WO2007138904A1

WO2007138904A1 - パターン投影光源および複眼測距装置

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Publication number: WO2007138904A1
Application number: PCT/JP2007/060336
Authority: WO
Inventors: Norihiro Imamura
Original assignee: Panasonic Corporation
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2007-12-06
Also published as: US20090185157A1; JPWO2007138904A1; JP4316668B2; US8434874B2

Abstract

　光源(2a)と、光源からの光が透過する透光部が所定パターンでそれぞれ形成された複数のマスク領域(5)と、透光部の所定パターンの像を所定距離においてそれぞれ結像させる複数のレンズ(7)とがこの順に配置されたパターン投影光源が開示されている。それぞれがマスク領域とレンズとを備えた複数の投影光学系を有するので小型・薄型のパターン投影光源を実現できる。また、複数のレンズを備えることにより、パターンの像の結像範囲を拡大することができる。更に、対象物上に透光部のパターンの像を鮮明に結像させることができる。

Description

パターン投影光源および複眼測距装置

技術分野

[0001] 本発明は、対象物上に所定パターンの像を投影するパターン投影光源に関する。

また、本発明は、複数の撮像光学系間の視差によって対象物までの距離を測定する複眼測距装置に関する。

背景技術

[0002] 左右あるいは上下に設置した 2つの撮像装置により測定対象物を撮像し、左右あるいは上下の 2つの画像間の視差を利用して対象物までの距離を測定する複眼測距装置は、自動車の車間距離測定や、カメラの自動焦点システム、 3次元形状測定システム等に用いられている。この複眼測距装置には、対象物の像を撮像素子上に結像させる複眼光学系が設けられている。

[0003] 従来、この複眼測距装置としては、左右 (又は上下)一対のレンズを用いて左右 (又は上下)一対の撮像素子上に対象物の像をそれぞれ結像させて 2つの画像を撮像する装置が知られて、る (特許文献 1)。

[0004] 複眼測距装置では撮像した 2つの画像力パターンマッチングすることによって視差を抽出し、三角測量の原理によって測定対象物までの距離を算出する。

[0005] パターンマッチングの方法を図 20を用いて説明する。 91, 92は左右一対の撮像光学系を用いて得た一対の画像である。第 1の撮像光学系から得た画像 (基準画像) 9 1中〖こブロック (小領域) 9 laを設定する。第 2の撮像光学系から得た画像 (参照画像 ) 92中に、ブロック 91aと同じ Y座標値を有し且つ同じサイズのブロック 92aを設定する。基準画像中のブロック 91aを構成する画素の輝度値と参照画像中のブロック 92a を構成する画素の輝度値との差分 (絶対値)の総和を、下記 (数 1)より評価関数 SA D (Sum of Absolute Difference)として求める。

[0006] [数 1]

SAD =

[0007] (数 1)において、 x、 yは撮像面の X座標値及び Y座標値であり、 10、 IIはそれぞれ基準画像及び参照画像にぉヽて、括弧内で示した座標における画素の輝度値である。ブロック 91a, 92aはいずれも m(X軸方向） X n (Y軸方向）の画素を有している。

[0008] 参照画像 92中においてブロック 92aの基線方向（本例では X軸方向） 90における移動量 dxを変えて SADを演算する。 SADが極小値となる dxを、このブロック 91aに対する視差量として抽出する。参照画像 92中での小領域 92aの移動範囲 (探索範囲）は測距範囲に応じて設定される。ブロック 91aを基準画像 91中の任意の位置に設定することにより、基準画像 91中の任意の座標で SADを演算できるので、撮像視野内の全領域で視差量 (距離情報)を取得することができる。基準画像 91を複数のブロックにマトリクス状に分割し、各ブロックごとに上記のパターンマッチングを行うことで、基準画像 91内の視差分布を求めることもできる。

[0009] このような複眼測距装置を用いて対象物までの距離を測定する場合、夜間では補助光源によって対象物に光を照射して撮像する必要がある。また、昼夜を問わず対象物が低コントラストである場合には、距離測定精度の向上のために、補助光源より所定のパターンの光を対象物に投影することによって、対象物に明暗のコントラストを与える手法が一般的に知られている（特許文献 2)。

特許文献 1 :特開平 4— 43911号公報

特許文献 2：特開 2001 - 264033号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0010] 上記のような視差を利用した従来の測距用の補助光源は単一の投影光学系を備えているので、対象物に十分な照度を与えるために、発光素子をアレイ状に配列して出力を高めた光源や、出力の大きな単一光源が必要である。また、所定のパターンの光を測定対象物に投影するためには、所定のパターンの透光部を有するマスクのサイズを上記光源のサイズに対応して大きくし、前記マスクに対応した大きなレンズを用いなければならない。従って、前記マスクの面積は複眼測距装置の撮像領域の面積に比べて大きくなつてしまうため、複眼測距装置の撮像光学系に比べてパターンを投影する投影光学系の容積が大きくなり、距離測定システム全体の小型化が困難となってしまう。

[0011] さらには、補助光源の投影光学系と複眼測距装置の撮像光学系とが F値及び画角において等しいとした条件下では、補助光源の投影光学系の焦点距離が複眼測距装置の撮像光学系の焦点距離に対して大きいと、パターンを対象物に投影する場合、撮像光学系の被写界深度に対してパターンの像が良好に結像される範囲が狭くなり、その結果、対象物までの距離を精度よく測定できる範囲が狭くなつてしまうという問題を生ずる。前記投影光学系がパターンの像を良好に結像する範囲を広げるためには、投影光学系の絞りを小さくする必要があるが、このような手法では照明効率が低下すると同時に対象物の照度も低下する。従って、遠方側の測距範囲が狭められてしまうという問題を生ずる。

[0012] 本発明は、以上のような問題点を解決するために考案されたものであり、パターン投影方向にぉ、て広、範囲にわたって対象物上にパターンの像を良好に結像することができ、小型化'薄型化されたパターン投影光源を提供することを目的とする。また、本発明は、小型 ·薄型で、距離測定の範囲が広ぐかつ距離測定精度が高い複眼測距装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0013] 本発明のパターン投影光源は、光源と、前記光源からの光が透過する透光部が所定パターンでそれぞれ形成された複数のマスク領域と、前記透光部の前記所定バタ一ンの像を所定距離においてそれぞれ結像させる複数のレンズとをこの順に備えることを特徴とする。

[0014] 本発明の複眼測距装置は、複数の撮像光学系間の視差によって対象物までの距離を測定する複眼測距部と、上記の本発明のパターン投影光源とを有することを特徴とする。

発明の効果

[0015] 本発明のパターン投影光源は、複数のマスク領域及び複数のレンズを有するので小型化'薄型化することができる。また、複数のレンズを備えることにより、パターンの像の結像範囲を拡大することができる。更に、対象物上に透光部のパターンの像を鮮明〖こ結像させることができる。 [0016] また、本発明の複眼測距装置は、上記の本発明のパターン投影光源を備えるので、小型 ·薄型で、距離測定の範囲が広ぐかつ距離測定精度が高い。

図面の簡単な説明

[0017] [図 1]図 1は、本発明の実施の形態 1に係るパターン投影光源の概略構成を示した斜視図である。

[図 2]図 2は、本発明の実施の形態 1に係るパターン投影光源の概略構成を示した断面図である。

[図 3]図 3は、本発明の実施の形態 1に係る別のパターン投影光源の概略構成を示した斜視図である。

[図 4]図 4は、本発明の実施の形態 1に係る更に別のパターン投影光源の概略構成を示した断面図である。

[図 5]図 5は、本発明の実施の形態 1にパターン投影光源において、投影パターンの結像範囲を拡大する方法を説明する図である。

[図 6]図 6は、本発明に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの一例を示す図である。

[図 7]図 7は、本発明に係るパターン投影光源が図 6に示したパターンを投影する様子を示す斜視図である。

[図 8]図 8は、本発明に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの別の例を示す図である。

[図 9]図 9は、本発明に係るパターン投影光源が図 8に示したパターンを投影したときの光線を示す図である。

[図 10A]図 10Aは、図 9の距離 F1にある投影面に投影された透光部のパターンの像を示した図である。

[図 10B]図 10Bは、図 9の距離 F2にある投影面に投影された透光部のパターンの像を示した図である。

[図 10C]図 10Cは、図 9の距離 F3にある投影面に投影された透光部のパターンの像を示した図である。

[図 11]図 11は、本発明の実施の形態 2に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの一例を示す図である。

[図 12A]図 12Aは、距離 F1にある投影面に投影された図 11の透光部のパターンの像を示した図である。

[図 12B]図 12Bは、距離 F2にある投影面に投影された図 11の透光部のパターンの像を示した図である。

[図 12C]図 12Cは、距離 F3にある投影面に投影された図 11の透光部のパターンの像を示した図である。

[図 13A]図 13Aは、本発明の実施の形態 2に係るパターン投影光源において、マスク

Dの透光部のパターンの像のみを撮像した画像を示した図である。

[図 13B]図 13Bは、本発明の実施の形態 2に係るパターン投影光源において、マスク

Eの透光部のパターンの像のみを撮像した画像を示した図である。

[図 13C]図 13Cは、本発明の実施の形態 2に係るパターン投影光源において、マスク

D及びマスク Eの両方の透光部のパターンの像を撮像した画像を示した図である。

[図 14A]図 14Aは、図 13Aに示した画像を用、てパターンマッチングを行った際の探索範囲内での SADの値の変化を示した図である。

[図 14B]図 14Bは、図 13Bに示した画像を用 V、てパターンマッチングを行った際の探索範囲内での SADの値の変化を示した図である。

[図 14C]図 14Cは、図 13Cに示した画像を用、てパターンマッチングを行った際の探索範囲内での SADの値の変化を示した図である。

[図 15]図 15は、本発明の実施の形態 2に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの別の例を示す図である。

[図 16]図 16は、本発明の実施の形態 2に係るパターン投影光源において、複数のマスク領域の配置の一例を示した図である。

[図 17]図 17は、本発明の実施の形態 3に係るパターン投影光源の概略構成を示した断面図である。

[図 18A]図 18Aは、本発明の実施の形態 3に係るパターン投影光源において、投影光学系のみを用いた場合の対象物上での照度分布の一例を示した図である。

[図 18B]図 18Bは、本発明の実施の形態 3に係るパターン投影光源において、投影光学系及び照明光学系の両方を用いた場合の対象物上での照度分布の一例を示した図である。

[図 19]図 19は、本発明の実施の形態 4に係る複眼測距装置の概略構成を示した断面図である。

[図 20]図 20は、複眼測距装置におけるパターンマッチングの方法を説明する図である。

発明を実施するための最良の形態

[0018] 本発明に係るパターン投影光源は、それぞれがマスク領域とレンズとを備えた複数の投影光学系を有するので、単一の投影光学系力なるパターン投影光源に比べて、光軸方向の寸法 (厚み）を小さくすることができる。

[0019] また、複数のレンズを備えることにより、対象物の照度を向上させることができるので

、各レンズの焦点距離を短くでき、パターンの像が良好に結像される距離範囲が広がる。よって、本発明のパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、精度良く測距できる範囲が広くなる。

[0020] 更に、光源、複数のマスク領域、複数のレンズがこの順に配置されて、るので、各レンズは透光部のパターンの像を対象物上に鮮明に結像する。よって、本発明のパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、対象物までの距離を精度良く測定できる。

[0021] なお、上記の本発明のパターン投影光源において、光利用効率を高めるために、光源の指向特性に応じて前記光源とマスク領域との間にレンズを挿入してもよい。

[0022] 上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のレンズはアレイ状に配置され一体成型されて、ることが好ま、。複数のレンズをアレイ状に配置することにより、ノターン投影光源を薄くすることができる。また、複数のレンズを一体成型することにより、金型によって各レンズの光軸の精度を増すことができるため、各レンズの光軸調整が不要になり、組立て性が向上する。

[0023] 上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のレンズのうち少なくとも 2 つは、互いに異なる距離において前記所定パターンの像をそれぞれ結像させることが好ましい。これにより、パターンの像が良好に結像される距離範囲が更に広がる。特に、パターンの像が最適に結像される距離をレンズ毎にまたは複数のレンズダループ毎に異ならせ、且つ、一定以上のコントラスト比を有するパターンの像が結像される距離範囲が、異なるレンズ間でまたは異なるレンズグループ間で互いに一部重複するように設定することが好ましい。これにより、連続した更に広い距離範囲でバタ一ンの像を良好に結像させることができる。よって、本発明のパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、精度良く測距できる範囲が更に広くなる。換言すれば、複眼測距装置の測距可能範囲において常に一定以上のコントラスト比を有するパターンの像が結像されるように複数の投影光学系を設定すれば、パターン投影光源を補助光源として使用して常に精度良く対象物までの距離を測定することができる。なお、パターンの像が結像される距離を異ならせるには、マスク領域あるいはレンズの位置を光軸方向に変化させてデフォーカスすればよ!、。

[0024] 上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のマスク領域のうち少なくとも 2つには、互いに異なるパターンで前記透光部が形成されていることが好ましい。例えば、複数のマスク領域のそれぞれに形成された透光部のパターンが、いずれも互ヽに平行な複数のストライプ力もなり、そのストライプパターンが互ヽに同一である場合、複数のレンズによって対象物上に投影されたストライプパターンの像は、対象物までの距離が近、時には互、に離れて、るが、対象物までの距離が遠くになるにしたがって互いに徐々に近づく。即ち、対象物上に投影されるストライプパターンの像の粗密は、対象物までの距離によって変化する。よって、対象物までの距離によつては、対象物上のパターンの像が投影されない空白領域が広くなつてしまう。対象物上にこのような広い空白領域が発生すると、例えば画像を複数のブロック (小領域）に分割してブロック毎に視差を検出する上述のパターンマッチング（図 20参照）では、視差を高精度に検出できないブロックが発生してしまう。

[0025] このような空白領域の拡大を回避するには、異なる投影光学系間でもしくは異なる投影光学系グループ間でマスク領域に形成される透光部のパターンを変えて、投影距離が変わってもパターンの像の粗密が変化しな、ように設定すればよ!、。例えば、マスク領域に形成される透光部のパターン力 Sストライプ状である場合には、そのストライブの方向を互いに異ならせることが好ましい。あるいは、マスク領域に形成される透光部のパターンを周期性のな!、ランダムなパターンとし、そのランダムパターンを互 Vヽに異ならせることが好まし、。

[0026] 上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のマスク領域のうち少なくとも 1つには、ほぼ全面が透光部であるパターンが形成されていることが好ましい。これにより、投影角内の全域にわたって照度分布を底上げすることが可能である。これにより、暗所において、マスク領域の所定のパターンの像が形成されない対象物までの距離を、対象物自身が有するコントラストを撮像することで測定することができる。さらに照明効率を高めるには、ほぼ全面が透光部であるマスク領域を備えた投影光学系を均一な照明を行うのに適した構成 (いわゆる照明光学系の構成）に変更するのが好ましい。

[0027] 以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

[0028] (実施の形態 1)

図 1は、本発明の実施の形態 1に係るパターン投影光源 20の斜視図である。図 2はその断面図である。図 1において、 1は LEDを実装するための回路基板である。回路基板 1上には、複数の砲弾型 LED2aが配列されている。 3は LED2aから発生した光線を散乱させる散乱部材である。 4はガラス基板であり、その表面に透光部が所定のノターンで形成された複数のマスク領域 5を有する。 7はマスク領域 5の透光部を透過した光を収束し、透光部のパターンの像を結像させるレンズである。 LED2aから発光した光線は、散乱部材 3、ガラス基板 4、マスク領域 5、及びレンズ 7を介して対象物に照射され、マスク領域 5に形成されたパターンが投影される。散乱部材 3はレンズ 7 の瞳に向力う光線を発生させるために設けられて、る。 1つのマスク領域 5とこれに対応する 1つのレンズ 7とが 1つの投影光学系を構成する。複数の投影光学系が縦横方向にアレイ状に配置されて、る。複数の投影光学系の光軸は互いに平行である。壁 6は隣接する投影光学系からの光を遮光するために設けられて、る。図 2にお、て、 9はレンズ 7を保持するための鏡筒部材である。図 1では鏡筒部材 9の図示を省略している。

[0029] このように複数の投影光学系をアレイ状に配列する構成においては、図 3のようにアレイ状に配置された複数のレンズ 7がー体成型されたレンズアレイ 70を用いることが好ましい。これにより、金型によって各レンズ 7の光軸精度を向上させることが可能となる。従って、個々のレンズ 7の光軸調整を不要とすることができ、組立て性が向上する。

[0030] なお、図 1〜図 3では、 LED2aとレンズ 7とが 1対 1に対応している力本発明はこれに限定されない。例えば、 1つの LED2aに対して複数のレンズ 7 (あるいは全てのレンズ 7)が対応していてもよいし、複数の LED2aに対して 1つのレンズ 7が対応していてもよい。また、光源として LEDを用いている力光源の種類はこれに限定されない

[0031] また、図 1〜図 3では、全てのマスク領域 5が 1枚のガラス基板 4上に形成されている力 1つ又は複数のマスク領域 5がそれぞれ形成された複数のガラス基板を並べて配置しても良い。

[0032] 図 4は光源として表面実装型 LED2bを用いたパターン投影光源 20の断面図であり、図 1及び図 2に示したパターン投影光源の変形例である。図 4において、回路基板 1上には、複数の表面実装型 LED2bが配列されている。 8は LED2b力発光した光線を略平行ィ匕する機能を有する平行ィ匕レンズである。

[0033] 以上のように、複数の投影光学系をアレイ状に配列することにより、単一の投影光学系のみを用いた場合に比べて、パターン投影光源を薄型化 '小型化することが可能となる。さらに、複数の投影光学系をアレイ状に配置した場合には、単一の投影光学系のみを用いた場合に比べて、各レンズ 7の焦点距離を短くすることができるため、ノターンの像が良好に結像される距離範囲を広くすることができる。

[0034] 次に、パターンの像が良好に結像される距離範囲をさらに広くする構成について説明する。

[0035] 図 5は、投影されたパターンの像が良好に結像される距離範囲を拡大する方法を説明する図である。図 5において、 71aは第 1の投影光学系の投影レンズ、 72aは第 1の投影光学系の光軸、 71bは第 2の投影光学系の投影レンズ、 72bは第 2の投影光学系の光軸、 71cは第 3の投影光学系の投影レンズ、 72cは第 3の投影光学系の光軸である。また、図 5の下に示したグラフにおいて、 40aは第 1の投影光学系の投影距離とコントラスト比との関係を示すグラフ、 40bは第 2の投影光学系の投影距離とコントラスト比との関係を示すグラフ、 40cは第 3の投影光学系の投影距離とコントラスト比との関係を示すグラフである。

[0036] 図 5のパターン投影光源では、投影レンズ 71a、 71b、 71cを同じ形状のレンズとして、光軸 72a, 72b, 72c方向におけるその位置を互いに異ならせている。これにより、相対的にデフォーカスされて、パターンの像が最適に結像される投影距離を投影光学系毎に異ならせることができる。図 5のグラフにおいて、光軸上のコントラスト比が所定値 Pを上回る範囲を結像深度とした場合、第 1の投影光学系の結像深度は Ll、第 2の投影光学系の結像深度は L2、第 3の投影光学系の結像深度は L3となっており、第 1〜第 3の投影光学系の結像範囲はそれぞれ、 Z1〜Z1 +L1、 Z2〜Z2+L2、 Z3〜Z3+L3となっている。図 5のように、第 1〜第 3の投影光学系の結像範囲を相対的にずらして互いにオーバーラップさせることで、距離範囲 Z1〜Z3+L3では常に良好に結像されるパターンの像が少なくとも 1つ存在することになる。従って、このノターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、高精度に測距できる距離範囲を広げることが可能となる。

[0037] 投影光学系の結像範囲をずらすためには、上記のレンズを光軸方向にずらす方法以外に、マスク領域 5を光軸方向にずらす方法によっても実現可能である。

[0038] 各投影光学系の結像範囲は環境温度によっても前後にシフトするため、使用温度範囲を考慮して各投影光学系の結像範囲を設定することが望ましい。

[0039] (実施の形態 2)

本実施の形態 2のパターン投影光源の基本構成は、実施の形態 1における図 1及び図 2と同じである。本実施の形態では、複数のマスク領域 5に形成された透光部のパターンが互ヽに異なって!/、る。

[0040] 本実施の形態について説明する前に、まず、複数のマスク領域 5のパターンが同じである場合にっ、て説明する。

[0041] 図 6は、アレイ状に配列された 3つのマスク領域 50a, 50b, 50cを示している。図 6 に示すように、それぞれのマスク領域 50a, 50b, 50cの透光部 51のパターンは同じであり、それらは測距の基線方向 90に対して垂直方向に延びる複数のストライプからなる。そして、 3つのマスク領域 50a, 50b, 50cを含む 3つの投影光学系が基線方向 90と垂直方向に配列されている。マスク領域 50a、 50b、 50cを、それぞれマスク A、マスク B、マスク Cとする。破線 60a、 60b、 60cは、マスク A, B, Cの外縁を示す仮想線である。 Evは投影光学系の配置ピッチである。

[0042] 図 7は、前記マスク Α、マスク Βおよびマスク Cの各パターンの像力所定の距離に設けた投影面上にどのように結像されるかを説明する図である。図 7において、 61は投影された透光部 51のパターンの像を示している。ここで、破線 60a，、 60b，、 60c，は、マスク A, B, Cの外縁を示す仮想線 60a、 60b、 60cが投影された位置を示す仮想線である。投影距離が長くなるにつれてストライプ状のパターンの像 61は大きくなる力仮想線 60a'、 60b'、 60c'のピッチは常に一定で Evに一致する。従って、投影距離が長いほど、マスク A, B, Cの 3つのパターンの像 61が重なる領域 (積集合領域） 6 laの、 3つのパターンの像 61の、ずれかが結像されて!、る領域 (和集合領域） 61bに対する比率が増す。このようなマスク構成においては、 3つのパターンの像 61 が重なる領域内に測距範囲を設定すればよい。

[0043] 次に、図 8に示すように、 3つのマスク領域 50a, 50b, 50c (j噴にマスク A、マスク B、マスク Cとする）を含む 3つの 3つの投影光学系を測距の基線方向 90に対して平行方向に配列した場合を考える。マスク A、マスク B、マスク Cには、図 6と同じ複数のストラィプ状の透光部 51が基線方向 90に対して垂直方向に形成されて!、る。

[0044] 図 9は、マスク A、マスク Bおよびマスク Cの各透光部 51を通過した光線の光路を示す図である。図 9【こお!ヽて、 ^73a, 73b、 73ciま、川頁【こ図 8【こ示したマスク A、マスク B、マスク Cを備えた投影光学系を示す。図 9において、距離 Fl、 F2、 F3にある投影面に結像される透光部 51のパターンの像は、透光部 51を通過した光線を示す直線と、各投影面を示す破線との交点に形成される。従って、距離 Fl、 F2、 F3での透光部 51のパターンの像は、順に図 10A、図 10B、図 10Cのようになる。ここで、破線 60 a'、 60b'、 60c'は、マスク A, B, Cの外縁を示す仮想線 60a、 60b、 60c力投景された位置を示す仮想線である。投影面までの投影距離が異なれば投影面上に形成される透光部 51のパターンの像の大きさも異なるが、図 10A、図 10B、図 10Cは、仮想線 60a'、 60b'、 60c'で囲まれた領域の大きさが図 10A、図 10B、図 10C間で同じ大きさになるようにその倍率が調整されて、る。 [0045] 図 8、図 9、図 10A、図 10B、図 10Cにおいて Ehは投影光学系の配置ピッチを示している。投影距離が長くなるにつれて透光部 51のパターンの像は大きくなるが、仮想線 60a，、 60b，、 60c，の基線方向 90のピッチは常に一定で Evに一致する。従って、投影距離が長いほど、図 10Cに示すようにパターンの像の粗密が強調される。従つて、例えば図 20で説明したような、撮像した画像を複数のブロックに分割して、各ブロック毎に距離情報を取得する測距方法を用いる場合には、対象物までの距離によつては、パターンの像の密度が高、ブロックとパターンの像がほとんど存在しな！ヽブロックとが混在する事態が発生し得る。このような場合、対象物自身のコントラストがほとんどな!/、領域が撮像されたブロック力パターンの像がほとんど存在しな、ブロックと一致した場合、このブロックからは測距に必要な画像情報をほとんど取得できな!/ヽ。その結果、精度良く距離測定ができないブロックや、測定エラーを引き起こす場合ブロックが発生し、測距精度が低下してしまう可能性がある。

[0046] 次に、本実施の形態のマスク領域の透光部 51のパターンについて説明する。図 11 は本実施の形態のマスク領域 50d, 50eの透光部 51のパターンを示す図である。測距の基線方向 90に対して平行に 2つの投影光学系がアレイ状に配列される。この 2 つの投影光学系に含まれる 2つのマスク領域 50d, 50eのそれぞれには、平行な複数のストライプ力もる透光部 51のパターンが形成されている。但し、ストライプの方向は、マスク領域 50d, 50e間で異なる。マスク領域 50d、 50eを、それぞれマスク D、マスク Eとする。破線 60d、 60eは、マスク D, Eの外縁を示す仮想線である。 Ehは投影光学系の配置ピッチである。マスク領域 50d, 50eがこのような透光部 51のパターンを有することによって、図 9に示す距離 Fl、 F2、 F3にある投影面に結像される透光部 51のパターンの像は、順に図 12A、図 12B、図 12Cのようになる。ここで、破線 60 d'、 60e'はマスク D, Eの外縁を示す仮想線 60d、 60eが投影された位置を示す仮想線である。図 12A、図 12B、図 12Cは、図 10A、図 10B、図 10Cと同様に、仮想線 60d'、 60e'で囲まれた領域の大きさが図 12A、図 12B、図 12C間で同じ大きさになるようにその倍率が調整されて、る。

[0047] 投影距離が長くなるにつれて透光部 51のパターンの像は大きくなる力仮想線 60 d'、 60e'は基線方向 90に常に Ehだけずれる。従って、投影距離が長いほど、仮想線 60d'、 60e'で囲まれた領域の大きさに対する Ehの比率が小さくなる。これは、図 10A、図 10B、図 IOCの場合と同じである。

[0048] ところが、本実施の形態では、 2つのマスク領域 50d, 50eに形成された透光部 51 のストライプパターンの方向が異なるため、投影距離が変わってもストライプパターンの像の交点が移動するのみで、図 10A、図 10B、図 IOCに示すように投影距離によつてパターンの像の粗密が変化することがない。さらには、ストライプパターンの像の交点では照度が大きくなるため階調数が増す。これは、測距に必要な画像情報量が増すことを意味し、異なるマスク領域間で透光部のパターンが同一である場合に比ベて、測距精度を向上させることができる。

[0049] また、 2つのマスク領域 50d, 50eに形成された透光部 51のストライプ方向がなす角度を適正に設定することにより、測距精度を向上させることができる。以下にこの測距精度の向上の原理について説明する。

[0050] 図 13Aは図 11のマスク領域 50d (マスク D)の透光部 51のストライプパターンのみを所定距離の投影面上に投影し、前記投影面上の像を複眼測距装置で撮像した画像を示している。この画像を参照画像として用いて、図 20で説明したパターンマツチングを行う。図 13Aに示したブロック 93を基線方向 90と平行な方向に探索範囲内で移動して SADを演算をする。探索範囲内に基線方向 90と垂直な複数のストライプの像が存在するため SAD値は図 14Aのように変化する。探索範囲内に SADの極小値が複数出現し、且つ、それらの極小値がほぼ等しいため、視差を誤検出してしまう可能 '性がある。

[0051] 図 13Bは図 11のマスク領域 50e (マスク E)の透光部 51のストライプパターンのみを所定距離の投影面上に投影し、前記投影面上の像を複眼測距装置で撮像した画像を示している。この画像を参照画像として用いて、図 20で説明したパターンマツチングを上記と同様に行う。図 13Bでは、基線方向 90におけるストライプの像の周期が探索範囲より長くなるように、複数のストライプの像が基線方向 90に対して傾斜している。従って、 SAD値は図 14Bのように変化する。探索範囲内で極小値は一つのみであるので視差の誤検出はないが、極小値前後の SAD値の変化が緩やかであるため、パターンマッチングの精度が悪くなる可能性がある。 [0052] このように単一のストライプパターンのみを撮像してパターンマッチングを行うと、誤検出や精度が悪くなるといった問題が生じる可能性がある。

[0053] 図 13Cは、図 11のマスク領域 50d (マスク D)及びマスク領域 50e (マスク E)の両方の透光部 51のストライプパターンを所定距離の投影面上に投影し、この投影面上の像を複眼測距装置で撮像した画像を示して、る。この画像を参照画像として用いて、図 20で説明したパターンマッチングを上記と同様に行う。図 13Cに示したブロック 93 を基線方向 90と平行な方向に探索範囲内で移動して SADを演算をすると、 SAD値は図 14Cのように変化する。即ち、探索範囲内に SADの極小値は複数存在する力複数の極小値は互いに異なり、探索範囲内で最も小さ!、SADの極小値はただ一つのみである。し力も、極小値前後の SAD値の変化は急峻である。従って、パターンマツチングの精度が高くなり測距精度が向上する。

[0054] 本実施の形態において、マスク領域の透光部のパターンは図 11に限定されない。

ί列免 ίま、、図 15【こ示すよう【こ、マスク領域 50g, 50h, 50iのそれぞれ【こ、互! ヽ【こ異なる周期性のなヽランダムなパターンで透光部 51が形成されて!ヽても良!ヽ。このようなパターンでも、投影されたパターンの像の投影距離による粗密の変化を低減することができる。図 15において、黒く塗りつぶした箇所が透光部 51である。

[0055] 上記の説明では、測距の基線方向 90に 1列に複数の投影光学系を配列した例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば図 16のように縦横方向に 2次元に複数の投影光学系を配列しても良い。この場合、マスク領域 A1〜A9の透光部のパターンを、互いに方向が異なるストライプパターンや、互いに異なる周期性のないランダムなパターンとすることによって、投影距離によるパターンの粗密の変化を低減できる。

[0056] 更に、本実施の形態と実施の形態 1の図 5とを組み合わせることができる。例えば、図 16の上段のマスク領域 A1〜A3と、中段のマスク領域 A4〜A6と、下段のマスク領域 A7〜A9との間で、それらのパターンが結像される距離範囲を互いに異ならせる。これにより、このパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、広い距離範囲にわたって高精度に測距することが可能となる。

[0057] ノターン投影光源が備えるマスク領域の数は、本実施の形態に示した、 2, 3, 9に限定されず、これ以外の数であっても良い。

[0058] (実施の形態 3)

本実施の形態では、複数の投影光学系のうちの少なくとも 1つの投影光学系のマスク領域のほぼ全面が透光部である。

[0059] 実施の形態 1, 2で説明したパターン投影光源では、マスク領域に形成された透光部のパターンの像が対象物上に結像される。即ち、対象物の表面のうち、透光部のノターンの像が形成された領域にはパターン投影光源による光が照射され、それ以外の領域にはパターン投影光源による光は全く照射されない。

[0060] 一方、対象物の表面に各種形状や模様などが付与されている場合、明るい環境下であれば、この対象物を撮像した画像にぉヽてその形状や模様に基づくコントラストを利用して測距に必要な画像情報を抽出し対象物までの距離を測定することが可能である。従って、対象物上の形状又は模様にパターン投影光源による光が全く照射されなくても、この対象物の測距を行うことは可能である。

[0061] ところが、暗所においては、対象物の表面に付与された形状や模様を撮像することはできない。この場合、対象物上にパターン投影光源により透光部のパターンの像が形成されると、この像の明暗を利用して測距に必要な画像情報を抽出することができる。一方、対象物上にパターン投影光源による光が全く照射されないと、撮像した画像カゝらこの対象物の画像情報を抽出することができず、撮像素子からのノイズが不要な情報として取り込まれてしまうので、パターンマッチングによる測距精度が劣化する。

[0062] このような問題を軽減するには、透光部のパターンの投影にカ卩えて対象物全体に光を照射すればよい。

[0063] 本実施の形態では、複数の投影光学系のうちの少なくとも 1つの投影光学系のマスク領域には、ほぼ全面が透光部であるパターンが形成されている。従って、この投影光学系を用いて対象物全体を照明すると同時に、これ以外の投影光学系を用いて対象物に透光部の所定のパターンの像を投影することができる。

[0064] 更に、対象物全体を照明するための投影光学系を図 17に示すような照明光学系として構成することにより、照明効率を高めることができ、制限された数の投影光学系を、対象物全体を照明するための投影光学系（照明光学系）と、所定のパターンの像を投影するための投影光学系とに配分することが可能になる。

[0065] 図 17は、本実施の形態の測距用補助光源の概略構成を示した断面図である。図 1 7において、 16は照明光学系を構成するレンズであって、 LED2aからの光線 17を必要な照射角度に広げる。レンズ 16が所定の画角に光線を導くため、この照明光学系には散乱部材 3は必要ない。また、この照明光学系に対応するガラス基板 4上の領域のほぼ全域は透光部である。 Θは所定のパターンの像を投影する投影光学系の投影角である。このように投影光学系と照明光学系との併用により、対象物にコントラストと照度とを与えることが可能となる。

[0066] 図 18Aは、暗所において投影光学系のみを用いた場合の対象物上の照度分布を示した図である。暗所では透光部のパターンの像が投影されな、領域での照度はゼ口となる。

[0067] これに対して、暗所において投影光学系と照明光学系とを併用した場合の対象物上の照度分布は図 18Bのようになり、透光部のパターンの像が投影されない領域にも照度が付加される。

[0068] 本実施の形態によれば、暗所においては、照明光学系によって対象物全域に照度を与えることで対象物自身が持つコントラストからノイズの少な、画像情報を取得する。但し、対象物自身にコントラストがないために照度を与えても有効な画像情報を取得することができな、場合には、投影光学系によって透光部のパターンの像を投影することで明暗のコントラストを付加することによって、パターンマッチングに必要な画像情報を取得することが可能となる。これにより、周囲の明るさや対象物自身が有するコントラストの有無にかかわらず、あらゆる対象物に対して高精度な距離測定を行うことが可能となる。

[0069] (実施の形態 4)

本実施の形態では、実施の形態 1のパターン投影光源を用いた複眼測距装置について説明する。図 19は図 1のパターン投影光源を用いた複眼測距装置の構成を示す断面図である。図 19において、パターン投影光源 20は、アレイ状に配列された複数の投影光学系によって測定対象物 14に透光部のパターンの像を投影する。 Θ は投影光学系の投影角である。測定対象物 14は投影光学系の投影領域内に配置されている。 21は複眼構成の測距部である。測距部 21において、 10は基板、 11は基板 10上に実装された固体撮像素子、 12はカメラ鏡筒、 13aは第 1の撮像光学系の撮像レンズ、 13bは第 2の撮像光学系の撮像レンズである。撮像レンズ 13aの光軸 3 Oaと撮像レンズ 13bの光軸 30bとを結ぶ直線を「基線」と呼ぶ。

[0070] 対象物 14上の点 15を測定点とする。この点は第 1の撮像光学系の光軸 30a上に位置する。測定点 15は、第 1の撮像光学系により光軸 30aが交差する固体撮像素子 11の撮像面上の位置に結像され、第 2の撮像光学系により光軸 30bから基線方向に Δだけ離れた固体撮像素子 11の撮像面上の位置に結像される。

[0071] 撮像レンズ 13a, 13bから点 15までの距離 (対象物距離）を zとし、 2つの撮像レンズ 13a、 13bの撮像中心間距離である基線長を Dとし、撮像レンズ 13a, 13bの焦点距離を f (撮像レンズ 13a, 13bとも同一とする）とし、視差量を Δとすると、次の近似式（数 2)が成立する。

[0072] [数 2]

A = D - f /z

[0073] 視差量 Δは第 1の撮像光学系を介して得られた画像と第 2の撮像光学系を介して得られた画像とをパターンマッチングすることで抽出できる。従って、（数 2)を変形する事により点 15までの距離 zを抽出することが可能である。

[0074] 図 19では、パターン投影光源として図 1に示したパターン投影光源を用いた複眼測距装置を示したが、上述したいかなるパターン投影光源を用いてもよい。

[0075] 以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなぐその発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。

産業上の利用可能性

[0076] 本発明に係るパターン投影光源の利用分野は特に制限はな、が、広、距離範囲にわたつて透光部のパターンの鮮明な像を投影することができるので、上述した複眼測距装置の補助光源の他、例えば投影されたパターンの像のコントラストを利用する撮像装置のオートフォーカスシステムなどに利用することができる。

また、本発明に係る複眼測距装置の利用分野は特に制限はないが、例えば車載用、監視カメラ用、 3次元形状測定用などの測距装置として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 光源と、

前記光源力ゝらの光が透過する透光部が所定パターンでそれぞれ形成された複数のマスク領域と、

前記透光部の前記所定パターンの像を所定距離においてそれぞれ結像させる複数のレンズと

をこの順に備えることを特徴とするパターン投影光源。

[2] 前記複数のレンズはアレイ状に配置され一体成型されて!、る請求項 1に記載のパターン投影光源。

[3] 前記複数のレンズのうち少なくとも 2つは、互いに異なる距離において前記所定パターンの像をそれぞれ結像させる請求項 1に記載のパターン投影光源。

[4] 前記複数のマスク領域のうち少なくとも 2つには、互いに異なるパターンで前記透光部が形成されてヽる請求項 1に記載のパターン投影光源。

[5] 前記互いに異なるパターンは、いずれもストライプ状のパターンであり、かつ、ストライブの方向が互ヽに異なる請求項 4に記載のパターン投影光源。

[6] 前記互いに異なるパターンは、周期性のないランダムなパターンである請求項 4に記載のパターン投影光源。

[7] 前記複数のマスク領域のうち少なくとも 1つには、ほぼ全面が透光部であるパターンが形成されてヽる請求項 1に記載のパターン投影光源。

[8] 複数の撮像光学系間の視差によって対象物までの距離を測定する複眼測距部と、請求項 1に記載のパターン投影光源と

を有する複眼測距装置。