JP2006046935A - 測距光学装置、測距方法、測距システム、車載用撮像装置および車載用運転支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮像光学系を用いた簡易な構成にも関わらず、移動体において高速に測距を行い、逐次測距結果を出力することが可能な測距光学装置を提供する。
【解決手段】 対象となる物体までの距離を測定する測距光学装置であって、撮像光学系と、撮像素子と、撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に移動させる駆動部と、撮像素子が撮像するタイミングを指定する周期的なタイミング信号を出力する撮像素子制御部と、撮像光学系が往復運動するように駆動部を制御する駆動制御部とを備える。タイミング信号は、撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置のそれぞれ近傍にある場合に出力される周期を持ち、さらに、二つの位置にある場合における夫々の映像信号を用いて、撮像光学系からの物体までの距離を演算する画像処理演算部を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮像光学系と撮像素子を用いて撮像物体の測距をするための測距光学装置、およびその測距光学装置を用いた測距方法、並びにその測距光学装置により測定された距離に応じて操作者が認識すべき情報を生成して呈示する測距システムに関する。また、本発明は、上記測距光学装置を備える車載用撮像装置および上記測距システムを備える車載用運転支援装置に関する。

撮像物体の測距を行うための測距光学装置として、いわゆる三角測距方式に基づいたものが知られている。例えば、特許文献１に記載された三角測距方式では、例えば発光ダイオードからの光を、投光レンズを介して、距離を測定したい測定対象にスポット投光し、その反射光を受光レンズを介して位置検出素子により受光する。位置検出素子により検出された受光位置に基づき、測定対象までの距離を知ることができる。

また、特許文献２は、撮像部を持つ三次元画像生成装置を提案している。特許文献２に記載された三次元画像生成装置は、撮像部と、撮像部を光軸に対して垂直な方向に移動させる移動機構を備えており、三次元画像を撮像する毎に、撮像部を移動させて複数画像を撮像し、それらの画像から視差を演算して三次元画像を生成している。
特開平８−２３３５７１号公報 特開昭６０−２１６２０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された三角測距方式では、投光するための光源や光学系、受光するための光学系や位置検出素子等、測距のための種々の要素が必要である。

一方、自動車の後方確認のために、車載用撮像装置が搭載される場合があるが、そのような場合でも、自動車と後方の物体との間の距離を測定して、映像による観察だけでなく、より正確に距離を知ることも必要である。そのために特許文献１に記載の三角測距方式を採用しようとすると、撮像するための撮像光学系に加え、測距のための光学系も必要で、全体のサイズが大きくなりコンパクト化の障害になる。

また、特許文献２に記載された三次元画像生成装置は、撮像部が静止状態にある場合の三次元画像の生成を意図しており、車載用撮像装置に搭載される測距光学装置などのように、移動体において高速に測距を行い、逐次測距結果を出力するような使用方法は意図されていない。

本発明の目的は、かかる点に鑑み、撮像光学系を用いた簡易な構成にも関わらず、移動体において高速に測距を行い、逐次測距結果を出力することが可能な測距光学装置を提供することである。また、本発明の別の目的は、上記測距光学装置を用いた測距方法を提供することである。また、本発明の別の目的は、上記測距光学装置を用いた測距システムを提供することである。

上記目的の一つは、以下の測距光学装置により達成される。対象となる物体までの距離を測定する測距光学装置であって、物体の像を形成する撮像光学系と、撮像光学系により形成された物体の像を撮像し、電気的な映像信号に変換して出力する撮像素子と、少なくとも撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に移動させる駆動部と、撮像素子が撮像するタイミングを指定するための周期的なタイミング信号を出力する撮像素子制御部と、撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置の間で所定の周期で往復運動するように駆動部を制御する駆動制御部とを備え、タイミング信号は、駆動部により駆動される撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置のそれぞれ近傍にある場合に出力される周期を持ち、さらに、撮像素子から出力される映像信号が入力され、撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置にある場合における夫々の映像信号を用いて、撮像光学系からの物体までの距離を演算する画像処理演算部を備えることを特徴とする。

好ましくは、駆動部は、撮像光学系を光軸に対して一方の側のみに移動させる。このとき、撮像光学系の最短撮像距離における結像倍率をｍ、最短撮像物体から測距分解能距離離れた物体の結像倍率をｍ’、撮像素子の画素ピッチをＰ、撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に片側に移動させる光軸からの距離をδ１としたとき、δ１≧Ｐ／｜ｍ−ｍ’｜であることが望ましい。

好ましくは、駆動部は、撮像光学系を光軸に対して両側に移動させる。このとき、撮像光学系の最短撮像距離における結像倍率をｍ、最短撮像物体から測距分解能距離離れた物体の結像倍率をｍ’、撮像素子の画素ピッチをＰ、撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に両側に移動する光軸からの距離をδ２としたとき、
δ２≧Ｐ／（２｜ｍ−ｍ’｜）であることが望ましい。

また、駆動部は、撮像光学系とともに撮像素子を光軸に対して略垂直方向に移動させてもよい。また、駆動部は、撮像光学系のみを光軸に対して略垂直方向に移動させてもよい。

上記目的の一つは、以下の測距方法により達成される。対象となる物体までの距離を測定する測距方法であって、物体の像を形成する撮像光学系と、撮像光学系により形成された物体の像を撮像し、電気的な映像信号に変換して出力する撮像素子と、少なくとも撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に移動させる駆動部とを用い、撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置の間で所定の周期で往復運動させるとともに、撮像素子により撮像された撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置にある場合における夫々の映像信号を用いて、撮像光学系から物体までの距離を演算する。

上記目的の一つは、以下の測距システムにより達成される。対象となる物体までの距離を測定し、測定された距離に応じて操作者が認識すべき情報を生成して呈示する測距システムであって、物体までの距離を測定する測距光学装置と、測距光学装置により測定された距離に応じて、操作者が認識すべき情報を生成し、生成された情報を操作者へ呈示する呈示手段とを備え、測距光学装置は、物体の像を形成する撮像光学系と、撮像光学系により形成された物体の像を撮像し、電気的な映像信号に変換して出力する撮像素子と、少なくとも撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に移動させる駆動部と、撮像素子が撮像するタイミングを指定するための周期的なタイミング信号を出力する撮像素子制御部と、撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置の間で所定の周期で往復運動するように駆動部を制御する駆動制御部とを備え、タイミング信号は、駆動部により駆動される撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置のそれぞれ近傍にある場合に出力される周期を持ち、さらに、撮像素子から出力される映像信号が入力され、撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置にある場合における夫々の映像信号を用いて、撮像光学系からの物体までの距離を演算する画像処理演算部を含む。

好ましくは、操作者が認識すべき情報は、測距光学装置により測定された距離と予め定められた距離の値とを比較した結果に関する情報である。

好ましくは、呈示手段は、情報を映像として表示する表示装置、情報を光信号として伝達する発光装置及び照明装置、情報を音声信号として伝達するスピーカ、操作者が操作する操作部材への振動を伝達することにより情報を触覚情報として伝達する振動発生装置、の内のいずれかを含む。

好ましくは、呈示手段は、情報を映像として表示する表示装置を含み、当該表示装置は、撮像素子が撮像した映像信号を可視映像として表示可能である。

好ましくは、さらに、呈示手段は、情報を映像として表示する表示装置と、撮像素子から得られる映像信号に対して、撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に移動している期間の映像信号を、撮像光学系が移動する前の映像信号で置き換える処理を行う画像処理装置とを含んでいてもよい。

好ましくは、さらに、呈示手段は、情報を映像として表示する表示装置と、撮像素子から得られる映像信号に対して、撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に移動している期間の映像信号を、撮像光学系が移動する前の映像信号から動き予測を行った映像信号で置き換える処理を行う画像処理装置とを含んでいてもよい。

一例として、画像処理装置は、撮像距離の小さな物体の表示画像を視認性の高い色の線枠で囲んで表示してもよい。他の例として、画像処理装置は、撮像距離の小さな物体の表示画像を視認性の高い色で色変換して表示してもよい。

本発明によれば、撮像光学系を用いた簡易な構成にも関わらず、移動体において高速に測距を行い、逐次測距結果を出力することが可能な測距光学装置を提供することができる。また、本発明によれば、この測距光学装置を用いた測距システム、およびこの測距光学装置を備える測距システムを提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一構成要素には同一の参照符号を付して説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における測距光学装置の概略構成を示す断面図である。光軸１上に、撮像光学系２と撮像素子３が筐体４により一体化されて、撮像光学装置５を構成している。筐体４の側部には永久磁石６、７が配置され、夫々の永久磁石６、７に対向してコイル８、９が配置されている。コイル８、９に駆動電流を流して磁界を発生させれば、永久磁石６、７の磁界との相互作用により、撮像光学装置５が、光軸１に対して略垂直方向に移動する。撮像光学装置５が移動する前後の位置における撮像素子３から得られる夫々の映像信号を、適当な画像処理装置で画像演算することで、物体距離を測距できる。

図２は、図１の測距光学装置による測距の原理を示す図である。図１と同様に、光軸１上に、撮像光学装置を構成する撮像光学系２と撮像素子３が配置されている。物体側には、撮像光学系２から測距分解能距離内の撮像距離Ｓの位置に、高さｈの物体１０が位置している。撮像素子３は、撮像光学系２からその焦点距離Ｓ０離れた位置に配置されている。

撮像光学系２によって、物体１０が撮像素子３上に結像する像１１は、高さが｜ｍｈ｜となる。ｍは結像倍率で、Ｓ０／Ｓである。次に、撮像光学系２と撮像素子３からなる撮像光学装置が、光軸１に対して垂直方向に距離δ移動した状態を、破線により描画された光軸１ａ、および撮像光学系２ａで示す。なお、撮像素子３については、図が煩雑になることを避けるために、移動した状態の図示を省略する。このときの像１１ａの高さ（像１１ａの頂部の光軸１ａからの距離）は、｜ｍ（ｈ＋δ）｜となる。撮像光学装置の移動前後の像高さの差Δｈは、
Δｈ＝｜ｍ（ｈ＋δ）｜−｜ｍｈ｜
＝｜ｍ｜δ
＝｜Ｓ０／Ｓ｜δとなる。従って、
｜Ｓ｜＝｜Ｓ０｜δ／Δｈである。Ｓ０は、ほぼ撮像光学系２の焦点距離に等しい既知の値である。δも、予め決められた既知の値である。従って、撮像素子３上における像高さの差Δｈを求めれば、撮像光学系２から物体１０までの距離を求めることが出来、測距が可能である。Δｈを求めるための、撮像光学装置の移動前後の撮像素子３から得られる映像信号に対する画像演算には、周知のどのような画像処理技術を用いてもよい。

上記の構成は、撮像光学装置５を光軸１に対して略垂直方向に移動させる際、光軸１の片側のみに移動させて、撮像光学装置５が光軸１上にある場合と、光軸１から離れた位置における撮像素子３から得られる各映像信号から物体距離を測距する例である。この場合、片側のみの移動であるので、撮像光学装置５の移動に必要な空間が少なくて済み、測距光学装置が小型になる。

図３は、上記構成の測距光学装置を用いて、物体１０までの距離を求める測距方法を示す。まず、撮像光学系２を含む撮像光学装置５を、光軸１に対して略垂直方向に距離δ移動させる（ステップＳ１）。それにより、撮像素子３から撮像光学系２の移動の前後における夫々の映像信号を得る（ステップＳ２）。次に、得られた撮像光学系２の移動の前後における夫々の映像信号を用いて、画像演算により物体１０の像の高さの変化量Δｈを求める（ステップＳ３）。最後に、撮像光学系２と撮像素子３の間の距離Ｓ０と、距離δと、変化量Δｈとに基づき、物体１０の撮像光学系２からの距離を求める（ステップＳ４）。

図４は、本実施の形態の測距光学装置による測距を実用的に十分な精度で行うための条件について説明するための図である。図２と同様に、光軸１上に、撮像光学装置を構成する撮像光学系２と撮像素子３が配置されている。物体側の最短撮像距離にある位置（最短撮像位置）に、近距離物体１２が位置している。この最短撮像位置から測距分解能距離離れた位置に、遠距離物体１３が位置している。ここで、最短撮像距離とは、測距光学装置に最も近接した撮像可能な位置までの距離として定義され、測距光学装置の各要素の設定条件により決まる。また、測距分解能距離は、最短撮像位置との間の距離を識別可能な最小距離として定義される。

撮像素子３は、近距離物体１２の焦点位置に配置されている。従って遠距離物体１３の結像位置は撮像素子３から物体側よりにあるため、撮像素子３上に許容範囲内のボケ量の像が形成される。この状態における、撮像光学装置の最短撮像距離における結像倍率をｍ、最短撮像位置から測距分解能距離離れた物体の撮像素子３上での結像倍率をｍ’とする。また近距離物体１２と遠距離物体１３の夫々の最大物体高さからの主光線が重なって撮像光学系２の入射瞳に入るように、近距離物体１２の物体高さをａ、遠距離物体１３の物体高さをｂと仮定する。撮像素子３上に形成される夫々の物体に対する像１４の高さは、｜ｍａ｜と｜ｍ’ｂ｜となると共に、｜ｍａ｜＝｜ｍ’ｂ｜である。

次に、撮像光学装置がδ１だけ、光軸１に対して片側のみに略垂直方向に移動した状態について考える。移動後の光軸１ａ上における撮像光学系を２ａとして示す。移動後の撮像素子３上に形成される夫々の物体に対する像１２ａ、１３ａの高さは、｜ｍ（ａ＋δ１）｜と｜ｍ’（ｂ＋δ１）｜となる。像の高さの差Δが撮像素子３の画素ピッチＰより大であれば、物体間距離を識別できる。この関係を（１）式に示す。

Ｐ≦｜ｍ（ａ＋δ１）｜−｜ｍ’（ｂ＋δ１）｜ ・・・（１）
（１）式を展開し整理すると（２）式が得られる。

δ１≧Ｐ／｜ｍ−ｍ’｜ ・・・（２）
測距が必要な最短撮像距離と測距分解能距離、撮像光学系２の焦点距離、及び撮像素子３の画素ピッチＰが設定されれば、（２）式により、測距光学装置を光軸１に対して略垂直方向に移動させるべき移動量δ１を求めることができる。

図５は、本実施の形態の測距光学装置のブロック図である。測距光学装置１５は、撮像光学系２と、撮像素子３と、駆動部１５１と、駆動制御部１５２と、撮像素子制御部１５３と、画像処理演算部１５４とを含む。

駆動部１５１は、コイル８，９であり、撮像光学系２を光軸に対して略垂直な方向に移動させる。駆動制御部１５２は、駆動部１５１に駆動電流を供給するドライバである。駆動制御部１５２は、後述するように、撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置の間で所定の周期で往復運動するように駆動電流を発生させ駆動部１５１に供給する。

撮像素子制御部１５３は、撮像素子３の撮像タイミングを制御するタイマーである。撮像素子制御部１５３からのタイミング信号が、撮像素子３に入力されると、撮像素子３は後述するように機械的あるいは電子シャッタを用いて撮像を行う。また、撮像素子制御部１５３と駆動制御部１５２とは、接続され相互のパルスが関連付けられている。

画像処理演算部１５４は、撮像素子３から出力された映像信号を用いて、撮像光学系から対象となる物体までの距離を演算する。また、画像処理演算部１５４は、駆動制御部１５２と接続されており、駆動制御部１５２から駆動電流を流し始めるタイミングで出力される開始制御信号が入力される。

図６は、本実施の形態の測距光学装置における撮像のタイミング信号と駆動電流との間の関係を示すタイミングチャートである。図６（ａ）は、駆動制御部１５２によって生成される駆動部１５１のコイル８、９に駆動電流を流し始める開始制御信号１０００を示す。図６（ｂ）は、駆動制御部１５２が駆動部１５１に与える駆動電流１００１を示す。図６（ｃ）は、撮像素子の撮像のタイミング信号を示す。いずれのタイミングチャートも、横軸は時間経過を示し、縦軸は電流値あるいは電圧値を示す。また、図７は、本実施の形態の測距光学装置におけるコイル８、９の駆動電流により駆動される撮像光学系の移動を示すタイミングチャートであり、横軸が時間経過、縦軸が位置の変化を示す。

図７において、（イ）で示される部分と（ロ）で示される部分とは、いずれも撮像光学系の速度がゼロになり、移動による撮像のぶれが極小になる位置である。本実施の形態は、タイミング信号により撮像素子３を制御し、（イ）で示される部分での撮像画像（撮影光学系が移動後の映像信号）、（ロ）で示される部分で移動前の撮像画像（撮影光学系が移動前の映像信号）を機械的あるいは電子シャッタを用いて取得する。このように、（イ）で示される部分と（ロ）で示される部分とで映像信号を取得することにより、映像のぶれのない期間の撮像をすることができる。

ただし、駆動される撮像光学系は、慣性により駆動電流の変化に対してある時間遅れて移動するので、駆動電流の変化は位置の変化よりも進んだ位相状態になっている。そこで、撮像光学系が移動する前の映像信号を取り出すためのタイミング信号は、撮像素子３の駆動電流発生の開始制御信号１０００から位置の変化の遅れの位相分１００２だけ遅延させる必要がある。このタイミング信号を、制御信号１００３で示す。制御信号１００３を基準として、撮像光学系が移動した後の映像信号を取り出すためのタイミング信号は、制御信号１００３の半周期後に設定する。このタイミング信号２を、制御信号１００４で示す。制御信号１００３と制御信号１００４とは、一定周期のタイミング信号を構成する。

なお、撮像素子３としてＣＣＤを用いた場合、撮像方式がＮＴＳＣのプログレッシブ方式であれば１５分の１秒間隔で駆動電流の開始制御信号を発生させ、３０分の１秒毎に移動前の映像信号と移動後の映像信号を取り出す。撮像方式がインターレース方式であれば、３０分の１秒間隔で駆動電流の開始制御信号を発生させ、６０分の１秒毎に移動前のフィールド毎の映像信号と移動後のフィールド毎の映像信号を取り出し、走査線の補間により移動前と移動後のフレーム単位の映像信号を作り出すことができる。

以上のように、本実施の形態の測距光学装置によれば、撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置の間で高速に往復運動させ、それぞれの位置にある場合における夫々の映像信号を用いて、撮像光学系からの物体までの距離を演算するので、高速に測距を行い、逐次測距結果を出力することが可能である。また、本実施の形態の測距光学装置によれば、略垂直方向に離れた二つの位置における夫々の映像信号を用いて、撮像光学系からの物体までの距離を演算するので、ぶれの小さい映像信号を用いて距離を演算することができ、高精度である。

（実施の形態２）
実施の形態２における測距光学装置の概略構成は、図１に示したものと同様である。ただし、撮像光学装置を光軸１に対して略垂直方向に移動させる際、光軸１の両側に移動させる点が、実施の形態１とは相違する。光軸１の両側に移動させることにより、撮像光学装置が上側に移動した時と下側に移動した時の撮像素子３から得られる各映像信号から物体距離を測距することができる。両側に移動するので、撮像光学装置をばね性の構造体により支持して簡素な構成とすることができ、低コスト化を実現できる。

図８および図９は、本実施の形態における測距光学装置による測距を実用的に十分な精度で行うための条件について説明するための図である。図８は、図４と実質的に同一である。図４を参照した説明と同様、この状態における、撮像光学装置の最短撮像距離における結像倍率をｍ、近距離物体１２から測距分解能距離離れた遠距離物体１３の撮像素子３上での結像倍率をｍ’とする。また近距離物体１２と遠距離物体１３の夫々の最大物体高さからの主光線が重なって撮像光学系２の入射瞳に入るように近距離物体１２の物体高さをａ、遠距離物体１３の物体高さをｂと仮定する。撮像素子３上に形成される夫々の物体に対する像の高さは｜ｍａ｜と｜ｍ’ｂ｜となると共に、｜ｍａ｜＝｜ｍ’ｂ｜である。

次に、撮像光学装置がδ２だけ、光軸１に対して両側に略垂直方向に移動した状態について考える。図８では光軸１に対してδ２だけ下側に移動し、図９では光軸１に対してδ２だけ上側に移動している。移動後の各光軸１ａ、１ｂ上に夫々移動した、撮像光学系を２ａ、２ｂとして示す。

図８に示される、下側に移動後の撮像素子３上に形成される夫々の物体に対する像１２ａ、１３ａの高さは、｜ｍ（ａ＋δ２）｜と｜ｍ’（ｂ＋δ２）｜となる。また、図９に示される、上側に移動後の夫々の物体に対する像１２ｂ、１３ｂの高さ（像頂部の光軸１ｂからの距離）は、｜ｍ（ａ−δ２）｜と｜ｍ’（ｂ−δ２）｜となる。光軸１に対して略垂直方向に上側と下側に移動したときの像の高さの差が、撮像素子３の画素ピッチＰより大であれば、物体間の距離を識別可能である。この関係を（３）式に示す。

δ２≧Ｐ／（２｜ｍ−ｍ’｜） ・・・（３）
測距が必要な最短撮像距離と測距分解能距離、撮像光学系２の焦点距離、及び撮像素子３の画素ピッチＰが設定されれば、（３）式により、測距光学装置を光軸に対して略垂直方向に移動させるべき移動量δ２を求めることができる。

図１０は、本実施の形態の測距光学装置における撮像のタイミング信号と駆動電流との間の関係を示すタイミングチャートである。なお、実施の形態２にかかる測距光学装置は、実施の形態１にかかる測距光学装置と等しい制御ブロックを持つので、ブロック図の説明は省略し、以下の説明では、実施の形態１と同一の符号を用いて説明する。

図１０（ａ）は、駆動制御部１５２によって生成される駆動部１５１のコイル８、９に駆動電流を流し始める開始制御信号１０２０を示す。図１０（ｂ）は、駆動制御部１５２が駆動部１５１に与える駆動電流１０２１を示す。図１０（ｃ）は、撮像素子の撮像のタイミング信号を示す。いずれのタイミングチャートも、横軸は時間経過を示し、縦軸は電流値あるいは電圧値を示す。また、図１１は、本実施の形態の測距光学装置におけるコイル８、９の駆動電流により駆動される撮像光学系の移動を示すタイミングチャートであり、横軸が時間経過、縦軸が位置の変化を示す。

図１１において、（イ）で示される部分と（ロ）で示される部分とは、いずれも撮像光学系の速度がゼロになり、移動による撮像のぶれが極小になる位置である。本実施の形態は、タイミング信号により撮像素子３を制御し、（イ）で示される部分での撮像画像（撮影光学系が移動後の映像信号）、（ロ）で示される部分で移動前の撮像画像（撮影光学系が移動前の映像信号）を機械的あるいは電子シャッタを用いて取得する。このように、（イ）で示される部分と（ロ）で示される部分とで映像信号を取得することにより、映像のぶれのない期間の撮像をすることができる。

ただし、駆動される撮像光学系は、慣性により駆動電流の変化に対してある時間遅れて移動するので、駆動電流の変化は位置の変化よりも進んだ位相状態になっている。そこで、撮像光学系が移動する前の映像信号を取り出すためのタイミング信号は、撮像素子３の駆動電流発生の開始制御信号１０２０から位置の変化の遅れの位相分１０２２と移動後の位置までの所要時間の位相分１０２３とだけ遅延させる必要がある。このタイミング信号を、制御信号１０２４で示す。制御信号１０２４を基準として、撮像光学系が移動し次の映像信号を取り出すためのタイミング信号は、制御信号１０２４の半周期後に設定する。このタイミング信号２を、制御信号１０２５で示す。制御信号１０２４と制御信号１０２５とは、一定周期のタイミング信号を構成する。

なお、撮像素子３としてＣＣＤを用いた場合、撮像方式がＮＴＳＣのプログレッシブ方式であれば１５分の１秒間隔で駆動電流の開始制御信号を発生させ、３０分の１秒毎に移動前の映像信号と移動後の映像信号を取り出す。撮像方式がインターレース方式であれば、３０分の１秒間隔で駆動電流の開始制御信号を発生させ、６０分の１秒毎に移動前のフィールド毎の映像信号と移動後のフィールド毎の映像信号を取り出し、走査線の補間により移動前と移動後のフレーム単位の映像信号を作り出すことができる。

以上のように、本実施の形態の測距光学装置によれば、撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置の間で高速に往復運動させ、それぞれの位置にある場合における夫々の映像信号を用いて、撮像光学系からの物体までの距離を演算するので、高速に測距を行い、逐次測距結果を出力することが可能である。また、本実施の形態の測距光学装置によれば、略垂直方向に離れた二つの位置における夫々の映像信号を用いて、撮像光学系からの物体までの距離を演算するので、ぶれの小さい映像信号を用いて距離を演算することができ、高精度である。

また、本実施の形態の測距光学装置は、撮像光学系の移動が光軸について対称であるため、撮像光学系の移動のための構成を小さく簡素にすることができ、実施の形態１にかかる測距離装置よりも装置をコンパクトにすることができる。

（実施の形態３）
図１２は、実施の形態３における測距光学装置の概略構成を示す構成図である。光軸１上に、撮像光学系２と撮像素子３が配置されている。この実施の形態では、撮像光学系２と撮像素子３が別個に組み込まれている点が、図１に示した実施の形態１の場合と相違する。従って、図１に示した筐体４が設けられていない。撮像光学系２の側部に永久磁石６、７が設けられ、夫々の永久磁石６、７に対向してコイル８、９が配置されている。コイル８と９に駆動電流を流して磁界を発生させ、永久磁石６、７の磁界との相互作用により、撮像光学系２を光軸１に対して略垂直方向に移動させる点も、実施の形態１の場合と同様である。撮像光学系２が移動する前後の位置における撮像素子３から得られる夫々の映像信号を画像演算することで、物体距離を求めることができる。

この実施の形態においては、駆動される部分が撮像光学系２のみであるため、磁界による相互作用が小さくて済み、駆動電力が小さい、永久磁石６、７やコイル８、９の磁界が小さくても良いなど、低コスト化に有利である。なお、撮像素子３上に形成される像の高さの変化には、撮像光学系２が移動する量が重畳されるが、予めこの量を見込んで、夫々の映像信号を適当な画像処理装置で画像演算することで、物体距離の測距の精度を確保できる。

実施の形態１と同様、撮像光学装置を光軸１に対して略垂直方向に移動させる際、光軸１の片側のみに移動させて、撮像光学装置が光軸１上にある場合と移動した後の位置における撮像素子３から得られる各映像信号から物体距離を測距する構成とすることができる。その場合、片側のみの移動であるので、撮像光学装置の移動に必要な空間が少なくて済み、測距光学装置の小型化を実現できる。

また実施の形態２と同様、撮像光学装置を光軸１に対して略垂直方向に移動させる際、光軸１の両側に移動させて、撮像光学装置が移動する前後の撮像素子３から得られる各映像信号から物体距離を測距することができる。両側に移動するので、撮像光学装置をばね性の構造体で支持することにより簡素な構成とすることができ、低コスト化を実現できる。

（実施の形態４）
実施の形態４における測距システムを、図１３に示す。このシステムは、上述のいずれかの実施の形態に示した構成を有する測距光学装置１５を用いて構成され、更に、画像処理装置１６と、表示装置１７とを備える。

画像処理装置１６は、映像信号記憶部１６２と映像信号切換部１６１とを有する。映像信号記憶部１６２と映像信号切換部１６１とに、撮像素子３から映像信号が入力される。映像信号記憶部１６２には、撮像光学系２が移動する前の映像信号が記憶されて、映像信号切換部１６１に供給される。更に、映像信号切換部１６１には、駆動制御部１５２が撮像光学系２を移動の開始を示す信号が入力される。映像信号切換部１６１は、駆動制御部１５２からの信号を受けたときには、撮像素子３から得られる映像信号を、映像信号記憶部１６２から供給される映像信号に切換えて出力する。

測距時には撮像光学系２が光軸に対して垂直方向に移動するので、その間の撮像画像は、撮像光学系２が光軸上に位置しているときの撮像画像と異なる。そこで、この測距システムでは、測距時に撮像光学系２が光軸に対して垂直方向に移動している期間は、映像信号記憶部１６２からの映像信号を用いることにより、撮像光学系２が光軸上に静止しているのと同等な映像を得ることができる。

画像処理装置１６を、撮像光学系２が移動する前の映像信号により測距時の映像信号を置き換えるのではなく、撮像光学系が移動する前の映像信号から動き予測を行った映像信号で置き換える構成とすることもできる。それにより、撮像光学系が光軸上に静止しているのと同等な映像を得ることができる。更に、物体が動いている場合でも、連続して撮像光学系により撮像しているのと同等な映像信号を得ることができる。また、画像処理演算部１５４から出力される距離情報を、映像信号に重畳して表示してもよい。

（実施の形態５）
実施の形態５における測距システムについて、図１４および図１５を参照して説明する。図１４は、測距システムの表示装置１７における表示窓２１を示し、測距光学装置によって撮像された２つの物体の画像２２と２３が表示されている。画像２２の撮像距離は小さく、画像２３の撮像距離は大きい。表示窓２１上に表示された画像では、撮像時に測距した距離情報に基づき、撮像距離の小さな画像２２が、視認性の高い赤色や黄色に着色された線枠２４によって囲まれ、注意を促すことができる。

本実施の形態の測距システムは、図１５に示すように、上述のいずれかの実施の形態に示した構成を有する測距光学装置１５を用いて構成され、更に、画像処理装置２５を備える。

画像処理装置２６は、距離判断部２６１、線枠映像信号発生部２６２、および映像信号重畳部２６３を有する。映像信号重畳部２６３に、撮像素子３から映像信号が入力される。距離判断部２６１には、画像処理演算部１５４により得られた測距の結果が入力される。距離判断部２６１は、測距の結果の信号に基づき、撮像距離の大きさが所定の値より小さいか否かを判定し、その結果を線枠映像信号発生部２６２に供給する。線枠映像信号発生部２６２は、撮像距離の大きさが所定の値より小さい場合に、当該物体の画像を囲む線枠映像信号を発生して、映像信号重畳部２６３に供給する。映像信号重畳部２６３は、線枠映像信号を撮像素子３からの映像信号に重畳して図１４のような映像信号を表示装置１７に向けて出力する。

線枠映像信号発生部２６２に代えて、撮像距離の小さな画像を、視認性の高い赤色や黄色に色変換して出力する塗りつぶし信号発生部を設けてもよい。それにより、図１６に示すように、線枠映像信号を重畳する代わりに、撮像距離の小さな画像２２ａは、視認性の高い赤色や黄色に色変換されて表示され、注意を促すことができる。

あるいは、図１７に示すように構成してもよい。この測距システムの表示窓２１には、測距光学装置によって撮像された２つの物体の画像２２と２３が、そのまま表示されている。画像処理・演算部により撮像時に測距した距離情報に基づき、例えば、画像２２の撮像距離が所定の値よりも小さいことが検出されると、発音体２９によって警報音を発生することで注意を促すことができる。

（実施の形態６）
図１８は、上記いずれかの実施の形態の測距光学装置を用いて車載用撮像装置３０を構成し、自動車３１に搭載した構成を示す。本発明の測距光学装置は測距と共に撮像も可能であるので、自動車３１の後方に搭載することで、後退時において後方をモニタして後方視界を確保すると同時に、後方の障害物までの測距を行うことができる。

さらに上記いずれかの実施の形態の測距システムを用いて、車載用運転支援装置を構成することができる。車載用運転支援装置は、自動車の前方あるいは後方に測距光学装置を設け、測距光学装置からの映像信号を表示する測距システムの他の部分を、運転席近傍に配置して構成される。車載用運転支援装置により、前方あるいは後方の状況を表示するとともに、測距情報に基づいて、障害物までの距離が小であるときに適切な警告を明示することができる。それにより、障害物と自動車との接触事故を回避するための情報を、運転者に適切に提供することができる。

なお、上記いずれかの実施の形態の測距システムにおいて、画像処理演算部１５４から出力される距離情報は、映像信号の一部として重畳されて用いられる例と、警告音として発生されて用いられる例を示したがこれに限られない。例えば、車載用運転支援装置等に適用した例では、運転者の視界にある位置に発光ダイオード等を設け点灯させたり、車内の照明装置を制御して点灯させたりしてもよい。また、車載用運転支援装置等に適用した例では、警告音の換わりに音声ガイダンスを発音体から発生させてもよい。あるいは、車載用運転支援装置等に適用した例では、ステアリングホイール等の運転者が接触している部分に振動を伝達し注意を促してもよい。

本発明の測距システムは、車載用撮像装置や車載用運転支援装置等に好適である。

実施の形態１における測距光学装置の概略構成を示す断面図 同測距光学装置による測距の原理を示す説明図 同測距光学装置を用いた測距方法を示す流れ図 実施の形態１における測距光学装置による測距の条件を示す説明図 実施の形態１における測距光学装置のブロック図 実施の形態１の測距光学装置における撮像のタイミング信号と駆動電流との間の関係を示すタイミングチャート 実施の形態１の測距光学装置における駆動電流により駆動される撮像光学系の移動を示すタイミングチャート 実施の形態２における測距光学装置による測距の条件を示す説明図 同測距の条件を示す説明図 実施の形態２の測距光学装置における撮像のタイミング信号と駆動電流との間の関係を示すタイミングチャート 実施の形態２の測距光学装置における駆動電流により駆動される撮像光学系の移動を示すタイミングチャート 実施の形態３における測距光学装置の概略構成を示す断面図 実施の形態４における測距システムの構成を示すブロック図 実施の形態５における測距システムの表示状態を示す説明図 実施の形態５における測距システムの構成を示すブロック図 実施の形態５における測距システムの表示状態の変形例を示す説明図 実施の形態５における測距システムの表示状態の他の変形例を示す説明図 実施の形態６における車載用撮像装置を示す説明図

符号の説明

１、１ａ 光軸
２、２ａ 撮像光学系
３ 撮像素子
４ 筐体
５ 撮像光学装置
６、７ 永久磁石
８、９ コイル
１０ 物体
１１、１１ａ 像
１２ 近距離物体
１２ａ 像
１３ 遠距離物体
１３ａ 像
１４ 像
１５ 測距光学装置
１５１ 駆動部
１５２ 駆動制御部
１５３ 撮像素子制御部
１５４ 画像処理演算部
１６ 画像処理装置
１６１ 映像信号切換部
１６２ 映像信号記憶部
１７ 表示装置
２１ 表示窓
２２、２３ 画像
２４ 線枠
２６ 画像処理装置
２６１ 距離判断部
２６２ 線枠映像信号発生部
２６３ 映像信号重畳部
２９ 発音体
３０ 車載用撮像装置
３１ 自動車

Claims (18)

1. 対象となる物体までの距離を測定する測距光学装置であって、
   前記物体の像を形成する撮像光学系と、
   前記撮像光学系により形成された前記物体の像を撮像し、電気的な映像信号に変換して出力する撮像素子と、
   少なくとも前記撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に移動させる駆動部と、
   前記撮像素子が撮像するタイミングを指定するための周期的なタイミング信号を出力する撮像素子制御部と、
   前記撮像光学系が前記光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置の間で所定の周期で往復運動するように前記駆動部を制御する駆動制御部とを備え、
   前記タイミング信号は、前記駆動部により駆動される前記撮像光学系が前記光軸に対して略垂直方向に離れた前記二つの位置のそれぞれ近傍にある場合に出力される周期を持ち、
   さらに、
   前記撮像素子から出力される映像信号が入力され、前記撮像光学系が前記光軸に対して略垂直方向に離れた前記二つの位置にある場合における夫々の前記映像信号を用いて、前記撮像光学系からの前記物体までの距離を演算する画像処理演算部を備えることを特徴とする、測距光学装置。
2. 前記駆動部は、前記撮像光学系を前記光軸に対して一方の側のみに移動させる、請求項１記載の測距光学装置。
3. 前記撮像光学系の最短撮像距離における結像倍率をｍ、最短撮像物体から測距分解能距離離れた物体の結像倍率をｍ’、前記撮像素子の画素ピッチをＰ、前記撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に片側に移動させる光軸からの距離をδ１としたとき、
   δ１≧Ｐ／｜ｍ−ｍ’｜である、請求項２記載の測距光学装置。
4. 前記駆動部は、前記撮像光学系を前記光軸に対して両側に移動させる、請求項１記載の測距光学装置。
5. 前記撮像光学系の最短撮像距離における結像倍率をｍ、最短撮像物体から測距分解能距離離れた物体の結像倍率をｍ’、撮像素子の画素ピッチをＰ、前記撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に両側に移動する光軸からの距離をδ２としたとき、
   δ２≧Ｐ／（２｜ｍ−ｍ’｜）である、請求項４記載の測距光学装置。
6. 前記駆動部は、前記撮像光学系とともに前記撮像素子を前記光軸に対して略垂直方向に移動させる、請求項１記載の測距光学装置。
7. 前記駆動部は、前記撮像光学系のみを前記光軸に対して略垂直方向に移動させる、請求項１記載の測距光学装置。
8. 対象となる物体までの距離を測定する測距方法であって、
   前記物体の像を形成する撮像光学系と、
   前記撮像光学系により形成された前記物体の像を撮像し、電気的な映像信号に変換して出力する撮像素子と、
   少なくとも前記撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に移動させる駆動部とを用い、
   前記撮像光学系を前記光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置の間で所定の周期で往復運動させるとともに、前記撮像素子により撮像された前記撮像光学系が前記光軸に対して略垂直方向に離れた前記二つの位置にある場合における夫々の前記映像信号を用いて、前記撮像光学系から前記物体までの距離を演算する、測距方法。
9. 対象となる物体までの距離を測定し、測定された前記距離に応じて操作者が認識すべき情報を生成して呈示する測距システムであって、
   前記物体までの距離を測定する測距光学装置と、
   前記測距光学装置により測定された前記距離に応じて、操作者が認識すべき情報を生成し、生成された情報を操作者へ呈示する呈示手段とを備え、
   前記測距光学装置は、
   前記物体の像を形成する撮像光学系と、
   前記撮像光学系により形成された前記物体の像を撮像し、電気的な映像信号に変換して出力する撮像素子と、
   少なくとも前記撮像光学系を光軸に対して略垂直方向に移動させる駆動部と、
   前記撮像素子が撮像するタイミングを指定するための周期的なタイミング信号を出力する撮像素子制御部と、
   前記撮像光学系が前記光軸に対して略垂直方向に離れた二つの位置の間で所定の周期で往復運動するように前記駆動部を制御する駆動制御部とを備え、
   前記タイミング信号は、前記駆動部により駆動される前記撮像光学系が前記光軸に対して略垂直方向に離れた前記二つの位置のそれぞれ近傍にある場合に出力される周期を持ち、
   さらに、
   前記撮像素子から出力される映像信号が入力され、前記撮像光学系が前記光軸に対して略垂直方向に離れた前記二つの位置にある場合における夫々の前記映像信号を用いて、前記撮像光学系からの前記物体までの距離を演算する画像処理演算部を含む、測距システム。
10. 前記操作者が認識すべき情報は、前記測距光学装置により測定された前記距離と予め定められた距離の値とを比較した結果に関する情報である、請求項９に記載の測距システム。
11. 前記呈示手段は、情報を映像として表示する表示装置、情報を光信号として伝達する発光装置及び照明装置、情報を音声信号として伝達する発音体、操作者が操作する操作部材への振動を伝達することにより情報を触覚情報として伝達する振動発生装置、の内のいずれかを含む、請求項９に記載の測距システム。
12. 前記呈示手段は、情報を映像として表示する表示装置を含み、当該表示装置は、前記撮像素子が撮像した映像信号を可視映像として表示可能である、請求項９に記載の測距システム。
13. 前記呈示手段は、
    情報を映像として表示する表示装置と、
    前記撮像素子から得られる映像信号に対して、前記撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に移動している期間の映像信号を、前記撮像光学系が移動する前の映像信号で置き換える処理を行う画像処理装置とを含む、請求項１２に記載の測距システム。
14. 前記呈示手段は、
    情報を映像として表示する表示装置と、
    前記撮像素子から得られる映像信号に対して、前記撮像光学系が光軸に対して略垂直方向に移動している期間の映像信号を、前記撮像光学系が移動する前の映像信号から動き予測を行った映像信号で置き換える処理を行う画像処理装置とを含む、請求項１２に記載の測距システム。
15. 前記画像処理装置は、撮像距離の小さな物体の表示画像を視認性の高い色の線枠で囲んで表示する、請求項１３または１４のいずれかに記載の測距システム。
16. 前記画像処理装置は、撮像距離の小さな物体の表示画像を視認性の高い色で色変換して表示する、請求項１３または１４のいずれかに記載の測距システム。
17. 請求項１〜６のいずれか１項記載の測距光学装置を備える、車載用撮像装置。
18. 請求項８〜１５のいずれか１項記載の測距システムを備える、車載用運転支援装置。
    
    

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