JP3307873B2

JP3307873B2 - 画像計測装置及びその制御装置

Info

Publication number: JP3307873B2
Application number: JP03766098A
Authority: JP
Inventors: 晋二内山; 裕之山本
Original assignee: 株式会社エム・アール・システム研究所
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2002-07-24
Anticipated expiration: 2018-02-19
Also published as: JPH11237211A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、距離画像と濃淡画
像とを併せて計測する画像計測装置に関する。本発明
は、また、上記画像計測装置を制御する制御装置にも関
する。

【０００２】

【従来の技術】三次元画像を構築するには距離情報が欠
かせない。即ち、三次元画像は濃淡画像（二次元画像で
あって、その画像を構成する画素が濃度情報を有する画
像）と、個々の画素までの距離情報を有する画像（以
下、距離画像と呼ぶ）によって表現される。

【０００３】従来、距離画像を計測する装置として、３
６０度走査可能なレーザを用いたレンジ計測装置（以
下、「スキャニング式レンジ計測装置」と呼ぶ）が知ら
れている。このスキャニング式レンジ計測装置は、計測
装置からレーザ光を発し、このレーザ光が周囲環境で反
射され、戻ってきたレーザ光の伝搬時間に基づいて、計
測装置からその環境までの距離を求めるものである。そ
して、レーザ光を回転させることにより、計測装置の周
りの全周囲にわたって距離情報を取得することができ
る。また、光源が１つであり、しかも、計測装置の位置
を二次元的に移動させることなく全周囲にわたる距離情
報を得ることができるので、その距離画像は精度の高い
ものとなる。

【０００４】このレーザ光を用いたスキャニング式レン
ジ計測装置は、距離情報をその値に応じて濃度値に変換
して、濃淡画像を形成するが、この濃淡画像は距離を濃
淡として表すものであり、対象となった環境の画像の濃
淡を表すものではなく、従って、環境の濃淡画像、まし
てや環境のカラー濃淡画像を得ることはできない。ま
た、周囲環境で反射したレーザを受光強度素子で受光す
るため、距離画像を得ると共に受光強度を強度分布画像
として濃淡値を表す画像を得ることができるが、これ
は、発信装置位置にレーザ光源をおいたときの対象とな
った環境のレーザの反射率分布を表現するだけの意味し
か持たず、対象となった環境の可視光からなる通常の意
味での濃淡を表すものではない。

【０００５】一方、三角測量の原理により、距離画像と
濃淡画像とを実質的に同時に計測することができる非接
触式のレンジ計測装置（以下、「三角測量式レンジ計測
装置」と呼ぶ）も提案されている。この三角測量式レン
ジ計測装置は、複数のストライプを有するパターンをプ
ロジェクタから環境に向けて放射し、環境からの反射光
に含まれるストライプパターンをカメラにより取り込
み、取り込んだ画像を三角測量の原理に基づいて解析し
て環境までの距離を計測するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記三角測量式レンジ
計測装置は、濃淡画像を計測するときは、上記カメラに
より環境からの画像光を取り込むものである。しかしな
がら、この三角測量式レンジ計測装置は三角測量の原理
を用いるために、広範囲の環境の画像を取ることは困難
である。三角測量は、対象のおおよその位置がわかって
いることが前提であり、おおよその位置すらわからない
不特定の環境を対象とすることは原理的に困難である。

【０００７】従って、従来の三角測量式レンジ計測装置
は、広角の範囲での、特に全周囲にわたるレンジ計測に
は不向きである。一方、前述のスキャニング式レンジ計
測装置は全周囲の計測はできるが、濃淡画像を得ること
はできない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、上記従
来技術の欠点を改善するために提案されたもので、その
目的は、距離画像と濃淡画像とを併せて（略または実質
的に同時に）計測でき、しかも、全周囲にわたる両画像
を取得するのに適した新規な構造を有する画像計測装置
を提案する。

【０００９】本発明の他の目的は、距離画像と濃淡画像
とを計測する画像計測装置の制御に好適な制御装置を提
案する。上記課題を達成するために、請求項１にかかる
本発明の、周囲環境の距離画像と濃淡画像とを計測する
計測装置は、前記周囲環境からの光を集光する集光手段
の本体（１０１，１０４”）と、第１のモードにおいて
計測光を発し、所定の基準点から周囲環境までの距離
を、前記周囲環境で反射され前記集光手段により集光さ
れ前記計測光の伝播時間によって計測する距離画像計測
手段のための受光強度検出素子（１０６，１０６’）
と、前記計測光の前記周囲環境に向けた光路を制御する
光路制御手段の本体（１０２，１０２’）と、前記光路
制御手段により前記計測光の前記周囲環境に向けた光路
が制御されるべき第２のモードにおいて、前記集光手段
により集光された周囲環境からの環境光に基づいて濃淡
画像を計測する濃淡画像計測手段のための画像検出素子
（１１２，１２’）とを一体的に保持する筺体（１３
０）と、この筺体を回転させる回転手段（１１８）とを
具備することを特徴とする。

【００１０】この画像計測装置によれば、距離画像計測
手段は計測光の伝播時間によって距離画像を計測するも
のであり、従って、環境に発射する計測光の光路と環境
からの計測光の反射光とを実質的に同一光路上に設定す
ることができる。そのために、濃淡画像を得るための環
境光の光路を、上記計測光の光路と並行に設定すること
ができるので、１つの計測装置で、濃淡画像と距離画像
の計測を行うことができる。一方、濃淡画像と距離画像
の分離は上記光路制御手段により達成されるので、濃淡
画像と距離画像とが混在してしまうことはない。

【００１１】

【００１２】また、上記他の目的を達成するための、請
求項２にかかる本発明の、周囲環境の距離画像と濃淡画
像とを計測する計測装置は、周囲環境の距離画像と濃淡
画像とを計測する計測装置であって、前記周囲環境から
の光を集光する集光手段（１０１，１０４”）と、第１
のモードにおいて計測光を発し、所定の基準点から周囲
環境までの距離を、前記周囲環境で反射され前記集光手
段により集光され前記計測光の伝播時間によって計測す
る距離画像計測手段と、前記計測光の前記周囲環境に向
けた光路を制御する光路制御手段（１０２，１０２’）
と、前記光路制御手段により前記計測光の前記周囲環境
に向けた光路が制御されるべき第２のモードにおいて、
前記集光手段により集光された周囲環境からの環境光に
基づいて濃淡画像を計測する濃淡画像計測手段とを具備
し、前記光路制御手段は更に、前記計測光の発光源（１
１０）と前記集光手段の間の光路（１２１，１２３）上
の中間位置に配置された反射鏡（１０２，１０２’）
と、前記反射鏡を、計測光を制御するときに前記光路
（１２１）上に位置決め（１０２ａ）し、或いは計測光
を制御しないときには光路上外へと移動させる移動手段
（１１５）とを具備することを特徴とする。

【００１３】

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】また、上記他の目的を達成するための、本
発明の制御装置は、距離画像と濃淡画像とを一括して計
測するために、計測光を発光し、その計測光の外界での
反射光を受光して距離画像を計測する距離画像計測手段
と、外界からの環境光を受光して濃淡画像を形成する濃
淡画像計測手段とを含む本体と、この本体を垂直軸周り
に回転させる回転手段とを有する画像計測装置を制御す
る制御装置であって、前記本体を一方向に回転させなが
ら前記距離画像計測手段と濃淡画像計測手段のいずれか
一方を動作させた後に、前記本体を逆回転させながら他
方の手段を動作させることを特徴とする。

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら、
本発明を適用した好適な画像計測システムを詳細に説明
する。このシステムは、レーザ光を発して距離データ(R
ANGE)を取得し且つ環境の濃淡画像(RGB)を取得するレー
ザスキャナ・カメラユニット１００と、ユニット１００
を制御する制御ユニット２００とを含む。

【００２６】本明細書には、スキャナ・カメラユニット
として3つの構造（第１実施形態乃至第3実施形態）を提
案し、それぞれのスキャナ・カメラユニットに対応した
制御装置も提案する。〈スキャナ・カメラユニット〉…第１実施形態第１実施形態に関わるスキャナ・カメラユニット（以
下、「スキャナユニット」と略称する）１００ａは本発
明の構成を原理的に有するものである。この第１実施形
態にかかるスキャナユニット１００ａの構成を第１図に
示す。

【００２７】第１図に於いて、スキャナユニット１００
ａは本体筺体１３０を有し、この筺体１３０にはスキャ
ナユニット１００ａ全体を回動させるための回転軸１１
１が設けられている。スキャナユニット１００ａは外部
のコントローラユニット２００にケーブル２０１を介し
て接続されている。本実施形態のスキャナユニットは、
全周囲の環境の画像を取り込むことが目的ではあるが、
後述するように、１回転以上回転する必要はないので、
ケーブル２０１は、筺体１３０が最大３６０度回動して
もねじれ或いは損傷しない程度の余裕ある長さを持てば
十分である。

【００２８】第１図に於いて、１２２は結像レンズであ
り、１１２はＣＣＤセンサであり、１０１は水平面に対
して４５度の角度で固定された反射鏡である。後述する
ように、鏡１０１は外界からの環境光及び外界で反射さ
れたレーザ光を本スキャナユニットに取り込む働きを有
するので、本発明の「集光手段」に相当する。集光が目
的であれば、この集光手段は、鏡のほかに、レンズ系に
より構成してもよく、或いは凹面鏡または凸面鏡によっ
て構成してもよい。鏡１０１を以下便宜上、「集光鏡」
と呼ぶ。

【００２９】１０２は水平面に対する角度が４５度斜め
に固定され、且つ、斜め固定状態を保ったまま水平面に
対して平行移動可能に設けられた反射鏡である。ＣＣＤ
センサ１１２は濃淡画像としてのカラー画像信号ＲＧＢ
を出力する。反射鏡１０２はソレノイド１１５により移
動される。即ち、反射鏡１０２は、ソレノイドがＯＮ状
態になると位置１０２ａに移動され、オフ状態になると
位置１０２ｂに戻される。位置１０２ａに移動された鏡
１０２は光路１２１に対して４５度の傾きを取る。鏡１
０２は光路１２１を遮断したり通過させたりする制御機
能を有するので、以下、「光路制御鏡」と呼ぶ従って、
外界環境からの光は、光路１２０に沿って集光鏡１０１
に入射し、光路を９０度変更される。光路制御鏡１０２
が位置１０２ａにあれば、外界からの光は結像レンズ１
２２によりＣＣＤ１１２上に結像する。この像は環境の
濃淡像である。濃淡像はＲＧＢのカラー信号として出力
され、ケーブル２０１を介してコントローラユニット２
００に送られる。

【００３０】第２図は、ＣＣＤセンサ１１２の形状を示
す。第１実施形態のＣＣＤセンサは一例として二次元エ
リアセンサを用いている。即ち、センサ１１２は第２図
に示すように水平方向でｍ画素、垂直方向でｎ画素（ｍ
×ｎ）の二次元領域を一度に読み取る。後述するよう
に、筺体１３０はステッピングモータにより回動され
る、即ち、本実施形態の装置の水平方向走査はモータに
よって行われるが、水平方向では、センサ１１２のが素
数をｍに設定することにより、水平方向走査を効率化し
ている。

【００３１】ステッピングモータの単位回動角は、ＣＣ
Ｄセンサ１１２の幅方向の画素数ｍに応じて決定され
る。前述したように、集光鏡１０１及びＣＣＤセンサ１
１２，結像レンズ１１３は、筺体１３０に対して姿勢を
保ったまま固定されているので、ステッピングモータが
筺体１３０を回転させると、３６０度にわたる外界の濃
淡画像を取り込むことができる。

【００３２】ＣＣＤセンサ１１２は垂直方向に画素が並
んだ一次元のラインセンサによっても構成できる。この
場合は、ステッピングモータの単位回動角をセンサ１１
２の１画素に対応させて決定すればよい。以上が、第１
実施形態のスキャナユニット１００ａが外界の濃淡画像
を取得するための構成の説明である。以下に、距離画像
を取得するための構成について説明する。

【００３３】第１図に於いて、１１０はレーザ光を発す
るレーザユニットである。このレーザ光は距離画像の計
測に用いるので、以下、「計測光」と呼ぶ。「計測光」
はコヒーレントであることが好ましいが、環境の広がり
に応じて必ずしもコヒーレントである必要はない。計測
光は、光路１２４に沿って、コリメートレンズ０９を通
って集光される。「ビームスプリッタ」としての鏡１０
８にはレーザユニット１１０からの集光された計測光を
通すだけの大きさを有する開口が設けられているので、
集光された計測光は鏡１０８（以下、「ビームスプリッ
タ鏡」と呼ぶ）を通過して、ガルバノ鏡１０４に至る。
ガルバノ鏡１０４は、光路１２４に対して垂直な回動軸
を有し、この回動軸周りにステッピングモータ１１４に
より所定角度幅（＝２θ₀）の振れ動作を行う。前記回
動軸は、光路１２４と、この光路１２４に対して垂直上
方の光路１２３とに対して垂直であり、ガルバノ鏡１０
４は、振れの中央位置において、その鏡面が光路１２４
と１２３に対して４５度を形成するように配置されてい
る。従って、ビームスプリッタ鏡１０８を通った計測光
はガルバノ鏡１０４を通った計測光はガルバノ鏡１０４
により光路を曲げられて、光路１２３に沿って集光鏡１
０１方向に向かう。

【００３４】後述するように、光路制御鏡１０２は、濃
淡画像を計測するモードでは、位置１０２ｂ位置にまで
後退している。従って、ガルバノ鏡１０４により光路を
曲げられた計測光は、光路制御鏡１０２により妨害され
ることなく光路１２１に沿って集光鏡１０１に到達し、
集光鏡１０１により光路を９０度曲げられて、光路１２
０に沿って外界に放射される。

【００３５】外界環境の物体によって反射された計測光
は光路１２０に沿って、本スキャナユニット１００ａの
集光鏡１０１に入射する。集光鏡１０１により９０度方
向を変えられた計測光は光路１２１及び光路１２３を通
ってガルバノ鏡１０４に至って更に９０度光路を変更さ
れてビームスプリッタ鏡１０８に至る。外界での反射は
乱反射なのでビームスプリッタ鏡１０８に至った計測光
は広がりを有する。このために、その一部は開口１０８
ｈを通過するが、多くは向きを９０度下方に曲げられ、
結像レンズ１０７に至る。結像レンズ１０７はこの計測
光をレーザ受光素子１０６上に結像させる。素子１０６
の出力信号は距離を表すので、本明細書ではRANGE信号
と呼ぶ。

【００３６】第３図のタイミングチャートはRANGE信号
から距離情報を求める原理を説明する。尚、この計測は
コントローラユニット２００内で行われる。即ち、第３
図の上側のタイミングチャートに示すような正弦波形の
駆動信号がレーザユニット１１０に印加されると、計測
光としてのレーザ光は同じく強度が正弦波形を有するも
のとなる。従って、第３図に示すように、駆動信号に対
するRANGE信号の位相差（光伝播時間）から距離を演算
することができる。

【００３７】距離画像であるRANGE信号を出力するレー
ザ検出素子１０６は、第５図に示すように、水平方向で
ｍ画素、垂直方向で１画素の大きさ、即ち、ｍ×１画素
分の大きさを有する。第４図は、二次元の大きさを有す
る物体１０００の３つの点（１００１，１００２，１０
０３）により反射された３本の計測光ビームがガルバノ
鏡１０４により反射されて受光素子１０６に到達する様
子を説明する。尚、第４図に於いて、集光鏡１０１及び
ビームスプリッタ鏡１０８による反射は捨象されて図示
されている。

【００３８】本スキャナユニット１００ａの垂直方向の
計測可能範囲は、ガルバノ鏡１０４の振れ角度によって
決定される。ガルバノ鏡１０４の回動軸周りの振れ角度
をθとすると、２θラジアンの拡がりを有する物体の距
離を計測することができる。即ち、ガルバノ鏡１０４が
中央位置にあるときに、物体１０００の中央点１０００
ｂからの反射計測光が受光素子１０６に到達するよう
に、ガルバノ鏡１０４と素子１０６が調整配置されてい
るとすると、点１０００ｂから角度θラジアンだけ上方
の点１０００ａからの反射光は、ガルバノ鏡１０４が中
央位置から角度θ/2ラジアンだけ（第４図において）反
時計方向に回動した位置１０４ａにおかれた時に、受光
素子１０６に到達する。一方、点１０００ｂから角度θ
ラジアンだけ下方の点１０００ｃからの反射光は、ガル
バノ鏡１０４が中央位置から角度θ/2ラジアンだけ時計
方向に回動した位置１０４ｃにおかれた時に、受光素子
１０６に到達する。

【００３９】第５図は、同じく、ガルバノ鏡１０４と、
ｍ×１の受光素子１０６との対応関係を有する。即ち、
ＣＣＤセンサ１１２は水平方向でｍ画素の大きさを有す
るので、これに併せて、受光素子１０６の水平方向大き
さもｍ画素としている。かくして、ｍ×１画素分の受光
素子１０６であっても、ガルバノ鏡１０４を回動して走
査することにより垂直方向の拡がりを有する物体１００
０の各点までの距離を求めることができる。

【００４０】〈コントロールユニット〉…第１実施形態第６図は、コントロールユニット２００の構成並びに、
コントロールユニット２００とスキャナユニット１００
の前述の構成要素との接続を説明する。コントロールユ
ニット２００は、データを記憶するデータＲＡＭ２０１
と、プログラムを記憶するプログラムＲＡＭ２０２と全
体を制御するＣＰＵ２０４とを有する。更に、ＣＣＤセ
ンサ１１２が検出したＲＧＢ画像データをＡ／Ｄ変換し
てディジタルの画像データに変換する色画像入力回路２
０８を有する。この画像データはＣＰＵ２０４の制御に
よりデータＲＡＭ２０１（或いは不図示のディスクファ
イル）に記憶されて、濃淡画像として本スキャナユニッ
ト１００ａ内に固定される。尚、前述したように、セン
サ１１２は二次元エリアセンサ（ｍ×ｎ）であった。ｍ
×ｎ個の画像信号をセンサ１１２から出力させるため
に、ＣＰＵ２０４は色画像入力回路に対してシフト信号
SHFTを送る。センサ１１２はこの信号SHFTに同期させて
ｍ×ｎ画素の分のＲＧＢ画像データを画像入力回路２０
９に出力する。

【００４１】また、受光素子１０６が出力するRANGE信
号は受光回路を介してＡ／Ｄ変換器２０３でデジタル信
号に変換される。このディジタルのRANGE信号は、プロ
グラムＲＡＭ２０２内のアプリケーションプログラムに
より、第３図の方式によって処理されて、これにより距
離画像が形成される。コントロールユニット２００は更
に、ガルバノ鏡１０４を振動させるステッピングモータ
１１４を駆動する制御回路２０５と、筺体１３０の回転
軸１１１に回転力を伝達することにより筺体１３０を自
転させるステッピングモータ１１８を駆動する制御回路
２０６と、光路制御鏡１０２の位置を移動させるソレノ
イド１１５を駆動する制御回路２０７と、レーザ１１０
を駆動する駆動回路２０８とを有する。ＣＰＵ２０４
が、ガルバノ鏡１０４の回動角を制御するために制御回
路２０５に送る制御信号をＤＲθと呼び、モータ１１８
の回動角を制御するために制御回路２０６に送る制御信
号をＤＲΦと呼ぶ。

【００４２】第７図に、距離画像と濃淡画像が、種々の
前記制御信号とどのように関わるかを説明する。尚、距
離画像及び濃淡画像の大きさを、説明の便宜上、ｐ画素
（横方向）×ｎ画素（縦方向）とする。尚、本スキャナ
ユニット１００ａは、全周囲にわたっての濃淡画像と距
離画像とを得ることが目的であるから、ｐ画素は３６０
度（２πラジアン）の拡がりを有する。

【００４３】ＣＣＤセンサ１１２は、第２図に示すよう
に水平方向でｍ画素の大きさを有するから、ｐ画素を得
るためには、ｐ／ｍ回の撮像を行えばよい。即ち、１枚
の濃淡画像を得るためには、ｐ／ｍパルス数分の制御信
号ＤＲΦを制御回路２０６に送る。一方、垂直方向のｎ
画素についてはＣＣＤセンサ１１２はｎ画素分の大きさ
を有するので、垂直方向でｎ画素の濃淡画像を得るため
には、特に、駆動させる必要はない。

【００４４】検出素子１０６は水平方向でｍ画素分の大
きさを有するから、第８図に示すように、ｐ／ｍパルス
数の制御信号ＤＲΦを制御回路２０６に送れば、横方向
でｐ画素の大きさを有する濃淡画像と同時に、横方向で
ｐ画素の大きさを有する距離画像を得ることができる。
尚、１パルスの制御信号ＤＲΦが制御回路２０６に送ら
れると、筺体１３０は、２ｍπ／ｐラジアンだけ回動す
る。

【００４５】一方、検出素子１０６は垂直方向で１画素
分の大きさを有するから、縦方向でｎ画素の大きさを有
する距離画像を得るためには、ｎパルスのＤＲΦを制御
回路２０５に送る必要がある。垂直方向でｎ画素の大き
さがガルバノ鏡１０４をθ₀の角度（ラジアン）範囲に
相当するとすると、１パルスの制御信号ＤＲθは、ガル
バノ鏡１０４をθ₀／ｎ（ラジアン）だけ振れさせる。
還元すれば、ステッピングモータ１１４と制御回路２０
５を、１パルスの制御信号ＤＲθがガルバノ鏡１０４を
θ₀／ｎ（ラジアン）だけ振れさせるように設定する。
第８図を参照。

【００４６】第９図は、水平方向にｍ画素分の大きさを
有する受光素子１０６の制御の手法を示す。即ち、前述
したように、ガルバノ鏡１０４は信号ＤＲθが入力され
ると、１ステップ分回動されるから、制御信号ＤＲθの
１周期分の時間内に、ｍ画素分の距離情報を収集しなけ
ればならない。このためには、計測光は正弦波形よりも
パルス波形が好ましく、パルス波形を用いるならば、第
９図に示すように、Ｔ／ｍ秒周期（Ｔ秒は信号ＤＲθの
一周期の時間幅）のパルスをレーザドライバ１１０に与
えてパルスレーザ光を計測光として発生させる。反射光
は、約Ｔ／ｍ秒周期のパルス光として受光素子１０６に
より受信される。ＣＰＵ２０４は、アプリケーションプ
ログラムに従って、受信した反射計測光の各パルスの受
信時点の、レーザ駆動時点に対する遅れ時間（伝播時
間）を演算して距離を計算する。

【００４７】尚、Ｔ／ｍ秒をあまり短くすること、即
ち、ｍ画素数を大きくすることはできない。なぜなら、
反射光の遅れ時間は環境中の物体によって予測不可能で
あるから、遠い物体によっては遅れ時間が大きくなるこ
とがあり、そのために、Ｔ／ｍ秒時間幅の中に２つの反
射計測光パルスを受信する場合があるからである。光速
は早いために、通常の遠方距離内にある物体の距離を計
測する場合には上記のことは起こりにくい。

【００４８】第１０図，第１１図は、コントロールユニ
ット２００が、レーザドライバ１１０、筺体１３０を回
転させるモータ１１８（即ち、信号ＤＲΦ）、ガルバノ
鏡１０４を駆動するステッピングモータ１１４、光路制
御鏡１０２を移動させるソレノイド１１５を、どのよう
に互いに協調させて制御するかを表したタイミングチャ
ートである。特に第１１図は、第１０図の３００の部分
を時間的に拡大して表したものである。

【００４９】第１０図に示すように、距離画像と濃淡画
像とを併せて計測する本システムは、コントロールユニ
ット２００が、最初に距離画像を計測するモード（区間
３０４）を設定し、その後に色画像（濃淡画像）を計測
するモード（区間３０６）を設定している。距離画像を
計測するモード（３０４）のときは、光路制御鏡１０２
は光路１２１を遮断してはならない、即ち、光路制御鏡
１０２は後退していなければならない。その一方、距離
画像計測モード（３０４）では、垂直方向で走査を行う
ために、ガルバノ鏡１０４を振動させなければならな
い。

【００５０】一方、濃淡画像計測モード（３０６）で
は、光路制御鏡１０２が光路１２１を遮って、環境光を
ＣＣＤセンサ１１２に導かねばならない。また、ガルバ
ノ鏡１０４を振動させる必要はない。従って、同図の区
間３０５は、距離画像計測モードから濃淡画像計測モー
ドに移行するための準備を行う期間であって、具体的に
は、光路制御鏡１０２を待避状態から動作状態に移動さ
せるのに要する時間に設定すればよい。

【００５１】距離画像計測モードでは、光路制御鏡１０
２を待避状態において、その区間において、都合ｐ／ｍ
個の制御信号ＤＲΦを出力する。第１０図において、３
０２は、制御信号ＤＲΦにより駆動されるモータ１１５
（即ち、筺体１３０）の回転角度を示すもので、ｐ／ｍ
個の制御信号ＤＲΦが出力されると、モータ１１５の回
転角度は３６０度（即ち、一回転）となる。

【００５２】第１１図に示すように、１つの制御信号Ｄ
ＲΦの間に、即ち、モータ１１５が停止している間に、
３０１に示すように、ガルバノ鏡１０４は、垂直方向走
査のための往復運動を行う必要がある。前述したよう
に、距離画像を計測するための受光素子１０６は垂直方
向に１画素の大きさを有するから、波形３０１は、ｎス
テップを表している。換言すれば、スキャナユニットの
筺体が停止している間（１つの制御信号ＤＲΦの間）
に、ｎパルス数の信号ＤＲθが必要であり、次の信号Ｄ
Ｒθまでのガルバノ鏡１０４が停止している間（即ち、
波形３０１が一定の１期間）に、ｍ回レーザドライバ１
１０を駆動する。

【００５３】距離画像の取得が終わると、区間３０５の
期間内に、光路制御鏡１０２を待避させる。そして、区
間３０６から濃淡画像計測モードが開始する。距離画像
計測モードが終了すると、筺体１３０は３６０度回転し
ているので、元に位置に戻っている。距離画像計測モー
ドの後に濃淡画像計測モードを行うようにし、且つ濃淡
画像計測モードでは筺体１３０を逆回転させることによ
り、ケーブル２０１が絡まったり損傷したりするのを防
止する。また、全周囲の距離画像が必要ない場合でも、
濃淡画像計測モードの終了後には、筺体は初期位置に戻
っているという効果がある。

【００５４】濃淡画像計測モードでは、モータ１１５を
駆動させて筺体を回転させ、筺体が停止している間に、
濃淡画像をＣＣＤセンサ１１２から取得する。第１０図
から明らかなように、濃淡画像計測モードの期間３０６
は距離画像計測モードの期間３０４よりも短い。これ
は、濃淡画像計測モードでは、ガルバノ鏡１０４を機械
的に振動させる必要がないので、モータ１１５を高速に
回転、即ち、筺体１３０を高速に回動させることが許さ
れるからである。

【００５５】尚、第１０図のタイミングチャートでは、
距離画像の取得を濃淡画像の取得に先立って行わせてい
たが、これは逆であっても全く同じである。〈コントロールユニットの変形〉…第１変形例第１０図に示したように、モータ１１５はステッピング
モータを用いているので、筺体１３０は階段状に回転と
停止を繰り返す。ところが筺体内には重量の比較的重い
ものが多いので、回転と停止動作を繰り返すことは安定
性に欠ける。そこで、第１２図に示すように、モータ１
１５にＤＣサーボモータを用い、モータ１１５の回転角
度を滑らかなようにすることを提案する。

【００５６】〈スキャナユニットの変形例〉…第２変形
例第２変形例に係るスキャナユニット１００ｂの構成を第
１３図，第１４図を用いて説明する。第１図は第１実施
形態のスキャナユニット１００ａの構成を原理的に示す
ものであり、第２変形例のスキャナユニット１００ｂは
第１実施形態のスキャナユニット１００ａを若干変更し
たものである。

【００５７】即ち、第１３図に示すように、集光鏡１０
１の形状を大きくして、濃淡画像の光量を増大させた。
また、大きな集光鏡１０１は、計測光が外界環境で乱反
射されても、広い範囲の反射光を収集することができる
ので、受光素子１０６が受光する光のパワーを大きくす
ることができる。第１４図は、第１３図のスキャナユニ
ット１００ｂの外観を示す。

【００５８】第２変形例のスキャナユニットは第１実施
形態と機械的な構造が違うのみなので、第１実施形態の
信号制御や第１変形例の信号制御をそのまま個の第２実
施形態に適用することができる。〈スキャナユニット〉…第２実施形態〉第１実施形態及び第２変形例のスキャナユニットは、光
路制御鏡１０２が、集光鏡１０１とガルバノ鏡１０４の
中間に位置していた。これは、第１実施形態や第２変形
例では、距離画像や濃淡画像の水平方向の走査を筺体１
３０の回転によって実現しており、垂直方向の走査を不
要として高速化するために、ＣＣＤセンサ１１２に、垂
直方向にｎ画素の大きさを有するエリアセンサもしくは
ラインセンサを用いた。この垂直方向の電子的な走査に
より、少なくとも、濃淡画像については垂直方向の機械
的走査を不要とした。一方、距離画像については、乱反
射された計測光を集光して素子１０６で受光するため
に、解像度は低くなって、複数の画素を受光素子１０６
に設けることの必要性は乏しい。そこで、第１実施形態
や第２変形例の、距離画像を受光用の素子１０６は垂直
方向に複数がその拡がりを設定せずに（即ち、電子走査
を行わずに）、その代わりにガルバノ鏡１０４による機
械的走査を行っていた。

【００５９】第２実施形態のスキャナユニット１００ｃ
は、距離画像のみならず濃淡画像の取得時における垂直
方向の走査を、ガルバノ鏡１０４’の振動（または往復
回動）により実現することを目的としている。このため
に、第１５図に示すように、濃淡画像を検出するための
ＣＣＤセンサ１１２と光路制御鏡１０２とを、ガルバノ
鏡１０４’と距離画像受光用の素子１０６との間に配置
したものである。濃淡画像の垂直方向の走査を機械的に
行うために、第２実施形態のＣＣＤセンサ１１２’は後
述するようにｍ×１画素、即ち、垂直方向で１画素分の
拡がりとする。

【００６０】第１５図を用いて第２実施形態のスキャナ
ユニット１００ｃの構成及び動作を説明する。第２実施
形態では、ＣＣＤセンサ１１２は中空のホルダ１１９に
よって支持されている。このホルダ１１９には２カ所に
おいて微少な開口１１９ａ，１１９ｂが設けられてい
る。第２実施形態のＣＣＤセンサ１１２’と開口１１９
との関係は第１６図に示すようになる。即ち、第２実施
形態では、濃淡画像の垂直方向の走査を機械的に行うた
めに、センサ１１２’は垂直方向に１画素分のみの大き
さ（ｍ×１）に設定する必要がある。このようなセンサ
１１２’に入射する環境光を１画素分の拡がりを有する
ように絞り込むために、開口１１９ａ，１１９ｂが設け
られている。

【００６１】〈コントロールユニット〉…第２実施形態第２実施形態のスキャナユニット１００ｃを制御するた
めには、第１実施形態のコントロールユニット２００の
制御タイミングを変更したものを採用する必要がある。
即ち、第２実施形態のコントロールユニットは第１実施
形態のコントロールユニットに比してハード上変わると
ころはない。第１５図並びに第１７図のタイミングチャ
ートを用いて、第２実施形態の制御タイミングを説明す
る。

【００６２】まず、距離画像計測モードでは、光路制御
鏡１０２を待避位置（１０２ｂ）におく。距離画像計測
モードの期間中は、モータ１１５に制御信号ＤＲΦを順
次送って、モータ１１５の回転角を階段状に大きくす
る、即ち、筺体１３０をステップ状に回動し停止させな
がら、筺体１３０を３６０度回転させる。モータ１１５
が停止している間に、制御回路２０５からモータ１１４
に対して制御信号ＤＲθを送ってガルバノ鏡１０４’を
階段状に会同／停止させる。こうして距離画像を取得で
きる。

【００６３】濃淡画像計測モードに先立って、光路制御
鏡１０２を光路１２９を遮断する位置（１０２ａ）に移
動させる。この時点で、計測光が外界に出ていくことは
光路制御鏡１０２により防止されるので、ガルバノ鏡１
０４により反射されて制御１０２に入射する光は環境光
のみとなる。こうして、濃淡画像がセンサ１１２’によ
り検出される。

【００６４】第１実施形態では、ガルバノ鏡１０４’を
振動させる必要はなかったが、この第２実施形態では、
濃淡画像の垂直方向走査を得るために、ガルバノ鏡１０
４’を振動させる。こうして、第２実施形態でも濃淡画
像を得ることができる。〈第２実施形態に対する変形〉…第３変形例第１変形例（第１２図）は、筺体を回転させるモータ１
１８を滑らかに回転させることにより、筺体の振動を抑
えるものであった。第１実施形態に対する第１変形例と
同じ制御タイミングをこの第２実施形態にも適用可能で
ある。第１８図にその制御タイミング波形を示す。

【００６５】〈スキャナユニット〉…第３実施形態第２実施形態では、集光鏡１０１は、筺体１３０の回転
軸が垂直であるために、環境からの水平方向の光を垂直
方向に光路変更するために必要であった。この第３実施
形態は、第２実施形態から集光鏡１０１を除去して、ガ
ルバノ鏡１０４に集光鏡１０１の機能を肩代わりさせる
ものである。

【００６６】第１９図は第３実施形態のスキャナユニッ
ト１００ｄの構成を示す。同図において、第２実施形態
の集光鏡１０１の位置にガルバノ鏡１０４”が配置され
ている。このために、濃淡画像のためのＣＣＤセンサ
は、垂直方向において１画素のみの大きさを有すること
となり、従って、第３実施形態のセンサは第２実施形態
のＣＣＤセンサ１１２’を用いることができ、併せてホ
ルダ１１９を配置する必要がある。

【００６７】第３実施形態の制御タイミングは第２実施
形態のタイミング（第１７図，第１８図）を用いること
ができる。〈センサの変形例〉…第４変形例前記第１実施形態乃至第３実施形態では、水平方向の大
きさがｍ画素のＣＣＤセンサ１１２（または１１２’）
と受光素子１０６とを用いていた。このセンサ及び素子
は前述したように、ｍ＝１であってもよい。

【００６８】第４変形例は、ＣＣＤセンサ１１２がｍ×
ｎの二次元センサで、受光素子１０６がｍ×１の素子で
あるところのある第１実施形態並びに第２実施形態に対
する変形例である。即ち、第４変形例では、距離画像用
の受光素子１０６’を１×１の大きさとすることにより
コストダウンをねらっている。受光素子１０６’を１×
１の大きさとすると、ＣＣＤセンサ１１２との関係は第
２０図のようになる。即ち、素子１０６’の大きさを１
画素とすることは、ｍ画素のセンサ１１２が得た濃淡画
像に比して、距離画像の解像度が落ちることになる。し
かしながら、三次元画像表示では、距離画像の解像度の
必要性は濃淡画像ほど高くはない。従って、第４変形例
によれば、コストダウンの長所が解像度低下の短所を上
回るのである。

【００６９】〈その他の変形例〉上記全ての実施形態及
び変形例では、濃淡画像はカラー画像であったが、本発
明はモノクロの濃淡画像にも適用できる。また、種々の
光学素子は他の光学素子に変更することができる。例え
ば、集光鏡１０１は、凸面鏡または凹面鏡さらにはプリ
ズムによって代替できる。また、筺体１３０の回転軸を
水平にすれば集光鏡１０１そのもを不要とすることがで
きる。

【００７０】同じように、光路制御鏡１０２を凸面鏡ま
たは凹面鏡さらにはプリズムによって代替できる。ま
た、穴のあいたビームスプリッタ鏡１０８の代わりにハ
ーフミラーを代替させることができる。また、上記実施
形態では、光路制御手段として光路制御鏡１０２を用い
ていたが、例えば液晶シャッタにより代替できる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように本発明に因れば、距
離画像と濃淡画像とを併せて取得することのできる新規
な構成の画像計測装置を提供できる。また、本発明の制
御装置によれば、距離画像と濃淡画像とを併せて取得す
る画像計測装置を効率的に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に関わるスキャナユニ
ット１００ａの構成を示すブロック図。

【図２】第１実施形態のＣＣＤセンサ１１２と光路制
御鏡１０２との関係を示す図。

【図３】第１実施形態乃至第３実施形態に装置におい
て用いられる光伝播時間により距離を計測することの原
理を説明する図。

【図４】第１実施形態のガルバノ鏡１０４と受光素子
１０６との関係を説明する図。

【図５】第１実施形態のガルバノ鏡１０４と受光素子
１０６との関係を説明する図。

【図６】第１実施形態のコントロールユニット２００
の構成並びにコントロールユニット２００とスキャナユ
ニット１００ａとの接続関係を説明する図。

【図７】第１実施形態の濃淡画像の大きさと各種制御
信号との関係を説明する図。

【図８】第１実施形態の距離画像の大きさと各種制御
信号との関係を説明する図。

【図９】第１実施形態において、レーザ計測光の発射
タイミングと反射計測光の受光タイミングとの関係を説
明する図。

【図１０】第１実施形態の制御タイミングを示すタイ
ミングチャート。

【図１１】図１０の制御タイミングの一部を拡大して
示すタイミングチャート。

【図１２】第１変形例に関わる制御タイミングのタイ
ミングチャート。

【図１３】第２変形例にかかるスキャナユニット１０
０ｂの構成を示すブロック図。

【図１４】第２変形例にかかるスキャナユニット１０
０ｂの斜視図。

【図１５】第２実施形態にかかるスキャナユニット１
００ｃの構成を示すブロック図。

【図１６】第２実施形態のＣＣＤセンサ１１２’の構
成を示すブロック図。

【図１７】第２実施形態に関わる制御タイミングのタ
イミングチャート。

【図１８】第３変形例に関わる制御タイミングのタイ
ミングチャート。

【図１９】第３実施形態にかかるスキャナユニット１
００ｄの構成を示すブロック図。

【図２０】第４変形例のセンサ１１２と受光素子１０
６’との関係を説明する図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−43115（ＪＰ，Ａ) 特開平９−5050（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 G06T 1/00 H04N 13/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】周囲環境の距離画像と濃淡画像とを計測
する画像計測装置であって、前記周囲環境からの光を集光する集光手段の本体（１０
１，１０４”）と、第１のモードにおいて計測光を発し、所定の基準点から
周囲環境までの距離を、前記周囲環境で反射され前記集
光手段により集光され前記計測光の伝播時間によって計
測する距離画像計測手段のための受光強度検出素子（１
０６，１０６’）と、前記計測光の前記周囲環境に向けた光路を制御する光路
制御手段の本体（１０２，１０２’）と、前記光路制御手段により前記計測光の前記周囲環境に向
けた光路が制御されるべき第２のモードにおいて、前記
集光手段により集光された周囲環境からの環境光に基づ
いて濃淡画像を計測する濃淡画像計測手段のための画像
検出素子（１１２，１２’）とを一体的に保持する筺体
（１３０）と、この筺体を回転させる回転手段（１１８）とを具備する
ことを特徴とする画像計測装置。
【請求項２】周囲環境の距離画像と濃淡画像とを計測
する計測装置であって、前記周囲環境からの光を集光する集光手段（１０１，１
０４”）と、第１のモードにおいて計測光を発し、所定の基準点から
周囲環境までの距離を、前記周囲環境で反射され前記集
光手段により集光され前記計測光の伝播時間によって計
測する距離画像計測手段と、前記計測光の前記周囲環境に向けた光路を制御する光路
制御手段（１０２，１０２’）と、前記光路制御手段により前記計測光の前記周囲環境に向
けた光路が制御されるべき第２のモードにおいて、前記
集光手段により集光された周囲環境からの環境光に基づ
いて濃淡画像を計測する濃淡画像計測手段とを具備し、前記光路制御手段は更に、前記計測光の発光源（１１０）と前記集光手段の間の光
路（１２１，１２３）上の中間位置に配置された反射鏡
（１０２，１０２’）と、前記反射鏡を、計測光を制御するときに前記光路（１２
１）上に位置決め（１０２ａ）し、或いは計測光を制御
しないときには光路上外へと移動させる移動手段（１１
５）とを具備することを特徴とする画像計測装置。
【請求項３】前記距離画像計測手段は、計測光として
レーザ光を発生するレーザ（１１０）を有することを特
徴とする請求項１に記載の画像計測装置。
【請求項４】前記レーザから照射されたレーザ光と、
周囲環境で反射して戻ってきたレーザ光のいずれか一方
を透過させ他方を反射させるための中央に穴の開いた反
射鏡などのビームスプリッタ（１０８）、前記レーザと
前記距離画像計測手段のための受光強度検出素子（１０
６）と前記集光手段（１０１）の途中に配置されている
ことを特徴とする請求項３に記載の画像計測装置。
【請求項５】更に、前記集光手段と、前記距離画像計
測手段の受光強度検出素子と前記濃淡画像計測手段の画
像検出素子との中間におかれ回動反射鏡（１０４）を有
し、この回動反射鏡は、計測光と画像光の少なくとも一方を
垂直方向に走査するために回動することを特徴とする請
求項１に記載の画像計測装置。
【請求項６】前記回転手段（１１８）は、前記筺体を
１回転した後に逆回転させることを特徴とする請求項１
に記載の画像計測装置。
【請求項７】前記光路制御手段（１０２）は、前記回動反射鏡（１０４）と前記集光手段（１０１）の
中間に配置されており、前記第１のモードにおいては、発光された計測光を光路
（１２１）上に導くことにより、計測光を周囲環境に放
射させ、前記第２のモードにおいては、発光された計測光を光路
（１２１）外に導くことにより、計測光が周囲環境に放
射されることを阻止すると共に、前記集光手段（１０
１）により集光された環境光を前記濃淡画像計測手段の
画像検出素子（１１２）に導くことを特徴とする請求項
５に記載の画像計測装置。
【請求項８】前記光路制御手段（１０２’）は、前記回動反射鏡（１０４’，１０４”）と前記距離画像
計測手段の距離画像検出素子（１０６）の中間に配置さ
れ、前記第１のモードにおいては、発光された計測光を前記
回動反射鏡（１０４’，１０４”）に導くと共に、反射
して戻ってきた計測光を前記距離画像検出素子に導き、前記第２のモードにおいては、発光された計測光を光路
外に導くことにより、計測光が前記回動反射鏡（１０
４’，１０４”）に導かれることを阻止すると共に、前
記回動反射鏡により反射された環境光を前記濃淡画像計
測手段の画像検出素子（１１２’）に導くことを特徴と
する請求項５に記載の画像計測装置。
【請求項９】前記集光手段は、前記計測光及び環境光
を反射させて走査する回動反射鏡（１０４”）を有する
ことを特徴とする請求項５に記載の画像計測装置。
【請求項１０】距離画像と濃淡画像とを一括して計測
するために、計測光を発光し、その計測光の外界での反
射光を受光して距離画像を計測する距離画像計測手段
と、外界からの環境光を受光して濃淡画像を形成する濃
淡画像計測手段とを含む本体と、この本体を垂直軸周り
に回転させる回転手段とを有する画像計測装置を制御す
る制御装置であって、前記本体を一方向に回転させながら前記距離画像計測手
段と濃淡画像計測手段のいずれか一方を動作させた後
に、前記本体を逆回転させながら他方の手段を動作させ
ることを特徴とする制御装置。