專利名稱：物體檢測裝置以及信息取得裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于在將光投射到目標區(qū)域時的反射光的狀態(tài)來檢測目標區(qū)域內(nèi)的物體的物體檢測裝置以及適用于該物體檢測裝置的信息取得裝置。
背景技術(shù)：
以往，采用光的物體檢測裝置在各種領(lǐng)域被開發(fā)。在采用了所謂距離圖像傳感器的物體檢測裝置中，不僅能夠檢測二維平面上的平面的圖像，而且能夠?qū)z測對象物體的縱深方向的形狀或運動進行檢測。上述物體檢測裝置中，預先決定的波段的光從激光光源或LED(Light Emitting Device)被投射到目標區(qū)域,其反射光由CMOS圖像傳感器等的受光元件進行接收。作為距離圖像傳感器，公知各種類型的傳感器。
在將具有預定的點圖案的激光照射到目標區(qū)域的類型的距離圖像傳感器中，由圖像傳感器受光從目標區(qū)域反射的點圖案，基于圖像傳感器上的點圖案的受光位置，采用三角測量法，檢測到檢測對象物體的各部分為止的距離(例如非專利文獻I)。在該方式中，例如在反射平面配置在距離激光的照射部預定的距離的位置的狀態(tài)下，射出具有點圖案的激光，此時照射到圖像傳感器上的激光的點圖案作為樣板被保持。而且，在實際測量時照射到圖像傳感器上的激光的點圖案和保持到樣板的點圖案被對照，來檢測樣板上的點圖案的片段(segment)區(qū)域移動到了實際測量時的點圖案上的哪個位置?；谠撘苿恿縼硭愠龅脚c各片段區(qū)域相對應的目標區(qū)域的各部分為止的距離?，F(xiàn)有技術(shù)文獻非專利文獻非專利文獻I :第19回日本機器人學會學術(shù)演講會(2001年9月18-20日)預備稿集、P1279-1280

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明的概要發(fā)明所要解決的課題在上述物體檢測裝置中，在實際測量時，在激光的一個點跨越圖像傳感器上的多個像素的狀態(tài)下，能夠引起激光的一個點照射到圖像傳感器。在該情況下，從一個點同時照射的、相鄰的多個像素同時輸出信號。因此，在根據(jù)圖像傳感器的輸出掌握點圖案的情況下，能夠引起全體在點之間沒有邊界的狀態(tài)。因此，不能適當?shù)剡M行在實際測量時照射到圖像傳感器上的激光的點圖案與在樣板中所保持的點圖案的對照，產(chǎn)生到檢測對象物體的各部分為止的距離的檢測精度惡化的問題。本發(fā)明正是為了解決上述問題而提出的，其目的在于提供一種能夠使點圖案的檢測精度提高的信息取得裝置以及搭載該信息取得裝置的物體檢測裝置。用于解決課題的手段本發(fā)明的第I方式涉及采用光取得目標區(qū)域的信息的信息取得裝置。與該方式相關(guān)的信息取得裝置，具備射出預定波段的光的光源；以預定的點圖案使從所述光源射出的光朝向所述目標區(qū)域進行投射的投射光學系統(tǒng)；和接收從所述目標區(qū)域反射的反射光并輸出信號的受光元件。在此，所述投射光學系按照通過所述受光元件所接收的所述光的基準圖案的點至少在所述光源與所述受光元件的排列方向上具有2. 5像素以上的間距的方式將所述光朝向所述目標區(qū)域進行投射。本發(fā)明的第2方式涉及物體檢測裝置。與該方式相關(guān)的物體檢測裝置具有與上述第I方式相關(guān)的信息取得裝置。發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種能夠使點圖案的檢測精度提高的信息取得裝置以及搭載有該信息取得裝置的物體檢測裝置。本發(fā)明的特征能夠通過以下所示的實施方式的說明更加明確。其中，以下的實施 方式只不過是本發(fā)明的一個實施方式，本發(fā)明以及各構(gòu)成要件的用語的意義并不限于以下的實施方式中所記載的內(nèi)容。


圖I為表示與實施方式相關(guān)的物體檢測裝置的結(jié)構(gòu)的圖。圖2為表示與實施方式相關(guān)的信息取得裝置和信息處理裝置的結(jié)構(gòu)的圖。圖3為表示與實施方式相關(guān)的激光對目標區(qū)域的照射狀態(tài)和圖像傳感器上的激光的受光狀態(tài)的圖。圖4為說明與實施方式相關(guān)的基準樣板的設定方法的圖。圖5為說明與實施方式相關(guān)的距離檢測方法的圖。圖6為說明點的間距(pitch)為2像素時的問題的圖。圖7為說明點的間距為2像素以下時的問題的圖。圖8為表示與實施方式相關(guān)的點圖案的設定方法的圖。圖9為表示與實施方式相關(guān)的點圖案的其他設定方法的圖。圖10為表示與實施方式相關(guān)的點圖案的再一其他設定方法的圖。圖11為表不與實施方式相關(guān)的點圖案的再一其他設定方法的圖。
具體實施例方式以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。本實施方式中將本發(fā)明適用于將具有預定的點圖案的激光照射到目標區(qū)域的類型的信息取得裝置。首先，圖I中表示與本實施方式相關(guān)的物體檢測裝置的概略結(jié)構(gòu)。如圖所示，物體檢測裝置具備信息取得裝置I、信息處理裝置2。電視機3通過來自信息處理裝置2的信號而被控制。信息取得裝置I將紅外光投射到目標區(qū)域全體，通過由CMOS圖像傳感器接受其反射光，從而取得位于目標區(qū)域的物體各部分的距離(以下稱作“3維距離信息”)。所取得的3維距離信息經(jīng)由電纜4發(fā)送到信息處理裝置2。信息處理裝置2是例如電視機控制用的控制器或游戲機、個人計算機等。信息處理裝置2基于從信息取得裝置I所接收的3維距離信息對目標區(qū)域中的物體進行檢測，基于檢測結(jié)果控制電視機3。例如，信息處理裝置2基于所接收的3維距離信息對人進行檢測，并且根據(jù)3維距離信息的變化對這個人的運動進行檢測。例如，在信息處理裝置2為電視機控制用的控制器的情況下，信息處理裝置2安裝根據(jù)所接收的3維距離信息檢測這個人的姿勢，并且按照姿勢對電視機3輸出控制信號的應用程序。在這種情況下，用戶通過一邊觀看電視機3一邊擺出預定的姿勢，從而能夠使電視機3執(zhí)行頻道切換、音量的Up/Down等預定的功能。此外，在例如信息處理裝置2為游戲機的情況下，信息處理裝置2安裝根據(jù)所接收的3維距離信息檢測這個人的運動，并且按照所檢測的運動使電視機畫面上的角色進行動作、使游戲的比賽狀況發(fā)生變化的應用程序。在這種情況下，用戶通過一邊觀看電視機3一邊進行預定的運動，從而能夠體驗自身作為電視機畫面上的角色來進行游戲的比賽的臨場之感。圖2為表示信息取得裝置I和信息處理裝置2的結(jié)構(gòu)的圖。 信息取得裝置I作為光學系統(tǒng)具備投射光學系統(tǒng)11和受光光學系統(tǒng)12。投射光學系統(tǒng)11和受光光學系統(tǒng)12按照在X軸方向上排列的方式配置到信息取得裝置I中。投射光學系統(tǒng)11具備激光光源111、準直儀透鏡112、孔徑光闌(aperture) 113和衍射光學元件(DOE :Diffractive Optical Element) 114。此外，受光光學系統(tǒng)12具備孔徑光闌121、攝像透鏡122、濾波器123和CMOS圖像傳感器124。除此之外，信息取得裝置I作為電路部的構(gòu)成具備CPU(Central Processing Unit) 21、激光驅(qū)動電路22、攝像信號處 理電路23、輸入輸出電路24和存儲器25。激光光源111輸出波長830nm程度的狹波段的激光。準直儀透鏡112將從激光光源111射出的激光變換為平行光?？讖焦怅@113將激光的光束斷面調(diào)整為預定的形狀。D0E114在入射面具有衍射圖案。通過該衍射圖案所產(chǎn)生的衍射作用，從孔徑光闌113入射至IJ D0E114的激光被變換為點圖案的激光，并被照射到目標區(qū)域。從目標區(qū)域被反射的激光經(jīng)由孔徑光闌121入射到攝像透鏡122。孔徑光闌121按照與攝像透鏡122的F值相一致的方式，對來自外部的光實施收束。攝像透鏡122將經(jīng)由孔徑光闌121入射的光到聚光到CMOS圖像傳感器124上。濾波器123是透射包括激光光源111的出射波長(830nm程度)的波段的光，對可視光的波段進行截斷的帶通濾波器。CMOS圖像傳感器124接收被攝像透鏡122聚光之后的光，按每個像素將與受光光量相對應的信號(電荷)輸出到攝像信號處理電路23。在此，CMOS圖像傳感器124按照能夠從各像素中的接收光中以高響應將該像素的信號(電荷)輸出到攝像信號處理電路23中的方式，高速化信號的輸出速度。CPU21按照保存在存儲器25中的控制程序控制各部分。通過上述控制程序?qū)PU21賦予用于控制激光光源111的激光控制部21a和用于生成3維距離信息的三維距離運算部21b的功能。激光驅(qū)動電路22按照來自CPU21的控制信號對激光光源111進行驅(qū)動。攝像信號處理電路23對CMOS圖像傳感器124進行控制，按每行依次獲取由CMOS圖像傳感器124所生成的各像素的信號(電荷)。而且，將所獲取的信號依次輸出到CPU21。CPU21基于從攝像信號處理電路23所提供的信號(攝像信號)，通過由三維距離運算部21b所進行的處理來算出從信息取得裝置I到檢測對象物的各部分為止的距離。輸入輸出電路24對與信息處理裝置2的數(shù)據(jù)通信進行控制。信息處理裝置2具備CPU31、輸入輸出電路32和存儲器33。另外，信息處理裝置2中，除了該圖所示的結(jié)構(gòu)之外，還配置有用于進行與電視機3的通信的結(jié)構(gòu)、用于對保存在CD-ROM等的外部存儲器的信息進行讀取并安裝在存儲器33中的驅(qū)動器裝置等，但為了方便，圖示中省略了 這些外圍電路的結(jié)構(gòu)。CPU31按照保存在存儲器33中的控制程序(應用程序)控制各部分。通過上述控制程序，對CPU31賦予用于檢測圖像中的物體的物體檢測部31a的功能。上述控制程序，通過例如未圖示的驅(qū)動器裝置從CD-ROM中讀取，并被安裝在存儲器33中。例如，在控制程序為游戲程序的情況下，物體檢測部31a根據(jù)從信息取得裝置I所提供的3維距離信息檢測圖像中的人及其運動。而且，按照所檢測的運動通過控制程序執(zhí)行用于使電視機畫面上的角色進行動作的處理。此外，在控制程序為用于控制電視機3的功能的程序的情況下，物體檢測部31a根據(jù)從信息取得裝置I所提供的3維距離信息檢測圖像中的人及其運動(姿勢)。而且，按照所檢測的運動(姿勢)通過控制程序執(zhí)行用于控制電視機3的功能(頻道切換或音量調(diào)整等)的處理。輸入輸出電路32對與信息取得裝置I的數(shù)據(jù)通信進行控制。圖3(a)為示意性表示激光相對目標區(qū)域的照射狀態(tài)的圖，圖3(b)為示意性表示CMOS圖像傳感器124中的激光的受光狀態(tài)的圖。另外，在該圖(b)中，為了方便，表示在目標區(qū)域中存在平坦的面(屏幕)時的受光狀態(tài)。具有點圖案的激光(以下將具有該圖案的激光的全體稱作“DP光”)從投射光學系統(tǒng)11照射到目標區(qū)域。該圖(a)通過實線的框來表示DP光的光束區(qū)域。在DP光的光束中，通過由D0E114引起的衍射作用而激光的強度增強的點區(qū)域(以下簡稱為“點”)按照基于由D0E114引起的衍射作用所產(chǎn)生的點圖案而分散。另外，在圖3(a)中，為了方便，DP光的光束被劃分為排列為矩陣狀的多個片段區(qū)域。各片段區(qū)域中，點以固有的圖案分散。一個片段區(qū)域中的點的分散圖案，與其他的所有片段區(qū)域中的點的分散圖案不同。由此，各片段區(qū)域具有點的分散圖案并能與其他的所有的片段區(qū)域相區(qū)別。如果在目標區(qū)域中存在平坦的面(屏幕)，則由此被反射的DP光的各片段區(qū)域，如該圖(b)所示那樣在CMOS圖像傳感器124上分布為矩陣狀。例如，如該圖(a)所示的目標區(qū)域上的片段區(qū)域SO的光，在CMOS圖像傳感器124上，入射到該圖(b)所示的片段區(qū)域Sp0另外，在圖3(b)中也通過實線的框來表示DP光的光束區(qū)域，為了方便，DP光的光束被劃分為排列為矩陣狀的多個片段區(qū)域。上述三維距離運算部21b中，檢測CMOS圖像傳感器124上的各片段區(qū)域的位置，根據(jù)所檢測的各片段區(qū)域的位置基于三角測量法檢測到與檢測對象物體的各片段區(qū)域相對應的位置為止的距離。上述檢測方法的詳細內(nèi)容，在例如上述非專利文獻1(第19回日本機器人學會學術(shù)演講會(2001年9月18-20日)予稿集、P1279-1280)中示出。圖4為示意地表示用于上述距離檢測的基準樣板的生成方法的圖。如圖4(a)所示，在生成基準樣板時，在距投射光學系統(tǒng)11為預定的距離Ls的位置，配置與Z軸方向相垂直的平坦的反射平面RS。激光光源111的溫度被維持在預定的溫度(基準溫度)。在該狀態(tài)下，DP光從投射光學系統(tǒng)11出射預定時間Te。被出射的DP光通過反射平面RS被反射，并入射到受光光學系統(tǒng)12的CMOS圖像傳感器124。由此，從CMOS圖像傳感器124輸出每個像素的電信號。所輸出的每個像素的電信號的值(像素值)在圖2的存儲器25上被展開?；谌缟夏菢釉诖鎯ζ?5上被展開的像素值，如圖4(b)所示，設定對CMOS圖像傳感器124上的DP光的照射區(qū)域進行規(guī)定的基準圖案區(qū)域。進而，該基準圖案區(qū)域在縱橫方向上被劃分，來設定片段區(qū)域。如上所述那樣，在各片段區(qū)域中以固有的圖案分散點。因此，片段區(qū)域的像素值的圖案按每個片段區(qū)域而不同。另外，各片段區(qū)域的尺寸與其他所有的片段區(qū)域相同?；鶞蕵影鍢?gòu)成為將如上那樣設定于CMOS圖像傳感器124上的各片段區(qū)域與該片段區(qū)域中所包括的各像素的像素值建立對應。 具體而言，基準樣板包括與CMOS圖像傳感器124上的基準圖案區(qū)域的位置相關(guān)的信息、基準圖案區(qū)域中所包括的所有像素的像素值、和用于將基準圖案區(qū)域分割為片段區(qū)域的信息。基準圖案區(qū)域中所包括的所有像素的像素值成為與基準圖案區(qū)域中所包括的DP光的點圖案相應的值。此外，通過將基準圖案區(qū)域中所包括的所有像素的像素值的映射區(qū)域劃分為片段區(qū)域，取得各片段區(qū)域中所包括的像素的像素值。另外，基準樣板還可以將各片段區(qū)域中所包括的像素的像素值按每個片段區(qū)域進行保持。所構(gòu)成的基準樣板，在圖2的存儲器25中以不能消去的狀態(tài)被保持。在算出從投射光學系統(tǒng)11到檢測對象物體的各部分為止的距離時，參照如上那樣保持于存儲器25中的基準樣板。例如，如圖4(a)所示，在比距離Ls近的位置存在物體的情況下，與基準圖案上的預定的片段區(qū)域Sn相對應的DP光(DPn)被物體反射，入射到與片段區(qū)域Sn不同的區(qū)域Sn’。由于投射光學系統(tǒng)11和受光光學系統(tǒng)統(tǒng)12在X軸方向上相鄰，因此區(qū)域Sn’相對于片段區(qū)域Sn的位移方向與X軸相平行。在該圖的情況下，由于物體位于比距離Ls更近的位置，因此區(qū)域Sn’相對于片段區(qū)域Sn在X軸正方向上進行位移。如果物體位于比距離Ls更遠的位置，則區(qū)域Sn’相對于片段區(qū)域Sn在X軸負方向上進行位移?；趨^(qū)域Sn’相對于片段區(qū)域Sn的位移方向和位移量，采用距離Ls基于三角測量法算出從投射光學系統(tǒng)11到DP光(DPn)照射的物體的部分為止的距離Lr。同樣地，針對與其他的片段區(qū)域相對應的物體的部分，算出距投射光學系統(tǒng)11的距離。在上述距離算出中，需要檢測基準樣板的片段區(qū)域Sn在實際測量時位移到了哪個位置。該檢測通過將在實際測量時照射到CMOS圖像傳感器124上的DP光的點圖案與片段區(qū)域Sn中所包括的點圖案進行對照來進行。圖5為說明上述檢測的方法的圖。該圖(a)為表示CMOS圖像傳感器124上的基準圖案區(qū)域與片段區(qū)域的設定狀態(tài)的圖，該圖(b)為表示實際測量時的片段區(qū)域的搜索方法的圖，該圖(c)為表示被實際測量的DP光的點圖案與基準樣板的片段區(qū)域中所包括的點圖案的對照方法的圖。例如，在對該圖(a)的片段區(qū)域SI在實際測量時的位移位置進行搜索的情況下，如該圖(b)所示，片段區(qū)域SI在范圍Pl P2中，在X軸方向上每次移動I像素，在各移動位置求得片段區(qū)域SI的點圖案與被實際測量的DP光的點圖案的匹配程度。在這種情況下，片段區(qū)域SI只在通過基準圖案區(qū)域的最上段的片段區(qū)域組的行(Iine)Ll上沿著X軸方向被移動。這是因為如上所述那樣，通常各片段區(qū)域在實際測量時從通過基準樣板所設定的位置只在X軸方向上進行位移的緣故。即因為片段區(qū)域SI被認為處于最上段的行LI上的緣故。如上所述，通過只在X軸方向上進行搜索，從而減輕用于搜索的處理負擔。另外，在實際測量時，由于檢測對象物體的位置而有可能引起片段區(qū)域從基準圖案區(qū)域的范圍在X軸方向上露出。因此，范圍Pl P2被設定得比基準圖案區(qū)域的X軸方向上的寬度還寬。在上述匹配程度的檢測時，在行LI上，設定尺寸與片段區(qū)域SI相同的區(qū)域(比較區(qū)域)，求得該比較區(qū)域與片段區(qū)域SI之間的類似度。即求得片段區(qū)域SI的各像素的像素值與比較區(qū)域的對應像素的像素值的差值。而且，取
權(quán)利要求
1.一種信息取得裝置，利用光來取得目標區(qū)域的信息，該信息取得裝置的特征在于，具備: 光源，其射出預定波段的光； 投射光學系統(tǒng)，其以預定的點圖案使從所述光源射出的光朝向所述目標區(qū)域進行投射；和 受光元件，其接收從所述目標區(qū)域反射的反射光并輸出信號， 所述投射光學系統(tǒng)按照由所述受光元件所接收的所述光的基準圖案的點在至少所述光源和所述受光元件的排列方向上具有2. 5像素以上的間距的方式，使所述光朝向所述目標區(qū)域進行投射。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信息取得裝置，其特征在于， 所述投射光學系統(tǒng)，按照由所述受光元件所接收的所述光的基準圖案的點在所述光源與所述受光兀件的排列方向和與該排列方向相垂直的方向上，具有2. 5像素以上的間距的方式，將所述光朝向所述目標區(qū)域進行投射。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的信息取得裝置，其特征在于， 所述排列方向上的所述間距被設定為2. 5 3. 5像素。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的信息取得裝置，其特征在于， 所述排列方向上的所述間距被設定為2. 5像素。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的信息取得裝置，其特征在于， 所述排列方向上的所述間距被設定為3. O像素。
6.一種物體檢測裝置，其具有權(quán)利要求I 5中任一項所述的信息取得裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供一種能夠使點圖案的檢測精度提高的信息取得裝置以及搭載該信息取得裝置的物體檢測裝置。信息取得裝置(1)具備射出波長830nm程度的激光的激光光源(111)；將激光朝向所述目標區(qū)域進行投射的投射光學系統(tǒng)(11)；接收來自所述目標區(qū)域的反射光并輸出信號的CMOS圖像傳感器(124)。投射光學系統(tǒng)(11)按照由CMOS圖像傳感器(124)所接收的激光的基準圖案的點至少在激光光源(111)與CMOS圖像傳感器(124)的排列方向上具有2.5像素以上的間距的方式將激光朝向目標區(qū)域進行投射。
文檔編號G01B11/25GK102741648SQ201180007779
公開日2012年10月17日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月28日
發(fā)明者梅田勝美 申請人:三洋電機株式會社