JP2015137987A - 距離センサおよび距離計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】物体の表面状態の影響を受け難くし、演算量を少なくする。【解決手段】距離センサは、物体１０からの光を集光する集光光学系１と、集光光学系１からの光を２つに分割して個別に結像させる２つのセパレータレンズ２ａ，２ｂと、セパレータレンズ２ａ，２ｂによって分割され集光された光を個別に受光する１次元または２次元の２つの撮像素子３ａ，３ｂと、集光光学系１とセパレータレンズ２ａ，２ｂとの間に配置され、光が通過する開口の形状の自己相間関数がデルタ関数に近似した符号化開口を有するマスク４と、撮像素子３ａ，３ｂで得られた２つの画像の重心の間隔を基に物体１０と撮像素子３ａ，３ｂとの距離を決定する処理装置５とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、物体からの光により物体との距離を計測する距離センサおよび距離計測方法に関するものである。

従来より、三角測量法の原理で作動する距離センサが知られている（特許文献１参照）。このような距離センサでは、物体からの光がＣＣＤなどの位置検出素子に入射するが、センサから物体までの距離に応じて位置検出素子に入射する光の位置が変わる。したがって、この光の位置を測定することにより、センサから物体までの距離を求めることが可能である。
三角測量法の原理で作動する距離センサでは、物体の表面状態（例えば鏡面物体か否か、色むらの有無など）によって位置検出素子上で検出される光の位置が変わってしまうため、距離の計測誤差が発生するという問題点があった。

物体の表面状態の影響を受け難い距離センサとして、特許文献２に開示された距離センサが知られている。この距離センサでは、ぼけ量の解析が容易となるように構造化した光通過手段を通して物体からの光を取り込み、この光通過手段を通過した光を収束するレンズ系によって構成されたテレセントリック光学系を通過した光を、２つ以上の光に分離し、これら分離した光から、互いに相違する合焦位置の画像をそれぞれ取り込み、これら画像を用いて物体の距離を演算するようにしている。この距離センサでは、ぼけ量の解析が容易となるように構造化した光通過手段を用いることにより、物体の表面状態の影響を受け難くすることができる。

特開２００２−２５０６２３号公報 特許第２９６３９９０号公報

上記のように、三角測量法の原理で作動する距離センサでは、物体の表面状態によって距離の計測誤差が発生するという問題点があった。
一方、特許文献２に開示された距離センサでは、物体の表面状態の影響を受け難くすることができる。しかし、特許文献２に開示された距離センサでは、互いに相違する２つ以上の合焦位置の画像をそれぞれ取り込み、これら２つ以上の画像に対してフーリエ変換を含む演算処理を行って、物体との距離を求めるため、演算量が多くなるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、物体の表面状態の影響を受け難くすることができ、従来よりも演算量を少なくすることができる距離センサおよび距離計測方法を提供することを目的とする。

本発明の距離センサは、物体からの光を集光する集光光学系と、この集光光学系からの光を２つに分割して個別に結像させる２つのセパレータレンズと、この２つのセパレータレンズによって分割され集光された光を個別に受光する１次元または２次元の２つの撮像素子と、前記集光光学系と前記セパレータレンズとの間または前記セパレータレンズと前記撮像素子との間に配置され、光が通過する開口の形状の自己相間関数がデルタ関数に近似した符号化開口を有するマスクと、前記２つの撮像素子で得られる２つの画像の重心の間隔を基に前記物体と前記撮像素子との距離を決定する処理手段とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明の距離センサの１構成例において、前記処理手段は、前記２つの画像の重心の間隔と、前記物体と前記集光光学系の焦点位置との距離を対応付けて予め記憶する記憶手段と、前記２つの撮像素子で得られる２つの画像の重心の位置をそれぞれ検出する画像重心位置検出手段と、この画像重心位置検出手段での検出結果を基に、前記２つの撮像素子で得られる２つの画像の重心の間隔を算出する重心間隔算出手段と、この重心間隔算出手段が算出した重心の間隔に対応する、物体と集光光学系の焦点位置との距離の値を前記記憶手段から取得し、物体と撮像素子との距離を決定する距離決定手段とを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の距離センサの１構成例は、さらに、対象とする物体が存在すると想定される監視空間に光を投光する投光器を備えることを特徴とするものである。
また、本発明の距離センサの１構成例において、さらに、前記集光光学系は、可変焦点機構を備え、前記記憶手段は、前記２つの画像の重心の間隔と、前記物体と前記焦点位置の距離との関係を、前記集光光学系の焦点距離毎に予め記憶し、前記距離決定手段は、前記集光光学系の焦点距離毎に前記記憶手段に記憶されている関係のうち、前記集光光学系の現在の焦点距離に対応する関係を用いて、前記重心間隔算出手段が算出した重心の間隔に対応する距離の値を決定することを特徴とするものである。

また、本発明の距離計測方法は、物体からの光を集光する集光光学系からの光を２つのセパレータレンズによって２つに分割する分割ステップと、前記集光光学系と前記セパレータレンズとの間または前記セパレータレンズと撮像素子との間に配置され、形状の自己相間関数がデルタ関数に近似した符号化開口を有するマスクを介して、前記２つのセパレータレンズによって分割され集光された光を１次元または２次元の２つの前記撮像素子で個別に受光する受光ステップと、前記２つの撮像素子で得られる２つの画像の重心の間隔を基に前記物体と前記撮像素子との距離を決定する処理ステップとを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、符号化開口を備えたマスクを用いることにより、物体の表面状態の影響を受け難くすることができる。また、本発明では、２つの撮像素子で得られる２つの画像の重心の間隔を算出すれば、物体と撮像素子との距離を求めることができるので、従来の距離センサと比較して演算量を少なくすることができる。

本発明の実施の形態に係る距離センサの構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係る距離センサの処理装置の構成例を示すブロック図である。 物体の距離の変化による画像の重心間隔の変化を説明するための図である。 本発明の実施の形態に係るマスクの平面図である。 本発明の実施の形態において撮像素子で得られる画像の１例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係る距離センサの構成を示すブロック図である。距離センサは、物体１０からの光を集光する集光光学系１と、集光光学系１からの光を２つに分割して個別に結像させる２つのセパレータレンズ２ａ，２ｂと、セパレータレンズ２ａ，２ｂによって分割され集光された光を個別に受光する１次元または２次元の２つの撮像素子３ａ，３ｂと、集光光学系１とセパレータレンズ２ａ，２ｂとの間に配置され、光が通過する開口の形状の自己相間関数がデルタ関数に近似した符号化開口を有するマスク４と、撮像素子３ａ，３ｂで得られた２つの画像の重心の間隔を基に物体１０と撮像素子３ａ，３ｂとの距離を決定する処理装置５とを備えている。

物体１０からの光は、集光光学系１によって集光され、マスク４に入射する。入射した光のうち一部はマスク４によって遮られ、マスク４の符号化開口部に入射した光のみがマスク４を通過する。符号化開口は、マスク４を集光光学系１（またはセパレータレンズ２ａ，２ｂ）側から見たときの開口部の平面形状の自己相間関数がデルタ関数に近似した貫通孔（または貫通孔の集合）である。このような符号化開口については、例えば特許文献２に開示されている。

図１における６は集光光学系１の結像面である。２つのセパレータレンズ２ａ，２ｂは、この結像面６と撮像素子３ａ，３ｂとの間に配置される。セパレータレンズ２ａ，２ｂは、集光光学系１およびマスク４を通過した光を結像面６よりも後方の位置で２つに分割する。

撮像素子３ａ，３ｂは、例えば画素が線状に配置された１次元のＣＣＤ、または画素がマトリクス状に配置された２次元のＣＣＤからなる。セパレータレンズ２ａ，２ｂによって分割され集光された光を撮像素子３ａ，３ｂで個別に受光することにより、１次元または２次元の画像を２つ得ることができる。

処理装置５は、撮像素子３ａで得られた画像の重心と撮像素子３ｂで得られた画像の重心の間隔を基に物体１０と撮像素子３ａ，３ｂとの距離を決定する。図２は処理装置５の構成例を示すブロック図である。処理装置５は、撮像素子３ａ，３ｂで得られる２つの画像の重心の間隔と、物体１０と撮像素子３ａ，３ｂの距離とを対応付けて予め記憶する記憶部５０と、撮像素子３ａ，３ｂで得られる２つの画像の重心の位置をそれぞれ検出する画像重心位置検出部５１と、画像重心位置検出部５１での検出結果を基に、撮像素子３ａ，３ｂで得られる２つの画像の重心の間隔を算出する重心間隔算出部５２と、重心間隔算出部５２が算出した重心の間隔に対応する、物体１０と撮像素子３ａ，３ｂとの距離の値を記憶部５０から取得する距離決定部５３とから構成される。

物体１０からの光が撮像素子３ａ，３ｂ上で結像したことによって得られる２つの画像の重心の間隔は、物体１０と集光光学系１の焦点位置（図３（Ａ）〜図３（Ｃ）の７）との距離によって変わる。例えば図３（Ａ）のように物体１０が焦点位置７にある場合と比較して物体１０が近距離にある場合には、撮像素子３ａ，３ｂで得られる２つの画像の重心の間隔が狭くなる（図３（Ｂ））。反対に物体１０が焦点位置７より遠ざかると、撮像素子３ａ，３ｂで得られる２つの画像の重心の間隔が広くなる（図３（Ｃ））。このように、撮像素子３ａ，３ｂで得られる２つの画像の重心の間隔は、物体１０と集光光学系１の焦点位置７との距離に依存する。したがって、２つの画像の重心の間隔を計算することができれば、物体１０と撮像素子３ａ，３ｂとの距離を求めることができる。

記憶部５０は、撮像素子３ａ，３ｂで得られる２つの画像の重心の間隔と、物体１０と集光光学系１の焦点位置７との距離とを対応付けて予め記憶している。
図４に集光光学系１側から見たマスク４の平面形状の１例を示し、図５（Ａ）に撮像素子３ａで得られる画像の１例を示し、図５（Ｂ）に撮像素子３ｂで得られる画像の１例を示す。ここでは、記載を容易にするため、２次元の撮像素子３ａ，３ｂを用いるものとする。また、マスク４に形成される開口を２つの三日月型の開口とする。三日月型の開口は符号化開口ではないが、ここでは便宜的に２つの三日月型の開口で符号化開口を表現するものとする。

画像重心位置検出部５１は、撮像素子３ａ上での画像の重心（図５（Ａ）の３０ａ）の位置と撮像素子３ｂ上での画像の重心（図５（Ｂ）の３０ｂ）の位置とを検出する。なお、画像の重心位置を求める技術は画像処理において周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。ここで、画像の重心としては、画像の形状重心と輝度重心とがあるが、本発明では、画像の形状重心の位置を求めてもよいし、画像の輝度重心の位置を求めてもよい。

重心間隔算出部５２は、画像重心位置検出部５１での検出結果を基に、撮像素子３ａ，３ｂで得られる２つの画像の重心の間隔を算出する。撮像素子３ａと３ｂの間隔は固定値であるから、撮像素子３ａ上での画像の重心の位置と撮像素子３ｂ上での画像の重心の位置とを検出することができれば、これら重心の間隔を算出することができる。

距離決定部５３は、重心間隔算出部５２が算出した重心の間隔に対応する、物体１０と集光光学系１の焦点位置７との距離の値を記憶部５０から取得し、物体１０と撮像素子３ａ，３ｂとの距離を決定する。集光光学系１の焦点位置７は既知であるので、物体１０と集光光学系１の焦点位置７との距離が分かれば、物体１０と撮像素子３ａ，３ｂとの距離を決定することができる。
本実施の形態では、符号化開口を備えたマスク４を用いることにより、物体１０の表面状態の影響を受け難くすることができる。また、本実施の形態では、撮像素子３ａ，３ｂで得られる２つの画像の重心の間隔を求めればよいので、特許文献２に開示された距離センサと比較して演算量を少なくすることができる。

なお、本実施の形態において、対象とする物体１０が存在すると想定される監視空間に光を投光する投光器を設けるようにしてもよい。これにより、投光器無しでは物体１０からの反射光量が弱過ぎて物体検知ができないような場合でも、物体１０と撮像素子３ａ，３ｂとの距離を計測することができる。

また、本実施の形態では、集光光学系１とセパレータレンズ２ａ，２ｂとの間、より正確には集光光学系１と集光光学系１の結像面６との間にマスク４を配置しているが、これに限るものではなく、結像面６とセパレータレンズ２ａ，２ｂとの間にマスク４を配置してもよいし、セパレータレンズ２ａ，２ｂと撮像素子３ａ，３ｂとの間にマスク４を配置してもよい。

また、本実施の形態では、固定焦点の集光光学系１を用いる場合について説明しているが、焦点距離を変化させることが可能な可変焦点機構を備えた集光光学系１を用いてもよい。ただし、この場合は、２つの画像の重心の間隔と、物体１０と集光光学系１の焦点位置７の距離との関係が、集光光学系１の焦点距離に応じて変化する。そこで、２つの画像の重心の間隔と、物体１０と集光光学系１の焦点位置７の距離との関係を、集光光学系１の焦点距離毎に記憶部５０に記憶させておく。距離決定部５３は、集光光学系１の焦点距離毎に記憶部５０に記憶されている関係のうち、集光光学系１の現在の焦点距離に対応する関係を用いて、重心間隔算出部５２が算出した重心の間隔に対応する距離の値を決定すればよい。
なお、セパレータレンズ２ａ，２ｂの近傍に絞りマスクを配置してもよい、これにより、不必要な光の混入を防止することができる。

本実施の形態で説明した処理装置５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及びインタフェースを備えたコンピュータと、これらのハードウェア資源を制御するプログラムによって実現することができる。ＣＰＵは、記憶装置に格納されたプログラムに従って本実施の形態で説明した処理を実行する。

本発明は、物体からの光により物体との距離を計測する技術に適用することができる。

１…集光光学系、２ａ，２ｂ…セパレータレンズ、３ａ，３ｂ…撮像素子、４…マスク、５…処理装置、５０…記憶部、５１…画像重心位置検出部、５２…重心間隔算出部、５３…距離決定部。

Claims (8)

1. 物体からの光を集光する集光光学系と、
   この集光光学系からの光を２つに分割して個別に結像させる２つのセパレータレンズと、
   この２つのセパレータレンズによって分割され集光された光を個別に受光する１次元または２次元の２つの撮像素子と、
   前記集光光学系と前記セパレータレンズとの間または前記セパレータレンズと前記撮像素子との間に配置され、光が通過する開口の形状の自己相間関数がデルタ関数に近似した符号化開口を有するマスクと、
   前記２つの撮像素子で得られる２つの画像の重心の間隔を基に前記物体と前記撮像素子との距離を決定する処理手段とを備えることを特徴とする距離センサ。
2. 請求項１記載の距離センサにおいて、
   前記処理手段は、
   前記２つの画像の重心の間隔と、前記物体と前記集光光学系の焦点位置との距離を対応付けて予め記憶する記憶手段と、
   前記２つの撮像素子で得られる２つの画像の重心の位置をそれぞれ検出する画像重心位置検出手段と、
   この画像重心位置検出手段での検出結果を基に、前記２つの撮像素子で得られる２つの画像の重心の間隔を算出する重心間隔算出手段と、
   この重心間隔算出手段が算出した重心の間隔に対応する、物体と集光光学系の焦点位置との距離の値を前記記憶手段から取得し、物体と撮像素子との距離を決定する距離決定手段とを備えることを特徴とする距離センサ。
3. 請求項１または２記載の距離センサにおいて、
   さらに、対象とする物体が存在すると想定される監視空間に光を投光する投光器を備えることを特徴とする距離センサ。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の距離センサにおいて、
   さらに、前記集光光学系は、可変焦点機構を備え、
   前記記憶手段は、前記２つの画像の重心の間隔と、前記物体と前記焦点位置の距離との関係を、前記集光光学系の焦点距離毎に予め記憶し、
   前記距離決定手段は、前記集光光学系の焦点距離毎に前記記憶手段に記憶されている関係のうち、前記集光光学系の現在の焦点距離に対応する関係を用いて、前記重心間隔算出手段が算出した重心の間隔に対応する距離の値を決定することを特徴とする距離センサ。
5. 物体からの光を集光する集光光学系からの光を２つのセパレータレンズによって２つに分割する分割ステップと、
   前記集光光学系と前記セパレータレンズとの間または前記セパレータレンズと撮像素子との間に配置され、形状の自己相間関数がデルタ関数に近似した符号化開口を有するマスクを介して、前記２つのセパレータレンズによって分割され集光された光を１次元または２次元の２つの前記撮像素子で個別に受光する受光ステップと、
   前記２つの撮像素子で得られる２つの画像の重心の間隔を基に前記物体と前記撮像素子との距離を決定する処理ステップとを含むことを特徴とする距離計測方法。
6. 請求項５記載の距離計測方法において、
   前記処理ステップは、
   前記２つの撮像素子で得られる２つの画像の重心の位置をそれぞれ検出する画像重心位置検出ステップと、
   この画像重心位置検出ステップでの検出結果を基に、前記２つの撮像素子で得られる２つの画像の重心の間隔を算出する重心間隔算出ステップと、
   前記２つの画像の重心の間隔と、前記物体と前記集光光学系の焦点位置との距離を対応付けて予め記憶している記憶手段を参照し、前記重心間隔算出ステップで算出した重心の間隔に対応する、物体と集光光学系の焦点位置との距離の値を前記記憶手段から取得し、物体と撮像素子との距離を決定する距離決定ステップとを含むことを特徴とする距離計測方法。
7. 請求項５または６記載の距離計測方法において、
   さらに、対象とする物体が存在すると想定される監視空間に光を投光する投光ステップを含むことを特徴とする距離計測方法。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の距離計測方法において、
   さらに、前記集光光学系は、可変焦点機構を備え、
   前記記憶手段は、前記２つの画像の重心の間隔と、前記物体と前記焦点位置の距離との関係を、前記集光光学系の焦点距離毎に予め記憶し、
   前記距離決定ステップは、前記集光光学系の焦点距離毎に前記記憶手段に記憶されている関係のうち、前記集光光学系の現在の焦点距離に対応する関係を用いて、前記重心間隔算出ステップで算出した重心の間隔に対応する距離の値を決定することを特徴とする距離計測方法。

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