JP2001050723A

JP2001050723A - 距離測定装置

Info

Publication number: JP2001050723A
Application number: JP11227161A
Authority: JP
Inventors: Hidekazu Ide; 英一井手; Takashi Kondo; 尊司近藤; Koichi Kanbe; 幸一掃部; Fumiya Yagi; 史也八木; Hiroshi Uchino; 浩志内野
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1999-08-11
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2001-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】無駄な測距を無くして測定時間の短縮及び測定
データ量の低減を図る。【解決手段】参照光を投光し、被測定物での反射光を受
光することにより被測定物までの距離を測定する距離測
定装置において、測定方向を走査しつつ測定を繰り返す
走査手段と、走査が可能な範囲である測定領域内の各部
分毎に測定密度を変更するように測定周期又は前記走査
手段を制御する制御手段とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、参照光を投射して
物体まで距離情報を得る距離測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光のパルスの送信から物体で反射して戻
ったパルスの受信までのいわゆる飛行時間（ＴＯＦ：ti
me of flight）を測定することにより、既知の光伝搬速
度を適用して対物間距離を求めることができる。原理的
にはパルス幅が零に近いほど測定精度は高まるが、実際
には光源の応答性や受信感度などの制約で決まる値以上
のパルス幅となる。一般の測距装置において、パルス幅
は数ｃｍ程度の分解能が得られる５０〜１００ｎｓ程度
の値とされており、波形は単峰の山状である。受光波形
の頂点（ピーク）を検出して受信時点を特定することに
より、受光波形の振幅の大小に係わらず高精度の測定が
可能である。

【０００３】この測距手法のレンジファインダへの応用
例として、特開平７−２１８６３２号公報には、複数の
レーザ光源を順に発光させて互いに異なる方向に光を投
射する装置構成が記載されている。また、本出願人は偏
向ミラーで投射方向を変更する構成の測距装置を提案し
ている（特願平１１−７４８３７号）。多数の方向にパ
ルス光を投射して物体形状を細かく測定する場合には、
投射方向毎に光源を配置するよりも、偏向ミラーで投射
角度を変更する走査の方が装置構成の簡単化の点で有利
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述のように偏向ミラ
ーなどの走査機構を設けることにより、測距装置自体の
位置や姿勢を変えて測距を繰り返すのに比べて、多数方
向の測定を迅速に行うことができる。例えば２次元の走
査を行うように一定角度ずつ偏向ミラーを間欠的に駆動
させれば、測距装置を３次元入力装置として利用するこ
とができる。しかし、走査動作の設定で決まる多数の投
射方向（測距方向）の一部について、測距が無駄となる
場合がある。例えば測定対象の物体から外れた方向の測
距は無駄である。特に、測定精度を高めるために各方向
でパルス光の送受を繰り返し、複数回分の測定データを
平均化したり、最もノイズの影響の小さい測定データを
選択したりする場合には、無駄な測距の回数が増大して
しまう。測定時間の短縮及び測定データ量の低減の観点
において、有効な測距のみを行うのが望ましい。

【０００５】また、用途によっては、物体の一部分につ
いては詳しい形状の測定データが必要であり、他の部分
については測定は必要だが大まかな形状が判れば良いと
いう場合がある。このような場合にも、従来では全ての
方向について一律の密度の測定を行わなければならなか
った。

【０００６】本発明は、無駄な測距を無くして測定時間
の短縮及び測定データ量の低減を図ることを目的として
いる。他の目的は任意に分けた領域毎の測定密度の設定
変更を可能にして実用性を高めることである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、測定
密度の設定値を記憶しておき、この設定値に基づいて走
査を行う。密度が零（０）の領域については測距は行わ
れない。密度を大きくするほど、より詳細な３次元デー
タ（形状情報）を得ることができる。走査範囲のモニタ
表示を行い、モニタ画像の領域指定により領域別に密度
を指定するようにユーザインタフェースを構成すれば、
ユーザーが簡単に用途に応じた測定密度の設定を行うこ
とができる。

【０００８】請求項１の発明の装置は、参照光を投光
し、被測定物での反射光を受光することにより被測定物
までの距離を測定する距離測定装置であって、測定方向
を走査しつつ測定を繰り返す走査手段と、走査が可能な
範囲である測定領域内の各部分毎に測定密度を変更する
ように、測定周期又は前記走査手段を制御する制御手段
とを有する。

【０００９】請求項２の発明の距離測定装置は、測定対
象物の２次元画像を撮像し表示装置に表示するモニター
手段と、表示された画像内の所定領域を指示する手段と
を有し、指示された測定領域に基づいて測定密度を変更
する。

【００１０】請求項３の発明の距離測定装置において、
前記制御手段は、指示された測定領域以外の範囲につい
ては測定を行わない。請求項４の発明の距離測定装置に
おいて、前記制御手段は、走査中に順次出力される受光
出力に基づいて、以後の測定密度を変更する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る測距動作の概
略を示す図である。起点Ａから仮想平面ＶＳに向かって
パルス光を投射し、パルス光の飛行時間Ｔｆを測定す
る。投射方向は、仮想平面ＶＳを走査するように、偏向
ミラー３１によって垂直方向及び水平方向に所定角度ず
つ順次変更される。起点Ａから仮想平面ＶＳに向かう多
数の方向について対物間距離を測定することにより、物
体Ｑの３次元入力を行うことができる。各投射方向は、
３次元入力におけるサンプリング点（測定点）に対応す
る。

【００１２】図２は本発明に係る３次元入力装置のブロ
ック図である。図中の実線矢印はデータの流れを示し、
破線矢印は制御信号の流れを示す。３次元入力装置１
は、パルス光の送受信のための光学系１０、走査機構３
０、モニタ撮影のための光学系４０、各種の電気回路要
素、及び動作指定のための入力手段７０を備えている。
光学系１０は、レーザ光源（半導体レーザ）１１、光ビ
ームの広がり角を規定する投光レンズ１２、光路設定の
ための反射プリズム１３、受光レンズ１４、及び光検出
器（フォトダイオード）１５から構成されている。レー
ザ光源１１は、発光ドライバ２１からの電力供給に呼応
して１００ｎｓ程度のパルス幅のパルス光を射出する。
パルス光は、投光レンズ１２及び反射プリズム１３を順
に経て走査機構３０に入射し、偏向ミラー３１で反射し
て外部へ向かう。外部で反射して偏向ミラー３１に戻っ
たパルス光は受光レンズ１４で集光されて光検出器１５
に入射する。光検出器１５は、受光量に応じた振幅の光
電変換信号Ｓ１５を出力する。

【００１３】光電変換信号Ｓ１５は、信号処理回路２２
で適切に増幅された後に、Ａ／Ｄ変換器２３によりサン
プリングされて量子化される。サンプリングで得られた
受光データは逐次に波形メモリ２４に書き込まれる。波
形メモリ２４は最大測定可能距離に相応する時間分の波
形記憶が可能である。受光データに基づいて受光時点を
特定し、送信時点から受光時点までの飛行時間（光伝搬
時間）Ｔｆを算定する処理はＣＰＵ６１が担う。受光時
点の特定において、重心演算でパルスのピークを求める
ことにより、データの極大値をピークとみなす場合より
も分解能を高めることができる。送信時点については、
発光制御に同期して波形記憶を開始することによって特
定する。その制御のためにタイミングコントローラ６２
が設けられている。ただし、実際の発光量をモニターし
てピークを検出してもよい。飛行時間Ｔｆの算定におい
ては、パルス光の送受を繰り返して１方向当たりの測定
回数を増やすことにより、測定精度を高めることができ
る。

【００１４】ＣＰＵ６１は、マップメモリ２６に記憶さ
れている後述の測定密度マップを参照して、設定されて
いる測定密度に応じた走査を行うための指示をタイミン
グコントローラ６２及びスキャナコントローラ６３に与
え、投射を行った測定点について飛行時間Ｔｆの算定を
行う。そして、飛行時間Ｔｆと既知の光伝搬速度（３×
１０⁸ｍ／ｓ）とから対物間距離に応じた距離データＤ
Ｌを算出して出力メモリ２５に書き込む。距離データＤ
Ｌは、適時にコネクタ２７を介して接続された外部装置
（例えばコンピュータ）へ転送される。出力メモリ２
５、マップメモリ２６、及び後述の画像メモリ５３のア
クセスのためにデータ転送コントローラ６５が設けられ
ている。なお、外部への出力に係わる装置構成は例示に
限らない。例えば受光データを３次元入力装置１の出力
とし、外部のコンピュータで距離データＤＬを求めるよ
うにしてもよい。３次元入力装置１の出力を光電変換信
号Ｓ１５とすることもできる。さらに、発光ドライバ２
１などの制御を外部装置が行う変形例もある。

【００１５】３次元入力装置１では、偏向ミラー３１を
間欠駆動して投射方向を変更する。１つの投射方向の測
距を行っている期間において、偏向ミラー３１の駆動は
一時的に停止され、その投射方向が保持される。しか
し、測定密度の設定に従って測定を省略する測定点につ
いては偏向ミラー３１を停止させない。これにより、走
査の所要時間を短縮することができる。

【００１６】光学系４０は、倍率可変のレンズ４１、赤
外カットフィルタ４２、及び２次元の撮像デバイス（Ｃ
ＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサなど）４３から構成され、
走査可能範囲（仮想平面）を視野とする撮影を行う。レ
ンズ４１は、その光軸が真正面にパルス光を投射すると
きの投射方向と平行になり且つ主点と投射の起点とが光
軸に直交する同一面内に位置するように配置されてお
り、レンズコントローラ６４により制御される。撮像デ
バイス４３の出力は、信号処理回路５１を経た後にＡ／
Ｄ変換器５２で量子化され、画像メモリ５３により記憶
される。そして、画像メモリ５３から読み出された撮影
データは、Ｄ／Ａ変換器５４で画像信号に変換され、モ
ニタ５５によって表示される。本例では、レンズ４１の
制御によりｎ段階（ここでは３段階）のズーミングが可
能であり、ユーザーによるズーミング操作に連動して偏
向ミラー３１の回転角度範囲（走査範囲）が設定され
る。偏向幅（測定間隔）を一定とするモードにおける測
定点数の設定を表１に示し、測定点数を一定とするモー
ドにおける偏向幅の設定を表２に示す。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】ユーザーは、モニタ撮影像を見て走査範囲
の確認及び変更指定を行うことができるとともに、入力
手段７０に備わる図示しないポインティングデバイスを
操作することによって、モニタ画面上での領域指定形式
で任意の領域について測定密度の設定を変更することが
できる。

【００２０】図３は走査機構の構成を示す斜視図であ
る。走査機構３０は、偏向ミラー３１、垂直偏向用のモ
ータ３２、ミラーボックス３３、水平偏向用のモータ３
４、及び固定フレーム３５から構成されている。垂直方
向の偏向においては、ミラーボックス３３が固定され、
ミラーボックス３３内の偏向ミラー３１が回転する。水
平方向の偏向は、ミラーボックス３３ごとミラーボック
ス３３を回転させることによって行われる。ミラーボッ
クス３３及び固定フレーム３５の底面部には送信光及び
受信光を通過させるのに十分な大きさの孔が設けられて
いる。

【００２１】図示のミラー配置状態において、反射プリ
ズム１３から偏向ミラー３１に入射したパルス光Ｐ１
は、偏向ミラー３１の角度位置に応じた方向に偏向さ
れ、外部の物体Ｑへ向かう。物体Ｑに到達したパルス光
Ｐ１は物体表面で反射する。物体表面が鏡面でない限
り、その反射は拡散反射となる。したがって、物体表面
への入射が垂直入射でなくても反射したパルス光Ｐ２の
少なくとも一部は３次元入力装置１に向かう。３次元入
力装置１に戻ったパルス光Ｐ２は、偏向ミラー３１によ
って偏向され、受光レンズ１４を経て光検出器１５に入
射する。

【００２２】図４は走査形態の模式図である。図４
（ａ）のように主走査を往復形式とすれば、仮想平面を
効率的に走査することができる。しかし、偏向ミラーの
回転方向に起因するミラー位置のずれがある場合は、図
４（ｂ）のように主走査を片道形式とすれば、測定位置
のばらつきを低減することができる。

【００２３】図５は撮影光路の変形例の説明図である。
モニタ撮影の光軸を真正面へ投射するときの投射方向と
平行にすると、モニタ画像上での指定点と実際にパルス
光が投射される測定点とが図５（ａ）のように光軸間距
離だけずれる。通常、このずれは実質的に問題にならな
い。しかし、ずれをできるだけ小さくしたい場合には、
図５（ｂ）のようにハーフミラー４５を用いて測距の光
軸と撮影の光軸とを一致させる構成の光学系４０ｂが好
適である。ハーフミラー４５は、投射の起点との間の光
路長ｐがレンズ４１の主点との間の光路長ｑと等しくな
るように配置される。

【００２４】図６は測定密度の設定に係る領域指定の説
明図、図７は測定密度の設定動作のフローチャート、図
８はマップメモリの記憶内容の模式図である。ユーザー
が密度設定モードを指定すると、マップメモリ２６に記
憶されている測定密度マップＭ１が初期化され、光学系
４０で撮影されたモニタ画像Ｇ１が表示される（図７の
＃１〜＃３）。測定密度マップＭ１は、各測定点（投射
方向）についての測定の要否を示すデータ集合である。
ユーザーは図６（ａ）のように周知の対角２点指定形式
でモニタ画像Ｇ１の任意の位置及びサイズの矩形領域を
指定し、所望の密度レベルを入力する（＃４〜＃７）。
本実施例ではレベル０〜４の５段階の密度設定が可能で
ある。各レベルにおける測定密度を表３に示す。

【００２５】

【表３】

【００２６】図６（ｂ）が示すモニタ画像Ｇ２のよう
に、指定をされた領域ｇ１，ｇ２は強調表示される（＃
８）。レベルの区別を色分けや格子の表示によって行っ
てもよいし、文字でレベルを示してもよい。複数の異な
る領域に同一のレベルを指定することができるので、領
域指定とレベル入力とを繰り返すことにより、四角形以
外の複雑な形状の領域について所望のレベルを指定する
ことができる。領域の最小サイズを１つの測定点に対応
するサイズとしてもよいし、複数の測定点に対応するサ
イズとしてもよい。つまり、レベル設定を測定点単位で
行ってもよいし、所定数の測定点を一括したブロック単
位で行ってもよい。

【００２７】このようなモニタ上での指定に合わせて、
図８のように測定密度マップＭ１における領域ｇ１，ｇ
２に対応したアドレス領域ａｇ１，ａｇ２についてビッ
ト値の書き換えが行われる（図７の＃９、＃１０）。デ
フォルト値をレベル０とした場合には、モニタ上で指定
されなかった領域に対応する測定点については測定が省
略されることになる。

【００２８】測定密度が一律とは限らないので、距離デ
ータＤＬとともに測定密度を示す情報を外部装置に出力
する必要がある。そのため、測定点の測定結果を測定順
に出力メモリ２５に保存し、同時に測定密度マップＭ１
も保存するようにする。これにより、測定データを順に
測定密度マップの「１」に対応させれば何番目の測定デ
ータがどの位置の測定データであるのかの対応をとるこ
とができる。測定点の測定結果は測定順に限らず、特定
の法則順に並べ替えても良い。測定密度が一律である場
合には、測定密度マップＭ１を保存する必要はなく、測
定結果データの配列順序・測定密度レベル・垂直方向及
び水平方向の測定点数を示すへッダを付加して保存すれ
ば良い。

【００２９】図９は測定密度の設定の第２例を示す図で
ある。上述の例はユーザーが走査範囲の切り分けを行う
ものであるが、これに代えてあらかじめ走査範囲を区分
して密度設定をしておいてもよい。図９の例では、走査
可能範囲（仮想平面）Ａｍ０に対して、中央部から外側
に向かって段階的に測定密度が変わる設定が行われてい
る。中央部分Ａｍ１の密度レベルが最も高い。走査経路
を渦巻き状とすれば、偏向幅を切り換える頻度が少なく
なる。図のように外から内へ向かう渦でも、逆に内から
外へ向かう渦でもよい。一般に、測定対象物が中心に位
置するように走査範囲が決められる。すなわち、中央部
分Ａｍ１が最も重要視される。したがって、図９の設定
によれば、重要度に応じた適切な密度の測定を行うこと
ができる。

【００３０】図１０は測定密度の設定の第３例を示す
図、図１１は図１０に対応した測定動作のフローチャー
トである。走査中に逐次に得られる測定結果に応じて、
以降の走査対象領域の測定密度を自動的に変更すること
ができる。測定密度マップＭ１に従って走査を進め（図
１１の＃１１〜＃１５）、最新の測定結果が注目距離範
囲（例えば１０ｍ〜２０ｍ）に該当すれば、当該測定点
及びその隣接８近傍の測定点が対応する領域うちで以降
に走査される範囲の測定密度レベルを変更する（＃１
６）。最終測定点の測定が完了するまで、この動作を繰
り返す（＃１７、＃１４）。図１１では測定密度のデフ
ォルト値がレベル２であり、走査位置の測定点の周辺に
ついて局所的にレベル４とされ、４個の測定点が測定不
要から測定要に変更されている。つまり、投射を行う測
定点が追加されている。

【００３１】このようにして測定を省略する測定点を減
らし又は増やしていくことで、予め設定した距離範囲内
にある対象物については必要な密度を確保した上で、走
査時間の短縮及び測定データ量の削減を図ることができ
る。なお、密度を変更する局所範囲のサイズは適宜設定
することができる。

【００３２】上述の実施例では、測定点の分布を測定密
度マップとして設定したが、これに限らず、各測定密度
の領域を対角の座標値として記憶しておいてもよい。上
述の実施例では、パルス光の投射から受光までの時間に
より距離測定を行う例について説明したが、これに限ら
ず、物体の一部分の距離測定を行い、測定方向を走査す
ることにより物体形状を測定する場合には、本発明が適
用可能である。

【００３３】上述の実施例では、測定しない点に対して
は、走査を停止させないことにより走査時間を短縮する
ようにしている。しかし、測定データ数の削減を目的と
するならば、全ての点において停止させるようにしても
よい。また、一定速度で走査させながら測定を行うよう
にしてもよい。この場合、測定時間は測定密度の設定に
係わらず一定であり短縮されない。しかし、測定密度の
設定（重要度の低い部分を粗と設定する）によって、デ
ータ数が削減されるという効果は得られる。なお、一定
速度で走査させる場合、測定点密度は測定周期で制御す
るようにする。

【００３４】上述の第３例では、測定結果に応じて、測
定密度マップＭ１を変更するように構成したが、測定密
度マップを用いずに、測定結果に応じて、次の測定点ま
での間隔を制御するようにしてもよい。つまり、走査中
にある測定点で注目距離範囲の測定結果が得られると、
以後の点間隔を密（レベル４）に設定し、測定結果が注
目距離範囲からはずれると、以後の点間隔を粗（レベル
２）に設定する。

【００３５】

【発明の効果】請求項１乃至請求項４の発明によれば、
走査範囲を区画した領域毎に独立に測定密度を設定する
ことができ、走査範囲の全体に対して一律に測定密度を
設定する場合に生じる無駄な測定を無くして測定時間の
短縮及び測定データ量の低減を図ることができる。

【００３６】請求項２又は請求項３の発明によれば、ユ
ーザーが用途に応じて走査範囲を領域分けして領域毎に
測定密度を設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る測距動作の概略を示す図である。

【図２】本発明に係る３次元入力装置のブロック図であ
る。

【図３】走査機構の構成を示す斜視図である。

【図４】走査形態の模式図である。

【図５】撮影光路の変形例の説明図である。

【図６】測定密度の設定に係る領域指定の説明図であ
る。

【図７】測定密度の設定動作のフローチャートである。

【図８】マップメモリの記憶内容の模式図である。

【図９】測定密度の設定の第２例を示す図である。

【図１０】測定密度の設定の第３例を示す図である。

【図１１】図１０に対応した測定動作のフローチャート
である。

【符号の説明】

１３次元入力装置（距離測定装置）Ｐ１，Ｐ２パルス光（参照光）１０光学系（送信手段、受信手段）３０走査機構（走査手段）３１偏向ミラー６１ＣＰＵ（制御手段）Ｔｆ飛行時間ＤＬ距離データ２６マップメモリ（メモリ）４０光学系（撮像手段）５５ディスプレイ（表示装置）７０入力手段（操作入力手段）

フロントページの続き (72)発明者掃部幸一大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者八木史也大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内 (72)発明者内野浩志大阪府大阪市中央区安土町二丁目３番13号大阪国際ビルミノルタ株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA06 BB05 DD06 FF12 FF32 GG06 GG12 HH03 HH13 JJ03 JJ18 JJ26 LL05 LL06 LL12 LL26 LL31 LL62 MM16 QQ01 QQ03 QQ21 QQ24 QQ32 SS02 SS13 5J084 AA05 AD01 BA04 BA11 BA36 BA47 BA50 BA51 BB03 BB11 BB20 BB24 BB28 CA03 CA12 CA31 CA34 CA49 CA65 DA01 DA02 EA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】参照光を投光し、被測定物での反射光を受
光することにより被測定物までの距離を測定する距離測
定装置であって、測定方向を走査しつつ測定を繰り返す走査手段と、走査が可能な範囲である測定領域内の各部分毎に測定密
度を変更するように、測定周期又は前記走査手段を制御
する制御手段と、を有することを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】測定対象物の２次元画像を撮像し、表示装
置に表示するモニター手段と、表示された画像内の所定領域を指示する手段とを有し、指示された測定領域に基づいて、測定密度を変更する請
求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】前記制御手段は、指示された測定領域以外
の範囲については測定を行わない請求項３記載の距離測
定装置。
【請求項４】前記制御手段は、走査中に順次出力される
受光出力に基づいて、以後の測定密度を変更する請求項
１記載の距離測定装置。