JP4401988B2

JP4401988B2 - ３次元画像情報取得装置

Info

Publication number: JP4401988B2
Application number: JP2005073031A
Authority: JP
Inventors: 憲明木村; 恭二土井; 孝佳弓井; 卓史吉田
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2005-03-15
Filing date: 2005-03-15
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2025-03-15
Also published as: JP2006258464A

Description

本発明は、レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の３次元画像情報を取得する３次元画像情報取得装置であって、例えばマシンビジョンシステム（産業用画像検査装置）や測定対象物に当たって戻ってきたレーザ光の情報から測定対象物の状態を知るレーザレーダ等の技術分野に好適に用いることのできる装置に関する。

近年、産業用ロボットや工作機械における作業の自動化において、作業対象とする対象物の３次元位置情報を利用して正確な作業を行うことが望まれている。
対象物の３次元位置情報を取得するには、種々の方法が知られている。
複数のカメラを搭載したシステムでは撮影画像を用いて対象物の位置情報を取得し、また複数の距離センサを用いたシステムでは対象物の距離情報を距離センサから取得する。また、カメラと距離センサを組み合わせたシステムでは対象物の撮影画像と距離情報を取得して対象物の３次元位置情報を取得する。
また、軍事、保安用レーザレーダとして、また火星探査ロボットとして、対象物の３次元位置情報を取得することが望まれている。

例えば、複数のカメラを搭載したシステムでは、複数のカメラで異なる方向から撮影した対象物の撮影画像から対象物の３次元画像を取得する方法が知られている（非特許文献１）。
また、レーザ光をポリゴンミラーやガルバノミラーに反射させて対象物上で２次元的に走査し、対象物から反射されてくるレーザ光を受光することによって対象物の位置情報を知り、これと別途三角測量法やパルスエコー法を用いて求めた距離情報とともに対象物の３次元位置情報を取得する方法が知られている（非特許文献２）。
また、レーザ光を対象物上にスリット投影して、対象物に投影されたスリット状のレーザ光の変形状態を用いて対象物の３次元形状を知る方法が知られている（非特許文献３）。

平成１０年度補正予算煽動的コンテンツ市場環境整備事業、「多カメラ同時撮影による非制止物体の３次元モデルデータ採取装置」、２００４年５月６日検索、インターネット、＜URL:http//www.dcaj.org/bigbang/mmca/works/04/04_050.html＞関本清英他４名、「三次元レーザレーダの開発」、石川島播磨技法第４３巻第４号平成１５年７月号、２００４年５月６日検索、インターネット、＜URL: http://www.ihi.co.jp/ihi/technology/gihou/image/43-4-2.pdf＞「３次元モデリング表示技術」、大阪府立産業技術総合研究所、２００４年５月６日検索、インターネット、＜http://www.tri.pref.osaka.jp/group/sense/oldfile/3d/3d3.htm＞

上記非特許文献１では、必要に応じて複数の撮影画像に基づいて３次元画像を取得して仮想的な３次元画像を作成することができる。また、人の体型を計測対象物として人の体型の３次元画像を作成することができる。しかし、３次元画像を取得する際、システム使用者が複数のカメラで撮影された撮影画像を位置合わせするための基準点を別途定める必要があり、自動化するのが困難である。
また非特許文献２では、３次元位置情報を所望の分解能で取得する際、ポリゴンミラーやガルバノミラーを回転させて反射させレーザ光の光束を絞って対象物上で走査させる際、光束の大きいレーザ光を反射する大型のポリゴンミラーやガルバノミラーを高速に回転させて３次元位置情報を取得するのには限界がある。
また、非特許文献３では、３次元形状を求めることはできるが、対象物の距離情報を得て３次元位置情報を取得するには、対象物上に予め距離情報を得るための参照点を設定しなければならず、自動化するのが困難である。

そこで、本発明は、レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の３次元画像情報を自動的に取得する装置であって、従来のシステムとは異なる方法を用いて高速に３次元画像を取得する３次元画像情報取得装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の３次元画像情報を取得する３次元画像情報取得装置であって、レーザ光の光強度を振幅変調信号に従って時間変調して測定対象物に照射するレーザ光出射部と、測定対象物で反射したレーザ光を受光する複数の受光面を備え、各受光面で受光したレーザ光の情報を、各受光面毎にそれぞれ電気信号に変換して出力する光電変換器と、前記測定対象物と前記光電変換器の各受光面との間のレーザ光の光路上に設けられ、平面上に複数のマイクロミラーが配列されて構成されたレーザ光反射面を有する素子であり、前記レーザ光反射面は、それぞれ所定数のマイクロミラーが配列された複数の部分領域に分割されており、各部分領域毎に、選択されたマイクロミラーの反射面を所定の向きに制御してＯＮ状態にすることにより、このＯＮ状態のマイクロミラーで反射した測定対象物からのレーザ光の反射光を、各部分領域毎にそれぞれ異なる前記受光面へと導くマイクロミラーアレイ空間変調素子と、各受光面毎の電気信号それぞれを、各電気信号毎に識別可能な符号化変調信号で時間変調する符号化変調手段と、前記符号化変調信号で時間変調された各受光面毎の電気信号を合成して合成変調電気信号を生成する電気信号合成手段と、前記振幅変調信号と同一周波数の信号を参照信号として用いて、前記合成変調電気信号をミキシングし、前記振幅変調信号で時間変調されたレーザ光の信号成分を中間周波数信号として取り出す中間周波数信号生成手段と、前記中間周波数信号に含まれる符号化変調信号の情報を利用して、前記電気信号に変換されたレーザ光の反射光を受光した受光面を識別して、この受光面に前記レーザ光の反射光を導く前記レーザ光反射面の部分領域を特定し、この特定した部分領域の前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報を用いて、測定対象物の３次元位置情報を求めるデータ処理部とを有することを特徴とする３次元画像情報取得装置を提供する。

なお、本発明の３次元画像情報取得装置は、前記データ処理部は、前記中間周波数信号を用いて、前記光電変換器それぞれから出力された各受光面毎の電気信号の、前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報を各電気信号毎に取得し、前記位相ずれ情報を用いて、前記測定対象物との間の距離情報を求め、前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報と、前記距離情報と、前記レーザ光出射部の出射位置を示す情報とを用いて、前記３次元位置情報を求めることが好ましい。なお、前記複数の受光面は、それぞれ同一の平面上に配列されていることが好ましい。

また、前記光電変換器の各受光面毎に出力された電気信号を、前記振幅変調信号と同一周波数の信号を参照信号として用いてミキシングして、前記振幅変調信号で時間変調されたレーザ光の信号成分を中間周波数信号として取り出す中間周波数信号生成手段を有し、
前記データ処理部は、この中間周波数信号を用い、前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報を取得するとともに、この位相ずれ情報と、各部分領域毎の前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報とを用いて測定対象物の３次元位置情報を求めることが好ましい。

また、前記中間周波数信号生成手段におけるミキシング処理に先がけて、前記光電変換器の各受光面毎に出力された複数の電気信号を合成する電気信号合成手段を備え、中間周波数信号生成手段は、前記電気信号合成手段において生成された合成電気信号を、前記振幅変調信号と同一周波数の信号を参照信号として用いてミキシングすることが好ましい。

また、前記中間周波数信号生成手段は、前記振幅変調信号及び前記振幅変調信号を所定量位相シフトさせた位相シフト変調信号を参照信号として前記中間周波数信号を取り出し、前記データ処理部は、この中間周波数信号から、前記位相ずれ情報とともに測定対象物の表面における反射率の情報を求め、この反射率の情報と前記３次元位置情報とを３次元画像情報とすることが好ましい。

また、前記データ処理部は、前記位相ずれ情報及び前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報とともに、前記レーザ光の前記レーザ光出射部における出射位置の情報とを用いて測定対象物の３次元位置情報を求めることが好ましい。

また、前記レーザ光出射部は、互いに周波数の異なる複数の振幅変調信号を用いてレーザ光を時間変調し、前記データ処理部は、異なる周波数の振幅変調信号毎に前記電気信号における前記位相ずれ情報を取得し、この複数の位相ずれ情報を用いて、３次元画像情報取得装置と測定対象物との間の距離情報を求めることが好ましい。

また、前記データ処理部は、求められた前記距離情報と前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報とから、レーザ光の３次元画像情報取得装置への到来方向と直交する方向における測定対象物の位置情報を求めることが好ましい。

また、前記レーザ光出射部は、波長の異なる複数のレーザ光を出射し、これらのレーザ光毎に前記測定対象物における表面の反射率の情報を求めることにより、測定対象物のカラー画像情報を取得することが好ましい。

また、前記マイクロミラーアレイ空間変調素子は、各部分領域毎に、ＯＮ状態のマイクロミラーが全マイクロミラーの５０％以上を占める、マイクロミラーの制御パターンが順次切り換えられ、この制御パターンに応じて空間変調されたレーザ光を前記光電変換器の各受光面に導くことが好ましい。なお、この順次切り換えられる前記制御パターンは、互いに直交性を有する制御パターンであることが好ましい。

本発明では、マイクロミラーアレイ空間変調素子の各マイクロミラーの２次元位置情報と、このマイクロミラーアレイ空間変調素子に入射するレーザ光における光強度の時間変調における位相ずれ情報とを用いて、測定対象物の３次元位置情報及び反射率を求めることで、これらの情報から測定対象物の３次元画像情報を高速に取得することができる。さらに、赤、緑及び青の３原色の可視レーザ光を用いることで、レーザ毎の反射率を求めることができ、色情報の有する３次元画像情報を高速に取得することができる。

以下、本発明の３次元画像情報取得装置について、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。

図１は、本発明の３次元画像情報取得装置の一実施形態である３次元形画像情報取得装置（以降、装置という）１０の外観図である。
装置１０は、測定対象領域Ｔの範囲内に存在する測定対象物に照射したレーザ光のうち測定対象物からの反射光を受光することにより取得される測定対象物の３次元位置情報と、測定対象物の表面における反射率とにより３次元画像情報を取得する装置である。３次元画像情報取得装置１０は、レーザ光を出射させて測定対象領域Ｔの測定対象物に照射し、測定対象領域Ｔの測定対象物の表面で反射したレーザ光を受光する。

装置１０は、レーザ光を測定対象領域Ｔの測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を受光することにより出力される電気信号から、測定対象領域Ｔにおける測定対象物の３次元画像情報を含んだ信号を出力する本体部１２と、本体部１２から出力された信号を用いて測定対象物の３次元画像情報を取得するコンピュータ１４と、を有する。
コンピュータ１４は、本体部１２から出力される信号を用いてデータ処理を行う他、本体部１２の各ユニットの駆動や駆動のタイミングを制御する制御部分でもある。

図２は、本体部１２の装置構成を示したブロック図である。
本体部１２は、レーザ光出射ユニット２０と、光学ユニット３０と、レーダ回路ユニット４０と、制御回路ユニット５０とを有する。制御回路ユニット５０は、コンピュータ１４と接続されている。

レーザ光出射ユニット２０は、レーザ光を出射する部分であり、レーザダイオード２２と、レーザダイオード２２を駆動するレーザドライバ２４と、レーザダイオード２２から出射するレーザ光を調節する光学レンズ２８とを有する。

レーザドライバには、後述するレーダ回路ユニットより振幅変調信号が送られ、この振幅変調信号に応じてレーザダイオードからレーザ光を出射させる。振幅変調信号（以降、ＲＦ変調信号という）は、例えば周波数（５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ）の信号で、レーザダイオード２４から出射されるレーザ光の光強度を時間変調するために用いられる。

光学ユニット３０は、測定対象領域Ｔの測定対象物の表面で反射して到来したレーザ光を受光する部分で、図２に示すようにレーザ光の光路の上流側から順に、バンドパスフィルタ３１、光学レンズ３２、プリズム３３、マイクロミラーアレイ空間変調素子（以降、空間変調素子という）３４、光学レンズ３６、ミラー３７及び光電変換器３８が配置されている。空間変調素子３４はマイクロミラー制御器３５と接続されている。

バンドパスフィルタ３１は、レーザ光の波長帯域の光を透過させて、それ以外の波長帯域の光を遮断する狭帯域フィルタで、不必要な外光を遮断し、測定対象物からの反射光のＳＮ比を向上させる。
プリズム３３は、後述する空間変調素子３４とともに用いて、空間変調素子３４のマイクロミラーで反射したレーザ光を、斜行面３３ａで透過あるいは全反射させる部分である。
具体的には、プリズム３３は、空間変調素子３４のマイクロミラーのうち、所定の向きに反射面の向いたマイクロミラー（ＯＮ状態のマイクロミラー）にて反射されたレーザ光のみプリズム３３の斜行面３３ａを透過させ、所定の向きに反射面が向かないマイクロミラー（ＯＦＦ状態のマイクロミラー）にて反射されたレーザ光を斜行面３３ａで全反射させるように配置される。

空間変調素子３４は、平面上に配列された複数のマイクロミラー、例えば一辺が１２μｍの矩形状のミラーを有する素子であり、これらのマイクロミラーのうち選択されたマイクロミラーの反射面を所定の向きに制御してＯＮ状態にすることにより、このＯＮ状態のマイクロミラーで反射した、測定対象物から到来したレーザ光を光電変換器３８の受光面に導くように配置されている。

図３は、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態のマイクロミラーにおけるレーザ光の反射を説明する図である。図３では、４個×４個のマイクロミラーアレイを用いて説明している。
ＯＮ状態にあるマイクロミラーＡの反射面で反射したレーザ光はレンズ３６を介して光電変換器３８の受光面３９に導かれ、ＯＦＦ状態にあるマイクロミラーＢの反射面で反射したレーザ光は光電変換器３８と異なる方向に反射する。このように、ＯＮ状態にあるマイクロミラーで反射されたレーザ光は光電変換器３８にて受光される。

光学レンズ３６は、光電変換器３８の受光面３９にミラー３７を介してレーザ光を結像させるように構成される。
光電変換器３８は、受光したレーザ光を電気信号に変換する部分であり、光電子倍増管やアバランシェフォトダイオード等の、４つの光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄが並べられることで構成されている。各光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄは、それぞれ、受光面３９ａ〜３９ｄを備え、各受光面に入射した光に応じた電気信号を出力する。なお、光電変換器３８に設けられる上記デバイスの数は４個に限定されず、４個以上でも４個以下でもよい。

光学ユニット３０では、空間変調素子３４の、複数のマイクロミラーが平面上に配列されたミラー面２９全体が、測定対象領域Ｔからのレーザ光の反射光（測定対象物からの反射光）全体を受光するように構成されている。また、空間変調素子３４のミラー面２９全体からの反射光を、光電変換デバイス３８の受光面３９（受光面３９ａ〜３９ｄ）全体が受光するように構成されている。すなわち、測定対象領域Ｔからの反射光の成す像全体の大きさと、空間変調素子３４のミラー面２９全体の大きさが対応している。また、ミラー面２９全体から反射光の成す像全体の大きさと、光電変換デバイス３８の受光面３９（受光面３９ａ〜３９ｄ）全体の大きさが対応している。図４は、測定対象領域Ｔからの反射光と空間変調素子３４のミラー面２９との対応、およびミラー面２９からの反射光と光電変換デバイス３８の受光面３９との対応について説明する概略図である。

図４に示すように、空間変調素子３４のミラー面２９全体は、それぞれ複数のミラー面が配列された４つの部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄに分割されている。空間変調素子は、後述するマイクロミラー制御器３５によって、各部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄ毎に異なるパターンで、１つ１つのミラーの角度が制御される。測定対象領域Ｔにおいて反射したレーザ光は、光学レンズ３２、プリズム３３によって成形・反射されて、空間変調素子３４のミラー面２９全体に入射する。各部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄには、それぞれ、測定対象領域Ｔにおける、それぞれ異なる部分測定領域Ｔａ〜Ｔｄからの反射光が入射される。各部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄのそれぞれのＯＮ状態のミラーで反射されたレーザ光それぞれは、プリズム３３を通りミラー３７で反射されて、光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄの各受光面３９ａ〜３９ｄにそれぞれ入射する。光学ユニット３０では、このように、空間変調素子３４のミラー面２９の、各部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄで反射された（詳しくは、ＯＮ状態のミラーで反射された）レーザ光それぞれは、光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄの、それぞれ異なる受光面３９ａ〜３９ｄにそれぞれ入射する。

本発明の３次元像取得装置によれば、このように、複数の光電変換デバイスの各受光面毎に、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射されるレーザ光を別々に受光して、受光したレーザ光に応じた電気信号を出力する。そして、出力したそれぞれの電気信号を個別にデータ処理することで、短時間に３次元画像情報を取得することができる。なお、上記デバイスは用いるレーザ光によって適するデバイスが異なり、例えば近赤外（８００〜１２００μｍ）のレーザ光にはアバランシェフォトダイオードが、可視帯域（４００μｍ〜８００μｍ）のレーザ光にはアバランシェフォトダイオード又は光電子倍増管が好適に用いられる。

なお、光電変換器３８には、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）撮像素子等の受光面を領域に分けて受光し、領域毎に信号を蓄積し、蓄積された信号を順次出力する撮像素子は用いられない。後述するように、レーザ光の時間変調に用いるＲＦ変調信号は５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであるため、順次蓄積された信号を出力するＣＣＤ撮像素子では、このような高周波で変調する信号に対応して高速に駆動することができないからである。

ここで、空間変調素子３４について、より詳細に説明しておく。空間変調素子３４は、例えばテキサス・インスツルメンツ社製のデジタルマイクロミラーデバイス（商標）が挙げられる。デジタルマイクロミラーデバイスは、例えば１０２４×７６８個のマイクロミラーの配列面の下部にＳＲＡＭ（Static Ram)を設け、このＳＲＡＭを利用して生成される静電気引力を用いて、マイクロミラーをそれぞれ所定の向き（＋１２度又はマイナス１２度）に回転させる素子である。
空間変調素子３４は、各マイクロミラーの状態をＯＮ状態／ＯＦＦ状態に切り換えるためのマイクロミラー制御器３５と接続されている。マイクロミラー制御器３５は、各部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄ毎に、複数のマイクロミラーそれぞれの反射面の向きを制御する。マイクロミラー制御器３５の制御により、各部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄ毎に、全マイクロミラー（各部分領域毎の全てのマイクロミラー）のうち半数以上がＯＮ状態となるマイクロミラーの異なる制御パターンに順次切り換えられる。マイクロミラーの制御パターンは、マイクロミラーのＯＮ状態を１、ＯＦＦ状態を−１とすると、各部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄ毎の制御パターンは、互いに直交性を有する制御パターンであるのが好ましい。例えばアダマール行列を用いて生成されるのが好ましい。

具体的に説明すると、各部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄ毎の制御パターンは、空間変調素子３４のＯＮ状態とするマイクロミラーの配置のパターンであり、この制御パターンは、アダマール行列の各行同士のテンソル積を利用して作成されたパターンである。各部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄは、ぞれぞれ同様の制御パターンによって制御される。以下、複数の部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄのうち１つの部分ミラー領域２９ａを説明し、複数の部分ミラー領域における制御パターンの説明とする。図５（ａ）は、６４個（＝８個×８個）のマイクロミラーが配列された部分ミラー領域２９ａについて、マイクロミラーの反射面の側から見た制御パターンの一例を説明する図である。図５（ａ）に示す例では、例えば、複数の部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄからなる、空間変調素子３４のミラー面２９全体では、２５６（６４×４）個のマイクロミラーが配列されていることとなる。１つの部分ミラー領域２９ａにおいて、マイクロミラーは、縦方向に８列、横方向に８列、矩形形状に配列されている。図５（ａ）中、灰色のマイクロミラーはＯＮ状態、白色のマイクロミラーはＯＦＦ状態を示している。
このような制御パターンは、ＯＮ状態のマイクロミラーが全マイクロミラーの５０％以上占める制御パターンである。制御パターンは、後述する制御回路ユニット５０にて作成される制御パターン信号で制御される。

図５（ｂ）に示すように行列要素が１又は−１で構成される８行８列のアダマール行列のうち、各行の行列要素の組みを上から順番に０次、１次、２次、．．．．．、７次として横方向の１次元制御パターンとする。一方、図５（ｃ）に示すように８行８列のアダマール行列のうち、各行の行列要素の組みを上から順番に０次、１次、２次、．．．．．、７次とし縦方向の１次元制御パターンとする。そして、図５（ｂ）に示す横方向の１次元制御パターンから所望の次数のパターンを選択し、図５（ｃ）に示す縦方向の１次元制御パターンから所望の次数のパターンを選択する。

図５（ａ）では、横方向の１次元制御パターンは４次、縦方向の１次元制御パターンは６次が選択されている。
一方、空間変調素子３４において制御しようとするマイクロミラーの縦方向及び横方向の位置における、横方向の１次元制御パターン及び縦方向の１次元制御パターンの値（１又は−１）をそれぞれ参照し、縦方向の値と横方向の値の積が１になる場合、制御しようとするマイクロミラーはＯＮ状態とし、積が−１となる場合マイクロミラーはＯＦＦ状態に設定する。例えば、３行５列の位置にあるマイクロミラーＭの、横方向の１次元制御パターンの値は−１であり、縦方向の１次元制御パターンの値は−１であり、積は１である。このことから、マイクロミラーＭはＯＮ状態に設定される。こうしてＯＮ状態のマイクロミラーの数が全マイクロミラーの数の５０％以上となる制御パターンの制御パターン信号が作成される。
この場合、マイクロミラーの制御パターンは、横方向の１次元制御パタ−ン及び縦方向の１次元制御パターンを組み合わせて６４通り（＝８×８）作成でき、この６４個の異なる制御パターンを順次切り換えるように制御パターン信号が作成される。
このように制御パターンは、アダマール行列の選択された各行同士のテンソル積によって生成される。

なお、６４個のマイクロミラーを１つずつＯＮ状態とし、他はＯＦＦ状態とすることによって、空間変調素子３４にて反射されるレーザ光を順次受光することもできる。しかし、１つのマイクロミラーで反射されて受光されるレーザ光は微弱であるため、後処理として行う増幅や検波等の処理により、微弱なレーザ光により生成された電気信号はノイズに埋もれ易い。しかし、上述したように、ＯＮ状態のマイクロミラーが全マイクロミラーの半数以上を占める上記制御パターンを用いることにより、後処理として行う増幅や検波等においてノイズに埋もれることは少なくなる、といった効果を呈する。
このように空間変調素子３４は、各部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄのそれぞれにおいて、異なる制御パターンに順次切り替えながら測定対象領域から到来するレーザ光を反射する。

レーダ回路ユニット４０は、レーザ光出射ユニット２０のレーザドライバ２４にＲＦ変調信号を供給するとともに、各光電変換器３８ａ〜３８ｄそれぞれから出力した電気信号を変調する後述のＲＦ振幅変調器に、後述するＰＮ符号化変調信号を供給し、各電気信号をＰＮ符号化変調信号により変調する。そして、このような各光電変換器３８ａ〜３８ｄそれぞれから出力した電気信号を、レーザドライバ２４に供給されたＲＦ変調信号と同一の信号を参照信号（以降、ローカル信号という）として用いてミキシングし、ＲＦ変調信号で時間変調されたレーザ光の信号成分を中間周波数信号（ＩＦ信号）として取り出す部分である。
具体的には、レーダ回路ユニット４０は、発振器４１、パワースプリッタ４２、増幅器４３、移相器４４、増幅器４５、ＲＦコンバイナ４６、ミキサ４７、増幅器４８、上述の光電変換器３８ａ〜３８ｄにそれぞれ対応して接続された、ＲＦ振幅変調器４９ａ〜４９ｄを有する。

発振器４１は、発振周波数制御信号によって設定された発振周波数で信号を発振する部分である。発振した信号はレーザ光を時間変調するＲＦ変調信号として用いられる。例えば、５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚのマイクロ波〜ミリ波帯域の周波数で発振される。発振周波数は、複数の周波数、例えば２つの周波数とし、この２つの周波数でレーザ光を時間変調する。複数の周波数でレーザ光を時間変調するのは、異なる周波数でレーザ光を時間変調することにより、後述するように、装置１０から測定対象物までの絶対距離を求めるためである。

パワースプリッタ４２は、発振器４１にて発振した信号を分離する部分である。分離された一方の信号は増幅器４３を介してレーザドライバ２４に供給され、ＲＦ変調信号として用いられる。他方の信号は移送器４４に供給される。
移相器４４は、ＲＦ変調信号を位相シフトさせることなく通過させ、また位相制御信号に応じて９０度位相シフトさせて位相シフト変調信号を生成し、これらの信号を、増幅器４５を介してミキサ４７に送る部分である。ミキサ４７については、後述する。

ＲＦ振幅変調器４９ａ〜４９ｄそれぞれは、上述の光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄそれぞれと接続されており、各光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄから出力される電気信号が入力される。ＲＦ振幅変調器４９ａ〜４９ｄには、後述するＰＮ符号化変調信号が供給され、各光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄから出力される電気信号が、ＰＮ符号化変調信号によって時間変調される。ＲＦコンバイナ４６は、ＲＦ振幅変調器４９ａ〜４９ｄによって時間変調されて出力された変調電気信号それぞれを１つの電気信号に合成して出力する。ＲＦコンバイナ４６において複数の変調電気信号が合成されて得られた合成変調電気信号は、増幅器４８に送られる。増幅器４８では、合成変調信号を増幅してミキサ４７に送る。

ミキサ４７は、供給されたＲＦ変調信号又は位相シフト変調信号をローカル信号として用いて、上述の合成変調信号が増幅器４８において増幅された電気信号と乗算（ミキシング）し、変調電気信号（ＰＮ符号化変調信号で時間変調された電気信号）の情報を有する中間周波数信号（ＩＦ信号）と高次成分を含んだ信号を出力する部分である。電気信号の検波は、公知の方法で行われる。ＲＦ変調信号は周波数が僅かに異なる少なくとも２つの信号が生成され、これらの信号はローカル信号として用いられる。また、各周波数のＲＦ変調信号において、移相器４４によりＲＦ変調信号の位相をシフトさせないローカル信号とＲＦ変調信号の位相を９０度シフトさせたローカル信号が生成され、ミキサ４７はこれらのローカル信号と電気信号のミキシング（乗算）を行う。

制御回路ユニット５０は、レーザ光出射ユニット２０、光学ユニット３０及びレーダ回路ユニット４０の駆動を制御する各種制御信号（発振周波数制御信号、位相制御信号、制御パターン信号、ＰＮ符号化変調信号）を生成し、所定のユニットに供給するとともに、レーダ回路ユニット４０から出力される信号を処理する部分である。
制御回路ユニット５０は、システム制御器５１、ローパスフィルタ５２、及びＡ／Ｄ変換器５４を有する。

システム制御器５１は、コンピュータ１４からの指示に基づいて各種制御信号を生成する部分である。
ローパスフィルタ５２は、レーダ回路ユニット４０から出力された中間周波数信号（ＩＦ信号）と高次成分を含んだ信号をフィルタ処理して高次成分を除去し、変調電気信号（ＰＮ符号化変調信号で時間変調された電気信号）の情報のみを含んだ中間周波数信号とする部分である。中間周波数信号は、Ａ／Ｄ変換器５４で中間周波数デジタル信号とされ、コンピュータ１４に供給される。

コンピュータ１４は、図６に示すように、ＣＰＵ６０とメモリ６２と、さらに図示されないＲＯＭを有し、コンピュータソフトウェアを実行させることによりデータ処理部６４が機能的に構成される。コンピュータ１４はディスプレイ１６に接続されている。
ＣＰＵ６０は、本体部１２の各ユニットを駆動、制御する各種信号を制御回路ユニット５０に作成するように指示し、また後述するデータ処理部６４の各処理の演算を実質的に行う部分である。

データ処理部６４は、中間周波数デジタル信号から、３次元画像を構成する測定対象物の３次元位置情報と測定対象物の表面の反射率を算出する部分である。データ処理部６４は、信号変換部６６と、距離情報算出部６８と、３次元位置情報算出部７０と、反射率算出部７２とを有する。
信号変換部６６は、中間周波数デジタル信号を、制御パターン信号及びＰＮ符号化変調信号を用いて変換する部分である。
制御パターン信号は、コンピュータ１４の指示に従って制御回路ユニット５０で作成される信号であるため、制御パターン信号は既知であり、この制御パターン信号を用いて信号変換される。

制御パターン信号は、上述のように、空間変調素子３４の部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄそれぞれに供給される、図５（ａ）〜（ｃ）に示したようにアダマール行列の各行の成分同士のテンソル積を利用して作成される制御パターンを実現する信号である。このため、信号変換部６６では、既知である制御パターン信号を利用して、各部分ミラー領域毎の各制御パターンにて得られる中間周波数デジタル信号から、アダマール逆変換を行って、各部分ミラー領域の各マイクロミラーにて反射されるレーザ光の情報を求めることができる。なお、アダマール逆変換を利用した信号変換処理については、本願出願人により既に出願されている（特願２００１−１８８３０１号参照）。

１つの部分ミラー領域に供給される制御パターンにおいて、アダマール行列の各行同士は直交性を有する（各行同士の内積は０となる）ことから、アダマール行列の各行の成分同士のテンソル積にて得られる、制御パターンを表す合成行列も合成行列同士で互いに直交性を維持する。上記アダマール逆変換の処理は、上記合成行列の逆行列を用いて逆変換する処理であるが、この逆変換は、合成行列が直交性を有することから、規格化因子を除き上記合成行列を用いて行うアダマール変換と同様の処理内容となる。これにより、アダマール変換の処理を用いて、各部分ミラー領域毎に、各マイクロミラーで反射されるレーザ光の情報を容易に分解することができる。
上記制御パターンはアダマール行列の行成分同士のテンソル積によって得られる合成行列によって表されるため、互いに直交性を有するものであるが、本発明においては、制御パターンは、上記合成行列によって生成される必要はなく、各マイクロミラー毎に反射されるレーザ光の情報に分解できる限りにおいて特に制限されない。

上述のように、光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄそれぞれの受光面３９ａ〜３９ｄには、空間変調素子３４の部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄそれぞれに対応するミラーからの反射光が入射する。これら光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄそれぞれから、それぞれの受光面に入射したレーザ光に応じて出力された電気信号について、アダマール逆変換を行なうことで、各部分ミラー領域の各マイクロミラー毎に反射されるレーザ光の情報を容易に分解することができる。

なお、アダマール逆変換にて求められる、空間変調素子３４の部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄそれぞれが受光した（反射した）レーザ光の情報は、各光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄにおいて電気信号に変換された後、ＲＦコンバイナ４６において合成されて信号変換部６６に送られる。このため、信号変換部６６に送られる電気信号は、各光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄから出力される電気信号（部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄそれぞれが受光したレーザ光の情報）が互いに重畳されている。このため、以下に示すように各光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄから出力される電気信号の時間変調に用いたＰＮ符号化変調信号の自己相関性及び直交性を利用して、各光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄ（すなわち、部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄ）に対応した中間周波数デジタル信号に分解する。

上述したように各光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄから出力された電気信号は、４つのＲＦ振幅変調器４９ａ〜４９ｄによって、それぞれＰＮ符号化変調信号を用いて、電気信号の振幅が時間変調されている。
図７は、ＰＮ符号化変調信号の一例を示す図である。図７では、ＰＮ符号化変調信号の１周期分が示されている。
ＰＮ符号化変調信号は値が０又は１からなる信号で、一定の時間間隔シフトすることによって相関関数の値が０又は−１／ｎ（ｎは後述する系列符号の長さ）となる。
ＰＮ符号化変調信号は、一例を挙げると以下のように作成される符号化系列データを用いて信号化することができる。
次数ｋ＝５、符号系列の長さｎ＝３１とし、係数ｈ₁＝１，ｈ₂＝１，ｈ₃＝０，ｈ₄＝１，ｈ₅＝１とし、初期値ａ₀＝１，ａ₁＝１,a₂＝０,a₃＝１，ａ₄＝０としたとき下記式（１）に示す漸化式で一意的にＰＮ系列符号Ｃ＝｛ａ_k｝(kは自然数)を求めることができる。

さらに、系列符号Ｃ＝｛ａ_０，ａ_１，ａ_２，………，ａ_n−１｝を用いて基準となる符号化系列信号を生成するとともに、さらにこの系列符号Ｃをｑ1ビット、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Ｔ_ｑ１・ｃ（Ｔ_ｑ１は、ビット方向にｑ1ビット、ビットシフトする作用素である）を用いて符号化系列信号を生成する。ここで、系列符号Ｔ_ｑ１・Ｃは、{ａ_ｑ１，ａ_ｑ１＋１，ａ_ｑ１＋２，………，ａ_{ｑ１＋Ｎ−１}｝である。さらに、系列符号Ｃをｑ２ビット（例えば、ｑ２＝２×ｑ１）、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Ｔ_ｑ２・Ｃを用いて符号化系列信号を生成する。
この符号化系列信号を生成するために用いられる系列符号Ｃ，Ｔ_ｑ１・Ｃ，Ｔ_ｑ２・Ｃは、互いに直交する特性を有するので、生成される符号化系列信号も互いに直交する性質を有する。

具体的に説明すると、長さｎの系列符号をＣ＝｛ｂ₀，ｂ₁，ｂ₂，………,ｂ_n-1｝とし、上記作用素Ｔ_ｑを系列符号Ｃに作用させた系列符号をＣ’＝Ｔ_ｑ・Ｃ、すなわちＣ’＝｛ｂ_q，ｂ_q+1，ｂ_q+2，………,ｂ_q+n-1}として、系列符号ＣとＣ’との間の相互相関関数Ｒ_cc'(q)を下記式（２）のように定義される。ここで、Ｎ_Aは系列符号における項a_iと項b_q+iの（ｉは０以上ｎ−１以下の整数）一致する数であり、Ｎ_Dは系列符号における項a_iと項b_q+iの不一致の数である。また、Ｎ_AとＮ_Dの和は系列符号長さｎとなる（Ｎ_A＋Ｎ_D＝ｎ）。ここで、iとｑ＋iはｍｏｄ（ｎ）で考える。

上記ＰＮ系列符号において２つの系列符号を項毎にｍｏｄ（２）で加算した結果はもとのＰＮ系列符号を巡回シフトしたＰＮ系列符号になる性質があり、ＰＮ系列符号の値が０となる個数は値が１となる個数より１つだけ少ないので、Ｎ_A−Ｎ_D＝−１となる。これより、ＰＮ系列符号において下記式（３）および（４）に示す値を示す。

上記式（３）よりビットシフト量が０、すなわちｑ＝０(ｍｏｄ（ｎ））の場合、式（３）に示すようにＲ_ｃｃ’（ｑ）の値は１となり自己相関性を有する。一方、ビットシフト量が０でない、すなわちｑ≠０（ｍｏｄ（ｎ））の場合、式（４）に示すようにＲ_ｃｃ’（ｑ）は−（１／ｎ）となる。ここで系列符号長さｎを大きくすることにより、Ｒ_ｃｃ’（ｑ）（ｑ≠０）の値は０に近づく。
すなわち、系列符号ＣとＣ’は自己相関性を持ち、かつ直交性を有するといえる。
このようなＰＮ系列符号の値を０，１として時系列信号としたのがＰＮ符号化系列信号である。したがって、ＰＮ符号化変調信号も互いに自己相関性及び直交性を有する。このことから、図７におけるＣ₁の信号と、Ｃ₂〜Ｃ₅の信号の相関関数を求めると値が０となる。

信号変換部６６は、中間周波数デジタル信号に含まれるＰＮ符号化変調信号で時間変調された信号に対して、制御回路ユニット５０にて生成されたＰＮ符号化変調信号の相関関数を利用することにより、ＲＦ振幅変調期４９ａ〜４９ｄのうち、どのＲＦ振幅変調器において振幅変調された信号情報が含まれているか、すなわち、空間変調素子３４の部分ミラー領域２９ａ〜２９ｄのうち、どの部分ミラー領域に入射されて反射されたレーザ光に応じた電気信号であるかを識別し、部分ミラー領域毎の信号情報に分解して抽出することができる。
このようにして、信号変換部６６は、アダマール逆変換及びＰＮ符号化変調信号の自己相関性及び直交性を利用した分解（符号化識別変換）により、中間周波数デジタル信号から、各部分ミラー領域の各マイクロミラーの反射位置におけるレーザ光の時間変調の信号情報を取得することができる。
なお、ＰＮ符号化変調信号による時間変調は１００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数で行われ、ＲＦ変調信号によるレーザ光の時間変調の周波数（５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ）に比べて低周波である。

距離情報算出部６８は、周波数の異なる複数のＲＦ変調信号に対応した各レーザ光の信号の位相ずれ情報を取得し、これより、ＲＦ変調信号の周波数に対する上記位相ずれ量の変化(相対位相変化量)を取得し、この相対位相変化量を用いて測定対象物Ｔの距離情報を求める。
具体的には、本体部１２のレーザ光出射ユニット２０のレーザダイオード２２から測定対象物Ｔまでの距離と測定対象物Ｔの表面上の反射点からレンズ３２に至るまでの距離をρ、ＲＦ変調信号の波長をλ、ＲＦ変調信号の周波数をｆ、光速度をｃ、各レーザ光の信号の、ＲＦ変調信号に対する位相ずれをθとすると、距離ρは、下記式（５）を介して下記式（６）のように表すことができる。

すなわち、各レーザ光の信号の位相ずれ量を求めることで、測定対象物Ｔの距離ρを式（６）を用いて算出する。
なお、距離ρはレーザダイオード２２から測定対象物Ｔの表面上の反射点を経由して光学レンズ３６までの距離であるが、この距離ρを知れば十分である。光学レンズ３２から光電変換器３８の受光面までの光路の距離、さらにはミキサ４７にいたる伝送線路の距離は既知であるため、予め定められた補正式等を用いて正しい値に修正することができる。
距離情報算出部６８は、具体的には、信号変換部６６で算出された各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光毎の信号情報を取得する。この信号情報は、ミキサ４７へ入る参照信号であるＲＦ変調信号の位相シフトを０としたときｒ・ｃｏｓ（θ）（ｒは測定対象物の表面における反射率、θは位相ずれ量）となり、ＲＦ変調信号を９０度位相シフトさせたときｒ・ｓｉｎ（θ）となることから、距離情報算出部６８は、これらの信号を用いて位相ずれ量θを算出する。この位相ずれ量θは、ＲＦ変調信号の少なくとも２つの周波数毎に取得されるので、この周波数に関する位相ずれ量の微分を算出することで位相ずれ情報の感度（ｄθ／ｄｆ）を求める。

３次元位置情報算出部７０は、距離情報算出部６８で算出された距離ρを用い、さらに、ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報とを用いて、レーザ光が反射した測定対象物Ｔの位置を３次元位置情報として求める部分である。
具体的には、図８（ａ）に示すように、光学レンズ３２の中心を原点ＯとしてＸＹＺ直交座標系を定め、レーザダイオード２２の出射位置を点Ｑ（位置座標（ａ，ｂ，ｃ）とする）、測定対象物Ｔの反射位置を点Ｐ（位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）とする）、点Ｐで反射したレーザ光が向かう空間変調素子３４のＯＮ状態にあるマイクロミラーの位置Ｒ（位置座標（−ｘ₀,−ｙ₀,−ｚ₀）とする）とする。このとき、図８（ｂ）に示すように、距離ＰＯは、レンズ３２の倍率ｍと距離ＲＯとを用いてＰＯ＝ｍ×ＲＯと表すことができる。なお、マイクロミラーの位置Ｒのうちｚ₀は装置固有の寸法として設定されている。
一方、距離ρは下記式（７）で表すことができる。また、点Ｐの位置ｘ，ｙ，ｚは、下記式（８）で表すことができることから、式（７）及び式（８）を用いて倍率ｍは下記式（９）で表すことができる。

３次元位置情報算出部７０は、上記式（９）に従って、距離ρ、レーザダイオード２２の出射位置（位置座標（ａ，ｂ，ｃ））、ＯＮ状態にあるマイクロミラーの位置（位置座標（−ｘ₀,−ｙ₀,−ｚ₀））を用いて倍率ｍを算出し、さらに式（８）を用いて測定対象物Ｔの反射位置の３次元位置情報（位置座標（ｘ，ｙ，ｚ））を求める。こうして、測定対象物Ｔの表面の３次元位置情報がディスプレイ１６に供給されて測定対象物Ｔの３次元形状が表示される。

反射率算出部７２は、測定対象物Ｔの表面における反射率を算出する。
距離情報算出部６８において説明したように、信号変換部６６では、各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光の信号情報が、ＲＦ変調信号の周波数別に算出され、これが反射率算出部７２に供給される。この信号は、ミキサ４７へ入る参照信号であるＲＦ変調信号の位相シフトを０としたときに得られる信号情報は上述したようにｒ・ｃｏｓ（θ）となり、ＲＦ変調信号を９０度位相シフトさせたときに得られる信号情報はｒ・ｓｉｎ（θ）となる。これら２つの信号情報の値から反射率算出部７２は反射率ｒを算出する。

このようにレーザ光を測定対象物Ｔに照射することにより、装置１０と測定対象物Ｔとの間の距離及び測定対象物Ｔの表面における反射率ｒを求めることができ、測定対象物体Ｔの表面の３次元空間内での反射率を画像情報として得ることができる。取得された測定対象物Ｔの画像情報はディスプレイ１６に送られて、先に送られた測定対象物Ｔの３次元形状とともに３次元画像として画像表示される。

装置１０は、以上のように構成される。次に、装置１０の作用について説明する。
図９（ａ）〜（ｄ）は、装置１０の駆動の際に生成される各種トリガ信号のタイミングチャートである。

まず、制御回路ユニット５０にて、コンピュータ１４の指示に応じて、測定対象物Ｔの３次元画像の取り込みを開始する画像トリガ信号（図９（ａ）参照）が生成される。
次に、システム制御器５１では、空間変調素子３４を所定の制御パターンでマイクロミラーを制御するようにフレームトリガ信号が生成される。フレームトリガ信号とは、空間変調素子３４の制御パターンを切り換えるためのトリガ信号であって、上述したようにマイクロミラーのＯＮ状態の配列を所定のパターンに制御した制御パターンを順次切り換えるためのトリガ信号である。

図９（ｂ）に示すように、順次モード１、モード２、………の各モードに切り換えるためのフレームトリガ信号が生成される。各モードでは、予め定められた図示されない制御パターン信号が生成されてマイクロミラー制御器３５に供給される。
フレームトリガ信号が生成されると、レーザ光は測定対象物で反射され、空間変調素子３４を介して複数の光電変換器３８ａ〜３８ｄそれぞれにおいて受光されて電気信号に変換される。そして、各光電変換器３８ａ〜３８ｄからの電気信号は、合成されて信号変換部６６へと送られる。この合成された電気信号（合成変調電気信号）の信号成分について、どの光電変換器の受光面で受光したのか識別可能としなければならない。このため各光電変換器３８ａ〜３８ｄから出力される電気信号をＰＮ符号化変調信号によって時間変調するために、システム制御器５１は各光電変換器３８ａ〜３８ｄ毎に互いに異なるＰＮ符号化変調信号を生成し、各光電変換器３８ａ〜３８ｄに対応するＲＦ振幅変調器４９ａ〜４９ｄそれぞれに供給する。
上述のように、ＰＮ符号化変調信号による時間変調は１００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数で行われ、ＲＦ変調信号によるレーザ光の時間変調の周波数（５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ）に比べて低周波であり、それぞれ時間変調の周波数範囲が互いに大きく異なる。

さらに、システム制御器５１では、移相器４４を駆動させるための位相トリガ信号が生成される（図９（ｃ）参照）。位相トリガ信号の生成により、周波数ｆのＲＦ変調信号に対して、位相シフト量０（位相シフトしない）及び位相シフト量９０度の２つローカル信号を生成するように、位相制御信号が生成される。

このようにして、モード１における周波数ｆのＲＦ変調信号が生成され、レーザ光出射ユニット２０から時間変調したレーザ光が出射される。測定対象物Ｔの表面で反射したレーザ光は、光学ユニット３０に入り、プリズム３３を経由して空間変調素子３４に導かれる。空間変調素子３４の各部分ミラー領域毎に、マイクロミラーは所定の制御パターンで制御され、各部分ミラー領域毎のＯＮ状態のマイクロミラーで反射されたレーザ光のみが、各部分ミラー領域それぞれに対応する光電変換器３８（の受光面３９）に入射する。各光電変換器３８ａ〜３８ｄにおいて、各受光面３９ａ〜３９ｄに入射した光は電気信号に変換され、この電気信号は、ＲＦ振幅変調器４９ａ〜４９ｄそれぞれにおいて、供給されたＰＮ符号化変調信号に応じて変調され、増幅器４８ａ〜４８ｄそれぞれで増幅されてミキサ４７に供給される。

一方、移相器４４では、パワースプリッタ４２で分離されたＲＦ変調信号が位相シフト量０（位相シフトしない）及び位相シフト量９０度に順次制御されてローカル信号が生成され、これらのローカル信号がミキサ４７に供給される。
ミキサ４７では、増幅器４８から供給された電気信号を２つのローカル信号のそれぞれでミキシング（乗算）し、ＩＦ信号及び高次成分からなる信号が生成される。ＩＦ信号には、周波数ｆの時間変調の信号情報と、ＰＮ符号化変調信号による時間変調の信号情報が含まれる。
さらに、生成された信号からローパスフィルタ５２により高次成分が除去され、周波数ｆの時間変調の信号情報とＰＮ符号化変調信号による時間変調の信号情報とからなるＩＦ信号が生成される。
こうして増幅器５３を介してＡ／Ｄ変換器５４に取り込まれ、順次サンプリングクロック信号（図９（ｄ）参照）に従ってサンプリングされ、中間周波数デジタル信号とされ、コンピュータ１４に供給される。

例えば、周波数ｆのレーザ光が測定対象物Ｔの表面で反射され、さらにＯＮ状態のマイクロミラーで反射し、ｉ番目（ｉ＝１〜４の自然数）の光電変換器３８の受光面３９で受光されて、このｉ番目の光電変換器３８から出力された電気信号の振幅を、下記式（１０）で定め（ｐ_i（ｔ）はＰＮ符号化変調信号による時間変調成分、θ_iは、光電変換器３８で出力された電気信号のＲＦ変調信号に対する位相ずれ量を表す）、ミキサ４７に供給されるローカル信号Ａ_０（ｔ），Ａ_９０（ｔ）を下記式（１１）で定めると、ＩＦ信号は下記式（１２）のように表される。このＩＦ信号のうち高次成分はローパスフィルタ５２を用いて除去され、Ａ／Ｄ変換され中間周波数デジタル信号が生成される。

このようにしてコンピュータ１４に供給された中間周波数デジタル信号は、各モード毎に順次メモリ６２に記録される。
信号変換部６６では、各モードの中間周波数デジタル信号を用いて、アダマール逆変換及び符号化識別変換が行われる。
各モード毎に定められるマイクロミラーのＯＮ状態の制御パターンは、アダマール行列の各行間のテンソル積を利用したパターンを用いるので、この各モードの制御パターン毎に得られた中間周波数デジタル信号を用いてマイクロミラー毎の中間周波数デジタル信号に分解する。この分解はアダマール逆変換を利用して行われる。

さらに、レーザ光の時間変調に用いたＰＮ符号化系列信号は自己相関性及び直交性を有するので、時間変調に用いたＰＮ符号化系列信号とアダマール逆変換の施された中間周波数デジタル信号との間の相関関数を算出することで、レーザ光毎に中間周波数デジタル信号を分解する符号化識別変換が行われる。すなわち、式（１２）における１／２・ｒ_i・ｃｏｓ（θ_i）及び１／２・ｒ_i・ｓｉｎ（θ_i）が得られる。これらの値は、距離情報算出部６８及び反射率算出部７２に供給される。

距離情報算出部６８では、求められた１／２・ｒ_i・ｃｏｓ（θ_i）及び１／２・ｒ_i・ｓｉｎ（θ_i）の値から角度θ_iを算出する。角度θ_iは、各光電変換器３８ａ〜３８ｄから出力された電気信号のＲＦ変調信号に対する位相ずれ量である。この位相ずれ量を上述した式（６）に代入することで、測定対象物Ｔの距離ρが求められる。この距離ρは、各光電変換器３８で受光した反射レーザ光毎に、かつ、各光電変換器３８に対応する部分ミラー領域の各マイクロミラー毎に求められる。３次元位置情報算出部７０では、距離情報算出部６８で求められた距離ρとマイクロミラーの位置情報とを用いてレーザ光の反射した測定対象物Ｔの表面の３次元位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）が上述した式（８）及び（９）を用いて求められる。

さらに、反射率算出部７２では、信号変換部６６から供給された１／２・ｒ_i・ｃｏｓ（θ_i），１／２・ｒ_i・ｓｉｎ（θ_i）の値を用いて反射率ｒ_iが求められる。
こうして３次元位置情報算出部７０及び反射率算出部７２で求められた３次元位置情報及び反射率がディスプレイ１６に供給されて、測定対象物Ｔの３次元画像が表示される。

このように、本発明では空間変調素子３４に入射するレーザ光における時間変調の位相ずれ情報及び各マイクロミラーの位置情報を用いて、レーザ光に照射される測定対象物Ｔの３次元位置情報を高速に取得することができる。なお、本発明では、各光電変換デバイス３８ａ〜３８ｄから出力された電気信号を、ＲＦコンバイナ４６において合成した後、ミキサ４７においてローカル信号（ＲＦ変調信号の位相をシフトさせない信号とＲＦ変調信号の位相を９０度シフトさせた信号）とをミキシングし、変調電気信号（ＰＮ符号化変調信号で時間変調された電気信号）の情報を有する中間周波数信号（ＩＦ信号）と高次成分を含んだ信号を出力している。

さらに、測定対象物Ｔの表面における反射率を求めることができるので画像情報とすることができ、この画像情報と３次元形状とともに用いて３次元画像情報を高速に取得することができる。
なお、反射率ｒ_iは測定対象物Ｔの表面の反射率を表し、例えばレーザ光源として赤、緑及び青の３原色の可視レーザ光を用いれば、３原色における測定対象物Ｔの表面における反射率を求めることができる。すなわち、測定対象物Ｔの表面の色情報を取得することができ、測定対象物Ｔの３次元カラー画像を取得することができる。
このように、装置１０は、空間変調素子３４を用いるので、従来のように、レーザ光を反射する大型のポリゴンミラーやガルバノミラーを高速に回転させる必要が無く、図２に示す光学レンズ３２として大口径のものを用いることができる。これにより、レーザ光の集光能力も増大するので、遠方の測定対象物を低出力のレーザ光を用いて短時間に３次元画像を取得することができる。

以上、本発明の３次元画像情報取得装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。

本発明の３次元画像情報取得装置の一実施形態の３次元形画像情報取得装置の外観図である。図１に示す３次元形画像情報取得装置の本体部の装置構成を示すブロック図である。図１に示す３次元形画像情報取得装置において用いられるマイクロミラーのＯＮ状態とＯＦＦ状態におけるレーザ光の反射を説明する図である。図１に示す３次元形画像情報取得装置における、測定対象領域Ｔからの反射光と空間変調素子のミラー面との対応、およびミラー面からの反射光と光電変換デバイスの受光面との対応について説明する図である。（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す３次元形画像情報取得装置において用いられるマイクロミラーの制御パターンを説明する図である。図１に示す３次元形画像情報取得装置のコンピュータの構成を示すブロック図である。図１に示す３次元形画像情報取得装置において生成されるＰＮ符号化変調信号の一例を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す３次元形画像情報取得装置において３次元位置情報を求める方法を説明する説明図である。（ａ）〜（ｄ）は、図１に示す３次元形画像情報取得装置にて生成される各種トリガ信号のタイミングチャートである。

符号の説明

１０３次元形画像情報取得装置
１２本体部
１４コンピュータ
２０レーザ光出射ユニット
２２レーザダイオード
２４レーザドライバ
２８光学レンズ
３０光学ユニット
３１バンドパスフィルタ
３２光学レンズ
３３プリズム
３４マイクロミラーアレイ空間変調素子
３５マイクロミラー制御器
３６光学レンズ
３７ミラー
３８光電変換器
３９受光面
４０レーダ回路ユニット
４１発振器
４２パワースプリッタ
４３増幅器
４４移相器
４５増幅器
４６ＲＦコンバイナ
４７ミキサ
４８増幅器
４９ＲＦ振幅変調器
５０制御回路ユニット
５１システム制御器
５２ローパスフィルタ
５４Ａ／Ｄ変換器
６０ＣＰＵ６０
６２メモリ
６４データ処理部
６６信号変換部
６８距離情報算出部
７０３次元位置情報算出部
７２反射率算出部

Claims

レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の３次元画像情報を取得する３次元画像情報取得装置であって、
レーザ光の光強度を振幅変調信号に従って時間変調して測定対象物に照射するレーザ光出射部と、
測定対象物で反射したレーザ光を受光する複数の受光面を備え、各受光面で受光したレーザ光の情報を、各受光面毎にそれぞれ電気信号に変換して出力する光電変換器と、
前記測定対象物と前記光電変換器の各受光面との間のレーザ光の光路上に設けられ、平面上に複数のマイクロミラーが配列されて構成されたレーザ光反射面を有する素子であり、前記レーザ光反射面は、それぞれ所定数のマイクロミラーが配列された複数の部分領域に分割されており、各部分領域毎に、選択されたマイクロミラーの反射面を所定の向きに制御してＯＮ状態にすることにより、このＯＮ状態のマイクロミラーで反射した測定対象物からのレーザ光の反射光を、各部分領域毎にそれぞれ異なる前記受光面へと導くマイクロミラーアレイ空間変調素子と、
各受光面毎の電気信号それぞれを、各電気信号毎に識別可能な符号化変調信号で時間変調する符号化変調手段と、
前記符号化変調信号で時間変調された各受光面毎の電気信号を合成して合成変調電気信号を生成する電気信号合成手段と、
前記振幅変調信号と同一周波数の信号を参照信号として用いて、前記合成変調電気信号をミキシングし、前記振幅変調信号で時間変調されたレーザ光の信号成分を中間周波数信号として取り出す中間周波数信号生成手段と、
前記中間周波数信号に含まれる符号化変調信号の情報を利用して、前記電気信号に変換されたレーザ光の反射光を受光した受光面を識別して、この受光面に前記レーザ光の反射光を導く前記レーザ光反射面の部分領域を特定し、この特定した部分領域の前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報を用いて、測定対象物の３次元位置情報を求めるデータ処理部とを有することを特徴とする３次元画像情報取得装置。
前記データ処理部は、前記中間周波数信号を用いて、前記光電変換器それぞれから出力された各受光面毎の電気信号の、前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報を各電気信号毎に取得し、前記位相ずれ情報を用いて、前記測定対象物との間の距離情報を求め、前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報と、前記距離情報と、前記レーザ光出射部の出射位置を示す情報とを用いて、前記３次元位置情報を求める請求項１に記載の３次元画像情報取得装置。
前記複数の受光面は、それぞれ同一の平面上に配列されている請求項１または２記載の３次元画像情報取得装置。
前記中間周波数信号生成手段は、前記振幅変調信号及び前記振幅変調信号を所定量位相シフトさせた位相シフト変調信号を参照信号として前記中間周波数信号を取り出し、
前記データ処理部は、この中間周波数信号から、前記位相ずれ情報とともに測定対象物の表面における反射率の情報を求め、この反射率の情報と前記３次元位置情報とを３次元画像情報とする請求項２または３記載の３次元画像情報取得装置。