JP2528921B2 - 回折による距離測定 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の範囲 本発明は一般に光学距離計のメカニズムを利用した距
離測定の概念に関し、より詳細には、単色光で照らされ
た目標物の表面から回折格子の距離の関係と、格子を通
して観測される次数０の各回折像から高次の回折像の各
相対的変位とを相関させることにより距離を測定する方
法に関する。

本発明の背景および目的 光学距離計は距離の情報を表示するカメラである。従
来の二次元のカメラは入射光または反射光で物体の明る
さを表示した。距離測定カメラ（range finding camer
a）は像を結ぶが、像の明るさはカメラから像までの距
離によって決まる。

光学距離測定カメラには本質的に能動と受動の２つの
種類がある。能動と受動の違いは目的物の照射され方に
よる。能動の距離計（レンジファインダ）は目標物を照
射する光源を制御し、受動の距離計は周囲の照明のみに
依存する。

受動の距離測定には、形状分析、多数の（一般に立体
的な）ビュー、被写界深度または光学的焦点分析の３つ
の主な原理が適用される。受動の距離測定の３つの原理
のすべての実施例は、従来の二次元カメラで実現され
る。例えば形状分析の１つのの方式は既知のサイズの目
標物を観測および表示（撮影）し、かつ表示されたサイ
ズを単に測定するだけでカメラから目標物の距離を決定
することにより実現される。または、１つの目標物の水
平方向に片寄った２つのビューが撮影されかつその２枚
の写真が既知の深度のある点に登録されると、互いに関
連のある他のいかなる距離も登録された写真間の水平方
向の寸法の違いを測定することにより測定できる。その
ような多数のビューを用いる方法は三角測量の手順の変
形で、能動の距離測定にも使用される。受動の距離測定
の最後の原理は被写界深度または焦点分析である。焦点
がぼけたレンズの錯乱円の半径がレンズから被写体への
距離に比例するので、焦点が最も合う位置に目標物を配
置するとレンズのケースにつけられた目盛りを参照する
ことにより目標物の距離がすぐに読めるように、レンズ
のケースに較正目盛りをつけることができる。

光を用いた能動の距離測定には距離計に制御される光
源が必要である。最も熱心な研究が行なわれている分野
は三角測量、飛行時間（LADAR）、投影パターン（Moir
e）および焦点較正である。三角測量においては立体写
真システムの第２カメラは、投光器のように明確な構造
をもつ光源に置替えられる。通常、投光器からはシート
状に光が出る。投光器の軸線をまっすぐに見ると、光が
入射する表面の奥行の形状がいかなるものあっも、光の
シートは直線に見える。また軸線を外れた位置から見る
と光の面は曲がっているように見える。光の面の湾曲の
形状は深さと相関させることは容易である。

明確な構造をもつ光源を用いら別の方法では、被写体
に一様に間隔を置いて配置された、一対の二次元パター
ンを放射しなければならない。この２つのパターンは互
いに干渉してモアレ模様のパターンを作り、容易に撮影
できる。モアレ模様の地形図的形状はカメラから被写体
の距離の変化に比例する。LADARはレーダによる電磁気
の距離測定に似ている。違いは能動の光源としてパルス
変調レーザが使用されることである。特別に設計された
距離計のセンサはレーザから目標物を経て距離計に戻る
飛行時間を測定する。LADARシステムは高価なうえに扱
いにくく不正確であるが、三角測量およびモアレ模様に
基づくシステムよりも光源がセンサと同軸にあるという
大変重要な利点がある。その結果、測定される像がさえ
ぎられたり影ができることはない。

能動の光源を用いた測定の別の同軸システムは焦点較
正（分析）である。そのようなシステムでは、カメラか
らペンシルビーム（光線束）が発せられる。較正された
レンズから見えるビームの錯乱円の半径は、目標物まで
の距離の約数である。

光学距離計を使用する場合には、それが能動であるか
受動であるかにかかわらず、単一の共通な欠点のあるこ
とが一般に明らかである。公知のシステムはすべて、か
なり多数の精巧の光学素子、面倒な目盛り調べ、二軸性
の光源および表示システム、かなり高次の数字モデルを
解決するための非常に高性能な装置を必要とする。光学
距離測定の従来技術は、前記の欠点のうち最初の３つを
避けてリアルタイムの距離データが得られる技術であ
る。カルフォルニア州ロスアンゼルスの南カルフォルニ
ア大学の像処理研究所P.シャブルとT.C.ストランドの行
っているこ分野の研究によると距離は格子のタルボー回
折像を用いて測定できることがわかった。1984年３月15
日付の応用光学、第23巻、第６号のの記事で、シャブル
とストランドは１つの方法を論じている。その方法はリ
アルタイムの測定能力がありかつその方法のもとになる
物理現像および測定された変数である２つの根本的な面
において以前の方法の多くのものとは異なる。方法は回
折現像を利用しかつ明暗比の変数を測定するものであ
る。シャブルとストランドの方法は、格子のフレネル回
折パターンの明暗比が、格子からの距離の関数および光
の周波数によって変化することによる。しかし明暗比を
測定すると明らかに欠点が増える。任意の距離情報を得
るため単色のコヒーレント光の照明が電磁界スペクトル
の全体を不連続の周波数で発光しなければならないし、
そのような方法には不必要な費用がかかり、測定距離が
10メートル未満の場合には、不必要に複雑化しなければ
ならない。出願者にはシャブルとストランドの方法の重
要な要素が見落されているように思わる、回折現像をさ
らに調査しなければならないように思われる。回折格子
は100年以上もの間広範囲の応用に用いられてきた光学
素子である。光学装置は主な光学素子により、光の波長
に近い中心のある均等に間隔を置いて配置された直線か
ら成る。回折格子により反射されたかまたは透過された
光の性質は多数の学位論文、専攻論文、論説、テキスト
の主題となってきた。残存している文献には回折による
距離測定の発明の中心の現像の理論的説明があるが、シ
ャブルとストランドの前記研究を除けば、出願者の入手
できる現在の文献も特許の徹底的な調査も本主眼には明
確な示唆を与えない。回折現像はしばしばフラウンホー
ファ回折とフレネル回折の２つの一般的種類に分けられ
る。前者は格子を通る光が平面波として扱われる単純な
場合である。一方、波面は格子の間隔に関して湾曲を示
す場合、より複雑なフレネル分析を用いることにより、
副次的な回折効果を算定しなければならない。特に照射
される点光源は球状の波面を有する光を放射する。ホロ
グラフィーによって作られるような細かく間隔を置いて
配置された格子においては、湾曲した波面の効果は、い
くつかの距離測定に有効な範囲である数メートルの距離
で顕著である。

出願者は、回折現象の利用、より詳細には回折像の次
数の角度の変位を回折格子から点光源までの距離の関数
として表わすことによる距離測定の方法の開発を試み
た。回折格子を通して単色光の点光源を見ると、点光源
の多数の像が認められる。次数０の回折像は点光源の正
確な位置に見えるが、次数の高い回折像は格子の周波
数、格子から点光源の距離、点光源から放射する光の色
によって決る角度で斜に配置される。特に、点光源の距
離の関数としての次数の高い回折像の角度の変位の効果
はフレネル回折の場合のみ、すなわち点光源から波面が
格子のサイズに関して湾曲している場合にのみ認められ
る。この方法による測定は点光源が格子に近い場合に非
常に正確である。角度の変位の割合は、点光源が格子か
ら遠のくにれてますます減少する。（初めの実験は、1m
mあたり600本の線が刻まれた10mmの格子により1mの距離
で赤い点光源により目標物の１次回折の変位角度の測定
可能な変位を明らかに示した。格子は、半インチのビデ
ィコン管に焦点を合わせ、焦点距離が100mmのレンズに
より10cmの距離で確認した。） 前記の方法の最も簡単な実施例は、単色光のペンシル
ビームを目標への放射、格子を通した目標の観察、およ
び次数が０の位置からの次数の高い回折像の変位の測定
を意図するものである。そのような距離計は、単に目盛
りをつけた目標物を測定ることによって目盛りをつける
ことができ、変位と距離の相関関係のあるスケールを確
立することができる。変位の示度は、目盛りをつけたビ
ューアー、あるいは光電管の線形配列またはテレビカメ
ラのような電気センサにより、目で読み取ることができ
る。装置は放射されたビームとファインダーが光学的に
同軸である場合、大変有効である。これにより、目で見
えるあらゆる地点の測定が可能である。

この方法をより高度に実施するには、１つか２つの移
動可能なミラーを使用して、水平方向および垂直方向の
フィールドの同軸放射と見る角度を変えることである。
これにより立体表面の絵素ごとに距離情報を得ることが
できる。そような走査装置は本技術において公知である
が、距離情報を得るため、走査装置内に回折格子を含ま
せることは、出願者の入手できる文献には発表されてい
ない。

回折格子の多くの異なるピッチは単一の基板に製造す
ることができる。その製造のための技術には電子ビーム
リトグラフィーおよびホログラフィーの光学要素（HO
E′Ｓ）が含まれる。次数の異なる回折格子の配列によ
り別々の段階での距離測定ができる。そのような実施例
において、距離が不連続に増加すると、光は個々の格子
中で独特な変位をする。

フレネル回折の限界以上の測定距離を広げるため、回
折格子は遠くの物体のサイズを測定するのに使用され
る。光の直線または正方形が放射される場合、光は格子
が次数０の回折像から１次回折像を分離するのに十分な
距離に来るまで連続的な物体として見える。前記の連続
的な配列でのように、目標物の距離は、格子のどのピッ
チで直線または固体物が３つの連続的な像（１次回折の
像が２つと、フィールドの中心の次数０の像が１つ）が
分離するかを調べることにより測定できる。この種の距
離測定は形状分析に似ているが、前記の方法を用いるこ
とにより、一層便利になる。

距離測定方法および回折像の前記調査は様々な長所や
欠点があり、出願者は本発明中でそれぞれ長所は取り入
れ、欠点は避けるよう努力した。

従って、本発明の目的は、観察される被写体または目
標物に近い最大限の精度で、０〜３メートルの非常な近
距離での測定に利用できる正確な距離測定方法を開発す
ることである。

本発明の別の目的は、光学装置の使い過ぎを避けるこ
とである。

本発明のさらに別の目的は、簡単に目盛りをつけらる
システムを開発することである。

また別の目的は、二軸照明や副次的表示システムの必
要性を回避することである。

さらにまた別の本発明の目的は、精巧な分析または合
成技術および装置に頼る必要がなく、むしろ大学や視覚
教材を製造する小規模の会社、または光学コンピュータ
の研究所で通常入手できる装置で実現できる距離測定シ
ステムを提供することである。

本発明の目的と長所の一部はこれまで説明し、一部は
本発明から明らかになるか、または本発明の実施により
わかるであろう。本発明は、本文中に示しかつ説明さ
れ、または本文献を読むことにより推定される断品、図
形、実施例および組み合わせから成る。

発明の要約 本発明の目的は、単色光のペンシルビームを放射し、
照らされた目標物を回折格子を通して見、かつ次数０の
回折像の位置から高次の回折像の変化を測定することに
より実現されることがわかった。距離測定の目盛り調べ
は、公知の距離の目標物を測定し、かつ回折像と目標物
の距離の相関関係のあるスケールを確立することであ
る。放射されるビームとファインダーが光学的に同軸に
ある場合、遮光はされない。そのような配置では、光学
素子は最少限で良く、目盛り調べが簡単であり、同軸照
明と副次的表示システムのためのスケールが簡潔で、高
度な数学的分析および合成装置はない。

図面の簡単な説明 第１図は、湾曲した波面のフレネル回折を描く。

第２図は、距離測定装置の好適な実施例の図である。

好適な実施例の説明 添付の図面、第１図および第２図に、より詳細に触れ
る。第１図は点光源So5から放射する波面が伝播し回折
格子７に近づくところを描いている。回折格子７のS₁、
およびS₂地点では湾曲した波面６が回折される。その結
果、回折格子のもう一方の側の波面パターンは、隣接す
る開口部を通って伝播する波面と相互に作用し、それに
より互いに干渉するか、または強化する。波面の強化地
点は、それぞれ次数０の回折像と１次回折像であるI₀11
および1₁12、12′で終わる。

好適な実施例の第２図は、第１図に描かれるフレネル
回折現象を利用した簡単な装置である。単色光の光源１
は、ビーム分割器３の表面に単色光のビーム２を集中さ
せる。ビームはもう１つの道２′に沿って目標物５に反
射する。従って照らされるS₀または同様の点光源は、光
がもともと発生している道６′沿いに伝播し返され、ビ
ーム分割器３を通過し、ビーム６′として出て来る。ビ
ーム６′は、回折格子７にぶつかる直前に、様式化され
た矢印の描くように湾曲される。ビームは、第１図に描
かれ説明されていると同様に、回折格子７で回折され
る。わかりやすくするために、次数０の回折像８および
１次回折像９のみに関連する波面またはビームが描かれ
る。回折像は対物レンズ10に集中して通過し、現われ、
次数０の回折像11および１次回折像12として示される。
観測可能かつ実験的に繰り返し可能な現象は、回折格子
７から点光源S₀5の距離13および次数０の回折像11と１
次回折像12との間の変位13′の対応で示される。

当業者には、対物レンズ10がビデオカメラと取り替え
可能で、伝統的に平面に放射される回折像11および12が
ビデオスクリーンに現われることがすぐに明らかとな
る。これ以後、距離13が変位13′と相関関係になるよう
に装置に目盛りをつけるのは簡単になる。

広い見地から考えると、本発明は図面や本文中で論じ
られる特定の実施例に制限されるべきではないが、本発
明の原理に従いかつその利益を得るため、添付の特許請
求の範囲を逸脱することなく様々な変化や新案が考える
ことはできる。

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光を照射された目標物の表面からの回折格
   子の種々の距離間の関係を、前記回折格子を通過してレ
   ンズと受光センサを用いて観測される０次回折像の位置
   に対する高次回折像の相対的位置変化と関係つけること
   によって前記距離を測定する距離測定方法。
2. 【請求項２】前記目標物を単色光で照射する過程を含む
   請求項１に記載の距離測定方法。
3. 【請求項３】離れた点光源から回折格子を通って入射さ
   れ、次数の異なる複数の回折像に対応する複数の波面に
   分解された点光源からの光をレンズと受光センサを用い
   て観測し、 高次の回折像の、０次の回折像からの観測された位置変
   化を、前記点光源の、前記回折格子からの物理的距離に
   関連づける距離測定方法。
4. 【請求項４】点光源を単色光で照射する過程を含む、請
   求項３に記載の距離測定方法。
5. 【請求項５】回折による距離測定装置であって、 距離データが求められている目標物を照射するために使
   用される単色光の光源と、 目標物によって反射された光を受光してその波面を高次
   の回折像に分解する回折格子と、 前記回折像の、０次回折像の位置に対する各次数の回折
   像の位置変化を観測して識別するためのレンズと受光セ
   ンサを含む手段を有し、 前記０次回折像の位置に対する各次数の回折像の位置変
   化は、前記目標物からの回折格子への絶対距離に対応づ
   けられる、回折による距離測定装置。
6. 【請求項６】前記回折格子は、前記単色光の１波長の整
   数倍に等しい、少なくとも２の隣接した線間隔をもつよ
   うに、線引きされた線を有する、請求項５に記載の距離
   測定装置。
7. 【請求項７】前記レンズと受光センサを含む手段はビデ
   オカメラを有する、請求項５に記載の距離測定装置。