JP4993025B2 - 測距装置及び測距方法 - Google Patents

Description

本発明は、測距装置及び測距方法に関するものである。

測定対象物までの距離を測定する測距装置として、三角測距法を用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。
かかる三角測距法のほとんどは、投光型基線長三角測距法と二重像合致式基線長測距法と、の２つに分類される。

特開２００４−３１７６６８号公報（第５−７頁、図１，２）

しかし、従来の三角測距法を用いた測距装置では、測定精度は、距離に反比例し、距離の測定対象としての測定対象物が遠く離れるに従って、測定精度は低下してしまう。

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、距離の測定精度を向上させることが可能な測距装置及び測距方法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の観点に係る測距装置は、
ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸が原点で互いに直交する座標系において、
前記原点を中心として前記ｘ軸方向の対称位置にそれぞれ配置されて、前記ｚ軸方向の予め設定された位置において、前記ｚ軸に交差する平面上の前記ｚ軸を中心とする対称位置に２つの投光スポットが形成されるように互いにねじれ関係にある光を投光する２つの光源と、
前記２つの光源がそれぞれ光を投光することにより、前記ｚ軸方向に配置された測定対象物で反射した２つの投光スポットの反射光を受光し、受光した反射光に基づいて前記測定対象物上における２つの投光スポットの位置を取得する撮像部と、
前記ｚ軸方向の予め設定された位置において予め計測された２つの前記投光スポットを結ぶ直線と前記撮像部が取得した前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線とのねじれの角度を比較し、比較結果に基づいて、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得する距離取得部と、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記距離取得部は、前記撮像部が取得した前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線の傾きｄｘ／ｄｙに基づいて、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得するようにしてもよい。
ここで、前記距離取得部は、前記撮像部が取得した前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線の傾きｄｘ／ｄｙと前記原点から前記測定対象物までの距離の関係を記憶しているグラフを参照して、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得するようにしてもよい。
ここで、前記距離取得部は、前記撮像部が取得した前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線の傾きｄｘ／ｄｙに基づく前記原点から前記測定対象物までの距離の逆数を取得することによって、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得するようにしてもよい。
ここで、前記距離取得部は、前記撮像部が取得した前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線の傾きｄｘ／ｄｙと前記原点から前記測定対象物までの距離の逆数の関係を記憶しているグラフを参照して、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得するようにしてもよい。
ここで、前記光源は、レーザダイオードモジュールであることが望ましい。
ここで、前記撮像部は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳを備えたカメラであることが望ましい。

また、本発明の第２の観点に係る測距方法は、
ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸が原点で互いに直交する座標系において、
前記ｚ軸方向の予め設定された位置において、前記ｚ軸に交差する平面上の前記ｚ軸を中心とする対称位置に２つの投光スポットが形成されるように、前記原点を中心として前記ｘ軸方向の対称位置から、互いにねじれ関係にある光を投光するステップと、
前記２つの光を投光することにより、前記ｚ軸方向に配置された測定対象物でそれぞれ反射した２つの反射光を受光し、受光した反射光に基づいて前記測定対象物上における２つの前記投光スポットの位置を取得するステップと、
前記ｚ軸方向の予め設定された位置において予め計測された２つの投光スポットを結ぶ直線と前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線とのねじれの角度を比較し、比較結果に基づいて、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得するステップと、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、距離の測定精度を向上させることができる。

本発明の実施形態１に係る測距装置の構成を示す図である。 図１に示す測距装置が投光した２つの投光スポットの位置関係を示す図である。 ｄｘ／ｄｙと距離Ｌとの関係を示す図である。 ｄｘ／ｄｙと１／Ｌとの関係を示す図である。 本発明の実施形態２に係る測距装置の構成を示す図である。 各距離Ｌにおける線状の投光スポットの傾きθを示す図である。 線状の投光スポットの傾きθと距離Ｌとの関係を示す図である。 線状の投光スポットの傾きθと１／Ｌとの関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る測距装置を図面を参照して説明する。
（実施形態１）
実施形態１に係る測距装置の構成を図１に示す。
実施形態１に係る測距装置１は、ＬＤ（レーザダイオード）モジュール１１，１２と、カメラ１３と、距離取得部１４と、からなる。

ＬＤモジュール１１，１２は、ともにレーザ光を発する２つの光源であり、レーザダイオードからなる。ＬＤモジュール１１，１２は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸が原点で互いに直交する座標系において、原点を中心としてｘ軸（水平方向）方向の対称位置にそれぞれ配置される。

ＬＤモジュール１１，１２の投光方向は、ｚ軸方向の予め設定された位置として原点から４ｍの位置において、ｚ軸と交差する平面Ｓ１上において、ｚ軸を中心とする対称位置に２つの投光スポットＰ２，Ｐ１が形成されるように設定される。

本実施形態１では、２つの投光スポットＰ１，Ｐ２は、ｚ軸と交差する平面Ｓ１上において、ｚ軸を中心とする対称位置として、ｚ軸に垂直であるｙ軸方向に形成されるものとする。

カメラ１３は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device;電荷結合素子）又はＣＭＯＳを備えたものである。カメラ１３は、ｘ，ｙ，ｚ直交座標系の原点に配置されてｚ軸方向を視線とする。そして、カメラ１３は、ＬＤモジュール１１，１２が投光してｚ軸方向に配置された測定対象物で反射した反射光を受光して、測定対象物の２つの投光スポットの位置を取得する。

カメラ１３は、距離を測定するために必要十分な解像度を有しているものとし、解像度は、市販のデジタルカメラ程度の解像度を有していれば、十分である。また、カメラ１３は、ズーム機能を有しているものであれば、このズーム機能を使用してもよい。

距離取得部１４は、ｚ軸方向の予め設定された位置に投光された２つの投光スポットＰ１，Ｐ２の位置関係と、測定対象物に投光された２つの投光スポットの位置関係を比較して、比較結果に基づいて、原点から測定対象物までの距離を取得するものである。

２つのＬＤモジュール１１，１２の投光方向が図１に示すように設定されると、２つのＬＤモジュール１１，１２の投光によって形成される２つの投光スポットの位置関係は、測定対象物までの距離に応じて、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、変化する。

図２（ａ）〜（ｄ）において、ｄｘは、投光スポットＰ１，Ｐ２のｘ軸方向（水平方向）の距離を示す。ｄｙは、投光スポットＰ１，Ｐ２のｙ軸方向（垂直方向）の距離を示す。

図２（ｄ）は、原点から４ｍの位置における２つのＬＤモジュール１１，１２が投光した投光スポットＰ１，Ｐ２の位置関係を示す。原点から４ｍの位置では、投光スポットＰ１，Ｐ２は、ｙ軸方向（垂直方向）に並ぶので、ｄｘ＝０となる。

図２（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、原点から測定対象物までの距離が１ｍの場合の投光スポットＰ１１，Ｐ１２の位置関係、２ｍの場合の投光スポットＰ２１，Ｐ２２の位置関係、３ｍの場合の投光スポットＰ３１，Ｐ３２の位置関係を示す。特に、距離４ｍでの投光スポットＰ１，Ｐ２間の距離と二つのＬＤモジュール１１，１２間の距離とが等しくなるように設定された場合、距離が２ｍで、ｄｘとｄｙとが等しくなる。

ｄｘとｄｙとの比と、距離Ｌと、の間には、一定の関係がある。図３は、ｄｘをｄｙで除した値と距離Ｌとの関係を示す図である。この図３に示すように、距離Ｌは、ｄｘをｄｙで除した値に反比例する。また、図４は、ｄｘ／ｄｙと距離Ｌの逆数との関係を示す。距離Ｌの逆数は、ｄｘ／ｄｙの値に比例する。

距離取得部１４は、原点から距離Ｌが４ｍの場合の投光スポットＰ１，Ｐ２の位置関係と、測定対象物上の投光スポットの位置関係を比較する。そして、距離取得部１４は、この図３，４に示す位置関係に基づいて、原点から測定対象物までの距離を取得する。尚、カメラ１３の解像度が十分であれば、距離精度は、カメラ１３から測定対象物までの距離Ｌには依存しない。但し、設定距離は４ｍ程度までとする。

次に実施形態１に係る測距装置１の動作を説明する。
ＬＤモジュール１１，１２は、それぞれ、投光スポットＰ２，Ｐ１方向に投光する。カメラ１３は、測定対象物で反射した反射光を受光して、投光スポットの位置を取得する。

原点から測定対象物までの距離Ｌ＝４ｍの場合、投光スポットＰ１，Ｐ２の位置関係は図２（ｄ）に示すような位置関係になる。距離取得部１４は、このような位置関係から、投光スポットＰ１，Ｐ２のｘ軸方向の距離ｄｘ，ｙ軸方向の距離ｄｙを求める。距離取得部１４は、距離ｄｘ、ｄｙの比ｄｘ／ｄｙの値を求めて図３，４を参照し、距離Ｌ＝４ｍを取得する。

原点から測定対象物までの距離Ｌ＝３ｍの場合、投光スポットＰ３１，Ｐ３２の位置関係は、図２（ｃ）に示すような位置関係になる。距離取得部１４は、この位置関係から、投光スポットＰ１，Ｐ２のｘ，ｙ軸方向のそれぞれの距離ｄｘ，ｄｙを求め、距離ｄｘ、ｄｙの比ｄｘ／ｄｙの値を求めて図３，４を参照し、距離Ｌ＝３ｍを取得する。

原点から測定対象物までの距離Ｌ＝２ｍの場合、投光スポットＰ２１，Ｐ２２の位置関係は、図２（ｂ）に示すような位置関係になる。距離取得部１４は、この位置関係から、投光スポットＰ２１，Ｐ２２のｘ，ｙ軸方向のそれぞれの距離ｄｘ，ｄｙを求め、距離ｄｘ、ｄｙの比ｄｘ／ｄｙの値を求めて図３，４を参照し、距離Ｌ＝２ｍを取得する。

原点から測定対象物までの距離Ｌ＝１ｍの場合、投光スポットＰ１１，Ｐ１２の位置関係は、図２（ａ）に示すような位置関係になる。距離取得部１４は、この位置関係から、投光スポットＰ１１，Ｐ１２のｘ，ｙ軸方向のそれぞれの距離ｄｘ，ｄｙを求め、距離ｄｘ、ｄｙの比ｄｘ／ｄｙの値を求めて図３，４を参照し、距離Ｌ＝１ｍを取得する。

以上説明したように、本実施形態１によれば、ＬＤモジュール１１，１２は、原点から４ｍの位置において、ｚ軸と交差する平面Ｓ１上において、ｚ軸を中心とする対称位置に２つの投光スポットＰ２，Ｐ１が形成されるように、光を投光する。距離取得部１４は、予め計測された２つの投光スポットＰ１，Ｐ２の位置関係と、測定対象物上での投光スポットの位置関係とを比較して、比較結果に基づいて、原点から測定対象物までの距離を取得するようにした。

従って、原点から測定対象物までの距離Ｌにかかわらず、高い測定精度でこの距離Ｌを取得することができる。

（実施形態２）
実施形態２に係る測距装置は、１つのＬＤモジュールのレーザ光を光学系でねじれ光とし、このねじれ光の傾きに基づいて測定対象物との距離を取得するようにしたものである。

実施形態２に係る測距装置１は、図５に示すように、ＬＤモジュール２１と、シリンドリカル凹レンズ２２と、シリンドリカル凸レンズ２３，２４と、からなる。

ＬＤモジュール２１は、実施形態１のＬＤモジュール１１，１２と同様のものであり、ｚ軸方向にレーザ光beam1を投光する。

シリンドリカル凹レンズ２２は、ＬＤモジュール２１が出射したレーザ光beam1をｘ軸方向（水平方向）に広げ、幅広の光beam2を生成するものであり、その入射面と出射面とは、投光されたレーザ光beam1が通過するｚ軸上に配置される。

シリンドリカル凸レンズ２３は、シリンドリカル凹レンズ２２が広げた幅広の光beam2を平行光線beam3にするためのものであり、幅広の光beam2が通過するようにその入射面と出射面とがｚ軸上に配置される。

シリンドリカル凸レンズ２４は、シリンドリカル凸レンズ２３が生成した平行光線beam3をｚ軸を中心として回転させてねじれ光線beam4を生成するものであり、平行光線beam3が通過するように、その入射面と出射面とがｚ軸上に配置される。

シリンドリカル凸レンズ２４は、平行光線beam3の左側ほど右下斜め方向に、右側ほど左上斜め方向になるように、平行光線beam3を回転させる。シリンドリカル凸レンズ２４は、原点から４ｍの位置において、ねじれ光線beam4がｘ軸に対して垂直になるように、４５°傾けられている。

シリンドリカル凸レンズ２４は、ねじれ光線beam4を投光することによりｚ軸方向に配置された測定対象物上に線状の投光スポットbeam5を形成する。

カメラ１３は、シリンドリカル凹レンズ２２，シリンドリカル凸レンズ２３，２４の近傍に配置され、線状の投光スポットの反射光を受光して、測定対象物における線状の投光スポットbeam5の状態を取得するものである。この線状の投光スポットbeam5は、直線状になる。

距離取得部１４は、原点から４ｍの位置をｚ軸方向の予め設定された位置として、この位置において、線状の投光スポットbeam5とｘ−ｚ軸平面h_xzとの予め計測された角度θ４と、カメラ１３が取得した線状の投光スポットbeam5とｘ−ｚ軸平面h_xzとの角度θと、の関係に基づいて原点から測定対象物までの距離を取得する。

図６（ａ）〜（ｄ）は、原点から測定対象物までの距離Ｌと、線状の投光スポットbeam5とｘ−ｚ軸平面h_xzとの角度θと、の関係を示す図である。図６（ｄ）は、原点から４ｍの位置における線状の投光スポットbeam5とｘ−ｚ軸平面h_xzとの角度θ４を示す。前述のように、シリンドリカル凸レンズ２４が設定されているため、線状の投光スポットbeam5の傾きθ４＝９０°となる。

図６（ａ）〜（ｄ）に示すような関係に従って、原点から測定対象物までの距離Ｌと角度θとの関係、１／Ｌと角度θとの関係は、それぞれ、図７、８に示すような関係になる。

距離取得部１４は、カメラ１３が取得した線状の投光スポットbeam5とｘ−ｚ軸平面h_xzとの角度θから、この図７、８に示す関係に基づいて、原点から測定対象物までの距離Ｌを取得する。

次に、実施形態２に係る測距装置１の動作を説明する。
ＬＤモジュール２１は、ｚ軸方向にレーザ光beam1を投光する。シリンドリカル凹レンズ２２は、ＬＤモジュール２１が投光した光をｘ軸方向に広げて、幅広の光beam2を生成する。

シリンドリカル凸レンズ２３は、シリンドリカル凹レンズ２２が生成した幅広の光beam2から平行光線beam3を生成する。シリンドリカル凸レンズ２４は、シリンドリカル凸レンズ２３が生成した平行光線beam3をｚ軸を中心として回転させて、ねじれ光線beam4を投光する。

シリンドリカル凸レンズ２４がねじれ光線beam4を投光することによりｚ軸方向に配置された測定対象物上に線状の投光スポットbeam5が形成される。カメラ１３は線状の投光スポットbeam5の反射光を受光して線状の投光スポットbeam5の状態を取得する。

原点から測定対象物までの距離Ｌ＝４ｍの場合、図６（ｄ）に示すように、カメラ１３が取得した線状の投光スポットbeam5の角度θ＝θ４となる。距離取得部１４は、角度θ＝θ４から、図７，８を参照し、距離Ｌ＝４を取得する。

同様に、原点から測定対象物までの距離Ｌ＝３ｍ、２ｍ、１ｍの場合、ぞれぞれ、図６（ｃ）、（ｂ）、（ａ）に示すように、カメラ１３が取得した線状の投光スポットbeam5の角度θ＝θ３，θ２，θ１となる。距離取得部１４は、それぞれ、角度θ＝θ３，θ２，θ１から、図７，８を参照し、距離Ｌ＝３，２，１を取得する。

以上説明したように、本実施形態２によれば、シリンドリカル凹レンズ２２、シリンドリカル凸レンズ２３，２４は、ＬＤモジュール２１が投光したレーザ光beam1から生成した平行光線beam3を回転させて、回転させたねじれ光線beam4を投光する。そして、距離取得部１４は、カメラ１３が取得した線状の投光スポットbeam5とｘ−ｚ軸平面h_xzとの角度θに基づいて、原点から測定対象物までの距離Ｌを取得するようにした。

従って、ＬＤモジュール２１を１つのみとすることができる。また、測定対象物に投光された投光スポットが線状となるので、線状の投光スポットbeam5を受光する画素の画素情報が増え、その結果、距離測定の精度をさらに向上させることができる。

また、従来の三角測距法において、距離が大きくなるに従って角度変化は急激に小さくなるのに対して、本実施形態２における線状の投光スポットbeam5の角度θを設定距離の範囲内でほぼ一定の割合で変化させることができる。

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、上記実施の形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態１において、ＬＤモジュール１１，１２の投光方向を、原点から４ｍの位置に投光スポットＰ２，Ｐ１が形成されるものとして説明した。しかし、投光方向を４ｍの位置ではなく、それ以上離れた位置にしてもよい。そして、取得する距離に基づいて、ＬＤモジュール１１，１２の投光方向を変えるようにしもよい。このようにすれば、原点から測定対象物までの距離にかかわらず、精度良く測定対象物までの距離Ｌを取得することができる。

また、ｘ軸上にＬＤモジュール１１，１２を２ペア以上配置して、各ペア毎に投光方向を設定することもできる

１・・・測距装置、１１，１２，２１・・・ＬＤモジュール、１３・・・カメラ、１４・・・距離取得部、２２・・・シリンドリカル凹レンズ、２３，２４・・・シリンドリカル凸レンズ

Claims (8)

1. ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸が原点で互いに直交する座標系において、
   前記原点を中心として前記ｘ軸方向の対称位置にそれぞれ配置されて、前記ｚ軸方向の予め設定された位置において、前記ｚ軸に交差する平面上の前記ｚ軸を中心とする対称位置に２つの投光スポットが形成されるように互いにねじれ関係にある光を投光する２つの光源と、
   前記２つの光源がそれぞれ光を投光することにより、前記ｚ軸方向に配置された測定対象物で反射した２つの投光スポットの反射光を受光し、受光した反射光に基づいて前記測定対象物上における２つの投光スポットの位置を取得する撮像部と、
   前記ｚ軸方向の予め設定された位置において予め計測された２つの前記投光スポットを結ぶ直線と前記撮像部が取得した前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線とのねじれの角度を比較し、比較結果に基づいて、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得する距離取得部と、を備えた、
   ことを特徴とする測距装置。
2. 前記距離取得部は、前記撮像部が取得した前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線の傾きｄｘ／ｄｙに基づいて、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
3. 前記距離取得部は、前記撮像部が取得した前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線の傾きｄｘ／ｄｙと前記原点から前記測定対象物までの距離の関係を記憶しているグラフを参照して、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の測距装置。
4. 前記距離取得部は、前記撮像部が取得した前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線の傾きｄｘ／ｄｙに基づく前記原点から前記測定対象物までの距離の逆数を取得することによって、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
5. 前記距離取得部は、前記撮像部が取得した前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線の傾きｄｘ／ｄｙと前記原点から前記測定対象物までの距離の逆数の関係を記憶しているグラフを参照して、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の測距装置。
6. 前記光源は、レーザダイオードモジュールである、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の測距装置。
7. 前記撮像部は、ＣＣＤ又はＣＭＯＳを備えたカメラである、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の測距装置。
8. ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸が原点で互いに直交する座標系において、
   前記ｚ軸方向の予め設定された位置において、前記ｚ軸に交差する平面上の前記ｚ軸を中心とする対称位置に２つの投光スポットが形成されるように、前記原点を中心として前記ｘ軸方向の対称位置から、互いにねじれ関係にある光を投光するステップと、
   前記２つの光を投光することにより、前記ｚ軸方向に配置された測定対象物でそれぞれ反射した２つの反射光を受光し、受光した反射光に基づいて前記測定対象物上における２つの前記投光スポットの位置を取得するステップと、
   前記ｚ軸方向の予め設定された位置において予め計測された２つの投光スポットを結ぶ直線と前記測定対象物上における２つの前記投光スポットを結ぶ直線とのねじれの角度を比較し、比較結果に基づいて、前記原点から前記測定対象物までの距離を取得するステップと、を備えた、
   ことを特徴とする測距方法。

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