(57)【要約】【課題】レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の画像データを自動的に取得する装置であって、測定対象物の表面が光沢面であっても、正確かつ迅速に画像データを取得する。【解決手段】画像情報取得装置は、時間変調レーザ光を照射するレーザ光出射部と、測定対象物からの反射光を受光する光電変換器と、複数のマイクロミラーを有し、選択されたマイクロミラーの反射面を制御してレーザ光を光電変換器に導く空間変調素子と、光電変換器で受光されたレーザ光の位相ずれ情報を用いて測定対象物の３次元位置データ及び反射強度データを取得するデータ処理部と、各部分の動作を制御する制御器と、を有する。データ処理部で取得される反射強度データのレベルが所定の閾値を超える場合、ＯＮ状態にするマイクロミラーの反射面の個数を絞った反射パターンに調整して、再度計測を行う。【選択図】図９
2008107286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより、測定対象物の画像データを取得する画像情報取得装置であって、
レーザ光の光強度を振幅変調信号に従って時間変調して測定対象物に照射するレーザ光出射部と、
測定対象物で反射したレーザ光を受光して電気信号に変換する光電変換器と、
測定対象物と前記光電変換器の受光面との間のレーザ光の光路上に設けられ、平面上に配列された複数のマイクロミラーを有する素子であり、測定対象物の画像を構成する各画素の画像データを取得するために、一画素に対して隣接する複数個のマイクロミラーの反射面を組として、この組の中の選択された個数分のマイクロミラーの反射面を所定の向きに制御してＯＮ状態にすることにより、このＯＮ状態のマイクロミラーで反射した測定対象物からの反射光を一画素分の反射光として前記光電変換器の受光面に導くマイクロミラーアレイ空間変調素子と、
前記ＯＮ状態のマイクロミラーで反射され前記光電変換器で受光されたレーザ光の電気信号における、前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報を含む信号情報から前記位相ずれ情報を求め、この位相ずれ情報と前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報を用いて測定対象物の画像上の位置データを前記画像データとして求めるとともに、さらに、前記信号情報に含まれる測定対象物の反射強度データを前記画像データとして取得するデータ処理部と、
前記信号情報に含まれる反射強度データのレベルが所定の閾値を超える場合、この信号情報を取得するときの前記マイクロミラーの反射面の前記組に対して、前記ＯＮ状態にしたマイクロミラーの反射面の個数よりも少ない個数のマイクロミラーの反射面をＯＮ状態に調整するとともに、この調整後の前記マイクロミラーを用いて、前記光電変換器による受光を行うように、前記レーザ光出射部、前記マイクロミラーアレイ空間変調素子、前記光電変換器、及び前記データ処理部の動作を制御する制御器と、を有することを特徴とする画像情報取得装置。
【請求項２】
前記マイクロミラーのＯＮ状態にする反射面の個数の前記制御器による調整の際、前記反射強度データのレベルが高いほどＯＮ状態にするマイクロミラーの反射面の個数を少なくする請求項１に記載の画像情報取得装置。
【請求項３】
前記画像データを取得する際、
前記レーザ光出射部と、前記マイクロミラーアレイ空間変調素子と、前記データ処理部とを制御することによって、前記マイクロミラーのＯＮ状態の制御パターンを固定した状態で、前記振幅変調信号の周波数を変更し、前記データ処理部において取得される各周波数毎の前記信号情報を用いて測定対象物上の所定の位置までの距離を求める第１の計測モードと、
前記レーザ光出射部と、前記マイクロミラー空間変調素子と、前記データ処理部とを制御することによって、前記マイクロミラーのＯＮ状態の制御パターンを順次切り換え、この切り換えの度に、所定の周波数の前記振幅変調信号を用いてレーザ光の光強度を時間変調し、前記データ処理部において、取得した前記信号情報から前記位相ずれ情報を求め、この位相ずれ情報と前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報を、前記第１の計測モードで求められた前記距離とともに用いて測定対象物の３次元位置データを求めるとともに、前記反射強度データを取得する第２の計測モードと、を備え、
はじめ、前記第１の計測モード及び前記第２の計測モードにおいて、前記組におけるマイクロミラーの全てをＯＮ状態として計測が行われ、
この後、前記信号情報に含まれる反射強度データのレベルが所定の閾値を超える場合に行う前記ＯＮ状態にするマイクロミラーの反射面の個数の調整は、前記第２の計測モードで取得された反射強度データに基づいて行われ、前記調整後のマイクロミラーを用いて、再度、第１の計測モード及び第２の計測モードの計測が行われる請求項１又は２に記載の画像情報取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の画像データを取得する画像情報取得装置であって、例えばマシンビジョンシステム（産業用画像検査装置）や測定対象物に当たって戻ってきたレーザ光の情報から測定対象物の状態を知るレーザレーダ等の技術分野に好適に用いることのできる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、産業用ロボットや工作機械における作業の自動化において、作業対象物の３次元位置情報を利用して正確な作業を行うことが望まれている。例えば、自動車に使用される機械加工品の作製のために３次元計測を行って正確な加工を行う場合や、自動溶接ロボットにより溶接作業を行う場合、３次元位置データを正確に取得することが必要である。又、これらの作業対象物である加工品の多くは表面が滑らかな光沢面となっている。
【０００３】
下記特許文献１には、レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の３次元画像情報を取得し、かつ測定対象物までの絶対的な距離
を取得する３次元画像情報取得装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４２８０１号公報
【０００５】
しかし、表面が光沢面となっている加工品の場合、上記３次元画像情報を取得する３次元画像情報取得装置では、レーザ光が測定対象物の光沢面で反射して生じる鏡面反射成分の影響を受けることにより、取得される３次元画像情報が正確でなく、又、３次元画像情報に基づいて作られる画像のコントラストが非常に高くなり、画像として再生できないといった問題がある。
【０００６】
又、鏡面反射成分を受光したときの電気信号レベルと、鏡面反射成分以外の拡散反射成分を受光したときの電気信号の信号レベルとの間で大きなレベル差があるが、このときレベルの高い鏡面反射成分の電気信号に合せてゲイン調整をしなければならない。このため、拡散反射成分を受光したときの電気信号にはノイズ成分が多く含まれることとなり、この結果、測定対象物までの絶対的な距離を正確に取得することができない、といった問題もある。
【０００７】
一方、測定対象物からの鏡面反射成分の受光を抑制するために、鏡面反射成分の偏光成分をカットする偏光フィルターを用いて反射光を受光するように構成する方法や、鏡面反射自体が生じないように、測定対象物に白い粉を塗布する方法がある。
しかし、偏光フィルターを用いる方法では、測定対象物の形状に応じて偏光フィルターの角度を調整するために回転させなければならず、迅速な３次元画像情報を取得できない。測定対象物に白い粉を塗布する方法においても、加工作業の途中、測定のたびに塗布作業を行う必要があるため、迅速な３次元画像情報を取得できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の画像データを自動的に取得する装置であって、測定対象物の表面が光沢面であっても、正確かつ迅速に画像データを取得することのできる画像情報取得装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、レーザ光を測定対象物に照射し測定対象物からの反射光を受光することにより、測定対象物の画像データを取得する画像情報取得装置であって、レーザ光の光強度を振幅変調信号に従って時間変調して測定対象物に照射するレーザ光出射部と、測定対象物で反射したレーザ光を受光して電気信号に変換する光電変換器と、測定対象物と前記光電変換器の受光面との間のレーザ光の光路上に設けられ、平面上に配列された複数のマイクロミラーを有する素子であり、測定対象物の画像を構成する各画素の画像データを取得するために、一画素に対して隣接する複数個のマイクロミラーの反射面を組として、この組の中の選択された個数分のマイクロミラーの反射面を所定の向きに制御してＯＮ状態にすることにより、このＯＮ状態のマイクロミラーで反射した測定対象物からの反射光を一画素分の反射光として前記光電変換器の受光面に導くマイクロミラーアレイ空間変調素子と、前記ＯＮ状態のマイクロミラーで反射され前記光電変換器で受光されたレーザ光の電気信号における、前記振幅変調信号に対する位相ずれ情報を含む信号情報から前記位相ずれ情報を求め、この位相ずれ情報と前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報を用いて測定対象物の画像上の位置データを前記画像データとして求めるとともに、さらに、前記信号情報に含まれる測定対象物の反射強度データを前記画像データとして取得するデータ処理部と、前記信号情報に含まれる反射強度データのレベルが所定の閾値を超える場合、この信号情報を取得するときの前記マイクロミラーの反射面の前記組に対して、前記ＯＮ状態にしたマイクロミラーの反射面の個数よりも少ない個数のマイクロミラーの反射面をＯＮ状態に調整するとともに、この調整後の前記マイクロミラーを用いて、前記光電変換器による受光を行うように、前記レーザ光出射部、前記マイクロミラーアレイ空間変調素子、前記光電変換器、及び前記データ処理部の動作を制御する制御器と、を有することを特徴とする画像情報取得装置を提供する。
【００１０】
その際、前記マイクロミラーのＯＮ状態にする反射面の個数の前記制御器による調整の際、前記反射強度データのレベルが高いほどＯＮ状態にするマイクロミラーの反射面の個数を少なくすることが好ましい。
【００１１】
さらに、前記画像データを取得する際、前記レーザ光出射部と、前記マイクロミラーアレイ空間変調素子と、前記データ処理部とを制御することによって、前記マイクロミラーのＯＮ状態の制御パターンを固定した状態で、前記振幅変調信号の周波数を変更し、前記データ処理部において取得される各周波数毎の前記信号情報を用いて測定対象物上の所定の位置までの距離を求める第１の計測モードと、前記レーザ光出射部と、前記マイクロミラー空間変調素子と、前記データ処理部とを制御することによって、前記マイクロミラーのＯＮ状態の制御パターンを順次切り換え、この切り換えの度に、所定の周波数の前記振幅変調信号を用いてレーザ光の光強度を時間変調し、前記データ処理部において、取得した前記信号情報から前記位相ずれ情報を求め、この位相ずれ情報と前記ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報を、前記第１の計測モードで求められた前記距離とともに用いて測定対象物の３次元位置データを求めるとともに、前記反射強度データを取得する第２の計測モードと、を備え、
はじめ、前記第１の計測モード及び前記第２の計測モードにおいて、前記組におけるマイクロミラーの全てをＯＮ状態として計測が行われ、この後、前記信号情報に含まれる反射強度データのレベルが所定の閾値を超える場合に行う前記ＯＮ状態にするマイクロミラーの反射面の個数の調整は、前記第２の計測モードで取得された反射強度データに基づいて行われ、前記調整後のマイクロミラーを用いて、再度、第１の計測モード及び第２の計測モードの計測が行われることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、測定対象物の各位置における位置データと、測定対象物の反射強度データを求める際、レーザ光の反射成分に鏡面反射成分が含まれているとき、マイクロミラー空間変調素子におけるＯＮ状態のマイクロミラーの個数を制限して、再度計測を行うので、鏡面反射成分の低減された反射強度データを用いて、正確かつ迅速に画像データを取得することができる。又、鏡面反射成分を反射するマイクロミラーに対してＯＮ状態にするマイクロミラーの個数を絞るので、測定対象物からの拡散反射成分と鏡面反射成分の反射強度レベル差が小さくなる。このため、装置に内蔵されている増幅器のゲインを増大させることができるので、精度の高い画像データを取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の画像情報取得装置について、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態である３次元画像情報取得装置（以降、装置という）１０の外観図である。
装置１０は、測定対象物Ｔに照射したレーザ光のうち測定対象物Ｔからの反射光を受光することにより取得される測定対象物Ｔの信号情報を用いて、測定対象物Ｔまでの距離と、測定対象物Ｔの３次元位置データと、測定対象物Ｔの表面における反射強度データ(反射率)とを求め、３次元位置データと反射強度データからなる３次元画像データ（３次元画像情報ともいう）を取得する装置である。
３次元画像情報取得装置１０は、複数のレーザ光をそれぞれの出射位置から出射させて測定対象物Ｔの異なる領域に照射し、測定対象物Ｔの表面で反射したレーザ光を受光する。
【００１５】
装置１０は、第１の計測モードと第２の計測モードで計測を行う。
第１の計測モードは、レーザ光を複数の周波数に逐次切り換えて光強度の時間変調を行い、このときの測定対象物Ｔからの反射光を受光することにより、測定対象物Ｔの信号情報から測定対象物Ｔのレーザ光照射領域の中心位置までの距離を求めるモードである。第２の計測モードは、レーザ光の時間変調に用いる周波数を固定して３次元位置データ及び反射強度データを求めるモードである。この３次元位置データは、第１の計測モードにて求めた距離を用いて求める。さらに、第２の計測モードにおいて、測定対象物から反射したレーザ光のうち鏡面反射成分の受光により反射強度データが閾値を超える場合、反射強度データのレベルに応じて、後述するマイクロミラーアレイ空間変調素子においてＯＮ状態のマイクロミラーの数を絞った反射パターンに調整して、第１の計測モードによる計測を再度行う。さらに、調整された反射パターンを用いて第２の計測モードによる計測を再度行う。
第１の計測モード及び第２の計測モードについての詳細な説明は後述する。
【００１６】
装置１０は、レーザ光を測定対象物Ｔに照射し測定対象物Ｔからの反射光を受光することにより出力される電気信号から測定対象物Ｔの位相ずれ情報や３次元画像情報を含んだ信号情報を出力する本体部１２と、本体部１２から出力された信号情報を用いて測定対象物Ｔまでの距離や測定対象物Ｔの３次元画像データを取得するコンピュータ１４と、を有する。
コンピュータ１４は、本体部１２から出力される信号情報を用いてデータ処理を行う他、本体部１２の各ユニットの駆動や駆動のタイミングを指示する制御指示部分でもある。
【００１７】
図２は、本体部１２の装置構成を示したブロック図である。
本体部１２は、レーザ光出射ユニット２０と、光学ユニット３０と、レーダ回路ユニット４０と、制御回路ユニット５０とを有する。制御回路ユニット５０は、コンピュータ１４と接続されている。
【００１８】
レーザ光出射ユニット２０は、ｎ個(ｎは自然数)のレーザ光を出射する部分であり、図２に示すように、ｎ個のレーザダイオード２２（２２ａ〜２２ｈ）と、レーザダイオード２２ａ〜２２ｈを駆動するレーザドライバ２４（２４ａ〜２４ｈ）と、レーザドライバ２４のそれぞれに振幅変調信号を分配するパワースプリッタ２６と、レーザダイオード２２ａ〜２２ｈのそれぞれに対応して設けられた光学レンズ２８ａ〜２８ｈとを有する。
【００１９】
レーザドライバ２４ａ〜２４ｈには、後述するＰＮ符号化変調信号が供給され、レーザダイオード２４ａ〜２４ｈの出射のＯＮ／ＯＦＦがＰＮ符号化変調信号により制御される。また、パワースプリッタ２６に供給される振幅変調信号（以降、ＲＦ変調信号という）は、所定の周波数（５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ）の信号で、レーザダイオード２２ａ〜２２ｈから出射されるレーザ光の光強度を時間変調するために用いられる。ここで周波数は、第１の計測モードでは、一定の周波数の幅Δｆで最大の周波数ｆ1から順にｆ2（＝ｆ1−Δf）,ｆ3（＝ｆ1−２・Δf）, ｆ4（＝ｆ1−３・Δf）・・・と低下する一連の周波数を用い、各周波数のＲＦ変調信号が順次パワースプリッタ２６に供給される。例えば、周波数ｆ1＝５００ＭＨｚに対してΔｆ＝２５ＭＨである。一方、第２の計測モードでは、周波数は、上記一連の周波数のうち最大周波数ｆ1が用いられる。最大周波数ｆ1を用いることで、精度の高い３次元位置データを取得することができる。
【００２０】
レーザ光出射ユニット２０は、ｎ個のレーザダイオードを有するが、本発明においては、レーザダイオードの個数ｎに制限はなく、複数であってもよいし、１であってもよい。
また、本実施形態ではｎ個のレーザダイオードのレーザ光は測定対象物Ｔの異なる領域の表面を照射する、同一波長の照射光であるが、同一の領域を照射する波長の異なるレーザ光であってもよい。この場合、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）及びＢ（青）の３原色の可視レーザ光を同一の領域に照射することによって、後述するように測定対象物Ｔの表面における３原色の反射強度データ（反射率）を得ることができ、３次元カラー画像データとして取得することができる。
【００２１】
光学ユニット３０は、測定対象物Ｔの表面で反射して到来したレーザ光を受光する部分で、図２に示すようにレーザ光の光路の上流側から順に、バンドパスフィルタ３１、光学レンズ３２、プリズム３３、マイクロミラーアレイ空間変調素子（以降、空間変調素子という）３４、光学レンズ３６、ミラー３７及び光電変換器３８が配置されている。空間変調素子３４は空間変調素子制御器３５と接続されている。
【００２２】
バンドパスフィルタ３１は、レーザ光の波長帯域の光を透過させて、それ以外の波長帯域の光を遮断する狭帯域フィルタで、不必要な外光を遮断し、測定対象物Ｔからの反射光のＳＮ比を向上させる。
プリズム３３は、後述する空間変調素子３４とともに用いて、空間変調素子３４の各マイクロミラーで反射したレーザ光を、斜行面３３ａで透過あるいは全反射させる部分である。
具体的には、プリズム３３は、空間変調素子３４のマイクロミラーのうち、所定の向きに反射面の向いたマイクロミラー（ＯＮ状態のマイクロミラー）にて反射されたレーザ光のみプリズム３３の斜行面３３ａを透過させ、所定の向きに反射面が向かないマイクロミラー（ＯＦＦ状態のマイクロミラー）にて反射されたレーザ光を斜行面３３ａで全反射させるように配置される。
【００２３】
空間変調素子３４は、平面上に配列された複数のマイクロミラー、例えば一辺が１２μｍの矩形状のミラーを有する素子であり、これらのマイクロミラーのうち予め選択されたマイクロミラーの反射面を所定の向きに制御してＯＮ状態にすることにより、このＯＮ状態のマイクロミラーで反射した測定対象物Ｔから到来したレーザ光を光電変換器３８の受光面に導くように配置されている。なお、後述するように、３次元画像を構成する各画素のデータとして、測定対象物Ｔからのレーザ光の反射成分の強度を表す反射強度データを取得するが、このときの各画素は隣接する複数のマイクロミラーの組、例えば８個×８個のマイクロミラーの組に対応して一画素の反射強度データが生成される。
【００２４】
図３は、ＯＮ状態及びＯＦＦ状態のマイクロミラーにおけるレーザ光の反射を説明する図である。図３では、一例として４個×４個のマイクロミラーアレイを用いて説明している。
ＯＮ状態にあるマイクロミラーＡの反射面で反射したレーザ光はレンズ３６を介して光電変換器３８に導かれ、ＯＦＦ状態にあるマイクロミラーＢの反射面で反射したレーザ光は光電変換器３８と異なる方向に反射する。このように、ＯＮ状態にあるマイクロミラーで反射されたレーザ光は光電変換器３８にて受光される。すなわち、ＯＮ状態とは、マイクロミラーで反射されたレーザ光が光電変換器３８で受光されるように反射面の向きを設定した状態をいい、ＯＦＦ状態とは、マイクロミラーで反射されたレーザ光が光電変換器３８で受光されないように反射面の向きを設定した状態をいう。
【００２５】
空間変調素子３４は、例えばテキサス・インスツルメンツ社製のデジタルマイクロミラーデバイス（商標）が挙げられる。デジタルマイクロミラーデバイスは、例えば１０２４×７６８個のマイクロミラーの配列面の下部にＳＲＡＭ（Static Ram）を設け、このＳＲＡＭを利用して生成される静電気引力を用いて、マイクロミラーをそれぞれ所定の向き（＋１２度又はマイナス１２度の２つの向き）に回転させる素子である。
空間変調素子３４は、各マイクロミラーの状態をＯＮ状態／ＯＦＦ状態に切り換えるためのマイクロミラー制御器３５と接続されている。第２の計測モードでは、マイクロミラー制御器３５の制御により、全マイクロミラーのうち半数以上がＯＮ状態となるマイクロミラーの異なる制御パターンに順次切り換えられる。一方、第１の計測モードでは、全マイクロミラーがＯＮ状態に固定されるように制御される。
【００２６】
上述したように、第２の計測モードでは、空間変調素子３４のマイクロミラーの制御パターンが順次異なるパターンに切り換えられてレーザ光は空間変調され、この空間変調されたレーザ光が光電変換器３８の受光面に導かれるように構成されるが、このときのマイクロミラーの制御パターンは、マイクロミラーのＯＮ状態を１、ＯＦＦ状態を−１とすると、制御パターンは互いに直交性を有する制御パターンであるのが好ましい。例えばアダマール行列を用いて生成されるのが好ましい。
【００２７】
具体的に説明すると、制御パターンは、空間変調素子３４のＯＮ状態とするマイクロミラーの配置のパターンであり、この制御パターンは、アダマール行列の各行同士のテンソル積を利用して作成されたパターンである。
図４（ａ）は、６４個（＝８個×８個）のマイクロミラーアレイの空間変調素子３４について、マイクロミラーの反射面の側から見た制御パターンの一例を説明する図である。
マイクロミラーは、縦方向に８列、横方向に８列、矩形形状に配列されている。図４（ａ）中、灰色のマイクロミラーはＯＮ状態、白色のマイクロミラーはＯＦＦ状態を示している。
このような制御パターンは、ＯＮ状態のマイクロミラーが全マイクロミラーの５０％以上占める制御パターンである。制御パターンは、後述する制御回路ユニット５０にて作成される制御パターン信号で制御される。
【００２８】
図４（ｂ）に示すように行列要素が１又は−１で構成される８行８列のアダマール行列のうち、各行の行列要素の組みを上から順番に０次、１次、２次、．．．．．、７次として横方向の１次元制御パターンとする。一方、図４（ｃ）に示すように８行８列のアダマール行列のうち、各行の行列要素の組みを上から順番に０次、１次、２次、．．．．．、７次とし縦方向の１次元制御パターンとする。そして、図４（ｂ）に示す横方向の１次元制御パターンから所望の次数のパターンを選択し、図４（ｃ）に示す縦方向の１次元制御パターンから所望の次数のパターンを選択する。
【００２９】
図４（ａ）では、横方向の１次元制御パターンは４次、縦方向の１次元制御パターンは６次が選択されている。
一方、空間変調素子３４において制御しようとするマイクロミラーの縦方向及び横方向の位置における、横方向の１次元制御パターン及び縦方向の１次元制御パターンの値（１又は−１）をそれぞれ参照し、縦方向の値と横方向の値の積が１になる場合、制御しようとするマイクロミラーはＯＮ状態とし、積が−１となる場合マイクロミラーはＯＦＦ状態に設定する。例えば、３行５列の位置にあるマイクロミラーＭの、横方向の１次元制御パターンの値は−１であり、縦方向の１次元制御パターンの値は−１であり、積は１である。このことから、マイクロミラーＭはＯＮ状態に設定される。こうしてＯＮ状態のマイクロミラーの数が全マイクロミラーの数の５０％以上となる制御パターンの制御パターン信号が作成される。
この場合、マイクロミラーの制御パターンは、横方向の１次元制御パタ−ン及び縦方向の１次元制御パターンを組み合わせて６４通り（＝８×８）作成でき、この６４個の異なる制御パターンを順次切り換えるように制御パターン信号が作成される。
このように第２の計測モードでは、制御パターンは、アダマール行列の選択された各行同士のテンソル積によって生成される。
【００３０】
なお、６４個のマイクロミラーを１つずつＯＮ状態とし、他はＯＦＦ状態とすることによって、空間変調素子３４にて反射されるレーザ光を順次受光することもできる。しかし、１つのマイクロミラーで反射されて受光されるレーザ光は微弱であるため、後処理として行う増幅や検波等の処理により、微弱なレーザ光により生成された電気信号はノイズに埋もれ易い。しかし、上述したように、ＯＮ状態のマイクロミラーが全マイクロミラーの半数以上を占める上記制御パターンを用いることにより、後処理として行う増幅や検波等においてノイズに埋もれることは少なくなる、といった効果を呈する。
このように空間変調素子３４は、異なる制御パターンに順次切り替えながら測定対象物Ｔから到来するレーザ光を反射する。
【００３１】
光学レンズ３６は、光電変換器３８の受光面にミラー３７を介してレーザ光を結像させるように構成される。
光電変換器３８は、受光したレーザ光を電気信号に変換する部分であり、光電子倍増管やアバランシェフォトダイオード等のデバイスが独立してｎ個設けられている部分である。これらのデバイスからそれぞれ電気信号が出力される。なお、光電変換器３８に設けられる上記デバイスの数ｎは特に限定されず、複数でもよく又１であってもよい。これらのデバイスは複数のマイクロミラーの異なる領域で反射されたレーザをそれぞれ別々に受光するようにデバイスを配置してもよい。こうすることによりＯＮ状態のマイクロミラーで反射されるレーザ光を別々に受光し、短時間に３次元画像データを取得することができる。なお、上記デバイスは用いるレーザ光によって適するデバイスが異なり、例えば近赤外（８００〜１２００μｍ）のレーザ光にはアバランシェフォトダイオードが、可視帯域（４００μｍ〜８００μｍ）のレーザ光にはアバランシェフォトダイオード又は光電子倍増管が好適に用いられる。
【００３２】
なお、光電変換器３８には、ＣＣＤ（Charged Coupled Device）撮像素子等の受光面を領域に分けて受光し、領域毎に信号を蓄積し、蓄積された信号を順次出力する撮像素子は用いられない。後述するように、レーザ光の時間変調に用いるＲＦ変調信号は５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであるため、順次蓄積された信号を出力するＣＣＤ撮像素子では、このような高周波で変調する信号に対応して高速に駆動することができないからである。
【００３３】
レーダ回路ユニット４０は、レーザ光出射ユニット２０のパワースプリッタ２６にＲＦ変調信号を供給するとともに、光電変換器３８から出力された電気信号を、パワースプリッタ２６に供給されたＲＦ変調信号と同一の信号を参照信号（以降、ローカル信号という）として用いてミキシングし、ＲＦ変調信号で時間変調されたレーザ光の信号成分を中間周波数信号（ＩＦ信号）として取り出す部分である。
具体的には、レーダ回路ユニット４０は、発振器４１、パワースプリッタ４２、増幅器４３、移相器４４、増幅器４５、パワースプリッタ４６、８つのミキサ４７（４７ａ〜４７ｈ）及びミキサ４７ａ〜４７ｈのそれぞれに対応した増幅器４８（４８ａ〜４８ｈ）を有する。
【００３４】
発振器４１は、発振周波数制御信号によって設定された発振周波数で信号を発振する部分である。発振した信号はレーザ光を時間変調するＲＦ変調信号として用いられる。例えば、５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚのマイクロ波〜ミリ波帯域の周波数で発振される。発振周波数は、第１の計測モードでは、周波数ｆ1，ｆ2,ｆ3,ｆ4・・・であり、第２の計測モードでは、周波数ｆ1である。これらの周波数でレーザ光は時間変調される。第１の計測モードにおいて、複数の周波数でレーザ光を時間変調するのは、異なる周波数でレーザ光を時間変調することにより、後述するように、装置１０から測定対象物Ｔのレーザ光の照射の中心位置までの絶対距離を求めるためである。一方、第２の計測モードにおいて、周波数ｆ1を用いてレーザ光を時間変調するのは、測定対象物Ｔの中心位置までの絶対距離を利用して３次元位置データを求めるためである。
【００３５】
パワースプリッタ４２は、発振器４１にて発振した信号を分離する部分である。分離された一方の信号は増幅器４３を介してパワースプリッタ２６に供給され、ＲＦ変調信号として用いられる。他方の信号は移相器４４に供給される。
移相器４４は、ＲＦ変調信号を位相シフトさせることなく通過させ、また位相制御信号に応じて９０度位相シフトさせて位相シフト変調信号を生成し、これらの信号を、増幅器４５を介してパワースプリッタ４６に供給する部分である。
パワースプリッタ４６は、光電変換器３８の複数の光電子倍増管等のデバイスに対応して設けられたミキサ４７ａ〜４７ｈにＲＦ変調信号又は位相シフト変調信号を分配する部分である。
【００３６】
ミキサ４７は、供給されたＲＦ変調信号又は位相シフト変調信号をローカル信号として用いて、光電変換器３８から出力され増幅された電気信号と乗算（ミキシング）し、出射の際にＲＦ変調信号で時間変調されたレーザ光の情報を有する中間周波数信号（ＩＦ信号）と高次成分を含んだ信号を出力する部分である。電気信号の検波は、公知の方法で行われる。ＲＦ変調信号として周波数が異なる複数の信号が生成され、これらの信号はローカル信号として用いられる。また、各周波数のＲＦ変調信号において、移相器４４によりＲＦ変調信号の位相をシフトさせないローカル信号とＲＦ変調信号の位相を９０度シフトさせたローカル信号が生成され、ミキサ４７はこれらのローカル信号と電気信号のミキシング（乗算）を行う。
【００３７】
制御回路ユニット５０は、レーザ光出射ユニット２０、光学ユニット３０及びレーダ回路ユニット４０の駆動を制御する各種制御信号（発振周波数制御信号、位相制御信号、制御パターン信号、ＰＮ符号化変調信号）を生成し、所定のユニットに供給するとともに、レーダ回路ユニット４０から出力される信号を処理する部分である。
制御回路ユニット５０は、システム制御器５１、ローパスフィルタ５２、増幅器５３及びＡ／Ｄ変換器５４を有する。
【００３８】
システム制御器５１は、コンピュータ１４からの指示に基づいて各種制御信号を生成する部分である。例えば、後述するように、空間変調素子３４の各マイクロミラーから反射された各反射光の信号情報には、３次元画像データを構成する反射強度データ（信号波形の振幅）が含まれているが、この反射強度データのレベルが所定の閾値を超えることが判定された場合、コンピュータ１４からシステム制御器５１に判定結果の信号が送信される。この信号に基づいて、システム制御器５１は、第１の計測モード及び第２の計測モードにおいてＯＮ状態にしたマイクロミラーの反射面の個数を絞った反射パターンに空間変調素子３４のマイクロミラーを調整する。さらに、システム制御器５１は、レーザ光出射ユニット２０のレーザ光の出射、光電変換器３８による受光、及びデータ処理部６４による信号情報の取得を実行するように、レーザ光出射ユニット２０、空間変調素子３４、光電変換器３８、及びデータ処理部６４の動作を制御する。すなわち、各画素の反射強度データは、隣接する複数のマイクロミラーの反射面の組に対応して構成されており、システム制御器５１は、このマイクロミラーの反射面の組に対してマイクロミラーの反射面をＯＮ状態にする個数を絞った反射パターンに調整して、第１の計測モード及び第２の計測モードによる計測を再度行うように制御する。
【００３９】
ローパスフィルタ５２は、レーダ回路ユニット４０から出力された中間周波数信号（ＩＦ信号）と高次成分を含んだ信号をフィルタ処理して高次成分を除去し、時間変調されたレーザ光の信号情報のみを含んだ中間周波数信号とする部分である。中間周波数信号は、増幅器５３で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器５４で中間周波数デジタル信号とされ、コンピュータ１４に供給される。
なお、レーダ回路ユニット４０から出力される信号は、光電変換器３８のｎ個の光電子倍増管毎に独立に出力され、それぞれ別々にフィルタ処理、増幅、Ａ／Ｄ変換されて、コンピュータ１４にパラレル信号として供給される。
【００４０】
コンピュータ１４は、図５に示すように、ＣＰＵ６０とメモリ６２と、さらに図示されないＲＯＭを有し、コンピュータソフトウェアを実行させることによりデータ処理部６４が機能的に構成される。コンピュータ１４はディスプレイ１６に接続されている。
ＣＰＵ６０は、本体部１２の各ユニットを駆動、制御する各種信号を制御回路ユニット５０に作成するように指示し、また後述するデータ処理部６４の各処理の演算を実質的に行う部分である。
【００４１】
データ処理部６４は、中間周波数デジタル信号から、測定対象物Ｔの中心位置の距離と３次元位置データと測定対象物Ｔの表面の反射率（反射強度データ）を算出する部分である。データ処理部６４は、信号変換部６６と、距離情報算出部６８と、３次元位置情報算出部７０と、反射率算出部７２とを有する。
信号変換部６６は、中間周波数デジタル信号を、制御パターン信号及びＰＮ符号化変調信号を用いて変換する部分である。
制御パターン信号は、コンピュータ１４の指示に従って制御回路ユニット５０で作成される信号であるため、制御パターン信号は既知であり、この制御パターン信号を用いて信号変換される。
【００４２】
なお、制御パターン信号は、空間変調素子３４におけるマイクロミラーの制御に用いられ、第１の計測モードでは、全マイクロミラーがＯＮ状態に固定される。一方、第２の計測モードでは、空間変調素子３４において種々の制御パターンが用いられるが、この制御パターンの信号（制御パターン信号）は、図４（ａ）〜（ｃ）に示したようにアダマール行列の各行の成分同士のテンソル積を利用して作成される制御パターンを実現する信号である。このため、信号変換部６６では、既知である制御パターン信号を利用して、各制御パターンにて得られる中間周波数デジタル信号から、アダマール逆変換を行って各画素毎の反射光の情報を求めることができる。なお、アダマール逆変換を利用した信号変換処理については、本願出願人により既に出願されている（特願２００１−１８８３０１号参照）。
アダマール行列の各行同士は直交性を有する（各行同士の内積は０となる）ことから、アダマール行列の各行の成分同士のテンソル積にて得られる、制御パターンを表す合成行列も合成行列同士で互いに直交性を維持する。上記アダマール逆変換の処理は、上記合成行列の逆行列を用いて逆変換する処理であるが、この逆変換は、合成行列が直交性を有することから、規格化因子を除き上記合成行列を用いて行うアダマール変換と同様の処理内容となる。これにより、アダマール変換の処理を用いて、各マイクロミラー毎に反射されるレーザ光の情報を容易に分解することができる。
【００４３】
上記制御パターンはアダマール行列の行成分同士のテンソル積によって得られる合成行列によって表されるため、互いに直交性を有するものであるが、本発明においては、制御パターンは、上記合成行列によって生成される必要はなく、各マイクロミラー毎に反射されるレーザ光の情報に分解できる限りにおいて特に制限されない。
なお、アダマール逆変換にて求められる受光したレーザ光の情報は、複数のレーザダイオード２４から出射されるレーザ光が互いに重畳されている。このため、以下に示すようにレーザ光の出射の際に時間変調に用いたＰＮ符号化変調信号の自己相関性及び直交性を利用して各レーザ光に対応した中間周波数デジタル信号に分解する。ＰＮ符号化変調信号の自己相関性及び直交性については後述する。
【００４４】
上述したようにレーザ光出射ユニット２０は、レーザダイオード２２ａ〜２２ｈを用いてレーザ光を出射するが、その際、ＰＮ符号化変調信号を用いてレーザ光の出射のＯＮ／ＯＦＦを制御し時間変調している。
図６は、ＰＮ符号化変調信号の一例を示す図である。図６では、ＰＮ符号化変調信号の１周期分が示されている。
ＰＮ符号化変調信号は値が０又は１からなる信号で、一定の時間間隔シフトすることによって相関関数の値が０又は−１／ｎ（ｎは後述する系列符号の長さ）となる。
ＰＮ符号化変調信号は、一例を挙げると以下のように作成される符号化系列データを用いて信号化することができる。
次数ｋ＝５、符号系列の長さｎ＝３１とし、係数ｈ1＝１，ｈ2＝１，ｈ3＝０，ｈ4＝１，ｈ5＝１とし、初期値ａ0＝１，ａ1＝１,a2＝０,a3＝１，ａ4＝０としたとき下記式（１）に示す漸化式で一意的にＰＮ系列符号Ｃ＝｛ａk｝(kは自然数)を求めることができる。
【００４５】
【数１】
2008107286.tif 000003
【００４６】
さらに、系列符号Ｃ＝｛ａ０，ａ１，ａ２，………，ａn−１｝を用いて基準となる符号化系列信号を生成するとともに、さらにこの系列符号Ｃをｑ1ビット、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Ｔｑ１・ｃ（Ｔｑ１は、ビット方向にｑ1ビット、ビットシフトする作用素である）を用いて符号化系列信号を生成する。ここで、系列符号Ｔｑ１・Ｃは、{ａｑ１，ａｑ１＋１，ａｑ１＋２，………，ａｑ１＋Ｎ−１｝である。さらに、系列符号Ｃをｑ２ビット（例えば、ｑ２＝２×ｑ１）、ビット方向にビットシフトさせた系列符号Ｔｑ２・Ｃを用いて符号化系列信号を生成する。
この符号化系列信号を生成するために用いられる系列符号Ｃ，Ｔｑ１・Ｃ，Ｔｑ２・Ｃは、互いに直交する特性を有するので、生成される符号化系列信号も互いに直交する性質を有する。
【００４７】
具体的に説明すると、長さｎの系列符号をＣ＝｛ｂ0，ｂ1，ｂ2，………,ｂn-1｝とし、上記作用素Ｔｑを系列符号Ｃに作用させた系列符号をＣ’＝Ｔｑ・Ｃ、すなわちＣ’＝｛ｂq，ｂq+1，ｂq+2，………,ｂq+n-1}として、系列符号ＣとＣ’との間の相互相関関数Ｒcc'(q)を下記式（２）のように定義される。ここで、ＮAは系列符号における項aiと項bq+iの（ｉは０以上ｎ−１以下の整数）一致する数であり、ＮDは系列符号における項aiと項bq+iの不一致の数である。また、ＮAとＮDの和は系列符号長さｎとなる（ＮA＋ＮD＝ｎ）。ここで、iとｑ＋iはｍｏｄ（ｎ）で考える。
【００４８】
【数２】
2008107286.tif 000004
【００４９】
上記ＰＮ系列符号において２つの系列符号を項毎にｍｏｄ（２）で加算した結果はもとのＰＮ系列符号を巡回シフトしたＰＮ系列符号になる性質があり、ＰＮ系列符号の値が０となる個数は値が１となる個数より１つだけ少ないので、ＮA−ＮD＝−１となる。これより、ＰＮ系列符号において下記式（３）および（４）に示す値を示す。
【００５０】
【数３】
2008107286.tif 000005
【数４】
2008107286.tif 000006
【００５１】
上記式（３）よりビットシフト量が０、すなわちｑ＝０(ｍｏｄ（ｎ））の場合、式（３）に示すようにＲｃｃ’（ｑ）の値は１となり自己相関性を有する。一方、ビットシフト量が０でない、すなわちｑ≠０（ｍｏｄ（ｎ））の場合、式（４）に示すようにＲｃｃ’（ｑ）は−（１／ｎ）となる。ここで系列符号長さｎを大きくすることにより、Ｒｃｃ’（ｑ）（ｑ≠０）の値は０に近づく。
すなわち、系列符号ＣとＣ’は自己相関性を持ち、かつ直交性を有するといえる。
このようなＰＮ系列符号の値を０，１として時系列信号としたのがＰＮ符号化系列信号である。したがって、ＰＮ符号化変調信号も互いに自己相関性及び直交性を有する。このことから、図６におけるＣ1の信号と、Ｃ2〜Ｃ5の信号の相関関数を求めると値が０となる。
【００５２】
信号変換部６６は、中間周波数デジタル信号に含まれるＰＮ符号化変調信号で時間変調された信号に対して、制御回路ユニット５０にて生成されたＰＮ符号化変調信号の相関関数を利用することにより、どのレーザ光の信号情報が含まれているかを識別し、レーザ光毎の信号情報に分解して抽出することができる。
このようにして、信号変換部６６は、アダマール逆変換及びＰＮ符号化変調信号の自己相関性及び直交性を利用した分解（符号化識別変換）により、中間周波数デジタル信号から隣接する複数のマイクロミラーの組に対応した各画素毎の各レーザ光の時間変調の信号情報を取得することができる。
なお、ＰＮ符号化変調信号による時間変調は１００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚの周波数で行われ、ＲＦ変調信号によるレーザ光の時間変調の周波数（５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ）に比べて低周波である。
【００５３】
距離情報算出部６８は、第１の計測モードにおいて得られる、周波数ｆ1，ｆ2,ｆ3, ｆ4・・・で時間変調したレーザ光の反射光に含まれる信号情報を用いて測定対象物Ｔのレーザ光照射領域の中心位置における距離を求める。
具体的には、第１の計測モードでは、上述したように、全マイクロミラーをＯＮ状態にするので、光電変換器３８において受光される反射光の信号情報は、レーザ光照射領域における中心位置の情報である。
本体部１２のレーザ光出射ユニット２０のレーザダイオード２２から測定対象物Ｔまでの距離と測定対象物Ｔの表面上の反射点からレンズ３２に至るまでの距離は、ＲＦ変調信号の波長をλとすると、この波長λの整数倍の長さと波長λの位相ずれθ分の長さに相当する。
この場合、位相ずれθは、図７（ａ）に示すように距離ρに対して周期性を有するので、反射光の信号情報から位相ずれθの情報を知ることができても、図７（ａ）に示すように、どの周期における位相ずれθかを知ることはできず、距離ρを特定することはできない。このため、第１の計測モードでは、周波数ｆ1，ｆ2,ｆ3, ｆ4・・・で光強度を時間変調したレーザ光を測定対象物Ｔに照射して、各周波数における信号情報を取得し、この信号情報を用いて絶対距離を算出する。
【００５４】
なお、第１の計測モードでは、空間変調素子３４の全マイクロミラーをＯＮ状態とするので、測定対象物Ｔにレーザ光が照射され、反射光として受光した全ての信号情報が均等に含まれることから、算出される距離ρは測定対象物Ｔにおけるレーザ光照射領域の中心位置の距離となる。
【００５５】
第１の計測モードでは、具体的には、周波数ｆ1，ｆ2,ｆ3, ｆ4・・・の各周波数における信号情報を取得した後、各周波数の信号情報（周波数帯域の信号情報）から、フーリエ変換（この場合デジタル処理を行うので、ＦＦＴ：Fast Fourier Transformation）により時間領域の信号情報（時間領域の波形）に変換する。この変換により、図７（ｂ）に示すような波形の情報を求めることができる。このときのピーク位置の時間ｔTに光速ｃを乗算することで距離ρ0を求める。なお、この場合、隣接する周波数ｆ1，ｆ2, ｆ3, ｆ4・・・の変化分である幅Δｆが、下記式を満たすように設定することが好ましい。
Δｆ  <  Ｃ／（２・Ｌmax）     (Ｌmaxは装置で規定される測定最大距離)
上記式を満たす幅Δｆを用いることで、ＦＦＴにより時間領域の信号情報に変換したとき、距離ρ0を一意的に求めることができる。
こうして求められた距離ρ0は、メモリ６２に記憶される。
具体的な数値例として、Ｌmax＝３ｍ、最大周波数ｆ1＝５００ＭＨｚ、Δｆ＝２５ＭＨｚとして、ｆ1＝５００ＭＨｚ，ｆ2＝４７５ＭＨｚ，ｆ3＝４５０ＭＨｚ〜ｆ11＝２５０ＭＨｚとする。
【００５６】
３次元位置情報算出部７０は、距離情報算出部６８で算出された距離ρ0を用い、さらに、ＯＮ状態のマイクロミラーの位置情報（３次元位置座標）とを用いて、測定対象物Ｔ上の各位置における距離ρを求め、さらに、レーザ光が反射した測定対象物Ｔの位置を３次元位置データとして求める部分である。
本体部１２のレーザ光出射ユニット２０のレーザダイオード２２から測定対象物Ｔまでの距離と測定対象物Ｔの表面上の反射点からレンズ３２に至るまでの距離をρ、ＲＦ変調信号の波長をλ、ＲＦ変調信号の周波数をｆ、光速度をｃ、各レーザ光の信号の、ＲＦ変調信号に対する位相ずれをθとすると、距離ρは、下記式（５）を介して下記式（６）のように表すことができる。
【００５７】
【数５】
2008107286.tif 000007
【数６】
2008107286.tif 000008
【００５８】
すなわち、周波数ｆにおける各レーザ光の信号の位相ずれθを下記方法により求めることはできても、式（５）における２ｎπ（ｎは整数）の部分が不確定である。この不確定の部分を、距離情報算出部６８で算出された距離ρ0を用いて確定して距離ρを算出することができる。
なお、距離ρはレーザダイオード２２から測定対象物Ｔの表面上の反射点を経由して光学レンズ３６に至るまでの距離であるが、この距離ρを知れば十分である。光学レンズ３２から光電変換器３８の受光面までの光路の距離、さらにはミキサ４７にいたる伝送線路の距離は既知であるため、予め定められた補正式等を用いて正しい値に修正することができる。
【００５９】
３次元位置情報算出部７０は、具体的には、信号変換部６６で算出された各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光毎の信号情報を取得する。この信号情報は、ミキサ４７へ入る参照信号であるＲＦ変調信号の位相シフトを０としたときｒ・ｃｏｓ（θ）（ｒは測定対象物の表面における反射率、θは位相ずれ）となり、ＲＦ変調信号を９０度位相シフトさせたときｒ・ｓｉｎ（θ）となる。これらの信号を用いて各マイクロミラーにおける位相ずれθを算出し、この位相ずれθと距離ρ0を用いて不確定の２ｎπ（ｎは整数）を求めることにより、各マイクロミラー毎に距離ρを算出する。
【００６０】
３次元位置情報算出部７０は、さらに、この距離ρを用いて、３次元位置データ（３次元位置座標）を求める。
具体的には、図８（ａ）に示すように、光学レンズ３２の中心を原点ＯとしてＸＹＺ直交座標系を定め、レーザダイオード２２の出射位置を点Ｑ（位置座標（ａ，ｂ，ｃ）とする）、測定対象物Ｔの反射位置を点Ｐ（位置座標（ｘ，ｙ，ｚ）とする）、点Ｐで反射したレーザ光が向かう空間変調素子３４のＯＮ状態にあるマイクロミラーの位置Ｒ（位置座標（−ｘ0,−ｙ0,−ｚ0）とする）とする。このとき、図８（ｂ）に示すように、距離ＰＯは、レンズ３２の倍率ｍと距離ＲＯとを用いてＰＯ＝ｍ×ＲＯと表すことができる。なお、マイクロミラーの位置Ｒのうちｚ0は装置固有の寸法として設定されている。
一方、距離ρは下記式（７）で表すことができる。また、点Ｐの位置ｘ，ｙ，ｚは、下記式（８）で表すことができることから、式（７）及び式（８）を用いて倍率ｍは下記式（９）で表すことができる。
【００６１】
【数７】
2008107286.tif 000009
【数８】
2008107286.tif 000010
【数９】
2008107286.tif 000011
【００６２】
３次元位置情報算出部７０は、各マイクロミラー毎に算出される距離ρとこの位置座標を用いて、式（９）から倍率ｍを求める。さらに、この倍率ｍと式（８）を用いて測定対象物Ｔの反射位置の３次元位置データ（位置座標（ｘ，ｙ，ｚ））を求める。すなわち、距離ρを算出するために用いる位相ずれθと各マイクロミラーの位置座標とから、３次元位置データを求める。こうして、測定対象物Ｔの表面の３次元位置データがディスプレイ１６に供給されて測定対象物Ｔの３次元形状が表示される。
【００６３】
反射率算出部７２は、測定対象物Ｔの表面における反射率（反射強度データ）を算出する。距離情報算出部６８において説明したように、信号変換部６６では、各マイクロミラーの反射位置における各レーザ光の信号情報が、ＲＦ変調信号の周波数別に算出され、これが反射率算出部７２に供給される。この信号は、ミキサ４７へ入る参照信号であるＲＦ変調信号の位相シフトを０としたときに得られる信号情報は上述したようにｒ・ｃｏｓ（θ）となり、ＲＦ変調信号を９０度位相シフトさせたときに得られる信号情報はｒ・ｓｉｎ（θ）となる。これら２つの信号情報の値から反射率算出部７２は反射率ｒを、３次元画像の各画素毎の反射強度データとして算出する。
【００６４】
さらに、反射率算出部７２は、反射強度データのレベルが所定の閾値を超えるか否かを判定する。閾値を超える場合、測定対象物Ｔの鏡面反射成分を受光したものと判定して、ＣＰＵ６０を介して、システム制御器５１に判定結果の信号を送信する。判定結果の送信によって、ＣＰＵ６０は、本体部１２に第１の計測モード及び第２の計測モードで再計測を行うように指示信号を送信する。この点は、後述する。
【００６５】
このようにレーザ光を測定対象物Ｔに照射することにより、装置１０と測定対象物Ｔとの間の距離及び測定対象物Ｔの表面における反射強度データ（反射率ｒ）を求めることができ、測定対象物体Ｔの表面の３次元空間内での反射率を画像データとして得ることができる。取得された測定対象物Ｔの画像データはディスプレイ１６に送られて、先に送られた測定対象物Ｔの３次元形状とともに３次元画像として画像表示される。
装置１０は、以上のように構成される。
【００６６】
次に、装置１０の作用について説明する。
図９は、装置１０において３次元画像情報を取得する流れを示すフローチャートである。  
図１０（ａ）〜（ｄ）は、装置１０の駆動の際に生成される第１の計測モードにおける各種トリガ信号のタイミングチャートである。図１１（ａ）〜（ｅ）は、第２の計測モードにおける各種トリガ信号のタイミングチャートである。
【００６７】
まず、第１の計測モードによる計測が行われ、測定対象物Ｔのレーザ光照射領域における中心位置の、装置１０からの距離ρ0が求められる（ステップＳ１００）。
まず、制御回路ユニット５０にて、コンピュータ１４の指示に応じて、測定対象物Ｔの３次元画像の取り込みを開始する画像トリガ信号（図１０（ａ）参照）が生成される。
次に、システム制御器５１では、空間変調素子３４の全マイクロミラーをＯＮ状態に制御するように図示されないフレームトリガ信号が生成される。フレームトリガ信号とは、空間変調素子３４の制御パターンを切り換えるためのトリガ信号であって、上述したようにマイクロミラーのＯＮ状態の配列を所定のパターンに制御した制御パターンを切り換えるためのトリガ信号である。フレームトリガ信号は、マイクロミラー制御器３５に供給される。
【００６８】
次に、発振器４１の発振周波数を所定の周波数とするための周波数トリガ信号（図１０（ｂ）参照）が生成され、この周波数トリガ信号に従って予め定められた発振周波数制御信号が生成され発振器４１に供給される。周波数トリガ信号によって発信周波数は最大周波数ｆ1から、周波数ｆ2、周波数ｆ3、・・・に順次切り換えられる。従って第１の計測モードでは、複数の発振周波数で順次レーザ光を時間変調するＲＦ変調信号を生成することとなる。レーザ光は複数同時に出射されるので、光電変換器３８における受光においてどのレーザ光を受光したのか識別可能としなければならない。このため各レーザ光をＰＮ符号化変調信号によって時間変調（レーザ光の出射のＯＮ／ＯＦＦ）するために、システム制御器５１はレーザ光毎に互いに異なるＰＮ符号化変調信号を生成しレーザドライバ２４ａ〜２４ｈに供給する。
すなわち、レーザ光の強度は周波数数ｆ1、周波数ｆ2、周波数ｆ3、・・・順次変更されて時間変調されるとともに、さらに、ＰＮ符号化変調信号によるレーザ光の出射のＯＮ／ＯＦＦにより時間変調される。周波数ｆ1，f2, f3・・・は５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであり、ＰＮ符号化変調信号による出射のＯＮ／ＯＦＦの切換周波数は１００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚであり、時間変調の周波数範囲が互いに大きく異なる。
【００６９】
さらに、システム制御器５１では、移相器４４を駆動させるための位相トリガ信号が生成される（図１０（ｃ）参照）。位相トリガ信号の生成により、周波数ｆ1，f2, f3・・・のそれぞれのＲＦ変調信号に対して、位相シフト量０（位相シフトしない）及び位相シフト量９０度の２つローカル信号を生成するように、位相制御信号が生成される。
【００７０】
まず最初、最大周波数ｆ1のＲＦ変調信号が生成され、レーザ光出射ユニット２０から時間変調したレーザ光が出射される。測定対象物Ｔの表面で反射したレーザ光は、光学ユニット３０に入り、プリズム３３を経由して空間変調素子３４に導かれる。空間変調素子３４のマイクロミラーは全てＯＮ状態に制御されているので、ＯＮ状態の全マイクロミラーで反射されたレーザ光が光電変換器３８に導かれて受光される。時間変調の信号情報を有するレーザ光は、光電変換器３８にて電気信号に変換され、増幅器４８で増幅されてミキサ４７に供給される。
【００７１】
一方、移相器４４では、パワースプリッタ４２で分離されたＲＦ変調信号が位相シフト量０（位相シフトしない）及び位相シフト量９０度に順次制御されてローカル信号が生成され、これらのローカル信号がミキサ４７に供給される。
ミキサ４７では、増幅器４８から供給された電気信号を２つのローカル信号のそれぞれでミキシング（乗算）し、ＩＦ信号及び高次成分からなる信号が生成される。ＩＦ信号には、周波数ｆ1の各周波数による時間変調の信号情報と、ＰＮ符号化変調信号による時間変調の信号情報が含まれる。
さらに、生成された信号からローパスフィルタ５２により高次成分が除去され、周波数ｆ1の時間変調の信号情報とＰＮ符号化変調信号による時間変調の信号情報とからなるＩＦ信号が生成される。
こうして増幅器５３を介してＡ／Ｄ変換器５４に取り込まれ、順次サンプリングクロック信号（図１０（ｄ）参照）に従ってサンプリングされ、中間周波数デジタル信号とされ、コンピュータ１４に供給される。
【００７２】
次に、レーザドライバ２４に供給されるＲＦ変調信号の周波数が周波数ｆ1から周波数f2に切り換えられ、周波数ｆ1で時間変調されたレーザ光と同様の出射、受光、信号処理が施される。同様に、周波数ｆ2から周波数f3に、周波数ｆ3から周波数f4に、・・・に順次切り換えられ、同様の処理が行われる。
【００７３】
信号処理が施された各周波数における信号情報は、信号変換部６６にて、符号化識別変換が施された後、各周波数毎のｒｃｏｓ（θ），ｒｓｉｎ（θ）の値からなる信号情報となる。この信号情報に対して、距離情報算出部６８にてＦＦＴが行われて、時間領域の波形が演算される。この波形のピーク位置の時間と光速ｃを乗算して、装置１０から測定対象物Ｔのレーザ光照射領域における中心位置までの距離ρ0が求められる。求められた距離ρ0はメモリ６２に記録される。
【００７４】
次に、第２の計測モードに移り、まず、各マイクロミラーでの測定対象物Ｔまでの距離ρの算出が行われる（ステップＳ１０２）。
第２の計測モードでは、まず、制御回路ユニット５０にて、コンピュータ１４の指示に応じて、測定対象物Ｔの３次元画像の取り込みを開始する画像トリガ信号（図１１（ａ）参照）が生成される。
次に、システム制御器５１では、空間変調素子３４を所定の制御パターンでマイクロミラーを制御するようにフレームトリガ信号が生成される。フレームトリガ信号とは、空間変調素子３４の制御パターンを切り換えるためのトリガ信号であって、上述したようにマイクロミラーのＯＮ状態の配列を所定のパターンに制御した制御パターンを順次切り換えるためのトリガ信号である。
【００７５】
図１１（ｂ）に示すように、順次パターンモード１、パターンモード２、………の各制御パターンモードに切り換えるためのフレームトリガ信号が生成される。各パターンモードでは、予め定められた図示されない制御パターン信号が生成されてマイクロミラー制御器３５に供給される。
フレームトリガ信号が生成されると、発振器４１の発振周波数を所定の周波数とするための周波数トリガ信号（図１１（ｃ）参照）が生成され、この周波数トリガ信号に従って予め定められた発信周波数制御信号が生成され発振器４１に供給される。周波数トリガ信号によって発信周波数は周波数ｆ1に設定される。従って各パターンモードでは、周波数ｆ1でレーザ光を時間変調するＲＦ変調信号を生成することとなる。レーザ光は複数同時に出射されるので、光電変換器３８における受光においてどのレーザ光を受光したのか識別可能としなければならない。このため各レーザ光をＰＮ符号化変調信号によって時間変調（レーザ光の出射のＯＮ／ＯＦＦ）するために、システム制御器５１はレーザ光毎に互いに異なるＰＮ符号化変調信号を生成しレーザドライバ２４ａ〜２４ｈに供給する。
すなわち、レーザ光の強度は周波数ｆ1で時間変調されるとともに、さらに、ＰＮ符号化変調信号によるレーザ光の出射のＯＮ／ＯＦＦにより時間変調される。周波数ｆ1は５０ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであり、ＰＮ符号化変調信号による出射のＯＮ／ＯＦＦの切換周波数は１００ＫＨｚ〜１０ＭＨｚであり、時間変調の周波数範囲が互いに大きく異なる。
【００７６】
さらに、システム制御器５１では、移相器４４を駆動させるための位相トリガ信号が生成される（図１１（ｄ）参照）。位相トリガ信号の生成により、周波数ｆ1のＲＦ変調信号に対して、位相シフト量０（位相シフトしない）及び位相シフト量９０度の２つローカル信号を生成するように、位相制御信号が生成される。
【００７７】
こうして、パターンモード１におけるレーザ光の出射、受光が終了すると、順次パターンモード２、３……に切り換えられ、制御回路ユニット５０にて順次信号処理されてコンピュータ１４に供給される。
【００７８】
例えば、レーザ光におけるｉ番目（ｉ＝１〜ｎの自然数）のレーザダイオード２２から出射される時間変調したレーザ光の強度振幅Ａi（ｔ）を下記式（１０）のように定め（ｐi（ｔ）はＰＮ符号化変調信号による時間変調成分）、ミキサ４７に供給されるローカル信号Ａ０（ｔ），Ａ９０（ｔ）を下記式（１１）で定め、さらに、測定対象物Ｔの表面で反射し、さらにＯＮ状態のマイクロミラーで反射して受光したレーザ光の電気信号の振幅を下記式（１２）で定めると、ＩＦ信号は下記式（１３）のように表される。このＩＦ信号のうち高次成分はローパスフィルタ５２を用いて除去され、Ａ／Ｄ変換され中間周波数デジタル信号が生成される。
【００７９】
【数１０】
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【数１１】
2008107286.tif 000013
【数１２】
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【数１３】
2008107286.tif 000015
【００８０】
このようにしてコンピュータ１４に供給された中間周波数デジタル信号は、各パターンモード毎に順次メモリ６２に記録される。
信号変換部６６では、各パターンモードの中間周波数デジタル信号を用いて、アダマール逆変換及び符号化識別変換が行われる。
各パターンモード毎に定められるマイクロミラーのＯＮ状態の制御パターンは、アダマール行列の各行間のテンソル積を利用したパターンを用いるので、この各パターンモードの制御パターン毎に得られた中間周波数デジタル信号を用いてマイクロミラー毎の中間周波数デジタル信号に分解する。この分解はアダマール逆変換を利用して行われる。
【００８１】
さらに、レーザ光の時間変調に用いたＰＮ符号化系列信号は自己相関性及び直交性を有するので、時間変調に用いたＰＮ符号化系列信号とアダマール逆変換の施された中間周波数デジタル信号との間の相関関数を算出することで、レーザ光毎に中間周波数デジタル信号を分解する符号化識別変換が行われる。すなわち、３次元画像の各画素に対応した３次元画像情報、すなわち式（１３）におけるｒi・ｃｏｓ（θi）及びｒi・ｓｉｎ（θi）が得られる。
これらの値は、距離情報算出部６８及び反射率算出部７２に供給される。
【００８２】
３次元位置情報算出部７０では、求められたｒi・ｃｏｓ（θi）及びｒi・ｓｉｎ（θi）の値から角度θiを算出する。角度θiは、光電変換器３８で出力された電気信号のＲＦ変調信号に対する位相ずれ量である。この位相ずれθiにおける、式（６）に示されるような不確定分２ｎπは、距離ρ0を用いて特定することができ、各マイクロミラー毎の距離ρが算出される。
こうして、３次元位置情報算出部７０では、算出された距離ρとマイクロミラーの位置情報とを用いて式（９）から倍率ｍが求められ、式（８）を用いて各マイクロミラー毎に測定対象物Ｔの３次元位置座標（３次元位置データ）が求められる（ステップＳ１０４）。
【００８３】
さらに、反射率算出部７２では、信号変換部６６から供給されたｒi・ｃｏｓ（θi），ｒi・ｓｉｎ（θi）の値を用いて、反射強度データ（反射率ｒi）が求められる。
このとき、この反射強度データ（反射率ｒi）について、このレベルが所定の閾値を超えるか否かが判定される（ステップＳ１０６）。閾値を超える場合、測定対象物Ｔの鏡面反射成分を受光したと判定され、先に取得された信号情報には鏡面反射成分の信号が含まれているため、計測結果の精度が得られないと判断されて、第１の計測モード及び第２の計測モードによる計測が再度行われる。
【００８４】
再度の計測の際、空間変調素子３４において測定対象物Ｔの鏡面反射成分を反射するマイクロミラーの組について、鏡面反射成分の光量を低減するように、ＯＮ状態のマイクロミラーの数を少なくする反射パターンに調整される（ステップＳ１０８）。ＯＮ状態のマイクロミラーの数の低減方法には特に制限はないが、例えば８個×８個の隣接するマイクロミラーを１つの組とした場合、ＯＮ状態の６４個のマイクロミラーの組に対してＯＮ状態のマイクロミラーの数を１個、２個、・・・６３個と選択することができる。このときのＯＮ状態のマイクロミラーの数は、閾値を超えた反射強度データのレベルの大小に応じて定めるとよく、一例として以下のように設定される。
【００８５】
図１２は、画像上における反射強度データの一例をわかり易く説明する図である。画素ｉの反射強度データＡmaxが閾値Ａthを越えている。このとき、まず、Ａmax，Ａthから（Ａmax／Ａth）(1/n-1)（ｎは２以上の自然数）を求める。このときの値に、一つの組を構成するマイクロミラーの個数（例えば８個×８個の隣接するマイクロミラーを１つの組とした場合、６４個）を乗算し、この乗算結果の値を四捨五入して整数とし、この整数をＯＮ状態のマイクロミラーの個数とする。
【００８６】
例えば、８個×８個のマイクロミラーを一つの組とし、ｎ＝２とする。Ａmax／Ａth＝２の場合、すなわち、反射強度データのレベルＡmaxが閾値のレベルＡthの２倍となっている場合、６４個のマイクロミラーのうち４５個（＝６４・（２）(1/2-1)）のマイクロミラーをＯＮ状態とする。なお、６４個のマイクロミラーのうちＯＮ状態とするマイクロミラーの位置は、特に制限されない。
【００８７】
図１３（ａ）は、第２の計測モードで用いる制御パターンの状態を示している。図中、マイクロミラーがＯＮ状態は灰色で、ＯＦＦ状態は白色で示している。このような制御パターンに対して、図１３（ｂ）は、鏡面反射成分を反射するマイクロミラーの組Ｒ（画素番号（１，３）に位置するマイクロミラーの組）において組Ｒに位置する全てのマイクロミラーをＯＮ状態にした６４個のマイクロミラーから４個のマイクロミラーのみをＯＮ状態にする反射パターンを適用している。すなわち、測定対象物Ｔからの鏡面反射成分を反射するマイクロミラーの組Ｒに対して、反射面の面積を１／１６に低下する反射パターンを採用している。このようにＯＮ状態にするマイクロミラーの数を絞ることにより、光電変換器３８で受光される鏡面反射成分を低下させることができる。
【００８８】
このような反射パターンに空間変調素子３４のマイクロミラーは調整されて、ステップＳ１００に戻り、第１の計測モード（ステップＳ１００）及び第２の計測モード（ステップＳ１０２，１０４）にて再度の計測が行われる。この計測では、光電変換器３４で受光される反射光のうち、鏡面反射成分は低下するが、拡散反射成分を反射するマイクロミラーの組については調整しないので、これらの成分の反射強度データの値の差は小さくなる。このため、レーダ回路ユニット４０の増幅器４８ａ〜４８ｈにおいて光電変換器３８から出力される電気信号の増幅ゲインを増大させることができ、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
こうして、３次元位置情報算出部７０及び反射率算出部７２において３次元位置データとレベルが閾値以下の反射強度データを含む３次元画像データが取得され  （ステップＳ１１０）、ディスプレイ１６に供給されて、測定対象物Ｔの３次元画像が表示される。
【００８９】
図１４（ａ）は、反射強度データのレベルが閾値を超える場合でも、マイクロミラーを調整せずに全てのマイクロミラーをＯＮ状態にして３次元画像データを取得したときのディスプレイ１６に表示される画像の例を示している。画像では、鏡面反射が４箇所で生じているため、これ以外の拡散反射成分のデータは背景画像のノイズ成分に埋もれて暗くなっており表示されていない。これに対して、図１４（ｂ）は、反射強度データのレベルが閾値を超えた４箇所の組に対してマイクロミラーの反射パターンを調整して、第１の計測モード及び第２の計測モードの再計測を行って３次元画像データを取得したときの画像の例を示している。この場合、マイクロミラーの上記４箇所の対応するマイクロミラーの組についてＯＮ状態のマイクロミラーの数を制限した反射パターンに調整したため、４箇所の対応するマイクロミラーの組から鏡面反射成分が到来したときの反射強度データのレベルは低減する。この結果、図１４（ｂ）に示すように、ピストルモデルである測定対象物Ｔの外観が表示される。このように、鏡面反射成分の受光を制限する反射パターンを空間変調素子３４に適用してマイクロミラーを調整することで、有効な３次元画像データを迅速に取得することができる。
【００９０】
なお、３次元位置データ及び反射強度データを求める際、異なるレーザ光によって測定対象物Ｔの同じ領域が照射されて、同じ領域の３次元位置データおよび反射強度データが同時に求められる場合がある。この場合３次元位置データの平均値および反射強度データの平均値を採用したり、反射強度データが大きな値を持つレーザ光から得られた３次元位置データを採用してもよい。
【００９１】
このように本発明では第１の計測モードで、測定対象物Ｔのレーザ光照射領域における中心位置の距離ρ0を求め、第２の計測モードで、各マイクロミラーの各位置における距離ρを、距離ρ0を用いて求めることにより、測定対象物Ｔの各位置における位置座標（３次元位置データ）が求められる。
このとき、レーザ光の反射成分に、鏡面反射成分が含まれていたとしても、空間変調素子３４のＯＮ状態のマイクロミラーの個数を制限して、再度第１の計測モード及び第２の計測モードの計測を行うので、鏡面反射成分の低減された反射強度データを取得することができる。又、増幅器４８ａ〜４８ｈのゲインを増大させることもできるので、精度の高い３次元画像データを取得することができる。
さらに、第２計測モードでは、上述したようにノイズ低減のために、空間変調素子３４のマイクロミラーに対して、例えばアダマール行列を利用した制御パターンを用いるが、受光した測定対象物からの反射光のなかに鏡面反射成分が含まれることにより、他の拡散反射成分の信号が埋もれる不都合も解消される。
【００９２】
以上、本発明の画像情報取得装置について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の画像情報取得装置の一実施形態の３次元形画像情報取得装置の外観図である。
【図２】図１に示す３次元形画像情報取得装置の本体部の装置構成を示すブロック図である。
【図３】図１に示す３次元形画像情報取得装置において用いられるマイクロミラーのＯＮ状態とＯＦＦ状態におけるレーザ光の反射を説明する図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す３次元形画像情報取得装置において用いられるマイクロミラーの制御パターンを説明する図である。
【図５】図１に示す３次元形画像情報取得装置のコンピュータの構成を示すブロック図である。
【図６】図１に示す３次元形画像情報取得装置において生成されるＰＮ符号化変調信号の一例を示す図である。
【図７】本発明の３次元画像情報取得装置における第１の計測モードについて説明する図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、図１に示す３次元形画像情報取得装置において３次元位置情報を求める方法を説明する説明図である。
【図９】本発明の画像情報取得装置における計測の流れの一例を示すフローチャートである。
【図１０】（ａ）〜（ｄ）は、図１に示す３次元形画像情報取得装置にて生成される、第１の計測モードにおける各種トリガ信号のタイミングチャートである。
【図１１】（ａ）〜（ｅ）は、図１に示す３次元形画像情報取得装置にて生成される、第２の計測モードにおける各種トリガ信号のタイミングチャートである。
【図１２】鏡面反射成分を受光したときの反射強度データを説明する図である。
【図１３】（ａ），（ｂ）は、本発明において空間変調素子に用いる反射パターンを説明する図である。
【図１４】（ａ）は従来の方法で取得される３次元画像の一例を示す図であり、（ｂ）は本発明で取得される３次元画像の一例を示す図である。
【００９４】
１０  ３次元画像情報取得装置
１２  本体部
１４  コンピュータ
１６  ディスプレイ
２０  レーザ光出射ユニット
２２  レーザダイオード
２４  レーザドライバ
２６，４２，４６  パワースプリッタ
２８，３２，３６  光学レンズ
３０  光学ユニット
３４  マイクロミラー空間変調素子
３７  ミラー
３８  光電変換器
４０  レーダ回路ユニット
４１  発振器
４３，４５，４８，５３  増幅器
４４  移相器
４７  ミキサ
５０  制御回路ユニット
５１  システム制御器
５２  ローパスフィルタ
５４  Ａ／Ｄ変換器
６０  ＣＰＵ
６２  メモリ
６４  データ処理部
６６  信号変換部
６８  距離情報算出部
７０  ３次元位置情報算出部
７２  反射率算出部
【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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