(57)【要約】  複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する本発明の測距装置は、基準対象物（１２）と、複数の光学系（１４ａ、１４ｂ）と、複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した測距対象物および基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部（１７ａ、１７ｂ）と、演算部とを備える。演算部は、電気信号から、複数の撮像領域における基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、複数の撮像領域における測距対象物の、第１の波長帯域より長波長側の第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成する。複数の基準対象物および複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、基準対象物および測距対象物の視差量を算出し、基準対象物の視差量および基準対象物の視差量の初期値に基づいて、測距対象物の視差量を補正し、測距対象物の補正した視差量を用いて測距対象物までの距離を算出する。
2009098864.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する測距装置であって、
基準対象物と、
測距対象物および前記基準対象物を撮像する複数の光学系と、
前記複数の光学系に１対１で対応した複数の撮像領域を有する撮像部であって、前記複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した前記測距対象物および前記基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部と、
演算部と、
を備え、
前記演算部は、
前記電気信号から、前記複数の撮像領域における前記基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記複数の撮像領域における前記測距対象物の、前記第１の波長帯域より長波長側の第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成し、
前記複数の基準対象物の画像データおよび前記複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、前記基準対象物の視差量および前記測距対象物の視差量を算出し、
前記基準対象物の視差量および前記基準対象物の視差量の初期値に基づいて、前記測距対象物の視差量を補正し、前記測距対象物の補正した視差量を用いて前記測距対象物までの距離を算出する測距装置。
【請求項２】
前記複数の光学系と前記測距対象物との光路上に配置された、前記第２の波長帯域の光を選択的に透過する光学フィルタをさらに備え、
前記基準対象物は、前記第１の波長帯域の光を発光または反射し、前記発光または反射した光が前記光学フィルタを透過せずに前記複数の光学系へ到達するように配置されている請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記撮像部の撮像領域は、前記基準対象物を撮像する第１の領域および前記測距対象物を撮像する第２の領域を含み、
前記撮像部は、前記撮像領域のそれぞれにおいて、前記第１の領域を覆うように設けられており、前記第１の波長帯域の光を選択的に透過する第１の光学フィルタ、および、前記第２の領域を覆うように設けられており、前記第２の波長帯域の光を選択的に透過する第２の光学フィルタの少なくとも一方を有する請求項１に記載の測距装置。
【請求項４】
前記撮像部は、互いに異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルタを各画素に有しており、白色光により前記基準対象物および前記測距対象物を撮像し、
前記演算部は、前記複数の撮像素子から得られた白色光による前記基準対象物および前記測距対象物の画像データから前記基準対象物の前記第１の波長帯域の光による複数の前記基準対象物の画像データ、および、前記測距対象物の、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光による複数の前記測距対象物の画像データをそれぞれ生成する請求項１に記載の測距装置。
【請求項５】
前記基準対象物は、前記複数の光学系の第１の波長帯域の光における合焦距離近傍に配置されている請求項１から４のいずれかに記載の測距装置。
【請求項６】
前記複数の光学系のそれぞれは、少なくとも１面に回折格子が形成された回折レンズを含み、前記回折レンズは、第１の回折次数による第１の波長帯域の光の回折光によって前記基準対象物を結像し、第２の回折次数による第２の波長帯域の光の回折光によって前記測距対象物を結像する請求項１から５のいずれかに記載の測距装置。
【請求項７】
前記複数の光学系のそれぞれは結像レンズを含み、複数の結像レンズは一体的に成型されている請求項１から５のいずれかに記載の測距装置。
【請求項８】
前記撮像部は、１つの撮像素子であって、前記複数の撮像領域は、前記１つの撮像素子に設けられている請求項１から７のいずれかに記載の測距装置。
【請求項９】
前記第１の波長帯域の光を発光する光源をさらに備え、
前記基準対象物は、前記光源からの光を乱反射する請求項５に記載の測距装置。
【請求項１０】
記基準対象物は、前記第１の波長帯域の光を発光する光源である請求項５に記載の測距装置。
【請求項１１】
前記基準対象物からの光を反射し、前記複数の光学系へ入射するよう配置された反射面をさらに備える請求項１０に記載の測距装置。
【請求項１２】
基準対象物と、測距対象物および前記基準対象物を撮像する複数の光学系と、前記複数の光学系に１対１で対応した撮像領域を有する撮像部であって、前記複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した前記測距対象物および前記基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部とを備えた測距装置を用い、前記複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する測距方法であって、
前記電気信号から、前記複数の撮像領域における前記基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記複数の撮像領域における前記測距対象物の、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成する工程と、
前記複数の基準対象物の画像データおよび前記複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、前記基準対象物の視差量および前記測距対象物の視差量を算出する工程と、
前記基準対象物の視差量および前記基準対象物の視差量の初期値に基づいて、前記測距対象物の視差量を補正し、前記測距対象物の補正した視差量を用いて前記測距対象物までの距離を算出する工程と、
を包含する測距方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三角測量を用いて対象物までの距離を測る測距装置に関し、特に、誤差の少ない測距装置および測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
三角測量を用いて対象物までの距離を測る測距装置は、通常一対の光学系および撮像素子をそれぞれ備える。一対の光学系は例えば、水平（左右）方向または垂直（上下）方向に配置され、一対の光学系によってそれぞれ集光された対象物の光による像を撮像素子によって電気的信号による画像に変換する。これを撮像と呼ぶ。また、本願明細書では画像とは、撮像素子によって電気的に変換された対象物を含む像をいう。測距装置は、撮像した２つの画像間の視差量を求め、視差量から三角測量の原理を用いて対象物までの距離を測定する。このような測距装置は、自動車の車間距離の測定や、カメラの自動焦点システム、３次元形状測定システムなどに用いられている。【０００３】
図２１は、測距装置の三角測量について説明する図である。図２１に示すように、対象物Ｏ上の点Ｐを測定点とし、対象物Ｏの光による像を第１の撮像光学系の撮像レンズＧ１および第２の撮像光学系の撮像レンズＧ２によって、第１の撮像素子の撮像面Ｎ１および第２の撮像素子の撮像面Ｎ２にそれぞれ形成させる。【０００４】
点Ｐが第１の撮像光学系の光軸ａ１上に位置する場合、点Ｐの像は、撮像面Ｎ１と第１の撮像光学系の光軸ａ１とが交わる点に形成される。第２の撮像光学系は、第１の撮像光学系の光軸ａ１と第２の撮像光学系の光軸ａ２とが所定の間隔Ｂを隔てて互いに平行となるように配置される。撮像面Ｎ２と第２の撮像光学系の光軸ａ２とが交わる点および撮像面Ｎ１と第１の撮像光学系の光軸ａ１とが交わる点を結ぶ線分は対象物の位置によって変化しない三角測量の基準となる線分であり、基線と呼ばれる。この基線の長さである基線長は間隔Ｂに等しい。以下、基線長をＢとする。【０００５】
撮像面Ｎ２では、点Ｐの像は、第２の撮像光学系の光軸ａ２から基線の上において距離Δだけ離れた位置に形成される。これを視差といい、その長さを視差量Δという。【０００６】
第１および第２の撮像光学系の撮像レンズＧ１およびＧ２の焦点距離をｆとすると、以下の近似式が成り立つ。
【数１】
2009098864.tif 000003
【０００７】
視差量Δは、撮像面Ｎ１に形成された像から得られた画像と、撮像面Ｎ２に形成された像から得られた画像とをパターンマッチングすることで求められる。したがって、（数１）をＺについて求め、視差量Δ、基線長Ｂおよび焦点距離ｆを（数１）に代入することによって距離Ｚを求めることができる。視差量Δの単位は画素となるが、補間処理によって０．１画素単位（サブピクセル単位）で演算することも可能である。【０００８】
一般に測距装置が使用される環境では、測距装置自体が小型であることが求められ、基線長Ｂを十分に長くすること難しい。（数１）から分かるように、基線長Ｂが短い場合、視差量Δも小さくなる。このため、基線長Ｂを短くした測距装置であっても高い測距精度が得られることが求められている。【０００９】
しかし、視差量Δが小さいと様々な要因により、測距精度が低下しやすくなる。例えば、環境温度が変化すると、それに伴い測距装置を構成する各部材が伸縮し、光学系の光軸の位置が変化する。測距装置の構造が複雑であれば光学系の光軸の位置も複雑に変化する。これによって生じた視差量Δの変化量を推定することは困難であり、変化量を補正することも困難となる。この場合、測距精度の低下が許容される温度範囲でなければ測距装置を使用することができない。【００１０】
また、振動によって部材の位置や組み立て状態が変化したり、部材の寸法や組立て状態が経年変化をする場合も光軸の位置が変化する可能性がある。これらによって生じた視差量の変化も、視差量Δが小さいほど測距精度に大きな影響を与える。【００１１】
このような課題を解決するため、特許文献１は、測距装置に温度センサを設け、検出した温度と部材の線膨張率とを用いて光軸間隔の変化を一義的に補正し、環境温度の変化による測距精度の低下を防止する方法を提案している。【００１２】
また、特許文献２は、振動や経年変化による測距精度の低下を防止するため、距離が既知である基準対象物のズレ量を検出し、視差量Δを補正する方法を提案している。
【特許文献１】特許第３０９００７８号
【特許文献２】特開平７−７１９５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、特許文献１の方法では、温度センサの特性のばらつきや基線長を決定する部材の線膨張係数のばらつきによって補正誤差が生じるという問題がある。また、一般に温度センサの検出部の熱容量に比べて、基線長を決定するレンズなどの部材の熱容量のほうが大きいため、環境温度が急激に変化した場合、基線長を決定する部材の温度が環境温度と同じになるまでには時間がかかり、その間、適切な補正を行うことは困難になる。【００１４】
また、特許文献２の方法では、基準対象物を光学系の前側被写界深度限界近傍に設置する必要がある。ここで、測距対象物と基準対象物とをパンフォーカス状態（被写界深度を深くし、近距離でも遠距離でもピントを合わせた状態）で撮像する例について説明する。パンフォーカス状態の場合の前側被写界深度限界距離Ａは、（数２）で表すことができる。
【数２】
2009098864.tif 000004
【００１５】
（数２）において、ｆは焦点距離を示し、Ｆは光学系のＦ値を示し、δは許容錯乱円を示す。撮像素子の画素ピッチをＶＧＡクラスの２．９μｍとし、焦点距離ｆを２．８ｍｍとし、Ｆ値を２．８とし、許容錯乱円を画素ピッチの２倍とする。この場合、前側被写界深度限界距離Ａは、（数２）より約２４１ｍｍとなる。このように、焦点距離が比較的短い光学系においても、前側被写界深度限界距離は２００ｍｍ以上となってしまうため、測距装置に基準対象物を組み込もうとすると、測距装置自体が大きくなってしまうという問題がある。【００１６】
また、特許文献１および特許文献２の測距装置は、２つの光学系のレンズおよび撮像素子がそれぞれ別体になっている。このような構成の場合、それぞれのレンズおよび撮像素子において、温度、振動、物理特性の経年変化などの影響が異なる程度で生じ、撮像素子の撮像面における光学系の光軸の位置が２つの光学系のレンズおよび撮像素子において異なる変化をし、視差量の補正が適正にできないという問題が生じる。【００１７】
本発明の目的は、上述した従来技術の課題の少なくとも１つを解決し、環境温度の変化や経年変化に対して高い測距精度を維持することが可能な小型の測距装置および測距方法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】
【００１８】
本発明の測距装置は、複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する測距装置であって、基準対象物と、測距対象物および前記基準対象物を撮像する複数の光学系と、前記複数の光学系に１対１で対応した複数の撮像領域を有する撮像部であって、前記複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した前記測距対象物および前記基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部と、演算部とを備え、前記演算部は、前記電気信号から、前記複数の撮像領域における前記基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記複数の撮像領域における前記測距対象物の、前記第１の波長帯域より長波長側の第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成し、前記複数の基準対象物の画像データおよび前記複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、前記基準対象物の視差量および前記測距対象物の視差量を算出し、前記基準対象物の視差量および前記基準対象物の視差量の初期値に基づいて、前記測距対象物の視差量を補正し、前記測距対象物の補正した視差量を用いて前記測距対象物までの距離を算出する。【００１９】
ある好ましい実施形態において、測距装置は、前記複数の光学系と前記測距対象物との光路上に配置された、前記第２の波長帯域の光を選択的に透過する光学フィルタをさらに備え、前記基準対象物は、前記第１の波長帯域の光を発光または反射し、前記発光または反射した光が前記光学フィルタを透過せずに前記複数の光学系へ到達するように配置されている。【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記撮像部の撮像領域は、前記基準対象物を撮像する第１の領域および前記測距対象物を撮像する第２の領域を含み、前記撮像部は、前記撮像領域のそれぞれにおいて、第１の領域を覆うように設けられており、第１の波長帯域の光を選択的に透過する第１の光学フィルタ、および、前記第２の領域を覆うように設けられており、第２の波長帯域の光を選択的に透過する第２の光学フィルタの少なくとも一方を有する。【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記撮像部は、互いに異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルタを各画素に有しており、白色光により前記基準対象物および前記測距対象物を撮像し、前記演算部は、前記複数の撮像素子から得られた白色光による前記基準対象物および前記測距対象物の画像データから前記基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記測距対象物の、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成する。【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記基準対象物は、前記複数の光学系の第１の波長帯域の光における合焦距離近傍に配置されている。【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記複数の光学系のそれぞれは、少なくとも１面に回折格子が形成された回折レンズを含み、前記回折レンズは、第１の回折次数による第１の波長帯域の光の回折光によって前記基準対象物を結像し、第２の回折次数による第２の波長帯域の光の回折光によって前記測距対象物を結像する。【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記複数の光学系のそれぞれは結像レンズを含み、複数の結像レンズは一体的に成型されている。【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記撮像部は、１つの撮像素子であって、前記複数の撮像領域は、前記１つの撮像素子に設けられている。【００２６】
ある好ましい実施形態において、測距装置は、前記第１の波長帯域の光を発光する光源をさらに備え、前記基準対象物は、前記光源からの光を乱反射する。【００２７】
ある好ましい実施形態において、記基準対象物は、前記第２の波長帯域の光を発光する光源である。【００２８】
ある好ましい実施形態において、測距装置は、前記基準対象物からの光を反射し、前記複数の光学系へ入射するよう配置された反射面をさらに備える。【００２９】
本発明の測距方法は、基準対象物と、測距対象物および前記基準対象物を撮像する複数の光学系と、前記複数の光学系に１対１で対応した撮像領域を有する撮像部であって、前記複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した前記測距対象物および前記基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部とを備えた測距装置を用い、複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する測距方法であって、前記電気信号から、前記複数の撮像領域における前記基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記複数の撮像領域における前記測距対象物の、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成する工程と、前記複数の基準対象物の画像データおよび前記複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、前記基準対象物の視差量および前記測距対象物の視差量を算出する工程と、前記測距対象物の視差量および前記基準対象物の視差量の初期値に基づいて、前記測距対象物の視差量を補正し、前記測距対象物の補正した視差量を用いて前記測距対象物までの距離を算出する工程とを包含する。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、測距対象物と基準対象物とを異なる波長の光で撮像し、基準対象物を波長の短い光で撮像することにより、合焦距離をより短くし、基準対象物を撮像素子の撮像領域から近い位置に配置しても、基準対象物と測距対象物とを同程度の光学精度で撮像することが可能となる。これにより、基準対象物を、撮像部に近接して設置することが可能となり、小型の測距装置を実現することができる。【００３１】
また、基準値の視差量の初期値からの変化量を用いて、測距対象物の視差量を補正することによって、温度変化や経年変化等による基線長の変化を補正することができる。測距対象物と基準対象物とを同一の光学系によって撮像することによって、基線長の変化の補正の精度は高く、精度の高い測距装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の測距装置の第１の実施形態を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は図１の測距装置を横から見た断面図であり、（ｂ）は上から見た断面図である。
【図３】図１の測距装置の撮像領域を示す平面図である。
【図４】図１の測距装置における基線長が変化した場合において、基準対象物の視差量の変化量から基線長の変化量を算出する方法を説明する図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、図１の測距装置の信号処理回路および演算部の構成の一例を示すブロック図である。
【図６】図１の測距装置の被写体距離とＭＴＦの関係を示す図である。
【図７】（ａ）から（ｃ）は、図１の測距装置の光学系における、波長８５０ｎｍの光を用い、撮像部から４００ｍｍの位置にある対象物を撮像した場合の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図８】（ａ）から（ｃ）は、図１の測距装置の光学系における、波長４５０ｎｍの光を用い、撮像部から３３ｍｍの位置にある対象物を撮像した場合の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図９】本発明の測距装置の第２の実施形態を示す斜視図である。
【図１０】（ａ）は図９の測距装置を横から見た断面図であり、（ｂ）は上から見た断面図である。
【図１１】図９の測距装置の撮像領域を示す平面図である。
【図１２】本発明の測距装置の第３の実施形態を示す斜視図である。
【図１３】図１２の測距装置の光学系の構造を示す図である。
【図１４】図１２の測距装置の光学系における波長と回折効率の関係を示すグラフである。
【図１５】（ａ）から（ｃ）は、図１２の測距装置の光学系における、波長８５０ｎｍの光を用い、撮像部から４００ｍｍの位置にある対象物を撮像した場合の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図１６】（ａ）から（ｃ）は、図１２の測距装置の光学系における、波長４５０ｎｍの光を用い、撮像部から５５ｍｍの位置にある対象物を撮像した場合の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図１７】本発明の測距装置の第４の実施形態を示す断面図である。
【図１８】本発明の測距装置の第５の実施形態を示す断面図である。
【図１９】（ａ）は、本発明の測距装置の第６の実施形態を示す断面図であり、（ｂ）はその変形例を示す断面図である。
【図２０】図１９（ａ）の測距装置の光学フィルタの特性図である。
【図２１】測距装置における三角測量を説明する図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０              測距対象物
１１              光学フィルタ
１２              基準対象物
１３              筐体
２２ａ、２２ｂ    撮像領域
２４ａ、２４ｂ    第１の領域
２３ａ、２３ｂ    第２の領域
５２ａ、５２ｂ    入力部
５３ａ、５３ｂ    駆動部
５４              演算部
５５ａ、５５ｂ    フレームメモリ
５６              座標変換部
５７              視差量変換部
５８              メモリ
５９              視差量補正部
６０              距離算出部
６２              出力部
６３              制御部
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
一般に光学部品の屈折率は透過する光の波長に依存し、波長の短い光ほど、屈折率は大きくなる（屈折率の波長分散性）。このため、同じ光学系においても、波長の短い光は、短い距離で結像し（合焦距離が近い）、被写界深度が浅くなる。一方、波長の長い光は、長い距離で結像し（合焦距離が近い）、被写界深度も深くなる。【００３５】
本発明の測距装置は、光学系における屈折率の波長分散性を利用し、測距対象物と基準対象物とを異なる波長の光で撮像する。基準対象物を波長の短い光で撮像することにより、合焦距離をより短くし、基準対象物を撮像素子の撮像領域から近い位置に配置しても、基準対象物と測距対象物とを同じ位置に配置した撮像素子によって撮像することが可能となる。【００３６】
これにより、基準対象物を、例えば、撮像素子から数ｃｍのオーダーの距離に設置することが可能となり、測距装置に組み込んでも小型の測距装置を実現することができる。また、測距対象物と同時に撮像することができる。【００３７】
測距対象物までの距離を計測する場合、測距対象物および基準対象物を撮像し、撮像した画像データからそれぞれの視差量を求める。（数１）の関係より、所定距離に対応する視差量は、基線長が変動しなければ一定に保たれるが、温度変化や経年変化等によって基線長が変動すると視差量は変化してしまう。しかし、基準対象物から取得される視差量を常に検出し、基準対象物の初期の視差量との差分から基線長の変化量を算出し、それを測距対象物の視差量から減じることで、測距対象物の視差量を補正することができる。これにより、温度変化や経年変化等による測距値の変化を補正することが可能となる。測距対象物と基準対象物は同一光学系によって撮像するため、この補正の精度は非常に高い。本発明はこのような特徴により、精度の高い測距が可能な測距装置を実現する。以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。【００３８】
（第１の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第１の実施形態を説明する。図１は、測距装置１０１の斜視図である。図２（ａ）および（ｂ）は、測距装置１０１をそれぞれ横および上から見た断面図である。【００３９】
測距装置１０１は、光学フィルタ１１、基準対象物１２、光学系１４ａ、１４ｂ、撮像部１７ａ、１７ｂおよび信号処理回路５１を備えている。また、これらの構成要素を収納あるいは支持する筐体１３、鏡筒１５および基板１６をさらに備える。【００４０】
筐体１３は開口１３ｗを有し、開口１３ｗに光学フィルタ１１が取り付けられている。開口１３ｗの近傍であって、開口１３ｗの長手方向の中央付近に基準対象物１２が設けられている。【００４１】
筐体１３の開口１３ｗが設けられた面と対向する面には基板１６が取り付けられている。基板１６には、撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂが設けられている。また、撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂによって得られた画像データを処理するための信号処理回路５１が基板１６上に設けられている。【００４２】
光学系１４ａおよび光学系１４ｂは、所定の距離を隔てて鏡筒１５に支持されている。鏡筒１５は基板１６に取り付けられており、これにより、光学系１４ａおよび光学系１４ｂが基板１６に取り付けられた撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂから所定の距離を隔てて保持される。【００４３】
基準対象物１２は、本実施形態では、発光素子であり、第１の波長帯域の光を選択的に発光する。また、光学フィルタ１１は、第２の波長帯域の光を選択的に透過する。第２の波長帯域は第１の波長帯域よりも長波長側にある。第１の波長帯域と第２の波長帯域とは重なっていない方が好ましく、２つの波長帯域の差が大きい、つまり、第２の波長帯域の短波長側端と、第１の波長帯域の長波長側端との差が大きい方がより好ましい。基準対象物を撮像素子に近い位置に配置することができるともに、測距範囲を広くすることができる。また、選択的に透過するとは、フィルタの透過率が９０％以上である波長帯域をいう。【００４４】
本実施形態では、第１の波長帯域は青色の帯域であり、具体的には、４４０ｎｍ〜４６０ｎｍである。また、第２の波長帯域は、近赤外の帯域であり、具体的には、８００ｎｍ〜９００ｎｍである。【００４５】
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、基準対象物１２が開口１３ｗの近傍に設けられることによって、基準対象物１２の像は、光学フィルタ１１を透過せずに第１の光学系１４ａおよび第２の光学系１４ｂに入射する。一方、測距対象物１０の像は、光学フィルタ１１を透過して、第１の光学系１４ａおよび第２の光学系１４ｂに入射する。【００４６】
光学系１４ａおよび光学系１４ｂは、基準対象物および測距対象物をそれぞれ撮像し、撮像部１７ａの撮像領域２２ａおよび撮像部１７ｂの撮像領域２２ｂにこれらの像を形成する。本実施形態では、光学系１４ａおよび光学系１４ｂは、それぞれ１つの屈折レンズのみを含んでいる。しかし、光学系１４ａおよび光学系１４ｂはそれぞれ、複数のレンズを含んでいてもよい。また、反射ミラーやプリズムなど他の光学部品を含んでいてもよい。光学系１４ａおよび光学系１４ｂは同じ光学特性を有する。【００４７】
撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂは、光学系１４ａおよび光学系１４ｂによって形成した基準対象物１２および測距対象物１０の光学的な像を電気信号に変換する。この信号は撮像領域に映った像のアナログによる信号である。基準対象物１２および測距対象物１０は、第１の波長帯域の光をおよび第２の波長帯域の光による像として撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂに入射するため、撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂは、少なくとも第１の波長帯域の光および第２の波長帯域の光を検出する。【００４８】
撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂには、デジタルカメラなどに用いられるＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの公知のイメージセンサを用いることができる。図３は、撮像部１７ａ、１７ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂに映る測距対象物１０および基準対象部物１２の像を模式的に示す図である。図２（ａ）および(ｂ)に示すように、距離を計測したい測距対象物１０などのような対象物の像からの光は、光学フィルタ１１を透過し、光学系１４ａ、１４ｂによって集光され、撮像領域２２ａ、２２ｂの第２の領域２３ａ、２３ｂにおいて結像する。例えば、測距対象物１０は撮像領域２２ａ、２２ｂの第２の領域２３ａ、２３ｂにおいて、像２５ａ、２５ｂとして映る。一方、基準対象物１２は光学フィルタ１１が設けられた開口１３ｗの外側に配置されており、撮像領域２２ａ、２２ｂの第１の領域２４ａ、２４ｂにおいて、像２６ａ、２６ｂとして映る。【００４９】
図５（ａ）は、信号処理回路５１の構成を示すブロックである。信号処理回路５１は、入力部５２ａ、５２ｂ、駆動部５３ａ、５３ｂ、演算部５４、出力部６２および制御部６３を含む。制御部６３は、これらの構成要素全体の制御を行う。これらの構成要素のうち、演算部５４はハードウエアによって構成され、以下で説明する機能を実現してもよいし、ソフトウエアによって構成されていてもよい。【００５０】
駆動部５３ａ、５３ｂは、撮像部１７ａ、撮像部１７ｂの駆動を行う。具体的には、所定のタイミングで、撮像部１７ａの撮像領域２２ａおよび撮像部１７ｂの撮像領域２２ｂを構成する各画素を初期化し、撮像領域２２ａ、２２ｂの各画素に照射した光の強度に応じた電荷を撮像部１７ａ、撮像部１７ｂから読み出して、入力部５２ａ、５２ｂへ出力するように撮像部１７ａ、撮像部１７ｂを駆動する。【００５１】
入力部５２ａ、５２ｂは、例えば、相関二重サンプリング回路、オートゲイン回路、Ａ／Ｄ変換回路などを含み、駆動部５３ａ、５３ｂから受け取った電気信号からノイズの影響を除去し、信号強度の調節を行った後、デジタル信号に変換する。これにより、撮像領域の画像データが得られる。【００５２】
図５（ｂ）は演算部５４の詳細な構成を示すブロック図である。演算部５４は、フレームメモリ５５ａ、５５ｂ、座標変換部５６、視差量算出部５７、視差量補正部５９、メモリ５８および距離算出部６０を含む。【００５３】
フレームメモリ５５ａ、５５ｂは、入力部５２ａ、５２ｂからそれぞれ撮像領域の画像データを受け取り、記憶する。座標変換部５６は、随時、フレームメモリム５５ａ、５５ｂに記憶されている撮像領域の画像データを受け取り、視差量を求めるのに最適なデータとなるように画像データの座標を変換する。【００５４】
視差量算出部５７は、撮像領域２２ａ、２２ｂの画像データのうち、撮像部１７ａの第１の領域２４ａおよび撮像部１７ｂの第１の領域２４ｂに関する画像データを用いて、基準対象物の視差量を求める。また、撮像部１７ａの第２の領域２３ａおよび撮像部１７ｂの第１の領域２３ｂに関するデータを用いて、測距対象物の視差量を求める。視差量は、撮像領域２２ａの画像データと、２２ｂの画像データとの相互相関を求めることによって求めることができる。例えば、基準対象物１２の視差量を求めるためには、第１の領域２４ｂの画像データから基準対象物１２の像２６ｂを含む部分画像を切り出し、その部分画像を第１の領域２４ａの対応位置から基線方向にずらしながら、画像間の相関を取る。相関演算は例えばＳＡＤ（輝度差の絶対値を積算するアルゴリズム）による。相関値のうち一番最小値を取った値に対応したずらし量が視差量となる。同様の方法により、測距対象物１０の視差量も算出する。【００５５】
メモリ５８には、基準対象物の視差量の初期値が記憶されている。視差量補正部５９は、視差量算出部５７から基準対象物の視差量を受け取り、初期値からの変化量を算出する。そして、基準対象物についての視差量の変化量から基線長の変化量を算出し、測距対象物の視差量から基線長の変化量を減算し、変化量を減じた測距対象物の視差量を求める。【００５６】
距離算出部６０は、変化量を減じた測距対象物の視差量から（数１）に基づいて、測距対象物までの距離を求める。【００５７】
出力部６２は、求めた測距対象物までの距離のデータを受け取り、外部の機器へ距離のデータを出力する。測距装置１０１に表示部を設け、表示部に、距離を表示するようにしてもよい。【００５８】
次に、本実施形態の光学特性を説明する。図６は、本実施形態の光学系における被写体距離とレンズの解像度を示すＭＴＦ（Modulated Transfer Function）との関係を示すグラフである。図６において、曲線２０は、第１の波長帯域の光である青色光のＭＴＦを示し、曲線２１は第２の波長帯域の光（近赤外光）のＭＴＦを示している。図６の曲線２１から分かるように、第２波長帯域の光は、パンフォーカス状態に設定しているため、被写体距離が近い場合を除いて、ＭＴＦの値が大きくなる。【００５９】
一方、第１の波長帯域の光は、第２の波長帯域に対して相対的に波長が短いために合焦距離が近くなる。また、一般に合焦距離が近いほど被写界深度は浅い。このため第１の波長帯域の光は近い距離の狭い範囲において、ＭＴＦの値が大きくなる。【００６０】
本発明の測距装置は、測距対象物を撮像し、得られた画像のマッチングによって視差量を算出するため、得られる画像の解像度が高いほど、精度よく視差量を求めることができる。したがって、例えば、図６に示すように、破線Ｔで示すＭＴＦ値が得られるようにするには、図２（ａ）および（ｂ）に示す基準対象物１２から撮像部１７ａ、１７ｂまでの光路１９の長さをＰ１で示す被写体距離の範囲内となるように基準対象物１２を配置すればよい。このとき、測距装置１０１は、測距対象物１０から撮像部１７ａ、１７ｂまでの光路１８ａ、１８ｂの長さがＰ２で示す被写体距離の範囲内にある測距対象物１０までの距離を正確に測定することができる。【００６１】
本実施形態の光学系の設計例を示す。表１から表３は、光学系１４ａ、１４ｂの設計パラメータを示している。【００６２】
【表１】
2009098864.tif 000005
【００６３】
【表２】
2009098864.tif 000006
【００６４】
【表３】
2009098864.tif 000007
【００６５】
光学系１４ａおよび光学系１４ｂはいずれも同じ特性のレンズであり、Ｒ１面およびＲ２面を有している。ωは対角の半画角を示し、ｒｉは各面の曲率半径（ｍｍ）を示し、ｄｉは各面の面中心間隔（ｍｍ）を示し、ｎｄはレンズの屈折率を示し、νｄはレンズのアッベ数を示している。また、非球面形状は、面頂点の接平面から光軸方向の距離をｘ、光軸からの高さをｈとして、ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ａm（ｍ＝４，６，８，１０，１２）を第ｍ次の非球面係数としたとき（数３）で表される。
【数３】
2009098864.tif 000008
【００６６】
図７（ａ）から（ｃ）は表１に示す光学特性を光学系１４ａ、１４ｂが有し、第２の波長帯域の光として波長８５０ｎｍの光を用いた場合において、撮像部１７ａ、１７ｂから４００ｍｍにある測距対象物の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。また、図８（ａ）から（ｃ）は、表１に示す光学特性を光学系１４ａ、１４ｂが有し、第１の波長帯域の光として波長４５０ｎｍの光を用いた場合において、撮像部１７ａ、１７ｂから３３ｍｍにある基準対象物の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。図７（ａ）から（ｃ）と図８（ａ）から（ｃ）とを比較すれば明らかなように、２つの場合において、光学性能はほぼ同等である。つまり、測距対象物を４００ｍｍの位置に設置し、８５０ｎｍの波長（近赤外光）で撮像する場合と、基準対象物を３３ｍｍの位置に設置して４５０ｎｍの波長（青色光）で撮像する場合とで、ほぼ同等の光学性能を得ることが可能であることを示している。このように、短い波長の光で撮像することによって、基準対象物の位置を撮像部から数センチ程度の位置に配置しても、遠方の測距対象物と同様の光学特性で画像を撮像することができる。したがって、このように配置された基準対象物の画像により得られる視差量を用いて測距対象物の視差量を正しく補正することができる。【００６７】
次に、図３を参照しながら、本実施形態における視差の補正方法および測距対象物までの距離の測定方法をより詳細に説明する。前述したように、撮像部１７ａ、１７ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂの第１の領域２４ａ、２４ｂに基準対象物１２の像２６ａ、２６ｂが映りこみ、第２の領域２３ａと、２３ｂに測距対象物１０の像２５ａ、２５ｂが映りこむ。光学系１４ａ、１４ｂの光軸２７ａ、２７ｂは撮像領域２２ａ、２２ｂと、＋で示す位置で交わる。【００６８】
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、基準対象物１２は２つの光軸２７ａ、２７ｂの間に位置しているため、基準対象物１２の像２６ａ、２６ｂは撮像領域２２ａ、２２ｂにおいて、光軸２７ａ、２７ｂの位置より基線方向の外側に映りこむ。また、図２（ａ）および（ｂ）に示すように測距対象物１０が２つの光軸２７ａ、２７ｂの外側に位置している場合、測距対象物１０の像２５ａ、２５ｂの像は、撮像領域２２ａ、２２ｂにおいて、光軸２７ａ、２７ｂに対して基線方向の一方側にシフトしている。【００６９】
このとき、基準対象物１２および測距対象物１０の視差量ΔＥおよびΔＤは、以下の（数４）および（数５）で表される。
【数４】
2009098864.tif 000009
【数５】
2009098864.tif 000010
【００７０】
測距装置１０１は、製造時の初期値として測距対象物１０の視差量ΔＥの初期値をメモリ５８（図５（ｂ））に記憶している。【００７１】
測距時には、温度変化や経年変化等によって基線長が初期値から変化している。このため、測距時の測距対象物の視差量および基準対象物の視差量は、初期値から変動した基線長を用いることによって、はじめて（数１）を満足する。しかし、基線長の変化量は、光学系１４ａ、１４ｂの温度変化による光軸間距離の変化や、振動や経年変化による光学系１４ａ、１４ｂの取り付け位置の変化など複数の要因に依存し、基線長の変化量を直接求めることは困難である。【００７２】
しかし、測距時に、基準対象物から取得される視差量を常に検出し、初期の視差量との差分をとれば、基線長の変化量を算出することができる。測距対象物と基準対象物は同じ光学系で撮像しているため、基線長の変化量は共通である。したがって、測距対象物から取得した視差量から基線長の変化量を減算することによって、測距対象物の視差量を補正することができる。【００７３】
図４は、温度変化等によって、測距装置１０１における基線長が変化した場合において、基準対象物の視差量の変化量から基線長の変化量を算出する方法を説明する図である。【００７４】
図４において、Ｚｒは光学系１４ａ、１４ｂから基準対象物１２までの距離を示し、ｆｒは第１の波長帯域の中心波長における光学系１４ａ、１４ｂの焦点距離を示し、Ｂは基線長の初期値を示している。【００７５】
基準対象物１２の視差量の初期値は、（数５）で示すようにΔＥ＝Ｅａ＋Ｅｂである。【００７６】
測距時において、温度変化等により、光学系１４ａ、１４ｂが光学系１４ａ’、１４ｂ’で示す位置へ移動したとする。温度変化によって、光学系１４ａ’、１４ｂ’の光軸の位置も移動しているが、視差演算の座標系は変わらないため、測距時における基準対象物の視差量ΔＥ’はＥａ’＋Ｅｂ’として撮像部の画像から検出される。基準対象物１２の視差量の初期値ΔＥからの変化量δＥは以下の（数６）で表される。
【数６】
2009098864.tif 000011
【００７７】
ここで、δＥａおよびδＥｂは撮像部１７ａ、１７ｂにおける基準対象物１２の像２６ａ、２６ｂの位置の変化量を示す（図３）。【００７８】
図４において、δＢ１、δＢ２はそれぞれ光学系１４ａ、１４ｂが光学系１４ａ’、１４ｂ’で示す位置へ移動したことによる光軸の移動量を示している。δＢ１は基準対象物１２の位置を頂点とし、高さＺｒ、底辺の長さδＢ１の三角形と、基準対象物１２の位置を頂点とし、高さＺｒ＋ｆｒ、底辺の長さδＥａの三角形との相似関係から以下の（数７）で表すことができる。δＢ２についても同様の理由から（数８)で表すことができる。
【数７】
2009098864.tif 000012
【数８】
2009098864.tif 000013
【００７９】
各光学系１４ａ、１４ｂの光軸の変化量の和が基線長の変化量となるので、基線長の変化量をδＢとすると、（数６）の関係を用いてδＢは、以下の（数９）で表される。
【数９】
2009098864.tif 000014
【００８０】
（数９）の関係を用いると、基準対象物１２の視差量の初期値ΔＥから測距時の値ΔＥ’を引いた変化量δＥから基線長の変化量δＢが算出できる。【００８１】
測距時の測距対象物の検出視差量をΔＤ’とすると、視差量ΔＤ’には、基線長の変化量が含まれる。このため、基線長の変化量を差し引いた、測距対象物の補正後の視差量ΔＤｃ’は（数１０）で表される。
【数１０】
2009098864.tif 000015
【００８２】
これにより、温度変化や経年変化等による基線長の変化を補正することが可能となる。測距対象物と基準対象物とを同一の光学系１４ａ、１４ｂによって撮像しているため、基線長の変化の補正の精度は非常に高くなる。【００８３】
測距の手順は上述したように、まず、基準対象物１２である発光素子を発光させ、第１の波長帯域の光で基準対象物を撮像し、得られた画像データから、視差量算出部５７によって基準対象物の初期の視差量ΔＥを求める。求めた視差量の初期値ΔＥはメモリ５８に格納される。【００８４】
測距時には、測距対象物１０と、基準対象物１２とが同時に撮像されるように、基準対象物１２である発光素子を第１の波長帯域の光で発光させながら測距対象物１０を第２の波長帯域の光で撮像する。それぞれの画像データから、視差量算出部５７は、基準対象物１２および測距対象物１０のそれぞれの視差量ΔＥ’およびΔＤ’を算出する。視差量補正部５９は、基準対象物１２の視差量の初期値ΔＥをメモリ５８から読み出し、基準対象物の視差量ΔＥ’と視差量の初期値ΔＥから変化量δＥを求め、（数９）から基線長の変化量δＢを算出する。得られたδＢを測距対象物の視差量ΔＤ’から減算することによって測距対象物の補正後の視差量ΔＤｃが算出される。このようにして、測距時の基準対象物の視差量および基準対象物の視差量初期値に基づいて、測距対象物の視差量を補正することができる。【００８５】
距離算出部６０は、得られた測距対象物の補正後の視差量ΔＤｃ’を受け取り、（数１）のΔに代入することよって測距対象物１０までの距離Ｚを算出する。測距時の基線長はＢ＋δＢに変化しているので、基線長にはＢ＋δＢを用いる。ただし、Ｂに対してδＢは非常に小さく、無視できるため、基線長として初期値であるＢを用いて距離Ｚを算出してもよい。【００８６】
このように、測距装置１０１は、測距対象物と基準対象物とを異なる波長の光で撮像する。基準対象物を波長の短い光で撮像することにより、合焦距離をより短くし、基準対象物を撮像素子の撮像領域から近い位置に配置しても、基準対象物と測距対象物とを同程度の光学精度で撮像することが可能となる。これにより、基準対象物を、撮像部に近接して設置することが可能となり、小型の測距装置を実現することができる。【００８７】
また、基準値の視差量の初期値からの変化量を用いて、測距対象物の視差量を補正するため、温度変化や経年変化等による基線長の変化を補正することが可能となり、測距対象物と基準対象物とを同一の光学系によって撮像しているため、基線長の変化の補正の精度は非常に高い。したがって、精度の高い測距装置を実現することができる。【００８８】
したがって、車載用途のように温度範囲が広く温度変化の激しい環境や、経年変化の可能性がある環境下であっても、測距値を高精度で補正することを可能とした、小型な測距装置を提供することができる。【００８９】
なお、本実施形態では、測距対象物は、外部の自然光や光源により照射され、測距対象物において反射した光を測距対象物として撮像していた。しかし、夜間や室内等、近赤外光による撮像が困難な環境においては、近赤外ＬＥＤ等の補助光源を測距装置１０１に設けたり、別途補助光源を用いたりして、近赤外光を測距対象物に照射するようにしてもよい。【００９０】
また、本実施形態では、近赤外光の波長帯域を透過し可視光の波長帯域を反射する誘電体多層膜等をガラス表面に形成した光学フィルタを用いているが、ガラス中に分散した光吸収物質により可視光を吸収し、近赤外光を透過する光学フィルタを用いてもよい。【００９１】
また、本実施形態では、測距対象物を近赤外光の波長帯域によって撮像し、基準対象物を青色ＬＥＤによる青色光の波長帯域によって撮像しているが、測距対象物の波長帯域と基準対象物の波長帯域および光源の種類はこれに限定されない。【００９２】
また、本実施形態では、光学系は２つであるが、３つ以上の光学系を備えた測距装置として本発明を実施してもよい。【００９３】
また、本実施形態では、基準対象物は１つであるが、２つ以上の基準対象物を設け、検出した２つ以上の視差量の変化を平均もしくは補間することによって測距精度を上げるようにしてもよい。【００９４】
（第２の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第２の実施形態を説明する。図９は、測距装置１０２の斜視図である。図１０（ａ）および（ｂ）は、測距装置１０２をそれぞれ横および上から見た断面図である。【００９５】
測距装置１０２は、筐体１３の開口１３ｗに光学フィルタが設けられておらず、撮像領域２２ａ、２２ｂをそれぞれ覆うフィルタ部６５ａ、６５ｂを備えた撮像部１７ａ’、１７ｂ’を備えている点で第１の実施形態の測距装置１０１と異なっている。また、第１の実施形態では、基準対象物１２は第１の波長帯域の光を発光する発光素子であったが、測距装置１０２は、白色光を発光する発光素子を基準対象物１２’として備えている。また、基準対象物１２’は、撮像部１７ａ’、１７ｂ’から、光学系１４ａ、１４ｂの第１の波長帯域の光による合焦距離を隔てて配置されている。図９および図１０（ａ）、（ｂ）では、筐体１３の開口１３ｗには何も設けられていないが、埃などの侵入や筐体１３内部を保護するため、例えば、白色光を透過する透明板で開口１３ｗを覆ってもよい。【００９６】
図１１は、撮像部１７ａ’、１７ｂ’の撮像領域２２ａ、２２ｂを示す平面図である。【００９７】
撮像領域２２ａ、２２ｂは、それぞれフィルタ部６５ａ、６５ｂによって覆われている。撮像領域２２ａにおいて、フィルタ部６５ａは、第１の領域２４ａを覆う第１の光学フィルタ６６ａと第２の領域２３ａを覆う第２の光学フィルタ６７ａを含む。同様に、撮像領域２２ｂにおいて、フィルタ部６５ｂは、第１の領域２４ｂを覆う第１の光学フィルタ６６ｂと第２の領域２３ｂを覆う第２の光学フィルタ６７ｂを含む。第１の光学フィルタ６６ａ、６６ｂはそれぞれ第１の波長帯域の光を透過する特性を備え、第２の光学フィルタ６７ａ、６７ｂは第２の波長帯域の光を透過する特性を備える。【００９８】
第１の実施形態と同様、第２の波長帯域は第１の波長帯域よりも長波長側にある。また、本実施形態では、第１の波長帯域は青色の帯域であり、第２の波長帯域は、近赤外の帯域である。【００９９】
本実施形態では、基準対象物は白色光を発光し、測距対象物の像も白色光で測距装置１０２に入射する。このため、白色光による基準対象物の像および測距対処物の像は、光学系１４ａ、１４ｂによって集光され、軸上色収差が生じた状態で撮像部１７ａ’、１７ｂ’の撮像領域２２ａ、２２ｂに結像される。このため、白色光としては、基準対象物１２’および測距対象物１０の像が高い解像度で形成されない。【０１００】
しかし、撮像部１７ａ’、１７ｂ’において、撮像領域２２ａ、２２ｂがフィルタ部６５ａ、６５ｂで覆われていることによって、撮像領域２２ａ、２２ｂの第１の領域２４ａ、２４ｂでは、第１の波長帯域の光、例えば青色光で基準対象物１２’が撮像され、第２の領域２３ａ、２３ｂでは、第２の波長帯域の光、例えば近赤外光で測距対象物１０が撮像される。このため、第１の波長帯域の光としては、基準対象物１２’が第１の波長帯域の合焦距離に配置されていることによって、撮像領域２２ａ、２２ｂの第１の領域２４ａ、２４ｂにおいて高い解像度で形成される。また、測距対象物１０も第２の波長帯域の光で撮像する限り、図６の曲線２１で示す被写体距離とＭＴＦ値との関係を満たす。したがって、第１の実施形態と同様、基準対象物を波長の短い光で撮像することにより、合焦距離をより短くし、基準対象物を撮像素子の撮像領域から近い位置に配置しても、基準対象物と測距対象物とを同程度の光学精度で撮像することが可能となる。これにより、基準対象物を、撮像部に近接して設置することが可能となり、小型の測距装置を実現することができる。【０１０１】
また、基準値の視差量の初期値からの変化量を用いて、測距対象物の視差量を補正するため、温度変化や経年変化等による基線長の変化を補正することが可能となり、測距対象物と基準対象物とを同一の光学系によって撮像しているため、基線長の変化の補正の精度は非常に高い。したがって、精度の高い測距装置を実現することができる。【０１０２】
なお、本実施形態では、基準対象物１２’に白色の発光素子を用いているが、第１の実施形態と同様第１の波長帯域の光を発光する素子を用いてもよい。この場合、フィルタ部６５ａ、６５ｂの第１の光学フィルタ６６ａ、６６ｂは設けなくてもよい。また、基準対象物１２’として、外部からの白色光を散乱透過するように開口１３ｗの周囲の一部に配置された透明板を用い、透明板に例えばストライプ状のパターンを形成したものを用いてもよい。【０１０３】
（第３の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第３の実施形態を説明する。図１２は、測距装置１０３を上から見た断面図である。本実施形態の測距装置１０３は、第１の実施形態の測距装置１０１の光学系１４ａ、１４ｂの代わりに、少なくとも１面に回折格子を形成した回折レンズからなる光学系７１ａ、７１ｂを備えている点で第１の実施形態の測距装置１０１と異なっている。【０１０４】
本実施形態の光学系７１ａ、７１ｂは、ブレーズド回折格子と呼ばれる特定の次数および波長に対して高い回折効率を示す鋸歯状の回折格子を備えている。図１３は、光学系７１ａ、７１ｂの断面構造を示しており、図１３に示されるように、光学系７１ａ、７１ｂの片面にブレーズド回折格子が形成されている。【０１０５】
平行光３０が光学系７１ａ、７１ｂへ入射した場合、波長λ１の光による＋１次の回折光は光路３１を通って収束し、波長λ２の光による＋２次の回折光は光路３２を通って収束する。ブレーズド回折格子は段差ｄを有している。【０１０６】
このようなブレーズド回折格子を有する回折レンズの回折効率ηは、「増補改訂版回折光学素子入門  ｐ．１５０−ｐ．１５１」に記載されており、（数１１）、（数１２）で表すことができる。
【数１１】
2009098864.tif 000016
【数１２】
2009098864.tif 000017
【０１０７】
ここで、ｍは回折次数であり、λは波長であり、ｎ（λ）は波長λにおけるレンズの屈折率である。（数１１）、（数１２）において、ナトリウムｄ線の波長における屈折率を１．５２４７、アッベ数を５６．２とするレンズ材を用い、ｄ＝１．６４μｍとすると、波長と回折効率の関係は図１４に示すようになる。図１４は、＋１次の回折光の回折効率の曲線３４と、＋２次の回折光の回折効率の曲線３３とを示している。図１４に示すように、＋１次の回折光の回折効率はλ１＝８５０ｎｍで略１００％となる。また、＋２次の回折光の回折効率はλ２＝４５０ｎｍで略１００％となる。したがって、測距対象物は波長λ１を含む回折効率の高い近赤外光波長の帯域で撮像することによって、高い撮像性能を確保することができる。また、＋２次の回折光は＋１次の回折光に比べて回折効率の高い波長帯域は狭いが、ＬＥＤ光の波長帯域も狭いため、基準対象物である青色ＬＥＤ１２の主波長をλ２と略等しくすることにより、高い撮像性能を確保することができる。【０１０８】
また、図１３に示すように、波長の短い＋２次の回折光３２の方が波長の長い＋１次の回折光３１よりも短い距離で結像する。従って、撮像面を基準とすると、波長の短い＋２次の回折光は、近い距離の狭い範囲でピントが合い、波長の長い＋１次の回折光は相対的に遠い距離の広い範囲でピントが合う。このように、光学系７１ａ、７１ｂが回折格子を備えていることにより、第１の実施形態と同様に測距対象物と基準対象物を撮像部１７ａ、１７ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂに結像させることができる。【０１０９】
本実施形態の光学系の設計例を示す。表４から表７は、光学系７１ａ、７１ｂの設計パラメータを示している。【０１１０】
【表４】
2009098864.tif 000018
【０１１１】
【表５】
2009098864.tif 000019
【０１１２】
【表６】
2009098864.tif 000020
【０１１３】
【表７】
2009098864.tif 000021
【０１１４】
光学系７１ａおよび光学系７１ｂはいずれも同じ特性のレンズであり、Ｒ１面およびＲ２面を有している。ωは対角の半画角を示し、ｒｉは各面の曲率半径（ｍｍ）を示し、ｄｉは各面の面中心間隔（ｍｍ）を示し、ｎｄはレンズの屈折率を示し、νｄはレンズのアッベ数を示している。また、非球面形状は面頂点の接平面からの光軸方向の距離をｘ、光軸からの高さをｈとして、ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ａm（ｍ＝４，６，８，１０，１２）を第ｍ次の非球面係数としたとき、第１の実施形態と同様、（数３）で表される。また、回折面に（Ｒ２面）おける位相差関数φ（ｈ）は、光軸からの高さをｈとし、Ｂｎ（ｎ＝２，４，６，８，１０）を第ｎ次の位相関数の係数としたとき、単位をラジアンとして（数１３）で表される。
【数１３】
2009098864.tif 000022
【０１１５】
図１５（ａ）から（ｃ）は表２に示す光学特性を光学系７１ａ、７１ｂが有し、第２の波長帯域の光として波長８５０ｎｍの光を用いた場合において、撮像部１７ａ、１７ｂから４００ｍｍにある測距対象物の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。また、図１６（ａ）から（ｃ）は、表２に示す光学特性を光学系７１ａ、７１ｂが有し、第１の波長帯域の光として波長４５０ｎｍの光を用いた場合において、撮像部１７ａ、１７ｂから５５ｍｍにある基準対象物の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。図１５（ａ）から（ｃ）と図１６（ａ）から（ｃ）とを比較すれば明らかなように、第１の実施形態と同様、２つの場合において、光学性能はほぼ同等である。つまり、測距対象物を４００ｍｍの位置に設置し、８５０ｎｍの波長（近赤外光）で撮像する場合と、基準対象物を５５ｍｍの位置に設置して４５０ｎｍの波長（青色光）で撮像する場合とで、ほぼ同等の光学性能を得ることが可能であることを示している。このように、光学系に回折レンズを用い、第１の回折次数による回折光によって測距対象物を撮像し、第２の回折次数による回折光によって基準対象物を撮像する構成とすることによって、屈折レンズと同様、基準対象物の位置を撮像部から数センチ程度の位置に配置しても、遠方の測距対象物と同様の光学特性で画像を撮像することができる。したがって、このように配置された基準対象物の画像により得られる視差量を用いて測距対象物の視差量を正しく補正することができる。【０１１６】
本実施形態では、＋１次の回折光と＋２次の回折光を利用しているが、回折次数および波長の組合せはこれに限らず、他の回折次数と波長を組み合わせてもよい。
（第４の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第４の実施形態を説明する。図１７は、測距装置１０４を上から見た断面図である。本実施形態の測距装置１０４は、第１の実施形態の測距装置１０１の光学系１４ａ、１４ｂの代わりに光学系３７を備え、撮像部１７ａ、１７ｂの代わりに撮像素子３８を備えている点で第１の実施形態の測距装置１０１と異なっている。【０１１７】
光学系３７は、２つの結像レンズ部３７ａ、３７ｂを含んでおり、２つの結像レンズ部３７ａ、３７ｂは一体的に成形されている。また、撮像素子３８は撮像領域２２ａを備えた撮像部３８ａと撮像領域２２ｂを備えた撮像部３８ｂとを含み、撮像部３８ａ、３８ｂとは一体的に成形されている。撮像素子３８はひとつの大きな撮像領域を備え、大きな撮像領域が、撮像領域２２ａ、２２ｂを含んでいてもよい。【０１１８】
光学系３７の結像レンズ部３７ａ、３７ｂは、撮像部３８ａ、３８ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂにそれぞれ測距対象物１０および基準対象物１２の像を結像させる。これにより、第１の実施形態と同様、小型で、精度の高い測距装置を実現することができる。特に、本実施形態では、光学系３７の２つの結像レンズ部３７ａ、３７ｂが一体的に形成されており、撮像部３８ａ、３８ｂも一体的に形成されている。【０１１９】
２つの光学系の結像レンズが別々に成形された２つの光学部品である場合、２つの光学部品の特性のバラつきによって、特性の温度変化や経年変化の程度に差異が生じたり、２つの結像レンズを別々に支持するため、振動などによる位置ずれに差異が生じたりする可能性がある。２つの撮像部が２つの部品である場合にも同様の差異が生じる可能性がある。この場合、２つの光学系の光軸の間隔である基線長が変化するだけでなく、２つの撮像領域における光軸の位置もまったく独立して複雑に変化する。また、各撮像領域において、基準対象物を撮像する第１の領域と測距対象物とを撮像する第２の領域とで視差量の変化量が異なる可能性がある。その結果、視差量の補正の精度が低下する可能性がある。【０１２０】
これに対して、２つの光学系の結像レンズが一体的に成形されている場合や、２つの撮像部が一体的である場合、２つの部品の特性のバラつきや、部品の支持が独立していることによる独立した位置ずれなどの影響を抑制することができる。また、２つの部品で構成する場合に比べて、温度変化による部品の伸縮や振動などによる位置ずれの影響が２つの結像レンズ部や撮像部に同程度に生じやすくなるため、視差量の補正の精度が向上し、温度変化による測距精度の劣化や変動を抑制することができる。【０１２１】
また、複数の撮像領域を１個の撮像素子上に配置することにより、さらに小型な測距装置を実現することができる。【０１２２】
（第５の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第５の実施形態を説明する。図１８は、測距装置１０５を横から見た断面図である。本実施形態の測距装置１０５は、反射パターンによって構成される基準対象物２８と、基準対象物２８とは異なる場所に設けられた光源７３とを備えている点で、第１の実施形態の測距装置１０１とは異なる。【０１２３】
光源７３は、例えば、基板１６上に支持されており、第１の波長帯域の光を発光する。例えば、光源７３は青色ＬＥＤである。基準対象物２８は、光源７３からの第１の波長帯域の光を散乱反射するパターンによって構成され、第１の実施形態で説明した基準対象物１２の位置に設けられる。【０１２４】
第１の実施形態では、基準対象物１２はＬＥＤであるため、ＬＥＤの種類によってはサイズや形状が制限される。しかし、本実施形態では、基準対象物２８はパターンであるため、サイズや形状を自由に設定することができる。視差量を算出するための画像のパターンマッチング精度は撮像パターンの種類に依存するため、基準対象物のパターンの形状を最適化することで、視差量の検出精度を上げることができる。パターンマッチングによる視差量の検出には、基線方向にコントラストが高いパターンを用いことが好ましい。例えば、基準対象物２８のパターンを基線方向と直交するストライプ状にすることによって、視差量の検出精度を高めることが可能となる。【０１２５】
また、基準対象物２８を反射パターンにすることによって、光源７３を基板１６に設けることができる。第１の実施形態のように、筐体１３に配線を行って、発光素子を光学系１４ａ、１４ｂに入射する位置に配置しなくてもよいため、測距装置１０５の構造を簡単にすることができる。【０１２６】
なお、図１８では、基準対象物２８を筐体１３に設けているが、光学フィルタ１１に基準対象物２８を設けてもよい。基準対象物２８は平面形状を有するため、光学フィルタ１１に容易に形成できる。また、基準対象物２８は反射パターンであるため、測距対象物１０側から白色の外光が入射しても外光の影響を受けず、光源７３から出射する第１の波長帯域の光を反射パターンが反射することによって、基準対象物を第１の波長帯域の光で撮像できる。【０１２７】
（第６の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第６の実施形態を説明する。図１９（ａ）は、測距装置１０６を横から見た断面図である。本実施形態の測距装置１０６は、基準対象物１２が基板１６に設けられており、基準対象物１２が光学フィルタ１１の内側の面１１ｒにおける正反射を介して撮像される点で第１の実施形態と異なっている。【０１２８】
第１の実施形態と同様、基準対象物１２は第１の波長帯域の光を発光する。基板１６に設けられた第１の波長帯域の光による基準対象物１２の像は、光学フィルタ１１の反射面１１ｒにおいて正反射し、光学系１４ａおよび１４ｂに入射し、撮像部１７ａ、１７ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂにおいて結像する。【０１２９】
光学フィルタ１１は、近赤外帯域の光を透過し、可視帯域の光を反射する誘電体多層膜等がガラスの表面に形成された光学フィルタである。図２０は、光学フィルタ１１の光学特性を示している。図２０において、曲線３５は透過率を示し、曲線３６は反射率を示している。光学フィルタ１１はこのような特性を備えるため、可視光である基準対象物１２の青色光による像は光学フィルタ１１の反射面１１ｒにおいて正反射する。本実施形態では、第５の実施形態のような散乱反射ではなく、正反射によって基準対象物１２の像が光学系１４ａ、１４ｂに入射する。つまり、反射面１１ｒによって基準対象物１２から撮像部１７ａ、１７ｂまでの光路１９を折り返すことができる。このため、反射面１１ｒと撮像部１７ａ、１７ｂとの距離Ｌは、光学系１４ａ、１４ｂの第１の波長帯域の光における合焦距離の半分でよい。例えば、合焦距離が３３ｍｍであれば、距離Ｌは１６．５ｍｍでよい。したがって測距装置１０６の外形をより小さくすることができる。【０１３０】
また、基準対象物は発光せず、他の光源からの光を散乱反射するパターンであってもよい。図１９（ｂ）に示す測距装置１０６’は、基板１６に設けられた光源７３と、光源７３からの光を散乱反射するパターンから基板１６に設けられた基準対象物２８を備えている。光源７３は第１の波長帯域の光を発光し、光源７３からの光は基準対象物２８において散乱反射する。基準対象物２８の第１の波長帯域の光による像は、光学フィルタ１１の反射面１１ｒにおいて正反射し、光学系１４ａおよび１４ｂに入射する。これにより、撮像部１７ａ、１７ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂにおいて基準対象物２８の像が結像する。【０１３１】
基準対象物２８は、散乱パターンによって構成されるため、サイズや形状を自由に設定することができる。したがって、第５の実施形態で説明したように、基準対象物のパターン形状を最適化することによって、視差量の検出精度を高めることができる。【０１３２】
このように本実施形態によれば、光学フィルタにおける正反射を利用することによって基準対象物から撮像部までの光路を折り返すことができる。このため、基準対象物を光学系よりも後方に設置することができ、直接基準対象物を撮像する構成に比べて測距装置を小型化することが可能となる。【０１３３】
なお、本実施の形態では、近赤外光の波長帯域を透過し、可視光の波長帯域を反射する誘電体多層膜等をガラスの表面に形成したものを光学フィルタ１１に用いているが、ガラス中に分散した光吸収物質により可視光を吸収し、近赤外光を透過する光学フィルタを用いてもよい。可視光を吸収するフィルタであっても、フィルタの表面は僅かな反射率を有しているため、発光素子からなる基準対象物１２や散乱反射パターンからなる基準対象物２８の像を撮像することが可能である。【０１３４】
また、基準対象物１２または基準対象物２８の像を反射する反射面は光学フィルタ１１以外に設けてもよい。【０１３５】
上記第１から第６の実施形態は適宜組み合わせて実施することが可能である。例えば、第２の実施形態の測距装置１０２と第３から第５の実施形態の特徴的な構成とを組み合わせてもよいし、第３の実施形態の測距装置１０３に第４から第６の実施形態の特徴的な構成を組み合わせてもよく、第４の実施形態の測距装置１０４に第５から第６の実施形態の特徴的な構成を組み合わせてもよい。また、３つ以上の実施形態を組み合わせて実施してもよい。【０１３６】
また、上記第１から第６の実施形態では、第１の波長帯域の光源または光学フィルタを用いて基準対象物の像を生成し、光学フィルタを用いて第２の波長帯域の光を用いて測距対象物の像を生成している。しかし、例えば、ＲＧＢのフィルタがベイヤ配列で各画素に配置された撮像素子や、第１の波長帯域を透過するフィルタおよび第２の波長帯域を透過するフィルタを千鳥状に各画素に配置した撮像素子を用い、外光などの白色光によって生成した測距対象物の像および基準対象物の像をそのまま撮像素子で撮像し、信号処理によって、白色光による基準対象物の像から第１の波長帯域の光による像を抽出し、白色光による測距対象物の像から第２の波長帯域の光による像を抽出してもよい。このような方法により得られた像を用いて基準対象物の視差量および測距対象物の視差量を算出し、基準対象物の視差量の初期値からの変化量を用いて、測距対象物の視差量を補正することによっても、測距精度を高めることができる。この場合、フィルタは上述の組み合わせに限らず、４つ以上の互いに異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルタを各画素に配置してもよい。【０１３７】
また、上記第１から第６の実施形態では、２つの光学系を用いて測距対象物および基準対象物の視差量を求めているが、光学系を３つ以上備えた測距装置を実現してもよい。この場合、測距対象物の視差量および基準対象物の視差量がそれぞれ２つ以上求められるため、それぞれの平均値を用いることによって、より精度の高い測距を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３８】
本発明の測距装置は、種々の用途の測距装置に適用可能であり、車載用、監視カメラ用、立体形状測定用等の測距装置に好適に用いられる。
【図１】
2009098864.tif 000023
【図２】
2009098864.tif 000024
【図３】
2009098864.tif 000025
【図４】
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【図５】
2009098864.tif 000027
【図６】
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【図７】
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【図８】
2009098864.tif 000030
【図９】
2009098864.tif 000031
【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】
2009098864.tif 000037
【図１６】
2009098864.tif 000038
【図１７】
2009098864.tif 000039
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年6月17日(2009.6.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１０】
前記基準対象物は、前記第１の波長帯域の光を発光する光源である請求項５に記載の測距装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
基準対象物と、測距対象物および前記基準対象物を撮像する複数の光学系と、前記複数の光学系に１対１で対応した撮像領域を有する撮像部であって、前記複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した前記測距対象物および前記基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部とを備えた測距装置を用い、前記複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する測距方法であって、
前記電気信号から、前記複数の撮像領域における前記基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記複数の撮像領域における前記測距対象物の、前記第１の波長帯域より長波長側の第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成する工程と、
前記複数の基準対象物の画像データおよび前記複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、前記基準対象物の視差量および前記測距対象物の視差量を算出する工程と、
前記基準対象物の視差量および前記基準対象物の視差量の初期値に基づいて、前記測距対象物の視差量を補正し、前記測距対象物の補正した視差量を用いて前記測距対象物までの距離を算出する工程と、
を包含する測距方法。
【手続補正書】
【提出日】平成21年9月28日(2009.9.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三角測量を用いて対象物までの距離を測る測距装置に関し、特に、誤差の少ない測距装置および測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
三角測量を用いて対象物までの距離を測る測距装置は、通常一対の光学系および撮像素子をそれぞれ備える。一対の光学系は例えば、水平（左右）方向または垂直（上下）方向に配置され、一対の光学系によってそれぞれ集光された対象物の光による像を撮像素子によって電気的信号による画像に変換する。これを撮像と呼ぶ。また、本願明細書では画像とは、撮像素子によって電気的に変換された対象物を含む像をいう。測距装置は、撮像した２つの画像間の視差量を求め、視差量から三角測量の原理を用いて対象物までの距離を測定する。このような測距装置は、自動車の車間距離の測定や、カメラの自動焦点システム、３次元形状測定システムなどに用いられている。
【０００３】
図２１は、測距装置の三角測量について説明する図である。図２１に示すように、対象物Ｏ上の点Ｐを測定点とし、対象物Ｏの光による像を第１の撮像光学系の撮像レンズＧ１および第２の撮像光学系の撮像レンズＧ２によって、第１の撮像素子の撮像面Ｎ１および第２の撮像素子の撮像面Ｎ２にそれぞれ形成させる。
【０００４】
点Ｐが第１の撮像光学系の光軸ａ１上に位置する場合、点Ｐの像は、撮像面Ｎ１と第１の撮像光学系の光軸ａ１とが交わる点に形成される。第２の撮像光学系は、第１の撮像光学系の光軸ａ１と第２の撮像光学系の光軸ａ２とが所定の間隔Ｂを隔てて互いに平行となるように配置される。撮像面Ｎ２と第２の撮像光学系の光軸ａ２とが交わる点および撮像面Ｎ１と第１の撮像光学系の光軸ａ１とが交わる点を結ぶ線分は対象物の位置によって変化しない三角測量の基準となる線分であり、基線と呼ばれる。この基線の長さである基線長は間隔Ｂに等しい。以下、基線長をＢとする。
【０００５】
撮像面Ｎ２では、点Ｐの像は、第２の撮像光学系の光軸ａ２から基線の上において距離Δだけ離れた位置に形成される。これを視差といい、その長さを視差量Δという。
【０００６】
第１および第２の撮像光学系の撮像レンズＧ１およびＧ２の焦点距離をｆとすると、以下の近似式が成り立つ。
【数１】
2009098864.tif 000044
【０００７】
視差量Δは、撮像面Ｎ１に形成された像から得られた画像と、撮像面Ｎ２に形成された像から得られた画像とをパターンマッチングすることで求められる。したがって、（数１）をＺについて求め、視差量Δ、基線長Ｂおよび焦点距離ｆを（数１）に代入することによって距離Ｚを求めることができる。視差量Δの単位は画素となるが、補間処理によって０．１画素単位（サブピクセル単位）で演算することも可能である。
【０００８】
一般に測距装置が使用される環境では、測距装置自体が小型であることが求められ、基線長Ｂを十分に長くすること難しい。（数１）から分かるように、基線長Ｂが短い場合、視差量Δも小さくなる。このため、基線長Ｂを短くした測距装置であっても高い測距精度が得られることが求められている。
【０００９】
しかし、視差量Δが小さいと様々な要因により、測距精度が低下しやすくなる。例えば、環境温度が変化すると、それに伴い測距装置を構成する各部材が伸縮し、光学系の光軸の位置が変化する。測距装置の構造が複雑であれば光学系の光軸の位置も複雑に変化する。これによって生じた視差量Δの変化量を推定することは困難であり、変化量を補正することも困難となる。この場合、測距精度の低下が許容される温度範囲でなければ測距装置を使用することができない。
【００１０】
また、振動によって部材の位置や組み立て状態が変化したり、部材の寸法や組立て状態が経年変化をする場合も光軸の位置が変化する可能性がある。これらによって生じた視差量の変化も、視差量Δが小さいほど測距精度に大きな影響を与える。
【００１１】
このような課題を解決するため、特許文献１は、測距装置に温度センサを設け、検出した温度と部材の線膨張率とを用いて光軸間隔の変化を一義的に補正し、環境温度の変化による測距精度の低下を防止する方法を提案している。
【００１２】
また、特許文献２は、振動や経年変化による測距精度の低下を防止するため、距離が既知である基準対象物のズレ量を検出し、視差量Δを補正する方法を提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第３０９００７８号
【特許文献２】特開平７−７１９５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１の方法では、温度センサの特性のばらつきや基線長を決定する部材の線膨張係数のばらつきによって補正誤差が生じるという問題がある。また、一般に温度センサの検出部の熱容量に比べて、基線長を決定するレンズなどの部材の熱容量のほうが大きいため、環境温度が急激に変化した場合、基線長を決定する部材の温度が環境温度と同じになるまでには時間がかかり、その間、適切な補正を行うことは困難になる。
【００１５】
また、特許文献２の方法では、基準対象物を光学系の前側被写界深度限界近傍に設置する必要がある。ここで、測距対象物と基準対象物とをパンフォーカス状態（被写界深度を深くし、近距離でも遠距離でもピントを合わせた状態）で撮像する例について説明する。パンフォーカス状態の場合の前側被写界深度限界距離Ａは、（数２）で表すことができる。
【数２】
2009098864.tif 000045
【００１６】
（数２）において、ｆは焦点距離を示し、Ｆは光学系のＦ値を示し、δは許容錯乱円を示す。撮像素子の画素ピッチをＶＧＡクラスの２．９μｍとし、焦点距離ｆを２．８ｍｍとし、Ｆ値を２．８とし、許容錯乱円を画素ピッチの２倍とする。この場合、前側被写界深度限界距離Ａは、（数２）より約２４１ｍｍとなる。このように、焦点距離が比較的短い光学系においても、前側被写界深度限界距離は２００ｍｍ以上となってしまうため、測距装置に基準対象物を組み込もうとすると、測距装置自体が大きくなってしまうという問題がある。
【００１７】
また、特許文献１および特許文献２の測距装置は、２つの光学系のレンズおよび撮像素子がそれぞれ別体になっている。このような構成の場合、それぞれのレンズおよび撮像素子において、温度、振動、物理特性の経年変化などの影響が異なる程度で生じ、撮像素子の撮像面における光学系の光軸の位置が２つの光学系のレンズおよび撮像素子において異なる変化をし、視差量の補正が適正にできないという問題が生じる。
【００１８】
本発明の目的は、上述した従来技術の課題の少なくとも１つを解決し、環境温度の変化や経年変化に対して高い測距精度を維持することが可能な小型の測距装置および測距方法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】
【００１９】
本発明の測距装置は、複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する測距装置であって、基準対象物と、測距対象物および前記基準対象物を撮像する複数の光学系と、前記複数の光学系に１対１で対応した複数の撮像領域を有する撮像部であって、前記複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した前記測距対象物および前記基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部と、演算部とを備え、前記演算部は、前記電気信号から、前記複数の撮像領域における前記基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記複数の撮像領域における前記測距対象物の、前記第１の波長帯域より長波長側の第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成し、前記複数の基準対象物の画像データおよび前記複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、前記基準対象物の視差量および前記測距対象物の視差量を算出し、前記基準対象物の視差量および前記基準対象物の視差量の初期値に基づいて、前記測距対象物の視差量を補正し、前記測距対象物の補正した視差量を用いて前記測距対象物までの距離を算出する。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、測距装置は、前記複数の光学系と前記測距対象物との光路上に配置された、前記第２の波長帯域の光を選択的に透過する光学フィルタをさらに備え、前記基準対象物は、前記第１の波長帯域の光を発光または反射し、前記発光または反射した光が前記光学フィルタを透過せずに前記複数の光学系へ到達するように配置されている。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記撮像部の撮像領域は、前記基準対象物を撮像する第１の領域および前記測距対象物を撮像する第２の領域を含み、前記撮像部は、前記撮像領域のそれぞれにおいて、第１の領域を覆うように設けられており、第１の波長帯域の光を選択的に透過する第１の光学フィルタ、および、前記第２の領域を覆うように設けられており、第２の波長帯域の光を選択的に透過する第２の光学フィルタの少なくとも一方を有する。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記撮像部は、互いに異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルタを各画素に有しており、白色光により前記基準対象物および前記測距対象物を撮像し、前記演算部は、前記複数の撮像素子から得られた白色光による前記基準対象物および前記測距対象物の画像データから前記基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記測距対象物の、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成する。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記基準対象物は、前記複数の光学系の第１の波長帯域の光における合焦距離近傍に配置されている。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記複数の光学系のそれぞれは、少なくとも１面に回折格子が形成された回折レンズを含み、前記回折レンズは、第１の回折次数による第１の波長帯域の光の回折光によって前記基準対象物を結像し、第２の回折次数による第２の波長帯域の光の回折光によって前記測距対象物を結像する。
【００２５】
ある好ましい実施形態において、前記複数の光学系のそれぞれは結像レンズを含み、複数の結像レンズは一体的に成型されている。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記撮像部は、１つの撮像素子であって、前記複数の撮像領域は、前記１つの撮像素子に設けられている。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、測距装置は、前記第１の波長帯域の光を発光する光源をさらに備え、前記基準対象物は、前記光源からの光を乱反射する。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記基準対象物は、前記第２の波長帯域の光を発光する光源である。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、測距装置は、前記基準対象物からの光を反射し、前記複数の光学系へ入射するよう配置された反射面をさらに備える。
【００３０】
本発明の測距方法は、基準対象物と、測距対象物および前記基準対象物を撮像する複数の光学系と、前記複数の光学系に１対１で対応した撮像領域を有する撮像部であって、前記複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した前記測距対象物および前記基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部とを備えた測距装置を用い、複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する測距方法であって、前記電気信号から、前記複数の撮像領域における前記基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記複数の撮像領域における前記測距対象物の、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成する工程と、前記複数の基準対象物の画像データおよび前記複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、前記基準対象物の視差量および前記測距対象物の視差量を算出する工程と、前記測距対象物の視差量および前記基準対象物の視差量の初期値に基づいて、前記測距対象物の視差量を補正し、前記測距対象物の補正した視差量を用いて前記測距対象物までの距離を算出する工程とを包含する。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、測距対象物と基準対象物とを異なる波長の光で撮像し、基準対象物を波長の短い光で撮像することにより、合焦距離をより短くし、基準対象物を撮像素子の撮像領域から近い位置に配置しても、基準対象物と測距対象物とを同程度の光学精度で撮像することが可能となる。これにより、基準対象物を、撮像部に近接して設置することが可能となり、小型の測距装置を実現することができる。
【００３２】
また、基準値の視差量の初期値からの変化量を用いて、測距対象物の視差量を補正することによって、温度変化や経年変化等による基線長の変化を補正することができる。測距対象物と基準対象物とを同一の光学系によって撮像することによって、基線長の変化の補正の精度は高く、精度の高い測距装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の測距装置の第１の実施形態を示す斜視図である。
【図２】（ａ）は図１の測距装置を横から見た断面図であり、（ｂ）は上から見た断面図である。
【図３】図１の測距装置の撮像領域を示す平面図である。
【図４】図１の測距装置における基線長が変化した場合において、基準対象物の視差量の変化量から基線長の変化量を算出する方法を説明する図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、図１の測距装置の信号処理回路および演算部の構成の一例を示すブロック図である。
【図６】図１の測距装置の被写体距離とＭＴＦの関係を示す図である。
【図７】（ａ）から（ｃ）は、図１の測距装置の光学系における、波長８５０ｎｍの光を用い、撮像部から４００ｍｍの位置にある対象物を撮像した場合の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図８】（ａ）から（ｃ）は、図１の測距装置の光学系における、波長４５０ｎｍの光を用い、撮像部から３３ｍｍの位置にある対象物を撮像した場合の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図９】本発明の測距装置の第２の実施形態を示す斜視図である。
【図１０】（ａ）は図９の測距装置を横から見た断面図であり、（ｂ）は上から見た断面図である。
【図１１】図９の測距装置の撮像領域を示す平面図である。
【図１２】本発明の測距装置の第３の実施形態を示す斜視図である。
【図１３】図１２の測距装置の光学系の構造を示す図である。
【図１４】図１２の測距装置の光学系における波長と回折効率の関係を示すグラフである。
【図１５】（ａ）から（ｃ）は、図１２の測距装置の光学系における、波長８５０ｎｍの光を用い、撮像部から４００ｍｍの位置にある対象物を撮像した場合の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図１６】（ａ）から（ｃ）は、図１２の測距装置の光学系における、波長４５０ｎｍの光を用い、撮像部から５５ｍｍの位置にある対象物を撮像した場合の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す図である。
【図１７】本発明の測距装置の第４の実施形態を示す断面図である。
【図１８】本発明の測距装置の第５の実施形態を示す断面図である。
【図１９】（ａ）は、本発明の測距装置の第６の実施形態を示す断面図であり、（ｂ）はその変形例を示す断面図である。
【図２０】図１９（ａ）の測距装置の光学フィルタの特性図である。
【図２１】測距装置における三角測量を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
一般に光学部品の屈折率は透過する光の波長に依存し、波長の短い光ほど、屈折率は大きくなる（屈折率の波長分散性）。このため、同じ光学系においても、波長の短い光は、短い距離で結像し（合焦距離が近い）、被写界深度が浅くなる。一方、波長の長い光は、長い距離で結像し（合焦距離が近い）、被写界深度も深くなる。
【００３５】
本発明の測距装置は、光学系における屈折率の波長分散性を利用し、測距対象物と基準対象物とを異なる波長の光で撮像する。基準対象物を波長の短い光で撮像することにより、合焦距離をより短くし、基準対象物を撮像素子の撮像領域から近い位置に配置しても、基準対象物と測距対象物とを同じ位置に配置した撮像素子によって撮像することが可能となる。
【００３６】
これにより、基準対象物を、例えば、撮像素子から数ｃｍのオーダーの距離に設置することが可能となり、測距装置に組み込んでも小型の測距装置を実現することができる。また、測距対象物と同時に撮像することができる。
【００３７】
測距対象物までの距離を計測する場合、測距対象物および基準対象物を撮像し、撮像した画像データからそれぞれの視差量を求める。（数１）の関係より、所定距離に対応する視差量は、基線長が変動しなければ一定に保たれるが、温度変化や経年変化等によって基線長が変動すると視差量は変化してしまう。しかし、基準対象物から取得される視差量を常に検出し、基準対象物の初期の視差量との差分から基線長の変化量を算出し、それを測距対象物の視差量から減じることで、測距対象物の視差量を補正することができる。これにより、温度変化や経年変化等による測距値の変化を補正することが可能となる。測距対象物と基準対象物は同一光学系によって撮像するため、この補正の精度は非常に高い。本発明はこのような特徴により、精度の高い測距が可能な測距装置を実現する。以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００３８】
（第１の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第１の実施形態を説明する。図１は、測距装置１０１の斜視図である。図２（ａ）および（ｂ）は、測距装置１０１をそれぞれ横および上から見た断面図である。
【００３９】
測距装置１０１は、光学フィルタ１１、基準対象物１２、光学系１４ａ、１４ｂ、撮像部１７ａ、１７ｂおよび信号処理回路５１を備えている。また、これらの構成要素を収納あるいは支持する筐体１３、鏡筒１５および基板１６をさらに備える。
【００４０】
筐体１３は開口１３ｗを有し、開口１３ｗに光学フィルタ１１が取り付けられている。開口１３ｗの近傍であって、開口１３ｗの長手方向の中央付近に基準対象物１２が設けられている。
【００４１】
筐体１３の開口１３ｗが設けられた面と対向する面には基板１６が取り付けられている。基板１６には、撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂが設けられている。また、撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂによって得られた画像データを処理するための信号処理回路５１が基板１６上に設けられている。
【００４２】
光学系１４ａおよび光学系１４ｂは、所定の距離を隔てて鏡筒１５に支持されている。鏡筒１５は基板１６に取り付けられており、これにより、光学系１４ａおよび光学系１４ｂが基板１６に取り付けられた撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂから所定の距離を隔てて保持される。
【００４３】
基準対象物１２は、本実施形態では、発光素子であり、第１の波長帯域の光を選択的に発光する。また、光学フィルタ１１は、第２の波長帯域の光を選択的に透過する。第２の波長帯域は第１の波長帯域よりも長波長側にある。第１の波長帯域と第２の波長帯域とは重なっていない方が好ましく、２つの波長帯域の差が大きい、つまり、第２の波長帯域の短波長側端と、第１の波長帯域の長波長側端との差が大きい方がより好ましい。基準対象物を撮像素子に近い位置に配置することができるともに、測距範囲を広くすることができる。また、選択的に透過するとは、フィルタの透過率が９０％以上である波長帯域をいう。
【００４４】
本実施形態では、第１の波長帯域は青色の帯域であり、具体的には、４４０ｎｍ〜４６０ｎｍである。また、第２の波長帯域は、近赤外の帯域であり、具体的には、８００ｎｍ〜９００ｎｍである。
【００４５】
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、基準対象物１２が開口１３ｗの近傍に設けられることによって、基準対象物１２の像は、光学フィルタ１１を透過せずに第１の光学系１４ａおよび第２の光学系１４ｂに入射する。一方、測距対象物１０の像は、光学フィルタ１１を透過して、第１の光学系１４ａおよび第２の光学系１４ｂに入射する。
【００４６】
光学系１４ａおよび光学系１４ｂは、基準対象物および測距対象物をそれぞれ撮像し、撮像部１７ａの撮像領域２２ａおよび撮像部１７ｂの撮像領域２２ｂにこれらの像を形成する。本実施形態では、光学系１４ａおよび光学系１４ｂは、それぞれ１つの屈折レンズのみを含んでいる。しかし、光学系１４ａおよび光学系１４ｂはそれぞれ、複数のレンズを含んでいてもよい。また、反射ミラーやプリズムなど他の光学部品を含んでいてもよい。光学系１４ａおよび光学系１４ｂは同じ光学特性を有する。
【００４７】
撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂは、光学系１４ａおよび光学系１４ｂによって形成した基準対象物１２および測距対象物１０の光学的な像を電気信号に変換する。この信号は撮像領域に映った像のアナログによる信号である。基準対象物１２および測距対象物１０は、第１の波長帯域の光をおよび第２の波長帯域の光による像として撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂに入射するため、撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂは、少なくとも第１の波長帯域の光および第２の波長帯域の光を検出する。
【００４８】
撮像部１７ａおよび撮像部１７ｂには、デジタルカメラなどに用いられるＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの公知のイメージセンサを用いることができる。図３は、撮像部１７ａ、１７ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂに映る測距対象物１０および基準対象部物１２の像を模式的に示す図である。図２（ａ）および(ｂ)に示すように、距離を計測したい測距対象物１０などのような対象物の像からの光は、光学フィルタ１１を透過し、光学系１４ａ、１４ｂによって集光され、撮像領域２２ａ、２２ｂの第２の領域２３ａ、２３ｂにおいて結像する。例えば、測距対象物１０は撮像領域２２ａ、２２ｂの第２の領域２３ａ、２３ｂにおいて、像２５ａ、２５ｂとして映る。一方、基準対象物１２は光学フィルタ１１が設けられた開口１３ｗの外側に配置されており、撮像領域２２ａ、２２ｂの第１の領域２４ａ、２４ｂにおいて、像２６ａ、２６ｂとして映る。
【００４９】
図５（ａ）は、信号処理回路５１の構成を示すブロックである。信号処理回路５１は、入力部５２ａ、５２ｂ、駆動部５３ａ、５３ｂ、演算部５４、出力部６２および制御部６３を含む。制御部６３は、これらの構成要素全体の制御を行う。これらの構成要素のうち、演算部５４はハードウエアによって構成され、以下で説明する機能を実現してもよいし、ソフトウエアによって構成されていてもよい。
【００５０】
駆動部５３ａ、５３ｂは、撮像部１７ａ、撮像部１７ｂの駆動を行う。具体的には、所定のタイミングで、撮像部１７ａの撮像領域２２ａおよび撮像部１７ｂの撮像領域２２ｂを構成する各画素を初期化し、撮像領域２２ａ、２２ｂの各画素に照射した光の強度に応じた電荷を撮像部１７ａ、撮像部１７ｂから読み出して、入力部５２ａ、５２ｂへ出力するように撮像部１７ａ、撮像部１７ｂを駆動する。
【００５１】
入力部５２ａ、５２ｂは、例えば、相関二重サンプリング回路、オートゲイン回路、Ａ／Ｄ変換回路などを含み、駆動部５３ａ、５３ｂから受け取った電気信号からノイズの影響を除去し、信号強度の調節を行った後、デジタル信号に変換する。これにより、撮像領域の画像データが得られる。
【００５２】
図５（ｂ）は演算部５４の詳細な構成を示すブロック図である。演算部５４は、フレームメモリ５５ａ、５５ｂ、座標変換部５６、視差量算出部５７、視差量補正部５９、メモリ５８および距離算出部６０を含む。
【００５３】
フレームメモリ５５ａ、５５ｂは、入力部５２ａ、５２ｂからそれぞれ撮像領域の画像データを受け取り、記憶する。座標変換部５６は、随時、フレームメモリム５５ａ、５５ｂに記憶されている撮像領域の画像データを受け取り、視差量を求めるのに最適なデータとなるように画像データの座標を変換する。
【００５４】
視差量算出部５７は、撮像領域２２ａ、２２ｂの画像データのうち、撮像部１７ａの第１の領域２４ａおよび撮像部１７ｂの第１の領域２４ｂに関する画像データを用いて、基準対象物の視差量を求める。また、撮像部１７ａの第２の領域２３ａおよび撮像部１７ｂの第１の領域２３ｂに関するデータを用いて、測距対象物の視差量を求める。視差量は、撮像領域２２ａの画像データと、２２ｂの画像データとの相互相関を求めることによって求めることができる。例えば、基準対象物１２の視差量を求めるためには、第１の領域２４ｂの画像データから基準対象物１２の像２６ｂを含む部分画像を切り出し、その部分画像を第１の領域２４ａの対応位置から基線方向にずらしながら、画像間の相関を取る。相関演算は例えばＳＡＤ（輝度差の絶対値を積算するアルゴリズム）による。相関値のうち一番最小値を取った値に対応したずらし量が視差量となる。同様の方法により、測距対象物１０の視差量も算出する。
【００５５】
メモリ５８には、基準対象物の視差量の初期値が記憶されている。視差量補正部５９は、視差量算出部５７から基準対象物の視差量を受け取り、初期値からの変化量を算出する。そして、基準対象物についての視差量の変化量から基線長の変化量を算出し、測距対象物の視差量から基線長の変化量を減算し、変化量を減じた測距対象物の視差量を求める。
【００５６】
距離算出部６０は、変化量を減じた測距対象物の視差量から（数１）に基づいて、測距対象物までの距離を求める。
【００５７】
出力部６２は、求めた測距対象物までの距離のデータを受け取り、外部の機器へ距離のデータを出力する。測距装置１０１に表示部を設け、表示部に、距離を表示するようにしてもよい。
【００５８】
次に、本実施形態の光学特性を説明する。図６は、本実施形態の光学系における被写体距離とレンズの解像度を示すＭＴＦ（Modulated Transfer Function）との関係を示すグラフである。図６において、曲線２０は、第１の波長帯域の光である青色光のＭＴＦを示し、曲線２１は第２の波長帯域の光（近赤外光）のＭＴＦを示している。図６の曲線２１から分かるように、第２波長帯域の光は、パンフォーカス状態に設定しているため、被写体距離が近い場合を除いて、ＭＴＦの値が大きくなる。
【００５９】
一方、第１の波長帯域の光は、第２の波長帯域に対して相対的に波長が短いために合焦距離が近くなる。また、一般に合焦距離が近いほど被写界深度は浅い。このため第１の波長帯域の光は近い距離の狭い範囲において、ＭＴＦの値が大きくなる。
【００６０】
本発明の測距装置は、測距対象物を撮像し、得られた画像のマッチングによって視差量を算出するため、得られる画像の解像度が高いほど、精度よく視差量を求めることができる。したがって、例えば、図６に示すように、破線Ｔで示すＭＴＦ値が得られるようにするには、図２（ａ）および（ｂ）に示す基準対象物１２から撮像部１７ａ、１７ｂまでの光路１９の長さをＰ１で示す被写体距離の範囲内となるように基準対象物１２を配置すればよい。このとき、測距装置１０１は、測距対象物１０から撮像部１７ａ、１７ｂまでの光路１８ａ、１８ｂの長さがＰ２で示す被写体距離の範囲内にある測距対象物１０までの距離を正確に測定することができる。
【００６１】
本実施形態の光学系の設計例を示す。表１から表３は、光学系１４ａ、１４ｂの設計パラメータを示している。
【００６２】
【表１】
2009098864.tif 000046
【００６３】
【表２】
2009098864.tif 000047
【００６４】
【表３】
2009098864.tif 000048
【００６５】
光学系１４ａおよび光学系１４ｂはいずれも同じ特性のレンズであり、Ｒ１面およびＲ２面を有している。ωは対角の半画角を示し、ｒｉは各面の曲率半径（ｍｍ）を示し、ｄｉは各面の面中心間隔（ｍｍ）を示し、ｎｄはレンズの屈折率を示し、νｄはレンズのアッベ数を示している。また、非球面形状は、面頂点の接平面から光軸方向の距離をｘ、光軸からの高さをｈとして、ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ａm（ｍ＝４，６，８，１０，１２）を第ｍ次の非球面係数としたとき（数３）で表される。
【数３】
2009098864.tif 000049
【００６６】
図７（ａ）から（ｃ）は表１に示す光学特性を光学系１４ａ、１４ｂが有し、第２の波長帯域の光として波長８５０ｎｍの光を用いた場合において、撮像部１７ａ、１７ｂから４００ｍｍにある測距対象物の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。また、図８（ａ）から（ｃ）は、表１に示す光学特性を光学系１４ａ、１４ｂが有し、第１の波長帯域の光として波長４５０ｎｍの光を用いた場合において、撮像部１７ａ、１７ｂから３３ｍｍにある基準対象物の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。図７（ａ）から（ｃ）と図８（ａ）から（ｃ）とを比較すれば明らかなように、２つの場合において、光学性能はほぼ同等である。つまり、測距対象物を４００ｍｍの位置に設置し、８５０ｎｍの波長（近赤外光）で撮像する場合と、基準対象物を３３ｍｍの位置に設置して４５０ｎｍの波長（青色光）で撮像する場合とで、ほぼ同等の光学性能を得ることが可能であることを示している。このように、短い波長の光で撮像することによって、基準対象物の位置を撮像部から数センチ程度の位置に配置しても、遠方の測距対象物と同様の光学特性で画像を撮像することができる。したがって、このように配置された基準対象物の画像により得られる視差量を用いて測距対象物の視差量を正しく補正することができる。
【００６７】
次に、図３を参照しながら、本実施形態における視差の補正方法および測距対象物までの距離の測定方法をより詳細に説明する。前述したように、撮像部１７ａ、１７ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂの第１の領域２４ａ、２４ｂに基準対象物１２の像２６ａ、２６ｂが映りこみ、第２の領域２３ａと、２３ｂに測距対象物１０の像２５ａ、２５ｂが映りこむ。光学系１４ａ、１４ｂの光軸２７ａ、２７ｂは撮像領域２２ａ、２２ｂと、＋で示す位置で交わる。
【００６８】
図２（ａ）および（ｂ）に示すように、基準対象物１２は２つの光軸２７ａ、２７ｂの間に位置しているため、基準対象物１２の像２６ａ、２６ｂは撮像領域２２ａ、２２ｂにおいて、光軸２７ａ、２７ｂの位置より基線方向の外側に映りこむ。また、図２（ａ）および（ｂ）に示すように測距対象物１０が２つの光軸２７ａ、２７ｂの外側に位置している場合、測距対象物１０の像２５ａ、２５ｂの像は、撮像領域２２ａ、２２ｂにおいて、光軸２７ａ、２７ｂに対して基線方向の一方側にシフトしている。
【００６９】
このとき、基準対象物１２および測距対象物１０の視差量ΔＥおよびΔＤは、以下の（数４）および（数５）で表される。
【数４】
2009098864.tif 000050
【数５】
2009098864.tif 000051
【００７０】
測距装置１０１は、製造時の初期値として測距対象物１０の視差量ΔＥの初期値をメモリ５８（図５（ｂ））に記憶している。
【００７１】
測距時には、温度変化や経年変化等によって基線長が初期値から変化している。このため、測距時の測距対象物の視差量および基準対象物の視差量は、初期値から変動した基線長を用いることによって、はじめて（数１）を満足する。しかし、基線長の変化量は、光学系１４ａ、１４ｂの温度変化による光軸間距離の変化や、振動や経年変化による光学系１４ａ、１４ｂの取り付け位置の変化など複数の要因に依存し、基線長の変化量を直接求めることは困難である。
【００７２】
しかし、測距時に、基準対象物から取得される視差量を常に検出し、初期の視差量との差分をとれば、基線長の変化量を算出することができる。測距対象物と基準対象物は同じ光学系で撮像しているため、基線長の変化量は共通である。したがって、測距対象物から取得した視差量から基線長の変化量を減算することによって、測距対象物の視差量を補正することができる。
【００７３】
図４は、温度変化等によって、測距装置１０１における基線長が変化した場合において、基準対象物の視差量の変化量から基線長の変化量を算出する方法を説明する図である。
【００７４】
図４において、Ｚｒは光学系１４ａ、１４ｂから基準対象物１２までの距離を示し、ｆｒは第１の波長帯域の中心波長における光学系１４ａ、１４ｂの焦点距離を示し、Ｂは基線長の初期値を示している。
【００７５】
基準対象物１２の視差量の初期値は、（数５）で示すようにΔＥ＝Ｅａ＋Ｅｂである。
【００７６】
測距時において、温度変化等により、光学系１４ａ、１４ｂが光学系１４ａ’、１４ｂ’で示す位置へ移動したとする。温度変化によって、光学系１４ａ’、１４ｂ’の光軸の位置も移動しているが、視差演算の座標系は変わらないため、測距時における基準対象物の視差量ΔＥ’はＥａ’＋Ｅｂ’として撮像部の画像から検出される。基準対象物１２の視差量の初期値ΔＥからの変化量δＥは以下の（数６）で表される。
【数６】
2009098864.tif 000052
【００７７】
ここで、δＥａおよびδＥｂは撮像部１７ａ、１７ｂにおける基準対象物１２の像２６ａ、２６ｂの位置の変化量を示す（図３）。
【００７８】
図４において、δＢ１、δＢ２はそれぞれ光学系１４ａ、１４ｂが光学系１４ａ’、１４ｂ’で示す位置へ移動したことによる光軸の移動量を示している。δＢ１は基準対象物１２の位置を頂点とし、高さＺｒ、底辺の長さδＢ１の三角形と、基準対象物１２の位置を頂点とし、高さＺｒ＋ｆｒ、底辺の長さδＥａの三角形との相似関係から以下の（数７）で表すことができる。δＢ２についても同様の理由から（数８)で表すことができる。
【数７】
2009098864.tif 000053
【数８】
2009098864.tif 000054
【００７９】
各光学系１４ａ、１４ｂの光軸の変化量の和が基線長の変化量となるので、基線長の変化量をδＢとすると、（数６）の関係を用いてδＢは、以下の（数９）で表される。
【数９】
2009098864.tif 000055
【００８０】
（数９）の関係を用いると、基準対象物１２の視差量の初期値ΔＥから測距時の値ΔＥ’を引いた変化量δＥから基線長の変化量δＢが算出できる。
【００８１】
測距時の測距対象物の検出視差量をΔＤ’とすると、視差量ΔＤ’には、基線長の変化量が含まれる。このため、基線長の変化量を差し引いた、測距対象物の補正後の視差量ΔＤｃ’は（数１０）で表される。
【数１０】
2009098864.tif 000056
【００８２】
これにより、温度変化や経年変化等による基線長の変化を補正することが可能となる。測距対象物と基準対象物とを同一の光学系１４ａ、１４ｂによって撮像しているため、基線長の変化の補正の精度は非常に高くなる。
【００８３】
測距の手順は上述したように、まず、基準対象物１２である発光素子を発光させ、第１の波長帯域の光で基準対象物を撮像し、得られた画像データから、視差量算出部５７によって基準対象物の初期の視差量ΔＥを求める。求めた視差量の初期値ΔＥはメモリ５８に格納される。
【００８４】
測距時には、測距対象物１０と、基準対象物１２とが同時に撮像されるように、基準対象物１２である発光素子を第１の波長帯域の光で発光させながら測距対象物１０を第２の波長帯域の光で撮像する。それぞれの画像データから、視差量算出部５７は、基準対象物１２および測距対象物１０のそれぞれの視差量ΔＥ’およびΔＤ’を算出する。視差量補正部５９は、基準対象物１２の視差量の初期値ΔＥをメモリ５８から読み出し、基準対象物の視差量ΔＥ’と視差量の初期値ΔＥから変化量δＥを求め、（数９）から基線長の変化量δＢを算出する。得られたδＢを測距対象物の視差量ΔＤ’から減算することによって測距対象物の補正後の視差量ΔＤｃが算出される。このようにして、測距時の基準対象物の視差量および基準対象物の視差量初期値に基づいて、測距対象物の視差量を補正することができる。
【００８５】
距離算出部６０は、得られた測距対象物の補正後の視差量ΔＤｃ’を受け取り、（数１）のΔに代入することよって測距対象物１０までの距離Ｚを算出する。測距時の基線長はＢ＋δＢに変化しているので、基線長にはＢ＋δＢを用いる。ただし、Ｂに対してδＢは非常に小さく、無視できるため、基線長として初期値であるＢを用いて距離Ｚを算出してもよい。
【００８６】
このように、測距装置１０１は、測距対象物と基準対象物とを異なる波長の光で撮像する。基準対象物を波長の短い光で撮像することにより、合焦距離をより短くし、基準対象物を撮像素子の撮像領域から近い位置に配置しても、基準対象物と測距対象物とを同程度の光学精度で撮像することが可能となる。これにより、基準対象物を、撮像部に近接して設置することが可能となり、小型の測距装置を実現することができる。
【００８７】
また、基準値の視差量の初期値からの変化量を用いて、測距対象物の視差量を補正するため、温度変化や経年変化等による基線長の変化を補正することが可能となり、測距対象物と基準対象物とを同一の光学系によって撮像しているため、基線長の変化の補正の精度は非常に高い。したがって、精度の高い測距装置を実現することができる。
【００８８】
したがって、車載用途のように温度範囲が広く温度変化の激しい環境や、経年変化の可能性がある環境下であっても、測距値を高精度で補正することを可能とした、小型な測距装置を提供することができる。
【００８９】
なお、本実施形態では、測距対象物は、外部の自然光や光源により照射され、測距対象物において反射した光を測距対象物として撮像していた。しかし、夜間や室内等、近赤外光による撮像が困難な環境においては、近赤外ＬＥＤ等の補助光源を測距装置１０１に設けたり、別途補助光源を用いたりして、近赤外光を測距対象物に照射するようにしてもよい。
【００９０】
また、本実施形態では、近赤外光の波長帯域を透過し可視光の波長帯域を反射する誘電体多層膜等をガラス表面に形成した光学フィルタを用いているが、ガラス中に分散した光吸収物質により可視光を吸収し、近赤外光を透過する光学フィルタを用いてもよい。
【００９１】
また、本実施形態では、測距対象物を近赤外光の波長帯域によって撮像し、基準対象物を青色ＬＥＤによる青色光の波長帯域によって撮像しているが、測距対象物の波長帯域と基準対象物の波長帯域および光源の種類はこれに限定されない。
【００９２】
また、本実施形態では、光学系は２つであるが、３つ以上の光学系を備えた測距装置として本発明を実施してもよい。
【００９３】
また、本実施形態では、基準対象物は１つであるが、２つ以上の基準対象物を設け、検出した２つ以上の視差量の変化を平均もしくは補間することによって測距精度を上げるようにしてもよい。
【００９４】
（第２の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第２の実施形態を説明する。図９は、測距装置１０２の斜視図である。図１０（ａ）および（ｂ）は、測距装置１０２をそれぞれ横および上から見た断面図である。
【００９５】
測距装置１０２は、筐体１３の開口１３ｗに光学フィルタが設けられておらず、撮像領域２２ａ、２２ｂをそれぞれ覆うフィルタ部６５ａ、６５ｂを備えた撮像部１７ａ’、１７ｂ’を備えている点で第１の実施形態の測距装置１０１と異なっている。また、第１の実施形態では、基準対象物１２は第１の波長帯域の光を発光する発光素子であったが、測距装置１０２は、白色光を発光する発光素子を基準対象物１２’として備えている。また、基準対象物１２’は、撮像部１７ａ’、１７ｂ’から、光学系１４ａ、１４ｂの第１の波長帯域の光による合焦距離を隔てて配置されている。図９および図１０（ａ）、（ｂ）では、筐体１３の開口１３ｗには何も設けられていないが、埃などの侵入や筐体１３内部を保護するため、例えば、白色光を透過する透明板で開口１３ｗを覆ってもよい。
【００９６】
図１１は、撮像部１７ａ’、１７ｂ’の撮像領域２２ａ、２２ｂを示す平面図である。
【００９７】
撮像領域２２ａ、２２ｂは、それぞれフィルタ部６５ａ、６５ｂによって覆われている。撮像領域２２ａにおいて、フィルタ部６５ａは、第１の領域２４ａを覆う第１の光学フィルタ６６ａと第２の領域２３ａを覆う第２の光学フィルタ６７ａを含む。同様に、撮像領域２２ｂにおいて、フィルタ部６５ｂは、第１の領域２４ｂを覆う第１の光学フィルタ６６ｂと第２の領域２３ｂを覆う第２の光学フィルタ６７ｂを含む。第１の光学フィルタ６６ａ、６６ｂはそれぞれ第１の波長帯域の光を透過する特性を備え、第２の光学フィルタ６７ａ、６７ｂは第２の波長帯域の光を透過する特性を備える。
【００９８】
第１の実施形態と同様、第２の波長帯域は第１の波長帯域よりも長波長側にある。また、本実施形態では、第１の波長帯域は青色の帯域であり、第２の波長帯域は、近赤外の帯域である。
【００９９】
本実施形態では、基準対象物は白色光を発光し、測距対象物の像も白色光で測距装置１０２に入射する。このため、白色光による基準対象物の像および測距対処物の像は、光学系１４ａ、１４ｂによって集光され、軸上色収差が生じた状態で撮像部１７ａ’、１７ｂ’の撮像領域２２ａ、２２ｂに結像される。このため、白色光としては、基準対象物１２’および測距対象物１０の像が高い解像度で形成されない。
【０１００】
しかし、撮像部１７ａ’、１７ｂ’において、撮像領域２２ａ、２２ｂがフィルタ部６５ａ、６５ｂで覆われていることによって、撮像領域２２ａ、２２ｂの第１の領域２４ａ、２４ｂでは、第１の波長帯域の光、例えば青色光で基準対象物１２’が撮像され、第２の領域２３ａ、２３ｂでは、第２の波長帯域の光、例えば近赤外光で測距対象物１０が撮像される。このため、第１の波長帯域の光としては、基準対象物１２’が第１の波長帯域の合焦距離に配置されていることによって、撮像領域２２ａ、２２ｂの第１の領域２４ａ、２４ｂにおいて高い解像度で形成される。また、測距対象物１０も第２の波長帯域の光で撮像する限り、図６の曲線２１で示す被写体距離とＭＴＦ値との関係を満たす。したがって、第１の実施形態と同様、基準対象物を波長の短い光で撮像することにより、合焦距離をより短くし、基準対象物を撮像素子の撮像領域から近い位置に配置しても、基準対象物と測距対象物とを同程度の光学精度で撮像することが可能となる。これにより、基準対象物を、撮像部に近接して設置することが可能となり、小型の測距装置を実現することができる。
【０１０１】
また、基準値の視差量の初期値からの変化量を用いて、測距対象物の視差量を補正するため、温度変化や経年変化等による基線長の変化を補正することが可能となり、測距対象物と基準対象物とを同一の光学系によって撮像しているため、基線長の変化の補正の精度は非常に高い。したがって、精度の高い測距装置を実現することができる。
【０１０２】
なお、本実施形態では、基準対象物１２’に白色の発光素子を用いているが、第１の実施形態と同様第１の波長帯域の光を発光する素子を用いてもよい。この場合、フィルタ部６５ａ、６５ｂの第１の光学フィルタ６６ａ、６６ｂは設けなくてもよい。また、基準対象物１２’として、外部からの白色光を散乱透過するように開口１３ｗの周囲の一部に配置された透明板を用い、透明板に例えばストライプ状のパターンを形成したものを用いてもよい。
【０１０３】
（第３の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第３の実施形態を説明する。図１２は、測距装置１０３を上から見た断面図である。本実施形態の測距装置１０３は、第１の実施形態の測距装置１０１の光学系１４ａ、１４ｂの代わりに、少なくとも１面に回折格子を形成した回折レンズからなる光学系７１ａ、７１ｂを備えている点で第１の実施形態の測距装置１０１と異なっている。
【０１０４】
本実施形態の光学系７１ａ、７１ｂは、ブレーズド回折格子と呼ばれる特定の次数および波長に対して高い回折効率を示す鋸歯状の回折格子を備えている。図１３は、光学系７１ａ、７１ｂの断面構造を示しており、図１３に示されるように、光学系７１ａ、７１ｂの片面にブレーズド回折格子が形成されている。
【０１０５】
平行光３０が光学系７１ａ、７１ｂへ入射した場合、波長λ１の光による＋１次の回折光は光路３１を通って収束し、波長λ２の光による＋２次の回折光は光路３２を通って収束する。ブレーズド回折格子は段差ｄを有している。
【０１０６】
このようなブレーズド回折格子を有する回折レンズの回折効率ηは、「増補改訂版回折光学素子入門  ｐ．１５０−ｐ．１５１」に記載されており、（数１１）、（数１２）で表すことができる。
【数１１】
2009098864.tif 000057
【数１２】
2009098864.tif 000058
【０１０７】
ここで、ｍは回折次数であり、λは波長であり、ｎ（λ）は波長λにおけるレンズの屈折率である。（数１１）、（数１２）において、ナトリウムｄ線の波長における屈折率を１．５２４７、アッベ数を５６．２とするレンズ材を用い、ｄ＝１．６４μｍとすると、波長と回折効率の関係は図１４に示すようになる。図１４は、＋１次の回折光の回折効率の曲線３４と、＋２次の回折光の回折効率の曲線３３とを示している。図１４に示すように、＋１次の回折光の回折効率はλ１＝８５０ｎｍで略１００％となる。また、＋２次の回折光の回折効率はλ２＝４５０ｎｍで略１００％となる。したがって、測距対象物は波長λ１を含む回折効率の高い近赤外光波長の帯域で撮像することによって、高い撮像性能を確保することができる。また、＋２次の回折光は＋１次の回折光に比べて回折効率の高い波長帯域は狭いが、ＬＥＤ光の波長帯域も狭いため、基準対象物である青色ＬＥＤ１２の主波長をλ２と略等しくすることにより、高い撮像性能を確保することができる。
【０１０８】
また、図１３に示すように、波長の短い＋２次の回折光３２の方が波長の長い＋１次の回折光３１よりも短い距離で結像する。従って、撮像面を基準とすると、波長の短い＋２次の回折光は、近い距離の狭い範囲でピントが合い、波長の長い＋１次の回折光は相対的に遠い距離の広い範囲でピントが合う。このように、光学系７１ａ、７１ｂが回折格子を備えていることにより、第１の実施形態と同様に測距対象物と基準対象物を撮像部１７ａ、１７ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂに結像させることができる。
【０１０９】
本実施形態の光学系の設計例を示す。表４から表７は、光学系７１ａ、７１ｂの設計パラメータを示している。
【０１１０】
【表４】
2009098864.tif 000059
【０１１１】
【表５】
2009098864.tif 000060
【０１１２】
【表６】
2009098864.tif 000061
【０１１３】
【表７】
2009098864.tif 000062
【０１１４】
光学系７１ａおよび光学系７１ｂはいずれも同じ特性のレンズであり、Ｒ１面およびＲ２面を有している。ωは対角の半画角を示し、ｒｉは各面の曲率半径（ｍｍ）を示し、ｄｉは各面の面中心間隔（ｍｍ）を示し、ｎｄはレンズの屈折率を示し、νｄはレンズのアッベ数を示している。また、非球面形状は面頂点の接平面からの光軸方向の距離をｘ、光軸からの高さをｈとして、ｒを近軸曲率半径、ｋを円錐定数、Ａm（ｍ＝４，６，８，１０，１２）を第ｍ次の非球面係数としたとき、第１の実施形態と同様、（数３）で表される。また、回折面に（Ｒ２面）おける位相差関数φ（ｈ）は、光軸からの高さをｈとし、Ｂｎ（ｎ＝２，４，６，８，１０）を第ｎ次の位相関数の係数としたとき、単位をラジアンとして（数１３）で表される。
【数１３】
2009098864.tif 000063
【０１１５】
図１５（ａ）から（ｃ）は表２に示す光学特性を光学系７１ａ、７１ｂが有し、第２の波長帯域の光として波長８５０ｎｍの光を用いた場合において、撮像部１７ａ、１７ｂから４００ｍｍにある測距対象物の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。また、図１６（ａ）から（ｃ）は、表２に示す光学特性を光学系７１ａ、７１ｂが有し、第１の波長帯域の光として波長４５０ｎｍの光を用いた場合において、撮像部１７ａ、１７ｂから５５ｍｍにある基準対象物の球面収差、非点収差および歪曲収差を示す収差図である。図１５（ａ）から（ｃ）と図１６（ａ）から（ｃ）とを比較すれば明らかなように、第１の実施形態と同様、２つの場合において、光学性能はほぼ同等である。つまり、測距対象物を４００ｍｍの位置に設置し、８５０ｎｍの波長（近赤外光）で撮像する場合と、基準対象物を５５ｍｍの位置に設置して４５０ｎｍの波長（青色光）で撮像する場合とで、ほぼ同等の光学性能を得ることが可能であることを示している。このように、光学系に回折レンズを用い、第１の回折次数による回折光によって測距対象物を撮像し、第２の回折次数による回折光によって基準対象物を撮像する構成とすることによって、屈折レンズと同様、基準対象物の位置を撮像部から数センチ程度の位置に配置しても、遠方の測距対象物と同様の光学特性で画像を撮像することができる。したがって、このように配置された基準対象物の画像により得られる視差量を用いて測距対象物の視差量を正しく補正することができる。
【０１１６】
本実施形態では、＋１次の回折光と＋２次の回折光を利用しているが、回折次数および波長の組合せはこれに限らず、他の回折次数と波長を組み合わせてもよい。
【０１１７】
（第４の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第４の実施形態を説明する。図１７は、測距装置１０４を上から見た断面図である。本実施形態の測距装置１０４は、第１の実施形態の測距装置１０１の光学系１４ａ、１４ｂの代わりに光学系３７を備え、撮像部１７ａ、１７ｂの代わりに撮像素子３８を備えている点で第１の実施形態の測距装置１０１と異なっている。
【０１１８】
光学系３７は、２つの結像レンズ部３７ａ、３７ｂを含んでおり、２つの結像レンズ部３７ａ、３７ｂは一体的に成形されている。また、撮像素子３８は撮像領域２２ａを備えた撮像部３８ａと撮像領域２２ｂを備えた撮像部３８ｂとを含み、撮像部３８ａ、３８ｂとは一体的に成形されている。撮像素子３８はひとつの大きな撮像領域を備え、大きな撮像領域が、撮像領域２２ａ、２２ｂを含んでいてもよい。
【０１１９】
光学系３７の結像レンズ部３７ａ、３７ｂは、撮像部３８ａ、３８ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂにそれぞれ測距対象物１０および基準対象物１２の像を結像させる。これにより、第１の実施形態と同様、小型で、精度の高い測距装置を実現することができる。特に、本実施形態では、光学系３７の２つの結像レンズ部３７ａ、３７ｂが一体的に形成されており、撮像部３８ａ、３８ｂも一体的に形成されている。
【０１２０】
２つの光学系の結像レンズが別々に成形された２つの光学部品である場合、２つの光学部品の特性のバラつきによって、特性の温度変化や経年変化の程度に差異が生じたり、２つの結像レンズを別々に支持するため、振動などによる位置ずれに差異が生じたりする可能性がある。２つの撮像部が２つの部品である場合にも同様の差異が生じる可能性がある。この場合、２つの光学系の光軸の間隔である基線長が変化するだけでなく、２つの撮像領域における光軸の位置もまったく独立して複雑に変化する。また、各撮像領域において、基準対象物を撮像する第１の領域と測距対象物とを撮像する第２の領域とで視差量の変化量が異なる可能性がある。その結果、視差量の補正の精度が低下する可能性がある。
【０１２１】
これに対して、２つの光学系の結像レンズが一体的に成形されている場合や、２つの撮像部が一体的である場合、２つの部品の特性のバラつきや、部品の支持が独立していることによる独立した位置ずれなどの影響を抑制することができる。また、２つの部品で構成する場合に比べて、温度変化による部品の伸縮や振動などによる位置ずれの影響が２つの結像レンズ部や撮像部に同程度に生じやすくなるため、視差量の補正の精度が向上し、温度変化による測距精度の劣化や変動を抑制することができる。
【０１２２】
また、複数の撮像領域を１個の撮像素子上に配置することにより、さらに小型な測距装置を実現することができる。
【０１２３】
（第５の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第５の実施形態を説明する。図１８は、測距装置１０５を横から見た断面図である。本実施形態の測距装置１０５は、反射パターンによって構成される基準対象物２８と、基準対象物２８とは異なる場所に設けられた光源７３とを備えている点で、第１の実施形態の測距装置１０１とは異なる。
【０１２４】
光源７３は、例えば、基板１６上に支持されており、第１の波長帯域の光を発光する。例えば、光源７３は青色ＬＥＤである。基準対象物２８は、光源７３からの第１の波長帯域の光を散乱反射するパターンによって構成され、第１の実施形態で説明した基準対象物１２の位置に設けられる。
【０１２５】
第１の実施形態では、基準対象物１２はＬＥＤであるため、ＬＥＤの種類によってはサイズや形状が制限される。しかし、本実施形態では、基準対象物２８はパターンであるため、サイズや形状を自由に設定することができる。視差量を算出するための画像のパターンマッチング精度は撮像パターンの種類に依存するため、基準対象物のパターンの形状を最適化することで、視差量の検出精度を上げることができる。パターンマッチングによる視差量の検出には、基線方向にコントラストが高いパターンを用いことが好ましい。例えば、基準対象物２８のパターンを基線方向と直交するストライプ状にすることによって、視差量の検出精度を高めることが可能となる。
【０１２６】
また、基準対象物２８を反射パターンにすることによって、光源７３を基板１６に設けることができる。第１の実施形態のように、筐体１３に配線を行って、発光素子を光学系１４ａ、１４ｂに入射する位置に配置しなくてもよいため、測距装置１０５の構造を簡単にすることができる。
【０１２７】
なお、図１８では、基準対象物２８を筐体１３に設けているが、光学フィルタ１１に基準対象物２８を設けてもよい。基準対象物２８は平面形状を有するため、光学フィルタ１１に容易に形成できる。また、基準対象物２８は反射パターンであるため、測距対象物１０側から白色の外光が入射しても外光の影響を受けず、光源７３から出射する第１の波長帯域の光を反射パターンが反射することによって、基準対象物を第１の波長帯域の光で撮像できる。
【０１２８】
（第６の実施形態）
以下、本発明による測距装置の第６の実施形態を説明する。図１９（ａ）は、測距装置１０６を横から見た断面図である。本実施形態の測距装置１０６は、基準対象物１２が基板１６に設けられており、基準対象物１２が光学フィルタ１１の内側の面１１ｒにおける正反射を介して撮像される点で第１の実施形態と異なっている。
【０１２９】
第１の実施形態と同様、基準対象物１２は第１の波長帯域の光を発光する。基板１６に設けられた第１の波長帯域の光による基準対象物１２の像は、光学フィルタ１１の反射面１１ｒにおいて正反射し、光学系１４ａおよび１４ｂに入射し、撮像部１７ａ、１７ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂにおいて結像する。
【０１３０】
光学フィルタ１１は、近赤外帯域の光を透過し、可視帯域の光を反射する誘電体多層膜等がガラスの表面に形成された光学フィルタである。図２０は、光学フィルタ１１の光学特性を示している。図２０において、曲線３５は透過率を示し、曲線３６は反射率を示している。光学フィルタ１１はこのような特性を備えるため、可視光である基準対象物１２の青色光による像は光学フィルタ１１の反射面１１ｒにおいて正反射する。本実施形態では、第５の実施形態のような散乱反射ではなく、正反射によって基準対象物１２の像が光学系１４ａ、１４ｂに入射する。つまり、反射面１１ｒによって基準対象物１２から撮像部１７ａ、１７ｂまでの光路１９を折り返すことができる。このため、反射面１１ｒと撮像部１７ａ、１７ｂとの距離Ｌは、光学系１４ａ、１４ｂの第１の波長帯域の光における合焦距離の半分でよい。例えば、合焦距離が３３ｍｍであれば、距離Ｌは１６．５ｍｍでよい。したがって測距装置１０６の外形をより小さくすることができる。
【０１３１】
また、基準対象物は発光せず、他の光源からの光を散乱反射するパターンであってもよい。図１９（ｂ）に示す測距装置１０６’は、基板１６に設けられた光源７３と、光源７３からの光を散乱反射するパターンから基板１６に設けられた基準対象物２８を備えている。光源７３は第１の波長帯域の光を発光し、光源７３からの光は基準対象物２８において散乱反射する。基準対象物２８の第１の波長帯域の光による像は、光学フィルタ１１の反射面１１ｒにおいて正反射し、光学系１４ａおよび１４ｂに入射する。これにより、撮像部１７ａ、１７ｂの撮像領域２２ａ、２２ｂにおいて基準対象物２８の像が結像する。
【０１３２】
基準対象物２８は、散乱パターンによって構成されるため、サイズや形状を自由に設定することができる。したがって、第５の実施形態で説明したように、基準対象物のパターン形状を最適化することによって、視差量の検出精度を高めることができる。
【０１３３】
このように本実施形態によれば、光学フィルタにおける正反射を利用することによって基準対象物から撮像部までの光路を折り返すことができる。このため、基準対象物を光学系よりも後方に設置することができ、直接基準対象物を撮像する構成に比べて測距装置を小型化することが可能となる。
【０１３４】
なお、本実施の形態では、近赤外光の波長帯域を透過し、可視光の波長帯域を反射する誘電体多層膜等をガラスの表面に形成したものを光学フィルタ１１に用いているが、ガラス中に分散した光吸収物質により可視光を吸収し、近赤外光を透過する光学フィルタを用いてもよい。可視光を吸収するフィルタであっても、フィルタの表面は僅かな反射率を有しているため、発光素子からなる基準対象物１２や散乱反射パターンからなる基準対象物２８の像を撮像することが可能である。
【０１３５】
また、基準対象物１２または基準対象物２８の像を反射する反射面は光学フィルタ１１以外に設けてもよい。
【０１３６】
上記第１から第６の実施形態は適宜組み合わせて実施することが可能である。例えば、第２の実施形態の測距装置１０２と第３から第５の実施形態の特徴的な構成とを組み合わせてもよいし、第３の実施形態の測距装置１０３に第４から第６の実施形態の特徴的な構成を組み合わせてもよく、第４の実施形態の測距装置１０４に第５から第６の実施形態の特徴的な構成を組み合わせてもよい。また、３つ以上の実施形態を組み合わせて実施してもよい。
【０１３７】
また、上記第１から第６の実施形態では、第１の波長帯域の光源または光学フィルタを用いて基準対象物の像を生成し、光学フィルタを用いて第２の波長帯域の光を用いて測距対象物の像を生成している。しかし、例えば、ＲＧＢのフィルタがベイヤ配列で各画素に配置された撮像素子や、第１の波長帯域を透過するフィルタおよび第２の波長帯域を透過するフィルタを千鳥状に各画素に配置した撮像素子を用い、外光などの白色光によって生成した測距対象物の像および基準対象物の像をそのまま撮像素子で撮像し、信号処理によって、白色光による基準対象物の像から第１の波長帯域の光による像を抽出し、白色光による測距対象物の像から第２の波長帯域の光による像を抽出してもよい。このような方法により得られた像を用いて基準対象物の視差量および測距対象物の視差量を算出し、基準対象物の視差量の初期値からの変化量を用いて、測距対象物の視差量を補正することによっても、測距精度を高めることができる。この場合、フィルタは上述の組み合わせに限らず、４つ以上の互いに異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルタを各画素に配置してもよい。
【０１３８】
また、上記第１から第６の実施形態では、２つの光学系を用いて測距対象物および基準対象物の視差量を求めているが、光学系を３つ以上備えた測距装置を実現してもよい。この場合、測距対象物の視差量および基準対象物の視差量がそれぞれ２つ以上求められるため、それぞれの平均値を用いることによって、より精度の高い測距を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３９】
本発明の測距装置は、種々の用途の測距装置に適用可能であり、車載用、監視カメラ用、立体形状測定用等の測距装置に好適に用いられる。
【符号の説明】
【０１４０】
１０              測距対象物
１１              光学フィルタ
１２              基準対象物
１３              筐体
２２ａ、２２ｂ    撮像領域
２４ａ、２４ｂ    第１の領域
２３ａ、２３ｂ    第２の領域
５２ａ、５２ｂ    入力部
５３ａ、５３ｂ    駆動部
５４              演算部
５５ａ、５５ｂ    フレームメモリ
５６              座標変換部
５７              視差量変換部
５８              メモリ
５９              視差量補正部
６０              距離算出部
６２              出力部
６３              制御部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する測距装置であって、
基準対象物と、
測距対象物および前記基準対象物を撮像する複数の光学系と、
前記複数の光学系に１対１で対応した複数の撮像領域を有する撮像部であって、前記複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した前記測距対象物および前記基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部と、
演算部と、
を備え、
前記演算部は、
前記電気信号から、前記複数の撮像領域における前記基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記複数の撮像領域における前記測距対象物の、前記第１の波長帯域より長波長側の第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成し、
前記複数の基準対象物の画像データおよび前記複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、前記基準対象物の視差量および前記測距対象物の視差量を算出し、
前記基準対象物の視差量および前記基準対象物の視差量の初期値に基づいて、前記測距対象物の視差量を補正し、前記測距対象物の補正した視差量を用いて前記測距対象物までの距離を算出する測距装置。
【請求項２】
前記複数の光学系と前記測距対象物との光路上に配置された、前記第２の波長帯域の光を選択的に透過する光学フィルタをさらに備え、
前記基準対象物は、前記第１の波長帯域の光を発光または反射し、前記発光または反射した光が前記光学フィルタを透過せずに前記複数の光学系へ到達するように配置されている請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記撮像部の撮像領域は、前記基準対象物を撮像する第１の領域および前記測距対象物を撮像する第２の領域を含み、
前記撮像部は、前記撮像領域のそれぞれにおいて、前記第１の領域を覆うように設けられており、前記第１の波長帯域の光を選択的に透過する第１の光学フィルタ、および、前記第２の領域を覆うように設けられており、前記第２の波長帯域の光を選択的に透過する第２の光学フィルタの少なくとも一方を有する請求項１に記載の測距装置。
【請求項４】
前記撮像部は、互いに異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルタを各画素に有しており、白色光により前記基準対象物および前記測距対象物を撮像し、
前記演算部は、前記複数の撮像素子から得られた白色光による前記基準対象物および前記測距対象物の画像データから前記基準対象物の前記第１の波長帯域の光による複数の前記基準対象物の画像データ、および、前記測距対象物の、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光による複数の前記測距対象物の画像データをそれぞれ生成する請求項１に記載の測距装置。
【請求項５】
前記基準対象物は、前記複数の光学系の第１の波長帯域の光における合焦距離近傍に配置されている請求項１から４のいずれかに記載の測距装置。
【請求項６】
前記複数の光学系のそれぞれは、少なくとも１面に回折格子が形成された回折レンズを含み、前記回折レンズは、第１の回折次数による第１の波長帯域の光の回折光によって前記基準対象物を結像し、第２の回折次数による第２の波長帯域の光の回折光によって前記測距対象物を結像する請求項１から５のいずれかに記載の測距装置。
【請求項７】
前記複数の光学系のそれぞれは結像レンズを含み、複数の結像レンズは一体的に成型されている請求項１から５のいずれかに記載の測距装置。
【請求項８】
前記撮像部は、１つの撮像素子であって、前記複数の撮像領域は、前記１つの撮像素子に設けられている請求項１から７のいずれかに記載の測距装置。
【請求項９】
前記第１の波長帯域の光を発光する光源をさらに備え、
前記基準対象物は、前記光源からの光を乱反射する請求項５に記載の測距装置。
【請求項１０】
前記基準対象物は、前記第１の波長帯域の光を発光する光源である請求項５に記載の測距装置。
【請求項１１】
前記基準対象物からの光を反射し、前記複数の光学系へ入射するよう配置された反射面をさらに備える請求項１０に記載の測距装置。
【請求項１２】
基準対象物と、測距対象物および前記基準対象物を撮像する複数の光学系と、前記複数の光学系に１対１で対応した撮像領域を有する撮像部であって、前記複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した前記測距対象物および前記基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部とを備えた測距装置を用い、前記複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する測距方法であって、
前記電気信号から、前記複数の撮像領域における前記基準対象物の第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記複数の撮像領域における前記測距対象物の、前記第１の波長帯域より長波長側の第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成する工程と、
前記複数の基準対象物の画像データおよび前記複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、前記基準対象物の視差量および前記測距対象物の視差量を算出する工程と、
前記基準対象物の視差量および前記基準対象物の視差量の初期値に基づいて、前記測距対象物の視差量を補正し、前記測距対象物の補正した視差量を用いて前記測距対象物までの距離を算出する工程と、
を包含する測距方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009098864.tif 000064
【図２】
2009098864.tif 000065
【図３】
2009098864.tif 000066
【図４】
2009098864.tif 000067
【図５】
2009098864.tif 000068
【図６】
2009098864.tif 000069
【図７】
2009098864.tif 000070
【図８】
2009098864.tif 000071
【図９】
2009098864.tif 000072
【図１０】
2009098864.tif 000073
【図１１】
2009098864.tif 000074
【図１２】
2009098864.tif 000075
【図１３】
2009098864.tif 000076
【図１４】
2009098864.tif 000077
【図１５】
2009098864.tif 000078
【図１６】
2009098864.tif 000079
【図１７】
2009098864.tif 000080
【図１８】
2009098864.tif 000081
【図１９】
2009098864.tif 000082
【図２０】
2009098864.tif 000083
【図２１】
2009098864.tif 000084
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月9日(2010.3.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する測距装置であって、
基準対象物と、
測距対象物および前記基準対象物を撮像する複数の光学系と、
前記複数の光学系に１対１で対応した複数の撮像領域を有する撮像部であって、前記複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した前記測距対象物および前記基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部と、
演算部と、
を備え、
前記基準対象物は、前記複数の光学系の第１の波長帯域の光における合焦距離近傍に配置されており、
前記演算部は、
前記電気信号から、前記複数の撮像領域における前記基準対象物の前記第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記複数の撮像領域における前記測距対象物の、前記第１の波長帯域より長波長側の第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成し、
前記複数の基準対象物の画像データおよび前記複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、前記基準対象物の視差量および前記測距対象物の視差量を算出し、
前記基準対象物の視差量および前記基準対象物の視差量の初期値に基づいて、前記測距対象物の視差量を補正し、前記測距対象物の補正した視差量を用いて前記測距対象物までの距離を算出する測距装置。
【請求項２】
前記複数の光学系と前記測距対象物との光路上に配置された、前記第２の波長帯域の光を選択的に透過する光学フィルタをさらに備え、
前記基準対象物は、前記第１の波長帯域の光を発光または反射し、前記発光または反射した光が前記光学フィルタを透過せずに前記複数の光学系へ到達するように配置されている請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記撮像部の撮像領域は、前記基準対象物を撮像する第１の領域および前記測距対象物を撮像する第２の領域を含み、
前記撮像部は、前記撮像領域のそれぞれにおいて、前記第１の領域を覆うように設けられており、前記第１の波長帯域の光を選択的に透過する第１の光学フィルタ、および、前記第２の領域を覆うように設けられており、前記第２の波長帯域の光を選択的に透過する第２の光学フィルタの少なくとも一方を有する請求項１に記載の測距装置。
【請求項４】
前記撮像部は、互いに異なる波長帯域の光を透過する複数のフィルタを各画素に有しており、白色光により前記基準対象物および前記測距対象物を撮像し、
前記演算部は、前記複数の撮像素子から得られた白色光による前記基準対象物および前記測距対象物の画像データから前記基準対象物の前記第１の波長帯域の光による複数の前記基準対象物の画像データ、および、前記測距対象物の、前記第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域の光による複数の前記測距対象物の画像データをそれぞれ生成する請求項１に記載の測距装置。
【請求項５】
前記複数の光学系のそれぞれは、少なくとも１面に回折格子が形成された回折レンズを含み、前記回折レンズは、第１の回折次数による第１の波長帯域の光の回折光によって前記基準対象物を結像し、第２の回折次数による第２の波長帯域の光の回折光によって前記測距対象物を結像する請求項１から４のいずれかに記載の測距装置。
【請求項６】
前記複数の光学系のそれぞれは結像レンズを含み、複数の結像レンズは一体的に成型されている請求項１から４のいずれかに記載の測距装置。
【請求項７】
前記撮像部は、１つの撮像素子であって、前記複数の撮像領域は、前記１つの撮像素子に設けられている請求項１から６のいずれかに記載の測距装置。
【請求項８】
前記第１の波長帯域の光を発光する光源をさらに備え、
前記基準対象物は、前記光源からの光を乱反射する請求項１に記載の測距装置。
【請求項９】
前記基準対象物は、前記第１の波長帯域の光を発光する光源である請求項１に記載の測距装置。
【請求項１０】
前記基準対象物からの光を反射して前記基準対象物の像を前記撮像部の撮像領域に形成する反射面を有する光学フィルタをさらに備える請求項１に記載の測距装置。
【請求項１１】
基準対象物と、測距対象物および基準対象物を撮像する複数の光学系と、前記複数の光学系に１対１で対応した撮像領域を有する撮像部であって、前記複数の光学系によってそれぞれの撮像領域に形成した前記測距対象物および前記基準対象物の像を電気信号に変換する撮像部とを備えた測距装置を用い、前記複数の光学系による像の視差によって対象物までの距離を測定する測距方法であって、
前記基準対象物は、前記複数の光学系の第１の波長帯域の光における合焦距離近傍に配置されており、
前記電気信号から、前記複数の撮像領域における前記基準対象物の前記第１の波長帯域の光による複数の基準対象物の画像データ、および、前記複数の撮像領域における前記測距対象物の、前記第１の波長帯域より長波長側の第２の波長帯域の光による複数の測距対象物の画像データをそれぞれ生成する工程と、
前記複数の基準対象物の画像データおよび前記複数の測距対象物の画像データからそれぞれ、前記基準対象物の視差量および前記測距対象物の視差量を算出する工程と、
前記基準対象物の視差量および前記基準対象物の視差量の初期値に基づいて、前記測距対象物の視差量を補正し、前記測距対象物の補正した視差量を用いて前記測距対象物までの距離を算出する工程と、
を包含する測距方法。
【国際調査報告】
2009098864.tif 000085
2009098864.tif 000086