(57)【要約】【課題】可動部がなく耐久性や信頼性が高く、広範囲の対象空間を設定することを可能にしながらも投光に要するエネルギーを低減可能な距離画像センサを提供する。【解決手段】発光源１は、強度が時間経過に伴って変化する変調光を投光する。演算処理部７は、発光源１による投光から撮像素子２による受光までの時間差に相当する情報を変調光の時間変化と撮像素子２の各受光領域での受光強度とから抽出し、距離を画素の値とする距離画像を生成する。発光源１の前方には、屈折と反射との少なくとも一方を利用して発光源１からの変調光をスリット光として対象空間に投光する投光光学系３が配置される。また、撮像素子２の前方には、スリット光により物体表面に形成される投光パターンの像が撮像素子２の受光面のサイズに合わせて投影されるように屈折と反射との少なくとも一方を利用して当該像のアスペクト比を調節する受光光学系４が配置される。【選択図】図１
2010271306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強度が時間経過に伴って変化する変調光を対象空間に投光する発光源と、二次元配列された複数個の受光領域を有し各受光領域ごとに対象空間から受光した光の受光強度に応じた出力が得られる撮像素子と、発光源による投光から撮像素子による受光までの時間差に相当する情報を変調光の時間変化と各受光領域での受光強度とから抽出して対象空間内の物体までの距離を求めるとともに求めた距離を画素の値とする距離画像を生成する演算処理部と、屈折と反射との少なくとも一方を利用して発光源からの変調光をスリット光として対象空間に投光する投光光学系と、スリット光により物体表面に形成される投光パターンの像が撮像素子の受光面のサイズに合わせて投影されるように屈折と反射との少なくとも一方を利用して当該像のアスペクト比を調節する受光光学系とを備えることを特徴とする距離画像センサ。
【請求項２】
前記投光光学系は複数のスリット光を対象空間に投光し、前記受光光学系は複数のスリット光に対応する投光パターンの像を前記撮像素子の受光面に投影することを特徴とする請求項１記載の距離画像センサ。
【請求項３】
前記投光光学系は、スリット光の投光範囲の中心線が鉛直下向きになるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の距離画像センサ。
【請求項４】
前記投光光学系は、スリット光の投光範囲が水平になるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の距離画像センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知対象を検出する対象空間に投光してから投光した光の反射光が受光されるまでの時間差を計測することにより検知対象までの距離を求め、対象空間について画素の値が距離値である距離画像を生成する距離画像センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ロボットの視覚センサ、ドアの開閉センサ、侵入者の有無を検出する監視センサ、危険領域への接近を検出する安全センサなどの分野において、物体までの距離を測定する技術を利用することが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１では、距離の計測にあたり、パルス状の光を投光してから物体による反射光を受光するまでの時間差から物体までの距離を測定するタイムオブフライト（Time Of Flight）の技術が採用されている。また、特許文献１に記載の構成では、周囲３６０度について距離を測定するために、投光する光を走査する構成を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−７０１５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載された構成のように、物体までの距離を測定する対象空間を広範囲にするために、投光する光を走査する構成を採用すると、モータのような可動部が必要になり、振動に伴う不規則な測定誤差が生じたり、耐久性や信頼性が低下したりするという問題が生じる。
【０００５】
一方、可動部を設けずに対象空間を広げるために、対象空間に存在する物体までの距離を一括して測定する距離画像センサを用いることが考えられるが、タイムオブフライトの技術を用いるアクティブ型の距離画像センサで対象空間を広げようとすれば、受光強度を確保するために、投光する光の強度を高めることが必要になり、結果的に、投光に要するエネルギーが大きくなるという問題が生じる。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、可動部を持たず耐久性や信頼性が高い上に、広範囲の対象空間を設定することを可能にしながらも投光に要するエネルギーを低減することが可能な距離画像センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記目的を達成するために、強度が時間経過に伴って変化する変調光を対象空間に投光する発光源と、二次元配列された複数個の受光領域を有し各受光領域ごとに対象空間から受光した光の受光強度に応じた出力が得られる撮像素子と、発光源による投光から撮像素子による受光までの時間差に相当する情報を変調光の時間変化と各受光領域での受光強度とから抽出して対象空間内の物体までの距離を求めるとともに求めた距離を画素の値とする距離画像を生成する演算処理部と、屈折と反射との少なくとも一方を利用して発光源からの変調光をスリット光として対象空間に投光する投光光学系と、スリット光により物体表面に形成される投光パターンの像が撮像素子の受光面のサイズに合わせて投影されるように屈折と反射との少なくとも一方を利用して当該像のアスペクト比を調節する受光光学系とを備えることを特徴とする。
【０００８】
投光光学系は複数のスリット光を対象空間に投光し、受光光学系は複数のスリット光に対応する投光パターンの像を前記撮像素子の受光面に投影することが望ましい。
【０００９】
投光光学系は、スリット光の投光範囲の中心線が鉛直下向きになるように配置したり、スリット光の投光範囲が水平になるように配置することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の構成によれば、変調光をスリット光として投光するから、板状の扁平な対象空間において可動部を持つことなく物体までの距離を測定することができる。すなわち、可動部を持たないから、装置としての耐久性や信頼性が高くなる。しかも、スリット光を投光する投光光学系は、屈折と反射との少なくとも一方を利用しているから、発光源から出射した光をほとんど減衰させることなく対象空間に投光させることができる。このようにスリット光により板状の広い範囲を検出可能にすることで、投光に要するエネルギーの増加を伴わずに対象空間の幅を広げることが可能になる。
【００１１】
また、スリット光を用いるから物体表面には線状ないし帯状の投光パターンが形成されるが、受光光学系によって投光パターンの像のアスペクト比を調節し、投光パターンの像が撮像素子の受光面のサイズに合わせて投影されるようにしているから、特殊な形状の撮像素子を用いる必要がなく、受光領域が二次元配列された従来から用いられている撮像素子を無駄なく利用することができる。ここで、投光パターンの像を拡大するようにアスペクト比を調節したときには、空間分解能が高まるとともに、撮像素子のダイナミックレンジを確保しやすくなり、投光パターンの像を縮小するようにアスペクト比を調節したときには、感度やＳ／Ｎの向上が期待できる。
【００１２】
複数のスリット光を投光し、１個の撮像素子の受光面に各スリット光の像を投影する構成を採用すれば、異なる複数の対象空間を１個の撮像素子で検出することが可能になる。
【００１３】
スリット光の投光範囲の中心線を鉛直下向きにすれば横方向に移動する物体を検出することができ、スリット光の投光範囲を水平方向にすれば上下方向に移動する物体を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は要部斜視図、（ｂ）は要部平面図である。
【図３】同上の受光側の構成を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【図４】同上の動作説明図である。
【図５】同上の使用例を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は水平断面図である。
【図６】同上の受光側の他構成を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【図７】同上の受光側の別構成を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。
【図８】同上のさらに別の構成を示し、（ａ）は投光側の平面図、（ｂ）は受光側の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
まず、以下に説明する実施形態において用いる距離画像センサの全体構成を説明する。距離画像センサは、画像を構成する画素の値が距離値である画像であって、以下に用いる距離画像センサでは、距離計測の対象である対象空間に赤外線のような光を投光するとともに、対象空間に存在する物体（人間や動物を含む）による反射光を受光し、投光から受光までの時間差に相当する情報を用いることによって、物体までの距離を検出する飛行時間法（Time Of Flight）の原理を用いて距離画像を生成する。したがって、発光源から出射した光を対象空間に投光するとともに対象空間からの光を受光素子で検出し、受光素子の出力を用いて物体までの距離を検出するアクティブ型のセンサを構成している。
【００１６】
発光源からは時間経過に伴って強度が変化する変調光を出射し、物体で反射され受光素子で受光された変調光と投光した変調光との位相差を、投光から受光までの時間差に相当する情報として用いる。変調光の変調波形には、正弦波、三角波、鋸歯状波、方形波などを用いることができる。正弦波、三角波、鋸歯状波を用いる場合には変調光の周囲を一定周期とする。また、方形波を用いる場合には変調光の周期を一定周期とするほか、オン期間（発光源の投光期間）とオフ期間（発光源の非投光期間）との比率を乱数的に変化させる技術を採用することも可能である。
【００１７】
受光素子には、複数個の画素が二次元に配列された撮像素子を用いる。撮像素子は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサとして提供されている濃淡画像を撮像するための周知構成のものを用いることができるが、距離画像センサに適する構造を有するように設計された撮像素子を用いることが望ましい。
【００１８】
後者の撮像素子は、基本的な構造については、濃淡画像を撮像する周知構成の撮像素子と類似している。ただし、１画素について複数個の受光領域を有し、受光領域ごとの受光感度が電気信号により制御可能になっている。各受光領域では受光強度に応じた電荷量の電荷を生成する。受光領域の受光感度を制御するのは、変調光を受光するタイミングを制御することによって投光と受光との位相差を含む情報を検出するためである。
【００１９】
この撮像素子は、各受光領域で生成された電荷を変調光の変調周期の整数倍の期間に亘って蓄積する蓄積領域を有し、さらに、受光領域で生成した電荷のうち変調光ではない環境光ないし周囲光の成分を低減させる機能を設ける場合もある。
【００２０】
以下では、理解を助けるために距離画像センサの一構成例として下記構成を想定して説明するが、この構成は本発明を限定する趣旨ではなく、変調光の変調波形、撮像素子の構成、撮像素子の制御などに関して、周知の種々の距離画像センサに提供された構成を用いることができる。
【００２１】
以下の説明で用いる距離画像センサは、図１に示すように、光を出射する発光源１と、対象空間からの光を受光する撮像素子２とを備える。発光源１には、発光ダイオードやレーザダイオードのように入力の瞬時値に比例した光出力が得られる発光素子を用いる。また、発光源１から出射する光量を確保するために、発光源１は適数個の発光素子を用いて構成される。発光源１から出射された変調光は投光光学系３を通して対象空間に投光される。また、撮像素子２は、受光光学系４を通して対象空間からの光を受光する。投光光学系３と受光光学系４とは、投受光の方向を平行にし互いに近接して配置してある。
【００２２】
距離画像センサには、発光源１を駆動するための変調信号を出力する変調信号生成部５と、変調信号生成部５から出力された変調信号に基づいて受光素子２での受光タイミングを規定する受光タイミング信号を生成するタイミング制御部６と、受光素子２から出力された受光信号を用いて対象空間に存在する物体までの距離を求める演算処理部７とが設けられる。
【００２３】
変調信号生成部５は、出力電圧が一定周波数（たとえば、２０ＭＨｚ）の正弦波形で変化する変調信号を生成し、変調信号を発光源１に与えることにより、図２（ａ）（ｂ）のように光出力が正弦波状に変化する変調光が発光源１から出射される。発光源１として発光ダイオードを用いる場合には、電流制限抵抗を介して発光ダイオードに変調信号の信号電圧を印加することにより、発光ダイオードの通電電流を変化させ変調光を出射させる。
【００２４】
一方、撮像素子２は、１画素ごとに１個の受光領域を備えるものとする。この場合、電子シャッタの技術を用いることで、受光タイミング信号に同期する期間にのみ受光強度に応じた電荷を生成することが可能になる。また、受光領域で生成された電荷は、遮光された蓄積領域に転送され、蓄積領域において変調信号の複数周期（たとえば、１００００周期）に相当する蓄積期間に蓄積された後、撮像素子２の外部に受光出力として取り出される。
【００２５】
タイミング制御部６では、変調信号に同期する受光タイミング信号を生成する。ここでは、変調信号の１周期における異なる４位相を規定し、各位相ごとに一定時間幅の受光期間を設定する４種類の受光タイミング信号を生成するとともに、蓄積期間ごとに４種類の受光タイミング信号のうちの各１種類の受光タイミング信号を撮像素子２に与える。
【００２６】
すなわち、１種類の受光タイミング信号で規定した受光期間において受光領域で生成した電荷を１回の蓄積期間において蓄積し、蓄積後の電荷を受光出力として撮像素子２の外部に取り出す処理を４回繰り返し、４回の蓄積期間で４種類の受光タイミング信号に対応する受光出力を撮像素子２の外部に取り出す。
【００２７】
ここでは、図２（ｃ）のように、受光タイミング信号を変調信号の１周期において９０度ずつ異なる位相で規定しているものとする。この場合、各受光タイミング信号に対応する受光出力（電荷量）を、それぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３とするときに、位相差ψ〔ｒａｄ〕は下式で表される。
ψ＝（Ａ０−Ａ２）／（Ａ１−Ａ３）
変調信号の周波数をｆ〔Ｈｚ〕とすれば、投光から受光までの時間差Δｔは位相差ψを用いて、Δｔ＝ψ／２π・ｆと表されるから、光速をｃ〔ｍ／ｓ〕とすると、物体までの距離は、ｃ・ψ／４π・ｆと表すことができる。
【００２８】
すなわち、４種類の受光出力（電荷量）Ａ０〜Ａ３により物体までの距離を求めることができる。なお、受光期間の時間幅は、受光領域において適正な受光量が得られるように、適宜に設定することができる（たとえば、変調信号の４分の１周期に相当する時間幅とすることができる）。ただし、各受光期間の時間幅は互いに等しくすることが必要である。
【００２９】
演算処理部７では、受光出力（電荷量）Ａ０〜Ａ３に基づいて位相差ψを求め、距離に換算する上述の処理のほか、以下の実施形態において説明する処理も行うことができる。演算処理部７は、マイクロコンピュータを用いて構成され、これらの処理は、マイクロコンピュータにより実行されるプログラムで実現される。
【００３０】
なお、上述の動作例では、４種類の受光タイミング信号を用いているが、３種類の受光タイミング信号でも位相差ψを求めることができ、環境光ないし周囲光が存在しない環境下では、２種類の受光タイミング信号でも位相差ψを求めることが可能である。
【００３１】
また、上述の動作では、１画素について１個の受光領域を用いているから、４種類の受光出力（電荷量）Ａ０〜Ａ３を撮像素子２から取り出すために４回の蓄積期間が必要であるが、１画素について２個の受光領域を設ければ、変調信号の１周期で２種類の受光タイミング信号に対応する電荷を生成することが可能になるから、撮像素子２から２種類の受光タイミング信号に対応した受光出力を１回で読み出すことが可能になる。同様に、１画素に４個の受光領域を設ければ、変調信号の１周期で４種類の受光タイミング信号に対応する電荷を生成し、４種類の受光タイミング信号に対応する受光出力を１回で読み出すことが可能になる。
【００３２】
以下では、主として投光光学系３と受光光学系４との構成と、投光光学系３および受光光学系４の構成に関連した演算処理部７の動作とについて説明する。投光光学系３と受光光学系４とにはともにアナモフィック光学系を用いる。
【００３３】
投光光学系３は、対象空間にスリット光（スリットを通した光と同様に、物体に投光したときに物体の表面に線状ないし帯状の投光パターンを形成する光）を投光するように構成される。すなわち、投光光学系３は発光源１からの光を扇形の配光特性になるように制御する。
【００３４】
ここでは、投光光学系３として、光切断法による三次元計測の際にスリット光を投光するために用いられている構成と同様の投光光学系を用いる。すなわち、図２のように、発光源１から出射した光線を平行光線にするコリメートレンズ１１と、コリメートレンズ１１から出射された平行光線を扇形に発散させる投光レンズ１２とを備える。
【００３５】
投光レンズ１２には、扁平であって厚み方向（図２（ａ）の上下方向）に直交する面内において屈折力を有する凹シリンドリカルレンズを用いる。この構成により、投光レンズ１２を通った光を、投光レンズ１２の厚み方向に直交する面内において所定の中心角を有した扇形に広げることができる。投光レンズ１２は、厚み方向を含む面内では屈折力を持たないから、投光レンズ１２を通して対象空間Ａに投光されるスリット光は、コリメートレンズ１１から出射された平行光線の幅寸法に相当する厚み寸法を有する。
【００３６】
投光レンズ１２としては、凹シリンドリカルレンズに代えてトーリックレンズあるいは複数個のレンズを組み合わせたものを用いることも可能である。トーリックレンズを用いる場合には、厚み方向に直交する面内において小さい屈折力を持たせることで、投光レンズ１２の厚み方向を含む面内においてもスリット光を広げることができる。すなわち、トーリックレンズを用いると、物体にスリット光を投光したときに帯状の投光パターンが形成される。ただし、投光レンズ１２にトーリックレンズを用いた場合、物体までの距離に応じて投光パターンの幅が若干変化することになる。なお、スリット光を投光するために、発光源１と投光光学系３とを一体化した発光装置が市場に提供されているから、この種の発光装置を用いてもよい。
【００３７】
一方、受光光学系４は、スリット光に対する反射光が撮像素子２の受光面に投影されるように、投影範囲を調節する目的で設けられている。受光光学系４は、図３のように、球面レンズを用いた受光レンズ２１と、シリンドリカルレンズを用いた幅調節レンズ２２とを備える。スリット光の物体での反射光は、受光レンズ２１を通して幅調節レンズ２２に入射した後、幅調節レンズ２２を通して撮像素子２の受光面に入射する。
【００３８】
幅調節レンズ２２は、撮像素子２の受光面の全面を覆う寸法に形成されており、投光レンズ１２から対象空間Ａに投光されたスリット光の厚み方向（図３（ａ）の上下方向であって、スリット光により形成される線状ないし帯状の投光パターンＰの幅方向）においては屈折力を持たず、スリット光の広がり方向（図３（ｂ）の上下方向であって、投光パターンＰの延長方向）においては屈折力を持つように配置される。
【００３９】
この構成の受光光学系４において、受光レンズ２１は、投光パターンＰが撮像素子２の受光面の一方向（たとえば、垂直方向）の略全幅に投影されるように、撮像素子２との距離および焦点距離が設定される。また、幅調節レンズ２２は、スリット光の広がり方向（投光パターンＰの延長方向）において、投光パターンＰが撮像素子２の受光面の他方向（たとえば、水平方向）の略全幅に投影されるように、撮像素子２との距離および焦点距離が設定される。すなわち、図２（ａ）に示すように、投光パターンの像が撮像素子２の受光面の略全面の領域（斜線部で示す）に投影されるように、受光光学系４により投光パターンの像のアスペクト比が調節される。
【００４０】
ここに、スリット光は広がり方向において扇形の配光特性を有しているから、物体までの距離に応じて幅寸法が変化するが、この方向における撮像素子２の視野角は幅調節レンズ２２により規定されるから、撮像素子２の視野角をスリット光の中心角にほぼ一致させることにより、物体までの距離にかかわらず、スリット光の広がり方向において、スリット光の像を撮像素子２の受光面の上記他方向の略全幅に投影することが可能になる。
【００４１】
上述したように、本発明の構成では、配光特性が扇形であるスリット光を投光していることにより、距離を計測する対象空間Ａの形状が面状ないし板状になる。したがって、建物への侵入者や設備・物品などへの接近者に対する警戒を行う場合のように、対象空間Ａを通過する物体の距離を求める用途に利用することができる。
【００４２】
このような用途では、対象空間Ａの形状が円錐状ないし四角錐状になる距離画像センサに比較すると、同幅の対象空間Ａに対しては発光源１への投入エネルギーを低減することが可能になる。また、発光源１への投入エネルギーが等しい場合には、より広幅の対象空間Ａに対応することが可能になる。また、赤外線ビームの遮断を検出して侵入警戒を行う赤外線センサでは、赤外線ビームが通過する線状の領域しか警戒することができないが、本発明の構成では面状ないし板状の領域を警戒することができるから、侵入者を確実に検出することが可能になる。
【００４３】
一方、受光光学系４にアナモフィック光学系を採用することにより、スリット光の像のアスペクト比が調節されて撮像素子２の受光面の全体に投影されるから、既存の距離画像センサの撮像素子２を利用し、受光光学系４を変更することでスリット光に対応することが可能になる。
【００４４】
ただし、スリット光の像が撮像素子２の受光面の略全面に形成されるから、撮像素子２の各画素を、実空間である対象空間Ａの位置に対応付ける必要がある。この対応付けは、受光光学系４の特性を用いて演算処理部７で行う。
【００４５】
本発明の距離画像センサを建物Ｂへの侵入者を警戒する装置として用いた例を図５に示す。図示例では、建物Ｂとしての住宅の軒下Ｅに上述した構成の距離画像センサＸを配置している。スリット光は斜め下向きに投光し、スリット光の下部ほど外壁Ｗからの距離が遠くなるようにカーテン状の対象空間Ａを形成している。
【００４６】
図５（ｂ）に示すように、スリット光により規定される対象空間Ａは扇形に広がっており、図５（ａ）のように、対象空間Ａの厚みは小さいから、発光源１への投入電力を比較的小さくしながらも対象空間Ａの幅を広げて広範囲の警戒が可能になる。
【００４７】
すなわち、図示例の用途では建物Ｂと外部との間に境界を設け、外部から建物Ｂに向かって境界を通過したときに侵入者と判断すればよく、対象空間Ａは境界を規定するように設定すればよいから、本発明の距離画像センサＸを用いて侵入者の警戒が可能になる。
【００４８】
しかも、対象空間Ａの中での距離変化については考慮する必要がないから、対象空間Ａは扁平に設定することができ、本発明の距離画像センサＸを用いることで、発光源１への投入電力を比較的小さくしながらも１台で広い範囲を警戒することが可能になる。この種の用途では、警戒の範囲が１０ｍ以上になることもあるから、円錐状や角錐状の対象空間を形成する距離画像センサＸでは、発光源１の投入電力が大きくなるが、本発明の距離画像センサＸでは、扁平な対象空間Ａを形成しているから、円錐状や角錐状の対象空間を形成する場合に比較すれば、発光源１への投入電力を大幅に低減することができる。
【００４９】
さらに、図５（ａ）からわかるように、スリット光を斜め外向きに投光していることによって、外部から建物Ａに近付く向きに人Ｍが移動すれば、対象空間Ａを通過する際に時間経過に伴って距離値が減少し、逆向きに人Ｍが移動すれば、時間経過に伴って距離値が増加するから、演算処理部７において、たとえば複数枚の連続する距離画像から距離値の時間変化を監視することによって、人Ｍの移動方向を認識することが可能である。
【００５０】
なお、スリット光の厚みを比較的大きく設定しておけば、スリット光の投光方向にかかわらず、対象空間Ａにおいてスリット光の厚み方向に移動する物体の移動方向を判定することが可能になる。
【００５１】
本発明の距離画像センサＸを侵入警戒に用いることにより、物体の距離画像から物体のサイズ（高さ寸法と幅寸法）や形状も認識することができる。したがって、対象空間Ａを人Ｍが通過したか、小動物や鳥が通過したかの識別も可能になる。このような識別を演算処理部７において行う場合には、たとえば複数枚の連続する距離画像から距離値の連続性を用いて物体の存在範囲を抽出し、抽出された物体についてサイズの算出や形状の認識を行う。さらに、連続する複数枚の距離画像を用いることにより、スリット光で物体を切断した距離画像が得られるから、物体がスリット光を横切る速度が一定であれば、当該物体の三次元形状を検出することも可能になる。
【００５２】
侵入警戒を行う用途としては、上述のように軒下Ｅあるいは外壁上部に距離画像センサＸを設置するほか、住宅用では、ベランダの手摺ないし柵の上方に距離画像センサＸを設置して下向きにスリット光を投光するようにしてもよい。すなわち、スリット光の投光範囲の中心線が鉛直下向きになるように、距離画像センサＸの投光光学系３を配置するのである。この場合、横に移動する物体が対象空間Ａを通過すると、通過したことに加えて、通過した位置や向きを検出することが可能である。
【００５３】
また、建物内において廊下や出入口での侵入警戒を行う用途、工場内において危険区域への侵入警戒を行う用途、美術館や博物館において展示空間への侵入警戒を行う用途など、従来は赤外線ビームの投受光により侵入警戒を行っていた用途についても本発明の距離画像センサＸを置き換えて用いることができる。
【００５４】
上述の例では、スリット光の投光範囲の中心線が鉛直下向きになるように投光光学系３を配置しているが、スリット光の投光範囲が水平となるように投光光学系３を配置してもよい。この場合には、上下に移動する物体が対象空間Ａを通過したときに、通過したことに加えて、通過した位置や向きを検出することが可能である。また、スリット光を投光している高さに存在する物体について距離を検出することができ、さらに複数の高さにスリット光を投光すれば物体の存在する高さ範囲ごとの距離を検出することもできる。
【００５５】
上述した受光光学系４は、幅調節レンズ２２としてシリンドリカルレンズを用いているから、撮像素子２から幅調節レンズ２２を通した投光パターンＰの延長方向における視野角を広げている（正の屈折力を持たせている）。一方、受光レンズ２１の設計条件や撮像素子２の受光面積などによっては、投光パターンＰの延長方向における視野角を狭める（負の屈折力を持たせる）ことが必要になる場合もある。
【００５６】
このような場合には、図６に示すように、幅調節レンズ２２として、投光パターンＰの延長方向と受光レンズ２１の光軸とを含む断面において負の屈折力を持つ平凹レンズとなり、投光パターンＰの延長方向に直交する断面においては屈折力を持たない形状に形成されたレンズを用いている。このレンズは、いわゆる凹シリンドリカルレンズであって、凹シリンドリカルレンズを用いることにより、撮像素子２の受光面に対して投光パターンＰを延長方向に拡大して投影することができる。
【００５７】
上述した構成例では、受光レンズ２１に球面レンズを用い、幅調節レンズ２２にシリンドリカルレンズないし凹シリンドリカルレンズを用いているが、曲率が一定であることは必須ではなく、曲率が場所に応じて変化する非球面ないし非円筒のレンズを用いて球面収差を低減する構成を採用してもよい。
【００５８】
さらに、受光光学系４として、図７に示すように、凸面ないし凹面を有する幅調節ミラー２３を幅調節レンズ２２に代えて用いることができる。図示例では、撮像素子２と幅調節ミラー２３との間に受光レンズ２１を配置している。図７の幅調節ミラー２３は反射面が凸面であって、図６に示した凹シリンドリカルレンズと同様に、投光パターンＰの延長方向において投光パターンＰの像を拡大することになる。また、幅調節ミラー２３の反射面を凹面とした場合には、投光パターンＰの像を縮小することになる。
【００５９】
投光パターンＰの像を拡大すれば、空間分解能を高めることができる上に、各受光領域での受光強度が低減されることでダイナミックレンジが大きくなる。一方、投光パターンＰの像を縮小すれば、各受光領域に入射する変調光の強度が大きくなるから、感度が高くなるとともにＳ／Ｎが大きくなる。したがって、距離画像センサＸの使用環境に応じて、投光パターンＰを拡大する受光光学系４と縮小する受光光学系４とを適宜に用いることができる。
【００６０】
図７のように受光光学系４において幅調節ミラー２３を用いることにより、撮像素子２の向きと対象空間Ａの位置との関係の制約が少なくなり、撮像素子２の配置位置に関する自由度が高くなる。なお、受光光学系４だけではなく、投光光学系３においてもミラーを用いることが可能である。
【００６１】
上述の構成例では、撮像素子２の受光面に投影する投光パターンＰを１個としたが、複数個の投光パターンＰを用いてもよい。たとえば、２つのスリット光を用いる場合には、投光側については、図８（ａ）に示すように、２個の発光源１を用いるとともに、各発光源１ごとにコリメートレンズ１１および投光レンズ１２を設けることにより２つのスリット光を投光する。一方、受光側では、図８（ｂ）に示すように、１個の撮像素子２に対して２個ずつの受光レンズ２１および幅調節レンズ２２を設けることによって、撮像素子２の受光面に２つのスリット光に対応する投光パターンＰの像を投影する。
【００６２】
この構成では、１個の撮像素子２の受光面に２つのスリット光に対応する２本の投光パターンＰの像が投影される。言い換えると、撮像素子２の受光面を２分割し、分割された各領域において投光パターンＰの像を形成する。また、演算処理部７では、各像ごとに距離の算出や侵入警戒を行う。したがって、複数のスリット光を用いて異なる複数の対象空間Ａに関する距離画像を生成することが可能になる。
【００６３】
上述の例では、２個の対象空間Ａを形成し撮像素子２の受光面を２分割して各対象空間Ａに関する距離画像を生成しているが、３個以上の対象空間Ａを形成し撮像素子２の受光面を３以上に分割してもよい。また、複数のスリット光を用いる場合には、各スリット光ごとに異なる波長の光を用い、受光光学系４においてはスリット光の波長を分離する波長選択フィルタを設けることで、対象空間Ａの分離性を高めるようにしてもよい。
【００６４】
なお、上述の例では、幅調節レンズ２２ないし幅調節ミラー２３を用いることにより、投光パターンＰの像のアスペクト比を調節しているが、幅調節レンズ２２ないし幅調節ミラー２３を用いずに、撮像素子２の受光面の形状を変更することも可能であって、撮像素子２として、たとえば、１次元イメージセンサや短冊状のイメージセンサを用いることができる。
【符号の説明】
【００６５】
１  発光源
２  撮像素子
３  投光光学系
４  受光光学系
７  演算処理部
Ａ  対象空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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