專利名稱：物體檢測裝置及信息取得裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及根據(jù)向目標區(qū)域投射光時的反射光的狀態(tài)來檢測目標區(qū)域內(nèi)的物體的物體檢測裝置及適合使用于該物體檢測裝置的信息取得裝置。
背景技術(shù)：
以往，在各種領域中開發(fā)出利用了光的物體檢測裝置。在利用了所謂的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，還能夠?qū)z測對象物體的進深方向的形狀、移動進行檢測。在這樣的物體檢測裝置中，從激光光源或LED (Light Emitting Diode)向目標區(qū)域投射預先確定的波段的光,并通過CMOS圖像傳感器等受光元件來對其反射光進行受光。作為距離圖像傳感器，公知有各種類型的圖像傳感器。在將具有規(guī)定的點圖案的激光向目標區(qū)域照射的類型的距離圖像傳感器中，通過圖像傳感器對從目標區(qū)域反射的點圖案進行受光，并根據(jù)圖像傳感器上的點圖案的受光位置，利用三角測量法，來檢測到檢測對象物體的各部分的距離(例如，非專利文獻I)。在該方式中，例如，在距激光的照射部規(guī)定的距離的位置配置有反射平面的狀態(tài)下，射出具有點圖案的激光，將此時照射到圖像傳感器上的激光的點圖案作為樣板保持。然后，將實測時照射到圖像傳感器上的激光的點圖案與保持為樣板的點圖案對照，來檢測樣板上的點圖案的分段區(qū)域在實測時的點圖案上的哪個位置移動。根據(jù)其移動量，來算出到與各分段區(qū)域?qū)哪繕藚^(qū)域的各部分的距離。在先技術(shù)文獻非專利文獻非專利文獻I :第19次日本機器人學會學術(shù)講演會(2001年9月18-20日)預稿集，P1279-1280

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在上述物體檢測裝置中，為了生成點圖案的激光而使用衍射光學元件。激光的點圖案依賴于衍射光學元件的形狀、位置及激光的波長等。然而，上述要素容易因溫度而變化，并且還可能因時間的經(jīng)過而變化。尤其在衍射光學元件由樹脂材料形成的情況下，衍射光學元件的特性容易因溫度而變化，與此相伴，點圖案也容易變化。當這樣點圖案發(fā)生變化時，作為樣板而保持的點圖案變得不適當，從而無法適當進行實測時的點圖案與保持為樣板的點圖案的對照。其結(jié)果是，相對于檢測對象物體的距離的檢測精度可能下降。本發(fā)明為了消除這樣的問題而提出，其目的在于提供一種即使激光的點圖案因衍射光學元件的形狀、位置及激光的波長等而變化，也能夠適當?shù)貦z測到檢測對象物體的距離的信息取得裝置及搭載該信息取得裝置的物體檢測裝置。發(fā)明解決技術(shù)問題的手段本發(fā)明的第一方式涉及利用光來取得目標區(qū)域的信息的信息取得裝置。該方式所涉及的信息取得裝置具有光源，其射出規(guī)定波段的光；投射光學系統(tǒng)，其將從所述光源射出的光以規(guī)定的點圖案朝向所述目標區(qū)域投射；受光元件，其對從所述目標區(qū)域反射的反射光進行受光并輸出信號；存儲部，其保持在由所述受光元件所受光的所述光的基準圖案中設定多個基準分段區(qū)域而成的基準樣板；更新部，其對所述基準樣板進行更新。所述更新部根據(jù)在所述基準樣板中設定的參照分段區(qū)域的實測時的位移來更新所述基準樣板。本發(fā)明的第二方式涉及物體檢測裝置。該方式所涉及的物體檢測裝置具有上述第一方式所涉及的信息取得裝置。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種即使激光的點圖案因衍射光學元件的形狀、位置及激光的波長等而變化，也能夠適當?shù)貦z測到檢測對象物體的距離的信息取得裝置及搭載該信息取得裝置的物體檢測裝置。 本發(fā)明的特征通過以下所示的實施方式的說明變得更加清楚。但是，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)明乃至各構(gòu)成要件的用語的意義并不被以下的實施方式所記載的內(nèi)容所限制。


圖I是表示實施方式所涉及的物體檢測裝置的結(jié)構(gòu)的圖。圖2是表示實施方式所涉及的信息取得裝置和信息處理裝置的結(jié)構(gòu)的圖。圖3是表示實施方式所涉及的激光對目標區(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是說明實施方式所涉及的基準樣板的設定方法的圖。圖5是說明實施方式所涉及的距離檢測方法的圖。圖6是說明實施方式所涉及的引起距離檢測錯誤的狀態(tài)的圖。圖7是表示實施方式所涉及的樣板的更新處理的流程圖。圖8是表示實施方式所涉及的樣板的更新方法的圖。圖9是表示實施方式所涉及的樣板的更新例的圖。圖10是表示實施方式所涉及的樣板的更新例的圖。圖11是表示實施方式所涉及的樣板的更新方法的變更例的圖。圖12是表示實施方式所涉及的樣板的更新方法的變更例的圖。圖13是表示實施方式所涉及的參照分段區(qū)域的其它設定方法的圖。
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。在本實施方式中例示出將具有規(guī)定的點圖案的激光向目標區(qū)域照射的類型的信息取得裝置。首先，在圖I中示出本實施方式所涉及的物體檢測裝置的簡要結(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3由來字信息處理裝置2的信號進行控制。信息取得裝置I通過向目標區(qū)域整體投射紅外光，并通過CMOS圖像傳感器對其反射光進行受光，來取得位于目標區(qū)域的物體各部分的距離(以下，稱為“三維距離信息”)。取得的三維距離信息經(jīng)由線纜4向信息處理裝置2輸送。信息處理裝置2例如為電視控制用的控制器、游戲機、個人計算機等。信息處理裝置2根據(jù)從信息取得裝置I接收到的三維距離信息，來檢測目標區(qū)域中的物體，并根據(jù)檢測結(jié)果來控制電視3。例如，信息處理裝置2根據(jù)接收到的三維距離信息來檢測人，并根據(jù)三維距離信息的變化，來檢測該人的移動。例如，在信息處理裝置2為電視控制用的控制器的情況下，在信息處理裝置2中安裝有應用程序，該應用程序根據(jù)接收到三維距離信息來檢測該人的姿勢，并根據(jù)姿勢向電視3輸出控制信號。在該情況下，使用者通過邊看電視3邊進行規(guī)定的姿勢，能夠使電視3執(zhí)行頻道切換或音量的Up/Down等規(guī)定的功能。另外，例如，在信息處理裝置2為游戲機的情況下，在信息處理裝置2中安裝應用程序，該應用程序根據(jù)接收到的三維距離信息來檢測該人的移動，并根據(jù)檢測到的移動來 使電視畫面上的角色動作，從而使游戲的對戰(zhàn)狀況變化。這種情況下，使用者通過邊看電視3邊進行規(guī)定的移動，能夠體驗到自身作為電視畫面上的角色而進行游戲的對戰(zhàn)的親臨現(xiàn)場的感覺。圖2是表示信息取得裝置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以沿X軸方向排列的方式配置在信息取得裝置I上。投射光學系統(tǒng)11具備激光光源111、準直透鏡112、光闌113、衍射光學兀件(DOE Diffractive Optical Element) 114、溫度傳感器115。另外，受光光學系統(tǒng)12具備光闌121、攝像透鏡122、濾光片123、CMOS圖像傳感器124。此外，信息取得裝置I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、以及存儲器25來作為電路部的構(gòu)成。激光光源111輸出波長為830nm左右的窄波段的激光。準直透鏡112將從激光光源111射出的激光轉(zhuǎn)換成平行光。光闌113將激光的光束截面調(diào)整成規(guī)定的形狀。D0E114在入射面具有衍射圖案。通過該衍射圖案產(chǎn)生的衍射作用，將從光闌113向D0E114入射的激光轉(zhuǎn)換成點圖案的激光而向目標區(qū)域照射。溫度傳感器115對激光光源111的周圍的溫度進行檢測。從目標區(qū)域反射的激光經(jīng)由光闌121向攝像透鏡122入射。光闌121以與攝像透鏡122的F值一致的方式使來自外部的光收束。攝像透鏡122使經(jīng)由光闌121入射的光會聚到CMOS圖像傳感器124上。濾光片123是使包括激光光源111的出射波長(830nm左右)的波段的光透過，且使可見光的波段截止的帶通濾光片。CMOS圖像傳感器124對由攝像透鏡122會聚的光進行受光，并按像素將與受光光量對應的信號(電荷)向攝像信號處理電路23輸出。在此，CMOS圖像傳感器124使信號的輸出速度高速化，從而能夠根據(jù)各像素的受光以高響應將該像素的信號(電荷)向攝像信號處理電路23輸出。CPU21按照保存在存儲器25中的控制程序來控制各部分。通過這樣的控制程序，對CPU21賦予激光控制部21a、后述的更新部21b、三維距離運算部21c的功能，其中激光控制部21a用于控制激光光源111，三維距離運算部21c用于生成三維距離信息。激光驅(qū)動電路22根據(jù)來自CPU21的控制信號來驅(qū)動激光光源111。攝像信號處理電路23對CMOS圖像傳感器124進行控制，從而按每行順次取入由CMOS圖像傳感器124生成的各像素的信號(電荷)。然后，將取入的信號順次向CPU21輸出。CPU21以從攝像信號處理電路23供給的信號(攝像信號)為基礎，通過三維距離運算部21c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、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)外，還配置有用于進行與電視3的通信的結(jié)構(gòu)、用于讀取保存在CD-ROM等外部存儲器中的信息并將其安裝到存儲器33中的驅(qū)動裝置等，但為了方便，將上述周邊電路的結(jié)構(gòu)省略圖示。CPU31按照保存在存儲器33中的控制程序(應用程序)來控制各部分。通過這樣的控制程序，對CPU31賦予用于檢測圖像中的物體的物體檢測部31a的功能。這樣的控制 程序例如由未圖示的驅(qū)動裝置從CD-ROM讀取，并安裝到存儲器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供給的三維距離信息來檢測圖像中的人及其移動。然后，根據(jù)檢測出的移動，通過控制程序來執(zhí)行用于使電視畫面上的角色動作的處理。另外，在控制程序為用于控制電視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供給的三維距離信息來檢測圖像中的人及其移動(姿勢)。然后，根據(jù)檢測出的移動(姿勢)，通過控制程序來執(zhí)行用于控制電視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)是示意性表示激光對目標區(qū)域的照射狀態(tài)的圖，圖3(b)是示意性表示CMOS圖像傳感器124中的激光的受光狀態(tài)的圖。另外，為了方便，在該圖(b)中示出在目標區(qū)域存在平坦的面(屏幕)時的受光狀態(tài)。從投射光學系統(tǒng)11將具有點圖案的激光(以下，將具有該圖案的激光的整體稱為“DP光”)向目標區(qū)域照射。在該圖(a)中，DP光的光束區(qū)域由實線的框表示。在DP光的光束中，因D0E114所產(chǎn)生的衍射作用而提高了激光的強度的點區(qū)域(以下，僅稱為“點”)按照D0E114所產(chǎn)生的衍射作用形成的點圖案來分布。另外，在圖3(a)中，為了方便，將DP光的光束劃分成呈矩陣狀排列的多個分段區(qū)域。在各分段區(qū)域中點以固有的圖案分布。一個分段區(qū)域中的點的分布圖案與其它全部的分段區(qū)域中的點的分布圖案不同。由此，各分段區(qū)域能夠根據(jù)點的分布圖案而從其它全部的分段區(qū)域區(qū)別開。當在目標區(qū)域存在平坦的面(屏幕)時，由此反射的DP光的各分段區(qū)域如該圖(b)所示，在CMOS圖像傳感器124上呈矩陣狀分布。例如，該圖(a)所示的目標區(qū)域上的分段區(qū)域SO的光在CMOS圖像傳感器124上向該圖(b)所示的分段區(qū)域Sp入射。另外，在圖3(b)中，DP光的光束區(qū)域也由實線的框表示，為了方便，將DP光的光束劃分為呈矩陣狀排列的多個分段區(qū)域。在上述距離運算部21c中，檢測出CMOS圖像傳感器240上的各分段區(qū)域的位置，根據(jù)檢測出的各分段區(qū)域的位置，并基于三角測量法，來檢測出到與檢測對象物體的各分段區(qū)域?qū)奈恢玫木嚯x。這樣的檢測方法的詳細情況例如在上述非專利文獻I (第19次日本機器人學會學術(shù)講演會(2001年9月18-20日)預稿集，P1279-1280)中公開。圖4是示意性表示上述距離檢測中使用的基準樣板的生成方法的圖。如圖4(a)所示，在基準樣板的生成時，在距投射光學系統(tǒng)11規(guī)定的距離Ls的位置上配置有與Z軸方向垂直的平坦的反射平面RS。在該狀態(tài)下，從投射光學系統(tǒng)11以規(guī)定時間Te射出DP光。射出的DP光由反射平面RS反射，而向受光光學系統(tǒng)12的CMOS圖像傳感器124入射。由此,從CMOS圖像傳感器124輸出各像素的電信號。輸出的各像素的電信號的值(像素值)被展開到圖2的存儲器25上。根據(jù)這樣展開到存儲器25上的像素值，如圖4(b)所示，來設定CMOS圖像傳感器124上的規(guī)定DP光的照射區(qū)域的基準圖案區(qū)域。并且，將該基準圖案區(qū)域縱橫劃分來設定分段區(qū)域。如上所述，在各分段區(qū)域，點以固有的圖案分布。因此，分段區(qū)域的像素值的圖 案在各分段區(qū)域不同。另外，各分段區(qū)域為與其它全部的分段區(qū)域為相同的尺寸?；鶞蕵影逋ㄟ^使這樣設定在CMOS圖像傳感器124上的各分段區(qū)域與該分段區(qū)域中含有的各像素的像素值建立對應而構(gòu)成。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)域的位置相關的信息；基準圖案區(qū)域所包含的全部像素的像素值；用于將基準圖案區(qū)域分割成分段區(qū)域的信息?；鶞蕡D案區(qū)域所包含的全部像素的像素值與基準圖案區(qū)域所包含的DP光的點圖案相對應。另外，通過將基準圖案區(qū)域所包含的全部像素的像素值的映射區(qū)域劃分成分段區(qū)域，來取得各分段區(qū)域所包含的像素的像素值。另外，基準樣板還可以將各分段區(qū)域所包含的像素的像素值按各分段區(qū)域保持。構(gòu)成的基準樣板以不能消去的狀態(tài)保持在圖2的存儲器25中。在計算從投射光學系統(tǒng)11到檢測對象物體的各部分的距離時參照這樣保持在存儲器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，與基準圖案上的規(guī)定的分段區(qū)域Sn對應的DP光(DPn)由物體反射，而向與分段區(qū)域Sn不同的區(qū)域Sn’入射。由于投射光學系統(tǒng)11和受光光學系統(tǒng)12在X軸方向上相鄰，因此區(qū)域Sn相對于分段區(qū)域Sn的位移方向與X軸平行。在該圖的情況下，由于物體位于比距離Ls近的位置，因此區(qū)域Sn’相對于分段區(qū)域Sn向X軸正方向位移。若物體位于比距離Ls遠的位置，則區(qū)域Sn’相對于分段區(qū)域Sn向X軸負方向位移。以區(qū)域Sn’相對于分段區(qū)域Sn的位移方向和位移量為基礎，利用距離Ls，并基于三角測量法算出從投射光學系統(tǒng)11到DP光(DPn)所照射的物體的部分的距離Lr。同樣，對于與其它分段區(qū)域?qū)奈矬w的部分，也算出距投射光學系統(tǒng)11的距離。在這樣的距離算出中，需要檢測基準樣板的分段區(qū)域Sn在實測時是否向哪個位置位移。該檢測通過將實測時照射到CMOS圖像傳感器124上的DP光的點圖案和分段區(qū)域Sn所包含的點圖案對照來進行。圖5是說明這樣的檢測的方法的圖。該圖(a)是表示CMOS圖像傳感器124上的基準圖案區(qū)域和分段區(qū)域的設定狀態(tài)的圖，該圖(b)是表示實測時的分段區(qū)域的檢索方法的圖，該圖(c)是表示實測的DP光的點圖案與基準樣板的分段區(qū)域所含有的點圖案的對照方法的圖。例如，在檢索該圖(a)的分段區(qū)域SI的實測時的位移位置的情況下，如該圖(b)所示，將分段區(qū)域SI在范圍Pl P2內(nèi)沿X軸方向按每個像素進行輸送，在各輸送位置，求出分段區(qū)域SI的點圖案與實測的DP光的點圖案的匹配程度。這種情況下，分段區(qū)域SI僅在通過基準圖案區(qū)域的最上段的分段區(qū)域組的行LI上沿X軸方向輸送。這是由于如上所述，通常各分段區(qū)域在實測時從通過基準樣板設定的位置僅沿X軸方向位移。即，這是由于認為分段區(qū)域SI位于最上段的行LI上。這樣，通過僅在X軸方向上進行檢索，從而減輕了用于檢索的處理負擔。另外，在實測時，因檢測對象物體的位置不同而可能引起分段區(qū)域從基準圖案區(qū)域的范圍沿X軸方向超出的情況。因此，范圍Pl P2設定得比基準圖案區(qū)域的X軸方向的寬度寬。在上述匹配程度的檢測時，在行LI上設定與分段區(qū)域SI相同尺寸的區(qū)域(比較區(qū)域)，求出該比較區(qū)域與分段區(qū)域SI之間的相似度。即，求出分段區(qū)域SI的各像素的像素值與比較區(qū)域的對應的像素的像素值的差量。然后，對于比較區(qū)域的全部的像素來求出該差量，并將該差量相加后的值Rsad來作為表示相似度的值而取得。例如，如圖5(c)所示，在一個分段區(qū)域中含有m列Xn行的像素的情況下，求出分段區(qū)域的i列、j行的像素的像素值T(i，j)與比較區(qū)域的i列、j行的像素的像素值I (i，j)的差量。然后，對于分段區(qū)域的全部的像素求出差量，通過該差量的總和求出值Rsad。即，值Rsad由下式算出。[式I]
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，其特征在于， 具有: 光源，其射出規(guī)定波段的光； 投射光學系統(tǒng)，其將從所述光源射出的光以規(guī)定的點圖案朝向所述目標區(qū)域投射； 受光元件，其對從所述目標區(qū)域反射的反射光進行受光并輸出信號； 存儲部，其對在由所述受光元件所受光的所述光的基準圖案中設定有多個基準分段區(qū)域的基準樣板進行存儲； 更新部，其對所述基準樣板進行更新， 所述更新部根據(jù)在所述基準樣板中設定的參照分段區(qū)域的實測時的位移，來更新所述基準樣板。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的信息取得裝置，其特征在于， 所述更新部對所述基準圖案和實測時由所述受光元件所受光的所述光的實測圖案進行對照，根據(jù)在所述基準圖案上設定的參照分段區(qū)域在所述實測圖案上的位置來設定更新圖案區(qū)域，將所述基準圖案適用于設定的所述更新圖案區(qū)域來設定更新圖案，并在設定的更新圖案上設定多個更新分段區(qū)域來構(gòu)成更新樣板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的信息取得裝置，其特征在于， 通過根據(jù)與所述光源和所述受光元件的排列方向相垂直的方向上的所述受光元件上的所述參照分段區(qū)域的位移量，使所述基準圖案的基準圖案區(qū)域沿所述垂直的方向移動或變形來設定所述更新圖案區(qū)域。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的信息取得裝置，其特征在于， 所述參照分段區(qū)域設定成在所述垂直的方向上離開的兩個區(qū)域、以及在所述垂直的方向離開且在所述垂直的方向上與所述兩個區(qū)域不重疊的另外兩個區(qū)域。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的信息取得裝置，其特征在于， 還具備對該信息取得裝置內(nèi)部的溫度進行檢測的溫度傳感器， 在由所述溫度傳感器檢測出的溫度的變化超過規(guī)定閾值時，所述更新部進行所述基準樣板的更新。
6.一種物體檢測裝置，其具有權(quán)利要求I至5中任一項所述的信息取得裝置。
全文摘要
本發(fā)明公開一種即使激光的點圖案因衍射光學元件的形狀、位置及激光的波長等而變化，也能夠適當?shù)貦z測到檢測對象物體的距離的信息取得裝置及搭載該信息取得裝置的物體檢測裝置。信息取得裝置(1)具有射出波長為830nm左右的激光的激光光源(111)；將激光朝向所述目標區(qū)域投射的投射光學系統(tǒng)(11)；對來自所述目標區(qū)域的反射光進行受光并輸出信號的CMOS圖像傳感器(124)；保持基準樣板的存儲器(25)，該基準樣板通過將由CMOS圖像傳感器(124)所受光的光的基準圖案利用呈矩陣狀排列的基準分段區(qū)域劃分而成；更新基準樣板的更新部(21b)。更新部(21b)根據(jù)在基準樣板上設定的參照分段區(qū)域的實測時的位移來更新基準樣板。
文檔編號G01S17/48GK102686975SQ201180005133
公開日2012年9月19日 申請日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月25日
發(fā)明者森本高明, 楳田勝美 申請人:三洋電機株式會社