JP2024035101A - 構造化光走査システムと方法、並びにその画像プロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】画像プロジェクターを提供する。【解決手段】異なる光パターンに切り替えながら放射する光源と、光源が放射するビームを整形することで整形光パターンを発生させるために用いられ、シーン中の対象物に投射するためのビームシェイパーと、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、画像プロジェクター（ｉｍａｇｅ ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ）に関し、より詳しくは、プログラマブル（プログラム可能）光源を備えた画像プロジェクターであり、異なる光パターンを放射するように切り替え可能なものに関する。

画像プロジェクター（プロジェクターと略称する）は光学装置であり、（静止）画像または一連の画像（或いは、ビデオ周波数）を投影スクリーンの表面に投射する。

プロジェクターは構造化光走査システムに適用可能であり、既知のパターン（例えば、格子や横縞）をシーン中の対象物に投射する。構造化光三次元スキャナーは光の反射が導く変形を分析し、シーン中の対象物の深さ及び表面の情報を算出する。

しかしながら、従来の構造化光走査システムにおいて、プロジェクターの光源は固定構造を有し、対象物に対し同じ光パターンを放射する。このため、従来の構造化光走査システムはデコードレートが低く、ダイナミックレンジが狭いという欠点を有し、対象物の深さ及び表面の情報を正確に獲得できなかった。

そこで、本発明者は従来のプロジェクターと構造化光走査システムの欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的設計で上記の課題を効果的に改善する本発明の提案に至った。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、上述のような問題点を解決することを課題の一例とする。すなわち、本発明は、異なる光パターンを生成することにより、好ましい構造化光走査デコードレートを獲得するプログラマブル光源を有する画像プロジェクターを提供することを目的の一とする。

本発明の一実施態様によれば、本発明は画像プロジェクターが提供される。本発明に係る画像プロジェクターは、光源及びビームシェイパーを備えている。光源は異なる光パターンに切り替えながら放射する。ビームシェイパーは光源が放射するビームを整形することで整形光パターンを発生させるために用いられ、シーン中の対象物に投射する。

本発明の他の実施態様によれば、本発明は構造化光走査システムが提供される。本発明に係る構造化光走査システムは、光源と、制御装置と、カメラと、を含んで構成されている。光源はビームを放射するために用いられ、前記光源は、複数のレーザーダイオードで構成されているレーザーアレイを備えている。制御装置は複数のレーザーダイオードをオンまたはオフにするように個別にプログラミングし、異なる光パターンに切り替えながら放射し、シーン中の対象物に投射する。カメラはシーン中の対象物から反射された反射光パターンをキャプチャし、制御装置にフィードバックして深さ及び表面の情報を決定するために用いられている。

本発明のさらなる他の実施態様によれば、本発明は構造化光走査方法が提供される。本発明に係る構造化光走査方法は、下記ステップを含む。光源を提供し、異なる光パターンに切り替えながら放射するステップ。光源が光パターンを有するビームをシーン中の対象物に放射するステップ。シーン中の対象物から反射された反射光パターンの変形に基づいて、深さ及び表面の情報を決定するステップ。深さ及び表面の情報を決定するステップにおいて獲得したデコードレートが所定の臨界値より大きいかどうかを判断するステップ。デコードレートが所定の臨界値より大きくない場合、光パターンを変更すると共に変更光パターンを有するビームをシーン中の対象物に放射するステップ。

本発明の他の目的、構成及び効果については、以下の発明の実施の形態の項から明らかになるであろう。

本発明の一実施例に係る画像プロジェクターの概略構成を示したブロックである。 図１に示す（光源の）垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の概略図である。 （図３Ａ）図１の光源の（プログラマブル）ＶＣＳＥＬによって異なる時間に放射される（異なる）光のパターンである。 （図３Ｂ）図１の光源の（プログラマブル）ＶＣＳＥＬによって異なる時間に放射される（異なる）光のパターンである。 （図３Ｃ）図１の光源の（プログラマブル）ＶＣＳＥＬによって異なる時間に放射される（異なる）光パターンである。 （図３Ｄ）本実施形態を用いないプログラマブル垂直共振器型面発光レーザーの光パターンを示す。 （図４Ａ）回折光学素子・マイクロレンズアレイ・多焦点回折レンズを用いて光源から放射たビームを直接に整形する例示を説明する。 （図４Ｂ）回折光学素子・マイクロレンズアレイ・多焦点回折レンズを使用して、光源から放射されたビームを、レンズを介して間接的に整形する例示を説明する。 （図４Ｃ）液晶レンズを用いて光源から放射されたビームを直接に整形する例示を説明する。 本発明の一実施例に係る構造化光走査システムを示したブロックである。 本発明の一実施例に係る構造化光走査方法を示すフローチャートである。 （図７Ａ）第６図に示すフローチャートの光パターンに適用する。 （図７Ｂ）第６図に示すフローチャートの光パターンに適用する。 （図７Ｃ）第６図に示すフローチャートの光パターンに適用する。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、記述した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

まず、図面を参照しながら、本発明に係る画像プロジェクター１００をさらに詳しく説明する。図１は本発明の一実施例に係る画像プロジェクター１００の概略構成を示したブロックである。本実施例の画像プロジェクター１００は、画像をシーン中の対象物の表面に投射し、スマートフォン、光学スキャン、顔認証、指向性表示、及びＬｉＤＡＲに応用可能であるが、本発明はこれらに限られない。

本実施例に係る画像プロジェクター１００は、（可視または不可視）ビームを放射するために用いられる光源１１を備えている。本実施例において、光源１１は、レーザービームを放射するためのレーザーアレイを備え、電磁放射によりトリガーされて放射する光学増幅過程（すなわち、放射によりトリガーされて放射することで光を増幅する）に基づいてレーザービームを放射する。一実施例では、（光源１１の）レーザーアレイは半導体レーザーダイオードアレイで構成されている垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を含み、レーザービームはその上面から垂直に放射される。

図２は図１に示す（光源１１の）垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）の概略図である。図２に示す如く、（プログラマブル）垂直共振器型面発光レーザーは行と列に配列される複数のレーザーダイオード１１１を備えている。本実施例の特徴の１つに基づいて、制御装置１２（例えば、中央処理装置）は対応する信号線１１２により個別のレーザーダイオード１１１をオンまたはオフにし、信号線１１２は基板１１０に設置され、基板１１０はレーザーダイオード１１１を載置するために用いられている。これにより、（プログラマブル）垂直共振器型面発光レーザーのレーザーダイオード１１１が異なる光パターンを形成するように光を切り替えながら放射する。

図３Ａ乃至図３Ｃは図１の光源の（プログラマブル）ＶＣＳＥＬによって異なる時間に放射される（異なる）光のパターンである。中実の点はレーザーダイオード１１１に対応する放射光を示し、中空の点はレーザーダイオード１１１に対応する未放射光を示す。図３Ｄは本実施形態を用いないプログラマブル垂直共振器型面発光レーザーの光パターンを示す。図３Ｄの例では、垂直共振器型面発光レーザーの全てのレーザーダイオードが同時に発光する。換言すれば、垂直共振器型面発光レーザーが放射する光パターンは固定されているか、変更不可能である。

図１に戻って、本実施例に係る画像プロジェクター１００は、光源１１が放射するビームを整形することで整形光パターンを発生させ、シーン中の対象物に投射するためのビームシェイパー１３を備えている。

一実施例では、ビームシェイパー１３は回折光学素子（ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ， ＤＯＥ）、マイクロレンズアレイ（ｍｉｃｒｏ ｌｅｎｓ ａｒｒａｙ， ＭＬＡ）、または多焦点回折レンズ（ｍｕｌｔｉｆｏｃａｌ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓ， ＭＤＬ）を含み、光源１１から放射されたビームを整形及び分裂させ、単一の入射ビームを複数個所に同時に集光することで、整形光パターンを生成してシーン中の対象物に投射する。図４Ａは回折光学素子・マイクロレンズアレイ・多焦点回折レンズを用いて光源から放射されたビームを直接的に整形する例示を説明する。

一実施例では、光源１１とビームシェイパー１３との間にはレンズが設置されておらず、レンズシステムが形成されていない。他の実施例では、画像プロジェクター１００が、光源１１とビームシェイパー１３との間に設置されている少なくとも１つのレンズ１４を備えている。レンズ１４は光透過光学素子であり、屈折させることで（光源１１からの）ビームを集光、コリメート、または発散させる。一実施例では、複数のレンズ１４を含むと共に共有軸に沿って設置されている複合レンズを使用する。

他の実施例では、レンズ１４は光透過光学素子であり、屈折させることで（光源１１からの）ビームを集光、コリメート、または発散させる。一実施例では、フレネル（Ｆｒｅｓｎｅｌ）レンズまたはメタ（Ｍｅｔａ）レンズ１４を使用しているが、本発明はこれらに限られない。図４Ｂは回折光学素子・マイクロレンズアレイ・多焦点回折レンズを使用して、光源から放射されたビームをレンズを介して間接的に整形する例示を説明する。

他の実施例では、ビームシェイパー１３は、光源１１から放射されたビームを整形及び分裂させ、整形光パターンを生成してシーン中の対象物に投射する液晶（ＬＣ）レンズを含む。図４Ｃは液晶レンズを用いて光源から放射されたビームを直接的に整形する例示を説明する。

図５は本発明の一実施例に係る構造化光走査システム５００を示したブロックである。本実施例に係る構造化光走査システム５００は図１の画像プロジェクター１００を含むが、その説明は繰り返さない。

本実施例では、構造化光走査システム５００は、シーン中の対象物から反射された（整形光パターンの）反射光パターンをキャプチャするためのカメラ１０１を備えている。キャプチャされた反射光パターンは制御装置１２（例えば、デジタル画像処理装置）にフィードバックし、反射光パターンが光源１１に対し発生させる光パターンの変形に基づいて深さ及び表面の情報を決定する。

図６は本発明の一実施例に係る構造化光走査方法６００を示すフローチャートである。ステップ６１において、光源１１（例えば、実施例の垂直共振器型面発光レーザーのようなレーザーアレイ）が（第一または現在の）光パターンを有するビームを放射し、この光パターンは制御装置１２によりプログラミングされて制御される。ステップ６２において、制御装置１２は（第一または現在の）光パターンが光源１１に対し放射する（第一）光パターンの変形に基づいて深さ及び表面の情報を決定する。

続いて、ステップ６３において、制御装置１２が深さ及び表面の情報を決定するステップ（ステップ６２）において獲得したデコードレートが所定の臨界値より大きいかどうかを判断する。デコードレートが所定の臨界値より大きくない場合、制御装置１２は現在の光パターンを変更（またはプログラミング）する（ステップ６４）。続いて、ステップ６１のフローチャートに戻り、光源１１が（第二）変更光パターン（現在の光パターンとする）を有するビームを放射し、制御装置１２によりプログラミングされて制御される。デコードレートが所定の臨界値より大きくなるまで上記のフローチャートを継続的に実行する。図７Ａ乃至図７Ｃには、図６に示すフローチャートに順次使用する光パターンを示す。

上記の実施例に基づいて、（プログラマブル垂直共振器型面発光レーザーが発生させる）異なる光パターンをシーン中の異なる対象物に適用し、或いは光源１１／カメラ１０１に対し異なる距離を有する対象物に適用する。こうすることで、構造化光走査システム５００及び方法６００が更に好適なデコードレート（及び更に精確な深さ及び表面の情報）を獲得し、且つ更に広いダイナミックレンジを獲得する。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００ 画像プロジェクター
５００ 構造化光走査システム
１１ 光源
１２ 制御装置
１３ ビームシェイパー
１４ レンズ
１０１ カメラ
１１０ 基板
１１１ レーザーダイオード
１１２ 信号線
６００ 構造化光走査法
６１ パターンを有するビームを放射する
６２ 深さの決定
６３ デコードレートが臨界値より大きいかどうかを判断する
６４ パターン変更
ＤＯＥ 回折光学素子
ＭＬＡ マイクロレンズアレイ
ＭＤＬ 多焦点回折レンズ

Claims (5)

1. 異なる光パターンに切り替えながら放射する光源と、
   前記光源が放射するビームを整形することで整形光パターンを発生させるために用いられ、シーン中の対象物に投射するためのビームシェイパーと、を備えていることを特徴とする、
   画像プロジェクター。
2. 前記光源は、複数のレーザーダイオードで構成され、異なる光パターンを形成するようにオンまたはオフになるように個別にプログラミングされるレーザーアレイを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の画像プロジェクター。
3. 前記光源と前記ビームシェイパーとの間に設置されている少なくとも１つのレンズを更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載の画像プロジェクター。
4. ビームを放射するために用いられている光源であって、前記光源は、複数のレーザーダイオードで構成されているレーザーアレイを備えている光源と、
   前記複数のレーザーダイオードをオンまたはオフにするように個別にプログラミングされ、異なる光パターンに切り替えながら放射し、シーン中の対象物に投射する制御装置と、
   シーン中の物品から反射された反射光パターンをキャプチャし、前記制御装置にフィードバックして深さ及び表面の情報を決定するために用いられているカメラと、を備えていることを特徴とする、
   構造化光走査システム。
5. 光源を提供し、異なる光パターンに切り替えながら放射するステップと、
   前記光源が光パターンを有するビームをシーン中の対象物に放射するステップと、
   シーン中の対象物から反射された反射光パターンの変形に基づいて深さ及び表面の情報を決定するステップと、
   深さ及び表面の情報を決定するステップにおいて獲得したデコードレートが所定の臨界値より大きいかどうかを判断するステップと、
   前記デコードレートが所定の臨界値より大きくない場合、光パターンを変更すると共に変更光パターンを有するビームをシーン中の対象物に放射するステップと、を含むことを特徴とする、
   構造化光走査法。

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