JP2664399B2 - コヒーレント光検出法を用いた３次元ビジョンシステム - Google Patents

コヒーレント光検出法を用いた３次元ビジョンシステム

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明はコヒーレント光検出を利用した三次元ビジョ
ンシステムに係る。より詳細には、本発明は毎秒10フレ
ームに近い速度でターゲットに関する256×256×256ボ
リュームの情報を提供し得る実時間、高分解能の光学走
査ビジョンシステムに係る。
周知のビジョンシステムの多くはターゲットに関する
情報を提供することができる。例えばテレビカメラはタ
ーゲットに関する中程度の分解能の二次元画像を実時間
で提供することができる。同じくホワイト（構造的光）
スキャナは高分解能の像を提供し得るが、実時間ではな
い。周知のビジョンシステムは全て基本的に言って分解
能と走査時間を平衡させることは不可能なものである。
高分解能の像を提供するシステムは実時間の走査を行な
うことができず、また逆に実時間システムは中から低程
度の分解能の像しか提供できない（二次元像が普通）。
従って、高分解能かつ実時間の三次元撮像システムに対
する要求は現在のところ満たされていない。
最近の光学技術の進歩により、コヒーレント（ヘテロ
ダイン）光検出技術の利用が可能になった。コヒーレン
ト技術により、ターゲットの各画素または声素に関して
検出できる情報量が1000倍に増えた。Link並びにHenry
の論文、「コヒーレント光検出;1回路に1000回の呼出
し」、IEEE SPECTRUM,1987年２月、52〜57頁に光学的ヘ
テロダイン受信の現況に関する記載がある。
コヒーレント光検出法の進歩は非常に重要である。タ
ーゲットから反射した光線の情報搬送容量は他のシステ
ムより桁違いに大きい。つまり、光学的ヘテロダイン検
出法を利用することによって、量子雑音レベルの光反射
検出を行なうことができる。このため、コヒーレント光
学系は、周知先行技術の遠隔測定システムおよびビジョ
ンシステムに比較して広範囲、高精度で信頼性の高いシ
ステムである。例えば精度を一定とするとコヒーレント
光学系の走査速度は約1000倍になる。従って、ターゲッ
トの特定の個所の特徴に関する十分な情報を得るために
光線をその個所に長時間に亘つてとどめておく必要がな
くなる。また、走査速度を一定とした場合は、コヒーレ
ント光学系の精度は1000倍程度高くなる。さらに測定を
行なう毎に一意的で明確な読取りが得られる。レーダ処
理技術を用いると粗面の走査も容易に行なうことができ
る。また、コヒーレント光学系は走査範囲を広くするこ
とができ、視野の作用深さを大きくすることができる
他、周囲光条件で動作することができる。
簡単に言うと、光学的ヘテロダイン検出法では光源光
線をターゲットに当て、ターゲットからこれを反射させ
る。この反射光線を光検出器において局部発振器光線と
混合して光干渉パターンを提供する。この光干渉パター
ンを処理して、ターゲットに関する詳細な情報を提供す
ることができる。光学的ヘテロダイン技術は、光源光線
と反射光線の相反性を利用したものである。例えば、こ
れらの光線は波長が実質的に同じであり、同じ光軸上を
進む。これによって信号対ノイズ比および感度が向上す
る。信号対ノイズ比が十分に高いため、周知の光学系と
異なり使用する受信用アパーチャは小型でよい。受信装
置のアパーチャを小型化してもターゲットに関して詳細
な情報を提供し得るため、ビジョンシステムの走査用光
学装置を非常に小型化できる。またそれに伴なって走査
速度を高くすることもできる。例えば1/2インチのアパ
ーチャを用いたコヒーレント光学系は、直接式光検出シ
ステムで使用される４インチアパーチャよりはるかに高
速で走査できる。
レーザシステムが計測の他にゲージングにもある程度
応用されることを先行技術が示している。この中で最も
よく知られているのが精密測定の標準となった干渉計で
ある。しかし干渉計は距離的変化を測定するのみであ
り、しかも精密に配向した協働反射器を備える必要があ
る。本発明は通常面、凸凹の多い面を問わず絶対距離の
精密測定を可能にする。先行技術のレーザをゲージング
に応用したものの中には非干渉性光検出、およびレーザ
光源と検出システムの三角測量を用いて距離の測定を行
なうものもある。このようなシステムは精度および融通
性に限度がある。
AlGaAsレーザダイオードと光繊維部品に関する主要技
術が、遠隔通信分野において目ざましい発展を遂げてい
る。このような努力の結果として注入型レーザダイオー
ドの品質が向上したことにより、高精度のコヒーレント
光走査システムに必要とされるコヒーレントな長さおよ
び波長の同調レンジが可能になっている。注入型レーザ
ダイオードが小型であることと、技術度の高い集積型光
学アセンブリの実現によって従来品に比べて精度および
信頼度が桁違いに高くしかも低価格である、小型精密走
査センサが新たに開発できるようになった。
本発明で使用するコヒーレント光検出の基本概念はFM
CWレーダ原理に基く。FM光源が連続放射線を生成し、
これがターゲットに照射される。光源光線から局部発振
器光線が誘導されて、光検出器に照射される。ターゲッ
トからの反射光も光検出器に照射される。この光検出器
は光源から直接来るエネルギーの他ターゲットから反射
されるエネルギーも受けるので、間隔Δｆに亘つて周波
数を掃引するに従って干渉うなりが検出される。干渉う
なりの速度は、周波数間隔の大きさ以外にレンジの関数
となる。この技術により、ターゲットに関する大量の情
報を反射光線から誘導することが可能になる。
Falk et al.に付与された米国特許第4,611,912号にコ
ヒーレント光検出システムの一例が記載されている。Fa
lk et al.の第4,611,912号特許はターゲットまでの距離
およびターゲット速度を光学的に測定する方法と装置に
ついて記載している。Falk et al.特許では、レーザダ
イオードが直線偏光、振幅変調された（周波数変調され
た副搬送波による）光源光線を提供する。光源光線が偏
光依存型ビームスプリッタに照射され、ビームスプリッ
タがこれをターゲットに向かって反射する。ビームスプ
リッタとターゲットとの間に四分の一波長リターデイシ
ョン板が配設されており、これが直線偏光光源光線を右
回りに円偏光した光放射に変換する。四分の一波長板と
ターゲットとの間には局部発振器反射板が設けられてお
り、光源光線のほぼ１％をビームスプリッタに反射して
帰還させると共に、光源光線のほぼ99％をターゲットに
向かって通過させる。ターゲットからの反射光と局部発
振器光線とが、これによって右回りの円偏光放射から左
回りの円偏光放射に変換される。その後これらのビーム
が四分の一波長板を再び通過し、それによって直線偏光
光線に変換される。これら直線偏光光線が偏光ビームス
プリッタを通過し、集光光学レンズによりPINダイオー
ド上に集光される。従って局部発振器光線と帰還光線が
どちらも同一方向に直線偏光され、同じ光軸に沿って照
射されることになる。こうしてPINダイオードが、局部
発振器光線とターゲットからの反射光線とを含む光学的
に混合された信号を検出する。
しかし、Falk et al.の4,611,912号特許のシステム
は、光学部品間で緻密な整合を行なわねばならないと言
う欠点がある。即ち使用可能な信号を獲得できるように
するには、レーザダイオード、ビームスプリッタ、四分
の一波長板、局部発振器反射板、PINダイオードを綿密
に調整する必要がある。そしてこのような精密調整を行
なうことで温度変化や機械的衝撃によるシステムの劣化
が早まる結果となる。さらにFalk et al.の4,611,912号
特許は、距離および速度の測定装置を提供するに過ぎな
い。このようなシステムでは走査部品を付け足さなけれ
ばならず、それによって上述のような光整合感度の問題
がさらに深刻化するため、走査ビジョンシステムに適合
させるのは難かしいと思われる。
Falk et al.の米国特許第4,594,000号も、ターゲット
までの距離とターゲットの速度を光学的に測定するシス
テムを開示する。このシステムはFalk et al.の4,611,9
12号特許にやや類似しているが、基準アームを用いて距
離と速度の測定をより精密に行なえるようにしたのであ
る。即ち偏光依存型ビームスプリッタと四分の一波長板
と局部発振器反射鏡とを含む基準アームに、FM光源光線
を当てる構成となっている。この場合も局部発振器反射
鏡が局部発振器光線を反射して、ビームスプリッタを介
してPINダイオードに帰還させる。基準光源光線は局部
発振器反射鏡を通過して、長さが既知であり先端部に反
射素子を備える光繊維に入ることができる。前記反射素
子に反射された基準光源光線は光繊維コイルを通って戻
り、PINダイオードにおいて局部発振器光線と混合され
る。ターゲットと基準アームからの両出力信号の周波数
に代表的な数値を判定するための手段が設けられてい
る。次にプロセッサを使用して、光源と基準光学ヘテロ
ダインシステムの両方から誘導した代表的周波数値か
ら、ターゲット距離およびターゲット速度を算出する。
このシスムは速度および距離の測定では非常に高い精度
を達成できるが、Falk et al.の第4,611,912号特許と同
じく光学系整合感度の問題がある。
従って、実用的な三次元走査ビジョンシステムを実現
するためには、光学系整合感度の非常に低い光検出シス
テムが必要である。
発明の概要 本発明は上述のような先行技術の問題点を克服した実
時間式高解像三次元走査ビジョンシステムを提供する。
明確には、本発明は周波数変調光源および基準アームを
必要としない光学ヘテロダイン検出システムと、光学ア
ライメント感度を低下させる（ピールオフ）技術を併用
した局部発振器とを提供する。
本発明による実時間式高解像三次元光走査システム
は、光源光線を提供する光源を含んで成る。ビームスプ
リッタが光源光線を受光して、それをターゲットに向か
う信号光線と光検出器に向かう局部発振器光線とに分割
する。次に四分の一波長リターディション板が信号光線
の偏光状態を変換する。ターゲットから反射された信号
光線は偏光状態が逆になり、帰還光線として帰還する。
帰還光線が四分の一波長板を通過する時に、その偏光状
態が再び変換される。帰還光線はその後ビームスプリッ
タにおいて反射されて第２の四分の一波長リターディシ
ョン板に向かい、そこで再びその偏光状態が変換され
る。この光線が次に再帰反射器に照射され、再帰反射器
が光線の偏光状態を再び反転した後第２の四分の一波長
リターディション板に再び帰還する。最終的に第２の四
分の一波長リターディション板が帰還光線を局部発振器
光線と同じ偏光状態に変換し、かつ帰還光線を局部発振
器光線と同じ光軸に沿って光検出器に向かって出射す
る。
従って光検出器はどちらも同じ偏光状態を有する局部
発振器光線と帰還光線とを混合した光信号を受信する。
光検出器から出された出力信号がプロセッサに与えら
れ、プロセッサが帰還光線の中に含まれる情報を引き出
す。
走査手段はターゲット全体に信号光線を走査できるよ
うに第１の四分の一波長リターディション板より下流側
に配設される。また、走査手段はターゲット全体の像を
引き出せるようにプロセッサによって制御される。
光源手段は周波数変調した光源光線を提供するものが
好適である。また光検出器は、既知のアバランシェ光検
出器より優れた検出を行なえるPINダイオードとするの
が好適である。
再帰反射器を用いることによって帰還光線と局部発振
器光線とを確実に共直線的にできるため、細かい光学系
アラインメントは不要となる。また再帰反射器を用いる
ことによって偏光プリズムの入射角の調整が可能となる
ため、プリズムを回転させるだけで信号光線と局部発振
器光線との間の分割比を選択することが可能となる。し
かし反射は全て同一のビームスプリッタ界面で行なわれ
るため、これによって混合効率に影響が出ることはな
い。
特に有効な具体例においては、レーザダイオードと、
PIN検出器とビームスプリッタと、四分の一波長板と再
帰反射器との全てが小型ハウジングの中に一体的に装着
される。このように一体的に装着することによって、温
度変化や機械的衝撃等による光学的劣化が防止される。
またこのような小型アセンブリが、製造や保守および設
計の面で有利であることは明白である。
従って、本発明はロボット用視覚装置、材料管理、品
質管理検査、身体保護システム、軍用および宇宙用ロボ
ット等の広範囲の用途において有効に使用できる実時間
式高解像三次元ビジョンシステムを提供する。
次に本発明の現時点で好適とされる具体例について詳
細に説明するが、添附図面と合わせて参照することによ
り、本発明の特徴がより理解し易くなるであろう。
好適具体例 本発明は高速走査式の三次元光学ビジョンシステムに
係る。256×256の画素から成るフィールドおよび256の
レンジビンを毎秒ほぼ10フレームのフレーム速度で写像
することができる。レーザダイオードおよび光検出器の
技術改良により、本発明を用いると毎秒60フレームのフ
レーム速度を達成することも可能である。
注入型レーザダイオードを用いたコヒーレント光検出
は高精度の（ほぼ0.0001インチ）レンジ測定を行なうこ
とができるが、極めて高い精度を達成するためには各画
素の滞留時間が長くなるため、フレーム速度を高くする
ことはできない。レンジ分解能を緩めると直ちにフレー
ム毎に必要な写像時間の短縮につながる。このような構
成は有効な三次元ビジョンシステムを提供はするが、そ
の動的要件はより早いフレーム速度を要求する。256個
のレンジセルを有する連続データストリームの場合は、
毎秒60フレームのデータ速度は毎秒32メガビットに当た
る。従って各フレームの記憶には66キロバイト必要であ
る。このようなシステムの場合、写像したいターゲット
領域の大きさがほぼ1m×1mで深さが1mとすると、毎秒39
0万画素の画素速度を達成できる。このようなシステム
では、画素の大きさはほぼ4mm×4mmとなりレンジ解像力
は4mmである。
第１図を参照しながら本発明の基本構成部品について
説明する。三次元ターゲットを曲面ＸとＹで示してい
る。好適具体例では、曲面Ｙの寸法がほぼ1m×1mであ
る。システムのレンジ解像力ΔＲも1mであるため、容積
1m3のところからターゲット情報を引き出せることにな
る。
スキャナ光学素子２がターゲットの体積全体を光源光
線４で走査する。光源光線は、１回に１画素ずつ（より
適切に言うと１声素ずつ）ターゲット体積を走査する。
スキャナ光学素子２はスキャナ制御用電子部品６によっ
て制御されており、方位角φおよび仰角θの変化を利用
して光源光線４でターゲット体積全体を走査する。この
分野における技術を有する者であれば、本発明の範囲の
中で多くの走査技術を利用できることを認識できるであ
ろう。例えば蛇行式走査パターンやラスター走査パター
ンも使用可能である。走査の制御に関する詳細説明は後
に行なう。
レーザヘッド８が、スキャナ光学素子２に光源光線を
照射する。レーザヘッド８は、光源光線を変調する働き
をするレーザ駆動装置10によって駆動される。好適具体
例では、レーザ駆動装置10が光源光線に周波数変調を与
える。
温度制御器12がレーザヘッド８を安定化する働きを
し、安定した光源光線が提供されるようにする。
ターゲットから反射した帰還光線は、レーザヘッド８
を通って受信機回路装置14に帰還する。受信機回路装置
14には、受信機ECL回路16と受信機RF回路18を含ませる
ことができる。このような回路装置の構造と機能につい
ては関係分野で周知であるため、ここでは詳しい説明を
省略し、ECL回路とRF回路を併用することによって、小
型でしかも効率のよい受信信号処理用副システムが得ら
れると言うにとどめる。
制御システムマイクロプロセッサ20は、システムの制
御と共に利用者インタフェース副システム22に使用可能
な信号を出力する働きをする。従ってマイクロプロセッ
サ20は、スキャナ制御電子部品６を介して光源光線の走
査を制御する。制御システムマイクロプロセッサ20はま
たレーザ駆動装置10も制御して、光源光線に適切な変調
を行なう。また該マイクロプロセッサは、受信機回路14
を制御すると共に該回路からの出力信号を受信する働き
もする。最後に、制御システムマイクロプロセッサ20
は、緩衝記憶装置24を含む利用者インタフェース22に使
用可能信号を出力する。当業者には、この利用者インタ
フェース副システム22の中に色々な利用者装置を内蔵で
きることが理解されよう。例えば、表示ゼネレータ26か
らモニタ28へイメージデータを与えるようにすることが
できる。同様に、コンピュータインタフェース30を緩衝
記憶装置24に結合して、NC（数値制御）ロボットの制御
装置のような別の処理システムに使用可能信号を提供す
るようにもできる。
第2Aおよび2B図は好適具体例のより詳細なブロック図
である。第2A図において、光学ヘッド制御装置32の中に
温度制御器12とセンサ光学素子34が含まれる。センサ光
学素子34は第１図のレーザヘッド８を含む。温度制御器
12は、センサ光学素子34の安定動作を維持するために使
用される。
第2A図はまた、センサ光学素子34を駆動する送信機部
36を示す。送信機部36は、ディジタル・アナログ変換器
38から受信するレーザ駆動器10を含み、ディジタル・ア
ナログ変換器38はタイミングゼネレータ40により駆動さ
れる。タイミングゼネレータ40の制御は、制御マイクロ
プロセッサ20（第2B図に示す）によって行なう。ディジ
タル・アナログ変換器38も波形記憶装置42から送信され
ており、該装置42は、データインタフェース44を介して
マイクロプロセッサ20によって制御される。
このシステムの画素速度はレーザ駆動器10によって決
定される。レーザ光源のFM掃引毎にレーザ駆動器10が水
平カウンタ（不図示）にパルスを送出すると共に、水平
カウンタは掃引が終了する毎に垂直カウンタ（不図示）
にパルスを送出する。このようなカウンタを用いて水平
ファセットホイール46および垂直検流計スキャナ48（第
2B図参照）を制御して、記憶装置のアドレスレジスタの
アドレス設定を行なうことができる。
第2B図を参照すると、スキャナ光学素子２に光源光線
が照射される。スキャナ光学素子２は水平走査を制御す
るファセットホイール46と垂直走査を制御する検流計ス
キャナ48を含むことができる。但し、当業者には理解さ
れるように、この他にも様々な機械的、電子走査装置を
用いて光源光線にターゲットの走査をさせることができ
る。例えば、本発明は単モードレーザを包含するもので
あるため、ホログラフィックスキャナを用いることもで
きる。概略的には、本発明の走査方法は次のように説明
できる。
１画素を直径ｄ、面積d2、厚さδＲの照明スポットと
定義できる。ここでδＲはレンジ解像力として定義され
る。フレームは全体的寸法がＸ、Ｙで厚さがΔＲ（レン
ジの厚さ）の任意の表面と定義できる。従ってフレーム
中の画素数は（XY）/d2となる。レンジ精度は、ｎを画
素１つあたりのカウント数とすると、 δＲ＝C/（４Δｆ）＝R/2n と定義できる。従って時間のレンジは、＝係数速度と
すると、次のように算出できる。
τｒ＝n/＝R/2δＲ 画素時間は、τｓ＝ステップ時間とすると次のように
算出できる。
τｐ＝τｒ＝τｓ＝（R/2δＲ）＋τｓ 従ってフレーム時間Ｔは次のように算出できる。
Ｔ＝（XY/d2）×（（R/2δＲ）＋τｓ） 以上の概数から想定される光学ヘテロダインフリンジ
の計数速度または信号周波数fsはほぼ300MHzである。
ここに提案した信号周波数の測定方法は、出力帯域を画
素の帯域と適合させた周波数弁別回路を使用したもので
ある。各画素位置およびレンジを符号化することができ
る。256個のレンジセルを有する連続データストリーム
の場合、毎秒４フレームのデータ速度は毎秒２メガビッ
トに当る。従って各フレームの記憶に必要なのは66キロ
バイトである。
現時点では、本発明は画像化したいターゲットに応じ
て低速走査または高速走査技術を使用できると考えられ
る。低速走査並びに高速走査システム用の走査光学素子
に対する要件はそれぞれ異なる。低速走査の要件はＸ−
Ｙ検流計で満足できるが、高速走査の要件はスピンファ
セットホイールまたは共振発信器の何れかを必要とす
る。鏡と検流計は機械的慣性を有するため、ビームを１
つの画素から別の画素へ移動させるのにステップ時間が
必要である。ビームが常に一度にビーム１本分しかステ
ップしないような走査方法を選択することで、ステップ
時間を最小化できる。このような走査システムは、水平
および垂直走査からのフライバックステップを無くして
蛇行形走査とすることにより実現可能となる。蛇行形走
査ラスタは、テレビジョン表示装置と直ちには両立し得
るものではない。画素時間を４マイクロセカンド、走査
フィールドを256×256＝65,356画素とすると、低速走査
の画素速度は262,144になると推定される。従ってフレ
ーム（フィールド）速度は毎秒４フレームである。とこ
ろが像を緩衝記憶装置に記憶させる時、水平走査線が１
本毎に逆シーケンスになるように記憶させる。ために１
つの完全な走査シーケンスは、２つのフレームから構成
される。第１フレームは右上から左下へ蛇行走査される
のに対し、第２フレームはこのパターンを逆になぞって
行く。画像の記憶には周知の記憶技術が、用いられる。
上述の走査方法は従来のテレビジョン形式のラスターで
走査したかに見えるコンピュータイメージを生成する効
果がある。従って市販のビデオ表示ゼネレータを用い
て、ビデオモニタ上に表示されるRS−170とコンパチブ
ルなビデオを生成することができる。
蛇行形走査を行なうのに必要な回路装置は容易に構成
することができる。８ビット計数器によって、各水平走
査線内にある画素を計数することができる。同様に第２
の８ビット計数器が、偶数および奇数フレームのトラッ
クをたどる。ＸおよびＹ位置計数器の出力が１組のXOR
ゲート（不図示）に送られ、該ゲートが位置指数を補数
化する。Ｙアドレス計数器の最下位ビットを用いて、奇
数走査のＸアドレスの反転を制御する。これと同様にフ
レーム計数器を用いて、奇数番号のフレームのＹアドレ
スを反転する。こうして得たＸ−Ｙ走査シーケンスを、
スキャナの位置制御と対応画素の記憶アドレスの制御に
使用する。
代替的走査パターンとして高速走査パターンがある
が、このパターンはビジョンシステムの速度を毎秒ほぼ
60フレームまで向上できる。従って１つの走査システム
が、著しい変更なしに低速走査にも高速走査にも可能で
あると考えてよい。高速走査の場合、水平走査パターン
がレーザ駆動回路装置からの画素タイミング信号と同期
化したファセットホイールまたはホログラフィックホイ
ールによって生成できる。モジュロ256クロックが、ス
ピン式ファセットホイールスキャナの走査同期化入力に
送られる。スキャナは、実質上瞬間的（１画素時間以
下）のフライバック時間で均等な左から右への走査パタ
ーンを生み出す。個々の走査線の中で計数する８ビット
計数器も、制御プロセッサに伝達される16ビット画素ア
ドレスの最下位部分として使用される。水平画素計数器
の桁上げ出力を用いて、垂直走査計数器を解除すること
ができる。８ビット計数器が制御プロセッサへの画素ア
ドレスの最上位部分として使用されると共に、従来形式
の検流計スキャナを駆動して垂直走査を行なわせる。し
かし常に左か右への走査を行なう水平走査とは異なり、
垂直スキャナは上から下への走査パターンと下から上へ
の走査パターンを行なうため、１回に１画素以上増分し
て移動する必要はない。
第2B図に戻ると、スキャナ光学素子２の制御はスキャ
ナ制御装置６によって行なわれることが分かる。スキャ
ナ制御装置６はフェセットホイール46を駆動する電動機
制御装置50を含む。電動機制御装置50はタイミングゼネ
レータ40を介して制御マイクロプロセッサ20によって制
御される。検流計スキャナ48は、スキャナインタフェー
ス54の制御を受ける検流計駆動器52によって制御され
る。スキャナインタフェース54はマイクロプロセッサ20
によって制御され、アドレスシーケンサー56およびファ
セットホイール46から受信する。
第2B図にはまた、所定のビジョンシステムのホストプ
ロセッサに制御マイクロプロセッサ20を接続するのに使
用されるIEEE−488インタフェース58も示されている。
第2B図には表示ゼネレータ26も示されている。表示ゼ
ネレータ26は、やはり制御マイクロプロセッサ20の制御
を受けるイメージ記憶装置60を含み得る。画像記憶装置
60も、同期化ゼネレータ64で制御されるアドレスシーケ
ンサー64から受信する。画像記憶装置60の出力はDMAチ
ャネル66に送られ、このチャネル66は８ビットのディジ
タルデータ出力を提供することができ、および／または
ディジタル・アナログ変換器68に送信することができ
る。該変換器68はRS−170アナログビデオ出力を提供す
る。
光源光線はターゲットから反射された後、検出処理用
のセンサ光学素子34に戻る。再び第2A図を参照すると、
センサ光学素子34からの電気出力がRF（無線周波数）部
70に送られる。より明確には、電気信号が増幅器72に送
られ、次にRF増幅器74に送られる。その後増幅信号がミ
キサ76に送られ、ミキサはこれを局部発振器78からの局
部発振器信号と混合する。次に混合信号が中間周波数
（IF）増幅器80に送られて増幅される。IF信号はその後
振幅制限器82と弁別器84に周知の方法で進む。次に弁別
器84の出力がベースバンド回路装置86に供給される。よ
り明確には、弁別器84の出力がビデオ増幅器88に送ら
れ、該増幅器88が信号を増幅し、整合フィルタ90に供給
する。整合フィルタ90も送信機部36にタイミングゼネレ
ータ40によって制御される。整合フィルタ90の出力がサ
ンプルホールドA/D変換器92に供給される。次にディジ
タル化信号が、DMA（ダイレクトメモリアクセス）チャ
ネル94を介して画像記憶装置60（第2B図参照）に供給さ
れる。このようにして、画像記憶装置60が、ターゲット
上で走査された各画素に関する情報を受信する。従って
第2A図と第2B図は、本発明による三次元走査システムの
一例を示したものである。
次に第３図を参照してセンサ光学素子34についてより
詳細に説明する。センサ光学素子34は、センサヘッドの
アラインメント感度が大幅に小さくなるように局部発振
器光線を提供する独特の方法を組入れたものである。コ
ヒーレント光学ビジョンシステムが機能するためには、
帰還光線と局部発振器光線を混合する必要がある。混合
効率は２つのビームの曲率半径がどの程度密に整合され
ているか、偏光のアライメントがどの程度よく行なわれ
ているかにより決定される。先行技術のシステムでは、
信号光線の焦点中心を変えるために臨界的な光学調整を
少なくとも２回個別に行なう必要があった。これはズー
ム焦点システムをほぼ不可能にした。調整の臨界的性質
はシステムを不安定にし、アラインメントを保つことが
非常に困難であった。本発明は独自の局部発振器ピール
オフ装置を含んでおり、この装置は微妙な光学調整を必
要とせず、焦点を変える際にも再調整の必要はない。本
発明のシステムは光学アラインメントに関しても極めて
安定している。
本発明の一具体例によると、注入型レーザダイオード
100が単モードの直線偏光光源光線を提供する。例え
ば、光源光線は第３図に示したように水平に偏光するこ
とができる。まず光源光線をコリメータレンズ102によ
って平行にする。平行化、水平偏光光源光線は次に偏光
ビームスプリッタ104を通過する。偏光プリズム立方体
の構成に使用されている薄膜誘電体被膜が本来不完全で
あるために、偏光ビームスプリッタ104において局部発
振器光線が生成される。
レーザ偏光状態の光の部分が、ビームスプリッタを通
過するよりもむしろ反射される。
こうして水平偏光された局部発振器光線が偏光ビーム
スプリッタ104において偏向されて、収束レンズ手段108
を介して光検出器106に向かう。信号光ビームは偏光ビ
ームスプリッタ104を通過して四分の一波長板110に向か
う。四分の一波長板が、水平偏光光源光線を例えば右回
りの円偏光光ビームに変換する。その後円偏光光源光線
は収束光学素子114によってターゲット112上に焦点合わ
せされる。ターゲット112が拡散面でもよいことに注目
されたい。また、収束光学素子114をレンズ１つとして
も、あるいは組レンズ（望遠鏡等）としてもよいことに
も注目されたい。円偏光光ビームはターゲットから反射
されると、その円回転方向が反転する。従って、収束光
学素子114に捕えられたターゲットによる反射光は光源
光線と反対の方向、例えば左回りに円偏光される。収束
光学素子114が帰還光線を平行にする働きもすることに
注目されたい。
平行にされた帰還光線は再び四分の一波長板110を通
過し、そこで光源光線に対して垂直な直線偏光状態、例
えば垂直偏光に戻される。この光の大半はこの後偏光ビ
ームスプリッタ104によって反射され、四分の一波長板1
16に向かう。
四分の一波長板116が直線帰還偏光を円偏光光線に、
例えば垂直偏光状態から左回りの円偏光光線に変換す
る。
円偏光された光線は、次に例えば再帰反射プリズム11
8から成る再帰反射器によって反射される。再帰反射プ
リズム118の軸を局部発振器光線の光軸と一致させるこ
とにより、帰還信号と局部発振器光線共直線的になるた
め、綿密な光学アラインメントは不要である。
再帰反射プリズム118から反射された光線が、入射光
線と逆方向、例えば右回りに円偏光される。この帰還光
線が再び四分の一波長板116を通過し、ここで局部発振
器光線と同じ直線偏光状態、例えば水平偏光に変換され
る。次にこの光線が偏光ビームスプリッタ104を通過し
て、そこで混合が生じる。プリズムのインタフェースが
２つのビームの混合地点であり、どちらの光線もこの地
点で平行にされしかも同じ偏光状態にあるため、完全な
混合が保証される。光線の混合によって色々な光学干渉
パターンが生み出されるが、光検出器106はこれを使用
してターゲットに関する詳細な情報を引き出す。即ち混
合光線が光検出器106上に結像されて、光検出器によっ
て光学干渉パターンから電気信号に変換される。この電
気信号はホストプロセッサが理解し得るレンズ数に変換
することができる。
第３図に示した装置を使用するもう１つの利点は、偏
光ビームスプリッタ104の損失が入射角によって決まる
ところが大きい点にある。この特長を利用して、偏光ビ
ームスプリッタ104を回転させるだけで、光源光線と局
部発振器光線との間の分割比を選択することができる。
全ての反射が同じインタフェースで行なわれるため、こ
れによって混合効率が影響を受けることはない。四分の
一波長板と再帰反射器と収束光学素子と光検出器とをビ
ームスプリッタの回転角度の約２倍回転させて、光学素
子の中心にビームを保持して収差を小さくするようにす
る。
第３図の光学系で唯一の臨界的調整を行なうのがレー
ザの平行化である。この平行化は比較的容易に高い安定
度をもたせて達成することができる。その後システムは
温度とは無関係に適正なアライメントを維持する。機械
的応力も、このシステムにほとんど影響を及ぼさない。
部品の転置をした場合も大抵は、再帰反射器が自己整合
特性をもつことと、偏光プリズムの単一インタフェース
で混合を行なうこととで補償される。
第３図の光学整合が簡単であり、その性能へは決定的
重要性がないため、主要部品を一体的に装着して（例え
ば光学エポキシ等を用いて）、システムを頑丈かつ小型
化することができる。第４図はこのような頑丈で小型の
一体部品を示す。
第４図は、レーザ100と、光検出器106と、レンズ10
2、108、114と、四分の一波長板110、116と、再帰反射
器118とを一体的に装着した一体形ハウジングアセンブ
リ120を示す。光学ヘテロダイン検出法と再帰反射器118
とを使用することにより、光学アパーチャ（レンズ114
の口径）を非常に小さくでき、従って非常に小型の装置
を構成できる。第４図の小型アセンブリは、一体形ハウ
ジング120を封止する前にレンズ100とレンズ102の光学
アライメントを容易に行なうことができるため、大量生
産に完全に適合する。このように、三次元走査ビジョン
システムのセンサ光学素子部は極めて確実にかつ小型に
構成できる。
当業者なら代替的な具体例が幾つかあることに容易に
気付くであろう。例えば、光検出器16は光導電体、PN光
検出器およびアバランシェ光検出器、光増幅器、光学的
共振空胴検出器、パイロ電気検出器その他の周知の光線
検出手段とすることができる。現在のところPIN検出器
の感度が最高であるのでPIN検出器を好適とする。しか
し本発明を他の用途に使用する場合は別種の検出器を含
んでもよい。
また当業者が容易に理解されるように、第３図の具体
例を本発明の教示事項や特許請求の範囲から逸脱なしに
変更できよう。例えば、偏光ビームスプリッタ104のイ
ンタフェースを第３図のものからほぼ90度のところに置
いて、局部発振器光線が再帰反射器118に向かうように
できる。この時再帰反射器118は局部発振器光線を反射
して、偏光ビームスプリッタ104から検出器106へとビー
ムを帰還させる。これに対して信号ビームは偏光ビーム
スプリッタ104を通過し、ターゲット112から反射されて
偏光ビームスプリッタ104に戻り、今度はそこから検出
器106に向かって反射される。上述の代替構成の場合で
も、第３図の構成と同じ利点を達成できることは無論で
ある。
さらに別の選択的具体例を第５図に示す。第５図では
レーザ光源100がコリメートレンズ102を介してビームス
プリッタ104に向かう偏光光線を提供する。ビームスプ
リッタにおいて、信号光線がターゲット112に向かって
反射される一方、局部発振器光線はビームスプリッタ10
4を通過して検出器106に向かう。即ち局部発振器光線は
レーザ光源100から検出器106まで直接伝播する。
ビームスプリッタ104において、信号光線がビームス
プリッタの界面から反射されてターゲット112に向か
う。偏光された信号光線が四分の一波長板110を通過し
て、そこで例えば右回りに円偏光される。円偏光された
信号光線は、その後レンズ114によりターゲット112上に
合焦点される。
ターゲット112から反射された光は、入射信号光線と
反対の向きに偏光された帰還光線として反射される。例
えば左回りに円偏光された光線がターゲット112から反
射されてレンズ114を通り、四分の一波長板110に向か
う。四分の一波長板110において左回りの円偏光光線が
偏光に変換され、ビームスプリッタ104に向かう。偏光
された帰還光線はビームスプリッタ104を通過し、四分
の一波長板116によって円偏光された後再帰反射器118に
向かう。再帰反射器118が円偏光の向きを反転し、帰還
光線を四分の一波長板116に戻す。ここで帰還光線は偏
光に変換される。次に偏光がビームスプリッタ104のイ
タフェースから反射されて検出器106に向かう。この場
合も局部発振器光線と帰還光線の偏光状態が同じにな
る。
第５図からさらに別の構成を容易に想起できる。もし
偏光ビームスプリッタ104にインタフェースを90度回転
すると、信号光線は最初に再帰反射器118に向かって偏
向される。反射後に信号光線がビームスプリッタ104を
通過してターゲット112に向かう。ターゲットから反射
された帰還光線は、ビームスプリッタ104のインタフェ
ースから反射して検出器106に向かう。この場合も四分
の一波長板の機能は上述の場合と同じである。こうして
局部発振器光線と帰還光線の両方が同じ偏向状態で検出
器106に入射する。
第５図の装置も第４図に示したように小型で頑丈なハ
ウジングの中に装着できることは容易に理解されよう。
当業者は容易に想像できることと思うが、このような代
替的構成の全てが再帰反射器の使用している他、色々な
光線の偏向状態を操作するのに必要な特徴を同じくす
る。このような代替的構成も全て特許請求の範囲の中に
包含される。
ビームスプリッタ手段も上述のように任意の光線分割
装置とすることができる。例えばビームスプリッタプリ
ズム、結合器、またはへき開した光繊維ケーブル構造も
本発明で使用できる。また、再帰反射器は立方体反射
器、複数の立方体反射器の他、光線をその光軸に沿って
帰還させる働きをする同等の構造とすることができる。
このような同等構造物を全て、特許請求の範囲の中に包
含されるものとする。
上述の三次元ビジョンシステムの全体的な性能を決定
するのはFM掃引、レーザ光源の幅および速度、そして電
子部品の速度である。光学技術開発の進展に伴なってこ
れらのパラメータが向上することが期待される。即ち電
子的に同調可能な注入型レーザダイオードのようなより
進んだ光学部品が開発されるのに伴なって、ビジョンシ
ステムのレンジ、精度および速度がさらに向上すること
が期待される。熱的に励起のレーザを使用した場合、本
発明は毎秒４フレームのフレーム速度とすることができ
る。電子的に同調するレーザダイオードを使用すれば、
毎秒60フレームに近いフレーム速度を達成することもで
きる。当業者には理解されるように、本発明の開示事項
は現在開発中のと将来開発されるであろう光学部品に適
用し得ることは無論である。
以上、実時間で高品位画像を生成し得る三次元ビジョ
ンシステムについて説明して来た。ここでは現時点で最
も実用的で好適と思われる具体例に関連して本発明の説
明を行なったが、本発明はここに開示の具体例に限定さ
れず、逆に特許請求項の主旨およびその範囲に含まれる
各種の変更や同等の構成も包含するものとする。特許請
求の範囲はこのような変更や同等構成の全部を包含する
ように最も広く解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による全体的システムを示すブロック
図、第2Aおよび2B図は好適具体例のより詳細なブロック
図、第３図は好適具体例によるセンサ光学素子を示す概
略図、第４図は好適具体例の一変形例として一体的に装
着された光センサ副システムを示す平面図、第５図はセ
ンサ光学素子の代替的具体例を示す。 ２……スキャナ光学素子、４……光源光線、 ８……レーザヘッド、10……レーザ駆動装置、 14……受信機回路装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 米国特許4188122（ＵＳ，Ａ) 米国特許4611912（ＵＳ，Ａ)

Claims (23)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ビジョンシステムであって、 第１偏光状態を有する光源光線を提供する光源と、 （ａ）前記光源光線をどちらも前記第１偏光状態を有す
    るターゲット光線と基準光線とに分割し、（ｂ）前記タ
    ーゲット光線を第２偏光状態に変換してそれをターゲッ
    トに向かって出射し、（ｃ）前記ターゲットから反射さ
    れて第３偏光状態の帰還光線を受光し、（ｄ）前記帰還
    光線と前記基準光線のいずれか一方の偏光状態を変換し
    て前記帰還光線と前記基準光線の偏光状態を同じにし、
    （ｅ）同一偏光状態の基準光線および帰還光線を光軸に
    沿って出射するビームスプリッタ手段と、 前記基準光線と前記ターゲット光線と前記帰還光線のい
    ずれか１つを前記光軸に沿って反射する再帰反射器手段
    と、 前記同一偏光状態の基準光線および帰還光線の光学的ヘ
    テロダイン検出を行ない、前記ターゲットに関する情報
    を含む出力信号を提供する検出器手段と、 前記ターゲット全てにわたって前記ターゲット光線を走
    査する走査手段と、 前記ターゲットを制御する処理手段とを含んで成るビジ
    ョンシステム。
  2. 【請求項２】前記ビームスプリッタ手段が、 前記光源光線を分割するビームスプリッタ装置と、 前記ビームスプリッタ装置と前記ターゲットとの間で光
    結合されており、前記信号光線および前記帰還光線の偏
    光状態を変換する第１の四分の一波長手段と、 前記ビームスプリッタ装置と前記再帰反射器との間で光
    結合されており前記基準光線と前記ターゲット光線と前
    記帰還光線のいずれか１つの偏光状態を変換する第２の
    四分の一波長手段とを含んで成る、特許請求の範囲第１
    項に記載の装置。
  3. 【請求項３】前記光源光線を平行にしてそれを前記ビー
    ムスプリッタ装置に向かって出射する第１のレンズ手段
    と、 前記ターゲット光線を前記ターゲット上に焦点合わせす
    る第２のレンズ手段と、 前記基準光線および前記帰還光線を前記検出器手段上に
    焦点合わせする第３のレンズ手段とをさらに含んで成
    る、特許請求の範囲第２項に記載の装置。
  4. 【請求項４】前記光源手段と、前記ビームスプリッタ装
    置と、前記検出器手段と、前記第１および第２の四分の
    一波長手段と、前記第１、第２および第３のレンズ手段
    とを一体的に支持する一体ハウジング手段をさらに含ん
    で成る、特許請求の範囲第３項に記載の装置。
  5. 【請求項５】前記光源手段が、 前記光源光線を提供するレーザダイオード手段と、 前記光源光線の掃引周波数変調を行なうレーザ駆動器手
    段とを含んで成る、特許請求の範囲第１項に記載の装
    置。
  6. 【請求項６】前記走査手段が、 前記ターゲット光線を第１方向で走査するファセットホ
    イール手段と、 前記ターゲット光線を第２方向で走査する検流計手段と
    を含ん成る、特許請求の範囲第１項に記載の装置。
  7. 【請求項７】前記走査手段がホログラフィックスキャナ
    を含む、特許請求の範囲第１項に記載の装置。
  8. 【請求項８】前記検出器手段がPIN検出器を含む、特許
    請求の範囲第１項に記載の装置。
  9. 【請求項９】前記処理手段が前記検出器手段からの出力
    信号を受信し、かつ前記ターゲットに関する256×256×
    256ボリュームの情報を記憶する手段を含む、特許請求
    の範囲第１項に記載の装置。
  10. 【請求項１０】第１偏光状態を有する光源光線をターゲ
    ット光線と基準光線に分割すると共に、ターゲットから
    反射された帰還光線の偏光状態が前記基準光線と同じに
    なるようにする光学装置であって、該装置が、 （ａ）前記光源光線をどちらも前記第１偏光状態を有す
    る前記ターゲット光線と前記基準光線とに分割し、
    （ｂ）前記ターゲット光線を第２偏光状態に変換してそ
    れをタ前記ーゲットに向かって出射し、（ｃ）前記ター
    ゲットから反射されて第３偏光状態を有する前記帰還光
    線を受光し、（ｄ）前記帰還光線と前記基準光線のいず
    れか一方の偏光状態を変換して前記帰還光線と前記基準
    光線の偏光状態を同じにし、（ｅ）同一偏光状態の基準
    光線および帰還光線を光軸に沿って出射するビームスプ
    リッタ手段と、 前記基準光線と、前記ターゲット光線と、前記帰還光線
    とのうちいずれか１つを前記光軸に沿って反射する再帰
    反射器手段とを含んで成る装置。
  11. 【請求項１１】前記ビームスプリッタ手段が、 前記光源光線を分割するビームスプリッタ装置と、 前記ビームスプリッタ装置と前記ターゲットとの間で光
    結合されており、前記ターゲット光線および前記帰還光
    線の偏光状態を変換する第１の四分の一波長手段と、 前記ビームスプリッタ装置と前記再帰反射器手段との間
    で光結合されており、前記基準光線と、前記ターゲット
    光線と、前記帰還光線とのうちいずれか１つの偏光状態
    を変換する第２の四分の一波長手段とを含んで成る、特
    許請求の範囲第10項に記載の装置。
  12. 【請求項１２】前記光源光線を平行にして前記ビームス
    プリッタ手段に出射する第１のレンズ手段と、 前記ターゲット光線を前記ターゲット上に焦点合わせす
    る第２のレンズ手段と、 前記基準光線および前記帰還光線を前記光軸に従って焦
    点合わせする第３のレンズ手段とをさらに含んで成る、
    特許請求の範囲第11項に記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記光源光線を提供する光源手段と、 前記同一偏光状態の基準光線および帰還光線の光学的ヘ
    テロダイン検出を行ない、かつ前記ターゲットに関する
    情報を含む出力信号を提供する検出器手段とをさらに含
    んで成る、特許請求の範囲第12項に記載の装置。
  14. 【請求項１４】前記光源手段と、前記ビームスプリッタ
    装置と、前記検出器手段と前記第１および第２の四分の
    一波長手段と前記第１、第２および第３のレンズ手段と
    を一体的に支持する一体ハウジングをさらに含んで成
    る、特許請求の範囲第13項に記載の装置。
  15. 【請求項１５】前記ターゲット光線を前記ターゲット全
    てにわたって走査するスキャナ手段と、 前記スキャナ手段を制御し、前記検出器手段からの前記
    出力信号を受信して前記ターゲットに関する三次元情報
    を記憶するプロセッサ手段とを含んで成る、特許請求の
    範囲第13項に記載の装置。
  16. 【請求項１６】第１偏光状態を有する光源光線を基準光
    線とターゲット光線に分割すると共に、ターゲットから
    反射した帰還光線の偏光状態が前記基準光線と同じにな
    るようにする光学装置であって、該装置が、 前記光源光線をどちらも第１偏光状態を有する前記基準
    光線と前記ターゲット光線とに分割し、かつ前記基準光
    線を検出光軸に沿って出射するビームスプリッタ手段
    と、 前記第１偏光状態のターゲット光線を第２偏光状態に変
    換し、かつ前記ターゲットから第３偏光状態で反射され
    る帰還光線を第４偏光状態に変換する第１の四分の一波
    長手段とを含んで成り、 前記ビームスプリッタ手段が前記第４偏光状態の帰還光
    線を反射するように構成されており、該装置がさらに、 反射された第４偏光状態の帰還光線を前記第２偏光状態
    の帰還光線に変換する第２の四分の一波長手段と、 前記第２偏光状態の帰還光線を受光してこれを前記第３
    偏光状態で前記光軸に沿って再帰反射する再帰反射器手
    段とを含んで成り、 前記第２の四分の一波長手段が、再帰反射された帰還光
    線を前記第１偏光状態に変換して前記第１偏光状態の帰
    還光線および基準光線を前記光軸に沿って光学ヘテロダ
    イン混合するように構成されている装置。
  17. 【請求項１７】第１偏光状態を有する光源光線を基準光
    線とターゲット光線に分割すると共に、ターゲットから
    反射される帰還光線の偏光状態が前記基準光線と同じに
    なるようにする光学装置であって、該装置が、 前期光学光線をどちらも第１偏光状態を有する前記基準
    光線と前記ターゲット光線とに分割し、かつ前記基準光
    線を検出光軸に沿って第１方向に出射するビームスプリ
    ッタ手段と、 前記第１偏光状態のターゲット光線を第２偏光状態に変
    換し、前記ターゲットから第３偏光状態で反射される帰
    還光線を第４偏光状態に変換する第１の四分の一波長手
    段とを含んで成り、 前記ビームスプリッタ手段が前記第４偏光状態の帰還光
    線を前記検出光軸に沿って第２方向に反射するように構
    成されており、前記装置がさらに、 前記第１偏光状態の出射基準光線を第２偏光状態の基準
    光線に変換する第２の四分の一波長手段と、 前記第２偏光状態の基準光線を受光してそれを前記第３
    偏光状態において前記光軸に沿って前記第１方向に再帰
    反射する再帰反射器手段とを含んで成り、 前記第２の四分の一波長手段が、前記再帰反射光線を前
    記第４偏光状態に変換して前記第４偏光状態の再帰反射
    光線および基準光線を前記検出光軸に沿って前記第１方
    向に光学ヘテロダイン混合するように構成されている装
    置。
  18. 【請求項１８】第１偏光状態を有する光源光線を基準光
    線とターゲット光線に分割すると共に、ターゲットから
    反射される帰還光線の偏光状態が前記基準光線と同じに
    なるようにする光学装置であって、該装置が、 前記光源光線をどちらも前記第１偏光状態を有する前記
    基準光線と前記ターゲット光線とに分割し、かつ前記タ
    ーゲット光線をターゲット光軸に沿って出射すると共に
    前記第１偏光状態の基準ビームを検出光軸に沿って伝達
    するビームスプリッタ手段と、 前記第１偏光状態のターゲット光線を第２偏光状態に変
    換し、かつ前記ターゲットから第３偏光状態で反射され
    る帰還光線を第４偏光状態に変換する第１の四分の一波
    長手段とを含んで成り、 前記ビームスプリッタ手段が前記第４偏光状態の帰還光
    線を透過伝達するように構成されており、該装置がさら
    に、 第４偏光状態の伝達帰還光線を前記第３偏光状態を有す
    る帰還光線に変換する第２の四分の一波長手段と、 前記第３偏光状態の帰還光線を受光し、かつこれを前記
    第２偏光状態において前記ターゲット光軸に沿って再帰
    反射する再帰反射器手段とを含んで成り、 前記第２の四分の一波長手段が、再帰反射されて帰還光
    線を前記第１偏光状態に変換して前記第１偏光状態の帰
    還光線および基準光線を前記検出光軸に沿って光学ヘテ
    ロダイン混合するように構成されている装置。
  19. 【請求項１９】第１偏光状態を有する光源光線を基準光
    線とターゲット光線に分割すると共に、ターゲットから
    反射される帰還光線の偏光状態が前記基準光線と同じに
    なるようにする光学装置であって、該装置が、 前記光源光線をどちらも前記第１偏光状態を有する前記
    基準光線と前記ターゲット光線とに分割し、前記基準光
    線を検出光軸に沿って伝達し、かつ前記ターゲット光線
    をターゲット光軸に沿って第１方向に出射するビームス
    プリッタ手段と、 前記第１偏光状態の出射ターゲット光線を第２偏光状態
    を有するターゲット光線に変換する第１の四分の一波長
    手段と、 前記第２偏光ターゲット光線を受光し、かつこれを第３
    偏光状態で前記ターゲット光軸に沿って第２方向に再帰
    反射する再帰反射器手段とを含んで成り、 前記第１の四分の一波長手段が再帰反射ターゲット光線
    を第４偏光状態に変換するように構成されており、該装
    置がさらに、 前記第４偏光状態の再帰反射ターゲット光線を前記第３
    偏光状態に変換し、かつ前記ターゲットから前記第２偏
    光状態で反射される帰還光線を前記第１偏光状態に変更
    する第２の四分の一波長手段を含んで成り、 前記ビームスプリッタ手段が、前記第１偏光状態の帰還
    光線を前記検出光軸に沿って出射し、前記第１偏光状態
    の帰還光線および基準光線を前記光軸に沿って光学ヘテ
    ロダイン混合するように構成されている装置。
  20. 【請求項２０】前記検出光軸上に配設されておって、前
    記基準光線と帰還光線の混合光線をコヒーレント光検出
    し、かつ前記ターゲットに関する情報を含む出力信号を
    提供する検出器手段と、 前記光源光線を提供するレーザダイオード手段とをさら
    に含んで成る、特許請求の範囲第16,17,18,19項のいず
    れか１項に記載の装置。
  21. 【請求項２１】前記ターゲット光線を前記ターゲット全
    てにわたって走査する走査手段と、 前記走査手段を制御すると共に、前記検出器手段からの
    前記出力信号を受信して前記ターゲットに関する三次元
    情報を含む画像信号を提供する処理手段をさらに含んで
    成る、特許請求の範囲第20項に記載の装置。
  22. 【請求項２２】前記レーザダイオード手段と前記ビーム
    スプリッタ手段との間で光結合されており、前記光源光
    線を平行にする第１のレンズ手段と、 前記ビームスプリッタ手段と前記ターゲットとの間に光
    結合されており、前記ターゲット光線を前記ターゲット
    上に焦点合わせする第２のレンズ手段と、 前記ビームスプリッタ手段と前記検出器手段との間に光
    結合されており、前記帰還光線と基準光線の混合光線を
    前記検出器手段上に焦点合わせする第３のレンズ手段と
    をさらに含んで成る、特許請求の範囲第20項に記載の装
    置。
  23. 【請求項２３】前記レーザダイオード手段と、前記検出
    器手段と、前記再帰反射器手段と、前記第１および第２
    の四分の一波長手段と、前記第１、第２および第３のレ
    ンズ手段とを一体的に格納する一体形支持手段をさらに
    含んで成る、特許請求の範囲第22項に記載の装置。
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