CN110579202B

CN110579202B - 具备偏振滤镜的测距装置

Info

Publication number: CN110579202B
Application number: CN201910489676.4A
Authority: CN
Inventors: 高桥祐辉; 渡边淳; 中村稔
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2039-06-06
Also published as: US20190377073A1; DE102019003871A1; CN110579202A; US11733362B2; JP2019211437A; JP6717881B2

Abstract

本发明提供一种具备偏振滤镜的测距装置。该测距装置具备使第一偏振滤镜与第二偏振滤镜一体化的光学窗口，第一偏振滤镜用于使参照光偏振，第二偏振滤镜用于使入射光在相对于第一偏振滤镜的偏振方向偏离了90度的方向上偏振。

Description

具备偏振滤镜的测距装置

技术领域

本发明涉及一种根据光的飞行时间来测定到物体的距离的测距装置，特别涉及一种具备偏振滤镜的测距装置。

背景技术

作为测定到物体的距离的测距装置，根据光的飞行时间来输出距离的TOF(timeof flight飞行时间)相机是公知的。TOF相机大多采用相位差方式，相位差方式是对测定对象空间照射以预先决定的频率进行了强度调制后的参照光，检测所照射的参照光与来自测定对象空间的反射光之间的相位差。

在该TOF相机中，存在金属面、逆反射材料等导致的强反射引起饱和，无法进行测距的问题。另外，TOF相机的测距方法是根据从自身照射的参照光反射并返回的延迟时间来测量距离，因此有时强的参照光在透镜面等进行反射而产生眩光。即使在产生了金属反射或逆反射的情况下，也与扩散反射同样地进行测距，因此期待一种有效地减小金属反射或逆反射的影响的方法。

世界上存在各种的扩散反射率的物体，光的返回量由扩散反射率决定。实际上还存在以下物体，该物体具有不仅是扩散反射，还在逆反射、正反射这样的特定方向上反射强光的材质或表面。为了测量这些所有物体的距离，需要如图8所示那样调节曝光时间来进行多次拍摄。

过强的光在相机机构内引起漫反射，还会引起不仅对进行图像成像的像素产生影响还会影响到其周围的被称为眩光的现象。该眩光现象使图像内的测距值大大错乱因此是严重的问题。

为了解决上述问题，已知以下一种技术，在发光部侧设置使参照光偏振的第一偏振滤镜，在受光部侧设置偏振方向与第一偏振滤镜偏离了90度的第二偏振滤镜，由此抑制强反射的影响(例如参照下述文献)。

在日本特开2001-174557号公报中公开以下全天候光学式测距仪，其在投光镜的附近配置偏振板来投射由垂直方向的偏振成分构成的光，并在受光镜的附近配置偏振板从而入射相对于投射光的偏振方向倾斜了90度的仅水平方向的偏振成分的光。

在日本特开2010-078339号公报中公开了一种通过TOF方式的距离测量法来测量被摄体的三维形状的三维形状测量装置，在与图案光的偏振方向正交的方向上使入射光偏振，由此来防止正反射光的入射。

在日本特开2011-069671号公报中公开了一种测距装置，其在投光窗口的外周面粘贴了在第一方向上偏振的第一偏振元件，在来自检测对象物的反射光的光路上粘贴在与第一方向不同的第二方向上偏振的第二偏振元件。

在日本再公表专利2016/084214号中公开了一种生物认证装置，其使安装在光源上的偏振滤镜的偏振光轴与安装在相机上的偏振滤镜的偏振光轴错开90度，由此来去除镜面反射。

在日本特开2016-224021号公报中公开了一种TOF方式的深度相机，其在相机的入射侧设置相对于照射侧的偏振板的朝向成90度角度的偏振板，由此去除通过水蒸气而逆反射的偏振成分，并使通过观测对象进行了扩散反射的光中的与偏振板的偏振的朝向一致的成分进行透射。

TOF相机在测距原理上，将相机的受光元件与发光元件紧密地结合，包含受光元件和发光元件来构成一个相机。因此，受光部和发光部是明确的，且容易研究偏振滤镜的安装。但是，为了将偏振滤镜所期待的去除正反射的影响的能力引导至最大，需要对位置和姿势进行仔细的调整，为了维持调整后的偏振方向还需要滤镜的定位机构。

另一方面，偏振滤镜会老化，为了维持去除正反射的影响的能力而需要定期更换。因此，将偏振滤镜固定来防止偏振滤镜的位置偏离并不理想。另外，如果即便偏振滤镜没有劣化也定期进行更换则运用成本增大。当偏振滤镜仅仅是被污染时虽然能够通过清洗来应对，但是难以将偏振滤镜的劣化与污染等进行区分来适时地进行更换。

发明内容

因此，寻求一种将偏振滤镜的维护进行简化的测距装置。

本公开一个方式提供一种测距装置，其具备：发光部，其发出通过预先决定的频率进行了强度调制后的参照光；受光部，其从测定对象空间接收入射光；以及距离计算部，其根据参照光和入射光之间的相位差来计算到测定对象空间的物体为止的距离，该测距装置还具备使第一偏振滤镜与第二偏振滤镜一体化的光学窗口，第一偏振滤镜用于使参照光偏振，第二偏振滤镜用于使入射光在相对于第一偏振滤镜的偏振方向偏离了90度的方向上偏振。

附图说明

图1是第一实施方式的测距装置的框图。

图2是表示第一实施方式的偏振滤镜的劣化判定处理的流程图。

图3表示第二实施方式的参照用反射材料。

图4是表示第二实施方式的偏振滤镜的劣化判定处理的流程图。

图5表示第三实施方式的参照用反射材料。

图6是表示第三实施方式的偏振滤镜的劣化判定处理的流程图。

图7是表示第四实施方式的偏振滤镜的劣化判定处理的流程图。

图8表示变更曝光时间的现有的拍摄模式。

具体实施方式

以下参照附图详细说明本公开的实施方式。在各个附图中对相同或类似的结构要素标注相同或类似的标记。另外，以下记载的实施方式并非限定权利要求书中记载的发明的技术范围以及用词的含义。

图1是第一实施方式的测距装置10的框图。测距装置10例如是通过相位差方式测量到物体O的距离的TOF相机，具备发出用于照射测定对象空间的参照光L1的发光部11、从测定对象空间接收入射光L2的受光部12以及计算到测定对象空间的物体O为止的距离的距离计算部13。

发光部11例如由发出近红外光(NIR光)的发光二极管(LED)、半导体激光(LD)等光源构成，发出根据来自发光控制部14的调制信号通过预先决定的频率进行了强度调整后的参照光L1。参照光L1通过扩散板15被扩散，照射测定对象空间。

受光部12例如由设置了NIR滤镜的CCD、CMOS等图像传感器构成，经由聚光透镜等透镜16接收入射光L2。入射光L2除了包含通过物体O进行反射的参照光，还包含外部光。受光部12具有根据入射光L2积蓄电荷的多个受光元件。受光部12中的一个像素例如由4个受光元件构成，4个受光元件例如在相对于参照光L1的发光定时分别错开了0°、90°、180°、270°相位的拍摄定时分别积蓄电荷Q1～Q4。

发光控制部14以及受光控制部18在每个相位π/2从同步信号产生部19输入同步信号。发光控制部14以及受光控制部18分别按照输入的同步信号来控制发光部11的发光定时以及受光部12的拍摄定时等。通过多次重复进行该发光来设为一次拍摄，通过使发光次数变化来调整拍摄的曝光时间。

受光部12当结束了一次拍摄时，根据来自受光控制部18的控制信号输出每一个像素包含4个电荷量Q1～Q4的1张帧图像。将帧图像中的各个电荷量Q1～Q4的电压值通过放大部20进行放大，并通过A/D转换部21进行A/D转换，然后存储在存储器22中。

距离计算部13由ASIC、FPGA等处理器构成，根据存储在存储器22中的各个电荷量Q1～Q4，针对每个像素并且针对每个拍摄来计算直到位于观测方向上的物体为止的距离。距离计算部13例如根据公知的下述方式来计算相位差Td以及距离L。这里，c是光速(3×108m/s)，f是调制频率。

距离图像生成部23根据针对每个像素计算出的距离L来生成距离图像。

强度计算部24由ASIC、FPGA等处理器构成，根据存储在存储器22中的各个电荷量Q1～Q4，针对每个像素且针对每个拍摄来计算受光强度I。强度计算部24例如根据下述公式来计算受光强度I。

强度图像生成部25根据针对每个像素计算出的受光强度来生成强度图像(NIR图像)。

在该测距装置10中，来自金属面、逆反射材料等物体O的强反射引起饱和，从而无法进行测距。此外，强的入射光L2通过透镜16进行漫反射而引起眩光，使测距值混乱。

因此，第一实施方式的测距装置10具备一体地形成了第一偏振滤镜31和第二偏振滤镜32的光学窗口30，第一偏振滤镜31使参照光L1偏振，第二偏振滤镜32使入射光L2在相对于第一偏振滤镜31的偏振方向偏离了90度的方向上偏振。通过该光学窗口30起到后述的效果。

(1)第一偏振滤镜31以及第二偏振滤镜32使金属、逆反射材料等的反射强度降低，因此不仅能够防止饱和引起的无法测距，还能够改善眩光引起的精度不良。

(2)不需要像以往那样调整曝光时间进行多次拍摄。因此，能够降低变更曝光时间的拍摄模式的数量。

(3)难以产生眩光，从而能够得到延长受光元件的寿命的效果。

(4)光学窗口30由于使偏振方向错开了90度的2个偏振滤镜31、32一体化，因此不需要在现场分别对发光侧以及受光侧的偏振滤镜进行位置调整。并且，不需要能够独立地对各个滤镜进行定位的机构，即使光学窗口30的安装精度多少有些粗糙也能够保持2个偏振滤镜的90度的位置关系，因此能够将偏振特性引导至最大。

另外，优选测距装置10在第二偏振滤镜32与受光部12之间具备透镜16。由此，第二偏振滤镜32降低来自金属、逆反射材料等物体O的正反射，降低了光量的入射光L2入射到透镜16，因此能够抑制透镜面等的漫反射，难以产生眩光。

另一方面，由于偏振滤镜31、32老化，为了维持测距精度而需要定期地更换。因此，优选光学窗口30能够装卸。

并且，为了向用户警告偏振滤镜31、31的更换时期，测距装置10还可以具备参照用反射材料33、根据来自参照用反射材料33的反射强度来对第一偏振滤镜31以及第二偏振滤镜32的劣化进行判定的劣化判定部34。参照用反射材料33具有逆反射材料，劣化判定部34由ASIC、FPGA等处理器构成。

劣化判定部34在来自参照用反射材料33的逆反射部的反射强度大于阈值时，判定为偏振滤镜31、32已劣化。优选劣化判定部34预先存储了该阈值。

为了使劣化判定部34预先存储阈值，测距装置10可以具备用于预先登记参照用反射材料33的参照位置和在参照位置的反射强度的参照用反射材料登记部35。参照用反射材料登记部35由ASIC、FPGA等处理器构成，使用户使用鼠标等来指定在显示部36中显示的参照用反射材料33的图像上的参照位置。

参照位置例如可以是相当于1个像素的参照点，或者例如也可以是相当于多个像素的参照区域。在参照位置是参照区域时，参照用反射材料登记部35例如登记多个像素的反射强度的平均值或中央值来作为阈值。参照用反射材料33的参照位置可以作为图像上的2维位置进行登记，但也可以作为相机坐标系的三维位置进行登记。

图2是表示第一实施方式的偏振滤镜的劣化判定处理的流程图。步骤S10是在测距装置10的制造时、设置时等执行的初始设定，步骤S11～步骤S16是在使用测距装置10时定期执行的劣化判定处理。在步骤S10中，参照用反射材料登记部35预先登记图像上的参照用反射材料33的参照位置以及参照位置的反射强度。

在步骤S11中，测距装置10拍摄配置在任意位置的参照用反射材料33的图像。在步骤S12中，强度图像生成部25生成参照光的强度图像。

在步骤S13中，劣化判定部34取得参照位置的反射强度。在步骤S14中，劣化判定部34将取得的反射强度与阈值进行比较。当反射强度比阈值大时(步骤S14为是)，判定为偏振滤镜已劣化，进入步骤S15，劣化判定部34经由显示部36警告劣化。在步骤S16中，用户将光学窗口30更换为新的光学窗口。

在步骤S14中当反射强度为阈值以下时(步骤S14为否)，判定为偏振滤镜没有劣化，返回步骤S11，在下次的维护时再次执行劣化判定处理。

根据第一实施方式的劣化判定处理，能够判定偏振滤镜31、32的劣化，能够通过更换光学窗口30来维持正反射成分的去除能力。

图3表示第二实施方式的参照用反射材料33。第二实施方式的测距装置的参照用反射材料、参照用反射材料登记部以及劣化判定部与第一实施方式不同，但是其他结构以及处理与第一实施方式相同。

当偏振滤镜31、32劣化时，偏振滤镜的偏振能力下降，因此偏振变得无效，来自金属、逆反射材料等物体O的反射强度增加。但是，还存在由于光学窗口30的污染等影响即使偏振滤镜劣化反射强度也未增加的情况。因此，第二实施方式的参照用反射材料33不仅具有逆反射部33a还具有扩散反射部33b。当光学窗口30存在污染等时，来自扩散反射部33b的反射强度会降低，因此根据来自逆反射部33a的反射强度和来自扩散反射部33b的反射强度能够更加正确地判定偏振滤镜的劣化。对于逆反射部33a以及扩散反射部33b虽然没有进行限定，但是例如可以是同心圆状配置的正圆形状。

劣化判定部34例如通过将来自逆反射部33a的反射强度与来自扩散反射部33b的反射强度之间的比与阈值进行比较来判定偏振滤镜的劣化。在其他实施方式中，也可以通过将来自逆反射部33a的反射强度与来自扩散反射部33b的反射强度之间的差与阈值进行比较来判定偏振滤镜的劣化。

为了使劣化判定部34预先存储阈值，参照用反射材料登记部35预先登记逆反射部33a的参照位置37a和扩散反射部33b的参照位置37b以及各个参照位置37a、37b的反射强度。参照位置37a、37b可以分别是相当于一个像素的参照点，或者可以是相当于多个像素的参照区域。另外，当参照位置37a、37b分别是参照区域时，参照用反射材料登记部35例如预先登记多个像素的反射强度的平均值或中央值。

另外，来自扩散反射部33b的反射强度根据从测距装置10到参照用反射材料33的距离而发生变化，因此在登记以及劣化判定时将参照用反射材料33配置在从测距装置10起相同的距离。

图4是表示第二实施方式的偏振滤镜的劣化判定处理的流程图。步骤S20是在测距装置10的制造时、设置时等执行的初始设定，步骤S21～步骤S26是在使用测距装置10时定期执行的劣化判定处理。在步骤S20中，参照用反射材料登记部35预先登记图像上的逆反射部33a的参照位置37a和扩散反射部33b的参照位置37b以及各个参照位置37a、37b的反射强度。

在步骤S21中，测距装置10拍摄配置在预定位置上的参照用反射材料33的图像。在步骤S22中，强度图像生成部25生成参照光的强度图像。

在步骤S23中，劣化判定部34取得逆反射部33a的参照位置37a的反射强度和扩散反射部33b的参照位置37b的反射强度。在步骤S24中，劣化判定部34将所取得的反射强度的关系(例如反射强度的比)与阈值进行比较。当反射强度的关系比阈值大时(步骤S24为是)，判定为偏振滤镜已劣化，进入步骤S25，劣化判定部34经由显示部36等进行劣化的警告。在步骤S26中，用户将光学窗口30更换为新的光学窗口。

在步骤S24中当反射强度的关系为阈值以下时(步骤S24为否)，判定为偏振滤镜没有劣化，返回步骤S21，在下次的维护时再次执行劣化判定处理。

根据第二实施方式的劣化判定处理，能够正确地判定偏振滤镜31、32的劣化，能够适时地进行光学窗口30的更换。

图5表示第三实施方式的参照用反射材料40。第三实施方式的测距装置的参照用反射材料、参照用反射材料登记部以及劣化判定部与第一实施方式以及第二实施方式不同，但是其他结构以及处理与第一实施方式以及第二实施方式相同。

第三实施方式的参照用反射材料40具有预先决定的形状或具有预先登记的形状，劣化判定部34从图像中搜索参照用反射材料40的形状，根据形状的位置以及姿势来确定逆反射部33a以及扩散反射部33b。由此，能够将参照用反射材料40配置在任意的位置。参照用反射材料40的形状没有被限定，例如可以是正方形。

另外，来自扩散反射部33b的反射强度根据从测距装置10到参照用反射材料33的距离而发生变化，因此参照用反射材料登记部35按照每个预定距离(例如每0.5m、1m、1.5m、2m)来预先登记逆反射部33a以及扩散反射部33b各自的反射强度。

图6是表示第三实施方式的偏振滤镜的劣化判定处理的流程图。步骤S30是在测距装置10的制造时、设置时等执行的初始设定，步骤S31～步骤S36是在使用测距装置10时定期执行的劣化判定处理。在步骤S30中，参照用反射材料登记部35使用数据库等按照每个预定距离预先登记逆反射部33a以及扩散反射部33b各自的反射强度。另外，在步骤S30中，参照用反射材料登记部35也可以预先登记参照用反射材料40的形状。

在步骤S31中，测距装置10拍摄配置在任意位置上的参照用反射材料40的图像。在步骤S32中，强度图像生成部25生成参照光的强度图像。

在步骤S33中，劣化判定部34使用模板匹配等图像处理从图像中搜索参照用反射材料40的形状，根据形状的位置以及姿势来确定逆反射部33a以及扩散反射部33b，并取得逆反射部33a的反射强度和扩散反射部33b的反射强度。

在步骤S34中，劣化判定部34将所取得的反射强度的关系(例如反射强度的比)与阈值进行比较。当反射强度的关系比阈值大时(步骤S34为是)，判定为偏振滤镜已劣化，进入步骤S35，劣化判定部34经由显示部36等进行劣化的警告。在步骤S36中，用户将光学窗口30更换为新的光学窗口。

在步骤S34中当反射强度的关系为阈值以下时(步骤S34为否)，判定为偏振滤镜没有劣化，返回步骤S31，在下次的维护时再次执行劣化判定处理。另外，当在一定期间没有进行劣化判定时可以显示警告等。

根据第三实施方式的劣化判定处理，不需要预先登记参照用反射材料40的参照位置37a、参照位置37b，另外能够将参照用反射材料40配置在任意的位置，因此能够简化偏振滤镜的劣化判定。

图7是表示第四实施方式的偏振滤镜的劣化判定处理的流程图。第四实施方式的测距装置的参照用反射材料、参照用反射材料登记部以及劣化判定部与第一～第三实施方式不同，但是其他结构以及处理与第一～第三实施方式相同。

第四实施方式的参照用反射材料不需要使用特定的反射材料，使用至少产生正反射的反射材料，例如使用金属板等。为了使劣化判定部34预先存储阈值，参照用反射材料登记部35预先登记在图像上产生正反射的位置、没有产生正反射的位置、各个位置的反射强度。劣化判定部34根据正反射产生位置的反射强度、正反射非产生位置的反射强度来判定偏振滤镜的劣化。

正反射产生位置以及正反射非产生位置例如可以是相当于1个像素的参照点，或者也可以是相当于多个像素的参照区域。当正反射产生位置以及正反射非产生位置分别是参照区域时，参照用反射材料登记部35例如预先登记多个像素的反射强度的平均值或中央值。

步骤S40是在测距装置10的制造时、设置时等执行的初始设定，步骤S41～步骤S46是在使用测距装置10时定期执行的劣化判定处理。在步骤S40中，参照用反射材料登记部35预先登记图像上的正反射产生位置、正反射非产生位置以及各个位置的反射强度。

在步骤S41中，测距装置10拍摄配置在预定位置以及姿势的参照用反射材料的图像。在步骤S42中，强度图像生成部25生成参照光的强度图像。

在步骤S43中，劣化判定部34取得正反射产生位置的反射强度以及正反射非产生位置的反射强度。在步骤S44中，劣化判定部34将所取得的反射强度的关系(例如反射强度的比)与阈值进行比较。当反射强度的关系比阈值大时(步骤S44为是)，判定为偏振滤镜已劣化，进入步骤S45，劣化判定部34经由显示部36等进行劣化的警告。在步骤S46中，用户将光学窗口30更换为新的光学窗口。

在步骤S44中当反射强度的关系为阈值以下时(步骤S44为否)，判定为偏振滤镜没有劣化，返回步骤S41，在下次的维护时再次执行劣化判定处理。

根据第四实施方式的劣化判定处理，不需要使用特定的反射材料，因此能够将劣化判定简化。

在本说明书中说明了各种实施方式，但是本发明不限于上述实施方式，可知在利要求书所记载的范围内能够进行各种变更。

Claims

1.一种测距装置，其具备：

发光部，其发出以预先决定的频率进行了强度调制后的参照光；

受光部，其从测定对象空间接收入射光；以及

距离计算部，其根据上述参照光和上述入射光之间的相位差来计算到上述测定对象空间的物体的距离，

其特征在于，

上述测距装置还具备：

使第一偏振滤镜与第二偏振滤镜一体化的光学窗口，上述第一偏振滤镜用于使上述参照光偏振，上述第二偏振滤镜用于使上述入射光在相对于上述第一偏振滤镜的偏振方向偏离了90度的方向上偏振；

参照用反射材料，其反射由上述第一偏振滤镜偏振后的参照光；以及

劣化判定部，其根据将上述参照用反射材料反射并由上述第二偏振滤镜偏振后的入射光进行了接收的上述受光部中的来自上述参照用反射材料的反射强度，判定上述第一偏振滤镜以及上述第二偏振滤镜的劣化。

2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，

上述测距装置还在上述第二偏振滤镜与上述受光部之间具备透镜。

3.根据权利要求1或2所述的测距装置，其特征在于，

上述光学窗口可装卸。

4.根据权利要求1或2所述的测距装置，其特征在于，

上述参照用反射材料具有不改变偏振方向的逆反射部。

5.根据权利要求4所述的测距装置，其特征在于，

上述参照用反射材料还具有扩散反射部。

6.根据权利要求5所述的测距装置，其特征在于，

上述劣化判定部根据来自上述逆反射部的反射强度以及来自上述扩散反射部的反射强度来判定上述劣化。

7.根据权利要求1或2所述的测距装置，其特征在于，

上述受光部具备二维排列的多个受光元件，

上述测距装置还具备参照用反射材料登记部，该参照用反射材料登记部预先登记在根据上述受光元件中积蓄的电荷量生成的图像中拍摄到的上述参照用反射材料在上述图像上的参照位置以及来自上述参照位置的反射强度。

8.根据权利要求6所述的测距装置，其特征在于，

上述受光部具备二维排列的多个受光元件，

上述劣化判定部从根据上述受光元件中积蓄的电荷量生成的图像中搜索上述参照用反射材料的形状，根据上述形状的位置以及姿势来确定上述逆反射部以及上述扩散反射部。

9.根据权利要求1或2所述的测距装置，其特征在于，

上述测距装置还具备参照用反射材料登记部，该参照用反射材料登记部预先登记上述参照用反射材料的形状。

10.根据权利要求8所述的测距装置，其特征在于，

上述参照用反射材料的形状是预先决定的形状。

11.根据权利要求7所述的测距装置，其特征在于，

上述参照位置包含产生了正反射的位置和没有产生正反射的位置。