JP6484072B2 - 物体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定のパターンを有する測定光を被測定物体に照射し、この反射光に基づいて被測定物体を検出する物体検出装置に関する。

特許文献１に記載された三次元測定装置は、光源にて生成された多数のスポット光がランダムに配置された、ランダムスペックルパターンが照明領域に照射され、照明領域からの光応答がイメージセンサで検知される。被測定物体が照明領域に移動したときに得られるパターン画像と、被測定物体が存在していないときのランダムスペックルパターンの参照画像とでスペックルパターンの変位を検出し、三次元測量法を利用して、被測定物体の三次元マップを構築する。このように三次元マップを構築するにあたっては、画像化ユニットが照明領域の一端側からラスタスキャン方式に従って、１ラインずつ走査を繰り返すことで、照明領域全体の撮像画像を入手した上で、スペックルパターンの変位を算出し、被測定物体の三次元マップを構築するものである。また更に、構築された三次元マップを時系列で比較することで、被測定物体が照明領域内を移動した速度を算出することが可能となる。

特許文献２に記載の物体検出装置では、被測定物体の三次元マップを構築する際、光源とイメージセンサの瞳方向を平行とさせることでスペックルパターンの変位方向を１軸方向（Ｘ軸）に沿った方向に限定させる構成が開示されている。このようにして、Ｘ軸に沿った変位のみを検出させることで、被測定物体による変位量を算出することができることから、演算処理を簡易化することができる。

特許第５００１２８６号公報 特開２０１４−４８１２４号公報

しかし、特許文献１の三次元測定装置においては、被測定物体の移動速度を算出しようとした場合には、所定の時間間隔ごとに構築された三次元マップを、都度比較し続ける必要があるため、非常に処理負荷が高いものであった。

また、特許文献２の物体検出装置を用いて変位量の算出を簡易化したとしても、移動速度の算出に三次元マップを用いることには変わりは無く、やはり処理負荷が高いものであった。

特に、被測定物体の三次元マップを精度良く構築するためには、スペックルパターンの数を多く、且つ、密にする必要がある。そのため、移動速度の算出において時間軸上で比較するべきスポット光が非常に多くなり、処理負荷が高くなってしまう。結果として、被測定物体の移動速度が速いと、処理が追いつかずに速度の検出ができなくなってしまうものであった。

そこで本発明は、被測定物体の三次元マップを精度良く構築することができると共に、移動速度の算出を容易に行うことが可能な物体検出装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の物体検出装置は、光源と、光源からの出射光を所定のパターンを有する測定光に変換して基準面へ出射する照射光学系と、基準面を撮像する受光素子を有し、受光素子が撮像した画像を、水平方向に延び、所定の間隔をおいて配置された複数のラインのラインごとに読み込む撮像部材と、撮像部材による撮像データに基づいて、パターン形成部と基準面の間に入った被測定物体を検出する検出部と、を備え、パターンは、基準面において、ラインに対応して水平方向に沿ってそれぞれ配置された、複数の分割パターンを有し、パターンは、少なくとも、複数の第１ドットと複数の第２ドットとが混在したドットパターンであり、複数の第２ドットの間隔は、複数の第１ドットの間隔よりも大きく、検出部は、少なくとも第１ドットにおける、被測定物体からの反射光に基づいて被測定物体の形状を検出し、検出部は、第２ドットにおける、被測定物体からの反射光に基づいて被測定物体の移動情報を検出することを特徴としている。

これにより、照射光学系からの測定光が有するパターンが、撮像部材が画像を読み込む単位であるラインに対応した分割パターンを有することから、ラインの読み込みのたびに被測定物体の検出を行うことができるため、被測定物体の三次元マップを精度良く構築することができると共に、被測定物体の形状や移動速度の算出を容易かつ迅速に行うことが可能となる。

本発明の物体検出装置において、複数の分割パターンのうち、複数の第２ドットの間隔と同じ間隔をおいて配置された分割パターンで、第１ドットと第２ドットとが混在していることが好ましい。

本発明の物体検出装置において、第１ドットと第２ドットは異なる特性値を有し、検出部は、特性値についての閾値に基づいて、第１ドットと第２ドットを判別することが好ましい。

これにより、第１ドットと第２ドットを明確に判別することができるため、被測定物体の形状及び移動情報の検出をそれぞれ正確に行うことができる。

本発明の物体検出装置において、受光素子は、個別の分割パターンごとに撮像することが好ましい。

１つの分割パターンごとに検出できるため、被測定物体の形状や移動速度の算出処理の負担を軽減することができる。

本発明の物体検出装置において、受光素子は、複数の分割パターンごとに撮像することが好ましい。

１つのラインの読み込みで複数の分割パターン分の検出を行うことができ、多数の情報を得ることができるため、より詳細な検出結果を得ることができる。

本発明の物体検出装置において、特性値は、輝度、ドット径、形状、明度、色相、波長、及び位相のうち少なくとも１つであることが好ましい。

これにより、測定条件等に合わせて、パターンの識別が容易かつ確実に行うことができる。

本発明によると、被測定物体の三次元マップを精度良く構築することができると共に、被測定物体の形状や移動速度の算出を容易かつ迅速に行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係る物体検出装置を示す斜視図である。 図１に示す物体検出装置を上方から見た平面図である。 基準面に形成される参照ドットの配列を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態に係る物体検出装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。

図１と図２に示す物体検出装置１は、基準面２と、この基準面２に対向する光照射部材１０及び撮像部材２０を有している。図１と図２に示す基準面２は平面であるが、基準面２は凹凸を有するものであってもよい。

図１と図２には、基準座標としてＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。Ｘ−Ｙ面は基準面２と平行な面であり、Ｘ−Ｚ面は基準面２と垂直な平面である。以下の説明ではＸ方向を、撮像部材２０の受光素子及び基準面２における水平方向としている。

光照射部材１０は、コヒーレント光源であるレーザー光源１１と、レーザー光源１１から発せられる発散光束１４ａを平行光束１４ｂに変換するコリメートレンズ１２と、コリメートレンズ１２で変換された平行光束１４ｂが通過する透過型のホログラム素子１３とを有している。レーザー光源１１は、人が目視できない近赤外線の波長領域のレーザー光を発する。あるいは、可視光のレーザー光を発するものであってもよい。ここで、コリメートレンズ１２とホログラム素子１３は、レーザー光源１１からの出射光を、後述の所定のパターンを有する測定光に変換して基準面２へ出射する照射光学系を構成する。

ホログラム素子１３は位相型の回折格子であり、平行光束１４ｂが回折されて、測定光として所定の発散角度を有する照射光束１４ｃが形成され、照射光束１４ｃが基準面２に与えられる。照射光束１４ｃが基準面２に照射されると、基準面２に、複数の基準参照ドット３１が投影される。複数の基準参照ドット３１は、前記レーザー光がホログラム素子１３で回折されて形成されるものであり、図３に示す例では、基準面２に小丸形状の基準参照ドット３１が形成されている。基準参照ドット３１の形状は小丸に限られるものではなく、任意の形状を選択できる。

図３に示すように、平面である基準面２に形成されている基準参照ドット３１が、規則的な投影パターンに従って配列されて、基準パターン３０（ドットパターン）が形成される。ここでの「規則的」とは、いずれか１つの基準参照ドット３１に着目したときに、その基準参照ドット３１とそれぞれの方向で隣接する基準参照ドット３１との方向ならびに距離の相対関係が、他の全ての基準参照ドット３１において同じである関係を意味している。

図３に示す基準パターン３０では、基準参照ドット３１がＸ方向とＹ方向へ一定のピッチで並ぶ正方格子状に配列している。ここで、Ｘ方向に沿って並ぶ基準参照ドット３１の列Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、．．．は、撮像部材２０のビデオカメラ２１の受光素子による撮像単位であるラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、．．．にそれぞれ沿って並んでいる。すなわち、基準参照ドット３１の列Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、．．．のそれぞれと、受光素子による撮像単位であるラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、．．．のそれぞれとが１対１で対応している。基準参照ドット３１の列Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、．．．は、それぞれ分割パターンを構成し、すべての分割パターンによって基準パターン３０が構成される。

図３に示すように、基準参照ドット３１は、複数の第１ドット１３１（黒い丸印）と複数の第２ドット２３１（白抜きの丸印）から構成され、一定のピッチｄの間隔で配置されている。第２ドット２３１は、２つの第１ドット１３１を間に入れるように配置され、第２ドット２３１間のピッチｄ’は、第１ドット１３１間のピッチｄの３倍となる。第２ドット２３１の配置間隔は、物体検出装置の仕様等に応じて任意に設定することができ、例えば３つの第１ドット１３１ごとに配置してもよい。ここで、第１ドット１３１の配置密度（単位面積あたりの配置数）は、第２ドット２３１の配置密度の所定数倍、特に５〜７倍であることが好ましい。

第１ドット１３１及び第２ドット２３１は、ホログラム素子１３の回折面の構成を異ならせることによって、特性値としての、基準面２における輝度が異なっている。ホログラム素子１３は、回折面として、第１ドット１３１に対応した第１の格子形状と、第２ドット２３１に対応した第２の格子形状とを備えている。第１ドット１３１と第２ドット２３１の輝度の差は、検出環境や被測定物体の形状・色等によって生じる反射光の強度の変化に影響を受けない程度の大きさであることが好ましく、例えば、第２ドット２３１の輝度を第１ドット１３１の輝度の１．５〜１０倍とするとよい。

また、第１ドット及び第２ドットが有する特性値として、輝度の違いに代えて、又は、輝度の違いに加えて、第１ドット１３１と第２ドット２３１とで、ドット径、形状、明度、色相、波長、及び位相のうち少なくとも１つ異ならせてよい。例えば、ドット径・出射強度等が異なるドットをそれぞれ形成可能な２つの光源を用意し、時間をずらしてコリメートレンズ１２の光軸に沿ってそれぞれ入射させる。これによって、第１ドット１３１と第２ドット２３１のドット径・明度・波長・位相等に違いを生じさせることができる。また、ホログラム素子１３の出射面近傍に基準パターンに対応したフィルタを設け、このフィルタを通してホログラム素子１３からの出射光を基準面２に照射することによっても、ドット径・形状・明度・色相・波長等に違いを生成することができる。

図２には、光照射部材１０から基準面２に向けて照射される照射光束１４ｃの照射基準線Ｏａが示されている。照射基準線Ｏａは、レーザー光源１１とコリメートレンズ１２ならびにホログラム素子１３の光軸に一致している。照射基準線ＯａはＸ−Ｚ平面と平行な面内に位置しており、図２の平面図に示すように、照射基準線Ｏａは基準面２からの垂直線Ｈに対して９０度未満の角度θを有して配置されている。

ホログラム素子１３から基準面２に延びる照射光束１４ｃの内部には、それぞれの基準参照ドット３１に個別に対応する照射線１５が含まれている。ホログラム素子１３の回折現象で生成された複数の基準参照ドット３１は、それぞれの照射線１５と基準面２との交点に生成される。照射光束１４ｃは発散光であるため、厳密には個々の照射線１５が拡散角を有しているが、光照射部材１０と基準面２との距離を十分に長く確保することで、図２に示すように、照射線１５を互いにほぼ平行な配置関係として表すことができる。

図２には、ビデオカメラ２１の撮像基準線Ｏｂが示されている。撮像基準線Ｏｂはビデオカメラ２１の撮像視野の中心線であり、カメラレンズの光軸に一致している。撮像基準線Ｏｂは、Ｘ−Ｚ面と平行な面内に位置し、この面内において、撮像基準線Ｏｂは垂直線Ｈと平行に配置されている。その結果、照射基準線Ｏａと撮像基準線Ｏｂとが、Ｘ−Ｚ面と平行な面内で、角度θを有して対向している。図２に示す実施の形態では角度θは鋭角である。なお、前記角度θを有していれば、照射基準線Ｏａが垂直線Ｈと平行であってもよいし、照射基準線Ｏａと撮像基準線Ｏｂの双方が垂直線Ｈと非平行であってもよい。また角度θは鋭角に限られるものではない。

図１では、光照射部材１０と基準面２との間に被測定物体５が入り込んだ状態が示されている。図１では被測定物体５が人の手である。被測定物体５が入り込むと、その表面に参照ドットが投影される。本明細書では、被測定物体５の表面に投影された参照ドットを移動参照ドット３２と呼んでいる。図２に示すように、移動参照ドット３２は、個々の照射線１５と被測定物体５の表面との交点に生成される。基準参照ドット及び移動参照ドットによって被測定物体の三次元マップを構築することができる。

図２に示すように、撮像部材２０は、ビデオカメラ２１を有している。ビデオカメラ２１は、ＣＣＤ（電荷結合素子）、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）等の受光素子を備える。この受光素子は、Ｘ方向（水平方向）に沿って延び、かつ、所定の間隔を置いて配置された複数のラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、．．．（図３）の１つのラインごとに基準面２を撮像し、ホログラム素子１３と基準面２の間に入った被測定物体５からの反射光を検出する。ラインごとに撮像した画像は、１つのラインごとに画像分析部２２に読み込まれる。

ここで、ビデオカメラ２１は、樽型歪みを抑えた撮像光学系を有することが好ましい。また、このような撮像光学系に代えて、又は、加えて、樽型歪みを補正するフィルタを配置したり、補正演算処理によって樽型歪みを補正することが好ましい。樽型歪みを抑えることによって、より正確な検出結果を得ることができる。

なお、受光素子は、複数の分割パターン、例えば図３のドット列Ｄ１とドット列Ｄ２、ごとに撮像してもよい。この場合、受光素子が撮影する１つのラインに複数のドット列が含まれるため、より精細な検出を行うことができる。

また、受光素子は、複数のラインごとに基準面２を撮像してもよく、さらには全てのラインを一度に撮像してもよい。これにより、１フレーム分の撮像を高速に行うことができる。ただし、いずれの場合においても、撮像した画像は、１つのラインごとに画像分析部２２に読み込まれる。

画像分析部２２では、受光素子が撮像した画像がラインごとに保存され、同じラインの新旧の画像を比較してどのドット像が移動したかが分析され、分析結果が検出部２３に送られる。検出部２３は、受光素子が検出した反射光に基づいて、被測定物体の形状及び移動情報を検出する。このため、従来の物体検出装置では全画面を１フレーム分フレームメモリに蓄えた上でフレームごとに検知動作を行うのに対して、本実施形態の物体検出装置１では画像走査のラインに沿ってドット像、及びドット像の移動に関するエピポーラ線が配置されていることから、ラインメモリーを用いて検出を行うことが可能である。つまり、画像分析部２２に新しい画像が全ライン読み込まれるまで待つ必要なく、所望のラインの情報が保存された時点で分析が行われるため、処理を早めることが可能となる。また、仮に広角レンズ等で湾曲したひずみ等が存在する際も、１画素ごとにルックアップテーブル等で配置変換を予め行えば、同様にライン単位での処理が可能となる。

検出部２３は、画像分析部２２から出力されたラインごとの画像について、予め定めた閾値に基づいて、第１ドット１３１と第２ドット２３１を判別する。より具体的には、閾値よりも高い輝度を有するドットを第２ドット２３１と判別し、閾値以下の輝度を有するドットを第１ドット１３１と判別する。

検出部２３は、第１ドット１３１と第２ドット２３１の判別後に、第１ドット１３１における反射光に基づいて被測定物体５の形状を検出し、第２ドット２３１における反射光に基づいて被測定物体５の移動情報を検出する。より具体的には、装置起動時の初期状態の第１ドット１３１及び第２ドット２３１の検出データから始まって、毎回の検出データをルックアップテーブルとして順次更新して画像分析部２２のメモリに記憶させ、このルックアップテーブルのデータと最新の検出データをドットごとに比較し、ドットが所定量以上移動した場合に、被測定物体５が撮像部材２０と基準面２の間に入り、又は、撮像部材２０と基準面２の間で被測定物体５が移動したことを検出する。

ここで、移動情報は、複数の第２ドット２３１のそれぞれについての、基準面２に対応する平面内での移動量や移動方向を含む。

物体検出装置１においては、基準参照ドット３１の列Ｄ１、、Ｄ３、Ｄ４、．．．のそれぞれと、受光素子による撮像単位であるラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、．．．のそれぞれとが１対１で対応しており、１つのラインごとに被測定物体の検出が可能である。このため、１フレーム分の画面全体の撮像データが画像分析部２２に読み込まれるのを待つことなく、被測定物体の検出を行うことができ、これにより新旧のラインの各ドットを比較することによって被測定物体の検出を行うことができるため、被測定物体の形状や移動情報の算出を容易かつ迅速に実行できる。また、検出データをラインごとに更新することにより、被測定物体の三次元マップを順次更新することができる。

さらに、移動情報を検出するための第２ドット２３１の間隔を、被測定物体５の形状を検出するための第１ドット１３１の間隔よりも大きくしたことにより、被測定物体５が所定量、例えば第１ドット１３１の間隔よりも大きな量より大きく移動した場合でも被測定物体５の移動情報を確実に検出することができる。

物体検出装置１においては、基準面２にドットパターンが投影されている状態で、撮像部材２０でラインごとに画像が取得される。物体検出装置１では画像走査のラインに沿ってドット像、及びドット像の移動に関するエピポーラ線が配置されており、ラインメモリーを用いて検出を行う。ラインごとに取得された画像は、画像分析部２２において、同じラインの新旧の画像を比較してどのドットが移動したかが分析される。ドットの移動の分析としては、例えば、前後のラインの画像が取得される間に、撮像部材２０と基準面２の間に被測定物体５が入ったり、撮像部材２０と基準面２の間にあった被測定物体５が移動したことによるドット像の移動が、直前のラインのドット像上を通るエピポーラ線上で起きることを利用して、エピポーラ線上におけるドットの移動距離に基づいて行う。このため、従来の物体検出装置では全画面を１フレーム分フレームメモリに蓄えた上でフレームごとに検知動作を行うのに対して、本実施形態の物体検出装置１では、画像分析部２２に新しい画像が全ライン読み込まれるまで待つ必要なく、所望のラインの情報が保存された時点で分析が行われるため、処理を早めることが可能となる。また、仮に広角レンズ等で湾曲したひずみ等が存在する際も、１画素ごとにルックアップテーブル等で配置変換を予め行えば、同様にライン単位での処理が可能となる。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る物体検出装置は、被測定物体の形状や移動情報の検出における演算処理の負担の軽減に有用である。

１ 物体検出装置
２ 基準面
５ 被測定物体
１０ 光照射部材
１１ レーザー光源
１２ コリメートレンズ
１３ ホログラム素子
２０ 撮像部材
２１ ビデオカメラ
２２ 画像分析部
２３ 検出部
３０ 基準パターン
３１ 基準参照ドット
１３１ 第１ドット
２３１ 第２ドット
Ｏａ 照射基準線
Ｏｂ 撮像基準線

Claims (6)

1. 光源と、前記光源からの出射光を所定のパターンを有する測定光に変換して基準面へ出射する照射光学系と、前記基準面を撮像する受光素子を有し、
   前記受光素子が撮像した画像を、水平方向に延び、所定の間隔をおいて配置された複数のラインのラインごとに読み込む撮像部材と、
   前記撮像部材による撮像データに基づいて、前記照射光学系と前記基準面の間に入った被測定物体を検出する検出部と、を備え、
   前記パターンは、前記基準面において、前記ラインに対応して水平方向に沿ってそれぞれ配置された、複数の分割パターンを有し、
   前記パターンは、少なくとも、複数の第１ドットと複数の第２ドットとが混在したドットパターンであり、前記複数の第２ドットの間隔は、前記複数の第１ドットの間隔よりも大きく、
   前記検出部は、少なくとも前記第１ドットにおける、前記被測定物体からの反射光に基づいて前記被測定物体の形状を検出し、
   前記検出部は、前記第２ドットにおける、前記被測定物体からの反射光に基づいて前記被測定物体の移動情報を検出することを特徴とする物体検出装置。
2. 前記複数の分割パターンのうち、前記複数の第２ドットの間隔と同じ間隔をおいて配置された分割パターンで、前記第１ドットと前記第２ドットとが混在していることを特徴とする請求項１に記載の物体検出装置。
3. 前記第１ドットと前記第２ドットは異なる特性値を有し、前記検出部は、前記特性値についての閾値に基づいて、前記第１ドットと前記第２ドットを判別することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の物体検出装置。
4. 前記受光素子は、個別の前記分割パターンごとに撮像することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の物体検出装置。
5. 前記受光素子は、複数の前記分割パターンごとに撮像することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の物体検出装置。
6. 前記特性値は、輝度、ドット径、形状、明度、色相、波長、及び位相のうち少なくとも１つであることを特徴とする請求項３に記載の物体検出装置。

Images