JPH03128409A

JPH03128409A - 三次元形状センサ

Info

Publication number: JPH03128409A
Application number: JP26683989A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Nakazawa; 中沢　和夫
Original assignee: Ono Sokki Co Ltd
Current assignee: Ono Sokki Co Ltd
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1991-05-31
Anticipated expiration: 2012-11-05
Also published as: JP2673196B2

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、非点収差を利用して、計測面の三次元形状を
検出する三次元形状センサに関するものである。

［従来の技術］ロボットが自律的作業をするためには、作業環境内を三
次元的にＰ２識する三次元形状センサの開発が急務とな
っている。

第８図は、非点収差を利用した形状センサの光学系の一
例を示した図である。

レーザ光源９１は、コヒーレントな光束を発振するため
のものであり、その光束は、非点収差光学系９２に導か
れている。

非点収差光学系９２は、凸レンズ９２ａとシリンドリカ
ルレンズ９２ｂとからなり、この非点収差光学系９２に
より結像される光束を非点収差のある光束に変換する。

非点収差とは、レンズの焦点距離が光軸を含む縦断面と
横断面で異なる値をもつことにより生ずる収差をいう。

つまり、非点収差光学系９２によって光スポットを結像
すると、計測面Ａ、Ｂ、Ｃのように、位置によって光ス
ポットの像が縦長の楕円、真円、横長の楕円に変化する
。

この光スポットの形状を計測することにより、形状セン
サから計測面までの距離を検出することができる。

〔発明が解決しようとする課９Ｍ］前述した従来の形状センサを用いて、計測面の三次元形
状を検出しようとする場合には、計測面に対して光束を
走査しなければならず、そのために精度の高い機構が必
要なうえ、計測に時間がかかるという問題があった。

また、ロボットの形状センサにする場合に、作業によっ
ては作業中に光路を遮る、いわゆる閉塞の問題が発生し
たり、また、他の作業の場合には閉塞の問題はないが計
測範囲や精度を上げたいなどの種々の態様があり、適用
の自由度の広いものが望まれている。

本発明の目的は、機械的な移動を必要とせず、リアルタ
イムで計測面の三次元形状が計測できるとともに、利用
範囲が広い三次元形状センサを提供することである。

（ｔｌＢを解決するための手段〕前記課題を解決するために、本発明による三次元形状セ
ンサは、光束を発する光源、光束を非点収差のある光束
に変換する非点収差光学系、光束を複数に分割する光束
分割手段と含み計測面に複数の光スポットを投射する投
光装置と、前記投光装置から投射され前記計測面で反射
した光スポットを１最像するｉｉ像装置と、前記撮像装
置で撮像された前記各光スポットから算出される各光ス
ポットまでの距離に基づいて前記計測面全体の形状を演
算する画像処理装置とから構成されている。

この場合に、前記投光装置から前記計測面までの光路に
光路分割器を設け、同一光路を反射してきた光束を前記
撮像装置に入射させるように構成することができる。

また、前記投光装置と前記撮像装置は、光軸が異なるよ
うに配置され、前記画像処理装置によって三角測量法に
基づいて各光スポットまでの距離を演算するように構成
することができる。

〔作用］前記構成によれば、光束分割手段により、光束を分割し
て多数の光スポットを計測面に照射するので、その計測
面の各光スポフトまでの距離を同時に計測でき、その計
測面の三次元形状を走査等をすることなしに検出するこ
とができる。

〔実施例〕

以下、図面等を参照して、実施例について、本発明の詳
細な説明する。

第１図は、本発明による三次元形状センサの実施例を示
したブロック図、第２図は、同実施例センサの投光装置
を示した斜視図である。

投光装置１は、レーザ光ａｌｌ、非点収差光学系１２．
光束分割手段１３を含むものである。

レーザ光源１１は、コヒーレントな光束を発振させるも
のであり、ここでは、Ｈｅ−Ｎｅレーザが用いられてい
る。非点収差光学系１２は、レーザ光源１１から発振さ
れた光束を非点収差のある光束に変換する光学系であり
、凸レンズ１２ａ。

シリンドリカルレンズ１２ｂとから構成されている。

光束分割手段１３は、非点収差光学系１２から出射した
光束を、二次元的に回折させて、マトリクス状に規則正
しく配列した多数の光スポットを計測面３上に投射する
ためのものであり、ここでは、ファイバグレーティング
を使用している。

ファイバグレーティングとは、直径数十μｍの光ファイ
バをシート状に数百本並べた回折格子であり、ここでは
、２次元の回折光を生成するために、２枚のファイバグ
レーティングを光ファイバの軸が直交するように重ねて
、両側からカバーグラス板で挟んで支持した構造のもの
を使用している。

投光装置１から出射した光束は、光路分割器２のミラー
２１およびハーフミラ−２２で反射して、計測面３上に
投射される。

計測面３に投射された光束は、第２図に示すように、計
測面３Ａ〜３Ｃの位置によって、光スポットの形状が縦
長の楕円、真円、横長の楕円と変化する。

計測面３で反射した光束は、その一部が光路分割器２の
ハーフミラ−２２を透過して、撮像装置４に入射される
。

撮像装置４は、投光装置１から出射して計測面６で反射
した光スポットである光学像を、電気的な画像信号に変
換するための装置であり、光学フィルタ４１と、結像レ
ンズ４２と、撮像素子４３等とから構成されている。

光学フィルタ４１は、レーザ光の波長のみを透過させ、
外乱光をカットするバンドパスフィルタであり、結像レ
ンズ４２は、撮像素子４３の検出面に像を結ぶためのレ
ンズである。撮像素子４３は、光電変換と電荷蓄積の機
能をもった光検出素子を二次元に配列し、これを順次読
み出せるようにしたものであり、ここでは、ＣＣＤ素子
を二次元状に配置したアレイ状のものを使用している。

画像処理装置５は、レーザ光源１１を制ｉＴＩする信号
を送出するとともに、撮像装置４からの画像信号を演算
処理するための装置であり、中央処理装置５１と、カメ
ラコントローラ５２と、画像メモリ５３と、表示・記録
装置５４と、レーザコントローラ５５とから構成されて
いる。

カメラコントローラ５２は、撮像装置４の出力を画像メ
モリ５３の入力信号として変換するためのものである。

撮像装置４からの画像信号は、カメラコントローラ５２
を介して、画像メモリ５３に一時記憶される。中央処理
装置５１は、画像メモリ５３上でデータを処理する。つ
まり、中央処理装置５１では、各光スポットの形状を認
識し、その形状からそれぞれの光スポットまでの距離を
算出して、最終的に、撮像された全光スボントの距離と
、それらの光スポットの相対的な位置関係から、計測面
３の三次元的な形状を算出して出力する。中央処理装置
５１の出力は、ＣＲＴ、プリンタや磁気記録装置等から
なる表示・記録装置５４に出力されたり、直接、ロボッ
トの制御情報として用いるためのロボットコントローラ
等に接続することができる。

第１の実施例の三次元形状センサは、光束分割手段１３
によって、非点収差をもつ光束を、二次元の規則正しい
マトリクス状に分割したので、装置内に機械的な移動や
、光学的な走査をすることなく、１回で計測面３の三次
元的な形状を検出することができる。

また、光路分割器２を用いて、投光装置１と撮像装置４
の光路を共用するようにしたので、閉塞の問題が解決で
きる。

第３図は、本発明による三次元形状センサの第２の実施
例を示した図である。

なお、この実施例では、前述の第１の実施例と同様な機
能を果たす部分には、同一の符号を付して、特有な部分
のみ説明する。

投光装置ＩＡからの光スポ７）を計測面３に投射して光
軸が基線長ｄだけ離れて配置された撮像装置４Ａで検出
する、い−わゆる三角測量法を利用したものである。

二こでは、計測面３Ａ上のａ点での三次元的位置を求め
る場合について説明する。

いま、投光装置ＩＡのＰ点を出射した光が、計測面３Ａ
上のａ点で反射し、撮像装置４ＡのＱ点に入射したとす
る。この場合に、三角形ＰＱａの底辺ＰＱ（＝Ｗ線長ｄ
）が既知であるから、角度θ、９　θ２が求められれば
、ａ点までの距離が算出できる。角度θ２は、撮像素子
３３上の光スポットＳＩの位Ｎｕと、撮像レンズ３２の
焦点距離ｆとから次式から求めることができる。

θ、　＝　ｔａｎ−’　（ｕ　／　ｒ　）一方、角度θ
１は、光スボントの回折次数を知れば求めることができ
る。しかし、第３図に示した撮像素子３３上の位置Ｕに
撮像された光スボントは、光スポットＳ＋が計測面３Ａ
のａ点で反射したものか、光スボ７ト３０が計測面３Ｂ
のｂ点で反射したものかは、一枚の画像からでは区別で
きない。このため、対象物が存在する範囲を特定の範囲
の中に限れば、回折次数を決定することができるが、逆
に、計測可能な範囲が限定されてしまう。

そこで、この実施例では、非点収差光学系１２を用いる
ことにより、光スポットＳ０がｂ点で反射したものか、
光スポットＳ、が８点で反射したものであるかの区別を
、撮像素子３３上のスポットの形状から行うこととし、
その結果、計測距離が拡大できた。

第２の実施例では、基本的には、三角測量法の原理によ
り距離を求めるようにしたので、計測精度が向上すると
ともに、計測可能な距離を拡大させることができる。

第４図〜第７図は、本発明による三次元形状センサの実
施例に用いられる投光装置の他の例を模式的に示した図
である。

第４図で示した投光装置６は、光源６１からの光束を、
レンズ６２で集光し、非点収差レンズアレイ６３に導き
、この非点収差レンズアレイ６３によって、非点収差を
与えるとともに、光束を分割するようにしたものである
。この非点収差レンズアレイ６３は、全て同一の非点収
差レンズを並べたものであり、各非点収差レンズは、そ
の直径が数ｍｍ程度のものを用いることができる。

第５図に示したレンズアレイ６４は、微小なレンズを組
み合わせて用いることにより、非点収差光学系１２と回
折手段１３（第１図、第３図）とを１つの素子としたも
のである。このレンズアレイ６４は、直径が数十μｍの
レンズを格子状に配列したものである（第５図（ａ））
。このレンズアレイ６４にレーザ光を入射させることに
より、各レンズに入射したレーザ光は一度集光し、その
点から球面波を生成する。それらの各レンズから発生す
る球面波は、遠方上で干渉して回折手段１３と同等な効
果が得られる。また、レンズアレイ６４は、各レンズの
光学特性（レンズの厚み）を配置された位置によって異
ならせることにより（第５図（ｂ）、　（Ｃ１）　、全
体として非点収差をもつようにしたものである。

第６図で示した投光装置７は、光源７１からの光束を、
多数のピンホール７２ａを有するスクリーン７２で分割
するとともに、凸レンズ１３ａとシリンドリカルレンズ
７３ｂとからなる非点収差光学系７３によって非点収差
をもつようにしたものである。

第７図で示した投光装置８は、光学的な回折によるもの
ではなく、光源８１からの光束を、ミラー８２とハーフ
ミラ−８３との間で順次反射させて、ハーフミラ−８３
側から多数の分割された光束を出光させたのち、図示し
ない非点収差光学系によって非点収差をもつようにした
ものである。

この例では、光源８１として、コヒーレント光源を使用
する必要がなくなる。

以上説明した実施例に限定されることなく、本発明の範
囲内で種々の変形ができる。

光束分割手段１３は、非点収差光学系１２の手前でもよ
いし、非点収差光学系１２を構成する凸レンズ１２ａと
シリンドリカルレンズ１２ｂの間に配置してもよい。

〔発明の効果〕

以上詳しく説明したように、請求項（１）によれば、光
束分割手段によって、非点収差をもつ光束を多数の光ス
ポットとして投射するので、装置内に機械的な移動や、
光学的な走査をすることなく、１回の計測で計測面の三
次元的な形状を検出することができる。

また、請求項（２）によれば、光路分割器を用いて、投
光装置と撮像装置の光路を共用するようにしたので、光
路の遮蔽により観測が妨害される、いわゆる閉塞の問題
が解決できた。

さらに、請求項（３）によれば、三角測量法の原理によ
り距離を求めるようにしたので、計測精度が向上すると
ともに、計測可能な距離を拡大させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による三次元形状センサの実施例を示
したブロック図、第２図は、同実施例センサの投光装置
を示した斜視図である。第３図は、本発明による三次元形状センサの第２の実施
例を示した図である。第４図〜第７図は、本発明による三次元形状センサの実
施例に用いられる投光装置の他の例を模式的に示した図
である。第８図は、非点収差を利用した形状センサの光学系の一
例を示した図である。１、ＩＡ、ＩＢ・・・投光装置１１・・・コヒーレント光源１２・・・非点収差光学系１２ａ・・・凸レンズ１２ｂ・・・シリンドリカルレンズ１３・・・光束分割手段２・・・光路分割器２１・・・ミラー　　　　　　２２・・・ハーフミラ−
３・・・計測面４．４Ａ・・・撮像装置４１・・・光学フィルタ　　４２・・・結像レンズ４３
・・・盪像素子５・・・画像処理装置５１・・・中央処理装置５２・・・カメラコントローラ５３・・・画像メモリ　　　５４・・・表示・記録装置
５５・・・レーザコントローラ６・・・投光装置６１・・・光ａ　　　　　　６２・・・レンズ６３・・
・非点収差レンズアレイ６４・・・レンズアレイ７・・・投光装置７１・・・光Ｒ７２・・・スクリーン７３・・・非点収差光学系８・・・投光装置８１・・・光源　　　　　　　８２・・・ミラー８３・
・・ハーフミラ−

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光束を発する光源、光束を非点収差のある光束に
変換する非点収差光学系、光束を複数に分割する光束分
割手段と含み計測面に複数の光スポットを投射する投光
装置と、前記投光装置から投射され前記計測面で反射し
た光スポットを撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮
像された前記各光スポットから算出される各光スポット
までの距離に基づいて前記計測面全体の形状を演算する
画像処理装置とから構成した三次元形状センサ。
（２）前記投光装置から前記計測面までの光路に光路分
割器を設け、同一光路を反射してきた光束を前記撮像装
置に入射させるように構成したことを特徴とする請求項
（１）記載の三次元形状センサ。
（３）前記投光装置と前記撮像装置は、光軸が異なるよ
うに配置され、前記画像処理装置によって三角測量法に
基づいて各光スポットまでの距離を演算するように構成
したことを特徴とする請求項（１）記載の三次元形状セ
ンサ。