JPS59606A

JPS59606A - フアイバ・グレ−テイングを用いた距離・形状等の識別方法

Info

Publication number: JPS59606A
Application number: JP11048982A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Machida; 町田　晴彦; Hiroshi Kobayashi; 寛小林; Junya Seko; 世古　淳也; Hisashi Kanie; 蟹江　寿
Original assignee: MACHIDA OPUTO GIKEN KK
Current assignee: MACHIDA OPUTO GIKEN KK
Priority date: 1982-06-26
Filing date: 1982-06-26
Publication date: 1984-01-05

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】本発明は、光スポット・アレイを放射状に対象物体に照
射し、肉眼又は光検出器によりスポットを認識すること
により、対象物体までの距離や対象物体の形状、大きさ
等の特徴を抽出するファイバ・グレーティングを用いた
距離・形状等の識別方法に関するものである。

例えば、医療におけるこれまでの内視鏡診断においては
、患部までの距離や起伏などの立体的形状を識別するこ
とは困難とされている。また、一般の産業分野等におい
ては、これまでの産業用ロボットの多くが物体を識別す
る眼の機能を有していないため、高機能化−高信頼化の
実現がなかなか難しい。ロボット以外の産業分野におい
ても、距離・形状・大きさを簡便に三次元的に識別する
手段が強く要望されているのが現状である。

本発明の目的は、上述の要求に応えるべくなされたもの
であり、ファイバ・グレーティングが何１０次もの回折
スポットを同じ明るさで投影することが可能であり、多
数の放射状のレーザービームにより空間座標を立体的に
描く機能を有すること“を利用して、対象物体の座標を
検知したり、スポット・アレイの配列から対象物体の形
状等の特徴を抽出する新たな手法であるファイバ・グレ
ーティングを用いた距離・形状等の識別方法を提供する
ことにあり、その要旨は、同一径の光ファイバをそれぞ
れ密に並列すると共に互いに直交するように重合した２
組のファイバ番グレーティングの一方の面に、レーザー
ビームを投光し、他面から等間隔で放射状に射出された
回折スポットを対象物体の表面に投影し、その回折スポ
ットの配列分布状態から対象物体の距離、形状、大きさ
のうち少なくとも一つを識別することを特徴とするもの
である。

以下に本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する
。

先ず、本発明で使用するファイバ・グレーティングにつ
いて説明する。第１図に示すように、従来用いられてい
るスリット番アレイで構成した透過型回折格子ｌを用い
て、１本の光ビームを光強度の等しい多数のビームに分
岐するには、スリットの幅を光の波長程度に狭くする必
要がある。しかし、これでは入射光は遮光帯のために殆
ど遮光されてしまい、回折効率は極めて低い、また、ス
リットの幅を広げると、０次の回折次数に光が集中し、
１次、２次と高次になるにつれ急速に各次数の強度は減
少する傾向がある。

そこで、近年では高い回折効率を得るために位相格子を
用いたり、或いは各次数の強度を一様にするためにホロ
グラフィック的な手法を用いることが検討されている。

しかし、これらはガラス表面に様々な大きさの四角形や
三角形の溝を多数本形成するために、ケミカルエツチン
グのプロセスを使用することになるが、細かなパターン
を高精度に造りあげるには高度な技術を要しかつ高価と
なる。

ファイバ・グレーティング２とは第２図に示すように、
外径の仰った光ファイバ３を多数本隙間なく配列した一
屑のファイバ・アレイである。このファイバ・グレーテ
ィング２の一面に単一波長の平面波である例えばレーザ
ービームＬを入射すると、各光ファイバ３は球レンズと
して作用し、レーザービームＬは各光ファイバ３の極め
て近傍Ｆに集光された後に、広い角度に球面波Ｌ′とし
て伝帳していく。即ち、各焦点Ｆは位相の互いに異なっ
た球面波Ｌ′をほぼ同じ強度で広い領域に放射する点光
源の７レイとして作用する。この個々の球面波Ｌ′の干
渉により、はぼ強度の等しい回折スポット・アレイが形
成される。光の波長を入、格子定数をｄ、回折次数をｍ
とすると、このときの回折角θは。

θ＝　ｓｉｎ’　（ｍλ／ｄ）で表されることは従来の回折格子ｌと同じである。

第２図に示す回折はフラウンホーファ回折であるので、
フーリエ変換像を得るには十分な距離を必要とする。そ
こで、短い距離で理想的なフーリエ変換像としての回折
スポット・アレイを得るためには、第３図に示すように
点Ｆに焦点を置く正のパワーを有する焦点距離ｆのコリ
メータレンズ４を利用すればよい。即ち、コリメータレ
ンズ４の前焦点面に一致させてファイバ・グレーティン
グ２の焦点Ｆを置くようにすると、コリメータレンズ４
の後焦点面に一様な明るさの回折スポット・アレイが得
られる。ファイバ・グレーティング２の後方の点光源ア
レイをコム関数ｃｏｍｂ（ｘ／ｄ）で表したとき、この
スポット・アレイとして観察される回折像は、そのフー
リエ変換としてコム関数ｃｏｍｂ（ｄξ／入ｆ）で表さ
れ、スポット・アレイの間隔は入／ｄとなる。

１個のファイバ・グレーティング２で得られる回折像は
一次元アレイであるが、第４図に示すように２個のファ
イバ・グレーティング２ａ、２ｂを密接・直交して、ス
ポラ）−７レイ投影部５を配置し、ここにレーザービー
ムＬを照射すると。

二次元スポット・アレイＡが得られる。なお、コリメー
タレンズ４を用いない二次元スポット・アレイＡは、第
５図に示すように平面上に形成されずに球面上に形成さ
れることになる。

第６図は本発明に係る方法の一実施例を示し、レーザー
光源６からコリメートされた光を、直交して配置された
ファイ／へ・グレーティング２ａ、２ｂから成るスポッ
ト・“アレイ投影部５に照射すると、スポット・アレイ
投影部５からは多数の一様な強度の光ビームＬｂを広い
領域に放射される。

個々のビームＬｂはそれぞれの回折次数ｍを有し。

後述する手法によりそれぞれのビームＬｂの次数ｍを知
ることができる。このことは、多数の放射状のビームＬ
ｂにより空間座標を描いていることに相当し、この空間
に対象物体７が位置すると、スポット・アレイＡのうち
遠距離では１〜数個の少数の回折スポットＰが対象物体
７の表面に投影され、近距離では多数の回折スポットＰ
が投影されることになる。

投影された回折スポットＰの分布を肉眼で観察すれば、
対象物体７の方向とか形状を概略認識することができる
し、光検出器８を使用すれば回折スポラ）Ｐの次数ｍか
ら対象物体７の方向が、また回折スポラ）Ｐの個数を計
数したり後述する方法から距離が判り、対象物体７の座
標を知ることかできる。更に、−列に配列した回折スポ
ラ）Ｐの個数からその方向の長さ−を検出することがで
き、スポット・アレイ投影部５と光検出器８の光軸を傾
けておくと、対象物体７の立体的形状を識別することが
可能である。例えば、対象物体７が立方体であれば、光
検出器８で観測したパターンは立方体の面ごとに、回折
スポットＰの配列方向が異なるためその形状を把握する
ことができる。

第７図の実施例は、レーザー光源６とスポット・アレイ
゛投影部５との間にレンズ９、光ファイバｌＯを介在し
、レーザービームＬを光ファイバ１０を介してスポラＩ
・・アレイ投影部５に導光し、また先の光検出器８に回
折像を導くためにレンズ１１、ファイバスコープ１２が
用いられている。

この実施例は医療、における内視鏡のように、直接１こ
観察が困難な臓器内部の立体的形状の識別に効果的に利
用できる。即ち、光ファイバＩＯやファイバスコープ１
２．小型化した光学系を直径約ｌＣｍはどの自在に屈曲
できる管体内に納め１食道、胃などの複雑な臓器内にこ
れらを挿入していくことができる。

第８図（ａ）〜（ｃ）は、検出部における簡単な演ｑ処
理によって対象物体７の形状を特徴抽出し認識する場合
の説明図である。即ち、スポット・アレイ投影部５と光
検出器８を対象物体７に徐々に接近させてゆくと、最初
は（ａ）に示すように回折スポラｌ−Ｐが投影されてい
るものが、接近につれて（ｂ）に示すように、対象物体
７に投影されている回折スポットＰの数が増加する。こ
のとき、光検出器８に内蔵された演算回路によって新た
に発生したスポラ）Ｐだけを選択することは容易である
。この新たな回折スポットｐの配列は（Ｃ）に示すよう
に対象物体７の輪郭に対応するので、この輪郭の本数、
交わり方等により、立方体、正四面体、・・・等々のよ
うに対象物体７の形状を認識することができる。

なお、演算部における立体認識は以下の順序で実施する
ことができる。

（１）線分方程式の決定緑画素の集合に直線を当てはめ、最も合致した線分を輪
郭の方程式とする。

（２）交点座標の決定線分方程式より交点を求め、交点座標を得る。

（３）面素の決定線分方程式、交点座標より対象立体を構成する面素を求
める。

（４）線素、面素、交点の分類対象立体を構成する線素、面素、交点の数、角度、座標
を分類する。

（５）参照立体特徴との照合記憶装置内の参照立体の特徴の分類表と上記分類とを照
合し、最も近い特徴を持つ立体を選ぶ。

（８）認識第９図〜第１２図の実施例は、第６図、第７図において
スポット・アレイ投影部５から射出される放射状のビー
ムＬｂに回折次数ｍをラベリングする変調部を示してい
る。第９図の実施例は、固有振動数か個々に異なる長さ
の柄１４を持つ遮光板１５を各ビームＬｂことに配置し
、外部から誘起される振動によって個々の遮光板１５の
振動を変えて各ビームＬｂを振幅変調し、その振動数を
知ることによりビームＬｂの次数ｍを識別することがで
きる。

第１０図の実施例は、厚さ等により固有振動数を変える
ファブリ・ペロー型共振器１６を各ビームＬｂごとに配
置し、外部から振動子１７により振動を与えると、それ
ぞれ固有の振動数で共振器１６の対向ミラー１８が振動
し、共振、***振の繰り返しとして、各ビームＬｂを振
幅変調するものである。

Ｍｌ１図の実施例は、偏光方向の異なる偏光板、複屈折
板、電気光学効果素子などの偏光素子１９を各ビームＬ
ｂごとに配置することにより、各ビームＬｂを偏光方向
でラベリングするものである。

第１２図の実施例は、光を異なる波長に変換する変換素
子２０を各ビームＬｂを透過させことにより、各ビーム
Ｌｂをｆ＋ΔｆＯ１ｆ＋Δｆ１、・・・等の波長の違い
でラベリングするものである。このような変換素子２０
としては、間隔を徐々に変花させた２枚の板、又は内径
を徐々に変化させた管の中に矢印の方向に流体を流し、
場所により流速を変化させ、これによりドツプラーシフ
トを変化させるものである。

第１３図の実施例では、第６図、第７図の実施例に放射
状の各ビームＬｂに回折次数ｍをラベリングするために
、入車、入、なる２つの波長のレーザービームＬ１、Ｌ
２をスポット・アレイ投影部５に照射する光学系を用い
ている。各波長入１、入２に対する回折角を０１、θ２
とすると、両者には、 θ＝θ五　−０２＝　　ｓｉｎ−１（ｍ入１／ｄ）−ｓ
ｉｎ−Ｉ（ｍ入２１０）なる角度差θが生じ、θは回折次数ｍごとに異なる値と
なる。この角度の相違を光検出器により検出すれば１、
個々のビームＬｂの回折次数ｍを識別することができる
。また、第９図〜第１２図に示した手法により、既に各
ビームＬｂの回折次数ｍがラー・リンクされていれば、
対象物体に照射された各波長の回折スポットの間隔によ
り、スポット・アレイ投影部５から対象物体までの距離
を識別することができる。

第１４図の実施例は、第６図、第７図の実施例において
、レーザ・−光源６ａ、６ｂ、スポットΦアレイ投影部
５ａ、５ｂと光検出器８ａ、８ｂとを１個ずつ組合せ、
対象物体７の位置座標を識別する方法である。即ち、対
象物体７に第１．第２のスポット・アレイ投影部５ａ、
５ｂによる回折光として、それぞれ回折次数がｍ、ｎの
回折スポットＰｍ、Ｐｎが投影されて−いるとすれば、
波長を入、第１のスポット・アレイ投影部５ａと第２の
スポット・アレイ投影部５ｂの間隔をＤとすると、対象
物体７の位置座標は、ｘ　＝　（Ｄ／　２　）（ｍ　（ｄ２−　ｎ　２　　人
２　）　Ｌ’２＋ｎ（ｄ２−ｍ２　入２）Ｌ′２）／（ｍ（ｄ２−ｎ２　入２）′２ −　ｎ（ｄ２−ｍ２　人２）　吟１ｙ　＝　（Ｄ／入）（ｍ　（ｄ２−　ｎ　’、　　入２
）Ｌ′２・ｎ（ｄ２−ｍ２　人２）’−）／（ｍ（ｄ２−ｎ２　人２）２ −ｎ（ｄ２−ｍ２　人２）Ｌ′２）として表わされることになる。

以上詳細に説明したように本発明に係るファイバ・グレ
ーティングを用いた距離・形状等の識別方法は、レーザ
ー光源からのコリメート光をファイバφグレーティング
に照射し、ファイバ・グレーティングから射出される多
数の一様な強度の回折スポットを対象物体に投影して、
その投影された回折スポットの分布状態により対象物体
までの距離、座標、形状を識別するようにするものであ
り、対象物体の情報を容易に認識できる点で極めて効果
的である。また、その方法は簡明であるために小型化が
容易であって、狭い領域においても適用が可能である。

特に、本発明は、内視鏡診断等において、これまで困難
とされていた患部の大きさ、立体的な形状などの情報を
容易に得ることができ、また産業用ロボットの眼などの
産業応用面においても、安価で簡便な対象物体の特徴識
別方法として極めて効果的に利用し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の回折格子の説明図、第２図以下は本発明
に係るファイバ・グレーティングを用いた距離・形状等
の識別方法の実施例を示し、第２図は本発明で使用する
ファイバ・グレーティングの説明図、第３図はファイバ
・グレーティングと対象物体の間にコリメータレンズを
挿入した状態の説明図、第４図は２個のファイバ・グレ
ーティングを直交したスポット・アレイ投影部と対象物
体の間にコリメータレンズを挿入した状態のスポット・
アレイの投影説明図、第５図は第４図のコリメータレン
ズを使用しない状態のスポット・アレイの投影説明図、
第６図、第７図はそれぞれ本測定方法の説明図、第８図
（ａ）〜（ｃ）は立体認識の説明図、第９図〜第１４図
はそれぞれ放射されたビームの次数を識別する手法の説
明図である。符号２．２ａ、２ｂはファイバ・グレーティング、３は
ファイバ、４はコリメータレンズ、５はスポット・アレ
イ投影部、６はレーザー光源、７は対象物体、８は光検
出器、ｌＯは光ファイ／へ、１２はファイバスコープで
ある。特許出願人　有限会社マチダオプト技研第１図！［５１！１謔８図（０）第８図（ｂ）

Claims

【特許請求の範囲】１、　同一径の光ファイバをそれぞれ密に並列すると共
に互いに直交するように重合した２組のファイバ・グレ
ーティングの一方の面に、レーザービームを投光し、他
面から等間隔で放射状に射出された回折スポットを対象
物体の表面に投影し、その回折スポットの配列分布状態
から対象物体の距離、形状、大きさのうち少なくとも一
つを識別することを特徴とするファイバ・グレーティン
グを用いた距＃：Φ形状等の識別方法。２、前記ファイバーグレーティングと対象物体の間に正
のパワーを有するレンズを挿入し、回折スポットを平行
光束として射出するようにする特許請求の範囲第１項記
載のファイバ・グレーティングを用いた距離・形状等の
識別方法。３、前記ファイバ・グレーティングに投光するレーザー
ビームを、光ファイバを用いて導光するようにする特許
請求の範囲第１項記載のファイバ令グレーティングを用
いた距離・形状等の識別方法。４、　前記対象物体表面の回折スポットの配列分布状態
を、光検出器を用いて対象物体の距離等を識別するよう
にする特許請求の範囲第１項記載のファイバ・グレーテ
ィングを用いた距離・形状等の識別方法。５、　前記対象物体の表面の回折スポットの配列分布状
態を光ファイバを用いて光検出器に導光するようにする
特許請求の範囲第５項記載のファイバ・グレーティング
を用いた距離・形状等の識別方法。６、　前記射出する回折スポットの回折次数ごとに振動
数を変えて、回折次数ごとに回折スポ、ントを識別する
ようにした特許請求の範囲第５項記載のファイバ・グレ
ーティングを用いた距離・形状等の識別方法。？、　前記射出する回折スポットの回折次数ごとに偏光
状態を変えて、回折次数ごとに回折スボッＩ・を識別す
るようにした特許請求の範囲第５項記載のファイバ・グ
レーティングを用いた距離・形状等の識別方法。８、　前記射出する回折スポットの回折次数ごとに波長
を変えて１回折次数ごとに回折スポットを識別するよう
にした特許請求の範囲第５項記載のファイバ・グレーテ
ィングを用いた距離・形状等の識別方法。９、　異なる２つの波長のレーザービームの回折次数ご
とに回折角を変えて、回折次数ごとに回折スポットを識
別するようにした特許請求の範囲第５項記載のファイバ
・グレーティングを用いた距離・形状等の識別方法。１０、前記回折スポットを射出するファイバ・グレーテ
ィング及び光検出器を２組用いて、対象物体表面上の回
折スポットの位置座標を求める特許請求の範囲第５項記
載のファイバ・グレーティングを用いた距離・形状等の
識別方法。