JP7505193B2 - 検出装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、検出装置及び電子機器に関する。

例えば、光源と、魚眼レンズ（超広角レンズ）と、ＴＯＦ（Time Of Flight）センサとからなる３次元距離計測装置が知られている。このような３次元距離計測装置において、複数の光源のうち隣接する光源から発せられる照明光を重ね合わせることも知られている。

特許文献１には、被写体の位置を距離画像として出力する３次元距離測定装置が開示されている。３次元距離測定装置は、被写体に光を照射する複数の光源と、複数の光源の発光を制御する発光制御部と、被写体からの反射光を検出する受光部と、受光部にて検出した反射光の伝達時間に基づき被写体までの３次元距離を算出する距離計算部と、距離計算部で算出した距離データに基づき被写体の２次元の距離画像を生成する画像処理部と、を備えている。また、複数の光源により照射される複数の照射領域は、隣接する照射領域とのみ互いに重なるように配置されている。さらに、発光制御部により、複数の光源に対し、各々個別に点灯もしくは消灯、または発光量の調整が可能となっている。

特開２０１９－４５３３４号公報

しかしながら、特許文献１のような３次元距離測定装置において、複数光源（アレイ光源）と照明光学系からなる照明ユニットを複数配置する場合、複数光源が数百個、数千個のオーダーとなり、各光源を個別に光量制御することが困難になってしまう。このため、複数の照明ユニットのうち隣接する照明ユニットからの照明光が重なる場合、重なる領域（例えば周辺部）での照明光の強度又は照度が、重ならない領域（例えば中央部）での照明光の強度又は照度と異なってしまう。例えば、重なる領域での照明光の強度又は照度が、重ならない領域での照明光の強度又は照度より大きい場合において、重なる領域に被測定物（検出対象物）があると、ＴＯＦセンサが飽和して、測定精度（検出精度）が悪化するおそれがある。また、重なる領域と重ならない領域では、各照明ユニットからの照明光や被測定物からの反射光の伝搬時間が異なるため、測定精度の悪化を招くおそれがある。

本発明は、以上の問題意識に基づいてなされたものであり、優れた検出精度を実現可能な検出装置及び電子機器を提供することを目的とする。

本発明の検出装置は、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）アレイ光源と照明光学系を各々が有する複数の照明手段と、前記複数の照明手段から照明されて検出対象で反射された反射光を検出する検出手段と、前記複数の照明手段の各々について、強度又は照度を制御する照明光制御手段と、を有し、前記複数の照明手段において、前記ＶＣＳＥＬアレイ光源からの距離が所定距離以上で３６０°の領域を照明し、前記照明光制御手段は、前記所定距離以上での、隣接する照明手段からの照明光が重なる前記照明手段の周辺側部分の強度又は照度を、隣接する照明手段からの照明光が重ならない前記照明手段の中央側部分の強度又は照度より小さくする、ことを特徴とする。

本発明によれば、優れた検出精度を実現可能な検出装置及び電子機器を提供することができる。

本実施形態の検出装置を適用した測距装置の概略構成図である。 本実施形態の検出装置を適用した測距装置の機能ブロック図である。 アレイ光源としてのＶＣＳＥＬの断面構造の一例を示す図である。 第１、第２の照明ユニットによる照明領域の重なりの一例を示す図である。 隣接する照明ユニットからの照明光が周辺部で重なり中央部で重ならない場合の放射照度の一例を示す図である。 照明光制御手段としての減光フィルタの一例を示す第１の図である。 照明光制御手段としての減光フィルタの一例を示す第２の図である。 アレイ光源のアレイサイズを変更することにより照明光制御手段を実現する場合の一例を示す図である。 アレイ光源のアレイピッチを変更することにより照明光制御手段を実現する場合の一例を示す図である。 照明光制御手段による調整後の放射照度の一例を示す図である。 第１、第２の照明ユニットから検出対象までの距離パラメータの一例を示す図である。 重ね合わさった照明光に時間差があるときの計測値への影響の一例を示す第１の図である。 重ね合わさった照明光に時間差があるときの計測値への影響の一例を示す第２の図である。 本実施形態における照明光の光量分布の一例を示す第１の図である。 本実施形態における照明光の光量分布の一例を示す第２の図である。 本実施形態の検出装置を物品検査用の検出装置に適用した例を示す図である。 本実施形態の検出装置を可動機器に適用した例を示す図である。 本実施形態の検出装置を携帯情報端末に適用した例を示す図である。 本実施形態の検出装置を移動体の運転支援システムに適用した例を示す図である。 本実施形態の検出装置を移動体の自律走行システムに適用した例を示す図である。

図１は、本実施形態の検出装置を適用した測距装置１の概略構成図である。測距装置１は、検出対象（物）を含んだ全天球領域を照明し、当該全天球領域における検出対象との距離を検出するものである。具体的に、測距装置１は、検出対象に対してパルス光を投光（照射）し、検出対象からの反射光を受光して、反射光の受光までに要した時間に基づいて、検出対象との距離を測定するＴＯＦ（Time Of Flight）方式の３次元距離測定装置である。

測距装置１は、第１の照明ユニット（照明手段）１０と、第１の受光ユニット２０と、第２の照明ユニット（照明手段）３０と、第２の受光ユニット４０とを有している。第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０は、互いに対称（逆向き）に位置している。第１の受光ユニット２０と第２の受光ユニット４０は、互いに対称（逆向き）に位置している。

第１の照明ユニット１０は、第１のアレイ光源１１と、第１の照明光学系（投光レンズ）１２とを有している。第１のアレイ光源１１は、レーザやＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の多数の発光素子を２次元状に配列したものである。第１の照明光学系１２は、第１のアレイ光源１１からの放出光を所定の空間に照明するものである。

第１の受光ユニット２０は、第１の受光素子（検出手段）２１と、第１の受光光学系（受光レンズ）２２とを有している。第１の受光素子２１は、第１の照明ユニット１０から照明されて検出対象Ｐで反射された反射光を検出することにより検出対象Ｐまでの距離を計測するためのＴＯＦセンサである。第１の受光光学系２２は、第１の照明ユニット１０から照明されて検出対象Ｐで反射された反射光を第１の受光素子２１に導く（集光する）。

第２の照明ユニット３０は、第２のアレイ光源３１と、第２の照明光学系（投光レンズ）３２とを有している。第２のアレイ光源３１は、レーザやＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の多数の発光素子を２次元状に配列したものである。第２の照明光学系３２は、第２のアレイ光源３１からの放出光を所定の空間に照明するものである。

第２の受光ユニット４０は、第２の受光素子（検出手段）４１と、第２の受光光学系（受光レンズ）４２とを有している。第２の受光素子４１は、第２の照明ユニット３０から照明されて検出対象Ｐで反射された反射光を検出することにより検出対象Ｐまでの距離を計測するためのＴＯＦセンサである。第２の受光光学系４２は、第２の照明ユニット３０から照明されて検出対象Ｐで反射された反射光を第２の受光素子４１に導く（集光する）。

図２は、本実施形態の検出装置を適用した測距装置１の機能ブロック図である。第１のアレイ光源１１と第２のアレイ光源３１は、光源駆動回路５０に接続されている。第１の受光素子２１と第２の受光素子４１は、信号制御回路６０に接続されている。光源駆動回路５０と信号制御回路６０は、互いに接続されている。

光源駆動回路５０は、第１のアレイ光源１１と第２のアレイ光源３１に電流を注入することにより、第１のアレイ光源１１と第２のアレイ光源３１の発光を制御する。光源駆動回路５０は、第１のアレイ光源１１と第２のアレイ光源３１を発光させたときに、信号制御回路６０に信号を送信する。

第１の受光素子２１と第２の受光素子４１は、光電変換素子から構成されており、当該光電変換素子で受光した光が光電変換されて電気信号として信号制御回路６０に送られる。信号制御回路６０は、投光（光源駆動回路５０からの発光信号入力）と受光（第１の受光素子２１と第２の受光素子４１からの受光信号入力）の時間差に基づいて、検出対象Ｐまでの距離を計算する。

３ＤセンシングにおけるＴＯＦセンサの照明光学系の方式としては、光源からの光を光走査手段（例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーをはじめとする駆動ミラー）によって振って、照射範囲を走査する方式も存在するが、光走査手段の走査速度（可動速度）によって画像取得時間（ＦＰＳ）が悪化するおそれがある。そこで、本実施形態では、アレイ光源からの光を照明光学系により拡げて照射領域を一括照射するフラッシュタイプの照明光学系（面発光レーザ）を採用している。より具体的に、面発光レーザとして、基板に対して垂直方向に発光する垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を用いている。

図３は、アレイ光源（第１のアレイ光源１１と第２のアレイ光源３１）としてのＶＣＳＥＬ７０の断面構造の一例を示す図である。ＶＣＳＥＬ７０は、発光面に所定の位置関係で２次元状に配列された（例えば等ピッチの六方細密で配列された）多数の面発光レーザ素子７１を有している。図３では、多数の面発光レーザ素子７１の１つを描いている。

ＶＣＳＥＬ７０の面発光レーザ素子７１では、基板７２上に、下部多層膜反射鏡７４Ｄ、下部スペーサ層７５Ｄ、活性層７６、上部スペーサ層７５Ｕ、上部多層膜反射鏡７４Ｕ、コンタクト層７３が積層して設けられている。上部多層膜反射鏡７４Ｕ中に電流狭窄層７７が形成されている。電流狭窄層７７は、電流通過領域７７ａと、電流通過領域７７ａを取り囲む電流通過抑制領域７７ｂによって構成されている。基板７２の下部に下部電極７８Ｄが配され、最上部に上部電極７８Ｕが配されている。上部電極７８Ｕの内方は絶縁体７９で絶縁されている。上部電極７８Ｕは、コンタクト層７３の周縁部に接触し、コンタクト層７３の中央部は開放されている。

各電極７８Ｕ、７８Ｄから活性層７６へ電流を印加すると、積層構造の上部多層膜反射鏡７４Ｕと下部多層膜反射鏡７４Ｄで増幅されて、レーザ光が発振する。印加電流量の大きさに応じて、レーザ光の発光強度が変化する。電流狭窄層７７は、活性層７６への印加電流量の効率を高めて発振閾値を下げるものである。電流狭窄層７７の電流通過領域７７ａが大きく（広く）なるにつれて、印加できる最大電流量が増加して、発振可能なレーザ光の最大出力が増加するが、その反面、発振閾値が上がるという特性がある。

ＶＣＳＥＬは、端面発光レーザに比べて、発光素子の二次元化が容易であり、発光素子を高密度で配置した多点ビーム化が可能という特徴がある。また、ＶＣＳＥＬは、複数の発光素子のレイアウトの自由度が高く、基板上の任意の位置に発光素子を配置することができる。例えば、複数の発光素子を可能な限り多く敷き詰めるように配置することにより、高出力化を図ることができるので、ＴＯＦセンサの光源として好適である。

本実施形態の検出装置１では、複数の照明手段（第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０）が、検出対象Ｐを含んだ全天球領域を照明し、検出手段（第１の受光素子２１と第２の受光素子４１）が、全天球領域における検出対象Ｐとの距離を検出する。

本実施形態の検出装置１は、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０により３６０°に亘る全天球領域をカバーしている。このため、第１の照明光学系１２と第２の照明光学系３２は、１８０°以上の画角をカバーする魚眼レンズ又は超広角レンズで構成されている。

本実施形態の検出装置１は、第１の受光ユニット２０と第２の受光ユニット４０により３６０°に亘る全天球領域をカバーしている。このため、第１の受光光学系２２と第２の受光光学系４２は、１８０°以上の画角をカバーする魚眼レンズ又は超広角レンズで構成されている。

図４は、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０による照明領域の重なりの一例を示す図である。図４において、第１の照明ユニット１０による照明領域を符号８０で描いており、第２の照明ユニット３０による照明領域を符号９０で描いている。

このように、３次元距離測定装置による測定領域を複数の照明ユニットで照明する場合、すなわち、個々の照明ユニットの照明領域が全測定領域をカバーしない場合、隣接する照明ユニットの照明領域の一部が必ず重なることになる。本実施形態の場合、ともに１８０°以上の画角をカバーする第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０の照明領域の一部が必ず重なることになる。図４において、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０の照明領域の重なり部分にハッチングを付して描いている。

ここで、測距可能距離がＬ１からＬ２までの全天球（全方位）の測定範囲で３次元計測できるとする。照明ユニットが第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０の２個であるため、各照明領域８０、９０は、半径Ｌ１の球表面の全てを照射できるように設定する必要がある。このため、距離Ｌ１を超える範囲における空間の一部（ハッチングしている空間）において、照明光が必ずオーバーラップすることになる。逆に、半径Ｌ２の球表面において２つの照明領域８０、９０が重ならないぎりぎりの範囲で照明した場合には、距離Ｌ２未満の領域で照明できない空間が存在することになる。したがって、複数の照明ユニットで３次元距離計測のために空間を照明する場合、必ず、隣接照明領域との重なりが発生することになる。

図４において、位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、隣接照明領域との重なり部分（ハッチング）を規定しており、位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で規定されるハッチング領域内（重なり部分）に検出対象Ｐが存在する場合を想定する。すなわち、図１の検出対象Ｐは、図４の位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３で規定されるハッチング領域内（重なり部分）の一点に位置している検出対象であると想定する。

このように、複数の照明ユニットのうち隣接する照明ユニットからの照明光が重なる場合、重なる領域（例えば周辺部）での照明光の強度又は照度が、重ならない領域（例えば中央部）での照明光の強度又は照度と異なってしまう。例えば、重なる領域（例えば周辺部）での照明光の強度又は照度が、重ならない領域（例えば中央部）での照明光の強度又は照度より大きくなってしまう。

図５は、隣接する照明ユニットからの照明光が周辺部で重なり中央部で重ならない場合の放射照度の一例を示す図である。図５において、第１の照明ユニット１０の放射照度を細い実線で描き、第２の照明ユニット３０の放射照度を細い破線で描き、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０の合成放射照度を太い実線で描いている。図５に示すように、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０からの照明光が重なる周辺側部分の放射照度（合成放射照度）が、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０からの照明光が重ならない中央側部分の放射照度（単独放射照度）より大きくなっている（周辺側部分の放射照度が中央側部分の放射照度の約２倍程度となっている）。

このような場合、放射照度が大きい周辺側部分（図４のハッチング部分）に検出対象Ｐが存在すると、ＴＯＦセンサ（第１の受光素子２１と第２の受光素子４１）が飽和して、測定精度（検出精度）が悪化するおそれがある。放射照度が大きい周辺側部分と放射照度が小さい中央側部分とでは、各照明ユニットからの照明光や検出対象からの反射光の伝搬時間が異なるため、測定精度の悪化を招くおそれがある。

本実施形態では、上記の問題を重要な技術課題として捉えて、隣接する照明ユニットからの照明光が周辺部で重なり中央部で重ならない場合であっても、周辺部と中央部の放射照度を均一化して、ＴＯＦセンサの飽和を防止することにより、測定精度（検出精度）を向上させている。また、各照明ユニットからの照明光や検出対象からの反射光の伝搬時間を均一化して、測定精度（検出精度）を向上させている。

そのために、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０（複数の照明手段）の各々について、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０（隣接する照明手段）からの照明光が重なる周辺側部分（一部分）の強度又は照度を、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０（隣接する照明手段）からの照明光が重ならない中央側部分（他部分）の強度又は照度より小さくする「照明光制御手段」を設けている。以下では、「照明光制御手段」の具体的態様の詳細やバリエーションについて説明する。

＜具体的態様１＞
図６、図７に示すように、「照明光制御手段」として、第１の照明ユニット１０の第１のアレイ光源１１と第１の照明光学系１２の間、及び、第２の照明ユニット３０の第２のアレイ光源３１と第２の照明光学系３２の間に、減光フィルタ１００を設けている。減光フィルタ１００は、第１の照明ユニット１０（第１のアレイ光源１１）と第２の照明ユニット３０（第２のアレイ光源３１）からの照明光が重ならない中央側部分（他部分）を減光せず（相対的に減光率を低くし）、第１の照明ユニット１０（第１のアレイ光源１１）と第２の照明ユニット３０（第２のアレイ光源３１）からの照明光が重なる周辺側部分（一部分）を減光する（相対的に減光率を高くする）機能を持つ。つまり、減光フィルタ１００は、ＶＣＳＥＬ基板のあとから照明光学系の出口までの面内で透過率に分布を有する空間フィルタからなり、中心の透過率が高く、周辺に向かうに従って透過率が低下する特性を有している。

＜具体的態様２＞
図８に示すように、アレイ光源のアレイサイズを変更することにより、「照明光制御手段」を実現することができる。具体的に、アレイ光源の周辺側部分のアレイサイズを中央側部分のアレイサイズより小さくすることにより、「照明光制御手段」を実現している。例えば、図８は、ＶＣＳＥＬアレイ基板を正面から見た模式図であり、中央側部分の酸化狭窄層の酸化狭窄径が大きくほぼ均等であるが、周辺側部分に向かうに連れて酸化狭窄層の酸化狭窄径が小さくなっている。一般的に、酸化狭窄層の酸化狭窄径が小さいほどレーザ出力が小さい。周辺に向かう酸化狭窄径の減少割合を適正化することによって、照明光の重なる領域の放射照度の上昇を抑えることが出来る。アレイ光源のアレイサイズを変更する＜具体的態様２＞では、減光フィルタ１００を用いる＜具体的態様１＞と比較して、減光フィルタによる光量損失が少ないため、省エネ効果を発揮することができる。

＜具体的態様３＞
図９に示すように、アレイ光源のアレイピッチを変更することにより、「照明光制御手段」を実現することができる。具体的に、アレイ光源の周辺側部分のアレイピッチを中央側部分のアレイピッチより長くすることにより、「照明光制御手段」を実現している。例えば、図９は、ＶＣＳＥＬアレイ基板を正面から見た模式図であり、ＶＣＳＥＬアレイの中央側部分は等ピッチの六方細密配列であるが、周辺側部分に向かうに連れて配列ピッチが広くなるように配列している。アレイ光源のアレイピッチを変更する＜具体的態様３＞では、減光フィルタ１００を用いる＜具体的態様１＞と比較して、減光フィルタによる光量損失が少ないため、省エネ効果を発揮することができる。

＜具体的態様４＞
図２に示した光源駆動回路５０を「照明光制御手段」としての「電流制御手段」として機能させる。すなわち、光源駆動回路５０は、アレイ光源の周辺側部分に対する注入電流を中央側部分に対する注入電流より小さくする。例えば、光源駆動回路５０は、第１の受光素子２１と第２の受光素子４１の検出結果に応じたフィードバック制御により、アレイ光源の各面発光レーザ素子に対する注入電流をリアルタイム（動的）に制御することができる。

ここで、上述した＜具体的態様１＞～＜具体的態様４＞の「照明光制御手段」は、適宜、組み合わせて実現することができる。例えば、＜具体的態様１＞～＜具体的態様３＞は、測距装置１の製造時に実装されるのに対して、＜具体的態様４＞は、測距装置１の製造後にリアルタイム（動的）に制御できるので、＜具体的態様１＞～＜具体的態様３＞と、＜具体的態様４＞とを組み合わせることで、照明光の強度又は照度をより柔軟かつ高精度に調整することが可能になる。

上述した＜具体的態様１＞～＜具体的態様４＞の「照明光制御手段」による調整後の放射照度の一例を図１０に示した。図１０において、第１の照明ユニット１０の放射照度を細い実線で描き、第２の照明ユニット３０の放射照度を細い破線で描き、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０の合成放射照度を太い実線で描いている。図１０に示すように、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０からの照明光が重なる周辺側部分の放射照度（合成放射照度）が、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０からの照明光が重ならない中央側部分の放射照度（単独放射照度）に近くなっている。なお、図１０では、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０からの照明光が重なる周辺側部分の放射照度（合成放射照度）が、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０からの照明光が重ならない中央側部分の放射照度（単独放射照度）より僅かに大きい場合を例示しているが、これらの放射照度が完全に同一であってもよい。すなわち、太い実線で描いた第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０の合成放射照度が、左右方向に延びる直線であってもよい。

図１１は、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０から検出対象Ｐまでの距離パラメータの一例を示す図である。本実施形態では、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０からの照明光が重なり合う照明領域の３次元距離計測でＴＯＦセンサの飽和を抑制することができる。これが１つ目の作用効果である。以下では、図１１を参照して、２つ目の作用効果、すなわち、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０からの照明光が重なり合う照明領域に存在する検出対象Ｐに起因する測定距離の検出誤差を抑制できることについて、詳細に説明する。

図１１において、Ｐは、例えば図４のハッチング領域に存在する検出対象を示している。ＴＯＦセンサによる時間計測は、第１のアレイ光源１１と第２のアレイ光源３１から検出対象Ｐまでの光の飛行時間と、検出対象Ｐから第１の受光素子２１と第２の受光素子４１（ＴＯＦセンサ）までの光の飛行時間との和に基づいて実行される。この場合、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０による２つの照明光（図１１中のＳ１－Ｑ１－ＰとＳ２－Ｑ２－Ｐ）の時間差、すなわち距離の差が発生する。ここで、第１の照明ユニット１０のＳ１－Ｑ１の距離、及び、第２の照明ユニット３０のＳ２－Ｑ２の距離との差は極めて小さいので、ｔ１＝ｔ１’＝ｔに置き換え、Ｄ１＝Ｄ１’＝Ｄに置き換えが可能である。この場合、２つの照明光の距離の差は、｜（Ｑ１－Ｐ）－（Ｑ２－Ｐ）｜＝｛（Ｄ２－Ｄ）^２＋（Ｗ＋ｔ）^２｝^１／２－｛（Ｄ２－Ｄ）^２＋（Ｗ－ｔ）^２｝^１／２で表される。ここで、例えば、Ｄ２＝１０［ｍ］、ｔ＝０．０２５［ｍ］、Ｄ＝０．００３［ｍ］、Ｗ＝１［ｍ］とすると、上記の値は５．０［ｍｍ］となる。

次に、図１２、図１３を参照して、重ね合わさった照明光に時間差があるときの計測値への影響について説明する。

図１２において、照明光の時間波形が０．５＋０．５ｓｉｎ（θ）であるものとする。図１１のＳ１－Ｑ１－Ｐ経由でＴＯＦセンサに到達した信号成分を図１２の９１ａで表し、図１１のＳ２－Ｑ２－Ｐ経由でＴＯＦセンサに到達した信号成分を図１２の９１ｂで表している。信号成分９１ａは位相ズレを３０°とし、信号成分９１ｂは位相ズレを５０°としている。従って、５０°－３０°＝２０°が照明光の時間差に相当する位相ズレとなる。ＴＯＦセンサに入射された時間波形は、信号成分９１ａと信号成分９１ｂが加算された９２である。ＴＯＦセンサでは、図１２の時間０～０．５（Ｄ１）、０．２５～０．７５（Ｄ２）、０．５～１．０（Ｄ３）、並びに、０．７５～１．０及び０～０．２５（Ｄ４）の４通りの積算強度を取得する。距離を算出するための位相の計算は、Δφ＝Ａｒｃｔａｎ｛（Ｄ３－Ｄ１）／（Ｄ４－Ｄ２）＋φ０｝で求められる。φ０は調整用の固定値である。この場合、図１２の波形９２のΔφは４０°と求まる。すなわち、同じ強度で時間がずれてＴＯＦセンサに入るとその平均値の位相が算出されてしまう。

これに対して、図１３に示すように、例えば、Ｓ２－Ｑ２－Ｐ経由の光が１／５に減少されていると、信号波形１０１ａと信号波形１０１ｂが加算された信号波形１０２となり、この信号波形１０２の位相の計算は３３．３°となり、Ｓ１－Ｑ１－Ｐ経由の光の位相である３０°に近付く。アレイ光の周辺に相当する光量又は放射照度を減少させることで、計測の誤差を抑えることが出来る。

図１４、図１５を参照して、本実施形態における照明光の光量分布の一例について説明する。

図１４は、半径Ｌ２（図４、図１１）における放射照明分布成分１２１ａ、１２１ｂと、これらを加算した放射照度分布１２２を表している。放射照明分布成分１２１ａは、第１のアレイ光源１１が第１の照明光学系１２を経て照明した照明光の放射照度の分布であり、照明領域の周辺に位置するＰ２近傍で放射照度を低下させ、Ｐ３まで低い放射照度とする。一方、放射照明分布成分１２１ｂは、第２のアレイ光源３１が第２の照明光学系３２を経て照明した照明光の放射照度の分布であり、Ｐ１からＰ２に至るまでが低い放射照度となっている。このようにすると、Ｐ１からＰ３にかけての測定精度の低下を抑制することができる。

図１５は、放射照度分布の変形例を示している。第１のアレイ光源１１が第１の照明光学系１２を経て照明した放射照明分布成分１３１ａは、照明領域の周辺部分のＰ１からＰ２で一段階の低放射照度とし、Ｐ２からＰ３にかけてもう一段階の低放射照度とする。第２のアレイ光源３１が第２の照明光学系３２を経て照明した放射照明分布成分１３１ｂは、照明領域の周辺部分のＰ３からＰ２で一段階の低放射照度とし、Ｐ２からＰ１にかけてもう一段階の低放射照度とする。このような放射照度分布成分の場合、半径Ｌ１のエリアでは加算された放射照度分布１３２が均一となり、飽和対策としても有効となる。

以上のように、本実施形態の検出装置は、アレイ光源と照明光学系を各々が有する複数の照明手段と、複数の照明手段から照明されて検出対象で反射された反射光を検出する検出手段と、複数の照明手段の各々について、隣接する照明手段からの照明光が重なる一部分の強度又は照度を、隣接する照明手段からの照明光が重ならない他部分の強度又は照度より小さくする照明光制御手段と、を有している。

これにより、優れた検出精度を実現することができる。例えば、隣接する照明手段からの照明光が重なる周辺側部分（一部分）に検出対象があってもＴＯＦセンサが飽和するのを防止することができる。また、隣接する照明手段からの照明光が重なる周辺側部分（一部分）で検出対象までの照明光の飛行時間が異なっても測距精度の低下を抑制することができる。

以上の実施形態では、複数の照明手段及び隣接する照明手段として、第１の照明ユニット１０と第２の照明ユニット３０の２つの照明ユニットを例示して説明した。しかし、複数の照明手段及び隣接する照明手段として、３つ以上の照明ユニットを設ける態様も可能である。この場合、３つ以上の照明ユニットに対応させて、３つ以上の受光ユニットを設けることができる。また、照明ユニットと受光ユニットの数を増やした場合、各照明ユニットと各受光ユニットが担う画角範囲が狭くて済むため、各照明光学系と各受光光学系を魚眼レンズ又は超広角レンズとすることなく、通常の（一般的な）撮影画角とすることができる。

以上の実施形態では、隣接する照明手段からの照明光が重なる周辺側部分と重ならない中央側部分に区画して、周辺側部分の照明光の強度又は照度を相対的に小さくし、中央側部分の照明光の強度又は照度を相対的に大きくする場合について説明した。しかし、隣接する照明手段からの照明光を径方向の３つ以上のエリア（環状エリア）に区画して、各エリア（環状エリア）を単位として、中央側に向かうほど照明光の強度又は照度を大きくし、周辺側に向かうほど照明光の強度又は照度を小さくしてもよい。

以上に説明した測距装置（検出装置）１を各種電子機器に用いた適用例を、図１６から図２０を参照して説明する。これらの適用例における検出装置５０Ｘは、測距装置（検出装置）１のうち信号制御回路６０の部分を、後述するそれぞれの機能ブロックに置き換えたものであり、それ以外の基本構成は測距装置（検出装置）１と共通している。図１６から図２０では、検出装置５０Ｘが備える判断部などの機能ブロックを、作図の都合上、検出装置５０Ｘの外側に記載している。図１６から図２０に示す各種電子機器は、検出装置５０Ｘからの情報が入力されて、検出装置５０Ｘからの情報に基づいて、各種電子機器の制御を行う「制御部」を有している。

図１６は、工場などにおける物品検査用に検出装置５０Ｘを使用した適用例を示す。検出装置５０Ｘの光源装置から発した光を、複数の物品５１Ｘをカバーする照射領域に投射して、反射した光を検出部（受光素子）で受光する。検出部で検出された情報に基づいて、判断部５２Ｘが各物品５１Ｘの状態などを判断する。具体的には、受光素子で光電変換された電気信号に基づいて、画像処理部５３Ｘで画像データ（光源装置からの光の照射領域の画像情報）を生成し、得られた画像情報に基づいて、判断部５２Ｘで各物品５１Ｘの状態判断を行う。つまり、検出装置５０Ｘにおける受光光学系と受光素子は、光源装置から光の投射領域を撮像する撮像手段として機能する。撮像した画像情報に基づいて判断部５２Ｘが行う物品５１Ｘの状態判断には、パターンマッチングなど、周知の画像解析を利用できる。

図１６の適用例では、照射領域に均一な照度で投光できる検出装置５０Ｘ（光源装置）を用いることによって、広角に光を照射しても照度のばらつきが抑えられる。その結果、多くの物品５１Ｘを同時に精度良く検査することができ、検査の作業効率が向上する。また、ＴＯＦ方式の検出を行う検出装置５０Ｘの使用によって、各物品５１Ｘの正面側（検出装置５０Ｘに対向する側）だけでなく、各物品５１Ｘの奥行き方向の情報も取得できる。そのため、既存の撮像装置による外観検査に比べて、物品５１Ｘにおける微細な傷や欠陥、立体形状などを識別しやすく、検査精度の向上を図ることができる。また、検出装置５０Ｘの光源装置からの光で、検査対象である物品５１Ｘを含む照射領域が照明されるため、暗い環境下でも使用が可能である。

図１７は、可動機器の動作制御に検出装置５０Ｘを使用した適用例を示す。可動機器である多関節アーム５４Ｘは、屈曲可能なジョイントで接続された複数のアームを有し、先端にハンド部５５Ｘを備えている。多関節アーム５４Ｘは、例えば工場の組み立てラインなどで用いられ、対象物５６Ｘの検査、搬送、組み付けの際に、ハンド部５５Ｘによって対象物５６Ｘを把持する。

多関節アーム５４Ｘにおけるハンド部５５Ｘの直近に検出装置５０Ｘが搭載されている。検出装置５０Ｘは、光の投射方向がハンド部５５Ｘの向く方向に一致するように設けられており、対象物５６Ｘ及びその周辺領域を検出対象とする。検出装置５０Ｘは、対象物５６Ｘを含む照射領域からの反射光を受光素子で受光して、画像処理部５７Ｘで画像データを生成し（撮像を行い）、得られた画像情報に基づいて、判断部５８Ｘが対象物５６Ｘに関する各種情報を判断する。具体的には、検出装置５０Ｘを用いて検出される情報は、対象物５６Ｘまでの距離、対象物５６Ｘの形状、対象物５６Ｘの位置、複数の対象物５６Ｘが存在する場合の互いの位置関係などである。そして、判断部５８Ｘでの判断結果に基づいて、駆動制御部５９Ｘが多関節アーム５４Ｘ及びハンド部５５Ｘの動作を制御して、対象物５６Ｘの把持や移動などを行わせる。

図１７の適用例では、検出装置５０Ｘによる対象物５６Ｘの検出に関して、上述した図１６の検出装置５０Ｘと同様の効果（検出精度の向上）を得ることができる。加えて、多関節アーム５４Ｘ（特に、ハンド部５５Ｘの直近）に検出装置５０Ｘを搭載することによって、把持の対象物である対象物５６Ｘを近距離から検出することができ、多関節アーム５４Ｘから離れた位置に配した撮像装置による遠方からの検出と比較して、検出精度や認識精度の向上を図ることができる。

図１８は、電子機器の使用者認証に検出装置５０Ｘを使用した適用例を示す。電子機器である携帯情報端末６０Ｘは、使用者の認証機能を備えている。認証機能は、専用のハードウェアによって実現してもよいし、携帯情報端末６０Ｘを制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）がＲＯＭ（Read Only Memory）などのプログラムを実行することにより実現してもよい。

使用者の認証を行う際には、携帯情報端末６０Ｘに搭載した検出装置５０Ｘの光源装置から、携帯情報端末６０Ｘを使用する使用者６１Ｘへ向けて光が投射される。使用者６１Ｘ及びその周囲で反射された光が検出装置５０Ｘの受光素子で受光され、画像処理部６２Ｘで画像データを生成する（撮像を行う）。検出装置５０Ｘにより使用者６１Ｘを撮像した画像情報と、予め登録された使用者情報との一致度を、判断部６３Ｘが判断して、登録済みの使用者であるか否かを判定する。具体的には、使用者６１Ｘの顔、耳、頭部などの形状（輪郭や凹凸）を測定して、使用者情報として用いることができる。

図１８の適用例では、検出装置５０Ｘによる使用者６１Ｘの検出に関して、上述した図１６の検出装置５０Ｘと同様の効果（検出精度の向上）を得ることができる。特に、光源装置から均一な照度で広角に光を投射して広い範囲で使用者６１Ｘの情報を検出することができるため、検出範囲が狭い場合に比して、使用者を認識するための情報量が多くなり、認識精度の向上を実現できる。

図１８は検出装置５０Ｘを携帯情報端末６０Ｘに搭載した例であるが、検出装置５０Ｘを用いた使用者認証を、据え置き式のパーソナルコンピュータ、プリンタなどのＯＡ機器、建物のセキュリティシステムなどに利用することも可能である。また、機能面では、個人の認証機能に限らず、顔などの立体形状のスキャニングに用いることも可能である。この場合も、均一な照度で広角に光を投射できる検出装置５０Ｘの搭載によって、高精度なスキャニングを実現できる。

図１９は、自動車などの移動体における運転支援システムに検出装置５０Ｘを使用した適用例を示す。自動車６４Ｘは、減速や操舵などの運転動作の一部を自動的に行うことが可能な運転支援機能を備えている。運転支援機能は、専用のハードウェアによって実現してもよいし、自動車６４Ｘの電装系を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）がＲＯＭなどのプログラムを実行することにより実現してもよい。

自動車６４Ｘの車内に搭載した検出装置５０Ｘの光源装置から、自動車６４Ｘを運転する運転者６５Ｘへ向けて光が投射される。運転者６５Ｘ及びその周囲で反射された光が検出装置５０Ｘの受光素子で受光され、画像処理部６６Ｘで画像データを生成する（撮像を行う）。判断部６７Ｘが、運転者６５Ｘを撮像した画像情報に基づいて、運転者６５Ｘの顔（表情）や姿勢などの情報を判断する。そして、判断部６７Ｘの判断結果に基づいて、運転制御部６８Ｘがブレーキや操舵輪を制御して、運転者６５Ｘの状況に応じた適切な運転支援を行う。例えば、脇見運転や居眠り運転を検出したときの自動減速や自動停止などの制御を行うことができる。

図１９の適用例では、検出装置５０Ｘによる運転者６５Ｘの状態検出に関して、上述した図１６の検出装置５０Ｘと同様の効果（検出精度の向上）を得ることができる。特に、光源装置から均一な照度で広角に光を投射して広い範囲で運転者６５Ｘの情報を検出することができるため、検出範囲が狭い場合に比して多くの情報量が得られ、運転支援の精度向上を実現できる。

図１９は検出装置５０Ｘを自動車６４Ｘに搭載した例であるが、自動車以外の移動体として、電車や航空機などに適用することも可能である。また、検出の対象として、移動体の運転者や操縦者の顔や姿勢の検出以外に、客席における乗客の状態や、客席以外の車内の状態の検出に用いることも可能である。また、機能面では、図１８の適用例と同様にして、運転者の個人認証に用いることも可能である。例えば、検出装置５０Ｘを用いて運転者６５Ｘを検出して、予め登録された運転者情報と合致した場合にのみ、エンジンの始動を許可したり、ドアロックの施錠や解錠を許可したりするという制御が可能である。

図２０は、移動体における自律走行システムに検出装置５０Ｘを使用した適用例を示す。図１９の適用例とは異なり、図２０の適用例では、移動体７０Ｘの外部にある対象物のセンシングに検出装置５０Ｘを用いている。移動体７０Ｘは、外部の状況を認識しながら自動で走行することが可能な自律走行型の移動体である。

移動体７０Ｘに検出装置５０Ｘが搭載されており、検出装置５０Ｘは移動体７０Ｘの進行方向及びその周辺領域に向けて光を照射する。移動体７０Ｘの移動エリアである室内７１Ｘにおいて、移動体７０Ｘの進行方向に机７２Ｘが設置されている。移動体７０Ｘに搭載した検出装置５０Ｘの光源装置から投射された光のうち、机７２Ｘ及びその周囲で反射された光が検出装置５０Ｘの受光素子で受光され、光電変換された電気信号が信号処理部７３Ｘに送られる。信号処理部７３Ｘでは、受光素子から送られた電気信号などに基づいて、机７２Ｘとの距離や机７２Ｘの位置、机７２Ｘ以外の周辺状況など、室内７１Ｘのレイアウトに関する情報を算出する。この算出された情報に基づいて、移動体７０Ｘの移動経路や移動速度などを判断部７４Ｘが判断し、判断部７４Ｘの判断結果に基づいて、運転制御部７５Ｘが移動体７０Ｘの走行（駆動源であるモータの動作など）を制御する。

図２０の適用例では、検出装置５０Ｘによる室内７１Ｘのレイアウト検出に関して、上述した図１６の検出装置５０Ｘと同様の効果（検出精度の向上）を得ることができる。特に、光源装置から均一な照度で広角に光を投射して広い範囲で室内７１Ｘの情報を検出することができるため、検出範囲が狭い場合に比して多くの情報量が得られ、移動体７０Ｘの自律走行の精度向上を実現できる。

図２０は、室内７１Ｘで走行する自律走行型の移動体７０Ｘに検出装置５０Ｘを搭載した例であるが、屋外で走行する自律走行型の車両（いわゆる自動運転車両）に適用することもできる。また、自律走行型ではなく、運転者が運転を行う自動車などの移動体における運転支援システムに適用することも可能である。この場合、検出装置５０Ｘを用いて移動体の周辺状況を検出して、検出された周辺状況に応じて、運転者の運転を支援することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記の実施形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記の実施形態では、「アレイ光源」としてＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を用いる場合を例示して説明したが、「アレイ光源」としてＬＤ（Laser Diode）又はＬＥＤ（Light Emitting Diode）を用いることも可能である。また、「アレイ光源」としてＥＥＬ（Edge Emitting Laser）を用いてもよい。上記のようにＶＣＳＥＬは、発光領域の二次元化の容易さや、複数の発光領域の配置の自由度の高さといった点で有利である。例えば、ＶＣＳＥＬは、複数の発光部を同一面内に多数敷き詰めて配置することが容易であり、端面発光型のＬＤを並べるよりも小型化・薄型を図ることができる。しかし、ＶＣＳＥＬ以外のアレイ光源を用いた場合でも、各発光素子の配置や発光量を適宜設定することにより、上記の実施形態と同様の効果を得ることができる。

例えば、上記の実施形態では、「アレイ光源」として、複数の面発光レーザ素子を水平方向及び垂直方向に並べて、全体として面発光する形態の面発光レーザを用いているが、水平方向や垂直方向など、特定の方向にのみ発光領域が並ぶライン状の光源を用いることも可能である。

以上の実施形態では、複数の照明手段が、検出対象を含んだ全天球領域を照明し、検出手段が、全天球領域における検出対象との距離を検出する場合を例示して説明した。しかし、複数の照明手段による照明領域や検出手段による検出領域は、全天球領域（全方位）に限定されず、種々の設計変更が可能である。例えば、装置の上下面をカバーで覆って、前後左右の３６０度を照明領域と検出領域とすることも可能である。

１ 測距装置（検出装置）
１０ 第１の照明ユニット（照明手段）
１１ 第１のアレイ光源
１２ 第１の照明光学系（投光レンズ）
２０ 第１の受光ユニット
２１ 第１の受光素子（検出手段）
２２ 第１の受光光学系（受光レンズ）
３０ 第２の照明ユニット（照明手段）
３１ 第２のアレイ光源
３２ 第２の照明光学系（投光レンズ）
４０ 第２の受光ユニット
４１ 第２の受光素子（検出手段）
４２ 第２の受光光学系（受光レンズ）
５０ 光源駆動回路（照明光制御手段、電流制御手段）
６０ 信号制御回路
７０ アレイ光源（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）
７１ 面発光レーザ素子
７２ 基板
７３ コンタクト層
７４Ｕ 上部多層膜反射鏡
７４Ｄ 下部多層膜反射鏡
７５Ｕ 上部スペーサ層
７５Ｄ 下部スペーサ層
７６ 活性層
７７ 電流狭窄層
７７ａ 電流通過領域
７７ｂ 電流通過抑制領域
７８Ｕ 上部電極
７８Ｄ 下部電極
７９ 絶縁体
８０ 第１の照明ユニットによる照明領域
９０ 第２の照明ユニットによる照明領域
１００ 減光フィルタ（照明光制御手段）
５０Ｘ 検出装置
５４Ｘ 多関節アーム（電子機器）
６０Ｘ 携帯情報端末（電子機器）
６４Ｘ 自動車（電子機器）
７０Ｘ 移動体（電子機器）

Claims (10)

1. ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）アレイ光源と照明光学系を各々が有する複数の照明手段と、
   前記複数の照明手段から照明されて検出対象で反射された反射光を検出する検出手段と、
   前記複数の照明手段の各々について、強度又は照度を制御する照明光制御手段と、
   を有し、
   前記複数の照明手段において、前記ＶＣＳＥＬアレイ光源からの距離が所定距離以上で３６０°の領域を照明し、
   前記照明光制御手段は、前記所定距離以上での、隣接する照明手段からの照明光が重なる前記照明手段の周辺側部分の強度又は照度を、隣接する照明手段からの照明光が重ならない前記照明手段の中央側部分の強度又は照度より小さくする、
   ことを特徴とする検出装置。
2. ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）アレイ光源と照明光学系を各々が有する複数の照明手段と、
   前記複数の照明手段から照明されて検出対象で反射された反射光を検出する検出手段と、
   前記複数の照明手段の各々について、強度又は照度を制御する照明光制御手段と、
   を有し、
   各々の前記照明光学系は、魚眼レンズ又は超広角レンズを含み、前記ＶＣＳＥＬアレイ光源からの距離が所定距離以上の領域において、隣接する照明手段からの照明光が重なり、
   前記照明光制御手段は、前記所定距離以上での、隣接する照明手段からの照明光が重なる前記照明手段の周辺側部分の強度又は照度を、隣接する照明手段からの照明光が重ならない前記照明手段の中央側部分の強度又は照度より小さくする、
   ことを特徴とする検出装置。
3. 前記複数の照明手段は、互いに異なる方向を向いている、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の検出装置。
4. 前記照明光制御手段は、前記ＶＣＳＥＬアレイ光源と前記照明光学系の間に配置されるとともに、前記ＶＣＳＥＬアレイ光源からの照明光の周辺側部分を減光する減光フィルタを有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の検出装置。
5. 前記照明光制御手段は、前記ＶＣＳＥＬアレイ光源の周辺側部分のアレイサイズを中央側部分のアレイサイズより小さくすることにより実現される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の検出装置。
6. 前記照明光制御手段は、前記ＶＣＳＥＬアレイ光源の周辺側部分のアレイピッチを中央側部分のアレイピッチより長くすることにより実現される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の検出装置。
7. 前記照明光制御手段は、前記ＶＣＳＥＬアレイ光源の周辺側部分に対する注入電流を中央側部分に対する注入電流より小さくする電流制御手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の検出装置。
8. 前記複数の照明手段から照明されて前記検出対象で反射された反射光を前記検出手段に導く受光光学系をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の検出装置。
9. 前記受光光学系は、魚眼レンズ又は超広角レンズを有する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の検出装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の検出装置からの情報が入力される電子機器であって、
    前記検出装置からの情報に基づいて前記電子機器の制御を行う制御部を有する、
    ことを特徴とする電子機器。

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