JPH03296609A - 物体形状計測装置 - 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、物体にレーザ光を照射し、その反射光を光電
変換装置で受光して得られる画像信号を処理することに
より、物体形状を認識または計測する物体形状計測装置
に関する。

［従来の技術］ 物体の形状認識または形状計測を行うためには、物体か
らの反射光を受光し、計算機で処理するための電気的な
信号に変換することが必要である。

この受光装置としては、従来からテレビカメラが汎く使
用されている。物体からの反射光としては、特別な光源
を使用しないで通常の自然光または室内照明光を利用す
る方法と、レーザ光等の光源を使用して、波長や波形等
特性を規定した光を物体に照射する方法とがある。後者
の場合には、（１）特定の波長の光が使用出来る（２）
物体に照射する光の強度を特定のバタンで変化させたり
、特定の周期で変調することが出来る。（３）点状また
は線状の光を特定の方向から物体に照射することが出来
る等利点があり、三角測量の原理に基づく物体までの距
離の計測や物体形状の計測に利用されている。しかしな
がら、この方法は物体表面上での反射光を信号光として
受光するので、物体表面の反射係数が大きい測定対象に
対しては散乱反射光は弱く、従って、信号光レベルも低
い反面、物体表面からの正反射光が直接受光装置に入射
するような幾何学的状況下では、信号光レベルは非常に
高くなる。

通常のＣＣＤテレビカメラの入出力特性を第５図に示す
。入力は入射露光量（入射する光の強さを、信号光が入
射している期間積分したもの）で、出力は電気的な映像
信号である。映像出力は、ＮＴＳＣ規格では０．７ｖが
飽和レベルであり、通常これを１００とする単位（ＩＲ
Ｅ）で表わされる。

入射する光が非常に強くなると、ＣＣＤ等の固体撮像素
子では、スミャ１０２が発生する。これは一種の雑音で
あり、縦方向（テレビの水平走査と直角の方向）に輝線
が現われる現象である。通常のテレビ画面ではこれは単
に映像の観賞上の問１ｍニ過ぎないが、テレビカメラを
画像情報の入力装置として使用する場合には、スミャ１
０２が発生するとその輝線上の画素に関する情報が消失
するので、致命的となる。従って入射露光量は、常にス
ミャが画面上に現れるレベルＩ　ｓｍｅｘｔ以下でなけ
ればならない。

テレビカメラを画像情報入力装置として使用する場合、
画像信号処理を行うためにアナログ映像信号をディジタ
ル化することが一般的であるから、以下このような状況
を想定する。今使用するＡ／Ｄ変換器のビット数をＮと
すると最低の映像信号信号レベルＳ　ｗｉｎはＳｍ１ｎ
＝１００／２’　Ｉ　ＲＥである。

テレビカメラを画像情報の入力装置として使用する場合
、必要な入力情報が０．　１の２値である場合、即ち光
の強さに関する情報を無視してよい場合には、テレビカ
メラの利用しうる最大のダイナミックレンジＭＡＸＤＲ
は、最低の映像信号レベル１０１に対する入射露光量、
即ちこれ以下の弱い信号は０と見なされるレベルをＩ　
ｍａｎとするとＭＡＸＤＲ＝　２０　ｌｏｇ　　（Ｉ　
ｓｍｅｓｔ　／　Ｉ　ｗｉｎ　）である。

一方、光の強さに関する情報、即ちアナログ情報が必要
な場合には、入射露光量を飽和露光量Ｉ　ｓａｔ以下で
使用しなければならないので、ダイナミックレンジＤＲ
は ＤＲ−２０１ｏｇ　　（Ｉｓａｔ　／ｌｍ１ｎ　）であ
る。

物体にレーザビームを照射し、その物体からの散乱反射
光を検出して、三角測量の原理により物体の形状を計測
する装置では、原理的には受光信号は光の有無に対応す
る２値信号でよい。即ちこのような装置では原理的には
上述のＭＡＸＤＲまでダイナミックレンジを取ることが
出来る。しかるに実際の形状計測では、テレビカメラの
出力信号には多くの雑音分が含まれているので、映像信
号のレベルに関する情報を利用して細線化、輪郭抽出、
不要信号の除去等の処理を行っており、このためには単
なる２値情報でなく、信号レベルに関する何等かのアナ
ログ的情報が必要である。

従って実際の装置ではダイナミックレンジは上述のＤＲ
までしか使用出来ず、ＭＡＸＤＲまでの広い領域全てを
有効に利用することが出来なかった。

市販されているテレビカメラの一例では、ＭＡＸＤＲが
約９０ｄＢであるのに対し、ＤＲは３５ｄＢに過ぎない
。

［発明が解決しようとする問題点］ 本発明は、入射露光量のレベルに関するアナログ的な画
像入力情報が必要な場合に於いても、使用する撮像素子
のスミャ発生レベルまで入射露光量を許容し、実効的な
ダイナミックレンジを大幅に改善し得る物体形状計測装
置を提供するものである。

ｃ問題点を解決するための手段］ 撮像素子の高い受光感度を有効に利用し、且つスミャ発
生に至る広い入射露光量領域を有効に使用し、更に入射
露光量レベルのアナログ情報を得るため、撮像装置の内
部若しくは光源駆動装置の内部に複数の感度状態を実現
するための手段を備え、各受光状態に於いて一組の画像
入力情報を取得し、これ等すべての入力情報を合成する
ことにより、問題点の解決を得るものである。

本発明の原理を第６図に示す。高感度状態１０３はこの
装置で使用する撮像素子（通常はＣＣＤ）の本来の感度
をそのまま使用している状態である。　低感度状態１０
４の感度設定は、高感度状態１０３での入射飽和露光量
ｌ５ｘｔｌに等しい入力光レベルを与えた時、出力レベ
ルが８１ｎになるようにする。このとき、もし第６図の
如く低感度状態１０４での入射飽和露光量１ｓ＊ｔ２が
Ｉ　ｓｍｅｘｔより大きければ、総合ダイナミックレン
ジはＭＡＸＤＲまで取れる。しかしもしＩｔｘｔ２＜　
Ｉ　ｓｍｅｌｒであれば、総合ダイナミックは、ＤＲ−
２０１ｏｒ　　（Ｉｓｓｔ　２／ｌｍ１ｎ　）＜ＭＡＸ
ＤＲとなる。この場合、もしダイナミックレンジをＭＡ
ＸＤＲまでとりたいなら、更に低感度の第３の感度状態
を加える必要があるが、原理的には２レンジの場合と同
様である。以下簡単のためｌ５ａｔ２＞　Ｉ　ｓｍｅａ
ｒである２レンジの場合について説明する。

［実施例］ 以下実施例について説明する。

（１）マルチ出力方式 本発明の原理である２レンジ方式を実現する上で、最も
単純なのは、高感度レンジ用と低感度レンジ用で別々の
撮像素子または装置を使用し、各撮像素子または装置か
ら同時に独立した映像出力を得る方法である。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

〈実施例１〉 第１図は本発明の第１の実施例で、テレビカメラ２台を
１組として使用する方法の装置構成を示すものである。

この実施例では、高感度チャネルのテレビカメラ１２と
低感度チャネルのテレビカメラ２２の光軸は平行に固定
されており、半透明ミラー１０及び全反射ミラー２０は
この光軸に対して４５°の角度で設置されているものと
する。

入射光１は半透明ミラー１０によって直進する透過光１
１とそれと直角方向に反射される反射光２に分割され、
透過光１１は高感度チャネルのカメラ１２に入る。一方
、反射光２は更に全反射ミラー２０で反射光２１の方向
に反射され、低感度チャネルのカメラ２２に入るが、こ
のカメラには所定の波長で受光感度が所定の値になるよ
うに設定された透過損を有する減光板２７が装着されて
いる。以下側チャネルの動作は同じで、映像出力１３．
２３は各々のＡ／Ｄ変換器１４．２４でディジタル信号
１５．２５に変換され、その情報は各チャネルの画像メ
モリ１６．２６に蓄積され、処理回路３０に取込まれる
。

本実施例では低感度チャネルへの入射光２がミラー２０
で直角に反射される構成となっているが、ミラー２０を
省略しカメラ２２をカメラ１２と直角方向に配置しても
よい。

〈実施例２〉 実施例１では２台のカメラを１組として使用したが、カ
ラーカメラまたは後述の特別に設計されたカメラを使用
して、２台のカメラを一体化することも可能である。

物体の形状計測では通常はカラー情報は必要ないので、
高分解能のモノクロカメラが使用されることが多い。し
かし市販のカラーテレビカメラを使用して、カラー情報
をレンジ情報として利用することが考えられる。単板式
カラーテレビカメラ用ＣＣＤでは、各画素にカラーフィ
ルタが配置されている。カラーフィルタは３色（３原色
とは限らない）または白を加えた４色である。市販のカ
ラーテレビカメラを２レンジ方式として利用するために
は、次の条件が必要である。

（ｉ）カメラは単板式、２板式、３板式のいずれでもよ
いが、赤、緑、青のカラー信号を分離して独立に取出せ
ること。

（ｉｉ）光源のレーザの波長に対して、二つの異なるカ
ラー信号（例えば赤と青）のレベル比が十分大きいこと
。

現在の所、第２の条件を満たすＣＯＤとレーザの組合せ
を市販品の中から選択することは出来ないが、将来この
条件を満たす素子が入手出来れば、簡単で小形な装置を
構成することが出来る。

また、市販のカラーＣＯＤを流用するのではなく、この
目的のために特別なＣＣＤを製作することは、技術的に
はカラーＣＣＤの製作よりむしろ容易である。このよう
なＣＣＤとしては、例えば縦方向（垂直走査方向）の奇
数番地（または偶数番地）の画素列上に、ストライプ状
の減光膜を付着した構造が考えられる。減光膜を付着し
ない画素列から高感度レンジの情報を、また減光膜を付
着した画素列から低感度レンジの情報を出力させること
が出来る。このようなカメラをマルチレンジカメラと称
することにする。

第２図に本発明の第２の実施例を示す。この方法は上述
のカラーカメラまたはマルチレンジカメラ３２を用いて
、第１図の２台のカメラを一体化したものであり、原理
的には第１図と同じである。

入射光１は直接カメラ３２に入射し２つの映像出力１３
．２３を発生する。それ以後は実施例１と全く同じであ
るので第１図と同じ記号を付し、説明を省略する。

（ＩＩ）時分割方式 テレビカメラの感度を時分割的に切替えることにより、
１台のテレビカメラから２レンジ分の映像信号を取出す
ことが可能である。このためには受光感度をリアルタイ
ムで制御することと、レンジ切替えの同期が必要である
。

先ず受光感度の制御について説明する。受光感度を制御
するには以下の方法がある。

（１）蓄積時間の制御 市販のテレビカメラには電子シャッタ機能を有している
ものがあり、このシャッタの開放時間によって入射光の
蓄積時間（積分時間）が決まり、受光感度はシャッタ開
放時間に比例する。しかし電子シャッタは、通常の写真
機の機械式シャッタ時間のように、カメラで設定されて
いる固有の値しか選択できない不便さがあり、現在の市
販品では最小時間も１００μｓまでである。

このようにこの方法は融通性が低いので、実用的ではな
いが、他の方法と組合せて使用すれば、装置構成上有用
である。

（２）レーザ輝度の制御 光源となるレーザの輝度を変調することにより、実効的
に受光感度を変化させることが出来る。半導体レーザの
輝度は駆動電流によって変えることが出来るが、閾値電
流以下に出来ないことや、輝度と駆動電流の関係が複雑
な場合がある等、余り実用的ではない。従ってレーザの
輝度変調はレーザをパルス駆動し、その衝撃係数（ｄｕ
ｔ７１ｘｃｔｏｔ　）を変えるのがよい。実測では、レ
ーザの輝度は衝撃係数と直線的な関係がある。

次にレンジ切替えの同期について説明する。

〈実施例３〉 レーザビームは通常回転ミラーによって機械的に走査さ
れるが、その１回毎にレンジを切替え、高感度状態と低
感度状態を交互に実現する。この構成例を第３図に示す
。（ａ）図で、回転ミラー３の駆動コイル電流Ｉ　ｍ１
ｒｒｏｒは、（ｂ）図に示すような鋸歯状波で、同期パ
ルス４０に同期している。また、レーザダイオード５の
駆動電流Ｉ　１ｉｓｅｔは同期パルス４０に同期した矩
形パルスで、その衝撃係数（ｄｕｔ７　ｔｓｔｉｏ）　
７は（Ｃ）図の如（１１ｉｔｔｏｒの鋸歯状波と同期し
てパルス的に変化している。即ちγが高い期間ではレー
ザの輝度が大きく、従って（ａ）図の入射光１のレベル
も高く、この期間に得られる影像出力４３は、図２の高
感度チャネルに相当する。次にγが低い期間ではレーザ
の輝度が弱まり、入射光１のレベルが低下して、映像出
力４３は図２の低感度チャネルに相当したものとなる。

この方法では２回の機械走査で実施例１の１回分の情報
が得られるので情報の入力には実施例１の２倍の時間が
かかるが、高感度と低感度の情報を同一のミラー角度に
対してサンプリングすることにより、両方のレンジで対
象物体の同じ点に関する情報を得ることが出来るので、
取得した画像情報を処理するときの余分なソフト的負担
がない。

（ａ）　図でテレビカメラ４２の映像出力４３はＡ／Ｄ
変換器４４でディジタル化され、同期パルス４０で駆動
されるスイッチ４１により高感度チャネルと低感度チャ
ネルに分離される。その後は実施例１と全く同じである
ので、第１図と同じ記号を付し、説明を省略する。

〈実施例４〉 テレビの１フレーム毎にレンジを切替えるもので、その
構成例を第４図に示す。上述の第３図と同じ構成要素に
対しては同じ記号を付す。動作は第３図と同様であるが
実施例４では、テレビカメラ４２から取り出した水平同
期信号５０で同期パルス４０を同期し、レーザダイオー
ド５の駆動電流Ｉ　１ｘｓｅｔとスイッチ４１をフレー
ム周期で切替えている。この方法では、高感度と低感度
のサンプリング点は１／３０秒間にミラーが移動する角
度だけずれることになるが、そのずれはソフト的に修正
することが可能である。この方法では２フレームで１枚
分の画像情報を得ることになるので、１回の機械走査当
りの実行的な映像枚数が１／２になる 〈実施例５〉 テレビの１フイールド毎にレンジを切替える方法で、構
成は第４図と同じであるが、レーザダイオード５の駆動
電流１１ａｓｅｒとスイッチ４１をフィールド周期で切
替える点が異る。この方法では高感度と低感度のサンプ
リング点は１／６０秒間にミラーが移動する角度だけず
れることになるが、実施例４と同様なソフト的処理で修
正出来る。この方法では水平走査線毎にレンジが切替わ
るので、２本の水平走査線から１本分の情報が得られる
ことになり、垂直走査方向の分解能が１／２になる。

［発明の効果］ 本発明により、固体撮像素子が有する高い受光感度を有
効に利用し、且っスミャが発生するまでの広い入射露光
量領域を無駄なく使用して、入射光のアナログ情報を得
ることが出来る。具体的には、通常の市販テレビカメラ
を使用して１４ビット以上のダイナミックレンジを得る
ことが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図はそれぞれ本発明の第１〜第５の実施例
の構成を示す図、第５図はＣＣＤテレビカメラの入射露
光量と映像出力の関係を説明するための図、第６図は本
発明の詳細な説明する図である。 １・・・入射光、２．２１・・・反射光、３・・・回転
ミラー　４・・・回転ミラー駆動コイル、５・・・レー
ザダイオード、１０・・・半透明ミラー、１１・・・透
過光。 １２．２２・・・カメラ、１３．２３・・・映像出力。 １４．２４．４４・・・Ａ／Ｄ変換器、１５．２５・・
・ディジタル信号、１６．２６・・・画像メモリ、２０
・・・全反射ミラー、２７・・・減光板、３０・・・処
理回路。 ３２・・・カラーカメラまたはマルチカメラ、４０・・
・同期パルス、４１・・・スイッチ、４２・・・ＴＶカ
メラ。 ４３・・・映像出力

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光を物体に照射し、その物体からの反射光
   を受光して物体の形状を計測する物体形状計測装置に於
   いて、受光レベルと電気的出力信号レベルの比（以下受
   光感度という）を複数のレンジに切替える手段を有する
   ことを特徴とする物体形状計測装置。
2. （２）２台のテレビカメラを１組として使用し、光源と
   して使用するレーザ光の波長に対して所定の透過損を有
   する減光器を一方のテレビカメラに装着することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の物体形状計測装置。
3. （３）光源として使用するレーザ光の波長に対して受光
   感度の異る２種以上の画素を配置した２次元受光センサ
   を用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   物体形状計測装置。
4. （４）光源として使用するレーザ光の波長に対して所定
   の透過損を有する減光膜を装着した画素と該減光膜を装
   着しない画素とを所定の位置に配置した２次元受光セン
   サを用いることを特徴とする特許請求範囲第１項記載の
   物体形状計測装置。
5. （５）レーザ光の輝度を外部信号に同期して変化させる
   レーザドライバを具備することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の物体形状計測装置。
6. （６）レーザ光の輝度を、レーザの機械的走査に同期し
   て変化させる手段を具備することを特徴とする特許請求
   の範囲第５項記載の物体形状計測装置。
7. （７）光源として使用するレーザ光の出力を、テレビの
   フレーム周期に同期して変化させる手段を具備すること
   を特徴とする特許請求の範囲第５項記載の物体形状計測
   装置。
8. （８）光源として使用するレーザ光の出力を、テレビの
   フィールド周期に同期して変化させる手段を具備するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の物体形状計
   測装置。