JP2014010089A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステレオカメラの位置ずれが発生した場合でもリアルタイムに測距値を補正する。
【解決手段】対象物４１に向けて所定の間隔を隔てた平行な複数のビーム２４を出射するレーザ照射装置２０と、対象物にて夫々反射した複数のビームによるスポット光を結像させる複数の撮像レンズ１２と、各撮像レンズにより結像された各スポット光を含む対象物に係る複数の画像を撮像する複数の撮像手段１３と、各画像間の視差情報に基づいて対象物までの距離を算出する測距手段３１と、各撮像手段の少なくとも一つの撮像手段上における各スポット光の結像位置の間隔から求まる対象物までの距離に基づいて、測距手段が算出した対象物までの距離を補正する距離補正手段３３と、を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のカメラにて取得した視差画像を用いて測距を行う測距装置に関し、特にカメラの位置ずれにより生じる測距誤差をリアルタイムに補正することが可能な測距装置に関するものである。

従来、計測対象を２つのカメラで撮影し、得られた２つの画像を用いて計測対象までの距離情報を得る「ステレオ測距」技術が知られている。ステレオ測距においては、撮影した２つの画像間に生じる視差を利用して、三角測量の原理により奥行き距離を算出する。
ステレオ測距において視差を求めるためには、ウィンドウマッチングを行って各画像において互いに対応する点（対応点）を探し出す必要がある。

図１５、図１６は、「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図である。ステレオ測距においては、１対の２次元センサと、１対のレンズと、を組み合わせることによりで２つのカメラを構成して、計測対象物のずれ（視差）を検出して三角測量の原理により距離を計測する。
図１５に示すステレオカメラ装置１０６において、同一の光学系からなる２つのカメラ１０２ａ、１０２ｂを配置して、各カメラ１０２にて計測対象物１０１からの光を撮影する場合を考える。
各カメラ１０２（１０２ａ、１０２ｂ）は、計測対象物１０１の光像が入射するレンズ１０３（１０３ａ、１０３ｂ）と、各レンズ１０３に入射した計測対象物１０１の光像（計測対象物像１０４：１０４ａ、１０４ｂ）を撮像する２次元センサ１０５（１０５ａ、１０５ｂ）と、を備えている。

カメラ１０２ａのレンズ１０３ａを通して得た計測対象物像１０４ａと、カメラ１０２ｂのレンズ１０３ｂを通して得た計測対象物像１０４ｂとは、計測対象物１０１上の同一点が視差Δだけずれて２次元センサ１０５ａ、１０５ｂ（図１６）に夫々至り、複数の受光素子（画素）で受光され、電気信号に変換される。
ここでレンズ１０３ａ、１０３ｂの光軸間の距離は基線長と呼ばれる。基線長をＤとし、レンズ１０３と計測対象物１０１との距離をＡ、レンズ１０３の焦点距離をｆとしたとき、Ａ≫ｆであるときには次式が成り立つ。
Ａ＝Ｄｆ／Δ ・・・式（１）
図１５に示すように、基線長Ｄ、およびレンズの焦点距離ｆは既知であるから、視差Δを検出すれば、式（１）より計測対象物１０１までの距離Ａを算出することができる。

上記の方法において、距離Ａを高精度に検出するためには視差Δを高精度に検出する必要がある。特に視差が発生する方向（図１６のＹ方向）にレンズ１０３がずれる「並進ずれ」が発生すると、並進ずれはそのまま視差Δの誤差として表れ、正確な距離を算出できない。一般的に、視差は１画素以下の精度で検出する必要があるため、数μｍ以下の精度で視差を検出しなければならない。しかし、例えば図１５においてレンズ１０３ａが数μｍの並進ずれを生じると、これがそのまま視差Δの誤差となり、正確な距離を算出できない。

特許文献１、特許文献２には、ステレオカメラに位置ずれが発生した場合でも補正を施すことで上記の問題を解消する技術が開示されている。
特許文献１には、ステレオ画像に幾何学的な変換を施すことによって、ステレオカメラの位置ずれを補正する技術が開示されている。位置ずれを調整する場合、補正値検出装置を画像補正装置に接続する。そして、補正専用の調整用パターンを撮像することにより得られたステレオ画像の画角差、回転ずれまたは並進ずれを算出し、算出した値に応じたアフィン変換のパラメータ（画像変換値）を画像補正装置に設定する。このようにして設定されたアフィンパラメータに基づいて画像にアフィン変換を施すことで、ステレオカメラの水平ずれを含む位置ずれを画像処理によって等価的に補正している。
特許文献２には、ステレオカメラの位置ずれをリアルタイムに補正する技術が開示されている。ステレオカメラに映る撮影画像から左右の車線を検出し、距離方向に延びる直線であることを判断して、近似直線の交点から画像の消失点を算出する。この消失点にもとづいて画像を補正することで、正確な距離測定を行うことができる。

しかしながら特許文献１に記載されている装置は、画像補正装置に接続したり、専用の調整用パターンを撮像する必要があるため、リアルタイムに距離を補正することはできない。また、特許文献２においては、画像の消失点を算出することで、リアルタイムに距離を補正することができる。しかし、画像の消失点を得ることができない場合には、距離を補正することができないという問題がある。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、ステレオカメラの位置ずれが発生した場合でもリアルタイムに測距値を補正できる新規な測距装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、対象物に向けて平行な複数のビームを出射する照射装置と、前記対象物にて夫々反射した前記複数のビームによるスポット光を結像させる複数の撮像レンズと、前記各撮像レンズにより結像された前記各スポット光を含む前記対象物に係る複数の画像を撮像する複数の撮像手段と、前記各画像間の視差情報に基づいて前記対象物までの距離を算出する測距手段と、前記各撮像手段の少なくとも一つの撮像手段上における前記各スポット光の結像位置の間隔から求まる前記対象物までの距離に基づいて、前記測距手段が算出した前記対象物までの距離を補正する距離補正手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明では、ビーム間隔が一定に保たれた複数の平行ビームを対象物に照射する。対象物の表面に形成されたスポット光を撮像手段により撮像して、撮像手段上のスポット光の間隔を算出することで、ビームが照射されている対象物までの距離がわかる。合わせて、複数の画像間の視差情報から、対象物までの距離を算出する。スポット光の間隔から得られた距離を利用して、画像間の視差情報から算出した対象物までの距離を補正することで、リアルタイムな補正が可能となる。

本発明の第一の実施形態に係る測距装置を示した模式図である。 図１に示す測距装置の構成図である。 レーザ照射装置から照射される平行ビームと、ステレオカメラにて撮像される画像の関係を説明するための図である。 ステレオカメラからの距離と、２つのスポット間隔の画素数との関係を示すグラフ図である。 三角測量の原理を利用した測距方法を説明する図である。 対象物までの距離Ａと撮像素子上における視差量（ｐｉｘｅｌ）との関係を示したグラフ図である。 並進ずれの補正方法の一例について説明するための図である。 本発明の第二の実施形態に係る測距装置に適用されるレーザ照射装置の模式図である。 本発明の第三の実施形態に係る測距装置に適用されるレーザ照射装置の模式図である。 第三の実施形態の変形例を示すレーザ照射装置の模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、図１０に示したレーザ照射装置の動作を説明するための図である。 偏光回転素子による偏光の回転量と、光分割素子から出射するビーム及び０次光の光強度との関係を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、撮像範囲と撮像範囲内にある障害物との関係を示した図である。 本発明の測距装置における処理の一例を示したフロー図である。 三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図である。 三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
〈第一の実施形態〉
本発明の第一の実施形態に係る測距装置について説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る測距装置を示した模式図である。図２は、図１に示す測距装置の構成図である。本実施形態に係る測距装置は、対象物に形成された複数のスポット光から対象物までの距離（補正基準値）を算出し、補正基準値を利用して、視差画像に基づいて算出した対象物までの距離（測距値）を補正する点に特徴がある。

測距装置１は、図１、及び図２に示すように、互いに視差のある２つの対象物画像を撮像するステレオカメラ１０と、対象物４１に向けて所定の間隔Ｌだけ隔てた平行な２本のビーム２４（２４ａ、２４ｂ）を出射するレーザ照射装置２０（照射装置）と、ステレオカメラ１０にて撮像された画像から対象物４１までの距離（測距値）を算出する測距手段３１を有する制御部３０と、を備えている。
ステレオカメラ１０は、対象物４１にて夫々反射した複数のビーム２４による複数のスポット光２５（２５ａ、２５ｂ）を含む対象物４１の光像を結像させる複数のレンズ１２（１２ａ、１２ｂ：撮像レンズ）と、各レンズ１２により結像された各スポット光２５を含む対象物４１に係る複数の画像を撮像する複数の撮像素子１３（１３ａ、１３ｂ：撮像手段）と、を備えている。なお、撮像素子１３は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元センサである。

制御部３０は、各撮像素子１３にて撮像された２つの画像間の視差情報に基づいて対象物４１までの距離を算出する測距手段３１と、各撮像素子１３の少なくとも一つの撮像素子１３ａ上における各スポット光２５の結像位置の間隔から求まる対象物４１までの距離（補正基準値）に基づいて、測距手段３１が算出した対象物４１までの距離（測距値）を補正する距離補正手段３２と、レーザ照射装置２０を制御する照射制御手段３３と、を備えている。照射制御手段３３は、後述する半導体レーザ２１のオンオフを制御する手段としても機能する。

レーザ照射装置２０は、レーザ光（照明光）を出射する半導体レーザ２１（光源）と、半導体レーザ２１から出射された光を平行光に変換するカップリングレンズ２２と、平行光の一部を透過させ、一部を反射させる光量分割面２３Ａ（ハーフミラー）、及び光量分割面２３Ａを透過した平行光を全反射させる全反射面２３Ｂを備えた光分割素子２３と、を備えている。光量分割面２３Ａと全反射面２３Ｂにて反射した平行光は、間隔Ｌの互いに平行なビーム２４（２４ａ、２４ｂ）として出射される。
ステレオカメラ１０は、角度αの水平画角を有しており（図３参照）、２つのビーム２４は、ステレオカメラ１０の撮像画角内に入るように、その出射方向が調整されている。

本発明の原理について、図３を参照しながら説明する。図３は、レーザ照射装置から照射される平行ビームと、ステレオカメラにて撮像される画像の関係を説明するための図である。
ステレオカメラ１０の水平画角αとレーザ照射装置２０から出射される複数の平行なビーム２４によって形成されるスポット光２５との関係を図２に基づいて説明する。ステレオカメラ１０からの距離がＡ１の位置では、ステレオカメラ１０の水平方向（図２のＹ方向）の撮影範囲Ｂ１は以下の式で表される。
Ｂ１＝２×Ａ１×ｔａｎ（α／２） ・・・式（２）
ステレオカメラ１０からの距離がＡ１の位置にある対象物４１（平面）に向けて平行ビーム２４を照射した時、対象物４１には、各ビームに対応した複数のスポット光２５が形成される。平行ビーム２４の間隔Ｌ、ステレオカメラの撮像素子の画素数をＶＧＡ（６４０×４８０画素）とすると、撮像素子上に結像するスポット光２５の間隔Ｃ１（画素数）は以下の式で表される。
Ｃ１＝（Ｌ／Ｂ１）×６４０（画素）
＝（Ｌ／２×Ａ１ｔａｎ（α／２））×６４０（画素） ・・・式（３）

同様にステレオカメラ１０からの距離がＡ２、Ａ３と変わっていくと、撮像素子上での平行ビーム２４の間隔Ｃ２、Ｃ３は以下のように変わる。
Ｃ２＝（Ｌ／２×Ａ２ｔａｎ（α／２））×６４０（画素） ・・・式（４）
Ｃ３＝（Ｌ／２×Ａ３ｔａｎ（α／２））×６４０（画素） ・・・式（５）
式（１）〜（３）に示すように、間隔Ｃと距離Ａとの間には反比例の関係がある。仮に、ステレオカメラ１０の水平画角α＝５０度、平行ビーム２４の間隔Ｌ＝２０ｍｍであるとき、ステレオカメラ１０からの距離Ａと撮像素子１３上で検出されるスポット光２５の間隔Ｃ（画素数）をグラフ化すると図４のように表される。図４は、ステレオカメラからの距離と、２つのスポット間隔の画素数との関係を示すグラフ図である。なお、図４では距離Ａを横軸、間隔Ｃを縦軸に取っている。

図４からわかるように撮像素子上でのスポット光２５の間隔（画素数）を検出できれば、ステレオカメラ１０から対象物４１までの距離Ａが一意的に決まる。特にこの条件下では距離Ａが２００ｍｍ以下の時は感度が高く、距離Ａが少し変化しただけも撮像素子上でのスポット光２５の間隔（画素数）は大きく変化する。逆に言えば、撮像素子上でのスポット光２５の間隔（画素数）を検出する時に多少の誤差があっても距離Ａは精度良く検出できることになる。
このようにあらかじめビーム間隔Ｌ、ステレオカメラの水平画角α、撮像素子１３の画素数がわかっていれば、撮像素子上に映ったスポット光の間隔（画素数）から精度良く距離を求めることができる。従って平行ビーム２４の間隔から求めた距離を参照すれば、ステレオカメラで位置ずれが発生した場合でもリアルタイムに精度良く補正することができる。

ここでステレオカメラに発生する位置ずれ（特にＹ方向の並進ずれ）によってどのように測距の誤差が発生するかについて説明する。
図５は、「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法を説明する図である。ステレオカメラ１０は、複数の単眼のカメラ１１（１１ａ、１１ｂ）を含んで構成されており、各カメラ１１は、対象物４１の光像が入射する複数のレンズ１２（１２ａ、１２ｂ）と、各レンズ１２により結像された対象物４１に係る複数の画像を撮像する複数の撮像素子１３（１３ａ、１３ｂ：撮像手段）と、を備えている。
レンズ１２ａ、１２ｂの焦点距離をｆ、２つのレンズ１２ａ、１２ｂの光軸間間隔（基線長）をＤ、対象物４１までの距離Ａとすると、得られる視差Δは
Δ＝Ｄｆ／Ａ ・・・式（６）
と表される。一例として、基線長Ｄ＝５ｍｍ、焦点距離ｆ＝１．６ｍｍ、距離Ａ＝２００ｍｍとすると、視差Δ＝０．０４ｍｍとなる。撮像素子１３ａ、１３ｂの１画素のサイズを２μｍとすると、２０画素（＝０．０４ｍｍ／２μｍ）相当の視差が発生することになる。図６は、対象物までの距離Ａと撮像素子上における視差量（ｐｉｘｅｌ）との関係を示したグラフ図である。基線長Ｄ＝５ｍｍ、焦点距離ｆ＝１．６ｍｍ、１画素のサイズが２μｍであるときの、距離Ａと視差Δとの関係を示している。このように、測距手段３１は、視差Δを検出して距離Ａを求める。

上記構成のステレオカメラ１０において、図４に示すように、一方のレンズ１２ｂが＋Ｙ方向に２μｍずれたとする。このとき、視差は０．０４２ｍｍとなり、２１画素（＝０．０４２ｍｍ／２μｍ）相当の視差が発生することになる。距離Ａは式（１）で示したように「Ａ＝Ｄｆ／Δ」で表されるため、視差Δが０．０４２ｍｍの場合、測距手段３１は距離Ａ＝１９０．５ｍｍと算出する。
このようにステレオカメラの一方のレンズのわずかな並進ずれによって、測距手段３１は、２００ｍｍの距離を１９０．５ｍｍと算出し、約５％もの誤差を発生させてしまう。例えば、製造工場の検査工程において、レンズのずれが発生したことに気が付かないまま測距装置を使って検査を続けた場合、誤った検査値を出力して「不良品」を多数発生させてしまうことになる。この「不良品」の中には、真の不良品と、測距装置のレンズのずれが原因で発生した測距ミスにより不良品と判断された正常品と、が混在する可能性がある。このような場合には、もはや真の不良品と、不良品と判断された正常品と、を区別することは困難である。従って、ステレオカメラの出力値はリアルタイムに補正することが望ましい。

先に述べたように少なくとも１つの撮像素子１３上での複数の平行ビーム２４の間隔（画素数）を検出できれば、対象物４１までの距離Ａを求めることができる。この方式はステレオカメラ１０のように２つのカメラ１１を用いて距離を検出する方法ではないため、どちらか一方のカメラ１１のレンズ１２が図中Ｙ軸方向にずれた場合でも、算出される距離に影響を与えない。つまり、一方のレンズ１２がＹ軸方向にずれたとしても、複数の平行なビーム２４の間隔は、対象物４１までの距離に応じた間隔を保って結像するため、平行ビーム２４の間隔を検出することにより得られるレンズ１２と対象物４１との距離を、測距値を補正するための補正基準値とすることができる。

平行ビームの間隔を検出することにより得られるレンズと対象物との距離を利用して、測距値を補正する方法について図７に基づいて説明する。図７は、本発明において使用する並進ずれの補正方法の一例について説明するための図である。
レンズ１２の基線長Ｄ、スポット光２５の間隔を検出することにより得られたレンズ１２と対象物４１との距離Ａ′（補正基準値）、レンズ１２の焦点距離ｆ、レンズ１２の並進ずれが発生していない場合に観察される視差Δ、レンズ１２（１２ａ）のＹ方向の並進ずれｐ、レンズ１２ａが並進ずれを起こしたときに観察される視差Δ′とする。

仮に、ステレオカメラ１０の基線長が（Ｄ＋ｐ）である場合に、視差Δ″を観測して、レンズ１２と対象物４１との距離Ａが求められる場合は、以下の式（７）が成り立つ。
Ａ′＝（Ｄ＋ｐ）ｆ／Δ″ ・・・式（７）
ここで、Ａ′≫ｆ、Ｄ≫ｐである場合には、Δ≒Δ″と書ける。また、並進ずれｐが発生した場合に、撮像素子１３上で観察される視差Δ′は並進ずれｐを含むから、「Δ＝Δ′−ｐ」と表すことができる。従って、式（７）を変形すれば、
Ａ′＝（Ｄ＋ｐ）ｆ／（Δ′−ｐ） ・・・式（８）
これをｐについて解くと、
ｐ＝（Ａ′Δ′−ｆＤ）／（ｆ＋Ａ′） ・・・式（９）
従って、式（９）から得られた並進ずれｐと観察される視差Δ′を用いて、以下の式（１０）により正確な距離Ａを求めることができる。
Ａ＝Ｄｆ／（Δ′−ｐ） ・・・式（１０）

以上のように、本実施形態においては、複数の平行ビーム２４が照射された対象物４１の画像をステレオカメラ１０で撮像する。得られた複数の画像から、測距手段３１が視差に基づいて対象物４１までの距離（測距値）を算出する。また、得られた画像の何れかから距離補正手段３２が、撮像素子上のスポット光２５の間隔に基づいて対象物４１までの距離（補正基準値）を算出する。距離補正手段３２が、得られた測距値と補正基準値とをリアルタイムで比較する。測距値と補正基準値との差異が所定のしきい値を越えて大きくなった場合に、距離補正手段３２は補正基準値を正しい値とみなして、式（９）により並進ずれ量を求め、さらに式（１０）により観察された視差から並進ずれ量を減算することにより補正した測距値を出力する。このようにすることで、ステレオカメラから得られる距離を常に正確に保つことができる。

このように、ステレオカメラで撮影した画像から、複数の平行ビームに基づくスポット光の間隔が撮像素子上で何画素分に相当するかを算出することで、対象物までの距離がわかる。これは２つのカメラで撮影した画像の視差から距離を求めているのではないため、ステレオカメラの位置ずれ（特にＹ方向の並進ずれ）によって影響を受けることは無い。そのため、視差から求めた距離とビーム間隔から求めた距離を比較することでステレオカメラの位置ずれによって生じている誤差を認識することができる。
また、平行ビームが照射された状態で撮像した対象物に係る複数の画像から視差に基づいて測距値を求める。また、撮像された画像のひとつを利用して、平行ビームに基づいて対象物までの距離を算出する。このように、一度の撮影で測距値と補正基準値を並行して算出できる。従って、リアルタイムに測距値を補正することができる。

〈第二の実施形態〉
本発明の第二の実施形態に係る測距装置について、図８に基づいて説明する。図８は、本発明の第二の実施形態に係る測距装置に適用されるレーザ照射装置の模式図である。本実施形態におけるレーザ照射装置は、測距値の補正をするための平行ビームを照射するだけではなく、対象物にパターン光を照射する点に特徴がある。以下、第一の実施形態と同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
上述の通り、ステレオカメラによる測距（ステレオ測距）においては、ウィンドウマッチングにより視差を算出して距離を求める。そのため一対の撮像画像において「対応点」を探し出す必要がある。しかしながら、対象物の表面が一様で輝度値に変化の生じ難い場合は「対応点」を見つけることができないため、視差を求めることができず距離を求めることができない。そのため、本実施形態においは、輝度値に変化の生じ難い対象物までの距離を測距可能にするために、所定のパターン光を照射する。

図８に示すように、レーザ照射装置５０は、カップリングレンズ２２を透過した平行光を３分割する光分割素子５１と、分割された光の１つの光路上に配置されて回折パターン光を生成する回折光学素子５２と、を備えている。
光分割素子５１は、入射した平行光の一部を透過させ、一部を反射させる２つの光量分割面２３Ａ、２３Ｃと、光量分割面２３Ｃを透過した平行光を全反射させる全反射面２３Ｂと、を有している。光量分割面としては、金などの金属板の入射面に所定の間隔で微小な開口部を多数設け、入射面の開口部と遮蔽部分との面積比によって透過率を変化させたポルカドットを用いることができる。
回折光学素子５２は、光量分割面２３Ａと全反射面２３Ｂとの間に配置された光量分割面２３Ｃによって反射した平行光（ビーム２４ｃ）の光路上に配置されている。
レーザ照射装置５０では、半導体レーザ２１から波長λのレーザ光が出射され、カップリングレンズ２２により平行光となる。平行光は光分割素子５１により３つの平行なビーム２４ａ、２４ｂ、２４ｃに分割される。３つのビームのうちの１つであるビーム２４ｃの光路中に回折光学素子５２を配置する。回折光学素子５２に入射したビーム２４ｃは所定のパターン光５３となって対象物に照射される。回折光学素子５２を通過しないビーム２４ａ、２４ｃはそのまま対象物に照射されスポット光２５（２５ａ、２５ｂ）となる。

以上のように本実施形態においては、複数の平行ビームのうちの一つのビームの光路中に回折光学素子を配置した。回折光学素子に入射したビームは所定のパターンを有するビーム（パターン光）に変換されて対象物へと照射される。輝度値に変化の生じにくい対象物の表面にパターン光により模様を形成すると、対象物の表面に輝度値の変化が生じ、ステレオカメラを用いて測距することが可能となる。
従って、本実施形態によれば、撮像素子上に映った平行ビームに基づくスポット光の間隔からリアルタイムに精度良く距離を補正すると同時に、輝度値に変化の生じにくい対象物までの距離も測距可能となる。

〈第三の実施形態〉
本発明の第三の実施形態に係る測距装置について図９に基づいて説明する。図９は、本発明の第三の実施形態に係る測距装置に適用されるレーザ照射装置の模式図である。本実施形態におけるレーザ照射装置は、光分割素子によって２分割された光を用いて、距離補正用のデータを得るための平行ビームと、パターン光とを対象物に照射する点に特徴がある。以下、第一及び第二の実施形態と同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略する。
図９に示すレーザ照射装置６０を構成する光分割素子２３は、カップリングレンズ２２を透過した平行光を、２本の平行なビーム２４ａ、２４ｂとして出射する。一方のビーム２４ｂの光路上には、回折光学素子５２が配置されている。回折光学素子５２は、ビーム２４ｂを回折させたパターン光５３を生成し、対象物４１に向けて照射する。なお、回折光学素子５２を通過しないビーム２４ａは、そのまま対象物４１に照射される。
ビーム２４ｂは、回折光学素子５２にて回折することで所定のパターン光５３となる。このとき、回折光学素子５２に入射したビーム２４ｂは、必ずしも１００％回折するわけではなく、一部の光は回折せずに回折光学素子５２を素通り（透過）する。この光は一般的に０次光（０次回折光）と呼ばれ、回折光学素子５２が存在しない場合と同じ振る舞いをする。つまり、ビーム２４ａと０次光５４は、互いに平行なビームであり、対象物４１にスポット光２５ａ、２５ｃを形成する。従って、２つのスポット光２５の撮像素子１３における結像間隔を取得することで、対象物４１までの距離を算出することができる。

ここで、ビーム２４ａと０次光５４は、適切且つ互いに同等の光強度を有していることが望ましい。その理由は、ビーム２４ａと０次光５４の光強度がパターン光５３よりも強いと、パターン光５３がスポット光２５により打ち消されてしまい、パターン光５３による測距が正確にできなくなるためである。逆に、ビーム２４ａと０次光５４の強度がパターン光５３よりも弱いと、スポット光２５がパターン光５３によって打ち消されてしまい、正確な距離補正ができなくなるためである。

上記問題を解決するレーザ照射装置の一例について図１０に基づいて説明する。図１０は、本実施形態の変形例を示すレーザ照射装置の模式図である。図示するように、レーザ照射装置７０は、カップリングレンズ２２を透過した平行光の偏光方向を回転させる偏光回転素子７１と、偏光回転素子７１を透過した偏光光を２分割する光分割素子７２と、を備えている。光分割素子７２は、入射する光の偏光方向により反射率が異なる偏光膜７２Ａと、偏光膜７２Ａを透過した光を反射させる全反射面７２Ｂと、を備えている。

以下、ビーム２４ａと０次光５４の強度を等しくする原理（方法）について、図１１、及び図１２に基づいて説明する。図１１（ａ）、（ｂ）は、図１０に示したレーザ照射装置の動作を説明するための図である。図１２は、偏光回転素子による偏光の回転量と、光分割素子から出射するビーム及び０次光の光強度との関係を示す図である。
半導体レーザ２１から出射される光は一般的に直線偏光である。以下、半導体レーザ２１がＳ偏光の光を出射する場合の例により説明する。また、光分割素子７２の偏光膜７２Ａは、Ｓ偏光を１００％反射、Ｐ偏光を１００％透過させる性質を持つものとする。
まず、偏光回転素子７１が、入射したＳ偏光をそのまま透過させる場合を考える。図１１（ａ）に示すように、半導体レーザ２１から出射されたＳ偏光の光は、カップリングレンズ２２により平行光となる。平行光は偏光回転素子７１をＳ偏光のまま透過した後、光分割素子７２に入射する。偏光膜７２Ａは、Ｓ偏光を１００％反射するため、光分割素子７２に入射した平行光は偏光膜７２Ａで１００％反射してビーム２４ａとなる。なお、平行光は偏光膜７２Ａで１００％反射するため、回折光学素子５２には入射せず、０次光５４およびパターン光５３は発生しない。

次に偏光回転素子７１を用いて、半導体レーザ２１から出射された直線偏光の偏光方向を９０°回転させることを考える。図１１（ｂ）に示すように、半導体レーザ２１から出射されたＳ偏光はカップリングレンズ２２により平行光となる。平行光は偏光回転素子７１によってＳ偏光からＰ偏光に変換される。Ｐ偏光となった光は光分割素子７２に入射する。偏光膜７２ＡはＰ偏光を１００％透過させるため、光分割素子７２に入射した平行光は偏光膜７２Ａを１００％透過する。さらに平行光は、全反射面７２Ｂで１００％反射して回折光学素子５２に入射する。回折光学素子５２に入射した光は０次光５４およびパターン光５３となって出射される。

このように、光分割素子７２に入射する光がＳ偏光の時は、ビーム２４ａの光強度が強く、Ｐ偏光の時はビーム２４ｂの光強度が強くなる。
ところで、光分割素子７２に入射する光の偏光方向を、偏光回転素子７１によってＳ偏光からＰ偏光へと回転させていくときの光強度の関係は図１０のようになる。全反射面７２Ｂにて反射したビーム２４ｂの光強度が強くなるにつれて、０次光５４も光強度が強くなる。図示するように、ビーム２４ａと０次光５４の光強度が等しくなるのは、Ｓ偏光とＰ偏光の中間（４５°方向）よりややＰ偏光に近い時であることがわかる。

そこで、本発明においては、照射制御手段３３（図１０）によって、ビーム２４ａと０次光５４の光強度が等しくなるように、偏光回転素子７１を制御することによって、偏光方向を調整する。
例えば偏光回転素子７１として１／２波長板を用いれば、１／２波長板を駆動源により機械的に回転させることで、偏光方向を回転させることができる。１／２波長板を回転させてＳ偏光とＰ偏光の中間（４５°方向）よりややＰ偏光に近い状態になるようにすれば、ビーム２４ａの光強度と０次光５４の光強度を等しくすることができる。
なお、回折光学素子５２に入射するビーム２４ｂのうち、何パーセントを０次光５４として出射するかは、回折光学素子５２の溝の形状や深さで調整して設計することが可能である。従って、偏光回転素子７１の回転方向の調整と、回折光学素子５２の溝形状や深さの加工により、ビーム２４ｂと０次光５４の光強度を最適かつ等しくなるように設定することが可能である。

以上説明したように、本実施形態においては、複数の平行ビームのうちの一つのビームの光路中に回折光学素子を配置する。回折光学素子は、入射したビームを所定のパターン光に変換する。このとき、回折光学素子によって回折されずにそのまま回折光学素子を透過してしまう光（０次光）が発生する。０次光と他のビームとは、間隔が一定の互いに平行なビームであるため、０次光とビームが対象物の表面に形成したスポット光を撮影することにより、補正基準値を求めることができる。また、回折パターン光と０次光（に基づくビーム）を生成するビームを共通化できるので、レーザ照射装置の小型化と低コスト化を図ることができる。

〈補正タイミングについて〉
第一乃至第三の実施形態にて説明した平行ビームを利用した測距値の補正タイミングについて、図１３に基づいて説明する。図１３（ａ）〜（ｃ）は、撮像範囲と撮像範囲内にある障害物との関係を示した図である。
測距値の補正を行う際には、ステレオカメラ１０による撮像範囲の全体が、ステレオカメラ１０から等距離にある平面であることが望ましい（図１３（ａ））。このような場合は、撮像範囲の全体においてステレオカメラ１０からの距離が一様となり、ステレオカメラ１０から２つのスポット光２５までの距離が必ず同一となる。従って、平行ビーム２４による２つのスポット光２５から、補正基準とする距離を正確に求めることができる。
上記実施形態に示した測距装置は、何れもステレオカメラを備えているため、ステレオカメラによって撮影画面全面の距離を得ることができる。これにより画面内の遠近分布がわかり、撮影画面全面が平面であるか否か（撮影画面内の障害物の有無）を検知することができる。障害物が無く画面全面が同一の平面となっている時に、対象物に複数の平行ビームを照射して、対象物の表面に形成されたスポット光を撮影することで、正確な補正基準値を得ることができる。

一方、ステレオカメラ１０の撮像範囲内に凹凸がある場合を考える。図１３（ｂ）に示すように、対象物４１上には障害物４３が存在する。このとき、ステレオカメラ１０から障害物４３までの距離はＡ１であるが、ステレオカメラ１０から対象物４１までの距離はＡ２である。
仮に、スポット光２５ａが障害物４３上に形成され、スポット光２５ｂが対象物４１上に形成された場合、スポット光２５ａはスポット光２５ｂに比べて、撮像素子１３上で端部寄りに結像する（図３参照）。これは、これは同じ大きさの物体であっても、手前にある方が大きく写るというカメラの原理によって引き起こされる。このような場合、撮像素子１３上で結像したスポット光２５の間隔（画素数）と、ステレオカメラ１０からスポット光までの距離との相関関係を利用して補正基準値を求めることができない。そのため、正確な補正ができなくなる。従って、複数の平行ビーム２４を撮影するときには、少なくとも平行ビームを照射した面が、ステレオカメラから同一の距離にある平面である必要がある。

図１３（ｃ）は、ステレオカメラ１０の撮像範囲内に凹凸が存在するが、２つのスポット光が同一平面にある場合を示している。このように、複数の平行ビームが並ぶ方向（図１３ではＹ方向）に障害物が無い場合に撮影することが有効である。特に、複数の平行ビームが照射された部分だけではなく、Ｙ方向の撮影画面全体に障害物が無ければ、正確な補正基準値を取得し、測距値を正確に補正することが可能である。
従って、例えば製造工場の検査ラインに設けられた測距装置の出力を補正する場合は、図中上方向に流れるサンプルとサンプル（障害物４３）の隙間のベルトコンベア（対象物４１）上に平行ビーム２４を照射して、スポット光２５を撮影して補正基準値を得れば良い。このような方法であれば、ほぼリアルタイムに補正することができる。特に、サンプルがベルトコンベア上を一定の間隔で流れる場合は、ベルトコンベアが露出するタイミングに合わせてスポット光を撮影すれば良い。
また、例えば複数のスポット光２５が同一平面上にあることを確認するには、２つのスポット光２５までの距離を夫々視差画像に基づいて算出し、ステレオカメラ１０からの距離が同一であることを確認すればよい。各スポット光２５の部分だけではなく、２つのスポット光２５を含む所定の範囲内、又は画面全体についてステレオカメラ１０からの距離が同一であることを確認しても良い。後者の場合は、より正確に測距値を補正できる。
なお、カメラ１１に並進ずれが発生した場合であっても、同一平面上にある物体については同一の視差を生ずる。そのため、撮像範囲のうちの所望の部分が同一平面上にあることを確認することは可能である。

本発明の測距値補正方法の処理フローの一例について説明する。図１４は、本発明の測距装置における処理の一例を示したフロー図である。この例は、補正基準値を得るに相応しい平面にスポット光が照射されているか否かを判断して、測距値を補正するものである。
まず、照射制御手段３３が半導体レーザ２１をオンして、レーザ照射装置２０から平行ビーム２４を出射する（ステップＳ１）。すると、スポット光２５が、ステレオカメラ１０の撮像範囲内にある対象物４１又は障害物４３上に形成される。ステレオカメラ１０の２つのカメラ１１によって夫々スポット光２５を含む画像を撮像する。２つの視差画像から、測距手段３１が２つのスポット光２５までの距離（測距値）をそれぞれ算出する（ステップＳ２）。
距離補正手段３２は、ステレオカメラ１０と２つのスポット光２５までの距離を比較する。比較の結果、スポット光２５ａまでの距離と、スポット光２５ｂまでの距離が異なる場合（ステップＳ３にてＮｏ：図１３（ｂ）参照）、２つのスポット光２５が同一平面上に形成されていないと判断する。この場合は正確な補正基準値を得られず、測距値の補正ができないため、ステップＳ２に戻って再度２つのスポット光２５までの距離を算出する。
２つのスポット光２５までの距離が同一である場合（ステップＳ３にてＹｅｓ：図１３（ａ）又は（ｃ）参照）、距離補正手段３２は、一方の撮像素子１３上に結像したスポット光２５の間隔（画素数）に基づいて、対象物４１までの距離を算出する（ステップＳ４）。

距離補正手段３２は、スポット光２５の間隔（画素数）に基づいて算出した距離（補正基準値）と、測距手段３１が算出した測距値と、を比較し、両者の差が所定のしきい値内に収まっているかを判断する（ステップＳ５）。両者の差がしきい値内に収まっている場合（ステップＳ５にてＮｏ）は、ステレオカメラ１０のレンズ１２に並進ずれが発生していないため、測距値を補正する必要がないと判断して、フローを抜ける。
両者の差がしきい値内に収まっていない場合（ステップＳ５にてＹｅｓ）は、ステレオカメラ１０のレンズ１２に並進ずれが発生しているため、測距値を補正する必要あると判断する。そこで、距離補正手段３２は、式（９）からレンズの並進ずれ量ｐを算出して、測距値の補正式として式（１０）を設定する（ステップＳ６）。以降は、２つのカメラ１１から得られた視差量から、測距値を式（１０）により算出する。

以上のように本実施形態によれば、ビームが同一平面上に照射されていることを確認してから測距値を補正するので、正確な補正が可能となる。特に、ステレオカメラから得られた視差情報を用いて、ビームが同一平面上に照射されていることを確認すれば、適切なタイミングで自動的に測距値を補正できる。

以上述べてきたステレオカメラとレーザ照射装置を有する測距装置は、レーザ照射装置から照射されたビームの間隔を求めることでリアルタイムに距離を補正することができる。従って、製造工場の検査ラインで測距装置を使用しているときに、常に正確な測距値を算出することができる。これにより、検査ラインを止めて定期的な検査や補正を行う必要が無く、生産性を向上させ、かつ正確な検査を実現できる。

１…測距装置、１０…ステレオカメラ、１１…カメラ、１２…レンズ、１３…撮像素子、２０…レーザ照射装置、２１…半導体レーザ、２２…カップリングレンズ、２３…光分割素子、２３Ａ…光量分割面、２３Ｂ…全反射面、２３Ｃ…光量分割面、２４…ビーム、２５…スポット光、３０…制御部、３１…測距手段、３２…距離補正手段、３３…照射制御手段、４１…照射面、４１…対象物、４３…障害物、５０…レーザ照射装置、５１…光分割素子、５２…回折光学素子、５３…パターン光、５４…０次光、６０…レーザ照射装置、７０…レーザ照射装置、７１…偏光回転素子、７２…光分割素子、７２Ａ…偏光膜、７２Ｂ…全反射面、１０１…計測対象物、１０２…カメラ、１０３…レンズ、１０４…計測対象物像、１０５…２次元センサ、１０６…ステレオカメラ装置

特許第３７９２８３２号 特許第４５７３９７７号

Claims (3)

1. 対象物に向けて平行な複数のビームを出射する照射装置と、
   前記対象物にて夫々反射した前記複数のビームによるスポット光を結像させる複数の撮像レンズと、
   前記各撮像レンズにより結像された前記各スポット光を含む前記対象物に係る複数の画像を撮像する複数の撮像手段と、
   前記各画像間の視差情報に基づいて前記対象物までの距離を算出する測距手段と、
   前記各撮像手段の少なくとも一つの撮像手段上における前記各スポット光の結像位置の間隔から求まる前記対象物までの距離に基づいて、前記測距手段が算出した前記対象物までの距離を補正する距離補正手段と、
   を備えたことを特徴とする測距装置。
2. 前記複数のビームのうちの少なくとも一つのビームの光路中に、前記ビームを回折した回折パターン光を生成する回折光学素子を配置したことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
3. 前記複数のスポット光の少なくとも一つが、前記回折パターン光に含まれる０次回折光であることを特徴とする請求項２に記載の測距装置。

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