(57)【要約】【課題】比較的遠くにある被写体から近距離にある被写体の距離計測やパターン認識を優れた解像度で計測、撮像する。【解決手段】装置本体１００は、第１の筐体１００Ａと第２の筐体１００Ｂに別れており、第１の筐体１００Ａの外側端部に投光系１１０が設けられ、第２の筐体１００Ｂの外側端部にセンサ部１２０が設けられている。第１の筐体１００Ａと第２の筐体１００Ｂとをスライドさせることにより、ベースラインを調整できる。例えばベースラインを２倍にすると、それに比例して奥行きスケールも２倍されるので、同一解像度で遠方の被写体を計測できる。また、装置本体１００にヒンジ部を介して回動自在に分離筐体１００Ｃを設け、ここにセンサ部１２０を設け、このセンサ部１２０を内側に傾けることにより、反射光に対してセンサ１２０の有効領域を十分に活用することが可能となる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像の撮影と三次元距離計測とを行う撮像素子と、
三次元距離計測用の光を出射する投光系と、
前記撮像素子と投光系とを所定の距離を隔てて被写体方向に向けて収納配置する装置本体とを有し、
前記装置本体は、前記撮像素子と投光系との距離を可変調整するベースライン調整機構を有する、
ことを特徴とする三次元距離画像撮像装置。
【請求項２】
前記ベースライン調整機構は、前記装置本体に設けられた伸縮機構を手動操作することにより、撮像素子と投光系との距離を可変調整するものであることを特徴とする請求項１記載の三次元距離画像撮像装置。
【請求項３】
前記装置本体は、前記撮像素子または投光系の一方が設けられる第１の筐体と、前記第１の筐体にスライド可能に接合され、前記撮像素子または投光系の他方が設けられる第２の筐体とを有し、前記ベースライン調整機構は、第２の筐体を第１の筐体に対してスライドさせることにより、撮像素子と投光系との距離を可変調整するものであることを特徴とする請求項２記載の三次元距離画像撮像装置。
【請求項４】
前記ベースライン調整機構は、撮像素子と投光系との調整された距離を検出するベースライン検出手段を有することを特徴とする請求項１記載の三次元距離画像撮像装置。
【請求項５】
画像の撮影と三次元距離計測とを行う撮像素子と、
三次元距離計測用の光を出射する投光系と、
前記撮像素子と投光系とを所定の距離を隔てて被写体方向に向けて収納配置する装置本体とを有し、
前記装置本体は、前記撮像素子の角度を可変調整する撮像角度調整機構を有する、
ことを特徴とする三次元距離画像撮像装置。
【請求項６】
前記撮像角度調整機構は、前記装置本体に設けられた回動機構を手動操作することにより、撮像素子の角度を可変調整するものであることを特徴とする請求項５記載の三次元距離画像撮像装置。
【請求項７】
前記装置本体は、前記撮像素子を設けた分離筐体と、前記分離筐体を装置本体に回動可能に接合したヒンジ部とを有し、前記撮像角度調整機構は、前記分離筐体をヒンジ部を介して回動することにより、撮像素子の角度を可変調整するものであることを特徴とする請求項６記載の三次元距離画像撮像装置。
【請求項８】
前記撮像角度調整機構は、撮像素子の調整された角度を検出する撮像角度検出手段を有することを特徴とする請求項５記載の三次元距離画像撮像装置。
【請求項９】
画像の撮影と三次元距離計測とを行う撮像素子と、
三次元距離計測用の光を出射する投光系と、
前記撮像素子と投光系とを所定の距離を隔てて被写体方向に向けて収納配置する装置本体とを有し、
前記装置本体は、前記撮像素子と投光系との距離を可変調整するベースライン調整機構と、撮像素子の角度を可変調整する撮像角度調整機構とを有する、
ことを特徴とする三次元距離画像撮像装置。
【請求項１０】
前記ベースライン調整機構は、前記装置本体に設けられた伸縮機構を手動操作することにより、撮像素子と投光系との距離を可変調整するものであることを特徴とする請求項９記載の三次元距離画像撮像装置。
【請求項１１】
前記装置本体は、前記撮像素子または投光系の一方が設けられる第１の筐体と、前記第１の筐体にスライド可能に接合され、前記撮像素子または投光系の他方が設けられる第２の筐体とを有し、前記ベースライン調整機構は、第２の筐体を第１の筐体に対してスライドさせることにより、撮像素子と投光系との距離を可変調整するものであることを特徴とする請求項１０記載の三次元距離画像撮像装置。
【請求項１２】
前記ベースライン調整機構は、撮像素子と投光系との調整された距離を検出するベースライン検出手段を有することを特徴とする請求項９記載の三次元距離画像撮像装置。
【請求項１３】
前記撮像角度調整機構は、前記装置本体に設けられた回動機構を手動操作することにより、撮像素子の角度を可変調整するものであることを特徴とする請求項９記載の三次元距離画像撮像装置。
【請求項１４】
前記装置本体は、前記撮像素子を設けた分離筐体と、前記分離筐体を装置本体に回動可能に接合したヒンジ部とを有し、前記撮像角度調整機構は、前記分離筐体をヒンジ部を介して回動することにより、撮像素子の角度を可変調整するものであることを特徴とする請求項１３記載の三次元距離画像撮像装置。
【請求項１５】
前記撮像角度調整機構は、撮像素子の調整された角度を検出する撮像角度検出手段を有することを特徴とする請求項９記載の三次元距離画像撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像素子から物体までの距離を高精度で計測するとともに、高解像の画像を出力する三次元画像計測装置に関し、特に被写体から非常に近い位置から遠くの位置までの高解像度な距離計測を可能とした三次元画像計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光切断法を用いて被写体の距離を測定し、距離情報を取得することで、背景等の加工処理を行えるようにしたカメラシステムが注目されている（例えば、特許文献１、及び特許文献２参照）。
この光切断法による距離計測法は、計測できる距離の解像度度が高く、家庭用のみならず、工業用途にも用いられている。この光切断法においては、レーザ光などをシリンドリカルレンズなど用いて線状化し、スキャニングミラーに反射させることで、所定の面積を走査する投光系を有しており、この投光系によるレーザ光が被写体にあたって反射し、センサに反射光が入射する。そこで、この時の投光系と被写体及び撮像センサの位置関係から距離情報を計算によって取得するものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−４２９３１号公報
【特許文献２】
特開平９−２２９６４１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような原理による光切断法においては、レーザ発光点とセンサとの間の距離（以下、ベースラインという）が離れていた方が、当然ながら距離計測解像度は高くなる。
しかしながら、ベースラインが長くなると、システム全体が大型化してしまうことが問題となる。
また、近くのものを計測したい場合には、長いベースラインは必要なく、短いベースラインで十分な計測が可能である。
したがって、遠くの被写体から近くの被写体まで、色々な距離に対応できる計測装置に対する要求があったが、実現できていなかった。
【０００５】
そこで本発明の目的は、上述のような実情に鑑み、比較的遠くにある被写体から近距離にある被写体の距離計測やパターン認識を優れた解像度で計測、撮像することができる三次元画像計測装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記目的を達成するため、画像の撮影と三次元距離計測とを行う撮像素子と、三次元距離計測用の光を出射する投光系と、前記撮像素子と投光系とを所定の距離を隔てて被写体方向に向けて収納配置する装置本体とを有し、前記装置本体は、前記撮像素子と投光系との距離を可変調整するベースライン調整機構を有することを特徴とする。
また本発明は、画像の撮影と三次元距離計測とを行う撮像素子と、三次元距離計測用の光を出射する投光系と、前記撮像素子と投光系とを所定の距離を隔てて被写体方向に向けて収納配置する装置本体とを有し、前記装置本体は、前記撮像素子の角度を可変調整する撮像角度調整機構を有することを特徴とする。
また本発明は、画像の撮影と三次元距離計測とを行う撮像素子と、三次元距離計測用の光を出射する投光系と、前記撮像素子と投光系とを所定の距離を隔てて被写体方向に向けて収納配置する装置本体とを有し、前記装置本体は、前記撮像素子と投光系との距離を可変調整するベースライン調整機構と、撮像素子の角度を可変調整する撮像角度調整機構とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の三次元距離画像撮像装置では、撮像素子と投光系との距離を可変調整するベースライン調整機構を有することにより、被写体の距離に応じて撮像素子と投光系とのベースラインを適宜可変調整することができ、被写体の距離に応じた最適な測定作業により、比較的遠くにある被写体から近距離にある被写体までを適正に測定でき、解像度のよい計測や撮像を行うことが可能となる。
また、本発明の三次元距離画像撮像装置では、撮像素子の角度を可変調整する撮像角度調整機構を有することにより、被写体が近い場合でも最適な撮像を行うことができる。
さらに、このようなベースライン調整機構と撮像角度調整機構の双方を組み合わせることにより、より有効な計測や撮像を行うことが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による三次元距離画像撮像装置の実施の形態例について説明する。
本発明の実施の形態例は、光切断法による三次元距離画像撮像装置にベースライン調整機構と撮像角度調整機構を設けることにより、上述した従来の課題を解決するものである。
すなわち、第１の特徴として、ベースライン調整機構を設けることにより、計測用光源の投光系と撮像素子の距離を調整することにより、被写体が遠くにある場合と近くにある場合の双方で最適な測定を行えるようになる。
また、第２の特徴として、撮像角度調整機構を設けることにより、被写体が極めて近い位置にある場合に、マクロ撮影的に適正な撮影を行うことができる。
なお、このようなベースライン調整機構と撮像角度調整機構は、一方だけでも十分な効果をもつが、双方の組み合わせにより、さらに顕著な効果を得ることができるものである。
【０００９】
以下、具体的な実施例の構成及び動作を図面を用いて順次詳細に説明する。
図１は本発明の第１実施例による三次元距離画像撮像装置の構成例を示す説明図であり、ベースライン調整機構を設けた例を示している。
また、図２は本発明の第２実施例による三次元距離画像撮像装置の構成例を示す説明図であり、ベースライン調整機構に加えて撮像角度調整機構を設けた例を示している。
また、図３〜図５は、本発明の各実施例で用いる光切断法による三次元距離測定の原理を説明する説明図である。このうち、図３は基本的な原理を示し、ベースライン調整を行わない場合には従来と同様の動作となる。また、図４は図３の状態からベースライン調整を行った場合の動作を示している。さらに、図５は撮像角度調整を行った場合の動作を示している。
【００１０】
まず、図３〜図５に示す構成例を用いて三次元距離測定の原理及び本実施例における調整動作を説明する。
図３において、レーザ光源１１から発光されたレーザ光（波長７８０ｎｍ）はシリンドリカルレンズ１２により、線状に集光される。そして、この線状のレーザ光は、３０Ｈｚの周期で振り角θでスキャンするレーザスキャナミラー１３により、被写体１４に照射される（矢線α）。
そして、被写体１４から反射したレーザ光（矢線β）をレンズ１５を介してセンサ（固体撮像素子）１６が捕らえ、被写体１４のある一点からの反射と、センサ１６の単一画素１７に入光する位置が一対一対応することにより、三角測量の原理により、距離を計測する。
なお、距離計測誤差は、例えば１５Ｈｚでスキャンした場合、レーザスキャナミラー１３とセンサ１６を１８ｃｍ離した場合において、センサ１６から４０ｃｍの距離において、約２ｍｍの精度である。
【００１１】
これに対して図４は、ベースラインを４０ｃｍに離した場合の位置関係を示している。
例えばベースラインを２倍にすると、それに比例して奥行きスケールも２倍されるので、同一解像度で遠方の被写体を計測できる。
また、図５は、センサ１６をスキャナミラー１３に対して内側に傾けた場合の位置関係を示している。
マクロ撮影的に近距離の被写体を計測する場合には、センサ１６を内側に傾けることにより、反射レーザ光に対してセンサ１６の有効領域を十分に活用することが可能となる。すなわち、レーザ光によりスキャンされる被写体の面積が有効画素に対して増大することになるので解像度は向上する。
以上のような原理により、比較的遠くにある被写体から近距離にある被写体の距離計測やパターン認識を優れた解像度で計測、撮像することができる三次元画像計測装置を提供できる。
【００１２】
次に、図４に示すベースラインの調整を実現する具体的な第１実施例の構成及び動作を図１に基づいて説明する。
まず、この三次元距離画像撮像装置は、矩形断面を有する筒状の装置本体１００に投光系、センサ部（撮像素子）、及びベースライン調整機構を設けたものである。
装置本体１００は、長手方向（ベースライン方向）に２分割された第１の筐体１００Ａと第２の筐体１００Ｂに別れており、第１の筐体１００Ａの外側端部に投光系１１０が設けられ、第２の筐体１００Ｂの外側端部にセンサ部１２０が設けられている。
【００１３】
そして、第１の筐体１００Ａと第２の筐体１００Ｂは、互いにスライド自在に接合されており、第１の筐体１００Ａと第２の筐体１００Ｂとの位置を矢印ａに示すように手動操作でスライド移動させることで、ベースラインを可変調整できるようになっている（すなわち、この部分がベースライン調整機構１３０となる）。
また、図示しないが、装置本体１００の内部には、第１の筐体１００Ａと第２の筐体１００Ｂの相対位置を検出するベースライン検出手段と、制御回路を搭載した配線基板が設けられており、ベースライン検出手段による検出結果が制御回路に入力され、制御回路では、このベースラインの変化に応じて演算条件を変えて測距演算等の処理を行うようになっている。
【００１４】
ベースライン検出手段としては、例えば各筐体１００Ａ、１００Ｂの一方に設けた光学的または磁気的な目盛りを、他方に設けた光学的または磁気的なセンサによって読み取り、移動量をカウントするような構成や、あるいは各筐体１００Ａ、１００Ｂの一方に設けた線状の抵抗体に対し、他方に設けた接触子を摺動させ、検出用電流を流すことで、電流の変化を読み取り、その値から移動量を算出するような構成を用いることが可能である。
すなわち、このような移動量の検出手段は、各種の自動機器や電子機器等において従来より種々のものが提供されているものであり、製品の仕様や必要な検出精度等に合わせて種々利用できるものである。
【００１５】
また、投光系１１０は、レーザ発光源１１１と、シリンドリカルレンズ１１２と、レーザスキャナミラー１１３と、その走査駆動系（図示せず）等を有している。
レーザ発光源１１１から発光されたレーザ光は、レンズ１１２により集光及び線状化されて、スキャナミラー１１３に照射される。
スキャナミラー１１３は走査駆動系によって一定の速度で所定の角度内でスキャンし、レーザ光は、このスキャナミラー１１３により振られて、装置本体１００に設けた保護窓１０１を透過して被写体に照射される。
【００１６】
また、センサ部１２０は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子１２１と、集光レンズ１２２等を有している。
被写体から反射されたレーザ光は、装置本体１００に設けた保護窓兼固定絞り１０２から入射し、レンズ１２２を経由して固体撮像素子１２１に入射する。
このセンサ部１２０では、上述の図３で説明した方法によって三角測量の原理により、被写体までの距離を測量する。また、このセンサ部１２０では、距離計測と同時に画像の出力が可能である。
【００１７】
以上のような構成の三次元距離画像撮像装置では、上述したベースライン調整機構によって投光系１１０によるレーザの出射位置とセンサ部１２０の受光部との距離（ベースライン）を変化させることが可能であるため、遠方の被写体を同一解像度で測定できる効果がある。例えば、上述したようにベースラインを２倍にすると、比例して奥行きスケールも２倍になるので、同一解像度での計測が可能となるものである。
【００１８】
次に、図４及び図５に示すベースラインの調整とセンサの角度調整を実現する具体的な第２実施例の構成及び動作を図２に基づいて説明する。なお、図２において、図１と共通の構成要素には同一符号を付して説明する。
この三次元距離画像撮像装置は、図１に示した第２の筐体１００Ｂの外側端部にさらに分離筐体１００Ｃを設け、この分離筐体１００Ｃにセンサ部１２０を設けらたものである。
分離筐体１００Ｃは、ヒンジ部１０３を介して第２の筐体１００Ｂに水平方向（すなわち、投光系とセンサ部と被写体の三点で形成される平面の方向）に回動自在に設けられており、手動操作で傾斜角度（矢印ｂ）を調整できるようになっている（すなわち、この部分が撮像角度調整機構１４０となる）。
【００１９】
また、この分離筐体１００Ｃの回動角度は、角度検出手段によって検出され、その検出結果が制御回路に伝えられる。例えば、分離筐体１００Ｃに設けた光学的または磁気的な目盛りを、第２の筐体１００Ｂに設けた光学的または磁気的なセンサによって読み取り、回転量をカウントするような構成を用いることが可能である。
なお、このような回転量の検出手段についても、各種の自動機器や電子機器等において従来より種々のものが提供されているものであり、製品の仕様や必要な検出精度等に合わせて種々利用できるものである。
【００２０】
また、センサ部１２０自体の構成は図１に示す例と共通であるが、本例では分離筐体１００Ｃに保護窓兼固定絞り１０４が設けられ、センサ部１２０への光の入射を制御している。
その他は、図１に示す例と同様であるので説明は省略する。
【００２１】
このような三次元距離画像撮像装置において、計測したい被写体までの距離が近い場合、画像が蹴られることがある。その場合、本例の撮像角度調整機構により、計測したい被写体が画像の中心付近にくるように、センサ部１２０を反射レーザ光側に傾けることができる。
また、センサ部１２０を傾けた場合に、ベースラインも同時に変わることに注意する必要がある。したがって、本例では、ベースライン調整機構によるベースライン検出手段によって各筐体１００Ａ、１００Ｂ間の移動量を検出し、計算によりベースラインを求めることができ、これを反映させた測定を行うことができる。
【００２２】
以上、本発明の具体的な実施例について説明したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、光源としてはレーザ光以外の光を用いることが可能であり、また線状光を得るための構成としては、シリンドリカルレンズの他にホログラム素子等を用いることも可能である。
また、ベースライン調整機構としては、節目のないスライド構造によって移動する構成に限らず、所定の単位寸法刻みで段階的に変化させるような構成とすることも可能である。例えば、上述した２つの筐体の接触部分に互いに嵌合する突起と凹部をスライド方向に所定の間隔おきに形成しておき、この突起と凹部が一致する位置で２つの筐体が嵌合保持されるような構成としてもよい。このようにすれば、ベースラインの検出手段も簡易な構成とすることができ、低コストの製品化が可能となる。
また、装置本体の具体的構成については、上述のような筒状の筐体で構成するものに限らず、製品のコンセプトに基づいて種々の形態を採用し得るものである。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の三次元距離画像撮像装置では、撮像素子と投光系との距離を可変調整するベースライン調整機構を有することにより、被写体の距離に応じて撮像素子と投光系とのベースラインを適宜可変調整することができ、被写体の距離に応じた最適な測定作業により、比較的遠くにある被写体から近距離にある被写体までを適正に測定でき、解像度のよい計測や撮像を行うことが可能となる。
また、本発明の三次元距離画像撮像装置では、撮像素子の角度を可変調整する撮像角度調整機構を有することにより、被写体が近い場合でも最適な撮像を行うことができる。
さらに、このようなベースライン調整機構と撮像角度調整機構の双方を組み合わせることにより、より有効な計測や撮像を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による三次元距離画像撮像装置の構成例を示す説明図である。
【図２】本発明の第２実施例による三次元距離画像撮像装置の構成例を示す説明図である。
【図３】本発明の各実施例で用いる光切断法による三次元距離測定の基本的な原理を説明する説明図である。
【図４】図３に示す状態からベースライン調整を行った場合の動作を示す説明図である。
【図５】図４に示す状態から撮像角度調整を行った場合の動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１００……装置本体、１００Ａ……第１の筐体、１００Ｂ……第２の筐体、１００Ｃ……分離筐体、１１０……投光系、１１１……レーザ発光源、１１２……シリンドリカルレンズ、１１３……レーザスキャナミラー、１２０……センサ部、１２１……固体撮像素子、１２２……集光レンズ、１３０……ベースライン調整機構、１４０……撮像角度調整機構。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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