異物検出装置
【課題】同一捜索時間における異物の３次元形状の検出精度を向上できる異物検出装置を得る。
【解決手段】捜索対象にレーザ光を照射したときの散乱光を用いて異物を検出する異物検出装置であって、レーザ光を出力する光出力手段と、レーザ光を用いて捜索対象の捜索範囲を走査するスキャナ１１と、捜索対象からの散乱光を受光する光受信機１３と、レーザ光と散乱光の位相差及び散乱光の受信強度を検出する位相検波器１４と、これらの検出結果に基づいて捜索範囲を絞り込んで着目領域２３を抽出し、スキャンする走査線間隔を狭くしてスキャナ１１に着目領域２３を再走査させる制御信号を出力し、この着目領域２３における位相検波器１４の検出結果に基づいて３次元画像を生成するパソコン３とを備える。
【解決手段】捜索対象にレーザ光を照射したときの散乱光を用いて異物を検出する異物検出装置であって、レーザ光を出力する光出力手段と、レーザ光を用いて捜索対象の捜索範囲を走査するスキャナ１１と、捜索対象からの散乱光を受光する光受信機１３と、レーザ光と散乱光の位相差及び散乱光の受信強度を検出する位相検波器１４と、これらの検出結果に基づいて捜索範囲を絞り込んで着目領域２３を抽出し、スキャンする走査線間隔を狭くしてスキャナ１１に着目領域２３を再走査させる制御信号を出力し、この着目領域２３における位相検波器１４の検出結果に基づいて３次元画像を生成するパソコン３とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲットに光を照射したときの散乱光を用いて異物を検出する異物検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
異物を検出する装置として、従来、ターゲットに対してレーザ光を送信する送信機と、ターゲットからレーザ光を受信する受信機とを備え、レーザ光の受信強度およびレーザ光がターゲットとの間を往復する時間に基づいてターゲット上にある異物の３次元形状を検出するレーダシステムがある（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｊ．Ｔ．Ｍｕｒｒａｙ他、Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．５０８６，ｐｐ．８４−９５，２００３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このようなレーダシステムにおいては、分解能を維持した状態で広範囲の捜索をするにはレーザ光を送受する空間の仰角や方位角を固定する必要があり、膨大な捜索時間を要するという問題があった。一方、捜索時間を変更せずに広範囲の捜索をするには照射するレーザ光の集光スポットサイズを大きくする必要があり、分解能が低下して３次元形状の検出精度が劣化するという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、同一捜索時間における異物の３次元形状の検出精度を向上できる異物検出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】
本発明に係る異物検出装置は、レーザ光を出力する光出力手段と、レーザ光を用いて捜索対象の捜索範囲を走査する走査手段と、捜索対象にレーザ光を照射したときの捜索対象からの散乱光を受光する受光手段と、レーザ光と散乱光の位相差及び散乱光の受信強度を検出する位相差検出手段と、検出結果に基づいて捜索範囲を絞り込んで着目領域を抽出し、走査線の間隔を狭くして走査手段に着目領域を再走査させる制御信号を出力し、この着目領域における位相差検出手段の検出結果に基づいて３次元画像を生成する信号処理手段と、を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、異物検出装置は、レーザ光を出力する光出力手段と、レーザ光を用いて捜索対象の捜索範囲を走査する走査手段と、捜索対象にレーザ光を照射したときの捜索対象からの散乱光を受光する受光手段と、レーザ光と散乱光の位相差及び散乱光の受信強度を検出する位相差検出手段と、検出結果に基づいて捜索範囲を絞り込んで着目領域を抽出し、走査線の間隔を狭くして走査手段に着目領域を再走査させる制御信号を出力し、この着目領域における位相差検出手段の検出結果に基づいて３次元画像を生成する信号処理手段と、を備えたことにより、同じ捜索時間における異物の３次元形状の検出精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る異物検出装置の構成を示す図である。
【図２】図１の異物検出装置が粗検出するときの検出画像の一例を示す図である。
【図３】図１の異物検出装置が精検出するときの検出画像の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る異物検出装置の構成を示す図である。
【図５】図２の異物検出装置が粗検出するときの検出画像の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
本発明を実施する実施の形態１における異物検出装置を図１ないし図３を用いて説明する。図１において、異物検出装置１は、ターゲットに照射するレーザ光を発生したり、ターゲットからの散乱光を受信したりする光学素子を内部に備えた筐体２と、光学素子の制御や異物検出の信号処理を行うパソコン３すなわち信号処理手段とで構成されている。
なお、ここではターゲットはレーザ光が照射される対象物全てを表し、異物はターゲット内の一部に存在する金属片等の人工物を表すものとする。例えば、空港の滑走路に空き缶が転がっている状況で異物検出をする場合、滑走路の路面および空き缶がターゲットであり、空き缶が異物となる。
【００１０】
筐体２の内部には、レーザ光を変調するための連続波電気信号を発振する発振器４と、連続波電気信号を２つに分配する分配器５と、分配器５の一方の出力端に接続され、連続波電気信号に基づいて変調したレーザ光を出力する光源６と、光源６の先端に設けられ所望の位置までレーザ光を導く光ファイバ７すなわち光導波手段と、光ファイバ７を所望の位置に移動させる焦点調整機構８すなわち位置調整手段と、光ファイバ７から出力されるレーザ光の集光スポットサイズの変換及びビーム形状の調整をする送信レンズ９すなわち光学素子と、送信レンズ９で調整されたレーザ光の光路を変更する折り返しミラー１０と、折り返しミラー１０からのレーザ光を反射して筐体２の外部にあるターゲットに照射し、このターゲットからの散乱光をスキャンするスキャナ１１すなわち走査手段と、スキャナ１１で反射された散乱光を集光する受信レンズ１２及び集光された散乱光を直接検波して電気信号に変換する光受信機１３で構成される受光手段と、分配器５および光受信機１３に接続され、送信前のレーザ光の位相と受信した散乱光の位相の差を検波する位相検波器１４すなわち位相差検出手段と、が設けられている。なお、送信レンズ９及び受信レンズ１２は凹面鏡等の光学素子で代替しても良い。
【００１１】
光源６から光ファイバ７を介して送信レンズ９までの経路、送信レンズ９と折り返しミラー１０まの経路、折り返しミラー１０とスキャナ１１間の経路、スキャナ１１と受信レンズ１２間の経路、および受信レンズ１２と光受信機１３間の経路は、全て光信号を伝送する光回路である。
【００１２】
一方、発振器４と分配器５間の経路、分配器５と光源６間の経路、分配器５と位相検波器１４間の経路、光受信機１３と位相検波器１４間の経路、および位相検波器１４、スキャナ１１、焦点調整機構８それぞれとパソコン３との間の経路は、全て電線や電気信号ケーブル等により接続された電気回路である。
【００１３】
ここで、動作について説明する。異物検出装置１は最初に粗検出を行い、この粗検出の結果に基づいて精検出を行う。
まず、粗検出の動作について説明する。
パソコン３に異物の捜索範囲を設定すると、パソコン３はスキャナ１１にレーザ光の照射方向がスキャン初期位置となるようなスキャナ制御信号を送信すると共に、焦点調整機構８に位置制御信号を送信し、筐体２から出力されるレーザ光がコリメート光となるように光ファイバ７を移動させてファイバ端と送信レンズ９の離間距離を調整する。レーザ光をコリメート光とすることでターゲット上に照射する光量むらを低減し、スキャンする際の不感知領域を無くすことができる。
【００１４】
発振器４は予め定めた一定の周波数を有する連続波電気信号を発振する。この連続波電気信号は分配器５で２つに分配され、一方は光源６に、他方は位相検波器１４に伝達される。光源６に伝達された連続波電気信号は光源６自ら発振するＣＷ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）光を変調するのに用いられ、光源６からは周波数変調されたレーザ光信号として出力される。
【００１５】
このレーザ光信号は光ファイバ７内部を通って空間に出力された後、送信レンズ９によりターゲット上で所望の集光スポットサイズ及びビーム形状となるように調整される。送信レンズ９を透過したレーザ光信号は折り返しミラー１０で光路変更され、スキャナ１１にてターゲット上の任意の地点を走査される。
【００１６】
なお、スキャナ１１はパソコン３からの制御信号に基づいて適切な位置および速度で走査するものであって、スキャナ１１の走査範囲すなわちターゲットの捜索範囲は任意に変更できる。捜索範囲にデッドゾーンを発生させたくない場合は集光スポットサイズを大きくして低分解能で検出を行い、ある程度のデッドゾーン発生は許容できるが高分解能にしたい場合は集光スポットサイズを小さくして粗検出を行う。
【００１７】
ターゲットに照射されたレーザ光信号はターゲット表面で散乱され、その一部はスキャナ１１へ戻る。この散乱光はスキャナ１１で反射された後に受信レンズ１２で集光され、光受信機１３に入力される。なお、受信レンズ１２の集光位置は光受信機１３の受光面に一致するように受信レンズ１２は適切な位置に配置されている。
また、スキャナ１１は散乱光を反射する際の走査位置情報を電気信号にしてパソコン３に伝達する。なお、ここでの走査位置情報とは、捜索範囲におけるＸ座標、Ｙ座標の位置情報、およびスキャン角の情報等を総称している。
【００１８】
光受信機１３は散乱光を受光すると、直接検波により受信電気信号に変換して位相検波器１４に出力する。この受信電気信号は発振器４の連続波電気信号で変調されたレーザ光の散乱光を変換したものであるから、この周波数は連続波電気信号と同じになる。一方、受信電気信号の位相は、レーザ光が筐体２とターゲット間を往復する時間分だけ連続波電気信号よりも遅れる。
【００１９】
位相検波器１４には、光受信機１３からの受信電気信号の他に分配器５で分配されたもう一方の連続波電気信号も入力され、位相検波器１４は両者の位相差および受信信号強度を検出する。なお、受信信号強度は受信電気信号と連続波電気信号の差を複素ベクトルで表示したときの絶対値、すなわち振幅の２乗に比例する値である。
【００２０】
パソコン３は位相検波器１４が検出した位相差および受信信号強度の情報を電気信号として取り込み、これらの情報データを用いて筐体２とターゲット上のレーザ光が照射する地点との離間距離を算出する。パソコン３が取り込んだ位相差をΔΦ、発振器４の連続波電気信号の周波数をｆｍ、光速をｃとすると、離間距離Ｌは数１で表すことができる。ただしｎは１以上の整数であり、予めパソコン３に設定された筐体２とターゲットの距離範囲情報に基づいて決まる値である。筐体２とターゲット間の距離範囲情報が予めパソコン３に設定されていない場合、筐体２とターゲット間の距離に対して連続波電気信号の１周期が極めて大きくなるように周波数を小さくしても良い。
【００２１】
【数１】
【００２２】
パソコン３は、受信信号強度の情報および上記式を用いて算出される距離の情報をスキャナ１１の走査位置情報にそれぞれ対応させて、図２（ａ）に示すようなＮ×Ｎ画素（Ｎは整数）の受信信号強度の２次元画像及び図２（ｂ）に示すようなＮ×Ｎ画素の距離の２次元画像を作成し、さらに距離の２次元画像とこの２次元画像の各画素に対応するスキャン角の情報とから図２（ｃ）に示す３次元画像を作成する。
【００２３】
図２（ａ）、図２（ｂ）において、捜索範囲は矩形で囲まれた捜索領域２０として示されている。金属片等の異物が存在する異物検出領域２１とターゲット内の異物未検出領域２２とでは受信信号強度および３次元形状の少なくとも一方が異なるため、異物検出領域２１が画像上でコントラストとなって浮かび上がる。
【００２４】
パソコン３はこれらの２次元画像に基づいて３次元画像を作成すると共に、異物検出領域２１の周辺を精検出の対象とする着目領域２３（図２（ｃ）内破線で囲まれた領域）として抽出する。着目領域２３の範囲は、２次元画像の情報だけでなく、スキャナ１１が精検出する際の分解能と捜索時間も加味して決定する。
【００２５】
着目領域２３を抽出する際に、予めパソコン３に登録された異物の３次元形状の先見情報を用いて、粗検出で作成した３次元画像における異物の形状と整合を取り、整合した場合のみ着目領域を抽出して精検出の段階に移行し、整合しない場合は異物では無いと判断して検出を中止しても良い。このように整合の確認工程を加えることにより、所望の異物のみを検出できると共に、所望でない異物に対しては検出を途中で中止するため、装置にかかる負荷を軽減できる。
【００２６】
なお、ここではスキャナ１１を２次元方向に走査させているが、ライン照射することにより走査方向を１次元にしても良い。この場合は光受信機１３をリニアアレイとする。また、照射するレーザ光を２次元の矩形ビームとして面照射し、光受信機１３等の受信系スキャン作業を省略しても良い。
【００２７】
ここまでが粗検出の動作である。続けて精検出の動作について説明する。精検出の動作も基本的には粗検出と同じで捜索範囲が着目領域になる点のみ異なる。
パソコン３は粗検出で抽出した着目領域２３を捜索範囲として、スキャナ１１にレーザ光の照射方向がスキャン初期位置となるようなスキャナ制御信号を送信する。また、パソコン３は着目領域２３における筐体２とターゲット上のレーザ光が照射する地点間の平均距離を算出し、この位置に照射されるビームの集光スポットサイズが最小となるように、焦点調整機構８に位置制御信号を送信して光ファイバ端を移動させる。
【００２８】
精検出の捜索範囲と、光ファイバ７及びスキャナ１１の精検出初期値が設定されると、以降の検出動作は粗検出と同じで、異物検出装置１は図３（ａ）に示すような受信信号強度の２次元画像と図３（ｂ）に示すような距離の２次元画像から、図３（ｃ）に示すような３次元画像を作成する。
精検出時の捜索範囲は粗検出の捜索範囲よりも狭くなるため、高分解能すなわち集光スポットサイズを小さくしてスキャナ１１の走査線間隔を狭くすることが可能となり、精度の高い検出ができる。
【００２９】
集光スポットサイズは、所望の分解能が得られ、スキャナ１１が所望の時間内に捜索範囲を走査できる大きさであれば、最小サイズでなくても良い。ただし、デッドゾーンを生じないよう、スキャナ１１が走査する走査線の間隔以上であることが望ましい。
粗検出の段階で集光スポットサイズが十分に小さい場合、精検出で集光スポットサイズを変更せずにスキャナ１１が走査する走査線の間隔のみを狭くして検出精度をあげても良い。
【００３０】
また、精検出の１画素あたりの走査時間を粗検出のそれよりも長くして１画素の検出に用いるサンプリング数を増やし、受信ＳＮ比の高い３次元形状を検出することもできる。検出当初から計測時間を長くすると捜索に過剰な時間を要するが、粗検出をして捜索範囲を絞り込んだ後に計測時間を長くすれば、効率的に精度の高い３次元形状を検出できる。
【００３１】
ところで、精検出における発振器４の発振周波数は粗検出と同じでも良いが、周波数をあげると位相検波器１４における所定時間のサンプリング数が増加し、信号のＳＮ比が同じであっても位相差の検出精度が高くなって筐体２とターゲット間の距離の検出精度も向上する。
【００３２】
この実施の形態によれば、異物検出装置１は粗検出で捜索範囲を絞った後、スキャンする走査線の間隔を狭くして高分解能で精検出することにより、同一捜索時間において検出精度を向上できる。
また、異物検出装置１は精検出の段階で集光スポットサイズを絞ってスキャンする走査線の間隔をさらに狭くすることにより、より高分解での検出が可能となり検出精度があがる。
【００３３】
また、異物検出装置１は検出したい異物の３次元形状の先見情報を予めパソコン３に登録しておき、粗検出で作成する３次元画像との整合をとって整合する場合のみ精検出を行うことにより、所望の異物のみを捜索時間を増やすこと無く検出精度を向上できる。さらに、所望でない異物は粗検出の段階で検出を中止するため、装置にかかる負荷を軽減できる。
【００３４】
また、異物検出装置１は、精検出での１画素あたりの計測時間を粗検出の１画素あたりの計測時間よりも長くすることにより、高い受信ＳＮ比で異物の３次元形状を検出できる。
また、異物検出装置１は、精検出での発振器４の発振周波数を粗検出の発振周波数よりも高くすることにより、位相検波の精度をあげて、より精密な異物の３次元形状を検出できる。
【００３５】
また、このような異物検出装置１を空港の滑走路や高速道路等で用いることにより、危険物などの異物を短時間で精度良く検出することができる。
【００３６】
実施の形態２．
実施の形態１では散乱光を１つの光受信機１３で受信する構成としているが、実施の形態２では受信レンズ１２と光受信機１３の間にビームスプリッタを設け、偏波解消度も計測する。また、レーザ光を連続波で変調する代わりに、一定周期のパルスとして出力するレーザパルス光を用いる。本実施の形態に係る異物検出装置１ａを図４および図５を用いて説明する。なお、同一の構成要素については同一符号をつけて説明を省略する。
【００３７】
図４において、異物検出装置１ａは筐体２ａとパソコン３すなわち信号処理手段とで構成され、筐体２ａの内部には、予め定めた周期でレーザパルス光を出力する光源６ａと、光源６ａの先端に設けられ所望の位置までレーザパルス光を導く光ファイバ７と、光ファイバ７を所望の位置に移動させる焦点調整機構８と、光ファイバ７から出力されるレーザパルス光の集光スポットサイズの変換及びビーム形状の調整をする送信レンズ９と、送信レンズ９で調整されたレーザパルス光の光路を変更する折り返しミラー１０と、折り返しミラー１０からのレーザ光を反射して筐体２ａの外部にあるターゲットに照射し、このターゲットからの散乱光をスキャンするスキャナ１１と、スキャナ１１で反射された散乱光を偏波成分に応じて分波するビームスプリッタ１５すなわち偏波分離手段と、偏波成分ごとに分離された散乱光をそれぞれ集光する受信レンズ１２ａ、１２ｂと、集光された散乱光を直接検波して電気信号に変換する光受信機１３ａ、１３ｂと、光源６ａおよび光受信機１３に接続され、送信前のレーザ光の位相と受信した散乱光の位相の差を検波する位相検波器１４ａ、１４ｂとが設けられている。なお、送信レンズ９及び受信レンズ１２ａ、１２ｂは、実施の形態１と同様に凹面鏡等の光学素子で代替しても良い。
【００３８】
次に、動作について説明する。異物検出装置１ａも最初に粗検出を行い、この粗検出の結果に基づいて精検出を行う。
パソコン３に異物の捜索範囲を設定すると、パソコン３はスキャナ１１にレーザ光の照射方向がスキャン初期位置となるようなスキャナ制御信号を送信すると共に、焦点調整機構８に位置制御信号を送信し、筐体２ａから出力されるレーザ光がコリメート光となるように光ファイバ７を移動させてファイバ端と送信レンズ９の離間距離を調整する。
【００３９】
スキャナ１１及び光ファイバ７を初期位置に設定すると、光源６ａは予め定めた一定周期でレーザパルス光信号を出力する。このレーザパルス光信号は光ファイバ７内部を通って空間に出力された後、送信レンズ９によりターゲット上で所望の集光スポットサイズ及びビーム形状となるように調整される。送信レンズ９を透過したレーザパルス光信号は折り返しミラー１０で光路変更され、スキャナ１１にてターゲット上の任意の地点を走査される。
【００４０】
なお、スキャナ１１はパソコン３からの制御信号に基づいて適切な位置および速度で走査するものであって、スキャナ１１の走査範囲すなわちターゲットの捜索範囲は任意に変更できる。捜索範囲にデッドゾーンを発生させたくない場合は集光スポットサイズを大きくして低分解能で検出を行い、ある程度のデッドゾーン発生は許容できるが高分解能にしたい場合は集光スポットサイズを小さくして粗検出を行う。
【００４１】
ターゲットに照射されたレーザパルス光信号はターゲット表面で散乱され、その一部はスキャナ１１へ戻る。この散乱光はスキャナ１１で反射された後に偏波ビームスプリッタ１５にて偏波成分ごとに分離され、それぞれ受信レンズ１２ａ、１２ｂで集光されて光受信機１３ａ、１３ｂに入力される。なお、受信レンズ１２ａ、１２ｂの集光位置は光受信機１３ａ、１３ｂの受光面に一致するように受信レンズ１２ａ、１２ｂは適切な位置に配置されている。
【００４２】
スキャナ１１はまた、散乱光を反射する際の走査位置情報を電気信号にしてパソコン３に伝達する。なお、ここでの走査位置情報とは、捜索範囲におけるＸ座標、Ｙ座標の位置情報、およびスキャン角の情報等を総称している。
【００４３】
光受信機１３ａ、１３ｂは散乱光を受光すると、直接検波により受信電気パルス信号に変換して位相検波器１４ａ、１４ｂに出力する。この受信電気パルス信号はレーザパルス光の散乱光を変換したものであるから、受信電気パルス信号の発生周期はパルス発生周期と同じになる。一方、受信電気パルス信号はレーザパルス光が筐体２とターゲット間を往復する時間分だけ光源６ａから出力されるレーザパルス光信号よりも遅れる。
【００４４】
位相検波器１４ａ、１４ｂは、光源６ａからのレーザパルス信号と受信電気パルス信号の最大振幅となる時刻から位相差および受信信号強度を検出する。なお、受信信号強度は受信電気パルス信号の最大振幅値に比例する。
【００４５】
パソコン３は位相検波器１４ａ、１４ｂが検出した位相差および受信信号強度の情報、およびスキャナ１１の走査位置情報を電気信号として取り込み、図５（ａ）、図５（ｂ）に示す異なる偏波成分の受信信号強度情報から図５（ｃ）に示すような２次元の偏波解消度画像を作成する。また、パソコン３は取り込んだ位相差および受信信号強度の情報を用いて筐体２ａとターゲット上のレーザ光が照射する地点との離間距離を算出し、図５（ｄ）に示すような２次元画像を作成する。
【００４６】
図５（ａ）では、異物と自然物が異物として画像上でコントラストとなって白く浮かび上がっているのに対し、図５（ｂ）では異物のみが白く浮かび上がり、自然物は黒い影となっている。これは、人工的に作られた異物の表面は滑らかであるのに対し、自然物は表面に細かい凹凸があることで散乱光の偏波成分が変わることに起因する。これら異なる偏波成分に対する受信信号強度の画像を組合せると、図５（ｃ）に示すように、偏波解消度画像では異物のみがコントラストとなって浮かび上がる。
【００４７】
パソコン３は作成した偏波解消度の２次元画像及び距離の２次元画像に基づいて図５（ｅ）に示すような３次元画像を作成し、偏波解消度および距離の２次元画像の双方で異物検出領域２１と判断した領域周辺を精検出の対象とする着目領域２３（図５（ｅ）内破線で囲まれた領域）として抽出する。このように偏波解消度の情報を着目領域２３の抽出過程に加えることにより、検出優先度の高い異物を効果的に検出できる。
また、着目領域２３を抽出する際に、予めパソコン３に登録された異物の３次元形状の先見情報を用いて、粗検出で作成した３次元画像における異物の形状と整合を取り、整合した場合のみ着目領域を抽出して精検出の段階に移行し、整合しない場合は異物では無いと判断して検出を中止しても良い。このように整合の確認工程を加えることにより、所望の異物のみを検出できると共に、所望でない異物に対しては検出を途中で中止するため、装置にかかる負荷を軽減できる。
【００４８】
ここまでが粗検出の動作である。精検出の動作も基本的には粗検出と同じで捜索範囲が着目領域になる点のみ異なる。また、精検出の初期設定動作も実施の形態１と同じであるため、精検出の説明は省略する。
なお、本実施の形態２では光源６ａで偏波解消度の情報を用いる場合を示しているが、実施の形態１と同様に発振器４、分配器５、光源６を用いる構成で偏波解消度の情報を加味しても良い。
【００４９】
この実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加えて、受光した散乱光の偏波解消度も計測して着目領域２３を抽出するため、検出優先度の高い異物を効果的に検出できる。
また、異物検出装置１ａは、精検出で光源６ａが出力するレーザパルス光信号の出力周期を粗検出の出力周期よりも短くすることにより、位相検波の精度をあげて、より精密な異物の３次元形状を検出できる。
【符号の説明】
【００５０】
１、１ａ 異物検出装置
２、２ａ 筐体
３ パソコン
４ 発振器
５ 分配器
６、６ａ 光源
７ 光ファイバ
８ 焦点調整機構
９ 送信レンズ
１０ 折り返しミラー
１１ スキャナ
１２、１２ａ、１２ｂ 受信レンズ
１３、１３ａ、１３ｂ 光受信機
１４、１４ａ、１４ｂ 位相検波器
１５ 偏波ビームスプリッタ
２０ 捜索領域
２３ 着目領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターゲットに光を照射したときの散乱光を用いて異物を検出する異物検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
異物を検出する装置として、従来、ターゲットに対してレーザ光を送信する送信機と、ターゲットからレーザ光を受信する受信機とを備え、レーザ光の受信強度およびレーザ光がターゲットとの間を往復する時間に基づいてターゲット上にある異物の３次元形状を検出するレーダシステムがある（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｊ．Ｔ．Ｍｕｒｒａｙ他、Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．５０８６，ｐｐ．８４−９５，２００３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このようなレーダシステムにおいては、分解能を維持した状態で広範囲の捜索をするにはレーザ光を送受する空間の仰角や方位角を固定する必要があり、膨大な捜索時間を要するという問題があった。一方、捜索時間を変更せずに広範囲の捜索をするには照射するレーザ光の集光スポットサイズを大きくする必要があり、分解能が低下して３次元形状の検出精度が劣化するという問題があった。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、同一捜索時間における異物の３次元形状の検出精度を向上できる異物検出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】
本発明に係る異物検出装置は、レーザ光を出力する光出力手段と、レーザ光を用いて捜索対象の捜索範囲を走査する走査手段と、捜索対象にレーザ光を照射したときの捜索対象からの散乱光を受光する受光手段と、レーザ光と散乱光の位相差及び散乱光の受信強度を検出する位相差検出手段と、検出結果に基づいて捜索範囲を絞り込んで着目領域を抽出し、走査線の間隔を狭くして走査手段に着目領域を再走査させる制御信号を出力し、この着目領域における位相差検出手段の検出結果に基づいて３次元画像を生成する信号処理手段と、を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、異物検出装置は、レーザ光を出力する光出力手段と、レーザ光を用いて捜索対象の捜索範囲を走査する走査手段と、捜索対象にレーザ光を照射したときの捜索対象からの散乱光を受光する受光手段と、レーザ光と散乱光の位相差及び散乱光の受信強度を検出する位相差検出手段と、検出結果に基づいて捜索範囲を絞り込んで着目領域を抽出し、走査線の間隔を狭くして走査手段に着目領域を再走査させる制御信号を出力し、この着目領域における位相差検出手段の検出結果に基づいて３次元画像を生成する信号処理手段と、を備えたことにより、同じ捜索時間における異物の３次元形状の検出精度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態１に係る異物検出装置の構成を示す図である。
【図２】図１の異物検出装置が粗検出するときの検出画像の一例を示す図である。
【図３】図１の異物検出装置が精検出するときの検出画像の一例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２に係る異物検出装置の構成を示す図である。
【図５】図２の異物検出装置が粗検出するときの検出画像の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
本発明を実施する実施の形態１における異物検出装置を図１ないし図３を用いて説明する。図１において、異物検出装置１は、ターゲットに照射するレーザ光を発生したり、ターゲットからの散乱光を受信したりする光学素子を内部に備えた筐体２と、光学素子の制御や異物検出の信号処理を行うパソコン３すなわち信号処理手段とで構成されている。
なお、ここではターゲットはレーザ光が照射される対象物全てを表し、異物はターゲット内の一部に存在する金属片等の人工物を表すものとする。例えば、空港の滑走路に空き缶が転がっている状況で異物検出をする場合、滑走路の路面および空き缶がターゲットであり、空き缶が異物となる。
【００１０】
筐体２の内部には、レーザ光を変調するための連続波電気信号を発振する発振器４と、連続波電気信号を２つに分配する分配器５と、分配器５の一方の出力端に接続され、連続波電気信号に基づいて変調したレーザ光を出力する光源６と、光源６の先端に設けられ所望の位置までレーザ光を導く光ファイバ７すなわち光導波手段と、光ファイバ７を所望の位置に移動させる焦点調整機構８すなわち位置調整手段と、光ファイバ７から出力されるレーザ光の集光スポットサイズの変換及びビーム形状の調整をする送信レンズ９すなわち光学素子と、送信レンズ９で調整されたレーザ光の光路を変更する折り返しミラー１０と、折り返しミラー１０からのレーザ光を反射して筐体２の外部にあるターゲットに照射し、このターゲットからの散乱光をスキャンするスキャナ１１すなわち走査手段と、スキャナ１１で反射された散乱光を集光する受信レンズ１２及び集光された散乱光を直接検波して電気信号に変換する光受信機１３で構成される受光手段と、分配器５および光受信機１３に接続され、送信前のレーザ光の位相と受信した散乱光の位相の差を検波する位相検波器１４すなわち位相差検出手段と、が設けられている。なお、送信レンズ９及び受信レンズ１２は凹面鏡等の光学素子で代替しても良い。
【００１１】
光源６から光ファイバ７を介して送信レンズ９までの経路、送信レンズ９と折り返しミラー１０まの経路、折り返しミラー１０とスキャナ１１間の経路、スキャナ１１と受信レンズ１２間の経路、および受信レンズ１２と光受信機１３間の経路は、全て光信号を伝送する光回路である。
【００１２】
一方、発振器４と分配器５間の経路、分配器５と光源６間の経路、分配器５と位相検波器１４間の経路、光受信機１３と位相検波器１４間の経路、および位相検波器１４、スキャナ１１、焦点調整機構８それぞれとパソコン３との間の経路は、全て電線や電気信号ケーブル等により接続された電気回路である。
【００１３】
ここで、動作について説明する。異物検出装置１は最初に粗検出を行い、この粗検出の結果に基づいて精検出を行う。
まず、粗検出の動作について説明する。
パソコン３に異物の捜索範囲を設定すると、パソコン３はスキャナ１１にレーザ光の照射方向がスキャン初期位置となるようなスキャナ制御信号を送信すると共に、焦点調整機構８に位置制御信号を送信し、筐体２から出力されるレーザ光がコリメート光となるように光ファイバ７を移動させてファイバ端と送信レンズ９の離間距離を調整する。レーザ光をコリメート光とすることでターゲット上に照射する光量むらを低減し、スキャンする際の不感知領域を無くすことができる。
【００１４】
発振器４は予め定めた一定の周波数を有する連続波電気信号を発振する。この連続波電気信号は分配器５で２つに分配され、一方は光源６に、他方は位相検波器１４に伝達される。光源６に伝達された連続波電気信号は光源６自ら発振するＣＷ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）光を変調するのに用いられ、光源６からは周波数変調されたレーザ光信号として出力される。
【００１５】
このレーザ光信号は光ファイバ７内部を通って空間に出力された後、送信レンズ９によりターゲット上で所望の集光スポットサイズ及びビーム形状となるように調整される。送信レンズ９を透過したレーザ光信号は折り返しミラー１０で光路変更され、スキャナ１１にてターゲット上の任意の地点を走査される。
【００１６】
なお、スキャナ１１はパソコン３からの制御信号に基づいて適切な位置および速度で走査するものであって、スキャナ１１の走査範囲すなわちターゲットの捜索範囲は任意に変更できる。捜索範囲にデッドゾーンを発生させたくない場合は集光スポットサイズを大きくして低分解能で検出を行い、ある程度のデッドゾーン発生は許容できるが高分解能にしたい場合は集光スポットサイズを小さくして粗検出を行う。
【００１７】
ターゲットに照射されたレーザ光信号はターゲット表面で散乱され、その一部はスキャナ１１へ戻る。この散乱光はスキャナ１１で反射された後に受信レンズ１２で集光され、光受信機１３に入力される。なお、受信レンズ１２の集光位置は光受信機１３の受光面に一致するように受信レンズ１２は適切な位置に配置されている。
また、スキャナ１１は散乱光を反射する際の走査位置情報を電気信号にしてパソコン３に伝達する。なお、ここでの走査位置情報とは、捜索範囲におけるＸ座標、Ｙ座標の位置情報、およびスキャン角の情報等を総称している。
【００１８】
光受信機１３は散乱光を受光すると、直接検波により受信電気信号に変換して位相検波器１４に出力する。この受信電気信号は発振器４の連続波電気信号で変調されたレーザ光の散乱光を変換したものであるから、この周波数は連続波電気信号と同じになる。一方、受信電気信号の位相は、レーザ光が筐体２とターゲット間を往復する時間分だけ連続波電気信号よりも遅れる。
【００１９】
位相検波器１４には、光受信機１３からの受信電気信号の他に分配器５で分配されたもう一方の連続波電気信号も入力され、位相検波器１４は両者の位相差および受信信号強度を検出する。なお、受信信号強度は受信電気信号と連続波電気信号の差を複素ベクトルで表示したときの絶対値、すなわち振幅の２乗に比例する値である。
【００２０】
パソコン３は位相検波器１４が検出した位相差および受信信号強度の情報を電気信号として取り込み、これらの情報データを用いて筐体２とターゲット上のレーザ光が照射する地点との離間距離を算出する。パソコン３が取り込んだ位相差をΔΦ、発振器４の連続波電気信号の周波数をｆｍ、光速をｃとすると、離間距離Ｌは数１で表すことができる。ただしｎは１以上の整数であり、予めパソコン３に設定された筐体２とターゲットの距離範囲情報に基づいて決まる値である。筐体２とターゲット間の距離範囲情報が予めパソコン３に設定されていない場合、筐体２とターゲット間の距離に対して連続波電気信号の１周期が極めて大きくなるように周波数を小さくしても良い。
【００２１】
【数１】
【００２２】
パソコン３は、受信信号強度の情報および上記式を用いて算出される距離の情報をスキャナ１１の走査位置情報にそれぞれ対応させて、図２（ａ）に示すようなＮ×Ｎ画素（Ｎは整数）の受信信号強度の２次元画像及び図２（ｂ）に示すようなＮ×Ｎ画素の距離の２次元画像を作成し、さらに距離の２次元画像とこの２次元画像の各画素に対応するスキャン角の情報とから図２（ｃ）に示す３次元画像を作成する。
【００２３】
図２（ａ）、図２（ｂ）において、捜索範囲は矩形で囲まれた捜索領域２０として示されている。金属片等の異物が存在する異物検出領域２１とターゲット内の異物未検出領域２２とでは受信信号強度および３次元形状の少なくとも一方が異なるため、異物検出領域２１が画像上でコントラストとなって浮かび上がる。
【００２４】
パソコン３はこれらの２次元画像に基づいて３次元画像を作成すると共に、異物検出領域２１の周辺を精検出の対象とする着目領域２３（図２（ｃ）内破線で囲まれた領域）として抽出する。着目領域２３の範囲は、２次元画像の情報だけでなく、スキャナ１１が精検出する際の分解能と捜索時間も加味して決定する。
【００２５】
着目領域２３を抽出する際に、予めパソコン３に登録された異物の３次元形状の先見情報を用いて、粗検出で作成した３次元画像における異物の形状と整合を取り、整合した場合のみ着目領域を抽出して精検出の段階に移行し、整合しない場合は異物では無いと判断して検出を中止しても良い。このように整合の確認工程を加えることにより、所望の異物のみを検出できると共に、所望でない異物に対しては検出を途中で中止するため、装置にかかる負荷を軽減できる。
【００２６】
なお、ここではスキャナ１１を２次元方向に走査させているが、ライン照射することにより走査方向を１次元にしても良い。この場合は光受信機１３をリニアアレイとする。また、照射するレーザ光を２次元の矩形ビームとして面照射し、光受信機１３等の受信系スキャン作業を省略しても良い。
【００２７】
ここまでが粗検出の動作である。続けて精検出の動作について説明する。精検出の動作も基本的には粗検出と同じで捜索範囲が着目領域になる点のみ異なる。
パソコン３は粗検出で抽出した着目領域２３を捜索範囲として、スキャナ１１にレーザ光の照射方向がスキャン初期位置となるようなスキャナ制御信号を送信する。また、パソコン３は着目領域２３における筐体２とターゲット上のレーザ光が照射する地点間の平均距離を算出し、この位置に照射されるビームの集光スポットサイズが最小となるように、焦点調整機構８に位置制御信号を送信して光ファイバ端を移動させる。
【００２８】
精検出の捜索範囲と、光ファイバ７及びスキャナ１１の精検出初期値が設定されると、以降の検出動作は粗検出と同じで、異物検出装置１は図３（ａ）に示すような受信信号強度の２次元画像と図３（ｂ）に示すような距離の２次元画像から、図３（ｃ）に示すような３次元画像を作成する。
精検出時の捜索範囲は粗検出の捜索範囲よりも狭くなるため、高分解能すなわち集光スポットサイズを小さくしてスキャナ１１の走査線間隔を狭くすることが可能となり、精度の高い検出ができる。
【００２９】
集光スポットサイズは、所望の分解能が得られ、スキャナ１１が所望の時間内に捜索範囲を走査できる大きさであれば、最小サイズでなくても良い。ただし、デッドゾーンを生じないよう、スキャナ１１が走査する走査線の間隔以上であることが望ましい。
粗検出の段階で集光スポットサイズが十分に小さい場合、精検出で集光スポットサイズを変更せずにスキャナ１１が走査する走査線の間隔のみを狭くして検出精度をあげても良い。
【００３０】
また、精検出の１画素あたりの走査時間を粗検出のそれよりも長くして１画素の検出に用いるサンプリング数を増やし、受信ＳＮ比の高い３次元形状を検出することもできる。検出当初から計測時間を長くすると捜索に過剰な時間を要するが、粗検出をして捜索範囲を絞り込んだ後に計測時間を長くすれば、効率的に精度の高い３次元形状を検出できる。
【００３１】
ところで、精検出における発振器４の発振周波数は粗検出と同じでも良いが、周波数をあげると位相検波器１４における所定時間のサンプリング数が増加し、信号のＳＮ比が同じであっても位相差の検出精度が高くなって筐体２とターゲット間の距離の検出精度も向上する。
【００３２】
この実施の形態によれば、異物検出装置１は粗検出で捜索範囲を絞った後、スキャンする走査線の間隔を狭くして高分解能で精検出することにより、同一捜索時間において検出精度を向上できる。
また、異物検出装置１は精検出の段階で集光スポットサイズを絞ってスキャンする走査線の間隔をさらに狭くすることにより、より高分解での検出が可能となり検出精度があがる。
【００３３】
また、異物検出装置１は検出したい異物の３次元形状の先見情報を予めパソコン３に登録しておき、粗検出で作成する３次元画像との整合をとって整合する場合のみ精検出を行うことにより、所望の異物のみを捜索時間を増やすこと無く検出精度を向上できる。さらに、所望でない異物は粗検出の段階で検出を中止するため、装置にかかる負荷を軽減できる。
【００３４】
また、異物検出装置１は、精検出での１画素あたりの計測時間を粗検出の１画素あたりの計測時間よりも長くすることにより、高い受信ＳＮ比で異物の３次元形状を検出できる。
また、異物検出装置１は、精検出での発振器４の発振周波数を粗検出の発振周波数よりも高くすることにより、位相検波の精度をあげて、より精密な異物の３次元形状を検出できる。
【００３５】
また、このような異物検出装置１を空港の滑走路や高速道路等で用いることにより、危険物などの異物を短時間で精度良く検出することができる。
【００３６】
実施の形態２．
実施の形態１では散乱光を１つの光受信機１３で受信する構成としているが、実施の形態２では受信レンズ１２と光受信機１３の間にビームスプリッタを設け、偏波解消度も計測する。また、レーザ光を連続波で変調する代わりに、一定周期のパルスとして出力するレーザパルス光を用いる。本実施の形態に係る異物検出装置１ａを図４および図５を用いて説明する。なお、同一の構成要素については同一符号をつけて説明を省略する。
【００３７】
図４において、異物検出装置１ａは筐体２ａとパソコン３すなわち信号処理手段とで構成され、筐体２ａの内部には、予め定めた周期でレーザパルス光を出力する光源６ａと、光源６ａの先端に設けられ所望の位置までレーザパルス光を導く光ファイバ７と、光ファイバ７を所望の位置に移動させる焦点調整機構８と、光ファイバ７から出力されるレーザパルス光の集光スポットサイズの変換及びビーム形状の調整をする送信レンズ９と、送信レンズ９で調整されたレーザパルス光の光路を変更する折り返しミラー１０と、折り返しミラー１０からのレーザ光を反射して筐体２ａの外部にあるターゲットに照射し、このターゲットからの散乱光をスキャンするスキャナ１１と、スキャナ１１で反射された散乱光を偏波成分に応じて分波するビームスプリッタ１５すなわち偏波分離手段と、偏波成分ごとに分離された散乱光をそれぞれ集光する受信レンズ１２ａ、１２ｂと、集光された散乱光を直接検波して電気信号に変換する光受信機１３ａ、１３ｂと、光源６ａおよび光受信機１３に接続され、送信前のレーザ光の位相と受信した散乱光の位相の差を検波する位相検波器１４ａ、１４ｂとが設けられている。なお、送信レンズ９及び受信レンズ１２ａ、１２ｂは、実施の形態１と同様に凹面鏡等の光学素子で代替しても良い。
【００３８】
次に、動作について説明する。異物検出装置１ａも最初に粗検出を行い、この粗検出の結果に基づいて精検出を行う。
パソコン３に異物の捜索範囲を設定すると、パソコン３はスキャナ１１にレーザ光の照射方向がスキャン初期位置となるようなスキャナ制御信号を送信すると共に、焦点調整機構８に位置制御信号を送信し、筐体２ａから出力されるレーザ光がコリメート光となるように光ファイバ７を移動させてファイバ端と送信レンズ９の離間距離を調整する。
【００３９】
スキャナ１１及び光ファイバ７を初期位置に設定すると、光源６ａは予め定めた一定周期でレーザパルス光信号を出力する。このレーザパルス光信号は光ファイバ７内部を通って空間に出力された後、送信レンズ９によりターゲット上で所望の集光スポットサイズ及びビーム形状となるように調整される。送信レンズ９を透過したレーザパルス光信号は折り返しミラー１０で光路変更され、スキャナ１１にてターゲット上の任意の地点を走査される。
【００４０】
なお、スキャナ１１はパソコン３からの制御信号に基づいて適切な位置および速度で走査するものであって、スキャナ１１の走査範囲すなわちターゲットの捜索範囲は任意に変更できる。捜索範囲にデッドゾーンを発生させたくない場合は集光スポットサイズを大きくして低分解能で検出を行い、ある程度のデッドゾーン発生は許容できるが高分解能にしたい場合は集光スポットサイズを小さくして粗検出を行う。
【００４１】
ターゲットに照射されたレーザパルス光信号はターゲット表面で散乱され、その一部はスキャナ１１へ戻る。この散乱光はスキャナ１１で反射された後に偏波ビームスプリッタ１５にて偏波成分ごとに分離され、それぞれ受信レンズ１２ａ、１２ｂで集光されて光受信機１３ａ、１３ｂに入力される。なお、受信レンズ１２ａ、１２ｂの集光位置は光受信機１３ａ、１３ｂの受光面に一致するように受信レンズ１２ａ、１２ｂは適切な位置に配置されている。
【００４２】
スキャナ１１はまた、散乱光を反射する際の走査位置情報を電気信号にしてパソコン３に伝達する。なお、ここでの走査位置情報とは、捜索範囲におけるＸ座標、Ｙ座標の位置情報、およびスキャン角の情報等を総称している。
【００４３】
光受信機１３ａ、１３ｂは散乱光を受光すると、直接検波により受信電気パルス信号に変換して位相検波器１４ａ、１４ｂに出力する。この受信電気パルス信号はレーザパルス光の散乱光を変換したものであるから、受信電気パルス信号の発生周期はパルス発生周期と同じになる。一方、受信電気パルス信号はレーザパルス光が筐体２とターゲット間を往復する時間分だけ光源６ａから出力されるレーザパルス光信号よりも遅れる。
【００４４】
位相検波器１４ａ、１４ｂは、光源６ａからのレーザパルス信号と受信電気パルス信号の最大振幅となる時刻から位相差および受信信号強度を検出する。なお、受信信号強度は受信電気パルス信号の最大振幅値に比例する。
【００４５】
パソコン３は位相検波器１４ａ、１４ｂが検出した位相差および受信信号強度の情報、およびスキャナ１１の走査位置情報を電気信号として取り込み、図５（ａ）、図５（ｂ）に示す異なる偏波成分の受信信号強度情報から図５（ｃ）に示すような２次元の偏波解消度画像を作成する。また、パソコン３は取り込んだ位相差および受信信号強度の情報を用いて筐体２ａとターゲット上のレーザ光が照射する地点との離間距離を算出し、図５（ｄ）に示すような２次元画像を作成する。
【００４６】
図５（ａ）では、異物と自然物が異物として画像上でコントラストとなって白く浮かび上がっているのに対し、図５（ｂ）では異物のみが白く浮かび上がり、自然物は黒い影となっている。これは、人工的に作られた異物の表面は滑らかであるのに対し、自然物は表面に細かい凹凸があることで散乱光の偏波成分が変わることに起因する。これら異なる偏波成分に対する受信信号強度の画像を組合せると、図５（ｃ）に示すように、偏波解消度画像では異物のみがコントラストとなって浮かび上がる。
【００４７】
パソコン３は作成した偏波解消度の２次元画像及び距離の２次元画像に基づいて図５（ｅ）に示すような３次元画像を作成し、偏波解消度および距離の２次元画像の双方で異物検出領域２１と判断した領域周辺を精検出の対象とする着目領域２３（図５（ｅ）内破線で囲まれた領域）として抽出する。このように偏波解消度の情報を着目領域２３の抽出過程に加えることにより、検出優先度の高い異物を効果的に検出できる。
また、着目領域２３を抽出する際に、予めパソコン３に登録された異物の３次元形状の先見情報を用いて、粗検出で作成した３次元画像における異物の形状と整合を取り、整合した場合のみ着目領域を抽出して精検出の段階に移行し、整合しない場合は異物では無いと判断して検出を中止しても良い。このように整合の確認工程を加えることにより、所望の異物のみを検出できると共に、所望でない異物に対しては検出を途中で中止するため、装置にかかる負荷を軽減できる。
【００４８】
ここまでが粗検出の動作である。精検出の動作も基本的には粗検出と同じで捜索範囲が着目領域になる点のみ異なる。また、精検出の初期設定動作も実施の形態１と同じであるため、精検出の説明は省略する。
なお、本実施の形態２では光源６ａで偏波解消度の情報を用いる場合を示しているが、実施の形態１と同様に発振器４、分配器５、光源６を用いる構成で偏波解消度の情報を加味しても良い。
【００４９】
この実施の形態によれば、実施の形態１の効果に加えて、受光した散乱光の偏波解消度も計測して着目領域２３を抽出するため、検出優先度の高い異物を効果的に検出できる。
また、異物検出装置１ａは、精検出で光源６ａが出力するレーザパルス光信号の出力周期を粗検出の出力周期よりも短くすることにより、位相検波の精度をあげて、より精密な異物の３次元形状を検出できる。
【符号の説明】
【００５０】
１、１ａ 異物検出装置
２、２ａ 筐体
３ パソコン
４ 発振器
５ 分配器
６、６ａ 光源
７ 光ファイバ
８ 焦点調整機構
９ 送信レンズ
１０ 折り返しミラー
１１ スキャナ
１２、１２ａ、１２ｂ 受信レンズ
１３、１３ａ、１３ｂ 光受信機
１４、１４ａ、１４ｂ 位相検波器
１５ 偏波ビームスプリッタ
２０ 捜索領域
２３ 着目領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力する光出力手段と、前記レーザ光を用いて捜索対象の捜索範囲を走査する走査手段と、前記捜索対象にレーザ光を照射したときの前記捜索対象からの散乱光を受光する受光手段と、前記レーザ光と前記散乱光の位相差及び前記散乱光の受信強度を検出する位相差検出手段と、前記検出結果に基づいて前記捜索範囲を絞り込んで着目領域を抽出し、走査線間隔を狭くして前記走査手段に該着目領域を再走査させる制御信号を出力し、該着目領域における前記位相差検出手段の検出結果に基づいて３次元画像を生成する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする異物検出装置。
【請求項２】
前記信号処理手段は、異物の３次元形状の情報を有し、前記捜索対象の検出結果と前記異物の３次元形状の情報とを整合し、整合する場合に着目領域を抽出することを特徴とする請求項１に記載の異物検出装置。
【請求項３】
前記光出力手段は、連続波信号を生成する発振器と、前記連続波信号に基づいて前記連続波信号と同一周波数のレーザ光を出力する光源と、前記光源の出力端に一端が接続された光導波手段と、前記光導波手段から出力されるレーザ光のスポットサイズを変換する光学素子と、前記光導波手段の他端側に設けられ該光導波手段の位置を調整する位置調整手段と、を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【請求項４】
前記発振器は、前記着目領域の捜索時に前記捜索範囲の捜索時よりも高周波で発振することを特徴とする請求項３に記載の異物検出装置。
【請求項５】
前記光出力手段は、所定周期でレーザパルス光を出力する光源と、前記光源の出力端に一端が接続された光導波手段と、前記光導波手段から出力されるレーザ光のスポットサイズを変換する光学素子と、前記光導波手段の他端側に設けられ該光導波手段の位置を調整する位置調整手段と、を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【請求項６】
前記光源は、前記着目領域の捜索時に前記捜索範囲の捜索時よりも短い周期でレーザパルス光を出力することを特徴とする請求項５に記載の異物検出装置。
【請求項７】
前記光出力手段は、前記着目領域の捜索時に前記捜索対象に照射するスポットサイズが前記捜索範囲の捜索時よりも小さなレーザ光を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【請求項８】
前記走査手段は、前記着目領域の捜索時における単位領域あたりの走査時間が前記捜索範囲の捜索時よりも長いことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【請求項９】
前記受光手段は、前記散乱光を偏波成分ごとに分離する偏波分離手段を備え、前記位相差検出手段は前記散乱光の偏波成分に基づいて前記散乱光の偏波解消度を検出することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【請求項１】
レーザ光を出力する光出力手段と、前記レーザ光を用いて捜索対象の捜索範囲を走査する走査手段と、前記捜索対象にレーザ光を照射したときの前記捜索対象からの散乱光を受光する受光手段と、前記レーザ光と前記散乱光の位相差及び前記散乱光の受信強度を検出する位相差検出手段と、前記検出結果に基づいて前記捜索範囲を絞り込んで着目領域を抽出し、走査線間隔を狭くして前記走査手段に該着目領域を再走査させる制御信号を出力し、該着目領域における前記位相差検出手段の検出結果に基づいて３次元画像を生成する信号処理手段と、を備えたことを特徴とする異物検出装置。
【請求項２】
前記信号処理手段は、異物の３次元形状の情報を有し、前記捜索対象の検出結果と前記異物の３次元形状の情報とを整合し、整合する場合に着目領域を抽出することを特徴とする請求項１に記載の異物検出装置。
【請求項３】
前記光出力手段は、連続波信号を生成する発振器と、前記連続波信号に基づいて前記連続波信号と同一周波数のレーザ光を出力する光源と、前記光源の出力端に一端が接続された光導波手段と、前記光導波手段から出力されるレーザ光のスポットサイズを変換する光学素子と、前記光導波手段の他端側に設けられ該光導波手段の位置を調整する位置調整手段と、を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【請求項４】
前記発振器は、前記着目領域の捜索時に前記捜索範囲の捜索時よりも高周波で発振することを特徴とする請求項３に記載の異物検出装置。
【請求項５】
前記光出力手段は、所定周期でレーザパルス光を出力する光源と、前記光源の出力端に一端が接続された光導波手段と、前記光導波手段から出力されるレーザ光のスポットサイズを変換する光学素子と、前記光導波手段の他端側に設けられ該光導波手段の位置を調整する位置調整手段と、を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【請求項６】
前記光源は、前記着目領域の捜索時に前記捜索範囲の捜索時よりも短い周期でレーザパルス光を出力することを特徴とする請求項５に記載の異物検出装置。
【請求項７】
前記光出力手段は、前記着目領域の捜索時に前記捜索対象に照射するスポットサイズが前記捜索範囲の捜索時よりも小さなレーザ光を出力することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【請求項８】
前記走査手段は、前記着目領域の捜索時における単位領域あたりの走査時間が前記捜索範囲の捜索時よりも長いことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【請求項９】
前記受光手段は、前記散乱光を偏波成分ごとに分離する偏波分離手段を備え、前記位相差検出手段は前記散乱光の偏波成分に基づいて前記散乱光の偏波解消度を検出することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の異物検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−１８５８３６（Ｐ２０１１−１８５８３６Ａ）
【公開日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５３１６９（Ｐ２０１０−５３１６９）
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【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２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１０日（２０１０．３．１０）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]