JPH0451112A - マルチスリット投光器 - 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】 ［概要］ 複数の平行なスリット光を被測定物に投光して三次元計
測を行う為のマルチスリット投光器に関し、 簡単な構成により三次元計測に於ける分解能を向上させ
ることを目的とし、 光源からの平行光が入射され、回折方向が互いに直交し
て配置された第１及び第２の回折格子と、該第１及び第
２の回折格子の回折出力光が入射され、該第１及び第２
の回折格子の何れか一方の回折方向に分散された複数の
平行スリット光を出力する円柱型レンズと、該円柱型レ
ンズからの平行スリット光の中の所定のスリット光を遮
断してコード化するシャッタアレイとを備えたマルチス
リット投光器に於いて、前記光源に対して前記第１及び
第２の回折格子の少なくとも何れか一方を含む構成を、
前記平行スリット光と直交する方向に微小距離移動させ
るアクチュエータを設けて構成した。

（産業上の利用分野〕 本発明は、複数の平行なスリット光を被測定物に投光し
て三次元計測を行う為のマルチスリット投光器に関する
ものである。

各種のロボッＩ・等の自動装置に於ける被測定物の認識
の為の三次元視覚機能や、物体形状を計測して入力する
形状入力装置等に於いて、被測定物に対してスリット光
を照射し、そのスリット光を走査し、照射方向と異なる
角度から撮像して、三角測量法の原理により、観測点か
らスリット光照射位置までの距離を算出し、被測定物の
形状を認識する構成が知られている。

このスリット光の走査の代わりに、複数の平行なスリッ
ト光を照射するマルチスリット投光器を用いることによ
り、同時に複数点の計測が可能となるものである。この
場合の被測定物の計測の分解能は、撮像装置の分解能と
スリット光のピッチとにより定まるものであり、簡単な
構成により分解能を向上することが要望されている。

〔従来の技ｉネｉ］ 複数の平行なスリット光を照射する為の従来例のマルチ
スリット投光器は、例えば、第６図に示すように、キセ
ノンランプ等の高輝度ランプ６１からの光がスリット６
２を介してレンズ６３に入射され、複数の平行なスリッ
ト光６４として、被測定物に照射される。その場合のス
リット光６４の長さＬｌが得られるように、スリット６
２やレンズ６３等が選定される。

又第７図に示す従来例は、半導体レーザとコリメートレ
ンズと円柱型レンズ等とを組合せて、スリット光をミラ
ー７５に照射する複数の光源７１゜７２．７３を、モー
タ７４の回転軸を中心とした円周上に配置し、ミラー７
５をモータ７４により回転して、スリット光を被測定物
に照射するものであり、光源は更に多数設けることもで
きる。

ミラー７５の長さＬ２は、例えば、１２ｃｍ、モータ７
４の回転軸と各光源７１．，７２．７３との間の距離は
、例えば、２０ｃｍに設定されており、比較的大型な構
成となるものである。

第８図は先に提案されたマルチスリット投光器の説明図
であり、半導体レーザ８１ａからの単一波長の出射光は
コリメートレンズ８１ｂにより平行光となり、第１の回
折格子８２に入射されて、長円形の複数のスポット光か
らなる出力光８７となる。この出力光８７は第２の回折
格子８３に入射され、第１と第２の回折格子８２．８３
の回折方向が互いに直交しているので、第２の回折格子
８３（７）出力光８　Ｂは、複数のスポット光列となる
。

この出力光８８は円柱型レンズ８４に入射され、円柱型
レンズ８４の長手方向を図示のようにＸ軸方向とした時
に、その出力光８９は、隣接スボ・シト光がｙ軸方向に
一部重なる状態となり、シャッタアレイ８５を介してマ
ルチスリット光となる。

このシャッタアレイ８５は、任意の位置のスリット光の
オン、オフを制御できるシャッタであり、例えば、３回
の照射に於けるシャッタアレイ８５の制御により、２３
本のスリット光を識別できるようにコード化することが
でき、各スリット光の位置を容易に識別できることにな
る。

［発明が解決しようとする課題］ スリット光を用いた三次元計測手段に於いては、撮像装
置の画素分解能の精度、或いはそれ以上の精度で計測す
ることが要望されている。前述の第６図に示す従来例は
、スリット光の幅はスリット６２により定まり、通常は
、製作精度の関係もあって、撮像装置の画素に比較して
スリット光の幅が大きく、１本のスリット光が撮像装置
の２画素以上にまたがって撮像されることになる。従っ
て、分解能を向上することが困難であった。

これに対して、第７図に示す従来例は、スリット光の断
面方向の輝度分布がガウシアン分布となり、仮にスリッ
ト光が撮像装置の２画素以上にまたがって撮像されても
、重み付は演算や比較演算等により、スリット光中心を
求めることができる。

従って、画素分解能を向上することができる。

しかし、被測定物の三次元計測を高速で行う場合には、
スリット光の本数は５０〜６０本以上が必要とされてい
る。従って、第７図に示す従来例に於いては、数１０個
の光源を、モータ７４の回転軸を中心とした円周上に配
置する必要があり、大型化すると共に高価となるから、
実用化することは困難である。

又ロボット等の自動装置の視覚機能を実現する場合には
、移動体上にマルチスリット投光器を搭載することにな
り、従って、小型化する必要がある。しかし、第６図に
示す従来例は、高輝度ランプ６１を用いるものであるか
ら、小型化は困難であり、又第７図に示す従来例も前述
のように小型化が困難である。

又第８図に示すマルチスリット投光器は、１個の半導体
レーザ８１ａを用い、第１．第２の回折格子８２．８３
と円柱型レンズ８４とを設けることにより、マルチスリ
ット光を形成することができるから、小型化が容易とな
る。しかし、画素分解能については、第６図に示す従来
例と類似したようなものとなる欠点がある。

本発明は、簡単な構成により三次元計測に於ける分解能
を向上させることを目的とするものである。

〔課題を解決するための手段］ 本発明のマルチスリット投光器は、第８図に示すマルチ
スリット投光器を基本構成とし、マルチスリット光をシ
フトできるようにして画素分解能を向上させたものであ
り、第１図を参照して説明する。

半導体レーザ１ａとコリメートレンズＩｂとからなる光
源１からの平行光が入射され、回折方向が互いに直交し
て配置された第１及び第２の回折格子２．３と、この第
１及び第２の回折格子２３の回折出力光が入射され、第
１及び第２の回折格子２，３の何れか一方の回折方向に
分散された複数の平行スリット光を出力する円柱型レン
ズ４と、この円柱型レンズ３からの平行スリット光の中
の所定のスリット光を遮断してコード化するシャッタア
レイ５とを備えたマルチスリット投光器に於いて、光源
１に対して第１及び第２の回折格子の少なくとも何れか
一方を含む構成を、平行スリット光と直交する方向に微
小距離移動させるアクチュエータ６を設けたものである
。

〔作用］ 光源１からの平行光は、第１の回折格子２により長円形
のスポット光７となり、第２の回折格子３によりマトリ
クス状のスポット光８となる。そして、円柱型レンズ４
の長平方向と直交する方向のピッチ１０の平行スリット
光９となり、シャッタアレイ５に入射され、選択された
シャッタにより平行スリット光９はコード化される。

アクチュエータ６により、第１及び第２の回折格子２．
３と、円柱型レンズ４とシャッタアレイ５とを、ｙ軸方
向のスリット光と直交するＸ軸方向に、例えば、ピッチ
Ｐの半分だけ移動させると、平行スリット光９は、ピッ
チＰの１／２のピッチのスリット光を照射する場合と等
価となり、画素分解能を向上することができる。同様に
、ピッチＰの１／３と２／３とを２回に分けて移動させ
ると、平行スリット光９は、ピッチＰの１／３のピッチ
のスリット光を照射する場合と等価となる。

従って、簡単な構成により画素分解能を向上することが
できる。

［実施例］ 以下図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明
する。

第２図は本発明の一実施例の斜視図であり、アクチュエ
ータとしてボイスコイルモータ２０を用いた場合を示し
、第３図はその要部断面図である。

各図に於いて、ｌｌａは半導体レーザ、１１．　ｂはコ
リメートレンズ、１２は第１の回折格子、１３は第２の
回折格子、１４は円柱型レンズ、１５はシャッタアレイ
、１６は第１及び第２の回折格子１２．１３と円柱型レ
ンズ１４とシャッタアレイ１５とを支持する支持枠、１
７は基板、１７ａは直立部分、１８．１９は支持ばね、
２１は鉄心、２２はコイル、２３は支持円筒、２４は永
久磁石界磁である。

半導体レーザＩｌａからの単一波長の光がコリメータレ
ンズｌｌｂにより平行光となり、第１の回折格子１２に
入射されて長円形のスボ・ノド光が１列に配列された出
力光となる。この出力光は第２の回折格子１３に入射さ
れてマトリクス状に配列されたスポット光となり、円柱
型レンズ１４に入射される。この円柱型レンズ１４は、
第１図に於いても半円柱状の場合を示しているが、完全
な円柱状とすることも可能であり、この円柱型レンズ１
４の長手方向と直交する方向に配列されているスポット
光を、それぞれ連続させた状態のスリット光が出力され
てシャッタアレイ１５に入射され、シャッタアレイ１５
が総て開いている時に、全スリット光がマルチスリット
光として出力される。又マルチスリット光を複数回照射
する時に、選択された位置のシャッタを閉じることによ
り、マルチスリット光をコード化することができる。

シャンクアレイ１５は、例えば、偏光を利用した液晶シ
ャッタアレイや偏光板間に電気光学効果素子を介在させ
たシャッタアレイ等を用いることができ、電極を選択し
て電圧を印加することにより、選択されたシャッタの開
閉を制御することができる。

又アクチュエータとしてのボイスコイルモータ２０は、
鉄心２１が基板１７の垂直部分１７ａに固定され、この
鉄心２１に固定された永久磁石界磁２４に対向して、支
持円筒２３に固定されたコイル２２が配置され、この支
持円筒２３に支持ばね１９が固定されている。支持ばね
１８，１９の下端は基板１７に固定され、上端に、第１
及び第２の回折格子１２，１３．円柱型レンズ１４及び
シャッタアレイ１５を固定した支持枠１６が取付けられ
ている。

従って、コイル２２に電流を供給すると、永久磁石界磁
２４との間の磁気的な吸引力又は反撥力により、コイル
２２を固定した支持円筒２３が移動するから、支持ばね
１Ｂ、１９に抗して、第１及び第２の回折格子１２．１
３を含む構成を光源に対して微小距離移動することがで
きる。この場合、マルチスリット光は縦方向のスリット
光となるから、横方向に微小移動させることになる。

この微小移動距離は、マルチスリット光のピッチＰの例
えば半分とすると、等価的にＰ／２のピッチのマルチス
リット光を被測定物に照射できることになる。又Ｐ／３
．Ｐ／４等のピッチで移動させることも可能である。こ
のような微小距離を正確に移動させるには、フィードバ
ック制御によりボイスコイルモータ２０を制御する手段
によって容易に実現することができる。又ステップ状の
微小距離の移動だけでなく、スリット光間を連続的に移
動させて被測定物の計測を行わせることも可能である。

父系１の回折格子１２のみを移動可能に支持ばね１Ｂ、
１９に支持し、第２の回折格子１３．円柱型レンズ１４
．シャッタアレイ１５を光源と共に固定した構成或いは
第２の回折格子１３のみを移動可能に支持ばね１Ｂ、１
９に支持し、第１の回折格子１２９円柱型レンズ１４．
シャッタアレイ１５を光源と共に固定した構成とするこ
ともできる。父系１及び第２の回折格子１２．１３のみ
を移動可能に支持ばね１Ｂ、１９に支持し、他の部分を
光源と共に固定した構成とすることもできる。

前述のように、第１及び第２の回折格子１２゜１３の少
なくとも何れか一方を含む構成を微小距離移動させる構
成とするもので、その場合に、シャッタアレイ１５が固
定されている構成に於いては、マルチスリット光とシャ
ッタとの位置のずれを考慮する必要がある。

父系１及び第２の回折格子１２．１３は、光フアイバア
レイにより構成することができるものであり、例えば、
第１図に於いては、第１の回折格子２は、Ｘ軸方向の複
数の光ファイバをｙ軸方向に配列して構成し、第２の回
折格子３は、ｙ軸方向の光ファイバをＸ軸方向に配列し
て構成することができる。

このような回折格子により形成されたスリット光に於い
て、隣接するスリット光の照射角度Δθは、半導体レー
ザＩｌａの出力光の波長をλ、第１及び第２の回折格子
１２．１３を構成する光ファイバの径をｄ、回折のモー
ドＯ（光軸上に出力されるスリット光）とモードｍ（光
軸上からｍ番目のスリット光）とのスリット光間の角度
をθ１、モード０とモードｍ−１のスリット光間の角度
をθ１−１　　とすると、 Δθ、−θ、−θ、−１ ｄ　　　　　　　　　　　　　　　　　ｄとなる。又距
離りの位置に投影したスリット光の間隔Ｗ、は、 Ｗ、　＝　Ｌ　（ｔａｎθ、　−ｔａｎθ、−Ｉ）とな
る。

光ファイバの径ｄは、通常２０〜１００μｍであるから
、ボイスコイルモータ２０により支持ばね１Ｂ、１９を
移動させる距離は、２０〜１００μｍ以下で良いことに
なる。

そして、被測定物に投影されるマルチスリット光のスリ
ット光間にも、第１及び第２の回折格子１２．１３の少
なくとも何れか一方を微小距離移動させることにより、
スリット光を投影することができるから、画素分解能を
向上することができる。

第４図は本発明の他の実施例の斜視図であり、アクチュ
エータとして圧電素子２５を用いた場合を示し、又第２
図と同一符号は同一部分を示す。

この実施例に於ける圧電素子２５は、１個の圧電素子の
みでは所望の移動距離が得られない時、複数の圧電素子
を積層すれば良いことになり、前述のように２０〜１０
０μｍ程度の移動を行わせることは容易である。この場
合もフィードバック制御により正確な微小距離の移動を
行わせることも可能である。

又前述の実施例と同様に、第１及び第２の回折格子１２
．１３の少なくとも何れか一方を含む構成を、支持枠１
６を介して支持ばね１Ｂ、１９により支持して微小距離
移動する構成とすることができる。

第５図は本発明の更に他の実施例の斜視図であり、アク
チュエータとしてリニアモータ２６を用いた場合を示し
、第２図と同一符号は同一部分を示す。この実施例のり
ニアモータ２６は、支持枠１６を固定した可動子２７と
、固定子２８と、可動子２７の移動案内を行う車輪２９
とガイド３０とからなり、例えば、可動子２７と固定子
２８との何れか一方にコイル、他方に永久磁石を配置し
、コイルに電流を供給することにより、可動子２７を車
輪２９とガイド３０とによって案内して微小距離を移動
させることができる。この場合も、位置検出やフィード
バック制御により所望の微小距離を正確に移動させるこ
とができる。

又この実施例に於いても、前述の各実施例と同様に、第
１及び第２の回折格子１２．１３の少なくとも何れか一
方を含む構成を、支持枠１６に固定し、可動子２７によ
り微小距離移動する構成とすることができる。

本発明は、前述の各実施例にのみ限定されるものではな
く、例えば、微小距離移動させる為のアクチュエータと
しては、ボイスコイルモータ２０゜圧電素子２５．リニ
アモータ２６以外の各種の構成を採用することができる
ものである。

（発明の効果〕 以上説明したように、本発明は、第１及び第２の回折格
子２．３と円柱型レンズ４とシャッタアレイ５とを備え
て、光源１からの平行光をマルチスリット光とすること
ができるものであり、且つアクチュエータ６により、第
１及び第２の回折格子２，３の少なくとも何れか一方を
含む構成を、光源１に対して微小距離移動させて、マル
チスリット光のスリット光ピッチ間にもスリット光を照
射し得るようにしたものであり、スリット光のピッチを
等価的に更に小さく或いはスリット光間を連続走査する
ように制御することができるから、画素分解能を向上す
ることができると共に、小型化が容易である利点がある
。

従って、ロボット等の各種の自動装置の視覚機能等を実
現する為の三次元計測に於けるマルチスリット投光器と
して適用することができ、簡単な構成により被測定物の
三次元計測精度を向上することができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明の一実施
例の斜視図、第３図は本発明の一実施例の要部断面図、
第４図は本発明の他の実施例の斜視図、第５図は本発明
の更に他の実施例の斜視図、第６図、第７図は従来例の
説明図、第８図は先に提案したマルチスリット投光器の
説明図である。 １は光源、１ａは半導体レーザ、１ｂはコリメートレン
ズ、２は第１の回折格子、３は第２の回折格子、４は円
柱型レンズ、５はシャッタアレイ、６はアクチュエータ
である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光源（１）からの平行光が入射され、回折方向が互いに
   直交して配置された第１及び第２の回折格子（２、３）
   と、 該第１及び第２の回折格子（２、３）の回折出力光が入
   射され、該第１及び第２の回折格子（２、３）の何れか
   一方の回折方向に分散された複数の平行スリット光を出
   力する円柱型レンズ（４）と、該円柱型レンズ（４）か
   らの平行スリット光の中の所定のスリット光を遮断して
   コード化するシャッタアレイ（５）とを備えたマルチス
   リット投光器に於いて、 前記光源（１）に対して前記第１及び第２の回折格子（
   ２、３）の少なくとも何れか一方を含む構成を、前記平
   行スリット光と直交する方向に微小距離移動させるアク
   チュエータ（６）を設けたことを特徴とするマルチスリ
   ット投光器。