JP5966467B2 - Ranging device - Google Patents
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Description
本発明は、パターン照明装置を備えた測距装置に関し、特に、ステレオカメラを用いた距離計測において、計測対象を識別するためのパターンを投光するパターン照明装置を用いて計測対象までの距離を測定する測距装置に関するものである。 The present invention relates to a distance measuring apparatus having a pattern illumination device, in particular, the distance of the distance measurement using a stereo camera, to the measurement object by using a pattern illumination equipment for projecting a pattern for identifying the target object The present invention relates to a distance measuring device that measures the above.
従来から、計測対象物を2つのカメラで同時に撮影して、得られた2つの画像から計測対象物までの距離情報を得る「ステレオ測距」技術が知られている。このステレオ測距では、2つの画像間に生じる視差を利用して、三角測量の原理により計測対象物までの距離を算出するものである。尚、ステレオ測距において視差を求めるためには、ウィンドウマッチングを行って各画像において互いに対応する点(対応点)を探し出す必要がある。 Conventionally, a “stereo distance measurement” technique is known in which a measurement object is photographed simultaneously by two cameras, and distance information from the two obtained images to the measurement object is obtained. In this stereo distance measurement, the distance to the measurement object is calculated based on the principle of triangulation using the parallax generated between two images. In addition, in order to obtain parallax in stereo ranging, it is necessary to perform window matching to find corresponding points (corresponding points) in each image.
図9は、三角測量の原理を示す図であり、図10は、2次元センサ上の視差Δを説明する図である。図9、図10に基づいて視差を求めて距離を算出する原理について説明する。
図9より1対の2次元センサ(105a、105b)は1対のレンズ(103a、103b)と組み合わせることで2つのカメラ(102a、102b)を構成して、計測対象物101が2つの2次元センサ(105a、105b)上に投影された夫々の画像から、ずれ(視差)を検出して三角測量の原理に基づいて距離を計測する。図9において計測対象物101からの光を同一の光学系からなる2つのカメラ102a、102bを配置して撮影する場合について考える。レンズ103aを介して得た計測対象物像104aと、レンズ103bを介して得た計測対象物像104bとは、計測対象物101の同一点が視差Δだけずれて2次元センサ105a、105bにそれぞれ104a、104bとして撮像され(図10参照)、複数の受光素子(画素)で受光され、電気信号に変換される。
FIG. 9 is a diagram illustrating the principle of triangulation, and FIG. 10 is a diagram illustrating the parallax Δ on the two-dimensional sensor. The principle of calculating the distance by obtaining the parallax based on FIGS. 9 and 10 will be described.
From FIG. 9, a pair of two-dimensional sensors (105a, 105b) is combined with a pair of lenses (103a, 103b) to form two cameras (102a, 102b), and the
ここでレンズ103a、103bの光軸間の距離は基線長と呼ばれ、これをDとし、レンズと計測対象物101との距離をA、レンズの焦点距離をfとし、A≫fであるときには次式が成り立つ。
A=Df/Δ・・・・(1)
(1)式より、基線長D、及びレンズの焦点距離fは既知であるから、視差Δを検出すれば計測対象物101までの距離Aを算出することができる。
Here, the distance between the optical axes of the
A = Df / Δ (1)
Since the baseline length D and the focal length f of the lens are known from the equation (1), the distance A to the
しかしながら、上記の方法は2つの2次元センサ105a、105bに映った計測対象物101を画素の輝度値の分布特性に基づいて図10に示す対応点104cを探し出す方法であるため、計測対象物101が単一色の表面をもつ物体で、表面の輝度分布が一様で、且つ撮影画像において輝度値に変化が生じ難い場合は、対応づけを行うことが困難となり(即ち、対応点104cを検知できないため)視差Δを計算できず、その結果、距離を算出することができないといった問題がある。
その課題を解決するために、計測対象物の表面に対して所定の投光パターンを投光して計測対象の表面に模様を付ける従来技術として特許文献1には、所定の輝度階調を有する輝度ブロックをランダムに(すなわち、輝度変化に規則性がないように)配置したランダムパターンを用いることが開示されている。
However, the above method is a method of finding the
In order to solve the problem,
また、特許文献2には、一様乱数や正規乱数に基づき、ドットのサイズ、線の長さ、太さ、位置、濃度等に周期性を持たない非周期的投光パターンを用いることが開示されている。またこのパターンを投光する手段として、光源から出た光をランダムパターンのスライドを透過させレンズ系で結像させて計測対象物に投光する手段が開示されている。
また、特許文献3には、パターン生成方法として各部分数列によって表されるベクトルが互いに方向の異なるベクトルとなるように、数列を生成する方法が示され、誤った対応づけがなされる危険性を低減し、的確な対応づけを行うことができることが開示されている。またこのパターンを投光する手段として、プロジェクタや走査型の露光装置を用いることが開示されている。
Further, Patent Document 3 discloses a method of generating a sequence so that vectors represented by each partial sequence are different in direction from each other as a pattern generation method, and there is a risk of incorrect association. It is disclosed that it can reduce and can perform exact matching. Further, it is disclosed that a projector or a scanning exposure apparatus is used as means for projecting this pattern.
しかしながら特許文献2、3に記載されている従来技術は、プロジェクタや走査型のレーザ露光装置を使用するために、いずれも装置のサイズが大きくなるといった問題がある。即ち、プロジェクタは光源のランプが大きくなる可能性がある。例えば、光源にLEDを用いた場合は小型化は可能であるが、レンズで結像させるため、結像する位置では解像度の高いランダムパターンを照射できるが、結像位置からずれると解像度が低下してしまい、精度良く距離を計測することができなくなる。
また、特許文献3に開示されている走査型のレーザ露光装置は、レーザ光を変調しながら走査することでランダムパターンを表示する方式である。この方式では、計測対象物全体にランダムパターンを照射するためには、走査に要する時間が長くなる。従って、ステレオカメラのシャッタースピードはレーザ走査に要する時間によって制限されるため、短いシャッタースピードで撮影することはできない。その結果、動きの早いものや暗い場所での計測が困難となるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、高精度な距離計測を可能にするパターンを照射できる小型なパターン照明装置を用いて計測対象までの距離を測定する測距装置を提供することを目的とする。
However, the conventional techniques described in
Further, the scanning laser exposure apparatus disclosed in Patent Document 3 is a method of displaying a random pattern by scanning while modulating laser light. In this method, in order to irradiate the entire measurement object with a random pattern, the time required for scanning becomes long. Therefore, since the shutter speed of the stereo camera is limited by the time required for laser scanning, it is not possible to photograph at a short shutter speed. As a result, there is a problem that it is difficult to perform measurement in a fast moving object or in a dark place.
The present invention has been made in view of these problems, provides a distance measuring apparatus for measuring a distance to a measurement target using a small pattern illumination equipment capable of irradiating a pattern that allows highly accurate distance measurement The purpose is to do.
本発明はかかる課題を解決するために、計測対象物までの距離を計測する測距装置であって、光源、該光源から出射された光を平行光に変換する光学手段、及び、溝の深さの異なる多段の階段形状を有し、前記光学手段により変換された平行光を回折して3階調以上の輝度分布を有する画素がランダムに配置されたパターン光を前記計測対象物に出射する回折光学素子、を備えたパターン照明装置と、該パターン照明装置により投光されたパターン光が照射された計測対象物を撮影する複眼撮像装置と、該複眼撮像装置により撮影された夫々の画像から視差を計算して前記計測対象物までの距離を演算する制御部と、を備え、前記複眼撮像装置が撮像する前記パターン光に前記回折光学素子で生じる0次光が含まれないように、前記パターン照明装置が配置されていることを特徴とする。
In order to solve such a problem, the present invention provides a distance measuring device for measuring a distance to a measurement object, a light source, an optical means for converting light emitted from the light source into parallel light , and a groove depth. have different multistage staircase shape of is, to emit converted pixel having a luminance distribution of three or more gradation by diffraction pattern light randomly arranged parallel light by the optical means to the measurement object A pattern illumination device including a diffractive optical element , a compound eye imaging device that images a measurement object irradiated with pattern light projected by the pattern illumination device, and an image captured by the compound eye imaging device A control unit that calculates a parallax and calculates a distance to the measurement object, so that the pattern light captured by the compound-eye imaging device does not include zero-order light generated by the diffractive optical element. pattern Wherein the illumination device is arranged.
本発明によれば、回折光学素子を使って多階調の輝度分布を有する画素がランダムに配置されたパターンを照射することで、計測対象物が単一色の表面をもつ物体であっても、ステレオ対応づけが可能となり、計測対象物までの距離を高精度に測定することができる。更に、パターン照明装置は走査部が無いために小型で構成され、波長として近赤外光を使用することにより、計測対象物までの距離が変化しても常に高精度な測距に適したパターンを照射することできる。 According to the present invention, by using a diffractive optical element to irradiate a pattern in which pixels having a multi-tone luminance distribution are randomly arranged, the measurement object is an object having a single color surface, Stereo correspondence is possible, and the distance to the measurement object can be measured with high accuracy. Furthermore, the pattern illumination device has a small size because it does not have a scanning unit. By using near infrared light as the wavelength, the pattern is always suitable for highly accurate ranging even if the distance to the measurement object changes. Can be irradiated.
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified. .
図1(a)は一つの実施形態に係るパターン照明装置の構成を示す図、図1(b)は多階調輝度分布の階調を示す図である。本発明の第1の実施形態に係るパターン照明装置1は、図示しない計測対象物までの距離を計測するために、計測対象物にパターンを投光するパターン照明装置1であって、パターン光5を投光するための光を出射する半導体レーザ(光源)2と、この半導体レーザ2から出射された光を平行光に変換するカップリングレンズ(光学手段)3と、カップリングレンズ3により変換された平行光を回折する回折光学素子4と、を備え、回折光学素子4から出射されて図示しない計測対象物に投光される光は、多階調の輝度分布を有する画素がランダムに配置されたパターン光5である。
即ち、半導体レーザ2から出射されたレーザ光は、カップリングレンズ3によって平行光となる。平行光は回折光学素子4に入射して回折され、多階調の輝度分布を持つ光となる。この光は2値ではなく、図1(b)に示す多階調の輝度分布を持ち、最小単位である1つの画素のサイズは約1mm角である。この多階調の輝度分布をもった最小単位の画素がランダムに配置されたパターン光5が計測対象物に投光される。
FIG. 1A is a diagram illustrating a configuration of a pattern illumination device according to an embodiment, and FIG. 1B is a diagram illustrating gradations of a multi-gradation luminance distribution. The
That is, the laser light emitted from the
図2は回折光学素子の断面形状と回折効率との関係を示す図である。多階調の輝度を生じさせるために、回折光学素子4の断面形状は溝の深さが異なる多段の階段形状となっている。回折光学素子4の断面形状を階段の段数や階段の深さを変えることで回折効率が変化する。即ち、図2では上から順に回析効率が約40%、55%、75%、84%、及び100%と増加している。これを利用することで回折効率が高いところは輝度が明るく、回折効率が低いところは輝度が暗くなるため多階調の輝度分布を形成することができる。このように回折光学素子4を用いて光の強度(輝度)分布を変換すること自体は、特許文献4、5等にも関連する技術が開示されている。
本実施形態では半導体レーザ2は波長700〜900nm程度の近赤外光を発するレーザを想定している。波長がこれ以上に大きくなるとステレオカメラ(複眼撮像装置)に内蔵されている赤外カットフィルタでカットされたり、ステレオカメラのセンサ感度が低下してパターンが正確に検出できなくなってしまう。逆に半導体レーザ2の波長を400〜700nmの可視光にしても良い。可視光にすることでステレオカメラのセンサの検出感度が向上するというメリットがある。しかしその半面、レーザ光が眼で見えるため、人が危険を感じたり目障りになったりするといった課題が発生する。従って、計測対象物により波長を使い分けても構わない。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the cross-sectional shape of the diffractive optical element and the diffraction efficiency. In order to generate multi-tone luminance, the cross-sectional shape of the diffractive optical element 4 has a multi-step shape with different groove depths. The diffraction efficiency changes by changing the number of steps of the diffractive optical element 4 or the depth of the steps. That is, in FIG. 2, the diffraction efficiency increases from about 40%, 55%, 75%, 84%, and 100% in order from the top. By utilizing this, the luminance is bright where the diffraction efficiency is high, and the luminance is dark where the diffraction efficiency is low, so a multi-tone luminance distribution can be formed. As described above, techniques relating to the conversion of the light intensity (luminance) distribution using the diffractive optical element 4 are also disclosed in
In this embodiment, the
また、半導体レーザ2は一般に温度上昇に伴って波長が変化するモードホッピングと呼ばれる現象が瞬間的に発生する。波長が変化すると回折光学素子4からのパターン光の出射角度と回折効率が変化して、パターンを照射する範囲が変わってしまう。このように回折効率が変化すると多階調の輝度分布が相対的に変化してしまう。いずれも安定した測距を行う上で問題となるため、半導体レーザ2の温度を一定とするために、ペルチェ素子等の温度調節素子6(図1)を備えておくことが望ましい。
また、レーザパワーについてもAPC(Auto Power Control)回路7(図1)を用いて出射光をフィードバックして一定に保つことが望ましい。パターン照明の明るさを一定に保つことで、ステレオカメラにとって最適なシャッター時間を保つことができる。
また、半導体レーザ2は、一般的にパッケージサイズがφ3.5mm、φ5.6mmであり非常に小型である。カップリングレンズ3や回折光学素子4もほぼ同等のサイズで作られるため、従来のプロジェクタや走査型のレーザ露光装置に比べて本実施形態のパターン照明装置1は、サイズが格段に小さく作ることができるばかりでなく、走査部も無く信頼性も極めて高いものとなる。
以上のように本実施形態のパターン照明装置1は小型でありながら、高精度な測距を可能にするパターンを照射することができる。
In addition, the
Also, the laser power is desirably kept constant by feeding back the emitted light using an APC (Auto Power Control) circuit 7 (FIG. 1). By keeping the brightness of the pattern illumination constant, it is possible to maintain an optimal shutter time for a stereo camera.
The
As described above, the
図3(a)は一つの実施形態に係るステレオカメラの構成を示す図、図3(b)は撮像素子を上から見た図である。図3(a)においてレンズアレイ11には、レンズ12a、12bが一体化されて形成されている。レンズ12a、12bは測距用のレンズであり、同じ形状で焦点距離は等しく、それぞれの光軸13a、13bは平行である。光軸13aと光軸13bの間隔が基線長Dである。
ここで図3(a)のように光軸13a、13bの方向をZ軸とし、Z軸に垂直であり、且つ光軸13bから光軸13aへ向かう方向をY軸とし、Z軸とY軸の両方に直交する方向をX軸とする。レンズ12a、12bはXY平面上にありY軸上に両レンズの中心を配置した。この場合、視差Δが発生する方向はY軸方向となる。
FIG. 3A is a diagram illustrating a configuration of a stereo camera according to one embodiment, and FIG. 3B is a diagram of the image sensor as viewed from above. In FIG. 3A, the
Here, as shown in FIG. 3A, the direction of the
また、図3(b)のように撮像素子14はCMOS、CCD等の撮像素子であり、ウェハ上に半導体プロセスにより多数の画素を形成したものである。撮像素子14上には、測距用レンズ12aを介して計測対象物が結像される撮像領域15aと、測距用レンズ12bを介して計測対象物が結像される撮像領域15bが離間して配置されている。また、撮像領域15aと撮像領域15bは、それぞれ同じ大きさの矩形領域であり、撮像領域15aと撮像領域15bの対角中心A、Bと、レンズ12a、12bの光軸13a、13bはほぼ一致するように配置されている。
以上の構成からなるステレオカメラ16は、図9、図10を用いて先に説明した三角測量の原理により計測対象物までの距離を計測できる。更に、図1に示したパターン照明装置1によりランダムパターンを照射すれば、計測対象物が単一色の表面をもつ物体であってもステレオ対応づけを行うことができる。加えてパターン照明装置1には走査部も無いため、動いているものでも精度良く計測することができる。
In addition, as shown in FIG. 3B, the
The
図4は、本実施形態に係るパターン照明装置とステレオカメラとの配置関係を示す図である。特許文献3では、ステレオカメラを構成する2つのカメラの間に照明装置が配置されている構成が開示されていたが、本発明のステレオカメラ16はサイズが極めて小さく、最もサイズが大きい基線長方向の幅でも13mm程度しかないため、2つのカメラの間に照明装置を配置することは物理的に不可能である。パターン照明装置1を配置できる場所は図5(正面から見た図)に示すようにステレオカメラ16の周囲A〜Dとなる。
ここでステレオカメラ16のレンズ12a、12bの画角とパターン照明装置1のパターン出射角度の関係について説明する。図6は、本実施形態に係るパターン照明装置の出射角度とステレオカメラの画角との関係を表す図である。パターン照明装置1とステレオカメラ16を一体化した場合、パターン照明装置1を配置できる場所は図5に示すようにステレオカメラ16の周囲であるA〜Dの場所となる。従って、ステレオカメラ16の視野である画角全体にパターンを照射するためには、パターン出射角度αはステレオカメラ16の画角より大きくしなければならない。しかしながら、パターン出射角度αを大きくするためには、回折光学素子4をより微細に加工しなければならないため、加工上の制限からパターン出射角度αはあまり大きくはできない。そこでパターン照明装置1を配置する場所として図5のA又はCの位置ではなく、B又はDの位置とすることが望ましい。
FIG. 4 is a diagram showing an arrangement relationship between the pattern illumination device and the stereo camera according to the present embodiment. Patent Document 3 discloses a configuration in which an illumination device is disposed between two cameras constituting a stereo camera, but the
Here, the relationship between the angle of view of the
図7は、本実施形態に係る測拒装置の構成を示す図である。この図では、図5Dの位置に本発明に係るパターン照明装置を配置したときの画角と出射角度の関係を示している。本実施形態に係る測拒装置9は、パターン照明装置1と、パターン照明装置1により投光されたパターンが照射された計測対象物を撮影するステレオカメラ16と、ステレオカメラ16から得られた画像から視差を計算して計測対象物までの距離を演算する制御部17と、を備えている。そして、回折光学素子4からの出射角度βがステレオカメラ16のレンズ画角より大きくなる位置にパターン照明装置1を配置する。
図6の場合の出射角度αに比べて図7の方がパターン照明装置1の出射角度βが小さくすることができる。これはステレオカメラ16のAやCの位置にパターン照明装置1を配置すると、ステレオカメラ16の画角が大きい水平画角すべてをカバーするようにパターン照明装置1を配置しなければならないためである。水平画角すべてをカバーするためにはパターン照明装置1の出射角度αを大きくしなければならず、出射角度αを大きくするためには回折光学素子4の加工をより微細に加工しなければならない。
このようにパターン照明装置1をステレオカメラ16の基線長の方向に対して垂直方向の位置に配置することで、回折光学素子4の加工を難しくすることなく、ステレオカメラ16の視野を全てカバーできるようにパターン照明を行うことができる。垂直方向でもとりわけステレオカメラ16を2つのレンズの間の垂直方向に配置することでステレオカメラの視野近くに配置でき、回折光学素子4の加工精度を緩和できる。
FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the refusal device according to the present embodiment. This figure shows the relationship between the field angle and the emission angle when the pattern illumination device according to the present invention is disposed at the position shown in FIG. 5D. The
Compared with the emission angle α in the case of FIG. 6, the emission angle β of the
Thus, by arranging the
次に、照明するパターン光の中に回折光学素子3で生じる0次光が入らない構成を提案する。図8(a)は回折光学素子で生じる0次光がパターン内に入った場合を示す図、図8(b)は回折光学素子で生じる0次光がパターン内に入らなかった場合を示す図である。
図8(a)に示すような今まで説明してきたパターン照明装置の場合、回折光学素子4において回折せずに透過してしまう光(0次光)があると、照射するパターンのちょうど中心部に回折光学素子4に入射したレーザ光束のビーム径と同じ大きさのスポット光8が照射されることになる。0次光8が照射された部分は多階調の輝度分布が乱れてしまい、0次光8が照射される画面中心部は正確な測距ができなくなってしまう。
そこで図8(b)に示すように0次光8が照射するパターンの中に入らないようにする。即ち、図7で示したステレオカメラ16とパターン照明装置1の位置関係により、0次光を避けることができる。このようにすることで、0次光による輝度分布の乱れは発生しなくなり全画面で正確な測距ができるようになる。図8(b)の構成では回折効率が低下して照射するパターンが暗くなるが、半導体レーザ2の光出力を大きくすればパターンは明るくなり回折効率の低下はカバーすることが可能である。
Next, a configuration is proposed in which zero-order light generated by the diffractive optical element 3 does not enter into the pattern light to be illuminated. FIG. 8A shows a case where the 0th-order light generated by the diffractive optical element enters the pattern, and FIG. 8B shows a case where the 0th-order light generated by the diffractive optical element does not enter the pattern. It is.
In the case of the pattern illuminating device described so far as shown in FIG. 8A, if there is light (0th order light) that is transmitted without being diffracted by the diffractive optical element 4, it is exactly the center of the pattern to be irradiated. The
Therefore, as shown in FIG. 8B, it is prevented from entering the pattern irradiated with the 0th-
以上述べてきたパターン照明装置1とステレオカメラ16は着脱可能にして計測対象物が単一色の表面をもつ物体である場合と、そうでない場合とで使い分けても良い。パターン照明装置1とステレオカメラ16を一体化することで照明と撮影のずれが無くなり、経時変化や振動に対しても安定した測距が可能になる。
The
1 パターン照明装置、2 半導体レーザ、3 カップリングレンズ、4 回折光学素子、5 パターン光、6 温度調節素子、7 APC回路、8 0次光、9 測拒装置、11 レンズアレイ、12a、12b レンズ、13a、13b 光軸、14 撮像素子、15a、15b 撮像領域、16 ステレオカメラ、17 制御部
DESCRIPTION OF
Claims (4)
光源、該光源から出射された光を平行光に変換する光学手段、及び、溝の深さの異なる多段の階段形状を有し、前記光学手段により変換された平行光を回折して3階調以上の輝度分布を有する画素がランダムに配置されたパターン光を前記計測対象物に出射する回折光学素子、を備えたパターン照明装置と、
該パターン照明装置により投光されたパターン光が照射された計測対象物を撮影する複眼撮像装置と、
該複眼撮像装置により撮影された夫々の画像から視差を計算して前記計測対象物までの距離を演算する制御部と、を備え、
前記複眼撮像装置が撮像する前記パターン光に前記回折光学素子で生じる0次光が含まれないように、前記パターン照明装置が配置されていることを特徴とする測距装置。 A distance measuring device for measuring a distance to a measurement object,
A light source, optical means for converting light emitted from the light source into parallel light , and a multi-step shape having different groove depths, and diffracting the parallel light converted by the optical means into three gradations A pattern illuminating device including a diffractive optical element that emits pattern light in which pixels having the above luminance distribution are randomly arranged to the measurement object ; and
A compound eye imaging device that images the measurement object irradiated with the pattern light projected by the pattern illumination device;
A controller that calculates parallax from each image captured by the compound-eye imaging device and calculates a distance to the measurement object,
The distance measuring device, wherein the pattern illumination device is arranged so that the pattern light imaged by the compound-eye imaging device does not include zero-order light generated by the diffractive optical element.
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