JP2022146480A - ステレオカメラ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カメラと測距センサ間の姿勢を安定して保持するステレオカメラ装置を提供する。【解決手段】ステレオカメラ装置は、複数のカメラと、対象物までの距離を測定する測距センサと、前記測距センサと前記複数のカメラの光軸方向を揃えて保持する保持部材と、電子回路と、前記保持部材に保持された前記複数のカメラ、前記測距センサ、及び前記電子回路を収容するケースと、を有する。【選択図】図７

Description

本発明は、ステレオカメラ装置に関する。

近年、自動車分野の他、フォークリフト、油圧ショベル等の産業機械分野においても、運転操作者の不注意による事故回避のため、様々な安全装置が車両に装備されている。安全対策のひとつとして、周囲の物体を検知する外界認識センサの搭載が進められている。外界認識センサには、ステレオカメラ、ミリ波レーダ等がある。このような安全装置を用いることで、車両周囲の物体や作業者を検知したときに、検知した周囲の状況に応じて、運転者への注意喚起、車両の走行制御などを行って、車両の衝突にともなう事故を回避する。

ステレオカメラは、２つのカメラで得られた画像からの視差情報を用いて距離を算出する。そのため、単眼カメラと比べて検知距離は短いが、近距離領域で精度良く物体を検知することができる。ステレオカメラによる距離計測は、原理的に２台のカメラの光軸が平行であることを前提とする。ステレオカメラを車両に搭載する場合、温度あるいは振動によるレンズ姿勢の経時変化、ハウジングの機構的な公差などにより、厳密な平行配置を維持することが難しい。

一組の単眼カメラの光軸が同一直線上になる位置に並設させて一体に連結するカメラステイと、各々の単眼カメラからの撮影画像を補正する画像補正手段と、画像補正手段で補正された補正画像から視差を求め、被写体までの距離を算出する距離算出手段とを備えるステレオカメラが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。ステレオカメラの前方に校正用ターゲットを、後方にレーザ距離計を設置し、レーザ距離計からカメラステイの基準面までの距離Ｌ１と、レーザ距離計から校正用ターゲットまでの距離Ｌ２を用いて、ステレオカメラのパラメータを校正する方法が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。ステレオカメラで撮影された画像歪の状況からレンズの位置ずれを推定し、画像補正処理により電子的に画像を変形することで歪補正を行って、元画像を再現する技術が提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

カメラが広角になるほど発生する画像歪は複雑になり、補正量も増えてくる。多項式近似による幾何学的な補正だけでは十分な歪補正を実現することが困難であり、カメラ間の姿勢を安定して保持する機械的な構造が求められる。建設現場などのように過酷な温度変化、振動、衝撃などに晒される環境では、カメラ間の配置や姿勢が経時的に変動し、測距結果と視差演算との間にずれが生じる。非線形的なずれはあらかじめ予測することが難しく、測距精度が劣化する場合がある。

本発明の一つの側面では、カメラと測距センサ間の姿勢を安定して保持するステレオカメラ装置を提供することを目的とする。

一つの態様では、ステレオカメラ装置は、複数のカメラと、対象物までの距離を測定する測距センサと、前記測距センサと前記複数のカメラの光軸方向を揃えて保持する保持部材と、電子回路と、前記保持部材に保持された前記複数のカメラ、前記測距センサ、及び前記電子回路を収容するケースと、を有する。

カメラと測距センサ間の姿勢を安定して保持するステレオカメラ装置が実現される。

実施形態のステレオカメラ装置の外観図である。 図１のステレオカメラ装置のハードウエア構成図である。 図２Ａの集積回路の機能ブロック図である。 ステレオカメラ装置の距離計測の原理を説明する図である。 ステレオカメラ装置の校正のフローチャートである。 校正時のデバイスの位置関係を示す図である。 カメラの分解斜視図である。 ステレオカメラ装置の分解斜視図である。 ステレオカメラ装置の垂直断面図である。 ステレオカメラ装置の水平断面図である。

図１は、実施形態のステレオカメラ装置１００の外観図、図２Ａはステレオカメラ装置１００のハードウエア構成図である。図１、及び図２Ａに示すように、ステレオカメラ装置１００は、カメラ１０Ａ及び１０Ｂ、測距センサ２０、電子回路５０、及び、これらの光学機器と電子回路５０を収容するハウジングケース１０１を有する。ハウジングケース１０１はケースの一例である。この例では、２つのカメラ１０Ａ、及び１０Ｂを用いているが、３つ以上のカメラを用いて距離測定を行ってもよい。

図１で、カメラ１０Ａとカメラ１０Ｂの配列方向をＸ方向、光軸方向をＺ方向、Ｘ方向とＺ方向の両方に直交する方向をＹ方向とする。後述するように、カメラ１０Ａ及び１０Ｂと、測距センサ２０は、保持部材３０（図７、８Ａ、及び８Ｂ参照）により、ハウジングケース１０１の内部で所定の位置関係で保持されている。ハウジングケース１０１はこれらの光学機器と電子回路５０の保護部材として機能する。カメラ１０Ａ及び１０Ｂと測距センサ２０を、ハウジングケース１０１の内部に配置することで、衝突物などに対する堅牢性、塵や埃などに対する防塵性、雨などに対する防水性等を確保する。ハウジングケース１０１は、内部の光学機器、電子回路等を保護できれば、完全な密閉性を有していなくてもよい。カメラ１０Ａ及び１０Ｂと測距センサ２０は、一実施例では、ハウジングケース１０１内で、保持部材３０によって一定の位置関係で一体的に保持されて、位置精度を保つ。

ハウジングケース１０１は、たとえば、ダイカスト法で形成された金属または合金のケースである。図１の例では、ハウジングケース１０１は、アルミダイカストで作製されている。ハウジングケース１０１は、底面に対して斜めに分断可能な上ケース１５と下ケース４０で形成されており、ハウジングケース１０１の内部に収容された部品の保守、修理、交換等が容易である。

ハウジングケース１０１は、カメラ１０Ａ、及び１０Ｂによる撮像を可能にするカメラ用開口部１６Ａ及び１６Ｂと、測距センサ２０で測距するための測距用開口部１７とを有する。ハウジングケース１０１はその最前面に、光透過部材としてのカバーガラス１０２を有する。カバーガラス１０２は、カメラ用開口部１６Ａ及び１６Ｂと、測距用開口部１７を塞いで、光透過性を維持しつつ、ハウジングケース１０１の密閉性を保つ。カバーガラス１０２は、好ましくは一枚の板ガラスであり、カメラ用開口部１６Ａ、１６Ｂ、及び、測距用開口部１７の間で、厚さや反りの差による光学的な誤差が生じることを防止する。

電子回路５０は、カメラ１０Ａ、及び１０Ｂによって撮影された測定対象物の画像データ（撮像画像）に基づいて、画像処理、距離演算処理などを行い、測定対象物までの距離を計測する。

一方、測距センサ２０は、画像測距を校正（キャリブレーション）するために、測定対象物に照射した光の反射光を受光することで、測定対象物までの距離を測定する。測距センサ２０は、たとえば、測定対象物に光（電磁波）を照射してから、測定対象物からの反射光を受光するまでの光飛行時間（Time of Flight：ＴＯＦ）に基づいて測定対象物までの距離を測定するＴｏＦセンサである。

図２Ｂは、電子回路５０の機能ブロック図である。電子回路５０は、大規模集積回路（ＬＳＩＣ）で構成されたマイクロプロセッサであってもよいし、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などの論理デバイスであってもよい。電子回路５０は制御部５０Ａとして機能し、その機能として、画像処理部５１、視差演算部５２、校正演算部５３、距離演算部５４、及びデータ入力部５５を有する。

データ入力部５５は、カメラ１０Ａ及び１０Ｂのそれぞれから出力される撮影画像と、測距センサ２０から出力される距離情報とを受け取る。撮影画像は、データ入力部５５から画像処理部５１に入力される。距離情報は、データ入力部５５から校正演算部５３に入力される。

画像処理部５１は、撮像画像に適切な画像処理を施して補正画像を生成し、補正画像を視差演算部５２に供給する。視差演算部５２は、補正画像から、パターンマッチング法などにより、カメラ１０Ａと１０Ｂの間の視差ｐを計算する。視差ｐは、距離演算部５４と、校正演算部５３に入力される。

校正演算部５３は、測距センサ２０で得られた測定対象物までの距離情報Ｌと、測距センサ２０とカメラ１０Ａ、及び１０Ｂの間の既知の位置関係とに基づいて、カメラ１０Ａ及び１００Ｂの光学中心から測定対象物までの距離Ｚを算出する。校正演算部５３は、算出した距離Ｚと、視差演算部５２から入力された視差ｐを用いて、Ｂ＊ｆ値と視差オフセットΔｐを求め、Ｂ＊ｆ値とΔｐを距離演算部５４に供給する。ここで、Ｂ＊ｆ値は、後述するように、カメラ１０Ａと１０Ｂの間の実際の光軸間の距離（基線長）Ｂと、実際の焦点距離ｆの積である。

距離演算部は、視差演算部５２から入力された視差ｐと、校正演算部５３から入力された視差オフセットΔｐ及びＢ＊ｆ値を用いて、測定対象物までの距離Ｚを、
Ｚ＝Ｂ×ｆ／（ｐ＋Δｐ） （１）
で求める。

ステレオカメラ装置１００の校正は、ステレオカメラ装置１００の工場出荷前の製品検査で行ってもよいし、ステレオカメラ装置１００を移動体などに設置した後の使用時に測定対象物を用いて行ってもよい。

＜距離計測の原理＞
図３は、ステレオカメラ装置１００の距離計測の原理を説明する図である。カメラ１０Ａと１０Ｂが距離Ｂだけ離れて設置されている。距離Ｂは、カメラ１０Ａと１０Ｂの光軸間の距離であり、基線とも呼ばれる。カメラ１０Ａと１０Ｂの焦点距離をｆ、それぞれの光学中心をＯ_Ａ、及びＯ_Ｂ、それぞれの撮像面をｓ_Ａ、及びｓ_Ｂする。求めたいのは、カメラ１０Ａと１０Ｂの光学中心から、測定対象物Ａまでの距離Ｚである。

カメラ１０Ａの光学中心ＯＡから光軸方向（Ｚ方向）に距離Ｚだけ離れた位置にある測定対象物Ａの像は、直線Ａ－Ｏ_Ａと撮像面ｓ_Ａとの交点であるＰ_Ａに像を結ぶ。一方、カメラ１０Ｂでは、同じ測定対象物Ａが撮像面ｓ_Ｂ上の位置Ｐ_Ｂに像を結ぶ。ここで、カメラ１０Ｂの光学中心ＯＢを通り直線Ａ－Ｏ_Ａと平行な直線ＰＬと、撮像面ｓ_Ｂとの交点をＰ_Ａ'とする。Ｐ_Ａ'とＰ_Ｂの間の距離がカメラ１０Ａと１０Ｂの間の視差ｐである。

点Ｐ_Ａ'は、カメラ１０Ａの光軸に対する像点Ｐ_Ａの位置を表す。視差ｐは、Ｐ_Ａ'とＰ_Ｂを合わせた距離であり、同じ測定対象物Ａを二台のカメラ１０Ａと１０Ｂで撮影した画像上での位置ずれ量に対応する。

三角形Ａ－Ｏ_Ａ－Ｏ_Ｂと、三角形Ｏ_Ｂ－Ｐ_Ａ'－Ｐ_Ｂは相似なので、
Ｚ＝Ｂ×ｆ／ｐ （２）
が得られる。カメラ１０Ａと１０Ｂの光軸間の距離（基線長）Ｂと焦点ｆが既知ならば、視差ｐから距離Ｚを求めることができるが、実際は、温度変化、振動等の影響によりレンズ光軸などの経時変動で、基線長Ｂ、焦点距離ｆ、視差ｐはわずかに変化する。したがって、上述のように視差オフセットΔｐを用いて、式（１）によりＺを求める。
Ｚ＝Ｂ×ｆ／（ｐ＋Δｐ） （１）
複数の位置で、式（１）から測定対象物Ａまでの距離Ｚを計測することで、連立方程式によりＢとｆの実際の値を求めることができる。

＜校正プロセス＞
図４は校正のフローチャート、図５は校正時のデバイスの位置関係を示す図である。工場出荷前の検査では、校正用のターゲットＴを用いて校正を行ってもよい。実際の測距時は、上述したように、測定対象物を用いて校正してもよい。図５では、校正プロセスを説明するために、測距センサ２０をカメラ１０Ａ及び１０Ｂの後方（－Ｚ側）に描いているが、測距センサ２０は保持部材３０によって、カメラ１０Ａ及び１０Ｂと一体的に保持されていてもよい。

まず、図５に示すように、ステレオカメラ装置１００の測定方向（Ｚ方向）の前方に、校正用ターゲットＴを設置する（Ｓ１）。次に、測距センサ２０から出射される光ビームが校正用ターゲットＴの特徴点Ｔ１を照射するように、ステレオカメラ装置１００を所定の位置に設置する（Ｓ２）。

測距センサ２０は、校正用ターゲットＴに光ビームを照射する光源と、校正用ターゲットＴからの反射光を検出する光検出器とを有する。光源は、たとえばレーザダイオードであり、光検出器は、たとえばフォトダイオードである。光源と光検出器の光軸は、同一方向にそろっている。光検出器は、出射光と反射光の光軸が測距センサ２０は、光源から光ビームを出射してから反射光を受光するまでの時間ＴｏＦを計測し、計測時間に基づいて校正用ターゲットＴまでの距離Ｌ１を測定する（Ｓ３）。制御部５０Ａの距離演算部５４は、測距センサ２０で測定された測定距離Ｌ１と、既知の値ΔＺとから、カメラの光学中心Ｏと校正用ターゲットＴの間の距離Ｚを算出する（Ｓ４）。既知の値ΔＺは、測距センサ２０の測距原点と、カメラ１０Ａ及び１０Ｂの光学中心Ｏとの間の距離であるが、同じ保持部材３０に取り付けられたカメラ１０Ａ及び１０Ｂの光学中心Ｏと、測距センサ２０の測距原点とは、ほぼ同じ面内にあり、ΔＺはゼロをみなし得る。保持部材３０に取り付けられた状態で、カメラ１０Ａ及び１０Ｂの光学中心Ｏと、測距センサ２０の測距限定との間にＺ方向の差がある場合は、ΔＺを用いて距離Ｚを算出する。

他方で、カメラ１０Ａ、及び１０Ｂで、校正用ターゲットＴの特徴点Ｔ１を撮像する（Ｓ５）。撮像された特徴点Ｔ１の画像を画像処理部５１で画像処理し、補正後の画像データ（補正画像）を生成する（Ｓ６）。視差演算部５２は、生成された補正画像から校正用ターゲットＴに対する視差ｐを算出する（Ｓ７）。校正用ターゲットＴのＺ方向の位置を変えて、ステップＳ１からＳ７を、２回以上繰り返す（Ｓ８でＹＥＳ）。

校正演算部５３は、距離Ｚと視差ｐの組を２つ以上用いて、実際のＢ＊ｆ値と、視差オフセットΔｐを算出する。このＢ＊ｆ値と視差オフセットΔｐが校正用のデータである。

ステレオカメラ装置１００が車両に取り付けられて作業現場で用いられる場合、ステレオカメラ装置１００で前方、側方、後方の障害物や作業者を検知する。障害物または作業者と車両との間の相対速度、相対位置等に基づいて、衝突のおそれがある場合に、アラートを発する、あるいは自動ブレーキを作動させてもよい。測距精度が低い場合、頻繁に自動ブレーキが作動して作業に支障をきたすおそれがあるので、人との接触リスクが高い場合にだけ自動ブレーキを作動させるのが望ましい。そのためには、作業者と資材等とを区別できる分解能が必要である。また、温度差が大きく、粉塵、雨滴が存在する屋外環境でも測距性能を維持する必要がある。

実施形態では、以下で述べる機械的な構造により、カメラ１０Ａ及び１０Ｂと測距センサ２０を、ハウジングケース１０１とは別の保持部材３０によって保持することで、カメラ１０Ａ及び１０Ｂと測距センサ２０の間の位置精度をできるだけ高く保つ。また、温度差、振動等に起因する光学機器の位置関係に経時変化が生じた場合でも、上述した校正機能でステレオカメラ装置１００の測定精度を補償する。

＜装置構成＞
図６は、カメラ１０の分解斜視図である。カメラ１０Ａと１０Ｂは同じ構成を有するため、一台のカメラ１０として説明する。カメラはレンズ２１と、プリント基板２５に実装されたイメージセンサ２３を備える。レンズ２１は、レンズセル２１１の内部に、複数のレンズ素子を有する。イメージセンサ２３は、たとえばＣＭＯＳセンサである。レンズ２１と、イメージセンサ２３が実装されたプリント基板２５は、アルミダイカスト製のベース部材２２に組み込まれて、単眼のカメラ１０を構成する。ベース部材２２には、レンズ２１を受け取る円筒状の螺合穴２４が形成されている。螺合穴２４は、ベース部材２２のＺ方向に突き出た円筒２２３の内部に、レンズ２１の光軸と同軸に形成されている。プリント基板２５は、イメージセンサ２３がレンズ２１の光軸と同軸になるように、ベース部材２２の取付面２２１、及び２２２に固定される。

ベース部材２２の取付面２２１は、イメージセンサ２３の周囲を囲み、取付面２２１の外側の複数個所に取付面２２２が設けられている。後述するように、取付面２２２は、プリント基板２５の外縁の近傍を複数個所にわたって仮固定するために用いられ、取付面２２１で最終的にプリント基板２５を固定する。取付面２２２を、イメージセンサ２３の中心軸に対して対称の位置に設けることで、仮固定時の接着剤の硬化収縮に伴ってプリント基板２５に偏った引張応力が発生することを防止し、位置ずれを抑制する。

図７は、ステレオカメラ装置１００の分解斜視図、図８Ａは図１のＹＺ面に沿った垂直断面図、図８Ｂは図１のＸＺ面に沿った水平断面図である。図７、及び図８Ｂに示すように、カメラ１０Ａ及び１０Ｂと、測距センサ２０は、保持部材３０に取り付けられる。図６を参照して説明したように、カメラ１０Ａのレンズ２１Ａは、ベース部材２２Ａの螺合穴２４Ａに嵌め込まれ、レンズ２１Ａの光軸と、プリント基板２５Ａに実装されたイメージセンサ２３Ａと光軸がそろえられる。ベース部材２２Ａの円筒２２３は、保持部材３０の嵌合穴１３Ａに挿入されて、位置決めされる。

同様に、カメラ１０Ｂのレンズ２１Ｂは、ベース部材２２Ｂの螺合穴２４Ｂに嵌め込まれ、レンズ２１Ｂの光軸と、プリント基板２５Ｂに実装されたイメージセンサ２３Ｂと光軸がそろえられる。ベース部材２２Ｂの円筒２２３（図６参照）は、保持部材３０の嵌合穴１３Ｂに挿入されて、位置決めされる。

嵌合穴１３Ａと１３Ｂによって、カメラ１０Ａと１０Ｂはそれぞれの光軸が平行となるように保持部材３０に取り付けられる。カメラ１０Ａと１０Ｂのそれぞれで、イメージセンサ２３Ａ，２３Ｂを実装するプリント基板２５Ａ、２５Ｂは、レンズ２１Ａ、２１Ｂに対して光軸がそろえられ、かつ光軸を回転軸とするチルト角とが既定されている。したがって、カメラ１０Ａと１０Ｂが、互いに光軸を平行にして保持部材３０に取り付けられた後でも、各カメラ１０で位置決めされた光学配置が維持される。

測距センサ２０は、プリント基板３１に実装されている。測距センサ２０は、その光ビーム入出射窓が保持部材３０の開口１４内に露出するように、カメラ１０Ａと１０Ｂのほぼ中間に配置される。測距センサ２０は、光源と光検出器の光軸が同一方向に揃った状態で、保持部材３０に取り付けられている。これにより、カメラ１０Ａ及び１０Ｂと測距センサ２０は、それぞれの光軸が適切に調整された状態で、保持部材３０に保持される。

図８Ａ、及び図８Ｂに示すように、レンズ２１Ａと２１Ｂは、それぞれが複数のレンズ素子の組み合わせで形成されている。レンズ２１Ａと２１Ｂは、ベース部材２２Ａと２２Ｂに形成された螺合穴２４Ａと２４Ｂに螺合され、イメージセンサ２３Ａと２３Ｂの撮像面が略同一面となるように固定される。

レンズ２１Ａ及び２１Ｂは、たとえば、複数のレンズ素子を組み合わせたレトロフォーカスタイプのレンズであり、各レンズ素子は軸芯を合わせてレンズセル２１１に収容されている。レンズセル２１１には、光軸を位置決めする嵌合部６２、レンズ２１を光軸方向に所定の軸力で螺合させる螺合部６３、及び、係止部６４が形成されている。一般にレトロフォーカスレンズのような広角レンズでは焦点距離が短く、図示するように光学系の主点位置６５がイメージセンサ２３側に偏った配置となる。このようなレトロフォーカス型の配置であっても、螺合穴２４の内部で各レンズ素子の位置ずれや姿勢変化によって主点位置６５が変動しないことが望ましい。

実施例では、嵌合部６２を最もイメージセンサ２３に近いレンズセル２１１の端部に設けることで、少なくとも光学系の主点位置６５の近傍でレンズ２１を固定し、光軸に対して各レンズ素子の平行度を保つ。

螺合穴２４と螺合する螺合部６３は、嵌合部６２よりも被写体側（イメージセンサ２３から遠い側）に設けられ、係止部６４はさらに被写体側に設けられている。レンズ２１が螺合穴２４と螺合したときに、係止部６４が所定の軸力でベース部材２２に突き当たり、レンズ２１をイメージセンサ２３に対して位置決めできる。温度変化による膨張収縮、経年劣化によるクリープ等があっても、振動や衝撃に耐えうる軸力が保持される。

レンズ２１Ａと２１Ｂはそれぞれ、嵌合部６２Ａと６２Ｂによって拘束されるため、例えば温度が上昇すると、熱膨張によってイメージセンサ２３Ａと２３Ｂから遠ざかる方向に移動する。一方、主点位置６５は螺合部６３に対して相対的にイメージセンサ２３に近づくように移動する。これにより、主点位置６５とイメージセンサ２３との距離の変動を低減でき、温度変化による結像特性の変化を抑制できる。

イメージセンサ２３Ａ、２３Ｂを実装するプリント基板２５Ａ、２５Ｂは、ベース部材２２Ａ、２２Ｂに固定されたレンズ２１Ａ、２１Ｂのそれぞれに対し、結像特性が適正になるようにアライメント調整される。アライメント調整では、光軸（Ｚ）方向の位置、光軸と直交するＸＹ面内での座標、ｘ軸回りのチルト成分α、ｙ軸回りのチルト成分β、及びｚ軸周りのチルト成分γの６つの要素についてアライメント調整される。その後、アライメントされた位置と姿勢を維持したまま、ベース部材２２Ａ、２２Ｂに形成された取付面２２２（図６参照）とプリント基板２５Ａ、２５Ｂとの隙間に装填された紫外線（ＵＶ）硬化型の接着剤にＵＶ光を照射して硬化させる。

この接着硬化により、アライメント調整されたプリント基板２５Ａ、２５Ｂは仮固定され、レンズ２１Ａ、２１Ｂに対するイメージセンサ２３Ａ、２３Ｂの撮像面の位置と姿勢が保持される。

一方、ベース部材２２Ａ，２２Ｂの取付面２２１（図６参照）には、あらかじめ熱硬化型接着剤が塗布されており、アライメント調整が済んだカメラ１０Ａ，１０Ｂを加熱炉に投入し、熱硬化型接着剤を硬化させる。これにより、炎天下を想定した高温環境に放置しても、ベース部材２２Ａ、２２Ｂとプリント基板２５Ａ、２５Ｂの間の接着強度が保たれる。

実施例では、ＵＶ硬化型接着剤として、比較的衝撃と引っ張りに強く、柔軟性の高いアクリル樹脂またはウレタン樹脂を主成分とした接着剤を用いる。熱硬化型接着剤として、耐熱性が高く、硬く強靭なエポキシ樹脂を主剤とした接着剤を用いる。ベース部材２２に２種類の取付面２２１、及び２２２を設けて塗布位置を離隔し、柔軟性が高いＵＶ硬化型の接着剤を外側に配置することで、ベース部材２２とプリント基板２５の熱膨張係数の違いによるせん断応力による剥離を防止する。

熱硬化型接着剤は、ＵＶ硬化型接着剤よりも分子間の凝集力、つまりヤング率（弾性率）が高いか同等の弾性率の接着剤を選択するのがよい。ＵＶ硬化型接着剤と熱硬化型接着剤は、主剤が同一であっても構わない。たとえば、エポキシ樹脂を主剤として用い、配合する硬化促進剤を選択することで、工程の設計要件に応じてＵＶ硬化型か、熱硬化型かを使い分けてもよい。

一般に、ＵＶ硬化型接着剤は短時間のＵＶ照射により硬化するため、組立工程のタクトタイムを担保するためには有効であるが、耐熱性が不十分な場合がある。熱硬化型接着剤は、耐熱性は高いものの、完全硬化するまで長時間（１時間以上）を要するため、アライメント調整工程に組込むことは難しい。

したがって、実施例では、アライメント調整が完了したら、まずＵＶ硬化型接着剤で仮固定を行う。その後、調整済の半完成品を複数個まとめて加熱炉に投入し、熱硬化型接着剤を硬化させるバッチ処理を行うように、工程設計がなされている。これにより、ベース部材２２の取付面２２２がＵＶ照射光のエネルギーが到達しにくい部位であっても、最終的な接着力を確保する。

また、図６に示されるように、ベース部材２２の取付面２２１は、イメージセンサ２３の周囲を囲んでおり、熱硬化型接着剤でプリント基板２５と取付面２２１を接着封止することで、カメラ１０内部への塵や水滴の侵入を防止する。

実施例では、タクトタイム短縮のために、ＵＶ硬化型接着剤と熱硬化型接着剤を併用する例を示したが、この手法に限定されない。たとえば、熱硬化型接着剤に短時間、熱風を当ててアライメント調整がずれない程度に仮硬化させ、その後、まとめて加熱炉に投入して完全硬化する手法でもよい。後者の手法でもタクトタイムへの影響は少なく、必ずしもＵＶ硬化型接着剤を用いなくてもよい。

接合の機械的強度と信頼性を担保するために、完全硬化に先立って短時間で仮硬化できる工程を追加することができれば、ＵＶ硬化型、または熱硬化型に限定されず、どのような種類の接着剤を組み合わせてもよい。

カメラ１０Ａ、１０Ｂをそれぞれ個別にアライメント調整し、熱硬化型接着剤を完全硬化させた後に、単眼での検査を行って保持部材３０に取り付ける。レンズ２１Ａ、２１Ｂの光軸と同軸に形成されたベース部材２２Ａ、２２Ｂの円筒２２３を、保持部材３０の嵌合穴１３Ａ、１３Ｂに挿入し、回転方向でベース部材２２Ａ、２２Ｂの外表面を係止部２９（図７参照）に突き当てることで、光軸周りの位置と姿勢が決まる。

レンズ２１Ａ、２１Ｂの光軸と直交するＸＹ面内で、ベース部材２２Ａ、２２Ｂの前面を保持部材３０の当接面３０ａに突き当て、ねじ締結によりカメラ１０Ａ、１０Ｂを保持部材３０に固定する。この当接面３０ａは、カメラ１０Ａ、１０Ｂに共通の位置決め手段として機能する。上述したアライメント調整の際にも、当接面３０ａを基準としてベース部材２２に対するプリント基板２５の配置を調整できる。

実施例では、カメラ１０Ａ、１０Ｂをあらかじめベース部材２２Ａ、２２Ｂに個別に組付けた後に、保持部材３０に固定する構成としたが、ベース部材２２Ａ、２２Ｂを用いずに、螺合穴２４、取付面２２１、及び２２２を保持部材３０に設けて、レンズ２１Ａ、２１Ｂとプリント基板２５Ａ、２５Ｂを、保持部材３０に直接組付ける構成でもよい。

ハウジングケース１０１の上ケース１５の前面には、カメラ用開口部１６と測距用開口部１７が形成され、下ケース４０の背面に、外部インターフェイスとなるケーブル配線４００（図８Ａ参照）用の開口４３が形成されている。上ケース１５と下ケース４０は、ハウジングケース１０１の前側と背面側で機能が分担されるように、ＸＺ面（図１参照）に対して斜めに傾斜する接合面（または分割面）４２を有する。上ケース１５と下ケース４０は、接合面４２にて面一で連結される。

上ケース１５と下ケース４０は、それぞれが三角柱の形状を有する。上ケース１５は、ハウジングケース１０１の前面と上面を構成し、下ケース４０は、ハウジングケース１０１の背面と底面を構成する。上ケース１５の側面は、斜辺が下向きの三角形であり、下ケース４０の側面は、斜辺が上向きの三角形である。上ケース１５と下ケース４０を、上ケース１５の上面または下ケース４０の底面と水平な面に対して斜めに傾斜する接合面４２で接合することで、矩形のハウジングケース１０１が組み立てられる。上ケース１５と下ケース４０の各々を、直方体のケースを斜めに分断した三角柱の形状とすることで、分割面を少なくとして、防水効果を高めることができる。また、ハウジングケース１０１の製造と組み立てが容易である。

上ケース１５と下ケース４０を、接合面４２でシリコーンゴム製のシート状のシール部材４４を間に挟んで連結することで、ステレオカメラ装置１００内部への塵や水滴の侵入を防止する。実施例では、上ケース１５と下ケース４０との間の熱伝導を抑制するため、シート状のシール部材４４を用いて、上ケース１５と下ケース４０が直接接触しない構成を採用しているが、この例に限定されない。上ケース１５と下ケース４０の一方に溝を形成し、パッキンを嵌め込むなど一般的なシーリング法を用いてもよい。

カメラ１０Ａ、１０Ｂと測距センサ２０は、上ケース１５に配置される。一例として、カメラ１０Ａ、１０Ｂと測距センサ２０が組付けられた保持部材３０は、上ケース１５の前面内壁に、光軸と直交するＸＹ面で当接してネジ止めされる。カメラ１０Ａ及び１０Ｂと測距センサ２０との光学的な位置関係を維持した状態で、上ケース１５への保持部材３０の取り付けと、取外しを可能とする。これにより、カメラ１０Ａ、１０Ｂ、及び測距センサ２０をハウジングケース１０１内に収容する際に、各光学機器の配置を個別に再調整する必要がなく、測距性能を保証できる。

ハウジングケース１０１に外部から衝撃が加わっても、上ケース１５と別体の保持部材３０を配備したことで、カメラ１０Ａ、１０Ｂ、及び測距センサ２０の間の相対的な位置関係、姿勢等の変化を抑制することができる。上ケース１５に形成されたカメラ用開口部１６Ａ、１６Ｂ、及び測距用開口部１７は、内面反射を防止するために、拡散形状（ギザギザ）に成形する、あるいは、つや消し黒塗装を施すなどして、強い日差しを避け、外乱光による検出不良の発生を抑制する構成にしてもよい。

上ケース１５の前面には、カメラ用開口部１６Ａ、１６Ｂと測距用開口部１７を覆うカバーガラス１０２が取り付けられる。カバーガラス１０２の外周をシーリング材で密閉してもよい。上述したように、カバーガラス１８は１枚の板ガラスで構成されており、カメラ１０Ａ、１０Ｂ、及び測距センサ２０を一体化した状態で取付け、取外しを行っても、カバーガラス１８の厚み、反り等のばらつきによって各々のカメラ１０で発生するディストーション（歪曲収差）の差やピント位置のずれが抑制される。

電子回路５０が取り付けられたプリント基板４１は、下ケース４０に配置される。一例として、電子回路５０が実装されたプリント基板４１は、下ケース４０の内側の底面に配置される。下ケース４０を上ケース１５から取り外すことで、ケーブル配線４００との接続、メンテナンス等が行われる。

上ケース１５に保持されるプリント基板２５Ａ、２５Ｂ、及びプリント基板３１と、下ケース４０に保持されるプリント基板４１とは、上ケース１５と下ケース４０を組み合わせる際に、フレキシブル配線板（ＦＰＣ）ケーブル４８によって配線接続される。ＦＰＣケーブル４８はハウジングケース１０１内に畳み込まれて収容される。

外部インターフェイスとなるケーブル配線４００は、中継コネクタ４５、防水パッキン４６、ロックナット４７を含む。下ケース４０の背面に形成された開口４３に、防水パッキン４６を挟んで、中継コネクタ４５の螺合部を外側から挿入し、内側からロックナット４７を締め付けることで、ケーブル配線４００が取り付けられる。このケーブル配線４００の構成により、ステレオカメラ装置１００内への水、油、粉塵などの侵入を防止している。

検出の分解能を向上するためには、撮像素子の画素数を増やす必要がある。撮像素子の画素数の増加にともなって、必然的に電子情報処理量も増加し、電子回路５０による発熱も増加する。

実施例では、下ケース４０に放熱経路を設け、ＬＳＩＣ、ＦＰＧＡなどで形成される電子回路５０を実装するプリント基板４１で発生した熱を下ケース４０から外部に逃がす。また、イメージセンサ２３を実装するプリント基板２５は、上述したように、熱硬化型またはＵＶ硬化型の熱が伝わりにくい接着剤でベース部材２２に接合されるため、プリント基板２５で発生した熱は、主にＦＰＣケーブル４８を介してプリント基板４１に伝熱される。たとえば、ＦＰＣケーブル４８とプリント基板４１の接地パターンをベタ配線にして積層するなどして、効率よく熱を下ケース４０に伝達する構成にしてもよい。

プリント基板４１に実装された電子回路５０を、放熱グリスにより下ケース４０に密着させてもよい。放熱グリスはシリコーンオイルにアルミナなど熱伝導性のよい粉末を配合したペースト状の樹脂である。下ケース４０に形成された台座面に放熱グリスを塗布し、下ケース４０にプリント基板４１を組み付けることで、電子回路５０は下ケース４０に密着される。

放熱グリスを塗布する下ケース４０の台座の面積は、発熱源であるＬＳＩ、ＦＰＧＡ等の発熱量（消費電力）と放熱グリスの熱抵抗とに基づいて決定される。放熱グリスの代わりにシート状のシリコーンパッドなどを用いてもよい。実施例では、プリント基板４１の組み付け時には未硬化状態で、プリント基板４１と台座面との隙間に応じて柔軟に広がって定着するペースト状の伝熱材を使用して、プリント基板４１に押圧による過負荷がかからない構成にしている。

下ケース４０の外面に、表面積を広げるための放熱フィン４０１が形成されている。放熱フィン４０１と下ケース４０の外面に、黒色塗装などの表面処理を施すことによって放熱性をさらに向上してもよい。下ケース４０に伝達した熱が外気に効率よく輻射され、自然対流によって蓄熱しないように熱回路が形成されている。

上述のとおり、上ケース１５にカメラを含む光学系を集約し、下ケース４０に電子回路５０を配置することで、撮像機能と演算処理機能が分担される。上ケース１５と下ケース４０のいずれよりも熱抵抗が高いシール部材４４を間に挟んで上ケース１５と下ケース４０を組み合わせることで、電子回路５０を実装するプリント基板４１で発生した熱は、下ケース４０から放熱される。熱抵抗の低いシール部材４４が緩衝材となって、下ケース４０から上ケース１５への伝熱を抑制できる。この構成により、レンズ２１Ａ、２１Ｂを保持するベース部材２２Ａ、２２Ｂへの熱の影響を最小限とし、レンズ２１Ａ、２１Ｂの位置と姿勢を長期にわたって安定的に保持する。

ステレオカメラ装置１００は、例えばフォークリフトや油圧ショベルのヘッドガードを構成するフレームに直接装着され得る。実施例では、上ケース１５に、車両への取付部４９を設けている。ステレオカメラ装置１００の車両への取り付け時に、光学的に視野を調整することで、カメラ１０Ａ及び１０Ｂによる測距性能を保つことができる。

ステレオカメラ装置１００をフォークリフトや油圧ショベルに装着する場合、車両と物体との接触距離だけでなく、積荷端と物体との接触距離の推定も必要である。前方と後方にそれぞれステレオカメラ装置１００を配備して、回転動作に対応した３６０度検出を可能とするシステムでは、視野の連続性を担保する必要がある。そのため、ステレオカメラ装置１００を車両に取り付ける際には、現場の状況に応じて物体識別機能を調整できることが望ましい。物体識別機能のアップデート、電子回路５０の動作不良、シール部材４４の経年劣化などで部品交換が必要になった場合、カメラ１０Ａ及び１０Ｂが保持される上ケース１５を車両に固定したままで下ケース４０を取り外して、メンテナンス作業を行うことができる。ステレオカメラ装置１００は、車両搭載に適した構成を有し、かつ、測距性能を保つことができる。ステレオカメラ装置１００は、車両だけではなく、ドローン等の飛行体、船舶等の移動体への搭載に適している。

ハウジングケース１０１とは別の保持部材３０で、カメラ１０Ａ及び１０Ｂと測距センサ２０とを一体的に保持しているので、カメラ１０Ａ及び１０Ｂと、測距センサ２０との位置関係が正確に保たれている。カメラ１０Ａ、１０Ｂ、測距センサ２０等の光学機器を直接ハウジングケース１０１に取り付けると、光学系に対する振動や熱の影響が大きくなるが、実施例の構成により、撮像系への環境の影響を最小にして、測距精度を維持する。保持部材３０は上ケース１５に固定されているので、下ケース４０を取り外す場合でも、カメラ１０Ａ、１０Ｂと測距センサ２０を含む撮像系と車両との位置関係が保たれる。なお、測距センサ２０と、カメラ１０Ａ及び１０Ｂが所定の位置関係に維持されるならば、必ずしも保持部材３０で一体保持されていなくてもよい。たとえば、測距センサ２０と、カメラ１０Ａ及び１０Ｂが別々の保持部材に取り付け、測距センサ２０とカメラ１０Ａ及び１０Ｂとの位置関係が保たれるように保持部材同士を組み合わせ、または連結させてもよい。

ステレオカメラ装置１００では、屋外環境でも測距性能の劣化が抑制される。ステレオカメラ装置１００が車両、ドローン等の移動体に取り付けらえたときに、移動体の移動速度、または方向と関係なく視差から距離を算出するので、近距離領域において精度良く物体検知と距離推定を行える。またレトロフォーカスレンズを用いて、視野角１２０°以上の広角近視野で、作業者と資材とを判別できる。

１０Ａ、１０Ｂ カメラ
１３ 嵌合穴（位置決め手段）
１５ 上ケース（第１ケース部材）
１６Ａ，１６Ｂ カメラ用開口部
１７ 測距用開口部
２０ 測距センサ
２２ ベース部材
２５、２５Ａ、２５Ｂ、３１、４１ プリント基板
３０ 保持部材
３０ａ 当接面
４０ 下ケース（第２ケース部材）
４２ 接合面
４３ 開口（外部インターフェイス用）
４４ シール部材
４９ 取付部
５０ 電子回路
５０Ａ 制御部
５１ 画像処理部
５２ 視差演算部
５３ 校正演算部
５４ 距離演算部
５５ データ入力部
１００ ステレオカメラ装置
１０１ ハウジングケース（ケース）
１０２ カバーガラス
４００ ケーブル配線（外部インターフェイス）
４０１ 放熱フィン

特開２０１２－１８９３２４号公報 特開２０１２－１６７９４４号公報 特開平１１－３２５８９０号公報

Claims (10)

1. 複数のカメラと、
   対象物までの距離を測定する測距センサと、
   前記測距センサと、前記複数のカメラの光軸方向を揃えて保持する保持部材と、
   電子回路と、
   前記保持部材に保持された前記複数のカメラ、前記測距センサ、及び前記電子回路を収容するケースと、
   を有するステレオカメラ装置。
2. 前記保持部材は、前記複数のカメラと前記測距センサを、前記複数のカメラ及び前記測距センサの光軸と直交する面内で突き当てる当接面を有する、
   請求項１に記載のステレオカメラ装置。
3. 前記保持部材によって保持された前記複数のカメラと前記測距センサは、前記ケースに対して着脱可能である、
   請求項１または２に記載のステレオカメラ装置。
4. 前記ケースは、第１ケースと、前記第１ケースに対して着脱可能な第２ケースとで形成され、前記第１ケースは移動体への取付部を有する、
   請求項１乃至３のいずれかに記載のステレオカメラ装置。
5. 前記保持部材は、前記第１ケースに取り外し可能に取り付けられている、請求項４に記載のステレオカメラ装置。
6. 前記第２ケースは、前記第１ケースが前記移動体に取り付けられた状態で、前記第１ケースから取り外し可能である、
   請求項４または５に記載のステレオカメラ装置。
7. 複数の前記カメラのそれぞれにおいて、前記カメラに含まれる光学部品の光軸と、当該光軸を回転軸とするチルト角とが調整されている、
   請求項１乃至６のいずれかに記載のステレオカメラ装置。
8. 前記測距センサは光源と光検出器を有し、前記光源の光軸と前記光検出器の光軸を揃えて前記保持部材に保持されている、
   請求項１乃至７のいずれかに記載のステレオカメラ装置。
9. 前記複数のカメラの光学中心と、前記測距センサの測距原点は、前記複数のカメラの前記光軸方向と直交する面内に位置する、
   請求項１乃至８のいずれかに記載のステレオカメラ装置。
10. 前記測距センサは、前記保持部材により前記複数のカメラと一体的に保持されており、
    前記電子回路は、前記複数のカメラで捕捉された画像データに基づいて前記対象物までの距離を計算し、前記測距センサで得られた距離情報により、計算された前記距離を校正する、
    請求項１乃至９のいずれかに記載のステレオカメラ装置。

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