JPWO2009104381A1 - 測距装置および測距方法 - Google Patents

Abstract

光軸が互いに平行に配置された複数のレンズ（３ａ、３ｂ）を含み、複数のレンズが一体的に形成されたレンズ系（３）と、複数のレンズ（３ａ、３ｂ）のそれぞれに対向する複数の撮像領域（４ａ、４ｂ）を有し、複数の撮像領域において受けた光を電気信号に変換する撮像素子（４）と、撮像素子とレンズ系との間に設けられ、複数のレンズ（３ａ、３ｂ）と実質的に同じ熱膨張係数を有する透明板（６）と、複数のレンズ（３ａ、３ｂ）のそれぞれに対応して透明板に形成され、撮像領域（４ａ、４ｂ）につき１つ映りこむ複数のマーカー（１１ａ、１１ｂ）と、撮像素子から前記電気信号を受け取る信号取得部（２１）と、複数の画像のそれぞれにおけるマーカー（１１ａ、１１ｂ）の位置の情報を用いて前記複数のレンズの光軸の位置を補正し、前記補正された光軸の位置に基づいて三角測量により被写体までの距離を得る画像処理部（２２）とを備える。

Description

本発明は、複数の撮像光学系間の視差によって対象物までの距離を測る測距装置、およびそれを用いた測距方法に関するものである。

対象物までの距離を測定する装置として、双眼測距装置が知られている。双眼測距装置は、自動車の車間距離測定や、カメラの自動焦点システム、３次元形状測定システム等に用いられている。

双眼測距装置には、対象物からの光が入射する双眼光学系と、双眼光学系に入射した光によって像がそれぞれ形成される撮像素子とが設けられている。双眼測距装置を用いれば、一対の双眼光学系に入射した光によって撮像素子に像を形成し、２つの画像の視差を利用して対象物までの距離を測定することができる。

従来、この双眼測距装置としては、一対のレンズが左右または上下に配置され、レンズの各々に１個ずつ対応して設けられた撮像素子にレンズが像を形成する装置が知られている（特許文献１）。

図１０は双眼測距装置の三角測量を説明するための図である。図１０に示すように、被写体９からの光が、第１のレンズ（光学系）３ａおよび第２のレンズ（光学系）３ｂに入射し、第１の撮像面４ａおよび第２の撮像面４ｂに、被写体９の像が形成される。

ここで、被写体９上の点Ｐを測定点とし、この点Ｐが第１のレンズ３ａの光軸上に位置する場合、点Ｐは、第１の撮像面４ａにおける第１のレンズ３ａの光軸の位置に結像される。一方、第２の撮像面４ｂでは、第２のレンズ３ｂの光軸の位置から基線方向にΔだけ離れた点に点Ｐが結像され、このΔは、視差量と呼ばれる。ここで、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂから点Ｐまでの距離（光軸と平行な方向の距離）をｚとし、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂとの光軸間距離である基線長をＢとし、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂの焦点距離をｆとし、視差量をΔとすると、次の様な近似式が成立する。

基線長Ｂおよび焦点距離ｆは既知の値であるため、画像から視差量Δを抽出すれば、被写体９までの距離を得ることができる。視差量Δは、例えば、第１のレンズ３ａから得られた画像（撮像面４ａに形成される像）と第２のレンズ３ｂから得られた画像（撮像面４ｂに形成される像）との間でパターンマッチングを行うことによって抽出することができる。

しかし、測距装置の周辺の温度が変化すると、温度変化に伴って測距装置を構成する各部材が伸縮する。測距装置の構造が複雑であるほど、温度変化によって光軸が複雑に変化し、大きな誤差が発生する。そこで、レンズ間に温度センサを設けて温度計測を行い、この温度変化と、構成材料の線膨張係数とによって光軸間隔を算出し、補正を行う方法が提案されている（特許文献２）。
特開平４-４３９１１号公報 特開平１０-２３２１２８号公報

特許文献２のように線膨張係数と温度センサによって検出した温度とによって一義的に決まる値を用いて補正する方式では、温度センサの特性ばらつき、検出温度に対する基線長変化の遅延、構成材料の線膨張係数のばらつき等によって補正誤差が生じるという問題がある。

また、特許文献１、２の測距装置は、個別に形成された複数のレンズが、互いに離れて配置された構造を有する。これに対し、近年では、複数のレンズが一体的に形成されたレンズアレイ（レンズ系）を有する測距装置が開発されている。このような測距装置では、複数のレンズが離れて配置された測距装置と比較して、部品点数が少なく、取り付けが容易になる。また、小型化が可能になるといった利点もある。

複数のレンズが一体的に形成されたレンズアレイを有する測距装置では、温度変化によってレンズアレイ全体が膨張または収縮するため、温度変化による光軸の変化が大きくなってしまう。光軸の変化が測定値に与える影響は、測距装置が小型であるほど大きくなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、環境温度が変化しても、高精度の測距機能を実現することができる測距装置および測距方法を提供することにある。

本発明の測距装置は、光軸が互いに平行に配置された複数のレンズを含み、前記複数のレンズが一体的に形成されたレンズ系と、前記複数のレンズのそれぞれに対向する複数の撮像領域を有し、前記複数の撮像領域において受けた光を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子と前記レンズ系との間に設けられ、前記複数のレンズと実質的に同じ熱膨張係数を有する透光性を有する平板と、前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、各撮像領域につき１つ映りこむ複数のマーカーと、前記撮像素子から前記電気信号を受け取り、前記複数の撮像領域のそれぞれに形成された複数の画像の画像信号を生成する信号取得部と、前記画像信号を受け取り、前記複数の画像のそれぞれにおける前記マーカーの位置の情報を用いて前記複数のレンズの光軸の位置を補正し、前記補正された光軸の位置に基づいて三角測量により被写体までの距離を得る画像処理部とを備える。

ある実施形態において、前記画像処理部は、マーカー検出処理部、比較演算処理部および補正処理部を備え、前記マーカー検出処理部は、前記複数の画像のそれぞれにおける前記マーカーの位置を、検出マーカー位置として検出し、前記比較演算処理部は、前記複数の画像における前記被写体の位置の相違から、検出視差量を算出し、前記補正処理部は、予め検出しておいた初期マーカー位置および初期光軸位置と、前記検出マーカー位置とから前記光軸の位置を補正し、前記補正した光軸の位置と前記検出視差量とを用いて前記三角測量により前記被写体までの距離を算出する。

ある実施形態において、前記初期マーカー位置および前記初期光軸位置は、前記レンズおよび前記透光性を有する平板が第１の温度のときの位置であり、前記検出マーカー位置は、前記レンズおよび前記透光性を有する平板が第２の温度のときの位置である。

ある実施形態において、前記マーカーは、前記複数の撮像領域のそれぞれの実質的な中心部に映りこむ。

ある実施形態において、前記マーカーは、前記各撮像領域の周辺部に映りこむ第１周辺部マーカーであって、前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、前記各撮像領域の周辺部につき１つ映りこむ複数の第２周辺部マーカーをさらに備え、前記第１周辺部マーカーの前記初期マーカー位置と前記第２周辺部マーカーの初期マーカー位置とを結ぶ直線と実質的に重なるように、前記初期光軸位置が配置されている。

ある実施形態において、前記レンズ系と、前記透光性を有する平板とが、同一の固定方法で、同一の部材によって固定されている。

ある実施形態において、前記マーカーは、前記透光性を有する平板の前記撮像領域側の面に配置されている。

本発明の測距方法は、光軸が互いに平行に配置された複数のレンズを含み、前記複数のレンズが一体的に形成されたレンズ系と、前記複数のレンズのそれぞれに対向する複数の撮像領域を有し、前記複数の撮像領域において受けた光を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子と前記光学系との間に設けられ、前記複数のレンズと実質的に同じ熱膨張係数を有する透光性を有する平板と、前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、各撮像領域につき１つ映りこむ複数のマーカーとを備える測距装置を用いた測距方法であって、前記撮像素子から前記電気信号を受け取り、前記複数の撮像領域のそれぞれに形成された複数の画像の画像信号を生成するステップ（ａ）と、前記複数の画像のそれぞれにおける前記マーカーの位置を、検出マーカー位置として検出するステップ（ｂ）と、前記複数の画像における被写体の位置の相違から、検出視差量を算出するステップ（ｃ）と、予め検出しておいた初期マーカー位置および初期光軸位置と、前記検出マーカー位置とから前記複数のレンズの光軸の位置を補正し、前記補正された光軸の位置と前記検出視差量とを用いて三角測量により前記被写体までの距離を算出するステップ（ｄ）とを包含する。

ある実施形態において、前記マーカーは、前記複数の撮像領域のそれぞれの実質的な中心部に映りこむ。

ある実施形態において、前記マーカーは、前記各撮像領域の周辺部に映りこむ第１周辺部マーカーであって、前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、前記各撮像領域の周辺部につき１つ映りこむ複数の第２周辺部マーカーをさらに備え、前記第１周辺部マーカーの前記初期マーカー位置と前記第２周辺部マーカーの初期マーカー位置とを結ぶ直線と実質的に重なるように、前記初期光軸位置が配置し、前記ステップ（ｂ）において、前記第１周辺部マーカーおよび前記第２周辺部マーカーが前記各撮像領域に映りこむ位置を検出する。

本発明によると、測距装置の周辺の温度が変化しても、マーカーの位置の情報により、複数のレンズの光軸の位置の変化を追跡し、視差量の補正を行うことができる。これにより、周辺の温度変化による誤差が少なくなり、被写体までの距離を高精度に測定することができる。

（ａ）は、本発明による測距装置の第１の実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は、第１の実施形態における透明板６および撮像素子４の配置関係を示す斜視図である。 第１の撮像領域４ａに形成される画像５０ａの例と、第２の撮像領域４ｂに形成される画像５０ｂの例とを示す図である。 信号取得部２１および画像処理部２２内の構成を示すブロック図である 視差量抽出アルゴリズムの基本的な流れを示すフローチャート図である。 第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂから検出した画像５０ａ、５０ｂの検出ブロックを示す図である。 視差量評価値Ｒ（ｋ）と第２の検出ブロック５２の移動画素数ｋとの関係を示すグラフ図である。 （ａ）は、室温Ｔ１℃（初期値）において第１の撮像領域４ａから検出される画像５０ａと、第２の撮像領域４ｂから検出される画像５０ｂとを示す図であり、（ｂ）は、室温Ｔ２℃（変化後の温度）において第１の撮像領域から検出される画像５０ａと、第２の撮像領域から検出される画像５０ｂとを示す図である。 測距装置と被写体との間の距離を一定（１ｍ）に保って周辺温度を変化させたときの、測距装置の測定結果を示すグラフ図である。 （ａ）は、室温Ｔ１℃（初期値）において第１の撮像領域４ａから検出される画像５０ａと、第２の撮像領域４ｂから検出される画像５０ｂとを示す図であり、（ｂ）は、室温Ｔ２℃（変化後の温度）において第１の撮像領域から検出される画像５０ａと、第２の撮像領域から検出される画像５０ｂとを示す図である。 双眼測距装置の三角測量を説明するための図である。

符号の説明

１ 測距装置
２ａ 鏡筒下部
２ｂ 鏡筒上部
３ａ 第１の光学系
３ｂ 第２の光学系
４ 撮像素子
４ａ 第１の撮像領域
４ｂ 第２の撮像領域
５ 回路基板
６ カバー材
７ 遮光板
８ａ 第１の光学系の光軸
８ｂ 第２の光学系の光軸
９ 被写体
１０ａ 第１の撮像領域に結像する光線が通過する領域
１０ｂ 第２の撮像領域に結像する光線が通過する領域
１１ａ 第１のマーカー
１１ｂ 第２のマーカー
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ マーカー像
２１ 信号取得部
２２ 画像処理部
２３ キャリブレーション処理部
２４ 比較演算処理部
２５ マーカー検出処理部
２６ 補正値演算部
２７ 補正処理部
２８ 結果出力部
１４ａ、１４ｂ 撮像面における光軸の位置
５０ａ 第１の撮像領域から検出した画像
５０ｂ 第２の撮像領域から検出した画像
５１ 第１の検出ブロック
５２ 第２の検出ブロック

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明による測距装置の第１の実施形態を示す断面図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態の測距装置１は、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂを含むレンズ系３と、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂを有する撮像素子４と、撮像素子４とレンズ系３との間に撮像素子４に近接して設けられた透明板６とを備える。

透明板６は、レンズ系３と実質的に同じ熱膨張係数を有する材料から構成されている。例えば、レンズ系３と透明板６とは、同じ材料から構成されていてもよいし、異なる材料であって実質的に同じ熱膨張係数を有する材料から構成されていてもよい。ここで、「実質的に同じ熱膨張率を有する」とは、例えば、透明板６が、レンズ系３の熱膨張率の９５％以上１０５％以下の熱膨張率を有することをいう。本実施形態では、温度変化によって透明板６およびレンズ系３のそれぞれの特性（主に体積）が変化する量の違いが、許容範囲内に収まる必要がある。本実施形態では、上記許容範囲を上下５％以内としたため、熱膨張率も上記範囲内となる。

第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂは、それぞれの光軸８ａ、８ｂが互いに平行になるように配置されている。また、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂは、光学樹脂や、プレス成形が可能な光学ガラス材から形成されており、一体的に形成されている。「一体的に形成されたレンズ系」とは、１つの金型を用いて形成された接続部を有さないレンズ系であってもよいし、別々に形成された複数の部材が、互いに接続されたレンズ系であってもよい。例えば、複数の薄いレンズを厚さ方向に重ねることにより、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂとを構成してもよい。

撮像素子４における第１の撮像領域４ａは第１のレンズ３ａに対向し、第２の撮像素子４ｂは第２のレンズ３ｂに対向する。撮像素子４は、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂに入射した光を光電変換によって電気信号に変換する。撮像素子４は、回路基板５上にダイボンドされ、ワイヤーボンディング等により、回路基板５上の回路（図示せず）と電気的に接続されている。

一方、レンズ系３および透明板６は、筒状の樹脂等から形成された鏡筒２に固定されている。鏡筒２は、回路基板５上に固定された鏡筒下部２ａと、鏡筒下部２ａの上端と連結された鏡筒上部２ｂとから構成されている。鏡筒下部２ａと鏡筒上部２ｂは、同一の材料から形成されるか、または、熱的な特性（熱膨張率など）が類似した材料から形成され、接着剤によって互いに接着されている。鏡筒下部２ａの下端は、筒の内側に突出しており、この突出部の上に、透明板６が載置されている。一方、鏡筒上部２ｂはフード部を有しており、フード部は、それぞれのレンズ系の有効径付近をリング状に保持しながら、レンズ径が一体で構成されたレンズアレイの縁を保持することによってレンズ系３を固定している。

鏡筒２内には、遮光壁７が設けられている。遮光壁７は、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂとの間の領域の下、すなわち、第１の撮像領域４ａと第２の撮像領域４ｂとの境界領域の上に設けられている。遮光壁７は、第１のレンズ３ａを通過した光が第２の撮像領域４ｂに入射すること、および第２のレンズ３ｂを通過した光が第１の撮像領域４ａに入射することを防止する役割を果たす。

図１（ｂ）は、第１の実施形態における透明板６および撮像素子４の配置関係を示す斜視図である。図１（ｂ）に示すように、透明板６には、第１のマーカー１１ａおよび第２のマーカー１１ｂが設けられている。

第１のマーカー１１ａは、第１のレンズ３ａに対応した位置、すなわち、透明板６のうち第１の撮像領域４ａに結像する光線が通過する領域１０ａに形成されている。一方、第２のマーカー１１ｂは、第２のレンズ３ｂに対応した位置、すなわち、透明板６のうち第２の撮像領域４ｂに結像する光線が通過する領域１０ｂに形成されている。第１のマーカー１１ａおよび第２のマーカー１１ｂは、画素の大きさの数倍程度の大きさを有し、光線を透過しない特性を有する。第１のマーカー１１ａおよび第２のマーカー１１ｂは、印刷等の工法によって形成されている。

第１の実施形態では、第１のマーカー１１ａは、透明板６における領域１０ａのほぼ中央に設けられている。同様に、第２のマーカー１１ｂは、透明板６における領域１０ｂのほぼ中央に設けられている。これにより、第１のマーカー１１ａは第１の撮像領域４ａに映りこみ、第２のマーカー１１ｂは、第２の撮像領域４ｂに映りこみ、それぞれの撮像領域４ａ、４ｂに形成される像に影を形成する。撮像領域４ａ、４ｂに形成されるマーカー１１ａ、１１ｂの影は、他の領域よりも暗く、典型的には黒である。

マーカー１１a、１１ｂが撮像素子４から離れすぎると、マーカー１１ａ、１１ｂの像を画像上で検出する事が不可能となるため、透明板６を設置する位置には配慮が必要である。本実施形態では、マーカー１１ａ、１１ｂが撮像面から０．３mm離れた位置に配置されるように透明板６を設置する。

なお、図１（ｂ）には、ほぼ円形のマーカー１１ａ、１１ｂが示されている。しかしながら、マーカー１１ａ、１１ｂは、円形以外の形であってもよい。例えば、マーカーを十字などの幾何学的な形状にすれば、透明板６にゴミが付着した場合に、マーカー１１ａ、１１ｂとゴミとを識別することができる。なお、測距装置の組立時にゴミが混入するのを防ぐため、組み立ては、クリーンルームやクリーンブース等のゴミが殆ど存在しない環境下で行われる。

図２は、第１の撮像領域４ａに形成される画像５０ａの例と、第２の撮像領域４ｂに形成される画像５０ｂの例とを示す図である。画像５０ａにおける被写体１２ａの位置は、画像５０ｂにおける被写体１２ｂの位置と比べ、視差量の分だけずれている。それに対し、マーカー１１ａ、１１ｂ（図１（ｂ）に示す）は画像５０ａ、５０ｂに影を形成しているだけであるため、画像５０ａにおけるマーカーの影１３ａと、画像５０ｂにおけるマーカーの影１３ｂとの間に、視差量に起因するずれは生じない。したがって、透明板６におけるマーカーの位置が、そのまま画像５０ａ、５０ｂ上に反映される。

第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂは、温度が変化すると、膨張または収縮する性質を有する。したがって、距離を測定するときの温度によって光軸の位置が変化し、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置（画像５０ａ、５０ｂにおける原点）の位置も変化する。この光軸の変化が、画像５０ａおよび画像５０ｂから算出される視差量および基線長の値に影響を与える。本実施形態では、透明板６が、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂと実質的に同じ熱膨張率を有しているため、温度が変化すると、透明板６は、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂと同じように膨張または収縮する。透明板６に付されたマーカー１１ａ、１１ｂは第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂの光軸と同様にふるまうため、マーカー１１ａ、１１ｂの位置の情報を用いて、視差量および基線長を補正することができる。この補正には、測距装置組み立て直後である初期のマーカーの影の位置と、撮像素子４における光軸の位置とを初期値として予め検出しておき、これらの値を初期値として用いる。

次に、撮像素子４で得られた画像５０ａ、５０ｂを処理する方法を具体的に説明する。

画像５０ａ、５０ｂは、撮像素子４の表面に近い部分に２次元的に配列されたフォトダイオード（図示せず）により、電気信号に変換される。撮像素子４には、信号取得部２１および画像処理部２２が接続されている。信号取得部２１は、撮像素子４から電気信号を受け取り、画像５０ａ、５０ｂの画像信号を生成する。一方、画像処理部２２は、画像信号を受け取り、画像５０ａ、５０ｂにおけるマーカー１１ａ、１１ｂの位置の情報を用いて処理を行うことにより、環境温度の変化に影響を受けず被写体までの距離を算出する。

図３は、信号取得部２１および画像処理部２２内の構成を示すブロック図である。図３に示すように、撮像素子４からの電気信号は、まず信号取得部２１に入力され、演算処理が可能な状態に変換される。この信号取得部２１では、例えば、ＣＤＳ（相関２重サンプリング）回路によって電気信号のノイズが抑制され、画像信号が生成される。また、信号取得部２１は、画像処理部２２内のメモリに画像信号を配列するなどの他の役割を有していてもよい。

信号取得部２１で生成された画像信号は、画像処理部２２に入力される。画像処理部２２では、まずキャリブレーション処理部２３が、画像信号を演算処理しやすい状態に補正する。例えば、１つの撮像領域で２つの画像が検出された場合に、それぞれの画像を切り出し、それぞれのメモリに格納し、原点を設定するなどの処理を行った後、歪曲補正などの画像を整える処理を行う。例えば歪曲補正では、実際の像や設計値から得られる歪曲値に基づいて、得られた画像５０ａ、５０ｂの歪曲を補正する。

次に、比較演算処理部２４が、画像５０ａ、５０ｂを、複数のブロックに分割した後、それぞれのブロックにおいて検出視差量Δｘ、Δｙ（実際に検出される視差量）を算出する。

次に、マーカー検出処理部２５が、画像５０ａ、５０ｂ上のマーカーの位置を検出する。

次に、補正値演算部２６が、マーカーの位置の情報を用いて、第１の撮像素子４ａにおける第１のレンズ３ａの光軸の位置、および第２の撮像素子４ｂにおける第２のレンズ３ｂの光軸の位置を算出する。

次に、補正処理部２７が、基線長Ｂおよび視差量Δを算出する。さらに、三角測量の原理式に基線長Ｂおよび視差量Δを代入することにより、被写体までの距離を算出する。

その後、被写体までの距離が、結果出力部２８から出力される。

なお、結果出力部２８に、画像５０ａ、５０ｂの一方のマーカーの位置の情報を他方のマーカーの位置の情報によって補完させる機能を持たせてもよい。たとえば、画像５０ａ上にマーカーの影が現れなかった場合に、画像５０ａ上のマーカーの位置を画像５０ｂ上のマーカーの位置の情報で補完して、出力画像を形成する処理を結果出力部２８に付加すればよい。具体的な補完方法については後述する。

なお、比較演算処理部２４は、マーカー検出処理部２５および補正値演算部２６の後（補正値演算部２６と補正処理部２７との間）に配置していてもよい。また、比較演算処理部２４、補正値演算部２６および補正処理部２７の動作は、後に詳述する。

次に、図３における比較演算処理部２４が、検出視差量Δｘ、Δｙを算出するステップを、図４および図５を参照しながら説明する。ここでは、２つの画像５０ａ、５０ｂの比較演算処理を行うことによって検出視差量Δｘ、Δｙを算出する。図４は、視差量抽出アルゴリズムの基本的な流れを示すフローチャート図である。図５は、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂから検出した画像５０ａ、５０ｂの検出ブロックを示す図である。

まず、ステップＳ１０１において、第１の撮像領域４ａから検出した画像５０ａを複数のブロックに分割する。ブロックサイズは、４×４画素から６４×６４画素程度であり、被写体の大きさによって任意の大きさに設定される。なお、レンズの倍率を大きくした場合には、検出ブロックのサイズも大きくすることが好ましい。

次に、ステップＳ１０２において、画像５０ａ上の複数のブロックのなかから、第１の検出ブロック５１を選択する。画像５０ｂにおける被写体の位置は、視差や温度変化に起因して、画像５０ａにおける被写体の位置からずれている。このずれがどの程度であるかを検出するために、第１の検出ブロック５１と同じサイズの第２の検出ブロック５２を画像５０ｂ上に配置し、第２の検出ブロック５２を移動させてパターンマッチングを行う。具体的には、まず、画像５０ｂのうち、画像５０ａにおける第１の検出ブロック５１と相対的に同じ位置に、第２の検出ブロック５２を配置し、レンズ系がｘ方向に並んで配置されている場合は、視差がｘ方向にのみ発生するため、ｘ方向にｋ画素（ｋは任意の整数）だけ移動させる。

次に、ステップＳ１０３において、視差量評価値を計算する。具体的には、第１の検出ブロック５１内の画素の出力から、第２の検出ブロック５２の画素の出力を引いた値を計算する。第１の検出ブロック５１および第２の検出ブロック５２内の全ての画素に対して上記差の絶対値を合計したものを、視差量評価値とする。

第１の検出ブロック５１内の画素（ａ，ｂ）における画素からの出力値をＧＧ１（ａ，ｂ）とし、位置５３における第２の検出ブロック５２内の画素（ａ＋ｋ，ｂ）における画素からの出力値をＧＧ２（ａ＋ｋ，ｂ）とすると、視差量評価値Ｒ（ｋ）は（数２）から求められる。

この視差量評価値Ｒ（ｋ）は、ｋ画素だけ移動された第２の検出ブロック５２における画像が、第１の検出ブロック５１における画像とどれだけ相関があるかを示している。１からｎまでの複数の値をｋに代入し、それぞれの値に対して、ステップＳ１０２およびＳ１０３を行い、視差量評価値Ｒ（ｋ）を算出する。視差量評価値Ｒ（ｋ）はｋの値に応じて変化する。

図６は、視差量評価値Ｒ（ｋ）と第２の検出ブロック５２の移動画素数ｋとの関係を示すグラフ図である。図６の横軸はｘ方向の移動画素数ｋを示し、縦軸は視差量評価値Ｒ（ｋ）を示す。

次に、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で求めた視差量評価値Ｒ（ｋ）の最小値を抽出する。視差量評価値Ｒ（ｋ）の値が最小であることは、２つの検出ブロック５１、５２における画素の出力の差が最も小さいことを示す。したがって、視差量評価値Ｒ（ｋ）が小さいほど、２つの検出ブロック５１、５２における画像が類似しているといえる。図６ではｋ＝ｋ１の時に視差量評価値Ｒ（ｋ）は最小値をとっている。よって、ｋ＝ｋ１のときに２つの検出ブロック５１、５２における画像が最も類似していることがわかる。

次に、ステップＳ１０５において、視差量評価値Ｒ（ｋ）が最小値となったときの移動画素数ｋ１を求める。そして、画像５０ｂ上の第２の検出ブロック５２をｘ方向にｋ１画素だけ移動させたときに、第２の検出ブロック５２内の画像は、第１の検出ブロック５１内の画像と一致すると判断される。これにより、移動画素数ｋ１が、第１の検出ブロック５１と第２の検出ブロック５２との間の視差量（Δｘ＝ｋ１）と決定される。

以上のステップＳ１０２〜ステップＳ１０５の一連の処理を、ステップＳ１０１で分割した全てのブロックに対して行い、画像５０ａ全体における検出視差量Δｘ、Δｙの分布を算出する。

次に、図３に示すマーカー検出処理部２５、補正値演算部２６および補正処理部２７が被写体までの距離を算出する方法を、図７を参照しながら説明する。図７（ａ）は、室温Ｔ１℃（初期値）において第１の撮像領域４ａから検出される画像５０ａと、第２の撮像領域４ｂから検出される画像５０ｂとを示す図であり、図７（ｂ）は、室温Ｔ２℃（距離測定時の温度）において第１の撮像領域から検出される画像５０ａと、第２の撮像領域から検出される画像５０ｂとを示す図である。

図７（ａ）に示すように、温度Ｔ１℃では、画像５０ａにおける陰（マーカー像）１３ａの座標は（ｘａ１, ｙａ１）であり、画像５０ａにおいて、第１の撮像領域４ａにおける光軸の位置１４ａの座標は、（Ｘａ１, Ｙａ１）である。一方、温度Ｔ１℃では、画像５０ｂにおける陰（マーカー像）１３ｂの座標は（ｘｂ１, ｙｂ１）であり、画像５０ｂにおいて、第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置１４ｂの座標は、（Ｘｂ１, Ｙｂ１）である。

図７（ｂ）に示すように、温度Ｔ２℃では、画像５０ａにおける陰（マーカー像）１３ａの座標は（ｘａ２, ｙａ２）であり、画像５０ａにおいて、第１の撮像領域４ａにおける光軸の位置１４ａの座標は、（Ｘａ２, Ｙａ２）である。一方、温度Ｔ２℃では、画像５０ｂにおける陰（マーカー像）１３ｂの座標は（ｘｂ２, ｙｂ２）であり、画像５０ｂにおいて、第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置１４ｂの座標は、（Ｘｂ２, Ｙｂ２）である。

本実施形態では、第１のマーカー１１ａおよび第２のマーカー１１ｂが、それぞれ、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂの実質的に中央に映りこんでいる。なお、「実質的に中央に位置する」とは、完全に中央部に位置する場合だけでなく、誤差の分だけ中央とは異なる位置に、中央と近接して位置する場合も含む。そのため、影１３ａの位置と光軸の位置１４ａの位置とは近接すると共に、影１３ｂの位置と光軸の位置１４ｂの位置とは近接している。したがって、温度変化によって影１３ａが移動する距離と、光軸の位置１４ａが移動する距離も近似し、影１３ｂが移動する距離と、光軸の位置１４ｂが移動する距離も近似していると考えられる。このとき、下記の（数３）が成立する。

（数３）に示す座標のうち、温度Ｔ１℃のときの光軸の位置１４ａ、１４ｂの座標（Ｘａ１, Ｙａ１）、（Ｘｂ１, Ｙｂ１）は、装置組立時の初期化処理（キャリブレーション処理）等において、初期値として検出することができる。また、温度Ｔ１℃のときの影１３ａ、１３ｂの座標（ｘａ１, ｙａ１）、（ｘｂ１, ｙｂ１）も、図７（ａ）に示す画像５０ａ、５０ｂから検出することができる。一方、温度Ｔ２℃のときの影１３ａ、１３ｂの座標（ｘａ２, ｙａ２）、（ｘｂ２, ｙｂ２）は、図７（ｂ）に示す画像５０ａ、５０ｂから検出することができる。以上の値を（数３）に代入すると、温度Ｔ２℃のときの光軸の位置１４ａ、１４ｂの座標（Ｘａ２,Ｙａ２）、（Ｘｂ２,Ｙｂ２）を得ることができる。

（数３）で得られた座標（Ｘａ２,Ｙａ２）、（Ｘｂ２,Ｙｂ２）の値を用いて、下記（数４）により、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂとの光軸間距離である基線長Ｂを求める。一方、下記（数５）により、温度変化による光軸のずれが考慮された視差量Δを求める。

Δｘ、Δｙは、図４に示すステップＳ１０５で求めた、画像５０ａ、５０ｂ全体における検出視差量分布であり、それぞれのブロックに対して前式を用い視差量を補正する。

ここで、画像５０ａ、５０ｂのいずれかにマーカーの影１３ａ、１３ｂが現れなかった場合の、マーカーの位置の補完方法について具体的に説明する。温度Ｔ２℃のとき、画像５０ａ上にマーカーの影１３ａが写りこんでいない場合を例とする。

温度が変化すると、図１（ｂ）に示す透明板６は、透明板６の中心から放射状に膨張または収縮する。透明板６において、第２のマーカー１１ｂは領域１０ｂ内のいずれかの位置に付される。領域１０の全体は透明板６の中心よりもｘ方向の負側に配置されているため、第２のマーカー１１ｂが領域１０のどの位置に付されたとしても、Ｔ１℃からＴ２℃への温度変化によって第２のマーカー１１ｂがｘ方向に移動する向きは同じである。一方、領域１０は透明板６の中心からｙ方向の正側および負側の両方に配置されており、第２のマーカー１１ｂが領域１０のうち正側に配置された場合と負側に配置された場合とでは、第２のマーカー１１ｂが移動する向きは異なる。すなわち、画像５０ｂでは、温度がＴ１℃からＴ２℃に変化することによって、マーカーの影１３ｂの位置はｘ方向に−（ｘｂ２−ｘｂ１）だけ移動し、ｙ方向に＋（ｙｂ２−ｙｂ１）または−（ｙｂ２−ｙｂ１）だけ移動することになる。

温度がＴ１℃からＴ２℃に変化したとき、画像５０ａ上のマーカーの影１３ａが移動する量は、画像５０ｂ上のマーカーの影１３ｂが移動する量とほぼ同じであることから、画像５０ｂ上のマーカーの影１３ｂの移動量を基に画像５０ａ上のマーカーの影１３ａの移動量を補完する。すなわち、温度Ｔ２℃のときのマーカーの影１３ａの位置を、温度Ｔ１℃のときのマーカーの影１３ａの位置に、画像５０ｂにおけるマーカーの影１３ｂの位置の移動量を足した位置、つまり（ｘａ１−（ｘｂ２−ｘｂ１）、ｙａ１±（ｙｂ２−ｙｂ１））として算出する。ここで、ｙ座量の数式内に残る±符号については、出荷前に初期温度（Ｔ１℃）と異なる温度下に放置して測距を行なうことにより、「＋」および「−」のいずれを選択すべきかを決定し、画像処理部の記憶部に情報を書き込む。以上のような算出結果から、画像５０ａ、５０ｂのいずれかのマーカーの影が現れなかった場合にも、温度変化の影響が補正された結果を得ることができる。

次に、得られた基線長Ｂおよび視差量Δを用いて、三角測量の原理から被写体距離を計算する。図１０は、双眼測距装置の三角測量を説明するための図である。図１０に示すように、被写体９からの光は、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂに入射し、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂに、被写体９の像が形成される。

ここで、被写体９上の点Ｐを測定点とし、この点Ｐが第１のレンズ３ａの光軸上に位置する場合、点Ｐの像は、第１の撮像領域４ａにおける第１のレンズ３ａの光軸の位置に形成される。一方、第２の撮像面４ｂでは、第２のレンズ３ｂの光軸の位置から基線方向に視差量Δだけ離れた点に点Ｐの像が形成される。ここで、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂから点Ｐまでの距離（光軸と平行な方向の距離）をｚとし、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂの焦点距離をｆとすると、次の様な近似式（数６）が成立する。

焦点距離ｆは既知の値であるため、基線長Ｂおよび視差量Δを代入することにより、Ｐ点までの距離ｚを得ることができる。これを全ての画像に対して計算することにより、被写体９までの距離を得ることができる。

図８は、測距装置と被写体との間の距離を一定（１ｍ）に保って周辺温度を変化させたときの、測距装置の測定結果を示すグラフ図である。図８において、丸形でプロットされたプロファイル（ａ）は、樹脂のレンズを用い、本実施形態の測距方法で測定した結果を示し、四角形でプロットされたプロファイル（ｂ）は、樹脂のレンズを用い、従来の方法で測定した結果を示す。プロファイル（ｂ）では、温度が変化すると検出距離が大きく異なっているのに対し、プロファイル（ａ）では、温度が変化しても安定した検出距離が得られている。三角形でプロットされたプロファイル（ｃ）は、ガラスのレンズを用い、従来の方法で測定した結果を示す。従来から、樹脂のレンズを用いた場合には、ガラスのレンズを用いた場合と比較して、温度によるレンズの体積変化に起因する測定値の変動が問題となっていたが、本実施形態では、樹脂のレンズを用いても、ガラスのレンズを用いた場合と同様の安定性が得られていることがわかる。

本実施形態では、測距装置の周辺の温度が変化しても、マーカー１１ａ、１１ｂの位置の情報により、２つのレンズ３ａ、３ｂの光軸の位置の変化を追跡し、視差量の補正を行うことができる。これにより、周辺の温度変化による誤差が少なくなり、被写体までの距離を高精度に測定することができる。

本実施形態は、レンズが２つ存在する２眼の構造を有していたが、本発明は、３眼、４眼、またはそれ以上の構成を有していてもよく、同様の効果が得られる。

本実施形態において、透明板６の表面のマーカー１１ａ、１１ｂは、撮像面側の表面に形成したほうが、撮像領域４ａ、４ｂによってマーカーの像を検出しやすくなるという利点がある。しかしながら、マーカー１１ａ、１１ｂの形状を撮像領域４ａ、４ｂによって検出できる場合は、レンズ系３側（反対側）の表面に形成してもよい。

さらに、本実施形態はマーカー１１ａ、１１ｂを透明板６に付した構成を有するが、透明板６の代わりに透光性を有する平板を用いてもよい。このように透光性を有する平板を用いた場合にも、測距装置としては同等の効果が得られる。ここでの「透光性を有する平板」は、一般的なＮＤフィルタで十分である。一般的なＮＤフィルタの透光率は１０％以上であるが、透光率が１０％以下の板を用いてもよい。その板を透過した光線を撮像素子で検出することができれば、測距を行なうことができるためである。さらに、透明板に波長選択性を持たせてもよい。

さらに、本実施形態では、測距結果の他に外部に画像を出力することが可能であるが、例えば画像５０ａを外部に出力した場合は、画像５０ａ上にマーカーの影１３ａが生じ、影１３ａの部分の画像が欠落してしまう。そこで、画像５０ｂ上から影１３ａの部分の画像に該当する画像を切り出し、画像５０ａ上のマーカーの影１３ａ上に貼り付けることによって、画像欠けのない画像を外部に出力することができる。なお、影１３ａの部分の画像に該当する画像を探索する方法としては、図３に示す比較演算処理部２４の処理によって得られるマーカーの影１３ａ前後の画素の視差量と、図３に示すマーカー検出処理部２５により得られるマーカー座標とを足し合わせることにより、マーカーの影１３ａの部分に相当する画像を画像５０ｂより抽出すればよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明による第２の実施形態を説明する。本実施形態では、１つの撮像領域につき２つのマーカーが配置される。これら２つのマーカーは、撮像領域の中央ではなく、周辺部に映りこむ。本実施形態は、透明板に形成されるマーカーの数と配置を除けば、第１の実施形態と同様の構成である。

図９（ａ）は、室温Ｔ１℃（初期値）において第１の撮像領域４ａから検出される画像５０ａと、第２の撮像領域４ｂから検出される画像５０ｂとを示す図であり、図９（ｂ）は、室温Ｔ２℃（測定時の温度）において第１の撮像領域から検出される画像５０ａと、第２の撮像領域から検出される画像５０ｂとを示す図である。

図９（ａ）に示すように、温度Ｔ１℃では、画像５０ａにおける陰（マーカー像）１３ａ、１３ｃの座標は（ｘａ１, ｙａ１）、（ｘｃ１, ｙｃ２）であり、画像５０ａにおいて、第１の撮像領域４ａにおける光軸の位置１４ａの座標は、（Ｘａ１, Ｙａ１）である。一方、温度Ｔ１℃では、画像５０ｂにおける陰（マーカー像）１３ｂ、１３ｄの座標は（ｘｂ１, ｙｂ１）、（ｘｄ１, ｙｄ１）であり、画像５０ｂにおいて、第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置１４ｂの座標は、（Ｘｂ１, Ｙｂ１）である。

図９（ｂ）に示すように、温度Ｔ２℃では、画像５０ａにおける陰（マーカー像）１３ａ、１３ｃの座標は（ｘａ２, ｙａ２）、（ｘｃ２, ｙｃ２）であり、画像５０ａにおいて、第１の撮像領域４ａにおける光軸の位置１４ａの位置の座標は、（Ｘａ２, Ｙａ２）である。一方、温度Ｔ２℃では、画像５０ｂにおける陰（マーカー像）１３ｂ、１３ｄの座標は（ｘｂ２, ｙｂ２）、（ｘｄ２, ｙｄ２）であり、画像５０ｂにおいて、第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置１４ｂの座標は、（Ｘｂ２, Ｙｂ２）である。

影１３ａ、１３ｃは、画像５０ａの中央ではなく、周辺部に映りこんでいる。また、影１３ａ、１３ｃを結ぶ直線（破線で示す）上に、内分点として、第１の撮像領域４ａにおける光軸の位置１４ａが実質的に配置している。なお、「直線上に実質的に配置する」とは、完全に直線上に重なる場合だけでなく、誤差の分だけずれた位置に直線から近接して配置する場合も含む。一方、影１３ｂ、１３ｄは、画像５０ｂの中央ではなく、周辺部に映りこんでいる。また、影１３ｂ、１３ｄを結ぶ直線（破線で示す）上に、内分点として、第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置１４ｂが実質的に配置している。

本実施形態では、影１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂの中央ではなく、周辺部に映りこんでいる。これらの位置は、内分点に光軸の位置１４ａ、１４ｂを含む位置であればどこであってもよい。

温度Ｔ１℃のときの光軸の位置１４ａ、１４ｂの座標（Ｘａ１, Ｙａ１）、（Ｘｂ１, Ｙｂ１）は、装置組立時の初期化処理（キャリブレーション処理）等において、初期値として検出することができる。また、温度Ｔ１℃のときの影１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの座標（ｘａ１, ｙａ１）、（ｘｂ１, ｙｂ１）、（ｘｃ１, ｙｃ１）、（ｘｄ１, ｙｄ１）も、図９（ａ）に示す画像５０ａ、５０ｂから検出することができる。一方、温度Ｔ２℃のときの影１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの座標（ｘａ２, ｙａ２）、（ｘｂ２, ｙｂ２）、（ｘｃ２, ｙｃ２）、（ｘｄ２, ｘｄ２）は、図９（ｂ）に示す画像５０ａ、５０ｂから検出することができる。

さらに、影１３ａと影１３ｃとを結ぶ直線上には、内分点として光軸の位置１４ａが配置している。そして、影１３ａから光軸の位置１４ａまでの距離と、光軸の位置１４ａから影１３ｃまでの距離との比（内分比）は、（ｓ：１−ｓ）で表される。一方、影１３ｂから光軸の位置１４ｂまでの距離と、光軸の位置１４ｂから影１３ｄまでの距離との比（内分比）は、（ｔ：１−ｔ）で表される。

温度がＴ１℃からＴ２℃に変化しても内分比が維持されると仮定すると、下記（数７）が成立する。

上述した各値を（数７）に代入すると、温度Ｔ２℃のときの交点１４ａ、１４ｂの座標（Ｘａ２,Ｙａ２）、（Ｘｂ２,Ｙｂ２）を得ることができる。

（数７）で得られた座標（Ｘａ２,Ｙａ２）、（Ｘｂ２,Ｙｂ２）の値を用いて、下記（数８）から、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂとの光軸間距離である基線長Ｂを求める。一方、下記（数９）から、温度変化による光軸のずれが考慮された視差量Δを求める。

Δｘ、Δｙは、第１の実施形態の図４に示すステップＳ１０５で求めた、画像５０ａ、５０ｂ全体における検出視差量である。

（数８）（数９）から得られた基線長Ｂおよび視差量Δを（数６）に代入することにより、Ｐ点までの距離ｚを得ることができる。

本実施形態では、測距装置の周辺の温度が変化しても、マーカー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの位置の情報により、２つのレンズ３ａ、３ｂの光軸の位置の変化を追跡し、視差量の補正を行うことができる。これにより、周辺の温度変化による誤差が少なくなり、被写体までの距離を高精度に測定することができる。

一般的に、被写体は画像５０ａ、５０ｂの中央部に現れることが多い。本実施形態では、黒色の被写体が中央に映りこんだときでも、マーカーの識別が可能になるといった利点がある。

加えて、本実施形態では、マーカー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが２対（１つの撮像領域につき２つ）の場合を説明したが、３対、４対のマーカーを形成してもよい。マーカーの数を多くすることにより、被写体の影響によってマーカーを検出することができないといったケースを回避することができる。

また、３対の場合には、３つのマーカーを頂点とする三角形の内部に撮像面における光軸の位置１４ａ、１４ｂが配置するように、３つのマーカーの位置を規定すれば、内分比を用い、光軸の位置１４ａ、１４ｂの位置を一義的に決定することができる。また、マーカーが４対以上の場合は、任意の３つのマーカーを選択し複数の三角形を形成し、それぞれの三角形について光軸の位置１４ａ、１４ｂの位置を求めた後、平均値を求めるなどの統計的な処理を行うことが適当である。

本発明に係る測距装置は、車載用、監視カメラ用または立体形状測定等の測距装置として有用である。

本発明は、複数の撮像光学系間の視差によって対象物までの距離を測る測距装置、およびそれを用いた測距方法に関するものである。

対象物までの距離を測定する装置として、双眼測距装置が知られている。双眼測距装置は、自動車の車間距離測定や、カメラの自動焦点システム、３次元形状測定システム等に用いられている。

双眼測距装置には、対象物からの光が入射する双眼光学系と、双眼光学系に入射した光によって像がそれぞれ形成される撮像素子とが設けられている。双眼測距装置を用いれば、一対の双眼光学系に入射した光によって撮像素子に像を形成し、２つの画像の視差を利用して対象物までの距離を測定することができる。

従来、この双眼測距装置としては、一対のレンズが左右または上下に配置され、レンズの各々に１個ずつ対応して設けられた撮像素子にレンズが像を形成する装置が知られている（特許文献１）。

図１０は双眼測距装置の三角測量を説明するための図である。図１０に示すように、被写体９からの光が、第１のレンズ（光学系）３ａおよび第２のレンズ（光学系）３ｂに入射し、第１の撮像面４ａおよび第２の撮像面４ｂに、被写体９の像が形成される。

ここで、被写体９上の点Ｐを測定点とし、この点Ｐが第１のレンズ３ａの光軸上に位置する場合、点Ｐは、第１の撮像面４ａにおける第１のレンズ３ａの光軸の位置に結像される。一方、第２の撮像面４ｂでは、第２のレンズ３ｂの光軸の位置から基線方向にΔだけ離れた点に点Ｐが結像され、このΔは、視差量と呼ばれる。ここで、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂから点Ｐまでの距離（光軸と平行な方向の距離）をｚとし、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂとの光軸間距離である基線長をＢとし、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂの焦点距離をｆとし、視差量をΔとすると、次の様な近似式が成立する。

基線長Ｂおよび焦点距離ｆは既知の値であるため、画像から視差量Δを抽出すれば、被写体９までの距離を得ることができる。視差量Δは、例えば、第１のレンズ３ａから得られた画像（撮像面４ａに形成される像）と第２のレンズ３ｂから得られた画像（撮像面４ｂに形成される像）との間でパターンマッチングを行うことによって抽出することができる。

しかし、測距装置の周辺の温度が変化すると、温度変化に伴って測距装置を構成する各部材が伸縮する。測距装置の構造が複雑であるほど、温度変化によって光軸が複雑に変化し、大きな誤差が発生する。そこで、レンズ間に温度センサを設けて温度計測を行い、この温度変化と、構成材料の線膨張係数とによって光軸間隔を算出し、補正を行う方法が提案されている（特許文献２）。

特開平４-４３９１１号公報 特開平１０-２３２１２８号公報

特許文献２のように線膨張係数と温度センサによって検出した温度とによって一義的に決まる値を用いて補正する方式では、温度センサの特性ばらつき、検出温度に対する基線長変化の遅延、構成材料の線膨張係数のばらつき等によって補正誤差が生じるという問題がある。

また、特許文献１、２の測距装置は、個別に形成された複数のレンズが、互いに離れて配置された構造を有する。これに対し、近年では、複数のレンズが一体的に形成されたレンズアレイ（レンズ系）を有する測距装置が開発されている。このような測距装置では、複数のレンズが離れて配置された測距装置と比較して、部品点数が少なく、取り付けが容易になる。また、小型化が可能になるといった利点もある。

複数のレンズが一体的に形成されたレンズアレイを有する測距装置では、温度変化によってレンズアレイ全体が膨張または収縮するため、温度変化による光軸の変化が大きくなってしまう。光軸の変化が測定値に与える影響は、測距装置が小型であるほど大きくなる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、環境温度が変化しても、高精度の測距機能を実現することができる測距装置および測距方法を提供することにある。

本発明の測距装置は、光軸が互いに平行に配置された複数のレンズを含み、前記複数のレンズが一体的に形成されたレンズ系と、前記複数のレンズのそれぞれに対向する複数の撮像領域を有し、前記複数の撮像領域において受けた光を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子と前記レンズ系との間に設けられ、前記複数のレンズと実質的に同じ熱膨張係数を有する透光性を有する平板と、前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、各撮像領域につき１つ映りこむ複数のマーカーと、前記撮像素子から前記電気信号を受け取り、前記複数の撮像領域のそれぞれに形成された複数の画像の画像信号を生成する信号取得部と、前記画像信号を受け取り、前記複数の画像のそれぞれにおける前記マーカーの位置の情報を用いて前記複数のレンズの光軸の位置を補正し、前記補正された光軸の位置に基づいて三角測量により被写体までの距離を得る画像処理部とを備える。

ある実施形態において、前記画像処理部は、マーカー検出処理部、比較演算処理部および補正処理部を備え、前記マーカー検出処理部は、前記複数の画像のそれぞれにおける前記マーカーの位置を、検出マーカー位置として検出し、前記比較演算処理部は、前記複数の画像における前記被写体の位置の相違から、検出視差量を算出し、前記補正処理部は、予め検出しておいた初期マーカー位置および初期光軸位置と、前記検出マーカー位置とから前記光軸の位置を補正し、前記補正した光軸の位置と前記検出視差量とを用いて前記三角測量により前記被写体までの距離を算出する。

ある実施形態において、前記初期マーカー位置および前記初期光軸位置は、前記レンズおよび前記透光性を有する平板が第１の温度のときの位置であり、前記検出マーカー位置は、前記レンズおよび前記透光性を有する平板が第２の温度のときの位置である。

ある実施形態において、前記マーカーは、前記複数の撮像領域のそれぞれの実質的な中心部に映りこむ。

ある実施形態において、前記マーカーは、前記各撮像領域の周辺部に映りこむ第１周辺部マーカーであって、前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、前記各撮像領域の周辺部につき１つ映りこむ複数の第２周辺部マーカーをさらに備え、前記第１周辺部マーカーの前記初期マーカー位置と前記第２周辺部マーカーの初期マーカー位置とを結ぶ直線と実質的に重なるように、前記初期光軸位置が配置されている。

ある実施形態において、前記レンズ系と、前記透光性を有する平板とが、同一の固定方法で、同一の部材によって固定されている。

ある実施形態において、前記マーカーは、前記透光性を有する平板の前記撮像領域側の面に配置されている。

本発明の測距方法は、光軸が互いに平行に配置された複数のレンズを含み、前記複数のレンズが一体的に形成されたレンズ系と、前記複数のレンズのそれぞれに対向する複数の撮像領域を有し、前記複数の撮像領域において受けた光を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子と前記光学系との間に設けられ、前記複数のレンズと実質的に同じ熱膨張係数を有する透光性を有する平板と、前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、各撮像領域につき１つ映りこむ複数のマーカーとを備える測距装置を用いた測距方法であって、前記撮像素子から前記電気信号を受け取り、前記複数の撮像領域のそれぞれに形成された複数の画像の画像信号を生成するステップ（ａ）と、前記複数の画像のそれぞれにおける前記マーカーの位置を、検出マーカー位置として検出するステップ（ｂ）と、前記複数の画像における被写体の位置の相違から、検出視差量を算出するステップ（ｃ）と、予め検出しておいた初期マーカー位置および初期光軸位置と、前記検出マーカー位置とから前記複数のレンズの光軸の位置を補正し、前記補正された光軸の位置と前記検出視差量とを用いて三角測量により前記被写体までの距離を算出するステップ（ｄ）とを包含する。

ある実施形態において、前記マーカーは、前記複数の撮像領域のそれぞれの実質的な中心部に映りこむ。

ある実施形態において、前記マーカーは、前記各撮像領域の周辺部に映りこむ第１周辺部マーカーであって、前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、前記各撮像領域の周辺部につき１つ映りこむ複数の第２周辺部マーカーをさらに備え、前記第１周辺部マーカーの前記初期マーカー位置と前記第２周辺部マーカーの初期マーカー位置とを結ぶ直線と実質的に重なるように、前記初期光軸位置が配置し、前記ステップ（ｂ）において、前記第１周辺部マーカーおよび前記第２周辺部マーカーが前記各撮像領域に映りこむ位置を検出する。

本発明によると、測距装置の周辺の温度が変化しても、マーカーの位置の情報により、複数のレンズの光軸の位置の変化を追跡し、視差量の補正を行うことができる。これにより、周辺の温度変化による誤差が少なくなり、被写体までの距離を高精度に測定することができる。

（ａ）は、本発明による測距装置の第１の実施形態を示す断面図であり、（ｂ）は、第１の実施形態における透明板６および撮像素子４の配置関係を示す斜視図である。 第１の撮像領域４ａに形成される画像５０ａの例と、第２の撮像領域４ｂに形成される画像５０ｂの例とを示す図である。 信号取得部２１および画像処理部２２内の構成を示すブロック図である 視差量抽出アルゴリズムの基本的な流れを示すフローチャート図である。 第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂから検出した画像５０ａ、５０ｂの検出ブロックを示す図である。 視差量評価値Ｒ（ｋ）と第２の検出ブロック５２の移動画素数ｋとの関係を示すグラフ図である。 （ａ）は、室温Ｔ１℃（初期値）において第１の撮像領域４ａから検出される画像５０ａと、第２の撮像領域４ｂから検出される画像５０ｂとを示す図であり、（ｂ）は、室温Ｔ２℃（変化後の温度）において第１の撮像領域から検出される画像５０ａと、第２の撮像領域から検出される画像５０ｂとを示す図である。 測距装置と被写体との間の距離を一定（１ｍ）に保って周辺温度を変化させたときの、測距装置の測定結果を示すグラフ図である。 （ａ）は、室温Ｔ１℃（初期値）において第１の撮像領域４ａから検出される画像５０ａと、第２の撮像領域４ｂから検出される画像５０ｂとを示す図であり、（ｂ）は、室温Ｔ２℃（変化後の温度）において第１の撮像領域から検出される画像５０ａと、第２の撮像領域から検出される画像５０ｂとを示す図である。 双眼測距装置の三角測量を説明するための図である。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明による測距装置の第１の実施形態を示す断面図である。図１（ａ）に示すように、本実施形態の測距装置１は、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂを含むレンズ系３と、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂを有する撮像素子４と、撮像素子４とレンズ系３との間に撮像素子４に近接して設けられた透明板６とを備える。

透明板６は、レンズ系３と実質的に同じ熱膨張係数を有する材料から構成されている。例えば、レンズ系３と透明板６とは、同じ材料から構成されていてもよいし、異なる材料であって実質的に同じ熱膨張係数を有する材料から構成されていてもよい。ここで、「実質的に同じ熱膨張率を有する」とは、例えば、透明板６が、レンズ系３の熱膨張率の９５％以上１０５％以下の熱膨張率を有することをいう。本実施形態では、温度変化によって透明板６およびレンズ系３のそれぞれの特性（主に体積）が変化する量の違いが、許容範囲内に収まる必要がある。本実施形態では、上記許容範囲を上下５％以内としたため、熱膨張率も上記範囲内となる。

第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂは、それぞれの光軸８ａ、８ｂが互いに平行になるように配置されている。また、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂは、光学樹脂や、プレス成形が可能な光学ガラス材から形成されており、一体的に形成されている。「一体的に形成されたレンズ系」とは、１つの金型を用いて形成された接続部を有さないレンズ系であってもよいし、別々に形成された複数の部材が、互いに接続されたレンズ系であってもよい。例えば、複数の薄いレンズを厚さ方向に重ねることにより、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂとを構成してもよい。

撮像素子４における第１の撮像領域４ａは第１のレンズ３ａに対向し、第２の撮像素子４ｂは第２のレンズ３ｂに対向する。撮像素子４は、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂに入射した光を光電変換によって電気信号に変換する。撮像素子４は、回路基板５上にダイボンドされ、ワイヤーボンディング等により、回路基板５上の回路（図示せず）と電気的に接続されている。

一方、レンズ系３および透明板６は、筒状の樹脂等から形成された鏡筒２に固定されている。鏡筒２は、回路基板５上に固定された鏡筒下部２ａと、鏡筒下部２ａの上端と連結された鏡筒上部２ｂとから構成されている。鏡筒下部２ａと鏡筒上部２ｂは、同一の材料から形成されるか、または、熱的な特性（熱膨張率など）が類似した材料から形成され、接着剤によって互いに接着されている。鏡筒下部２ａの下端は、筒の内側に突出しており、この突出部の上に、透明板６が載置されている。一方、鏡筒上部２ｂはフード部を有しており、フード部は、それぞれのレンズ系の有効径付近をリング状に保持しながら、レンズ径が一体で構成されたレンズアレイの縁を保持することによってレンズ系３を固定している。

鏡筒２内には、遮光壁７が設けられている。遮光壁７は、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂとの間の領域の下、すなわち、第１の撮像領域４ａと第２の撮像領域４ｂとの境界領域の上に設けられている。遮光壁７は、第１のレンズ３ａを通過した光が第２の撮像領域４ｂに入射すること、および第２のレンズ３ｂを通過した光が第１の撮像領域４ａに入射することを防止する役割を果たす。

図１（ｂ）は、第１の実施形態における透明板６および撮像素子４の配置関係を示す斜視図である。図１（ｂ）に示すように、透明板６には、第１のマーカー１１ａおよび第２のマーカー１１ｂが設けられている。

第１のマーカー１１ａは、第１のレンズ３ａに対応した位置、すなわち、透明板６のうち第１の撮像領域４ａに結像する光線が通過する領域１０ａに形成されている。一方、第２のマーカー１１ｂは、第２のレンズ３ｂに対応した位置、すなわち、透明板６のうち第２の撮像領域４ｂに結像する光線が通過する領域１０ｂに形成されている。第１のマーカー１１ａおよび第２のマーカー１１ｂは、画素の大きさの数倍程度の大きさを有し、光線を透過しない特性を有する。第１のマーカー１１ａおよび第２のマーカー１１ｂは、印刷等の工法によって形成されている。

第１の実施形態では、第１のマーカー１１ａは、透明板６における領域１０ａのほぼ中央に設けられている。同様に、第２のマーカー１１ｂは、透明板６における領域１０ｂのほぼ中央に設けられている。これにより、第１のマーカー１１ａは第１の撮像領域４ａに映りこみ、第２のマーカー１１ｂは、第２の撮像領域４ｂに映りこみ、それぞれの撮像領域４ａ、４ｂに形成される像に影を形成する。撮像領域４ａ、４ｂに形成されるマーカー１１ａ、１１ｂの影は、他の領域よりも暗く、典型的には黒である。

マーカー１１a、１１ｂが撮像素子４から離れすぎると、マーカー１１ａ、１１ｂの像を画像上で検出する事が不可能となるため、透明板６を設置する位置には配慮が必要である。本実施形態では、マーカー１１ａ、１１ｂが撮像面から０．３mm離れた位置に配置されるように透明板６を設置する。

なお、図１（ｂ）には、ほぼ円形のマーカー１１ａ、１１ｂが示されている。しかしながら、マーカー１１ａ、１１ｂは、円形以外の形であってもよい。例えば、マーカーを十字などの幾何学的な形状にすれば、透明板６にゴミが付着した場合に、マーカー１１ａ、１１ｂとゴミとを識別することができる。なお、測距装置の組立時にゴミが混入するのを防ぐため、組み立ては、クリーンルームやクリーンブース等のゴミが殆ど存在しない環境下で行われる。

図２は、第１の撮像領域４ａに形成される画像５０ａの例と、第２の撮像領域４ｂに形成される画像５０ｂの例とを示す図である。画像５０ａにおける被写体１２ａの位置は、画像５０ｂにおける被写体１２ｂの位置と比べ、視差量の分だけずれている。それに対し、マーカー１１ａ、１１ｂ（図１（ｂ）に示す）は画像５０ａ、５０ｂに影を形成しているだけであるため、画像５０ａにおけるマーカーの影１３ａと、画像５０ｂにおけるマーカーの影１３ｂとの間に、視差量に起因するずれは生じない。したがって、透明板６におけるマーカーの位置が、そのまま画像５０ａ、５０ｂ上に反映される。

第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂは、温度が変化すると、膨張または収縮する性質を有する。したがって、距離を測定するときの温度によって光軸の位置が変化し、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置（画像５０ａ、５０ｂにおける原点）の位置も変化する。この光軸の変化が、画像５０ａおよび画像５０ｂから算出される視差量および基線長の値に影響を与える。本実施形態では、透明板６が、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂと実質的に同じ熱膨張率を有しているため、温度が変化すると、透明板６は、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂと同じように膨張または収縮する。透明板６に付されたマーカー１１ａ、１１ｂは第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂの光軸と同様にふるまうため、マーカー１１ａ、１１ｂの位置の情報を用いて、視差量および基線長を補正することができる。この補正には、測距装置組み立て直後である初期のマーカーの影の位置と、撮像素子４における光軸の位置とを初期値として予め検出しておき、これらの値を初期値として用いる。

次に、撮像素子４で得られた画像５０ａ、５０ｂを処理する方法を具体的に説明する。

画像５０ａ、５０ｂは、撮像素子４の表面に近い部分に２次元的に配列されたフォトダイオード（図示せず）により、電気信号に変換される。撮像素子４には、信号取得部２１および画像処理部２２が接続されている。信号取得部２１は、撮像素子４から電気信号を受け取り、画像５０ａ、５０ｂの画像信号を生成する。一方、画像処理部２２は、画像信号を受け取り、画像５０ａ、５０ｂにおけるマーカー１１ａ、１１ｂの位置の情報を用いて処理を行うことにより、環境温度の変化に影響を受けず被写体までの距離を算出する。

図３は、信号取得部２１および画像処理部２２内の構成を示すブロック図である。図３に示すように、撮像素子４からの電気信号は、まず信号取得部２１に入力され、演算処理が可能な状態に変換される。この信号取得部２１では、例えば、ＣＤＳ（相関２重サンプリング）回路によって電気信号のノイズが抑制され、画像信号が生成される。また、信号取得部２１は、画像処理部２２内のメモリに画像信号を配列するなどの他の役割を有していてもよい。

信号取得部２１で生成された画像信号は、画像処理部２２に入力される。画像処理部２２では、まずキャリブレーション処理部２３が、画像信号を演算処理しやすい状態に補正する。例えば、１つの撮像領域で２つの画像が検出された場合に、それぞれの画像を切り出し、それぞれのメモリに格納し、原点を設定するなどの処理を行った後、歪曲補正などの画像を整える処理を行う。例えば歪曲補正では、実際の像や設計値から得られる歪曲値に基づいて、得られた画像５０ａ、５０ｂの歪曲を補正する。

次に、比較演算処理部２４が、画像５０ａ、５０ｂを、複数のブロックに分割した後、それぞれのブロックにおいて検出視差量Δｘ、Δｙ（実際に検出される視差量）を算出する。

次に、マーカー検出処理部２５が、画像５０ａ、５０ｂ上のマーカーの位置を検出する。

次に、補正値演算部２６が、マーカーの位置の情報を用いて、第１の撮像素子４ａにおける第１のレンズ３ａの光軸の位置、および第２の撮像素子４ｂにおける第２のレンズ３ｂの光軸の位置を算出する。

次に、補正処理部２７が、基線長Ｂおよび視差量Δを算出する。さらに、三角測量の原理式に基線長Ｂおよび視差量Δを代入することにより、被写体までの距離を算出する。

その後、被写体までの距離が、結果出力部２８から出力される。

なお、結果出力部２８に、画像５０ａ、５０ｂの一方のマーカーの位置の情報を他方のマーカーの位置の情報によって補完させる機能を持たせてもよい。たとえば、画像５０ａ上にマーカーの影が現れなかった場合に、画像５０ａ上のマーカーの位置を画像５０ｂ上のマーカーの位置の情報で補完して、出力画像を形成する処理を結果出力部２８に付加すればよい。具体的な補完方法については後述する。

なお、比較演算処理部２４は、マーカー検出処理部２５および補正値演算部２６の後（補正値演算部２６と補正処理部２７との間）に配置していてもよい。また、比較演算処理部２４、補正値演算部２６および補正処理部２７の動作は、後に詳述する。

次に、図３における比較演算処理部２４が、検出視差量Δｘ、Δｙを算出するステップを、図４および図５を参照しながら説明する。ここでは、２つの画像５０ａ、５０ｂの比較演算処理を行うことによって検出視差量Δｘ、Δｙを算出する。図４は、視差量抽出アルゴリズムの基本的な流れを示すフローチャート図である。図５は、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂから検出した画像５０ａ、５０ｂの検出ブロックを示す図である。

まず、ステップＳ１０１において、第１の撮像領域４ａから検出した画像５０ａを複数のブロックに分割する。ブロックサイズは、４×４画素から６４×６４画素程度であり、被写体の大きさによって任意の大きさに設定される。なお、レンズの倍率を大きくした場合には、検出ブロックのサイズも大きくすることが好ましい。

次に、ステップＳ１０２において、画像５０ａ上の複数のブロックのなかから、第１の検出ブロック５１を選択する。画像５０ｂにおける被写体の位置は、視差や温度変化に起因して、画像５０ａにおける被写体の位置からずれている。このずれがどの程度であるかを検出するために、第１の検出ブロック５１と同じサイズの第２の検出ブロック５２を画像５０ｂ上に配置し、第２の検出ブロック５２を移動させてパターンマッチングを行う。具体的には、まず、画像５０ｂのうち、画像５０ａにおける第１の検出ブロック５１と相対的に同じ位置に、第２の検出ブロック５２を配置し、レンズ系がｘ方向に並んで配置されている場合は、視差がｘ方向にのみ発生するため、ｘ方向にｋ画素（ｋは任意の整数）だけ移動させる。

次に、ステップＳ１０３において、視差量評価値を計算する。具体的には、第１の検出ブロック５１内の画素の出力から、第２の検出ブロック５２の画素の出力を引いた値を計算する。第１の検出ブロック５１および第２の検出ブロック５２内の全ての画素に対して上記差の絶対値を合計したものを、視差量評価値とする。

第１の検出ブロック５１内の画素（ａ，ｂ）における画素からの出力値をＧＧ１（ａ，ｂ）とし、位置５３における第２の検出ブロック５２内の画素（ａ＋ｋ，ｂ）における画素からの出力値をＧＧ２（ａ＋ｋ，ｂ）とすると、視差量評価値Ｒ（ｋ）は（数２）から求められる。

この視差量評価値Ｒ（ｋ）は、ｋ画素だけ移動された第２の検出ブロック５２における画像が、第１の検出ブロック５１における画像とどれだけ相関があるかを示している。１からｎまでの複数の値をｋに代入し、それぞれの値に対して、ステップＳ１０２およびＳ１０３を行い、視差量評価値Ｒ（ｋ）を算出する。視差量評価値Ｒ（ｋ）はｋの値に応じて変化する。

図６は、視差量評価値Ｒ（ｋ）と第２の検出ブロック５２の移動画素数ｋとの関係を示すグラフ図である。図６の横軸はｘ方向の移動画素数ｋを示し、縦軸は視差量評価値Ｒ（ｋ）を示す。

次に、ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で求めた視差量評価値Ｒ（ｋ）の最小値を抽出する。視差量評価値Ｒ（ｋ）の値が最小であることは、２つの検出ブロック５１、５２における画素の出力の差が最も小さいことを示す。したがって、視差量評価値Ｒ（ｋ）が小さいほど、２つの検出ブロック５１、５２における画像が類似しているといえる。図６ではｋ＝ｋ１の時に視差量評価値Ｒ（ｋ）は最小値をとっている。よって、ｋ＝ｋ１のときに２つの検出ブロック５１、５２における画像が最も類似していることがわかる。

次に、ステップＳ１０５において、視差量評価値Ｒ（ｋ）が最小値となったときの移動画素数ｋ１を求める。そして、画像５０ｂ上の第２の検出ブロック５２をｘ方向にｋ１画素だけ移動させたときに、第２の検出ブロック５２内の画像は、第１の検出ブロック５１内の画像と一致すると判断される。これにより、移動画素数ｋ１が、第１の検出ブロック５１と第２の検出ブロック５２との間の視差量（Δｘ＝ｋ１）と決定される。

以上のステップＳ１０２〜ステップＳ１０５の一連の処理を、ステップＳ１０１で分割した全てのブロックに対して行い、画像５０ａ全体における検出視差量Δｘ、Δｙの分布を算出する。

次に、図３に示すマーカー検出処理部２５、補正値演算部２６および補正処理部２７が被写体までの距離を算出する方法を、図７を参照しながら説明する。図７（ａ）は、室温Ｔ１℃（初期値）において第１の撮像領域４ａから検出される画像５０ａと、第２の撮像領域４ｂから検出される画像５０ｂとを示す図であり、図７（ｂ）は、室温Ｔ２℃（距離測定時の温度）において第１の撮像領域から検出される画像５０ａと、第２の撮像領域から検出される画像５０ｂとを示す図である。

図７（ａ）に示すように、温度Ｔ１℃では、画像５０ａにおける陰（マーカー像）１３ａの座標は（ｘａ１, ｙａ１）であり、画像５０ａにおいて、第１の撮像領域４ａにおける光軸の位置１４ａの座標は、（Ｘａ１, Ｙａ１）である。一方、温度Ｔ１℃では、画像５０ｂにおける陰（マーカー像）１３ｂの座標は（ｘｂ１, ｙｂ１）であり、画像５０ｂにおいて、第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置１４ｂの座標は、（Ｘｂ１, Ｙｂ１）である。

図７（ｂ）に示すように、温度Ｔ２℃では、画像５０ａにおける陰（マーカー像）１３ａの座標は（ｘａ２, ｙａ２）であり、画像５０ａにおいて、第１の撮像領域４ａにおける光軸の位置１４ａの座標は、（Ｘａ２, Ｙａ２）である。一方、温度Ｔ２℃では、画像５０ｂにおける陰（マーカー像）１３ｂの座標は（ｘｂ２, ｙｂ２）であり、画像５０ｂにおいて、第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置１４ｂの座標は、（Ｘｂ２, Ｙｂ２）である。

本実施形態では、第１のマーカー１１ａおよび第２のマーカー１１ｂが、それぞれ、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂの実質的に中央に映りこんでいる。なお、「実質的に中央に位置する」とは、完全に中央部に位置する場合だけでなく、誤差の分だけ中央とは異なる位置に、中央と近接して位置する場合も含む。そのため、影１３ａの位置と光軸の位置１４ａの位置とは近接すると共に、影１３ｂの位置と光軸の位置１４ｂの位置とは近接している。したがって、温度変化によって影１３ａが移動する距離と、光軸の位置１４ａが移動する距離も近似し、影１３ｂが移動する距離と、光軸の位置１４ｂが移動する距離も近似していると考えられる。このとき、下記の（数３）が成立する。

（数３）に示す座標のうち、温度Ｔ１℃のときの光軸の位置１４ａ、１４ｂの座標（Ｘａ１, Ｙａ１）、（Ｘｂ１, Ｙｂ１）は、装置組立時の初期化処理（キャリブレーション処理）等において、初期値として検出することができる。また、温度Ｔ１℃のときの影１３ａ、１３ｂの座標（ｘａ１, ｙａ１）、（ｘｂ１, ｙｂ１）も、図７（ａ）に示す画像５０ａ、５０ｂから検出することができる。一方、温度Ｔ２℃のときの影１３ａ、１３ｂの座標（ｘａ２, ｙａ２）、（ｘｂ２, ｙｂ２）は、図７（ｂ）に示す画像５０ａ、５０ｂから検出することができる。以上の値を（数３）に代入すると、温度Ｔ２℃のときの光軸の位置１４ａ、１４ｂの座標（Ｘａ２,Ｙａ２）、（Ｘｂ２,Ｙｂ２）を得ることができる。

（数３）で得られた座標（Ｘａ２,Ｙａ２）、（Ｘｂ２,Ｙｂ２）の値を用いて、下記（数４）により、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂとの光軸間距離である基線長Ｂを求める。一方、下記（数５）により、温度変化による光軸のずれが考慮された視差量Δを求める。

Δｘ、Δｙは、図４に示すステップＳ１０５で求めた、画像５０ａ、５０ｂ全体における検出視差量分布であり、それぞれのブロックに対して前式を用い視差量を補正する。

ここで、画像５０ａ、５０ｂのいずれかにマーカーの影１３ａ、１３ｂが現れなかった場合の、マーカーの位置の補完方法について具体的に説明する。温度Ｔ２℃のとき、画像５０ａ上にマーカーの影１３ａが写りこんでいない場合を例とする。

温度が変化すると、図１（ｂ）に示す透明板６は、透明板６の中心から放射状に膨張または収縮する。透明板６において、第２のマーカー１１ｂは領域１０ｂ内のいずれかの位置に付される。領域１０の全体は透明板６の中心よりもｘ方向の負側に配置されているため、第２のマーカー１１ｂが領域１０のどの位置に付されたとしても、Ｔ１℃からＴ２℃への温度変化によって第２のマーカー１１ｂがｘ方向に移動する向きは同じである。一方、領域１０は透明板６の中心からｙ方向の正側および負側の両方に配置されており、第２のマーカー１１ｂが領域１０のうち正側に配置された場合と負側に配置された場合とでは、第２のマーカー１１ｂが移動する向きは異なる。すなわち、画像５０ｂでは、温度がＴ１℃からＴ２℃に変化することによって、マーカーの影１３ｂの位置はｘ方向に−（ｘｂ２−ｘｂ１）だけ移動し、ｙ方向に＋（ｙｂ２−ｙｂ１）または−（ｙｂ２−ｙｂ１）だけ移動することになる。

温度がＴ１℃からＴ２℃に変化したとき、画像５０ａ上のマーカーの影１３ａが移動する量は、画像５０ｂ上のマーカーの影１３ｂが移動する量とほぼ同じであることから、画像５０ｂ上のマーカーの影１３ｂの移動量を基に画像５０ａ上のマーカーの影１３ａの移動量を補完する。すなわち、温度Ｔ２℃のときのマーカーの影１３ａの位置を、温度Ｔ１℃のときのマーカーの影１３ａの位置に、画像５０ｂにおけるマーカーの影１３ｂの位置の移動量を足した位置、つまり（ｘａ１−（ｘｂ２−ｘｂ１）、ｙａ１±（ｙｂ２−ｙｂ１））として算出する。ここで、ｙ座量の数式内に残る±符号については、出荷前に初期温度（Ｔ１℃）と異なる温度下に放置して測距を行なうことにより、「＋」および「−」のいずれを選択すべきかを決定し、画像処理部の記憶部に情報を書き込む。以上のような算出結果から、画像５０ａ、５０ｂのいずれかのマーカーの影が現れなかった場合にも、温度変化の影響が補正された結果を得ることができる。

次に、得られた基線長Ｂおよび視差量Δを用いて、三角測量の原理から被写体距離を計算する。図１０は、双眼測距装置の三角測量を説明するための図である。図１０に示すように、被写体９からの光は、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂに入射し、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂに、被写体９の像が形成される。

ここで、被写体９上の点Ｐを測定点とし、この点Ｐが第１のレンズ３ａの光軸上に位置する場合、点Ｐの像は、第１の撮像領域４ａにおける第１のレンズ３ａの光軸の位置に形成される。一方、第２の撮像面４ｂでは、第２のレンズ３ｂの光軸の位置から基線方向に視差量Δだけ離れた点に点Ｐの像が形成される。ここで、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂから点Ｐまでの距離（光軸と平行な方向の距離）をｚとし、第１のレンズ３ａおよび第２のレンズ３ｂの焦点距離をｆとすると、次の様な近似式（数６）が成立する。

焦点距離ｆは既知の値であるため、基線長Ｂおよび視差量Δを代入することにより、Ｐ点までの距離ｚを得ることができる。これを全ての画像に対して計算することにより、被写体９までの距離を得ることができる。

図８は、測距装置と被写体との間の距離を一定（１ｍ）に保って周辺温度を変化させたときの、測距装置の測定結果を示すグラフ図である。図８において、丸形でプロットされたプロファイル（ａ）は、樹脂のレンズを用い、本実施形態の測距方法で測定した結果を示し、四角形でプロットされたプロファイル（ｂ）は、樹脂のレンズを用い、従来の方法で測定した結果を示す。プロファイル（ｂ）では、温度が変化すると検出距離が大きく異なっているのに対し、プロファイル（ａ）では、温度が変化しても安定した検出距離が得られている。三角形でプロットされたプロファイル（ｃ）は、ガラスのレンズを用い、従来の方法で測定した結果を示す。従来から、樹脂のレンズを用いた場合には、ガラスのレンズを用いた場合と比較して、温度によるレンズの体積変化に起因する測定値の変動が問題となっていたが、本実施形態では、樹脂のレンズを用いても、ガラスのレンズを用いた場合と同様の安定性が得られていることがわかる。

本実施形態では、測距装置の周辺の温度が変化しても、マーカー１１ａ、１１ｂの位置の情報により、２つのレンズ３ａ、３ｂの光軸の位置の変化を追跡し、視差量の補正を行うことができる。これにより、周辺の温度変化による誤差が少なくなり、被写体までの距離を高精度に測定することができる。

本実施形態は、レンズが２つ存在する２眼の構造を有していたが、本発明は、３眼、４眼、またはそれ以上の構成を有していてもよく、同様の効果が得られる。

本実施形態において、透明板６の表面のマーカー１１ａ、１１ｂは、撮像面側の表面に形成したほうが、撮像領域４ａ、４ｂによってマーカーの像を検出しやすくなるという利点がある。しかしながら、マーカー１１ａ、１１ｂの形状を撮像領域４ａ、４ｂによって検出できる場合は、レンズ系３側（反対側）の表面に形成してもよい。

さらに、本実施形態はマーカー１１ａ、１１ｂを透明板６に付した構成を有するが、透明板６の代わりに透光性を有する平板を用いてもよい。このように透光性を有する平板を用いた場合にも、測距装置としては同等の効果が得られる。ここでの「透光性を有する平板」は、一般的なＮＤフィルタで十分である。一般的なＮＤフィルタの透光率は１０％以上であるが、透光率が１０％以下の板を用いてもよい。その板を透過した光線を撮像素子で検出することができれば、測距を行なうことができるためである。さらに、透明板に波長選択性を持たせてもよい。

さらに、本実施形態では、測距結果の他に外部に画像を出力することが可能であるが、例えば画像５０ａを外部に出力した場合は、画像５０ａ上にマーカーの影１３ａが生じ、影１３ａの部分の画像が欠落してしまう。そこで、画像５０ｂ上から影１３ａの部分の画像に該当する画像を切り出し、画像５０ａ上のマーカーの影１３ａ上に貼り付けることによって、画像欠けのない画像を外部に出力することができる。なお、影１３ａの部分の画像に該当する画像を探索する方法としては、図３に示す比較演算処理部２４の処理によって得られるマーカーの影１３ａ前後の画素の視差量と、図３に示すマーカー検出処理部２５により得られるマーカー座標とを足し合わせることにより、マーカーの影１３ａの部分に相当する画像を画像５０ｂより抽出すればよい。

（第２の実施形態）
以下、本発明による第２の実施形態を説明する。本実施形態では、１つの撮像領域につき２つのマーカーが配置される。これら２つのマーカーは、撮像領域の中央ではなく、周辺部に映りこむ。本実施形態は、透明板に形成されるマーカーの数と配置を除けば、第１の実施形態と同様の構成である。

図９（ａ）は、室温Ｔ１℃（初期値）において第１の撮像領域４ａから検出される画像５０ａと、第２の撮像領域４ｂから検出される画像５０ｂとを示す図であり、図９（ｂ）は、室温Ｔ２℃（測定時の温度）において第１の撮像領域から検出される画像５０ａと、第２の撮像領域から検出される画像５０ｂとを示す図である。

図９（ａ）に示すように、温度Ｔ１℃では、画像５０ａにおける陰（マーカー像）１３ａ、１３ｃの座標は（ｘａ１, ｙａ１）、（ｘｃ１, ｙｃ２）であり、画像５０ａにおいて、第１の撮像領域４ａにおける光軸の位置１４ａの座標は、（Ｘａ１, Ｙａ１）である。一方、温度Ｔ１℃では、画像５０ｂにおける陰（マーカー像）１３ｂ、１３ｄの座標は（ｘｂ１, ｙｂ１）、（ｘｄ１, ｙｄ１）であり、画像５０ｂにおいて、第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置１４ｂの座標は、（Ｘｂ１, Ｙｂ１）である。

図９（ｂ）に示すように、温度Ｔ２℃では、画像５０ａにおける陰（マーカー像）１３ａ、１３ｃの座標は（ｘａ２, ｙａ２）、（ｘｃ２, ｙｃ２）であり、画像５０ａにおいて、第１の撮像領域４ａにおける光軸の位置１４ａの位置の座標は、（Ｘａ２, Ｙａ２）である。一方、温度Ｔ２℃では、画像５０ｂにおける陰（マーカー像）１３ｂ、１３ｄの座標は（ｘｂ２, ｙｂ２）、（ｘｄ２, ｙｄ２）であり、画像５０ｂにおいて、第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置１４ｂの座標は、（Ｘｂ２, Ｙｂ２）である。

影１３ａ、１３ｃは、画像５０ａの中央ではなく、周辺部に映りこんでいる。また、影１３ａ、１３ｃを結ぶ直線（破線で示す）上に、内分点として、第１の撮像領域４ａにおける光軸の位置１４ａが実質的に配置している。なお、「直線上に実質的に配置する」とは、完全に直線上に重なる場合だけでなく、誤差の分だけずれた位置に直線から近接して配置する場合も含む。一方、影１３ｂ、１３ｄは、画像５０ｂの中央ではなく、周辺部に映りこんでいる。また、影１３ｂ、１３ｄを結ぶ直線（破線で示す）上に、内分点として、第２の撮像領域４ｂにおける光軸の位置１４ｂが実質的に配置している。

本実施形態では、影１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄが、第１の撮像領域４ａおよび第２の撮像領域４ｂの中央ではなく、周辺部に映りこんでいる。これらの位置は、内分点に光軸の位置１４ａ、１４ｂを含む位置であればどこであってもよい。

温度Ｔ１℃のときの光軸の位置１４ａ、１４ｂの座標（Ｘａ１, Ｙａ１）、（Ｘｂ１, Ｙｂ１）は、装置組立時の初期化処理（キャリブレーション処理）等において、初期値として検出することができる。また、温度Ｔ１℃のときの影１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの座標（ｘａ１, ｙａ１）、（ｘｂ１, ｙｂ１）、（ｘｃ１, ｙｃ１）、（ｘｄ１, ｙｄ１）も、図９（ａ）に示す画像５０ａ、５０ｂから検出することができる。一方、温度Ｔ２℃のときの影１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの座標（ｘａ２, ｙａ２）、（ｘｂ２, ｙｂ２）、（ｘｃ２, ｙｃ２）、（ｘｄ２, ｘｄ２）は、図９（ｂ）に示す画像５０ａ、５０ｂから検出することができる。

さらに、影１３ａと影１３ｃとを結ぶ直線上には、内分点として光軸の位置１４ａが配置している。そして、影１３ａから光軸の位置１４ａまでの距離と、光軸の位置１４ａから影１３ｃまでの距離との比（内分比）は、（ｓ：１−ｓ）で表される。一方、影１３ｂから光軸の位置１４ｂまでの距離と、光軸の位置１４ｂから影１３ｄまでの距離との比（内分比）は、（ｔ：１−ｔ）で表される。

温度がＴ１℃からＴ２℃に変化しても内分比が維持されると仮定すると、下記（数７）が成立する。

上述した各値を（数７）に代入すると、温度Ｔ２℃のときの交点１４ａ、１４ｂの座標（Ｘａ２,Ｙａ２）、（Ｘｂ２,Ｙｂ２）を得ることができる。

（数７）で得られた座標（Ｘａ２,Ｙａ２）、（Ｘｂ２,Ｙｂ２）の値を用いて、下記（数８）から、第１のレンズ３ａと第２のレンズ３ｂとの光軸間距離である基線長Ｂを求める。一方、下記（数９）から、温度変化による光軸のずれが考慮された視差量Δを求める。

Δｘ、Δｙは、第１の実施形態の図４に示すステップＳ１０５で求めた、画像５０ａ、５０ｂ全体における検出視差量である。

（数８）（数９）から得られた基線長Ｂおよび視差量Δを（数６）に代入することにより、Ｐ点までの距離ｚを得ることができる。

本実施形態では、測距装置の周辺の温度が変化しても、マーカー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄの位置の情報により、２つのレンズ３ａ、３ｂの光軸の位置の変化を追跡し、視差量の補正を行うことができる。これにより、周辺の温度変化による誤差が少なくなり、被写体までの距離を高精度に測定することができる。

一般的に、被写体は画像５０ａ、５０ｂの中央部に現れることが多い。本実施形態では、黒色の被写体が中央に映りこんだときでも、マーカーの識別が可能になるといった利点がある。

加えて、本実施形態では、マーカー１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄが２対（１つの撮像領域につき２つ）の場合を説明したが、３対、４対のマーカーを形成してもよい。マーカーの数を多くすることにより、被写体の影響によってマーカーを検出することができないといったケースを回避することができる。

また、３対の場合には、３つのマーカーを頂点とする三角形の内部に撮像面における光軸の位置１４ａ、１４ｂが配置するように、３つのマーカーの位置を規定すれば、内分比を用い、光軸の位置１４ａ、１４ｂの位置を一義的に決定することができる。また、マーカーが４対以上の場合は、任意の３つのマーカーを選択し複数の三角形を形成し、それぞれの三角形について光軸の位置１４ａ、１４ｂの位置を求めた後、平均値を求めるなどの統計的な処理を行うことが適当である。

本発明に係る測距装置は、車載用、監視カメラ用または立体形状測定等の測距装置として有用である。

１ 測距装置
２ａ 鏡筒下部
２ｂ 鏡筒上部
３ａ 第１の光学系
３ｂ 第２の光学系
４ 撮像素子
４ａ 第１の撮像領域
４ｂ 第２の撮像領域
５ 回路基板
６ カバー材
７ 遮光板
８ａ 第１の光学系の光軸
８ｂ 第２の光学系の光軸
９ 被写体
１０ａ 第１の撮像領域に結像する光線が通過する領域
１０ｂ 第２の撮像領域に結像する光線が通過する領域
１１ａ 第１のマーカー
１１ｂ 第２のマーカー
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ マーカー像
２１ 信号取得部
２２ 画像処理部
２３ キャリブレーション処理部
２４ 比較演算処理部
２５ マーカー検出処理部
２６ 補正値演算部
２７ 補正処理部
２８ 結果出力部
１４ａ、１４ｂ 撮像面における光軸の位置
５０ａ 第１の撮像領域から検出した画像
５０ｂ 第２の撮像領域から検出した画像
５１ 第１の検出ブロック
５２ 第２の検出ブロック

Claims (10)

1. 光軸が互いに平行に配置された複数のレンズを含み、前記複数のレンズが一体的に形成されたレンズ系と、
   前記複数のレンズのそれぞれに対向する複数の撮像領域を有し、前記複数の撮像領域において受けた光を電気信号に変換する撮像素子と、
   前記撮像素子と前記レンズ系との間に設けられ、前記複数のレンズと実質的に同じ熱膨張係数を有する透光性を有する平板と、
   前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、各撮像領域につき１つ映りこむ複数のマーカーと、
   前記撮像素子から前記電気信号を受け取り、前記複数の撮像領域のそれぞれに形成された複数の画像の画像信号を生成する信号取得部と、
   前記画像信号を受け取り、前記複数の画像のそれぞれにおける前記マーカーの位置の情報を用いて前記複数のレンズの光軸の位置を補正し、前記補正された光軸の位置に基づいて三角測量により被写体までの距離を得る画像処理部とを備える、測距装置。
2. 前記画像処理部は、マーカー検出処理部、比較演算処理部および補正処理部を備え、
   前記マーカー検出処理部は、前記複数の画像のそれぞれにおける前記マーカーの位置を、検出マーカー位置として検出し、
   前記比較演算処理部は、前記複数の画像における前記被写体の位置の相違から、検出視差量を算出し、
   前記補正処理部は、予め検出しておいた初期マーカー位置および初期光軸位置と、前記検出マーカー位置とから前記光軸の位置を補正し、
   前記補正した光軸の位置と前記検出視差量とを用いて前記三角測量により前記被写体までの距離を算出する、請求項１に記載の測距装置。
3. 前記初期マーカー位置および前記初期光軸位置は、前記レンズおよび前記透光性を有する平板が第１の温度のときの位置であり、
   前記検出マーカー位置は、前記レンズおよび前記透光性を有する平板が第２の温度のときの位置である、請求項２に記載の測距装置。
4. 前記マーカーは、前記複数の撮像領域のそれぞれの実質的な中心部に映りこむ、請求項１または２に記載の測距装置。
5. 前記マーカーは、前記各撮像領域の周辺部に映りこむ第１周辺部マーカーであって、
   前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、前記各撮像領域の周辺部につき１つ映りこむ複数の第２周辺部マーカーをさらに備え、
   前記第１周辺部マーカーの前記初期マーカー位置と前記第２周辺部マーカーの初期マーカー位置とを結ぶ直線と実質的に重なるように、前記初期光軸位置が配置されている、請求項２に記載の測距装置。
6. 前記レンズ系と、前記透光性を有する平板とが、同一の固定方法で、同一の部材によって固定されている、請求項１または２に記載の測距装置。
7. 前記マーカーは、前記透光性を有する平板の前記撮像領域側の面に配置されている、請求項１または２に記載の測距装置。
8. 光軸が互いに平行に配置された複数のレンズを含み、前記複数のレンズが一体的に形成されたレンズ系と、前記複数のレンズのそれぞれに対向する複数の撮像領域を有し、前記複数の撮像領域において受けた光を電気信号に変換する撮像素子と、前記撮像素子と前記光学系との間に設けられ、前記複数のレンズと実質的に同じ熱膨張係数を有する透光性を有する平板と、前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、各撮像領域につき１つ映りこむ複数のマーカーとを備える測距装置を用いた測距方法であって、
   前記撮像素子から前記電気信号を受け取り、前記複数の撮像領域のそれぞれに形成された複数の画像の画像信号を生成するステップ（ａ）と、
   前記複数の画像のそれぞれにおける前記マーカーの位置を、検出マーカー位置として検出するステップ（ｂ）と、
   前記複数の画像における被写体の位置の相違から、検出視差量を算出するステップ（ｃ）と、
   予め検出しておいた初期マーカー位置および初期光軸位置と、前記検出マーカー位置とから前記複数のレンズの光軸の位置を補正し、前記補正された光軸の位置と前記検出視差量とを用いて三角測量により前記被写体までの距離を算出するステップ（ｄ）とを包含する、測距方法。
9. 前記マーカーは、前記複数の撮像領域のそれぞれの実質的な中心部に映りこむ、請求項８に記載の測距方法。
10. 前記マーカーは、前記各撮像領域の周辺部に映りこむ第１周辺部マーカーであって、
    前記複数のレンズのそれぞれに対応して前記透光性を有する平板に形成され、前記各撮像領域の周辺部につき１つ映りこむ複数の第２周辺部マーカーをさらに備え、
    前記第１周辺部マーカーの前記初期マーカー位置と前記第２周辺部マーカーの初期マーカー位置とを結ぶ直線と実質的に重なるように、前記初期光軸位置が配置し、
    前記ステップ（ｂ）において、前記第１周辺部マーカーおよび前記第２周辺部マーカーが前記各撮像領域に映りこむ位置を検出する、請求項８に記載の測距方法。

Images