(57)【要約】【課題】測定対象物が動的に移動する場合においても、外乱光を除去し、レーザ光の輝点のみを抽出することが可能となる測距装置を得る。【解決手段】測定対象物３上にレーザ光２を照射するレーザ照射手段１と、前記レーザ光の波長を含む第１の波長域と前記レーザ光の波長を含まない第２の波長域とを選択的に抽出する波長選択手段５と、同一視野を有し、前記レーザ照射手段によるレーザ光の照射により前記測定対象物の面上に発生した輝点を前記波長選択手段によって選択された第１の波長域と第２の波長域の波長成分の光でそれぞれ結像して２つの画像を同期して取り込む撮像手段８，１２と、前記撮像手段により得られた２つの画像の差分演算に基づいて結像位置から測定対象物までの距離を演算する演算手段１７，１９とを備えた。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物上にレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
前記レーザ光の波長を含む第１の波長域と前記レーザ光の波長を含まない第２の波長域とを選択的に抽出する波長選択手段と、
同一視野を有し、前記レーザ照射手段によるレーザ光の照射により前記測定対象物の面上に発生した輝点を前記波長選択手段によって選択された第１の波長域と第２の波長域の波長成分の光でそれぞれ結像して２つの画像を同期して取り込む撮像手段と、
前記撮像手段により得られた２つの画像の差分演算に基づいて結像位置から測定対象物までの距離を演算する演算手段と
を備えた測距装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測距装置において、
前記波長選択手段は、波長によって光路を分離する光学素子を備えると共に、
前記撮像手段は、２つの撮像素子を備え、
前記光学素子を介して分離される各光路の結像位置に前記２つの撮像素子を設置した
ことを特徴とする測距装置。
【請求項３】
偏光方向を選択する偏光板と、
前記偏光板を介在して測定対象物上に選択された偏光方向のレーザ光を照射するレーザ照射手段と、
照射レーザ光と同一方向の第１の偏光成分と照射レーザ光に対して直交する第２の偏光成分を選択する偏光選択手段と、
同一視野を有し、前記レーザ照射手段によるレーザ光の照射により前記測定対象物の面上に発生した輝点を前記偏光選択手段によって選択された第１の偏光成分と第２の偏光成分の光でそれぞれ結像して２つの画像を同期して取り込む撮像手段と、
前記撮像手段により得られた２つの画像の差分演算に基づいて結像位置から測定対象物までの距離を演算する演算手段と
を備えた測距装置。
【請求項４】
請求項３に記載の測距装置において、
前記波長選択手段は、偏光によって光路を分離する光学素子を備えると共に、
前記撮像手段は、２つの撮像素子を備え、
前記光学素子を介して分離される各光路の結像位置に前記２つの撮像素子を設置した
ことを特徴とする測距装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ光を測定対象物上に照射し、測定対象物の面上に発生した輝点を撮像し、輝点の撮像素子面上での結像位置から測定対象物までの距離を測定する三角測量方式による測距装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の測距装置では、照射するレーザ光をパルス発光させ、受光素子の読み出し周期毎にレーザの点灯、無点灯を繰り返し、パルス点灯時の撮像素子出力信号と無点灯時の撮像素子出力信号とを差分演算することにより、外乱光の影響を除去している（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−３２８４０８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような測距装置にあっては、測定対象物と測距装置とが相対的に移動している場合、点灯時と無点灯時においては対象物が移動しているため、点灯、無点灯時の各タイミングにおいて撮像素子面上に形成される像が異なることとなる。このため、両タイミングに検出された撮像素子の出力信号の差分演算を行った場合、像の移動に伴う輝度変化が演算結果に反映され、本来抽出したいレーザスポットのみでなく像ズレによる輝度差が発生することとなり、外乱光除去の効果はなくなる。
【０００５】
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、測定対象物が動的に移動する場合においても、外乱光を除去し、レーザ光の輝点のみを抽出することが可能となる測距装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る測距装置は、測定対象物上にレーザ光を照射するレーザ照射手段と、前記レーザ光の波長を含む第１の波長域と前記レーザ光の波長を含まない第２の波長域とを選択的に抽出する波長選択手段と、同一視野を有し、前記レーザ照射手段によるレーザ光の照射により前記測定対象物の面上に発生した輝点を前記波長選択手段によって選択された第１の波長域と第２の波長域の波長成分の光でそれぞれ結像して２つの画像を同期して取り込む撮像手段と、前記撮像手段により得られた２つの画像の差分演算に基づいて結像位置から測定対象物までの距離を演算する演算手段とを備えたものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る測距装置を説明するための配置図である。図１に示す測距装置は、レーザ照射手段１からのレーザ光２が測定対象物３に照射され、測定対象物３上にレーザ光２により輝点２−１が発生し、測定対象物３上に発生した輝点２−１は、撮像手段としてのカメラユニット４により撮像されるようになされている。
【０００８】
前記カメラユニット４は、図２に示すように、輝点２−１を撮像するにあたって撮像に寄与する光の波長成分を分離するために光路上に設けられたダイクロイックミラー５と、ダイクロイックミラー５を透過した光のうちレーザ光の波長を含む所定の波長域（検出波長）のみを選択的に抽出する波長フィルタ６と、輝点２−１を結像させるための撮像レンズ７と、測定対象物３の面上に発生した輝点２−１を波長フィルタ６によって選択された波長成分の光で結像する撮像素子８と、光路を折り曲げるミラー９と、ダイクロイックミラー５を介して分離された波長域の光のうちレーザ光の波長をはずした波長域（参照波長）を選択的に透過させる波長フィルタ１０と、波長フィルタ１０を透過する波長成分の光により結像するための撮像レンズ１１と、測定対象物３の面上に発生した輝点２−１を波長フィルタ１０によって選択された波長成分の光で結像する撮像素子１２とを備えている。
【０００９】
そして、前記カメラユニット４には、両撮像素子８，１２からの出力信号に応じた画素データの差分演算を行う信号前処理ユニット１８が接続され、この信号前処理ユニット１８からの差分画像データの入力を受ける距離演算処理部１９により輝点２−１までの距離を演算するようになされている。ここで、前記信号前処理部１８は、撮像素子８からの出力信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部１３と、撮像素子８からの出力信号のうち１走査周期のデータを２周期分順次蓄積するためのビデオメモリ１４と、撮像素子１２からの出力信号をディジタル変換するＡ／Ｄ変換部１５と、撮像素子１２からの出力信号の１走査周期のデータを２周期分順次蓄積するビデオメモリ１６と、ビデオメモリ１４、１６中の相該当する画素のデータを差分演算する差分演算部１７とを備えている。なお、２０は両撮像素子８，１２の画像取込みの同期をとる同期信号発生回路を示す。
【００１０】
図３は、検出波長、参照波長及びダイクロイックミラー５の波長分離特性の相関関係を示した図である。この図３において、横軸３０は波長軸を、縦軸３１は強度軸をそれぞれ示し、また、３２は照射するレーザ波長である検出波長、３４は参照波長を示している。図３に示すように、波長フィルタ６の透過波長特性３３の透過波長域中に照射レーザの発光波長が含まれるよう波長フィルタ６の特性を決定し、また、波長フィルタ１０の透過率波長分布３５中に照射レーザ光の発光波長が含まれないよう波長フィルタ１０の透過率分布を設定する。さらに、ダイクロイックミラー５の波長分離特性３６は、検出波長３２と参照波長３４をそれぞれ透過、反射させ分離させる特性を有している。
【００１１】
図４は、各波長帯（検出波長、参照波長）において得られる画像及び両画像間の差分結果を示す図である。図４（ａ）に示す検出波長域において得られる画像（撮像素子８から出力される画像；検出画像）３７には、レーザ光２の照射によって発生した輝点２−１の画像中の輝点３８、カメラ視野中にある構造体などの輪郭３９が示され、図４（ｂ）に示す参照波長域において得られる画像（参照画像）４０には、視野中に存在する構造体の輪郭４１が示され、図４（ｃ）に示す検出画像と参照画像の差分画像４２には、両画像間の差分演算の結果抽出されたレーザ照射による輝点４３が示される。
【００１２】
以下に動作について説明する。レーザ照射手段１から照射されたレーザ光２は測定対象物３上に輝点２−１を発生させる。測定対象物３を撮像するカメラユニット４は、輝点２−１までの距離の変化により、撮像素子面上での結像位置が所定の変化をするよう、レーザ光２の照射軸からずれた位置に設置されている。カメラユニット４では、輝点２−１からの光を、ダイクロイックミラー５を用いて、波長の領域に応じて透過、反射させる。ダイクロイックミラー５は、図３に示す如く波長分離特性３６を有しており、レーザの波長を含み、これより長波長の光を透過させ、これより短波長の光を反射させる。ダイクロイックミラー５を透過した光は、波長フィルタ６によってレーザ光２の波長を含む狭帯域の光を透過させ、撮像レンズ７によって、測定対象物３の像が撮像素子８上に結像される。一方、ダイクロイックミラー５を反射した光は、ミラー９を介して波長フィルタ１０によってレーザ光２の波長を含まない狭帯域な光（図３に示す参照波長３４の光）のみが透過し、撮像レンズ１１によって測定対象物３の像が撮像素子１２面上に結像される。
【００１３】
撮像素子８からの信号は、画像３７（図４（ａ）参照）として出力され、測定対象物３の構造の輪郭３９（図４（ａ）参照）とともに、レーザ光２の照射によって発生した輝点２−１も画像中の輝点３８（図４（ａ）参照）となって現れる。一方、撮像素子１２からの信号は、画像４０（図４（ｂ）参照）を形成し、測定対象物の構造の輪郭４１（図４（ｂ）参照）のみが画像中に現れる。この２つの画像は、同一視野となるよう撮像光学系を構築するとともに、同期信号発生回路２０によって取り込みタイミングの同期をとっており、同一視野の同一タイミングの画像となっている。
【００１４】
これら両画像は、差分演算部１７によって差分演算を行い、その結果、背景光が除去され測定対象物の構造の輪郭がない画像４２（図４（ｃ）参照）が得られ、レーザによる輝点４３（図４（ｃ）参照）のみが抽出される。距離演算部１９は、画像中の輝点４３の座標を求め、測定対象物までの距離を算出する。
【００１５】
従って、実施の形態１によれば、同一視野を２つの撮像素子８，１２で同時に取得できる撮像光学系を構成し、片方の撮像素子は照射レーザ光の波長を含む波長成分の光によって結像させ、かつ他方の撮像素子には照射レーザ光の波長をはずした光によって結像させるよう光学系を構成するとともに、両波長域の検出画像と参照画像との差分処理を施すことにより、時間的ずれのない画像差分が可能となり、測定対象物が移動体であっても、背景光の除去が可能となり、その結果、レーザ照射による輝点のみの抽出が可能となり、外乱光の影響を受けない安定した測距が可能となる。
【００１６】
実施の形態２．
また、検出画像と参照画像の差分演算を行うにあたっては、撮像素子からの出力信号をそのままアナログ信号処理的にＨ／Ｗで直接処理を実施してもかまわない。図５に示すように、検出用、参照用の両撮像素子８、１２からの出力信号をそれぞれバッファ回路５１、５２を介して、差分演算器５３に入力し、差動演算器５３では、入力された撮像信号の差分演算を実施し、その結果を出力するように、信号前処理ユニット５４を構成することもできる。
【００１７】
実施の形態３．
視野が同一な検出画像と参照画像の生成させる光学系の構成として、図６に示すように、撮像レンズ６０と撮像素子６２、６３の間に、波長によって光路を分離する光学素子としてダイクロイックミラー６１を設けることにより、波長によって光路を分離し、分離した光路ごとに波長フィルタ６、７及び撮像素子６２、６３を設置する。このような構成をとることにより、撮像光学系の小型・軽量化が可能となり、装置規模の縮小化が実現できる。
【００１８】
次に動作について説明する。撮像レンズ６０と結像位置までの間にダイクロイックミラー６１を設置し、波長分離特性３６（図３参照）に示すようにレーザ光の波長を含む光を透過させ、レーザの波長を含まない光を反射させる。ダイクロイックミラー６１を透過した光は波長フィルタ６によって、透過波長特性３３（図３参照）で示されるレーザ光２の波長を含む狭帯域の光が透過され、撮像素子６２面上に測定対象物の像が結像される。一方、ダイクロイックミラー６１によって反射された光は、波長フィルタ７によって透過率波長分布３５（図３参照）に示されるようにレーザ光２の波長を含まない狭帯域の光が透過され、撮像素子６３面上に測定対象物の像が結像される。
【００１９】
また、実施の形態１と３において、ダイクロイックミラーを用いて航路を分離しているが、波長分離特性を有しないハーフミラーを用いても、結像する像の輝度は低下するが同等の効果が得られる。
【００２０】
実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４に係る測距装置を説明するための配置図である。図７に示す測距装置において、レーザ照射手段１からのレーザ光は偏光方向を選択する偏光板７０により偏光されて、偏光されたレーザ光７２が測定対象物７３に照射される。なお、７１は選択された偏光の方向を示し、ここでは光は紙面に対して垂直方向を示す。測定対象物７３上にレーザ光７２により輝点７２−１が発生し、測定対象物７３上に発生した輝点７２−１は、撮像手段としてのカメラユニット７４により撮像されるようになされている。
【００２１】
前記カメラユニット７４は、図８に示すように、輝点７２−１を撮像するにあたって撮像に寄与する光の偏光成分を分離するために、レーザ光７２と同一方向の偏光成分を透過しレーザ光７２と直交する方向の偏光成分を反射する機能をもつ、光路上に設けられた、偏光選択手段としての偏光ビームスプリッタ７５と、輝点７２−１を結像させるための撮像レンズ７と、測定対象物７３の面上に発生した輝点７２−１が偏光ビームスプリッタ７５によって選択されたレーザ光７２と同一方向の偏光成分の光で結像される撮像素子８と、光路を折り曲げるミラー９と、偏光ビームスプリッタ７５によって反射分離されたレーザ光７２と直交する偏光成分の光により結像するための撮像レンズ１１と、測定対象物７３の面上に発生した輝点７２−１が偏光ビームスプリッタ７５によって反射分離されたレーザ光７２と直交する偏光成分の光で結像される撮像素子１２とを備えている。図８において、その他の信号前処理ユニット１８と距離演算処理部１９及び同期信号発生回路２０は、図２に示す実施の形態１の構成と同様なのでその説明は省略する。
【００２２】
図９は、照射するレーザ光の偏光特性と測定対象物から発生する散乱光の偏光特性との関連を示した図である。図９では、測定対象物として、測定対象とする表面が金属や樹脂などの粗度が小さく滑らかな構造物体７３−１と、木や地面などの表面が粗く粗度が大きい物体７３−２を示し、物体７３−１に照射されたレーザ光７２によって散乱光８０、８１が発生し、物体７３−２にレーザ光７２が照射した場合に散乱光８２、８３が発生していることを示している。なお、相反する２方向に向いた矢印は偏光成分が紙面に水平方向に発生していることを示し、黒丸は紙面に対して垂直方向に偏光成分が発生していることを示している。
【００２３】
また、図１０は、各撮像素子８、１２によって得られた画像とその差分画像の関係を示した図である。図１０（ａ）に示す照射レーザ光７２と同一方向の偏光成分の光によって得られる画像（撮像素子８によって得られる画像；検出画像）８４には、測定対象物となる物体７３−１の像の輪郭８５、レーザ光７２の物体７３−１への照射によって発生した画像中の輝点８６、カメラ視野中にある物体７３−２の像の輪郭８７が示され、図１０（ｂ）に示す照射レーザ光７２と直交する偏光成分の光によって得られる画像（参照画像）８８には、画像視野内に存在する物体７３−１の像の輪郭８９、画像視野内に存在する物体７３−２の像の輪郭９０が示され、図１０（ｃ）に示す画像８４と画像８８を差分した結果得られる差分画像９１には、両画像間の差分演算の結果抽出されたレーザ照射による輝点９２が示されている。
【００２４】
また、図１１は、レーザ光７２が物体７３−２を照射した場合の各撮像素子８、１２によって得られた画像とその差分画像の関係を示した図である。図１１（ａ）に示す照射レーザ光７２と同一方向の偏光成分の光によって得られる画像（撮像素子８によって得られる画像；検出画像）８４には、測定対象物となる物体７３−２を示す像の輪郭８５、カメラ視野中にある物体７３−２の像の輪郭８７、レーザ光７２の物体７３−２への照射によって発生した輝点の画像中の輝点９３が示され、図１１（ｂ）に示す照射レーザ光７２と直交する偏光成分の光によって得られる画像（参照画像）８８には、画像視野内に存在する物体７３−１の輪郭８９、画像視野内に存在する物体７３−２の像の輪郭９０、レーザ光７２の物体７３−２への照射によって発生した輝点の画像中の輝点９４が示され、図１１（ｃ）に示す画像９１には、画像８４と画像８８の差分した結果得られる差分画像が示される。
【００２５】
以下に動作について説明する。レーザ照射手段１から照射され偏光方向を選択されたレーザ光７２は測定対象物７３上に照射され、輝点を発生させる。測定対象物を撮像するカメラユニット７４は、輝点までの距離の変化により、撮像素子面上での結像位置が所定の変化をするよう、レーザの照射軸からずれた位置に設置されている。カメラユニット７４では、輝点からの光を、偏光ビームスプリッタ７５を用いて、偏光方向がレーザ光７２と同一なら透過し、直交なら反射させる特性をもつ。透過した光は、撮像レンズ７によって測定対象物の像を撮像素子８に結像させる。一方、反射した光は、撮像レンズ１１によって測定対象物の像を撮像素子１２に結像させる。
【００２６】
測定対象物が金属、ガラス、樹脂などの表面粗度が小さく滑らかな面で形状が球や円筒物体などのように曲率をもち、レーザを照射すると撮像系に正反射光が受光される場合、測定対象物から反射し受光される反射光８０、８１は、照射レーザ光がもつ偏光を保存する。一方、表面の粗度が大きく荒れている物体に対して、レーザ光を照射した場合、表面からの反射光８２、８３は、照射レーザ光の偏光が崩れ、レーザ光と同一方向及び直交方向の偏光が混在した光となる。また、太陽光の照射による物体からの反射光は、通常偏光性が崩れ、各種方向の偏光が混在した光となる。
【００２７】
このようなことから、撮像に寄与する光の偏光方向が照射レーザ光と同一である撮像素子８からの信号は、画像８４（図１０（ａ）参照）として出力され、測定対象物の輪郭８５とともに、レーザ光２の照射によって発生した輝点８６、さらに周辺の構造物も太陽の照射による像８７が撮像中に現れることとなる。一方、撮像に寄与する光の偏光方向が照射レーザと直交する撮像素子１２からの信号は、画像８８（図１０（ｂ）参照）を形成し、測定対象物の物体８９、他の一般構造物９０のみが画像中に現れる。この２つの画像は、同一視野となるよう撮像光学系を構築するとともに、同期信号発生回路２０によって取り込みタイミングの同期をとっており、同一視野の同一タイミングの画像となっている。
【００２８】
これら両画像は、差分演算部１７によって差分演算を行い、その結果、背景光が除去され測定対象物の構造の輪郭がない画像９１が得られ、レーザによる輝点９２のみが抽出される。距離演算部１９は、画像中の輝点９２の座標を求め、測定対象物までの距離を算出する。
【００２９】
このように、測定対象物の表面が滑らかあるいは表面が曲率を有し、表面からの反射光が照射レーザ光の偏光特性を保持する物体である場合、同一視野を２つの撮像素子で同時に取得できる撮像光学系を構成し、片方の撮像素子は照射レーザ光の同一の偏光成分の光によって結像させ、かつ他方の撮像素子には照射レーザ光の直交する方向の偏光成分の光によって結像させるよう光学系を構成するとともに、両偏光方向の光による検出画像と参照画像との差分処理を施すことにより、測定対象物が移動体であっても、レーザ照射による輝点のみの抽出が可能となり、外乱光の影響を受けない安定した測距が可能となる。
【００３０】
実施の形態５．
視野が同一な検出画像と参照画像を生成させる光学系の構成として、図１２に示すように、撮像レンズ６０と撮像素子１０１、１０２の間に、偏光によって光路を分離する光学素子として偏光ビームスプリッタ１００を設けることにより、偏光方向により光を分離し、各分離した光路ごとに撮像素子１０１、１０２を設置する。このような構成をとることにより、両撮像素子面上にそれぞれ結像させることができ、撮像光学系の小型・軽量化が可能となり、装置規模の縮小化が実現できる。
【００３１】
実施の形態４と５において、光路を分離するにあたっては偏光方向によって光を透過、反射させる偏光ビームスプリッタを用いたが、ハーフミラーと検光子を用いても同等の効果が得られる。また、光源から出る光に対し偏光子を用いて偏光成分を選択したが、光源そのものが直線偏光特性を有するものであれば、偏光子がなくても同等の効果が得られることは明らかである。
【００３２】
次に動作について説明する。撮像レンズ６０と結像位置までの間に偏光ビームスプリッタ１００を設置し、レーザ光と同一方向の偏光を透過させ、レーザ光と直交する偏光を反射させる。偏光ビームスプリッタ１００を透過した光は、撮像素子１０１に結像される。一方、偏光ビームスプリッタ１００で反射した光は、素子１０２面上に測定対象物の像として結像される。
【００３３】
このような構成をとることにより、撮像光学系の部分の小型・軽量化が実現できる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、測定対象物が動的に移動する場合においても、外乱光を除去し、レーザ光の輝点のみを抽出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る測距装置を説明するための配置図である。
【図２】図１に示すカメラユニット４の内部構成と、信号前処理ユニット１８、距離演算処理部１９及び距離演算処理部２０の接続図である。
【図３】検出波長、参照波長及びダイクロイックミラー５の波長分離特性の相関関係を示した図である。
【図４】各波長帯（検出波長、参照波長）において得られる画像及び両画像間の差分結果を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る信号前処理ユニット５４の構成図である。
【図６】この発明の実施の形態３に係る視野が同一な検出画像と参照画像の生成させる光学系の構成図である。
【図７】この発明の実施の形態４に係る測距装置を説明するための配置図である。
【図８】図７に示すカメラユニット７４の内部構成と、信号前処理ユニット１８、距離演算処理部１９及び距離演算処理部２０の接続図である。
【図９】照射するレーザ光の偏光特性と測定対象物から発生する散乱光の偏光特性との関連を示した図である。
【図１０】各撮像素子８、１２によって得られた画像とその差分画像の関係を示した図である。
【図１１】レーザ光７２が物体７３−２を照射した場合の各撮像素子８、１２によって得られた画像とその差分画像の関係を示した図である。
【図１２】この発明の実施の形態５に係る視野が同一な検出画像と参照画像の生成させる光学系の構成図である。
【符号の説明】
１  レーザ照射手段、２  レーザ光、２−１  輝点、３  測定対象物、４  カメラユニット、５  ダイクロイックミラー、６  波長フィルタ、７  撮像レンズ、８  撮像素子、９  ミラー、１０  波長フィルタ、１１  撮像レンズ、１２  撮像素子、１８  信号前処理ユニット、１９  距離演算処理部、１３  Ａ／Ｄ変換部、１４  ビデオメモリ、１５  Ａ／Ｄ変換部、１６  ビデオメモリ、１７  差分演算部、２０  同期信号発生回路、５１，５２  バッファ回路、５３  差分演算器、５４  信号前処理ユニット、６０  撮像レンズ、６１  ダイクロイックミラー、６２，６３  撮像素子、７０  偏光板、７２  レーザ光、７２−１  輝点、７３  測定対象物、７４  カメラユニット、７５  偏光ビームスプリッタ、１００  偏光ビームスプリッタ、１０１、１０２  撮像素子。
【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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【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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