(57)【要約】【課題】簡素な構成で平行ステレオ法による距離測定を精度良く行うことが可能な、新規かつ改良された距離測定装置を提供すること。【解決手段】単一の結像光学系４０の入射側に位置決めされ、所定距離だけ離間し、同一物体からの入射光束を取り込む２つの光束取得手段と、結像光学系４０の回転対称軸である光軸Ｐを、各光束取得手段を介して物体側に延長させた２つの延長光軸Ｐａ，Ｐｂが、物空間上で互いに平行となるように、各光束取得手段内の各光路を変更する手段と、各光束取得手段の少なくとも一方に設けられ、延長光軸Ｐａ，Ｐｂを中心として入射光束を回転させる手段と、各光束取得手段から取り込まれた入射光束が、結像光学系４０を介して撮像素子５０上で結像されることにより得られた２つの像を比較する手段と、比較結果に基づいて、平行ステレオ法により物体までの距離を算出する手段と、を備える。【選択図】図１
2007333525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の結像光学系の入射側に位置決めされ、所定距離だけ離間し、同一の物体からの入射光束をそれぞれ取り込む第１及び第２の光束取得手段と、
前記結像光学系の回転対称軸である光軸を、前記第１及び第２の光束取得手段を介して前記物体側にそれぞれ延長させた２つの延長光軸が、物空間上で互いに平行となるように、前記第１及び第２の光束取得手段内の各光路を変更する光路変更手段と、
前記第１及び第２の光束取得手段の少なくとも一方に設けられ、前記延長光軸を中心として前記入射光束を回転させる光束回転手段と、
前記第１及び第２の光束取得手段からそれぞれ取り込まれた前記入射光束が、前記結像光学系を介して撮像素子上で結像されることにより得られた２つの像を、それぞれ比較する像比較手段と、
前記像比較手段による比較結果に基づいて、平行ステレオ法により前記物体までの距離を算出する距離算出手段と、
を備えることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記光束回転手段は、前記第１及び第２の光束取得手段の双方において、前記入射光束を前記延長光軸に対してそれぞれ反対方向に９０°回転させることを特徴とする、請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記光束回転手段は、前記第１及び第２の光束取得手段の一方のみにおいて、前記入射光束を前記延長光軸に対して１８０°回転させることを特徴とする、請求項１記載の距離測定装置。
【請求項４】
前記光束回転手段は、前記入射光束を垂直方向に折り曲げる複数の反射面の組み合わせによって構成されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項５】
前記反射面は所定の曲率を有し、前記入射光束が前記撮像素子上に結像されることで得られた前記物体像の上下方向及び／又は左右方向の倍率を変化させることを特徴とする、請求項４に記載の距離測定装置。
【請求項６】
前記光束回転手段は、ダブプリズム又はペシャンプリズムを含む光学系によって構成されたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項７】
前記結像光学系は、撮像倍率を変化させる機構を備えたことを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項８】
前記結像光学系は、合焦機構を備えたことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開平６−２４９６５２号公報、特許２９２７９１６号公報、特開平７−１５２０９６号公報などに記載されているように、２台のカメラ、２つの結像光学系を使用して、平行ステレオ法により視差画像から距離を検出する方法が知られている。
【０００３】
また、立体観賞用のカメラに関して、特開平３−２８８８４０号公報には、別々の開口部から光束を取り込んでいるが、これらの２つの開口部から取り込んだ平行光線は同一の像点となっておらず、即ち結像光学系の延長光軸が平行となっていない構成が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２４９６５２号公報
【特許文献２】特許２９２７９１６号公報
【特許文献３】特開平３−２８８８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
２台のカメラを使用して視差画像から距離を検出する場合、対象物までの距離Ｒは、カメラの焦点距離をｆ、カメラの間隔（基線長）をＬ、２つのカメラの結像位置差（視差）をaとした場合、以下の式で表される。
Ｒ＝ｆ×Ｌ／ａ
従って、２つのカメラが備える各光学系の焦点距離が安定して一致していないと、測定された距離Ｒの精度が低下するという問題がある。しかしながら、２つの光学系の精度を完全に一致させることは困難である。このため、距離Ｒには、２つの光学系の相違に起因する誤差が含まれてしまう。
【０００６】
特に、ズーミングを行う場合、２台のカメラの焦点距離差（倍率差）や歪率の差は測長誤差となるが、全てのズーム位置でこれらの差を校正することは困難である。従って、距離測定の精度を確保した状態でズーミングを行う事は実際的ではない。
【０００７】
また、視差を求めるためには、別々のカメラの画像で、各画像の対応点を正確に求める必要がある。対応点探索法としては、SSD(Sum of Squared Difference)、SAD(Sum of Absolute Difference)などの方法がある。これらの方法では、左右の画像に輝度差が生じると対応点検索の認識率が低下する特性がある。従って、カメラのシャッター速度、および絞りは、個々のカメラで輝度差が生じないように連携を取りつつ制御される必要がある。また、２台のカメラの倍率、すなわち、焦点距離や歪率が異なった場合にも認識率は下がるので、これらに関しても校正する必要がある。また、輝度差や画像取得時期の差は対応点検索の認識率を低下させるため、２台のカメラ間を調整する制御回路が別途必要となり、カメラ側に同期調整を行う機能が必要になるといった問題が生じる。
【０００８】
更に、リアルタイムで画像を処理する場合には、２台の画像は同時点で撮像される必要があり、画像取得時期の差は対応点検索の認識率を低下させる。このため、撮像素子間の同期を取る制御回路が必要である。特に、自動車に車載した状態で距離検出を行う場合、画像は刻々と変化するため、左右の画像に時間差があると、正確な距離検出を行うことは困難である。
【０００９】
更には、２台のカメラを使用するステレオカメラでは、光学系、回路系が２台分必要となるため、製造コストが単眼式の画像認識カメラよりも高くなり、システムが大型化するという問題がある。
【００１０】
次に、特開平３−２８８８４０号公報に記載された構成では、平行ステレオ法によって距離測定ができないという問題がある。同公報で記載されている「光軸」は、結像光学系の回転中心軸としての光軸のことを述べておらず、軸外物体の主光線(chief ray；入射瞳の中心を通る光線)のことを述べている。同公報に記載の構成では、結像光学系の回転中心軸としての光軸を被写体側に延長した２つの光軸が平行であると、２つの光束には、取り込み角度にオーバーラップする部分がないため、物体の同一部分を観察することはできない。同一部分を観察するためには、互いの光軸は傾きを持つ必要があり、立体映像観賞用としては、このような構成でも十分である。しかし、平行ステレオ法によって距離を測定する場合、物体の認識にはエピボーラ線を平行にしなくてはならず、結像光学系の光軸の延長線は互いに平行でなくてはならない。この場合、単純に物体からの光束を分割しただけでは、同一の物体を観察することはできないという問題がある。従って、特開平３−２８８８４０号公報に記載された構成では、平行ステレオ法によって物体の距離測定を行うことはできない。
【００１１】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、簡素な構成で平行ステレオ法による距離測定を精度良く行うことが可能な、新規かつ改良された距離測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、単一の結像光学系の入射側に位置決めされ、所定距離だけ離間し、同一の物体からの入射光束をそれぞれ取り込む第１及び第２の光束取得手段と、前記結像光学系の回転対称軸である光軸を、前記第１及び第２の光束取得手段を介して前記物体側にそれぞれ延長させた２つの延長光軸が、物空間上で互いに平行となるように、前記第１及び第２の光束取得手段内の各光路を変更する光路変更手段と、前記第１及び第２の光束取得手段の少なくとも一方に設けられ、前記延長光軸を中心として前記入射光束を回転させる光束回転手段と、前記第１及び第２の光束取得手段からそれぞれ取り込まれた前記入射光束が、前記結像光学系を介して撮像素子上で結像されることにより得られた２つの像を、それぞれ比較する像比較手段と、前記像比較手段による比較結果に基づいて、平行ステレオ法により前記物体までの距離を算出する距離算出手段と、を備えた距離測定装置が提供される。
【００１３】
上記構成によれば、所定距離だけ離間し、同一の物体からの入射光束をそれぞれ取り込む第１及び第２の光束取得手段が単一の結像光学系の入射側に位置決めされる。光路変更手段は、結像光学系の回転対称軸である光軸を、第１及び第２の光束取得手段を介して物体側にそれぞれ延長させた２つの延長光軸が、物空間上で互いに平行となるように、第１及び第２の光束取得手段内の各光路を変更する。光束回転手段は、第１及び第２の光束取得手段の少なくとも一方に設けられ、延長光軸を中心として入射光束を回転させる。光束回転手段が無い場合には、同一の物点から第１及び第２の光束取得手段に対して入射した２つの入射光束は、結像光学系で“けられ”てしまい撮像素子上の結像面に到達しない。上記構成によれば、光束回転手段を設けているため、結像光学系で“けられ”る方向が回転し同一の物点からの光であっても、第１及び第２の光束取得手段に入射した光束を結像させる事が可能となる。これにより撮像素子上に結像された２つの物体像に現れる視差を利用して、平行ステレオ法により物体までの距離を測定することができる。なお、結像光学系での“けられ”は方向が変わるだけであるから、例えば第１及び第２の光束取得手段が左右に配置され、２つの入射光束に対して互いに９０°の回転を行った場合には、結像光学系で結像された像は、ともに上半分が“けられ”た状態で観察される。
【００１４】
また、前記光束回転手段は、前記第１及び第２の光束取得手段の双方において、前記入射光束を前記延長光軸に対してそれぞれ反対方向に９０°回転させるものであってもよい。また、前記光束回転手段は、前記第１及び第２の光束取得手段の一方のみにおいて、前記入射光束を前記延長光軸に対して１８０°回転させるものであってもよい。かかる構成によれば、異なる位置で取り込まれた同一の物体からの入射光束を単一の結像光学系によって結像させることができる。
【００１５】
また、光束回転手段は、前記入射光束を垂直方向に折り曲げる複数の反射面の組み合わせによって構成されたものであってもよい。かかる構成によれば、例えば、互いに直交する３つの座標軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）の方向に光束を順次に折り曲げることで、入射光束を９０°回転させることができる。
【００１６】
また、前記反射面は所定の曲率を有し、前記入射光束が前記撮像素子上に結像されることで得られた前記物体像の上下方向及び／又は左右方向の倍率を変化させるものであってもよい。上下方向、左右方向の倍率を共に変化させた場合、反射面によって、結像光学系の前にワイドコンバータまたはテレコンバータの機能を持たせることができ、結像倍率を調整できる。また、片方の倍率のみを拡大した場合には、前述した“けられ”による片方向の画角減少を補うことが可能である。
【００１７】
また、光束回転手段は、ダブプリズム又はペシャンプリズムを含む光学系によって構成されたものであってもよい。かかる構成によれば、像回転手段を含む光学系を直線状に構成することができ、省スペース化を達成できる。
【００１８】
また、前記結像光学系は、撮像倍率を変化させる機構を備えたものであってもよい。かかる構成によれば、物体像の倍率を可変することができ、所望の像を撮像素子上に距離測定精度を損なうことなく結像させることができる。
【００１９】
また、前記結像光学系は、合焦機構を備えたものであってもよい。かかる構成によれば、物体像を撮像素子上に距離測定精度を損なうことなく合焦させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、簡素な構成で平行ステレオ法による距離測定を精度良く行うことが可能な距離測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態にかかる距離測定装置を示す模式図である。本実施形態の距離測定装置は、自動車の車間を検知する車間距離センサー、道路上の白線を検知する白線検知センサー、などの物体認識センサーとして用いられるものである。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態の距離測定装置は、アダプター部１０、結像光学系４０、撮像素子（ＣＣＤ）５０を有して構成されている。本実施形態の距離測定装置は、結像光学系４０と撮像素子５０からなるＣＣＤカメラの前面にアダプター１０を装着することで構成されている。
【００２４】
アダプター部１０は、異なる２箇所より物体からの光束を取り込み、単一の結像光学系に導くプリズム、あるいは反射ミラーから構成される。本実施形態において、アダプター１０はプリズムから構成されている。
【００２５】
図１において、カメラ側から物体に向かって、左右方向をＸ軸方向（物体に向かって右→左方向を＋方向）、上下方向をＹ軸方向（物体に向かって下→上方向を＋方向）、カメラ側から物体へ向かう方向をＺ軸方向（カメラ→物体を＋方向）とする。
【００２６】
図１に示すように、アダプター１０は、プリズム群２０およびプリズム群３０を備えている。プリズム群２０は、測距対象である物体（被写体）に向かって左側（＋Ｘ方向）に配置されている。一方、プリズム群３０は、測距対象である物体に向かって右側（−Ｘ方向）に配置されている。
【００２７】
プリズム群２０は、プリズム２２、プリズム２４、プリズム２６から構成されている。図１に示すように、プリズム２２、プリズム２４、プリズム２６のそれぞれは、斜面状の反射面を有している。
【００２８】
図１に示すように、プリズム群２０のプリズム２２の反射面は、Ｘ軸に対して平行であり、Ｙ軸、Ｚ軸に対して４５°傾斜している。また、プリズム２４の反射面は、Ｚ軸に対して平行であり、Ｘ軸、Ｙ軸に対して４５°傾斜している。また、プリズム２６の反射面は、Ｙ軸に対して平行であり、Ｘ軸、Ｚ軸に対して４５°傾斜している。
【００２９】
従って、プリズム群２０へ入射する物体の像を図１に示すような矢印Ａ１で表すと、物体（矢印１）からの入射光はプリズム２２でＹ軸方向に折り曲げられ、プリズム２４でＸ軸方向に折り曲げられる。従って、元々Ｙ軸方向に伸びていた像（矢印Ａ１）は、Ｘ軸方向へ折り曲げるプリズム２４上ではＺ軸方向に伸びた像（矢印Ａ２）となる。そして、Ｚ軸方向に伸びた像（矢印Ａ２）をプリズム２６によってＺ軸方向に折り曲げると、折り曲げられた像はＸ軸方向に伸びた像（矢印Ａ３）となる。このように、プリズム群２０は、物体から入射した光を図１中に示す矢印Ｃ方向に９０°回転させる機能を有している。
【００３０】
同様に、プリズム群３０は、プリズム３２、プリズム３４、プリズム３６から構成されている。図１に示すように、プリズム３２、プリズム３４、プリズム３６のそれぞれは、斜面状の反射面を有している。
【００３１】
図１に示すように、プリズム群３０のプリズム３２の反射面は、Ｘ軸に対して平行であり、Ｙ軸、Ｚ軸に対して４５°傾斜している。また、プリズム３４の反射面は、Ｚ軸に対して平行であり、Ｘ軸、Ｙ軸に対して４５°傾斜している。また、プリズム３６の反射面は、Ｙ軸に対して平行であり、Ｘ軸、Ｚ軸に対して４５°傾斜している。
【００３２】
従って、プリズム群３０へ入射する物体の像を図１に示すような矢印Ｂ１で表すと、物体（矢印Ｂ１）からの入射光はプリズム３２でＹ軸方向に折り曲げられ、プリズム３４でＸ軸方向に折り曲げられる。従って、元々Ｙ方向に伸びていた像（矢印Ｂ１）は、Ｘ軸方向へ折り曲げるプリズム３４上ではＺ軸方向に伸びた像（矢印Ｂ２）となる。そして、Ｚ方向に伸びた像（矢印Ｂ２）をプリズム３６によってＺ軸方向に折り曲げると、折り曲げられた像はＸ軸方向に伸びた像（矢印Ｂ３）となる。このように、プリズム群３０は、物体から入射した光を図１中に示す矢印Ｄ方向に９０°回転させる機能を有している。
【００３３】
また、アダプター部１０は、結像光学系４０の光軸Ｐ(principal ray)を物体側へ延長すると、プリズム群２０，３０の双方から物体側へ延びる仮想光軸（延長光軸）Ｐａ，Ｐｂが平行になるように構成される。ここで、光軸Ｐは、結像光学系４０が備える光学系の回転対称軸である。
【００３４】
すなわち、結像光学系４０の光軸Ｐを、プリズム群２０を介して物体側へ延長すると、光軸Ｐはプリズム２６によってＸ軸方向に折り曲げられ、プリズム２４によってＹ軸方向に折り曲げられ、プリズム２２によってＺ軸方向に折り曲げられて、図１に示す仮想光軸Ｐａとなる。従って、結像光学系４０の光軸Ｐと、プリズム群２２から物体側へ延びる仮想光軸Ｐａは平行になる。
【００３５】
また、結像光学系４０の光軸Ｐを、プリズム群３０を介して物体側へ延長すると、光軸Ｐはプリズム３６によってＸ軸方向に折り曲げられ、プリズム３４によってＹ軸方向に折り曲げられ、プリズム３２によってＺ軸方向に折り曲げられて図１に示す仮想光軸Ｐｂとなる。従って、結像光学系４０の光軸Ｐと、プリズム群３２から物体側へ延びる仮想光軸Ｐｂは平行になる。このため、結像光学系４０の光軸Ｐをアダプター部１０によって物体側へ延長して得られた２つの仮想光軸Ｐａ、光軸Ｐｂは、ともに平行になる。
【００３６】
このように、アダプター部１０は、像回転を行うとともに、光軸Ｐを物体側に延長して得られる２つの仮想光軸Ｐａ、光軸Ｐｂがともに平行になるように構成される。そして、アダプター部１０は、所定距離だけ離間した仮想光軸Ｐａ，Ｐｂの方向に同一の物体からの入射光束（光束群Ａ、光束群Ｂ）をそれぞれ取り込む手段、結像光学系の回転対称軸である光軸Ｐを、物体側にそれぞれ延長させた２つの仮想光軸Ｐａ，Ｐｂが、物空間上で互いに平行となるように、光路を変更する手段、光束群Ａ、光束群Ｂを回転させる手段、および回転させた像を結像光学系４０へ入射させる手段として機能する。そして、本実施形態では、このようなアダプター部１０の機能を用いて、１つの結像光学系４０のみを用いて、平行ステレオ法により物体までの距離を測定することとしている。
【００３７】
以下、アダプター１０の前方に位置する物体Ｕ（被写体像）までの距離を測定する手法について詳細に説明する。物体Ｕからの光束はアダプター１０のプリズム群２０とプリズム群３０の双方へ入射する。ここで、プリズム群２０に入射する光束を光束群Ａとし、プリズム群３０に入射する光束を光束群Ｂとする。
【００３８】
図１において、仮想光軸Ｐａの位置のＹ座標を０とすると、プリズム２２には仮想光軸Ｐａよりも−Ｙ方向に分布する画角の像が入射する。すなわち、物体Ｕの下側半分が光束群Ａとしてプリズム２２へ入射する。そして、光束群Ａは、プリズム群２０によって矢印Ｃ方向に９０°回転される。光軸Ｐの位置のＸ座標を０とすると、物体Ｕの位置では−Ｙ方向に分布する画角の像は、像回転によって＋Ｘ方向に分布する。従って、光束群Ａがプリズム群２０によって像回転されると、結像光学系４０の第１面では、図１に示す物体像Ａとなる。
【００３９】
同様に、仮想光軸Ｐｂの位置のＹ座標を０とすると、プリズム３２には光軸Ｐｂよりも−Ｙ方向に分布する画角の像が入射する。すなわち、プリズム群３０においても、物体Ｕの下側半分が光束群Ｂとしてプリズム３２へ入射する。そして、光束群Ｂは、プリズム群３０によって矢印Ｄ方向に９０°回転される。光軸Ｐの位置のＸ座標を０とすると、物体Ｕの位置では−Ｙ方向に分布する画角の像は、像回転によって−Ｘ方向に分布する。従って、光束群Ｂがプリズム群３０によって像回転されると、結像光学系４０の第１面では、図１に示す物体像Ｂとなる。
【００４０】
これにより、光束群Ａは物体Ｕの下半分（−Ｙ方向）のみに該当し、光束群Ｂも物体Ｕの下半分（−Ｙ方向）のみに該当しているにもかかわらず、結像光学系４０の第１面全域に均一な光が入射されることになる。
【００４１】
図２は、図１の構成を上方（図１中の矢印Ｅ方向）から見た状態を示す模式図である。また、図３は、結像光学系４０の構成を示す図であって、結像光学系４０の光軸Ｐに沿った断面を図１中の矢印Ｅ方向から見た状態を示している。
【００４２】
図２及び図３に示すように、光軸ＰのＸ座標を０とすると、プリズム群２０によって像回転された光束群Ａ（物体像Ａ）は、＋Ｘ方向に分布する画角の像として結像光学系４０へ入射する。すなわち、物体像Ａは被写体に向かって結像光学系４０の左半分へ入射する。一方、プリズム群３０によって像回転された光束群Ｂ（物体像Ｂ）は、−Ｘ方向に分布する画角の像として結像光学系へ入射する。すなわち、物体像Ｂは被写体に向かって結像光学系４０の右半分へ入射する。そして、光束群Ａ、光束群Ｂは結像光学系４０内で反転し、光束群Ａは撮像素子５０の領域Ａに結像し、光束群Ｂは撮像素子５０の領域Ｂに結像する。
【００４３】
図３に示すように、結像光学系４０の第１面で光軸Ｐに対する角度がθの主光線（チーフレイ；chief ray）は、撮像素子５０上の座標Ｘの位置で結像する。このとき、座標Ｘと角度θとの関係は、以下の式で表される。
｜Ｘ｜＝ｆ＊tan(θ)
【００４４】
図３において、物体上の同一点から発生する主光線ＣＲＡ，ＣＲＢであっても、光束群Ａと光束群Ｂはプリズム２２、プリズム３２の間隔だけ離れた位置で入射するため、光束群Ａと光束群Ｂとでは異なる角度θを有する。このため、撮像素子５０上での像面位置は異なる。すなわち、主光線ＣＲＡによって領域Ａに結像した像と主光線ＣＲＢによって領域Ｂに結像した像とでは、同一点を見ているにも関わらず、撮像素子５０上でのＸ座標の絶対値は異なる値となる。従って、結像した２つの像の間には輻輳角が存在し、これにより視差像を得ることが可能となる。
【００４５】
同一物体を見たときに、取り込んだ２つの画像の視線がなす角度（輻輳角）があることが平行ステレオ法による測長の根幹である。本実施形態の距離測定装置は、単一の結像光学系４０のみで構成されるが、同一物点から複数の主光線(chief ray)が発生し、結像面での到達点を異ならすことができるため、単一の結像光学系４０であっても測長が可能である。
【００４６】
図３に示すように、結像光学系４０は、フォーカスのためのレンズ群４０ｂと、ズームのためのレンズ群４０ａを備えている。従って、レンズ群４０ｂ、レンズ群４０ａの位置を可変することで、合焦操作、ズーム（焦点距離可変）操作を行うことができる。
【００４７】
図４は、撮像素子５０上に結像した物体像Ａ、物体像Ｂを示す図であって、結像光学系４０側から撮像素子５０を見た状態を示している。図４に示すように、撮像素子５０の領域Ａには、結像光学系４０へ入射した物体像Ａが反転して結像する。一方、撮像素子５０の領域Ｂには、結像光学系４０へ入射した物体像Ｂが反転して結像する。
【００４８】
この際、上述のように、撮像素子５０上に結像した物体像Ａと、撮像素子５０上に結像した物体像Ｂとの間には輻輳角が存在するため、撮像素子５０に結像した物体像Ａと物体像Ｂを比較することで、平行ステレオ法により物体までの距離を測定することができる。前述したように、カメラの焦点距離をｆ、カメラの間隔（基線長）をＬ、２つのカメラの結像位置差（視差）をaとした場合、対象物までの距離Ｒは、Ｒ＝ｆ×Ｌ／ａで表される。
【００４９】
図５は、撮像素子５０に結像した物体像Ａ、物体像Ｂを比較し、対応点検索を行う方法を示す模式図である。説明の便宜上、図５では、物体像Ａ、物体像Ｂが結像した撮像素子５０の領域Ａ、領域Ｂを２つに分割して示している。
【００５０】
物体像Ａ、物体像Ｂを比較する際には、領域Ａ、領域Ｂのそれぞれにおいて、図５に示す矢印方向に順次に画像データが取り込まれる。図５において、物体像Ａ、物体像Ｂを走査しているＹ軸方向の座標Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３は、領域Ａ，Ｂのそれぞれで同一である。
【００５１】
図４において、物体像Ａ上と物体像Ｂ上で同一の物点は、光軸Ｐが通過する中心点Ｏに対して、概略的には点対称の位置関係になる。従って、図５の領域Ａにおいて座標Ｙ１の位置で矢印方向に取り込んだ画像データは、領域Ｂにおいて座標Ｙ１の位置で矢印方向に取り込んだ画像データに対応する。同様に、領域Ａにおいて座標Ｙ２の位置で矢印方向に取り込んだ画像データは、領域Ｂにおいて座標Ｙ２の位置で矢印方向に取り込んだ画像データに対応し、領域Ａにおいて座標Ｙ３の位置で矢印方向に取り込んだ画像データは、領域Ｂにおいて座標Ｙ３の位置で矢印方向に取り込んだ画像データに対応する。従って、領域Ａと領域Ｂの双方で同一のＹ座標位置で得られた対応する画像データを比較することで、物体像Ａ、物体像Ｂを比較することができる。そして、撮像素子５０上での物体像Ａ、物体像ＢのＸ軸方向のズレ量に基づいて、平行ステレオ法により物体までの距離を測定することができる。
【００５２】
なお、平行ステレオ法の場合、物体位置の同一物点は、撮像素子４０の結像面の領域Ａ、領域Ｂにおいて、Ｘ座標は異なるものの、Ｙ座標は同一である。従って、図５に示すように、同一のＹ座標位置においてＸ軸方向に走査を行うことで、同一物点のＸ軸方向のズレ量（視差）を確実に検出することができる。
【００５３】
距離測定装置を自動車の車間センサー等に用いる場合は、リアルタイムで画像処理を行うため、複数の画像データ（走査線）毎に対応点検索を行う。撮像素子５０としてＣＭＯＳセンサーを用いた場合、任意の画素位置から光量を読み取ることができるため、領域Ａと領域Ｂで対応点検索が行い易いように、単一ＣＭＯＳ内でも取得順序を決めておくのがよい。なお、上述の手法では、物体の左右の画角は結像光学系４０の画角となるが、上下の画角は結像光学系４０の画角の半分となる。しかし、例えば自動車に搭載することを想定した場合、側方視野は広いことが求められるが、空の情報は必要ないため、上下の画角が左右の画角ほど必要とならず、上下の画角が狭くなっても影響は少ない。
【００５４】
ところで、プリズムを使って物体からの光束を左右に分割することを考えた場合、物体からの光束を単に左右に分割するのみでは、分割されたどちらの光束も上下方向（Ｚ方向）には全画角の光線として出射されているが、左に分割された像は左側の半画角のみ、右に分割された像は右側の半画角のみがプリズムから出射される。このままでは、左右の画像は別々の画像となり、オーバーラップする部分はない。従って、分割された２つの画像に輻輳角は発生せず、ステレオ法により距離を測定することはできない。
【００５５】
また、前述した特開平３−２８８８４０号公報に記載された観賞用のカメラのように、プリズムを使用したり、ミラーの角度を調整することで、２つの画像にオーバーラップを生じさせることはできるが、分割された各画像の光軸は平行ではなくなる。このため、平行ステレオ法は使用できなくなり、同一物点（対応点）の探索を走査線方向のみの探索では行えなくなり、距離の算出が困難となる。
【００５６】
本実施形態の手法によれば、プリズム群２０、プリズム群３０によって像面を回転することができ、光束群Ａと光束群Ｂの仮想光軸Ｐａ、仮想光軸Ｐｂが平行であるため、分割によって得られた２つの画像の仮想光軸Ｐａ、仮想光軸Ｐｂを平行にした状態で、２つの画像にオーバーラップ部を形成することができる。これにより、平行ステレオ法により簡単なアルゴリズムにより同一物点探索が行え、リアルタイムな処理にも適した距離測定器を提供する事ができる。
【００５７】
なお、厳密には光束群Ａと光束群Ｂで混在する領域が存在する、このため、実際に視差像として使用できるのは、光束群Ａと光束群Ｂを分離するプリズム（プリズム２６、プリズム３６）から結像光学系４０の第１面までの距離をｄとし、入射瞳半径をａとした場合に、画角θ＞Ａ＊ｔａｎ（ａ／ｄ）となる画角である。この画角θより小さい範囲では、結像点には光束群Ａと光束群Ｂの情報が混在するため、この画角以上の範囲の画像を用いることが好適である。
【００５８】
そして、本実施形態の手法によれば、視差を有する２つの物体像Ａ，Ｂが同一の結像光学系４０に入射して撮像素子５０へ結像する。このように、単一の結像光学系４０を使用しているため、２つの像の間に倍率差が生じることがない。従って、物体像Ａと物体像Ｂの間に光学系に起因する誤差が生じることを抑止でき、ステレオ法による正確な距離測定が可能となる。これは、結像光学系４０に変倍機構（ズーム機構）が含まれている場合も同様である。従って、変倍機構を備えた結像光学系４０においても、物体像Ａと物体像Ｂの間に誤差が生じることを確実に抑止できる。
【００５９】
また、結像光学系４０が単一であるため、絞り、シャッターはそれぞれ１つ構成すればよく、絞り、シャッターを２つの光学系で連携させる必要がないため、左右の画像に輝度差が生じることがない。従って、対応点検索の認識率の精度を大幅に向上することができる。更に、リアルタイムで画像を処理する場合においても、２つの物体像Ａ，Ｂを同時に撮像することができるため、画像取得時期に差が生じることがなく、対応点検索の認識率を大幅に向上することができる。
【００６０】
また、本実施形態による距離測定装置は、自動車に搭載される車間センサー等の測長を目的とする製品のみならず、画像から物体を認識する場合にも有用である。例えば、背景から特定の物体を認識する際に、距離情報を併用することで、背景と物体との距離差に基づいて背景画像から特定の物体を分離することができる。また、物体表面上の凹凸認識も物体認識率を向上させるが、２次元画像だけでは、境界は判別できたとしても、どちらの画像が凸か判別し難い。この場合においても、距離情報が検出されると凹凸を容易に認識することができる。このように、本実施形態の距離検出装置によれば、簡便で精度の高いステレオカメラを構成することができるため、物体認識に関して非常に広範囲な利用が可能となる。
【００６１】
なお、上述の構成では、プリズム群２０、プリズム群３０の反射面を組み合わせて９０°の像回転を行っているが、像面の回転は、ダブプリズムやペシャンプリズム(pechan prism)によって行っても良い。図６は、図２と同様に、距離測定装置を上側から見た状態を示す模式図であって、ペシャンプリズム６０を用いて像回転を行った例を示す模式図である。ダブプリズム、ペシャンプリズム６０を用いた場合、取り込んだ光束をＺ軸方向に折り曲げる必要がないため、プリズムを直線配置することができ、スペース上有利になる。
【００６２】
次に、図７に基づいて、プリズム群２０，３０の反射面に曲率を持たせた例を示す模式図である。図７は、プリズム群２０の構成を示す模式図である。ここで、図７（Ａ）は、プリズム２４及びプリズム２６の反射面を平面で構成した例を示している。また、図７（Ｂ）は、プリズム２４を凸面とし、プリズム２６を凹面とした例を示している。
【００６３】
アダプター部１０では、光路の基線長（左右の開口部の距離）が長いほど、遠方の物体に対する距離測定精度が向上する。一方で、アダプター部１０は発散光が通過するため、図７（Ａ）に示すように、被写体側のプリズム２４の反射面を、結像光学系４０側のプリズム２６の反射面に比べて大きくする必要がある。このため、アダプター部１０の光路長が長くなるほど、アダプター部１０の開口は大きくなってしまう。
【００６４】
このため、図７（Ｂ）に示すように、結像光学系４０の直前のプリズム２６の反射面に正のパワーを持たせて凹面とし、プリズム２４の反射面に負のパワーを持たせて凸面とする。これにより、アダプター部１０にワイドコンバータの機能を持たせることができ、物体側の画角θ２を反射面を、反射面が平面の場合の画角θ１（図７（Ａ）参照）に比べて大きくすることができる。この場合、より広範囲の画像を取り込むことができる。また、アダプター部１０の被写体側の開口での画角よりも結像光学系４０の画角は小さくて済むので、アダプター部１０の全体のサイズを小さくすることができる。
【００６５】
上述したように、光束群Ａと光束群Ｂには混在する領域（画角）が生じるため、結像光学系４０は高倍率の方が都合がよい。しかし、遠方の物体の距離を測定する場合は、結像光学系４０のみでは不十分な場合があるため、このような場合は、図７（Ａ）の場合と凹面、凸面の関係を逆にし、プリズム２４の反射面を凹面とし、プリズム２６の反射面を凸面とし、アダプター部１０にテレコンバータの機能を持たせることが好適である。この場合も、アダプター部１０の左右でテレコンバータ部の差の校正は必要であるが、焦点距離の変動を担うのは共通の結像光学系４０であるため、ズーミングの際に生じる誤差を抑止することができる。
【００６６】
また、図７（Ｂ）のようにプリズム群２０，３０の反射面に正、負のパワーを持たせることで、物体の左右と上下で倍率を変えることもできる。プリズム群２０，３０の反射面を平面で構成した場合は、上述のように上下方向の画像は左右の画像に対して半分以下の画角しか持てない。一方、プリズム群２０，３０の反射面に正、負のパワーを持たせ、上下方向の倍率を左右方向の倍率よりも大きくすると、撮像素子５０上に取得される上下方向の像の範囲を拡大することができる。具体的には、プリズム２２の反射面を凸面とし、プリズム２６の反射面を凹面とすることで、上下方向の倍率を左右方向の倍率よりも大きくすることができる。この場合、撮像素子５０上に結像した画像自体は上下方向（Ｙ方向）が圧縮された形となるが、本実施形態のように画像データを観賞用として用いるのではなく、距離測定用、画像認識用として用いる場合は、上下方向が圧縮された画像であっても構わない。
【００６７】
以上説明したように本実施形態によれば、アダプター部１０から取り込んだ２つの光束群Ａ、光束群Ｂを結像光学系４０の回転中心に対して回転させるようにしたため、１つの結像光学系４０のみを用いて、同一物点からの光を撮像素子５０上の異なる領域Ａ、領域Ｂに結像させることができる。従って、領域Ａ、領域Ｂの画像を比較することで、平行ステレオ法により距離計算を行うことができる。
【００６８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の一実施形態にかかる距離測定装置を示す模式図である。
【図２】図１の構成を上方（図１中の矢印Ｅ方向）から見た状態を示す模式図である
【図３】結像光学系の構成を示す図であって、結像光学系の光軸Ｐに沿った断面を図１中の矢印Ｅ方向から見た状態を示している。
【図４】撮像素子上に結像した物体像Ａ、物体像Ｂを示す図であって、結像光学系側から撮像素子を見た状態を示す図である。
【図５】撮像素子に結像した物体像Ａ、物体像Ｂを比較し、対応点検索を行う方法を示す模式図である。
【図６】ペシャンプリズムで像回転を行った例を示す模式図である。
【図７】プリズム群の反射面に曲率を持たせた例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００７０】
２０，３０      プリズム群
２２，２４，２６，３２，３４，３６      プリズム
４０      結像光学系
４０ａ    フォーカスレンズ群
４０ｂ    ズームレンズ群４０ｂ
５０      撮像素子
６０      ペシャンプリズム
【図１】
2007333525.tif 000003
【図２】
2007333525.tif 000004
【図３】
2007333525.tif 000005
【図４】
2007333525.tif 000006
【図５】
2007333525.tif 000007
【図６】
2007333525.tif 000008
【図７】
2007333525.tif 000009