JP2023522717A

JP2023522717A - コリメータ機能付き回折光学素子

Info

Publication number: JP2023522717A
Application number: JP2022563945A
Authority: JP
Inventors: 昭輝木村; チャオ－スーツァイ
Original assignee: マジックアイインコーポレイテッド
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2021-04-20
Publication date: 2023-05-31
Also published as: WO2021216528A1; TW202146936A; EP4162230A1; CN115667990A; US20210325686A1

Abstract

例示的な距離センサは、光点のパターンを物体上に投影するための投光システムを含む。投光システムは、コヒーレント光を投影するためのレーザ光源と、バイナリ階段状パターンを形成するようにエッチングされる複数の層を有する回折光学素子とを含み、ここで複数の層は、コヒーレント光を複数の光ビームに分割するように構成され、各光ビームは、パターンの１つの点を形成し、複数の層は、ビームの発散角を制御するように更に構成される。例示的な距離センサは、物体上に投影されたパターンの画像を取り込むための受光システムと、物体までの距離を、画像におけるパターンの外観、及び光点の軌跡の知識に基づいて計算するプロセッサとを更に含む。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０２０年４月２１日に出願された米国仮特許出願第６３／０１３，００２号の優先権を主張し、その全体を参照により本願に援用する。

本発明は、一般に距離測定に関し、特に、コリメータ機能付き回折光学素子を含む距離センサに関する。

自律航法、ロボット工学、及びその他の用途を含む多くの技術は、周囲空間の３次元マップの測定に依存して、衝突回避、ルート確認、及びその他のタスクを支援する。例えば、３次元マップは、周囲空間において様々な物体までの距離を示し得る。

いくつかの例では、距離を測定するために使用されるセンサは、光（例えば、赤外光）のパターンを、その距離が測定されている物体の表面上に投影し得る。光のパターンは、複数の別個の光点を含み得て、各光点は、距離センサから出射された単一の光ビームが物体の表面上に入射するときに作成される。次いで、物体までの距離は、パターンの外観に基づいて計算され得る。いくつかの例では、パターンを作成するために使用される複数の光ビームは、回折光学素子を使用して、距離センサの投光システムによって出射された単一のコヒーレント光のビームを複数の光ビームに分割することによって作成される。

例示的な距離センサは、複数の光点を含むパターンを物体上に投影するための投光システムを含む。投光システムは、コヒーレント光を投影するためのレーザ光源と、バイナリ階段状パターンを形成するようにエッチングされた複数の層を有する回折光学素子を含み、ここで複数の層は、コヒーレント光を複数の光ビームに分割するように構成され、複数の光ビームの各光ビームは、複数の光点のうちの１つの点を形成し、複数の層は、複数の光ビームの発散角を制御するように更に構成される。例示的な距離センサは更に、物体上に投影されたパターンの画像を取り込む受光システムと、物体までの距離を画像におけるパターンの外観及び複数の光点の軌跡の知識に基づいて計算するプロセッサを更に含む。

一例では、少なくとも１つのプロセッサを含む距離センサの処理システムによって実行される方法は、距離センサの投光システムに、パターンを物体上へ投影させることであって、ここでパターンは複数の光点を含み、複数の光点は、コリメータ機能を含む投光システムの回折光学素子によって形成されることと、距離センサの受光システムに、物体上へ投影されたパターンの画像を取り込ませることと、複数の光点のうちの少なくともいくつかの点について３次元座標のセットを計算することであって、ここで計算は、画像において少なくともいくつかの点の外観及び少なくともいくつかの点の軌跡の知識に基づくことと、を含む。

別の例では、非一時的な機械可読記憶媒体は、少なくとも１つのプロセッサを含む距離センサの処理システムによって実行可能な命令を用いて符号化される。実行されると、命令は、処理システムに動作を実行させ、動作は、距離センサの投光システムに、パターンを物体上へ投影させることであって、ここでパターンは複数の光点を含み、複数の光点は、コリメータ機能を含む投光システムの回折光学素子によって形成されることと、距離センサの受光システムに、物体上へ投影されたパターンの画像を取り込ませることと、複数の光点のうちの少なくともいくつかの点について３次元座標のセットを計算することであって、ここで計算は、画像において少なくともいくつかの点の外観及び少なくともいくつかの点の軌跡の知識に基づくことと、を含む。

本開示の例による例示的な距離センサの投光システムを示す概略図である。図１の投光システムによって形成され得る光のパターンを示す。本開示による、コリメータ機能を含む例示的な回折光学素子の表面の一部分の写真を示す。図３Ａの表面の断面図を示す。本開示の例による別の例示的な距離センサの投光システムを示す概略図である。コリメータ機能を含む開示された回折光学素子の例が使用され得る、例示的な距離センサを示す簡略化された概略図である。距離センサから物体までの距離を測定する例示的な方法を示すフローチャートである。距離センサから物体までの距離を測定するための例示的な電子デバイスの高レベルブロック図を示す。

本開示は、距離測定及び他の光学用途で使用するためのコリメータ機能を含む回折光学素子を広く説明する。上述のように、距離を測定するために使用されるセンサは、光（例えば、赤外光）のパターンを、その距離が測定されている物体の表面上に投影し得る。光のパターンは、複数の別個の光点を含むことができ、各光点は、距離センサから出射された単一の光ビームが物体の表面上に入射するときに作成される。次いで、物体までの距離は、パターンの外観に基づいて計算され得る。いくつかの例では、パターンを作成するために使用される複数の光ビームは、回折光学素子を使用して、距離センサの投光システムによって出射された単一のコヒーレント光のビームを複数の光ビームに分割することによって作成される。例えば、米国特許出願第１４／９２０，２４６号、第１５／１４９，３２３号、及び第１５／１４９，４２９号は、コヒーレント光のビームを分割するための回折光学素子を含む距離センサである。

半導体レーザのエミッタから投影されたコヒーレント光は、通常、ある程度のビーム発散、つまり光源からの距離に伴うビームの直径又は半径の増加を示す。ビームの直径又は半径の増加は、「発散角」と呼ばれる角度測定値を含み得る。発散角を調整するための従来の技術は、コリメータレンズを使用して、ビームが回折光学素子によって分割される前又は後に発散角を調整することを含む。

更に、多くの従来の距離センサはまた、光ビームを生成するために、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）光源を利用する。単一のＶＣＳＥＬエミッタを使用する設計もあれば、複数のＶＣＳＥＬエミッタが密に配置されたアレイを使用する別の設計もあり得る。ＶＣＳＥＬエミッタのアレイが使用される場合、個々のエミッタの投影方向は互いに平行になり、各エミッタから出射されるビームは特定の拡がり角を有する（つまり、エミッタからの距離とともにビームの幅が増加する）。したがって、ＶＣＳＥＬアレイによって出射された光をエミッタの配置に従って規定されたサイズで投影するために、光を一定の倍率（拡がり角）で投影する必要がある。

例えば、コリメータレンズがＶＣＳＥＬアレイと回折光学素子との間に配置される距離センサ構成（つまり、コヒーレント光のビームの発散角はビームが分割される前に調整される場合）では、コリメータレンズは、各ビームの発散角を制御するのみでなく、同時に複数のビームによって作成されたパターンを拡大して投影する。単一のＶＣＳＥＬエミッタ（又は単一の端面発光レーザ（ＥＥＬ））を使用する距離センサ構成では、エミッタによって出射されたコヒーレント光のビームは、同様に、回折光学素子によって分割される前に、コリメータレンズによって所望の拡がり角（例えば、平行光）を示すように成形されて、所望のパターンを形成し得る。

回折光学素子が単一のＶＣＳＥＬエミッタとコリメータレンズとの間に配置される距離センサ構成では、回折光学素子は、ＶＣＳＥＬエミッタによって出射されたコヒーレント光のビームを複数の光ビームに分割し、次にコリメータレンズが複数の光ビームを成形して、表面上に投影される任意の拡がり角（例えば、平行光）を示し得る。この場合、回折光学素子によって作成されたパターン（それぞれの発散角を示してもよい）は、コリメータレンズによって互いに平行にすることができる。ＶＣＳＥＬエミッタのアレイが単一のＶＣＳＥＬエミッタの代わりに使用される場合、回折光学素子を出る各光ビームの拡がり角は、コリメータレンズの位置とコリメータレンズの光パワー（つまり、コリメータレンズが光を収束する程度）によって成形され得る。同時に、ＶＣＳＥＬアレイの拡大投影仕様は、コリメータレンズの位置と光パワーによっても定義され得る。

本開示の例は、コリメータ機能を含む回折光学素子を使用し、回折光学素子の機能とコリメータレンズの機能を本質的に単一の構成要素に組み合わせている。これにより、距離感知用途のための光のパターンの投影を制御するために必要な構成要素の総数が減少し、機器のサイズと製造コストを削減することを可能にする。回折光学素子とコリメータレンズの機能性を組み合わせようとする以前の試みでは、傾斜面（例えば、フレネルスロープ）を使用する回折パターンが使用されており、これは製造が困難で、回折効率、ノイズ、及びパターンの均一性に関して最適化されていない位相分布をもたらす。対照的に、１つの例では、組み合わせられた機能性は、ビーム分割パターンと同じ平面において、回折光学素子の表面に階段状の回折パターンを作成することによって達成される。階段状パターンの例は、傾斜面のないバイナリ階段状回折パターンの複数の層を含む。開示された回折光学素子の提案されたパターニングは、傾斜回折格子よりも製造が容易であり、回折効率、ノイズ、及びパターン均一性についてより適切に最適化される。

図１は、本開示の例による例示的な距離センサの投光システム１００を示す概略図である。言い換えると、図１は、距離を計算することができる光のパターンを投影する距離センサの部分を示すが、距離センサの他の構成要素、例えば、光のパターンの画像を取り込み、画像に基づいて距離を計算するための受光システム及びプロセッサを省略する。

図１に示すように、例示的な距離センサの投光システム１００は、一般にエミッタ１０２及び回折光学素子１０４を含む。一例では、エミッタ１０２はＶＣＳＥＬエミッタを含む。ＶＣＳＥＬエミッタは、特に、個々のＶＣＳＥＬエミッタ１０６_１～１０６_ｎ（以下、個々に「ＶＣＳＥＬエミッタ１０６」と称されるか、「ＶＣＳＥＬエミッタ１０６」と総称される）のアレイを含み得る。各ＶＣＳＥＬエミッタ１０６は、人間の目には見えないが、例示的な距離センサの受光システムには見える波長の光ビーム（例えば、赤外光）を出射することができるレーザ光源を含み得る。

図１は、ＶＣＳＥＬエミッタ１０６の各々について、それぞれの中心発光軸１０８_１～１０８_ｎ（以下、個々に「軸１０８」と称されるか、「軸１０８」と総称される）を示す。加えて、図１は、ＶＣＳＥＬエミッタ１０６_１から出射されるコヒーレント光のビーム１１０を示す。ＶＣＳＥＬエミッタ１０６_２及び１０６_ｎは、同様の方法でコヒーレント光のビームを出射し得るが、そのようなビームは簡潔にするために図１には示されない。一例では、マイクロレンズ１１４が、エミッタ１０２の上に任意選択で配置され得る。

回折光学素子１０４は、エミッタ１０２と、出射された光が距離センサを出る投光システム１００の出口アパーチャ（図示せず）との間に配置される。加えて、ポジショニング部材１１６は、エミッタ１０２と回折光学素子１０４との間の厳密に位置合わせされた位置関係を高精度で維持するために使用され得る。一例では、ポジショニング部材１１６は、プラスチック又はポリマ、例えば液晶ポリマから形成されて、精密成形を容易にし得る。

一例では、回折光学素子１０４は、コリメータ機能を含み、以下で更に詳細に説明する。すなわち、エミッタ１０２によって出射されたコヒーレント光の各ビーム（例えば、ビーム１１０と同様）を複数の光ビームに分割することに加えて、回折光学素子１０４はまた、複数の光ビームを成形して、表面上に投影される任意の拡がり角度θを示し得る。回折光学素子１０４はまた、図１の角度φによって示される拡大機能を実行してもよい。一例では、回折光学素子１０４の光パワーは、凸レンズの光パワーに類似する。すなわち、回折光学素子１０４は、エミッタ１０２によって投影される光ビームの発散角を制御することができ、またエミッタ１０２がＶＣＳＥＬエミッタのアレイを含む場合に投影されるパターンを拡大し得る。

例えば、図１に示されるように、コヒーレント光のビーム１１０は、ＶＣＳＥＬエミッタ１０６_１によって出射され得る。コヒーレント光のビーム１１０が回折光学素子１０４に入射すると、回折光学素子１０４は、コヒーレント光のビーム１１０を複数の光ビーム１１２_１～１１２_ｍ（以下、個々に「ビーム１１２」と称するか、「ビーム１１２」と総称される）に分割する。更に、回折光学素子１０４はコリメータ機能も同様に実行するように構成されているため、回折光学素子１０４は複数のビーム１１２を成形して拡がり角θを示す。一例では、回折光学素子１０４による複数のビーム１１２の成形により、ビーム１１２の一部が互いに実質的に平行に（すなわち、所定の公差内で平行に）配向される結果になり得る。例えば、図１に示すように、ビーム１１２_１と１１２_２は互いに平行であり、ビーム１１２_３と１１２_４は互いに平行であり、ビーム１１２_５と１１２_６は互いに平行であり、ビーム１１２_７と１１２_８は互いに平行であり、ビーム１１２_９と１１２_ｍは互いに平行である。ＶＣＳＥＬエミッタ１０６_２及び１０６_ｎによって出射されたコヒーレント光のビームは、同様の方法で分割され成形され得る。

その結果は、表面上に投影される光点のパターンであり、各点は、複数のビームのうちの１つが表面上に入射するときに形成される。図２は、例えば、図１の投光システム１００によって形成され得る光のパターン２００を示す。図示のように、パターン２００は、複数の個々の光点２０２を含み、それは回折光学素子１０４のコリメータ機能によって拡大され得る。光の各点２０２は、回折光学素子１０４を出る複数のビームのうちの１つのビームによって形成され得る。更に、単一のコヒーレント光のビームから分割されるビームの各グループ（例えば、コヒーレント光のビーム１１０から分割された複数のビーム１１２）は、サブパターン２０４を形成することができ、それは繰り返されてパターン２００を形成し得る。すなわち、エミッタ１０２によって出射される各コヒーレント光のビームは、分割されると、サブパターン２０４のインスタンスを作成し得て、これにより、エミッタ１０２によって出射されるコヒーレント光のビームのすべてがサブパターン２０４のそれぞれのインスタンスを作成する場合（その結果、サブパターン２０４が空間の複数のそれぞれのセクション２０６_１～２０６_ｏの全体で繰り返され）、パターン２００を生じる。各セクション２０６で複製されるサブパターン２０４は、点２０２の規則的又は反復配置を示すように見えるが、繰り返されるサブパターン２０４は、他の例では、点２０２の不規則な、又は任意の配置を示し得ることが理解されるであろう。

上述のように、回折光学素子は、回折光学素子に入射する光ビームを分割するのみでなく、分割によって作成される光ビームをコリメートするようにも設計される。図３Ａは、本開示による、コリメータ機能を含む例示的な回折光学素子の表面３００の一部分の写真を示す。図３Ｂは、図３Ａの表面３００の断面図を示す。例示的な回折光学素子は、図１の回折光学素子１０４であってもよい。

図示のように、回折光学素子の表面３００は、一例では、バイナリ階段状の不規則なパターンを含むように設計され得る。バイナリ階段状の不規則なパターンは、例えばガラス基板にエッチングされ得る。各階段状は、ラン（すなわち、平坦な***面）と、ランに対して実質的に９０°の角度に向けられたライズ（すなわち、平坦な***面の高さ）とを含み得る。換言すれば、階段状は傾斜面を含まない。例えば、図３Ａ及び図３Ｂは、表面３００の複数の階段状のうちの１つのラン３０２及びライズ３０４を示す。

一例では、階段によって作成されたパターンは、不規則であり、それは、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、異なる階段状が異なるサイズ及び／又は成形されたラン、及び異なるライズを有し得るという意味である。しかし、図示のように、すべての階段状のランは互いに実質的に平行に、かつ表面３００の基部に平行に配向され、一方、すべての階段状のライズも互いに実質的に平行に配向される。したがって、すべての階段状のランとライズは互いに平行に配向されるが、必ずしも互いに同平面上にあるとは限らない（例えば、同平面上にあるものは、他のすべての階段状よりも少ない）。別の言い方をすると、回折光学素子の表面は、複数の（すなわち、２つ以上の）位相レベル又はバイナリ階段状の層３０６_１～３０６_ｉを含み得る。上から見ると、回折光学素子のパターンは一連の同心円に似てもよい。

図３Ａ及び図３Ｂに示されるパターンは、コヒーレント光のビームを複数のビームに分割することと、複数のビームをコリメートして拡がり角を制御することの両方が可能である。このようにして、その表面が図３Ａ及び図３Ｂに示されるパターンを呈するように設計された回折光学素子は、回折光学素子及びコリメータレンズの両方の機能を実行し得るが、単一の構成要素である。一例では、図３Ａ及び図３Ｂに示されるパターンは、エミッタ１０２に面している回折光学素子１０４の表面に形成される。

図４は、本開示の例による別の例示的な距離センサの投光システム４００を示す概略図である。図１のように、図４は、距離が計算され得る光のパターンを投影する距離センサの部分を示すが、距離センサの別の構成要素、例えば、光のパターンの画像を取り込み、画像に基づいて距離を計算するための受光システム及びプロセッサを省略する。

図４に示すように、例示的な距離センサの投光システム４００は、一般に、エミッタ４０２と回折光学素子４０４を含む。一例では、エミッタ４０２はＶＣＳＥＬエミッタを含む。しかしながら、図１のエミッタ１０１が個々のＶＣＳＥＬエミッタ１０６のアレイを含むのとは異なり、エミッタ４０２は、単一のＶＣＳＥＬエミッタ４０６を含む。ＶＣＳＥＬエミッタ４０６は、人間の目には見えないが、例示的な距離センサの受光システムには見える波長の光ビーム（例えば、赤外光）を出射することができるレーザ光源を含み得る。図４はまた、ＶＣＳＥＬエミッタ４０６に関して、中心発光軸４０８を示す。更に、図４は、ＶＣＳＥＬエミッタ４０６から出射されるコヒーレント光のビーム４１０を示す。

回折光学素子４０４は、エミッタ４０２と、出射された光が距離センサを出る投光システム４００の出口アパーチャ（図示せず）との間に配置される。加えて、ポジショニング部材４１６は、エミッタ４０２と回折光学素子４０４との間の厳密に位置合わせされた位置関係を維持するために使用され得る。

一例では、回折光学素子４０４は、上述のようにコリメータ機能を含む。すなわち、エミッタ４０２によって出射されたコヒーレント光のビーム４１０を複数の光ビームに分割することに加えて、回折光学素子４０４はまた、複数の光ビームを成形して、表面上に投影される任意の拡がり角度を呈し得る

例えば、図４に示されるように、コヒーレント光のビーム４１０は、ＶＣＳＥＬエミッタ４０６によって出射され得る。コヒーレント光のビーム４１０が回折光学素子４０４に入射すると、回折光学素子４０４は、コヒーレント光のビーム４１０を複数の光ビーム４１２_１～４１２_ｍ（以下、個々に「ビーム４１２」と称するか、「ビーム４１２」と総称される）に分割する。更に、回折光学素子４０４はコリメータ機能も同様に実行するように構成されているため、回折光学素子４０４は複数のビーム４１２を成形して任意の拡がり角を呈する。一例では、回折光学素子４０４による複数のビーム４１２の成形により、ビーム４１２の一部が互いに実質的に平行に（すなわち、所定の公差内で平行に）配向される結果になり得る。例えば、図４に示すように、ビーム４１２_１と４１２_２は互いに平行であり、ビーム４１２_３と４１２_４は互いに平行であり、ビーム４１２_５と４１２_６は互いに平行であり、ビーム４１２_７と４１２_８は互いに平行であり、ビーム４１２_９と４１２_ｍは互いに平行である。

コリメータ機能を含む回折光学素子を使用する本開示の距離センサは、様々な距離感知スキーム及び用途で使用され得る。例えば、開示された距離センサによって投影されるパターンは、多点投影を使用する三角測量方式（例えば、距離は、格子などの点の規則的なパターン、点が指定されたルールに従ってコードを形成するように配置されるコードパターン、又は点の配置の規則性が最小化される疑似ランダムパターンの投影から計算される）、多点投影を使用した飛行時間（例えば、光点がパルス化される）、多点投影を使用するステレオシステム（例えば、特徴検出のサポート手段として）、又は三角測距方式（例えば、光点ではなく複数の光のストライプを投影することによって）に従って距離を計算するために使用されてもよい。そのような距離センサは、携帯電話、パーソナルコンピュータ、及びより小さなフォームファクタとより低い製造コストが望まれる他のデバイスを含んでいるデバイスに組み込まれ得る。

このような距離センサはまた、顔認証、ジェスチャ認識、及び３次元認識を含む用途において使用され得る。用途に適したパターンは、エミッタの配置とサイズ（例えば、アレイ内の個々のエミッタの数と配置）を変更することによって実現され得る。

図５は、コリメータ機能を含む開示された回折光学素子の例が使用され得る、例示的な距離センサ５００を示す簡略化された概略図である。距離センサ５００は、一般に、プロセッサ５０２、投光システム５０４、及び受光システム５０６を含む。

プロセッサ５０２は、ハードウェアプロセッサ要素５０２、例えば、中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロプロセッサ、又はマルチコアプロセッサを含み得る。プロセッサ５０２は、投光システム５０４及び受光システム５０６の両方の動作を制御するように構成され得て、以下で更に詳細に説明する。

投光システムは、図１及び図４に示し、上述した投光システムと同様に構成され得る。したがって、投光システムは、レーザ光源（例えば、単一のエミッタ又はエミッタのアレイのいずれか）と、コリメータ機能を含む回折光学素子とを含み得て、回折光学素子はパターニングされて、（１）レーザ源によって出射されたコヒーレント光のビームを複数の光ビームに分割し、（２）複数の光ビームをコリメートして、投光システム５０４によって出射される光の発散角を制御する。コリメータ機能を含む回折光学素子はまた、投光システム５０４によって表面５１０上に投影される投影パターン（すなわち、光点の配置）５０８の倍率を制御し得る。プロセッサ５０２は、投光システム５０４を制御して、パターン５０８を投影し得る（例えば、エミッタ（複数可）に、指定された時間及び／又は指定された期間にわたって光を出射するよう指示する信号を送ることによる）。図５に示される例示的なパターン５０８は、点の規則的又は反復配置を示すが、パターン５０８は、他の例では任意又は不均一な（例えば非反復）点の配置を示してもよいことを理解する。

受光システム５０６は、表面５１０上に投影されたパターン５０８の画像を取り込む画像センサ（例えば、カメラ）及び他の光学系（例えば、フィルタ）を含み得る。上述のように、パターン５０８は、投光システム５０４によって出射される光の波長のために人間の目には見えなくてもよいが、受光システム５０６の適切に構成された画像センサ（例えば、受光器）には見えてもよい。プロセッサ５０２は、受光システム５０６を制御して、パターンの画像を（例えば、受光システムに、指定の時間に画像を取り込むように指示する信号を送ることによって）取り込み得る。受光システム５０６によって取り込まれた画像は、距離計算のためにプロセッサ５０２に転送され得る。

プロセッサ５０２は、表面５１０までの距離を、受光システム５０６によって取り込まれた画像においてパターン５０８の外観に基づき計算し得る。例えば、プロセッサ５０２は、パターン５０８の画像又は既知の構成を保存し得て、取り込まれた画像を保存された画像及び／又は既知の構成と比較して、距離を例えば、三角測量方式、飛行時間、又は他の技術を使用して計算し得る。例えば、距離は、米国特許出願第１４／９２０，２４６号、第１５／１４９，３２３号、及び第１５／１４９，４２９号に記載された方法のいずれかに従って計算され得る。

図６は、距離センサから物体までの距離を測定する例示的な方法６００を示すフローチャートである。方法６００は、例えば、図５の距離センサ５００のプロセッサ５０２などの少なくとも１つのプロセッサを含む処理システムによって実行され得る。代替的に、方法６００は、コンピューティングデバイス、例えば、図７に示され、以下で更に詳細に説明されるコンピューティングデバイス７００の処理システムによって実行されてもよい。例として、方法６００は、処理システムによって実行されるものとして説明される。

方法６００は、ステップ６０２で開始され得る。ステップ６０４において、距離センサの処理システムは、距離センサの投光システムに、光のパターンを物体上へ投影させることができ、ここで投光システムは、コリメータ機能を含んでいる回折光学素子を含む。距離センサの投光システムは、例えば、レーザ光源を含み得て、それは人間の目には実質的に見えない波長の１つ以上の光ビーム（例えば、赤外光）を出射する。距離センサの投光システムは、回折光学素子を更に含み得て、その表面は上述のようにパターニングされ（例えば、バイナリ階段状パターンの複数の層を含む）、（１）レーザ光源によって出射された光ビーム（複数可）を複数の追加の光ビームに分割し、（２）複数の追加の光ビームをコリメートして、光のパターンの拡がり角度及び倍率を制御する。

したがって、投光システムは、複数の光ビームを投影し得る。複数の光ビームの各ビームが物体上に入射すると、ビームは物体上に光点（例えば、ドット又は他の形状）を作成する。複数のビームによって作成された複数の光点は、集合的に物体上に光のパターンを形成する。光のパターンは、複数の光点の所定の配置を含み得る。例えば、複数の光点は、複数の行及び複数の列を含む格子に配置されてもよく、垂直又は水平のストライプを形成するように配置されてもよい。

ステップ６０６において、処理システムは、距離センサの受光システムに、物体上へ投影された光のパターンの画像を取り込ませ得る。上述のように、距離センサの受光システムは、例えば、撮像センサ及び１つ以上のレンズを含み得て、それらはカメラを集合的に形成する。撮像センサは、受光器と任意選択のフィルタとのアレイを含み得て、それはパターンの光点を検出できる。例えば、受光器は赤外線受光器を含むことができ、フィルタは赤外線バンドパスフィルタを含み得る。

ステップ６０８において、処理システムは、複数の光点のうちの少なくともいくつかの光点について３次元座標のセットを、画像において少なくともいくつかの光点の外観及び少なくともいくつかの交点の軌跡の知識に基づいて計算し得る。光点についての３次元座標のセットは、（ｘ、ｙ、ｚ）座標を含み得て、ここでｚ座標は、距離センサから点までの距離（又は深さ）を測定し得る。点の軌跡は、移動範囲を含み得て、その範囲内で、点の位置が物体までの距離とともに変化し得る。複数の光点の各点の軌跡は、方法６００を実行する前に、距離センサの較正を通じて学習されてもよい。

方法６００は、ステップ６１０で終了し得る。

明示的に指定されていないが、上述した方法６００のブロック、機能、又は動作のいくつかは、特定の用途のために保存、表示、及び／又は出力することを含み得ることに留意する必要がある。言い換えると、方法６００で論じられた任意のデータ、レコード、フィールド、及び／又は中間結果は、特定の用途に応じて、別のデバイスに保存、表示、及び／又は出力され得る。更に、決定操作を列挙する、又は決定を伴う図６のブロック、機能、又は動作は、決定操作の両方の分岐が実行されることを意味するものではない。言い換えると、決定操作の分岐のいずれかは、決定操作の結果によっては実行されない場合がある。

図７は、距離センサから物体までの距離を測定するための例示的な電子デバイス７００の高レベルブロック図を示す。このように、電子デバイス７００は、距離センサなどの電子デバイス又はシステムのプロセッサとして実装され得る。

図７に示されるように、電子デバイス７００は、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロプロセッサ、又はマルチコアプロセッサなどのハードウェアプロセッサ要素７０２と、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び／又は読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）などのメモリ７０４と、距離センサから物体までの距離を測定するためのモジュール７０５と、例えば記憶装置などの様々な入力／出力デバイス７０６を含み、記憶装置には、限定するものではないがテープドライブ、フロッピドライブ、ハードディスクドライブ又はコンパクトディスクドライブ、受信機、送信機、ディスプレイ、出力ポート、入力ポート、及びユーザ入力デバイス、例えばキーボード、キーパッド、マウス、マイク、カメラ、レーザ光源、ＬＥＤ光源など、が挙げられる。

１つのプロセッサ要素が示されるが、電子デバイス７００は複数のプロセッサ要素を使用し得ることに留意する必要がある。更に、図には１つの電子デバイス７００が示されるが、上記の方法（複数可）が特定の例示的な例について分散型又は並列方式で実装される場合、すなわち、上記の方法（複数可）のブロック又は方法（複数可）全体が複数の又は並列の電子デバイスにわたって実装される場合、この図の電子デバイス７００は、それらの複数の電子デバイスのそれぞれを表すことを意図する。

本開示は、機械可読命令によって、及び／又は機械可読命令とハードウェアとの組合せにおいて、例えば、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）を含むプログラマブルロジックアレイ（ＰＬＡ）、又はハードウェアデバイス上に配備されたステートマシンを使用して実装され得て、汎用コンピュータ又は任意の他のハードウェア等価物、例えば、上記で論じられた方法（複数可）に関するコンピュータ可読命令を使用して、上記で開示された方法（複数可）のブロック、機能、及び／又は動作を実行するようにハードウェアプロセッサを構成し得ることに留意する必要がある。

一例では、距離センサから物体までの距離を測定するための本モジュール又はプロセス７０５のための命令及びデータ、例えば機械可読命令は、メモリ７０４にロードされ、ハードウェアプロセッサ要素７０２によって実行されて、方法６００に関連して上で議論されたようなブロック、機能又は動作を実施し得る。更に、ハードウェアプロセッサが「動作」を実行するための命令を実行する場合、これは、ハードウェアプロセッサが直接動作を実行すること、及び／又は動作を実行するために、別のハードウェアデバイス又は構成要素、例えばコプロセッサなどを促し、指示し、又は協働することを含み得る。

上述の方法（複数可）に関連する機械可読命令を実行するプロセッサは、プログラムされたプロセッサ又は特殊なプロセッサとして認識され得る。このように、本開示の距離センサから物体までの距離を測定するための本モジュール７０５は、有形又は物理的な（広くは非一時的な）コンピュータ可読記憶装置又は媒体、例えば、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、ＲＯＭメモリ、ＲＡＭメモリ、磁気ドライブ又は光学ドライブ、デバイス又はディスケットなどに保存され得る。特に、コンピュータ可読記憶装置は、プロセッサ、又はコンピュータ若しくは安全センサシステムのコントローラなどの電子デバイスによってアクセスされるデータ及び／又は命令などの情報を保存する機能を提供する任意の物理デバイスを含み得る。

上記開示と他の特徴及び機能の変形、又はその代替は、他の多くの異なるシステム又は用途に組み込まれてもよいことが理解される。現在予想されていない、又は予期していないその中の様々な代替、修正、又は変形は、後に行われてもよく、これらも以下の特許請求の範囲によって包含されることが意図される。

Claims

複数の光点を含むパターンを物体上に投影するための投光システムであって、
コヒーレント光を投影するためのレーザ光源、及び、バイナリ階段状パターンを形成するようにエッチングされた複数の層を有する回折光学素子を含む投光システムと、
前記物体上に投影された前記パターンの画像を取り込む受光システムと、
前記物体までの距離を前記画像における前記パターンの外観及び前記複数の光点の軌跡の知識に基づいて計算するプロセッサと、
を備え、
前記複数の層は、前記コヒーレント光を複数の光ビームに分割するように構成され、
前記複数の光ビームの各光ビームは、前記複数の光点のうちの１つの点を形成し、
前記複数の層は、前記複数の光ビームの発散角を制御するように更に構成される、
ことを特徴とする距離センサ。
前記レーザ光源が、前記回折光学素子に向かって単一のコヒーレント光のビームを出射する単一の垂直共振器面発光レーザを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
前記レーザ光源が、前記回折光学素子に向かって単一のコヒーレント光のビームを出射する単一の端面発光レーザを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
前記レーザ光源が、前記回折光学素子に向かって複数のコヒーレント光のビームを集合的に出射する複数の垂直共振器面発光レーザのアレイを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
前記複数の層が更に前記パターンを拡大するように構成される、
ことを特徴とする請求項４に記載の距離センサ。
前記バイナリ階段状パターンの各バイナリ階段状パターンが、複数の階段状の不規則な配置を含み、
前記複数の階段状の各階段状は、ライズ及び勾配のないランを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
前記複数の階段状の各階段状の前記ランが、前記複数の階段状の他の階段状のランと平行であるが、前記他の階段状のすべての前記ランよりも少ない数で同平面上にある、
ことを特徴とする請求項６に記載の距離センサ。
前記レーザ光源と前記回折光学素子との間の位置合わせされた位置関係を維持するように配置されたポジショニング部材を更に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
前記複数の層が、前記レーザ光源に面する前記回折光学素子の表面に規定される、
ことを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
前記コヒーレント光が、人間の目には見えないが、前記受光システムの受光器には見える光の波長を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
前記複数の光ビームが、前記物体の表面上で繰り返される点のパターンを、前記回折光学素子によって前記コヒーレント光から分割された別の複数の光ビームによって形成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の距離センサ。
前記点のパターンが規則的なパターンを含む、
ことを特徴とする請求項１１に記載の距離センサ。
前記点のパターンが不規則なパターンを含む、
ことを特徴とする請求項１１に記載の距離センサ。
少なくとも１つのプロセッサを含む距離センサの処理システムによって、前記距離センサの投光システムに、コリメータ機能を含む前記投光システムの回折光学素子によって形成される複数の光点を含むパターンを物体上へ投影させることと、
前記処理システムによって、前記距離センサの受光システムに、前記物体上に投影された前記パターンの画像を取り込ませることと、
前記処理システムによって、前記画像における少なくともいくつかの点の外観及び前記少なくともいくつかの点の軌跡の知識に基づいて、前記複数の光点のうちの少なくともいくつかの点について３次元座標のセットを計算することと、
を含むことを特徴とする方法。
前記回折光学素子が、バイナリ階段状パターンを形成するようにエッチングされた複数の層を含み、
前記複数の層は、前記投光システムのレーザ光源によって出射されたコヒーレント光を複数の光ビームに分割するように構成され、
前記複数の光ビームの各光ビームは、前記複数の光点のうちの１つの点を形成し、
前記複数の層は、前記複数の光ビームの発散角を制御するように更に構成される、
ことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記レーザ光源が、前記回折光学素子に向かって単一のコヒーレント光のビームを出射する単一の垂直共振器面発光レーザを含む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記レーザ光源が、前記回折光学素子に向かって単一のコヒーレント光のビームを出射する単一の端面発光レーザを含む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記レーザ光源が、前記回折光学素子に向かって複数のコヒーレント光のビームを集合的に出射する複数の垂直共振器面発光レーザのアレイを含む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記バイナリ階段状パターンの各バイナリ階段状パターンが、複数の階段状の不規則な配置を含み、
前記複数の階段状の各階段状は、ライズ及び勾配のないランを含む、
ことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
少なくとも１つのプロセッサを含む距離センサの処理システムによって実行可能な命令を用いて符号化される非一時的な機械可読記憶媒体であって、
前記処理システムによって実行されると、前記命令は、前記処理システムに動作を実行させ、
前記動作が、
前記距離センサの投光システムに、コリメータ機能を含む前記投光システムの回折光学素子によって形成される複数の交点を含むパターンを物体上へ投影させることと、
前記距離センサの受光システムに、前記物体上に投影された前記パターンの画像を取り込ませることと、
前記画像における前記少なくともいくつかの点の外観及び前記少なくともいくつかの点の軌跡の知識に基づいて、前記複数の光点の少なくともいくつかの点について３次元座標のセットを計算することと、
を含むことを特徴とする非一時的な機械可読記憶媒体。