TWI728696B

TWI728696B - 距離測定裝置

Info

Publication number: TWI728696B
Application number: TW109104573A
Authority: TW
Inventors: 田中知行; 三浦元
Original assignee: 日商泰克霍隆公司; 林貴皇
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2021-05-21
Also published as: TW202130972A

Abstract

本發明的課題在於提供一種起以較往昔更少的零件數而構成之距離測定裝置。為解決上述課題，本發明具備稜鏡、透鏡及拍攝元件。來自被攝體的光線從不同的兩方向入射稜鏡。又，稜鏡將自不同的兩方向入射的第一光線及第二光線，分別射至透鏡。透鏡使自稜鏡射來的第一光線及第二光線，成像於拍攝元件的拍攝面。拍攝面包含相鄰的右側區域與左側區域，作為將此拍攝面等分的區域。又，從透鏡射來的第一光線成像於右側區域，從透鏡射來的第二光線成像於左側區域。拍攝元件將第一光線所成像的右側影像，及第二光線所成像的左側影像，送至控制部。控制部依據從拍攝元件送來的右側影像及左側影像，測定被攝體與該距離測定裝置之間的距離。

Description

距離測定裝置

本發明係關於使用立體攝影機之距離測定裝置。

作為測定自車與前方車輛之車間距離、或是自車與障礙物之間隔距離的技術，例如為立體攝影機。在習知的立體攝影機中，係依據對被攝體具有視差之兩個拍攝元件之拍攝影像，而運算被攝體的位置資訊。

近年，有人提案一種立體攝影機，其能藉由一個拍攝元件，而拍攝與具備兩個拍攝元件之立體攝影機相同的立體影像(例如參照專利文獻1及專利文獻2)。

依專利文獻1之立體攝影機中，設置一對鏡部(第一鏡部及第二鏡部)，並將一個拍攝元件之(拍攝區域分隔為第一區域及第二區域，藉此，在拍攝元件的第一區域拍攝藉由第一鏡部反射後的第一影像，並在拍攝元件的第二區域拍攝藉由第二鏡部反射後的第二影像。

又，依專利文獻2的立體攝影機中，藉由將稜鏡及分光鏡組合，而將具有在垂直方向上偏光方向不同的視差之兩個影像的光路重合為一，並使重合後的影像於一個拍攝元件成像。

[專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2014－199241號公報 [專利文獻2]日本特開2002－347517號公報

[發明所欲解決之問題]

在此，依上述專利文獻1及專利文獻2之立體攝影機(以下，亦稱為習知立體攝影機)，主要係設置於汽中，而用於車間距離之測定等。然而，藉由立體攝影機測定距離之應用程式，不僅車載用途，係在各種產業領域均有需求。車載用途之外，例如假設：在用於製造微細零件的產業機械臂之機械臂手部前端安裝立體攝影機，或是測定機械臂手部與機械臂所處理的對象物(被攝體)之間的距離等用途。

又，相對於車載用之立體攝影機所測定的車間距離等例如數m至數十m的距離，至機械臂手部用之立體攝影機所測定的被攝體為止的距離，例如為數十cm短的距離。又，在機械臂手部用之立體攝影機中，係要求誤差範圍例如在數mm或是數百μm程度之微小的測定精度。

習知立體攝影機中，當藉由一個拍攝元件而取得具有視差的影像時，構成光學系統的零件數會變多。其結果，在習知立體攝影機中，立體攝影機整體的大小會變大。因此，在成本面上並不利，且例如安裝至機械臂手部前端時，會產生空間上的限制。又，在習知立體攝影機中，由於使用的零件數較多，因此，在組合各零件時，需要進行在各零件間之光軸配合，除在精度調整上耗費時間外，更難以實現。

又，本發明之目的為提供一種適於短距離測定之立體攝影機，其為利用「具備一個拍攝元件之立體攝影機」之距離測定裝置，並相較於習知裝置能以更少的零件數構成。 [解決問題之技術手段]

為解決上述課題，依本發明之距離測定裝置，其構成係具備：使中心線一致並依序呈直線狀並列配置之稜鏡、透鏡及拍攝元件，以及與拍攝元件連接之控制部。在稜鏡中，來自被攝體的光線從不同的兩方向入射。又，稜鏡將從不同的兩方向入射的第一光線及第二光線分別射至透鏡。透鏡使從稜鏡射來的第一光線及第二光線，於拍攝元件的拍攝面上成像。拍攝面包含相鄰的右側區域與左側區域，而作為將此拍攝面等分的區域。又，從透鏡射來的第一光線成像於右側區域，從透鏡射來的第二光線在左側區域成像。拍攝元件將第一光線所成像的右側影像、及第二光線所成像的左側影像，送至控制部。控制部依據從拍攝元件送來的右側影像及左側影像，測定被攝體與該距離測定裝置之間的距離。 [發明之效果]

本發明的距離測定裝置中，藉由使用一個稜鏡、一個透鏡及一個拍攝元件，即便與往昔相比為較少的零件數，亦可測定與被攝體之間的距離。因此，在本發明之距離測定裝置中，係有利於小型化。又，在本發明的距離測定裝置中，只要使稜鏡及透鏡間、與透鏡及拍攝元件間的光軸配合即可，相較於往昔更容易維持精度。從而，本發明之距離測定裝置亦可使用於：例如安裝在機械臂手部前端使用等，空間上受限制，且要求微少的測定精度之短距離測定。

以下，參照圖式，就本發明之實施態樣加以說明，但各構成元件的形狀、大小及配置關係，僅為能理解本發明的程度之概略表示者。又，以下，就本發明之適當的構成例加以說明，但各構成元件的材質及數値的條件等，僅為較佳實施例。從而，本發明並非限於以下實施態樣者，在不脫離本發明的構成之範圍內，可進行能達成本發明的效果之多種改變或是變形。

(構成) 參照圖1、圖2，就本發明之距離測定裝置的構成加以說明。圖1為表示距離測定裝置的概略圖。圖2(A)及(B)為表示距離測定裝置所具備的稜鏡之概略圖。圖2(A)為將稜鏡從圖1所示之箭頭A1的方向觀看時之前視圖，圖2(B)為將稜鏡從圖1所示之箭頭A2的方向觀看時之側面圖。

距離測定裝置100係以具備稜鏡10、透鏡20、本體部50及控制部40之方式構成。本體部50包含有拍攝元件30。

稜鏡10、透鏡20及拍攝元件30係將中心線對齊，並依此順序呈直線狀並列配置。

稜鏡10係相反側之一對底面(上底面111及下底面112)為等腰三角形之三角柱形狀。從而，稜鏡10具有沿高度方向的三個面，亦即在各底面111及112間，於相反側之等腰的其中一側彼此間所包夾的第一面101，於相反側之等腰的另一側彼此間所包夾的第二面102，以及於相反側之底邊彼此間所包第三面103。

又，以下的說明中，係將沿稜鏡10的上底面111及下底面112與第三面103的方向設為X軸方向，將垂直於稜鏡10之第三面103的方向設為Y軸方向，並將沿稜鏡10之第一面101、第二面102及第三面103的方向(稜鏡10的高度方向)設為Z軸方向。

在此，在使用距離測定裝置100測定被攝體200與該距離測定裝置100之間的距離時，將稜鏡10的第一面101及第二面102側(X軸－Y軸俯視下之上底面111及下底面112的頂角側)朝向被攝體200。來自被攝體200的光線，從不同的兩方向入射稜鏡10。來自被攝體200的光線中，來自一側方向的第一光線R1，係從第一面101入射稜鏡10。又，來自被攝體200的光線中，來自另一側方向的第二光線R2，係從第二面102入射稜鏡10。

從第一面101入射後之第一光線R1，係在此第一面101折射，並從第三面103出射。將經由第一面101而自第三面103出射之光線的路徑，做為第一路徑。又，從第二面102入射後之第二光線R2，係在此第二面102折射，並從第三面103出射。將經由第二面102而自第三面103出射之光線的路徑，做為第二路徑。

又，稜鏡10係以其第三面103位於與透鏡20的入射側面21相反側的方式配置。又，稜鏡10係以其第三面103側與透鏡20光學上連接。經由第一路徑而自稜鏡10出射的光線及經由第二路徑而自稜鏡10出射的光線，均被射至透鏡20。又，稜鏡10中，為使其第三面103正對於透鏡20的入射側面21，且為了調整後述之拍攝元件30所拍攝的影像內之被攝體的位置，可微幅調整稜鏡10對於透鏡20之相對的配置。

透鏡20係設置於第一光線R1及第二光線R2在後述之拍攝元件30的拍攝面31成像的位置。透鏡20係從稜鏡10射過來的光(第一光線R1及第二光線R2)在拍攝元件30的拍攝面31成像。

本體部50具備拍攝元件30，例如為數位相機，其係與控制部40連接。拍攝元件30將拍攝下的影像(成像於拍攝面31的影像)作為數位資料送至控制部40。

拍攝面31係沿X軸－Z軸俯視之平面。拍攝面31包含沿X軸方向相鄰的右側區域與左側區域，作為將此拍攝面31等分的區域。又，經由第一路徑從稜鏡10出射的第一光線R1，成像於拍攝面31的右側區域。又，經由第二路徑從稜鏡10出射的第二光線R2，成像於拍攝面31的左側區域。因此，拍攝元件30所拍攝的影像，包含：在拍攝面31的右側區域成像之右側影像，及在左側區域成像的左側影像。

控制部40例如係由CPU(Central Processing Unit，中央處理器)構成，其控制距離測定裝置100整體的動作。控制部40根據既定的控制程式執行各種處理。該等處理的結果等，係適當儲存於RAM等儲存手段。

控制部40依據從拍攝元件30射出的右側影像及左側影像，測定被攝體200與距離測定裝置100之間的距離。

在此，雖然在圖1中省略了圖示，但除了控制部40之外，亦可在本體部50內設置「對拍攝元件30的影像進行適當處理之控制手段」。此時，可將本體部50的控制手段與控制部40連接，而從本體部50的控制手段將數位資料化後的影像送至控制部40。

(動作) 除圖1、圖2外，參照圖3及圖4，就本發明之距離測定裝置的動作加說明。圖3為表示距離測定裝置的控制部所進行之處理流程的流程圖。又，圖4為表示距離測定裝置的控制部所取得之影像的概略圖。

首先，控制部40取得從拍攝元件30送出之包含右側影像61及左側影像62的影像60(S1)。

如以上已說明般，右側影像61為：經由第一路徑而從稜鏡10出射的光線，其成像於拍攝面31之右側區域的影像。又，左側影像62為：經由第二路徑而從稜鏡10出射的光線，其成像於拍攝面31之左側區域的影像。因此，右側影像61與左側影像62，係自不同的兩方向拍攝被攝體200的影像。因此，在右側影像61所包含的被攝體200之成像的位置，與作為左側影像62而取得之被攝體200之成像的位置之間，會產生偏離(亦即視差)。

接著，控制部40，分別取得位於右側影像61內之右側部分影像611的位置，及位於左側影像62內之左側部分影像612的位置(S2)。

右側部分影像611，係右側影像61所包含的被攝體200之成像。又，左側部分影像612，係左側影像62所包含的被攝體200之成像。圖4中，係將記在被攝體200之「A」的文字之部分，作為右側部分影像611及左側部分影像612。

從右側影像61及左側影像62取出右側部分影像611及左側部分影像612時，可使用例如處理Blob(binary large object，二進位大型物件)等影像的軟體。

在此過程，分別取得右側部分影像611與左側部分影像612之沿X軸方向的位置座標。圖4中表示，取得「自各影像61及62的左端朝向右端的方向之位置座標」，而作為「右側部分影像611的第一位置座標CR及左側部分影像612的第二位置座標CL」的例子。

接著，控制部40取得「右側部分影像611的第一位置座標CR與左側部分影像612的第二位置座標CL的差值」作為視差(S3)。

接著，控制部40將上述視差轉換為距離(S4)。其結果，可在距離測定裝置100中，依據取得之影像60，而測定被攝體200與距離測定裝置100之間的距離(被攝體200與稜鏡10之間隔距離)。

如以上說明過般，在距離測定裝置100中，可藉由一個稜鏡10、一個透鏡20及一個拍攝元件30，即使較往昔更少的零件數，來測定與被攝體200間的距離。因此，在距離測定裝置100中，係有利於小型化。又，在距離測定裝置100中，只要使稜鏡10及透鏡20間、與透鏡20及拍攝元件30間的光軸配合即可，故較往昔易於維持精度。因此，距離測定裝置100，亦可使用於例如安裝在機械臂手部的前端而使用等，空間上受到限制，且要求微小的測定精度之短距離的測定上。

10:稜鏡 100:距離測定裝置 101:第一面 102:第二面 103:第三面 111:上底面 112:下底面 20:透鏡 200:被攝體 21:入射側面 30:拍攝元件 31:拍攝面 40:控制部 50:本體部 60:影像 61:右側影像 611:右側部分影像 612:左側部分影像 62:左側影像 A1:箭頭 A2:箭頭 R1:第一光線 R2:第二光線 S1~S4:處理流程 X:X軸方向 Y:Y軸方向 Z:Z軸方向

[圖1]表示距離測定裝置之概略圖。 [圖2](A)及(B)，為表示距離測定裝置所具備的稜鏡之概略圖。 [圖3]表示距離測定裝置之控制部所進行的處理流程之流程圖。 [圖4]表示距離測定裝置之控制部所取得的影像之概略圖。

10:稜鏡

100:距離測定裝置

101:第一面

102:第二面

103:第三面

111:上底面

20:透鏡

200:被攝體

21:入射側面

30:拍攝元件

31:拍攝面

40:控制部

50:本體部

A1:箭頭

A2:箭頭

R1:第一光線

R2:第二光線

X:X軸方向

Y:Y軸方向

Claims

一種距離測定裝置，安裝在產業機械臂之機械臂手部前端，包含：稜鏡、透鏡及拍攝元件，使其中心線一致，並依前述順序呈直線狀並列配置；以及控制部，與該拍攝元件連接；可微幅調整該稜鏡對於該透鏡之相對的配置；來自被攝體的光線從不同的兩方向入射至該稜鏡；該稜鏡將自不同的兩方向入射的第一光線及第二光線，分別射至該透鏡；該透鏡使自該稜鏡射來的該第一光線及該第二光線，成像於該拍攝元件的拍攝面；該拍攝面包含作為將該拍攝面等分的區域之相鄰的右側區域與左側區域；從該透鏡射來的該第一光線成像於該右側區域，從該透鏡射來的該第二光線成像於該左側區域；該拍攝元件將該第一光線所成像的右側影像，及該第二光線所成像的左側影像，送至該控制部；該控制部依據從該拍攝元件送來的該右側影像及該左側影像，而測定該被攝體與該距離測定裝置之間的距離。
如請求項1記載的距離測定裝置，其中，該控制部進行以下處理：取得該右側影像所包含的該被攝體的成像亦即右側部分影像之在該右側影像內的第一位置座標、及該左側影像所包含的該被攝體的成像亦即左側部分影像之在該左側影像內的第二位置座標；取得該第一位置座標與該第二位置座標的差值作為視差；及將該視差轉換為距離；藉此方式來測定該被攝體與該距離測定裝置之間的距離。