JP5138116B2 - 情報取得装置および物体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、目標領域に光を投射したときの反射光の状態に基づいて目標領域内の物体を検出する物体検出装置、および、当該物体検出装置に用いて好適な情報取得装置に関する。

従来、光を用いた物体検出装置が種々の分野で開発されている。いわゆる距離画像センサを用いた物体検出装置では、２次元平面上の平面的な画像のみならず、検出対象物体の奥行き方向の形状や動きを検出することができる。かかる物体検出装置では、レーザ光源やＬＥＤ（Light Emitting Diode）から、予め決められた波長帯域の光が目標領域に投射され、その反射光がＣＭＯＳイメージセンサ等の光検出器により受光（撮像）される。距離画像センサとして、種々のタイプのものが知られている。

所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの距離画像センサでは、ドットパターンを持つレーザ光の目標領域からの反射光が光検出器によって受光される。そして、ドットの光検出器上の受光位置に基づいて、三角測量法を用いて、検出対象物体の各部（検出対象物体上の各ドットの照射位置）までの距離が検出される（たとえば、非特許文献１）。

第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８−２０日）予稿集、Ｐ１２７９−１２８０

上記物体検出装置では、レーザ光源から出射されたレーザ光を回折光学素子により回折させて、ドットパターンを持つレーザ光が生成される。この場合、回折光学素子は、たとえば、目標領域上のドットパターンが同じ輝度で均一に分布するよう設計される。しかしながら、回折光学素子に生じる成形誤差等により、目標領域において、周辺部のドットの輝度が、中心部のドットの輝度に比べて小さくなることがある。この場合、周辺部のドットの密度を低下させて周辺部のドットの輝度を高めるようにするのが望ましい。しかし、こうすると、周辺部における距離検出の精度が低下する惧れがある。

本発明は、このような課題を解消するためになされたものであり、ドットパターンの周辺部における距離検出の精度の低下を抑制することができる情報取得装置および物体検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置に関する。本態様に係る情報取得装置は、前記目標領域に所定のドットパターンでレーザ光を投射する投射光学系と、前記投射光学系に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、前記目標領域を撮像する受光光学系と、前記受光光学系により撮像された前記ドットパターンに基づいて目標領域に存在する物体の各部までの距離を取得する距離取得部と、を備える。ここで、前記投射光学系は、前記目標領域における前記ドットパターンのドットの密度が、前記ドットパターンの中心部よりも周辺部の方が小さくなるよう構成される。前記距離取得部は、基準面により反射され前記受光光学系により撮像された基準ドットパターンをセグメント領域に区分し、距離測定時に目標領域を撮像して取得された撮像ドットパターンと前記各セグメント領域内のドットとを照合することにより、前記各セグメント領域についての距離を取得する。前記セグメント領域は、前記基準ドットパターンの中心部よりも周辺部の方が大きくなるよう設定される。

本発明の第２の態様は、物体検出装置に関する。本態様に係る物体検出装置は、上記第１の態様に係る情報取得装置を有する。

本発明によれば、ドットパターンの周辺部における距離検出の精度の低下を抑制することができる情報取得装置および物体検出装置を提供することができる。

本発明の特徴は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明の一つの実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに制限されるものではない。

実施の形態に係る物体検出装置の概略構成を示す図である。 実施の形態に係る情報取得装置と情報処理装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る目標領域に対するレーザ光の照射状態を模式的に示す図およびＣＭＯＳイメージセンサにおけるレーザ光の受光状態を模式的に示す図である。 実施の形態に係る基準テンプレートの生成方法を模式的に示す図である。 実施の形態に係る基準テンプレート上のセグメント領域が実測時においてどの位置に変位したかを検出する手法を説明する図である。 実施の形態に係る投射光学系と受光光学系の設置状態を示す斜視図である。 実施の形態に係る投射光学系と受光光学系の構成を模式的に示す図である。 実施の形態の比較例に係るＣＭＯＳイメージセンサ上の輝度分布を示す測定結果および輝度分布を模式的に示す図である。 実施の形態に係る目標領域におけるドットの分布状態を模式的に示す図である。 実施の形態に係る周辺部のドットの密度を小さくする方法を説明する図である。 実施の形態に係る中心部および周辺部のセグメント領域を示す図である。 実施の形態に係る基準パターン領域に対して設定されるセグメント領域の大きさを模式的に示す図である。 実施の形態に係るセグメント領域に対するドットパターンの設定処理および実測時における距離検出の処理を示すフローチャートである。 実施の形態に係る目標領域におけるドットの分布状態の変更例を模式的に示す図である。 実施の形態に係る基準パターン領域に対して設定されるセグメント領域の大きさの変更例を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。本実施の形態には、所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの情報取得装置が例示されている。

まず、図１に本実施の形態に係る物体検出装置の概略構成を示す。図示の如く、物体検出装置は、情報取得装置１と、情報処理装置２とを備えている。テレビ３は、情報処理装置２からの信号によって制御される。なお、情報取得装置１と情報処理装置２とからなる装置が、本発明の物体検出装置に相当する。

情報取得装置１は、目標領域全体に赤外光を投射し、その反射光をＣＭＯＳイメージセンサにて受光することにより、目標領域にある物体各部の距離（以下、「３次元距離情報」という）を取得する。取得された３次元距離情報は、ケーブル４を介して情報処理装置２に送られる。

情報処理装置２は、たとえば、テレビ制御用のコントローラやゲーム機、パーソナルコンピュータ等である。情報処理装置２は、情報取得装置１から受信した３次元距離情報に基づき、目標領域における物体を検出し、検出結果に基づきテレビ３を制御する。

たとえば、情報処理装置２は、受信した３次元距離情報に基づき人を検出するとともに、３次元距離情報の変化から、その人の動きを検出する。たとえば、情報処理装置２がテレビ制御用のコントローラである場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人のジェスチャを検出するとともに、ジェスチャに応じてテレビ３に制御信号を出力するアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定のジェスチャをすることにより、チャンネル切り替えやボリュームのＵｐ／Ｄｏｗｎ等、所定の機能をテレビ３に実行させることができる。

また、たとえば、情報処理装置２がゲーム機である場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人の動きを検出するとともに、検出した動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させ、ゲームの対戦状況を変化させるアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定の動きをすることにより、自身がテレビ画面上のキャラクタとしてゲームの対戦を行う臨場感を味わうことができる。

図２は、情報取得装置１と情報処理装置２の構成を示す図である。

情報取得装置１は、光学部の構成として、投射光学系１１と受光光学系１２とを備えている。この他、情報取得装置１は、回路部の構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１と、レーザ駆動回路２２と、撮像信号処理回路２３と、入出力回路２４と、メモリ２５を備えている。

投射光学系１１は、所定のドットパターンのレーザ光を、目標領域に照射する。受光光学系１２は、目標領域から反射されたレーザ光を受光する。投射光学系１１と受光光学系１２の構成は、追って、図６、７を参照して説明する。

ＣＰＵ２１は、メモリ２５に格納された制御プログラムに従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ２１には、投射光学系１１内のレーザ光源１１１（後述）を制御するためのレーザ制御部２１ａと、３次元距離情報を生成するための３次元距離演算部２１ｂの機能が付与される。

レーザ駆動回路２２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応じてレーザ光源１１１（後述）を駆動する。撮像信号処理回路２３は、受光光学系１２内のＣＭＯＳイメージセンサ１２３（後述）を制御して、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３で生成された各画素の信号（電荷）をライン毎に順次取り込む。そして、取り込んだ信号を順次ＣＰＵ２１に出力する。

ＣＰＵ２１は、撮像信号処理回路２３から供給される信号（撮像信号）をもとに、情報取得装置１から検出対象物の各部までの距離を、３次元距離演算部２１ｂによる処理によって算出する。入出力回路２４は、情報処理装置２とのデータ通信を制御する。

情報処理装置２は、ＣＰＵ３１と、入出力回路３２と、メモリ３３を備えている。なお、情報処理装置２には、同図に示す構成の他、テレビ３との通信を行うための構成や、ＣＤ−ＲＯＭ等の外部メモリに格納された情報を読み取ってメモリ３３にインストールするためのドライブ装置等が配されるが、便宜上、これら周辺回路の構成は図示省略されている。

ＣＰＵ３１は、メモリ３３に格納された制御プログラム（アプリケーションプログラム）に従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ３１には、画像中の物体を検出するための物体検出部３１ａの機能が付与される。かかる制御プログラムは、たとえば、図示しないドライブ装置によってＣＤ−ＲＯＭから読み取られ、メモリ３３にインストールされる。

たとえば、制御プログラムがゲームプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動きを検出する。そして、検出された動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させるための処理が制御プログラムにより実行される。

また、制御プログラムがテレビ３の機能を制御するためのプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動き（ジェスチャ）を検出する。そして、検出された動き（ジェスチャ）に応じて、テレビ３の機能（チャンネル切り替えやボリューム調整、等）を制御するための処理が制御プログラムにより実行される。

入出力回路３２は、情報取得装置１とのデータ通信を制御する。

図３（ａ）は、目標領域に対するレーザ光の照射状態を模式的に示す図であり、図３（ｂ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３におけるレーザ光の受光状態を模式的に示す図である。なお、同図（ｂ）には、便宜上、目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在するときの受光状態が示されている。

同図（ａ）に示すように、投射光学系１１からは、ドットパターンを持ったレーザ光（以下、このパターンを持つレーザ光の全体を「ＤＰ光」という）が、目標領域に向けて照射される。同図（ａ）には、ＤＰ光の投射領域が実線の枠によって示されている。ＤＰ光の光束中には、回折光学素子による回折作用によってレーザ光の強度が高められたドット領域（以下、単に「ドット」という）が、回折光学素子の回折作用によるドットパターンに従って点在している。

なお、図３（ａ）では、便宜上、ＤＰ光の光束が、マトリックス状に並ぶ複数のセグメント領域に区分されている。各セグメント領域には、ドットが固有のパターンで点在している。一つのセグメント領域におけるドットの点在パターンは、他の全てのセグメント領域におけるドットの点在パターンと相違する。これにより、各セグメント領域は、ドットの点在パターンをもって、他の全てのセグメント領域から区別可能となっている。

目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在すると、これにより反射されたＤＰ光の各セグメント領域は、同図（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３上においてマトリックス状に分布する。たとえば、同図（ａ）に示す目標領域上におけるセグメント領域Ｓ０の光は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３上では、同図（ｂ）に示すセグメント領域Ｓｐに入射する。なお、図３（ｂ）においても、ＤＰ光の光束領域が実線の枠によって示され、便宜上、ＤＰ光の光束が、マトリックス状に並ぶ複数のセグメント領域に区分されている。

上記３次元距離演算部２１ｂでは、各セグメント領域がＣＭＯＳイメージセンサ１２３上のどの位置に入射したかの検出（以下、「パターンマッチング」という）が行われ、その受光位置から、三角測量法に基づいて、検出対象物体の各部（各セグメント領域の照射位置）までの距離が検出される。かかる検出手法の詳細は、たとえば、上記非特許文献１（第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８−２０日）予稿集、Ｐ１２７９−１２８０）に示されている。

図４は、上記距離検出に用いられる基準テンプレートの生成方法を模式的に示す図である。

図４（ａ）に示すように、基準テンプレートの生成時には、投射光学系１１から所定の距離Ｌｓの位置に、Ｚ軸方向に垂直な平坦な反射平面ＲＳが配置される。レーザ光源１１１の温度は、所定の温度（基準温度）に維持される。この状態で、投射光学系１１からＤＰ光が所定時間Ｔｅだけ出射される。出射されたＤＰ光は、反射平面ＲＳによって反射され、受光光学系１２のＣＭＯＳイメージセンサ１２３に入射する。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３から、画素毎の電気信号が出力される。出力された画素毎の電気信号の値（画素値）が、図２のメモリ２５上に展開される。

こうしてメモリ２５上に展開された画素値に基づいて、図４（ｂ）に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３上におけるＤＰ光の照射領域を規定する基準パターン領域が設定される。さらに、この基準パターン領域が、縦横に区分されてセグメント領域が設定される。上記のように、各セグメント領域には、固有のパターンでドットが点在する。よって、セグメント領域の画素値のパターンは、セグメント領域毎に異なっている。なお、図４（ｂ）の例では、各セグメント領域は、他の全てのセグメント領域と同じサイズである。

基準テンプレートは、このようにＣＭＯＳイメージセンサ１２３上に設定された各セグメント領域に、そのセグメント領域に含まれる各画素の画素値を対応付けて構成される。

具体的には、基準テンプレートは、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３上における基準パターン領域の位置に関する情報と、基準パターン領域に含まれる全画素の画素値と、基準パターン領域をセグメント領域に分割するための情報を含んでいる。基準パターン領域に含まれる全画素の画素値は、基準パターン領域に含まれるＤＰ光のドットパターンに相応するものになる。また、基準パターン領域に含まれる全画素の画素値のマッピング領域をセグメント領域に区分することで、各セグメント領域に含まれる画素の画素値が取得される。なお、基準テンプレートは、さらに、各セグメント領域に含まれる画素の画素値を、セグメント領域毎に保持していても良い。

構成された基準テンプレートは、図２のメモリ２５に、消去不可能な状態で保持される。こうしてメモリ２５に保持された基準テンプレートは、投射光学系１１から検出対象物体の各部までの距離を算出する際に参照される。

たとえば、図４（ａ）に示すように距離Ｌｓよりも近い位置に物体がある場合、基準パターン上の所定のセグメント領域Ｓｎに対応するＤＰ光（ＤＰｎ）は、物体によって反射され、セグメント領域Ｓｎとは異なる領域Ｓｎ’に入射する。投射光学系１１と受光光学系１２はＸ軸方向に隣り合っているため、セグメント領域Ｓｎに対する領域Ｓｎ’の変位方向はＸ軸に平行となる。図４（ａ）の場合、物体が距離Ｌｓよりも近い位置にあるため、領域Ｓｎ’は、セグメント領域Ｓｎに対してＸ軸正方向に変位する。物体が距離Ｌｓよりも遠い位置にあれば、領域Ｓｎ’は、セグメント領域Ｓｎに対してＸ軸負方向に変位する。

セグメント領域Ｓｎに対する領域Ｓｎ’の変位方向と変位量をもとに、投射光学系１１からＤＰ光（ＤＰｎ）が照射された物体の部分までの距離Ｌｒが、距離Ｌｓを用いて、三角測量法に基づき算出される。同様にして、他のセグメント領域に対応する物体の部分について、投射光学系１１からの距離が算出される。

かかる距離算出では、基準テンプレートのセグメント領域Ｓｎが、実測時においてどの位置に変位したかを検出する必要がある。この検出は、実測時にＣＭＯＳイメージセンサ１２３上に照射されたＤＰ光のドットパターンと、セグメント領域Ｓｎに含まれるドットパターンとを照合することによって行われる。

図５は、かかる検出の手法を説明する図である。同図（ａ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３上における基準パターン領域とセグメント領域の設定状態を示す図、同図（ｂ）は、実測時におけるセグメント領域の探索方法を示す図、同図（ｃ）は、実測されたＤＰ光のドットパターンと、基準テンプレートのセグメント領域に含まれるドットパターンとの照合方法を示す図である。

たとえば、同図（ａ）のセグメント領域Ｓ１の実測時における変位位置を探索する場合、同図（ｂ）に示すように、セグメント領域Ｓ１が、範囲Ｐ１〜Ｐ２において、Ｘ軸方向に１画素ずつ送られ、各送り位置において、セグメント領域Ｓ１のドットパターンと、実測されたＤＰ光のドットパターンのマッチング度合いが求められる。この場合、セグメント領域Ｓ１は、基準パターン領域の最上段のセグメント領域群を通るラインＬ１上のみをＸ軸方向に送られる。これは、上記のように、通常、各セグメント領域は、実測時において、基準テンプレートにより設定された位置からＸ軸方向にのみ変位するためである。すなわち、セグメント領域Ｓ１は、最上段のラインＬ１上にあると考えられるためである。このように、Ｘ軸方向にのみ探索を行うことで、探索のための処理負担が軽減される。

なお、実測時には、検出対象物体の位置によっては、セグメント領域が基準パターン領域の範囲からＸ軸方向にはみ出すことが起こり得る。このため、範囲Ｐ１〜Ｐ２は、基準パターン領域のＸ軸方向の幅よりも広く設定される。

上記マッチング度合いの検出時には、ラインＬ１上に、セグメント領域Ｓ１と同じサイズの領域（比較領域）が設定され、この比較領域とセグメント領域Ｓ１との間の類似度が求められる。すなわち、セグメント領域Ｓ１の各画素の画素値と、比較領域の対応する画素の画素値との差分が求められる。そして、求めた差分を比較領域の全ての画素について加算した値Ｒｓａｄが、類似度を示す値として取得される。

たとえば、図５（ｃ）のように、一つのセグメント領域中に、ｍ列×ｎ行の画素が含まれている場合、セグメント領域のｉ列、ｊ行の画素の画素値Ｔ（ｉ，ｊ）と、比較領域のｉ列、ｊ行の画素の画素値Ｉ（ｉ，ｊ）との差分が求められる。そして、セグメント領域の全ての画素について差分が求められ、その差分の総和により、値Ｒｓａｄが求められる。すなわち、値Ｒｓａｄは、次式により算出される。

値Ｒｓａｄが小さい程、セグメント領域と比較領域との間の類似度が高い。

探索時には、比較領域が、ラインＬ１上を１画素ずつずらされつつ順次設定される。そして、ラインＬ１上の全ての比較領域について、値Ｒｓａｄが求められる。求めた値Ｒｓａｄの中から、閾値より小さいものが抽出される。閾値より小さい値Ｒｓａｄが無ければ、セグメント領域Ｓ１の探索はエラーとされる。そして、抽出されたＲｓａｄの中で最も値が小さいものに対応する比較領域が、セグメント領域Ｓ１の移動領域であると判定される。ラインＬ１上のセグメント領域Ｓ１以外のセグメント領域も、上記と同様の探索が行われる。また、他のライン上のセグメント領域も、上記と同様、そのライン上に比較領域が設定されて、探索が行われる。

こうして、実測時に取得されたＤＰ光のドットパターンから、各セグメント領域の変位位置が探索されると、上記のように、その変位位置に基づいて、三角測量法により、各セグメント領域に対応する検出対象物体の部位までの距離が求められる。

図６は、投射光学系１１と受光光学系１２の設置状態を示す斜視図である。

投射光学系１１と受光光学系１２は、熱伝導性の高いベースプレート３００上に設置される。投射光学系１１を構成する光学部材は、シャーシ１１ａに設置され、このシャーシ１１ａがベースプレート３００上に設置される。これにより、投射光学系１１がベースプレート３００上に設置される。

受光光学系１２は、ベースプレート３００上の２つの台座３００ａの上面と、２つの台座３００ａの間のベースプレート３００の上面に設置される。２つの台座３００ａの間のベースプレート３００の上面には、後述するＣＭＯＳイメージセンサ１２３が設置され、台座３００ａの上面には保持板１２ａが設置され、この保持板１２ａに、後述するフィルタ１２１および撮像レンズ１２２を保持するレンズホルダ１２ｂが設置される。

投射光学系１１と受光光学系１２は、投射光学系１１の投射中心と受光光学系１２の撮像中心がＸ軸に平行な直線上に並ぶように、Ｘ軸方向に所定の距離をもって並んで設置されている。ベースプレート３００の裏面に、情報取得装置１の回路部（図２参照）を保持する回路基板２００（図７参照）が設置される。

ベースプレート３００の中央下部には、レーザ光源１１１の配線をベースプレート３００の背部に取り出すための孔３００ｂが形成されている。また、ベースプレート３００の受光光学系１２の設置位置の下部には、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３のコネクタ１２ｃをベースプレート３００の背部に露出させるための開口３００ｃが形成されている。

図７は、本実施の形態に係る投射光学系１１と受光光学系１２の構成を模式的に示す図である。

投射光学系１１は、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、立ち上げミラー１１３と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１１４を備えている。また、受光光学系１２は、フィルタ１２１と、撮像レンズ１２２と、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３とを備えている。

レーザ光源１１１は、波長８３０ｎｍ程度の狭波長帯域のレーザ光を出力する。レーザ光源１１１は、レーザ光の光軸がＸ軸に平行となるように設置される。コリメータレンズ１１２は、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光を略平行光に変換する。コリメータレンズ１１２は、自身の光軸がレーザ光源１１１から出射されたレーザ光の光軸に整合するように設置される。立ち上げミラー１１３は、コリメータレンズ１１２側から入射されたレーザ光を反射する。レーザ光の光軸は、立ち上げミラー１１３によって９０°折り曲げられてＺ軸に平行となる。

ＤＯＥ１１４は、入射面に回折パターンを有する。ＤＯＥ１１４は、樹脂による射出成型もしくはガラス基材にリソグラフィとドライエッチング手法を用いるなどして形成される。回折パターンは、たとえば、ステップ型のホログラムにより構成される。この回折パターンによる回折作用により、立ち上げミラー１１３により反射されＤＯＥ１１４に入射したレーザ光は、ドットパターンのレーザ光に変換されて、目標領域に照射される。回折パターンは、目標領域において所定のドットパターンとなるように設計されている。目標領域におけるドットパターンについては、追って図８〜１０を参照して説明する。

なお、レーザ光源１１１とコリメータレンズ１１２との間には、レーザ光の輪郭を円形にするためのアパーチャ（図示せず）が配される。なお、このアパーチャは、レーザ光源１１１の出射開口によって構成されても良い。

目標領域から反射されたレーザ光は、フィルタ１２１を透過して撮像レンズ１２２に入射する。

フィルタ１２１は、レーザ光源１１１の出射波長（８３０ｎｍ程度）を含む波長帯域の光を透過し、その他の波長帯域をカットする。撮像レンズ１２２は、フィルタ１２１を介して入射された光をＣＭＯＳイメージセンサ１２３上に集光する。撮像レンズ１２２は複数のレンズから構成され、所定のレンズとレンズとの間にアパーチャとスペーサが介挿されている。かかるアパーチャは、撮像レンズ１２２のＦナンバーに合うように、外部からの光に絞りを掛ける。

ＣＭＯＳイメージセンサ１２３は、撮像レンズ１２２にて集光された光を受光して、画素毎に、受光光量に応じた信号（電荷）を撮像信号処理回路２３に出力する。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３は、各画素における受光から高レスポンスでその画素の信号（電荷）を撮像信号処理回路２３に出力できるよう、信号の出力速度が高速化されている。

フィルタ１２１は、受光面がＺ軸に垂直になるように配置される。撮像レンズ１２２は、光軸がＺ軸に平行となるように設置される。ＣＭＯＳイメージセンサ１２３は、受光面がＺ軸に垂直になるように設置される。また、フィルタ１２１の中心とＣＭＯＳイメージセンサ１２３の受光領域の中心が撮像レンズ１２２の光軸上に並ぶように、フィルタ１２１、撮像レンズ１２２およびＣＭＯＳイメージセンサ１２３が配置される。

投射光学系１１と受光光学系１２は、図６を参照して説明したように、ベースプレート３００に設置されている。ベースプレート３００の下面には、さらに、回路基板２００が設置され、この回路基板２００から、レーザ光源１１１およびＣＭＯＳイメージセンサ１２３に配線（フレキシブル基板）２０１、２０２が接続されている。回路基板２００には、図２に示すＣＰＵ２１やレーザ駆動回路２２等の情報取得装置１の回路部が実装されている。

図７の構成において、ＤＯＥ１１４は、通常、ドットパターンのドットが、目標領域において、同じ輝度で、且つ、均一に分散するように設計される。このようにドットを分散させることにより、目標領域を満遍なく探索することが可能となる。しかしながら、このように設計されたＤＯＥ１１４を用いて実際にドットパターンを生成すると、ドットの輝度が領域によって相違することが分かった。また、ドットの輝度の相違には、一定の傾向があることが分かった。以下、本件出願の発明者が行ったＤＯＥ１１４の分析および評価について説明する。

まず、本件出願の発明者は、比較例として、ドットパターンのドットが目標領域上で同じ輝度で且つ均一に分布するよう、ＤＯＥ１１４の回折パターンを調整した。続いて、本件出願の発明者は、かかる設計に従って構成されたＤＯＥ１１４を用いて、実際に目標領域にドットパターンを投射し、そのときのドットパターンの投射状態をＣＭＯＳイメージセンサ１２３によって撮像した。そして、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３の各画素の受光光量（検出信号）から、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３上におけるドットパターンの輝度分布を測定した。

図８（ａ）は、比較例のＤＯＥ１１４を用いた場合のＣＭＯＳイメージセンサ１２３上の輝度分布を示す測定結果である。図８（ａ）の中央部分は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３の受光面（２次元平面）上における輝度を色（この図には、輝度の違いが色の違いによって表されている）によって示す輝度分布図である。図８（ａ）の左側および下側には、それぞれ、かかる輝度分布図のＡ−Ａ’直線およびＢ−Ｂ’直線に沿う部分の輝度値がグラフにより示されている。図８（ａ）の左側および下側のグラフは、それぞれ、最大輝度を１０として正規化されている。なお、図８（ａ）の左側および下側のグラフに示されるように、実際には、図８（ａ）の中央部分に示された図の周りの領域にも輝度が存在するが、かかる領域の輝度は低いため、便宜上、図８（ａ）の中央部分の図には、かかる領域の輝度が表わされていない。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の輝度分布を模式的に示す図である。図８（ｂ）では、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３上の輝度の大きさが、９段階に分けて表示されており、中心部から周辺部に向かうに従って輝度が低くなっていることが分かる。

図８（ａ）、（ｂ）に示す如く、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３上の輝度は、中心において最大となっており、中心から離れるに従って低くなっている。このように、目標領域においてドットパターンのドットが同じ輝度で且つ均一に分布するようＤＯＥ１１４が設計された場合でも、実際には、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３上において輝度のばらつきが生じてしまう。すなわち、この測定結果から、目標領域に投射されたドットパターンは、中心部から周辺部に向かうにつれて、ドットの輝度が低下することが分かる。

また、図８（ａ）、（ｂ）を参照すると、ドットの輝度は、中央から放射状に変化することが分かる。つまり、輝度が略同じであるドットは、ドットパターンの中心に対して略同心円状に分布し、中心から離れるにしたがって徐々にドットの輝度が低下するものと考えられる。本件出願の発明者が同様に形成された複数のＤＯＥ１１４について上記と同様の測定を行ったところ、この傾向は、何れのＤＯＥ１１４でも同じく確認された。よって、ドットパターンのドットが目標領域上で同じ輝度で且つ均一に分布するようにＤＯＥ１１４を設計した場合には、目標領域に投射されるドットは、一般に、上記のような傾向で分散するものと考えられる。

このように輝度のばらつきが生じると、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３の中心部と周辺部において、セグメント領域に含まれるドット数は略同じであるにも拘わらず、輝度が低い周辺部においては、自然光や照明灯の光などの迷光によって、ドットが検出されにくくなってしまう。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３の周辺部のセグメント領域において、パターンマッチングの精度が低下する惧れがある。

なお、このように周辺部の輝度が低くなる場合、周辺部のドットに基づく検出信号を大きくするために、たとえば、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３の周辺部の検出信号のゲインを大きく設定することが考えられる。しかしながら、このように周辺部のゲインが大きく設定されても、迷光に基づく検出信号も大きくなってしまうため、輝度の低い周辺部のドットを適正に検出することが困難となる。

そこで、本実施の形態では、図９（ａ）に示すように、目標領域においてドットパターンが不均一に分布するよう、ＤＯＥ１１４の回折パターンが調整される。

図９（ａ）は、本実施の形態の目標領域におけるドットの分布状態を模式的に示す図である。本実施の形態のＤＯＥ１１４は、回折作用により、図示の如く、目標領域においてドットの密度が同心円状に中心から離れるに従って（中心からの距離に比例して）小さくなるよう構成されている。図中の破線で示す部分は、ドットの密度が略等しい領域である。

ドットの密度は、ドットパターンの中心から放射状に離れるに従ってリニアに低下させてもよく、あるいは、段階的に低下させてもよい。たとえば、ドットの密度を段階的に低下させる場合、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、ドットパターンの中心から同心円状に複数の領域を設定し、それぞれの領域内ではドットの密度を等しくする。図９（ｂ）、（ｃ）において、ドットの密度が等しい領域は、同じ濃さで示されている。

ここで、ドットの密度は、たとえば、複数のドットを一つに纏めることにより小さくされる。たとえば、図１０（ａ）に示すように、比較例において、一つのセグメント領域（１５画素×１５画素）に、２２個のドットが含まれているとする。この場合、ドットパターンの周辺部のセグメント領域では、個々のドットの輝度が、同図（ａ）の下側に模式的に示された輝度Ｂ１を持っているとする。この状態から、たとえば、点線矢印に示すように、１１個のドットが他の１１個のドットにそれぞれ重なる位置に導かれるように、ＤＯＥ１１４の設計が調整される。これにより、同図（ｂ）のように、一つのセグメント領域に、１１個のドットが含まれるようになり、比較例に比べてドットの密度が１／２になる。このとき、同図（ｂ）の各ドットは、比較例の２つのドットが重ねられたものであるため、同図（ｂ）の下側に模式的に示すように、比較例の各ドットの２倍程度の輝度Ｂ２を持つようになる。こうして、ドットの密度が減じられながら、輝度が高められる。なお、ドットパターンの中心部では、上記のようなドットの重ね合わせは行われない。したがって、ドットパターンの中心部のドットは、比較例の場合と、密度も輝度も変わらない。

なお、図１０の例では、同じセグメント領域内のドット同士が重ねられたが、実際には、各セグメント領域に含まれるドットのパターンが固有のパターンとなるように、複数のドットが重ねられ、ドットの密度が小さくなる。互いに重なるドットは、同じセグメント領域に含まれなくても良い。このように各セグメント領域のドットのパターンが固有のパターンとなり、且つ、ドットパターン周辺部のドットの密度が小さくなるように、ＤＯＥ１１４の回折パターンが調整される。

このように、周辺部のドットの密度が小さくなると、上記のように周辺部の輝度が高められるため、周辺部のドットが迷光に埋もれ難くなる。しかしながら、周辺部のセグメント領域に含まれるドットの数は、中心部のセグメント領域に含まれるドットの数に比べて少なくなるために、周辺部のセグメント領域のパターンマッチングの精度が低下する惧れがある。

そこで、本実施の形態では、ＤＯＥ１１４の回折パターンを図９（ａ）に示すように調整すると共に、さらに、周辺部のセグメント領域を中心部のセグメント領域に比べて大きくなるよう設定する。

図１１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本実施の形態における中心部および周辺部のセグメント領域を示す図である。なお、本実施の形態においても、図１０（ａ）、（ｂ）の場合と同様、周辺部のドットの密度は、中心部のドットの密度の１／２であるとする。

図１１（ａ）に示すように、本実施の形態の場合も、図１０（ａ）と同様、中心部のセグメント領域は１５画素×１５画素に設定されており、一つのセグメント領域には２２個のドットが含まれている。そして、図１１（ｂ）に示すように、本実施の形態の場合、周辺部のセグメント領域は２１画素×２１画素に設定されている。なお、周辺部の密度は中心部の密度の１／２であるため、ここでは、周辺部のセグメント領域の面積が、中心部のセグメント領域の約２倍となるよう、周辺部のセグメント領域の一辺は、たとえば２１画素に設定される。こうすると、周辺部のセグメント領域に含まれる画素の数は、中心部のセグメント領域に含まれる画素の数の約２倍となる。これにより、周辺部のセグメント領域に含まれるドットの数（２２個）が、中心部のセグメント領域に含まれるドットの数（２２個）に等しくなる。

このように、セグメント領域の大きさは、中心部とのドットの密度の違いに応じて、適宜設定される。たとえば、図９（ａ）に示すように、中心部からの距離に応じてリニアに密度が小さくなる場合、図１２（ａ）に示すように、基準パターン領域上のドットの密度に応じてセグメント領域の大きさが変化するよう設定される。また、図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、中心部からの距離に応じて段階的に密度が小さくなる場合、それぞれ、図１２（ｂ）、（ｃ）に示すように、基準パターン領域上のドットの密度に応じて、段階的にセグメント領域の大きさが変化するよう設定される。

本実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３上における基準パターン領域の位置に関する情報と、基準パターン領域に含まれる全画素の画素値と、セグメント領域の縦横の幅に関する情報と、セグメント領域の位置に関する情報が、基準テンプレートとなる。本実施の形態の基準テンプレートも、図２のメモリ２５に、消去不可能な状態で保持される。こうしてメモリ２５に保持された基準テンプレートは、投射光学系１１から検出対象物体の各部までの距離を算出する際にＣＰＵ２１により参照される。

図１３（ａ）は、セグメント領域に対するドットパターンの設定処理を示すフローチャートである。かかる処理は、情報取得装置１の起動時または距離検出が開始されたときに行われる。なお、基準テンプレートには、基準パターン領域（図４（ｂ）参照）に対して、上記のように大きさが調整された個々のセグメント領域を割り当てるための情報が含まれている。具体的には、基準テンプレートには、各セグメント領域の基準パターン領域上の位置を示す情報と、各セグメント領域の大きさ（縦横幅）を示す情報が含まれている。ここでは、基準パターン領域に対して大きさが調整されたＮ個のセグメント領域が割り当てられ、これらセグメント領域には１〜Ｎまでの通し番号が付けられているものとする。

情報取得装置１のＣＰＵ２１は、まず、メモリ２５に保持されている基準テンプレートから、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３上における基準パターン領域の位置に関する情報と、基準パターン領域に含まれる全画素の画素値を読み出す（Ｓ１１）。続いて、ＣＰＵ２１は、変数ｋに１をセットする（Ｓ１２）。

次に、ＣＰＵ２１は、メモリ２５に保持されている基準テンプレートから、ｋ番目のセグメント領域Ｓｋの縦横の幅に関する情報と、セグメント領域Ｓｋの位置に関する情報を取得する（Ｓ１３）。続いて、ＣＰＵ２１は、基準パターン領域に含まれる全画素の画素値と、Ｓ１３で取得したセグメント領域Ｓｋの情報から、探索に用いるドットパターンＤｋを設定する（Ｓ１４）。具体的には、ＣＰＵ２１は、基準パターンの全画素の画素値のうち、セグメント領域Ｓｋに含まれるドットパターンの画素値を取得し、これを探索用のドットパターンＤｋとする。

次に、ＣＰＵ２１は、ｋの値がＮに等しいかを判定する（Ｓ１５）。全てのセグメント領域について探索に用いるドットパターンが設定されて、ｋの値がＮになると（Ｓ１５：ＹＥＳ）、処理が終了する。他方、ｋの値がＮに到達していないと（Ｓ１５：ＮＯ）、ＣＰＵ２１は、ｋの値を１増やして（Ｓ１６）、処理をＳ１３に戻す。こうして、探索に用いるＮ個のドットパターンが順次設定される。

図１３（ｂ）は、実測時における距離検出の処理を示すフローチャートである。かかる処理は、図１３（ａ）の処理により設定された探索用のドットパターンを用いて行われ、図１３（ａ）の処理と並行して行われる。

情報取得装置１のＣＰＵ２１は、まず、変数ｃに１をセットする（Ｓ２１）。次に、ＣＰＵ２１は、実測時に受光したＣＭＯＳイメージセンサ１２３上のドットパターンから、図１３（ａ）のＳ１４で設定したｃ番目の探索用のドットパターンＤｃと一致する領域を探索する（Ｓ２２）。かかる探索は、セグメント領域Ｓｃに対応する位置に対して左右方向に所定の幅を有する領域に対して行われる。探索用のドットパターンＤｃと一致する領域があれば、ＣＰＵ２１は、一致した領域がセグメント領域Ｓｃの位置から左右どちらの方向にどれだけの距離を移動したかを検出し、検出した移動方向と移動距離を用いて、三角測量法に基づきセグメント領域Ｓｃに位置する物体の距離を算出する（Ｓ２３）。

次に、ＣＰＵ２１は、ｃの値がＮに等しいかを判定する（Ｓ２４）。全てのセグメント領域について距離の算出が行われ、ｃの値がＮになると（Ｓ２４：ＹＥＳ）、処理が終了する。他方、ｃの値がＮに到達していないと（Ｓ２４：ＮＯ）、ＣＰＵ２１は、ｃの値を１増やして（Ｓ２５）、処理をＳ２２に戻す。こうして、セグメント領域に対応する検出対象物体までの距離が求められる。

以上、本実施の形態によれば、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、ドットパターンの周辺部の密度が中心部の密度よりも小さく設定される。これにより、周辺部におけるドット１つ当たりの輝度が高められ、各ドットが迷光に埋もれ難くなりドットの位置を把握し易くなる。また、このようにドットの密度を中心部と周辺部で変化させた場合、周辺部のセグメント領域が、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、中心部のセグメント領域よりも大きく設定される。これにより、目標領域の周辺部のセグメント領域についてパターンマッチングを行う際に、セグメント領域内に含まれるドット数が増えるため、パターンマッチングの精度が向上され得る。このように、本実施の形態によれば、ドットパターンの密度（輝度）とセグメント領域の大きさを調整することにより、ドットパターンの周辺部における距離検出の精度の低下を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施の形態も上記の他に種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施の形態では、光検出器として、ＣＭＯＳイメージセンサ１２３を用いたが、これに替えて、ＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。

また、上記実施の形態では、レーザ光源１１１とコリメータレンズ１１２をＸ軸方向に並べ、立ち上げミラー１１３でレーザ光の光軸をＺ軸方向に折り曲げるようにしたが、レーザ光をＺ軸方向に出射するようレーザ光源１１１を配置し、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、ＤＯＥ１１４をＺ軸方向に並べて配置するようにしても良い。この場合、立ち上げミラー１１３を省略できるが、投射光学系１１の寸法がＺ軸方向に大きくなる。

また、上記実施の形態では、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、ドットパターンの周辺部のドットの密度が中心部のドットの密度の１／２となるよう、ＤＯＥ１１４の回折パターンが調整された。しかしながら、これに限らず、ドットパターンの周辺部のドットの密度は、周辺部の輝度が大きくなるよう設定されればよい。

また、上記実施の形態では、一つのセグメント領域の画素数も、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、中心部において１５画素×１５画素、周辺部において２１画素×２１画素に設定された。しかしながら、これに限らず、周辺部のセグメント領域に含まれる画素数が、中心部のセグメント領域に含まれる画素数よりも大きくなるよう、他の画素数とされても良い。

また、上記実施の形態では、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、目標領域におけるドットの密度は、同心円状に中心から離れるに従って小さくなるよう構成されたが、これに限らず、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、楕円形状および方形状に中心から離れるに従ってリニアに小さくなるよう構成されても良い。この場合も、図１４（ｃ）、（ｄ）に示すように、ドットの密度は、ドットパターンの中心から放射状に離れるに従って、段階的に小さくなるよう構成されても良い。図１４（ａ）〜（ｄ）に示すようにドットの密度が設定される場合、図１５（ａ）〜（ｄ）に示すように、ドットの密度に応じてセグメント領域の大きさが設定される。

さらに、上記実施の形態では、基準パターン領域をマトリックス状に区分することによりセグメント領域が設定されたが、左右に隣り合うセグメント領域が互いにオーバーラップするようにセグメント領域が設定されてもよく、また、上下に隣り合うセグメント領域が互いにオーバーラップするようにセグメント領域が設定されてもよい。この場合も、各セグメント領域は、上記のように、ドットパターンの中心部よりも周辺部の方が大きくなるように設定される。

この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１ 情報取得装置
１１ 投射光学系
１２ 受光光学系
２１ ＣＰＵ（距離取得部）
２１ｂ ３次元距離演算部（距離取得部）
２３ 撮像信号処理回路（距離取得部）
１１１ レーザ光源
１１２ コリメータレンズ
１１４ ＤＯＥ（回折光学素子）
１２１ フィルタ
１２２ 撮像レンズ（集光レンズ）
１２３ ＣＭＯＳイメージセンサ（撮像素子）

Claims (6)

1. 光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置において、
   前記目標領域に所定のドットパターンでレーザ光を投射する投射光学系と、
   前記投射光学系に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、前記目標領域を撮像する受光光学系と、
   前記受光光学系により撮像された前記ドットパターンに基づいて目標領域に存在する物体の各部までの距離を取得する距離取得部と、を備え、
   前記投射光学系は、前記目標領域における前記ドットパターンのドットの密度が、前記ドットパターンの中心部よりも周辺部の方が小さくなるよう構成され、
   前記距離取得部は、基準面により反射され前記受光光学系により撮像された基準ドットパターンをセグメント領域に区分し、距離測定時に目標領域を撮像して取得された撮像ドットパターンと前記各セグメント領域内のドットとを照合することにより、前記各セグメント領域についての距離を取得し、
   前記セグメント領域は、前記基準ドットパターンの中心部よりも周辺部の方が大きくなるよう設定される、
   ことを特徴とする情報取得装置。
2. 請求項１に記載の情報取得装置において、
   前記投射光学系は、前記基準面における前記ドットの密度が、前記基準ドットパターンの中心からの距離に応じて小さくなるよう構成され、
   前記セグメント領域は、前記基準ドットパターンの中心から距離に応じて大きくなるよう構成される、
   ことを特徴とする情報取得装置。
3. 請求項２に記載の情報取得装置において、
   前記投射光学系は、前記基準面における前記ドットの密度が、前記基準ドットパターンの中心から放射状に離れるに従って段階的に小さくなるよう構成され、
   前記セグメント領域は、前記基準ドットパターンの中心から放射状に離れるに従って段階的に大きくなるよう構成される、
   ことを特徴とする情報取得装置。
4. 請求項１ないし３の何れか一項に記載の情報取得装置において、
   前記投射光学系は、前記基準面における前記ドットの輝度が、前記基準ドットパターンの中心部よりも周辺部の方が高くなるよう構成されている、
   ことを特徴とする情報取得装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の情報取得装置において、
   前記投射光学系は、
   レーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射されたレーザ光が入射するコリメータレンズと、
   前記コリメータレンズを透過した前記レーザ光を回折によりドットパターンの光に変換する回折光学素子と、を備え、
   前記受光光学系は、
   撮像素子と、
   目標領域からの前記レーザ光を前記撮像素子に集光する集光レンズと、
   前記レーザ光の波長帯域の光を抽出して前記撮像素子に導くためのフィルタと、を備える、
   ことを特徴とする情報取得装置。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の情報取得装置を有する物体検出装置。