JP7379859B2 - 光源、投影装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源、投影装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置に関する。

レーザー光源は共振器増幅による高出力化やフォーカスフリーなどＬＥＤ（Light Emitting Diode）にはない利点を備えており、プロジェクターや距離計測など様々な機器に採用されている。しかしながら、レーザー光の特徴的性質である過干渉性（コヒーレンス）は、照射対象を観察する観察面である眼の網膜やカメラの撮像素子などにスペックルノイズという斑点模様のちらつきを発生させる。スペックルノイズは画質や測定精度に悪影響を及ぼし、レーザー使用上のデメリットとなるため、レーザーを使用する場合にスペックルノイズを低減する必要がある。

スペックルノイズを低減する目的で、複数の発光部を有する面発光型半導体レーザーアレイと、複数の発光部を制御して発光パターンを切り替える制御部とを有するレーザー光源について開示したものがある（特許文献１参照）。

しかしながら、従来はスペックルノイズを低減させる場合、その多くは光源もしくは受光側を工夫することでスペックル模様を変化させ、それらの平均化（重畳）によりノイズ低減する手法であり、顕著な効果を得るには投光部の大型化やシステムの複雑化によるコストアップという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、投光部の大型化やコストアップを招くことなくスペックルノイズを低減させることが可能な光源、投影装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形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、本発明の一実施の形態の光源は、面内に、それぞれ所定の発振波長の光を発する複数の発光素子を有し、前記複数の発光素子の素子配置は、想定する投影領域において、複数の前記発光素子の照射光が重なり合う素子間隔を満たし且つ前記想定する投影領域で得られる前記各照射光のスペックルパターンが照射光毎に異なる素子間隔を満たし、前記発振波長の異なる前記発光素子を少なくとも一つずつ含む発光素子群を前記複数の発光素子の最小単位として、複数の前記最小単位の発光素子群を、同じ発振波長の前記発光素子が周期的な位置をとるように配置され、前記最小単位の発光素子群が有する前記発光素子は、一方に隣接する前記発光素子が発する光の発振波長との波長差が、前記最小単位の発光素子群の有する前記発光素子が発する光の発振波長を波長順となるように配置したときの波長差よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、投光部の大型化やコストアップを招くことなくスペックルノイズを低減させることが可能になるという効果を奏する。

図１は、レーザーのスペックルノイズの発生原理を示す概念図である。 図２は、光源の間隔と観測点への入射角との関係を示す図である。 図３は、発光素子間のピッチが５０μｍ以下の４０ｃＨ－ＶＣＳＥＬ光源（λ＝７８０ｎｍ）を使用した場合の実験結果を示す図である。 図４は、θを変化させた場合の実験結果の一例を示す図である。 図５は、実施例１に係るＶＣＳＥＬアレイのレイアウト構成の一例を示す図である。 図６は、図５に示すＶＣＳＥＬアレイを使用して１ｃＨ（１つの発光素子）の点灯を行った場合と、１００ｃＨ全てを点灯した場合とにおけるスペックル撮影画像の一例を示す図である。 図７は、実施例１に係るＶＣＳＥＬアレイを使用した場合のスペックルノイズ低減効果の実験結果を示す図である。 図８は、実施例２に係るＶＣＳＥＬアレイのレイアウト構成の一例を示す図である。 図９は、セット内の異なる波長の発光素子の並び順をランダムにした一例を示す図である。 図１０は、ＶＣＳＥＬアレイの構成の変形例を示す図である。 図１１は、第２の実施の形態に係る投影装置の構成の一例を示す図である。 図１２は、光偏向素子の構成の一例を説明する図である。 図１３は、第３の実施の形態に係る計測装置の一例を示す図である。 図１４は、計測装置のブロック構成の一例を示す図である。 図１５は、第４の実施の形態に係るロボットの構成の一例を示す図である。 図１６は、第４の実施の形態に係るスマートフォンなどの電子デバイスの構成の一例を示す図である。 図１７は、第５の実施の形態に係る車両の構成の一例を示す図である。 図１８は、第５の実施の形態に係るその他の移動体の構成の一例を示す図である。 図１９は、第６の実施の形態に係る３Ｄプリンタの構成の一例を示す図である。

以下に添付図面を参照して、光源、投影装置、計測装置、ロボット、電子機器、移動体、および造形装置の実施の形態を説明する。なお、以下の実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
先ず、第１の実施の形態にかかる観察面で発現するスペックルおよびスペックルが解消する原理について説明する。

図１は、レーザーのスペックル（スペックルノイズ）の発生原理を示す概念図である。図１（ａ）には、レーザー光源１０００と、スクリーン１００１と、カメラ１００２とで構成された系を示している。図１（ｂ）には、レーザー光源１０００からスクリーン１００１へベタ画像を投影した場合においてカメラ１００２で観察される観察画像（スペックル画像）１００３を示している。この観察画像１００３にはカメラ１００２の撮像素子上で発現したスペックルが含まれている。

レーザー光源１０００からスクリーン１００１へベタ画像を投影するとベタ画像を構成する光Ｐ１の一部がスクリーン１００１の表面内部で多重散乱する。この多重散乱した光はスクリーン１００１の表面内部から外部に出てくるが、外部に出てきた散乱光Ｐ２はスクリーン１００１の表面の不規則性（凹凸）の形状によってランダムな位相成分が付加されている。散乱光Ｐ２はレンズなどの光学系を介してカメラ１００２の観察面（撮像素子）に収束され、レーザー光がコヒーレント光であることにより散乱光Ｐ２が観測面で互いに干渉し重なり合う。その結果、観察面に明るい場所と暗い場所がランダムに出現し、斑点模様のスペックルパターンが観察される。この明暗のチラツキが画質や各種測定に悪影響を与えるノイズ源となっている。この現象は、投光系・被写体・受光系の全ての要素が絡んだ複雑なもので、カメラ１００２のレンズや撮像素子の画素サイズなどによって観察されるスペックルパターンは大きく変化する。

図１（ｂ）には、カメラ１００２で観察した場合の観察画像１００３を示しているが、スクリーン１００１に投影したベタ画像をカメラ１００２ではなく、レーザーディスプレイなど、人間の目で観察する場合においても網膜上に同じようなスペックルパターンが現れる。

続いて、スペックルノイズが低減可能であることを定性的に説明する。先ず、スペックルノイズの指標について説明する。次式（１）は、スペックルノイズの指標に用いられるスペックル・コントラスト（Ｃｓ）を表す式である。
Ｃｓ＝σ／Ｓ・・・（１）

式（１）において、Ｓはベタ画像を投影したときの撮影画像の平均輝度値、σは標準偏差である。式（１）に示すように、Ｃｓは一般的な信号強度を示す信号対雑音比（ＳＮＲ）の逆数で示される。式（１）のＣｓが示すコントラスト値が低いほどスペックルノイズが低く、チラツキが少ない画像であることを表す。

観察面において観察されるスペックルパターンは、投光系・被写体・受光系の全ての要素が絡んだ複雑なものである。一般的に、複数のレーザー光源１０００があるとすると、各レーザー光源１０００により発現するスペックルパターンは同じではなくランダムなものとなる。したがって、複数のレーザー光源１０００を設けてレーザー光源１０００ごとに異なるスペックルパターンを生成し、それらのスペックルパターンを観察面に重ね合わせれば、複数のランダムなスペックルパターンにより観察面のスペックルノイズが平均化され、スペックルノイズが低減することになる。

この考え方に基づきスペックルノイズの平均化と低減との関係について数式（１）をさらに変形する。観察面で重なり合うｎ枚（ただし、ｎは自然数）のスペックルパターン（各スペックルパターンの画像をスペックル画像と呼ぶ）について、スペックル画像ｋの平均輝度をＳ_ｋ、標準偏差をσ_ｋ、スペックルコントラストをＣｓ_ｋとする。この場合において、照射元のレーザー光源１０００を同じパワーにすると、各スペックル画像の平均輝度Ｓ_ｋ、標準偏差σ_ｋ、スペックルコントラストＣｓ_ｋは等しくなるので、次の式（２）～（４）の関係になると考えることができる。
Ｓ_１＝Ｓ_２＝Ｓ_３＝・・・＝Ｓ_ｎ＝Ｓ ・・・（２）
σ_１＝σ_２＝σ_３＝・・・＝σ_ｎ＝σ ・・・（３）
Ｃｓ_１＝Ｃｓ_２＝Ｃｓ_３＝・・・＝Ｃｓ_ｎ＝Ｃｓ ・・・（４）

従って、ｎ枚のスペックル画像を合成した場合の輝度値Ｓ_ＳＵＭは、式（２）の条件を適用すれば次式（５）となる。
Ｓ_ＳＵＭ＝Ｓ_１＋Ｓ_２＋Ｓ_３＋・・・＋Ｓ_ｎ＝Ｓ×ｎ ・・・（５）

また、標準偏差σ_ＳＵＭに関しては、次の式（６）の分散の加法性を利用することができる。
σ_ＳＵＭ ^２＝σ_１ ^２＋σ_２ ^２＋σ_３ ^２＋・・・＋σ_ｎ ^２ ・・・（６）

式（６）に式（３）の条件を適用すると次式（７）が得られる。
σ_ＳＵＭ＝√（σ^２×ｎ）＝σ√ｎ ・・・（７）

以上から、ｎ枚のスペックル画像を重ね合わせて観察される観察画像のスペックルコントラスト（Ｃｓ_ＳＵＭ）は、次の式（８）となる。

Ｃｓ_ＳＵＭ＝σ√ｎ／（Ｓ×ｎ）＝（√ｎ／ｎ）×（σ／Ｓ）＝１／√ｎ×Ｃｓ
・・・（８）
式（８）は、ｎ枚のスペックル画像を平均化することでスペックルコントラストが１／√ｎに改善（低減）することを示している。従って、計算では、レーザー光源１０００がｎ個の場合にスペックルコントラスト（Ｃｓ）が１／√ｎだけ改善することが期待できる。

ここで、上記の計算結果を得るには、複数のランダムなスペックルパターンを重ね合わせることが必要であり、つまり各レーザー光源１０００により出現するスペックルパターンが異なることが前提になる。この問題は、例えば複数光源角度多重を利用することにより達成することができる。複数光源角度多重は、光源ごとに観測点への光の入射角度を異ならせることにより光源ごとに異なるスペックルパターンを生成する方式でスペックル画像を多重化する。従って、以下では、一例として複数光源角度多重を利用し、その上で上記式（８）を満たす面発光型半導体レーザーの設定について検討する。

図２は、光源の間隔と観測点への入射角との関係を示す図である。図２に示す系は、カメラ１００２、スクリーン１００１、およびＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）光源１１００により構成されたものを示している。

ＶＣＳＥＬ光源１１００は「面発光型半導体レーザー」の一例である。ＶＣＳＥＬ光源１１００は面内にレーザー光源１０００に相当する多数の発光素子１１０１を有する。ここでは入射角の説明のため、多数の発光素子１１０１のうちの２つの発光素子１１０１のみを示している。各発光素子１１０１はコヒーレントな光を発光する半導体レーザーダイオード等の素子である。

スクリーン１００１には白色拡散板を使用している。この系では、ＶＣＳＥＬ光源１１００からスクリーン１００１までの距離（ＬＷＤ）や、ＶＣＳＥＬ光源１１００の２つの発光素子１１０１間の距離（Ｄ）を変えることで、２つの発光素子１１０１からスクリーン１００１へ入射するそれぞれの光がなす角度θが変化する。例えば、発光素子１１０１間の距離（Ｄ）を大きくするとθが大きくなり、スクリーン１００１までの距離（ＬＷＤ）を大きくするとθは小さくなる。つまりθは、光源の間隔を調整することにより値を変更することができる。

図３は、発光素子間のピッチ（Ｄ）が５０μｍ以下の４０ｃＨ－ＶＣＳＥＬ光源を使用した場合の実験結果を示す図である。各発光素子の発振波長は一律、λ＝７８０ｎｍである。図３には、横軸を点灯光源数（ｎ個）とし、縦軸をスペックルコントラスト（Ｃｓ）の変化率として、スペックルノイズの測定結果をプロットした。なお、縦軸は、ｎ＝１のときのスペックルパターンをスペックルコントラスト（Ｃｓ）の基準とした場合の変化率である。

図３の破線グラフは、式（８）が示す１／√ｎの理論値を表す曲線（理論値曲線）グラフである。この測定結果から、点灯光源数が４（つまりｎ＝４）までは理論値の曲線グラフに追従してスペックルコントラスト（Ｃｓ）が低下しており、スペックルノイズが低減していることがわかる。しかし、点灯光源数がｎ＝４以降、点灯光源数を４個から順次増やしても、スペックルコントラスト（Ｃｓ）はほとんど変わらず、理論値通りにスペックルノイズが低下しない。

しかし、点灯光源数を４０個に増やしても、点灯光源数が４個のときと比べてスペックルコントラスト（Ｃｓ）がほとんど変わらず、理論値に対し実際の低減効果は１／３以下に止まる。

この結果から、点灯光源数を単に増やしていくだけではスペックルノイズの低減効果はある程度で止まり、点灯光源数を増やしていってもスペックルノイズの十分な低減を期待することはできないことが分かる。従って、ＶＣＳＥＬ光源１１００として、単に複数の発光素子が配列されたものを使用するだけではスペックルノイズの低減効果は限定的であることが分かる。

そこで、本発明者は、スペックル低減に寄与する発光素子をＶＣＳＥＬ光源１１００に効率良く集積する設計について検討した。

実験では、図２に示すＶＣＳＥＬ光源１１００の素子間隔（Ｄ）を徐々に変えていくことによりθを振る。そして、各θの値において、一つの発光素子と、θに対応する素子間隔の発光素子とを点灯し、スクリーン１００１をカメラ１００２で撮影する。そして、カメラ１００２による撮影画像から、θの値毎に、重なり合うスペックルパターンのスペックルコントラスト（Ｃｓ）を測定する。

図４は、θを変化させた場合の実験結果の一例を示す図である。図４には、横軸をθとし、縦軸をスペックルコントラスト（Ｃｓ）の変化率とした場合の実験結果を示している。

図４に示す結果から、θを大きくするほどスペックルコントラスト（Ｃｓ）が低下し、およそ０．０４～０．０５°に達したときに、式（８）により示される理論値１／√２に収束することが分かる。この実験結果から、理論値１／√２に収束するθがあるということが分かる。以下では、この実験結果が示す理論値に収束する設定を、「スペックルノイズの低減効果がある設定」などと総称する。

このように、０．０４～０．０５°という値自体はカメラ１００２とスクリーン１００１の幾何条件や計測対象の表面粗さなど各種条件により変化するため絶対的な数値ではないが、この実験結果は、ＶＣＳＥＬ光源１１００を用いて複数光源角度多重によりスペックルノイズの低減効果を得る場合には、対象物との距離なども考慮した上で発光素子１１０１間の適切な距離を確保する設計レイアウト（素子配置）が必要になることを示唆している。つまり、この実験結果に基づいてＶＣＳＥＬ光源面に発光素子を適切な素子間隔で集積化すれば、投光部の大型化やコストアップを招くことなくスペックルノイズを低減させることが可能である。

続いて、図４の実験結果に示す「スペックルノイズの低減効果がある設定」に発光素子を集積化したＶＣＳＥＬ光源についてのレイアウト構成の実施例を示す。

（実施例１）
図５は、実施例１に係るＶＣＳＥＬアレイのレイアウト構成の一例を示す図である。図５に示すＶＣＳＥＬアレイ１１は、ＶＣＳＥＬアレイ面内に１００個の面発光の発光素子ａを同じ素子間隔である等ピッチで配置したレイアウト構成のものである。

図５において、発光素子ａ（Ｘ，Ｙ）のＸの位置に示す数字は行番号を表し、Ｙの位置に示す数字は列番号を表す。すなわち、発光素子ａの総数は、５行×２０列＝１００個である。なお、端子数には制約があるので、各発光素子ａは個別点灯にせず、例えば１、２、９、・・・、１００とｎの２条ずつ点灯制御する。ただしｎの２条ずつとしたのはスペックル低減効果の理論値との比較を容易にするためであり、これに限るものではない。

各発送素子ａの素子間隔（ピッチ）は、「スペックルノイズの低減効果がある設定」とするため次の２つの条件を満足する３００μｍに設定した。なお、３００μｍは、一例として示すものであり、これに限定するものではない。

条件１：想定する投影領域において複数の発光素子の照射光が重なり合う素子間隔

条件１は、例えば想定のスクリーン距離（ＬＷＤ）および発光素子の放射角（ＦＦＰ）を考慮した上で、スクリーンの照射領域（投影領域）でＶＣＳＥＬアレイ１１の両端の発光素子の光が充分に重なり合うことが条件である。両端の発光素子の光が充分に重なり合っていれば、それらの間にある発光素子の光も充分に重なり合っているはずである。なお、これは配置した全光源を活用する場合の一例であり、上記複数の発光素子のうち、少なくとも隣り合う発光素子の照射光が重なり合う素子間隔であればスペックル低減効果が得られる。

条件２：想定する投影領域で得られる各照射光のスペックルパターンが照射光毎に異なる素子間隔

条件２は、例えば想定のスクリーン距離（ＬＷＤ）で光源多重に必要な各レーザー光のなす角度（θ）が理論値に収束する値を確保できていることを示す条件である。角度（θ）が理論値に収束する値を確保できているということは、すなわち、点灯発光数が増加していっても各照射光のスペックルパターンが照射光毎に異なるという条件が満たされる。

図６は、図５に示すＶＣＳＥＬアレイ１１を使用して１ｃＨ（１つの発光素子）の点灯を行った場合と、１００ｃＨ全てを点灯した場合とにおけるスペックル撮影画像の一例を示す図である。図６（ａ）が１ｃＨの点灯を行った場合のスペックル撮影画像であり、図６（ｂ）が１００ｃＨ全てを点灯した場合のスペックル撮影画像である。

これらの撮影画像を比較すると、１ｃＨを点灯したときの撮影画像に比べて１００ｃＨを点灯したときの撮影画像は、明暗のチラツキが劇的に減少しており光源多重によるスペックルノイズ低減効果が効いていることが分かる。

図７は、実施例１に係るＶＣＳＥＬアレイ１１を使用した場合のスペックルノイズ低減効果の実験結果を示す図である。図７は、図３に示した４０ｃＨ－ＶＣＳＥＬ光源の実験結果とは異なり、点灯光源数を増やしてもスペックルコントラスト（Ｃｓ）は低下を続けて破線の曲線グラフ（理論値）に追従し、理論値に近いスペックルノイズ低減効果が得られる。

なお、図７において、プロットの実測値と破線の理論値との間に若干の差異があるが、この差異は、撮影画像にカメラ自体の画素バラツキなど全ての変動要因が含まれていることが一因として考えられる。また、点灯光源数を増やしていくと、それらのうちに類似のスペックルパターンが存在している可能性もあり、これも一因として考えられる。若干の差異を正確に測定するには、観察系自体の測定限界があるため微小なスペックルノイズを計測する為の工夫が必要となる。

以上の結果から、発光素子の素子間隔を上記条件１および条件２を満たすように適切に設定すれば、ＶＣＳＥＬ光源１チップに発光素子を多数設けた場合であっても発光素子の点灯数に応じて理論値１／√ｎのスペックルノイズ低減効果が得られるという有効性を示すことができた。従ってＶＣＳＥＬ光源の面内に上記条件１および条件２を満たすように発光素子を集積化したものであれば、投光部の大型化やコストアップを招くことなくスペックルノイズを低減させることが可能になる。

なお、図５に示すレイアウトは一例であり、発光素子の数、開口部の形状、発光素子の配置などをこれに限定するものではない。条件１および条件２を満たせば、発光素子の数、開口部の形状、発光素子の配置などは適宜変形してもよい。

（実施例２）
図８は、実施例２に係る異なる発振波長（以下、波長と略す）の発光素子aを有するＶＣＳＥＬアレイのレイアウト構成の一例を示す図である。異なる波長（波長順に、波長λ１、波長λ２、波長λ３、波長λ４、波長λ５）の発光素子ａを一次元的に配置したものを示している。

スペックルパターンは、レーザーがスクリーンに照射された際に発生する位相の乱れた散乱光が観察面で干渉しあうことで形成される。この散乱光の位相ずれは主にスクリーン表面の起伏（凹凸）による光路長とレーザーの発振波長で決まっている。実施例１の複数光源角度多重では各光源のレーザー光のなす角度θにより光路長を変え散乱光の位相を変えることでスペックルパターンを変化させている。これに対して、この実施例２では、レーザー自体の発振波長を変調することで散乱光の位相を変化させ、変化したスペックルパターンを重畳することでノイズ低減を行っている（波長多重）。よって、異なるスペックルパターンを得るために波長多重を用いた場合は、必ずしも単波長時の条件２を満たす必要が無く、レイアウト上の制約が緩和されるという利点がある。

図８では、５個の異なる波長（波長λ１、波長λ２、波長λ３、波長λ４、波長λ５）の発光素子ａ（発光素子群）を最小単位の１セットとし、全体で１０セット分（５種類の波長×１０セット＝５０個）の発光素子ａを３０μｍのピッチで一次元的に配列したレイアウトを示している。

各セット内において発光素子ａの並び順は所定の波長順である。つまり、各波長の発光素子ａは、周期的に配置されており、各セット間の同一波長の発光素子ａのピッチは１５０μｍ（３０μｍ×５＝１５０μｍ）である。なお、この設定は、光源多重によるスペックル低減効果を得るのに１５０μｍ以上の素子間ピッチが必要なシステムを前提とした場合のものである。

このようなレイアウトで素子間ピッチを設定することにより、全てのセットに含まれる同一波長の各発光素子ａは、複数光源角度多重に必要な素子間ピッチを満たすことで、各セット内の隣接する発光素子ａ同士は発振波長が異なるため、それぞれ異なるスペックルパターンとなる。従って、実施例２のレイアウトにおいても、発光素子数に応じたスペックルノイズ低減の効果が期待できる。

本実施例のように各発光素子ａを５０個直線的に一次元的に配列した場合、各発光素子ａが単一波長の光源多重では７．３５ｍｍ（計算式：１５０μｍ×（５０－１）＝７．３５ｍｍ）が必要だった発光領域が、１．４７ｍｍ（計算式：３０μｍ×（５０－１）＝１．４７ｍｍ）となるため、チップサイズが１／５に小さくなっても同じ１／√５０のスペックルコントラスト低減効果が得られる。

なお、図８に示すレイアウトは一例であり、発光素子群が有する発光素子の数、波長の順番、開口部の形状、発光素子群の配置などをこれに限定するものではない。条件１および条件２に加え、波長多重の条件を満たせば、発光素子群が有する発光素子の数、波長の順番、開口部の形状、発光素子群の配置などは適宜変形してもよい。

図９はセット内の異なる波長（波長順に、波長λ１、波長λ２、波長λ３、波長λ４、波長λ５）の発光素子の並び順をλ１、λ４、λ２、λ５、λ３と隣り合う波長の発光素子が隣り合う位置にないようにランダムにした例である。この配置にすることで波長順に並べた図８より隣り合う発光素子間の波長差が大きくなため、各発光素子の波長の仕上がりがバラついた場合でも隣り合う発光素子間の波長差を確保することができ、スペックルノイズの低減効果が得られやすい。

また、素子間の波長差が大きくなるということは、異なるスペックルパターンを得るのに必要な素子間ピッチも小さくなるのでシステムによってはより一層の小型化が期待できる。その他、素子間ピッチを維持した場合でも全体の波長差Δλ（λ１－λ５）を狭めても同じスペックル低減効果が得られるので発光素子が異なる波長の光を発光するための構造を形成するのが容易になる。

実施例２についてもＶＣＳＥＬ光源の面内に異なる発振波長の発光素子を集積化することで、投光部の大型化やコストアップを招くことなくスペックルノイズを低減させることが可能になるとう効果が得られる。また、異なる波長のレーザーを用いるため、必ずしも単波長時の条件２を満たす必要が無くレイアウト上の制約が緩和される。従って、複数光源角度多重よりも各発光素子を狭い間隔で設けることができるので、集積密度を向上させることができる。集積密度の向上により、チップの小型化や、余った領域が利用できるので設計自由度が増すなど、さらなる効果が期待できる。

（実施例３）
図１０は、ＶＣＳＥＬアレイ１１の構成の変形例を示す図である。図１０に示すＶＣＳＥＬアレイ１１は、複数の発光素子を同時に発光させるように制御されたレイヤーと呼ばれる発光素子群ａ１を少なくとも１つ以上有する。図１０には、発光素子群ａ１が一次元的に配列された形態のものを示しているが二次元的に配置された構成のものでもよい。各レイヤー２２２は各々独立に発光タイミングが制御される。

図１０に示すレイヤー２２２において、発光素子ａ２は十字型に５個配置されている。同一のレイヤー２２２内において各発光素子ａ２は同じタイミングで発光するように制御されている。

図１０に示す、各レイヤー２２２のピッチＡと、各発光素子ａ２のピッチ（ピッチＢおよびピッチＣ）は、実施例１の素子間ピッチの条件１および条件２に基づいて設定する。また、各発光素子の発振波長を異ならせる場合は、実施例２の光源を適用する。

なお、ここでは、レイヤー２２２の発光素子ａ２として十字型に５個配置されているものを示しているが、これに限定するものではない。発光素子ａ２の数は増減させてもよいし、また、ハニカム構造のようなレイアウトでより多くの発光素子ａ２を配置してもよい。

また、発光素子ａ２の開口部についても四角形のものを示しているが、六角形など、他の形状であってもよい。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザーを備える投影装置について説明する。
図１１は、第２の実施の形態に係る投影装置の構成の一例を示す図である。図１１に示す投影装置１０は、ＶＣＳＥＬアレイ１１と、光学系１２と、光偏向素子１３とを有する。

光学系１２はレンズにより構成され、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子から出射する光を光偏向素子１３に導く。

光偏向素子１３は、光学系１２からの光を投影領域に投影することにより投影光１４を対象１５に投影する。

図１１に示す投影光１４は、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子ａのそれぞれの出射光が重なり合っている光で、光偏向素子１３のミラー面において偏向され、対象１５に投影される。第２の実施の形態でも、想定する投影領域に投影光１４を投影することにより、スペックルノイズ低減の効果が得られる。

（光偏向素子）
光偏向素子１３は、レーザー光を１軸あるいは２軸方向に走査することができる可動ミラーである。可動ミラーには、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーや、ポリゴンミラーや、ガルバノミラーなどがあるが、レーザー光を１軸あるいは２軸方向に走査することができるものであれば、その他の方式を用いたものでもよい。本実施例では、光学系１２により形成されたライン光１４を走査範囲中の計測対象１５上に一軸走査する可動ミラーを使用する。なお、可動ミラーは、ライン光を光走査することで、２次元面状の投影パターンが形成される。

図１２は、光偏向素子１３の一例であるＭＥＭＳミラー（ＭＥＭＳミラースキャナとも言う）の構成の一例を示す図である。図１２に示すＭＥＭＳミラースキャナは、支持基板１３１に、可動部１３２と二組の蛇行状梁部１３３とを有する。

可動部１３２は反射ミラー１３２０を備えている。二組の蛇行状梁部１３３はそれぞれ一端が可動部１３２に連結され、他端が支持基板１３１により支持されている。二組の蛇行状梁部１３３はそれぞれミアンダ形状の複数の梁部からなり、共に、第１の電圧の印加により変形する第１の圧電部材１３３１と、第２の電圧の印加により変形する第２の圧電部材１３３２とを各梁部に１つおきに有する。第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２と隣り合う梁部ごとに独立に設けられている。二組の蛇行状梁部１３３はそれぞれ第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２への電圧の印加により変形し、可動部１３２の反射ミラー１３２０を回転軸周りに回転させる。

具体的には、第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２に逆位相となる電圧を印加し、各梁部に反りを発生させる。これにより、隣り合う梁部が異なる方向にたわみ、それが累積され、二組の蛇行状梁部１３３に連結する可動部１３２と共に反射ミラー１３２０が回転軸を中心に往復回動する。さらに、回転軸を回転中心とするミラー共振モードに合わせた駆動周波数をもつ正弦波を逆相で第１の圧電部材１３３１と第２の圧電部材１３３２とに印加することで、低電圧で非常に大きな回転角度を得ることができる。

なお、駆動波形は正弦波に限らない。例えばノコギリ波であってもよい。また、共振モードに限らず、非共振モードで駆動させてもよい。

なお、光偏向素子１３は、ＭＥＭＳミラーに限定されず、ポリゴンミラー、ガルバノミラー等、光を走査する反射部を有する可動物であればよい。ＭＥＭＳミラーによれば、小型化・軽量化の点で有利となる。ＭＥＭＳミラーの駆動方式は、静電式、圧電式、電磁式などいずれであってもよい。

（第３の実施の形態）
第１の実施の形態に係る面発光型半導体レーザーを計測装置へ適用した例を示す。ここでは計測装置の一例として、計測対象を計測する３次元計測装置への適用例を示す。

図１３は、第３の実施の形態に係る計測装置の一例を示す図である。図１３に示す計測装置１は、計測情報取得ユニット２０と制御ユニット３０とを含む。

計測情報取得ユニット２０は、投影手段である投影装置１０と、撮像手段であるカメラ２１とを含む。投影装置１０は、ＶＣＳＥＬアレイ１１と、光学系１２と、光偏向素子１３とを有する。計測情報取得ユニット２０は、制御ユニット３０の制御部３１の制御に従い、ＶＣＳＥＬアレイ１１の複数の発光素子ａの光を光偏向素子１３により偏向させて計測領域に投影する。制御部３１は、ＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子ａの輝度と点灯タイミングを調節することにより、計測領域の全体に所定パターンの投影光１４を投影する。例えば発光素子ａの点灯および消灯（オン／オフ）を制御することで、白黒のグレイコードパターンなど所望の投影パターンの投影光１４を投影する。

カメラ２１は、投影装置１０が計測対象に投影する投影光１４の投影中心３００が撮像領域４０の中心となるように位置および角度が固定されている。これにより、カメラ２１は、投影領域を撮像する。

カメラ２１は、レンズ２１０や撮像素子２１１を有する。撮像素子２１１には、例えばＣＣＤ(Charge Coupled Device)やＣＭＯＳ(Complementary Metal Oxide Semiconductor)のイメージセンサなどを使用する。カメラ２１に入射した光は、レンズ２１０を介して撮像素子２１１上に結像して光電変換される。撮像素子２１１で光電変換された電気信号は、画像信号へと変換され、その画像信号がカメラ２１から制御ユニット３０の演算処理部３２へと出力される。

制御ユニット３０は、投影装置１０によるパターン光の投影制御やカメラ２１による撮像制御などを行い、カメラ２１が撮像した画像信号に基づいて、計測対象の３次元計測等の演算処理を行う。制御部３１は、投影装置１０が投影するパターン光を別のパターン光に切り替える制御を行ってもよい。また、制御部３１は、演算処理部３２が３次元座標の算出に用いるキャリブレーション情報を出力する制御を行ってもよい。

制御ユニット３０は、計測手段として演算処理部３２を有する。演算処理部３２は、入力された画像信号に基づいて３次元座標の算出（計測）を行い、３次元形状を取得する。また、演算処理部３２は、算出された３次元形状を示す３次元形状情報を制御部３１からの指示に従いＰＣ等（不図示）へ出力する。なお、図１３には、制御ユニット３０に対し１組の計測情報取得ユニット２０が取り付けられた構成を示しているが、制御ユニット３０に対し複数組の計測情報取得ユニット２０を取り付けてもよい。

（制御部の機能ブロックの説明）
図１４は、計測装置１のブロック構成の一例を示す図である。なお、図１４において、既に説明済みの箇所については、同一の符号を付し、適宜詳細な説明を省略する。

図１４に示す演算処理部３２は、カメラ２１から出力された画像信号を解析する。演算処理部３２は、画像信号の解析結果と、キャリブレーション情報とを用いた演算処理により、３次元情報の復元処理を行い、これにより対象の３次元計測を実行する。演算処理部３２は、復元された３次元情報を制御部３１に供給する。

制御部３１は、システム制御部３１０と、パターン記憶部３１１と、光源駆動・検出部３１２と、光走査駆動・検出部３１３と、撮像制御部３１４とを含む。

光走査駆動・検出部３１３は、システム制御部３１０の制御に従い光偏向素子１３を駆動する。システム制御部３１０は、光偏向素子１３の偏向中心に照射された光が測定対象を照射するように、光走査駆動・検出部３１３を制御する。撮像制御部３１４は、システム制御部３１０の制御に従いカメラ２１の撮像タイミングや露光量を制御する。

光源駆動・検出部３１２は、システム制御部３１０の制御に従いＶＣＳＥＬアレイ１１の各発光素子の点灯および消灯を制御する。

パターン記憶部３１１は、例えば、計測装置１の不揮発性の記憶媒体に記憶されている投影画像のパターン情報を読み出す。パターン情報は、投影画像（投影パターン）を形成するためのパターン情報である。パターン記憶部３１１は、システム制御部３１０からの指示に従いパターン情報を読み出してシステム制御部３１０に渡す。システム制御部３１０は、パターン記憶部３１１から渡されたパターン情報に基づき光源駆動・検出部３１２を制御する。

システム制御部３１０は、演算処理部３２から供給された、復元された３次元情報に基づき、パターン記憶部３１１に対してパターン情報の読み出しを指示する。システム制御部３１０は、パターン記憶部３１１により読み出されたパターン情報に従い光源駆動・検出部３１２を制御する。

また、システム制御部３１０は、読み出したパターン情報に応じて演算処理部３２に対して演算方法を指示する。

演算処理部３２や、システム制御部３１０や、撮像制御部３１４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）上で動作する計測プログラムにより実現する。具体的に、ＣＰＵは、ＲＯＭ（Read Only Memory）から計測プログラムを読み出して実行することにより、演算処理部３２や、システム制御部３１０や、撮像制御部３１４を実現する。なお、この実現方法は一例であり、これに限らない。例えば、演算処理部３２、システム制御部３１０、撮像制御部３１４の、一部または全てを、互いに協働して動作するハードウェア回路により構成してもよい。また、演算処理部３２や、システム制御部３１０や、撮像制御部３１４に限らず、その他のブロックも計測プログラムにより実現してもよい。

第３の実施の形態では、計測装置の各設定を「スペックルノイズの低減効果がある設定」としている。このため、計測対象を撮影した画像においてスペックノイズが低減し、撮影画像の輝度情報を解析する際の計測精度が向上する。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について説明する。第４の実施の形態は、第３の実施の形態に係る計測装置１を、ロボットアーム（多関節アーム）と組み合わせて用いる例である。

図１５は、第４の実施の形態に係るロボットの構成の一例を示す図である。図１５には、多関節を有するロボットアームに計測装置１を適用した例を示している。ロボットアーム７０は、対象物をピッキングするためのハンド部７１を備え、ハンド部７１の直近に計測装置１が搭載されている。ロボットアーム７０は、それぞれ屈曲可能な複数の可動部を備え、ハンド部７１の位置および向きを、制御に従い変更する。

計測装置１は、光の投影方向がハンド部７１の向く方向に一致するように設けられ、ハンド部７１のピッキング対象１５を計測対象として計測する。

このように、第４の実施形態では、計測装置１をロボットアーム７０に搭載することで、ピッキングの対象物を近距離から計測することができ、カメラ等を用いた遠方からの計測と比較して計測精度の向上が達成できる。例えば、工場の様々な組立てライン等におけるＦＡ(Factory Automation)分野においては、部品の検査や認識等のために、ロボットアーム７０等のロボットが利用される。ロボットに計測装置１を搭載することにより、部品の検査や認識を精度よく行うことができるようになる。

（第５の実施の形態）
次に、第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態は、第３の実施の形態に係る計測装置１をスマートフォンやＰＣなどの電子機器に搭載して用いる例である。

図１６は、第４の実施の形態に係るスマートフォンなどの電子デバイスの構成の一例を示す図である。スマートフォン８０に計測装置１を適用した例を示している。スマートフォン８０には計測装置１と使用者の認証機能が搭載されている。使用者の認証機能は、例えば専用のハードウェアにより設けられる。なお、「認証機能部」は、それ専用のハードウェアに限らず、コンピュータ構成のＣＰＵがＲＯＭなどのプログラムを実行するなどして本機能を実現するようにして設けてもよい。計測装置１は、使用者８１の顔、耳や頭部の形状などを計測する。この計測結果に基づいて、使用者の認証機能は、使用者８１がスマートフォン８０に登録された者かを判定する。

このように、第５の実施の形態では、計測装置１をスマートフォン８０に搭載することで、高精度に使用者８１の顔、耳や頭部の形状などを計測することができ、認識精度の向上が達成できる。なお、本実施例では、計測装置１をスマートフォン８０に搭載しているが、ＰＣやプリンタなどの電子機器に搭載してもよい。また、機能面としても個人認証機能に限らず、顔形状のスキャナなどに用いてもよい。

（第６の実施の形態）
次に、第６の実施の形態について説明する。第６の実施の形態は、第３の実施の形態に係る計測装置１を、移動体に搭載して用いる例である。

図１７は、第６の実施の形態に係る車両の構成の一例を示す図である。自動車に計測装置１を適用した例を示している。自動車車内８５には計測装置１と運転支援機能が搭載されている。運転支援機能は、例えば専用のハードウェアにより設けられている。なお、「運転支援部」は、それ専用のハードウェアに限らず、この他、コンピュータ構成のＣＰＵがＲＯＭなどのプログラムを実行するなどして本機能を実現するようにしてもよい。計測装置１は、ドライバー８６の顔や姿勢などを計測する。この計測結果に基づいて、運転支援機能は、ドライバー８６の状況に応じた適切な支援を行う。

このように、第６の実施の形態では、計測装置１を自動車に搭載することで、高精度にドライバー８６の顔、姿勢などを計測することができ、車内８５のドライバー８６の状態認識精度の向上が達成できる。なお、本実施例では、計測装置１を自動車に搭載しているが、電車の車内や飛行機の操縦席（または客席）などに搭載してもよい。また、機能面としてもドライバー８６の顔、姿勢などのドライバー８６の状態認識に限らず、ドライバー８６以外の搭乗者や車内８５の様子の認識などに用いてもよい。またドライバー８６の個人認証を行い、車のドライバーとして予め登録された者かを判断するといった車のセキュリティに用いてもよい。

図１８は、第６の実施の形態に係るその他の移動体の構成の一例を示す図である。図１８には、自律型の移動体に計測装置１を適用した例を示している。移動体８７には計測装置１が搭載されており、移動体８７の周囲を計測する。この計測結果に基づいて、移動体８７は自身の移動する経路の判断および、机８８の位置などの室内８９のレイアウトを算出する。

このように、第６の実施の形態では、計測装置１を移動体８７に搭載することで、高精度に移動体８７の周辺を計測することができ、移動体８７の運転の支援が行える。なお、本実施例では、計測装置１を小型の移動体８７に搭載しているが、自動車などに搭載してもよい。また、屋内だけでなく屋外で用いてもよく、建造物などの計測に用いてもよい。

（第７の実施の形態）
次に、第７の実施の形態について説明する。第７の実施の形態は、第３の実施の形態に係る計測装置１を、造形装置に搭載して用いる例である。

図１９は、第７の実施の形態に係る造形装置の構成の一例を示す図である。図１９には、造形装置の一例である３Ｄプリンタ９０のヘッド部９１に計測装置１を適用した例を示している。ヘッド部９１は、「ヘッド」の一例であり、形成物９２を形成するための造形液を吐出するノズル９３を有する。計測装置１は、３Ｄプリンタ９０によって形成される形成物９２の形状を、形成中に計測する。この計測結果に基づいて、３Ｄプリンタ９０の形成制御が行われる。

このように、第７の実施の形態では、計測装置１を３Ｄプリンタ９０に搭載することで、形成物９２の形状を形成中に計測することができ、高精度に形成物９２を形成できる。なお、本実施例では、計測装置１を３Ｄプリンタ９０のヘッド部９１に搭載しているが、３Ｄプリンタ９０内の他の位置に搭載してもよい。

１１ ＶＣＳＥＬアレイ
ａ 発光素子
Ｄ ピッチ（素子間隔）
ＬＷＤ 距離
θ 角度

特開２００９－１４６９４１号公報

Claims (12)

1. 面内に、それぞれ所定の発振波長の光を発する複数の発光素子を有し、
   前記複数の発光素子の素子配置は、
   想定する投影領域において、複数の前記発光素子の照射光が重なり合う素子間隔を満たし且つ前記想定する投影領域で得られる前記各照射光のスペックルパターンが照射光毎に異なる素子間隔を満たし、
   前記発振波長の異なる前記発光素子を少なくとも一つずつ含む発光素子群を前記複数の発光素子の最小単位として、複数の前記最小単位の発光素子群を、同じ発振波長の前記発光素子が周期的な位置をとるように配置され、
   前記最小単位の発光素子群が有する前記発光素子は、
   一方に隣接する前記発光素子が発する光の発振波長との波長差が、前記最小単位の発光素子群の有する前記発光素子が発する光の発振波長を波長順となるように配置したときの波長差よりも大きい
   ことを特徴とする光源。
2. 前記複数の発光素子の素子配置は、
   前記発光素子の点灯数の増加と共に前記想定する投影領域で得られるスペックルのコントラストが、異なるスペックルパターンが重なり合った場合に得られるスペックルのコントラストの理論値曲線に追従する素子間隔を満たす
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源。
3. 前記面内において発振波長が異なる発光素子の素子間隔が発振波長の等しい発光素子の素子間隔より狭い
   ことを特徴とする請求項１に記載の光源。
4. 前記各発振波長の発光素子が同じ素子間隔で配置されていることを特徴とした請求項３に記載の光源。
5. 前記最小単位の発光素子群が有する前記発光素子は、二次元的に配置される
   ことを特徴とする請求項１乃至４のうちの何れか一項に記載の光源。
6. 請求項１乃至５のうちの何れか一項に記載の光源と、
   前記光源の前記各発光素子の光を導く光学系と、
   前記光学系により導かれた光を前記投影領域に反射する光偏向素子と、
   を備える投影装置。
7. 請求項６に記載の投影装置と、
   前記投影領域を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像された情報に基づき前記投影領域にある計測対象を計測する計測手段と、
   を備えることを特徴とする計測装置。
8. 請求項７に記載の計測装置と、
   前記計測装置を装着した多関節アームと、
   を備えることを特徴とするロボット。
9. 請求項７に記載の計測装置と、
   前記計測装置による使用者の計測結果に基づいて使用者の認証を行う認証部と、
   を備えることを特徴とする電子機器。
10. 請求項７に記載の計測装置と、
    前記計測装置による計測結果に基づいて移動体の運転を支援する運転支援部と、
    を備えることを特徴とする移動体。
11. 請求項７に記載の計測装置と、
    前記計測装置による計測結果に基づいて形成物を形成するヘッドと、
    を備えることを特徴とする造形装置。
12. それぞれ所定の発振波長の光を発する複数の面発光素子を有する光源であって、
    前記複数の面発光素子の素子配置は、前記複数の面発光素子のうち、少なくとも隣り合う面発光素子の照射光が重なり合う素子間隔であること、および、前記照射光の照射領域におけるスペックルパターンが前記照射光毎に異なるように前記素子間隔を設定してあること、を満たし、
    前記発振波長の異なる前記面発光素子を少なくとも一つずつ含む発光素子群を前記複数の面発光素子の最小単位として、複数の前記最小単位の発光素子群を、同じ前記発振波長の前記面発光素子が周期的な位置をとるように配置され、
    前記最小単位の発光素子群が有する前記面発光素子は、
    一方に隣接する前記面発光素子が発する光の発振波長との波長差が、前記最小単位の発光素子群の有する前記面発光素子が発する光の発振波長を波長順となるように配置したときの波長差よりも大きい
    ことを特徴とする光源。

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