JP2006071476A - 被写体距離計測装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 パッシブ方式にて、被写体にコントラストがない場合も距離計測可能とする。
【解決手段】 被写体撮像光学系１２は、平行平面板の繰返し反射干渉により光束の波長帯域を狭帯域化する繰返し反射干渉フィルター２０と、集光レンズ２２と、バンドパスフィルター２４と、受光素子２６とを有する。回転ステージ１４は、被写体撮像光学系１２を回転させる。距離計測部１６は、回転ステージ１４による被写体撮像光学系１２の回転に伴い受光素子２６の面内を移動する同一被写体像の強度変化のコントラストを計測し、被写体までの距離演算を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、被写体を撮像するカメラにおける被写体の距離を測定するための被写体距離計測装置に関する。

従来の被写体距離計測装置は、大別して、照射光源を有するアクティブ方式の装置と、照射光源を有しないパッシブ方式の装置に分けられる。アクティブ方式の装置は、光を被写体に照射し、その戻り光を計測する。一方、パッシブ方式の装置は、被写体の投影方法を変化させ、その像位置もしくはフォーカス位置の差異より距離を検出するように構成されている。

アクティブ方式の従来例としては、ＴＯＦ（Time Of Flight）方式の装置が知られている。ＴＯＦ方式では、例えば、パルスレーザが半導体レーザからレーザ照射用レンズを介して被写体に照射され、被写体からの戻り光が受光用レンズを介して受光素子に受光される。そして、信号処理ブロックが、受光したパルスの遅れを検出し、パルスの遅れを距離に換算する。

このようなレーザ光を用いるＴＯＦ法においては、コヒーレント性の高いレーザ光を照射することで、被写体の照射ポイントの集光密度を高くでき、これにより長距離の測定が可能であり、例えば測定距離を１００ｍ以上にできる。その反面、測定するポイントが点であるので、２次元の被写体の距離を測ることができない。２次元の被写体の距離を測ろうとすると、レーザの照射位置を２次元に走査する必要がある。

ＴＯＦ方式の別の従来例では、特許文献１に示されるように、光源がＬＥＤアレイで構成されている。図８を参照すると、従来例では、ＬＥＤアレイ光源１の出力光が高周波数で輝度変調される。ＬＥＤアレイ光源１から被写体２に照射光が照射され、被写体からの反射光がレンズ３を介して受光素子４に受光される。そして、照射光と戻り光との位相差が検出され、位相差が距離に換算される。

このようなＬＥＤアレイ光源を用いるＴＯＦ方式では、光源がＬＥＤで構成されており、２次元の被写体画像における各々の素子の被写体距離を計測できる。また、レーザよりも目への損傷が少ない。しかし、照射光源を設置し、かつ、光源の照射光量を高くする必要があるため、長距離の距離計測は困難である。

一方、パッシブ方式の従来例としては、ステレオ法と多重フォーカス法が知られている。ステレオ法では、２つ以上のカメラが設置され、カメラ設置間隔と被写体の結像位置のずれ（視差）から被写体までの距離が測定される。また、多重フォーカス法では、複数のフォーカス位置での像のコントラストが計測され、コントラストが大きいときのフォーカス位置が、被写体までの距離に変換される。例えば、ステレオ法の技術が特許文献２に開示されている。

このようなパッシブ方式の従来例では、２次元の被写体画像の距離計測ができる。また、パッシブ方式では、光源を設置しなくてもよいというメリットがある。
特開２００４−４５３０４号公報（第４−５ページ、図３） 特開平９−２９７８４９号公報（第２−３ページ、図１２）

しかしながら、従来のパッシブ方式の被写体距離計測装置においては、距離を計測できる被写体が、コントラストの高いエッジ部分を含む被写体に限られており、そのため、コントラストのない被写体の距離計測が容易でないという問題があった。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、パッシブ方式にて、被写体のコントラストの有無に拘わらず距離計測ができる被写体距離計測装置を提供することを目的とする。

本発明の被写体距離計測装置は、繰返し反射干渉により光束の波長帯域を狭帯域化する繰返し反射干渉フィルターと、前記繰返し干渉フィルターから射出する光線を集光するための集光光学系と、前記集光光学系の光線出射側に位置し前記繰返し反射干渉フィルターよりも透過波長帯域が広いバンドパスフィルターと、前記集光光学系および前記バンドパスフィルターにより集光された被写体像を受光するための受光素子とを有する被写体撮像光学系と、前記被写体撮像光学系を回転させる回転手段と、前記回転手段による前記被写体撮像光学系の回転に伴い前記受光素子面内を移動する同一被写体像の強度変化のコントラストを計測し、被写体までの距離を求める距離計測手段と、を備えている。

この構成により、繰返し反射干渉フィルターを備えた被写体撮像光学系が回転し、そして、距離計測手段が、被写体撮像光学系の回転に伴い受光素子面内を移動する同一被写体像の強度変化のコントラストを計測する。ここでは、繰返し反射干渉フィルターから透過する分光波長分布の波長走査でのコントラストが得られる。計測されるコントラストは、繰返し干渉による透過波長のコントラストであり、繰返し反射干渉フィルターに入射する被写体からの光線発散度に対応しており、被写体までの距離に依存する無次元量である。そこで、距離計測手段が上記コントラストを計測して、コントラストから被写体距離を求める。

上記のように、本発明では、被写体撮像光学系が回転したときの同一被写体像の強度変化のコントラストから距離を計測している。回転に伴う強度変化のコントラストを計測するので、被写体自体にコントラストがなくとも、距離計測ができる。したがって、被写体のコントラストの有無に拘わらず距離計測ができる被写体距離計測装置を提供することができる。さらに本発明は、２次元の受光素子を設けることで、２次元の被写体の距離計測も可能となる。

また、本発明の被写体距離計測装置において、前記繰返し干渉反射フィルターは、光線入射面より繰返し干渉面までのトータルパワーが０となるように構成されている。この構成により、被写体が遠距離にある場合に波長分布のコントラストが１になり、遠距離の測定を好適に行える。

また、本発明の被写体距離計測装置において、前記繰返し干渉反射フィルターは、繰返し干渉面のパワーが平面となるように構成されている。この構成により、被写体が遠距離にある場合で、光線入射角が大きくても、波長分布のコントラストが最大になり、遠距離の測定を好適に行える。

また、本発明の被写体距離計測装置において、前記集光光学系と前記受光素子の間に設置したバンドパスフィルターの半値波長幅が前記繰返し干渉面での隣り合うピーク間波長幅の半分以下である。この構成により、繰返し干渉フィルターの波長走査による波長分布のコントラストを計測するための分解能に関する条件が適切に設定される。

また、本発明の被写体距離計測装置において、前記集光光学系と前記受光素子の間に設置したバンドパスフィルターが機構系にて取り外し可能に構成されている。この構成により、本発明の装置を距離計測モードと通常のカメラのモードとに兼用できる。

また、本発明の被写体距離計測装置において、前記バンドパスフィルターの波長帯域が、水蒸気、酸素、二酸化炭素等の構成比率の高い大気ガス種による吸収波長を外した窓帯域波長である。この構成により、波長のコントラストを計測する際の被写体距離計測以外の波長コントラスト変化要因の影響を避けることができる。

また、本発明の被写体距離測定方法は、繰返し反射干渉により光束の波長帯域を狭帯域化する繰返し反射干渉フィルターと、前記繰返し干渉フィルターから射出する光線を集光するための集光光学系と、前記集光光学系の光線出射側に位置し前記繰返し反射干渉フィルターよりも透過波長帯域が広いバンドパスフィルターと、前記集光光学系および前記バンドパスフィルターにより集光された被写体像を受光するための受光素子とを有する被写体撮像光学系を回転し、前記被写体撮像光学系の回転に伴い前記受光素子面内を移動する同一被写体像の強度変化のコントラストを計測し、被写体までの距離を求める。この方法によっても上述した本発明の利点が得られる。

本発明は、上述のように、繰返し反射干渉フィルターを被写体撮像光学系に設け、被写体撮像光学系を回転し、回転により移動する同一被写体像の強度変化のコントラストから距離を求めており、したがって、被写体の輝度コントラストの有無に拘わらず距離計測ができる被写体距離計測装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施の形態における被写体距離計測装置を図１に示す。図１において、被写体距離計測装置１０は、被写体撮像光学系１２、回転ステージ１４および距離計測部１６を備えている。

被写体撮像光学系１２は、光線入射側から繰返し反射干渉フィルター２０、集光レンズ２２、バンドパスフィルター２４および受光素子２６を備えている。繰返し反射干渉フィルター２０は平行平面版を有しており、２面以上の平行平面板の繰返し反射干渉により、射出する光速の波長帯域を狭帯域化するフィルターであり、エタロン板と呼ばれることもある。集光レンズ２２は集光光学系の一例であり、繰返し干渉フィルターから射出される光線を集光する。バンドパスフィルター２４は、集光レンズ２２の光線出射側であって、集光レンズ２２による集光位置近傍に設けられている。バンドパスフィルター２４は、波長狭帯域化を行う繰返し反射干渉フィルター２０よりも透過波長帯域が広く構成されている。受光素子２６は、集光レンズ２２およびバンドパスフィルター２４により集光された被写体像を受光する。本実施の形態では、受光素子２６は２次元のアレイ型受光素子である。受光素子２６は、２次元に配列された各画素の入射光の強度を示す信号を出力する。

被写体撮像光学系１２は、回転ステージ１４上に設置されており、回転ステージ１４は、被写体撮像光学系１２を回転させる。被写体撮像光学系１２は、光軸を含む面内で回転するように設けられている。回転ステージ１４は例えばモータを有しており、モータの回転力で被写体撮像光学系１２を回転させる。

距離計測部１４は、受光素子２６から各画素の入射光の強度を示す信号を受け取る。距離計測部１４はコンピュータで構成されており、受光素子２６から受け取った信号を処理して、被写体までの距離を計算する。距離計測部１４は、下記に説明するように、被写体撮像光学系１２の回転に伴い受光素子２６の面内を移動する同一被写体像の強度変化のコントラストを計測し、被写体までの距離を求める。以下、距離計測の原理を説明する。

図２は、被写体撮像光学系１２の回転前後の状態を示している。図２（ａ）は回転前であり、繰返し反射干渉フィルター２０への被写体からの入射光の角度は０度である。一方、図２（ｂ）は回転後であり、繰返し反射干渉フィルター２０の入射角度はθ度となっている。そして、受光素子２６の素子面での結像位置は、回転前と比べておおよそｆ・tanθ（ｆは集光レンズ２２の焦点距離）だけ異なった位置になる。これら２つの結像位置に該当する画素の光量差には、シェーディング、ビグネッティング等の角度に対する光量変化に加えて、繰返し反射干渉フィルター２０への入射角が異なることにより強度ピーク波長がシフトしたために生じる光量変化が含まれる。

次に、図３は繰返し反射干渉フィルター２０とバンドパスフィルター２４の分光波長透過率を示している。繰返し干渉フィルター２０の透過率は以下の式で示される（鈴木達朗著「応用光学Ｉ」朝倉書店、７５ページ）。
Ｔ＝（１−ｒ²）² ／ （１−２・ｒ²・cosε＋ｒ⁴）
ε＝４πｎ・Δｈ・cosθ／λ
ここで、Ｔ：透過率、r²：反射面の反射率、ｒ：反射面の振幅反射率、ｎ：繰返し反射間の屈折率、Δｈ：繰返し反射間距離、θ：繰返し反射面への入射光線の入射角、λ：波長、である。

上式により、ε＝２ｍπにて透過率が最大になり、ε＝（２ｍ＋１）πにて透過率が最小になる（ｍは整数）。

図３において、被写体が遠距離にある場合の透過率特性は、ライン３１に示すようになる。入射角θがほぼ一定であることより、透過率のコントラストが高くなっている。一方、被写体が近距離にある場合、波長透過率特性はライン３２に示すようになる。入射角θが光束によって異なっているため、コントラストは低くなる。なお、図３のライン３３はバンドパスフィルター２４の波長透過率特性の例を示している。

上記より、回転ステージ１４が回転するとき、同一被写体像の該当画素の出力軌跡は、繰返し反射干渉フィルター１０の透過光の波長ピーク移動により、図３に示すコントラストを生じる（ここで同一被写体像の該当画素とは、被写体の同じ点または部位が結像される画素であり、該当画素は図２から明らかなように撮像系の回転に伴いシフトする）。そして、コントラストの大きさは、繰返し反射干渉フィルター１０に入射する被写体からの散乱光の平行度に応じて変わり、したがって、被写体までの距離に依存する。

図４は、回転ステージ１４を回転させ、入射角を変化させたときにおける、バンドパスフィルター２４透過後の移動する同一被写体像の該当画素の出力軌跡である。上述のように、同一被写体の該当画素は、被写体の同じ点または部位が結像する画素であり、入射角の変化に伴いずれていく。このようにずれていく画素群から得られる同一被写体部分の強度変化が、図４に表されている。

図４において、強度変化の最大値をＩｍａｘ、最小値をＩminとし、波長強度のコントラストをA=（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin）とする。被写体距離が長い場合、入射光束の入射角がほぼ同一であるので、特性ライン４１に示すように、波長強度のコントラストAは高くなる。これに対して、被写体距離が短い場合は、特性ライン４２に示すように、波長強度のコントラストAが低くなる。

図５は、図４で定義した波長強度のコントラストＡ＝（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin）と被写体距離の関係を示している。図示のように、被写体距離に応じてコントラストが変化する。この特性をあらかじめ測定し、特性関数または特性テーブルを作成することにより、波長強度のコントラストから被写体までの距離を算出できる。

また、上記の波長強度コントラストは、被写体からの入射光量に依存しない無次元量であるため、面のように画像コントラストのない被写体までの距離も測定できる。

また、受光素子２６の各画素が非常に小さいので、各画素の瞬時視野角が微小であり、被写体距離またはズームレンズなどの変倍光学系からなる集光レンズ２２の焦点距離が変化したときの瞬時視野角変化はほとんど無視できる範囲である。したがって、２次元の受光素子２６からの出力を用いて、２次元の被写体の各点に関して波長強度のコントラストを測定し、距離を求めることで、２次元の被写体の距離計測を行える。

図１に戻ると、距離計測部１４は、上述の原理に従って被写体までの距離を計測する。距離計測部１４は、波長強度コントラストと被写体距離の関係を表す情報を記憶している。また、距離計測部１４は、受光素子２６の出力に基づいて波長強度変化のコントラストを計測する。そして、距離計測部１４は、記憶している情報を参照して、コントラストから被写体距離を求める。例えば、コントラストと被写体距離の関係として、図５の特性ラインに相当する特性関数が記憶されている。そして、特性関数から、コントラストに対応する距離が計算される。また、例えば、図５の特性ラインに相当するテーブルが記憶されている。そして、テーブルから、コントラストに対応する距離が読み取られる。

次に、上述した被写体距離計測装置の動作を説明する。被写体からの光線は、繰返し反射干渉フィルター２０、集光レンズ２２およびバンドパスフィルター２４を通り、受光素子２６に結像される。

回転ステージ１４が被写体撮像光学系１２を回転すると、被写体像が受光素子２６の面内を移動する。距離計測部１４は、受光素子２６の出力から、同一被写体像の該当画素（被写体の同じ点または部位に対応する画素）の強度変化を求め、強度変化のコントラストを算出する。ここで、各時点における該当画素は、図２を参照して説明した結像位置に対応しており、被写体撮像光学系１２の回転角θから求めることができる。そこで、距離計測部１４は、回転に合わせて回転面方向に並ぶ画素からの出力を次々と求めることで、該当画素の出力を追跡し、出力変化のコントラストを求める。そして、距離計測部１４は、コントラストと被写体距離の関係を表す情報を参照して、コントラストから被写体距離を求める。

以上に本発明の第１の実施の形態の被写体距離計測装置について説明した。本実施の形態によれば、被写体撮像光学系１２が回転したときの同一被写体像の強度変化のコントラストから距離が求められる。回転に伴う強度変化のコントラストを見るので、画像中の被写体自体にコントラストがなくとも、距離計測ができる。したがって、被写体の輝度コントラストの有無に拘わらず距離計測ができる。

また、本実施の形態は、上述したように、２次元の受光素子を設けることで、２次元の被写体の距離計測が可能である。なお、本発明の範囲内で、受光素子は１次元のアレイ型素子でもよい。この場合には、１点までの距離を計測でき、また、ライン上の各点までの距離を計測できる。

また、図１の構成では、集光光学系が１枚のレンズで示されている。しかし、集光光学系は、複数のレンズで構成されてもよく、また、反射鏡で構成されてもよい。集光光学系はズームレンズ等の変倍光学系であってもよい。この場合でも、ズーム比の変化に拘わらず、本実施の形態の計測装置は好適に被写体までの距離を計測できる。

また、本実施の形態では、好ましくは、上述の図１の構成において、繰返し干渉反射フィルター２０が、光線入射面より繰返し干渉面までのトータルパワーが０となるように構成される。これにより、被写体が遠距離にある場合に、波長分布のコントラストが１になり、遠距離の測定を好適に行える。

また、本実施の形態では、好ましくは、上述の図１の構成において、繰返し干渉反射フィルター２０が、繰返し干渉面のパワーが平面となるように構成される。これにより、被写体が遠距離にある場合で、光線入射角が大きくても、波長分布のコントラストが最大になり、遠距離の測定を好適に行える。

また、本実施の形態では、好ましくは、上述の図１の構成において、集光光学系と受光素子の間に設置したバンドパスフィルターの半値波長幅が、繰返し干渉面での隣り合うピーク間波長幅の半分以下である。これにより、繰返し干渉フィルターの波長走査による波長分布のコントラストを計測するための分解能に関する条件が適切に設定される。

また、本実施の形態では、好ましくは、上述の図１の構成において、バンドパスフィルター２４の波長帯域が、水蒸気、酸素、二酸化炭素等の構成比率の高い大気ガス種による吸収波長を外した窓帯域波長である。これにより、波長のコントラストを計測する際の被写体距離計測以外の波長コントラスト変化要因の影響を避けることができる。

図６は、本発明の第２の実施の形態における被写体距離計測装置を示している。第１の実施の形態との相違点として、図６では、バンドパスフィルター２４に並んでＩＲカットフィルター６１が設けられている。さらに、バンドパスフィルター２４設置部には機構系６３が設けられている。機構系６３は、バンドパスフィルター２４とＩＲカットフィルター６１を取り替えるように構成されている。機構系６３は、バンドパスフィルター２４とＩＲフィルター６１を光軸に交差する方向に移動させる駆動装置で構成されている。駆動装置は例えばモータを備えており、バンドパスフィルター２４とＩＲフィルター６１の切替装置として機能する。

本実施の形態では、光軸上にバンドパスフィルター２４が位置するときは、本装置が被写体距離計測装置として機能する。これに対して、機構系６３が駆動し、ＩＲカットフィルタ６１が光軸上に位置すると、本装置が通常のカメラとして機能する。したがって、１台のカメラにて、通常のカメラ機能と距離計測機能を兼ねることができる。

以上に説明したように、本発明の第２の実施の形態によれば、バンドパスフィルター２４が機構系３１により取外し可能に構成されており、これにより、本実施の形態の装置を距離計測モードと通常のカメラのモードとに兼用できる。

図７は、本発明の第３の実施の形態における被写体距離計測装置を示している。第１の実施の形態との相違点として、図７では、集光レンズ２２の後段にダイクロイックミラー７１が光軸に対して斜めに配置されている。ダイクロイックミラー７１は、可視光領域の光を透過させ、近赤外光領域の光を反射させる。ダイクロイックミラー７１を通過する経路上、すなわち、可視光領域に光の経路上には、ＩＲカットフィルター７３および受光素子７５（撮像素子）が設置されている。また、ダイクロイックミラー７１で反射する経路上、すなわち、近赤外領域の経路上には、第１の実施の形態で説明した距離計測用のバンドパスフィルター２４および受光素子２６が設置されている。

本実施の形態では、ＩＲカットフィルター７３とその後段の受光素子７５が、可視光領域の光を用いて通常の撮像を行い、通常のカメラの機能を実現する。また、バンドパスフィルター２４および受光素子２６が、前述した第１の実施の形態と同様に機能して、被写体距離計測の機能を実現する。

このようにして、本実施の形態によれば、被写体の撮像と距離計測を同時に行うことができる。

以上のように、本発明にかかる被写体距離計測装置は、被写体の輝度コントラストの有無に拘わらず距離計測ができるという効果を有し、カメラ用の計測装置等として有用である。

本発明の第１の実施の形態における被写体距離計測装置を示す図 本発明の第１の実施の形態における被写体撮像光学系の回転時の結像位置の変化を示す図 本発明の第１の実施の形態における繰返し反射干渉フィルターおよびバンドパスフィルターの波長透過率のグラフを示す図 本発明の第１の実施の形態における被写体集光部での波長透過率のグラフを示す図 本発明の第１の実施の形態における波長強度コントラストと被写体距離の関係を示すグラフの図 本発明の第２の実施の形態における被写体距離計測装置を示す図 本発明の第３の実施の形態における被写体距離計測装置を示す図 従来の被写体距離計測装置の例を示す図

符号の説明

１０ 被写体距離計測装置
１２ 被写体撮像光学系
１４ 回転ステージ
１６ 距離計測部
２０ 繰返し反射干渉フィルター
２２ 集光レンズ
２４ バンドパスフィルター
２６ 受光素子

Claims (7)

1. 繰返し反射干渉により光束の波長帯域を狭帯域化する繰返し反射干渉フィルターと、前記繰返し干渉フィルターから射出する光線を集光するための集光光学系と、前記集光光学系の光線出射側に位置し前記繰返し反射干渉フィルターよりも透過波長帯域が広いバンドパスフィルターと、前記集光光学系および前記バンドパスフィルターにより集光された被写体像を受光するための受光素子とを有する被写体撮像光学系と、
   前記被写体撮像光学系を回転させる回転手段と、
   前記回転手段による前記被写体撮像光学系の回転に伴い前記受光素子面内を移動する同一被写体像の強度変化のコントラストを計測し、被写体までの距離を求める距離計測手段と、
   を備えたことを特徴とする被写体距離計測装置。
2. 前記繰返し干渉反射フィルターは、光線入射面より繰返し干渉面までのトータルパワーが０となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の被写体距離計測装置。
3. 前記繰返し干渉反射フィルターは、繰返し干渉面のパワーが平面となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の被写体距離計測装置。
4. 前記集光光学系と前記受光素子の間に設置したバンドパスフィルターの半値波長幅が前記繰返し干渉面での隣り合うピーク間波長幅の半分以下であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の被写体距離計測装置。
5. 前記集光光学系と前記受光素子の間に設置したバンドパスフィルターが機構系にて取り外し可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の被写体距離計測装置。
6. 前記バンドパスフィルターの波長帯域が、水蒸気、酸素、二酸化炭素等の構成比率の高い大気ガス種による吸収波長を外した窓帯域波長であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の被写体距離計測装置。
7. 繰返し反射干渉により光束の波長帯域を狭帯域化する繰返し反射干渉フィルターと、前記繰返し干渉フィルターから射出する光線を集光するための集光光学系と、前記集光光学系の光線出射側に位置し前記繰返し反射干渉フィルターよりも透過波長帯域が広いバンドパスフィルターと、前記集光光学系および前記バンドパスフィルターにより集光された被写体像を受光するための受光素子とを有する被写体撮像光学系を回転し、
   前記被写体撮像光学系の回転に伴い前記受光素子面内を移動する同一被写体像の強度変化のコントラストを計測し、被写体までの距離を求めることを特徴とする被写体距離計測方法。

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