JP6484071B2 - 物体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、ドットパターンを有する測定光を被測定物体に照射し、この反射光に基づいて被測定物体を検出する物体検出装置に関する。

特許文献１に、コヒーレント光源を使用して被測定物体を検出する物体検出装置に関する発明が記載されている。

特許文献１に記載された物体検出装置は、コヒーレント光源から生成されたランダムスペックルパターンが照明領域に照射され、照明領域からの光応答が画像化ユニットで検出される。被測定物体が照明領域に移動したときに得られるパターン画像と、被測定物体が存在していないときのランダムスペックルパターンの参照画像とでスペックルパターンのずれを検出し、三次元測量法を利用して、被測定物体の三次元マップを構築する、というものである。

特許第５００１２８６号公報

特許文献１に記載の物体検出装置においては、被測定物体の形状を詳細に検出しようとすればするほど、ドットパターンの密度を高める必要がある。しかし、ドットパターンの密度を高めた場合、検出すべきドットの数が多くなることから、処理負荷が大きくなってしまっていた。さらに、このような高密度のドットパターンを用いて、被測定物体の移動を検出すると、検出ドット数が多いために被測定物体の移動速度に処理が追いつかず、例えば移動速度を検出することができない等の問題点があった。このように、物体検出装置においては、測定したい項目によって最適なドットパターンは異なってくるが、従来の物体検出装置においては、それぞれの項目に応じた最適なドットパターンを用意することができなかった。

そこで本発明は、複数の検出項目に応じた複数のパターンを有する測定光を被測定物体に照射することのできる物体検出装置を提供することを目的とする。さらには、本発明は、複数のドットパターンを同時に照射することが可能な物体検出装置を提供することを目的とする。

（１）上記課題を解決するために、本発明の物体検出装置は、少なくとも１つの光源と、光源から出射された光を被測定物体に照射する照射光学系と、被測定物体から反射された反射光を撮像する受光素子と、受光素子が受光した反射光に基づいて被測定物体を検出する検出部と、を備え、前記照射光学系は、前記光源から出射される光を、間隔の異なる少なくとも２種類の規則的なパターンに変換して基準面の同じ領域に与える変換手段を有し、前記少なくとも２種類のパターンが、被測定物体の形状を検出するためのパターンと、被測定物体の移動情報を検出するためのものであって形状の検出のための前記パターンの間隔よりも大きな間隔を有するパターンと、を含むことを特徴としている。
これにより、検出項目ごとに最適なパターンの光を用いることができるため、各項目について高い検出精度で、過剰な処理負担をかけずに検出処理を行うことができる。異なるパターンの光を同時に照射できるため、被測定物体の検出を効率的に行うことができる。

（２）本発明の物体検出装置において、少なくとも２種類のパターンは、いずれもドットパターンであって、構成するドットの特性値が互いに異なることが好ましい。
これにより、少なくとも２種類のパターンを明確に判別することができるため、被測定物体の検出を正確に行うことができる。

（３）本発明の物体検出装置において、少なくとも２種類のパターンは、ドットパターンとラインパターンであることが好ましい。
これにより、検出項目に最適なパターンを選ぶことが可能となるため、検出精度の向上を図ることができる。

（４）本発明の物体検出装置において、ドットパターンのドットとラインパターンのラインは特性値が互いに異なることが好ましい。
これにより、ドットパターンとラインパターンを明確に判別することができるため、被測定物体の検出を正確に行うことができる。

（５）上記（２）又は（４）において、特性値は、輝度、ドット径、形状、明度、色相、波長、及び位相のうちの少なくとも１つであることが好ましい。
これにより、測定条件等に合わせて、パターンの識別が容易かつ確実に行うことができる。

（６）本発明の物体検出装置において、光源は１つであり、変換手段は、入射光を回折させる回折格子であることが好ましい。

（７）上記（６）において、光源から出射された光を分割する光分割手段を備え、光分割手段によって分割された光が、複数の回折格子にそれぞれ入射することが好ましい。
複数のパターンを、分割した光ごとに生成することにより、生成するパターンやその特性値の自由度が高まるため、検出項目に最適なパターンを生成することができる。

（８）上記（７）において、光分割手段はビームスプリッタであることが好ましい。

（９）上記（６）において、回折格子は、入射光を回折させて互いに異なる複数のドットパターンを生成することが好ましい。
１つの回折格子で複数のパターンを生成できるため、簡便かつ小型の装置を実現することができる。

（１０）本発明の物体検出装置において、光源は２つであり、変換手段は、２つの光源からの入射光をそれぞれ回折させる２つの回折格子であることが好ましい。
光源ごとに複数のパターンを生成するため、生成するパターンやその特性値の自由度が高まるため、検出項目に最適なパターンを生成することができる。

（１１）上記（１０）において、回折格子はホログラム素子であることが好ましい。

本発明によると、複数の検出項目、例えば被測定物体の形状と移動情報に応じた複数のパターンを有する測定光を被測定物体に照射することのできる物体検出装置を提供することができる。さらに、本発明によれば、複数のドットパターンを同時に照射することが可能な物体検出装置を提供することができる。

第１実施形態における光源及び照射光学系を示す平面図である。 第１実施形態における受光素子を有する撮像部材、フレームメモリ、画像分析部、及び判別部の構成を示すブロック図である。 第１実施形態における基準面に形成されるパターンを示す説明図である。 基準面に形成されるパターンの別の例を示す説明図である。 基準面に形成されるパターンのさらに別の例を示す説明図である。 第１実施形態の変形例における光源及び照射光学系を示す平面図である。 第２実施形態における光源及び照射光学系を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態に係る物体検出装置について図面を参照しつつ詳しく説明する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る物体検出装置は、図１に示す照射光学系２０及び基準面１１と、図２に示す、撮像部材３１、フレームメモリ３２、画像分析部３３、及び判別部３４と、を備える。図１に示す基準面１１は平面であるが、基準面１１は凹凸を有するものであってもよい。図１には、基準座標としてＸ−Ｙ−Ｚ座標が示されている。Ｘ−Ｙ面は基準面１１と平行な面であり、Ｘ−Ｚ面は基準面１１と垂直な平面である。

照射光学系２０は、コヒーレント光源であるレーザー光源２１と、レーザー光源２１から発せられる発散光束２１Ｌを平行光束２２Ｌに変換するコリメートレンズ２２と、コリメートレンズ２２で変換された平行光束２２Ｌを２つの光束に分割するビームスプリッタ２３と、ビームスプリッタ２３で分割された２つの平行光束２３Ｌ１、２３Ｌ２がそれぞれ入射する２つの透過型のホログラム素子２４ａ、２４ｂとを有している。

レーザー光源２１は、人が目視できない近赤外線の波長領域のレーザー光を発する。あるいは、可視光のレーザー光を発するものであってもよい。

ビームスプリッタ２３は、ハーフミラー２３ａと全反射ミラー２３ｂを有する。ハーフミラー２３ａは、コリメートレンズ２２から入射した平行光束２２Ｌの一部の光を透過させて平行光束２３Ｌ１として射出するとともに、残りの光を全反射ミラー２３ｂ側へ反射する。全反射ミラー２３ｂは、ハーフミラー２３ａからの入射光を全て反射して平行光束２３Ｌ２として射出する。

ホログラム素子２４ａ、２４ｂは、位相型の回折格子であり、入射光を所定のパターンに変換する変換手段として、平行光束２３Ｌ１、２３Ｌ２をそれぞれ回折させて、測定光として所定の発散角度を有する照射光束２４Ｌ１、２４Ｌ２をそれぞれ形成し、これらを基準面１１に略同時に与える。照射光束２４Ｌ１、２４Ｌ２が基準面１１に照射されると、基準面１１に、２つの規則的なドットパターンが投影される。このドットパターンは、例えば図３に示すように、六角格子の頂点に配置されたドット４１（黒い丸印）によるパターン４１ａや、このパターン４１ａよりも大きな六角格子の頂点に配置されたドット４２（白抜きの丸印）によるパターン４２ａや、さらに大きな六角格子の頂点に配置されたドット４３（ハッチングのついた四角印）によるパターン４３ａである。

また、ドットパターンとしては、図４に示すように、行方向と列方向へ一定のピッチｄで並ぶ正方格子の交点に配置した、第１ドット５１（黒い丸印）と第２ドット５２（白抜きの丸印）として配置してもよい。図４に示す第２ドット５２は、２つの第１ドット５１ごとに配置されており、行方向と列方向へ一定のピッチｄ’で並んでいる。したがって、第２ドット５２のピッチｄ’は第１ドット５１のピッチｄの３倍となる。

さらにまた、ホログラム素子２４ａ、２４ｂは、ドットパターンに代えて、又はドットパターンに加えて、規則的な形状を有するラインパターンを用いることもできる。例えば図５に示すように、一定のピッチで配置されたドットパターン６１と、六角格子状のラインパターン６２を基準面１１上に形成してもよい。

以上のようなドットパターンやラインパターンの形状・大きさ・間隔等は、ホログラム素子２４ａ、２４ｂにおける回折面の構造等によって任意に形成することができる。

ここで、ドットパターンやラインパターンにおける「規則的」とは、いずれか１つのドット又はラインに着目したときに、そのドット（ライン）とそれぞれの方向で隣接するドット（ライン）との方向ならびに距離の相対関係が、他の全てのドット（ライン）において同じである関係を意味している。

基準面１１に投影される２つのドットパターンは、２つのホログラム素子２４ａ、２４ｂの回折面の構成を互いに異ならせることによって、特性値としての、基準面１１における輝度が異なっている。この輝度の差は、検出環境や被測定物体の形状・色等によって生じる反射光の強度の変化に影響を受けない程度の大きさであることが好ましく、例えば、一方のパターンを構成するドットの輝度を他方のパターンを構成するドットの輝度の１．５〜１０倍とするとよい。

また、２つのドットパターンは、構成するドットが有する特性値として、輝度に代えて、又は、輝度に加えて、ドット径、形状、明度、色相、波長、及び位相のうち少なくとも１つ異ならせてよい。例えば、ホログラム素子２４ａ、２４ｂの出射面近傍にフィルタを設け、このフィルタを通してホログラム素子２４ａ、２４ｂからの出射光を基準面１１にそれぞれ照射することによって、ドット径・形状・明度・色相・波長等に違いを生成することができる。

照射光学系２０と基準面１１の間に被測定物体、例えば人の手が入ると、照射光束２４Ｌ１、２４Ｌ２が被測定物体によって反射される。この反射光は、図２に示すように、撮像部材３１に入射し、撮像部材３１が有する受光素子によって撮像される。受光素子としては、ＣＣＤ（電荷結合素子）、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）等を使用する。撮像部材３１は、物体の検出精度、検出手法等に応じて、照射光学系２０に対して任意の位置に配置することができる。すなわち、撮像部材３１と照射光学系２０の光軸が略同一になるように配置してもよいし、一定の角度を持つように配置してもよい。

図２に示すように、撮像部材３１では、取得された画像がフレーム（コマ）毎にフレームメモリ３２に蓄積される。フレームメモリ３２には複数のフレーム分の画像が蓄積され、新たなフレームの画像が入力されると、最も古いフレームの画像が廃棄される。

フレームメモリ３２に蓄積された画像は、フレーム毎に画像分析部３３に送られ、前後のフレームの画像を比較してどのドット像が移動したかが分析され、分析結果が判別部３４に送られる。ここで、画像分析部３３と判別部３４は、受光素子が受光した反射光に基づいて、被測定物体の形状や移動情報を検出する検出部を構成する。

判別部３４は、画像分析部３３から出力された画像について、予め定めた閾値に基づいて、輝度の異なる２つのドットパターン、例えば図３のドット４１によるパターン４１ａとドット４２によるパターン４２ａを判別する。

判別部３４は、２つのドットパターン４１ａ、４２ａの判別後に、小さなドットパターン４１ａにおける反射光に基づいて被測定物体の形状を検出し、大きなドットパターン４２ａにおける反射光に基づいて被測定物体の移動情報を検出する。ここで、移動情報は、ドットパターン４２ａの複数のドット４２のそれぞれについての、基準面１１に対応する平面内での移動量や移動方向を含む。

なお、検出に用いる２つのドットパターンの組み合わせは、上述の２つのドットパターン４１ａ、４２ａに限定されず、例えば、被測定物体の形状の検出のために、ドットパターン４１ａを用い、被測定物体の移動情報の検出のために、ドットパターン４１ａより大きなドットパターン４３ａを用いても良い。

このように、移動情報を検出するためのドットパターン４２ａのドット間隔を、被測定物体の形状を検出するためのドットパターン４１ａのドット間隔よりも大きくしたことにより、被測定物体が所定量、例えばドット４１の間隔よりも大きな量より大きく移動した場合でも被測定物体の移動情報を確実に検出することができる。

ここで、図４に示すドットパターンを用いる場合には、ドット間隔の小さな第１ドット５１における反射光を用いて被測定物体の形状を検出し、ドット間隔の大きな第２ドット５２における反射光を用いて被測定物体の移動情報を検出すると、図３に示すドットパターンを用いた場合の効果を得ることができる。

また、図５に示すドットパターンとラインパターンを用いる場合には、面積の小さなドットパターン６１における反射光を用いて被測定物体の形状を検出し、広い範囲に渡って配置されたラインパターン６２における反射光を用いて被測定物体の移動情報を検出すると、図３に示すドットパターンを用いた場合の効果を得ることができる。

第１実施形態の物体検出装置では、基準面１１にドットパターンが投影されている状態で、撮像部材３１で画像が取得される。その画像は、１フレーム毎にフレームメモリ３２に蓄積され、画像分析部３３では、前後のフレームの画像を比較してどのドットが移動したかが分析される。ドットの移動の分析としては、例えば第１フレームに続いて第２フレームの画像が取得される間に、照射光学系２０と基準面１１の間に被測定物体が入ったり、照射光学系２０と基準面１１の間にあった被測定物体が移動したことによるドット像の移動が、第１フレームにおけるドット像上を通るエピポーラ線上で起きることを利用して、エピポーラ線上におけるドットの移動距離に基づいて行う。

以下に変形例について説明する。
図１に示す物体検出装置では、照射光学系２０のビームスプリッタ２３によって平行光束２２Ｌを２つの光束に分割し、これらの光束を用いて２つのドットパターンを生成していたが、これに代えて、図６に示すように１つのホログラム素子１２３によって２つのドットパターンを生成する。なお、被測定物体からの反射光の受光や被測定物体の検出については、上述の実施形態と同様に、図２に示す、撮像部材３１、フレームメモリ３２、画像分析部３３、及び判別部３４によって行う。

本変形例に係る物体検出装置は、図１に示す照射光学系１２０と基準面１１１を備える。基準面１１１は、図１の基準面１１と同様の構成である。この照射光学系１２０は、コヒーレント光源であるレーザー光源１２１と、レーザー光源１２１から発せられる発散光束１２１Ｌを平行光束１２２Ｌに変換するコリメートレンズ１２２と、コリメートレンズ１２２で変換された平行光束１２２Ｌが入射する透過型のホログラム素子１２３とを有している。

ホログラム素子１２３は位相型の回折格子であり、入射光を所定のパターンに変換する変換手段として、平行光束１２２Ｌを回折させて、測定光として所定の発散角度を有する照射光束１２３Ｌを生成し、基準面１１１に与える。照射光束１２３Ｌが基準面１１１に照射されると、基準面１１１に、複数のドット又はラインが略同時に投影される。このドットやラインは、図３、図４、又は図５に示すような、複数の規則的なパターンを形成する。これらの複数のパターンは特性値、例えば輝度が互いに異なる。この複数のパターンは、ホログラム素子１２３の回折面の構成を異ならせることによって、特性値を異ならせている。パターンが２つである場合、ホログラム素子１２３は、回折面として、あるドットパターンに対応した第１の格子形状と、別のドットパターンに対応した第２の格子形状とを備えている。

本変形例によれば、図１に示す照射光学系２０よりも簡易かつ小型の構成を実現することができる。

＜第２実施形態＞
つづいて、本発明の第２実施形態について図７を参照しつつ説明する。第２実施形態においては、光源が２つ設けられている点が第１実施形態と異なる。被測定物体からの反射光の受光や被測定物体の検出については、第１実施形態と同様に、図２に示す、撮像部材３１、フレームメモリ３２、画像分析部３３、及び判別部３４によって行うため、それらの詳細な説明は省略する。

第２実施形態に係る物体検出装置は、図７に示す、２つの照射光学系２２０、２３０、ハーフミラー２４０、及び、基準面２１１と、図２に示す、撮像部材３１、フレームメモリ３２、画像分析部３３、及び判別部３４と、を備える。基準面２１１は、図１に示す基準面１１と同様の構成である。

第１照射光学系２２０は、コヒーレント光源である第１レーザー光源２２１と、第１レーザー光源２２１から発せられる発散光束２２１Ｌを平行光束２２２Ｌに変換する第１コリメートレンズ２２２と、第１コリメートレンズ２２２で変換された平行光束２２２Ｌが入射する第１マスク２２３と、第１マスク２２３から射出された光束が入射する透過型の第１ホログラム素子２２４とを有している。第１マスク２２３は、出射光が第１ホログラム素子２２４の所定の位置に入射するように、入射した平行光束２２２Ｌの一部を遮蔽して、残りを透過させる。

第２照射光学系２３０は、第１照射光学系２２０と同様の構成であって、第１レーザー光源２２１、第１コリメートレンズ２２２、第１マスク２２３、及び第１ホログラム素子２２４にそれぞれ対応する、第２レーザー光源２３１、第２コリメートレンズ２３２、第２マスク２３３、及び第２ホログラム素子２３４を備える。第２照射光学系２２０の光軸２３０ａは、第１照射光学系２２０の光軸２２０ａと直交し、基準面２１１は第１照射光学系２２０の光軸２２０ａに直交するように配置されている。

レーザー光源２２１、２３１は、人が目視できない近赤外線の波長領域のレーザー光を発する。あるいは、可視光のレーザー光を発するものであってもよい。ホログラム素子２２４、２３４は、位相型の回折格子であり、入射光を所定のパターンに変換する変換手段として、入射した平行光束をそれぞれ回折させて、測定光として所定の発散角度を有する照射光束をそれぞれ生成する。

第１ホログラム素子２２４で生成された照射光束はハーフミラー２４０を透過して基準面２１１に照射される。第２ホログラム素子２３４で生成された照射光束はハーフミラー２４０で全反射されて基準面２１１に照射される。これらの照射光束により、基準面２１１に、２つの規則的なパターンが投影される。このパターンは、例えば図３、図４、又は図５に示されるような、ドットパターンやラインパターンである。

基準面２１１に投影される２つのパターンは、２つのホログラム素子２２４、２３４の回折面の構成を互いに異ならせることによって、第１実施形態と同様に、特性値としての、基準面２１１における輝度が異なっている。

また、２つの照射光学系２２０、２３０からの光束の出射は、検出項目の処理のタイミング等に合わせて、同時に行ってもよいし、時間をずらして行ってもよい。

なお、その他の構成、作用、効果は第１実施形態と同様である。また、照射光学系は３つ以上設けても良く、照射光学系ごとに生成するパターン、及び、パターンを構成するドット又はラインの特性値を異ならせても良い。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。

以上のように、本発明に係る物体検出装置は、被測定物体の形状だけでなく移動情報等の検出に有用である。

１１、１１１、２１１ 基準面
２０、１２０ 照射光学系
２１、１２１ レーザー光源
２２、１２２ コリメートレンズ
２３ ビームスプリッタ
２３ａ ハーフミラー
２３ｂ 全反射ミラー
２４ａ、２４ｂ、１２３ ホログラム素子
３１ 撮像部材
３２ フレームメモリ
３３ 画像分析部
３４ 判別部
４１、４２、４３ ドット
４１ａ、４２ａ、４３ａ ドットパターン
５１ 第１ドット
５２ 第２ドット
６１ ドットパターン
６２ ラインパターン
２２０ 第１照射光学系
２２１ 第１レーザー光源
２２２ 第１コリメートレンズ
２２３ 第１マスク
２２４ 第１ホログラム素子
２３０ 第２照射光学系
２３１ 第２レーザー光源
２３２ 第２コリメートレンズ
２３３ 第２マスク
２３４ 第２ホログラム素子
２４０ ハーフミラー

Claims (11)

1. 少なくとも１つの光源と、前記光源から出射された光を被測定物体に照射する照射光学系と、被測定物体から反射された反射光を撮像する受光素子と、前記受光素子が受光した前記反射光に基づいて被測定物体を検出する検出部と、を備え、
   前記照射光学系は、前記光源から出射される光を、間隔の異なる少なくとも２種類の規則的なパターンに変換して基準面の同じ領域に与える変換手段を有し、
   前記少なくとも２種類のパターンが、被測定物体の形状を検出するためのパターンと、被測定物体の移動情報を検出するためのものであって形状の検出のための前記パターンの間隔よりも大きな間隔を有するパターンと、を含むことを特徴とする物体検出装置。
2. 前記少なくとも２種類のパターンは、いずれもドットパターンであって、前記ドットパターンを構成するドットの特性値が、パターンの種類ごとに異なることを特徴とする請求項１に記載の物体検出装置。
3. 前記少なくとも２種類のパターンが、ドットパターンとラインパターンを含むことを特徴とする請求項１に記載の物体検出装置。
4. 前記ドットパターンのドットと前記ラインパターンのラインは特性値が互いに異なることを特徴とする請求項３に記載の物体検出装置。
5. 前記特性値は、輝度、ドット径、形状、明度、色相、波長、及び位相のうちの少なくとも１つであることを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の物体検出装置。
6. 前記光源は１つであり、前記変換手段は、入射光を回折させる回折格子であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の物体検出装置。
7. 前記光源から出射された光を分割する光分割手段を備え、前記光分割手段によって分割された光が、複数の前記回折格子にそれぞれ入射することを特徴とする請求項６に記載の物体検出装置。
8. 前記光分割手段はビームスプリッタであることを特徴とする請求項７に記載の物体検出装置。
9. 前記回折格子は、入射光を回折させて互いに異なる複数のパターンを生成することを特徴とする請求項６に記載の物体検出装置。
10. 前記光源は２つであり、前記変換手段は、２つの前記光源からの入射光をそれぞれ回折させる２つの回折格子であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の物体検出装置。
11. 前記回折格子はホログラム素子であることを特徴とする請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載の物体検出装置。

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