JP5163713B2 - 距離画像センサ及び距離画像生成装置並びに距離画像データ取得方法及び距離画像生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、距離画像センサ及び距離画像生成装置並びに距離画像データ取得方法及び距離画像生成方法に関する。

特許文献１には、光を受光すると共に、受光した光量に応じた電荷を生成する複数個の感光部と、感光部でそれぞれ生成された電荷の組を用いて対象物までの距離を算出すると共に、算出された距離を画素値とする距離画像を生成する画像生成部と、を備える距離画像センサが開示されている。

特開２００６−１５３７７３号公報

ここで、特許文献１に開示された距離画像センサは、ＴＯＦ（Time of Flight）型のセンサであるため、特殊で高価なＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ又はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナを必要とする。このため、特許文献１の距離画像センサは、高価格であるという問題があった。

そこで、本発明は、このような点に鑑み、その目的とするところは、低価格な距離画像センサ及び距離画像生成装置並びに距離画像データ取得方法及び距離画像生成方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る距離画像センサは、
ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸が互いに原点で直交する座標空間において、
前記ｘ軸方向の所定の位置より、前記ｚ軸方向に第１のスポットビームを投光する第１の光源と、
前記原点に対して前記第１の光源と対称な位置より、前記ｚ軸方向に第２のスポットビームを投光する第２の光源と、
前記第１のスポットビームを複数の分割光に分割し、出射されて対象物上に形成される複数の投光スポットを第１投光スポットとして、所定のマークとなるように回折させる回折格子が形成された第１回折光学素子と、
前記第２のスポットビームを複数の分割光に分割し、出射されて前記対象物上に形成される複数の投光スポットを第２投光スポットとして、前記所定のマークとなるようにするとともに、前記第１投光スポットと前記第２投光スポットとによって画定される複数の線分と前記ｘ軸とが成す複数の角度が所定の角度となるように回折させる回折格子が形成された第２回折光学素子と、
前記第１投光スポットと、前記第２投光スポットと、を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された前記第１投光スポットと前記第２投光スポットとで画定される複数の線分の前記ｘ軸に対する傾きに基づいて、前記対象物までの複数の距離を決定する距離決定手段と、を備える、
ことを特徴とする。

第１の観点に係る距離画像センサにおいて、
前記撮像手段で撮像された撮像画像から、前記第１投光スポットと前記第２投光スポットとのうち、ペアを構成する前記所定のマークを複数検出する投光スポット検出手段を、さらに備え、
前記距離決定手段は、前記投光スポット検出手段で検出された複数の前記所定のマークのペアで画定される複数の線分の前記ｘ軸に対する傾きに基づいて、前記対象物までの複数の距離を決定する、
としても良い。

また、第１の観点に係る距離画像センサにおいて、
前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、それぞれ前記第１のスポットビーム及び前記第２のスポットビームを複数の線分状のビームに分割して、前記分割された複数の線分状のビームが前記所定のマークとなるように回折する、
としても良い。
また、第１の観点に係る距離画像センサにおいて、
前記所定のマークは、前記複数の線分状のビームがそれぞれ９０°ずつの角度に配置される４つの略同じ長さを有する線分状の投光スポットからなる、
としても良い。
また、第１の観点に係る距離画像センサにおいて、
前記距離決定手段は、前記線分状の投光スポットの延長線の交点の位置を前記ｘ軸に対する傾きを求める前記線分の端点として、前記対象物までの距離を決定する、
としても良い。
また、第１の観点に係る距離画像センサにおいて、
前記第１のスポットビームと、前記第２のスポットビームと、は入射角度が異なる関係にあり、
前記第１回折光学素子と、前記第２回折光学素子と、は同じ光学特性を有する、
としても良い。
また、第１の観点に係る距離画像センサにおいて、
前記第１の光源から投光される第１のスポットビームと前記第２の光源から投光される第２のスポットビームとを平行光として生成する平行光生成手段をさらに備える、
としても良い。
また、第１の観点に係る距離画像センサにおいて、
前記平行光生成手段は、
発光する発光手段と、
前記発光手段で発光された光を第１のスポットビームとしての第１光と第２のスポットビームとしての第２光とに分岐する二分岐回折格子が形成された光学素子と、
前記光学素子から出射された第１光を前記ｚ軸方向に進行する第１平行光とすると共に、前記光学素子から出射された第２光を前記ｚ軸方向に進行する第２平行光とするレンズと、を有する、
としても良い。

また、第１の観点に係る距離画像センサにおいて、
前記レンズは、前記第１のスポットビームと前記第２のスポットビームとで画定される平面の法線方向から見ると、前記第１のスポットビームと前記第２のスポットビームとが成す角度と略一致した角度の扇型をしている、
としても良い。
また、第１の観点に係る距離画像センサにおいて、
前記第１回折光学素子、第２回折光学素子、及び前記光学素子は、前記平行光生成手段が有する前記レンズの表面に形成されている、
としても良い。
また上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る距離画像生成装置は、
上記の距離画像センサと、
前記距離決定手段で決定された複数の距離に応じた複数の画素値を有する距離画像を生成する距離画像生成手段と、を有する、
ことを特徴とする。

また上記目的を達成するため、本発明の第３の観点に係る距離画像データ取得方法は、
ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸が互いに原点で直交する座標空間において、
前記ｘ軸方向の所定の位置より、前記ｚ軸方向に第１のスポットビームを投光する第１の投光ステップと、
前記第１のスポットビームを投光した位置と前記原点に対して対称な位置より、前記ｚ軸方向に第２のスポットビームを投光する第２の投光ステップと、
前記第１のスポットビームが入射され、出射されて対象物上に形成される投光スポットを第１投光スポットとして、所定のマークとなるように回折させる第１回折ステップと、
前記第２のスポットビームが入射され、出射される前記対象物上に形成される投光スポットを第２投光スポットとして、前記所定のマークとなるようにするとともに、前記第１投光スポットと前記第２投光スポットとで画定される線分と前記ｘ軸とが成す角が所定の角度となるように回折させる第２回折ステップと、
前記第１投光スポットと、前記第２投光スポットと、を撮像する撮像ステップと、
前記撮像ステップで撮像された前記第１投光スポットと前記第２投光スポットとで画定される複数の線分の前記ｘ軸に対する傾きに基づいて、前記対象物までの距離を決定する距離決定ステップと、を有する、
ことを特徴とする。
また上記目的を達成するため、本発明の第４の観点に係る距離画像生成方法は、
上記の距離画像データ取得方法が含むステップと、
前記距離決定ステップで決定された複数の距離に応じた複数の画素値を有する距離画像を生成する距離画像生成ステップと、を有する、
ことを特徴とする。

本発明によれば、距離画像センサを低価格化でき、低コストで距離画像を生成できる。

図１は、本実施形態に係る距離画像センサがスポットビームを投光する投光面の一例を表す図である。 図２（ａ）は、実施形態１に係る距離画像センサを搭載したプロジェクタの一構成例を表す図である。図２（ｂ）は、実施形態１の制御部の一構成例を表すハードウェア構成図である。図２（ｃ）は、実施形態１の制御部が有する機能の一例を表す機能ブロック図である。 図３（ａ）は、実施形態１の回折光学素子による入射ビームの多点分岐を説明するための図である。図３（ｂ）は、実施形態１の回折光学素子によって分割されたビームの終点の一例を表す図である。図３（ｃ）は、実施形態１の回折光学素子が有する繰返領域の一構成例を表す図である。 図４（ａ）は、ｘ軸の負側に配置された回折光学素子の始点、終点、方向比、及び方向余弦の一例を表す図である。図４（ｂ）は、ｘ軸の正側に配置された回折光学素子の始点、終点、方向比、及び方向余弦の一例を表す図である。 図５（ａ）は、実施形態１の回折光学素子から「4m」離れた投光面に投光される投光スポットの一例を表す図である。図５（ｂ）は、実施形態１の回折光学素子から「3m」離れた投光面に投光される投光スポットの一例を表す図である。図５（ｃ）は、実施形態１の回折光学素子から「2m」離れた投光面に投光される投光スポットの一例を表す図である。図５（ｄ）は、実施形態１の回折光学素子から「1m」離れた投光面に投光される投光スポットの一例を表す図である。 図６（ａ）は、実施形態１の回折光学素子から「4m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとで構成されるペアの一例を表す図である。図６（ｂ）は、実施形態１の回折光学素子から「3m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとで構成されるペアの一例を表す図である。図６（ｃ）は、実施形態１の回折光学素子から「2m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとで構成されるペアの一例を表す図である。図６（ｄ）は、実施形態１の回折光学素子から「1m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとで構成されるペアの一例を表す図である。図６（ｅ）は、実施形態１の回折光学素子から投光面までの距離Ｌと、投光面に投光される投光スポットで画定される線分のｄｘ／ｄｙ値との関係例を表す図である。図６（ｆ）は、実施形態１の回折光学素子から投光面までの距離の逆数１／Ｌとｄｘ／ｄｙ値との関係例を表す図である。 図７は、実施形態１の距離画像センサが有する制御部で実行される画像投影処理の一例を表すフローチャートである。 図８（ａ）は、実施形態２に係る距離画像センサを搭載したプロジェクタの一構成例を表す図である。図８（ｂ）は、実施形態２の制御部が有する機能の一例を表す機能ブロック図である。 図９（ａ）は、実施形態２の回折光学素子による入射ビームの多点分岐を説明するための図である。図９（ｂ）は、実施形態２の回折光学素子によって分割されたビームで形成される投光スポットが描く所定のマークの一例を表す図である。 図１０（ａ）は、実施形態２の回折光学素子から「1m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとの一例を表す図である。図１０（ｂ）は、実施形態２の回折光学素子から「2m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとの一例を表す図である。図１０（ｃ）は、実施形態２の回折光学素子から「3m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとの一例を表す図である。図１０（ｄ）は、実施形態２の回折光学素子から「4m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとの一例を表す図である。 図１１（ａ）は、実施形態２の回折光学素子から「1m」離れた第１投光スポットと第２投光スポットとが投光された投光面の一例を表す図である。図１１（ｂ）は、実施形態２の回折光学素子から「2m」離れた第１投光スポットと第２投光スポットとが投光された投光面の一例を表す図である。図１１（ｃ）は、実施形態２の回折光学素子から「3m」離れた第１投光スポットと第２投光スポットとが投光された投光面の一例を表す図である。図１１（ｄ）は、実施形態２の回折光学素子から「4m」離れた第１投光スポットと第２投光スポットとが投光された投光面の一例を表す図である。 図１２（ａ）は、実施形態１の回折光学素子から「1m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとを表す撮像画像の一例を表す図である。図１２（ｂ）は、実施形態１の回折光学素子から「2m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとを表す撮像画像の一例を表す図である。図１２（ｃ）は、実施形態１の回折光学素子から「3m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとを表す撮像画像の一例を表す図である。図１２（ｄ）は、実施形態１の回折光学素子から「4m」離れた投光面に投光される第１投光スポットと第２投光スポットとを表す撮像画像の一例を表す図である。 図１３（ａ）は、実施形態３に係る距離画像センサを搭載したプロジェクタの一構成例を表す図である。図１３（ｂ）は、実施形態３の平行光生成部の一例を表す斜視図である。図１３（ｃ）は、実施形態３の平行光生成部の一例を表す上面図である。 図１４（ａ）は、実施形態４の平行光生成部の一例を表す斜視図である。図１４（ｂ）は、実施形態４の平行光生成部の一例を表す上面図である。 図１５（ａ）は、実施形態５に係る距離画像センサを搭載したプロジェクタの一構成例を表す図である。図１５（ｂ）は、実施形態５の制御部が有する機能の一例を表す機能ブロック図である。 図１６（ａ）は、実施形態５の平行光生成部の一例を表す斜視図である。図１６（ｂ）は、実施形態５の平行光生成部の一例を表す上面図である。 図１７は、実施形態５に係る回折光学素子から出射されるねじれビームの一例を表す図である。 図１８（ａ）は、実施形態５の回折光学素子の一例を表す図である。図１８（ｂ）は、実施形態５の回折光学素子が有する回折領域の一構成例を表す図である。図１８（ｃ）は、繰返領域の一構成例を表す図である。 図１９（ａ）は、実施形態５の回折光学素子による入射ビームの多点分岐を説明するための図である。図１９（ｂ）は、実施形態５の回折光学素子によって分割されたビームの終点の一例を表す図である。図１９（ｃ）は、実施形態５の回折光学素子の始点、終点、方向比、及び方向余弦の一例を表す図である。 図２０（ａ）は、実施形態５の回折光学素子が有する回折領域を識別するインデックスの一例を表す図である。図２０（ｂ）は、実施形態５における回折領域の始点のｘ座標値の一例を表す図である。図２０（ｃ）は、実施形態５における回折領域の始点のｙ座標値の一例を表す図である。図２０（ｄ）は、実施形態５における回折領域の始点のｚ座標値の一例を表す図である。 図２１（ａ）は、実施形態５における回折領域の終点のｘ座標値の一例を表す図である。図２１（ｂ）は、実施形態５における回折領域の終点のｙ座標値の一例を表す図である。図２１（ｃ）は、実施形態５における回折領域の終点のｚ座標値の一例を表す図である。 図２２（ａ）は、実施形態５の回折光学素子から「1m」離れた投光面に投光される投光スポットの一例を表す図である。図２２（ｂ）は、実施形態５の回折光学素子から「2m」離れた投光面に投光される投光スポットの一例を表す図である。図２２（ｃ）は、実施形態５の回折光学素子から「3m」離れた投光面に投光される投光スポットの一例を表す図である。図２２（ｄ）は、実施形態５の回折光学素子から「4m」離れた投光面に投光される投光スポットの一例を表す図である。図２２（ｅ）は、実施形態５の回折光学素子から投光面までの距離Ｌと、投光面に投光される投光スポットとｘ軸とが成す角度θとの関係例を表す図である。図２２（ｆ）は、実施形態５の回折光学素子から投光面までの距離の逆数１／Ｌと角度θとの関係例を表す図である。 図２３（ａ）は、実施形態６の平行光生成部の一例を表す斜視図である。図２３（ｂ）は、実施形態６の平行光生成部の一例を表す上面図である。

以下、本発明の最良の実施形態について添付図面を参照しつつ説明する。

（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る距離画像センサ１００は、図１に示すようなｘｙｚ空間において、ｚ軸と垂直で原点からの距離（つまり、ｚ座標値）が異なる投光面Ｐ１からＰ４に対してそれぞれ異なる複数の投光スポットを形成するような複数のスポットビームを対象物に対して出射する。次に、距離画像センサ１００は、これらのスポットビームによって対象物上に形成される複数の投光スポットに基づいて、投光スポットが形成された対象物上の点との距離を複数測定する（決定する）。尚、投光スポットとは、投光スポットから所定距離までの周辺領域よりも所定値だけ照度が高い（つまり、明るく照らされた）領域をいう。

距離画像センサ１００は、図２に示すようなプロジェクタ１９０に搭載され、制御部１１０、平行光生成部１２１及び１２２、回折光学素子（以下、ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１３１及び１３２、並びに撮像部１４０を備える。プロジェクタ１９０は、距離画像センサ１００の他に、プロジェクタ１９０のユーザによる操作に応じた操作信号を入力する入力部１９１、及び制御部１１０に制御されて画像をスクリーンへ投影する投影部１９２を備える。以下、制御部１１０について説明する前に、平行光生成部１２１及び１２２、ＤＯＥ１３１及び１３２、並びに撮像部１４０について説明する。

平行光生成部１２１及び１２２は、例えば、コリメータレンズ付きのレーザーダイオード（以下、ＬＤ：Laser Diodeという）で構成される。平行光生成部１２１及び１２２は、略同一波長を有し、ｚ軸方向に進行するコヒーレントなスポットビームをＤＯＥ１３１及び１３２にそれぞれ入射する。

ＤＯＥ１３１は、図１に示すように、スポットビームを入射される入射面の中心座標が(-5, 0, 0)となる位置に設置され、ＤＯＥ１３２は、入射面の中心座標が(+5, 0, 0)となる位置に設置されている。ＤＯＥ１３１及び１３２は、多点分岐回折格子が形成されている。ＤＯＥ１３１は、図３（ａ）に示すように、平行光生成部１２１で生成されたｚ軸方向に進行する１本のスポットビームを１２本のスポットビームに分割する回折格子パターンが形成され、ＤＯＥ１３２にも同様の回折格子パターンが形成されている。このため、ＤＯＥ１３１で分割された１２本のスポットビーム（以下、分割ビームという）は、ＤＯＥ１３１から「4メートル（以下、mと表記する）」ｚ軸方向に離れた位置の投光面Ｐ４に対して、図３（ｂ）に示すような１２個の投光スポットＥＡ１からＥＬ１を形成する。また、ＤＯＥ１３２から出射される１２本の分割ビームも同様に、投光面Ｐ４に対して１２個の投光スポットＥＡ２からＥＬ２を形成する。

ＤＯＥ１３１の入射面には、図３（ｃ）に示すような複数の繰返領域ＲＲ１がタイル状に（つまり、互いに隣接して）形成されている。この繰返領域ＲＲ１は、例えば、通常照射されるレーザービームの径よりも十分に小さいピッチで並んでいる。この繰返領域ＲＲ１には、図３（ｃ）に示すような１２個の要素領域Ａ１からＬ１がタイル状に形成されている。この繰返領域ＲＲ１を構成する要素領域Ａ１からＬ１は、図４（ａ）の表に示すような、ｚ軸方向へ進行するスポットビームが入射された場合に出射する分割ビームの方向がそれぞれ異なる１２種類の回折格子が形成されている。尚、図４（ａ）の表は、スポットビームが入射される点を始点とし、投光面Ｐ４上の投光スポットが形成される点を終点とし、かつ始点から終点へ向かう出射光の進行方向を方向余弦で表している。

要素領域Ａ１は、図４（ａ）に示すように始点が座標値(-5, 0, 0)で表される位置である場合に、出射するスポットビームの進行方向を、座標値(-1500, 995, 4000)で表される終点ＥＡ１に向かう方向とする。同様に、要素領域Ｂ１は、始点が座標値(-5, 0, 0)である場合に、出射するスポットビームの進行方向を、座標値(-500, 995, 4000)で表される終点ＥＢ１に向かう方向とする。さらに、要素領域Ｃ１及びＤ１は、終点ＥＢ１をｘ座標値「1000」及び「2000」だけそれぞれシフトさせた終点ＥＣ１及びＥＤ１に向かう方向にスポットビームの進行方向を変更する。

また、要素領域Ｅ１からＨ１は、終点ＥＡ１からＥＤ１をそれぞれｙ座標値「-1000」だけシフトさせた終点ＥＥ１からＥＨ１に向かう方向にスポットビームの進行方向を変更し、要素領域Ｉ１からＬ１は、終点ＥＡ１からＥＤ１をそれぞれｙ座標値「-2000」だけシフトさせた終点ＥＩ１からＥＬ１に向かう方向にスポットビームの進行方向を変更する。

尚、ＤＯＥ１３１が有する要素領域の種類数は１２個に限定されるものではなく、要素領域に形成された回折格子は、ＤＯＥ１３１を構成する透明基板の表面に設けられたバイナリ式の（つまり、略同一の深さを有する）複数の溝で構成されても良いし、異なる深さの複数の溝で構成されても良い。

ＤＯＥ１３２の要素領域Ａ２からＬ２は、図４（ｂ）の表及び図５（ａ）に示すように、ｚ軸方向へ進行するスポットビームが座標値(+5, 0, 0)で表される始点に入力されると、出射するスポットビームの進行方向を、投光面Ｐ４に形成される終点ＥＡ１からＥＬ１をｙ座標値「+10」だけそれぞれシフトさせた点ＥＡ２からＥＬ２に向かう方向とする。

ここで、例えば、終点ＥＡ１とＥＡ２、及びＥＬ１とＥＬ２のように、ＤＯＥ１３１から出射された分割ビーム（以下、第１分割ビームという）の投光スポット（以下、第１投光スポット）と、ＤＯＥ１３２から出射された分割ビーム（以下、第２分割ビームという）の投光スポット（以下、第２投光スポット）であって、第１投光スポットよりも「+10」だけｙ軸の正方向に上に位置するスポットとをペアとすると、ペアを構成する第１投光スポットと第２投光スポットとを端点とする線分は、ｘ軸に対して垂直となる。

このため、図５（ａ）から図５（ｄ）及び図６（ａ）から図６（ｄ）に示すように、投光面と始点との距離が、「4m」から減少するにつれて、投光面に形成されたペアを構成する第１投光スポットと第２投光スポットとを結んだ線分とｘ軸とが成す角度が「９０°」から「０°」まで減少する。このため、線分のｘ軸方向（水平方向）の長さｄｘと、線分のｙ軸方向（水平方向）の長さｄｙとの比（以下、ｄｘ／ｄｙ値という）は、図６（ｅ）に示すように始点から投光スポットまでの距離Ｌと反比例し、図６（ｆ）に示すように始点から投光スポットまでの距離Ｌの逆数と正比例する。

図２（ａ）の撮像部１４０は、例えば、デジタルカメラで構成され、図１に示すように、光軸がｚ軸と略一致し、主走査方向がｘ軸と平行となり、かつ副走査方向がｙ軸と平行となるように設置されている。撮像部１４０は、ＤＯＥ１３１及びＤＯＥ１３２から対象物に対して第１分割ビーム及び第２分割ビームが出射されると、制御部１１０により制御されて、第１分割ビーム及び第２分割ビームによって対象物上に形成される第１投光スポット及び第２投光スポットを撮像する。

図２（ａ）の制御部１１０は、例えば、図２（ｂ）に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１０ａ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１０ｂ、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１０ｃ、ハードディスク１００ｄ、及び入出力ポート（以下、Ｉ／Ｏポートという）１００ｅを備える。

ＣＰＵ１１０ａは、ＲＯＭ１１０ｂ又はハードディスク１００ｄに保存されたプログラムに従ってソフトウェア処理を実行することで、距離画像センサ１００を含むプロジェクタ１９０の全体制御を行う。ＲＡＭ１１０ｃは、ＣＰＵ１１０ａによるプログラムの実行時において、処理対象とする情報（データ）を一時的に記憶する。

ハードディスク１００ｄは、画像を表す画像データ、プログラム、及びプログラムの実行時に参照される各種のデータテーブルを記憶している。ハードディスク１００ｄが記憶するデータテーブルは、図６（ｆ）に示すような投光スポットのｄｘ／ｄｙ値を表す情報と、始点から投光スポットまでの距離の逆数１／Ｌを表す情報とを対応付けた複数の情報を保存した距離テーブルを含む。Ｉ／Ｏポート１００ｅは、制御部１１０と接続する各部との間でデータの入出力を行う。

制御部１１０は、図２（ｂ）に示したハードウェアを用いて、図７に示すような画像投影処理を実行することで、図２（ｃ）に示すような投光制御部１１１、撮像制御部１１２、撮像画像取得部１１３、投光スポット検出部１１４、傾き検出部１１５、情報記憶部１１６、距離測定部（距離決定部）１１７、距離画像生成部１１８ａ、投影画像補正部１１８ｂ、及び投影制御部１１９として機能する。

図７の画像投影処理を開始すると、図２（ｂ）の投光制御部１１１は、図２（ａ）の平行光生成部１２１及び１２２に対してそれぞれＤＯＥ１３１及び１３２へ入射する平行光を生成させることで、対象物に対して１２個の第１分割ビームと１２個の第２分割ビームとを投光させる投光制御を開始する（ステップＳ０１）。次に、図２（ｂ）の撮像制御部１１２は、対象物上に形成された１２個の第１投光スポットと１２個の第２投光スポットとを撮像するように、図２（ａ）の撮像部１４０を制御する（ステップＳ０２）。その後、撮像画像取得部１１３は、撮像部１４０から撮像画像を取得する（ステップＳ０３）。

次に、投光スポット検出部１１４は、撮像画像を構成する画素値の明度に基づいて、撮像画像に表された１２個の第１投光スポットと、１２個の第２投光スポットとを検出する（ステップＳ０４）。次に、傾き検出部１１５は、撮像画像における互いの距離が所定値を下回る第１投光スポットと第２投光スポットとで構成される１２個のペアを取得し、取得したペアを構成する第１投光スポットと第２投光スポットとで画定される１２個の線分に対してｄｘ／ｄｙ値を算出する（ステップＳ０５）。

次に、距離測定部１１７は、ステップＳ０５で算出された１２個のｄｘ／ｄｙ値を表す情報に対して、それぞれと対応付けられた距離の逆数を表す情報を、情報記憶部１１６が記憶する上記の距離テーブルから検索した後に、検索された情報で表される値の逆数を算出することで、対象物上に形成された投光スポットで画定される線分上の１２個の点との距離をそれぞれ測定する（決定する）（ステップＳ０６）。尚、距離画像生成部１１８ａは、測定された１２個の距離を画素値とした距離画像を生成する。その後、投光制御部１１１は、投光制御を終了する（ステップＳ０７）。

次に、投影制御部１１９は、ステップＳ０６で測定された対象物上の１２個の点との距離の内で、最も中心に位置する点との距離に基づいて、焦点を対象物であるスクリーンへ合わせるように、図２（ａ）の投影部１９２を制御する焦点制御を行う（ステップＳ０８）。その後、投影画像補正部１１８ｂは、測定された１２個の点との距離に基づいて、投影部１９２の光軸に対するスクリーンの傾斜角度を算出する（ステップＳ０９）。具体的には、ステップＳ０９で算出されるスクリーンの傾斜角度は、スクリーンの水平方向と投影部１９２の光軸とが成す角度と、スクリーンの垂直方向と投影部１９２の光軸とが成す角度とを含む。

その後、投影画像補正部１１８ｂは、ステップＳ０９で算出された傾斜角度を用いて、スクリーンに投影される画像の歪みをキャンセルする歪み補正行列を算出する（ステップＳ１０）。具体例としては、投影画像補正部１１８ｂは、特許文献である特許４３８０５５７号公報に開示されているような台形補正を行う補正行列を算出する。次に、投影画像補正部１１８ｂは、スクリーンへ投影する投影画像を、ステップＳ１０で算出された補正行列を用いて補正する（ステップＳ１１）。次に、投影制御部１１９は、補正された投影画像をスクリーンへ投影する投影制御を行った後に（ステップＳ１２）、画像投影処理の実行を終了する。

これらの構成によれば、ＤＯＥ１３１及びＤＯＥ１３２から出射された複数の分割ビームにより対象物上に形成される複数の投光スポットで画定される線分のｘ軸に対する傾きに基づいて、対象物上における投光スポットが形成された複数の点との距離を測定する。よって、例えば、ＴＯＦ（Time of Flight）型のセンサのように、特殊で高価なＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ又はＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナを距離画像センサ１００は必要としないため、小型及び安価であるにも関わらず、対象物上の複数の点との距離を測定して、距離画像を生成できる。

またこれらの構成によれば、ＤＯＥ１３１及びＤＯＥ１３２は、それぞれ平行光生成部１２１及び１２２で生成されたスポットビームを複数の分割ビームに分割するため、平行光生成部１２１及び１２２の数を増加させることなく、対象物に対して複数のスポットビームを照射できる。このため、距離画像センサ１００を大型化及び高額化することなく、対象物上の複数の点との距離を測定できる。

（実施形態１の変形例）
本実施形態において、距離画像センサ１００は、図４（ａ）及び（ｂ）に示す光学特性を有する２種類のＤＯＥ１３１及び１３２を備え、ＤＯＥ１３１及び１３２は、図５（ａ）に示すような第１投光スポットと第２投光スポットとを形成するように、平行光生成部１２１及び１２２で生成されたスポットビームをそれぞれ分割するとして説明した。しかし、距離画像センサ１００が備えるＤＯＥ１３１及び１３２は、同じ光学特性を有し（つまり、同一種類であり）、図５（ａ）に示すような第１投光スポットと第２投光スポットとを形成するように、平行光生成部１２１がＤＯＥ１３１にスポットビームを入射する入射角度と、平行光生成部１２２がＤＯＥ１３２にスポットビームを入射する入射角度とを異ならせる構成を採用しても良い。

（実施形態２）
次に、実施形態２について説明を行う。本発明の実施形態２に係る距離画像センサ２００は、実施形態１と同様に、図８（ａ）に示すようなプロジェクタ２９０に搭載され、制御部２１０、平行光生成部２２１及び２２２、ＤＯＥ２３１及び２３２、並びに撮像部２４０を備え、プロジェクタ２９０は、入力部２９１及び投影部２９２を備える。尚、実施形態１と共通する構成については説明を省略する。

ＤＯＥ２３１は、図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、１つのスポットビームを４８個の偏平ビーム（以下、分割偏平ビームという）に分割すると共に、４８個の分割偏平ビームによって投光面Ｐ４に形成される投光スポットが、１２個の所定のマークを描くように、１つの入射されたスポットビームの進行方向を変更する。

ここで、偏平ビームとは、偏平面を有するレーザービームをいい、偏平面がｘ軸の正方向と「45°」の角を成す第１偏平ビーム、「135°」の角を成す第２偏平ビーム、「225°」の角を成す第３偏平ビーム、及び「315°」の角を成す第４偏平ビームに分類される。投光スポットのマークは、例えば、図１０（ａ）に示すような、それぞれ１つの第１偏平ビームから第４偏平ビームによって形成される４つの略同一な長さを有する線分状の投光スポットで描かれ、４つの線分の延長線が互いに略垂直に交わる点が、距離の測定に用いられる線分の端点ＰＥ１であることを示す。

尚、投光スポットのマークは、任意の形状で良く、例えば、円形であり中心点が線分の端点ＰＥ１であることを示しても良い。この構成によれば、例えば、撮像部２４０の主走査方向とｘ軸との平行度が低い場合であっても、撮像画像に表される投光スポットの形状は円形状のまま変化しないため、精度良く端点ＰＥ１を検出できる。

ＤＯＥ２３２は、ＤＯＥ２３１と同様に、１つのスポットビームを４８個の分割偏平ビームに分割すると共に、４８個の分割偏平ビームによって投光面Ｐ４に形成される投光スポットが、１２個の所定のマークを描くように、入射されたスポットビームの進行方向を変更する。また、ＤＯＥ２３２は、出射したビームで描かれる１２個のマークの位置を、ＤＯＥ２３１によって出射された分割偏平ビームによってマークが描かれる位置がｙ座標値「+10」だけそれぞれシフトした位置となるように、入射されたスポットビームの進行方向を変更する。尚、ＤＯＥ２３１から出射される第１偏平ビームから第４偏平ビームによって形成され、それぞれ同じマークを構成する４つの投光スポットを第１投光スポットといい、ＤＯＥ２３２から出射される第１偏平ビームから第４偏平ビームによって形成され、それぞれ同じマークを構成する４つの投光スポットを第２投光スポットという。

このため、図１０（ａ）から（ｄ）及び図１１（ａ）から（ｄ）に示すように、投光面と始点との距離が、「1m」から「4m」まで増加するにつれて、投光面に形成されたペアを構成する第１投光スポットが描くマークによって示される端点ＰＥ１と、第２投光スポットが描くマークによって示される端点ＰＥ２とを結んだ線分とｘ軸との角度が「０°」から「９０°」まで増加する。

図８（ａ）の制御部２１０は、実施形態１と同様に、図７の画像投影処理を実行することで、図８（ｂ）に示すような投光制御部２１１、撮像制御部２１２、撮像画像取得部２１３、投光スポット検出部２１４、傾き検出部２１５、情報記憶部２１６、距離測定部（距離決定部）２１７、投影画像補正部２１８ａ、投影画像補正部２１８ｂ、及び投影制御部２１９として機能する。

傾き検出部２１５は、投光スポット検出部２１４で検出された１２個の第１投光スポットと、１２個の第２投光スポットとの内で、それぞれが指し示す端点ＰＥ１とＰＥ２との距離が撮像画像において所定値を下回る第１投光スポットと第２投光スポットとをペアにするなどの方法で１２個のペアを取得し、取得したペアを構成する第１投光スポットで指し示される端点ＰＥ１と第２投光スポットで指し示めされる端点ＰＥ２とで画定される１２個の線分に対してｄｘ／ｄｙ値を算出する。

ここで、例えば、実施形態１のように、点状の第１投光スポットと第２投光スポットとを結ぶ線分の傾きに基づいて距離を測定する（決定する）場合には、図８（ａ）の撮像部２４０の画角が一定であると、図１２（ａ）から（ｄ）に示すように、撮像部２４０との距離Ｌが増加する程（つまり、投光面が遠くなる程）、第１投光スポットと第２投光スポットとが撮像画像において小さく表示され、かつ第１投光スポットと第２投光スポットとの距離が短く表示される。これに対して実施形態２におけるマークは距離とともに拡大される。よってこれらの構成によれば、傾き検出部２１５は、撮像画像から所定のマークを精度良く検出できる。また、傾き検出部２１５は、マークによって指し示される端点により画定される線分を検出するため、実施形態１のような点状の第１投光スポットと第２投光スポットとを結ぶ線分の傾きに基づいて距離を測定する場合と比べて精度良く線分を検出できるので、精度良く距離を測定できる。また、これらの構成によれば、撮像画像にシミ、ムラ、又はノイズがある場合であっても、精度良く線分を検出できるので、精度良く距離を測定できる。

（実施形態３）
次に、実施形態３について説明を行う。本発明の実施形態３に係る距離画像センサ３００は、実施形態１と同様に、図１３（ａ）に示すようなプロジェクタ３９０に搭載され、制御部３１０、ＤＯＥ３３１及び３３２、並びに撮像部３４０と、１つの平行光生成部３２０とを備え、プロジェクタ３９０は、入力部３９１及び投影部３９２を備える。尚、実施形態１と共通する構成については説明を省略する。

平行光生成部３２０は、図１３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、発光してスポットビームを出射するＬＤ３２１と、ＬＤ３２１によって入射されたスポットビームを、第１スポットビームと第２スポットビームとに分岐させる回折格子が形成された二分岐ＤＯＥ３２２と、二分岐ＤＯＥ３２２から出射される第１スポットビームと第２スポットビームとをｚ軸方法に進行する平行ビームとした後に、それぞれＤＯＥ３３１及びＤＯＥ３３２へ入射する平凸レンズ３２３とで構成される。

これらの構成によれば、例えば、２つのレーザーダイオード（つまり、ＬＤ）を有する実施形態１の距離画像センサ１００及び実施形態２の距離画像センサ２００と比べ、距離画像センサ３００を小型化、軽量化、及び低価格化できる。

（実施形態４）
次に、実施形態４について説明を行う。本発明の実施形態４に係る距離画像センサは、実施形態３と同様に、１つの平行光生成部４２０を備える。尚、実施形態３と共通する構成については説明を省略する。

平行光生成部４２０は、図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、発光してスポットビームを出射するＬＤ４２１と、ＬＤ４２１によって入射されたスポットビームを、第１スポットビームと第２スポットビームとに分岐させる回折格子が形成された二分岐ＤＯＥ４２２と、二分岐ＤＯＥ４２２から出射される第１スポットビームと第２スポットビームとをｚ軸方向に進行する平行ビームとする平凸レンズ４２３と、平凸レンズ４２３の表面に形成された溝状の回折格子で構成されるＤＯＥ４３１及びＤＯＥ４３２とで構成される。

これらの構成によれば、平凸レンズ４２３の表面にＤＯＥ４３１及びＤＯＥ４３２が形成されているので、例えば、実施形態３のように、平凸レンズ３２３とＤＯＥ３３１及びＤＯＥ３３２が別個の部品である場合と比べて、平凸レンズ３２３とＤＯＥ３３１及びＤＯＥ３３２との相対的な位置精度が向上する。このため、例えば、平凸レンズ３２３から出射された平行ビームのＤＯＥ３３１又はＤＯＥ３３２に対する入射角のズレが生じ難く、精度良く距離を計測できる。また、これらの構成によれば、部品数を少なくできるため製造コスト及び部品の管理コストを削減できるので、距離画像センサを小型化及び低価格化できる。

ここで、平凸レンズ４２３の形状は、ＤＯＥ４２２で分岐された第１スポットビームと第２スポットビームとで画定される平面の法線方向（つまり、ｙ軸方向）から見ると、第１スポットビームと第２スポットビームとが成す角度と略一致した角度の扇型をしている。この構成によれば、平凸レンズ４２３は、第１スポットビームと第２スポットビームとのいずれも通過しない部分（つまり、不要部分）の全体に占める割合が、例えば、実施形態３の平凸レンズ３２３と比べて少ないため、距離画像センサを小型化及び低価格化できる。

（実施形態５）
次に、実施形態５について説明を行う。本発明の実施形態５に係る距離画像センサ５００は、図１５（ａ）に示すようなプロジェクタ５９０に搭載され、制御部５１０、１つの平行光生成部５２０、１つのＤＯＥ５３０、及び撮像部５４０と、を備え、プロジェクタ５９０は、入力部５９１及び投影部５９２を備える。尚、実施形態１と共通する構成については説明を省略する。

平行光生成部５２０は、図１６（ａ）及び（ｂ）に示すように、発光してスポットビームを出射するＬＤ５２１と、ＬＤ５２１によって入射されたスポットビームのｘ軸方向の幅を拡張する回折格子が形成されたラインジェネレータＤＯＥ５２２と、ラインジェネレータＤＯＥ５２２から出射されるｘ軸と平行な偏平面を形成する偏平ビームを、ｚ軸方向へ進行する平行ビームとした後に、ＤＯＥ５３０へ入射する平凸レンズ５２３とで構成される。尚、平行光生成部５２０は、ラインジェネレータＤＯＥ５２０の代わりに、同等の機能を有するパウエルレンズ等を用いても良い。

これらの構成によれば、ＤＯＥはシリンドリカルレンズと比べて低額かつ小型であるので、例えば、平行光生成部５２０が、スポットビームを出射するＬＤと、ＬＤによって入射されたスポットビームのｘ軸方向の幅を拡張するシリンドリカル凹レンズと、シリンドリカル凹レンズから出射される偏平ビームを、平行ビームとするシリンドリカル凸レンズとで構成される場合と比べて、距離画像センサ５００を容易に小型化かつ低価格化できる。

本実施形態の距離画像センサ５００は、図１７に示すように、ＤＯＥ５３０を用いて、平行光生成部５２０で生成された１つの偏平ビームを１２個のねじれビームに分割すると共に、１２個のねじれビームによって対象物に形成された１２個の線分状の投光スポットがｘ軸と成す傾きに基づいて、対象物上に形成された投光スポット上の１２個の点との距離を計測する。尚、ねじれビームとは、ＤＯＥ５３０との距離に応じて偏平面の回転角度が変化する偏平ビームをいう。

ＤＯＥ５３０は、図１８（ａ）に示すように、ｘ方向に並んだ１１個の回折領域５３０ａから５３０ｋを有する。回折領域５３０ａから５３０ｅについて説明する前に、原点の位置に形成された回折領域５３０ｆについて説明する。

回折領域５３０ｆには、図１８（ｂ）に示すように、複数の繰返領域ＲＲｆがタイル状に形成されている。この繰返領域ＲＲｆは、例えば、通常照射されるレーザービームの径よりも十分に小さいピッチで並んでいる。繰返領域ＲＲｆは、図１８（ｃ）に示すような１２個の要素領域ＡｆからＬｆがタイル状に形成されている。この繰返領域ＲＲｆを構成する要素領域ＡｆからＬｆは、図１９（ａ）に示すように、ｚ軸方向へ進行するスポットビームが入射された場合に出射するビームの方向がそれぞれ異なる１２種類の回折格子が形成されている。

具体的には、要素領域Ａｆは、図１９（ａ）及び図１９（ｃ）に示すように始点が原点である場合に、出射するレーザービームの進行方向を、図１９（ｂ）及び図１９（ｃ）に示すような座標値(-1500, 1000, 4000)で表される終点ＥＡｆに向かう方向へ変更する。同様に、要素領域Ｂｆは、始点が原点である場合に、出射するレーザービームの進行方向を、座標値(-500, 1000, 4000)で表される終点ＥＢｆに向かう方向へ変更する。さらに、要素領域Ｃｆ及びＤｆは、レーザービームの進行方向を、終点ＥＢｆをｘ座標値「1000」及び「2000」だけそれぞれシフトさせた終点ＥＣｆ及びＥＤｆに向かう方向へそれぞれ変更する。

また、要素領域ＥｆからＨｆは、レーザービームの進行方向を、終点ＥＡｆからＥＤｆをそれぞれｙ座標値「-1000」だけシフトさせた終点ＥＥｆからＥＨｆに向かう方向へそれぞれ変更し、要素領域ＩｆからＬｆは、レーザービームの進行方向を、終点ＥＡｆからＥＤｆをそれぞれｙ座標値「-2000」だけシフトさせた終点ＥＩｆからＥＬｆに向かう方向へそれぞれ変更する。

図１８（ａ）に示す回折領域５３０ａから５３０ｅ及び５３０ｇから５３０ｋは、既に説明した回折領域５３０ｆと同様に、それぞれ不図示の繰返領域ＲＲａからＲＲｅ及びＲＲｇからＲＲｋを複数有する。また、繰返領域ＲＲａからＲＲｅ及びＲＲｇからＲＲｋは、それぞれ不図示の要素領域ＡａからＬａ、ＡｂからＬｂ、ＡｃからＬｃ、ＡｄからＬｄ、ＡｅからＬｅ、ＡｇからＬｇ、ＡｈからＬｈ、ＡｉからＬｉ、ＡｊからＬｊ、及びＡｋからＬｋを有する。

ここで、これらの領域ＡａからＬｋを識別するために、図２０（ａ）の表に示すような回折領域インデックスと要素領域インデックスとを用いる。回折領域インデックスとは、要素領域を含む回折領域を識別するインデックスである。例えば、要素領域Ａａは回折領域５３０ａに含まれるため、要素領域Ａａの回折領域インデックスは「ａ」であり、要素領域Ａｂは回折領域５３０ｂに含まれるため、要素領域Ａｂの回折領域インデックスは「ｂ」である。また、要素領域インデックスとは、繰返領域における要素領域の位置を識別するインデックスである。例えば、要素領域Ａａの位置は、図１８（ｃ）に示す繰返領域ＲＲｆにおける要素領域Ａｆに相当する位置であるため、要素領域Ａａの要素領域インデックスは「Ａ」であり、要素領域Ｂａは、図１８（ｃ）に示す繰返領域ＲＲｆにおける要素領域Ｂｆに相当する位置であるため、要素領域Ｂａの要素領域インデックスは「Ｂ」である。

この回折領域インデックスと要素領域インデックスとを用いると、上記の要素領域ＡａからＬｋの始点は、図２０（ｂ）から（ｄ）に示すようなｘ座標値、ｙ座標値、及びｚ座標値で表される。つまり、領域Ａａ及びＬｋの始点の位置は、座標値(-5, 0, 0)及び座標値(5, 0, 0)でそれぞれ表される。

また、上記の領域ＡａからＬｋを通過したレーザービームの終点は、図２１（ａ）から（ｃ）に示すようなｘ座標値、ｙ座標値、及びｚ座標値で表される。つまり、図２１（ａ）に示すように、同じ要素領域インデックスで識別される要素領域（つまり、繰返領域における相対位置がそれぞれ同じ要素領域）は、回折領域インデックスが異なっても（つまり、要素領域を含む回折領域が異なっても）、入射ビームの進行方向を、同じｘ座標値の終点へ向かう方向へ変更する。このため、要素領域ＡａからＬｋの終点の位置を表すｘ座標値は、「-1500」、「-500」、「+500」、及び「+1500」という４個の座標値の内いずれかとなる。

これに対して、図２１（ｂ）に示すように、同じ要素領域インデックスで識別される要素領域は、回折領域インデックスがアルファベット順において遅いインデックスとなる程（つまり、図２０（ｂ）に示すように、始点のｘ座標が大きくなる程）、入射ビームの進行方向を、より大きなｙ座標値の終点へ向かう方向へ変更する。このため、要素領域ＡａからＬｋの終点を表すｙ座標値は、「995から1005」、「-5から+5」、及び「-1005から-995」という３つの座標範囲のいずれかに含まれる。

よってこれらの構成によれば、ｘ軸に平行な偏平面を形成する平行ビームを入射されると、ＤＯＥ５３０は、ｘ軸と成す偏平面の回転角度がＤＯＥ５３０との距離に応じて変化するねじれビームを、終点のｘ座標が「-1500」となる方向と、「-500」となる方向と、「+500」となる方向と、「+1500」となる方向との少なくとも４方向に分割して出射できる。

またこれらの構成によれば、ｘ軸に平行な偏平面を形成する平行ビームを入射されると、ＤＯＥ５３０は、ｘ軸と成す偏平面の回転角度がＤＯＥ５３０との距離に応じて変化するねじれビームを、終点のｙ座標が「995から1005」に含まれる方向と、「-5から+5」に含まれる方向と、「-1005から-995」に含まれる方向との少なくとも３方向に分割して出射できる。

つまり、要素領域ＡａからＬｋの終点は、終点のｘ座標及びｙ座標に基づいて１２個のパターンに分類される。つまり、ＤＯＥ５３０は、図１７に示すように、ｘ軸と平行な偏平面を形成するコヒーレントで平行光である偏平ビームを入射されると１２個の左回りのねじれビームを１２方向に対して出射できる。

このため、図２２（ａ）から（ｄ）に示すように、投光面と始点との距離が「1m」から「4m」まで増加するにつれて、ねじれビームによって投光面に形成される線分形状の投光スポットとｘ軸とが成す角度θが「０°」から「９０°」まで増加する。このため、線分のｘ軸方向（水平方向）の長さｄｘと、線分のｙ軸方向（垂直方向）の長さｄｙとの比（以下、ｄｘ／ｄｙ値という）から算出される正接（つまり、タンジェント）と逆正接関数（つまり、アークタンジェント）とを用いて計算される角度θは、図２２（ｅ）に示すように始点から投光スポットまでの距離Ｌと略比例し、図２２（ｆ）に示すように始点から投光スポットまでの距離Ｌの逆数と略反比例する。

図１５（ａ）の制御部５１０は、実施形態１と同様に、図７に示すような画像投影処理を実行することで、図１５（ｂ）に示すような投光制御部５１１、撮像制御部５１２、撮像画像取得部５１３、投光スポット検出部５１４、傾き検出部５１５、情報記憶部５１６、距離測定部（距離決定部）５１７、距離画像生成部５１８ａ、投影画像補正部５１８ｂ、及び投影制御部５１９として機能する。

情報記憶部５１６は、図２２（ｅ）に示すような投光スポットとｘ軸とが成す角度θを表す情報と、投光スポットまでの距離Ｌを表す情報とを対応付けた複数の情報を保存するテーブルを記憶する。

傾き検出部５１５は、スポット検出部５１４で撮像画像から検出された１２個の投光スポットに対してｄｘ／ｄｙ値を算出し、算出したｄｘ／ｄｙ値を用いて投光スポットとｘ軸とが成す角を１２個検出する。

距離測定部５１７は、傾き検出部５１５で検出された１２個の角度に対して、それぞれの角度を表す情報に対応付けられた距離を表す情報を情報記憶部５１６が記憶する上記のテーブルから検索することで、対象物上に形成された投光スポット上の１２個の点との距離をそれぞれ測定する（決定する）。

これらの構成によれば、傾き検出部５１５は、線分状の投光スポットを表す複数の画素に基づいてｘ軸との回転角度を検出するため、例えば、実施形態１の距離画像センサ１００のように、点状の投光スポットを表す画素よりも多い画素に基づいてｘ軸との回転角度を検出する。このため、距離画像センサ５００は、精度良く回転角度を検出できるため、精度良く距離を測定できる。

（実施形態５の変形例１）
実施形態５においては、ＤＯＥ５３０の繰返領域ＲＲａからＲＲｋが有する同じ要素領域インデックスで識別される要素領域は、回折領域インデックスがアルファベット順において遅いインデックスとなる程（つまり、図２０（ｂ）に示すように、始点のｘ座標が大きくなる程）、入射ビームの進行方向を、より大きなｙ座標値の終点へ向かう方向へ変更するため、複数の左回りのねじれビームを出射するとして説明した。しかし、これに限定される訳ではなく、ＤＯＥ５３０は、繰返領域ＲＲａからＲＲｋ（以下、左繰返領域ＲＲａからＲＲｋという）に代えて右繰返領域ＲＲａ’からＲＲｋ’を有し、右繰返領域ＲＲａ’からＲＲｋ’が有する同じ要素領域インデックスで識別される要素領域は、回折領域インデックスがアルファベット順において遅いインデックスとなる程（つまり、図１１（ｂ）に示すように、始点のｘ座標が大きくなる程）、入射ビームの進行方向を、より小さなｙ座標値の終点へ向かう方向へ変更し、複数の右回りのねじれビームを出射する構成を採用できる。

（実施形態５の変形例２）
実施形態５及び実施形態５の変形例１において、ＤＯＥ５３０は、ｘ軸に平行な偏平面を形成する平行ビームを入射されると、ｘ軸と成す偏平面の回転角度がＤＯＥ５３０との距離に応じて変化する右回転又は左回転のねじれビームを、終点のｘ座標が「-1500」となる方向と、「-500」となる方向と、「+500」となる方向と、「+1500」となる方向との少なくとも４方向に分割して出射する構成を採用できる。またこの構成において、ＤＯＥ５３０は、ｘ軸に平行な偏平面を形成する平行ビームを入射されると、ＤＯＥ５３０は、ｘ軸と成す偏平面の回転角度がＤＯＥ５３０との距離に応じて変化する右回転又は左回転のねじれビームを、終点のｙ座標が「995から1005」に含まれる方向と、「-5から+5」に含まれる方向と、「-1005から-995」に含まれる方向との少なくとも３方向に分割して出射するとして説明した。
しかしこれに限定される訳ではなく、ＤＯＥ５３０は、ｙ軸に平行な偏平面を形成する平行ビームを入射されると、ｘ軸と成す偏平面の回転角度がＤＯＥ５３０との距離に応じて変化する右回転又は左回転のねじれビームを、終点のｙ座標が「-1500」となる方向と、「-500」となる方向と、「+500」となる方向と、「+1500」となる方向との少なくとも４方向に分割して出射する構成を採用できる。またこの構成において、ＤＯＥ５３０は、ｙ軸に平行な偏平面を形成する平行ビームを入射されると、ＤＯＥ５３０は、ｘ軸と成す偏平面の回転角度がＤＯＥ５３０との距離に応じて変化する右回転又は左回転のねじれビームを、終点のｘ座標が「995から1005」に含まれる方向と、「-5から+5」に含まれる方向と、「-1005から-995」に含まれる方向との少なくとも３方向に分割して出射する構成を採用できる。

（実施形態６）
次に、実施形態６について説明を行う。本発明の実施形態６に係る距離画像センサは、実施形態５と同様に、偏平ビームを生成する１つの平行光生成部６２０と、１つの偏平ビームを１２個のねじれビームに分割する１つのＤＯＥ６３０とを備える。尚、実施形態５と共通する構成については説明を省略する。

平行光生成部６２０は、図２３（ａ）及び（ｂ）に示すように、発光してスポットビームを出射するＬＤ６２１と、ＬＤ６２１によって入射されたスポットビームのｘ軸方向の幅を拡張させる回折格子が形成されたラインジェネレータＤＯＥ６２２と、ＤＯＥ６２２から出射される偏平ビームをｚ軸方法に進行する平行ビームとする平凸レンズ６２３と、平凸レンズ６２３の表面に形成された溝状の回折格子で構成されるＤＯＥ６３０とで構成される。

これらの構成によれば、平凸レンズ６２３の表面にＤＯＥ６３０が形成されているので、例えば、実施形態５のように、平凸レンズ５２３とＤＯＥ５３０が別個の部品である場合と比べて、平凸レンズ６２３とＤＯＥ６３０との相対的な位置精度が向上する。このため、例えば、平凸レンズ６２３から出射された偏平ビームのＤＯＥ６３０に対する入射角のズレが生じ難く、精度良く距離を計測できる。また、これらの構成によれば、部品数を少なくできるため製造コスト及び部品の管理コストを削減できるので、距離画像センサを小型化及び低価格化できる。

ここで、平凸レンズ６２３の形状は、ＤＯＥ６２２で幅を拡張される偏平ビームが有する偏平面の法線方向（つまり、ｙ軸方向）から見ると、平凸レンズ６２３内を通過する偏平ビームの形状と略一致した扇型である。この構成によれば、平凸レンズ６２３は、偏平ビームが通過しない部分（つまり、不要部分）の全体に占める割合が、例えば、実施形態５の平凸レンズ５２３と比べて少ないため、距離画像センサを小型化及び低価格化できる。

尚、本発明に係る機能を実現するための構成を予め備えた距離画像センサとして提供できることはもとより、プログラムの適用により、既存の距離画像センサを本発明に係る距離画像センサとして機能させることもできる。すなわち、上記実施形態で例示した距離画像センサ１００、２００、３００、及び５００などによる各機能構成を実現させるための距離画像生成プログラムを、既存の距離画像センサを制御するコンピュータ（ＣＰＵなど）が実行できるように適用することで、本発明に係る距離画像センサ１００として機能させることができる。また、本発明に係る距離画像生成方法は、上記実施形態で例示した距離画像センサ１００、２００、３００、及び５００などを用いて実施できる。

このようなプログラムの配布方法は任意であり、例えば、メモリカード、ＣＤ−ＲＯＭ、又はＤＶＤ−ＲＯＭなどの記録媒体に格納して配布できる他、インターネットなどの通信媒体を介して配布することもできる。

以上本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

１００，２００，３００，５００・・・距離画像センサ、１１０，２１０，３１０，５１０・・・制御部、１１０ａ・・・ＣＰＵ、１１０ｂ・・・ＲＯＭ、１１０ｃ・・・ＲＡＭ、１１０ｄ・・・ハードディスク、１１０ｅ・・・Ｉ／Ｏポート、１１１，２１１，５１１・・・投光制御部、１１２，２１２，５１２・・・撮像制御部、１１３，２１３，５１３・・・撮像画像取得部、１１４，２１４，５１４・・・投光スポット検出部、１１５ａ，２１５ａ，５１５ａ・・・傾き検出部、１１６，２１６，５１６・・・情報記憶部、１１７，２１７，５１７・・・距離測定部（距離決定部）、１１８ａ，２１８ａ，５１８ａ・・・距離画像生成部、１１８ｂ，２１８ｂ，５１８ｂ・・・投影画像補正部、１１９，２１９，５１９・・・投影制御部、１２１，１２２，２２０，３２０，５２０・・・平行光生成部、１３１，１３２，２３１，２３２，３３１，３３２，５３０・・・回折光学素子（ＤＯＥ）、１４０，２４０，３４０，５４０・・・撮像部、１９１，２９１，３９１，５９１・・・入力部、１９２，２９２，３９２，５９２・・・投影部

Claims (13)

1. ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸が互いに原点で直交する座標空間において、
   前記ｘ軸方向の所定の位置より、前記ｚ軸方向に第１のスポットビームを投光する第１の光源と、
   前記原点に対して前記第１の光源と対称な位置より、前記ｚ軸方向に第２のスポットビームを投光する第２の光源と、
   前記第１のスポットビームを複数の分割光に分割し、出射されて対象物上に形成される複数の投光スポットを第１投光スポットとして、所定のマークとなるように回折させる回折格子が形成された第１回折光学素子と、
   前記第２のスポットビームを複数の分割光に分割し、出射されて前記対象物上に形成される複数の投光スポットを第２投光スポットとして、前記所定のマークとなるようにするとともに、前記第１投光スポットと前記第２投光スポットとによって画定される複数の線分と前記ｘ軸とが成す複数の角度が所定の角度となるように回折させる回折格子が形成された第２回折光学素子と、
   前記第１投光スポットと、前記第２投光スポットと、を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段で撮像された前記第１投光スポットと前記第２投光スポットとで画定される複数の線分の前記ｘ軸に対する傾きに基づいて、前記対象物までの複数の距離を決定する距離決定手段と、を備える、
   ことを特徴とする距離画像センサ。
2. 前記撮像手段で撮像された撮像画像から、前記第１投光スポットと前記第２投光スポットとのうち、ペアを構成する前記所定のマークを複数検出する投光スポット検出手段を、さらに備え、
   前記距離決定手段は、前記投光スポット検出手段で検出された複数の前記所定のマークのペアで画定される複数の線分の前記ｘ軸に対する傾きに基づいて、前記対象物までの複数の距離を決定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の距離画像センサ。
3. 前記第１回折光学素子及び前記第２回折光学素子は、それぞれ前記第１のスポットビーム及び前記第２のスポットビームを複数の線分状のビームに分割して、前記分割された複数の線分状のビームが前記所定のマークとなるように回折する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の距離画像センサ。
4. 前記所定のマークは、前記複数の線分状のビームがそれぞれ９０°ずつの角度に配置される４つの略同じ長さを有する線分状の投光スポットからなる、
   ことを特徴とする請求項３に記載の距離画像センサ。
5. 前記距離決定手段は、前記線分状の投光スポットの延長線の交点の位置を前記ｘ軸に対する傾きを求める前記線分の端点として、前記対象物までの距離を決定する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の距離画像センサ。
6. 前記第１のスポットビームと、前記第２のスポットビームと、は入射角度が異なる関係にあり、
   前記第１回折光学素子と、前記第２回折光学素子と、は同じ光学特性を有する、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の距離画像センサ。
7. 前記第１の光源から投光される第１のスポットビームと前記第２の光源から投光される第２のスポットビームとを平行光として生成する平行光生成手段をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の距離画像センサ。
8. 前記平行光生成手段は、
   発光する発光手段と、
   前記発光手段で発光された光を第１のスポットビームとしての第１光と第２のスポットビームとしての第２光とに分岐する二分岐回折格子が形成された光学素子と、
   前記光学素子から出射された第１光を前記ｚ軸方向に進行する第１平行光とすると共に、前記光学素子から出射された第２光を前記ｚ軸方向に進行する第２平行光とするレンズと、を有する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の距離画像センサ。
9. 前記レンズは、前記第１のスポットビームと前記第２のスポットビームとで画定される平面の法線方向から見ると、前記第１のスポットビームと前記第２のスポットビームとが成す角度と略一致した角度の扇型をしている、
   ことを特徴とする請求項８に記載の距離画像センサ。
10. 前記第１回折光学素子、第２回折光学素子、及び前記光学素子は、前記平行光生成手段が有する前記レンズの表面に形成されている、
    ことを特徴とする請求項８又は９に記載の距離画像センサ。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の距離画像センサと、
    前記距離決定手段で決定された複数の距離に応じた複数の画素値を有する距離画像を生成する距離画像生成手段と、を有する、
    ことを特徴とする距離画像生成装置。
12. ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸が互いに原点で直交する座標空間において、
    前記ｘ軸方向の所定の位置より、前記ｚ軸方向に第１のスポットビームを投光する第１の投光ステップと、
    前記第１のスポットビームを投光した位置と前記原点に対して対称な位置より、前記ｚ軸方向に第２のスポットビームを投光する第２の投光ステップと、
    前記第１のスポットビームが入射され、出射されて対象物上に形成される投光スポットを第１投光スポットとして、所定のマークとなるように回折させる第１回折ステップと、
    前記第２のスポットビームが入射され、出射される前記対象物上に形成される投光スポットを第２投光スポットとして、前記所定のマークとなるようにするとともに、前記第１投光スポットと前記第２投光スポットとで画定される線分と前記ｘ軸とが成す角が所定の角度となるように回折させる第２回折ステップと、
    前記第１投光スポットと、前記第２投光スポットと、を撮像する撮像ステップと、
    前記撮像ステップで撮像された前記第１投光スポットと前記第２投光スポットとで画定される複数の線分の前記ｘ軸に対する傾きに基づいて、前記対象物までの距離を決定する距離決定ステップと、を有する、
    ことを特徴とする距離画像データ取得方法。
13. 請求項１２記載の距離画像データ取得方法が含むステップと、
    前記距離決定ステップで決定された複数の距離に応じた複数の画素値を有する距離画像を生成する距離画像生成ステップと、を有する、
    ことを特徴とする距離画像生成方法。

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