(57)【要約】【課題】測定光として円偏光または楕円偏光を投射する３次元計測において、１回反射光と２回反射光との受光強度の大小関係にかかわらず確実に正しい計測結果を求める。【解決手段】測定光として円偏光または楕円偏光を測定物体に投射し、前記測定物体からの反射光を光電変換して第１の信号を取得し、前記測定物体からの反射光を１／４波長板に入射させ、さらに前記１／４波長板を通過した反射光を、前記測定物体で２回反射した２回反射光を弱める偏光デバイスに入射させ、前記偏光デバイスを通過した反射光を光電変換して第２の信号を取得し、前記第１の信号と前記第２の信号との差異を利用して２回反射光成分を除去する。【選択図】図３
2006343153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定物体へ投射する測定光の投射角度と測定物体で反射した測定光の受光角度とに基づいて、測定物体における測定光で照射された部位の位置を特定する３次元位置計測方法であって、
測定光として円偏光または楕円偏光を測定物体に投射し、
前記測定物体からの反射光を光電変換して第１の信号を取得し、
前記測定物体からの反射光を１／４波長板に入射させ、さらに前記１／４波長板を通過した反射光を、前記測定物体で２回反射した２回反射光を弱める偏光デバイスに入射させ、
前記偏光デバイスを通過した反射光を光電変換して第２の信号を取得し、
前記第１の信号と前記第２の信号との差異を利用して２回反射光成分を除去する信号処理を、前記第１の信号または前記第２の信号に対して行い、
前記信号処理で得られる第３の信号に基づいて投射角度と受光角度の組を決める
ことを特徴とする３次元位置計測方法。
【請求項２】
前記信号処理は、
前記第１の信号から前記第２の信号との差の絶対値が設定値よりも小さい信号値を抽出する処理、または前記第２の信号から前記第１の信号との差の絶対値が設定値よりも小さい信号値を抽出する処理である
請求項１記載の３次元位置計測方法。
【請求項３】
測定物体へ投射する測定光の投射角度と測定物体で反射した測定光の受光角度とに基づいて、測定物体における測定光で照射された部位の位置を特定する３次元位置計測方法であって、
測定光として円偏光または楕円偏光を測定物体に投射し、
前記測定物体からの反射光を光電変換して第１の信号を取得し、
前記測定物体からの反射光を１／４波長板に入射させ、さらに前記１／４波長板を通過した反射光を、前記測定物体で１回反射した１回反射光を弱める偏光デバイスに入射させ、
前記偏光デバイスを通過した反射光を光電変換して第２の信号を取得し、
前記第１の信号と前記第２の信号との差異を利用して２回反射光成分を除去する信号処理を、前記第１の信号または前記第２の信号に対して行い、
前記信号処理で得られる第３の信号に基づいて投射角度と受光角度の組を決める
ことを特徴とする３次元位置計測方法。
【請求項４】
前記信号処理は、
前記第１の信号から前記第２の信号との差の絶対値が設定値よりも大きい信号値を抽出する処理、または前記第２の信号から前記第１の信号との差の絶対値が設定値よりも大きい信号値を抽出する処理である
請求項３記載の３次元位置計測方法。
【請求項５】
測定物体へ投射する測定光の投射角度と測定物体で反射した測定光の受光角度とに基づいて、測定物体における測定光で照射された部位の位置を特定する３次元位置計測方法であって、
測定光として円偏光または楕円偏光を測定物体に投射し、
前記測定物体からの反射光を１／４波長板に入射させ、
前記１／４波長板を通過した反射光を、前記測定物体で１回反射した１回反射光を弱める偏光作用をもつ第１の光路に入射させ、
前記第１の光路を通過した反射光を光電変換して第１の信号を取得し、
前記１／４波長板を通過した反射光を、前記測定物体で２回反射した２回反射光を弱める偏光作用をもつ第２の光路に入射させ、
前記第２の光路を通過した反射光を光電変換して第２の信号を取得し、
前記第１の信号と前記第２の信号との差異を利用して２回反射光成分を除去する信号処理を、前記第１の信号または前記第２の信号に対して行い、
前記信号処理で得られる第３の信号に基づいて投射角度と受光角度の組を決める
ことを特徴とする３次元位置計測方法。
【請求項６】
前記信号処理は、
前記第２の信号から前記第１の信号との差が設定値よりも大きい信号値を抽出する処理である
請求項５記載の３次元位置計測方法。
【請求項７】
測定物体へ測定光を投射しかつ測定物体で反射した測定光を受光する３次元位置計測に用いる装置であって、
測定光として円偏光または楕円偏光を測定物体に投射する投光手段と、
前記測定物体からの反射光を、第１分岐反射光と第２分岐反射光とに分けるハーフプリズムと、
前記ハーフプリズムの前側または後側に配置された１／４波長板と、
前記第１分岐反射光を光電変換する第１の光検出器と、
前記第２分岐反射光が入射し、当該第２分岐反射光に含まれる前記測定物体で２回反射した２回反射光を弱める偏光デバイスと、
前記偏光デバイスを通過した反射光を光電変換する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器によって得られる第１の信号、または前記第２の光検出器によって得られる第２の信号に対して、前記第１の信号と前記第２の信号との差異を利用して２回反射光成分を除去する信号処理を行う信号処理手段と
を備えることを特徴とする３次元位置計測に用いる装置。
【請求項８】
測定物体へ測定光を投射しかつ測定物体で反射した測定光を受光する３次元位置計測に用いる装置であって、
測定光として円偏光または楕円偏光を測定物体に投射する投光手段と、
前記測定物体からの反射光が入射する１／４波長板と、
前記測定物体からの反射光または前記１／４波長板を通過した反射光を光電変換する光検出器と、
前記測定物体で２回反射した２回反射光を弱める偏光板を、または当該偏光板と前記１／４波長板とを、前記光検出器の前側の光路に挿入しまたは当該光路から退避させる可動フィルタ機構と、
少なくとも、前記光路に前記偏光板を挿入しないときの前記光検出器によって得られる第１の信号、または前記光路に前記偏光板を挿入したときの前記光検出器によって得られる第２の信号を記憶するメモリと、
少なくとも一方が前記メモリに記憶された信号である前記第１および第２の信号を比較し、前記第１の信号と前記第２の信号との差異を利用して２回反射光成分を除去する信号処理を、前記第１の信号または前記第２の信号に対して行う信号処理手段と
を備えることを特徴とする３次元位置計測に用いる装置。
【請求項９】
測定物体へ測定光を投射しかつ測定物体で反射した測定光を受光する３次元位置計測に用いる装置であって、
測定光として円偏光または楕円偏光を測定物体に投射する投光手段と、
前記測定物体からの反射光が入射する１／４波長板と、
前記１／４波長板を通過した反射光を、前記測定物体で１回反射した１回反射光を弱めた第１分岐反射光と、前記測定物体で２回反射した２回反射光を弱めた第２分岐反射光とに分ける偏光ビームスプリッタと、
前記第１分岐反射光を光電変換する第１の光検出器と、
前記第２分岐反射光を光電変換する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器によって得られる第１の信号、または前記第２の光検出器によって得られる第２の信号に対して、前記第１の信号と前記第２の信号との差異を利用して２回反射光成分を除去する信号処理を行う信号処理手段と
を備えることを特徴とする３次元位置計測に用いる装置。
【請求項１０】
測定物体へ測定光を投射しかつ測定物体で反射した測定光を受光する３次元位置計測に用いる装置であって、
測定光として円偏光または楕円偏光を測定物体に投射する投光手段と、
前記測定物体からの反射光が入射する１／４波長板と、
前記１／４波長板を通過した反射光を光電変換する光検出器と、
前記測定物体で１回反射した１回反射光を弱める第１偏光板および前記測定物体で２回反射した２回反射光を弱める第２偏光板の一方を、前記１／４波長板と前記光検出器との間の光路に挿入する可動フィルタ機構と、
少なくとも、前記光路に前記第１偏光板を挿入したときの前記光検出器によって得られる第１の信号、または前記光路に前記第２偏光板を挿入したときの前記光検出器によって得られる第２の信号を記憶するメモリと、
少なくとも一方が前記メモリに記憶された信号である前記第１の信号および第２の信号を比較し、前記第１の信号と前記第２の信号との差異を利用して２回反射光成分を除去する信号処理を、前記第１の信号または前記第２の信号に対して行う信号処理手段と
を備えることを特徴とする３次元位置計測に用いる装置。
【請求項１１】
測定物体へ測定光を投射しかつ測定物体で反射した測定光を受光する３次元位置計測に用いる装置であって、
測定光として円偏光または楕円偏光を測定物体に投射する投光手段と、
前記測定物体からの反射光を、第１分岐反射光と第２分岐反射光とに分けるハーフプリズムと、
前記ハーフプリズムの前側または後側に配置された１／４波長板と、
前記第１分岐反射光を光電変換する第１の光検出器と、
前記第２分岐反射光が入射し、当該第２分岐反射光に含まれる前記測定物体で１回反射した１回反射光を弱める偏光デバイスと、
前記偏光デバイスを通過した反射光を光電変換する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器によって得られる第１の信号、または前記第２の光検出器によって得られる第２の信号に対して、前記第１の信号と前記第２の信号との差異を利用して２回反射光成分を除去する信号処理を行う信号処理手段と
を備えることを特徴とする３次元位置計測に用いる装置。
【請求項１２】
測定物体へ測定光を投射しかつ測定物体で反射した測定光を受光する３次元位置計測に用いる装置であって、
測定光として円偏光または楕円偏光を測定物体に投射する投光手段と、
前記測定物体からの反射光が入射する１／４波長板と、
前記測定物体からの反射光または前記１／４波長板を通過した反射光を光電変換する光検出器と、
前記測定物体で１回反射した１回反射光を弱める偏光板を、または当該偏光板と前記１／４波長板とを、前記光検出器の前側の光路に挿入しまたは当該光路から退避させる可動フィルタ機構と、
少なくとも、前記光路に前記偏光板を挿入しないときの前記光検出器によって得られる第１の信号、または前記光路に前記偏光板を挿入したときの前記光検出器によって得られる第２の信号を記憶するメモリと、
少なくとも一方が前記メモリに記憶された信号である前記第１および第２の信号を比較し、前記第１の信号と前記第２の信号との差異を利用して２回反射光成分を除去する信号処理を、前記第１の信号または前記第２の信号に対して行う信号処理手段と
を備えることを特徴とする３次元位置計測に用いる装置。
【請求項１３】
前記投光手段は前記測定光の投射角度を変化させるスキャナを備えており、
前記第１および第２の光検出器は、それぞれ２次元撮像デバイスである
請求項７、９、１１のいずれかに記載の３次元位置計測に用いる装置。
【請求項１４】
前記投光手段は前記測定光の投射角度を変化させるスキャナを備えており、
前記光検出器は２次元撮像デバイスである
請求項８、１０、１２のいずれかに記載の３次元位置計測に用いる装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体に向けて測定光を投射して物体上の照射部位の位置を計測する３次元位置計測方法およびそれに用いる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レンジファインダと呼称される非接触型の３次元入力装置が、ＣＡＤシステムやＣＧシステムへのデータ入力、各種物品や身体の立体計測、ロボットの視覚認識などに利用されている。この３次元入力装置は、測定光を投射して物体を撮影し、物体上の多数点の３次元位置情報を出力する。その際、各点の３次元位置は三角測量法に基づく演算によって求められる。
【０００３】
三角測量法に基づく演算では次の３つの情報を用いる。
（１）測定光の投射角度
（２）物体からの反射光の受光角度
（３）投射光学系と受光光学系との位置関係
物体上のある点の正しい座標を求めるには、その点について（１）と（２）とが１対１で対応しなければならない。物体上のその点で反射した測定光のみが受光される場合は１対１の対応となる。
【０００４】
しかし、物体上のある点で反射した測定光（以下、１回反射光という）とともに、その点で反射しさらに物体上の他の点で反射した測定光（以下、２回反射光という）が受光される場合がしばしば起こる。この場合、１つの投射角度に２つの受光角度が対応する。これら２つの受光角度のうち、真の情報である１回反射光の受光角度を用いて演算しなければ、正しい座標は求まらない。
【０００５】
このような２回反射光の問題に関する先行技術文献として、特開平２−１８４７０５号公報がある。同公報には、円偏光における回転方向が反射する度に逆向きになる性質を利用する手法、すなわち、測定光として円偏光を物体に投射するとともに、物体からの反射光を１／４波長板と偏光板とを順に通過させる手法が記載されている。１／４波長板は、円偏光を直線偏光に変換し、その際に１回反射光の偏光方向と２回反射光の偏光方向とを直交させる。偏光板は、１回反射光が主に透過するように配置され、２回反射光を弱める作用を奏する。上記公報の開示では、偏光板を透過した光を光電変換した１つの受光信号のみを用いて、２回反射光成分を除去した受光信号を生成する。その際に、１回反射光の受光強度が２回反射光の受光強度よりも大きいという前提で、１回反射光成分と２回反射光成分とを識別する。
【０００６】
一方、特開平６−１３７８２６号公報には、異なるパターンで変調された複数のビームを投射して、それらビームの受光強度比を求めることによって受光信号から２回反射光成分を除去する手法が記載されている。
【特許文献１】特開平２−１８４７０５号公報
【特許文献２】特開平６−１３７８２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来における円偏光を投射する手法では、１回反射光の受光強度が２回反射光の受光強度よりも十分に大きい場合でなければ、正しい計測結果が得られるとは限らない。実際には、１／４波長板と偏光板との組み合わせによって２回反射光を弱めたとしても、２回反射光の受光強度の方が１回反射光の受光強度よりも大きかったり、２回反射光と１回反射光とで受光強度にほとんど差がなかったりする場合がある。例えば、１回反射光が弱い拡散光であるのに対し、２回反射光が物体で２回とも正反射した強い光であるという場合がある。この場合には、受光信号から２回反射光成分でなく１回反射光成分を誤って除去してしまうおそれがある。１回反射光成分が除去されると、誤った座標が算出される。
【０００８】
一方、上述の変調パターンの異なる複数のビームを投射する手法では、投射光学系が複雑で高価になる。
【０００９】
本発明の目的は、測定光として円偏光または楕円偏光を投射する３次元計測において、１回反射光と２回反射光との受光強度の大小関係にかかわらず確実に正しい計測結果を求めることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的を達成する３次元計測方法は、２種の光をそれぞれ光電変換して２つの信号を取得し、これら２つの信号を用いた信号処理によって一方の信号からそれに含まれる２回反射光成分を除去した信号を生成する。
【００１１】
取得する信号の組として、測定物体からの反射光をそれが含む１回反射光と２回反射光のどちらについても積極的には弱めないで光電変換することで得られる第１の信号と、測定物体からの反射光を２回反射光または１回反射光について選択的に弱めた後に光電変換することで得られる第２の信号の組がある。この組を取得する場合には、第１の信号から第２の信号との差の絶対値が設定値よりも小さい信号値を抽出する信号処理、または第２の信号から第１の信号との差の絶対値が設定値よりも小さい信号値を抽出する信号処理によって、２回反射光成分を除去した第３の信号を生成することができる。
【００１２】
また、取得する他の組として、測定物体からの反射光を１回反射光について選択的に弱めた後に光電変換することで得られる第１の信号と、測定物体からの反射光を２回反射光について選択的に弱めた後に光電変換することで得られる第２の信号の組がある。この組を取得する場合には、第２の信号から第１の信号よりも大きい信号値を抽出する信号処理によって、２回反射光成分を除去した信号を生成することができる。
【００１３】
どの組であっても、反射光を分岐させる光学系と２つの光電検知器を用いることによって、第１の信号と第２の信号を同時に取得することができる。また、第１の信号を取得するための測定光の投射および受光と、第２の信号を取得するための測定光の投射および受光とを、時間的にずらして行うこともできる。その場合は少なくとも先に取得した信号をメモリに記憶しておく。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、円偏光の回転方向が反射によって逆になる性質を利用して２回反射の影響を低減する３次元計測において、１回反射光と２回反射光との受光強度の大小関係にかかわらず正しい計測結果を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１６】
実施例１では、測定物体を光学的に走査する動作を２回行うことによって、２回反射光成分を除去した信号を生成するために比較する第１および第２の信号が取得される。
【００１７】
図１は実施例１に係る３次元位置計測装置１の構成を示す。
【００１８】
３次元位置計測装置１は、図示しない測定物体の形状を広く知られたスリット光投影法によって計測する。計測の結果は、外部のコンピュータ７０へオンラインまたはオフラインで転送される。
【００１９】
３次元位置計測装置１は、円偏光である測定光Ｌ１を測定物体に投射する投光手段１０を備える。投光手段１０は、レーザ発生部１２、コリメータレンズ１３、１／４波長板１４、円柱レンズ１５、およびガルバノスキャナ１６から構成される。
【００２０】
レーザ発生部１２は光源としてレーザダイオードをもち、直線偏光であるレーザ光を射出する。コリメータレンズ１３はレーザ光を平行光に整形する。１／４波長板１４は平行光となったレーザ光を円偏光に変換する。円柱レンズ１５は円偏光となったレーザ光のビーム断面を光軸と直交する方向に引き伸ばす。ガルバノスキャナ１６は円柱レンズ１５によってスリット光となったレーザ光（円偏光）を測定光Ｌ１として射出する。このガルバノスキャナ１６は、スキャナドライバ５２によって駆動されるガルバノミラーを備えており、ガルバノミラーの回動角度範囲内で測定光Ｌ１の投射角度を変更することができる。
【００２１】
投光手段１０によって投射された測定光Ｌ１は測定物体で反射する。そして、反射した測定光Ｌ１の一部が反射光Ｌ２として３次元位置計測装置１に戻る。
【００２２】
反射光Ｌ２は、結像のための受光レンズ２１、円偏光を直線偏光に変換する１／４波長板２３、および２種の信号を取得するための回転フィルタ２４を順に通過してエリアセンサ２２に入射する。
【００２３】
回転フィルタ２４は、本発明に特有の可動フィルタ機構であり、ガラス板２４１および偏光板２４２を支持する回転体をもち、ガラス板２４１または偏光板２４２を１／４波長板２３とエリアセンサ２２との間の光路に挿入する。回転フィルタ２４はモーターを内蔵した駆動ユニット２５によって駆動される。
【００２４】
エリアセンサ２２は、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）からなる受光面をもつ２次元撮像デバイスである。エリアセンサ２２は駆動回路５５からのクロックに従って動作し、受光面の各画素の受光強度を示す光電変換信号を出力する。
【００２５】
エリアセンサ２２の出力はＡ／Ｄ変換器５６によって所定ビットのデジタルの受光データに変換され、メモリ５８で一時的に記憶された後に、ＣＰＵ（Central Processing Unit）３１に取り込まれる。
【００２６】
ＣＰＵ３１はマイクロコンピュータとその動作に必要な周辺デバイスとからなり、
信号処理を担うデータプロセッサ３２および光学走査の制御を担うコントローラ３３として機能する。データプロセッサ３２およびコントローラ３３は、入出力ポートを含むハードウェアとプログラムを含むソフトウェアとによって構成される。
【００２７】
データプロセッサ３２は、２回反射光除去処理部４１、重心演算部４２、および３次元形状演算部４３を備える。２回反射光除去処理部４１は、本発明に特有の機能要素であり、後述の信号処理を行う。重心演算部４２は、計測の分解能を高めるために時間的または空間的なサンプリングデータの重心を求める公知の重心演算を行う。３次元形状演算部４３は、重心演算によって決まる投射角度と受光角度との組に基づいて測定物体上の測定点の座標を算定する。
【００２８】
コントローラ３３は、上述のレーザ発生部１２およびスキャナドライバ５２を制御する。スキャナドライバ５２に対しては、Ｄ／Ａ変換器５１を介して指示が与えられる。また、コントローラ３３は、上述の駆動ユニット２５および駆動回路５５を制御する撮像コントローラ５３にも指示を与える。
【００２９】
以上のように構成された３次元位置計測装置１の基本的な動作、およびスリット光投射法による計測の概要は次のとおりである。
【００３０】
測定光Ｌ１の投射角度を一定の割合で変化させながら、刻々と照射位置が変化する測定物体を一定周期で撮影する。撮影された各フレームの画像は、スリット光で照射された部位を示す輝線をもつ。照射された物体表面が平坦でなければ、輝線は物体表面の凹凸に応じて曲がる。エリアセンサ２２における受光面と受光レンズ２１との位置関係が既知であれば、受光面の各画素に入射する光の入射角度、すなわち各画素位置に対する受光角度も既知である。また、投射と撮影の時間的な関係が既知であれば、各フレームの撮影時刻における投射角度は既知である。したがって、基本的には、各フレームにおける輝線に対応する画素を調べることによって、三角測量演算に必要な投射角度と受光角度の組が決まる。１つのフレームから、原理的には受光面における１列分の画素数と同数の点の位置が求まる。
【００３１】
投射角度と受光角度の組を決めるにあたって重心演算を行う。重心演算には、空間重心演算と時間重心演算とがある。
【００３２】
空間重心演算は、輝線の幅方向に並ぶ複数の画素の受光データに基づいて、スリット光が入射したときの受光面におけるスリット幅方向の輝度中心を求める演算である。これを行うことにより、輝線の幅が１画素分以下となるようにする必要がなくなるとともに、受光面の画素ピッチで規定される分解能よりも高い分解能の計測が可能となる。空間重心演算を行う場合には、１フレーム内の上記輝線幅方向に並ぶ複数画素の受光データが、本発明の信号処理に係る信号を構成する。
【００３３】
時間重心演算は、複数のフレームのそれぞれにおける同一画素位置の画素の受光データに基づいて、当該画素位置の受光強度が最大となった時刻（投射開始からの経過時間）を求める演算である。時間重心演算によれば、空間重心演算とは違って、物体表面の反射率が不均一であっても正しく重心を求めることができる。時間重心演算を行う場合には、複数のフレームのそれぞれから抽出した同一画素位置の画素の受光データが、本発明の信号処理に係る信号を構成する。
【００３４】
以下、３次元位置計測装置１における本発明に特有の動作を説明する。
【００３５】
空間重心演算と時間重心演算のどちらであっても、演算に用いる受光データ集合（以下、信号という）は、画素位置または撮影時刻を横軸にとってデータ値（信号のレベル）をグラフ化した場合に、１つのピークのみをもつものでなくてはならない。２つ以上のピークがあれば、正しく重心を求めることはできない。
【００３６】
１回反射光と２回反射光とがエリアセンサ２２に入射した場合、エリアセンサ２２によって得られる信号は、上記要領でグラフ化すると、２つのピークをもつ。したがって、正しく重心を求めるために、重心演算に先立って信号を１つのピークのみをもつものに修正しなければならない。この修正を正しく行うために、以下に説明する要領で２種の信号が取得される。
【００３７】
図２は実施例１の光学系の構成を示す図である。
【００３８】
図２（Ａ）および（Ｂ）において、測定光Ｌ１は測定物体９で反射し、１回反射光Ｌ２１と２回反射光Ｌ２２とがエリアセンサ２２に向かう。１回反射光Ｌ２１は測定光Ｌ１と逆の方向に回転する円偏光であり、２回反射光Ｌ２２は測定光Ｌ１と同一の方向に回転する円偏光である。１／４波長板２３を通過することによって、１回反射光Ｌ２１は第１方向に偏った直線偏光になり、２回反射光Ｌ２２は第１方向と直交する第２方向に偏った直線偏光になる。
【００３９】
３次元位置計測装置１は測定物体９に対して光学走査を２回行う。
【００４０】
２回のうちのどちらかの光学走査（例えば１回目）では、図２（Ａ）のように１／４波長板２３とエリアセンサ２２との間の光路にガラス板２４１が配置される。この回の光学走査では、１回反射光Ｌ２１および２回反射光Ｌ２２が実質的に同様にガラス板２４１を透過してエリアセンサ２２に入射する。この光学走査においてエリアセンサ２２によって得られる光電変換信号が第１の信号として取得される。第１の信号は、１回反射光Ｌ２１および２回反射光Ｌ２２の両方を弱めない場合の受光情報である。
【００４１】
他方の光学走査（例えば２回目）では、図２（Ｂ）のように１／４波長板２３とエリアセンサ２２との間の光路に偏光板２４２が配置される。あらかじめ回転フィルタ２４には、偏光板２４２を光路に配置したときに１回反射光Ｌ２１を透過させて２回反射光Ｌ２２を遮断するように偏光方向を選定して偏光板２４２が組み付けられている。しかし、偏光板２４２によって２回反射光Ｌ２２を完全に遮断することはできない。この光学走査では、偏光板２４２を透過した１回反射光Ｌ２１および偏光板２４２で弱められた２回反射光Ｌ２２がエリアセンサ２２に入射する。この光学走査においてエリアセンサ２２によって得られる光電変換信号が第２の信号として取得される。第２の信号は、２回反射光Ｌ２２を選択的に弱めた場合の受光情報である。
【００４２】
図３は実施例１の信号処理の原理を示す図である。
【００４３】
横軸に走査中の経過時間（時間重心演算の場合）または受光画素位置（空間重心演算の場合）をとり、縦軸に受光信号強度をとって受光データをプロットすると、図３（Ａ）のグラフが得られる。図３（Ａ）中の実線の曲線は偏光板２４２を光路に配置しないときの信号（上記第１の信号）を示し、破線の曲線は偏光板２４２を光路に配置したときの信号（上記第２の信号）を示す。図３では便宜的に信号を曲線で表されているが、実際に得られる受光データは、エリアセンサ２２による撮影のフレーム周期、または受光面の画素位置ごとにサンプリングされる離散データである。
【００４４】
図３（Ａ）において、第１の信号および第２の信号はともに２つのピークをもつ。２回の走査で測定物体との位置関係に変わりがなければ、ピークの横軸位置は２つの信号の間で実質的に同一である。各信号において、２つのピークの片方は１回反射光Ｌ２１に対応し、残りの片方が２回反射光Ｌ２２に対応する。
【００４５】
第１の信号（実線）では、図中左側のピークのレベル（信号値）と右側のピークのレベルとに大差はない。これに対して、第２の信号（破線）では、左側と比べて右側のピークのレベルが大幅に低い。しかし、第１の信号のみは言うに及ばず、第２の信号のみをみる限りは、２つのピークのどちらが１回反射光Ｌ２１に対応するかは明らかではない。それは、偏光板２４２に入射する時点で１回反射光Ｌ２１よりも２回反射光Ｌ２２が極端に強く、そのために偏光板２４２で弱まってもなお２回反射光Ｌ２２が１回反射光Ｌ２１よりも強いことがあり得るからである。
【００４６】
そこで、第１の信号と第２の信号とを比較する。そうすると、例示では、左側のピークどうしのレベル差ｓ１と比べて右側のピークどうしのレベル差ｓ２が大きい。レベル差が大きいということは偏光板２４２で弱まったことを意味する。このことから右側のピークが２回反射光Ｌ２２に対応することが判る。
【００４７】
このようにして各信号における１回反射光Ｌ２１に対応する部分（１回反射光成分）と２回反射光Ｌ２２に対応する部分（２回反射光成分）とを識別し、第１の信号または第２の信号から２回反射光成分を除去することによって、図３（Ｂ）に示されるような１回反射光のみの受光情報である第３の信号を生成することができる。
【００４８】
２回反射光成分を除去する信号処理としては、第１の信号から第２の信号との差の絶対値が設定閾値よりも小さい信号値を抽出する処理、または第２の信号から第１の信号との差の絶対値が設定閾値よりも小さい信号値を抽出する処理がある。ただし、前者の方が後者と比べてダイナミックレンジの広い信号を得ることができる。
【００４９】
図４は実施例１に係る３次元位置計測装置１の動作を示すフローチャートである。
【００５０】
第１の信号を取得するために、ガラス板２４１を受光光路に挿入して１回目の走査を行う（＃１１）。そのとき、取得した第１の信号をメモリ５８によって記憶しておく（＃１２）。続いて、第２の信号を取得するために、偏光板２４２を受光光路に挿入して２回目の走査を行う（＃１３）。
【００５１】
第１の信号および第２の信号を、データプロセッサ３２の２回反射光除去処理部４１に取り込み、第３の信号を求める信号処理を行う。すなわち、まず、単位時間（例えばフレーム周期）または受光面の画素ごとに比較して信号のレベル差を求める（＃１４）。そして、レベル差が設定された閾値以下であれば、比較したレベルを有効とし、閾値以下でなければ比較したレベルを無効とする（＃１５、＃１６、＃１７）。レベル差の算出および閾値との比較を第１の信号および第２の信号の全体について行う（＃１８）。有効としたレベルの集合が第３の信号となる。
【００５２】
そして、第３の信号を重心演算部４２に取り込んで時間重心または空間重心を算出し、その結果を３次元形状演算部４３に取り込んで三角測量の原理に基づく座標演算を行う（＃１９）。
【００５３】
以上の実施例１において、１回反射光および２回反射光を共に弱めない第１の信号を取得するときには、１／４波長板２３を光路に挿入する必要はない。すなわち、第２の信号を取得するときのみ、１／４波長板２３を光路に挿入すればよい。したがって、回転フィルタ２４の前側に１／４波長板２３を固定的に配置する代わりに、偏光板２４２の前側に配置されるように１／４波長板２３を回転フィルタ２４に取り付けてもよい。または回転フィルタ２４に連動する移動機構に１／４波長板２３を取り付けて、偏光板２４２と１／４波長板２３とを光路に挿入しまたは光路から待避させてもよい。
【実施例２】
【００５４】
実施例２においても、測定物体を光学的に走査する動作を２回行うことによって、２回反射光成分を除去した信号を生成するために比較する第１および第２の信号が取得される。
【００５５】
図５は実施例２に係る３次元位置計測装置２の構成を示す。図５において、図１の例と同一の機能をもつ構成要素には共通の符合が付されている。以下では記載の重複を避けるために、これら構成要素の説明を省略または簡略にする。
【００５６】
３次元位置計測装置２は、２種の信号を取得するための回転フィルタ２４ｂを備える。実施例１との比較において、回転フィルタ２４ｂを回転フィルタ２４に代えて備える点が実施例２の特徴である。
【００５７】
回転フィルタ２４ｂは、偏光板２４２および偏光板２４３を支持する回転体をもち、偏光板２４２または偏光板２４３を１／４波長板２３とエリアセンサ２２との間の光路に挿入する。
【００５８】
反射光Ｌ２は、受光レンズ２１、１／４波長板２３、および回転フィルタ２４ｂを順に通過してエリアセンサ２２に入射する。エリアセンサ２２の出力はＡ／Ｄ変換器５６によって所定ビットのデジタルの受光データに変換され、メモリ５８で一時的に記憶された後に、ＣＰＵ３１ｂに取り込まれる。
【００５９】
ＣＰＵ３１ｂはデータプロセッサ３２ｂの機能を有する。データプロセッサ３２ｂは、２回反射光除去処理部４１ｂ、重心演算部４２、および３次元形状演算部４３を備える。
【００６０】
以上の構成要素を含む３次元位置計測装置２は、測定物体に対して光学走査を２回行う。
【００６１】
２回のうちのどちらかの光学走査（例えば１回目）では、１／４波長板２３とエリアセンサ２２との間の光路に偏光板２４３が配置される。あらかじめ回転フィルタ２４には、偏光板２４３を光路に配置したときに１回反射光Ｌ２１を遮断して２回反射光Ｌ２２を透過させるように偏光方向を選定して偏光板２４３が組み付けられている。この回の光学走査では、偏光板２４３で弱められた１回反射光Ｌ２１および偏光板２４３を透過した２回反射光Ｌ２２がエリアセンサ２２に入射する。この光学走査においてエリアセンサ２２によって得られる光電変換信号が第１の信号として取得される。本実施例２における第１の信号は、１回反射光Ｌ２１を選択的に弱めた場合の受光情報である。
【００６２】
他方の光学走査（例えば２回目）では、１／４波長板２３とエリアセンサ２２との間の光路に偏光板２４２が配置される。この回の光学走査では、偏光板２４２を透過した１回反射光Ｌ２１および偏光板２４２で弱められた２回反射光Ｌ２２がエリアセンサ２２に入射する。この光学走査においてエリアセンサ２２によって得られる光電変換信号が第２の信号として取得される。第２の信号は、２回反射光Ｌ２２を選択的に弱めた場合の受光情報である。
【００６３】
図６は実施例２の信号処理の原理を示す図である。
【００６４】
横軸に走査中の経過時間（時間重心演算の場合）または受光画素位置（空間重心演算の場合）をとり、縦軸に受光信号強度をとって受光データをプロットすると、図６（Ａ）のグラフが得られる。図６（Ａ）中の実線の曲線は偏光板２４３を光路に配置して１回反射光Ｌ２１を弱めたときの信号（上記第１の信号）を示し、破線の曲線は偏光板２４２を光路に配置して２回反射光Ｌ２２を弱めたときの信号（上記第２の信号）を示す。図６では便宜的に信号を曲線で表されているが、実際に得られる受光データは、エリアセンサ２２による撮影のフレーム周期、または受光面の画素位置ごとにサンプリングされる離散データである。
【００６５】
図６（Ａ）において、第１の信号および第２の信号はともに２つのピークをもつ。２回の走査で測定物体との位置関係に変わりがなければ、ピークの横軸位置は２つの信号の間で実質的に同一である。各信号において、２つのピークの片方は１回反射光Ｌ２１に対応し、残りの片方が２回反射光Ｌ２２に対応する。
【００６６】
第１の信号（実線）では、図中右側と比べて左側のピークのレベルが大幅に低い。逆に第２の信号（破線）では、左側と比べて右側のピークのレベルが大幅に低い。しかし、第１の信号でも第２の信号でも、どちらか１つの信号のみをみる限りは、２つのピークのどちらが１回反射光Ｌ２１に対応するかは明らかではない。その理由は実施例１と同じである。
【００６７】
そこで、第１の信号と第２の信号とを比較する。そうすると、例示では、左側のピークどうしでは第２の信号のレベルが高く、右側のピークどうしでは第１の信号のレベルが高い。このことから、右側のピークレベルが偏光板２４２によって下がったこと、すなわち右側のピークが２回反射光Ｌ２２に対応することが判る。
【００６８】
このようにして各信号における１回反射光Ｌ２１に対応する部分（１回反射光成分）と２回反射光Ｌ２２に対応する部分（２回反射光成分）とを識別し、第１の信号または第２の信号から２回反射光成分を除去することによって、図６（Ｂ）に示されるような１回反射光のみの受光情報である第３の信号を生成することができる。
【００６９】
２回反射光成分を除去する信号処理としては、第２の信号から第１の信号よりも大きい信号値を抽出する処理がある。これは、第１の信号から第２の信号よりも小さい信号値を抽出する処理よりも得られる信号のダイナミックレンジが広いという利点を有する。
【００７０】
図７は実施例２に係る３次元位置計測装置２の動作を示すフローチャートである。
【００７１】
第１の信号を取得するために、偏光板２４３を受光光路に挿入して１回目の走査を行う（＃２１）。そのとき、取得した第１の信号をメモリ５８によって記憶しておく（＃２２）。続いて、第２の信号を取得するために、偏光板２４２を受光光路に挿入して２回目の走査を行う（＃２３）。
【００７２】
第１の信号および第２の信号を、データプロセッサ３２ｂの２回反射光除去処理部４１ｂに取り込み、第３の信号を求める信号処理を行う。すなわち、まず、単位時間（例えばフレーム周期）または受光面の画素ごとに、２つの信号のレベルを比較する（＃２４）。そして、２回反射光を遮断したときのレベル（第２の信号のレベル）が１回反射光を遮断したときのレベル（第１の信号のレベル）よりも高ければ、第２の信号のレベルを有効とし、そうでなければ無効とする（＃２５、＃２６、＃２７）。レベルの比較を第１の信号および第２の信号の全体について行う（＃２８）。第２の信号における有効としたレベルの集合が第３の信号となる。
【００７３】
そして、第３の信号を重心演算部４２に取り込んで時間重心または空間重心を算出し、その結果を３次元形状演算部４３に取り込んで三角測量の原理に基づく座標演算を行う（＃２９）。
【実施例３】
【００７４】
実施例３では、反射光を分岐させる光学デバイスおよび２つの光電検知器を用いることによって、２回反射光成分を除去した信号を生成するために比較する第１および第２の信号が１回の走査において同時に取得される。
【００７５】
図８は実施例３に係る３次元位置計測装置３の構成を示す。図８において、図１の例と同一の機能をもつ構成要素には共通の符合が付されている。以下では記載の重複を避けるために、これら構成要素の説明を省略または簡略にする。
【００７６】
３次元位置計測装置３は、２種の信号を取得するための要素として、ハーフプリズム２７、第２光検出器となるエリアセンサ２６、および偏光板２８を備える。これら要素を回転フィルタ２４に代えて備える点が、実施例１と比較したときの実施例３の特徴である。
【００７７】
ハーフプリズム２７は、１／４波長板２３と第１光検出器であるエリアセンサ２２との間に配置され、１／４波長板２３を通過した反射光Ｌ２をほぼ同一光量の第１分岐反射光と第２分岐反射光とに分ける。ハーフプリズム２７は第１分岐反射光がエリアセンサ２２に入射するように配置されている。ただし、ハーフプリズム２７を透過する光とハーフプリズム２７の内部で反射する光のどちらを第１分岐反射光とするかは任意である。
【００７８】
エリアセンサ２６はエリアセンサ２２と同一構成の２次元撮像デバイスであり、ハーフプリズム２７から射出する上記第２分岐反射光が入射する位置に配置されている。
【００７９】
偏光板２８は、ハーフプリズム２７とエリアセンサ２６との間に、第２分岐反射光に含まれる１回反射光を透過させかつ２回反射光を遮断するように偏光方向を選定して配置されている。
【００８０】
３次元位置計測装置３において、エリアセンサ２２およびエリアセンサ２６は駆動回路５５ｃからのクロックに従って動作する。エリアセンサ２２の出力はＡ／Ｄ変換器５６によって受光データに変換され、第１の信号としてメモリ５９で一時的に記憶される。エリアセンサ２６の出力はＡ／Ｄ変換器５７によって受光データに変換され、第２の信号としてメモリ５９で一時的に記憶される。その後、第１の信号および第２の信号はＣＰＵ３１ｃに取り込まれる。
【００８１】
ＣＰＵ３１ｃは、データプロセッサ３２ｃおよびコントローラ３３ｃとして機能する。データプロセッサ３２ｃは、２回反射光除去処理部４１ｃ、重心演算部４２、および３次元形状演算部４３を備える。コントローラ３３ｃは、レーザ発生部１２、スキャナドライバ５２、および撮像コントローラ５３ｃを制御する。撮像コントローラ５３ｃは駆動回路５５ｃの制御を受け持つ。
【００８２】
図９は実施例３の光学系の構成を示す図である。
【００８３】
図９において、測定光Ｌ１は測定物体９で反射し、１回反射光Ｌ２１と２回反射光Ｌ２２とがハーフプリズム２７に向かう。１回反射光Ｌ２１は測定光Ｌ１と逆の方向に回転する円偏光であり、２回反射光Ｌ２２は測定光Ｌ１と同一の方向に回転する円偏光である。１／４波長板２３を通過することによって、１回反射光Ｌ２１は第１方向に偏った直線偏光になり、２回反射光Ｌ２２は第１方向と直交する第２方向に偏った直線偏光になる。
【００８４】
１回反射光Ｌ２１はハーフプリズム２７で分岐してエリアセンサ２２およびエリアセンサ２６に向かう。同様に、２回反射光Ｌ２２もハーフプリズム２７で分岐してエリアセンサ２２およびエリアセンサ２６に向かう。
【００８５】
エリアセンサ２２に向かう１回反射光Ｌ２１および２回反射光Ｌ２２は、そのままエリアセンサ２２に入射する。エリアセンサ２２によって得られる光電変換信号が第１の信号として取得される。第１の信号は、１回反射光Ｌ２１および２回反射光Ｌ２２の両方を弱めない場合の受光情報である。
【００８６】
一方、エリアセンサ２６に向かう１回反射光Ｌ２１および２回反射光Ｌ２２のうち、２回反射光Ｌ２２は偏光板２８によって遮断される。しかし、偏光板２８によって２回反射光Ｌ２２を完全に遮断することはできない。エリアセンサ２６には、偏光板２８を透過した１回反射光Ｌ２１および偏光板２８で弱められた２回反射光Ｌ２２が入射する。エリアセンサ２６によって得られる光電変換信号が第２の信号として取得される。第２の信号は、２回反射光Ｌ２２を選択的に弱めた場合の受光情報である。
【００８７】
本実施例３においては、図３で示される原理に基づく上記実施例１と同一の信号処理によって、第１の信号および第２の信号から２回反射光成分を除去した第３の信号を生成することができる。
【００８８】
図１０は実施例３に係る３次元位置計測装置３の動作を示すフローチャートである。
【００８９】
第１の信号および第２の信号を取得するために、測定物体の走査を行う（＃３１）。
【００９０】
第１の信号および第２の信号を、データプロセッサ３２ｃの２回反射光除去処理部４１ｃに取り込み、第３の信号を求める信号処理を行う。すなわち、まず、単位時間（例えばフレーム周期）または受光面の画素ごとに比較して信号のレベル差を求める（＃３２）。そして、レベル差が設定された閾値以下であれば、比較したレベルを有効とし、閾値以下でなければ比較したレベルを無効とする（＃３３、＃３４、＃３５）。レベル差の算出および閾値との比較を第１の信号および第２の信号の全体について行う（＃３６）。有効としたレベルの集合が第３の信号となる。
【００９１】
そして、第３の信号を重心演算部４２に取り込んで時間重心または空間重心を算出し、その結果を３次元形状演算部４３に取り込んで三角測量の原理に基づく座標演算を行う（＃３７）。
【００９２】
以上の実施例３において、１回反射光および２回反射光を共に弱めない第１の信号を取得するときには、１／４波長板２３を光路に挿入する必要はない。すなわち、第２の信号を取得するときのみ、１／４波長板２３を光路に挿入すればよい。したがって、ハーフプリズム２７の前側に１／４波長板２３を配置する代わりに、ハーフプリズム２７と偏光板２８との間に１／４波長板２３を配置してもよい。
【実施例４】
【００９３】
実施例４においても、反射光を分岐させる光学デバイスおよび２つの光電検知器を用いることによって、２回反射光成分を除去した信号を生成するために比較する第１および第２の信号が１回の走査において同時に取得される。
【００９４】
図１１は実施例４に係る３次元位置計測装置４の構成を示す。図１１において、図１の例または図８と同一の機能をもつ構成要素には共通の符合が付されている。以下では記載の重複を避けるために、これら構成要素の説明を省略または簡略にする。
【００９５】
３次元位置計測装置３は、２種の信号を取得するための要素として、偏光ビームスプリッタ２９、および第２光検出器となるエリアセンサ２６を備える。これら要素を回転フィルタ２４に代えて備える点が、実施例１と比較したときの実施例４の特徴である。
【００９６】
偏光ビームスプリッタ２９は、１／４波長板２３と第１光検出器であるエリアセンサ２２との間に配置されている。偏光ビームスプリッタ２９において、１／４波長板を通過した反射光が、１回反射光を弱めた第１分岐反射光と２回反射光を弱めた第２分岐反射光とに分かれる。第１分岐反射光はエリアセンサ２２に入射し、第２分岐反射光はエリアセンサ２６に入射する。
【００９７】
３次元位置計測装置４において、エリアセンサ２２の出力はＡ／Ｄ変換器５６によって受光データに変換され、第１の信号としてメモリ５９で一時的に記憶される。エリアセンサ２６の出力はＡ／Ｄ変換器５７によって受光データに変換され、第２の信号としてメモリ５９で一時的に記憶される。その後、第１の信号および第２の信号はＣＰＵ３１ｄに取り込まれる。
【００９８】
ＣＰＵ３１ｄはデータプロセッサ３２ｄおよびコントローラ３３ｃとして機能する。データプロセッサ３２ｄは、２回反射光除去処理部４１ｄ、重心演算部４２、および３次元形状演算部４３を備える。
【００９９】
図１２は実施例４の光学系の構成を示す図である。
【０１００】
図１２において、測定光Ｌ１は測定物体９で反射し、１回反射光Ｌ２１と２回反射光Ｌ２２とが偏光ビームスプリッタ２９に向かう。１回反射光Ｌ２１は測定光Ｌ１と逆の方向に回転する円偏光であり、２回反射光Ｌ２２は測定光Ｌ１と同一の方向に回転する円偏光である。１／４波長板２３を通過することによって、１回反射光Ｌ２１は第１方向に偏った直線偏光になり、２回反射光Ｌ２２は第１方向と直交する第２方向に偏った直線偏光になる。
【０１０１】
偏光ビームスプリッタ２９は入射した光をエリアセンサ２２へ向かう光とエリアセンサ２６へ向かう光とに分岐させるとともに、エリアセンサ２２へ向かう光のうちの１回反射光Ｌ２１を遮断し、エリアセンサ２６へ向かうは２回反射光Ｌ２２を遮断する。しかし、遮断は完全ではない。エリアセンサ２２には、偏光ビームスプリッタ２９で弱められた１回反射光Ｌ２１および偏光ビームスプリッタ２９を透過した２回反射光Ｌ２２が入射する。エリアセンサ２６には、偏光ビームスプリッタ２９を透過した１回反射光Ｌ２１および偏光ビームスプリッタ２９で弱められた２回反射光Ｌ２２が入射する。
【０１０２】
エリアセンサ２２によって得られる光電変換信号が第１の信号として取得され、エリアセンサ２６によって得られる光電変換信号が第２の信号として取得される。第１の信号は１回反射光Ｌ２１を選択的に弱めた場合の受光情報である。第２の信号は２回反射光Ｌ２２を選択的に弱めた場合の受光情報である。
【０１０３】
本実施例４においては、図６で示される原理に基づく上記実施例２と同一の信号処理によって、第１の信号および第２の信号から２回反射光成分を除去した第３の信号を生成することができる。
【０１０４】
図１３は実施例４に係る３次元位置計測装置４の動作を示すフローチャートである。
【０１０５】
第１の信号および第２の信号を取得するために、測定物体の走査を行う（＃４１）。
【０１０６】
第１の信号および第２の信号を、データプロセッサ３２ｄの２回反射光除去処理部４１ｄに取り込み、第３の信号を求める信号処理を行う。すなわち、まず、単位時間（例えばフレーム周期）または受光面の画素ごとに２つの信号のレベルを比較する（＃４２）。そして、２回反射光を遮断したときのレベル（第２の信号のレベル）が１回反射光を遮断したときのレベル（第１の信号のレベル）よりも高ければ、第２の信号のレベルを有効とし、そうでなければ無効とする（＃４３、＃４４、＃４５）。レベルの比較を第１の信号および第２の信号の全体について行う（＃４６）。第２の信号における有効としたレベルの集合が第３の信号となる。
【実施例５】
【０１０７】
実施例５においては、測定物体を光学的に走査する動作を２回行うことによって、２回反射光成分を除去した信号を生成するために比較する第１および第２の信号が取得される。
【０１０８】
図１４は実施例５に係る３次元位置計測装置５の構成を示す。図１４において、図１の例と同一の機能をもつ構成要素には共通の符合が付されている。以下では記載の重複を避けるために、これら構成要素の説明を省略または簡略にする。
【０１０９】
３次元位置計測装置５は、２種の信号を取得するための回転フィルタ２４ｅを備える。実施例１との比較において、回転フィルタ２４ｅを回転フィルタ２４に代えて備える点が実施例５の特徴である。
【０１１０】
回転フィルタ２４ｅは、ガラス板２４１および偏光板２４３を支持する回転体をもち、ガラス板２４１または偏光板２４３を１／４波長板２３とエリアセンサ２２との間の光路に挿入する。
【０１１１】
反射光Ｌ２は、受光レンズ２１、１／４波長板２３、および回転フィルタ２４ｅを順に通過してエリアセンサ２２に入射する。エリアセンサ２２の出力はＡ／Ｄ変換器５６によって所定ビットのデジタルの受光データに変換され、メモリ５８で一時的に記憶された後に、ＣＰＵ３１ｅに取り込まれる。
【０１１２】
ＣＰＵ３１ｅはデータプロセッサ３２ｅの機能を有する。データプロセッサ３２ｅは、２回反射光除去処理部４１ｅ、重心演算部４２、および３次元形状演算部４３を備える。
【０１１３】
以上の構成要素を含む３次元位置計測装置５は、測定物体に対して光学走査を２回行う。
【０１１４】
２回のうちのどちらかの光学走査（例えば１回目）では、１／４波長板２３とエリアセンサ２２との間の光路にガラス板２４１が配置される。この回の光学走査では、１回反射光Ｌ２１および２回反射光Ｌ２２が実質的に同様にガラス板２４１を透過してエリアセンサ２２に入射する。この光学走査においてエリアセンサ２２によって得られる光電変換信号が第１の信号として取得される。第１の信号は、１回反射光Ｌ２１および２回反射光Ｌ２２の両方を弱めない場合の受光情報である。
【０１１５】
他方の光学走査（例えば２回目）では、１／４波長板２３とエリアセンサ２２との間の光路に偏光板２４３が配置される。あらかじめ回転フィルタ２４ｅには、偏光板２４３を光路に配置したときに２回反射光Ｌ２２を透過させて１回反射光Ｌ２１を遮断するように偏光方向を選定して偏光板２４３が組み付けられている。しかし、偏光板２４３によって１回反射光Ｌ２１を完全に遮断することはできない。この光学走査では、偏光板２４３を透過した２回反射光Ｌ２２および偏光板２４３で弱められた１回反射光Ｌ２１がエリアセンサ２２に入射する。この光学走査においてエリアセンサ２２によって得られる光電変換信号が第２の信号として取得される。第２の信号は、１回反射光Ｌ２１を選択的に弱めた場合の受光情報である。
【０１１６】
図１５は実施例５の信号処理の原理を示す図である。
【０１１７】
横軸に走査中の経過時間（時間重心演算の場合）または受光画素位置（空間重心演算の場合）をとり、縦軸に受光信号強度をとって受光データをプロットすると、図１５（Ａ）のグラフが得られる。図１５（Ａ）中の実線の曲線は偏光板２４３を光路に配置しないときの信号（上記第１の信号）を示し、破線の曲線は偏光板２４３を光路に配置して１回反射光Ｌ２１を弱めたときの信号（上記第２の信号）を示す。図１５では便宜的に信号を曲線で表されているが、実際に得られる受光データは、エリアセンサ２２による撮影のフレーム周期、または受光面の画素位置ごとにサンプリングされる離散データである。
【０１１８】
図１５（Ａ）において、第１の信号および第２の信号はともに２つのピークをもつ。２回の走査で測定物体との位置関係に変わりがなければ、ピークの横軸位置は２つの信号の間で実質的に同一である。各信号において、２つのピークの片方は１回反射光Ｌ２１に対応し、残りの片方が２回反射光Ｌ２２に対応する。
【０１１９】
第１の信号（実線）では、図中左側のピークのレベル（信号値）と右側のピークのレベルとに大差はない。これに対して、第２の信号（破線）では、右側と比べて左側のピークのレベルが大幅に低い。しかし、第１の信号のみは言うに及ばず、第２の信号のみをみる限りは、２つのピークのどちらが１回反射光Ｌ２１に対応するかは明らかではない。その理由は実施例１と同じである。
【０１２０】
そこで、第１の信号と第２の信号とを比較する。そうすると、例示では、左側のピークどうしのレベル差ｓ３と比べて、右側のピークどうしのレベル差ｓ４が小さい。レベル差が小さいということは偏光板２４３で弱まっていないことを意味する。このことから右側のピークが２回反射光Ｌ２２に対応することが判る。
【０１２１】
このようにして各信号における１回反射光Ｌ２１に対応する部分（１回反射光成分）と２回反射光Ｌ２２に対応する部分（２回反射光成分）とを識別し、第１の信号または第２の信号から２回反射光成分を除去することによって、図１５（Ｂ）に示されるような１回反射光のみの受光情報である第３の信号を生成することができる。
【０１２２】
２回反射光成分を除去する信号処理としては、第１の信号から第２の信号との差の絶対値が設定閾値よりも大きい信号値を抽出する処理、または第２の信号から第１の信号との差の絶対値が設定閾値よりも大きい信号値を抽出する処理がある。ただし、前者の方が後者と比べてダイナミックレンジの広い信号を得ることができる。
【０１２３】
図１６は実施例５に係る３次元位置計測装置５の動作を示すフローチャートである。
【０１２４】
第１の信号を取得するために、ガラス板２４１を受光光路に挿入して１回目の走査を行う（＃５１）。そのとき、取得した第１の信号をメモリ５８によって記憶しておく（＃５２）。続いて、第２の信号を取得するために、偏光板２４３を受光光路に挿入して２回目の走査を行う（＃５３）。
【０１２５】
第１の信号および第２の信号を、データプロセッサ３２ｅの２回反射光除去処理部４１ｅに取り込み、第３の信号を求める信号処理を行う。すなわち、まず、単位時間（例えばフレーム周期）または受光面の画素ごとに比較して信号のレベル差を求める（＃５４）。そして、レベル差の絶対値が設定された閾値以上であれば、比較したレベルを有効とし、閾値以上でなければ比較したレベルを無効とする（＃５５、＃５６、＃５７）。レベル差の算出および閾値との比較を第１の信号および第２の信号の全体について行う（＃５８）。有効としたレベルの集合が第３の信号となる。
【０１２６】
そして、第３の信号を重心演算部４２に取り込んで時間重心または空間重心を算出し、その結果を３次元形状演算部４３に取り込んで三角測量の原理に基づく座標演算を行う（＃５９）。
【０１２７】
以上の実施例５において、１回反射光および２回反射光を共に弱めない第１の信号を取得するときには、１／４波長板２３を光路に挿入する必要はない。すなわち、第２の信号を取得するときのみ、１／４波長板２３を光路に挿入すればよい。したがって、回転フィルタ２４ｅの前側に１／４波長板２３を固定的に配置する代わりに、偏光板２４３の前側に配置されるように１／４波長板２３を回転フィルタ２４ｅに取り付けてもよい。または回転フィルタ２４ｅに連動する移動機構に１／４波長板２３を取り付けて、偏光板２４３と１／４波長板２３とを光路に挿入しまたは光路から待避させてもよい。
【実施例６】
【０１２８】
実施例６においては、反射光を分岐させる光学デバイスおよび２つの光電検知器を用いることによって、２回反射光成分を除去した信号を生成するために比較する第１および第２の信号が１回の走査において同時に取得される。
【０１２９】
図１７は実施例６に係る３次元位置計測装置６の構成を示す。図１７において、図１の例と同一の機能をもつ構成要素には共通の符合が付されている。以下では記載の重複を避けるために、これら構成要素の説明を省略または簡略にする。
【０１３０】
３次元位置計測装置６は、２種の信号を取得するための要素として、ハーフプリズム２７、第２光検出器となるエリアセンサ２６、および偏光板２８ｆを備える。これら要素を回転フィルタ２４に代えて備える点が、実施例１と比較したときの実施例６の特徴であり、偏光板２８に代えて偏光板２８ｆを備える点が、実施例３と比較したときの実施例６の特徴である。
【０１３１】
ハーフプリズム２７は、１／４波長板２３とエリアセンサ２２との間に配置され、１／４波長板２３を通過した反射光Ｌ２をほぼ同一光量の第１分岐反射光と第２分岐反射光とに分ける。ハーフプリズム２７は第１分岐反射光がエリアセンサ２２に入射するように配置されている。ただし、ハーフプリズム２７を透過する光とハーフプリズム２７の内部で反射する光のどちらを第１分岐反射光とするかは任意である。
【０１３２】
エリアセンサ２６はハーフプリズム２７から射出する上記第２分岐反射光が入射する位置に配置されている。
【０１３３】
偏光板２８ｆは、ハーフプリズム２７とエリアセンサ２６との間に、第２分岐反射光に含まれる２回反射光を透過させかつ１回反射光を遮断するように偏光方向を選定して配置されている。
【０１３４】
３次元位置計測装置６において、エリアセンサ２２の出力は第１の信号として、エリアセンサ２６の出力は第２の信号として、それぞれＣＰＵ３１ｆに取り込まれる。
【０１３５】
ＣＰＵ３１ｆは、データプロセッサ３２ｆおよびコントローラ３３ｃとして機能する。データプロセッサ３２ｆは、２回反射光除去処理部４１ｆ、重心演算部４２、および３次元形状演算部４３を備える。
【０１３６】
本実施例６においては、図１５で示される原理に基づく上記実施例５と同一の信号処理によって、第１の信号および第２の信号から２回反射光成分を除去した第３の信号を生成することができる。
【０１３７】
図１８は実施例６に係る３次元位置計測装置６の動作を示すフローチャートである。
【０１３８】
第１の信号および第２の信号を取得するために、測定物体の走査を行う（＃６１）。
【０１３９】
第１の信号および第２の信号を、データプロセッサ３２ｆの２回反射光除去処理部４１ｆに取り込み、第３の信号を求める信号処理を行う。すなわち、まず、単位時間（例えばフレーム周期）または受光面の画素ごとに比較して信号のレベル差を求める（＃３２）。そして、レベル差の絶対値が設定された閾値以上であれば、比較したレベルを有効とし、閾値以上でなければ比較したレベルを無効とする（＃６３、＃６４、＃６５）。レベル差の算出および閾値との比較を第１の信号および第２の信号の全体について行う（＃６６）。有効としたレベルの集合が第３の信号となる。
【０１４０】
そして、第３の信号を重心演算部４２に取り込んで時間重心または空間重心を算出し、その結果を３次元形状演算部４３に取り込んで三角測量の原理に基づく座標演算を行う（＃６７）。
【０１４１】
以上の実施例６において、１回反射光および２回反射光を共に弱めない第１の信号を取得するときには、１／４波長板２３を光路に挿入する必要はない。すなわち、第２の信号を取得するときのみ、１／４波長板２３を光路に挿入すればよい。したがって、ハーフプリズム２７の前側に１／４波長板２３を配置する代わりに、ハーフプリズム２７と偏光板２８ｆとの間に１／４波長板２３を配置してもよい。
【０１４２】
上述の実施例１〜６によれば、複数のビームを投射する必要がないので、複雑な投光手段を用いる必要もない。実施例３，４，６によれば、１回の走査で２回反射光成分を除去した信号が得られるので、２回の走査を必要とする実施例１，２，５と比べて計測の所要時間を短くすることができる。
【０１４３】
上記実施例１〜６においては測定光Ｌ１を円偏光としたが、測定光Ｌ１の偏光状態が楕円偏光であってもよい。円偏光に近づくほど、受光側の１／４波長板２３を通過した１回反射光または２回反射光を偏光デバイスで遮断する際の遮断率が大きくなるものの、楕円偏光であっても、受光側の１／４波長板２３の光軸回転方向および偏光デバイス回転方向の少なくとも一方を調整することにより、１回反射光または２回反射光を選択的に弱めることができる。
【０１４４】
上記実施例１〜６において、３次元位置計測装置１〜６の全体又は各部の構成、信号処理内容などは、本発明の主旨に沿って適宜変更することができる。例えば、実施例１の回転フィルタ２４に代えて、ガラス板２４１および偏光板２４２を並進移動させる可動フィルタ機構を採用することができる。実施例２、５の回転フィルタ２４ｂ，２４ｅについても同様である。また、実施例１，２，５において、第１の信号を得るための走査と第２の信号を得るための走査のどちらを先に行ってもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明は、１回反射光だけでなく２回反射光も受光され、しかも１回反射光よりも２回反射光の受光強度が大きい場合であっても正しい計測を行うことができるので、３次元位置計測装置の用途の拡大に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１４６】
【図１】実施例１に係る３次元位置計測装置の構成を示す図である。
【図２】実施例１の光学系の構成を示す図である。
【図３】実施例１の信号処理の原理を示す図である。
【図４】実施例１に係る３次元位置計測装置１の動作を示すフローチャートである。
【図５】実施例２に係る３次元位置計測装置の構成を示す図である。
【図６】実施例２の信号処理の原理を示す図である。
【図７】実施例２に係る３次元位置計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図８】実施例３に係る３次元位置計測装置の構成を示す図である。
【図９】実施例３の光学系の構成を示す図である。
【図１０】実施例３に係る３次元位置計測装置３の動作を示すフローチャートである。
【図１１】実施例４に係る３次元位置計測装置の構成を示す図である。
【図１２】実施例４の光学系の構成を示す図である。
【図１３】実施例４に係る３次元位置計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図１４】実施例５に係る３次元位置計測装置の構成を示す図である。
【図１５】実施例５の信号処理の原理を示す図である。
【図１６】実施例５に係る３次元位置計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図１７】実施例６に係る３次元位置計測装置の構成を示す図である。
【図１８】実施例６に係る３次元位置計測装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１４７】
９    測定物体
Ｌ１    測定光
Ｌ２    反射光
２３    １／４波長板
１，２，３，４，５，６    ３次元位置計測装置
１０    投光手段
２７    ハーフプリズム
２２    エリアセンサ（第１の光検出器）
２８，２８ｆ    偏光板（偏光デバイス）
２６    エリアセンサ（第２の光検出器）
４１，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ，４１ｅ，４１ｆ    ２回反射光除去処理部（信号処理手段）
２４２    偏光板
２４，２４ｂ，２４ｅ    回転フィルタ（可動フィルタ機構）
５８  メモリ
２９    偏光ビームスプリッタ
１６    ガルバノスキャナスキャナ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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