JPS62291511A

JPS62291511A - 距離測定装置

Info

Publication number: JPS62291511A
Application number: JP13676386A
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: JPH0789058B2

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次元形状の測定等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が必要な
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、上記従来の問題点に鑑み、対象物の種
類によらず常に精度良い測定を比較的短時間で行ない得
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、且つ測距の
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、前記光源手段から出射するパターン光束の夫々が前
記の光学系の１つを通過する際、前記の光学系の瞳径と
比較して十分細い光ビームとなる様に構成したことを特
徴としている。

尚、本発明の更なる特徴は以下に示す実施例に載されて
いる。

〈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及び２は基線距離隔てて配
されたレンズで、互いの光軸は平行であり且つ又夫々の
レンズ１，２の物体側主平面は同一平面上に存している
。又、本実施例に於てはレンズ１，２は互いに焦点距離
が等しいものを使用している。３は発光ダイオード、レ
ーザダイオード等の複数の小型発光源３１，３゜・・・
・３ｎを基板上に配置した光源装置、４はＣＣＤ等から
成る画像センサ、５は測距の対象物、６はパターン投射
用のマスクで、遮光性部材に複数の透光部６１，６゜、
・・・・６ｎから成る開ロバターンが設けてあり、レン
ズ１の焦点近傍に配置されている。

第１図において、Ｐ、、Ｐ２は被写体の異なる位置をそ
れぞれ示しており、レンズ１．２の被写界深度はこれら
の２つの位置を充分カバーできる深さを有するものとす
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
、前述したように、マスク６には細い長方形のスリット
状の透光部６ｎが複数個配列されている。

図において、透光部６ｎ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、垂直方向に比鮫的密な配
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６ｎ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６ｎの水平方向の密度を第２図のように
比較的低（したのは、後述のように対象物５の距離によ
り画像センサ４上での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図の構成において、光源装置３で照明され
、透光部６１を通過した光束はレンズ１を通って、対象
物５の位置に応じてそれぞれ対Ｆ）物５上の符号Ｐ１．
Ｐ２に示す位置に光像を結ぶ。そしてＰ、、Ｐ２上の光
像Ｆ、、Ｆ２はそれぞれレンズ２を通って画像センサ４
上の位置り、、Ｄ２に光像を結ぶ。

ステレオ法の原理から分るように、光像Ｄｎの位置は反
射点の距離、すなわち対象物５の位置Ｐｌ　＋Ｐ２の距
離により、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Ｄｎ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
５の表面の光像位置（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。

さて、本実施例に於ては測距可能な距離範囲を拡げる為
に、レンズ１．２の被写界深度を太き（するだけでなく
、対象物５に照射するパターン光束に工夫を施している
。即ち、第１図に於て、マスク６の透光部６１，６□・
・・・６ｎは点光源と見なすことが出来、通常の照明法
によりマスク６の開ロバターンを照明する際、夫々の透
光部６８，６□・・・・６ｎから出射した光は拡散し、
レンズ１の瞳全体を通過してレンズ１を介して対象物５
に指向される。

この様な方法で対象物５にパターン光束を照射すると、
たとえレンズ１に被写界深度の大きいものを使用したと
しても得られる測距範囲には限界があり、画像センサ４
上には開ロバターンの光像のぼけた像が結像されること
になって、光像位置の検出を困難にする。

しかしながら、本実施例では光源装置３をマスク６から
離れた位置に配し、光源装置３上に存する小型発光源３
１，３□・・・・３ｎから出射する光が、夫々対応する
単一の透光部６□、６□・・・・　６ｎを通過し瞳に入
射する様に構成しており、この様に構成することにより
、マスク６を介して得られる複数のパターン光束の夫々
はレンズｌの瞳径と比較して小さな光束径を有し、従っ
て、図示する様に極めて細い光ビームが対象物５に指向
される為に、対象物５が合焦点位置から大きく離れた位
置にあっても画像センサ４上の光像のぼけを小さく抑え
ることが出来た。又、本実施例に於ては各小型発光源３
１．３□・・・・３ｎと対応する夫々の透光部６．。

６□・・・・６ｎとを結ぶ線がレンズ１の中心付近を通
過する様に構成し、各透光部６１，６□・・・・６ｎへ
入射する対応する小型発光源以外からの光はレンズｌの
瞳に入射しない様になっている。尚、必要に応じてマス
ク６の厚さを厚（したり、各透光部６１．６□・・・・
６ｎの間に遮光枠を設けたりして、各小型発光源と透光
部が確実にｌ：ｌに対応する様に構成しても良い。

又、本実施例では対象物５が近距離に存在していても、
測定範囲内に対象物５が位置する場合は、対象物５上に
光源像が合焦状態で結像されることがない様に各要素を
配置しており、測定範囲内であれば常に精度良い距離測
定が可能である。

第３図は画像センサ４としてＴＶカメラ用の２次元ＣＤ
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０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板６の透光部６ｎに対応して出力値
が極大値Ｍを示す。１つの透光部６ｎ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６ｎとその窓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６の任意の位置までの距離
や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、画像セ
ンサ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（、対象物５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みに関し
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。

本実施例による距離測定方式もしくは３次元情報処理力
式は、いわば多数の触針を物体に押し付けて触針の基準
面からの突出１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、高速かつ正確な処
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、姿勢などを知覚
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。

以上では対象物５に対する光束投射パターンを光源およ
びマスク６により形成したが、マスク６の平面位置に指
向性のある点光源を複数配置することによっても同様の
効果を得ることが可能である。

第４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図の実施例と同部材に
は同符号を符してあり、７は微小凸レンズからなるレン
ズアレイ、８はフィールドレンズを示す。

本実施例の距離測定装置は第１図の装置と基本的な構成
が等しく、又、測距の原理も全く同じである。本実施例
と第１図に示した実施例との違いはパターン光束を得る
為の光源手段の構成にあり、第４図に示す如く、光源装
置３とマスク６との間に光源装置３上の小型発光源３１
，３□・・・・３ｎと１：ｌに対応する様に微小凸レン
ズを配したレンズアレイ７を設置し、更に、マスク６を
透過した光束が確実にレンズ１の瞳に入射する様にマス
ク６の後段にフィールドレンズ８を設置している。即ち
、小型発光源３３，３□・・・・３ｎから出射した光は
レンズアレイ７の対応する微小凸レンズの作用で集光さ
れ対応するマスク６の透光部６Ｉ、６□・・・・６ｎに
効率良（指向される。従って、マスク６を介して得られ
るパターン光束の光量を増加させることが出来、画像セ
ンサ４上に投影されろマスク６の開ロバターン像を明る
くして測定感度を向上させる。本実施例に於てもマスク
６の透光部６□、６２・・・６ｎを通過する光束の広が
り角は小さく、対象物５には細い光ビームとしてパター
ン光束が照射される。従って、対象物５の位置Ｐ、、Ｐ
２が大きく異なっていても画像センサ４上の開ロバター
ンの光像のぼけは小さく、常に精度の良い測定が可能で
ある。

又、フィールドレンズ８はマスク６の透光部６．。

６□・・・・６ｎ、レンズアレイ７、光源装置３の小型
発光源３４，３゜・・・・３ｎの位置の整合方法によっ
ては第１図の如く省略することも出来る。

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、信号処理系や連間のための筐体等の図示
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
。更に、上記の各実施例では、２つの同一焦点距離の光
学系を用いる構成を示したが、必要に応じて異なる焦点
距離の光学系を３系統以上を用いることも考えられる。

ただし、諸収差のそろった同一焦点距離の同一の光学系
を用いるのが最も簡単である。

又、上記各実施例では光源として、１枚の基板上に構成
配置したＬＥＤ等の小型発光源のアレイとして示したが
、通常の個別部品を並べて使用することや凸レンズ状の
ガラスで封止した個別部品を並べて第４図のレンズアレ
イ７を省くことも可能である。又、小型発光源アレイの
基板を凸レンズアレイ状の透明体で封止することも考え
られる。

又、以上説明した実施例に於ては、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測定を行なう方法を示した
が、例えば、複数の透光部を１次元に所定間隔毎に配し
た開ロバターンを対象物に投射し、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、仕様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
ＯＤ等に代表される全ての光電変換素子を含んでおり、
−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、アクティブ方式を
採用することで対象物の１種類や位置によとすることに
より、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
ンサとしての好適な装置である。

【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。

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、前記光源手段から出射するパターン光束の夫々
が前記の光学系の１つを通過する際、前記の光学系の瞳
径と比較して十分細い光ビームとなる様に構成したこと
を特徴とする距離測定装置。
（２）前記光源手段が、複数の透光部を有するマスクと
、前記複数の透光部に一対一に対応してマスクを照明す
る複数の発光部から成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。