JP2013104784A - 光３次元カメラ - Google Patents

Abstract

【課題】近距離から遠距離まで高い測距精度を確保する。
【解決手段】ターゲット２０への送信光を出力する光源３と、送信光を所定照射強度パターンとする拡散板４と、所定照射強度パターンとされた送信光に対するターゲット２０からの散乱光を複数の素子で受光し、電気信号に変換する受光素子アレイ７と、電気信号から位相を検波する位相検波器アレイ８と、電気信号から強度を検出する強度検出部１０１と、強度に基づいて、三角測量方式により、素子ごとにターゲット２０の対応点までの距離を計測する距離検出部１０２と、位相に基づいて、ＴＯＦ方式により、素子ごとにターゲット２０の対応点までの距離を計測する距離検出部１０３と、強度に基づいて、素子ごとに距離検出部１０２，１０３による計測結果のいずれか一方を選択する判定部１０４と、選択された計測結果に基づいて、ターゲット２０の３次元形状を計測する３次元画像出力部１０５とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、自機からターゲット上の複数点までの距離を計測することで、当該ターゲットの３次元形状を計測する光３次元カメラに関するものである。

従来、自機からターゲット上の複数点までの距離を計測することで、当該ターゲットの３次元形状を計測する光３次元カメラとしては、例えば、特許文献１に開示された三角測量方式を用いたものや、特許文献２に開示されたＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式を用いたものが知られている。

特許文献１に開示された三角測量方式では、送信光学系からランダムパターン光をターゲットに対して照射し、このパターンを２次元アレイの受光素子で撮像する。そして、ターゲットの動きにより生じる上記パターンの変化の仕方から、三角測量の原理を用いてターゲットの３次元形状を求めている。
この三角測量方式は、一般的に、撮像距離が近距離に制限されるものの、近距離での測距精度が高いことにメリットがあると言われている。

また、特許文献２に開示されたＴＯＦ方式では、均一パターン光をターゲットに対して照射し、ターゲット上の各点からの散乱光を２次元アレイの受光素子で受光する。そして、ターゲット上の各点に対応するアレイ内の各素子において、光信号のターゲットまでの往復時間からターゲットまでの距離を計測することで、ターゲットの３次元形状を求めている。
このＴＯＦ方式は、三角測量方式とは異なり直接的に距離を求めるので、３次元形状を求めるのに複雑な演算が不要である。一方、ＴＯＦ方式で測距精度を高精度化するには高い受信ＳＮ比が必要である。しかしながら、受信ＳＮ比を保持しさえすれば、三角測量方式では困難な遠距離での高精度測距が可能である。

特表２００９−５１１８９７号公報 特表２００３−５１０５６１号公報

上述したように、特許文献１，２に開示された従来の光３次元カメラでは、三角測量方式、ＴＯＦ方式の各々において、メリットを有しているものの、デメリットも有している。すなわち、三角測量方式では遠距離測距が困難であり、ＴＯＦ方式では所要の受信ＳＮ比が高くなる。そして、これらのデメリットを克服できるものはなく、近距離・遠距離の両方において高精度に３次元計測することはできないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、近距離から遠距離まで高い測距精度を確保することが可能な光３次元カメラを提供することを目的としている。

この発明に係る光３次元カメラは、ターゲットへの送信光を出力する光源と、光源により出力された送信光を所定の照射強度パターンとするパターン生成部と、パターン生成部により所定の照射強度パターンとされた送信光に対するターゲットからの散乱光を複数の素子で受光し、電気信号に変換する受光素子アレイと、受光素子アレイの各素子により変換された電気信号から、当該素子ごとに位相を検波する位相検波器アレイと、受光素子アレイの各素子により変換された電気信号から、当該素子ごとに強度を検出する強度検出部と、強度検出部により検出された強度に基づいて、三角測量方式により、素子ごとにターゲットの対応する点までの距離を計測する第１距離検出部と、位相検波器アレイにより検波された位相に基づいて、ＴＯＦ方式により、素子ごとにターゲットの対応する点までの距離を計測する第２距離検出部と、強度検出部により検出された強度に基づいて、素子ごとに、第１，２距離検出部による計測結果のいずれか一方を選択する判定部と、判定部により素子ごとに選択された計測結果に基づいて、ターゲットの３次元形状を計測する３次元形状計測部とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、近距離から遠距離に至るまで、高い測距精度を実現できる。

この発明の実施の形態１に係る光３次元カメラの構成を示す模式図である。 この発明の実施の形態１における信号処理部の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る光３次元カメラの動作を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光３次元カメラの構成を示す模式図である。
光３次元カメラは、図１に示すように、発振器１、分配器２、光源３、拡散板（パターン生成部）４、送信光学系５、受信光学系６、受光素子アレイ７、位相検波器アレイ８、マルチプレクサ９および信号処理部１０から構成されている。

発振器１は、所定の正弦波信号（変調信号）を発振するものである。この発振器１により発振された正弦波信号は分配器２に出力される。

分配器２は、発振器１からの正弦波信号を２つに分配するものである。この分配器２により分配された一方の正弦波信号は光源３に出力され、他方の正弦波信号は位相検波器アレイ８に出力される。

光源３は、ターゲット（図１の例では人物）２０への送信光（光信号）を出力するものである。またこの際、光源３は、分配器２からの正弦波信号により、当該光信号の強度に正弦波の変調をかける。
拡散板４は、光源３により出力された光信号を所定の照射強度パターン（例えばランダム化）とするように拡散するものである。

送信光学系５は、拡散板４により拡散された光信号を所定のビーム拡がり角とし、ターゲット２０に向けて照射するものである。なおこの際、送信光学系５は、光信号の照射領域を受光素子アレイ７全体の瞬時視野に概略合わせておく。
受信光学系６は、送信光学系５により照射された送信光に対するターゲット２０上の各点からの散乱光を収束するものである。

受光素子アレイ７は、複数の素子を有する２次元アレイであり、受信光学系６により収束された散乱光を各素子でそれぞれ受光し、電気信号からなる受信信号に変換するものである。この受光素子アレイ７の各素子により受光・変換された受信信号は位相検波器アレイ８に出力される。

位相検波器アレイ８は、複数の素子を有する２次元アレイであり、受光素子アレイ７の各素子からの受信信号を対応する各素子で受信し、分配器２からの正弦波信号をローカル信号とした位相検波を行うものである。この位相検波器アレイ８の各素子により受信・位相検波された結果であるＩＱ信号（複素振幅信号）はマルチプレクサ９に出力される。

マルチプレクサ９は、位相検波器アレイ８の各素子からのＩＱ信号をシリーズに配列して１出力にまとめるものである。このマルチプレクサ９により１出力にまとめられた各ＩＱ信号は信号処理部１０に出力される。

信号処理部１０は、マルチプレクサ９により１出力にまとめられシリーズに出力された各ＩＱ信号を処理し、ターゲット２０の３次元形状を計測するものである。この信号処理部１０は、図２に示すように、強度検出部１０１、三角測量方式での距離検出部（第１距離検出部）１０２、ＴＯＦ方式での距離検出部（第２距離検出部）１０３、判定部１０４および３次元画像出力部（３次元形状計測部）１０５から構成されている。

強度検出部１０１は、マルチプレクサ９からの１出力にまとめられた各ＩＱ信号（アレイ７，８の各素子からのＩＱ信号）の強度を検出するものである。この強度検出部１０１により検出された各ＩＱ信号の強度を示す情報（受信強度情報）は距離検出部１０２および判定部１０４に出力される。

距離検出部１０２は、強度検出部１０１により検出された各ＩＱ信号の強度に基づいて、三角測量方式を用いて、アレイ７，８の素子ごとに、その受信強度パターンの変化を計測することで、ターゲット２０の対応する点までの距離を計測するものである。そして、この距離情報から３次元形状情報を得ることができる。この距離検出部１０２により計測されたターゲット２０の３次元形状を示す情報（３次元形状情報）は判定部１０４に送られる。

距離検出部１０３は、マルチプレクサ９からの１出力にまとめられた各ＩＱ信号に基づいて、ＴＯＦ方式を用いて、アレイ７，８の素子ごとに、ターゲット２０の対応する点までの距離を計測するものである。そして、この距離情報から３次元形状情報を得ることができる。この距離検出部１０３により計測されたターゲット２０の３次元形状を示す情報（３次元形状情報）は判定部１０４に送られる。

判定部１０４は、強度検出部１０１により検出された各ＩＱ信号の強度に基づいて、アレイ７，８の素子ごとに、距離検出部１０２の三角測量方式による計測結果または距離検出部１０３のＴＯＦ方式による計測結果のいずれか一方を選択するものである。この判定部１０４による選択結果を示す情報は３次元画像出力部１０５に出力される。

３次元画像出力部１０５は、判定部１０４によりアレイ７，８の素子ごとに選択された方式による計測結果（３次元形状情報）に基づいて、ターゲット２０の最終的な３次元形状を算出し、その結果を出力するものである。

次に、上記のように構成された光３次元カメラの動作について説明する。図３はこの発明の実施の形態１に係る光３次元カメラの動作を示すフローチャートである。
光３次元カメラの動作では、図３に示すように、まず、発振器１は、所定の正弦波信号（変調信号）を発振する（ステップＳＴ１）。この発振器１により発振された正弦波信号は分配器２に出力される。

次いで、分配器２は、発振器１からの正弦波信号を２つに分配する（ステップＳＴ２）。この分配器２により分配された一方の正弦波信号は光源３に出力され、他方の正弦波信号は位相検波器アレイ８に出力される。

次いで、光源３は、ターゲット２０への送信光（光信号）を出力する。またこの際、光源３は、分配器２からの正弦波信号により、当該光信号の強度に正弦波の変調をかける（ステップＳＴ３）。

次いで、上記変調を受けた光信号を拡散板４に通した後、送信光学系５により所定のビーム拡がり角に調整してターゲット２０に向け照射する（ステップＳＴ４）。なおこの際、照射領域を受光素子アレイ７全体の瞬時視野に概略合わせておく。また、上記拡散板４を通すことで、送信光の照射強度のパターンを例えば特許文献１に記載されているようにランダム化する。

次いで、受光素子アレイ７の各素子は、送信光学系５により照射された送信光に対するターゲット２０上の各点からの散乱光を、受信光学系６を介して受光し、電気信号からなる受信信号に変換する（ステップＳＴ５）。この受光素子アレイ７の各素子により受光・変換された受信信号は位相検波器アレイ８に出力される。
ここで、送信光には正弦波状の強度変調をかけているため、受信光の強度にも同様の変調がかかっている。また、受信時における変調の位相は、送信時における変調の位相に対して、光３次元カメラからターゲット２０までの光信号の往復時間分だけ遅れた状態となる。

次いで、位相検波器アレイ８の各素子は、受光素子アレイ７の各素子からの受信信号に対して、分配器２からの正弦波信号をローカル信号とした位相検波を行う（ステップＳＴ６）。この位相検波器アレイ８の各素子により受信・位相検波された結果であるＩＱ信号（複素振幅信号）はマルチプレクサ９を介して信号処理部１０に出力される。

次いで、信号処理部１０の強度検出部１０１は、アレイ８の各素子からのＩＱ信号の強度を検出する（ステップＳＴ７）。具体的にはＩ信号の振幅とＱ信号の振幅の自乗和を計算することで強度を検出する。この強度検出部１０１により検出された各ＩＱ信号の強度を示す情報（受信強度情報）は距離検出部１０２および判定部１０４に出力される。

次いで、距離検出部１０２は、強度検出部１０１により検出された各ＩＱ信号の強度に基づいて、三角測量方式を用いて、ターゲット２０の３次元形状を計測する（ステップＳＴ８）。すなわち、三角測量方式では、具体的には特許文献１に記載された方法により、アレイ７，８の各素子ごとに、ＩＱ信号の受信強度パターンの変化に基づいてターゲット２０の対応する点までの距離を計測することで、ターゲット２０の３次元形状を計測することができる。この距離検出部１０２によるターゲット２０の３次元形状情報は判定部１０４に送られる。

次いで、距離検出部１０３は、アレイ７，８の各素子からのＩＱ信号に基づいて、ＴＯＦ方式を用いて、ターゲット２０の３次元形状を計測する（ステップＳＴ９）。具体的には、ＩＱ信号の位相が送受信間の正弦波信号の位相差であることを利用し、この位相と変調周波数と光速とから、ターゲット２０までの距離を素子ごとにＴＯＦ方式で計測する。そして、求めた距離値と、各素子に対応する視野方向の情報とから、ターゲット２０の３次元形状を計測することができる。この距離検出部１０３によるターゲット２０の３次元形状情報は判定部１０４に送られる。

次いで、判定部１０４は、強度検出部１０１により検出された各ＩＱ信号の強度に基づいて、素子ごとに、距離検出部１０２の三角測量方式による３次元形状情報または距離検出部１０３のＴＯＦ方式による３次元形状情報のいずれか一方を選択する（ステップＳＴ１０）。すなわち、判定部１０４では、まず、各素子からのＩＱ信号の受信強度情報と、予め既知である受信ノイズレベルとから、素子ごとに受信ＳＮ比を算出する。そして、この受信ＳＮ比から、各素子に対応する測距値のうち、三角測量方式とＴＯＦ方式のいずれの方式で求めた値を選択するかを判定する。定性的には、あるターゲット距離の条件において、受信ＳＮ比がある閾値以下であれば三角測量方式での測距精度が優位となる。具体的には、次式（１）の条件において、三角測量方式での測距精度が優位となる。

ここで、ｗは受光素子アレイ７中心と光源３の間隔（ｍ）であり、Ｌは距離（ｍ）であり、ＳＮＲはＴＯＦ方式での受信ＳＮ比であり、ｃは光速（ｍ／ｓ）であり、ｆ_mは変調周波数（Ｈｚ）である。

なお、式（１）を用いて判定を行う場合、いずれの方式を選定するかの判定において、測距値（式（１）中記号Ｌ）が必要であるが、これにはＴＯＦ方式の測距結果を仮の真値として用いる。このＴＯＦ方式の値自体には誤差が乗っているが、受信ＳＮ比が十分高い状態であれば、上記判定式は近似的に適用可能である。

以上のように、判定部１０４では、素子ごとの受信強度から受信ＳＮ比を求め、式（１）を満足するかを確認することで、２つの測距方式のいずれを選択するかの判定を素子ごとに行う。この判定部１０４による選択結果を示す情報は３次元画像出力部１０５に出力される。

次いで、３次元画像出力部１０５は、判定部１０４によりアレイ８の素子ごとに選択された方式による３次元形状情報に基づいて、ターゲット２０の最終的な３次元形状を算出し、その結果を出力する（ステップＳＴ１１）。

以上のように、この実施の形態１によれば、三角測量方式とＴＯＦ方式の２方式によりターゲット２０に対する３次元測距を行うように構成したので、三角測量方式とＴＯＦ方式の互いのデメリットを補完することができ、近距離から遠距離に至るまで、高精度な測距が可能である。その結果として高精度な３次元形状の取得が可能となる。

また、実施の形態１に係る光３次元カメラでは、２方式を組み合わせた上で、さらに、素子ごとの受信ＳＮ比に基づいて２つの測距値のうち精度が高い一方を、受信ＳＮ比の状況に応じて自動選定するように構成したので、最適な２方式の組み合わせが実現でき、より高精度な３次元形状の計測が可能となる。

なお、実施の形態１に係る光３次元カメラでは、ＴＯＦ方式で必要な光の変調に関し、正弦波信号で変調する方式を示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えば、変調方式をパルス方式として、この方式での測距および受信強度検出を行う形としてもよい。

また、実施の形態１に係る光３次元カメラでは、拡散板４により照射パターンをランダム化していた。しかしながら、これに限るものではなく、この拡散板４を液晶タイプにし、ランダム化のＯＮ／ＯＦＦを制御できるようにしてもよい。
ここで、パターンのランダム化を行うと必ず暗い画素、つまり受信ＳＮ比の悪い画素が生じる。そこで、最初の撮像でＴＯＦ方式を選択した場合には、パターンのランダム化をＯＦＦにすることで、上記受信ＳＮ比の悪い画素が発生することを回避し、ＴＯＦでの撮像性能をさらに改善できる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ 発振器、２ 分配器、３ 光源、４ 拡散板（パターン生成部）、５ 送信光学系、６ 受信光学系、７ 受光素子アレイ、８ 位相検波器アレイ、９ マルチプレクサ、１０ 信号処理部、２０ ターゲット、１０１ 強度検出部、１０２ 距離検出部、１０３ 距離検出部、１０４ 判定部、１０５ ３次元画像出力部（３次元形状計測部）。

Claims (3)

1. ターゲットへの送信光を出力する光源と、
   前記光源により出力された送信光を所定の照射強度パターンとするパターン生成部と、
   前記パターン生成部により所定の照射強度パターンとされた送信光に対する前記ターゲットからの散乱光を複数の素子で受光し、電気信号に変換する受光素子アレイと、
   前記受光素子アレイの各素子により変換された電気信号から、当該素子ごとに位相を検波する位相検波器アレイと、
   前記受光素子アレイの各素子により変換された電気信号から、当該素子ごとに強度を検出する強度検出部と、
   前記強度検出部により検出された強度に基づいて、三角測量方式により、前記素子ごとに前記ターゲットの対応する点までの距離を計測する第１距離検出部と、
   前記位相検波器アレイにより検波された位相に基づいて、ＴＯＦ方式により、前記素子ごとに前記ターゲットの対応する点までの距離を計測する第２距離検出部と、
   前記強度検出部により検出された強度に基づいて、前記素子ごとに、前記第１，２距離検出部による計測結果のいずれか一方を選択する判定部と、
   前記判定部により前記素子ごとに選択された計測結果に基づいて、前記ターゲットの３次元形状を計測する３次元形状計測部と
   を備えた光３次元カメラ。
2. 前記判定部は、前記強度から前記素子ごとに受信ＳＮ比を算出し、当該受信ＳＮ比が所定の閾値以下である場合には、前記第１距離検出部による計測結果を選択し、当該受信ＳＮ比が当該閾値より大きい場合には、前記第２距離検出部による計測結果を選択する
   ことを特徴とする請求項１記載の光３次元カメラ。
3. 前記パターン生成部は、前記送信光をランダム化するものであり、当該ランダム化のＯＮ／ＯＦＦが切替可能である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載の光３次元カメラ。

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