專利名稱：距離計測裝置及距離計測方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及距離計測裝置，根據(jù)從一個視點拍攝到的多張圖像來計測場景的進深。
背景技術(shù)：
曾經(jīng)提出了以非接觸方式計測某個三維場景的進深即距各個被攝體的距離的各種方法。將這些方法大致劃分為主動方法和被動方法。主動方法是向被攝體照射紅外線、超聲波或者激光光束等，根據(jù)截止到反射波返回來的時間或者反射波的角度等計算距離的方法。被動方法是根據(jù)被攝體的像計算距離的方法。尤其是在使用照相機計算距離的情況下，廣泛采用不需要用于照射紅外線等的裝置的被動方法。關于被動方法也提出了許多方法，其中之一是根據(jù)由于聚焦的變化而產(chǎn)生的模糊 (d )來計測距離的被稱為Depth from Defocus (散焦測深,下面表述為DFD)的方法。DFD具有不需要多個照相機即可計測距離、能夠根據(jù)較少數(shù)量的圖像計測距離等特征。下面，對DFD的原理進行簡單說明。在設攝影圖像為I (x，y)、設表示沒有透鏡產(chǎn)生的模糊的狀態(tài)的原圖像為S (x,y)時，兩者之間存在諸如式I所示的關系。[數(shù)式I]I (x, y) = S (x, y) *h (x, y, d (x, y)) (式 I)其中，h表示用于表示光學系統(tǒng)的模糊狀態(tài)的點擴展函數(shù)(Point SpreadFunction,下面表述為PSF), d表示在攝影圖像上或者原圖像上的位置(x, y)的被攝體距離。h表示依據(jù)于上述位置(x，y)和被攝體距離d的函數(shù)。另外，式中的*表示卷積運算。式I包括作為未知數(shù)的S和d。在此拍攝改變了聚焦位置的同一場景的圖像12。改變聚焦位置相當于PSF相對于同一被攝體距離而變化。即式2成立。I2(x, y) = S(x, y)*h' x, y, d x, y)) (式 2)其中，h’表示不同于h的聚焦位置的PSF。通過求解這些數(shù)式，能夠求出場景的原圖像S和被攝體距離d。提出了以專利文獻I為代表的原圖像S和被攝體距離d的各種解法。現(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻I :日本專利第2963990號公報專利文獻I :日本特開昭62 - 222117號公報專利文獻I :日本特開2006 - 329897號公報
發(fā)明概要發(fā)明要解決的問題根據(jù)式I和式2可知，不同聚焦位置的PSF的變化越小，攝影圖像I與I2之差異越小，因而很難求出被攝體距離d。即，景深越深，基于DFD的距離計測越困難。尤其是在透鏡的焦距較短的情況下，即使最大限度地開放光圈，景深也不能足夠的淺，可以說DFD的應用在本質(zhì)上比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是為了解決上述問題而提出的，其目的在于，提供一種距離計測裝置及距離計測方法，即使是在焦距較短等景深較深的條件下，也具有較高的距離計測精度。 用于解決問題的手段根據(jù)本發(fā)明的某個方面的距離計測裝置具有拍攝圖像的攝像元件；使被攝體像衍射的衍射光學元件；光學系統(tǒng)，使通過所述衍射光學元件而衍射的所述被攝體像成像于所述攝像元件；以及距離計測部，計測從由所述攝像元件拍攝的 圖像到被攝體的距離，所述距離計測部根據(jù)在由所述攝像元件拍攝的圖像上的通過所述衍射光學元件而產(chǎn)生的所述被攝體像的衍射像的間隔，計測距所述被攝體的距離。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，不是根據(jù)模糊的大小，而是根據(jù)通過衍射而產(chǎn)生的衍射像的間隔來求出被攝體距離。衍射像的間隔不受景深影響，具有被攝體距離越短則間隔越小、被攝體距離越長則間隔越大的性質(zhì)。因此，即使是在景深比較深而不產(chǎn)生模糊的條件下，也能夠根據(jù)在一個視點拍攝的圖像高精度地求出被攝體距離。并且，也可以是，上述的距離計測裝置還具有使特定的波長頻帶的光線分別透射的光學濾波器。衍射的影響因波長而異，因而在不使用光學濾波器的情況下，來自一點的光受到各種衍射的影響，在圖像上不能匯集為一點，而成為模糊的圖像。因此，需要用于去除模糊的處理。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，通過只利用特定的波長，能夠得到?jīng)]有模糊的圖像，因而不需要去除模糊的處理，能夠簡化被攝體距離的計算處理。并且，也可以是，所述衍射光學元件具有曲面形狀。優(yōu)選的是，所述曲面是球面，所述曲面的曲率半徑與所述光學系統(tǒng)的光圈和所述衍射光學元件之間在所述光軸上的距離大致相等。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，即使是視場角變化時，也不會產(chǎn)生根據(jù)衍射的級數(shù)的正負而形成的衍射像的位置的偏倚，因而在計算被攝體距離時不需要考慮視場角，能夠簡化處理。并且，也可以是，所述曲面是非球面。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，即使是視場角變化時，也不會產(chǎn)生根據(jù)衍射的級數(shù)的正負而形成的衍射像的位置的偏倚，而且能夠使衍射像的間隔相對于視場角而固定，因而能夠簡化被攝體距離的計算處理。并且，也可以是，所述距離計測裝置還具有向所述被攝體投射特定的波長頻帶的光的照明裝置。通過向被攝體投射特定的波長頻帶的光，能夠與使用光學濾波器時相同地拍攝特定的波長頻帶的圖像。因此，能夠得到?jīng)]有模糊的圖像，能夠簡化被攝體距離的計算處理。另外，本發(fā)明不僅能夠?qū)崿F(xiàn)為具有這種特征性的處理部的距離計測裝置，而且也能夠?qū)崿F(xiàn)為將距離計測裝置所包含的特征性的處理部執(zhí)行的處理作為步驟的距離計測方法。并且，也能夠?qū)崿F(xiàn)為使計算機作為距離計測裝置所包含的特征性的處理部而發(fā)揮作用的程序、或者使計算機執(zhí)行距離計測方法所包含的特征性步驟的程序。并且，這種程序當然能夠通過⑶一 ROM (Compact 一 Disc 一 Read Only Memory)等計算機能夠讀取的非臨時性記錄介質(zhì)或因特網(wǎng)等通信網(wǎng)絡進行流通。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明的距離計測裝置及距離計測方法，不是根據(jù)模糊的大小，而是根據(jù)通過衍射而產(chǎn)生的衍射像的間隔來求出被攝體距離，因而即使是在景深比較深不產(chǎn)生模糊的條件下，也能夠根據(jù)在一個視點拍攝的圖像高精度地求出被攝體距離。


圖I是表示本發(fā)明的實施方式I的距離計測裝置的功能性結(jié)構(gòu)的框圖。圖2是示意地表示光線通過衍射光學元件而入射的狀態(tài)的圖。 圖3是表示光線通過衍射光學元件而入射時的幾何學關系的圖。圖4是表示計算被攝體距離的處理的流程的流程圖。圖5是說明用于拍攝衍射圖像的、基于致動器的衍射光學元件的移動的圖。圖6是說明用于拍攝參照圖像的、基于致動器的衍射光學元件的移動的圖。 圖7A是示意地表示較短被攝體距離的PSF形狀(核形狀)的圖。圖7B是示意地表示較長被攝體距離的PSF形狀(核形狀)的圖。圖8是示意地表示光線從光軸外的點通過衍射光學元件而入射的狀態(tài)的圖。圖9A是示意地表示光軸上的PSF形狀(核形狀)的圖。圖9B是示意地表示光軸外的PSF形狀(核形狀)的圖。圖10是示意地表示光線從光軸外的點通過由球面構(gòu)成的衍射光學元件而入射的狀態(tài)的圖。圖11是表示不使用光學濾波器，通過拍攝白色的點光源而得到的衍射圖像的一例的圖。圖12A是表示使用藍色波長頻帶的光學濾波器，通過拍攝白色的點光源而得到的衍射圖像的一例的圖。圖12B是表示使用綠色波長頻帶的光學濾波器，通過拍攝白色的點光源而得到的衍射圖像的一例的圖。圖12C是表示使用紅色波長頻帶的光學濾波器，通過拍攝白色的點光源而得到的衍射圖像的一例的圖。圖13是表示包括本發(fā)明所必須的構(gòu)成要素的距離計測裝置的功能性結(jié)構(gòu)的框圖。
具體實施例方式下面，使用附圖詳細說明本發(fā)明的實施方式。另外，下面說明的實施方式均用于示出本發(fā)明的優(yōu)選的一個具體示例。在下面的實施方式中示出的數(shù)值、形狀、材料、構(gòu)成要素、構(gòu)成要素的配置位置及連接方式、步驟、步驟的順序等僅是一例，其主旨不是限定本發(fā)明。本發(fā)明僅利用權(quán)利要求書進行限定。因此，關于下面的實施方式的構(gòu)成要素中、沒有在表示本發(fā)明的最上位概念的獨立權(quán)利要求中記載的構(gòu)成要素，不一定是實現(xiàn)本發(fā)明的課題所需要的構(gòu)成要素，僅是作為構(gòu)成更優(yōu)選的方式的構(gòu)成要素進行說明的。
(實施方式I)下面，參照附圖來說明本發(fā)明的實施方式。圖I是表示本發(fā)明的實施方式I的距離計測裝置的功能性結(jié)構(gòu)的框圖。距離計測裝置10具有攝像部12、幀存儲器14、距離計測部16和控制部18。攝像部12包括攝像元件20、衍射光學元件24、光學系統(tǒng)22、光學濾波器26和致動器(actuator) 28,攝像部12拍攝被攝體像并輸出圖像。攝像元件20拍攝圖像,利用CO) (Charge Coupled Device :電荷f禹合裝置)或者CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor :互補金屬氧化物半導體)等構(gòu)成。衍射光學元件24使被攝體像衍射。衍射光學元件24的材質(zhì)沒有特別限定，但優(yōu)選不遮光的透明的玻璃等材質(zhì)。通過不遮光，能夠防止光量的下降。例如，衍射光學元件24 優(yōu)選在玻璃上刻劃平行的槽來形成凹凸的元件、將折射率不同的透明材質(zhì)交替排列構(gòu)成的元件等。并且，衍射光學元件24也可以通過交替排列對光遮光的部分和不遮光的部分而構(gòu)成，但在這種情況下將導致光量減少。光學系統(tǒng)22使經(jīng)由衍射光學元件24而衍射的被攝體像成像于攝像元件20。光學濾波器26使特定的波長頻帶的光線透射。致動器28使衍射光學元件24進入到光學系統(tǒng)22的光路中以及從光學系統(tǒng)22的光路中退出。衍射光學元件24能夠通過致動器28在光路上進退，能夠切換地拍攝沒有產(chǎn)生衍射的狀態(tài)的圖像和產(chǎn)生了衍射的狀態(tài)的圖像。衍射光學元件24配置在光學系統(tǒng)22的光軸上，而且是在比光學系統(tǒng)22的光圈更靠近被攝體的位置。幀存儲器14是以幀單位存儲圖像的存儲器，存儲攝像部12輸出的圖像等。距離計測部16進行根據(jù)由攝像部12拍攝到的圖像來計算被攝體距離的處理。即，距離計測部16根據(jù)在由攝像元件20拍攝的圖像上通過衍射光學元件24而產(chǎn)生的被攝體像的衍射像的間隔，計測距被攝體的距離。控制部18構(gòu)成為包括CPU以及存儲控制程序的ROM和RAM等，控制各個功能塊。下面，對根據(jù)衍射像的間隔計算被攝體距離的原理進行說明。圖2是示意地表示光線通過衍射光學元件而入射的狀態(tài)的圖。圖2所示的衍射光學元件G對應于衍射光學元件24，攝像面I對應于攝像元件20。在圖2中，假設衍射光學元件G位于被攝體ο和針孔P之間。從被攝體ο發(fā)出的光線入射到衍射光學元件G，并以與衍射光學元件G的特性對應的衍射角而彎曲。彎曲后的光線中只有特定角度的光線能夠通過針孔P并到達攝像面I。衍射角是根據(jù)衍射的級數(shù)而定義的，因而非衍射光即O級光(L0)、+ I級的衍射光(LI)及一 I級的衍射光(L 一 I)等多條光線到達攝像面I。2級以上的衍射光也能夠到達攝像面I，但在圖2中為了簡化起見而省略圖示。另外，針孔P的位置相當于光學系統(tǒng)22中的光圈的位置。圖3是表示光線通過衍射光學元件24 (G)而入射時的幾何學關系的圖。在圖3中，利用下面的式3表示在攝像面I上能夠形成衍射像的位置與光軸中心的距離d。[數(shù)式3]d = ftan β(式 3)其中，f表示從針孔到攝像面的距離即焦距。在圖3中，角度β與來自衍射光學元件G的出射角度相等，因而在設光線從被攝體ο向衍射光學元件G的入射角為α時，根據(jù)衍射的公式，下面的式4成立。[數(shù)式4]
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權(quán)利要求
1.ー種距離計測裝置，該距離計測裝置具有 拍攝圖像的攝像元件； 使被攝體像衍射的衍射光學元件； 光學系統(tǒng)，使通過所述衍射光學元件而衍射的所述被攝體像成像于所述攝像元件；以及 距離計測部，計測從由所述攝像元件拍攝的圖像到被攝體的距離， 所述距離計測部根據(jù)在由所述攝像元件拍攝的圖像上的通過所述衍射光學元件而產(chǎn)生的所述被攝體像的衍射像的間隔，計測距所述被攝體的距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的距離計測裝置， 所述衍射光學元件配置在所述光學系統(tǒng)的光軸上，而且是在比所述光學系統(tǒng)的光圈更靠近被攝體的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的距離計測裝置， 所述衍射光學元件具有相對于所述光學系統(tǒng)中的光路能夠進退的構(gòu)造， 所述距離計測部使用在所述衍射光學元件不在所述光路上的狀態(tài)下由所述攝像元件拍攝到的參照圖像、和所述衍射光學元件在所述光路上的狀態(tài)下由所述攝像元件拍攝到的衍射圖像，計測距所述被攝體的距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的距離計測裝置， 所述距離計測部將如下候選確定為距所述被攝體的距離，該候選是將對距所述被攝體的距離的各個候選預先設定的核與所述參照圖像進行卷積而得到的結(jié)果的圖像、與所述衍射圖像之間的差為最小時的候選。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任意ー項所述的距離計測裝置， 所述距離計測裝置還具有使特定的波長頻帶的光線分別透射的光學濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的距離計測裝置， 所述光學濾波器具有使多個波長頻帶的光線透射的特性， 所述距離計測部使用與所述多個波長頻帶的光線對應的多個圖像，計測距所述被攝體的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的距離計測裝置， 所述衍射光學元件具有曲面形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的距離計測裝置， 所述曲面是球面，所述曲面的曲率半徑與所述光學系統(tǒng)的光圈和所述衍射光學元件之間在所述光軸上的距離大致相等。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的距離計測裝置， 所述曲面是非球面。
10.根據(jù)權(quán)利要求I 4中任意ー項所述的距離計測裝置， 所述距離計測裝置還具有向所述被攝體投射特定的波長頻帶的光的照明裝置。
11.ー種使用距離計測裝置的距離計測方法， 該距離計測裝置具有 拍攝圖像的攝像元件； 使被攝體像衍射的衍射光學元件；以及光學系統(tǒng)，使通過所述衍射光學元件而衍射的所述被攝體像成像于所述攝像元件，所述距離計測方法根據(jù)在由所述攝像元件拍攝的圖像上的通過所述衍射光學元件而產(chǎn)生的所述被攝體像的衍射像的間隔，計測距被攝體的距離。
12.—種程序，使計算機執(zhí)行權(quán)利要求11所述的距離計測方法。
13.ー種集成電路，使用距離計測裝置計測距離，該距離計測裝置具有 拍攝圖像的攝像元件； 使被攝體像衍射的衍射光學元件；以及 光學系統(tǒng)，使通過所述衍射光學元件而衍射的所述被攝體像成像于所述攝像元件，所述集成電路具有距離計測部，該距離計測部根據(jù)在由所述攝像元件拍攝的圖像上的通過所述衍射光學元件而產(chǎn)生的所述被攝體像的衍射像的間隔，計測距被攝體的距離。
全文摘要
一種距離計測裝置(10)，其具有拍攝圖像的攝像元件(20)；使被攝體像衍射的衍射光學元件(24)；使通過衍射光學元件(24)而衍射的被攝體像成像于攝像元件的光學系統(tǒng)(22)；以及計測從由攝像元件(20)拍攝的圖像到被攝體的距離的距離計測部(16)，距離計測部(16)根據(jù)在由攝像元件(20)拍攝的圖像上的通過衍射光學元件(24)而產(chǎn)生的被攝體像的衍射像的間隔，計測距被攝體的距離。
文檔編號G02B5/20GK102695939SQ20118000564
公開日2012年9月26日 申請日期2011年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月9日
發(fā)明者木村雅之 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社