JPS5892904A - 面方向の検出方法及び同装置 - 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】 本発明は、対象物の表面の特定の点（以下、特２ｏ定点
と言う）の面方向を非接触的に検出する方法および同装
置に関するものである。

従来、面の方向を検出画像から非接触的に測定する方法
としてベルソルド・ホーンの研究がある。

この方法は、対象物に成る一方向から光を照射し、その
反射光によって得られた濃淡画像から反射面の各点の傾
きを求めるものである。

ホーンの研究によると、反射光の強さと面の傾きとの関
係は２個の未知数に関する非線形１階偏微分方程式で懺
わされる。この方程式を解くために、等価な５個の常微
分方程式に変換する。さらに、局所的な情報のみで面の
傾きを決定できる点（特異点）を濃淡画像から探し、こ
れを利用して初期曲線を計算する。そして、この初期曲
線に基づいて常微分方楊式を数値積分することにより、
各点における面の傾きを遂次計算してゆく。

以上のようにホーンの方法は、局所的な画像情報だけか
らでは各点の面の方向を決定できないため、処理時間が
長いこと、計算誤差が伝播して累積する虞れがあること
等の問題がある。

本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、反
射光強度の局所的情報から面の方向を迅速に算定し得る
方法、並びに上記の方法の実施に好適な装置を提供する
にある。

次に、本発明方法の基本的原理を第１図乃至第４図につ
いて説明する。

第１図は反射光の指向特性を示す図表である。

乱反射面Ａの法＠Ｈに対して角θで入射光Ｃを照射する
と、反射光強度の分布は反射光指向性曲線りのように、
法線Ｂに関して入射光Ｃと対称をなす線Ｅを長軸方向と
する楕円状をなす。

（第２図参照）入射光Ｃの方向と強さとを一定にし、反
射光観測方向Ｆを固定して乱反射画人を紙面と垂直に保
ったま才人射光Ｃの入射点０を中心にして回転させると
、反射光強度は乱反射面Ａの法！！（図示せず）の関数
として反射光強度曲線ＧＯようになる。上記の反射光強
変曲！１Ｇは入射光Ｃの方向と反射光観測方向Ｆとの２
等分＆Ｈを長袖とする楕円状をなす。

第２図に基づき、反射光観測方向Ｆの反射光強度を測定
することによってこれから乱反射面Ａの方向を算定しよ
うとすると欠配のような不具合がある。反射光強変曲＠
Ｇは乱反射面Ａの材料１表面状悪等によるが、一般に面
Ａの法線方向について２価の関数である。従って、ある
強さの反射光を観測する面の方向として二つの解が得ら
れることになる。このため、入射点（即ち反射点）０か
らの反射光強度という局所的な情報のみによっては乱反
射面Ａの方向を決定することができない。

本発明方法は上述の考察に基づき、複数個の方向から光
線を照射してその反射光を測定することにより、局所的
な情報（即ち、特定の反射点０からの反射光強さ）に基
づいて一意的に乱反射面の方向を検知すること、並びに
、上記の複数個の方向の光線の投射・検知を同時に行い
得るよう、それぞれ方向と波長とを異にする複数個の単
色光を特定点に照射し、その反射光を特定の方向から観
測し、受光した光線を各単色光に分離してその強度をそ
れぞれ電気信号に変換し、上記の信号を電気的に演算処
理して瞬時的に特定点の面方向を検知することを特徴と
する。

Ｊｉｇ３図は本発明方法の原理的説明図で１、入射光Ｃ
１反射光観測方向Ｆ、及び入射点（反射点）０は前述の
第２図と同様のものを表わす。従って入射光Ｃの反射光
をＦ方向から観測した反射強度−＠Ｇも！＠２図と同ビ
曲線である。そして、本発明　　　□方法においては前
述の入射光Ｃと異なる方゛向から、前記の特定の入射点
０に向けてもう一つの入射光Ｊを照射する。この入射光
Ｊを観測方向Ｆから見た場合の反射光強度曲線はＫのご
とくである。

この図表から容易に理解されるように、特定の反射点０
からの局所的な情報として、入射光Ｃの反射光強度と入
射光Ｊの反射光強度とをＦ方向から観測すれば、その測
定値をそれぞれ反射光強度曲線Ｇおよび同曲線にと対比
することにより、乱反射面Ａの方向が一意的に決定され
る。

ただし、上述の面方向測定原理は乱反射面Ａが紙面に垂
直の姿勢を保つということを前提条件としてお抄、この
条件範囲外、即ち乱反射画人が紙面と垂直でない姿勢の
場合は適用できない。

乱反射画人が３次元空間内で任意の方向となる場合、本
発明方法は第４図に示すように、特定点０に向けて入射
光Ｃ１同Ｊ１及び同りをそれぞれ３方向から照射し、か
つ、上記の特定点０からの反射光を特定の方向Ｆから観
測する。

平面的に考察した第３図においては入射光Ｃの方向と反
射光観測方向Ｆとを定めることにより楕円状の反射光強
度−Ｉ！Ｇが得られたのと同様に、これを立体的に考察
した第４図においては入射光Ｃの方向と反射光観測方向
Ｆとを定めることにより、回転楕円面状の反射光強度曲
面（図示せず）が得られる。同様に入射光Ｊおよび同り
についてもそれぞれ回転楕円面状の反射光強度曲面（図
示せず）が得られる。

以上説明した基本的原理により、第３図において乱反射
面である検出対象画人が紙面に垂直な未知の方向である
場合、入射光Ｃを照射してＦ方向の反射光強度を測定し
、次いで入射光Ｊを照射し□ てＦ方向の反射光強度を測定する・ことにより対象画人
の方向の算出が可能である。また、第４図において、上
記と同様に入射光Ｃ１同Ｊ１及び同りを順次に照射して
そのＦ方向の反射強度を？ｊＮ＃１することにより対象
面Ａの立体的方向の算出が可能である。そして、本発明
方法は複数種類の単色光を用いることにより、上記の２
回、又は３回の照射・観測を同時に行う。さらに、上記
の観測と演算とを電気的に行うことにより、検出対象面
の方向を瞬時的に算定する。

そして、上記の本発明に係る方法を適用すると、動いて
いる対象面が予め設定した方向になった瞬間を検知する
こともモき、また動いている面の方向を時々刻々に算定
することもできる。

第５図乃至第８図に、本発明方法を実施するために構成
した面方向検出装置の各実施例を示し、それぞれの装置
の構成、並びに上記の各装置を用いて本発明方法を実施
した例を次に述べる。

第５図において、２１拡検出対象物の表面、２０Ｆｉ方
向を検出する特定点である。本例の対象面２１／Ｉｉ特
定点２０を通る直線ｄを含み、上記直線Ｑを中心に回動
する。第５図はこのような対象面２１が特定の位置Ｔに
なったときこれを検知するように構成した検出装置の一
例である。

タングステンランプ２ａと投光レンズ４ａとを同一光軸
上に設置し、その間に通過波長４５Ｑ　ａｍの光学フィ
ルタ３ａを介装して波長４５０　ｎｍの単色平行光束を
照射する光源１ａを構成する。

同様に、タングステンランプ２ｂと投光レンズ４ｂと光
学フィルタ３ｂとにより波長５５０　ｎｍの単色光源１
ｂを構成する。上記の単色光源１１１　ｌｂの元軸をそ
れぞれ検出対象面２１上の特定点２０に向けて固定する
。

５は受光器で、特定点２０に焦点を合わせた対物レンズ
６を共用する２個の７オトマル７ｍ、　７ｂを列設し、
フォトマル７ａｉＣＩｄ通過波長４５０　ｎｍ　ｑ）光
学フィルタ８鳳を、フォトツルアｂに轄通過波長５５０
ｎｍの光学フィルタ８ｂをそれぞれ設けて構成する。そ
して上記の受光器５０光軸を、Ｔ位置になったときの対
象面２１に対して垂直をなし、かつ特定点２０を通るよ
うに固定する。

フォトマル７ｍ＋　７ｂの電気信号出力はそれぞれ増幅
器９ａ１９ｂを介して比較演算器１０に入力させる。

この比較演算器１０は双方の電気信号出力の強さを比較
演算して両者が許容娯差範囲内で等しくなったとき検出
出力信号１１を発する構成のものである。

これにより、光源１１から照射される波長４５０ｎｍの
単色光は特定点２０で反射して受光器５に入射するが光
学フィルタ８ｂ（５５０ｎｍ　）を通過できないのでフ
ォトマル７ｂには入射せず、光学フィルタ１３ａ（４５
０ｎｍ　）　゛を通過してフォトマル７ａに入射して電
気信号に変換される。

同様にして光源１ｂから照射された波長５５０　ｎｍの
単色光は特定点２０で反射し、７オトマル７ｂによって
のみ検知され、電気信号に変換される。

このようにして、照射方向を異にする２個の単色光源１
ａ＋　１ｂの照射光束は互いに干渉することなくそれぞ
れフォトマル７ａｗ７ｂにより個別的に検出される。こ
の作用により、先に第３図について説明した２方向の入
射光による面方向の検出を、入射光Ｃと入射光Ｊについ
て順次に行うことを要せず、欠配のごとくして両人射光
の照射・検出を併行して同時に行なうことができる。

本実施例の装置を用いて対象面２１がＴ位置になったこ
とを検出するには、予め対象面をＴ位置とし、このとき
に２個のフォトｉルアｍ、７ｂから出た電気信号が同じ
レベルで比較演算器１ｏに入力するよう光源２ｍ＋　２
ｂの光度、フォトマル７ａ、　７ｂの感度、又は増＠　
５９ａ　、　９ｂの増１１度を調節しておく。

上記のように調整した後に対象面２１の方向が変わると
、比較演算器１０に入力される２個の信号出力の大きさ
が不同となる。そして更に対象面２１が回動してＴ位置
に復元すると、その瞬間に前述した防制調整の状態が再
現されて比較演算器１ｏに入力する２個の電気信号が同
レベルとなり、比較演算器１０祉検出出力信号１１を発
信する。

本実施例によれば以上のようにして２次元的な・動きを
している乱反射面２１を対象面として、この面が予め設
定した方向になったとき瞬時的にこれを検知することが
できる。

１８６図は上記の実施例と異なり、２次元的な動きをし
ている乱反射面２１を対象面として、この面２ｏの方向
を時々刻々に検知するように構成した実施器５は前例（
第５図）におけると同様の構成部材である。受光器５を
構成するフォトマル７ａ＋７ｂの検出信号出力をそれぞ
れＡ／Ｄ変換器１２ａ＋　１２ｂを介して自動計算機１
３に入力せしめる。上記の自動計算機１３は参照データ
記憶装置１４を備えている。

前記の自動計算機１３はＡ／Ｄ変換器１２ａ及び同１２
ｂから入力される２個の信号の関係、即ち２個の信号の
強さの比率を算出し、これと対応させてその時の対象面
２１の方向をデータとして記憶装置１４に記憶させる機
能を有している。そして又、２個の信号を与えられると
その比率を算出し、記憶装置１４の収録データを検索し
て上記の比率に対応する面方向データを探し出し、この
データを面方向データ号１５として出力する機能をも有
している。

本例の装置を用いて対象面２１の方向を連続的に検知す
るには、予め対象面２１の方向を種々に変化させる。（
例えば傾斜角を１°ずつ変化させ、又は１′ずつ変化さ
せる）。そして、各方向におけるＡ／Ｄ変換器１２ｍ及
び同１２ｂの信号出力の関係（比率）に対応させてその
時の対象面２１の方向（傾斜角）データを記憶装置１４
に記憶させておく。

以上のように準備した後、対象面２１が成る未知の方向
であるとき、Ａ／Ｄ変換器１２烏及び同１２ｂからの信
号が計算機１３に入力されると、同計算機１３は二つの
入力信号の比率を算出し、記憶装置１４の収録データを
検索して上記の比率に対応する面方向データを面方向出
力１５として発信する。

本実施例は以上のようにして２次元的な動きをしている
乱反射面２１を対象面として、この面の方向を時々刻々
に検知することができる。

第７図は更に異なる実施例を示し、第５図に示し九実施
例を３元化したものでめる。即ち、第５図の実施例は２
次元的に方向を変化させる対象面２１が予め設定した方
向になった瞬間にこれを検知するように構成したもので
あるが、本実施例（第７図）は、対象面２１が３次元的
に方向を変化させる場合に対象面２１が予め設定した方
向になった瞬間にこれを検知するように構成したもので
ある。

本例は第４図について説明した基本原理に基づい、て３
方向からそれぞれ波長を異にする単色光を照射し、その
反射光を抽出・分離して電気信号に変換して電気的に演
算処理するよう、欠配のごとく構成する。

光源１ａ及び同１ｂは前例におけると同様の構成部材で
ある。

光源１Ｃは上記“の光源１Ｊ　１ｂと類似の構成部側で
、タングステンランプ２ｃとレンズ４ｃとの間に通過波
長６５０　ｎｍの光学フィルタ３ｃを設け、波長＜Ｓ５
０ｎｍの単色光の平行光束を照射し得るように構成し、
特定点２０に向けて固定する。

受光器５′は前例の受光器５と類似の構成部材であって
、対物レンズ６を共用する３個の同一構造の７オトマル
７ａ、　７ｂ１７ｃを列設し、それぞれ光学フィルタ８
ａ＋　８ｂ＋　８ｃを備える。上記の光学フィルタ８ａ
ｔ　ａｂは前例におけると同様の構成部材であり、光学
フィルタ９ｃ＃ｉ通過波長６５０ｎｒｎのものでるる。

上記の各７オトマル７ｉ、　７ｂ、　７ｃは検出信号出
方をそれぞれ増幅Ｆｌｉｔ　９ａ＋　９ｂ＋　９ｃを介
して比較演算器１０に入力させる。上記の比較演算器１
ｏは前例（第５図）におけると同様の構成部材で、増幅
器９ａｔ９ｂ＋　９ｃから入力される３個の信号が等し
くなったとき検出出力信号１１を発信する。

本例の装置を用いて対象面２１が成る方向の位置、例え
ばＴになったことを検知するには、予め対象面２１をＴ
位置とし、このとき３個の増幅器９１９９ｂｔ９Ｃの信
号出力が勢レベルになるよう光源、フォトマル、又は増
幅器を調節しておく。その後、対象面２１が穆々に動い
て成る瞬間にＴ位置になると、３個の増幅器９ａ＋　９
ｂ＊　９ｃの出力が等レベルになり、比較演算器１０は
検出出力信号１１を発信する。

本実施例によれば以上のようにして３次元的に方向を変
える対象面が予め設定した方向になったとき、即時にこ
れを検知することができる。

第８図は更に異なる実施例を示し、本例は３次元的に方
向を変える対象面２１の方向を連続的に検出し得るよう
に構成したものである。本例において光源１ａ、１ｂ、
１Ｃおよび受光器ｉ′は前例（第７図）におけると同様
の構成部材である。

３個の７オトマル７１１７ｂｌ　７Ｃの検出信号はそれ
ぞれＡ／Ｄ変換器１２ａｓ　１２ｂ＋　１２ｃを介して
記憶装置１４を備えた自動計算機１３に入力させる。上
記の計算機１３および記憶装置１４は第６図の実施例に
おける計算機１３および記憶装置１４と類似の構成部材
である。

本例の装置を用いて対象面２１の方向を連続的に検知す
るには、予め対象面２１の方向を種々に変え、（九とえ
ばＹ軸について傾斜角１′ごと、Ｙ軸について傾斜角１
′ごとに変え）各方向にお妙るＡ／Ｄ変換器１２ａ１１
２ｂ、１２Ｃの出力信号の関係に対応させてその時の対
象面２１の方向をデータとして記憶装置１４に記憶させ
ておく。

以上のように準備した後、対象面２１が成る未知の方向
を向いているとき、各フォトマル７ａ＋７ｂ＋７ｃＯ検
出信号を各Ａ／Ｄ変換器１２ａ＋　１２ｂ＋　１２ｃを
介して自動計算機１３に入力させると、自動計算機１３
に上記３個の信号の比率を算出し、記憶装置１４の収鍮
データを検索しそ上記の比率に対応する面方向データを
探し出し、このデータを面方向出力信号１５として発信
する。

本実施例によれば以上のようにして３次元的に方向を変
える対象面の方向を時々刻々に検知する仁とができる。

　、 以上説明した４例の実施例に示したように、本発明に係
る面方向の検出方法は、複数の方向から特定の一点に向
けてそれぞれ異る波長の単色光を照射し、上記時点の一
点において乱反射され大壷数種類の単色光のうち特定方
向に反射した元のみを抽出し、かつこれを各単色光に分
離してそれぞれ電気信号に変換し、上記の電気信号を電
気的に演算処理することにより、上記特定の一点から反
射された尤のみに基づいて対象面の方向を即時、かつ非
接触的に検知することができる。

才た、第５図及び第７図の各実施例に示したごとく、本
発明に係る装置ａ複数の方向から特定の一点に向けて異
った波長の単色光を照射する手段と、特定点における乱
反射光のうち特定方向の元紗を抽出する手段と、上記の
抽出手段によって得られ九光線を各単色光に分離する手
段と、分離された各単色光の強度を電気信号に変換する
手段と、上記の各電気信号を比較してこれらの電気信号
が予め設定した特定の関係になったことを検出する手段
とを設けることにより、前記の特定面が予め設定された
特定方向になったとき即時的にこれを検知することがで
き、前記の本発明方法を容易に実施してその効果を発揮
せしめ得る。

また、第６図及び第８図の各実施例に示したごとく、本
発明に係る装置社、複数の方向から特定の一点に向けて
異った波長の単色光を照射する手段と、特定点における
乱反射光のうち特定方向の光線を抽出する手段と、上記
の抽出手段によって得られた光線を各単色光に分離する
手段と、分離された各単色光の強度を電気信号に変換す
る手段と、上記の各電気信号に基づいて上記特定点にお
ける対象面の方向を算出する自動演算手段とを設けるこ
とにより、対象面が任意方向にあるときその方向を即時
的にかつ連続的に検知することができ、前述の本発明方
法を容易に実施してその効果を充分に発揮せしめ得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は入射光の方向と乱反射面の方向とを一定にした
場合の反射指向性を示す図表、第２図および第３図は入
射光の方向と反射光観測方向とを一定にした場合の反射
光強度の分布を示す図表、５第４図＃′ｉ３方向からの
入射光の反射光を特定方向から観測する状態を模式的に
示した斜視図、第５図乃至第８図は本発明に係る装置の
それぞれ異なる実施例の光学系統を模式的に示し九斜視
図に電気配線図を付記した図である。 １ｓｉ＋　１ｂ＋　ｉｃ　”・光源、２ａ＋　２ｂｓ　
２ｃ、−、タングステンランプ、５ａ＋　５ｂ＋　５ｃ
ｍ光学フィルタ、４ａ＋　４ｂ＋　４ｃ・、レンズ、５
．５’・・・受光器、６・・・対物レンズ、７ａ１７ｂ
１７Ｃ・・・フォトマル、Ｂａｒ　８ｂ＋　８ｃ・・・
光学フィルタ、９ｓ。 ９ｂ１９Ｃ・・・増幅器、１０・・・比較演算器、１１
．１５・・・検出１５出力信号、１２ａ、　１２ｂ、　
１２ｃｍ・・Ａ　／　Ｄ変換器、１５−・・自動計算機
、１４・・・参照データ記憶装置。 代理人　弁理士　秋　本　正　実 第１図 第３図 第５図 第６図 ３ 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　対象物表面の特定の点における面の方向を非接触
   的に検出する方法において、複数の方向から上記の特定
   点に向けてそれぞれ異った波長の単色光を照射し、特定
   点における乱反射光のうち特定方向のｊｔ、！Ｉを抽出
   し、上記の抽出した光線を前記複数種類の単色光に分離
   して各単色光の強度を電気信号に変換し、上記の電気信
   号を電気的に演算処理して特定点の面方向を検出するこ
   とを特徴とする面方向の検出方法。 λ　対象物表面の特定の点における面の方向を検出する
   装置において、複数の方向から上記特定点に向けてそれ
   ぞれ異った波長の単色光を照射する手段と、特定点にお
   ける乱反射光のうち特定方向の光線を抽出する手段と、
   上記の抽出手段によって得られた光線を前記の複数種類
   の単色光に分離する手段と、分離された各単色光の強度
   を電気信号に変換する手段と、上記の変換された複数個
   の電気信号を比較してこれらの電気信号が予め設定され
   た特定の関係になったことを検出する手段とよりなり、
   特定点における面の方向が予め設定された特定方向にな
   ったときこれを検知することを特徴とする面方向の検出
   装置。 五　対象物表面の特定の点における面の方向を検出する
   装置において、複数の方向から上記特定点に向けてそれ
   ぞれ異った波長の単色光を照射する手段と、特定点にお
   ける乱反射光のうち特定方向の光線を抽出する手段と、
   上記の抽出手段によって得られた光線を前記の複数−類
   の単色光に分離する手段と、分離された各単色光の強度
   を電気信号に変換する手段と、上記の変換された複数個
   の電気信号を入力されて特定点における面の方向を算出
   する自動演算手段とよりなり、対象物表面が任意の方向
   にあるときその方向を算定することを特徴とする面方向
   の検出装置。