JPS639877A

JPS639877A - ３次元計測方法

Info

Publication number: JPS639877A
Application number: JP61154383A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Kawai; 滋河合
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-06-30
Filing date: 1986-06-30
Publication date: 1988-01-16

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３次元計測装置に関し、時に基準光路と被測定
物体までの光路との光の位相差を使って被測定物体まで
の距離を測定する光ホモダイン計測法による３次元計測
装置に関する。

（従来の技術）従来、３次元形状の物体を計測する手段として、光を利
用する方法や計算機を用いた画像処理による方法が提案
されている。光を利用する方法では、格子を投影し物体
面で変形した格子と基準の格子との間に生じるモアレ縞
を用いる方法が一般的である。この方法は、物体面上に
格子の像を投影し、物体の形状により変形した格子の像
と基準の格子を重ね合わせ、その差周波数として生じる
モアレ縞を解析することにより、物体の形状を測定する
方法である。詳しくは、例えば雑誌［アプライド・オプ
ティックス（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ）、　９巻
、１９７０年、１４６７〜１４７２ページに記載の論文
「モアレ・トポグラフィ（Ｍｏｉｒ６　Ｔｏｐｏｇｒａ
ｐｈｙ月に述べられている。しかしこの方法では、３次
元形状を定量的に求めることが困難であり、高精度の測
定には不向きであるため、さらに光を用いた高精度の測
定法として、光ディスクの焦点位置検出機構を用いる方
法や、基準光路との光路差を光の位相差として検出する
光ホモダイン計測法がある。光ディスクの焦点位置検出
機構には、いくつかの方法があるが、例えば、非点収差
法による検出機構は対物レンズの移動によって物体面に
光を集光させ、反射して戻ってきた光を収束する光路中
に円筒レンズを配置したものである。対物レンズと物体
の距離が基準の長さにある時、ビーム形状が真円となる
位置に４分割光検出器を配置する距離が変化することに
よって、ビーム形状が変化し、これを検出することによ
って、相対距離を測定できる。詳しくは、例えば、雑誌
［アイイーイーイー・トランザクションズ・オン・コン
シニーマ・エレクトロニクス（ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａ
ｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｏｎｓｕｍｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎｉｃｓ）。

２２巻、１９７６年、３０４〜３０８ページに記載の論
文「ビデオディスクの光学的出力（Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｒ
ｅａｄｏｕｔ　ｏｆＶｉｄｅｏｄｉｓｃ）　Ｊに述べら
れている。しかし、この方法では、測定範囲が限られて
おり汎用的でない。一方、光ホモダイン計測法は物体に
光を照射して戻ってきた反射光と基準光路の光を干渉さ
せるものである。この時、基準光の位相の変調や光の波
長の変調によって干渉光にビート信号を発生させ、その
周波数から距離を測定する。光の波長を変調する方法に
ついての詳細は、例えば雑誌「アプライド・オプティッ
クス（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔｉｃｓ）、２０巻、１９
８１年、４００〜ページに記載の論文「波長可変干渉計
による絶対距離測定（Ａｂｓｏｌｕｔｅ　Ｄｉｓｔａｎ
ｃｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　　　ｂｙ　　　Ｖａｒ
ｉａｂｌｅ　　　ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＩｎｔｅｒｆｅ
ｒｏｍｅｔｒｙｌ　Ｊに述べられている。この方法は、
数十ｍ以上の距離を数ｐｍ以下の精度で測定することが
でき、高精度でしかも汎用性のある計測法である。

（発明が解決しようとする問題点）上述した従来の３次元形状物体の計測手段は、待に光ホ
モダイン計測法においては、−回の測定は被測定物体の
一点に対して行うものであるので、物体の３次元形状を
得るためにはビームを２次元走査しなければならず、測
定に多大の時間を要するという欠点があり、また画像処
理による方法においては、汎用性のある反面、計測精度
が低く、また処理に多大の時間を要するという欠点があ
る。

（問題点を解決するための手段）本発明の３次元計測方法はコヒーレントな光を２分して
、一方を光路長の定められた基準光路、他方を物体に照
射する物体光とし、前記基準光路の波面と前記物体から
の反射光を干渉させて生じるビート信号を２次元光検出
器を用いて、一定のサンプリング間隔で画像として受光
しサンプリング画像の少くとも３枚を記憶せしめ、前記
記憶したデータを用いてサンプリング点の位相を求め、
前記位相の情報を用いてビート信号の周波数を計算して
、前記物体までの距離と前記基準光路長の光路長差を求
めることを特徴とする３次元計測方法である。

（発明の作用、原理）第２図は本発明の原理を示す概念図、第３図はレーザ光
の発振周波数の時間的変化を示すグラフである。

第２図に示すような干渉計を構成し、周波数変調された
半導体レーザ１０１の光をビームスプリッタ１０３で２
分し、測距物体１０５からの反射光とミラー１０４で反
射された基準光路からの反射光との干渉のビート周波数
を測定して、物体１０５と基準光路の光路差を求める。

周波数変調されたレーザ光は次式％式％ここで、Ａｏは振幅、ｖｏは中心周波数、ΔＶ（ｔ）は
周波数ずれ量である。この時の瞬間周波数はＶ（ｔ）＝
Ｖｏ＋ΔＶ（ｔ）　　　　　　　　　　　　　・・・・
・・（２）である。ここで、レーザ光の周波数を第３図
に示すような三角波状に変調させると、半周期の時間Ｔ
＝１／２ｆにおける周波数変化量は一定である。この量
をδとする。一方、信号光の時間差は、物体面までの光
路長をＣ２、基準光路長をＣ１としてである。ただし、
Ｃは光速度である。この時の光検出器１０７の面におけ
る２つの光路の位相差はである。従って、２光束の干渉
縞強度の半周期の時間における位相変化量は ΔΦ−ｆｏＴΔｔｐ（ｔ）ｄｔ　＝　２ｒＥ６ｒ　　　
　　　　　　・・・”（５）となる。従って、ビート成
分′の位相偏移ΔΦを測定することにより、ｒを求め、
ｃ２が得られる。

この方法では、物体面でビームが集光されていなければ
ならず、拡がりを持った光を照射して３次元情報を得る
ことはできない。従って、レーザ光を２次元走査して３
次元情報を得る方法が考えられる。しかし、高い分解点
数を得る場合には、多大の時間を要し実用的でない。そ
こで、１次元アレイ状にレーザ配置し、走査する方法が
有効である。

この時、同じ発振波長のレーザを用いると物体に照射し
た光が互いに干渉してビート周波数の測定ができなくな
る。周波数をδだけ変化させた時の波長変化量はで表わされる。そこで、物体の像を２次元の光検出器上
に結像し、物体の形状を一度に計測する方法が有効であ
る。この時、２次元の光検出器各分解点において、ビー
ト周波数を測定するのでは測定多大の時間を要する。そ
こで、光検出器の出力を一定の間隔でサンプリングして
画像メモリに蓄え、サンプリングした複数の画像間の演
算を行うことにより、３次元形状を計測する。第４図は
、光検出器上のある点におけるビート信号の時間変化を
示したものである。ここで、計測したい範囲の最長距離
のビート周波数が光検出器出力のサンプリング周波数の
１／２以下となるように、レーザの波長走引幅と基準光
路の長さを決定する。次に、このビート信号をん０変換
して画像メモリに記憶させる。時刻ｔにおけるビート信
号の振幅値をＡ（ｔ）とおくとＡ（ｔ）は次式で表わさ
れる。

Ａ（ｔ）＝　ａ、５ｉｎ（２ｎｆｔ　＋　ｂ）　　　　
　　　　　　　−”（７）時刻’Ｏ＋ｔｌｔ”Ｉｎ−ｂ
−における振幅値からビート信号の波形を求め、周波数
を得ることができる。ただし、恥は測定開始時刻ｔｌＴ
＋は恥からサンプリング間隔とＴとしてｍＴだけ経た時
刻とする。画像メモリに記憶されたＡ（ｏ）、Ａｃｔ）
、Ａ（−−ｔ）、Ａ（ｒＱ）のデータを順次呼び出し、
’Ｏｔｔ１ｍ’ｆｎ−１．ｔＴｎにおける位相を求め、
ビート信号の周波数を計算できる。

以上のように本発明の方法では、従来の方法のように光
源を２次元走査せずに、高精度の３次元計測ができる。

（実施例）次に、本発明について、図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の方法を具備するために用いた装置の
一実施例の構成図である。本実施例の装置はレーザ１、
レンズ２、ビースプリッタ３、コーナーキューブ４、レ
ンズ６、光検出器７、シャッター８、レーザ駆動装置９
、画像入力装置１０、画像メモリ１１、演算装置１２を
有する。

レーザ１から出射した光は、レンズ２によりコリメート
され、ビームスプリッタ３に入射する。ビームスプリッ
タ３により分けられた光の一方はコーナーキューブ４に
より反射され、基準光路となる。

もう一方の光は物体５を照射し、物体５からの散乱光は
レンズ６により結像され、例えばＣＯＤなどの２次元光
検出器７で、コーナーキューブ４からの基準光と干渉す
る。レーザ１は例えば、ＧＰ　−ＩＢインターフェイス
の付いたパソコンなどの演算装置１１に制御される例え
ばＧＰ　−ＩＢインターフェイスの付いたファンクショ
ンジェネレータなどのレーザ駆動装置９により、第３図
に示したように周波数変調される。コーナーキューブ４
がらの基準光と物体５がらの反射光の干渉パターンは、
光路差に比例してうねりを生じる。このうねりの周波数
の２倍以上の周波数で、光検出器の受光信号をサンプリ
ングし、例えば、測定開始時刻ｔｏ、　ｔｏからサンプ
リング間隔Ｔだけ経た時刻ｔｘ、測定終了時刻ｔｗ、お
よびｔｍ−１におけるデータを画像メモリに記憶させる
。この際、ＣＯＤなどの電荷蓄積型の２次元光検出器を
用いた場合、受光信号がサンプリング時間の平均値とな
るためシャッター８を用いて、光検出器に入射する時間
を制限する。時刻ｔにおける位相をφ（１）とするとφ
（１）は次式で表わされる。

φ（ｔ）＝　ｓｉｎ　−１（Ａ（ｔ））　　　　　　　
　　　　　・・曲（８）従って、演算装置１２を用いて
時刻ｔｏ、ｔ１における振幅Ａ（０）、Ａ（Ｔ）の値か
らφ（０）、φ（Ｔ）を計算する。この時位相差が□以
下の２点の情報からφ（０）の値を一義的に決めること
ができる。同様にして、測定終了時刻ｉにおけるφ（ｍ
Ｔ）の値を求めることができ、φ（０）とφ（ｍＴ）の
値より（９）、（８）式からビート信号の周波数ｆが計
算できる。例えば、波長１．３ｐｍのレーザを１０人の
幅で走引し、１０ビツトの画像メモリを用いて３３Ｈｚ
で３秒間サンプリングした場合、５００Ｘ５００のポイ
ントに対して１７０ｍｍの範囲を７Ｘ１０−５の精度で
測定できる。

（発明の効果）以上説明したように本発明は、２次光検出器を用いて基
準光と反射光の光路差を求めることにより、被測定物体
までの距離を２次元並列に測定することができ、さらに
、光検出器の受光信号を演算処理することにより、光源
を２次元走査することなく３次元情報を得ることができ
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成図、第２図は本発明の
原理を示す概念図、第３図はレーザ光の発振周波数の時
間的変化を示すグラフで、第４図は光検出器ｒのある点
におけるビート信号の時間変化を示した図である。１・・・レーザ、　　　　　　２・・・レンズ、３・・
・ビームスプリッタ、　４・・・コーナーキューブ、５
・・・物体、６・・・レンズ、　７・・・２次元光検出
器、８・・・シャッタ、　　　　　９・・・レーザ駆動
装置、１０・・・画像入力装置、　　１１・・・画像メ
モリ、１２・・・・・・演算装置、　　　　１０１・・
・レーザ、１０３・・・ビームスプリッタ、　１０４・
・・ミラー、第　　１　　図第　　２　　図１０４ミラー第　　３　　図

Claims

【特許請求の範囲】

コヒーレントな光を２分して、一方を光路長の定められ
た基準光路、他方を物体に照射する物体光とし、前記基
準光路の波面と前記物体からの反射光を干渉させて生じ
るビート信号を２次元光検出器を用いて、一定のサンプ
リング間隔で画像として受光し、サンプリング画像の少
くとも３枚を記憶せしめ、前記記憶したデータを用いて
サンプリング点の位相を求め、前記位相の情報を用いて
ビート信号の周波数を計算して、前記物体までの距離と
前記基準光路長の光路長差を求めることを特徴とする３
次元計測方法。