JP3213003B2 - 乱れた環境における目標表面の光学的距離計測の妥当性検査法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、目標表面での点（複数）の光学的距離計
測のための方法、特に、乱れた環境、すなわち、検知器
により見ることができ誤信号を発生して距離計測を妨げ
るかもしれない、目標表面のほぼ近くにある少なくとも
１つの他の表面、または、他の光源からくる光などの他
の変動要因を含む環境において、そのような距離計測の
妥当性検査（validation）に関する。

背景技術 目標表面の光学的距離計測のために現在よく用いられ
る２つの方法は、それぞれ、標準光学的三角法システム
およびバイリス（Biris（bi−iris））システムとして
公知である。後者は、CCDスチルカメラなどの位置検知
装置を備えた撮像装置の収束レンズシステムにおいて、
開口（aperture）を設けたマスクを使用する。

これらのシステムは、Optomechanical and Electro−
optical Design of Industrial Systems、SPIE 959巻、
1988、225−246頁に出版されたF.Blaisら（88）の“Pra
ctical Considerations for a Design of a High Preci
sion 3−D Laser Scanner System"と、1991年４月９日
〜11日にカリフォルニア州サクラメントでのProceeding
s of the 1991 IEEE Internaitonal Conference on Rob
otics and Automationに出版された同じくF.Blaisら（9
1）の“Optical Range Image Acquisition for Navigat
ion of a Mobile Robot"において説明され比較されてい
る。バイリスシステムは、前に、Journal of the Optic
al Society of America A,3巻、1518頁、1986年９月に
出版されたM.Riouxら（86）の“Compact Three−Dimens
ional Camera For Robotic Applications"、および、19
87年２月24日に発行されたM.Riouxの米国特許第4,645,3
47号に報告されている。これらのすべての文書は、この
参照により本明細書に組み込まれる。

バイリスシステムの長所は、大きさが小さいことと、
距離計測センサの強健さである。他方、三角法システム
は、バイリスシステムより大きな精度を達成できるが、
環境条件に非常に敏感である。これは、よく制御された
環境ではよく作動するが、もっと複雑な状況では失敗す
る。たとえば、もし目標表面が反射性であり、目標表面
の近くの１以上の非目標表面上へ光を反射するならば、
または、もしカメラの視野に入る他の変動要因、たとえ
ば、開いた窓からの反射または光、があるならば、検出
器は混乱し、真の目標表面と他の物体または変動要因か
らの誤信号とを区別できない。バイリスシステムは、測
定値の妥当性検査のために開口を設けたマスクにより導
入される冗長性を用いるので、上記の点では三角法シス
テムより優れている。しかし、大きく乱れた環境では、
両システムとも、誤りを生じる。Blaisら（91）の第２
図は、乱れた環境でそれぞれのシステムにより得られた
像の間の違いを示す。

第１図は、典型的な通常のバイリスシステムの基本的
構成を示す。すなわち、カメラ10は、位置を検知する光
検知器すなわちCCDと、そのレンズシステムにおいて、
２つの開口16（第２図）を有するマスク18を備える。マ
スクの面とレンズの面とは、好ましくは同一であり、以
下ではマスク面という。また、レーザ12も、カメラ10に
取り付けられる。レーザ12は、CWレーザまたはパルスレ
ーザであってよく、後者は、目標表面が移動するとき
に、移動を捕捉するため、特に有用である。レーザは、
（典型的には1mの距離で約1mm以下の幅を有する）収束
するストリップ状ビーム14、または、この薄いストリッ
プ状ビーム14の同等物をなぞるように（Ｙ方向の）１つ
の線にそって上下にスキャンする小さな点ビーム（図示
しない）のいずれかを発生し、これにより縦のビーム面
15を定義する。第２図は、マスク面でのビーム14とマス
ク18内の２つの開口16との間の関係を示す。ビーム面15
は、２つの開口16に対してＸ方向に中央に位置し、すな
わち、２つの開口16を結ぶ線に直交していて、２つの開
口16から等距離にある。希望なら、白熱光源がレーザの
代わりに使用できる。

Rioux特許（第2A図）において説明されるように、こ
のシステムは、この場合にレーザビーム14が点ビームで
あることが要求されるということを受けて、環状開口を
使用できる。環状開口は、環状に分布した多数の開口に
等しいので、本発明の広範囲の定義では、開口部分は、
個々の開口または環状開口の複数の部分をいう。

ビーム14は、中央の突出部分22を有する目標表面を照
射するものとする。第３図（Rioux特許の第３図と比較
せよ）に示すように、その結果カメラ10の検知器におい
て生じた戻り像は、線Ｍ、Ｎ上の１対の像点b1、b2の間
隔ｂ（または点b1′とb2′との間のｂ′）は、Ｙ方向で
の各点でのＺ座標（距離）のデータを与える。突出した
目標部分22上の点ＢのＺ座標を表す間隔ｂを、目標表面
20の主要部分上の点ＢのＺ座標を表す点b1′、b2′の間
隔ｂ′と比較せよ。後で詳細に説明するように、Ｚ座標
は、間隔ｂと定数との和の値に逆比例する。この結果
は、Rioux特許と上述の他の特許においてさらに詳細に
説明される。Ｘ方向でのＺ座標の値の変化は、伝統的
に、ビーム14と目標表面20のＸ方向での相対的スキャン
により得られてきたが、後で示すように、本発明は、い
くつかの状況で、多重ビームを用いることにより、この
Ｘ方向スキャンを必要としなくてもよいという特徴を備
える。

カメラ10の出力は、レーザ12をも制御するコンピュー
タシステム28に供給される。この点の説明について、19
89年４月４日に発行されたF.Blaisらの米国特許第4,81
9,197号（その内容もこの参照により本明細書に組み込
まれる）を引用することが好ましい。この特許は、入力
信号におけるピーク位置を検出する回路を説明する。こ
のBlais特許の第３欄第60行から説明されるように、こ
の回路はRioux特許に説明される種類のバイリス型撮像
装置により得られるデータを解釈するためによく適合で
き、コンピュータシステム28において具体化できる。Bl
ais特許の第４図に最もよく示されるように、縦の実線
ＭとＮは、典型的なＸ方向スキャン線ｉにそって検知さ
れるべきピークｌとｋを含む。スキャン線ｉは、検知器
の画素の１つのＸ方向スキャンであり、ビーム14のスキ
ャンではない。これらの点ｌとｋは、本明細書の像点b1
とb2に対応し、この後者の用語が後で用いられる。Blai
s特許の第４図において、破線ｊは、線ＭとＮと等距離
にある線であり、この特許の第３図に示された回路は、
点ｌとｋに対応する画素位置PilとPikを決定する。本明
細書の用語を用いると、これらは、中心線Ｊ、画素位置
Ｐ（i,b1）とＰ（i,b2）、すなわち、スキャン線ｉにつ
いての像点b1、b2に対応する画素位置、または、スキャ
ン線ｉ′についてのＰ（ｉ′,b1′）とＰ（ｉ′,b2′）
と便宜的にいうことができる。

したがって、目標表面上の点ＢのＺ座標は、像点b1と
b2の間隔ｂにより与えられ、点ＢのＸ方向の座標は、中
心線Ｊ上の幾何学的中心点Xo、すなわち、像点b1とb2の
間の画素Poにより与えられる。ここで、投影されたビー
ム14が、第２図において示されるように、２つの開口16
の間に等間隔に位置すると仮定する。Blais特許の第５
欄の最後の２行にあるように、中心点Xoの位置は、Ｚ座
標に独立であり、中心線Ｊは、線ＭとＮから等距離であ
る。

発明の開示 本発明の目的は、バイリスシステムと三角法システム
のそれぞれの少なくともいくつかの長所を同時に共有
し、さらに、これらの従来のシステムのいずれもが許容
できるよりも乱れた環境において信頼性高く作動すると
いう他の長所も有する技法を提供することである。

この目的のために、本発明は、基本的にバイリスシス
テムの変形であるシステムを提供する。ここで、開口を
備えたマスクを使用する一方、同時に、三角法システム
のいくつかの観点を実施する。さらに、カメラにおいて
検知される像点（複数）の妥当性検査、すなわち、乱れ
により発生される誤った点（複数）と、目標表面上の選
択された点すなわち点Ｂを真に表わす点（複数）との間
での判別可能性についての新しいアプローチを用いる。

本発明は、その広い範囲において、狭いストリップを
占めまたはなぞる少なくとも１本の光ビーム（レーザビ
ームまたは白熱光源からのビーム）により照射される目
標表面上の選択された点を、位置検知用の光検知器へ撮
像する手段を備える。このシステムは、撮像システムに
より定義される光学軸に対して垂直に存在するマスクを
含み、このマスクは、上記の選択された点の像の点（複
数）を上記の光検知器上に形成するための少なくとも２
個の間を隔てた開口を備え、上記の選択された点の計測
された距離は、上記の点の間隔ｂの関数である。このシ
ステムは、上記の選択された点の計測距離と位置につい
てのデータを抽出するため上記の検知器の画素をスキャ
ンするスキャン手段を備え、上記の光ビームによる照射
の方向は、上記の計測距離が、上記の像の点の検知器上
の平均画素位置Ｐの関数でもあるようなものである。上
記の計測距離を計算する上記の２つの異なった方法を同
等であるとすることにより、Ｐ＝ｇ（ｂ）＋ｎ（Θ）で
あることがわかり、ここにｇ（ｂ）は、ｂの単調関数で
ある。ｎは角度Θ、すなわち、光ビームのＺ方向に対す
る傾きの方向の関数であり、Θが固定されていれば一定
である。このシステムは、この方程式を実質的に満足す
るｂとＰの値を選択する手段を備える。これらの選択さ
れた値は、選択された点の真の計測距離と位置を表わす
が、他方、この方程式を満足しないｂとＰの観測値は、
光ビームの狭いストリップから生じない誤った信号の結
果として拒絶される。

好ましい実施例において、この発明は、Ｚ方向に存在
する光学軸を定義する収束レンズシステム、および、Ｚ
方向に垂直な少なくとも１つのＸ方向に存在する一連の
画素を備える位置検知用の光検知器を備える。上記の収
束レンズシステムは、目標表面上の選択された点を上記
の光検知器上に撮像するように位置されて、Ｘ方向での
上記の選択された点の座標についての第１データを発生
する。マスクは、Ｚ方向に垂直な面内に存在し少なくと
もＸ方向において相互に間を隔てた少なくとも２個の開
口部分を含む開口手段を備え、上記の選択された点の像
点を上記の検知器上に形成してＺ方向での上記の選択さ
れた点の座標についての第２データを上記の点の間隔ｂ
により発生する。スキャン手段は、上記の選択された点
について上記の第１と第２のデータを抽出するために上
記の検知器の画素をスキャンし、ここに、上記の選択さ
れた点のＺ座標が間隔ｂの関数である。光手段（好まし
くはレーザ手段）は、上記の選択された点を含む目標表
面を、ビーム面を定義する狭いストリップを通るビーム
で照射する。この光手段は、上記の開口部分の間の位置
から少なくともＸ方向に変位され、ここに、上記の選択
された点のＺ座標はＰの関数でもあり、ここにＰは、上
記の選択された点に対応する像点の上記の検知器上での
平均画素位置である。これにより、Ｐ＝ｇ（ｂ）＋ｎ
（Θ）であり、ここにｇ（ｂ）はｂの単調関数であり、
ｎは、Ｚ方向に対する上記の光ビームの傾きΘの関数で
ある。このシステムは、この方程式を実質的に満足する
ｂとＰの値を選択する手段を備え、そのような選択され
たｂとＰの値は、選択された点のＸ座標とＺ座標の真の
値を表わす。

後で詳細に説明するように、上記のマスクは、３以上
の開口部分を備えていてもよく、２以上のレーザビーム
または他の光ビームが同時に使用できる。これらの改良
により、このシステムは、目標表面のプロファイルにつ
いての他のデータ、すなわち、Ｘ方向と同様にＹ方向の
データを得ることができる。そのような配置は、検知器
における画素がＸ方向と同様にＹ方向に存在することを
必要とするが、これは、CCDカメラでは普通である。

図面の簡単な説明 第１図は、従来のバイリスシステムの図式的な斜視図
である。

第２図は、このシステムのレーザビームとマスクとの
間の幾何学的関係を示す図である。

第３図は、第１図と第２図の配置により生じたカメラ
像を示す図である。

第４図は、第２図の変形である。

第５図は、Ｙ方向から見た第４図の部分を示す。

第６図は、第３図に似ているが、第４図と第５図の条
件についての図である。

第７図は、第４図の変形である。

第８図は、第７図の装置で達成したカメラ像を示す。

第9A図と第9B図は、それぞれ、理解の容易さのために
第８図の像の１部を示す。

第10図は、第７図の変形である。

第11図は、第７図の他の変形である。

第12図は、第11図の配置に対する第８図に対応する。

第13A図と第13B図は、それぞれ、第9A図と第9B図に対
応するが、第11図の配置に対応する。

第14図は、第７図の別の変形である。

第15図は、第14図の変形である。

発明を実施するための最良実施例 もしビーム14の面15が、第４図に示すように、Ｘ方向
に距離ｄだけ変位する一方、ビーム面15をＺ方向に対し
て角度Θだけ傾けることにより目標表面20上へ向けられ
続けるならば（Blaisら（88）の図１参照）、そして好
ましくは（必ずしも必要でないが）、目標表面20を下げ
てマスク18と水平方向に同じ高さにするならば、この配
置は、三角法システムの方向づけのいくつかを有しはじ
めるが、同時に、バイリスシステムに特有の開口を備え
たマスクを保持する。第５図は、距離ｄがマスク18の面
19で測定されることを示し、ビーム14は、Ｚ方向に対し
て角度Θで傾く。13で示す検知器は、カメラの中の位置
検知用検知器である。これらの状況において、第３図の
線ＭとＮは、第６図のＭ′とＮ′になり、中心線Ｊはも
はや直線ではない。

以上の説明は、乱れない環境における単独の目標表面
の存在を仮定してきた。しかし、本発明の基本的な目的
は、目標表面からの「真」の戻り信号と周囲の乱れから
の「偽」の戻り信号とを区別できるシステムを提供する
ことである。たとえば、そのような偽戻り信号は、他の
光源、目標表面から反射される光をうける他の目標の存
在、または、第２のレーザビームおよび／または第２の
距離計測センサの存在の結果でありうる。第６図は、そ
のような偽信号の代表であるスキャン線ｉ上の第３像点
b3を示す。実際、しばしば、スキャン線ｉにそって、ま
た他のスキャン線にそって、多くの偽信号が表れるが、
いまの説明のためには、真の信号を偽の信号から繰別す
るようすを説明するために、初めにそのようような１つ
の偽点b3を考慮するだけで十分である。

すでに説明したように、目標上の点Ｂの真のＺ座標
は、点b1とb2の間隔ｂにより与えられる。しかし、点b3
がさらに存在するとき、コンピュータ28は、ｂについて
３つの可能な値、すなわち、 bx＝b2−b1 （真） by＝b2−b3 （偽）、 または bz＝b1−b3 （偽） をみる。同様に、Poについて３つの可能な値があり、そ
の中の正しいものは、Xoの値を与える。そのような値は
以下のとおりである。

Px＝1/2（b1＋b2） （真） Py＝1/2（b2＋b3） （偽） Pz＝1/2（b1＋b3） （偽） Blaisら（91）において説明されるように（この出版
物の2576頁の方程式（１）および（２）を参照せよ）、
バイリスシステムにおいて、Ｚ座標は、次の式で与えら
れる。

ここに、Ｌは、マスク面とこのマスク面と平行であり
マスク面から変位される理論的基準面（図示されない
が、Ｚ方向に表面20から変位したと仮定する）との間隔
である（Blais特許の第５図参照）。ｂは、先に定義さ
れており、すなわち、像点b1、b2などの間隔bxなどの１
つである。そして、ｋは、次の方程式 により与えられ、ここに、ｆは、レンズの焦点距離であ
り、Ｄは、マスクの２つの開口の間のＸ方向の分離間隔
である。

実際には、レンズは決して完全でなく、ｆは、入射光
の入射角の関数としてわずかに変わる。したがって、ｋ
は、完全な定数ではなく、ある範囲の値として、典型的
には各スキャン線について１つの値として、記憶され
る。

他方、三角法システム（いまや第４図の方向はこのシ
ステムにも似ている）では、Blaisら（88）の227頁の方
程式（１）および（３）に説明されるように、座標Ｚ
は、次の式で与えられる。

および、 ｐをＰに、ｌをＬに変えて本明細書の命名法に合わせる
と、これらの方程式より、 ここに、Ｐは、検出器上での撮像された点の画素位置で
あり、 また、 パラメータＬ、Ｌ′、ｋ、ｋ′は、校正の間に得られた
定数（または、上に示したように、ある範囲の定数）で
ある。

方程式（１）と（３）を組み合わせると、次の式が得
られる。

Ｌ′＋ｋ′Ｐ＝L^-1−kb （６） または Ｐ＝ｇ（ｂ）＋ｎ（Θ） （７） ここに、ｇ（ｂ）は、ｂの単調関数であり、これは、ま
た、前の場合におけるように、定数値の表として表現で
きる。ｎは、角度Θの関数または一定角Θについての定
数である。

以上の説明は、レーザビーム上にある目標点から得ら
れる測定値に関してのみ正しい。もし測定値、すなわち
点b3、がレーザビーム上にない光源、すなわち、他の光
源または反射光から生じるならば、方程式（７）はもは
や正しくない。偽の信号が、必然的に、レーザビームが
指向しない位置から生じたものであるので、特定の状況
において満足される方程式（７）の誤りは、その状況に
おける値が偽であることの指標である。この事実は、次
のように表現できる。

Px＝ｇ（bx）＋ｎ（Θ） （真） （7x） Py＝ｇ（by）＋ｎ（Θ） （偽） （7y） Pz＝ｇ（bz）＋ｎ（Θ） （偽） （7z） 実際には、雑音と装置の不完全さのために、これらの
方程式の最初の式（7x）でさえも正確な等式をめったに
示さないが、式（7y）または（7z）よりは等式にはるか
に近くなる。したがって、カメラの出力を受け取るよう
に結合されたコンピュータ28の機能は、これらの方程式
から、等式に最も近いものを選択することである。ｂと
Ｐについての真の値、したがって、光ビームによって照
射された目標表面上の選択された点の真のＸ座標とＺ座
標は、方程式（７）を最も近く満足する値により与えら
れる。

１つの結果として、Blais特許（第４図）におけるよ
うにXo（またはcij）についての一定の位置を要求する
（したがって、第２図におけるように光ビームがＸ方向
においてマスクにおける２つの開口の間に正確に位置す
ることを要求する）代わりに、いま、広く変化する場所
に位置される光投影機を備えることが可能である。

与えたｆの値について精度ΔＺを増加するために、ビ
ーム14とマスク18の中心との間の間隔ｄは、増加される
べきである。Blais特許のサブピクセル（subpixel）ピ
ーク検知器、Rioux特許に開示されたアクシコン（axico
n）の使用、または、環状開口を有するマスクの使用
（この場合光ビームは点である）は、すべて、ｂの測定
精度を増加する。第４図に示す単独ストリップレーザ投
影の場合において、三角法技法が基本的なバイリス構造
に対して寄与する主な長所は、マスクの開口の間の分離
よりもずっと大きい程度に投影機をカメラから分離する
よい機会を与えることから生じる。言い換えれば、説明
の便宜のために第４図はｄの値をＤの値より少しだけ大
きいものとして描いているけれども、もしｄがＤより数
倍大きければ精度の改善が実際に得られる。

三角法技法とバイリス技法との組み合わせを含むもの
として本発明を見ると、δの値、すなわち、これらの２
つの技法の相対的寄与は、次の式で与えることができ
る。

この方程式において、第１項は、三角法技法の寄与で
あり、第２項は、バイリス技法の寄与である。δの典型
的な値は、約0.8、すなわち、三角法からの80％の寄与
とバイリス法の20％の寄与の比であることが分かった。
しかし、本発明は、種々の異なった要求に適応するため
にこの比を変えることを可能にし、このδの値は、ｄと
Ｄの比により決定される。

本発明は、多重投影機（レーザ）と３以上の開口を備
えたマスクとの使用を含むことができ、複数の投影機の
場所設定と開口の数は、もはや、問題でない。

1990年５月30日に第370770号として出版されたC.A.Ke
elyらの欧州特許出願89312083.2は、レーザビームを正
確にカメラの光軸と１列にして影効果を無くすかまたは
最小にするためのバイリスシステムにおけるプリズムを
使用を開示する。本発明は、カメラの光軸からずれて光
ビーム（または複数のビーム）を位置設定することによ
り、そのような必要をなくす。Keeleyらは、４つの開口
を備えたマスクを使用した。開口の数のこの増加は、本
発明において有用に使用できる。第７図は、４つの開口
30、31、32、33を備えたマスク28と、相互に垂直で点36
で交差する２つのレーザビーム34、35を示す。点36は、
マスク28の中心からＸ方向とＹ方向とに変位される。ビ
ーム34、35が相互に交差することは本質的ではない。第
１図におけるのと同じ目標を仮定して、第８図は、明瞭
さのため、第9A図と第9B図に２つに分けて示されている
カメラの検知器における全体の生じた像を示し、第9A図
は、水平に存在するレーザビーム34から得られた像を示
し、第9B図は、縦に存在するレーザビーム35から得られ
た像を示す。開口30は、30Aと30Bで示される線に責任が
あり、同様に、開口31、32および33は、それぞれ、線31
Aと31B、線32Aと32B、線33Aと33Bに責任がある。31Aと3
3Aの水平部分は、実際に、相互の上に存在するが、第9A
図では個々の形状を示すためにわずかに分離して示され
る。第9B図において、同等な線30Bおよび32Bは、実際の
状態で、すなわち、それらの縦の部分が相互に重畳して
示される。

第８図における水平スキャン線ｉは、５つの像点を示
し、その中で、真の点はb1とb2である。ｂとＰについて
の近似的な数を発生することにより（この場合10であ
り、これは全部で５つの像点から選択される２つの像点
の可能な組み合わせの数に等しい）、そして、それらす
べてを方程式（７）に適用することにより、方程式（7
x）、（7y）および（7z）を用いて既に説明したよう
に、この方程式における等号に最も近い値を与えるｂと
Ｐの値が真の値として選択される。

通常そうであるように、カメラにおける位置検知用検
知器がＸ方向とＹ方向とに両方向性であると仮定して、
縦方向スキャン線ｈ（第9A図）での画素のスキャン動作
は、同様に、真の像点c1とc2の同定を可能にし、これに
より、Ｙ方向でのｂとＰの値を出力する。このように、
第７図に示した２重ビーム配置は、目標表面20の３次元
プロファイルの１つの形が、固定したカメラと固定した
ビームとを用いてコンパイルされることを可能にする。
これにより、単独のビームが使用されるときに要求され
るビーム14と表面20との相対的なスキャン動作の必要は
ない。こうして得られら３次元プロファイルは、完全な
プロファイルではないが、Ｘ方向とＹ方向とに存在する
目標表面のストリップにそった計測距離データを含む。
このデータは、多くの目的（たとえば、目標を異なった
形の他の対象物から区別するというロボット工学の目
的）にとってしばしば十分である。

第10図は、ビーム34′と35′が相互に傾くことができ
ることを示す。生じた像は、第８図、第9A図および第9B
図に示された像と、これらの像を形成する線がＸ方向と
Ｙ方向に対して傾いていることを除いて似ている。しか
し、それらは必要な情報、すなわち、スキャン線ｉとｈ
でスキャンされたときのｂとＰの真の値を与える。

第11図は、波長、分極などの区別可能な性質において
相互に異なった２つのビーム38と39の使用を示す。マス
ク28における開口30〜33には、適当なフィルタ、すなわ
ち、干渉フィルタまたは分極フィルタ36と37が合わせら
れる。第12図、第13A図および第13B図に示されるよう
に、ビーム38のみを通すフィルタ37は、開口30と32に線
30Aと32Aを発生させ、これにより、検知器における全体
の像を形成するために結合する２成分像を簡単化する。
第13A図と第13B図の像の各々は、単独のビームのみが使
用される第６図のものに似ている。

第14図は、マスク28が３つの開口40、41および42と、
３つのビーム43、44および45を有する変形例を示し、第
15図は、ビーム46、47および48が相互に交差する第14図
の変形例を示す。これらの最後の２つの図の意味は、開
口とビームの数と位置設定とを用いてシステムの柔軟性
を示すことである。

産業上の利用性 本発明は、乱れた環境において目標表面上の点（複
数）の光学的距離計測の改善のために使用される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−31906（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−184715（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−131706（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−199014（ＪＰ，Ａ) 特公 平３−34803（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許4645347（ＵＳ，Ａ) 米国特許4819197（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開370770（ＥＰ，Ａ １) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 3/06 G01B 11/00

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）位置検知用の光検知器（13）と、 （ｂ）目標表面（20）上の選択された点（Ｂ）を、上記
   の光検知器（13）上へ撮像するレンズ手段（10）と、 （ｃ）上記の表面を照射し、狭いストリップを占めまた
   はなぞる少なくとも１本の光ビーム（14）を発生する手
   段と、 （ｄ）光学軸とこの光学軸に垂直なマスク（18）とを備
   える撮像手段であって、このマスクは、上記の選択され
   た点の像の点（b1,b2）を上記の検知器上に形成するた
   めの少なくとも２個の間を隔てた開口を備え、上記の選
   択された点の計測距離が上記の点の間隔ｂの関数である
   上記のレンズ手段と、 （ｅ）上記の選択された点の計測距離と位置についての
   データを抽出するため上記の検知器の画素をスキャンす
   るコンピュータ手段（28）とからなり、 （ｆ）上記の少なくとも１本の光ビームによる照射の方
   向は、上記の計測距離が、上記の像の点の検知器上の平
   均画素位置Ｐの関数でもある方向であり、平均画素位置
   Ｐは方程式、Ｐ＝ｇ（ｂ）＋ｎ（Θ）で表わされ、ここ
   にｇはｂの単調関数であり、ｎは上記の光ビームの傾き
   Θの関数であり、 （ｇ）上記のコンピュータ手段（28）は、この方程式を
   実質的に満足するｂとＰの値を選択し、そのような選択
   された値は、選択された点の真の範囲と位置を表わす ことを特徴とする撮像システム。
2. 【請求項２】請求項１に記載した撮像システムにおい
   て、 （ａ）上記の光学軸は、Ｚ方向に存在し、上記の光検知
   器は、Ｚ方向に垂直な少なくとも１つのＸ方向に存在す
   る一連の画素を備え、上記のレンズ手段による、目標表
   面（20）上の選択された点（Ｂ）の撮像は、Ｘ方向での
   上記の選択された点の座標についての第１データを発生
   し、 （ｂ）上記のマスクの開口部分は、少なくともＸ方向に
   おいて相互に間を隔てていて、これにより、間隔ｂは、
   Ｚ方向での上記の選択された点の座標についての第２デ
   ータを与え、 （ｃ）上記のコンピュータ手段は、上記の第１と第２の
   データを抽出するために上記の検知器の画素をスキャン
   し、 （ｄ）少なくとも１つの光ビームを発生する上記の手段
   は、上記の開口部分の間の位置から少なくともＸ方向に
   変位される撮像システム。
3. 【請求項３】請求項２に記載した撮像システムにおい
   て、上記の選択された点の目標表面上のＺ座標は、 により与えられ、また、 により与えられ、ここに、Ｌ、Ｌ′、ｋおよびｋ′は、
   定数またはある範囲の複数の定数であり、 Ｌは、マスク面と、このマスクと平行であり間を隔てた
   理論的基準面との間のＺ方向の距離であり、 ｋは、 により与えられ、 ｆは、上記のレンズシステムの焦点距離であり、 Ｄは、上記のマスクの２つの開口部分の間のＸ方向の間
   隔であり、 Ｌ′は、 により与えられ、 ｋ′は、 により与えられ、 Θは、Ｚ方向に対する光ビームの傾きの角度であり、 ｄは、上記の光ビーム面と上記の開口部分の間の上記の
   位置との間の、上記のマスク面でのＸ方向での間隔であ
   る撮像システム。
4. 【請求項４】請求項２に記載した撮像システムにおい
   て、 （ｆ）上記の検知器の画素は、また、Ｙ方向にも存在
   し、上記の画素をスキャンするスキャン手段は、さら
   に、Ｙ方向にスキャンする手段を備え、目標表面上の上
   記の選択された点のＹ方向での座標についてのデータを
   さらに発生し、 （ｇ）上記のマスクは、少なくとも３つの開口部分（30
   〜33、40〜42）を備え、この開口部分の２つの第１対
   （31、32;41、42）は、少なくともＸ方向において相互
   に間を隔てていて、２つの第２対（30,31;40、41）は、
   少なくともＹ方向において相互に間を隔てていて、 （ｈ）上記の光ビームは、上記の選択された点を含む上
   記の目標表面を、狭いストリップをなぞる少なくとも１
   つの他のビーム（34、35、38、39、43〜48）（第１ビー
   ム面に対して傾いた少なくとも１つの他のビーム面を定
   義する）で照射する手段を備える 撮像システム。
5. 【請求項５】請求項４に記載した撮像システムにおい
   て、上記のマスクは、Ｘ方向とＹ方向にそれぞれ間を隔
   てて存在する相互に垂直な２つの対として配置される４
   つの開口部分（30〜33）を備える撮像システム。
6. 【請求項６】請求項５に記載した撮像システムにおい
   て、上記の２つのビームが相互に直角に位置する複数の
   面を定義するシステム。
7. 【請求項７】請求項６に記載した撮像システムにおい
   て、上記の２つのビームの面がＸ方向とＹ方向にそれぞ
   れ存在するシステム。
8. 【請求項８】請求項５に記載した撮像システムにおい
   て、上記の２つのビームは、区別可能な特性において相
   互に異なり、開口部分のそれぞれの上記の対の開口部分
   が、その特性を有する光のみを透過するフィルタ手段
   （36、37）を含むシステム。
9. 【請求項９】請求項４に記載した撮像システムにおい
   て、上記のマスクは、３つの開口部分（40〜42）を備
   え、光手段は、相互に傾いた方向に存在するそれぞれの
   狭いストリップを占めまたはなぞる３本のビーム（43〜
   45）で目標表面を照射するシステム。