(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射された光のスポットの２次元アレイを使用して光景を照射するための照射手段と、
光景内のスポットの位置を検出するための検出器と、
光景内の前記検出されたスポットの位置から、そのスポットまでの距離を判断するようになったプロセッサと、
を含み、
前記照射手段は、光導体の入力面の一部を照射するように配置された光源を含み、該光導体は、実質的に反射性の側面を有し、正多角形の断面を有するチューブを含み、該光源の明確な画像のアレイを光景に向けて投射するために投射光学部品と共に配置されていることを特徴とする、
測距装置。
【請求項２】
前記照射手段及び検出器は、前記投射されたアレイの各スポットが前記検出された光景内で１つの距離から別の距離に軸線に沿って移動して見えるように配置され、
前記投射されたアレイ内の各隣接スポットの見かけの運動の前記軸線は異なっている、
ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記照射手段は、第１の距離で焦点が合い、第２の距離で焦点ぼけするスポットのアレイを投射するようになっており、該第１及び第２の距離は、装置の作動範囲内にあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の測距装置。
【請求項４】
前記照射手段は、焦点が合った時に非円形形状になるスポットのアレイを投射するようになっていることを特徴とする請求項３に記載の測距装置。
【請求項５】
観測されたスポットは、曖昧さを引き起こす、１を超える投射スポットに対応しうるものであり、
前記プロセッサは、スポットの形状または色を用いることにより、各スポットまでの距離の前記曖昧さも解消するようになっていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項６】
前記照射手段は、大きな被写界深度を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項７】
前記照射手段は、前記投射スポットの異なる２次元アレイによって、光景を循環的に照射するようになっていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項８】
前記照射手段は、異なるスポットのアレイを使用して光景を循環的に照射するようになっていることを特徴とする請求項７に記載の測距装置。
【請求項９】
検出スポットは、１を超える投射スポットに対応しうるものであり、前記プロセッサは、前記投射スポットの１つ又はそれ以上を作動停止するようになっていることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項１０】
前記照射手段は、少なくともいくつかの投射スポットが隣接スポットに対して異なる特性を有するようなスポットのアレイを生成するようになっていることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項１１】
前記特性は、色であることを特徴とする請求項１０に記載の測距装置。
【請求項１２】
前記特性は、形状であることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の測距装置。
【請求項１３】
前記光源は、マスクを通して前記光導体の前記入力面を照射するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項１４】
前記光源は、非円形形状を用いて前記光導体の前記入力面を照射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１５】
前記光源は、前記光導体の前記入力面を該光導体の反射軸線に関して非対称の形状を用いて照射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１６】
前記照射手段は、前記光導体の前記入力面の一部を照射するようにそれぞれ配置された１つよりも多い光源を含むことを特徴とする請求項１３から請求項１５のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項１７】
前記光源は、規則的なパターンで配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の測距装置。
【請求項１８】
前記光源は、異なるスポット密度をもたらすように配置されていることを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の測距装置。
【請求項１９】
少なくとも１つの光源は、別の光源とは異なる波長で光を放射することを特徴とする請求項１６から請求項１８のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項２０】
少なくとも１つの光源は、別の光源とは異なって成形されることを特徴とする請求項１６から請求項１９のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項２１】
少なくとも１つの光源は、前記光導体の反射軸線に関して非対称の形状を有することを特徴とする請求項１６から請求項２０のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項２２】
少なくとも１つの光源は、別の光源とは異なる深さで前記光導体内に位置していることを特徴とする請求項１６から請求項２１のいずれか１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、測距装置、特に撮像測距装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
撮像測距システムは、多くの場合、光景を照射し、距離情報を判断するために光景から反射した光を画像化する。
三角測量システムと呼ばれる１つの公知のシステムは、光景にスポットが現れるように光のビームで光景を照射するために配置された光源を使用する。検出器は、光景内の光のスポットの位置が距離情報を明らかにするような向きに所定の方式で光源に対して配置される。光のビームは、全光景に亘る距離情報を生成するために、光景に亘って方位と高度の両方に走査することができる。いくつかのシステムでは、光のビームは、一方向の距離情報が同時に集められるような線形ビームとすることができ、この線形ビームが所定方向に走査されて、他の方向の距離情報を取得するものである。
【０００３】
このようなシステムは、高価で複雑な走査を必要とし、高速で変化する光景に対して正確な距離の測定が不可能であることも意味している。更に、公知の三角測量システムでの照射は、レーザシステムを必要とすることが多い。レーザシステムの使用は、安全性の問題を有する場合があり、複雑で比較的費用の掛かる走査機構を必要とする可能性がある。レーザはまた、比較的高電力光源である。
米国特許第６，１５４，２７９号は、皿穴の形状を判断する方法及び装置を開示している。これは、少なくとも１つのレーザが穴のある表面に向けてレーザ光を向け、それによって光スポットを生成し、平坦表面に対する基準画像と比較したスポットの水平方向の変位を使用して深さの情報を与えるものである。一実施形態では、レーザは、スポットのアレイの解析を１つの画像内で行うことができるように複数のスポットを投射することができる。しかし、米国特許第６，１５４，２７９号に説明された方法は、既知の制限された被写界深度内の連続表面を見るのに適するだけであり、正しく機能するためには観測された表面のモデルを必要とするものである。従って、大きな被写界深度に亘る離散的な対象物で構成された光景からの距離情報をもたらすのに適用することができない。
【０００４】
米国特許第４，２９４，５４４号は、光景から三次元地形的データを取得するためのシステムを説明している。光景内で検出された各スポットを投射ビームの１つを使用して識別することができるように、光景は、所定のシーケンスでオンオフに切り替えられる複数のレーザビームを使用して照射される。異なるパターンのスポットの各々で照射された光景を見るための撮像装置が配置され、スポットが識別された状態でそのスポットに対する距離を判断する。しかし、この方法はいくつかの投射段階を伴い、異なるパターンで投射するためのレーザと比較的複雑なシャッタ装置を使用している。投射段階は時間も掛かるので、走査システムと同様に、上述の装置は、比較的高速で変化する光景の使用に適していない。
【０００５】
米国特許第４，８６７，５７０号は、対象物上に複数パターンのビームを投射することにより、対象物に関する三次元情報を取得する方法及び装置を開示している。光源は、複数のウィンドウを有するマスクの後部に配置される。レンズは、マスクを通して見られるような光源の画像を撮像される対象物上に投射し、第１のレンズに平行な光軸を有する同じ平面に配置された同じパワーの別のレンズが、光景をＣＣＤアレイ上に撮像する。光景内のスポットの位置は、そのスポットに対する距離を提供するが、距離が計算される方法は明らかではない。しかし、照射されたマスクを撮像するレンズを使用し、投射手段が広い投射角度を有していないために、投射システムの被写界深度はいくらか制限されている。従って、ここでもまた、上述の発明は、狭い作動範囲の制限された視野の撮像に適用可能なだけである。
【０００６】
代替の測距システムが、米国特許第６，３７７，３５３号に説明されている。ここでは、光源は、開口のアレイを有するパターン化されたスライドの前に配置される。光源からの光は、開口を通過するだけでスポットのアレイを光景上に投射する。この装置における距離情報は、形成されたスポットの大きさと形状を解析することによって判断される。しかし、このシステムには、スポットの大きさとその向きが判断可能であることを必要とし、これは、妥当なスポットの大きさの差を必要とすることになる。従って、このシステムは、必然的に制限された視野の深さを有し、実際に連続表面に対する測距に使用可能であるだけである。
従って、本発明の目的は、上述の欠点の少なくとも一部を緩和し、大きな被写界深度に亘って、かつ離散的な対象物が配置された光景に対して使用可能な測距装置を提供することである。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，１５４，２７９号
【特許文献２】米国特許第４，２９４，５４４号
【特許文献３】米国特許第４，８６７，５７０号
【特許文献４】米国特許第６，３７７，３５３号
【発明の開示】
【０００８】
従って、本発明により、光スポットの２次元アレイを使用して光景を照射するための照射手段と、光景内のスポットの位置を検出するための検出器と、光景内のスポットの検出された位置からそのスポットまでの距離を判断するようになったプロセッサとを含む測距装置が提供される。
照射手段は、スポットのアレイを使用して光景を照射する。検出器が次に光景を見て、プロセッサは、検出された光景内のスポットの位置を判断する。アレイ内の任意のスポットの見かけの位置は、視差により距離に伴って変化することになる。照射手段に対する検出器の関係が既知であるから、アレイ内の任意の既知のスポットの光景内の位置は、その点までの距離を与えることができる。
【０００９】
勿論、スポットまでの測距が機能することができるためには、アレイ内のどのスポットが考慮されているかを知る必要がある。従来技術の単一スポットシステムでは、光景内にスポットが１つだけしかないので困難は生じない。線形ビームを使用する時でさえも、ビームは１つの方向、例えばｙ方向に平行になるように投射される。ｙ方向の各値に対して、次に、光景内の実際のｘ位置を使用して距離を判断することができる。
【００１０】
しかし、仮にスポットの２次元アレイが使用される場合は、スポットは、ｘ及びｙの両方に分布されるであろう。従って、当業者は、スポットの２次元アレイを使用する気にならないと考えられ、その理由は、当業者は、測距システムが、どのスポットがどれかを判断することができず、従って測距を実行することができないか、又は誤ったスポットが考慮された場合に誤差を生じる結果をもたらすであろうことをそれが意味すると考えるからである。しかし、本発明は、２次元光景の同時測距に対してスポットの２次元アレイの使用を可能にし、スポット判断上の曖昧さを回避するための様々な技術を使用するものである。
【００１１】
米国特許第４，２９４，５４４号は、スポットのアレイの使用を教示しているが、スポットがどのフレームに出現するかを判断することにより各スポットを一意的に識別することができるように、スポットが所定の方式でオンオフに切り換えられることを教示している。しかし、これは、比較的複雑な照射システムを要求し、距離情報を取得するのに掛かる時間を追加することになる撮られる光景のいくつかのフレームも要求するものである。投射されたアレイがＮ列のスポットから成る場合には、米国特許第４，２９４，５４４号の方法は、得られる画像数ＩがＩ＝１＋ｌｏｇ2Ｎであることを要求している。
【００１２】
米国特許第６，１５４，２７９号も測距目的のためのスポットのアレイの投射を教示しているが、曖昧さが問題になりそうもない非常に制限された被写界深度に亘って非常に制御された状況においてのみ、及び測距装置によってモデル化することができる既知の連続表面に対してのみに限られている。米国特許第４，８６７，５７０号は、距離判断のためのスポットのアレイの投射を更に教示しているが、その距離情報を判断する方法と光景内の曖昧さを解決することができる方法に関して何の示唆も与えていない。
【００１３】
本明細書で使用される時のスポットのアレイという用語は、光景上に投射されて、かつ明確な強度の区域を有する任意のアレイを意味するものとする。一般的に、スポットは、高強度放射の任意の明確な区域であり、以下に説明するように、特定の形状を有するようになっていると考えられる。しかし、個別のスポットを識別することができるという条件で、高強度の区域を連結することができるであろう。例えば、照射手段は、交差線のアレイを光景上に投射するようになっていてもよい。線の交差点は、識別することができる明確な点であり、本明細書の目的に対してはスポットであると考えられる。
【００１４】
好都合な態様では、照射手段と検出器は、投射されたアレイ内の各スポットが１つの距離から別の距離に軸線に沿って検出された光景内を動くように見え、かつ投射されたアレイ内の各隣接スポットの表面的な運動の軸線が異なるように配置される。後で説明するように、アレイ内の各スポットは、目標までの距離に依存して光景内の別の点に出現することになる。仮に検出器からゆっくりと離れていく平坦な目標を想像する場合は、各スポットは、光景を横切って動くように見えるであろう。この動きは、いくつかの用途に使用される十分に調整されたシステムでは、検出器又は照射手段の光学経路内にミラーなどが配置されていないと仮定すれば、検出器と照射手段を連結する軸線に対して平行な方向になると考えられる。しかし、各スポットは、光景内でこの軸線に対して垂直な方向に同じ位置を保持するであろう。照射手段と検出器の配置が異なる場合は、この動きは、ほぼ収束する線に沿うように見えると考えられる。
【００１５】
従って、各投射スポットは、システムの作動範囲内の異なる距離で光景内の可能な位置に対応する軌跡を有するということができ、すなわち、見かけの移動の軌跡は、装置の設定によって規定されるようにスポットが出現することができる見かけの運動の軸線の部分であると考えられる。検出された光景内のスポットの実際の位置は、距離情報を与えるものである。様々な距離でのスポットの動きの見かけの方向が偶然に別のスポットの場合と同じ場合は、投射されたアレイ内の異なるスポットに対応する軌跡は重なることがある。そのような場合、投射されたアレイ内でどのスポットが考慮されているかをプロセッサは判断できないであろう。仮に投射されたアレイ内で隣接するスポットの軌跡が重なるものとすれば、特定スポットの光景内の位置の測定値は、可能な距離間の距離が短いだけのいくつかの異なる距離のいずれかに相当する可能性があるであろう。例えば、スポットのアレイがｘ−ｙ正方形グリッド構成のスポットの２次元アレイであり、かつ検出器と照射手段がｘ軸だけに沿って離れて配置されたと想像してみる。投射アレイ内のスポットを識別するために、中心のスポットが（０，０）であり、ｘ軸に沿った１つのスポットが（１，０）である直交座標を使用すると、１つの距離での投射アレイ内の位置（０，０）でのスポットの光景内の位置は、別の僅かに異なる距離で投射されたスポット（１，０）又は同じく僅かに異なる距離で投射された偶数スポット（２，０）の位置と同じである場合があると考えられる。光景内の曖昧さは、従って、距離の判断を困難にするであろう。
【００１６】
しかし、検出器と照射手段が、それらの間の軸線が投射アレイのｘ軸又はｙ軸のいずれかと平行でないように配置されたとすれば、隣接するスポットは重ならないであろう。投射されたアレイ内の各スポットの軌跡は、いかなる他のスポットの軌跡とも重ならないであろうが、実際には比較的大きなスポットと大きなアレイではこれが不可能になることがある。しかし、各スポットの軌跡だけがアレイ内で比較的遠くに離れたスポットの軌跡と重なるように配置された場合、曖昧さが依然として存在してもその程度は少ないであろう。更に、可能な解の間の距離の差は非常に大きいことになる。例えば、判断された距離が特定の投射スポットであった場合、光景内の１つの位置で検出される例えば（０，４）は、アレイ（５，０）で除去されたスポットが光景内の同じ位置に出現した場合に判断されたものとは著しく異なる可能性があると考えられる。いくつかの用途では、作動範囲は、作動ウィンドウ内のスポットの光景内の様々な可能な位置に相当する軌跡が重なり合わず、曖昧さがないようなものであると考えられる。作動範囲がスポットの軌跡を重ねることを可能にした場合でさえも、距離の著しい違いは、距離の粗い推定を実行することを可能にし、光景内の各スポット位置を使用してどのスポットがどれかという一意的な判断を可能にして、次に精密な距離情報を提供するために使用される。
【００１７】
粗い距離情報を判断する１つの好都合な方法は、第１及び第２の距離が装置の作動範囲内に入り、スポットの投射アレイが第１の距離で鮮明に焦点を合わせられ、第２の距離で焦点をはずされて見えるように照射手段と検出器が適応されることを伴っている。プロセッサは、粗い距離情報を判断するためにスポットが焦点が合っているか又はいないかを判断するようになっている。例えば、検出されたスポットが近い距離で目標に命中する投射スポット（０，４）か又は長い距離で目標に命中する投射スポット（５，０）に対応することができる場合、スポットが焦点を合わせられるか否かを判断するために、プロセッサは、スポットの画像を見ることができるであろう。スポットが長い距離で焦点を合わせられるように照射手段と検出器が互いに適応されるとすれば、問題のスポットが焦点を合わせられたという判断は、検出されたスポットが長い距離で目標に命中する投射スポット（５，０）であったことを意味するであろう。焦点を合わせられていなかったスポットが検出されていた場合、これは、近い距離で目標から反射したスポット（０，４）に対応していたことになる。好ましくは、スポットが焦点を合わせられたか否かの識別を容易にするために、照射手段は、焦点を合わせられる時に非円形、例えば正方形形状のスポットのアレイを投射するように適応される。焦点内のスポットは、従って正方形であるのに対し、焦点が合わせられていないスポットは円形とすることができる。勿論、他の粗い測距方法を使用することができ、スポットの大きさを粗い距離の指示として使用することができるであろう。
【００１８】
従って、本発明は、単一の捕捉された光景のフレームを使用して光景内の距離の判断を可能にするものである。これは、米国特許第４，２９４，５４４号に開示するような複雑な符号化システムの使用を回避して、迅速な測距を可能にするものである。更に、プロセッサは、可能な距離を判断するために光景内のスポットの位置を使用し、距離内に起こりうる曖昧さがある場合には、あらゆる曖昧さを解決するためにスポットの形状などの二次的特性を見ることができる。このようにプロセッサは、光景内に存在するあらゆる残りの曖昧さを解決するようになっているとすることができる。勿論、光景内の他のスポットの位置もまた、何らかの曖昧さがあるか否かを評価する対象にすることができる。上の事例では、観測されたスポットが投射スポット（５，０）又は（０，４）に対応する可能性があるが、光景内で観測された別のスポットが投射スポット（５，０）だけのためか又は光景内の他のスポットが全て投射スポット（０，４）に対応する場合は、曖昧さは解決される（しかし、これは、検出器が光景に投射された全てのスポットを見ることを仮定している）。
【００１９】
従って、本発明は、大きな被写界深度を有し、観測されたスポットの識別において全ての曖昧さを解決するための手段を有する測距システムを提供するものである。本発明は、様々な距離で多くの離散的なアイテムを有する光景上で使用することができて迅速な測距を提供するので、進化する光景に対して使用することができる。いくつかの用途の場合、測距装置は、大きな視界を提供する１５０ミリメートルから２．５メートルの作動ウィンドウの距離内で光景内の対象物までの距離を解像することができると考えられる。より一層大きな作動ウィンドウ、又はより長い最大距離、又はより短い最小距離を有する他の用途にも使用することができる。本発明の好ましい照射手段は、以下に説明するように、１５０ｍｍから無限大までの被写界深度を有用に生成することができる。
【００２０】
起こり得る曖昧さを解決する追加又は代替の方法として、投射スポットの２次元アレイを周期的に変更するように、すなわち、特定のスポットが別々の時間にオンオフにするように照射手段を適応させることができる。異なるスポットのアレイを使用して、光景を周期的に照射するように本装置を適応させることができる。実質的に、１つのフレームは、サブアレイが各サブフレームに投射されるような一連のサブフレームに分割することができるであろう。各サブアレイは、サブフレーム内に距離の曖昧さがほとんど又は全くなくなるように適応されることになると考えられる。フレーム全体に亘って全体の光景を曖昧さなしに詳細に撮像することができる。本方法には、撮像がいくつかのサブフレームを撮ることがあるという欠点がある。しかし、米国特許第４，２９４，５４４号に採用されたスポットを識別するために様々なサブフレームを使用する照射が必要な手法とは違って、本発明は、各サブフレームで得られたデータに対して測距を実行するものである。１つよりも多いサブフレームの使用は、時間と共に画像内の距離点数を増大するので、距離に対して画像解像度が増大する。従って、本発明は、従来技術よりも少ないサブフレームを使用して作動可能であり、比較的速く変化する光景に対して良好な解像度を提供するのに依然として使用することができる。
【００２１】
代替の手法は、スポットのアレイ全体を使用した光景の照射、及び曖昧さの全ての区域の識別とすることができるであろう。特定の検出されたスポットが異なる距離で１つよりも多い投射スポットに対応する可能性がある場合には、曖昧さを解決することができるように、１つ又はそれ以上の可能な投射スポットを作動停止することができる。この手法は、更なる処理を必要とするがより迅速な測距を可能にし、測距を実行するために要求される最低限の追加のサブフレーム、すなわち、米国特許第４，２９４，５４４号に説明されたＩ＝１＋ｌｏｇ2Ｎよりも少ないサブフレームを要求することになるであろう。照射手段と個々のスポットのオフへの切り換えの容易さとに依存して、完全な測距情報を提供するために、照射されたスポットの部分集合を有する追加のサブフレームを１つ撮ることで通常は十分である。
【００２２】
追加的又は代替的に、少なくともいくつかの投射スポットが隣接スポットに対して異なる特性を有するスポットのアレイを生成するように照射手段を適応させることができる。異なる特性とは、色又は形状又はその両方とすることができるであろう。スポットの色又は形状が異なると、ここでもまた、検出スポット内の曖昧さが少なくなる。異なるスポットの軌跡が重なることがあり、単に光景内のスポット位置に基づく何らかの曖昧さが存在することがあるが、これらの軌跡を生じさせる投射スポットの色及び／又は形状が異なる場合、プロセッサは、どのスポットがどれであり、曖昧さがないことを判断することができるであろう。従って、検出器と照射手段は好ましく構成され、そのために、１つの投射スポットの軌跡が１つ又はそれ以上の他の投射スポットの軌跡と重なる場合は、軌跡が共通する少なくとも最近隣の投射スポットは異なる特性を有することになる。
【００２３】
上述のように、スポットは、連続する線の間の交点を含むことができる。検出器は、次に、上述のようにスポットか又は線が交差する区域を見つけることができる。好ましくは、照射手段は、実質的に直交する２組の規則的な間隔を有する線を投射するものである。
このように交差する線を使用することにより、検出器は、交点の位置を上述の場合と同じ方法で見つけることができる。交点が測定されて識別された状態で、接続する線も測距のために使用することができる。実質的に、交点は、投射されたアレイ内で様々な線を識別するために使用され、そのように識別された状態で、その線上の全ての点を距離情報を与えるために使用することができる。従って、分離されたスポットだけの使用を通じて測距装置の解像度を改善することができる。
【００２４】
好都合な態様では、検出器は、２次元ＣＣＤアレイ、すなわちＣＣＤカメラである。ＣＣＤカメラは、比較的廉価で信頼することができる装置であり、スポットの判断に関して良好な解像度を有する。他の適切な検出器は当業者には明白であろうが、ＣＭＯＳカメラを含むと考えられる。
好都合な態様では、照射手段は、スポットの２次元アレイが赤外線スポットであるように適応されている。赤外線の使用は、スポットが可視領域の光景に影響を及ぼさないことを意味する。検出器は、光景の可視画像、並びに光景内の赤外線スポットの位置を捕捉するようになっている場合がある。
【００２５】
検出器と照射手段の間のベースラインの長さは、システムの精度を決めるものである。ベースラインという用語は、当業者によって理解されるように、検出器の視線と照射手段の視線との分離を意味するものである。当業者が理解するように、２つの異なる距離間の光景内の任意の特定のスポットの見かけの移動の程度は、検出器と照射手段の間の分離又はベースラインが増加する時に上がることになる。異なる距離間の光景内の見かけの移動の増加は、距離の差を更に正確に判断することができることを明白に意味する。しかし、ベースラインの増加と同様に曖昧さのない作動範囲が減少することも意味する。
従って、検出器と照射手段の間のベースラインは、特定の用途によって選択される。例えば０．５ｍから２．０ｍの作動範囲に亘って作動するように意図された測距装置の場合、検出器と照射手段のベースラインは、一般的に約６０ｍｍである。
【００２６】
装置のベースラインは、殆どの場合に検出器と照射手段の間の実際の物理的な分離であるが、これはいつもそうであるとは限らないことに注意すべきである。いくつかの実施形態は、照射手段と光景内の一方又は両方の光学経路にミラー、ビーム分割器などを保持することができる。その場合、実際の物理的な分離は長い可能性があるが、適切な光学部品の使用により、見かけの分離又はベースラインは、当業者によって理解されるように依然として短いであろう。例えば、照射手段は、光景を直接照射することができるが、照射手段の近くに配置されたミラーは、受けた放射を検出器に向けることができると考えられる。その場合、実際の物理的な分離は長い可能性があるが、見かけの分離、すなわちベースラインは、ミラーと検出器の位置、すなわち、ミラーがなくて同じ放射を受け取るとした場合に検出器があると考えられる位置によって判断されるであろう。用語ベースラインは、検出器と照射手段の間の見かけの分離を意味するように取るべきであることを当業者は理解するものである。
【００２７】
検出器手段は、１つよりも多い方向から光景を撮像するように適応させることができる。検出器は、別の視点から光景を撮像するように１つの位置から別の位置に移動可能にするか、又は見る方向を周期的に再方向付けするために走査光学部品を検出器に対して光学経路内に配置するようにすることができる。これらの技術は、両方とも可動部分を必要とするが、光景は、サブフレームに亘って撮像されるべきであることを意味する。代替的に、検出器は、２つの検出器アレイを含むことができ、各検出器アレイは、別の方向からの光景を撮像するように配置される。実質的に２つの検出器（２つのカメラ）の各々は、別の方向から光景を撮像するように使用することができるので、距離情報の量及び／又は質が向上することになる。
【００２８】
１つよりも多い方向から光景を撮像するといくつかの利点があることになる。明らかに、光景の最前面にある対象物は、いくつかの視点からの光景の背景の対象物を曖昧にする場合がある。検出器の視点を変えることにより、全体の光景に対する距離情報が得られることを保証することができる。更に、２つの画像間の差は、光景に関する距離情報を提供するために使用することができる。最前面の対象物は、背景のものよりも２つの画像間で変位したように見えることになる。これは、追加の距離情報を提供するために使用することができる。また、上述のように、いくつかの視点では、最前面にある１つの対象物は、背景の対象物を曖昧にする場合があるが、これは、相対的な位置情報を提供するために使用することができる。光景内での対象物の相対的な移動は、同様に位置情報を提供することができる。例えば、最前面の対象物は、１つの視点から他の視点に移動して光景内で一方向に移動するように見えることがあり、それに対して背景の対象物は、他の方向に移動するように見える。従って、プロセッサは、各視点から光景に対して画像処理のアルゴリズムを好ましく適用し、そこから距離情報を判断するものである。要求される画像処理アルゴリズムの種類は、当業者によって理解されると考えられる。このようにして明らかにされた距離情報は、精密な測距を可能にするために、光景内のどのスポットがどれかに関する全ての曖昧さを除去するために使用することができる。従って、本発明は、２つの画像間の差を見る処理技術を使用し、投射スポットの位置を解析することによって収集した距離情報を強化するためのステレオ撮像技術を使用して光景に関する情報を判断することができる。
【００２９】
１つよりも多い視点が使用される場合、視点は、異なるベースラインを保持するようになっている。上述のように、検出器と照射手段の間のベースラインは、距離と装置の曖昧さの程度に対して影響を及ぼすものである。従って、要求される距離に亘る光景に対して比較的低い精度であるが曖昧さのない距離を提供するように、低いベースラインの１つの視点を使用することができる。この粗い距離情報は、次に、より大きなベースラインであり、従ってより高精度の視点から見た光景から曖昧さを除去するために使用することができる
【００３０】
追加的又は代替的に、２つの視点間のベースラインは、光景内で１つの視点からの検出スポットが第１の組の可能な距離に対応することができる場合、別の視点で検出された同じスポットがその第１の組の１つの距離に対応するように選択される。換言すれば、第１の視点から見た光景内でスポットが検出されて、第１の距離Ｒ1で第１のスポット（１，０）に、第２の距離Ｒ2で第２のスポット（２，０）に、第３の距離Ｒ3で第３のスポット（３，０）に、そして以下同様に相当する可能性があることを仮定するものである。同じスポットは、第２の視点から見た時に可能な距離の組を提供する可能性があり、すなわち、それは、距離ｒ1でスポット（１，０）、距離ｒ2でスポット（２，０）、そして以下同様である可能性があると考えられる。２つの視点と照射手段の適切な設定を使用して距離の２つの組が比較された時に、両方の組に共通の可能な距離が１つだけのことがあり、従って、これが実際に距離に間違いないことになる。
【００３１】
２つよりも多い視点が使用される場合、少なくとも２つの視点のベースラインは、別々の軸線に沿って位置することになる。例えば、１つの視点は、照射手段に対して水平に配置することができ、別の視点は、照射手段に対して垂直に配置することができる。２つの視点は、別の角度から一括して撮像することができるので、背景の部分を曖昧にする光景の最前部の部分の障害を低減することができる。２つの視点は、上述のように全てのスポットの明白な判断を可能にするが、別々の軸線上で視点に間隔を空けることは、画像の次の画像処理に役立つものである。例えば、光景内の水平エッジの検出は２つの視点の垂直分離を保証することによって助けることができるので、エッジの検出は、異なる視点によって助けられることがある。
【００３２】
好ましい実施形態では、システムは、２つの検出器が第１の軸線に沿って分離された視点を有し、少なくとも第３の検出器が第１の軸線上にない１つの視点を有するように配置された少なくとも３つの検出器を含むことができる。換言すれば、２つの検出器の視点は、ｘ方向に分離され、第３のカメラの視点は、最初の２つの検出器から間隔を空けて配置される。好都合な態様では、システムは、実質的に直角３角形に配置された３つの検出器を保持することができる。照射手段は、３つの検出器と共に矩形又は正方形構成に好都合に形成することができる。そのような構成は、十分な程度の有効距離の光景を提供し、異なる画像を相関させることによって投射スポットの明白な判断を可能にし、二組の画像対の直交軸線に沿った分離を保証するものである。二組の画像対にステレオ撮像技術を使用することができ、画像内の全てのエッジの解析を可能にする。
【００３３】
装置は、更に別々の方向から光景を照射するように配置された複数の照射手段を含むことができる。装置は、光景を照射するために使用される照射手段を周期的に変えるようになっている場合があり、そのために、任意の時間に１つだけの照射手段が使用されるか又は２つ又はそれ以上の照射手段が同時に使用され、どの照射手段を使用してどのスポットが投射されるかをプロセッサが判断することができるように、形状や色などの特性が異なるスポットを投射することができる。２つの照射手段があると、上述のように２つの検出器がある場合と同様な利点が得られる。１つの照射手段を使用する場合は、背景の対象物は最前面の対象物の陰になる場合があるので、照射手段によって照射されないことになる。従って、全ての距離情報を生成するのが不可能になると考えられる。照射手段が２つあるとこの問題が避けられることになる。更に、１つ又は複数の検出器が様々な照射手段とは異なるベースラインのところにある場合は、異なるベースラインをここでもまた使用することができ、距離の曖昧さを解消する役に立つことになる。
【００３４】
照射手段は、理想的には比較的小さい電源を使用し、大きな被写界深度の大きな規則的アレイのスポットを生成すべきである。広角の投射であるような可能な距離の大きな作動ウィンドウを使用して作業する時には、大きな被写界深度が必要であり、すなわち、スポットは、光景の小さな部分だけを照射するだけでなく、光景の広い角度に亘って均一に投射されるべきである。好ましい照射手段は、６０°から１００°の照射角度でスポットのアレイを投射するものである。実用的には、被写界深度は、１５０ｍｍから無限大までである。
【００３５】
従って、好ましい実施形態では、照射手段は、光導体の入力面の部分を照射するために配置された光源を有し、光導体は、実質的に反射性の側面を備えたチューブを有し、光源の明確な画像のアレイを光景に向けて投射するために投射光学部品と共に配置されている。光導体は、事実上万華鏡として作動する。光源からの光は、チューブの側面から反射し、チューブ内でいくつかの反射経路を辿ることができる。結果的に光源の複数の画像が生成されて光景上に投射される。従って、光景は、光源の画像のアレイを使用して照射される。光源が単純な発光ダイオードの場合、光景は、光のスポットのアレイで照射される。光導体万華鏡は、非常に良好な画像複製特性を提供し、光導体の入力面の画像を広い角度で投射し、すなわち、多数のスポットがあらゆる方向に投射される。更に、万華鏡は、大きな被写界深度を生成するので、大きな作動ウィンドウを供給する。
【００３６】
光導体は、実質的に反射性の壁を備えたチューブを有する。好ましくは、チューブの断面は一定であり、好都合には正多角形である。規則的な断面とは、光源の画像のアレイも規則的であって、光景全体が覆われて容易な処理を保証するのに有利であることを意味する。通常、光導体の断面積は、数平方ミリメートルから数十平方ミリメートルの範囲であり、例えば、断面積は、１−５０ｍｍ2又は２−２５ｍｍ2の範囲とすることができる。上述のように、光導体の断面形状は好ましくは規則的であり、最長寸法は、例えば、１−５ｍｍである。上述の一実施形態は、正方形断面のチューブであり、側面長さは２−３ｍｍである。光導体の長さは、数十ミリメートルにすることができ、光導体は、１０と７０ｍｍの間の長さとすることができる。そのような光導体は、角度が５０−１００°（通常は、光導体内の全内角の約２倍）に亘ってスポットの格子を生成することができる。被写界深度は、１５０ｍｍから無限大までの作動を可能にするほど十分に大きいことが一般的に見出されている。しかし、いくつかの用途では、光導体の他の構成が適切な場合もある。
【００３７】
チューブは、反射性の内面、すなわち、鏡面内壁を有する中空チューブを含むことができる。代替的に、チューブは、固体材料で作り、チューブ材料と内部全反射を受ける周囲の材料との間の境界でかなりの量の光が入射するように配置することができる。チューブ材料は、適切な屈折率のコーティングで被覆されるか、又は空中で作用するように設計され、その場合は、光導体材料の屈折率は、内部全反射が材料と空気の境界で起きるようにすべきである。
【００３８】
このようなチューブを光導体として使用することにより、光源の複数の画像が生成され、それが光景に投射されてスポットのアレイを形成する。光導体は、容易に製造されて組み立てられ、光源からの大部分の光を光景に連結するものである。従って、発光ダイオードなどの小さな電源を使用することができる。出口の開口を小さくすることができるので、装置もまた大きな被写界深度を有することになり、広い範囲の距離に亘って分離された投射スポットを要求する測距用途に対してそれを有効にするものである。
【００３９】
入力面の一部だけを照射するために、光導体の入力面に近い個々の光源を使用することができ、又は、マスクを通して光導体の入力面を照射するために、１つ又はそれ以上の光源を使用することもできる。光導体の一部に対して光を通過させるための透過性の部分を有するマスクの使用は、別々の光源の使用よりも簡単である可能性がある。光導体の入力面のところでマスクの正確な位置合わせが要求されるが、これはＬＥＤ又はＬＥＤアレイを正確に位置合わせするよりも簡単であると考えられる。
【００４０】
好ましくは、マスクが使用される場合は、マスクが均一に照射されることを保証するために、照射手段は、光源とマスクの間に配置されたホモジナイザを含む。従って、光源は、許容することができるレベルの強度を提供して正確な位置合わせを必要としない任意の光源にすることができる。
投射光学部品は、投射レンズを含むことができる。投射レンズは、光導体の出力面に隣接して配置することができる。光導体が中実であるいくつかの実施形態では、レンズは、光導体と一体にすることができ、すなわち、レンズを形成するためにチューブを出力面のところに成形することができる。
【００４１】
本発明による装置によって投射された全ての光のビームは、光導体の端部を通過し、光導体の端面の中心にある点から出ると考えることができる。更に、投射光学部品は半球レンズを含むことができ、半球の中心が光導体の出力面の中心と一致する場合には、ビームの見かけの原点が同じ点に留まり、すなわち、各投射された画像は、共通の投射原点を有することになる。この構成では、それが広い角度に亘って放射するビームの光源と考えられるので、投射装置は、それ自体の軸線を持たないことになる。従って、本発明の好ましい照射手段は、既知の構造の光発生装置とはかなり異なっている。従って、測距装置の場合に重要なことは、ビームの原点と検出器の撮像レンズの主点との間の幾何学的な関係である。
【００４２】
好ましくは、投射光学部品は、投射アレイを比較的長い距離で収束させるようになっている。これは、長い距離で鮮明な画像、及びより近い距離でぼやけた画像を提供するものである。上述のように、ぼやけの程度は、曖昧さを解決するために使用することができるいくらか粗い距離情報を提供する。光源が正方形などの非円形形状を使用して光導体の入力面を照射する場合は、識別は改善されることになる。これは、正方形の光源を使用することができるか、又は正方形形状の透過性部分を有するマスクと共に光源を使用することができるかのいずれかであろう。
【００４３】
曖昧さを更に除去するために、光源は、光導体の反射軸線に関して非対称の形状を使用して光導体の入力を照射することができる。光源又はマスクの透過性部分が反射軸線に関して対称でない場合には、光源の画像は、その鏡面画像とは異なることになる。投射アレイの隣接スポットは鏡面画像なので、光源又はマスクの透過性部分をこのように成形することは、隣接するスポット間の区別を可能にすると考えられる。
【００４４】
本装置は、１つよりも多い光源を含むことができ、各光源は、光導体の入力面の部分を照射するように配置される。１つよりも多い光源を使用して光景内のスポットの解像度を改善することができる。好ましくは、１つよりも多い光源は、規則的なパターンで配置される。光源は、異なるスポット密度を提供するために、光源の異なるアレイを使用することができるように配置することができる。例えば、特定のスポット密度を提供するために、光導体の入力面の中心に単一の光源を配置することができる。別々の２×２アレイの光源もまた入力面上に配置することができ、増強されたスポット密度を提供するために中心の光源の代わりに使用することができる。
【００４５】
代替的に、複数の透過性部分を使用してマスクを配置することができ、各光導体の入力面の部分を照射することになる。複数光源の使用と同じように、これは、光景内のスポット密度を上げることができる。マスクは、光電式変調器を含むことができ、そのために透過性部分のいずれの伝達特性も変えることができ、すなわち、マスク内のウィンドウを透過性から非透過性に切り替えることができ、投射アレイ内のいくつかのスポットのオンオフを効果的に切り換えるものである。
【００４６】
１つよりも多い光源が使用される場合、別の光源に対して異なる波長で光を放射するように少なくとも１つの光源を配置することができる。代替的に、複数の透過性部分を有するマスクを使用する時は、別の透過性部分が別の波長を透過することができる。別の波長又は別の波長で作動する透過性ウィンドウを有する光源の使用は、光景内の投射スポットのアレイが別の波長を有することを意味し、実質的にスポットの色が異なることになるが、色という用語は、可視スペクトルでの作動を示唆する意味ではないことを当業者は認めるであろう。変化する色を有することは、投射アレイ内でどのスポットがどれかに関する曖昧さを除去するのに役に立つことになる。
【００４７】
代替的に、好ましくは、少なくとも１つの光源が光導体の反射軸線に関して対称でない形状になるように、少なくとも１つの光源を他の光源とは別様に成形することができるであろう。更に、光源の成形は、アレイ内のスポットを識別するのに役立ち、非対称の形状を有することは鏡面画像が異なり、先に説明したように識別を更に改善することを意味する。透過性部分を適切に成形することにより、マスクを使用して同じ結果を達成することができる。
【００４８】
光導体内の別の光源に対して異なる深さに、少なくとも１つの光源を配置することができるであろう。万華鏡からの投射アレイの角度的分離は、後に説明するように、その幅に対するその長さの比率によって判断される。少なくとも１つの光源を万華鏡内に配置すると、その光源の光導体の有効長さを実質的に短縮することになる。従って、光景に向けて投射された得られるパターンは、周期が異なるスポットの１つよりも多いアレイを含むことになる。従って、スポットの重なりの程度は、各スポットを一意的に識別するために使用することができるアレイの中心からの距離と共に変化することになる。
【００４９】
測距システムはまた、光景内のスポットのアレイを周期的に再方向付けするための手段を保持することができる。光景内のスポットのアレイを周期的に再方向付けするための手段は、好ましくは、新しい距離点を提供するように光景内のスポットのアレイを変位するようになっている。従って、スポットのアレイを使用して光景を照射することができ、各スポットに対する距離が判断される。次に、スポットのアレイは、光景内で変位させることができ、各新しいスポット位置に対する距離もまた判明する。これは、測距に関して画像の解像度の増加を可能にすることができ、光景の非常に正確な測距を可能にするものである。
【００５０】
光景内のスポットのアレイを再方向付けするための手段は、照射手段を移動又は傾斜させる手段を含むことができる。照射手段が動かされると、検出器と照射手段の間のベースラインを変えることができ、これは、明らかに、プロセッサによる各スポットまでの距離の計算に考慮する必要があることになる。代替的に、照射手段を僅かに傾斜させることは、見かけのベースラインを変えずに達成することができるが、スポットの僅かな変位をもたらすことになる。
【００５１】
照射手段を移動することに対する全くの代替案として、スポットのアレイを再方向付けするための手段は、照射手段の光学経路に配置された光学要素を含むことができる。例えば、光学経路内の投射光学部品のより近くに屈折材料のくさびを配置することができる。屈折くさびは、くさびが存在しない時に放射が追従するであろう経路から放射を僅かに偏向させるように作用することができる。従って、くさびは、光学経路に対して挿入したり引き抜いたりすることができ、光景内のアレイを再方向付けするものである。代替的に、くさびは、くさびが配置されると異なる方向に入射する放射を偏向するように、軸線の周りで回転するように配置することができる。くさびは、固定位置と、各位置で画像を取得するようになった測距システムとの間で回転するように適応させることができると考えられる。従って、スポット密度の４倍の増加を達成することができる。
【００５２】
本発明の測距システムは、有利な態様では、位置センサを更に含むことができる。測距装置がカメラなどの携帯用装置で使用される場合、画像が捕捉される時にカメラの位置を知ることが有利である。カメラの位置と捕捉された画像の対象物までの距離とを知ると、光景内の対象物の位置が判断される。これは、特に、捕捉された画像が光景すなわち対象物の三次元モデルを形成するために使用される場合のような広範囲の用途において有用である。位置センサは、座標位置を提供するためにＧＰＳ（全地球測位システム）受信器を含むか、又は何らかの固定点に対する位置を判断する位置センサを含むことができる。例えば、位置センサは、固定点に配置されたマーカービーコンに対する測距装置の位置を判断することができる。
【００５３】
位置センサは、好ましくは、センサの向きを判断するものである。これは、測距システムの高度による向き、すなわち、それが上向きか下向きか及びどの程度か、又はシステムの方位、すなわち、それが東向きか西向きかなど、又はその両方とすることができるであろう。向きは、ここでもまた、マーカービーコンに関して判断することができる。当業者に理解されている任意の公知の配向システム、例えば、コンパス、先端／傾斜センサ、磁界センサなどを使用することができる。位置及び／又は配向情報を判断するために、測距装置の運動を追跡するための慣性センサを使用することもできる。
画像の位置及び配向情報が分っており、画像内の対象物までの距離も同様に分っている時、画像は、光景の三次元モデルを形成するために使用することができる。部屋などの対象物又は光景は、いくつかの異なる視点からの本発明の測距装置を使用して撮像され、記録された画像と位置及び距離情報とを使用して、対象物すなわち部屋の三次元モデルを形成することができると考えられる。
【００５４】
本発明の一実施形態において本発明の測距装置の位置を追跡し、いくつかの視点から対象物又は光景の画像を撮る代わりに、異なる視点からの容積を撮るために、本発明による複数の測距装置を互いに固定された関係で配置することができる。本発明による複数の測距カメラが既知の固定された関係で配置され、異なる角度から同じ容積を撮像することを想像してみる。この容積内に配置された任意の対象物は、各測距カメラと各視野に対して判断された対象物表面に対する距離により、異なる角度から撮像されることになる。次に、これらの画像のデータは、対象物の三次元モデルを作成するために使用される。これは、広範なコンピュータ支援設計又はモデリング又はシミュレーション用途で使用することができるであろう。対象物は無生物である必要はなく、人間又は動物の全体又は一部でもよい。例えば、いくつかのカメラを有するブースを配置することができ、人間を撮像して洋服の仮縫いに使用することができる人体の大きさなどの生体測定情報を判断し、又は、より小さな容積に関しては、例えば、靴の大きさを判断するために足を撮像し、又は認識の目的で顔を撮像することができるであろう。
【００５５】
本発明による測距装置は、様々な用途で使用することができると考えられる。本発明の装置、特に位置情報を記録する実施形態を使用して、測量と地図作成を助けることができる。本発明は、測量、建設、及び海洋考古学を助けることができる水中撮像装置と共に実施することができるであろう。
品質管理のため又は自動組立てを助けるためのいずれかに対して、製造工程は、本発明による測距装置を使用することができると考えられる。この装置は、ロボットビジョン、ＵＡＶ／ＵＵＶ（無人空中／水中車両）の操縦、又は自動車運転支援などの自動航法を助けるために使用することもできるであろう。
【００５６】
光景内の運動の識別を助けて光景内の対象物を分類するために、セキュリティスキャナ及び接近警戒装置は、距離情報を使用することができると考えられる。アクセス制御のためにも本発明を使用することができ、例えば、アクセス制御手段の一部として人間の顔の画像を使用することができ、比較のために基準画像が使用されることになる。
本発明は、迅速な測距情報を可能にするので、測距装置は、動きを解析するために使用することができると考えられる。例えば、上述のアクセス制御用途は、パスワードを言う対象を記録し、顔の動きを記録して解析することを含むことができるであろう。本システムは、セキュリティ向上のために音声認識装置と組み合わせることができると考えられる。
【００５７】
先に説明したように、投射スポットは、可視スペクトルとは別の波長にすることができる。検出器は、スポットを検出できなければならないが、可視波長以外でも同様に作動することができ、例えば、赤外線カメラ又は紫外線を使用することもできる。
距離点を判断することができるためにプロセッサを必要とするが、本装置は、後の処理のためにスポットのアレイを使用して照射された光景の画像を簡単に捕捉する画像捕捉ユニットを含むことができる。従って、本発明の別の態様では、スポットのアレイを使用して光景を照射する照射手段と光景の画像を記録するための撮像アレイとを含み、この照射手段が、記録された画像内のスポットの位置を全く曖昧さのない距離の判断を与えるために使用することができるように光景を照射するようになっていることを特徴とする、大きな被写界深度を有する画像記録装置が提供される。装置がインテグラルプロセッサを持たない場合は、明らかに、その時はいかなる可能な曖昧さも見つけることもできないので、照射手段は、距離の判断に全く曖昧さがないように光景を照射するようになっている。いくつかの距離で焦点を合わせた成形スポット、着色スポット、別様に着色されたスポット、及び複数視点／撮像アレイを含む、曖昧さを除くために本発明の第１の態様に関して上述した装置、方法、及び特徴は、全て、本発明のこの態様で使用することができる。本発明のこの態様はまた、スポットアレイを再方向付けするか又は異なる時間に異なるアレイを活性化するなどのスポット密度解像度の改善のために、本発明の第１の態様と同じ技術を使用することができる。本発明のこの態様の照射手段は、好ましくは、本発明の第１の態様に関連して説明した照射手段である。
【００５８】
本発明の別の態様では、スポットのアレイを使用して光景を照射し、光景内のスポットの画像を撮り、光景内の各スポットを一意的に識別し、光景内の各スポットの位置からそのスポットまでの距離を判断する段階を含む光景に関する距離情報を取得する方法が提供される。
本方法は、非円形形状で、作動ウィンドウ内の１つの距離に焦点を合わされ、作動ウィンドウ内の別の距離で焦点ぼけしたスポットを使用して光景を照射する段階を伴う場合があり、光景内の各スポットを一意的に識別する段階は、スポットに焦点が合っているか否かを判断する段階を伴うものである。
本方法はまた、少なくとも投射スポットのいくつかが他のスポットに対して異なる形状及び／又は色になるようにスポットのアレイを投射する段階を伴う場合があり、光景内の各スポットを一意的に識別する段階は、スポットの色及び／又は形状を判断する段階を伴うものである。
【００５９】
光景の画像を記録する段階は、同じ照射で複数の視点から光景の画像を記録する段階を含むことができる。その場合、光景内の各スポットを一意的に識別する段階は、１つよりも多い視点からスポットの位置を比較してそのスポットを一意的に識別する段階を含むことができる。
本方法は、各記録画像に関して、画像が記録された位置に関する情報を記録する段階を更に含むことができる。
【００６０】
距離情報が光景、例えば特定の対象物から得られた画像から得られる場合には、検出された対象物の形状に関する情報は、例えば認識の目的で基準形状又は形状モデルと比較することができるであろう。すなわち、本発明の別の態様により、上述の方法により光景に関する距離情報を取得する段階と、識別されるアイテムに対応する基準形状情報を使用して上述の距離情報を比較する段階と、基準アイテムに対する検出された形状の適合の質の指示を与える段階とを含む識別の方法が提供される。この適合指示段階は、モデル係数又は最良適合法を使用することができる。識別されるアイテムは、識別又は認識したいものなら何でもよく、例えば、生産ライン上の製品は、品質管理の目的で良品と比較することができ、適合しない場合は警報をトリガすることができるであろう。
ここで、本発明を添付図面を参照して単に例示的に以下に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６１】
図１は、単一スポットを使用した従来技術の測距システムを示すものである。走査光源２は、光景に向けて投射される光の単一ビーム４を生成する。検出器６は、光景の方を向いており、スポットが光景のどこに配置されているかを検出する。図１ａは、第１の距離に目標８がある装置を示し、同じく光景１０をそれが検出器に現れるように示している。スポット１２は、それ自体対象物までの距離によって判断される角度θ1によって支配された特定の位置で見ることができる。
【００６２】
図１ｂは、目標８が除去されて目標１４が更に離れて使用された同じ装置を示すものである。スポットに対する新しい角度θ2はθ1よりも小さいので、検出器６は、スポット１２を異なる位置に見ることになる。光景内のスポットの見かけの移動は、矢印１６で示されている。
光のビームが走査光源から既知の角度で投射された時に、検出された光景１０のスポット１２の位置が、距離情報を提供することができることが分る。目標の距離が変化すると、スポットは、光景を横切って動くように見える。従って、スポットは、光源２と検出器６の配置によって判断される距離の変化に伴って光景を横切る見かけの移動の軌跡を有することになる。
しかし、従来技術は、光景に亘って距離情報を生成するためにスポットが光景に亘って走査されるべきであるという点で制限されている。走査は、複雑な機械的なシステムと、比較的長い時間が掛かる光景全体までの距離を測定するための手段を要求する。
【００６３】
本発明は、全体的光景から同時に距離情報を取得するために２次元アレイのスポットを使用するものである。２次元アレイのスポットを使用すると、図２ａに関連して示したように曖昧さの問題をもたらす可能性がある。ここで、図１と同じ構成要素は同じ番号を有するものとする。走査光源２が２次元のスポット投射装置２２と取り替えられ、プロセッサ７が示されているという事実を除いて構成は同じである。スポット投射装置２２は、複数の角度分離されたビーム２４ａ及び２４ｂ（はっきりさせるために２つだけ示されている）を投射する。光景が平坦な目標の場合、検出器が見る画像１０は、スポット１２の正方形のアレイである。図２ａから分るように、例えば、角度θ1で受け取られた光景内の特定の位置に出現するスポットは、第１の距離又は第２の距離で目標８から反射又は散乱したビーム２４ｂからの第１の放射スポットに対応する可能性があるが、ビーム２４ａからの異なる放射スポットは、より遠い距離で目標１４から反射又は散乱することになる。ここでもまた、アレイ内の各スポットは、距離が変動する光景内で軌跡を有するものと考えることができる。１つのスポットの軌跡の矢印２６は、他のスポットの位置と重なる可能性があり、距離の曖昧さを引き起こすことが分る。
【００６４】
本発明の一実施形態は、スポットのアレイが、検出された光景内の可能な位置の軌跡が隣接スポットの変動する距離で重ならずに投射されるように、スポット投射装置を検出器に対して配置することによってこの問題を回避するものである。図２ｂは、従って、側面図で本発明の装置を示している。検出器６とスポット投射装置２２は、ｘ方向と同様にｙ方向に分離されていることが分る。従って、光景内のスポットのｙ方向の位置も距離に伴って変動し、見かけのスポット運動の軌跡に影響を与えることになる。アレイは、隣接スポットの軌跡が重ならないように選択される。スポット運動の実際の軌跡は、矢印２８によって示されている。投射装置をその軸線の周りで回転させることによって同じ効果を得ることができる。
【００６５】
これを考える別の方法は、ｘ軸をそれに沿って検出器とスポット投射装置が分離される軸として、又は、ミラー又は他の方向転換光学要素が使用される場合には、少なくともその有効な入射／出射瞳として再定義することであろう。ｚ軸は、測定される光景までの距離であり、ｙ軸は直交している。従って、検出器は、光景の２次元のｘ−ｙ画像を形成する。この座標系では、ｙ軸方向には検出器と投射装置の分離がないので、投射装置によるｘ−ｙ平面のある一定の角度での投射スポットは、距離に関係なく検出器によってその角度で知覚されることになり、すなわち、スポットは、検出された光景でｘ方向に平行な方向に移動して見えるだけである。従って、ｘ軸に対して隣接スポットがｙ軸方向に別の分離を有するようにアレイが配置された場合、隣接スポット間には曖昧さがないことになる。アレイがスポットの正方形アレイの場合、これは、アレイの軸線が、定義されたようなｘ軸、すなわち、それによって検出器と投射装置が分離される軸線に沿って位置しないようにアレイを傾斜させることを実質的に意味するであろう。
【００６６】
どのスポットがどれかの全く曖昧さのない判断のためには、スポットの大きさ、スポット間の間隙、及び検出器の配置は、各スポットの軌跡が他の任意のスポットの軌跡と重ならないようなものであろう。しかし、区別の実用上の理由から、スポットの数は多く、スポットの大きさは比較的大きく、装置は、大きな被写界深度（及び、従って光景内のスポットの大きな見かけの運動）で使用されることが望ましい。そうすると、実際には、様々なスポットの軌跡が重なることもある。図２ｂから分るように、投射スポット３０の軌跡は、投射スポット３２の軌跡と重ならないので、矢印２８の線に沿う光景内の検出スポットは、１つの距離で投射スポット３０、及び別の距離で投射スポット３２と対応することができる。しかし、２つの距離の差は大きいことになる。いくつかの用途では、測距システムは、可能な距離の狭い帯域に亘ってだけ使用することができるので、作動ウィンドウの距離には曖昧さがない場合がある。しかし、大部分の用途の場合、曖昧さを解決する必要があることになる。しかし、可能な距離の差が比較的大きいので、粗い測距技術を使用してどのスポットが考慮されているかに関する曖昧さを解消し、次に、測距システムは、一意的に識別したスポットの位置に基づいて正確な距離情報を提供することができるであろう。
【００６７】
一実施形態では、スポット投射装置２２は、比較的長い距離に焦点を合わせた正方形形状スポットのアレイを投射する。プロセッサが検出された光景内の正方形スポットを見る場合、これは、スポットは実質的に焦点が合っており、従って、検出スポットは、結果的に比較的長い距離にあるものでなければならないことを意味する。しかし、観測されたスポットが近い距離にある場合、それは、実質的に焦点ぼけして円形に見えることになる。８００ｍｍの焦点距離が標準的なものである。従って、スポットの外観は、どのスポットが検出されたかに関する曖昧さを除去するための粗い距離情報を提供するのに使用され、次に、スポットの位置を使用して、精密な位置情報を提供するものである。
【００６８】
検出器６は、標準的な２次元ＣＣＤアレイ、例えば、標準的なＣＣＤカメラであるが、代わりに、ＣＭＯＳカメラを使用することもできる。検出器は、スポットと光景内でのその位置とを識別することができるように、適切な解像度を有するべきである。検出器６は、可視画像を捕捉し、同じく光景内のスポットを検出するようになっている場合がある。画像内の距離情報を判断してそれによって３Ｄ表面を生成するために、距離情報が処理された状態で３Ｄ表面上に可視データが重畳され、表面の詳細／きめ、又は、面の場合は「３Ｄマスク」が生成される。
【００６９】
スポット投射装置は、可視帯域で作動するカメラによって検出することができる可視周波数帯でスポットを投射することができる。しかし、スポット投射装置は、例えば、赤外線又は紫外線などの他の波長でもスポットを投射することができる。スポット投射装置が赤外線スポットを光景に投射する場合、使用される検出器は、各ピクセルグループに対して４つの素子を有するＣＣＤカメラである。１つの素子が赤色光線を検出し、第２の素子が青色光線、第３の素子が緑色光線を検出する。システムの４番目の素子は、適切な波長で赤外線を検出するようになっている。従って、ＲＧＢ素子からの読取値は、全くスポットのない可視画像を形成するために使用することができ、実質的に赤外線スポットだけを含む赤外線素子からの出力は、プロセッサに供給されて距離が判断される。しかし、後に説明するように、スポットが異なる波長で投射される場合、検出器は、異なる赤外線の波長を識別するようになっているべきであり、その場合は、別のカメラが望ましいことがある。検出器が可視帯域で作動するように制限されることもない。例えば、感熱カメラを使用することもできる。検出器が投射スポットを検出可能であることを条件として、検出器が異なる波長を受け取る要素も有するか否かは問題ではない。
【００７０】
スポットの検出を助けて周囲の光が原因となる問題を回避するために、スポット投射装置は、変調信号を投射するようになっている。プロセッサは、ＳＮ比を改善するために、変調周波数で検出された信号を濾過するようになっている。この原理の最も簡単な実現化は、ストロボ照射又はフラッシュ照射として公知のパルス照射を使用することである。カメラは、パルスが高い時に１つのフレームを捕捉する。スポットが投射されることなく、基準パルスもまた撮られる。これらの強度パターンの差は、次に、背景照明オフセットに関して補正される。更に、均一に照射されたＬＥＤフラッシュランプに同期した時に、強度パターンの正規化を可能にする第３の反射率基準フレームを収集することができるであろう。
【００７１】
適切なスポット投射装置２２が図３に示されている。万華鏡３６の入力面に隣接して光源３４が配置される。他のエッジに配置されるのは、単純な投射レンズ３８である。明瞭にするために、投射レンズは、万華鏡から間隔を置いて配置されて示されているが、通常は、万華鏡の出力面に隣接して配置されることになると考えられる。
光源３４は、赤外線放射発光ダイオード（ＬＥＤ）である。上述のように、赤外線は、投射スポットのアレイが取得中の可視画像と干渉する必要がなく、赤外線ＬＥＤが適度に廉価なので、測距用途に対して有用である。しかし、本発明の精神から逸脱することなく、別の用途に対して別の波長と別の光源を使用することができることを当業者は認めるであろう。
【００７２】
万華鏡は、反射性の内壁を有する中空のチューブである。万華鏡は、適度に剛性で内壁が適切に誘電コーティングされた任意の材料で作ることができる。しかし、代替的に、万華鏡は、材料の中実棒を含むことができることを当業者は認めるであろう。透明な光学ガラスなどのＬＥＤの作動波長で透明な任意の材料が十分であろう。材料は、万華鏡と周囲の空間の間の境界で光が万華鏡内に内部全反射するように配置される必要がある。これは、特に潜在的に屈折率が一致するセメント／エポキシなどを使用して接着することができる領域で、追加の（銀メッキ）コーティングを使用して達成することができる。高い投射角度が要求される場合、これは、万華鏡材料が反射性材料に被覆されることを要求する可能性がある。理想的な万華鏡は、反射率が１００％の完全に直線の壁を有することになる。中空の万華鏡は、それ自体入力又は出力面を有しない場合があるが、中空の万華鏡への入口と出口は、この明細書の目的に対しては面と見なされるべきであることに注意すべきである。
【００７３】
万華鏡チューブの効果は、万華鏡の出力端でＬＥＤの複数の画像を見ることができることである。この原理は、図４に関連して示されている。ＬＥＤ３４からの光は、万華鏡に沿って直接伝わることができて、全く反射を受けないことになり、すなわち経路４０である。しかし、一部の光は一度反射され、経路４２に続くことになる。万華鏡の端部から見ると、これによって仮想光源４４が見られることになる。２つの反射を受ける光は、経路４６に沿って進行し、結果として別の仮想光源が観測されることになるであろう。
【００７４】
装置の寸法は、意図された用途に合わせることができる。ＬＥＤ３４が全角度９０°の円錐の中に光を放射することを想像してみる。中心の反射されていないスポットのいずれかの側で見られるスポットの数は、万華鏡の長さをその幅で除した値に等しいことになる。スポットの大きさに対するスポット分離の比は、ＬＥＤの大きさに対する万華鏡の幅の比によって判断される。従って、２００ミクロン幅のＬＥＤと３００ｍｍの長さ×１ｍｍ平方の万華鏡とは、それらの幅の５倍に分離された（集束時）側面上に６１スポットの正方形のグリッドを生成する。通常、スポット投射装置は、長さが数十ミリメートルで長さが２から５ｍｍであり、例えば、断面積が３から４ｍｍ平方の正方形断面にすることができる。典型的な用途の場合、スポット投射装置は、光景に投射される４０×３０スポット又はそれよりも大きなアレイを生成するように設計される。４０×３０のアレイは、光景内で１２００個までの距離点を生成するが、１０，０００個までの距離点を可能にする交差線を使用して２５００個の距離点が望ましいことがある。
【００７５】
投射レンズ３８は、万華鏡の端部に配置された単純な一重項レンズであり、ＬＥＤ３４の画像のアレイを光景上に投射するように選択される。投射の幾何学形状は、ここでもまた、用途と必要な被写界深度により選択することができるが、単純な幾何学形状が、スポットのアレイをレンズの焦点面又はその近くに配置することになる。投射システムの被写界深度は重要であり、理由は、測距装置が、大きな作動ウィンドウの距離内で対象物までの距離を正確に測定することができるように大きな被写界深度を有することが望ましいからである。有効な作動ウィンドウの距離を判断することができるように、１５０ｍｍから無限大までの被写界深度が可能である。
上述のように、ＬＥＤの形状は正方形にすることができ、投射レンズ３８は、任意の特定スポットの集束の程度が粗い距離情報をもたらすように、上部の期待された範囲に向かってある一定の距離でスポットのアレイを集束させるように適応させることができるであろう。
【００７６】
上述のスポット投射装置は、いくつかの利点を有する。万華鏡は、単純で製造コストが安い。ＬＥＤは、廉価な部品であり、万華鏡は、ＬＥＤからの光を光景に効率的に結合させるので、比較的低電力の電源を使用することができる。上述のスポット投射装置は、従って、廉価で適度に頑丈な構成要素であり、測距の用途に対して非常に有用な深い焦点を提供するものである。万華鏡ベースのスポット投射装置は、従って本発明に好ましいことになる。更に、本発明のスポット投射装置は、実質的に特定の軸線を持たないように配置することができる。図４に関連して示したように、スポット投射装置によって放射された全ての光ビームは万華鏡の端部を通過し、出力面の中心を通るものと考えることができる。投射レンズ３８がその回転軸線が出力面の中心と一致する半球型レンズの場合（一体型レンズ５８と共に図５に適切に示すように）、全ての光ビームは万華鏡の出力面から発生し、投射装置は、広角の均一な投射装置として作用するように見えることになる。
【００７７】
しかし、２次元アレイを生成するために別のスポット投射装置を使用することもできることを当業者は認めるであろう。例えば、スポットのアレイである回折パターンを生成するために、回折性要素と共にレーザを使用することができる。代替的に、投射光学部品及び開口のアレイを有するマスクと共に光源を使用することができるであろう。光の個別のスポットのアレイを光景に投射することが可能な任意の光源で十分であろうが、他の手段、ＬＥＤアレイ、マイクロレンズアレイ、投射マスクなどによって生成された被写界深度は、一般的に性能が著しく制限されることが見出されている。
【００７８】
図２に示す装置は、図３に示すようなスポット投射装置を使用して構成されたものである。スポット投射装置は、４０×３０スポットのアレイを使用して光景を照射した。作動ウィンドウは、６０°の全角度であった。スポットは、１ｍの距離に焦点を合わされ、測距装置は、０．５から２ｍの距離で良好に作動した。検出器は、３０８キロピクセル（ＶＧＡ）ＣＣＤカメラであった。光景内の別の対象物までの距離は、中間距離で０．５ｍｍの精度まで測定された。
【００７９】
上述の装置が距離データを作成するように使用することができる前に、それは、まず較正されるべきである。原理的には、較正は、システムの幾何学形状から生成することができる。実用的には、マニュアルで較正を実行するのがより好都合である。これは、構成の不完全さを考慮して、より良い結果をもたらす可能性が高い。
一連の既知の距離に試験対象物を配置し、距離を関数とするスポット位置を記録することによって較正データが得られる。最も好都合な試験対象物は、平面であり、好ましくは白い均一な色のつや消しの平面で全ての距離でカメラの視野を満たすものである。平面で白い壁が理想的であるが（この場合、明らかにカメラが移動するであろう）、平面からのいかなるずれも較正の精度に影響すると考えられる。
【００８０】
最初に、カメラは、上述のシステムの場合に１．５ｍでよいと考えられる壁から遠い距離に配置され、画像内の各スポットの位置が記録される（以下にスポット測定アルゴリズムが説明される）。カメラが壁により近づくと、画像内の全てのスポットはほぼ同じ方向に移動するので、それらを追跡するのは非常に簡単である。上述のことから明らかなように、スポットは、画像内の直線に沿って移動する。線形回帰は、以下の形の各線の軌跡の式を提供する。
ｂ＝ｍａ＋ｃ
ここで、スポットの座標は（ａ，ｂ）である。
【００８１】
万華鏡投射装置の設計形状は、全てのビームが共通の起点から始まるように見えることを保証するものである。従って、スポットの全ての軌跡は、カメラレンズの主点を通るビームの起点の投射である共通の点でカメラの焦点平面に交差することになる。この軌跡の起点は、測定されたスポットの軌跡の交点を測定することにより計算することができる。実用的には、スポットの軌跡は、測定値の不確実性のために全て同じ点で交差する可能性はない。軌跡の１つを選択し、この軌跡が他の全てと交差する点を測定することで十分である。これは、起点の座標の一連の値を生成することになる。次に、起点の位置は、各座標の中央値を選択することによって判断することができる。
【００８２】
較正手順の次の段階は、各軌跡に対する識別子ｉを判断することであり、この識別子は、距離データを生成するためにカメラが使用される時に、スポットのアイデンティティを判断するために使用することができる。２つの可能な識別子が特定された。スポットの軌跡が全て平行な場合は、全ての線の勾配ｍは等しい。切片ｃは、従って識別子である。軌跡が平行でない場合には、各軌跡の中間点を軌跡の起点に連結する線とｘ軸の間の角度が識別子である。較正の最終の段階は、軌跡に沿ったスポット位置と距離の関係の判断である。これは、次の式から求めることができる。
ｚ−ｚ0＝ｋ／（ｒ−ｒ0）
ここで、ｚはｚ軸に沿った距離、ｒは軌跡に沿ったスポットの位置である。位置ｒは、任意の好都合な軸線に沿って測定することができるが、最も好都合な測定は、ｒを軌跡の起点からの距離として表すことである。各軌跡の定数ｋ、ｚ0、及びｒ0は、測定データに対して上の式を当て嵌めることによって求めることができる。
較正手順の結果は、軌跡の起点と各軌跡に対する６つの数、ｉ、ｍ、ｃ、ｋ、ｒ0、及びｚ0のリストから成るものである。
【００８３】
較正の後に、システムは、距離を判断する準備が完了したことになる。測距アルゴリズムは、次の４つの基本的な段階から成っている。
１．画像の正規化
２．画像内のスポットの位置割り出し
３．スポットの識別
４．距離データの計算
【００８４】
正規化
万華鏡からの光だけを選択するためにカメラが既に濾過されているので、画像内にはごく低レベルの背景光しかないことになる。従って、局所的な背景と比較して明るい距離は、どこもスポットの可能性があることを無理なく期待することができる。しかし、別のスポットの相対的な強度は、距離、位置、及び目標からの反射によって変動する。従って、不要な背景を除いてスポットを強調するために、最初の段階として、画像を正規化することが好都合である。正規化の処理は、各ピクセルの近隣での「平均」強度を計算し、ピクセルでの信号をその局所平均で割り算し、次に１を減算することから成る。この計算の結果がゼロよりも小さい場合、その結果はゼロに設定される。
【００８５】
スポットの位置
スポットの位置は、２つの部分から成っている。第１は、スポットの発見である。第２は、その中心の決定である。スポット発見ルーチンは、正規化された画像の２つのコピーを維持する。１つのコピー（画像Ａ）は、より多くのスポットが発見されると変更される。他のもの（画像Ｂ）は固定され、各スポットの中心を見つけるために使用される。正規化された画像の全ての明るい形態がスポットであることが仮定されるので、画像内の明るい範囲を全て見つけることによってスポットは容易に発見することができる。第１のスポットは、画像Ａ内の最も明るい点のそばにあると仮定される。この点の座標は、スポットの中心を判断してスポットの大きさを推定するために使用される（以下を参照されたい）。次に、スポット中心付近の領域の強度（推定されたスポットの大きさに基づく）が、画像Ａでゼロに設定される。画像Ａで最も明るい残りの点は、次に、次のスポットを見つけるために使用される等々である。
【００８６】
上述のスポット発見アルゴリズムは、他の条件が設定されない限りスポットをいつまでも発見することになる。ルーチンを終了するために使用される３つの条件が特定されている。条件のいずれかが合致するとルーチンは終了する。第１の条件は、発見されたスポットの数がある一定の値を超えてはならないということである。第２の条件は、ルーチンが同じスポットを繰返して発見してはならないということである。これは、いくつかの照射条件で発生する場合がある。第３の条件は、画像Ａに残っている最も明るい点の強度が所定の閾値よりも低下するということである。この条件は、ルーチンが画像のノイズで間違ったスポットを発見するのを回避することになる。通常、閾値強度は、画像Ｂ内の最も明るいスポットの強度の一部分（一般的に２０％）に設定される。
【００８７】
各スポットの中心は、開始の点としてスポット発見ルーチンによって判断された位置を使用して画像Ｂから発見される。サブ画像は画像Ｂから撮られ、その点の中心に置かれる。サブ画像の大きさは、スポットの大きさよりも僅かに大きくなるように選択される。サブ画像は、各列に強度の値を加えることによって一次元アレイに縮小される。アレイ（又はその派生物）は、次に、ガウス関数（又はその派生物）と相関付けられ、相関のピーク（ピクセルの一部分に補間された）が水平方向のスポットの中心として定義される。垂直方向のスポットの中心は、列の代わりにサブ画像の行を合計することによって同じように発見される。
【００８８】
上の手順によって判断されたスポットの中心が開始の点から２つよりも多いピクセルだけ離れている場合、手順は、計算された中心を新しい開始点として使用し、反復して繰り返されるべきである。計算は、計算された位置が変わらなくなるか、又は反復が最大数に到達するまで続く。これは、最も明るい点がスポットの中心でなくなることを可能にするものである。ルーチンが小さな領域で探すことを避けるために、反復の最大数（例えば、５）が使用されるべきである。スポットが連続するフレーム間でそれほど遠くに移動しないという条件で、反復手法はまた、対象物までの距離が変動する時にスポットが追跡されることを可能にするものである。この特徴は較正中に有用である。
【００８９】
スポットの中心が発見されると、強度が閾値（通常はサブ画像内の最も明るいピクセルの１０％）を超えるサブ画像内のピクセルの数が数えられる。スポットの大きさは、この数の平方根として定められ、追加の概略距離情報として使用することができる。
スポット位置発見手順の結果は、（ａ，ｂ）座標のリストであり、各々が異なるスポットを表している。
【００９０】
スポットの識別
各スポットまでの距離は、スポットのアイデンティティを判断することができる場合にのみ計算することができる。スポット識別の最も簡単な方法は、スポットから各スポットの軌跡までの距離を順に判断し、所定の距離（通常は、十分に較正されたシステムに対して１ピクセルよりも少ない）から外れた軌跡を除外することである。スポットが多く軌跡が多い場合、この手法は、時間を浪費することがある。より効率的な方法は、スポットの識別子を計算し、それを様々な軌跡の識別子と比較することである。軌跡に対する識別子は、予め分類することができるので、検索は遥かに速く行うことができる。識別子は、較正ルーチンと同じ方法で計算することができる。
【００９１】
候補の軌跡が特定された状態で、スポットの位置を軌跡に沿って考える必要がある。可能な距離の範囲が制限される場合（例えば１５０ｍｍよりも近く、又は２５００ｍｍよりも遠いものがない）、計算された距離が可能な範囲を外れることになるので、候補軌跡の多くは除去されることになる。十分に調節されたシステムでは、最大で２つの軌跡が残らなければならない。１つの軌跡は、短い距離に対応し、他方は、遥かに長い距離に対応することになる。
【００９２】
最終の試験は、問題となっているスポットの形状を調査することである。上述のように、投射装置２２は、長い距離で焦点が合って短い距離で焦点がぼやけるスポットを生成する。投射装置内のＬＥＤが認識可能な形状（正方形のような）を有するという条件で、スポットは、短い距離では円形であり、長い距離では成形されることになる。これは、いかなる残存する距離の曖昧さも除去するはずである。
識別されずに残ったスポットのいずれも、恐らくはスポットなどでは全くなく、光景内の不要な光の点である。
【００９３】
距離の計算
スポットが特定された状態で、その距離を計算することができる。光景の有効な三次元表現を生成するために、ｘ及びｙ座標を計算する必要もある。これは、カメラの特性から簡単に導出することができる。例えば、ピクセル間隔がｐで焦点距離がｆのカメラレンズの場合、ｘ及びｙ座標は、次の式によって簡単に与えられる。
ｘ＝ｚａｐ／ｆ、ｙ＝ｚｂｐ／ｆ
ここで、ａとｂは、ピクセル座標で計測される。
【００９４】
上述の実施形態は、可能なスポット間の曖昧さが最小になるように、かつ曖昧さを解消するために焦点を使用するように調節される。しかし、曖昧さを解決するための他の手段を使用することもできる。本発明の一実施形態では、一般的に、装置は、図３に関連して説明したようなものであるが、隣接スポットの識別を可能にするように光源が成形されたスポット投射装置を含んでいる。光源が適切な反射軸に関して対称な場合、システムによって生成されたスポットは、実質的に同一である。しかし、非対称に成形された光源が使用される場合、隣接スポットは、区別可能な互いの鏡面画像ということになる。その原理は図５に示されている。
【００９５】
構造的光発生装置２２は、断面が正方形の透明な光学ガラス５６の中実チューブを含むものである。成形されたＬＥＤ５４が一方の面に配置される。チューブ５６の他端は、半球の投射レンズ５８に成形されている。万華鏡５６とレンズ５８は、従って一体化され、光学効率を向上させ、単一の成形段階を使用することができるので製造を容易にするものである。代替的に、出力面が平坦な中実万華鏡の端部に、別のレンズを光学的に接着することができる。
【００９６】
例証の目的で、ＬＥＤ５４は、万華鏡の１つの隅部、この例では右上を指す矢印として示されている。スクリーン６０上に形成された画像が示されている。ＬＥＤの中央の画像６２は、反射されないスポットに対応して形成され、同じく右上を指す矢印を有する。現実には、単純な投射レンズが反転された画像を投射することになるので、形成される画像は、実際には反転されることに注意されたい。しかし、説明の目的で、画像は反転せずに示している。中央のスポットの上と下の画像６４は一度反射しているので、ｘ軸に関する鏡面画像であり、すなわち、矢印は右下を指すものである。しかし、次の上又は下の画像６６は、ｘ軸に関して２度反射しているので、中央の画像と同一である。同様に、中央の画像に対して左と右の画像６８は、ｙ軸に関して一度反射しているので、矢印は左上を指しているように見える。中央のスポットに斜めに隣接する画像７０は、ｘ軸に関して一度、及びｙ軸に関して一度反射しているので、矢印は左下を指しているように見える。従って、検出された画像の矢印の向きは、どのスポットが検出されたかを指示している。この技術は、次に続くスポットではなく隣接スポット間の区別を可能にするものである。
【００９７】
別の実施形態では、１つよりも多い光源が使用される。光源は、光景内のスポット密度に関して可変の解像度を提供するために又はスポット間の区別を助けるために又はその両方のために使用することができるであろう。
例えば、１つよりも多いＬＥＤが使用され、各ＬＥＤの色が異なる場合、光景に向けて投射されるパターンは、そこに異なる色のスポットを有することになるであろう。当業者は、本明細書で使用される色という用語が、必ずしも可視スペクトルの異なる波長を意味するのではなく、単にＬＥＤが区別可能な波長を有することを意味することを認めるであろう。
万華鏡の入力面上のＬＥＤの構成は、投射スポットのアレイに影響するものであり、規則的な構成が好ましい。規則的なアレイを形成するために、ＬＥＤは、互いに規則的に間隔を空けるべきであり、ＬＥＤから万華鏡のエッジまでの距離は、ＬＥＤ間の分離の半分でなければならない。
【００９８】
図６は、異なるスポット密度を与えるために使用することができるＬＥＤの構成を示すものである。正方形断面の万華鏡の入力面７２上に１３個のＬＥＤが配置される。７６と７４ａ−ｈの９個のＬＥＤは、中央のＬＥＤが入力面の中央にその中心を置かれた規則的な３×３の正方形の格子状パターンで配置される。残り４個のＬＥＤ７８ａ−ｄは、規則的な２×２の格子を形成することになるように配置される。構造光発生装置は、次に、３つの異なるモードで作動することができる。中央のＬＥＤ７６は単独で作動することができ、これは、上述のように規則的なアレイのスポットを投射することになり、又は、複数のＬＥＤが作動することができるかのいずれかである。例えば、２×２アレイに構成されたＬＥＤ７８ａ−ｄは、中央のＬＥＤだけの場合よりも４倍多いスポットが生成されるアレイを提供するように照射することができる。
【００９９】
異なる距離では異なるＬＥＤの構成を使用することができると考えられる。目標が近い距離にある光景を照射するために使用される場合、単一のＬＥＤは、区別のために十分な数のスポットを生成することができる。しかし、中間距離又は長距離の場合、スポットの密度が許容レベルよりも低下することがあり、その場合、スポット密度を上げるために２×２又は３×３のアレイを使用することができる。上述のように、ＬＥＤは異なるスポット間の区別を改善するために異なる色にすることができるであろう。
【０１００】
複数の光源が使用される場合、光源の形状と色の適切な選択が更なる区別を提供することができる。これは図７に関連して示されている。ここでは、別様に成形された光源８２、８４、８６、及び８８の２×２のアレイが、生成されたパターンの一部と共に示されている。得られるパターンは、各隣接するタイルが適切な軸線に関してその近隣の鏡面画像であるような万華鏡の入力面８０のタイル状の画像のアレイとして形成されたものと考えることができる。ｘ軸を見ると、アレイは、ＬＥＤ８２及び８４に対応するスポットにより、続いてそれらの鏡面画像に対応するスポットにより構築されることになる。得られるパターンは、各スポットが各方向でその次の３つの最近隣とは異なることを意味し、検出器によりどのスポットが観測されているかに関する曖昧さが減少するであろう。
【０１０１】
複数の光源が使用される場合、光源は、独立にオン又はオフに切り替えられ、区別を更に助けるように配置することができる。例えば、いくつかのＬＥＤが使用され、上述のように配置され、各ＬＥＤを順番に活性化することができる。代替的に、アレイは、一般的に全てのＬＥＤを照射した状態で作動可能であるが、プロセッサからの制御信号に応答することができ、これは、何らかの曖昧さを使用していくつかのＬＥＤを相応に活性化又は作動停止することができることを示唆している。
【０１０２】
成形されたＬＥＤ又は異なる色のＬＥＤを使用する上述の実施形態の全ては、スポットの軌跡が別のスポットと重なる場合にその軌跡上の隣接スポットが異なる特性を有するように、検出器と投射装置の適切な構成と組み合わせることができる。例えば、図２２を再度参照すると、この構成は、スポット３０の軌跡がスポット３２と重なり、すなわち、図示のスポット３２の位置で検出されたスポットが、第１の距離で目標から反射した投射スポット３２か又は別の距離で目標から反射した投射スポット３０に対応することができるようなものであることが分る。しかし、図５のスポット投射装置が使用されたことを想像されたい。投射スポット３０が右上を指す矢印である場合、投射スポット３２は、アレイ内のその位置のために、左上を指す矢印であろうということが分る。すなわち、どのスポットが観測されているかを矢印の方向が指示すると考えられるので、どのスポットがどれかに関する曖昧さはないであろう。
【０１０３】
図１１に示すスポット投射装置の代替実施形態では、光源１３０がマスク１３２を通して万華鏡１３６を照射する。万華鏡１３６と投射装置１３８は、図５に関連して説明したものと同じにすることができる。光源１３０は、ホモジナイザ１３４を通してマスク１３２を照射するように配置された明るいＬＥＤ光源である。ホモジナイザ１３４は、マスク１３２の均一な照射を保証するために単に作用するものであり、従って、単純で比較的廉価なプラスチック光導体である。
【０１０４】
マスク１３２は、複数の透過性の部分、すなわち、ウィンドウを有するように配置され、そのためにＬＥＤ１３０からの光の部分だけが万華鏡１３６の入力面に入射する。光を透過するための複数の開口１４２を有する適切なマスクが１３２ａとして示されている。各開口は、図６に関連して上述したものと同じように別の光源として作用するので、万華鏡は、マスク１３２ａの開口の画像を再現して、光景上にスポットのアレイを投射する。
【０１０５】
マスク１３２は、小さなＬＥＤを要求することがあるＬＥＤアレイよりも簡単に製造され、正確に万華鏡１３６に対して位置合わせすることができる。従って、スポット投射装置の製造は、マスクの使用によって簡略化することができる。マスクの透過性の部分は、図５と７に関連して上述したように、成形光源として作用するように成形することができる。従って、マスクは、異なる成形のスポットのアレイが投射されるのを可能にし、マスクの透過性の部分の成形は、成形光源の形成よりも更に簡単にすることができる。
【０１０６】
更に、マスクの異なる透過性の部分は、異なる波長で透過させることができ、すなわち、ウィンドウは、異なる色のフィルタを保持することができる。マスク１３２ｃは、２色のウィンドウを有するアレイを示し、ウィンドウ１４４は、例えば赤色であり、一方、ウィンドウ１４６は緑色にすることができる。しかし、ここでもまた、本発明は、可視波長帯における特定の色にも作動にも制限されないものである。
【０１０７】
いくつかの透過性のウィンドウは、変調することができる透過性の特性を有することができ、例えば、マスクは、光電式変調器を含むことができる。次に、マスク内のいくつかのウィンドウは、投射アレイ内のいくつかのスポットを作動停止するように、透過性から非透過性に切り換えることができる。これは、異なるスポット密度を提供するために、図６に関連して説明した様々なアレイに対して同様に使用することができ、又は、起こりうる曖昧さを解決するように、アレイ内のいくつかのスポットを作動停止するために使用することができる。
【０１０８】
更に別の実施形態では、光源は、万華鏡内の異なる深さに配置することができる。万華鏡からの隣接するビームの角度分離は、上述のように万華鏡の長さと幅の間の比率に依存するものである。図８は、正方形断面の万華鏡９６と投射レンズ９８を示している。万華鏡のチューブは、９６ａと９６ｂの２つの部分で形成される。第１のＬＥＤ９８は、上述のように万華鏡の入力面に配置される。第２のＬＥＤ１００は、万華鏡の２つの部分９６ａと９６ｂの間で万華鏡内の別の深さに配置される。当業者は、最大の効率を保証して第２のＬＥＤ１００を２つの部分の間に配置するために、万華鏡の２つの部分９６ａと９６ｂを連結する方法を十分に知っているであろう。
【０１０９】
得られるパターンは、異なる周期の２つのグリッドを含み、第２のＬＥＤ１００に対応するグリッドは、第１のＬＥＤに対応するグリッドを部分的にぼやけさせるものである。図に示すように、２つのスポットの分離の程度は、中央のスポットからの距離に伴って変動する。２つのグリッドの分離すなわちオフセットの程度は、次に、スポットを一意的に識別するために使用することができる。ＬＥＤ９８及び１００は、上述のように区別を改善するために別の色にすることができる。
スポットという用語が区別可能な光の点を意味するように取られるべきであることに注意すべきである。光の完全に分離された区域に制限することは意図していない。
【０１１０】
例えば、図１０は使用することができる代替のスポット投射装置を示すものである。ここでは、万華鏡の入力面に十字形のＬＥＤ１２０が使用される。ＬＥＤ１２０は、万華鏡の側壁まで延びるので、投射パターンは、示すように連続する線１２２のグリッドになる。線の交点は、見つけることができる識別可能な区域又はスポットと、上述の場合と同じようにして判断された距離とを提供することになる。
【０１１１】
交点までの距離が判断された状態で、交点から得られた情報を使用して、その交点を通る線上の任意の点までの距離を判断することができる。従って、システムの解像度を大幅に増強することができる。上述の４０×３０の投射システムを使用するが、図１０に示すＬＥＤ構成を使用すると、遥かに多い距離点を有するシステムに対して識別することができる１２００個の交点が存在する。従って、この装置は、各交点を識別し、そこまでの距離を判断し、接続線上の各点までの距離を求めるように配置されたプロセッサと共に使用することができるであろう。代替的に、十字形ＬＥＤは、別に照射することができる別の中央部分１２４を含むことができる。中央のＬＥＤ部分の照射により、先に説明したようにスポットのアレイを投射することができる。各スポットまでの距離が判断された状態で、十字形ＬＥＤ１２０の残りを活性化することができ、接続線上の様々な点までの距離が判断される。中央部分だけが最初に照射されることにより、投射スポットの形状に基づいて曖昧さをより簡単に解決することが可能となる。図１１に示すようなマスクを有するスポット投射装置を使用して、交差する線のアレイも同様に生成することができる。マスク１３２ｃは、線のアレイを生成するための適切なマスクを示すものである。ここでもまた、マスクの一部は、必要に応じてスポットのアレイと線のアレイの間で切り換えられるように切り換え可能にすることができる。
【０１１２】
本発明の別の実施形態が図９に示されている。ここでは、光景を見るために２つのＣＣＤカメラ６及び１０６が使用される。スポット投射装置２２は、上述の規則的なスポットのアレイや十字形を投射する任意のスポット投射装置にすることができる。ＣＣＤカメラ６は、図２に関連して上述したものと同じである。カメラ６と同一の第２のカメラ１０６も同様に提供される。光景からカメラ６まで多少の光を通過させ、カメラ１０６まで多少の光を反射させるように、ビームスプリッタ１０４が配置される。ビームスプリッタ１０４に対するカメラ１０６の配置は、２つのカメラの有効位置に僅かな差１０８があるようなものである。従って、各カメラは、僅かに異なる光景を見ることになる。カメラの位置が十分遠くに移動された場合、ビームスプリッタ１０４を省略することができ、両方のカメラを光景の方向を直接見るように向けることができるが、構成要素の大きさと望ましい間隔がそのような構成を可能にしない場合がある。
【０１１３】
上述のように光景までの距離を計算するために、次に、カメラ６からの出力を使用することができる。カメラ１０６もまた光景までの距離を計算するために使用することができる。各カメラの出力は、検出スポットが異なる距離でのいくつかの可能な投射スポットのいずれか１つに対応することがあるという点で、上述のような方法で曖昧になる可能性があるであろう。しかし、２つのカメラが異なる間隔で配置されるので、各検出スポットに関して計算された可能な距離の組は変動することになる。従って、任意の検出スポットに対して、１つだけの可能な距離、すなわち実際の距離は、各カメラに関して計算された組に対して共通することになる。
【０１１４】
スポット投射装置からの非常に小さなベースライン、すなわち視線の分離を使用してカメラ６が配置された時、異なる距離における光景内のスポットの可能な位置の対応する軌跡は小さいことになる。図２ａを再度参照すると、検出器６からスポット投射装置２２までの分離が少ない場合、異なる距離でのスポットの光景内の見かけの移動は大きくならないことが分る。すなわち、軌跡は小さいことになり、作動ウィンドウ内の異なるスポットの軌跡間の重なりがない場合があり、すなわち曖昧さなしである。しかし、可能な位置の制限された軌跡は、システムが、移動の程度がより大きいものほど正確でないことを意味する。適度な精度と距離のシステムの場合、約６０ｍｍのベースラインが標準である。次に図９を参照すると、カメラ６がスポット投射装置の視線の近くに配置された場合、カメラ６からの出力は、曖昧さはないが精度が低い測定値であろう。しかし、カメラ１０６は、スポット投射装置２２から適切なベースラインに配置して正確な結果を提供することができるものである。カメラ６の出力からの低精度の読取値は、カメラ１０６からの読取値のいかなる曖昧さも解決するために使用することができる。
【０１１５】
代替的に、２つのカメラ自体からの出力は、粗い測距を提供するのに使用することができるであろう。カメラ間のベースラインが小さく、例えば約２ｍｍであるような構成の場合、２つのカメラのスポット検出位置の差を距離の概略推定値を提供するために使用することができる。しかし、いずれかのカメラと投射装置の間のベースラインは大きい場合がある。しかし、この構成の利点は、２つのカメラがそれらの間の非常に小さな差を使用して画像を見ることである。カメラ対投射装置の構成は、スポットの位置の測定値を最適化するために、保存されたガウス強度分布との回復されたスポットの相関によりスポット位置を判断すべきである。距離に伴ってスポットの大きさが変動し、スポットに亘って反射率が変動するので、これは、妥当ではあるが決して完全な一致ではない。目標の表面傾斜もまた見かけの形状に影響を及ぼす場合がある。カメラ対カメラのシステムは、２つの視点から同じで恐らくは変形したスポットを見るが、それは、相関が常にほぼ完全な一致であることを意味する。曖昧さを完全に除去するか又は情報を追加するためのこの付加的なカメラチャンネルの原理は、ほぼ直交するベースラインを生成するためのカメラの使用及び／又は３つのカメラの組としての使用を利用するように実現することができ、２つの直交ステレオシステムの生成を可能にするものである。図１３は、カメラが３つのシステムの構成を示し、３つのカメラ１６０とスポット投射装置２２が、同一平面に正方形の構成に配置されている。この構成は、カメラ１６０ａ及び１６０ｂによる一組の垂直画像の生成を可能にし、カメラ１６０ｂ及び１６０ｃによる一組の水平画像の生成を可能にして、ステレオ撮像技術を適用することができるものである。これによって画像のエッジの解析が可能になり、スポット位置の処理によって得られた距離情報と連結させることができる。
【０１１６】
得られた距離の点の解像度を改善するために、図１２に示す本発明の一実施形態は、光景内の投射スポットを変位するための光学手段を有する。上述のようなスポット投射装置２２は、カメラ６と共に配置される。しかし、スポット投射装置２２の前部には屈折くさび１５０がある。屈折くさびの効果は、スポット投射装置からの光を僅かに偏向させることである。図示のように、光は、くさびがない時の経路から僅かな角度φだけ偏向される。くさび１５０は、回転するように取り付けられ、それが回転すると、光が偏向される方向が変わる。図１２ａは最初の位置を示し、図１２ｂは、くさびが１８０°回転した後の状況を示すものである。くさびは、各９０°離れた４つの位置で回転するように配置され、カメラは、各位置で画像を撮ることになる。この効果は、光景内のスポットのアレイにディザを掛けることである。角度φは小さいので、スポットは、観測されたスポット間の間隔の僅かに一部分だけを移動する。そこでは、得られた４つの画像の各々において、スポットは異なる位置で観測され、このようにして、１つの正確な距離マップを提供するために互いに照合することができるより多くの距離点が撮られることになる。
【０１１７】
上述の万華鏡スポット投射装置は、一般的に公知であるように光軸を持たないので、この光軸を検出器の主軸に対して位置合わせする必要がないことは一般的に注意すべきである。それは、一般的に、作動範囲内で最良のパターンが観測されるように配置され、これは、通常は、スポット投射装置が検出器に対して傾斜し、スポットパターンの最も明るい領域を検出器画像の中央のありそうな作業距離に配置する時である。光軸を持たないスポット投射装置が使用される時でさえも、米国特許第４，８６７，５７０号で示唆された傾斜していて必ずしも平行でない軸線を使用して、一般的に最良の結果が依然として得られることになる。
【０１１８】
上述の測距システムは、任意の数の用途で使用することができる。スポット投射システムが簡単で廉価に製造することができ、実質的に得られた可視画像と干渉する必要がないので、本発明による測距システムと全てのカメラシステムを一体化することができる。本発明による測距システムは、光景までの距離が対象物のエッジに関する追加情報を明らかにすると考えられるので、目標識別システムの撮像を改善するために使用することができる。これは、侵入者警報などのセキュリティの用途に使用することができるものである。代替的に、距離情報は、対象物の識別、例えば顔面認識を改善することができるであろう。
【０１１９】
本装置はまた、広範囲の測量又は地図作製用途で使用することができる。そのような用途で使用される場合には、測距カメラは、光景の各画像を記録される時にカメラの位置を判断するための位置センサを含むことができる。位置センサは、ＧＰＳ受信器、先端／傾斜センサ、及び磁界センサを含むことができる。代替的に、磁界源などのビーコンを既知の位置に配置することができ、ビーコンに対するカメラの位置を判断するために磁界傾度計を使用することができる。カメラがどのように動いたかを記録するために、慣性センサもまた使用することができる。本方法で画像が撮られる時にカメラの位置と向きが分ることになる。カメラの正確な位置と向きが分るということは、光景内の対象物までの距離情報を光景に関する位置情報に変換することができることを意味する。例えば、部屋のいくつかの画像が異なる視点から撮られることを想像してみる。各画像は（ここでは、画像は、観測された光景内のスポットの記録されたレイアウトを意味し、必ずしも完全なコントラスト画像である必要はない）、光景の一部が観測されるモデルを作るために使用することができる。いくつかの画像が撮られ、その度にカメラの位置が分っている場合、様々な画像からのデータは、部屋の１つの３次元モデルを作成するために使用することができる。上述のように、これは、測量と地図作製に用途を見出すことができる。対象物はまた、コンピュータ支援設計及びシミュレーション又はモデリング、並びに仮想現実環境の作成に有用な三次元モデルを作成するために使用される様々な命令及びデータから撮像することができる。
【０１２０】
本システムは、例えば車両用に使用することができるような近接センサに使用するための明らかな可能性を有するものである。また、車両においては、距離情報は、乗員の位置に関して収集することができ、これは、エアバッグなどの緊急安全装置の更に安全な配備のために使用することができるものである。距離情報は、ロボットシステムの航行に役立つので、本装置は、ロボットビジョンシステムで使用することができる。それはまた、パイロットのＵＶ（無人車両）に役立つように使用することもできる。
【０１２１】
距離情報は、対象物のモデリングに有用な三次元情報を得るために使用することができる。生体測定情報は、衣類の正確な大きさを保証するために取得することができるであろう。準備されるブースは、複数のカメラとスポット投射装置付きで準備され、恐らく１つよりも多い視野から人間全体を撮像するものである。次に、人間は、そのようなブースの中に少しの間立ち、複数の方向から撮像されて測距されることになる。この情報が捕捉されて処理され、人間のモデルを作成するために供給され、様々な設計又は衣類の仮縫い用途に役立つのである。カメラ同士は、互いに固定された関係にあると考えられるので、いかなる追加の位置情報も得る必要はないであろう。
【０１２２】
別の有用な実施形態は、文書の走査である。本のような文書の走査は、一般的に、本又は文書が撮像される透明な表面に対して、本のページをできるだけ平坦に押しつけることを要求する。しかし、文書をそのように撮像することは、いつも実際的であるとは限らない。しかし、仮に文書を単に開いて横にしたままで撮像するとすれば、本の湾曲は、変形した画像をもたらすことを意味するであろう。しかし、仮に撮像装置を上述の測距装置と組み合わせるとすれば、本の表面までの距離は、その曲率を明らかにすることができるであろう。画像処理アルゴリズムが次に使用され、その曲率に関して撮像されたページを補正して「平坦な」画像を呈示すると考えられる。
しかしながら、当業者には、本発明の精神から逸脱することなく本発明の他の用途と実施形態が明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】従来技術の単一スポット測距システムを示す図である。
【図２】本発明の測距システムの実施形態を示す図である。
【図３】本発明の測距システムで使用される適切なスポット投射装置を示す図である。
【図４】図３に示すスポット投射装置の作動原理を示す図である。
【図５】代替のスポット投射装置とその出力を示す図である。
【図６】可変スポット密度投射を有するスポット投射装置の入力面を示す図である。
【図７】代替種類の適切なスポット投射装置の入力面とそれから生成されたパターンを示す図である。
【図８】別の適切なスポット投射装置を示す図である。
【図９】２つのカメラを使用する本発明の実施形態を示す図である。
【図１０】連続線の交点から形成されるスポットを生成するためのスポット投射装置の入力面を示す図である。
【図１１】本発明で使用するのに適するスポット投射装置の別の実施形態を示す図である。
【図１２】スポット密度の増大のためにスポット投射装置の出力を再方向付けするための手段を示す図である。
【図１３】本発明による３つのカメラの測距システムを示す図である。
【符号の説明】
【０１２４】
６  検出器
７  プロセッサ
１２  スポット
２２  照射手段
【図１ａ】
0004485365.tif 000002
【図１ｂ】
0004485365.tif 000003
【図２ａ】
0004485365.tif 000004
【図２ｂ】
0004485365.tif 000005
【図３】
0004485365.tif 000006
【図４】
0004485365.tif 000007
【図５】
0004485365.tif 000008
【図６】
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【図７】
0004485365.tif 000010
【図８】
0004485365.tif 000011
【図９】
0004485365.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
0004485365.tif 000014
【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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