JPH0328705A - 光切断法による物体の立体形状検知装置 - 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】 「産業」二の利用分野〕 この発明は、光切断法を用いて物体の立体形状を検知す
る装置に関する。

〔従来の技術〕

第３図は光切断法により物体の立体形状を計測する従来
の装置を模式的に示したものである。レーザ光源（１）
の前方にシリンドリ力ルレンズ（２）を介して回転ミラ
ー（３）が配置され、回転ミラー（３）の前方に計測の
対象となる物休（４）が配置されている。この物体（４
）に対向するようにイメージセンサ（５〉が配置されて
おり、−イメージセンサ（５）に判定部（６）が接続さ
れ、さらに判定部（６）にメモリ部（７）か接続されて
いる。尚、物休（４〉とイメージセンサ（５）との間に
は、物体（４）の像をイメージセンサ（５）上に結像ず
るための光学レンス（８）か配置されている。

・方、回転ミラー（３）の近傍には、回転ミラー（３）
の基準角度を検知するための光検出器（９）が配置され
ており、この光検出器（９）にカウンタ（１０〉が接続
され、カウンタ（１ｏ〉の出力がデータハス（１】）に
よりメモリ部（７）に接続されている。また、メモリ部
（７）にはデータパス（１２〉を介してデータプロセッ
サ（１３〉か接続されている。

イメージセンサ（５）は、このイメージセンサ（５）と
物体（４）とを結ぶ軸をχ軸とし゛ζＸ．−Ｙ平面Ｌに
配列された複数の画素（５ａ）を存している。判定部（
６）及ひメモリ部＜７）はそれそれイメージセンサ（５
）の各画素（５ａ）に一対−に対応ｊ一で配列された複
数θ〕比較器（６ａ）及ひ複数のメモリ（７ａ〉を有し
ている。

このような横成の装置において、レーザ光源（１）から
レーザ光を出則させると共に回転ミラー（３）を角速度
ωてＹ軸の回りに凹転さぜる。レー”ｌ光源（１〉から
出射されたレーザ光は、ジリン１・リカルレンス（２）
により）′軸方向に拡開された後、回転ミラー（３）に
より反射され、スリッｌ〜状の照射光（１４〉を形成す
る。この照射光（１４）は回転ミラー（３）の回転に伴
って角速度ωて回転することとなるか、この照射光（１
４〉か光検出器（９）を通過し／こときに光検出器（９
）から検出信号がカウンタ（１０〉に出力され、これに
まりカウンタ（１０）か計時を開始する。以後カウンタ
（１０）から経過時刻ｔを示す時刻テータが時々刻々デ
ータハス（１１）を介Ｌ２てメモリ部（７）に出力され
る。

回転ミラー（３）かさらに回転してノ、リッｌ・状の照
則光（ｌ４）か物体（４）を照射するようになると、照
射光（１４）は物体（４）の表面」二に光切断線（１５
）を形或しつつこの表面上を走査することとなる。この
とき、光切断線（１５〉の像（１６〉か、光学レンス（
８）を介してイメージセンサ（５）上に投影され、判定
部（６〉の各比較器（６ａ）は対応ずるイメージセンサ
（５）の画素（５ａ）からの出力信今に塞ついてそれそ
れ対応する画素（５ａ）にお（つる光切断線（■５）の
像（１６）の通過を判定する。各比較器（６ａ）は光切
断線３ （１５）の像（１６）か対応ずる画素〈５ｕ）を通過し
たと判定すると、ノモリ部（７）の対応ずるメモリ（７
ａ）に１・リカ信号を出力Ｉ７、これによりこのときの
テータバス〈１１）上の時刻テータがメモリ（７ａ）に
記憶される。

こσ）ようにして、各画素（５ａ〉における光切断線（
１５）の像（１６）の通過時刻しかそれそれ対尾ずるメ
モリ（７ａ〉に記憶された後、これら通過時刻ｔはテー
タハス（１２）を介してデータプＹ］セッザ（１３）に
一゛こみ出される。とこノノで、経過時％ｌｌ　ｔ．に
おけるスリソｌ・状の照射光（１４〉の基準角度からの
偏向角度αは、α−ωＬて表されるので、照射光（１４
）は経過時刻しを用いた面方程式で表される。また、イ
メージセンサ（５）に投影された像（１６）七の１点は
物体（４）Ｈの１点に対応し、これらの点は光学レンス
（８〉の中心を通る−直線１，に位置ずる。従っ゛（、
この直線の方程式と照則光（１４）を示す而方程式とか
ら、イメージセンサ（５　）　．．．．．Ｉ．ｒ−　ｙ
　｛象（１６）の１点に対応（ｊ−ろ物体（４）の点の
空間座標が算出される。この、１：うな方？人により、
テータフ゜１コセッザ（１３｝にＪ３い゛ζ丁勿４ 体（４）の形状及び位置の算出か行われる。

［発明か解決し．ｌ：うとする課題〕 第３図に示すように、メモリ部（７〉の各メモリ（７ａ
〉には、カウンタ（１０）からの時刻テータを入力する
だめのデータハス（１１）と記憶した時刻ｊ〜一タをデ
ータプロセッサ（１３）に出力するためのデータハス（
１２）を接続する必要かある。しかしなから、実用的な
時刻データを伝送するためには例えは１６ヒッ１・程度
のテータハスを妾ずるので、各メモリ（７ａ）には少な
くとも３２木以４二の信号線か接続されることとなり、
配線構成が極めて繁雑になるという問題かあった。さら
に、このため、このような立体形状検知装置の作成か複
雑なものとなーっていた。

特に、イメーシセンサ（５Ｌ　Ｉ’ｌｌ定部（６〉及び
メモリ部（７）を積層形成してこれらを１チップで構成
ずれは汎用性の優れたアハイスか得られるが、この場合
、例えはイメージセンサ（５）の各画素（５ａ）の大き
さを５０μＩｎ角、配線のライン幅／スペース幅を１　
ｌＩＩｎ／　］．　ｕｒｎとすると、３２本以上の信号
線が接続される各メモリ（７ａ）は６　４　１Ｉ＋ｎ以
上の幅を要すること（．こなり、−つの画素（５ａ）よ
り大きくなってしまう。

このため、配線層を多層にする等の複雑な構造を用いな
ければ、このようなテハイスを実現ずることは困勤てあ
った。

この発明はこのような問題点を解消するためになされた
ものて、配線横成が簡単て目．つ容易に作或することの
できる光切断法による物体の立体形状検知装置を提供す
ることを目的とする。

〔課題を解決するための千段〕

この発明に係る光切断法による物体の立体形状検知装置
は、スリット状の光をパルス点灯させると共にこれを対
象物体に所定の速度で走査させる光投射千段と、対象物
体に苅向して配置されると共（こ枚数の画素を存ずるイ
メージセンサと、スリッｌ・状の光により対象物体表而
に形戒された光切断線をイメージセンサ士に結像させる
光学系と、イメーシセンサの各画素で検出された光切断
線の像のパルス数をそれそれカウントずるカウン１〜手
段と、このカウシ１〜手段゛（カウントされたイメージ
センサの各画素毎のパルス数から光切断線の像が各画素
を通過した時刻を演算する時刻演算手段と、この時刻演
算手段で演算された各画素における光切断線の像の通過
時刻とスリッ１・状の光の走査速度とから対象物体の立
体形状を演算する形状演算手段とを備えたちのである。

〔作用〕

この発明にＪ３いては、対象物体に照射ずるスリッ１・
状の光をパルス点灯させ、カウント手段がイメージセン
゛り−の各画素で検出し乙二光切断線のパルス数をカウ
ンＴ−　Ｌ、そのパルス数から時刻演算手段か各画素に
おける光切断線の像の通過時刻を演算する。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を添付図而に基ついて説明する
。

第１図は本発明Ｊ）−実施例に係る光切断法による物体
の立体形状検知装置を示すブロック図である。光投射手
段（２１〉は、スリッ１・状の光をパルス点灯させてこ
れを対象物体〈２２）に照射させると共７ にこの照射光て対象物体（２２）の表面を走査させるも
のである。具体的には、第３図に示し／Ｓ従来の装置に
お（゛）る１／−ザ光源（１）、シリンｌヘリ力ルレン
ス（２）及び四転ミラー（３）と、レーザ光源（１）を
パルス発振させるための制御回路（図示せず）から楊成
される。

対象物体（２２）に対向するように結像光学系（２３〉
を介してイメージセンーり゛＜２４）が配置されている
。

結像光学系（２３）は、光学レンス等から形或され、ス
リッｌ・状の１車射光により対象物体（２２）の表面に
形成されノ：：光切断線の像をイメージセンサ（２４）
上に結像させる。，イメージセンサ｛２４｝は、第３図
にお（つるイメージセンサ（５）と同様に、このイメー
シ七ンサ（２４）と列象物体（２２）とを結ぶＹ軸に垂
直なＸ−Ｚ平面上に二次元的に配列された複数の画素を
イＴ　Ｌ　”Ｃ　）３つ、結像光学系〈２３）に土って
形成された光切断線の像を検出ずる。

イメージセンサ（２４）には、このイメージセンサ（２
４〉の各画素で検ｉ１１された光切断線の像σ）パルス
数をそれぞれカウントするカウント手段（２５）か接８ 続されている。

このカウン１へ手段（２５）でカウントされたイメージ
センサ（２４）の各画素毎のパルス数から光切断線の像
が各画素を通過した時刻を演算する時刻演算手段（２６
）がカウント手段（２５）に接続されている。

さらに、時刻演算千段（２６）には、この時刻演算千段
（２６）で演算された各両素毎の光切断線の像の通過時
刻を用いて列象物体（２２〉の立体形状を演算する形状
演算千段〈２７）が接続されている。これら時刻演算手
段（２６）及び形状演算手段（２７）はマイクロプロセ
ッザ等の＝１ンピュータにより栴成される。

次に、動作について説明する。

ます、光投射千段（２１）によりスリッｌ〜状の照射光
か所定の周波数でパルス点灯されると共に所定の角速度
ωて回転され、対象物体（２２〉の表面上を走査する，
、このスリッＩ・状の照射光により対象物体（２２）の
表面に（．．Ｌ光切断線か形成され、結像光学系（２３
）により光切断線の像かイメージセンサ（２４）」二に
結像される。このとき、照射光はパルス点灯されている
ので、イメージセンサ（２４）上に結像された光切断線
の像もパルス状（こ点灯することにろ゛り、この光切断
線の像を検出し／．：．ｆメーシセン−リ−（２４）の
各画素からはパルス状の検出信号か出）Ｊされる。た／
こ１−，、照射光の走査に什一）でイメーシヒンナ（２
４）士に結像された光切断線の像も移動するので、イメ
・−シセン−９−（２４）の一画素全光切Ｉ新緑の像か
通過す−る時間／Ｓけその画素かｔ）パルス状の検出信
号が出力されることとなる。

イメージセンサ〈２４）の各画素から出力された検出信
号に基ついて、各画素゛ζ検出された光切ＩＩ　ＹｊＡ
の像のパルス数かそれそれ力Ｔンンｌ・千段（２５）に
，１、リカウ〉１・される。

このように１７てスリッｌ〜状の照肘光によるχ・１架
１勿体（２２）の走査か註ｒずると、■７刻演算ｊ″−
段ク２６）に』ｊいてカウ〉１・Ｐ段（２５）てカウン
トされたイメージセンサ（２４）の各画素毎のパルス数
から光Ｌノ川新線の像か各両素を通過した時々１Ｉ／Ｉ
・演算される。スリッｌ・状の照’Ｊ＝１光は所定の周
波数てバル７．．ｒ；！．Ｉ．月されるのて、イメージ
センサ（２４）Ｖ＋−　画素゜（｛夷１１１されノごバ
／Ｌス数Ｃよぞσ）画素を光ｌ，Ｉｊ断線の像か通過゛
４るに要する時間を小している。従一〕で、照射光の走
査に仲一）で光切断線の像かイメージセンサ（２４）１
“，をＸ軸方向に移動するものとすると、Ｘ軸方向に配
列された−列の画素列について各画素までのパルス数を
それそれ累積することにより、各画素を像が通過した時
刻を演算ずることかできる。

イメーシセンサ（２４）の各画素にお（−｝る光ＧＩＪ
断線の像の通過時２１１を求めた後、形状演算千段（２
７）に１−３いて、スリッｌ・状の照射光を示す而方程
式及びイメーシセン“り゛（２４）の各画素と結像尤学
系（２３）の中心とを結ぶ直線の力程式から対象物体（
２２）表面の各点の空間座標か演算され、これにより対
象物体（２２）の形状か検知される。

以上のようにこの実施例では、イメージセンサ（２４）
の各両素て検出されるパルス数をカウントすることによ
り、これらの各向素を光切断線の像か通過する時刻を演
算ずるのて、従宋の土うに各画素１ｈｈに時刻データを
入力するｌ：めのテータハスは不要となる。このため、
装置の配線構成か極め゛Ｃ簡ｒ｝１．になる。

１１ ？２目にイメージセンサ（２４）及ひカウン１〜ｒ段〈
２５〉の具体的な四路構成を示ず。−ノ２１〜センザ笠
からなるＮ個の画素（３］．）−（３１．，）がイメー
シセ冫ザ（２４〉のＸ軸方向の一画素列を構成している
。これら各画素（８１．）〜（３１．）はそれそれ差分
増幅２：；ク３２１）〜（３２．）の第１人力端に接続
されてよ）り、差分増幅器（３２．）一（　３　２　Ｎ
）の第２人力端には基準電Ｊ」供給線（３：｛ａ）を介
して各差分増幅器（３２．）〜（３２．）に共通に括壁
電ＪＦ源（３３〉か接続され゛Ｃいる。各差分増幅器（
３２，）■〜（３２Ｎ）の出力端はぞれそれカウンタ（
３４，）〜（３４．）に接続され、各カウンタ（３４　
＋　）・へ（３４Ｎ）はそれぞれデコーダ（３５．）〜
（３５．）に接続されている。また、各カウンタ（３４
１）一　（３４Ｎ）にはリセッｌ−信号線（３６ａ　）
を介してリセッ１〜回路（３６〉が接続されている。そ
して、これら差分増幅Ｂ（３２．）〜（３２■）、基準
電圧源（３３Ｌカウ〉′夕（３４．）〜（３４Ｎ）　．
デコータ（３５．）〜（３５．）及ひリセンｌ一回ｆＹ
！（３６）によりカウンｌ−　ｆ一段ク２５）か形成さ
れている。尚、第２図にはＸ軸力向の−画素列、例えは
ノ番目の画素列に対ｊ心ずる回ｉ，Ｊ！ｌ０）みか示さ
れてＪ３り、火際に（，１＋２ このような回路かＹ軸方向に複数列配列される。

たたし、丞準電圧源（３３）及ひリセッ１〜回路（３６
）はそれぞれ二次元的に配列された全ての差分増幅器及
ひカウンタに辻通のもσ）である。

次に、この具体例の動作を述べる。

スリソｌ・状の照ｑ・ｊ光の走査開始時にリセッｌ〜回
路〈３６）から各カウンタ（３４．）〜（３４Ｎ）にリ
セッ｝・信号か′出力され、各カウンタ（３４．）一　
（３４．　）のカウンｌ・数は初期値０にリセッ１・さ
れる。照射光により対象物体の表面に形成された光切断
線の像かイメーシセン−リ１２４１．に結像されるか、
照射光の走査に伴って光切＋ｈ線の像はイメージセンサ
（２４）上を画素（３１，）から両素（３１Ｎ）に向か
ってＸ軸方向に移動するものとする。

画素（３１．．）〜（３１．）のうら１番目の画素（３
］，）で光Ｑ川υｉ線の渫か検出されると、この画素（
３］，）の検出信号は差分増幅器（３２，）で基準電圧
源（３３）から供給された基準電圧Ｖ　ｒｅｆと化較さ
れる。差分増幅器（３２，）４ま検出信号のレヘルか基
準電圧Ｖｒｅｔ’より大きい場合に光切断線の像を検出
したものと？１１定してカウンタ（３４　，　）にハイ
レヘルの信シづーをｌｊ））し、これによりカウンタ（
３４，）はカＰノン１〜数を］／、二〇）増加する，，
光Ｕノ断線の像はパルス状に点減し，ているので、その
点滅毎に差分増幅器（３２，）に４３｛フる検出信′ｉ
｝の判定及ひカウンタ（３４　，　）への信ｔノ゛の出
力か行われる。従一）で、画素（３＋．）を光切断線の
像か通過ずる間の点滅パルス数か力１−７ンタ（３’ｉ
＋）にカウンｌ・される。

この土うにして、各画素（３＋１＞’〜（３］．）で検
出され７′：：光切断線の像のパルス数かそれそれカウ
ンタ（３４．）へ（３４．）に積算される。その後、各
カウ／タ（３４．）〜（３４Ｎ＞のカウンｌ・数はそれ
それデコータ（３５．）へ・（３５．，）を介して時刻
演算Ｐ段へ伝送される、、このとき、各デコータ（３５
．）〜（３５■）はｊ番目の画素列゛（あることを示ず
ア１・レス線Ｘｊとそれそれの）′方向のア１・レス線
Ｙ１〜）′６とによりＩｌｌｉｌ次指走さノ１，、カウ
ンｌ・数か例え（３１６ヒツ１−のテータハス（３７）
を介して伝送される。

ここで、時刻演算手段による時刻演算の−例を以１・′
に述Ｉ＼る。１回の照ｑ・１光の疋徨時間をＴ。、１番
目の画素（３Ｌ）に接続されたカウンタ（３４　．　）
の力ウ〉１・数をｒｉ　＋、パルス０点滅周期をｔとし
、１回の走査の最初のパルスか１番目の画素（３１．．
）て、最後のパルスかＮ番目の画素（３１Ｎ）でそれそ
れ検出されるものとする。］凹の走査におけるパルス点
滅回数は１゛。／ｔ回となる。一方、１番１］のカウン
タ（３４．）から１＃目のカウンタ（３４．）まての累
積カウンＩ・数はΣｎ１（表され、Ｎ個のカウンタｋ− （３４．）へ〈３４．）による総カウンｌ・数はΣｎ５
となる。

ｋ＝１ ところで、光切断線の像か隣接する複数の画素にまたか
って形成される場合も−考えられ、このときにはΣｒｌ
　ｋ　＞　Ｔ　ａ　／　ｊとなる。これらのことから、
ｋ−１ １番目の画素（３Ｌ）を光切断線の像か通過する時刻′
１゛，は走査開始時刻を０として、て表される。

こσ）■式で算出された通過時刻′Ｉ゛，に基つき、形
状演算千段て対象物体の各点の空間座標か求められる。

第２図に示したような構成とすることに３Ｙり、１５ ？ｌｌｌ１方向の−・つの画素列に列し、１６ピッ１・
のデータハス（３７）　．基準電圧供給線（３３ａ）．
リセッｌ■　（．９＝弓線（３６ａ）及ひアｌ・レス線
Ｘ１の１↑１１９本の仁５３線のみて済むこととなる。

従一）で、配線のライン幅，／′スペース帖を１　１１
１１／］　１ｏｎとし／こ場含に｛Ｊ、−両素列当／ご
りの配線幅Ｃま３８１ＩＩＩ＋となり、例えは−・画素
の大きさか５０μＩｎ角であるイメーシセンサ（２４）
を力ｒ′ノン１・丁．段（２５）と共に容易に１チップ
に積層形成することか可能となる。

また、第２図の画素（３１．）へー（３１．．Ｌ差分増
幅器（３２．）〜（３２．）、カウンタ（３４　．　）
−　（３４．　）、デニＺ一タ（３５．）〜（３５Ｎ）
等を互いに積層せずにそれぞれ二，次元的に配置しても
よい。

尚、対象物体（２２〉が照射光の走査範聞より小さいと
きに（よ、１回の走査のパルスの一部のみが両素（３１
．．）〜．（３１．）の一部て検出されることとなる、
．この場合に（よ、例えば各差分増幅器（３２．）〜（
３２．）に共通の出力線をＴ本引き出して時刻演算手段
に接続し、この画素列で最初（こバルスを検出した時刻
かち最後にパルスを検ｊ，４ｉｌ，た時刻ま゛ζσ）経
過１１！ｒ１６ 間を時刻演算手段により３１測ずる。そして、この経過
時間を■式の１゛。の代Ａ〕りに用いれはよい。

〔発明の効果〕

以Ｆ説明したように、この発明に係る光切断法による物
体の立体形状検知裏置は、スリッ１・状の光をパルス点
灯させると共にこれを列象物体に所定の速度で走査させ
る光投則干段と、対象物体に対向して配置されると共に
複数の画素を有ずるイメーシセンサと、スリッｌ・状の
光により対象物体表面に形成された光切断線をイメージ
センサ」二に結像させる光学系と、イメーシセンサの各
画素で検出された光切断線の像のパルス数をそれそれ力
ウンｌ〜ずるカウンｌ−手段と、このカウント手段てカ
ウンｌ−されたイメージセンサの各画素毎のパルス数か
ら光切断線の像が各画素を通過した時刻を演算する時刻
演算手段と、この時刻演算千段で演算された各画素にお
ける光切断線の像の通過時刻とスリッ１・状の光の走査
速度とから対象物体の立体形状を演９二する形状演算Ｆ
段とをｆｌｉｆｉえているので、配線横或か簡ｉｐにな
り、容易に作成することかてきる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る光切断法に，１、る物
体の立体形状検知装置を示ずブ口ツク円、第２図は第１
図の要部の具体例を示す凹路図、第３図は従来例に係る
立体形状検知装置を示す斜視１イ１てある。 図において、（２１）は光投射手段、（２２）は対象物
体、（２３）は結像光学系、〈２４）はイメージセンー
リ′、（２５）はカウント千段、（２６）は時刻演算手
段、（２７）は形状演算手段である。 なお、各図中同一符号は同−または相″Ｉ１部分をノｔ
ミず。 １９ ρり いり Ｎ） 〜

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 スリット状の光をパルス点灯させると共にこれを対象物
   体に所定の速度で走査させる光投射手段と、 前記対象物体に対向して配置されると共に複数の画素を
   有するイメージセンサと、 前記スリット状の光により前記対象物体表面に形成され
   た光切断線を前記イメージセンサ上に結像させる光学系
   と、 前記イメージセンサの各画素で検出された前記光切断線
   の像のパルス数をそれぞれカウントするカウント手段と
   、 前記カウント手段でカウントされた前記イメージセンサ
   の各画素毎のパルス数から前記光切断線の像が各画素を
   通過した時刻を演算する時刻演算手段と、 前記時刻演算手段で演算された各画素における前記光切
   断線の像の通過時刻と前記スリット状の光の走査速度と
   から前記対象物体の立体形状を演算する形状演算手段と を備えたことを特徴とする光切断法による物体の立体形
   状検知装置。