JP2000002521A - 3次元入力装置 - Google Patents

3次元入力装置

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JP2000002521A
JP2000002521A JP17120798A JP17120798A JP2000002521A JP 2000002521 A JP2000002521 A JP 2000002521A JP 17120798 A JP17120798 A JP 17120798A JP 17120798 A JP17120798 A JP 17120798A JP 2000002521 A JP2000002521 A JP 2000002521A
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light
virtual plane
intensity
photoelectric conversion
dimensional
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JP17120798A
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Toshio Norita
寿夫 糊田
Hiroshi Uchino
浩志 内野
Hidekazu Ide
英一 井手
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Minolta Co Ltd
Original Assignee
Minolta Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】物体の走査の所要時間を短縮し、且つ主走査及
び副走査の両方向の分解能を高める。 【解決手段】仮想平面に向かってそれを走査するように
参照光を投射し、入力対象物体で反射した参照光の入射
角度に応じたデータを出力する3次元入力装置におい
て、互いに変調周波数f1 〜fn の異なる強度変調光L
1 〜Ln を参照光として射出する2以上のn個の光源1
1 〜11n と、仮想平面VSをn分割して走査するよ
うに、各光源が射出する強度変調光を互いに異なるサン
プリング区画spに導く偏向手段15,16と、仮想平
面の全域が検出範囲となるように設けられた2次元位置
検出型の光電変換デバイス25と、得られた光電変換信
号を各変調周波数の成分に分離し、各強度変調光の入射
角度に応じた受光情報をデータとして出力する信号処理
手段50とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、物体に光を投射し
て物体形状情報を非接触で取得して出力する3次元入力
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
光投影法が用いられている。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、参照光を投射して物体を走査
する能動的計測方法の一種である。物体で反射した参照
光は受光レンズを通って光電変換素子の受光面に入射す
る。その入射位置は入射角度に対応するので、入射位置
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。参照光としてビームの断面が線状のスリット光
を投射する場合には副走査方向のビーム偏向を行い、点
状のスポット光を投射する場合には主走査方向及び副走
査方向のビーム偏向を行う。スポット光の投射では、ス
リット光の投射と比べて走査機構が複雑になるが、光源
に要求されるパワーは小さい。
【0004】従来において、複数のスリット光を1つの
回転ミラーで偏向して投射し、計測対象範囲を分割した
複数の範囲を同時に走査する手法が知られている(特開
昭62−63804号)。受光にはテレビジョンカメラ
を用い、走査中のサンプリング時点のそれぞれで一定期
間ずつ物体を撮影する。各スリット光を互いに異なるパ
ターンで点滅させ、一定期間の撮影情報から点滅のパタ
ーンを判別することにより、各サンプリング時点で各ス
リット光が受光面のどの位置に入射したかが判る。この
手法によれば、1つのスリット光で計測範囲の全域を走
査する場合と比べて計測時間を短縮することができる。
【0005】また、従来において、一般的なCCDエリ
アセンサに代えて、多数個(例えば128個)の1次元
のPDS(位置検出型の光検出器)を主走査方向に並べ
て用い、疑似的に2次元の受光面を形成する手法が提案
されている。各PSDはその帯状受光面に入射した光の
受光位置に応じたアナログ信号を出力する。PSDによ
れば、CCDと違って電荷蓄積が不要であることから高
速の走査が可能になり、且つスリット光の偏向方向であ
る副走査方向の分解能(解像度)が向上する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述した複数のスリッ
ト光を投射する手法では、スリット光の点滅パターンを
判別するために各走査位置毎に複数のフレームの撮影を
行わなければならないので、走査速度は1つのスリット
光で走査する場合よりも低下する。つまり、スリット光
の数がある程度多くなければ計測時間は短縮されない。
光源及び点滅回路の増加で投光系が複雑になる割に時間
短縮の効果が小さい。
【0007】また、PSDアレイで受光する手法では、
PSDの配列数によって主走査方向の分解能が決まって
しまう。各PSD毎にヘッドアンプが必要なので、回路
規模の制約から配列数の増加は困難である。
【0008】本発明は、物体の走査の所要時間を短縮
し、且つ主走査及び副走査の両方向の分解能を高めるこ
とを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明の装置
は、仮想平面に向かってそれを走査するように参照光を
投射し、前記仮想平面を細分化した各サンプリング区画
を通過する時点での入力対象物体で反射した前記参照光
の入射角度に応じたデータを出力する3次元入力装置で
あって、互いに変調周波数の異なる強度変調光を前記参
照光として射出する2以上のn個の光源と、前記仮想平
面をn分割して走査するように、前記各光源が射出する
強度変調光を互いに異なるサンプリング区画に導く偏向
手段と、前記仮想平面の全域が検出範囲となるように設
けられた2次元位置検出型の光電変換デバイスと、前記
光電変換デバイスによって得られた光電変換信号を前記
各変調周波数の成分に分離し、前記各強度変調光の入射
角度に応じた受光情報を前記データとして出力する信号
処理手段とを有している。
【0010】請求項2の発明の3次元入力装置におい
て、前記信号処理手段は、前記各成分とそれに対応した
前記強度変調光の偏向角度情報とから入力対象物体にお
ける当該強度変調光が反射した位置を前記データとして
算定する演算手段を有している。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は本発明に係る3次元入力装
置1の概要を示す図、図2は信号処理回路50のブロッ
ク図である。
【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L1 〜Ln 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
1〜Ln を受光する受光系20、及び受光の入射角に
応じた距離データDP1 〜DPn を出力する信号処理回
路50を備えている。
【0013】投光系10は、n個の光源111 〜1
n 、各光源111 〜11n に1つずつ設けられた変調
回路121 〜12n 、主走査方向の偏向手段であるガル
バノミラー15、及び副走査方向の偏向手段であるガル
バノミラー16から構成されている。光源111 〜11
n としては、半導体レーザ(LD)が好適であるが、発
光ダイオード、放電ランプを用いることもできる。各ガ
ルバノミラー15,16は、光ビームを反射するミラー
とそれを回動させる電磁機構とからなり、計n本の光ビ
ームL1 〜Ln を一括に偏向して仮想平面VSへ導く。
仮想平面VSは主走査方向にn分割され、n個の分割領
域に対する走査が並行して行われる。各光源111 〜1
n は1つの分割領域に専用の光源として用いられる。
ガルバノミラー15,16の電磁機構には、図示しない
制御系から駆動電圧が与えられる。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。
【0014】受光系20は、結像レンズ21と、光ビー
ムL1 〜Ln の入射角度を検出するための受光デバイス
25とからなる。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光電変換信号X1,X2を
出力する2次元位置検出型光検出器(PSD)である。
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。
【0015】受光系20と投光系10とは一定距離を隔
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、受光デバイス25に入射した光ビームL1
nの入射角度が判れば、物体Qにおける光ビームL1
〜Ln が照射された部位P1〜Pn と装置内の基準位置
との距離を三角測量法を適用して求めることができる。
光ビームL1 〜Ln の入射角度は、受光デバイス25の
受光面における中心と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(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。ただし、受光デバイス25には物体Qで反射した複
数の光ビームL1 〜Ln が入射し、それらが重なりあっ
た照射範囲の位置を示す光電変換信号が出力される。し
たがって、受光面における各光ビームL1 〜Ln のスポ
ット位置を判別する必要がある。
【0016】スポット位置の判別を可能とするために光
源111 〜11n に対して変調回路121 〜12n によ
る強度変調が行われ、それらの変調周波数f1 〜fn
互いに異なる値に設定される。すなわち、各光ビームL
1 〜Ln は互いに変調周波数の異なる強度変調光であ
る。信号処理回路50は、各変調周波数f1 〜fn を透
過帯域の中心周波数とする計2n個のバンドパスフィル
タからなるフィルタ回路53を有しており、各光電変換
信号X1,X2を周波数f1 〜fn の成分に分離する。
なお、フィルタ回路53には増幅器51,52で適切な
レベルに増幅された光電変換信号X1,X2が入力され
る。分離された各周波数f1 〜fn の成分は検波回路5
4を経て所定極性の信号S1i ,S2i (i=1〜n)
となり、各光ビームL1 〜Ln の入射角情報として距離
演算回路55に入力される。距離演算回路55は、同一
構成のn個の回路ブロックからなり、信号S1i ,S2
i から距離データDP1 〜DPn を生成して出力する。
【0017】図3は距離演算回路55のブロック図であ
る。同図では各光ビームL1 〜Lnに1個ずつ対応する
計n個の回路ブロックのうちの1個のみが示されてい
る。距離演算回路55は、減算器551、加算器55
2、除算器553、A/D変換器554、及びルックア
ップテーブル(LUT)555を有している。検波回路
54から入力された周波数fi の信号S1i ,S2i
対して次式の演算を行うことにより、受光面における光
ビームLi の入射位置xが求まる。
【0018】 x=(S1i −S2i )/(S1i +S2i ) この入射位置xを示す除算器553の出力をA/D変換
した受光データDXが入射角度情報としてLUT555
に入力される。また、LUT555にはガルバノミラー
16の駆動系から投射角度情報として偏向角度データD
Yが入力される。LUT555は、受光データDXと偏
向角度データDYとで指定されるアドレスにあらかじめ
格納されている値を距離データDPi として出力する。
【0019】図4は主走査のためのガルバノミラー15
と光源との配置関係を示す図、図5は光ビームの主走査
方向の偏向の模式図である。光源111 〜11n は、光
軸がガルバノミラー15の反射面の中央部を通り互いに
角度θをなすように配置される。光源111 〜11n
ら射出された光ビームはコリメータレンズ131 〜13
n で集光されてガルバノミラー15に入射する。ガルバ
ノミラー15は、角度θ/2の範囲で回動する。各光源
111 〜11 n からの光ビームは、副走査のためのガル
バノミラー16の互いに異なる範囲に入射し、一括に偏
向される。図5のように、光源111 〜11n とガルバ
ノミラー15の反射面の中央部は同一平面上にあり、ガ
ルバノミラー15の回転軸はその平面と直交する。
【0020】
【発明の効果】請求項1又は請求項2の発明によれば、
物体の走査の所要時間を短縮し、且つ主走査及び副走査
の両方向の分解能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る3次元入力装置の概要を示す図で
ある。
【図2】信号処理回路のブロック図である。
【図3】距離演算回路のブロック図である。
【図4】主走査のためのガルバノミラーと光源との配置
関係を示す図である。
【図5】光ビームの主走査方向の偏向の模式図である。
【符号の説明】
1 3次元入力装置 VS 仮想平面 L1 〜Ln 光ビーム(強度変調光) 15,16 ガルバノミラー(偏向手段) Q 入力対象物体 DP1 〜DPn 距離データ(データ) 111 〜11n 光源 25 受光デバイス(光電変換デバイス) 50 信号処理手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井手 英一 大阪府大阪市中央区安土町二丁目3番13号 大阪国際ビル ミノルタ株式会社内 Fターム(参考) 2F065 AA04 AA06 AA19 AA53 DD03 DD06 FF01 FF09 FF44 GG06 GG07 GG23 JJ16 JJ26 LL13 LL62 MM16 NN06 NN08 QQ01 QQ03 QQ25 QQ26 QQ27 QQ33

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】仮想平面に向かってそれを走査するように
    参照光を投射し、前記仮想平面を細分化した各サンプリ
    ング区画を通過する時点での入力対象物体で反射した前
    記参照光の入射角度に応じたデータを出力する3次元入
    力装置であって、 互いに変調周波数の異なる強度変調光を前記参照光とし
    て射出する2以上のn個の光源と、 前記仮想平面をn分割して走査するように、前記各光源
    が射出する強度変調光を互いに異なるサンプリング区画
    に導く偏向手段と、 前記仮想平面の全域が検出範囲となるように設けられた
    2次元位置検出型の光電変換デバイスと、 前記光電変換デバイスによって得られた光電変換信号を
    前記各変調周波数の成分に分離し、前記各強度変調光の
    入射角度に応じた受光情報を前記データとして出力する
    信号処理手段と、を有したことを特徴とする3次元入力
    装置。
  2. 【請求項2】前記信号処理手段は、前記各成分とそれに
    対応した前記強度変調光の偏向角度情報とから入力対象
    物体における当該強度変調光が反射した位置を前記デー
    タとして算定する演算手段を有している請求項1記載の
    3次元入力装置。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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