(57)【要約】【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。【選択図】図２
2011191221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【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。
【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を有する物体検出装置。
【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およびこれに用いて好適な情報取得装置に関する。
【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 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。
【０００３】
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）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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】実施の形態と比較形態に係る投射光学系の構成を示す図である。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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ＤＭＬ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１２４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。
【００３３】
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１２４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。
【００３４】
かかる距離検出では、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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１２４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１２４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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
【表１】
2011191221.tif 000003
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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２０１ａ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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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、ジグ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。
【００６１】
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。
【００６２】
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、Ｃ
ＭＯＳ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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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）。
【００６６】
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ＣＰＵ１２５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）。
【００６７】
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。
【００６８】
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）。
【００６９】
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ＣＰＵ１２５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、ＣＭＯ
Ｓ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）。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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１０からＤＭＰ光を照射しつつ、受光光学系２０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１０からＤＭＰ光を照射させずに、受光光学系２０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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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）。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【符号の説明】
【００８８】
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）
【図１】
2011191221.tif 000004
【図２】
2011191221.tif 000005
【図３】
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【図４】
2011191221.tif 000007
【図５】
2011191221.tif 000008
【図６】
2011191221.tif 000009
【図７】
2011191221.tif 000010
【図８】
2011191221.tif 000011
【図９】
2011191221.tif 000012
【図１０】
2011191221.tif 000013
【図１１】
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