JP4967250B2 - 距離測定装置及びその距離測定方法、及び距離測定装置を備えたプロジェクタ又はカメラ - Google Patents

Description

本発明は、位相差センサ及びその距離測定方法、及び距離測定装置を備えたプロジェクタ又はカメラに関するものである。

プロジェクタは、画像をスクリーンに投影するものであり、フォーカス制御、台形補正等を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。この台形補正を行うためには、スクリーンまでの距離を測定する必要がある。このため、プロジェクタとして、距離測定装置を備えたものがある。

また、距離測定装置として、位相差センサを備えたものがある。この位相差センサは、一定の間隔をもって配置された少なくとも２つの光センサアレイを備え、被測定対象の光を、光センサアレイで受光する。

光センサアレイは、複数のフォトダイオードが配列されたものであり、位相差センサは、被測定対象からの光をそれぞれ光センサアレイで受光し、各光センサアレイ上で受光した光によって結像した被測定対象の画像の位相差を取得する。プロジェクタに備えられた距離測定装置は、位相差センサが取得した位相差に基づいて、被測定対象としてスクリーンまでの距離を測定する。
特開２０００−１０１８５号公報（第２頁−第３頁、図１、図２）

しかし、従来の距離測定装置に備えられた位相差センサでは、両光センサアレイの感度差、あるいは受光した光の明るさによって、取得した位相差に誤差が生じる場合がある。このような誤差があると、測定した距離も正確に測定することができなくなる。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、距離を精度良く測定することが可能な距離測定装置及びその距離測定方法、及び距離測定装置を備えたプロジェクタ又はカメラを提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る距離測定装置は、
組をなす複数の光センサアレイを有し、被測定対象からの光をそれぞれ前記光センサアレイで受光し、各光センサアレイ上で受光した光によって結像した画像の画素データをそれぞれ取得する光センサ部と、
前記光センサ部から各光センサアレイの各画素データを取得し、取得した各画素データに対して変換関数を通し、その関数値のばらつきを示す第１の指標値を前記光センサアレイ毎に取得し、前記光センサアレイ毎に各画素データの前記関数値を、取得した前記第１の指標値を用いて平均値からのデータの位置に正規化した第２の指標値に変換し、前記各光センサアレイ間の画像の差として前記各光センサアレイの対応する画素値の前記変換された第２の指標値の差の絶対値の総和を算出し、前記画像の差が最小となるような位相差を取得し、取得した前記位相差に基づいて、前記被測定対象までの距離を測定する測距処理部と、を備えたことを特徴とする。

各画素データを、前記第１の指標値を用いて平均値からのデータの位置に正規化した第２の指標値に変換する為に、数１を用いるようにしてもよい。

前記測距処理部は、数２によって求まる標準偏差を用いて、前記光センサアレイ毎の各画素データを、前記第２の指標値に変換するようにしてもよい。

前記測距処理部は、数３によって求まる平均偏差を用いて、前記光センサアレイ毎の各画素データを、前記第２の指標値に変換するようにしてもよい。

前記測距処理部は、数４によって求まる平均値からの差の絶対値の最大値を用いて、前記光センサアレイ毎の各画素データを、前記第２の指標値に変換するようにしてもよい。

本発明の第２の観点に係る距離測定装置の距離測定方法は、
組をなす複数の光センサアレイを有し、被測定対象からの光をそれぞれ前記光センサアレイで受光し、各光センサアレイ上で受光した光によって結像した画像の画素データをそれぞれ取得する光センサ部を備え、前記光センサ部が取得した画素データに基づいて前記被測定対象までの距離を測定する距離測定装置の距離測定方法であって、
前記光センサ部から各光センサアレイの各画素データを取得し、取得した各画素データに対して変換関数を通し、その関数値のばらつきを示す第１の指標値を前記光センサアレイ毎に取得するステップと、
前記光センサアレイ毎に各画素データの前記関数値を、取得した前記第１の指標値を用いて平均値からのデータの位置に正規化した第２の指標値に変換するステップと、
前記各光センサアレイ間の画像の差として前記各光センサアレイの対応する画素値の前記変換された第２の指標値の差の絶対値の総和を算出し、前記画像の差が最小となるような位相差を取得するステップと、
取得した前記位相差に基づいて、前記被測定対象までの距離を測定するステップと、を備えたことを特徴とする。

本発明の第３の観点に係るプロジェクタは、
前記距離測定装置を備えたことを特徴とする。

本発明の第４の観点に係るカメラは、
前記距離測定装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、距離を精度良く測定することができる。

以下、本発明の実施形態に係る距離測定装置を図面を参照して説明する。尚、本実施形態では、距離測定装置をプロジェクタに適用した場合について説明する。
本実施形態に係るプロジェクタ１の構成を図１に示す。
本実施形態に係るプロジェクタ１は、スクリーン２に画像を投影するものであり、データ処理部１１と、スピーカ１２と、投影部１３と、測距部１４と、からなる。

データ処理部１１は、供給された画像データ、音声データを処理して、スクリーン２に投影する画像のデータを生成し、音声信号を生成するためのものである。データ処理部１１は、入出力インタフェース２１と、画像処理部２２と、画像記憶部２３と、音声処理部２４と、ビデオＲＡＭ２５と、表示エンコーダ２６と、を備える。

入出力インタフェース２１は、画像データ、音声データを入出力するものである。
画像処理部２２は、供給された画像データを所定のフォーマットのデータに変換するものである。また、画像処理部２２は、制御部１５からスクリーン２の傾斜角度のデータが供給され、供給されたデータに基づいて台形補正等の画像処理を行う。

画像記憶部２３は、例えば、フラッシュメモリ等によって構成され、画像処理部２２が画像処理した画像データ等を記憶するものである。また、画像記憶部２３は、測距用のチャートの画像データも予め記憶する。

チャート画像は、それぞれ、測距部１４がプロジェクタ１とスクリーン２との間の距離を測定するときに用いられるものであり、例えば、図２に示すように、ピッチｐの縞模様を有したものである。

音声処理部２４は、ＰＣＭ音源等の音源回路を備え、供給された音声データをアナログ化して、音声信号をスピーカ１２に出力するものである。

ビデオＲＡＭ２５は、画像データを記憶するためのものである。
表示エンコーダ２６は、受信した画像データをビデオＲＡＭ２５に一時記憶して、画像データをＲＧＢ信号に変換するものである。表示エンコーダ２６は、生成したＲＧＢ信号を投影部１３に供給する。

スピーカ１２は、データ処理部１１の音声処理部２４から供給された音声信号に基づいて音声を出力するものである。

投影部１３は、データ処理部１１からの画像データに基づいて画像を投影するものであり、図３に示すように、空間変調素子３１と、時分割駆動回路３２と、光源ランプ３３と、リフレクタ３４と、ミラートンネル３５と、カラーホイール３６と、カラーホイールモータ３７と、カラーホイール制御部３８と、光源レンズ３９と、投影レンズ４０と、レンズモータ４１と、ドライバ４２と、からなる。

空間変調素子３１は、複数のマイクロミラー（図示せず）によって構成されたものである。各マイクロミラーは、１０〜２０μｍ程度の例えばアルミニウム片からなるものであり、受光した光を、光変調度に基づく輝度で反射する。空間変調素子３１は、このマイクロミラー素子を行列方向に配列して形成され、各マイクロミラーを傾斜させることにより、光変調を行う。

時分割駆動回路３２は、表示エンコーダ２６から供給されたＲＧＢ信号に対して演算を行って輝度信号を生成し、ＲＧＢ信号と輝度信号とを時分割にして空間変調素子３１に供給して、光変調を行うように空間変調素子３１を表示駆動するものである。時分割駆動回路３２は、例えば３０フレーム／秒のフレームレートで空間変調素子３１を表示駆動する。

また、時分割駆動回路３２は、ＲＧＢ信号と輝度信号とのタイミングを示すタイミング信号をカラーホイール制御部３８に供給する。

光源ランプ３３は、白色光を発するものである。制御部１５は、この光源ランプ３３の輝度を制御する。
リフレクタ３４は、光源ランプ３３が発する光をミラートンネル３５方向に反射するものである。

ミラートンネル３５は、光源ランプ３３が発した白色光を内面で反射することにより、その光分布を均一にしつつ、白色光をカラーホイール３６へと導くためのものである。

カラーホイール３６は、光源ランプ３３からの光を複数の色、例えば、赤（Ｒｅｄ）色、緑（Ｇｒｅｅｎ）色、青（Ｂｌｕｅ）色の３原色成分と透明色（Ｗｈｉｔｅ）とに分解するためのものである。

カラーホイール３６は、図４に示すように、円盤の形状を有し、４つのフィルタフィルタ３６Ｒ，３６Ｇ，３６Ｂ，３６Ｗが配置される。フィルタ３６Ｒ，３６Ｇ，３６Ｂ，３６Ｗは、それぞれ、赤（Ｒ）色、緑（Ｇ）色、青（Ｂ）色の３原色成分、透明色のフィルタである。カラーホイール３６は、回転して光源ランプ３３からの光を分解して、ＲＧＢＷ毎に、順次、空間変調素子３１に供給する。

カラーホイールモータ３７は、カラーホイール３６を回転するためのものである。

カラーホイール制御部３８は、時分割駆動回路３２から供給されたタイミング信号に従い、空間変調素子３１の光変調に同期させて、カラーホイールモータ３７を介してカラーホイール３６の回転速度を制御するものである。

光源レンズ３９は、光源ランプ３３からの光を、カラーホイール３６を介して空間変調素子３１に照射するためのものである。

投影レンズ４０は、空間変調素子３１で反射した光による画像をスクリーン２上に結像させるためのものである。

レンズモータ４１は、フォーカス制御を行うために投影レンズ４０の位置を制御するためのものである。ドライバ４２は、制御部１５からレンズモータ駆動信号が供給されてレンズモータ４１を駆動するためのものである。

図１に戻り、測距部１４は、プロジェクタ１とスクリーン２との間の距離を測定するものであり、光センサ部５１と、測距処理部５２と、を備える。

光センサ部５１は、それぞれ、図５に示すように、１対のレンズ５５ｐ、５５ｑと、光センサアレイ５６ｐ，５６ｑと、を備える。

この光センサ部５１は、被測定対象としてチャート画像からの光をそれぞれ光センサアレイ５６ｐ，５６ｑで受光し、各光センサアレイ５６ｐ，５６ｑ上で受光した光によって結像した画像の画素データをそれぞれ取得するものである。

図６に示すように、プロジェクタ１の前面には、投影レンズ４０が取り付けられ、垂直用の光センサ部５１ｖと水平用の光センサ部５１ｈとは、この投影レンズ４０の近傍に配置される。

レンズ５５ｐとレンズ５５ｑとは、間隔ｂをもって配置される。Ｃｐ，Ｃｑは、レンズ５５ｐ，５５ｑのそれぞれの中心線である。中心線Ｃｐ，Ｃｑは、レンズ５５ｐ，５５ｑに対して無限大の位置に設置された仮想測定対象（スクリーン２上の測距点）からの光線と一致し、互いに平行である。光センサアレイ５６ｐ，５６ｑは、この中心線Ｃｐ，Ｃｑに対して、それぞれ、垂直になるように配置される。

光センサアレイ５６ｐ，５６ｑには、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ等が用いられ、光センサアレイ５６ｐ，５６ｑの各セルはフォトダイオードによって構成されている。各セルには、被測定対象５７から受光した光に基づいて電荷が蓄積される。

各セルに電荷が蓄積されて、光センサアレイ５６ｐ，５６ｑには、それぞれ、被測定対象５７の画像データ列Ｐ０、Ｑ０が形成される。

スクリーン２までの距離を取得する場合、投影部１３は、図２に示すようなチャート画像をスクリーン２に投影する。
被測定対象５７が、スクリーン２に投影されたチャート画像の場合、光センサ部５１は、図７に示すように、光センサ部５１の中心線Ｃ０に対して、角度θwをもって左右に位置するスクリーン２上の２つの測距ウィンドウWL，WRの中心点Ｐ１，Ｐ２からの反射光を受光する。

光センサ部５１は、スクリーン２上の右側測距ウィンドウWRの中心点Ｐ１からの反射光を受光すると、図７に示す右側測距ウィンドウWR内のチャートの像が図５に示す光センサアレイ５６ｐ、５６ｑ上に形成される。光センサアレイ５６ｐ，５６ｑには、それぞれ、図８（ａ）に示すような波形の画像データ列Ｐ０、Ｑ０が形成される。

測距処理部５２は、光センサ部５１から、この画像データ列Ｐ０、Ｑ０を取得して、取得した画像データ列Ｐ０、Ｑ０に基づいて位相差を取得し、取得した位相差に基づいて、スクリーン２までの距離を求めるものである。位相差は、無限大の位置に設置された仮想測定対象からの像と光センサアレイ５６ｐ，５６ｑ上で結像した被測定対象５７の画像とのずれ量を示す。

但し、光センサアレイ５６ｐ，５６ｑの感度、明るさに差があると、画像データ列Ｐ０、Ｑ０の波高値は、ばらつき、図８（ａ）に示すように、互いに相違する。このため、測距処理部５２は、チャート画像の画像データのバラツキを示す指標値を光センサアレイ５６ｐ，５６ｑ毎に取得し、従来は取得した指標値に対して微分等のフィルタをかけた後、これをそのまま数７に記載のLeft， Rightとしてf(a)を算出していたが、以下に示すように、第１の指標値に微分等のフィルタをかけた後、光センサアレイ５６ｐ，５６ｑ毎に、更に第１の指標値自体のばらつきを示す第２の指標値に変換した上で、光センサアレイの画像の差であるf(a)を算出すると、距離の測定精度が向上することが、各種実験により解っている。

さらに、前記計算を行う際には、ばらつきを示す指標値の計算を行う必要がある。これを表す一般的なものとしては、数８によって表される標準偏差がある。ここで、Ａは０又は１とするのが一般的であるが、場合によっては必ずしもこれが最適とは限らず、ここでは、目的を満たすような値であれば、どのような値であっても良い事とする。（例えば０．５や１．５等）

測距処理部５２は、前記数７、数８の演算を行うことにより、画像データ列Ｐ０、Ｑ０の第２の指標値Left，Rightを取得する。測距処理部５２は、第２の指標値Left， Rightを前記数７を用いて計算し、その画像の差分値f(a)を取得する。
この画像の差f(a)は、例えば、図８（ｂ）に示すように、面積Ｓ＝(S1+S2+S3+S4+S5)として表される。
ここでａは位相差、ｃは方向を決める定数、ｗは演算する範囲を決める定数である。

測距処理部５２は、位相差ａを順次変化させ繰り返し計算した結果、図９に示すように、この面積Ｓが最小となるような光センサアレイの画像の差であるｆ（a）を満たす位相差ａを、最終的に算出する。

測距処理部５２は、取得した位相差ａに基づいてスクリーン２までの距離を取得する。

図１に戻り、制御部１５は、プロジェクタ１全体を制御するものであり、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、を備える（図示せず）。ＣＰＵは、プロジェクタ１の各部を制御するためのものであり、ＲＯＭは、ＣＰＵが制御に用いるプログラム等を記憶するメモリであり、ＲＡＭは、ＣＰＵの動作に必要なデータ等を記憶するためのメモリである。

制御部１５は、スクリーン２までの距離を測定するように投影部１３と測距部１４とを制御する。測距を行うとき、制御部１５は、図２に示すチャートの画像データを画像記憶部２３から読み出して投影部１３に供給する。制御部１５は、投影部１３にこのチャートの画像をスクリーン２に投影させる。制御部１５は、測距部１４にスクリーン２に投影されたチャートまでの距離を測定させる。

制御部１５は、測距部１４が距離を測定すると、測距部１４から距離の測定結果を受け取る。

そして、制御部１５は、取得した距離の測定結果に基づいてレンズモータ駆動信号を生成し、生成したレンズモータ駆動信号を投影部１３のドライバ４２に供給することにより、フォーカス制御を行う。

また、制御部１５は、投影部１３の光軸に対するスクリーン２の傾斜角度を取得する場合、測距部１４にスクリーン２上の複数の測距点までの距離を測定させる。

制御部１５は、測定した複数の測距点までの距離を測距部１４から取得し、演算を行うことにより、スクリーン２の傾斜角度を取得する。制御部１５は、取得したスクリーン２の傾斜角度のデータを画像処理部２２に供給して台形補正を行わせる。

次に本実施形態に係るプロジェクタ１の動作を説明する。
制御部１５は、プロジェクタ１の制御に必要なプログラムをＲＯＭから読み出して、プロジェクタ１を制御する。

プロジェクタ１とスクリーン２との間の距離を測定する場合、制御部１５は、画像記憶部２３から、測距用のチャート画像を読み出して、投影部１３に投影させる。

制御部１５は、測距部１４に、スクリーン２までの距離を測定させる。測距部１４は、図１０に示すフローチャートに従って、距離測定処理を実行する。
測距処理部５２は、左右ウィンドウＷＬ、ＷＲそれぞれの画素データの平均値を取得する（ステップＳ１１）。

測距処理部５２は、左右ウィンドウＷＬ、ＷＲそれぞれの画素データを、前記数８に従って、ばらつきを示す指標値（標準偏差）を取得する（ステップＳ１２）。

測距処理部５２は、左右ウィンドウＷＬ、ＷＲそれぞれの各画素データを、数９を用いて変換（正規化）を行う（ステップＳ１３）。

測距処理部５２は、前記数７に従い左右ウィンドウの画像の差分値f(a)を求める（ステップＳ１４）。

測距処理部５２は、aの値を変化させながら（ステップＳ１５→Ｓ１８）、繰り返し画像の差分値f(a)を求め、その値が最小値となるaを調べる。その時のｎの値を位相差として取得する（ステップＳ１６）。

測距処理部５２は、取得した位相差に基づいてスクリーン２までの距離を取得する（ステップＳ１７）。そして、測距処理部５２は、距離測定処理を終了させる。

以上説明したように、本実施形態によれば、測距部１４は、スクリーン２までの距離を測定する場合、左右ウィンド毎に、第１の指標値自体のばらつきを示す第２の指標値に変換（正規化）した画素データに基づいて位相差を取得するようにした。

従って、２つの光センサアレイ５６ｐ，５６ｑの感度差、明るさの差を影響を低減することができる。このため、スクリーン２までの距離を正確に測定することができる。そして、投影部１３の光軸に対するスクリーン２の傾斜角度も正確に取得することができる。

尚、本発明を実施するにあたっては、種々の形態が考えられ、上記実施形態に限られるものではない。
例えば、上記実施形態では、測距処理部５２は、データ変換を行うことにより、更に距離計算に適した第１の指標値自体のばらつきを示す第２の指標値に変換（例えば正規化）する方法の中で用いられているばらつきを示す指標値（例えば標準偏差）に、数７を用いた。しかし、画素データを変換する計算方法は前記数８に限られるものではない。

例えば、次の数１０によって表されるように計算して、第２の指標値に変換することもできる。

また、次の数１１によって表される最大値を用いて画素データを正規化することもできる。

さらに、ガンマ変換などを表すある変換関数g() を通した数１２に対して数８、数１０、数１１からσを計算した上で、数１３をばらつきを示す指標値とすることが出来る。これにより、例えば光源の特性に応じた入力を行うことが出来、測定精度の向上につながる。

上記実施形態では、距離測定装置をプロジェクタ１に用いた場合について説明した。しかし、プロジェクタ１（より一般的には投影装置）に限られるものではなく、位相差センサを、例えば、カメラ（より一般的には書画装置）に用いて、例えばオートフォーカスやフラッシュを行う際に被測定対象までの距離を測定することもできる。

本発明の実施形態に係るプロジェクタの構成を示すブロック図である。 図１に示す画像記憶部が記憶するチャート画像を示す図である。 図１に示す投影部の構成を示す図である。 図３に示すカラーホイールを示す図である。 図１に示す光センサ部の構成とその動作を示す図である。 図１に示すプロジェクタの前面を示す図である。 図５に示す測距部の測距原理を示す図である。 図１に示す光センサ部が取得する画像データ列とその差を示す図である。 図１に示す測距処理部の位相差取得の方法を示す図である。 図１に示す制御部が実行する距離測定処理のフローチャートである。

符号の説明

１・・・プロジェクタ、２・・・スクリーン、１３・・・投影部、１４・・・測距部、１５・・・制御部、３１・・・空間変調素子、３２・・・時分割駆動回路、３３・・・光源ランプ、３６・・・カラーホイール、３８・・・カラーホイール制御部、５１・・・光センサ部、５２・・・測距処理部

Claims (8)

1. 組をなす複数の光センサアレイを有し、被測定対象からの光をそれぞれ前記光センサアレイで受光し、各光センサアレイ上で受光した光によって結像した画像の画素データをそれぞれ取得する光センサ部と、
   前記光センサ部から各光センサアレイの各画素データを取得し、取得した各画素データに対して変換関数を通し、その関数値のばらつきを示す第１の指標値を前記光センサアレイ毎に取得し、前記光センサアレイ毎に各画素データの前記関数値を、取得した前記第１の指標値を用いて平均値からのデータの位置に正規化した第２の指標値に変換し、前記各光センサアレイ間の画像の差として前記各光センサアレイの対応する画素値の前記変換された第２の指標値の差の絶対値の総和を算出し、前記画像の差が最小となるような位相差を取得し、取得した前記位相差に基づいて、前記被測定対象までの距離を測定する測距処理部と、を備えた、
   ことを特徴とする距離測定装置。
2. 各画素データを、前記第１の指標値を用いて平均値からのデータの位置に正規化した第２の指標値に変換する為に、数１を用いることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
   

   
3. 前記測距処理部は、数２によって求まる標準偏差を用いて、前記光センサアレイ毎の各画素データを、前記第２の指標値に変換する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
   

   
4. 前記測距処理部は、数３によって求まる平均偏差を用いて、前記光センサアレイ毎の各画素データを、前記第２の指標値に変換する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の距離測定装置。
   

   
5. 前記測距処理部は、数４によって求まる平均値からの差の絶対値の最大値を用いて、前記光センサアレイ毎の各画素データを、前記第２の指標値に変換する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の距離測定装置。
   

   
6. 組をなす複数の光センサアレイを有し、被測定対象からの光をそれぞれ前記光センサアレイで受光し、各光センサアレイ上で受光した光によって結像した画像の画素データをそれぞれ取得する光センサ部を備え、前記光センサ部が取得した画素データに基づいて前記被測定対象までの距離を測定する距離測定装置の距離測定方法であって、
   前記光センサ部から各光センサアレイの各画素データを取得し、取得した各画素データに対して変換関数を通し、その関数値のばらつきを示す第１の指標値を前記光センサアレイ毎に取得するステップと、
   前記光センサアレイ毎に各画素データの前記関数値を、取得した前記第１の指標値を用いて平均値からのデータの位置に正規化した第２の指標値に変換するステップと、
   前記各光センサアレイ間の画像の差として前記各光センサアレイの対応する画素値の前記変換された第２の指標値の差の絶対値の総和を算出し、前記画像の差が最小となるような位相差を取得するステップと、
   取得した前記位相差に基づいて、前記被測定対象までの距離を測定するステップと、を備えた、
   ことを特徴とする距離測定装置の距離測定方法。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の距離測定装置を備えたことを特徴とするプロジェクタ。
8. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の距離測定装置を備えたことを特徴とするカメラ。

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