JPH0979844A - 距離計測センサの較正方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサの構成に拘りなく対象物までの距離を
正確に計測し得る距離計測センサの較正方法を提供する
こと。 【解決手段】 距離が既知のいくつかの対象物に対して
光ビームを照射した時に受光器から出力される信号を獲
得する工程（ｓｐ１）と、前記既知の距離及び獲得した
信号からの内挿により受光器の出力信号を変数とした対
象物までの距離の関数を求める工程（ｓｐ２）と、前記
関数に基づいて受光器からの受光位置に応じた全ての信
号を対象物までの距離に変換する変換対応表を作成する
工程（ｓｐ３）とを有することにより、センサの構成に
拘りなく、受光器の出力から対象物までの距離を正確に
計測することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ビームを用いた
距離計測センサにおける較正方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ビームを用いた距離計測センサとし
て、光源から出射された光ビームを対象物に照射し、そ
の反射光を前記光源との間隔が既知の受光器で受光し、
三角測量の原理に則って対象物までの距離を計測する、
一般にレンジファインダと呼ばれるセンサがある。

【０００３】従来、この種の距離計測センサに対する較
正方法としては、一般に、センサの構成に合わせて幾何
学的モデル及び光学的モデルに従ったシステムパラメー
タを明確にし、その後、距離等が既知な対象物を計測
し、最小自乗近似等によりシステムパラメータを推定す
る方法が採用されていた（例えば、井口・佐藤 著「三
次元画像計測」（昭晃堂）の第４章参照）。

【０００４】ここで、三角測量の原理に則ったセンサの
システムパラメータとしては、例えば光源と受光器との
間の距離である基線長、光源や受光器の姿勢情報、レン
ズの歪み等がある。また、推定するパラメータ数をなる
べく少なくするため、これらの幾何学的モデル及び光学
的モデルとして意味を持つシステムパラメータを縮退さ
せ、必要最小限の自由度のパラメータ数にし、陽には意
味を持たないパラメータを推定する方法もあった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たセンサの幾何学的モデル及び光学的モデルに従うシス
テムパラメータを推定する方法では、これらのモデルが
いかに実態に適合しているかが問題となり、必ずしも適
切な較正結果が得られなかった。例えば、レンズの歪み
は一般に非線形な関数で表現されるが、そのモデルでは
不十分な場合があった。従って、妥当なモデル選定のみ
ならず、パラメータの推定も難しく、レンズの歪みの影
響が大きい場合には適切な較正結果が得られないことが
しばしばあった。

【０００６】また、偏向装置を用いて光源からの光ビー
ムを対象物上を走査するように偏向させ、対象物の連続
的な距離データ、即ち位置情報を計測するセンサ等の場
合、偏向装置の動作の振舞いを正確にモデル化すること
ができないため、適切なシステムパラメータを選定する
ことが不可能であり、較正することができないという問
題があった。

【０００７】本発明の目的は、センサの構成に拘りなく
対象物までの距離を正確に計測し得る距離計測センサの
較正方法を提供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、センサの構成に拘り
なく対象物の位置情報を正確に計測し得る距離計測セン
サの較正方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明では前記課題を解
決するため、光ビームを出射する光源と、光の受光位置
に応じた信号を出力する受光器とを備え、光源から出射
され対象物で反射された光ビームを受光した受光器の出
力信号に基づいて該対象物までの距離を計測する距離計
測センサの較正方法において、距離が既知のいくつかの
対象物に対して光ビームを照射した時に受光器から出力
される信号を獲得する工程と、前記既知の距離及び獲得
した信号からの内挿により受光器の出力信号を変数とし
た対象物までの距離の関数を求める工程と、前記関数に
基づいて受光器からの受光位置に応じた全ての信号を対
象物までの距離に変換する変換対応表を作成する工程と
を有する距離計測センサの較正方法を提案する。

【００１０】本発明方法では、特定の幾何学的モデル及
び光学的モデルに基づくパラメータを推定する代りに、
受光器の出力信号を変数とする関数をそのいくつかの計
測値からの内挿により求めるため、様々な構成のセンサ
の較正が実施でき、また、計測値を多くすることにより
正確な近似が可能となるため、従来は不適切なモデルし
か設定し得なかったセンサについて変換誤差を小さくす
ることができ、センサの出力である距離を高精度に求め
ることが期待できる。

【００１１】また、本発明では前記課題を解決するた
め、光ビームを出射する光源と、該光源からの光ビーム
を対象物上を走査するように偏向する偏向装置と、光の
受光位置に応じた信号を出力する第１及び第２の受光器
とを備え、光源から出射され偏向装置で偏向された光ビ
ームを直接受光した第１の受光器の出力信号と、光源か
ら出射され偏向装置で偏向され、さらに対象物で反射さ
れた光ビームを受光した第２の受光器の出力信号とに基
づいて該対象物の２次元位置情報を計測する距離計測セ
ンサの較正方法において、２次元位置情報が既知のいく
つかの対象物に対して外部からの光ビームを照射した時
に第２の受光器から出力される信号を獲得する工程と、
前記既知の２次元位置情報及び獲得した信号からの内挿
により第２の受光器の出力信号及び一方の位置情報を変
数とした対象物の他方の位置情報の第１の関数を求める
工程と、一方の位置情報が既知の対象物に対して光源か
らの光ビームを照射した時に第１及び第２の受光器から
出力される信号を獲得する工程と、前記既知の一方の位
置情報及び獲得した信号と前記第１の関数とから他方の
位置情報を算出する工程と、前記算出した他方の位置情
報及び獲得した信号からの内挿により第１及び第２の受
光器の出力信号を変数とした対象物の他方の位置情報の
第２の関数を求め、前記既知の一方の位置情報及び獲得
した信号からの内挿により第１及び第２の受光器の出力
信号を変数とした対象物の一方の位置情報の関数を求め
る工程と、前記対象物の他方の位置情報の第２の関数及
び対象物の一方の位置情報の関数に基づいて第１及び第
２の受光器からの受光位置に応じた全ての信号を対象物
の２次元位置情報に変換する変換対応表を作成する工程
とを有する距離計測センサの較正方法を提案する。

【００１２】本発明方法では、特定の幾何学的モデル及
び光学的モデルに基づくパラメータを推定する代りに、
第１及び第２の受光器の出力信号を変数とする関数をそ
のいくつかの計測値からの内挿により求めるため、様々
な構成のセンサの較正が実施でき、また、計測値を多く
することにより正確な近似が可能となるため、従来は不
適切なモデルしか設定し得なかったセンサについて変換
誤差を小さくすることができ、センサの出力である位置
情報を高精度に求めることが期待できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面に従って本発明の実施
の形態を説明する。

【００１４】図１は本発明を適用する距離計測センサの
一例、ここでは一般的なレンジファインダの測定原理を
示すものである。即ち、点イに配置された光源（図示せ
ず）から光ビームを対象物に向けて発射し、その反射光
を点ロに配置された受光器（図示せず）で受光する場
合、対象物までの距離Ｌは、一般に、点イにおける光ビ
ームと点イ−ロ間を結ぶ直線との角度α、点ロにおける
光ビームと点イ−ロ間を結ぶ直線との角度β、点イ−ロ
間の距離ｌから、三角測量の原理に則って求めることが
できる。

【００１５】ここで、受光器として光ビームの受光位置
に応じた信号を出力する受光器を用いると、光源からの
光ビームの方向、即ち角度αが一定であるから、受光器
の出力値は前記角度β及び距離ｌを反映したものとな
る。従って、受光器の出力信号から対象物までの距離Ｌ
を算出することができる。

【００１６】そこで、算出のためのパラメータを較正す
る目的で、各信号と対象物までの距離との関係を示すル
ックアップテーブル（対応表）を求める。

【００１７】図２は前記センサに対応した本発明の実施
の一形態を示すフローチャートであり、以下、これに従
って説明する。

【００１８】まず、距離Ｌが既知の対象物に対して光源
から出射された光ビームを照射し、その反射光を受光器
に受光させ、その時の出力値νを得る。これを複数の距
離Ｌについて繰り返し、各距離と受光器の出力値との対
応情報（Ｌ，ν）を得る（ステップｓｐ１）。

【００１９】次に、前記複数の対応情報（Ｌ，ν）から
の内挿により、受光器の出力値を変数とした対象物の距
離Ｌの関数Ｌ＝ｉ（ν）を求める（ステップｓｐ２）。

【００２０】最後に、受光器から出力されるディジタル
信号νの量子化レベルに合わせてルックアップテーブル
のエントリ数を決定し、前記求めたＬ＝ｉ（ν）なる関
数から各エントリに対応する距離Ｌの値を算出してルッ
クアップテーブルを作成する（ステップｓｐ３）。

【００２１】実際に前述した距離計測センサによる計測
を行う場合は、受光器から出力されるデジタル値νに対
応する距離Ｌを、前記ルックアップテーブルより読み取
ることにより、対象物までの距離情報を得ることができ
る。

【００２２】図３は本発明を適用する距離計測センサの
他の例、ここでは偏向装置を用いたセンサの例を示すも
ので、図中、１は光源、２は偏向装置、３はビームスプ
リッタ、４及び５は第１及び第２の受光器、Ａは対象物
である。

【００２３】光源１は１本の光ビームを出射するもの
で、例えば半導体レーザを用いる。偏向装置２は光源か
らの光ビームを対象物上を走査するように偏向させるも
ので、例えば電磁コイルに間欠的な電流を流すことによ
り振動する可動部上にミラーを装着してなっている。受
光器４及び５は光ビームの受光位置に応じた信号を出力
するもので、例えば光の受光位置に応じた光電流を出力
する半導体素子（ＰＳＤ）を用いる。なお、実際には、
受光器４及び５の出力は図示しない回路によりディジタ
ル化されて使用されるものとする。

【００２４】前記構成において、光源１から出射された
光ビームは偏向装置２のミラーで反射されてビームスプ
リッタ３に達し、ここで２つに分割され、そのうちの一
方はそのまま第１の受光器４に受光され、他方は対象物
Ａに到達し、ここで反射されて第２の受光器５に受光さ
れる。前記光ビームは偏向装置２の動作に伴って偏向さ
れ、対象物Ａ上を１次元的に走査するが、この際、第１
の受光器４における光ビームの受光位置は偏向装置２の
偏向角を反映したものとなり、また、第２の受光器５に
おける光ビームの受光位置は対象物Ａの位置情報を反映
したものとなる。

【００２５】従って、第１の受光器４から偏向装置２の
偏向角を反映した信号が得られ、第２の受光器５から対
象物Ａの位置情報を反映した信号が得られ、距離計測セ
ンサとしては、これらの信号から対象物Ａの２次元位置
情報を算出することができる。

【００２６】そこで、算出のためのパラメータを較正す
る目的で、各信号と対象物の２次元位置情報との関係を
示すルックアップテーブル（対応表）を求める。

【００２７】図４は前記センサに対応した本発明の実施
の他の形態を示すフローチャートであり、以下、これに
従って説明する。

【００２８】まず、第２の受光器５に関するパラメータ
較正を先行して行う。即ち、２次元位置（ｘ，ｙ）が既
知の対象物に対して、前述した光源１以外の光源から出
射された光ビームを照射し、その反射光を第２の受光器
５に受光させ、その時の出力値μを得る。これを複数の
位置（ｘ，ｙ）について繰り返し、各位置情報と第２の
受光器５の出力値との対応情報（ｘ，ｙ，μ）を得る
（ステップｓ１）。なお、この際、光源１からの光ビー
ムまたはその反射光が第２の受光器５に受光されないよ
うに注意する。

【００２９】前記複数の対応情報（ｘ，ｙ，μ）からの
内挿により、第２の受光器５の出力値及び一方の位置情
報ｙを変数とした対象物の他方の位置情報ｘの関数ｘ＝
ｆ（ｙ；μ）を求める（ステップｓ２）。この際、最も
簡易な方法としては、前記求めた対応情報を制御点とし
た適当な平面パッチを張ることにより内挿すれば良い。
また、関数として２次微分値まで滑らかな関数を仮定す
る場合には、求めた対応情報を制御点としたｘ＝ｆ
（ｙ；μ）なる滑らかな３次元曲面をＢ−スプライン等
により内挿して求めれば良い。

【００３０】次に、第１及び第２の受光器に関する総合
的なパラメータ較正を行う。即ち、位置情報ｙが既知の
ｘ軸に平行な平面に対して光源１からの光ビームを照射
し、その時の第１の受光器４の出力値ξ及び第２の受光
器５の出力値μを得る。これを光ビームを偏向装置２で
偏向させて繰り返し、各位置情報と第２の受光器５の出
力値との対応情報（ｙ，ξ，μ）を得る（ステップｓ
３）。

【００３１】前記複数の対応情報（ｙ，ξ，μ）のそれ
ぞれに対し、前記求めた関数ｘ＝ｆ（ｙ；μ）からｘを
算出し、複数の対応情報（ｘ，ｙ，ξ，μ）を得る（ス
テップｓ４）。

【００３２】さらに、前記複数の対応情報（ｘ，ｙ，
ξ，μ）を複数の対応情報（ｘ，ξ，μ）及び（ｙ，
ξ，μ）に分解し、複数の対応情報（ｘ，ξ，μ）から
の前記同様な内挿により、第１の受光器４及び第２の受
光器５の出力値を変数とした対象物の位置情報ｘの関数
ｘ＝ｇ（ξ，μ）を求め、複数の対応情報（ｙ，ξ，
μ）からの前記同様な内挿により、第１の受光器４及び
第２の受光器５の出力信号を変数とした対象物の位置情
報ｙの関数ｙ＝ｈ（ξ，μ）を求める（ステップｓ
５）。

【００３３】最後に、各受光器から出力されるディジタ
ル信号ξ，μの量子化レベルに合わせてルックアップテ
ーブルのエントリ数を決定し、前記求めたｘ＝ｇ（ξ，
μ）及びｙ＝ｈ（ξ，μ）なる関数から各エントリに対
応する２次元位置情報の値を算出してルックアップテー
ブルを作成する（ステップｓ６）。具体的には、例えば
ξ，μがそれぞれ８ビットに量子化されている場合、２
次元位置情報ｘ，ｙをそれぞれ出力するルックアップテ
ーブルのエントリ数は256 ×256 となる。

【００３４】実際に前述した距離計測センサによる計測
を行う場合は、受光器４及び５から出力されるデジタル
値（ξ，μ）に対応する位置情報（ｘ、ｙ）を、前記ル
ックアップテーブルより読み取ることにより、対象物の
２次元位置情報を得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
受光器の出力信号を変数とした対象物までの距離の関数
を、該関数の代表的な計測値からの内挿により求め、さ
らに求めた関数から較正の結果となる変換に用いる対応
表を作成するという極めて簡素な工程により、従来の方
法に比べ柔軟に、多様な構成のセンサに対応して変換パ
ラメータを較正することができ、センサの構成に拘りな
く対象物までの距離を正確に計測することができる。

【００３６】また、本発明によれば、第１及び第２の受
光器の出力信号を変数とした対象物の位置情報の関数
を、該関数の代表的な計測値からの内挿により求め、さ
らに求めた関数から較正の結果となる変換に用いる対応
表を作成するという極めて簡素な工程により、従来の方
法に比べ柔軟に、多様な構成のセンサに対応して変換パ
ラメータを較正することができ、センサの構成に拘りな
く対象物の位置情報を正確に計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する距離計測センサの一例を示す
図

【図２】本発明の実施の一形態を示すフローチャート

【図３】本発明を適用する距離計測センサの他の例を示
す図

【図４】本発明の実施の他の形態を示すフローチャート

【符号の説明】

１…光源、２…偏向装置、３…ビームスプリッタ、４…
第１の受光器、５…第２の受光器、Ａ…対象物、ｓｐ１
〜ｓｐ３，ｓ１〜ｓ６…ステップ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを出射する光源と、光の受光位
   置に応じた信号を出力する受光器とを備え、光源から出
   射され対象物で反射された光ビームを受光した受光器の
   出力信号に基づいて該対象物までの距離を計測する距離
   計測センサの較正方法において、 距離が既知のいくつかの対象物に対して光ビームを照射
   した時に受光器から出力される信号を獲得する工程と、 前記既知の距離及び獲得した信号からの内挿により受光
   器の出力信号を変数とした対象物までの距離の関数を求
   める工程と、 前記関数に基づいて受光器からの受光位置に応じた全て
   の信号を対象物までの距離に変換する変換対応表を作成
   する工程とを有することを特徴とする距離計測センサの
   較正方法。
2. 【請求項２】 光ビームを出射する光源と、該光源から
   の光ビームを対象物上を走査するように偏向する偏向装
   置と、光の受光位置に応じた信号を出力する第１及び第
   ２の受光器とを備え、光源から出射され偏向装置で偏向
   された光ビームを直接受光した第１の受光器の出力信号
   と、光源から出射され偏向装置で偏向され、さらに対象
   物で反射された光ビームを受光した第２の受光器の出力
   信号とに基づいて該対象物の２次元位置情報を計測する
   距離計測センサの較正方法において、 ２次元位置情報が既知のいくつかの対象物に対して外部
   からの光ビームを照射した時に第２の受光器から出力さ
   れる信号を獲得する工程と、 前記既知の２次元位置情報及び獲得した信号からの内挿
   により第２の受光器の出力信号及び一方の位置情報を変
   数とした対象物の他方の位置情報の第１の関数を求める
   工程と、 一方の位置情報が既知の対象物に対して光源からの光ビ
   ームを照射した時に第１及び第２の受光器から出力され
   る信号を獲得する工程と、 前記既知の一方の位置情報及び獲得した信号と前記第１
   の関数とから他方の位置情報を算出する工程と、 前記算出した他方の位置情報及び獲得した信号からの内
   挿により第１及び第２の受光器の出力信号を変数とした
   対象物の他方の位置情報の第２の関数を求め、前記既知
   の一方の位置情報及び獲得した信号からの内挿により第
   １及び第２の受光器の出力信号を変数とした対象物の一
   方の位置情報の関数を求める工程と、 前記対象物の他方の位置情報の第２の関数及び対象物の
   一方の位置情報の関数に基づいて第１及び第２の受光器
   からの受光位置に応じた全ての信号を対象物の２次元位
   置情報に変換する変換対応表を作成する工程とを有する
   ことを特徴とする距離計測センサの較正方法。