JPS62291509A

JPS62291509A - 距離測定装置

Info

Publication number: JPS62291509A
Application number: JP13676186A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Tanmachi; 反町　誠宏; Shigeru Yamada; 茂山田; Yasuaki Sakamoto; 康朗坂元
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-06-11
Filing date: 1986-06-11
Publication date: 1987-12-18
Anticipated expiration: 2010-09-27
Also published as: JPH0789057B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】３、発明の詳細な説明く技術分野〉本発明は距離測定装置に関し、特にアクティブ方式によ
り対象物の任意の位置までの距離が測定出来、対象物の
３次元形状の測定にも適用可能な距離測定装置に関する
。

〈従来技術〉従来より、画像センサなどを用いて距離情報や３次元形
状に関する情報を取得する方法として、光切断法（スリ
ット法）、ステレオ法などが知られている。

光切断法は、対象物表面にスリット光を投射し、対象物
面上の投射線を投射方向と別の方向から観測し、対象物
の断面形状、距離などの情報を得るものである。この方
法では、撮像側は固定され、スリット投射方向を少しず
つ換えながら複数枚の画像をスリット１本ごとに撮像し
て３次元情報を取得する。

また、出願人が提案した特願昭５９−４４９２０号など
におけるステレオ法は、像倍率の等しい光学系と組み合
わされた２次元の撮像素子を所定基線長だけ離して配置
し、異なる方向からみた２次元画像を得、２枚の画像情
報のずれから対象物の各位置の高さく撮像系までの距離
）を算出するものである。

ところが、光切断法では、撮像時の°スリット投射方向
の制御が面倒で、撮像に時間がかかる問題がある。また
、複数枚のスリット画像から３次元情報を得るため、処
理する情報量が多く、最終的な情報取得までに多大な時
間を要する欠点があった。

また、ステレオ法ではスリット走査などの制御は必要な
いが、一般に従来方式はパッシブ方式であるため、対象
物表面が滑らかで、一様な輝度を有している場合には２
つの撮像素子で得られる像のコントラストが低下し、２
枚の画像の比較による距離測定が不可能になる問題があ
る。このような測定が不可能になってしまうケースは像
倍率が大きくなる近距離において出現頻度が多く、した
がって、対象物の形状、色、サイズ、距離などが限定さ
れてしまうという欠点を有していた。

〈発明の概要〉本発明の目的は、上記従来の装置の欠点に鑑み、対象物
の種類によらず常時精度の良い測定が可能で、又、比較
的短時間に対象物の任意の位置までの距離や対象物の３
次元情報を得ることが出来る距離測定装置を提供するこ
とにある。

本発明の更なる目的は、上記目的を満足し、且つ測距範
囲が広い距離測定装置を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る距離測定装置は
、光軸を平行に、かつ基線距離隔てて配置された複数の
光学系と、前記の光学系の１つを通して複数のパターン
光束を対象物に照射する光源手段と、対象物上の前記パ
ターン光束による像を前記と異なる光学系を通して受像
する画像センサとを設け、この画像センサにより検出さ
れた前記対象物上のパターン光束による光像の位置から
対象物の所定の位置までの距離を測定する装置であって
、前記複数のパターン光束を対象物に照射する為の第１
の光学系と前記対象物上のパターン光束による像を画像
センサに導く為の第２の光学系のパースペクティブを整
合させたことを特徴としている。

尚、本発明の更なる特徴は以下に示す各実施例に記載さ
れている。又、パースペクティブとは遠近像の倍率変化
の様子を示すもので、パースペクティブを整合させた異
なる２つの光学系は対象物体の距離の変化に対する像の
倍率の変化する割合が等しくなる。

〈実施例〉第１図は本発明に係る距離測定装置の一実施例を示す光
学系概略図である。図中、１はパターン光束照射用のレ
ンズ、２はセンサ上にパターン光束の光像を投影する為
のレンズ、３は光源、４は画像センサ、５は測定の対象
物で、破線及び実線は異なる位置での状態を示している
。６は複数の透光部から成る開ロバターンを有するマス
ク、７は光源３からの光をマスク６に指向するレンズを
示す。又、Ｐｌ及びＰ２は対象物らの異なる位置でのパ
ターン光束の照射位置を、Ｄ、及びＤ２は位置Ｐ１及び
Ｐ２で反射されたパター〉・光束の画像センサ４上の投
射位置を示している。

ここで、レンズ１とレンズ２との光軸は略平行であり、
その間隔は所謂基線長の分だけの長さを有している。

第２図はマスク６の開ロバターンの一例を示したもので
、図示するように、マスク６には細い長方形状のスリッ
ト状の透光部６１，６□・・・が複数個配列されている
。図において、透光部６．．６２・・・はその横方向の
中心を細線ＡＸで示すように、水平方向に疎、垂直方向
に比較的密な配列パターンとなっており、結果として斜
め方向に延びるスリット列を形成している。透光部６０
，６゜・・・の密度、配列は必要な測定精度、使用する
画像センサの縦横の解像力に応じて定めればよいので、
上記のような構成に限定されるものではな（、種々のパ
ターンを使用可能である。マスク６の透光部６１゜６□
・・・の水平方向の密度を第２図のように比較的低くし
たのは、後述のように対象物５の距離により光像の位置
が水平方向に移動するため、検出を行なえる距離範囲を
大きくとるためである。第１図、第２図の構成に於いて
、光源３から出射した光はレンズ７に入射し平行光束と
なってマスク６を照明する。即ち、光源３はレンズ７の
焦点位置に設けられており、レンズ７の対象物側の焦点
位置Ｑと共役な位置である。レンズ７を介して照明され
たマスク６からは、複数の透光部６１，６□・・・から
成る開ロバターンに応じた複数のパターン光束が得られ
、この複数のパターン光束はレンズｌによってその焦点
位置Ｑに一旦集光する。その後、複数のパターン光束は
対象物５を照明し、対象物５の任意の位置、例えば図示
する位置Ｐ、、Ｐ２で反射され、レンズ２を介して画像
センサ４上の所定位置り、、Ｄ２に光像として投射され
る。本実施例に於いては、レンズ１の対象物５側の焦点
位置とレンズ２の対象物５側の主点位置とが同一平面上
に位置する様にレンズｌとレンズ２を配しており、これ
によりレンズｌとレンズ２とのパースクチイブを一致さ
せて画像センサ４上での光点の位置が物体距離の移動に
伴なって常にレンズｌとレンズ２の光軸を含む面に平行
な線上を移動する様にし、正確な光像位置の検出を達成
している。又、パターン光束を得る為の光源手段として
、図示する如き構成を採り、マスク６の透光部６１，６
□、６３・・・・を通過する光束を夫々の透光部６□、
６□、６３・・・に対して一方向からのみ入射させ、レ
ンズ１の瞳径と比較して十分細い光ビームとなったパタ
ーン光束を得ることにより、対象物５の位置が大きく変
化しても対象物５上の光像のぼけを小さくしている。従
って、レンズ２を介して得られる画像センサ４上のパタ
ーン光束の光像のぼけも小さく抑えることが出来、常時
精度良い測定を行なえる。通常対象物５上に投影される
パターン光束の光像の大きさは対象物５の位置に比例す
るが、この比例の度合はレンズｌのパースペクティブに
大きく依存しており、レンズ１．２のパースクチイブを
ほぼ一致させることにより、画像センサ４上での光像の
大きさは実質的に一定となり、周辺部にぼけた像ができ
るもののその強度は極めて小さく光像位置の検出に対し
て影響が少ない。

又、光源３としては発光部が比較的小さいものが望まし
く、発光強度が十分大きいものが得られるのであれば、
第１図の構成では、点光源と見なせる程小さい光源が好
ましい。

さて、ステレオ法の原理から分るように、光像り、、Ｄ
２・・・・の位置は反射点の距離、すなわち対象物５の
位置やその構造により、レンズ１．　２の配置方向に平
行な直線上（基線方向）を移動することになる。したが
って、対象物５表面の測定装置からの距離分布を光像り
、、Ｄ２・・・・の水平方向の密度の分布として検出す
ることが可能となる。すなわち、画像センサ４の出力波
形をコンピュータシステムなどを用いた画像処理装置に
より観測することにより対象物６表面の光像位置（光束
投射点）までの距離を３角測量の原理により容易に求め
ることができる。

第３図は画像センサ４としてＴＶカメラ用の２次元ＣＣ
Ｄセンサを用いた場合の１本の走査線（第２図の細線Ａ
Ｘに対応）の出力波形Ｏを示したものである。ここでは
図の左右方向を画像センサ４の水平方向の距離に対応さ
せである。上記から明らかなように、この走査線と同一
直線上にあるマスク６上の透光部６□、６゜・・・に対
応して出力値が極大値Ｍを示す。１つの透光部６２，６
゜・・・に対応して出現する出力波形の極大値の左右位
置はその位置が限定されており、他の透光部による極大
値出現範囲と分離されているので、透光部６１，６□・
・・を通過した光束の画像センサ４への入射位置は容易
に対応づけることができる。したがって、従来のステレ
オ法におけるように近距離におけるコントラスト低下に
よる測定不能などの不都合を生じることなく、確実に対
象物５の３次元情報を取得することができる。また、従
来のステレオ方式と異なり、光源を用いて照明を行なう
アクティブ方式を採用しているので、近距離の対象物の
測定では光源の光量が小さくて済む利点がある。また、
画像サンセ出力の極大値の大きさから、対象物の光像位
置の傾斜角を推定することも可能である。

以上のようにして、対象物５表面の測定系からの距離を
２次元の画像センサ４を介して測定することができる。

以上の構成によれば、光切断法のように機械的な走査を
行なう必要なく、対象物６全面の３次元情報を１回の画
像読み取りで抽出することができる。

また、後の画像処理も光像の左右方向の分布のもに関し
て行なえばよいので、簡単かつ高速な処理が可能である
。さらに、本実施例によれば、画像センサ４上の構造の
画像をそのまま２値化するなどしてＣＲＴディスプレイ
や、ハードコピー装置に出力して視覚的な３次元表現を
行なうことができる。

本実施例による３次元情報処理方式は、いわば多数の触
針を物体に押し付けて触針の基準面がらの突出量の変化
により物体形状を知覚する方法を光学的に非接触で行な
うものであり、高速がっ正確な処理が可能なため、実時
間処理が必要とされるロボットなどの視覚センサとして
用いることが可能である。特に比較的近距離に配置され
た対象物の形状、姿勢など知覚し、対象物の把握、回避
などの動作を行なわせる場合に有効である。

第４図〜第６図は本発明に係る距離測定装置の他の実施
例を示す光学系概略図である。図中、第１図に示す部材
と同じ部材には同符号が符してあり、第４図に於いて、
１’　、　　Ｑ’　　は夫々パターン光束照射用のレン
ズとそのレンズの焦点位置を示している。

尚、第１図の実施例に於るレンズ１は両凸レンズであっ
たが、レンズ１′　は両凹レンズであり、その焦点位置
はレンズ１′　の光源３側に位置している。

又、第５図及び第６図に於いて、８はＬＥＤ等の小型発
光源Ａ　１．　　Ａ　２・・・を複数個配した光源装置
で、９は光源装置８の各小型発光源Ａ　）　、　　Ａ　
２からの光を受ける複数のレンズ部を備えたレンズアイ
レイを示している。

第４図の実施例は第１図の実施例に於るレンズ１の代わ
りに両凹レンズであるレンズ１′　を配したものを示し
、他の構成は第１図の実施例と同様である。

又、本実施例に於いてもレンズ１′の焦点位置Ｑ′とレ
ンズ２の対象物５側の主点位置とが同一平面上に位置す
る如く構成しており、レンズ１′　とレンズ２とのパー
スペクティブとは一致させている、従って、第１図の実
施例同様の効果を得ることが出来るものである。

第５図の実施例は第４図の実施例の変形例であり、光源
手段の構成が大きく異なる。即ち、第１図や第４図の実
施例に於るレンズ７や光源３を配することなく、第７図
に示す様に光源として複数の発光源部ＡＩ　＋　　Ａ２
・・・を有した光源装置８を備え、夫々の発光部ＡＩ　
ｒ　Ａ２・・・からの光をマスク６、マスク６に近接し
たレンズアレイ９を通過せしめてパターン光束を得るも
のである。ここでは、マスク６の複数の透光部６０，６
□・・・から成る開ロバターンに合わせて発光源部Ａ　
Ｉ　、　　Ａ　２・・・とレンズアレイ９のレンズ部９
８，９゜・・・の構成配置を決めている。従って、夫々
の発光源部Ａ１゜Ａ２・・・から得られる光は効率良く
対応する透光部６０，６□・・・を照明し、複数のパタ
ーン光束がレンズアレイ９を介して細い光ビームとなっ
てレンズ１′　に指向される。本実施例によれば、第１
図及び第４図の実施例に比べて光源手段を小さく出来、
ひいては距離測定装置全体の小型化にも寄与する。

更に光源から得られる光の利用効率も向上する。

第６図の実施例は第１図の実施例の変形例であり、第５
図の実施例同様に光源手段をマスク６と複数の発光源部
Ａ、、Ａ２・・・を有する光源装置８とレンズアレイ９
から構成している。従って第５図の実施例と同様の特徴
を示すものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

又、第５図及び第６図の実施例に於いても、レンズ１′
（又はレンズ１）とレンズ２とのパースペクティブを一
致させており、且つ又、広がり角の小さな細いビームを
パターン光束として用いている為、画像センサ４上での
光像のぼけを小さくし広い範囲に亘って正確な測距が可
能となっている。

また、以上の説明では、簡略化のために、装置の主要部
のみを図示し、光源背面の反射鏡、光源光の透光光学系
、遮閑のための筐体の図示を省略したが、これらの部材
は必要に応じて当業者において従来どおり適当なものを
設ければよい。また光学系は単レンズのみを図示したが
、複数エレメントから成る光学系、ミラーなどを含む光
学系を用いることもできる。

又、以上説明した実施例に於いては、２次元に配列され
た複数の透光部を有する開ロバターンの光像をＣＣＤ等
の２次元画像センサで検出して、制定を行なう方法を示
したが、例えば、複数の透光部を−次元的に所定間隔毎
に配した開ロバターンを対象的に投射し、該開ロバター
ンの光像を長手方向にセンサ列を有する画像センサで受
像して特定の方向に沿った対象物の形状を検知しても良
い。又、対象物からのパターン光束を受ける第２の光学
系を２つ以上とし、測距の視野を広げることも可能であ
り、更に第２の光学系を所定の駆動装置を用いて平行移
動させることによっても測距の視野を広げることが可能
である。又、逆に複数のパターン光束を対象物に照射す
る第１の光学系と光源手段とを所定の駆動装置を用いて
平行移動させても同様の機能を得ることが出来る。

本発明によれば、対象物に照射されるパターン光束は出
来る限り広がり角が小さい細い光ビームであることが好
ましいがその限界は主として画像センサの感度に依存す
る為、使用可能なセンサの感度や光源出力、要求される
測定精度、その他の仕様などに併せて決定される。

又、光学系の倍率や基線長の長さ、即ち第１図の第１の
光学系と第２の光学系との間の距離、マスクの透光部の
ピッチ等は測定すべき測距範囲を考慮して決定すれば良
い。

又、本発明で言う画像センサは、フォトダイオードやＣ
ＣＤ等に代表される全ての光電変換素子を含んでおり、
１次元アレイ、２次元アレイ等配列状態にも限定はない
。

〈発明の効果〉以上、本発明に係る距離測定装置は、ステレオ法にアク
ティブ方式を採用することで対象物の種類や位置によら
ず短時間且つ高精度の測距を達成し、対象物に照射せし
めるパターン光束径を細い光ビームとし、又、照射用の
第１の光学系と受像用の第２の光学系のパースペクティ
ブを一致させることで、広い測定範囲を備えたものであ
る。更に、本発明によれば短時間且つ高精度で対象物か
らの３次元情報を取得することが出来、ロボット等の視
覚センサとして好適な装置を提供している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る距離測定装置の一実施例を示す光
学系概略図。第２図はマスクの開ロバターンの一例を示す図。第３図は画像センサとしてＣＯＤを用いた際の１本の走
査線の出力波形を示す図。第４図〜第６図は本発明に係る距離測定装置の他の実施
例を示す光学系概略図。第７図は第５図及び第６図の実施例に於る光源手段を示
す図。１、　１’　、　　２．　７・・・・レンズ３・・・・
光源４・・・・画像センサ５・・・・対象物６・・・・マスク８・・・・光源手段９・・・・レンズアレイ男６　図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光軸を平行に、かつ基線距離隔てて配置された複
数の光学系と、前記の光学系の１つを通して複数のパタ
ーン光束を対象物に照射する光源手段と、対象物上の前
記パターン光束による像を前記と異なる光学系を通して
受像する画像センサとを設け、この画像センサにより検
出された前記対象物上のパターン光束による光像の位置
から対象物の所定の位置までの距離を測定する装置であ
って、前記複数のパターン光束を対象物に照射する為の
第１の光学系と前記対象物上のパターン光束による像を
画像センサに導く為の第２の光学系のパースペクティブ
を整合させたことを特徴とする距離測定装置。
（２）前記第１の光学系の対象物側焦点と前記第２の光
学系の対象物側主点が略同一平面上に位置することを特
徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の距離測定装置
。