JPH07139923A

JPH07139923A - ３次元物体計測装置

Info

Publication number: JPH07139923A
Application number: JP5286510A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Hashimoto; 秋彦橋本; Yasuhito Suenaga; 康仁末永
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1993-11-16
Filing date: 1993-11-16
Publication date: 1995-06-02

Abstract

(57)【要約】【目的】より短時間もしくは実時間で計測を行うこと
が可能、もしくはカラー計測が可能なパルスレーダ型３
次元物体計測装置を提供することにある。【構成】本発明の３次元物体計測装置は、一つもしく
は複数の光源２Ａ、該光源２Ａから物体１に向かって原
パルス信号を発射するパルス発生器９、物体からの反射
パルス信号を受信する複数の光受信手段６Ａ、前記原パ
ルス信号と前記反射パルス信号との間の遅延時間を検出
する複数の遅延時間検出手段７Ａ、該複数の遅延時間検
出手段の検出結果から当該計測装置と物体との間の３次
元距離を算出して物体形状の三次元計測を行う計測手段
８を備えたものである。また、前記物体の表面カラー情
報を検出する物体表面カラー情報検出手段、該表面カラ
ー情報検出手段の検出値と前記位相差検出手段の検出値
とを対応させてカラー計測を行うカラー計測手段を備え
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３次元物体の表面情報
の計測を行う３次元物体計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、物体形状の３次元計測を行う３次
元物体計測装置として、図７に示す概略構成を有するパ
ルスレーダ型３次元物体計測装置が知られている。図７
において、１’は物体、１’Ａは計測点、２’はレーザ
光源、３’はハーフミラー、４’は回転ミラー、５’は
光受信器、６’は遅延時間検出器、７’はコンピュー
タ、８’はパルス発振器である。

【０００３】前記従来のパルスレーダ型３次元物体計測
装置は、図７に示すように、パルス発振器８’によって
制御されるレーザ光源２’（送信部）からハーフミラー
３’、回転ミラー４’を介して計測しようとする物体
１’に向かって原パルス信号（レーダパルス）Ｐ０が発
射され、これが物体１’の計測点１’Ａに当ってはねか
えることによって生じる反射パルス信号Ｐ１を受信し、
原パルス信号Ｐ０と受信パルス信号（反射パルス信号Ｐ
１）との間の遅延時間Δｔ（図８）を計測し、この計測
結果から当該計測装置と物体との間の３次元距離を算出
することによって物体形状の三次元計測を行う仕組であ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記従来のパ
ルスレーダ型３次元物体計測装置では、基本的に計測装
置と物体上の１点との間の距離を求めるものである。単
一の送信部と単一の受信部を使用しており、一度に測定
できるのは一点だけである。このため、物体全体の３次
元計測を行うためには、図７に示す回転ミラー４’等の
仕掛を利用して前記原パルス信号Ｐ０の発信方向を少し
ずつ変えて物体全体をカバーするように走査を行い、各
点毎に一回ずつ前記計測を行う必要がある。このため、
物体全体を計測するためには、どうしても長い計測時間
が必要であり、動く物体の実時間計測を行うことは基本
的に困難であった。

【０００５】本発明は、前記問題点を解決するためにな
されたものであり、本発明の目的は、より短時間もしく
は実時間で計測を行うことが可能なパルスレーダ型３次
元物体計測装置を提供することにある。

【０００６】本発明の他の目的は、カラー計測が可能な
パルスレーダ型３次元物体計測装置を提供することにあ
る。

【０００７】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の３次元物体計測装置は、一つもしくは複数
の光源と、該光源から物体に向かって原パルス信号を発
射するパルス発生器と、物体に当ってはねかえった反射
パルス信号を受信する複数の光受信手段と、前記原パル
ス信号と前記反射パルス信号との間の遅延時間を検出す
る複数の遅延時間検出手段と、該複数の遅延時間検出手
段の検出値から当該計測装置と物体との間の３次元距離
を算出して物体形状の三次元計測を行う計測手段とを備
えたことを特徴とする。

【０００９】また、前記物体の表面カラー情報を検出す
る物体表面カラー情報検出手段と、該表面カラー情報検
出手段の検出値と前記位相差検出手段の検出値とを対応
させてカラー計測を行うカラー計測手段とを備えたこと
を特徴とする。

【００１０】

【作用】前述した手段によれば、一つもしくは複数の光
源から物体に向かって原パルス信号を発射し、物体に当
ってはねかえった反射パルス信号を複数の光受信手段で
受信し、それぞれの前記原パルス信号と前記反射パルス
信号との間の遅延時間を、複数の遅延時間検出手段で検
出し、それらの検出値から当該計測装置と物体との間の
３次元距離を算出して物体形状の三次元計測を行うこと
により、三次元物体情報を短時間もしくは実時間で計測
することができる。これにより、静止物体の計測のみな
らず、動く物体における三次元物体情報を計測すること
ができる。

【００１１】また、物体の表面カラー情報を検出し、該
検出された表面カラー情報と受信パルス信号の両者の時
間差（遅延時間）とを対応させることにより、物体の３
次元形状情報と表面カラー情報とを同時にしかも各計測
点毎にそれぞれ完全に一致した形でカラー計測すること
ができるので、三次元物体を認識したり、入力されたデ
ータに基づいて物体のコンピュータグラフィックス映像
を生成することが容易にできる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１３】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。

【００１４】（実施例１）図１は、本発明の実施例１の
パルスレーダ型三次元物体計測装置の概略構成を示すブ
ロック図である。

【００１５】図１において、１０１，１０２は計測装
置、１は物体、１Ａ，１Ｂは計測点、２Ａ，２Ｂはレー
ザ光源、３Ａ，３Ｂはハーフミラー、４Ａ，４Ｂは集光
レンズ、５Ａ，５Ｂは回転ミラー、６Ａ，６Ｂは光受信
器、７Ａ，７Ｂは遅延時間検出器、８はコンピュータ、
９はパルス発振器である。前記光受信器６Ａ，６Ｂとし
ては、例えば、ホトダイオード、光電管等を用いる。ま
た、遅延時間検出器６Ａ，６Ｂとしては、例えば、ＰＬ
Ｌ等を用いた公知の遅延時間検出器を用いる。

【００１６】計測時間を短縮するための１つの自然な方
法は、複数点の同時計測を行うことである。図１はこの
複数点同時計測方法の概念を示すものであり、基本的に
図７の計測装置を２台並べたものにほぼ等しい。計測装
置１０１で物体１上の計測点１Ａを、また、計測装置１
０２で物体１上の計測点１Ｂをそれぞれ計測し、両計測
結果を同時にコンピュータ８に送るものである。

【００１７】本実施例１のパルスレーダ型三次元物体計
測装置の各計測装置１０１，１０２の動作は、まず、パ
ルス発振器９の出力パルス信号に応した原パルスレーザ
光（以下、原パルス信号という）をレーザ光源２Ａ，２
Ｂから発射させる。この原パルス信号をハーフミラー３
Ａ，３Ｂ、集光レンズ４Ａ，４Ｂ、回転ミラー５Ａ，５
Ｂを介して計測しようとする物体１に向かって発射し、
これが物体１の計測点１Ａ，１Ｂに当ってはねかえるこ
とによって生じる反射パルスレーザ光（以下、反射パル
ス信号という）を光受信器６Ａ，６Ｂで受信し、原パル
ス信号と反射パルス信号との時間差を検出する遅延時間
検出器７Ａ，７Ｂで検出し、この検出値コンピュータ８
に入力して前記計測装置と物体との間の３次元距離を算
出して物体形状の三次元計測を行う。

【００１８】以上の説明からわかるように、本実施例１
によれば、２つの光源から物体１に向かって原パルス信
号を発射し、物体１の計測点１Ａ，１Ｂからの反射パル
ス信号を複数の光受信器６Ａ，６Ｂで受信し、それぞれ
の前記原パルス信号と反射パルス信号と間の時間差を遅
延時間検出器７Ａ，７Ｂで検出し、それらの検出値をコ
ンピュータ８に入力して当該計測装置１０１，１０２と
物体１との間の３次元距離を算出して物体形状の三次元
計測を行うので、三次元物体情報を短時間もしくは実時
間で計測することができる。これにより、静止物体の計
測のみならず、動く物体における三次元物体情報を計測
することができる。

【００１９】前記本実施例１は、２点を同時に計測する
ために、２台の計測装置１０１，１０２を並べたもので
あるが、概念の上では３台以上の場合も全く同様な構成
を考えることができる。しかし、この方法では、光源を
はじめとする全ての部品が複数必要であり、しかも、複
数の回転ミラーを的確に制御して計測を行う必要があ
る。このため、単純に計測装置を並べるだけでは、現実
的には、あまり多くの点の同時計測を行うことは技術的
に極めて困難である。

【００２０】（実施例２）図２は、本発明の実施例２の
パルスレーダ型三次元物体計測装置の概略構成を示すブ
ロック図であり、２１は物体１の全体を照射できるよう
な単一レーザ光源、２２Ａ，２２Ｂはピンホール、２３
は光遮蔽板である。

【００２１】本実施例２のパルスレーダ型三次元物体計
測装置は、図２に示すように、単一のレーザ光源２１を
使用し、かつ、ハーフミラー３Ａ，３Ｂ、集光レンズ４
Ａ，４Ｂ、回転ミラー５Ａ，５Ｂを使用しない複数点同
時計測を行うものであり、単一のレーザ光源２１からの
原パルス信号を物体１の全体に照射し、この原パルス信
号が物体１の計測点１Ａ，１Ｂに当ってはねかえること
によって生じる反射パルス信号を光受信器６Ａ，６Ｂで
受信し、原パルス信号と受信パルス信号（反射パルス信
号）との時間差（遅延時間）を遅延時間検出器７Ａ，７
Ｂで検出し、この検出値をコンピュータ８に入力して前
記計測装置と物体との間の３次元距離を算出することに
よって物体形状の三次元計測を行う。

【００２２】この方法では、ハーフミラー３Ａ，３Ｂ、
集光レンズ４Ａ，４Ｂ、回転ミラー５Ａ，５Ｂを使用し
ないため、図２に示す計測点１Ａと計測点１Ｂの計測を
行うことができるだけである。

【００２３】そこで、他の点の計測を行うために、回転
ミラーを使用することなく物体上の他の全ての点につい
て計測を行うには、図２に示す本実施例２の方法におい
て、ピンホール２２Ａ，２２Ｂの数を２つに限定せず、
多数のピンホールを一面に作成し、それに対応する位置
に対応する個数の光受信器６Ａ，６Ｂ・・・と遅延時間
検出器７Ａ，７Ｂ・・・をそれぞれ層状に並べて使用す
れば良い。

【００２４】以上の説明からわかるように、本実施例２
によれば、一つの光源から原パルス信号を物体１の全体
に照射し、物体１の計測点１Ａ，１Ｂ・・・からの反射
パルス信号を複数の光受信器６Ａ，６Ｂ・・・で受信
し、それぞれの前記原パルス信号と反射パルス信号と間
の時間差を遅延時間検出器７Ａ，７Ｂ・・・で検出し、
それらの検出値をコンピュータ８に入力して当該計測装
置と物体１との間の３次元距離を算出して物体形状の三
次元計測を行うことにより、計測時に回転ミラーを使用
しないので、三次元物体情報をより短時間もしくは実時
間で計測することができる。これにより、静止物体の計
測のみならず、動く物体における三次元物体情報を計測
することができる。

【００２５】現実的には、多数のピンホールを使用する
代わりに１枚の光学レンズを使用すれば、もっとエレガ
ントに同じ効果を得ることができる。この考え方による
本発明のパルスレーダ型三次元物体計測装置の構成を次
の実施例３に示す。

【００２６】（実施例３）図３は、本発明の実施例３の
パルスレーダ型三次元物体計測装置の概略構成を示すブ
ロック図、図４は、図３の光受信部及び遅延時間検出部
の拡大図、図５は、図４の光受信器及び遅延時間検出器
の詳細な構成を示すブロック図である。

【００２７】図３乃至図５において、３１は物体１の全
体を照射できるような単一レーザ光源、３２はハーフミ
ラー、３３は光学レンズ、３４は複数の光受信器からな
る光受信部、３４Ａ，３４Ｂ・・・は光受信器、３４Ａ
₁，３４Ｂ₁・・・は光センサ、３４Ａ₂，３４Ｂ₂・・・
は増幅器、３５は複数の遅延時間検出器からなる遅延時
間検出部、３５Ａ，３５Ｂ・・・は遅延時間検出器、３
５Ａ₁，３５Ｂ₁・・・は出力バッファ、３６はコンピュ
ータ、３７は光遮蔽板である。前記光センサ３４Ａ₁，
３４Ｂ₁・・・としては、ホトダイオード、光電管を用
いる。

【００２８】前記光受信部３４及び遅延時間検出部３５
は、図４に示すように、それぞれ複数の光受信器３４
Ａ，３４Ｂ・・・及び遅延時間検出器３５Ａ，３５Ｂ・
・・からなり、Ｍ行Ｎ列の格子上に並べたものである
（但し、必ずしもこれを格子上に配置する必要はなく、
どのように配置しても原理的には同様の機能を実現する
ことができる）。このＭ×Ｎの配列のそれぞれが光学レ
ンズ３３を通して物体１上のＭ×Ｎ個の計測点１Ａ，１
Ｂ・・・の計測を同時に行うものである。

【００２９】前記光受信器３４Ａ，３４Ｂ・・・は、図
５に示すように、それぞれ光センサ３４Ａ₁，３４Ｂ₁・
・・及び増幅器３４Ａ₂，３４Ｂ₂・・・からなってい
る。

【００３０】また、遅延時間検出器３５Ａ，３５Ｂ・・
・にはそれぞれ出力バッファ３５Ａ₁，３５Ｂ₁・・・が
設けられている。

【００３１】本実施例３のパルスレーダ型三次元物体計
測装置は、図３に示すように、まず、光源３１から光信
号としての原パルス信号を発射し、これをハーフミラー
３２および光学レンズ３３を介して物体１の全体に照射
する。同時に原パルス信号送出タイミング信号を遅延時
間検出部３５を構成するすべての遅延時間検出器３５
Ａ，３５Ｂ・・・に送る。

【００３２】物体１からの反射パルス信号は、物体１の
像として、光学レンズ３３およびハーフミラー３２を介
して光受信部３４の各光受信器３４Ａ，３４Ｂ・・・に
投影される。すなわち、図４に示すように、物体１上の
計測点１Ａからの反射パルス信号は光受信器３４Ａの光
センサ３４Ａ₁に、計測点１Ｂからの反射パルスは第２
光受信器３４Ｂの光センサ３４Ｂ₁にそれぞれ入射され
る。他の計測点からの反射パルス信号も同様にしてそれ
ぞれ対応する位置にある光受信器に入射される。

【００３３】前記光センサ３４Ａ₁，光センサ３４Ｂ₁に
よって検出された受信パルス信号（反射パルス信号）
は、増幅器３４Ａ₂，３４Ｂ₂によって増幅されて遅延時
間検出回路３５Ａ，３５Ｂに送られる。遅延時間検出回
路３５Ａ，３５Ｂでは、光源３１から受けた原パルス信
号と増幅器３４Ａ₂，３４Ｂ₂から送られた受信パルス信
号の両者の時間差（遅延時間）を算出し、この算出結果
は、出力バッファ３５Ａ₁，３５Ｂ₁を介してコンピュー
タ３６に送られる。同様の動作が、全ての計測点と、対
応する光受信部３４および遅延時間検出部３５について
同時に行われる。

【００３４】各遅延時間検出回路３５Ａ，３５Ｂからコ
ンピュータ３６に送られた時間差情報は、原パルス信号
が光源３１を出てからそれぞれ対応する計測点１Ａ，１
Ｂで反射し、最終的に光受信器３４Ａ，３４Ｂのそれぞ
れの光センサ３４Ａ₁，光センサ３４Ｂ₁で受信パルス信
号として検出されるまでの時間差に対応するものを表し
ており、これは、とりもなおさず、図３の計測装置と物
体１上の計測点１Ａ，１Ｂ・・・との３次元空間上での
距離を反映する情報である。従って、図３の計測装置の
各部品の幾何学的距離を正確に求めておけば、コンピュ
ータ８内で光受信部３４と計測点１Ａ，１Ｂの間の３次
元距離情報に変換することができる。このような３次元
計測が物体１上のすべての計測点１Ａ，１Ｂ・・・につ
いて同時に行われる。

【００３５】以上のようにして、回転ミラーを使用する
ことなく、物体の３次元計測を行うことができる。

【００３６】（実施例４）図６は、本発明の実施例４の
パルスレーダ型三次元物体計測装置の概略構成を示すブ
ロック図である。

【００３７】図６において、４１は第２のハーフミラ
ー、４２はカラー撮像装置、４３はカラー撮像装置４２
とコンピュータ３６とのインタフェースである。カラー
撮像装置４２のカラー撮像素子としては、例えば、カラ
ー電荷結合素子（ＣＣＤ）が用いられ、このカラー撮像
装置４２は、例えば、５００×５００点分のカラーデー
タが得られるＣＣＤによる構成になっている。

【００３８】このように構成することにより、物体１の
像は第２のハーフミラー４１を介してカラーＣＣＤ４２
に投影され、このカラー撮像装置４２から物体１の表面
カラー情報がカラー画像データ（Ｒ，Ｇ，Ｂ）として出
力される。この出力カラー画像データは、コンピュータ
３６に入力され、前記遅延時間検出部３５の検出情報、
例えば、５００×５００点分の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）値と
コンピュータ３６内で対応づけられる。このようにし
て、物体１の３次元形状情報と表面カラー情報とを同時
にしかも各計測点毎にそれぞれ完全に一致した形でカラ
ー計測することができる。

【００３９】前記遅延時間検出部３５の検出情報、例え
ば、５００×５００点分の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対応す
る時間差と表面カラー情報との対応づけは、最初から光
学系、光センサの幾何学的条件を合せておけば不要とな
る。すなわち、この場合、最初から対応のとれた３次元
計測データとカラー画像データが得られる。

【００４０】また、３次元計測とカラー計測は、光の波
長（光学フィルタ）で分けて行うか、あるいは時分割式
（特願平２−３０９７６６号等に記載される時分割物体
計測装置参照）で行う。

【００４１】なお、前記実施例２乃至４における光受信
部および遅延時間検出部もしくは全部品をＬＳＩ化する
ことも、可能である。これにより、コンパクトな計測装
置を実現することも可能である。

【００４２】以上、本発明を実施例に基づき具体的に説
明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更し得
ることはいうまでもない。例えば、本発明は、超音波、
電波等、を利用した計測システムにも同様に利用できる
ことはいうまでもない。

【００４３】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、一つもしくは複数の光源から物体に向かって原パル
ス信号を発射し、物体に当ってはねかえった反射パルス
信号を受信し、それぞれの前記原パルス信号と前記反射
パルス信号との間の遅延時間を検出し、それら検出され
た遅延時間から当該計測装置と物体との間の３次元距離
を算出して物体形状の三次元計測を行うことにより、三
次元物体情報を短時間もしくは実時間で計測することが
できる。これにより、静止物体の計測のみならず、動く
物体における三次元物体情報を計測することができる。

【００４４】また、物体の表面カラー情報を検出し、該
検出された表面カラー情報と受信パルス信号の両者の時
間差（遅延時間）とを対応させることにより、物体の３
次元形状情報と表面カラー情報とを同時にしかも各計測
点毎にそれぞれ完全に一致した形でカラー計測すること
ができるので、三次元物体を認識したり、入力されたデ
ータに基づいて物体のコンピュータグラフィックス映像
を生成することが容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１のパルスレーダ型三次元物
体計測装置の概略構成を示すブロック図、

【図２】本発明の実施例２のパルスレーダ型三次元物
体計測装置の概略構成を示すブロック図、

【図３】本発明の実施例３のパルスレーダ型三次元物
体計測装置の概略構成を示すブロック図、

【図４】図３の光受信部及び遅延時間検出部の拡大
図、

【図５】図４の光受信器及び遅延時間検出器の詳細な
構成を示すブロック図、

【図６】本発明の実施例４のパルスレーダ型三次元物
体計測装置の概略構成を示すブロック図、

【図７】従来の物体形状の３次元計測を行うパルスレ
ーダ型３次元物体計測装置の問題点を説明するための
図、

【図８】図７に示すパルスレーダ型３次元物体計測装
置の原パルス信号に対する反射パルス信号の遅延時間を
示す図。

【符号の説明】

１０１，１０２…計測装置、１…物体、１Ａ，１Ｂ…計
測点、２Ａ，２Ｂ…レーザ光源、３Ａ，３Ｂ…ハーフミ
ラー、４Ａ，４Ｂ…集光レンズ、５Ａ，５Ｂ…回転ミラ
ー、６Ａ，６Ｂ…光受信器、７Ａ，７Ｂ…遅延時間差検
出器、８…コンピュータ、９…パルス発振器、２１…物
体の全体を照射できるような単一レーザ光源、２２Ａ，
２２Ｂ…ピンホール、２３…光遮蔽板、３１…物体の全
体を照射できるような単一レーザ光源、３２…ハーフミ
ラー、３３…光学レンズ、３４…複数の光受信器からな
る光受信部、３４Ａ，３４Ｂ…光受信器、３４Ａ₁，３
４Ｂ₁…光センサ、３４Ａ₂，３４Ｂ₂…増幅器、３５は
複数の遅延時間検出器からなる遅延時間検出部、３５
Ａ，３５Ｂ…遅延時間検出器、３５Ａ₁，３５Ｂ₁…出力
バッファ、３６…コンピュータ、３７…光遮蔽板、４１
…第２のハーフミラー、４２…カラー撮像装置、４３…
カラー撮像装置とコンピュータとのインタフェース。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一つもしくは複数の光源と、該光源から
物体に向かって原パルス信号を発射するパルス発生器
と、物体に当ってはねかえった反射パルス信号を受信す
る複数の光受信手段と、前記原パルス信号と前記反射パ
ルス信号との間の遅延時間を検出する複数の遅延時間検
出手段と、該複数の遅延時間検出手段の検出値から当該
計測装置と物体との間の３次元距離を算出して物体形状
の三次元計測を行う計測手段とを備えたことを特徴とす
る３次元物体計測装置。
【請求項２】請求項１に記載の物体形状の３次元物体
計測装置において、前記物体の表面カラー情報を検出す
る物体表面カラー情報検出手段と、該表面カラー情報検
出手段の検出値と前記位相差検出手段の検出値とを対応
させてカラー計測を行うカラー計測手段とを備えたこと
を特徴とする３次元物体計測装置。