JP3977172B2 - パターン光投影装置及び測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パターン光投影装置及び測定装置に関し、特に単純な構成で輝線又は輝点アレイを投影できるパターン光投影装置及び測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
輝線が投影されるパターンとして利用されている従来のパターン光投影装置は、輝線を投影する場合には、レンズやプリズムを用いて、輝度を可能な限り均一にしたライン光源（輝線）を発生していた。具体例としては、例えば、図１１に示すような、シリンドリカルレンズ２０１と、凸面鏡２０２を組合わせた特殊なレンズを用いたものがあった。光源から投射された光束は、シリンドリカルレンズ２０１の中央部に形成された穴を通過し、凸面鏡２０２で反射する。さらにこの反射光が、シリンドリカルレンズ２０１の曲面に入射し、反射されることで、輝線を形成していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来のパターン光投影装置によれば、光学系が複雑になり、部品の製造及び調整に手間がかかっていた。また、装置も大きくなってしまっていた。さらに、輝線の輝度を均一にすることが難しく、例えば輝線の端部の輝度が低くなってしまっていた。
【０００４】
そこで本発明は、単純な構成で輝線又は輝点アレイを投影できるパターン光投影装置及び測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明によるパターン光投影装置は、例えば図３に示すように、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子１２と；複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１と異なる第２の方向ｖ２に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子１３と；複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１、第２の方向ｖ１、ｖ２と異なる第３の方向ｖ３に向けて平行に且つ平面状に並べた第３のファイバーグレーティング素子１４とを備え；第１のファイバーグレーティング素子１２と第２のファイバーグレーティング素子１３と第３のファイバーグレーティング素子１４は、重ね合わせてファイバーグレーティング１０を構成し、ファイバーグレーティング１０は、可干渉性の光束を透過させることにより複数の輝線又は輝点アレイを投影するように構成されている。
【０００６】
このように構成すると、第１のファイバーグレーティング素子１２と第２のファイバーグレーティング素子１３と第３のファイバーグレーティング素子１４は、重ね合わせてファイバーグレーティング１０を構成し、ファイバーグレーティング１０は、可干渉性の光束を透過させることにより複数の輝線又は輝点アレイを投影するように構成されていることで、例えば透過した可干渉性の光束が各ファイバーグレーティング素子１２、１３、１４で回折し、さらに前記回折光が干渉することで輝点アレイを投影できるので、単純な構成で輝線又は輝点アレイを投影できるパターン光投影装置を提供できる。
【０００７】
また請求項２に記載のように、請求項１に記載のパターン光投影装置では、第１のファイバーグレーティング素子１２と、第２のファイバーグレーティング素子１３と、第３のファイバーグレーティング素子１４とは、前記各軸線の間隔が等しく、且つ前記間隔は、前記第１、第２、第３ファイバーグレーティング素子１２、１３、１４間で等しいとよい。
【０００８】
また請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載のパターン光投影装置では、第１の方向ｖ１と第２の方向ｖ２がほぼ直交しているとよい。
【０００９】
さらに請求項４に記載のように、請求項３に記載のパターン光投影装置では、第３のファイバーグレーティング素子１４は、第３の方向ｖ３が、第１の方向ｖ１から所定の角度θだけ前記平面と平行な面内で回転させて重ね合わされているとよい。このように構成すると、例えば、複数の輝線の列を投影することができる。
【００１０】
さらに請求項５に記載のように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパターン光投影装置では、例えば図４に示すように、第３のファイバーグレーティング素子１４は、前記平面内で回転可能に構成するとよい。言い換えれば、第３のファイバーグレーティング素子１４は、前記所定の角度θを変更可能に構成されている。
【００１１】
このように構成すると、第３のファイバーグレーティング素子１４は、前記平面内で回転可能に構成されているので、例えば、投影される輝点アレイのパターンを自在に変更することができる。
【００１２】
また、上記パターン光投影装置では、例えば図２に示すように、前記可干渉性の光束を発生する光束発生手段５を備えるとよい。
【００１３】
前記目的を達成するために、請求項６に係る発明による測定装置は、例えば図１０に示すように、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のパターン光投影装置１と；パターン光投影装置１によりパターン光１０ａが投影された対象物１０４を撮像する撮像装置１１１とを備える。
【００１４】
このように構成すると、パターン光投影装置１によりパターン光１０ａが投影された対象物１０４を撮像するので、単純な構成で輝線又は輝点アレイを投影できる測定装置を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１６】
図１は、本発明による第１の実施の形態であるパターン光投影装置１の模式的斜視図である。ここで、ＸＹ軸を平面２内に置くように、直交座標系ＸＹＺがとられている。図中Ｚ軸上で平面２の上方には、パターン光投影装置１が配置されている。パターン光投影装置１は、平面２上にパターン光としてのパターン１０ａを投影している。本実施の形態では、図６、７で後述するように、投影されるパターン光は、典型的には平行であり、等間隔に配列された複数の輝線であるが、輝点アレイであってもよい。なお投影されるパターン１０ａについては、図６、７を参照して後で詳しく説明する。
【００１７】
図２の模式的斜視図を参照して、パターン光投影装置１について説明する。パターン光投影装置１は、可干渉性の光束を発生する光束発生手段としての光束発生部５と、ファイバーグレーティング１０（以下、単にグレーティング１０という）とを備えている。可干渉性の光束は、典型的にはレーザーである。光束発生部５は、平行光束を発生するように構成されている。光束発生部５は、典型的には不図示のコリメータレンズを含んで構成される半導体レーザー装置であり、発生される平行光束は、レーザー光束Ｌ１である。ここで平行光束とは、実質的に平行であればよく、平行に近い光束も含む。
【００１８】
ここでは、グレーティング１０は、平面２に平行に（Ｚ軸に直角に）配置される場合で説明する。グレーティング１０に、レーザー光Ｌ１を、Ｚ軸方向に入射させる。するとレーザー光Ｌ１は、個々の光ファイバー１１によりそのレンズ効果を持つ面内で集光したのち、発散波となって広がって行き、干渉して、投影面である平面２にパターン１０ａが投影される。なお、グレーティング１０を平面２に平行に配置するとは、図３で後述するように、例えば、グレーティング１０を構成する第１ＦＧ素子１２の各光ファイバー１１の軸線を含む平面と、平面２とが平行になるように配置することである。
【００１９】
図３の模式図を参照して、グレーティング１０について説明する。（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。グレーティング１０は、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子１２（以下第１ＦＧ素子１２という）と、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１と異なる第２の方向ｖ２に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子１３（以下第２ＦＧ素子１３という）と、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１、第２の方向ｖ２と異なる第３の方向ｖ３に向けて平行に且つ平面状に並べた第３のファイバーグレーティング素子１４（以下第３ＦＧ素子１４という）とを含んで構成される。本実施の形態では、各ＦＧ素子１２、１３、１４の平面は、互いに平行である。ここでは、各ＦＧ素子を識別するために、第１ＦＧ素子、第２ＦＧ素子、第３ＦＧ素子と呼ぶ。本実施の形態では、第１ＦＧ素子、第２ＦＧ素子、第３ＦＧ素子の順序で重ね合わせてある。しかしなから他の順序、例えば、第１ＦＧ素子、第３ＦＧ素子、第２ＦＧ素子の順に重ね合わせてもよい。以下、各ＦＧ素子１２、１３、１４の平面を素子平面という。
【００２０】
また本実施の形態では、第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ１３と、第３ＦＧ素子１４とは、各光ファイバー１１の軸線の間隔が等しく、且つその間隔は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４間で等しい。言い換えれば、第１ＦＧ素子１２の各光ファイバー１１の軸線の間隔と、第２ＦＧ素子１３の各光ファイバー１１の軸線の間隔と、第３ＦＧ素子１４の各光ファイバー１１の軸線の間隔とが互いに等しい。さらに本実施の形態では、第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ１３と、第３ＦＧ素子１４は、共に光ファイバー１１の径を等しく、且つ光ファイバー１１を接触させて並べて構成されている。即ち軸線の間隔が等しく、且つその間隔は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４間で等しい。
【００２１】
第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４は、それぞれ、例えば、直径が数十ミクロン、長さ１０ｍｍ程度の光ファイバー１１を数１０〜数１００本程度、平行にシート状に並べて構成したものである。また、各ＦＧ素子１２、１３、１４は、それぞれ、図４で後述するように、ガラス板に貼り付けて構成するとよい。このようにすることで、各ＦＧ素子１２、１３、１４の取り扱いが容易になる。また、グレーティング１０を容易に組み立てることができるので、製造しやすい。また図示では、各ＦＧ素子１２、１３、１４は、接触して配置している場合を示しているが、それぞれ、素子平面の法線方向に距離を空けて配置してもよい。この場合には、各ＦＧ素子１２、１３、１４の互いの距離は、パターン１０ａの投影に差支えない程度とする。
【００２２】
第１ＦＧ素子１２と第２ＦＧ素子１３と第３ＦＧ素子１４は、重ね合わせてグレーティング１０を構成する。なお、ここでの重ね合わせは、各ＦＧ素子１２、１３、１４の各素子平面がほぼ平行になるように重ね合わされている。言い換えれば、本実施の形態では、グレーティング１０は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４の順に、各々の素子平面が平行になるように重ね合わされている。即ち、第１ＦＧ素子１２と第２ＦＧ素子１３は隣接している。また、第２ＦＧ素子１３と第３ＦＧ素子１４は隣接している。また、グレーティング１０は、光束発生部５により発生されるレーザー光束Ｌ１を透過させるように構成されている。ここでは、レーザ光束Ｌ１は、第１ＦＧ素子１２側から入射させる。言い換えれば、レーザ光束Ｌ１は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４の順に透過させる。レーザ光束Ｌ１は、典型的には、グレーティング１０（第１ＦＧ素子１２）の素子平面に対して垂直に入射させる。
【００２３】
さらに、図３（ｂ）に示すように、本実施の形態では、第１の方向ｖ１と第２の方向ｖ２がほぼ直交している。また、第３ＦＧ素子１４は、第３の方向ｖ３が、第１の方向ｖ１から所定の角度θだけ素子平面と平行な面内で回転させて重ね合わされている。所定の角度θについては、図５を参照して後述する。
【００２４】
また、図４に示すように、グレーティング１０では、第３ＦＧ素子１４は、素子平面と平行な面内で回転可能に構成するとよい。即ち、所定の角度θを、前記素子平面と平行な面内で回転させることで、自在に変更できるように構成されている。図示では、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４は、それぞれ、ガラス板１２ａ、１３ａ、１４ａに貼り付けられている場合を示している。このようにすることで、前述したように、各ＦＧ素子１２、１３、１４の取り扱いが容易になる。
【００２５】
第３ＦＧ素子１４の素子平面に平行な面内で回転は、方向制御手段としての回転装置１６により行なう。回転装置１６は、第３ＦＧ素子１４を、素子平面に平行な面内で回転、及び固定できるように構成されている。即ち、回転装置１６は、第３ＦＧ素子１４を素子平面と平行な面内で任意の角度に回転し、前記角度で固定できるように構成される。なお、角度の固定は、例えば外筒１６ａ側に、外筒１６ａの中心方向に取り付けた不図示のネジにより行なうようにするとよい。回転装置１６は、同一平面で第３ＦＧ素子１４を回転できるように構成されている。回転装置１６は、外筒１６ａと内筒１６ｂとを含んで構成される。そして、内筒１６ｂ側に第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３が、それぞれガラス板１２ａ、１２ｂを介して取り付けられ、外筒１６ａ側に第３ＦＧ素子１４が、ガラス板１４ａを介して取り付けられている。なお、図４では、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４がよく見えるように、回転装置１６の図中手前半分をカットして示している。
【００２６】
このようにすることで、回転装置１６の外筒１６ａを手動で回転させることで、グレーティング１０は、第３ＦＧ素子１４の第３の方向を、素子平面に平行な面内で任意の方向に設定できる。即ち、所定の角度θを自在に変更設定できる。このため、パターン１０ａの設定、パターン１０ａの変更が容易に行なえるので、簡便である。さらに、パターン１０ａの設定、変更が容易に行なえることで、装置の転用も可能である。
【００２７】
また以上では、方向制御手段は、手動の場合で説明したが、自動であってもよい。自動の場合は、上述した構成に加え、回転装置１６を回転駆動する不図示の駆動手段を備えるようにするとよい。また、方向制御手段は、回転装置１６を用いる場合で説明したが、これに限られない、例えば回転ヘリコイドのように、内筒、外筒で構成され、外筒を回転させることで、第３ＦＧ素子１４を素子平面と平行な面内で回転可能に構成したものでもよい。
【００２８】
ここで、図５を参照して、所定の角度θについて説明する。まず所定の角度θを与えることによる、輝点の変化について説明する。（ａ）では、（ｂ）に示すように、所定の角度θがθ１の場合で説明する。なお（ａ）は、（ｂ）の図中奥側から手前にレーザー光束Ｌ１を透過させた場合に投影されるパターン１０ａの一部を示した図である。図示では、参考として、θ１は、１０°程度で示してある。まず、所定の角度θが０°であったときに投影されるパターン１０ａの一部である輝点５１、５２、５３、５４、５５に注目する。そして、第３ＦＧ素子１４に所定の角度θ１を与えると、上記各輝点は、各輝点の生成方向である直線５１ａに対して、それぞれ角度θ１をなす直線５１ａ’方向に回折して新たな輝点を投影する。さらに説明するならば、輝点５１に注目すると、輝点５１は、直線５１ａ’方向に、回折して新たな輝点５１’を投影する。
【００２９】
これにより、所定の角度θによって輝点の回折方向が変わるので、θによっては、例えば平行であり、等間隔に配列された複数の輝線列（以下単に複数の輝線という）や、密な輝点アレイを投影することができる。言い換えれば、第３ＦＧ素子１４に所定の角度θを調整することで、複数の輝線や、密な輝点アレイを容易に投影することができる。以下、所定の角度θを調整することで投影した輝点アレイの例を示す。
【００３０】
図６、図７の模式図を参照して、所定の角度θによって投影されるパターン１０ａの例について説明する。図６（ａ）はθ＝０°、図６（ｂ）はθ＝５°の場合を示した図であり、さらに図７（ａ）はθ＝３７°、図６（ｂ）はθ＝４５°の場合を示した図である。また、上記各角度は厳密なものではなくおよその値である。
【００３１】
図６（ａ）に示すように、θ＝０°の場合には、パターン１０ａは、正方格子状の輝点アレイとなる。θ＝９０°の場合にも同じ輝点アレイとなる。また、第３ＦＧ素子１４が無い場合、即ち第１ＦＧ素子１２の第１の方向ｖ１と第２ＦＧ素子１３の第２の方向ｖ２が直交している第１ＦＧ素子１２と第２ＦＧ素子１４だけの場合にも同じ輝点アレイとなる。
【００３２】
図６（ｂ）に示すように、θ＝５°の場合には、パターン１０ａは、複数の輝線となる。この輝線は、複数の輝点が直線的に集合することで形成される。また、ＦＧ素子は、低次から高次の回折光に渡って回折効率が一定に近く、輝線は、複数の輝点が集合することで形成されているので、輝線の中央部の明るさが、中央部から輝線の端部方向にいっても変化しにくい。即ち、輝度が均一な輝線を投影できる。複数の輝線にする場合には、所定の角度θは、０．１〜１０°、好ましくは１〜８°、最も好ましくは５°程度とするとよい。また、θ＝８５°の場合にも、同様な複数の輝線となる。但し、この場合には、投影されるパターン１０ａは、（ｂ）を９０°回転させたパターンとなる。
【００３３】
以上で説明した場合以外でも、パターン１０ａを複数の輝線とすることができる。この場合には、例えば、第１の方向ｖ１と第２の方向ｖ２とのなす角を２θ’とする。そして、第３ＦＧ素子１４は、第３の方向ｖ３を第１の方向ｖ１からθ’回転させて重ね合わせる。言い換えれば、第３の方向ｖ３は、２θ’の２等分線方向となる。さらに、第１ＦＧ素子１２の各光ファイバー１１の軸線の間隔と、第２ＦＧ素子１３の各光ファイバー１１の軸線の間隔とを同じ間隔Ｐ１とする。そして、第３ＦＧ素子１４の各光ファイバー１１の軸線の間隔を、Ｐ１の１／２ｃｏｓθ’倍した間隔Ｐ２とする。このようにすると、例えば、θ’＜６０°の場合、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３の各光ファイバー１１の軸線の間隔を光ファイバー１１の直径とした場合には、これ以上各光ファイバー１１の軸線の間隔を狭めることが出来ない。この場合には、第３ＦＧ素子１４の各光ファイバー１１は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３のものより細い光ファイバーを使うことになる。また各光ファイバー同士に隙間が空かないようにすることが好ましいが、空く場合には、各光ファイバー同士の隙間に例えば遮光物を入れるようにする。このようにすることで、パターン１０ａを複数の輝線とすることができる。
【００３４】
図７（ａ）に示すように、θ＝３７°の場合には、パターン１０ａは、規則的であり、密な輝点アレイ（輝点同士の間隔が短い）、例えば０°のときと比べてより密な輝点アレイとなる。また、θ＝５３°の場合にも、同様な輝点アレイとなる。但し、この場合には、投影されるパターン１０ａは、（ａ）を９０°回転させたパターンとなる。また、この角度では、パターン１０ａ（輝点アレイ）に３：４：５の直角三角形を重ねることができる。またこのように、自然数比で表せる直角三角形を重ねることができる場合には同様なことが言える。例えば、５：１２：１３の直角三角形（θ＝２３°）の場合には、３７°よりもさらに密な輝点アレイとなる。
【００３５】
図７（ｂ）に示すように、θ＝４５°の場合には、θ＝３７°の場合と同様に、パターン１０ａは、規則的であり、密な輝点アレイとなる。但し、パターン１０ａは、図中４５°方向に延びる複数の輝線に近い輝点アレイとなる。
以下、パターン１０ａは、複数の輝線である場合（図６（ｂ）の場合）で説明する。
【００３６】
以上のように、パターン光投影装置１は、第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ素子１３と、第３ＦＧ素子１４とを含むグレーティング１０を備えている。さらに、第１の方向ｖ１と第２の方向ｖ２が直交し、第３ＦＧ素子１４は、第３の方向ｖ３が、第１の方向ｖ１から所定の角度θだけ素子平面と平行な面内で回転させて重ね合わされている。これにより、パターン光投影装置１は、レーザ光束Ｌ１を第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ素子１３と、第３ＦＧ素子１４を透過させることで、パターン１０ａを投影できるので、単純に構成できる。また、パターン光投影装置１は、重ね合わせた第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ素子１３と、第３ＦＧ素子１４とを含んで構成されたグレーティング１０が光学系となるので、複雑な光学系を必要とすることなく、光学筐体を小型化できる。さらに、このように構成されているので、複数の輝線や、密な輝点アレイをパターン１０ａとして平面２に投影できる。特に輝度が均一な複数の輝線を投影できるので、下記のような装置へ応用した場合に優位性がある。
【００３７】
さらに、以上で説明したパターン光投影装置１は、量産性が高く、広範囲に輝点アレイを発生できるので、複数の輝線や、輝点アレイの各々の輝点の移動を測定する装置例えば、物体の高さ分布を測定することにより、三次元形状を測定する測定装置、監視対象領域内に存在する人物や物体の監視や、人物の呼吸等の検出を行なうことで人物の状態を監視する監視装置等に用いた場合に有効である。以下、実施例として、パターン光投影装置１を用いた、物体の高さ分布を測定することにより、三次元形状を測定する測定装置について説明する。
【００３８】
図８は、本発明による第２の実施の形態である測定装置としての三次元形状測定装置１１０の概念的斜視図である。三次元形状測定装置１１０は、対象物の高さの分布を測定するように構成されたものである。即ち、前記高さの分布に基づいて対象物の三次元形状を測定する。
【００３９】
図中物体１０１が、平面２上に載置されている。ＸＹ軸を平面２内に置くように、直交座標系ＸＹＺがとられており、対象物としての物体１０１はＸＹ座標系の第１象限に置かれている。
【００４０】
一方、図中Ｚ軸上で平面２の上方には、パターン光投影装置１によりパターン光としてのパターン１１０ａが投影された物体１０１を撮像する撮像装置１１１が配置されている。パターン１１０ａは、図６（ｂ）で前述したものと同様なもの、即ち、平行であり、等間隔に配置された複数の輝線である。撮像装置１１１の結像レンズ１１１ａは、その光軸がＺ軸に一致するように配置されている。結像レンズ１１１ａが、平面２あるいは物体１０１の像を結像する撮像素子１１５の結像面１１５’（イメージプレーン）は、Ｚ軸に直交する面である。結像面内１１５’にｘｙ直交座標系をとり、Ｚ軸が、ｘｙ座標系の原点を通るようにする。撮像装置１１１は、例えば複数の画素の配列された撮像素子を有するものであり、典型的にはＣＣＤカメラである。なお撮像素子１１５の例としては、ＣＣＤの他にＣＭＯＳ構造の素子が最近盛んに発表されており、それらも当然使用可能である。特にこれらの中には、素子自体にフレーム間差算や二値化の機能を備えたものがあり、これらの素子の使用は好適である。
【００４１】
平面２から結像レンズ１１１ａと等距離で、結像レンズ１１１ａからＹ軸の負の方向に距離ｄ（基線長ｄ）だけ離れたところに、パターン光投影装置１が配置されている。物体１０１と平面２には、パターン光投影装置１によりパターン１１０ａが投影される。また、撮像素子１１５には、画像処理装置１１４が電気的に接続されている。画像処理装置１１４は、例えばパソコンに組み込むとよい。なお、画像処理装置１１４については後で詳述する。
【００４２】
また、撮像装置１１１は、光束発生部５（図２参照）により発生されるレーザー光束Ｌ１の波長の周辺部以外の波長の光を減光するフィルタ１１１ｂを備えるとよい。フィルタ１１１ｂは、典型的には光学フィルタであり、結像レンズ１１１ａの光軸上に配置するとよい。このようにすると、撮像装置１１１は、撮像素子１１５に受光する光のうち、パターン光投影装置１より投影された光の強度が相対的にあがるので、外乱光による影響を軽減できる。また、レーザー光束Ｌ１をパルス変調し、そのパルスにあわせて撮像素子１５の撮像（露光）を行なうことにより、例えばレーザー光束の時間平均出力を上げることなく、外乱光の影響を軽減できる。これは、例えば対象物を人物とする場合には、該人物に対する影響を抑えることができる。
【００４３】
ここで、三次元形状測定装置１１０の作用を説明する。パターン光投影装置１により平面２に投影されたパターン１１０ａは、物体１０１が存在する部分では、物体１０１に遮られ平面２には到達しない。ここで物体１０１が存在しなければ、平面２上の点１０２ａに投射されるべき輝線は、物体１０１上の点１０１ａに投射される。輝線が点１０２ａから点１０１ａに移動したことにより、また結像レンズ１１１ａとパターン光投影装置１とが距離ｄ（基線長ｄ）だけ離れているところから、結像面１１５’上では、点１０２ａ’（ｘ，ｙ）に結像すべきところが点１０１ａ’（ｘ，ｙ＋δ）に結像する。即ち、物体１０１が存在しない時点と物体１０１が存在する時点とは、輝点がｙ軸方向に距離δだけ移動することになる。
【００４４】
例えば、図９に示すように、撮像素子１１５により撮像されたパターン１１０ａの画像は、高さのある物体１０１により、δだけｙ軸方向に移動することになる。
【００４５】
画像処理装置１１４により、このδを計測することにより、物体１０１上の点１０１ａの位置が三次元的に特定できる。即ち、点１０１ａの高さがわかる。このように、ある点が、物体１０１が存在しなければ、結像面１１５’上に結像すべき点と、結像面１１５’上の実際の結像位置との差を測定することにより、物体１０１の三次元形状が計測できる。あるいは物体１０１の三次元座標が計測できる。ここで、輝線の対応関係が不明にならない程度に、パターン１１０ａのピッチ、即ち輝線のピッチを細かくすれば、物体１０１の三次元形状はそれだけ詳細に計測できることになる。
【００４６】
さらにパターン光投影装置１を用いることで、パターン１１０ａを輝線とすることができるので、輝線の移動を測定することで、パターン１１０ａを輝点とした場合に比べて、輝線の任意の点の移動を測定でき、輝線方向の連続的形状が認識できる。言い換えれば、図中Ｘ軸方向の測定の分解能を向上することができる。また、パターン光投影装置１は、輝線の投影を単純な構成で行なうことができるので、三次元形状計測装置１１０の構成を単純化できる。
【００４７】
また、三次元形状計測装置１１０は、対象物が人物であり、その呼吸の測定に応用することもできる。言い換えれば、人物の呼吸を監視する監視装置に応用することもできる。
【００４８】
図１０は、対象物としての人物１０４の呼吸を測定する三次元形状計測装置１１０’の模式的斜視図である。図中ベッド１０６上に人物１０４が横たわって存在している。また、人物１０４の上には、さらに寝具１０３がかけられており、人物１０４の一部と、ベッド１０６の一部とを覆っている。
【００４９】
一方、人物１０４の腹部周辺直上には、パターン光投影装置１によりパターン１１０ａ’が投影された人物１０４を撮像するための撮像手段としての撮像装置１１１が設置されている。また人物１０４のおよそ足部又は頭部上方には（図示は足部上方の場合）、パターン光投影装置１が設置され、人物１０４のおよそ腹部上の寝具１０３を中心に照明している。照明される範囲は、人物１０４の腹部、胸部、背部、および肩部が、就寝中に取りうる位置を網羅する範囲に設定するとよい。同様に、撮像装置１１１による撮影領域の範囲も設定するとよい。
【００５０】
さらに、撮像装置１１１とパターン光投影装置１とは、撮像装置１１１とパターン光投影装置１を結ぶ軸と、ベッド１０６の中心線がおよそ平行になるように設置する。さらにパターン光投影装置１により投影されるパターン１１０ａ’の輝線の方向は、ベッド１０６の中心線と垂直方向とする。また、撮像装置１１１とパターン光投影装置１とは、ある程度離して設置するとよい。このようにすることで、前述の距離ｄ（基線長ｄ）が長くなるので、変化を敏感に検出できるようになる。撮像装置１１１とパターン光投影装置１との設置場所は、例えば天井に設置するとよい。このように設置することで、人物１０４の周期的動き例えば呼吸を敏感に検出することができる。また、本実施の形態では、撮像装置１１と輝線投影装置１０との設置場所は、天井としているが、例えばスタンドに取り付けてもよい。
【００５１】
また、画像処理部１１４は、撮像素子１１５により得られた所定時間間隔の２フレームの画像の差分画像を生成するように構成するとよい。この場合には、画像処理部１１４は、撮像素子１１５の各画素毎の差を取ることにより差分画像を生成する。所定時間間隔とは、物体１０１の細かい周期的動き即ち人物１０４の呼吸を監視するのに十分な間隔であり、例えば２〜５フレーム／秒程度であるが、さらに速く例えば１０フレーム／秒以上であってもよい。撮像装置１１１は、差分画像を生成することにより、例えば太陽光により、人物１０４以外の物による陰影が人物１０４にかかっていたり、外乱光による照明強度が、人物１０４の部分部分でばらつきがあったりしていても、そのような陰影やばらつきの影響を排除できる。
【００５２】
また、差画像を生成する場合には、撮像装置１１１は、撮像素子１１５として動体検出素子を用いてもよい。動体検出素子は、例えば撮像素子１１５の各画素で、フレームの画素値を記憶し、１フレームずれた最新のフレームの画素値との差を取り、その差を閾値処理して値を出力する機能（２値化処理機能）を持った素子で、信号伝達過程でのノイズの影響をうけることなく、輝線が移動した差分画像を生成することができる。
【００５３】
さらに差画像を生成する場合は、撮像装置１１１に、例えば上述の動体検出素子を用いた場合でも、レーザー光Ｌ１は、低出力レーザーでもよく、また、継続的に照射してもよい。即ち、パターン１１０ａを継続的に照射してもよい。
【００５４】
三次元形状測定装置１１０’は、撮像装置１１１より画像又は差画像を入力し、入力した画像の２フレーム間の輝点の移動から人物１０４の形状変化を抽出する。これにより、監視装置１０１は、この形状変化を追うことで、人物１０４の呼吸や動きの検出をすることができる。また、差画像を用いた場合、入力する差画像上には、移動した輝点のみが残っているので、処理が簡便になる。人物１０４の呼吸や動きの検出は、輝線の移動から輝線移動量を算出して、この変化から検出してもよいし、また輝線移動量から三角法により人物１０４までの距離変化から検出してもよい。また移動した輝線の画素値の累積を算出して、この変化から検出してもよい。
【００５５】
以上では、三次元形状測定装置１１０’は、ベッド１０６上の人物１０４の動きを検出する場合について説明したが、これに限定されて適用されるものではなく、例えばトイレや浴室等、対象とする領域が限定される場合に、特に有効に働くものである。
【００５６】
また三次元形状測定装置１１０’は、単純な画像処理で、人物１０４の姿勢や外乱光に対して影響を受けることなく人物の呼吸を確実に検出することができる。これにより、三次元形状測定装置１１０’は、高齢者や病人が危機的状況に陥った場合に、迅速な救急対応の実現が可能になる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子と、複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１の方向と異なる第２の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子と、複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１、第２の方向と異なる第３の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第３のファイバーグレーティング素子とを備え、前記第１のファイバーグレーティング素子と第２のファイバーグレーティング素子と第３のファイバーグレーティング素子は、重ね合わせてファイバーグレーティングを構成し、該ファイバーグレーティングには、可干渉性の光束を透過させるように構成されているので、単純な構成で輝線又は輝点アレイを投影できるパターン光投影装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるパターン光投影装置の模式的斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態であるパターン光投影装置を説明する模式的斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態であるグレーティングについて説明する、（ａ）斜視図、（ｂ）正面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態であるグレーティングで、方向制御手段を備える場合について説明する斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態であるグレーティングにより投影されるパターンについて説明する、（ａ）パターンの模式図、（ｂ）グレーティングの正面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態であるグレーティングにより投影されるパターンの例を示す図であり、（ａ）所定の角度θが０°の場合を示す模式的平面図、（ｂ）所定の角度θが５°の場合を示す模式的平面図である。
【図７】図６と同様なパターンの例を示す図であり、（ａ）所定の角度θが３７°の場合を示す模式的平面図、（ｂ）所定の角度θが４５°の場合を示す模式的平面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態である三次元形状測定装置の概念的斜視図である。
【図９】図８の場合のパターンの画像を説明する線図である。
【図１０】図８の三次元形状測定装置を人物の呼吸を監視する監視装置に応用した場合を説明する模式的斜視図である。
【図１１】従来のパターン光投影装置について説明する模式的斜視図である。
【符号の説明】
１ パターン光投影装置
２ 平面
５ 光束発生部
１０ グレーティング
１０ａ パターン
１１ 光ファイバー
１２ 第１ＦＧ素子
１３ 第２ＦＧ素子
１４ 第３ＦＧ素子
１６ 回転装置
１０１ 物体（対象物）
１１０ 三次元形状測定装置
１１１ 撮像装置
１１５ 撮像素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、パターン光投影装置及び測定装置に関し、特に単純な構成で輝線又は輝点アレイを投影できるパターン光投影装置及び測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
輝線が投影されるパターンとして利用されている従来のパターン光投影装置は、輝線を投影する場合には、レンズやプリズムを用いて、輝度を可能な限り均一にしたライン光源（輝線）を発生していた。具体例としては、例えば、図１１に示すような、シリンドリカルレンズ２０１と、凸面鏡２０２を組合わせた特殊なレンズを用いたものがあった。光源から投射された光束は、シリンドリカルレンズ２０１の中央部に形成された穴を通過し、凸面鏡２０２で反射する。さらにこの反射光が、シリンドリカルレンズ２０１の曲面に入射し、反射されることで、輝線を形成していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来のパターン光投影装置によれば、光学系が複雑になり、部品の製造及び調整に手間がかかっていた。また、装置も大きくなってしまっていた。さらに、輝線の輝度を均一にすることが難しく、例えば輝線の端部の輝度が低くなってしまっていた。
【０００４】
そこで本発明は、単純な構成で輝線又は輝点アレイを投影できるパターン光投影装置及び測定装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明によるパターン光投影装置は、例えば図３に示すように、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子１２と；複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１と異なる第２の方向ｖ２に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子１３と；複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１、第２の方向ｖ１、ｖ２と異なる第３の方向ｖ３に向けて平行に且つ平面状に並べた第３のファイバーグレーティング素子１４とを備え；第１のファイバーグレーティング素子１２と第２のファイバーグレーティング素子１３と第３のファイバーグレーティング素子１４は、重ね合わせてファイバーグレーティング１０を構成し、ファイバーグレーティング１０は、可干渉性の光束を透過させることにより複数の輝線又は輝点アレイを投影するように構成されている。
【０００６】
このように構成すると、第１のファイバーグレーティング素子１２と第２のファイバーグレーティング素子１３と第３のファイバーグレーティング素子１４は、重ね合わせてファイバーグレーティング１０を構成し、ファイバーグレーティング１０は、可干渉性の光束を透過させることにより複数の輝線又は輝点アレイを投影するように構成されていることで、例えば透過した可干渉性の光束が各ファイバーグレーティング素子１２、１３、１４で回折し、さらに前記回折光が干渉することで輝点アレイを投影できるので、単純な構成で輝線又は輝点アレイを投影できるパターン光投影装置を提供できる。
【０００７】
また請求項２に記載のように、請求項１に記載のパターン光投影装置では、第１のファイバーグレーティング素子１２と、第２のファイバーグレーティング素子１３と、第３のファイバーグレーティング素子１４とは、前記各軸線の間隔が等しく、且つ前記間隔は、前記第１、第２、第３ファイバーグレーティング素子１２、１３、１４間で等しいとよい。
【０００８】
また請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載のパターン光投影装置では、第１の方向ｖ１と第２の方向ｖ２がほぼ直交しているとよい。
【０００９】
さらに請求項４に記載のように、請求項３に記載のパターン光投影装置では、第３のファイバーグレーティング素子１４は、第３の方向ｖ３が、第１の方向ｖ１から所定の角度θだけ前記平面と平行な面内で回転させて重ね合わされているとよい。このように構成すると、例えば、複数の輝線の列を投影することができる。
【００１０】
さらに請求項５に記載のように、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパターン光投影装置では、例えば図４に示すように、第３のファイバーグレーティング素子１４は、前記平面内で回転可能に構成するとよい。言い換えれば、第３のファイバーグレーティング素子１４は、前記所定の角度θを変更可能に構成されている。
【００１１】
このように構成すると、第３のファイバーグレーティング素子１４は、前記平面内で回転可能に構成されているので、例えば、投影される輝点アレイのパターンを自在に変更することができる。
【００１２】
また、上記パターン光投影装置では、例えば図２に示すように、前記可干渉性の光束を発生する光束発生手段５を備えるとよい。
【００１３】
前記目的を達成するために、請求項６に係る発明による測定装置は、例えば図１０に示すように、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のパターン光投影装置１と；パターン光投影装置１によりパターン光１０ａが投影された対象物１０４を撮像する撮像装置１１１とを備える。
【００１４】
このように構成すると、パターン光投影装置１によりパターン光１０ａが投影された対象物１０４を撮像するので、単純な構成で輝線又は輝点アレイを投影できる測定装置を提供することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００１６】
図１は、本発明による第１の実施の形態であるパターン光投影装置１の模式的斜視図である。ここで、ＸＹ軸を平面２内に置くように、直交座標系ＸＹＺがとられている。図中Ｚ軸上で平面２の上方には、パターン光投影装置１が配置されている。パターン光投影装置１は、平面２上にパターン光としてのパターン１０ａを投影している。本実施の形態では、図６、７で後述するように、投影されるパターン光は、典型的には平行であり、等間隔に配列された複数の輝線であるが、輝点アレイであってもよい。なお投影されるパターン１０ａについては、図６、７を参照して後で詳しく説明する。
【００１７】
図２の模式的斜視図を参照して、パターン光投影装置１について説明する。パターン光投影装置１は、可干渉性の光束を発生する光束発生手段としての光束発生部５と、ファイバーグレーティング１０（以下、単にグレーティング１０という）とを備えている。可干渉性の光束は、典型的にはレーザーである。光束発生部５は、平行光束を発生するように構成されている。光束発生部５は、典型的には不図示のコリメータレンズを含んで構成される半導体レーザー装置であり、発生される平行光束は、レーザー光束Ｌ１である。ここで平行光束とは、実質的に平行であればよく、平行に近い光束も含む。
【００１８】
ここでは、グレーティング１０は、平面２に平行に（Ｚ軸に直角に）配置される場合で説明する。グレーティング１０に、レーザー光Ｌ１を、Ｚ軸方向に入射させる。するとレーザー光Ｌ１は、個々の光ファイバー１１によりそのレンズ効果を持つ面内で集光したのち、発散波となって広がって行き、干渉して、投影面である平面２にパターン１０ａが投影される。なお、グレーティング１０を平面２に平行に配置するとは、図３で後述するように、例えば、グレーティング１０を構成する第１ＦＧ素子１２の各光ファイバー１１の軸線を含む平面と、平面２とが平行になるように配置することである。
【００１９】
図３の模式図を参照して、グレーティング１０について説明する。（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面図である。グレーティング１０は、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子１２（以下第１ＦＧ素子１２という）と、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１と異なる第２の方向ｖ２に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子１３（以下第２ＦＧ素子１３という）と、複数の光ファイバー１１を各光ファイバー１１の軸線を第１の方向ｖ１、第２の方向ｖ２と異なる第３の方向ｖ３に向けて平行に且つ平面状に並べた第３のファイバーグレーティング素子１４（以下第３ＦＧ素子１４という）とを含んで構成される。本実施の形態では、各ＦＧ素子１２、１３、１４の平面は、互いに平行である。ここでは、各ＦＧ素子を識別するために、第１ＦＧ素子、第２ＦＧ素子、第３ＦＧ素子と呼ぶ。本実施の形態では、第１ＦＧ素子、第２ＦＧ素子、第３ＦＧ素子の順序で重ね合わせてある。しかしなから他の順序、例えば、第１ＦＧ素子、第３ＦＧ素子、第２ＦＧ素子の順に重ね合わせてもよい。以下、各ＦＧ素子１２、１３、１４の平面を素子平面という。
【００２０】
また本実施の形態では、第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ１３と、第３ＦＧ素子１４とは、各光ファイバー１１の軸線の間隔が等しく、且つその間隔は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４間で等しい。言い換えれば、第１ＦＧ素子１２の各光ファイバー１１の軸線の間隔と、第２ＦＧ素子１３の各光ファイバー１１の軸線の間隔と、第３ＦＧ素子１４の各光ファイバー１１の軸線の間隔とが互いに等しい。さらに本実施の形態では、第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ１３と、第３ＦＧ素子１４は、共に光ファイバー１１の径を等しく、且つ光ファイバー１１を接触させて並べて構成されている。即ち軸線の間隔が等しく、且つその間隔は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４間で等しい。
【００２１】
第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４は、それぞれ、例えば、直径が数十ミクロン、長さ１０ｍｍ程度の光ファイバー１１を数１０〜数１００本程度、平行にシート状に並べて構成したものである。また、各ＦＧ素子１２、１３、１４は、それぞれ、図４で後述するように、ガラス板に貼り付けて構成するとよい。このようにすることで、各ＦＧ素子１２、１３、１４の取り扱いが容易になる。また、グレーティング１０を容易に組み立てることができるので、製造しやすい。また図示では、各ＦＧ素子１２、１３、１４は、接触して配置している場合を示しているが、それぞれ、素子平面の法線方向に距離を空けて配置してもよい。この場合には、各ＦＧ素子１２、１３、１４の互いの距離は、パターン１０ａの投影に差支えない程度とする。
【００２２】
第１ＦＧ素子１２と第２ＦＧ素子１３と第３ＦＧ素子１４は、重ね合わせてグレーティング１０を構成する。なお、ここでの重ね合わせは、各ＦＧ素子１２、１３、１４の各素子平面がほぼ平行になるように重ね合わされている。言い換えれば、本実施の形態では、グレーティング１０は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４の順に、各々の素子平面が平行になるように重ね合わされている。即ち、第１ＦＧ素子１２と第２ＦＧ素子１３は隣接している。また、第２ＦＧ素子１３と第３ＦＧ素子１４は隣接している。また、グレーティング１０は、光束発生部５により発生されるレーザー光束Ｌ１を透過させるように構成されている。ここでは、レーザ光束Ｌ１は、第１ＦＧ素子１２側から入射させる。言い換えれば、レーザ光束Ｌ１は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４の順に透過させる。レーザ光束Ｌ１は、典型的には、グレーティング１０（第１ＦＧ素子１２）の素子平面に対して垂直に入射させる。
【００２３】
さらに、図３（ｂ）に示すように、本実施の形態では、第１の方向ｖ１と第２の方向ｖ２がほぼ直交している。また、第３ＦＧ素子１４は、第３の方向ｖ３が、第１の方向ｖ１から所定の角度θだけ素子平面と平行な面内で回転させて重ね合わされている。所定の角度θについては、図５を参照して後述する。
【００２４】
また、図４に示すように、グレーティング１０では、第３ＦＧ素子１４は、素子平面と平行な面内で回転可能に構成するとよい。即ち、所定の角度θを、前記素子平面と平行な面内で回転させることで、自在に変更できるように構成されている。図示では、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４は、それぞれ、ガラス板１２ａ、１３ａ、１４ａに貼り付けられている場合を示している。このようにすることで、前述したように、各ＦＧ素子１２、１３、１４の取り扱いが容易になる。
【００２５】
第３ＦＧ素子１４の素子平面に平行な面内で回転は、方向制御手段としての回転装置１６により行なう。回転装置１６は、第３ＦＧ素子１４を、素子平面に平行な面内で回転、及び固定できるように構成されている。即ち、回転装置１６は、第３ＦＧ素子１４を素子平面と平行な面内で任意の角度に回転し、前記角度で固定できるように構成される。なお、角度の固定は、例えば外筒１６ａ側に、外筒１６ａの中心方向に取り付けた不図示のネジにより行なうようにするとよい。回転装置１６は、同一平面で第３ＦＧ素子１４を回転できるように構成されている。回転装置１６は、外筒１６ａと内筒１６ｂとを含んで構成される。そして、内筒１６ｂ側に第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３が、それぞれガラス板１２ａ、１２ｂを介して取り付けられ、外筒１６ａ側に第３ＦＧ素子１４が、ガラス板１４ａを介して取り付けられている。なお、図４では、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３、第３ＦＧ素子１４がよく見えるように、回転装置１６の図中手前半分をカットして示している。
【００２６】
このようにすることで、回転装置１６の外筒１６ａを手動で回転させることで、グレーティング１０は、第３ＦＧ素子１４の第３の方向を、素子平面に平行な面内で任意の方向に設定できる。即ち、所定の角度θを自在に変更設定できる。このため、パターン１０ａの設定、パターン１０ａの変更が容易に行なえるので、簡便である。さらに、パターン１０ａの設定、変更が容易に行なえることで、装置の転用も可能である。
【００２７】
また以上では、方向制御手段は、手動の場合で説明したが、自動であってもよい。自動の場合は、上述した構成に加え、回転装置１６を回転駆動する不図示の駆動手段を備えるようにするとよい。また、方向制御手段は、回転装置１６を用いる場合で説明したが、これに限られない、例えば回転ヘリコイドのように、内筒、外筒で構成され、外筒を回転させることで、第３ＦＧ素子１４を素子平面と平行な面内で回転可能に構成したものでもよい。
【００２８】
ここで、図５を参照して、所定の角度θについて説明する。まず所定の角度θを与えることによる、輝点の変化について説明する。（ａ）では、（ｂ）に示すように、所定の角度θがθ１の場合で説明する。なお（ａ）は、（ｂ）の図中奥側から手前にレーザー光束Ｌ１を透過させた場合に投影されるパターン１０ａの一部を示した図である。図示では、参考として、θ１は、１０°程度で示してある。まず、所定の角度θが０°であったときに投影されるパターン１０ａの一部である輝点５１、５２、５３、５４、５５に注目する。そして、第３ＦＧ素子１４に所定の角度θ１を与えると、上記各輝点は、各輝点の生成方向である直線５１ａに対して、それぞれ角度θ１をなす直線５１ａ’方向に回折して新たな輝点を投影する。さらに説明するならば、輝点５１に注目すると、輝点５１は、直線５１ａ’方向に、回折して新たな輝点５１’を投影する。
【００２９】
これにより、所定の角度θによって輝点の回折方向が変わるので、θによっては、例えば平行であり、等間隔に配列された複数の輝線列（以下単に複数の輝線という）や、密な輝点アレイを投影することができる。言い換えれば、第３ＦＧ素子１４に所定の角度θを調整することで、複数の輝線や、密な輝点アレイを容易に投影することができる。以下、所定の角度θを調整することで投影した輝点アレイの例を示す。
【００３０】
図６、図７の模式図を参照して、所定の角度θによって投影されるパターン１０ａの例について説明する。図６（ａ）はθ＝０°、図６（ｂ）はθ＝５°の場合を示した図であり、さらに図７（ａ）はθ＝３７°、図６（ｂ）はθ＝４５°の場合を示した図である。また、上記各角度は厳密なものではなくおよその値である。
【００３１】
図６（ａ）に示すように、θ＝０°の場合には、パターン１０ａは、正方格子状の輝点アレイとなる。θ＝９０°の場合にも同じ輝点アレイとなる。また、第３ＦＧ素子１４が無い場合、即ち第１ＦＧ素子１２の第１の方向ｖ１と第２ＦＧ素子１３の第２の方向ｖ２が直交している第１ＦＧ素子１２と第２ＦＧ素子１４だけの場合にも同じ輝点アレイとなる。
【００３２】
図６（ｂ）に示すように、θ＝５°の場合には、パターン１０ａは、複数の輝線となる。この輝線は、複数の輝点が直線的に集合することで形成される。また、ＦＧ素子は、低次から高次の回折光に渡って回折効率が一定に近く、輝線は、複数の輝点が集合することで形成されているので、輝線の中央部の明るさが、中央部から輝線の端部方向にいっても変化しにくい。即ち、輝度が均一な輝線を投影できる。複数の輝線にする場合には、所定の角度θは、０．１〜１０°、好ましくは１〜８°、最も好ましくは５°程度とするとよい。また、θ＝８５°の場合にも、同様な複数の輝線となる。但し、この場合には、投影されるパターン１０ａは、（ｂ）を９０°回転させたパターンとなる。
【００３３】
以上で説明した場合以外でも、パターン１０ａを複数の輝線とすることができる。この場合には、例えば、第１の方向ｖ１と第２の方向ｖ２とのなす角を２θ’とする。そして、第３ＦＧ素子１４は、第３の方向ｖ３を第１の方向ｖ１からθ’回転させて重ね合わせる。言い換えれば、第３の方向ｖ３は、２θ’の２等分線方向となる。さらに、第１ＦＧ素子１２の各光ファイバー１１の軸線の間隔と、第２ＦＧ素子１３の各光ファイバー１１の軸線の間隔とを同じ間隔Ｐ１とする。そして、第３ＦＧ素子１４の各光ファイバー１１の軸線の間隔を、Ｐ１の１／２ｃｏｓθ’倍した間隔Ｐ２とする。このようにすると、例えば、θ’＜６０°の場合、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３の各光ファイバー１１の軸線の間隔を光ファイバー１１の直径とした場合には、これ以上各光ファイバー１１の軸線の間隔を狭めることが出来ない。この場合には、第３ＦＧ素子１４の各光ファイバー１１は、第１ＦＧ素子１２、第２ＦＧ素子１３のものより細い光ファイバーを使うことになる。また各光ファイバー同士に隙間が空かないようにすることが好ましいが、空く場合には、各光ファイバー同士の隙間に例えば遮光物を入れるようにする。このようにすることで、パターン１０ａを複数の輝線とすることができる。
【００３４】
図７（ａ）に示すように、θ＝３７°の場合には、パターン１０ａは、規則的であり、密な輝点アレイ（輝点同士の間隔が短い）、例えば０°のときと比べてより密な輝点アレイとなる。また、θ＝５３°の場合にも、同様な輝点アレイとなる。但し、この場合には、投影されるパターン１０ａは、（ａ）を９０°回転させたパターンとなる。また、この角度では、パターン１０ａ（輝点アレイ）に３：４：５の直角三角形を重ねることができる。またこのように、自然数比で表せる直角三角形を重ねることができる場合には同様なことが言える。例えば、５：１２：１３の直角三角形（θ＝２３°）の場合には、３７°よりもさらに密な輝点アレイとなる。
【００３５】
図７（ｂ）に示すように、θ＝４５°の場合には、θ＝３７°の場合と同様に、パターン１０ａは、規則的であり、密な輝点アレイとなる。但し、パターン１０ａは、図中４５°方向に延びる複数の輝線に近い輝点アレイとなる。
以下、パターン１０ａは、複数の輝線である場合（図６（ｂ）の場合）で説明する。
【００３６】
以上のように、パターン光投影装置１は、第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ素子１３と、第３ＦＧ素子１４とを含むグレーティング１０を備えている。さらに、第１の方向ｖ１と第２の方向ｖ２が直交し、第３ＦＧ素子１４は、第３の方向ｖ３が、第１の方向ｖ１から所定の角度θだけ素子平面と平行な面内で回転させて重ね合わされている。これにより、パターン光投影装置１は、レーザ光束Ｌ１を第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ素子１３と、第３ＦＧ素子１４を透過させることで、パターン１０ａを投影できるので、単純に構成できる。また、パターン光投影装置１は、重ね合わせた第１ＦＧ素子１２と、第２ＦＧ素子１３と、第３ＦＧ素子１４とを含んで構成されたグレーティング１０が光学系となるので、複雑な光学系を必要とすることなく、光学筐体を小型化できる。さらに、このように構成されているので、複数の輝線や、密な輝点アレイをパターン１０ａとして平面２に投影できる。特に輝度が均一な複数の輝線を投影できるので、下記のような装置へ応用した場合に優位性がある。
【００３７】
さらに、以上で説明したパターン光投影装置１は、量産性が高く、広範囲に輝点アレイを発生できるので、複数の輝線や、輝点アレイの各々の輝点の移動を測定する装置例えば、物体の高さ分布を測定することにより、三次元形状を測定する測定装置、監視対象領域内に存在する人物や物体の監視や、人物の呼吸等の検出を行なうことで人物の状態を監視する監視装置等に用いた場合に有効である。以下、実施例として、パターン光投影装置１を用いた、物体の高さ分布を測定することにより、三次元形状を測定する測定装置について説明する。
【００３８】
図８は、本発明による第２の実施の形態である測定装置としての三次元形状測定装置１１０の概念的斜視図である。三次元形状測定装置１１０は、対象物の高さの分布を測定するように構成されたものである。即ち、前記高さの分布に基づいて対象物の三次元形状を測定する。
【００３９】
図中物体１０１が、平面２上に載置されている。ＸＹ軸を平面２内に置くように、直交座標系ＸＹＺがとられており、対象物としての物体１０１はＸＹ座標系の第１象限に置かれている。
【００４０】
一方、図中Ｚ軸上で平面２の上方には、パターン光投影装置１によりパターン光としてのパターン１１０ａが投影された物体１０１を撮像する撮像装置１１１が配置されている。パターン１１０ａは、図６（ｂ）で前述したものと同様なもの、即ち、平行であり、等間隔に配置された複数の輝線である。撮像装置１１１の結像レンズ１１１ａは、その光軸がＺ軸に一致するように配置されている。結像レンズ１１１ａが、平面２あるいは物体１０１の像を結像する撮像素子１１５の結像面１１５’（イメージプレーン）は、Ｚ軸に直交する面である。結像面内１１５’にｘｙ直交座標系をとり、Ｚ軸が、ｘｙ座標系の原点を通るようにする。撮像装置１１１は、例えば複数の画素の配列された撮像素子を有するものであり、典型的にはＣＣＤカメラである。なお撮像素子１１５の例としては、ＣＣＤの他にＣＭＯＳ構造の素子が最近盛んに発表されており、それらも当然使用可能である。特にこれらの中には、素子自体にフレーム間差算や二値化の機能を備えたものがあり、これらの素子の使用は好適である。
【００４１】
平面２から結像レンズ１１１ａと等距離で、結像レンズ１１１ａからＹ軸の負の方向に距離ｄ（基線長ｄ）だけ離れたところに、パターン光投影装置１が配置されている。物体１０１と平面２には、パターン光投影装置１によりパターン１１０ａが投影される。また、撮像素子１１５には、画像処理装置１１４が電気的に接続されている。画像処理装置１１４は、例えばパソコンに組み込むとよい。なお、画像処理装置１１４については後で詳述する。
【００４２】
また、撮像装置１１１は、光束発生部５（図２参照）により発生されるレーザー光束Ｌ１の波長の周辺部以外の波長の光を減光するフィルタ１１１ｂを備えるとよい。フィルタ１１１ｂは、典型的には光学フィルタであり、結像レンズ１１１ａの光軸上に配置するとよい。このようにすると、撮像装置１１１は、撮像素子１１５に受光する光のうち、パターン光投影装置１より投影された光の強度が相対的にあがるので、外乱光による影響を軽減できる。また、レーザー光束Ｌ１をパルス変調し、そのパルスにあわせて撮像素子１５の撮像（露光）を行なうことにより、例えばレーザー光束の時間平均出力を上げることなく、外乱光の影響を軽減できる。これは、例えば対象物を人物とする場合には、該人物に対する影響を抑えることができる。
【００４３】
ここで、三次元形状測定装置１１０の作用を説明する。パターン光投影装置１により平面２に投影されたパターン１１０ａは、物体１０１が存在する部分では、物体１０１に遮られ平面２には到達しない。ここで物体１０１が存在しなければ、平面２上の点１０２ａに投射されるべき輝線は、物体１０１上の点１０１ａに投射される。輝線が点１０２ａから点１０１ａに移動したことにより、また結像レンズ１１１ａとパターン光投影装置１とが距離ｄ（基線長ｄ）だけ離れているところから、結像面１１５’上では、点１０２ａ’（ｘ，ｙ）に結像すべきところが点１０１ａ’（ｘ，ｙ＋δ）に結像する。即ち、物体１０１が存在しない時点と物体１０１が存在する時点とは、輝点がｙ軸方向に距離δだけ移動することになる。
【００４４】
例えば、図９に示すように、撮像素子１１５により撮像されたパターン１１０ａの画像は、高さのある物体１０１により、δだけｙ軸方向に移動することになる。
【００４５】
画像処理装置１１４により、このδを計測することにより、物体１０１上の点１０１ａの位置が三次元的に特定できる。即ち、点１０１ａの高さがわかる。このように、ある点が、物体１０１が存在しなければ、結像面１１５’上に結像すべき点と、結像面１１５’上の実際の結像位置との差を測定することにより、物体１０１の三次元形状が計測できる。あるいは物体１０１の三次元座標が計測できる。ここで、輝線の対応関係が不明にならない程度に、パターン１１０ａのピッチ、即ち輝線のピッチを細かくすれば、物体１０１の三次元形状はそれだけ詳細に計測できることになる。
【００４６】
さらにパターン光投影装置１を用いることで、パターン１１０ａを輝線とすることができるので、輝線の移動を測定することで、パターン１１０ａを輝点とした場合に比べて、輝線の任意の点の移動を測定でき、輝線方向の連続的形状が認識できる。言い換えれば、図中Ｘ軸方向の測定の分解能を向上することができる。また、パターン光投影装置１は、輝線の投影を単純な構成で行なうことができるので、三次元形状計測装置１１０の構成を単純化できる。
【００４７】
また、三次元形状計測装置１１０は、対象物が人物であり、その呼吸の測定に応用することもできる。言い換えれば、人物の呼吸を監視する監視装置に応用することもできる。
【００４８】
図１０は、対象物としての人物１０４の呼吸を測定する三次元形状計測装置１１０’の模式的斜視図である。図中ベッド１０６上に人物１０４が横たわって存在している。また、人物１０４の上には、さらに寝具１０３がかけられており、人物１０４の一部と、ベッド１０６の一部とを覆っている。
【００４９】
一方、人物１０４の腹部周辺直上には、パターン光投影装置１によりパターン１１０ａ’が投影された人物１０４を撮像するための撮像手段としての撮像装置１１１が設置されている。また人物１０４のおよそ足部又は頭部上方には（図示は足部上方の場合）、パターン光投影装置１が設置され、人物１０４のおよそ腹部上の寝具１０３を中心に照明している。照明される範囲は、人物１０４の腹部、胸部、背部、および肩部が、就寝中に取りうる位置を網羅する範囲に設定するとよい。同様に、撮像装置１１１による撮影領域の範囲も設定するとよい。
【００５０】
さらに、撮像装置１１１とパターン光投影装置１とは、撮像装置１１１とパターン光投影装置１を結ぶ軸と、ベッド１０６の中心線がおよそ平行になるように設置する。さらにパターン光投影装置１により投影されるパターン１１０ａ’の輝線の方向は、ベッド１０６の中心線と垂直方向とする。また、撮像装置１１１とパターン光投影装置１とは、ある程度離して設置するとよい。このようにすることで、前述の距離ｄ（基線長ｄ）が長くなるので、変化を敏感に検出できるようになる。撮像装置１１１とパターン光投影装置１との設置場所は、例えば天井に設置するとよい。このように設置することで、人物１０４の周期的動き例えば呼吸を敏感に検出することができる。また、本実施の形態では、撮像装置１１と輝線投影装置１０との設置場所は、天井としているが、例えばスタンドに取り付けてもよい。
【００５１】
また、画像処理部１１４は、撮像素子１１５により得られた所定時間間隔の２フレームの画像の差分画像を生成するように構成するとよい。この場合には、画像処理部１１４は、撮像素子１１５の各画素毎の差を取ることにより差分画像を生成する。所定時間間隔とは、物体１０１の細かい周期的動き即ち人物１０４の呼吸を監視するのに十分な間隔であり、例えば２〜５フレーム／秒程度であるが、さらに速く例えば１０フレーム／秒以上であってもよい。撮像装置１１１は、差分画像を生成することにより、例えば太陽光により、人物１０４以外の物による陰影が人物１０４にかかっていたり、外乱光による照明強度が、人物１０４の部分部分でばらつきがあったりしていても、そのような陰影やばらつきの影響を排除できる。
【００５２】
また、差画像を生成する場合には、撮像装置１１１は、撮像素子１１５として動体検出素子を用いてもよい。動体検出素子は、例えば撮像素子１１５の各画素で、フレームの画素値を記憶し、１フレームずれた最新のフレームの画素値との差を取り、その差を閾値処理して値を出力する機能（２値化処理機能）を持った素子で、信号伝達過程でのノイズの影響をうけることなく、輝線が移動した差分画像を生成することができる。
【００５３】
さらに差画像を生成する場合は、撮像装置１１１に、例えば上述の動体検出素子を用いた場合でも、レーザー光Ｌ１は、低出力レーザーでもよく、また、継続的に照射してもよい。即ち、パターン１１０ａを継続的に照射してもよい。
【００５４】
三次元形状測定装置１１０’は、撮像装置１１１より画像又は差画像を入力し、入力した画像の２フレーム間の輝点の移動から人物１０４の形状変化を抽出する。これにより、監視装置１０１は、この形状変化を追うことで、人物１０４の呼吸や動きの検出をすることができる。また、差画像を用いた場合、入力する差画像上には、移動した輝点のみが残っているので、処理が簡便になる。人物１０４の呼吸や動きの検出は、輝線の移動から輝線移動量を算出して、この変化から検出してもよいし、また輝線移動量から三角法により人物１０４までの距離変化から検出してもよい。また移動した輝線の画素値の累積を算出して、この変化から検出してもよい。
【００５５】
以上では、三次元形状測定装置１１０’は、ベッド１０６上の人物１０４の動きを検出する場合について説明したが、これに限定されて適用されるものではなく、例えばトイレや浴室等、対象とする領域が限定される場合に、特に有効に働くものである。
【００５６】
また三次元形状測定装置１１０’は、単純な画像処理で、人物１０４の姿勢や外乱光に対して影響を受けることなく人物の呼吸を確実に検出することができる。これにより、三次元形状測定装置１１０’は、高齢者や病人が危機的状況に陥った場合に、迅速な救急対応の実現が可能になる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子と、複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１の方向と異なる第２の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子と、複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１、第２の方向と異なる第３の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第３のファイバーグレーティング素子とを備え、前記第１のファイバーグレーティング素子と第２のファイバーグレーティング素子と第３のファイバーグレーティング素子は、重ね合わせてファイバーグレーティングを構成し、該ファイバーグレーティングには、可干渉性の光束を透過させるように構成されているので、単純な構成で輝線又は輝点アレイを投影できるパターン光投影装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態であるパターン光投影装置の模式的斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態であるパターン光投影装置を説明する模式的斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態であるグレーティングについて説明する、（ａ）斜視図、（ｂ）正面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態であるグレーティングで、方向制御手段を備える場合について説明する斜視図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態であるグレーティングにより投影されるパターンについて説明する、（ａ）パターンの模式図、（ｂ）グレーティングの正面図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態であるグレーティングにより投影されるパターンの例を示す図であり、（ａ）所定の角度θが０°の場合を示す模式的平面図、（ｂ）所定の角度θが５°の場合を示す模式的平面図である。
【図７】図６と同様なパターンの例を示す図であり、（ａ）所定の角度θが３７°の場合を示す模式的平面図、（ｂ）所定の角度θが４５°の場合を示す模式的平面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態である三次元形状測定装置の概念的斜視図である。
【図９】図８の場合のパターンの画像を説明する線図である。
【図１０】図８の三次元形状測定装置を人物の呼吸を監視する監視装置に応用した場合を説明する模式的斜視図である。
【図１１】従来のパターン光投影装置について説明する模式的斜視図である。
【符号の説明】
１ パターン光投影装置
２ 平面
５ 光束発生部
１０ グレーティング
１０ａ パターン
１１ 光ファイバー
１２ 第１ＦＧ素子
１３ 第２ＦＧ素子
１４ 第３ＦＧ素子
１６ 回転装置
１０１ 物体（対象物）
１１０ 三次元形状測定装置
１１１ 撮像装置
１１５ 撮像素子
Claims (6)
- 複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第１のファイバーグレーティング素子と；
複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１の方向と異なる第２の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第２のファイバーグレーティング素子と；
複数の光ファイバーを各光ファイバーの軸線を第１、第２の方向と異なる第３の方向に向けて平行に且つ平面状に並べた第３のファイバーグレーティング素子とを備え；
前記第１のファイバーグレーティング素子と第２のファイバーグレーティング素子と第３のファイバーグレーティング素子は、重ね合わせてファイバーグレーティングを構成し、該ファイバーグレーティングは、可干渉性の光束を透過させることにより複数の輝線又は輝点アレイを投影するように構成された；
パターン光投影装置。 - 前記第１のファイバーグレーティング素子と、前記第２のファイバーグレーティング素子と、前記第３のファイバーグレーティング素子とは、前記各軸線の間隔が等しく、且つ前記間隔は、前記第１、第２、第３ファイバーグレーティング素子間で等しい；
請求項１に記載のパターン光投影装置。 - 前記第１の方向と第２の方向がほぼ直交している、請求項１又は請求項２に記載のパターン光投影装置。
- 前記第３のファイバーグレーティング素子は、前記第３の方向が、前記第１の方向から所定の角度だけ前記平面と平行な面内で回転させて重ね合わされている、請求項３に記載のパターン光投影装置。
- 前記第３のファイバーグレーティング素子は、前記平面内で回転可能に構成された；
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のパターン光投影装置。 - 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のパターン光投影装置と；
前記パターン光投影装置によりパターン光が投影された対象物を撮像する撮像装置とを備える；
測定装置。
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