JP2006505942A - 構造化光投影器 - Google Patents

Abstract

本発明は特に、映像化ベースの測距システムが映像内の点までの距離を定めることができるように、構造化光で場を照明するのに適している。本発明はまた、構造化光を場に投影して、、投影されたビームが想定される如何なる測距の不明瞭さも取り除き、投影されたアレイ内で観測される点の一意の識別に備えことができる手段に関連している。

Description

本発明は、映像測距システムのような測距装置で使用することのできるような、場を照明するための構造化光生成器に関するものである。

映像測距システムは、しばしば、場を照明し、その場から反射された光を映像化して、距離情報を定める。

一つの既知のシステムである、いわゆる三角測量システムは、その場内にスポットが現れるように場を光のビームで照明するように配置された光源を用いる。検出器は、場の中の光のスポットの位置が距離情報を明らかにするような、光源についてあらかじめ定められたやり方で指向される。光のビームは、場全体にわたって、方位及び仰角の両方において走査されて、場全体から距離情報を生成することができる。幾つかのシステムでは、光のビームは、一次元の距離情報を同時に集めるように、線形ビームとすることができ、垂直方向に走査されたその線形ビームは、他の次元における距離情報を獲得する。

この種の照明システムは、しばしば、レーザーシステムを使用する。レーザーシステムは、安全の含意を有し、複雑かつかなり高価な走査機構を要求し得る。レーザーはまた、かなり高電力の光源である。

照明システムのもう1つの形式が、米国特許第6,377,353号で説明されている。ここでは、そこに口径のアレイを有するパターン形成されたスライドの前に配置された光源を備える構造化光生成器、を説明している。その光源からの光は、口径を通り抜け、場上にスポットのアレイを投影するだけである。この機構における距離情報は、形成されたスポットの大きさ及び形状を分析することにより定められる。

しかしながら、この形式の照明システムは光源で生成された光の均衡を妨げ、従って、要求された照明を生成するために、かなり高電力の光源を必要とする。さらに、その照明システムのフィールドの深さはいくぶん限定され、低い距離では識別が困難である。

米国特許第4,294,544号は、特定の手法で順に並べられたレーザービームのアレイで場を照明するための照明を有する、離れた表面を定める地形測定システムを開示している。説明された投影手段は、プレート及びビーム操縦手段を共有する複雑なシステムである。その装置は、全ての応用システムに適することはできない平行光ビームのアレイを生成し、高電力のレーザー光源を使用する。

(本発明の要約)
それゆえ、上で言及した短所の少なくとも幾つかを軽減する構造化光源を提供することが、本発明の目的である。本明細書で使用される限り、構造化光生成器という語は、場に向けて複数の別個の光の領域を投影する光源を意味すると解釈されるものとする。

それゆえ、本発明により、光導波路の入力面の一部を照明するように配置された光源を備える、場を照明するための構造化光生成器を提供しており、この光導波路は、実質的な反射側面を持ち、場に向けて光源の映像のアレイを投影するように、投影光学系と共に配置されたチューブを備える。

光導波路は、実質上、万華鏡として作動する。光源からの光は、チューブの側面から反射され、チューブ内の多数の反射経路を経ることができる。結果は、光源の複数の映像が場上に作成され、投影される、ということになる。従って、場は、光源の映像のアレイで照明される。それゆえ、光源が単純な発光ダイオードであるとき、場は、光のスポットのアレイで照明される。本発明の構造化光生成器は、より大きい深さのフィールドを提供するという点で有利である。生成器のフィールドの深さは、生成器を効果的に使用することのできる距離を明らかに定め、フィールドの大きな深さは、装置が動作のより大きい実効距離を持つことを意味する。これは、遠くの測定物体と同様にかなり近くの測定物体までの距離を定めるために、その機構を使用することを可能にするので、測距応用システムにおける照明源として使用されるとき、特に役立つ。それはまた、その場内で距離が変化する可能性の高い場での動作を可能にする。さらに、光導波路内で起こる映像反復は、非常に広い角度全体にわたって光源の映像が一様に投影されることを意味している。言い換えると、幾つかの従来技術の装置と同様に、場上に投影されたスポットのアレイは角度を限定されず、かなり遠くの測定物体についての広範囲の眺望が要求され得る測距応用システムにおいて、それは再び非常に役立つ。

光導波路は、実質的な反射壁を持つチューブを備える。チューブは、正多角形であることが都合の良い一定の断面を持つことが好ましい。正則な断面を持つことは、光源の映像のアレイもまた正則であり、測距応用システムに有利であることを意味する。スポットの正則なアレイは、既知の手法で場を照明し、測距目的のためのスポットの識別を容易にすることを確実にする。正方形断面のチューブが最も好ましい。

チューブは、反射内側表面、すなわちミラー内壁を持つ中空チューブを備えることができる。そのかわりに、チューブを固形材料から製造し、チューブの材料と周辺材料との間のインターフェースにおいて入射する光のかなりの量が全内部反射を受けるように配置することもできる。チューブ材料は、適当な屈折率を持つコーティングで覆われるか、又は大気中で動作するように設計されるかのいずれかとすることができ、その場合、光導波路の材料の屈折率は、材料大気インターフェースにおいて全内部反射が起こるようにされるべきである。

このようなチューブを光導波路として使用することは、広い角度全体にわたって場に投影されることのできる光源の複数の映像が生成されるという結果になる。光導波路は、製造及び組み立てるのが容易であり、光源からの光の大部分を場に繋げる。従って、発光ダイオードのような低電力の光源を使用することもできる。光導波路の出口口径は一般的に小さいので、機構はまた、言及したように、広範囲な距離にわたって分離されるスポットが投影されることを必要とする測距応用システムにそれを役立つようにする大きい深さのフィールドを持つ。典型的には、光導波絽は、数平方ミリメートルから数十平方ミリメートルまでの範囲の断面積を持ち、例えば、断面積は、1-50mm²又は2-25mm²の範囲とすることができる。言及したように、光導波路は、最も長い寸法が数ミリメートル、例えば1-5mmの正則形状の断面を持つことが好ましい。言及したような一実施形態は、辺の長さが2-3mmの正方形断面のチューブである。光導波路は、長さ数十ミリメートルとすることができ、長さは10mmと70mmの間とすることができる。このような光導波路は、50-100度(典型的には、光導波路内の全内角の約2倍)の角度にわたってスポットのグリッドを生成することができる。フィールドの深さは、一般的には、150mmから無限大までの動作を可能にするのに充分大きいとわかる。しかしながら、光導波路の他の配置は、特定の応用システムに適しているとすることができる。

投影光学系は、投影レンズを備えることができる。投影レンズを、光導波路の出力面に隣接して置くことができる。光導波路が固体である幾つかの実施形態では、レンズは、光導波路に内蔵することができる、すなわち、チューブは、出力面においてレンズを形成するように形作られる。

本発明による機構によって投影された光の全ビームは、光導波路の端を通過し、光導波路の端面の中心の点から発すると考えられることができる。次に、投影光学系は半球形レンズを備えることができ、その半球の中心が光導波路の出力面の中心と一致する場合には、ビームの見かけの起点は同じ点のままである、すなわち、どの投影映像も共通の投影起点を持つ。この配置では、プロジェクタは軸を持たず、従って、広い角度全体にわたって輻射するビーム源と考えることができるので、測距応用システムに非常に役立つものである。しかしながら、異なる効果のために、他の投影光学系を使用することもできるであろう。

投影光学系は、かなり離れた距離において、投影されたアレイにぴったりと焦点を当てるようにされることが好ましい。これは、その距離において、よりはっきりした映像を提供し、より近い距離において、ぼやけた映像を提供する。ぼやけの量は、測距応用システムに役立ち得る、いくらかの粗い距離情報を提供することができる。光源が非円形形状を有する場合には、識別が改善される。

測距応用システムでは、距離検出器が、場内のスポットを検出し、投影されたアレイのどのスポットにそれが対応するかはっきりわかることができることが必須である。焦点を合わせることにおいて、粗い距離情報を提供することは、いくらかの曖昧さを取り除くのを助けることができる。それゆえ、投影光学系は、第一の距離においておおむね焦点の合った映像、及び、第二の距離においておおむね焦点の合っていない映像を提供するようにされるのが好ましく、その第一及び第二の距離は、機構の動作の予想された範囲内である。言及したように、第一の距離は、第二の距離より大きいとすることができる。

さらに曖昧さを取り除くために、光源は、光導波路の反射軸について対称でない形状を持つことができる。光源が反射軸について対称でない場合には、その光源は、その鏡像とは異なるであろう。投影されたアレイ内の隣接するスポットは鏡像であり、そのため、この手法で光源を形作ることは、隣接するスポット間の識別を可能にするであろう。

本機構は、一以上の光源を備えることができ、各光源は、光導波路の入力面の一部を照明するように配置される。一以上の光源を使用することは、その場内のスポットの解像度を改善することができる。複数の光源が正則パターンで配置されるのが好ましい。光源は、様々なスポット濃度を提供するために、様々な光源の配置を使用できるように配置されることができる。例えば、単一光源は、光導波路の入力面の中心に置かれて、特定のスポット濃度を提供することができるであろう。光源の別個の2×2のアレイもまた、入力面上に配置され、スポット濃度の増大を提供するために中心光源の代わりに使用することができるであろう。

複数の光源を使用する場合、少なくとも1つの光源を、他の光源とは異なる波長で光を発するように配置することができるであろう。異なる波長を持つ光源を使用することは、場内に投影されたスポットのアレイが異なる波長を持ち、光源、従ってそれに対応するスポットが事実上異なる色となるが、とはいえ、色という語は、可視スペクトルでの動作を含意することを意図されたものではないことを、当業者はわかるであろう。可変の色を有することは、どのスポットが投影されたアレイ内のどれであるかについての不明瞭さを取り除くのを助ける。

そのかわりに、少なくとも1つの光源を、他の光源とは異なるように形成することもでき、少なくとも1つの光源は、光導波路の反射軸について対称でない形状を持つことが好ましいであろう。光源を形成することは、アレイ内のスポット間を識別することを再び助け、形状を非対称にすることは、鏡像が異なることを意味し、上で説明したように、さらに識別を改善するであろう。

少なくとも1つの光源を、他の光源とは異なる深さにおいて、光導波路内に置くことができるであろう。後で説明するように、万華鏡から発するビームの投影されたアレイの角分離は、その長さ対幅の比率で定められる。少なくとも1つの光源を万華鏡内に置くことは、その光源に対する光導波路の実効長を短くする。それゆえ、結果として生じる、場に向けて投影されたパターンは、異なる周期を持つスポットの一以上のアレイを備えるであろう。それゆえ、スポットの重なり度は、アレイの中心からの距離とともに変化し、各スポットを一意に識別するために使用することができるであろう。

構造化光生成器がラインのアレイで場を照明するように、光源を、入力面の一方の側から他方の側まで及ぶように配置することができる。反射軸と直交する方向に、光導波絽の入力面の一方の側から他方の側まで及ぶように配置された光源を使用する場合には、その結果は、場上に一定のラインが投影されるということになり、これは、いくつかの応用システムに役立つことができる。幾つかの実施形態では、場を交差するラインで照明することが望まれることもある。ライン間の交差点は、上で説明したような分離スポットと同様な手法で、測距目的のための識別に使用することができ、この仕様の目的のため、スポットについての如何なる言及も、連続したライン間の交差点のような照明光の識別可能な点を含むと解釈されるべきである。従って、その交差点は、その点までの距離を特定ために使用することができる。次に、その距離情報を、ライン上の任意の他の点、すなわちライン上の交差点ではない点までの測距を可能にするために使用することができ、これは、より詳細な距離情報を集めることを可能にするであろう。しかしながら、幾つかの場合、別個のスポットまでの距離を定め、次にラインを作動させることが最も良いとすることができ、その場合、ラインのアレイ又は別々のスポットのアレイを作成するように、光源を、光導波路を照明するように配置することができる。

もう1つの実施形態では、一又はそれ以上の光源を、マスクを通して光導波路の入力面を照明するように配置することができる。光源が入力面の一部分又は複数の部分を照明するだけであるように、マスクを配置することができる、すなわち、マスクは、少なくとも1つの伝播部分を持ち、その伝播部分又は各伝播部分を、光導波路の入力面の一部のみを照明するように配置することができる。それゆえ、光導波路の入力面の一部のみを照明するように配置されたかなり小さい光源を使用するのではなく、マスクを照明するために、一又はそれ以上の光源を使用することもできるであろう。マスクは、光導波路の入力面の一部までの光を可能にするだけであり、そのため、より大きな光源又は光源の集合を使用することもできるであろう。マスクは、単一光源が光導波路の入力面の別々の部分を照明することができるように、一以上の伝播部分を持つことができる。それゆえ、たった1つの光源、又はもしかすると光源の小さなアレイを使って、光の幾つかの別個のスポットを、光導波路の入力面上に生成することができるであろう。

このやり方でマスクを使用することは、光導波路の入力面にマスクを正確に置くことを必要とする。これは、光源又は光源アレイの正確な位置を必要とするよりも容易であり、万華鏡の端をプリントする、又はさもなければ処理することにより、実現することができる。一又は複数の光源の位置決めは、マスクを照明するように光源を配置するために必須なだけであるので、より重要ではない。

マスクの一又は複数の伝播部分は、別個の非円形形状を持つことができる。上で言及したように、別個の非円形形状を持つスポットを投影することは、一の距離においてぴったりと焦点が合い、他の距離において焦点が合わない場合には、距離情報を提供するのを助ける。同様に、マスクが、幾つかの伝播部分を持って、光導波路の入力面の幾つかの異なる領域を照明する場合には、少なくともいくつかは異なる形状を持ち、測距システムにおけるスポットの識別を助けることができるであろう。入力マスクの伝播部分を形成することは、一般的には、形成された光源を提供することよりも容易である。さらに又はそのかわりに、マスクは、そのうちの少なくとも幾つかは異なる波長で伝播することのできる異なる伝播部分を備えることもできる。言い換えると、マスクは、各々が異なる色のフィルターとして作動する複数のウィンドウを持つことができる。マスクが白色光源で照明されるとき、入力面の異なる部分が、その場に向けて反復され、投影される異なる色のスポットで照明される。もちろん、本発明は可視波長に限定されず、色という語は、それに応じて解釈されるべきである。光源が光導波路の入力面を少なくとも1つのラインで照明することを可能にするように、マスクはまた、伝播部分を、光導波路の入力面の一方の側から他方の側まで及ぶように配置されることもできる。これは、構造化光生成器がライン上のアレイを場に投影する、という結果になるであろう。幾つかの実施形態では、マスクを、交差するラインのアレイを投影するように配置することができ、連続光源を参照して上で説明するのと同じ利点を持つ。

マスクは、電気光学変調器のような変調器を備えることができる。マスクの少なくとも一部分を形成するために変調器を使用することは、マスクの特定の部分の伝播特性の制御を可能にすることができ、その結果として、光導波路の入力面への照明を制御することができるであろう。例えば、特定のウィンドウ又は伝播部分を、透過から非透過に切り替えて、アレイ内の特定のスポットをオフにすることができる、及びその逆もできるであろう。従って、伝播部分という語は、常に透過である部分に限定されるとして読まれるべきではなく、単に、少なくとも動作の一波長において伝播できるものである。代替として、アレイ内の特定のスポットの色を変えることができるように、マスク内のウィンドウの伝播波長を変えることもできるであろう。上で言及したように、測距応用システムで使用されるとき、場内で観測されるスポットの一意の識別が如何なる測距の不明瞭さも解消することを可能にするように、アレイ内の幾つかのスポットの特性を変えなければならないとすることができる。

マスクの均一な照明を確実にするために、一又は複数の光源とマスクとの間に、ホモジェナイザーを提供することが好ましい。ホモジェナイザーは、均一照明を提供するために、プラスチックのライトパイプのような単純なライトパイプを備えることができる。

マスクの非透過部分は、伝播されない光を再び使用するためにマスクから反射し返すことができるように、反射することができる。このように、非伝播光を再循環させることは、必要とされる一又は複数の光源の明るさを減らし、電力要求を減らすのを助ける。

構造化光生成器は、投影輻射の方向を変える制御可能な手段を備えることができることが、都合がよい。幾つかの応用システムでは、光の投影されたアレイの方向を変えることが望まれることがある。例えば、場の様々な部分上にスポットを投影するように、取り込まれたフレーム間の投影されたアレイの方向を変えることにより、より高解像度の距離情報を得ることができ、より多くの測距点を計算することを可能にするであろう。輻射の方向を変える手段が、投影されたアレイを場内の異なる部分に向け直すように回転させることのできる屈折要素を備えることが、都合がよい。例えば、方向変換手段は、軸について回転するように取り付けられ、その軸から離して輻射を屈折させるようにされた屈折ウェッジを備えることができる。

言及したように、本発明は特に、映像化ベースの測距システムが映像内の点までの距離を定めることができるように、構造化光で場を照明するのに適している。本発明はまた、構造化光を場に投影して、、投影されたビームが想定される如何なる測距の不明瞭さも取り除き、投影されたアレイ内で観測される点の一意の識別に備えことができる手段に関連している。

ここで、本発明を、以下の図面を参照してのみ、例として説明する。

(発明の詳細な説明)
本発明による、一般的に2で示される構造化光源を図1に示す。光源4は、万華鏡6の入力面に隣接して置かれる。もう一方の端に、単純な投影レンズ8が置かれる。明瞭さの目的のため、投影レンズは万華鏡から離して示されているが、一般的には、万華鏡の出力面に隣接して置かれるであろう。

光源4は、赤外線発光ダイオード(LED)である。投影されたスポットのアレイは、得られる視覚映像と干渉する必要が無く、かつ赤外線LED及び検出器はかなり安価であるので、赤外線は測距応用システムに役立つ。しかしながら、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、他の波長及び他の光源を、他の応用システムのために使用することもできることを、当業者はわかるであろう。

万華鏡は、内部反射壁を持つ中空チューブである。万華鏡は、適度な硬さを持つ如何なる材料からも作ることができ、その内側の壁は、適当な誘電体コーティングで覆われることができるであろう。しかしながら、当業者は、万華鏡が固形バーを備えることができることもわかるであろう。クリアな光学ガラスのような、LEDの動作波長において透過である如何なる材料でも充分であろう。万華鏡とまわりの大気との間のインターフェースにおいて、光が万華鏡内で完全に内部反射されるように、その材料を配置する必要があるであろう。更なる(銀メッキの)コーティングを使って、特に、場合によっては屈折率が一致するセメント/エポキシ樹脂等で接合することができる領域で、これを実現することができる。高い投影角が要求される場合、これは、万華鏡の材料を反射材料で被覆することを必要とすることができるであろう。理想的な万華鏡は、100%の反射率を持つ完全直線壁を有するであろう。中空万華鏡は、それ自体では、入力又は出力面を有することはできないが、中空万華鏡への入口及び出口をこの仕様の目的のための面とみなすべきであることに、注意すべきである。

万華鏡チューブの効果は、万華鏡の出力端において、LEDの複数の映像を見ることができるということである。図2を参照して、その原理を示す。LED4からの光は、全く反射を受けず、万華鏡に沿って直接伝播されることができる―経路10。しかしながら、いくらかの光は一度反射され、経路12をたどるであろう。万華鏡の端から見たとき、これは、見かけの光源14が見えるという結果になるであろう。二回の反射を受けた光は、経路16に沿って伝播し、もう1つの見かけの光源18が観測されるという結果になるであろう。

装置の大きさは、意図された用途に合わせられる。LED4が、全角90度で錐体内に光を発すると仮定する。中央の反射されないスポットのどちらか一方の側で観測されるスポットの数は、万華鏡の長さをその幅で割ったものに等しいであろう。スポット分離対スポットサイズの比率は、万華鏡幅対LEDサイズの比率で定められる。従って、200μm幅のLED、及び1mm²で長さ30mmの万華鏡は、(焦点が合った時)一方の側で、それらの幅の5倍で分離された61個のスポットの正方形グリッドを作成するであろう。実効出口口径が1mm²で低いので、装置は、それを特に測距ベースの応用システムに適合させるようにする大きい深さのフィールドを持つ。上で説明した万華鏡は、100mmから無限大までのフィールドの深さを有することができる。他の万華鏡のサイズは、他の応用システムのために使用されるであろう。様々なスポット濃度を生成するために、2-3mm平方の正方形断面の万華鏡を、例えば20-50mmの長さで使用することができる。

投影レンズ8は、万華鏡の端に配置された単純な一重レンズであり、LED4の映像のアレイを場上に投影するように選択される。応用システム及び必要なフィールドの深さにより、投影形状を再び選択することができるが、単純な形状は、レンズの焦点面に、又はその近くに、スポットのアレイを置くものである。本発明によるプロジェクタ配置の役立つ特徴は、図2に示すように、全てのビームが万華鏡の端を通過し、万華鏡の出力面の中心から発していると考えられることができることである。それゆえ、投影レンズ8は、半球形レンズとすることができ、その軸が出口面の中心と一致するように配置された場合には、ビームの見かけの起点を保持するであろう。図3は、万華鏡26と一体化して形成された半球形レンズ28を示している。従って、本発明によるプロジェクタは、広い角度全体にわたって万華鏡の入力面の映像を投影するのに有利であり、従来技術の投影システムと異なり、実質上、とりたてていうほどの軸を持たない。

幾つかの測距応用システムでは、スポットは、一の適当な距離において焦点がぴったりあわせられ、他のあり得る距離において焦点がより合わせられない、ということが有利である。本発明による構造化光生成器が測距応用システムに使用されるとき、その場は、投影されたスポットのアレイで照明される。次に、場内のスポットの位置を定めるように配置された検出器は、その角度、従ってそのスポットまでの距離を算出することができるが、これは、どのスポットがどれであるかを正確に定めることができる場合のみである。スポットが焦点を合わせられたか否かの判断は、距離の粗い表示を与え、従って、どのスポットが考えられているかについての幾らかの曖昧さを取り除くであろう。LEDが、焦点の合っているスポットもまた正方形であるような正方形、のような特定の形状である場合には、この識別を高めることができる。焦点の合っていないスポットは、より円形の形状であろう。

本発明の一実施形態では、隣接するスポット間の識別を可能にするように、光源が形成される。光源が、適当な反射軸について対称である場合、そのシステムで作成されるスポットは、実質上同一である。しかしながら、非対称に形成された光源を使用する場合、隣接するスポットは、識別可能な互いの鏡像である。その原理を図3に示す。

構造化光生成器2は、正方形断面を持つクリアな光学ガラス26の固形チューブを備える。形成されたLED24が、一方の面に置かれる。チューブ26のもう一方の端は、投影レンズ28に形成される。上で言及するように、それゆえ、万華鏡26及びレンズ28は一体化し、これは、光の効率を増大させ、単一成型ステップを使用することができるので、製造するのを容易にする。そのかわりに、独立したレンズを、平面の出力面で、固形万華鏡の端に光学的に接着することもできるであろう。

例証の目的のため、万華鏡の一コーナー、この例では右上を指す矢印で、LED24を示す。スクリーン30上に形成される映像を示す。LEDの反射されないスポットに対応する中心映像32が形成され、それは、再び、右上を指す矢印を持つ。実際には、単純な投影レンズは反転映像を投影し、そのため、実際には、形成される映像も反転されるということに注意せよ。しかしながら、説明の目的のため、反転されていない映像を示す。中心スポットの上及び下の映像34は一度反射され、従ってX軸についての鏡像である、すなわち矢印は右下を指す。しかしながら、その上又はその下の次の映像36は、X軸について二度反射され、そのため、中心映像と同一である。同様に、中心映像の左及び右の映像38はY軸について一度反射され、そのため、矢印は左上を指すように表示される。中心スポットと対角線状に隣接する映像40は、X軸について一度、及びY軸について一度反射されて、そのため、矢印は左下を指すように表示される。従って、検出された映像の矢印の向きは、どのスポットが検出されているかの表示を与える。この技術は、隣接するスポット間の区別を可能にするが、その次のスポットとの間ではない。

さらに、又はそのかわりに、一以上の光源を使用することもできるであろう。場内のスポット濃度の点で可変の解像度を与えるために、又はスポット間の区別を助けるために、或いはその両方のために、光源を使用することもできるであろう。

例えば、一以上のLEDが使用され、各LEDが異なる色であった場合、その場に向けて投影されたパターンは、そこで異なる色のスポットを持つであろう。ここで使用される色という語は、必ずしも、可視スペクトル内の様々な波長を意味するのではないが、ただ単に、LEDが識別可能な波長を持つにすぎないということを、当業者はわかるであろう。

万華鏡の入力面上のLEDの配置は、投影されたスポットのアレイを生じさせ、規則的な配置が好ましい。規則的なアレイを提供するために、LEDは、規則正しく互いから離されるべきであり、LEDから万華鏡の端までの距離は、LED間の離隔距離の半分とすべきである。

図4は、様々なスポット濃度を与えるために使用することのできるLEDの配置を示している。正方形断面の万華鏡の入力面42上に、13個のLEDが配置される。9個のLED46及び44a-hが、中央LED46の中心を入力面の真ん中に置き、正則な3×3正方形グリッドパターンで配置される。残りの4個のLED48a-dは、正則な2×2グリッドを与えるように配置される。次に、構造化光生成器を、3つの異なるモードで作動させることができる。中央LED46をそれ自身で作動させることができるか、又は複数のLEDを作動させることができるかのいずれでも、これは、上で説明したように、規則的なスポットのアレイを投影するであろう。例えば、中央LED46単独での場合にくらべて4倍の数のスポットが作り出されるアレイを与えるために、2×2配列で配置された4つのLED48a-dを照明させることもできるであろう。

様々な距離において、様々なLED配置を使用することもできるであろう。ターゲットが近距離にある場を照明するために使用されるとき、単一LEDは、識別のための充分な数のスポットを生成することができる。しかしながら、中距離又はより長距離において、スポットの濃さは、許容レベル以下に低下することがあり、その場合、スポット濃度を増大させるために、2×2か又は3×3のいずれかのアレイを使用することができるであろう。言及したように、異なるスポット間の識別を高めるために、LEDは異なる色とすることができるであろう。

複数の光源が使用される場合、光源の形状又は色の適当な選択が、更なる識別を与えることができる。これを、図5を参照して例証する。ここでは、異なる形状の光源52、54、56、58の2×2アレイを、作成されるパターンの一部と共に図示する。結果として生じる形成されたパターンを、各隣接するタイルが適当な軸についてのその隣のタイルの鏡像となっている、万華鏡の入力面50の映像のタイル型に配列されたアレイと考えることができる。単にX軸について見ると、アレイは、LED52及び54に対応するスポットで出来ており、その後に、それらの鏡像に対応するスポットが続く。結果として生じるパターンは、どの方向においても、各スポットがその次の最も近い3つの近隣とは異なるということを意味し、検出器によってどのスポットが観測されているかについての不明瞭さを減らすであろう。

複数の光源が使用される場合、別個にオンオフを切り替えられて、識別においてさらに助けとなるように、それらの光源を配置することができる。例えば、上で説明したように配置された幾つかのLEDを、各LEDを順に作動させて使用することもできるであろう。そのかわりに、アレイは、一般的には、全てのLEDが照明されて作動することができるが、しかし、いくらかの曖昧さのきっかけとなる検出器からの制御信号に応じて、それに従って、幾つかのLEDを作動又は非作動させるために使用することもできるであろう。

更なる実施形態では、万華鏡内の様々な深さにおいて、光源が配置される。上で説明したように、万華鏡からの隣接するビームの角分離は、万華鏡の長さと幅との間の比率に依存する。図6は、正方形断面の万華鏡66、及び投影レンズ68を示している。万華鏡チューブ66は、クリアな光学ガラス、又は任意の他の適当な材料とすることのできる2つの部分の材料66a及び66bから形成される。上で説明したように、第一のLED68は、万華鏡の入力面に置かれる。第二のLED70は、万華鏡の2つの部分66aと66bとの間の万華鏡内の異なる深さのところに、置かれる。当業者は、どのように万華鏡の2つの部分66a及び66bを繋いで、最大効率を確実するかよく分かり、その2つの部分間に第二のLED70を置くであろう。

結果として生じるパターンは、様々な周期を持つ2つのグリッドを含み、第二のLED70に対応するグリッドは、第一のLED68に対応するグリッドを部分的に不明瞭にする。わかるように、2つのスポット間の分離度は、中心スポットからの距離とともに変化する。次に、スポットを一意に識別するために、分離度、又は2つのグリッドのオフセットを使用することができるであろう。上で説明したように、識別を高めるため、LED68、70は異なる色とすることができるであろう。

ここまで、別個のスポットを作成することに関して、本発明を説明した。しかしながら、場上に連続したラインを投影するために、本発明を使用することもできるであろう。入力面の一方の側から他方の側まで及ぶ帯を備え、中心に置かれた光源は、図7に示すような連続したラインのアレイを作成するであろう。同様に、図8に示すような十字型の光源の使用により、正方形のグリッドを作成することもできるであろう。

図8を参照すると、十字型LED80が、万華鏡の入力面上に配置される。これは、交差するライン82のパターンが場に向けて投影されているのが示される、という結果になる。出力パターンにおけるラインの交差点を、別々に識別可能なスポットとして見ることができる。検出器は、上で説明したような別個のスポットを検出できるのと同じ方法で、交差点を検出することもできるであろう。しかしながら、次に、交差点までの距離を特定した検出器はまた、交差するラインに沿った任意の他の点までの距離情報を定めることもできるであろう。それゆえ、いくつかの応用システムでは、交差するラインのグリッドを投影することは、測距機構の解像度を高めることができるであろうという点で、有利となり得る。しかしながら、交差点の識別は、一意のスポットの識別よりも容易ではないことがある。その場合、十字型LEDは、独立して作動可能な独立した中央部分84を備えることができるであろう。中央部分84だけの作動は、図1及び図2を参照して説明したように、別個のスポットのアレイが作成されるという結果になるであろう。各スポットまでの距離が定められると、LED80の残りの部分を作動させて、測距のための更なる詳細を提供することができるであろう。

図9は、LEDを光導波路の入力面に置くかわりに、入力面にマスクを配置する、本発明の更なる実施形態を示している。構造化光生成器は、上で図6を参照して説明したような、正方形断面の万華鏡96及び投影レンズ98を持つが、とはいえ、図3に示すような一体化した配置も同様に使用することができるであろう。ライトパイプ94を通してLED90によって照明される万華鏡96への入力面に、マスク92が配置される。かわりに、LEDのアレイ又は他の光源で置き換えることのできるLED90は、かなり広い波長範囲でライトパイプ94を照明する、すなわち、それは白色光源とすることができる。ライトパイプ94は、ホモジェナイザーとして作動し、マスク92が均一照明を受けることを確実にする。マスク92は、万華鏡の入力面の一部分のみを照明するような複数の伝播部分を提供される。従って、マスク92の伝播部分は、図1から図8までを参照して説明した実施形態の個々のLEDと同様な手法で、光導波路の入力面を照明し、それゆえ、上で言及した利点の全てを、本発明のこの実施形態に利用可能である。

構造化光生成器が使用されている応用システムにより、マスク92は、伝播ウィンドウの様々な配置を有することができる。例えば、最も単純な形(示されていない)では、マスクは、図1に示すシステムを事実上再現する万華鏡の入力面の中心に、スポットを形成することを可能にする中心口径を単に備えることができる。92aで示される代替のマスクは、より密度の大きい正則形状の口径102を持ち、より高いスポット濃度に備えることもできるであろう。マスク92aのようなマスクを使用することは、高濃度スポットを万華鏡に入力することを可能にするが、非常に小さいLEDの使用を必要とすることはない。マスク92aの製造はかなり容易であり、マスク92の正確な配置は、LEDのアレイの配列よりも容易である。LED90は、マスクほど正確な配列を必要とはしない(あるいは、マスクなしで万華鏡の入力面に置かれることもある)。それがライトパイプ94を照明し、ライトパイプ94がマスク92を均一に照明することで充分である。それゆえ、本発明のマスクを有する実施形態の製造は、マスクなしの実施形態よりも容易となり得る。

異なる色で伝播する異なる部分が形成された代替のマスク92bを示す。例えば、ウィンドウ104は、例えば赤のような一つの波長の光を伝播することができ、それと同時に、ウィンドウ106は、例えば緑のような異なる波長の光を伝播することができる(とはいえ、本発明は、可視スペクトル外の波長にも利用可能である)。これは、上で説明したようなスポットの識別の助けとなることのできる、異なる色のスポットのアレイを作成するであろう。当業者によって容易に理解されるように、異なるフィルタ材料を使用することにより、異なるウィンドウ104、106を作ることができるであろう。さらに、2つの異なるウィンドウ104、106の各々が、一つのLEDのみによって発せられた輻射を伝播するように、単一LED90を、例えば赤色LED及び緑色LEDのような異なる波長で作動する2つのLEDで置き換えることもできるであろう。それゆえ、両方のLEDを作動させて、異なる色のスポットの高濃度のアレイを投影する。しかしながら、例えば赤色LEDのようなただ1つのLEDを作動させた場合には、ウィンドウ104のようなウィンドウのたった1つのセットのみが伝播することができ、スポットの限定されたアレイのみが投影されるであろう。これは、より多数の波長に拡張されることもできるであろう。

マスク92cは、複数の交差するラインを万華鏡の入力面上に投影することを可能にするマスクを示している。これは、図8に示したものと同様なパターンを作成するであろう。

マスク92は固定マスクとすることができるであろう、或いは、マスクは、シャッターのような電気光学変調器を備えることができるであろう。次に、マスク内の個々のウィンドウを、場内の特定のスポットを作動させないように、透過から非透過に切り替えることができるであろう。

ライトパイプ94は、単に、光をLED90からマスク92まで導く働きをし、従って、かなり安く精度の低いコンポーネントとなり得り、システムのコストを下げる。マスク92の入力面、すなわちライトパイプ94から光を受け取る面の非伝播部分は、非伝播光をライトパイプ94内に反射し返すように反射し、その場合、それはライトパイプのLED端から反射し、次にマスク92に再入射する。スポットの直径対間隔の率は、典型的には約4:1であるので、マスクの伝播部分は、その領域の約1/16にすぎない。非伝播光を再循環させることは、デバイスの効率を増大させ、LEDの電力要求を減らす。

本発明による構造化光源を示している。 どのように構造化光源が複数のスポットを投影するか、を示している。 本発明による構造化光生成器のもう1つの実施形態を示している。 複数の光源を持つ本発明の光導波路の入力面を示している。 複数の形成された光源を持つ本発明の光導波路の入力面、及び、場に向けて投影されたパターンの一部を示している。 2つの光源を異なる深さに配置された構造化光源、及び、場に向けて投影されたパターンの一部を示している。 複数のラインで場を照明するように配置された構造化光源の出力パターンを示している。 交差するラインのアレイで場を照明するように配置された構造化光源の入力面、及び出力パターンを示している。 本発明のもう1つの側面による構造化光源を示している。

Claims (37)

1. 光導波路の入力面の一部を照明するように配置された光源を備える、場を照明するための構造化光生成器であって、
   前記光導波路が、実質的な反射側面を持ち、前記光源の別々の映像のアレイを前記場に向けて投影するように投影光学系とともに配置されるチューブを備える
   ことを特徴とする構造化光生成器。
2. 前記光導波路が一定の断面を持つチューブを備える
   ことを特徴とする請求項1に記載の構造化光生成器。
3. 前記チューブの断面が正多角形である
   ことを特徴とする請求項2に記載の構造化光生成器。
4. 前記チューブが正方形の断面を有する
   ことを特徴とする請求項3に記載の構造化光生成器。
5. 前記光導波路の断面積が、1mm²から50mm²、又は2mm²から25mm²の範囲である
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の構造化光生成器。
6. 前記光導波路が、反射内部表面を持つ中空チューブを備える
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の構造化光生成器。
7. 前記光導波路が、チューブの材料と周囲の材料との間のインターフェースにおけるかなりの量の入射光が全内部反射されるようにされた前記固形材料のチューブ、を備える
   ことを特徴とする請求項1から5までのいずれかに記載の構造化光生成器。
8. 前記光導波路は10mmから70mmの間の長さである
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の構造化光生成器。
9. 前記投影光学系が投影レンズを備える
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の構造化光生成器。
10. 前記固形材料のチューブが、前記投影レンズを形成するように、出力面において形作られる
    ことを特徴とする請求項7に依る請求項9に記載の構造化光生成器。
11. 前記投影レンズが半球形レンズである
    ことを特徴とする請求項9又は請求項10に記載の構造化光生成器。
12. 前記半球形レンズの中心が、前記光導波路の前記出力面の中心に置かれる
    ことを特徴とする請求項11に記載の構造化光生成器。
13. 前記場に向けて投影された前記映像のアレイが共通の起点を持つ
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の構造化光生成器。
14. 前記投影光学系が、好ましくは、第一の距離において実質的に焦点の合った映像、及び第二の距離において実質的に焦点の合っていない映像を提供するようにされ、前記第一及び第二の距離が、前記機構の動作の予想される範囲内である
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の構造化光生成器。
15. 前記第一の距離が、前記第二の距離より大きいとすることができる
    ことを特徴とする請求項14に記載の構造化光生成器。
16. 前記光源が非円形形状を有する
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の構造化光生成器。
17. 前記光源が、前記光導波路の反射軸について対称でない形状を有する
    ことを特徴とする請求項16に記載の構造化光生成器。
18. 各々が前記光導波路の前記入力面の一部を照明するように配置された一以上の光源を備える
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の構造化光生成器。
19. 前記光源が規則的なパターンで配置される
    ことを特徴とする請求項18に記載の構造化光生成器。
20. 前記光源が、様々なスポット濃度を提供するために光源の様々な配置を使用することができるように配置された
    ことを特徴とする請求項18又は請求項19に記載の構造化光生成器。
21. 少なくとも1つの光源が、他の光源とは異なる波長で光を発する
    ことを特徴とする請求項18から20までのいずれかに記載の構造化光生成器。
22. 少なくとも1つの光源が、他の光源とは異なるように形作られる
    ことを特徴とする請求項18から21までのいずれかに記載の構造化光生成器。
23. 少なくとも1つの光源が、前記光導波路の反射軸について対称でない形状を持つ
    ことを特徴とする請求項18から22までのいずれかに記載の構造化光生成器。
24. 少なくとも1つの光源が、光導波路内で、他の光源とは異なる深さに置かれる
    ことを特徴とする請求項18から23までのいずれかに記載の構造化光生成器。
25. 前記構造化光生成器がラインのアレイで前記場を照明するように、前記光源が、前記入力面の一方の側から他方の側まで及ぶように配置された
    ことを特徴とする請求項1から19までのいずれかに記載の構造化光生成器。
26. 前記光源が、前記場を交差するラインで照明するように、前記導波路に対して配置された
    ことを特徴とする請求項25に記載の構造化光生成器。
27. 前記光源が、ラインのアレイか又は別々のスポットのアレイのいずれかを作成するように、前記光導波路を照明することができるようにされることができる
    ことを特徴とする請求項25又は請求項26に記載の構造化光生成器。
28. 前記光源が、マスクを通して前記光導波路の前記入力面を照明するように配置された
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の構造化光生成器。
29. 前記マスクが、各々が前記光導波路の前記入力面の一部のみを照明するように配置された少なくとも1つの伝播部分を有する
    ことを特徴とする請求項28に記載の構造化光生成器。
30. 前記マスクの伝播部分の少なくとも1つが、非円形形状を有する
    ことを特徴とする請求項29に記載の構造化光生成器。
31. 前記マスクが複数の伝播部分を有し、前記伝播部分の少なくとも幾つかが異なる形状を有する
    ことを特徴とする請求項30に記載の構造化光生成器。
32. 前記マスクが複数の伝播部分を有し、少なくとも幾つかの伝播部分は、異なる波長で伝播することができる
    ことを特徴とする請求項28から31までのいずれかに記載の構造化光生成器。
33. 前記構造化光生成器がラインのアレイで前記場を照明するように、少なくとも1つの伝播部分を、前記光導波路の前記入力面の一方の側から他方の側まで及ぶように配置された
    ことを特徴とする請求項28に記載の構造化光生成器。
34. 前記マスクが、該マスクの少なくとも一部の伝播特性を変えることができるようにされた変調器を備える
    ことを特徴とする請求項28から33のいずれかに記載の構造化光生成器。
35. 前記光源と前記マスクとの間に配置されたホモジェナイザーをさらに備える
    ことを特徴とする請求項28から34のいずれかに記載の構造化光生成器。
36. 前記生成器が、50°から100°までの間の角度にわたって、映像のアレイを投影する
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の構造化光生成器。
37. 前記生成器が、100mmから無限大までのフィールドの深さを有する
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の構造化光生成器。

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