(57)【要約】  光源(2a)と、光源からの光が透過する透光部が所定パターンでそれぞれ形成された複数のマスク領域(5)と、透光部の所定パターンの像を所定距離においてそれぞれ結像させる複数のレンズ(7)とがこの順に配置されたパターン投影光源が開示されている。それぞれがマスク領域とレンズとを備えた複数の投影光学系を有するので小型・薄型のパターン投影光源を実現できる。また、複数のレンズを備えることにより、パターンの像の結像範囲を拡大することができる。更に、対象物上に透光部のパターンの像を鮮明に結像させることができる。
2007138904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光が透過する透光部が所定パターンでそれぞれ形成された複数のマスク領域と、
前記透光部の前記所定パターンの像を所定距離においてそれぞれ結像させる複数のレンズと
をこの順に備えることを特徴とするパターン投影光源。
【請求項２】
前記複数のレンズはアレイ状に配置され一体成型されている請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項３】
前記複数のレンズのうち少なくとも２つは、互いに異なる距離において前記所定パターンの像をそれぞれ結像させる請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項４】
前記複数のマスク領域のうち少なくとも２つには、互いに異なるパターンで前記透光部が形成されている請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項５】
前記互いに異なるパターンは、いずれもストライプ状のパターンであり、かつ、ストライプの方向が互いに異なる請求項４に記載のパターン投影光源。
【請求項６】
前記互いに異なるパターンは、周期性のないランダムなパターンである請求項４に記載のパターン投影光源。
【請求項７】
前記複数のマスク領域のうち少なくとも１つには、ほぼ全面が透光部であるパターンが形成されている請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項８】
複数の撮像光学系間の視差によって対象物までの距離を測定する複眼測距部と、
請求項１に記載のパターン投影光源と
を有する複眼測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物上に所定パターンの像を投影するパターン投影光源に関する。また、本発明は、複数の撮像光学系間の視差によって対象物までの距離を測定する複眼測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
左右あるいは上下に設置した２つの撮像装置により測定対象物を撮像し、左右あるいは上下の２つの画像間の視差を利用して対象物までの距離を測定する複眼測距装置は、自動車の車間距離測定や、カメラの自動焦点システム、３次元形状測定システム等に用いられている。この複眼測距装置には、対象物の像を撮像素子上に結像させる複眼光学系が設けられている。【０００３】
従来、この複眼測距装置としては、左右（又は上下）一対のレンズを用いて左右（又は上下）一対の撮像素子上に対象物の像をそれぞれ結像させて２つの画像を撮像する装置が知られている（特許文献１）。【０００４】
複眼測距装置では撮像した２つの画像からパターンマッチングすることによって視差を抽出し、三角測量の原理によって測定対象物までの距離を算出する。【０００５】
パターンマッチングの方法を図２０を用いて説明する。９１，９２は左右一対の撮像光学系を用いて得た一対の画像である。第１の撮像光学系から得た画像（基準画像）９１中にブロック（小領域）９１ａを設定する。第２の撮像光学系から得た画像（参照画像）９２中に、ブロック９１ａと同じＹ座標値を有し且つ同じサイズのブロック９２ａを設定する。基準画像中のブロック９１ａを構成する画素の輝度値と参照画像中のブロック９２ａを構成する画素の輝度値との差分（絶対値）の総和を、下記（数１）より評価関数ＳＡＤ（Sum of Absolute Difference）として求める。【０００６】
【数１】
2007138904.tif 000003
【０００７】
（数１）において、ｘ、ｙは撮像面のＸ座標値及びＹ座標値であり、Ｉ０、Ｉ１はそれぞれ基準画像及び参照画像において、括弧内で示した座標における画素の輝度値である。ブロック９１ａ，９２ａはいずれもｍ（Ｘ軸方向）×ｎ（Ｙ軸方向）の画素を有している。【０００８】
参照画像９２中においてブロック９２ａの基線方向（本例ではＸ軸方向）９０における移動量ｄｘを変えてＳＡＤを演算する。ＳＡＤが極小値となるｄｘを、このブロック９１ａに対する視差量として抽出する。参照画像９２中での小領域９２ａの移動範囲（探索範囲）は測距範囲に応じて設定される。ブロック９１ａを基準画像９１中の任意の位置に設定することにより、基準画像９１中の任意の座標でＳＡＤを演算できるので、撮像視野内の全領域で視差量（距離情報）を取得することができる。基準画像９１を複数のブロックにマトリクス状に分割し、各ブロックごとに上記のパターンマッチングを行うことで、基準画像９１内の視差分布を求めることもできる。【０００９】
このような複眼測距装置を用いて対象物までの距離を測定する場合、夜間では補助光源によって対象物に光を照射して撮像する必要がある。また、昼夜を問わず対象物が低コントラストである場合には、距離測定精度の向上のために、補助光源より所定のパターンの光を対象物に投影することによって、対象物に明暗のコントラストを与える手法が一般的に知られている（特許文献２）。
【特許文献１】特開平４−４３９１１号公報
【特許文献２】特開２００１−２６４０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような視差を利用した従来の測距用の補助光源は単一の投影光学系を備えているので、対象物に十分な照度を与えるために、発光素子をアレイ状に配列して出力を高めた光源や、出力の大きな単一光源が必要である。また、所定のパターンの光を測定対象物に投影するためには、所定のパターンの透光部を有するマスクのサイズを上記光源のサイズに対応して大きくし、前記マスクに対応した大きなレンズを用いなければならない。従って、前記マスクの面積は複眼測距装置の撮像領域の面積に比べて大きくなってしまうため、複眼測距装置の撮像光学系に比べてパターンを投影する投影光学系の容積が大きくなり、距離測定システム全体の小型化が困難となってしまう。【００１１】
さらには、補助光源の投影光学系と複眼測距装置の撮像光学系とがＦ値及び画角において等しいとした条件下では、補助光源の投影光学系の焦点距離が複眼測距装置の撮像光学系の焦点距離に対して大きいと、パターンを対象物に投影する場合、撮像光学系の被写界深度に対してパターンの像が良好に結像される範囲が狭くなり、その結果、対象物までの距離を精度よく測定できる範囲が狭くなってしまうという問題を生ずる。前記投影光学系がパターンの像を良好に結像する範囲を広げるためには、投影光学系の絞りを小さくする必要があるが、このような手法では照明効率が低下すると同時に対象物の照度も低下する。従って、遠方側の測距範囲が狭められてしまうという問題を生ずる。【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解決するために考案されたものであり、パターン投影方向において広い範囲にわたって対象物上にパターンの像を良好に結像することができ、小型化・薄型化されたパターン投影光源を提供することを目的とする。また、本発明は、小型・薄型で、距離測定の範囲が広く、かつ距離測定精度が高い複眼測距装置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】
【００１３】
本発明のパターン投影光源は、光源と、前記光源からの光が透過する透光部が所定パターンでそれぞれ形成された複数のマスク領域と、前記透光部の前記所定パターンの像を所定距離においてそれぞれ結像させる複数のレンズとをこの順に備えることを特徴とする。【００１４】
本発明の複眼測距装置は、複数の撮像光学系間の視差によって対象物までの距離を測定する複眼測距部と、上記の本発明のパターン投影光源とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のパターン投影光源は、複数のマスク領域及び複数のレンズを有するので小型化・薄型化することができる。また、複数のレンズを備えることにより、パターンの像の結像範囲を拡大することができる。更に、対象物上に透光部のパターンの像を鮮明に結像させることができる。【００１６】
また、本発明の複眼測距装置は、上記の本発明のパターン投影光源を備えるので、小型・薄型で、距離測定の範囲が広く、かつ距離測定精度が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係るパターン投影光源の概略構成を示した斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係るパターン投影光源の概略構成を示した断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る別のパターン投影光源の概略構成を示した斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係る更に別のパターン投影光源の概略構成を示した断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１にパターン投影光源において、投影パターンの結像範囲を拡大する方法を説明する図である。
【図６】図６は、本発明に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの一例を示す図である。
【図７】図７は、本発明に係るパターン投影光源が図６に示したパターンを投影する様子を示す斜視図である。
【図８】図８は、本発明に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの別の例を示す図である。
【図９】図９は、本発明に係るパターン投影光源が図８に示したパターンを投影したときの光線を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図９の距離Ｆ１にある投影面に投影された透光部のパターンの像を示した図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図９の距離Ｆ２にある投影面に投影された透光部のパターンの像を示した図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図９の距離Ｆ３にある投影面に投影された透光部のパターンの像を示した図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの一例を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、距離Ｆ１にある投影面に投影された図１１の透光部のパターンの像を示した図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、距離Ｆ２にある投影面に投影された図１１の透光部のパターンの像を示した図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、距離Ｆ３にある投影面に投影された図１１の透光部のパターンの像を示した図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源において、マスクＤの透光部のパターンの像のみを撮像した画像を示した図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源において、マスクＥの透光部のパターンの像のみを撮像した画像を示した図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源において、マスクＤ及びマスクＥの両方の透光部のパターンの像を撮像した画像を示した図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、図１３Ａに示した画像を用いてパターンマッチングを行った際の探索範囲内でのＳＡＤの値の変化を示した図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１３Ｂに示した画像を用いてパターンマッチングを行った際の探索範囲内でのＳＡＤの値の変化を示した図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、図１３Ｃに示した画像を用いてパターンマッチングを行った際の探索範囲内でのＳＡＤの値の変化を示した図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの別の例を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源において、複数のマスク領域の配置の一例を示した図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態３に係るパターン投影光源の概略構成を示した断面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の実施の形態３に係るパターン投影光源において、投影光学系のみを用いた場合の対象物上での照度分布の一例を示した図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の実施の形態３に係るパターン投影光源において、投影光学系及び照明光学系の両方を用いた場合の対象物上での照度分布の一例を示した図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態４に係る複眼測距装置の概略構成を示した断面図である。
【図２０】図２０は、複眼測距装置におけるパターンマッチングの方法を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係るパターン投影光源は、それぞれがマスク領域とレンズとを備えた複数の投影光学系を有するので、単一の投影光学系からなるパターン投影光源に比べて、光軸方向の寸法（厚み）を小さくすることができる。【００１９】
また、複数のレンズを備えることにより、対象物の照度を向上させることができるので、各レンズの焦点距離を短くでき、パターンの像が良好に結像される距離範囲が広がる。よって、本発明のパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、精度良く測距できる範囲が広くなる。【００２０】
更に、光源、複数のマスク領域、複数のレンズがこの順に配置されているので、各レンズは透光部のパターンの像を対象物上に鮮明に結像する。よって、本発明のパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、対象物までの距離を精度良く測定できる。【００２１】
なお、上記の本発明のパターン投影光源において、光利用効率を高めるために、光源の指向特性に応じて前記光源とマスク領域との間にレンズを挿入してもよい。【００２２】
上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のレンズはアレイ状に配置され一体成型されていることが好ましい。複数のレンズをアレイ状に配置することにより、パターン投影光源を薄くすることができる。また、複数のレンズを一体成型することにより、金型によって各レンズの光軸の精度を増すことができるため、各レンズの光軸調整が不要になり、組立て性が向上する。【００２３】
上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のレンズのうち少なくとも２つは、互いに異なる距離において前記所定パターンの像をそれぞれ結像させることが好ましい。これにより、パターンの像が良好に結像される距離範囲が更に広がる。特に、パターンの像が最適に結像される距離をレンズ毎にまたは複数のレンズグループ毎に異ならせ、且つ、一定以上のコントラスト比を有するパターンの像が結像される距離範囲が、異なるレンズ間でまたは異なるレンズグループ間で互いに一部重複するように設定することが好ましい。これにより、連続した更に広い距離範囲でパターンの像を良好に結像させることができる。よって、本発明のパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、精度良く測距できる範囲が更に広くなる。換言すれば、複眼測距装置の測距可能範囲において常に一定以上のコントラスト比を有するパターンの像が結像されるように複数の投影光学系を設定すれば、パターン投影光源を補助光源として使用して常に精度良く対象物までの距離を測定することができる。なお、パターンの像が結像される距離を異ならせるには、マスク領域あるいはレンズの位置を光軸方向に変化させてデフォーカスすればよい。【００２４】
上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のマスク領域のうち少なくとも２つには、互いに異なるパターンで前記透光部が形成されていることが好ましい。例えば、複数のマスク領域のそれぞれに形成された透光部のパターンが、いずれも互いに平行な複数のストライプからなり、そのストライプパターンが互いに同一である場合、複数のレンズによって対象物上に投影されたストライプパターンの像は、対象物までの距離が近い時には互いに離れているが、対象物までの距離が遠くになるにしたがって互いに徐々に近づく。即ち、対象物上に投影されるストライプパターンの像の粗密は、対象物までの距離によって変化する。よって、対象物までの距離によっては、対象物上のパターンの像が投影されない空白領域が広くなってしまう。対象物上にこのような広い空白領域が発生すると、例えば画像を複数のブロック（小領域）に分割してブロック毎に視差を検出する上述のパターンマッチング（図２０参照）では、視差を高精度に検出できないブロックが発生してしまう。【００２５】
このような空白領域の拡大を回避するには、異なる投影光学系間でもしくは異なる投影光学系グループ間でマスク領域に形成される透光部のパターンを変えて、投影距離が変わってもパターンの像の粗密が変化しないように設定すればよい。例えば、マスク領域に形成される透光部のパターンがストライプ状である場合には、そのストライプの方向を互いに異ならせることが好ましい。あるいは、マスク領域に形成される透光部のパターンを周期性のないランダムなパターンとし、そのランダムパターンを互いに異ならせることが好ましい。【００２６】
上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のマスク領域のうち少なくとも１つには、ほぼ全面が透光部であるパターンが形成されていることが好ましい。これにより、投影角内の全域にわたって照度分布を底上げすることが可能である。これにより、暗所において、マスク領域の所定のパターンの像が形成されない対象物までの距離を、対象物自身が有するコントラストを撮像することで測定することができる。さらに照明効率を高めるには、ほぼ全面が透光部であるマスク領域を備えた投影光学系を均一な照明を行うのに適した構成（いわゆる照明光学系の構成）に変更するのが好ましい。【００２７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。【００２８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るパターン投影光源２０の斜視図である。図２はその断面図である。図１において、１はＬＥＤを実装するための回路基板である。回路基板１上には、複数の砲弾型ＬＥＤ２ａが配列されている。３はＬＥＤ２ａから発生した光線を散乱させる散乱部材である。４はガラス基板であり、その表面に透光部が所定のパターンで形成された複数のマスク領域５を有する。７はマスク領域５の透光部を透過した光を収束し、透光部のパターンの像を結像させるレンズである。ＬＥＤ２ａから発光した光線は、散乱部材３、ガラス基板４、マスク領域５、及びレンズ７を介して対象物に照射され、マスク領域５に形成されたパターンが投影される。散乱部材３はレンズ７の瞳に向かう光線を発生させるために設けられている。１つのマスク領域５とこれに対応する１つのレンズ７とが１つの投影光学系を構成する。複数の投影光学系が縦横方向にアレイ状に配置されている。複数の投影光学系の光軸は互いに平行である。壁６は隣接する投影光学系からの光を遮光するために設けられている。図２において、９はレンズ７を保持するための鏡筒部材である。図１では鏡筒部材９の図示を省略している。【００２９】
このように複数の投影光学系をアレイ状に配列する構成においては、図３のようにアレイ状に配置された複数のレンズ７が一体成型されたレンズアレイ７０を用いることが好ましい。これにより、金型によって各レンズ７の光軸精度を向上させることが可能となる。従って、個々のレンズ７の光軸調整を不要とすることができ、組立て性が向上する。【００３０】
なお、図１〜図３では、ＬＥＤ２ａとレンズ７とが１対１に対応しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、１つのＬＥＤ２ａに対して複数のレンズ７（あるいは全てのレンズ７）が対応していてもよいし、複数のＬＥＤ２ａに対して１つのレンズ７が対応していてもよい。また、光源としてＬＥＤを用いているが、光源の種類はこれに限定されない。【００３１】
また、図１〜図３では、全てのマスク領域５が１枚のガラス基板４上に形成されているが、１つ又は複数のマスク領域５がそれぞれ形成された複数のガラス基板を並べて配置しても良い。【００３２】
図４は光源として表面実装型ＬＥＤ２ｂを用いたパターン投影光源２０の断面図であり、図１及び図２に示したパターン投影光源の変形例である。図４において、回路基板１上には、複数の表面実装型ＬＥＤ２ｂが配列されている。８はＬＥＤ２ｂから発光した光線を略平行化する機能を有する平行化レンズである。【００３３】
以上のように、複数の投影光学系をアレイ状に配列することにより、単一の投影光学系のみを用いた場合に比べて、パターン投影光源を薄型化・小型化することが可能となる。さらに、複数の投影光学系をアレイ状に配置した場合には、単一の投影光学系のみを用いた場合に比べて、各レンズ７の焦点距離を短くすることができるため、パターンの像が良好に結像される距離範囲を広くすることができる。【００３４】
次に、パターンの像が良好に結像される距離範囲をさらに広くする構成について説明する。【００３５】
図５は、投影されたパターンの像が良好に結像される距離範囲を拡大する方法を説明する図である。図５において、７１ａは第１の投影光学系の投影レンズ、７２ａは第１の投影光学系の光軸、７１ｂは第２の投影光学系の投影レンズ、７２ｂは第２の投影光学系の光軸、７１ｃは第３の投影光学系の投影レンズ、７２ｃは第３の投影光学系の光軸である。また、図５の下に示したグラフにおいて、４０ａは第１の投影光学系の投影距離とコントラスト比との関係を示すグラフ、４０ｂは第２の投影光学系の投影距離とコントラスト比との関係を示すグラフ、４０ｃは第３の投影光学系の投影距離とコントラスト比との関係を示すグラフである。【００３６】
図５のパターン投影光源では、投影レンズ７１ａ、７１ｂ、７１ｃを同じ形状のレンズとして、光軸７２ａ，７２ｂ，７２ｃ方向におけるその位置を互いに異ならせている。これにより、相対的にデフォーカスされて、パターンの像が最適に結像される投影距離を投影光学系毎に異ならせることができる。図５のグラフにおいて、光軸上のコントラスト比が所定値Ｐを上回る範囲を結像深度とした場合、第１の投影光学系の結像深度はＬ１、第２の投影光学系の結像深度はＬ２、第３の投影光学系の結像深度はＬ３となっており、第１〜第３の投影光学系の結像範囲はそれぞれ、Ｚ１〜Ｚ１＋Ｌ１、Ｚ２〜Ｚ２＋Ｌ２、Ｚ３〜Ｚ３＋Ｌ３となっている。図５のように、第１〜第３の投影光学系の結像範囲を相対的にずらして互いにオーバーラップさせることで、距離範囲Ｚ１〜Ｚ３＋Ｌ３では常に良好に結像されるパターンの像が少なくとも１つ存在することになる。従って、このパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、高精度に測距できる距離範囲を広げることが可能となる。【００３７】
投影光学系の結像範囲をずらすためには、上記のレンズを光軸方向にずらす方法以外に、マスク領域５を光軸方向にずらす方法によっても実現可能である。【００３８】
各投影光学系の結像範囲は環境温度によっても前後にシフトするため、使用温度範囲を考慮して各投影光学系の結像範囲を設定することが望ましい。【００３９】
（実施の形態２）
本実施の形態２のパターン投影光源の基本構成は、実施の形態１における図１及び図２と同じである。本実施の形態では、複数のマスク領域５に形成された透光部のパターンが互いに異なっている。【００４０】
本実施の形態について説明する前に、まず、複数のマスク領域５のパターンが同じである場合について説明する。【００４１】
図６は、アレイ状に配列された３つのマスク領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃを示している。図６に示すように、それぞれのマスク領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃの透光部５１のパターンは同じであり、それらは測距の基線方向９０に対して垂直方向に延びる複数のストライプからなる。そして、３つのマスク領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃを含む３つの投影光学系が基線方向９０と垂直方向に配列されている。マスク領域５０ａ、５０ｂ、５０ｃを、それぞれマスクＡ、マスクＢ、マスクＣとする。破線６０ａ、６０ｂ、６０ｃは、マスクＡ，Ｂ，Ｃの外縁を示す仮想線である。Ｅｖは投影光学系の配置ピッチである。【００４２】
図７は、前記マスクＡ、マスクＢおよびマスクＣの各パターンの像が、所定の距離に設けた投影面上にどのように結像されるかを説明する図である。図７において、６１は投影された透光部５１のパターンの像を示している。ここで、破線６０ａ’、６０ｂ’、６０ｃ’は、マスクＡ，Ｂ，Ｃの外縁を示す仮想線６０ａ、６０ｂ、６０ｃが投影された位置を示す仮想線である。投影距離が長くなるにつれてストライプ状のパターンの像６１は大きくなるが、仮想線６０ａ’、６０ｂ’、６０ｃ’のピッチは常に一定でＥｖに一致する。従って、投影距離が長いほど、マスクＡ，Ｂ，Ｃの３つのパターンの像６１が重なる領域（積集合領域）６１ａの、３つのパターンの像６１のいずれかが結像されている領域（和集合領域）６１ｂに対する比率が増す。このようなマスク構成においては、３つのパターンの像６１が重なる領域内に測距範囲を設定すればよい。【００４３】
次に、図８に示すように、３つのマスク領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃ（順にマスクＡ、マスクＢ、マスクＣとする）を含む３つの３つの投影光学系を測距の基線方向９０に対して平行方向に配列した場合を考える。マスクＡ、マスクＢ、マスクＣには、図６と同じ複数のストライプ状の透光部５１が基線方向９０に対して垂直方向に形成されている。【００４４】
図９は、マスクＡ、マスクＢおよびマスクＣの各透光部５１を通過した光線の光路を示す図である。図９において、点７３ａ、７３ｂ、７３ｃは、順に図８に示したマスクＡ、マスクＢ、マスクＣを備えた投影光学系を示す。図９において、距離Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３にある投影面に結像される透光部５１のパターンの像は、透光部５１を通過した光線を示す直線と、各投影面を示す破線との交点に形成される。従って、距離Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３での透光部５１のパターンの像は、順に図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃのようになる。ここで、破線６０ａ’、６０ｂ’、６０ｃ’は、マスクＡ，Ｂ，Ｃの外縁を示す仮想線６０ａ、６０ｂ、６０ｃが投影された位置を示す仮想線である。投影面までの投影距離が異なれば投影面上に形成される透光部５１のパターンの像の大きさも異なるが、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃは、仮想線６０ａ’、６０ｂ’、６０ｃ’で囲まれた領域の大きさが図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ間で同じ大きさになるようにその倍率が調整されている。【００４５】
図８、図９、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０ＣにおいてＥｈは投影光学系の配置ピッチを示している。投影距離が長くなるにつれて透光部５１のパターンの像は大きくなるが、仮想線６０ａ’、６０ｂ’、６０ｃ’の基線方向９０のピッチは常に一定でＥｖに一致する。従って、投影距離が長いほど、図１０Ｃに示すようにパターンの像の粗密が強調される。従って、例えば図２０で説明したような、撮像した画像を複数のブロックに分割して、各ブロック毎に距離情報を取得する測距方法を用いる場合には、対象物までの距離によっては、パターンの像の密度が高いブロックとパターンの像がほとんど存在しないブロックとが混在する事態が発生し得る。このような場合、対象物自身のコントラストがほとんどない領域が撮像されたブロックが、パターンの像がほとんど存在しないブロックと一致した場合、このブロックからは測距に必要な画像情報をほとんど取得できない。その結果、精度良く距離測定ができないブロックや、測定エラーを引き起こす場合ブロックが発生し、測距精度が低下してしまう可能性がある。【００４６】
次に、本実施の形態のマスク領域の透光部５１のパターンについて説明する。図１１は本実施の形態のマスク領域５０ｄ，５０ｅの透光部５１のパターンを示す図である。測距の基線方向９０に対して平行に２つの投影光学系がアレイ状に配列される。この２つの投影光学系に含まれる２つのマスク領域５０ｄ，５０ｅのそれぞれには、平行な複数のストライプからる透光部５１のパターンが形成されている。但し、ストライプの方向は、マスク領域５０ｄ，５０ｅ間で異なる。マスク領域５０ｄ、５０ｅを、それぞれマスクＤ、マスクＥとする。破線６０ｄ、６０ｅは、マスクＤ，Ｅの外縁を示す仮想線である。Ｅｈは投影光学系の配置ピッチである。マスク領域５０ｄ，５０ｅがこのような透光部５１のパターンを有することによって、図９に示す距離Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３にある投影面に結像される透光部５１のパターンの像は、順に図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃのようになる。ここで、破線６０ｄ’、６０ｅ’はマスクＤ，Ｅの外縁を示す仮想線６０ｄ、６０ｅが投影された位置を示す仮想線である。図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃは、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃと同様に、仮想線６０ｄ’、６０ｅ’で囲まれた領域の大きさが図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ間で同じ大きさになるようにその倍率が調整されている。【００４７】
投影距離が長くなるにつれて透光部５１のパターンの像は大きくなるが、仮想線６０ｄ’、６０ｅ’は基線方向９０に常にＥｈだけずれる。従って、投影距離が長いほど、仮想線６０ｄ’、６０ｅ’で囲まれた領域の大きさに対するＥｈの比率が小さくなる。これは、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃの場合と同じである。【００４８】
ところが、本実施の形態では、２つのマスク領域５０ｄ，５０ｅに形成された透光部５１のストライプパターンの方向が異なるため、投影距離が変わってもストライプパターンの像の交点が移動するのみで、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃに示すように投影距離によってパターンの像の粗密が変化することがない。さらには、ストライプパターンの像の交点では照度が大きくなるため階調数が増す。これは、測距に必要な画像情報量が増すことを意味し、異なるマスク領域間で透光部のパターンが同一である場合に比べて、測距精度を向上させることができる。【００４９】
また、２つのマスク領域５０ｄ，５０ｅに形成された透光部５１のストライプ方向がなす角度を適正に設定することにより、測距精度を向上させることができる。以下にこの測距精度の向上の原理について説明する。【００５０】
図１３Ａは図１１のマスク領域５０ｄ（マスクＤ）の透光部５１のストライプパターンのみを所定距離の投影面上に投影し、前記投影面上の像を複眼測距装置で撮像した画像を示している。この画像を参照画像として用いて、図２０で説明したパターンマッチングを行う。図１３Ａに示したブロック９３を基線方向９０と平行な方向に探索範囲内で移動してＳＡＤを演算をする。探索範囲内に基線方向９０と垂直な複数のストライプの像が存在するためＳＡＤ値は図１４Ａのように変化する。探索範囲内にＳＡＤの極小値が複数出現し、且つ、それらの極小値がほぼ等しいため、視差を誤検出してしまう可能性がある。【００５１】
図１３Ｂは図１１のマスク領域５０ｅ（マスクＥ）の透光部５１のストライプパターンのみを所定距離の投影面上に投影し、前記投影面上の像を複眼測距装置で撮像した画像を示している。この画像を参照画像として用いて、図２０で説明したパターンマッチングを上記と同様に行う。図１３Ｂでは、基線方向９０におけるストライプの像の周期が探索範囲より長くなるように、複数のストライプの像が基線方向９０に対して傾斜している。従って、ＳＡＤ値は図１４Ｂのように変化する。探索範囲内で極小値は一つのみであるので視差の誤検出はないが、極小値前後のＳＡＤ値の変化が緩やかであるため、パターンマッチングの精度が悪くなる可能性がある。【００５２】
このように単一のストライプパターンのみを撮像してパターンマッチングを行うと、誤検出や精度が悪くなるといった問題が生じる可能性がある。【００５３】
図１３Ｃは、図１１のマスク領域５０ｄ（マスクＤ）及びマスク領域５０ｅ（マスクＥ）の両方の透光部５１のストライプパターンを所定距離の投影面上に投影し、この投影面上の像を複眼測距装置で撮像した画像を示している。この画像を参照画像として用いて、図２０で説明したパターンマッチングを上記と同様に行う。図１３Ｃに示したブロック９３を基線方向９０と平行な方向に探索範囲内で移動してＳＡＤを演算をすると、ＳＡＤ値は図１４Ｃのように変化する。即ち、探索範囲内にＳＡＤの極小値は複数存在するが、複数の極小値は互いに異なり、探索範囲内で最も小さいＳＡＤの極小値はただ一つのみである。しかも、極小値前後のＳＡＤ値の変化は急峻である。従って、パターンマッチングの精度が高くなり測距精度が向上する。【００５４】
本実施の形態において、マスク領域の透光部のパターンは図１１に限定されない。例えば、図１５に示すように、マスク領域５０ｇ，５０ｈ，５０ｉのそれぞれに、互いに異なる周期性のないランダムなパターンで透光部５１が形成されていても良い。このようなパターンでも、投影されたパターンの像の投影距離による粗密の変化を低減することができる。図１５において、黒く塗りつぶした箇所が透光部５１である。【００５５】
上記の説明では、測距の基線方向９０に１列に複数の投影光学系を配列した例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば図１６のように縦横方向に２次元に複数の投影光学系を配列しても良い。この場合、マスク領域Ａ１〜Ａ９の透光部のパターンを、互いに方向が異なるストライプパターンや、互いに異なる周期性のないランダムなパターンとすることによって、投影距離によるパターンの粗密の変化を低減できる。【００５６】
更に、本実施の形態と実施の形態１の図５とを組み合わせることができる。例えば、図１６の上段のマスク領域Ａ１〜Ａ３と、中段のマスク領域Ａ４〜Ａ６と、下段のマスク領域Ａ７〜Ａ９との間で、それらのパターンが結像される距離範囲を互いに異ならせる。これにより、このパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、広い距離範囲にわたって高精度に測距することが可能となる。【００５７】
パターン投影光源が備えるマスク領域の数は、本実施の形態に示した、２，３，９に限定されず、これ以外の数であっても良い。【００５８】
（実施の形態３）
本実施の形態では、複数の投影光学系のうちの少なくとも１つの投影光学系のマスク領域のほぼ全面が透光部である。【００５９】
実施の形態１，２で説明したパターン投影光源では、マスク領域に形成された透光部のパターンの像が対象物上に結像される。即ち、対象物の表面のうち、透光部のパターンの像が形成された領域にはパターン投影光源による光が照射され、それ以外の領域にはパターン投影光源による光は全く照射されない。【００６０】
一方、対象物の表面に各種形状や模様などが付与されている場合、明るい環境下であれば、この対象物を撮像した画像においてその形状や模様に基づくコントラストを利用して測距に必要な画像情報を抽出し対象物までの距離を測定することが可能である。従って、対象物上の形状又は模様にパターン投影光源による光が全く照射されなくても、この対象物の測距を行うことは可能である。【００６１】
ところが、暗所においては、対象物の表面に付与された形状や模様を撮像することはできない。この場合、対象物上にパターン投影光源により透光部のパターンの像が形成されると、この像の明暗を利用して測距に必要な画像情報を抽出することができる。一方、対象物上にパターン投影光源による光が全く照射されないと、撮像した画像からこの対象物の画像情報を抽出することができず、撮像素子からのノイズが不要な情報として取り込まれてしまうので、パターンマッチングによる測距精度が劣化する。【００６２】
このような問題を軽減するには、透光部のパターンの投影に加えて対象物全体に光を照射すればよい。【００６３】
本実施の形態では、複数の投影光学系のうちの少なくとも１つの投影光学系のマスク領域には、ほぼ全面が透光部であるパターンが形成されている。従って、この投影光学系を用いて対象物全体を照明すると同時に、これ以外の投影光学系を用いて対象物に透光部の所定のパターンの像を投影することができる。【００６４】
更に、対象物全体を照明するための投影光学系を図１７に示すような照明光学系として構成することにより、照明効率を高めることができ、制限された数の投影光学系を、対象物全体を照明するための投影光学系（照明光学系）と、所定のパターンの像を投影するための投影光学系とに配分することが可能になる。【００６５】
図１７は、本実施の形態の測距用補助光源の概略構成を示した断面図である。図１７において、１６は照明光学系を構成するレンズであって、ＬＥＤ２ａからの光線１７を必要な照射角度に広げる。レンズ１６が所定の画角に光線を導くため、この照明光学系には散乱部材３は必要ない。また、この照明光学系に対応するガラス基板４上の領域のほぼ全域は透光部である。θは所定のパターンの像を投影する投影光学系の投影角である。このように投影光学系と照明光学系との併用により、対象物にコントラストと照度とを与えることが可能となる。【００６６】
図１８Ａは、暗所において投影光学系のみを用いた場合の対象物上の照度分布を示した図である。暗所では透光部のパターンの像が投影されない領域での照度はゼロとなる。【００６７】
これに対して、暗所において投影光学系と照明光学系とを併用した場合の対象物上の照度分布は図１８Ｂのようになり、透光部のパターンの像が投影されない領域にも照度が付加される。【００６８】
本実施の形態によれば、暗所においては、照明光学系によって対象物全域に照度を与えることで対象物自身が持つコントラストからノイズの少ない画像情報を取得する。但し、対象物自身にコントラストがないために照度を与えても有効な画像情報を取得することができない場合には、投影光学系によって透光部のパターンの像を投影することで明暗のコントラストを付加することによって、パターンマッチングに必要な画像情報を取得することが可能となる。これにより、周囲の明るさや対象物自身が有するコントラストの有無にかかわらず、あらゆる対象物に対して高精度な距離測定を行うことが可能となる。【００６９】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１のパターン投影光源を用いた複眼測距装置について説明する。図１９は図１のパターン投影光源を用いた複眼測距装置の構成を示す断面図である。図１９において、パターン投影光源２０は、アレイ状に配列された複数の投影光学系によって測定対象物１４に透光部のパターンの像を投影する。θは投影光学系の投影角である。測定対象物１４は投影光学系の投影領域内に配置されている。２１は複眼構成の測距部である。測距部２１において、１０は基板、１１は基板１０上に実装された固体撮像素子、１２はカメラ鏡筒、１３ａは第１の撮像光学系の撮像レンズ、１３ｂは第２の撮像光学系の撮像レンズである。撮像レンズ１３ａの光軸３０ａと撮像レンズ１３ｂの光軸３０ｂとを結ぶ直線を「基線」と呼ぶ。【００７０】
対象物１４上の点１５を測定点とする。この点は第１の撮像光学系の光軸３０ａ上に位置する。測定点１５は、第１の撮像光学系により光軸３０ａが交差する固体撮像素子１１の撮像面上の位置に結像され、第２の撮像光学系により光軸３０ｂから基線方向にΔだけ離れた固体撮像素子１１の撮像面上の位置に結像される。【００７１】
撮像レンズ１３ａ，１３ｂから点１５までの距離（対象物距離）をｚとし、２つの撮像レンズ１３ａ、１３ｂの撮像中心間距離である基線長をＤとし、撮像レンズ１３ａ，１３ｂの焦点距離をｆ（撮像レンズ１３ａ，１３ｂとも同一とする）とし、視差量をΔとすると、次の近似式（数２）が成立する。【００７２】
【数２】
2007138904.tif 000004
【００７３】
視差量Δは第１の撮像光学系を介して得られた画像と第２の撮像光学系を介して得られた画像とをパターンマッチングすることで抽出できる。従って、（数２）を変形する事により点１５までの距離ｚを抽出することが可能である。【００７４】
図１９では、パターン投影光源として図１に示したパターン投影光源を用いた複眼測距装置を示したが、上述したいかなるパターン投影光源を用いてもよい。【００７５】
以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明に係るパターン投影光源の利用分野は特に制限はないが、広い距離範囲にわたって透光部のパターンの鮮明な像を投影することができるので、上述した複眼測距装置の補助光源の他、例えば投影されたパターンの像のコントラストを利用する撮像装置のオートフォーカスシステムなどに利用することができる。【００７７】
また、本発明に係る複眼測距装置の利用分野は特に制限はないが、例えば車載用、監視カメラ用、３次元形状測定用などの測距装置として有用である。
【図１】
2007138904.tif 000005
【図２】
2007138904.tif 000006
【図３】
2007138904.tif 000007
【図４】
2007138904.tif 000008
【図５】
2007138904.tif 000009
【図６】
2007138904.tif 000010
【図７】
2007138904.tif 000011
【図８】
2007138904.tif 000012
【図９】
2007138904.tif 000013
【図１０Ａ】
2007138904.tif 000014
【図１０Ｂ】
2007138904.tif 000015
【図１０Ｃ】
2007138904.tif 000016
【図１１】
2007138904.tif 000017
【図１２Ａ】
2007138904.tif 000018
【図１２Ｂ】
2007138904.tif 000019
【図１２Ｃ】
2007138904.tif 000020
【図１３Ａ】
2007138904.tif 000021
【図１３Ｂ】
2007138904.tif 000022
【図１３Ｃ】
2007138904.tif 000023
【図１４Ａ】
2007138904.tif 000024
【図１４Ｂ】
2007138904.tif 000025
【図１４Ｃ】
2007138904.tif 000026
【図１５】
2007138904.tif 000027
【図１６】
2007138904.tif 000028
【図１７】
2007138904.tif 000029
【図１８Ａ】
2007138904.tif 000030
【図１８Ｂ】
2007138904.tif 000031
【図１９】
2007138904.tif 000032
【図２０】
2007138904.tif 000033
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月25日(2008.3.25)
【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１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光が透過する透光部が所定パターンでそれぞれ形成された複数のマスク領域と、
前記透光部の前記所定パターンの像を所定距離においてそれぞれ結像させる複数のレンズと
をこの順に備え、
所定距離の投影面上において、前記透光部の前記所定パターンの像が互いに重なる領域が形成されることを特徴とするパターン投影光源。
【手続補正書】
【提出日】平成20年10月17日(2008.10.17)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光が透過する透光部が所定パターンでそれぞれ形成された複数のマスク領域と、
前記透光部の前記所定パターンの像を所定距離においてそれぞれ結像させる複数のレンズと
をこの順に備え、
所定距離の投影面上において、前記透光部の前記所定パターンの像が互いに重なる領域が形成されることを特徴とするパターン投影光源。
【請求項２】
前記複数のレンズはアレイ状に配置され一体成型されている請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項３】
前記複数のレンズのうち少なくとも２つは、互いに異なる距離において前記所定パターンの像をそれぞれ結像させる請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項４】
前記複数のマスク領域のうち少なくとも２つには、互いに異なるパターンで前記透光部が形成されている請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項５】
前記互いに異なるパターンは、いずれもストライプ状のパターンであり、かつ、ストライプの方向が互いに異なる請求項４に記載のパターン投影光源。
【請求項６】
前記互いに異なるパターンは、周期性のないランダムなパターンである請求項４に記載のパターン投影光源。
【請求項７】
前記複数のマスク領域のうち少なくとも１つには、ほぼ全面が透光部であるパターンが形成されている請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項８】
複数の撮像光学系間の視差によって対象物までの距離を測定する複眼測距部と、
請求項１に記載のパターン投影光源と
を有する複眼測距装置。
【手続補正２】
【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、対象物上に所定パターンの像を投影するパターン投影光源に関する。また、本発明は、複数の撮像光学系間の視差によって対象物までの距離を測定する複眼測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
左右あるいは上下に設置した２つの撮像装置により測定対象物を撮像し、左右あるいは上下の２つの画像間の視差を利用して対象物までの距離を測定する複眼測距装置は、自動車の車間距離測定や、カメラの自動焦点システム、３次元形状測定システム等に用いられている。この複眼測距装置には、対象物の像を撮像素子上に結像させる複眼光学系が設けられている。
【０００３】
従来、この複眼測距装置としては、左右（又は上下）一対のレンズを用いて左右（又は上下）一対の撮像素子上に対象物の像をそれぞれ結像させて２つの画像を撮像する装置が知られている（特許文献１）。
【０００４】
複眼測距装置では撮像した２つの画像からパターンマッチングすることによって視差を抽出し、三角測量の原理によって測定対象物までの距離を算出する。
【０００５】
パターンマッチングの方法を図２０を用いて説明する。９１，９２は左右一対の撮像光学系を用いて得た一対の画像である。第１の撮像光学系から得た画像（基準画像）９１中にブロック（小領域）９１ａを設定する。第２の撮像光学系から得た画像（参照画像）９２中に、ブロック９１ａと同じＹ座標値を有し且つ同じサイズのブロック９２ａを設定する。基準画像中のブロック９１ａを構成する画素の輝度値と参照画像中のブロック９２ａを構成する画素の輝度値との差分（絶対値）の総和を、下記（数１）より評価関数ＳＡＤ（Sum of Absolute Difference）として求める。
【０００６】
【数１】
2007138904.tif 000034
【０００７】
（数１）において、ｘ、ｙは撮像面のＸ座標値及びＹ座標値であり、Ｉ０、Ｉ１はそれぞれ基準画像及び参照画像において、括弧内で示した座標における画素の輝度値である。ブロック９１ａ，９２ａはいずれもｍ（Ｘ軸方向）×ｎ（Ｙ軸方向）の画素を有している。
【０００８】
参照画像９２中においてブロック９２ａの基線方向（本例ではＸ軸方向）９０における移動量ｄｘを変えてＳＡＤを演算する。ＳＡＤが極小値となるｄｘを、このブロック９１ａに対する視差量として抽出する。参照画像９２中での小領域９２ａの移動範囲（探索範囲）は測距範囲に応じて設定される。ブロック９１ａを基準画像９１中の任意の位置に設定することにより、基準画像９１中の任意の座標でＳＡＤを演算できるので、撮像視野内の全領域で視差量（距離情報）を取得することができる。基準画像９１を複数のブロックにマトリクス状に分割し、各ブロックごとに上記のパターンマッチングを行うことで、基準画像９１内の視差分布を求めることもできる。
【０００９】
このような複眼測距装置を用いて対象物までの距離を測定する場合、夜間では補助光源によって対象物に光を照射して撮像する必要がある。また、昼夜を問わず対象物が低コントラストである場合には、距離測定精度の向上のために、補助光源より所定のパターンの光を対象物に投影することによって、対象物に明暗のコントラストを与える手法が一般的に知られている（特許文献２）。
【特許文献１】特開平４−４３９１１号公報
【特許文献２】特開２００１−２６４０３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような視差を利用した従来の測距用の補助光源は単一の投影光学系を備えているので、対象物に十分な照度を与えるために、発光素子をアレイ状に配列して出力を高めた光源や、出力の大きな単一光源が必要である。また、所定のパターンの光を測定対象物に投影するためには、所定のパターンの透光部を有するマスクのサイズを上記光源のサイズに対応して大きくし、前記マスクに対応した大きなレンズを用いなければならない。従って、前記マスクの面積は複眼測距装置の撮像領域の面積に比べて大きくなってしまうため、複眼測距装置の撮像光学系に比べてパターンを投影する投影光学系の容積が大きくなり、距離測定システム全体の小型化が困難となってしまう。
【００１１】
さらには、補助光源の投影光学系と複眼測距装置の撮像光学系とがＦ値及び画角において等しいとした条件下では、補助光源の投影光学系の焦点距離が複眼測距装置の撮像光学系の焦点距離に対して大きいと、パターンを対象物に投影する場合、撮像光学系の被写界深度に対してパターンの像が良好に結像される範囲が狭くなり、その結果、対象物までの距離を精度よく測定できる範囲が狭くなってしまうという問題を生ずる。前記投影光学系がパターンの像を良好に結像する範囲を広げるためには、投影光学系の絞りを小さくする必要があるが、このような手法では照明効率が低下すると同時に対象物の照度も低下する。従って、遠方側の測距範囲が狭められてしまうという問題を生ずる。
【００１２】
本発明は、以上のような問題点を解決するために考案されたものであり、パターン投影方向において広い範囲にわたって対象物上にパターンの像を良好に結像することができ、小型化・薄型化されたパターン投影光源を提供することを目的とする。また、本発明は、小型・薄型で、距離測定の範囲が広く、かつ距離測定精度が高い複眼測距装置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】
【００１３】
本発明のパターン投影光源は、光源と、前記光源からの光が透過する透光部が所定パターンでそれぞれ形成された複数のマスク領域と、前記透光部の前記所定パターンの像を所定距離においてそれぞれ結像させる複数のレンズとをこの順に備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明の複眼測距装置は、複数の撮像光学系間の視差によって対象物までの距離を測定する複眼測距部と、上記の本発明のパターン投影光源とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のパターン投影光源は、複数のマスク領域及び複数のレンズを有するので小型化・薄型化することができる。また、複数のレンズを備えることにより、パターンの像の結像範囲を拡大することができる。更に、対象物上に透光部のパターンの像を鮮明に結像させることができる。
【００１６】
また、本発明の複眼測距装置は、上記の本発明のパターン投影光源を備えるので、小型・薄型で、距離測定の範囲が広く、かつ距離測定精度が高い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係るパターン投影光源は、それぞれがマスク領域とレンズとを備えた複数の投影光学系を有するので、単一の投影光学系からなるパターン投影光源に比べて、光軸方向の寸法（厚み）を小さくすることができる。
【００１８】
また、複数のレンズを備えることにより、対象物の照度を向上させることができるので、各レンズの焦点距離を短くでき、パターンの像が良好に結像される距離範囲が広がる。よって、本発明のパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、精度良く測距できる範囲が広くなる。
【００１９】
更に、光源、複数のマスク領域、複数のレンズがこの順に配置されているので、各レンズは透光部のパターンの像を対象物上に鮮明に結像する。よって、本発明のパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、対象物までの距離を精度良く測定できる。
【００２０】
なお、上記の本発明のパターン投影光源において、光利用効率を高めるために、光源の指向特性に応じて前記光源とマスク領域との間にレンズを挿入してもよい。
【００２１】
上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のレンズはアレイ状に配置され一体成型されていることが好ましい。複数のレンズをアレイ状に配置することにより、パターン投影光源を薄くすることができる。また、複数のレンズを一体成型することにより、金型によって各レンズの光軸の精度を増すことができるため、各レンズの光軸調整が不要になり、組立て性が向上する。
【００２２】
上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のレンズのうち少なくとも２つは、互いに異なる距離において前記所定パターンの像をそれぞれ結像させることが好ましい。これにより、パターンの像が良好に結像される距離範囲が更に広がる。特に、パターンの像が最適に結像される距離をレンズ毎にまたは複数のレンズグループ毎に異ならせ、且つ、一定以上のコントラスト比を有するパターンの像が結像される距離範囲が、異なるレンズ間でまたは異なるレンズグループ間で互いに一部重複するように設定することが好ましい。これにより、連続した更に広い距離範囲でパターンの像を良好に結像させることができる。よって、本発明のパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、精度良く測距できる範囲が更に広くなる。換言すれば、複眼測距装置の測距可能範囲において常に一定以上のコントラスト比を有するパターンの像が結像されるように複数の投影光学系を設定すれば、パターン投影光源を補助光源として使用して常に精度良く対象物までの距離を測定することができる。なお、パターンの像が結像される距離を異ならせるには、マスク領域あるいはレンズの位置を光軸方向に変化させてデフォーカスすればよい。
【００２３】
上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のマスク領域のうち少なくとも２つには、互いに異なるパターンで前記透光部が形成されていることが好ましい。例えば、複数のマスク領域のそれぞれに形成された透光部のパターンが、いずれも互いに平行な複数のストライプからなり、そのストライプパターンが互いに同一である場合、複数のレンズによって対象物上に投影されたストライプパターンの像は、対象物までの距離が近い時には互いに離れているが、対象物までの距離が遠くになるにしたがって互いに徐々に近づく。即ち、対象物上に投影されるストライプパターンの像の粗密は、対象物までの距離によって変化する。よって、対象物までの距離によっては、対象物上のパターンの像が投影されない空白領域が広くなってしまう。対象物上にこのような広い空白領域が発生すると、例えば画像を複数のブロック（小領域）に分割してブロック毎に視差を検出する上述のパターンマッチング（図２０参照）では、視差を高精度に検出できないブロックが発生してしまう。
【００２４】
このような空白領域の拡大を回避するには、異なる投影光学系間でもしくは異なる投影光学系グループ間でマスク領域に形成される透光部のパターンを変えて、投影距離が変わってもパターンの像の粗密が変化しないように設定すればよい。例えば、マスク領域に形成される透光部のパターンがストライプ状である場合には、そのストライプの方向を互いに異ならせることが好ましい。あるいは、マスク領域に形成される透光部のパターンを周期性のないランダムなパターンとし、そのランダムパターンを互いに異ならせることが好ましい。
【００２５】
上記の本発明のパターン投影光源において、前記複数のマスク領域のうち少なくとも１つには、ほぼ全面が透光部であるパターンが形成されていることが好ましい。これにより、投影角内の全域にわたって照度分布を底上げすることが可能である。これにより、暗所において、マスク領域の所定のパターンの像が形成されない対象物までの距離を、対象物自身が有するコントラストを撮像することで測定することができる。さらに照明効率を高めるには、ほぼ全面が透光部であるマスク領域を備えた投影光学系を均一な照明を行うのに適した構成（いわゆる照明光学系の構成）に変更するのが好ましい。
【００２６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るパターン投影光源２０の斜視図である。図２はその断面図である。図１において、１はＬＥＤを実装するための回路基板である。回路基板１上には、複数の砲弾型ＬＥＤ２ａが配列されている。３はＬＥＤ２ａから発生した光線を散乱させる散乱部材である。４はガラス基板であり、その表面に透光部が所定のパターンで形成された複数のマスク領域５を有する。７はマスク領域５の透光部を透過した光を収束し、透光部のパターンの像を結像させるレンズである。ＬＥＤ２ａから発光した光線は、散乱部材３、ガラス基板４、マスク領域５、及びレンズ７を介して対象物に照射され、マスク領域５に形成されたパターンが投影される。散乱部材３はレンズ７の瞳に向かう光線を発生させるために設けられている。１つのマスク領域５とこれに対応する１つのレンズ７とが１つの投影光学系を構成する。複数の投影光学系が縦横方向にアレイ状に配置されている。複数の投影光学系の光軸は互いに平行である。壁６は隣接する投影光学系からの光を遮光するために設けられている。図２において、９はレンズ７を保持するための鏡筒部材である。図１では鏡筒部材９の図示を省略している。
【００２８】
このように複数の投影光学系をアレイ状に配列する構成においては、図３のようにアレイ状に配置された複数のレンズ７が一体成型されたレンズアレイ７０を用いることが好ましい。これにより、金型によって各レンズ７の光軸精度を向上させることが可能となる。従って、個々のレンズ７の光軸調整を不要とすることができ、組立て性が向上する。
【００２９】
なお、図１〜図３では、ＬＥＤ２ａとレンズ７とが１対１に対応しているが、本発明はこれに限定されない。例えば、１つのＬＥＤ２ａに対して複数のレンズ７（あるいは全てのレンズ７）が対応していてもよいし、複数のＬＥＤ２ａに対して１つのレンズ７が対応していてもよい。また、光源としてＬＥＤを用いているが、光源の種類はこれに限定されない。
【００３０】
また、図１〜図３では、全てのマスク領域５が１枚のガラス基板４上に形成されているが、１つ又は複数のマスク領域５がそれぞれ形成された複数のガラス基板を並べて配置しても良い。
【００３１】
図４は光源として表面実装型ＬＥＤ２ｂを用いたパターン投影光源２０の断面図であり、図１及び図２に示したパターン投影光源の変形例である。図４において、回路基板１上には、複数の表面実装型ＬＥＤ２ｂが配列されている。８はＬＥＤ２ｂから発光した光線を略平行化する機能を有する平行化レンズである。
【００３２】
以上のように、複数の投影光学系をアレイ状に配列することにより、単一の投影光学系のみを用いた場合に比べて、パターン投影光源を薄型化・小型化することが可能となる。さらに、複数の投影光学系をアレイ状に配置した場合には、単一の投影光学系のみを用いた場合に比べて、各レンズ７の焦点距離を短くすることができるため、パターンの像が良好に結像される距離範囲を広くすることができる。
【００３３】
次に、パターンの像が良好に結像される距離範囲をさらに広くする構成について説明する。
【００３４】
図５は、投影されたパターンの像が良好に結像される距離範囲を拡大する方法を説明する図である。図５において、７１ａは第１の投影光学系の投影レンズ、７２ａは第１の投影光学系の光軸、７１ｂは第２の投影光学系の投影レンズ、７２ｂは第２の投影光学系の光軸、７１ｃは第３の投影光学系の投影レンズ、７２ｃは第３の投影光学系の光軸である。また、図５の下に示したグラフにおいて、４０ａは第１の投影光学系の投影距離とコントラスト比との関係を示すグラフ、４０ｂは第２の投影光学系の投影距離とコントラスト比との関係を示すグラフ、４０ｃは第３の投影光学系の投影距離とコントラスト比との関係を示すグラフである。
【００３５】
図５のパターン投影光源では、投影レンズ７１ａ、７１ｂ、７１ｃを同じ形状のレンズとして、光軸７２ａ，７２ｂ，７２ｃ方向におけるその位置を互いに異ならせている。これにより、相対的にデフォーカスされて、パターンの像が最適に結像される投影距離を投影光学系毎に異ならせることができる。図５のグラフにおいて、光軸上のコントラスト比が所定値Ｐを上回る範囲を結像深度とした場合、第１の投影光学系の結像深度はＬ１、第２の投影光学系の結像深度はＬ２、第３の投影光学系の結像深度はＬ３となっており、第１〜第３の投影光学系の結像範囲はそれぞれ、Ｚ１〜Ｚ１＋Ｌ１、Ｚ２〜Ｚ２＋Ｌ２、Ｚ３〜Ｚ３＋Ｌ３となっている。図５のように、第１〜第３の投影光学系の結像範囲を相対的にずらして互いにオーバーラップさせることで、距離範囲Ｚ１〜Ｚ３＋Ｌ３では常に良好に結像されるパターンの像が少なくとも１つ存在することになる。従って、このパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、高精度に測距できる距離範囲を広げることが可能となる。
【００３６】
投影光学系の結像範囲をずらすためには、上記のレンズを光軸方向にずらす方法以外に、マスク領域５を光軸方向にずらす方法によっても実現可能である。
【００３７】
各投影光学系の結像範囲は環境温度によっても前後にシフトするため、使用温度範囲を考慮して各投影光学系の結像範囲を設定することが望ましい。
【００３８】
（実施の形態２）
本実施の形態２のパターン投影光源の基本構成は、実施の形態１における図１及び図２と同じである。本実施の形態では、複数のマスク領域５に形成された透光部のパターンが互いに異なっている。
【００３９】
本実施の形態について説明する前に、まず、複数のマスク領域５のパターンが同じである場合について説明する。
【００４０】
図６は、アレイ状に配列された３つのマスク領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃを示している。図６に示すように、それぞれのマスク領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃの透光部５１のパターンは同じであり、それらは測距の基線方向９０に対して垂直方向に延びる複数のストライプからなる。そして、３つのマスク領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃを含む３つの投影光学系が基線方向９０と垂直方向に配列されている。マスク領域５０ａ、５０ｂ、５０ｃを、それぞれマスクＡ、マスクＢ、マスクＣとする。破線６０ａ、６０ｂ、６０ｃは、マスクＡ，Ｂ，Ｃの外縁を示す仮想線である。Ｅｖは投影光学系の配置ピッチである。
【００４１】
図７は、前記マスクＡ、マスクＢおよびマスクＣの各パターンの像が、所定の距離に設けた投影面上にどのように結像されるかを説明する図である。図７において、６１は投影された透光部５１のパターンの像を示している。ここで、破線６０ａ’、６０ｂ’、６０ｃ’は、マスクＡ，Ｂ，Ｃの外縁を示す仮想線６０ａ、６０ｂ、６０ｃが投影された位置を示す仮想線である。投影距離が長くなるにつれてストライプ状のパターンの像６１は大きくなるが、仮想線６０ａ’、６０ｂ’、６０ｃ’のピッチは常に一定でＥｖに一致する。従って、投影距離が長いほど、マスクＡ，Ｂ，Ｃの３つのパターンの像６１が重なる領域（積集合領域）６１ａの、３つのパターンの像６１のいずれかが結像されている領域（和集合領域）６１ｂに対する比率が増す。このようなマスク構成においては、３つのパターンの像６１が重なる領域内に測距範囲を設定すればよい。
【００４２】
次に、図８に示すように、３つのマスク領域５０ａ，５０ｂ，５０ｃ（順にマスクＡ、マスクＢ、マスクＣとする）を含む３つの３つの投影光学系を測距の基線方向９０に対して平行方向に配列した場合を考える。マスクＡ、マスクＢ、マスクＣには、図６と同じ複数のストライプ状の透光部５１が基線方向９０に対して垂直方向に形成されている。
【００４３】
図９は、マスクＡ、マスクＢおよびマスクＣの各透光部５１を通過した光線の光路を示す図である。図９において、点７３ａ、７３ｂ、７３ｃは、順に図８に示したマスクＡ、マスクＢ、マスクＣを備えた投影光学系を示す。図９において、距離Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３にある投影面に結像される透光部５１のパターンの像は、透光部５１を通過した光線を示す直線と、各投影面を示す破線との交点に形成される。従って、距離Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３での透光部５１のパターンの像は、順に図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃのようになる。ここで、破線６０ａ’、６０ｂ’、６０ｃ’は、マスクＡ，Ｂ，Ｃの外縁を示す仮想線６０ａ、６０ｂ、６０ｃが投影された位置を示す仮想線である。投影面までの投影距離が異なれば投影面上に形成される透光部５１のパターンの像の大きさも異なるが、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃは、仮想線６０ａ’、６０ｂ’、６０ｃ’で囲まれた領域の大きさが図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃ間で同じ大きさになるようにその倍率が調整されている。
【００４４】
図８、図９、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０ＣにおいてＥｈは投影光学系の配置ピッチを示している。投影距離が長くなるにつれて透光部５１のパターンの像は大きくなるが、仮想線６０ａ’、６０ｂ’、６０ｃ’の基線方向９０のピッチは常に一定でＥｖに一致する。従って、投影距離が長いほど、図１０Ｃに示すようにパターンの像の粗密が強調される。従って、例えば図２０で説明したような、撮像した画像を複数のブロックに分割して、各ブロック毎に距離情報を取得する測距方法を用いる場合には、対象物までの距離によっては、パターンの像の密度が高いブロックとパターンの像がほとんど存在しないブロックとが混在する事態が発生し得る。このような場合、対象物自身のコントラストがほとんどない領域が撮像されたブロックが、パターンの像がほとんど存在しないブロックと一致した場合、このブロックからは測距に必要な画像情報をほとんど取得できない。その結果、精度良く距離測定ができないブロックや、測定エラーを引き起こす場合ブロックが発生し、測距精度が低下してしまう可能性がある。
【００４５】
次に、本実施の形態のマスク領域の透光部５１のパターンについて説明する。図１１は本実施の形態のマスク領域５０ｄ，５０ｅの透光部５１のパターンを示す図である。測距の基線方向９０に対して平行に２つの投影光学系がアレイ状に配列される。この２つの投影光学系に含まれる２つのマスク領域５０ｄ，５０ｅのそれぞれには、平行な複数のストライプからる透光部５１のパターンが形成されている。但し、ストライプの方向は、マスク領域５０ｄ，５０ｅ間で異なる。マスク領域５０ｄ、５０ｅを、それぞれマスクＤ、マスクＥとする。破線６０ｄ、６０ｅは、マスクＤ，Ｅの外縁を示す仮想線である。Ｅｈは投影光学系の配置ピッチである。マスク領域５０ｄ，５０ｅがこのような透光部５１のパターンを有することによって、図９に示す距離Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３にある投影面に結像される透光部５１のパターンの像は、順に図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃのようになる。ここで、破線６０ｄ’、６０ｅ’はマスクＤ，Ｅの外縁を示す仮想線６０ｄ、６０ｅが投影された位置を示す仮想線である。図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃは、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃと同様に、仮想線６０ｄ’、６０ｅ’で囲まれた領域の大きさが図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ間で同じ大きさになるようにその倍率が調整されている。
【００４６】
投影距離が長くなるにつれて透光部５１のパターンの像は大きくなるが、仮想線６０ｄ’、６０ｅ’は基線方向９０に常にＥｈだけずれる。従って、投影距離が長いほど、仮想線６０ｄ’、６０ｅ’で囲まれた領域の大きさに対するＥｈの比率が小さくなる。これは、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃの場合と同じである。
【００４７】
ところが、本実施の形態では、２つのマスク領域５０ｄ，５０ｅに形成された透光部５１のストライプパターンの方向が異なるため、投影距離が変わってもストライプパターンの像の交点が移動するのみで、図１０Ａ、図１０Ｂ、図１０Ｃに示すように投影距離によってパターンの像の粗密が変化することがない。さらには、ストライプパターンの像の交点では照度が大きくなるため階調数が増す。これは、測距に必要な画像情報量が増すことを意味し、異なるマスク領域間で透光部のパターンが同一である場合に比べて、測距精度を向上させることができる。
【００４８】
また、２つのマスク領域５０ｄ，５０ｅに形成された透光部５１のストライプ方向がなす角度を適正に設定することにより、測距精度を向上させることができる。以下にこの測距精度の向上の原理について説明する。
【００４９】
図１３Ａは図１１のマスク領域５０ｄ（マスクＤ）の透光部５１のストライプパターンのみを所定距離の投影面上に投影し、前記投影面上の像を複眼測距装置で撮像した画像を示している。この画像を参照画像として用いて、図２０で説明したパターンマッチングを行う。図１３Ａに示したブロック９３を基線方向９０と平行な方向に探索範囲内で移動してＳＡＤを演算をする。探索範囲内に基線方向９０と垂直な複数のストライプの像が存在するためＳＡＤ値は図１４Ａのように変化する。探索範囲内にＳＡＤの極小値が複数出現し、且つ、それらの極小値がほぼ等しいため、視差を誤検出してしまう可能性がある。
【００５０】
図１３Ｂは図１１のマスク領域５０ｅ（マスクＥ）の透光部５１のストライプパターンのみを所定距離の投影面上に投影し、前記投影面上の像を複眼測距装置で撮像した画像を示している。この画像を参照画像として用いて、図２０で説明したパターンマッチングを上記と同様に行う。図１３Ｂでは、基線方向９０におけるストライプの像の周期が探索範囲より長くなるように、複数のストライプの像が基線方向９０に対して傾斜している。従って、ＳＡＤ値は図１４Ｂのように変化する。探索範囲内で極小値は一つのみであるので視差の誤検出はないが、極小値前後のＳＡＤ値の変化が緩やかであるため、パターンマッチングの精度が悪くなる可能性がある。
【００５１】
このように単一のストライプパターンのみを撮像してパターンマッチングを行うと、誤検出や精度が悪くなるといった問題が生じる可能性がある。
【００５２】
図１３Ｃは、図１１のマスク領域５０ｄ（マスクＤ）及びマスク領域５０ｅ（マスクＥ）の両方の透光部５１のストライプパターンを所定距離の投影面上に投影し、この投影面上の像を複眼測距装置で撮像した画像を示している。この画像を参照画像として用いて、図２０で説明したパターンマッチングを上記と同様に行う。図１３Ｃに示したブロック９３を基線方向９０と平行な方向に探索範囲内で移動してＳＡＤを演算をすると、ＳＡＤ値は図１４Ｃのように変化する。即ち、探索範囲内にＳＡＤの極小値は複数存在するが、複数の極小値は互いに異なり、探索範囲内で最も小さいＳＡＤの極小値はただ一つのみである。しかも、極小値前後のＳＡＤ値の変化は急峻である。従って、パターンマッチングの精度が高くなり測距精度が向上する。
【００５３】
本実施の形態において、マスク領域の透光部のパターンは図１１に限定されない。例えば、図１５に示すように、マスク領域５０ｇ，５０ｈ，５０ｉのそれぞれに、互いに異なる周期性のないランダムなパターンで透光部５１が形成されていても良い。このようなパターンでも、投影されたパターンの像の投影距離による粗密の変化を低減することができる。図１５において、黒く塗りつぶした箇所が透光部５１である。
【００５４】
上記の説明では、測距の基線方向９０に１列に複数の投影光学系を配列した例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば図１６のように縦横方向に２次元に複数の投影光学系を配列しても良い。この場合、マスク領域Ａ１〜Ａ９の透光部のパターンを、互いに方向が異なるストライプパターンや、互いに異なる周期性のないランダムなパターンとすることによって、投影距離によるパターンの粗密の変化を低減できる。
【００５５】
更に、本実施の形態と実施の形態１の図５とを組み合わせることができる。例えば、図１６の上段のマスク領域Ａ１〜Ａ３と、中段のマスク領域Ａ４〜Ａ６と、下段のマスク領域Ａ７〜Ａ９との間で、それらのパターンが結像される距離範囲を互いに異ならせる。これにより、このパターン投影光源を複眼測距装置の補助光源として用いた場合には、広い距離範囲にわたって高精度に測距することが可能となる。
【００５６】
パターン投影光源が備えるマスク領域の数は、本実施の形態に示した、２，３，９に限定されず、これ以外の数であっても良い。
【００５７】
（実施の形態３）
本実施の形態では、複数の投影光学系のうちの少なくとも１つの投影光学系のマスク領域のほぼ全面が透光部である。
【００５８】
実施の形態１，２で説明したパターン投影光源では、マスク領域に形成された透光部のパターンの像が対象物上に結像される。即ち、対象物の表面のうち、透光部のパターンの像が形成された領域にはパターン投影光源による光が照射され、それ以外の領域にはパターン投影光源による光は全く照射されない。
【００５９】
一方、対象物の表面に各種形状や模様などが付与されている場合、明るい環境下であれば、この対象物を撮像した画像においてその形状や模様に基づくコントラストを利用して測距に必要な画像情報を抽出し対象物までの距離を測定することが可能である。従って、対象物上の形状又は模様にパターン投影光源による光が全く照射されなくても、この対象物の測距を行うことは可能である。
【００６０】
ところが、暗所においては、対象物の表面に付与された形状や模様を撮像することはできない。この場合、対象物上にパターン投影光源により透光部のパターンの像が形成されると、この像の明暗を利用して測距に必要な画像情報を抽出することができる。一方、対象物上にパターン投影光源による光が全く照射されないと、撮像した画像からこの対象物の画像情報を抽出することができず、撮像素子からのノイズが不要な情報として取り込まれてしまうので、パターンマッチングによる測距精度が劣化する。
【００６１】
このような問題を軽減するには、透光部のパターンの投影に加えて対象物全体に光を照射すればよい。
【００６２】
本実施の形態では、複数の投影光学系のうちの少なくとも１つの投影光学系のマスク領域には、ほぼ全面が透光部であるパターンが形成されている。従って、この投影光学系を用いて対象物全体を照明すると同時に、これ以外の投影光学系を用いて対象物に透光部の所定のパターンの像を投影することができる。
【００６３】
更に、対象物全体を照明するための投影光学系を図１７に示すような照明光学系として構成することにより、照明効率を高めることができ、制限された数の投影光学系を、対象物全体を照明するための投影光学系（照明光学系）と、所定のパターンの像を投影するための投影光学系とに配分することが可能になる。
【００６４】
図１７は、本実施の形態の測距用補助光源の概略構成を示した断面図である。図１７において、１６は照明光学系を構成するレンズであって、ＬＥＤ２ａからの光線１７を必要な照射角度に広げる。レンズ１６が所定の画角に光線を導くため、この照明光学系には散乱部材３は必要ない。また、この照明光学系に対応するガラス基板４上の領域のほぼ全域は透光部である。θは所定のパターンの像を投影する投影光学系の投影角である。このように投影光学系と照明光学系との併用により、対象物にコントラストと照度とを与えることが可能となる。
【００６５】
図１８Ａは、暗所において投影光学系のみを用いた場合の対象物上の照度分布を示した図である。暗所では透光部のパターンの像が投影されない領域での照度はゼロとなる。
【００６６】
これに対して、暗所において投影光学系と照明光学系とを併用した場合の対象物上の照度分布は図１８Ｂのようになり、透光部のパターンの像が投影されない領域にも照度が付加される。
【００６７】
本実施の形態によれば、暗所においては、照明光学系によって対象物全域に照度を与えることで対象物自身が持つコントラストからノイズの少ない画像情報を取得する。但し、対象物自身にコントラストがないために照度を与えても有効な画像情報を取得することができない場合には、投影光学系によって透光部のパターンの像を投影することで明暗のコントラストを付加することによって、パターンマッチングに必要な画像情報を取得することが可能となる。これにより、周囲の明るさや対象物自身が有するコントラストの有無にかかわらず、あらゆる対象物に対して高精度な距離測定を行うことが可能となる。
【００６８】
（実施の形態４）
本実施の形態では、実施の形態１のパターン投影光源を用いた複眼測距装置について説明する。図１９は図１のパターン投影光源を用いた複眼測距装置の構成を示す断面図である。図１９において、パターン投影光源２０は、アレイ状に配列された複数の投影光学系によって測定対象物１４に透光部のパターンの像を投影する。θは投影光学系の投影角である。測定対象物１４は投影光学系の投影領域内に配置されている。２１は複眼構成の測距部である。測距部２１において、１０は基板、１１は基板１０上に実装された固体撮像素子、１２はカメラ鏡筒、１３ａは第１の撮像光学系の撮像レンズ、１３ｂは第２の撮像光学系の撮像レンズである。撮像レンズ１３ａの光軸３０ａと撮像レンズ１３ｂの光軸３０ｂとを結ぶ直線を「基線」と呼ぶ。
【００６９】
対象物１４上の点１５を測定点とする。この点は第１の撮像光学系の光軸３０ａ上に位置する。測定点１５は、第１の撮像光学系により光軸３０ａが交差する固体撮像素子１１の撮像面上の位置に結像され、第２の撮像光学系により光軸３０ｂから基線方向にΔだけ離れた固体撮像素子１１の撮像面上の位置に結像される。
【００７０】
撮像レンズ１３ａ，１３ｂから点１５までの距離（対象物距離）をｚとし、２つの撮像レンズ１３ａ、１３ｂの撮像中心間距離である基線長をＤとし、撮像レンズ１３ａ，１３ｂの焦点距離をｆ（撮像レンズ１３ａ，１３ｂとも同一とする）とし、視差量をΔとすると、次の近似式（数２）が成立する。
【００７１】
【数２】
2007138904.tif 000035
【００７２】
視差量Δは第１の撮像光学系を介して得られた画像と第２の撮像光学系を介して得られた画像とをパターンマッチングすることで抽出できる。従って、（数２）を変形する事により点１５までの距離ｚを抽出することが可能である。
【００７３】
図１９では、パターン投影光源として図１に示したパターン投影光源を用いた複眼測距装置を示したが、上述したいかなるパターン投影光源を用いてもよい。
【００７４】
以上に説明した実施の形態は、いずれもあくまでも本発明の技術的内容を明らかにする意図のものであって、本発明はこのような具体例にのみ限定して解釈されるものではなく、その発明の精神と請求の範囲に記載する範囲内でいろいろと変更して実施することができ、本発明を広義に解釈すべきである。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明に係るパターン投影光源の利用分野は特に制限はないが、広い距離範囲にわたって透光部のパターンの鮮明な像を投影することができるので、上述した複眼測距装置の補助光源の他、例えば投影されたパターンの像のコントラストを利用する撮像装置のオートフォーカスシステムなどに利用することができる。
【００７６】
また、本発明に係る複眼測距装置の利用分野は特に制限はないが、例えば車載用、監視カメラ用、３次元形状測定用などの測距装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】図１は、本発明の実施の形態１に係るパターン投影光源の概略構成を示した斜視図である。
【図２】図２は、本発明の実施の形態１に係るパターン投影光源の概略構成を示した断面図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態１に係る別のパターン投影光源の概略構成を示した斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態１に係る更に別のパターン投影光源の概略構成を示した断面図である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態１にパターン投影光源において、投影パターンの結像範囲を拡大する方法を説明する図である。
【図６】図６は、本発明に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの一例を示す図である。
【図７】図７は、本発明に係るパターン投影光源が図６に示したパターンを投影する様子を示す斜視図である。
【図８】図８は、本発明に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの別の例を示す図である。
【図９】図９は、本発明に係るパターン投影光源が図８に示したパターンを投影したときの光線を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、図９の距離Ｆ１にある投影面に投影された透光部のパターンの像を示した図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図９の距離Ｆ２にある投影面に投影された透光部のパターンの像を示した図である。
【図１０Ｃ】図１０Ｃは、図９の距離Ｆ３にある投影面に投影された透光部のパターンの像を示した図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの一例を示す図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、距離Ｆ１にある投影面に投影された図１１の透光部のパターンの像を示した図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、距離Ｆ２にある投影面に投影された図１１の透光部のパターンの像を示した図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、距離Ｆ３にある投影面に投影された図１１の透光部のパターンの像を示した図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源において、マスクＤの透光部のパターンの像のみを撮像した画像を示した図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源において、マスクＥの透光部のパターンの像のみを撮像した画像を示した図である。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源において、マスクＤ及びマスクＥの両方の透光部のパターンの像を撮像した画像を示した図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、図１３Ａに示した画像を用いてパターンマッチングを行った際の探索範囲内でのＳＡＤの値の変化を示した図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１３Ｂに示した画像を用いてパターンマッチングを行った際の探索範囲内でのＳＡＤの値の変化を示した図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、図１３Ｃに示した画像を用いてパターンマッチングを行った際の探索範囲内でのＳＡＤの値の変化を示した図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源のマスク領域に形成された透光部のパターンの別の例を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施の形態２に係るパターン投影光源において、複数のマスク領域の配置の一例を示した図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施の形態３に係るパターン投影光源の概略構成を示した断面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、本発明の実施の形態３に係るパターン投影光源において、投影光学系のみを用いた場合の対象物上での照度分布の一例を示した図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、本発明の実施の形態３に係るパターン投影光源において、投影光学系及び照明光学系の両方を用いた場合の対象物上での照度分布の一例を示した図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施の形態４に係る複眼測距装置の概略構成を示した断面図である。
【図２０】図２０は、複眼測距装置におけるパターンマッチングの方法を説明する図である。
【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】
2007138904.tif 000036
【図２】
2007138904.tif 000037
【図３】
2007138904.tif 000038
【図４】
2007138904.tif 000039
【図５】
2007138904.tif 000040
【図６】
2007138904.tif 000041
【図７】
2007138904.tif 000042
【図８】
2007138904.tif 000043
【図９】
2007138904.tif 000044
【図１０Ａ】
2007138904.tif 000045
【図１０Ｂ】
2007138904.tif 000046
【図１０Ｃ】
2007138904.tif 000047
【図１１】
2007138904.tif 000048
【図１２Ａ】
2007138904.tif 000049
【図１２Ｂ】
2007138904.tif 000050
【図１２Ｃ】
2007138904.tif 000051
【図１３Ａ】
2007138904.tif 000052
【図１３Ｂ】
2007138904.tif 000053
【図１３Ｃ】
2007138904.tif 000054
【図１４Ａ】
2007138904.tif 000055
【図１４Ｂ】
2007138904.tif 000056
【図１４Ｃ】
2007138904.tif 000057
【図１５】
2007138904.tif 000058
【図１６】
2007138904.tif 000059
【図１７】
2007138904.tif 000060
【図１８Ａ】
2007138904.tif 000061
【図１８Ｂ】
2007138904.tif 000062
【図１９】
2007138904.tif 000063
【図２０】
2007138904.tif 000064
【手続補正書】
【提出日】平成21年3月13日(2009.3.13)
【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】
光源と、
前記光源からの光が透過する透光部が所定パターンでそれぞれ形成された複数のマスク領域と、
前記透光部の前記所定パターンの像を所定距離においてそれぞれ結像させる複数のレンズと
をこの順に備え、
所定距離の投影面上において、前記透光部の前記所定パターンの像が互いに重なる領域が形成され、
前記複数のマスク領域のうち少なくとも２つには、当該少なくとも２つのマスク領域が前記投影面上に投影される範囲が互いに重なる領域において、互いに異なるパターンの像が結像されるように、前記透光部が互いに異なるパターンで形成されている、パターン投影光源。
【請求項２】
前記複数のレンズはアレイ状に配置され一体成型されている請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項３】
前記互いに異なるパターンは、いずれもストライプ状のパターンであり、かつ、ストライプの方向が互いに異なる請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項４】
前記互いに異なるパターンは、周期性のないランダムなパターンである請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項５】
前記複数のレンズのうち少なくとも２つは、
互いに異なる距離において前記所定パターンの像をそれぞれ最適に結像させ、
かつ、前記所定パターンの像のコントラスト比が所定の値を上回る投影方向の距離範囲が重複する、請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項６】
前記複数のマスク領域のうち少なくとも１つには、ほぼ全面が透光部であるパターンが形成されている請求項１に記載のパターン投影光源。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のパターン投影光源と、
前記パターン投影光源によって前記所定パターンの像を投影された対象物までの距離を測定する複眼測距部と
を有する複眼測距装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明のパターン投影光源は、光源と、前記光源からの光が透過する透光部が所定パターンでそれぞれ形成された複数のマスク領域と、前記透光部の前記所定パターンの像を所定距離においてそれぞれ結像させる複数のレンズとこの順に備え、所定距離の投影面上において、前記透光部の前記所定パターンの像が互いに重なる領域が形成され、前記複数のマスク領域のうち少なくとも２つには、当該少なくとも２つのマスク領域が前記投影面上に投影される範囲が互いに重なる領域において、互いに異なるパターンの像が結像されるように、前記透光部が互いに異なるパターンで形成されていることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明の複眼測距装置は、上記の本発明のパターン投影光源と、前記パターン投影光源によって前記所定パターンの像を投影された対象物までの距離を測定する複眼測距部とを有することを特徴とする。
【国際調査報告】
2007138904.tif 000065
2007138904.tif 000066
2007138904.tif 000067
2007138904.tif 000068