(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物体に照射する赤外光を発光する赤外光発光手段と、前記被計測物体で反射した赤外光を受光して撮像する第１撮像手段と、前記被計測物体に照射する赤外光の光軸と、前記第１撮像手段で受光する赤外光の光軸を一致させる光軸一致手段と、前記第１撮像手段で撮像する像の焦点を調節する焦点調節手段と、前記被計測物体で反射した光を赤外光と可視光に分離する光分離手段と、前記光分離手段によって分離した可視光を受光して撮像する第２撮像手段を備える光照射受光装置であって、
前記赤外光発光手段は、直線偏光の赤外光を発光する赤外光源と、前記赤外光源で発光した赤外光の照射角を調節する照射角調節手段とを備え、
前記光軸一致手段は、入射する光の偏光面の向きに応じて光を反射あるいは透過させる偏光ビームスプリッタと、入射した直線偏光を円偏光に変換し、入射した円偏光を直線偏光に変換するλ／４波長板とを備え、
前記光分離手段及び前記λ／４波長板は、前記偏光ビームスプリッタと前記被計測物体との間に、前記被計測物体側から、前記光分離手段、前記λ／４波長板の順に配置されていることを特徴とする光照射受光装置。
【請求項２】
前記光分離手段は、赤外光を透過し、可視光を反射するコールドミラーであり、
前記焦点調節手段、前記コールドミラー、前記λ／４波長板、及び前記偏光ビームスプリッタは、前記被計測物体と前記第１撮像手段とを結ぶ直線上に、前記被計測物体側から、前記焦点調節手段、前記コールドミラー、前記λ／４波長板、前記偏光ビームスプリッタの順に配置され、
前記赤外光源は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタで反射する向きになり、かつ、前記偏光ビームスプリッタで反射した赤外光が前記被計測物体に照射されるように配置され、
前記第２撮像手段は、前記被計測物体からの可視光が前記コールドミラーで反射する方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光照射受光装置。
【請求項３】
前記光分離手段は、赤外光を透過し、可視光を反射するコールドミラーであり、
前記焦点調節手段、前記コールドミラー、前記λ／４波長板、及び前記偏光ビームスプリッタは、前記被計測物体と前記赤外光発光手段とを結ぶ直線上に、前記被計測物体側から、前記焦点調節手段、前記コールドミラー、前記λ／４波長板、前記偏光ビームスプリッタの順に配置され、
前記赤外光源は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタを透過する向きになるように配置され、
前記第１撮像手段は、前記被計測物体で反射され、前記コールドミラー及び前記λ／４波長板を通った赤外光が前記偏光ビームスプリッタで反射する方向に配置され、
前記第２撮像手段は、前記被計測物体からの可視光が前記コールドミラーで反射する方向に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光照射受光装置。
【請求項４】
前記光分離手段は、赤外光を反射し、可視光を透過するホットミラーであり、
前記ホットミラーと前記焦点調節手段は、前記被計測物体と前記第２撮像手段とを結ぶ直線上に、前記被計測物体側から前記焦点調節手段、前記ホットミラーの順に配置され、
前記λ／４波長板及び前記偏光ビームスプリッタは、前記被計測物体からの赤外光が前記ホットミラーで反射する方向であり、かつ、前記ホットミラーと前記第１撮像手段とを結ぶ直線上に、前記λ／４波長板、前記偏光ビームスプリッタの順に配置され、
前記赤外光源は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタで反射する向きになり、かつ、前記被計測物体に照射されるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光照射受光装置。
【請求項５】
前記光分離手段は、赤外光を反射し、可視光を透過するホットミラーであり、
前記ホットミラーと前記焦点調節手段は、前記被計測物体と前記第２撮像手段とを結ぶ直線上に、前記被計測物体側から、前記焦点調節手段、前記ホットミラーの順に配置され、
前記偏光ビームスプリッタ及び前記λ／４波長板は、前記ホットミラーと前記赤外光発光手段との間に、前記ホットミラー側から、前記λ／４波長板、前記偏光ビームスプリッタの順に配置され、
前記赤外光源は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタを透過するような向きに配置され、
前記第１撮像手段は、前記被計測物体で反射され、前記ホットミラー及び前記λ／４波長板を通った赤外光が、前記偏光ビームスプリッタで反射する方向に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の光照射受光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測物体に光を照射し、前記被計測物体からの反射光を受光する光照射受光装置に関し、特に、前記被計測物体の三次元形状計測やパターン計測に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カメラを用いて被写体（被計測物体）の三次元形状を入力する方法には、さまざまな方法があり、例えば、アクティブ型計測法が多く用いられている。
前記アクティブ型計測法は、例えば、図１１に示すように、発光手段３から発光される人工的な光を被計測物体２に照射し、前記被計測物体２からの反射光をカメラ等の撮像手段４で受光し、処理することによって、前記被計測物体２の三次元形状を求める方法である。このとき、前記被計測物体２の三次元形状は、例えば、飛行時間法（Time of Flight法）を用いて求める。
【０００３】
前記飛行時間法を用いて三次元形状を求めるには、例えば、前記発光手段３でパルス光を発光して前記被計測物体２に照射し、前記撮像手段４で、シャッターを高速に切りながら前記被計測物体２を撮影する。
このとき、前記発光手段３から照射された光は、前記被計測物体２の部位毎に、前記発光手段３から被計測物体２までの距離と、前記被計測物体２から前記撮像手段４までの距離の和に応じて、前記撮像手段２に到達するまで時間（走行時間）にばらつきが生じる。例えば、図１１に示したような、Ｌ字型の被計測物体２に光を照射したときには、前記被計測物体２の後方、言い換えると前記発光手段３及び撮像手段４から遠い部分で反射した光は、前記被計測物体の前方、言い換えると前記発光手段３及び撮像手段４に近い部分で反射した光よりも走行時間が長くなる。そのため、前記被計測物体２の後方で反射した光は、前記撮像手段４に到達する時間に遅れが生じ、シャッター時間内に前記撮像手段４に届く光量が少なくなる。
【０００４】
すなわち、前記撮像手段４で撮像された画像は、前記発光手段３及び前記撮像手段４から遠い部分で反射された光を受光した領域が暗くなり、被計測物体２の形状に対応した輝度の濃淡値が得られる。
そこで、前記撮像画像の輝度の濃淡値から、前記被計測物体の各部位と撮像手段の間の距離を算出して前記被計測物体の形状を求める。
【０００５】
前記アクティブ型計測法は、高信頼性及び高精度であるため、実用段階に供されている技術も多い。
しかしながら、従来のアクティブ型計測法では、前記発光手段３と前記撮像手段４が、空間的に異なる位置にあり、前記発光手段３から照射される光の光軸と、前記撮像手段で受光する光の光軸が空間的に異なる。そのため、前記被計測物体２の形状によっては、図１２に示すように、前記撮像手段４で撮像する範囲θ１を照射するように前記発光手段３の照射角θ２を設定しても、前記発光手段３からの光があたらない領域（オクルージョン領域）Ｓ３が発生することがある。前記オクルージョン領域Ｓ３には光があたらないため、前記オクルージョン領域Ｓ３内の形状を計測できないという問題がある。
【０００６】
また、図１２に示したような配置の場合、前記発光手段３で、前記撮像手段４で撮影する範囲θ１を照射するには、照射角θ２で光を照射する必要があるが、このとき、前記被計測物体２の、前記撮像手段４で撮影されない領域Ｓ４にも光が照射される。
前記発光手段３から照射される光の単位面積あたりの光量は、照射面積に反比例するため、図１２に示したように、前記撮像手段４で撮影されない領域Ｓ４にも光を照射すると、前記発光手段３で発光した光の光量に無駄が生じる。そのため、限られた出力の照明光を有効に利用できないという問題がある。
【０００７】
また、前記撮像手段４は、レンズを交換する、あるいはズームレンズを用いることにより、撮影範囲を変更することが可能である。このとき、前記撮像手段４で広角の撮影をする場合には、図１３に示すように、照射光の光軸ＡＸ２が前記撮像手段４で受光する光の光軸ＡＸ１と異なっていても、前記撮像手段４の撮影範囲θ１の広さに合わせて、前記発光手段３の照射角θ２を広くすることで、前記被計測物体２の全体に光を照射することができる。
【０００８】
しかしながら、図１３に示した状態で、例えば、前記撮像手段４の撮影範囲θ１を狭くして、図１４に示すように、被計測物体２の一部Ｓ５を拡大して撮影する場合、前記発光手段３の照射角θ２も狭くして、光量を増大し、無駄な光を少なくすることが考えられるが、前記照射光の光軸ＡＸ２が受光する光の光軸ＡＸ１とずれている場合には、図１４に示したように、照射範囲と撮影範囲にずれが出て、撮影範囲内に光のあたらない領域Ｓ５’ができてしまうという問題がある。
【０００９】
また、図１４に示したような、照射範囲と撮影範囲のずれをなくすためには、前記撮影範囲の変更に合わせて、前記発光手段３の光軸も調整する必要があり、作業の手間がかかるという問題がある。また、前記発光手段３で発光する光が赤外光などの不可視光の場合には、調節作業が困難であるという問題がある。
前記アクティブ型計測方法における各問題は、前記発光手段３から照射される光の光軸と前記撮像手段４で受光する光の光軸が異なるために生じる問題であるため、前記照射する光の光軸と受光する光の光軸を一致させることで解決できる。
【００１０】
前記照射する光の光軸と受光する光の光軸を一致させる方法としては、図１５に示すように、ハーフミラー１０を用いる方法が提案されている。
前記ハーフミラー１０を用いる場合、例えば、前記発光手段３で発光した光をハーフミラー１０に入射し、前記ハーフミラー１０で反射した光を前記被計測物体２に照射する。また、前記被計測物体２で反射した光は、前記被計測物体２に照射される光と同じ光軸を通り再び前記ハーフミラー１０に入射されるので、前記ハーフミラー８を透過した光を前記撮像装置４で受光し、撮像することで、前記各問題を解決することができる。
【００１１】
しかしながら、前記ハーフミラー１０は、入射した光の光量の半分が透過し、残りの半分が反射するため、前記発光手段３で発光した光の光量Ｐの半分だけが前記被計測物体２に照射されることになる。また、前記被計測物体２で反射した光も、光量の半分だけが前記ハーフミラー１０を透過して前記撮像手段４で受光される。そのため、前記被計測物体２に照射した光の光量の１００％が反射したとしても、前記撮像手段４で受光する光の光量は、前記発光手段３で発光した光の光量Ｐの４分の１になり、ロスが多いという問題があった。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術で説明したように、照射する光の光軸と受光する光の光軸が異なる場合には、図１２及び図１４に示したように、オクルージョン領域が発生するという問題や、撮影領域外に照射される無駄な光があるという問題があった。
また、図１５に示したようなハーフミラー１０を用いた方法では、光のロスが多いという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、発光手段で発光した光を被計測物体に照射し、前記被計測物体からの反射光を受光して撮像する光照射受光装置において、オクルージョン領域をなくすことが可能な技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、発光手段で発光した光を被計測物体に照射し、前記被計測物体からの反射光を受光して撮像する光照射受光装置において、撮像範囲と照射範囲の調節を容易にすることが可能な技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、発光手段で発光した光を被計測物体に照射し、前記被計測物体からの反射光を受光して撮像する光照射受光装置において、発光手段で発光した光のロスを低減することが可能な技術を提供することにある。
本発明の他の目的は、発光手段で発光した光を被計測物体に照射し、前記被計測物体からの反射光を受光して撮像する光照射受光装置において、オクルージョン領域をなくし、かつ、撮影範囲と照射範囲の調節を容易にするとともに、発光手段で発光した光のロスを低減することが可能な技術を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明の概要を説明すれば、以下のとおりである。
第１の発明は、被計測物体に照射する赤外光を発光する赤外光発光手段と、前記被計測物体で反射した赤外光を受光して撮像する第１撮像手段と、前記被計測物体に照射する赤外光の光軸と、前記第１撮像手段で受光する赤外光の光軸を一致させる光軸一致手段と、前記第１撮像手段で撮像する像の焦点を調節する焦点調節手段と、前記被計測物体で反射した光を赤外光と可視光に分離する光分離手段と、前記光分離手段によって分離した可視光を受光して撮像する第２撮像手段を備える光照射受光装置であって、前記赤外光発光手段は、直線偏光の赤外光を発光する赤外光源と、前記赤外光源で発光した赤外光の照射角を調節する照射角調節手段とを備え、前記光軸一致手段は、入射する光の偏光面の向きに応じて光を反射あるいは透過させる偏光ビームスプリッタと、入射した直線偏光を円偏光に変換し、入射した円偏光を直線偏光に変換するλ／４波長板とを備え、前記光分離手段及び前記λ／４波長板は、前記偏光ビームスプリッタと前記被計測物体との間に、前記被計測物体側から、前記光分離手段、前記λ／４波長板の順に配置されている光照射受光装置である。
【００２５】
第２の発明は、前記第１の発明において、前記光分離手段は、赤外光を透過し、可視光を反射するコールドミラーであり、前記焦点調節手段、前記コールドミラー、前記λ／４波長板、及び前記偏光ビームスプリッタは、前記被計測物体と前記第１撮像手段とを結ぶ直線上に、前記被計測物体側から、前記焦点調節手段、前記コールドミラー、前記λ／４波長板、前記偏光ビームスプリッタの順に配置され、前記赤外光源は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタで反射する向きになり、かつ、前記偏光ビームスプリッタで反射した光が前記被計測物体に照射されるように配置され、前記第２撮像手段は、前記被計測物体からの可視光が前記コールドミラーで反射する方向に配置されている光照射受光装置である。
【００２６】
第３の発明は、前記第１の発明において、前記光分離手段は、赤外光を透過し、可視光を反射するコールドミラーであり、前記焦点調節手段、前記コールドミラー、前記λ／４波長板、及び前記偏光ビームスプリッタは、前記被計測物体と前記赤外光発光手段とを結ぶ直線上に、前記被計測物体側から、前記焦点調節手段、前記コールドミラー、前記λ／４波長板、前記偏光ビームスプリッタの順に配置され、前記赤外光源は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタを透過する向きになるように配置され、前記第１撮像手段は、前記被計測物体で反射し、前記コールドミラー及び前記λ／４波長板を通った赤外光が前記偏光ビームスプリッタで反射する方向に配置され、前記第２撮像手段は、前記被計測物体からの可視光が前記コールドミラーで反射する方向に配置されている光照射受光装置である。
【００２７】
第４の発明は、前記第１の発明において、前記光分離手段は、赤外光を反射し、可視光を透過するホットミラーであり、前記ホットミラーと前記焦点調節手段は、前記被計測物体と前記第２撮像手段とを結ぶ直線上に、前記被計測物体側から前記焦点調節手段、前記ホットミラーの順に配置され、前記λ／４波長板及び前記偏光ビームスプリッタは、前記被計測物体からの赤外光が前記ホットミラーで反射する方向であり、かつ、前記ホットミラーと前記第１撮像手段とを結ぶ直線上に、前記λ／４波長板、前記偏光ビームスプリッタの順に配置され、前記赤外光源は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタで反射する向きになり、かつ、前記被計測物体に照射されるように配置されている光照射受光装置である。
【００２８】
第５の発明は、前記第１の発明において、前記光分離手段は、赤外光を反射し、可視光を透過するホットミラーであり、前記ホットミラーと前記焦点調節手段は、前記被計測物体と前記第２撮像手段とを結ぶ直線上に、前記被計測物体側から、前記焦点調節手段、前記ホットミラーの順に配置され、前記偏光ビームスプリッタ及び前記λ／４波長板は、前記ホットミラーと前記赤外光発光手段との間に、前記ホットミラー側から、前記λ／４波長板、前記偏光ビームスプリッタの順に配置され、前記赤外光源は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタを透過するような向きに配置され、前記第１撮像手段は、前記被計測物体で反射し、前記ホットミラー及び前記λ／４波長板を通った赤外光が、前記偏光ビームスプリッタで反射する方向に配置されている光照射受光装置である。
【００２９】
前記第１の発明から前記第５の発明までによれば、前記赤外光源で発光した赤外光、すなわち前記被計測物体に照射する赤外光の光軸と、前記被計測物体で反射し、前記撮像手段で受光される赤外光の光軸を同一軸上にすることができる。そのため、前記撮像手段で撮像する範囲内に、前記赤外光が照射されない領域（オクルージョン領域）が発生することを防げる。
【００３０】
また、前記赤外光発光手段に、前記照射角調節手段を設けることにより、前記被計測物体の赤外光が照射される領域を、前記撮像手段で撮影する範囲にあわせることができる。そのため、前記赤外光源で発光した赤外光が前記撮像手段で撮影する範囲外に照射されたり、前記図１４に示したように、撮影範囲と照射領域にずれが生じたりすることを防げ、前記赤外光源で発光した赤外光の光量を有効に利用することができる。またこのとき、前記被計測物体に照射する赤外光の光軸と、前記被計測物体で反射し、前記撮像手段で受光される赤外光の光軸が同一軸上であるため、撮像範囲の変更をした場合に、照射する赤外光の照射角を調節するだけでよく、赤外光の照射範囲の調節が容易である。
【００３１】
また、前記光軸一致手段として、前記偏光ビームスプリッタ及び前記λ／４波長板を用い、前記赤外光源で発光した赤外光を、前記偏光ビームスプリッタで反射あるいは透過させて被計測物体に照射することにより、前記赤外光源で発光した赤外光の光量のほぼ１００％を前記被計測物体に照射することができる。このとき、前記被計測物体に照射される赤外光は、前記λ／４波長板で偏光面が４５度回転し、円偏光に変わって照射される。
【００３２】
また、前記被計測物体で反射した赤外光（反射光）は、一般に、前記被計測物体に照射したときの円偏光のほかに、無偏光が混合した状態である。前記反射光に含まれる円偏光は、前記λ／４波長板で、前記赤外光源で発光した赤外光の偏光面と直交する偏光面の直線偏光になるので、前記偏光ビームスプリッタで透過あるいは反射し、前記撮像手段で受光される。このとき、前記撮像手段で受光される赤外光の光量は、前記円偏光と無偏光の割合によるが、前記被計測物体で反射した赤外光の光量の５０％から１００％になる。
【００３３】
また、前記被計測物体では、照射した赤外光のほとんどが反射するため、前記撮像手段で受光される赤外光の光量は、前記赤外光源で発光した赤外光の光量の５０％から１００％になる。そのため、従来のハーフミラーを用いた装置に比べ、光のロスを低減することができ、光を有効に利用することができる。
また、前記被計測物体に前記赤外光を照射する場合には、前記被計測物体で反射する光に、前記被計測物体が存在する空間の可視光（外光）も含まれているため、前記光分離手段を設けて赤外光と可視光を分離することにより、前記第１撮像手段では、赤外光だけの像を撮像することができる。
【００３４】
またこのとき、前記光分離手段で分離された可視光の像を前記第２撮像手段で撮像することにより、前記被計測物体の色情報を取得できる。そのため、前記第２撮像手段で撮影する範囲を前記第１撮像手段で撮影する範囲と一致させておくことにより、前記被計測物体の形状及び色を測定することができ、前記被計測物体を認識しやすくなる。
また、前記光分離手段として、赤外光を透過し、可視光を反射するコールドミラーを用いることができる。このとき、前記光照射受光装置の各構成要素は、前記第２の発明に示したように配置する。
【００３５】
前記第２の発明に示した配置の場合、前記赤外光源で発光した赤外光は、前記偏光ビームスプリッタで反射し、前記λ／４波長板で偏光面を４５度回転して円偏光に変わり、前記コールドミラーを透過して前記被計測物体に照射される。
前記被計測物体で反射した円偏光の赤外光は、前記コールドミラーを透過した後、前記λ／４波長板を通過する。このとき、前記λ／４波長板は、通過する赤外光の円偏光成分を、前記赤外光源で発光した赤外光の偏光面と直交する偏光面の直線偏光に変換する。そのため、前記偏光ビームスプリッタを透過し、前記第１撮像手段で受光される。
一方、前記被計測物体で反射した可視光は、前記コールドミラーで反射し、前記第２撮像手段で受光される。
また、前記光分離手段として、前記コールドミラーを用いた場合、前記光照射受光装置の各構成要素は、前記第２の発明に示した配置に限らず、前記第３の発明に示したような配置でもよい。
【００３６】
前記第３の発明に示した配置の場合、前記赤外光源で発光した赤外光は、前記偏光ビームスプリッタを透過し、前記λ／４波長板で偏光面を４５度回転して円偏光に変わり、前記コールドミラーを透過して前記被計測物体に照射される。
前記被計測物体で反射した円偏光の赤外光は、前記コールドミラーを透過した後、前記λ／４波長板を通過する。このとき、前記λ／４波長板は、通過する赤外光の円偏光成分を、前記赤外光源で発光した赤外光の偏光面と直交した偏光面の直線偏光に変換する。そのため、前記偏光ビームスプリッタで反射し、前記第１撮像手段で受光される。
一方、前記被計測物体で反射した可視光は、前記コールドミラーで反射し、前記第２撮像手段で受光される。
また、前記光分離手段は、前記コールドミラーに限らず、赤外光を反射し、可視光を透過するホットミラーを用いることもできる。前記ホットミラーを用いるときには、前記光照射受光装置の各構成要素は、前記第４の発明に示したように配置する。
【００３７】
前記第４の発明に示した配置の場合、前記赤外光源で発光した赤外光は、前記偏光ビームスプリッタで反射し、前記λ／４波長板で偏光面を４５度回転して円偏光に変わり、前記ホットミラーで反射した後、前記被計測物体に照射される。
前記被計測物体で反射した円偏光の赤外光は、前記ホットミラーで反射した後、前記λ／４波長板を通過する。このとき、前記λ／４波長板は、通過する赤外光の円偏光成分を、前記赤外光源で発光した赤外光の偏光面と直交する偏光面の直線偏光に変換する。そのため、前記偏光ビームスプリッタを透過し、前記第１撮像手段で受光される。
一方、前記被計測物体で反射した可視光は、前記ホットミラーを透過し、前記第２撮像手段で受光される。
また、前記光分離手段として、前記ホットミラーを用いる場合、前記光照射受光装置の各構成要素は、前記第４の発明に示した配置に限らず、前記第５の発明に示したような配置であってもよい。
【００３８】
前記第５の発明に示した配置の場合、前記赤外光源で発光した赤外光は、前記偏光ビームスプリッタを透過し、前記λ／４波長板で偏光面を４５度回転して円偏光に変わり、前記ホットミラーで反射した後、前記被計測物体に照射される。
前記被計測物体で反射した円偏光の赤外光は、前記ホットミラーで反射した後、前記λ／４波長板を通過する。このとき、前記λ／４波長板は、通過する赤外光の円偏光成分を、前記赤外光源で発光した赤外光の偏光面と直交する偏光面の直線偏光に変換する。そのため、前記偏光ビームスプリッタで反射し、前記第１撮像手段で受光される。
一方、前記被計測物体で反射した可視光は、前記ホットミラーを透過し、前記第２撮像手段で受光される。
【００５３】
以下、本発明について、図面を参照して実施の形態（実施例）とともに詳細に説明する。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは、同一符号をつけ、その繰り返しの説明は省略する。
【００５４】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明による実施形態１の光照射受光装置の概略構成を示す模式図である。
図１において、１Ａは光照射受光装置、２は被計測物体、３は発光手段、３０１は光源、３０２は照射角調節手段、４は撮像手段、５は光軸一致手段、５０１は偏光ビームスプリッタ、５０２はλ／４波長板、６は焦点調節手段である。また、図１に示した矢印のうち、実線の矢印は被計測物体に照射する光の進路を示し、破線の矢印は受光する光の進路を示す。また、実線の矢印に添えたｓはｓ偏光であることを示し、破線の矢印に添えたｐはｐ偏光であることを示す。
【００５５】
本実施形態１の光照射受光装置１Ａは、図１に示すように、被計測物体２に照射する光を発光する発光手段３と、前記被計測物体２で反射した光を受光して撮像する撮像手段４と、前記被計測物体２に照射する光の光軸と前記撮像手段４で受光する光の光軸とを一致させる光軸一致手段５と、前記撮像手段４で撮像する像の焦点を調節する焦点調節手段６とにより構成されている。
また、前記発光手段３は、単色かつ直線偏光の光を発光する光源３０１と、前記光源３０１で発光した光の照射角を調節する照射角調節手段３０２とを備える。
【００５６】
また、前記光軸一致手段５は、入射する光の偏光面の向きに応じて、光を反射あるいは透過させる偏光ビームスプリッタ５０１と、入射した直線偏光を円偏光に変換し、入射した円偏光を直線偏光に変換するλ／４波長板５０２とを備え、前記λ／４波長板５０２は、前記偏光ビームスプリッタ５０１と前記被計測物体２との間に配置されている。
【００５７】
また、本実施形態１の光照射受光装置１Ａでは、図１に示したように、前記光軸一致手段５及び前記焦点調節手段６は、前記被計測物体２と前記撮像手段４とを結ぶ直線上に、前記被計測物体２側から、前記焦点調節手段６、前記光軸一致手段５の順に配置されている。
【００５８】
また、前記光源３０１は、発光した光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射される向きになり、かつ、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射した光が前記被計測物体２に照射されるように配置され、前記照射角調節手段３０２は、前記光源３０１と前記偏光ビームスプリッタ５０１の間に配置されている。
【００５９】
本実施形態１の光照射受光装置では、前記光源３０１で発光した単色かつ直線偏光の光は、前記照射角調節手段３０２で照射角を調節した後、前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射する。このとき、前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射する光はｓ偏光であるため、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射する。
前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射した照射光は、前記λ／４波長板５０２で円偏光に変換された後、前記焦点調節手段６を通して前記被計測物体２に照射される。
【００６０】
このとき、前記光源３０１で発光する光は直線偏光であり、前記偏光ビームスプリッタ５０１でほぼ１００％反射するため、前記光源３０１で発光した光の光量のほぼ１００％を前記被計測物体２に照射することができる。
前記被計測物体２に光を照射する場合、少なくとも、前記撮像手段４で撮影する範囲（撮影画角）の全域に照射する必要があるが、前記光を照射する領域が広すぎる場合は、単位面積あたりの光量が低下して光の利用効率が低下するとともに、撮影した画像の精度が低下する。そのため、前記照射角調節手段により、前記被計測物体２の光が照射される領域が、前記撮影画角と同等あるいは撮影画角よりもやや広くなるように調節する。
【００６１】
図２及び図３は、本実施形態１の光照射受光装置１Ａの動作を説明するための模式図であり、それぞれ、前記被計測物体に照射する光の照射角の調節方法を説明するための模式図である。
前記光照射受光装置１Ａを用いて、例えば、図２に示すように、前記焦点調節手段６により、前記撮像手段４で撮影する範囲を、前記被計測物体２の一部の狭い領域Ｓ１に設定した場合、前記光源３０１で発光した光が、前記狭い領域Ｓ１内全体を照射していればよい。そのため、前記照射角調節手段３０２により、前記狭い領域Ｓ１と同じ領域、あるいは前記狭い領域Ｓ１よりもやや広い領域を照射するように照射角を調節する。
【００６２】
また、前記光照射受光装置１Ａを用いて、例えば、図３に示すように、前記焦点調節手段６により、前記撮像手段４で撮影する範囲を、前記被計測物体２の広い領域Ｓ２に設定した場合は、前記光源３０１で発光した光で、前記広い領域Ｓ２内全体を照射しなければならない。そのため、前記照射角調節手段３０２により、前記広い領域Ｓ２と同じ領域、あるいは前記広い領域Ｓ２よりもやや広い領域を照射するように照射角を調節する。
また、前記撮像手段４の撮影範囲は、前記焦点調節手段６の調節により、図２及び図３に示した場合以外も考えられるが、その場合も、前記撮像手段４の撮影範囲に合わせて、前記照射角調節手段３０２により光の照射範囲を調節する。
【００６３】
このように、前記焦点調節手段６の焦点距離を変化させて、前記撮像手段４の撮影範囲（撮影画角）を変更したときに、その変化に合わせて、前記照射角調節手段３０２により光の照射角（照射領域）を変更することにより、前記光照射受光装置１Ａから照射する光のほとんどを前記撮影画角内に照射でき、照射した光の光量をほぼ１００％利用することができる。そのため、前記発光手段３で発光した光を有効に利用することができる。
【００６４】
また、前記被計測物体２に照射した光と、前記被計測物体２で反射した光が同じ光路を通るため、前記撮像手段４で撮影する範囲を変更するときに、前記照射角調節手段３０２で照射角を調節するだけでよい。そのため、撮影範囲を効率よく照射するための制御が容易になる。またこのとき、前記照射角調節手段３０２を、前記焦点調節手段６と連動させることにより、前記撮像手段４で撮影する範囲に照射することができ、光量を有効に利用することができる。
【００６５】
一方、前記被計測物体２に照射した光は反射し、図１に示したように、再び前記焦点調節手段６を通して前記λ／４波長板５０２に入射する。
前記被計測物体２からの反射光は、一般に、円偏光と無偏光が混合した状態であり、前記円偏光は前記λ／４波長板５０２で直線偏光に変換される。このときの直線偏光の偏光面は、前記光源３０１で発光した光の偏光面に対して９０度回転した状態、すなわちｐ偏光であるため、前記偏光ビームスプリッタ５０１を透過し、前記撮像手段４で受光される。
【００６６】
一方、前記無偏光は偏光面がランダムな光であり、前記λ／４波長板５０２により各偏光面が均一に回転するだけなので、無偏光のまま前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射される。このとき、前記無偏光の一部、すなわち偏光面が前記偏光ビームスプリッタ５０１を透過する向きの成分だけが透過し、残りの成分は反射する。そのため、前記撮像手段４で受光する光の光量は、前記被計測物体２で反射した光の円偏光と無偏光の混合比に依存するが、前記被計測物体２で反射した光の光量の、おおよそ５０％から１００％となる。
【００６７】
本実施形態１の光照射受光装置１Ａでは、前記被計測物体２に照射する光の光軸を、前記撮像手段４で受光する光の光軸と一致させているため、前記撮像手段４で撮影する領域内に光があたらない領域（オクルージョン領域）が発生しない。
また、前記光源３０１で発光した光の光量のほぼ１００％を前記被計測物体２に照射でき、前記被計測物体２で反射した光の光量の５０％から１００％を前記撮像手段４で受光することができるので、従来のハーフミラーを用いた装置に比べ、撮像に利用できる光量を増加することができる。
【００６８】
図４は、本実施形態１の光照射受光装置の具体的な構成例を示す模式図である。
本実施形態１の光照射受光装置１Ａは、主に、前記被計測物体２の三次元形状を測定したり、パターン認識をしたりするのに用いられる三次元形状測定装置として用いられ、前記光源３０１として、図４に示すように、パルスレーザ光を発光する半導体レーザ発振器３０１を用いる。
【００６９】
また、前記撮像手段４は、高速のシャッター動作及び光を増幅するゲート付きＭＣＰ４０１及びリレーレンズ４０２が設けられた撮像カメラ４０３を用いる。また、必要に応じて前記λ／４波長板５０２と前記撮像カメラ４０３の間に、前記半導体レーザ発振器３０１で発光したレーザパルス光の波長以外の波長の光を除去するバンドパスフィルタ４０４を設ける。
また、前記焦点調節手段６は、例えば、焦点距離の短いＣマウントレンズ６０１と、焦点距離延長レンズ６０２を組み合わせて用いる。
【００７０】
図４に示した三次元形状測定装置の動作を簡単に説明すると、まず、前記半導体レーザ発振器３０１でレーザパルス光を発光する。前記レーザパルス光は、前記照射角調節手段３０２で、前記レーザパルス光の照射角が前記撮像カメラで撮影する範囲（撮像画角）と同等あるいはやや広くなるように調節して前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射する。
【００７１】
このとき、前記半導体レーザ発振器３０１は、前記レーザパルス光がｓ偏光になるように配置されており、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射し、前記λ／４波長板５０２で円偏光になり、前記焦点延長レンズ６０２及び前記Ｃマウントレンズ６０１を通って前記被計測物体２に照射される。
前記被計測物体２に照射され、反射したレーザパルス光は、再び前記Ｃマウントレンズ６０１及び焦点距離延長レンズ６０２を通り、前記λ／４波長板５０２に入射する。
【００７２】
このとき、反射した前記レーザパルス光のうち円偏光の光は、前記半導体レーザ発振器３０１で発光したレーザパルス光の偏光面と直交する偏光面のパルス光になるため、前記偏光ビームスプリッタ５０１を透過する。また、前記反射したレーザパルス光の無偏光成分は、前記偏光ビームスプリッタ５０１が透過する偏光面に近い成分が透過する。
【００７３】
前記偏光ビームスプリッタ５０１を透過した光は、前記バンドパスフィルタ４０４に入射され、前記半導体レーザ光源３０１で発光したレーザパルス光の波長以外の外光成分が除去される。なお、前記三次元形状測定装置を用いた計測を暗室で行う場合や、前記レーザパルス光の強度が前記外光の強度よりも十分に大きい場合には、前記バンドパスフィルタ４０４を設けなくてもよい。
前記バンドパスフィルタ４０４を通過した光は、前記ゲート付きＭＣＰ４０１を用いて高速のシャッター動作をさせながら、前記リレーレンズ４０２を通して前記撮像カメラ４０３で光の像を撮影する。
【００７４】
このとき、前記被計測物体２の各部位で反射した光には、前記半導体レーザ発振器３０１から前記被計測物体２までの距離と、前記被計測物体２から前記撮像カメラ４０３までの距離の和に応じた時間差がある。そのため、高速のシャッター動作をさせながら像を撮影することにより、撮影された画像には、単位時間内に到達した光の光量に応じた濃淡が現われる。
そこで、前記撮像した画像の濃淡値にもとづき、飛行時間法を用いて、撮影した画像の各点に対する前記被計測物体までの距離を求めることにより、前記被計測物体の形状を求めることができる。
【００７５】
以上説明したように、本実施形態１の光照射受光装置によれば、前記被計測物体２に照射する光の光軸を、前記撮像手段４で受光する光の光軸と一致させることにより、前記被計測物体２にオクルージョン領域が発生するのを防ぐことができる。
またこのとき、前記照射角調節手段３０２を用いることにより、前記被計測物体２の撮影領域（撮像画角）と同等あるいはやや広い領域のみに光を照射することができ、光量を有効に利用することができる。
また、前記偏光ビームスプリッタ５０１及びλ／４波長板５０２を用いることにより、前記撮像手段４で受光する光の光量が、前記光源３０１で発光した光の光量の５０％から１００％になるため、従来のハーフミラーを用いた装置に比べ、光の利用効率を高くすることができる。
【００７６】
（実施形態２）
図５は、本発明による実施形態２の光照射受光装置の概略構成を示す模式図である。
図５において、１Ｂは光照射受光装置、２は被計測物体、３は発光手段、３０１は光源、３０２は照射角調節手段、４は撮像手段、５は光軸一致手段、５０１は偏光ビームスプリッタ、５０２はλ／４波長板、６は焦点調節手段である。また、図５に示した矢印のうち、実線の矢印は被計測物体に照射する光の進路を示し、破線の矢印は受光する光の進路を示す。また、実線の矢印に添えたｐはｐ偏光であることを示し、破線の矢印に添えたｓはｓ偏光であることを示す。
【００７７】
本実施形態２の光照射受光装置１Ｂは、前記実施形態１の光照射受光装置１Ａと同様の構成であり、図５に示すように、前記光源３０１及び照射角調節手段３０２を備える発光手段３と、前記撮像手段４と、前記偏光ビームスプリッタ５０１及び前記λ／４波長板５０２を備える光軸一致手段５と、前記焦点調節手段６とにより構成されている。そのため、前記各構成要素の説明は省略する。
【００７８】
本実施形態２の光照射受光装置１Ｂにおいて、前記実施形態１の光照射受光装置１Ａと異なる点は、前記発光手段３と前記撮像手段４の配置である。
本実施形態２の光照射受光装置１Ｂでは、前記発光手段３の前記光源３０１は、発光した光の偏光面が、前記偏光ビームスプリッタ５０１を透過する向きになるように配置されている。
また、前記撮像手段４は、前記被計測物体からの反射光が、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射する方向に配置されている。
また、前記光源３０１は、発光した光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射される向きになり、かつ、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射した光が前記被計測物体２に照射されるように配置され、前記照射角調節手段３０２は、前記光源３０１と前記偏光ビームスプリッタ５０１の間に配置されている。
【００７９】
本実施形態２の光照射受光装置１Ｂでは、前記光源３０１で発光した単色かつ直線偏光の光は、前記照射角調節手段３０２で照射角を調節した後、前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射する。このとき、前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射する光はｐ偏光であるため、前記偏光ビームスプリッタ５０１を透過する。
前記偏光ビームスプリッタ５０１を透過した照射光は、前記λ／４波長板５０２で円偏光に変換された後、前記焦点調節手段６を通して前記被計測物体２に照射される。
【００８０】
このとき、前記光源３０１で発光する光は直線偏光であり、前記偏光ビームスプリッタ５０１でほぼ１００％反射するため、前記光源３０１で発光した光の光量のほぼ１００％を前記被計測物体２に照射することができる。
また、前記被計測物体２に光を照射する場合には、前記実施形態１で説明したように、前記照射角調節手段３０２により、前記被計測物体２の光が照射される領域が、前記撮影画角と同等あるいは撮影画角よりもやや広くなるように調節する。
【００８１】
前記被計測物体２に照射した光は反射し、図５に示したように、再び前記焦点調節手段６を通して前記λ／４波長板５０２に入射する。
前記被計測物体２からの反射光は、一般に、円偏光と無偏光が混合した状態であり、前記円偏光は前記λ／４波長板５０２で直線偏光に変換される。このときの直線偏光の偏光面は、前記光源３０１で発光した光の偏光面に対して９０度回転した状態、すなわちｓ偏光であるため、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射し、前記撮像手段４で受光される。
【００８２】
一方、前記無偏光は偏光面がランダムな光であり、前記λ／４波長板５０２により各偏光面が均一に回転するだけなので、無偏光のまま前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射される。このとき、前記無偏光の一部、すなわち偏光面が前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射する向きの成分だけが反射し、残りの成分は透過する。そのため、前記撮像手段４で受光する光の光量は、前記被計測物体２で反射した光の円偏光と無偏光の混合比に依存するが、前記被計測物体２で反射した光の光量の、おおよそ５０％から１００％となる。
【００８３】
本実施形態２の光照射受光装置１Ｂでは、前記被計測物体２に照射する光の光軸を、前記撮像手段４で受光する光の光軸と一致させているため、前記撮像手段４で撮影する領域内に光があたらない領域（オクルージョン領域）が発生しない。
また、前記光源３０１で発光した光の光量のほぼ１００％を前記被計測物体２に照射でき、前記被計測物体２で反射した光の光量の５０％から１００％を前記撮像手段４で受光することができるので、従来のハーフミラーを用いた装置に比べ、撮像に利用できる光量を増加することができる。
本実施形態２の光照射受光装置１Ｂも、前記実施形態１の光照射受光装置１Ａと同様に、主に、前記被計測物体の三次元形状を測定したり、パターン認識をしたりするのに用いられる三次元形状測定装置として用いられるが、その具体的な構成及び動作の説明については省略する。
【００８４】
以上説明したように、本実施形態２の光照射受光装置によれば、前記光軸一致手段５を用い、前記被計測物体２に照射する光の方向と同じ方向に反射した光を前記撮像手段４で受光することにより、前記被計測物体２にオクルージョン領域が発生するのを防ぐことができる。
またこのとき、前記照射角調節手段３０２を用いることにより、前記被計測物体２の撮影領域（撮像画角）と同等あるいはやや広い領域のみに光を照射することができ、光量を有効に利用することができる。
また、前記偏光ビームスプリッタ５０１及びλ／４波長板５０２を用いることにより、前記撮像手段４で受光する光の光量が、前記光源３０１で発光した光の光量の５０％から１００％になるため、従来のハーフミラーを用いた装置に比べ、光の利用効率を高くすることができる。
【００８５】
（実施形態３）
図６は、本発明による実施形態３の光照射受光装置の概略構成を示す模式図である。
図６において、１Ｃは光照射受光装置、２は被計測物体、３は発光手段、３０２は照射角調節手段、３０３は赤外光源、４は第１撮像手段、５は光軸一致手段、５０１は偏光ビームスプリッタ、５０２はλ／４波長板、６は焦点調節手段、７Ａは光分離手段（コールドミラー）、８は第２撮像手段である。また、図６に示した矢印のうち、実線の矢印は被計測物体に照射する光の進路を示し、破線の矢印は受光する光の進路を示す。また、実線の矢印に添えたｓはｓ偏光であることを示し、破線の矢印に添えたｐはｐ偏光であることを示す。
【００８６】
本実施形態３の光照射受光装置１Ｃは、図６に示すように、被計測物体２に照射する赤外光を発光する発光手段３と、前記被計測物体２で反射した赤外光を受光して撮像する第１撮像手段４と、前記被計測物体２に照射する赤外光の光軸と、前記第１撮像手段４で受光する赤外光の光軸を一致させる光軸一致手段５と、前記第１撮像手段４で撮像する像の焦点を調節する焦点調節手段６と、前記被計測物体２で反射した光を赤外光と可視光に分離する光分離手段７Ａと、前記光分離手段７Ａによって分離した可視光を受光して撮像する第２撮像手段８とにより構成されている。
【００８７】
また、前記発光手段３は、直線偏光の赤外光を発光する赤外光源３０３と、前記赤外光源３０３で発光した赤外光の照射角を調節する照射角調節手段３０２とを備える。
また、前記光軸一致手段５は、入射する光の偏光面の向きに応じて光を反射あるいは透過させる偏光ビームスプリッタ５０１と、入射した直線偏光を円偏光に変換し、入射した円偏光を直線偏光に変換するλ／４波長板５０２とを備える。
また、前記光分離手段７Ａ、前記λ／４波長板５０２は、前記偏光ビームスプリッタ５０１と前記被計測物体２との間に、前記被計測物体２側から、前記光分離手段７Ａ、前記λ／４波長板５０２の順に配置されている。
【００８８】
また、本実施形態３の光照射受光装置１Ｃにおいて、前記光分離手段７Ａは、赤外光を透過し、可視光を反射するコールドミラーであり、前記焦点調節手段６、前記コールドミラー７Ａ、前記λ／４波長板５０２、前記偏光ビームスプリッタ５０１は、図６に示したように、前記被計測物体２と前記第１撮像手段４とを結ぶ直線上に、前記被計測物体２側から、前記焦点調節手段６、前記コールドミラー７Ａ、前記λ／４波長板５０２、前記偏光ビームスプリッタ５０１の順に配置されている。
【００８９】
また、前記赤外光源３０３は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射する向きになり、かつ、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射した赤外光が前記被計測物体２に照射されるように配置されている。
また、前記第２撮像手段８は、前記被計測物体２からの可視光が前記コールドミラー７Ａで反射する方向に配置されている。
【００９０】
本実施形態３の光照射受光装置１Ｃでは、前記赤外光源３０３で発光した直線偏光の赤外光は、前記照射角調節手段３０２で照射角を調節した後、前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射する。このとき、前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射する赤外光はｓ偏光であるため、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射する。
前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射した赤外照射光は、前記λ／４波長板５０２で円偏光に変換された後、前記コールドミラー７Ａを透過し、前記焦点調節手段６を通して前記被計測物体２に照射される。
【００９１】
このとき、前記赤外光源３０３で発光する赤外光は直線偏光であり、前記偏光ビームスプリッタ５０１でほぼ１００％反射する。また、前記赤外光は前記コールドミラー７Ａもほぼ１００％透過するため、前記赤外光源３０１で発光した赤外光の光量のほぼ１００％を前記被計測物体２に照射することができる。
また、前記被計測物体２に光を照射する場合には、前記実施形態１で説明したように、前記照射角調節手段３０２により、前記被計測物体２の光が照射される領域が、前記撮影画角と同等あるいは撮影画角よりもやや広くなるように調節する。
【００９２】
前記被計測物体２に照射した光は反射し、図６に示したように、再び前記焦点調節手段６を通して前記コールドミラー７Ａに入射する。このとき、前記被計測物体２で反射した光は、前記赤外光と外光（可視光）が含まれているが、赤外光は前記コールドミラー７Ａを透過し、可視光は前記コールドミラー７Ａで反射する。
前記コールドミラー７Ａを透過した赤外光は、再び前記λ／４波長板５０２に入射する。
【００９３】
前記被計測物体２で反射した赤外光は、一般に、円偏光と無偏光が混合した状態であり、前記円偏光は前記λ／４波長板５０２で直線偏光に変換される。このときの直線偏光の偏光面は、前記光源３０１で発光した光の偏光面に対して９０度回転した状態、すなわちｐ偏光であるため、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射し、前記撮像手段４で受光される。
【００９４】
一方、前記無偏光は偏光面がランダムな光であり、前記λ／４波長板５０２により各偏光面が均一に回転するだけなので、無偏光のまま前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射される。このとき、前記無偏光の一部、すなわち偏光面が前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射する向きの成分だけが反射し、残りの成分は透過する。また、前記コールドミラー７Ａは赤外光をほぼ１００％透過するため、前記撮像手段４で受光する光の光量は、前記被計測物体２で反射した光の円偏光と無偏光の混合比に依存するが、前記被計測物体２で反射した光の光量の、おおよそ５０％から１００％となる。
【００９５】
また、前記コールドミラー７Ａで反射した可視光は、図６に示したように、第２撮像手段８で受光し、撮像される。このとき、前記第２撮像手段８は、前記第１撮像手段４で撮影する範囲と同じ範囲を撮影できるように光学的距離を調整しておく。
【００９６】
本実施形態３の光照射受光装置１Ｃでは、前記被計測物体２に照射する赤外光の光軸を、前記第１撮像手段４で受光する赤外光の光軸と一致させているため、前記第１撮像手段４で撮影する領域内に赤外光があたらない領域（オクルージョン領域）が発生しない。
【００９７】
また、前記赤外光源３０１で発光した光の光量のほぼ１００％を前記被計測物体２に照射でき、前記被計測物体２で反射した赤外光の光量の５０％から１００％を前記撮像手段４で受光することができるので、従来のハーフミラーを用いた装置に比べ、撮像に利用できる光量を増加することができる。
【００９８】
また、前記コールドミラー７Ａを用いて、前記被計測物体２で反射した光から可視光を分離し、前記第２撮像手段８で受光し、撮像することにより、前記第１撮像手段４で撮影した範囲の色情報を取得することができる。そのため、前記被計測物体２の形状及び色情報を測定でき、前記被計測物体２を認識しやすくなる。
【００９９】
図７は、本実施形態３の光照射受光装置の具体的な構成例を示す模式図である。
本実施形態３の光照射受光装置１Ｃは、主に、前記被計測物体の三次元形状を測定したり、パターン認識をしたりするのに用いられる三次元形状測定装置として用いられ、前記赤外光源３０３として、図４に示すように、パルスレーザ光を発光する半導体レーザ発振器３０３を用いる。
【０１００】
また、前記撮像手段４は、赤外光に感度を有し、高速のシャッター動作及び増幅をするゲート付きＭＣＰ４０１及びリレーレンズ４０２が設けられた撮像カメラ４０３を用いる。また、必要に応じて前記λ／４波長板５０２と前記撮像カメラ４０３の間に、前記赤外半導体レーザ発振器３０３で発光したレーザパルス光の波長以外の波長の光を除去するバンドパスフィルタ４０４を設ける。
また、前記焦点調節手段６は、例えば、焦点距離の短いＣマウントレンズ６０１と、焦点距離延長レンズ６０２を組み合わせて用いる。
【０１０１】
図７に示した三次元形状測定装置の動作を簡単に説明すると、まず、前記赤外半導体レーザ発振器３０３でレーザパルス光を発光する。前記レーザパルス光は、前記照射角調節手段３０２で、前記レーザパルス光の照射角が前記撮像カメラで撮影する範囲（撮像画角）と同等あるいはやや広くなるように調節して前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射する。
【０１０２】
このとき、前記赤外半導体レーザ発振器３０３は、前記レーザパルス光がｓ偏光になるように配置されており、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射し、前記λ／４波長板５０２で円偏光になり、前記コールドミラー７Ａを透過し、前記焦点延長レンズ６０２及び前記Ｃマウントレンズ６０１を通って前記被計測物体２に照射される。
【０１０３】
前記被計測物体２に照射され、反射したレーザパルス光は、再び前記Ｃマウントレンズ６０１及び焦点距離延長レンズ６０２を通り、前記コールドミラー７Ａに入射する。
このとき、反射した前記レーザパルス光のうち円偏光の赤外光は、前記コールドミラー７Ａを透過し、前記λ／４波長板５０２で、前記赤外半導体レーザ発振器３０３で発光したレーザパルス光の偏光面と直交する偏光面のパルス光、すなわちｐ偏光になる。そのため、前記偏光ビームスプリッタ５０１を透過する。また、前記反射したレーザパルス光の無偏光成分は、前記偏光ビームスプリッタ５０１が透過する偏光面に近い成分が透過する。
【０１０４】
前記偏光ビームスプリッタ５０１を透過した光は、前記バンドパスフィルタ４０４に入射され、前記赤外半導体レーザ光源３０３で発光したレーザパルス光の波長以外の外光成分が除去される。
前記バンドパスフィルタ４０４を通過した光は、前記ゲート付きＭＣＰ４０１を用いて高速のシャッター動作をさせながら、前記リレーレンズ４０２を通して前記撮像カメラ４０３で光の像を撮影する。
【０１０５】
このとき、前記被計測物体２の各部位で反射した光には、前記半導体レーザ発振器から前記被計測物体までの距離と、前記被計測物体から前記撮像カメラまでの距離の和に応じた時間差がある。そのため、高速のシャッター動作をさせながら像を撮影することにより、撮影された画像には、単位時間内に到達した光の光量に応じた濃淡が現われる。
そこで、前記撮像した画像の濃淡値にもとづき、飛行時間法を用いて、撮影した画像の各点に対する前記被計測物体までの距離を求めることにより、前記被計測物体の形状を求めることができる。
【０１０６】
一方、前記コールドミラー７Ａに入射した可視光は、前記コールドミラー７Ａで反射するが、そのままでは撮影した像の左右が入れ替わるため、ミラー９でもう一度反射させ、像の左右を元に戻したあと、前記第２撮像手段８で受光し、撮像する。
【０１０７】
以上説明したように、本実施形態３の光照射受光装置によれば、前記光軸一致手段５を用い、前記被計測物体２に照射する光の光軸を前記第１撮像手段４で受光する光の光軸と一致させることにより、前記被計測物体２にオクルージョン領域が発生するのを防ぐことができる。
またこのとき、前記照射角調節手段３０２を用いることにより、前記被計測物体２の撮影領域（撮像画角）と同等あるいはやや広い領域のみに光を照射することができ、光量を有効に利用することができる。
また、前記偏光ビームスプリッタ５０１及びλ／４波長板５０２を用いることにより、前記撮像手段４で受光する光の光量が、前記光源３０１で発光した光の光量の５０％から１００％になるため、従来のハーフミラーを用いた装置に比べ、光の利用効率を高くすることができる。
また、前記光分離手段（コールドミラー）７Ａを用いることにより、前記被計測物体で反射した可視光を前記第２撮像手段８で撮影することができ、前記被計測物体２を認識するための情報量が増え、認識しやすくなる。
【０１０８】
図８は、前記実施形態３の光照射受光装置の変形例を示す模式図である。
前記実施形態３の光照射受光装置１Ｃでは、図６に示したように、前記焦点調節手段６、前記コールドミラー７Ａ、前記λ／４波長板５０２、前記偏光ビームスプリッタ５０１を、前記被計測物体２と前記第１撮像手段４とを結ぶ直線上に、前記被計測物体２側から、前記焦点調節手段６、前記コールドミラー７Ａ、前記λ／４波長板５０２、前記偏光ビームスプリッタ５０１の順に配置しているが、これに限らず、図８に示したように、前記被計測物体２と前記赤外光発光手段３とを結ぶ直線上に、前記被計測物体２側から、前記焦点調節手段６、前記コールドミラー７Ａ、前記λ／４波長板５０２、前記偏光ビームスプリッタ５０１の順に配置してもよい。
【０１０９】
このとき、前記赤外光源３０３は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタ５０１を透過する向きになるように配置する。また、前記第１撮像手段４は、前記被計測物体２で反射され、前記コールドミラー７Ａ及び前記λ／４波長板５０２を通った赤外光が前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射する方向に配置する。
図８に示したような構成の場合、前記第１撮像手段４で受光する光の光軸が前記被計測物体２に照射する赤外光の光軸と一致するため、前記実施形態３の光照射受光装置１Ｃと同じ効果を得ることができる。
【０１１０】
（実施形態４）
図９は、本発明による実施形態４の光照射受光装置の概略構成を示す模式図である。
図９において、１Ｄは光照射受光装置、２は被計測物体、３は発光手段、３０２は照射角調節手段、３０３は赤外光源、４は第１撮像手段、５は光軸一致手段、５０１は偏光ビームスプリッタ、５０２はλ／４波長板、６は焦点調節手段、７Ｂは光分離手段（ホットミラー）、８は第２撮像手段である。また、図９に示した矢印のうち、実線の矢印は被計測物体に照射する光の進路を示し、破線の矢印は受光する光の進路を示す。また、実線の矢印に添えたｓはｓ偏光であることを示し、破線の矢印に添えたｐはｐ偏光であることを示す。
【０１１１】
本実施形態４の光照射受光装置１Ｄは、前記実施形態３の光照射受光装置と同様の構成であり、図９に示すように、赤外光源３０３と照射角調節手段３０２を備える発光手段３と、前記第１撮像手段４と、前記偏光ビームスプリッタ５０１と前記λ／４波長板５０２を備える前記光軸一致手段５と、前記焦点調節手段６と、前記光分離手段７Ｂと、前記第２撮像手段８とにより構成されている。そのため、各構成要素の説明は省略する。
【０１１２】
本実施形態４の光照射受光装置１Ｄにおいて、前記実施形態３の光照射受光装置１Ｃと異なる点は、前記光分離手段７Ｂとして、赤外光を反射し、可視光を透過するホットミラーを用いる点と、前記各構成要素の配置である。
本実施形態４の光照射受光装置１Ｄでは、前記ホットミラー７Ｂと前記焦点調節手段６は、図９に示したように、前記被計測物体２と前記第２撮像手段８とを結ぶ直線上に、前記被計測物体２側から前記焦点調節手段６、前記ホットミラー７Ｂの順に配置される。
【０１１３】
また、前記λ／４波長板５０２及び前記偏光ビームスプリッタ５０１は、前記被計測物体２からの赤外光が前記ホットミラー７Ｂで反射する方向であり、かつ、前記ホットミラー７Ｂと前記第１撮像手段４とを結ぶ直線上に、前記λ／４波長板５０２、前記偏光ビームスプリッタ５０１の順に配置される。
また、前記赤外光源３０３は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射する向きになり、かつ、前記被計測物体２に照射されるように配置されている。
【０１１４】
本実施形態４の光照射受光装置１Ｄでは、前記赤外光源３０３で発光した直線偏光の赤外光は、前記照射角調節手段３０２で照射角を調節した後、前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射する。このとき、前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射する赤外光はｓ偏光であるため、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射する。
前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射した赤外照射光は、前記λ／４波長板５０２で円偏光に変換された後、前記ホットミラー７Ｂで反射し、前記焦点調節手段６を通して前記被計測物体２に照射される。
【０１１５】
このとき、前記赤外光源３０３で発光する赤外光は直線偏光であり、前記偏光ビームスプリッタ５０１でほぼ１００％反射する。また、前記ホットミラー７Ｂもほぼ１００％反射するため、前記赤外光源３０３で発光した赤外光の光量のほぼ１００％を前記被計測物体２に照射することができる。
また、前記被計測物体２に光を照射する場合には、前記実施形態１で説明したように、前記照射角調節手段３０２により、前記被計測物体２の光が照射される領域が、前記撮影画角と同等あるいは撮影画角よりもやや広くなるように調節する。
【０１１６】
前記被計測物体２に照射した光は反射し、図６に示したように、再び前記焦点調節手段６を通して前記ホットミラー７Ｂに入射する。このとき、前記被計測物体２で反射した光は、前記赤外光と外光（可視光）が含まれているが、赤外光は前記ホットミラー７Ｂで反射し、可視光は前記ホットミラー７Ｂを透過する。
前記ホットミラー７Ｂで反射した赤外光は、再び前記λ／４波長板５０２に入射する。
【０１１７】
前記被計測物体２で反射した赤外光は、一般に、円偏光と無偏光が混合した状態であり、前記円偏光は前記λ／４波長板５０２で直線偏光に変換される。このときの直線偏光の偏光面は、前記赤外光源３０３で発光した光の偏光面に対して９０度回転した状態、すなわちｐ偏光であるため、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射し、前記撮像手段４で受光される。
【０１１８】
一方、前記無偏光は偏光面がランダムな光であり、前記λ／４波長板５０２により各偏光面が均一に回転するだけなので、無偏光のまま前記偏光ビームスプリッタ５０１に入射される。このとき、前記無偏光の一部、すなわち偏光面が前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射する向きの成分だけが反射し、残りの成分は透過する。また、前記ホットミラー７は赤外光をほぼ１００％反射するため、前記撮像手段４で受光する光の光量は、前記被計測物体２で反射した光の円偏光と無偏光の混合比に依存するが、前記被計測物体２で反射した光の光量の、おおよそ５０％から１００％となる。
【０１１９】
また、前記ホットミラー７Ｂを透過した可視光は、図９に示したように、第２撮像手段８で受光し、撮像される。このとき、前記第２撮像手段８は、前記第１撮像手段４で撮影する範囲と同じ範囲を撮影できるように光学的距離を調整しておく。
【０１２０】
本実施形態４の光照射受光装置１Ｄでは、前記被計測物体２に照射する赤外光の光軸を、前記第１撮像手段４で受光する赤外光の光軸と一致させているため、前記第１撮像手段４で撮影する領域内に赤外光があたらない領域（オクルージョン領域）が発生しない。
【０１２１】
また、前記赤外光源３０１で発光した光の光量のほぼ１００％を前記被計測物体２に照射でき、前記被計測物体２で反射した赤外光の光量の５０％から１００％を前記撮像手段４で受光することができるので、従来のハーフミラーを用いた装置に比べ、撮像に利用できる光量を増加することができる。
【０１２２】
また、前記ホットミラー７Ｂを用いて、前記被計測物体２で反射した光から可視光を分離し、前記第２撮像手段８で受光し、撮像することにより、前記第１撮像手段４で撮影した範囲の色情報を取得することができる。そのため、前記被計測物体２の形状及び色情報を測定でき、前記被計測物体２を認識しやすくなる。
【０１２３】
本実施形態４の光照射受光装置１Ｄも、主に、前記被計測物体の三次元形状を測定したり、パターン認識をしたりするのに用いられる三次元形状測定装置として用いられるが、その具体的な構成及び動作は、前記実施形態３の装置と同様であるため、その説明は省略する。
【０１２４】
以上説明したように、本実施形態４の光照射受光装置によれば、前記光軸一致手段５を用い、前記被計測物体２に照射する光の光軸を前記第１撮像手段４で受光する光の光軸と一致させることにより、前記被計測物体２にオクルージョン領域が発生するのを防ぐことができる。
またこのとき、前記照射角調節手段３０２を用いることにより、前記被計測物体２の撮影領域（撮像画角）と同等あるいはやや広い領域のみに光を照射することができ、光量を有効に利用することができる。
【０１２５】
また、前記偏光ビームスプリッタ５０１及びλ／４波長板５０２を用いることにより、前記撮像手段４で受光する光の光量が、前記光源３０１で発光した光の光量の５０％から１００％になるため、従来のハーフミラーを用いた装置に比べ、光の利用効率を高くすることができる。
また、前記光分離手段（ホットミラー）７Ｂを用いることにより、前記被計測物体で反射した可視光を前記第２撮像手段８で撮影することができ、前記被計測物体２を認識するための情報量が増え、認識しやすくなる。
【０１２６】
図１０は、前記実施形態４の光照射受光装置の変形例を示す模式図である。
前記実施形態４の光照射受光装置１Ｄでは、図９に示したように、前記λ／４波長板５０２及び前記偏光ビームスプリッタ５０１を、前記被計測物体２からの赤外光が前記ホットミラー７Ｂで反射する方向であり、かつ、前記ホットミラー７Ｂと前記第１撮像手段４とを結ぶ直線上に、前記λ／４波長板５０２、前記偏光ビームスプリッタ５０１の順に配置しているが、これに限らず、図１０に示すように、前記ホットミラー７Ｂと前記発光手段３との間に、前記ホットミラー７Ｂ側から、前記λ／４波長板５０２、前記偏光ビームスプリッタ５０１の順に配置してもよい。
【０１２７】
図１０に示したような配置の場合は、前記赤外光源３０３は、発光した赤外光の偏光面が前記偏光ビームスプリッタ５０１を透過するような向きに配置し、前記第１撮像手段４は、前記被計測物体２で反射され、前記ホットミラー７Ｂ及び前記λ／４波長板５０２を通った赤外光が、前記偏光ビームスプリッタ５０１で反射する方向に配置することで、前記実施形態４の光照射受光装置１Ｄと同じ効果を得ることができる。
【０１２８】
以上、本発明を、前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることはもちろんである。
【０１２９】
【発明の効果】
本願において開示される発明の効果は、以下のとおりである。
（１）発光手段で発光した光を被計測物体に照射し、前記被計測物体からの反射光を受光して撮像する光照射受光装置において、オクルージョン領域をなくすことができる。
（２）発光手段で発光した光を被計測物体に照射し、前記被計測物体からの反射光を受光して撮像する光照射受光装置において、撮像範囲と照射範囲の調節を容易にすることができる。
（３）発光手段で発光した光を被計測物体に照射し、前記被計測物体からの反射光を受光して撮像する光照射受光装置において、発光手段で発光した光のロスを低減することができる。
（４）発光手段で発光した光を被計測物体に照射し、前記被計測物体からの反射光を受光して撮像する光照射受光装置において、オクルージョン領域をなくし、かつ、撮影範囲と照射範囲の調節を容易にするとともに、発光手段で発光した光のロスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による実施形態１の光照射受光装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】本実施形態１の光照射受光装置の動作を説明するための模式図である。
【図３】本実施形態１の光照射受光装置の動作を説明するための模式図である。
【図４】本実施形態１の光照射受光装置の具体的な構成例を示す模式図である。
【図５】本発明による実施形態２の光照射受光装置の概略構成を示す模式図である。
【図６】本発明による実施形態３の光照射受光装置の概略構成を示す模式図である。
【図７】本実施形態３の光照射受光装置の具体的な構成例を示す模式図である。
【図８】前記実施形態３の光照射受光装置の変形例を示す模式図である。
【図９】本発明による実施形態４の光照射受光装置の概略構成を示す模式図である。
【図１０】前記実施形態４の光照射受光装置の変形例を示す模式図である。
【図１１】従来のアクティブ型計測方法を説明するための模式図である。
【図１２】従来のアクティブ型計測方法の課題を説明するための模式図である。
【図１３】従来のアクティブ型計測方法の課題を説明するための模式図である。
【図１４】従来のアクティブ型計測方法の課題を説明するための模式図である。
【図１５】従来のアクティブ型計測方法の課題を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…光照射受光装置、２…被計測物体、
３…発光手段、３０１…光源、３０２…照射角調節手段、３０３…赤外光源、
４…撮像手段（第１撮像手段）、４０１…ゲート付きＭＣＰ、４０２…リレーレンズ、４０３…撮像カメラ、４０４…バンドパスフィルタ、
５…光軸一致手段、５０１…変更ビームスプリッタ、５０２…λ／４波長板、
６…焦点調節手段、７Ａ…コールドミラー、７Ｂ…ホットミラー、
８…第２撮像手段、９…ミラー、１０…ハーフミラー。
【図１】
0003766326.tif 000002
【図２】
0003766326.tif 000003
【図３】
0003766326.tif 000004
【図４】
0003766326.tif 000005
【図５】
0003766326.tif 000006
【図６】
0003766326.tif 000007
【図７】
0003766326.tif 000008
【図８】
0003766326.tif 000009
【図９】
0003766326.tif 000010
【図１０】
0003766326.tif 000011
【図１１】
0003766326.tif 000012
【図１２】
0003766326.tif 000013
【図１３】
0003766326.tif 000014
【図１４】
0003766326.tif 000015
【図１５】
0003766326.tif 000016