(57)【要約】      （修正有）【課題】所定の距離分解能を得るための光学設計値を容易に算出可能な情報取得装置の設計方法、情報取得装置および物体検出装置を提供する。【解決手段】情報取得装置２は、投射光学系１００と、受光光学系２００と、距離情報を取得する距離取得部とを備える。情報取得装置２は、投射光学系１００の正面位置における距離取得目標の距離Ｚにおいて、所望の距離分解能Ｋが得られるように、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌと、受光光学系２００の画角αと、ＣＭＯＳイメージセンサの投射光学系１００と受光光学系２００の並び方向の画素数βが、規定される条件が満たされるように設計されている。【選択図】図１１
2014041026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射された光を所定のドットパターンで目標領域に投射する投射光学系と、
前記投射光学系に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、前記目標領域をイメージセンサにより撮像する受光光学系と、
実測時に前記イメージセンサにより撮像された実測ドットパターンに基づいて、前記目標領域に含まれる物体までの距離に関する距離情報を取得する距離取得部と、を備え、
前記投射光学系と前記受光光学系の間隔と、前記受光光学系の画角と、前記イメージセンサの画素数が、以下に規定される条件が満たされるように設計されている、
ことを特徴とする情報取得装置。
【数１】
2014041026.tif 000012
ただし、上記式において、Ｋは、所望の距離分解能である。Ｌは、前記投射光学系と前記受光光学系の間隔である。αは、前記受光光学系の画角である。また、βは、前記イメージセンサの前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向の画素数である。さらに、Ｚは、前記投射光学系の正面位置における距離取得目標の距離である。
【請求項２】
請求項１に記載の情報取得装置において、
前記投射光学系と前記受光光学系の間隔が、以下に規定される条件が満たされるように設計されている、
ことを特徴とする情報取得装置。
【数２】
2014041026.tif 000013
【請求項３】
光源から出射された光を所定のドットパターンで目標領域に投射する投射光学系と、
前記投射光学系に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、前記目標領域をイメージセンサにより撮像する受光光学系と、
実測時に前記イメージセンサにより撮像された実測ドットパターンに基づいて、前記目標領域に含まれる物体までの距離に関する距離情報を取得する距離取得部と、を備え、
前記距離取得部は、所定の演算処理により、前記イメージセンサの画素よりも細かいサブピクセル単位で前記イメージセンサにおける前記ドットパターンのドットの位置を検出し、
前記投射光学系と前記受光光学系の間隔と、前記受光光学系の画角と、前記イメージセンサの画素数が、以下に規定される条件が満たされるように設計されている、
ことを特徴とする情報取得装置。
【数３】
2014041026.tif 000014
ただし、上記式において、ｎは、前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向のサブピクセルの数である。Ｋは、所望の距離分解能である。Ｌは、前記投射光学系と前記受光光学系の間隔である。αは、前記受光光学系の画角である。また、βは、前記イメージセンサの前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向の画素数である。さらに、Ｚは、前記投射光学系の正面位置における距離取得目標の距離である。
【請求項４】
請求項３に記載の情報取得装置において、
前記投射光学系と前記受光光学系の間隔が、以下に規定される条件が満たされるように設計されている、
ことを特徴とする情報取得装置。
【数４】
2014041026.tif 000015
【請求項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、
前記距離取得部は、基準面に前記光を照射したときに前記受光光学系により撮像された基準ドットパターンと、実測時に前記イメージセンサにより撮像された実測ドットパターンとに基づいて、前記目標領域に含まれる物体までの距離に関する距離情報を取得する、ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項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において、
前記光源は、レーザ光を出射するレーザ光源であり、
前記投射光学系は、前記レーザ光源と、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光が入射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズを透過した前記レーザ光を前記ドットパターンのレーザ光に変換する回折光学素子とを備える、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項７】
請求項１ないし６の何れか一項に記載の情報取得装置と、
前記距離情報に基づいて、所定の対象物体を検出する物体検出部と、を備える、
ことを特徴とする物体検出装置。
【請求項８】
光源から出射された光を所定のドットパターンで目標領域に投射する投射光学系と、前記投射光学系に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、前記目標領域をイメージセンサにより撮像する受光光学系と、を備える情報取得装置の設計方法であって、
前記投射光学系と前記受光光学系の間隔と、前記受光光学系の画角と、前記イメージセンサの画素数を、以下に規定される条件が満たされるように設定する、
ことを特徴とする情報取得装置の設計方法。
【数５】
2014041026.tif 000016
ただし、上記式において、ｎは、前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向のサブピクセルの数である。Ｋは、所望の距離分解能である。Ｌは、前記投射光学系と前記受光光学系の間隔である。αは、前記受光光学系の画角である。また、βは、前記イメージセンサの前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向の画素数である。さらに、Ｚは、前記投射光学系の正面位置における距離取得目標の距離である。前記サブピクセルとは、所定の演算処理によってドットの変位を検出可能な仮想的な画素単位のことであり、ｎが１より大きい場合、サブピクセルの画素単位は、イメージセンサの物理的な１画素よりも細かい。なお、ｎが１の場合、サブピクセルの画素単位は、イメージセンサの物理的な１画素と同じである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、当該物体検出装置に用いて好適な情報取得装置、および当該情報取得装置の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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 Diode）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。
【０００３】
所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの距離画像センサでは、ドットパターンを持つ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。そして、受光素子上におけるドット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（検出対象物体上の各ドットの照射位置）までの距離が検出される（たとえば、特許文献１、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−３２３７９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記物体検出装置では、想定する検出対象物体の動きの大きさに応じて距離分解能が設定される。距離分解能とは、検出可能な距離変化の細かさのことである。距離分解能が高ければ高いほど、物体の動きをより細やかに検出することができる。反面、距離分解能が必要以上に高いと、距離検出に係る演算量が増大するとの問題が生じる。
【０００７】
したがって、距離分解能は、想定する検出対象物体の動きの大きさに応じて適正な値に設定されるのが望ましい。しかし、距離分解能は、受光光学系と投射光学系の間隔や、受光光学系の画角等、種々の光学設計に複雑に依存する。したがって、所望の距離分解能を得るための光学設計条件を導きだすのは困難である。
【０００８】
本発明は、この点に鑑みてなされたものであり、所定の距離分解能を得るための光学設計値を容易に算出可能な情報取得装置の設計方法、これにより設計された情報取得装置および当該情報取得装置を備えた物体検出装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、情報取得装置に関する。本態様に係る情報取得装置は、レーザ光源から出射されたレーザ光を所定のドットパターンで目標領域に投射する投射光学系と、前記投射光学系に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、前記目標領域をイ
メージセンサにより撮像する受光光学系と、実測時に前記イメージセンサにより撮像された実測ドットパターンに基づいて、前記目標領域に含まれる物体までの距離に関する距離情報を取得する距離取得部と、を備える。前記情報取得装置は、前記投射光学系と前記受光光学系の間隔と、前記受光光学系の画角と、前記イメージセンサの画素数が、以下に規定される条件が満たされるように設計されている。
【００１０】
【数１】
2014041026.tif 000003
【００１１】
ただし、上記式において、Ｋは、所望の距離分解能である。Ｌは、前記投射光学系と前記受光光学系の間隔である。αは、前記受光光学系の画角である。また、βは、前記イメージセンサの前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向の画素数である。さらに、Ｚは、前記投射光学系の正面位置における距離取得目標の距離である。
【００１２】
本発明の第２の態様は、物体検出装置に関する。本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と、前記距離情報に基づいて、所定の対象物体を検出する物体検出部と、を備える。
【００１３】
本発明の第３の態様は、レーザ光源から出射されたレーザ光を所定のドットパターンで目標領域に投射する投射光学系と、前記投射光学系に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、前記目標領域をイメージセンサにより撮像する受光光学系と、を備える情報取得装置の設計方法に関する。本態様に係る情報取得装置の設計方法は、前記投射光学系と前記受光光学系の間隔と、前記受光光学系の画角と、前記イメージセンサの画素数を、以下に規定される条件が満たされるように設定する。
【００１４】
【数２】
2014041026.tif 000004
【００１５】
ただし、上記式において、ｎは、前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向のサブピクセルの数である。Ｋは、所望の距離分解能である。Ｌは、前記投射光学系と前記受光光学系の間隔である。αは、前記受光光学系の画角である。また、βは、前記イメージセンサの前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向の画素数である。さらに、Ｚは、前記投射光学系の正面位置における距離取得目標の距離である。前記サブピクセルとは、所定の演算処理によってドットの変位を検出可能な仮想的な画素単位のことであり、ｎが１より大きい場合、サブピクセルの画素単位は、イメージセンサの物理的な１画素よりも細かい。なお、ｎが１の場合、サブピクセルの画素単位は、イメージセンサの物理的な１画素と同じである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、所定の距離分解能を得るための光学設計値を容易に算出可能な情報取
得装置の設計方法、これにより設計された情報取得装置および当該情報取得装置を備えた物体検出装置を提供することができる。
【００１７】
本発明の効果ないし意義は、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、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態により何ら制限されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態に係る物体検出装置の構成を示す図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】実施の形態に係る参照パターンの生成方法を説明する図である。
【図５】実施の形態に係る距離検出手法を説明する図である。
【図６】実施の形態に係るＺ軸分解能について説明する図である。
【図７】実施の形態に係る投射光学系と受光光学系の間隔とＺ軸分解能の関係を説明する図である。
【図８】実施の形態に係る基準面の距離とＺ軸分解能の関係を説明する図である。
【図９】実施の形態に係るイメージセンサの画素数とＺ軸分解能の関係を説明する図である。
【図１０】実施の形態に係る受光光学系の画角とＺ軸分解能の関係を説明する図である。
【図１１】実施の形態に係る投射光学系と受光光学系を示す図である。
【図１２】変更例に係るイメージセンサのサブピクセルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。本実施の形態は、所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの情報取得装置に本発明を適用したものである。
【００２０】
以下に示す実施の形態において、撮像信号処理回路２３は、特許請求の範囲に記載の「距離取得部」に相当する。レーザ光源１１０は、特許請求の範囲に記載の「光源」に相当する。ＤＯＥ１４０は、特許請求の範囲に記載の「回折光学素子」に相当する。ＣＭＯＳイメージセンサ２４０は、特許請求の範囲に記載の「イメージセンサ」に相当する。ただし、上記請求項と本実施の形態との対応の記載はあくまで一例であって、請求項に係る発明を本実施の形態に限定するものではない。
【００２１】
まず、図１に本実施の形態に係る物体検出装置１の概略構成を示す。図示の如く、物体検出装置１は、情報取得装置２と、情報処理装置３とを備えている。テレビ４は、情報処理装置３からの信号によって制御される。
【００２２】
情報取得装置２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５を介して情報処理装置３に送られる。
【００２３】
情報処理装置３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３は、情報取得装置２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４を制御する。
【００２４】
たとえば、情報処理装置３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３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３には、受信した３次元距離情報からその人のジェスチャを検出するとともに、ジェスチャに応じてテレビ４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。
【００２５】
また、たとえば、情報処理装置３がゲーム機である場合、情報処理装置３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。
【００２６】
図２は、情報取得装置２と情報処理装置３の構成を示す図である。
【００２７】
情報取得装置２は、光学部の構成として、投射光学系１００と受光光学系２００とを備えている。投射光学系１００と受光光学系２００は、Ｘ軸方向に並ぶように、情報取得装置２に配置される。
【００２８】
投射光学系１００は、レーザ光源１１０と、コリメータレンズ１２０と、ミラー１３０と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１４０を備えている。また、受光光学系２００は、アパーチャ２１０と、撮像レンズ２２０と、フィルタ２３０と、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０とを備えている。この他、情報取得装置２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。
【００２９】
レーザ光源１１０は、受光光学系２００から離れる方向（Ｘ軸正方向）に波長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１２０は、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光を略平行光に変換する。
【００３０】
ミラー１３０は、コリメータレンズ１２０側から入射されたレーザ光をＤＯＥ１４０に向かう方向（Ｚ軸方向）に反射する。
【００３１】
ＤＯＥ１４０は、入射面に回折パターンを有する。この回折パターンによる回折作用により、ＤＯＥ１４０に入射したレーザ光は、所定のドット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。
【００３２】
ＤＯＥ１４０の回折パターンは、たとえば、ステップ型の回折ホログラムが所定のパターンで形成された構造とされる。回折ホログラムは、コリメータレンズ１２０により略平行光とされたレーザ光をドットパターンのレーザ光に変換するよう、パターンとピッチが調整されている。ＤＯＥ１４０は、ミラー１３０から入射されたレーザ光を、放射状に広がるドットパターンのレーザ光として、目標領域に照射する。
【００３３】
このように、投射光学系１００に、レーザ光源１１０と、コリメータレンズ１２０と、ＤＯＥ１４０が含まれる構成は、請求項６に記載の構成の一例である。
【００３４】
目標領域から反射されたレーザ光は、アパーチャ２１０を介して撮像レンズ２２０に入射する。
【００３５】
アパーチャ２１０は、撮像レンズ２２０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２２０は、アパーチャ２１０を介して入射された光をＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に集光する。フィルタ２３０は、レーザ光源１１０の出射波長（８
３０ｎｍ程度）を含む赤外の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。
【００３６】
ＣＭＯＳイメージセンサ２４０は、撮像レンズ２２０にて集光された光を受光して、画素毎に、受光量に応じた信号（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２４０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。
【００３７】
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１１０を制御するためのレーザ制御部２１ａと、３次元距離情報を生成するための距離取得部２１ｂの機能が付与される。
【００３８】
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１１０を駆動する。
【００３９】
撮像信号処理回路２３は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０を制御して、所定の撮像間隔で、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０により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２から検出対象物の各部までの距離を、距離取得部２１ｂ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３とのデータ通信を制御する。
【００４０】
情報処理装置３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３には、同図に示す構成の他、テレビ４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。
【００４１】
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と、物体の動きに応じて、テレビ４の機能を制御するための機能制御部３１ｂ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。
【００４２】
物体検出部３１ａは、情報取得装置２から供給される３次元距離情報から画像中の物体の形状を抽出し、抽出した物体形状の動きを検出する。ここで、物体検出部３１ａは、距離に関する閾値を基に、情報取得装置２から供給される３次元距離情報から物体の平面形状のみを抽出するため、２値化画像を生成する。その後、生成した２値化画像と、メモリ３３に格納された物体形状を抽出するための物体形状抽出テンプレートとの比較を行い、動きの抽出対象となる物体形状と３次元距離情報中の物体形状の中心位置を特定する。物体検出部３１ａは、こうして、特定した物体形状の中心位置の距離情報を、所定時間ごとに追跡することによって、物体の動きを検出する。
【００４３】
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、機能制御部３１ｂは、物体検出部３１ａによって検出された人の動き（ジェスチャ）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を実行する。また、制御プログラムがテレビ４の機能を制御するためのプログラムである場合、機能制御部３１ｂは、物体検出部３１ａから人の動き（ジェスチャ）に応じた信号に基づき、テレビ４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を実行する。
【００４４】
入出力回路３２は、情報取得装置２とのデータ通信を制御する。
【００４５】
投射光学系１００と受光光学系２００は、投射光学系１００の投射中心と受光光学系２００の撮像中心がＸ軸に平行な直線上に並ぶように、Ｘ軸方向に所定の距離をもって並んで設置される。
【００４６】
次に、情報取得装置２による３次元距離情報の取得方法について説明する。
【００４７】
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２４０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、図３（ｂ）には、便宜上、目標領域に平坦な面（スクリーン）とスクリーンの前に人物が存在するときの受光状態が示されている。
【００４８】
図３（ａ）に示すように、投射光学系１００からは、ドット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「ＤＰ光」という）が、目標領域に照射される。図３（ａ）には、ＤＰ光の光束領域が実線の枠によって示されている。ＤＰ光の光束中には、ＤＯＥ１４０による回折作用により生成されるドット領域（以下、単に「ドット」という）が、ＤＯＥ１４０による回折作用によるドットパターンに従って点在している。
【００４９】
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ＤＰ光は、図３（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に分布する。
【００５０】
図３（ｂ）には、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上のＤＰ光の全受光領域が破線の枠によって示され、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域に入射するＤＰ光の受光領域が実線の枠によって示されている。ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０がＤＰ光を受光した領域のうち、センサとして信号を出力する領域であり、たとえば、ＶＧＡ（横６４０画素×縦４８０画素）のサイズである。また、同図（ａ）に示す目標領域上におけるＤｔ０の光は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上では、同図（ｂ）に示すＤｔ’０の位置に入射する。スクリーンの前の人物の像は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上では、上下左右が反転して撮像される。
【００５１】
ここで、図４、図５を参照して、上記距離検出の方法を説明する。
【００５２】
図４は、上記距離検出手法に用いられる参照パターンの設定方法を説明する図である。
【００５３】
図４（ａ）に示すように、投射光学系１００から所定の距離Ｌｓの位置に、Ｚ軸方向に垂直な平坦な反射平面ＲＳが配置される。出射されたＤＰ光は、反射平面ＲＳによって反射され、受光光学系２００のＣＭＯＳイメージセンサ２４０に入射する。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０から、撮像有効領域内の画素毎の電気信号が出力される。出力された画素毎の電気信号の値（画素値）は、図２のメモリ２５上に展開される。
【００５４】
以下、反射面ＲＳからの反射によって得られた全画素値からなる画像を、「基準画像」、反射面ＲＳを「基準面」と称する。そして、図４（ｂ）に示すように、基準画像上に、「参照パターン領域」が設定される。なお、図４（ｂ）には、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の背面側から受光面をＺ軸正方向に透視した状態が図示されている。図５以降の図においても同様である。
【００５５】
こうして設定された参照パターン領域に対して、所定の大きさを有する複数のセグメント領域が設定される。セグメント領域の大きさは、得られる距離情報による物体の輪郭抽出精度、ＣＰＵ２１に対する距離検出の演算量の負荷および後述する距離検出手法によるエラー発生率を考慮して決定される。
【００５６】
図４（ｃ）を参照して、参照パターン領域に設定されるセグメント領域について説明する。なお、図４（ｃ）には、便宜上、各セグメント領域の大きさが横９画素×縦９画素で示され、各セグメント領域の中央の画素が×印で示されている。
【００５７】
セグメント領域は、図４（ｃ）に示すように、隣り合うセグメント領域が参照パターン領域に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に１画素間隔で並ぶように設定される。すなわち、あるセグメント領域は、このセグメント領域のＸ軸方向およびＹ軸方向に隣り合うセグメント領域に対して１画素ずれた位置に設定される。このとき、各セグメント領域には、固有のパターンでドットが点在する。よって、セグメント領域内の画素値のパターンは、セグメント領域毎に異なっている。隣り合うセグメント領域の間隔が狭いほど、参照パターン領域内に含まれるセグメント領域の数が多くなり、目標領域の面内方向（Ｘ−Ｙ平面方向）における距離検出の分解能が高められる。
【００５８】
こうして、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上における参照パターン領域の位置に関する情報と、参照パターン領域に含まれる全画素の画素値（参照パターン）と、参照パターン領域に対して設定されるセグメント領域の情報が、図２のメモリ２５に記憶される。メモリ２５に記憶されるこれらの情報を、以下、「参照テンプレート」と称する。
【００５９】
図２のＣＰＵ２１は、投射光学系１００から検出対象物体の各部までの距離を算出する際に、参照テンプレートを参照する。ＣＰＵ２１は、距離を算出する際に、参照テンプレートから得られる各セグメント領域内のドットパターンのずれ量に基づいて、物体の各部までの距離を算出する。
【００６０】
たとえば、図４（ａ）に示すように距離Ｌｓよりも近い位置に物体がある場合、参照パターン上の所定のセグメント領域Ｓｎに対応するＤＰ光（ＤＰｎ）は、物体によって反射され、セグメント領域Ｓｎとは異なる領域Ｓｎ’に入射する。投射光学系１００と受光光学系２００はＸ軸方向に隣り合っているため、セグメント領域Ｓｎに対する領域Ｓｎ’の変位方向はＸ軸に平行となる。図４（ａ）の場合、物体が距離Ｌｓよりも近い位置にあるため、領域Ｓｎ’は、セグメント領域Ｓｎに対してＸ軸負方向に変位する。物体が距離Ｌｓよりも遠い位置にあれば、領域Ｓｎ’は、セグメント領域Ｓｎに対してＸ軸正方向に変位する。
【００６１】
セグメント領域Ｓｎに対する領域Ｓｎ’の変位方向と変位量をもとに、投射光学系１００からＤＰ光（ＤＰｎ）が照射された物体の部分までの距離Ｌｒが、距離Ｌｓを用いて、三角測量法に基づき算出される。同様にして、他のセグメント領域に対応する物体の部分について、投射光学系１００からの距離が算出される。かかる算出手法の詳細は、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。
【００６２】
かかる距離算出では、参照テンプレートのセグメント領域Ｓｎが、実測時においてどの位置に変位したかを検出する。この検出は、実測時にＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に照射されたＤＰ光から得られたドットパターンと、セグメント領域Ｓｎに含まれるドットパターンとを照合することによって行われる。以下、実測時にＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の撮像有効領域に照射されたＤＰ光から得られた全画素値からなる画像を、「実測画像」と称する。実測時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域は、基準画像取
得時と同様に、たとえば、ＶＧＡ（横６４０画素×縦４８０画素）のサイズである。
【００６３】
図５（ａ）〜（ｅ）は、かかる距離検出の手法を説明する図である。図５（ａ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上における基準画像に設定された参照パターン領域を示す図であり、図５（ｂ）は、実測時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の実測画像を示す図であり、図５（ｃ）〜（ｅ）は、実測画像に含まれるＤＰ光のドットパターンと、参照テンプレートのセグメント領域に含まれるドットパターンとの照合方法を説明する図である。なお、便宜上、図５（ａ）、（ｂ）には、一部のセグメント領域のみが示されており、図５（ｃ）〜（ｅ）には、各セグメント領域の大きさが、横９画素×縦９画素で示されている。また、図５（ｂ）の実測画像には、便宜上、図４（ｂ）のように、検出対象物体として基準面より前に人物が存在しており、人物の像が写り込んでいることが示されている。
【００６４】
図５（ａ）のセグメント領域Ｓｉの実測時における変位位置を探索する場合、図５（ｂ）に示すように、実測画像上に、セグメント領域Ｓｉに対して探索領域Ｒｉが設定される。探索領域Ｒｉは、Ｘ軸方向に所定の幅を持っている。セグメント領域Ｓｉが探索領域Ｒｉにおいて１画素ずつＸ軸方向に送られ、各送り位置において、セグメント領域Ｓｉのドットパターンと実測画像上のドットパターンとが比較される。以下、実測画像上の各送り位置に対応する領域を、「比較領域」と称する。探索領域Ｒｉには、セグメント領域Ｓｉと同じサイズの比較領域が複数設定され、Ｘ軸方向に隣り合う比較領域は互いに１画素ずれている。
【００６５】
図５（ｄ）では、基準画像上のセグメント領域Ｓｉの画素位置に対応する実測画像上の画素位置（中心画素位置）から、Ｘ軸負方向にｘ画素ずれた位置からＸ軸正方向にｘ画素ずれた範囲（以下、「探索範囲Ｌ０」という）においてセグメント領域Ｓｉが送られるように探索領域Ｒｉが設定されている。
【００６６】
距離検出時には、探索領域Ｒｉにおいてセグメント領域ＳｉをＸ軸方向に１画素ずつ送りながら、各送り位置において、参照テンプレートに記憶されているセグメント領域Ｓｉのドットパターンと、実測画像のＤＰ光のドットパターンのマッチング度合いが求められる。このようにセグメント領域Ｓｉを探索領域Ｒｉ内においてＸ軸方向にのみ送るのは、上記のように、通常、参照テンプレートにより設定されたセグメント領域のドットパターンは、実測時において、Ｘ軸方向の所定の範囲内でのみ変位するためである。
【００６７】
なお、実測時には、検出対象物体の位置によっては、セグメント領域に対応するドットパターンが実測画像からＸ軸方向にはみ出すことが起こり得る。この場合、セグメント領域に対応するドットパターンは、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域内にないため、このセグメント領域については、適正にマッチングを行うことができない。しかし、このような端のセグメント領域以外については、適正にマッチングを行うことができるため、物体の距離検出への影響は少ない。
【００６８】
なお、端の領域についても、適正にマッチングを行う場合には、実測時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域を、基準画像取得時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域よりも、大きくすることができるものを用いれば良い。これにより、実測画像が基準画像よりも大きくなるが、端のセグメント領域についても、適正にマッチングを行うことができる。
【００６９】
上記マッチング度合いの検出時には、まず、実測画像に、所定のエッジ強調フィルタが適用され、実測画像の各セグメント領域の各画素の画素値の階調数が減少される。たとえば、実測画像の画素値が８ビットの階調の場合、０〜２５５の画素値が、０〜１４の画素値に変換される。そして、変換された画素値がメモリ２５に保持される。なお、参照パタ
ーン領域の各画素の画素値についても、あらかじめ、所定のエッジ強調フィルタが適用されており、０〜２５５の画素値が０〜１４の画素値に変換されてメモリ２５に保持されている。その後、比較領域とセグメント領域Ｓｉとの間の類似度が求められる。すなわち、セグメント領域Ｓｉの各画素の画素値と、比較領域の対応する画素の画素値との差分が求められる。そして、求めた差分を比較領域の全ての画素について加算した値Ｒｓａｄが、類似度を示す値として取得される。
【００７０】
たとえば、図５（ｃ）のように、一つのセグメント領域中に、ｎ列×ｍ行の画素が含まれている場合、セグメント領域のｉ列、ｊ行の画素の画素値Ｔ（ｉ，ｊ）と、比較領域のｉ列、ｊ行の画素の画素値Ｉ（ｉ，ｊ）との差分が求められる。そして、セグメント領域の全ての画素について差分が求められ、その差分の総和により、図５（ｃ）に示す式の値Ｒｓａｄが求められる。値Ｒｓａｄが小さい程、セグメント領域と比較領域との間の類似度が高い。
【００７１】
こうして、図５（ｄ）に示すように、セグメント領域Ｓｉについて、探索領域Ｒｉの全ての比較領域に対して値Ｒｓａｄが求められる。
【００７２】
図５（ｅ）は、探索領域Ｒｉの各送り位置における値Ｒｓａｄが模式的に示されたグラフである。セグメント領域Ｓｉについて、探索領域Ｒｉの全ての比較領域に対して値Ｒｓａｄが求められると、まず、求めた値Ｒｓａｄの中から、最小値Ｂ１が参照される。次に、求めた値Ｒｓａｄの２番目に小さい値Ｂ２が参照される。２番目に小さい値Ｂ２と最小値Ｂ１の比の大きさが所定の閾値以下であれば、セグメント領域Ｓｉの探索はエラーとされる。他方、２番目に小さい値Ｂ２と最小値Ｂ１の比の大きさが閾値を超える場合、最小値Ｂ１に対応する比較領域Ｃｉがセグメント領域Ｓｉの移動領域と判定される。
【００７３】
たとえば、図５（ｄ）のように、セグメント領域Ｓｉに対応する比較領域Ｃｉは、基準画像上のセグメント領域Ｓｉの画素位置と同位置の実測画像上の画素位置Ｓｉ０よりもＸ軸正方向にα画素ずれた位置で検出される。これは、基準面よりも近い位置に存在する検出対象物体（人物）によって、実測画像上のＤＰ光のドットパターンが基準画像上のセグメント領域Ｓｉ０よりもＸ軸正方向に変位したためである。
【００７４】
こうして、実測時に取得されたＤＰ光のドットパターンから、各セグメント領域の変位位置が探索されると、上記のように、その変位位置に基づいて、三角測量法により、各セグメント領域に対応する検出対象物体の部位までの距離が求められる。
【００７５】
このようにして、セグメント領域Ｓ１〜セグメント領域Ｓｎまで全てのセグメント領域について、上記同様のセグメント領域の探索が行われる。
【００７６】
このように、基準画像上に設定されたセグメント領域の、実測画像上の変位位置に基づいて、当該セグメント領域に対する距離を取得する構成は、請求項５に記載の構成の一例である。
【００７７】
情報取得装置２は、上記のようにして取得された各セグメント領域に対応する検出対象物体までの距離を白から黒の階調で表現された画素値に割り当てた画像として、情報処理装置３に出力する。以下、各セグメント領域に対応する距離を画素値で表現した画像を「距離画像」と称する。上記のように、本実施の形態では、セグメント領域は、基準画像の参照パターン領域に対して、１画素間隔で設定されるため、距離画像は、基準画像と略同様のＶＧＡサイズの解像度（略６４０×略４８０）を有する。
【００７８】
なお、上記のマッチング度合いの検出方法は一例であり、これに限られるものではない
。たとえば、上記では、セグメント領域Ｓｉのエラー検出の方法として、値Ｒｓａｄの２番目に小さい値Ｂ２と最小値Ｂ１の比の大きさが用いられたが、全ての比較領域について求めた値Ｒｓａｄの平均値Ｂａと最小値Ｂ１との比（Ｂ１／Ｂａ）が所定の閾値以下のときにエラーと判定する手法が用いられても良く、または、最小値Ｂ１の大きさが所定の閾値以下のときにエラーと判定する手法が用いられても良い。
【００７９】
ところで、上記構成を有する情報取得装置２においては、想定する検出対象物体の動きの大きさに応じて、距離分解能が設定される。距離分解能とは、検出可能な距離変化の細かさのことである。距離分解能が高ければ高いほど、物体の動きをより細やかに検出することができる。反面、距離分解能が必要以上に高いと、距離検出に係る演算量が増大する。
【００８０】
したがって、距離分解能は、想定する検出対象物体の動きの大きさに応じて適正な値に設定されるのが望ましい。しかし、距離分解能は、投射光学系１００と受光光学系２００との間隔や、受光光学系２００の画角等、種々の光学設計に複雑に依存する。したがって、所望の距離分解能を得るための光学設計条件を導きだすのは困難である。
【００８１】
そこで、本件出願の発明者らは、投射光学系１００と受光光学系２００に対する光学設計のパラメータを分析し、所定の距離分解能を得るための光学設計値を容易に算出可能な算出式を導出した。以下、かかる算出式の導出について説明する。
【００８２】
まず、Ｚ軸方向の距離検出分解能について説明する。
【００８３】
図６（ａ）に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の画素の間隔がＰ１の場合、図６（ｂ）に示すように、間隔Ｐ１に相当するＺ軸方向の距離の変位量はΔｚ１である。ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の１画素あたりのＺ軸方向の距離の変位量を「Ｚ軸分解能」と称する。
【００８４】
図６（ｃ）に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の画素の間隔がＰ１よりも大きいＰ２の場合、図６（ｄ）に示すように、間隔Ｐ２に相当するＺ軸方向の距離の変位量は、Δｚ２である。図示の如く、変位量Δｚ２は、変位量Δｚ１よりも大きい。
【００８５】
このように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の１画素の間隔が長ければ長いほどＺ軸方向の距離の変位量は、大きくなる。すなわち、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の１画素の間隔が長ければ長いほどＺ軸分解能は劣化する。Ｚ軸分解能が劣化すると、物体のＺ軸方向の移動量を細やかに検出することができない。
【００８６】
指の詳細な動きを検出するためには、たとえば、数十ｍｍ以内のＺ軸方向の距離の変位を検出する必要がある。他方、手の大まかな動きを検出できれば良い場合は、たとえば、数百ｍｍ程度のＺ軸方向の距離の変位を検出できれば良い。
【００８７】
このように、Ｚ軸分解能は高ければ高いほど、距離検出の精度が高くなるため、Ｚ軸分解能はできるだけ高い方が望ましい。しかし、不必要にＺ軸分解能が高すぎると、距離検出に係る演算量が増大するとの問題が生じる。
【００８８】
したがって、Ｚ軸分解能は、情報取得装置２が想定する対象物体の動きの大きさに応じて、適正な値に設定されるのが望ましい。しかし、Ｚ軸分解能は、情報取得装置２の各種光学設計のパラメータに複雑に依存する。
【００８９】
ここで、Ｚ軸分解能に依存する情報取得装置２の光学設計のパラメータの例について説
明する。
【００９０】
図７（ａ）〜図７（ｄ）は、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔とＺ軸分解能の関係を説明する図である。
【００９１】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示すように、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔がＬ１である場合、たとえば、基準面の距離Ｚ１からΔＤ１だけ離れた物体に反射されたＤＰ光のドットの変位量はΔｘ１となる。
【００９２】
図７（ｃ）、図７（ｄ）に示すように、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔がＬ１よりも広いＬ２の場合、たとえば、基準面の距離Ｚ１からΔＤ１だけ離れた物体に反射されたＤＰ光のドットの変位量は、Δｘ２となる。図示の如く、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔が広くなると、基準面からの変位量ΔＤ１が変わらないにも関わらず、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上のドットの変位量Δｘ２は、変位量Δｘ１よりも大きくなる。すなわち、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔が広ければ広いほど、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上のドットの変位量は大きくなる。
【００９３】
たとえば、変位量Δｘ１が１画素、変位量Δｘ２が２画素とすると、図７（ｂ）の例では、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の１画素あたりに検出可能なＺ軸方向の変位量は、ΔＤ１であり、図７（ｄ）の例では、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の１画素あたりに検出可能なＺ軸方向の変位量は、ΔＤ１／２である。このように、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔が広ければ広いほど、１画素ごとに細かいＺ軸方向の変位量を得ることができる。すなわち、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔が広ければ広いほど、Ｚ軸分解能は向上する。
【００９４】
なお、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔が広いと、情報取得装置２のベース部分が撓み易くなり、投射光学系１００の出射中心と、受光光学系２００の受光中心がＺ軸方向にずれることが生じる惧れがある。したがって、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔は、耐久性の観点からはある程度狭い方が望ましい。
【００９５】
図８（ａ）〜図８（ｄ）は、基準面の距離とＺ軸分解能の関係を説明する図である。
【００９６】
図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔がＬ３、基準面との距離がＺ２である場合、たとえば、基準面の距離Ｚ２からΔＤ２だけ離れた物体に反射されたＤＰ光のドットの変位量はΔｘ３となる。
【００９７】
図８（ｃ）、図８（ｄ）に示すように、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔がＬ３、基準面との距離がＺ２よりも大きいＺ３の場合、たとえば、基準面の距離Ｚ２からΔＤ２だけ離れた物体に反射されたＤＰ光のドットの変位量は、Δｘ４となる。図示の如く、基準面の距離が遠くなると、基準面からの変位量ΔＤ２が変わらないにも関わらず、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上のドットの変位量Δｘ４は、変位量Δｘ３よりも小さくなる。すなわち、基準面の距離が遠くなればなるほど、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上のドットの変位量は大きくなる。
【００９８】
たとえば、変位量Δｘ３が４画素、変位量Δｘ４が２画素とすると、図８（ｂ）の例では、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の１画素あたりに検出可能なＺ軸方向の変位量は、ΔＤ２／４であり、図７（ｄ）の例では、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の１画素あたりに検出可能なＺ軸方向の変位量は、ΔＤ２／２である。このように、基準面の距離が遠くなればなるほど、１画素ごとに得られるＺ軸方向の変位量は大きくなる。すなわち、基準面の距離が遠くなればなるほど、Ｚ軸分解能は大きく劣化する。
【００９９】
図９（ａ）〜図９（ｃ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の画素数とＺ軸分解能の関係を説明する図である。
【０１００】
図９（ａ）に示すように、受光光学系２００の画角がα１であって、撮像レンズ２２０とＣＭＯＳイメージセンサ２４０との間隔がＨ１の場合、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の撮像領域の幅は、Ｗ１である。
【０１０１】
この場合に、図９（ｂ）に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数がβ１の場合、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の画素の間隔はＰ３となる。また、図９（ｃ）に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数がβ１よりも多いβ２の場合、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の画素の間隔は、Ｐ３よりも狭いＰ４となる。
【０１０２】
このように、画角αと、撮像レンズ２２０とＣＭＯＳイメージセンサ２４０との間隔Ｈ１が固定である場合、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の画素数が多くなればなるほど、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の１画素の間隔は短くなる。すなわち、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の画素数が多くなればなるほど、Ｚ軸分解能が向上する。
【０１０３】
たとえば、画角αと、撮像レンズ２２０とＣＭＯＳイメージセンサ２４０との間隔Ｈ１が固定であり、Ｘ軸方向の画素数β１が６４０（ＶＧＡ相当）、Ｘ軸方向の画素数β２が１２８０（ＳＸＧＡ相当）とすると、間隔Ｐ４は、間隔Ｐ３の半分となり、β２の場合のＺ軸分解能は、β１の場合と比べ、略２倍となる。
【０１０４】
図１０（ａ）〜図１０（ｄ）は、受光光学系２００の画角とＺ軸分解能の関係を説明する図である。
【０１０５】
図１０（ａ）に示すように、受光光学系２００の画角がα２であって、撮像レンズ２２０とＣＭＯＳイメージセンサ２４０との間隔がＨ１の場合、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の撮像領域の幅は、Ｗ２である。この場合、図１０（ｂ）に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数がβ３の場合、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の画素の間隔はＰ５となる。
【０１０６】
また、図１０（ｃ）に示すように、受光光学系２００の画角がα１よりも大きいα２であって、撮像レンズ２２０とＣＭＯＳイメージセンサ２４０との間隔がＨ１の場合、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の撮像領域の幅は、Ｗ２よりも広いＷ３となる。この場合、図１０（ｄ）に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数が図１０（ｂ）と同様にβ３の場合、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の画素の間隔は、Ｐ５よりも広いＰ６となる。
【０１０７】
このように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数β３と、撮像レンズ２２０とＣＭＯＳイメージセンサ２４０との間隔Ｈ１が固定である場合、受光光学系２００の画角が大きくなればなるほど、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の１画素の間隔は長くなる。すなわち、受光光学系２００の画角が大きくなればなるほど、Ｚ軸分解能が劣化する。
【０１０８】
たとえば、Ｘ軸方向の画素数β３と、撮像レンズ２２０とＣＭＯＳイメージセンサ２４０との間隔Ｈ１が固定であり、画角α２が６０°、画角α３が９０°とすると、幅Ｗ３は、幅Ｗ２の略１．７５倍となり、画角α３の場合のＺ軸分解能は、画角α２の場合と比べ、略０．６倍となる。
【０１０９】
以上のように、Ｚ軸分解能は、少なくとも、以下の光学設計のパラメータに依存する。
【０１１０】
（１）投射光学系１００と受光光学系２００の間隔
（２）基準面との距離
（３）ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の画素数
（４）受光光学系２００の画角
したがって、所望のＺ軸分解能を得るためには、少なくとも、これらのような多数のパラメータを適宜設定する必要があり、これらのパラメータを一意に決めるのは困難である。
【０１１１】
なお、これらのパラメータのうち、基準面との距離、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の画素数、受光光学系２００の画角は、想定される情報取得装置２の利用形態に応じて、決定され得る。すなわち、どの距離範囲で対象物体を検出するかにより基準面との距離が決まる。したがって、このパラメータ値を考慮しつつ、必要なＺ軸分解能を得るための、その他のパラメータ値を求める必要がある。
【０１１２】
そこで、所望のＺ軸分解能を得るために必要なパラメータ値を容易に求めるための方法について、以下に説明する。
【０１１３】
図１１は、投射光学系１００と受光光学系２００をＹ軸方向から見た模式図である。なお、図１１において、情報取得装置２からＺ軸方向に所定の距離だけ離れた位置にＸ軸が示されている。Ｘ軸上の原点は、受光光学系２００の正面位置に設定されている。
【０１１４】
図１１を参照して、投射光学系１００正面におけるＺ軸方向の距離をＺ、受光光学系２００の画角をα、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数をβ、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上におけるＸ軸方向の画素位置をｂとすると、Ｘ軸上の受光光学系２００正面（原点）からの位置ｘ（ｂ）は、以下の式（１）によって表わされる。
【０１１５】
【数３】
2014041026.tif 000005
【０１１６】
なお、式（１）において第１項は、図１１中、受光光学系２００の撮像領域のＸ軸上の上半分の幅に相当する。また、式（１）において第２項は、受光光学系２００の撮像領域上端（Ｘ軸負方向）からのＸ軸上の位置に相当する。
【０１１７】
たとえば、ｂに１を代入すると、ｘ＝−Ｚｔａｎ（α／２）となり、受光光学系２００の撮像領域上端のＸ軸上の位置が算出される。また、ｂにβを代入すると、ｘ＝Ｚｔａｎ（α／２）となり、受光光学系２００の撮像領域下端のＸ軸上の位置が算出される。
【０１１８】
ここで、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔をＬとすると、ＬとＸ軸上の受光光学系２００正面（原点）からの位置ｘ（ｂ）は、以下の式（２）に示すように、互いに等しい関係が成り立つ。
【０１１９】
ｘ（ｂ）＝Ｌ  ・・・（２）
【０１２０】
したがって、式（１）、式（２）について整理すると、Ｚは、以下の式（３）によって表わされる。
【０１２１】
【数４】
2014041026.tif 000006
【０１２２】
ここで、Ｚ軸分解能は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の１画素あたりのＺ軸方向の変位量であるため、Ｚをｂで微分することにより、以下の式（４）によって表わされる。
【０１２３】
【数５】
2014041026.tif 000007
【０１２４】
よって、所定の基準面の距離Ｚにて必要なＺ軸分解能をＫとすると、以下の式（５）の関係が成り立つ。
【０１２５】
【数６】
2014041026.tif 000008
【０１２６】
したがって、所望のＺ軸分解能Ｋを得るためには、式（５）が成立するように、基準面の距離Ｚ、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌ、受光光学系２００の画角α、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数βを設定すれば良い。
【０１２７】
このように、所望のＺ軸分解能Ｋを得るために、式（５）が満たされるように、各パラメータが設定される構成は、請求項１に記載の構成の一例である。
【０１２８】
式（５）を整理すると、Ｌは、以下の式（６）の関係が成り立つ。
【０１２９】
【数７】
2014041026.tif 000009
【０１３０】
したがって、式（６）を用いて受光光学系２００の画角α、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数βを決定することにより、基準面の距離Ｚにおける所望のＺ軸分解能Ｋを得るために最低限必要な投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌを容易に算出することができる。なお、画角αは、検出する距離範囲において画角の全範囲内にドットパターンが存在し、且つ、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の撮像有効領域の全領域にドットパターンが照射されるよう設定される必要がある。
【０１３１】
このように、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌを算出するために、式（６）が満たされるように、各パラメータが設定される構成は、請求項２に記載の構成の一例である。
【０１３２】
たとえば、基準面の距離Ｚが２０００ｍｍ、基準面の位置でのＺ軸分解能Ｋが３０ｍｍ、受光光学系２００の画角αが３０°、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数βが１２８０画素の場合、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌは、１２０ｍｍ以上の大きさとすれば良い。
【０１３３】
なお、ここでは、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌを求めるために、式（６）に示すように、Ｌについて整理したが、その他のパラメータを求める場合は、式（５）を所望のパラメータについて整理すれば良い。
【０１３４】
＜実施の形態の効果＞
以上、本実施の形態によれば、式（６）を用いることにより、所望のＺ軸分解能を得るための投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌおよびその他のパラメータ値を容易に算出することができる。したがって、情報取得装置２の製造を容易に行うことができる。
【０１３５】
また、本実施の形態によれば、式（６）により投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌが算出されるため、確実に適正なＺ軸分解能を得ることができ、適正に物体検出を行うことができる。
【０１３６】
＜変更例＞
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。
【０１３７】
たとえば、上記実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の１画素ごとに検出可能なＺ軸方向の変位量（Ｚ軸分解能）を得るために式（４）〜式（６）が用いられたが、たとえば、図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示すように１／ｎのサブピクセルのＺ軸分解能が所定の演算処理によって得られる場合には、以下の式（７）を用いることができる。なお、サブピクセルとは、所定の演算処理によってドットの変位を検出可能な仮想的な画素単位のことであり、この画素単位は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の物理的な１画素よりも細かい。図１２（ａ）には、１／４サブピクセルが例示され、この場合の仮想的な画素（サブピクセル）のピッチは、０．２５画素である。また、図１２（ｂ）には、１／８
サブピクセルが例示され、この場合の仮想的な画素（サブピクセル）のピッチは、０．１２５画素である。
【０１３８】
【数８】
2014041026.tif 000010
【０１３９】
式（７）を上記実施の形態同様に、所望のＺ軸分解能Ｋ、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌについて整理すると、Ｋについては、以下の式（８）、Ｌについては、式（９）が成り立つ。
【０１４０】
【数９】
2014041026.tif 000011
【０１４１】
したがって、Ｚ軸分解能が１／ｎサブピクセルで得られる場合も、上記実施の形態同様に、受光光学系２００の画角α、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数βを決定することにより、基準面の距離Ｚにおける所望のＺ軸分解能Ｋを得るために最低限必要な投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌを容易に算出することができる。
【０１４２】
このように、Ｚ軸分解能が１／ｎサブピクセルで得られる場合において、所望のＺ軸分解能Ｋを得るために、式（８）が満たされるように、各パラメータが設定される構成は、請求項３、８に記載の構成の一例である。また、Ｚ軸分解能が１／ｎサブピクセルで得られる場合において、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌを算出するために、式（９）が満たされるように、各パラメータが設定される構成は、請求項４に記載の構成の一例である。
【０１４３】
たとえば、図１２（ａ）に示すように１／４サブピクセルのＺ軸分解能が得られる場合に、基準面の距離Ｚが２０００ｍｍ、基準面の位置でのＺ軸分解能Ｋが３０ｍｍ、受光光学系２００の画角αが３０°、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数βが１２８０画素である場合、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌは、３０．１ｍｍ以上の大きさとすれば良い。
【０１４４】
また、図１２（ｂ）に示すように１／８サブピクセルのＺ軸分解能が得られる場合に、基準面の距離Ｚが２０００ｍｍ、基準面の位置でのＺ軸分解能Ｋが３０ｍｍ、受光光学系２００の画角αが３０°、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のＸ軸方向の画素数βが１２８０画素である場合、投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌは、１５．０ｍｍ以上の大きさとすれば良い
このように、本変更例においても、式（８）、式（９）を用いることにより、所望のＺ軸分解能を得るための投射光学系１００と受光光学系２００の間隔Ｌを容易に算出することができる。したがって、情報取得装置２の製造を容易に行うことができる。
【０１４５】
また、上記実施の形態では、ドットパターンのマッチング度合いを算出するために、図５（ｃ）に示す差分値の絶対値の総和の値ＳＡＤ（Sum of Absolute Difference）を用いたが、差分値の２乗の総和の値ＳＳＤ（Sum of Squared Difference）を用いても良い。
【０１４６】
また、上記実施の形態では、隣り合うセグメント領域が互いに重なるように、セグメント領域が設定されたが、左右に隣り合うセグメント領域が、互いに重ならなくても良く、また、上下に隣り合うセグメント領域が、互いに重ならなくても良い。また、上下左右に隣り合うセグメント領域のずれ量は、１画素に限られるものではなく、ずれ量が他の画素数に設定されても良い。さらに、上記実施の形態では、セグメント領域は、正方形状に設定されたが、長方形であっても良い。
【０１４７】
また、上記実施の形態では、セグメント領域と比較領域のマッチング率を算出する前に、セグメント領域と比較領域に含まれる画素の画素値を０〜１４の階調に減少したが、さらに階調を減少して２値化しても良いし、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０によって得られた画素値をそのまま用いて、マッチングしても良い。
【０１４８】
また、上記実施の形態では、三角測量法を用いて距離情報が求められ、メモリ２５に記憶されたが、三角測量法による演算なしに、セグメント領域の変位量（画素ずれ量）を距離情報として取得しても良く、他の手法で距離情報を取得しても良い。
【０１４９】
また、上記実施の形態では、実測画像上におけるセグメント領域の変位位置を探索し、探索結果に基づいて、距離情報が取得されたが、探索を行わない他の手法に基づいて、距離情報が取得されても良い。
【０１５０】
また、上記実施の形態では、レーザ光源１１０が用いられたが、レーザ光源１１０に代えて、ＬＥＤ等、他の光源が用いられても良い。
【０１５１】
また、上記実施の形態では、目標領域に照射されるレーザ光の波長帯以外の波長帯の光を除去するためにフィルタ２３０を配したが、たとえば、目標領域に照射されるレーザ光以外の光の信号成分を、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０から出力される信号から除去する回路構成が配されるような場合には、フィルタ２３０が省略され得る。  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２４０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。さらに、投射光学系１００および受光光学系２００の構成も、適宜変更可能である。また、テレビ等の制御入力以外の制御形態にも、本発明は適用可能である。
【０１５２】
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。
【符号の説明】
【０１５３】
１  …  物体検出装置
２  …  情報取得装置
２１ｂ  …  距離取得部
２３  …  撮像信号処理回路（距離取得部）
３  …  情報処理装置
３１ａ  …  物体検出部
１００  …  投射光学系
１１０  …  レーザ光源（光源）
１２０  …  コリメータレンズ
１４０  …  ＤＯＥ（回折光学素子）
２００  …  受光光学系
２４０  …  ＣＭＯＳイメージセンサ（イメージセンサ）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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