JP3546126B2 - 3D shape measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船殻部材、橋、構造部材等の寸法計測等に用いられる3次元形状計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
一般的なレーザ光を用いた3次元形状計測装置では、(1)パルス方式と、(2)位相差方式とがある。
上記(1)のパルス方式は、パルス状のレーザ光を照射し、送信光に対する受信光の時間差を測定し、計測対象までの距離を求め、また、送信方向より計測対象の方位を決定している。
また、(2)の位相差方式では、レーザ光に強度変調を加えて計測対象に照射し、送信光と受信光の位相のずれを測定し、計測対象までの距離を求め、また、送信方向より計測対象の方位を決定している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
従来の3次元形状計測装置において、距離方向の分解能を上げ、且つ、一度に広範囲の領域を計測するには、(1)のパルス方式ではパルス幅を狭くし、(2)の位相差方式では、変調周波数を上げなければならない。
【0004】
(1)のパルス方式においては、反射光を測定する手段のクロック高速化、信号の広帯域化を意味し、装置の複雑化、高価格化に繋がる欠点がある。
また、(2)の位相差方式においては、位相のずれが1波長分以上になると、絶対距離の計測が困難となり、相対距離計測しかできず、一度に計測する領域が制限される。
【0005】
これは、高精度、かつ、広範囲領域での計測は、計測装置を計測対象のそばまで移動させることを意味し、計測システムの大規模化・高価格化、及び反射光を測定する手段のクロック高速化、信号の広帯域化を意味し、且つ、装置の複雑化を意味する。
【0006】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、簡単な構成でありながら、距離方向の分解能を上げ、且つ、一度に広範囲の領域を計測することができる3次元形状計測装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る3次元形状計測装置は、レーザ光を発生するレーザ装置と、前記レーザ装置から出力されるレーザ光を強度変調する変調手段と、前記変調手段により変調されたレーザ光を任意の仰角・方位角方向に走査して計測対象物に照射するスキャナーと、前記スキャナーをスキャニング設定信号に従って制御すると共にスキャナ位置情報を出力するスキャナー制御手段と、前記変調手段により変調されたレーザ光の一部を反射するハーフミラーと、前記ハーフミラーにより反射されたレーザ光を受光する第1の光検出器と、前記計測対象物からのレーザ反射光を受光する第2の光検出器と、前記第1の光検出器及び第2の光検出器を前記レーザ光の強度変調周波数と僅かに異なる周波数でゲイン強度変調するゲイン変調手段と、前記第1の光検出器による検出信号の強度変調周波数とゲイン強度変調周波数との差の低周波信号を選択して参照光として出力する第1の選択手段と、前記第2の光検出器による検出信号の強度変調周波数とゲイン強度変調周波数との差の低周波信号を選択して受光信号として出力する第2の選択手段と、前記第1の選択手段により選択された参照光と前記第2の選択手段により選択された受光信号との位相差を検出し位相差信号として出力する位相差検出手段と、前記位相差検出手段から出力される位相差信号と前記スキャナー制御手段から出力されるスキャナ位置情報とから前記計測対象物の3次元形状を計測する処理手段とを具備したことを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る3次元形状計測装置の構成を示すブロック図である。
図1に示すようにレーザ装置1で発生されたレーザ光2は、変調器3によってアナログ的にレーザ強度変調がかけられる。上記変調器3には、レーザ光強度変調用発振器4より変調用電気信号5が供給される。上記レーザ光強度変調用発振器4は、例えば数〜数100MHzの周波数で発振可能なものであり、ユーザインターフェース6を経由して、ユーザ(測定者)から指定された周波数切替信号7に従って動作する。
【0009】
上記変調器3により変調されたレーザ光は、ハーフミラー8及び集光光学系9を介してxy軸二次元スキャナー10によって、任意の仰角・方位角方向に走査される。このxy軸二次元スキャナー10は、例えば2軸の回転装置例えばステッピングモータ等と、ミラー等の光反射機能を有する部材との組合せによって構成され、スキャナー制御回路11によって制御される。このスキャナー制御回路11は、ユーザインターフェース6を経由して、ユーザ(測定者)から指定されたスキャニング設定信号12に従ってxy軸二次元スキャナー10を制御し、計測対象物13にレーザ光2aを照射する。また、スキャナー制御回路11は、xy軸二次元スキャナー10の位置情報14をユーザインターフェース6へ出力する。
【0010】
また、上記変調器3で変調されたレーザ光は、その一部がハーフミラー8で反射されて光検出器15に入射する。この光検出器15は、ゲイン変調用発振器16により、レーザ光出力の強度変調周波数と僅かに異なる周波数でゲイン強度変調が施されている。例えばレーザ光の変調周波数を50MHzとしたとき、ゲイン変調の変調周波数は、50.03MHzに設定される。上記のように光検出器15で2種の波動の重ね合わせによるビートダウンにより、0.03MHzの低周波信号が発生する。この低周波信号は、ローパスフィルタ17により取り出され、参照信号18として位相差検出回路19へ送られる。
【0011】
そして、上記計測対象物13により反射されたレーザ光2bは、受光レンズ系21を経由して集光され、光検出器22に入射する。この光検出器22は、ゲイン変調用発振器16により上記光検出器15と同様に例えば50.03MHzの周波数で強度変調されており、ビートダウンした結果の0.03MHzの低周波信号を出力する。この光検出器22から出力される低周波信号は、ローパスフィルタ23を経由して受光信号24として位相差検出回路19に入力される。
【0012】
位相差検出回路19は、参照信号18と受光信号24との位相差を検出し、その位相差信号25をユーザインターフェース6へ出力する。このユーザインターフェース6は、スキャナ位置情報14及び位相差信号25に基づいて計測対象物13の3次元情報を表示装置26に出力して表示する。
【0013】
次に上記実施形態の動作について説明する。
レーザ装置1で発生されたレーザ光2は、変調器3に入力され、レーザ光強度変調用発振器4から出力される変調用電気信号5に基づいて例えば50MHzの周波数でアナログ的に強度変調される。変調器3により変調されたレーザ光は、ハーフミラー8及び集光光学系9を介してxy軸二次元スキャナー10によって、任意の仰角・方位角方向に走査される。スキャナー制御回路11は、ユーザインターフェース6を経由して、ユーザ(測定者)から指定されたスキャニング設定信号12に従ってxy軸二次元スキャナー10を制御し、レーザ光2aを方位角方向及び仰角方向に走査して計測対象物13に照射すると共に、xy軸二次元スキャナー10の位置情報14をユーザインターフェース6へ出力する。
【0014】
また、上記変調器3で変調されたレーザ光は、その一部がハーフミラー8で反射されて光検出器15に入射する。この光検出器15は、ゲイン変調用発振器16により、レーザ光出力の強度変調周波数と僅かに異なる周波数でゲイン強度変調が施されているので、その差の低周波信号がローパスフィルタ17により取り出され、参照信号18として位相差検出回路19へ送られる。
【0015】
そして、上記計測対象物13により反射されたレーザ光2bは、受光レンズ系21を経由して集光され、光検出器22に入射する。この光検出器22は、ゲイン変調用発振器16により上記光検出器15と同じ周波数で強度変調されており、ビートダウンした結果の低周波信号がローパスフィルタ23を経由して受光信号24として位相差検出回路19に入力される。
【0016】
図2(a)〜(c)は、上記計測対象物13に照射されるレーザ光出力、光検出器15,22のゲイン、及び光検出器ローパスフィルタ23を経由して取り出される受光信号24、の各グラフを示したものである。
【0017】
上記図2(a)に示す「レーザ光出力」のグラフは、縦軸にレーザ光の出力強度、横軸に時間を示している。このグラフに示されているように、本発明におけるレーザ光の出力は、時間的に強度変調を施している。例えば精度数ミリメートルの形状計測装置においては、通常、数〜数100MHzの周波数に相当する強度変調を用いている。
【0018】
上記図2(b)に示す「検出器ゲイン」のグラフは、縦軸に光検出器15,22のゲイン強度、横軸に時間を示している。すなわち、光検出器15,22のゲインが時間的に強度変調されている状態を示している。
【0019】
図2(c)に示す「受光信号」のグラフは、縦軸に受光信号強度、横軸に時間を示している。
上記のように強度変調が施されたレーザ光出力、及び、このレーザ光出力の強度変調周波数とは僅かに異なる周波数でゲイン強度変調が施された光検出器22を用いた受光信号は、次式にて示される周波数を有する信号となって観測される。
【0020】
ここで、I(t)は受光信号を示しており、ωはレーザ光出力の強度変調周波数、ω′は光検出器22のゲイン強度変調周波数である。また、この際、それぞれの強度変調信号が有している位相差に関する情報は保存される。
【0021】
そして、例えばレーザ光出力の強度変調周波数ωを50MHz、光検出器15,22のゲイン強度変調周波数ω′を50.03MHzを選択すると、光検出器22により受光された信号I(t)は、100.03MHzと、0.03MHzの2つの周波数を有する信号となる。この光検出器22から出力される2つの周波数の信号のうち、0.03MHzの信号がローパスフィルタ23を経由して取り出され、受光信号24として位相差検出回路19へ送られる。この位相差検出回路19は、受光信号24と参照信号18との位相差を検出し、位相差信号25としてユーザインターフェース6へ出力する。このユーザインターフェース6は、上記位相差信号25と、xy軸二次元スキャナー10による計測対象物13への照射位置を示すスキャナ位置情報14とから計測対象物13の3次元形状を求め、表示装置26に表示する。
【0022】
上記信号処理における位相の分解能を0.1°とすると、50MHzに対応する信号では、最小0.83mm(光の速度Cは、C=3*108 (m/s)である。また、計測可能距離Lは、
L=(3*108 /(50*106 ))*(1/2)=3(m)
である。上式における(1/2)は、計測対象物13により反射された光を処理するので、計測対象物13までの距離は1/2となる。位相の分解能を0.1°とした場合、最小の計測精度は、
3(m)/3600=0.83(mm)
の精度での計測が可能になる。
【0023】
【発明の効果】
以上詳記したように本発明によれば、強度変調を施したレーザ光出力、及び、このレーザ光出力の強度変調周波数と僅かに異なる周波数でゲイン強度変調を施した光検出器を用いることによって、ビートダウン回路等の電気回路や、高速クロックによる位相検波回路等を用いることなく高精度化が可能であり、3次元形状計測装置の低価格化並びにシステムの簡便化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る3次元形状計測装置の構成を示すブロック図。
【図2】同実施形態における動作を説明するためのレーザ光出力、光検出器ゲイン、受光信号の各グラフを示す図。
【符号の説明】
1 レーザ装置
2 レーザ光
3 変調器
4 レーザ光強度変調用発振器
6 ユーザインターフェース
8 ハーフミラー
9 集光光学系
10 xy軸二次元スキャナー
11 スキャナー制御回路
13 計測対象物
15 光検出器
16 ゲイン変調用発振器
17 ローパスフィルタ
19 位相差検出回路
21 受光レンズ系
22 光検出器
23 ローパスフィルタ
26 表示装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional shape measuring device used for dimension measurement of hull members, bridges, structural members, and the like.
[0002]
[Prior art]
In a three-dimensional shape measuring apparatus using a general laser beam, there are (1) a pulse method and (2) a phase difference method.
The pulse method of the above (1) irradiates a pulsed laser beam, measures the time difference between the received light and the transmitted light, finds the distance to the measurement target, and determines the direction of the measurement target from the transmission direction. I have.
In the phase difference method (2), the laser light is subjected to intensity modulation and irradiated onto a measurement target, the phase shift between the transmission light and the reception light is measured, the distance to the measurement target is determined, and the transmission direction is determined. The direction of the object to be measured is determined.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional three-dimensional shape measuring apparatus, in order to increase the resolution in the distance direction and measure a wide range at a time, the pulse width is narrowed in the pulse method (1), and the pulse width is reduced in the phase difference method (2). , The modulation frequency must be increased.
[0004]
The pulse method of (1) means that the clock of the means for measuring the reflected light is increased in the clock speed and the signal is broadened, resulting in a drawback that the device becomes complicated and the price increases.
Further, in the phase difference method (2), when the phase shift exceeds one wavelength, it becomes difficult to measure the absolute distance, and only the relative distance can be measured, and the area to be measured at one time is limited.
[0005]
This means that high-precision measurement in a wide area means moving the measuring device to the vicinity of the object to be measured, making the measuring system larger and more expensive, and a clock for measuring the reflected light. It means higher speed, wider signal bandwidth, and more complicated device.
[0006]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and provides a three-dimensional shape measuring apparatus which has a simple configuration, can increase the resolution in the distance direction, and can measure a wide area at a time. The purpose is to do.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
Three-dimensional shape measurement apparatus according to the present invention includes a laser device for generating a laser beam, modulating means for the laser light intensity modulation output from the laser device, any elevation the modulated laser beam by the modulating means A scanner that scans in the azimuth direction and irradiates the object to be measured, scanner control means that controls the scanner according to a scanning setting signal and outputs scanner position information, and part of the laser light modulated by the modulation means a half mirror for reflecting a first photodetector for receiving the laser beam reflected by the half mirror, and a second photodetector for receiving the laser light reflected from the measurement object, the first and gain modulating means for gain intensity modulate the light detector and the second optical detector at a frequency slightly different from the intensity modulation frequency of the laser light, the first Intensity of the first selection means and said second detection signal by the photodetector which outputs a low frequency signal of the difference between the intensity modulation frequency and gain intensity modulation frequency of the detection signal from the light detector as selected and reference light A second selector for selecting a low-frequency signal having a difference between a modulation frequency and a gain intensity modulation frequency and outputting the selected signal as a light receiving signal; and a reference light selected by the first selector and the second selector. Phase difference detection means for detecting a phase difference with the selected light receiving signal and outputting the same as a phase difference signal; and a phase difference signal output from the phase difference detection means and scanner position information output from the scanner control means. Processing means for measuring a three-dimensional shape of the measurement object .
[0008]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a three-dimensional shape measuring apparatus according to one embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, a
[0009]
The laser light modulated by the
[0010]
A part of the laser light modulated by the
[0011]
Then, the laser beam 2 b reflected by the
[0012]
The phase
[0013]
Next, the operation of the above embodiment will be described.
The
[0014]
A part of the laser light modulated by the
[0015]
Then, the laser beam 2 b reflected by the
[0016]
2 (a) to 2 (c) show the laser beam output applied to the
[0017]
In the graph of “laser light output” shown in FIG. 2A, the vertical axis indicates the output intensity of the laser light, and the horizontal axis indicates time. As shown in this graph, the output of the laser light in the present invention is temporally modulated in intensity. For example, in a shape measuring device with an accuracy of several millimeters, intensity modulation corresponding to a frequency of several to several hundred MHz is usually used.
[0018]
In the graph of "detector gain" shown in FIG. 2B, the vertical axis indicates the gain intensity of the
[0019]
In the graph of “light reception signal” shown in FIG. 2C, the vertical axis indicates the light reception signal intensity, and the horizontal axis indicates time.
The laser light output subjected to the intensity modulation as described above and the light receiving signal using the
[0020]
Here, I (t) indicates a light receiving signal, ω is an intensity modulation frequency of the laser light output, and ω ′ is a gain intensity modulation frequency of the
[0021]
When the intensity modulation frequency ω of the laser beam output is selected to be 50 MHz and the gain intensity modulation frequency ω ′ of the
[0022]
Assuming that the phase resolution in the signal processing is 0.1 °, a signal corresponding to 50 MHz has a minimum of 0.83 mm (light speed C is C = 3 * 10 8 (m / s). The possible distance L is
L = (3 * 10 8 / (50 * 10 6 )) * (1/2) = 3 (m)
It is. Since (1/2) in the above equation processes light reflected by the
3 (m) / 3600 = 0.83 (mm)
Measurement with an accuracy of.
[0023]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, by using a laser light output subjected to intensity modulation, and a photodetector subjected to gain intensity modulation at a frequency slightly different from the intensity modulation frequency of the laser light output, The accuracy can be improved without using an electric circuit such as a beat-down circuit, a phase detection circuit using a high-speed clock, and the like, and the cost of the three-dimensional shape measuring apparatus can be reduced and the system can be simplified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view showing respective graphs of a laser light output, a photodetector gain, and a light receiving signal for explaining the operation in the embodiment.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1
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