JPH0789057B2

JPH0789057B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JPH0789057B2
Application number: JP61136761A
Authority: JP
Inventors: 誠宏反町; 茂山田; 康朗坂元
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1986-06-11
Filing date: 1986-06-11
Publication date: 1995-09-27
Anticipated expiration: 2010-09-27
Also published as: JPS62291509A

Description

【発明の詳細な説明】〈技術分野〉本発明は距離測定装置に関し、特にアクテイブ方式によ
り対象物の任意の位置までの距離が測定出来、対象物の
３次元形状の測定にも適用可能な距離測定装置に関す
る。

〈従来技術〉従来より、画像センサなどを用いて距離情報や３次元形
状に関する情報を取得する方法として、光切断法（スリ
ツト法）、ステレオ法などが知られている。

光切断法は、対象物表面にスリツト光を投射し、対象物
面上の投射線を投射方向と別の方向から観測し、対象物
の断面形状、距離などの情報を得るものである。この方
法では、撮像側は固定され、スリツト投射方向を少しず
つ換えながら複数枚の画像をスリツト１本ごとに撮像し
て３次元情報を取得する。

また、出願人が提案した特願昭59-44920号などにおける
ステレオ法は、像倍率の等しい光学系と組み合わされた
２次元の撮像素子を所定基線長だけ離して配置し、異な
る方向からみた２次元画像を得、２枚の画像情報のずれ
から対象物の各位置の高さ（撮像系までの距離）を算出
するものである。

ところが、光切断法では、撮像時のスリツト投射方向の
制御が面倒で、撮像に時間がかかる問題がある。また、
複数枚のスリツト画像から３次元情報を得るため、処理
する情報量が多く、最終的な情報取得までに多大な時間
を要する欠点があった。

また、ステレオ法ではスリツト走査などの制御は必要な
いが、一般的に従来方式はパツシブ方式であるため、対
象物表面が滑らかで、一様な輝度を有している場合には
２つの撮像素子で得られる像のコントラストが低下し、
２枚の画像の比較による距離測定が不可能になる問題が
ある。このような測定が不可能になってしまうケースは
像倍率が大きくなる近距離において出現頻度が多く、し
たがって、対象物の形状、色、サイズ、距離などが限定
されてしまうという欠点を有していた。

〈発明の概要〉本発明の目的は、上記従来の装置の欠点に鑑み、対象物
の種類によらず常時精度の良い測定が可能で、又、比較
的短時間に対象物の任意の位置までの距離や対象物の３
次元情報を得ることが出来る距離測定装置を提供するこ
とにある。

本発明の更なる目的は、上記目的を満足し、且つ側距範
囲が広い距離測定装置を提供することにある。

上記目的を達成する為に、本発明に係る距離測定装置
は、光軸を平行に、かつ基線距離隔てて配置された複数
の光学系と、前記の光学系の１つを通して２方向に分散
する複数のパターン光束を対象物に照射する光源手段
と、対象物上の前記パターン光束による像を前記と異な
る光学系を通して受像する画像センサとを設け、前記画
像センサにより検出された前記対象物上のパターン光束
による光像の位置から対象物の所定の位置までの距離を
測定する装置であって、前記複数のパターン光束を対象
物に照射する為の第１の光学系と前記対象物上のパター
ン光束による像を画像センサ上に導く為の第２の光学系
のパースペクテイブを一致させるべく前記第１の光学系
の対象物側焦点と前記第２の光学系の対象物側主点を略
同一平面上に位置させたことを特徴としている。

尚、本発明の更なる特徴は以下に示す各実施例に記載さ
れている。又、パースペクテイブとは遠近像の倍率変化
の様子を示すもので、パースペクテイブを一致させた異
なる２つの光学系は対象物体の距離の変化に対する像の
倍率の変化する割合が等しくなる。

〈実施例〉第１図は本発明に係る距離測定装置の一実施例を示す光
学系概略図である。図中、１はパターン光束照射用のレ
ンズ、２はセンサ上にパターン光束の光像を投影する為
のレンズ、３は光源、４は画像センサ、５は測定の対象
物で、破線及び実線は異なる位置での状態を示してい
る。６は複数の透光部から成る開口パターンを有するマ
スク、７は光源３からの光をマスク６に指向するレンズ
を示す。又、P₁及びP₂は対象物らの異なる位置でのパタ
ーン光束の照射位置を、D₁及びD₂は位置P₁及びP₂で反射
されたパターン光束の画像センサ４上の投射位置を示し
ている。

ここで、レンズ１とレンズ２との光軸は略平行であり、
その間隔は所謂基線長の分だけの長さを有している。

第２図はマスク６の開口パターンの一例を示したもの
で、図示するように、マスク６には細い長方形状のスリ
ツト状の透光部6₁，6₂・・・が複数個配列されている。
図において、透光部6₁，6₂・・・はその横方向の中心を
細線AXで示すように、水平方向に疎、垂直方向に比較的
密な配列パターンとなっており、結果として斜め方向に
延びるスリツト列を形成している。透光部6₁，6₂・・・
の密度、配列は必要な測定精度、使用する画像センサの
縦横の解像力に応じて定めればよいので、上記のような
構成に限定されるものではなく、種々のパターンを使用
可能である。マスク６の透光部6₁，6₂・・・の水平方向
の密度を第２図のように比較的低くしたのは、後述のよ
うに対象物５の距離により光像の位置が水平方向に移動
するため、検出を行なえる距離範囲を大きくとるためで
ある。第１図、第２図の構成に於いて、光源３から出射
した光はレンズ７に入射し平行光束となってマスク６を
照明する。即ち、光源３はレンズ７の焦点位置に設けら
れており、レンズ７の対象物側の焦点位置Ｑと共役な位
置である。レンズ７を介して照明されたマスク６から
は、複数の透光部6₁，6₂・・・から成る開口パターンに
応じた複数のパターン光束が得られ、この複数のパター
ン光束はレンズ１によってその焦点位置Ｑに一旦集光す
る。その後、複数のパターン光束は対象物５を照明し、
対象物５の任意の位置、例えば図示する位置P₁，P₂で反
射され、レンズ２を介して画像センサ４上の所定位置
D₁，D₂に光像として投射される。本実施例に於いては、
レンズ１の対象物５側の焦点位置とレンズ２の対象物５
側の主点位置とが同一平面上に位置する様にレンズ１と
レンズ２を配しており、これによりレンズ１とレンズ２
とのパースペテイブを一致させて画像センサ４上での光
点の位置が物体距離の移動に伴なって常にレンズ１とレ
ンズ２の光軸を含む面に平行な線上を移動する様にし、
正確な光像位置の検出を達成している。又、パターン光
束を得る為の光源手段として、図示する如き構成を採
り、マスク６の透光部6₁，6₂，6₃・・・・を通過する光
束を夫々の透光部6₁，6₂，6₃・・・に対して一方向から
のみ入射させ、レンズ１の瞳径と比較して十分細い光ビ
ームとなったパターン光束を得ることにより、対象物５
の位置が大きく変化しても対象物５上の光像のぼけを小
さくしている。従って、レンズ２を介して得られる画像
センサ４上のパターン光束の光像のぼけも小さく抑える
ことが出来、常時精度良い測定を行なえる。通常対象物
５上に投影されるパターン光束の光像の大きさは対象物
５の位置に比例するが、この比例の度合はレンズ１のパ
ースペクテイブに大きく依存しており、レンズ1,2のパ
ースクテイブをほぼ一致させることにより、画像センサ
４上での光像の大きさは実質的に一定となり、周辺部に
ぼけた像ができるもののその強度は極めて小さく光像位
置の検出に対して影響が少ない。

又、光源３としては発光部が比較的小さいものが望まし
く、発光強度が十分大きいものが得られるのであれば、
第１図の構成では、点光源と見なせる程小さい光源が好
ましい。

さて、ステレオ法の原理から分るように、光像D₁，D₂・
・・・の位置は反射点の距離、すなわち対象物５の位置
やその構造により、レンズ1,2の配置方向に平行な直線
上（基線方向）を移動することになる。したがって、対
象物５表面の測定装置からの距離分布を光像D₁，D₂・・
・・の水平方向の密度の分布として検出することが可能
となる。すなわち、画像センサ４の出力波形をコンピユ
ータシステムなどを用いた画像処理装置により観測する
ことにより対象物６表面の光像位置（光束投射点）まで
の距離を３角測量の原理により容易に求めることができ
る。

第３図は画像センサ４としてTVカメラ用の２次元CCDセ
ンサを用いた場合の１本の走査線（第２図の細線AXに対
応）の出力波形Ｏを示したものである。ここでは図の左
右方向を画像センサ４の水平方向の距離に対応させてあ
る。上記から明らかなように、この走査線と同一直線上
にあるマスク６上の透光部6₁，6₂・・・に対応して出力
値が極大値Ｍを示す。１つの透光部6₁，6₂・・・に対応
して出現する出力波形の極大値の左右位置はその位置が
限定されており、他の透光部による極大値出現範囲と分
離されているので、透光部6₁，6₂・・・を通過した光束
の画像センサ４への入射位置は容易に対応づけることが
できる。したがって、従来のステレオ法におけるように
近距離におけるコントラスト低下による測定不能などの
不都合を生じることなく、確実に対象物５の３次元情報
を取得することができる。また、従来のステレオ方式と
異なり、光源を用いて照明を行なうアクテイブ方式を採
用しているので、近距離の対象物の測定では光源の光量
が小さくて済む利点がある。また、画像サンセ出力の極
大値の大きさから、対象物の光像位置の傾斜角を推定す
ることも可能である。

以上のようにして、対象物５表面の測定系からの距離を
２次元の画像センサ４を介して測定することができる。
以上の構成によれば、光切断法のように機械的な走査を
行なう必要なく、対象物６全面の３次元情報を１回の画
像読み取りで抽出することができる。

また、後の画像処理も光像の左右方向の分布のもに関し
て行なえばよいので、簡単かつ高速な処理が可能であ
る。さらに、本実施例によれば、画像センサ４上の構造
の画像をそのまま２値化するなどしてCRTデイスプレイ
や、ハードコピー装置に出力して視覚的な３次元表現を
行なうことができる。

本実施例による３次元情報処理方式は、いわば多数の触
針を物体に押し付けて触針の基準面からの突出量の変化
により物体形状を知覚する方法を光学的に非接触で行な
うものであり、高速かつ正確な処理が可能なため、実時
間処理が必要とされるロボツトなどの視覚センサとして
用いることが可能である。特に比較的近距離に配置され
た対象物の形状、姿勢など知覚し、対象物の把握、回避
などの動作を行なわせる場合に有効である。

第４図〜第６図は本発明に係る距離測定装置の他の実施
例を示す光学系概略図である。図中、第１図に示す部材
と同じ部材には同符号が符してあり、第４図に於いて、
１′,Q′は夫々パターン光束照射用のレンズとそのレン
ズの焦点位置を示している。尚、第１図の実施例に於る
レンズ１は両凸レンズであったが、レンズ１′は両凹レ
ンズであり、その焦点位置はレンズ１′の光源３側に位
置している。

又、第５図及び第６図に於いて、８はLED等の小型発光
源A₁，A₂・・・を複数個配した光源装置で、９は光源装
置８の各小型発光源A₁，A₂からの光を受ける複数のレン
ズ部を備えたレンズアイレイを示している。

第４図の実施例は第１図の実施例に於るレンズ１の代わ
りに両凹レンズであるレンズ１′を配したものを示し、
他の構成は第１図の実施例と同様である。又、本実施例
に於いてもレンズ１′の焦点位置Ｑ′とレンズ２の対象
物５側の主点位置とが同一平面上に位置する如く構成し
ており、レンズ１′とレンズ２とのパースペクテイブと
は一致させている、従って、第１図の実施例同様の効果
を得ることが出来るものである。

第５図の実施例は第４図の実施例の変形例であり、光源
手段の構成が大きく異なる。即ち、第１図や第４図の実
施例に於るレンズ７や光源３を配することなく、第７図
に示す様に光源として複数の発光源部A₁，A₂・・・を有
した光源装置８を備え、夫々の発光部A₁，A₂・・・から
の光をマスク６、マスク６に近接したレンズアレイ９を
通過せしめてパターン光束を得るものである。ここで
は、マスク６の複数の透光部6₁，6₂・・・から成る開口
パターンに合わせて発光源部A₁，A₂・・・とレンズアレ
イ９のレンズ部9₁，9₂・・・の構成配置を決めている。
従って、夫々の発光源部A₁，A₂・・・から得られる光は
効率良く対応する透光部6₁，6₂・・・を照明し、複数の
パターン光束がレンズアレイ９を介して細い光ビームと
なってレンズ１′に指向される。本実施例によれば、第
１図及び第４図の実施例に比べて光源手段を小さく出
来、ひいては距離測定装置全体の小型化にも寄与する。
更に光源から得られる光の利用効率も向上する。

第６図の実施例は第１図の実施例の変形例であり、第５
図の実施例同様に光源手段をマスク６と複数の発光源部
A₁，A₂・・・を有する光源装置８とレンズアレイ９から
構成している。従って第５図の実施例と同様の特徴を示
すものであり、ここでは詳細な説明を省略する。

又、第５図及び第６図の実施例に於いても、レンズ１′
（又はレンズ１）とレンズ２とのパースペクテイブを一
致させており、且つ又、広がり角の小さな細いビームを
パターン光束として用いている為、画像センサ４上での
光像のぼけを小さくし広い範囲に亘って正確な測距が可
能となっている。

また、以上の説明では、簡略化のために、装置の主要部
のみを図示し、光源背面の反射鏡、光源光の週光光学
系、遮閉のための筺体の図示を省略したが、これらの部
材は必要に応じて当業者において従来どおり適当なもの
を設ければよい。また光学系は単レンズのみを図示した
が、複数エレメントから成る光学系、ミラーなどを含む
光学系を用いることもできる。

又、以上説明した実施例に於いては、２次元に配列され
た複数の透光部を有する開口パターンの光像をCCD等の
２次元画像センサで検出して測定を行なう方法を示した
が、例えば、複数の透光部を一次元的に所定間隔毎に配
した開口パターンを対象的に投射し、該開口パターンの
光像を長手方向にセンサ列を有する画像センサで受像し
て特定の方向に沿った対象物の形状を検知しても良い。
又、対象物からのパターン光束を受ける第２の光学系を
２つ以上とし、測距の視野を広げることも可能であり、
更に第２の光学系を所定の駆動装置を用いて平行移動さ
せることによっても測距の視野を広げることが可能であ
る。又、逆に複数のパターン光束を対象物に照射する第
１の光学系と光源手段とを所定の駆動装置を用いて平行
移動させても同様の機能を得ることが出来る。

本発明によれば、対象物に照射されるパターン光束は出
来る限り広がり角が小さい細い光ビームであることが好
ましいがその限界は主として画像センサの感度に依存す
る為、使用可能なセンサの感度や光源出力、要求される
測定精度、その他の仕様などに併せて決定される。

又、光学系の倍率や基線長の長さ、即ち第１図の第１の
光学系と第２の光学系との間の距離、マスクの透光部の
ピツチ等は測定すべき測距範囲を考慮して決定すれば良
い。

又、本発明で言う画像センサは、フオトダイードやCCD
等に代表される全ての光電変換素子を含んでおり、１次
元アレイ、２次元アレイ等配列状態にも限定はない。

〈発明の効果〉以上、本発明に係る距離測定装置は、ステレオ法にアク
テイブ方式を採用することで対象物の種類や位置によら
ず短時間且つ高精度の測距を達成し、照射用の第１の光
学系と受像用の第２の光学系のパースペクテイブを一致
させることで、広い測定範囲を備えたものである。更
に、本発明によれば短時間且つ高精度で対象物からの３
次元情報を取得することが出来、ロボツト等の視覚セン
サとして好適な装置を提供している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る距離測定装置の一実施例を示す光
学系概略図。第２図はマスクの開口パターンの一例を示す図。第３図は画像センサとしてCCDを用いた際の１本の走査
線の出力波形を示す図。第４図〜第６図は本発明に係る距離測定装置の他の実施
例を示す光学系概略図。第７図は第５図及び第６図の実施例に於る光源手段を示
す図。 1,1′,2,7……レンズ３……光源４……画像センサ５……対象物６……マスク８……光源手段９……レンズアレイ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光軸を平行に、かつ基線距離隔てて配置さ
れた複数の光学系と、前記の光学系の１つを通して２方
向に分散する複数のパターン光束を対象物に照射する光
源手段と、対象物上の前記パターン光束による像を前記
と異なる光学系を通して受像する画像センサとを設け、
前記画像センサにより検出された前記対象物上のパター
ン光束による光像の位置から対象物の所定の位置までの
距離を測定する装置であって、前記複数のパターン光束
を対象物に照射する為の第１の光学系と前記対象物上の
パターン光束による像を画像センサ上に導く為の第２の
光学系のパースペクテイブを一致させるべく前記第１の
光学系の対象物側焦点と前記第２の光学系の対象物側主
点を略同一平面上に位置させたことを特徴とする距離測
定装置。