JPH09210653A

JPH09210653A - 面方向検出装置

Info

Publication number: JPH09210653A
Application number: JP3879596A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Tsukada; 敏彦塚田; Morimichi Mizuno; 守倫水野; Keiichi Yamada; 啓一山田; Arata Yamamoto; 新山本
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 1997-08-12
Anticipated expiration: 2016-01-31
Also published as: JP3371668B2

Abstract

(57)【要約】【課題】対象物の面方向の測定に際し測定角度範囲を拡
大すること。【解決手段】１は測定対象物、２はＬＥＤを一直線上に
並べたＬＥＤ照明装置、３は反射光強度を検出するテレ
ビカメラである。ＬＥＤ照明装置３は１軸ｘ方向に沿っ
て発光強度が単調に増加する第１発光パターンと単調に
減少する第２発光パターンとで発光可能であり、その発
光強度比は１／ＡからＡの範囲で単調に増加するように
設定されている。テレビカメラ３はガイドレール９の任
意の位置で固定できる。テレビカメラ３により光軸Ｌ方
向の反射光が検出されその反射光の第１発光パターンの
受光強度と第２発光パターンの受光強度との比が計算機
７で演算される。この強度比から反射光はＬＥＤ照明装
置３のどの位置から発射された光かを特定することがで
きる。この位置とテレビカメラ３の位置とにより面の方
向を測定することが可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、鏡面における光の
正反射の性質を利用して鏡面の面方向を測定する装置に
関する。

【０００２】

【従来技術】鏡面での光の正反射の性質を利用して鏡面
の面方向を検出する方法は、対象物からの反射光が複数
の位置に設けられた光源のうちの何れかの光源からの光
に対応しているかを判定し、正反射では入射角と反射角
が等しいことを利用して、その光源の位置と反射光をと
らえた位置との関係により、反射面の面方向を求めるも
のである。

【０００３】この技術に関連して、本出願人は反射面で
の反射率の相違や光源の光度の不均一性を補償するため
に、光源を、光線強度の光源位置の関数がそれぞれ異な
る２つのパターンで発光可能とし、２つのパターンの光
線の強度比を光源の位置に対して相互に一対一に対応さ
せて、受光光線の強度比から光源の位置を特定し、その
位置から対象物の面方向を決定するようにした技術を出
願した（特願平６−３０５６０２号）。

【０００４】しかし、その技術においては、照明手段と
測定手段との相対的位置関係は固定されており、測定可
能な面方向の角度範囲は、照明手段の対象物を見る角及
びその位置と、測定手段との位置との関係で決定され、
角度範囲の幅も照明手段の対象物を見る角の1/2 に限定
されており、照明手段の光軸の角度範囲が有効に利用さ
れていないという問題がある。また、照明手段の光軸の
角度範囲の存在位置も測定する対象物によっては、必ず
しも、任意の角度範囲に設けられる訳ではない。そのた
め、検出可能範囲を越えて、対象物の持つ面方向の角度
範囲が変わる場合には、他の相対位置関係をもつ照明手
段と測定手段を準備する必要があり、装置規模が大きく
なるという問題点がある。

【０００５】また、測定できる対象物の面方向の角度範
囲を広げる方法として、照明手段の発光点の分布を広く
する方法がある。発光部の発光点の分布を広くするため
の方法として発光光源の大きさを大きくする方法と、発
光光源の点数を多くする方法とがある。前者の方法によ
り発光部の発光点の分布を広くした場合、測定できる面
方向の角度範囲は広がるが、より広い範囲の角度に対し
て同一の個数の光源で角度を決めるため、角度の測定分
解能は低下する。また、後者の方法を用いた場合には、
発光光源の点数が増えるため、角度の測定精度を保つた
めには、測定手段にどの光源からの反射光が入射したか
を特定するための方法として、反射光強度比、反射光強
度、波長の何れを用いる場合にも、照明手段の明るさの
範囲または、波長範囲を広げ、測定手段により検出でき
る明るさの範囲（ダイナミックレンジ）または、波長の
範囲を広げる必要がある。このために、装置が複雑なも
のとなるといった問題点がある。

【０００６】一方、照明手段と測定手段の明るさの範囲
と波長の範囲を広げること無く、発光光源の点数を増や
して発光部の発光位置の分布を広げた場合には、発光光
源間での明るさの差または波長の差が小さくなる。これ
により、測定手段でこれを分離して検出する精度が下が
るために、角度の測定精度が低下するといった問題点が
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の課題を
解決するために成されたものであり、その目的は、対象
物の面方向の測定に際し、測定角度範囲を拡大し、装置
構成を簡略化し、検出精度を向上させることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、照明手段は、発光部から発光する光線の物理量が発
光部の位置に対して相互に一対一に対応した位置の関数
である光線を発光することが可能である。この一対一の
対応関係とは、異なる物理量に対して異なる位置が一意
的に対応し、異なる位置に対して異なる物理量が一意的
に対応するという意味である。これにより、対象物の任
意点における光線の入射角と光線の物理量とは相互に一
対一の対応関係になる。

【０００９】この照明手段によりこの光線は対象物に照
射され、その反射光が測定手段に入射して、その反射光
線の物理量が測定される。この測定手段は、対象物の同
一反射位置に対しては、発光部のある１点から発光され
た光線に対応する反射光線のみを受光できるように調整
されている。鏡面の対象物の反射点においては入射角と
反射角とが等しい。対象物のある点で反射された反射光
のうち測定手段に入射する反射光は、発光部の対応した
位置から発光した光線となる。光線の物理量と発光位置
とは相互に一対一の関数で決定されているので、測定手
段で反射光の物理量を検出すれば、その物理量からその
反射光は照明手段の発光部のどの位置から発光されたも
のかを特定することができる。

【００１０】この時、対象物の面方位と測定手段との位
置関係によっては、測定手段に反射光が入射しないこと
があるので、設定手段により、測定手段は反射光を入射
できる異なる複数の位置に設定される。次に、演算手段
により、照明手段の発光部における発光点の位置、対象
物の反射点、複数の位置における測定手段の光軸角度か
ら対象物の面方位が決定される。

【００１１】本発明では、光線の物理量を検出すること
で、対象物の面方位が測定でき、しかも、設定手段によ
り、測定手段は異なる複数の位置に設定されるので、所
望の広い角度範囲で面方位が分布する対象物であって
も、照明手段により照射された入射光線の反射光線の検
出が何れかの位置で可能となる。よって、対象物の面方
向の広い範囲に渡って測定が可能となる。

【００１２】請求項２の発明は、設定手段を測定手段が
複数の位置に移動できる手段としたので、単一の測定手
段で済むので、装置構成が簡単となる。請求項３の発明
は、設定手段を複数の位置に複数の測定手段を設定する
手段としたので、一度の測定により広い範囲の面方位分
布を求めることができる。よって、測定速度が向上す
る。請求項４の発明は、測定手段の設定される複数の位
置を、対象物の面方向の測定対象範囲に対して連続して
分割された各範囲の面方向が測定可能な位置としたの
で、広い連続した角度範囲に面方位が分布する時でも、
精度良くその面方位分布を測定することが可能となる。

【００１３】請求項５の発明は、照明手段の発光部の各
発光点は直線状又は円弧状に配列したので、法線ベクト
ルがある平面に存在するような場合の対象物の面方位の
分布を求めることができ、装置構造が簡単となる。請求
項６の発明は、照明手段の各発光点の各光軸により形成
される面を１／４円となるように、各発光点を配列した
ので、測定手段の１つの位置において、４５度の範囲の
面方位が検出可能となり、測定手段を２つの位置に設定
して、測定すれば、全体として、９０度の範囲の面方位
の検出が可能とる。このような構成により、簡単な構造
で、水平方向から垂直方向の範囲に法線ベクトルが存在
する面方位の分布を測定することができる。

【００１４】請求項７の発明は、発光部の発光強度の発
光部における位置による分布を２通りのパターンに変化
でき、位置に関する位置毎の２通りの発光強度の比を光
線の物理量としたことを特徴とする。この光線の発光強
度比は発光点の位置に関して相互に一対一の対応がある
位置の関数である。対象物に第１パターンで照明する。
対象物からの反射光強度が測定手段によって測定され
る。このときの反射光強度の測定値をＳ１とする。同様
に、第２パターンにより対象物に光を照射し、その反射
光の強度を測定する。このときの反射光強度の測定値を
Ｓ２とする。そして、上記の反射光強度の比Ｓ１／Ｓ２
を求め、発光面の発光強度において、第１パターンと第
２パターンとで、発光強度の比がＳ１／Ｓ２に最も近い
発光部の発光点の位置が演算される。そして、その発光
点の位置における対象物への入射光の光軸と、測定手段
の検出する反射光の光軸との関係から、対象物の反射面
の方向が演算される。

【００１５】以上のように、照明の発光強度パターンを
２通りに変化させて対象物に照射し、その対象物からの
反射光の強度の比を測定することで面方向の測定が可能
となるので、測定時間の短縮ができる効果がある。ま
た、反射光強度の比を利用するので、対象物の面の反射
率の影響や、照明手段の光源の発光強度の絶対的な変化
に影響されることなく面方向が検出できる。又、第１パ
ターンと第２パターンとにおいて、発光部上の発光強度
比を発光点の位置に関して相互に一対一の対応関係があ
る関数で分布させたので、ほぼ一様な明るさの面光源の
反射光強度で規格化する従来方法に比べ、ダイナミック
レンジが広がり、精度良く発光点が決定でき、面方向の
検出精度が向上する。

【００１６】請求項８の発明は、物理量を発光波長とし
たことを特徴とする。この発光波長と発光点の位置との
関係が相互に一対一の対応関係で決定されている。測定
手段により反射光の波長を測定することで、発光点の位
置を決定することができ、上述したように、測定手段の
光軸角度、対象物の反射点の位置、発光部における発光
点の位置との関係から対象物の反射点における面方位を
決定することができる。このように、各種の発光波長を
有する光を一度に照射して、反射光の波長を測定してい
るので、測定時間の短縮が可能である。又、波長を利用
しているので、対象物の面の反射率の影響や、照明手段
の光源の発光強度の絶対的な変化に影響されることなく
面方向が検出できる。

【００１７】請求項９の発明は物理量を発光強度として
いるので、測定時間の短縮が図れる。又、請求項１０の
発明は物理量を発光時間とし、請求項１１の発明は物理
量を発光周期とし、請求項１２の発明は物理量をデュー
ティ比とし、請求項１３の発明は物理量を発光タイミン
グとしているので、測定時間の短縮が図られると共に、
照明手段による発光強度の変化や対象物の反射率による
影響を排除することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】第１実施例本発明の第１実施例を図１に示す。この装置は、法線ベ
クトルｎが図面紙面上のｘｙ平面上に存在する面の面方
向を測定するものである。台座８はｘｚ面に平行な設置
面３１を有し、その設置面３１の上に面方位を測定しよ
うとする対象物１が載置されている。台座８には、照明
装置２と設定手段であるガイドレール９が支柱３５とそ
れに支持されたバー３２、３３により支持されて配設さ
れている。照明装置２は、多数のＬＥＤ（発光ダイオー
ド）３４を連続して９０度の角度範囲で円弧状に配置し
たものであり、照明駆動装置６によって駆動される。

【００１９】ガイドレール９は照明装置２と平行に９０
度の円弧状に形成されており、このガイドレール９上に
測定手段であるテレビカメラ３が移動可能に配設されて
いる。テレビカメラ３をガイドレール９に沿って移動す
ることで、その光軸Ｌのｘｙ面上への射影を−ｘ軸方向
から−ｙ軸方向へ９０度の範囲で変化させることが可能
である。テレビカメラ３はレンズ４を有し、照明装置２
で照明された対象物１からの反射光の強度分布を検出す
る。テレビカメラ３から出力される映像信号は画像入力
装置５に入力して、ディジタル化され、濃淡画像が生成
され記憶される。その濃淡画像は、演算手段である計算
機７に入力され、後述する処理により対象物１の面方位
が演算される。又、照明駆動装置６はこの計算機７によ
り駆動タイミングや駆動モードが指令され、照明装置２
を指令されたモードで駆動する。

【００２０】図２、図３に、照明装置２とテレビカメラ
３の位置関係を示す。ｘｙ平面である平面Ｐは対象物１
の表面にある測定領域ｑの法線ベクトルが存在する平面
（以下、法線ベクトル面という）である。照明装置２の
各ＬＥＤ３４の配列はｚ軸に垂直な面（ｘ軸に平行）上
にある１／４円Ｃ１である。そして、各ＬＥＤ３４の光
軸Ｍを−ｚ軸方向に一様に傾斜させることで、各ＬＥＤ
３４の光軸Ｍは座標原点Ｏを向きその光軸Ｍで作られる
曲面は前述の配列円Ｃ１を底面の円周とする円錐の側面
を形成するように形成されている。

【００２１】ガイドレール９は配列円Ｃ１と平行な１／
４円Ｃ２を構成し、テレビカメラ３の光軸Ｌは＋ｚ軸方
向に所定角だけ傾斜させて、任意の位置において、光軸
Ｌが座標原点Ｏを向き、その光軸Ｌで作られる曲面は前
述の円Ｃ２を底面の円周とする円錐の側面を形成するよ
うに形成されている。そして、図３に示すように、対象
物の法線ベクトルｎ、テレビカメラ３の光軸Ｌ、反射光
がその光軸Ｌ方向となる入射光線Ｍは同一平面上（図３
の紙面）にあって、入射光線Ｍと法線ベクトルｎの成す
角とテレビカメラ３の光軸Ｌと法線ベクトルｎの成す角
は共にδで等しい。又、対象物１は座標系の原点Ｏがそ
の表面上に存在するように配置され、原点Ｏの近傍領域
が測定領域ｑとなる。

【００２２】テレビカメラ３は対象物１の表面に焦点が
合わされており、ガイドレール９上を移動し、任意の位
置で固定できるようになっている。その時、テレビカメ
ラ３の光軸Ｌは常に原点Ｏを通る。そして、テレビカメ
ラ３を固定した位置でテレビカメラ３の光軸Ｌの法線ベ
クトル面Ｐ（ｘｙ面）への射影のｘ軸との成す角α（以
下、単に、光軸の角度という）をガイドレール９上のテ
レビカメラ３の位置から読み取ることができるようにな
っている。

【００２３】図４に、対象物１の表面の面方向を求める
方法を示す。βは対象物１の表面上での正反射によりテ
レビカメラ３に入射した反射光に対応する入射光線Ｊの
法線ベクトル面Ｐへの射影のｘ軸との成す角（以下、単
に、入射光線の角度という）である。γは対象物１の反
射点における法線ベクトル面Ｐ上に存在する法線ベクト
ルｎのｘ軸との成す角（以下、単に、法線ベクトルの角
度という）である。この角度γが求める反射点での面方
位となる。角度βは照明装置２の各発光点の位置により
一意的に決定される。角度βは後述する方法により演算
される。この時、角度γは次式により求められる。

【００２４】

【数１】γ＝（α＋β）／２ …(1)

【００２５】次に、対象物１の反射点における入射光線
Ｊの角度βを求める方法に付いて説明する。図５に、照
明装置２の構成を示す。図５において、ＬＥＤ１からＬ
ＥＤ１２はＬＥＤで、それぞれのＬＥＤのカソード側は
端子Ｇに接続されている。R1,1からR1,12 は抵抗で、そ
れぞれの抵抗の端子の一方はＬＥＤ１からＬＥＤ１２の
アノードに、もう一方の端子は端子Ｖ１に接続されてい
る。R2,1からR2,12 は抵抗で、それぞれの一方の端子は
ＬＥＤ１からＬＥＤ１２のアノードに、もう一方の端子
は端子Ｖ２に接続されている。

【００２６】抵抗R1,1からR1,12 は、理想的にはその抵
抗値が等比的に変化するものである。また、正順の抵抗
R2,1からR2,12 の抵抗値は、それぞれ、逆順の抵抗R1,1
2 からR1,1の抵抗値に等しいものである。抵抗値が厳密
に等比的に変化するような抵抗は入手が難しいので、ほ
ぼ等比的に変化する抵抗として例えばＥ−１２系列やＥ
−２４系列の抵抗を利用する。図６に、抵抗R1,1からR
1,12 およびR2,1から2,12の抵抗値を示す。ＬＥＤ１か
らＬＥＤ１２のＬＥＤの発光強度は、これらの抵抗値で
決まるＬＥＤの駆動電流の範囲で、駆動電流に比例する
ものとする。従って、抵抗R1,1からR1,12 を用いた場合
の各ＬＥＤの発光強度は等比級数的に増加し、抵抗R2,1
からR2,12 を用いた場合の各ＬＥＤの発光強度は等比級
数的に減少する。

【００２７】図７に、ＬＥＤ照明装置２の端子Ｖ１と端
子Ｇ間に一定電圧Ｖを印加したとき（第１パターン）お
よび端子Ｖ２と端子Ｇ間に一定電圧Ｖを印加したとき
（第２パターン）のＬＥＤの１軸方向の発光強度分布Ｌ
１（ｉ）およびＬ２（ｉ）を示す。また、２つの発光強
度Ｌ１（ｉ）とＬ２（ｉ）の比Ｌ１（ｉ）／Ｌ２（ｉ）
を図８に示す。ここでｉはＬＥＤの識別番号で、ｉ＝
１，２，…，１２がそれぞれＬＥＤ１，ＬＥＤ２，…，
ＬＥＤ１２に対応する。

【００２８】ｉ番目のＬＥＤからの光が対象物１の面で
正反射してテレビカメラ３に入射するとき、第１パター
ンおよび第２パターンの何れの場合も、光は同一の光路
でテレビカメラ３に入射する。従って、対象物１の面で
の反射率をｒとするとき、テレビカメラ３への入射光の
強さは、第１パターンＬ１（ｉ）に対してはｒ・Ｌ１
（ｉ），第２パターンＬ２（ｉ）に対してはｒ・Ｌ２
（ｉ）となる。よって、テレビカメラへの入射光強度の
比は、｛ｒ・Ｌ１（ｉ）｝／｛ｒ・Ｌ２（ｉ）｝すなわ
ちＬ１（ｉ）／Ｌ２（ｉ）であり、前述したｉ番目のＬ
ＥＤの発光強度の比Ｌ１（ｉ）／Ｌ２（ｉ）に等しい。

【００２９】このように、テレビカメラ３への正反射光
の強度比が分かれば、その反射光に対応する入射光を発
光しているＬＥＤの発光強度比が分かる。図８に示した
ように、ＬＥＤの発光強度比から、ＬＥＤの識別番号ｉ
が一意に決まるので、対象物１の面からの正反射光がど
のＬＥＤからの光なのかが分かる。尚、ＬＥＤ素子毎の
バラツキやＬＥＤ発光面の汚れ等により、同一駆動電流
における発光強度がＬＥＤ毎に異なる場合には、発光強
度の分布特性は図９のようになる。しかし、この場合に
も、ＬＥＤ毎の発光強度比は図１０のようになり、図８
と等しくなるために何ら問題がない。

【００３０】このように、２つの強度パターンで対象物
１を照射して、テレビカメラ３で撮像した反射点の強度
比からテレビカメラ３で受光した光線を出力したＬＥＤ
を特定することができ、そのＬＥＤの位置から入射光線
Ｊの角度βを求めることができる。このβが求められれ
ば、上記(1) 式により対象物１の反射点における法線ベ
クトルの角度γを求めることができる。

【００３１】尚、本方法によれば、一様な明るさで規格
化する従来の方法に比べ、ＬＥＤを識別するための情報
であるＬＥＤの発光強度の比はＬ１（ｉ）／Ｌ２（ｉ）
のＬＥＤによる違いが大きくなる。即ち、ＬＥＤの発光
強度の等比係数すなわち抵抗値の等比係数Ｃ（ただしＣ
＞１）とするとき、発光強度の比Ｌ１（ｉ）／Ｌ２
（ｉ）の最小の変化は、従来方法ではＣ倍であるのに対
し、本方法ではＣの２乗倍となる。従って、本方法によ
れば、テレビカメラの雑音の影響を受けにくくなるの
で、ほぼ一様な面光源の反射光強度で規格化する従来方
法に比べ、精度良く対応点が決定でき、面方向の検出精
度が良くなる。

【００３２】次に、図１の装置の動作を図１１を参照し
て説明する。ステップ１００において、テレビカメラ３
を光軸Ｌの角度αを０度となる位置に固定する。次に、
ステップ１０２において、計算機７は照明駆動装置６に
指令して、照明装置２により光を照射し、ステップ１０
４で対象物１からの反射光をテレビカメラ３で検出す
る。次に、ステップ１０６で、テレビカメラ３で検出さ
れた反射光の強度が設定値以上か否かが判定され、その
強度が設定値以上でない場合には、テレビカメラ３が０
度の位置では反射光線を検出できないので、ステップ１
００に戻り、テレビカメラ３を光軸Ｌの角度αを９０度
の位置に設定する。そして、ステップ１０２〜１０６を
繰り返し、反射光強度が設定値以上か否かが判定され
る。

【００３３】反射光強度が設定値以上であれば、その位
置で対象物１の面方位が測定できることを意味する。よ
って、ステップ１０８において、計算機７から照明駆動
装置６を制御して照明装置２の端子Ｖ１とＧの間に一定
電圧Ｖを印加することによって、照明装置２を第１パタ
ーンＡで発光させる。ステップ１１０で、このときの対
象物１の画像をテレビカメラ３によって撮像し、ステッ
プ１１２で、その画像データＤ１（ｘ，ｙ）を画像入力
装置５によって計算機７に取り込み、画像Ａとして記憶
する。次に、ステップ１１４で、計算機７から照明駆動
装置６を制御して照明装置２の端子Ｖ２とＧの間に一定
電圧Ｖを印加することによって、照明装置２を第２パタ
ーンＢで発光させる。そして、ステップ１１６で、この
時の対象物１の画像をテレビカメラ３によって撮像し、
ステップ１１８で、その画像データＤ２（ｘ，ｙ）を同
じく計算機に取り込み、画像Ｂとして記憶する。

【００３４】次に、ステップ１２０において、記憶した
画像ＡＢ間で対応する画素の比をとることにより反射光
強度比Ａ／Ｂを算出し、各画素の値に反射光強度比Ａ／
Ｂを代入した画像Ａ／Ｂとして記憶する。尚、画像デー
タＤ１（ｘ，ｙ）およびＤ２（ｘ，ｙ）は、その画素値
がテレビカメラ３への入射光強度の対数に比例するもの
である。これは、テレビカメラ３の出力値をあらかじめ
校正したルックアップテーブルによって変換する処理に
よって簡単に実現可能である。画素値を入射光強度の対
数に比例するように変換したのは、光強度の比を減算に
より求められるようにするためである。

【００３５】画像データＤ１（ｘ，ｙ）およびＤ２
（ｘ，ｙ）は、画素値がテレビカメラ３への入射光強度
の対数に比例するので、Ｄ１（ｘ，ｙ）−Ｄ２（ｘ，
ｙ）はｋ・ｌｏｇ（Ｌ１（ｉ）／Ｌ２（ｉ））となる。
ここで、ｋは比例定数である。よって、Ｄ１（ｘ，ｙ）
−Ｄ２（ｘ，ｙ）から各画素（ｘ，ｙ）について角度β
（ｘ，ｙ）が求められる。但し、ここで求められるの
は、対象物１、テレビカメラ３とＬＥＤ照明装置２との
位置関係で決まる角度測定範囲内の角度の画素である。
また、画像データＤ１（ｘ，ｙ）およびＤ２（ｘ，ｙ）
の何れかの画素値が所定の閾値以下である場合は、鏡面
以外による反射光またはテレビカメラ３の雑音の可能性
が強いので、無効データとして無視する。

【００３６】角度βは、Ｄ１（ｘ，ｙ）−Ｄ２（ｘ，
ｙ）の値から角度へのルックアップテーブルをあらかじ
め作成しておき、このテーブルを引くことで求めること
ができる。このルックアップテーブルは、上述したよう
に、対象物１、照明装置２の各ＬＥＤおよびテレビカメ
ラ３の位置から幾何学的な計算で作成する方法の他、対
象物１の位置に実際に色々な角度の面を置いて取り込ん
だ画像データをもとに作成する方法が考えられる。尚、
角度βと各ＬＥＤの位置との関係は、対象物１の反射
点、即ち、テレビカメラ３の画面上の位置に応じて変化
するので、画面上の座標毎に強度比と角度βとの関係を
設定する必要がある。以上の処理により、入射光線の角
度β（ｘ，ｙ）のデータが得られる。

【００３７】次に、ステップ１２４において、その角度
βと、テレビカメラ３の光軸Ｌの角度αとから、(1) 式
により法線ベクトルの角度γ、即ち、面方位を求める。
この操作により、テレビカメラ３で撮像した１画面の各
画素における面方位γが求められ、対象物１の面方位分
布を得ることができる。

【００３８】上記のように、入射光線の角度βが０〜９
０度である照明装置２に対して、テレビカメラ３の光軸
Ｌの角度αを０度に設定することで、０〜４５度の面方
位を検出でき、テレビカメラ３の光軸Ｌの角度αを９０
度に設定することで、４５〜９０度の面方位を検出でき
る。従って、上記のように、テレビカメラ３を２つの位
置に移動させて２つの測定をすれば、０〜９０度の範囲
の面方位が検出可能となる。

【００３９】なお、ガイドレール９は、必ずしも、任意
の位置でテレビカメラ３を固定できるようにする必要は
なく、上記の例であれば、光軸Ｌの角度αが０度と９０
度の２つの位置で固定できるものであれば良い。又、照
明装置２の入射光線Ｌの角度βの範囲は、必ずしも、０
〜９０度の範囲でなくとも良い。入射光線Ｌの角度βの
範囲と、テレビカメラ３の光軸Ｌの角度αとの関係は、
図１２に示すような関係となる。

【００４０】図１２において、入射光線Ｌの角度βに関
して、β１≦β≦β２であり、Δβ＝β２−β１、テレ
ビカメラ３が固定される位置における光軸の角度をα
１、α２、α３とする。テレビカメラ３を角度α１の位
置に固定した時、検出可能な面方位γ１は、（α１＋β
１）／２≦γ１≦（α１＋β２）／２である。テレビカ
メラ３を角度α２の位置に固定した時、検出可能な面方
位γ２は、（α２＋β１）／２≦γ２≦（α２＋β２）
／２である。テレビカメラ３を角度α３の位置に固定し
た時、検出可能な面方位γ３は、（α３＋β１）／２≦
γ３≦（α３＋β２）／２である。

【００４１】よって、検出可能な面方位γ１、γ２、γ
３が連続範囲となるためには、α１＋β２＝α２＋β
１、α２＋β２＝α３＋β１が成立することである。よ
って、次式の角度にテレビカメラ３を角度Δβで等間隔
に固定すれば、連続した範囲で面方位の検出が可能とな
る。

【数２】 α２＝α１＋（β２−β１）＝α１＋Δβ …(2)

【数３】 α３＝α２＋（β２−β１）＝α１＋２Δβ …(3)

【００４２】この時の検出可能範囲は、次のようにな
る。

【数４】（α１＋β１）／２≦γ≦（α３＋β２）／２ …(4) 変形して、

【数５】（α１＋β１）／２≦γ≦（α１＋β２＋２Δβ）／２ …(5)

【００４３】一般に、テレビカメラ３の固定位置の数を
ｎとすれば、検出可能範囲は次のようになる。

【数６】（α１＋β１）／２≦γ≦（α１＋β２＋ｎΔβ）／２ …(6) 即ち、検出可能範囲は、ｎΔβ／２である。このよう
に、照明装置２の光軸の角度範囲と、テレビカメラ３の
固定位置との関係を決定すれば良い。

【００４４】上記実施例では、テレビカメラ３をガイド
レール９上で移動可能としたが、図１２に示すように、
ガイドレール９の３箇所の位置において、３つのテレビ
カメラ３を設置して、一度に対象物１を撮影するように
しても良い。この個数は任意である。又、照明装置２は
円弧状にＬＥＤを配列したものの他、図１３に示すよう
に、直線状にＬＥＤを配列したものでも良い。

【００４５】上記実施例では照明装置２を固定している
が、照明装置２を対象物１に対して相対的にスキャンす
ることにより、色々な方向を向いている面を検出するこ
とも可能である。本実施例では、照明装置２を構成する
ＬＥＤの数を１２とした。このＬＥＤの数は、１つは必
要な測定精度から、もう１つはテレビカメラ３のダイナ
ミックレンジおよびＳ／Ｎの問題から決まる。即ち、Ｌ
ＥＤの数を１２にした場合、テレビカメラ３の１つの固
定位置において測定できる面方向の種類は最大１２とな
る。従って、テレビカメラ３が２つの固定位置で設定可
能であれば、２４段階の範囲の面方位が決定可能であ
る。

【００４６】このように実施例を用いれば、ＬＥＤの配
置間隔を狭くして角度の分解能を向上させ、テレビカメ
ラ３の撮像位置を複数位置に変化させることで、角度の
検出範囲を拡大することができる。

【００４７】上記実施例では、照明装置２は発光強度比
の位置分布を持たせたものを用いたが、図１４に示すよ
うに、円弧状の蛍光灯２１の全面に赤色から紫色まで位
置に応じて順次変化させた色フィルタ２０を設けたもの
でも良い。この場合には、発光点の位置と発光波長とが
一対一に対応しているので、テレビカメラ３で撮像した
画像において画素毎にＲ，Ｇ，Ｂの３原色成分を検出す
ることで、それらの値から入射光の角度βを求めること
ができる。

【００４８】又、図１５に示すように、照明装置２のＬ
ＥＤ１〜ＬＥＤ１２の発光時間t₁〜t₁₂を発光位置に対
して一対一に対応させて、照明装置２を駆動するように
しても良い。この場合には、テレビカメラ３で連続撮影
を行い、各画素毎に明度値が所定値以上となるフレーム
数を計測することで、各画素毎に照射時間を測定するこ
とができる。この照射時間から入射光線の角度βを決定
することができる。

【００４９】又、図１６に示すように、照明装置２のＬ
ＥＤ１〜ＬＥＤ１２の発光周期t₁〜t₁₂を発光位置に対
して一対一に対応させて、照明装置２を駆動するように
しても良い。この場合には、テレビカメラ３で連続撮影
を行い、各画素毎に明度値が所定値以上となるフレーム
数と明度値が所定値以下となるフレーム数を計測するこ
とで、各画素毎に照射周期を測定することができる。こ
の照射周期から入射光線の角度βを決定することができ
る。

【００５０】さらに、図１７に示すように、照明装置２
のＬＥＤ１〜ＬＥＤ１２の発光デューティ比R₁〜R₁₂(=t
₁/T 〜t₁₂/T)、但し、T は１周期、を発光位置に対して
一対一に対応させて、照明装置２を駆動するようにして
も良い。この場合には、テレビカメラ３で１周期T 時間
分の連続撮影を行い、各画素毎に明度値が所定値以上と
なるフレーム数を計数することで、各画素毎にデューテ
ィ比を測定することができる。このデューティ比から入
射光線の角度βを決定することができる。

【００５１】さらに、図１８に示すように、照明装置２
のＬＥＤ１〜ＬＥＤ１２の発光タイミングを発光位置毎
にずらして照射するように、照明装置２を駆動するよう
にしても良い。この場合には、テレビカメラ３で連続撮
像を行い各画素毎に明度値が所定値以上になるフレーム
を検出することで照射タイミングを測定することができ
る。この照射タイミングから入射光線の角度βを決定す
ることができる。

【００５２】上記の波長、発光時間、発光周期、デュー
ティ比、発光タイミングによる方法は、いずれも、対象
物の面の反射率の不均一性や光源の発光強度の不均一性
の影響を受けないので、面方位の測定精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る面方向検出装置を示した
構成図。

【図２】照明装置とテレビカメラの配置関係を説明した
説明図。

【図３】光源の光軸とテレビカメラの光軸と法線ベクト
ルとの関係を示した説明図。

【図４】テレビカメラの位置、入射光線、反射光線及び
法線ベクトルとの相互関係を示した説明図。

【図５】照明装置の構成を示した回路図。

【図６】照明装置の各ＬＥＤに接続される抵抗の値を示
した説明図。

【図７】照明装置の第１パターン及び第２パターンにお
ける発光強度の１軸方向の分布を示した特性図。

【図８】照明装置の第１パターン及び第２パターンにお
ける発光強度の比の１軸方向の分布を示した特性図。

【図９】照明装置のＬＥＤの発光強度が不均一な場合の
第１パターン及び第２パターンにおける発光強度の１軸
方向の分布を示した特性図。

【図１０】照明装置のＬＥＤの発光強度が不均一な場合
の第１パターン及び第２パターンにおける発光強度の比
の１軸方向の分布を示した特性図。

【図１１】本装置における測定手順を示したフローチャ
ート。

【図１２】検出可能範囲を連続して拡大するための照明
装置とテレビカメラの位置関係を示した説明図。

【図１３】実施例装置の他の照明装置のＬＥＤの配列方
法を示した構成図。

【図１４】他の実施例装置における照明装置の構造を示
した構成図。

【図１５】他の実施例における照明装置の駆動方法を説
明したタイミングチャート。

【図１６】他の実施例における照明装置の駆動方法を説
明したタイミングチャート。

【図１７】他の実施例における照明装置の駆動方法を説
明したタイミングチャート。

【図１８】他の実施例における照明装置の駆動方法を説
明したタイミングチャート。

【符号の説明】

１…対象物２…ＬＥＤ照明装置３…テレビカメラ４…レンズ５…画像入力装置６…照明駆動装置７…計算機

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山田啓一愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者山本新愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発光部からの光線の物理量をその発光部
における位置に対して相互に一対一の対応関係で分布さ
せた光線を対象物に対して照射する照明手段と、前記照明手段の前記発光部のある位置から対象物に照射
された入射光線の対象物からの反射光線の前記物理量を
測定する測定手段と、前記測定手段を、前記照明手段により照射された入射光
線の対象物からの反射光線を検出可能な異なる複数の位
置に設定する設定手段と、前記測定手段により測定された反射光線の前記物理量か
ら、前記反射光線に対応する前記入射光線の前記発光部
上の放射位置を求め、さらに、前記設定手段により設定
された前記測定手段の位置を求め、その放射位置と測定
手段の位置に基づいて、前記対象物の面方向を求める演
算手段と、からなる面方向検出装置。
【請求項２】前記設定手段は、前記測定手段を前記複
数の位置に移動できる手段であることを特徴とする請求
項１に記載の面方向検出装置。
【請求項３】前記設定手段は、前記複数の位置に前記
測定手段を、それぞれ、設定する手段であることを特徴
とする請求項１に記載の面方向検出装置。
【請求項４】前記測定手段の前記複数の位置は、前記
対象物の面方向の測定対象範囲に対して連続して分割さ
れた各範囲の面方向が測定可能な位置であることを特徴
とする請求項１に記載の面方向検出装置。
【請求項５】前記照明手段の前記発光部の各発光点は
直線状又は円弧状に配列されていることを特徴とする請
求項１に記載の面方向検出装置。
【請求項６】前記照明手段の各発光点の各光軸により
形成される面は１／４円となるように、各発光点が配列
されていることを特徴とする請求項１に記載の面方向検
出装置。
【請求項７】前記発光部の発光強度の発光部における
位置による分布を２通りのパターンに変化でき、前記位
置に関する前記位置毎の２通りの発光強度の比を前記物
理量としたことを特徴とする請求項１に記載の面方向検
出装置。
【請求項８】前記物理量を発光波長としたことを特徴
とする請求項１に記載の面方向検出装置。
【請求項９】前記物理量を発光強度としたことを特徴
とする請求項１に記載の面方向検出装置。
【請求項１０】前記物理量を発光時間としたことを特
徴とする請求項１に記載の面方向検出装置。
【請求項１１】前記物理量を発光周期としたことを特
徴とする請求項１に記載の面方向検出装置。
【請求項１２】前記物理量をデューティ比としたこと
を特徴とする請求項１に記載の面方向検出装置。
【請求項１３】前記物理量を発光タイミングとしたこ
とを特徴とする請求項１に記載の面方向検出装置。