JP2591804B2

JP2591804B2 - 距離測定方法及びその装置

Info

Publication number: JP2591804B2
Application number: JP26818188A
Authority: JP
Inventors: 誠宏反町
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1988-10-26
Filing date: 1988-10-26
Publication date: 1997-03-19
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: JPH02115710A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は距離測定方法及びその装置に関し、特に周囲
環境の物体までの距離の分布を光学的に測定するのに有
効な方法及び装置に関する。この様な距離測定はたとえ
ば自動走行ロボットの環境認識のための視覚的手段とし
て有効に利用される。

［従来の技術及び発明が解決しようとする課題］光学的に物体までの距離を測定する方法としていわゆ
るステレオ法と呼ばれる方法がある。この方法において
は焦点距離が同一の２つの対物レンズを光軸を平行に保
ち且つ所定の距離隔てて並列に維持し該各対物レンズの
後方にそれぞれ照度分布測定手段を配置し、これら２つ
の測定手段により測定される同一の照度分布パターンの
位置関係から物体までの距離を算出することができる。

ところで、一般に照度分布測定手段上には全体にわた
って画像が形成され、同一物体上の同一物点の像を特定
することは困難である。そこで、以上の様なステレオ法
においては、一方の測定手段における照度分布と他方の
測定手段における照度分布との相関をとることが行なわ
れる。

しかして、たとえば繰返しパターン像等の場合には相
関をとる際に異なる部分でも疑似的に対応関係がある様
に判定されることがある。更に、以上の様な相関法に基
づく距離測定を各方向に関し行なって周囲環境の物体ま
での距離分布を求めようとする場合には、相関をとる際
の演算の回数が極めて大くなり、測定装置の処理回路が
複雑化するという問題点がある。

そこで、本発明は、この様な従来技術の問題点を解決
し、高い精度での測定を簡易に実行し得る光学的距離測
定方法及びその装置を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとし
て、実質上同一の焦点距離を有する２つ以上の光学系を光
軸が互いに平行となる様に配置し、各光学系の後方に同
一距離隔てて照度測定手段を配置し、上記光学系及び／
または照度測定手段を全照度測定手段に光軸方向の同一
距離位置が同一配置で合焦結像する様に移動させ且つ各
光学系に対し各照度測定手段を光軸方向と直交する方向
に同等に高周波数で微小に相対的に往復移動させながら
各照度測定手段により照度を測定し、適宜の２つの照度
測定手段の対応受光要素の出力信号が合致し且つ振幅が
所定値以上であることを検出し、光学系の焦点距離なら
びにその時の当該２つの照度測定手段の対応受光要素及
びこれらに対応する光学系の位置関係から該対応光要素
に相当する物点までの距離及び方向を算出することを特
徴とする、距離測定方法、更にはその装置、が提供される。

本発明では、照度測定手段として複数の受光要素をも
つものを並列配置して用い、距離分布を測定することが
できる。

本発明装置においては、光学系及び／または照度測定
手段の移動に際し、光軸に平行な基準軸と照度測定手段
との距離が一定に保たれ、基準軸−光学系の光軸間の距
離と光学系−照度測定手段間の光軸方向距離との積がほ
ぼ一定に維持される様にすることができ、また、光軸に
平行な基準軸と光学系の光軸との距離が一定に保たれ、
基準軸−照度測定手段間の距離と光学系−照度測定手段
間の光軸方向距離との比がほぼ一定に維持される様にす
ることができる。

［実施例］以下、図面を参照しながら本発明の具体的実施例を説
明する。

第１図は本発明による距離分布測定方法を実施するた
めの本発明装置の一実施例の構成を示すブロック図であ
り、第２図（ａ），（ｂ）は該装置の一部概略図であ
る。

第２図（ａ），（ｂ）において、20はレンズ１の鏡筒
であり、該鏡筒は不図示のフレームに固定されている。
尚、1Aはレンズ１の光軸である。21はレンズ２の鏡筒で
ある。尚、2Aはレンズ２の光軸である。鏡筒21には基線
方向に延びた１対の付属部材21a,21bが付設されてい
る。該付設部材にはそれぞれ上記基線方向に延びたガイ
ド長穴13a,13bが形成されている。14a,14bはそれぞれ不
図示のフレームに固定されたガイドピンであり、これら
はそれぞれ上記ガイド長穴13a,13bに嵌合されている。
上記鏡筒21にはまた光軸方向及び基線方向の双方に直交
する方向（以下、Ｐ方向と称する）に突出せるガイドピ
ン15が付設されている。上記レンズ1,2の焦点距離はと
もにＦである。

７はクランクレバーであり、該レバーはほぼ直交する
２つの腕7a,7bを有する。腕7aはほぼ光軸方向に延びて
おり、腕7bはほぼ基線方向に延びている。これら２つの
腕の接続部分にはＰ方向の回転軸7cが設けられている。
該回転軸は不図示のフレームに回転自在な様に連結され
ている。上記腕7aの先端部には上記回転軸７の中心へと
向かう方向に延びたガイド長穴16aが形成されており、
一方上記腕7bの先端部には上記回転軸7cの中心へと向か
う方向に延びたガイド長穴16bが形成されている。そし
て、上記鏡筒21に付設されたガイドピン15は上記ガイド
長穴16aに嵌合されている。

3,4はそれぞれレンズ1,2に対応して配置された同数の
受光要素を有するフォトダイオードアレイ（以下、PDア
レイと称する）であり、該PDアレイはいづれも基線方向
に沿ってスライドホルダ５に固定されている。該ホルダ
には基線方向に延びたガイド長穴23が形成されている。
また、該ホルダは支持体８上にスライド可能に取付けら
れており、該支持体には光軸方向に延びたガイドピン22
が付設されており、該ガイドピンは上記ホルダのガイド
長穴23に嵌合されている。支持体８上には振動アクチュ
エータ６が配置されている。該アクチュエータはたとえ
ば積層型圧電素子であり、高い周波数且つ微小振幅で振
動することができる。該アクチュエータの作用部は上記
スライドホルダ５に接続されており、かくして該スライ
ドホルダは基線方向に往復微小振動可能である。上記支
持体８にはＰ方向に突出せるガイドピン19が付設されて
いる。そして、該ガイドピンは上記クランクレバーのガ
イド長穴16bに嵌合されている。また、支持体８には光
軸方向に延びたガイド長穴17が形成されている。18a,18
bは光軸方向に沿って整列して不図示のフレームに固定
されているガイドピンであり、該ガイドピンは上記ガイ
ド長穴17に嵌合されている。

上記支持体８には該支持体を光軸方向に往復移動させ
るための駆動手段が連結されている。該駆動手段はモー
タ11と該モータの駆動回転軸に付設されたオネジ部材９
と該オネジ部材とかみ合う様に上記支持体に付設された
メネジ部材10とからなる。尚、24はモータ11に付設され
たモータ回転角検出のためのエンコーダである。

第２図（ａ）においては、レンズ１の中心とレンズ２
の中心とは基線方向に距離Ｌを隔てて位置しており、同
様にPDアレイ３の中心とPDアレイ４の中心とは基線方向
に距離Ｌを隔てて位置しており、且つレンズ1,2とPDア
レイ3,4とはレンズ1,2の焦点距離Ｆだけ隔てて位置して
いる。

第２図（ｂ）は第２図（ａ）の状態からクランクレバ
ー７を回転軸7cのまわりに図中反時計回りに角度θだけ
回転させた状態を示すものである。この回転により、鏡
筒21はガイド長穴16aとガイドピン15との結合関係及び
ガイド長穴13a,13bとガイドピン14a,14bとの結合関係に
基づき基線方向に図中左方へと距離ΔＬだけ移動する。
一方、この回転により、支持体８はガイド長穴16bとガ
イドピン19との結合関係及びガイド長穴17とガイドピン
18a,18bとの結合関係基づき光軸方向に図中下方へと距
離ΔＦだけ移動する。そして、第２図（ｂ）では、レン
ズ１とレンズ２との間の距離がＬ′（＝Ｌ−ΔＬ）であ
り、レンズ1,2とPDアレイ3,4との間の距離がＦ′（＝Ｆ
＋ΔＦ）である。

ここで、クランクレバー７の腕7aが光軸方向の時に、
該クランクレバー７の回転軸7cの中心から上記鏡筒21に
付設されたガイドピン15の中心までの距離をＡ・Ｌとし
該回転軸7cの中心から上記支持体８に付設されたガイド
ピン19の中心までの距離をＡ・Ｆとしておく（ここで、
Ａは比例定数である）。

この場合、上記回転角θ（ラジアン）が小さいとすれ
ば、 ΔＬ＝Ａ・Ｌ・θ ΔＦ＝Ａ・Ｆ・θ と近似でき、従って、Ｌ′・Ｆ′＝（Ｌ−Ａ・Ｌ・θ）・（Ｆ＋Ａ・Ｆ・θ）＝Ｌ・Ｆ−A²LFθ^２である。そして、θが小さい場合にはA²LFθ^２は無視し
得るので、Ｌ′・Ｆ′＝Ｌ・Ｆと近似できる。

第１図において、PDアレイ3,4の各受光要素からの出
力信号はそれぞれ増幅回路により増幅される。図ではPD
アレイ3,4の対応する１組の受光要素からの出力信号の
みの増幅回路25,26に入力されることが示されている
が、他の受光要素からの出力信号も同様にそれぞれ増幅
回路に入力される。また、モータ11の回転より支持体８
が光軸方向に移動せしめられ、アクチュエータ６よりホ
ルダ５を介してPDアレイ3,4がたとえば10kHz程度の周波
数及び振幅20μｍ程度で同期して基線方向に振動せしめ
られる。

PDアレイ3,4の各受光要素からは常時画素信号を得る
ことができ、増幅回路で増幅される。増幅回路25,26の
出力は差分回路27に入力され、ここで２つの信号の差信
号が得られる。

該差分回路27の出力は比較回路28に入力され、ここで
は入力信号の振幅またはその２乗平均と所定の第１のし
きい値（０に近い小さい値）との比較が行なわれ、入力
信号の振幅またはその２乗平均が該しきい値よりも小な
る時のみ信号を出力する。

また、上記増幅回路25の出力は比較回路29に入力さ
れ、入力信号の振幅と所定の第２のしきい値（上記第１
のしきい値よりも十分大きい値）との比較が行なわれ、
入力信号の振幅が該しきい値よりも大なる時のみ信号を
出力する。

上記比較回路28の出力と上記比較回路29の出力とがAN
D回路30に入力され、ここで双方の入力信号のAND信号が
得られ、これがゲート回路31に対し制御信号として入力
される。

一方、エンコーダ24からは変換回路33にモータの回転
角の信号が入力されており、該回転角に基づき変換回路
33では常にレンズ1,2とPDアレイ3,4との間の距離を算出
している。即ち、該変換回路ではエンコーダから入力さ
れるPDアレイ3,4の移動距離Δｆに関する情報を介して
得られるレンズ２の移動距離Δｌに基づき、次の関係式ｘ＝Ｌ′・Ｆ′／Δｌ＝Ｌ・F/Δｌを用いて、合焦距離ｘを算出し、その信号をゲート回路
31へと出力している。

そして、上記AND回路30から出力があった時にのみ、
ゲート回路31を開いて上記変換回路33からの合焦距離信
号を通過させ、記憶回路32に記憶する。上記変換回路33
の出力が電圧である場合には、記憶回路32はコンデンサ
で構成することができる。

該記憶回路32はゲート回路35に接続されており、該ゲ
ート回路は走査回路34により制御される。即ち、PDセン
サ3,4の対応する受光素子ごとに上記と同様の処理を行
なって上記記憶回路32に対応する各記憶回路に記憶され
ている合焦距離信号が上記ゲート回路35に対応する各ゲ
ート回路を介して外部に出力されるのであるが、上記走
査回路34はその出力順序を制御するものである。

以下、上記第１図及び第２図、更には第３図以降の図
面を参照しながら本実施例装置の動作即ち本発明方法の
一実施例を説明する。

第３図（ａ），（ｂ）は本実施例の測定の詳細を説明
するための光学図である。

物体Ｍは光軸1A,1Bに沿って有限の距離Ｘだけ離れた
位置に存在するものとする。

先ず、第３図（ａ）に示される様に、レンズ1,2間の
距離をPDアレイ間の距離と同一のＬとし且つレンズ1,2
とPDアレイ3,4との間の距離をレンズの焦点距離Ｆとし
ておく。これは上記第２図（ａ）の状態に相当する。

この状態では、物体Ｍのエッジ部のレンズ１によるPD
アレイ３上の画像は第４図（ａ）の様になり、物体Ｍの
像がぼけた状態で形成されている。一方、レンズ２によ
るPDアレイ４上の画像は第４図（ａ′）の様になり、物
体Ｍの像がぼけた状態で第４図（ａ）よりも右よりにず
れた位置に形成されている。そして、PDアレイ４上の画
像はPDアレイ３上の画像を右向きに所定距離移動させた
様な画像である。

次に、モータ11を回転させて支持体８を光軸に所定距
離移動させ、鏡筒21を基線方向に所定の距離移動させ
る。

この状態では、物体Ｍのエッジ部のレンズ1,2によるP
Dアレイ3,4上の画像はそれぞれ第４図（ｂ），（ｂ′）
の様になり、上記の場合よりも像位置が接近し且つ合焦
状態に近づいたものとなる。

以下同様にして、モータ11の駆動を行なうと、やがて
第３図（ｂ）に示される様に、レンズ1,2間の距離が
Ｌ′であり且つレンズ1,2とPDアレイ3,4との間の距離が
Ｆ′である状態が実現する。これは上記第２図（ｂ）の
状態に相当する。

本実施例においは、クランクレバー７の回転に際し、
上記の様にＬ′・Ｆ′＝Ｌ・Ｆなる関係を維持してΔＬ
及びΔＦが変化するので、物体Ｍの像m₁,m₂はそれぞれP
Dアレイ3,4上に合焦状態で位置することになる。

即ち、上記の様に、第３図（ａ），（ｂ）において、
Ｌ′・Ｆ′＝Ｌ・Ｆであるので、Ｌ・Ｆ＝（Ｌ−ΔＬ）（Ｆ＋ΔＦ）が成り立つ。また、第３図（ｂ）における相似関係か
ら、（Ｌ−ΔＬ）/X＝L/［Ｘ＋（Ｆ＋ΔＦ）］が成り立つ。これからの式から、 1/F＝1/X＋1/（Ｆ＋ΔＦ）が導かれる。これにより第３図（ｂ）におけ物体Ｍと像
m₁,m₂とはそれぞれレンズ1,2に関し合焦結像の公式に満
たしていることが分る。

この合焦状態では、物体Ｍのエッジ部のレンズ1,2に
よるPDアレイ3,4上の画像はそれぞれ第４図（ｃ），
（ｃ′）の様に像位置が同一となる。

更に、モータ11の駆動を行なうと、やがて物体Ｍのエ
ッジ部のレンズ1,2によるPDアレイ3,4上の画像はそれぞ
れ第４図（ｄ），（ｄ′）の様になり、像位置が遠ざか
り且つ合焦状態から遠ざかる。

ところで、本実施例ではアクチュエータ６によりPDア
レイに対し微小高周波振動を加えているので、上記第４
図（ａ），（ａ′）〜（ｄ），（ｄ′）の状態の前後に
おいて、PDアレイ3,4の対応受光要素からの出力信号
（増幅回路25,26からの出力に対応する）はそれぞれ第
５図（ａ），（ａ′）〜（ｄ），（ｄ′）の様になる。
尚、増幅回路25,26はそれぞれ第４図における範囲A,A′
の中央に位置する受光要素に対応するものであり、該範
囲A,A′は微小振動の振幅に相当する。

従って、第４図（ａ），（ａ′）、（ｂ），（ｂ′）
及び（ｄ）′（ｄ′）の状態では、増幅回路25,26の出
力レベルに差があるので、差分回路27の出力信号レベル
は大きく、従って比較回路28からは信号が出力されな
い。従って、AND回路30からは出力がなく、ゲート回路3
1からは信号が出力されない。

これに対し、第４図（ｃ），（ｃ′）の状態では、増
幅回路25,26の出力は同一であり且つ該出力の振幅は十
分大きいので、差分回路27の出力信号レベルは十分小さ
く、従って比較回路28からは信号が出力され、更に比較
回路29からも出力がある。かくして、AND回路30から出
力があり、ゲート回路31からその時点での合焦距離信号
が出力され、記憶装置32に記憶される。

尚、PDアレイの受光要素は特定方向と対応しているの
で、上記算出距離と物点の方向との対応は容易につけら
れる。尚、上記算出距離Ｘは光軸に沿うものであるが、
必要に応じ物点方向の距離に換算することができる。

本実施例においては、合焦距離を変化させながら連続
的に合焦距離の物点像を検出するので、検知精度が高
く、また高速に距離分布測定を行なうことができる。ま
た、レンズに対しPDアレイを振動させて照度測定してい
るので、検出信号の振幅は画像の位置微分に相当し、従
ってエッジ像検出のための特別の微分回路が不要であ
り、且つ振幅及び位相の双方が合致している合焦状態の
み正確に検出できる。

尚、第１図における各ブロックは比較的簡単な回路で
構成することができる。

以上の実施例において、物体のエッジ部が１箇所であ
る例が示されているが、一般的には周囲環境にはこの様
な物体エッジ部が種々の距離に数多く存在するので、上
記第３図（ａ）に示される様な無限遠に合焦する状態か
ら第３図（ｂ）に示される様な状態を経て更に至近距離
に合焦する状態までレンズ及びPDアレイの移動を行なう
ことにより、各エッジ部ごとに距離測定が実行され、距
離分布が測定される。この際、上記実施例の様に、PDア
レイに高周波振動を与えてもよいが、レンズに高周波振
動を与えても同様の作用が行なわれる。

尚、比較回路28における第１のしきい値及び比較回路
29における第２のしきい値は、第１のしきい値は殆ど０
に近い比較的小さな値とし且つ第２のしきい値は比較的
大きな値として、所望の仕様に応じて適宜設定すること
ができる。

上記実施例においては第２図に示される様な機構を用
いてレンズ２及びPDアレイ3,4を所定の関係を維持しな
がら移動させているが、該レンズ及びPDアレイの移動を
独立にパルスモータ等の駆動手段で駆動し、この移動の
際に所定の位置関係を維持してもよい。

上記実施例においては照度分布測定手段がPDアレイで
ある場合が例示されているが、本発明においては照度分
布測定手段は応答特性が十分に高いものであればよく、
また２次元イメージセンサであってもよい。

上記実施例では、光学系及び／または照度分布測定手
段の移動に際し、光軸に平行な基準軸と照度分布測定手
段との距離が一定に保たれ、基準軸−光学系の光軸関の
距離と光学系−照度分布測定手段間の距離との積がほぼ
一定に維持される様にしているが、別法として、光軸に
平行な基準軸と光学系の光軸との距離が一定に保たれ、
基準軸−照度分布測定手段間の距離と光学系−照度分布
測定手段間の距離との比がほぼ一定に維持される様にす
ることもできる。この場合の上記第３図（ａ），（ｂ）
に対応する図を第６図（ａ），（ｂ）に示す。尚、ここ
でいう基準軸は、上記第３図及び第６図の場合は一方の
レンズの光軸に一致しているが、本発明では一致しない
場合をも含む。

本発明は各照度測定手段の受光要素が１つである場合
にも特定方向の物点までの距離測定に有効である。

また、上記実施例は光学系が２つの例であるが、３つ
以上の光学系を用い、適宜の組合せの２つの光学系に関
し同様な処理を行ない、複数の系統を用いることによ
り、上記実施例同様の効果が得られる外、オクルージョ
ンによる影響を抑制することができる。

［発明の効果］以上の様な本発明によれば、光学系に対し照度測定手
段を相対的に振動させて得られる画像信号に基づき合焦
状態にあることの検出を行なった上で該合焦状態部分ま
での距離及び方向を光学系等の配置に基づき算出するの
で、相関法で生ずることのある疑似対応に基づく測定ミ
スを防止することができ、エッジ像検出のための特別の
微分回路を要せずして簡単な構成で高速且つ正確に距離
測定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の構成を示すブロック図である。第２図（ａ），（ｂ）は本発明装置の一部概略図であ
る。第３図（ａ），（ｂ）及び第６図（ａ），（ｂ）は本発
明装置における光学図である。第４図は本発明方法における画像を示す図であり、第５
図は本発明方法における信号を示す図である。 1,2:レンズ、1A,2A:光軸、3,4:フォトダイオードアレ
イ、5:スライドホルダ、6:振動アクチュエータ、7:クラ
ンクレバー、8:支持体、24:エンコーダ、M:物体、m₁,
m₂:像。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】実質上同一の焦点距離を有する２つ以上の
光学系を光軸が互いに平行となる様に配置し、各光学系
の後方に同一距離隔てて照度測定手段を配置し、上記光
学系及び／または照度測定手段を全照度測定手段に光軸
方向の同一距離位置が同一配置で合焦結像する様に移動
させ且つ各光学系に対し各照度測定手段を光軸方向と直
交する方向に同等に高周波数で微小に相対的に往復移動
させながら各照度測定手段により照度を測定し、適宜の
２つの照度測定手段の対応受光要素の出力信号が合致し
且つ振幅が所定値以上であることを検出し、光学系の焦
点距離ならびにその時の当該２つの照度測定手段の対応
受光要素及びこれらに対応する光学系の位置関係から該
対応受光要素に相当する物点までの距離及び方向を算出
することを特徴とする、距離測定方法。
【請求項２】照度測定手段として複数の受光要素をもつ
ものを並列配置して用い、距離分布を測定する、請求項
１に記載の距離測定方法。
【請求項３】請求項１に記載の距離測定方法を実施する
距離測定装置。
【請求項４】照度測定手段として複数の受光要素をもつ
ものを並列配置して用い、距離分布を測定する、請求項
３に記載の距離測定装置。
【請求項５】光学系及び／または照度測定手段の移動に
際し、光軸に平行な基準軸と照度測定手段との距離が一
定に保たれ、基準軸−光学系の光軸間の距離と光学系−
照度測定手段間の光軸方向距離との積がほぼ一定に維持
される、請求項３または４に記載の距離測定装置。
【請求項６】光学系及び／または照度測定手段の移動に
際し、光軸に平行な基準軸と光学系の光軸との距離が一
定に保たれ、基準軸−照度測定手段間の距離と光学系−
照度測定手段間の光軸方向距離との比がほぼ一定に維持
される、請求項３または４に記載の距離測定装置。