JPH07509782A - 乱れた環境における目標表面の光学的距離計測の妥当性検査法 - 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】 乱れた環境における目標表面の光学的距離計測の妥当性検査法技術分野 この発明は、目標表面での点（複数）の光学的距離計測のための方法、特に、乱 れた環境、すなわち、検知器により見ることができ誤信号を発生して距離計測を 妨げるかもしれない、目標表面のほぼ近くにある少なくとも１つの他の表面、ま たは、他の光源からくる光などの他の変動要因を含む環境において、そのような 距離計測の妥当性検査（ｖａｌｉｄａｔｉｏｎ）に関する。

背景技術 目標表面の光学的距離計測のために現在よく用いられる２つの方法は、それぞれ 、標準光学的三角法システムおよびバイリス（Ｂｉｒｉｓ（ｂｉ−ｉｒｉｓ）） システムとして公知である。後者は、ＣＣＤスチルカメラなどの位置検知装置を 備えた撮像装置の収束レンズシステムにおいて、開口（ａｐｅｒｔｕｒｅ）を設 けたマスクを使用する。

これらのシステムは、Ｏｐｔｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏ −ｏｐｔｉｃａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ ｓＳＳＰＩＥ　９５９巻、１９８８．２２５−２４６頁に出版されたＦ、　Ｂｌ ａｉｓら（８８）の”Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　Ｃｏｎ５ｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ　ｆ ｏｒ　ａ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ａ　Ｈｉｇｈ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　３−Ｄ　 ＬａTｅｒ　５ｃａｎｎ ｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ″と、１９９１年４月９日〜１１日にカリフォルニア州すク ラメントでのＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　１９９１　ＩＥＥＥ　Ｉ ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｒｏｂｏｔ奄モ刀@ ａｎｄ ＾ｕｔｏｍａｔｉｏｎｌ：出版された同じ（Ｆ、Ｂｌａｉｓら（９１）の”０ｐ ｔｉｃａｌ　Ｒａｎｇｅ　Ｉｍａｇｅ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｎａ ｖｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　１ｌｏｂｉｌｅ　Ｒｏｂｏｔ−において説明され 比較されている。バイリスシステムは、前に、Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　 ０ｐｔｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ａｍｅｒｉｃａ＾、３巻、１５１８頁 、１９８６年９月に出版されたＭ、　Ｒｉｏｕｘら（８６）の”Ｃｏｍｐａｃｔ 　Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉ。

ｎａｌ　Ｃａｖａｅｒａ　Ｆｏｒ　Ｒｏｂｏｔｉｃ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ”、および、１９８７年２月２４日に発行されたＭ、　Ｒｉｏｕｘの米国特許第 ４．６４５．３４７号に報告されている。これらのすべての文書は、この参照に より本明細書に組み込まれる。

バイリスシステムの長所は、大きさが小さいことと、距離計測センサの強健さで ある。他方、三角法システムは、バイリスシステムより大きな精度を達成できる が、環境条件に非常に敏感である。これは、よく制御された環境ではよく作動す るが、もっと複雑な状況では失敗する。たとえば、もし目標表面が反射性であり 、目標表面の近くの１以上の非目標表面上へ光を反射するならば、または、もし カメラの視野に入る他の変動要因、たとえば、開いた窓からの反射または光、が あるならば、検出器は混乱し、真の目標表面と他の物体または変動要因からの誤 信号とを区別できない。バイリスシステムは、測定値の妥当性検査のために開口 を設けたマスクにより導入される冗長性を用いるので、上記の点では三角法シス テムより優れている。しかし、大きく乱れた環境では、両システムとも、誤りを 生じる。Ｂｌａｉｓら（９１）の第２図は、乱れた環境でそれぞれのシステムに より得られた像の間の違いを示す。

第１図は、典型的な通常のバイリスシステムの基本的構成を示す。すなわち、カ メラ１０は、位置を検知する光検知器すなわちＣＣＤと、そのレンズシステムに おいて、２つの開口１６（第２図）を有するマスク１８を備える。マスクの面と レンズの面とは、好ましくは同一であり、以下ではマスク面という。また、レー ザ１２も、カメラ１０に取り付けられる。レーザ１２は、０ｗレーザまたはパル スレーザであってよく、後者は、目標表面が移動するときに、移動を捕捉するた め、特に有用である。レーザは、（典型的には１ｍの距離で約１ｍｍ以下の幅を 有する）収束するストリップ状ビーム１４、または、この薄いストリップ状ビー ム１４の同等物をなぞるように（Ｙ方向の）１つの線にそって上下にスキャンす る小さな点ビーム（図示しない）のいずれかを発生し、これにより縦のビーム面 １５を定義する。第２図は、マスク面でのビーム１４とマスク１８内の２つの開 口１６との間の関係を示す。ビーム面１５は、２つの開口１６に対してＸ方向に 中央に位置し、すなわち、２つの開口１６を結ぶ線に直交していて、２つの開口 １６゛から等距離にある。希望なら、白熱光源がレーザの代わりに使用できる。

Ｒｉｏｕｘ特許（第２Ａ図）において説明されるように、このシステムは、この 場合にレーザビーム１４が点ビームであることが要求されるということを受けて 、環状開口を使用できる。環状開口は、環状に分布した多数の開口に等しいので 、本発明の広範囲の定義では、開口部分は、個々の開口または環状開口の複数の 部分をいう。

ビーム１４は、中央の突出部分２２を有する目標表面を照射するものとする。

第３図（Ｒｉｏｕｘ特許の第３図と比較せよ）に示すように、その結果カメラ１ ０の検知器において生じた戻り像は、線Ｍ、Ｎ上の１対の像点ｂ１、ｂ２の間隔 ｂ（または点ｂ１°とｂ２’との間のｂ’）は、Ｙ方向での各点でのＺ座標（距 離）のデータを与える。突出した目標部分２２上の点ＢのＺ座標を表す間隔すを 、目標表面２０の主要部分上の点ＢのＺ座標を表す点ｂｌ’、ｂ２’の間隔ｂ° と比較せよ。

後で詳細に説明するように、Ｚ座標は、間隔すと定数との和の値に逆比例する。

この結果は、Ｒｉｏｕｘ特許と上述の他の特許においてさらに詳細に説明される 。Ｘ方向でのＺ座標の値の変化は、伝統的に、ビーム１４と目標表面２０（７） Ｘ方向での相対的スキャンにより得られてきたが、後で示すように、本発明は、 いくつかの状況で、多重ビームを用いることにより、このＸ方向スキャンを必要 としなくてもよいという特徴を備える。

カメラ１０の出力は、レーザ１２をも制御するコンピュータンステム２８に供給 される。この点の説明について、１９８９年４月４日に発行されたＦ、　Ｂｌａ ｉｓらの米国特許第４．８１９，１９７号（その内容もこの参照により本明細書 に組み込まれる）を引用することが好ましい。この特許は、入力信号におけるピ ーク位置を検出する回路を説明する。このＢｌａｉｓ特許の第３１Ｉ！第６０行 から説明されるように、この回路はＲｉｏｕｘ特許に説明される種類のバイリス 型撮像装置により得られるデータを解釈するためによく適合でき、コンピュータ システム２８において具体化できる。Ｂｌａｉｓ特許の第４図に最もよく示され るように、縦の実線ＭとＮは、典型的なＸ方向スキャン線ｉにそって検知される べきピークｌとｋを含む。

スキャン線】は、検知器の画一の１つのＸ方向スキャンであり、ビーム１４のス キャンではない。これらの点ｌとｋは、本明細書の像点ｂ１とｂ２に対応し、こ の後者の用語が後で用いられる。Ｂｌａｉｓ特許の第４図において、破線ｊは、 線ＭとＮと等距離にある線であり、この特許の第３図に示された回路は、点ｌと ｋに対応する画素位置ＰｉｌとＰｉｋを決定する。本明細書の用語を用いると、 これらは、中心線Ｊ、画素位置Ｐ（ｉ、ｂｌ）とＰ（ｉ、ｂ２）、すなわち、ス キャン線ｌについての像点ｂ１、ｂ２に対応する画素位置１．または、スキャン 線ｉ゛についてのＰ（ｉ’、ｂｌ’）とＰ（ｉ’、ｂ２°）と便宜的にいうこと ができる。

したがって、目標表面上の点ＢのＺ座標は、像点ｂ１とｂ２の間隔すにより与え られ、点ＢのＸ方向の座標は、中心線Ｊ上の幾何学的中心点Ｘｏ、すなわち、像 点ｂ１とｂ２の間の画素ＰＯにより与えられる。ここで、投影されたビーム１４ が、第２図において示されるように、２つの開口１６の間に等間隔に位置すると 仮定する。Ｂｌａｉｓ特許の第５欄の最後の２行にあるように、中心点Ｘｏの位 置は、Ｚ座標に独立であり、中心線Ｊは、線ＭとＮから等距離である。

発明の開示 本発明の目的は、バイリスシステムと三角法システムのそれぞれの少なくともい くつかの長所を同時に共有し、さらに、これらの従来のシステムのいずれもが許 容できるよりも乱れた環境において信頼性高く作動するという他の長所も有する 技法を提供することである。

この目的のために、本発明は、基本的にバイリスシステムの変形であるシステム を提供する。ここで、開口を備えたマスクを使用する一方、同時に、三角法シス テムのいくつかの観点を実施する。さらに、カメラにおいて検知される像点（複 数）の妥当性検査、すなわち、乱れにより発生される誤った点（複数）と、目標 表面上の選択された点すなわち点Ｂを真に表わす点（複数）との間での判別可能 性についての新しいアプローチを用いる。

本発明は、その広い範囲において、狭いストリップを占めまたはなぞる少なくと も１本の光ビーム（レーザビームまたは白熱光源からのビーム）により照射され る目標表面上の選択された点を、位置検知用の光検知器へ撮像する手段を備える 。このシステムは、撮像システムにより定義される光学軸に対して垂直に存在す るマスクを含み、このマスクは、上記の選択された点の像の点（複数）を上記の 光検知器上に形成するための少なくとも２個の間を隔てた開口を備え、上記の選 択された点の計測された距離は、上記の点の間隔すの関数である。このシステム は、上記の選択された点の計測距離と位置についてのデータを抽出するため上記 の検知器の画素をスキャンするスキャン手段を備え、上記の光ビームによる照射 の方向は、上記の計測距離が、上記の像の点の検知器上の平均画素位ｆｉＰの関 数でもあるようなものである。上記の計測距離を計算する上記の２つの異なった ′　方法を同等であるとすることにより、Ｐ＝ｇ（ｂ）＋ｎ（θ）であることが わかり、ここにｇ（ｂ）は、ｂの単調関数である。ｎは角度θ、すなわち、光ビ ームのＺ方向に対する傾きの方向の関数であり、θが固定されていれば一定であ る。このシステムは、この方程式を実質的に満足するｂとＰの値を選択する手段 を備える。

これらの選択された値は、選択された点の真の計測距離と位置を表わすが、他方 、この方程式を満足しないｂとＰの観測値は、光ビームの狭いストリップから生 じない誤った信号の結果として拒絶される。

好ましい実施例において、この発明は、Ｚ方向に存在する光学軸を定義する収束 レンズシステム、および、Ｚ方向に垂直な少なくとも１つのＸ方向に存在する一 連の画素を備える位置検知用の光検知器を備える。上記の収束レンズシステムは 、目標表面上の選択された点を上記の光検知器上に撮像するように位置されて、 Ｘ方向での上記の選択された点の座標についての第１データを発生する。マスク は、Ｚ方向に垂直な面内に存在し少な（ともＸ方向において相互に間を隔てた少 なくとも２個の開口部分を含む開口手段を備え、上記の選択された点の像点を上 記の検知器上に形成してＺ方向での上記の選択された点の座標についての第２デ ータを上記の点の間隔すにより発生する。スキャン手段は、上記の選択された点 について上記の第１と第２のデータを抽出するために上記の検知器の画素をスキ ャンし、ここに、上記の選択された点のＺ座標が間隔すの関数である。光手段（ 好ましくはレーザ手段）は、上記の選択された点を含む目標表面を、ビーム面を 定義する狭いストリップを通るビームで照射する。この光手段は、上記の開口部 分の間の位置から少なくともＸ方向に変位され、ここに、上記の選択された点の Ｚ座標はＰの関数でもあり、ここにＰは、上記の選択された点に対応する像点の 上記の検知器上での平均画素位置である。これにより、Ｐ＝ｇ（ｂ）＋ｎ（ｅ） であり、ユニにｇ（ｂ）はｂの単調関数であり、ｎは、Ｚ方向に対する上記の光 ビームの傾きθの関数である。このシステムは、この方程式を実質的に満足する ｂとＰの値を選択する手段を備え、そのような選択されたｂとＰの値は、選択さ れた点のＸ座標とＺ座標の真の値を表わす。

後で詳細に説明するように、上記のマスクは、３以上の開口部分を備えてＬＸて もよ（，２以上のレーザビームまたは他の光ビームが同時に使用できる。これら の改良により、このシステムは、目標表面のプロフチイルについての他のデータ 、すなわち、Ｘ方向と同様にＹ方向のデータを得ることができる。そのような配 置は、検知器における画素がＸ方向と同様にＹ方向に存在することを必要とする が、これは、ＣＣＤカメラでは普通である。

図面の簡単な説明 第１図は、従来のバイリスシステムの図式的な斜視図である。

第２図は、このシステムのレーザビームとマスクとの間の幾何学的関係を示す図 である。

第３図は、第１図と第２図の配置により生じたカメラ像を示す図である。

第４図は、第２図の変形である。

第５図は、Ｙ方向から見た第４図の部分を示す。

第６図は、第３図に似ているが、第４図と第５図の条件についての図である。

第７図は、第４図の変形である。

第８図は、第７図の装置で達成したカメラ像を示す。

第９Ａ図と第９Ｂ図は、それぞれ、理解の容易さのために第８図の像の１部を示 す。

第１０図は、第７図の変形である。

第１１図は、第７図の他の変形である。

第１２図は、第１１図の配置に対する第８図に対応する。

第１３Ａ図と第１３Ｂ図は、それぞれ、第９Ａ図と第９Ｂ図に対応するが、第１ １図の配置に対応する。

第１４図は、第７図の別の変形である。

第１５図は、第１４図の変形である。

発明を実施するための最良実施例 もしビーム１４の面１５が、第４図に示すように、Ｘ方向に距離ｄだけ変位する 一方、ビーム面１５をＺ方向に対して角度ｅだけ傾けることにより目標表面２０ 上へ向けられ続けるならば（Ｂｌａｉｓら（８８）の図１参照）、そして好まし くは（必ずしも必要でないが）、目標表面２０を下げてマスク１８と水平方向に 同じ高さにするならば、この配置は、三角法システムの方向づけのいくつかを有 しはじめるが、同時に、バイリスシステムに特有の開口を備えたマスクを保持す る。第５図は、距離ｄがマスク１８の面１９で測定されることを示し、ビーム１ ４は、Ｚ方向に対して角度θで傾く。１３で示す検知器は、カメラの中の位置検 知用検知器である。これらの状況において、第３図の線ＭとＮは、第６図のＭ′ とＮ゛になり、中心線Ｊはもはや直線ではない。

以上の説明は、乱れない環境における単独の目標表面の存在を仮定してきた。

しかし、本発明の基本的な目的は、目標表面からの「真」の戻り信号と周囲の乱 れからの「偽」の戻り信号とを区別できるシステムを提供することである。たと えば、そのような偽戻り信号は、他の光源、目標表面から反射される光をうける 他の目標の存在、または、第２のレーザビームおよび／または第２の距離計測セ ンサの存在の結果でありうる。第６図は、そのような偽信号の代表であるスキャ ン線ｌ上の第３像点ｂ３を示す。実際、しばしば、スキャン線ｉにそって、また 他のスキャン線にそって、多くの偽信号が現れるが、いまの説明のためには、真 の信号を偽の信号から区別するようすを説明するために、初めにそのような１つ の偽点ｂ３を考慮するだけで十分である。

すでに説明したように、目標上の点Ｂの真のＺ座標は、点ｂ１とｂ２の間隔すに より与えられる。しかし、点ｂ３がさらに存在するとき、コンピュータ２８は、 ｂについて３つの可能な値、すなわち、ｂｘ＝ｂ２−ｂｌ　（真） ｂｙ＝ｂ２−ｂ３　（偽）、　または ｂｚ＝ｂｌ−ｂ３　（偽） をみる。同様に、Ｐｏについて３つの可能な値がやり、その中の正しＬＸもの： よ、ＸＯの値を与える。そのような値は以下のとおりである。

Ｐｘ＝１／２（ｂｌ＋ｂ２）　（真） Ｐｙ＝１／２　（ｂ２＋ｂ３）　（偽）Ｐｚ＝１／２（ｂｌ＋ｂ３）　（偽） Ｂｌａｉｓら（９１）において説明されるように（この出版物の２５７６頁の方 程式（１）および（２）を参照せよ）、バイリスシステムにおいて、Ｚ座標は、 次の式で与えここに、Ｌは、マスク面とこのマスク面と平行でありマスク面力１ ら変位される理論的基準面（図示されないが、Ｚ方向に表面２０から変位したと 仮定する）との間隔である（Ｂｌａｉｓ特許の第５図参照）。ｂは、先に定義さ れており、すなわち、像点ｂ１、ｂ２などの間隔ｂｘなどの１つである。そして 、ｋは、次の方程式により与えられ、ここに、ｆは、レンズの焦点距離であり、 Ｄは、マスクの２つの開口の間のＸ方向の分離間隔である。

実際には、レンズは決して完全でなく、ｆは、入射光の入射角の関数としてわず かに変わる。したがって、ｋは、完全な定数ではなく、ある範囲の値として、典 型的には各スキャン線について１つの値として、記憶される。

他方、三角法システム（いまや第４図の方向はこのシステムにも似てしλる）で は、Ｂｌａｉｓら（８８）の２２７頁の方程式（１）および（３）に説明される よ引こ、座標Ｚは、次の式で与えられる。

および、 ｐをＰに、ｌをＬに変えて本明細書の命名法に合わせると、これらの方程式より 、 ここに、Ｐは、検出器上での撮像された点の画素位置であり、また、 パラメータＬ、　Ｌ’、ｋ、　ｋ’は、校正の間に得られた定数（または、上に 示したように、ある範囲の定数）である。

方程式（１）と（３）を組み合わせると、次の式が得られる。

Ｌ’＋に’Ｐ＝Ｌ−皇−ｋｂ（６） または Ｐ＝ｇ（ｂ）十ｎ（θ）　（７） ここに、ｇ（ｂ）は、ｂの単調関数であり、これは、また、前の場合におけるよ うに、定数値の表として表現できる。ｎは、角度θの関数または一定角θについ ての定数である。

以上の説明は、レーザビーム上にある目標点から得られる測定値に関してのみ正 しい。もし測定値、すなわち点ｂ３、がレーザビーム上にない光源、すなわち、 他の光源または反射光から生じるならば、方程式（７）はもはや正しくない。偽 の信号が、必然的に、レーザビームが指向しない位置から生じたものであるので 、特定の状況において満足される方程式（７）の誤りは、その状況における値が 偽であることの指標である。この事実は、次のように表現できる。

Ｐｘ＝ｇ（ｂｘ）＋ｎ（θ）　（真）　（７ｘ）Ｐｙ＝ｇ（ｂｙ）＋ｎ（θ）　 （偽）　（７ｙ）Ｐｚ＝ｇ（ｂｚ）＋ｎ（ｅ）　（偽）　（７ｚ）実際には、雑 音と装置の不完全さのために、これらの方程式の最初の式（７ｘ）でさえも正確 な等式をめったに示さないが、式（７ｙ）または（７ｚ）よりは等式にはるかに 近くなる。したがって、カメラの出力を受け取るように結合されたコンピュータ ２８の機能は、これらの方程式から、等式に最も近いものを選択することである 。ｂとＰについての真の値、したがって、光ビームによって照射された目標表面 上の選択された点の真のＸ座標とＺ座標は、方程式（７）を最も近く満足する値 により与えられる。

１つの結果として、Ｂｌａｉｓ特許（第４図）におけるようにＸｏ（またはｃｉ ｊ）についての一定の位置を要求する（したがって、第２図におけるように光ビ ームがＸ方向においてマスクにおける２つの開口の間に正確に位置することを要 求する）代わりに、いま、広く変化する場所に位置される光投影機を備えること が可能である。

与えたｆの値について精度ΔＺを増加するために、ビーム１４とマスク１８の中 心との間の間隔ｄは、増加されるべきである。Ｂｌａｉｓ特許のサブピクセル（ ｓｕｂｐｉｘｅｌ）ピーク検知器、Ｒｉｏｕｘ特許に開示されたアクシコン（ａ ｘｉｃｏｎ）の使用、または、環状開口を有するマスクの使用にの場合光ビーム は点である）は、すべて、ｂの測定精度を増加する。第４図に示す単独ストリッ プレーザ投影の場合において、三角法技法が基本的なバイリス構造に対して寄与 する主な長所は、マスクの開口の間の分離よりもずっと大きい程度に投影機をカ メラから分離するよい機会を与えることから生じる。言い換えれば、説明の便宜 のために第４図はｄの値をＤの値より少しだけ大きいものとして描いているけれ ども、もしｄがＤより数倍大きければ精度の改善が実際に得られる。

三角法技法とバイリス技法との組み合わせを含むものとして本発明を見ると、δ の値、すなわち、これらの２つの技法の相対的寄与は、次の式で与えることがで きる。

この方程式において、第１項は、三角法技法の寄与であり、第２項は、バイリス 技法の寄与である。δの典型的な値は、約０．８、すなわち、三角法からの８０ ％の寄与とバイリス法の２０％の寄与の比であることが分かった。しかし、本発 明は、種々の異なった要求に適応するためにこの比を変えることを可能にし、こ のδの値は、ｄ、！＝Ｄの比により決定される。

本発明は、多重投影機（レーザ）と３以上の開口を備えたマスクとの使用を含む ことができ、複数の投影機の場所設定と開口の数は、もはや、問題でない。

１９９０年５月３０日に第３７０７７０号として出版されたＣ、　Ａ、　Ｋｅｅ ｌｙらの欧州特許出願８９３１２０８３．２は、レーザビームを正確にカメラの 光軸と１列にして影効果を無くすかまたは最小にするためのバイリスシステムに おけるプリズムの使用を開示する。本発明は、カメラの光軸からずれて光ビーム （または複数のビーム）を位置設定することにより、そのような必要をなくす。

Ｋｅｅｌｅｙらは、４つの開口を備えたマスクを使用した。開口の数のこの増加 は、本発明において有用に使用できる。第７図は、４つの開口３０．３１．３２ ．３３を備えたマスク２８と、相互に垂直で点３６で交差する２つのレーザビー ム３４．３５を示す。

点３６は、マスク２８の中心からＸ方向とＹ方向とに変位される。ビーム３４． ３５が相互に交差することは本質的ではない。第１図におけるのと同じ目標を仮 定して、第８図は、明瞭さのため、第９Ａ図と第９Ｂ図に２つに分けて示されて いるカメラの検知器における全体の生じた像を示し、第９Ａ図は、水平に存在す るレーザビーム３４から得られた像を示し、第９Ｂ図は、縦に存在するレーザビ ーム３５から得られた像を示す。開口３０は、３０Ａと３０Ｂで示される線に責 任があり、同様に、開口３１．３２および３３は、それぞれ、線３１Ａと３１Ｂ 、線３２Ａと３２Ｂ、線３３Ａと３３Ｂに責任がある。３１Ａと３３Ａの水平部 分は、実際に、相互の上に存在するが、第９Ａ図では個々の形状を示すためにわ ずかに分離して示される。第９Ｂ図において、同等な線３０Ｂおよび３２Ｂは、 実際の状態で、すなわち、それらの縦の部分が相互に重畳して示される。

第８図における水平スキャン線ｌは、５つの像点を示し、その中で、真の点はｂ ｌとｂｚである。ｂとＰについての近似的な数を発生することにより（この場合 １０であり、これは全部で５つの像点から選択される２つの像点の可能な組み合 わせの数に等しい）、そして、それらすべてを方程式（７）に適用することによ り、方程式（７Ｘ）、（７ｙ）および（７ｚ）を用いて既に説明したように、こ の方程式における等号に最も近い値を与えるｂとＰの値が真の値として選択され る。

通常そうであるように、カメラにおける位置検知用検知器がＸ方向とＹ方向とに 両方向性であると仮定して、縦方向スキャン線ｈ（第９Ａ図）での画素のスキャ ン動作は、同様に、真の像点Ｃ１と０２の同定を可能にし、これにより、Ｙ方向 でのｂとＰの値を出力する。このように、第７図に示した２重ビーム配置は、目 標表面２０の３次元プロファイルの１つの形が、固定したカメラと固定したビー ムとを用いてコンパイルされることを可能にする。これにより、単独のビームが 使用されるときに要求されるビーム１４と表面２０との相対的なスキャン動作の 必要はない。こうして得られた３次元プロファイルは、完全なプロファイルでは ないが、Ｘ方向とＹ方向とに存在する目標表面のストリップにそった計測距離デ ータを含む。このデータは、多くの目的（たとえば、目標を異なった形の他の対 象物から区別するというロボット工学の目的）にとってしばしば十分である。

第１０図は、ビーム３４′　と３５゛　が相互に傾くことができることを示す。

生じた像は、第８図、第９Ａ図および第９Ｂ図に示された像と、これらの像を形 成する線がＸ方向とＹ方向に対して傾いていることを除いて似ている。しかし、 それらは必要な情報、すなわち、スキャン線ｉとｈでスキャンされたときのｂと Ｐの真の値を与える。

第１１図は、波長、分極などの区別可能な性質において相互に異なった２つのビ ーム３８と３９の使用を示す。マスク２８における開口３０〜３３には、適当な フィルタ、すなわち、干渉フィルタまたは分極フィルタ３６と３７が合わせられ る。第１２図、第１３Ａ図および第１３Ｂ図に示されるように、ビーム３８のみ を通すフィルタ３７は、開口３０と３２に線３０Ａと３２Ａを発生させ、これに より、検知器における全体の像を形成するために結合する２成分像を簡単化する 。第１３Ａ図と第１３Ｂ図の像の各々は、単独のビームのみが使用される第６図 のものに似ている。

第１４図は、マスク２８が３つの開口４０．４１および４２と、３つのビーム４ ３．４４および４５を有する変形例を示し、第１５図は、ビーム４６．４７およ び４８が相互に交差する第１４図の変形例を示す。これらの最後の２つの図の意 味は、開口とビームの数と位置設定とを用いてシステムの柔軟性を示すことであ る。

産業上の利用性 本発明は、乱れた環境において目標表面上の点（複数）の光学的距離計測の改善 のために使用される。

ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、６ 第５図 ＦＩＧ、　１１　ＦＩＧ、　１２ ＦＩＧ、１３Ａ　ＦＩＧ、１３Ｂ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）狭いストリップを占めまたはなぞる少なくとも１本の光ビーム（１４ ）により照射される目標表面（２０）上の選択された点（Ｂ）を、位置検知用の 光検知器（１３）上へ撮像する手段（１０）と、（ｂ）光学軸とこの光学軸に垂 直なマスク（１８）とを備える撮像手段であって、このマスクは、上記の選択さ れた点の像の点（ｂ１，ｂ２）を上記の検知器上に形成するための少なくとも２ 個の間を隔てた開口を備え、上記の選択された点の計測距離が上記の点の間隔ｂ の関数である撮像手段と、（ｃ）上記の選択された点の計測距離と位置について のデータを抽出するため上記の検知器の画素をスキャンするスキャン手段（２８ ）であって、（ｄ）上記の少なくとも１本の光ビームによる照射の方向は、上記 の計測距離が、上記の像の点の検知器上の平均画素位置Ｐの関数でもある（これ により、Ｐ＝ｇ（ｂ）＋ｎ（θ）（ここにｇはｂの単調関数であり、ｎは上記の 光ビームの傾きθの関数である）である）スキャン手段と、（ｅ）この方程式を 実質的に満足するｂとＰの値を選択するコンピュータ手段（２８）であって、そ のような選択された値は、選択された点の真の距離と位置を表わすコンピュータ 手段と を備える撮像システム。 ２．（ａ）Ｚ方向に存在する光学軸を定義する収束レンズシステム（１０）、お よび、Ｚ方向に垂直な少なくとも１つのＸ方向に存在する一連の画素を備える位 置検知用の光検知器（１３）であって、上記の収束レンズシステムは、目標表面 （２０）上の選択された点（Ｂ）を上記の光検知器上に撮像するように位置され て、Ｘ方向での上記の選択された点の座標についての第１データを発生する収束 レンズシステムおよび位置検知用の光検知器と、（ｂ）Ｚ方向に垂直な面内に存 在し少なくともＸ方向において相互に間を隔てた少なくとも２個の開口部分（１ ６）を含む開口手段を備えるマスク（１８）であって、上記の選択された点の像 点（ｂ１，ｂ２）を上記の検知器上に形成してＺ方向での上記の選択された点の 座標についての第２データを上記の点の間隔ｂにより発生するためのマスクと、 （ｃ）上記の選択された点について上記の第１と第２のデータを抽出するために 上記の検知器の画素をスキャンするスキャン手段（２８）であって、上記の選択 された点のＺ座標が間隔ｂの関数であるスキャン手段と、（ｄ）上記の選択され た点を含む目標表面を、第１ビーム面を定義する狭いストリップを通る第１ビー ム（１４）で照射する光手段（１２）であって、この光手段は、上記の開口部分 の間の位置から少なくともＸ方向に変位され、ここに、上記の選択された点のＺ 座標はＰの関数でもあり、ここにＰは、上記の選択された点に対応する像点の上 記の検知器上での平均画素位置であり、これにより、Ｐ＝ｇ（ｂ）＋ｎ（θ）（ ここにｇはｂの単調関数であり、ｎはＺ方向に対する上記の光ビームの傾きθの 関数である）である光手段（１２）と、（ｅ）この方程式を実質的に満足するｂ とＰの値を選択するコンピュータ手段（２８）であって、そのような選択された ｂとＰの値は、選択された点のＸ座標とＺ座標の真の値を表わすコンピュータ手 段とを備える撮像システム。 ３．請求項２に記載した撮像システムにおいて、上記の選択された点の目標表面 上のＺ座標は、 １ Ｚ＝１／Ｌ−１−ｋｂ により与えられ、また、 Ｚ＝１／ｋ′Ｐ＋Ｌ′ により与えられ、ここに、Ｌ、Ｌ′、ｋおよびｋ′は、定数またはある範囲の複 数の定数であり、 Ｌは、マスク面と、このマスクと平行であり間を隔てた理論的基準面との間のＺ 方向の距離であり、 ｋは、 ｋ＝Ｌ−ｆ／ｆＤＬ′ により与えられ、 ｆは、上記のレンズシステムの焦点距離であり、Ｄは、上記のマスクの２つの開 口部分の間のＸ方向の間隔であり、Ｌ′は、 Ｌ′＝ｔａｎθ／ｄ により与えられ、 ｋ′は、 ｋ′＝Ｌ−ｆ／ｆｄＬ′ により与えられ、 θは、Ｚ方向に対する光ビームの傾きの角度であり、ｄは、上記の光ビーム面と 上記の開口部分の間の上記の位置との間の、上記のマスク面でのＸ方向での間隔 である撮像システム。 ４．請求項２に記載した撮像システムにおいて、（ｆ）上記の検知器の画素は、 また、Ｙ方向にも存在し、上記の画素をスキャンするスキャン手段は、さらに、 Ｙ方向にスキャンする手段を備え、目標表面上の上記の選択された点のＹ方向で の座標についてのデータをさらに発生し、（ｇ）上記のマスクは、少なくとも３ つの開口部分（３０〜３３、４０〜４２）を備え、この開口部分の２つの第１対 （３１、３２；４１、４２）は、少なくともＸ方向において相互に間を隔ててい て、２つの第２対（３０，３１；４０、４１）は、少なくともＹ方向において相 互に間を隔てていて、（ｈ）上記の光ビームは、上記の選択された点を含む上記 の目標表面を、狭いストリップをなぞる少なくとも１つの他のビーム（３４、３ ５、３８、３９、４３〜４８）（第１ビーム面に対して傾いた少なくとも１つの 他のビーム面を定義する）で照射する手段を備える 撮像システム。 ５．請求項４に記載した撮像システムにおいて、上記のマスクは、Ｘ方向とＹ方 向にそれぞれ間を隔てて存在する相互に垂直な２つの対として配置される４つの 開口部分（３０〜３３）を備える撮像システム。 ６．請求項５に記載した撮像システムにおいて、上記の２つのビームが相互に直 角に位置する複数の面を定義するシステム。 ７．請求項６に記載した撮像システムにおいて、上記の２つのビームの面がＸ方 向とＹ方向にそれぞれ存在するシステム。 ８．請求項５に記載した撮像システムにおいて、上記の２つのビームは、区別可 能な特性において相互に異なり、開口部分のそれぞれの上記の対の開口部分が、 その特性を有する光のみを透過するフィルタ手段（３６、３７）を含むシステム 。 ９．請求項４に記載した撮像システムにおいて、上記のマスクは、３つの開口部 分（４０〜４２）を備え、光手段は、相互に傾いた方向に存在するそれぞれの狭 いストリップを占めまたはなぞる３本のビーム（４３〜４５）で目標表面を照射 するシステム。