JP2010271275A - Laser image measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、レーザを用いた画像計測装置に関するものである。特に、レーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる広視野の口径をもつ単素子の受光器を用いて、送信レーザ光のみを小型の走査光学系を用いて走査することにより、高速にデータ取得を行う。さらに、CW(Continuous Wave)変調法による距離計測方式の適用により、高精度に距離測定する。この発明は、上記の2つを兼ね備えたレーザ画像計測装置に関するものである。 The present invention relates to an image measuring apparatus using a laser. In particular, by using a single-element light receiver having a wide-field aperture capable of receiving the reflected light of multiple points in the laser scanning range, only the transmitted laser light is scanned using a small scanning optical system. By doing so, data is acquired at high speed. Furthermore, distance measurement is performed with high accuracy by applying a distance measurement method using a CW (Continuous Wave) modulation method. The present invention relates to a laser image measuring apparatus having both of the above.
レーザ光の発振時間と反射光の受光時間の差から距離を導出するレーザ距離測定法には、光源にパルスレーザを用い、送信パルス光と受信パルス光との時間差から距離を導出するパルス光時間計測法や、光源にCWレーザ光を用いてかつレーザ光の強度に単一周波数のCW信号によって変調をかけ、送信時の変調信号と受信時の電気信号の位相差から距離を導出するCW変調法がある。 The laser distance measurement method for deriving the distance from the difference between the laser light oscillation time and the reflected light receiving time uses a pulse laser as the light source, and the pulse light time for deriving the distance from the time difference between the transmitted pulse light and the received pulse light CW modulation that uses CW laser light as the light source and modulates the intensity of the laser light with a single-frequency CW signal and derives the distance from the phase difference between the modulated signal during transmission and the electrical signal during reception There is a law.
これらのレーザ距離測定法に基づいて対象物の3次元形状を取得する装置として、送受信軸を同軸にして送受共に2次元走査する構成が知られている(例えば、特許文献1参照)。これは各点での距離を測定し、測距値と走査した角度から3次元画像を取得するものである。 As a device for acquiring a three-dimensional shape of an object based on these laser distance measurement methods, a configuration is known in which both transmission and reception are two-dimensionally scanned with the transmission / reception axis being coaxial (see, for example, Patent Document 1). In this method, the distance at each point is measured, and a three-dimensional image is acquired from the distance measurement value and the scanned angle.
また、これらのレーザ距離測定法に基づいて対象物の形状を高速に計測する計測装置として、扇型の形状のレーザビームを1軸方向のみ走査して受光素子が1次元アレイの受光器で測定する装置や、レーザビームを視野全体に広げてビームを走査せずに受信し、受光素子が2次元アレイの受光器によって受信し、測定する装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, as a measuring device that measures the shape of an object at high speed based on these laser distance measurement methods, a fan-shaped laser beam is scanned only in one axial direction, and a light receiving element is measured by a light receiver in a one-dimensional array. And a device for receiving and measuring a laser beam by spreading the laser beam over the entire field of view without scanning the beam, and receiving a light by a light receiving element of a two-dimensional array (for example, see Patent Document 2). .
さらに、レーザ光のみを走査し、1次元アレイの受光器で測定する構成のレーザ距離計測装置が提案されている(例えば、特許文献3参照)。 Further, there has been proposed a laser distance measuring device configured to scan only laser light and measure with a one-dimensional array of light receivers (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。一般的に、測定精度を上げるためには、受信信号の信号対雑音比(受信SN比)を高くする必要があり、そのために受信開口径を大きくし、反射光を多く受光する必要がある。特許文献1記載の従来の装置は、送受共に2次元走査する構成となっているため、大きい開口径の走査光学系を用いる必要があるが、大きい開口径の走査光学系を用いると、スキャナのイナーシャが大きくなり、走査速度が遅くなる。 However, the prior art has the following problems. In general, in order to increase the measurement accuracy, it is necessary to increase the signal-to-noise ratio (reception S / N ratio) of the received signal. For this purpose, it is necessary to increase the reception aperture diameter and receive a large amount of reflected light. Since the conventional apparatus described in Patent Document 1 is configured to perform two-dimensional scanning for both transmission and reception, it is necessary to use a scanning optical system having a large aperture diameter. However, if a scanning optical system having a large aperture diameter is used, Inertia increases and scanning speed decreases.
特許文献2記載の従来の装置は、受光器の視野全体にレーザ光を照射しており、受光器1素子での受光パワーは、受光器1素子での視野における照射パワーに比例する。これは、簡単に送信レーザビームをスキャンする特許文献1の方法の計測装置と比較して、受光素子の数だけ大きいパワーのレーザ光を必要とすることを意味する。したがって、レーザの装置サイズや消費電力、コストなどが高くなってしまう。
The conventional apparatus described in
特許文献3記載の従来の装置は、レーザ光のみを走査して1次元のアレイ検出器で受光して画像を取得する装置である。この装置では、画像の分解能や視野はアレイ検出器の画素サイズや大きさなどの性能によって決定される。広い視野で高い解像度での測定を行う場合、アレイ検出器の画素サイズが小さく、素子数が多い高い性能のアレイ検出器が必要となり、さらに後段での増幅器の数も増えるため、コストが高くなるといった懸念がある。
The conventional apparatus described in
本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、小型で低コスト、かつ高い解像度で高速に対象物の3次元画像、もしくは2次元画像の断面を計測することができるレーザ画像計測装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and is capable of measuring a three-dimensional image of an object or a cross section of a two-dimensional image at high speed with a small size, low cost, and high resolution. An object is to obtain a laser image measuring device.
本発明に係るレーザ画像計測装置は、基準となる連続波の変調信号を発生する発振器と、レーザ光を発生するレーザ装置と、前記変調信号に基づいて前記レーザ光に強度変調をかける変調器と、前記変調器により強度変調したレーザ光を走査して照射するとともに、走査角度を発生するレーザ光走査光学系と、対象物からの反射光を集光する受信光学系と、レーザ走査範囲における対象物の多点の反射光を受信することができる口径を持ち、前記受信光学系により集光された反射光を電気信号に変換する単素子の受光器と、前記変調信号の位相と前記受光器で検出した電気信号の位相との位相差を検知する位相検波装置と、前記位相検波装置によって得られた位相差から前記対象物までの距離を演算する距離演算装置と、前記走査角度及び距離から2次元画像もしくは3次元画像を生成する画像処理装置とを備えるものである。 A laser image measurement apparatus according to the present invention includes an oscillator that generates a reference continuous wave modulation signal, a laser apparatus that generates laser light, and a modulator that modulates the intensity of the laser light based on the modulation signal. A laser beam scanning optical system that scans and irradiates laser light intensity-modulated by the modulator, generates a scanning angle, a receiving optical system that collects reflected light from the object, and an object in the laser scanning range A single-element light receiver having a diameter capable of receiving reflected light from multiple points of an object, and converting the reflected light collected by the receiving optical system into an electrical signal; and the phase of the modulation signal and the light receiver A phase detector that detects a phase difference from the phase of the electrical signal detected in Step 1, a distance calculator that calculates a distance from the phase difference obtained by the phase detector to the object, and the scanning angle and distance 2-dimensional image or three-dimensional image from those and an image processing apparatus for generating.
本発明に係るレーザ画像計測装置によれば、受光器の口径を大きくすることによって、広範囲の受信視野を実現できる。 According to the laser image measurement device of the present invention, a wide reception field of view can be realized by increasing the aperture of the light receiver.
また、レーザ走査範囲における対象物の多点の反射光を受信することのできる広視野の口径をもつ受光器を用いることにより、小型の送信光学系を用いてレーザ光のみを高速に走査することができ、高速に3次元画像を取得することができる。 Also, by using a light receiver with a wide field of view that can receive the reflected light of multiple points of the object in the laser scanning range, it is possible to scan only the laser light at high speed using a small transmission optical system. And a three-dimensional image can be acquired at high speed.
さらに、受信光学系を走査する必要がないため、受信光学系の開口径を大きくすることができ、受信SN比を高くすることができる。 Furthermore, since there is no need to scan the receiving optical system, the aperture diameter of the receiving optical system can be increased, and the reception SN ratio can be increased.
さらに、角度センサによって走査角度を測定するため、取得した画像の解像度は走査分解能や角度センサの分解能に依存し、その角度分解能は測定条件によって可変することができる。したがって、単素子の受光器で、高い解像度の画像を取得することが可能である。 Furthermore, since the scanning angle is measured by the angle sensor, the resolution of the acquired image depends on the scanning resolution and the resolution of the angle sensor, and the angular resolution can be varied depending on the measurement conditions. Therefore, it is possible to acquire a high-resolution image with a single-element light receiver.
ここで、一般的には受光器の口径が大きい場合には、受光器内部のコンデンサ容量が大きくなるために、光検出器の周波数応答特性が低下してしまう。広帯域な光検出器の応答特性を要求するパルス光時間計測法のレーザ距離計測法では、この光検出器ではパルス波形に応答しないため、反射光を検出することができない。したがって、本発明におけるレーザ画像計測装置に適用することが困難である。しかし、強度変調されたレーザ光を用いたCW変調法のレーザ距離計測法では、受光器が応答する変調周波数を用いることができるため、反射光を検出することができ、距離測定を行うことができる。 Here, generally, when the aperture of the photoreceiver is large, the capacitor capacity inside the photoreceiver becomes large, so that the frequency response characteristic of the photodetector is degraded. In the laser distance measurement method of the pulsed light time measurement method that requires the response characteristics of a broadband photodetector, the reflected light cannot be detected because this photodetector does not respond to the pulse waveform. Therefore, it is difficult to apply to the laser image measurement device according to the present invention. However, in the laser distance measurement method of the CW modulation method using intensity-modulated laser light, the modulation frequency to which the light receiver responds can be used, so that reflected light can be detected and distance measurement can be performed. it can.
以上のように、本発明に係るレーザ画像計測装置では、高い解像度で高速に対処物の3次元画像、もしくは2次元画像を計測することができる。 As described above, the laser image measurement device according to the present invention can measure a three-dimensional image or a two-dimensional image of a countermeasure object at high speed and at high speed.
以下、本発明のレーザ画像計測装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a laser image measurement device of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1.
この発明の実施の形態1に係るレーザ画像計測装置について図1から図8までを参照しながら説明する。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構成を示すブロック図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
Embodiment 1 FIG.
A laser image measurement apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a laser image measurement apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. In the following, in each figure, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
図1において、この発明の実施の形態1に係るレーザ画像計測装置は、基準となる変調信号を発生する発振器1と、レーザ光を発生するレーザ装置2と、変調信号に基づいてレーザ光に強度変調をかける変調器3と、レーザ光を走査し、走査角度に相当する電気信号を発生する角度センサの機能をもつレーザ光走査光学系4と、対象物からの反射光を集光して後述する受光器に導く受信光学系5と、反射光を電気信号に変換する受光器6と、変調信号の位相と受光器6で検出した電気信号の位相との位相差を検知する位相検波装置7と、この位相検波装置7によって得られた位相差から距離を導出する距離演算装置8と、角度データと距離データから2次元画像もしくは3次元画像を生成する画像処理装置9とが設けられている。
In FIG. 1, a laser image measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention includes an oscillator 1 that generates a reference modulation signal, a
なお、受信光学系5と受光器6の組み合わせにより、レーザ光の走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる。距離演算装置8は、位相検波装置7によって得られた同相検波信号と直交検波信号より受信した変調光の振幅を導出し、強度を導出する機能があってもよい。
In addition, the combination of the receiving
図4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位相検波装置の構成を示すブロック図である。 FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the phase detector of the laser image measurement device according to Embodiment 1 of the present invention.
図4において、位相検波装置7は、受光器6によって得られた電気信号を増幅するアンプ71と、増幅された電気信号を同相で分岐する0°分配器72と、発振器1で発生した変調信号を、その位相が同相と直交するよう分岐する90°分配器73と、変調信号と増幅された受光器6の電気信号をミキシングするミキサ74と、ミキサ75と、発振器1から発生する変調信号に基づく帯域の信号のみを透過するフィルタ76と、フィルタ77とが設けられている。
In FIG. 4, the
つぎに、この実施の形態1に係るレーザ画像計測装置の動作について図面を参照しながら説明する。 Next, the operation of the laser image measurement device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
図2は、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けるレーザ照射スポットと受光器上における反射光集光スポットを示す図である。また、図3は、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1次元スキャンした場合のレーザ照射スポットと受光器上における反射光集光スポットを示す図である。 FIG. 2 is a diagram showing a laser irradiation spot and a reflected light condensing spot on the light receiver in the laser image measurement apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 3 is a diagram showing a laser irradiation spot and a reflected light condensing spot on a light receiver when one-dimensional scanning is performed in the laser image measurement device according to Embodiment 1 of the present invention.
発振器1が発生した変調信号に基づいて、レーザ装置2から発生したレーザ光を、変調器3によって強度変調をかけ、レーザ光走査光学系4によってレーザ光101を仰角と方位角に走査する。
Based on the modulation signal generated by the oscillator 1, the laser light generated from the
対象物からの反射光を、受信視野102をもつ受信光学系5で集光した後、受光器6で電気信号に変換し、位相検波装置7に出力する。
The reflected light from the object is collected by the receiving
受光器6は、図2に示すように、レーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる。図2において、レーザ照射スポット103と受光器6上における反射光集光スポット104が図示されている。
As shown in FIG. 2, the
なお、図3に示すように、長辺のみをレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するような長尺の受光器6を用いてもよし、さらにレーザ光走査光学系4により1次元のみ走査してもよい。
As shown in FIG. 3, it is possible to use a
位相検波装置7は、図4に示すように、受光器6によって得られた電気信号をアンプ71によって増幅した後、0°分配器72によって分岐する。一方、発振器1で発生される変調信号を、位相が同相と直交するように90°分配器73で分岐し、それぞれ増幅した電気信号とミキシングして、フィルタ76、77を通して同相検波信号105と直交検波信号106を生成する。
As shown in FIG. 4, the
距離演算装置8は、得られた同相検波信号105と直交検波信号106より送信時の変調信号と受信時に受光器6で得られた電気信号の位相との位相差を検出し、検出した位相差から対象物の視線方向の距離を導出する。
The
具体的には、高速をc、位相差をΔΦ、変調周波数をfとすると、距離Lは、次の式(1)により導出される。 Specifically, if the high speed is c, the phase difference is ΔΦ, and the modulation frequency is f, the distance L is derived by the following equation (1).
L=(c・ΔΦ)/(4・π・f) (1) L = (c · ΔΦ) / (4 · π · f) (1)
その後、画像処理装置9は、レーザ光走査光学系4で得られた角度データと距離演算装置8で得られた距離データを用いて2次元画像や、3次元画像を生成する。
Thereafter, the
本発明に係るレーザ画像計測装置は、受光器6の口径を大きくすることによって、受信開口を保持しつつ広視野を実現でき、対象物の多点の反射光を受信できるレーザ走査範囲を広くし、受信光学系5の走査を不要とすることができる。また、レーザ走査範囲における対象物の多点の反射光を受信することのできる口径をもつ受光器6を用いることで、レーザ光のビーム径に相当する小型のレーザ光走査光学系4を用いてレーザ光のみを走査することができる。小型の走査光学系4を用いることにより、走査光学系4は小さい駆動電流で動作することが可能であり、高速にレーザ光を走査することができる。したがって、早い速度で取得画像を更新することができる。さらに、受信光学系5を走査する必要がないため、受信光学系5の開口径を大きくすることができ、受信SN比を高くすることができる。
The laser image measuring apparatus according to the present invention can realize a wide field of view while maintaining the receiving aperture by increasing the aperture of the
また、受光器の口径を大きくすることによって、多点の対象物の反射光を受信できるレーザ走査範囲を広くすることができ、広範囲の画像を高速に取得することができる。ここで、受光器6の口径を大きくした場合、受光器内部のコンデンサ容量が大きくなるため、一般的に周波数応答特性が低下し、雑音レベルが高くなってしてしまう。具体的に、浜松ホトニクス製フォトダイオードS5973のように受光器6の口径が0.4mmの場合には、受光器内部のコンデンサ容量は1.6pFで帯域幅が1000MHz程度、雑音レベルを示す暗電流は0.001nAとなる。一方、浜松ホトニクス製フォトダイオードS6801−01のように受光器6の口径が14mmの場合には、コンデンサ容量は40pFとなり、帯域幅は15MHzまで低下し、暗電流は0.5nAまで上昇する。
In addition, by increasing the aperture of the light receiver, the laser scanning range in which the reflected light of the multipoint object can be received can be widened, and a wide range of images can be acquired at high speed. Here, when the aperture of the
ここで、パルス光時間計測法のレーザ距離計測法では、パルス波形に応答するように広帯域の周波数応答特性の受光器6が要求されるため、本実施の形態のような大口径の受光器6でレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するレーザ画像計測装置には適用することが困難である。
Here, in the laser distance measurement method of the pulsed light time measurement method, a
例えば、受信SN比が45dBで距離精度1cmを要求する場合、パルス光時間計測法ではパルス幅3.7ns程度のパルスレーザを用いる必要がある。このパルス幅に受光器6が応答するためには、簡単に270MHzの周波数応答をもつ受光器が必要となる。つまり、本実施の形態のような大口径の受光器6でレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するレーザ画像計測装置に適用した場合、光検出器がパルス波形に応答しないため、パルス光を検出することができず、距離検出することが困難となる。
For example, when the reception SN ratio is 45 dB and a distance accuracy of 1 cm is required, it is necessary to use a pulse laser with a pulse width of about 3.7 ns in the pulsed light time measurement method. In order for the
一方、CW変調法のレーザ距離計測法では、受光器6が応答する変調周波数を用いることができるため、十分な受信SN比で反射光を検出することができ、距離を行うことができる。
On the other hand, in the laser distance measurement method of the CW modulation method, since the modulation frequency to which the
例えば、受信SN比が45dBで距離精度1cmを要求する場合には、9.5MHzの変調周波数でよい。この場合、変調信号の周波数9.5MHzは上述した口径14mmの受光器の帯域幅15MHzより低いため、十分な受信SN比で受信することが可能である。つまり、本実施の形態のような大口径の受光器6でレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するレーザ画像計測装置と、CW変調法のレーザ距離計測法を組み合わせることにより、高速走査で高精度の距離計測を行うことができる。なお、この変調周波数を用いた場合には式(1)で示したように距離15.8mで位相差が2πとなり、周期15.8mごとに同じ位相差を検出する。
For example, when the reception SN ratio is 45 dB and the distance accuracy is 1 cm, the modulation frequency may be 9.5 MHz. In this case, the frequency of the modulated signal is 9.5 MHz, which is lower than the bandwidth of 15 MHz of the optical receiver having the aperture of 14 mm described above, so that it is possible to receive with a sufficient reception S / N ratio. In other words, by combining a laser image measuring device that receives reflected light of a multipoint object in a laser scanning range with a large-
また、単一周波数のCW変調法によるレーザ距離計測法を用いたときの光検出器6に入射した光信号を電気信号に変換する光電変換回路の例を図5に示す。この光電変換回路は、受光器6で得られた電気信号を帰還抵抗66とトランスインピーダンスアンプ65によって負帰還増幅し、出力電圧Vを得る。ここで、受光器6を等価回路6Aで表すと、受光器内部の電流源61、受光器内部の抵抗62、受光器内部のコンデンサ容量63で構成することができる。この回路に、コイル容量64を追加することにより、コンデンサ容量63とコイル容量64の共振周波数において、コンデンサ容量63による雑音成分を軽減することが可能となる。
FIG. 5 shows an example of a photoelectric conversion circuit that converts an optical signal incident on the
具体例として、図6に周波数に対する雑音レベルの特性例をとして、コイル容量64がなかった場合の雑音特性N1、コイル容量64を追加した場合の雑音特性N2を示す。このように、コイル容量64を追加した場合、コンデンサ容量63とコイル容量64の共振周波数において雑音が低下する。したがって、この共振周波数を変調周波数fmに合わせることにより、低い雑音レベルの条件で測定することができ、高い受信SN比を得ることができる。なお、この方法は、単一周波数のCW変調法によるレーザ距離計測法のみ適用することができる。 As a specific example, FIG. 6 shows a noise characteristic N1 when there is no coil capacitor 64 and a noise characteristic N2 when a coil capacitor 64 is added, as a characteristic example of noise level with respect to frequency. As described above, when the coil capacitance 64 is added, noise is reduced at the resonance frequency of the capacitor capacitance 63 and the coil capacitance 64. Therefore, by adjusting the resonance frequency to the modulation frequency fm, measurement can be performed under a low noise level condition, and a high reception S / N ratio can be obtained. Note that this method can be applied only to the laser distance measurement method based on the single frequency CW modulation method.
また、本実施の形態のような単素子の受光器6でレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するレーザ画像計測装置では、レーザ光走査光学系4によりレーザ光の走査角度を得ることができる。つまり、取得した画像の解像度は走査分解能に依存し、単素子の受光器6で高い解像度の画像を取得することができる。
Further, in the laser image measuring apparatus that receives the reflected light of a multipoint object in the laser scanning range with the single-
以上に述べたように、高速画像取得で広角受信視野・高速送信スキャンする方式を用いる場合、単一周波数を利用するCW変調法を適用することによって、はじめて低雑音・高感度計測が可能となる。 As described above, when using a wide-angle reception field of view and high-speed transmission scan method for high-speed image acquisition, low-noise and high-sensitivity measurement can be performed for the first time by applying the CW modulation method using a single frequency. .
図7は、本発明の実施の形態1に係るレーザ画像計測装置を車両検知システムに適用した場合の例を示す図である。本実施の形態のようなレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信する大口径の受光器6を用いることで、レーザ光のみを小型の走査光学系で高速に走査することができる。したがって、高速移動している車両の形状を高分解能で撮像し、適確に測定することが可能となる。
FIG. 7 is a diagram illustrating an example in which the laser image measurement device according to Embodiment 1 of the present invention is applied to a vehicle detection system. By using the large-
また、本発明に係るレーザ画像計測装置は、受信光学系5の開口径を大きくすることで高SN比を得ることができるため、例えば黒色の車両のような低い反射率の対象物での距離測定も可能であり、種々の車両の形状を測定することができる。また、小型のレーザ光走査光学系4でレーザ光のみを高速に走査して撮像を行うことができるため、高速移動している車両の形状を的確に測定することができる。
In addition, since the laser image measuring device according to the present invention can obtain a high SN ratio by increasing the aperture diameter of the receiving
なお、レーザ画像計測装置が1次元スキャンの場合、車の移動速度を同時に測定し、車両の移動によってもう1軸のスキャンを兼ね備える。ここで、レーザ画像計測装置は1台でなくても、2台以上用いて様々な角度から測定する場合もある。 When the laser image measuring device is one-dimensional scanning, the moving speed of the vehicle is measured at the same time, and another one-axis scanning is also performed by moving the vehicle. Here, even if the number of laser image measurement devices is not one, two or more laser image measurement devices may be used for measurement from various angles.
図8は、本発明の実施の形態1に係るレーザ画像計測装置をゲート監視装置に適用した場合の例を示す図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example in which the laser image measurement device according to the first embodiment of the present invention is applied to a gate monitoring device.
本発明に係るレーザ画像計測装置は、受信SN比や変調周波数を上げることにより、高精度で位相精度を導出することが可能であるため、高解像度で高精度に距離を測定することができ、細い紐などを検知することができる。 Since the laser image measuring device according to the present invention can derive the phase accuracy with high accuracy by increasing the reception S / N ratio and the modulation frequency, the distance can be measured with high resolution and high accuracy, A thin string can be detected.
以上、この実施の形態1に係るレーザ画像計測装置は、高速に高い解像度で対処物の3次元画像、もしくは2次元画像を計測することができる。 As described above, the laser image measurement device according to the first embodiment can measure the three-dimensional image or the two-dimensional image of the countermeasure object at high speed and with high resolution.
実施の形態2.
この発明の実施の形態2に係るレーザ画像計測装置について図9及び図10を参照しながら説明する。
A laser image measurement apparatus according to
この実施の形態2に係るレーザ画像計測装置は、上記の実施の形態1に係るレーザ画像計測装置の受光器6の受光感度が受光面上の位置によって変化する場合や反射光の集光スポット位置がレーザ光走査角によって変化する場合などによる、受信SN比の低下を軽減することを目的としたものである。
In the laser image measurement device according to the second embodiment, the light reception sensitivity of the
図9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構成を示すブロック図である。
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a laser image measurement apparatus according to
図9において、この発明の実施の形態2に係るレーザ画像計測装置は、基準となる変調信号を発生する発振器1と、レーザ光を発生するレーザ装置2と、変調信号に基づいてレーザ光に強度変調をかける変調器3と、レーザ光を走査し、走査角度に相当する電気信号を発生する角度センサの機能をもつレーザ光走査光学系4と、対象物からの反射光を集光して後述する受光器に導く受信光学系5と、反射光を電気信号に変換する受光器6と、変調信号の位相と受光器6で検出した電気信号の位相との位相差を検知する位相検波装置7と、この位相検波装置7によって得られた位相差から距離を導出する距離演算装置8と、角度データと距離データから2次元画像もしくは3次元画像を生成する画像処理装置9とが設けられている。
In FIG. 9, a laser image measuring apparatus according to
また、この発明の実施の形態2に係るレーザ画像計測装置は、レーザ光走査光学系4から取得したビーム走査角の角度データから、受光器6に関するパラメータ、例えば受光器6のバイアス電圧や、受光面の照射角度や位置などを制御する受光器特性補正装置10が設けられている。
Further, the laser image measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention uses the beam scanning angle angle data acquired from the laser beam scanning
つぎに、この実施の形態2に係るレーザ画像計測装置の動作について図面を参照しながら説明する。 Next, the operation of the laser image measurement apparatus according to the second embodiment will be described with reference to the drawings.
図10は、この発明の実施の形態2に係るレーザ画像計測装置におけるレーザ照射スポットと受光器上における反射光集光スポットを示す図である。
FIG. 10 is a diagram showing a laser irradiation spot and a reflected light condensing spot on the light receiver in the laser image measurement apparatus according to
上記の実施の形態1と同様に、発振器1で発生した変調信号に基づいて、レーザ装置2から発生したレーザ光を、変調器3によって強度変調をかけ、レーザ光走査光学系4によってレーザ光101を仰角と方位角に走査する。
Similar to the first embodiment, the laser light generated from the
対象物からの反射光を受信視野102をもつ受信光学系5で集光した後、受光器6で電気信号に変換し、位相検波装置7に出力する。
After the reflected light from the object is collected by the receiving
受光器6は、図10のレーザ照射スポット103と受光器6上における集光スポット104のように、レーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる。このとき、集光スポット104の位置に対して受信SN比が変化する場合、つまりレーザ光の走査角に対して受信SN比が変化する場合、受光器特性補正装置10は受光器6に対してその変化を補正するような制御信号を送り、受光器6はその変化の補正を行う。
The
例えば、レーザ光走査角に対して集光スポット104の位置がずれる場合、受光面上における集光径が変化し、受光面より集光径が大きくなると受信SN比が低下してしまう。これは、レーザ光走査光学系4の振れ角が大きいときに現れやすく、集光スポット104の位置は受光面より手前にきてしまう。そこで、図10に示すように、ビーム走査角に対して集光スポット104の位置を予め測定しておき、レーザ光走査角度に対して受光器6の角度を制御する。
For example, when the position of the condensing
位相検波装置7は、受光器6によって得られた電気信号をアンプ71によって増幅した後、0°分配器72によって分岐する。一方、発振器1で発生される変調信号を、位相が同相と直交するように90°分配器73で分岐し、それぞれ増幅した電気信号とミキシングして、フィルタ76、77を通して同相検波信号105と直交検波信号106を生成する。
The
距離演算装置8は、得られた同相検波信号105と直交検波信号106より反射光の位相を導出し、レーザ出射端の位相との差から対象物の視線方向の距離を導出する。
The
その後、画像処理装置9は、レーザ光走査光学系4で得られた角度データと距離演算装置8で得られた距離データを用いて2次元画像や、3次元画像を生成する。
Thereafter, the
本実施の形態に係るレーザ画像計測装置のように、受光器特性補正装置10で受光器6を制御することにより、レーザ光走査角に対して集光スポット104の位置がずれ、受光面より集光径が大きくなって受信SN比が低下する場合など、その受信SN比の低下を軽減することができる。
As in the laser image measurement device according to the present embodiment, the
なお、図10では受光器6に制御信号を送り、受光器6の角度を制御して集光スポット104の位置に対する受信SN比低下を改善する構成としているが、受光器6を光軸と直交する2軸方向に移動して受信SN比を改善する構成でもよい。また、受光感度が受光面上で変化する場合、受光器特性補正装置10の出力をアンプ71に送り、アンプ71の増幅度を制御して受光感度を一定とする構成や、増幅機能をもつ受光器6の場合には受光器6の増幅度を制御する構成などでもよい。さらに、画像処理装置9に受光器特性補正装置10の制御信号を送り、信号処理によって補正してもよい。
In FIG. 10, a control signal is sent to the
また、上記の実施の形態1と同様に、図3の長辺のみをレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するような長尺の受光器6を用いてもよし、さらにレーザ光走査光学系4により1次元のみ走査してもよい。
Further, as in the first embodiment, a
実施の形態3.
この発明の実施の形態3に係るレーザ画像計測装置について図11から図13までを参照しながら説明する。
A laser image measurement apparatus according to
上記の実施の形態1に係るレーザ画像計測装置の距離計測に関して、発振器1から発生される変調周波数の1周期に相当する距離毎に同じ位相が検出され、測定可能な絶対距離に制限がある。そこで、この実施の形態3に係るレーザ画像計測装置は、上記課題を克服することを目的としたものである。 Regarding the distance measurement of the laser image measurement device according to the first embodiment, the same phase is detected for each distance corresponding to one period of the modulation frequency generated from the oscillator 1, and the measurable absolute distance is limited. Therefore, the laser image measurement device according to the third embodiment aims to overcome the above-described problems.
図11は、この発明の実施の形態3に係るレーザ画像計測装置の構成を示すブロック図である。
FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of a laser image measurement apparatus according to
図11において、この発明の実施の形態3に係るレーザ画像計測装置は、基準となる変調信号を発生する発振器1A、1Bと、レーザ光を発生するレーザ装置2A、2Bと、変調信号に基づいてレーザ光に強度変調をかける変調器3A、3Bと、レーザ光を走査し、走査角度に相当する電気信号を発生する角度センサの機能をもつレーザ光走査光学系4と、対象物からの反射光を集光して後述する受光器に導く受信光学系5と、反射光を電気信号に変換する受光器6と、変調信号の位相と受光器6で検出した電気信号の位相との位相差を検知する位相検波装置7Aと、この位相検波装置7Aによって得られた位相差から距離を導出する距離演算装置8と、角度データと距離データから2次元画像もしくは3次元画像を生成する画像処理装置9とが設けられている。
In FIG. 11, a laser image measurement device according to
発振器1Aと発振器1Bは、それぞれ基準となる変調信号205と変調信号206を発生する。レーザ装置2Aとレーザ装置2Bは、それぞれ異なる波長でレーザ光を発生する。また、変調器3Aと変調器3Bは、それぞれ変調信号205と変調信号206に基づいてレーザ光に強度変調をかける。レーザ光走査光学系4は、2つのレーザ光を合波してレーザ光を走査し、走査角度に相当する電気信号を発生する角度センサの機能をもつ。
The
図12は、この発明の実施の形態3に係るレーザ画像計測装置の位相検波装置の構成を示すブロック図である。
FIG. 12 is a block diagram showing the configuration of the phase detector of the laser image measurement device according to
図12において、位相検波装置7Aは、受光器6によって得られた電気信号を増幅するアンプ71と、増幅された電気信号を同相で分岐する0°分配器72と、0°分配器78と、0°分配器79と、発振器1A、1Bで発生した変調信号を、その位相が同相と直交するよう分岐する90°分配器73A、73Bと、変調信号と増幅された受光器6の電気信号をミキシングするミキサ74A、74Bと、ミキサ75A、75Bと、発振器1A、1Bから発生する変調信号に基づく帯域の信号のみを透過するフィルタ76A、76Bと、フィルタ77A、77Bとが設けられている。
In FIG. 12, a
0°分配器72、78、79は、アンプ71で増幅された電気信号を同相で分岐する。90°分配器73A、90°分配器73Bは、それぞれ変調信号205と変調信号206を、その位相が同相と直交するよう分岐する。ミキサ74A、74Bとミキサ75A、75Bは、それぞれ変調信号205、変調信号206と、増幅された受光器6の電気信号をミキシングする。フィルタ76A、76B、フィルタ77A、77Bは、それぞれ変調信号205と変調信号206に基づく帯域の信号のみを透過する。
The 0 °
つぎに、この実施の形態3に係るレーザ画像計測装置の動作について図面を参照しながら説明する。 Next, the operation of the laser image measurement apparatus according to the third embodiment will be described with reference to the drawings.
図13は、この発明の実施の形態3に係るレーザ画像計測装置において変調信号で測定される位相差を示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing a phase difference measured with a modulation signal in the laser image measurement apparatus according to
発振器1Aと発振器1Bで発生した変調信号205と変調信号206に基づいて、レーザ装置2Aとレーザ装置2Bから発生したレーザ光aとレーザ光bを、変調器3Aと変調器3Bによって変調をかけ、合波後にレーザ光走査光学系4によってレーザ光101を仰角と方位角に走査する。
Based on the
対象物から反射した光を受信光学系5で集光した後、受光器6で電気信号に変換し、位相検波装置7Aに出力する。
After the light reflected from the object is collected by the receiving
位相検波装置7Aでは、変調信号205と変調信号206を基に、変調信号205に対する同相検波信号201と変調信号205に対する直交検波号202、変調信号206に対する同相検波信号203と変調信号206に対する直交検波信号204を生成する。
In the
受光器6は、図2のレーザ照射スポット103と受光器6上における集光スポット104のように、レーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる。
The
位相検波装置7Aは、受光器6によって得られた電気信号をアンプ71によって増幅した後、0°分配器72、78、79によって4つに分岐する。一方、発振器1Aと発振器1Bで発生した変調信号205と変調信号206を、位相が同相と直交するように90°分配器73A、90°分配器73Bでそれぞれ分岐し、それぞれ増幅した電気信号とミキシングして、フィルタ76A、76B、フィルタ77A、77Bを通して、変調信号205に対する同相検波信号201と変調信号205に対する直交検波号202、変調信号206に対する同相検波信号203と変調信号206に対する直交検波信号204を生成する。
The
距離演算装置8は、得られた変調信号205に対する同相検波信号201と変調信号205に対する直交検波号202、変調信号206に対する同相検波信号203と変調信号206に対する直交検波信号204より、反射光の位相を導出し、レーザ出射端の位相との差から対象物の視線方向の距離を導出する。
The
このときの変調信号205と変調信号206、対象物からの反射信号207と反射信号208の例を図13に示す。また、変調信号205で測定される位相差209と、変調信号206で測定される位相差210が図示されている。対象物の距離が変調信号205の1周期以内に相当する場合、上記の実施の形態1のようにそのまま位相差から距離を導出することができる。一方、変調信号205の1周期分に相当する距離以上の場合、位相が360度回転してしまい、得られる位相差209は正確に導出されない。ここで、波長が長い変調信号206を用い、反射信号208との位相差210より大まかな距離を導出し、変調信号205における位相の回転数を補正することにより、高精度で絶対距離を導出することができる。
FIG. 13 shows examples of the
その後、画像処理装置9は、レーザ光走査光学系4で得られた角度データと距離演算装置8で得られた距離データを用いて2次元画像や、3次元画像を生成する。
Thereafter, the
本実施の形態に係るレーザ画像計測装置のように、対象物までの距離が、波長が短い変調信号205の1周期分に相当する距離以上となっても、波長が長い変調信号206から導出した位相差210を用いて、波長が短い変調信号205から導出した位相の回転数を補正し、高精度で絶対距離を導出することができる。
As with the laser image measurement device according to the present embodiment, even if the distance to the object is equal to or longer than the distance corresponding to one period of the
なお、この実施の形態3では、2種類の発振器、レーザ装置、変調器を用いた例について示したが、2種類以上を用いた構成としてもよい。 In the third embodiment, an example using two types of oscillators, laser devices, and modulators is shown, but a configuration using two or more types may be used.
また、上記の実施の形態1と同様に、図3の長辺のみをレーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信するような長尺の受光器6を用いてもよし、さらにレーザ光走査光学系4により1次元のみ走査してもよい。
Further, as in the first embodiment, a
また、上記の実施の形態2と同様に、受光器特性補正装置10によって受信SN比の低下を軽減する構成としてもよい。
Moreover, it is good also as a structure which reduces the fall of receiving S / N ratio by the light receiver
さらに、上記の実施の形態1と同様に、上記の実施の形態2や、この実施の形態3は、車両検知システムや、ゲート監視装置に適用することができる。 Furthermore, as in the first embodiment, the second embodiment and the third embodiment can be applied to a vehicle detection system and a gate monitoring device.
1、1A、1B 発振器、2、2A、2B レーザ装置、3、3A、3B 変調器、4 レーザ光走査光学系、5 受信光学系、6 受光器、7、7A 位相検波装置、8 距離演算装置、9 画像処理装置、10 受光器特性補正装置。 1, 1A, 1B oscillator, 2, 2A, 2B laser device, 3, 3A, 3B modulator, 4 laser light scanning optical system, 5 reception optical system, 6 light receiver, 7, 7A phase detection device, 8 distance calculation device , 9 Image processing device, 10 Receiver characteristic correction device.
Claims (5)
レーザ光を発生するレーザ装置と、
前記変調信号に基づいて前記レーザ光に強度変調をかける変調器と、
前記変調器により強度変調したレーザ光を走査して照射するとともに、走査角度を発生するレーザ光走査光学系と、
対象物からの反射光を集光する受信光学系と、
レーザ走査範囲における対象物の多点の反射光を受信することができる口径を持ち、前記受信光学系により集光された反射光を電気信号に変換する単素子の受光器と、
前記変調信号の位相と前記受光器で検出した電気信号の位相との位相差を検知する位相検波装置と、
前記位相検波装置によって得られた位相差から前記対象物までの距離を演算する距離演算装置と、
前記走査角度及び距離から2次元画像もしくは3次元画像を生成する画像処理装置と
を備えたことを特徴とするレーザ画像計測装置。 An oscillator that generates a reference continuous wave modulation signal;
A laser device for generating laser light;
A modulator that modulates the intensity of the laser light based on the modulation signal;
A laser beam scanning optical system that scans and irradiates laser light intensity-modulated by the modulator and generates a scanning angle;
A receiving optical system for collecting the reflected light from the object;
A single-element light receiver having a diameter capable of receiving reflected light of multiple points of an object in a laser scanning range, and converting the reflected light collected by the receiving optical system into an electrical signal;
A phase detector for detecting a phase difference between the phase of the modulation signal and the phase of the electrical signal detected by the light receiver;
A distance calculation device for calculating a distance from the phase difference obtained by the phase detection device to the object;
A laser image measurement device comprising: an image processing device that generates a two-dimensional image or a three-dimensional image from the scanning angle and distance.
第1のレーザ光を発生する第1のレーザ装置と、
前記第1の変調信号に基づいて前記第1のレーザ光に強度変調をかける第1の変調器と、
前記第1の変調信号よりも波長が長く、基準となる連続波の第2の変調信号を発生する第2の発振器と、
前記第1のレーザ光と異なる波長の第2のレーザ光を発生する第2のレーザ装置と、
前記第2の変調信号に基づいて前記第2のレーザ光に強度変調をかける第2の変調器と、
前記第1及び第2の変調器により強度変調したレーザ光を合波し、合波したレーザ光を走査して照射するとともに、走査角度を発生するレーザ光走査光学系と、
対象物からの反射光を集光する受信光学系と、
レーザ走査範囲における多点の対象物の反射光を受信することができる口径を持ち、前記受信光学系により集光された反射光を電気信号に変換する単素子の受光器と、
前記第1の変調信号の位相と前記受光器で検出した第1の電気信号の位相との第1の位相差を検知するとともに、前記第2の変調信号の位相と前記受光器で検出した第2の電気信号の位相との第2の位相差を検知する位相検波装置と、
前記位相検波装置によって得られた第1及び第2の位相差から前記対象物までの距離を演算する距離演算装置と、
前記走査角度及び距離から2次元画像もしくは3次元画像を生成する画像処理装置と
を備えたことを特徴とするレーザ画像計測装置。 A first oscillator for generating a reference continuous wave first modulated signal;
A first laser device for generating a first laser beam;
A first modulator that modulates the intensity of the first laser beam based on the first modulation signal;
A second oscillator for generating a reference continuous wave second modulation signal having a wavelength longer than that of the first modulation signal;
A second laser device that generates a second laser beam having a wavelength different from that of the first laser beam;
A second modulator that modulates the intensity of the second laser beam based on the second modulation signal;
A laser beam scanning optical system that combines the laser beams intensity-modulated by the first and second modulators, scans and irradiates the combined laser beams, and generates a scanning angle;
A receiving optical system for collecting the reflected light from the object;
A single-element light receiver having an aperture capable of receiving reflected light of a multipoint object in a laser scanning range, and converting the reflected light collected by the receiving optical system into an electrical signal;
The first phase difference between the phase of the first modulation signal and the phase of the first electric signal detected by the light receiver is detected, and the phase of the second modulation signal and the first phase detected by the light receiver are detected. A phase detector for detecting a second phase difference from the phase of the electrical signal of 2;
A distance calculation device for calculating a distance from the first and second phase differences obtained by the phase detection device to the object;
A laser image measurement device comprising: an image processing device that generates a two-dimensional image or a three-dimensional image from the scanning angle and distance.
ことを特徴とする請求項1又は2記載のレーザ画像計測装置。 The laser image measurement device according to claim 1, further comprising a light receiver characteristic correction device that corrects the characteristics of the light receiver based on the scanning angle.
ことを特徴とする請求項1、2又は3記載のレーザ画像計測装置。 The laser image measurement device according to claim 1, wherein the laser image measurement device is applied to a vehicle detection system.
ことを特徴とする請求項1、2又は3記載のレーザ画像計測装置。 The laser image measurement device according to claim 1, wherein the laser image measurement device is applied to a gate monitoring device.
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