JPWO2013015145A1 - 情報取得装置および物体検出装置 - Google Patents

Abstract

コストを低減させることが可能な情報取得装置および物体検出装置を提供する。情報取得装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を目標領域に投射する投射部と、前記目標領域から反射された前記レーザ光を受光する受光部と、を備える。ここで、受光部は、目標領域から反射されたレーザ光が入射するカラーイメージセンサを有する。また、カラーイメージセンサは、波長８３０ｎｍ近傍でＲ光、Ｇ光、Ｂ光を検出する画素の検出感度が互いに略揃う。レーザ光源の出射波長は、波長８３０ｎｍ程度に設定されている。これにより、カラーイメージセンサによって、レーザ光を適正に検出することができる。また、カラーイメージセンサはモノクロイメージセンサに比べて安価であるため、装置全体のコストを低減することができる。

Description

本発明は、目標領域に光を投射したときの反射光の状態に基づいて目標領域内の物体を検出する物体検出装置および当該物体検出装置に用いて好適な情報取得装置に関する。

従来、光を用いた物体検出装置が種々の分野で開発されている。いわゆる距離画像センサを用いた物体検出装置では、２次元平面上の平面的な画像のみならず、検出対象物体の奥行き方向の形状や動きを検出することができる。かかる物体検出装置では、レーザ光源やＬＥＤ（Light Emitting Diode）から、予め決められた波長帯域の光が目標領域に投射され、その反射光がＣＭＯＳイメージセンサ等の受光素子により受光される。距離画像センサとして、種々のタイプのものが知られている。

所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの距離画像センサでは、ドットパターンを持つレーザ光の目標領域からの反射光が受光素子によって受光される。そして、ドットの受光素子上の受光位置に基づいて、三角測量法を用いて、検出対象物体の各部（検出対象物体上の各ドットの照射位置）までの距離が検出される（たとえば、非特許文献１）。

第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８−２０日）予稿集、Ｐ１２７９−１２８０

上記物体検出装置では、たとえば、目標領域に対してドットパターンを持つ赤外光が照射され、目標領域に位置する物体によって反射された赤外光が、モノクロ用のイメージセンサにより受光される。しかしながら、モノクロ用のイメージセンサは生産量が少なく高価であるため、装置全体のコストが上昇するとの問題を生じる。

本発明は、このような問題を解消するためになされたものであり、コストを低減させることが可能な情報取得装置および物体検出装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、情報取得装置に関する。この態様に係る情報取得装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を目標領域に投射する投射部と、前記目標領域から反射された前記レーザ光を受光する受光部と、を備える。ここで、前記受光部は、前記目標領域から反射された前記レーザ光が入射するカラーイメージセンサを有する。また、前記カラーイメージセンサは、可視光領域よりも長波長側において、所定の色の光を検出する画素の検出感度が次第に減少し、前記色以外の残りの色の光を検出する画素の検出感度がそれぞれ極大値を持つ特性を有し、前記極大値を与える波長の近傍の波長帯域において前記各画素の検出感度が互いに略揃う。前記レーザ光源の出射波長は、前記波長帯域内の波長に設定されている。

本発明の第２の態様は、物体検出装置に関する。この態様に係る物体検出装置は、上記第１の態様に係る情報取得装置を有する。

本発明によれば、コストを低減させることが可能な情報取得装置および物体検出装置を提供することができる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態により何ら制限されるものではない。

実施の形態に係る物体検出装置の概略構成を示す図である。 実施の形態に係る情報取得装置と情報処理装置の構成を示す図である。 実施の形態に係る目標領域に対するレーザ光の照射状態を模式的に示す図およびＣＭＯＳイメージセンサにおけるレーザ光の受光状態を模式的に示す図である。 実施の形態に係る距離検出の方法を説明する図である。 実施の形態に係る基準テンプレートのセグメント領域が実測時においてどの位置に変位したかを検出する手法を説明する図である。 モノクロ用センサと実施の形態に係るカラー用センサの構成を示す模式図である。 実施の形態に係るカラー用センサの分光特性を示す図である。 実施の形態に係るＣＭＯＳイメージセンサとしてカラー用センサが用いられる場合の、ドットパターンのレーザ光を示す図である。 他のカラー用センサの分光特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態につき図面を参照して説明する。本実施の形態には、所定のドットパターンを持つレーザ光を目標領域に照射するタイプの情報取得装置が例示されている。

まず、図１に本実施の形態に係る物体検出装置の概略構成を示す。図示の如く、物体検出装置は、情報取得装置１と、情報処理装置２とを備えている。テレビ３は、情報処理装置２からの信号によって制御される。

情報取得装置１は、目標領域全体に赤外光を投射し、その反射光をＣＭＯＳイメージセンサにて受光することにより、目標領域にある物体各部の距離（以下、「３次元距離情報」という）を取得する。取得された３次元距離情報は、ケーブル４を介して情報処理装置２に送られる。

情報処理装置２は、たとえば、テレビ制御用のコントローラやゲーム機、パーソナルコンピュータ等である。情報処理装置２は、情報取得装置１から受信した３次元距離情報に基づき、目標領域における物体を検出し、検出結果に基づきテレビ３を制御する。

たとえば、情報処理装置２は、受信した３次元距離情報に基づき人を検出するとともに、３次元距離情報の変化から、その人の動きを検出する。たとえば、情報処理装置２がテレビ制御用のコントローラである場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人のジェスチャを検出するとともに、ジェスチャに応じてテレビ３に制御信号を出力するアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定のジェスチャをすることにより、チャンネル切り替えやボリュームのＵｐ／Ｄｏｗｎ等、所定の機能をテレビ３に実行させることができる。

また、たとえば、情報処理装置２がゲーム機である場合、情報処理装置２には、受信した３次元距離情報からその人の動きを検出するとともに、検出した動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させ、ゲームの対戦状況を変化させるアプリケーションプログラムがインストールされている。この場合、ユーザは、テレビ３を見ながら所定の動きをすることにより、自身がテレビ画面上のキャラクタとしてゲームの対戦を行う臨場感を味わうことができる。

図２は、情報取得装置１と情報処理装置２の構成を示す図である。

情報取得装置１は、光学部の構成として、投射光学系１００と受光光学系２００とを備えている。投射光学系１００と受光光学系２００は、Ｘ軸方向に所定の距離だけ離れて並ぶように、情報取得装置１に配置される。

投射光学系１００は、レーザ光源１１０と、コリメータレンズ１２０と、立ち上げミラー１３０と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１４０とを備えている。また、受光光学系２００は、アパーチャ２１０と、撮像レンズ２２０と、フィルタ２３０と、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０とを備えている。この他、情報取得装置１は、回路部の構成として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２１と、レーザ駆動回路２２と、撮像信号処理回路２３と、入出力回路２４と、メモリ２５を備えている。

レーザ光源１１０は、受光光学系２００から離れる方向（Ｘ軸正方向）に赤外の波長帯域のレーザ光を出力する。なお、レーザ光源１１０の出射波長の設定方法については、追って、図７を参照して説明する。

コリメータレンズ１２０は、レーザ光源１１０から出射されたレーザ光を略平行光に変換する。立ち上げミラー１３０は、コリメータレンズ１２０側から入射されたレーザ光をＤＯＥ１４０に向かう方向（Ｚ軸方向）に反射する。

ＤＯＥ１４０は、入射面に回折パターンを有する。この回折パターンによる回折作用により、ＤＯＥ１４０に入射したレーザ光は、ドットパターンのレーザ光に変換されて、目標領域に照射される。回折パターンは、たとえば、ステップ型の回折ホログラムが所定のパターンで形成された構造とされる。回折ホログラムは、立ち上げミラー１３０側から入射するレーザ光をドットパターンのレーザ光に変換するよう、パターンとピッチが調整されている。

また、ＤＯＥ１４０は、立ち上げミラー１３０から入射されたレーザ光を、放射状に広がるドットパターンのレーザ光として、目標領域に照射する。ドットパターンの各ドットの大きさは、ＤＯＥ１４０に入射する際のレーザ光のビームサイズに応じたものとなる。ＤＯＥ１４０にて回折されないレーザ光（０次光）は、ＤＯＥ１４０を透過してそのまま直進する。

目標領域から反射されたレーザ光は、アパーチャ２１０を介して撮像レンズ２２０に入射する。

アパーチャ２１０は、撮像レンズ２２０のＦナンバーに合うように、外部からの光に絞りを掛ける。撮像レンズ２２０は、アパーチャ２１０を介して入射された光をＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に集光する。フィルタ２３０は、レーザ光源１１０の出射波長を含む赤外の波長帯域の光のみを透過するＩＲフィルタ（Infrared Filter）である。フィルタ２３０により、受光光学系２００に入射する光から、可視光がカットされる。なお、本実施の形態では、フィルタ２３０が撮像レンズ２２０の後段に配置されているが、フィルタ２３０が撮像レンズ２２０の前段に配置されても良い。また、フィルタ２３０は、レーザ光源１１０の出射波長帯域を含む狭い波長帯域の光のみを透過させる狭帯域のバンドパスフィルタであっても良い。

ＣＭＯＳイメージセンサ２４０は、撮像レンズ２２０によって集光された光を受光して、画素毎に、受光量に応じた信号（電荷）を撮像信号処理回路２３に出力する。ここで、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０は、各画素における受光から高レスポンスでその画素の信号（電荷）を撮像信号処理回路２３に出力できるよう、信号の出力速度が高速化されている。なお、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０については、追って図６（ｃ）〜（ｅ）、図７を参照して説明する。

ＣＰＵ２１は、メモリ２５に格納された制御プログラムに従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ２１には、レーザ光源１１０を制御するためのレーザ制御部２１ａと、３次元距離情報を生成するための距離演算部２１ｂの機能が付与される。

レーザ駆動回路２２は、ＣＰＵ２１からの制御信号に応じてレーザ光源１１０を駆動する。

撮像信号処理回路２３は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０を制御して、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０で生成された各画素の信号（電荷）をライン毎に順次取り込む。そして、取り込んだ信号を順次ＣＰＵ２１に出力する。ＣＰＵ２１は、撮像信号処理回路２３から供給される信号（撮像信号）をもとに、情報取得装置１から検出対象物の各部までの距離を、距離演算部２１ｂによる処理によって算出する。入出力回路２４は、情報処理装置２とのデータ通信を制御する。

情報処理装置２は、ＣＰＵ３１と、入出力回路３２と、メモリ３３を備えている。なお、情報処理装置２には、図２に示す構成の他、テレビ３との通信を行うための構成や、ＣＤ−ＲＯＭ等の外部メモリに格納された情報を読み取ってメモリ３３にインストールするためのドライブ装置等が配されるが、便宜上、これら周辺回路の構成は図示省略されている。

ＣＰＵ３１は、メモリ３３に格納された制御プログラム（アプリケーションプログラム）に従って各部を制御する。かかる制御プログラムによって、ＣＰＵ３１には、画像中の物体を検出するための物体検出部３１ａの機能が付与される。かかる制御プログラムは、たとえば、図示しないドライブ装置によってＣＤ−ＲＯＭから読み取られ、メモリ３３にインストールされる。

たとえば、制御プログラムがゲームプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動きを検出する。そして、検出された動きに応じてテレビ画面上のキャラクタを動作させるための処理が制御プログラムにより実行される。

また、制御プログラムがテレビ３の機能を制御するためのプログラムである場合、物体検出部３１ａは、情報取得装置１から供給される３次元距離情報から画像中の人およびその動き（ジェスチャ）を検出する。そして、検出された動き（ジェスチャ）に応じて、テレビ３の機能（チャンネル切り替えやボリューム調整、等）を制御するための処理が制御プログラムにより実行される。

入出力回路３２は、情報取得装置１とのデータ通信を制御する。

図３（ａ）は、目標領域に対するレーザ光の照射状態を模式的に示す図であり、図３（ｂ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０のレーザ光の受光状態を模式的に示す図である。なお、図３（ｂ）には、便宜上、目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在するときの受光状態が示されている。

図３（ａ）に示すように、投射光学系１００からは、ドットパターンを持ったレーザ光（以下、このパターンを持つレーザ光の全体を「ＤＰ光」という）が、目標領域に照射される。ＤＰ光の光束中には、ＤＯＥ１４０の回折作用によってレーザ光の強度が高められたドット領域（以下、単に「ドット」という）が、ＤＯＥ１４０の回折作用によるドットパターンに従って点在している。目標領域に平坦な面（スクリーン）が存在すると、これにより反射されたＤＰ光は、図３（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に分布する。

ここで、図４（ａ）、（ｂ）を参照して、上記距離検出の方法を説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、投射光学系１００から所定の距離Ｌｓの位置に、Ｚ軸方向に垂直な平坦な反射平面ＲＳが配置される。出射されたＤＰ光は、反射平面ＲＳによって反射され、受光光学系２００のＣＭＯＳイメージセンサ２４０に入射する。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０から、画素毎の電気信号が出力される。出力された画素毎の電気信号の値（画素値）は、図２のメモリ２５上に展開され、図４（ｂ）に示すように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上におけるＤＰ光の照射領域を規定する“基準パターン領域”が設定される。

こうして設定された基準パターン領域に対して、所定の大きさ（たとえば、縦１５画素、横１５画素）を有する複数のセグメント領域が設定される。セグメント領域は、基準パターン領域に対して１画素間隔で並ぶように設定される。すなわち、あるセグメント領域は、このセグメント領域の上下左右に隣り合うセグメント領域に対して１画素ずれた位置に設定される。このとき、各セグメント領域には、固有のパターンでドットが点在する。よって、セグメント領域内の画素値のパターンは、セグメント領域毎に異なっている。

こうして、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上における基準パターン領域の位置に関する情報と、基準パターン領域に含まれる全画素の画素値（基準パターン）と、基準パターン領域に対して設定されるセグメント領域の情報が、図２のメモリ２５に記憶される。メモリ２５に記憶されるこれらの情報を、以下、「基準テンプレート」と称する。

図２のＣＰＵ２１は、投射光学系１００から検出対象物体の各部までの距離を算出する際に、基準テンプレートを参照する。ＣＰＵ２１は、距離を算出する際に、基準テンプレートから得られる各セグメント領域内のドットパターンのずれ量に基づいて、物体の各部までの距離を算出する。

たとえば、図４（ａ）に示すように距離Ｌｓよりも近い位置に物体がある場合、基準パターン上の所定のセグメント領域Ｓｎに対応するＤＰ光（ＤＰｎ）は、物体によって反射され、セグメント領域Ｓｎとは異なる領域Ｓｎ’に入射する。投射光学系１００と受光光学系２００はＸ軸方向に隣り合っているため、セグメント領域Ｓｎに対する領域Ｓｎ’の変位方向はＸ軸に平行となる。図４（ａ）の場合、物体が距離Ｌｓよりも近い位置にあるため、領域Ｓｎ’は、セグメント領域Ｓｎに対してＸ軸正方向に変位する。物体が距離Ｌｓよりも遠い位置にあれば、領域Ｓｎ’は、セグメント領域Ｓｎに対してＸ軸負方向に変位する。

セグメント領域Ｓｎに対する領域Ｓｎ’の変位方向と変位量をもとに、投射光学系１００からＤＰ光（ＤＰｎ）が照射された物体の部分までの距離Ｌｒが、距離Ｌｓを用いて、三角測量法に基づき算出される。同様にして、他のセグメント領域に対応する物体の部分について、投射光学系１００からの距離が算出される。かかる算出手法の詳細は、たとえば、上記非特許文献１（第１９回日本ロボット学会学術講演会（２００１年９月１８−２０日）予稿集、Ｐ１２７９−１２８０）に示されている。

かかる距離算出では、基準テンプレートのセグメント領域Ｓｎが、実測時においてどの位置に変位したかを検出する必要がある。この検出は、実測時にＣＭＯＳイメージセンサ２４０上に照射されたＤＰ光のドットパターンと、セグメント領域Ｓｎに含まれるドットパターンとを照合することによって行われる。

図５（ａ）〜（ｃ）は、かかる検出の手法を説明する図である。図５（ａ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０上における基準パターン領域を示す図であり、図５（ｂ）は、実測時のＣＭＯＳイメージセンサ２４０上の受光状態を示す図であり、図５（ｃ）は、実測されたＤＰ光のドットパターンと、基準テンプレートのセグメント領域に含まれるドットパターンとの照合方法を説明する図である。

図５（ａ）のセグメント領域Ｓ１の実測時における変位位置を探索する場合、図５（ｂ）に示すように、セグメント領域Ｓ１によって規定される領域が、Ｘ軸方向の所定の範囲（探索範囲）において１画素ずつ送られる。各送り領域（比較領域）において、基準テンプレートに記憶されているセグメント領域Ｓ１のドットパターンと、実測されたＤＰ光のドットパターンのマッチング度合いが求められる。これは、上記のように、通常、基準テンプレートにより設定されたセグメント領域のドットパターンは、実測時において、Ｘ軸方向の所定の範囲内でのみ変位するためである。

上記マッチング度合いの検出時には、比較領域とセグメント領域Ｓ１との間の類似度が求められる。すなわち、セグメント領域Ｓ１の各画素の画素値と、比較領域に対応する画素の画素値との差分が求められる。そして、求めた差分を比較領域の全ての画素について加算した値Ｒｓａｄが、類似度を示す値として取得される。

たとえば、図５（ｃ）のように、一つのセグメント領域中に、ｍ列×ｎ行の画素が含まれている場合、セグメント領域のｉ列、ｊ行の画素の画素値Ｔ（ｉ，ｊ）と、比較領域のｉ列、ｊ行の画素の画素値Ｉ（ｉ，ｊ）との差分が求められる。そして、セグメント領域の全ての画素について差分が求められ、その差分の総和により、図５（ｃ）に示す式により値Ｒｓａｄが求められる。値Ｒｓａｄが小さい程、セグメント領域と比較領域との間の類似度が高い。

セグメント領域Ｓ１について、探索範囲の全ての比較領域に対して値Ｒｓａｄが求められると、求めた値Ｒｓａｄの中から、閾値より小さいものが抽出される。閾値より小さい値Ｒｓａｄが無ければ、セグメント領域Ｓ１の探索はエラーとされる。そして、抽出されたＲｓａｄの中で最も値が小さいものに対応する比較領域が、セグメント領域Ｓ１の移動領域であると判定される。

同様に、セグメント領域Ｓ１の右に隣接するセグメント領域についても、探索が行われる。こうして、基準パターン領域の最上段のセグメント領域について、順次ラインＬ１に沿って探索が行われる。また、他のライン上のセグメント領域も、上記と同様、そのライン上のセグメント領域についての探索が行われる。

実測時に取得されたＤＰ光のドットパターンから、各セグメント領域の変位位置が探索されると、上記のように、その変位位置に基づいて、三角測量法により、各セグメント領域に対応する検出対象物体の部位までの距離が求められる。

ここで、本実施例のＣＭＯＳイメージセンサ２４０として、モノクロ用のイメージセンサ（以下、「モノクロ用センサ」という）が用いられる場合について説明する。

図６（ａ）、（ｂ）は、モノクロ用センサの構成を示す模式図である。図６（ａ）は、モノクロ用センサの受光面全体を示す図であり、図６（ｂ）は、モノクロ用センサの一部拡大図である。

モノクロ用センサの受光面には、図６（ｂ）に示すように、複数の画素ｐが配置されている。各画素ｐは、光センサを備え、受光した光量に応じて信号（電荷）を出力する。

上述したように、受光光学系２００に入射する光のうち、可視光はフィルタ２３０（図２参照）によりカットされる。また、目標領域において反射されたドットパターンのレーザ光は赤外光であるため、フィルタ２３０を透過する。このため、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０としてモノクロ用センサが用いられると、かかるモノクロ用センサは、目標領域において反射されたドットパターンのレーザ光の各ドットの光量に応じた信号を、各画素の信号として適正に出力することができる。

しかしながら、モノクロ用センサは生産量が少なく高価であるため、装置全体のコストが上昇するとの問題を生じる。そこで、本件出願の発明者は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０として、高価なモノクロ用センサではなく、生産量が多く安価なカラー用のイメージセンサ（以下、「カラー用センサ」という）を用いることを考えた。ＣＭＯＳイメージセンサ２４０として利用可能なカラー用センサとして、たとえば、既存の携帯電話機のカメラユニットに搭載されているカラー用センサや、ビデオカメラ、デジタルカメラのカメラユニットに搭載されているカラー用センサ等が挙げられる。

図６（ｃ）〜（ｅ）は、カラー用センサの構成を示す模式図である。図６（ｃ）は、カラー用センサの受光面全体を示す図であり、図６（ｄ）、（ｅ）は、カラー用センサの一部拡大図である。

カラー用センサの受光面には、図６（ｄ）に示すように、モノクロ用センサと同様、複数の画素ｐが配置されている。また、複数の画素ｐの光入射側には、図６（ｅ）に示すように、赤色の波長帯域の光（以下、「Ｒ光」という）を透過するカラーフィルタＦｒと、緑色の波長帯域の光（以下、「Ｇ光」という）を透過するカラーフィルタＦｇと、青色の波長帯域の光（以下、「Ｂ光」という）を透過するカラーフィルタＦｂとが規則的に配置されている。各画素ｐには、カラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂのうち何れか１つのカラーフィルタが対応している。

図７は、この場合のカラー用センサの分光特性を示す図である。横軸は、カラーフィルタに入射する光の波長を表し、縦軸は、カラーフィルタに対応する画素ｐの感度を表している。ここで、感度は、画素ｐから出力される電流（Ａ）と、カラーフィルタに入射する光の光量（Ｗ）の比率で表される。図中、一点鎖線は、カラーフィルタが無い場合の感度を示し、モノクロ用センサが用いられる場合の感度に相当する。

なお、図７は、既存の携帯電話機のカメラユニットに用いられる汎用的なＣＭＯＳタイプのカラー用センサのうち、一つをサンプルとして評価したときの分光特性である。

図７に示すように、カラーフィルタＦｒは、波長６５０〜７５０ｎｍ程度の光（Ｒ光）が透過し易いように構成されている。カラーフィルタＦｇは、波長５２５〜５７５ｎｍ程度の光（Ｇ光）が透過し易いように構成されている。カラーフィルタＦｂは、波長４５０〜５００ｎｍ程度の光（Ｂ光）が透過し易いように構成されている。

可視光がカラー用センサに入射すると、可視光に含まれるＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、それぞれ、カラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂのみを透過する。これにより、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を検出する画素ｐ（カラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂに対応する画素ｐ）から出力される信号（電荷）に基づいて、対象物体の形状と色が判別される。

しかしながら、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０として、モノクロ用センサの替わりに、このような分光特性を有するカラー用センサを用いるだけでは、以下に示すように、カラー用センサからドットパターンのレーザ光に応じた信号を適正に出力させることはできない。

図８（ａ）、（ｂ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０としてカラー用センサが用いられる場合の、ドットパターンのレーザ光を示す図である。図８（ａ）は、図６（ｅ）に示すカラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂ上に照射されるドットを示す図であり、図８（ｂ）は、画素ｐ上に照射されるドットを示す図である。

たとえば、図２におけるレーザ光源１１０の出射波長帯域が、緑色の波長帯域の近傍にあり、フィルタ２３０が、緑色の波長帯域の光を透過するよう構成されていると仮定する。図８（ａ）、（ｂ）には、このようにレーザ光源１１０（図２参照）がＧ光を出射する場合のドットの照射状態が例示されている。

この場合、たとえば、図８（ａ）に示すように、カラー用センサにＧ光のドットが３つ照射されると、カラーフィルタＦｇ以外のカラーフィルタＦｒ、Ｆｂに照射されるドットはカラー用センサによって検出されなくなる。すなわち、Ｇ光は、カラーフィルタＦｒ、Ｆｂを略透過しないため、図８（ａ）に示すように３つのドットが照射されても、図８（ｂ）の×印に示すように、そのうち２つのドットは画素ｐに届かなくなる。同様に、レーザ光源１１０が、Ｒ光またはＢ光を出射する場合も、Ｒ光またはＢ光を略透過しないカラーフィルタに照射されたドットは、画素ｐに届かないため、カラー用センサによって検出されなくなる。

なお、ここでは、レーザ光源１１０が、Ｇ光、Ｒ光またはＢ光を出射する場合について説明したが、たとえば、レーザ光源１１０の出射波長がＧ光とＲ光の間、または、Ｂ光とＧ光の間の波長帯域にある場合も、カラー用センサによるドットの検出が適正に行われなくなる。たとえば、レーザ光源１１０の出射波長がＧ光とＲ光の間の６００ｎｍ程度である場合、図７に示すように、Ｇ光を検出する画素ｐの感度が小さくなり、また、Ｂ光を検出する画素ｐの感度はさらに一層小さくなる。このため、カラーフィルタＦｇ、Ｆｂの位置にドットが照射されると、このドットが適正に検出されない惧れがある。同様に、レーザ光源１１０出射波長が、赤外の波長帯域であっても、可視光に近い７７０ｎｍ程度であれば、Ｇ光、Ｂ光を検出する画素ｐの感度がかなり小さいため、カラーフィルタＦｇ、Ｆｂの位置にドットが照射されると、このドットが適正に検出されない惧れがある。

このように、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０としてカラー用センサが用いられる場合、レーザ光源１１０の出射波長によっては、ドットの検出漏れが生じ、ドットパターンのレーザ光を適正に検出することができなくなる。

そこで、本件出願の発明者は、カラー用センサが用いられても、ドットパターンのレーザ光を適正に検出することができるよう、以下に示すように、レーザ光源１１０の出射波長を設定した。

図７を参照して、上述したように、カラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂは、それぞれ、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を通し易いように構成されている。通常、カラー用センサは、人や風景を撮像するカメラユニットに搭載されるため、カラー用センサのカラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂの特性は、人の目に視認される可視光に基づいて設定される。既存のカメラユニットでは、人の目に視認されない赤外光は、赤外除去フィルタ等によって除去される。このため、赤外の波長帯域におけるカラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂの特性は、これまで、カラー用センサにおいて、さほど重要ではなかった。

本件出願の発明者は、このように用いられてきたカラー用センサについて、赤外の波長帯域の感度を検討・評価した。そして、サンプルとされた汎用的なカラー用センサにおいて、各カラーフィルタが、図７に示すように、波長８３０ｎｍ付近の光を略等しく透過することに注目した。図７に示すような分光特性を有するカラー用センサに、波長８３０ｎｍ付近の光が照射されると、この光は、各カラーフィルタを略等しく透過する。このため、かかるカラー用センサをＣＭＯＳイメージセンサ２４０として用い、且つ、レーザ光源１１０の出射波長を８３０ｎｍ程度に設定すると、上記のようなドットの検出漏れを抑制でき、ドットパターンのレーザ光を適正に検出することができる。

なお、発明者が既存の他のカラー用センサを評価したところ、このような分光特性は、大半の汎用的なカラー用センサに共通するものであった。すなわち、汎用的なカラー用センサは、可視光領域よりも長波長側において、Ｒ光を検出する画素の検出感度が次第に減少し、Ｒ光以外のＧ光およびＢ光を検出する画素の検出感度がそれぞれ極大値を持つ特性を有しており、この極大値を与える波長の近傍の波長帯域において、各画素の検出感度が互いに略揃っていた。また、可視光領域よりも長波長側において、Ｇ光およびＢ光を検出する画素の検出感度が極大値となる波長は、８３０ｎｍ近傍であった。

図９（ａ）〜（ｃ）は、図７とは異なる他のカラー用センサ（互いにメーカが異なる）の分光特性を示す図である。図９（ｂ）の縦軸は、画素ｐから出力される電圧（Ｖ）と、カラーフィルタに入射する光の光量（Ｗ）の比率により表される感度を示している。図９（ｃ）の縦軸は、各カラーフィルタの感度の相対値を示している。図９（ａ）〜（ｃ）に示す何れのカラー用センサにおいても、波長８３０ｎｍ近傍において感度が略等しくなっている。なお、図９（ｂ）の分光特性では、Ｇ光およびＢ光を検出する画素の検出感度が極大値となる波長が互いに１０ｎｍ程度ずれている。これに対し、図９（ａ）、（ｃ）の分光特性では、Ｇ光およびＢ光を検出する画素の検出感度が極大値となる波長が略一致している。

本件出願の発明者は、このようなカラー用センサの分光特性を考慮して、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０としてカラー用センサを用いる場合に、レーザ光源１１０が出射するレーザ光の波長を、８３０ｎｍ程度に設定した。

具体的には、レーザ光源１１０の出射波長は、装置が使用される環境温度の中心となる温度に使用時に上昇する温度を加えた“基準温度”において、目標となる値となるように設定される。たとえば、装置が使用される環境温度が０〜５０度であり、使用時に上昇する温度が１０度程度であると、基準温度は（５０／２）＋１０＝３５度となる。この場合、レーザ光の出射波長は、基準温度の３５度において８３０ｎｍとなるように設定される。なお、環境温度の変動により出射波長の変化が問題となる場合、レーザ光源１１０の近傍に、レーザ光源１１０の温度を基準温度に維持するための温度調整素子を配置するようにしても良い。また、ここでは、基準温度が上記のように設定されたが、他の方法により基準温度が設定されても良い。たとえば、装置が使用される環境温度の中心となる温度に基準温度が設定されても良く、あるいは、装置が使用される環境温度内の何れかの温度に基準温度が設定されても良い。

図８（ｃ）、（ｄ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０としてカラー用センサが用いられ、上記のようにレーザ光の波長が設定された場合の、カラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂ上のドットパターンと、画素ｐ上のドットパターンを示す図である。

この場合、たとえば、図６（ｅ）に示すカラーフィルタに対して、図８（ｃ）に示すようにドットが３つ照射されると、カラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂに照射されるドットは全て検出され得る。すなわち、波長８３０ｎｍのレーザ光は、図７に示すように、カラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂを略等しく透過するため、図８（ｃ）に示すように照射された全てのドットは、図８（ｄ）に示すように画素ｐにより受光され得る。

以上、本実施の形態によれば、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０として安価かつ汎用的なカラー用センサが用いられるため、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０として高価なモノクロ用センサが用いられる場合に比べて、装置全体のコストを低減することができる。

また、本実施の形態によれば、レーザ光源１１０が出射するレーザ光の波長が８３０ｎｍ程度に設定されるため、ドットパターンのレーザ光をＣＭＯＳイメージセンサ２４０により適正に検出することができる。また、このようにレーザ光の波長が設定されると、図７の“カラーフィルタ無し”に示すように、カラー用センサのカラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂが無い場合と略同じ感度を実現することができる。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０の検出信号におけるＳ／Ｎ比を高く維持することができる。

なお、上記実施の形態では、レーザ光源１１０が出射するレーザ光の波長が、８３０ｎｍ程度に設定されたが、これに限らず、レーザ光の波長は、赤外の波長帯域で、且つ、各色のカラーフィルタに対応する画素ｐの感度が極大値付近となるよう設定されれば良い。

たとえば、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０として用いられるカラー用センサの分光特性が図７および図９に示すものである場合、各色光を検出する画素ｐの検出感度は、８１０〜８７０ｎｍの波長帯域において高く維持される。よって、レーザ光源１１０の出射波長は、８１０〜８７０ｎｍ程度に設定するのが望ましい。

さらに好ましくは、レーザ光源１１０の出射波長は、８３０ｎｍ近傍（８３０±１０ｎｍ）に設定するのが望ましい。こうすると、Ｇ光、Ｂ光を検出する画素ｐの感度を赤外の波長帯域において略極大値とすることができ、Ｒ光を検出する画素ｐの感度もこれと同程度となる。このように各色光を検出する画素ｐの検出感度が略同じであれば、カラー用センサからの出力信号に対するゲインを色毎に調整する必要がない。また、このように、感度が略極大値となる波長帯域にレーザ光源１１０の出射波長が設定されると、温度変化によりレーザ光の出射波長が変動しても、感度が急激に低下することがない。よって、安定した検出動作を実現することができる。

なお、図９（ｂ）のように、Ｇ光およびＢ光を検出する画素ｐの検出感度が極大値となる波長が互いにずれている場合、何れか一方の極大値を与える波長の近傍にレーザ光源１１０の波長を設定しても良い。このようにしても、各極大値を与える波長は１０ｎｍ程度しかずれていないため、他方の極大値を与える色に対する検出感度もまた、高く維持される。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施の形態に何ら制限されるものではなく、また、本発明の実施の形態も上記の他に種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施の形態では、ドットパターンを受光するセンサとして、カラー用センサからなるＣＭＯＳイメージセンサ２４０を用いたが、これに替えて、カラー用センサからなるＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。さらに、投射光学系１００および受光光学系２００の構成も、適宜変更可能である。また、情報取得装置１と情報処理装置２は一体化されてもよいし、情報取得装置１と情報処理装置２がテレビやゲーム機、パーソナルコンピュータと一体化されてもよい。

また、上記実施の形態では、目標領域に照射されるレーザ光の波長帯以外の波長帯の光を除去するためにフィルタ２３０が配された。しかしながら、目標領域に照射されるレーザ光以外の光の信号成分を、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０から出力される信号から除去する回路構成が配されるような場合には、フィルタ２３０を省略することができる。

また、上記実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサ２４０として用いられるカラー用センサは、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を透過するカラーフィルタＦｒ、Ｆｇ、Ｆｂを有していた。しかしながら、これに替えて、かかるカラー用センサが、シアン色の光と、マゼンタ色の光と、イエロー色の光を透過するカラーフィルタを有していても良い。このようなカラーフィルタを有するカラー用センサが、図７、９に示すような分光特性を示す場合も、上記実施の形態と同様、分光特性を考慮してレーザ光の波長が設定されれば、ドットパターンのレーザ光を適正に受光することができる。

また、上記実施の形態では、投射光学系１００から目標領域に対してドットパターンのレーザ光が投射され、セグメント領域に含まれるドットパターンのずれ量に基づいて、目標領域における物体の３次元距離情報が取得された。しかしながら、これに限らず、レーザ光源１１０の出射タイミングと、画素ｐにおける当該レーザ光の受光タイミングの時間差により、情報取得装置１から目標領域における物体の３次元距離情報が取得されるよう、情報取得装置１が構成されても良い。

本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１ … 情報取得装置
２ … 情報処理装置（物体検出装置）
１００ … 投射光学系（投射部）
１１０ … レーザ光源
１４０ … ＤＯＥ（回折光学素子）
２００ … 受光光学系（受光部）
２３０ … フィルタ
２４０ … ＣＭＯＳイメージセンサ（カラーイメージセンサ）
ｐ … 画素

Claims (9)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を目標領域に投射する投射部と、
   前記目標領域から反射された前記レーザ光を受光する受光部と、を備え、
   前記受光部は、前記目標領域から反射された前記レーザ光が入射するカラーイメージセンサを有し、
   前記カラーイメージセンサは、可視光領域よりも長波長側において、所定の色の光を検出する画素の検出感度が次第に減少し、前記色以外の残りの色の光を検出する画素の検出感度がそれぞれ極大値を持つ特性を有し、前記極大値を与える波長の近傍の波長帯域において前記各画素の検出感度が互いに略揃い、
   前記レーザ光源の出射波長が、前記波長帯域内の波長に設定されている、
   ことを特徴とする情報取得装置。
2. 請求項１に記載の情報取得装置において、
   前記レーザ光源の出射波長が、８１０〜８７０ｎｍの範囲において設定されている、
   ことを特徴とする情報取得装置。
3. 請求項２に記載の情報取得装置において、
   前記レーザ光源の出射波長が、８３０±１０ｎｍの範囲において設定されている、
   ことを特徴とする情報取得装置。
4. 請求項３に記載の情報取得装置において、
   前記レーザ光源の出射波長が、８３０ｎｍに設定されている、
   ことを特徴とする情報取得装置。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の情報取得装置において、
   前記レーザ光源の出射波長が、前記残りの色のうち一つの色の光を検出する画素の検出感度が極大値となる波長の近傍に設定されている、
   ことを特徴とする情報取得装置。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の情報取得装置において、
   前記投射部は、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を回折によりドットパターンの光に変換する回折光学素子を備え、
   前記受光部は、前記投射部に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置される、
   ことを特徴とする情報取得装置。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の情報取得装置において、
   前記受光部は、前記レーザ光源の出射波長を含む波長帯域の光のみを前記カラーイメージセンサに導くためのフィルタをさらに備える、
   ことを特徴とする情報取得装置。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の情報取得装置において、
   前記カラーイメージセンサは、赤色、緑色および青色の光を検出する画素を有する、
   ことを特徴とする情報取得装置。
9. 請求項１ないし８の何れか一項に記載の情報取得装置を有する物体検出装置。

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