(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数に変調されたスリット光を照射光として入射光軸に沿って測定対象物に照射することにより光切断像を形成し、
前記スリット光の入射平面に略垂直で前記入射光軸を含む計測平面内に於いて前記照射光の入射光軸から所定角度を成す計測光軸上に前記光切断像を結像させ、
前記光切断像の結像位置に於いて前記計測光軸に略垂直に配された表示面を有する液晶シャッターの前記表示面に、前記計測平面と前記液晶シャッターの表示面との交線の一方の方向に沿って光透過率が増加する第１のパターンを映し出し、
該第１のパターンを通過した光のうち前記スリット光の周波数に同期する成分の光強度Ｉaを計測し、
前記液晶シャッターの前記表示面に、前記交線の他方の方向に沿って光透過率が増加する第２のパターンを映し出し、
該第２のパターンを通過した光のうち前記スリット光の周波数に同期する成分の光強度Ｉbを計測し、
前記第１のパターンに対応する前記光強度Ｉaと、前記第２のパターンに対応する前記光強度Ｉbとの比（Ｉa／Ｉb）を計算することにより前記光源部と前記測定対象物との間の距離を計算する
ことを特徴とする距離計測方法。
【請求項２】
前記第１のパターンは、前記交線の前記一方の方向に沿って徐々に上下方向の幅が広くなる三角形の光透過部分を有し、前記第２のパターンは、前記交線の前記他方の方向に沿って徐々に上下方向の幅が広くなる三角形の光透過部分を有していることを特徴とする請求項１記載の距離計測方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の方法に於ける前記第１のパターン及び前記第２のパターンの前記液晶シャッターの前記表示面上の位置を前記交線に垂直な方向に沿って所定間隔で移動させて、該所定間隔毎に請求項１又は２記載の距離計測方法を使用して前記第１のパターンに対応する光強度Ｉaと前記第２のパターンに対応する光強度Ｉbとの比（Ｉa／Ｉb）を計算することにより、前記測定対象物の形状認識を行う形状認識方法。
【請求項４】
請求項３記載の認識方法に於いて、更に前記スリット光を前記入射平面に垂直な方向に所定間隔で移動させて、該所定間隔毎に請求項３記載の認識方法を使用して前記測定対象物の形状認識を行う形状認識方法。
【請求項５】
所定周波数に変調されたスリット光を照射光として入射光軸に沿って測定対象物に照射することにより光切断像を形成する光源部と、
前記スリット光の入射平面に垂直で前記入射光軸を含む計測平面内に於いて前記入射光軸から所定角度を成す計測光軸上に前記光切断像を結像させる第１の光学系と、
前記光切断像の結像位置に於いて前記計測光軸に略垂直に配された表示面を有し、前記計測平面と前記表示面との交線の一方の方向に沿って光透過率が増加する第１のパターンと、前記交線の他方の方向に沿って光透過率が増加する第２のパターンとを前記表示面に映し出す液晶シャッターと、
該液晶シャッターを通過した光を集光させる第２の光学系と、
前記第２の光学系によって集光した光の強度を測定する受光素子と、
前記受光素子で得られた光強度のうち前記光源部の前記スリット光の周波数に同期する成分の光強度を計測する同期検波手段と、
該同期検波手段で得られた前記第１のパターンに対応する光強度Ｉaと、前記第２のパターンに対応する光強度Ｉbとの比（Ｉa／Ｉb）を計算することにより、前記光源部と前記測定対象物との間の距離を計算する計算手段と
を備えたことを特徴とする距離の計測装置。
【請求項６】
前記第１のパターンは、前記交線の前記一方の方向に沿って徐々に上下方向の幅が広くなる三角形の光透過部分を有し、前記第２のパターンは、前記交線の前記他方の方向に沿って徐々に上下方向の幅が広くなる三角形の光透過部分を有していることを特徴とする請求項５記載の距離の計測装置。
【請求項７】
請求項５又は６記載の計測装置を有し、前記液晶シャッターは、前記第１のパターン及び前記第２のパターンの前記表示面上に於ける位置を前記交線に垂直な方向に沿って所定間隔で移動させて、該所定間隔毎に前記第１のパターンに対応する光強度Ｉaと前記第２のパターンに対応する光強度Ｉbとの比（Ｉa／Ｉb）を計算することにより、前記測定対象物の形状認識を行う形状認識装置。
【請求項８】
請求項７記載の認識装置に於いて、前記スリット光の前記入射平面に垂直な方向に所定間隔で移動させて、該所定間隔毎に前記測定対象物の形状認識を行う形状認識装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液晶シャッターを用いた光切断法による距離計測及び形状認識の方法及び装置に関し、更に詳しくは、所定の周波数に変調したスリット状の照射光を測定対象物に照射することによって形成される光切断像からの光を所定の光透過率分布を有する液晶シャッターに入射させ、その透過光の強度の計測を照射光の周波数に同期して計測することにより、外乱光の影響を除去した距離計測及び形状認識の方法並びにそれらの方法を実施するための装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、物体までの距離や物体の形状を非接触で計測する方法として、光切断法が知られている（例えば、G.Haeusler, et. al., Appl. Opt., 27(1988)5165.）。光切断法では測定対象物にスリット光、即ちシート状或いは平面状の光が投影され、あたかも光の帯で測定対象物を切断するかのようにして、入射光とは別の方向からその投影部分が光切断像として撮像される。光切断法では、通常、照射光として光強度の大きいレーザ光が使用されている。また、光切断像の撮像は、ＣＣＤカメラによって行われるのが通常である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光切断法では光源からの光を測定対象物に照射した後の反射光を検出しなければならないため、たとえ光強度の大きいレーザ光を使用したとしても、屋外などでは自然光が外乱光として検出され、充分な測定精度を得ることができない。このような外乱光の影響を低減するために、同期検波が採用される場合がある。同期検波は光源からの照射光をチョッパー等で所定周波数に変調し、この周波数に同期して光計測を行うものである。同期検波によれば、照射光に由来する成分のみが計測されるため、感度の高い光計測を行うことができる。
【０００４】
しかしながら、ＣＣＤカメラを用いた光切断法に同期検波を採用しようとすると、ＣＣＤから出される信号は画素毎に出力されるものではないので、同期検波を行うことは不可能である。
【０００５】
本発明はこのような従来技術に鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、外乱光による影響が少なく、しかも複雑な回路を必要としない距離計測方法及び装置、並びに形状認識方法及び装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の距離計測方法及び計測装置は、スリット光照射によって形成される光切断像を入射光軸から所定角度を成した計測光軸の方向に結像させた場合に、測定対象物までの距離が変化すればその結像位置が計測光軸に垂直の面内で変化することに着目して発明されたものである。即ち、測定対象物までの距離が小さい場合と大きい場合とで計測光軸に垂直の面内での結像位置が異なるので、本願発明者らはこの結像位置を何らかの方法で検知すれば、測定対象物までの距離を測定し得ることに着目したものである。
【０００７】
本発明では、この結像位置の検知は、測定対象物までの距離の変化に伴う結像位置の移動方向に沿って光透過率が変化する部分を有するシャッターを設けて、このシャッターを透過してくる光の強度を計測することにより行われる。ここで、シャッターの光透過率が変化する部分以外の部分は実質的に光は透過しない。具体的には、最初にシャッターの光透過率が結像位置の移動方向の一方の方向に増加するように第１のパターンを形成して光強度Ｉaを計測し、次に、シャッターの光透過率の増加する方向が第１のパターンとは逆方向の第２のパターンを形成して光強度Ｉbを計測し、その光強度比Ｉa／Ｉbを計算することにより、測定対象物までの距離が測定される。本発明者らは、このように光透過率を容易に変化させることができるものとして、液晶シャッターが有用であることを見出した。
【０００８】
また、光切断像を用いた計測では外乱光の影響が大きく、屋外でこれを行うのは実質的に不可能であるが、本発明者らは同期検波（ロックイン検波）により実用化し得ることを見出し、これを上述の結像位置の計測に適用したものである。
【０００９】
本発明の形状認識方法及び形状認識装置は、上述の第１のパターン及び第２のパターンを形成するシャッターの光透過率が変化する部分を、光透過率の変化の方向に垂直な方向に所定間隔で移動させ、その所定間隔毎に上述と同様にして距離を測定するものである。このような測定により光切断像に沿ってその測定対象物までの距離が所定間隔で得られ、これにより、光切断像の２次元の形状を認識することが可能となる。
【００１０】
また、本発明の形状認識方法及び形状認識装置では、上述のスリット光の照射位置を、そのスリット光の入射平面に垂直な方向に所定間隔で移動させて、その所定間隔毎のスリット光について、上述の２次元の形状認識が行われる。各スリット光について得られる２次元の形状認識に基づけば、測定対象物の３次元の形状認識が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。図１は本発明の距離計測方法及び計測装置の原理を説明するための概略図である。本発明に於いては、光切断像を明瞭に捕らえるために、光源としてレーザを使用することが好ましい。図１ではＨｅ−Ｎｅレーザ光源１が使用されている。レーザ光源１からの光は、入射光軸７に沿ってドライバ2aによって駆動される光学チョッパ２に入射し、この光学チョッパ２によって所定周波数に変調される。変調された光はシリンドリカルレンズ３によって上下方向にその出射角度が広げられてスリット光８となる。出射角度が広げられたスリット光８は入射平面10を形成し、この入射平面10はその略中央部に入射光軸７を含んでいる。図１では、レーザ光源１、光学チョッパ２、シリンドリカルレンズ３によって光源部が構成されている。スリット光８は照射光として測定対象物５に照射され、光切断像６を測定対象物５上に形成する。
【００１２】
光切断像６は、入射光軸７に対して角度αを成す計測光軸９の方向からレンズ11によって液晶シャッター12上に結像される。液晶シャッター12は、入射光軸７に対して垂直に配置されている。図１ではレンズ11が第１の光学系に相当する。計測光軸９は、通常、スリット光８の入射平面10に垂直な平面内に設定される。入射光軸７と計測光軸９とを含む平面が計測平面19である。液晶シャッター12には、後述するように、光透過率を変化させるパターンが形成される。液晶シャッター12を透過した光は、集光レンズ13を介して光強度を計測する受光素子であるフォトダイオード14に集光する。図１では集光レンズ13が第２の光学系に相当する。
【００１３】
フォトダイオード14からの出力は増幅器15に入力され、増幅器15の出力はロックイン増幅器16に入力される。ロックイン増幅器16には、前述の光学チョッパ２のドライバ2aから基準信号が入力されている。基準信号はスリット光８と同じ周波数を有しており、ロックイン増幅器16はこの基準信号の周波数に同期する成分の光強度を選択的に計測する。
【００１４】
次に、液晶シャッター12について説明する。図２(a)及び(b)は液晶シャッター12を測定対象物５の側から見た平面図であり、その中央部分には表示面20が設けられている。図２(a)に示すように、測定対象物５までの距離が大きい場合には、実線で示す位置に光切断像６（図１）の結像6aが形成され、測定対象物５までの距離が小さい場合には、破線で示す位置に光切断像の結像6bが形成される。液晶シャッター12の表示面20上には、２つのパターンが順次形成される。２つのパターンのうち、第１のパターンは、計測平面19（図１）と表示面20との交線の一方の方向（図２(a)の矢印22の方向）に沿って光透過率が増加するように形成されるものである。図２(a)の例では矢印22の方向に沿って徐々に上下方向の幅が広くなる三角形の光透過部分24が形成されている。表示面20の光透過部分24以外の部分は実質的に光は透過しない。第２のパターンは、第１のパターンとは光透過率の増加する方向が逆であり、計測平面19と表示面20との交線のもう一方の方向（図２(b)の矢印23の方向）に沿って光透過率が増加するように形成されるものである。図２(b)の例では矢印23の方向に沿って徐々に上下方向の幅が広くなる三角形の光透過部分26が形成されている。この場合も、表示面20の光透過部分26以外の部分は実施的に光は透過しない。
【００１５】
光切断像６による液晶シャッター12の表示面20上の結像6aの光強度の計測は、これらの２つのパターンを用いて順次行われる。まず最初に、図２(a)に示すように、第１のパターンが液晶シャッター12の表示面20上に映し出される。この状態では結像6aに於ける光透過部分24の上下の幅は比較的小さいため、液晶シャッター12の表示面20を透過する光の強度は比較的小さい。この第１のパターンを映し出した状態で、これを透過してきた光の強度がフォトダイオード14で検出され、ロックイン増幅器16に於いてスリット光８と同じ周波数成分の光強度がＩaとして得られる。次に、図２(b)に示すように、第２のパターンが液晶シャッター12の表示面20上に映し出される。この状態では結像6bの位置に於ける光透過部分26上下の幅は前述の第１のパターンを映し出した場合より大きいので、第２のパターンを透過する光は第１のパターンを映し出した場合より多くなる。この第２のパターンを映し出した状態で、これを透過してきた光の強度がフォトダイオード14で検出され、ロックイン増幅器16に於いてスリット光８と同じ周波数成分の光強度がＩbとして得られる。
【００１６】
次に、第１のパターンを映し出した場合の光強度Ｉaと第２のパターンを映し出した場合の光強度Ｉbとの比（Ｉa／Ｉb）を求めることにより、レンズ11から入射光軸７に垂線を降ろした点Ｐ（図１）から測定対象物５までの距離ｚが計測される。
【００１７】
次に、本発明の２次元の形状認識方法及び認識装置の原理について説明する。本発明に於ける形状認識では、上記の距離の計測に於いて、図３(a)及び(b)に示すように、第１のパターン及び第２のパターンをそれぞれ所定の間隔で上下方向に移動させ、各位置で上述の距離の計測を行うことにより、光切断像の２次元の形状が認識される。なお、本発明の形状認識に於ける第１のパターン及び第２のパターンについての距離の計測は、表示面20の上下方向の同じ位置で第１及び第２のパターンについて連続して行い、この連続した計測を上下方向に位置を変えながら順次行ってもよく、また、第１のパターンについて表示面20の上下方向の位置を変えて計測した後、続いて第２のパターンについて上下方向の位置を変えて計測してもよい。
【００１８】
本発明によれば、３次元の形状認識をも行うことができる。この３次元の形状認識は、スリット光８の照射位置をスリット光８の入射平面10に垂直な方向に所定間隔で移動させて行われる。即ち、所定間隔で移動させたそれぞれの位置でのスリット光８について上記２次元の形状認識を行うことにより、３次元の形状が認識される。
【００１９】
【実施例】
本発明の距離計測方法の一実施例について説明する。本実施例ではレンズ11の中心から入射光軸７に垂線を下ろした場合の距離ｄ＝235mmとし、スリット光８の変調周波数を500Hzとした。また、液晶シャッターとして対角1.8インチ（幅2.8cm、高さ3.7cm）のものを使用した。更に、直立した半透明の白色板の直後に60Ｗ白熱球を置き、この白熱球を周波数１Hzで点滅させて外乱光とした。
【００２０】
この条件で距離の計測を行った結果を図４に示す。また、同図に上記の条件に於ける理論曲線を併せて示した。この理論曲線は、以下のようにして導かれる。即ち、図５に示すように、レンズ11から入射光軸７に垂線を降ろした点Ｐから測定対象物５までの距離をｚ、レンズ11の中心から入射光軸７に沿った液晶シャッター12までの距離をｈ、上述のようにレンズ11の中心から入射光軸７までの距離をｄ、液晶シャッター12の横方向の幅をｗs、更にレンズ11の中心を通り入射光軸７と平行な直線と液晶シャッター12を通り入射光軸７に垂直な直前との交点Ｑと、液晶シャッター12の中心Ｃとの距離をｂとすると、理論式は以下の数１のようになる。
【００２１】
【数１】
0003743539.tif 000002
【００２２】
同図から、距離の実測結果は理論曲線に非常によく一致していることが分かる。距離測定の誤差は、実際の距離に対して2.1％以下であった。このことから、光強度の比（Ｉa／Ｉb）を求めることにより、測定対象物までの距離を精度よく計測できることが分かる。
【００２３】
次に、本発明の２次元の形状認識の実施例について説明する。図６はこの実施例に於ける測定対象物５と入射光軸７との関係を示している。同図に示すように、測定対象物５は白色であり、入射光軸７に対して44.5度の角度を以て固定され、その中央部分には20mm段差5aが設けられている。この段差5aの部分も白色である。本実施例では、レンズ11（図５）から入射光軸７に垂線を降ろした点Ｐから測定対象物５までの距離ｚ＝67.5cm、レンズ11の中心から入射光軸７までの距離ｄ＝28.8cm、レンズ11の中心から入射光軸７に沿った液晶シャッター12までの距離ｈ＝27cm、交点Ｑと液晶シャッター12の中心Ｃとの距離ｂ＝11.8cmとした。また、室内の照明用の蛍光灯の光を外乱光として用いた。
【００２４】
このような測定対象物５を入射光軸７に対して斜めに固定した配置は、例えば車椅子等に本実施例の形状認識装置を取り付けた場合に対応している。即ち、地面の段差を形状認識装置を用いて認識するには、入射光軸７は斜め下に向けられ、逆に言えばその場合の地面は入射光軸７に対して斜めとなる。従って、図６の配置では測定対象物５の上面5b、5cが地面に相当し、段差5aが地面の段差部分に相当している。
【００２５】
図６の配置を用いて形状認識を行った結果を図７に示す。同図の横軸は図２(a)及び(b)の液晶シャッター12の表示面20上に於ける三角形の光透過部分24及び26を形成する位置を、表示面20の最下部からの距離で表したものである。縦軸は図５に於ける距離ｚ、即ち、レンズ11から入射光軸７に垂線を降ろした点Ｐから測定対象物５までの距離である。図８は図７の結果をもとにして、測定対象物５の上面5b、5c及び段差5aの実際の形状を求めたものである。この結果から、段差5aの形状及びその高さの認識が高い精度で行われていることが分かる。
【００２６】
なお、上記各実施例ではＨｅ−Ｎｅレーザを光学チョッパ２を用いて変調したが、半導体レーザを使用すれば光学チョッパを用いることなくスリット光を変調することができ、装置の軽量化を図ることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の距離計測方法及び装置は、測定対象物までの距離の変化に応じて変化する光切断像の結像位置を光の強度比として捕らえているので、非常に簡単な構成で距離の計測を行うことができる。また、同期検波によって外乱光の影響が殆どないので、正確な距離計測が可能となっている。
【００２８】
また、本発明の形状認識方法及び装置では、上記の距離計測方法及び装置が使用されているので、非常に簡単な構成で形状の認識を行うことができる。また、同期検波によって外乱光の影響が殆どないので、正確な形状認識が可能となっている。
【００２９】
従って、本発明の距離計測方法及び装置並びに形状認識方法及び装置を、例えば車椅子、無人工場での搬送車等の自走車に適用すれば、正確な距離及び形状の認識が可能となる。しかも複雑な回路を必要とせず、比較的軽量の装置で距離及び形状の認識を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の距離計測方法及び計測装置の原理を説明するための斜視図である。
【図２】  (a)及び(b)は液晶シャッターを測定対象物の側から見た平面図である。
【図３】  (a)及び(b)は形状認識を行う場合のパターンの移動の様子を示す平面図である。
【図４】本発明の距離測定装置を用いて距離の計測を行った結果を示す図である。
【図５】距離計測の理論式を説明するための平面図である。
【図６】本発明の２次元の形状認識の実施例に於ける配置を示す斜視図である。
【図７】図６の配置を用いて形状認識を行った結果を示す図である。
【図８】図７から求めた実際の測定対象物の２次元に於ける形状を示す図である。
【符号の説明】
１…レーザ光源
２…光学チョッパ
３…シリンドリカルレンズ
５…測定対象物
６…光切断像
７…入射光軸
８…スリット光
９…計測光軸
10…入射平面
11…レンズ
12…液晶シャッター
13…集光レンズ
14…フォトダイオード
16…ロックイン増幅器
【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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