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WO2011114571A1 - 物体検出装置および情報取得装置 - Google Patents

物体検出装置および情報取得装置 Download PDF

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Publication number
WO2011114571A1
WO2011114571A1 PCT/JP2010/069458 JP2010069458W WO2011114571A1 WO 2011114571 A1 WO2011114571 A1 WO 2011114571A1 JP 2010069458 W JP2010069458 W JP 2010069458W WO 2011114571 A1 WO2011114571 A1 WO 2011114571A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
collimator lens
information acquisition
light source
laser
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/069458
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
楳田　勝美
信雄 岩月
高明 森本
Original Assignee
三洋電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三洋電機株式会社 filed Critical 三洋電機株式会社
Priority to CN2010800654763A priority Critical patent/CN102803894A/zh
Publication of WO2011114571A1 publication Critical patent/WO2011114571A1/ja
Priority to US13/616,691 priority patent/US20130003069A1/en

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V8/00—Prospecting or detecting by optical means
    • G01V8/10—Detecting, e.g. by using light barriers
    • G01V8/12—Detecting, e.g. by using light barriers using one transmitter and one receiver
    • G01V8/14—Detecting, e.g. by using light barriers using one transmitter and one receiver using reflectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/017—Gesture based interaction, e.g. based on a set of recognized hand gestures
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/0304—Detection arrangements using opto-electronic means

Definitions

  • the present invention relates to an object detection apparatus that detects an object in a target area based on the state of reflected light when light is projected onto the target area, and an information acquisition apparatus suitable for use in the object detection apparatus.
  • An object detection device using light has been developed in various fields.
  • An object detection apparatus using a so-called distance image sensor can detect not only a planar image on a two-dimensional plane but also the shape and movement of the detection target object in the depth direction.
  • light in a predetermined wavelength band is projected from a laser light source or LED (Light Emitting Device) onto a target area, and the reflected light is received by a light receiving element such as a CMOS image sensor.
  • CMOS image sensor Light Emitting Device
  • laser light having a predetermined dot pattern is irradiated onto the target area. Reflected light from the target region of the laser light at each dot position on the dot pattern is received by the light receiving element. Based on the light receiving position of the laser light at each dot position on the light receiving element, the distance to each part (each dot position on the dot pattern) of the detection target object is detected using the triangulation method (for example, non-patent) Reference 1).
  • the triangulation method for example, non-patent
  • the laser light is converted into parallel light by the collimator lens, and then incident on a diffractive optical element (DOE: Diffractive Optical Element) to be converted into laser light having a dot pattern. Therefore, in this configuration, a space for arranging the collimator lens and the DOE is required after the laser light source. For this reason, in this structure, the problem that a projection optical system enlarges arises in the optical axis direction of a laser beam.
  • DOE diffractive optical element
  • the present invention has been made to solve such a problem, and provides an information acquisition device capable of reducing the size of a projection optical system in the optical axis direction of a laser beam and an object detection device equipped with the information acquisition device. Objective.
  • 1st aspect of this invention is related with the information acquisition apparatus which acquires the information of a target area
  • An information acquisition device is formed on a light source that emits laser light of a predetermined wavelength band, a collimator lens that converts laser light emitted from the light source into parallel light, and an incident surface or an emission surface of the collimator lens
  • a light diffracting unit that converts the laser light into laser light having a dot pattern by diffraction, a light receiving element that receives reflected light reflected from the target region and outputs a signal, and is output from the light receiving element
  • An information acquisition unit that acquires three-dimensional information of an object existing in the target area based on a signal.
  • the second aspect of the present invention relates to an object detection apparatus.
  • the object detection apparatus according to this aspect includes the information acquisition apparatus according to the first aspect.
  • the arrangement space of the light diffraction element (DOE) can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the size of the projection optical system in the optical axis direction of the laser light.
  • FIG. 4 is a timing chart showing laser light emission timing, exposure timing for the image sensor, and imaging data storage timing according to the embodiment. It is a flowchart which shows the memory
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of the object detection apparatus according to the present embodiment.
  • the object detection device includes an information acquisition device 1 and an information processing device 2.
  • the television 3 is controlled by a signal from the information processing device 2.
  • the information acquisition device 1 projects infrared light over the entire target area and receives the reflected light with a CMOS image sensor, whereby the distance between each part of the object in the target area (hereinafter referred to as “three-dimensional distance information”). To get.
  • the acquired three-dimensional distance information is sent to the information processing apparatus 2 via the cable 4.
  • the information processing apparatus 2 is, for example, a controller for TV control, a game machine, a personal computer, or the like.
  • the information processing device 2 detects an object in the target area based on the three-dimensional distance information received from the information acquisition device 1, and controls the television 3 based on the detection result.
  • the information processing apparatus 2 detects a person based on the received three-dimensional distance information and detects the movement of the person from the change in the three-dimensional distance information.
  • the information processing device 2 is a television control controller
  • the information processing device 2 detects the person's gesture from the received three-dimensional distance information, and sends a control signal to the television 3 according to the gesture.
  • An application program to output is installed.
  • the user can cause the television 3 to execute a predetermined function such as channel switching or volume up / down by making a predetermined gesture while watching the television 3.
  • the information processing device 2 when the information processing device 2 is a game machine, the information processing device 2 detects the person's movement from the received three-dimensional distance information, and displays a character on the television screen according to the detected movement.
  • An application program that operates and changes the game battle situation is installed. In this case, the user can experience a sense of realism in which he / she plays a game as a character on the television screen by making a predetermined movement while watching the television 3.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the information acquisition device 1 and the information processing device 2.
  • the information acquisition apparatus 1 includes a projection optical system 11 and a light receiving optical system 12 as a configuration of the optical unit.
  • the projection optical system 11 includes a laser light source 111 and a collimator lens 112.
  • the light receiving optical system 12 includes an aperture 121, an imaging lens 122, a filter 123, a shutter 124, and a CMOS image sensor 125.
  • the information acquisition device 1 includes a CPU (Central Processing Unit) 21, a laser driving circuit 22, an imaging signal processing circuit 23, an input / output circuit 24, and a memory 25 as a circuit unit.
  • CPU Central Processing Unit
  • the laser light source 111 outputs laser light in a narrow wavelength band with a wavelength of about 830 nm.
  • the collimator lens 112 converts the laser light emitted from the laser light source 111 into parallel light.
  • a light diffracting portion 112c On the exit surface of the collimator lens 111, a light diffracting portion 112c (see FIG. 4A) having a function of a diffractive optical element (DOE: Diffractive Optical Element) is formed.
  • DOE diffractive Optical Element
  • the laser light reflected from the target area is incident on the imaging lens 122 via the aperture 121.
  • the aperture 121 stops the light from the outside so as to match the F number of the imaging lens 122.
  • the imaging lens 122 condenses the light incident through the aperture 121 on the CMOS image sensor 125.
  • the filter 123 is a band-pass filter that transmits light in a wavelength band including the emission wavelength (about 830 nm) of the laser light source 111 and cuts the visible light wavelength band.
  • the filter 123 is not a narrow-band filter that transmits only the wavelength band near 830 nm, but is an inexpensive filter that transmits light in a relatively wide wavelength band including 830 nm.
  • the shutter 124 blocks or passes light from the filter 123 in accordance with a control signal from the CPU 21.
  • the shutter 124 is, for example, a mechanical shutter or an electronic shutter.
  • the CMOS image sensor 125 receives the light collected by the imaging lens 122 and outputs a signal (charge) corresponding to the amount of received light to the imaging signal processing circuit 23 for each pixel.
  • the output speed of the signal is increased so that the signal (charge) of the pixel can be output to the imaging signal processing circuit 23 with high response from the light reception in each pixel.
  • the CPU 21 controls each unit according to a control program stored in the memory 25. With such a control program, the CPU 21 causes the laser control unit 21a for controlling the laser light source 111, a data subtraction unit 21b to be described later, a three-dimensional distance calculation unit 21c for generating three-dimensional distance information, and a shutter 124. The function of the shutter control unit 21d for controlling the function is given.
  • the laser drive circuit 22 drives the laser light source 111 according to a control signal from the CPU 21.
  • the imaging signal processing circuit 23 controls the CMOS image sensor 125 and sequentially takes in the signal (charge) of each pixel generated by the CMOS image sensor 125 for each line. Then, the captured signals are sequentially output to the CPU 21. Based on the signal (imaging signal) supplied from the imaging signal processing circuit 23, the CPU 21 calculates the distance from the information acquisition device 1 to each part of the detection target by processing by the three-dimensional distance calculation unit 21c.
  • the input / output circuit 24 controls data communication with the information processing apparatus 2.
  • the information processing apparatus 2 includes a CPU 31, an input / output circuit 32, and a memory 33.
  • the information processing apparatus 2 has a configuration for performing communication with the television 3 and for reading information stored in an external memory such as a CD-ROM and installing it in the memory 33.
  • an external memory such as a CD-ROM
  • the configuration of these peripheral circuits is not shown for the sake of convenience.
  • the CPU 31 controls each unit according to a control program (application program) stored in the memory 33.
  • a control program application program
  • the CPU 31 is provided with the function of the object detection unit 31a for detecting an object in the image.
  • a control program is read from a CD-ROM by a drive device (not shown) and installed in the memory 33, for example.
  • the object detection unit 31a detects a person in the image and its movement from the three-dimensional distance information supplied from the information acquisition device 1. Then, a process for operating the character on the television screen according to the detected movement is executed by the control program.
  • the object detection unit 31 a detects a person in the image and its movement (gesture) from the three-dimensional distance information supplied from the information acquisition device 1. To do. Then, processing for controlling functions (channel switching, volume adjustment, etc.) of the television 1 is executed by the control program in accordance with the detected movement (gesture).
  • the input / output circuit 32 controls data communication with the information acquisition device 1.
  • FIG. 3A is a diagram schematically showing the irradiation state of the laser light on the target region
  • FIG. 3B is a diagram schematically showing the light receiving state of the laser light in the CMOS image sensor 125.
  • FIG. 6B shows a light receiving state when a flat surface (screen) exists in the target area.
  • the projection optical system 11 emits laser light having a dot matrix pattern (hereinafter, the entire laser light having this pattern is referred to as “DMP light”) toward the target area. Irradiated.
  • DMP light the entire laser light having this pattern
  • the light beam cross section of the DMP light is indicated by a broken line frame.
  • Each dot in the DMP light schematically shows a region where the intensity of the laser light is scattered in a scattered manner by the diffractive portion 112c on the exit surface of the collimator lens 112.
  • regions where the intensity of the laser light is increased are scattered according to a predetermined dot matrix pattern.
  • the light at each dot position of the DMP light reflected thereby is distributed on the CMOS image sensor 125 as shown in FIG.
  • the light at the dot position P0 on the target area corresponds to the light at the dot position Pp on the CMOS image sensor 124.
  • the position on the CMOS image sensor 125 where the light corresponding to each dot is incident is detected. Based on the triangulation method, each part of the detection target object ( The distance to each dot position on the dot matrix pattern is detected. Details of such a detection technique are described in, for example, Non-Patent Document 1 (The 19th Annual Conference of the Robotics Society of Japan (September 18-20, 2001), Proceedings, P1279-1280).
  • the detection of the distribution state of the DMP light is optimized by the processing described later. This process will be described later with reference to FIGS.
  • FIG. 4A is a diagram illustrating details of the configuration of the projection optical system according to the present embodiment
  • FIG. 4B is a diagram illustrating the configuration of the projection optical system according to the comparative example.
  • the laser light emitted from the laser light source 111 is converted into parallel light by the collimator lens 113, then narrowed by the aperture 114, and incident on the DOE 115.
  • an optical diffracting portion 115a for converting laser light incident as parallel light into laser light having a dot matrix pattern is formed on the incident surface of the DOE 115.
  • the laser beam is irradiated onto the target area as a dot matrix pattern laser beam.
  • the collimator lens 113, the aperture 114, and the DOE 115 are arranged in the subsequent stage of the laser beam in order to generate the laser beam having the dot matrix pattern. For this reason, the dimension of the projection optical system in the optical axis direction of the laser light is increased.
  • the light diffraction portion 112c is formed on the exit surface of the collimator lens 112.
  • the collimator lens 112 has a curved entrance surface 112a and a flat exit surface 112b.
  • the surface shape of the incident surface 112a is designed so that the laser light incident from the laser light source 111 becomes parallel light by refraction.
  • a light diffracting portion 112c for converting laser light incident as parallel light into laser light having a dot matrix pattern is formed on the flat emission surface 112b.
  • the laser beam is irradiated onto the target area as a dot matrix pattern laser beam.
  • the light diffracting portion 112c is integrally formed on the exit surface of the collimator lens 112, it is not necessary to separately take a space for arranging the DOE. Therefore, the size of the projection optical system in the optical axis direction of the laser light can be reduced compared to the configuration of FIG.
  • FIGS. 5A to 5C are diagrams showing an example of the formation process of the light diffraction portion 112c.
  • an ultraviolet curable resin is applied to the emission surface 112b of the collimator lens 112, and an ultraviolet curable resin layer 116 is disposed.
  • a stamper 117 having a concavo-convex shape 117 a for generating a dot matrix pattern laser beam is pressed against the upper surface of the ultraviolet curable resin layer 116.
  • ultraviolet rays are irradiated from the incident surface 112a side of the collimator lens 112, and the ultraviolet curable resin layer 116 is cured.
  • the stamper 117 is peeled off from the ultraviolet curable resin layer 116.
  • the uneven shape 117 a on the stamper 117 side is transferred to the upper surface of the ultraviolet curable resin layer 116.
  • the light diffracting portion 112c for generating the dot matrix pattern laser light is formed on the emission surface 112b of the collimator lens 112.
  • FIG. 5D is a diagram showing a setting example of the diffraction pattern of the light diffraction section 112c.
  • the black portion is a step-like groove having a depth of 3 ⁇ m with respect to the white portion.
  • the light diffraction section 112b has a periodic structure of this diffraction pattern.
  • the light diffracting portion 112c can be formed by a forming process other than that shown in FIGS. 5 (a) to 5 (c).
  • the exit surface 112b itself of the collimator lens 112 may have a concavo-convex shape (a shape for diffraction) for generating laser light having a dot matrix pattern.
  • a shape for transferring a diffraction pattern is provided on the inner surface of a mold for injection molding. In this case, it is not necessary to separately perform a process for forming the light diffracting portion 112b on the exit surface of the collimator lens 112, so that the collimator lens 112 can be simplified.
  • the light exit surface 112b of the collimator lens 112 is a flat surface and the light diffracting portion 112c is formed on this plane, the light diffracting portion 112c can be formed relatively easily.
  • the exit surface 112b is a flat surface, the aberration of the laser light generated by the collimator lens 112 is larger than that of the collimator lens when both the entrance surface and the exit surface are curved surfaces.
  • the collimator lens 112 is adjusted in both the incident surface and the exit surface in order to suppress aberrations. In this case, both the entrance surface and the exit surface are aspherical surfaces.
  • FIG. 6 is a simulation result in which the occurrence of aberration is verified for a collimator lens (comparative example) in which both the entrance surface and the exit surface are curved surfaces and a collimator lens (example) in which the exit surface is a plane.
  • (A) and (b) are diagrams showing the configuration of the optical system assumed in the simulations of the example and the comparative example, and (c) and (d) are the example and the comparative example, respectively.
  • the same figure (e), (f) is a figure which shows the simulation result with respect to an Example and a comparative example, respectively.
  • CL is a collimator lens
  • O is a light emitting point of the laser light source
  • GP is a glass plate attached to the exit of the CAN of the laser light source.
  • Other simulation conditions are shown in the table below.
  • SA is spherical aberration
  • TCO is coma
  • TAS is astigmatism (tangential)
  • SAS is astigmatism (sagittal).
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example of the tilt correction mechanism 200.
  • 4A is an exploded perspective view of the tilt correction mechanism 200
  • FIGS. 2B and 2C are diagrams showing an assembly process of the tilt correction mechanism 200.
  • the tilt correction mechanism 200 includes a lens holder 201, a laser holder 202, and a base 204.
  • the lens holder 201 has a frame shape that is an axis object.
  • the lens holder 201 is formed with a lens housing portion 201a into which the collimator lens 112 can be fitted from above.
  • the lens housing portion 201 a has a cylindrical inner surface, and its diameter is slightly larger than the diameter of the collimator lens 112.
  • An annular step 201b is formed in the lower part of the lens accommodating portion 201a, and a circular opening 201c is formed so as to come out from the bottom surface of the lens holder 201 following the step.
  • the inner diameter of the stepped portion 201b is smaller than the diameter of the collimator lens 112.
  • the dimension from the upper surface of the lens holder 201 to the stepped portion 201b is slightly larger than the thickness of the collimator lens 112 in the optical axis direction.
  • Three slits 201d are formed on the upper surface of the lens holder 201.
  • the bottom portion of the lens holder 201 (portion below the two-dot chain line in the figure) is a spherical surface 201e.
  • the spherical surface 201e is in surface contact with the receiving portion 204b on the upper surface of the base 204.
  • the laser light source 111 is accommodated in the laser holder 202.
  • the laser holder 202 has a cylindrical shape, and an opening 202a is formed on the upper surface. From this opening 202a, the glass plate 111a (outgoing window) of the laser light source 111 faces the outside. Three cut grooves 202 b are formed on the upper surface of the laser holder 202.
  • a flexible printed circuit board (FPC) 203 for supplying power to the laser light source 111 is mounted on the lower surface of the laser holder 202.
  • the base 204 is formed with a laser accommodating portion 204a having a cylindrical inner surface.
  • the diameter of the inner surface of the laser accommodating portion 204 a is slightly larger than the diameter of the outer peripheral portion of the laser holder 202.
  • a spherical receiving portion 204b that is in surface contact with the spherical surface 201e of the lens holder 201 is formed.
  • a cutout 204 c for allowing the FPC 203 to pass is formed on the side surface of the base 204.
  • a stepped portion 204e is formed following the lower end 204d of the laser accommodating portion 204a.
  • a gap is generated between the FPC 203 and the bottom surface of the base 204 by the step portion 204e. This gap prevents the back surface of the FPC 203 from contacting the bottom surface of the base 204.
  • the laser holder 202 is fitted into the laser accommodating portion 204a of the base 204 from above as shown in FIG. After the laser holder 202 is fitted into the laser accommodating portion 204a until the lower end of the laser holder 202 contacts the lower end 204d of the laser accommodating portion 204a, an adhesive is injected into the kerf 202b on the upper surface of the laser holder 202. Thereby, the laser holder 202 is fixed to the base 204.
  • the collimator lens 112 is fitted into the lens housing portion 201a of the lens holder 201. After the collimator lens 112 is fitted into the lens housing portion 201a until the lower end of the collimator lens 112 contacts the step portion 201b of the lens housing portion 201a, an adhesive is injected into the kerf 201d on the upper surface of the lens holder 201. As a result, the collimator lens 112 is attached to the lens holder 201.
  • the spherical surface 201e of the lens holder 201 is placed on the receiving portion 204b of the base 204 as shown in FIG. In this state, the lens holder 201 can swing while the spherical surface 201e is in sliding contact with the receiving portion 204b.
  • the laser light source 111 is caused to emit light, and the beam diameter of the laser light transmitted through the collimator lens 112 is measured with a beam analyzer.
  • the lens holder 201 is swung using a jig. In this way, the beam diameter is measured while swinging the lens holder 201, and the lens holder 201 is positioned at a position where the beam diameter is the smallest.
  • the peripheral surface of the lens holder 201 and the upper surface of the base 204 are fixed with an adhesive. In this way, tilt correction of the collimator lens 112 with respect to the laser optical axis is performed, and the collimator lens 112 is fixed at a position where the off-axis aberration is minimized.
  • the laser light source 111 is accommodated in the laser holder 202, and no temperature controller including a Peltier element or the like is accommodated.
  • the present embodiment by performing the following processing, three-dimensional data can be appropriately acquired even if a wavelength variation due to a temperature change occurs in the laser light emitted from the laser light source 111.
  • FIG. 8 is a timing chart showing the emission timing of the laser beam in the laser light source 111, the exposure timing for the CMOS image sensor 125, and the storage timing of the imaging data obtained by the CMOS image sensor 125 by this exposure.
  • FIG. 9 is a flowchart showing the imaging data storage process.
  • CPU 21 has the functions of two function generators, and generates pulses FG1 and FG2 by these functions.
  • the pulse FG1 repeats High and Low every period T1.
  • the pulse FG2 is output at the rising timing and falling timing of FG1.
  • the pulse FG2 is generated by differentiating the pulse FG1.
  • the laser control unit 21a turns on the laser light source 111. Further, during a period T2 after the pulse FG2 becomes High, the shutter control unit 21d opens the shutter 124 and performs exposure on the CMOS image sensor 125. After the exposure is finished, the CPU 21 causes the memory 25 to store the imaging data acquired by the CMOS image sensor 125 by each exposure.
  • CPU 21 sets memory flag MF to 1 (S102) and turns on laser light source 111 (S103).
  • the shutter control unit 21d opens the shutter 124 and performs exposure on the CMOS image sensor 125 (S107). This exposure is performed until the period T2 elapses from the start of exposure (S108).
  • the shutter 124 is closed by the shutter control unit 21d (S109), and image data captured by the CMOS image sensor 125 is output to the CPU 21 (S110).
  • the CPU 21 determines whether the memory flag MF is 1 (S111).
  • the CPU 21 stores the imaging data output from the CMOS image sensor 125 in the memory area A of the memory 25 (S112). .
  • the process returns to S101, and the CPU 21 determines whether the pulse FG1 is High. If the pulse FG1 is still High, the CPU 21 keeps turning on the laser light source 111 while keeping the memory flag MF set to 1 (S102) (S103). However, since the pulse FG2 is not output at this timing (see FIG. 8), the determination in S106 is NO and the process returns to S101. Thus, the CPU 21 continues to turn on the laser light source 111 until the pulse FG1 becomes Low.
  • the CPU 21 sets the memory flag MF to 0 (S104) and turns off the laser light source 111 (S105).
  • the pulse FG2 becomes High (S106: YES)
  • the shutter 124 is opened by the shutter control unit 21d, and the CMOS image sensor 125 is exposed (S107). This exposure is performed until the period T2 elapses from the start of exposure as described above (S108).
  • the shutter 124 is closed by the shutter control unit 21d (S109), and image data captured by the CMOS image sensor 125 is output to the CPU 21 (S110).
  • the CPU 21 determines whether the memory flag MF is 1 (S111).
  • the CPU 21 stores the imaging data output from the CMOS image sensor 125 in the memory area B of the memory 25 (S113). .
  • the imaging data acquired by the CMOS image sensor 125 when the laser light source 111 is turned on and the imaging data acquired by the CMOS image sensor 125 when the laser light source 111 is not turned on are respectively They are stored in the memory area A and the memory area B of the memory 25.
  • FIG. 10A is a flowchart showing processing by the data subtraction unit 21b of the CPU 21.
  • the data subtraction unit 21b When the imaging data is updated and stored in the memory area B (S201: YES), the data subtraction unit 21b performs a process of subtracting the imaging data stored in the memory area B from the imaging data stored in the memory area A (S201: YES). S202). Here, the value of the signal (charge) corresponding to the received light amount of the corresponding pixel stored in the memory area B is subtracted from the value of the signal (charge) corresponding to the received light amount of each pixel stored in the memory area A. Is done. The subtraction result is stored in the memory area C of the memory 25 (S203). If the operation for acquiring the target area information is not completed (S204: NO), the process returns to S201 and the same process is repeated.
  • the first image data and the second image data are both obtained by exposing the CMOS image sensor 125 for the same time T2, so that the second Is equal to a noise component caused by light other than the laser light from the laser light source 111 included in the first imaging data. Therefore, the memory area C stores imaging data from which noise components due to light other than laser light from the laser light source 111 are removed.
  • FIG. 11 is a diagram schematically illustrating the effect of the process of FIG.
  • the imaging area is set by the light receiving optical system 12 while irradiating the DMP light from the projection optical system 11 shown in the above embodiment.
  • the captured image is as shown in FIG. Imaging data based on the captured image is stored in the memory area A of the memory 25.
  • the captured image is as shown in FIG. Imaging data based on the captured image is stored in the memory area B of the memory 25.
  • the captured image of FIG. 10C is removed from the captured image of FIG. 10B, the captured image is as shown in FIG. Imaging data based on the captured image is stored in the memory area C of the memory 25. Therefore, the memory area C stores imaging data from which noise components due to light (fluorescent lamp) other than DMP light are removed.
  • calculation processing by the three-dimensional distance calculation unit 21c of the CPU 21 is performed using the imaging data stored in the memory C. Therefore, the three-dimensional distance information (information regarding the distance to each part of the detection target) acquired thereby can be highly accurate.
  • the light diffracting portion 112c is integrally formed on the exit surface 112b of the collimator lens 112
  • the light diffractive element (DOE) 115 is compared with the configuration of FIG. Arrangement space can be reduced. Therefore, the projection optical system 11 can be downsized in the optical axis direction of the laser light.
  • the processing shown in FIGS. 8 to 11 eliminates the need to arrange a temperature controller for suppressing the temperature change of the laser light source 111, so that the projection optical system 11 can be further reduced in size. According to this processing, since the inexpensive filter 123 can be used as described above, the cost can be reduced.
  • the filter 123 is arranged to remove visible light.
  • the filter 123 may be any filter that can sufficiently reduce the amount of visible light incident on the CMOS image sensor 125.
  • the exit surface 112b of the collimator lens 112 is a flat surface, but may be a gently curved surface as long as the light diffraction portion 112c can be formed.
  • off-axis aberration can be suppressed to some extent by adjusting the shapes of the incident surface 112a and the exit surface 112b of the collimator lens 112.
  • the emission surface 112b is a curved surface, it becomes difficult to form the light diffraction portion 112c by the steps of FIGS.
  • the exit surface 112b is usually aspherical.
  • the stamper 117 side is also aspherical according to the emitting surface 112b, and the uneven shape 117a of the stamper 117 is not easily transferred to the ultraviolet curable resin layer 116.
  • the diffraction pattern for generating the dot matrix pattern laser beam is fine and complex as shown in FIG. 5D, high transfer accuracy is required when transferring using the stamper 117. . Therefore, when the light diffracting portion 112c is formed by the steps shown in FIGS.
  • the light diffracting portion 112b is formed on the light emitting surface 112b as a plane as in the above embodiment. It is desirable to form 112c. In this way, the light diffraction portion 112c can be formed on the collimator lens 112 with high accuracy.
  • the light diffracting portion 112c is formed on the exit surface 112b side of the collimator lens 112.
  • the entrance surface 112a of the collimator lens 112 is flat or gently curved so that the entrance surface 112a
  • the light diffraction part 112c may be formed.
  • the light diffracting portion 112c is formed on the incident surface 112a side in this way, it is necessary to design the diffraction pattern of the light diffracting portion 112c with respect to the laser light incident as the diffused light. Optical design becomes difficult.
  • the optical design of the collimator lens 112 is also difficult.
  • the diffraction pattern of the light diffracting portion 112c may be designed assuming that the laser light is parallel light, Therefore, the optical design of the light diffraction section 112c can be easily performed. Further, since the collimator lens 112 may be designed for diffused light without diffraction, optical design can be easily performed.
  • the subtraction process is performed when the memory area B is updated.
  • the subtraction is performed when the memory area A is updated as shown in FIG. Processing may be performed.
  • the memory area A is updated (S211: YES)
  • S212 A process of subtracting the second imaging data is performed (S212), and the subtraction result is stored in the memory area C (S203).
  • the CMOS image sensor 125 is used as the light receiving element, but a CCD image sensor can be used instead.
  • Information Acquisition Device 111 Laser Light Source (Light Source) 112 Collimator lens 112c Light diffraction part 125 CMOS image sensor (light receiving element) 200 Tilt correction mechanism 21 CPU 21a Laser controller (light source controller) 21b Data subtraction unit (information acquisition unit) 21c 3D distance calculation unit (information acquisition unit) 25 Memory (storage unit)
  • the present invention can be used for an object detection apparatus that detects an object in a target area based on a state of reflected light when light is projected onto the target area, and an information acquisition apparatus using the same.

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Abstract

【課題】レーザ光の光軸方向において、投射光学系の小型化を図り得る情報取得装置およびこれを搭載する物体検出装置を提供する。 【解決手段】情報取得装置は、所定波長帯域のレーザ光を出射するレーザ光源１１１と、レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズ１１２と、目標領域から反射された反射光を受光して信号を出力するＣＭＯＳイメージセンサ１２５と、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５から出力される信号に基づいて目標領域に存在する物体の３次元情報を取得するＣＰＵとを備える。コリメータレンズ１１２の出射面１１２ｂに、レーザ光を回折によりドットパターンを持つレーザ光に変換する光回折部１１２ｃが一体的に形成されている。

Description

物体検出装置および情報取得装置
　本発明は、目標領域に光を投射したときの反射光の状態に基づいて目標領域内の物体を検出する物体検出装置およびこれに用いて好適な情報取得装置に関する。
　従来、光を用いた物体検出装置が種々の分野で開発されている。いわゆる距離画像センサを用いた物体検出装置では、２次元平面上の平面的な画像のみならず、検出対象物体の奥行き方向の形状や動きを検出することができる。かかる物体検出装置では、レーザ光源やＬＥＤ（Light Emitting Device）から、予め決められた波長帯域の光が目標領域に投射され、その反射光がＣＭＯＳイメージセンサ等の受光素子により受光される。距離画像センサとして、種々のタイプのものが知られている。
　一つの種類の距離画像センサでは、所定のドットパターンを持つレーザ光が目標領域に照射される。ドットパターン上の各ドット位置におけるレーザ光の目標領域からの反射光が受光素子によって受光される。各ドット位置のレーザ光の受光素子上の受光位置に基づいて、三角測量法を用いて、検出対象物体の各部（ドットパターン上の各ドット位置）までの距離が検出される（たとえば、非特許文献１）。
第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８－２０日）予稿集、Ｐ１２７９－１２８０
　上記物体検出装置において、レーザ光は、コリメータレンズによって平行光とされた後、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）に入射され、ドットパターンを持つレーザ光に変換される。したがって、この構成では、レーザ光源の後段に、コリメータレンズとＤＯＥを配置するためのスペースが必要となる。このため、この構成では、レーザ光の光軸方向において、投射光学系が大型化するとの問題が生じる。
　本発明は、かかる問題を解消するためになされたものであり、レーザ光の光軸方向において、投射光学系の小型化を図り得る情報取得装置およびこれを搭載する物体検出装置を提供することを目的とする。
　本発明の第１の態様は、光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置に関する。本態様に係る情報取得装置は、所定波長帯域のレーザ光を出射する光源と、前記光源から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、前記コリメータレンズの入射面または出射面に形成され、前記レーザ光を回折によりドットパターンを持つレーザ光に変換する光回折部と、前記目標領域から反射された反射光を受光して信号を出力する受光素子と、前記受光素子から出力される信号に基づいて前記目標領域に存在する物体の３次元情報を取得する情報取得部とを備える。
　本発明の第２の態様は、物体検出装置に関する。この態様に係る物体検出装置は、上記第１の態様に係る情報取得装置を有する。
　本発明によれば、光回折部がコリメータレンズの入射面または出射面に形成されているため、光回折素子（ＤＯＥ）の配置スペースを削減できる。よって、レーザ光の光軸方向において、投射光学系の小型化を図ることができる。
　本発明の特徴は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明の一つの実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。
実施の形態に係る物体検出装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る情報取得装置と情報処理装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る目標領域に対するレーザ光の照射状態とイメージセンサ上のレーザ光の受光状態を示す図である。 実施の形態と比較形態に係る投射光学系の構成を示す図である。 実施の形態に係る光回折部の形成工程と光回折部の設定例を示す図である。 実施の形態と比較形態に係るコリメータレンズの収差に関するシミュレーションについて説明する図である。 実施の形態に係るチルト補正機構の構成を示す図である。 実施の形態に係るレーザ光の発光タイミングと、イメージセンサに対する露光タイミングおよび撮像データの記憶タイミングを示すタイミングチャートである。 実施の形態に係る撮像データの記憶処理を示すフローチャートである。 実施の形態に係る撮像データの減算処理を示すフローチャートである。 実施の形態に係る撮像データの処理過程を模式的に示す図である。
　図１に本実施の形態に係る物体検出装置の概略構成を示す。図示の如く、物体検出装置は、情報取得装置１と、情報処理装置２とを備えている。テレビ３は、情報処理装置２からの信号によって制御される。
　情報取得装置１は、目標領域全体に赤外光を投射し、その反射光をＣＭＯＳイメージセンサにて受光することにより、目標領域にある物体各部の距離（以下、「３次元距離情報」という）を取得する。取得された３次元距離情報は、ケーブル４を介して情報処理装置２に送られる。
　情報処理装置２は、たとえば、テレビ制御用のコントローラやゲーム機、パーソナルコンピュータ等である。情報処理装置２は、情報取得装置１から受信した３次元距離情報に基づき、目標領域における物体を検出し、検出結果に基づきテレビ３を制御する。
　たとえば、情報処理装置２は、受信した３次元距離情報に基づき人を検出するとともに、３次元距離情報の変化から、その人の動きを検出する。たとえば、情報処理装置２がテレビ制御用のコントローラである場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人のジャスチャーを検出するとともに、ジェスチャに応じてテレビ３に制御信号を出力するアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定のジェスチャをすることにより、チャンネル切り替えやボリュームのＵｐ／Ｄｏｗｎ等、所定の機能をテレビ３に実行させることができる。
　また、たとえば、情報処理装置２がゲーム機である場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人の動きを検出するとともに、検出した動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させ、ゲームの対戦状況を変化させるアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定の動きをすることにより、自身がテレビ画面上のキャラクタとしてゲームの対戦を行う臨場感を味わうことができる。
　図２は、情報取得装置１と情報処理装置２の構成を示す図である。
　情報取得装置１は、光学部の構成として、投射光学系１１と受光光学系１２とを備えている。投射光学系１１は、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２とを備えている。また、受光光学系１２は、アパーチャ１２１と、撮像レンズ１２２と、フィルタ１２３と、シャッター１２４と、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５とを備えている。この他、情報取得装置１は、回路部の構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１と、レーザ駆動回路２２と、撮像信号処理回路２３と、入出力回路２４と、メモリ２５を備えている。
　レーザ光源１１１は、波長８３０ｎｍ程度の狭波長帯域のレーザ光を出力する。コリメータレンズ１１２は、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光を平行光に変換する。コリメータレンズ１１１の出射面には、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）の機能を有する光回折部１１２ｃ（図４（ａ）参照）が形成されている。この光回折部１１２ｃによって、レーザ光は、ドットマトリックスパターンのレーザ光に変換されて、目標領域に照射される。
　目標領域から反射されたレーザ光は、アパーチャ１２１を介して撮像レンズ１２２に入射する。アパーチャ１２１は、撮像レンズ１２２のＦナンバーに合うように、外部からの光に絞りを掛ける。撮像レンズ１２２は、アパーチャ１２１を介して入射された光をＣＭＯＳイメージセンサ１２５上に集光する。
　フィルタ１２３は、レーザ光源１１１の出射波長（８３０ｎｍ程度）を含む波長帯域の光を透過し、可視光の波長帯域をカットするバンドパスフィルタである。フィルタ１２３は、８３０ｎｍ近傍の波長帯域のみを透過する狭帯域のフィルタではなく、８３０ｎｍを含む比較的広い波長帯域の光を透過させる安価なフィルタからなっている。
　シャッター１２４は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応じて、フィルタ１２３からの光を遮光または通過させる。シャッター１２４は、たとえば、メカニカルシャッターや電子シャッターである。ＣＭＯＳイメージセンサ１２５は、撮像レンズ１２２にて集光された光を受光して、画素毎に、受光光量に応じた信号（電荷）を撮像信号処理回路２３に出力する。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５は、各画素における受光から高レスポンスでその画素の信号（電荷）を撮像信号処理回路２３に出力できるよう、信号の出力速度が高速化されている。
　ＣＰＵ２１は、メモリ２５に格納された制御プログラムに従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ２１には、レーザ光源１１１を制御するためのレーザ制御部２１ａと、後述するデータ減算部２１ｂと、３次元距離情報を生成するための３次元距離演算部２１ｃと、シャッター１２４を制御するためのシャッター制御部２１ｄの機能が付与される。
　レーザ駆動回路２２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応じてレーザ光源１１１を駆動する。撮像信号処理回路２３は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５を制御して、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５で生成された各画素の信号（電荷）をライン毎に順次取り込む。そして、取り込んだ信号を順次ＣＰＵ２１に出力する。ＣＰＵ２１は、撮像信号処理回路２３から供給される信号（撮像信号）をもとに、情報取得装置１から検出対象物の各部までの距離を、３次元距離演算部２１ｃによる処理によって算出する。入出力回路２４は、情報処理装置２とのデータ通信を制御する。
　情報処理装置２は、ＣＰＵ３１と、入出力回路３２と、メモリ３３を備えている。なお、情報処理装置２には、同図に示す構成の他、テレビ３との通信を行うための構成や、ＣＤ－ＲＯＭ等の外部メモリに格納された情報を読み取ってメモリ３３にインストールするためのドライブ装置等が配されるが、便宜上、これら周辺回路の構成は図示省略されている。
　ＣＰＵ３１は、メモリ３３に格納された制御プログラム（アプリケーションプログラム）に従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ３１には、画像中の物体を検出するための物体検出部３１ａの機能が付与される。かかる制御プログラムは、たとえば、図示しないドライブ装置によってＣＤ－ＲＯＭから読み取られ、メモリ３３にインストールされる。
　たとえば、制御プログラムがゲームプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動きを検出する。そして、検出された動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させるための処理が制御プログラムにより実行される。
　また、制御プログラムがテレビ３の機能を制御するためのプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動き（ジェスチャ）を検出する。そして、検出された動き（ジェスチャ）に応じて、テレビ１の機能（チャンネル切り替えやボリューム調整、等）を制御するための処理が制御プログラムにより実行される。
　入出力回路３２は、情報取得装置１とのデータ通信を制御する。
　図３（ａ）は、目標領域に対するレーザ光の照射状態を模式的に示す図、図３（ｂ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５におけるレーザ光の受光状態を模式的に示す図である。なお、同図（ｂ）には、便宜上、目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在するときの受光状態が示されている。
　同図（ａ）に示すように、投射光学系１１からは、ドットマトリックスパターンを持ったレーザ光（以下、このパターンを持つレーザ光の全体を「ＤＭＰ光」という）が、目標領域に向けて照射される。同図（ａ）には、ＤＭＰ光の光束断面が破線の枠によって示されている。ＤＭＰ光内の各ドットは、コリメータレンズ１１２出射面の回折部１１２ｃによってレーザ光の強度が点在的に高められた領域を模式的に示している。ＤＭＰ光の光束中には、レーザ光の強度が高められた領域が、所定のドットマトリックスパターンに従って点在している。
　目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在すると、これにより反射されたＤＭＰ光の各ドット位置の光は、同図（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５上で分布する。たとえば、目標領域上におけるＰ０のドット位置の光は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上では、Ｐｐのドット位置の光に対応する。
　上記３次元距離演算部２１ｃでは、各ドットに対応する光がＣＭＯＳイメージセンサ１２５上のどの位置に入射したかが検出され、その受光位置から、三角測量法に基づいて、検出対象物体の各部（ドットマトリックスパターン上の各ドット位置）までの距離が検出される。かかる検出手法の詳細は、たとえば、上記非特許文献１（第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８－２０日）予稿集、Ｐ１２７９－１２８０）に示されている。
　かかる距離検出では、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５上におけるＤＭＰ光（各ドット位置の光）の分布状態を正確に検出する必要がある。しかしながら、本実施の形態では、透過帯域幅が比較的広い安価なフィルタ１２３が用いられているため、ＤＭＰ光以外の光がＣＭＯＳイメージセンサ１２５に入射し、この光が外乱光となる。たとえば、目標領域に蛍光灯等の発光体があると、この発光体の像がＣＭＯＳイメージセンサ１２５の撮像画像に写り込み、これにより、ＤＭＰ光の分布状態を正確に検出できないことが起こり得る。
　そこで、本実施の形態では、後述の処理により、ＤＭＰ光の分布状態の検出の適正化が図られている。この処理については、追って、図８ないし図１１を参照して説明する。
　図４（ａ）は、本実施の形態に係る投射光学系の構成の詳細を示す図、図４（ｂ）は、比較形態に係る投射光学系の構成を示す図である。
　図４（ｂ）に示すように、比較形態では、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光は、コリメータレンズ１１３によって平行光に変換された後、アパーチャ１１４によって絞られ、ＤＯＥ１１５に入射される。ＤＯＥ１１５の入射面には、平行光で入射したレーザ光をドットマトリックスパターンのレーザ光に変換するための光回折部１１５ａが形成されている。こうして、レーザ光は、ドットマトリックスパターンのレーザ光として目標領域に照射される。
　このように、比較形態では、ドットマトリックスパターンのレーザ光を生成するために、レーザ光の後段に、コリメータレンズ１１３と、アパーチャ１１４と、ＤＯＥ１１５が配置される。このため、レーザ光の光軸方向における投射光学系の寸法が大きくなる。
　これに対し、本実施の形態では、図４（ａ）に示すように、コリメータレンズ１１２の出射面に光回折部１１２ｃが形成されている。コリメータレンズ１１２は、入射面１１２ａが曲面、出射面１１２ｂが平面となっている。入射面１１２ａの面形状は、レーザ光源１１１から入射するレーザ光が、屈折により平行光となるように設計されている。平面となっている出射面１１２ｂに、平行光で入射したレーザ光をドットマトリックスパターンのレーザ光に変換するための光回折部１１２ｃが形成されている。こうして、レーザ光は、ドットマトリックスパターンのレーザ光として目標領域に照射される。
　このように、本実施の形態では、コリメータレンズ１１２の出射面に光回折部１１２ｃが一体的に形成されているため、別途、ＤＯＥを配置するためのスペースを取らなくて良い。よって、同図（ｂ）の構成に比べ、レーザ光の光軸方向における投射光学系の寸法を小さく抑えることができる。
　図５（ａ）～（ｃ）は、光回折部１１２ｃの形成工程の一例を示す図である。
　この形成工程では、まず、同図（ａ）に示すように、コリメータレンズ１１２の出射面１１２ｂに紫外線硬化樹脂が塗布され、紫外線硬化樹脂層１１６が配置される。次に、同図（ｂ）に示すように、ドットマトリックスパターンのレーザ光を生成するための凹凸形状１１７ａを有するスタンパ１１７が、紫外線硬化樹脂層１１６の上面に押し付けられる。この状態で、コリメータレンズ１１２の入射面１１２ａ側から紫外線が照射され、紫外線硬化樹脂層１１６が硬化される。その後、スタンパ１１７を紫外線硬化樹脂層１１６から引き剥がす。これにより、スタンパ１１７側の凹凸形状１１７ａが紫外線硬化樹脂層１１６の上面に転写される。こうして、コリメータレンズ１１２の出射面１１２ｂに、ドットマトリックスパターンのレーザ光を生成するための光回折部１１２ｃが形成される。
　図５（ｄ）は、光回折部１１２ｃの回折パターンの設定例を示す図である。同図中、黒色の部分は、白色の部分に対して、深さ３μｍのステップ状の溝になっている。光回折部１１２ｂは、この回折パターンの周期構造となっている。
　なお、光回折部１１２ｃは、図５（ａ）～（ｃ）に示す以外の形成工程により形成することも可能である。また、コリメータレンズ１１２の出射面１１２ｂ自身が、ドットマトリックスパターンのレーザ光を生成するための凹凸形状（回折のための形状）を有していても良い。たとえば、樹脂材料の射出成型によりコリメータレンズ１１２が生成される場合には、射出成型用の金型の内面に、回折パターンを転写するための形状を持たせておく。こうすると、別途、コリメータレンズ１１２の出射面に光回折部１１２ｂを形成するための工程を行う必要がないため、コリメータレンズ１１２を簡素なものにすることができる。
　本実施の形態では、コリメータレンズ１１２の出射面１１２ｂを平面とし、この平面上に光回折部１１２ｃを形成するようにしたため、比較的簡単に、光回折部１１２ｃを形成することができる。しかし、その一方で、出射面１１２ｂが平面であるため、コリメータレンズ１１２で発生するレーザ光の収差が、入射面と出射面がともに曲面である場合のコリメータレンズに比べて大きくなる。通常、コリメータレンズ１１２は、収差を抑制するために、入射面と出射面の両方の形状が調整される。この場合、入射面と出射面はともに非球面となる。こうして、入射面と出射面の形状を調整することで、平行光への変換と収差の抑制を同時に実現できる。しかし、本実施の形態では、入射面のみが曲面であるため、収差の抑制には限界がある。このため、本実施の形態では、入射面と出射面がともに曲面である場合のコリメータレンズに比べ、レーザ光に生じる収差が大きくなる。
　図６は、入射面と出射面がともに曲面である場合のコリメータレンズ（比較例）と出射面が平面である場合のコリメータレンズ（実施例）について、収差の発生状況を検証したシミュレーション結果である。同図（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施例と比較例のシミュレーションで想定された光学系の構成を示す図、同図（ｃ）、（ｄ）は、それぞれ、実施例と比較例のコリメータレンズの入射面Ｓ１と出射面Ｓ２の形状を規定するパラメータ値を示す図、同図（ｅ）、（ｆ）は、それぞれ、実施例と比較例に対するシミュレーション結果を示す図である。図中、ＣＬはコリメータレンズ、Ｏはレーザ光源の発光点、ＧＰはレーザ光源のＣＡＮの出射口に装着されたガラス板である。その他のシミュレーション条件は、下表のとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　同図（ｅ）、（ｆ）に示すシミュレーション結果において、ＳＡは球面収差、ＴＣＯはコマ収差、ＴＡＳは非点収差（タンジェンシャル）、ＳＡＳは非点収差（サジタル）である。
　同図（ｅ）、（ｆ）のシミュレーション結果を比較すると、実施例と比較例とにおいて、球面収差（ＳＡ）にはそれほど大きな差異は生じない。これに対して、コマ収差（ＴＣＯ）と非点収差（ＴＡＳ、ＳＡＳ）については、実施例と比較例との間に比較的大きな差異が見られる。球面収差は軸上収差であり、コマ収差と非点収差は軸外収差である。軸外収差は、レーザ光軸に対するコリメータレンズの光軸の傾きが大きくなると顕著になる。よって、本実施の形態のように出射面を平面にする場合には、コリメータレンズ１１２の光軸をレーザ光軸に整合させるためのチルト補正機構を設けるのが望ましい。
　図７は、チルト補正機構２００の構成例を示す図である。同図（ａ）は、チルト補正機構２００の分解斜視図、同図（ｂ）、（ｃ）は、チルト補正機構２００の組立工程を示す図である。
　同図（ａ）を参照して、チルト補正機構２００は、レンズホルダ２０１と、レーザホルダ２０２と、ベース２０４とを備えている。
　レンズホルダ２０１は、軸対象なコマ形状を有している。レンズホルダ２０１には、上方からコリメータレンズ１１２を嵌め込むことが可能なレンズ収容部２０１ａが形成されている。レンズ収容部２０１ａは、円柱状の内面を有しており、その径は、コリメータレンズ１１２の径よりも僅かに大きくなっている。
　レンズ収容部２０１ａの下部には円環状の段部２０１ｂが形成され、この段部に続いて、円形の開口２０１ｃがレンズホルダ２０１の底面から外部に抜けるように形成されている。段部２０１ｂの内径はコリメータレンズ１１２の径よりも小さくなっている。レンズホルダ２０１の上面から段部２０１ｂまでの寸法は、コリメータレンズ１１２の光軸方向の厚みよりもやや大きくなっている。
　レンズホルダ２０１の上面には、３つの切り溝２０１ｄが形成されている。また、レンズホルダ２０１の底部分（図中の２点鎖線以下の部分）は、球面２０１ｅとなっている。この球面２０１ｅは、後述のように、ベース２０４上面の受け部２０４ｂと面接触する。
　レーザホルダ２０２には、レーザ光源１１１が収容されている。レーザホルダ２０２は円柱形状を有し、上面に開口２０２ａが形成されている。この開口２０２ａからレーザ光源１１１のガラス板１１１ａ（出射窓）が外部に臨んでいる。レーザホルダ２０２の上面には３つの切り溝２０２ｂが形成されている。レーザホルダ２０２の下面には、レーザ光源１１１に給電するためのフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）２０３が装着されている。
　ベース２０４には、内面が円柱状のレーザ収容部２０４ａが形成されている。レーザ収容部２０４ａの内面の径はレーザホルダ２０２の外周部分の径よりも僅かに大きくなっている。ベース２０４の上面には、レンズホルダ２０１の球面２０１ｅと面接触する球面状の受け部２０４ｂが形成されている。また、ベース２０４の側面には、ＦＰＣ２０３を通すための切り欠き２０４ｃが形成されている。レーザ収容部２０４ａの下端２０４ｄに続いて、段部２０４ｅが形成されている。レーザホルダ２０２をレーザ収容部２０４ａに収容すると、この段部２０４ｅによって、ＦＰＣ２０３とベース２０４の底面との間に隙間が生じる。この隙間によって、ＦＰＣ２０３の裏面がベース２０４の底面に接触するのが回避される。
　レーザホルダ２０２は、同図（ｂ）に示すように、上方からベース２０４のレーザ収容部２０４ａに嵌め込まれる。レーザホルダ２０２の下端がレーザ収容部２０４ａの下端２０４ｄに当接するまでレーザホルダ２０２がレーザ収容部２０４ａに嵌め込まれた後、レーザホルダ２０２上面の切り溝２０２ｂに接着剤が注入される。これにより、レーザホルダ２０２がベース２０４に固定される。
　さらに、コリメータレンズ１１２がレンズホルダ２０１のレンズ収容部２０１ａに嵌め込まれる。コリメータレンズ１１２の下端がレンズ収容部２０１ａの段部２０１ｂに当接するまでコリメータレンズ１１２がレンズ収容部２０１ａに嵌め込まれた後、レンズホルダ２０１上面の切り溝２０１ｄに接着剤が注入される。これにより、コリメータレンズ１１２がレンズホルダ２０１に装着される。
　その後、同図（ｃ）に示すように、レンズホルダ２０１の球面２０１ｅをベース２０４の受け部２０４ｂに載せる。この状態では、レンズホルダ２０１は、球面２０１ｅが受け部２０４ｂに摺接して揺動可能となっている。
　しかる後、レーザ光源１１１を発光させ、コリメータレンズ１１２を透過したレーザ光のビーム径をビームアナライザで測定する。このとき、治具を用いてレンズホルダ２０１を揺動させる。このように、レンズホルダ２０１を揺動させつつビーム径を測定し、ビーム径が最も小さくなる位置にレンズホルダ２０１を位置づける。そして、この位置において、レンズホルダ２０１の周面とベース２０４の上面とを接着剤により固定する。こうして、レーザ光軸に対するコリメータレンズ１１２のチルト補正がなされ、最も軸外収差が小さくなる位置にコリメータレンズ１１２が固定される。
　なお、図７に示す構成において、レーザホルダ２０２内にはレーザ光源１１１が収容されているのみで、ペルチェ素子等を含む温度調節器は収容されていない。本実施の形態では、以下の処理を行うことで、レーザ光源１１１から出射されるレーザ光に温度変化による波長変動が生じても、適正に、３次元データを取得することができる。
　図８および図９を参照して、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４によるＤＭＰ光の撮像処理について説明する。図８は、レーザ光源１１１におけるレーザ光の発光タイミングと、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５に対する露光タイミングおよびこの露光によりＣＭＯＳイメージセンサ１２５により得られた撮像データの記憶タイミングを示すタイミングチャートである。図９は、撮像データの記憶処理を示すフローチャートである。
　図８を参照して、ＣＰＵ２１は、２つのファンクションジェネレータの機能を持っており、これらの機能により、パルスＦＧ１、ＦＧ２を生成する。パルスＦＧ１は、期間Ｔ１毎にＨｉｇｈとＬｏｗを繰り返す。パルスＦＧ２は、ＦＧ１の立ち上がりタイミングと立下りタイミングに出力される。たとえば、パルスＦＧ２は、パルスＦＧ１を微分することにより生成される。
　パルスＦＧ１がＨｉｇｈの間、レーザ制御部２１ａは、レーザ光源１１１を点灯させる。また、パルスＦＧ２がＨｉｇｈとなってから期間Ｔ２の間、シャッター制御部２１ｄはシャッター１２４を開き、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５に対する露光を行う。かかる露光が終わった後、ＣＰＵ２１は、各露光によりＣＭＯＳイメージセンサ１２５により取得された撮像データをメモリ２５に記憶させる。
　図９を参照して、ＣＰＵ２１は、パルスＦＧ１がＨｉｇｈになると（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、メモリフラグＭＦを１にセットし（Ｓ１０２）、レーザ光源１１１を点灯させる（Ｓ１０３）。そして、パルスＦＧ２がＨｉｇｈになると（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、シャッター制御部２１ｄはシャッター１２４を開き、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５に対する露光を行う（Ｓ１０７）。この露光は、露光開始から期間Ｔ２が経過するまで行われる（Ｓ１０８）。
　露光開始から期間Ｔ２が経過すると（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、シャッター制御部２１ｄによりシャッター１２４が閉じられ（Ｓ１０９）、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５により撮像された撮像データがＣＰＵ２１に出力される（Ｓ１１０）。ＣＰＵ２１は、メモリフラグＭＦが１であるかを判別する（Ｓ１１１）。ここでは、ステップＳ１０２においてメモリフラグＭＦが１にセットされているので（Ｓ１１１：ＹＥＳ）、ＣＰＵ２１は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５から出力された撮像データを、メモリ２５のメモリ領域Ａに記憶する（Ｓ１１２）。
　その後、目標領域の情報を取得するための動作が終了されていなければ（Ｓ１１４：ＮＯ）、Ｓ１０１に戻って、ＣＰＵ２１は、パルスＦＧ１がＨｉｇｈであるかを判定する。引き続きパルスＦＧ１がＨｉｇｈであると、ＣＰＵ２１は、メモリフラグＭＦを１にセットしたまま（Ｓ１０２）、レーザ光源１１１を点灯させ続ける（Ｓ１０３）。ただし、このタイミングでは、パルスＦＧ２が出力されていないため（図８参照）、Ｓ１０６における判定がＮＯとなって、処理がＳ１０１に戻る。こうして、ＣＰＵ２１は、パルスＦＧ１がＬｏｗになるまで、レーザ光源１１１を点灯させ続ける。
　その後、パルスＦＧ１がＬｏｗになると、ＣＰＵ２１は、メモリフラグＭＦを０にセットし（Ｓ１０４）、レーザ光源１１１を消灯する（Ｓ１０５）。そして、パルスＦＧ２がＨｉｇｈになると（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、シャッター制御部２１ｄによりシャッター１２４が開かれ、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５に対する露光が行われる（Ｓ１０７）。この露光は、上記と同様、露光開始から期間Ｔ２が経過するまで行われる（Ｓ１０８）。
　露光開始から期間Ｔ２が経過すると（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、シャッター制御部２１ｄによりシャッター１２４が閉じられ（Ｓ１０９）、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５により撮像された撮像データがＣＰＵ２１に出力される（Ｓ１１０）。ＣＰＵ２１は、メモリフラグＭＦが１であるかを判別する（Ｓ１１１）。ここでは、ステップＳ１０４においてメモリフラグＭＦが０にセットされているので（Ｓ１１１：ＮＯ）、ＣＰＵ２１は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５から出力された撮像データを、メモリ２５のメモリ領域Ｂに記憶する（Ｓ１１３）。
　以上の処理が、情報取得動作の終了まで繰り返される。この処理により、レーザ光源１１１が点灯しているときにＣＭＯＳイメージセンサ１２５により取得された撮像データと、レーザ光源１１１が点灯していないときにＣＭＯＳイメージセンサ１２５により取得された撮像データが、それぞれ、メモリ２５のメモリ領域Ａとメモリ領域Ｂに記憶される。
　図１０（ａ）は、ＣＰＵ２１のデータ減算部２１ｂによる処理を示すフローチャートである。
　メモリ領域Ｂに撮像データが更新記憶されると（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、データ減算部２１ｂは、メモリ領域Ａに記憶された撮像データからメモリ領域Ｂに記憶された撮像データを減算する処理を行う（Ｓ２０２）。ここでは、メモリ領域Ａに記憶された各画素の受光光量に応じた信号（電荷）の値から、メモリ領域Ｂに記憶された対応する画素の受光光量に応じた信号（電荷）の値が減算される。この減算結果が、メモリ２５のメモリ領域Ｃに記憶される（Ｓ２０３）。目標領域の情報を取得するための動作が終了していなければ（Ｓ２０４：ＮＯ）、Ｓ２０１に戻って、同様の処理が繰り返される。
　図１０（ａ）の処理により、メモリ領域Ｃには、レーザ光源１１１の点灯時に取得された撮像データ（第１の撮像データ）から、その直後のレーザ光源１１１の消灯時に取得された撮像データ（第２の撮像データ）が減算された減算結果が更新記憶される。ここで、第１の撮像データと第２の撮像データは、図８、９を参照して説明したように、共に、同じ時間Ｔ２だけＣＭＯＳイメージセンサ１２５が露光されて取得されるため、第２の撮像データは、第１の撮像データ中に含まれるレーザ光源１１１からのレーザ光以外の光によるノイズ成分に等しくなる。よって、メモリ領域Ｃには、レーザ光源１１１からのレーザ光以外の光によるノイズ成分が除去された撮像データが記憶されることになる。
　図１１は、図１０（ａ）の処理による効果を模式的に例示する図である。
　図１１（ａ）のように、撮像領域内に、蛍光灯Ｌ０が含まれている場合、上記実施の形態に示す投射光学系１１からＤＭＰ光を照射しつつ、受光光学系１２により撮像領域を撮像すると、撮像画像は、同図（ｂ）のようになる。この撮像画像に基づく撮像データが、メモリ２５のメモリ領域Ａに記憶される。また、投射光学系１１からＤＭＰ光を照射させずに、受光光学系１２により撮像領域を撮像すると、撮像画像は、同図（ｃ）のようになる。この撮像画像に基づく撮像データが、メモリ２５のメモリ領域Ｂに記憶される。同図（ｂ）の撮像画像から同図（ｃ）の撮像画像を除くと、撮像画像は、同図（ｄ）のようになる。この撮像画像に基づく撮像データが、メモリ２５のメモリ領域Ｃに記憶される。よって、メモリ領域Ｃには、ＤＭＰ光以外の光（蛍光灯）によるノイズ成分が除去された撮像データが記憶される。
　本実施の形態では、メモリＣに記憶された撮像データを用いて、ＣＰＵ２１の３次元距離演算部２１ｃによる演算処理が行われる。よって、これにより取得された３次元距離情報（検出対象物の各部までの距離に関する情報）は、精度の高いものとなり得る。
　以上、本実施の形態によれば、光回折部１１２ｃがコリメータレンズ１１２の出射面１１２ｂに一体的に形成されているため、図４（ｂ）の構成に比べ、光回折素子（ＤＯＥ）１１５の配置スペースを削減できる。よって、レーザ光の光軸方向において、投射光学系１１の小型化を図ることができる。
　また、図８ないし図１１に示す処理により、レーザ光源１１１の温度変化を抑制するための温度調節器を配置しなくて済むため、投射光学系１１のさらなる小型化を図ることができる。この処理によれば、上記のように安価なフィルタ１２３を用いることができるため、コストの低減を図ることもできる。
　なお、上記のように減算処理を行ってノイズ成分を除去する場合、理論上は、フィルタ１２３を用いなくても、ＤＭＰ光による撮像データを取得することができる。しかしながら、一般に、可視光帯域の光の光量レベルは、通常、ＤＭＰ光の光量レベルよりも数段高いため、可視光帯域が混ざった光からＤＭＰ光のみを上記減算処理により正確に導き出すのは困難である。よって、本実施の形態では、上記のように、可視光を除去するために、フィルタ１２３が配されている。フィルタ１２３は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５に入射する可視光の光量レベルを十分に低下させ得るものであれば良い。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施の形態も上記の他に種々の変更が可能である。
　たとえば、上記実施の形態では、コリメータレンズ１１２の出射面１１２ｂが平面であったが、光回折部１１２ｃを形成可能であれば、緩やかな曲面であっても良い。こうすると、コリメータレンズ１１２の入射面１１２ａと出射面１１２ｂの形状を調整することで、軸外収差を、ある程度、抑制可能となる。ただし、出射面１１２ｂが曲面であると、図５（ａ）ないし（ｃ）の工程による光回折部１１２ｃの形成が難しくなる。
　すなわち、入射面１１２ａと出射面１１２ｂとで、平行光への変換と収差の抑制とを実現しようとすると、通常、出射面１１２ｂは非球面になる。このように被転写面となる出射面１１２ｂが非球面であると、スタンパ１１７側も出射面１１２ｂに応じて非球面となり、スタンパ１１７の凹凸形状１１７ａを適正に紫外線硬化樹脂層１１６に転写させ難くなる。ドットマトリックスパターンのレーザ光を生成するための回折パターンは、図５（ｄ）に示すように微細で複雑であるため、スタンパ１１７を用いて転写を行う場合には、高い転写精度が要求される。したがって、図５（ａ）ないし（ｃ）のような工程により光回折部１１２ｃが形成される場合には、上記実施の形態のように、出射面１１２ｂを平面として、その上に、光回折部１１２ｃを形成するようにするのが望ましい。こうすると、精度良く、コリメータレンズ１１２上に光回折部１１２ｃを形成することができる。
　また、上記実施の形態では、光回折部１１２ｃをコリメータレンズ１１２の出射面１１２ｂ側に形成するようにしたが、コリメータレンズ１１２の入射面１１２ａを平面または緩やかな曲面にして、この入射面１１２ａに光回折部１１２ｃを形成するようにしても良い。ただし、このように入射面１１２ａ側に光回折部１１２ｃを形成する場合には、拡散光として入射するレーザ光に対して、光回折部１１２ｃの回折パターンを設計する必要があるため、回折パターンの光学設計が難しくなる。また、光回折部１１２ｃにより回折された後のレーザ光に対してコリメータレンズ１１２の面形状を設計する必要があるため、コリメータレンズ１１２の光学設計もまた難しくなる。
　これに対し、上記実施の形態では、光回折部１１２ｃがコリメータレンズ１１２の出射面１１２ｂに形成されているため、レーザ光が平行光であるとして光回折部１１２ｃの回折パターンを設計すれば良く、よって、光回折部１１２ｃの光学設計を容易に行うことができる。また、コリメータレンズ１１２についても、回折のない拡散光について設計すれば良いため、光学設計を容易に行うことができる。
　さらに、上記実施の形態の図１０（ａ）では、メモリ領域Ｂが更新されると減算処理が行われるようにしたが、図１０（ｂ）のように、メモリ領域Ａが更新されると減算処理が行われるようにしても良い。この場合、メモリ領域Ａが更新されると（Ｓ２１１：ＹＥＳ）、その直前にメモリ領域Ｂに記憶された第２の撮像データを用いて、メモリ領域Ａに更新記憶された第１の撮像データから第２の撮像データを減算する処理が行われ（Ｓ２１２）、減算結果がメモリ領域Ｃに記憶される（Ｓ２０３）。
　また、上記実施の形態では、受光素子として、ＣＭＯＳイメージセンサ１２５を用いたが、これに替えて、ＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。
　この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
　１　情報取得装置
　１１１　レーザ光源（光源）
　１１２　コリメータレンズ
　１１２ｃ　光回折部
　１２５　ＣＭＯＳイメージセンサ（受光素子）
　２００　チルト補正機構
　２１　ＣＰＵ
　２１ａ　レーザ制御部（光源制御部）
　２１ｂ　データ減算部（情報取得部）
　２１ｃ　３次元距離演算部（情報取得部）
　２５　メモリ（記憶部）
　本発明は、目標領域に光を投射したときの反射光の状態に基づいて目標領域内の物体を検出する物体検出装置およびこれを用いた情報取得装置に利用できる。

Claims (6)

  1. 　光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置において、
    　所定波長帯域のレーザ光を出射する光源と、
    　前記光源から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
    　前記コリメータレンズの入射面または出射面に形成され、前記レーザ光を回折によりドットパターンを持つレーザ光に変換する光回折部と、
    　前記目標領域から反射された反射光を受光して信号を出力する受光素子と、
    　前記受光素子から出力される信号に基づいて前記目標領域に存在する物体の３次元情報を取得する情報取得部と、を備える、ことを特徴とする情報取得装置。
  2. 　請求項１に記載の情報取得装置において、
    　前記コリメータレンズの出射面は平面とされ、
    　前記光回折部は、前記コリメータレンズの出射面に形成されている、ことを特徴とする情報取得装置。
  3. 　請求項２に記載の情報取得装置において、
    　前記光回折部は、前記コリメータレンズの出射面に配された樹脂材料に、前記ドットパターンを持つレーザ光を生成するための回折パターンを転写することにより形成されている、ことを特徴とする情報取得装置。
  4. 　請求項２または３に記載の情報取得装置において、
    　前記コリメータレンズを保持するとともに前記レーザ光の光軸に対する前記コリメータレンズの光軸の傾きを補正するためのチルト補正機構をさらに備える、ことを特徴とする情報取得装置。
  5. 　請求項１ないし４の何れか一項に記載の情報取得装置において、
    　前記光源を制御する光源制御部と、
    　前記受光素子から出力された信号の値に関する信号値情報を記憶する記憶部と、をさらに備え、
    　前記光源制御部は、前記光の出射と非出射が繰り返されるように前記光源を制御し、
    　前記記憶部は、前記光源から前記光が出射されている間に前記受光素子から出力された信号の値に関する第１の信号値情報と、前記光源から前記光が出射されていない間に前記受光素子から出力された信号の値に関する第２の信号値情報とをそれぞれ記憶し、
    　前記情報取得部は、前記記憶部に記憶された前記第１の信号値情報から前記第２の信号値情報を減算した減算結果に基づいて、前記目標領域に存在する物体の３次元情報を取得する、ことを特徴とする情報取得装置。
  6. 　請求項１ないし５の何れか一項に記載の情報取得装置を有する物体検出装置。
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