JP2013257162A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測距対象物までの距離が変わってもステレオカメラにより測距が可能な領域が回折パターン光を照明している領域に含まれ、測距対象物との距離に関わらず測距可能エリアの全体で回折パターン光を利用した精度の良い測距が可能な測距装置を実現する。
【解決手段】照明光を出射する光源２と、照明光を回折して生成したパターン光５を、被写体に照射する回折光学素子４と、被写体で反射された回折パターン光５を結像する複数の撮像レンズ１２と、撮像レンズ１２により結像された回折パターン光５に基づく、被写体に係る複数の画像を撮像する撮像手段１５と、複数の画像間の視差情報から前記被写体からの距離を算出する測距手段４０と、を備え、回折光学素子４は、複数の撮像レンズ１２の光軸間に配置し、回折パターン光の出射角度が複数の撮像レンズ１２の画角と等しくなるようした。
【選択図】図４

Description

本発明は、計測対象に回折パターン光を投光するパターン照明装置を備えた測距装置に関する。

従来、計測（測距）対象物を２つのカメラで撮影し、得られた２つの画像を用いて計測対象までの距離情報を得る「ステレオ測距」と呼ばれる技術が知られている。
このような「ステレオ測距」を適用した測距装置は、自走式のロボットや可動式のロボットアームに好適に用いることが出来る。
「ステレオ測距」では、２つの画像間に生じる視差を利用して、三角測量の原理により奥行き距離を算出するが、ステレオ測距において視差を求めるためには、ウィンドウマッチングを行って各画像において互いに対応する点（対応点）を探し出す必要がある。

図１４、図１５は、「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図である。
「ステレオ測距」を用いた測距方法においては、１対の２次元センサと１対のレンズとを組み合わせることにより２つのカメラを構成して、計測対象物のずれ（視差）を検出して三角測量の原理で距離を計測する。
図１４に示すステレオカメラ装置１０６において、計測対象物１０１からの光を、同一の光学系からなる２つのカメラ１０２ａ、１０２ｂを配置して撮影する場合を考える。
カメラ１０２ａのレンズ１０３ａを通して得た計測対象物像１０４ａと、カメラ１０２ｂのレンズ１０３ｂを通して得た計測対象物像１０４ｂとは、被写体（計測対象物１０１）上の同一点が視差Δだけずれて、２次元センサ１０５ａ、１０５ｂ（図１５）にそれぞれ至り、複数の受光素子（画素）で受光され、電気信号に変換される。

ここでレンズ１０３ａ、１０３ｂの光軸間の距離は基線長と呼ばれ、これをＤとし、レンズと被写体との距離をＡ、レンズの焦点距離をｆとしたとき、Ａ≫ｆであるときには次式１が成り立つ。
［式１］
Ａ＝Ｄｆ／Δ
基線長Ｄ、およびレンズの焦点距離ｆは既知であるから、［式１］を用いて視差Δを検出すれば被写体までの距離Ａを算出することができる。
なお、上記の方法は、２つの２次元センサに映った計測対象物１０１を、画素の輝度値の分布特性に基づいて対応点を探し出す方法である。
従って、計測対象物１０１が単一色の表面をもつ物体で、表面の輝度分布が一様であり撮影画像において輝度値に変化が生じ難い場合は、対応づけを行うことが困難になり（即ち、図１５に示す対応点１０４ｃを検知できないため）、距離を算出できなくなる。

かかる問題に対し、特許文献１、特許文献２には、計測対象の表面に向けて所定の投光パターンを投光して計測対象の表面に模様を付けることにより、上記の問題を解消する技術が開示されている。
特許文献１には、ステレオカメラを用いた距離計測装置において、投光パターンを照明する手段を設けた構成が開示されており、本文献に開示の技術では、パターンあるいは撮影画像に基づいて、適切な投光パターンを投光する構成とすることで、撮影画像において輝度値に変化が生じ難い対象物に対しても高精度な距離画像が得られるようにしている。

しかしながら特許文献１に記載されている装置は、ステレオカメラによる撮影領域（測距可能領域）とパターン照明装置によるパターン照明領域は、特定の距離の時には重なるが、それ以外の距離では重ならなくなってしまうという問題がある。例えば、工場の検査ラインのようにカメラが固定されて決まった距離を測る場合には適用できるが、自走式のロボットや可動式のロボットアームに搭載して近距離（１ｍ以下）から中距離（５ｍ程度）までの幅広い距離を測る用途には適していない。すなわち、測距対象物がある決まった距離にある場合以外は、精度良く測距を行うことができない。
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、測距対象物との距離に関わらず測距可能エリアの全体で回折パターン光を利用した精度の良い測距が可能な測距装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、被写体に照射するための照明光を出射する光源と、前記照明光を回折して生成した回折パターン光を、前記被写体に照射する回折光学素子と、前記被写体で反射された前記回折パターン光を結像する複数の撮像レンズと、前記各撮像レンズにより結像された前記回折パターン光に基づく、前記被写体に係る複数の画像を撮像する複数の撮像手段と、前記複数の画像間の視差情報から前記被写体からの距離を算出する測距手段と、を備え、前記回折光学素子は、前記複数の撮像レンズの光軸間に配置されるとともに、前記回折パターン光の照射領域が、前記複数の撮像レンズを介して前記視差情報を取得可能な領域を含む角度にて、前記回折パターン光を出射可能であることを特徴とする。

上記のように構成したので、本発明によれば、測距対象物との距離に関わらず測距可能エリアの全体で回折パターン光を利用した精度の良い測距が可能な測距装置を実現することが出来る。

本発明の測距装置に適用可能なパターン照明装置の構成例を示す図。 回折光学素子の断面形状と回折効率との関係を示した図。 本発明の測距装置に適用可能なステレオカメラの構成を示す図。 図３のステレオカメラに図１のパターン照明装置を適用した本発明に係る測距措置を説明する図。 図４に示す測距装置における、測距レンズの画角とパターン照明装置の回折パターン光の出射角度との関係を示した図。 回折パターン光における０次回折光スポットの位置を示す図。 正規状態における、撮像領域上の０次回折光スポット像の位置を示す図。 回折パターン光の出射方向がずれた場合の０次回折光スポット像の位置を示す図。 回折パターン光の出射方向がずれた場合の０次回折光スポット像の位置を示す図。 第２の実施形態に係るパターン照明装置を説明する図。 第３の実施形態にかかる測距装置を説明する図。 第３の実施形態にかかる測距装置を説明する図。 本発明の測距装置に回折光学素子を取り付ける態様を説明する図。 三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図。 三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図。

以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の複眼カメラ装置に適用可能なパターン照明装置の構成例を示す図である。
なお、図１(ａ)は、パターン照明装置を構成する各要素を説明するものであり、パターン照明装置を適用可能な複眼カメラの構成は表示を省略している。また、図１（ｂ）は、多階調輝度分布の階調を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係るパターン照明装置１は、光源としての半導体レーザ光源２と、半導体レーザ光源２から出射されるレーザ光の光路上に配置されたカップリングレンズ３、回折光学素子４と、を備えている。
半導体レーザ光源２から出射されたレーザ光は、計測対象である被写体側の光路上に配置されたカップリングレンズ３によって平行光とされる。
カップリングレンズ３を通過（透過）した平行光は、次に回折光学素子４に入射して回折され、２階調以上の輝度分布を持つ回折パターン光５として計測対象に投光される。
なお、半導体レーザ光源２の出力を一定に保つために、その温度を一定に保つ温度調節機能部６ａやＡＰＣ（Auto Power Control）機能部６ｂを備えていても良い。

ところで、計測対象に照射する回折パターン光５に２階調以上の輝度を生じさせるために、回折光学素子４の断面形状は、溝の深さが異なる多段の階段形状となっている。
図１（ｂ）に示すように、回折パターン光は、多階調の輝度分布を持ち、最小単位である１つの画素のサイズは、約１ｍｍ角である。この多階調の輝度分布を持った最小単位の画素がランダムに配置された回折パターン光５が、計測（測距）対象物に投光される。

図２は、回折光学素子の断面形状と回折効率との関係を示した図である。
図２に示すように、回折光学素子４の断面形状における溝（階段）の段数や階段の深さを変えることで回折効率が変化させることが出来る。
回折効率が高い部分では輝度が高く（明るく）、回折効率が低い部分は輝度が低く（暗く）なるため、回折光学素子４における溝の形状パターンを適宜組み合わせることで、多階調の輝度分布を形成することが出来る。
なお、後述する０次光の強度もこの溝の形状により強度を制御することができる。
このように回折光学素子４を用いて光の強度（輝度）分布を変換すること自体は特開２００３−２７０５８５公報、特許第４３３３７６０号等にも関連する技術が開示されている。

図１に示す半導体レーザ光源２は、波長λが４００〜７００ｎｍの可視光や波長λが７００〜１０００ｎｍ程度の近赤外光を発するレーザを選択して出射することができる。
可視光線を用いればステレオカメラの撮像素子に対して感度が高く、解像度の高い回折パターン光を照射できる。それに対し、近赤外光を用いる場合は、撮像素子に対する感度は低いもののレーザ光が眼に見えないために（不可視光）、使用者に不自然さを感じさせることがない。
回折光学素子４からの出射角度θ１は、半導体レーザ光源２からの出射光の波長λと、回折光学素子４の周期構造と、によって決定される。
出射角度θ１を大きな角度とするためには、半導体レーザ光源２の波長λを大きくするか、回折光学素子４の周期構造を微細化しなければならない。

しかしながら、半導体レーザ光源２からの出射光の波長は、上記の４００〜１０００ｎｍの波長に限定され、回折光学素子４の周期構造は、加工装置の微細加工能力に制限される。
そのため出射角度はある程度の角度以上には大きくできないのが実情である。
なお、例えば波長λ＝０．６５μｍ、周期構造を１．０μｍとすると出射角度は約４０°となる。

図３は、本発明に係る測距装置に適用可能な複眼カメラ装置の構成を示す図であり、（ａ）は、複眼カメラ装置の断面図、（ｂ）は、複眼カメラ装置が含む撮像素子の上面図である。
なお、本発明は、複眼カメラとして、２つのカメラ（撮像レンズ及び撮像領域）を備えるステレオカメラ装置に好適に適用可能なであり、ステレオカメラ装置を例として説明する。
図３において、ステレオカメラ装置２０は、同一面上に配置した複数（例えば２つ）のレンズを有するレンズアレイ１１と、レンズアレイ１１を透過した被写体からの反射光を受光して（被写体像が結像されて）画像情報を取得する撮像素子１４と、を備えている。
なお、レンズアレイ１１には、測距用のレンズである撮像レンズ１２ａ、１２ｂが一体化されて形成されている。

撮像レンズ１２ａ、１２ｂは、同一の光学特性を有するものであり、同一の形状を有して焦点距離が等しく、それぞれの光軸１３ａ、１３ｂは平行である。なお、光軸１３ａと光軸１３ｂの間隔が基線長Ｄである。
図３に示すように、光軸１３ａ、１３ｂの方向をＺ軸とし、このＺ軸に直交し且つ光軸１３ｂから光軸１３ａへ向かう方向をＹ軸とし、さらにＺ軸とＹ軸の双方に直交する方向をＸ軸とする。
両レンズの中心がＹ軸上となるようにレンズアレイ１１を配置すると、撮像レンズ１２ａ、１２ｂはＸＹ平面上に存在することになる。
この場合、視差Δが発生する方向はＹ軸方向となる。
撮像素子１４はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子でありウェハ１４ａ上に半導体プロセスにより多数の画素（撮像領域）を形成したものである。

図３（ｂ）に詳しく示すように、撮像素子１４上には、撮像レンズ１２ａを経て被写体像が結像される撮像領域（撮像手段）１５ａと、撮像レンズ１２ｂを経て被写体像が結像される撮像領域１５ｂが離間して配置されている。
撮像領域１５ａと撮像領域１５ｂは、それぞれ同じ大きさの矩形領域であり、撮像領域１５ａと撮像領域１５ｂのそれぞれの対角中心と、撮像レンズ１２ａ、１２ｂの光軸１３ａ、１３ｂがほぼ一致するように配置されている。

以上の構成からなるステレオカメラ装置２０は、図１４、図１５を用いて上記に説明した三角測量の原理により被写体からの距離を計測できる。
さらに図１に示したパターン照明装置によりパターンを照明すれば、計測対象物が単一色の表面をもつ物体であってもステレオ対応づけを行うことができるため物体を精度良く計測できる。

図４は、図３のステレオカメラ装置に図１のパターン照明装置を適用（一体化）した本発明に係るステレオカメラ装置を説明する図である。
また、図４において、（ａ）はステレオカメラ装置の長手方向（レンズアレイの長さ方向）の断面図、（ｂ）は、短手方向（レンズアレイの幅方向）の断面図である。
また、図５は、図４に示すステレオカメラにおける、測距レンズの画角とパターン照明装置の回折パターン光の出射角度との関係を示した図である。
なお、図４以降において、図１、図３と同じ構成については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略するものとする。

図４に示す測距装置３０は、図３で説明したステレオカメラ装置２０に、図１に示したパターン照明装置の構成を一体に組み合わせて構成される。
すなわち、図３で説明したステレオカメラ装置２０を構成する２つのカメラ（撮像レンズ１２ａ及び撮像領域１５ａ、撮像レンズ１２ｂ及び撮像領域１５ｂ）の間に、図１に示した如きパターン照明装置を配置している。
また、２つのカメラによって撮像した画像の視差に基づいて測距を行う視差演算部（測距手段）４０を備えている。
図４（ｂ）に示すように、測距装置３０に含まれるパターン照明装置の半導体レーザ光源２は、測距装置３０の筐体３０ａの側面に取り付けられ、撮像素子１４の上方には、ミラー３１が設置されている。半導体レーザ光源２から出射された光はミラー３１により測距対象である被写体側に反射されて、カップリングレンズ３（図１参照）により、平行光に変換される。
平行光は回折光学素子４（図１参照）で回折され、所定の出射角度の回折パターン光５として出射されて対象物に照射される。

図５に示す測距装置３０における測距可能領域Ａは、２つの撮像レンズ１２ａ、１２ｂの画角が重なる領域であるが、回折光学素子４から出射される回折パターン光５の出射角度θ１はステレオカメラ装置２０のレンズ１２ａ、１２ｂの画角θ２と等しい角度になっているため、対象物とステレオカメラ装置２０との距離が変わっても測距可能領域Ａの全体にパターンが照射される。
従って、図５に示すように、測距対象物との距離に関わらず測距可能領域Ａの全体で、回折パターン光を利用した測距が可能となる。
このように、回折光学素子４をステレオカメラの２つの撮像レンズ１２ａ、１２ｂの光軸の間に配置して、ステレオカメラの画角と回折光学素子４の画角（広がり角）を一致させることで、ステレオカメラによる測距可能な領域と回折パターン光を照明している領域とを、常に一致させることができる。

これにより対象物までの距離が変わってもステレオカメラにより測距可能な領域Ａと回折パターン光を照明する領域を常に一致させることができる。また半導体レーザ光源２から出射される回折パターン光５を無駄なく測距可能領域Ａに照射することができる。
もちろん、回折光学素子４の画角を、撮像レンズ１２ａ、１２ｂの画角よりも大きくするようにしても良いが、上記したように回折光学素子の画角を大きくするには、回折光学素子４の周期構造を微細化しなければならず、加工装置の微細加工能力に制限されるという問題がある。
また、ステレオカメラにより測距可能領域Ａと重ならない領域に照射される回折パターン光は、事実上無駄となる。

ところで、図４に示す測距装置３０を自走式のロボットや可動式のロボットアームなどに適用したような場合で、過酷な環境下で使用されることや経時によって、測距装置３０におけるパターン照明装置（レーザ光源２、カップリングレンズ３、回折光学素子４）と、ステレオカメラの撮像レンズ１２ａ、１２ｂとの位置関係がずれたり、あるいは半導体レーザ光源２の取り付け位置がずれて光の出射角度が当初の角度からずれたりした場合、レンズの画角θ２と、回折パターン光の出射角度θ１が等しくならず、また、ステレオカメラにより測距が可能な領域が回折パターン光を照明している領域に含まれなくなり、ステレオカメラの測距可能領域全体で正確に測距をすることが出来なくなる。

以下に、ステレオカメラ（撮像レンズ１２ａ、１２ｂ）とパターン照明装置（レーザ光源２、カップリングレンズ３、回折光学素子４）との位置ずれを検出する方法について図６〜図９を用いて説明する。
回折光学素子４により回折された回折パターン光５には、０次回折光７が含まれる場合が多い。
ここで、０次回折光とは回折光学素子４に入射した光束のうち、回折せずに素通り（透過）した光のことである。
本来は、０次回折光が生じないように回折光学素子の設計、加工がなされるが、本発明では０次回折光７をあえて生じさせ、これを用いてステレオカメラ装置２０（撮像レンズ１２ａ、１２ｂ）とパターン照明装置１（レーザ光源２、カップリングレンズ３、回折光学素子４）の位置ずれを検知するために用いる。

図６は、回折パターン光における０次回折光スポットの位置を示す図である。
図６に示すように、０次回折光７のスポットは通常、回折パターン光５の領域中心に生じる。
また、０次回折光７は半導体レーザ光源２から発せられた光で、ステレオカメラの撮像レンズ１２ａ、１２ｂの光軸１３ａ、１３ｂの中間位置から出射されている。
そのため正規の状態であれば、ステレオカメラの２つの撮像素子の撮像領域１５ａ、１５ｂには０次回折光７のスポットは図７に示すように映る。

図７は、正規状態における撮像領域上の０次回折光スポット像の位置を示す図である。
図７に示すように、左側の撮像領域１５ａでは、領域の中心から視差Ｌ０だけずれた位置に０次回折光スポットが映り（０次回折光スポット像７Ｌ）、右側の撮像領域１５ｂでは、領域の中心から視差Ｒ０だけずれた位置に０次回折光７のスポットが映る（０次回折光スポット像７Ｒ）。
このとき、半導体レーザ光源２はステレオカメラのレンズ１２ａ、１２ｂの光軸１３ａ、１３ｂの中間位置にあるため視差Ｌ０＝視差Ｒ０となる。すなわち、２つのカメラの画面の中心からそれぞれ等しい画素数だけずれた位置で検出される。

図８、図９は、回折パターン光の出射方向がずれた場合の、撮像領域上の０次回折光スポット像の位置を示す図である。
図８に示すように、半導体レーザ光源２の位置が図中左側にずれて、回折パターン光５の方向がＹ方向の＋側（図の右側）にずれると（回折パターン光５Ａ）、０次回折光７のスポットもＹ方向の＋側（図の右側）にずれる（０次回折光スポット７Ａ）。
０次回折光７のスポット像の位置について、撮像領域１５ａにおける０次回折光スポット像７Ｌは、撮像領域１５ａの中心から視差Ｌ１（Ｌ１＞Ｌ０）だけずれた位置に映り、撮像領域１５ｂにおける０次回折光スポット像７Ｒは、撮像領域１５ｂの中心から視差Ｒ１（Ｒ１＜Ｒ０）だけずれた位置に映る。このとき視差Ｌ１＞視差Ｒ１となる。
この差を、視差演算部４０によって検知することで、回折パターン光５の方向とステレオカメラの方向がどれだけずれたかについて、そのズレ量とズレの方向がわかる。

逆に図９に示すように半導体レーザ光源２の位置が図中右側にずれて、回折パターン光５の方向がＹ方向の−側（図の左側）にずれると（回折パターン光５Ｂ）、０次回折光７のスポットもＹ方向の−側（図の左側）にずれる（０次回折光スポット７Ｂ）。
０次回折光７のスポットの位置について、撮像領域１５ａにおける０次回折光スポット像７Ｌは、撮像領域１５ａの中心から視差Ｌ２（Ｌ２＜Ｌ０）だけずれた位置に映り、撮像領域１５ｂにおける０次回折光スポット像７Ｒは、撮像領域１５ｂの中心から視差Ｒ２（Ｒ２＞Ｒ０）だけずれた位置に映る。このとき視差Ｌ２＜視差Ｒ２となる。
図８の場合と同様に、この差を視差演算部４０にて検知することで、回折パターン光５の方向とステレオカメラの方向がどれだけずれたかについて、そのズレ量とズレの方向がわかる。

以上のように、０次回折光の位置を、ステレオカメラを用いて検出することで回折パターン光の方向とステレオカメラの方向のずれを検出できる。
これにより自走式のロボットや可動式のロボットアームのように振動が多い使用条件下でも所定以上のずれが発生した場合はすぐに動作を停止するなどして補正・修正を行い、常に正しい測距を行える状態を保つことができる。
また、ずれが発生した場合にその旨を音声や発光にて外部に報知する報知手段を、測距装置３０や、測距装置３０を組み込む他の装置に設けることが望ましい。

［第２の実施形態］
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るパターン照明装置を説明する図である。
０次回折光７を用いて回折パターン光とステレオカメラ（撮像レンズ）の方向ずれを検出するためには、０次回折光７を検出しやすくすることが望ましい。そのためには０次回折光７をパターン照明の他のスポット５ａに対して違いが際立つようにすればよい。
従って、０次回折光７を、回折パターン光５の他のスポット５ａよりもスポットサイズを大きくしたり、あるいは光強度を強くすれば良い。
０次回折光７のスポットサイズは、カップリングレンズ３から出射される平行光のビーム径φで決まる。従って、カップリングレンズ３から出射される平行光のビーム径をパターン照明の他のスポット径よりも大きくすれば、違いがわかりやすくなる。
さらに０次回折光７の光強度がパターン照明の他のスポットより光強度が強ければ、撮影画像において０次回折光７はシロ飛びしてしまう。
撮影画像においてシロ飛びした箇所は距離画像においても測距エラーが生じる。従って、シロ飛びやエラーが生じた箇所が０次回折光の位置と見なすことができる。

また、０次回折光７の光強度は回折効率で決まるため。回折効率を低下させれば、その分回折せずに素通り（透過）する光である０次回折光７の光強度が強くなる。
図２に示したように回折光学素子４の溝深さや形状を変えることで回折効率は最適に設定することができる。
このように０次回折光７をパターン照明の他のスポットよりスポットサイズが大きくなるようにしたり、光強度が強くなるようにすれば、回折パターン光とステレオカメラの方向ずれを検出しやすくなる。

［第３の実施形態］
次に、本発明の測距装置の変形例について説明する。
図１１は、第３の実施形態にかかる測距装置を説明する図である。
本実施形態では、図１１に示すように、測距装置を構成するパターン照明装置のカップリングレンズ３とステレオカメラの一対のレンズ１２ａ、１２ｂが、レンズアレイ８として一体に形成されている。
このように一体で形成されていると組立工程が簡素化されることに加えて、以下のようなメリットがある。
図１１において一体化されたレンズアレイ８に対して半導体レーザ光源２の位置がＹ方向の＋側にずれた場合（本来の位置は点線の位置）、回折パターン光５および０次回折光７は図１２に示すようにＹ方向の−側にずれる（回折パターン光５Ｃ及び０次回折光７Ｃ）。

回折パターン光５がＹ方向の−側にずれれば、上述したようにステレオカメラによってずれを検知できる。
その場合、半導体レーザ光源２の位置を−Ｙ方向に動かして補正すれば、ずれは無くなる。
このようにパターン照明用のカップリングレンズ３とステレオカメラの一対のレンズとが一体に形成されていることで回折パターン光の方向とステレオカメラの方向とを検知して、半導体レーザ光源２の位置を動かすことでずれを補正することができる。
一体になっていない場合はずれを検知しても半導体レーザ光源２がずれたのか、カップリングレンズ３がずれたのか、両方ずれたのかはわからないため、調整が困難になる。

カップリングレンズとステレオカメラの一対のレンズとを一体に形成することでレンズを基準とすることができるためずれがあった場合でも容易に補正できる。
すなわち、レーザ光源２からの光を取り込むカップリングレンズ３とステレオカメラの１対のレンズ１２とを一体形成することで、ステレオカメラ（撮像レンズ１２ａ、１２ｂ）が撮影している方向とパターン照明装置（カップリングレンズ３）が照明している方向を検知し、ズレが有った場合でも容易にズレを修正することができる。
回折光学素子４を、カップリングレンズ３もしくはステレオカメラの２つの撮像レンズ１２ａ、１２ｂと一体に形成することで、振動や経時変化に対して位置ずれが生じにくくなるためステレオカメラが撮影している方向と照明装置が照明している方向がずれにくくなり安定した測距を行うことができる。
カップリングレンズとステレオカメラのレンズを一体形成することでステレオカメラが撮影している方向と照明装置が照明している方向を容易に一致させることができる。
回折光学素子がカップリングレンズもしくはステレオカメラのレンズと一体に形成されていることで、振動や経時変化に対して位置ずれが生じにくくなるためステレオカメラが撮影している方向と照明装置が照明している方向が安定になる。

［第４の実施形態］
図１３は、本発明の測距装置に回折光学素子を取り付ける態様を説明する図である。
回折光学素子４の形状は微細な周期構造となっているため、フォトリソグラフィやエッチングによりガラス基板上に加工するのが一般的である。
そこでガラス基板に加工された回折光学素子４を、図１１に示したような一体型レンズ８とホルダ９を介して一体化（図１３（ａ））したり、別のガラス基板１０ａに貼り付けた上で、一体型レンズ８と一体化（図１３（ｂ））したり、エッチングに用いたガラス基板１０ｂごと、一体化レンズ８と一体化（図１３（ｃ））することができる。
このように、撮像レンズ１２、カップリングレンズ３、回折光学素子４を一体化することで、回折光学素子４とカップリングレンズ３とステレオカメラの一対の撮像レンズ１２との位置関係が固定できるため、振動や経時変化によりパターン照明が位置ずれを起こしたり、回転ずれを起こしたりすることがなくなる。これにより信頼性の高い測距を実現できる。
以上述べてきたように、図１に示すパターン照明装置と、図３に示すステレオカメラが一体化されていることで小型化が実現できると同時に、パターン照明装置を構成する部材とステレオカメラを構成する部材の、相互の位置ずれを検知しやすく、またそのズレも補正しやすいため信頼性の高い測距装置を実現でき、経時変化や振動に対しても安定した測距が可能になる。

１ パターン照明装置、２ 半導体レーザ光源、３ カップリングレンズ、４ 回折光学素子、５ 回折パターン光、５Ａ 回折パターン光、５Ｂ 回折パターン光、６ａ 温度調節機能部、６ｂ ＡＰＣ機能部、７ ０次回折光、７Ｌ 撮像領域、７Ｌ ０次回折光スポット像、７Ｒ ０次回折光スポット像、８ レンズアレイ、８ 一体型レンズ、１１ レンズアレイ、１２ａ 撮像レンズ、１２ｂ 撮像レンズ、１３ａ 光軸、１３ｂ 光軸、１４ 撮像素子、１４ａ ウェハ、１５ａ 撮像領域、１５ｂ 撮像領域、２０ ステレオカメラ装置、３０ 測距装置３０ａ 筐体、３１ ミラー、４０ 視差演算部、１０１ 計測対象物、１０２ａ カメラ、１０２ｂ カメラ、１０３ａ レンズ、１０３ｂ レンズ、１０４ａ 計測対象物像、１０４ｂ 計測対象物像、１０４ｃ 対応点、１０５ａ 二次元センサ、１０６ ステレオカメラ装置

特開２００１−１４７１１０公報

Claims (5)

1. 被写体に照射するための照明光を出射する光源と、
   前記照明光を回折して生成した回折パターン光を、前記被写体に照射する回折光学素子と、
   前記被写体で反射された前記回折パターン光を結像する複数の撮像レンズと、
   前記各撮像レンズにより結像された前記回折パターン光に基づく、前記被写体に係る複数の画像を撮像する複数の撮像手段と、
   前記複数の画像間の視差情報から前記被写体からの距離を算出する測距手段と、
   を備え、
   前記回折光学素子は、
   前記複数の撮像レンズの光軸間に配置されるとともに、前記回折パターン光の照射領域が、前記複数の撮像レンズを介して前記視差情報を取得可能な領域を含む角度にて前記回折パターン光を出射可能であることを特徴とする測距装置。
2. 請求項１に記載の測距装置において、
   前記回折光学素子は、前記複数の撮像レンズの光軸の中心位置に配置され、
   前記複数の撮像手段により取得された前記画像における、前記回折パターン光に含まれる０次回折光のスポット画像の視差位置に基づいて、前記回折パターン光の出射角度のずれを検出する検出手段を備えたことを特徴とする測距装置。
3. 請求項２に記載の測距装置において、
   前記回折光学素子は、前記０次回折光のスポットが、他の回折光のスポットよりもサイズが大きいか、又は光強度が強くなるように、前記照射光を回折することを特徴とする測距装置。
4. 請求項１又は２に記載の測距装置において、
   前記光源から出射された照明光の光路における前記回折光学素子の手前側に配置されて、前記照明光を平行光に変換する光学手段を備え、
   前記光学手段は、前記複数の撮像レンズと一体に形成されていることを特徴とする測距装置。
5. 請求項１又は２に記載の測距装置において、
   該光源から出射された照明光の光路における前記回折光学素子の手前側に配置されて、前記照明光を平行光に変換する光学手段を備え、
   前記回折光学素子は、前記光学手段又は前記複数の撮像レンズと一体に形成されていることを特徴とする測距装置。

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