(57)【要約】【課題】小型で低コスト、かつ高い解像度で高速に対象物の３次、２次元画像を計測できるレーザ画像計測装置を得る。【解決手段】ＣＷ変調信号を発生する発振器１と、レーザ光を発生するレーザ装置２と、変調信号に基づきレーザ光に強度変調をかける変調器３と、レーザ光を走査して照射し、走査角度を発生するレーザ光走査光学系４と、対象物からの反射光を集光する受信光学系５と、レーザ走査範囲における対象物の多点の反射光を受信することができる口径を持ち、反射光を電気信号に変換する受光器６と、前記変調信号の位相と受光器６で得られた反射光の電気信号の位相との位相差を検知する位相検波装置７と、この位相検波装置７によって得られた位相差から前記対象物までの距離を演算する距離演算装置８と、前記走査角度及び距離から２次、３次元画像を生成する画像処理装置９とを設けた。【選択図】図１
2010271275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準となる連続波の変調信号を発生する発振器と、
レーザ光を発生するレーザ装置と、
前記変調信号に基づいて前記レーザ光に強度変調をかける変調器と、
前記変調器により強度変調したレーザ光を走査して照射するとともに、走査角度を発生するレーザ光走査光学系と、
対象物からの反射光を集光する受信光学系と、
レーザ走査範囲における対象物の多点の反射光を受信することができる口径を持ち、前記受信光学系により集光された反射光を電気信号に変換する単素子の受光器と、
前記変調信号の位相と前記受光器で検出した電気信号の位相との位相差を検知する位相検波装置と、
前記位相検波装置によって得られた位相差から前記対象物までの距離を演算する距離演算装置と、
前記走査角度及び距離から２次元画像もしくは３次元画像を生成する画像処理装置と
を備えたことを特徴とするレーザ画像計測装置。
【請求項２】
基準となる連続波の第１の変調信号を発生する第１の発振器と、
第１のレーザ光を発生する第１のレーザ装置と、
前記第１の変調信号に基づいて前記第１のレーザ光に強度変調をかける第１の変調器と、
前記第１の変調信号よりも波長が長く、基準となる連続波の第２の変調信号を発生する第２の発振器と、
前記第１のレーザ光と異なる波長の第２のレーザ光を発生する第２のレーザ装置と、
前記第２の変調信号に基づいて前記第２のレーザ光に強度変調をかける第２の変調器と、
前記第１及び第２の変調器により強度変調したレーザ光を合波し、合波したレーザ光を走査して照射するとともに、走査角度を発生するレーザ光走査光学系と、
対象物からの反射光を集光する受信光学系と、
レーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる口径を持ち、前記受信光学系により集光された反射光を電気信号に変換する単素子の受光器と、
前記第１の変調信号の位相と前記受光器で検出した第１の電気信号の位相との第１の位相差を検知するとともに、前記第２の変調信号の位相と前記受光器で検出した第２の電気信号の位相との第２の位相差を検知する位相検波装置と、
前記位相検波装置によって得られた第１及び第２の位相差から前記対象物までの距離を演算する距離演算装置と、
前記走査角度及び距離から２次元画像もしくは３次元画像を生成する画像処理装置と
を備えたことを特徴とするレーザ画像計測装置。
【請求項３】
前記走査角度に基づき前記受光器の特性を補正する受光器特性補正装置をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ画像計測装置。
【請求項４】
車両検知システムに適用した
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載のレーザ画像計測装置。
【請求項５】
ゲート監視装置に適用した
ことを特徴とする請求項１、２又は３記載のレーザ画像計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザを用いた画像計測装置に関するものである。特に、レーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる広視野の口径をもつ単素子の受光器を用いて、送信レーザ光のみを小型の走査光学系を用いて走査することにより、高速にデータ取得を行う。さらに、ＣＷ（Continuous Wave）変調法による距離計測方式の適用により、高精度に距離測定する。この発明は、上記の２つを兼ね備えたレーザ画像計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光の発振時間と反射光の受光時間の差から距離を導出するレーザ距離測定法には、光源にパルスレーザを用い、送信パルス光と受信パルス光との時間差から距離を導出するパルス光時間計測法や、光源にＣＷレーザ光を用いてかつレーザ光の強度に単一周波数のＣＷ信号によって変調をかけ、送信時の変調信号と受信時の電気信号の位相差から距離を導出するＣＷ変調法がある。
【０００３】
これらのレーザ距離測定法に基づいて対象物の３次元形状を取得する装置として、送受信軸を同軸にして送受共に２次元走査する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。これは各点での距離を測定し、測距値と走査した角度から３次元画像を取得するものである。
【０００４】
また、これらのレーザ距離測定法に基づいて対象物の形状を高速に計測する計測装置として、扇型の形状のレーザビームを１軸方向のみ走査して受光素子が１次元アレイの受光器で測定する装置や、レーザビームを視野全体に広げてビームを走査せずに受信し、受光素子が２次元アレイの受光器によって受信し、測定する装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
さらに、レーザ光のみを走査し、１次元アレイの受光器で測定する構成のレーザ距離計測装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２５２３６３３号公報
【特許文献２】特開平１０−３８５３６号公報
【特許文献３】特開２００４−１５７０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。一般的に、測定精度を上げるためには、受信信号の信号対雑音比（受信ＳＮ比）を高くする必要があり、そのために受信開口径を大きくし、反射光を多く受光する必要がある。特許文献１記載の従来の装置は、送受共に２次元走査する構成となっているため、大きい開口径の走査光学系を用いる必要があるが、大きい開口径の走査光学系を用いると、スキャナのイナーシャが大きくなり、走査速度が遅くなる。
【０００８】
特許文献２記載の従来の装置は、受光器の視野全体にレーザ光を照射しており、受光器１素子での受光パワーは、受光器１素子での視野における照射パワーに比例する。これは、簡単に送信レーザビームをスキャンする特許文献１の方法の計測装置と比較して、受光素子の数だけ大きいパワーのレーザ光を必要とすることを意味する。したがって、レーザの装置サイズや消費電力、コストなどが高くなってしまう。
【０００９】
特許文献３記載の従来の装置は、レーザ光のみを走査して１次元のアレイ検出器で受光して画像を取得する装置である。この装置では、画像の分解能や視野はアレイ検出器の画素サイズや大きさなどの性能によって決定される。広い視野で高い解像度での測定を行う場合、アレイ検出器の画素サイズが小さく、素子数が多い高い性能のアレイ検出器が必要となり、さらに後段での増幅器の数も増えるため、コストが高くなるといった懸念がある。
【００１０】
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、小型で低コスト、かつ高い解像度で高速に対象物の３次元画像、もしくは２次元画像の断面を計測することができるレーザ画像計測装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るレーザ画像計測装置は、基準となる連続波の変調信号を発生する発振器と、レーザ光を発生するレーザ装置と、前記変調信号に基づいて前記レーザ光に強度変調をかける変調器と、前記変調器により強度変調したレーザ光を走査して照射するとともに、走査角度を発生するレーザ光走査光学系と、対象物からの反射光を集光する受信光学系と、レーザ走査範囲における対象物の多点の反射光を受信することができる口径を持ち、前記受信光学系により集光された反射光を電気信号に変換する単素子の受光器と、前記変調信号の位相と前記受光器で検出した電気信号の位相との位相差を検知する位相検波装置と、前記位相検波装置によって得られた位相差から前記対象物までの距離を演算する距離演算装置と、前記走査角度及び距離から２次元画像もしくは３次元画像を生成する画像処理装置とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係るレーザ画像計測装置によれば、受光器の口径を大きくすることによって、広範囲の受信視野を実現できる。
【００１３】
また、レーザ走査範囲における対象物の多点の反射光を受信することのできる広視野の口径をもつ受光器を用いることにより、小型の送信光学系を用いてレーザ光のみを高速に走査することができ、高速に３次元画像を取得することができる。
【００１４】
さらに、受信光学系を走査する必要がないため、受信光学系の開口径を大きくすることができ、受信ＳＮ比を高くすることができる。
【００１５】
さらに、角度センサによって走査角度を測定するため、取得した画像の解像度は走査分解能や角度センサの分解能に依存し、その角度分解能は測定条件によって可変することができる。したがって、単素子の受光器で、高い解像度の画像を取得することが可能である。
【００１６】
ここで、一般的には受光器の口径が大きい場合には、受光器内部のコンデンサ容量が大きくなるために、光検出器の周波数応答特性が低下してしまう。広帯域な光検出器の応答特性を要求するパルス光時間計測法のレーザ距離計測法では、この光検出器ではパルス波形に応答しないため、反射光を検出することができない。したがって、本発明におけるレーザ画像計測装置に適用することが困難である。しかし、強度変調されたレーザ光を用いたＣＷ変調法のレーザ距離計測法では、受光器が応答する変調周波数を用いることができるため、反射光を検出することができ、距離測定を行うことができる。
【００１７】
以上のように、本発明に係るレーザ画像計測装置では、高い解像度で高速に対処物の３次元画像、もしくは２次元画像を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置におけるレーザ照射スポットと受光器上における反射光集光スポットを示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置において１次元スキャンした場合のレーザ照射スポットと受光器上における反射光集光スポットを示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の位相検波装置の構成を示すブロック図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の光電変換回路の構成を示す回路図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の光電変換回路の周波数とノイズの関係を示す特性図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置を車両検知システムに適用した場合の例を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置をゲート監視装置に適用した場合の例を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】この発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置におけるレーザ照射スポットと受光器上における反射光集光スポットを示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態３に係るレーザ画像計測装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】この発明の実施の形態３に係るレーザ画像計測装置の位相検波装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】この発明の実施の形態３に係るレーザ画像計測装置において変調信号で測定される位相差を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明のレーザ画像計測装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
【００２０】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置について図１から図８までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の構成を示すブロック図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００２１】
図１において、この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置は、基準となる変調信号を発生する発振器１と、レーザ光を発生するレーザ装置２と、変調信号に基づいてレーザ光に強度変調をかける変調器３と、レーザ光を走査し、走査角度に相当する電気信号を発生する角度センサの機能をもつレーザ光走査光学系４と、対象物からの反射光を集光して後述する受光器に導く受信光学系５と、反射光を電気信号に変換する受光器６と、変調信号の位相と受光器６で検出した電気信号の位相との位相差を検知する位相検波装置７と、この位相検波装置７によって得られた位相差から距離を導出する距離演算装置８と、角度データと距離データから２次元画像もしくは３次元画像を生成する画像処理装置９とが設けられている。
【００２２】
なお、受信光学系５と受光器６の組み合わせにより、レーザ光の走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる。距離演算装置８は、位相検波装置７によって得られた同相検波信号と直交検波信号より受信した変調光の振幅を導出し、強度を導出する機能があってもよい。
【００２３】
図４は、この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の位相検波装置の構成を示すブロック図である。
【００２４】
図４において、位相検波装置７は、受光器６によって得られた電気信号を増幅するアンプ７１と、増幅された電気信号を同相で分岐する０°分配器７２と、発振器１で発生した変調信号を、その位相が同相と直交するよう分岐する９０°分配器７３と、変調信号と増幅された受光器６の電気信号をミキシングするミキサ７４と、ミキサ７５と、発振器１から発生する変調信号に基づく帯域の信号のみを透過するフィルタ７６と、フィルタ７７とが設けられている。
【００２５】
つぎに、この実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図２は、この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置におけるレーザ照射スポットと受光器上における反射光集光スポットを示す図である。また、図３は、この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置において１次元スキャンした場合のレーザ照射スポットと受光器上における反射光集光スポットを示す図である。
【００２７】
発振器１が発生した変調信号に基づいて、レーザ装置２から発生したレーザ光を、変調器３によって強度変調をかけ、レーザ光走査光学系４によってレーザ光１０１を仰角と方位角に走査する。
【００２８】
対象物からの反射光を、受信視野１０２をもつ受信光学系５で集光した後、受光器６で電気信号に変換し、位相検波装置７に出力する。
【００２９】
受光器６は、図２に示すように、レーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる。図２において、レーザ照射スポット１０３と受光器６上における反射光集光スポット１０４が図示されている。
【００３０】
なお、図３に示すように、長辺のみをレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するような長尺の受光器６を用いてもよし、さらにレーザ光走査光学系４により１次元のみ走査してもよい。
【００３１】
位相検波装置７は、図４に示すように、受光器６によって得られた電気信号をアンプ７１によって増幅した後、０°分配器７２によって分岐する。一方、発振器１で発生される変調信号を、位相が同相と直交するように９０°分配器７３で分岐し、それぞれ増幅した電気信号とミキシングして、フィルタ７６、７７を通して同相検波信号１０５と直交検波信号１０６を生成する。
【００３２】
距離演算装置８は、得られた同相検波信号１０５と直交検波信号１０６より送信時の変調信号と受信時に受光器６で得られた電気信号の位相との位相差を検出し、検出した位相差から対象物の視線方向の距離を導出する。
【００３３】
具体的には、高速をｃ、位相差をΔΦ、変調周波数をｆとすると、距離Ｌは、次の式（１）により導出される。
【００３４】
Ｌ＝（ｃ・ΔΦ）／（４・π・ｆ）                                        （１）
【００３５】
その後、画像処理装置９は、レーザ光走査光学系４で得られた角度データと距離演算装置８で得られた距離データを用いて２次元画像や、３次元画像を生成する。
【００３６】
本発明に係るレーザ画像計測装置は、受光器６の口径を大きくすることによって、受信開口を保持しつつ広視野を実現でき、対象物の多点の反射光を受信できるレーザ走査範囲を広くし、受信光学系５の走査を不要とすることができる。また、レーザ走査範囲における対象物の多点の反射光を受信することのできる口径をもつ受光器６を用いることで、レーザ光のビーム径に相当する小型のレーザ光走査光学系４を用いてレーザ光のみを走査することができる。小型の走査光学系４を用いることにより、走査光学系４は小さい駆動電流で動作することが可能であり、高速にレーザ光を走査することができる。したがって、早い速度で取得画像を更新することができる。さらに、受信光学系５を走査する必要がないため、受信光学系５の開口径を大きくすることができ、受信ＳＮ比を高くすることができる。
【００３７】
また、受光器の口径を大きくすることによって、多点の対象物の反射光を受信できるレーザ走査範囲を広くすることができ、広範囲の画像を高速に取得することができる。ここで、受光器６の口径を大きくした場合、受光器内部のコンデンサ容量が大きくなるため、一般的に周波数応答特性が低下し、雑音レベルが高くなってしてしまう。具体的に、浜松ホトニクス製フォトダイオードＳ５９７３のように受光器６の口径が０．４ｍｍの場合には、受光器内部のコンデンサ容量は１．６ｐＦで帯域幅が１０００ＭＨｚ程度、雑音レベルを示す暗電流は０．００１ｎＡとなる。一方、浜松ホトニクス製フォトダイオードＳ６８０１−０１のように受光器６の口径が１４ｍｍの場合には、コンデンサ容量は４０ｐＦとなり、帯域幅は１５ＭＨｚまで低下し、暗電流は０．５ｎＡまで上昇する。
【００３８】
ここで、パルス光時間計測法のレーザ距離計測法では、パルス波形に応答するように広帯域の周波数応答特性の受光器６が要求されるため、本実施の形態のような大口径の受光器６でレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するレーザ画像計測装置には適用することが困難である。
【００３９】
例えば、受信ＳＮ比が４５ｄＢで距離精度１ｃｍを要求する場合、パルス光時間計測法ではパルス幅３．７ｎｓ程度のパルスレーザを用いる必要がある。このパルス幅に受光器６が応答するためには、簡単に２７０ＭＨｚの周波数応答をもつ受光器が必要となる。つまり、本実施の形態のような大口径の受光器６でレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するレーザ画像計測装置に適用した場合、光検出器がパルス波形に応答しないため、パルス光を検出することができず、距離検出することが困難となる。
【００４０】
一方、ＣＷ変調法のレーザ距離計測法では、受光器６が応答する変調周波数を用いることができるため、十分な受信ＳＮ比で反射光を検出することができ、距離を行うことができる。
【００４１】
例えば、受信ＳＮ比が４５ｄＢで距離精度１ｃｍを要求する場合には、９．５ＭＨｚの変調周波数でよい。この場合、変調信号の周波数９．５ＭＨｚは上述した口径１４ｍｍの受光器の帯域幅１５ＭＨｚより低いため、十分な受信ＳＮ比で受信することが可能である。つまり、本実施の形態のような大口径の受光器６でレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するレーザ画像計測装置と、ＣＷ変調法のレーザ距離計測法を組み合わせることにより、高速走査で高精度の距離計測を行うことができる。なお、この変調周波数を用いた場合には式（１）で示したように距離１５．８ｍで位相差が２πとなり、周期１５．８ｍごとに同じ位相差を検出する。
【００４２】
また、単一周波数のＣＷ変調法によるレーザ距離計測法を用いたときの光検出器６に入射した光信号を電気信号に変換する光電変換回路の例を図５に示す。この光電変換回路は、受光器６で得られた電気信号を帰還抵抗６６とトランスインピーダンスアンプ６５によって負帰還増幅し、出力電圧Ｖを得る。ここで、受光器６を等価回路６Ａで表すと、受光器内部の電流源６１、受光器内部の抵抗６２、受光器内部のコンデンサ容量６３で構成することができる。この回路に、コイル容量６４を追加することにより、コンデンサ容量６３とコイル容量６４の共振周波数において、コンデンサ容量６３による雑音成分を軽減することが可能となる。
【００４３】
具体例として、図６に周波数に対する雑音レベルの特性例をとして、コイル容量６４がなかった場合の雑音特性Ｎ１、コイル容量６４を追加した場合の雑音特性Ｎ２を示す。このように、コイル容量６４を追加した場合、コンデンサ容量６３とコイル容量６４の共振周波数において雑音が低下する。したがって、この共振周波数を変調周波数ｆｍに合わせることにより、低い雑音レベルの条件で測定することができ、高い受信ＳＮ比を得ることができる。なお、この方法は、単一周波数のＣＷ変調法によるレーザ距離計測法のみ適用することができる。
【００４４】
また、本実施の形態のような単素子の受光器６でレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するレーザ画像計測装置では、レーザ光走査光学系４によりレーザ光の走査角度を得ることができる。つまり、取得した画像の解像度は走査分解能に依存し、単素子の受光器６で高い解像度の画像を取得することができる。
【００４５】
以上に述べたように、高速画像取得で広角受信視野・高速送信スキャンする方式を用いる場合、単一周波数を利用するＣＷ変調法を適用することによって、はじめて低雑音・高感度計測が可能となる。
【００４６】
図７は、本発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置を車両検知システムに適用した場合の例を示す図である。本実施の形態のようなレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信する大口径の受光器６を用いることで、レーザ光のみを小型の走査光学系で高速に走査することができる。したがって、高速移動している車両の形状を高分解能で撮像し、適確に測定することが可能となる。
【００４７】
また、本発明に係るレーザ画像計測装置は、受信光学系５の開口径を大きくすることで高ＳＮ比を得ることができるため、例えば黒色の車両のような低い反射率の対象物での距離測定も可能であり、種々の車両の形状を測定することができる。また、小型のレーザ光走査光学系４でレーザ光のみを高速に走査して撮像を行うことができるため、高速移動している車両の形状を的確に測定することができる。
【００４８】
なお、レーザ画像計測装置が１次元スキャンの場合、車の移動速度を同時に測定し、車両の移動によってもう１軸のスキャンを兼ね備える。ここで、レーザ画像計測装置は１台でなくても、２台以上用いて様々な角度から測定する場合もある。
【００４９】
図８は、本発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置をゲート監視装置に適用した場合の例を示す図である。
【００５０】
本発明に係るレーザ画像計測装置は、受信ＳＮ比や変調周波数を上げることにより、高精度で位相精度を導出することが可能であるため、高解像度で高精度に距離を測定することができ、細い紐などを検知することができる。
【００５１】
以上、この実施の形態１に係るレーザ画像計測装置は、高速に高い解像度で対処物の３次元画像、もしくは２次元画像を計測することができる。
【００５２】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置について図９及び図１０を参照しながら説明する。
【００５３】
この実施の形態２に係るレーザ画像計測装置は、上記の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の受光器６の受光感度が受光面上の位置によって変化する場合や反射光の集光スポット位置がレーザ光走査角によって変化する場合などによる、受信ＳＮ比の低下を軽減することを目的としたものである。
【００５４】
図９は、この発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置の構成を示すブロック図である。
【００５５】
図９において、この発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置は、基準となる変調信号を発生する発振器１と、レーザ光を発生するレーザ装置２と、変調信号に基づいてレーザ光に強度変調をかける変調器３と、レーザ光を走査し、走査角度に相当する電気信号を発生する角度センサの機能をもつレーザ光走査光学系４と、対象物からの反射光を集光して後述する受光器に導く受信光学系５と、反射光を電気信号に変換する受光器６と、変調信号の位相と受光器６で検出した電気信号の位相との位相差を検知する位相検波装置７と、この位相検波装置７によって得られた位相差から距離を導出する距離演算装置８と、角度データと距離データから２次元画像もしくは３次元画像を生成する画像処理装置９とが設けられている。
【００５６】
また、この発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置は、レーザ光走査光学系４から取得したビーム走査角の角度データから、受光器６に関するパラメータ、例えば受光器６のバイアス電圧や、受光面の照射角度や位置などを制御する受光器特性補正装置１０が設けられている。
【００５７】
つぎに、この実施の形態２に係るレーザ画像計測装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００５８】
図１０は、この発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置におけるレーザ照射スポットと受光器上における反射光集光スポットを示す図である。
【００５９】
上記の実施の形態１と同様に、発振器１で発生した変調信号に基づいて、レーザ装置２から発生したレーザ光を、変調器３によって強度変調をかけ、レーザ光走査光学系４によってレーザ光１０１を仰角と方位角に走査する。
【００６０】
対象物からの反射光を受信視野１０２をもつ受信光学系５で集光した後、受光器６で電気信号に変換し、位相検波装置７に出力する。
【００６１】
受光器６は、図１０のレーザ照射スポット１０３と受光器６上における集光スポット１０４のように、レーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる。このとき、集光スポット１０４の位置に対して受信ＳＮ比が変化する場合、つまりレーザ光の走査角に対して受信ＳＮ比が変化する場合、受光器特性補正装置１０は受光器６に対してその変化を補正するような制御信号を送り、受光器６はその変化の補正を行う。
【００６２】
例えば、レーザ光走査角に対して集光スポット１０４の位置がずれる場合、受光面上における集光径が変化し、受光面より集光径が大きくなると受信ＳＮ比が低下してしまう。これは、レーザ光走査光学系４の振れ角が大きいときに現れやすく、集光スポット１０４の位置は受光面より手前にきてしまう。そこで、図１０に示すように、ビーム走査角に対して集光スポット１０４の位置を予め測定しておき、レーザ光走査角度に対して受光器６の角度を制御する。
【００６３】
位相検波装置７は、受光器６によって得られた電気信号をアンプ７１によって増幅した後、０°分配器７２によって分岐する。一方、発振器１で発生される変調信号を、位相が同相と直交するように９０°分配器７３で分岐し、それぞれ増幅した電気信号とミキシングして、フィルタ７６、７７を通して同相検波信号１０５と直交検波信号１０６を生成する。
【００６４】
距離演算装置８は、得られた同相検波信号１０５と直交検波信号１０６より反射光の位相を導出し、レーザ出射端の位相との差から対象物の視線方向の距離を導出する。
【００６５】
その後、画像処理装置９は、レーザ光走査光学系４で得られた角度データと距離演算装置８で得られた距離データを用いて２次元画像や、３次元画像を生成する。
【００６６】
本実施の形態に係るレーザ画像計測装置のように、受光器特性補正装置１０で受光器６を制御することにより、レーザ光走査角に対して集光スポット１０４の位置がずれ、受光面より集光径が大きくなって受信ＳＮ比が低下する場合など、その受信ＳＮ比の低下を軽減することができる。
【００６７】
なお、図１０では受光器６に制御信号を送り、受光器６の角度を制御して集光スポット１０４の位置に対する受信ＳＮ比低下を改善する構成としているが、受光器６を光軸と直交する２軸方向に移動して受信ＳＮ比を改善する構成でもよい。また、受光感度が受光面上で変化する場合、受光器特性補正装置１０の出力をアンプ７１に送り、アンプ７１の増幅度を制御して受光感度を一定とする構成や、増幅機能をもつ受光器６の場合には受光器６の増幅度を制御する構成などでもよい。さらに、画像処理装置９に受光器特性補正装置１０の制御信号を送り、信号処理によって補正してもよい。
【００６８】
また、上記の実施の形態１と同様に、図３の長辺のみをレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するような長尺の受光器６を用いてもよし、さらにレーザ光走査光学系４により１次元のみ走査してもよい。
【００６９】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るレーザ画像計測装置について図１１から図１３までを参照しながら説明する。
【００７０】
上記の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の距離計測に関して、発振器１から発生される変調周波数の１周期に相当する距離毎に同じ位相が検出され、測定可能な絶対距離に制限がある。そこで、この実施の形態３に係るレーザ画像計測装置は、上記課題を克服することを目的としたものである。
【００７１】
図１１は、この発明の実施の形態３に係るレーザ画像計測装置の構成を示すブロック図である。
【００７２】
図１１において、この発明の実施の形態３に係るレーザ画像計測装置は、基準となる変調信号を発生する発振器１Ａ、１Ｂと、レーザ光を発生するレーザ装置２Ａ、２Ｂと、変調信号に基づいてレーザ光に強度変調をかける変調器３Ａ、３Ｂと、レーザ光を走査し、走査角度に相当する電気信号を発生する角度センサの機能をもつレーザ光走査光学系４と、対象物からの反射光を集光して後述する受光器に導く受信光学系５と、反射光を電気信号に変換する受光器６と、変調信号の位相と受光器６で検出した電気信号の位相との位相差を検知する位相検波装置７Ａと、この位相検波装置７Ａによって得られた位相差から距離を導出する距離演算装置８と、角度データと距離データから２次元画像もしくは３次元画像を生成する画像処理装置９とが設けられている。
【００７３】
発振器１Ａと発振器１Ｂは、それぞれ基準となる変調信号２０５と変調信号２０６を発生する。レーザ装置２Ａとレーザ装置２Ｂは、それぞれ異なる波長でレーザ光を発生する。また、変調器３Ａと変調器３Ｂは、それぞれ変調信号２０５と変調信号２０６に基づいてレーザ光に強度変調をかける。レーザ光走査光学系４は、２つのレーザ光を合波してレーザ光を走査し、走査角度に相当する電気信号を発生する角度センサの機能をもつ。
【００７４】
図１２は、この発明の実施の形態３に係るレーザ画像計測装置の位相検波装置の構成を示すブロック図である。
【００７５】
図１２において、位相検波装置７Ａは、受光器６によって得られた電気信号を増幅するアンプ７１と、増幅された電気信号を同相で分岐する０°分配器７２と、０°分配器７８と、０°分配器７９と、発振器１Ａ、１Ｂで発生した変調信号を、その位相が同相と直交するよう分岐する９０°分配器７３Ａ、７３Ｂと、変調信号と増幅された受光器６の電気信号をミキシングするミキサ７４Ａ、７４Ｂと、ミキサ７５Ａ、７５Ｂと、発振器１Ａ、１Ｂから発生する変調信号に基づく帯域の信号のみを透過するフィルタ７６Ａ、７６Ｂと、フィルタ７７Ａ、７７Ｂとが設けられている。
【００７６】
０°分配器７２、７８、７９は、アンプ７１で増幅された電気信号を同相で分岐する。９０°分配器７３Ａ、９０°分配器７３Ｂは、それぞれ変調信号２０５と変調信号２０６を、その位相が同相と直交するよう分岐する。ミキサ７４Ａ、７４Ｂとミキサ７５Ａ、７５Ｂは、それぞれ変調信号２０５、変調信号２０６と、増幅された受光器６の電気信号をミキシングする。フィルタ７６Ａ、７６Ｂ、フィルタ７７Ａ、７７Ｂは、それぞれ変調信号２０５と変調信号２０６に基づく帯域の信号のみを透過する。
【００７７】
つぎに、この実施の形態３に係るレーザ画像計測装置の動作について図面を参照しながら説明する。
【００７８】
図１３は、この発明の実施の形態３に係るレーザ画像計測装置において変調信号で測定される位相差を示す図である。
【００７９】
発振器１Ａと発振器１Ｂで発生した変調信号２０５と変調信号２０６に基づいて、レーザ装置２Ａとレーザ装置２Ｂから発生したレーザ光ａとレーザ光ｂを、変調器３Ａと変調器３Ｂによって変調をかけ、合波後にレーザ光走査光学系４によってレーザ光１０１を仰角と方位角に走査する。
【００８０】
対象物から反射した光を受信光学系５で集光した後、受光器６で電気信号に変換し、位相検波装置７Ａに出力する。
【００８１】
位相検波装置７Ａでは、変調信号２０５と変調信号２０６を基に、変調信号２０５に対する同相検波信号２０１と変調信号２０５に対する直交検波号２０２、変調信号２０６に対する同相検波信号２０３と変調信号２０６に対する直交検波信号２０４を生成する。
【００８２】
受光器６は、図２のレーザ照射スポット１０３と受光器６上における集光スポット１０４のように、レーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる。
【００８３】
位相検波装置７Ａは、受光器６によって得られた電気信号をアンプ７１によって増幅した後、０°分配器７２、７８、７９によって４つに分岐する。一方、発振器１Ａと発振器１Ｂで発生した変調信号２０５と変調信号２０６を、位相が同相と直交するように９０°分配器７３Ａ、９０°分配器７３Ｂでそれぞれ分岐し、それぞれ増幅した電気信号とミキシングして、フィルタ７６Ａ、７６Ｂ、フィルタ７７Ａ、７７Ｂを通して、変調信号２０５に対する同相検波信号２０１と変調信号２０５に対する直交検波号２０２、変調信号２０６に対する同相検波信号２０３と変調信号２０６に対する直交検波信号２０４を生成する。
【００８４】
距離演算装置８は、得られた変調信号２０５に対する同相検波信号２０１と変調信号２０５に対する直交検波号２０２、変調信号２０６に対する同相検波信号２０３と変調信号２０６に対する直交検波信号２０４より、反射光の位相を導出し、レーザ出射端の位相との差から対象物の視線方向の距離を導出する。
【００８５】
このときの変調信号２０５と変調信号２０６、対象物からの反射信号２０７と反射信号２０８の例を図１３に示す。また、変調信号２０５で測定される位相差２０９と、変調信号２０６で測定される位相差２１０が図示されている。対象物の距離が変調信号２０５の１周期以内に相当する場合、上記の実施の形態１のようにそのまま位相差から距離を導出することができる。一方、変調信号２０５の１周期分に相当する距離以上の場合、位相が３６０度回転してしまい、得られる位相差２０９は正確に導出されない。ここで、波長が長い変調信号２０６を用い、反射信号２０８との位相差２１０より大まかな距離を導出し、変調信号２０５における位相の回転数を補正することにより、高精度で絶対距離を導出することができる。
【００８６】
その後、画像処理装置９は、レーザ光走査光学系４で得られた角度データと距離演算装置８で得られた距離データを用いて２次元画像や、３次元画像を生成する。
【００８７】
本実施の形態に係るレーザ画像計測装置のように、対象物までの距離が、波長が短い変調信号２０５の１周期分に相当する距離以上となっても、波長が長い変調信号２０６から導出した位相差２１０を用いて、波長が短い変調信号２０５から導出した位相の回転数を補正し、高精度で絶対距離を導出することができる。
【００８８】
なお、この実施の形態３では、２種類の発振器、レーザ装置、変調器を用いた例について示したが、２種類以上を用いた構成としてもよい。
【００８９】
また、上記の実施の形態１と同様に、図３の長辺のみをレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するような長尺の受光器６を用いてもよし、さらにレーザ光走査光学系４により１次元のみ走査してもよい。
【００９０】
また、上記の実施の形態２と同様に、受光器特性補正装置１０によって受信ＳＮ比の低下を軽減する構成としてもよい。
【００９１】
さらに、上記の実施の形態１と同様に、上記の実施の形態２や、この実施の形態３は、車両検知システムや、ゲート監視装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１、１Ａ、１Ｂ  発振器、２、２Ａ、２Ｂ  レーザ装置、３、３Ａ、３Ｂ  変調器、４  レーザ光走査光学系、５  受信光学系、６  受光器、７、７Ａ  位相検波装置、８  距離演算装置、９  画像処理装置、１０  受光器特性補正装置。
【図１】
2010271275.tif 000003
【図２】
2010271275.tif 000004
【図３】
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【図４】
2010271275.tif 000006
【図５】
2010271275.tif 000007
【図６】
2010271275.tif 000008
【図７】
2010271275.tif 000009
【図８】
2010271275.tif 000010
【図９】
2010271275.tif 000011
【図１０】
2010271275.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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