JPH11257951A

JPH11257951A - 測距装置

Info

Publication number: JPH11257951A
Application number: JP5562298A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Suzuki; 芳幸鈴木; Hideo Shimizu; 秀雄清水
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1998-03-09
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】装置を大型化することなく、短距離から長距
離までの計測を精度良く実現できるようにする。【解決手段】１対の結像レンズおよび光センサアレイ
からなり、ステレオ法にて測距を行なう従来方式の測距
装置（短距離用測距モジュール）９の前方に、対物レン
ズ２１と接眼レンズ２２からなる望遠鏡１０を設けるこ
とで、短距離から長距離までの計測を可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、測距対象物まで
の距離を測定する測距装置、特に短距離から長距離まで
を比較的簡単に測定し得る、携帯可能な測距装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】測距方法としては従来から、三角測量法
やステレオ法等のように、視差を検出して対象物までの
距離を測る方法や、レーザ等の指向性の強いエネルギー
を対象物に照射し、反射して戻ってくるまでの時間を測
定して距離に換算するなどの方法がある。ここでは、ス
テレオ法を採用するものとし、以下、その原理につき説
明する。ステレオ法による測距装置は一般に、２つの平
行な撮像光学系と、撮像光学系により得られた画像から
距離を算出する距離検出部とから構成される。以下、図
３を参照してステレオ法による測距原理とその装置につ
いて説明する。結像レンズ１，２は光軸間隔Ｂをもって
配置され、光センサアレイ３Ａ，４Ａは、例えばフォト
ダイオードアレイまたはＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕ
ｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）リニアセンサアレイであり、
それぞれ結像レンズ１，２に対し焦点距離ｆの位置に配
置される。

【０００３】いま、各結像レンズ１，２の中点を原点Ｏ
とする横軸Ｘ，縦軸Ｙを設定し、結像位置Ｌ₁，Ｒ₁の
座標をそれぞれ（ａ_L1，−ｆ），（ａ_R1，−ｆ）とす
る。結像レンズ１の中心点Ｏ_Lの座標は（−Ｂ／２，
０），結像レンズ２の中心点Ｏ_Rの座標は（Ｂ／２，
０）であり、対象物１１Ａの点Ｍの座標を（ｘ，ｙ）と
すれば、点ＭからＸ軸に下ろした垂線とＸ軸との交点Ｎ
の座標は（ｘ，０）、点Ｏ_Lから光センサアレイ３Ａに
下ろした垂線の位置Ｌ₀の座標は（−Ｂ／２，−ｆ）、
同様に点Ｏ_Rから光センサアレイ４Ａに下ろした垂線の
位置Ｒ₀の座標は（Ｂ／２，−ｆ）である。このとき、
△ＭＯ_LＮと△Ｏ_LＬ₁Ｌ₀、△ＭＯ_RＮと△Ｏ_RＲ₁
Ｒ₀はそれぞれ相似であるから、次式の関係が成立す
る。（Ｘ＋Ｂ／２）ｆ＝（−ａ_L1−Ｂ／２） …（１）（Ｘ−Ｂ／２）ｆ＝（−ａ_R1＋Ｂ／２） …（２）（１），（２）式から、ｙ＝Ｂ・ｆ／（−ａ_L1＋ａ_R1−Ｂ） …（３）となり、結像位置Ｌ₁，Ｒ₁のＸ座標ａ_L1，ａ_R1が分か
れば、対象物１１Ａまでの距離が算出できる。

【０００４】次に、光センサアレイ３Ａ，４Ａで得られ
た画像を電気的に処理し、距離を算出する過程について
説明する。光センサアレイ３Ａ，４Ａで得られた画像信
号は信号処理部５に与えられ、それぞれ増幅器５１，５
２で増幅され、さらに、Ａ／Ｄ変換器５３，５４で量子
化された後、記憶装置５５に記憶される。この量子化さ
れたデータをもとに距離検出回路７で距離を算出し、外
部へ距離信号１０として外部の表示機器または他の制御
機器に出力する。距離検出回路７はマイクロコンピュー
タからなり、図４に実線で示すような、左右の像データ
１３Ｂ，１４Ｂを比較して、像が一致しなければ、図示
の破線のように、例えば左の像データ１３Ｂを右に、右
の像データ１４Ｂを左に順次シフトして比較してゆき、
左右の像データが一致したときのシフト量を検出する。
シフト量は光センサアレイ３Ａ，４ＡのそれぞれＬ₀〜
Ｌ₁の長さ，Ｒ₀〜Ｒ₁の長さに一致し、その長さは、（Ｌ₀〜Ｌ₁の長さ）＝−Ｂ／２−ａ_L1 …（４）（Ｒ₀〜Ｒ₁の長さ）＝ａ_R1−Ｂ／２ …（５）であり、それぞれ上記（１），（２）式のカッコ内の式
と一致するので、距離検出回路７は検出したシフト量か
ら（３）式により、対象物までの距離ｙを算出すること
ができる。

【０００５】また、距離検出回路７内ではＸ座標の単位
は光センサアレイを構成する画素を基準としており、シ
フト量の検出結果もシフトした画素数で表わされる。そ
こで画素のピッチをｐ、左の像データのシフトした画素
数をｘ１、右の像データのシフトした画素数をｘ２とす
れば、ｘ１・ｐ＝−Ｂ／２−ａ_L1 …（６）ｘ２・ｐ＝ａ_R1−Ｂ／２ …（７）となり、さらに、ｘ１＋ｘ２＝ｘ …（８）とすれば、（３）式はｙ＝Ｂ・ｆ／（ｘ・ｐ） …（９）と表わされる。また、シフト量ｘの検出誤差による測距
誤差は、（９）式を微分して、 Δｙ＝ｙ²／（Ｂ・ｆ）・ｐ・Δｘ …（１０）として求まる。このようにして、対象物までの距離を測
ることができ、（９），（１０）式より結像レンズ１，
２の光軸間隔Ｂおよび結像レンズ１，２の焦点距離ｆに
よってその性能が決まり、これらの値が大きいほど測定
可能範囲が長く、測距誤差も小さいことが分かる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、長距離
を測定しようとしてＢ，ｆ値を大きくすると、装置全体
が大型化し、携帯に不便になるという問題がある。ま
た、ステレオ法による測距装置では２つの撮像光学系に
よる画像が一致することが必要であるが、例えば結像レ
ンズ１，２を含む平面がＹ軸に対して回転している場
合、この回転量が大きければ両光センサアレイに映る視
野範囲が異なるため測距が不可能となり、回転量が小さ
い場合でも光センサアレイ上に映る像のコントラストが
均一でなくなる等の影響で、シフト量検出の際の誤差が
大きくなり、結果的に測距誤差が大きくなる。つまり、
ステレオ法による測距装置は組立時に対となる２つの撮
像光学系の光軸等を精密に合わせる必要が生じるが、
Ｂ，ｆ値が大きいと、その組立，調整作業がより困難に
なる。さらに、各測距範囲に合わせてＢ，ｆの異なる測
距装置を製造しようとすると、それぞれの仕様に合わせ
た組立装置を必要とし、コスト高になるという問題もあ
る。したがって、この発明の課題は、装置を大型化する
ことなく測定可能範囲を長くし、測距誤差を小さくし得
るようにすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、請求項１の発明では、一対の結像レンズおよび
光センサアレイからなる撮像手段と、この撮像手段によ
り撮像される測距対象物の２枚の画像からステレオ法の
原理に基づき測距対象物までの距離を測定する測距装置
において、前記撮像手段の結像レンズの前方に対物レン
ズと接眼レンズからなる望遠鏡を設けるようにしてい
る。すなわち、視差を利用しステレオ法の原理により距
離を測定する従来方式の測距に対し、望遠鏡を設けて視
差を拡大することにより長距離の測定を可能とするもの
である。上記請求項１の発明においては、前記望遠鏡の
対物レンズと接眼レンズの間隔を可変とし、非使用時に
は縮めることができる（請求項２の発明）。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を示
す構成図である。図１からも明らかなように、ここでは
図３に示されるような結像レンズ１，２および光センサ
アレイ３Ａ，４Ａからなる短距離用測距モジュール９
と、対物レンズ２１および接眼レンズ２２からなる望遠
鏡１０とを備えた望遠モジュール８として示される。こ
こに、望遠鏡の方式，タイプには良く知られたいくつか
のものがあり、ここではそのいずれも使用可能である
が、図１に示すものはいわゆるケプラー型であり、ガリ
レオ型と同じく簡単に屈折式とすることができるので、
好都合である。対物レンズ２１，接眼レンズ２２の焦点
距離をそれぞれｆ１，ｆ２とすると、対物レンズ２１と
接眼レンズ２２は間隔（ｆ１＋ｆ２）で配置され、接眼
レンズ２２と短距離用測距モジュール９とはｆ２の間隔
で配置される。

【０００９】上記短距離用測距モジュール９はステレオ
法による測距装置であるが、測距範囲の仕様として、そ
の目的に合った最も短い範囲の測距を行なうために設計
されており、例えばカメラのオートフォーカスを目的と
し、１０ｍの範囲を精度１０％以内で測れるような仕様
にする場合、各寸法精度は、Ｂ＝１０ｍｍ，ｆ＝１０ｍ
ｍ，ｐ＝０．０２ｍｍ，Δｘ＝１／２０とすれば良く、
このとき短距離用測距モジュール９の大きさは□１５〜
２０ｍｍ（１５〜２０ｍｍスクエア）程度にまで小型化
することができる。

【００１０】また、図１の望遠鏡１０は、対象物２３を
実際よりも近くにあるように見せかけ、短距離用測距モ
ジュール９がその測距範囲よりも遠い対象物を測距する
のを助ける働きをする。望遠鏡１０の結像式は、対象物
２３から対物レンズ２１前側焦点までの距離をｙ、後側
焦点から実像２４までの距離をΔとし、接眼レンズ２２
の後側焦点から虚像２５までの距離をＬ’、短距離用測
距モジュール９の測距結果をｙ’とすると、次式が成立
する。ｙ＝ｆ１²／Δ …（１１）ｙ’＝ｆ２²／Δ …（１２）（１１），（１２）式より、ｙ＝ｍ²・ｙ’（ｍ＝ｆ１／ｆ２） …（１３）となり、対象物２３までの距離ｙは短距離用測距モジュ
ール９の測距結果ｙ’のｍ²倍として求まることにな
る。ここで、ｍは望遠鏡１０の像倍率を示し、ｍ²は望
遠鏡１０の縦倍率になる。

【００１１】上記ｙ’は上記（９）式から、ｙ’＝Ｂ・ｆ／（ｘ・ｐ） …（１４）であるので、これを（１３）式に代入すると、ｙ＝ｍ²・Ｂ・ｆ／（ｘ・ｐ） …（１５）となり、望遠モジュール８による測距演算はこの（１
５）式によれば良い。このとき、測距誤差Δｙは（１
０）式より、 Δｙ＝ｙ²／（ｍ²・Ｂ・ｆ）・ｐ・Δｘ …（１６）となる。ｙ’の測距誤差Δｙ’も同様に（１０）式よ
り、 Δｙ’＝ｙ²／（Ｂ・ｆ）・ｐ・Δｘ …（１７）となり、（１６），（１７）式の関係から、 Δｙ＝Δｙ’／ｍ² …（１８）となる。これは、短距離用測距モジュール９の測距範囲
を望遠鏡を組み合わせてｍ²倍しても、測距誤差は１／
ｍ²倍されるので、測距精度は結局変化しないというこ
とであり、短距離用測距モジュール９の精度が１０％な
らば、望遠モジュール８の精度も１０％であるというこ
とを示す。

【００１２】ここで、短距離用測距モジュール９の仕様
は上記の通りで、Ｂ，ｆ，ｐは既知となり、望遠モジュ
ール８の測距可能範囲を決めるのは、望遠鏡の像倍率ｍ
である。つまり、像倍率ｍの望遠鏡を組み合わせること
により、任意の測距範囲が可能となる。例えば、測距範
囲１０ｍ以内で設計されたモジュールで１００ｍを測距
しようとすれば、（１３）式よりｍ²＝１０で、像倍率
ｍ≒３．２の望遠鏡を用いれば良いことになる。以上の
構成で、測距範囲が短いが小型な短距離用測距モジュー
ルをもとに測距範囲を広げることが可能であるが、望遠
鏡の大きさは倍率を大きくすれば大きくなってしまう。
使用形態にもよるが、ゴルフの練習に用いる等の用途を
考えた場合、携帯できるような大きさであることが望ま
しい。そこで、この発明では以下のようにしている。

【００１３】図２は上記の如き要求を満たすこの発明の
実施の形態説明図である。同図（ａ）は望遠モジュール
８の使用時の構成を示している。このとき、望遠鏡１０
の対物レンズ２１と接眼レンズ２２は、それぞれの焦点
距離（ｆ１，ｆ２）によって決まる位置に配置する必要
があり、ｆ１，ｆ２は短距離用測距モジュール９の結像
レンズ１，２の焦点距離ｆに比べて大きな値をとるた
め、望遠モジュール８の大きさは短距離用測距モジュー
ル９の大きさに比べてかなり大きくなる。例えば、上記
の１０ｍを精度１０％で測距可能な短距離用測距モジュ
ール９を用いて２００ｍの測距をしようとすると、望遠
鏡の倍率ｍはｙ＝２００，ｙ’＝１０として（１３）式
より、ｍ＝√（２００／１０）≒４．５となり、例えばｆ１＝１３５ｍｍ，ｆ２＝３０ｍｍとす
れば良い。このとき、望遠モジュール８の全長は短距離
用測距モジュール９の長さを２０ｍｍとし、レンズの厚
さを無視しても２１５ｍｍとなり、この寸法では携帯に
不都合が生じる場合もある。

【００１４】ところで、望遠モジュール８の場合、対物
レンズ２１と接眼レンズ２２の間に空間があり、これが
全体の寸法の中でも大きな割合を占めている。望遠鏡１
０の寸法（ｆ１，ｆ２）が短距離用測距モジュール９の
寸法に比べてかなり大きいことは前述の通りであるが、
同様に許容できる組立誤差も大きく、特に２枚のレンズ
間隔は比較的ラフに固定しても、測距結果に大きな影響
はない。そこで、２枚のレンズを支持している筐体を分
離し、非使用時には２枚のレンズ間隔を縮めるようにス
ライドさせるなどの構造とする。そのときの大きさの例
を、図２（ｂ）に示す。上記と同じく短距離用測距モジ
ュール９の長さを２０ｍｍ、ｆ２＝３０ｍｍにレンズの
厚さを５０ｍｍとしても全体で１００ｍｍとなり、使用
時の半分以下にすることができるわけである。

【００１５】

【発明の効果】この発明によれば、下記のような効果を
期待することができる。（１）短距離用測距モジュールの前方に望遠鏡を設ける
だけで、任意の測距範囲をもつ測距装置を得ることがで
きる。（２）短距離用測距モジュールに望遠鏡を付加して構成
される望遠モジュールは、短距離用測距モジュールのも
との測距精度を損なうことがない。（３）望遠鏡部分を非使用時にはたためる構造とするこ
とで、携帯にも便利となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図２】この発明の第２の実施の形態説明図である。

【図３】従来のステレオ法測距原理とその装置例を示す
構成図である。

【図４】図３における光センサアレイの像データ説明図
である。

【符号の説明】

１，２…結像レンズ、３Ａ，４Ａ…光センサアレイ、５
…信号処理部、７…距離検出回路、８…望遠モジュー
ル、９…短距離用測距モジュール、１０…望遠鏡１１
Ａ，２３…対象物、１３Ｂ…左の像データ、１４Ｂ…右
の像データ、２１…対物レンズ、２２…接眼レンズ、２
４…実像、２５…虚像、５１，５２…増幅器、５３，５
４…Ａ／Ｄ変換器、５５…記憶装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の結像レンズおよび光センサアレイ
からなる撮像手段と、この撮像手段により撮像される測
距対象物の２枚の画像からステレオ法の原理に基づき測
距対象物までの距離を測定する測距装置において、前記撮像手段の結像レンズの前方に対物レンズと接眼レ
ンズからなる望遠鏡を設けたことを特徴とする測距装
置。
【請求項２】前記望遠鏡の対物レンズと接眼レンズの
間隔を可変とし、非使用時には縮めることを特徴とする
請求項１に記載の測距装置。