WO2012005058A1 - 物体検出装置および情報取得装置 - Google Patents

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WO2012005058A1
WO2012005058A1 PCT/JP2011/061316 JP2011061316W WO2012005058A1 WO 2012005058 A1 WO2012005058 A1 WO 2012005058A1 JP 2011061316 W JP2011061316 W JP 2011061316W WO 2012005058 A1 WO2012005058 A1 WO 2012005058A1
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WO
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laser light
light
light source
information acquisition
optical element
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PCT/JP2011/061316
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English (en)
French (fr)
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楳田　勝美
高明 森本
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三洋電機株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V8/00—Prospecting or detecting by optical means
    • G01V8/10—Detecting, e.g. by using light barriers
    • G01V8/12—Detecting, e.g. by using light barriers using one transmitter and one receiver
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1842—Gratings for image generation
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
    • G06T19/006—Mixed reality
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
    • G03H1/2202—Reconstruction geometries or arrangements
    • G03H2001/2244—Means for detecting or recording the holobject
    • G03H2001/2247—Means for detecting or recording the holobject for testing the hologram or holobject

Definitions

  • the present invention relates to an object detection apparatus that detects an object in a target area based on the state of reflected light when light is projected onto the target area, and an information acquisition apparatus suitable for use in the object detection apparatus.
  • An object detection device using light has been developed in various fields.
  • An object detection apparatus using a so-called distance image sensor can detect not only a planar image on a two-dimensional plane but also the shape and movement of the detection target object in the depth direction.
  • light in a predetermined wavelength band is projected from a laser light source or LED (Light Emitting Device) onto a target area, and the reflected light is received by a light receiving element such as a CMOS image sensor.
  • CMOS image sensor Light Emitting Device
  • a distance image sensor of a type that irradiates a target area with laser light having a predetermined dot pattern reflected light from the target area of the laser light at each dot position is received by a light receiving element. Then, based on the light receiving position of the laser light at each dot position on the light receiving element, the distance to each part of the detection target object (each dot position on the detection target object) is detected using triangulation (for example, Non-Patent Document 1).
  • a diffractive optical element is used to generate laser light having a dot pattern.
  • a predetermined diffraction pattern is formed by a hologram or the like on the diffractive optical element, and the laser light is diffracted by this diffraction pattern. Due to the diffraction action, a laser beam having a predetermined dot pattern is irradiated onto the target area.
  • the laser beam When the laser beam is dot-patterned, the laser beam is dispersed over a relatively wide range in the target area.
  • the diffractive action on the laser light changes accordingly, and the laser light that passes through the diffractive optical element without being dispersed may concentrate in a narrow range. Conceivable. In such a case, it is desirable to stop emitting laser light.
  • Deterioration of the diffractive optical element can be detected, for example, by monitoring the state of diffracted light.
  • a monitoring optical system can be disposed downstream of the diffractive optical element in the direction of travel of the laser light.
  • the apparatus becomes large in the arrangement direction of these components.
  • the present invention has been made to solve such problems, and provides an information acquisition device capable of detecting deterioration of a diffractive optical element with a compact configuration and an object detection device equipped with the information acquisition device. Objective.
  • the 1st aspect of this invention is related with the information acquisition apparatus which acquires the information of a target area
  • the information acquisition apparatus includes a laser light source, a diffractive optical element disposed in a direction away from the optical axis of the laser light source, and light disposed so as to face the diffractive optical element with the optical axis interposed therebetween.
  • the diffractive optical element irradiates the target region with the laser beam in a predetermined pattern.
  • the photodetector receives a part of the laser beam diffracted and reflected by the diffractive optical element.
  • the second aspect of the present invention relates to an object detection apparatus.
  • the object detection apparatus according to this aspect includes the information acquisition apparatus according to the first aspect.
  • an information acquisition device capable of detecting deterioration of a diffractive optical element with a compact configuration and an object detection device equipped with the information acquisition device.
  • an information acquisition device of a type that irradiates a target area with laser light having a predetermined dot pattern is exemplified.
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of the object detection apparatus according to the present embodiment.
  • the object detection device includes an information acquisition device 1 and an information processing device 2.
  • the television 3 is controlled by a signal from the information processing device 2.
  • the information acquisition device 1 projects infrared light over the entire target area and receives the reflected light with a CMOS image sensor, whereby the distance between each part of the object in the target area (hereinafter referred to as “three-dimensional distance information”). To get.
  • the acquired three-dimensional distance information is sent to the information processing apparatus 2 via the cable 4.
  • the information processing apparatus 2 is, for example, a controller for TV control, a game machine, a personal computer, or the like.
  • the information processing device 2 detects an object in the target area based on the three-dimensional distance information received from the information acquisition device 1, and controls the television 3 based on the detection result.
  • the information processing apparatus 2 detects a person based on the received three-dimensional distance information and detects the movement of the person from the change in the three-dimensional distance information.
  • the information processing device 2 is a television control controller
  • the information processing device 2 detects the person's gesture from the received three-dimensional distance information, and sends a control signal to the television 3 according to the gesture.
  • An application program to output is installed.
  • the user can cause the television 3 to execute a predetermined function such as channel switching or volume up / down by making a predetermined gesture while watching the television 3.
  • the information processing device 2 when the information processing device 2 is a game machine, the information processing device 2 detects the person's movement from the received three-dimensional distance information, and displays a character on the television screen according to the detected movement.
  • An application program that operates and changes the game battle situation is installed. In this case, the user can experience a sense of realism in which he / she plays a game as a character on the television screen by making a predetermined movement while watching the television 3.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the information acquisition device 1 and the information processing device 2.
  • the information acquisition apparatus 1 includes a projection optical system 11 and a light receiving optical system 12 as a configuration of the optical unit.
  • the information acquisition device 1 includes a CPU (Central Processing Unit) 21, a laser driving circuit 22, an imaging signal processing circuit 23, an input / output circuit 24, and a memory 25 as a circuit unit.
  • CPU Central Processing Unit
  • Projection optical system 11 irradiates a target area with a laser beam having a dot matrix pattern.
  • the light receiving optical system 12 receives the laser beam reflected from the target area.
  • the configurations of the projection optical system 11 and the light receiving optical system 12 will be described later with reference to FIG.
  • the CPU 21 controls each unit according to a control program stored in the memory 25.
  • the CPU 21 has functions of a laser control unit 21 a for controlling a laser light source 111 (described later) in the projection optical system 11 and a three-dimensional distance calculation unit 21 b for generating three-dimensional distance information. Is granted.
  • the laser drive circuit 22 drives a laser light source 111 (described later) according to a control signal from the CPU 21.
  • the imaging signal processing circuit 23 controls a CMOS image sensor 124 (described later) in the light receiving optical system 12 and sequentially captures the signal (charge) of each pixel generated by the CMOS image sensor 124 for each line. Then, the captured signals are sequentially output to the CPU 21.
  • CPU21 calculates the distance from the information acquisition apparatus 1 to each part of a detection target based on the signal (imaging signal) supplied from the imaging signal processing circuit 23 by the process by the three-dimensional distance calculation part 21b.
  • the input / output circuit 24 controls data communication with the information processing apparatus 2.
  • the information processing apparatus 2 includes a CPU 31, an input / output circuit 32, and a memory 33.
  • the information processing apparatus 2 has a configuration for performing communication with the television 3 and for reading information stored in an external memory such as a CD-ROM and installing it in the memory 33.
  • an external memory such as a CD-ROM
  • the configuration of these peripheral circuits is not shown for the sake of convenience.
  • the CPU 31 controls each unit according to a control program (application program) stored in the memory 33.
  • a control program application program
  • the CPU 31 is provided with the function of the object detection unit 31a for detecting an object in the image.
  • a control program is read from a CD-ROM by a drive device (not shown) and installed in the memory 33, for example.
  • the object detection unit 31a detects a person in the image and its movement from the three-dimensional distance information supplied from the information acquisition device 1. Then, a process for operating the character on the television screen according to the detected movement is executed by the control program.
  • the object detection unit 31 a detects a person in the image and its movement (gesture) from the three-dimensional distance information supplied from the information acquisition device 1. To do. Then, processing for controlling functions (channel switching, volume adjustment, etc.) of the television 1 is executed by the control program in accordance with the detected movement (gesture).
  • the input / output circuit 32 controls data communication with the information acquisition device 1.
  • FIG. 3A is a diagram schematically showing the irradiation state of the laser light on the target region
  • FIG. 3B is a diagram schematically showing the light receiving state of the laser light in the CMOS image sensor 124.
  • FIG. 6B shows a light receiving state when a flat surface (screen) exists in the target area.
  • the projection optical system 11 emits laser light having a dot matrix pattern (hereinafter, the entire laser light having this pattern is referred to as “DMP light”) toward the target area. Irradiated.
  • DMP light the entire laser light having this pattern
  • the light beam cross section of the DMP light is indicated by a broken line frame.
  • Each dot in the DMP light schematically shows a region where the intensity of the laser light is scattered in a scattered manner by the diffraction action by the diffractive optical element in the projection optical system 11.
  • regions where the intensity of the laser light is increased are scattered according to a predetermined dot matrix pattern.
  • the light at each dot position of the DMP light reflected thereby is distributed on the CMOS image sensor 124 as shown in FIG.
  • the light at the dot position P0 on the target area corresponds to the light at the dot position Pp on the CMOS image sensor 124.
  • the three-dimensional distance calculation unit 21b detects which position on the CMOS image sensor 124 the light corresponding to each dot is incident, and based on the triangulation method, determines each part ( The distance to each dot position on the dot matrix pattern is detected. Details of such a detection technique are described in, for example, Non-Patent Document 1 (The 19th Annual Conference of the Robotics Society of Japan (September 18-20, 2001), Proceedings, P1279-1280).
  • FIG. 4A is a diagram showing the configuration of the projection optical system 11 and the light receiving optical system 12.
  • the projection optical system 11 includes a laser light source 111, a collimator lens 112, a polarization beam splitter (PBS) 113, a 1 ⁇ 4 wavelength plate 114, an aperture 115, a diffractive optical element (DOE: Diffractive Optical Element) 116, A photo detector (PD) 117 is provided.
  • the light receiving optical system 12 includes an aperture 121, an imaging lens 122, a filter 123, and a CMOS image sensor 124.
  • the laser light source 111 outputs laser light in a narrow wavelength band with a wavelength of about 830 nm.
  • the collimator lens 112 converts the laser light emitted from the laser light source 111 into parallel light.
  • the PBS 113 reflects the laser light incident from the collimator lens 112 side. The position of the laser light source 111 is adjusted so that the laser beam is S-polarized with respect to the polarization plane of the PBS 113.
  • the quarter-wave plate 114 converts the laser light incident from the PBS 113 side into circularly polarized light, and the laser light incident from the aperture 115 side (reflection diffracted light from the DOE 116) is incident from the PBS 113 side. Is converted into a polarization direction orthogonal to the polarization direction of the laser beam. As a result, the laser light incident from the aperture 115 side (reflected diffracted light from the DOE 116) becomes P-polarized light with respect to the PBS 113 and passes through the PBS 113.
  • the aperture 115 adjusts the beam cross section of the laser light to a predetermined shape (circular in this embodiment).
  • the DOE 116 has a diffraction pattern on the incident surface. Due to the diffraction effect of this diffraction pattern, the laser light that has entered the DOE 116 from the aperture 115 is converted into a laser light having a dot matrix pattern and is irradiated onto the target region.
  • the diffracted light by the DOE 116 includes transmitted light and reflected light.
  • the transmitted light (transmitted diffracted light) is projected onto the target area as DMP light as described above.
  • Laser light (reflected diffracted light) diffracted and reflected by the DOE 116 passes through the aperture 115 and enters the quarter-wave plate 114. Thereafter, the reflected diffracted light is converted into linearly polarized light by the quarter-wave plate 114 and passes through the PBS 113 as described above.
  • PD 117 receives reflected diffracted light transmitted through PBS 113.
  • the arrangement of the PD 117 will be described later with reference to FIG.
  • the laser light reflected from the target area is incident on the imaging lens 122 via the aperture 121.
  • the aperture 121 stops the light from the outside so as to match the F number of the imaging lens 122.
  • the imaging lens 122 condenses the light incident through the aperture 121 on the CMOS image sensor 124.
  • the filter 123 is a band-pass filter that transmits light in a wavelength band including the emission wavelength (about 830 nm) of the laser light source 111 and cuts other wavelength bands.
  • the CMOS image sensor 124 receives the light collected by the imaging lens 122 and outputs a signal (charge) corresponding to the amount of received light to the imaging signal processing circuit 23 for each pixel.
  • the output speed of the signal is increased so that the signal (charge) of the pixel can be output to the imaging signal processing circuit 23 with high response from light reception in each pixel.
  • the projection optical system 11 and the light receiving optical system 12 are installed on the base 300.
  • the base 300 is further provided with a circuit board 200, and wirings (flexible boards) 201 to 203 are connected to the laser light source 111, the PD 117, and the CMOS image sensor 124 from the circuit board 200.
  • the circuit unit of the information acquisition apparatus 1 such as the CPU 21 and the laser driving circuit 22 shown in FIG.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the arrangement method of the PD 117.
  • FIG. 6A schematically shows the incident state of laser light on the DOE 116
  • FIG. 5B schematically shows the irradiation state of reflected diffracted light from the DOE 116 on the PD 117.
  • FIG. 6A schematically shows the incident state of laser light on the DOE 116
  • FIG. 5B schematically shows the irradiation state of reflected diffracted light from the DOE 116 on the PD 117.
  • the laser light is incident on the DOE 116 in a parallel light state. For this reason, out of the reflected diffracted light from the DOE 116, the 0th-order reflected diffracted light reflected without being diffracted by the DOE 116 also returns to the aperture 115 in a substantially parallel light state. Therefore, when the laser light is incident on the DOE 116 as shown in FIG. 9A, the 0th-order reflected diffracted light is irradiated toward the PD 117 with substantially the same size as the beam size shown in FIG. In addition, the first-order or higher-order reflected diffracted light diffracted by the DOE 116 is also emitted toward the PD 117.
  • the first-order or higher-order reflected diffracted light spreads due to diffraction, it irradiates a wide area including the zero-order reflected diffracted light area as shown in FIG. Note that the first-order or higher-order reflected diffracted light is also irradiated to the zero-order reflected diffracted light region.
  • the light receiving surface 117a of the PD 117 is arranged so as to be substantially included in the irradiation region of the 0th-order reflected diffracted light. Accordingly, the PD 117 receives 0th-order reflected diffracted light and 1st-order or more reflected diffracted light. Since the first-order or higher-order reflected diffracted light is dispersed in a wide range, the amount of light received by the PD 117 is relatively small. For this reason, the amount of light received by the PD 117 is several times higher in the 0th-order reflected diffracted light than in the 1st-order or higher reflected diffracted light. Therefore, the output signal from the PD 117 is greatly affected by the 0th-order reflected diffracted light.
  • the DOE 116 When the DOE 116 is normal, the light receiving surface 117a is irradiated with 0th-order reflected diffracted light with a predetermined light amount. On the other hand, when the DOE 116 deteriorates due to secular change or the like, the light amount of the 0th-order reflected diffracted light irradiated to the light receiving surface 117a increases or decreases due to the change in diffraction action, and the output signal from the PD 117 increases or decreases accordingly. . Therefore, the deterioration of the DOE 116 can be detected by monitoring the output from the PD 117.
  • FIG. 6A is a flowchart showing the control of the laser control unit 21a based on the output signal from the PD 117.
  • threshold values S1 and S2 are set in order to monitor the output signal (PD signal) from the PD 117. It is determined that the DOE 116 is deteriorated (abnormal) because the PD signal is out of the ranges of the threshold values S1 and S2.
  • the laser light source 111 when the laser light source 111 is turned on (S101), the PD signal is sampled (S102), and the value of the sampled PD signal falls within the range between the threshold value S1 and the threshold value S2. It is determined whether or not there is (S103). If the value of the PD signal is in the range between the threshold value S1 and the threshold value S2, the laser light source 111 is kept on and steps S102 and S103 are repeated.
  • the PD signal is out of the range between the threshold value S1 and the threshold value S2 (S103: YES)
  • the DOE 116 is deteriorated (abnormal)
  • the laser light source 111 is stopped.
  • the irradiation of the DMP light to the target area is stopped.
  • the PD signal is out of the range between the threshold value S1 and the threshold value S2, and the irradiation of the DMP light on the target region is stopped.
  • the power of the laser beam can be prevented from being concentrated on a part of the target area, and safety can be ensured.
  • the projection optical system 11 is configured such that the optical path of the laser light emitted from the laser light source 111 is bent.
  • the size of the projection optical system 11 in the direction perpendicular to the installation surface of the base 300 can be reduced, and the projection optical system 11 can be made compact.
  • the monitor optical system 118 for detecting the deterioration of the DOE 116 when the monitor optical system 118 for detecting the deterioration of the DOE 116 is arranged on the exit surface side of the DOE 116, the laser light source 111, the collimator lens 112, the aperture 115, and the DOE 116 Since the monitor optical system 118 is arranged in a line in the height direction, the height H of the projection optical system 11 is considerably increased. In this case, the monitor optical system 118 is configured to receive a part of the transmitted diffracted light transmitted through the DOE 116.
  • the optical path of the laser light emitted from the laser light source 111 is bent, so that the height direction (the direction perpendicular to the installation surface of the base 300).
  • the size of the projection optical system 11 can be reduced, and the projection optical system 11 can be made compact.
  • the laser light source 111 when the deterioration (abnormality) of the DOE 116 is detected based on the PD signal, the laser light source 111 is stopped, so that the unstable state Laser light can be prevented from being irradiated onto the target area, and safety during use of the information acquisition apparatus can be improved.
  • the inventors of the present application verified by actually measuring that the deterioration (abnormality) of the DOE 116 can be detected based on the PD signal. Hereinafter, this verification will be described.
  • FIG. 7A is a diagram showing the configuration of the projection optical system used for the verification.
  • the projection optical system shown in the figure is different in the position of the aperture from the projection optical system 11 shown in FIG. That is, in the projection optical system 11 of FIG. 4, the aperture 115 is disposed between the quarter-wave plate 114 and the DOE 116, but in the projection optical system of FIG. 7A, the aperture 115 a is connected to the laser light source 111. It is arranged between the collimator lens 112.
  • the PD 117 is disposed in the power meter PM.
  • the power meter PM measures the power of the laser beam received by the PD 117.
  • the other configuration of the projection optical system shown in FIG. 7A is the same as that of the projection optical system 11 shown in FIG.
  • the aperture 115a shapes the elliptical laser beam emitted from the laser light source 111 into a substantially circular laser beam.
  • the gap between the collimator lens 112 and the PBS 113 is 100 mm
  • the gap between the PBS 113 and the quarter-wave plate 114 is 1 mm
  • the gap between the quarter-wave plate 114 and the DOE 116 is less than 1 mm
  • the PBS 113 And the power meter PM was set to 11 mm.
  • Edmund Optics 47784-K is used
  • 1/4 wavelength plate 114 Edmund Optics 46412-K
  • Advantest Q8230 is used for the power meter. It was.
  • the laser light source 111 has an emission wavelength of 830 nm, and is arranged so as to emit laser light in the Y-axis direction in FIG.
  • the optical axis of the laser light source 111 and the optical axis of the collimator lens 112 coincide, and the collimator lens 112 is disposed at a position where the laser light is converted into substantially parallel light.
  • the PBS 113 is arranged so that the laser light from the collimator lens 112 is incident as S-polarized light, and reflects the incident laser light in the Z-axis direction.
  • the quarter-wave plate 114 and the DOE 116 are respectively arranged so that the incident surface is perpendicular to the Z axis, and the PD 117 is arranged so that the light receiving surface is perpendicular to the Z axis.
  • the DOE 116 is a diffraction pattern for uniformly dispersing 25000 dots in a rectangular area of 1.9 m in length and 2.3 m in width on a virtual plane set at a position 2 m in front of the DOE 116 (Z-axis positive direction). Is formed on the exit surface.
  • This diffraction pattern is composed of a multi-step type diffraction structure.
  • the laser beam of the above power is emitted from the laser light source 111, 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm from the position of the offset 0 in the left direction (Y-axis negative direction) in FIG.
  • the PD 117 was moved to a position displaced to 9 mm and 10 mm, and the light receiving power of the PD 117 was measured at each of these positions.
  • FIG. 8 shows the measurement results.
  • the “Before experiment” graph shows the measurement results when the above measurement was performed before attaching the water droplet
  • the “At the time of water droplet attachment” graph shows the above measurement when the water droplet was attached. The measurement results are shown.
  • the light reception power of the PD 117 gradually decreases as the offset of the PD 117 increases, and the light reception power of the PD 117 rapidly decreases when the offset exceeds 5 mm.
  • the position where the offset is 5 mm is the position where the end portion of the light receiving surface of the PD 117 in the negative Y-axis direction reaches the boundary of the region of the reflected diffracted light. Therefore, it can be seen that the reflected diffracted light has a predetermined length from the center of the reflected diffracted light to the left and right on the plane including the light receiving surface of the PD 117. It can be inferred that the spread of the reflected diffracted light reflects the spread of the laser light that passes through the DOE 116 and travels toward the target area.
  • the light receiving power of the PD 117 changes at about 1 mW regardless of the offset of the PD 117. It can also be seen that the light receiving power of the PD 117 is difficult to approach 0 even when the offset exceeds 10 mm and the offset further advances. From this, it can be inferred that the reflected diffracted light spreads in a considerably wider range in the plane including the light receiving surface of the PD 117 than in the “before experiment” case. In this case, it can be inferred that the laser beam that passes through the DOE 116 and travels toward the target region also spreads over a considerably wider range than in the “before experiment” case.
  • the laser light source 111 is controlled so that the unstable laser beam is generated. Irradiation to the target area can be prevented, and safety when using the information acquisition device can be improved.
  • the value of the detection signal (PD signal) of the PD 117 at the time of “water droplet adhesion” is several steps smaller than the value of the PD signal before the “experiment”, but the type of deterioration (abnormality) occurring in the DOE 116
  • the value of the PD signal at the time of abnormality is larger than the value of the PD signal at the time of normality.
  • the laser light traveling from the DOE 116 toward the target area is concentrated in a narrow range.
  • FIG. 6B such an abnormality is set with a threshold value S1 lower than the normal PD signal and a threshold value S2 higher than the normal detection signal, and the PD signal has thresholds S1 and S2. It can be detected by determining that it is abnormal when it is not within the range. Therefore, according to the control of FIG. 6A, it is possible to accurately detect an abnormality of the DOE 116 that may occur in various forms.
  • the light receiving surface 117a of the PD 117 is arranged in the irradiation area of the 0th-order reflected diffracted light.
  • the light receiving surface 117a may be disposed in the irradiated region of the reflected diffracted light except the irradiated region of the reflected diffracted light. Even in this configuration, when the DOE 116 is normal, the light receiving surface 117a is irradiated with the first-order or higher-order reflected diffracted light by a predetermined amount.
  • the DOE 116 when the DOE 116 is deteriorated due to secular change or the like, the amount of the first-order or higher-order reflected diffracted light irradiated to the light receiving surface 117a is increased or decreased due to the change in diffraction action, and the output signal from the PD 117 is increased or decreased accordingly. Therefore, as in the case of FIG. 5B, the deterioration of the DOE 116 can be detected by monitoring the output from the PD 117.
  • the light receiving surface 117a may be arranged so that a part of the irradiation area of the 0th-order reflected diffracted light is applied.
  • the cubic PBS 113 is used as shown in FIG. 4A, but a plate-like PBS 121 may be used as shown in FIG. 10A.
  • the PBS 121 is arranged so that the polarization plane is inclined 45 degrees with respect to the installation surface of the base 300.
  • a half mirror 122 may be used as shown in FIG.
  • the half mirror 122 is arranged so that the incident surface is inclined by 45 degrees with respect to the installation surface of the base 300.
  • the quarter-wave plate 114 is not necessary, so that the configuration is simple compared to the above embodiment.
  • other non-polarized beam splitters whose transmittance and reflectance are not 1: 1 may be used.
  • the CMOS image sensor 124 is used as the light receiving element, but a CCD image sensor can be used instead. Furthermore, the configuration of the light receiving optical system 12 can be changed as appropriate.

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Abstract

【課題】コンパクトな構成にて、回折光学素子の劣化を検出可能な情報取得装置およびこれを搭載する物体検出装置を提供する。 【解決手段】情報取得装置１は、波長８３０ｎｍ程度のレーザ光を出射するレーザ光源１１１と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１３と、１／４波長板１１４と、ＤＯＥ１１６と、ＰＤ１１７を備えている。ＤＯＥ１１６は、レーザ光を所定のドットパターンにて目標領域に照射する。ＰＤ１１７は、ＤＯＥ１１６によって回折および反射されたレーザ光の一部を受光する。

Description

物体検出装置および情報取得装置
　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これ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 Device）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、各ドット位置における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、各ドット位置のレーザ光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、ドットパターンを持つレーザ光を生成するために、回折光学素子が用いられる。回折光学素子には、所定の回折パターンがホログラム等により形成され、この回折パターンによってレーザ光が回折される。かかる回折作用によって、所定のドットパターンを持つレーザ光が、目標領域に照射される。
　レーザ光がドットパターン化されると、レーザ光は、目標領域において、比較的広い範囲に分散される。しかしながら、経年変化等によって、回折光学素子の回折パターンが劣化すると、それに伴い、レーザ光に対する回折作用が変化し、分散されずに回折光学素子を透過するレーザ光が、狭い範囲に集中することも考えられる。このような場合、レーザ光の出射を中止するのが望ましい。
　回折光学素子の劣化は、たとえば、回折された光の状態をモニタすることにより検出可能である。この場合、回折光学素子よりもレーザ光の進行方向下流側にモニタ用の光学系が配置され得る。しかし、この構成では、レーザ光源、コリメータレンズ、回折光学素子およびモニタ用の光学系が直線的に並ぶため、これら部品の並び方向に装置が大型化する。
　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、コンパクトな構成にて、回折光学素子の劣化を検出可能な情報取得装置およびこれを搭載する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、光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置に関する。本態様に係る情報取得装置は、レーザ光源と、前記レーザ光源の光軸から離れる方向に配置された回折光学素子と、前記光軸を挟んで前記回折光学素子に対向するように配置された光検出器と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記回折光学素子に導くとともに、前記回折光学素子によって反射された前記レーザ光を前記光検出器に導く光路分岐部とを備える。前記回折光学素子は、前記レーザ光を所定のパターンにて前記目標領域に照射する。また、前記光検出器は、前記回折光学素子によって回折および反射された前記レーザ光の一部を受光する。
　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、コンパクトな構成にて、回折光学素子の劣化を検出可能な情報取得装置およびこれを搭載する物体検出装置を提供することができる。
　本発明の特徴は、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、以下の実施の形態は、あくまでも、本発明の一つの実施形態であって、本発明ないし各構成要件の用語の意義は、以下の実施の形態に記載されたものに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とイメージセンサ上のレーザ光の受光状態を示す図である。 実施の形態に係る投射光学系と受光光学系の構成を示す図である。 実施の形態に係る回折光学素子の作用と光検出器の配置を示す図である。 実施の形態に係るレーザ光源の制御を示すフローチャートである。 実施の形態に係る効果を検証するための投射光学系を示す図である。 実施の形態に係る効果を検証するための測定結果を示す図である。 変更例に係る光検出器の配置を示す図である。 他の変更例に係る発光ユニットと受光ユニットの光学系を示す図である。
　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ャスチャー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１１と受光光学系１２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。
　投射光学系１１は、ドットマトリックスパターンのレーザ光を、目標領域に照射する。受光光学系１２は、目標領域から反射されたレーザ光を受光する。投射光学系１１と受光光学系１２の構成は、追って、図４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、投射光学系１１内のレーザ光源１１１（後述）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３次元距離演算部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１１１（後述）を駆動する。撮像信号処理回路２３は、受光光学系１２内のＣＭＯＳイメージセンサ１２４（後述）を制御して、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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、３次元距離演算部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、同図に示す構成の他、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１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、図３（ｂ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４におけるレーザ光の受光状態を模式的に示す図である。なお、同図（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。
　同図（ａ）に示すように、投射光学系１１からは、ドットマトリックス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「ＤＭＰ光」という）が、目標領域に向けて照射される。同図（ａ）には、ＤＭＰ光の光束断面が破線の枠によって示されている。ＤＭＰ光内の各ドットは、投射光学系１１内の回折光学素子による回折作用によってレーザ光の強度が点在的に高められた領域を模式的に示している。ＤＭＰ光の光束中には、レーザ光の強度が高められた領域が、所定のドットマトリックス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ＤＭＰ光の各ドット位置の光は、同図（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上で分布する。たとえば、目標領域上におけるＰ０のドット位置の光は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上では、Ｐｐのドット位置の光に対応する。
　上記３次元距離演算部２１ｂでは、各ドットに対応する光がＣＭＯＳイメージセンサ１２４上のどの位置に入射したかが検出され、その受光位置から、三角測量法に基づいて、検出対象物体の各部（ドットマトリックスパターン上の各ドット位置）までの距離が検出される。かかる検出手法の詳細は、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。
　図４（ａ）は、投射光学系１１と受光光学系１２の構成を示す図である。
　投射光学系１１は、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１３と、１／４波長板１１４と、アパーチャ１１５と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１１６と、光検出器（ＰＤ：PhotoDetector）１１７を備えている。また、受光光学系１２は、アパーチャ１２１と、撮像レンズ１２２と、フィルタ１２３と、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４とを備えている。
　レーザ光源１１１は、波長８３０ｎｍ程度の狭波長帯域のレーザ光を出力する。コリメータレンズ１１２は、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光を平行光に変換する。ＰＢＳ１１３は、コリメータレンズ１１２側から入射されたレーザ光を反射する。レーザ光源１１１は、ＰＢＳ１１３の偏光面に対してレーザ光がＳ偏光となるように位置調整されている。
　１／４波長板１１４は、ＰＢＳ１１３側から入射されたレーザ光を円偏光に変換するとともに、アパーチャ１１５側から入射されたレーザ光（ＤＯＥ１１６からの反射回折光）を、ＰＢＳ１１３側から入射されるときのレーザ光の偏光方向に直交する偏光方向に変換する。これにより、アパーチャ１１５側から入射されたレーザ光（ＤＯＥ１１６からの反射回折光）は、ＰＢＳ１１３に対してＰ偏光となり、ＰＢＳ１１３を透過する。
　アパーチャ１１５は、レーザ光の光束断面を所定の形状（本実施の形態では円形）に調整する。ＤＯＥ１１６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、アパーチャ１１５からＤＯＥ１１６に入射したレーザ光は、ドットマトリックス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。
　なお、図４（ｂ）に示すように、ＤＯＥ１１６による回折光には、透過光と反射光がある。このうち、透過光（透過回折光）が、上記のように、ＤＭＰ光として目標領域に投射される。ＤＯＥ１１６によって回折および反射されたレーザ光（反射回折光）は、アパーチャ１１５を通って１／４波長板１１４に入射する。その後、反射回折光は、１／４波長板１１４により直線偏光に変換され、上記のようにＰＢＳ１１３を透過する。
　ＰＤ１１７は、ＰＢＳ１１３を透過した反射回折光を受光する。ＰＤ１１７の配置については、追って、図５を参照して説明する。
　目標領域から反射されたレーザ光は、アパーチャ１２１を介して撮像レンズ１２２に入射する。アパーチャ１２１は、撮像レンズ１２２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１２２は、アパーチャ１２１を介して入射された光をＣＭＯＳイメージセンサ１２４上に集光する。
　フィルタ１２３は、レーザ光源１１１の出射波長（８３０ｎｍ程度）を含む波長帯域の光を透過し、その他の波長帯域をカットするバンドパスフィルタである。ＣＭＯＳイメージセンサ１２４は、撮像レンズ１２２にて集光された光を受光して、画素毎に、受光光量に応じた信号（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１２４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。
　投射光学系１１と受光光学系１２は、ベース３００に設置されている。ベース３００には、さらに、回路基板２００が設置され、この回路基板２００から、レーザ光源１１１、ＰＤ１１７、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４に配線（フレキシブル基板）２０１～２０３が接続されている。回路基板２００には、図２に示すＣＰＵ２１やレーザ駆動回路２２等の情報取得装置１の回路部が実装されている。
　図５は、ＰＤ１１７の配置方法を説明する図である。同図（ａ）は、ＤＯＥ１１６に対するレーザ光の入射状態を模式的に示し、同図（ｂ）は、ＰＤ１１７に対するＤＯＥ１１６からの反射回折光の照射状態を模式的に示す。
　上記のように、レーザ光は、平行光の状態でＤＯＥ１１６に入射する。このため、ＤＯＥ１１６からの反射回折光のうち、ＤＯＥ１１６に回折されずに反射された０次の反射回折光も、略平行光の状態で、アパーチャ１１５へと戻る。よって、同図（ａ）のようにレーザ光がＤＯＥ１１６に入射すると、０次の反射回折光は、同図（ａ）のビームサイズと略同じサイズで、ＰＤ１１７に向かって照射される。この他、ＤＯＥ１１６によって回折された１次以上の反射回折光も、ＰＤ１１７に向かって照射される。１次以上の反射回折光は、回折により広がっているため、同図（ｂ）のように、０次の反射回折光の領域を含む広い領域に照射される。なお、０次の反射回折光の領域にも１次以上の反射回折光が照射される。
　本実施の形態では、同図（ｂ）に示すように、０次の反射回折光の照射領域に略含まれるように、ＰＤ１１７の受光面１１７ａが配置される。したがって、ＰＤ１１７は、０次の反射回折光と、１次以上の反射回折光を受光する。１次以上の反射回折光は、広い範囲に分散しているため、ＰＤ１１７によって受光される光量は比較的小さい。このため、ＰＤ１１７によって受光される光量は、１次以上の反射回折光よりも０次の反射回折光の方が、数段多い。よって、ＰＤ１１７からの出力信号は、０次の反射回折光による影響を大きく受ける。
　ＤＯＥ１１６が正常である場合、受光面１１７ａには、所定の光量の０次の反射回折光が照射される。これに対し、ＤＯＥ１１６が経年変化等によって劣化すると、回折作用の変化により、受光面１１７ａに照射される０次の反射回折光の光量が増減し、これに伴い、ＰＤ１１７からの出力信号が増減する。よって、ＰＤ１１７からの出力をモニタすることで、ＤＯＥ１１６の劣化を検知することができる。
　図６（ａ）は、ＰＤ１１７からの出力信号に基づくレーザ制御部２１ａの制御を示すフローチャートである。本実施の形態では、図６（ｂ）に示すように、ＰＤ１１７からの出力信号（ＰＤ信号）を監視するために閾値Ｓ１、Ｓ２が設定される。ＰＤ信号がこの閾値Ｓ１、Ｓ２の範囲を外れたことによって、ＤＯＥ１１６が劣化した（異常である）と判定される。
　同図（ａ）を参照して、レーザ光源１１１が点灯されると（Ｓ１０１）、ＰＤ信号がサンプリングされ（Ｓ１０２）、サンプリングされたＰＤ信号の値が、閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲にあるかが判定される（Ｓ１０３）。ＰＤ信号の値が閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲にあれば、レーザ光源１１１の点灯が維持され、ステップＳ１０２、Ｓ１０３が繰り返される。
　しかる後、ＰＤ信号が閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲から外れると（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、ＤＯＥ１１６が劣化した（異常である）と判定され、レーザ光源１１１が停止される。これにより、目標領域に対するＤＭＰ光の照射が中止される。たとえば、図６（ｂ）の例では、時間ＴＥにおいて、ＰＤ信号が閾値Ｓ１と閾値Ｓ２の間の範囲から外れ、目標領域に対するＤＭＰ光の照射が中止される。これにより、たとえば、レーザ光のパワーが目標領域の一部に集中するのを防止でき、安全性を確保することができる。
　以上、本実施の形態によれば、図４（ａ）に示すように、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光の光路が折り曲げられるよう投射光学系１１が構成されているため、高さ方向（ベース３００の設置面に垂直な方向）における投射光学系１１のサイズを小さくでき、投射光学系１１をコンパクトにすることができる。
　たとえば、図４（ｃ）の比較例のように、ＤＯＥ１１６の劣化を検出するためのモニタ光学系１１８を、ＤＯＥ１１６の出射面側に配置すると、レーザ光源１１１、コリメータレンズ１１２、アパーチャ１１５およびＤＯＥ１１６と、モニタ光学系１１８が、高さ方向に一列に並ぶため、投射光学系１１の高さＨがかなり高くなる。この場合、モニタ光学系１１８は、ＤＯＥ１１６を透過した透過回折光の一部を受光するよう構成される。
　これに対し、本実施の形態では、図４（ａ）に示すように、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光の光路が折り曲げられるため、高さ方向（ベース３００の設置面に垂直な方向）における投射光学系１１のサイズを小さくでき、投射光学系１１をコンパクトにすることができる。
　また、本実施の形態によれば、図６を参照して説明したとおり、ＰＤ信号に基づきＤＯＥ１１６の劣化（異常）が検出されると、レーザ光源１１１が停止されるため、不安定な状態のレーザ光が目標領域に照射されるのを防止でき、情報取得装置の使用時の安全性を高めることができる。
　なお、本願発明者らは、ＰＤ信号に基づきＤＯＥ１１６の劣化（異常）を検出可能であることを、実際に測定を行うことにより検証した。以下、この検証について説明する。
　図７（ａ）は、検証に用いた投射光学系の構成を示す図である。同図の投射光学系は、図４に示す投射光学系１１に比べて、アパーチャの位置が異なっている。すなわち、図４の投射光学系１１では、アパーチャ１１５が１／４波長板１１４とＤＯＥ１１６との間に配置されたが、図７（ａ）の投射光学系では、アパーチャ１１５ａが、レーザ光源１１１とコリメータレンズ１１２との間に配置されている。また、ＰＤ１１７は、パワーメータＰＭに配置されている。パワーメータＰＭは、ＰＤ１１７が受光したレーザ光のパワーを測定する。図７（ａ）の投射光学系のその他の構成は、図４と投射光学系１１と同じである。
　アパーチャ１１５ａは、レーザ光源１１１から出射された楕円形のレーザ光を略円形のレーザ光に整形する。測定において、コリメータレンズ１１２とＰＢＳ１１３との間のギャップは１００ｍｍ、ＰＢＳ１１３と１／４波長板１１４との間のギャップは１ｍｍ、１／４波長板１１４とＤＯＥ１１６との間のギャップは１ｍｍ未満、ＰＢＳ１１３とパワーメータＰＭとの間のギャップは１１ｍｍに設定された。ＰＢＳ１１３には、エドモンド・オプティックス社製４７７８４－Ｋが用いられ、１／４波長板１１４には、エドモンド・オプティックス社製４６４１２－Ｋが用いられ、パワーメータには、アドバンテスト社製Ｑ８２３０が用いられた。
　レーザ光源１１１は、出射波長が８３０ｎｍであり、同図Ｙ軸方向にレーザ光を出射するように配置されている。レーザ光源１１１の光軸とコリメータレンズ１１２の光軸は一致し、コリメータレンズ１１２はレーザ光を略平行光に変換する位置に配置されている。ＰＢＳ１１３は、コリメータレンズ１１２からのレーザ光がＳ偏光で入射するよう配置され、入射したレーザ光をＺ軸方向に反射する。１／４波長板１１４とＤＯＥ１１６は、それぞれ、入射面がＺ軸に垂直となるように配置され、ＰＤ１１７は、受光面がＺ軸に垂直となるように配置されている。
　ＤＯＥ１１６は、ＤＯＥ１１６の前方（Ｚ軸正方向）２ｍの位置に設定された仮想平面において、縦１．９ｍ、横２．３ｍの長方形の領域に２５０００個のドットを均等に分散させるための回折パターンが、出射面に形成されている。この回折パターンは、マルチステップ型の回折構造により構成されている。
　測定時には、図７（ａ）の投射光学系において、レーザ光源１１１から出射パワー２００ｍＷでレーザ光を出射させ、パワーメータＰＭで受光強度を測定した。この測定では、まず、ＰＤ１１７の中心が、ＤＯＥ１１６で回折および反射されたレーザ光（反射回折光）の中心に一致する位置（オフセット＝０）にＰＤ１１７を配置し、この状態で、上記パワーのレーザ光を出射させてＰＤ１１７の受光パワーを測定した。さらに、レーザ光源１１１から上記パワーのレーザ光を出射させたまま、上記オフセット０の位置から同図左方向（Ｙ軸負方向）に１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍに変位した位置にＰＤ１１７を移動させ、これら各位置において、それぞれ、ＰＤ１１７の受光パワーを測定した。
　次に、ＤＯＥ１１６の出射面のレーザ光出射位置に水を滴下し、当該出射面に、レーザ光の輪郭よりもやや大きめの輪郭の水滴を付着させた。この状態で、上記パワーのレーザ光を出射させ、上記と同様、オフセット＝０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍ、７ｍｍ、８ｍｍ、９ｍｍ、１０ｍｍの各位置において、それぞれ、ＰＤ１１７の受光パワーを測定した。
　図８は、測定結果を示す図である。図中、"実験前"のグラフは水滴を付着させる前に上記測定を行ったときの測定結果を示し、"水滴付着時"のグラフは水滴を付着させた状態で上記測定をおこなったときの測定結果を示す。
　まず、"実験前"のグラフを参照すると、ＰＤ１１７の受光パワーは、ＰＤ１１７のオフセットが増えるに従って緩やかに減少し、オフセットが５ｍｍを超えるあたりから、ＰＤ１１７の受光パワーが急激に低下することが分かる。ここで、オフセットが５ｍｍの位置は、ＰＤ１１７の受光面のＹ軸負方向の端部が反射回折光の領域の境界に到達する位置であると推測され得る。したがって、反射回折光は、ＰＤ１１７の受光面を含む平面において、反射回折光の中心から左右に所定長さの広がりを持つことが分かる。かかる反射回折光の広がり具合は、ＤＯＥ１１６を透過して目標領域に向かうレーザ光の広がり具合を反映するものであると推察され得る。
　次に、"水滴付着時"のグラフを参照すると、ＰＤ１１７の受光パワーは、ＰＤ１１７のオフセットに拘わらず、略１ｍＷ程度で推移している。また、ＰＤ１１７の受光パワーは、オフセットが１０ｍｍを超えてさらにオフセットが進んでも、０に接近しにくいことが分かる。このことから、反射回折光は、ＰＤ１１７の受光面を含む平面において、"実験前"の場合に比べてかなり広い範囲に広がっているものと推測され得る。この場合、ＤＯＥ１１６を透過して目標領域に向かうレーザ光もまた、"実験前"の場合に比べてかなり広い範囲に広がるものと推察され得る。
　図８に示された２つのグラフを比較すると、ＤＯＥ１１６の出射面に水滴が付着し、ＤＯＥ１１６の出射面に形成された回折パターンに異常が生じると、ＰＤ１１７の受光パワーが大きく変化することが分かる。よって、ＤＯＥ１１６が正常な状態において、ＰＤ１１７の中心が、反射回折光の中心付近（反射回折光の照射領域の範囲内）に位置づけられるように、ＰＤ１１７を配置することにより、ＰＤ１１７の検出信号（ＰＤ信号）をもとにＤＯＥ１１６の異常を検出することができ、また、この異常による投射レーザ光の異常を検出することができる。
　したがって、図６（ａ）のように、ＰＤ信号に基づきＤＯＥ１１６の劣化（異常）が検出されると、レーザ光源１１１が停止されるように制御を行うことにより、不安定な状態のレーザ光が目標領域に照射されるのを防止でき、情報取得装置の使用時の安全性を高めることができる。
　なお、上記測定では、"水滴付着時"のＰＤ１１７の検出信号（ＰＤ信号）の値が"実験前"のＰＤ信号の値よりも数段小さくなったが、ＤＯＥ１１６に生じる劣化（異常）の種類によっては、異常時のＰＤ信号の値が正常時のＰＤ信号の値よりも大きくなることが想定され得る。この場合、ＤＯＥ１１６から目標領域に向かうレーザ光は、狭い範囲に集中する。このような異常は、図６（ｂ）のように、正常時のＰＤ信号よりも低い閾値Ｓ１の他、正常時の検出信号よりも高い閾値Ｓ２を設定し、ＰＤ信号が閾値Ｓ１、Ｓ２の範囲内にないときに異常と判定することにより検出され得る。したがって、図６（ａ）の制御によれば、多様な形態で起こり得るＤＯＥ１１６の異常を的確に検出することができる。
　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、図５（ｂ）に示すように、ＰＤ１１７の受光面１１７ａを０次の反射回折光の照射領域に配置したが、図９（ｂ）のように、０次の反射回折光の照射領域を除く反射回折光の照射領域に受光面１１７ａを配置しても良い。この構成においても、ＤＯＥ１１６が正常である場合には、受光面１１７ａに、１次以上の反射回折光が所定の光量だけ照射される。また、ＤＯＥ１１６が経年変化等によって劣化すると、回折作用の変化により、受光面１１７ａに照射される１次以上の反射回折光の光量が増減し、これに伴い、ＰＤ１１７からの出力信号が増減する。よって、図５（ｂ）の場合と同様、ＰＤ１１７からの出力をモニタすることで、ＤＯＥ１１６の劣化を検知することができる。この他、０次の反射回折光の照射領域に一部が掛かるように、受光面１１７ａを配置しても良い。
　また、上記実施の形態では、図４（ａ）に示すように、キュービック状のＰＢＳ１１３を用いたが、図１０（ａ）に示すように、板状のＰＢＳ１２１を用いても良い。この場合、偏光面がベース３００の設置面に対して４５度傾くように、ＰＢＳ１２１が配置される。
　さらに、ＰＢＳ１１３に代えて、図１０（ｂ）に示すように、ハーフミラー１２２を用いても良い。この場合、入射面がベース３００の設置面に対して４５度傾くように、ハーフミラー１２２が配置される。この構成では、レーザ光源１１１から出射されるレーザ光の半分がハーフミラー１２２を透過するため、上記実施の形態に比べ、目標領域に照射されるレーザ光の光量が低下する。反面、１／４波長板１１４が不要となるため、上記実施の形態に比べ、構成が簡素となる。なお、ハーフミラーに代えて、透過率と反射率が１：１でない他の無偏光のビームスプリッタを用いても良い。
　また、上記実施の形態では、受光素子として、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４を用いたが、これに替えて、ＣＣＤイメージセンサを用いることもできる。さらに、受光光学系１２の構成も、適宜変更可能である。
　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
　１１　投射光学系
　１１１　レーザ光源
　１１３　ＰＢＳ（光路分岐部）
　１１４　１／４波長板（光路分岐部）
　１１６　ＤＯＥ（回折光学素子）
　１１７　ＰＤ（光検出器）
　１２２　ハーフミラー（無偏光ビームスプリッタ）
　２１ａ　レーザ制御部（制御部）

Claims (6)

  1. 　光を用いて目標領域の情報を取得する情報取得装置において、
    　レーザ光源と、
    　前記レーザ光源の光軸から離れる方向に配置された回折光学素子と、
    　前記光軸を挟んで前記回折光学素子に対向するように配置された光検出器と、
    　前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記回折光学素子に導くとともに、前記回折光学素子によって反射された前記レーザ光を前記光検出器に導く光路分岐部と、を備え、
    　前記回折光学素子は、前記レーザ光を所定のパターンにて前記目標領域に照射し、
    　前記光検出器は、前記回折光学素子によって回折および反射された前記レーザ光の一部を受光する、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、
    　前記光路分岐部は、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を反射する偏光ビームスプリッタと、前記回折光学素子と前記偏光ビームスプリッタとの間に配置された１／４波長板とを有する、ことを特徴とする情報取得装置。
  3. 　請求項１に記載の情報取得装置において、
    　前記光路分岐部は、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光の一部を反射し、一部を透過する無偏光ビームスプリッタを有し、
    　前記レーザ光源から出射された前記レーザ光は、前記無偏光ビームスプリッタにより反射されて、前記回折光学素子へ向かう、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、
    　前記無偏光ビームスプリッタは、ハーフミラーである、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、
    　前記レーザ光源を制御する制御部をさらに備え、
    　前記制御部は、前記光検出器からの出力信号が所定の閾値範囲から外れると、前記レーザ光源を停止させる、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を有する物体検出装置。
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