(57)【要約】【課題】対象物までの距離に起因する測定精度の低下を防止し、対象物までの距離や形状を高精度に測定する。【解決手段】照明光を出射する半導体レーザ２１と、照明光を回折して生成した回折パターン光を、対象物４１に照射する回折光学素子２２と、対象物で反射された回折パターン光を結像する複数の撮像レンズ１２と、各撮像レンズにより結像された回折パターン光に基づく、対象物に係る複数の画像を撮像する複数の撮像素子１３と、複数の画像間の視差情報から対象物からの距離を算出する測距手段３１と、測距手段から得られた距離情報に応じて回折パターン光を制御する照射制御手段３２と、を備えた。【選択図】図２
2014009997.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、対象物に照射する回折光学素子と、
前記対象物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、前記対象物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対象物からの距離を算出する測距手段と、
前記測距手段から得られた距離情報に応じて前記回折パターン光を制御するパターン制御手段と、
を備えたことを特徴とする測距装置。
【請求項２】
前記パターン制御手段は、前記回折パターン光の密度を制御することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記パターン制御手段は、前記回折パターン光の画角を制御することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項４】
透過する光の偏光方向を制御可能な偏光回転素子と、
該偏光回転素子から出射された光を偏光方向に応じて透過又は反射する少なくとも１つの偏光手段と、
該偏光手段を透過又は反射した夫々の光を回折して互いに異なる前記回折パターン光を生成する複数の前記回折光学素子と、を備え、
前記パターン制御手段は、前記偏光回転素子を透過した光の偏光方向を制御することにより前記照明光が入射する前記回折光学素子を切り換える
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物に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し、特に、測距条件に応じて投光するパターン光を制御することにより、測距精度を向上させた測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、対象物を２つのカメラで撮影し、得られた２つの画像を用いて対象物までの距離情報を得る「ステレオ測距」技術が知られている。ステレオ測距においては、撮影した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。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。
【０００３】
図１５、及び図１６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、対象物のずれ（視差）を検出して三角測量の原理により距離を計測する。
図１５に示すステレオカメラ装置１０６において、同一の光学系からなる２つのカメラ１０２ａ、１０２ｂを配置して、各カメラ１０２にて対象物１０１からの光を撮影する場合を考える。
各カメラ１０２（１０２ａ、１０２ｂ）は、対象物１０１の光像が入射するレンズ１０３（１０３ａ、１０３ｂ）と、各レンズ１０３に入射した対象物１０１の光像（対象物像１０４：１０４ａ、１０４ｂ）を撮像する２次元センサ１０５（１０５ａ、１０５ｂ）と、を備えている。
カメラ１０２ａのレンズ１０３ａを通して得た対象物像１０４ａと、カメラ１０２ｂのレンズ１０３ｂを通して得た対象物像１０４ｂとは、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１６）に夫々至り、複数の受光素子（画素）で受光され、電気信号に変換される。
【０００４】
ここでレンズ１０３ａ、１０３ｂの光軸間の距離は基線長と呼ばれる。基線長をＤとし、レンズ１０３と対象物１０１との距離をＡ、レンズ１０３の焦点距離をｆとしたとき、Ａ≫ｆであるときには次式が成り立つ。
Ａ＝Ｄｆ／Δ    ・・・式（１）
図１５に示すように、基線長Ｄ、及びレンズの焦点距離ｆは既知であるから、視差Δを検出すれば、式（１）より対象物１０１までの距離Ａを算出することができる。
【０００５】
ところで、上記ウィンドウマッチングは、画素の輝度値の分布特性に基づいて対象物像１０４ａの対応点１０４ｃを探し出す方法である。従って、例えば対象物１０１が単一色の表面をもつ物体である場合のように、対象物１０１の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の生じ難い場合には、対応点１０４ｃを探し出すことが困難になるため、正確な距離を算出できなくなるという問題がある。
これに対して特許文献１には、撮影画像において輝度値に変化の生じ難い対象物に所定のパターンを照射して、対象物の表面に模様をつけることにより、上記の問題を解消する技術が開示されている。具体的には、この文献には、レーザ光とホログラムを用いたＡＦ（オートフォーカス）補助光発光部を備えた撮影装置が開示されている。ホログラムプレートにより回折した所定のパターンを有するレーザ光を、対象物に照射することによって、対象物の表面に模様を付けている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、ウィンドウマッチングにおいて対応点を高い精度で検出するためには、取得画像の対象物部分に、適切な輝度値分布が存在する必要がある。
特許文献１においては、パターン切替部が撮影光学系の撮影画角又はＡＦエリアに応じてホログラムを切り換えることで、測距に必要な範囲の全体にパターンを照射する。しかし、撮影装置からの距離が異なる対象物に対して同一のパターンを照射した場合、光の性質上、撮影装置から近い対象物と遠い対象物とでは、取得画像の対象物部分における輝度値分布に差が生じる。その結果、対象物までの距離によって測定精度に大きな差が出てしまうという問題がある。
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、対象物までの距離に起因する測定精度の低下を防止し、対象物までの距離や形状を高精度に測定することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の測距装置は、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、対象物に照射する回折光学素子と、前記対象物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、前記対象物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対象物からの距離を算出する測距手段と、前記測距手段から得られた距離情報に応じて前記回折パターン光を制御するパターン制御手段と、備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、照射するパターン光を対象物までの距離に応じて制御するので、対象物までの距離に応じた適切な輝度値分布を有する画像を得ることができる。従って、対象物までの距離に起因する測定精度の低下を防止し、対象物までの距離や形状を高精度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る測距装置を示した模式図である。
【図２】図１に示す測距装置の構成図である。
【図３】レーザ照射装置から照射されるパターン光とステレオカメラにて撮像される画像について示した図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）はパターン照明を行わない場合の測距例を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）はパターン照明を行った場合の測距例を示す図である。
【図６】対象物までの距離に応じてパターン光の照射画角を変更する例を示した模式図である。
【図７】波長可変レーザの構成図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は照射画角が狭いパターン光の例であり、（ｄ）〜（ｆ）は照射画角が広いパターン光の例を示す図である。
【図９】レーザ照射装置の一例を示した模式図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）は、本発明の第一の実施形態に係る測距装置をロボットアームに取り付けたときの動作を説明する図である。
【図１１】（ｃ）、（ｄ）は、本発明の第一の実施形態に係る測距装置をロボットアームに取り付けたときの動作を説明する図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、密度が低いパターン光の例であり、（ｄ）〜（ｆ）は、密度が高いパターン光の例を示す図である。
【図１３】第三の実施形態に係るレーザ照射装置を示す図である。
【図１４】（ａ）、（ｂ）は、偏光回転素子の一例を示す模式図である。
【図１５】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。
【図１６】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。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
〈第一の実施形態〉
本発明の第一の実施形態に係る測距装置について説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る測距装置を示した模式図である。図２は、図１に示す測距装置の構成図である。本実施形態に係る測距装置は、図１５、図１６に示す三角測量の原理を利用した「ステレオ測距」により、対象物までの距離を測定する装置である。本実施形態に係る測距装置は、測距手段から得られた距離情報に応じて、対象物に照射するパターン光を制御する点に特徴がある。
【００１１】
測距装置１は、図１、及び図２に示すように、互いに視差のある２つの対象物画像を撮像するステレオカメラ１０と、対象物４１に対して所定のパターン光を照射するレーザ照射装置２０と、ステレオカメラ１０にて撮像された視差画像から対象物までの距離を算出する測距手段３１及びレーザ照射装置２０を制御する照射制御手段３２を有する制御部３０と、を備えている。
レーザ照射装置２０は照明光を出射する半導体レーザ２１（光源）と、照明光を回折して生成したパターン光（回折パターン光）を、対象物４１に照射する回折光学素子２２と、を備えている。また、ステレオカメラ１０は、複数の単眼のカメラ１１（１１ａ、１１ｂ）を含んで構成されており、各カメラ１１は、対象物４１で反射されたパターン光を結像する複数の撮像レンズ１２（１２ａ、１２ｂ）と、各撮像レンズ１２により結像されたパターン光に基づく、対象物４１に係る複数の画像を撮像する複数の撮像素子１３（１３ａ、１３ｂ：撮像手段）と、を備えている。
制御部３０の測距手段３１は、各撮像素子１３にて撮像された夫々の画像間の視差情報に基づいて対象物４１までの距離を算出する。また、照射制御手段３２は、半導体レーザ２１のオンオフを制御する手段として機能すると共に、測距手段３１から得られた距離情報に応じてパターン光を制御するパターン制御手段としても機能する。
【００１２】
ステレオカメラ１０の各カメラ１１は、所定の撮像画角αを有している（図３参照）。測距装置１は２つのカメラ１１ａ、１１ｂの撮像レンズ１２ａ、１２ｂの光軸間隔（基線長）をＤ、撮像レンズ１２と対象物４１との距離をＡ、撮像レンズの焦点距離をｆとし、Ａ≫ｆであるときには先述の式（１）に示したように「Ａ＝Ｄｆ／Δ」（Δ：視差）となる。基線長Ｄ、及び撮像レンズの焦点距離ｆは既知であるから、各撮像素子１３上に写る対象物４１の視差Δを検出すれば対象物４１までの距離Ａを算出することができる。なお、撮像素子１３は、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の２次元センサである。
【００１３】
図３は、レーザ照射装置から照射されるパターン光とステレオカメラにて撮像される画像について示した図である。図示するように、レーザ照射装置２０からは所定のパターンのレーザ光（パターン光）が照射される。パターン光の照射方向は、ステレオカメラ１０の向きと一致するように調整されている。レーザ照射装置２０から照射されるパターン光の照射画角βは、ステレオカメラ１０の撮像画角αとほぼ等しく設定されている。従って、対象物までの距離の遠近にかかわらず、パターン光の照射範囲２３とステレオカメラ１０の撮像範囲１４が略同一であり、ステレオカメラ１０の撮像範囲１４の略全面にパターン光を照射できる。
【００１４】
次にパターン照明の有無による測距結果の違いについて図４、及び図５に基づいて説明する。図４は、パターン照明を行わない場合の測距例を示す図である。図５は、パターン照明を行った場合の測距例を示す図である。
なお、以下の説明においては「輝度分布が一様である」こと、或いは「輝度値に変化の生じ難い」ことを、「コントラストが無い」或いは「コントラストが小さい」等と表現することがある。
【００１５】
まずパターン照明が無い場合について説明する。図４（ａ）に示すように、平面４０上に置かれた対象物４１（この例では直方体）をステレオカメラ１０にて撮影する場合を考える。平面４０及び対象物４１は、何れもコントラストが無い物体である。この場合、ステレオカメラ１０による撮影画像は、図４（ｂ）のようになる。
測距手段３１は、ステレオカメラ１０の各カメラ１１（図２参照）にて夫々撮影した２つの画像から視差を求め、平面４０及び対象物４１までの距離を求める。
求められた距離に基づいて距離画像を算出すると図４（ｃ）のようになる。なお、距離画像では、測距手段３１によって求められた距離が、例えば色の違い等により画像上に表現される。図４（ｃ）に示すように、対象物４１のエッジ部４１ａだけが距離を算出され、コントラストの無い平面４０やコントラストの無い対象物４１の上面部４１ｂは距離が算出されない。これはステレオカメラの原理上、コントラストの無い対象物では、撮影画像において輝度値に変化が生じ難く、ウィンドウマッチングを行って対応する点（対応点）を探し出すことが困難なためである。
【００１６】
一方、パターン照明がある場合について説明する。図５（ａ）に示すように、平面４０上に置かれた対象物４１にパターン光を照射すると、平面４０と対象物４１の表面に所定のパターン（模様）が形成される。この場合、ステレオカメラ１０は、図５（ｂ）のような画像を撮影する。
測距手段３１は、ステレオカメラ１０の各カメラ１１（図２参照）にて夫々撮影した２つの画像から視差を求め、平面４０及び対象物４１までの距離を求める。
求められた距離に基づいて距離画像を算出すると図５（ｃ）のようになる。図５（ｃ）に示すように、対象物４１のエッジ部４１ａだけではなく、平面４０や対象物４１の上面部４１ｂも距離が算出される。これはコントラストの無い対象物にパターンが照射されたことで、物体の表面に輝度値の変化が生じ、ウィンドウマッチングを行って互いに対応する点（対応点）を探し出すことができるようになったためである。
このようにパターン照明を行うことでコントラストの無い対象物でも距離を得ることができ、さらにはカメラの画角と撮像素子上に結像した像の大きさから対象物の形状寸法も知ることができる。
【００１７】
ところで、ステレオカメラと対象物までの距離によっては、以下のような問題が生ずる。以下、図３を参照しながら説明する。
第一に、対象物４１がステレオカメラ１０から遠くなるほど、照射パターンの単位面積あたりの光強度が弱くなるという問題がある。レーザ照射装置２０から出射される光の照射面積は、遠くになるほど大きくなる。しかし、レーザ照射装置２０に搭載されているレーザの出力は一定であるため、遠くになるほど単位面積あたりの光強度は弱くなる。光強度が弱くなると、コントラストが小さくなるため、ウィンドウマッチングを行って対応点を探すときにエラーが出やすくなり、正確な測距ができなくなる。
第二に、対象物４１がステレオカメラ１０から遠くなるほど、撮像素子１３上に結像する対象物像が小さくなるという問題がある。図３に示すように対象物４１がステレオカメラ１０から近い位置にある場合は、撮像範囲１４に占める対象物４１の面積が大きいため、対象物４１は、画面内に大きく写し出される。逆にステレオカメラ１０から遠い位置にある場合は、撮像範囲１４に占める対象物４１の面積が小さくなり、対象物４１は画面内に小さくしか写らない。一方で、パターン光の模様（例えばドット）は、対象物４１がレーザ照射装置２０から近い位置にある場合は、対象物４１の表面で小さくなり、対象物４１がレーザ照射装置２０から遠い位置にある場合は、対象物４１の表面で大きくなる。従って、例えばパターン光の模様がドットであるとすると、対象物４１に照射されるパターン光のドットの数は、対象物４１がレーザ照射装置２０から遠くなるほど少なくなり、正確な距離及び形状を測定できなくなるという問題が生じる。
上記問題は、特に測距装置がロボットアームや自立走行型ロボットのような可動部に取り付けられているために、対象物までの距離や方向が刻々と変化するような場合に顕著となる。この問題を解決するため、本実施形態においは、対象物までの距離に応じて、レーザ照射装置から照射されるパターンを切り替える。
【００１８】
図６は、対象物までの距離に応じてパターン光の照射画角を変更する例を示した模式図である。
図６に示すように、対象物４１がステレオカメラ１０から近い距離Ａ１にある場合は、撮像素子１３上で結像する対象物４１の像が大きい。そこで、測距手段３１（図２参照）が、対象物４１が近くにあることを認識した時点で、レーザ照射装置２０から照射されるパターン光の画角を大きくして（照射画角β）、対象物４１の全体とその周辺部までパターン光が照射されるようにする。
即ち、まずステレオカメラ１０にて対象物４１を撮像し、２つのカメラ１１の視差画像に基づき、測距手段３１が対象物４１までの距離を算出する。測距手段３１によって算出された距離が所定の距離（しきい値）よりも小さい場合に、照射制御手段３２は、レーザ照射装置２０から照射されるパターン光の画角が大きくなるように（照射画角がβとなるように）レーザ照射装置２０を制御する。そして、対象物４１の全体とその周辺部（照射範囲２３β）にパターン光が照射されるようにする。
【００１９】
一方、対象物４１がステレオカメラ１０から遠い距離Ａ２にある場合は、撮像素子１３上で結像する対象物４１の像が小さい。そこで、測距手段３１が、対象物４１が遠くにあることを認識した時点で、レーザ照射装置２０から照射されるパターン光の画角を小さくする（照射画角γ）。
即ち、まずステレオカメラ１０にて対象物４１を撮像し、２つのカメラ１１の視差画像に基づき、測距手段３１が対象物までの距離を算出する。測距手段３１によって算出された距離が所定の距離（しきい値）よりも大きい場合に、照射制御手段３２は、レーザ照射装置２０から照射されるパターン光の画角が小さくなるように（照射画角がγとなるように）レーザ照射装置２０を制御する。そして、対象物４１の全体とその周辺部（照射範囲２３γ）にパターン光が照射されるようにする。ここで照射画角を小さくしても、対象物４１までの距離が離れているため、対象物４１の全体とその周辺部までパターン光が照射されることに変わりはない。
【００２０】
ここで、パターン光の切り換え方法の一例について説明する。
回折光学素子２２からのパターン光の出射画角θは、半導体レーザ２１から出射される照明光の波長をλ、回折光学素子２２の周期構造をｄとすると「θ＝Ａｒｃｓｉｎ（λ／ｄ）」にて与えられる。例えば波長λ＝０．６５μｍ、周期構造ｄ＝１．０μｍとすると出射角度は約４０°となる。出射画角θを大きくするためには、照明光の波長λを大きくするか、周期構造ｄを微細化すればよい。
照明光の波長λを変更する方法として、半導体レーザに波長可変レーザを利用することが考えられる。図７は、波長可変レーザの構成図である。波長可変レーザ２１Ａは、レーザ媒質５１と、電気光学効果を有する変調媒体５２とが、レーザ共振器を構成する２つの反射鏡５３の間に配置されている。変調媒体５２には、ＬｉＮｂＯ３やＬｉＴａＯ３などを用いることができる。変調媒体５２に対して、電圧源５４から電界を印加することで、変調媒体５２の屈折率が変化する。そうすると、レーザの共振器長が変化するため、発振周波数が変化する。従って、出射画角θを変化させることができる。
【００２１】
図８は、パターン光の画角と得られる距離画像との関係を示した図である。図８（ａ）〜（ｃ）は、照射画角が狭いパターン光の例であり、図８（ｄ）〜（ｆ）は、照射画角が広いパターン光の例である。夫々、撮影画像、照射パターンの画角、得られる距離画像を示している。図示するように、図８（ａ）〜（ｃ）では図８（ｄ）〜（ｆ）に比べて照射する画角は狭くなるが、同時にパターンの密度が高くなるため、距離画像の密度も高くなり、より正確な距離と形状を得られることがわかる。
このように、レーザ照射装置２０から照射されるパターン光を切り替えることで、対象物が遠くに有る場合でも、レーザ照射装置２０のパワーを有効に使用し、対象物に対して十分に明るく、且つ高コントラストなパターン光を照射することができる。従って、撮像画像から精度良く対応点を探し出すことができ、正確な測距ができるようになる。
【００２２】
また、周期構造ｄを変更するには、周期構造ｄが異なる複数の回折光学素子を切り換える方法がある。図９は、レーザ照射装置の一例を示した模式図である。レーザ照射装置２０Ａは、所定の波長λの直線偏光である照明光（レーザ光）を出射する半導体レーザ２１と、半導体レーザ２１から出射された照明光を平行光に変換するカップリングレンズ６１と、平行光を回折したパターン光を生成する複数の回折光学素子２２（２２Ａ、２２Ｂ：ホログラム）と、を備えている。
回折光学素子２２は、互いに異なる画角のパターン光を生成する。また、２つの回折光学素子２２は互いに隣接配置されており、１枚の光学プレート６２を構成する。
照射制御手段３２は、平行光が入射する回折光学素子２２Ａ、２２Ｂの切り換え制御を行う。この例では、光学プレート６２を不図示の駆動機構にてスライドさせ、所望のパターンが形成された回折光学素子２２を光路上に配置することで、画角の異なるパターン光を対象物に向けて照射することができる。
半導体レーザ２１の波長λを変更することにより、パターン光の照射画角を変更した場合は、図８に示したように、画角と共にパターン密度も変化する。異なる回折光学素子を選択的に使用する場合には、パターン密度を変化させずに、画角のみを変化させたパターン光を照射することもできる。
【００２３】
以下、実際に本発明の測距装置１をロボットアームに取り付けた場合の動作について、図１０、及び図１１に基づいて説明する。図１０、及び図１１は、本発明の第一の実施形態に係る測距装置をロボットアームに取り付けたときの動作を説明する図である。測距装置１は、自在に動くロボットアームに取り付けられているため、対象物までの距離や方向が刻々と変化する。以下、図９に示したレーザ照射装置２０Ａを用いて、パターン光の照射画角を変更する例により説明する。
図１０（ａ）に示すように、初めにロボットアーム８０に取り付けられた測距装置１は、レーザ照射装置２０からパターン光を出射せずに、対象物４１までの距離を算出する。ステレオカメラ１０が対象物４１を撮影し、測距手段３１（図２参照）がステレオマッチングを行って対象物４１までの距離画像を得る。ここで、対象物４１の表面は輝度分布が一様であるため、対象物４１の形状は正確にはわからない。しかし、対象物４１のエッジ部までの距離を算出することができるため、算出した距離情報から、対象物４１がロボットアームから遠い位置にあることを判断できる。測距手段３１が算出した距離情報は、照射制御手段３２に送られる。
【００２４】
照射制御手段３２は、測距手段３１が算出した距離情報に基づいて、レーザ照射装置２０から出射されるパターン光の画角を制御する。本例では、対象物４１がロボットアーム８０から遠いところにあるので、レーザ照射装置２０からは画角が小さいパターン光が照射される（図１０（ｂ））。即ち、照射制御手段３２は、光学プレート６２をスライドさせて、照射画角が小さい回折光学素子２２Ａを光路上に配置し、回折光学素子２２Ａに平行光を入射させる。これによりコントラストの無い対象物４１に狭い照射画角γにてパターン光が照射される。対象物４１の表面に所定のパターン（模様）が形成されたことにより、対象物４１のエッジ部だけではなく、対象物４１全体の形状がわかるようになる。
なお、対象物４１までの距離は遠いが、レーザ照射装置２０から出射されるパターン光の画角は小さいため、対象物には十分に明るく、高コントラストなパターンを照射することができ、正確な距離画像を得ることができる。
【００２５】
図１０（ｂ）において対象物の正確な距離画像が得られたため、その情報をもとにロボットアーム８０は対象物４１に近づく。なお、測距手段３１による対象物４１までの距離の算出は継続的に行われる。対象物４１に近づくにつれて、ステレオカメラ１０の撮影画面中に対象物４１が大きく写るようになる。対象物４１は大きく写るようになるが、レーザ照射装置２０から出射されるパターン光の照射角度が小さいままであると、対象物４１の一部にパターン光が照射されない状態となる（図１１（ｃ））。
【００２６】
このように対象物４１が一定の距離よりも近づいた場合には、レーザ照射装置２０から出射されるパターン光の画角を大きくする（図１１（ｄ））。具体的には、測距手段３１が算出した距離情報に基づいて、照射制御手段３２は、光学プレート６２をスライドさせて、照射画角が大きい回折光学素子２２Ｂを光路上に配置し、回折光学素子２２Ｂに平行光を入射させる。本例の回折光学素子２２の照射画角βは、ステレオカメラ１０の撮像画角αと略同等であり、近づいた対象物４１の全体にパターン光を照射することができるようになる。これにより、対象物４１全体の距離と形状を正確に把握できるようになり、ロボットアーム８０は対象物４１を正確に掴むことができる。
【００２７】
以上のように本実施形態によれば、対象物をステレオカメラで撮影して、その撮像画像に基づいて視差を算出し、その視差から対象物までの距離を算出する。
算出された距離に応じてパターンの照射画角を変更することにより、レーザ照射装置から、距離に応じた最適なパターンを照射する。対象物までの距離が変化する場合でも、対象物が存在しない部分にまでパターンを照射することがなくなる。従って、対象物に効率よくパターン光を照射することができる。これにより遠くにある対象物でも十分な光量のパターン光を照射できるため、明るく高コントラストな距離画像を得ることができ、精度良く対象物までの距離や対象物の形状を測定できる。
また、距離に応じてパターンの照射画角を変更するので、限られたレーザ光源の出力を有効に活用することができる。従って、小型且つ低価格の半導体レーザをレーザ照射装置の光源として用いても、十分な光量を確保することができる。
【００２８】
＜第二の実施形態＞
本発明の第二の実施形態に係る測距装置について説明する。本実施形態に係る測距装置は、測距手段から得られた距離情報に応じて、対象物に照射するパターン光の密度を制御する点に特徴がある。
図１２は、パターン光の密度と得られる距離画像との関係を示した図である。図１２（ａ）〜（ｃ）は、密度が低いパターン光の例であり、図１２（ｄ）〜（ｆ）は、密度が高いパターン光の例である。
第一の実施形態では、対象物までの距離に応じて画角を変更していたが、対象物までの距離に応じてパターン密度を変更しても良い。具体的には対象物が遠い場合はパターン密度を疎にして、対象物が近い場合はパターン密度を密にする。このようにすることで遠く離れた対象物にパターン照射する場合でも、パターン光が形成する各模様の光強度は低下しないため正確な測距が可能になる。
【００２９】
図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、パターン光の照射画角が広く、且つ密度が低い場合は、撮像範囲全体の距離情報が得られるもののパターン光の模様（例えばドット）が存在しない部分も増えてくる。ドットが照射された箇所は光強度が確保されているため正確に距離を測れるが、ドットが存在しない部分は正確に距離が測れないため、結果として距離画像は粗くなる（図１２（ｃ））。
一方、図１２（ｄ）〜（ｆ）に示すように、照射画角を変えずにパターン光の密度を高くすると、距離画像の密度も高くなり、対象物に関して、より正確な距離と形状の情報を得ることができる。
そこで、図１０（ｂ）に示すように、ロボットアーム８０に対象物４１から遠い場合は、密度の低いパターン光を照射する制御を行う。また、図１１（ｄ）に示すように、ロボットアーム８０に対象物４１が近づいたときには、密度が高いパターンを照射する制御を行う。このようにすることで、正確な距離と形状を把握することができ、ロボットアーム８０が最終的に対象物４１を掴みやすくなる。
【００３０】
例えば、工場の製造ラインであれば、ロボットアームで掴む対象物の形状や、対象物の移動軌跡が一定であるから、必ずしも撮像範囲の全体について距離画像を得る必要は無い。即ち、第一の実施形態のように、対象物が遠くにあるときに照射画角を狭くしても問題はない。
しかし、ロボットアームで掴む対象物が一定の形状を有していない場合や、対象物が置かれる位置が毎回異なる場合では、照射するパターンの画角が小さくなることで対象物全体にパターンが照射されない場合も生じる。このような場合は、画角を変更せずにパターンの密度を変更することが有効である。
なお、本実施形態では、図９に示したレーザ照射装置２０Ａを用いて、互いにパターン密度が異なる複数の回折光学素子を切り換えることによって、照射するパターンの密度を変更することができる。具体的な制御方法については、第一の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
もちろん、対象物が遠い場合は、画角が狭く且つ密度が低いパターンを照射する回折光学素子を使用し、対象物が近い場合は、画角が広く且つ密度が高いパターンを照射する回折光学素子を使用するようにしてもよい。
【００３１】
以上のように本実施形態によれば、ステレオカメラから得られた距離情報に基づいて、パターンの密度を変更する制御を行う。具体的には、遠距離ではパターンを低密度に、近距離ではパターンを高密度にする。このようにすることで、遠距離でもパターンの明るさを低下させないようにすることができ、光量低下による測距精度の低下が生じないようにできる。
【００３２】
＜第三の実施形態＞
本発明の第三の実施形態に係る測距装置について、図１３に基づいて説明する。本実施形態に係る測距装置は、回折光学素子（プレート）を駆動することなく、複数の回折光学素子を切り換えて使用する点に特徴がある。図１３は、第三の実施形態に係るレーザ照射装置を示す図である。
レーザ照射装置から出射された光は回折光学素子により所定のパターンに変換される。複数の異なるパターンを照射するためには、第一の実施形態（図９）に示したように、複数の回折光学素子（ホログラム）を用いればよい。図９のレーザ照射装置２０Ａでは複数の回折光学素子２２Ａ、２２Ｂを切り換えるための駆動部が必要なため、レーザ照射装置２０Ａが大型化してしまう。また、回折光学素子２２を機械的に動かすため、切り替え時に回折光学素子２２が振動する。回折光学素子の振動に合わせてパターン光が振動するので、ピンボケしたパターンがステレオカメラにて撮影される虞がある。仮に、このような現象が起こると、鮮明な距離画像を得ることができないため、ロボットアームの動作速度が低下する。そこで本実施形態では、照射するパターンを切り替えるときに回折光学素子（ホログラム）を機械的に動かすことなく、且つ高速にパターンを切り替えることができる方法を提案する。
【００３３】
図１３に示すレーザ照射装置２０Ｂは、波長λの直線偏光（照明光）を出射する半導体レーザ２１（光源）と、半導体レーザ２１から出射された照明光を平行光に変換するカップリングレンズ６１と、透過する平行光の偏光方向を制御可能な偏光回転素子６３と、偏光回転素子６３から出射された光を偏光方向に応じて透過又は反射する少なくとも１つの偏光膜６４Ａ（偏光手段）を備えた光分割素子６４と、偏光膜６４Ａを透過又は反射した夫々の光を回折して互いに異なるパターン光を生成する複数の回折光学素子２２（２２Ａ、２２Ｂ）を備えている。照射制御手段３２（パターン制御手段）は、偏光回転素子６３を透過する光の偏光方向を制御することにより照明光が入射する回折光学素子を切り換える。
偏光回転素子６３は、半導体レーザ２１から出射された照明光の偏光方向を変換する。例えは照明光がＳ偏光である場合は、Ｓ偏光のまま透過させ、又はＰ偏光に変更して出射する。
光分割素子６４は、例えばビームスプリッターであり、本例の場合は偏光膜６４Ａと全反射面６４Ｂとを有している。
２つの回折光学素子２２は、夫々異なる膜にて反射された光の光路上に配置されている。回折光学素子２２Ａは、偏光膜６４Ａで反射した光が入射する素子であり、対象物が遠距離にある場合に照射する遠距離用の回折パターン光を生成する。また、回折光学素子２２Ｂは、全反射面６４Ｂで反射した光が入射する素子であり、対象物が近距離にある場合に照射する近距離用の回折パターン光を生成する。
【００３４】
異なる回折光学素子２２Ａ、２２Ｂに照明光を入射させる方法について説明する。以下では、カップリングレンズ６１を透過した平行光がＳ偏光であり、偏光膜６４Ａが、Ｓ偏光を１００％反射、Ｐ偏光を１００％透過させる特性を持っているものとする。
まず、カップリングレンズ６１を透過した平行光（Ｓ偏光）は、偏光回転素子６３を透過して、光分割素子６４に入射する。偏光回転素子６３から出射した光がＳ偏光である場合、光は偏光膜６４Ａで１００％反射する。反射した光は、回折光学素子２２Ａに入射してパターン光となる。回折光学素子２２Ａは、入射した光を、遠い位置にある対象物を照射するための画角の狭いパターン光に変換する。
この状態から、近い位置にある対象物を照射するための、画角の大きいパターン光を生成する場合、偏光回転素子６３でＳ偏光をＰ偏光に変換する。Ｐ偏光の平行光は、光分割素子６４に入射して、偏光膜６４Ａを１００％透過する。そして、偏光膜６４Ａを透過した光は全反射面６４Ｂで１００％反射される。反射した光は、回折光学素子２２Ｂに入射してパターン光となる。回折光学素子２２Ｂは、入射した光を、近い位置にある対象物を照射するための画角の広いパターン光に変換する。
このように、偏光回転素子６３と光分割素子６４を使用することにより、レーザ光が入射する回折光学素子選択することができる。従って、異なる回折光学素子２２によって異なる回折パターン光を生成することができる。
【００３５】
偏光回転素子について、図１４に基づいて説明する。図１４（ａ）、（ｂ）は、偏光回転素子の一例を示す模式図である。
図１４（ａ）には、偏光回転素子６３Ａが１／２波長板の例を示している。１／２波長板は、入射するＳ偏光に対して、１／２波長板の光学軸を４５°傾けると、入射する光の偏光方向を９０°回転させてＰ偏光を出射することができる。従って、偏光回転素子６３Ａを回転させる駆動機構（不図示）を設け、駆動機構を照射制御手段３２（図１３参照）により制御することで、偏光回転素子６３Ａから出射する光の偏光方向を切り替えることができる。なお、この方法は１／２波長板を機械的に動かすことにはなるが、回折光学素子を動かしてはいないため、偏光方向を切り替えるときに照射するパターン光が振動するようなことは無い。
また、他の例として図１４（ｂ）には、偏光回転素子６３Ｂが電気光学効果や磁気光学効果を有する回転素子を用いた例を示している。電気光学効果を用いる場合は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＰ、ＢＢＯ、ＫＴＮと言った材料を使用することができる。これらの材料に電圧源５４から電界をかけることで偏光方向を回転させることができる。なお、電圧源６５は、照射制御手段３２が制御する。また磁気光学効果を有する材料を用いる場合は、材料に磁界をかけることで偏光方向を回転させることができる。（ファラデー効果）。図１４（ｂ）に示す方法であればメカ駆動部を必要としないため、高速にパターン光を切り替えることができる。
【００３６】
以上のように、本実施形態によれば、偏光回転素子を用いることでレーザ光源からの光の偏光方向をＳ偏光とＰ偏光に切り替えることができる。Ｓ偏光が入射する回折光学素子とＰ偏光が入射する回折光学素子が異なるような光学系にすることにより、偏光方向だけを回転させるだけで、回折光学素子を機械的に動かさずに高速に異なるパターンを切り替えて照射することができる。そのため回折光学素子を動かすメカ駆動部を必要とせず、照射装置の小型化と高信頼性を実現できる。
【００３７】
以上、各実施形態の例により述べてきたステレオカメラとレーザ照射装置を有する測距装置は、対象物が近くにあっても遠くにあっても、レーザ照射装置から照射される光を効率よく対象物に照射できる。そのため対象物が遠くに有る場合でも精度良く測距することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１…測距装置、１０…ステレオカメラ、１１…カメラ、１２…撮像レンズ、１３…撮像素子、１４…撮像範囲、２０…レーザ照射装置、２１…半導体レーザ、２２…回折光学素子、２３…照射範囲、３０…制御部、３１…測距手段、３２…照射制御手段、４０…平面、４１…対象物、４１ａ…エッジ部、４１ｂ…上面部、５１…レーザ媒質、５２…変調媒体、５３…反射鏡、５４…電圧源、６１…カップリングレンズ、６２…光学プレート、６３…偏光回転素子、６４…光分割素子、６４Ａ…偏光膜、６４Ｂ…全反射面、６５…電圧源、８０…ロボットアーム、１０１…対象物、１０２…カメラ、１０３…レンズ、１０４…対象物像、１０４ｃ…対応点、１０５…２次元センサ、１０６…ステレオカメラ装置、α…撮像画角、β…照射画角、γ…照射画角
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３９】
【特許文献１】特開２００６-１６３１７４公報
【図１】
2014009997.tif 000003
【図２】
2014009997.tif 000004
【図３】
2014009997.tif 000005
【図４】
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【図５】
2014009997.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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