JP2016080534A - 投射装置及び視差取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力効率をより向上させることができる投射装置、及び、視差取得装置を提供する。
【解決手段】実施形態の投射装置は、撮像される被検物にパターン光を投射する投射装置であって、比視感度の最も高い波長よりも長い波長を含まない光を発光する光源と、光を集光する集光光学系と、集光光学系によって照明されることによりパターン光を形成する形成部と、パターン光を投射する投射光学系と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は投射装置及び視差取得装置に関する。

パターン光が投射された被検物を、ステレオカメラにより撮像し、いわゆるステレオ測距により、撮像された画像から被検物までの距離情報を取得する技術が既に知られている。このステレオ測距では、２つの画像間に生じる被写体の視差を利用して、三角測量の原理により被検物までの距離を算出する。披検物に濃淡及び模様等の特徴がない場合でも、ランダムパターン等を表すパターン光が被検物に投射されることにより、２つの画像間の対応点が明確になり、いわゆるステレオ測距を用いて被検物までの距離情報を取得することができる。

特許文献１には、距離計測用の投光パターン画像の適性を判定し、高精度な距離画像を生成可能なランダムパターン生成装置の発明が開示されている。また特許文献２には、計測対象に投光するパターンとして、より適切なパターンの生成を実現する投光パターンの生成装置の発明が開示されている。

しかしながら黒い被検物等のように被検物の撮像が難しい場合、撮像精度を向上させるために光源の出力を上げると、消費電力が大きくなり、装置のランニングコストが上がる問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力効率をより向上させることができる投射装置及び視差取得装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、撮像される被検物にパターン光を投射する投射装置であって、比視感度の最も高い波長よりも長い波長を含まない光を発光する光源と、前記光を集光する集光光学系と、前記集光光学系によって照明されることによりパターン光を形成する形成部と、前記パターン光を投射する投射光学系と、を備える。

本発明によれば、電力効率をより向上させることができるという効果を奏する。

図１は第１実施形態の投射装置の構成の例を示す図である。 図２は光の波長とＹ刺激値との関係を示すグラフである。 図３は第２実施形態の視差取得装置の構成の例を示す図である。 図４は第２実施形態の投射装置の構成の例を示す図である。 図５は第２実施形態の反射拡散板の構成の例を示す図である。 図６は第２実施形態のステレオカメラの構成の例を示す図である。

以下に添付図面を参照して、投射装置及び視差取得装置の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態の投射装置１００の構成の例を示す図である。第１実施形態の投射装置１００は、光源１、集光素子２、集光素子３、形成部４及び投射光学系５を備える。投射装置１００は投射面６に配置される被検物に光を投射する。

光源１は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）又は半導体レーザ（ＬＤ）等の固体光源である。発光ダイオードは、電流の注入によって電子と正孔とが移動し、Ｐ型半導体とＮ型半導体の接合面（ジャンクション）で電子と正孔とが結合したときに、電子の持っていたエネルギーを光として放出する固体光源である。半導体レーザは、接合部の狭い領域に注入された電子により、最初に放出された光から、次々と誘導放出を生じさせて、雪崩のように光量を増幅させるレーザ発振の原理を利用した固体光源である。固体光源は、注入された電流（電子）を、光エネルギーに変換するため、非常に効率のよい光の出力が可能となる。

ここで光の波長と、比視感度と、光エネルギーとの関係について説明する。

図２は光の波長とＹ刺激値との関係を示すグラフである。人の目は比視感度特性を持っており、光の波長に応じて感度特性が異なる。１Ｗあたりの明るさは、ｌｍ＝６８３×Ｙ刺激値で表すことができる。Ｙ刺激値（比視感度）は、波長の長さに応じて０〜１の範囲の値をとる。Ｙ刺激値の値が大きい程、感度が高く、人の目にとって明るく感じる。Ｙ刺激値は、波長の長さが５５５ｎｍのときに、最も高い値（Ｙ＝１．０）をとる。

より具体的には、Ｙ刺激値は、青色領域１０１ではＹ＝０．０３〜０．０６程度、緑色領域１０２ではＹ＝０．７〜１．０程度、赤色領域１０３ではＹ＝０．２５〜０．５程度となる。すなわちＹ刺激値は、緑色領域１０２の値が最も高く、赤色領域１０３及び青色領域１０１の値は小数点２桁台で、他の色のＹ刺激値より１桁小さい値となっている。

しかしながら青色（紫色）は人の目には暗く見えるものの、波長が短い（振動数が大きい）ため、光エネルギーは高い。つまり人間の目にはまぶしくない光であっても、波長の短い光であれば、光エネルギーとしては大きい。例えば青色単色光は、光を受光し、光のエネルギーを電力に変える光センサー及び撮像素子等を用いるカメラに十分な光量を与えることができる。つまり青色単色光でパターンを投射すれば、低い光束量のルーメン値であっても、他の色よりも高い光のパワーを撮像素子に与えることができる。言い換えると、青色単色光は投入した電力に応じて高い光出力を得ることができ、電力効率が高い。

固体光源の材料には、ＧａＡｓＰ系、ＧａＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＡｌＧａＩｎＰ系及びＩｎＧａＮ系等がある。ＧａＡｓＰ系の材料の発光色は朱―赤（ピーク波長が５７０〜８００ｎｍ）であり、発光効率は０．２〜１．０ｌｍ／Ｗである。ＧａＰ系の材料の発光色は緑（ピーク波長が４８０−５７０ｎｍ）であり、発光効率は２．０〜３．０ｌｍ／Ｗである。ＡｌＧａＡｓ系の材料の発光色は赤（ピーク波長が６２０−６７０ｎｍ）であり、発光効率は６〜１２ｌｍ／Ｗである。ＡｌＧａＩｎＰ系の材料の発光色は朱―緑（ピーク波長が５６０−６５０ｎｍ）であり、発光効率は１５〜４０ｌｍ／Ｗである。ＩｎＧａＮ系の材料の発光色は青―緑（ピーク波長が４００−４７０ｎｍ）であり、発光効率は１０〜５０ｌｍ／Ｗである。光出力をワット（Ｗ）換算すると、ＩｎＧａＮ系が最も電力効率が高い。したがって固体光源の材料にＩｎＧａＮ系を用いることで電力効率を向上させることができる。

映像プロジェクターに使用される照明系は、ホワイトバランスを保つために、Ｒ，Ｇ，Ｂの明るさのバランスが必要ではある。しかしながら第１実施形態の投射装置１００のように被検物の計測に使用される場合は、特にフルカラーである必要はなく、むしろ、光利用効率の高い単色光を利用することが効率的である。また青色単色光は、視感度が低く、人間の目には他の色よりも眩しくないにも関わらず、撮像素子は青色単色光により照射された被検物を高精度に撮像することができる。

図１に戻り、光源１は、比視感度の最も高い波長よりも長い波長を含まない光を発光する固体光源である。光源１は、例えばピーク波長が４００ｎｍから４７０ｎｍに含まれる光を発光する。より具体的には、光源１はＩｎＧａＮ系の固体光源を用いた青色単色光（例えば４５０ｎｍ付近の波長の光）を発光する。これにより投射装置１００の電力効率をより向上させることができる。

集光素子（集光レンズ）２及び集光素子（集光レンズ）３は集光光学系である。集光素子２は、光源１からほぼ拡散光となって発せられた光を、複数のレンズの組み合わせにより集光することによって発散角を狭め、ある一定の光束の光を集光素子２に入力する。集光素子３は、形成部４の照明に必要な領域に光を投射する。

形成部４は光源１と共役な位置に配置される。これにより光源１は形成部４の照明を最も効率的に行うことができる。形成部４はパターン光を形成する。具体的には、形成部４は、図１では図示されていない光を反射する反射部と、光を透過する透過部と、を含むパターンを有する。パターンは、例えばエッチング処理により形成される。透過部は所定の透過率を有する。また反射部は、所定の反射率を有する。なお形成部４に液晶パネル又はデジタルミラーデバイスを用いてもよい。しかしながらパターンを変更する必要がない場合は、液晶パネルの透過率低下、及び、デジタルミラーデバイスの反射率低下等を考慮する必要がない固定のパターンが最適である。また固定のパターンであれば、駆動制御も不要となるので、簡易な構成となり、投射装置１００を小型化できる。

投射光学系５はパターン光を所定の拡大率により拡大し、被検物が配置される投射面６に投射する。

なお上述の構成において、集光素子２と集光素子３との間にライトトンネルを更に設けてもよい。ライトトンネルは４つの反射面を柱状に形成することにより構成される。ライトトンネルの入り口に集光された光が、ライトトンネル内で何度か反射することにより、見かけ上の複数の光源が生じ、複数の光源による光の重ね合わせの効果を得ることができる。ライトトンネルの出口と、照明される形成部４とを共役な位置関係にすることにより、均一な明るさで形成部４を照明することができる。

以上説明したように、第１実施形態の投射装置１００によれば、光源１が比視感度の最も高い波長よりも長い波長を含まない光を投射する。これにより投射装置１００の電力効率をより向上させることができる。

（第２実施形態）
次に第２実施形態について説明する。

図３は第２実施形態の視差取得装置２００の構成の例を示す図である。第２実施形態の視差取得装置２００は、投射装置３００及びステレオカメラ４００を備える。

まず投射装置３００の構成の例について説明する。

図４は第２実施形態の投射装置３００の構成の例を示す図である。第２実施形態の投射装置３００は、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ８（ＬＤ５〜ＬＤ８は図示せず）、集光レンズＣＬ１〜ＣＬ８（ＣＬ５〜ＣＬ８は図示せず）、ミラーＭ１〜Ｍ４、集光レンズ１１、反射拡散版１２、テーパーライトトンネル１３、形成部１６、三角プリズム１７及び投射光学系１８を備える。

以下、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ８を区別しない場合、単に半導体レーザＬＤという。同様に、集光レンズＣＬ１〜ＣＬ８を区別しない場合、単に集光レンズＣＬという。同様に、ミラーＭ１〜Ｍ４を区別しない場合、単にミラーＭという。

半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ８は、縦２列、横４列で配列されている。上段は半導体レーザＬＤ１、半導体レーザＬＤ２、半導体レーザＬＤ３、半導体レーザＬＤ４の順に配列され、下段は半導体レーザＬＤ５、半導体レーザＬＤ６、半導体レーザＬＤ７、半導体レーザＬＤ８の順に配列されている。各々の半導体レーザＬＤは、ＩｎＧａＮ系の材料により作成され、一定の発散角で青色単色光を発光する。

同様に、集光レンズＣＬ１〜ＣＬ８は、縦２列、横４列で配列されている。上段は集光レンズＣＬ１、集光レンズＣＬ２、集光レンズＣＬ３、集光レンズＣＬ４の順に配列され、下段は集光レンズＣＬ５、集光レンズＣＬ６、集光レンズＣＬ７、集光レンズＣＬ８の順に配列されている。各々の集光レンズＣＬは、投射されたレーザ光を集光し、レーザ光をほぼ平行の光束として、各々のミラーＭに投射する。

各々のミラーＭは投射されたレーザ光の光路を９０度折り曲げることにより、レーザ光を集光レンズ１１に投射する。具体的には、ミラーＭ１は半導体レーザＬＤ１及びＬＤ５により投射されたレーザ光の光路を９０度折り曲げることにより、レーザ光を集光レンズ１１に投射する。ミラーＭ２は半導体レーザＬＤ２及びＬＤ６により投射されたレーザ光の光路を９０度折り曲げることにより、レーザ光を集光レンズ１１に投射する。ミラーＭ３は半導体レーザＬＤ３及びＬＤ７により投射されたレーザ光の光路を９０度折り曲げることにより、レーザ光を集光レンズ１１に投射する。ミラーＭ４は半導体レーザＬＤ４及びＬＤ８により投射されたレーザ光の光路を９０度折り曲げることにより、レーザ光を集光レンズ１１に投射する。

集光レンズ１１は、半導体レーザＬＤ１〜ＬＤ８の８つのレーザ光を束ねて、反射拡散板１２近傍に集める。ここで反射拡散板１２について説明する。

図５は第２実施形態の反射拡散板１２の構成の例を示す図である。反射拡散板１２は、拡散面２１及び反射面２２を備える。拡散面２１は所定の拡散度を有する。集光レンズ１１から拡散面２１に入射したレーザ光は、所定の拡散度で拡散して反射面２２に入射する。反射面２２は、集光レンズ１１から拡散面２１を介して入射したレーザ光を反射する。拡散面２１は反射面２２により反射したレーザ光を再び所定の拡散度で拡散させる。これにより反射拡散板１２は集光レンズ１１から入射したレーザ光の光路を、ほぼ９０度折り曲げ、レーザ光をテーパーライトトンネル１３に出射する。このような反射拡散板１２を用いることで、１部品で２回、拡散面２１を通過させることが可能となり、より拡散効果を高めることができる。

ここで反射拡散板１２を使用する理由について説明する。レーザ光はコヒーレンシーが高く、互いに干渉することでスペックル現象といういわゆるぎらつきが生じる。このぎらつきが時間的な変動によって生じる発光強度変化であると、撮像時間が瞬間である場合、時間が異なることによって読み取りパターンが変り、正しい計測が出来ない問題が生じる。そこで反射拡散板１２を配置し、空間的及び時間的に発光分布の変動を均一化することによって、正確な画像の読み取りが可能になる。

図４に戻り、レーザ光は、反射拡散板１２により、ある程度拡散されて広がるが、ほとんどのレーザ光はテーパーライトトンネル１３に取り込まれる。テーパーライトトンネル１３は４つのミラー（反射面）により構成される。なお図４では、反射面１４及び反射面１５が図示されているが、残りの２つのミラー（反射面）については省略されている。図４で図示されているように、テーパーライトトンネル１３は入口よりも出口の開口が大きい。これは、入射するときのレーザ光の角度を、テーパーライトトンネル１３の内部で反射する度に、緩やかにさせるためである。すなわちテーパーライトトンネル１３の出口では、入口よりレーザ光の広がり角度が小さくなる。

テーパーライトトンネル１３から出射したレーザ光は形成部１６を照射する。なおテーパーライトトンネル１３から出射したレーザ光は発散するので、形成部１６はテーパーライトトンネル１３の出口に近い位置に配置する。形成部１６は不規則なパターンを有する。形成部１６はテーパーライトトンネル１３から出射されたレーザ光が照射されることにより、パターン光を形成する。

三角プリズム１７は、パターン光の光路を９０度折り曲げ、パターン光を投射光学系１８に入射させる。投射光学系１８はパターン光を拡大して投射する。

図３に戻り、投射装置３００は、上述の図４及び図５の構成によってパターン光３０を所定の投射領域に投射する。ステレオカメラ４００はパターン光３０が投射された被検物を撮像し、視差情報（及び距離情報）を取得する。

ここでステレオカメラ４００の構成の例について説明する。

図６は第２実施形態のステレオカメラ４００の構成の例を示す図である。第２実施形態のステレオカメラ４００は、第１カメラ３１、第２カメラ３２、記憶部３３、外部Ｉ／Ｆ３４、補正部３５、及び算出部３６を備える。

第１カメラ３１は被検物を撮像して基準画像を取得する。第２カメラ３２は被検物を撮像して比較画像を取得する。第１カメラ３１及び第２カメラ３２は光軸が平行になるように並列に配置されている。第１カメラ３１及び第２カメラ３２の撮像タイミングは同期されており、同じ被検物を同時に撮影する。

記憶部３３は基準画像、比較画像及び画像補正パラメータ等を記憶する。画像補正パラメータは、後述の補正部３５が基準画像及び比較画像の歪み等を補正するときに使用するパラメータである。

外部Ｉ／Ｆ３４は、記憶部３３のデータの入出力を行うためのインターフェースである。

補正部３５は、記憶部３３から基準画像、比較画像及び画像補正パラメータを読み出す。補正部３５は画像補正パラメータに応じた画像補正式により基準画像及び比較画像を補正する。画像補正式は基準画像（比較画像）の座標を変換することにより基準画像（比較画像）を補正する式である。例えば基準画像（比較画像）の座標をアフィン変換により補正する場合には、当該画像補正式は行列により表現できるので、画像補正パラメータは行列の成分である。また基準画像（比較画像）の座標を非線形な変換により補正する場合には、画像補正パラメータは、例えば当該変換を表す多項式等の係数である。なお補正部３５は、基準画像及び比較画像のいずれか一方を補正するようにしてもよい。すなわち画像補正式は、いずれか一方の画像を基準にして、もう一方の画像を補正するための画像補正式でもよい。補正部３５は、補正後の基準画像及び補正後の比較画像を算出部３６に入力する。

算出部３６は基準画像と比較画像とから被検物の像の視差情報を算出する。具体的には、算出部３６は補正後の基準画像の点に対応する補正後の比較画像の対応点を検索し、いわゆるステレオ測距を用いて被検物の視差情報を取得する。そして算出部３６は視差情報に基づいて被検物までの距離情報を取得する。

以上説明したように、投射装置３００が、投射領域に配置された披検物にパターン光を照射する。そしてステレオカメラ４００が当該被検物を撮像して基準画像及び比較画像を取得することにより、基準画像及び比較画像間の対応点が明確になり、いわゆるステレオ測距を用いて被検物表面の立体形状を示す距離情報を取得することができる。このときパターン光が、青の波長帯域であるため、心理物理量であるルーメン（ｌｍ）が低くても、準物理量であるワット量（Ｗ）は高い。そのためステレオカメラ４００による被検物の撮像に十分な光エネルギーを与えることができるとともに、視差取得装置２００（投射装置３００）の電力効率をより向上させることができる。

なお半導体レーザＬＤは、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の他の固体光源であってもよいが、半導体レーザＬＤが最も好適である。この理由は、半導体レーザＬＤは発光部が数ｕｍ、数十ｕｍ又は数ｍｍであり、集光光学系に対して十分小さい。したがって半導体レーザＬＤは集光レンズに対して平行に配置し易い。すなわち１つの半導体レーザＬＤの出力が小さくても、複数の半導体レーザＬＤを離散的に設けることができる。そのため互いの熱干渉の影響も緩和させることができ、発光効率を低下させずに、より高い光出力を得ることができる。また半導体レーザＬＤは小型なため、複数の半導体レーザを離散的に配置しても、投射装置３００を大型化させることがない。

１ 光源
２ 集光素子
３ 集光素子
４ 形成部
５ 投射光学系
６ 投射面
１１ 集光レンズ
１２ 反射拡散板
１３ テーパーライトトンネル
１４ 反射面
１５ 反射面
１６ 形成部
１７ 三角プリズム
１８ 投射光学系
２１ 拡散面
２２ 反射面
３０ パターン光
３１ 第１カメラ
３２ 第２カメラ
３３ 記憶部
３４ 外部Ｉ／Ｆ
３５ 補正部
３６ 算出部
１００ 投射装置
２００ 視差取得装置
３００ 投射装置
４００ ステレオカメラ
ＣＬ１〜ＣＬ８ 集光レンズ
ＬＤ１〜ＬＤ８ 半導体レーザ
Ｍ１〜Ｍ４ ミラー

特開２００１−１４７１１０号公報 特開２００７−０１７３５５号公報

Claims (6)

1. 撮像される被検物にパターン光を投射する投射装置であって、
   比視感度の最も高い波長よりも長い波長を含まない光を発光する光源と、
   前記光を集光する集光光学系と、
   前記集光光学系によって照明されることによりパターン光を形成する形成部と、
   前記パターン光を投射する投射光学系と、
   を備える投射装置。
2. 前記光源は、ピーク波長が４００ｎｍから４７０ｎｍに含まれる光を発光する、
   請求項１に記載の投射装置。
3. 前記光源は、ＩｎＧａＮ系の材料が用いられている固体光源である、
   請求項１又は２に記載の投射装置。
4. 前記光源は、少なくとも１つの発光ダイオード、又は、少なくとも１つの半導体レーザである、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投射装置。
5. 前記集光光学系により集光された光を、前記形成部に入射させる反射拡散版を更に備え、
   前記反射拡散版は、
   前記集光光学系により集光された光が入射する拡散面と、
   前記拡散面から入射した光を反射させて再び前記拡散面に入射させる反射面と、
   を備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の投射装置。
6. 撮像される被検物にパターン光を投射する投射装置と、ステレオカメラとを備える視差取得装置であって、
   前記投射装置は、
   比視感度の最も高い波長よりも長い波長を含まない光を発光する光源と、
   前記光を集光する集光光学系と、
   前記集光光学系によって照明されることによりパターン光を形成する形成部と、
   前記パターン光を投射する投射光学系と、を備え、
   前記ステレオカメラは、
   前記被検物を撮像して基準画像を取得する第１カメラと、
   前記被検物を撮像して比較画像を取得する第２カメラと、
   前記基準画像と前記比較画像とから前記被検物の像の視差情報を算出する算出部と、
   を備える視差取得装置。