JP2013190394A - Pattern illumination apparatus and distance measuring apparatus - Google Patents

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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small pattern illumination apparatus which can emit a pattern capable of achieving a precise distance measurement, and a distance measuring apparatus which measures a distance to a measurement object by using the pattern illumination apparatus.SOLUTION: A pattern illumination apparatus 1 according to a first embodiment of the present invention, which projects a pattern to a measurement object to measure a distance to the measurement object that is not shown, comprises: a semiconductor laser (light source) 2 that emits light for projecting pattern light 5; a coupling lens (optical means) 3 that converts the light emitted from the semiconductor laser 2 to parallel light; a diffraction optical element 4 that diffracts the parallel light converted by the coupling lens 3. The pattern light 5 emitted from the diffraction optical element 4 and projected to the measurement object is a pattern formed by randomly arranging pixels each having luminance distribution of multi-gradation which is three gradations or more.

Description

本発明は、パターン照明装置、及び測距装置に関し、特に、ステレオカメラを用いた距離計測において、計測対象を識別するためのパターンを投光するパターン照明装置、及びそれを用いて計測対象までの距離を測定する測距装置に関するものである。   The present invention relates to a pattern illumination device and a distance measuring device, and in particular, in a distance measurement using a stereo camera, a pattern illumination device that projects a pattern for identifying a measurement target, and a measurement target using the pattern illumination device The present invention relates to a distance measuring device that measures a distance.

従来から、計測対象物を2つのカメラで同時に撮影して、得られた2つの画像から計測対象物までの距離情報を得る「ステレオ測距」技術が知られている。このステレオ測距では、2つの画像間に生じる視差を利用して、三角測量の原理により計測対象物までの距離を算出するものである。尚、ステレオ測距において視差を求めるためには、ウィンドウマッチングを行って各画像において互いに対応する点(対応点)を探し出す必要がある。   Conventionally, a “stereo distance measurement” technique is known in which a measurement object is photographed simultaneously by two cameras, and distance information from the two obtained images to the measurement object is obtained. In this stereo distance measurement, the distance to the measurement object is calculated based on the principle of triangulation using the parallax generated between two images. In addition, in order to obtain parallax in stereo ranging, it is necessary to perform window matching to find corresponding points (corresponding points) in each image.

図9は、三角測量の原理を示す図であり、図10は、2次元センサ上の視差Δを説明する図である。図9、図10に基づいて視差を求めて距離を算出する原理について説明する。
図9より1対の2次元センサ(105a、105b)は1対のレンズ(103a、103b)と組み合わせることで2つのカメラ(102a、102b)を構成して、計測対象物101が2つの2次元センサ(105a、105b)上に投影された夫々の画像から、ずれ(視差)を検出して三角測量の原理に基づいて距離を計測する。図9において計測対象物101からの光を同一の光学系からなる2つのカメラ102a、102bを配置して撮影する場合について考える。レンズ103aを介して得た計測対象物像104aと、レンズ103bを介して得た計測対象物像104bとは、計測対象物101の同一点が視差Δだけずれて2次元センサ105a、105bにそれぞれ104a、104bとして撮像され(図10参照)、複数の受光素子(画素)で受光され、電気信号に変換される。
FIG. 9 is a diagram illustrating the principle of triangulation, and FIG. 10 is a diagram illustrating the parallax Δ on the two-dimensional sensor. The principle of calculating the distance by obtaining the parallax based on FIGS. 9 and 10 will be described.
From FIG. 9, a pair of two-dimensional sensors (105a, 105b) is combined with a pair of lenses (103a, 103b) to form two cameras (102a, 102b), and the measurement object 101 has two two-dimensional objects. A deviation (parallax) is detected from each image projected on the sensors (105a, 105b), and the distance is measured based on the principle of triangulation. In FIG. 9, consider the case where the light from the measurement object 101 is photographed by arranging two cameras 102a and 102b made of the same optical system. The measurement object image 104a obtained via the lens 103a and the measurement object image 104b obtained via the lens 103b are shifted to the two-dimensional sensors 105a and 105b by shifting the same point of the measurement object 101 by the parallax Δ, respectively. Images are taken as 104a and 104b (see FIG. 10), received by a plurality of light receiving elements (pixels), and converted into electrical signals.

ここでレンズ103a、103bの光軸間の距離は基線長と呼ばれ、これをDとし、レンズと計測対象物101との距離をA、レンズの焦点距離をfとし、A≫fであるときには次式が成り立つ。
A=Df/Δ・・・・(1)
(1)式より、基線長D、及びレンズの焦点距離fは既知であるから、視差Δを検出すれば計測対象物101までの距離Aを算出することができる。
Here, the distance between the optical axes of the lenses 103a and 103b is called a base line length, which is D, when the distance between the lens and the measurement object 101 is A, and the focal length of the lens is f, and when A >> f. The following equation holds.
A = Df / Δ (1)
Since the baseline length D and the focal length f of the lens are known from the equation (1), the distance A to the measurement object 101 can be calculated by detecting the parallax Δ.

しかしながら、上記の方法は2つの2次元センサ105a、105bに映った計測対象物101を画素の輝度値の分布特性に基づいて図10に示す対応点104cを探し出す方法であるため、計測対象物101が単一色の表面をもつ物体で、表面の輝度分布が一様で、且つ撮影画像において輝度値に変化が生じ難い場合は、対応づけを行うことが困難となり(即ち、対応点104cを検知できないため)視差Δを計算できず、その結果、距離を算出することができないといった問題がある。
その課題を解決するために、計測対象物の表面に対して所定の投光パターンを投光して計測対象の表面に模様を付ける従来技術として特許文献1には、所定の輝度階調を有する輝度ブロックをランダムに(すなわち、輝度変化に規則性がないように)配置したランダムパターンを用いることが開示されている。
However, the above method is a method of finding the corresponding point 104c shown in FIG. 10 based on the distribution characteristics of the luminance values of the pixels of the measurement object 101 reflected on the two two-dimensional sensors 105a and 105b. Is an object having a surface of a single color, the luminance distribution of the surface is uniform, and it is difficult to perform the association (that is, the corresponding point 104c cannot be detected) when the luminance value does not easily change in the captured image. Therefore, there is a problem that the parallax Δ cannot be calculated, and as a result, the distance cannot be calculated.
In order to solve the problem, Patent Document 1 has a predetermined luminance gradation as a conventional technique for projecting a predetermined light projection pattern on the surface of a measurement object and patterning the surface of the measurement object. It is disclosed to use a random pattern in which luminance blocks are arranged randomly (that is, so that there is no regularity in luminance change).

また、特許文献2には、一様乱数や正規乱数に基づき、ドットのサイズ、線の長さ、太さ、位置、濃度等に周期性を持たない非周期的投光パターンを用いることが開示されている。またこのパターンを投光する手段として、光源から出た光をランダムパターンのスライドを透過させレンズ系で結像させて計測対象物に投光する手段が開示されている。
また、特許文献3には、パターン生成方法として各部分数列によって表されるベクトルが互いに方向の異なるベクトルとなるように、数列を生成する方法が示され、誤った対応づけがなされる危険性を低減し、的確な対応づけを行うことができることが開示されている。またこのパターンを投光する手段として、プロジェクタや走査型の露光装置を用いることが開示されている。
Patent Document 2 discloses the use of a non-periodic projection pattern having no periodicity in dot size, line length, thickness, position, density, and the like based on uniform random numbers and normal random numbers. Has been. Further, as means for projecting this pattern, means for projecting light emitted from a light source through a slide of a random pattern to form an image with a lens system and projecting it onto a measurement object is disclosed.
Further, Patent Document 3 discloses a method of generating a sequence so that vectors represented by each partial sequence are different in direction from each other as a pattern generation method, and there is a risk of incorrect association. It is disclosed that it can reduce and can perform exact matching. Further, it is disclosed that a projector or a scanning exposure apparatus is used as means for projecting this pattern.

しかしながら特許文献2、3に記載されている従来技術は、プロジェクタや走査型のレーザ露光装置を使用するために、いずれも装置のサイズが大きくなるといった問題がある。即ち、プロジェクタは光源のランプが大きくなる可能性がある。例えば、光源にLEDを用いた場合は小型化は可能であるが、レンズで結像させるため、結像する位置では解像度の高いランダムパターンを照射できるが、結像位置からずれると解像度が低下してしまい、精度良く距離を計測することができなくなる。
また、特許文献3に開示されている走査型のレーザ露光装置は、レーザ光を変調しながら走査することでランダムパターンを表示する方式である。この方式では、計測対象物全体にランダムパターンを照射するためには、走査に要する時間が長くなる。従って、ステレオカメラのシャッタースピードはレーザ走査に要する時間によって制限されるため、短いシャッタースピードで撮影することはできない。その結果、動きの早いものや暗い場所での計測が困難となるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、高精度な距離計測を可能にするパターンを照射できる小型なパターン照明装置、及びそれを用いて計測対象までの距離を測定する測距装置を提供することを目的とする。
However, the conventional techniques described in Patent Documents 2 and 3 have a problem that the size of the apparatus increases because of the use of a projector or a scanning laser exposure apparatus. In other words, the projector may have a large light source lamp. For example, if an LED is used as the light source, it is possible to reduce the size, but since a lens is used for image formation, a random pattern with high resolution can be irradiated at the image formation position. As a result, the distance cannot be accurately measured.
Further, the scanning laser exposure apparatus disclosed in Patent Document 3 is a method of displaying a random pattern by scanning while modulating laser light. In this method, in order to irradiate the entire measurement object with a random pattern, the time required for scanning becomes long. Therefore, since the shutter speed of the stereo camera is limited by the time required for laser scanning, it is not possible to photograph at a short shutter speed. As a result, there is a problem that it is difficult to perform measurement in a fast moving object or in a dark place.
The present invention has been made in view of such a problem, and is a compact pattern illumination device that can irradiate a pattern that enables highly accurate distance measurement, and a distance measuring device that measures a distance to a measurement object using the device. The purpose is to provide.

本発明はかかる課題を解決するために、請求項1は、計測対象物までの距離を計測するために、該計測対象物を識別するためのパターンを投光するパターン照明装置であって、前記パターンを投光する光源と、該光源から投光された光を平行光に変換する光学手段と、該光学手段により変換された平行光を回折する回折光学素子と、を備え、該回折光学素子から出射されて前記計測対象物に投光される光は、3階調以上の多階調の輝度分布を有する画素がランダムに配置されたパターン光であることを特徴とする。   In order to solve this problem, the present invention provides a pattern illumination device that projects a pattern for identifying a measurement object in order to measure a distance to the measurement object, A light source for projecting a pattern, optical means for converting light projected from the light source into parallel light, and a diffractive optical element for diffracting the parallel light converted by the optical means, the diffractive optical element The light emitted from the light and projected onto the measurement object is pattern light in which pixels having a multi-tone luminance distribution of three or more tones are randomly arranged.

本発明によれば、回折光学素子を使って多階調の輝度分布を有する画素がランダムに配置されたパターンを照射することで、計測対象物が単一色の表面をもつ物体であっても、ステレオ対応づけが可能となり、計測対象物までの距離を高精度に測定することができる。更に、パターン照明装置は走査部が無いために小型で構成され、波長として近赤外光を使用することにより、計測対象物までの距離が変化しても常に高精度な測距に適したパターンを照射することできる。   According to the present invention, by using a diffractive optical element to irradiate a pattern in which pixels having a multi-tone luminance distribution are randomly arranged, the measurement object is an object having a single color surface, Stereo correspondence is possible, and the distance to the measurement object can be measured with high accuracy. Furthermore, the pattern illumination device has a small size because it does not have a scanning unit. By using near infrared light as the wavelength, the pattern is always suitable for highly accurate ranging even if the distance to the measurement object changes. Can be irradiated.

(a)は一つの実施形態に係るパターン照明装置の構成を示す図、(b)は多階調輝度分布の階調を示す図である。(A) is a figure which shows the structure of the pattern illumination apparatus which concerns on one embodiment, (b) is a figure which shows the gradation of multi-tone luminance distribution. 回折光学素子の断面形状と回折効率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the cross-sectional shape of a diffractive optical element, and diffraction efficiency. (a)は一つの実施形態に係るステレオカメラの構成を示す図、(b)は撮像素子を上から見た図である。(A) is a figure which shows the structure of the stereo camera which concerns on one embodiment, (b) is the figure which looked at the image pick-up element from the top. 本実施形態に係るパターン照明装置とステレオカメラとの配置関係を示す図である。It is a figure which shows the arrangement | positioning relationship between the pattern illuminating device which concerns on this embodiment, and a stereo camera. ステレオカメラに対して本実施形態に係るパターン照明装置が配置可能な位置を示す図である。It is a figure which shows the position which can arrange | position the pattern illumination apparatus which concerns on this embodiment with respect to a stereo camera. 本実施形態に係るパターン照明装置の出射角度とステレオカメラの画角との関係を表す図である。It is a figure showing the relationship between the emission angle of the pattern illuminating device which concerns on this embodiment, and the angle of view of a stereo camera. 本実施形態に係る測拒装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the refusal apparatus which concerns on this embodiment. (a)は回折光学素子で生じる0次光がパターン内に入った場合を示す図、(b)は回折光学素子で生じる0次光がパターン内に入らなかった場合を示す図である。(A) is a figure which shows the case where the 0th-order light which arises in a diffractive optical element enters in a pattern, (b) is a figure which shows the case where the 0th-order light which arises in a diffractive optical element does not enter in a pattern. 三角測量の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of triangulation. 2次元センサ上の視差Δを説明する図である。It is a figure explaining parallax (DELTA) on a two-dimensional sensor.

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified. .

図1(a)は一つの実施形態に係るパターン照明装置の構成を示す図、図1(b)は多階調輝度分布の階調を示す図である。本発明の第1の実施形態に係るパターン照明装置1は、図示しない計測対象物までの距離を計測するために、計測対象物にパターンを投光するパターン照明装置1であって、パターン光5を投光するための光を出射する半導体レーザ(光源)2と、この半導体レーザ2から出射された光を平行光に変換するカップリングレンズ(光学手段)3と、カップリングレンズ3により変換された平行光を回折する回折光学素子4と、を備え、回折光学素子4から出射されて図示しない計測対象物に投光される光は、多階調の輝度分布を有する画素がランダムに配置されたパターン光5である。
即ち、半導体レーザ2から出射されたレーザ光は、カップリングレンズ3によって平行光となる。平行光は回折光学素子4に入射して回折され、多階調の輝度分布を持つ光となる。この光は2値ではなく、図1(b)に示す多階調の輝度分布を持ち、最小単位である1つの画素のサイズは約1mm角である。この多階調の輝度分布をもった最小単位の画素がランダムに配置されたパターン光5が計測対象物に投光される。
FIG. 1A is a diagram illustrating a configuration of a pattern illumination device according to an embodiment, and FIG. 1B is a diagram illustrating gradations of a multi-gradation luminance distribution. The pattern illumination device 1 according to the first embodiment of the present invention is a pattern illumination device 1 that projects a pattern onto a measurement object in order to measure a distance to a measurement object (not shown), and includes pattern light 5. Is converted by a semiconductor laser (light source) 2 that emits light for projecting light, a coupling lens (optical means) 3 that converts light emitted from the semiconductor laser 2 into parallel light, and a coupling lens 3. And a diffractive optical element 4 that diffracts the parallel light. The light emitted from the diffractive optical element 4 and projected onto a measurement object (not shown) is randomly arranged with pixels having a multi-tone luminance distribution. Pattern light 5.
That is, the laser light emitted from the semiconductor laser 2 is converted into parallel light by the coupling lens 3. The parallel light enters the diffractive optical element 4 and is diffracted to become light having a multi-tone luminance distribution. This light is not binary, has the multi-tone luminance distribution shown in FIG. 1B, and the size of one pixel as a minimum unit is about 1 mm square. Pattern light 5 in which the minimum unit pixels having the multi-tone luminance distribution are randomly arranged is projected onto the measurement object.

図2は回折光学素子の断面形状と回折効率との関係を示す図である。多階調の輝度を生じさせるために、回折光学素子4の断面形状は溝の深さが異なる多段の階段形状となっている。回折光学素子4の断面形状を階段の段数や階段の深さを変えることで回折効率が変化する。即ち、図2では上から順に回析効率が約40%、55%、75%、84%、及び100%と増加している。これを利用することで回折効率が高いところは輝度が明るく、回折効率が低いところは輝度が暗くなるため多階調の輝度分布を形成することができる。このように回折光学素子4を用いて光の強度(輝度)分布を変換すること自体は、特許文献4、5等にも関連する技術が開示されている。
本実施形態では半導体レーザ2は波長700〜900nm程度の近赤外光を発するレーザを想定している。波長がこれ以上に大きくなるとステレオカメラ(複眼撮像装置)に内蔵されている赤外カットフィルタでカットされたり、ステレオカメラのセンサ感度が低下してパターンが正確に検出できなくなってしまう。逆に半導体レーザ2の波長を400〜700nmの可視光にしても良い。可視光にすることでステレオカメラのセンサの検出感度が向上するというメリットがある。しかしその半面、レーザ光が眼で見えるため、人が危険を感じたり目障りになったりするといった課題が発生する。従って、計測対象物により波長を使い分けても構わない。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the cross-sectional shape of the diffractive optical element and the diffraction efficiency. In order to generate multi-tone luminance, the cross-sectional shape of the diffractive optical element 4 has a multi-step shape with different groove depths. The diffraction efficiency changes by changing the number of steps of the diffractive optical element 4 or the depth of the steps. That is, in FIG. 2, the diffraction efficiency increases from about 40%, 55%, 75%, 84%, and 100% in order from the top. By utilizing this, the luminance is bright where the diffraction efficiency is high, and the luminance is dark where the diffraction efficiency is low, so a multi-tone luminance distribution can be formed. As described above, techniques relating to the conversion of the light intensity (luminance) distribution using the diffractive optical element 4 are also disclosed in Patent Documents 4 and 5 and the like.
In this embodiment, the semiconductor laser 2 is assumed to be a laser that emits near-infrared light having a wavelength of about 700 to 900 nm. If the wavelength becomes larger than this, the pattern may not be accurately detected due to being cut by an infrared cut filter built in the stereo camera (compound-eye imaging device) or the sensor sensitivity of the stereo camera being lowered. On the contrary, the wavelength of the semiconductor laser 2 may be visible light of 400 to 700 nm. By making visible light, there is an advantage that the detection sensitivity of the sensor of the stereo camera is improved. However, on the other hand, since the laser beam can be seen with the eyes, there arises a problem that a person feels danger or becomes annoying. Therefore, the wavelength may be properly used depending on the measurement object.

また、半導体レーザ2は一般に温度上昇に伴って波長が変化するモードホッピングと呼ばれる現象が瞬間的に発生する。波長が変化すると回折光学素子4からのパターン光の出射角度と回折効率が変化して、パターンを照射する範囲が変わってしまう。このように回折効率が変化すると多階調の輝度分布が相対的に変化してしまう。いずれも安定した測距を行う上で問題となるため、半導体レーザ2の温度を一定とするために、ペルチェ素子等の温度調節素子6(図1)を備えておくことが望ましい。
また、レーザパワーについてもAPC(Auto Power Control)回路7(図1)を用いて出射光をフィードバックして一定に保つことが望ましい。パターン照明の明るさを一定に保つことで、ステレオカメラにとって最適なシャッター時間を保つことができる。
また、半導体レーザ2は、一般的にパッケージサイズがφ3.5mm、φ5.6mmであり非常に小型である。カップリングレンズ3や回折光学素子4もほぼ同等のサイズで作られるため、従来のプロジェクタや走査型のレーザ露光装置に比べて本実施形態のパターン照明装置1は、サイズが格段に小さく作ることができるばかりでなく、走査部も無く信頼性も極めて高いものとなる。
以上のように本実施形態のパターン照明装置1は小型でありながら、高精度な測距を可能にするパターンを照射することができる。
In addition, the semiconductor laser 2 generally instantaneously generates a phenomenon called mode hopping in which the wavelength changes as the temperature rises. When the wavelength changes, the emission angle and diffraction efficiency of the pattern light from the diffractive optical element 4 change, and the pattern irradiation range changes. Thus, when the diffraction efficiency changes, the multi-tone luminance distribution changes relatively. In any case, since it causes a problem in performing stable ranging, it is desirable to provide a temperature adjusting element 6 (FIG. 1) such as a Peltier element in order to keep the temperature of the semiconductor laser 2 constant.
Also, the laser power is desirably kept constant by feeding back the emitted light using an APC (Auto Power Control) circuit 7 (FIG. 1). By keeping the brightness of the pattern illumination constant, it is possible to maintain an optimal shutter time for a stereo camera.
The semiconductor laser 2 is generally very small with a package size of φ3.5 mm and φ5.6 mm. Since the coupling lens 3 and the diffractive optical element 4 are also made with substantially the same size, the pattern illumination device 1 of this embodiment can be made much smaller than the conventional projector or scanning type laser exposure device. In addition to being able to do so, there is no scanning section and the reliability is extremely high.
As described above, the pattern illumination device 1 according to this embodiment can irradiate a pattern that enables highly accurate distance measurement while being small.

図3(a)は一つの実施形態に係るステレオカメラの構成を示す図、図3(b)は撮像素子を上から見た図である。図3(a)においてレンズアレイ11には、レンズ12a、12bが一体化されて形成されている。レンズ12a、12bは測距用のレンズであり、同じ形状で焦点距離は等しく、それぞれの光軸13a、13bは平行である。光軸13aと光軸13bの間隔が基線長Dである。
ここで図3(a)のように光軸13a、13bの方向をZ軸とし、Z軸に垂直であり、且つ光軸13bから光軸13aへ向かう方向をY軸とし、Z軸とY軸の両方に直交する方向をX軸とする。レンズ12a、12bはXY平面上にありY軸上に両レンズの中心を配置した。この場合、視差Δが発生する方向はY軸方向となる。
FIG. 3A is a diagram illustrating a configuration of a stereo camera according to one embodiment, and FIG. 3B is a diagram of the image sensor as viewed from above. In FIG. 3A, the lens array 11 is formed by integrating lenses 12a and 12b. The lenses 12a and 12b are distance measuring lenses having the same shape and the same focal length, and the optical axes 13a and 13b are parallel to each other. The distance between the optical axis 13a and the optical axis 13b is the baseline length D.
Here, as shown in FIG. 3A, the direction of the optical axes 13a and 13b is the Z axis, the direction perpendicular to the Z axis and the direction from the optical axis 13b to the optical axis 13a is the Y axis, and the Z axis and the Y axis. The direction orthogonal to both of these is the X axis. The lenses 12a and 12b are on the XY plane, and the centers of both lenses are arranged on the Y axis. In this case, the direction in which the parallax Δ is generated is the Y-axis direction.

また、図3(b)のように撮像素子14はCMOS、CCD等の撮像素子であり、ウェハ上に半導体プロセスにより多数の画素を形成したものである。撮像素子14上には、測距用レンズ12aを介して計測対象物が結像される撮像領域15aと、測距用レンズ12bを介して計測対象物が結像される撮像領域15bが離間して配置されている。また、撮像領域15aと撮像領域15bは、それぞれ同じ大きさの矩形領域であり、撮像領域15aと撮像領域15bの対角中心A、Bと、レンズ12a、12bの光軸13a、13bはほぼ一致するように配置されている。
以上の構成からなるステレオカメラ16は、図9、図10を用いて先に説明した三角測量の原理により計測対象物までの距離を計測できる。更に、図1に示したパターン照明装置1によりランダムパターンを照射すれば、計測対象物が単一色の表面をもつ物体であってもステレオ対応づけを行うことができる。加えてパターン照明装置1には走査部も無いため、動いているものでも精度良く計測することができる。
In addition, as shown in FIG. 3B, the image sensor 14 is an image sensor such as a CMOS or a CCD, and a large number of pixels are formed on a wafer by a semiconductor process. On the image sensor 14, an imaging region 15a where a measurement target is imaged via a distance measuring lens 12a and an imaging region 15b where a measurement target is imaged via a distance measuring lens 12b are spaced apart. Are arranged. The imaging area 15a and the imaging area 15b are rectangular areas having the same size, and the diagonal centers A and B of the imaging area 15a and the imaging area 15b are substantially coincident with the optical axes 13a and 13b of the lenses 12a and 12b. Are arranged to be.
The stereo camera 16 having the above-described configuration can measure the distance to the measurement object based on the principle of triangulation previously described with reference to FIGS. Furthermore, if a random pattern is irradiated by the pattern illumination device 1 shown in FIG. 1, even if the measurement target is an object having a single color surface, stereo correspondence can be performed. In addition, since the pattern illumination apparatus 1 does not have a scanning unit, even a moving object can be accurately measured.

図4は、本実施形態に係るパターン照明装置とステレオカメラとの配置関係を示す図である。特許文献3では、ステレオカメラを構成する2つのカメラの間に照明装置が配置されている構成が開示されていたが、本発明のステレオカメラ16はサイズが極めて小さく、最もサイズが大きい基線長方向の幅でも13mm程度しかないため、2つのカメラの間に照明装置を配置することは物理的に不可能である。パターン照明装置1を配置できる場所は図5(正面から見た図)に示すようにステレオカメラ16の周囲A〜Dとなる。
ここでステレオカメラ16のレンズ12a、12bの画角とパターン照明装置1のパターン出射角度の関係について説明する。図6は、本実施形態に係るパターン照明装置の出射角度とステレオカメラの画角との関係を表す図である。パターン照明装置1とステレオカメラ16を一体化した場合、パターン照明装置1を配置できる場所は図5に示すようにステレオカメラ16の周囲であるA〜Dの場所となる。従って、ステレオカメラ16の視野である画角全体にパターンを照射するためには、パターン出射角度αはステレオカメラ16の画角より大きくしなければならない。しかしながら、パターン出射角度αを大きくするためには、回折光学素子4をより微細に加工しなければならないため、加工上の制限からパターン出射角度αはあまり大きくはできない。そこでパターン照明装置1を配置する場所として図5のA又はCの位置ではなく、B又はDの位置とすることが望ましい。
FIG. 4 is a diagram showing an arrangement relationship between the pattern illumination device and the stereo camera according to the present embodiment. Patent Document 3 discloses a configuration in which an illumination device is disposed between two cameras constituting a stereo camera, but the stereo camera 16 of the present invention is extremely small in size and has the largest size in the baseline length direction. It is physically impossible to dispose the lighting device between the two cameras because the width is only about 13 mm. The places where the pattern illumination device 1 can be placed are the surroundings A to D of the stereo camera 16 as shown in FIG.
Here, the relationship between the angle of view of the lenses 12a and 12b of the stereo camera 16 and the pattern emission angle of the pattern illumination device 1 will be described. FIG. 6 is a diagram illustrating the relationship between the emission angle of the pattern illumination device according to the present embodiment and the angle of view of the stereo camera. When the pattern illumination device 1 and the stereo camera 16 are integrated, places where the pattern illumination device 1 can be arranged are places A to D around the stereo camera 16 as shown in FIG. Therefore, in order to irradiate the entire field angle that is the visual field of the stereo camera 16, the pattern emission angle α must be larger than the field angle of the stereo camera 16. However, in order to increase the pattern emission angle α, the diffractive optical element 4 must be processed more finely. Therefore, the pattern emission angle α cannot be increased so much due to processing limitations. Therefore, it is desirable to place the pattern illumination device 1 at the position B or D instead of the position A or C in FIG.

図7は、本実施形態に係る測拒装置の構成を示す図である。この図では、図5Dの位置に本発明に係るパターン照明装置を配置したときの画角と出射角度の関係を示している。本実施形態に係る測拒装置9は、パターン照明装置1と、パターン照明装置1により投光されたパターンが照射された計測対象物を撮影するステレオカメラ16と、ステレオカメラ16から得られた画像から視差を計算して計測対象物までの距離を演算する制御部17と、を備えている。そして、回折光学素子4からの出射角度βがステレオカメラ16のレンズ画角より大きくなる位置にパターン照明装置1を配置する。
図6の場合の出射角度αに比べて図7の方がパターン照明装置1の出射角度βが小さくすることができる。これはステレオカメラ16のAやCの位置にパターン照明装置1を配置すると、ステレオカメラ16の画角が大きい水平画角すべてをカバーするようにパターン照明装置1を配置しなければならないためである。水平画角すべてをカバーするためにはパターン照明装置1の出射角度αを大きくしなければならず、出射角度αを大きくするためには回折光学素子4の加工をより微細に加工しなければならない。
このようにパターン照明装置1をステレオカメラ16の基線長の方向に対して垂直方向の位置に配置することで、回折光学素子4の加工を難しくすることなく、ステレオカメラ16の視野を全てカバーできるようにパターン照明を行うことができる。垂直方向でもとりわけステレオカメラ16を2つのレンズの間の垂直方向に配置することでステレオカメラの視野近くに配置でき、回折光学素子4の加工精度を緩和できる。
FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the refusal device according to the present embodiment. This figure shows the relationship between the field angle and the emission angle when the pattern illumination device according to the present invention is disposed at the position shown in FIG. 5D. The measurement refusal device 9 according to the present embodiment includes a pattern illumination device 1, a stereo camera 16 that captures a measurement object irradiated with a pattern projected by the pattern illumination device 1, and an image obtained from the stereo camera 16. And a control unit 17 that calculates the parallax and calculates the distance to the measurement object. Then, the pattern illumination device 1 is arranged at a position where the emission angle β from the diffractive optical element 4 is larger than the lens field angle of the stereo camera 16.
Compared with the emission angle α in the case of FIG. 6, the emission angle β of the pattern illumination device 1 can be made smaller in FIG. 7. This is because when the pattern illumination device 1 is arranged at positions A and C of the stereo camera 16, the pattern illumination device 1 must be arranged so as to cover all the horizontal angles of view with a large angle of view of the stereo camera 16. . In order to cover all the horizontal angles of view, the exit angle α of the pattern illumination device 1 must be increased, and in order to increase the exit angle α, the diffractive optical element 4 must be processed more finely. .
Thus, by arranging the pattern illumination device 1 at a position perpendicular to the direction of the base line length of the stereo camera 16, it is possible to cover the entire field of view of the stereo camera 16 without making the processing of the diffractive optical element 4 difficult. Pattern illumination can be performed. Especially in the vertical direction, the stereo camera 16 can be arranged near the field of view of the stereo camera by arranging it in the vertical direction between the two lenses, and the processing accuracy of the diffractive optical element 4 can be relaxed.

次に、照明するパターン光の中に回折光学素子3で生じる0次光が入らない構成を提案する。図8(a)は回折光学素子で生じる0次光がパターン内に入った場合を示す図、図8(b)は回折光学素子で生じる0次光がパターン内に入らなかった場合を示す図である。
図8(a)に示すような今まで説明してきたパターン照明装置の場合、回折光学素子4において回折せずに透過してしまう光(0次光)があると、照射するパターンのちょうど中心部に回折光学素子4に入射したレーザ光束のビーム径と同じ大きさのスポット光8が照射されることになる。0次光8が照射された部分は多階調の輝度分布が乱れてしまい、0次光8が照射される画面中心部は正確な測距ができなくなってしまう。
そこで図8(b)に示すように0次光8が照射するパターンの中に入らないようにする。即ち、図7で示したステレオカメラ16とパターン照明装置1の位置関係により、0次光を避けることができる。このようにすることで、0次光による輝度分布の乱れは発生しなくなり全画面で正確な測距ができるようになる。図8(b)の構成では回折効率が低下して照射するパターンが暗くなるが、半導体レーザ2の光出力を大きくすればパターンは明るくなり回折効率の低下はカバーすることが可能である。
Next, a configuration is proposed in which zero-order light generated by the diffractive optical element 3 does not enter into the pattern light to be illuminated. FIG. 8A shows a case where the 0th-order light generated by the diffractive optical element enters the pattern, and FIG. 8B shows a case where the 0th-order light generated by the diffractive optical element does not enter the pattern. It is.
In the case of the pattern illuminating device described so far as shown in FIG. 8A, if there is light (0th order light) that is transmitted without being diffracted by the diffractive optical element 4, it is exactly the center of the pattern to be irradiated. The spot light 8 having the same size as the beam diameter of the laser beam incident on the diffractive optical element 4 is irradiated. In the portion irradiated with the 0th-order light 8, the multi-tone luminance distribution is disturbed, and the center of the screen irradiated with the 0th-order light 8 cannot be accurately measured.
Therefore, as shown in FIG. 8B, it is prevented from entering the pattern irradiated with the 0th-order light 8. That is, zero-order light can be avoided by the positional relationship between the stereo camera 16 and the pattern illumination device 1 shown in FIG. By doing so, the luminance distribution is not disturbed by the 0th-order light, and accurate ranging can be performed on the entire screen. In the configuration of FIG. 8B, the diffraction efficiency is lowered and the pattern to be irradiated becomes dark. However, if the light output of the semiconductor laser 2 is increased, the pattern becomes brighter and the reduction in the diffraction efficiency can be covered.

以上述べてきたパターン照明装置1とステレオカメラ16は着脱可能にして計測対象物が単一色の表面をもつ物体である場合と、そうでない場合とで使い分けても良い。パターン照明装置1とステレオカメラ16を一体化することで照明と撮影のずれが無くなり、経時変化や振動に対しても安定した測距が可能になる。   The pattern illumination device 1 and the stereo camera 16 described above may be detachable so that the measurement object is an object having a surface of a single color and the case where it is not. By integrating the pattern illumination device 1 and the stereo camera 16, there is no deviation between illumination and shooting, and stable distance measurement is possible even with changes over time and vibration.

1 パターン照明装置、2 半導体レーザ、3 カップリングレンズ、4 回折光学素子、5 パターン光、6 温度調節素子、7 APC回路、8 0次光、9 測拒装置、11 レンズアレイ、12a、12b レンズ、13a、13b 光軸、14 撮像素子、15a、15b 撮像領域、16 ステレオカメラ、17 制御部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pattern illumination apparatus, 2 Semiconductor laser, 3 Coupling lens, 4 Diffractive optical element, 5 Pattern light, 6 Temperature control element, 7 APC circuit, 80th-order light, 9 Measurement rejection apparatus, 11 Lens array, 12a, 12b Lens , 13a, 13b Optical axis, 14 Image sensor, 15a, 15b Image area, 16 Stereo camera, 17 Control unit

特開2001−91247公報JP 2001-91247 A 特開2001−147110公報JP 2001-147110 A 特開2007−17355公報JP 2007-17355 A 特開2003−270585公報JP 2003-270585 A 特許第4333760号Japanese Patent No. 4333760

Claims (5)

計測対象物までの距離を計測するために、該計測対象物を識別するためのパターンを投光するパターン照明装置であって、
前記パターンを投光する光源と、
該光源から投光された光を平行光に変換する光学手段と、
該光学手段により変換された平行光を回折する回折光学素子と、を備え、
該回折光学素子から出射されて前記計測対象物に投光される光は、3階調以上の多階調の輝度分布を有する画素がランダムに配置されたパターン光であることを特徴とするパターン照明装置。
A pattern illumination device that projects a pattern for identifying a measurement object in order to measure a distance to the measurement object,
A light source that projects the pattern;
Optical means for converting light projected from the light source into parallel light;
A diffractive optical element that diffracts the parallel light converted by the optical means,
The light emitted from the diffractive optical element and projected onto the measurement object is pattern light in which pixels having a multi-tone luminance distribution of three or more gradations are randomly arranged. Lighting device.
請求項1に記載のパターン照明装置と、該パターン照明装置により投光されたパターン光が照射された計測対象物を撮影する複眼撮像装置と、該複眼撮像装置により撮影された夫々の画像から視差を演算して前記計測対象物までの距離を計算する制御部と、を備えたことを特徴とする測距装置。   The pattern illumination device according to claim 1, a compound eye imaging device that images the measurement object irradiated with the pattern light projected by the pattern illumination device, and a parallax from each image captured by the compound eye imaging device And a control unit that calculates the distance to the measurement object by calculating 前記回折光学素子からの出射角度が前記複眼撮像装置のレンズ画角より大きくなる位置に前記パターン照明装置を配置することを特徴とする請求項2に記載の測距装置。   3. The distance measuring device according to claim 2, wherein the pattern illumination device is arranged at a position where an emission angle from the diffractive optical element is larger than a lens field angle of the compound-eye imaging device. 前記パターン照明装置は、前記複眼撮像装置の光軸間の距離である基線長の方向に対して垂直方向に配置されることを特徴とする請求項2又は3に記載の測距装置。   The distance measuring device according to claim 2, wherein the pattern illumination device is arranged in a direction perpendicular to a direction of a base line length that is a distance between optical axes of the compound-eye imaging device. 前記回折光学素子から出射されて前記計測対象物に投光されるパターン光に前記回折光学素子で生じる0次光が含まれないように前記パターン照明装置を配置することを特徴とする請求項2乃至4の何れか一項に記載の測距装置。   3. The pattern illumination device is arranged so that pattern light emitted from the diffractive optical element and projected onto the measurement object does not include zero-order light generated by the diffractive optical element. The distance measuring device according to any one of 1 to 4.
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