JP3672731B2 - レンジファインダ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の３次元形状の計測を行うレンジファインダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投影光と観察画像の三角測量に基づいて３次元形状計測を行うレンジファインダ装置としては、例えば、図２５に示すようなものが提案されている。
【０００３】
図２５において、１Ａ、１Ｂは波長のわずかに異なるレーザ光源、２は前記波長の異なるレーザ光源からのレーザ光を合成するハーフミラー、３は前記レーザ光源の光強度を制御する光源制御部、４はレーザ光を走査する回転ミラー、５は回転ミラーを制御する回転制御部、６は被写体、７はＣＣＤ上に像を結ぶためのレンズ、８Ａ、８Ｂはレーザ光源の波長の光を分離する光波長分離フィルタ、９Ａ、９Ｂはモノクロ画像を撮像するＣＣＤ、９Ｃはカラー画像を撮像するＣＣＤ、１０Ａ、１０Ｂはモノクロカメラの信号処理部、１１はカラーカメラの信号処理部、１２はＣＣＤ９Ａ、９Ｂによって撮影したレーザ光の強度から被写体の距離もしくは形状を計算する距離計算部、１３は装置全体の同期を調整する制御部である。以下、このように構成されたレンジファインダ装置の動作について説明する。
【０００４】
レーザ光源１Ａ、１Ｂは波長のわずかに異なるレーザ光を発する。このレーザ光は、後述の回転ミラーの走査方向と垂直な光断面を有するライン光であり、回転ミラーが水平方向に走査する場合は垂直方向のライン光となる。これら２つの光源の波長特性を図２６に示す。波長の近い２つの光源を用いるのは、被写体の反射率の波長依存性の影響を受けにくくするためである。レーザ光源１Ａ、１Ｂから発せられたレーザ光はハーフミラー２によって合成され、回転ミラー４によって被写体６に走査される。
【０００５】
このレーザ光の走査は、回転制御部５がフィールド周期で回転ミラー４を駆動することにより行われる。その際に、双方の光源の光強度を１フィールド周期内で、図２７（ａ）に示すように変化させる。レーザ光強度の変化とミラー角の駆動とを同期させることにより、２つのレーザ光強度をＣＣＤ９Ａ、９Ｂによりモニタしてその光強度比を算出することにより、一走査周期における時刻を測定することができる。例えば、図２７（ｂ）に示すように、光強度がＩＡ０／ＩＢ０の場合には、走査時刻はｔ０と測定され、その測定値から回転ミラー４の回転角（φ）が判明する。
【０００６】
このように、２つのレーザ光強度の比とミラー角（すなわち光源側から見た被写体の角度）とが１対１に対応させることにより、後述する距離計算部において、双方の光源の光を撮影した信号レベルの比から三角測量の原理により被写体の距離もしくは形状が計算される。
【０００７】
レンズ７はＣＣＤ９Ａ、９Ｂ、９Ｃ上に被写体の像を結ぶ。光波長分離フィルタ８Ａは、光源１Ａの波長の光を透過し、他の波長の光を反射する。光波長分離フィルタ８Ｂは、光源１Ｂの波長の光を透過し、他の波長の光を反射する。その結果、光源１Ａ、１Ｂの光の被写体からの反射光はＣＣＤ９Ａ、９Ｂにより撮影され、他の波長の光はカラー画像としてＣＣＤ９Ｃにより撮影される。
【０００８】
光源Ａ信号処理部１０Ａと光源Ｂ信号処理部１０Ｂは、ＣＣＤ９Ａ、９Ｂの出力について通常のモノクロカメラと同様の信号処理を行う。カラーカメラ信号処理部１１は、ＣＣＤ９Ｃの出力について通常のカラーカメラの信号処理を行う。
【０００９】
距離計算部１２は、各光源の波長についてＣＣＤ９Ａ、９Ｂにより撮影された信号レベルの比、基線長、画素の座標値から、各画素について距離計算を行う。
【００１０】
図２８(ａ)(ｂ)は、その距離計算を図形的に説明する図である。同図において、Ｏはレンズ７の中心、Ｐは被写体上の点、Ｑは回転ミラーの回転軸の位置である。また、説明を簡単にするため、ＣＣＤ９の位置を被写体側に折り返して示している。また、ＯＱの長さ（基線長）をＬ、ｘｚ平面内でＱから見たＰの角度をφ、ｙｚ平面内でＯからみたＰの角度をωとすると、図計的な関係より、Ｐの３次元座標は以下の式で計算される。
【００１１】
【数１】
式(１）のφについては、前述のとおり、ＣＣＤ９Ａ、９Ｂによりモニタしたレーザ光源１Ａ、１Ｂの光強度比によって計算し、θ、ωについては画素の座標値から計算する。式(１）に示した値のうち、すべてを計算すると形状を求めることになり、ｚのみであれば距離画像を求めることになる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成では、２つのレーザ光強度の双方を走査フィールド内で変化させているため、図２７（ｂ）に示すように、光強度比の変化率はリニアにならず、走査開始時刻と走査終了時刻とで曲線的に変動する。ＣＣＤ９Ａ、９Ｂにより撮影した画像データのノイズに起因するレーザ光強度比の誤差は距離もしくは形状の計測誤差の主な原因となるが、レーザ光強度比の変化率が一定でない場合には、ノイズに起因する光強度測定誤差が発生しやすいという問題がある。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、光学系、信号処理系でのノイズの影響を低減し、計測精度を向上するレンジファインダ装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の構成を採る。
【００１５】
本発明は、１波長のレーザー光源に対する光強度変調信号に振幅が時間的に変化する高周波を重畳し、強度変調した前記レーザー光を回転ミラーにより被写体に走査し、被写体からの反射光をＣＣＤにより撮像する一方、前記ＣＣＤの着目画素近傍での光強度分布について上限と下限の２つの包絡線検出と局所平均検出を行ない、前記２つの包絡線の差と前記局所平均値の比に基づいて光源から見た被写体への角度情報を計算し、前記着目画素の座標値に基づいて前記ＣＣＤから見た被写体への角度情報を計算し、計算した前記角度情報と基線長とを用いてフィールド期間毎に各画素について距離計測を行うものである。
【００１６】
この構成により、１波長のレーザー光源による１回の走査からフィールド毎に各画素についての距離計測を行うことができる。
【００１７】
また、本発明は、単一波長の光を発するレーザ光源からの光を被写体に走査させる走査手段と、前記走査手段の走査周期と同期して前記レーザ光の光強度を変化させ、かつ、振幅が時間的に変化する高周波を重畳する光強度制御手段と、前記被写体からの反射光から前記波長と同一波長の光を分離する波長分離手段と、分離した前記光を撮像するＣＣＤと、前記ＣＣＤの着目画素近傍での光強度分布について上限と下限の２つの包絡線検出と局所平均検出を行ない、前記２つの包絡線の差と前記局所平均値の比に基づいて光源から見た被写体への角度情報を計算し、前記着目画素の座標値に基づいて前記ＣＣＤから見た被写体への角度情報を計算し、計算した前記角度情報と基線長とを用いてフィールド期間毎に各画素について距離計測を行う距離計測手段と、を具備するレンジファインダ装置である。
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明のレンジファインダ装置は、複数の波長の光を発する光源からのレーザ光を被写体に走査させる走査手段と、この走査手段の走査周期と同期して前記レーザ光の光強度を変化させる光強度制御手段と、前記被写体からの反射レーザ光から前記複数の波長と同一波長の光を各々分離する波長分離手段と、前記分離した光の光強度比から前記走査手段における計測点の角度を算出し被写体までの距離計算を行う距離計算手段と、を具備する構成とした。
この構成により、レーザ強度比の誤差による走査手段における計測点の角度誤差を小さくすることができるため、光学系、信号処理系でのノイズの影響を低減し、計測精度を向上するレンジファインダ装置を得ることができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、光強度制御手段は、走査周期の前半区間では、一方のレーザ光強度を一定にし、他方のレーザ光強度を直線的に変化させる一方、走査周期の後半区間では、一方のレーザ光強度を直線的に変化させ、他方のレーザ光強度を一定にするよう構成した。
この構成により、レーザ光強度比の変化率を全走査区間において常に一定にすることができるとともに、レーザ光強度の比の範囲を大きくとることができるので、ノイズの影響によるレーザ光強度比の計測誤差を最小限に抑えることができ、その結果正確に光源側から見た計測点の角度（φ）を決定できることとなる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、距離計算手段は、レーザ光強度の大小関係とレーザ光強度の比との双方から、走査手段における計測点の角度を決定するよう構成した。
この構成により、現在の走査点が、走査区間の前半、後半のいずれのどの点に存在するかが確実に検出できる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、光強度制御手段は、予め測定したノイズレベルの特性に応じてレーザ光強度を補正するよう構成した。
この構成により、予め測定した装置の光学系、信号処理系に起因するノイズを補正するようにレーザ光強度を制御することができ、ノイズの影響を更に低減し、計測精度を格段と向上するレンジファインダ装置を得ることができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、距離計算手段は、着目画素近傍の複数の周辺画素におけるレーザ光強度比の平均値、重み付け平均値、または、着目画素と周辺画素とのメディアン値を用いて、着目画素におけるレーザ強度比を計算する構成とした。
この構成により、レーザ光強度比の一様な領域においてはレーザ強度比のノイズを低減でき、また、ランダムに生じるノイズについてはノイズレベルをｎ分の１（ｎは対象とする周辺画素数）にすることができ、計測精度の向上が図られる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、距離計算手段は、各光源のレーザー光の垂直方向の強度分布と各受光部の感度特性を考慮して光強度を補正し、補正後の光強度の比を用いて距離計算を行なう構成とした。
この構成により、２つのレーザー光源からのライン光の垂直方向の強度分布（垂直プロファイル）が一致しない場合でも、計測精度を保つことができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、距離計算手段は、各光源のレーザー光の垂直方向の強度分布と各受光部の感度特性を考慮して光強度比を補正し、補正後の光強度比を用いて距離計算を行う構成とした。
この構成により、２つのレーザー光源からのライン光の垂直方向の強度分布（垂直プロファイル）が一致しない場合でも、計測精度を保つことができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、前記被写体からの反射レーザ光を受光するカメラを有し、このカメラと光源とを、光源からの光線のカメラ視野内での軌跡であるエピポーラ線が平行になるような位置関係に配置する構成とした。
この構成により、基準距離における光強度もしくは光強度比の補正による距離測定精度 の改善効果が、被写体距離が基準距離から離れた場合にも得ることができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、レーザ光の光強度を変化させる際に、レーザー光の強度変調信号に高周波を重畳する構成とした。
この構成により、スペックルノイズを低減し、距離測定精度を改善し測定可能距離範囲を拡大することができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、走査手段は、ガルバノミラーとポリゴンミラーを用いることにより、レーザ光を被写体に走査させる構成とした。
この構成により、垂直方向の光強度比を一定にしたレーザー光走査を行え、光強度もしくは光強度比の補正を行わずに、距離計測を行うことができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、波長分離手段は、撮像面に対して傾斜させて配置した干渉フィルターにより、波長分離を行なう構成とした。
この構成により、光源のコヒーレンスにより生じるモアレ縞の発生を低減することができる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１に係るレンジファインダ装置について、図面を用いて説明する。
【００４０】
図１は、本発明の実施の形態１におけるレンジファインダ装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、１０１Ａ、１０１Ｂは波長のわずかに異なるレーザ光源、１０２は前記波長の異なるレーザ光源からのレーザ光を合成するハーフミラー、１０３は前記レーザ光源の光強度を制御する光源制御部、１０４はレーザ光を走査する回転ミラー、１０５は回転ミラーを制御する回転制御部、１０６は被写体、１０７はＣＣＤ上に像を結ぶためのレンズ、１０８Ａ、１０８Ｂはレーザ光源の波長の光を分離する光波長分離フィルタ、１０９Ａ、１０９Ｂはモノクロ画像を撮像するＣＣＤ、１０９Ｃはカラー画像を撮像するＣＣＤ、１１０Ａ、１０Ｂはモノクロカメラの信号処理部、１１１はカラーカメラの信号処理部、１１２はＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂによって撮影したレーザ光の強度から被写体の距離もしくは形状を計算する距離計算部、１１３は装置全体の同期を調整する制御部である。以下に上記構成の動作について説明する。
【００４１】
１０１Ａ、１０１Ｂは波長のわずかに異なるレーザ光（後述する回転ミラー１０４による走査方向と垂直な光切断面を持つライン光）を発する。この波長特性は、図１０に示したものと同様である。波長の近い２つの光源を用いるのは、被写体の反射率の波長依存性の影響を受けにくくするためである。双方の光源から発せられたレーザ光はハーフミラー１０２によって合成され、回転ミラー１０４によって被写体１０６に走査される。
【００４２】
その際、双方のレーザ光源の光強度をフィールド周期内で、図２に示すように変化させる。つまり、走査周期の前半区間では、一方のレーザ光の光強度を一定にし、他方のレーザ光の光強度を直線的に変化させる一方、走査周期の後半区間では、一方のレーザ光強度を直線的に変化させ、後者のレーザ光強度を一定にする。更に、信号レベルの比を、レベル小の値／レベル大の値として計算するよう構成されている。
【００４３】
従って、レーザ光強度比の変化率は、全走査区間において、常に一定となる。
【００４４】
回転制御部１０５は、フィールド周期で回転ミラーを駆動しレーザ光を走査する。レーザ光強度の変化とミラー角の駆動を同期させることにより、後述する距離計算部において、２つのレーザ光強度の比と両者の大小関係から、光源側から見た計測点の角度を決定できる。
【００４５】
図３は、制御部１１３からの垂直同期信号（ａ）と光源１０１Ａ、光源１０１Ｂの強度変調信号（ｂ）（ｃ）、回転ミラー１０４の駆動信号（ｄ）のタイミング図である。図示するように、光源１０１Ａ、１０１Ｂの強度変調信号（ｂ）（ｃ）と回転ミラー１０４の駆動信号（ｄ）を制御部１１３からの垂直同期信号（ａ）に同期させて、レーザ光強度比を変化させながらレーザ光を走査する。
【００４６】
レンズ１０７はＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂ、１０９Ｃ上に被写体の像を結ぶ。光波長分離フィルタ１０８Ａは、光源１０１Ａの波長の光を透過し、他の波長の光を反射する。光波長分離フィルタ１０８Ｂは、光源１０１Ｂの波長の光を反射し、他の波長の光を透過する。その結果、光源１０１Ａ、１０１Ｂの光の被写体からの反射光は各々ＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂにより撮影され、他の波長の光はカラー画像としてＣＣＤ１０９Ｃにより撮影される。
【００４７】
光源Ａ信号処理部１１０Ａと光源Ｂ信号処理部１１０Ｂは、ＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂの出力について通常のモノクロカメラと同様の信号処理を行う。カラーカメラ信号処理部１１１は、ＣＣＤ１０９Ｃの出力について通常のカラーカメラの信号処理を行う。
【００４８】
距離計算部１１２は、各光源の波長についてＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂにより撮影された信号レベルの比、基線長、画素の座標値から、各画素について距離計算を行う。
【００４９】
この距離計算は、既に図１１により説明したと同様の方法により、式(１）によって計算される。
【００５０】
式(１）のφについては、前述のとおり、ＣＣＤ９Ａ、９Ｂによりモニタしたレーザ光源１Ａ、１Ｂの光強度比によって計算し、θ、ωについては画素の座標値から計算する。φの計算は従来と同様の方法により行うが、実施の形態１では、走査周期の半周期において一方のレーザ光強度を一定にし他方のレーザ光強度をリニアに変化させるようにするとともに、２つのレーザ光強度の比と両者の大小関係とから、１走査期間内での走査時刻を測定して回転ミラー１０４の回転角を算出するようにしたため、レーザ光強度比の変化率を全走査区間において常に一定にすることができるとともに、レーザ光強度の比の範囲を大きくとることができるので、ノイズの影響によるレーザ光強度比の計測誤差を最小限に抑えることができ、その結果正確に光源側から見た計測点の角度（φ）を決定できることとなる。２つのレーザ光強度の比と両者の大小関係とから回転ミラー１０４の回転角を算出するには、これらを予めテーブル化して用意しておき都度参照することにより処理の高速化を図り得る。
【００５１】
このようにして求めた計測点の角度（φ）を用いて、式(１）に示した値のうち、ｘ、ｙ、ｚのすべてを計算すると形状を求めることができ、ｚのみであれば距離画像を求めることができる。
【００５２】
以上のように実施の形態１によれば、レーザ強度比の変化率を角度によらず一定にすることにより、レーザ強度比の計測誤差による角度誤差、形状もしくは距離の計測誤差を低減することができる。
【００５３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２においては、カメラにより撮影されたビデオ信号のノイズレベルに応じて、レーザ光強度を走査周期内に変化させることにより、レーザ光強度比の誤差による角度誤差を小さくし、計測精度を向上させる例について示す。
【００５４】
図４は、本発明の実施の形態２におけるレンジファインダ装置の構成図である。図４において、実施の形態１と同じ動作を行うものについては同一の符号を付し説明を省略する。実施の形態２は、光源制御部４０３と距離計算部４１２の動作についてのみ、実施の形態１と異なる。以下、この光源制御部４０３、距離計算部４１２の動作について説明する。
【００５５】
光源制御部４０３は、ＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂによって撮影されたビデオ信号のノイズレベルに応じて、角度誤差が最小となる強度変調を行う。この光源制御部４０３における強度変調について以下に説明する。
【００５６】
距離計算部４１２におけるレーザ強度比の計算は、ＣＣＤ１０９Ａにより撮影された信号レベルをＳA、ＣＣＤ１０９Ｂにより撮影された信号レベルをＳBとし、カメラのγ特性を１とすると、ＳB＜ＳAとなっている場合は、理想的には以下の式(２）によって計算される。
【数２】
実際には、それぞれの信号レベルにノイズが含まれているため、式(３）を計算していることになる。
【数３】
ここで、ｎ（ＳA）、ｎ（ＳB）は信号レベルに対するノイズレベルの分布であり、波長の近い２つの光源１０１Ａ、１０１Ｂの波長を撮影した信号ＳA、ＳBについて同一の分布をするものとしている。
【００５７】
今、信号レベルに対して確率的に分布するノイズレベルの代表値をＲＭＳ値σとすると、距離計算部４１２におけるレーザ強度比は、レーザ光強度比が大きく見積もられる場合は、
【数４】
となり、
逆にレーザ光強度比が小さく見積もられる場合は、
【数５】
となる。
【００５８】
従って、レーザ強度比の誤差の範囲は、式(４）式(５）と式(２）の差から、以下の式(６）に示す範囲となる。
【数６】
ＳA、ｎ（ＳA）はフィールド周期の前半の期間で一定としているので、式(６）において、レーザ光強度比の誤差は式(６）の分子によって決まることとなる。
【００５９】
レーザ光強度比と回転ミラーの駆動信号は、図３に示すように、フィールド周期内で時間と共に変化するため、観測されるレーザ光強度比の誤差は時間の誤差すなわち光源から見た角度の誤差となる。角度誤差を小さくするためには、レーザ光強度比の誤差に比例して光源１Ｂの強度が変化するようにすればよく、また、光源１Ｂの強度がフィールド周期の前半の期間で単調増加する必要があるという条件から、信号レベルに対するノイズレベルの分布について、角度誤差を最小化する光源１Ｂの強度変調関数ＩB（ｔ）を式(７）を式(８）の境界条件で数値的に解くことにより決定できる。
【数７】
【数８】
ここで、式(７）の定数Ａは式(８）の境界条件から決まる定数である。
式(７）を式(８）の境界条件を満たすように解くことにより、フィールド周期内で角度誤差を一定にする強度変調関数を決定して角度誤差を最小化することができる。
【００６０】
なお、式(７）からの強度変調関数ＩB（ｔ）の決定方法として、２次関数、双曲線等の曲線当てはめを用いても、ほぼ同じ効果を得ることができること、勿論である。
【００６１】
図５は、出力３０ｍＷ、波長８３０ｎｍのレーザ光源により１ｍの距離にある複数の色の色指標にレーザ光を一様なレーザパワー密度で投射し、赤外感度のあるＣＣＤで撮影したビデオ信号について、画面中央部の領域において測定したノイズレベル（ＲＭＳ値）を示すものである。このノイズレベルは、ＣＣＤの暗電流ノイズ、ショットノイズ、アンプのノイズ、スペックルノイズ等の複数のノイズ成分を含んだ形で測定されている。これらのノイズのうち支配的な成分は光源のコヒーレンスに起因するスペックルノイズである。
【００６２】
図６は、図５の１ｍの距離の被写体についての信号レベルとノイズレベルの関係に対して、角度誤差がフィールド周期内で一定となるように補正した強度変調信号の図である。被写体の距離が１ｍ以外の場合には、被写体の距離に応じた信号レベルとノイズレベルの関係を予め測定するか、１ｍの被写体距離の関係から予測することにより、設定した距離での誤差を少なくして測定精度を改善できる。被写体距離が１ｍ以外の時の信号レベルとノイズレベルの関係は、信号レベルが距離の２乗に反比例して減少するとし、また、信号レベルに対するノイズレベルの値は距離によらず同じであるとすることで予測できる。
【００６３】
また、信号レベルの増加に伴うノイズレベルの増加（ショットノイズ）は、信号レベルの１／２乗に比例することが知られている。図７は、そのようなノイズレベルと信号レベルの関係を示している。図７のようなノイズレベルと信号レベルの関係の場合にも、上記の図５のノイズレベルと信号レベルの関係からの強度変調関数の決定方法と同じ方法によって、強度変調関数を決定できる。
【００６４】
また、被写体の距離としては予め設定したものに限らず、前フィールドでの計測値の画像内の距離の平均値や、中央部を優先的に重み付けした重み付け平均を現フィールドでのノイズレベルを決定するための被写体距離としてもよい。
【００６５】
以上のように実施の形態２によれば、レーザ光強度を、カメラにより撮影されたビデオ信号の信号レベルとノイズレベルとの関係に応じて補正した上で、走査周期内で変化させることにより、レーザ光強度比の誤差による角度誤差を小さくし、計測精度を向上させることができる。
【００６６】
なお、実施の形態２におけるノイズの主成分であるスペックルノイズは、レーザー光源のコヒーレンスが原因で生じる。この光源のコヒーレンス性を減少させる方法について以下に説明する。
【００６７】
図２０は、高周波信号を重畳した光源の強度変調信号の説明図である。同図に示すように、光源の強度変調信号に高周波信号を重畳することにより、局所的な平均レベル（図２０中の破線）を変化させずにレーザーパワーを高速に変化させることができる。レーザーパワーが変化するとレーザーの発振モードが変化し、スペックルの強度も変化する。したがって、もとの変調信号（６０Ｈｚ）と比べて周波数の高い（例えば数ｋＨｚ程度の）高周波を重畳することにより、スペックルノイズのレベルを低減することができ、このような方法も本発明に含まれる。
【００６８】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３においては、着目画素におけるレーザ光強度比を近傍の複数の画素におけるレーザ光強度比を用いて計算することにより、レーザ光強度比の誤差を減少させ、計測精度を改善する例について示す。
【００６９】
図８は、本発明の実施の形態３におけるレンジファインダ装置の構成図である。図８において、本発明の実施の形態１もしくは実施の形態２と同一の動作をするものについては、図１もしくは図４と同一の符号を付し説明を省略する。以下、光源制御部８０３、距離計算部８１２の動作について説明する。
【００７０】
光源制御部８０３は、本発明の実施の形態１、実施の形態２における光源制御部と同一の動作をし、レーザ光源の光強度比を制御する。また、距離計算部８１２は、着目画素におけるレーザ光強度比を、周囲の複数の画素（例えば３×３画素）におけるレーザ光強度比の平均として計算し、その値を用いて実施の形態１、実施の形態２と同一の距離計算を行うようにした。
【００７１】
実施の形態３では、その距離計算に際して、レーザ光強度比として、着目画素の周囲の複数の画素におけるレーザ光強度比の平均を用いることとしたため、レーザ光強度比の一様な領域においてレーザ強度比のノイズを低減できる。ランダムに生じるノイズについては、周囲のｎ×ｎ画素におけるレーザ光強度比の平均を計算することで、ノイズレベルをｎ分の１にすることができ、その結果計測精度を改善できる。
【００７２】
なお、距離計算部８１２におけるレーザ光強度比の計算は、着目画素とその周囲の画素の平均とするものに限る必要はない。例えば、平均値の差が大きいほど重みが小さくなる重み付け平均によって、レーザ光強度比を決定することにより、レーザ光強度比が急激に変化する物体輪郭付近における測定誤差を低減できる。また、着目画素とその周囲の画素のメディアン値としてレーザ光強度比を決定するようにしてもよい。
【００７３】
また、距離計算部８１２において、レーザー光強度比を着目画素とその周囲の画素における値から計算するかわりに、着目画素における距離計測値を着目画素とその周囲の画素における距離計測値の平均値、重み付け平均値、もしくは、メディアン値として計算しても同様の効果を得ることができ、本発明に含まれる。
【００７４】
以上のように実施の形態３によれば、着目画素におけるレーザ光強度比を近傍の複数の画素におけるレーザ光強度比を用いて計算することにより、レーザ光強度比の誤差を減少させ、計測精度を改善することができる。
【００７５】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４においては、レーザー光源の垂直方向の強度分布（垂直プロファイル）による影響を信号処理により補正し、計測精度を改善する例について示す。
【００７６】
図９は、本発明の実施の形態４におけるレンジファインダ装置の構成図である。図９において、本発明の実施の形態１〜３と同一の動作をするものについては、図１、図４もしくは図８と同一の符号を付し説明を省略する。以下、距離計算部９０１の動作について説明する。
【００７７】
距離計算部９０１は、着目画素におけるレーザー光強度（すなわち輝度）を画素のｙ座標値に応じて補正し、補正後のレーザー光強度を用いて実施の形態１〜３と同一の距離計算を行うようにした。
【００７８】
実施の形態４では、その距離計算に際して、レーザー光強度の垂直方向の分布（垂直プロファイル）を考慮してレーザー光強度を補正し、補正後のレーザー光強度から距離計算を行うため、２つのレーザー光源の垂直プロファイルが一致しない場合でも、計測精度を保つことができる。
【００７９】
以下に、レーザー光強度の垂直方向の分布（垂直プロファイル）について説明する。
【００８０】
図１０は、レーザー光源とスリット光生成のための光学系の説明図である。図１０において、１００１はレーザー発信器、１００２はレーザーダイオード、１００３はコリメータレンズ、１００４はシリンドリカルレンズである。
【００８１】
レーザーダイオード１００２は、レーザー発信器内の駆動回路によって駆動され一定波長の光を発する。
【００８２】
図１１は、レーザーダイオード１００２の光強度の方向性を示す特性図である。同図に示すように、レーザーダイオードが発する光の強度は、ピーク強度を中心にしたガウス状の分布を持つ。
【００８３】
コリメータレンズ１００３は、レーザーダイオード１００２の発するレーザー光を集光しビーム光を生成する。
【００８４】
シリンドリカルレンズ１００４は、コリメータレンズ１００３が生成したビーム光を鉛直方向に拡大し、スリット光を生成する。図１１に示すように、レーザーダイオードの発する光の強度はガウス状の分布をしているため、これを集光し垂直方向に拡大したスリット光の光強度は垂直方向に一様にはならず、水平方向の光強度分布については、分布幅が小さいため問題とはならない。
【００８５】
図１２は、２つのレーザー光源の垂直方向の光強度分布（垂直プロファイル）の一例を示す。レーザーダイオードの光強度の方向性は、個々のレーザーによって異なるため、２つのレーザー光源の垂直プロファイルは一致しない。
【００８６】
本発明によるレンジファインダ装置では、レーザー強度比の水平方向の変化を用いて距離測定を行うため、垂直方向のレーザー強度比の変化は距離測定精度の誤差の原因となる。実施の形態４では、着目画素における光強度について、垂直プロファイルが平坦になる補正（即ち、図１２において各データとピーク値Ｐ１もしくはＰ２との比を用いた補正）を行い、補正後の光強度を用いて距離計算を行うようにした。
【００８７】
図１３は、実施の形態４における距離計算部９０１の構成図である。同図において、１３０１Ａ，１３０１Ｂは垂直プロファイル補正テーブル、１３０２は２つの光強度を光源からの角度情報に変換するＬＵＴ、１３０３は着目画素のｘ座標値をカメラからの角度情報に変換するＬＵＴ、１３０４は距離計算に必要な基線長（光源とカメラのレンズ中心間の距離）を記憶するメモリである。以下、上記構成の動作について説明する。
【００８８】
垂直プロファイル補正テーブル１３０１Ａ，１３０１Ｂは、光源Ａ、光源Ｂそれぞれのレーザー光の垂直プロファイルの補正係数を保持する。補正係数は画像の各ｙ座標毎に、図１１中のピーク値Ｐ１もしくはＰ２と各垂直プロファイルデータの比として求める。垂直プロファイルデータは、距離一定の面に時間変調を行わないレーザー光を照射しこれを撮像することにより得る。着目画素のｙ座標値に応じて補正係数を乗ずることにより、垂直プロファイルの補正を行う。
【００８９】
実施の形態４では、式(１）のｚを求める計算式を変形した以下の式(９)を計算する。
【数９】
ＬＵＴ１３０２は、補正後の２つのレーザー光強度の比を光源からの角度情報
【数１０】
に変換する。
【００９０】
図１４は２つのレーザー光強度の比と光源からの角度情報（数１０）との関係を示す。図１４の変換特性の計算方法について以下に説明する。
【００９１】
まず、既知の一定距離の基準面に図２に示す時間変調をかけたレーザー光を投射し、これを撮像する。次に、撮像した画像に対して垂直プロファイル補正を行う。そして、カメラパラメータ（焦点距離と撮像面上での画素寸法）を用い、各画素について垂直プロファイル補正後の光強度の大小関係に応じて光強度比と光源からの角度情報式(１０）の値を計算する。
【００９２】
図１９は、このような計算を行なった後の光強度比と角度情報式(１０）の分布を示す説明図である。光強度に含まれるノイズのために、計算された光強度比と角度情報式(１０）は幅をもった分布となる。レーザー光強度の比と光源からの角度情報式(１０）との関係は、光強度の大小関係（光源１０１Ａの光強度≦光源１０１Ｂの光強度の場合と光源１０１Ａの光強度≧光源１０１Ｂの光強度の場合）に応じて、関数（例えば３次式）当てはめを行うことにより得られる。関数当てはめに際しては、図１５において光強度比が１となる時の角度情報式(１０）の平均値（図１５中の点Ａ）を通るという条件をつけることにより、光強度比１付近での精度を改善できる。すなわち、上記条件がない場合には、光強度の大小関係に応じて当てはめた２つの関数が光強度比１以下で交差したり、１以上で交差することとなり、光強度比１付近で距離測定精度が低下する。その理由は、光強度比１付近においては、光強度に含まれるノイズにより光強度の大小関係の逆転が起こり得るからである。
【００９３】
ＬＵＴ１３０３は、着目画素のｘ座標を式(１１)で示すカメラからの角度情報に変換するために、１ライン分の値を保持する。
【数１１】
この式(１１）の画像の各ｘ座標における値は、上述の図２８の図形的な関係から、レンズ焦点距離と撮像面上での１画素の寸法から決定できる。
【００９４】
ＬＵＴ１３０２、ＬＵＴ１３０３からの角度情報とメモリ１３０４からの基線長値より、３角測量の式式(９）が計算でき、画像の各画素について距離ｚを計算できる。
【００９５】
距離ｚの計算は、図１３に示すように最終の除算以外、ＬＵＴ等のメモリ参照と加算、乗算回路によって実現できる。また、最終の除算についても、入力の値に対する計算結果をメモリに保持することで、メモリ参照で実現可能である。したがって、各画素についての距離計算はビデオレートでの処理が十分可能である。
【００９６】
図１６は実施の形態４における処理の手順を示す。初期設定処理として垂直プロファイル補正データを計算し(ＳＴ１６０１)、その結果を用いて光強度比から１／ｔａｎφへの変換特性を計算する(ＳＴ１６０２)。そして、ビデオレート処理として、上記垂直プロファイル補正データと光強度から１／ｔａｎφへの変換特性を用いて、距離計算を行う(ＳＴ１６０３)。
【００９７】
以上のように実施の形態４によれば、距離計算に際して、レーザー光強度の垂直方向の分布（垂直プロファイル）を考慮してレーザー光強度補正し、補正後のレーザー光強度から距離計算を行うため、２つのレーザー光源の垂直プロファイルが一致しない場合でも、計測精度を保つことができる。
【００９８】
なお、実施の形態４における垂直プロファイルの影響の補正では、光強度比を計算する前の段階で垂直プロファイルを平坦化するものについて述べたが、着目画素のｙ座標値に応じて光強度比を計算後に補正し、補正後の光強度比を角度情報に変換しても、数学的に同一の処理であり、本発明に含まれることは明らかである。
【００９９】
なお、実施の形態４における垂直プロファイルの影響の補正では、基準面での垂直プロファイルに基づく補正を行っているため、被写体が基準面から離れると計測精度が劣化することが考えられる。この点を考慮して、被写体と基準面の距離によらない垂直プロファイル補正を実現する撮像面と光源の配置について以下に説明する。
【０１００】
図１７は、ライン光の撮像の説明図である。同図において、１７０１はレーザー光源、１７０２はコリメートレンズ、１７０３はシリンドリカルレンズ、１７０４は回転ミラー、１７０５はカメラである。レーザー光源１７０１から発せられたレーザー光は、コリメートレンズ１７０２によりコリメートされビーム光となり、シリンドリカルレンズ１７０３により鉛直方向にのみ拡散されてライン光となり、回転ミラー１７０４によって計測空間を走査される。ここで、ライン光のそれぞれの方向に進む光が、撮像時に画像中のどこに写るかを考える。
【０１０１】
図１８は、図１７に示した光の通る点ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２，ｃ１，ｃ２が、撮像時に画像中に写る位置を示している。図１８は、空間中を進む光（３次元空間中の直線）が撮像（透視変換）により画像中の直線（２次元空間中の直線）に投影されることを示す。
【０１０２】
図１８において、画像中に投影された直線は、画像内で左側が３次元空間中ではカメラから遠く、逆に右側が３次元空間中でカメラに近い。この直線は一般的には画像内で水平とはならないため、基準距離と被写体の距離が離れると、垂直プロファイル補正が正しく行えなくなる。
【０１０３】
ライン光撮像時に、ライン光に含まれるすべての方向に進む光の軌跡が画像内で水平になれば、基準距離での垂直プロファイルに基づく光強度補正を被写体の距離によらず適用できる。垂直プロファイル補正は、画像内でのｙ座標値に応じて行うためである。そのような光源と撮像面の配置について以下に説明する。
【０１０４】
図１９は、空間内の直線の撮像面への射影の定式化の説明図である。同図において、Ｏはレンズ中心、Ａは光源位置（扇状のライン光の要の位置）。また、簡単のため撮像面はＺ＝ｆの位置にあるとする。Ａの位置ベクトルを（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）、光源からの光の方向ベクトルを（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）とする。光の通る直線は、
【数１２】
となり、これを撮像面に透視変換することは、式(１２）の直線を含み原点Ｏ（レンズ中心）を通る平面
【数１３】
と、平面Ｚ＝ｆの交線を求めることと等しい。式(１３）の面の法線ベクトルは、（ｄｘ，ｄｙ、ｄｚ）と（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）の双方と垂直であるので、
【数１４】
とおける。ここで、上記交線が水平になる条件ａ＝０から、
【数１５】
が導かれる。ここで、光の進行方向（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）はライン光を回転ミラーで走査するため一定ではない。任意の（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）について（数１５）を満たす条件から、
【数１６】
を得る。すなわち、レンズ中心と光源を結ぶ線分が、撮像面のｘ軸と水平になるように光源を配置することにより、基準距離と被写体との距離によらず垂直プロファイル補正を行うことができる。
【０１０５】
なお、実施の形態４における光強度補正では、垂直１ライン分の補正テーブルで実現できる垂直プロファイルの影響の補正について述べたが、１画面分の補正テーブルを用いることにより、着目画素のｘ座標値、ｙ座標値に応じた補正（例えばレンズの周辺減光の補正）を同様の構成で行うことができ、本発明に含まれる。
【０１０６】
なお、実施の形態４では、レーザービーム光からライン光を生成し、ライン光を回転ミラー（ガルバノミラー）にて水平走査する構成としているが、レーザービーム光をガルバノミラーとポリゴンミラーを用いて２次元的に走査してもよい。
【０１０７】
図２１は、ガルバノミラーとポリゴンミラーによるレーザービーム光の走査の説明図である。図２１において、２１０１は、ガルバノミラー。２１０２はポリゴンミラーである。ガルバノミラー２１０１はレーザービーム光を垂直走査し、ポリゴンミラー２１０２はレーザービーム光を水平走査する。両者の走査により被写体空間でレーザー光を走査できる。実施の形態４においては、光源として２つのレーザー光源を用いているが、ガルバノミラーとポリゴンミラーによる走査により、レーザー強度比を垂直方向に一定に保つことが容易となり、垂直プロファイルの補正を行なわずに距離計測を行え、本発明に含まれる。
【０１０８】
なお、実施の形態５では距離ｚを計測するものについて述べたが、式(１）のｘ，ｙ，ｚをすべて計測することにより、３次元座標値（ｘ、ｙ、ｚ）の計測が行えることはもちろんである。
【０１０９】
なお、本発明の実施の形態１〜４による距離計測は、２波長の光源を用いた１フィールド毎の距離計測を行うようにしたが、前記実施の形態における各波長用のレーザー強度変調信号（２種類）をフィールド毎に切り替えて１つのレーザー光源の光強度を制御することにより、１波長の光源によって１フレーム毎の距離計測を行うようにしてもよい。
【０１１０】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５は、１波長の光源でフィールド毎に距離計算を行う実施の形態に言及する。図２２は本発明の実施の形態５におけるレンジファインダ装置の構成図である。本発明の実施の形態１〜４の構成と同一の動作をするものについては、上記実施の形態とと同一の符号を付して説明を省略する。上記実施の形態との相違点は、光源制御部２２０１、レーザー光源２２０２、可視光を反射し赤外光を透過する赤外透過フィルター２２０３、レーザー光源２２０２の波長の光だけを透過する干渉フィルタ２２０４、距離計算部２２０５、装置全体の同期を制御する制御部２２０６を設けた点にある。
【０１１１】
光源制御部２２０１は、図２３（ａ）もしくは（ｂ）に示す強度変調信号によってレーザ光源２２０２を駆動する。図２３に示す強度変調信号は、その包絡線（上下２つ）の差と局所的な平均の比がフィールド期間内の時間（すなわち回転ミラー１０４から見た被写体の角度）と一意に対応している。
【０１１２】
被写体１０６からの反射光は赤外透過フィルターによって赤外光と可視光に分離され、可視光はカラーＣＣＤ１０９Ｃにて撮像される。一方、赤外光は干渉フィルタ２２２０４によって光源波長の光だけが透過され赤外感度のあるモノクロＣＣＤ１０９Ａによって撮像される。
【０１１３】
なお、干渉フィルタ２６５をモノクロＣＣＤ１０９Ａと平行に配置すると、レーザー光源のコヒーレンス性により、撮像した画像中にモアレ縞が発生するため、ＣＣＤ１０９Ａに対して傾けて配置する。
【０１１４】
干渉フィルタの透過波長特性は、入射光がフィルタ面に対して垂直な角度から離れて入射すると、透過波長ピークが短波長側にシフトするため、該シフト量を予め考慮し光源波長よりも長波長側に透過波長ピークのある干渉フィルタを用いる。
【０１１５】
距離計算部２２０５は、画像として得られた光強度の各ラインについて包絡線検出と局所平均検出を行い、距離を計算する。
【０１１６】
図２４は、距離計算部２２０５の構成の１例を示すブロック図である。同図に示すように、距離計算部２２０５は、包絡線・局所平均検出部２４０１、包絡線の値（上下２つ）の差と局所平均値との比を、光源からの角度情報に変換するＬＵＴ２４０２、着目画素のｘ座標をカメラからの角度情報に変換するＬＵＴ２４０３、基線長の値を保持するメモリ２４０４、とを有する。
【０１１７】
光強度の包絡線は、着目画素近傍で光強度の極大値、極小値検出結果を空間的にそれぞれ補間することによって検出する。
【０１１８】
ＬＵＴ２４０２、ＬＵＴ２４０３の出力とメモリ２４０４の基線長の値から、各画素についての距離を計算することができる。
【０１１９】
以上のように、実施の形態５によれば１波長のレーザー光源を用いて、光強度変調信号の包絡線の差と平均光強度との比によって光源からの角度情報を与え、これとＣＣＤからの角度情報と基線長による三角測量により、フィールド周期毎に各画素についての距離計測を行うことができる。
【０１２０】
また、レーザー光源の波長だけを透過する干渉フィルタをＣＣＤに対して傾斜配置することにより、レーザー光のコヒーレンス性によるモアレ縞の発生を低減できる。
【０１２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、一方のレーザ強度を一定に保ち、他方レーザ強度を直線的に変化させて、レーザ強度比をフィールド期間内で直線的に変化させることにより、レーザ強度比の変化率を角度によらず一定にでき、レーザ光強度比の計測誤差による角度誤差、形状もしくは距離の計測誤差を低減することができる。
【０１２２】
また、レーザ光強度を、カメラにより撮影されたビデオ信号の信号レベルとノイズレベルの関係に応じて補正した上で、走査周期内に変化させることにより、レーザ光強度比の誤差による角度誤差を小さくし、計測精度を向上させることができる。
【０１２３】
また、着目画素におけるレーザ光強度比を近傍の複数の画素におけるレーザ光強度比を用いて計算することにより、レーザ光強度比の誤差を減少させ、計測精度を改善することができる。
【０１２４】
また、距離計算に際して、レーザー光強度の垂直方向の分布（垂直プロファイル）を考慮してレーザー光強度補正し、補正後のレーザー光強度から距離計算を行うため、２つのレーザー光源の垂直プロファイルが一致しない場合でも、計測精度を保つことができる。
さらに、撮像系のレンズ中心と光源を結ぶ線分が、撮像面のｘ軸と水平になるように光源を配置することにより、基準距離と被写体との距離によらず垂直プロファイル補正を正確に行うことができる。
【０１２５】
また、レーザー光の走査にガルバノミラーとポリゴンミラーの双方を用いることにより、垂直プロファイル補正の不要なレンジファインダを構成できる。
【０１２６】
また、１波長のレーザー光源を用いて、光強度変調信号の包絡線の差と平均光強度との比によって光源からの角度情報を与え、これとＣＣＤからの角度情報と基線長による三角測量により、フィールド周期毎に各画素についての距離計測を行うことができる。
【０１２７】
さらに、レーザー光源の波長だけを透過する干渉フィルタをＣＣＤに対して傾斜配置することにより、レーザー光のコヒーレンス性によるモアレ縞の発生を低減でき、その実用的効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレンジファインダ装置の構成を示すブロック図
【図２】実施の形態１におけるレンジファインダ装置のレーザ光源の強度変調の特性図
【図３】実施の形態１における動作のタイミング図
【図４】本発明の実施の形態２におけるレンジファインダ装置の構成を示すブロック図
【図５】実施の形態２における信号レベルとノイズレベルの関係を示す特性図
【図６】実施の形態２におけるレーザ光源の強度変調の特性図
【図７】形態２における信号レベルの１／２乗に比例して増加するノイズレベルの特性図
【図８】本発明の実施の形態３におけるレンジファンダ装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態４におけるレンジファインダ装置の構成を示すブロック図
【図１０】実施の形態４におけるレーザー光源からライン光を生成する光学系の説明図
【図１１】実施の形態４におけるレーザーダイオードの方向特性を示す特性図
【図１２】実施の形態４におけるライン光の垂直プロファイルの説明図
【図１３】実施の形態４における距離計算部の構成図
【図１４】実施の形態４におけるレーザー光強度と角度情報１／ｔａｎφの関係を示す特性図
【図１５】実施の形態４における光強度比に対する角度情報１／ｔａｎφの分布を示す説明図
【図１６】実施の形態４における処理の流れ図
【図１７】実施の形態４におけるライン光の撮像の説明図（その１）
【図１８】実施の形態４におけるライン光の撮像の説明図（その２）
【図１９】実施の形態４における３次元空間内の直線の撮像面への射影の定式化の説明図
【図２０】実施の形態４における高周波信号を重畳した光源の強度変調信号の説明図
【図２１】実施の形態４におけるガルバノミラーとポリゴンミラーによるレーザービーム光の走査の説明図
【図２２】本発明の実施の形態５におけるレンジファインダ装置の構成図
【図２３】実施の形態５におけるレーザー光の強度変調信号の説明図
【図２４】実施の形態５における距離計算部の構成を示すブロック図
【図２５】従来のレンジファインダ装置の構成図
【図２６】従来のレンジファインダ装置の光源の波長特性を示す特性図
【図２７】従来のレンジファインダ装置の光源の強度変調の特性図
【図２８】レンジファインダにおける計測原理図
【符号の説明】
１０１Ａ、１０１Ｂ レーザ光源
１０２ ハーフミラー
１０３ 光源制御部
１０４ 回転ミラー
１０５ 回転制御部
１０６ 被写体
１０７ レンズ
１０８Ａ、１０８Ｂ 光波長分離フィルタ
１０９Ａ、１０９Ｂ モノクロＣＣＤ
１０９Ｃ カラーＣＣＤ
１１０Ａ、１１０Ｂ モノクロカメラ信号処理部
１１１ カラーカメラ信号処理部
１３０ 距離計算部
１１３ 制御部
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の３次元形状の計測を行うレンジファインダ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
投影光と観察画像の三角測量に基づいて３次元形状計測を行うレンジファインダ装置としては、例えば、図２５に示すようなものが提案されている。
【０００３】
図２５において、１Ａ、１Ｂは波長のわずかに異なるレーザ光源、２は前記波長の異なるレーザ光源からのレーザ光を合成するハーフミラー、３は前記レーザ光源の光強度を制御する光源制御部、４はレーザ光を走査する回転ミラー、５は回転ミラーを制御する回転制御部、６は被写体、７はＣＣＤ上に像を結ぶためのレンズ、８Ａ、８Ｂはレーザ光源の波長の光を分離する光波長分離フィルタ、９Ａ、９Ｂはモノクロ画像を撮像するＣＣＤ、９Ｃはカラー画像を撮像するＣＣＤ、１０Ａ、１０Ｂはモノクロカメラの信号処理部、１１はカラーカメラの信号処理部、１２はＣＣＤ９Ａ、９Ｂによって撮影したレーザ光の強度から被写体の距離もしくは形状を計算する距離計算部、１３は装置全体の同期を調整する制御部である。以下、このように構成されたレンジファインダ装置の動作について説明する。
【０００４】
レーザ光源１Ａ、１Ｂは波長のわずかに異なるレーザ光を発する。このレーザ光は、後述の回転ミラーの走査方向と垂直な光断面を有するライン光であり、回転ミラーが水平方向に走査する場合は垂直方向のライン光となる。これら２つの光源の波長特性を図２６に示す。波長の近い２つの光源を用いるのは、被写体の反射率の波長依存性の影響を受けにくくするためである。レーザ光源１Ａ、１Ｂから発せられたレーザ光はハーフミラー２によって合成され、回転ミラー４によって被写体６に走査される。
【０００５】
このレーザ光の走査は、回転制御部５がフィールド周期で回転ミラー４を駆動することにより行われる。その際に、双方の光源の光強度を１フィールド周期内で、図２７（ａ）に示すように変化させる。レーザ光強度の変化とミラー角の駆動とを同期させることにより、２つのレーザ光強度をＣＣＤ９Ａ、９Ｂによりモニタしてその光強度比を算出することにより、一走査周期における時刻を測定することができる。例えば、図２７（ｂ）に示すように、光強度がＩＡ０／ＩＢ０の場合には、走査時刻はｔ０と測定され、その測定値から回転ミラー４の回転角（φ）が判明する。
【０００６】
このように、２つのレーザ光強度の比とミラー角（すなわち光源側から見た被写体の角度）とが１対１に対応させることにより、後述する距離計算部において、双方の光源の光を撮影した信号レベルの比から三角測量の原理により被写体の距離もしくは形状が計算される。
【０００７】
レンズ７はＣＣＤ９Ａ、９Ｂ、９Ｃ上に被写体の像を結ぶ。光波長分離フィルタ８Ａは、光源１Ａの波長の光を透過し、他の波長の光を反射する。光波長分離フィルタ８Ｂは、光源１Ｂの波長の光を透過し、他の波長の光を反射する。その結果、光源１Ａ、１Ｂの光の被写体からの反射光はＣＣＤ９Ａ、９Ｂにより撮影され、他の波長の光はカラー画像としてＣＣＤ９Ｃにより撮影される。
【０００８】
光源Ａ信号処理部１０Ａと光源Ｂ信号処理部１０Ｂは、ＣＣＤ９Ａ、９Ｂの出力について通常のモノクロカメラと同様の信号処理を行う。カラーカメラ信号処理部１１は、ＣＣＤ９Ｃの出力について通常のカラーカメラの信号処理を行う。
【０００９】
距離計算部１２は、各光源の波長についてＣＣＤ９Ａ、９Ｂにより撮影された信号レベルの比、基線長、画素の座標値から、各画素について距離計算を行う。
【００１０】
図２８(ａ)(ｂ)は、その距離計算を図形的に説明する図である。同図において、Ｏはレンズ７の中心、Ｐは被写体上の点、Ｑは回転ミラーの回転軸の位置である。また、説明を簡単にするため、ＣＣＤ９の位置を被写体側に折り返して示している。また、ＯＱの長さ（基線長）をＬ、ｘｚ平面内でＱから見たＰの角度をφ、ｙｚ平面内でＯからみたＰの角度をωとすると、図計的な関係より、Ｐの３次元座標は以下の式で計算される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成では、２つのレーザ光強度の双方を走査フィールド内で変化させているため、図２７（ｂ）に示すように、光強度比の変化率はリニアにならず、走査開始時刻と走査終了時刻とで曲線的に変動する。ＣＣＤ９Ａ、９Ｂにより撮影した画像データのノイズに起因するレーザ光強度比の誤差は距離もしくは形状の計測誤差の主な原因となるが、レーザ光強度比の変化率が一定でない場合には、ノイズに起因する光強度測定誤差が発生しやすいという問題がある。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、光学系、信号処理系でのノイズの影響を低減し、計測精度を向上するレンジファインダ装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、以下の構成を採る。
【００１５】
本発明は、１波長のレーザー光源に対する光強度変調信号に振幅が時間的に変化する高周波を重畳し、強度変調した前記レーザー光を回転ミラーにより被写体に走査し、被写体からの反射光をＣＣＤにより撮像する一方、前記ＣＣＤの着目画素近傍での光強度分布について上限と下限の２つの包絡線検出と局所平均検出を行ない、前記２つの包絡線の差と前記局所平均値の比に基づいて光源から見た被写体への角度情報を計算し、前記着目画素の座標値に基づいて前記ＣＣＤから見た被写体への角度情報を計算し、計算した前記角度情報と基線長とを用いてフィールド期間毎に各画素について距離計測を行うものである。
【００１６】
この構成により、１波長のレーザー光源による１回の走査からフィールド毎に各画素についての距離計測を行うことができる。
【００１７】
また、本発明は、単一波長の光を発するレーザ光源からの光を被写体に走査させる走査手段と、前記走査手段の走査周期と同期して前記レーザ光の光強度を変化させ、かつ、振幅が時間的に変化する高周波を重畳する光強度制御手段と、前記被写体からの反射光から前記波長と同一波長の光を分離する波長分離手段と、分離した前記光を撮像するＣＣＤと、前記ＣＣＤの着目画素近傍での光強度分布について上限と下限の２つの包絡線検出と局所平均検出を行ない、前記２つの包絡線の差と前記局所平均値の比に基づいて光源から見た被写体への角度情報を計算し、前記着目画素の座標値に基づいて前記ＣＣＤから見た被写体への角度情報を計算し、計算した前記角度情報と基線長とを用いてフィールド期間毎に各画素について距離計測を行う距離計測手段と、を具備するレンジファインダ装置である。
【００３９】
【発明の実施の形態】
本発明のレンジファインダ装置は、複数の波長の光を発する光源からのレーザ光を被写体に走査させる走査手段と、この走査手段の走査周期と同期して前記レーザ光の光強度を変化させる光強度制御手段と、前記被写体からの反射レーザ光から前記複数の波長と同一波長の光を各々分離する波長分離手段と、前記分離した光の光強度比から前記走査手段における計測点の角度を算出し被写体までの距離計算を行う距離計算手段と、を具備する構成とした。
この構成により、レーザ強度比の誤差による走査手段における計測点の角度誤差を小さくすることができるため、光学系、信号処理系でのノイズの影響を低減し、計測精度を向上するレンジファインダ装置を得ることができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、光強度制御手段は、走査周期の前半区間では、一方のレーザ光強度を一定にし、他方のレーザ光強度を直線的に変化させる一方、走査周期の後半区間では、一方のレーザ光強度を直線的に変化させ、他方のレーザ光強度を一定にするよう構成した。
この構成により、レーザ光強度比の変化率を全走査区間において常に一定にすることができるとともに、レーザ光強度の比の範囲を大きくとることができるので、ノイズの影響によるレーザ光強度比の計測誤差を最小限に抑えることができ、その結果正確に光源側から見た計測点の角度（φ）を決定できることとなる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、距離計算手段は、レーザ光強度の大小関係とレーザ光強度の比との双方から、走査手段における計測点の角度を決定するよう構成した。
この構成により、現在の走査点が、走査区間の前半、後半のいずれのどの点に存在するかが確実に検出できる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、光強度制御手段は、予め測定したノイズレベルの特性に応じてレーザ光強度を補正するよう構成した。
この構成により、予め測定した装置の光学系、信号処理系に起因するノイズを補正するようにレーザ光強度を制御することができ、ノイズの影響を更に低減し、計測精度を格段と向上するレンジファインダ装置を得ることができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、距離計算手段は、着目画素近傍の複数の周辺画素におけるレーザ光強度比の平均値、重み付け平均値、または、着目画素と周辺画素とのメディアン値を用いて、着目画素におけるレーザ強度比を計算する構成とした。
この構成により、レーザ光強度比の一様な領域においてはレーザ強度比のノイズを低減でき、また、ランダムに生じるノイズについてはノイズレベルをｎ分の１（ｎは対象とする周辺画素数）にすることができ、計測精度の向上が図られる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、距離計算手段は、各光源のレーザー光の垂直方向の強度分布と各受光部の感度特性を考慮して光強度を補正し、補正後の光強度の比を用いて距離計算を行なう構成とした。
この構成により、２つのレーザー光源からのライン光の垂直方向の強度分布（垂直プロファイル）が一致しない場合でも、計測精度を保つことができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、距離計算手段は、各光源のレーザー光の垂直方向の強度分布と各受光部の感度特性を考慮して光強度比を補正し、補正後の光強度比を用いて距離計算を行う構成とした。
この構成により、２つのレーザー光源からのライン光の垂直方向の強度分布（垂直プロファイル）が一致しない場合でも、計測精度を保つことができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、前記被写体からの反射レーザ光を受光するカメラを有し、このカメラと光源とを、光源からの光線のカメラ視野内での軌跡であるエピポーラ線が平行になるような位置関係に配置する構成とした。
この構成により、基準距離における光強度もしくは光強度比の補正による距離測定精度 の改善効果が、被写体距離が基準距離から離れた場合にも得ることができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、レーザ光の光強度を変化させる際に、レーザー光の強度変調信号に高周波を重畳する構成とした。
この構成により、スペックルノイズを低減し、距離測定精度を改善し測定可能距離範囲を拡大することができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、走査手段は、ガルバノミラーとポリゴンミラーを用いることにより、レーザ光を被写体に走査させる構成とした。
この構成により、垂直方向の光強度比を一定にしたレーザー光走査を行え、光強度もしくは光強度比の補正を行わずに、距離計測を行うことができる。
また、本発明は、上記レンジファインダ装置において、波長分離手段は、撮像面に対して傾斜させて配置した干渉フィルターにより、波長分離を行なう構成とした。
この構成により、光源のコヒーレンスにより生じるモアレ縞の発生を低減することができる。
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１に係るレンジファインダ装置について、図面を用いて説明する。
【００４０】
図１は、本発明の実施の形態１におけるレンジファインダ装置の概略構成を示すブロック図である。図１において、１０１Ａ、１０１Ｂは波長のわずかに異なるレーザ光源、１０２は前記波長の異なるレーザ光源からのレーザ光を合成するハーフミラー、１０３は前記レーザ光源の光強度を制御する光源制御部、１０４はレーザ光を走査する回転ミラー、１０５は回転ミラーを制御する回転制御部、１０６は被写体、１０７はＣＣＤ上に像を結ぶためのレンズ、１０８Ａ、１０８Ｂはレーザ光源の波長の光を分離する光波長分離フィルタ、１０９Ａ、１０９Ｂはモノクロ画像を撮像するＣＣＤ、１０９Ｃはカラー画像を撮像するＣＣＤ、１１０Ａ、１０Ｂはモノクロカメラの信号処理部、１１１はカラーカメラの信号処理部、１１２はＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂによって撮影したレーザ光の強度から被写体の距離もしくは形状を計算する距離計算部、１１３は装置全体の同期を調整する制御部である。以下に上記構成の動作について説明する。
【００４１】
１０１Ａ、１０１Ｂは波長のわずかに異なるレーザ光（後述する回転ミラー１０４による走査方向と垂直な光切断面を持つライン光）を発する。この波長特性は、図１０に示したものと同様である。波長の近い２つの光源を用いるのは、被写体の反射率の波長依存性の影響を受けにくくするためである。双方の光源から発せられたレーザ光はハーフミラー１０２によって合成され、回転ミラー１０４によって被写体１０６に走査される。
【００４２】
その際、双方のレーザ光源の光強度をフィールド周期内で、図２に示すように変化させる。つまり、走査周期の前半区間では、一方のレーザ光の光強度を一定にし、他方のレーザ光の光強度を直線的に変化させる一方、走査周期の後半区間では、一方のレーザ光強度を直線的に変化させ、後者のレーザ光強度を一定にする。更に、信号レベルの比を、レベル小の値／レベル大の値として計算するよう構成されている。
【００４３】
従って、レーザ光強度比の変化率は、全走査区間において、常に一定となる。
【００４４】
回転制御部１０５は、フィールド周期で回転ミラーを駆動しレーザ光を走査する。レーザ光強度の変化とミラー角の駆動を同期させることにより、後述する距離計算部において、２つのレーザ光強度の比と両者の大小関係から、光源側から見た計測点の角度を決定できる。
【００４５】
図３は、制御部１１３からの垂直同期信号（ａ）と光源１０１Ａ、光源１０１Ｂの強度変調信号（ｂ）（ｃ）、回転ミラー１０４の駆動信号（ｄ）のタイミング図である。図示するように、光源１０１Ａ、１０１Ｂの強度変調信号（ｂ）（ｃ）と回転ミラー１０４の駆動信号（ｄ）を制御部１１３からの垂直同期信号（ａ）に同期させて、レーザ光強度比を変化させながらレーザ光を走査する。
【００４６】
レンズ１０７はＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂ、１０９Ｃ上に被写体の像を結ぶ。光波長分離フィルタ１０８Ａは、光源１０１Ａの波長の光を透過し、他の波長の光を反射する。光波長分離フィルタ１０８Ｂは、光源１０１Ｂの波長の光を反射し、他の波長の光を透過する。その結果、光源１０１Ａ、１０１Ｂの光の被写体からの反射光は各々ＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂにより撮影され、他の波長の光はカラー画像としてＣＣＤ１０９Ｃにより撮影される。
【００４７】
光源Ａ信号処理部１１０Ａと光源Ｂ信号処理部１１０Ｂは、ＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂの出力について通常のモノクロカメラと同様の信号処理を行う。カラーカメラ信号処理部１１１は、ＣＣＤ１０９Ｃの出力について通常のカラーカメラの信号処理を行う。
【００４８】
距離計算部１１２は、各光源の波長についてＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂにより撮影された信号レベルの比、基線長、画素の座標値から、各画素について距離計算を行う。
【００４９】
この距離計算は、既に図１１により説明したと同様の方法により、式(１）によって計算される。
【００５０】
式(１）のφについては、前述のとおり、ＣＣＤ９Ａ、９Ｂによりモニタしたレーザ光源１Ａ、１Ｂの光強度比によって計算し、θ、ωについては画素の座標値から計算する。φの計算は従来と同様の方法により行うが、実施の形態１では、走査周期の半周期において一方のレーザ光強度を一定にし他方のレーザ光強度をリニアに変化させるようにするとともに、２つのレーザ光強度の比と両者の大小関係とから、１走査期間内での走査時刻を測定して回転ミラー１０４の回転角を算出するようにしたため、レーザ光強度比の変化率を全走査区間において常に一定にすることができるとともに、レーザ光強度の比の範囲を大きくとることができるので、ノイズの影響によるレーザ光強度比の計測誤差を最小限に抑えることができ、その結果正確に光源側から見た計測点の角度（φ）を決定できることとなる。２つのレーザ光強度の比と両者の大小関係とから回転ミラー１０４の回転角を算出するには、これらを予めテーブル化して用意しておき都度参照することにより処理の高速化を図り得る。
【００５１】
このようにして求めた計測点の角度（φ）を用いて、式(１）に示した値のうち、ｘ、ｙ、ｚのすべてを計算すると形状を求めることができ、ｚのみであれば距離画像を求めることができる。
【００５２】
以上のように実施の形態１によれば、レーザ強度比の変化率を角度によらず一定にすることにより、レーザ強度比の計測誤差による角度誤差、形状もしくは距離の計測誤差を低減することができる。
【００５３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２においては、カメラにより撮影されたビデオ信号のノイズレベルに応じて、レーザ光強度を走査周期内に変化させることにより、レーザ光強度比の誤差による角度誤差を小さくし、計測精度を向上させる例について示す。
【００５４】
図４は、本発明の実施の形態２におけるレンジファインダ装置の構成図である。図４において、実施の形態１と同じ動作を行うものについては同一の符号を付し説明を省略する。実施の形態２は、光源制御部４０３と距離計算部４１２の動作についてのみ、実施の形態１と異なる。以下、この光源制御部４０３、距離計算部４１２の動作について説明する。
【００５５】
光源制御部４０３は、ＣＣＤ１０９Ａ、１０９Ｂによって撮影されたビデオ信号のノイズレベルに応じて、角度誤差が最小となる強度変調を行う。この光源制御部４０３における強度変調について以下に説明する。
【００５６】
距離計算部４１２におけるレーザ強度比の計算は、ＣＣＤ１０９Ａにより撮影された信号レベルをＳA、ＣＣＤ１０９Ｂにより撮影された信号レベルをＳBとし、カメラのγ特性を１とすると、ＳB＜ＳAとなっている場合は、理想的には以下の式(２）によって計算される。
【数２】
【数３】
【００５７】
今、信号レベルに対して確率的に分布するノイズレベルの代表値をＲＭＳ値σとすると、距離計算部４１２におけるレーザ強度比は、レーザ光強度比が大きく見積もられる場合は、
【数４】
逆にレーザ光強度比が小さく見積もられる場合は、
【数５】
【００５８】
従って、レーザ強度比の誤差の範囲は、式(４）式(５）と式(２）の差から、以下の式(６）に示す範囲となる。
【数６】
【００５９】
レーザ光強度比と回転ミラーの駆動信号は、図３に示すように、フィールド周期内で時間と共に変化するため、観測されるレーザ光強度比の誤差は時間の誤差すなわち光源から見た角度の誤差となる。角度誤差を小さくするためには、レーザ光強度比の誤差に比例して光源１Ｂの強度が変化するようにすればよく、また、光源１Ｂの強度がフィールド周期の前半の期間で単調増加する必要があるという条件から、信号レベルに対するノイズレベルの分布について、角度誤差を最小化する光源１Ｂの強度変調関数ＩB（ｔ）を式(７）を式(８）の境界条件で数値的に解くことにより決定できる。
【数７】
式(７）を式(８）の境界条件を満たすように解くことにより、フィールド周期内で角度誤差を一定にする強度変調関数を決定して角度誤差を最小化することができる。
【００６０】
なお、式(７）からの強度変調関数ＩB（ｔ）の決定方法として、２次関数、双曲線等の曲線当てはめを用いても、ほぼ同じ効果を得ることができること、勿論である。
【００６１】
図５は、出力３０ｍＷ、波長８３０ｎｍのレーザ光源により１ｍの距離にある複数の色の色指標にレーザ光を一様なレーザパワー密度で投射し、赤外感度のあるＣＣＤで撮影したビデオ信号について、画面中央部の領域において測定したノイズレベル（ＲＭＳ値）を示すものである。このノイズレベルは、ＣＣＤの暗電流ノイズ、ショットノイズ、アンプのノイズ、スペックルノイズ等の複数のノイズ成分を含んだ形で測定されている。これらのノイズのうち支配的な成分は光源のコヒーレンスに起因するスペックルノイズである。
【００６２】
図６は、図５の１ｍの距離の被写体についての信号レベルとノイズレベルの関係に対して、角度誤差がフィールド周期内で一定となるように補正した強度変調信号の図である。被写体の距離が１ｍ以外の場合には、被写体の距離に応じた信号レベルとノイズレベルの関係を予め測定するか、１ｍの被写体距離の関係から予測することにより、設定した距離での誤差を少なくして測定精度を改善できる。被写体距離が１ｍ以外の時の信号レベルとノイズレベルの関係は、信号レベルが距離の２乗に反比例して減少するとし、また、信号レベルに対するノイズレベルの値は距離によらず同じであるとすることで予測できる。
【００６３】
また、信号レベルの増加に伴うノイズレベルの増加（ショットノイズ）は、信号レベルの１／２乗に比例することが知られている。図７は、そのようなノイズレベルと信号レベルの関係を示している。図７のようなノイズレベルと信号レベルの関係の場合にも、上記の図５のノイズレベルと信号レベルの関係からの強度変調関数の決定方法と同じ方法によって、強度変調関数を決定できる。
【００６４】
また、被写体の距離としては予め設定したものに限らず、前フィールドでの計測値の画像内の距離の平均値や、中央部を優先的に重み付けした重み付け平均を現フィールドでのノイズレベルを決定するための被写体距離としてもよい。
【００６５】
以上のように実施の形態２によれば、レーザ光強度を、カメラにより撮影されたビデオ信号の信号レベルとノイズレベルとの関係に応じて補正した上で、走査周期内で変化させることにより、レーザ光強度比の誤差による角度誤差を小さくし、計測精度を向上させることができる。
【００６６】
なお、実施の形態２におけるノイズの主成分であるスペックルノイズは、レーザー光源のコヒーレンスが原因で生じる。この光源のコヒーレンス性を減少させる方法について以下に説明する。
【００６７】
図２０は、高周波信号を重畳した光源の強度変調信号の説明図である。同図に示すように、光源の強度変調信号に高周波信号を重畳することにより、局所的な平均レベル（図２０中の破線）を変化させずにレーザーパワーを高速に変化させることができる。レーザーパワーが変化するとレーザーの発振モードが変化し、スペックルの強度も変化する。したがって、もとの変調信号（６０Ｈｚ）と比べて周波数の高い（例えば数ｋＨｚ程度の）高周波を重畳することにより、スペックルノイズのレベルを低減することができ、このような方法も本発明に含まれる。
【００６８】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３においては、着目画素におけるレーザ光強度比を近傍の複数の画素におけるレーザ光強度比を用いて計算することにより、レーザ光強度比の誤差を減少させ、計測精度を改善する例について示す。
【００６９】
図８は、本発明の実施の形態３におけるレンジファインダ装置の構成図である。図８において、本発明の実施の形態１もしくは実施の形態２と同一の動作をするものについては、図１もしくは図４と同一の符号を付し説明を省略する。以下、光源制御部８０３、距離計算部８１２の動作について説明する。
【００７０】
光源制御部８０３は、本発明の実施の形態１、実施の形態２における光源制御部と同一の動作をし、レーザ光源の光強度比を制御する。また、距離計算部８１２は、着目画素におけるレーザ光強度比を、周囲の複数の画素（例えば３×３画素）におけるレーザ光強度比の平均として計算し、その値を用いて実施の形態１、実施の形態２と同一の距離計算を行うようにした。
【００７１】
実施の形態３では、その距離計算に際して、レーザ光強度比として、着目画素の周囲の複数の画素におけるレーザ光強度比の平均を用いることとしたため、レーザ光強度比の一様な領域においてレーザ強度比のノイズを低減できる。ランダムに生じるノイズについては、周囲のｎ×ｎ画素におけるレーザ光強度比の平均を計算することで、ノイズレベルをｎ分の１にすることができ、その結果計測精度を改善できる。
【００７２】
なお、距離計算部８１２におけるレーザ光強度比の計算は、着目画素とその周囲の画素の平均とするものに限る必要はない。例えば、平均値の差が大きいほど重みが小さくなる重み付け平均によって、レーザ光強度比を決定することにより、レーザ光強度比が急激に変化する物体輪郭付近における測定誤差を低減できる。また、着目画素とその周囲の画素のメディアン値としてレーザ光強度比を決定するようにしてもよい。
【００７３】
また、距離計算部８１２において、レーザー光強度比を着目画素とその周囲の画素における値から計算するかわりに、着目画素における距離計測値を着目画素とその周囲の画素における距離計測値の平均値、重み付け平均値、もしくは、メディアン値として計算しても同様の効果を得ることができ、本発明に含まれる。
【００７４】
以上のように実施の形態３によれば、着目画素におけるレーザ光強度比を近傍の複数の画素におけるレーザ光強度比を用いて計算することにより、レーザ光強度比の誤差を減少させ、計測精度を改善することができる。
【００７５】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４においては、レーザー光源の垂直方向の強度分布（垂直プロファイル）による影響を信号処理により補正し、計測精度を改善する例について示す。
【００７６】
図９は、本発明の実施の形態４におけるレンジファインダ装置の構成図である。図９において、本発明の実施の形態１〜３と同一の動作をするものについては、図１、図４もしくは図８と同一の符号を付し説明を省略する。以下、距離計算部９０１の動作について説明する。
【００７７】
距離計算部９０１は、着目画素におけるレーザー光強度（すなわち輝度）を画素のｙ座標値に応じて補正し、補正後のレーザー光強度を用いて実施の形態１〜３と同一の距離計算を行うようにした。
【００７８】
実施の形態４では、その距離計算に際して、レーザー光強度の垂直方向の分布（垂直プロファイル）を考慮してレーザー光強度を補正し、補正後のレーザー光強度から距離計算を行うため、２つのレーザー光源の垂直プロファイルが一致しない場合でも、計測精度を保つことができる。
【００７９】
以下に、レーザー光強度の垂直方向の分布（垂直プロファイル）について説明する。
【００８０】
図１０は、レーザー光源とスリット光生成のための光学系の説明図である。図１０において、１００１はレーザー発信器、１００２はレーザーダイオード、１００３はコリメータレンズ、１００４はシリンドリカルレンズである。
【００８１】
レーザーダイオード１００２は、レーザー発信器内の駆動回路によって駆動され一定波長の光を発する。
【００８２】
図１１は、レーザーダイオード１００２の光強度の方向性を示す特性図である。同図に示すように、レーザーダイオードが発する光の強度は、ピーク強度を中心にしたガウス状の分布を持つ。
【００８３】
コリメータレンズ１００３は、レーザーダイオード１００２の発するレーザー光を集光しビーム光を生成する。
【００８４】
シリンドリカルレンズ１００４は、コリメータレンズ１００３が生成したビーム光を鉛直方向に拡大し、スリット光を生成する。図１１に示すように、レーザーダイオードの発する光の強度はガウス状の分布をしているため、これを集光し垂直方向に拡大したスリット光の光強度は垂直方向に一様にはならず、水平方向の光強度分布については、分布幅が小さいため問題とはならない。
【００８５】
図１２は、２つのレーザー光源の垂直方向の光強度分布（垂直プロファイル）の一例を示す。レーザーダイオードの光強度の方向性は、個々のレーザーによって異なるため、２つのレーザー光源の垂直プロファイルは一致しない。
【００８６】
本発明によるレンジファインダ装置では、レーザー強度比の水平方向の変化を用いて距離測定を行うため、垂直方向のレーザー強度比の変化は距離測定精度の誤差の原因となる。実施の形態４では、着目画素における光強度について、垂直プロファイルが平坦になる補正（即ち、図１２において各データとピーク値Ｐ１もしくはＰ２との比を用いた補正）を行い、補正後の光強度を用いて距離計算を行うようにした。
【００８７】
図１３は、実施の形態４における距離計算部９０１の構成図である。同図において、１３０１Ａ，１３０１Ｂは垂直プロファイル補正テーブル、１３０２は２つの光強度を光源からの角度情報に変換するＬＵＴ、１３０３は着目画素のｘ座標値をカメラからの角度情報に変換するＬＵＴ、１３０４は距離計算に必要な基線長（光源とカメラのレンズ中心間の距離）を記憶するメモリである。以下、上記構成の動作について説明する。
【００８８】
垂直プロファイル補正テーブル１３０１Ａ，１３０１Ｂは、光源Ａ、光源Ｂそれぞれのレーザー光の垂直プロファイルの補正係数を保持する。補正係数は画像の各ｙ座標毎に、図１１中のピーク値Ｐ１もしくはＰ２と各垂直プロファイルデータの比として求める。垂直プロファイルデータは、距離一定の面に時間変調を行わないレーザー光を照射しこれを撮像することにより得る。着目画素のｙ座標値に応じて補正係数を乗ずることにより、垂直プロファイルの補正を行う。
【００８９】
実施の形態４では、式(１）のｚを求める計算式を変形した以下の式(９)を計算する。
【数９】
【数１０】
【００９０】
図１４は２つのレーザー光強度の比と光源からの角度情報（数１０）との関係を示す。図１４の変換特性の計算方法について以下に説明する。
【００９１】
まず、既知の一定距離の基準面に図２に示す時間変調をかけたレーザー光を投射し、これを撮像する。次に、撮像した画像に対して垂直プロファイル補正を行う。そして、カメラパラメータ（焦点距離と撮像面上での画素寸法）を用い、各画素について垂直プロファイル補正後の光強度の大小関係に応じて光強度比と光源からの角度情報式(１０）の値を計算する。
【００９２】
図１９は、このような計算を行なった後の光強度比と角度情報式(１０）の分布を示す説明図である。光強度に含まれるノイズのために、計算された光強度比と角度情報式(１０）は幅をもった分布となる。レーザー光強度の比と光源からの角度情報式(１０）との関係は、光強度の大小関係（光源１０１Ａの光強度≦光源１０１Ｂの光強度の場合と光源１０１Ａの光強度≧光源１０１Ｂの光強度の場合）に応じて、関数（例えば３次式）当てはめを行うことにより得られる。関数当てはめに際しては、図１５において光強度比が１となる時の角度情報式(１０）の平均値（図１５中の点Ａ）を通るという条件をつけることにより、光強度比１付近での精度を改善できる。すなわち、上記条件がない場合には、光強度の大小関係に応じて当てはめた２つの関数が光強度比１以下で交差したり、１以上で交差することとなり、光強度比１付近で距離測定精度が低下する。その理由は、光強度比１付近においては、光強度に含まれるノイズにより光強度の大小関係の逆転が起こり得るからである。
【００９３】
ＬＵＴ１３０３は、着目画素のｘ座標を式(１１)で示すカメラからの角度情報に変換するために、１ライン分の値を保持する。
【数１１】
【００９４】
ＬＵＴ１３０２、ＬＵＴ１３０３からの角度情報とメモリ１３０４からの基線長値より、３角測量の式式(９）が計算でき、画像の各画素について距離ｚを計算できる。
【００９５】
距離ｚの計算は、図１３に示すように最終の除算以外、ＬＵＴ等のメモリ参照と加算、乗算回路によって実現できる。また、最終の除算についても、入力の値に対する計算結果をメモリに保持することで、メモリ参照で実現可能である。したがって、各画素についての距離計算はビデオレートでの処理が十分可能である。
【００９６】
図１６は実施の形態４における処理の手順を示す。初期設定処理として垂直プロファイル補正データを計算し(ＳＴ１６０１)、その結果を用いて光強度比から１／ｔａｎφへの変換特性を計算する(ＳＴ１６０２)。そして、ビデオレート処理として、上記垂直プロファイル補正データと光強度から１／ｔａｎφへの変換特性を用いて、距離計算を行う(ＳＴ１６０３)。
【００９７】
以上のように実施の形態４によれば、距離計算に際して、レーザー光強度の垂直方向の分布（垂直プロファイル）を考慮してレーザー光強度補正し、補正後のレーザー光強度から距離計算を行うため、２つのレーザー光源の垂直プロファイルが一致しない場合でも、計測精度を保つことができる。
【００９８】
なお、実施の形態４における垂直プロファイルの影響の補正では、光強度比を計算する前の段階で垂直プロファイルを平坦化するものについて述べたが、着目画素のｙ座標値に応じて光強度比を計算後に補正し、補正後の光強度比を角度情報に変換しても、数学的に同一の処理であり、本発明に含まれることは明らかである。
【００９９】
なお、実施の形態４における垂直プロファイルの影響の補正では、基準面での垂直プロファイルに基づく補正を行っているため、被写体が基準面から離れると計測精度が劣化することが考えられる。この点を考慮して、被写体と基準面の距離によらない垂直プロファイル補正を実現する撮像面と光源の配置について以下に説明する。
【０１００】
図１７は、ライン光の撮像の説明図である。同図において、１７０１はレーザー光源、１７０２はコリメートレンズ、１７０３はシリンドリカルレンズ、１７０４は回転ミラー、１７０５はカメラである。レーザー光源１７０１から発せられたレーザー光は、コリメートレンズ１７０２によりコリメートされビーム光となり、シリンドリカルレンズ１７０３により鉛直方向にのみ拡散されてライン光となり、回転ミラー１７０４によって計測空間を走査される。ここで、ライン光のそれぞれの方向に進む光が、撮像時に画像中のどこに写るかを考える。
【０１０１】
図１８は、図１７に示した光の通る点ａ１，ａ２，ｂ１，ｂ２，ｃ１，ｃ２が、撮像時に画像中に写る位置を示している。図１８は、空間中を進む光（３次元空間中の直線）が撮像（透視変換）により画像中の直線（２次元空間中の直線）に投影されることを示す。
【０１０２】
図１８において、画像中に投影された直線は、画像内で左側が３次元空間中ではカメラから遠く、逆に右側が３次元空間中でカメラに近い。この直線は一般的には画像内で水平とはならないため、基準距離と被写体の距離が離れると、垂直プロファイル補正が正しく行えなくなる。
【０１０３】
ライン光撮像時に、ライン光に含まれるすべての方向に進む光の軌跡が画像内で水平になれば、基準距離での垂直プロファイルに基づく光強度補正を被写体の距離によらず適用できる。垂直プロファイル補正は、画像内でのｙ座標値に応じて行うためである。そのような光源と撮像面の配置について以下に説明する。
【０１０４】
図１９は、空間内の直線の撮像面への射影の定式化の説明図である。同図において、Ｏはレンズ中心、Ａは光源位置（扇状のライン光の要の位置）。また、簡単のため撮像面はＺ＝ｆの位置にあるとする。Ａの位置ベクトルを（ｌｘ，ｌｙ，ｌｚ）、光源からの光の方向ベクトルを（ｄｘ，ｄｙ，ｄｚ）とする。光の通る直線は、
【数１２】
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【数１６】
【０１０５】
なお、実施の形態４における光強度補正では、垂直１ライン分の補正テーブルで実現できる垂直プロファイルの影響の補正について述べたが、１画面分の補正テーブルを用いることにより、着目画素のｘ座標値、ｙ座標値に応じた補正（例えばレンズの周辺減光の補正）を同様の構成で行うことができ、本発明に含まれる。
【０１０６】
なお、実施の形態４では、レーザービーム光からライン光を生成し、ライン光を回転ミラー（ガルバノミラー）にて水平走査する構成としているが、レーザービーム光をガルバノミラーとポリゴンミラーを用いて２次元的に走査してもよい。
【０１０７】
図２１は、ガルバノミラーとポリゴンミラーによるレーザービーム光の走査の説明図である。図２１において、２１０１は、ガルバノミラー。２１０２はポリゴンミラーである。ガルバノミラー２１０１はレーザービーム光を垂直走査し、ポリゴンミラー２１０２はレーザービーム光を水平走査する。両者の走査により被写体空間でレーザー光を走査できる。実施の形態４においては、光源として２つのレーザー光源を用いているが、ガルバノミラーとポリゴンミラーによる走査により、レーザー強度比を垂直方向に一定に保つことが容易となり、垂直プロファイルの補正を行なわずに距離計測を行え、本発明に含まれる。
【０１０８】
なお、実施の形態５では距離ｚを計測するものについて述べたが、式(１）のｘ，ｙ，ｚをすべて計測することにより、３次元座標値（ｘ、ｙ、ｚ）の計測が行えることはもちろんである。
【０１０９】
なお、本発明の実施の形態１〜４による距離計測は、２波長の光源を用いた１フィールド毎の距離計測を行うようにしたが、前記実施の形態における各波長用のレーザー強度変調信号（２種類）をフィールド毎に切り替えて１つのレーザー光源の光強度を制御することにより、１波長の光源によって１フレーム毎の距離計測を行うようにしてもよい。
【０１１０】
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５は、１波長の光源でフィールド毎に距離計算を行う実施の形態に言及する。図２２は本発明の実施の形態５におけるレンジファインダ装置の構成図である。本発明の実施の形態１〜４の構成と同一の動作をするものについては、上記実施の形態とと同一の符号を付して説明を省略する。上記実施の形態との相違点は、光源制御部２２０１、レーザー光源２２０２、可視光を反射し赤外光を透過する赤外透過フィルター２２０３、レーザー光源２２０２の波長の光だけを透過する干渉フィルタ２２０４、距離計算部２２０５、装置全体の同期を制御する制御部２２０６を設けた点にある。
【０１１１】
光源制御部２２０１は、図２３（ａ）もしくは（ｂ）に示す強度変調信号によってレーザ光源２２０２を駆動する。図２３に示す強度変調信号は、その包絡線（上下２つ）の差と局所的な平均の比がフィールド期間内の時間（すなわち回転ミラー１０４から見た被写体の角度）と一意に対応している。
【０１１２】
被写体１０６からの反射光は赤外透過フィルターによって赤外光と可視光に分離され、可視光はカラーＣＣＤ１０９Ｃにて撮像される。一方、赤外光は干渉フィルタ２２２０４によって光源波長の光だけが透過され赤外感度のあるモノクロＣＣＤ１０９Ａによって撮像される。
【０１１３】
なお、干渉フィルタ２６５をモノクロＣＣＤ１０９Ａと平行に配置すると、レーザー光源のコヒーレンス性により、撮像した画像中にモアレ縞が発生するため、ＣＣＤ１０９Ａに対して傾けて配置する。
【０１１４】
干渉フィルタの透過波長特性は、入射光がフィルタ面に対して垂直な角度から離れて入射すると、透過波長ピークが短波長側にシフトするため、該シフト量を予め考慮し光源波長よりも長波長側に透過波長ピークのある干渉フィルタを用いる。
【０１１５】
距離計算部２２０５は、画像として得られた光強度の各ラインについて包絡線検出と局所平均検出を行い、距離を計算する。
【０１１６】
図２４は、距離計算部２２０５の構成の１例を示すブロック図である。同図に示すように、距離計算部２２０５は、包絡線・局所平均検出部２４０１、包絡線の値（上下２つ）の差と局所平均値との比を、光源からの角度情報に変換するＬＵＴ２４０２、着目画素のｘ座標をカメラからの角度情報に変換するＬＵＴ２４０３、基線長の値を保持するメモリ２４０４、とを有する。
【０１１７】
光強度の包絡線は、着目画素近傍で光強度の極大値、極小値検出結果を空間的にそれぞれ補間することによって検出する。
【０１１８】
ＬＵＴ２４０２、ＬＵＴ２４０３の出力とメモリ２４０４の基線長の値から、各画素についての距離を計算することができる。
【０１１９】
以上のように、実施の形態５によれば１波長のレーザー光源を用いて、光強度変調信号の包絡線の差と平均光強度との比によって光源からの角度情報を与え、これとＣＣＤからの角度情報と基線長による三角測量により、フィールド周期毎に各画素についての距離計測を行うことができる。
【０１２０】
また、レーザー光源の波長だけを透過する干渉フィルタをＣＣＤに対して傾斜配置することにより、レーザー光のコヒーレンス性によるモアレ縞の発生を低減できる。
【０１２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、一方のレーザ強度を一定に保ち、他方レーザ強度を直線的に変化させて、レーザ強度比をフィールド期間内で直線的に変化させることにより、レーザ強度比の変化率を角度によらず一定にでき、レーザ光強度比の計測誤差による角度誤差、形状もしくは距離の計測誤差を低減することができる。
【０１２２】
また、レーザ光強度を、カメラにより撮影されたビデオ信号の信号レベルとノイズレベルの関係に応じて補正した上で、走査周期内に変化させることにより、レーザ光強度比の誤差による角度誤差を小さくし、計測精度を向上させることができる。
【０１２３】
また、着目画素におけるレーザ光強度比を近傍の複数の画素におけるレーザ光強度比を用いて計算することにより、レーザ光強度比の誤差を減少させ、計測精度を改善することができる。
【０１２４】
また、距離計算に際して、レーザー光強度の垂直方向の分布（垂直プロファイル）を考慮してレーザー光強度補正し、補正後のレーザー光強度から距離計算を行うため、２つのレーザー光源の垂直プロファイルが一致しない場合でも、計測精度を保つことができる。
さらに、撮像系のレンズ中心と光源を結ぶ線分が、撮像面のｘ軸と水平になるように光源を配置することにより、基準距離と被写体との距離によらず垂直プロファイル補正を正確に行うことができる。
【０１２５】
また、レーザー光の走査にガルバノミラーとポリゴンミラーの双方を用いることにより、垂直プロファイル補正の不要なレンジファインダを構成できる。
【０１２６】
また、１波長のレーザー光源を用いて、光強度変調信号の包絡線の差と平均光強度との比によって光源からの角度情報を与え、これとＣＣＤからの角度情報と基線長による三角測量により、フィールド周期毎に各画素についての距離計測を行うことができる。
【０１２７】
さらに、レーザー光源の波長だけを透過する干渉フィルタをＣＣＤに対して傾斜配置することにより、レーザー光のコヒーレンス性によるモアレ縞の発生を低減でき、その実用的効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１におけるレンジファインダ装置の構成を示すブロック図
【図２】実施の形態１におけるレンジファインダ装置のレーザ光源の強度変調の特性図
【図３】実施の形態１における動作のタイミング図
【図４】本発明の実施の形態２におけるレンジファインダ装置の構成を示すブロック図
【図５】実施の形態２における信号レベルとノイズレベルの関係を示す特性図
【図６】実施の形態２におけるレーザ光源の強度変調の特性図
【図７】形態２における信号レベルの１／２乗に比例して増加するノイズレベルの特性図
【図８】本発明の実施の形態３におけるレンジファンダ装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態４におけるレンジファインダ装置の構成を示すブロック図
【図１０】実施の形態４におけるレーザー光源からライン光を生成する光学系の説明図
【図１１】実施の形態４におけるレーザーダイオードの方向特性を示す特性図
【図１２】実施の形態４におけるライン光の垂直プロファイルの説明図
【図１３】実施の形態４における距離計算部の構成図
【図１４】実施の形態４におけるレーザー光強度と角度情報１／ｔａｎφの関係を示す特性図
【図１５】実施の形態４における光強度比に対する角度情報１／ｔａｎφの分布を示す説明図
【図１６】実施の形態４における処理の流れ図
【図１７】実施の形態４におけるライン光の撮像の説明図（その１）
【図１８】実施の形態４におけるライン光の撮像の説明図（その２）
【図１９】実施の形態４における３次元空間内の直線の撮像面への射影の定式化の説明図
【図２０】実施の形態４における高周波信号を重畳した光源の強度変調信号の説明図
【図２１】実施の形態４におけるガルバノミラーとポリゴンミラーによるレーザービーム光の走査の説明図
【図２２】本発明の実施の形態５におけるレンジファインダ装置の構成図
【図２３】実施の形態５におけるレーザー光の強度変調信号の説明図
【図２４】実施の形態５における距離計算部の構成を示すブロック図
【図２５】従来のレンジファインダ装置の構成図
【図２６】従来のレンジファインダ装置の光源の波長特性を示す特性図
【図２７】従来のレンジファインダ装置の光源の強度変調の特性図
【図２８】レンジファインダにおける計測原理図
【符号の説明】
１０１Ａ、１０１Ｂ レーザ光源
１０２ ハーフミラー
１０３ 光源制御部
１０４ 回転ミラー
１０５ 回転制御部
１０６ 被写体
１０７ レンズ
１０８Ａ、１０８Ｂ 光波長分離フィルタ
１０９Ａ、１０９Ｂ モノクロＣＣＤ
１０９Ｃ カラーＣＣＤ
１１０Ａ、１１０Ｂ モノクロカメラ信号処理部
１１１ カラーカメラ信号処理部
１３０ 距離計算部
１１３ 制御部
Claims (2)
- １波長のレーザー光源に対する光強度変調信号に振幅が時間的に変化する高周波を重畳し、強度変調した前記レーザー光を回転ミラーにより被写体に走査し、被写体からの反射光をＣＣＤにより撮像する一方、
前記ＣＣＤの着目画素近傍での光強度分布について上限と下限の２つの包絡線検出と局所平均検出を行ない、前記２つの包絡線の差と前記局所平均値の比に基づいて光源から見た被写体への角度情報を計算し、前記着目画素の座標値に基づいて前記ＣＣＤから見た被写体への角度情報を計算し、計算した前記角度情報と基線長とを用いてフィールド期間毎に各画素について距離計測を行う距離計測方法。 - 単一波長の光を発するレーザ光源からの光を被写体に走査させる走査手段と、前記走査手段の走査周期と同期して前記レーザ光の光強度を変化させ、かつ、振幅が時間的に変化する高周波を重畳する光強度制御手段と、前記被写体からの反射光から前記波長と同一波長の光を分離する波長分離手段と、分離した前記光を撮像するＣＣＤと、前記ＣＣＤの着目画素近傍での光強度分布について上限と下限の２つの包絡線検出と局所平均検出を行ない、前記２つの包絡線の差と前記局所平均値の比に基づいて光源から見た被写体への角度情報を計算し、前記着目画素の座標値に基づいて前記ＣＣＤから見た被写体への角度情報を計算し、計算した前記角度情報と基線長とを用いてフィールド期間毎に各画素について距離計測を行う距離計測手段と、を具備するレンジファインダ装置。
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