JP2015010987A - Pattern illumination device and distance measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、計測対象に所定の回折パターン光を投光するパターン照射装置及びこれを備えた測距装置に関するものである。 The present invention relates to a pattern irradiation apparatus that projects a predetermined diffraction pattern light onto a measurement target and a distance measuring apparatus including the pattern irradiation apparatus.
従来、計測(測距)対象物を2つのカメラで撮影し、得られた2つの画像を用いて計測対象までの距離情報を得る「ステレオ測距」と呼ばれる技術が知られている。
このような「ステレオ測距」を適用した測距装置は、自走式のロボットや可動式のロボットアームに好適に用いることが出来る。
「ステレオ測距」では、2つの画像間に生じる視差を利用して、三角測量の原理により奥行き距離を算出するが、ステレオ測距において視差を求めるためには、ウィンドウマッチングを行って各画像において互いに対応する点(対応点)を探し出す必要がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, a technique called “stereo distance measurement” is known in which a measurement (distance measurement) object is photographed by two cameras and distance information to the measurement object is obtained using the two obtained images.
Such a distance measuring apparatus to which “stereo distance measurement” is applied can be suitably used for a self-propelled robot or a movable robot arm.
In “stereo ranging”, the depth distance is calculated based on the principle of triangulation using the parallax generated between two images. To obtain the parallax in stereo ranging, window matching is performed on each image. It is necessary to find points corresponding to each other (corresponding points).
図13、図14は、「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図である。
「ステレオ測距」を用いた測距方法においては、1対の2次元センサと1対のレンズとを組み合わせることにより2つのカメラを構成して、計測対象物のずれ(視差)を検出し、三角測量の原理で距離を計測する。
図13に示すステレオカメラ装置106において、計測対象物101からの光を、同一の光学系からなる2つのカメラ102a、102bを配置して撮影する場合を考える。
カメラ102aのレンズ103aを通して得た計測対象物像104aと、カメラ102bのレンズ103bを通して得た計測対象物像104bとは、被写体(計測対象物101)上の同一点が視差Δだけずれて、2次元センサ105a、105b(図15)に夫々至り、複数の受光素子(画素)で受光され、電気信号に変換される。
FIGS. 13 and 14 are diagrams illustrating the principle of a distance measuring method using the principle of triangulation used in “stereo distance measurement”.
In the distance measurement method using “stereo distance measurement”, two cameras are configured by combining a pair of two-dimensional sensors and a pair of lenses to detect a deviation (parallax) of a measurement object, The distance is measured by the principle of triangulation.
Consider a case where the
The
ここでレンズ103a、103bの光軸間の距離は基線長と呼ばれ、これをDとし、レンズと被写体との距離をA、レンズの焦点距離をfとしたとき、A≫fであるときには次式1が成り立つ。
A=Df/Δ・・・(式1)
基線長D、およびレンズの焦点距離fは既知であるから、(式1)を用いて視差Δを検出すれば被写体までの距離Aを算出することができる。
なお、上記の方法は、2つの2次元センサに映った計測対象物101を、画素の輝度値の分布特性に基づいて対応点を探し出す方法である。
従って、計測対象物101が単一色の表面をもつ物体で、表面の輝度分布が一様であり撮影画像において輝度値に変化が生じ難い場合は、対応づけを行うことが困難になり(即ち、図14に示す対応点104cを検知できないため)、距離を算出できなくなる。
特許文献1には、プロジェクタを用いてパターンを投光することでテクスチャー(模様)の無い対象物でもステレオカメラで正確に対応付けをできるようにする技術が開示されている。
Here, the distance between the optical axes of the
A = Df / Δ (Expression 1)
Since the base length D and the focal length f of the lens are known, the distance A to the subject can be calculated by detecting the parallax Δ using (Equation 1).
In addition, said method is a method of searching the corresponding point for the
Therefore, when the
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-133260 discloses a technique that enables a stereo camera to accurately associate an object having no texture (pattern) by projecting a pattern using a projector.
しかしながら、特許文献1のようにプロジェクタを用いて対象物にパターンを照射する場合、プロジェクタの光学特性上、照射パターンのピントが合う範囲は限定される。
そのため計測したい対象物がプロジェクタの投射画面のピントの合う範囲内に存在する場合は正確に距離を検出できるが、ピントが合う範囲外に存在する場合はピンボケしたパターンが照射されてしまうため正確に距離を検出できなくなる。
それに対し、パターン投影のための光源としてレーザ光源を用い、レーザ光を回折素子によって回折したパターン光を対象物に照射する方式にすれば、どこでもピントが合うピントフリーとすることが出来る。すなわち、対象物とステレオカメラの距離に関わらず、常にピントの合ったパターンを対象物に照射することができる。
However, when a pattern is irradiated onto an object using a projector as in Patent Document 1, the range in which the irradiation pattern is focused is limited due to the optical characteristics of the projector.
Therefore, if the object to be measured is within the focus range of the projection screen of the projector, the distance can be detected accurately, but if it is outside the focus range, a defocused pattern will be emitted and it will be accurate. The distance cannot be detected.
On the other hand, if a laser light source is used as a light source for pattern projection and a pattern light obtained by diffracting the laser light by a diffraction element is applied to the object, the focus can be focused anywhere. That is, regardless of the distance between the object and the stereo camera, it is possible to irradiate the object with a pattern that is always in focus.
ただし、レーザ光を発する半導体レーザの出射パワーは現状では高出力のものでも300mW程度である。そのため、例えば1m四方の広い面積をパターン照射しようとすると1cm3あたりの明るさは30μW程度の明るさとなってしまう。
この程度の明るさでは屋外では太陽光の明るさに埋もれてしまい、室内でも蛍光灯の明るさがノイズとなってしまう。
そのためレーザ光源と回折光学素子を用いたパターン照射は高輝度化が求められている。
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり常にピントの合った状態で回折パターン光の高輝度化が可能なパターン照射装置を提供することを目的とする。
However, the output power of a semiconductor laser that emits laser light is currently about 300 mW even if it has a high output. Therefore, for example, when trying to irradiate a pattern with a wide area of 1 m square, the brightness per 1 cm 3 is about 30 μW.
With this level of brightness, the brightness of sunlight is buried outdoors, and the brightness of fluorescent lamps becomes noise even indoors.
Therefore, high brightness is required for pattern irradiation using a laser light source and a diffractive optical element.
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a pattern irradiation apparatus capable of increasing the brightness of diffraction pattern light in a focused state at all times.
上記の課題を解決するために、請求項1の発明は、複数の光源と、前記複数の光源から出射された光を合成して同一方向に出射させる第1の光学手段と、該第1の光学手段により合成されて出射された光を回折して回折パターン光を生成し、前記回折パターン光を対象物に投光する第2の光学手段と、を備えたパターン照明装置を特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the invention of claim 1 includes a plurality of light sources, first optical means for combining the light emitted from the plurality of light sources and emitting them in the same direction, and the first The pattern illumination device includes: second optical means for diffracting the light synthesized and emitted by the optical means to generate diffraction pattern light and projecting the diffraction pattern light onto the object.
上記のように構成したので、本発明によれば、常にピントの合った状態で回折パターン光の高輝度化が可能なパターン照射装置を実現することが出来る。 Since it comprised as mentioned above, according to this invention, the pattern irradiation apparatus which can make high brightness | luminance of diffraction pattern light always in a focused state is realizable.
以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。
本実施形態に係るパターン照明装置を説明するに先だって、複眼カメラ装置に適用可能なパターン照明装置の基本的な構成を説明する。
図1は、複眼カメラ装置に適用可能なパターン照明装置の構成例を示す図である。
なお、図1(a)は、パターン照明装置を構成する各要素を説明するものであり、パターン照明装置を適用可能な複眼カメラの構成は表示を省略している。また、図1(b)は、多階調輝度分布の階調を示す図である。
図1に示すように、本実施形態に係るパターン照明装置1は、光源としての半導体レーザ光源2と、半導体レーザ光源2から出射されるレーザ光の光路上に配置されたカップリングレンズ3、回折光学素子4と、を備えている。
Embodiments according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
Prior to describing the pattern illumination device according to the present embodiment, a basic configuration of a pattern illumination device applicable to a compound eye camera device will be described.
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a pattern illumination device applicable to a compound eye camera device.
FIG. 1A illustrates each element constituting the pattern illumination device, and the display of the configuration of the compound eye camera to which the pattern illumination device can be applied is omitted. FIG. 1B is a diagram showing the gradation of the multi-gradation luminance distribution.
As shown in FIG. 1, the pattern illumination device 1 according to the present embodiment includes a semiconductor
半導体レーザ光源2から出射されたレーザ光は、計測対象である被写体側の光路上に配置されたカップリングレンズ3によって平行光とされる。
カップリングレンズ3を通過(透過)した平行光は、次に回折光学素子4に入射して回折され、2階調以上の輝度分布を持つ回折パターン光5として計測対象に投光される。
なお、半導体レーザ光源2の出力を一定に保つために、その温度を一定に保つ温度調節機能部6aやAPC(Auto Power Control)機能部6bを備えていても良い。
The laser light emitted from the semiconductor
The parallel light that has passed (transmitted) through the
In order to keep the output of the semiconductor
ところで、計測対象に照射する回折パターン光5に2階調以上の輝度を生じさせるために、回折光学素子4の断面形状は、溝の深さが異なる多段の階段形状となっている。
図1(b)に示すように、回折パターン光は、多階調の輝度分布を持ち、最小単位である1つの画素のサイズは、約1mm角である。この多階調の輝度分布を持った最小単位の画素がランダムに配置された回折パターン光5が、計測(測距)対象物に投光される。
By the way, in order to generate a brightness of two or more gradations in the
As shown in FIG. 1B, the diffraction pattern light has a multi-tone luminance distribution, and the size of one pixel, which is the minimum unit, is about 1 mm square. The
図2は、回折光学素子の断面形状と回折効率との関係を示した図である。
図2に示すように、回折光学素子4の断面形状における溝(階段)の段数や階段の深さを変えることで回折効率が変化させることが出来る。
回折効率が高い部分では輝度が高く(明るく)、回折効率が低い部分は輝度が低く(暗く)なるため、回折光学素子4における溝の形状パターンを適宜組み合わせることで、多階調の輝度分布を形成することが出来る。
このように回折光学素子4を用いて光の強度(輝度)分布を変換すること自体は特開2003−270585公報、特許第4333760号等にも関連する技術が開示されている。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the cross-sectional shape of the diffractive optical element and the diffraction efficiency.
As shown in FIG. 2, the diffraction efficiency can be changed by changing the number of grooves (steps) in the cross-sectional shape of the diffractive optical element 4 and the depth of the steps.
Since the luminance is high (bright) in the portion where the diffraction efficiency is high and the luminance is low (dark) in the portion where the diffraction efficiency is low, the multi-tone luminance distribution can be obtained by appropriately combining the groove shape patterns in the diffractive optical element 4. Can be formed.
As described above, a technique relating to the conversion of the light intensity (luminance) distribution using the diffractive optical element 4 is also disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-270585 and Japanese Patent No. 4333760.
図1に示す半導体レーザ光源2は、波長λが400〜700nmの可視光や波長λが700〜1000nm程度の近赤外光を発するレーザを選択して出射することができる。
可視光線を用いればステレオカメラの撮像素子に対して感度が高く、解像度の高い回折パターン光を照射できる。それに対し、近赤外光を用いる場合は、撮像素子に対する感度は低いもののレーザ光が眼に見えないために(不可視光)、使用者に不自然さを感じさせることがない。
回折光学素子4からの出射角度θ1は、半導体レーザ光源2からの出射光の波長λと、回折光学素子4の周期構造と、によって決定される。
出射角度θ1を大きな角度とするためには、半導体レーザ光源2の波長λを大きくするか、回折光学素子4の周期構造を微細化しなければならない。
The semiconductor
If visible light is used, it is possible to irradiate diffraction pattern light with high sensitivity and high resolution to the imaging device of the stereo camera. On the other hand, when using near-infrared light, the sensitivity to the image sensor is low, but the laser light is not visible to the eye (invisible light), so that the user does not feel unnaturalness.
The outgoing angle θ1 from the diffractive optical element 4 is determined by the wavelength λ of the outgoing light from the semiconductor
In order to increase the emission angle θ1, the wavelength λ of the semiconductor
しかしながら、半導体レーザ光源2からの出射光の波長は、上記の400〜1000nmの波長に限定され、回折光学素子4の周期構造は、加工装置の微細加工能力に制限される。
そのため出射角度はある程度の角度以上には大きくできないのが実情である。
なお、例えば波長λ=0.65μm、周期構造を1.0μmとすると出射角度は約40°となる。
However, the wavelength of the emitted light from the semiconductor
Therefore, the actual situation is that the emission angle cannot be increased beyond a certain angle.
For example, when the wavelength λ = 0.65 μm and the periodic structure is 1.0 μm, the emission angle is about 40 °.
図3は、測距装置に適用可能な複眼カメラ装置の構成を示す図であり、(a)は、複眼カメラ装置の断面図、(b)は、複眼カメラ装置が含む撮像素子の上面図である。
なお、複眼カメラとして、2つのカメラ(撮像レンズ及び撮像領域)を備えるステレオカメラ装置に好適に適用可能なであり、ステレオカメラ装置を例として説明する。
図3において、ステレオカメラ装置20は、同一面上に配置した複数(例えば2つ)のレンズを有するレンズアレイ11と、レンズアレイ11を透過した被写体からの反射光(回折パターン光を含む)を受光して画像情報を取得する撮像素子14と、を備えている。
なお、レンズアレイ11には、測距用のレンズである撮像レンズ12a、12bが一体化されて形成されている。
3A and 3B are diagrams illustrating a configuration of a compound eye camera device applicable to the distance measuring device, in which FIG. 3A is a cross-sectional view of the compound eye camera device, and FIG. 3B is a top view of an imaging element included in the compound eye camera device. is there.
Note that the present invention can be suitably applied to a stereo camera device including two cameras (an imaging lens and an imaging region) as a compound eye camera, and the stereo camera device will be described as an example.
In FIG. 3, the
In the
撮像レンズ12a、12bは、同一の光学特性を有するものであり、同一の形状を有して焦点距離が等しく、夫々の光軸13a、13bは平行である。なお、光軸13aと光軸13bの間隔が基線長Dである。
図3に示すように、光軸13a、13bの方向をZ軸とし、このZ軸に直交し且つ光軸13bから光軸13aへ向かう方向をY軸とし、さらにZ軸とY軸の双方に直交する方向をX軸とする。
The
As shown in FIG. 3, the direction of the
両レンズの中心がY軸上となるようにレンズアレイ11を配置すると、撮像レンズ12a、12bはXY平面上に存在することになる。
この場合、視差Δが発生する方向はY軸方向となる。
撮像素子14はCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)、CCD(Charge Coupled Device)等の撮像素子でありウェハ14a上に半導体プロセスにより多数の画素(撮像領域)を形成したものである。
When the
In this case, the direction in which the parallax Δ is generated is the Y-axis direction.
The
図3(b)に詳しく示すように、撮像素子14上には、撮像レンズ12aを経て被写体像が結像される撮像領域(撮像手段)15aと、撮像レンズ12bを経て被写体像が結像される撮像領域15bが離間して配置されている。
撮像領域15aと撮像領域15bは、夫々同じ大きさの矩形領域であり、撮像領域15aと撮像領域15bの夫々の対角中心と、撮像レンズ12a、12bの光軸13a、13bがほぼ一致するように配置されている。
As shown in detail in FIG. 3B, on the
The
以上の構成からなるステレオカメラ装置20は、図13、図14を用いて上記に説明した三角測量の原理により被写体からの距離を計測できる。
さらに図1に示したパターン照明装置によりパターンを照明すれば、計測対象物が単一色の表面をもつ物体であってもステレオ対応づけを行うことができるため物体を精度良く計測できる。
The
Further, if the pattern is illuminated by the pattern illumination device shown in FIG. 1, even if the measurement target is an object having a single color surface, stereo correspondence can be performed, so that the object can be measured with high accuracy.
図4は、図3のステレオカメラ装置に図1のパターン照明装置を適用(一体化)した本発明に係るステレオカメラ装置を説明する図である。
また、図4において、(a)はステレオカメラ装置の長手方向(レンズアレイの長さ方向)の断面図、(b)は、短手方向(レンズアレイの幅方向)の断面図である。
また、図5は、図4に示すステレオカメラにおける、測距レンズの画角とパターン照明装置の回折パターン光の出射角度との関係を示した図である。
なお、図4以降において、図1、図3と同じ構成については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略するものとする。
4 is a diagram illustrating a stereo camera device according to the present invention in which the pattern illumination device of FIG. 1 is applied (integrated) to the stereo camera device of FIG.
4A is a cross-sectional view in the longitudinal direction (length direction of the lens array) of the stereo camera device, and FIG. 4B is a cross-sectional view in the short side direction (width direction of the lens array).
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the angle of view of the distance measuring lens and the emission angle of the diffraction pattern light of the pattern illumination device in the stereo camera shown in FIG.
In FIG. 4 and subsequent figures, the same components as those in FIGS. 1 and 3 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
図4に示す測距装置30は、図3で説明したステレオカメラ装置20に、図1に示したパターン照明装置の構成を一体に組み合わせて構成される。
すなわち、図3で説明したステレオカメラ装置20を構成する2つのカメラ(撮像レンズ12a及び撮像領域15a、撮像レンズ12b及び撮像領域15b)の間に、図1に示した如きパターン照明装置を配置している。
また、2つのカメラによって撮像した画像の視差に基づいて測距を行う視差演算部(測距手段)40を備えている。
The
That is, the pattern illumination device as shown in FIG. 1 is arranged between the two cameras (the
In addition, a parallax calculation unit (ranging unit) 40 that performs distance measurement based on parallax of images captured by the two cameras is provided.
図4(b)に示すように、測距装置30に含まれるパターン照明装置の半導体レーザ光源2は、測距装置30の筐体30aの側面に取り付けられ、撮像素子14の上方には、ミラー31が設置されている。半導体レーザ光源2から出射された光はミラー31により測距対象である被写体側に反射されて、カップリングレンズ3(図1参照)により、平行光に変換される。
平行光は回折光学素子4(図1参照)で回折され、所定の出射角度の回折パターン光5として出射されて対象物に照射される。
As shown in FIG. 4B, the semiconductor
The parallel light is diffracted by the diffractive optical element 4 (see FIG. 1), is emitted as diffraction pattern light 5 having a predetermined emission angle, and is irradiated onto the object.
図5に示す測距装置30における測距可能領域Aは、2つの撮像レンズ12a、12bの画角が重なる領域である。
しかし、回折光学素子4から出射される回折パターン光5の出射角度θ1はステレオカメラ装置20の撮像レンズ12a、12bの画角θ2と等しい角度になっている。
従って、対象物とステレオカメラ装置20との距離が変わっても測距可能領域Aの全体にパターンが照射される。
従って、図5に示すように、測距対象物との距離に関わらず測距可能領域Aの全体で、回折パターン光を利用した測距が可能となる。
このように、回折光学素子4をステレオカメラの2つの撮像レンズ12a、12bの光軸の間に配置して、ステレオカメラの画角と回折光学素子4の画角(広がり角)を一致させる。
これによって、ステレオカメラによる測距可能な領域と回折パターン光を照明している領域とを、常に一致させることができる。
これにより対象物までの距離が変わってもステレオカメラにより測距可能な領域Aと回折パターン光を照明する領域を常に一致させることができる。また半導体レーザ光源2から出射される回折パターン光5を無駄なく測距可能領域Aに照射することができる。
In the
However, the emission angle θ1 of the diffraction pattern light 5 emitted from the diffractive optical element 4 is equal to the angle of view θ2 of the
Therefore, even if the distance between the object and the
Therefore, as shown in FIG. 5, distance measurement using the diffraction pattern light can be performed in the entire distance measuring area A regardless of the distance to the object to be measured.
In this way, the diffractive optical element 4 is disposed between the optical axes of the two
Thereby, the area that can be measured by the stereo camera and the area that illuminates the diffraction pattern light can always be matched.
Thereby, even if the distance to the object changes, the area A that can be measured by the stereo camera and the area that illuminates the diffraction pattern light can always be matched. Further, it is possible to irradiate the distance measuring area A with the diffraction pattern light 5 emitted from the semiconductor
[第1の実施形態]
次に、本発明の第1の実施形態を説明する。
上記に説明した基本的な構成では、パターン照明装置が備える半導体レーザ光源2やカップリングレンズ3は一組であり、充分な出力・輝度を確保することは出来ない。
以下に説明する実施形態は、そのような問題を解決することを目的としている。
[First Embodiment]
Next, a first embodiment of the present invention will be described.
In the basic configuration described above, the semiconductor
The embodiment described below aims to solve such a problem.
図6は、本発明の第1の実施形態に係るパターン照明装置の概略説明図である。
パターン照明装置1は、複数の半導体レーザ光源2(2a〜2e)と、複数のカップリングレンズ3(3a〜3e)と、第1の光学素子(光学手段50と、第2の光学素子(光学手段)としての回折光学素子4と、を備えている。
半導体レーザ光源2(2a、2b、2c、2d、2e)は、夫々同一波長の赤外光を出射する半導体レーザである。
カップリングレンズ3(3a、3b、3c、3d、3e)は、複数の半導体レーザ光源2(2a、2b、2c、2d、2e)から出射された光を夫々平行光60a、60b、60c、60d、60eに変換する。
FIG. 6 is a schematic explanatory diagram of the pattern illumination device according to the first embodiment of the present invention.
The pattern illumination device 1 includes a plurality of semiconductor laser light sources 2 (2a to 2e), a plurality of coupling lenses 3 (3a to 3e), a first optical element (optical means 50, and a second optical element (optical). And a diffractive optical element 4 as means.
The semiconductor laser light sources 2 (2a, 2b, 2c, 2d, and 2e) are semiconductor lasers that emit infrared light having the same wavelength.
The coupling lens 3 (3a, 3b, 3c, 3d, 3e) converts the light emitted from the plurality of semiconductor laser light sources 2 (2a, 2b, 2c, 2d, 2e) into
第1の光学素子50は、各カップリングレンズ3から出射された各平行光60(60a〜60e)を進行方向が一致するように合成する。第1の光学素子50の構成については後に詳述するが、複数の体積ホログラム50a〜50eを備えて構成されている。
回折光学素子4は、入射した光束を回折して所望の回折パターン光5を対象物に照射する。
The first
The diffractive optical element 4 diffracts the incident light beam and irradiates the object with a desired
以下の説明では、半導体レーザ光源2、カップリングレンズ3、体積ホログラム50を夫々5つずつ備えたパターン照明装置を例示するが、これらの要素の数はこれに限定されるものではないことは言うまでも無い。
レーザ2光源の数を増やすほど、より輝度の高い回折パターン5を照射可能である。
半導体レーザ光源2は夫々カップリングレンズ3(3a、3b、3c、3d、3e)の光軸上に配置されている。
なお、カップリングレンズ3によって平行光に変換することが可能であるので、光源として、半導体レーザ光源よりも光が拡散するLED等を用いても良い。
カップリングレンズ3から出射する平行光60は夫々異なる角度で第1の光学素子50(50a、50b、50c、50d、50e)に入射して進行方向を一致させられる。
In the following description, a pattern illuminating device having five semiconductor
As the number of the
The semiconductor
Since the light can be converted into parallel light by the
The collimated light 60 emitted from the
図7は、レーザ光の合成を行う第2の光学素子の特性を詳細に説明する図である。
図7に示すように、第1の光学素子50は、夫々対応する平行光60のみを回折する5つの体積ホログラムを備えている。詳しくは、光の出射方向に向けて5つの体積ホログラムを配置した構成を備えている。
図7では、5つの体積ホログラムを積層配置しているが、体積ホログラムの間に間隙を設けても良い。
体積ホログラム50aはカップリングレンズ3aから出射された平行光60aだけを回折させ、他のカップリングレンズから出射された平行光60b、60c、60d、60eは透過させる。
同様に、体積ホログラム50bはカップリングレンズ3bから出射された平行光60bだけを回折させ、他の平行光60a、60c、60d、60eは透過させる。
FIG. 7 is a diagram for explaining in detail the characteristics of the second optical element that combines laser beams.
As shown in FIG. 7, the first
In FIG. 7, five volume holograms are stacked, but a gap may be provided between the volume holograms.
The
Similarly, the
また、体積ホログラム50c、50d、50eは夫々の平行光60c、60d、60eだけを回折させ、それ以外の平行光は透過させる。
このとき回折光学素子4に導かれる5つの光束は全て同じ角度で回折光学素子4に入射するように体積ホログラム50a〜50eによって回折される。
このように特定の光束だけを回折させて他の光束は透過させることを実現するにあたっては、体積ホログラムが持つ「角度選択性」という特徴を用いている。
「角度選択性」とは特定の入射角度で入射した光だけを高効率で回折させ、それ以外の角度で入射した光は透過させる特性である。
The
At this time, the five light beams guided to the diffractive optical element 4 are all diffracted by the
Thus, in realizing the fact that only a specific light beam is diffracted and the other light beam is transmitted, the feature of the volume hologram which is “angle selectivity” is used.
“Angle selectivity” is a characteristic in which only light incident at a specific incident angle is diffracted with high efficiency, and light incident at other angles is transmitted.
小山次郎、西原浩著の「光波電子光学」(コロナ社)117頁〜132頁によると、体積ホログラムとは、式(2)で表されるQ値が10以上のホログラムと定義されている。
Q=2π・λ0・T/(n0Λ2)・・・(式2)
但し、λ0:入射光の波長、T:ホログラムの厚さ、n0:ホログラム素子基板の屈折率、Λ:ホログラムの周期
体積ホログラムは、特定の回折条件(いわゆるブラッグ条件)を満足する入射角度の光だけを強く回折させる。
According to “Lightwave Electro-Optics” (Corona), pages 117-132, by Jiro Koyama and Hiroshi Nishihara, a volume hologram is defined as a hologram having a Q value of 10 or more expressed by equation (2).
Q = 2π · λ0 · T / (n0Λ2) (Formula 2)
However, λ0: wavelength of incident light, T: thickness of hologram, n0: refractive index of hologram element substrate, Λ: period of hologram Volume hologram is light with an incident angle satisfying a specific diffraction condition (so-called Bragg condition) Only strongly diffracts.
図8は、体積ホログラムの入射角度と回折効率の関係を示すグラフ図である。
図8に示されるように体積ホログラムの回折効率(%)は、入射角度がブラッグ条件を満足する時にピーク値を持つ。
光の入射角度がブラッグ角度と一致した時のみ100%に近い高い回折効率が得られ、それ以外の入射角度の場合、回折効率はほぼ0%になって透過する。これが「角度選択性」である。
半導体レーザ光源2a〜2eからの平行光束60a〜60eを夫々異なる角度で体積ホログラム50a〜50eに入射させる。
体積ホログラム50a〜50eは特定の入射角度の光束のみ回折させるように周期構造を最適化することで半導体レーザ光源2a〜2eからの光束を同方向に進む1本の光束に合成可能である。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the incident angle of the volume hologram and the diffraction efficiency.
As shown in FIG. 8, the diffraction efficiency (%) of the volume hologram has a peak value when the incident angle satisfies the Bragg condition.
Only when the incident angle of light coincides with the Bragg angle, a high diffraction efficiency close to 100% is obtained, and when the incident angle is other than that, the diffraction efficiency is almost 0% and the light is transmitted. This is “angle selectivity”.
Parallel
The
さらに、具体的な設計例を説明する。
上述の小山次郎、西原浩著の「光波電子光学」(コロナ社)107頁〜108頁によると、最大の回折波が現れる条件は式(3)で表される。
Λ(sinθi+sinθm)=±mλ・・・(3)
但し、θi:入射角度、θm:出射角度、λ:波長、Λ:ホログラム周期、m:整数
m=1として光の波長を900nmの赤外光とすると、入射角度20°、出射角度0°となるようにするためには、ホログラムの周期を2.631μmとすればよい。
Furthermore, a specific design example will be described.
According to the above-mentioned “Lightwave Electro-Optics” (Corona) pages 107-108 by Jiro Koyama and Hiroshi Nishihara, the condition for the maximum diffracted wave to appear is expressed by equation (3).
Λ (sin θi + sin θm) = ± mλ (3)
However, if θi: incident angle, θm: outgoing angle, λ: wavelength, Λ: hologram period, m: integer m = 1, and the wavelength of light is 900 nm infrared light, the incident angle is 20 ° and the outgoing angle is 0 °. In order to achieve this, the period of the hologram may be 2.631 μm.
例えば、体積ホログラム50aの周期を2.631μmとすると入射角度20°の平行光束60aだけを回折させることができる。
同様に、入射角度10°の平行光束を出射角度0°として出射するためには、ホログラムの周期を5.183μmとすればよい。
従って、体積ホログラム50bの周期を5.183μmとすれば入射角度10°の平行光束60bだけを回折させることができる。
このように夫々異なる角度で入射する平行光60a〜60eにあわせて体積ホログラム50a〜50eの周期を設計することにより複数の半導体レーザ光源2a〜2eからの平行光60a〜60eを同じ方向に進む1本の光束に合成することができる。
なお、同一波長の複数の光束を、ビームスプリッタを用いて合成することも可能である。その場合は、偏光の違いを用いて合成する。しかしながら、この場合2つの(P偏光/S偏光)のビームを合成できるに過ぎないため、輝度は2倍にしかならない。
For example, if the period of the
Similarly, in order to emit a parallel light beam having an incident angle of 10 ° with an exit angle of 0 °, the period of the hologram may be set to 5.183 μm.
Therefore, if the period of the
As described above, the period of the
It is also possible to combine a plurality of light beams having the same wavelength using a beam splitter. In that case, it combines using the difference in polarization. However, in this case, since only two (P-polarized light / S-polarized light) beams can be synthesized, the luminance is only doubled.
それに対し、体積ホログラムを用いれば入射角度のわずかな違いにより合成が可能であるため、より多くの数のレーザ光源からの光束を合成して輝度の高いパターン光を照射することができる。
第1の光学素子50によって合成されて1本の光束となった光は、回折光学素子4に入射して回折光となり、ランダムな回折パターン光5として対象物に照射される。
ランダムパターンの分割数、画角、階調数については計測したい対象の大きさや形状に合わせて最適化される。
On the other hand, if volume holograms are used, they can be combined with a slight difference in incident angle, so that light beams from a larger number of laser light sources can be combined and irradiated with pattern light with high brightness.
The light combined by the first
The number of random pattern divisions, the angle of view, and the number of gradations are optimized according to the size and shape of the target to be measured.
以上のように多くのレーザ光源からの光束を合成することで輝度の高いパターン光を照射することができる。これにより外乱光に強く、屋外でも精度良く測距ができるステレオカメラを実現できる。 As described above, pattern light with high brightness can be irradiated by combining light beams from many laser light sources. This makes it possible to realize a stereo camera that is resistant to ambient light and can accurately measure the distance even outdoors.
[第2の実施形態]
図9は、本発明の第2の実施形態に係るパターン照明装置を示す図である。
上述したように、本発明のパターン照明装置では、複数のレーザ光源からの光束を合成することで高輝度なパターン光を照射できるようにしている。
これにより例えば、測距対象物への距離が遠く1m四方の広い面積をパターン照明(パターン光5a)するような場合でも1cm3あたりの明るさは数百μW程度まで明るくなり、周囲の明るさが明るい場合でも外乱光に強いパターン光を照射出来る。
逆に、測距対象物への距離が近く狭い面積(パターン光5b)をパターン照射する場合、あるいは周囲の明るさが暗い場合は、回折光学素子4に入射するビームはそれほど光強度が強い必要はない。
この場合、全てのレーザ光源の光出力を下げて全体の光強度を下げるよりも、幾つかのレーザは発光させず、残ったレーザだけ通常の光強度で発光させた状態とした方が良い。
なお、測距対象物に対する距離は、パターン照明装置が適用される測距装置が備える測距制御部40による測距結果を用いることが可能である。また、周囲の明るさは、測距装置に光量センサを備えることで計測可能である。
[Second Embodiment]
FIG. 9 is a diagram showing a pattern illumination device according to the second embodiment of the present invention.
As described above, in the pattern illumination device of the present invention, high-luminance pattern light can be irradiated by combining light beams from a plurality of laser light sources.
Thereby, for example, even when pattern illumination (pattern light 5a) is performed on a wide area of 1 m square with a distance to the object to be measured, the brightness per 1 cm 3 is increased to about several hundred μW, and the ambient brightness Even when is bright, pattern light strong against disturbance light can be irradiated.
Conversely, when pattern irradiation is performed on a narrow area (pattern light 5b) that is close to the object to be measured, or when the surrounding brightness is dark, the beam incident on the diffractive optical element 4 needs to have a high light intensity. There is no.
In this case, rather than lowering the light output of all the laser light sources and lowering the overall light intensity, it is better not to emit some of the lasers but to leave only the remaining lasers to emit light at normal light intensity.
It should be noted that the distance to the object to be measured can be the result of distance measurement by the distance
図10は、パターンを照射する面積と、発光させるレーザ光源の組み合わせの一例を説明する図である。
図10に示すように、図9における広い面積のパターン光5aを照射する場合、半導体レーザ光源2a〜2eを全てONするが、狭い面積のパターン5bを照射する場合、半導体レーザ光源2a、2eをOFFし、半導体レーザ光源2b〜2dのみをONする。
発光させるレーザ光源を制御するには、例えば、図4に示した測距制御部40に、光源のON/OFFを切り替える光源制御部を備える。
半導体レーザは光出力に応じて熱を発生するため、この熱により発振するレーザの波長λはΔλだけ変動する。
FIG. 10 is a diagram for explaining an example of a combination of an area to be irradiated with a pattern and a laser light source for emitting light.
As shown in FIG. 10, when irradiating the pattern light 5a with a large area in FIG. 9, all the semiconductor
In order to control the laser light source to emit light, for example, the distance
Since the semiconductor laser generates heat according to the light output, the wavelength λ of the laser oscillated by this heat varies by Δλ.
本実施形態では、体積ホログラムを使って光を選択的に回折させているため、波長変動が発生すると、以下に説明するように体積ホログラムでの光の角度選択性が低下すると言う不具合が生じる。 In this embodiment, since light is selectively diffracted using a volume hologram, when wavelength fluctuation occurs, there arises a problem that the angle selectivity of light in the volume hologram is lowered as described below.
図11は、光の波長変化によるブラッグ角度の変化を示す図である。
上述したように、例えば体積ホログラム50aの周期を2.631μmとすれば、波長900nm、入射角度20°の平行光束60aを、出射角度0°で高効率に回折することができる。このときのブラック角は9.85°である。
ところが、この状態で温度変化によって半導体レーザ2aの発振波長が910nmに変化するとブラック角は9.96°となってしまう。
この場合、900nmの光で最大の回折効率が得られるように設計した体積ホログラムに910nmの光が入ると最大の回折効率が得られなくなり、パターン光の輝度低下を招いてしまう。そのためレーザ光源の波長変動は極力抑える必要がある。
そのためには個々のレーザの出力を大きく変動させないことが有効である。
FIG. 11 is a diagram illustrating changes in the Bragg angle due to changes in the wavelength of light.
As described above, for example, if the period of the
However, when the oscillation wavelength of the
In this case, when light of 910 nm enters a volume hologram designed so that the maximum diffraction efficiency can be obtained with light of 900 nm, the maximum diffraction efficiency cannot be obtained and the brightness of the pattern light is lowered. Therefore, it is necessary to suppress the wavelength variation of the laser light source as much as possible.
For this purpose, it is effective not to greatly change the output of each laser.
パターンを照明する面積が狭い場合や低輝度なパターン照明でも十分に測距が可能な場合は、図10に示すように全てのレーザ光源の光出力を下げて全体の光強度を下げるのではなく、幾つかのレーザの発光を停止する。
そして、発光しているレーザは通常と同じ光強度で発光するようにして光出力をなるべく一定に保つことが望ましい。
When the area to illuminate the pattern is small or when sufficient distance measurement is possible even with low-luminance pattern illumination, instead of lowering the light output of all laser light sources and reducing the overall light intensity as shown in FIG. , Stop the emission of some lasers.
It is desirable to keep the light output as constant as possible so that the emitting laser emits light with the same light intensity as usual.
[第3の実施形態]
次に、第1、第2の実施形態に示したパターン照明装置1を適用した測距装置を示す図である。
図12は、本実施形態に係るパターン照明装置を適用した測距装置を示す図である。
基本的には、図4に示した測距装置30におけるパターン照明装置を、図6、図9で説明したパターン照明装置1で置き換えた構成であるため、測距装置に関する詳しい説明は割愛する。
図13、図14で説明した原理を用いて、ステレオカメラ(カメラ12a、12b)を用いて、計測対象物の画像のずれ(視差)を検出して三角測量の原理で距離を計測する。
このような原理で測距するステレオカメラは、テクスチャ(模様)の無い部分は対応点を見つけられず測距できないため先に述べたようなパターン照明が有効な手段である。
さらにパターン照明光をカメラの視野範囲を無駄なく照明するためにはステレオカメラの2つのカメラの間からパターン光が出射されることが望ましい。
[Third Embodiment]
Next, it is a figure which shows the distance measuring device to which the pattern illumination apparatus 1 shown in 1st, 2nd embodiment is applied.
FIG. 12 is a diagram illustrating a distance measuring device to which the pattern illumination device according to the present embodiment is applied.
Basically, the pattern illuminating device in the
Using the principle described with reference to FIGS. 13 and 14, a stereo camera (
A stereo camera that performs distance measurement based on such a principle is effective means of pattern illumination as described above, because a corresponding point cannot be found in a portion without a texture (pattern) and a distance cannot be measured.
Furthermore, in order to illuminate pattern illumination light without wasteful viewing range of the camera, it is desirable that pattern light is emitted from between two cameras of a stereo camera.
しかしながら、ステレオカメラの2つカメラの間隔(基線長)は一般的には30cm程度であり、そこに複数のレーザ光源を備える高輝度なパターン照明装置を配置することは物理的に困難である。
少数のレーザ光源を備える小型なパターン照明装置であれば配置可能であるが低輝度であり、上記したように屋外などでは使用できない。
そこで本実施形態ではパターン光を発生させる回折光学素子4だけを2つのカメラの間に配置し、パターン照明装置1の他の部品は別の位置に配置する構成とした。
However, the distance (base line length) between two stereo cameras is generally about 30 cm, and it is physically difficult to arrange a high-luminance pattern illumination device including a plurality of laser light sources therein.
If it is a small pattern illumination device provided with a small number of laser light sources, it can be arranged, but it has low luminance and cannot be used outdoors as described above.
Therefore, in this embodiment, only the diffractive optical element 4 that generates the pattern light is disposed between the two cameras, and the other components of the pattern illumination device 1 are disposed at different positions.
図12に示すようにステレオカメラの2つのカメラの間にパターン光を発生させる回折光学素子4だけを配置する。
図12において、複数の半導体レーザ光源2a〜2eと、カップリングレンズ3a〜3eと、合成光学素子50a〜50eは、ステレオカメラ(レンズ12a、12b)とは別の位置に有る。このように配置することで2つのカメラの間からパターン光が出射されることができる。光源等は別の位置に配置できるため大きくても基線長に制限を与えず、ステレオカメラの設計自由度も失うことは無い。
ステレオカメラは左右のカメラの画像からブロックマッチングを行って、対応点を検出することで対象物までの距離を計測しているため、対象物がテクスチャーのない物体の場合は距離検出できない。
As shown in FIG. 12, only the diffractive optical element 4 that generates pattern light is disposed between two cameras of a stereo camera.
In FIG. 12, the plurality of semiconductor
Since the stereo camera measures the distance to the object by performing block matching from the images of the left and right cameras and detecting corresponding points, the distance cannot be detected if the object is an object without a texture.
それに対し、本実施形態のパターン照明装置を測距装置に適用することにより、対象物がテクスチャーの無い物体であっても、ステレオ対応づけが可能となり、計測対象物までの距離を高精度に測定することができる。
また、本実施形態のパターン照明装置は、レーザ光源を用いたパターン照明であるため、対象物がどこにあっても照射するパターンはピンボケにならず(ピントフリー)、対象物の大きさや位置に関わらず高精度に距離測定することができる。
その結果、対象物の大きさや位置に関わらず常にピントの合ったくっきりしたパターンを照射できるため、高精度に距離測定することができる。
さらに、複数のレーザ光源からの光を合成するため高輝度なランダムパターンを照射することができ、外乱光に強く、屋外での使用も可能となる。
On the other hand, by applying the pattern illumination device of this embodiment to a distance measuring device, even if the object is an object without a texture, stereo correspondence is possible, and the distance to the object to be measured is measured with high accuracy. can do.
In addition, since the pattern illumination apparatus according to the present embodiment is a pattern illumination using a laser light source, the pattern to be irradiated is not out of focus (focus-free) regardless of where the object is located, regardless of the size and position of the object. The distance can be measured with high accuracy.
As a result, it is possible to irradiate a sharp pattern that is always in focus regardless of the size and position of the object, and therefore distance measurement can be performed with high accuracy.
Furthermore, since light from a plurality of laser light sources is synthesized, a high-brightness random pattern can be irradiated, which is resistant to disturbance light and can be used outdoors.
また、上記に説明したように、レーザ光源からの光を合成する手段としてビームスプリッタ等ではなく体積ホログラムを用いるため、2つ〜4つ程度に留まらず、より多くの光源の光を合成することができる。
その結果、外乱光に強く、屋外での使用も可能な測距装置を実現することが出来る。
Further, as described above, since a volume hologram is used instead of a beam splitter or the like as a means for synthesizing the light from the laser light source, the light from more light sources can be synthesized, not limited to about two to four. Can do.
As a result, it is possible to realize a distance measuring device that is resistant to disturbance light and can be used outdoors.
1 パターン照明装置、2 レーザ光源、3 カップリングレンズ、4 回折光学素子、5 回折パターン光、6a 温度調節機能部、6b 機能部、11 レンズアレイ、12a 撮像レンズ、12b 撮像レンズ、13a 光軸、13b 光軸、14 撮像素子、14a ウェハ、15a 撮像領域、15b 撮像領域、20 ステレオカメラ装置、50 体積ホログラム、60 平行光 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pattern illumination apparatus, 2 Laser light source, 3 Coupling lens, 4 Diffractive optical element, 5 Diffraction pattern light, 6a Temperature control function part, 6b Function part, 11 Lens array, 12a Imaging lens, 12b Imaging lens, 13a Optical axis, 13b Optical axis, 14 Image sensor, 14a Wafer, 15a Image area, 15b Image area, 20 Stereo camera device, 50 Volume hologram, 60 Parallel light
Claims (7)
前記複数の光源から出射された光を合成して同一方向に出射させる第1の光学手段と、
該第1の光学手段により合成されて出射された光を回折して回折パターン光を生成し、前記回折パターン光を対象物に投光する第2の光学手段と、
を備えたことを特徴とするパターン照明装置。 Multiple light sources;
First optical means for combining and emitting light emitted from the plurality of light sources in the same direction;
Diffracting the light synthesized and emitted by the first optical means to generate diffraction pattern light, and projecting the diffraction pattern light onto an object;
A pattern illumination device comprising:
前記第1の光学手段は、前記複数の光源から出射された入射角度の異なる光を夫々同一の出射方向に回折させる複数の体積ホログラムであることを特徴とするパターン照明装置。 The pattern illumination device according to claim 1,
The pattern illumination apparatus according to claim 1, wherein the first optical means is a plurality of volume holograms that diffract light beams having different incident angles emitted from the plurality of light sources in the same emission direction.
前記複数の光源は、同一波長の光を出射するレーザ光源であることを特徴とするパターン照明装置。 The pattern illumination device according to claim 1 or 2,
The pattern illumination device, wherein the plurality of light sources are laser light sources that emit light having the same wavelength.
前記複数の光源が出射する同一波長の光は赤外光であることを特徴とするパターン照明装置。 The pattern illumination device according to claim 3.
The pattern illumination apparatus according to claim 1, wherein the light having the same wavelength emitted from the plurality of light sources is infrared light.
前記対象物までの距離又は周囲の明るさに応じて、前記複数の光源を選択的に点灯する光源制御手段を備えたことを特徴とするパターン照明装置。 The pattern illumination device according to any one of claims 1 to 4,
A pattern illumination device comprising light source control means for selectively lighting the plurality of light sources according to a distance to the object or ambient brightness.
前記第2の光学手段から出射されて前記対象物で反射された回折パターン光を結像する複数の撮像レンズと、
前記各撮像レンズにより結像された前記回折パターン光に基づく前記被写体に係る複数の画像を撮像する複数の撮像手段と、
前記複数の画像間の視差情報から前記対象物からの距離を算出する測距装置と、を備えたことを特徴とする測距装置。 The pattern illumination device according to any one of claims 1 to 5, and a plurality of imaging lenses that image diffraction pattern light emitted from the second optical means and reflected by the object;
A plurality of imaging means for imaging a plurality of images related to the subject based on the diffraction pattern light imaged by each imaging lens;
A distance measuring device comprising: a distance measuring device that calculates a distance from the object based on parallax information between the plurality of images.
前記第2の光学手段は、前記複数の撮像レンズの間に配置され、前記複数の光源と前記第1の光学手段とは前記複数の撮像レンズの間には配置されないことを特徴とする測距装置。 The distance measuring device according to claim 6,
The second optical means is disposed between the plurality of imaging lenses, and the plurality of light sources and the first optical means are not disposed between the plurality of imaging lenses. apparatus.
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