面法線計測方法及びその装置

【課題】
離れた位置にある小領域対象面の面法線を計測する方法及び装置を提供する。
【解決手段】
互いの両端面を平行に組み合わせて中間に一定の隙間を有する２枚のウェッジプリズム１１ａ、１１ｂを用い、光ビームの入射光９１を平行にシフトするためのビームシフト光学系１を構成し、これを角度可変アクチュエータ４１により一体で回転させ照射位置を可変とし、小領域中の少なくとも３点９４ａ、９４ｂ、９４ｃに光ビームを照射して得られる距離データを基に法線演算回路５１で法線を算出することにより、離れた位置にある対象面の面法線を計測する方法及びその装置を提供する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は移動ロボット等の外界認識手段として、離れた位置にある小領域対象面の面法線方向を計測する方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザー距離計とポリゴンミラー等を組み合わせ、計測点を直線状又は平面状に走査することで計測対象物体の位置、姿勢を計測する手段がある（例えば、非特許文献１参照。）。
【非特許文献１】伊藤：レーザ測定システム：ＬＭＳシリーズ、日本ロボット学会誌、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．１、ｐｐ．４５−４７、２００３
【０００３】
また、光を２枚の同一楔角を有し互いに反対に回転する光学ウェッジにより直線的に偏向する距離測定装置が提案されている（特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平７−２１８６３３号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら非特許文献１の手段は構造、制御が複雑であると共に、ポリゴンミラーの回転角制御分解能や距離測定分解能が十分でないため、例えば階段の立ち上がり面等の小領域の面の計測には不向きであるという不都合を有している。また、特許文献１の手段は直線的に広範囲に偏向することを目的にした方法であり、対象面の法線方向を一意に求めることはできないという不都合を有している。更に非特許文献１及び特許文献１の手段を小領域面の計測に適用しようとした場合、計測対象面までの距離の変化に伴い、偏向角を制御する必要があるという不都合を有している。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明はこのような課題を解決することを目的とするもので、請求項１記載の方法の発明は、光ビームを物体へ照射し、前記物体表面で反射した光を受光し、前記物体表面までの距離を測定する原理を用い、前記物体表面の小領域中の少なくとも３点に前記光ビームを平行に照射して得られる複数の距離データを基に、前記物体表面の法線を計測することを特徴とする面法線計測方法にある。また、請求項２記載の発明は、上記の方法において、互いの両端面を平行に組み合わせた２枚のウェッジプリズムと、前記光ビームの照射位置を可変にするための前記２枚のウェッジプリズムの角度を可変にする角度可変手段と、前記複数の距離データから前記物体表面の法線を算出するための演算手段とを用いることを特徴とするものであり、また、請求項３記載の発明は、前記２枚のウェッジプリズムの間に調整可能な空隙を設けて配置することを特徴とするものであり、また、請求項４記載の発明は、前記２枚のウェッジプリズムを前記光ビームの光軸周りに一体で回転させ角度可変とすることを特徴とするものである。
【０００６】
また、請求項５記載の装置の発明は、光ビームを物体へ照射し、前記物体表面で反射した光を受光し、前記物体表面までの距離を測定する原理を用い、前記物体表面の小領域中の少なくとも３点に前記光ビームを平行に照射して得られる複数の距離データを基に、前記物体表面の法線を計測することを特徴とする面法線計測装置にある。また、請求項６記載の発明は、互いの両端面を平行に組み合わせた２枚のウェッジプリズムと、前記光ビームの照射位置を可変にするための前記２枚のウェッジプリズムの角度を可変にする角度可変アクチュエータと、前記複数の距離データから前記物体表面の法線を算出するための演算回路とを備えることを特徴とするものであり、また、請求項７記載の発明は、前記２枚のウェッジプリズムの間に調整可能な空隙を設けて配置することを特徴とするものであり、また、請求項８記載の発明は、前記２枚のウェッジプリズムを前記光ビームの光軸周りに一体で回転させ角度可変とすることを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項９記載の装置の発明は、請求項１ないし請求項４記載の面法線測定方法を実現する機能を組み込んだことを特徴とする距離測定装置にある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、請求項１または請求項５の発明にあっては、物体表面の小領域中の少なくとも３点に光ビームを平行に照射して得られる複数の距離データを基に、物体表面の法線を計測するから、距離によらず同一の手段で物体表面の小領域の面法線を計測することができる。
【０００９】
また、請求項２または請求項６の発明にあっては、互いの両端面を平行に組み合わせた２枚のウェッジプリズムと、光ビームの照射位置を可変にするための２枚のウェッジプリズムの角度を可変にする角度可変手段と、複数の距離データから前記物体表面の法線を算出するための演算手段とを用いるから、簡単な構成で光ビームを平行にシフトすることができ、また、照射位置を円滑に変化させることができ、また、法線を自動で計算することができる。
【００１０】
また、請求項３または請求項７の発明にあっては、２枚のウェッジプリズムの間に調整可能な空隙を設けて配置するから、光ビームの平行シフト量を変更することができ、計測対象面の状況と計測必要精度に応じ、計測する小領域の面積を円滑かつ簡単に調整することができる。
【００１１】
また、請求項４または請求項８の発明にあっては、２枚のウェッジプリズムを光ビームの光軸周りに一体で回転させ角度可変とするから、照射位置を同一半径で円周上に変化させることができ、単純な動作で三次元的な法線計測が可能になる。
【００１２】
また、請求項９の発明にあっては、従来の距離測定装置に面法線計測機能を付加できるから、距離測定装置を固定したまま面法線の計測が可能になり、距離測定装置の機能を向上させることができる。
【００１３】
以上のように、本発明によれば、構造、制御が簡単で、離れた位置にある小領域面の法線方向を計測する手段を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は本発明に係る実施例１の説明図である。図１を用いて構成及び動作について説明する。投光器３１で投光する光ビームは投光レンズ３２で整形されビームシフト光学系１への入射光９１となる。ビームシフト光学系１は内側と外側の端面をそれぞれ平行に並べる一対のウェッジプリズム１１とそれを収納する筒１２よりなり、２枚のウェッジプリズム１１ａ、１１ｂは、この場合円筒形であり、不図示のスペーサ及び押さえ環により間隔を平行に空けて相対位置を保てるようになっている。入射光９１はビームシフト光学系１に入射し、照射光９３として照射する。つまり、入射光９１は第１プリズム１１ａで屈折し、屈折光９２となり、第２プリズム１１ｂへの入射光となる。屈折光９２は第２プリズム１１ｂで更に屈折し、照射光９３となり測定対象面９の方へ照射する。後で説明する通り照射光９３は入射光９１と平行にシフトしている。この場合、照射光９３ａは対象面９上の照射点９４ａに照射される。照射点９４ａで反射する反射光９５は例えばビームシフト光学系１を通り逆向きに戻り、受光レンズ３４を介し受光器３３に帰還する。計測制御回路３５は、例えばパルス変調光位相差検出を原理とする距離計算回路を構成しており、投光器３１、受光器３３の投受光制御を行い、基準点から対象面までの距離を計算する。
【００１６】
また、ビームシフト光学系１には不図示の回転ガイドが設けられ、角度可変アクチュエータであるモータ４１の軸に設けられた回転力伝達手段４２と当接し、モータ４１と連動して回転可能になっている。計測制御回路３５はモータ４１の回転角を制御でき、従ってビームシフト光学系１の回転角を所定の角度に制御可能になっている。
【００１７】
計測制御回路３５は、モータ４１を介し、少なくとも３つの角度にビームシフト光学系１の回転角度を制御し、照射光を９３ａ、９３ｂ、９３ｃと変え、対象面９の照射点９４ａ、９４ｂ、９４ｃまでの距離計測を行う。その回転角情報と距離計測結果を法線を算出するための法線演算回路５１に送る。法線演算回路５１は前記回転角情報と距離計測結果から後で説明する方法で対象面の法線を計算し、表示器５２に表示する。表示器５２には、必要に応じ、対象面９までの距離を表示しても良い。また、計測された法線方向を吟味し、例えば予め設定された座標軸周りの回転角として表示しても良い。
【００１８】
ビームシフト光学系１は図１の構成に限らず、例えば図２に示す光学系２として構成しても良い。この場合、ビームシフト光学系２は内外端面が互いに平行な一対のウェッジプリズム２１とそれを収納する筒２２によりなり、２枚のウェッジプリズム２１ａ、２１ｂは不図示のスペーサ及び押さえ環により間隔を空けて相対位置を保てるようになっている。入射光９１はビームシフト光学系２に入射し、照射光９３として照射する。つまり、入射光９１は第１プリズム２１ａで屈折し、屈折光９２となり、第２プリズム２１ｂに入射する。屈折光９２は第２プリズム２１ｂで更に屈折し、照射光９３となり測定対象面９の方へ照射する。この場合も照射光９３は入射光９１と平行にシフトする。
【００１９】
次に図３を用いて本発明に係る面法線計測原理を説明する。距離測定の基準点を原点Ｏ、距離測定方向をｚ、設置基準面をｘとする座標系を定義する。入射光軸８１を基準とした照射光８３ａの平行シフト量をｒ、シフト角をθ、対象物表面８５の法線をＮとする。前記のビームシフト光学系１により、照射開始点は８２ａに移動したものと見なせる。θを変え、少なくとも３点８４ａ、８４ｂ、８４ｃまでの距離を計測すれば３光路が平行のためこの座標系における３点の座標、それぞれＰ１、Ｐ２、Ｐ３が定まり、（１）式によって計測点８４ａ、８４ｂ、８４ｃを含む単位法線ベクトルＮを計算できる。
【００２０】
【数１】

【００２１】
次に図４を用いて本発明に係る光ビーム平行シフト法の詳細を説明する。照射位置を可変にするため、２枚のウェッジプリズム１１ａ、１１ｂを用いる。向き合うウェッジ面が平行になるように隙間を空けて配置する。左側の第１プリズム１１ａに垂直に入射した光９１は屈折しその右側に屈折光９２として出射する。そして、屈折光９２は第２プリズム１１ｂで更に屈折し、その右側に照射光９３として出射する。２枚のプリズム１１ａ、１１ｂが屈折率、ウェッジ角とも同一、あるいは光学的に同一性能であれば、入射光９１と照射光９３は平行となる。この時の入射光軸と照射光９３との間隔をビームシフト量ｒと呼んでいる。ここで、プリズム１１ａ、１１ｂのウェッジ角θｗ、屈折率ｎ及び２枚のプリズムの間隔Ｌを可変とすることにより、適宜ビームシフト量ｒを調整できる。第１プリズム１１ａからの屈折光９２の屈折角θｄは（２）式、ビームシフト量ｒは（３）式から求められる。
【００２２】
【数２】

【００２３】
このプリズム１１ａ、１１ｂの相対関係を保ったまま一体で回転させれば、半径ｒの円周上に照射光９３を平行に可変にでき、従って計測対象面に対し入射光軸９１と平行に照射光をｒだけ平行移動して照射できる。
【００２４】
なお、前記光ビーム平行シフト法においては、第１プリズム１１ａに対する第２プリズム１１ｂの両端面の平行度誤差が照射光の平行ずれとなる。特に長距離計測に適用する場合、上記の誤差が距離計測誤差及び面法線計測誤差の増大を招く大きな要因であることがわかっている。計測精度を維持するためにビームシフト光学系１の設計、製造には留意が必要である。
【００２５】
以上により、ビームシフト光学系１の効果により、構造、制御が簡単で、対象面９の法線方向Ｎを円滑に計測する手段を提供できる。
【００２６】
なお、距離計測精度を向上するために、ビームシフト光学系挿入による光路長の補正を行うと良い。また、面法線計測精度を向上するために、照射点を３点ではなく、より多数点とすると良い。また、対象面が平面でない場合、多数の照射点群の中から部分的な法線を計測し、形状認識の手段としても良い。
【実施例２】
【００２７】
図５は投光器、受光器、及び計測制御回路の一部を一体化して製品化されている距離計を用いる場合の本発明に係る実施例２の説明図である。距離測定を行うために、例えば通信機能を持ち、パルス変調光位相差検出を原理とする距離計６を用いる。距離計の出射光９１を実施例１と同様にビームシフト光学系１で平行にシフトし、照射光９３として照射する。測定対象面からの反射光を距離計６で受光し、距離計６で算出された距離計測結果を通信制御回路７で受け取る。通信制御回路７は距離計６を制御すると共に、実施例１と同様に少なくとも３つの角度にビームシフト光学系１の回転角度を制御するため、モータ４１の回転角度を制御する。その回転角情報と距離計測結果を法線演算回路５１に送り、法線演算回路５１はその結果から対象面の法線Ｎを計算し、表示器５２に表示する。なお、本実施例２のその他の構成、動作については実施例１と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００２８】
以上により、ビームシフト光学系１の効果により、構造、制御が簡単で、距離計本体を固定したまま対象面の法線方向を簡単に計測する手段を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は移動ロボット等の外界認識手段として利用できる。また、例えば、壁面、階段等構造物の傾きを簡易に測る手段としても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例１の説明図
【図２】他の光ビーム平行シフト光学系の説明図
【図３】面法線計測原理の説明図
【図４】光ビーム平行シフトの説明図
【図５】本発明の実施例２の説明図
【符号の説明】
【００３１】
１ビームシフト光学系
１１一対のウェッジプリズム
１１ａ、１１ｂウェッジプリズム
１２筒
２他のビームシフト光学系
２１一対のウェッジプリズム
２１ａ、２１ｂウェッジプリズム
２２筒
３１投光器
３２投光レンズ
３３受光器
３４受光レンズ
３５計測制御回路
４１モータ
４２回転力伝達手段
５１法線演算回路
５２表示器
６距離計
７通信制御回路
８１入射光軸
８２ａ照射開始点
８３ａ照射光
８４ａ、８４ｂ、８４ｃ照射点
８５法線計測対象中心点
９法線計測対象面
９１入射光
９２屈折光
９３、９３ａ、９３ｂ、９３ｃ照射光
９４ａ、９４ｂ、９４ｃ照射位置
９５反射光

【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを物体へ照射し、前記物体表面で反射した光を受光し、前記物体表面までの距離を測定する原理を用い、前記物体表面の小領域中の少なくとも３点に前記光ビームを平行に照射して得られる複数の距離データを基に、前記物体表面の法線を計測することを特徴とする面法線計測方法。
【請求項２】
上記請求項１の方法において、互いの両端面を平行に組み合わせた２枚のウェッジプリズムと、前記光ビームの照射位置を可変にするための前記２枚のウェッジプリズムの角度を可変にする角度可変手段と、前記複数の距離データから前記物体表面の法線を算出するための演算手段とを用いることを特徴とする面法線計測方法。
【請求項３】
上記請求項２の方法において、前記２枚のウェッジプリズムの間に調整可能な空隙を設けて配置することを特徴とする面法線計測方法。
【請求項４】
上記請求項２または請求項３の方法において、前記２枚のウェッジプリズムを前記光ビームの光軸周りに一体で回転させ角度可変とすることを特徴とする面法線計測方法。
【請求項５】
光ビームを物体へ照射し、前記物体表面で反射した光を受光し、前記物体表面までの距離を測定する原理を用い、前記物体表面の小領域中の少なくとも３点に前記光ビームを平行に照射して得られる複数の距離データを基に、前記物体表面の法線を計測することを特徴とする面法線計測装置。
【請求項６】
上記請求項５の装置において、互いの両端面を平行に組み合わせた２枚のウェッジプリズムと、前記光ビームの照射位置を可変にするための前記２枚のウェッジプリズムの角度を可変にする角度可変アクチュエータと、前記複数の距離データから前記物体表面の法線を算出するための演算回路とを備えることを特徴とする面法線計測装置。
【請求項７】
上記請求項６の装置において、前記２枚のウェッジプリズムの間に調整可能な空隙を設けて配置することを特徴とする面法線計測装置。
【請求項８】
上記請求項６または請求項７の装置において、前記２枚のウェッジプリズムを前記光ビームの光軸周りに一体で回転させ角度可変とすることを特徴とする面法線計測装置。
【請求項９】
前記請求項１ないし請求項４記載の面法線測定方法を実現する機能を組み込んだことを特徴とする距離測定装置。

【図１】