JPH11508371A - テレセントリック立体カメラと方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 情景における物体までの距離をあらわす像を創り出す装置であって、情景へと照射光を仕向ける変調照射光源と、情景からの反射照射光が入射するようになっていて、当該反射照射光をコリメートするテレセントリック光学系と、コリメートされた照射光を変調する変調器と、変調されてコリメートされた照射光で形成された像を検出する検出器と、検出された像の強度分布に応じて、装置からの物体の距離をあらわす強度値分布を有する像を形成するプロセッサとからなる装置。

Description

【発明の詳細な説明】 テレセントリック立体カメラと方法 技術分野 本発明は、立体カメラに関し、詳述すれば、情景にある種々の物体や物体の部 分までの距離を正確に測定するシステムに関する。 背景技術 情景の立体像、即ち、情景における物体の広がりばかりではなくて、カメラの 位置とかの基準点からの物体ないしその物体に部分の相対距離ないし絶対距離を もあらわす二次元像を創り出す技法には種々あることが知られている。 そのような像を創り出す基本的な技法として少なくとも三つの方法が広く利用 されている。一つには、情景における特定の点にパルス光を照射するのにレーザ ないし類似の照射光源を利用した方法がある。この方法では、反射したパルスを 検出して、２で割ったパルスの伝播時間を特定点までの概算距離を割り出すのに 利用している。情景における種々の点の距離を得るには、情景を光源で走査して 一群のパルスを情景における点を照射している。 もう一つには、概算距離を算出するのに、光の伝播速度ではなくて、位相シフ トを測定する方法がある。この場合でも、全情景ないしその適当な部分を一点ご と走査する必要がある。 最後の方法では、これもまた走査操作が必要ではあるが、少なくとも一つの照 射光源とそれに対応した検出器とを用い、三角測距法を利用して情景における特 定の点までの距離を求めるのに、照準を合わせている物体までの距離に応じて光 に作用する適当な光学系をも利用している。 これらの三つの従来技法の大きな問題点は、情景における種々の物体の距離を 求めるのに、点ごともしくはラインごとの走査が必要である。そのような走査方 法ではシステムのフレーム時間が著しく増加するし、高価な走査装置が必要であ るし、また、高速で距力な演算手段と複雑なプログラミングが必要となる。 従って、走査や複雑な演算設備類を用いなくても速やかにしかも容易に情景に おける種々の点の距離を判定できるシステムと方法が広く求められているし、し かも、それを提供できることが非常に有利である。 発明の要旨 本発明に依れば、情景における種々の物体の距離をあらわした像を創り出すた めのテレセントリックシステムであって、当該システムは(ａ)情景を照射する照 射光源と、(ｂ)情景における物体から反射した照射光の強度を検出する検出器と 、(ｃ)照射光源を変調させる照射側変調器と、(ｄ)情景における物体から反射し た照射光の一部をコリメートする手段と、(ｅ)情景における物体から反射し、コ リメートされた照射光を変調するものであって、音響光学装置と電気光学装置と からなる群から選ばれる反射光変調器と、(ｆ)照射側変調器を制御する照射側変 調器制御機構と、(ｇ)検出器側変調器を制御する反射光変調器制御機構とで構成 されている。 本発明の好ましい実施の形態では、照射側変調器制御機構と検出器側変調器制 御機構とは、照射側変調器と検出器側変調器とを同時に制御するように動作する ようにしている。 後述する本発明のまた好ましい実施の形態では、照射光の変調器と反射光の変 調器とは照射光と反射光とをそれぞれ交互に遮蔽したり、透過させたり、或いは 、動作させたり、不作動にするようになっている。 説明する別の好ましい実施の形態では、照射光源としてはレーザの如くの可視 光線源で、また、検出器としては、写真感光フィルム、電荷結合装置（ＣＤＤ） の如くのビデオカメラ式センサーで構成している。 更にもう一つの好ましい実施の形態では、方法としては情景における物体から 反射した照射光の強度を処理して物体の距離を求めているが、最も好ましい実施 の形態では、相対連続照射中と検出器期間中に検出した強度を照射光源と検出器 の変調期間中に検出した強度と比較している。 本発明に依れば、情景における種々の物体の距離をあらわした像を創り出す方 法であって、当該方法は(ａ)照射光源を利用して情景に向かって照射するステッ プと、(ｂ)情景における物体から反射した照射光の強度を検出するステップと、 (ｃ)照射側変調器を用いて照射光源を変調させるステップと、(ｄ)情景における 物体から反射した照射光の一部をコリメートするステップと、(ｅ)情景における 物体から反射し、コリメートされた照射光を変調するものであって、音響光学装 置と電気光学装置とからなる群から選ばれる変調器により変調するステップと、 (ｆ)照射側変調器を制御するステップと、(ｇ)検出器側変調器を制御するステッ プとからなる。 好ましくは、情景における物体から反射した照射光の強度を処理して物体の距 離を求めステップを備えているのが望ましい。 好ましい実施の形態では、相対連続照射中と検出器期間中に検出した強度を照 射光源と検出器の変調期間中に検出した強度と比較している。 本発明は従来構成に付随する問題点を、高価で時間のかかる情景の走査を必要 としないで迅速且つ容易に情景の部分までの距離を求めるシステムと方法とを提 供することで解消したものである。 図面の簡単な説明 以後、添付図面を参照しながら、本発明の一例について詳述する。 図１Ａは、本発明によるシステムと方法の一つの考えられる構成を示している 。 図１Ｂは、本発明によるシステムと方法の別の考えられる構成を示している。 図２は、本発明のシステムと方法とに利用できそうな典型的な変調スキームを 示している。 図３は、利用できそうな別の変調スキームを示している。 図４は、本発明によるシステムと方法の精度を高めるのに利用し得るまた別の 変調スキームを示している。 好ましい実施の形態の説明 本発明は、情景、特に比較的近くの情景における種々の部分の距離を求めるの に利用し得るシステムと方法である。 本発明によるシステムと方法の原理とその作用は、添付図面を参照しながらな す以後の詳細な説明から明らかになるであろう 添付図面において、図１Ａと図１Ｂとは、本発明のシステムのそれぞれ異なっ た例示的な構成を示している。 図１Ａにおいて、照射光源１０からの照射光は狙っている情景１１に仕向けら れている。情景は例示のために、比較的遠い部分Ａと近い部分Ｂとを有する三次 元物体として描いてある。利用する照射光としては、測距に適した波長と後述す る説明から明らかになる特性とを有するものならどのような照射光であっても良 い。大部分の用途では、照射光はレーザないしストロボ光の如くの可視光ないし 赤外線である。 システムは、情景における物体から反射した照射光の強度を検出する検出器１ ２を備えている。検出した照射光は、情景の物体に入射した照射光の一部であっ て、検出器１２の方へと反射した照射光である。利用する検出器は、適当な解像 度を有し、また、適当な数のグレーレベルを有するものであればどのような検出 器であってもよく、例えば、必ずしもこれに限られるものではないが、ＣＣＤカ メラの如くのビデオカメラや、電子カメラ、写真感光フィルムカメラであっても 良い。 システムは、１６を以て概略的に図示した、照射光源１０ないしこの光源から の照射光を変調する照射側変調器を備えている。また、システムは、反射されて 検出器１２へと向かっている反射照射光を変調する検出器側変調器１８をも備え ている。 本明細書において用いる「変調」なる用語は、必要に応じて照射光源１０ない しこの光源からの照射光それ自体と反射照射光の何れか一方、又は、両方のの種 々の動作レベル、ないし、動作パラメータを含むものであって、必ずしもこれに 限られるものではないが、照射光源１０ないし該光源からの照射光と検出器１２ ないし反射照射光を交互に遮蔽、透過させたり、交互に作動、不作動にすること も含むものである。 照射光源１０ないし該光源からの照射光と反射照射光とを変調させるのに種々 の機構を用いることができる。例えば、適当なシャッター１７ないし類似の機素 を用いて光源からの照射光を物理的に周期的に遮蔽しても良い。 照射光源１０を変調させるのに利用できる他の機構としては、照射光源１０と 検出器１２の何れか一方、又は、両方を周期的に不作動にする高周波電子変調手 段がある。図１に照射側変調器１６を示すが、この照射側変調器１６は照射光源 １０を電子的に作動させたり、不作動にする概念を実現したものである。 検出器１２を変調するものとしては種々の手段が考えられ、前述の照射光源１ ０の変調手段と類似のものが挙げられる。好ましくは、例えば光を変調する、或 いは、切り換えることのできるＫＤＰ（ＫＨ₂ＰＯ₄）やその他の電子光学結晶、 高速で正確な変調能もしくは、好ましくは、ゲート作用を有するニオブ酸リチウ ムの如くの種々の電気光学変調器で反射照射光を変調するのが望ましい。 尚、請求の範囲を含む本明細書において照射側変調器ないし照射光源の変調に ついて語るとき、それには照射光源それ自体の変調と該光源からの照射光の何れ か一方、又は、両方を変調しているものと解すべきである。 本発明によるシステムには、物体１１から反射した照射光の一部が透過する小 型アイリス４０を備えている。このアイリス４０と通過した照射光は、少なくと も一つのコリメータ用対物レンズ４２を介してコリメートされる。アイリス４０ は、このコリメータ用対物レンズ４２のほぼ焦点位置に配置されている。 コリメートされた照射光は、変調ないしゲート装置として作用するＫＤＰ１８ の如くの適当な音響光学装置ないし電気光学結晶を透過する。 ＫＤＰ１８を透過した変調照射光は、少なくとも一つの結像レンズ４４を透過 し、その後、この結像レンズ４４のほぼ焦点位置に配置した出射側アイリス４６ を透過する。この出射側アイリス４４を透過した照射光はやがて、ＣＣＤセンサ ー１２の如くの適当な検出器に入射する。 最後に、本発明によるシステムは、照射側変調器１６と検出器側変調器１８と を制御する機構を備えている。好ましくは、照射側変調器１６と検出器側変調器 １８とは同期して動作するか、より好ましくは、照射側変調器１６と検出器側変 調器１８とを同時に制御できるためにも同一機構２０であるのが望ましい。 同時制御とは、照射光源１０と検出器１２の両方の動作が同一時間に同一態様 で影響を受ける、即ち、同期する同調であっても良い。しかし、同時制御とはそ のような同期制御には限られず、広範囲の他の制御が利用できる。例えば、本発 明の範囲を限定するものではないが、遮蔽・透過制御であれば、照射光源１０と 検出器１２とが各サイクル中にそれぞれ異なった時間にわたって開く、或いは、 検出器１２の透過が各サイクル中での照射光源１０の透過よりも遅れるようにし ても良い。 更に、本発明のシステムには、検出器１２が検出した照射光の強度を分析して 、情景における種々の物体ないし物体の部分までの距離を求める適当なプロセッ サ２２をも備えている。このプロセッサ２２の動作を以後に詳述する。 本発明によるシステムの変形例を図１Ｂに示す。図１Ｂの構成は幾つかの点で 図１Ａの構成とは異なっているるが、主たる相違点は、図１ＢではＫＤＰ１８に より照射光源と反射照射光との両方を変調させている点にある。図１Ｂの構成の 特徴からして、システムの構成に幾つかの改変を必要としている。従って、照射 光源１０は、側方からＫＤＰ１８に入力するようにしている。ビーム分割器(bea m splitter)５０を用いて照射光源からの照射光の大部分を物体１１へと仕向け るようにすると共に、物体１１から反射した照射光がＫＤＰ１８を透過してＣＣ Ｄセンサー１２に入射できるようにしている。ＫＤＰ１８の変調を制御する機構 ２０’は、図１Ａの構成では二つの異なった装置を同期制御する必要があったが 、その代わりに一つの装置だけが変調されるように改変されている。 作用について説明すれば、本発明による典型的なシステムでは、照射光源とし てレーザを、検出器としてＣＣＤセンサーを用いる一方、照射光源と検出器とを 同期切換えで変調されるようにしているが、その場合での動作は下記の通りであ る。照射光源（例えばレーザ）１０ないし該光源からの照射光を変調する。ＫＤ Ｐ１８は、照射光源の変調と同期して当該ＫＤＰを透過する反射照射光を変調す る。図１Ｂの構成では、ＫＤＰ１８は、光源からの照射光と反射照射光との両方 を変調している。 このことを図２に概略的に示すが、図２には矩形波変調の一種が示されていて 、図中のＣＣＤはＫＤＰ１８を透過するに伴っての反射照射光の変調を示してい る。従って、各サイクルの間、レーザ１０と反射照射光との両方が時間ａだけ動 作状 態(active)にあり、時間ｂだけ不作動状態(inactive)である。時間ａと時間ｂの それぞれの長さは同一であってもよく、又は、異なっていても良い。レーザ１０ の波長と時間ａとは、レーザ１０からの照射光が情景における最遠の対象物体ま で進むことができ、且つ、ＣＣＤ１２へと反射されるように選択されている。 時間ａの選択について簡単な例を挙げて説明する。狙っている情景が図１Ａに 示したとおりで、測距すべき最大距離が照射光源又は検出器から約５０メートル あるとする、即ち、物体Ａと物体Ｂとが検出器と照射光源から約５０メートル以 内にあると仮定する。照射光源から最遠物体まで進んで検出器へと戻った光は、 １００メートル進むのに約０.３３マイクロ秒かかっている。従って、この仮定 の下では時間ａは約０.３３マイクロ秒でなければならない。 本発明のシステムと方法とは、近くの物体は遠くの物体よりも各サイクルごと 検出器の方へとより長時間、照射光を反射するとのアイデアに基づくものである 。各サイクル中に検出された反射照射光の持続時間の差を検出器で異なった強度 、ないし、グレーレベルに翻訳する。従って、物体Ｂにおけるある点が照射光源 と検出器の何れか一方、又は、両方からある距離だけ隔てているとし、物体Ａに おけるある点がそれよりも離れていると仮定すれば、物体Ｂ上の点から反射され た光は、検出器の動作サイクル（図２を参照のこと）の動作状態の比較的初期の 段階に検出器に到達して、当該検出器が検出器動作サイクルの動作状態の終期に 不作動とされるまで検出器に受光されている。物体Ｂ上の点から反射した光は、 照射時間（図２での点線を参照のこと）に対応する時間ａに渡り検出器の方に入 射し続ける。しかし、検出器の不作動後ないし遮蔽後に当該検出器に到達する反 射光に部分は当該検出器に受光されないし、検出の対応するピクセルが検出する 強度に何ら関与しない。 それに対して、物体Ａ上の点から反射した光は、検出器動作サイクルの動作状 態の終わり頃に検出器に受光され、当該検出器が不作動になるまで当該検出器に 受光される。 その結果、物体Ｂ上の点から反射した光は、物体Ａ上の点から反射した光（図 ２において陰線を施した部分）よりもより長時間、受光されることになる。検出 器は、各サイクル中の各ピクセルのグレーレベルの強度が、当該ピクセルにより 照射光が受光されている各サイクルにおける時間に関係するようになっている。 従って、強度、即ち、グレーレベルが物体の点の距離、相対距離もしくは絶対距 離、に翻訳されるのである。 前述したように、一例において説明し、図２に示した同期オン・オフ動作は、 それだけが唯一の動作ではない。その他の変調作用を用いることもできる。例え ば、照射光源と検出器の何れか一方、又は、両方を図３に示したように同調して 変調しても良いものである。 対象領域から離れたところにある遠方物体からスプリアス信号が入ってくるの を避けるためには、照射光源又は検出器が不作動状態にある時間ｂを増大して、 検出対象になっていない遠方物体からの反射光が、検出器が不作動状態のときに 当該検出器に到達するようにすることで、当該検出器の対応するピクセルによる 強度検出に関与しないようにするのが望ましい。従って、時間ｂを適切に選定す ることで、対象領域における物体からの反射光のみが各特定サイクル中に受光さ れるようにすることができ、それにより強度イメージの解釈がはかどるようにな る。 後ほど明らかになるように、ある用途では、情景における種々の物体には異な った反射率を有する部分が沢山ある。反射率が異なっているのは、違った色があ ること、テクスチャーの違い、それに、当該部分の角度の違いなどによる。従っ て、照射光源ないし検出器から同一距離へ立てたところにある二つの点がそれぞ れ異なった強度を有するものとして検出され、そのために前述したように強度に 基づく測距が不正確なものとなることがある。 しかし、測距対象の異なった物体もしくは物体の異なった部分の反射率の相違 を補償することはできる。よく知られているように、情景の特定の部分から連続 して照射光を受光している検出器のピクセルにより検出される強度は、照準を合 わせている情景の当該部分の反射率に比例していると共に、当該部分と検出器と の間の距離の二乗に逆比例する。 また、前述の如くのパルス状照射光源を利用した場合では、情景の特定の部分 から照射光を受光している検出器のピクセルが検出する強度は、照準を合わせて いる情景の当該部分の反射率に比例していると共に、当該部分と検出器との間の 距離の三乗に逆比例していることが判明している。 よって、反射率の相違による影響を相殺するためには、連続照射光とパルス状 照射光とを利用することが考えられる。そのような照射サイクルの一例を図４に 示す。図４においては、照射光源と検出器とは共に比較的長時間にわたって動作 状態(active)にあって、情景における物体の連続強度を測定するようになってい る。そして周期的に照射光源と検出器とを不作動状態にして、照射光源と検出器 とを、基本的な実施の形態について説明したのと同様に、好ましくが一群のパル スでパルス状に駆動するのが望ましい。 サイクルのパルス間隔部分での検出を前述のように利用する。しかし、それに 加わって、サイクルの長い動作状態期間の間での連続検出を、距離の補正ないし 標準化のためと反射率の相違の補償のために利用する。この補償作用は、例えば 連続期間での各ピクセルの検出強度をパルス期間中でのそのピクセルの検出強度 で割ることにより容易に達成でき、その割り算の結果として得られる商は、当該 ピクセルが狙っている領域の距離に比例したものである。 ここまで数の限られた本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発 明には種々の改変や変形例など、それに、その他の用途などが容易に考えられる ものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．情景における物体までの距離をあらわす像を創り出す装置であって、 照射光の一部が前記情景から反射されて装置に到達するように、情景へと照射 光を仕向ける変調照射光源と、 情景からの反射照射光が入射するようになっていて、当該反射照射光をコリメ ートするテレセントリック光学系と、 装置からの前記情景の異なった部分の距離に依存する、装置に到達する照射光の 前記一部の部分が透過するようにコリメートされた前記照射光を変調する変調器 と、 変調されてコリメートされた照射光で形成された像を検出する検出器と、 検出された像の強度分布に応じて、装置からの物体の距離をあらわす強度値分 布を有する像を形成するプロセッサとからなる装置。 ２．請求項１に記載のものであって、前記照射光源と検出器とは有孔(boresight ed)であることよりなる装置。 ３．請求項２に記載のものであって、前記照射光源が、検出される照射光を変調 するのと同一変調器により変調される連続照射光の光源からなる装置。 ４．情景における物体までの距離をあらわす像を創り出す装置であって、 照射光の一部が前記情景から反射されて装置に到達するように、軸芯に沿って 情景へと照射光を仕向ける変調照射光源と、 情景からの反射照射光が入射するようになっていて、当該反射照射光を前記軸 芯に沿ってコリメートするテレセントリック光学系と、 装置からの前記情景の異なった部分の距離に依存する、装置に到達する照射光 の前記一部の部分が透過するようにコリメートされた前記照射光を変調する変調 器と、 変調されてコリメートされた照射光で形成された像を検出する検出器と、 検出された像の強度分布に応じて、装置からの物体の距離をあらわす強度値分 布を有する像を形成するプロセッサとからなる装置。 ５．請求項１から４までのいずれか一項に記載のものであって、変調されてコリ メートされた照射光が入射するようになっていて、当該照射光を検出器上で合焦 させる焦点合わせレンズを備えてなる装置。 ６．請求項１から４までのいずれか一項に記載のものであって、前記変調器が電 気光学式変調器からなる装置。 ７．請求項１から４までのいずれか一項に記載のものであって、前記変調器がＫ ＤＰ変調器からなる装置。 ８．請求項１から４までのいずれか一項に記載のものであって、前記変調器が音 響光学式変調器からなる装置。