JPH0540021A - マルチスリツト投光器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 物体の三次元計測用のスリット光パターンを
発生するマルチスリット投光器に関し、装置の小型化及
び解像度の向上を目的とする。 【構成】 マルチスリット投光器１の発光源１１を出射
した発散光は、コリメートレンズ１２によって整形され
て平行光となり、その平行光は回折格子１３及び回折格
子１５を通過することによって、２次元スポット群１６
を生じる。さらに、円筒型レンズ１７を通過するとマル
チスリット光１８を生じ、シャッタアレイ１９は所定の
スリット光パターンを発生する。このシャッタアレイ１
９の後段には、円筒型レンズ１７の軸方向 (Ｘ方向) と
直角方向 (Ｙ方向) の軸を有する円筒型レンズ２０が設
けられ、シャッタアレイ１９を通過したスリット光は、
円筒型レンズ２０のレンズ効果によってＸ方向の回折角
が小さくなる。そのスリット光が物体２に照射され、物
体２の三次元測定に供試される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は物体の三次元計測に使用
するスリット光パターンを発生するマルチスリット投光
器に関し、特に装置の小型化、解像度向上等を図ったマ
ルチスリット投光器に関する。

【０００２】産業用ロボット等に動作制御を行わせるに
は、対象物の三次元形状や空間的配置を認識させておく
必要がある。そのために、物体の三次元計測が行われる
が、その計測方法として、例えば光切断法がある。この
光切断法は、構造化されたマルチスリット光を物体に照
射しそれをカメラで撮像して計測する方法であり、同時
に複数点の計測を行うことにより、計測時間を大幅に短
縮することができるため、極めて有効な方法として考え
られている。マルチスリット投光器は、このような用途
に適したスリット光パターンを発生する装置である。

【０００３】

【従来の技術】図５はマルチスリット光による物体の三
次元計測方法を示す図である。図において、マルチスリ
ット投光器１０には、本発明の出願人が特開平１−２７
７７０７号で提案したものが使用されている。三次元計
測される物体２の上に、マルチスリット投光器１０を用
いて発生させたスリット光ｌ１，ｌ２──を照射し、各
スリット光ｌ１，ｌ２──と物体２との交線 (光切断)
をカメラ３で撮像する。この光切断法による撮像データ
から、三角測量の原理に基づいて物体１の三次元形状が
求められる。

【０００４】図６は上記マルチスリット投光器の構成を
概略的に示す図である。図において、マルチスリット投
光器１０は、発光源１１，回折格子１３，１５，円筒型
レンズ１７及びシャッタアレイ１９から構成され、これ
らは光軸３０上に順次配置されている。単一波長の光を
発生する発光源 (例えば、半導体レーザ、発光ダイオー
ド) １１を出射した発散光は、コリメートレンズ１２に
よって整形されて平行光となり、その平行光は回折格子
１３を通過することによって、長円形のスポット光がＹ
方向に配列したスポット群１４を生じる。このスポット
群１４は、さらに回折格子１５を通過することによっ
て、スポット群がＸ方向に複数個平行に並んだ２次元ス
ポット群１６を生じる。なお、回折格子１３及び１５に
は、例えばファイバグレーティングを用いる。この２次
元スポット群１６が円筒型レンズ１７を通過すると、各
列のスポット群はそのＹ方向の間隔が狭められて、隣接
するスポット光が互いに一部重複するように配列され、
それぞれがスリット光を形成してマルチスリット光１８
を生じる。最終段のシャッタアレイ１９は、複数個のセ
グメントから成り、各セグメントは独立に電源をオンオ
フされることにより、電源オフ時には対応するスリット
光を遮断し、オン時には透過させるように構成される。
したがって、シャッタアレイ１９を用いて、マルチスリ
ット光１８から任意のスリット光パターンを構成するこ
とができ、そのスリット光パターンが物体２に照射さ
れ、物体２の三次元測定に供試される。次に、このシャ
ッタアレイ１９がシャッタとしての機能を発揮するため
に必要な条件について説明する。

【０００５】図７は発光源から出射された単一波長光の
干渉の様子を示すモデル図であり、(Ａ) は一般的な干
渉を、 (Ｂ) は回折光が回り込む場合を、 (Ｃ) は回折
光の回り込みがなくなる場合をそれぞれ示す。図７
（Ａ）において、発光源７０から出射された単一波長光
は回折格子７１を通過して回折し、その干渉によりスポ
ット光７２が形成される。この場合、回折格子７１の格
子間隔ｄと、回折格子７１から距離Ｌの位置Ｍに形成さ
れるスポット光７２の間隔Ｄとの間には、近似的に次式
（１）の関係が成立している。

【０００６】 Ｄ＝Ｌλ／ｄ・・・・・（１） (λ：光の波長) ここで、位置Ｍにシャッタアレイ７３を置いてスポット
光７２を遮断しようとすると、そのシャッタアレイ７３
を構成する各セグメント７３ａの幅は、スポット光７３
の幅Ｄに設定せざるを得ない。一方、図７（Ｂ）に示す
ように、回折格子７１を通過する光の幅ｎｄ (ｎ：回折
格子７１の格子数) がセグメント７３ａの幅Ｄに比べて
大きくなる (ｎｄ＞Ｄ) ときは、回折光はセグメント７
３ａを回り込んで、その背後の位置Ｎで干渉を起こし、
完全に光を遮断することができなくなる。これに対し、
図７（Ｃ）に示すように、距離Ｌを大きくとると、格子
間隔ｄは一定であれば、式（１）の間隔Ｄが大きくなる
ため、Ｄ＝ｎｄとすることができる。この場合は、回折
光がセグメント７３ａを回り込むことなく、背後での干
渉も発生せず完全に光を遮断することができる。すなわ
ち、シャッタアレイ７３を用いて回折格子７１を通過す
る光を完全に遮断するには、そのセグメント７３ａの幅
Ｄが光の回り込み防止の条件Ｄ＝ｎｄを満たしている必
要があり、そのためには距離Ｌも長くとらざるをえな
い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このことは、
従来のマルチスリット投光器１０の場合、その長さが長
くなって大型化することにつながるため、実際にロボッ
トのマニピュレータの手先などに設置して使用すること
が不可能となるという問題点があった。

【０００８】一方、光の回り込み防止の条件Ｄ＝ｎｄを
保持した状態で、マルチスリット投光器１０の小型化を
図る方法として、式（１）の格子間隔ｄを小さくとって
回折格子７１の密度を上げ (この場合、格子数ｎは増
加) 、それに応じて距離Ｌを小さくすることが考えられ
る。このようにすれば、光の回り込み防止の条件Ｄ＝ｎ
ｄを保持した状態で距離Ｌを短くすることができる。す
なわち、マルチスリット投光器１０の場合、回折格子７
１の格子間隔ｄに相当するのは回折格子１３のファイバ
グレーティング間隔であり、そのファイバグレーティン
グ間隔を小さくとることにより、マルチスリット投光器
１０の小型化を図ることができることになる。

【０００９】しかし、従来のマルチスリット投光器１０
において、回折格子１３のファイバグレーティング間隔
を小さくとりその密度をあげると、回折格子１３から出
射された光の回折角が大きくなるため、最終段のシャッ
タアレイ１９から出射されたスリット光の間隔もその密
度が粗くなってしまう。このため、物体２に照射された
スリット光をカメラ３が撮像して画像処理を行っても、
その解像度が悪くなるという問題点があった。

【００１０】また、上述した回折格子１３のファイバグ
レーティング間隔の密度をあげる方法は、点光源の数を
増やすこととなるため、回折格子１３からの回折光の波
形がよりシャープになるという効果を持っている。この
ため、最終段のシャッタアレイ１９から出射されるスリ
ット光も、よりシャープな光となり、画像処理を容易に
する上で非常に有効な方法となる。しかし、その場合で
も、上述した場合と同じく、回折角が大きくなるため、
スリット光の間隔が粗くなり、解像度が悪化するという
問題点を有していた。

【００１１】さらに、従来のマルチスリット投光器１０
では、シャッタアレイ１９から出射されるスリット光が
物体２に投射されるときの投射角は、回折格子１３，１
５による干渉のみによって決定される。したがって、光
軸に垂直な面にスリット光を投射すると、高次の回折光
になる程、スリット光間隔が大きく見えるようになる。
このため、光軸からの距離によって解像度が変化し、均
一な解像度が得られないという問題点があった。特に、
光源から離れた位置では解像度が悪化していた。

【００１２】また、従来のマルチスリット投光器１０で
は、シャッタアレイ１９から出射されたスリット光の投
射角は、上述したように、光がシャッタアレイ１９に到
達するまでの回折格子１３，１５によって既に決定され
ており、任意に制御することができない。このため、例
えば物体２の所定箇所の解像度を上げて測定精度をあげ
るべく、その箇所に密度の高いスリット光を照射しよう
としても、そのようなスリット光を得ることができなか
った。

【００１３】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、装置の小型化を図ると共に、小型化に伴い生
じる回折角増大による解像度の悪化を防止したマルチス
リット投光器を提供することを第１の目的とする。

【００１４】また、シャープなスリット光を物体に照射
して画像処理を容易にすることを第２の目的とする。さ
らに、物体に投射されるスリット光の間隔を均一化する
とともに、高密度化することを第３の目的とする。

【００１５】また、物体に照射するスリット光の投影角
を任意に制御することを第４の目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図である。本発明のマルチスリット投光器１は、第１及
び第２の回折格子１３，１５，円筒型レンズ１７，シャ
ッタアレイ１９及び円筒型レンズ２０から構成される。
第１及び第２の回折格子１３及び１５は、単一波長光の
光軸上に回折方向が互いに直交するように配置される。
その第２の回折格子１５の後段に円筒型レンズ１７が配
置される。この円筒型レンズ１７の軸方向は第１または
第２の回折格子１３，１５のいずれか一方の回折方向と
直行している。その円筒型レンズ１７の後段に円筒型レ
ンズ１７から出力されたマルチスリット光の内、所定の
スリット光を遮断してスリット光パターンを出力するシ
ャッタアレイ１９が設けられる。さらに、そのシャッタ
アレイ１９の後段には、円筒型レンズ１７の軸方向と直
角方向にレンズ効果を有するレンズ２０が設けられる。

【００１７】

【作用】単一波長の光を発生する発光源１１を出射した
発散光は、コリメートレンズ１２によって整形されて平
行光となり、その平行光は回折格子１３を通過すること
によって、長円形のスポット光がＹ方向に配列したスポ
ット群１４を生じる。このスポット群１４は、さらに回
折格子１５を通過することによって、スポット群がＸ方
向に複数個平行に並んだ２次元スポット群１６を生じ
る。なお、回折格子１３及び１５には、例えばファイバ
グレーティングを用いる。この２次元スポット群１６が
円筒型レンズ１７を通過すると、各列のスポット群はそ
のＹ方向の間隔が狭められて、隣接するスポット光が互
いに一部重複するように配列され、それぞれがスリット
光を形成してマルチスリット光１８を生じる。円筒型レ
ンズ１７の後段のシャッタアレイ１９は、複数個のセグ
メントから成り、各セグメントが独立に電源をオンオフ
されることにより、マルチスリット光１８から任意のス
リット光パターンを得ることができる。さらに、最終段
のレンズ２０は、円筒型レンズ１７の軸方向と直角方向
にレンズ効果を有するので、シャッタアレイ１９を通過
したスリット光の回折角は、そのレンズ効果によって小
さくなる。

【００１８】上記第１の目的については、第１の回折格
子の格子間隔密度を上げることにより、マルチスリット
投光器１０の長さを短縮して小型化を実現することがで
きる。その場合、従来は、格子間隔密度アップに伴いス
リット光の回折角が大きくなりスリット光の間隔が粗く
なって解像度が悪化していた。これに対して、本発明で
は、レンズ２０を設けてそのレンズ効果により回折角を
小さくしたので、解像度を悪化させることなく、マルチ
スリット投光器を小型化することができる。

【００１９】また、上記第２の目的については、第１の
回折格子の格子間隔密度を上げて第１の回折格子での点
光源の数を増加させることにより実現できるが、その場
合もやはり回折角大に伴う解像度の悪化が生じる。これ
に対して、レンズ２０を設けることにより、回折角を小
さくすることができ、解像度を悪化させることなくシャ
ープなスリット光を物体に照射することができる。

【００２０】さらに、上記第３の目的については、最終
段のレンズ２０にフーリエ変換レンズを用いることによ
り、光軸中心から離れた高次の回折によるスリット光を
中心方向に集めることができる。したがって、回折角が
小さくなるとともに、より高密度で均一なスリット光を
得ることができる。

【００２１】また、上記第４の目的については、レンズ
２０にグレーティングレンズを用い、グレーティングレ
ンズの各段の屈折角を設計することにより、物体に照射
されるスリット光の投射角を任意に制御することができ
る。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説
明する。本発明の第１の実施例を、図１に基づいて説明
する。本発明のマルチスリット投光器１は、発光源１
１，回折格子１３，１５，円筒型レンズ１７，シャッタ
アレイ１９及びレンズ２０から構成され、これらは光軸
３０上に順次配置されている。単一波長の光を発生する
発光源 (例えば、半導体レーザ、発光ダイオード)１１
を出射した発散光は、コリメートレンズ１２によって整
形されて平行光となり、その平行光は回折格子１３を通
過することによって、長円形のスポット光がＹ方向に配
列したスポット群１４を生じる。このスポット群１４
は、さらに回折格子１５を通過することによって、スポ
ット群がＸ方向に複数個平行に並んだ２次元スポット群
１６を生じる。なお、回折格子１３及び１５には、所定
長さのファイバを横一列に重ね各ファイバのレンズ作用
を利用するファイバグレーティングを用いる。この２次
元スポット群１６が円筒型レンズ１７を通過すると、各
列のスポット群はそのＹ方向の間隔が狭められて、隣接
するスポット光が互いに一部重複するように配列され、
それぞれがスリット光を形成してマルチスリット光１８
を生じる。

【００２３】円筒型レンズ１７の後段に配置されたシャ
ッタアレイ１９は、複数個のセグメントから成り、各セ
グメントは独立に電源をオンオフされることにより、電
源オフ時には対応するスリット光を遮断し、オン時には
透過させるように構成される。したがって、シャッタア
レイ１９を用いて、マルチスリット光１８から任意のス
リット光パターンを構成することができ、また任意のス
リット光を基準スリット光として選択することができ
る。このシャッタアレイ１９の後段には、円筒型レンズ
１７の軸方向 (Ｘ方向) と直角方向 (Ｙ方向) の軸を有
する円筒型レンズ２０が設けられる。したがって、シャ
ッタアレイ１９を通過した各スリット光は、円筒型レン
ズ２０のレンズ効果によってＸ方向の回折角が小さくな
る。この円筒型レンズ２０を通過したスリット光は、物
体２に照射され、物体２の三次元測定に供試される。

【００２４】図２は最終段レンズの効果を説明するため
の図である。図に示すように、光源(この場合、回折格
子１３からの回折光に相当) ５０から角度θの広がりを
もって出射された光は、最終的にスリット光としてシャ
ッタアレイ１９を通過した後、円筒型レンズ２０によっ
てその角度θが狭められる。このようなスリット光が物
体２に照射されると、そのスリット光の間隔密度が上が
るので、カメラ３による撮像画面を画像処理する際の解
像度が向上することになる。

【００２５】ところで、マルチスリット投光器１の小型
化は、回折格子１３のファイバグレーティング間隔を小
さくしてその密度を上げることにより可能であるが、従
来は、回折格子１３の間隔密度アップに伴いスリット光
の回折角 (図２の角度θに相当) が大きくなりスリット
光の間隔が粗くなって解像度が悪化していた。これに対
して、本実施例では円筒型レンズ２０を設けるため、そ
のレンズ効果により回折角を小さくできる。したがっ
て、解像度を悪化させることなく、マルチスリット投光
器１０を小型化することができる。

【００２６】また、上述した回折格子１３の間隔密度を
上げる方法は、点光源の数を増やすこととなるため、そ
の結果得られる干渉縞はよりシャープになり、スリット
光を投射した後の画像処理も容易に行えるようになる
が、この場合も同様に回折角が大きくなるため、解像度
が悪化するという問題点を有していた。これに対して、
本実施例では、円筒型レンズ２０を設けるために、回折
角を小さくすることができる。すなわち、回折格子１３
の間隔密度を上げても、解像度を悪化させることなくシ
ャープなスリット光を物体に照射することができる。

【００２７】なお、上記の説明では、最終段レンズに円
筒型レンズを用いるようにしたが、その円筒型レンズと
同様のレンズ効果を有するレンズ、例えば凸レンズを用
いる構成とすることもできる。

【００２８】図３は最終段レンズにフーリエ変換レンズ
を用いた場合を示す図である。フーリエ変換レンズ２１
は、光軸中心から離れた高次の回折によるスリット光を
中心方向に集め、そのスリット光間隔を均一化する作用
を有する。このため、フーリエ変換レンズ２１を最終段
に用いることにより、スリット光の回折角を小さくする
ことができるとともに、より高密度で均一なスリット光
を得ることができる。したがって、画像処理時の解像度
を向上させることができる。

【００２９】図４は最終段レンズにグレーティングレン
ズを用いた場合を示す図である。グレーティングレンズ
２２は、その各段２２ａの傾き角を設計することによ
り、各段２２ａの屈折角を任意に設定することができ
る。このため、スリット光がグレーティングレンズ２２
を通過すると、そのスリット光は各段２２ａの屈折角に
応じた角度で物体２に投射される。したがって、物体に
照射されるスリット光の投射角を任意に制御することが
でき、例えば物体２の測定精度を上げたい箇所には、そ
れに応じて設計されたフーリエ変換レンズ２２を配置す
ることにより、その箇所に密度の高いスリット光を投射
することができる。

【００３０】上記の説明では、円筒型レンズ１７を回折
格子１５の後段に配置したが、コリメートレンズ１２の
後段に配置することもできる。また、円筒型レンズ１７
の軸方向がＸ方向、円筒型レンズ２０の軸方向がＹ方向
となるように配置したが、逆に、円筒型レンズ１７がＹ
方向、円筒型レンズ２０がＸ方向となるようにしてもよ
い。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明では、マルチ
スリット投光器において、シャッタアレイの後段にさら
にレンズを設け、そのレンズ効果によりシャッタアレイ
を通過したスリット光の回折角が小さくなるように構成
した。したがって、物体に照射されるスリット光の間隔
密度が上がるので、画像処理する際の解像度を向上させ
ることができる。

【００３２】また、第１の回折格子の格子間隔密度を上
げることにより、マルチスリット投光器を小型化できる
が、従来は、その際に解像度も悪化していた。これに対
して、最終段にレンズを設けたので、そのレンズ効果に
より回折角が小さくなり、解像度を悪化させることな
く、マルチスリット投光器を小型化することができる。
同様に、第１の回折格子の格子間隔密度を上げるとシャ
ープなスリット光が得られる反面、それに伴い解像度が
悪化していたが、最終段にレンズを設けたので、解像度
を悪化させることなくシャープなスリット光を物体に照
射することができる。

【００３３】さらに、最終段にフーリエ変換レンズを設
けたので、光軸中心から離れた高次の回折によるスリッ
ト光を中心方向に集めることができる。したがって、回
折角を小さくすることができるとともに、より高密度で
均一なスリット光を得ることができる。

【００３４】また、最終段にグレーティングレンズを設
けたので、グレーティングレンズの各段の屈折角を設計
することにより、物体に照射されるスリット光の投射角
を任意に制御することができる。したがって、物体の測
定精度を上げたい箇所には、それに応じて設計されたフ
ーリエ変換レンズを配置することにより、その箇所に密
度の高いスリット光を投射することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】最終段レンズの効果を説明するための図であ
る。

【図３】最終段レンズにフーリエ変換レンズを用いた場
合を示す図である。

【図４】最終段レンズにグレーティングレンズを用いた
場合を示す図である。

【図５】マルチスリット光による物体の三次元計測方法
を示す図である。

【図６】従来のマルチスリット投光器の構成を概略的に
示す図である。

【図７】発光源から出射された単一波長光の干渉の様子
を示すモデル図であり、 (Ａ)は一般的な干渉を、 (Ｂ)
は回折光が回り込む場合を、 (Ｃ) は回折光の回り込
みがなくなる場合をそれぞれ示す。

【符号の説明】

１ マルチスリット投光器 １３，１５ 回折格子 １７，２０ 円筒型レンズ １９ シャッタアレイ ２１ フーリエ変換レンズ ２２ グレーティングレンズ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体の３次元計測に使用するスリット光
   パターンを発生するマルチスリット投光器において、 単一波長光の光軸上(30)に配置され回折方向が互いに直
   交する第１及び第２の回折格子(13,15) と、 前記第２の回折格子(15)からの回折出力光が入射され、
   軸方向が前記第１または第２の回折格子(13,15) のいず
   れか一方の回折方向と直行する円筒型レンズ(17)と、 前記円筒型レンズ(17)から出力されたマルチスリット光
   の内、所定のスリット光を遮断してスリット光パターン
   を出力するシャッタアレイ(19)と、 前記シャッタアレイ(19)の後段に配置され前記円筒型レ
   ンズ(17)の軸方向と直角方向にレンズ効果を有するレン
   ズ(20)と、 を有することを特徴とするマルチスリット投光器。
2. 【請求項２】 前記レンズ(20)はフーリエ変換レンズで
   あることを特徴とする請求項１記載のマルチスリット投
   光器。
3. 【請求項３】 前記レンズ(20)はグレーティングレンズ
   であることを特徴とする請求項１記載のマルチスリット
   投光器。