JPH032512A - ３次元位置認識装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被Ａ＋＋＋定物からの反射光を利用して被７
Ｉｌｌｌ定物の位置を３次元で認識する３次元位置認識
装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第７図に一般的な距離検出器の光学系を示す。

光源］の発光光束を投光レンズ２により、被測定物３に
集光して照射し、この反射光を受光レンズ４により、位
置検出用受光素子５に集光する。

ここで、受光レンズ４から被測定物３までの距離をり、
Ｍ線長を８１受光レンズ４と位置検出用受光素子５との
間隔をｆとする時、受光レンズ４の光軸中心からスポッ
ト光の重心位置までの距離Ｘは次の（コ）式になる。

ｘ＝ｆ−Ｂ／Ｌ　　　　　　　　・・・（１）位置検出
用受光素子５により、変位置を示す（１）式の距離Ｘを
求めることにより、逆に距離りを求めることができる。

また、距離検出器を同図紙面と垂直で基線長方向を含む
平面上で機械的に移動させ、この２次元平面における距
離検出器の位置（Ｘ、Ｙ）と、位置検出用受光素子５か
ら得られる変位置ＸとからＺ軸方向の距離りが求められ
、（Ｘ、Ｙ、Ｚ、）の３次元位置の認識が行わ′３ れていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来の３次元位置認識装置において
は、距離検出器自体を（Ｘ、Ｙ）平面上で機械的に移動
しなければならない。従って、３次元位置認識のための
１回の計測に要する時間は長くかかる。このため、従来
の装置は、静的な被ＵＪ定物を対象にする３次元位置認
識には応用できるが、動的な被測定物を対象にする３次
元位置認識には実用上応用することが出来ないという課
題があった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明はこのような課題を解消するためになされたもの
で、一方の走査手段は、反射面を少なくとも２面は有し
、回動または回転されることにより、この１面により投
光手段からの光束を被測定物上に水平または垂直に走査
すると共に、他の１面により被測定物からの反射光を受
光手段に偏向する反射体から構成され、他方の走査手段
は、投光手段からの光束を被測定物上に垂直または水平
に走査すると共に、被測定物からの反射光を受光手段に
偏向する反射体から構成されるものである。

〔作用〕

光源から発せられた光束は、反射面を２面は有する走査
手段が回動または回転されることにより水平または垂直
の１次元走査が行われ、もう一方の走査手段が回動また
は回転されることにより垂直または水平の２次元走査が
行われる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例による構成を示す斜視図であ
り、３次元の各方向は同図の（ｘ、　ｙＺ）座標に示さ
れる各方向により決定される。

光源１１は例えば発光ダイオードから構成され、光源１
１からの発光光束は投光レンズ１２により被測定物１３
上に集光される。また、走査ミラーＭ　およびガルバノ
メーター４は水平走査手段を■ 構成している。平板状の両面ミラーからなる走査ミラー
Ｍ１は、ガルバノメーター４の回転軸に固定されており
、この回転軸の回動と共に図の矢印の方向に回動される
。この回転軸は被測定物方向であるＺ軸方向に一致して
おり、この回動により投光レンズ］２からの照射光束は
被４１す定物１３上において水平に走査される。

また、投光レンズ］２からの照射光束は走査ミラーＭ　
て反射されて固定ミラーＭ２により偏向され、走査ミラ
ーＭ３に入射される。走査ミラＭ３はガルバノメーター
５と共に垂直走査手段を構成している。平板状のミラー
からなる走査ミラＭ３はガルバノメーター５の回転軸に
固定されており、この回転軸の回動と共に図の矢印に示
す方向に回動される。この回転軸はＺ軸に直交する水平
なＸ軸方向に一致しており、この回動により固定ミラー
Ｍ　からの照射光束は走査ミラーＭ３に反射されて被測
定物１３上において垂直に走査される。

被測定物１．３からの反射光束は走査ミラーＭ３で反ａ
ｄされ、固定ミラーＭ４によって偏向される。

固定ミラーＭ４はＺ軸を中心にして固定ミラＭ２に対し
て対称に配置されており、偏向された反射光束はさらに
走査ミラーＭ、によって反射されて受光レンズ］６に入
射される。この受光レンズ］６は走査ミラーＭ１からの
反射光束を集光し、位置検出用受光素子１７の受光面上
に反則光束を照射する。

位置検出用受光素子１７には図示しない演算手段が接続
されており、被測定物１Ｂまでの距離が変化すると、位
置検出用受光素子１７の受光面上における反射光束の集
光位置は、この距離の変化量に比例して変化する。そし
てこの変化量に比例した光出力電流は演算手段に与えら
れ、演算手段はこの出力信号に基づいてＺ軸方向の被測
定物１３までの距［（Ｌ）を演算する。また、走査ミラ
ーＭ３から被測定物］３上に照射される光束のＸ軸、Ｙ
軸にχ・ｊする走査角（θ　、θ　）は、ガχ　　　　
　　ｙ ルハノメータ１４．１５への走査信号から知ることが出
来、この走査角と被Δ１り定物］３までの距離（Ｌ）と
から３次元の位置認識が可能になる。

第２図は位置検出用受光素子１７に使用される一般的な
半導体装置検出器の構成図である。この半導体装置検出
器としては、例えば浜松ホトニクス株式会ン１製の型名
かＳ　１５４５の１次元用の半導体装置検出器が有り、
以下、この半導体装置検出器を用いた場合について説明
する。

半導体装置検出器２５は、ｎ＋型型半体体層２７、高抵
抗ｎ型半導体層２８と、抵抗率が均一なｐ型土導体層２
９とか順次に積層されることにより形成されている。ｎ
型半導体層２８およびｐ型土導体層２つはホトダイオー
ドを構成している。

また、ｎ＋型型半体体層２７はホトダイオードに逆バイ
アスの電圧を印加するための共通電極３０が設けられて
おり、ｐ型土導体層２つの両端部には一対の電極３１．
３２が設けられている。

この半導体装置検出器２５の共通電極３０に所定の電圧
を印加し、位置ＳＰのところに光点が入射したとすると
、位置ＳＰの下方のｐｎ接合部には電子−正孔対か生じ
、これにより光点の入射エネルギーに比例した光電流１
ｏが共通電極３０からｐ型土導体層２つに向かって流れ
る。

ここで、電極３１．３２間の距離を０１その間のｐ型土
導体層２つの抵抗をＲ６とじ、光点入射位置ＳＰと電極
３２との間の距離をｘｌその間のｐ型土導体層２つの抵
抗をＲとすると、光電流１ｏは光点入射位置ＳＰの所で
抵抗分割される。

すなわち、電極３］への電流ＩＡおよび電極３２への電
流ＩＢは、それぞれ次式に示される。

Ｉ　　＝Ｉ　　　　［Ｒ／Ｒｏ］ Ａ　　　　　　Ｏｘ ｌ　　＝Ｉ　　　　［（ＲＲ）、／Ｒｃ］　・・・（２
）Ｂ　　　　　　ＯＣＸ また、前述のように、ｐ型土導体層２９の抵抗率は均一
に分布しているので、この（２）式は以下のように変形
される。

■　−Ｉ　−Ｘ／Ｃ Ｏ １＝Ｉ　　　　［（Ｃ−ｘ）／Ｃ］　　　　・・　（３
）（３）式かられかるように、電流１　　、Ｉ　　をＡ
　　　Ｉ（ 電極３１．３２から取出し、所定の演算手段によって所
定のアナログ演算処理が施されることにより、電極３２
から光点入射位置ＳＰまでの距離Ｘを求めることができ
る。

第３図は上記構成をした３次元位置認識装置における照
射光束の走査方法を説明するための原理図である。なお
、図面の簡略化のため、走査ミラＭ３とガルバノメータ
ー５からなる垂直走査手段は図から省いである。

光源１１から発光された照射光束は被測定物］３上に集
光されるのであるが、実線で示される位置に走査ミラー
Ｍ１が在る場合には、光源１１から発光された照射光束
は実線で示される光路をたどって走査ミラーＭ１で反射
される。さらに、光束は実線の光路をたどって固定ミラ
ーＭ２で反射された後、被ｌｐＪ宝物１３上の照射位置
ｓ１をスポット光の形で照射する。また、被測定物１３
からの反射光は実線の光路をたどって固定ミラーＭ４で
反射された後、さらに走査ミラーＭ、で反射され、受光
レンズ１６により位置検出用受光素子１７の受光面上に
集光される。

ここで、走査ミラーＭ１が回動して２点鎖線で示される
Ｍ　′の位置になると、光源１１から発光された照射光
束は２点鎖線で示される光路をたどって走査ミラーＭ１
で反射される。さらに、光束は２点鎖線の光路をたどっ
て固定ミラーＭ２で反射された後、被測定物１３上の照
射位置ｓ２をスポット光の形で照射する。照射位置Ｓ２
からの反射光は２点鎖線の光路をたどって固定ミラーＭ
　で反射され、さらに、走査ミラーＭ　′で反射された
後、受光レンズ］６により位置検出用受光素子１７の受
光面上に照射される。

このように本走査方法によれば、照射光束を被ａ１す宝
物］３上において照射ＩＭ、置Ｓ　から８２まで偏向さ
せても、被ｉｕす宝物］３までの距離が一定であれば、
位置検出用受光素子１７の受光面上に集光される照射光
束の集光位置は変化しない。

第４図は、上記構成の３次元位置認識装置を用いた光学
系における距離検出の原理を説明するための図であり、
第１図に示された装置を（Ｘ、Ｚ）平面上から見た図で
ある。なお、図面を簡略化するため、走査ミラーＭ３と
ガルバノメーター５からなる垂直走査手段は図から省い
である。また、被測定物１３か基■距離り。にあるとき
、位置検出用受光素子１７の受光面に集光される照射光
束の集光位置は、位置検出用受光素子１７の電気的中心
位置、つまり、得られる２つの光電流ＩＡ］　１ ’　＋３の各値が等しくなる入射位置に合致するように
設定しである。

ここで、被δ１り宝物］３がΔＬ移動し、２点鎖線で示
される位置１３′に来た時、被測定物１３からの反射光
は２点鎖線で示される光路をたどって固定ミラーＭ４で
反射され、さらに、走査ミラＭ　で反射される。走査ミ
ラーＭ１で反射された光束は、受光レンズ１６により位
置検出用受光素子］７の受光面上において電気的中心位
置からΔＸすれた位置に集光される。また、三角測量の
原理において、投光レンズ１２および受光レンズ］６の
位置は、走査ミラーＭ　　、Ｍ　　によって点線で示さ
れるレンズ１２′、１６’の位置と等価になる。このた
め、三角測量における基線長Ｂは等価位置にある各レン
ズ１２’、１６’の光軸間の距離に相当する。

受光レンズ１６と位置検出用受光素子］７の受光部との
間隔をｆとすると前述した（１）式（Ｘ＝ｆ’−Ｂ／Ｌ
）が成り立ち、距離の変位量ΔＬと位置検出用受光索子
］７の受光面上における集光位置の変位量ΔＸとの間に
は、以下の（４）式が成り立つ。

Δｘ＝ｆ−Ｂ・　＋１／　（Ｌｏ−八Ｌ）］／Ｌ　）　
　　・・・（４） 位置検出用受光素子］７の受光面上における変位量ΔＸ
は、得られる信号光電流Ｉ　　、Ｉ　　に基Ｂ づいて所定のアナログ演算が実行されることにより求め
られる。そして、求められたΔＸにより、ΔＬ移動した
後の被Ａ＋＋＋宝物コ３′までの距離り。

ΔＬが（４）式から求められる。

従って、被測定物１３上に集光された光束の照射点を表
す３次元位置データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、２つの偏向角θ
　、θ　から、以下の（５）〜Ｘ　　　　　　　３／ （７）式を用いて求めることができる。

Ｚ＝Ｌ　　　　　　　　　　　・・・（５）Ｙ＝Ｌ−ｔ
ａｎθ、　　　　　−（６）Ｘ＝Ｌ−ｔａｎθ、　　　
　　　・’（７）このように本実施例によれば、光源１
１から照射される光束は、水平走査手段を構成する走査
ミラーＭ、が回動されることにより被測定物１３」ニに
おいて水平走査、つまりＸ軸方向に走査される。

さらに、垂直走査手段を構成する走査ミラーＭ３が回動
されることにより照射光束は被測定物１３上において垂
直走査、つまりＹ軸方向に走査される。この結果、上記
実施例による装置は、動的な被測定物を対象にする３次
元位置認識にも適用することが可能になる。

また、位置検出用受光索子１７上における照射光束の集
光位置は、被測定物１３までの距離が変化した時にのみ
、この距離の変化量に対応して移動する。このため、位
置検出検出用受光素子１７の受光面積は最少の面積に抑
制することが可能になり、提供される装置は小形化され
、かつ、安価になる。

第５図は本発明の他の一実施例による３次元位置認識装
置の構成を示す斜視図である。

光源４］から発せられた光束は投光レンズ４２により被
ａｔ＋＋宝物４３上に集光される。照射光束は直角プリ
ズム型の多面ミラーＭ５の一面で反射されて偏向し、走
査ミラーＭ６に入射される。走査ミラーＭ６はガルバノ
メータ４４と共に垂直走査手段を構成している。走査ミ
ラーＭ６はガルバノメータ４４の回転軸に固定されてお
り、この回転軸は被測定物方向であるＺ軸方向に直交す
る水平なＸ軸方向に配置されている。そして、この回転
軸が図の矢印に示される方向に回動されることにより、
走査ミラーＭ６に入射された光束は被測定物４３上にお
いて垂直に走査される。

走査ミラーＭ６て反射された光束はポリゴンミラーＭ７
に入射される。ポリゴンミラーＭ７およびザーボモータ
４５は水平走査手段を構成している。ポリゴンミラーＭ
７はザーボモータ４５の回転軸に固定されており、この
回転軸は垂直方向であるＹ軸方向に配置されている。そ
して、この回転軸が図の矢印に示される方向に回転され
ることにより、ポリゴンミラーＭ７に入射された光束は
被測定物４３上において水平に走査される。ポリゴンミ
ラーＭ７で反射された光束は平板状の固定ミラーである
ビームスプリッタＭ８に入射され、被ｄ１す足動４３上
へ反射される。また、このビームスプリッタＭ８は僅か
な光束を透過させ、この後方に配置された図示しない受
光レンズにより集光される。さらに、集光された光束は
図示しない位置検出用受光素子に照射され、この位置検
出用受光素子に接続された図示しない演算手段により、
被測定物４３へ照射される光束のＸ軸、Ｙ軸に対する偏
角（θ　、θ　）が求められる。

ｙ 被測定物４３からの反射光束は全反射ミラーである固定
ミラーＭ９に反射されて偏向され、再びポリゴンミラー
Ｍ７に入射される。固定ミラーＭ　はＺ軸を中心にして
ビームスプリッタＭ８に対して対称に配置されている。

ポリゴンミラーＭ　に入射された光束は走査ミラーＭ６
に反射され、走査ミラーＭ６によって反射された光束は
多面ミラーＭ５により偏向される。偏向された光束は受
光レンズ４６により集光されて位置検出用受光素子４７
の受光面上に照射される。この位置検出用受光素子４７
は前述した実施例と同様な第２図に示される半導体装置
検出器から構成されている。位置検出用受光素子４７は
図示しない演算手］　６ 段に接続されており、この位置検出用受光素子４７から
出力される光出力電流に基づき、演算手段は被ΔＩＩＩ
宝物４３までの距離（Ｌ）を演算する。

そして、上述した偏角（θ　、θ　）とこの距離ｙ （Ｌ）とから（ｘ、ｙ、ｚ）の３次元位置認識か行われ
る。

第６図は上記構成の３次元位置認識装置における走査方
法の原理を示す図である。なお、図面の簡略化のため、
走査ミラーＭ６およびガルバノメタ４４から構成される
垂直走査手段並びに多面ミラーＭ５は図から省略しであ
る。

ポリゴンミラーＭ７は図の矢印に示される方向に高速で
回転されており、前述した実施例における平板ミラーを
ガルバノメータで振る装置よりも照射光束の走査は高速
化されている。光源４１からの光束は投光レンズ４２に
より集光され、ポリゴンミラーＭ７に入射される。ポリ
ゴンミラＭ７に入射された照射光束はビームスプリッタ
Ｍ８により偏向され、被測定物４３上に照射される。ま
た、ビームスプリッタＭ８に入射された光束の一部は作
かに透過され、ビームスプリッタＭ８の後方に配置され
た受光レンズ４８によって位置検出用受光索子４９上に
集光される。この位置検出用受光索子４９は、位置検出
用受光素子４７の一次元検出用と異なり、二次元検出用
の半導体装置検出器から構成されている。

被１Ｊｌｌｌ定物４３からの反射光束は固定ミラーＭ９
によって偏向され、ポリゴンミラーＭ７に入射されて反
射される。反射された光束は受光レンズ４６に入ａ・Ｊ
され、集光されて位置検出用受光素子４７上に照射され
る。本実施例における光源４１からの照ｆＡＪ光束の走
査方法においても、前述した実施例と同様に、被測定物
４３までの距離が変化しない場合には、照射光束が水平
および垂直走査されても位置検出用受光索子４７上に集
光される照η・ｊ光束の集光位置は変化しない。

また、被測定物４３までの距離検出方法も、前述した実
施例とほぼ同様である。つまり、位置検出用受光索子４
７上に集光される照射光束の変位量ΔＸを光出力電流１
　　、Ｉ　　から演算し、前述Ｂ の（４）式から被測定物４３までの距離（Ｌ）を求める
ことにより行われる。従って、本実施例においても、被
測定物４３上に集光された光束の照射点を表す３次元位
置データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、２つの偏角（θ　、θ　）
および距１ｉｉＩｌｌ（Ｌ）に基ｙ づいて前述の（５）〜（７）式の演算を行うことにより
求めることか出来る。

このように本実施例においても、光源４］から照ｆＡＪ
される光束は、垂直走査手段を構成するミラＭｅが回動
されることにより被測定物４３上において垂直走査、つ
まりＹ軸方向に走査される。

さらに、水平走査手段を構成するポリゴンミラＭ７か回
転されることにより水平走査、つまりＸ軸方向に走査さ
れる。この結果、本実施例による装置は、前述した実施
例と同様に、動的な被４１す宝物を対象にする３次元位
置認識に適用することが１■能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、光源から発せられ
た光束は、反Ｕ；ｔ　’ｍを２面は有する走査子１つ 段が回動または回転されることにより水平または垂直の
１次元走査が行１）れ、もう一方の走査手段が回動また
は回転されることにより垂直または水平の２次元走査が
行われる。

このため、光源から照射される光束の走査性は高速化さ
れ、３次元位置認識に要する時間は短縮化される。この
結果、従来、３次元位置認識が困難であった動的な被測
定物をも対象にすることが可能な装置が提供されるとい
う効果を有する。

ある。

１し・・光源、］２・・投光レンズ、１３・・・被測定
物、］、４．，１．５・・ガルノ１ノメータ、１６・・
・受光レンズ、１７・・位置検出用受光素子、ＭＩ　’
　Ｍ３・・走査ミラー、Ｍ、Ｍ４・・・一対の固定ミラ

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源と、この光源から発せられる光束を被測定物上
   に集光する投光手段と、前記被測定物からの反射光を受
   光して集光する受光手段と、この受光手段により集光さ
   れた光束の集光位置を検出する位置検出用受光素子と、
   この位置検出用受光素子の出力信号に基づき前記被測定
   物上に集光された前記光束の照射点までの距離を演算す
   る演算手段とを備えて構成される３次元位置認識装置に
   おいて、 前記投光手段からの光束を水平および垂直に偏向走査す
   る水平走査手段および垂直走査手段を更に備え、 この水平走査手段または垂直走査手段のうちの一方の走
   査手段は、反射面を少なくとも２面は有し、回動または
   回転されることにより、この２面のうちの１面により前
   記投光手段からの光束を前記被測定物上に水平または垂
   直に走査すると共に、他の１面により前記被測定物から
   の反射光を前記受光手段に偏向する反射体から構成され
   、 他方の走査手段は、前記投光手段からの光束を前記被測
   定物上に垂直または水平に走査すると共に、前記被測定
   物からの反射光を前記受光手段に偏向する反射体から構
   成された ことを特徴とする３次元位置認識装置。 ２、水平走査手段は、被測定物方向を中心にして回動自
   在に設けられた平板状の両面ミラーから構成され、一方
   の面により投光手段からの光束を被測定物上に水平に走
   査すると共に、他方の面によりこの被測定物からの反射
   光を受光手段に偏向し、 垂直走査手段は、水平方向を中心にして回動自在に設け
   られた平板状のミラーから構成され、前記投光手段から
   の光束を前記被測定物上に垂直に走査すると共に、前記
   被測定物からの反射光を前記受光手段に偏向する ことを特徴とする請求項１記載の３次元位置認識装置。 ３、水平走査手段は、垂直方向を中心にして回転自在に
   設けられたポリゴンミラーから構成され、投光手段から
   の光束を被測定物上に水平に走査すると共に、この被測
   定物からの反射光を受光手段に偏向し、 垂直走査手段は、水平方向を中心にして回動自在に設け
   られた平板状のミラーから構成され、前記投光手段から
   の光束を前記被測定物上に垂直に走査すると共に、前記
   被測定物からの反射光を前記受光手段に偏向する ことを特徴とする請求項１記載の３次元位置認識装置。