JP2020091154A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と比べて少ない部品数で構成できる距離測定装置を提供する。【解決手段】プリズム、レンズ、撮像素子を備える。プリズムには、被写体からの光が異なる２方向から入射する。また、プリズムは、異なる２方向から入射した第１光及び第２光をそれぞれレンズに送る。レンズは、プリズムから送られる第１光及び第２光を、撮像素子の撮像面に結像させる。撮像面は、この撮像面を等分した領域として、隣り合う右側領域と左側領域を含む。そして、右側領域には、レンズから送られる第１光が結像され、左側領域には、レンズから送られる第２光が結像される。撮像素子は、第１光が結像された右側画像、及び第２光が結像された左側画像を制御部に送る。制御部は、撮像素子から送られる右側画像及び左側画像に基づいて、被写体と当該距離測定装置との間の距離を測定する。【選択図】図１

Description

この発明は、ステレオカメラを用いた距離測定装置に関する

例えば自車両と先行車両との車間距離や自車両と障害物との離間距離を測定する技術として、ステレオカメラがある。従来のステレオカメラでは、被写体に対して視差を有する２つの撮像素子の撮影画像に基づいて、被写体の位置情報を演算していた。

近年では、１つの撮像素子によって、２つ撮像素子を備えるステレオカメラと同等の三次元映像を撮影するステレオカメラが提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献１に係るステレオカメラでは、一対のミラー（第１ミラー及び第２ミラー）を設け、かつ１つの撮像素子の撮影領域を第１領域および第２領域に区画することによって、第１ミラーで反射された第１映像を撮像素子の第１領域で撮影し、第２ミラーで反射された第２映像を撮像素子の第２領域で撮影する。

また、特許文献２に係るステレオカメラでは、プリズムや偏光ビームスプリッタを組み合わせることによって、直交する方向に偏光方向が異なる視差を有する２つの画像の光路を１つに重ね合わせ、重ね合わされた画像を１つの撮像素子に結像させる。

特開２０１４−１９９２４１号公報 特開２００２−３４７５１７号公報

ここで、上述した特許文献１及び特許文献２に係るステレオカメラ（以下、従来のステレオカメラとも称する）は、主に自動車に設置され、車間距離等の測定に用いられる。しかしながら、ステレオカメラによって距離を測定するアプリケーションは、車載用途のみならず様々な産業分野に需要がある。車載用途以外には、例えば微細な部品の製造に用いられる産業ロボットのロボットハンド先端にステレオカメラを取り付け、ロボットハンドとロボットが扱う対象物（被写体）との間の距離を測定する等の用途が想定される。

そして、車載用のステレオカメラが測定する車間距離等が例えば数ｍ〜数十ｍの距離であるのに対して、ロボットハンド用のステレオカメラが測定する被写体までの距離は、例えば数十ｃｍの短い距離である。そして、ロボットハンド用のステレオカメラでは、誤差範囲として例えば数ｍｍ又は数百μｍ程度の微少な測定精度が要求される。

従来のステレオカメラでは、１つの撮像素子で視差を有する画像を取得するに当たり、光学系を構成する部品数が多くなる。この結果、従来のステレオカメラでは、ステレオカメラ全体としてのサイズが大きくなる。このため、コスト面で不利であり、かつ例えばロボットハンド先端に取り付けるに際して、空間的な制約が生じる。また、従来のステレオカメラでは、使用する部品数が多いため、各部品を組み合わせる際に、各部品間での光軸合わせが必要となり、精度調整に時間がかかる上に、上述した微少な測定精度を実現することが困難である。

そこで、この発明の目的は、１つの撮像素子を備えるステレオカメラを利用した距離測定装置であって、従来と比べて少ない部品数で構成でき、短い距離の測定に適したステレオカメラを提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明による距離測定装置は、中心線を一致させて、この順に直線状に並んで配置されているプリズム、レンズ及び撮像素子と、撮像素子と接続された制御部とを備えて構成されている。プリズムには、被写体からの光が異なる２方向から入射する。また、プリズムは、異なる２方向から入射した第１光及び第２光をそれぞれレンズに送る。レンズは、プリズムから送られる第１光及び第２光を、撮像素子の撮像面に結像させる。撮像面は、この撮像面を等分した領域として、隣り合う右側領域と左側領域を含む。そして、右側領域には、レンズから送られる第１光が結像され、左側領域には、レンズから送られる第２光が結像される。撮像素子は、第１光が結像された右側画像、及び第２光が結像された左側画像を制御部に送る。制御部は、撮像素子から送られる右側画像及び左側画像に基づいて、被写体と当該距離測定装置との間の距離を測定する。

この発明の距離測定装置では、１つのプリズム、１つのレンズ及び１つの撮像素子を用いることで、従来と比べて少ない部品数であっても、被写体との間の距離を測定することができる。このため、この発明の距離測定装置では、小型化に有利である。また、この発明の距離測定装置では、プリズム及びレンズ間、並びにレンズ及び撮像素子間の光軸を合わせれば良く、従来と比べて精度維持が容易である。従って、この発明の距離測定装置は、例えばロボットハンド先端に取り付けて使用する等、空間的に制約され、かつ微少な測定精度が要求される、短い距離の測定においても使用可能である。

距離測定装置を示す概略図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、距離測定装置が備えるプリズムを示す概略図である。 距離測定装置の制御部が行う処理フローを示すフローチャートである。 距離測定装置の制御部が取得する画像を示す概略図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例に過ぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（構成）
図１、図２を参照して、この発明の距離測定装置の構成について説明する。図１は、距離測定装置を示す概略図である。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、距離測定装置が備えるプリズムを示す概略図である。図２（Ａ）は、プリズムを、図１に示す矢印Ａ１の方向から見た正面図であり、図２（Ｂ）は、プリズムを、図１に示す矢印Ａ２の方向から見た側面図である。

距離測定装置１００は、プリズム１０とレンズ２０と本体部５０と制御部４０とを備えて構成される。本体部５０は、撮像素子３０を含んでいる。

プリズム１０、レンズ２０及び撮像素子３０は、中心線を揃えて、この順に直線状に並んで配置されている。

プリズム１０は、対向する一対の底面（上底面１１１及び下底面１１２）が二等辺三角形の三角柱形状である。従って、プリズム１０は、高さ方向に沿った３つの面、すなわち各底面１１１及び１１２間において、対向する等辺の一方同士の間に挟まれた第１面１０１、対向する等辺の他方同士の間に挟まれた第２面１０２、及び対向する底辺同士の間に挟まれた第３面１０３を有している。

なお、以下の説明では、プリズム１０の上底面１１１及び下底面１１２並びに第３面１０３に沿った方向をＸ軸方向とし、プリズム１０の第３面１０３に直交する方向をＹ軸とし、プリズム１０の第１面１０１、第２面１０２及び第３面１０３に沿った方向（プリズム１０の高さ方向）をＺ軸方向とする。

ここで、距離測定装置１００を使用して被写体２００と当該距離測定装置１００との間の距離を測定するに際しては、プリズム１０の第１面１０１及び第２面１０２側（Ｘ軸−Ｙ軸平面視における上底面１１１及び下底面１１２の頂角側）を、被写体２００に向ける。プリズム１０には、被写体２００からの光が、異なる２方向から入射される。被写体２００からの光のうち、一方の方向からの第１光Ｒ１は、第１面１０１からプリズム１０に入射する。また、被写体２００からの光のうち、他方の方向からの第２光Ｒ２は、第２面１０２からプリズム１０に入射する。

第１面１０１から入射した第１光Ｒ１は、この第１面１０１で屈折し、第３面１０３から出射される。第１面１０１を経て第３面１０３から出射される光の経路を第１経路とする。また、第２面１０２から入射した第２光Ｒ２は、この第２面１０２で屈折し、第３面１０３から出射される。第２面１０２を経て第３面１０３から出射される光の経路を第２経路とする。

また、第３面１０３がレンズ２０の入射側面２１と対向するように、プリズム１０は配置されている。そして、プリズム１０は、第３面１０３側でレンズ２０と光学的に接続されている。第１経路を経てプリズム１０から出射される光及び第２経路を経てプリズム１０から出射される光は、ともにレンズ２０に送られる。なお、プリズム１０は、第３面１０３とレンズ２０の入射側面２１とが正対するように、また、後述する撮像素子３０が撮影する画像内における被写体の位置を調整するために、レンズ２０に対する相対的な配置を微調整することができる。

レンズ２０は、後述する撮像素子３０の撮像面３１に第１光Ｒ１及び第２光Ｒ２が結像される位置に設置されている。レンズ２０は、プリズム１０から送られる光（第１光Ｒ１及び第２光Ｒ２）を撮像素子３０の撮像面３１に結像させる。

本体部５０は撮像素子３０を備える、例えばデジタルカメラであり、制御部４０と接続されている。撮像素子３０は、撮影した画像（撮像面３１に結像された画像）をデジタルデータとして制御部４０に送る。

撮像面３１は、Ｘ軸−Ｚ軸平面視に沿った平面である。撮像面３１は、この撮像面３１を等分した領域として、Ｘ軸方向に沿って隣り合う右側領域と左側領域を含んでいる。そして、撮像面３１の右側領域には、第１経路を経てプリズム１０から出射される第１光Ｒ１が結像される。また、撮像面３１の左側領域には、第２経路を経てプリズム１０から出射される第２光Ｒ２が結像される。従って、撮像素子３０が撮影する画像は、撮像面３１の右側領域に結像された右側画像、及び左側領域に結像された左側画像を含む。

制御部４０は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）によって構成されており、距離測定装置１００全体の動作を制御する。制御部４０は、所定の制御プログラムに従って各種処理を実行する。これら処理の結果等は、適宜ＲＡＭ等の記憶手段に格納される。

制御部４０は、撮像素子３０から送られる右側画像及び左側画像に基づいて、被写体２００と距離測定装置１００との間の距離を測定する。

ここで、図１では図示を省略しているが、制御部４０とは別に、本体部５０内に、撮像素子３０の画像を適宜処理する制御手段を設けることもできる。この場合には、本体部５０の制御手段と制御部４０を接続し、本体部５０の制御手段からデジタルデータ化した画像を制御部４０に送る構成とすることができる。

（動作）
図１、図２に追加して、図３及び図４を参照して、この発明の距離測定装置の動作について説明する。図３は、距離測定装置の制御部が行う処理フローを示すフローチャートである。また、図４は、距離測定装置の制御部が取得する画像を示す概略図である。

まず、制御部４０は、撮像素子３０から送られる、右側画像６１及び左側画像６２を含む画像６０を取得する（Ｓ１）。

既に説明したように、右側画像６１は、第１経路を経てプリズム１０から出射される光が、撮像面３１の右側領域に結像された画像である。また、左側画像６２は、第２経路を経てプリズム１０から出射される光が、撮像面３１の左側領域に結像された画像である。従って、右側画像６１及び左側画像６２は、異なる２方向から被写体２００を撮影した画像である。このため、右側画像６１に含まれる被写体２００の像の位置と、左側画像６２として取得された被写体２００の像の位置とには、ずれ（すなわち視差）が生じている。

次に、制御部４０は、右側画像６１内における右側部分画像６１１の位置、及び左側画像６２内における左側部分画像６１２の位置を、それぞれ取得する（Ｓ２）。

右側部分画像６１１は、右側画像６１に含まれる被写体２００の像である。また、左側部分画像６１２は、左側画像６２に含まれる被写体２００の像である。図４では、被写体２００に記された「Ａ」の文字の部分を、右側部分画像６１１及び左側部分画像６１２としている。

右側画像６１及び左側画像６２から右側部分画像６１１及び左側部分画像６１２を抽出するに際しては、例えばＢｌｏｂ等の画像を処理するソフトウェアを用いることができる。

この過程では、右側部分画像６１１及び左側部分画像６１２の、Ｘ軸方向に沿った位置座標をそれぞれ取得する。図４では、各画像６１及び６２の左端から右端へ向かう方向の位置座標を、右側部分画像６１１の第１位置座標ＣＲ及び左側部分画像６１２の第２位置座標ＣＬとして取得する例を示している。

次に、制御部４０は、右側部分画像６１１の第１位置座標ＣＲと左側部分画像６１２の第２位置座標ＣＬとの差を視差として取得する（Ｓ３）。

次に、制御部４０は、上述した視差を距離に変換する（Ｓ４）。この結果、距離測定装置１００では、取得した画像６０に基づいて、被写体２００と距離測定装置１００との間の距離（被写体２００とプリズム１０との離間距離）を測定することができる。

以上に説明したように、距離測定装置１００では、１つのプリズム１０、１つのレンズ２０及び１つの撮像素子３０を用いることで、従来と比べて少ない部品数であっても、被写体２００との間の距離を測定することができる。このため、距離測定装置１００では、小型化に有利である。また、距離測定装置１００では、プリズム１０及びレンズ２０間、並びにレンズ２０及び撮像素子３０間の光軸を合わせれば良く、従来と比べて精度維持が容易である。従って、距離測定装置１００は、例えばロボットハンドの先端に取り付けて使用する等、空間的に制約され、かつ微少な測定精度が要求される、短い距離の測定においても使用可能である。

１０：プリズム
２０：レンズ
３０：撮像素子
４０：制御部
５０：本体部
１００：距離測定装置
２００：被写体

Claims (2)

1. 中心線を一致させて、この順に直線状に並んで配置されているプリズム、レンズ及び撮像素子と、
   前記撮像素子と接続された制御部と
   を備え、
   前記プリズムには、被写体からの光が異なる２方向から入射し、
   前記プリズムは、異なる２方向から入射した第１光及び第２光をそれぞれ前記レンズに送り、
   前記レンズは、前記プリズムから送られる前記第１光及び前記第２光を、前記撮像素子の撮像面に結像させ、
   前記撮像面は、当該撮像面を等分した領域として、隣り合う右側領域と左側領域を含み、前記右側領域には、前記レンズから送られる前記第１光が結像され、前記左側領域には、前記レンズから送られる前記第２光が結像され、
   前記撮像素子は、前記第１光が結像された右側画像、及び前記第２光が結像された左側画像を前記制御部に送り、
   前記制御部は、前記撮像素子から送られる前記右側画像及び前記左側画像に基づいて、前記被写体と当該距離測定装置との間の距離を測定する
   ことを特徴とする距離測定装置。
2. 前記制御部は、
   前記右側画像に含まれる前記被写体の像である右側部分画像の、前記右側画像内における第１位置座標、及び前記左側画像に含まれる前記被写体の像である左側部分画像の、前記左側画像内における第２位置座標を取得し、
   前記第１位置座標と前記第２位置座標との差を視差として取得し、
   前記視差を距離に変換する
   ことによって、前記被写体と当該距離測定装置との間の距離を測定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。

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