CN110199175B - 3维信息检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种即使用透光性的罩体覆盖具备投射部、第1及第2摄像部的光学系统以使其不向外部曝光，也不会降低被测物体的3维信息的检测精确度的3维信息检测装置。具备：投射部，向被测物体投射图像图案；第1摄像部及第2摄像部，分别拍摄图像图案；透光性的罩体，覆盖具备投射部、第1摄像部及第2摄像部的光学系统；及计算部，根据被第1摄像部及第2摄像部所拍摄到的图像图案来计算被测物体的3维信息，光学系统的至少装配面的一部分由光吸收部件形成，在图像图案的投射光中被罩体正反射的反射光直接入射的区域外配置有第1摄像部及第2摄像部。

Description

3维信息检测装置

技术领域

本发明涉及一种3维信息检测装置，尤其涉及一种向被测物体投射图像图案，利用映在被测物体的图像图案来计算被测物体的3维信息的主动型3维信息检测装置。

背景技术

一直以来，检测被测物体的立体形状等3维信息的3维信息检测装置利用三角测量的原理。作为利用了三角测量的原理的3维信息检测装置，已知有并不向要测定的被测物体投射光而进行测定的被动型3维信息检测装置及向要测定的被测物体投射光而进行测定的主动型3维信息检测装置。一般而言主动型相比被动型能够得到高检测精确度。

作为主动型3维信息检测装置的一种，有如下装置：从投射部向被测物体投射光的图像图案，对所投射的图像图案从与投射图像图案的方向不同的方向利用2台摄像部拍摄立体图像，由此检测被测物体的3维信息。

专利文献1中，公开有主动型3维信息的检测装置，公开有作为光学系统具备了图案投影仪及2台相机的三维测量装置。

并且，专利文献2中，公开有构成为具备图案投影部及2台摄像部的数码相机的撮像装置。

近年来，3维信息检测装置在进行工厂等的组装工作等的产业用机器人、或者进行服务、护理等支援的民生用机器人中，作为用于识别工作对象的手段而被广泛利用。在民生用机器人的情况下，多数形成为赋予亲近感或温暖感等的各种机器人形状，例如形成为人型或动物型形状。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-215394号公报

专利文献2：日本特开2011-176699号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

然而，尤其在人型或动物型民生用机器人中使用主动型3维信息检测装置时，若在将具备投射部、第1摄像部、第2摄像部的光学系统曝光在机器人外部的状态下进行设置，则不仅外观变差，而且外观的演出度或设计的自由度受到限制。

本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够搭载于不受外观限制的设计性高的机器人上的3维信息检测装置。

用于解决技术课题的手段

为了使机器人的外观设计具有自由度，可以考虑将光学系统嵌入机器人内部(例如机豁人的头部)，并用透光性的罩体覆盖光学系统。然而，若用罩体覆盖光学系统，则通过罩体向被测物体投射的投射光的一部分被罩体反射，因该反射光而无法准确地进行三角测量，导致被测物体的3维信息的检测精确度下降。因此，本发明人创造出通过用透光性的罩体覆盖光学系统来提高设计性的同时，反射光不影响3维信息的检测精确度的下降的结构。

本发明的3维信息检测装置的一方式中，具备：投射部，向被测物体投射图像图案的投射光；第1摄像部及第2摄像部，分别拍摄映在被测物体上的图像图案；透光性的罩体，覆盖投射部、第1摄像部及第2摄像部；及计算部，根据表示被第1摄像部及第2摄像部所拍摄到的图像图案的立体图像来计算被测物体的3维信息，投射部、第1摄像部及第2摄像部的装配部的至少装配面的一部分由光吸收部件形成，在通过罩体投射到被测物体的图像图案的投射光中被罩体正反射的反射光直接入射的区域外配置有第1摄像部及第2摄像部。换言之，以反射光不直接入射于第1摄像部及第2摄像部的方式设定光学系统的配置关系及罩体的形状。

本发明中，优选被罩体反射的反射光入射于装配面的第1摄像部及第2摄像部以外的区域，更优选入射于装配面的第1摄像部及第2摄像部以外的区域且由光吸收部件形成的区域。

本发明中，优选投射光为不可见光，尤其优选不可见光为近红外光。

本发明中，优选装配面由投射光的投射波长下的反射率为50％以下的光吸收部件形成。装配面的更优选的反射率为30％以下，尤其优选为10％以下。在此，反射率是指合计了正反射率和漫反射率的总反射率，以下相同。

本发明中，优选罩体的至少照射有投射光的部分的一部分反射面在投射光的投射波长下的反射率为8％以下。罩体的反射面的更优选的反射率为5％以下，尤其优选为3％以下。

本发明中，优选在罩体与第1摄像部及第2摄像部之间，设置去除大量包含在反射光中的偏振成分的线性偏振元件。

本发明中，优选罩体的至少一部分为曲面形状。

本发明中，优选投射部配置在第1摄像部与第2摄像部之间，并且从透光性罩体的中心偏离。

罩体优选不可见光的透射率大于可见光的透射率。

发明效果

根据本发明的3维信息检测装置，即使用透光性的罩体覆盖具备投射部、第1摄像部、第2摄像部的光学系统以使其不向外部曝光，也能够不使被测物体的3维信息的检测精确度下降。

附图说明

图1是说明3维信息检测装置的整体结构的示意图。

图2是将3维信息检测装置适用于人型机器人的图。

图3是机器人的头部正面的图。

图4是将机器人的头部在所嵌入的光学系统的位置上横向切断的剖视图。

图5是罩体反射光直接入射于第1摄像部及第2摄像部的说明图。

图6是罩体反射光不直接入射于第1摄像部及第2摄像部的说明图。

图7是由光吸收部件形成装配光学系统的至少装配面的图。

图8是罩体反射光的说明图。

图9是在罩体与第1摄像部及第2摄像部之间配置了线性偏振元件的图。

具体实施方式

以下，根据附图对用于实施本发明的3维信息检测装置的方式进行说明。

本发明通过以下优选实施方式进行说明。在不脱离本发明的范围的情况下，能够通过多种方法进行变更，能够利用除了本实施方式以外的其他实施方式。因此，本发明的范围内的所有变更包含在权利要求书中。

图1是表示本发明的实施方式的主动型3维信息检测装置10的基本结构的示意图。

如图1所示，本实施方式的3维信息检测装置10的基本结构主要由如下构成：投射部16，向被测物体12投射图像图案14的投射光L；第1摄像部18及第2摄像部20，分别拍摄映在被测物体12的图像图案14；透光性的罩体22，覆盖投射部16、第1摄像部18及第2摄像部20；及计算部24，根据表示被第1摄像部18及第2摄像部20所拍摄到的图像图案14的立体图像来计算被测物体12的3维信息。

另外，本实施方式中，将投射部16、第1摄像部18、第2摄像部20的整体作为总称而称为3维信息检测装置10的光学系统26。

在此，覆盖投射部16、第1摄像部18及第2摄像部20的透光性的罩体22是指覆盖朝向被测物体12的光学系统26的至少正面整体的罩体22，且不包含用于分别覆盖投射部16、第1摄像部18、第2摄像部20的各个部件的罩体。

图2是将本发明的实施方式的3维信息检测装置10的光学系统26嵌入人型机器人28的头部30，通过用罩体22覆盖光学系统26而在机器人28的脸部表面形成了用于投射或拍摄的光学窗的图。

另外，本实施方式中，以将本发明的3维信息检测装置10组装于人型机器人28的例进行说明，但本发明并不限定于此，能够适用于所有用罩体22覆盖光学系统26的主动型3维信息检测装置10。

如图2所示，人型机器人28主要由头部30、躯体部32、双臂部34A、34B、双腿部36A、36B及设置在双腿部36A、36B的下端的用于步行的步行部38A、38B构成。作为步行部38A、38B例如能够使用自行式车轮等。

并且，躯体部32中内置有控制机器人28的控制装置40(参考图1)及电源装置42(参考图1)。上述计算3维信息的计算部24如图1所示，可以作为控制装置40的一部分而进行组装，也可以设置为单独的装置。

机器人28的头部30形成为类似于人的头部形状的大致球体状，在头部30正面的脸部44的上部两侧形成有形象化人的眼睛46A、46B的外观设计，在头部30内部嵌入有3维信息检测装置10的光学系统26。

图3是机器人28的头部30正面的图。并且，图4是从上观察将头部30在所嵌入的光学系统26的位置上横向切断时的截面的剖视图。

如图3及图4所示，从头部30正面的脸部44的中央下部向头部30内部水平地形成有凹状的嵌入空间48。

并且，在嵌入空间48的入口开口(脸部表面的开口)设有至少一部分设为曲面形状的透光性的罩体22。该罩体22也成为在机器人28的脸部44的下部形象化人的嘴22A的外观设计。

本实施方式中，作为嵌入空间48的形状设为了椭圆柱形，但也可以是圆柱形、四棱柱形等其他形状。并且，本实施方式中，作为罩体22的形状设为了椭圆形板弯曲成圆弧状的圆弧曲面，但并不限定于此，只要至少一部分为曲面形状即可。

并且，在嵌入空间48的底面(入口开口的相反面)固定有装配光学系统26的长方体形状的装配部50。

在长方体形状的装配部50的装配面50A中，以罩体22的纵中心线M为中心在头部30的宽度方向上左右对称地配置有第1摄像部18及第2摄像部20，通过2台摄像部18、20得到包含到被测物体12为止的距离信息的3维信息。即，2台摄像部18、20构成用于得到被测物体12的立体信息的立体相机。作为第1摄像部18及第2摄像部20，能够使用CCD(Charge-CoupledDevice：电荷耦合器件)相机、CMOS(Complemental Metal Oxide Semiconductor：互补金属氧化物半导体)相机等电子相机。

并且，投射部16配置在第1摄像部18与第2摄像部20之间，从投射部16向被测物体12投射图像图案。作为图像图案14，例如如图1所示，优选预先确定各点的位置关系的无规点图案。但是，并不限于此，只要是能够获取立体信息的图像图案则能够使用任意的图像图案。图1中，作为无规点图案的形成，在投射部16的正面配置点网屏52而进行了图示，但作为投射部16能够适当地使用无规点图案投影仪。

通过如上所述构成的3维信息检测装置10来检测被测物体12的3维信息时，从投射部16通过罩体22向被测物体12投射图像图案14(例如无规点图案)。然后，利用第1摄像部18及第2摄像部20这2台摄像部来拍摄映入被测物体12的图像图案14，获取包含图像图案14的图案图像的立体图像。

此时，投射部16优选配置在第1摄像部18与第2摄像部20之间，并且如图3所示从罩体22的纵中心线M偏离。并且，第1摄像部18及第2摄像部20优选相对于投射部16左右非对称地配置。由此，不仅容易进行被测物体12的3维检测，而且形成在装配部50的背面侧的光学系统关系的电路形成变得容易。

然后，在计算部24中，针对被第1摄像部18及第2摄像部20所拍摄到的立体图像(各图案图像)的每一对应点根据三角测量的原理计算深度(距离)，由此获取被测物体12的3维信息。另外，计算部24中计算被测物体12的3维信息的方法能够通过利用立体图像的视差等的公知的方法来进行计算，但本实施方式中，由于不是发明的宗旨，因此省略详细说明。

由此，通过本实施方式的3维信息检测装置10，能够检测(识别)被测物体12的立体形状等3维信息。

一般而言，若用罩体覆盖3维信息检测装置的光学系统，则因通过罩体投射到被测物体的投射光中在罩体的内侧反射的反射光而无法准确地进行三角测量。即，若用罩体覆盖光学系统，则存在如下问题，即无法活用主动型3维信息检测装置所具有的原本高检测的特征。

本发明人得到如下见解，在主动型3维信息检测装置中，用罩体覆盖具备投射部、第1摄像部及第2摄像部的光学系统时，从投射部投射的投射光的总光量中，在罩体的内侧中正反射的反射光(以下称为“罩体反射光”)的光量通常较少为10％以下，但若罩体反射光直接入射于第1摄像部及第2摄像部，则无法准确地进行被测物体的三角测量。

无法准确地进行三角测量的理由是因为，无法判别入射于第1摄像部及第2摄像部的光是被被测物体反射的反射光(以下，称为“工件反射光”)，还是被罩体反射的罩体反射光。

因此，本发明的实施方式的3维信息检测装置10中，通过在上述基本结构中追加如下2个结构来解决了问题。

(第1结构)

以通过罩体22投射到被测物体12的图像图案14的投射光L中被罩体22正反射的罩体反射光不直接入射于第1摄像部18及第2摄像部20的方式，设定投射部16、第1摄像部18、第2摄像部20及罩体22的配置关系及罩体22的形状。

图5是不满足第1结构的情况，图6是满足第1结构的情况。另外，图5及图6中，仅表示罩体反射光R，而并未图示工件反射光。

在此，“直接入射”是指被罩体22反射的罩体反射光R直接入射于第1摄像部18或第2摄像部20的情况，意味着不包含被罩体22反射之后进一步被罩体22以外的部件反复反射(例如用图5及图6的点线表示)而最终入射于第1摄像部18或第2摄像部20的间接入射。

图5的情况为在投射光L中被罩体22正反射而直接入射于光学系统26的装配面50A的罩体反射光R的直接入射最大区域W的区域内配置有第1摄像部18及第2摄像部20的情况。该情况下，罩体反射光R直接入射于第1摄像部18及第2摄像部20。

另一方面，图6的情况为在投射光L中被罩体22正反射而直接入射于光学系统26的装配面50A的罩体反射光R的直接入射最大区域W的区域外配置有第1摄像部18及第2摄像部20的情况。该情况下，罩体反射光R不会直接入射于第1摄像部18及第2摄像部20。

另外，图6中为比图5更大地配置了相对于投射部16的第1摄像部18及第2摄像部20的间隔距离，以使第1摄像部18及第2摄像部20配置于罩体反射光R的直接入射最大区域W的区域外的结构例(以下称为“结构例1”)。

但是，设定为在罩体反射光R的直接入射最大区域W的区域外配置第1摄像部及第2摄像部时，除了上述结构例1以外，还通过设定罩体22的形状(以下称为“结构例2”)，或者设定罩体22与光学系统26的间隔距离(以下称为“结构例3”)也能够进行对应，尤其优选组合结构例1至结构例3。

并且，上述3个结构例是相互关联的，但结构例1的投射部·摄像部距离优选1mm以上，更优选5mm以上，尤其优选10mm以上。结构例1中，若相对于投射部16的第1摄像部18及第2摄像部20的间隔距离过近为小于1mm，则即使组合其他结构例2及3，也难以设定成罩体反射光R不会直接入射于第1摄像部18及第2摄像部20。

(第2结构)

使投射部16、第1摄像部18及第2摄像部20的装配部50的至少装配面50A的一部分由光吸收部件54形成。更优选将装配面50A的整面由光吸收部件54形成。

图7是作为光吸收部件54在装配面50A的整体涂布了黑色有机涂料的情况，能够通过丝网印刷等而涂布于装配面50A。并且，作为本实施方式中的光吸收部件54，并不限于黑色有机涂料，例如能够使用如氧化钛、氧化铝或它们的复合膜般金属氧化物的薄膜等其他公知的光吸收部件。

通过该第2结构，罩体反射光R中，入射到装配面50A的罩体反射光R被光吸收部件54吸收，因此能够减少被装配面50A再次反射而间接入射于第1摄像部18及第2摄像部20的间接入射光。

关于由光吸收部件54形成的装配面50A的反射率，在投射光L的投射波长下的反射率优选为50％以下。装配面50A的更优选的反射率为30％以下，尤其优选为10％以下。

通过上述2个结构，即使用透光性的罩体22覆盖包含投射部16、摄像部18、20的光学系统26以使其不向外部曝光也能够准确地进行三角测量，因此能够高精确度地进行被测物体12的3维信息的检测。

并且，为了即使用罩体22覆盖光学系统26也能够进一步准确地进行三角测量，且以高精确度检测3维信息，优选除了上述第1结构及第2结构以外还追加以下说明的(1)～(5)的结构。

(1)优选使被罩体22反射的罩体反射光R的总量中的80％以上入射于装配面50A。更优选为90％以上，进一步优选为95％以上。

即，除了用于使罩体反射光R不直接入射于第1摄像部18及第2摄像部20的上述第1结构以外，还实施上述结构例1至结构例3中的至少1个，以使罩体反射光R的总量中的90％以上入射于装配面50A。

在此所谓装配面50A，不言而喻是指除了第1摄像部18及第2摄像部20以外的摄像部周围的装配面。

通过上述第1结构，即使罩体反射光R不会直接入射于第1摄像部18及第2摄像部20，若间接入射于第1摄像部18及第2摄像部20的光较多，则也容易降低三角测量的准确性。

因此，若使罩体反射光R的总量中的90％以上入射于由光吸收部件54形成的装配面50A，则大量罩体反射光R被装配面50A吸收。由此，能够显著地减少间接入射于第1摄像部18及第2摄像部20的罩体反射光R的光量，因此能够进一步准确地进行三角测量。

此时，更优选罩体反射光R的总量中的95％以上入射于由光吸收部件54形成的装配面50A，尤其优选为98％以上。

(2)优选投射光L为不可见光，作为不可见光尤其优选为近红外光(波长780nm～2000nm)。

近红外光与可见光相比波长更长，因此具有不易散射的性质，因此容易进行结构例1至结构例3的设定，以使被罩体22正反射的罩体反射光R不会直接入射于第1摄像部18及第2摄像部20。

当使用不可见光时，罩体22优选不可见光的透射率大于可见光的透射率。例如，能够在罩体22设置容易透射不可见光，且难以透射可见光的滤光片(未图示)。由此，当将3维信息检测装置10适用于人型机器人28时，不仅能够减少罩体22中的不可见光的反射，而且难以从机器人28的外部看见罩体22内部的光学系统26，因此在外观设计上优选。

并且，利用近红外光的不易散射的性质，能够透过烟雾或薄布等而拍摄对面侧的被测物体。而且，由于还具有不可见等特性，因此即使在夜间用近红外光照射被测物体12，也能够在不被被测物体12发觉的情况下进行拍摄。

(3)罩体22的至少照射有投射光L的部分的一部分反射面优选在投射光L的投射波长下的反射率为8％以下。罩体的更优选的反射率为5％以下，尤其优选为3％以下。

图8是放大了从投射部16所投射的投射光L被罩体22正反射的状态的图。

如图8所示，关于罩体22的反射，在罩体22的表面(与入射侧的空气的界面)及背面(与射出侧的空气的界面)这两面中被反射。即，罩体22具有表面及背面这2个反射面(或反射界面)。

因此，投射光L的投射波长下的罩体22的反射率成为表面及背面这两面中的反射率的合计。并且，如上所述反射率是指合计了正反射率及漫反射率的总反射率。

例如，在作为投射光L而使用近红外光，且将罩体22由聚碳酸酯形成的情况下，表面及背面中的反射率分别约为5％，罩体22的反射率合计约成为10％。

缩小罩体22的反射率时，通过在罩体22的表面及背面中的至少一面设置例如DLC膜(Diamond like Carbon：类金刚石镀膜)、氟化镁膜等公知的防反射膜而能够实现。

由此，能够显著地减少罩体22中的罩体反射光R，因此能够进一步准确地进行三角测量。

(4)如图9所示，优选在罩体22与第1摄像部18及第2摄像部20之间设置去除大量包含在罩体反射光R中的偏振成分的线性偏振元件56、56。

投射光L被罩体22的表面(与入射侧的空气的界面)及背面(与射出侧的空气的界面)这两面反射时，能够将该光分为S波成分及P波成分，通常，S波成分及P波成分中的一个比另一个更多地包含在罩体反射光R中。

因此，若在罩体22与第1摄像部18及第2摄像部20之间设置去除大量包含在罩体反射光R的偏振成分的线性偏振元件56、56，则能够显著地减少罩体反射光R，因此能够进一步准确地进行三角测量。

(5)本实施方式中的罩体22也包含平面形状的情况，但更优选至少一部分为曲面形状。换言之，优选投射部16与罩体22的至少一部分并非平行，且第1摄像部18及第2摄像部20与罩体22的至少一部分并非平行。

比起罩体22为平面形状，为曲面形状时，被罩体22正反射的罩体反射光R容易扩散，且难以直接入射于第1摄像部18及第2摄像部20，因此本发明进一步有效。

例如，在罩体22中的投射光L的反射区域的罩体形状相对于投射部16并非为平行的平面形状，而是曲面形状的情况下，本发明进一步有效。并且，在罩体22中的第1摄像部18及第2摄像部20的撮像区域的罩体形状相对于第1摄像部18及第2摄像部20并非为平行的平面形状，而是曲面形状的情况下，本发明进一步有效。

并且，通过将罩体22设为曲面形状，将3维信息检测装置10的光学系统嵌入机器人28的头部30时，能够配合机器人28的脸部44的曲面来形成光学窗，且能够进一步提高外观的演出度。

并且，罩体22与光学系统26的间隔距离优选为1mm以上，进一步优选为5mm以上，尤其优选为10mm以上。罩体22与光学系统26的间隔距离越大，罩体反射光R的直接入射最大区域W越变大，罩体反射光R难以直接入射于第1摄像部18及第2摄像部20，因此本发明进一步有效。

并且，涂布有光吸收部件54的薄膜也可以安装在装配面50A的前方。通过在装配面50A与罩体22之间设置光吸收部件54，能够防止投射光L在罩体22的内侧反复反射，且能够抑制反射光对测量精确度造成的不良影响。

符号说明

10-3维信息检测装置，12-被测物体，14-图像图案，16-投射部，18-第1摄像部，20-第2摄像部，22-罩体，22A-人的嘴，24-计算部，26-光学系统，28-机器人，30-头部，32-躯体部，34A、34B-双臂部，36A、36B-双腿部，38A、38B-步行部，40-控制装置，42-电源装置，44-脸部，46A、46B-人的眼睛，48-嵌入空间，50-装配部，50A-装配面，52-点网屏，54-光吸收部件，56-线性偏振元件。

Claims (11)

1.一种3维信息检测装置，具备：

投射部，向被测物体投射图像图案的投射光；

第1摄像部及第2摄像部，分别拍摄映在所述被测物体上的所述图像图案；

透光性的罩体，覆盖包括所述投射部、所述第1摄像部及所述第2摄像部的整体在内的光学系统的朝向所述被测物体的至少正面整体；及

计算部，根据表示被所述第1摄像部及第2摄像部所拍摄到的所述图像图案的立体图像来计算所述被测物体的3维信息，

所述投射部、所述第1摄像部及所述第2摄像部的装配部的至少装配面的一部分由光吸收部件形成，

在通过所述罩体投射到所述被测物体的所述图像图案的投射光中被所述罩体正反射的反射光直接入射的区域外配置有所述第1摄像部及所述第2摄像部，

在所述罩体内，被该罩体反射的反射光入射于所述装配面的所述第1摄像部及所述第2摄像部以外的由所述光吸收部件形成的区域。

2.根据权利要求1所述的3维信息检测装置，其中，所述投射光为不可见光。

3.根据权利要求2所述的3维信息检测装置，其中，所述罩体中，所述不可见光的透射率大于可见光的透射率。

4.根据权利要求2所述的3维信息检测装置，其中，所述不可见光为近红外光。

5.根据权利要求3所述的3维信息检测装置，其中，所述不可见光为近红外光。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的3维信息检测装置，其中，所述装配面由所述投射光的投射波长下的反射率为50％以下的光吸收部件形成。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的3维信息检测装置，其中，所述罩体的至少照射有所述投射光的部分的一部分反射面在所述投射光的投射波长下的反射率为8％以下。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的3维信息检测装置，其中，在所述罩体与所述第1摄像部及所述第2摄像部之间，设置了去除大量包含在所述反射光中的偏振成分的线性偏振元件。

9.根据权利要求1至5中任一项所述的3维信息检测装置，其中，所述罩体的至少一部分为曲面形状。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的3维信息检测装置，其中，所述投射部配置在所述第1摄像部与所述第2摄像部之间，并且从所述罩体的中心偏离。

11.根据权利要求1至5中任一项所述的3维信息检测装置，其中，所述投射部和所述第1摄像部及第2摄像部一体形成在所述装配部上与所述罩体相对置的所述装配面上。

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