JP2011203156A - 距離測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】アイセーフ波長のレーザ光を用いて低コストかつ高精度に距離を測定する。
【解決手段】レーザ光源24からのアイセーフ波長のレーザ光は、ポリゴンミラー21により走査されつつ測定対象に照射される。測定対象からの光はGLV32へと導かれ、GLV32からの回折光が光検出器35にて受光される。光検出器35は単一のフォトダイオードを備える。GLV32からは可干渉性の強い光のみが光検出器35へと導かれるため、レーザ光に由来する光のみが光検出器35にて検出される。GLV32において回折光を出射する領域を移動することにより、レーザ光に由来する光の入射位置が求められる。これにより、背景光の影響を受けることなく精度よく距離を測定することができる。また、単一のフォトダイオードを用いることにより、アイセーフ波長の光を低コストにて検出することができる。
【選択図】図12
【解決手段】レーザ光源24からのアイセーフ波長のレーザ光は、ポリゴンミラー21により走査されつつ測定対象に照射される。測定対象からの光はGLV32へと導かれ、GLV32からの回折光が光検出器35にて受光される。光検出器35は単一のフォトダイオードを備える。GLV32からは可干渉性の強い光のみが光検出器35へと導かれるため、レーザ光に由来する光のみが光検出器35にて検出される。GLV32において回折光を出射する領域を移動することにより、レーザ光に由来する光の入射位置が求められる。これにより、背景光の影響を受けることなく精度よく距離を測定することができる。また、単一のフォトダイオードを用いることにより、アイセーフ波長の光を低コストにて検出することができる。
【選択図】図12
Description
本発明は、レーザ光を測定対象に照射することにより測定対象までの距離を測定する技術に関連し、好ましくは、測定結果は2次元の距離情報として取得される。
従来より、立体的な対象物の形状を把握するために、2次元に配列された距離情報を取得する様々な方法が知られている。代表的な方法として、ステレオ視を利用するもの(例えば、特許文献1参照)やレーザ光を対象物に照射する三角測距を利用するもの(例えば、特許文献2参照)を挙げることができる。
三角測距を利用する場合、レーザ光以外の背景光も受光部に入射する。そこで、CCDの前にバンドパスフィルタを設けたり、レーザ光がONの状態の時に取得された画像からOFFの状態の時に取得された画像を減算してレーザ光の照射位置を検出する手法が採用される。
レーザ光を対象物に照射してアクティブに距離を測定する技術をマシンビジョンに応用する場合、レーザ光として網膜まで到達しない長い波長の光の使用が望まれる。このような波長は、アイセーフ波長と呼ばれる。一方、CCD、CMOS、PSD等に通常使われるシリコンは、1000nm強までの波長に対してしか感度を有さない。長波長の光に対して感度を有するものとしてブラックシリコンが開発されているが、アイセーフ波長の光の受光素子としては十分とはいえない。そのため、アイセーフ波長の光を受光するには、InGaAsやGe等の受光素子が必要となる。
三角測距では光の受光位置から距離情報を求めるため、多数の受光素子を配列する必要がある。ところが、アイセーフ波長の光に対して感度を有する素子は高価であり、三角測距を行うには、高価な受光デバイスが必要となる。また、このような多数の素子を有するデバイスでは、デバイスを所望の低温に維持する機構も必要となる。すなわち、アイセーフ波長の光を三角測距に利用する場合、実用的なデバイスは存在しない。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、アイセーフ波長のレーザ光を用いて低コストかつ高精度に距離を測定することを目的としている。
請求項1に記載の発明は、距離測定装置であって、測定対象に向けてレーザ光を照射する光照射部と、回折格子型の空間光変調器と、前記測定対象からの光を前記空間光変調器へと導く第1光学系と、前記空間光変調器の複数の光変調素子を個別に駆動する変調器駆動部と、光検出器と、前記空間光変調器からの回折光を前記光検出器へと導く第2光学系と、前記空間光変調器の状態および前記光検出器からの出力に基づいて、予め定められた測定基準位置から前記測定対象上の前記レーザ光の照射位置までの距離を求める演算部とを備える。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の距離測定装置であって、前記レーザ光の波長が、1.4μm以上4.0μm以下である。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の距離測定装置であって、前記レーザ光を走査する走査機構をさらに備える。
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の距離測定装置であって、前記走査機構が、ポリゴンミラーと、中心軸を中心に前記ポリゴンミラーを回転するモータとを備え、前記ポリゴンミラーの各ミラー面の前記中心軸に対する傾斜角が互いに異なり、前記レーザ光が前記ポリゴンミラーにて反射されることにより、前記レーザ光が前記ポリゴンミラーの回転方向に主走査されるとともに、主走査方向に垂直な副走査方向に副走査される。
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の距離測定装置であって、前記光照射部が、複数のレーザ光源を備え、前記複数のレーザ光源からの光の照射位置が、前記副走査方向にずれる。
請求項6に記載の発明は、請求項3ないし5のいずれかに記載の距離測定装置であって、前記空間光変調器が、所定の配列方向に交互に配列された固定反射面と可動反射面とを備え、前記固定反射面および前記可動反射面のそれぞれが、ベース面に平行かつ前記配列方向に垂直な帯状であり、前記固定反射面の前記ベース面からの高さが固定され、前記可動反射面の前記ベース面からの高さが可変であり、前記測定基準位置から前記測定対象上の1点までの距離を測定する際に、前記変調器駆動部が、前記空間光変調器において前記配列方向に正反射光を出射する状態から、回折光を出射する状態、正反射光を出射する状態へと漸次変化する回折光出射領域を、前記配列方向に沿って移動し、前記回折光出射領域が前記空間光変調器の一方の端部から他方の端部まで移動する時間が、前記一方の端部から前記他方の端部まで可動反射面を1つずつ一時的に回折光を出射する状態へと変更する際に要する時間より短い。
請求項7に記載の発明は、請求項1ないし5のいずれかに記載の距離測定装置であって、前記空間光変調器が、所定の配列方向に交互に配列された固定反射面と可動反射面とを備え、前記固定反射面および前記可動反射面のそれぞれが、ベース面に平行かつ前記配列方向に垂直な帯状であり、前記固定反射面の前記ベース面からの高さが固定され、前記可動反射面の前記ベース面からの高さが可変である。
請求項8に記載の発明は、請求項1ないし7のいずれかに記載の距離測定装置であって、前記演算部が、前記空間光変調器の複数の状態、および、前記複数の状態に対応する前記光検出器からの出力に基づいて、前記空間光変調器上における前記レーザ光に由来する光の光量分布を求め、前記光量分布から前記空間光変調器上における前記レーザ光に由来する光の入射位置を求める。
請求項9に記載の発明は、請求項8に記載の距離測定装置であって、前記演算部が、前記光量分布の重心位置を、前記レーザ光に由来する光の前記入射位置として求める。
本発明によれば、高精度に距離を測定することができる。また、請求項2の発明では、アイセーフ波長のレーザ光を用いつつ低コストかつ高精度に距離を測定することができる。
図1は、本発明の一の実施の形態に係る距離測定装置1の概略構成を示す図である。距離測定装置1は、例えば、マニピュレータや自走ロボット等のマシンビジョンとして使用される。距離測定装置1は、測定対象9に向けてレーザ光を照射する光照射部11、測定対象9にて乱反射した反射光の一部を受光する受光部12、および、測定対象9の形状を示す距離情報を求める距離取得部13を備える。光照射部11からは、アイセーフ波長(1.4μm以上4.0μm以下の波長)のレーザ光が出射され、レーザ光は左右上下に走査される。距離取得部13では、三角測距を利用して測定対象9上の各位置までの距離を2次元の距離情報(いわゆる、距離画像)として取得する。
図2は光照射部11の平面図であり、図3は側面図である。光照射部11は、ポリゴンミラー21、モータ22、エンコーダ23および10個の半導体レーザ光源24を備える。ポリゴンミラー21およびモータ22は、レーザ光の測定対象9への照射位置を走査する走査機構21aである。レーザ光源24は、例えば、InGaAsの半導体レーザである。ポリゴンミラー21は10角形であり、側面である10個のミラー面211を有する。モータ22は中心軸212を中心にポリゴンミラー21を回転する。エンコーダ23は、モータ22の回転位置を出力する。
レーザ光源24は、図3に示すように円弧状に配列され、コリメートされたレーザ光の出射方向が水平方向に対して互いに異なる。図3では、レーザ光の傾斜を強調して示している。10個のミラー面211は、中心軸212に対する傾斜角が互いに微小に異なる。これにより、例えば、図3の中央のレーザ光源24からレーザ光が出射される状態でポリゴンミラー21が1回転すると、図3中に符号R2を付す範囲の10本のレーザ光が水平方向に走査されつつ上から下へと順番に出射される。換言すれば、レーザ光がポリゴンミラー21にて反射されることにより、ポリゴンミラー21の回転方向に主走査されるとともに、主走査方向に垂直な副走査方向に副走査される。
中央のレーザ光源24の上に隣接するレーザ光源24からレーザ光が出射される状態でポリゴンミラー21が1回転する際には、符号R3を付す範囲の10本のレーザ光が上から下へと順番に出射される。下に隣接するレーザ光源24からレーザ光が出射される状態でポリゴンミラー21が1回転する際には、符号R1を付す範囲の10本のレーザ光が上から下へと順番に出射される。点灯するレーザ光源24を最も下のものから上へと順番に切り替えることにより、レーザ光は上から漸次下方へと副走査され、やがて、範囲R1、R2、R3を経由してさらに下方へと副走査される。
このように、複数のレーザ光源24からの光の照射位置が副走査方向にずれていることにより、光を出射するレーザ光源24を切り替えつつポリゴンミラー21を回転すると、水平方向に100回レーザ光が主走査される間に、レーザ光が副走査方向にシフトされる。
図4は受光部12の平面図であり、図5は側面図である。光軸Aは、図5に示すように折れ曲がっているが、図4では展開して示している。
受光部12は、光の入射側から、バンドパスフィルタ311、トロイダルレンズ31、GLV(グレーチング・ライト・バルブ)(シリコン・ライト・マシーンズ(サニーベール、カリフォルニア)の登録商標)32、遮光部33、集光レンズ34および光検出器35を備える。バンドパスフィルタ311は、レーザ光の波長の光を透過する。バンドパスフィルタ311およびトロイダルレンズ31は、測定対象9からの光をGLV32へと導く第1光学系30aの一部である。遮光部33および集光レンズ34は、GLV32からの回折光を光検出器35へと導く第2光学系30bの一部である。
図6は、GLV32の拡大図である。GLV32は反射型かつ回折格子型の空間光変調器であり、複数の光変調素子321は半導体装置製造技術を利用して製造される。各光変調素子321は、1つの可動リボン321aおよび1つの固定リボン321bを備える。可動リボン321aの上面および固定リボン321bの上面は、それぞれ背後のベース面に平行かつ光変調素子321の配列方向(以下、「素子配列方向」という。)に垂直な帯状の可動反射面322aおよび固定反射面322bである。GLV32では、可動反射面322aと固定反射面322bとが素子配列方向に交互に配列される。
可動リボン321aは、背後のベース面に対して昇降移動可能であり、可動反射面322aのベース面からの高さは可変である。固定リボン321bはベース面に対して固定され、固定反射面322bのベース面からの高さも固定される。可動リボン321aおよび固定リボン321bの表面は、アイセーフ波長の光を反射するようにコーティングされている。
図7および図8は、可動リボン321aおよび固定リボン321bに対して垂直な面における光変調素子321の断面を示す図である。図7に示すように可動リボン321aおよび固定リボン321bがベース面321cに対して同じ高さに位置する(すなわち、可動リボン321aが撓まない)場合には、光変調素子321の表面は面一となり、入射光L1の正反射光が0次回折光L2として導出される。一方、図8に示すように可動リボン321aが固定リボン321bよりもベース面321c側に撓む場合には、可動リボン321aが回折格子の溝の底面となり、(+1)次回折光および(−1)次回折光である1次回折光L3(正確には、1次以上の高次回折光も含む非0次回折光)が光変調素子321から導出され、0次回折光L2は消滅する。
図4および図5に示すトロイダルレンズ31は、素子配列方向に関しては測定対象9の像を結び、素子配列方向および光軸Aに垂直な方向に関しては測定対象9からの光を集光する。換言すれば、素子配列方向に沿って直線状に圧縮した測定対象9の像を、GLV32上に形成する。図9は、受光部12から測定対象9を見た様子の例を示す図である。図9において、符号911は、レーザ光の照射位置を示す。図10に示すように、GLV32上には、図9が上下方向に圧縮され、レーザ光の反射光が微小な領域921に集光され、測定対象9からの他の自然光(正確には、バンドパスフィルタ311を通過した自然光であり、以下、「背景光」という。)は線状の領域922に導かれる。なお、図10では光変調素子321のリボンの図示を省略している。
ここで、光変調素子321の可動リボン321aが撓んでいない状態では、入射する光は遮光部33に向けて反射される。また、背景光は可干渉性が弱いため、可動リボン321aが撓んだ状態においても、背景光は大部分が正反射され、遮光部33へと導かれる。すなわち、背景光は、光変調素子321の状態に関わらず、遮光部33へと導かれる。
これに対し、レーザ光は、測定対象9上にて散乱されることにより可干渉性が多少低下するが、背景光に比べて可干渉性が強いため、可動リボン321aが撓む位置にて回折する。そして、遮光部33の左右両側を通り抜けて集光レンズ34へと導かれ、光検出器35上に集光される。したがって、図10における領域921に重なる可動リボン321aが撓んでいる状態の時にのみ、光検出器35にて光が検出されることとなる。換言すれば、GLV32により背景光を除去することにより、実質的に、受光部12から測定対象9を見た様子が、図9に示す状態から図11に示す状態となり、照射位置911のみが見える。
光検出器35は、Geから製造された単一の素子であるフォトダイオードであり、安価である。アイセーフ波長の光に対して感度を有するのであれば、光検出器35は他の材料(例えば、InGaAs、GaAs)から製造されたものであってもよい。なお、ここでの「単一の素子」とは、受光する光の強度(光量)を検出する機能を有するが、受光位置を検出する機能を有さないことを指す。
距離測定装置1では、上記原理によりGLV32上のレーザ光の集光位置を特定し、三角測距を利用して光照射部11から照射位置911までの距離が求められる。距離測定の基準となる測定基準位置は光照射部11には限定されず、受光部12であってもよく、他の位置であってもよい。
図12は、距離測定装置1の構成の詳細を示すブロック図である。光照射部11では、レーザ光源24はレーザドライバ241に接続され、モータ22はモータドライバ221に接続される。レーザ光源24はレーザドライバ241の制御によりパルス発光する。エンコーダ23は回転位置カウンタ231に接続される。エンコーダ23からの信号に基づいて、回転位置カウンタ231は、ポリゴンミラー21の回転位置を示す信号を生成する。
受光部12では、GLV32はGLVドライバ323に接続され、GLVドライバ323は、正弦波テーブル325を記憶するメモリ324に接続される。GLVドライバ323は、複数の光変調素子321を個別に駆動する変調器駆動部であり、各光変調素子321の可動リボン321aの撓み量を制御する。光検出器35は、レジスタ36に接続され、レジスタ36は入射位置取得部37に接続される。入射位置取得部37は後述する方法にてレーザ光の反射光がGLV32に入射する位置を求める。
距離取得部13は、CPU41、クロック発生部42、メモリ43およびデュアルアクセスメモリ44を備える。入射位置取得部37および距離取得部13が、距離測定装置1の演算部13aとして機能する。
クロック発生部42からのクロック信号は、CPU41、レーザドライバ241およびモータドライバ221に入力され、これらの動作が同期する。回転位置カウンタ231からの信号はCPU41およびGLVドライバ323に入力され、CPU41における演算とGLV32の動作とが同期する。メモリ43には距離を求めるための距離LUT(ルックアップテーブル)431が記憶される。デュアルアクセスメモリ44は、CPU41からの演算結果を2次元距離情報441として記憶する。2次元距離情報441は、マニピュレータや他のアクチュエータ等を制御するロボット制御部8から参照される。2次元距離情報441は、例えば、各測定位置の距離情報を8ビットにて表す。
図13は、距離測定装置1の動作の流れを示す図である。最初に、距離測定装置1の基本動作について説明する。なお、この基本動作では正弦波テーブル325は使用されない。
初期動作(ステップS11)では、モータ22の回転が開始され、回転位置カウンタ231からの信号に従ってポリゴンミラー21が一定の速度にて回転する。また、レーザ光源24のパルス発光も開始される。その他、各種設定値の初期化や準備等も行われる。図13では初期動作に対応する終了動作の記載を省略している。
次に、GLV32上の位置に関連づけられた光検出器35からの出力分布が取得される(ステップS12)。後述するように、光検出器35の出力分布は、GLV32上におけるレーザ光に由来する光(以下、単に「レーザ光」という。)の光量分布を反映した分布となる。出力分布の取得では、図14に示すように、光変調素子321の位置(すなわち、アドレス)を示すカウンタ値(以下、単に「カウンタ値」という)が初期値1にリセットされる(ステップS21)。なお、説明の都合上、アドレスは1から始まるものとする。そして、回転位置カウンタ231からの信号に基づいて、レーザ光を所望の方向へと出射する状態になった時点で(ステップS22)、レーザ光源24からの光の出射が開始される(ステップS23)。
GLV32が駆動されると、カウンタ値に従ってアドレス1の光変調素子321の可動リボン321aが撓み、この光変調素子321のみが非0次(主として±1次)回折光を出射する状態となる。光検出器35からの出力は、GLVドライバ323からの信号に従ってレジスタ36のアドレス1に記憶される(ステップS25)。
次に、カウンタ値に1が加算され(ステップS26)、ステップS24〜S26が実行される。これにより、アドレス2の光変調素子321の可動リボン321aのみが撓んだ状態における光検出器35からの出力がレジスタ36のアドレス2に記憶される。ステップS24〜S26は、光変調素子321の数だけ繰り返される(ステップS27)。その結果、GLV32の一方端から他方端に向かって各光変調素子321が順番に回折光出射状態となった場合の光検出器35からの出力がレジスタ36の各アドレスに記憶される。
既述のように、回折光出射状態の光変調素子321からは、レーザ光のみが光検出器35へと導かれるため、レジスタ36に記憶された情報は、実質的に、GLV32上におけるレーザ光の光量分布を示すこととなる。出力分布が取得されると、レーザ光の出射は停止される(ステップS28)。上記動作は非常に短時間に行われ、レーザ光源24の発光は短時間のパルス発光である。
1回の出力分布の取得が完了すると、入射位置取得部37によりGLV32上におけるレーザ光の入射位置が求められる(ステップS13)。ここでは、最大出力値が記憶されているレジスタ36のアドレスが、入射位置として求められる。入射位置の情報は、CPU41へと送られる。
メモリ43に準備されている距離LUT431には、光照射部11からのレーザ光の出射方向と、レーザ光のGLV32への入射位置とに関連づけて、測定基準位置から測定対象9上の照射位置までの距離が格納されている。CPU41は、回転位置カウンタ231からの信号、および、パルス発光したレーザ光源24の番号からレーザ光の出射方向を特定し、出射方向とGLV32上の入射位置とから距離LUT431を参照して、測定基準位置から照射位置までの距離を求める(ステップS14)。
求められた距離情報は、デュアルアクセスメモリ44内のレーザ光の出射方向に対応するアドレスに記憶される。なお、既に距離情報が記憶されている場合は、この距離情報が更新される(ステップS15)。
次に、ステップS12へと戻り、ステップS21〜S28が繰り返される。すなわち、レーザ光の出射方向が次の距離情報を取得すべき方向に達すると(ステップS22)、レーザ光が出射され、可動リボン321aを順次撓ませて光検出器35からの出力分布が取得される(ステップS23〜S28)。そして、レーザ光の入射位置および距離情報が順次求められてデュアルアクセスメモリ44に記憶される(ステップS13〜S15)。
上記動作は、レーザ光の1回の主走査の間に100回行われる。これにより、測定対象9上の100個の照射位置における測定基準位置からの距離がデュアルアクセスメモリ44に記憶される。ポリゴンミラー21が1回転すると、主走査は10回行われる。その後、使用するレーザ光源24を切り替えて10回の主走査が繰り返される。100回の主走査が行われると、最初の主走査へと戻る。上記動作により、測定対象9上の100×100個の照射位置における測定基準位置からの距離が、2次元距離情報441としてデュアルアクセスメモリ44に記憶される。
2次元距離情報441の取得は繰り返され、2次元距離情報441はリアルタイムに更新される。ロボット制御部8は、デュアルアクセスメモリ44にアクセスすることにより、その時点での2次元距離情報441を参照することができる。これにより、測定対象9に含まれる物体の移動や形状の変化にリアルタイムに追従してロボットを制御することが可能となる。
以上に説明したように、距離測定装置1では、GLV32を用いることにより背景光を実質的に除去しつつレーザ光に由来する光を受光することができ、距離測定の精度を向上することができる。バンドパスフィルタ311を設けることにより、不要な自然光のGLV32への入射が低減され、さらに測定精度が向上される。また、単一のフォトダイオードを光検出器35として用いることができ、安価に距離測定装置1を製造することができる。特に、アイセーフ波長のレーザ光に対して感度を有する素子として単一のフォトダイオードを用いることにより、距離測定装置1の製造コストを大幅に削減することができる。
レーザ光は左右上下に走査されることにより、広範囲の距離測定を行うことができる。このような走査は、面倒れ角が異なるミラー面を有するポリゴンミラー21を用いることにより、さらには、複数のレーザ光源24を設けることにより、容易に実現される。また、広範囲に亘るレーザ光の走査が行われる場合であっても、トロイダルレンズ31を設けることにより、広範囲から導かれるレーザ光を1つのGLV32に導くことが実現される。トロイダルレンズ31に代えてシリンドリカルレンズを含む複数のレンズが用いられてもよい。上記作用効果は、以下に説明する他の動作例においても同様である。
上記動作では、光検出器35の出力分布を1回取得するために要する時間は、1つの可動リボン321aが撓みを開始してから元の状態に戻るまでに要する時間に光変調素子321の数を乗じたものとなる。そのため、光変調素子321の数が多い場合、適切な周期で2次元距離情報441を更新することができない。次に、2次元距離情報441を高速に取得する他の動作例について説明する。
他の動作例では、1つの可動リボン321aが1回の撓み動作を完了する前に、次の可動リボン321aの撓み動作が開始される。これにより、1つの可動リボン321aが撓みを開始してから元の状態に戻るまでに要する時間に光変調素子321の数を乗じた時間よりも短時間にて、1回の出力分布が取得される。
GLVドライバ323には、可動リボン321aとベース面321cとの間に与えられる電位差を記憶するレジスタが設けられる。他の動作例では、ステップS24の直前に、正弦波テーブル325の値がGLVドライバ323のレジスタに記憶される。具体的には、アドレスiに対応するレジスタに、数1にて示す値が記憶される。数1において、imaxは光変調素子321の数であり、例えば、512である。ymaxは可動リボン321aに付与される電位差の最大値である。
(数1)
(ymax/2)cos(i・2π/imax)+ymax/2
(ymax/2)cos(i・2π/imax)+ymax/2
これにより、複数の光変調素子321には、正弦波の1周期分の電位差が割り当てられる。そして、ステップS25にて、光検出器35からの出力がレジスタ36のアドレス1に記憶される。
光検出器35の出力が1回取得され、ステップS24に戻ってGLV32の次の駆動が行われる際には、GLVドライバ323に記憶される値が素子配列方向にシフトされる。すなわち、数1においてiに(i−1)が代入され、正弦波の1周期分の電位差が素子配列方向にシフトされる。ただし、(i−1)が0以下の場合は、imaxが加算される。ステップS25では、光検出器35からの出力がレジスタ36のアドレス2に記憶される。
その後、電位差の分布を素子配列方向にシフトさせつつステップS24〜S26が繰り返される。これにより、正弦波の電位差分布が光変調素子321の配列を通過し、レジスタ36には、アドレスに対応づけられた光検出器35からの出力分布が記憶される(ステップS27)。換言すれば、測定基準位置から測定対象9上の1点までの距離を測定する際に、GLVドライバ323が、GLV32上において、素子配列方向に正反射光を出射する状態から、回折光を出射する状態、正反射光を出射する状態へと漸次変化する回折光出射領域を、素子配列方向に沿って移動させ、この期間における光検出器35からの出力分布が取得される。
GLV32に正弦波状の電位差分布を与える場合、出力分布はアドレスに対して緩やかに変化するものとなる。また、GLV32では両側の端部が同時に回折光出射状態となることから、GLV32の端に偏ってレーザ光が入射する場合は、レーザ光の入射位置を光検出器35の出力から特定することができない。そこで、入射位置取得部37では、GLV32上におけるレーザ光の光量分布を求める演算が行われる。
アドレスiの光変調素子321に入射するレーザ光の光量をfiとすると、求めるべき光量分布FFは数2で表現される。数2においてTは転置行列を示す。
(数2)
FF=[f1,f2,f3,・・・,fimax]T
FF=[f1,f2,f3,・・・,fimax]T
また、時刻jにおけるアドレスiの光変調素子321において、入射するレーザ光に対する回折光の割合(以下、単に「反射率」という。)をrjiとし、GLV32上における反射率の分布Rjを数3にて表す。なお、Rjは、予め測定により取得される。以下の説明を簡素化するために、jは1以上imax以下の整数であり、時刻jにて光変調素子321に、数1のiに(i−j+1)を代入した電位差が与えられるものとする。
(数3)
Rj=[rj1,rj2,rj3,・・・,rjimax]
Rj=[rj1,rj2,rj3,・・・,rjimax]
時刻jにて光検出器35に入射する光の量をsjとすると、sjは数4に示すものとなる。
(数4)
sj=Rj・FF
=rj1・f1+rj2・f2+rj3・f3+・・・
+rjimax・fimax
sj=Rj・FF
=rj1・f1+rj2・f2+rj3・f3+・・・
+rjimax・fimax
レジスタ36に記憶される出力分布SSは、数5にて表されることから、SSは数6にて表される。ただし、数6におけるRRは、数7にて示される。
(数5)
SS=[s1,s2,s3,・・・,simax]T
SS=[s1,s2,s3,・・・,simax]T
(数6)
SS=RR・FF
SS=RR・FF
したがって、FFは数8により求められる。
(数8)
FF=RR−1・SS
FF=RR−1・SS
以上の原理に基づいて、入射位置取得部37では、予め準備されている反射率分布RRとステップS12にて取得された出力分布SSとに基づいて、GLV32上におけるレーザ光の光量分布FFが求められる。そして、光量が最大となるアドレスが、レーザ光の入射位置として特定される(ステップS13)。なお、上記から明らかなように、FFが解かれるためには数4が互いに一次独立な方程式、つまり、RRのランクがimaxであればよく、この条件を満たす限り、GLV32のリボンの駆動波形は正弦波には限定されず、任意の波形でよい。
ステップS13では、光量分布FFの重心位置を求めることによりさらに精度よくレーザ光の入射位置が求められることが好ましい。この場合、まず、図15に示す光量分布が取得されると、図16に示すように、予め定められたしきい値以下の部分がノイズ成分とみなされて消去される。次に、数9にて総光量Ptを求め、数10により入射位置xが求められる。
(数9)
Pt=f1+f2+・・・+fimax
Pt=f1+f2+・・・+fimax
(数10)
x=(f1・1+f2・2+・・・+fimax・imax)/Pt
x=(f1・1+f2・2+・・・+fimax・imax)/Pt
上記処理により、入射位置は光変調素子321のピッチ以上の精度にて求められる。例えば、図17に示す光量分布の場合、入射位置が31.0476と求められる。
入射位置が求められると、ステップS14,S15が実行されることにより、距離情報がデュアルアクセスメモリ44に書き込まれる。また、ステップS12〜S15が繰り返されることにより、2次元距離情報441が更新される。
上記動作では、時刻1から時刻imaxまでの時間は、1つの可動リボン321aが正反射光を出射する状態から回折光を出射する状態へと変化し、正反射光を出射する状態へと戻るのに要する最短時間に近づけることができる。換言すれば、単位時間当たりに実行できる距離測定の回数を、可動リボン321aの共振周波数に近づけることができる。その結果、非常に高速に2次元距離情報441を更新することが実現される。例えば、可動リボン321aの共振周波数が300kHzであり、100×100画素の2次元距離情報441(距離画像)を取得する場合、フレームレートは、30Hz(=300000/100/100)に近づけることができ、マシンビジョンとして十分な周波数が得られる。
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態には限定されず、様々な変形が可能である。
上記他の動作例では、GLV32上の全体に亘って正弦波状の撓みが分布するが、正弦波状の撓み分布は複数の光変調素子321の一部のみに形成され、この撓み分布がGLV32の一方の端部から他方の端部に向かって移動してもよい。また、撓み分布は撓み量が漸次変化するのであれば、正弦波状には限定されない。すなわち、測定基準位置から測定対象9上の1点までの距離を測定する際に、GLVドライバ323が、GLV32上において、素子配列方向に正反射光を出射する状態から回折光を出射する状態へと漸次変化し、正反射光を出射する状態へと漸次戻る回折光出射領域を、素子配列方向に沿って移動することにより、数8にて使用する出力分布SSを取得することができる。
また、1つの可動リボン321aの1回の撓み動作が完了する前に他の可動リボン321aの撓み動作を開始することにより、回折光出射領域がGLV32の一方の端部から他方の端部まで移動する時間が、一方の端部から他方の端部まで可動リボン321aを1つずつ一時的に回折光を出射する状態へと変更する際に要する時間よりも短くなり、短時間にて各照射位置に対する測定を完了することができる。
なお、行列RRの逆行列を求めて数8を導くことができるのであれば、撓み量は素子配列方向に沿って漸次変化するものでなくてもよい。例えば、連続して並ぶ複数個の可動リボン321aが同時に撓んでもよく、不連続に並ぶ複数個の可動リボン321aが互いにずれたタイミングで撓んでもよい。一般的には、GLV32の複数の状態、および、この複数の状態に対応する光検出器35からの出力に基づいて、GLV32上におけるレーザ光に由来する光の光量分布を求めることができる。
以上のように、演算部13aでは、様々な手法によりGLV32の状態および光検出器35からの出力に基づいて、測定基準位置から測定対象9上の照射位置までの距離が求められてよい。
駆動の単位となる1つの光変調素子321は、複数対の可動リボン321aおよび固定リボン321bであってもよい。この場合、駆動の単位となる1組の可動反射面が上記実施の形態にて説明した1つの可動反射面322aに対応する。GLV32は、可動リボン321aが撓んでいない状態で可動反射面322aと固定反射面322bとのベース面321cからの高さが異なるものであってもよい。また、固定リボン321bを設けずに可動リボン321aのみを設けてベース面321cに固定リボン321bの機能を代替させて光変調素子321を構成してもよい。全てのリボンを可動リボン321aとして、隣接する可動リボン321aの相互の撓み方向を逆にして光路差を設定するようにしてもよい。可動リボン321aが撓んでいない状態で回折光が出射されるものであってもよい。さらに、他のタイプの回折格子型空間光変調器であってもよい。さらにまた、GLV32の素子配列方向を上述の実施の形態のような一次元に構成する代わりに二次元に構成してもよい。その場合、前段に設けられるトロイダルレンズ31に代えて、球面レンズを設けてもよい。
走査機構21aでは、複数のレーザ光源24に代えて、ガルバノミラー等によりレーザ光の副走査が行われてもよい。さらに、ポリゴンミラー21以外の機構により、主走査が行われてもよい。レーザ光源24は連続発振されてもよく、レーザ光は、アイセーフ波長として通常理解される波長よりも長い波長の光であってもよい。逆に、用途によってはアイセーフ波長よりも短い波長のレーザ光が使用されてもよい。さらに、距離測定装置1は、走査機構21aを省略して1つの測定点までの距離を測定する装置であってもよい。
1 距離測定装置
9 測定対象
11 光照射部
13a 演算部と、
21 ポリゴンミラー
21a 走査機構
22 モータ
24 レーザ光源
30a 第1光学系
30b 第2光学系
32 GLV
35 光検出器
321 光変調素子
321c ベース面
322a 可動反射面
322b 固定反射面
323 GLVドライバ
J1 中心軸
9 測定対象
11 光照射部
13a 演算部と、
21 ポリゴンミラー
21a 走査機構
22 モータ
24 レーザ光源
30a 第1光学系
30b 第2光学系
32 GLV
35 光検出器
321 光変調素子
321c ベース面
322a 可動反射面
322b 固定反射面
323 GLVドライバ
J1 中心軸
Claims (9)
- 距離測定装置であって、
測定対象に向けてレーザ光を照射する光照射部と、
回折格子型の空間光変調器と、
前記測定対象からの光を前記空間光変調器へと導く第1光学系と、
前記空間光変調器の複数の光変調素子を個別に駆動する変調器駆動部と、
光検出器と、
前記空間光変調器からの回折光を前記光検出器へと導く第2光学系と、
前記空間光変調器の状態および前記光検出器からの出力に基づいて、予め定められた測定基準位置から前記測定対象上の前記レーザ光の照射位置までの距離を求める演算部と、
を備えることを特徴とする距離測定装置。 - 請求項1に記載の距離測定装置であって、
前記レーザ光の波長が、1.4μm以上4.0μm以下であることを特徴とする距離測定装置。 - 請求項1または2に記載の距離測定装置であって、
前記レーザ光を走査する走査機構をさらに備えることを特徴とする距離測定装置。 - 請求項3に記載の距離測定装置であって、
前記走査機構が、
ポリゴンミラーと、
中心軸を中心に前記ポリゴンミラーを回転するモータと、
を備え、
前記ポリゴンミラーの各ミラー面の前記中心軸に対する傾斜角が互いに異なり、前記レーザ光が前記ポリゴンミラーにて反射されることにより、前記レーザ光が前記ポリゴンミラーの回転方向に主走査されるとともに、主走査方向に垂直な副走査方向に副走査されることを特徴とする距離測定装置。 - 請求項4に記載の距離測定装置であって、
前記光照射部が、複数のレーザ光源を備え、
前記複数のレーザ光源からの光の照射位置が、前記副走査方向にずれることを特徴とする距離測定装置。 - 請求項3ないし5のいずれかに記載の距離測定装置であって、
前記空間光変調器が、所定の配列方向に交互に配列された固定反射面と可動反射面とを備え、
前記固定反射面および前記可動反射面のそれぞれが、ベース面に平行かつ前記配列方向に垂直な帯状であり、
前記固定反射面の前記ベース面からの高さが固定され、前記可動反射面の前記ベース面からの高さが可変であり、
前記測定基準位置から前記測定対象上の1点までの距離を測定する際に、前記変調器駆動部が、前記空間光変調器において前記配列方向に正反射光を出射する状態から、回折光を出射する状態、正反射光を出射する状態へと漸次変化する回折光出射領域を、前記配列方向に沿って移動し、
前記回折光出射領域が前記空間光変調器の一方の端部から他方の端部まで移動する時間が、前記一方の端部から前記他方の端部まで可動反射面を1つずつ一時的に回折光を出射する状態へと変更する際に要する時間より短いことを特徴とする距離測定装置。 - 請求項1ないし5のいずれかに記載の距離測定装置であって、
前記空間光変調器が、所定の配列方向に交互に配列された固定反射面と可動反射面とを備え、
前記固定反射面および前記可動反射面のそれぞれが、ベース面に平行かつ前記配列方向に垂直な帯状であり、
前記固定反射面の前記ベース面からの高さが固定され、前記可動反射面の前記ベース面からの高さが可変であることを特徴とする距離測定装置。 - 請求項1ないし7のいずれかに記載の距離測定装置であって、
前記演算部が、前記空間光変調器の複数の状態、および、前記複数の状態に対応する前記光検出器からの出力に基づいて、前記空間光変調器上における前記レーザ光に由来する光の光量分布を求め、前記光量分布から前記空間光変調器上における前記レーザ光に由来する光の入射位置を求めることを特徴とする距離測定装置。 - 請求項8に記載の距離測定装置であって、
前記演算部が、前記光量分布の重心位置を、前記レーザ光に由来する光の前記入射位置として求めることを特徴とする距離測定装置。
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