JP2014048192A - 物体検出装置および情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目標領域が比較的近距離に設定される使用形態において、撮像素子の撮像範囲に、適正かつ所望の分解能にてドットを含めることが可能な情報取得装置およびこれを搭載する物体検出装置を提供する。
【解決手段】情報取得装置は、目標領域に所定のドットパターンの光を投射する投射光学系１１と、投射光学系１１に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、目標領域を撮像する受光光学系１２と、を備える。投射光学系１１は、投射光学系１１と受光光学系１２の並び方向から受光光学系１２に近づく方向に傾けられるように配置される。投射光学系１１は、所定波長の光を出射するレーザ光源１１１と、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光を平行光よりも収束させるコリメータレンズ１１２と、を有する。
【選択図】図５

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これ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情報取得装置として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受光素子により受光（撮像）される。情報取得装置として、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光を目標領域に照射するタイプの情報取得装置では、ドットパターンを持つ光の目標領域からの反射光が、受光素子によって受光される。そして、ドットの受光素子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

上記情報取得装置では、目標領域が比較的近距離に設定される場合が想定され得る。たとえば、ハウジング等の被対象物に所定の部品を実装する実装装置において、当該部品の実装状態をモニタするために、上記情報取得装置が用いられる。このような場合、情報取得装置から目標領域までの距離は、たとえば、１００ｍｍ以内に設定される。

しかしながら、情報取得装置では、投射光学系と受光光学系が、光の投射方向に垂直な方向に所定距離だけに互いに離れるように設置されるため、目標領域が近距離に設定されると、投射光学系から所定の広がりを持って投射された光が、目標領域において、受光光学系の視野範囲（撮像範囲）に適正に含まれなくなってしまう。

また、上記のような使用形態では、目標領域の範囲がかなり小さくなるため、目標領域の広さに対するドットの大きさが相対的に大きくなり、目標領域内に分解能良くドットを含めにくくなる。このため、上記のような使用形態では、目標領域中に適正な分解能にてドットを含めるための手段が必要となる。

本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、目標領域が比較的近距離に設定される使用形態において、撮像素子の撮像範囲内に、適正かつ所望の分解能にてドットを含めることが可能な情報取得装置およびこれを搭載する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の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、を備える。前記投射光学系は、前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向から前記受光光学系に近づく方向に傾けられるように配置される。また、前記投射光学系は、所定波長の光を出射する光源と、前記光源から出射された光を平行光よりも収束させるレンズと、を有する。

本発明の第２の態様は、物体検出装置に関する。この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、目標領域が比較的近距離に設定される使用形態において、撮像素子の撮像範囲に、適正かつ所望の分解能にてドットを含めることが可能な情報取得装置およびこれを搭載する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とイメージセンサ上のレーザ光の受光状態を示す図である。 本実施の形態に係る距離検出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外観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示す側面図、ＤＯＥを透過したレーザ光の状態を模式的に示す図、目標領域におけるドットパターンの投射状態を模式的に示す図である。 比較例に係るレーザの照射範囲とＣＭＯＳイメージセンサの受光範囲（撮像範囲）を模式的に示す図である。 実施の形態に係る投射光学系と受光光学系の設計例を示す図である。 比較例と実施の形態に係るドットの撮像状態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。

本実施の形態において、レーザ光源１１１は、特許請求の範囲に記載の「光源」に相当する。コリメータレンズ１１２は、特許請求の範囲に記載の「レンズ」に相当する。ＤＯＥ１１４は、特許請求の範囲に記載の「回折光学素子」に相当する。ベースプレート３００は、特許請求の範囲に記載の「ベース部材」に相当する。ただし、これらの対応関係は、あくまでも一例であって、特許請求の範囲を実施の形態に限定するものではない。

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。図１には、便宜上、投射光学系１１と受光光学系１２に関する方向を示すために、互いに直交するＸ−Ｙ−Ｚ軸が付されている。

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。投射光学系１１と受光光学系１２は、Ｘ軸方向に並ぶように、情報取得装置１に配置される。

投射光学系１１は、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、反射ミラー１１３と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１１４とを備えている。
また、受光光学系１２は、フィルタ１２１と、アパーチャ１２２と、撮像レンズ１２３と、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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。

レーザ光源１１１は、いわゆるＣＡＮタイプの半導体レーザであり、受光光学系１２から離れる方向に波長４０５ｎｍ程度の狭波長帯域のレーザ光を出力する。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平行光よりもさらに収束させる。

反射ミラー１１３は、コリメータレンズ１１２側から入射されたレーザ光をＤＯＥ１１４に向かう方向（Ｚ軸方向）に反射する。

ＤＯＥ１１４は、板状の部材より構成され、出射面が目標領域に向くように設置されている。ＤＯＥ１１４には、入射面に回折パターンが形成されている。この回折パターンによる回折作用により、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、たとえば、ステップ型の回折格子が所定のパターンで形成された構造とされる。回折格子は、コリメータレンズ１１２を透過したレーザ光をドットパターンのレーザ光に変換するよう、パターンとピッチが調整されている。ドットパターン中の各ドットは、ＤＯＥ１１４に入射したレーザ光が、回折格子によって分離されたものである。

ＤＯＥ１１４は、反射ミラー１１３から入射したレーザ光を、放射状に広がるドットパターンのレーザ光として、目標領域に照射する。目標領域における各ドットの大きさは、コリメータレンズ１１２による収束作用に応じた大きさとなる。ＤＯＥ１１４にて回折されないレーザ光（０次光）は、ＤＯＥ１１４を透過してそのまま直進する。目標領域における０次光のスポットの大きさも、他のドットと同様、コリメータレンズ１１２による収束作用に応じた大きさとなる。

目標領域から反射されたレーザ光は、フィルタ１２１とアパーチャ１２２を介して撮像レンズ１２３に入射する。

フィルタ１２１は、レーザ光源１１１の出射波長（４０５ｎｍ程度）を含む波長帯域の光を透過し、可視光の波長帯域をカットするバンドパスフィルタである。アパーチャ１２２は、撮像レンズ１２３のＦナンバーに合うように、外部から入射する光の外周部を遮光する。撮像レンズ１２３は、アパーチャ１２２を介して入射された光をＣＭＯＳイメージセンサ１２４上に集光する。撮像レンズ１２３は、複数枚のレンズからなっている。

ＣＭＯＳイメージセンサ１２４は、撮像レンズ１２３にて集光された光を受光して、画素毎に、受光量に応じた信号（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１２４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。

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、レーザ光源１１１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（レーザ制御部２１ａ）からの制御信号に応じてレーザ光源１１１を駆動する。

撮像信号処理回路２３は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４を制御して、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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、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。

ＣＰＵ３１は、メモリ３３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、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。

たとえば、情報処理装置２が、光学部品をハウジングに実装する部品実装システムに搭載され、光学部品の実装状態をモニタするために、情報取得装置１が用いられるような場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から光学部品のＸＹＺ軸方向の位置を検出する。そして、ＣＰＵ３１は、検出された光学部品の位置に応じて、光学部品が所定の位置に適正に実装されるよう、光学部品をハウジングに設置するロボットを制御する。この場合、ＣＰＵ３１は、物体検出部３１ａにより検出された光学部品のＸＹＺ軸方向の位置に基づいて、ロボットを駆動する駆動部に、制御信号を出力する。

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２（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、図２（ｂ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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、図２（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。

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、目標領域に照射される。図２（ａ）には、ＤＰ光の光束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、ＤＯＥ１１４による回折作用によって生成されたドット領域（以下、単に「ドット」という）が、ＤＯＥ１１４による回折作用によるドットパターンに従って点在している。上記のように、ドットパターン中の各ドットは、ＤＯＥ１１４に入射したレーザ光が、回折格子によって分離されたものである。

なお、図２（ａ）において、ＤＰ光の光束は、距離検出のために、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る。各セグメント領域は、ドットの点在パターンをもって、他のセグメント領域から区別可能となっている。すなわち、各セグメント領域には、複数のドットが含まれており、セグメント領域内におけるドットの分布が、他のセグメント領域と異なっている。

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、図２（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上においてマトリックス状に分布する。図２（ｂ）には、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上のＤＰ光の全受光領域が破線の枠によって示され、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４の撮像有効領域に入射するＤＰ光の受光領域が実線の枠によって示されている。

図３は、本実施の形態に係る距離検出手法を説明する図である。

図３に示すように、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。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１２４に入射する。

以下、反射平面ＲＳからの反射によって得られた全画素値からなる画像を、「基準画像」、反射平面ＲＳを「基準面」と称する。

たとえば、図３に示すように距離Ｌｓよりも近い位置に物体がある場合、基準画像上のセグメント領域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３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光が照射された物体の部分（セグメント領域Ｓｎに対応する部分）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。かかる算出手法の詳細は、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、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（レーザ光源１１１、コリメータレンズ１１２、反射ミラー１１３、ＤＯＥ１１４）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の設置面Ｐ１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上の設置面Ｐ１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（設置面Ｐ２）と、２つの台座３００ａの間のベースプレート３００の上面（設置面Ｐ２）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（設置面Ｐ２）には、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４が設置され、台座３００ａの上面（設置面Ｐ２）には、フィルタ１２１、アパーチャ１２２および撮像レンズ１２３を保持する保持板１２ａが設置される。撮像レンズ１２３およびアパーチャ１２２は、保持板１２ａに装着されたレンズホルダ１２ｂに保持され、レンズホルダ１２ｂの前部にフィルタ１２１が装着される。

投射光学系１１と受光光学系１２は、Ｘ軸方向に所定の距離をもって並んでいる。また、図４に示すように、ベースプレート３００は、投射光学系１１が設置される設置面Ｐ１が、受光光学系１２が設置される設置面Ｐ２（ＸＹ平面に平行な平面）に対して、Ｚ軸正方向に傾いている。このため、投射光学系１１は、ベースプレート３００上の設置面Ｐ１の傾きに伴って、ＸＹ平面に対してＺ軸正方向に傾くように配置されている。

なお、このように、ベースプレート３００の設置面Ｐ１が設置面Ｐ２に対して傾く構成は、請求項３に記載の構成の一例である。

図５（ａ）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、ベースプレート３００の傾きに伴って、ＸＹ平面に対してＺ軸正方向に傾くように配置されている。投射光学系１１は、投射光学系１１と受光光学系１２の並び方向から受光光学系１２に近づく方向に傾けられるように配置される。すなわち、投射光学系１１は、反射ミラー１１３によって折り曲げられたレーザ光源１１１の光軸Ａｏが、撮像レンズ１２３の光軸Ａｉに平行な状態から、光軸Ａｉに近づく方向に傾くよう、配置されている。このため、図５（ａ）に示すとおり、ＤＰ光は、Ｚ軸正方向からＸ軸負方向に傾いた方向に投射される。

図５（ａ）に示すように、本実施の形態では、レーザ光源１１１、コリメータレンズ１１２および反射ミラー１１３が直線状に並び、ＤＯＥ１１４が目標領域を向くように、レーザ光源１１１、コリメータレンズ１１２、反射ミラー１１３およびＤＯＥ１１４が、ベースプレート３００に設置される。

なお、このように投射光学系１１を構成する光学部品がベースプレート３００に設置される構成は、請求項４に記載の構成の一例である。

図５（ｂ）は、ＤＯＥ１１４におけるレーザ光の出射状態を模式的に示す図である。図５（ｂ）に示すように、レーザ光は、ＤＯＥ１１４の回折パターンにより回折された回折光（回折次数が０以外の回折光）と、回折パターンでは回折を受けない０次光に分離される。本実施の形態では、投射光学系１１がＸＹ平面に対して傾いているため、ＤＯＥ１１４を透過した０次光は、Ｘ軸正方向からＸ軸負方向に傾いた方向に進む。

図５（ｃ）は、目標領域にＸ−Ｙ平面に平行な仮想平面Ｐａを設定したときのＤＰ光の照射領域Ｅ１と、受光光学系１２による撮像領域Ｒ１との関係を模式的に示す図である。

本実施の形態において、ＤＰ光は、ＤＯＥ１１４から出射された後、０次光を中心として、放射状に広がるように進む。よって、図５（ｃ）に示すように、ＤＰ光のＸ軸方向の照射領域Ｅ１は、仮想平面Ｐａ上において、０次光を中心にＸ軸方向に均等に広がる。他方、受光光学系１２では、撮像レンズ１２３の光軸とＣＭＯＳイメージセンサ１２４の受光領域の中心とが一致し、且つ、撮像レンズ１２３の光軸がＺ軸に平行となっているため、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４により撮像可能な撮像領域Ｒ１は、撮像レンズ１２３の光軸を中心としてＸ軸方向およびＹ軸方向に均等に広がる。よって、図５（ｃ）に示すように、撮像領域Ｒ１は、仮想平面Ｐａ上において、撮像レンズ１２３の光軸を中心にＸ軸方向に均等に広がる。

ここで、投射光学系１１と受光光学系１２は、Ｘ軸方向に所定の距離だけ離れて配置されている。本実施の形態では、投射光学系１１がＸＹ平面に対して傾いているため、図５（ｃ）に示すように、仮想平面Ｐａ上において、照射領域Ｅ１と撮像領域Ｒ１が互いに重なり合っている。つまり、本実施の形態では、仮想平面Ｐａ上において、照射領域Ｅ１と撮像領域Ｒ１が互いに重なり合うように、投射光学系１１が設置されるベースプレート３００の設置面Ｐ１の傾き角が設定されている。

図６（ａ）、（ｂ）は、投射光学系１１が傾けられていない場合（比較例）の、ＤＰ光の照射領域Ｅ１と、受光光学系１２による撮像領域Ｒ１との関係を模式的に示す図である。

図６（ａ）の比較例では、投射光学系１１が傾けられておらず、投射光学系１１のＤＯＥ１１４を透過した０次光は、Ｚ軸正方向に進む。上記のように、ＤＰ光のＸ軸方向の照射領域Ｅ１は、仮想平面Ｐａ上において、０次光を中心にＸ軸方向に均等に広がる。このため、図６（ａ）に示すように、仮想平面Ｐａ上において、照射領域Ｅ１と撮像領域Ｒ１は、領域Ａ１においてのみ重なり、照射領域Ｅ１の領域Ａ２と、撮像領域Ｒ１の領域Ａ３は、物体検出に用いられない不使用領域となる。

撮像領域Ｒ１の全てにＤＰ光を含める場合には、たとえば、図６（ｂ）のように、照射領域Ｅ１の右端（Ｘ軸負方向の端）を撮像領域Ｒ１の右端まで延ばすように、ＤＯＥ１１４の回折パターンを調整する方法が用いられ得る。こうすると、撮像領域Ｒ１の撮像可能領域Ｒ１の全てに、ＤＰ光を投射できる。しかし、この場合、照射領域Ｅ１の不使用領域Ａ６が図６（ａ）の場合よりも顕著に広がり、ＤＰ光の照射に無駄が生じる。

このように、比較例では、照射領域Ｅ１と撮像領域Ｒ１が有効に利用されておらず、物体検出に用いられない不使用領域Ａ２、Ａ３、Ａ６が生じる。このため、物体の検出効率が低下するとの問題がある。

これに対し、本実施の形態では、図５（ｃ）に示すように、投射光学系１１がＸＹ平面に対して傾くよう配置されているため、仮想平面Ｐａ上において、照射領域Ｅ１と撮像領域Ｒ１が互いに重なり合っている。これにより、本実施の形態では、ＤＰ光を有効利用することができ、物体の検出効率を高めることができる。

図７（ａ）は、本実施の形態における投射光学系１１と受光光学系１２の具体的設計例を示す図である。

図７（ａ）において、ＥＸＰは、投射光学系１１の射出瞳、ＥＮＰは、受光光学系１２の入射瞳、Ｐａは、図５（ｃ）、図６（ａ）、（ｂ）と同様、目標領域に設定された仮想平面である。本設計例では、仮想平面Ｐａから、当該仮想平面Ｐａの手前に設定された仮想平面Ｐｂまでの範囲（４ｍｍ）が、Ｚ軸方向における距離検出の範囲に設定されている。また、入射瞳ＥＮＰの中心軸はＺ軸に平行となっており、この中心軸からＸ軸正負の方向に９．３°の角度範囲が、受光光学系１２のＸ軸方向の撮像範囲に設定されている。

射出瞳ＥＸＰと入射瞳ＥＮＰは、Ｘ軸方向に並んでおり、両瞳の間隔は４５ｍｍである。また、射出瞳ＥＸＰおよび入射瞳ＥＮＰから仮想平面Ｐａまでの距離は４６ｍｍである。

仮想平面Ｐａ上において、受光光学系１２の撮像範囲のＸ軸方向の幅は、入射瞳ＥＮＰの中心軸からＸ軸正負の方向に７．５ｍｍの幅となっている。また、仮想平面Ｐｂ上において、受光光学系１２の撮像範囲のＸ軸方向の幅は、入射瞳ＥＮＰの中心軸からＸ軸正負の方向に６．８５ｍｍの幅となっている。

図７（ａ）に示すように、仮想平面Ｐａ上において、撮像範囲のＸ軸方向の端縁を通る光線をＬａ１、Ｌａ２、仮想平面Ｐｂ上において、撮像範囲のＸ軸方向の端縁を通る光線をＬｂ１、Ｌｂ２とすると、射出瞳の中心を通るＺ軸に平行な直線に対する光線Ｌａ１、Ｌａ２、Ｌｂ１、Ｌｂ２の傾き角は、それぞれ、３９．２°、４８．８°、４２．２°、５１．０°である。また、射出瞳ＥＸＰから仮想平面Ｐａと光線Ｌａ１の接点までの距離は５９．４ｍｍ、射出瞳ＥＸＰから仮想平面Ｐａと光線Ｌａ２の接点までの距離は６９．８ｍｍ、射出瞳ＥＸＰから仮想平面Ｐｂと光線Ｌｂ１の接点までの距離は５６．７ｍｍ、射出瞳ＥＸＰから仮想平面Ｐｂと光線Ｌｂ２の接点までの距離は６６．７ｍｍである。

この設計例において、ＤＰ光は、ＸＺ平面の面内方向に、光線Ｌａ１から光線Ｌｂ２までの幅を持っていれば良い。この場合、ＤＯＥ１１４を透過した０次光の進行方向は、Ｚ軸方向に対して、ＸＺ平面の面内方向に４５°程度傾くこととなる。したがって、ベースプレート３００は、投射光学系１１が設置される設置面Ｐ１が、ＸＹ平面に対してＺ軸正方向に４５°程度傾くよう形成される。

なお、図７（ａ）の設計例において、対象物体を検出する領域（目標領域）は、撮像範囲と仮想平面Ｐａ、Ｐｂとで囲まれた領域となる。したがって、上記のように、情報処理装置２が、光学部品をハウジングに実装する部品実装システムに搭載され、光学部品の実装状態をモニタするために、情報取得装置１が用いられるような場合には、光学部品の実装位置が、撮像範囲と仮想範囲Ｐａ、Ｐｂとで囲まれた領域に含まれるよう、投射光学系１１および受光光学系１２の位置と、光学部品の実装位置との関係が調整される。

なお、図７（ａ）の設計例では、射出瞳ＥＸＰおよび入射瞳ＥＮＰから目標領域までの距離が４６ｍｍに設定されたが、この距離は４６ｍｍに限定されない。上記のように、情報取得装置１が、光学部品や電子部品等の部品を所定の部材に実装する部品実装システムに搭載される場合、射出瞳ＥＸＰおよび入射瞳ＥＮＰから仮想平面ＰａまでのＺ軸方向の距離は、通常、１００ｍｍ以内となる。

なお、このように、射出瞳ＥＸＰおよび入射瞳ＥＮＰから仮想平面ＰａまでのＺ軸方向の距離が、１００ｍｍ以内（図７（ａ）の設計例では４６ｍｍ）に設定される構成は、請求項６に記載の構成の一例である。

また、投射光学系１１の傾き角は、仮想平面Ｐａまでの距離が短くなるほど、大きくなっていく。投射光学系１１の傾き角が大きくなると、それに伴い、目標領域におけるドットの形状が、次第に、Ｘ軸方向に長くなっていく。このため、仮想平面Ｐａまでの距離が短か過ぎると、目標領域において、ドットの形状がＸ軸方向に幅広となり、目標領域におけるドットの分解能が低下する。このため、ドットの形状がＸ軸方向に幅広になり過ぎると、距離の検出精度が十分に確保されないことが起こり得る。したがって、射出瞳ＥＸＰおよび入射瞳ＥＮＰから仮想平面Ｐａまでの距離の下限値は、ドットの分解能が著しく低下せず、距離の検出精度を十分に確保できる範囲に設定されるのが望ましい。通常、射出瞳ＥＸＰおよび入射瞳ＥＮＰから仮想平面Ｐａまでの距離の下限値は、３０ｍｍ程度となることが想定され得る。

図７（ｂ）は、コリメータレンズ１１２によるレーザ光の収束状態を模式的に示す図である。なお、図７（ｂ）では、便宜上、反射ミラー１１３によって光軸が折り曲げられていない状態の光学系が示されており、また、ＤＯＥ１１４の図示も省略されている。図７（ｂ）において、ＡＰは、コリメータレンズ１１２の入射面に配置されたアパーチャである。アパーチャＡＰは、円形の光束断面でレーザ光がコリメータレンズ１１２に入射するよう、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光の外周部分を遮光する。

図７（ｂ）に示すように、コリメータレンズ１１２には、有限系で、レーザ光が入射する。コリメータレンズ１１２は、このように入射するレーザ光を収束させ、収束されたレーザ光は、仮想平面Ｐａ上に合焦する。すなわち、コリメータレンズ１１２は、有限系で入射したレーザ光が、仮想平面Ｐａ上において合焦するよう、配置位置と焦点距離が調整されている。図７（ｂ）では、有限系でレーザ光がコリメータレンズ１１２に入射するため、コリメータレンズ１１２と仮想平面Ｐａとの距離ｆは、コリメータレンズ１１２の焦点距離よりも長くなる。

このように、コリメータレンズ１１２の配置位置と焦点距離を調整することにより、目標領域において、ドットの大きさを小さくすることができる。

さらに、本実施の形態では、レーザ光源１１１の出射波長が４０５ｎｍに設定されているため、目標領域におけるドットの大きさを、一層小さくすることができる。一般に、レーザ光の収束スポットの径φは、次式で求められる。

φ＝１．２２×（λ／ＮＡ） …（１）
ここで、λは、レーザ光の波長、ＮＡは、コリメータレンズ１１２によって収束されるレーザ光の開口数である。

式（１）に示すとおり、レーザ光のスポット径φは、レーザ光の波長が小さい程、小さくなる。したがって、本実施の形態のように、出射波長が４０５ｎｍのレーザ光源１１１を用いることにより、目標領域におけるドットの大きさを、小さくすることができる。

なお、このように、レーザ光を仮想平面Ｐａ（目標領域）に合焦させる構成は、請求項２に記載の構成の一例である。

図８（ａ）は、レーザ光源１１１として、出射波長が８００ｎｍ程度のレーザ光源を用いた場合の、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上におけるドットの撮像状態を模式的に示す図である。図８（ｂ）は、本実施の形態のように、レーザ光源１１１として、出射波長が４０５ｎｍ程度のレーザ光源を用いた場合の、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上におけるドットの撮像状態を模式的に示す図である。

レーザ光源１１１として、出射波長が８００ｎｍ程度のレーザ光源を用いた場合、上記式（１）より、目標領域における各ドットのサイズが大きくなる。このため、図８（ａ）に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上におけるドットのサイズも大きくなり、一つのドットが複数の画素に跨ることが起こり得る。このような場合、ドット間の分解能が低下するため、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４の出力に基づいて、各ドットの分布状態を適正に検出することが難しくなる。このため、図２に示す各セグメント領域の検出精度が低下し、結果、距離の検出精度が十分に確保されなくなるとの問題が生じる。

これに対し、本実施の形態では、レーザ光源１１１として、出射波長が４０５ｎｍ程度のレーザ光源が用いられるため、上記式（１）より、目標領域におけるドットのサイズを、出射波長が８００ｎｍである場合の半分程度に縮めることができる。このため、図８（ｂ）に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上におけるドットのサイズを縮小でき、一つのドットが複数の画素に同時に跨りにくくなる。

このように、本実施の形態では、レーザ光源１１１の出射波長を短く設定することにより、ドット間の分解能が高められる。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４の出力に基づいて、各ドットの分布状態を適正に検出することができ、結果、距離の検出精度を十分に確保することが可能となる。

なお、本実施の形態に係る情報取得装置および物体検出装置は、上記のように、被対象物に部品を実装する実装装置に用いられることが想定されている。このため、レーザ光源１１１として、このように短波長の出射波長を持つレーザ光源が用いられても、レーザ光が人に照射されることは通常起こり得ず、人体に対する影響は無いものと想定され得る。このように、本実施の形態は、レーザ光が人に照射されない使用形態を前提としており、この前提のもと、短波長のレーザ光源１１１を用いて、上記図８（ａ）、（ｂ）を参照して説明した特有の効果を実現しようとするものである。

なお、本実施の形態では、レーザ光源１１１の出射波長が４０５ｎｍとされたが、レーザ光源１１１の出射波長は、必ずしも４０５ｎｍに限られるものではなく、波長が４０５ｎｍ近傍の、いわゆる、青紫レーザ光と称されている光の波長の範囲内（４００ｎｍ前後から４１０ｎｍ前後）であれば、図８（ａ）、（ｂ）を参照して説明したと同様の作用効果が奏され得る。また、出射波長が４５０ｎｍ程度の、いわゆる青色波長帯のレーザ光を出射するレーザ光源を用いても、図８（ａ）、（ｂ）を参照して説明したとほぼ同様の作用効果が奏され得る。レーザ光源１１１としては、市場に広く流通しているブルーレイディスクの記録／再生用の半導体レーザを用いるのが好適である。これにより、レーザ光源１１１に要するコストを抑制することができる。

なお、本実施の形態のように、レーザ光源１１１の出射波長が、４００ｎｍ程度〜４５０ｎｍ程度の範囲に含まれる４０５ｎｍに設定される構成は、請求項５に記載の構成の一例である。

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、レーザ光源１１１の出射波長が、いわゆる青紫レーザ光と称されている光の波長帯の範囲内に設定され、一例として、４０５ｎｍが用いられた。しかしながら、レーザ光源１１１の出射波長はこれに限定されるものではなく、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上におけるドットの分解能が確保され、且つ、セグメント領域内に十分な数のドットを含めることができるのであれば、たとえば、緑色の波長帯等、他の波長帯のレーザ光を出射するレーザ光源が、レーザ光源１１１として用いられても良い。

また、上記実施の形態では、受光素子として、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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の光軸を、反射ミラー１１３で折り曲げるよう構成されたが、反射ミラー１１３を省略し、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、ＤＯＥ１１４を直線状に並べて配置するよう、投射光学系１１を構成しても良い。この場合、反射ミラー１１３を省略できるが、投射光学系１１の寸法がＤＰ光の出射方向に大きくなる。さらに、受光光学系１２の構成も、適宜変更可能である。

また、上記実施の形態では、レーザ光を収束させるための手段としてコリメータレンズ１１２を用いたが、他のレンズを用いてレーザ光を収束させても良い。また、上記実施の形態では、コリメータレンズ１１２によるレーザ光の合焦位置が、目標領域（仮想平面Ｐａ）に一致するよう、コリメータレンズ１１２が位置調整されたが、コリメータレンズ１１２によるレーザ光の合焦位置は、目標領域（仮想平面Ｐａ）からＺ軸方向にややずれていても良い。

請求項２に記載の「前記レンズは、前記光を前記目標領域に合焦させる」とは、このように、コリメータレンズ１１２によるレーザ光の合焦位置が目標領域（仮想平面Ｐａ）からＺ軸方向にややずれることをも含むものである。また、上記実施の形態では、レーザ光が仮想平面Ｐａに合焦されたが、レーザ光が仮想平面Ｐｂに合焦されても良く、仮想平面Ｐａと仮想平面Ｐｂとの間の任意の仮想平面に、レーザ光が合焦されても良い。

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
２ … 情報処理装置
１１ … 投射光学系
１２ … 受光光学系
１１１ … レーザ光源（光源）
１１２ … コリメータレンズ（レンズ）
１１３ … ミラー
１１４ … ＤＯＥ（回折光学素子）
３００ … ベースプレート（ベース部材）
Ｐ１、Ｐ２ … 設置面
ＥＸＰ … 射出瞳
ＥＮＰ … 入射瞳

Claims (7)

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の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、を備え、
   前記投射光学系は、前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向から前記受光光学系に近づく方向に傾けられるように配置され、
   前記投射光学系は、所定波長の光を出射する光源と、前記光源から出射された光を平行光よりも収束させるレンズと、を有する、
   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、
   前記レンズは、前記光を前記目標領域に合焦させる、
   ことを特徴とする情報取得装置。
3. 請求項１または２に記載の情報取得装置において、
   前記投射光学系と前記受光光学系が設置されるベース部材を備え、
   前記投射光学系が設置される前記ベース部材の設置面が、前記受光光学系が設置される前記ベース部材の設置面に対して傾いている、
   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、前記コリメータレンズを透過した光を反射するミラーと、前記ミラーによって反射された光を前記ドットパターンの光に変換する回折光学素子とを備え、前記光源、前記レンズおよび前記ミラーが直線状に並び、前記回折光学素子が前記目標領域を向くように、前記光源、前記レンズ、前記ミラーおよび前記回折光学素子が配置される、
   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、
   前記光源の出射波長は、４００ｎｍ〜４５０ｎｍの範囲に含まれる、
   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において、
   前記受光光学系の入射瞳から前記目標領域までの、前記受光光学系の光軸方向の距離が、１００ｍｍ以内に設定されている、
   ことを特徴とする情報取得装置。
7. 請求項１ないし６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。

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