专利名称：物体检测装置以及信息取得装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于在将光投射到目标区域时的反射光的状态来检测目标区域内的物体的物体检测装置以及适用于该物体检测装置的信息取得装置。
背景技术：
以往，采用光的物体检测装置在各种领域被开发。在采用了所谓距离图像传感器的物体检测装置中，不仅能够检测二维平面上的平面的图像，而且能够对检测对象物体的纵深方向的形状或运动进行检测。上述物体检测装置中，预先决定的波段的光从激光光源或LED(Light Emitting Device)被投射到目标区域,其反射光由CMOS图像传感器等的受光元件进行接收。作为距离图像传感器，公知各种类型的传感器。
在将具有预定的点图案的激光照射到目标区域的类型的距离图像传感器中，由图像传感器受光从目标区域反射的点图案，基于图像传感器上的点图案的受光位置，采用三角测量法，检测到检测对象物体的各部分为止的距离(例如非专利文献I)。在该方式中，例如在反射平面配置在距离激光的照射部预定的距离的位置的状态下，射出具有点图案的激光，此时照射到图像传感器上的激光的点图案作为样板被保持。而且，在实际测量时照射到图像传感器上的激光的点图案和保持到样板的点图案被对照，来检测样板上的点图案的片段(segment)区域移动到了实际测量时的点图案上的哪个位置。基于该移动量来算出到与各片段区域相对应的目标区域的各部分为止的距离。现有技术文献非专利文献非专利文献I :第19回日本机器人学会学术演讲会(2001年9月18-20日)预备稿集、P1279-1280
发明内容
发明的概要发明所要解決的课题在上述物体检测装置中，在实际测量时，在激光的一个点跨越图像传感器上的多个像素的状态下，能够引起激光的一个点照射到图像传感器。在该情况下，从一个点同时照射的、相邻的多个像素同时输出信号。因此，在根据图像传感器的输出掌握点图案的情况下，能够引起全体在点之间没有边界的状态。因此，不能适当地进行在实际测量时照射到图像传感器上的激光的点图案与在样板中所保持的点图案的对照，产生到检测对象物体的各部分为止的距离的检测精度恶化的问题。本发明正是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种能够使点图案的检测精度提高的信息取得装置以及搭载该信息取得装置的物体检测装置。用于解决课题的手段本发明的第I方式涉及采用光取得目标区域的信息的信息取得装置。与该方式相关的信息取得装置，具备射出预定波段的光的光源；以预定的点图案使从所述光源射出的光朝向所述目标区域进行投射的投射光学系统；和接收从所述目标区域反射的反射光并输出信号的受光元件。在此，所述投射光学系按照通过所述受光元件所接收的所述光的基准图案的点至少在所述光源与所述受光元件的排列方向上具有2. 5像素以上的间距的方式将所述光朝向所述目标区域进行投射。本发明的第2方式涉及物体检测装置。与该方式相关的物体检测装置具有与上述第I方式相关的信息取得装置。发明的效果根据本发明，能够提供一种能够使点图案的检测精度提高的信息取得装置以及搭载有该信息取得装置的物体检测装置。本发明的特征能够通过以下所示的实施方式的说明更加明确。其中，以下的实施 方式只不过是本发明的一个实施方式，本发明以及各构成要件的用语的意义并不限于以下的实施方式中所记载的内容。
图I为表示与实施方式相关的物体检测装置的结构的图。图2为表示与实施方式相关的信息取得装置和信息处理装置的结构的图。图3为表示与实施方式相关的激光对目标区域的照射状态和图像传感器上的激光的受光状态的图。图4为说明与实施方式相关的基准样板的设定方法的图。图5为说明与实施方式相关的距离检测方法的图。图6为说明点的间距(pitch)为2像素时的问题的图。图7为说明点的间距为2像素以下时的问题的图。图8为表示与实施方式相关的点图案的设定方法的图。图9为表示与实施方式相关的点图案的其他设定方法的图。图10为表示与实施方式相关的点图案的再一其他设定方法的图。图11为表不与实施方式相关的点图案的再一其他设定方法的图。
具体实施例方式以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。本实施方式中将本发明适用于将具有预定的点图案的激光照射到目标区域的类型的信息取得装置。首先，图I中表示与本实施方式相关的物体检测装置的概略结构。如图所示，物体检测装置具备信息取得装置I、信息处理装置2。电视机3通过来自信息处理装置2的信号而被控制。信息取得装置I将红外光投射到目标区域全体，通过由CMOS图像传感器接受其反射光，从而取得位于目标区域的物体各部分的距离(以下称作“3维距离信息”)。所取得的3维距离信息经由电缆4发送到信息处理装置2。信息处理装置2是例如电视机控制用的控制器或游戏机、个人计算机等。信息处理装置2基于从信息取得装置I所接收的3维距离信息对目标区域中的物体进行检测，基于检测结果控制电视机3。例如，信息处理装置2基于所接收的3维距离信息对人进行检测，并且根据3维距离信息的变化对这个人的运动进行检测。例如，在信息处理装置2为电视机控制用的控制器的情况下，信息处理装置2安装根据所接收的3维距离信息检测这个人的姿势，并且按照姿势对电视机3输出控制信号的应用程序。在这种情况下，用户通过一边观看电视机3一边摆出预定的姿势，从而能够使电视机3执行频道切换、音量的Up/Down等预定的功能。此外，在例如信息处理装置2为游戏机的情况下，信息处理装置2安装根据所接收的3维距离信息检测这个人的运动，并且按照所检测的运动使电视机画面上的角色进行动作、使游戏的比赛状况发生变化的应用程序。在这种情况下，用户通过一边观看电视机3一边进行预定的运动，从而能够体验自身作为电视机画面上的角色来进行游戏的比赛的临场之感。图2为表示信息取得装置I和信息处理装置2的结构的图。 信息取得装置I作为光学系统具备投射光学系统11和受光光学系统12。投射光学系统11和受光光学系统12按照在X轴方向上排列的方式配置到信息取得装置I中。投射光学系统11具备激光光源111、准直仪透镜112、孔径光阑(aperture) 113和衍射光学元件(DOE :Diffractive Optical Element) 114。此外，受光光学系统12具备孔径光阑121、摄像透镜122、滤波器123和CMOS图像传感器124。除此之外，信息取得装置I作为电路部的构成具备CPU(Central Processing Unit) 21、激光驱动电路22、摄像信号处 理电路23、输入输出电路24和存储器25。激光光源111输出波长830nm程度的狭波段的激光。准直仪透镜112将从激光光源111射出的激光变换为平行光。孔径光阑113将激光的光束断面调整为预定的形状。D0E114在入射面具有衍射图案。通过该衍射图案所产生的衍射作用，从孔径光阑113入射至IJ D0E114的激光被变换为点图案的激光，并被照射到目标区域。从目标区域被反射的激光经由孔径光阑121入射到摄像透镜122。孔径光阑121按照与摄像透镜122的F值相一致的方式，对来自外部的光实施收束。摄像透镜122将经由孔径光阑121入射的光到聚光到CMOS图像传感器124上。滤波器123是透射包括激光光源111的出射波长(830nm程度)的波段的光，对可视光的波段进行截断的带通滤波器。CMOS图像传感器124接收被摄像透镜122聚光之后的光，按每个像素将与受光光量相对应的信号(电荷)输出到摄像信号处理电路23。在此，CMOS图像传感器124按照能够从各像素中的接收光中以高响应将该像素的信号(电荷)输出到摄像信号处理电路23中的方式，高速化信号的输出速度。CPU21按照保存在存储器25中的控制程序控制各部分。通过上述控制程序对CPU21赋予用于控制激光光源111的激光控制部21a和用于生成3维距离信息的三维距离运算部21b的功能。激光驱动电路22按照来自CPU21的控制信号对激光光源111进行驱动。摄像信号处理电路23对CMOS图像传感器124进行控制，按每行依次获取由CMOS图像传感器124所生成的各像素的信号(电荷)。而且，将所获取的信号依次输出到CPU21。CPU21基于从摄像信号处理电路23所提供的信号(摄像信号)，通过由三维距离运算部21b所进行的处理来算出从信息取得装置I到检测对象物的各部分为止的距离。输入输出电路24对与信息处理装置2的数据通信进行控制。信息处理装置2具备CPU31、输入输出电路32和存储器33。另外，信息处理装置2中，除了该图所示的结构之外，还配置有用于进行与电视机3的通信的结构、用于对保存在CD-ROM等的外部存储器的信息进行读取并安装在存储器33中的驱动器装置等，但为了方便，图示中省略了 这些外围电路的结构。CPU31按照保存在存储器33中的控制程序(应用程序)控制各部分。通过上述控制程序，对CPU31赋予用于检测图像中的物体的物体检测部31a的功能。上述控制程序，通过例如未图示的驱动器装置从CD-ROM中读�。⒈话沧霸诖娲⑵�33中。例如，在控制程序为游戏程序的情况下，物体检测部31a根据从信息取得装置I所提供的3维距离信息检测图像中的人及其运动。而且，按照所检测的运动通过控制程序执行用于使电视机画面上的角色进行动作的处理。此外，在控制程序为用于控制电视机3的功能的程序的情况下，物体检测部31a根据从信息取得装置I所提供的3维距离信息检测图像中的人及其运动(姿势)。而且，按照所检测的运动(姿势)通过控制程序执行用于控制电视机3的功能(频道切换或音量调整等)的处理。输入输出电路32对与信息取得装置I的数据通信进行控制。图3(a)为示意性表示激光相对目标区域的照射状态的图，图3(b)为示意性表示CMOS图像传感器124中的激光的受光状态的图。另外，在该图(b)中，为了方便，表示在目标区域中存在平坦的面(屏幕)时的受光状态。具有点图案的激光(以下将具有该图案的激光的全体称作“DP光”)从投射光学系统11照射到目标区域。该图(a)通过实线的框来表示DP光的光束区域。在DP光的光束中，通过由D0E114引起的衍射作用而激光的强度增强的点区域(以下简称为“点”)按照基于由D0E114引起的衍射作用所产生的点图案而分散。另外，在图3(a)中，为了方便，DP光的光束被划分为排列为矩阵状的多个片段区域。各片段区域中，点以固有的图案分散。一个片段区域中的点的分散图案，与其他的所有片段区域中的点的分散图案不同。由此，各片段区域具有点的分散图案并能与其他的所有的片段区域相区别。如果在目标区域中存在平坦的面(屏幕)，则由此被反射的DP光的各片段区域，如该图(b)所示那样在CMOS图像传感器124上分布为矩阵状。例如，如该图(a)所示的目标区域上的片段区域SO的光，在CMOS图像传感器124上，入射到该图(b)所示的片段区域Sp0另外，在图3(b)中也通过实线的框来表示DP光的光束区域，为了方便，DP光的光束被划分为排列为矩阵状的多个片段区域。上述三维距离运算部21b中，检测CMOS图像传感器124上的各片段区域的位置，根据所检测的各片段区域的位置基于三角测量法检测到与检测对象物体的各片段区域相对应的位置为止的距离。上述检测方法的详细内容，在例如上述非专利文献1(第19回日本机器人学会学术演讲会(2001年9月18-20日)予稿集、P1279-1280)中示出。图4为示意地表示用于上述距离检测的基准样板的生成方法的图。如图4(a)所示，在生成基准样板时，在距投射光学系统11为预定的距离Ls的位置，配置与Z轴方向相垂直的平坦的反射平面RS。激光光源111的温度被维持在预定的温度(基准温度)。在该状态下，DP光从投射光学系统11出射预定时间Te。被出射的DP光通过反射平面RS被反射，并入射到受光光学系统12的CMOS图像传感器124。由此，从CMOS图像传感器124输出每个像素的电信号。所输出的每个像素的电信号的值(像素值)在图2的存储器25上被展开。基于如上那样在存储器25上被展开的像素值，如图4(b)所示，设定对CMOS图像传感器124上的DP光的照射区域进行规定的基准图案区域。进而，该基准图案区域在纵横方向上被划分，来设定片段区域。如上所述那样，在各片段区域中以固有的图案分散点。因此，片段区域的像素值的图案按每个片段区域而不同。另外，各片段区域的尺寸与其他所有的片段区域相同。基准样板构成为将如上那样设定于CMOS图像传感器124上的各片段区域与该片段区域中所包括的各像素的像素值建立对应。 具体而言，基准样板包括与CMOS图像传感器124上的基准图案区域的位置相关的信息、基准图案区域中所包括的所有像素的像素值、和用于将基准图案区域分割为片段区域的信息。基准图案区域中所包括的所有像素的像素值成为与基准图案区域中所包括的DP光的点图案相应的值。此外，通过将基准图案区域中所包括的所有像素的像素值的映射区域划分为片段区域，取得各片段区域中所包括的像素的像素值。另外，基准样板还可以将各片段区域中所包括的像素的像素值按每个片段区域进行保持。所构成的基准样板，在图2的存储器25中以不能消去的状态被保持。在算出从投射光学系统11到检测对象物体的各部分为止的距离时，参照如上那样保持于存储器25中的基准样板。例如，如图4(a)所示，在比距离Ls近的位置存在物体的情况下，与基准图案上的预定的片段区域Sn相对应的DP光(DPn)被物体反射，入射到与片段区域Sn不同的区域Sn’。由于投射光学系统11和受光光学系统统12在X轴方向上相邻，因此区域Sn’相对于片段区域Sn的位移方向与X轴相平行。在该图的情况下，由于物体位于比距离Ls更近的位置，因此区域Sn’相对于片段区域Sn在X轴正方向上进行位移。如果物体位于比距离Ls更远的位置，则区域Sn’相对于片段区域Sn在X轴负方向上进行位移。基于区域Sn’相对于片段区域Sn的位移方向和位移量，采用距离Ls基于三角测量法算出从投射光学系统11到DP光(DPn)照射的物体的部分为止的距离Lr。同样地，针对与其他的片段区域相对应的物体的部分，算出距投射光学系统11的距离。在上述距离算出中，需要检测基准样板的片段区域Sn在实际测量时位移到了哪个位置。该检测通过将在实际测量时照射到CMOS图像传感器124上的DP光的点图案与片段区域Sn中所包括的点图案进行对照来进行。图5为说明上述检测的方法的图。该图(a)为表示CMOS图像传感器124上的基准图案区域与片段区域的设定状态的图，该图(b)为表示实际测量时的片段区域的搜索方法的图，该图(c)为表示被实际测量的DP光的点图案与基准样板的片段区域中所包括的点图案的对照方法的图。例如，在对该图(a)的片段区域SI在实际测量时的位移位置进行搜索的情况下，如该图(b)所示，片段区域SI在范围Pl P2中，在X轴方向上每次移动I像素，在各移动位置求得片段区域SI的点图案与被实际测量的DP光的点图案的匹配程度。在这种情况下，片段区域SI只在通过基准图案区域的最上段的片段区域组的行(Iine)Ll上沿着X轴方向被移动。这是因为如上所述那样，通常各片段区域在实际测量时从通过基准样板所设定的位置只在X轴方向上进行位移的缘故。即因为片段区域SI被认为处于最上段的行LI上的缘故。如上所述，通过只在X轴方向上进行搜索，从而减轻用于搜索的处理负担。另外，在实际测量时，由于检测对象物体的位置而有可能引起片段区域从基准图案区域的范围在X轴方向上露出。因此，范围Pl P2被设定得比基准图案区域的X轴方向上的宽度还宽。在上述匹配程度的检测时，在行LI上，设定尺寸与片段区域SI相同的区域(比较区域)，求得该比较区域与片段区域SI之间的类似度。即求得片段区域SI的各像素的像素值与比较区域的对应像素的像素值的差值。而且，取
权利要求
1.一种信息取得装置，利用光来取得目标区域的信息，该信息取得装置的特征在于，具备: 光源，其射出预定波段的光； 投射光学系统，其以预定的点图案使从所述光源射出的光朝向所述目标区域进行投射；和 受光元件，其接收从所述目标区域反射的反射光并输出信号， 所述投射光学系统按照由所述受光元件所接收的所述光的基准图案的点在至少所述光源和所述受光元件的排列方向上具有2. 5像素以上的间距的方式，使所述光朝向所述目标区域进行投射。
2.根据权利要求I所述的信息取得装置，其特征在于， 所述投射光学系统，按照由所述受光元件所接收的所述光的基准图案的点在所述光源与所述受光兀件的排列方向和与该排列方向相垂直的方向上，具有2. 5像素以上的间距的方式，将所述光朝向所述目标区域进行投射。
3.根据权利要求I或2所述的信息取得装置，其特征在于， 所述排列方向上的所述间距被设定为2. 5 3. 5像素。
4.根据权利要求3所述的信息取得装置，其特征在于， 所述排列方向上的所述间距被设定为2. 5像素。
5.根据权利要求3所述的信息取得装置，其特征在于， 所述排列方向上的所述间距被设定为3. O像素。
6.一种物体检测装置，其具有权利要求I 5中任一项所述的信息取得装置。
全文摘要
本发明提供一种能够使点图案的检测精度提高的信息取得装置以及搭载该信息取得装置的物体检测装置。信息取得装置(1)具备射出波长830nm程度的激光的激光光源(111)；将激光朝向所述目标区域进行投射的投射光学系统(11)；接收来自所述目标区域的反射光并输出信号的CMOS图像传感器(124)。投射光学系统(11)按照由CMOS图像传感器(124)所接收的激光的基准图案的点至少在激光光源(111)与CMOS图像传感器(124)的排列方向上具有2.5像素以上的间距的方式将激光朝向目标区域进行投射。
文档编号G01B11/25GK102741648SQ201180007779
公开日2012年10月17日 申请日期2011年6月2日 优先权日2010年9月28日
发明者梅田胜美 申请人:三洋电机株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
