３次元形状計測装置

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【発明の名称】	３次元形状計測装置
【発明者】	【氏名】馬場智義【氏名】堀順一郎【氏名】開登喜雄【氏名】吉田博久
【要約】	【課題】簡単な構成でありながら、距離方向の分解能を上げ、且つ、一度に広範囲の領域を計測できるようにする。【解決手段】レーザ装置１で発生されたレーザ光２は変調器３に入力され、レーザ光強度変調用発振器４の出力信号により強度変調される。この変調されたレーザ光は、ｘｙ軸二次元スキャナー１０により任意の仰角・方位角方向に走査されて計測対象物１３に照射され、その反射レーザ光が光検出器２２に入射する。この光検出器２２は、レーザ光出力の強度変調周波数と僅かに異なる周波数で強度変調されており、ビートダウンした結果の低周波信号を受光信号２４として出力する。位相差検出回路１９は、受光信号２４と参照信号１８とから、その位相差信号２５を出力する。ユーザインターフェース６は、位相差信号２５とスキャナ位置情報１４とから計測対象物１３の３次元形状を求め、表示装置２６に表示する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】レーザ光を発生するレーザ装置と、このレーザ装置から出力されるレーザ光を強度変調する変調手段と、この変調手段により変調されたレーザ光を計測対象物に照射する手段と、前記計測対象物からのレーザ反射光を受光する光検出器と、この光検出器を前記レーザ光の強度変調周波数と僅かに異なる周波数でゲイン強度変調するゲイン変調手段と、前記光検出器における受光信号の強度変調周波数とゲイン強度変調周波数との差の低周波信号を選択する選択手段と、この選択手段により選択された受光信号を処理して３次元形状を計測する処理手段とを具備したことを特徴とする３次元形状計測装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、船殻部材、橋、構造部材等の寸法計測等に用いられる３次元形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】一般的なレーザ光を用いた３次元形状計測装置では、（１）パルス方式と、（２）位相差方式とがある。上記（１）のパルス方式は、パルス状のレーザ光を照射し、送信光に対する受信光の時間差を測定し、計測対象までの距離を求め、また、送信方向より計測対象の方位を決定している。また、（２）の位相差方式では、レーザ光に強度変調を加えて計測対象に照射し、送信光と受信光の位相のずれを測定し、計測対象までの距離を求め、また、送信方向より計測対象の方位を決定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の３次元形状計測装置において、距離方向の分解能を上げ、且つ、一度に広範囲の領域を計測するには、（１）のパルス方式ではパルス幅を狭くし、（２）の位相差方式では、変調周波数を上げなければならない。
【０００４】（１）のパルス方式においては、反射光を測定する手段のクロック高速化、信号の広帯域化を意味し、装置の複雑化、高価格化に繋がる欠点がある。また、（２）の位相差方式においては、位相のずれが１波長分以上になると、絶対距離の計測が困難となり、相対距離計測しかできず、一度に計測する領域が制限される。
【０００５】これは、高精度、かつ、広範囲領域での計測は、計測装置を計測対象のそばまで移動させることを意味し、計測システムの大規模化・高価格化、及び反射光を測定する手段のクロック高速化、信号の広帯域化を意味し、且つ、装置の複雑化を意味する。
【０００６】本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、簡単な構成でありながら、距離方向の分解能を上げ、且つ、一度に広範囲の領域を計測することができる３次元形状計測装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明に係る３次元形状計測装置は、レーザ光を発生するレーザ装置と、このレーザ装置から出力されるレーザ光を強度変調する変調手段と、この変調手段により変調されたレーザ光を計測対象物に照射する手段と、前記計測対象物からのレーザ反射光を受光する光検出器と、この光検出器を前記レーザ光の強度変調周波数と僅かに異なる周波数でゲイン強度変調するゲイン変調手段と、前記光検出器における受光信号の強度変調周波数とゲイン強度変調周波数との差の低周波信号を選択する選択手段と、この選択手段により選択された受光信号を処理して３次元形状を計測する処理手段とを具備したことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る３次元形状計測装置の構成を示すブロック図である。図１に示すようにレーザ装置１で発生されたレーザ光２は、変調器３によってアナログ的にレーザ強度変調がかけられる。上記変調器３には、レーザ光強度変調用発振器４より変調用電気信号５が供給される。上記レーザ光強度変調用発振器４は、例えば数～数１００ＭＨｚの周波数で発振可能なものであり、ユーザインターフェース６を経由して、ユーザ（測定者）から指定された周波数切替信号７に従って動作する。
【０００９】上記変調器３により変調されたレーザ光は、ハーフミラー８及び集光光学系９を介してｘｙ軸二次元スキャナー１０によって、任意の仰角・方位角方向に走査される。このｘｙ軸二次元スキャナー１０は、例えば２軸の回転装置例えばステッピングモータ等と、ミラー等の光反射機能を有する部材との組合せによって構成され、スキャナー制御回路１１によって制御される。このスキャナー制御回路１１は、ユーザインターフェース６を経由して、ユーザ（測定者）から指定されたスキャニング設定信号１２に従ってｘｙ軸二次元スキャナー１０を制御し、計測対象物１３にレーザ光２ａを照射する。また、スキャナー制御回路１１は、ｘｙ軸二次元スキャナー１０の位置情報１４をユーザインターフェース６へ出力する。
【００１０】また、上記変調器３で変調されたレーザ光は、その一部がハーフミラー８で反射されて光検出器１５に入射する。この光検出器１５は、ゲイン変調用発振器１６により、レーザ光出力の強度変調周波数と僅かに異なる周波数でゲイン強度変調が施されている。例えばレーザ光の変調周波数を５０ＭＨｚとしたとき、ゲイン変調の変調周波数は、５０．０３ＭＨｚに設定される。上記のように光検出器１５で２種の波動の重ね合わせによるビートダウンにより、０．０３ＭＨｚの低周波信号が発生する。この低周波信号は、ローパスフィルタ１７により取り出され、参照信号１８として位相差検出回路１９へ送られる。
【００１１】そして、上記計測対象物１３により反射されたレーザ光２ｂは、受光レンズ系２１を経由して集光され、光検出器２２に入射する。この光検出器２２は、ゲイン変調用発振器１６により上記光検出器１５と同様に例えば５０．０３ＭＨｚの周波数で強度変調されており、ビートダウンした結果の０．０３ＭＨｚの低周波信号を出力する。この光検出器２２から出力される低周波信号は、ローパスフィルタ２３を経由して受光信号２４として位相差検出回路１９に入力される。
【００１２】位相差検出回路１９は、参照信号１８と受光信号２４との位相差を検出し、その位相差信号２５をユーザインターフェース６へ出力する。このユーザインターフェース６は、スキャナ位置情報１４及び位相差信号２５に基づいて計測対象物１３の３次元情報を表示装置２６に出力して表示する。
【００１３】次に上記実施形態の動作について説明する。レーザ装置１で発生されたレーザ光２は、変調器３に入力され、レーザ光強度変調用発振器４から出力される変調用電気信号５に基づいて例えば５０ＭＨｚの周波数でアナログ的に強度変調される。変調器３により変調されたレーザ光は、ハーフミラー８及び集光光学系９を介してｘｙ軸二次元スキャナー１０によって、任意の仰角・方位角方向に走査される。スキャナー制御回路１１は、ユーザインターフェース６を経由して、ユーザ（測定者）から指定されたスキャニング設定信号１２に従ってｘｙ軸二次元スキャナー１０を制御し、レーザ光２ａを方位角方向及び仰角方向に走査して計測対象物１３に照射すると共に、ｘｙ軸二次元スキャナー１０の位置情報１４をユーザインターフェース６へ出力する。
【００１４】また、上記変調器３で変調されたレーザ光は、その一部がハーフミラー８で反射されて光検出器１５に入射する。この光検出器１５は、ゲイン変調用発振器１６により、レーザ光出力の強度変調周波数と僅かに異なる周波数でゲイン強度変調が施されているので、その差の低周波信号がローパスフィルタ１７により取り出され、参照信号１８として位相差検出回路１９へ送られる。
【００１５】そして、上記計測対象物１３により反射されたレーザ光２ｂは、受光レンズ系２１を経由して集光され、光検出器２２に入射する。この光検出器２２は、ゲイン変調用発振器１６により上記光検出器１５と同じ周波数で強度変調されており、ビートダウンした結果の低周波信号がローパスフィルタ２３を経由して受光信号２４として位相差検出回路１９に入力される。
【００１６】図２（ａ）～（ｃ）は、上記計測対象物１３に照射されるレーザ光出力、光検出器１５，２２のゲイン、及び光検出器ローパスフィルタ２３を経由して取り出される受光信号２４、の各グラフを示したものである。
【００１７】上記図２（ａ）に示す「レーザ光出力」のグラフは、縦軸にレーザ光の出力強度、横軸に時間を示している。このグラフに示されているように、本発明におけるレーザ光の出力は、時間的に強度変調を施している。例えば精度数ミリメートルの形状計測装置においては、通常、数～数１００ＭＨｚの周波数に相当する強度変調を用いている。
【００１８】上記図２（ｂ）に示す「検出器ゲイン」のグラフは、縦軸に光検出器１５，２２のゲイン強度、横軸に時間を示している。すなわち、光検出器１５，２２のゲインが時間的に強度変調されている状態を示している。
【００１９】図２（ｃ）に示す「受光信号」のグラフは、縦軸に受光信号強度、横軸に時間を示している。上記のように強度変調が施されたレーザ光出力、及び、このレーザ光出力の強度変調周波数とは僅かに異なる周波数でゲイン強度変調が施された光検出器２２を用いた受光信号は、次式にて示される周波数を有する信号となって観測される。
【００２０】
Ｉ（ｔ）＝Ａｓｉｎ（ωｔ）×ｓｉｎ（ω′ｔ）
＝Ａ′［ｃｏｓ｛（ω＋ω′）ｔ｝
－ｃｏｓ｛（ω－ω′）ｔ｝］ …（１）
ここで、Ｉ（ｔ）は受光信号を示しており、ωはレーザ光出力の強度変調周波数、ω′は光検出器２２のゲイン強度変調周波数である。また、この際、それぞれの強度変調信号が有している位相差に関する情報は保存される。
【００２１】そして、例えばレーザ光出力の強度変調周波数ωを５０ＭＨｚ、光検出器１５，２２のゲイン強度変調周波数ω′を５０．０３ＭＨｚを選択すると、光検出器２２により受光された信号Ｉ（ｔ）は、１００．０３ＭＨｚと、０．０３ＭＨｚの２つの周波数を有する信号となる。この光検出器２２から出力される２つの周波数の信号のうち、０．０３ＭＨｚの信号がローパスフィルタ２３を経由して取り出され、受光信号２４として位相差検出回路１９へ送られる。この位相差検出回路１９は、受光信号２４と参照信号１８との位相差を検出し、位相差信号２５としてユーザインターフェース６へ出力する。このユーザインターフェース６は、上記位相差信号２５と、ｘｙ軸二次元スキャナー１０による計測対象物１３への照射位置を示すスキャナ位置情報１４とから計測対象物１３の３次元形状を求め、表示装置２６に表示する。
【００２２】上記信号処理における位相の分解能を０．１°とすると、５０ＭＨｚに対応する信号では、最小０．８３ｍｍ（光の速度Ｃは、Ｃ＝３＊１０⁸ （ｍ／ｓ）である。また、計測可能距離Ｌは、Ｌ＝（３＊１０⁸ ／（５０＊１０⁶ ））＊（１／２）＝３（ｍ）
である。上式における（１／２）は、計測対象物１３により反射された光を処理するので、計測対象物１３までの距離は１／２となる。位相の分解能を０．１°とした場合、最小の計測精度は、３（ｍ）／３６００＝０．８３（ｍｍ）
の精度での計測が可能になる。
【００２３】
【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、強度変調を施したレーザ光出力、及び、このレーザ光出力の強度変調周波数と僅かに異なる周波数でゲイン強度変調を施した光検出器を用いることによって、ビートダウン回路等の電気回路や、高速クロックによる位相検波回路等を用いることなく高精度化が可能であり、３次元形状計測装置の低価格化並びにシステムの簡便化を図ることができる。

【出願人】	【識別番号】０００００６２０８【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
【出願日】	平成９年（１９９７）１０月２日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】鈴江武彦（外３名）
【公開番号】	特開平１１－１０８６２３
【公開日】	平成１１年（１９９９）４月２３日
【出願番号】	特願平９－２６９７８６