レーザ画像計測装置
【課題】環境変化に左右されない正確な測距値を取得可能なレーザ画像計測装置を得る。
【解決手段】レーザ光の発振時間と反射光の受光時間との時間差に基づき対象物までの距離を導出するために、基準となる変調信号Ｍを生成する基準信号発生部２０と、変調信号Ｍにより変調されたレーザ光を出射するレーザ光送信部３０と、レーザ光を走査して整形された送信ビームＬを出射するレーザ光走査部４０と、反射光を受信信号に変換する受信部５０と、レーザ光走査部４０内のレーザ光走査光学系５から基準固定距離に設置されて送信ビームＬが照射される基準反射板６と、受信信号から基準反射板６および対象物の距離値Ｄｚを導出する信号処理部６０と、を備える。レーザ光走査部４０および受信部５０は、基準反射板６からの反射光を、対象物に対する距離測定と同一の光路で送受信する。信号処理部６０は、基準反射板６の距離変動量ΔＤｚから、対象物の距離値を補正する。
【解決手段】レーザ光の発振時間と反射光の受光時間との時間差に基づき対象物までの距離を導出するために、基準となる変調信号Ｍを生成する基準信号発生部２０と、変調信号Ｍにより変調されたレーザ光を出射するレーザ光送信部３０と、レーザ光を走査して整形された送信ビームＬを出射するレーザ光走査部４０と、反射光を受信信号に変換する受信部５０と、レーザ光走査部４０内のレーザ光走査光学系５から基準固定距離に設置されて送信ビームＬが照射される基準反射板６と、受信信号から基準反射板６および対象物の距離値Ｄｚを導出する信号処理部６０と、を備える。レーザ光走査部４０および受信部５０は、基準反射板６からの反射光を、対象物に対する距離測定と同一の光路で送受信する。信号処理部６０は、基準反射板６の距離変動量ΔＤｚから、対象物の距離値を補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光の発振時間と対象物による反射光の受光時間との時間差に基づいて、対象物までの距離を導出するレーザ画像計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザ画像計測装置としては、装置内部に一定距離の基準点を設け、測距値の校正を行うとともに、固定位置に設置した受光器で走査光を受信し、走査幅の校正を行うものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１０６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレーザ画像計測装置は、測距値校正用の受信経路と対象物測距用の受信経路とが異なっているので、装置の環境条件（温度や振動など）の変化により、光学的経路や電気的特性に差が生じ、測距値に誤差が生じるという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、装置の環境条件に変化がある場合を想定して、環境変化に左右されずに、正確な測距値を得ることのできるレーザ画像計測装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るレーザ画像計測装置は、レーザ光の発振時間と対象物による反射光の受光時間との時間差に基づいて、対象物までの距離を導出するレーザ画像計測装置であって、基準となる変調信号を生成する基準信号発生部と、変調信号により変調されたレーザ光を出射するレーザ光送信部と、レーザ光を走査して整形された送信ビームを出射するレーザ光走査部と、反射光を受信信号に変換する受信部と、レーザ光走査部内のレーザ光走査光学系から基準固定距離に設置されて送信ビームが照射される基準反射板と、受信信号から基準反射板および対象物の距離値を導出する信号処理部と、を備え、レーザ光走査部および受信部は、基準反射板からの反射光を、対象物に対する距離測定と同一の光路で送受信し、信号処理部は、基準反射板の距離変動量から、対象物の距離値を補正するものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、同一の送信受信経路（同一の光学的経路、同一の受光器やアンプ）により測距値の校正と対象物の測距とを行うので、レーザ画像計測装置の環境条件の変化に対して左右されない、正確な測距値を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１において環境変化に起因して生じる距離データの誤差を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１による送信ビームの変形例を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１による位相検波器の変形例を用いた場合の取得電圧の経時特性を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１の変形例における補正処理を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態２による走査幅補正信号の生成処理を示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態２における送信ビームの走査領域に対する基準反射板の具体的な配置例を示す説明図である。
【図９】この発明の実施の形態２における送信ビームの走査角の変化特性を示す説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態２の変形例によるレーザ画像計測装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、図１および図２を参照しながら、この発明の実施の形態１について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の全体構成を示すブロック図である。
図２は環境変化（経時変化）に起因して生じる距離データの誤差（後述する距離変動量ΔＤｚ）を示す説明図である。
【００１０】
図１において、レーザ画像計測装置は、発振器１および分配器２から構成される基準信号発生部２０と、レーザ装置３および変調器４から構成されるレーザ光送信部３０と、レーザ光走査光学系５から構成されるレーザ光走査部４０と、基準反射板６、受信光学系７および受光器８から構成される受信部５０と、位相検波器９、距離演算装置１０、距離補正装置１１および３次元画像処理装置１２から構成される信号処理部６０と、を備えている。
【００１１】
基準信号発生部２０において、発振器１は、基準となる正弦波の変調信号Ｍを生成し、分配器２は、発振器１からの変調信号Ｍを２つに分岐して変調器４および位相検波器９に入力する。
【００１２】
レーザ光送信部３０において、レーザ装置３はレーザ光を出射し、変調器４は、分配器２からの変調信号Ｍに基づき、レーザ光に対して変調をかける。
レーザ光走査光学系５は、空間中にレーザ光を照射して走査し、送信ビームＬの形状を整形する。
【００１３】
受信部５０において、受信光学系７は、対象物などにより反射されたレーザ光（反射光）を受信して、受光器８上に集光する。受光器８は、受信された反射光を受信信号（電気信号）に変換して信号処理部６０に入力する。
【００１４】
基準反射板６は、送信ビームＬの走査端部に位置して反射光を発生するように、レーザ光走査部４０内のレーザ光走査光学系５から基準固定距離に設置されており、レーザ光の送信ビームＬを反射して、反射光を受信部５０に入力する。
なお、図１では、基準反射板６を送信ビームＬの一端に１個のみ設置したが、たとえば送信ビームＬの走査両端部に設置するなど、任意数の基準反射板６を設置することができる。
【００１５】
位相検波器９は、基準信号発生部２０内の分配器２からの変調信号Ｍと、受信部５０内の受光器８からの受信信号とを入力信号として位相検波を行い、位相信号Ｐ（電気信号）を生成する。
距離演算装置１０は、位相検波器９からの位相信号Ｐに基づき、対象物および基準反射板６の距離値Ｄｚ（測距値）を算出する。
【００１６】
距離補正装置１１は、距離演算装置１０で算出された基準反射板６の距離値Ｄｚを補正し、補正距離値Ｄｚ’を生成する。
３次元画像処理装置１２は、距離補正装置１１からの補正距離値Ｄｚ’と、レーザ光走査光学系５からの走査角信号θｓとに基づき、３次元画像Ｇを生成する。
【００１７】
次に、図２を参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の動作について説明する。
まず、レーザ光送信部３０内の変調器４は、基準信号発生部２０内の発振器１からの変調信号Ｍに基づき、レーザ装置３から出射されたレーザ光に対して強度変調をかけた後、レーザ光走査部４０に出射する。
続いて、レーザ光走査部４０内のレーザ光走査光学系５は、変調器４から出射されたレーザ光を１次元走査して、送信ビームＬに整形する。
【００１８】
受信部５０は、対象物からの反射光を、受信視野Ｒを有する受信光学系７により集光した後、受光器８により受信信号に変換して信号処理部６０に入力する。
なお、ここでは、理解し易いように、送信ビームＬと受信視野Ｒとを便宜的に離散表示しているが、実際には、送信ビームＬおよび受信視野Ｒの各端部は一致しているものとする。
【００１９】
信号処理部６０内の位相検波器９は、受信信号に対し、基準となる変調信号Ｍと位相検波を行い、反射光の受信強度（実施の形態２とともに後述する強度信号Ａ）と、変調信号Ｍと受信信号との位相差に相当する位相信号Ｐとを生成する。なお、この発明の実施の形態１においては、位相検波器９からの強度信号は、特に用いられていない。
【００２０】
距離演算装置１０は、位相信号Ｐに基づき対象物の視線方向の距離値Ｄｚを算出する。
具体的には、距離値Ｄｚは、光速ｃ、位相差Δφ、変調信号Ｍの周波数ｆを用いて、以下の式（１）により導出される。
【００２１】
Ｄｚ＝（ｃ×Δφ）／（４×π×ｆ） ・・・（１）
【００２２】
距離補正装置１１は、時刻ｔにおける基準反射板６の距離値ＤｚＲｔと初回の基準反射板６の距離値ＤｚＲ０との距離変動量ΔＤｚ（＝ＤｚＲｔ−ＤｚＲ０）を算出し、距離値Ｄｚから距離変動量ΔＤｚを差分することにより、補正距離値Ｄｚ’（＝Ｄｚ−ΔＤｚ）を導出する。
【００２３】
その後、３次元画像処理装置１２は、レーザ光走査光学系５で得られた走査角信号θｓと、距離補正装置１１で得られた複数の補正距離値Ｄｚ’とを用いて、３次元画像Ｇを生成する。
【００２４】
ここで、基準反射板６の位置は固定されているので、一般的に、時刻ｔにおける基準反射板６の距離値ＤｚＲｔと、初回の基準反射板６の距離値ＤｚＲ０とは同一値であり、距離変動量ΔＤｚは「０」である。
しかし、装置の環境変化（温度変化や振動など）が生じると、レーザ発振からレーザ受光までの光路長の変化や電気的特性の変化が生じて、位相信号Ｐに遅延が生じる場合がある。これにより、図２に示すように、時刻ｔにおける基準反射板６の距離値ＤｚＲｔと初回の基準反射板６の距離値ＤｚＲ０との間に誤差（距離変動量ΔＤｚ）が生じる。
【００２５】
この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置においては、基準固定距離の基準反射板６からの反射光を、対象物に対する距離測定と同一の光路（レーザ光走査部４０および受信部５０）で送受信するので、装置の環境変化（温度変化や振動など）により生じる距離値の誤差が、対象物の距離値Ｄｚと基準反射板６の距離値Ｄｚとに関して、それぞれ同一値となる。
したがって、基準反射板６の距離変動量ΔＤｚを用いて対象物の距離値Ｄｚを差分することにより、環境変化に対して左右されない高精度の距離測定が可能となる。
【００２６】
次に、図３〜図５を参照しながら、この発明の実施の形態１（図１）の変形例について説明する。
図３は送信ビームＬの具体例を示す説明図であり、図３（ａ）はペンシルビームの１次元走査を示し、図３（ｂ）および図３（ｃ）はペンシルビームの２次元走査を示し、図３（ｄ）はファンビームの１次元走査を示している。
【００２７】
図４は位相検波器９に代えて時間差計測回路を用いた場合の取得電圧の経時特性を示す説明図である。
また、図５はレーザ画像計測装置が移動する場合に生じる距離差の補正処理を示す説明図である。
【００２８】
図１においては、レーザ光送信部３０において変調器４を用いたが、変調器４を用いてレーザ光に強度変調をかけるのではなく、レーザ装置３に変調信号Ｍを入力して、変調レーザ光を直接得るように構成してもよい。たとえば、レーザ装置３としてレーザダイオードを用い、変調信号Ｍに同期した駆動電流を注入することにより、変調レーザ光を直接取得することができる。
【００２９】
また、レーザ光走査光学系５からの送信ビームＬは、図３（ａ）に示すように、ペンシルビームを照射して１次元走査する場合もあり、図３（ｂ）や図３（ｃ）に示すように、ペンシルビームを２次元走査する場合もあり、図３（ｄ）に示すように、ファンビームを照射して１次元走査する場合もある。
【００３０】
また、受信光学系７において、走査せずに受信視野Ｒを確保する場合を示したが、送信ビームＬ（レーザ光）と受信視野Ｒとの両方を同時に走査することにより、図３に示す受信視野Ｒを確保することもできる。
【００３１】
また、基準反射板６は、図１、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、レーザ光走査範囲の一部に設置したが、図３（ｃ）や図３（ｄ）に示すように、レーザ光走査範囲の一列に基準反射板６を設置してもよい。
また、図３に示す受信視野Ｒを複数の受光素子で得る場合には、各受光素子で基準反射板６からの反射光を受光できるように、図３（ｃ）や図３（ｄ）のように基準反射板６を設置することにより、全受光素子での補正を行うことができる。
【００３２】
また、変調信号Ｍを正弦波としたが、変調信号Ｍは、正弦波でなくパルスであってもよい。この場合、送信系から受信系までのパルスの到達時間を計測して距離を導出するために、信号処理部６０内の位相検波器９に代えて、たとえば時間差計測回路を用いればよい。
【００３３】
このとき、時間差計測回路として、公知（たとえば、特開２００４−１１７３５６号公報参照）の時間・電圧変換器を用いた場合には、図４のように、経過時間（環境変化）に対する電圧Ｖの特性を取得することができる。
【００３４】
図４において、たとえば初期には、実線で示すように、ゲート開始時刻ｔ１（ゲート電圧Ｖｇのオン時刻）からの時間経過に比例して上昇する電圧Ｖが生成され、基準反射板６からの反射パルスを受信した時刻ｔＲにおいて、電圧Ｖ１が生成される。
【００３５】
その後、環境変化に対応した基準反射板６の計測距離の変化とともに、ゲート開始時刻ｔ１がゲート開始時刻ｔ２に変化した場合には、図４内の１点鎖線で示すように、ゲート開始時刻ｔ２からの基準反射板６からの反射パルスを受信した時刻ｔＲにおいて、電圧Ｖ２が生成される。
【００３６】
このように、２つ以上のゲートタイミングで距離データを取得することにより、経過時間に対する電圧Ｖの特性を取得することができる。
つまり、経過時間に対する電圧特性として、時間・電圧変換特性の傾きΔＶ／Δｔ（＝（Ｖ１−Ｖ２）／（ｔ２−ｔ１））を算出することができる。
【００３７】
これにより、温度などによる経過時間に対する電圧特性の変化や、複数の時間・電圧変換器を用いた場合の経過時間に対する電圧特性のばらつき、を補正することができ、環境変化に対して左右されない、高精度の距離測定が可能となる。
【００３８】
一方、レーザ画像計測装置が移動体に搭載されている場合など、レーザ画像計測装置と対象物との間隔が変化する場合、特に、ペンシルビームによるラスタースキャンや、ファンビームによるラインスキャンのレーザ走査方式のレーザ画像計測装置の場合には、取得画像内にて複数の距離測定が行われることから、取得画像の各画素の取得時間に相当する距離差が生じる。
【００３９】
したがって、この場合、信号処理部６０内の距離補正装置１１は、図５に示すように、受信視野Ｒ内の１箇所以上を、距離値（測距値）Ｄｚの校正領域Ｚ１、Ｚ２とし、取得画像Ｇ１、Ｇ２ごとの校正領域Ｚ１、Ｚ２における距離値Ｄｚに基づき、レーザ画像計測装置の移動速度Ｓｖを導出し、取得画像Ｇ１、Ｇ２内における各画素の取得時間に相当する距離差を補正する。
【００４０】
具体的には、取得画像Ｇ１の取得時刻Ｔ１における距離値Ｄｚ１と、取得画像Ｇ２の取得時刻Ｔ２における距離値Ｄｚ２とを用いて、取得画像Ｇ１の時間間隔Ｔ２−Ｔ１における距離変動量ΔＤｚ（＝Ｄｚ２−Ｄｚ１）を求め、レーザ画像計測装置の移動速度Ｓｖ（＝（Ｄｚ２−Ｄｚ１）／（Ｔ２−Ｔ１））を導出する。
【００４１】
次に、信号処理部６０内の３次元画像処理装置１２は、取得画像Ｇ１、Ｇ２の各画素における距離測定と、校正領域Ｚ１、Ｚ２での距離測定との時間間隔Δｔｓに基づき、各画素におけるレーザ画像計測装置の位置変動量Δｐ（＝Ｓｖ×Δｔｓ）を導出する。
その後、取得画像Ｇ１、Ｇ２から各画素の位置変動量Δｐを差分して補正する。
【００４２】
この場合、信号処理部６０内の３次元画像処理装置１２は、レーザ画像計測装置の移動速度Ｓｖを導出する手段と、取得画像Ｇ１、Ｇ２の各画素におけるレーザ画像計測装置の位置変動量Δｐを導出する手段と、取得画像Ｇ１、Ｇ２から各画素の位置変動量Δｐを差分する手段とを備えている。
【００４３】
これにより、レーザ画像計測装置が移動体に搭載されている場合など、レーザ画像計測装置と対象物との間隔が変化する場合でも、取得画像Ｇ１、Ｇ２の各画素の取得時間差（Ｔ２−Ｔ１）で生じる距離差を補正することができるので、高精度の距離測定が可能となる。
【００４４】
以上のように、この発明の実施の形態１（図１）に係るレーザ画像計測装置は、レーザ光の発振時間と対象物による反射光の受光時間との時間差に基づき、対象物までの距離を導出するために、基準となる変調信号Ｍを生成する基準信号発生部２０と、変調信号Ｍにより変調されたレーザ光を出射するレーザ光送信部３０と、レーザ光を走査して整形された送信ビームＬを出射するレーザ光走査部４０と、反射光を受信信号に変換する受信部５０と、レーザ光走査部４０内のレーザ光走査光学系５から基準固定距離に設置されて送信ビームＬが照射される基準反射板６と、受信信号から基準反射板６および対象物の距離値Ｄｚを導出する信号処理部６０と、を備えている。
【００４５】
レーザ光走査部４０および受信部５０は、基準反射板６からの反射光を、対象物に対する距離測定と同一の光路で送受信し、信号処理部６０は、基準反射板６の距離変動量ΔＤｚから、対象物の距離値Ｄｚを補正する。
すなわち、測距値校正用の一定距離の基準点となる基準反射板６と、対象物からの反射光を受光して受信信号に変換する受信部５０と、受信信号から距離値Ｄｚおよび３次元画像Ｇを算出する信号処理部６０とにより、同一の送受信経路（同一の光学的経路、同一の受光器やアンプ）で、距離値Ｄｚ（測距値）の校正と、対象物の測距とを行う。
【００４６】
また、信号処理部６０は、受信信号に基づく取得画像Ｇ１、Ｇ２内の少なくとも１つ以上の画素を距離値Ｄｚの校正領域Ｚ１、Ｚ２とし、異なる時刻Ｔ１、Ｔ２での取得画像Ｇ１、Ｇ２ごとの校正領域Ｚ１、Ｚ２における距離変動量ΔＤｚからレーザ画像計測装置の移動速度Ｓｖを導出し、取得画像Ｇ１、Ｇ２内における移動速度Ｓｖによる距離差を補正する。
【００４７】
これにより、レーザ画像計測装置が移動する場合をも含めて、レーザ画像計測装置の環境条件（温度や振動など）の変化に対して左右されない、正確な距離値Ｄｚ（測距値）および３次元画像Ｇを得ることができる。
【００４８】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１〜図５）では、送信ビームＬの走査幅Ｗの補正について考慮しなかったが、図６および図７のように、レーザ光走査部４０Ａ内に走査幅補正装置１３を設け、位相検波器９Ａからの強度信号Ａに応じて走査幅Ｗを補正するように構成してもよい。
【００４９】
以下、図６および図７を参照しながら、この発明の実施の形態２について説明する。
図６はこの発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置の全体構成を示すブロック図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。
また、図７は強度信号Ａ（強度データ）に基づく走査幅補正信号Ｃｗを生成処理を示す説明図である。
【００５０】
図６において、レーザ画像計測装置は、基準信号発生部２０と、レーザ光送信部３０と、レーザ光走査部４０Ａと、基準反射板６と、受信部５０と、信号処理部６０Ａと、を備えている。
【００５１】
この場合、信号処理部６０Ａ内の位相検波器９Ａは、位相信号Ｐを距離演算装置１０に入力するのみならず、反射光の受信強度を示す強度信号Ａ（電気信号）をレーザ光走査部４０Ａに入力する。
【００５２】
レーザ光走査部４０Ａは、レーザ光走査光学系５Ａに加えて、走査幅補正装置１３を備えている。走査幅補正装置１３は、位相検波器９Ａからの強度信号Ａに応じて、レーザ光走査光学系５Ａに対する走査幅補正信号Ｃｗを生成する。
また、レーザ光走査部４０Ａにおける走査幅Ｗの補正精度を高くするために、基準反射板６は、送信ビームＬの両端部のそれぞれにおいて、レーザ光走査光学系５Ａから基準固定距離となるように設置されている。
【００５３】
位相検波器９Ａは、基準信号発生部２０からの変調信号Ｍと受信部５０からの受信信号とにより位相検波を行い、位相信号Ｐ（電気信号）を生成するとともに、反射光の受信強度を示す強度信号Ａを生成する。
【００５４】
次に、図７を参照しながら、図６に示したこの発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置の動作について説明する。
ここでは、前述と同様の距離測定動作の説明を省略し、走査幅補正装置１３による走査幅Ｗの補正動作のみに注目して説明する。
【００５５】
走査幅補正装置１３は、図７に示すように、位相検波器９Ａから入力される基準反射板６からの強度信号Ａ（強度データ）に応じて、走査幅補正信号Ｃｗを生成する。
具体的には、任意時刻ｔにおける走査幅Ｗｔと、初回時刻ｔ０における初回走査幅Ｗ０と差分から、走査幅変動量ΔＷ（＝Ｗｔ−Ｗ０）を算出し、走査幅Ｗｔが初回走査幅Ｗ０と等しくなるように、走査幅変動量ΔＷを相殺するための走査幅補正信号Ｃｗを生成する。
これにより、レーザ光走査光学系５Ａは、走査幅補正信号Ｃｗに基づき、走査幅Ｗｔが初回走査幅Ｗ０と一致するようにレーザ光を走査する。
【００５６】
図７においては、環境変化などにより、走査幅Ｗｔ（任意時刻ｔの強度信号Ａｔに基づく）が、初回走査幅Ｗ０（初回時刻ｔ０の強度信号Ａ０に基づく）に対して、走査幅変動量ΔＷだけ減少した場合を示している。
【００５７】
この場合、走査幅補正信号Ｃｗにより、送信ビームＬの両端部がΔＷ／２ずつ広げられることにより、走査幅Ｗｔが初回走査幅Ｗ０と一致（２点鎖線参照）される。
すなわち、送信ビームＬの両端部が基準反射板６の位置（初回走査幅Ｗ０）と一致するように、送信ビームＬの走査幅Ｗｔが補正されることになる。
【００５８】
以上のように、この発明の実施の形態２（図６、図７）に係るレーザ画像計測装置の信号処理部６０Ａは、位相検波器９Ａにより、基準反射板６からの反射光の強度信号Ａ（受信強度）を導出する。
レーザ光走査部４０Ａは、レーザ光走査光学系５Ａに対して走査幅補正信号Ｃｗを入力する走査幅補正装置１３を備えており、走査幅補正装置１３は、強度信号Ａに基づいて送信ビームＬの走査幅Ｗを導出し、レーザ光走査光学系５Ａによる走査幅Ｗを制御する。
【００５９】
このように、基準反射板６からの反射光を受信して実際にレーザ走査している走査幅Ｗを導出して補正を行うことにより、レーザ画像計測装置の温度変化や振動などの環境変化に対して左右されずに、安定した撮像領域を確保することができる。
【００６０】
なお、変調信号Ｍは、前述と同様に、正弦波に限らずパルスでもよく、送信系から受信系までのパルスの到達時間を計測して距離を導出するために、位相検波器９Ａに代えて、たとえば時間差計測回路を用いてもよい。
【００６１】
また、この場合、強度信号Ａは、反射パルス光のピーク値に相当する電気信号となる。
また、走査幅補正装置１３は、強度信号Ａに基づき走査幅Ｗを導出したが、距離値Ｄｚを受信強度として用いて走査幅Ｗを導出してもよい。
【００６２】
また、レーザ光走査光学系５Ａにおいては、前述と同様に、ペンシルビームを照射して１次元走査または２次元走査する場合もあり、ファンビームを照射して１次元走査する場合もある。
また、受信光学系７においては、走査せずに受信視野Ｒを確保する場合もあり、送信レーザ光および受信視野Ｒの両方を同時に走査する場合もある。
【００６３】
次に、図８〜図１０を参照しながら、この発明の実施の形態２（図６、図７）の変形例について説明する。
基準反射板６の配置については、図８のように、種々の適用例が考えられる。
図８は送信ビームＬの走査領域に対する基準反射板６の具体的な配置例を示す説明図であり、図８（ａ）、図８（ｂ）は、走査端の１箇所以上に基準反射板６が設置された場合を示し、図８（ｃ）〜図８（ｅ）は、走査する１列に基準反射板６が設置された場合を示している。
【００６４】
また、レーザ光走査光学系５Ａとして、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）スキャナのような、正弦波駆動の光学系を用いた場合には、図９のような走査特性となる。
【００６５】
図９は走査周期（横軸）に対する送信ビームＬの走査角θ（縦軸）の変化特性を示す説明図であり、走査角θの振幅は、走査幅Ｗに相当している。
図９において、走査幅Ｗの両端付近（遮蔽領域）は、走査速度が遅くなるので、レーザ光送信部３０内のレーザ装置３として、「ＪＩＳ Ｃ６８０２（レーザ光の安全基準）」に記載された「クラス１アイセーフ条件（眼に対して安全なレベル）」を満たさない走査領域となる。
【００６６】
したがって、図８（ａ）または図８（ｄ）のように、基準反射板６を受信視野Ｒの両端部に設置することにより、基準反射板６が遮蔽板として機能して、遮蔽領域（アイセーフ条件を満たさない走査領域）に対応する送信ビームＬの端部を遮蔽するので、「クラス１アイセーフ条件」を満たすレーザ画像計測装置を提供することができ、レーザ光走査端でのレーザ光の人の目に対する安全性を高めることができる。
【００６７】
また、図６のように、走査幅補正装置１３により基準反射板６からの強度信号Ａを計測するとともに、図１０のように、レーザ光送信部３０Ｂ内にインタロック装置１４を設けることにより、レーザパワーモニタ機能を備えたレーザ画像計測装置を実現することができる。
【００６８】
図１０はこの発明の実施の形態２の変形例によるレーザ画像計測装置を示すブロック図であり、前述（図６参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｂ」を付して詳述を省略する。
【００６９】
図１０において、レーザ光走査部４０Ｂ内の走査幅補正装置１３Ｂは、基準反射板６からの強度信号Ａが規定強度値よりも高い強度値を示す場合、またはレーザ光の走査幅Ｗが規定走査幅よりも狭くなった場合に、異常信号Ｅを生成する。
【００７０】
また、レーザ光送信部３０Ｂは、レーザ装置３を制御するインタロック装置１４を備えており、インタロック装置１４は、走査幅補正装置１３Ｂからの異常信号Ｅに応答してインタロック信号Ｂを生成し、レーザ装置３によるレーザ出力を停止させる。
これにより、レーザ光の過大出力などの異常発生時において、自動的にレーザ光の出力を遮断することにより、安全性を確保することができる。
【００７１】
以上のように、この発明の実施の形態２の変形例（図１０）によれば、走査幅補正装置１３Ｂは、基準反射板６からの反射光の受信信号が異常を示す場合に異常信号Ｅを生成し、レーザ光送信部３０Ｂは、異常信号Ｅに応答してインタロック信号Ｂをレーザ装置３に入力するインタロック装置１４を備えているので、前述と同様の効果に加え、受信信号の異常発生時にレーザ発振を禁止して安全性を確保することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 発振器、２ 分配器、３ レーザ装置、４ 変調器、５、５Ａ レーザ光走査光学系、６ 基準反射板、７ 受信光学系、８ 受光器、９、９Ａ 位相検波器、１０ 距離演算装置、１１ 距離補正装置、１２ ３次元画像処理装置、１３、１３Ｂ 走査幅補正装置、１４ インタロック装置、２０ 基準信号発生部、３０、３０Ｂ レーザ光送信部、４０、４０Ａ、４０Ｂ レーザ光走査部、５０ 受信部、６０、６０Ａ 信号処理部、Ａ、Ａ０、Ａｔ 強度信号、Ｂ インタロック信号、Ｃｗ 走査幅補正信号、Ｄｚ 距離値、Ｄｚ’ 補正距離値、Ｅ 異常信号、Ｇ ３次元画像、Ｇ１、Ｇ２ 取得画像、Ｌ 送信ビーム、Ｍ 変調信号、Ｐ 位相信号、Ｒ 受信視野、Ｗ、Ｗｔ 走査幅、Ｗ０ 初回走査幅、Ｚ１、Ｚ２ 校正領域、θ 走査角、θｓ 走査角信号。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光の発振時間と対象物による反射光の受光時間との時間差に基づいて、対象物までの距離を導出するレーザ画像計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、レーザ画像計測装置としては、装置内部に一定距離の基準点を設け、測距値の校正を行うとともに、固定位置に設置した受光器で走査光を受信し、走査幅の校正を行うものが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１０６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のレーザ画像計測装置は、測距値校正用の受信経路と対象物測距用の受信経路とが異なっているので、装置の環境条件（温度や振動など）の変化により、光学的経路や電気的特性に差が生じ、測距値に誤差が生じるという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、装置の環境条件に変化がある場合を想定して、環境変化に左右されずに、正確な測距値を得ることのできるレーザ画像計測装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係るレーザ画像計測装置は、レーザ光の発振時間と対象物による反射光の受光時間との時間差に基づいて、対象物までの距離を導出するレーザ画像計測装置であって、基準となる変調信号を生成する基準信号発生部と、変調信号により変調されたレーザ光を出射するレーザ光送信部と、レーザ光を走査して整形された送信ビームを出射するレーザ光走査部と、反射光を受信信号に変換する受信部と、レーザ光走査部内のレーザ光走査光学系から基準固定距離に設置されて送信ビームが照射される基準反射板と、受信信号から基準反射板および対象物の距離値を導出する信号処理部と、を備え、レーザ光走査部および受信部は、基準反射板からの反射光を、対象物に対する距離測定と同一の光路で送受信し、信号処理部は、基準反射板の距離変動量から、対象物の距離値を補正するものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、同一の送信受信経路（同一の光学的経路、同一の受光器やアンプ）により測距値の校正と対象物の測距とを行うので、レーザ画像計測装置の環境条件の変化に対して左右されない、正確な測距値を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】この発明の実施の形態１において環境変化に起因して生じる距離データの誤差を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１による送信ビームの変形例を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１による位相検波器の変形例を用いた場合の取得電圧の経時特性を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１の変形例における補正処理を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置の全体構成を示すブロック図である。
【図７】この発明の実施の形態２による走査幅補正信号の生成処理を示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態２における送信ビームの走査領域に対する基準反射板の具体的な配置例を示す説明図である。
【図９】この発明の実施の形態２における送信ビームの走査角の変化特性を示す説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態２の変形例によるレーザ画像計測装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
以下、図１および図２を参照しながら、この発明の実施の形態１について説明する。
図１は、この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の全体構成を示すブロック図である。
図２は環境変化（経時変化）に起因して生じる距離データの誤差（後述する距離変動量ΔＤｚ）を示す説明図である。
【００１０】
図１において、レーザ画像計測装置は、発振器１および分配器２から構成される基準信号発生部２０と、レーザ装置３および変調器４から構成されるレーザ光送信部３０と、レーザ光走査光学系５から構成されるレーザ光走査部４０と、基準反射板６、受信光学系７および受光器８から構成される受信部５０と、位相検波器９、距離演算装置１０、距離補正装置１１および３次元画像処理装置１２から構成される信号処理部６０と、を備えている。
【００１１】
基準信号発生部２０において、発振器１は、基準となる正弦波の変調信号Ｍを生成し、分配器２は、発振器１からの変調信号Ｍを２つに分岐して変調器４および位相検波器９に入力する。
【００１２】
レーザ光送信部３０において、レーザ装置３はレーザ光を出射し、変調器４は、分配器２からの変調信号Ｍに基づき、レーザ光に対して変調をかける。
レーザ光走査光学系５は、空間中にレーザ光を照射して走査し、送信ビームＬの形状を整形する。
【００１３】
受信部５０において、受信光学系７は、対象物などにより反射されたレーザ光（反射光）を受信して、受光器８上に集光する。受光器８は、受信された反射光を受信信号（電気信号）に変換して信号処理部６０に入力する。
【００１４】
基準反射板６は、送信ビームＬの走査端部に位置して反射光を発生するように、レーザ光走査部４０内のレーザ光走査光学系５から基準固定距離に設置されており、レーザ光の送信ビームＬを反射して、反射光を受信部５０に入力する。
なお、図１では、基準反射板６を送信ビームＬの一端に１個のみ設置したが、たとえば送信ビームＬの走査両端部に設置するなど、任意数の基準反射板６を設置することができる。
【００１５】
位相検波器９は、基準信号発生部２０内の分配器２からの変調信号Ｍと、受信部５０内の受光器８からの受信信号とを入力信号として位相検波を行い、位相信号Ｐ（電気信号）を生成する。
距離演算装置１０は、位相検波器９からの位相信号Ｐに基づき、対象物および基準反射板６の距離値Ｄｚ（測距値）を算出する。
【００１６】
距離補正装置１１は、距離演算装置１０で算出された基準反射板６の距離値Ｄｚを補正し、補正距離値Ｄｚ’を生成する。
３次元画像処理装置１２は、距離補正装置１１からの補正距離値Ｄｚ’と、レーザ光走査光学系５からの走査角信号θｓとに基づき、３次元画像Ｇを生成する。
【００１７】
次に、図２を参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置の動作について説明する。
まず、レーザ光送信部３０内の変調器４は、基準信号発生部２０内の発振器１からの変調信号Ｍに基づき、レーザ装置３から出射されたレーザ光に対して強度変調をかけた後、レーザ光走査部４０に出射する。
続いて、レーザ光走査部４０内のレーザ光走査光学系５は、変調器４から出射されたレーザ光を１次元走査して、送信ビームＬに整形する。
【００１８】
受信部５０は、対象物からの反射光を、受信視野Ｒを有する受信光学系７により集光した後、受光器８により受信信号に変換して信号処理部６０に入力する。
なお、ここでは、理解し易いように、送信ビームＬと受信視野Ｒとを便宜的に離散表示しているが、実際には、送信ビームＬおよび受信視野Ｒの各端部は一致しているものとする。
【００１９】
信号処理部６０内の位相検波器９は、受信信号に対し、基準となる変調信号Ｍと位相検波を行い、反射光の受信強度（実施の形態２とともに後述する強度信号Ａ）と、変調信号Ｍと受信信号との位相差に相当する位相信号Ｐとを生成する。なお、この発明の実施の形態１においては、位相検波器９からの強度信号は、特に用いられていない。
【００２０】
距離演算装置１０は、位相信号Ｐに基づき対象物の視線方向の距離値Ｄｚを算出する。
具体的には、距離値Ｄｚは、光速ｃ、位相差Δφ、変調信号Ｍの周波数ｆを用いて、以下の式（１）により導出される。
【００２１】
Ｄｚ＝（ｃ×Δφ）／（４×π×ｆ） ・・・（１）
【００２２】
距離補正装置１１は、時刻ｔにおける基準反射板６の距離値ＤｚＲｔと初回の基準反射板６の距離値ＤｚＲ０との距離変動量ΔＤｚ（＝ＤｚＲｔ−ＤｚＲ０）を算出し、距離値Ｄｚから距離変動量ΔＤｚを差分することにより、補正距離値Ｄｚ’（＝Ｄｚ−ΔＤｚ）を導出する。
【００２３】
その後、３次元画像処理装置１２は、レーザ光走査光学系５で得られた走査角信号θｓと、距離補正装置１１で得られた複数の補正距離値Ｄｚ’とを用いて、３次元画像Ｇを生成する。
【００２４】
ここで、基準反射板６の位置は固定されているので、一般的に、時刻ｔにおける基準反射板６の距離値ＤｚＲｔと、初回の基準反射板６の距離値ＤｚＲ０とは同一値であり、距離変動量ΔＤｚは「０」である。
しかし、装置の環境変化（温度変化や振動など）が生じると、レーザ発振からレーザ受光までの光路長の変化や電気的特性の変化が生じて、位相信号Ｐに遅延が生じる場合がある。これにより、図２に示すように、時刻ｔにおける基準反射板６の距離値ＤｚＲｔと初回の基準反射板６の距離値ＤｚＲ０との間に誤差（距離変動量ΔＤｚ）が生じる。
【００２５】
この発明の実施の形態１に係るレーザ画像計測装置においては、基準固定距離の基準反射板６からの反射光を、対象物に対する距離測定と同一の光路（レーザ光走査部４０および受信部５０）で送受信するので、装置の環境変化（温度変化や振動など）により生じる距離値の誤差が、対象物の距離値Ｄｚと基準反射板６の距離値Ｄｚとに関して、それぞれ同一値となる。
したがって、基準反射板６の距離変動量ΔＤｚを用いて対象物の距離値Ｄｚを差分することにより、環境変化に対して左右されない高精度の距離測定が可能となる。
【００２６】
次に、図３〜図５を参照しながら、この発明の実施の形態１（図１）の変形例について説明する。
図３は送信ビームＬの具体例を示す説明図であり、図３（ａ）はペンシルビームの１次元走査を示し、図３（ｂ）および図３（ｃ）はペンシルビームの２次元走査を示し、図３（ｄ）はファンビームの１次元走査を示している。
【００２７】
図４は位相検波器９に代えて時間差計測回路を用いた場合の取得電圧の経時特性を示す説明図である。
また、図５はレーザ画像計測装置が移動する場合に生じる距離差の補正処理を示す説明図である。
【００２８】
図１においては、レーザ光送信部３０において変調器４を用いたが、変調器４を用いてレーザ光に強度変調をかけるのではなく、レーザ装置３に変調信号Ｍを入力して、変調レーザ光を直接得るように構成してもよい。たとえば、レーザ装置３としてレーザダイオードを用い、変調信号Ｍに同期した駆動電流を注入することにより、変調レーザ光を直接取得することができる。
【００２９】
また、レーザ光走査光学系５からの送信ビームＬは、図３（ａ）に示すように、ペンシルビームを照射して１次元走査する場合もあり、図３（ｂ）や図３（ｃ）に示すように、ペンシルビームを２次元走査する場合もあり、図３（ｄ）に示すように、ファンビームを照射して１次元走査する場合もある。
【００３０】
また、受信光学系７において、走査せずに受信視野Ｒを確保する場合を示したが、送信ビームＬ（レーザ光）と受信視野Ｒとの両方を同時に走査することにより、図３に示す受信視野Ｒを確保することもできる。
【００３１】
また、基準反射板６は、図１、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、レーザ光走査範囲の一部に設置したが、図３（ｃ）や図３（ｄ）に示すように、レーザ光走査範囲の一列に基準反射板６を設置してもよい。
また、図３に示す受信視野Ｒを複数の受光素子で得る場合には、各受光素子で基準反射板６からの反射光を受光できるように、図３（ｃ）や図３（ｄ）のように基準反射板６を設置することにより、全受光素子での補正を行うことができる。
【００３２】
また、変調信号Ｍを正弦波としたが、変調信号Ｍは、正弦波でなくパルスであってもよい。この場合、送信系から受信系までのパルスの到達時間を計測して距離を導出するために、信号処理部６０内の位相検波器９に代えて、たとえば時間差計測回路を用いればよい。
【００３３】
このとき、時間差計測回路として、公知（たとえば、特開２００４−１１７３５６号公報参照）の時間・電圧変換器を用いた場合には、図４のように、経過時間（環境変化）に対する電圧Ｖの特性を取得することができる。
【００３４】
図４において、たとえば初期には、実線で示すように、ゲート開始時刻ｔ１（ゲート電圧Ｖｇのオン時刻）からの時間経過に比例して上昇する電圧Ｖが生成され、基準反射板６からの反射パルスを受信した時刻ｔＲにおいて、電圧Ｖ１が生成される。
【００３５】
その後、環境変化に対応した基準反射板６の計測距離の変化とともに、ゲート開始時刻ｔ１がゲート開始時刻ｔ２に変化した場合には、図４内の１点鎖線で示すように、ゲート開始時刻ｔ２からの基準反射板６からの反射パルスを受信した時刻ｔＲにおいて、電圧Ｖ２が生成される。
【００３６】
このように、２つ以上のゲートタイミングで距離データを取得することにより、経過時間に対する電圧Ｖの特性を取得することができる。
つまり、経過時間に対する電圧特性として、時間・電圧変換特性の傾きΔＶ／Δｔ（＝（Ｖ１−Ｖ２）／（ｔ２−ｔ１））を算出することができる。
【００３７】
これにより、温度などによる経過時間に対する電圧特性の変化や、複数の時間・電圧変換器を用いた場合の経過時間に対する電圧特性のばらつき、を補正することができ、環境変化に対して左右されない、高精度の距離測定が可能となる。
【００３８】
一方、レーザ画像計測装置が移動体に搭載されている場合など、レーザ画像計測装置と対象物との間隔が変化する場合、特に、ペンシルビームによるラスタースキャンや、ファンビームによるラインスキャンのレーザ走査方式のレーザ画像計測装置の場合には、取得画像内にて複数の距離測定が行われることから、取得画像の各画素の取得時間に相当する距離差が生じる。
【００３９】
したがって、この場合、信号処理部６０内の距離補正装置１１は、図５に示すように、受信視野Ｒ内の１箇所以上を、距離値（測距値）Ｄｚの校正領域Ｚ１、Ｚ２とし、取得画像Ｇ１、Ｇ２ごとの校正領域Ｚ１、Ｚ２における距離値Ｄｚに基づき、レーザ画像計測装置の移動速度Ｓｖを導出し、取得画像Ｇ１、Ｇ２内における各画素の取得時間に相当する距離差を補正する。
【００４０】
具体的には、取得画像Ｇ１の取得時刻Ｔ１における距離値Ｄｚ１と、取得画像Ｇ２の取得時刻Ｔ２における距離値Ｄｚ２とを用いて、取得画像Ｇ１の時間間隔Ｔ２−Ｔ１における距離変動量ΔＤｚ（＝Ｄｚ２−Ｄｚ１）を求め、レーザ画像計測装置の移動速度Ｓｖ（＝（Ｄｚ２−Ｄｚ１）／（Ｔ２−Ｔ１））を導出する。
【００４１】
次に、信号処理部６０内の３次元画像処理装置１２は、取得画像Ｇ１、Ｇ２の各画素における距離測定と、校正領域Ｚ１、Ｚ２での距離測定との時間間隔Δｔｓに基づき、各画素におけるレーザ画像計測装置の位置変動量Δｐ（＝Ｓｖ×Δｔｓ）を導出する。
その後、取得画像Ｇ１、Ｇ２から各画素の位置変動量Δｐを差分して補正する。
【００４２】
この場合、信号処理部６０内の３次元画像処理装置１２は、レーザ画像計測装置の移動速度Ｓｖを導出する手段と、取得画像Ｇ１、Ｇ２の各画素におけるレーザ画像計測装置の位置変動量Δｐを導出する手段と、取得画像Ｇ１、Ｇ２から各画素の位置変動量Δｐを差分する手段とを備えている。
【００４３】
これにより、レーザ画像計測装置が移動体に搭載されている場合など、レーザ画像計測装置と対象物との間隔が変化する場合でも、取得画像Ｇ１、Ｇ２の各画素の取得時間差（Ｔ２−Ｔ１）で生じる距離差を補正することができるので、高精度の距離測定が可能となる。
【００４４】
以上のように、この発明の実施の形態１（図１）に係るレーザ画像計測装置は、レーザ光の発振時間と対象物による反射光の受光時間との時間差に基づき、対象物までの距離を導出するために、基準となる変調信号Ｍを生成する基準信号発生部２０と、変調信号Ｍにより変調されたレーザ光を出射するレーザ光送信部３０と、レーザ光を走査して整形された送信ビームＬを出射するレーザ光走査部４０と、反射光を受信信号に変換する受信部５０と、レーザ光走査部４０内のレーザ光走査光学系５から基準固定距離に設置されて送信ビームＬが照射される基準反射板６と、受信信号から基準反射板６および対象物の距離値Ｄｚを導出する信号処理部６０と、を備えている。
【００４５】
レーザ光走査部４０および受信部５０は、基準反射板６からの反射光を、対象物に対する距離測定と同一の光路で送受信し、信号処理部６０は、基準反射板６の距離変動量ΔＤｚから、対象物の距離値Ｄｚを補正する。
すなわち、測距値校正用の一定距離の基準点となる基準反射板６と、対象物からの反射光を受光して受信信号に変換する受信部５０と、受信信号から距離値Ｄｚおよび３次元画像Ｇを算出する信号処理部６０とにより、同一の送受信経路（同一の光学的経路、同一の受光器やアンプ）で、距離値Ｄｚ（測距値）の校正と、対象物の測距とを行う。
【００４６】
また、信号処理部６０は、受信信号に基づく取得画像Ｇ１、Ｇ２内の少なくとも１つ以上の画素を距離値Ｄｚの校正領域Ｚ１、Ｚ２とし、異なる時刻Ｔ１、Ｔ２での取得画像Ｇ１、Ｇ２ごとの校正領域Ｚ１、Ｚ２における距離変動量ΔＤｚからレーザ画像計測装置の移動速度Ｓｖを導出し、取得画像Ｇ１、Ｇ２内における移動速度Ｓｖによる距離差を補正する。
【００４７】
これにより、レーザ画像計測装置が移動する場合をも含めて、レーザ画像計測装置の環境条件（温度や振動など）の変化に対して左右されない、正確な距離値Ｄｚ（測距値）および３次元画像Ｇを得ることができる。
【００４８】
実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１〜図５）では、送信ビームＬの走査幅Ｗの補正について考慮しなかったが、図６および図７のように、レーザ光走査部４０Ａ内に走査幅補正装置１３を設け、位相検波器９Ａからの強度信号Ａに応じて走査幅Ｗを補正するように構成してもよい。
【００４９】
以下、図６および図７を参照しながら、この発明の実施の形態２について説明する。
図６はこの発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置の全体構成を示すブロック図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ａ」を付して詳述を省略する。
また、図７は強度信号Ａ（強度データ）に基づく走査幅補正信号Ｃｗを生成処理を示す説明図である。
【００５０】
図６において、レーザ画像計測装置は、基準信号発生部２０と、レーザ光送信部３０と、レーザ光走査部４０Ａと、基準反射板６と、受信部５０と、信号処理部６０Ａと、を備えている。
【００５１】
この場合、信号処理部６０Ａ内の位相検波器９Ａは、位相信号Ｐを距離演算装置１０に入力するのみならず、反射光の受信強度を示す強度信号Ａ（電気信号）をレーザ光走査部４０Ａに入力する。
【００５２】
レーザ光走査部４０Ａは、レーザ光走査光学系５Ａに加えて、走査幅補正装置１３を備えている。走査幅補正装置１３は、位相検波器９Ａからの強度信号Ａに応じて、レーザ光走査光学系５Ａに対する走査幅補正信号Ｃｗを生成する。
また、レーザ光走査部４０Ａにおける走査幅Ｗの補正精度を高くするために、基準反射板６は、送信ビームＬの両端部のそれぞれにおいて、レーザ光走査光学系５Ａから基準固定距離となるように設置されている。
【００５３】
位相検波器９Ａは、基準信号発生部２０からの変調信号Ｍと受信部５０からの受信信号とにより位相検波を行い、位相信号Ｐ（電気信号）を生成するとともに、反射光の受信強度を示す強度信号Ａを生成する。
【００５４】
次に、図７を参照しながら、図６に示したこの発明の実施の形態２に係るレーザ画像計測装置の動作について説明する。
ここでは、前述と同様の距離測定動作の説明を省略し、走査幅補正装置１３による走査幅Ｗの補正動作のみに注目して説明する。
【００５５】
走査幅補正装置１３は、図７に示すように、位相検波器９Ａから入力される基準反射板６からの強度信号Ａ（強度データ）に応じて、走査幅補正信号Ｃｗを生成する。
具体的には、任意時刻ｔにおける走査幅Ｗｔと、初回時刻ｔ０における初回走査幅Ｗ０と差分から、走査幅変動量ΔＷ（＝Ｗｔ−Ｗ０）を算出し、走査幅Ｗｔが初回走査幅Ｗ０と等しくなるように、走査幅変動量ΔＷを相殺するための走査幅補正信号Ｃｗを生成する。
これにより、レーザ光走査光学系５Ａは、走査幅補正信号Ｃｗに基づき、走査幅Ｗｔが初回走査幅Ｗ０と一致するようにレーザ光を走査する。
【００５６】
図７においては、環境変化などにより、走査幅Ｗｔ（任意時刻ｔの強度信号Ａｔに基づく）が、初回走査幅Ｗ０（初回時刻ｔ０の強度信号Ａ０に基づく）に対して、走査幅変動量ΔＷだけ減少した場合を示している。
【００５７】
この場合、走査幅補正信号Ｃｗにより、送信ビームＬの両端部がΔＷ／２ずつ広げられることにより、走査幅Ｗｔが初回走査幅Ｗ０と一致（２点鎖線参照）される。
すなわち、送信ビームＬの両端部が基準反射板６の位置（初回走査幅Ｗ０）と一致するように、送信ビームＬの走査幅Ｗｔが補正されることになる。
【００５８】
以上のように、この発明の実施の形態２（図６、図７）に係るレーザ画像計測装置の信号処理部６０Ａは、位相検波器９Ａにより、基準反射板６からの反射光の強度信号Ａ（受信強度）を導出する。
レーザ光走査部４０Ａは、レーザ光走査光学系５Ａに対して走査幅補正信号Ｃｗを入力する走査幅補正装置１３を備えており、走査幅補正装置１３は、強度信号Ａに基づいて送信ビームＬの走査幅Ｗを導出し、レーザ光走査光学系５Ａによる走査幅Ｗを制御する。
【００５９】
このように、基準反射板６からの反射光を受信して実際にレーザ走査している走査幅Ｗを導出して補正を行うことにより、レーザ画像計測装置の温度変化や振動などの環境変化に対して左右されずに、安定した撮像領域を確保することができる。
【００６０】
なお、変調信号Ｍは、前述と同様に、正弦波に限らずパルスでもよく、送信系から受信系までのパルスの到達時間を計測して距離を導出するために、位相検波器９Ａに代えて、たとえば時間差計測回路を用いてもよい。
【００６１】
また、この場合、強度信号Ａは、反射パルス光のピーク値に相当する電気信号となる。
また、走査幅補正装置１３は、強度信号Ａに基づき走査幅Ｗを導出したが、距離値Ｄｚを受信強度として用いて走査幅Ｗを導出してもよい。
【００６２】
また、レーザ光走査光学系５Ａにおいては、前述と同様に、ペンシルビームを照射して１次元走査または２次元走査する場合もあり、ファンビームを照射して１次元走査する場合もある。
また、受信光学系７においては、走査せずに受信視野Ｒを確保する場合もあり、送信レーザ光および受信視野Ｒの両方を同時に走査する場合もある。
【００６３】
次に、図８〜図１０を参照しながら、この発明の実施の形態２（図６、図７）の変形例について説明する。
基準反射板６の配置については、図８のように、種々の適用例が考えられる。
図８は送信ビームＬの走査領域に対する基準反射板６の具体的な配置例を示す説明図であり、図８（ａ）、図８（ｂ）は、走査端の１箇所以上に基準反射板６が設置された場合を示し、図８（ｃ）〜図８（ｅ）は、走査する１列に基準反射板６が設置された場合を示している。
【００６４】
また、レーザ光走査光学系５Ａとして、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）スキャナのような、正弦波駆動の光学系を用いた場合には、図９のような走査特性となる。
【００６５】
図９は走査周期（横軸）に対する送信ビームＬの走査角θ（縦軸）の変化特性を示す説明図であり、走査角θの振幅は、走査幅Ｗに相当している。
図９において、走査幅Ｗの両端付近（遮蔽領域）は、走査速度が遅くなるので、レーザ光送信部３０内のレーザ装置３として、「ＪＩＳ Ｃ６８０２（レーザ光の安全基準）」に記載された「クラス１アイセーフ条件（眼に対して安全なレベル）」を満たさない走査領域となる。
【００６６】
したがって、図８（ａ）または図８（ｄ）のように、基準反射板６を受信視野Ｒの両端部に設置することにより、基準反射板６が遮蔽板として機能して、遮蔽領域（アイセーフ条件を満たさない走査領域）に対応する送信ビームＬの端部を遮蔽するので、「クラス１アイセーフ条件」を満たすレーザ画像計測装置を提供することができ、レーザ光走査端でのレーザ光の人の目に対する安全性を高めることができる。
【００６７】
また、図６のように、走査幅補正装置１３により基準反射板６からの強度信号Ａを計測するとともに、図１０のように、レーザ光送信部３０Ｂ内にインタロック装置１４を設けることにより、レーザパワーモニタ機能を備えたレーザ画像計測装置を実現することができる。
【００６８】
図１０はこの発明の実施の形態２の変形例によるレーザ画像計測装置を示すブロック図であり、前述（図６参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「Ｂ」を付して詳述を省略する。
【００６９】
図１０において、レーザ光走査部４０Ｂ内の走査幅補正装置１３Ｂは、基準反射板６からの強度信号Ａが規定強度値よりも高い強度値を示す場合、またはレーザ光の走査幅Ｗが規定走査幅よりも狭くなった場合に、異常信号Ｅを生成する。
【００７０】
また、レーザ光送信部３０Ｂは、レーザ装置３を制御するインタロック装置１４を備えており、インタロック装置１４は、走査幅補正装置１３Ｂからの異常信号Ｅに応答してインタロック信号Ｂを生成し、レーザ装置３によるレーザ出力を停止させる。
これにより、レーザ光の過大出力などの異常発生時において、自動的にレーザ光の出力を遮断することにより、安全性を確保することができる。
【００７１】
以上のように、この発明の実施の形態２の変形例（図１０）によれば、走査幅補正装置１３Ｂは、基準反射板６からの反射光の受信信号が異常を示す場合に異常信号Ｅを生成し、レーザ光送信部３０Ｂは、異常信号Ｅに応答してインタロック信号Ｂをレーザ装置３に入力するインタロック装置１４を備えているので、前述と同様の効果に加え、受信信号の異常発生時にレーザ発振を禁止して安全性を確保することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１ 発振器、２ 分配器、３ レーザ装置、４ 変調器、５、５Ａ レーザ光走査光学系、６ 基準反射板、７ 受信光学系、８ 受光器、９、９Ａ 位相検波器、１０ 距離演算装置、１１ 距離補正装置、１２ ３次元画像処理装置、１３、１３Ｂ 走査幅補正装置、１４ インタロック装置、２０ 基準信号発生部、３０、３０Ｂ レーザ光送信部、４０、４０Ａ、４０Ｂ レーザ光走査部、５０ 受信部、６０、６０Ａ 信号処理部、Ａ、Ａ０、Ａｔ 強度信号、Ｂ インタロック信号、Ｃｗ 走査幅補正信号、Ｄｚ 距離値、Ｄｚ’ 補正距離値、Ｅ 異常信号、Ｇ ３次元画像、Ｇ１、Ｇ２ 取得画像、Ｌ 送信ビーム、Ｍ 変調信号、Ｐ 位相信号、Ｒ 受信視野、Ｗ、Ｗｔ 走査幅、Ｗ０ 初回走査幅、Ｚ１、Ｚ２ 校正領域、θ 走査角、θｓ 走査角信号。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の発振時間と対象物による反射光の受光時間との時間差に基づいて、前記対象物までの距離を導出するレーザ画像計測装置であって、
基準となる変調信号を生成する基準信号発生部と、
前記変調信号により変調された前記レーザ光を出射するレーザ光送信部と、
前記レーザ光を走査して整形された送信ビームを出射するレーザ光走査部と、
前記反射光を受信信号に変換する受信部と、
前記レーザ光走査部内のレーザ光走査光学系から基準固定距離に設置されて前記送信ビームが照射される基準反射板と、
前記受信信号から前記基準反射板および前記対象物の距離値を導出する信号処理部と、を備え、
前記レーザ光走査部および前記受信部は、前記基準反射板からの反射光を、前記対象物に対する距離測定と同一の光路で送受信し、
前記信号処理部は、前記基準反射板の距離変動量から、前記対象物の距離値を補正することを特徴とするレーザ画像計測装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、
前記変調信号および前記受信信号を入力信号として位相信号を生成する位相検波器と、
前記位相信号に基づき前記距離値を算出する距離演算装置と、
前記距離演算装置で算出された前記基準反射板の距離値を補正して補正距離値を生成する距離補正装置と、
前記補正距離値と前記レーザ光走査光学系からの走査角信号とに基づき３次元画像を生成する３次元画像処理装置と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ画像計測装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、
前記受信信号に基づく取得画像内の少なくとも１つ以上の画素を前記距離値の校正領域とし、
異なる時刻での取得画像ごとの校正領域における距離変動量から前記レーザ画像計測装置の移動速度を導出し、
前記取得画像内における前記移動速度による距離差を補正することを特徴とする請求項１に記載のレーザ画像計測装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、前記基準反射板からの反射光の受信強度を導出し、
前記レーザ光走査部は、前記レーザ光走査光学系に対して走査幅補正信号を入力する走査幅補正装置を備え、
前記走査幅補正装置は、前記受信強度に基づいて前記送信ビームの走査幅を導出し、前記レーザ光走査光学系による走査幅を制御することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレーザ画像計測装置。
【請求項５】
前記基準反射板は、前記送信ビームの端部を遮蔽するように配置されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレーザ画像計測装置。
【請求項６】
前記レーザ光送信部は、前記レーザ装置に対してインタロック信号を入力するインタロック装置を備え、
前記インタロック装置は、前記基準反射板からの反射光の受信信号が異常を示す場合に、前記インタロック信号により前記レーザ装置のレーザ発振を禁止することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のレーザ画像計測装置。
【請求項１】
レーザ光の発振時間と対象物による反射光の受光時間との時間差に基づいて、前記対象物までの距離を導出するレーザ画像計測装置であって、
基準となる変調信号を生成する基準信号発生部と、
前記変調信号により変調された前記レーザ光を出射するレーザ光送信部と、
前記レーザ光を走査して整形された送信ビームを出射するレーザ光走査部と、
前記反射光を受信信号に変換する受信部と、
前記レーザ光走査部内のレーザ光走査光学系から基準固定距離に設置されて前記送信ビームが照射される基準反射板と、
前記受信信号から前記基準反射板および前記対象物の距離値を導出する信号処理部と、を備え、
前記レーザ光走査部および前記受信部は、前記基準反射板からの反射光を、前記対象物に対する距離測定と同一の光路で送受信し、
前記信号処理部は、前記基準反射板の距離変動量から、前記対象物の距離値を補正することを特徴とするレーザ画像計測装置。
【請求項２】
前記信号処理部は、
前記変調信号および前記受信信号を入力信号として位相信号を生成する位相検波器と、
前記位相信号に基づき前記距離値を算出する距離演算装置と、
前記距離演算装置で算出された前記基準反射板の距離値を補正して補正距離値を生成する距離補正装置と、
前記補正距離値と前記レーザ光走査光学系からの走査角信号とに基づき３次元画像を生成する３次元画像処理装置と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ画像計測装置。
【請求項３】
前記信号処理部は、
前記受信信号に基づく取得画像内の少なくとも１つ以上の画素を前記距離値の校正領域とし、
異なる時刻での取得画像ごとの校正領域における距離変動量から前記レーザ画像計測装置の移動速度を導出し、
前記取得画像内における前記移動速度による距離差を補正することを特徴とする請求項１に記載のレーザ画像計測装置。
【請求項４】
前記信号処理部は、前記基準反射板からの反射光の受信強度を導出し、
前記レーザ光走査部は、前記レーザ光走査光学系に対して走査幅補正信号を入力する走査幅補正装置を備え、
前記走査幅補正装置は、前記受信強度に基づいて前記送信ビームの走査幅を導出し、前記レーザ光走査光学系による走査幅を制御することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のレーザ画像計測装置。
【請求項５】
前記基準反射板は、前記送信ビームの端部を遮蔽するように配置されたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のレーザ画像計測装置。
【請求項６】
前記レーザ光送信部は、前記レーザ装置に対してインタロック信号を入力するインタロック装置を備え、
前記インタロック装置は、前記基準反射板からの反射光の受信信号が異常を示す場合に、前記インタロック信号により前記レーザ装置のレーザ発振を禁止することを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のレーザ画像計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−９３２５６（Ｐ２０１２−９３２５６Ａ）
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４１２８６（Ｐ２０１０−２４１２８６）
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１７日（２０１２．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２７日（２０１０．１０．２７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]