JP2016136088A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定精度が高い距離測定装置を提供する。
【解決手段】距離測定装置は、光透過領域の配置が異なる複数のパターン３１〜３４と、パターンの像を被測定物に投影する投影部と、投影部により被測定物に投影されたパターンの像を撮影する撮影部と、を備え、投影部は、投影するパターンを周期的に変更し、撮影部は、異なるパターンごとにパターンの像と投影部の距離を算出し、算出した複数の距離に基づいて被測定物と投影部の距離を測定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、距離測定装置に関するものである。

空間の物体認識技術として、空間符号化法を使用した三次元計測技術が知られている。

空間符号化法は、明暗のパターンを被測定物に投影し、投影されたパターンの像を撮影部によって撮影することによって、被測定物と投影部との距離を測定する方法である。しかし、被測定物に明暗のパターンの縁（エッジ）が投影されない部分については距離を測定することができなかった。

これまでにも、１種類又はそれ以上の異なる波長帯の光を吸収するフィルタを複数のパターンで配列したパターン構造体に、照射光を透過させる三次元形状計測方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、明暗パターンの周期が異なる２種類の投影パターンを用いて対象物体の形状を計測する情報処理装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、投影パターンの位相をずらした複数のパターンを投影し、複数パターン間の演算により距離を算出する位相シフト法を利用した三次元形状計測システムが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

本発明は、距離の測定精度が高い距離測定装置を得ることを目的とする。

本発明にかかる距離測定装置は、光透過領域の配置が異なる複数のパターンと、パターンの像を被測定物に投影する投影部と、投影部により被測定物に投影されたパターンの像を撮影する撮影部と、を備え、投影部は、投影するパターンを周期的に変更し、撮影部は、異なるパターンごとにパターンの像と投影部の距離を算出し、算出した複数の距離に基づいて被測定物と投影部の距離を測定する、ことを特徴とする。

本発明によれば、距離の測定精度が高い距離測定装置を得ることができる。

本発明にかかる距離測定装置の実施の形態を示す光学配置図である。 上記マスクが備えるパターンの一例を示す平面図である。 上記距離測定装置が備えるマスクの平面図である。 上記パターンがパターンピッチごとに水平に変化する様子を示す図である。 上記パターンがパターンピッチの３分の１ごとに水平に変化する様子を示す図である。 上記パターンが水平および垂直に変化する場合のパターンの各種の例を示す平面図である。 異なるパターンごとに算出したパターンの像と投影部の距離に基づいて、被測定物と撮影部の各画素の距離を測定する流れを示す概略フローである。 本発明にかかる距離測定装置の別の実施の形態を示す光学配置図である。

●距離測定装置（１）●
以下、本発明にかかる距離測定装置について、図面を参照しながら説明する。

●距離測定装置１の構成
図１に示すように、距離測定装置１は、投影部２、マスク３および撮影部４を備える。

投影部２は、マスク３に向かって光束を照射する光源である。投影部２は、例えば点光源である。マスク３は、投影部２から照射された光束の光路上に配置された、光透過性を有する円板である。マスク３を透過した光束は、被測定物１０に照射される。なお、マスク３は、円形に限らず、例えば多角形などでもよい。

図２に、マスク３が備えるパターンの一例を示す。パターン３１は、光を透過する光透過領域１１と、光を透過しない光非透過領域１２が、四角いモザイク状に組み合わされて配置された２次元の領域である、距離算出エリア３５を有する。光透過領域１１および光透過領域１２の最小単位の縦横の長さを、パターンピッチ１１１とする。また、図２において、パターンピッチ１１１の２辺に平行なｘｙ軸を定義する。ｘ軸は、図２中の水平方向を、ｙ軸は、垂直方向を指す。

パターン３１は、パターンピッチ１１１幅の２倍の長さの光透過領域をｙ軸方向に繰り返して構成されている。なお、光透過領域の配置の繰り返し単位は、パターンピッチ１１１幅の２倍の長さに限られず、パターンピッチ１１１幅と同一でも３倍の長さ以上であってもよい。投影部２からの光束により、光透過領域１１の配置に対応したパターンの像が被測定物１０に投影される。

図１に示すように、撮影部４は、例えば２次元で撮影可能なカメラである。撮影部４は、被測定物１０に投影されたパターンの像を撮影する。撮影部４は、被測定物１０に投影されたパターンの像と投影部２の距離を例えば三角測量法などに基づいて算出する。例えば、被測定物１０に投影されたパターンの像のパターンピッチ幅と、既知のパターン３１のパターンピッチ１１１幅を比較し、投影された部分と投影部２の距離を算出することができる。

●パターンマッチング
図２に示すように、マッチング単位１３は、例えば光透過領域１１と光非透過領域１２を組み合わせた、パターンピッチ１１１の２倍四方の領域である。マッチング単位１３は、一度にパターンマッチングを行う領域の例である。撮影部４は、マッチング単位１３と撮影された画像との間で、撮影部４の画素ごとにパターンマッチングを行い、マッチング単位１３が撮影画像上のどの位置で観察されるかを特定する。マッチング単位１３は、例えば図２中のｘ軸方向にパターンピッチの２倍の幅ずつ走査する。なお、マッチング単位の面積および走査する長さの単位は、パターンピッチの２倍に限られない。

パターンマッチングは、テンプレートマッチング手法として一般的に知られている、類似尺度を利用したパターン推定を行う。例えば、ＳＡＤ（Sum of Absolute Difference）やＳＳＤ（Sum of Squared Difference）、ＮＣＣ（Normalized Correlation Coefficient）などの手法が有効である。

●複数のパターンの構成
図３に示すように、マスク３は、円板の表面にパターン３１、パターン３２、パターン３３およびパターン３４を備える。パターン３１〜３４は、光透過領域の配置がそれぞれ異なる。パターン３２〜３４は、パターン３１と同様にパターンピッチの２倍分の配置を図中下方向に繰り返して構成されている。パターン３１〜３４は、マスク３の中央に対して対称に、放射状に配置されている。

マスク３は、円板の中央を中心に回転可能である。マスク３が回転することにより、投影部２からの光束が照射されるパターンが変更される。例えば、図３のパターン３１の位置に光束が照射されているとする。次に、マスク３が図中左回りに９０°回転すると、パターン３２に光束が照射される。投影部２は、マスク３を回転することにより、光束が照射されるパターンを高速に切り替えることができる。

投影部２からの光束は、マスク３上のパターン３１〜３４のいずれかに照射される。投影部２からの光束により、光束が透過したパターンの光透過領域１１の配置に対応したパターンの像が被測定物１０に投影される。

本実施の形態においてパターンは４種類であったが、パターンの種類は４種類未満であっても５種類以上であってもよい。

パターン３１〜３４は、それぞれ異なるパターン識別記号３６〜３９を有する。例えば、パターン識別記号３６は菱形、パターン識別記号３７は三角、パターン識別記号３８は星形、パターン識別記号３９は丸形の、光を透過しない領域である。パターン識別記号３６〜３９は、パターン３１〜３４上の距離算出エリアよりマスク３の回転中心側に配置されている。パターン識別記号の像を観察することによって、パターン３１〜３４のうちいずれのパターンが被測定物１０に投影されているかを容易に特定することができる。

パターン識別記号は、１つのパターンに対して複数個配置してもよい。パターン識別記号を複数配置することにより、１つが隠れてしまった場合にも識別が可能になる。また、パターン識別記号は、同一の記号をパターンの異なる位置に配置することによってパターンを識別できるようにしてもよい。

図４に示すように、被測定物１０に投影されるパターンは、周期的に変更される。パターン３２の光透過領域１４の配置は、パターン３１の光透過領域１１の配置を投影部２の投影方向に垂直な面上において水平な方向であって、ｘ軸プラス方向にパターンピッチ１１１幅だけずらした配置である。すなわち、パターン３１の光透過領域１１のうちｘ軸方向の絶対値が最も小さい位置（ｘ軸方向１列目）の配列は、パターン３２のｘ軸方向２列目の配列と同じである。また、上記配列は、パターン３３の光透過領域１５のうちｘ軸方向３列目の配列と同じである。

ここで、図１に示すように、本実施の形態において投影部２からの出射位置と撮影部４の撮像位置は、水平からの高さがほぼ等しい。したがって、パターン３１〜３３の光透過領域の配置を水平方向に変化させることにより、被測定物１０と投影部２の距離を計算することができる。投影部２からの出射位置と撮影部４の撮像位置は、水平面と垂直な方向に並んで配置されていてもよい。このとき、パターンの光透過領域の配置は、水平面と垂直な方向に変化させる。

パターン３２のｘ軸方向１列目の配列は、パターン３１のｘ軸方向の絶対値が最も大きい位置の配列と同じである。パターン３３のｘ軸方向１列目は、パターン３２のｘ軸方向の絶対値が最も大きい位置の配列と同じである。

この構成により、パターンの周期性が損なわれないため、異なるパターンでも同一のマッチング単位でパターンマッチングを行うことができる。すなわち、パターンマッチングの計算が簡単になる。

なお、本実施の形態において、パターン３２の配置はパターン３１をｘ軸プラス方向にパターンピッチ１１１分だけずらした配置であったが、ｘ軸マイナス方向にずらした配置であってもよい。

図５に示すように、光透過領域を互いにずらす幅１１２がパターンピッチ１１１よりも狭いパターン４１、パターン４２およびパターン４３を被測定物１０に周期的に照射してもよい。幅１１２は、例えばパターンピッチ１１１の３分の１幅である。すなわち、パターン４２は、パターン４１をパターンピッチ１１１の３分の１だけｘ軸プラス方向にずらした配置である。パターン４３は、パターン４２をパターンピッチ１１１の３分の１だけｘ軸プラス方向にずらした配置である。

このような構成により、パターンピッチ１１１より狭い範囲の距離測定が可能になる。すなわち、より高分解能な距離測定が可能になる。

図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、パターン５１、パターン５２およびパターン５３を被測定物１０に周期的に照射してもよい。パターン５２は、パターン５１をパターンピッチ１１１幅だけｘ軸プラス方向およびｙ軸プラス方向にずらした配置である。パターン５３は、パターン５２をパターンピッチ１１１幅だけｘ軸プラス方向およびｙ軸プラス方向にずらした配置である。すなわち、パターン５２の光透過領域の配置は、パターン５１の光透過領域の配置を投影部２の投影方向に垂直な面上においてパターンピッチ１１１幅だけ水平方向および垂直方向にずらした配置である。

このような構成とすることで、水平方向にパターンをずらすだけではパターンの像の照射位置が変わらず測定しきれない形状の被測定物であっても、測定することが可能になる。

●距離測定の方法
図７は、異なるパターンごとに算出したパターンの像と投影部２の距離に基づいて、被測定物１０と撮影部３の各画素の距離の測定値Ｄを取得する流れを示す概略フローである。撮影部４は、撮像部、パターンマッチング部、有効距離判定部、および距離測定値算出部を有する。まず、撮像部は、パターン３１〜３４がそれぞれ投影されたときの被測定物１０を撮影し、それぞれ画像を取得する。次に、パターンマッチング部は、画像の各画素について、パターン３１〜３４とパターンマッチングを行い、各画素における投影部２と被測定物１０に投影されたパターンの像との距離ｄ１〜ｄ４を算出する。得られる距離ｄ１〜ｄ４の個数は、パターンの種類と同数である。

有効距離判定部は、距離ｄ１〜ｄ４がそれぞれ測定値Ｄを求めるために有効な値か判定する。例えば、被測定物１０の形状によって距離が算出できなかった場合や、１つの距離が他の距離の値から明らかに外れている場合は、有効距離から除外する。上記の操作により、１つの画素に対して複数の有効距離が求められる。複数の有効距離は、この実施の形態においては最大４個であり、有効距離ｄ１’〜ｄ４’と定義する。以降、有効距離ｄ１’〜ｄ４’が得られたと仮定して説明する。

次に、距離測定値算出部は、複数の有効距離ｄ１’〜ｄ４’から被測定物１０と投影部２との距離の測定値Ｄを得る。測定値Ｄを得る方法は、複数の有効距離ｄ１’〜ｄ４’のうちパターンマッチングの類似度が最も高い値を、被測定物１０と投影部２との距離の測定値Ｄとする。また、類似度が上位の有効距離の平均値を、被測定物１０と投影部２との距離の測定値Ｄとしてもよい。

このような方法により、有効距離が算出できなかったパターンを排除し、確度の高いパターンだけを抽出して距離の測定値Ｄを得ることができる。また、距離が測定できない画素を軽減することができる。位相シフト法のように取得した画像間で相関をとる必要がないため、移動中の被測定物の測定や、動画解析への応用も可能である。

以上説明した実施の形態によれば、複数のパターンを用いて、異なるパターンごとにパターンの像と投影部の距離を算出し、算出した複数の距離に基づいて被測定物と投影部の距離を推定することにより、距離の測定精度が高い距離測定装置を得ることができる。

●距離測定装置（２）●
図８は、本発明にかかる距離測定装置の別の実施の形態を示す光学配置図である。本実施の形態は、光を透過する複数のマスクを有し、パターンがそれぞれマスク上に１つずつ配置されていて、投影部が複数の光源を備えている点において、先に説明した実施の形態と異なる。

距離測定装置１０１は、第１光源２０１、第２光源２０２、第３光源２０３、第１マスク３０１、第２マスク３０２、第３マスク３０３、第１プリズム３０４、第２プリズム３０５および第３プリズム３０６を備える。

第１マスク３０１、第２マスク３０２および第３マスク３０３は、それぞれ第１光源２０１、第２光源２０２および第３光源２０３から被測定物１０までの光路上に配置されている。第１光源２０１、第２光源２０２および第３光源２０３は、第１マスク３０１、第２マスク３０２および第３マスク３０３に光束を照射する点光源である。

第１マスク３０１、第２マスク３０２および第３マスク３０３上には、例えば、図２に示したパターン３１〜３３がそれぞれ配置されている。すなわち、第１マスク３０１上にパターン３１、第２マスク３０２上にパターン３２、第３マスク３０３上にパターン３３が配置されている。

第１プリズム３０４および第３プリズム３０５は、略三角形状である。第３プリズム３０６は、略台形状である。第１プリズム３０４と第２プリズム３０５、第２プリズム３０５と第３プリズム３０６は、それぞれ接している。

第１光源２０１、第２光源２０２および第３光源２０３からの光束の波長は、それぞれ異なる。例えば、第１光源２０１は赤、第２光源２０２は青、第３光源２０３は緑の光源である。また、第１プリズム３０４、第２プリズム３０５および第３プリズム３０６の界面又は端面には、波長選択フィルタが配置されている。例えば、第１プリズム３０４と第２プリズム３０５の界面３０４１および第１プリズム３０４の端面３０４２には、赤の波長の光束は反射し、赤よりも短波長の光束は透過する波長選択フィルタが配置されている。第２プリズム３０５の端面３０５１には、青の波長の光束は反射し、青よりも長い波長の光束は透過する波長選択フィルタが配置されている。

第１光源２０１からの光束は、第１マスク３０１を透過して第１プリズム３０４に入射し、第１プリズム３０４の端面３０４２で全反射後、第１プリズム３０４と第２プリズム３０５の界面３０４１で反射して被測定物１０へ向かう。第２光源２０２からの光束は、第２マスク３０２を透過して第２プリズム３０５に入射し、第１プリズム３０４と第２プリズム３０５の界面３０４１および第２プリズム３０５の端面３０５１で反射して被測定物１０へ向かう。第３光源２０３からの光束は、第３マスク３０３を透過して第３プリズム３０６に入射し、第１プリズム３０４および第２プリズム３０５を透過して被測定物１０へ向かう。

第１プリズム３０４、第２プリズム３０５および第３プリズム３０６により、いずれのマスクを透過した光束も被測定物１０に照射されるように配置されている。この実施の形態においては、点灯している光源を切り替えることにより、被測定物１０に照射されるパターンを変更することができる。

第１光源２０１、第２光源２０２および第３光源２０３からの光束の波長を変化させることにより、被測定物１０に投影されるパターンの種類を変更するように構成してもよい。これらの構成は、先に説明した実施の形態のように回転可動部が不要なため、装置の信頼性を向上できる。

以上説明した実施の形態によれば、異なるパターンごとにパターンの像と投影部の距離を算出し、算出した複数の距離に基づいて被測定物と投影部の距離を推定することにより、距離の測定精度が高い距離測定装置を得ることができる。この距離測定装置は、３次元形状測定などにも利用可能である。

１ 距離測定装置
２ 投影部
３ マスク
４ 撮影部
１０ 被測定物
１１ 光透過領域
３１ パターン
３２ パターン
３３ パターン
３４ パターン

特開２００７−０５１８９３号公報 特開２０１３−１８５８３２号公報 特許４４２９１３５号公報

Claims (8)

1. 光透過領域の配置が異なる複数のパターンと、
   前記パターンの像を被測定物に投影する投影部と、
   前記投影部により前記被測定物に投影された前記パターンの像を撮影する撮影部と、
   を備え、
   前記投影部は、投影する前記パターンを周期的に変更し、
   前記撮影部は、異なる前記パターンごとに前記パターンの像と前記投影部の距離を算出し、算出した複数の前記距離に基づいて前記被測定物と前記投影部の距離を測定することを特徴とする、距離測定装置。
2. 前記パターンは、前記光透過領域が２次元的に配置されている、請求項１記載の距離測定装置。
3. 前記複数のパターンは、第１パターンと第２パターンを含み、前記第２パターンの光透過領域の配置は、前記第１パターンの光透過領域の配置を前記投影部の投影方向に垂直な面上において水平方向にずらした配置である、請求項１又は２記載の距離測定装置。
4. 前記複数のパターンは、第１パターンと第２パターンを含み、前記第２パターンの光透過領域の配置は、前記第１パターンの光透過領域の配置を前記投影部の投影方向に垂直な面上において水平方向および垂直方向にずらした配置である、請求項１又は２記載の距離測定装置。
5. 前記複数のパターンは光を透過するマスク上に配置されていて、前記投影部は前記マスクを回転させることで前記被測定物に投影する前記パターンを変更する、請求項１乃至４のいずれかに記載の距離測定装置。
6. 前記複数のパターンは光を透過する複数のマスク上にそれぞれ１つずつ配置されていて、前記投影部は複数の光源を備え、前記複数のマスクはそれぞれ前記光源から前記被測定物までの光路上に配置されていて、前記投影部は点灯している前記光源を切り替えることにより、前記被測定物に投影する前記パターンを変更する、請求項１乃至４のいずれかに記載の距離測定装置。
7. 前記複数の光源は、それぞれ異なる波長の光束を前記マスクに照射する、請求項６記載の距離測定装置。
8. 前記パターンは、複数のパターンを識別するための記号を有する、請求項１乃至７のいずれかに記載の距離測定装置。