빔 생성부는, 레이저 광원과, 당해 레이저 광원으로부터 조사된 상기 레이저 빔을 상기 거리 측정 범위에 있어서, 미리 정해지는 빔 출력으로, 미리 정하는 빔 사이즈 이하가 되도록 성형하는 콜리메이터를 구비하는 복수의 광 빔 생성 광학부와, 각각의 상기 레이저 광원을 시계열로 펄스 점등시키는 펄스 신호를 생성하고, 각각의 펄스 광의 식별 신호를 생성하는 광 빔 점등 제어부를 구비하는, 거리 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 카메라는 CCD 라인 스캔형 CCD 카메라로 하고, 상기 레이저 빔의 광축과 상기 카메라의 광축이 동일 평면 상이 되도록 설정함과 함께, 상기 CCD 카메라의 피사계 심도의 설정은, 복수의 상기 거리 측정 범위에 있어서 미리 설정되는 측정 분해능 이하의 착란원이 되도록, 상기 CCD 카메라의 카메라 렌즈의 초점 거리 및 F값(조리개)을 선택하도록 한, 거리 측정 장치.
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