JPS62291510A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 く技術分野〉 本発明は距離測定装置に関し、特にアクティブ方式によ
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次元形状の測定等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
ット法）、ステレオ法などが知られている。

光切断法は、対象物表面にスリット光を投射し、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、スリット投射方向を少しず
つ換えながた複数枚の画像をスリット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枚の画情報
のずれから対象物の各位置の高さく撮像系までの距離）
を算出するものである。

ところが、光切断法では、撮像時のスリット投射方向の
制御が面倒で、撮像に時間がかかる問題がある。また、
複数枚のスリット画像から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ット走査などの制御は必要な
いが１、一般に従来方式はパッ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、上記従来の問題点に鑑み、対象物の種
類によらず常に精度良い測定が出来、且つ比較的短時間
で対象物の任意の位置までの距離や対象物の３次元情報
を得ることが可能な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、且つ測定範
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、この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、前記光源手段が光源と光源からの光を受けてパタ
ーン光束を形成する為の複数枚の透光部を備えたマスク
と光源からの光の少なくとも一部を反射しマスクに指向
する反射鏡と複数の透光部の夫々に所定の方向からの光
線のみを入射させる為に光源からの一部の光を遮光する
遮光部材とを有する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実施例に記載され
ている。

〈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及び２は基線距離隔てて配
されたレンズで、互いの光軸は平行であり且つ又夫々の
レンズ１，２の物体側主平面は同一平面上に存している
。又、本実施例に於てはレンズ１，２は互いに焦点距離
が等しいものを使用している。３は光源で、比較的発光
部３′　が小さなものが好ましい。４はＣＣＤ等から成
る画像センサ、５は測距の対象物、６はパターン投射用
のマスクで遮光性部材に複数の透光部６１，６□・・・
・・・６５から成る開ロバターンが設けてあり、レンズ
１の焦点近傍に配置されている。又、７は反射鏡で光源
３からの光の一部を反射する。８の遮光部材で光源３か
らの光の一部を遮光する為にマスク６のほぼ中央部に設
置され、光源３からの直接の光と反射鏡７を介してマス
ク６に指向される光とが同一透光部６□。

６゜、６３に入射しない様に構成している。

第２図はマスク６の開ロバターンの一例を示したもので
、前述したように、マスク６には細い長方形のスリット
状の透光部６Ｉ、６゜、６３・・・・・が複数個配列さ
れている。図において、透光部６．。

６□・・・・・ｎ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ッ
ト列を形成している。透光部６３，６゜・・・・・・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６□、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の距離により画像センサ４上で
の光像の位置が水平方向に移動するため、検出を行なえ
る距離範囲を太き（とるためである。

第１図、第２図の構成において、光源３で照明され、透
光部６１＋６５を通過した光束はレンズ１を通って、対
象物５の位置に応じてそれぞれ対象物５上の符号ＰＩ＋
　　Ｐ２に示す位置に光像を結ぶ。そしてＰＩ　Ｔ　Ｐ
　Ｚ上の光像はそれぞれレンズ２を通って画像センサ４
上の位置Ｄ　Ｉ　＋　Ｄ　２に光像を結ぶ。

ステレオ法の原理から分かるように、光像Ｄｎ　（ｎ＝
１．２・・・・・・）の位置は反射点の距離、すなわち
対象物５の位置Ｐ　１　＋　　Ｐ　２の距離により、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Ｄｎ（ｎ＝１．２・・・・・
・）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ュ
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５の表面の光像位置（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。

さて、本実施例に於ては、測距可能な距離範囲を拡げる
為に、レンズ１．２の被写界深度を太き（するだけでな
く、対象物５に照射するパターン光束に工夫を施してい
る。即ち、第１図に於て、マスク６の透光部６８，６□
＋　６３＋　６４＋　ｅ、は点光源と見なすことが出来
、通常の照明法によりマスク６の開ロバターンを照明す
る際、夫々の透゛光部６１゜６□・・・・・・６５から
出射した光は拡散し、レンズｌの瞳全体を通過してレン
ズｌを介して対象物５に指向される。この様な方法で対
象物５にパターン光束を照射すると、たとえレンズｌに
被写界深度の大きいものを使用したとしても得られる測
距範囲には限界があり、画像センサ４上には開ロバター
ンの光像のぼけた像が結像されることになって、光像位
置の検出を困難にする。

しかしながら、本実施例では光源３をマスク６から離れ
た位置に配し、且つ遮光部材８をマスク６のほぼ中央に
配して遮光部材８の右側に存する透光部６４．６５は光
源３から直射光で照明し、遮光部材８の左側に存する遮
光部６ｍ、６□、６３は反射鏡７を介して照明して、左
側に存する透光部６□。

６□、６３には光源３からの直射光が入射せず、右側に
存する透光部６４＋６１５には反射鏡７からの光が入射
しない様に構成されており、マスク６の各透光部６１，
６□＊　６３＋　　６４＋　　６５は一定の方向から入
射する光線のみが通過し、細い光ビームとしてレンズｌ
に入射して複数のパターン光束が対象物５に指向される
。本実施例では光源３の発光部３′　として比較的小さ
なものを用いており、直射光であっても反射鏡７で反射
された光であっても、その広がり角が小さく対象物５を
照射するパターン光束はマスク６を介して細い光ビーム
となり、対象物５までの距離が太き（変化しても画像セ
ンサ４上に投影されるマスク６の透光部６１＋６２＋・
・・・・・の光像のぼけは小さい。従って、光源手段に
簡便な工夫を施しただけで距離測定の範囲を大きく広げ
ることが出来た。

第３図は画像センサ４としてＴＶカメラ用の２次元ＣＣ
Ｄセンサを用いた場合の１本の走査線（第２図の細線Ａ
Ｘ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
せである。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板６の透光部６ｎ　（ｎ＝１．２・
・・・）に対応して出力値が極大値Ｍを示す。１つの透
光部６ｎ　（ｎ＝１゜２・・・・・・）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６ｎ　（ｎ＝１．２・・・・・・）と
そこ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の任意の位置までの距離や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ィ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。

以上のようにして、対象物５表面の測定系から距離を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（、対象物５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みに関し
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ディスプレイ
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。

本実施例による距離測定方式もしくは３次元情報処理力
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ットな
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、姿勢などを知覚
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図は第１図に示す距離測定装置の光源手段の変形例
を示す図で、光源３の発光部３′　をレンズｌの光軸の
延長線上に配し、２枚の反射鏡７，７′　　を用いて光
源３からの光束をマスク６に指向しパターン光束を得る
ものである。本実施例の光源手段に於てもマスク６と光
源３との間に遮光部材８を配しており、マスク６の複数
の透光部には夫々反射鏡７゜７′　を反射・して所定の
方向より指向された単一の光線だけが入射する様に構成
され、マスク６を介して細い光ビームとなった複数のパ
ターン光束がレンズｌの瞳に入射する。従って、第１図
に示した距離測定装置の光源手段として用いれば、前記
実施例同様の効果を得ることが可能である。

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、信号処理系や連間のための筐体等の図示
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ができる
。

更に、上記の各実施例では、２つの同一焦点距離の光学
系を用いる構成を示したが、必要に応じて異なる焦点距
離の光学系を３系統以上を用いることも考えられる。た
だし、諸収差のそろった同一焦点距離の同一の光学系を
用いるのが最も簡単である。

又、以上説明した実施例に於ては、２次元に配列された
複数の透光部を有する開ロバターンの光像をＣＯＤ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に所定間隔毎に配し
た開ロバターンを対象物に投射し、該開ロバターンの光
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、仕様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
光学系を第２の光学系との間の距離、マスクの透光部の
ピッ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、フォトダイオードやＣ
ＯＤ等に代表される全ての光電変換素子を含んでおり、
−次元アレイ、２次元アレイ等配列状態にも限定はない
。

又、反射鏡としては上記実施例で示した平面境の他にも
、楕円鏡やコーナ↓ユーブ等の特殊形状に入射しない様
に所定の位置に遮光板等を設ける。

〈発明の効果〉 以上、本発明に係る距離測定装置は、アクティブ方式を
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、又、マスクや微小発光源やミラ
ー等を用い対象物に照射せしめるパターン光束径を細い
光ビームとすることにより、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、ロボット等の視覚セ
ンサとして好適である。

【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図はマスクの開ロバターンの一例を示す図。 第３図は画像センサとしてＣＯＤを用いた際の１本の走
査線の出力波形を示す図。 第４図は本発明に係る距離測定装置に用いる光源手段の
他の例を示す図。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
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、前記の光学系の１つを通して複数のパターン光
   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、この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
   、前記光源手段が光源と光源からの光を受けてパターン
   光束を形成するマスクと光源からの光の少なくとも一部
   を反射しマスクに指向する反射鏡とマスクの複数の透光
   部の夫々に所定の方向からの光線のみを入射させる為に
   光源からの一部の光を遮光する遮光部材とを有すること
   を特徴とする距離測定装置。