JP6232784B2 - パターン照明装置及び測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、計測対象に所定の回折パターン光を投光するパターン照射装置及びこれを備えた測距装置に関するものである。

従来、計測（測距）対象物を２つのカメラで撮影し、得られた２つの画像を用いて計測対象までの距離情報を得る「ステレオ測距」と呼ばれる技術が知られている。
このような「ステレオ測距」を適用した測距装置は、自走式のロボットや可動式のロボットアームに好適に用いることが出来る。
「ステレオ測距」では、２つの画像間に生じる視差を利用して、三角測量の原理により奥行き距離を算出するが、ステレオ測距において視差を求めるためには、ウィンドウマッチングを行って各画像において互いに対応する点（対応点）を探し出す必要がある。

図１３、図１４は、「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図である。
「ステレオ測距」を用いた測距方法においては、１対の２次元センサと１対のレンズとを組み合わせることにより２つのカメラを構成して、計測対象物のずれ（視差）を検出し、三角測量の原理で距離を計測する。
図１３に示すステレオカメラ装置１０６において、計測対象物１０１からの光を、同一の光学系からなる２つのカメラ１０２ａ、１０２ｂを配置して撮影する場合を考える。
カメラ１０２ａのレンズ１０３ａを通して得た計測対象物像１０４ａと、カメラ１０２ｂのレンズ１０３ｂを通して得た計測対象物像１０４ｂとは、被写体（計測対象物１０１）上の同一点が視差Δだけずれて、２次元センサ１０５ａ、１０５ｂ（図１５）に夫々至り、複数の受光素子（画素）で受光され、電気信号に変換される。

ここでレンズ１０３ａ、１０３ｂの光軸間の距離は基線長と呼ばれ、これをＤとし、レンズと被写体との距離をＡ、レンズの焦点距離をｆとしたとき、Ａ≫ｆであるときには次式１が成り立つ。
Ａ＝Ｄｆ／Δ・・・（式１）
基線長Ｄ、およびレンズの焦点距離ｆは既知であるから、（式１）を用いて視差Δを検出すれば被写体までの距離Ａを算出することができる。
なお、上記の方法は、２つの２次元センサに映った計測対象物１０１を、画素の輝度値の分布特性に基づいて対応点を探し出す方法である。
従って、計測対象物１０１が単一色の表面をもつ物体で、表面の輝度分布が一様であり撮影画像において輝度値に変化が生じ難い場合は、対応づけを行うことが困難になり（即ち、図１４に示す対応点１０４ｃを検知できないため）、距離を算出できなくなる。
特許文献１には、プロジェクタを用いてパターンを投光することでテクスチャー（模様）の無い対象物でもステレオカメラで正確に対応付けをできるようにする技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１のようにプロジェクタを用いて対象物にパターンを照射する場合、プロジェクタの光学特性上、照射パターンのピントが合う範囲は限定される。
そのため計測したい対象物がプロジェクタの投射画面のピントの合う範囲内に存在する場合は正確に距離を検出できるが、ピントが合う範囲外に存在する場合はピンボケしたパターンが照射されてしまうため正確に距離を検出できなくなる。
それに対し、パターン投影のための光源としてレーザ光源を用い、レーザ光を回折素子によって回折したパターン光を対象物に照射する方式にすれば、どこでもピントが合うピントフリーとすることが出来る。すなわち、対象物とステレオカメラの距離に関わらず、常にピントの合ったパターンを対象物に照射することができる。

ただし、レーザ光を発する半導体レーザの出射パワーは現状では高出力のものでも３００ｍＷ程度である。そのため、例えば１ｍ四方の広い面積をパターン照射しようとすると１ｃｍ^３あたりの明るさは３０μＷ程度の明るさとなってしまう。
この程度の明るさでは屋外では太陽光の明るさに埋もれてしまい、室内でも蛍光灯の明るさがノイズとなってしまう。
そのためレーザ光源と回折光学素子を用いたパターン照射は高輝度化が求められている。
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり常にピントの合った状態で回折パターン光の高輝度化が可能なパターン照射装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、複数の光源と、前記複数の光源の各々に対応し、前記複数の光源から出射された光を各々平行光に変換する複数の変換手段と、前記複数の変換手段により各々変換された複数の平行光を一本の光束になるように合成して同一方向に出射させる第１の光学手段と、該第１の光学手段により合成されて出射された光を回折して回折パターン光を生成し、前記回折パターン光を対象物に投光する第２の光学手段と、を備えたパターン照明装置を特徴とする。

上記のように構成したので、本発明によれば、常にピントの合った状態で回折パターン光の高輝度化が可能なパターン照射装置を実現することが出来る。

複眼カメラ装置に適用可能なパターン照明装置の構成例を示す図。 回折光学素子の断面形状と回折効率との関係を示した図。 測距装置に適用可能な複眼カメラ装置の構成を示す図。 図３のステレオカメラ装置に図１のパターン照明装置を適用（一体化）した本発明に係るステレオカメラ装置を説明する図。 図４に示すステレオカメラにおける、測距レンズの画角とパターン照明装置の回折パターン光の出射角度との関係を示した図。 第１の実施形態に係るパターン照明装置の概略説明図。 レーザ光の合成を行う第２の光学素子の特性を詳細に説明する図。 体積ホログラムの入射角度と回折効率の関係を示すグラフで示した図。 第２の実施形態に係るパターン照明装置を示す図。 パターンを照射する面積と、発光させるレーザ光源の組み合わせを説明する図。 光の波長変化によるブラッグ角度の変化を示す図。 本実施形態に係るパターン照明装置を適用した測距装置を示す図。 「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図。 「ステレオ測距」で用いられる三角測量の原理を利用した測距方法の原理を説明する図。

以下に、図面を用いて本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。
本実施形態に係るパターン照明装置を説明するに先だって、複眼カメラ装置に適用可能なパターン照明装置の基本的な構成を説明する。
図１は、複眼カメラ装置に適用可能なパターン照明装置の構成例を示す図である。
なお、図１(ａ)は、パターン照明装置を構成する各要素を説明するものであり、パターン照明装置を適用可能な複眼カメラの構成は表示を省略している。また、図１（ｂ）は、多階調輝度分布の階調を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係るパターン照明装置１は、光源としての半導体レーザ光源２と、半導体レーザ光源２から出射されるレーザ光の光路上に配置されたカップリングレンズ３、回折光学素子４と、を備えている。

半導体レーザ光源２から出射されたレーザ光は、計測対象である被写体側の光路上に配置されたカップリングレンズ３によって平行光とされる。
カップリングレンズ３を通過（透過）した平行光は、次に回折光学素子４に入射して回折され、２階調以上の輝度分布を持つ回折パターン光５として計測対象に投光される。
なお、半導体レーザ光源２の出力を一定に保つために、その温度を一定に保つ温度調節機能部６ａやＡＰＣ（Auto Power Control）機能部６ｂを備えていても良い。

ところで、計測対象に照射する回折パターン光５に２階調以上の輝度を生じさせるために、回折光学素子４の断面形状は、溝の深さが異なる多段の階段形状となっている。
図１（ｂ）に示すように、回折パターン光は、多階調の輝度分布を持ち、最小単位である１つの画素のサイズは、約１ｍｍ角である。この多階調の輝度分布を持った最小単位の画素がランダムに配置された回折パターン光５が、計測（測距）対象物に投光される。

図２は、回折光学素子の断面形状と回折効率との関係を示した図である。
図２に示すように、回折光学素子４の断面形状における溝（階段）の段数や階段の深さを変えることで回折効率が変化させることが出来る。
回折効率が高い部分では輝度が高く（明るく）、回折効率が低い部分は輝度が低く（暗く）なるため、回折光学素子４における溝の形状パターンを適宜組み合わせることで、多階調の輝度分布を形成することが出来る。
このように回折光学素子４を用いて光の強度（輝度）分布を変換すること自体は特開２００３−２７０５８５公報、特許第４３３３７６０号等にも関連する技術が開示されている。

図１に示す半導体レーザ光源２は、波長λが４００〜７００ｎｍの可視光や波長λが７００〜１０００ｎｍ程度の近赤外光を発するレーザを選択して出射することができる。
可視光線を用いればステレオカメラの撮像素子に対して感度が高く、解像度の高い回折パターン光を照射できる。それに対し、近赤外光を用いる場合は、撮像素子に対する感度は低いもののレーザ光が眼に見えないために（不可視光）、使用者に不自然さを感じさせることがない。
回折光学素子４からの出射角度θ１は、半導体レーザ光源２からの出射光の波長λと、回折光学素子４の周期構造と、によって決定される。
出射角度θ１を大きな角度とするためには、半導体レーザ光源２の波長λを大きくするか、回折光学素子４の周期構造を微細化しなければならない。

しかしながら、半導体レーザ光源２からの出射光の波長は、上記の４００〜１０００ｎｍの波長に限定され、回折光学素子４の周期構造は、加工装置の微細加工能力に制限される。
そのため出射角度はある程度の角度以上には大きくできないのが実情である。
なお、例えば波長λ＝０．６５μｍ、周期構造を１．０μｍとすると出射角度は約４０°となる。

図３は、測距装置に適用可能な複眼カメラ装置の構成を示す図であり、（ａ）は、複眼カメラ装置の断面図、（ｂ）は、複眼カメラ装置が含む撮像素子の上面図である。
なお、複眼カメラとして、２つのカメラ（撮像レンズ及び撮像領域）を備えるステレオカメラ装置に好適に適用可能なであり、ステレオカメラ装置を例として説明する。
図３において、ステレオカメラ装置２０は、同一面上に配置した複数（例えば２つ）のレンズを有するレンズアレイ１１と、レンズアレイ１１を透過した被写体からの反射光（回折パターン光を含む）を受光して画像情報を取得する撮像素子１４と、を備えている。
なお、レンズアレイ１１には、測距用のレンズである撮像レンズ１２ａ、１２ｂが一体化されて形成されている。

撮像レンズ１２ａ、１２ｂは、同一の光学特性を有するものであり、同一の形状を有して焦点距離が等しく、夫々の光軸１３ａ、１３ｂは平行である。なお、光軸１３ａと光軸１３ｂの間隔が基線長Ｄである。
図３に示すように、光軸１３ａ、１３ｂの方向をＺ軸とし、このＺ軸に直交し且つ光軸１３ｂから光軸１３ａへ向かう方向をＹ軸とし、さらにＺ軸とＹ軸の双方に直交する方向をＸ軸とする。

両レンズの中心がＹ軸上となるようにレンズアレイ１１を配置すると、撮像レンズ１２ａ、１２ｂはＸＹ平面上に存在することになる。
この場合、視差Δが発生する方向はＹ軸方向となる。
撮像素子１４はＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子でありウェハ１４ａ上に半導体プロセスにより多数の画素（撮像領域）を形成したものである。

図３（ｂ）に詳しく示すように、撮像素子１４上には、撮像レンズ１２ａを経て被写体像が結像される撮像領域（撮像手段）１５ａと、撮像レンズ１２ｂを経て被写体像が結像される撮像領域１５ｂが離間して配置されている。
撮像領域１５ａと撮像領域１５ｂは、夫々同じ大きさの矩形領域であり、撮像領域１５ａと撮像領域１５ｂの夫々の対角中心と、撮像レンズ１２ａ、１２ｂの光軸１３ａ、１３ｂがほぼ一致するように配置されている。

以上の構成からなるステレオカメラ装置２０は、図１３、図１４を用いて上記に説明した三角測量の原理により被写体からの距離を計測できる。
さらに図１に示したパターン照明装置によりパターンを照明すれば、計測対象物が単一色の表面をもつ物体であってもステレオ対応づけを行うことができるため物体を精度良く計測できる。

図４は、図３のステレオカメラ装置に図１のパターン照明装置を適用（一体化）した本発明に係るステレオカメラ装置を説明する図である。
また、図４において、（ａ）はステレオカメラ装置の長手方向（レンズアレイの長さ方向）の断面図、（ｂ）は、短手方向（レンズアレイの幅方向）の断面図である。
また、図５は、図４に示すステレオカメラにおける、測距レンズの画角とパターン照明装置の回折パターン光の出射角度との関係を示した図である。
なお、図４以降において、図１、図３と同じ構成については、同一の符号を付し、詳細な説明は省略するものとする。

図４に示す測距装置３０は、図３で説明したステレオカメラ装置２０に、図１に示したパターン照明装置の構成を一体に組み合わせて構成される。
すなわち、図３で説明したステレオカメラ装置２０を構成する２つのカメラ（撮像レンズ１２ａ及び撮像領域１５ａ、撮像レンズ１２ｂ及び撮像領域１５ｂ）の間に、図１に示した如きパターン照明装置を配置している。
また、２つのカメラによって撮像した画像の視差に基づいて測距を行う視差演算部（測距手段）４０を備えている。

図４（ｂ）に示すように、測距装置３０に含まれるパターン照明装置の半導体レーザ光源２は、測距装置３０の筐体３０ａの側面に取り付けられ、撮像素子１４の上方には、ミラー３１が設置されている。半導体レーザ光源２から出射された光はミラー３１により測距対象である被写体側に反射されて、カップリングレンズ３（図１参照）により、平行光に変換される。
平行光は回折光学素子４（図１参照）で回折され、所定の出射角度の回折パターン光５として出射されて対象物に照射される。

図５に示す測距装置３０における測距可能領域Ａは、２つの撮像レンズ１２ａ、１２ｂの画角が重なる領域である。
しかし、回折光学素子４から出射される回折パターン光５の出射角度θ１はステレオカメラ装置２０の撮像レンズ１２ａ、１２ｂの画角θ２と等しい角度になっている。
従って、対象物とステレオカメラ装置２０との距離が変わっても測距可能領域Ａの全体にパターンが照射される。
従って、図５に示すように、測距対象物との距離に関わらず測距可能領域Ａの全体で、回折パターン光を利用した測距が可能となる。
このように、回折光学素子４をステレオカメラの２つの撮像レンズ１２ａ、１２ｂの光軸の間に配置して、ステレオカメラの画角と回折光学素子４の画角（広がり角）を一致させる。
これによって、ステレオカメラによる測距可能な領域と回折パターン光を照明している領域とを、常に一致させることができる。
これにより対象物までの距離が変わってもステレオカメラにより測距可能な領域Ａと回折パターン光を照明する領域を常に一致させることができる。また半導体レーザ光源２から出射される回折パターン光５を無駄なく測距可能領域Ａに照射することができる。

［第１の実施形態］
次に、本発明の第１の実施形態を説明する。
上記に説明した基本的な構成では、パターン照明装置が備える半導体レーザ光源２やカップリングレンズ３は一組であり、充分な出力・輝度を確保することは出来ない。
以下に説明する実施形態は、そのような問題を解決することを目的としている。

図６は、本発明の第１の実施形態に係るパターン照明装置の概略説明図である。
パターン照明装置１は、複数の半導体レーザ光源２（２ａ〜２ｅ）と、複数のカップリングレンズ３（３ａ〜３ｅ）と、第１の光学素子（光学手段５０と、第２の光学素子（光学手段）としての回折光学素子４と、を備えている。
半導体レーザ光源２（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ）は、夫々同一波長の赤外光を出射する半導体レーザである。
カップリングレンズ３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）は、複数の半導体レーザ光源２（２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ）から出射された光を夫々平行光６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ、６０ｅに変換する。

第１の光学素子５０は、各カップリングレンズ３から出射された各平行光６０（６０ａ〜６０ｅ）を進行方向が一致するように合成する。第１の光学素子５０の構成については後に詳述するが、複数の体積ホログラム５０ａ〜５０ｅを備えて構成されている。
回折光学素子４は、入射した光束を回折して所望の回折パターン光５を対象物に照射する。

以下の説明では、半導体レーザ光源２、カップリングレンズ３、体積ホログラム５０を夫々５つずつ備えたパターン照明装置を例示するが、これらの要素の数はこれに限定されるものではないことは言うまでも無い。
レーザ２光源の数を増やすほど、より輝度の高い回折パターン５を照射可能である。
半導体レーザ光源２は夫々カップリングレンズ３（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）の光軸上に配置されている。
なお、カップリングレンズ３によって平行光に変換することが可能であるので、光源として、半導体レーザ光源よりも光が拡散するＬＥＤ等を用いても良い。
カップリングレンズ３から出射する平行光６０は夫々異なる角度で第１の光学素子５０（５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ）に入射して進行方向を一致させられる。

図７は、レーザ光の合成を行う第２の光学素子の特性を詳細に説明する図である。
図７に示すように、第１の光学素子５０は、夫々対応する平行光６０のみを回折する５つの体積ホログラムを備えている。詳しくは、光の出射方向に向けて５つの体積ホログラムを配置した構成を備えている。
図７では、５つの体積ホログラムを積層配置しているが、体積ホログラムの間に間隙を設けても良い。
体積ホログラム５０ａはカップリングレンズ３ａから出射された平行光６０ａだけを回折させ、他のカップリングレンズから出射された平行光６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ、６０ｅは透過させる。
同様に、体積ホログラム５０ｂはカップリングレンズ３ｂから出射された平行光６０ｂだけを回折させ、他の平行光６０ａ、６０ｃ、６０ｄ、６０ｅは透過させる。

また、体積ホログラム５０ｃ、５０ｄ、５０ｅは夫々の平行光６０ｃ、６０ｄ、６０ｅだけを回折させ、それ以外の平行光は透過させる。
このとき回折光学素子４に導かれる５つの光束は全て同じ角度で回折光学素子４に入射するように体積ホログラム５０ａ〜５０ｅによって回折される。
このように特定の光束だけを回折させて他の光束は透過させることを実現するにあたっては、体積ホログラムが持つ「角度選択性」という特徴を用いている。
「角度選択性」とは特定の入射角度で入射した光だけを高効率で回折させ、それ以外の角度で入射した光は透過させる特性である。

小山次郎、西原浩著の「光波電子光学」（コロナ社）１１７頁〜１３２頁によると、体積ホログラムとは、式（２）で表されるＱ値が１０以上のホログラムと定義されている。
Ｑ＝２π・λ０・Ｔ／（ｎ０Λ２）・・・（式２）
但し、λ０：入射光の波長、Ｔ：ホログラムの厚さ、ｎ０：ホログラム素子基板の屈折率、Λ：ホログラムの周期
体積ホログラムは、特定の回折条件（いわゆるブラッグ条件）を満足する入射角度の光だけを強く回折させる。

図８は、体積ホログラムの入射角度と回折効率の関係を示すグラフ図である。
図８に示されるように体積ホログラムの回折効率（％）は、入射角度がブラッグ条件を満足する時にピーク値を持つ。
光の入射角度がブラッグ角度と一致した時のみ１００％に近い高い回折効率が得られ、それ以外の入射角度の場合、回折効率はほぼ０％になって透過する。これが「角度選択性」である。
半導体レーザ光源２ａ〜２ｅからの平行光束６０ａ〜６０ｅを夫々異なる角度で体積ホログラム５０ａ〜５０ｅに入射させる。
体積ホログラム５０ａ〜５０ｅは特定の入射角度の光束のみ回折させるように周期構造を最適化することで半導体レーザ光源２ａ〜２ｅからの光束を同方向に進む１本の光束に合成可能である。

さらに、具体的な設計例を説明する。
上述の小山次郎、西原浩著の「光波電子光学」（コロナ社）１０７頁〜１０８頁によると、最大の回折波が現れる条件は式（３）で表される。
Λ（ｓｉｎθｉ＋ｓｉｎθｍ）＝±ｍλ・・・（３）
但し、θｉ：入射角度、θｍ：出射角度、λ：波長、Λ：ホログラム周期、ｍ：整数
ｍ＝１として光の波長を９００ｎｍの赤外光とすると、入射角度２０°、出射角度０°となるようにするためには、ホログラムの周期を２．６３１μｍとすればよい。

例えば、体積ホログラム５０ａの周期を２．６３１μｍとすると入射角度２０°の平行光束６０ａだけを回折させることができる。
同様に、入射角度１０°の平行光束を出射角度０°として出射するためには、ホログラムの周期を５．１８３μｍとすればよい。
従って、体積ホログラム５０ｂの周期を５．１８３μｍとすれば入射角度１０°の平行光束６０ｂだけを回折させることができる。
このように夫々異なる角度で入射する平行光６０ａ〜６０ｅにあわせて体積ホログラム５０ａ〜５０ｅの周期を設計することにより複数の半導体レーザ光源２ａ〜２ｅからの平行光６０ａ〜６０ｅを同じ方向に進む１本の光束に合成することができる。
なお、同一波長の複数の光束を、ビームスプリッタを用いて合成することも可能である。その場合は、偏光の違いを用いて合成する。しかしながら、この場合２つの（Ｐ偏光／Ｓ偏光）のビームを合成できるに過ぎないため、輝度は２倍にしかならない。

それに対し、体積ホログラムを用いれば入射角度のわずかな違いにより合成が可能であるため、より多くの数のレーザ光源からの光束を合成して輝度の高いパターン光を照射することができる。
第１の光学素子５０によって合成されて１本の光束となった光は、回折光学素子４に入射して回折光となり、ランダムな回折パターン光５として対象物に照射される。
ランダムパターンの分割数、画角、階調数については計測したい対象の大きさや形状に合わせて最適化される。

以上のように多くのレーザ光源からの光束を合成することで輝度の高いパターン光を照射することができる。これにより外乱光に強く、屋外でも精度良く測距ができるステレオカメラを実現できる。

［第２の実施形態］
図９は、本発明の第２の実施形態に係るパターン照明装置を示す図である。
上述したように、本発明のパターン照明装置では、複数のレーザ光源からの光束を合成することで高輝度なパターン光を照射できるようにしている。
これにより例えば、測距対象物への距離が遠く１ｍ四方の広い面積をパターン照明（パターン光５ａ）するような場合でも１ｃｍ^３あたりの明るさは数百μＷ程度まで明るくなり、周囲の明るさが明るい場合でも外乱光に強いパターン光を照射出来る。
逆に、測距対象物への距離が近く狭い面積（パターン光５ｂ）をパターン照射する場合、あるいは周囲の明るさが暗い場合は、回折光学素子４に入射するビームはそれほど光強度が強い必要はない。
この場合、全てのレーザ光源の光出力を下げて全体の光強度を下げるよりも、幾つかのレーザは発光させず、残ったレーザだけ通常の光強度で発光させた状態とした方が良い。
なお、測距対象物に対する距離は、パターン照明装置が適用される測距装置が備える測距制御部４０による測距結果を用いることが可能である。また、周囲の明るさは、測距装置に光量センサを備えることで計測可能である。

図１０は、パターンを照射する面積と、発光させるレーザ光源の組み合わせの一例を説明する図である。
図１０に示すように、図９における広い面積のパターン光５ａを照射する場合、半導体レーザ光源２ａ〜２ｅを全てＯＮするが、狭い面積のパターン５ｂを照射する場合、半導体レーザ光源２ａ、２ｅをＯＦＦし、半導体レーザ光源２ｂ〜２ｄのみをＯＮする。
発光させるレーザ光源を制御するには、例えば、図４に示した測距制御部４０に、光源のＯＮ／ＯＦＦを切り替える光源制御部を備える。
半導体レーザは光出力に応じて熱を発生するため、この熱により発振するレーザの波長λはΔλだけ変動する。

本実施形態では、体積ホログラムを使って光を選択的に回折させているため、波長変動が発生すると、以下に説明するように体積ホログラムでの光の角度選択性が低下すると言う不具合が生じる。

図１１は、光の波長変化によるブラッグ角度の変化を示す図である。
上述したように、例えば体積ホログラム５０ａの周期を２．６３１μｍとすれば、波長９００ｎｍ、入射角度２０°の平行光束６０ａを、出射角度０°で高効率に回折することができる。このときのブラック角は９．８５°である。
ところが、この状態で温度変化によって半導体レーザ２ａの発振波長が９１０ｎｍに変化するとブラック角は９．９６°となってしまう。
この場合、９００ｎｍの光で最大の回折効率が得られるように設計した体積ホログラムに９１０ｎｍの光が入ると最大の回折効率が得られなくなり、パターン光の輝度低下を招いてしまう。そのためレーザ光源の波長変動は極力抑える必要がある。
そのためには個々のレーザの出力を大きく変動させないことが有効である。

パターンを照明する面積が狭い場合や低輝度なパターン照明でも十分に測距が可能な場合は、図１０に示すように全てのレーザ光源の光出力を下げて全体の光強度を下げるのではなく、幾つかのレーザの発光を停止する。
そして、発光しているレーザは通常と同じ光強度で発光するようにして光出力をなるべく一定に保つことが望ましい。

［第３の実施形態］
次に、第１、第２の実施形態に示したパターン照明装置１を適用した測距装置を示す図である。
図１２は、本実施形態に係るパターン照明装置を適用した測距装置を示す図である。
基本的には、図４に示した測距装置３０におけるパターン照明装置を、図６、図９で説明したパターン照明装置１で置き換えた構成であるため、測距装置に関する詳しい説明は割愛する。
図１３、図１４で説明した原理を用いて、ステレオカメラ（カメラ１２ａ、１２ｂ）を用いて、計測対象物の画像のずれ（視差）を検出して三角測量の原理で距離を計測する。
このような原理で測距するステレオカメラは、テクスチャ（模様）の無い部分は対応点を見つけられず測距できないため先に述べたようなパターン照明が有効な手段である。
さらにパターン照明光をカメラの視野範囲を無駄なく照明するためにはステレオカメラの２つのカメラの間からパターン光が出射されることが望ましい。

しかしながら、ステレオカメラの２つカメラの間隔（基線長）は一般的には３０ｃｍ程度であり、そこに複数のレーザ光源を備える高輝度なパターン照明装置を配置することは物理的に困難である。
少数のレーザ光源を備える小型なパターン照明装置であれば配置可能であるが低輝度であり、上記したように屋外などでは使用できない。
そこで本実施形態ではパターン光を発生させる回折光学素子４だけを２つのカメラの間に配置し、パターン照明装置１の他の部品は別の位置に配置する構成とした。

図１２に示すようにステレオカメラの２つのカメラの間にパターン光を発生させる回折光学素子４だけを配置する。
図１２において、複数の半導体レーザ光源２ａ〜２ｅと、カップリングレンズ３ａ〜３ｅと、合成光学素子５０ａ〜５０ｅは、ステレオカメラ（レンズ１２ａ、１２ｂ）とは別の位置に有る。このように配置することで２つのカメラの間からパターン光が出射されることができる。光源等は別の位置に配置できるため大きくても基線長に制限を与えず、ステレオカメラの設計自由度も失うことは無い。
ステレオカメラは左右のカメラの画像からブロックマッチングを行って、対応点を検出することで対象物までの距離を計測しているため、対象物がテクスチャーのない物体の場合は距離検出できない。

それに対し、本実施形態のパターン照明装置を測距装置に適用することにより、対象物がテクスチャーの無い物体であっても、ステレオ対応づけが可能となり、計測対象物までの距離を高精度に測定することができる。
また、本実施形態のパターン照明装置は、レーザ光源を用いたパターン照明であるため、対象物がどこにあっても照射するパターンはピンボケにならず（ピントフリー）、対象物の大きさや位置に関わらず高精度に距離測定することができる。
その結果、対象物の大きさや位置に関わらず常にピントの合ったくっきりしたパターンを照射できるため、高精度に距離測定することができる。
さらに、複数のレーザ光源からの光を合成するため高輝度なランダムパターンを照射することができ、外乱光に強く、屋外での使用も可能となる。

また、上記に説明したように、レーザ光源からの光を合成する手段としてビームスプリッタ等ではなく体積ホログラムを用いるため、２つ〜４つ程度に留まらず、より多くの光源の光を合成することができる。
その結果、外乱光に強く、屋外での使用も可能な測距装置を実現することが出来る。

１ パターン照明装置、２ レーザ光源、３ カップリングレンズ、４ 回折光学素子、５ 回折パターン光、６ａ 温度調節機能部、６ｂ 機能部、１１ レンズアレイ、１２ａ 撮像レンズ、１２ｂ 撮像レンズ、１３ａ 光軸、１３ｂ 光軸、１４ 撮像素子、１４ａ ウェハ、１５ａ 撮像領域、１５ｂ 撮像領域、２０ ステレオカメラ装置、５０ 体積ホログラム、６０ 平行光

特開２００７−１７３５５公報

Claims (10)

1. 複数の光源と、
   前記複数の光源の各々に対応し、前記複数の光源から出射された光を各々平行光に変換する複数の変換手段と、
   前記複数の変換手段により各々変換された複数の平行光を一本の光束になるように合成して同一方向に出射させる第１の光学手段と、
   該第１の光学手段により合成されて出射された光を回折して回折パターン光を生成し、前記回折パターン光を対象物に投光する第２の光学手段と、
   を備えたことを特徴とするパターン照明装置。
2. 請求項１に記載のパターン照明装置において、
   前記第１の光学手段は、前記複数の光源から出射された入射角度の異なる光を夫々同一の出射方向に回折させる複数の体積ホログラムであることを特徴とするパターン照明装置。
3. 請求項１又は２に記載のパターン照明装置において、
   前記複数の光源は、同一波長の光を出射するレーザ光源であることを特徴とするパターン照明装置。
4. 請求項３に記載のパターン照明装置において、
   前記複数の光源が出射する同一波長の光は赤外光であることを特徴とするパターン照明装置。
5. 請求項１乃至４の何れか一項に記載のパターン照明装置において、
   前記対象物までの距離又は周囲の明るさに応じて、前記複数の光源を選択的に点灯する光源制御手段を備えたことを特徴とするパターン照明装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一項に記載のパターン照明装置と
   前記第２の光学手段から出射されて前記対象物で反射された回折パターン光を結像する複数の撮像レンズと、
   前記各撮像レンズにより結像された前記回折パターン光に基づく前記被写体に係る複数の画像を撮像する複数の撮像手段と、
   前記複数の画像間の視差情報から前記対象物からの距離を算出する測距手段と、
   を備えたことを特徴とする測距装置。
7. 請求項６に記載の測距装置において、
   前記第２の光学手段は、前記複数の撮像レンズの間に配置されていることを特徴とする測距装置。
8. 複数の光源と、
   前記複数の光源から出射された光を合成して同一方向に出射させる第１の光学手段と、
   該第１の光学手段により合成されて出射された光を回折して回折パターン光を生成し、前記回折パターン光を対象物に投光する第２の光学手段と、
   前記対象物までの距離又は周囲の明るさに応じて、前記複数の光源を選択的に点灯する光源制御手段と、
   を備えたことを特徴とするパターン照明装置。
9. 複数の光源と、前記複数の光源から出射された光を合成して同一方向に出射させる第１の光学手段と、該第１の光学手段により合成されて出射された光を回折して回折パターン光を生成し、前記回折パターン光を対象物に投光する第２の光学手段と、を有するパターン照明装置と、
   前記第２の光学手段から出射されて前記対象物で反射された回折パターン光を結像する複数の撮像レンズと、
   前記各撮像レンズにより結像された前記回折パターン光に基づく前記被写体に係る複数の画像を撮像する複数の撮像手段と、
   前記複数の画像間の視差情報から前記対象物からの距離を算出する測距手段と、
   を備えたことを特徴とする測距装置。
10. 請求項９に記載の測距装置において、
    前記第２の光学手段は、前記複数の撮像レンズの間に配置されていることを特徴とする測距装置。

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