信息取得裝置、投射裝置及物體檢測裝置的製作方法
2023-08-08 03:57:21 1
專利名稱：信息取得裝置、投射裝置及物體檢測裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及基於在將光投射到目標區域時的反射光的狀態來檢測目標區域內的物體的物體檢測裝置、適用於該物體檢測裝置中的信息取得裝置以及裝載於該物體檢測裝置中的投射裝置。
背景技術：
以往，在各種領域正在開發利用了光的物體檢測裝置。在採用了所謂的距離圖像傳感器的物體檢測裝置中，不僅可以檢測ニ維平面上的平面性圖像，還可以對檢測對象物體的進深方向的形狀或活動進行檢測。在這樣的物體檢測裝置中，從雷射光源或LED (LightEmitting Diode)向目標區域投射預先確定的波段的光,將其反射光通過CMOS圖像傳感器等光檢測器來接收(攝像)。作為距離圖像傳感器，公知各種類型的器件。
在向目標區域照射具有規定的點圖案的雷射的類型的距離圖像傳感器中，通過光檢測器來接收具有點圖案的雷射的來自目標區域的反射光。而且，基於點在光檢測器上的受光位置，利用三角測量法，可以檢測出到檢測對象物體的各部分(檢測對象物體上的各點的照射位置)的距離(例如非專利文獻I)。在先技術文獻非專利文獻非專利文獻I :第19回日本ロボッ卜學會學衍講演會(2001年9月18-20日)予稿集、P1279-1280
發明內容
(發明所要解決的課題)在上述物體檢測裝置中，由衍射光學元件使從雷射光源射出的雷射衍射，生成具有點圖案的雷射。該情況下，衍射光學元件例如被設計成目標區域上的點圖案以相同亮度均勻分布。然而，由於衍射光學元件中產生的誤差等，目標區域上的各點的亮度未必均勻，會產生偏差。因此，亮度低的點容易湮沒在自然光或室內燈等的光(雜散光)中，在這種點的照射位置上有可能引起距離檢測的精度降低。本發明正是為了解決這種問題而進行的，其目的在於提供一種即使在點圖案中產生了亮度的偏差也能夠抑制距離檢測精度的降低的信息取得裝置、投射裝置及物體檢測裝置。(用於解決課題的技術方案)本發明的第一形態涉及利用光來取得目標區域的信息的信息取得裝置。該形態涉及的信息取得裝置包括投射光學系統，其以規定的點圖案向所述目標區域投射雷射；和受光光學系統，其按照相對於所述投射光學系統在橫向上偏離規定距離地排列的方式配置，對所述目標區域進行攝像。在此，所述投射光學系統包括雷射光源、和將從所述雷射光源射出的雷射通過衍射而變換為點圖案的光的衍射光學元件。所述受光光學系統包括攝像元件、和使來自所述目標區域的光聚光到所述攝像元件上的聚光透鏡。所述衍射光學元件被構成為所述目標區域內的所述點圖案的點的密度，在所述點圖案的周邊部比中心部大。本發明的第二形態涉及投射裝置。該形態涉及的投射裝置包括上述第一形態涉及的投射光學系統。本發明的第三形態涉及物體檢測裝置。該形態涉及的物體檢測裝置具有上述第一形態涉及的信息取得裝置。(發明效果)根據本發明，可以提供即使在點圖案中產生了亮度的偏差也能夠抑制距離檢測精度的降低的信息取得裝置、投射裝置及物體檢測裝置。
根據以下所示的實施方式，可以更加清楚地理解本發明的特徵。其中，以下的實施方式只是本發明的一個實施方式，本發明乃至各構成要件的用語的意義並未限定於以下實施方式所記載的內容。
圖I是表示實施方式涉及的物體檢測裝置的示意構成的圖。圖2是表示實施方式涉及的信息取得裝置與信息處理裝置的構成的圖。圖3是示意地表示實施方式涉及的雷射相對於目標區域的照射狀態的圖以及示意地表示CMOS圖像傳感器中的雷射的受光狀態的圖。圖4是示意地表示實施方式涉及的基準模板的生成方法的圖。圖5是對檢測實施方式涉及的基準模板的片段區域在實測時變位到何位置的方法進行說明的圖。圖6是表示實施方式涉及的投射光學系統與受光光學系統的設置狀態的立體圖。圖7是示意地表示實施方式涉及的投射光學系統與受光光學系統的構成的圖。圖8是表示實施方式涉及的目標區域內的點圖案的仿真例的圖。圖9是表示實施方式涉及的CMOS圖像傳感器上的亮度分布的測量結果的圖。圖10是示意地表示實施方式涉及的目標區域內的點的分布狀態的圖。圖11是示意地表示實施方式涉及的目標區域內的點的分布狀態的變更例的圖。圖12是對實施方式涉及的效果進行說明的圖。圖13是示意地表示變更例涉及的目標區域內的點的分布狀態的圖。
具體實施例方式以下，參照附圖，對本發明實施方式進行說明。在本實施方式中，例示了向目標區域照射具有規定的點圖案的雷射的類型的信息取得裝置。首先，在圖I中示出本實施方式涉及的物體檢測裝置的示意構成。如圖I所示，物體檢測裝置包括信息取得裝置I與信息處理裝置2。根據來自信息處理裝置2的信號來控制電視機3。另外，由信息取得裝置I與信息處理裝置2構成的裝置相當於本發明的物體檢測裝置。信息取得裝置I將紅外光投射到整個目標區域，利用CMOS圖像傳感器來接收其反射光，由此取得位於目標區域內的物體各部分的距離(以下稱為「三維距離信息」)。經由電纜4將所取得的三維距離信息發送至信息處理裝置2。信息處理裝置2例如是電視機控制用的控制器或遊戲機、個人計算機等。信息處理裝置2基於從信息取得裝置I接收到的三維距離信息，檢測目標區域內的物體，並基於檢測結果來控制電視機3。例如，信息處理裝置2基於所接收到的三維距離信息來檢測人物，並且根據三維距離信息的變化來檢測該人物的活動。例如，在信息處理裝置2為電視機控制用的控制器的情況下，在信息處理裝置2中安裝有應用程式，根據所接收到的三維距離信息來檢測人物的姿勢(gesture)，並且根據姿勢向電視機3輸出控制信號。該情況下，用戶通過ー邊觀看電視機3 —邊作出規定的姿勢，可以使電視機3執行頻道切換或聲音的提高/降低等規定的功能。
再有，例如在信息處理裝置2為遊戲機的情況下，在信息處理裝置2中安裝有應用程式，根據所接收到的三維距離信息來檢測該人物的活動，並且根據所檢測到的活動，使電視機畫面上的角色動作，從而使遊戲的對戰狀況變化。該情況下，用戶通過一邊觀看電視機3—邊進行規定的活動，可以體會到使自身作為電視機畫面上的角色進行遊戲的對戰的臨場感。圖2是表示信息取得裝置I與信息處理裝置2的構成的圖。作為光學部的構成，信息取得裝置I具備投射光學系統11和受光光學系統12。此夕卜，作為電路部的構成，信息取得裝置I包括CPU(Central Processing Unit)21、雷射驅動電路22、攝像信號處理電路23、輸入輸出電路24和存儲器25。投射光學系統11將規定的點圖案的雷射照射到目標區域。受光光學系統12接收從目標區域反射的雷射。參照圖6、7，對投射光學系統11與受光光學系統12的構成進一歩進行說明。CPU21依據存儲器25所存儲的控制程序，對各部分進行控制。通過該控制程序，對CPU21賦予用於對投射光學系統11內的雷射光源111(後述)進行控制的雷射器控制部21a、以及用於生成三維距離信息的三維距離運算部21b的功能。雷射驅動電路22根據來自CPU21的控制信號來驅動雷射光源111(後述)。攝像信號處理電路23對受光光學系統12內的CMOS圖像傳感器123 (後述)進行控制，按每行依次取入CMOS圖像傳感器123中生成的各像素的信號(電荷)。並將所取入的信號依次向CPU21輸出。CPU21以從攝像信號處理電路23供給的信號(攝像信號)為基礎，通過三維距離運算部21b的處理來計算從信息取得裝置I到檢測對象物的各部分的距離。輸入輸出電路24對與信息處理裝置2的數據通信進行控制。信息處理裝置2具備CPU31、輸入輸出電路32和存儲器33。另外，信息處理裝置2中，除了該圖2所示的構成以外，還配置有用幹與電視機3進行通信的構成或用於讀取CD-ROM等外部存儲器所保存的信息並下載到存儲器33中的驅動器裝置等，為了方便，在圖示中省略了這些周邊電路的構成。CPU31依據存儲器33所保存的控制程序(應用程式)對各部分進行控制。通過該控制程序，對CPU31賦予用於檢測圖像中的物體的物體檢測部31a的功能。該控制程序例如可以由未圖示的驅動器裝置從CD-ROM中讀取出來並下載到存儲器33中。例如，在控制程序為遊戲程序的情況下，物體檢測部31a從由信息取得裝置I供給的三維距離信息中檢測圖像中的人物及其活動。而且，通過控制程序來執行用於根據所檢測出的活動來使電視機畫面上的角色動作的處理。再有，在控制程序為用於對電視機3的功能進行控制的程序的情況下，物體檢測部31a從由信息取得裝置I供給的三維距離信息中，檢測圖像中的人物及其活動(姿勢)。而且，通過控制程序來執行用於根據所檢測出的活動(姿勢)對電視機3的功能(切換頻道或聲音調整等)進行控制的處理。輸入輸出電路32對與信息取得裝置I的數據通信進行控制。圖3(a)是示意地表示雷射相對於目標區域的照射狀態的圖，圖3(b)是示意地表示CMOS圖像傳感器123中的雷射的受光狀態的圖。另外，在圖3(b)中，為了方便而示出了 在目標區域內存在平坦的面(屏幕)時的受光狀態。如圖3(a)所示，從投射光學系統11向目標區域照射具有點圖案的雷射(以下將具有該圖案的雷射的整體稱為「DPI」)。在該圖3(a)中，利用實線的框示出DP光的投射區域。在DP光的光束中，由於衍射光學元件的衍射作用而雷射的強度被提高的點區域(以下僅稱為「點」)，依據基於衍射光學元件的衍射作用的點圖案而散布著。另外，在圖3(a)中，為了方便而將DP光的光束劃分為被排列成矩陣狀的多個片段(segment)區域。在各片段區域內，點以固有的圖案散布。一個片段區域內的點的散布圖案，和其他所有的片段區域內的點的散布圖案不同。由此，各片段區域具有點的散布圖案，能夠與其他所有的片段區域區別開來。若目標區域內存在平坦的面(屏幕)，則由此被反射的DP光的各片段區域如該圖3(b)所示，以矩陣狀分布在CMOS圖像傳感器123上。例如，該圖3(a)所示的目標區域上的片段區域SO的光，在CMOS圖像傳感器123上入射到該圖3(b)所示的片段區域Sp內。另夕卜，在圖3(b)中，也由實線框來表不DP光的光束區域,為了方便將DP光的光束劃分為被排列成矩陣狀的多個片段區域。在上述三維距離運算部21b中，進行各片段區域入射到CMOS圖像傳感器123上的何位置的檢測(以下稱為「圖案匹配(pattern matching) 」)，根據其受光位置，基於三角測量法，能對到檢測對象物體的各部分(各片段區域的照射位置)的距離進行檢測。該檢測方法的詳細內容例如已經被上述非專利文獻I (第19回日本ロボッ卜學會學衍講演會(2001年9月18-20日)予稿集、P1279-1280)公開。圖4是示意地表示上述距離檢測中所採用的基準模板的生成方法的圖。如圖4(a)所示，在基準模板的生成時，在距投射光學系統11為規定距離Ls的位置處，配置與Z軸方向垂直且平坦的反射平面RS。雷射光源111的溫度被維持在規定的溫度(基準溫度)。該狀態下，從投射光學系統11射出DP光規定時間Te。所射出的DP光被反射平面RS反射，入射到受光光學系統12的CMOS圖像傳感器123。由此，從CMOS圖像傳感器123輸出每個像素的電信號。所輸出的每個像素的電信號的值(像素值)在圖2的存儲器25上被展開。如此，基於在存儲器25上被展開的像素值，如圖4 (b)所示，設定對CMOS圖像傳感器123上的DP光的照射區域進行規定的基準圖案區域。進而，縱橫地劃分該基準圖案區域來設定片段區域。如上所述，各片段區域內點以固有的圖案散布。因此，片段區域的像素值的圖案在每個片段區域內都是不同的。另外，各片段區域與其他所有的片段區域為相同的尺寸。基準模板是將這樣設定在CMOS圖像傳感器123上的各片段區域和該片段區域所包含的各像素的像素值建立對應之後而構成的。具體是，基準模板包括與CMOS圖像傳感器123上的基準圖案區域的位置相關的信息；基準圖案區域所包含的全部像素的像素值；以及用於將基準圖案區域分割為片段區域的信息。基準圖案區域所包含的全部像素的像素值和基準圖案區域所包含的DP光的點圖案相對應。再有，通過將基準圖案區域所包含的全部像素的像素值的映射區域劃分為片段區域，從而可取得各片段區域所包含的像素的像素值。另外，基準模板還可以按照每個片段區域來保持各片段區域所包含的像素的像素值。所構成的基準模板以不能刪除的狀態被保持在圖2的存儲器25中。如此，在對從投射光學系統11到檢測對象物體的各部分為止的距離進行計算吋，參照存儲器25所保持 的基準模板。例如，如圖4(a)所示，在比距離Ls近的位置處存在物體的情況下，與基準圖案上的規定的片段區域Sn對應的DP光(DPn)被物體反射，入射到與片段區域Sn不同的區域Sn』內。由於投射光學系統11與受光光學系統12在X軸方向上相鄰，因此區域Sn』相對於片段區域Sn的變位方向和X軸平行。在圖4(a)的情況下，由乾物體位於比距離Ls近的位置處，所以區域Sn』相對於片段區域Sn而向X軸的正方向變位。如果物體位於比距離Ls遠的位置，則區域Sn』相對於片段區域Sn向X軸的負方向變位。以區域Sn』相對於片段區域Sn的變位方向與變位量為基礎，利用距離Ls並基於三角測量法，來計算從投射光學系統11到被DP光(DPn)照射的物體的部分為止的距離Lr。同樣地，針對與其他片段區域對應的物體的部分，計算到投射光學系統11的距離。在該距離計算中，需要檢測基準模板的片段區域Sn在實測時變位到何位置。該檢測是通過對實測時照射在CMOS圖像傳感器123上的DP光的點圖案和片段區域Sn所包含的點圖案進行對照而進行的。圖5是對該檢測的方法進行說明的圖。圖5(a)是表示CMOS圖像傳感器123上的基準圖案區域與片段區域的設定狀態的圖，圖5(b)是表示實測時的片段區域的捜索方法的圖，圖5(c)是表示實測到的DP光的點圖案和基準模板的片段區域所包含的點圖案的對照方法的圖。例如在對圖5(a)的片段區域SI在實測時的變位位置進行搜索的情況下，如圖5(b)所示，片段區域SI在範圍Pl P2內沿X軸方向被I個像素I個像素地傳送，在各傳送位置處求取片段區域SI的點圖案和所實測到的DP光的點圖案的匹配程度。該情況下，片段區域SI僅在通過基準圖案區域的最上段的片段區域群的線LI上，沿著X軸方向傳送。這是因為如上所述，通常各片段區域在實測時從根據基準模板而設定的位置起僅在X軸方向上變位的緣故。即，是因為片段區域SI位於最上段的線LI上的緣故。這樣，通過僅對X軸方向進行搜索，可以減輕用於搜索的處理負擔。另外，在實測時，根據檢測對象物體的位置的不同，片段區域有可能從基準圖案區域的範圍向X軸方向露出。因此，範圍Pl P2被設定為比基準圖案區域的X軸方向的寬度覽。在上述匹配程度的檢測時，在線LI上設定尺寸與片段區域SI相同的區域(比較區域)，求取該比較區域和片段區域SI之間的類似度。即，求取片段區域SI的各像素的像素值和比較區域的對應的像素的像素值的差分。而且，針對比較區域的所有像素將所求得的差分相加之後的值Rsad，被作為表示類似度的值而取得。例如，如圖5(c)所示， 在一個片段區域中包含有m列Xn行的像素的情況下，求取片段區域的i列、j行的像素的像素值T(i，j)和比較區域的i列、j行的像素的像素值I (i，j)的差分。而且，針對片段區域的所有像素來求取差分，根據該差分的總和來求取值Rsad。即，根據下式來計算出值Rsad。[數學式I]
/ __mRsoci =
ノニI值Rsad越小，則片段區域與比較區域之間的類似度越高。在搜索時，在線LI上I個像素I個像素地錯開而依次設定比較區域。而且，針對線LI上的所有比較區域來求取值Rsad。從所求得的值Rsad中提取比閾值小的值。若沒有比閾值小的值Rsad，則認為片段區域SI的捜索是錯誤的。而且，與所提取到的Rsad中值最小的值對應的比較區域被判定為片段區域SI的移動區域。對於線LI上的片段區域SI以外的片段區域而言，也進行與上述同樣的搜索。再有，其他線上的片段區域也與上述同樣，在該線上設定比較區域並進行捜索。如此，若根據實測時取得的DP光的點圖案搜索到各片段區域的變位位置，則如上所述，基於該變位位置，並通過三角測量法來求取到與各片段區域對應的檢測對象物體的部位為止的距離。圖6是表示投射光學系統11與受光光學系統12的設置狀態的立體圖。投射光學系統11與受光光學系統12設置在熱傳導性高的底板300上。構成投射光學系統11的光學部件設置在底盤Ila上，在底板300上設置該底盤11a。由此，投射光學系統11被設置在底板300上。受光光學系統12設置在底板300上的2個底座300a的上面和2個底座300a之間的底板300的上面。在2個底座300a之間的底板300的上面，設置後述的CMOS圖像傳感器123，在底座300a的上面設置保持板12a，在該保持板12a上設置後述的過濾器121以及保持攝像透鏡122的透鏡保持器12b。投射光學系統11與受光光學系統12，按照投射光學系統11的投射中心與受光光學系統12的攝像中心排列在與X軸平行的直線上的方式，在X軸方向上隔著規定的距離排列設置。在底板300的背面，設置保持信息取得裝置I的電路部(參照圖2)的電路基板200 (參照圖7)。在底板300的中央下部，形成有用於將雷射光源111的布線取出到底板300的背部的孔300b。再有，在底板300的受光光學系統12的設置位置的下部，形成有用於使CMOS圖像傳感器123的連接器12c露出到底板300的背部的開ロ 300c。另外，圖6的左半部分構成投射裝置，右半部分構成受光裝置。左半部分的投射裝置相當於本發明的投射裝置。圖7是不意地表不本實施方式涉及的投射光學系統11與受光光學系統12的構成的圖。投射光學系統11備有雷射光源111、準直透鏡112、立起反射鏡113和衍射光學兀件(DOE :Diffractive Optical Element) 1140再有，受光光學系統12備有過濾器121、攝像透鏡122和CMOS圖像傳感器123。雷射光源111輸出波長830nm左右的窄波段的雷射。雷射光源111被設置為雷射的光軸平行於X軸。準直透鏡112將從雷射光源111射出的雷射變換為大致平行光。準直透鏡112被設置為自身的光軸和從雷射光源111射出的雷射的光軸相匹配。立起反射鏡113將從準直透鏡112側入射的雷射反射。雷射的光軸被立起反射鏡113彎曲90°之後和Z軸平行。D0E114在入射面具有衍射圖案。D0E114是通過基於樹脂的射出成型或者對玻璃 基材採用光刻和幹蝕刻方法等形成的。衍射圖案例如由步進型的全息圖來構成。基於該衍射圖案的衍射作用，由立起反射鏡113反射併入射到D0E114的雷射被變換為點圖案的雷射之後，被照射在目標區域上。衍射圖案被設計為在目標區域內成為規定的點圖案。關於目標區域內的點圖案，將參照圖8 10在後面進行說明。從目標區域被反射的雷射透過過濾器121之後入射到攝像透鏡122。過濾器121透過包含雷射光源111的射出波長(830nm左右)的波段的光，截止其他波段。攝像透鏡122使經由過濾器121而入射的光聚光在CMOS圖像傳感器123上。攝像透鏡122由多個透鏡構成，在規定的透鏡與透鏡之間插入了開ロ(aperture)與隔離物。按照該隙縫與攝像透鏡122的光圈數(F-number)配合的方式，對來自外部的光施加光圏。CMOS圖像傳感器123對由攝像透鏡122聚光後的光進行受光，按照每個像素，將與受光光量相對應的信號(電荷)向攝像信號處理電路23輸出。在此，CMOS圖像傳感器123按照能夠根據各像素的受光以高靈敏度將像素的信號(電荷)向攝像信號處理電路23輸出的方式，對信號的輸出速度實施高速化。過濾器121被配置為受光面和Z軸垂直。攝像透鏡122被設置為光軸和Z軸平行。CMOS圖像傳感器123被設置為受光面和Z軸垂直。再有，按照過濾器121的中心和CMOS圖像傳感器123的受光區域的中心排列在攝像透鏡122的光軸上的方式，配置過濾器121、攝像透鏡122及CMOS圖像傳感器123。如參照圖6而說明的，投射光學系統11與受光光學系統12被設置在底板300上。底板300的下面還設置電路基板200，布線(撓性基板)201,202從該電路基板200向雷射光源111及CMOS圖像傳感器123連接。電路基板200上安裝著圖2所示的CPU21、雷射驅動電路22等信息取得裝置I的電路部。在圖7的構成中，D0E114通常被設計為點圖案的點以相同的亮度且均勻地分散在目標區域內。這樣，通過使點分散，從而能夠全面地對目標區域進行搜索。然而，若利用這樣設計的D0E114在實際上生成點圖案，則可知點的亮度會因為區域的不同而不同。再有，可知點的亮度的不同存在一定的傾向。以下對本申請的發明人進行過的D0E114的分析及評價進行說明。首先，本申請的發明人作為比較例對D0E114的衍射圖案進行了調整，使點圖案的點以相同的亮度且均勻地分布在目標區域上。圖8是表示該情況下的目標區域內的點圖案的仿真例的圖。比較例的D0E114基於衍射作用，如圖8所示，被設計為使點圖案的點以相同的亮度且均勻的密度分布在目標區域內。接著，本申請的發明人利用依據該設計而構成的D0E114(比較例)，實際地向目標區域投射點圖案，並利用CMOS圖像傳感器123對此時的點圖案的投射狀態進行了攝像。而且，根據CMOS圖像傳感器123的各像素的受光光量(檢測信號)，對CMOS圖像傳感器123上的點圖案的亮度分布進行了測量。圖9表示在採用了比較例的DOEl 14的情況下的CMOS圖像傳感器123上的亮度分布的測量結果。圖9的中央部分是以顏色(該圖中利用顔色的差異來表示亮度的差異)來表示CMOS圖像傳感器123的受光面(ニ維平面)上的亮度的亮度分布圖。圖9的左側及下側分別利用圖表示出該亮度分布圖的沿著A-A』直線及B-B』直線的部分的亮度值。圖9的左側及下側的圖表分別將最大亮度標準化為15。另外，如圖9的左側及下側的圖表所示， 實際上雖然在圖9的中央部分示出的圖的周邊區域內也存在亮度，但由於該區域的亮度較低，所以為了方便在圖9的中央部分的圖中並未示出該區域的亮度。如圖9所示，CMOS圖像傳感器123上的亮度在中心處最大，隨著自中心離開而逐漸減小。這樣，即使按照在目標區域內點的密度均勻的方式設計了 D0E114的情況下，實際上在CMOS圖像傳感器123上也會產生亮度的偏差。即，根據該測量結果可知被投射在目標區域上的點圖案，隨著從中央朝向端部，點的亮度逐漸降低。若這樣產生亮度的偏差，則儘管在CMOS圖像傳感器123的中心附近和端部附近的片段區域所包含的點數大致相同，但在亮度低的端部附近由於自然光或照明燈的光等雜散光會導致難以檢測出點。由此，在CMOS圖像傳感器123的端部附近的片段區域內存在圖案匹配的精度降低的擔憂。另外，若參照圖9的中央部分的亮度分布圖，則可知點的亮度自中央起以放射狀變化。也就是說，認為亮度大致相同的點相對於點圖案的中心而言以大致同心圓狀分布，隨著自中心離開，點的亮度逐漸地降低。本申請的發明人在針對同樣形成的多個D0E114進行了與上述同樣的測量，確認了該傾向在任何D0E114中都是相同的。由此可認為在按照點圖案的點以相同的亮度且均勻地分布在目標區域上的方式設計了 D0E114的情況下，被投射在目標區域上的點一般會以上述的傾向分散。因此，在本實施方式中，如圖10所示，按照點圖案不均勻地分布在目標區域內的方式調整D0E114的衍射圖案。圖10是示意地表示本實施方式的目標區域內的點的分布狀態的圖。如圖所示，本實施方式的D0E114構成為通過衍射作用，如圖所示，在目標區域內，點的密度以同心圓狀隨著自中心離開(與距中心的距離成比例)而逐漸變大。圖中以虛線表示的部分是點的密度大致相等的區域。點的密度既可以隨著從點圖案的中心以放射狀離開而線性地増加，還可以階梯性地増加。例如在使點的密度階梯性地増加的情況下，如圖ll(a)、(b)所示，從點圖案的中心起以同心圓狀設定多個區域，在各個區域內使點的密度相等。在圖11(a)、(b)中，以相同的濃度示出點的密度相等的區域。
另外，如上述，在對點的密度進行調整時，希望在將點的數量維持為與上述比較例的情況下的點的數量相同的狀態下，僅使點的密度變化。即，若雷射光源111的射出光量相同，貝幌著點的數量増加，平均每個點的光量(亮度)降低。因此，為了提高點圖案周邊部的點的密度,若不改變中央部的點的數量而僅增加周邊部的點的數量,則點圖案整體的點的數量會増加，平均每個點的光量(亮度)降低。這樣ー來，在使點的密度變化之前能夠檢測出的點會由於提高了密度而變得無法檢測出，不能充分地發揮提高了點的密度所帯來的效果。因而，在以各種設計條件為基礎將點的數量設定為規定值(例如20000個)的情況下，希望以維持該數量維持的狀態，按照參照圖10而說明的那樣來調整點的密度。另外，如本實施方式所述，即使對點的密度進行調整，點的亮度也會以在上述圖9中評價過的同樣的傾向變化。即，各點的亮度在點圖案的中心處最高，隨著從中心以放射狀離開而逐漸降低。如上，根據本實施方式，在目標區域的內側與外側，雖然與比較例的情況同樣地產生了亮度的偏差，在亮度低的外側附近點的密度増大。由此，在對目標區域的外側附近的片 段區域進行圖案匹配時，片段區域內所包含的點數増加，因此如下所述能夠提高圖案匹配的精度。由此，能夠提高物體檢測裝置的距離檢測的精度。例如，設與目標區域對應的CMOS圖像傳感器123上的區域的像素數為20萬個，點圖案的點的總數為2萬個。若將片段區域設為9像素X9像素=81像素，則在點均勻地分布的情況下(比較例)，I個片段區域包含8個左右的點。另ー方面，若將點圖案的周邊部的點的密度提高到2倍(實施例)，則I個片段區域內包含16個左右的點。在片段區域內存在雜散光的情況下，若點的數量増加，則不被雜散光湮沒的點増加的可能性就會升高。由此，容易獲取片段區域的匹配。例如，在圖12(a)的例子中，雜散光的亮度等級處於中亮度與高亮度之間(例如稍微超過中期度的等級)的情況下，在比較例中，所有的點都會被湮沒在雜散光中。該情況下，相對於原本應該能檢測到的點而言能夠檢測的點的提取率為0%，通常該片段區域的檢測就變成錯誤。相對於此，在實施例中，相對於比較例而追加的8個點中的任ー個都可能超過雜散光的亮度等級。例如如圖12(b)所示，若被追加的8個點中的2個點的亮度超過雜散光的亮度等級，則點的提取率就變為12. 5%，該片段區域可被檢測到的可能性提高。另外，在被追加的8個點的亮度都不是高亮度的情況下(包括除了中亮度的情況以外還包含多個低亮度的點的情況)，雖然不能提取點，但原本即使在追加8個點前的情況下也不能提取點，因此僅僅只是結果沒有變化而己。本實施例的技術效果在於若増加I個片段區域所包含的點，則點增加之前不能檢測到的片段區域被檢測的可能性提高。在圖12(b)的例子中，將點圖案的周邊部的點的密度提高到2倍，該情況下點圖案的中心部的點的密度例如可設定為1/2。若這樣設定中心部的密度，則中心部的片段區域所包含的點的數量為4個左右。但是，點圖案的中心部的點的亮度較高，因此點的提取率高，即使點為4個左右，也能夠檢測到片段區域。另外，若這樣設定密度，則點圖案的周邊部的點的密度就成為中心部的點的密度的4倍。但點圖案的中心部和周邊部的點的密度的比率並未限於這種設定，只要按照使片段區域的檢測率良好的方式設定為將周邊部的密度提高的比率即可。再有，一個片段區域的像素數也並未限於9像素X 9像素，也可設為其他像素數。只要能夠根據一個片段區域的像素數而適當地調整點圖案的中心部與周邊部的點的密度的比率即可。如上，雖然對本發明的實施方式進行了說明，但本發明並未限制於上述實施方式，本發明的實施方式除了上述方式以外還能夠進行各種各樣的變更。例如，在上述實施方式中，作為光檢測器而採用了 CMOS圖像傳感器123，但也可以取代它而採用CCD圖像傳感器。再有，在上述實施方式中，如圖10所示，雖然構成為目標區域內的點的密度隨著以同心圓狀從中心離開而逐漸變大，但不限於此，如圖13(a)、(b)所示，也可以構成為隨著以橢圓形狀或方形狀從中心離開而逐漸變大。該情況下，點的密度也可以隨著以放射狀從點圖案的中心離開而線性地增加，或者還可以與圖11同樣階梯性地增加。還有，在上述實施方式中，雖然設置為在X軸方向上排列雷射光源111與準直透鏡112，且利用立起反射鏡113使雷射的光軸向Z軸方向彎曲，但也可以按照使雷射向Z軸方向射出的方式配置雷射光源111，將雷射光源111、準直透鏡112和DOEl 14排列配置在Z軸 方向上。該情況下，可以省略立起反射鏡113，但投射光學系統11的尺寸在Z軸方向上有所増大。另外，在上述實施方式中，雖然按照相鄰的片段區域不會互相重疊的方式進行了劃分，但也可以按照規定的片段區域和與該片段區域上下或左右相鄰的片段區域互相重疊的方式來設定片段區域。此外，本發明的實施方式在權利要求所示的技術範圍內能夠適當地進行各種變更。符號說明I信息取得裝置11投射光學系統12受光光學系統111雷射光源112準直透鏡114D0E (衍射光學元件)I22攝像透鏡(聚光透鏡)123CM0S圖像傳感器(攝像元件)
權利要求
1.一種信息取得裝置，利用光來取得目標區域的信息，該信息取得裝置的特徵在於，包括 投射光學系統，其以規定的點圖案向所述目標區域投射雷射；和受光光學系統，其按照相對於所述投射光學系統在橫向上偏離規定距離地排列的方式配置，該受光光學系統對所述目標區域進行攝像， 所述投射光學系統包括雷射光源、和將從所述雷射光源射出的雷射通過衍射而變換為點圖案的光的衍射光學元件， 所述受光光學系統包括攝像元件、和使來自所述目標區域的光聚光到所述攝像元件上的聚光透鏡， 所述衍射光學元件被構成為所述目標區域內的所述點圖案的點的密度，在所述點圖案的周邊部比中心部大。
2.根據權利要求I所述的信息取得裝置，其特徵在於， 所述衍射光學元件被構成為所述目標區域內的所述點的密度，根據距所述目標區域內的所述點圖案的中心的距離而增大。
3.根據權利要求2所述的信息取得裝置，其特徵在於， 所述衍射光學元件被構成為所述點的密度隨著以放射狀從所述點圖案的中心離開而階梯性地增大。
4.根據權利要求I 3中任一項所述的信息取得裝置，其特徵在於， 所述投射光學系統還包括準直透鏡，該準直透鏡將從所述雷射光源射出的所述雷射變換為平行光， 所述衍射光學元件將由所述準直透鏡變換為平行光後的所述雷射通過衍射而變換為點圖案的光。
5.一種投射裝置，具備權利要求I 4中任一項所述的投射光學系統。
6.一種物體檢測裝置，具有權利要求I 4中任一項所述的信息取得裝置。
全文摘要
本發明提供一種信息取得裝置、投射裝置及物體檢測裝置。即使在點圖案中產生了亮度的偏差也能抑制距離檢測的精度降低。投射光學系統具備通過衍射將從雷射光源射出的雷射變換為點圖案的光的衍射光學元件(DOEDiffractive Optical Element)，並向目標區域投射規定的點圖案。DOE構成為目標區域內的周邊部的點的密度要比目標區域內的中心部的點的密度大。由此，因為在對目標區域的外側附近的片段區域進行圖案匹配時片段區域內包含的點數增加，所以能夠提高圖案匹配的精度。由此，能夠提高物體檢測裝置的距離檢測的精度。
文檔編號G01B11/00GK102822623SQ201280000591
公開日2012年12月12日 申請日期2012年3月30日 優先權日2011年4月5日
發明者梅田勝美, 後藤陽一郎 申請人:三洋電機株式會社