(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的な作動を必要とせず、位相接続問題を解決する超小型に構成したパターン投影用発光装置を提供する。【解決手段】パターン投影用発光装置は、ｎ個（１以上の整数、Ａ以下）のパターンを記憶する手段と、パターン投影タイミングを指示する同期信号入力手段と、記憶されたパターンデータに応じたパルス幅を生成するＰＷＭ手段と、直線状に一列に並んだＡ個（１以上の整数）の半導体型発光素子と、半導体発光素子を駆動する手段とを有する。更に、前記パターン投影用発光装置は、直線状に並んだ発光パターンを２次元状に広げる光学素子を有する。【選択図】図１７
2015148583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
A個（Ａは１以上の整数）の発光素子が直線状に並んだ発光装置において、
ｎ種類（ｎは１以上の整数でかつＡないしＡ近傍数値の約数）の正弦波状投影パターンを記憶する手段と、パターン投影タイミングを指示する同期信号入力手段と、記憶されたパターンデータに応じたパルス幅を生成するPWM（Pulse Width Modulation）手段と、Ａ個の発光素子を個々に駆動するドライバＩＣと、を有することを特徴とする、パターン投影用発光装置。
【請求項２】
A個（Ａは１以上の整数）の発光素子が直線状に並んだ発光装置において、
ｎ種類（ｎは１以上の整数でかつＡないしＡ近傍数値の約数）の正弦波状投影パターンを記憶する手段と、パターン投影タイミングを指示する同期信号入力手段と、記憶されたパターンデータに応じたパルス幅を生成するPWM（Pulse Width Modulation）手段と、「Ｂ＊ｎ＋ｍ」（Ｂは０以上の整数でかつ「Ｂ＊ｎ＋ｍ」がＡを超えない数値、ｍは１からｎの整数）番目の発光素子の駆動信号線を共有化させ、該当発光素子を共通で駆動するドライバＩＣと、を有することを特徴とする、パターン投影用発光装置。
【請求項３】
前記請求項２記載の発光装置における、「Ｂ＊ｎ＋ｍ」（Ｂは０以上の整数でかつ「Ｂ＊ｎ＋ｍ」がＡを超えない数値、ｍは１からｎの整数）番目の発光素子の駆動信号線を共有化させる配線において、共有化された発光素子のオンタイミングをずらす遅延素子を挿入したことを特徴とする、パターン投影用発光装置。
【請求項４】
前記請求項１ないし請求項２ないし請求項３記載の発光装置において、
パターンデータに応じたパルス幅を生成するPWM手段に代わり、アナログ電圧値を生成する手段を有することを特徴とする、パターン投影用発光装置。
【請求項５】
前記請求項４記載の発光装置において、
アナログ電圧値を生成する手段に代わり、アナログ電流値を生成する手段を有することを特徴とする、パターン投影用発光装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項２ないし請求項３ないし請求項４ないし請求項５記載の発光装置と、直線状に並んだ発光パターンを2次元状に広げる光学素子を有することを特徴とする、パターン投影用発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造化光（以降、パターン）投影による３次元座標計測技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
１次元のLEDアレイを利用した構造化光法による３次元座標計測技術に関して、先行技術文献”High-speed height measurement by a light-source-stepping method using a linear LED array” (Motoharu Fujigaki, Wakayama University, published in Optical Society of America, 2013) で紹介されているような技術が知られている。パターンを投射するために一般に用いられるのは、DMDデバイスを使ったDLP(Digital Light Processing) システム（いわゆるDLPプロジェクター）であるが、該システムはDLPプロジェクターが高価であるため、また小型化にも制約があるため、普及が進んでいない。そこで該参考文献で紹介されているような１次元LEDアレイが考案されている。（図１）
【０００３】
図１から図４で示される先行事例では、固定パターンを記録したGrating Plate を使っているため、パターンの空間周期(2π)を超えるような構造変化には対応できない（位相接続がうまくいかない）という問題点があり、該技術は半導体バンプなど、奥行き方向の変化量が2πより小さな構造物の高さ検出にのみ用いられている。位相接続の概念は図４で示される。図４の上図は、2π内の位相変化、図４下図は2πを超える位相変化をうまく接続できた場合を示している。該先行技術では、パターンの空間周期2π以内の構造変化であれば３次元座標検出が可能であるが、2πを超える構造変化に対しては、その変化がどこにつながっているのかを判定することができない。更に、図２で示されるように、位相シフトを実現する手段として、LED光源を物理的に移動させるという手法を取っており、機械的な機構を必要としている。
【０００４】
図５は特許第３５００４３０号記載の、単色矩形波格子を用いた形状計測方法の選択図である。この特許で用いられている手法は、パターン固定型の単色矩形波格子であるため、空間位相周期の異なる複数色の格子を重ねるとはいっても、前記の位相変化接続の問題を抱えたままである。また、位相シフトを実現する手段として、光源を物理的に移動させなければならないという課題も残っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３５００４３０号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】”High-speed height measurement by a light-source-stepping method using a linear LED array” (Motoharu Fujigaki, Wakayama University, published in Optical Society of America, 2013)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように、従来の１次元LEDアレイや単色矩形波格子では、投影パターンが固定しているため、高さ変化量がパターン空間周期2πを超える対象物に対する位相接続ができないという問題点と、位相シフトを行うための機械的作動機構が必要になるという課題を抱えている。更に、光源と単色矩形波格子の間に一定の距離を必要とするため、パターン投影装置の小型化に課題を抱えている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第一態様によれば、ｎ個（１以上の整数）のパターンを記憶する手段（ＳＲＡＭなどの半導体記憶手段）と、ｍ番目（１〜ｎの整数）のパターン記憶装置を指示するアドレス信号線と、パターン投影タイミングを指示する同期信号入力手段と、記憶されたパターンデータに応じたパルス幅を生成するPWM(Pulse Width Modulation)手段と、直線状に一列に並んだｐ個（１以上の整数）の半導体型発光素子（ＬＥＤや有機ＥＬ発光素子、レーザーダイオードなどの半導体型発光素子）とを有する、パターン投影用発光デバイス。
【０００９】
本発明の第二態様によれば、ｎ個（ｎは１以上の整数でかつＡないしＡ近傍数値の約数）の正弦波状投影パターンを記憶する手段と、ｍ番目（ｍは１〜ｎの整数）のパターン記憶装置を指示するアドレス信号線と、パターン投影タイミングを指示する同期信号入力手段と、記憶されたパターンデータに応じたパルス幅を生成するPWM（Pulse Width Modulation）手段と、「Ｂ＊ｎ＋ｍ」（Ｂは０以上の整数でかつ「Ｂ＊ｎ＋ｍ」がＡを超えない数値）番目の発光素子の駆動信号線を共有化させ、該当発光素子を共通で駆動するドライバＩＣと、を有する、パターン投影用発光装置。
【００１０】
本発明の第三態様によれば、前記記載の第二態様のパターン投影用発光装置における、「Ｂ＊ｎ＋ｍ」（Ｂは０以上の整数でかつ「Ｂ＊ｎ＋ｍ」がＡを超えない数値）番目の発光素子の駆動信号線を共有化させる配線において、共有化された発光素子のオンタイミングをずらす遅延素子を有する、パターン投影用発光装置。
【００１１】
本発明の第四態様によれば、前記記載の第一態様ないし第二態様ないし第三態様のパターン投影用発光装置において、パターンデータに応じたパルス幅を生成するPWM手段に代わり、アナログ電圧値を生成する手段を有する、パターン投影用発光装置。
【００１２】
本発明の第五態様によれば、前記記載の第四態様のパターン投影用発光装置において、アナログ電圧値を生成する手段に代わり、アナログ電流値を生成する手段を有する、パターン投影用発光装置。
【００１３】
本発明の第六態様によれば、前記記載の第一態様ないし第二態様ないし第三態様ないし第四態様ないし第五態様のパターン投影用発光装置において、直線状に並んだ発光パターンを２次元状に広げる光学素子を有する、パターン投影用発光装置。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、
（１）  半導体発光素子を用いた直線状発光デバイスであることから、小型である。
（２）  半導体記憶手段の書き換えにより、任意のパターンを投影できるため、位相接続の問題が発生しない。
（３）  半導体記憶手段の書き換えにより、発光デバイスを固定させたまま、任意のパターンの位相移動が可能であるため、デバイスを機械的に移動させる必要がない。
（４）  同じ輝度で発光させる発光素子の駆動信号線を共有化させたことで、駆動用ドライバＩＣの個数を減らせる。
（５）  同じ輝度で発光させる発光素子の共有駆動信号線に遅延素子を挿入させたことで、発光素子のオンに伴う突入電流のピークを抑えることができる。
（６）  駆動ドライバＩＣの個数と同数のメモリーに対する書き込み回数が発生するが、同じ輝度で発光させる発光素子の駆動信号線を共有化させたことで、メモリーへのデータ書き込みサイクル数を大幅に減少させることができる。また、選択用アドレス信号線数を減らせる。
という効果を得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】先行事例の１次元LEDアレイのgrating patternとその投射モデル
【図２】先行事例の１次元LEDアレイのgrating patternを位相移動させた投射モデル
【図３】先行事例の１次元LEDアレイの投射パターン図
【図４】先行事例の位相接続説明図
【図５】先行事例の選択図
【図６】本発明の１次元LEDアレイの外観概念図
【図７】本発明請求項１記載の１次元LEDアレイの内部構成と信号接続図
【図８】本発明請求項１記載の１次元LEDアレイの輝度分布図（位相p）
【図９】本発明請求項１記載の１次元LEDアレイの輝度分布図（位相p + 1/10π）
【図１０】本発明請求項１記載の１次元LEDアレイの記憶パターン書き換えタイミング図
【図１１】本発明請求項１記載の１次元LEDアレイの投射タイミング
【図１２】本発明請求項１記載の１次元LEDアレイの全体のタイミングとカメラ露光タイミング図
【図１３】本発明請求項２記載の１次元LEDアレイの内部構成と信号接続図
【図１４】本発明請求項２記載の１次元LEDアレイの全体のタイミングとカメラ露光タイミング図
【図１５】本発明請求項３記載の１次元LEDアレイの内部構成と信号接続図
【図１６】本発明請求項３記載の１次元LEDアレイの駆動信号タイミング図
【図１７】本発明の直線状に並んだ発光パターンを２次元状に広げる光学系図
【図１８】本発明で利用する投影パターンの計算式
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付して説明を省略している。
【実施例１】
【００１７】
図６は本発明の態様を示す１次元LEDアレイの全体図である。１はLED群やその他の半導体デバイスを搭載する基板、２は１番目のＬＥＤ発光素子、３は、この例では５１２番目のＬＥＤ発光素子である。つまり、発光素子としてＡ＝５１２個を搭載している。
【００１８】
図７は本発明の態様１における、１次元LEDアレイの内部構成と信号接続を表した図である。２は１番目のＬＥＤ発光素子、３は５１２番目のＬＥＤ発光素子。５は、輝度データを格納するメモリー６の値に応じてLEDの発光期間を制御するPWM（Pulse Width Modulation）回路。この例ではメモリーのビット幅を８ビットとしているので、輝度分布は０から２５５階調まで指定可能である。４はＰＷＭ回路５の信号に従い、ＬＥＤアレイを駆動するためのドライバＩＣ。
【００１９】
図７の１次元LEDアレイの発光輝度を指定するためのメモリー６(SRAM)は、外部から８ビットのアドレスバス(Address bus) と８ビットのデータバス(Data bus)、書き込み制御信号(Write enable) で制御され、Flash trigger信号で規定される発光タイミング（図１１)の前に、所定の発光輝度が書き込まれる。この事例では５１２回の書き込みサイクルを実施して、５１２個すべてのメモリーの書き換えが完了する（図１０）。これは各々８ビットのSRAMを持つことで実現されるが、SRAMの代わりに、８ビットのリングバッファを使って、Flash Trigger 信号をクロック入力としてビットシフトをすることでより簡易的に実現することも可能である。
【００２０】
すべてのメモリーへの発光輝度情報の書き込み完了後、Flash trigger 入力によって発光を開始する。発光輝度はPWM回路５によって、発光期間を制御することで調整される。つまり、所定のカメラ露光時間において、発光期間の長さに応じて露光が蓄積されるので、結果的に発光輝度が調整される。
【００２１】
図８は、任意の位相pの場合の１次元LEDアレイの発光輝度分布図である。横軸はLED配列、縦軸は各LEDの発光輝度である。この例では、ｎ＝１０個のLEDを使って１周期(2π)の正弦波状輝度分布を実現している。したがって、1/10π経過後の輝度分布図は図９となる。６はあるLED素子の発光輝度、７は１０分の１π経過後の該LED素子の発光輝度である。このように、本発明の１次元LEDアレイは、輝度分布を任意に変更することが可能であり、カメラの露光に同期して所定のパターンを、図８に示すように投射することができる。
【００２２】
図１０は図７におけるメモリー６(SRAM)のデータ書き換えタイミングを表した図である。９はアドレスバス(Address bus)の値、１０はデータバス(Data bus)の値、１１はSRAM５への書き込み制御パルス(Write enable)を表す。この例ではSRAM６にはアドレスバス(Address bus)８ビットが接続され、アドレスを各々のSRAM付属回路でデコードすることで各SRAMの選択信号を生成する。LED素子２（１番目）に対応するSRAMは、Address bus = 0000 0000b の時に選択、LED素子３（５１２番目）に対応するSRAMは、Address bus = 1111 1111b の時に選択される。書き込み信号 Write enable １１のパルスが出た時にData bus に提供されたデータが、選択されたSRAMに書き込まれる。したがって、この場合５１２個のSRAMにすべてデータを書き終えるには５１２回のサイクルを必要とする。
【００２３】
図１１は、投射パターンのタイミング (Projection timing)とトリガー信号(Flash trigger (Strobe signal))の関係を示した図である。１２はパターンの順序、１３はトリガー信号を表す。最初の投射すべきパターン(frame0) が最初のトリガー信号で投射され、以降、トリガー信号の入力に同期して次のパターン(frame1)が投射される。パターンの種類が１０種類ある場合は、このサイクルが１０回繰り返され、最初のパターンに回帰して、トリガー信号が入力される限り継続する。
【００２４】
図１２は、図７で示した回路において、特定のLED素子の動作タイミングを例示した図である。１４は該LED素子の回路動作が、発光輝度データの書き換えサイクル(Update)か、投射サイクル(Projection period)かを示す。１５はPWM回路５がSRAM６に書き込まれた値に応じて、発光時間を定めた図。１６は発光輝度データの書き換えパルス(Write enable)。１７は投射タイミングを与える図。１８はカメラの露光時間を示す図である。この例では、最初の１ミリ秒でWrite enable信号が５１２回立ち、その時のData busの値をアドレスバスで選択されたSRAMに書き込み、次の２５６ミリ秒でパターンの投射をしている。パターンの投射に当たっては、各画素(LED)の輝度をPWMの幅で調整する。輝度が１の場合は、この事例では１ミリ秒の期間LEDをオンにし、輝度が２５５の場合、２５５ミリ秒LEDをオンにしている。カメラはLED発光信号(Strobe signal)が立ってから一定の遅延を持たせて（この場合は0.5ms）露光を開始している(Camera exposure)。
【実施例２】
【００２５】
図１３は、本発明の態様２の構成例を示した図である。この事例では、パターンの種類をｎ＝８種類とし、８の剰余が同じＬＥＤ発光素子を共通で駆動し、駆動ドライバＩＣ４の数を５１２÷８＝６４個にまで削減している。つまり、１番目のＬＥＤと９番目、１７番目、などが共通で駆動される。この場合パターンの種類ｎが８通りなので、パターンを記憶するSRAMを選択するアドレスバスは３ビットで十分である。
【００２６】
図１４は図１３で示した構成例の全体のタイミングを示したタイミングチャートである。基本動作は図１２と同じだが、SRAMへの書き込みサイクルパルス数１６が８回であることが異なる。
【００２７】
図１５は、本発明の態様３の構成例を示した図である。図１３と基本構成は同じだが、ドライバＩＣ４の共通駆動線に遅延素子が入っていることが異なる。つまり、「Ｂ＊ｎ＋ｍ」においてＢ＝１の場合、遅延素子は１個、Ｂ＝２の場合、遅延素子は２個、という具合に増えていき、Ｂ＝６４の場合、６４個の遅延素子が挿入され、ＬＥＤ発光タイミングに遅延をもたらし、発光素子のオンに伴う突入電流を緩和している。
【００２８】
図１６は、図１５で導入された遅延素子による発光素子駆動信号の動作タイミング図である。この事例では、８の剰余ｍ＝１で共通化された発光素子のそれぞれのタイミングを表している。２０はＬＥＤ１（Ｂ＝０）の駆動タイミング例。２１はＬＥＤ9（Ｂ＝１）の駆動タイミング例。２２はＬＥＤ５０５（Ｂ＝６３）の駆動タイミング例。この事例では、２０と２１のオンタイミングは１μ秒の遅延。２０と２２のオンタイミングは６４μ秒の遅延。オンの全期間１０００μ秒に対して、６４μ秒のパルス幅増加を伴う。
【００２９】
図１７は、直線状に並んだ発光パターンを２次元状に広げる光学素子を示した図である。２３は本発明のパターン発光デバイス（１次元LED）。２４は直線状に発光されたパターンをレンズ２５に集光させるためのレンズ、あるいは２３上に構成されたマイクロレンズアレイ。２５は直線状のパターンを２次元状に広げる、例えばかまぼこ型レンズ、例えばロッドレンズ、例えばパウェルレンズ。２６は投影されるパターンを示した図である。
【００３０】
図１８は本発明で利用する投影パターンを表す計算式である。  (xp, yp)は投影されたパターンの画素座標、Ipnはその画素の輝度、ApとBpは定数、f はサイン波の周波数、nは位相シフトインデックス、Ｎは累計位相シフト量である。パターンの空間位相の１周期を２πで表している。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、機械的な作動を必要とせず、かつ位相接続問題を解決するパターンを投影する半導体発光デバイスで構成された、非常に小型なパターン投影装置を構成できる。また、パターンの周期性に着目し、同じ位相の発光デバイスを共通に駆動することでドライバＩＣの数を集約でき、全体として更に小型化することができる。従来、応用が困難であった超小型計測装置の分野や、低価格の求められる民生用３次元計測機器への適用が進められる。
【符号の説明】
【００３２】
１  LED発光素子群やその他の半導体デバイスを搭載する基板
２  １番目のLED発光素子
３  ５１２番目のLED発光素子
４  ＬＥＤ駆動用ドライバＩＣ
５  PWM回路
６  メモリー
７  あるLED素子の発光輝度
８  １０分の１π後の発光輝度
９  アドレスバスの値
１０  データバスの値
１１  書き込み信号
１２  パターンの順序
１３  トリガー信号
１４  サイクルの種類
１５  発光時間
１６  発光輝度データの書き換えパルス
１７  投射タイミング
１８  カメラの露光時間
１９  遅延素子
２０  ＬＥＤ１発光素子駆動信号
２１  ＬＥＤ９発光素子駆動信号
２２  ＬＥＤ５０５発光素子駆動信号
２３  LED発光素子群やその他の半導体デバイスを搭載する基板
２４  集光レンズ
２５  かまぼこ型レンズ
２６  投影パターン
【図１】
2015148583.tif 000003
【図２】
2015148583.tif 000004
【図３】
2015148583.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015148583.tif 000009
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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