情報取得装置、投射装置および物体検出装置
【課題】検出対象物が近距離にある場合においても、大きな目標物の距離情報を取得できる情報取得装置、投射装置および物体検出装置を提供する。
【解決手段】投射光学系１１は、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、レーザ光を分離させるハーフミラー１１３と、分離されたレーザ光をドットパターン光Ｄｐ１に変換して目標領域に投射するＤＯＥ１１４と、分離されたレーザ光をドットパターン光Ｄｐ２に変換して目標領域に投射するＤＯＥ１１５と、を備える。複数のＤＯＥ１１４、１１５を用いることにより、広い角度範囲で、目標領域にドットパターンを照射できる。これにより、情報取得装置は、検出対象物が近距離にあるような場合においても、検出対象物の距離情報を適正に取得することができる。
【解決手段】投射光学系１１は、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、レーザ光を分離させるハーフミラー１１３と、分離されたレーザ光をドットパターン光Ｄｐ１に変換して目標領域に投射するＤＯＥ１１４と、分離されたレーザ光をドットパターン光Ｄｐ２に変換して目標領域に投射するＤＯＥ１１５と、を備える。複数のＤＯＥ１１４、１１５を用いることにより、広い角度範囲で、目標領域にドットパターンを照射できる。これにより、情報取得装置は、検出対象物が近距離にあるような場合においても、検出対象物の距離情報を適正に取得することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、当該物体検出装置に用いて好適な情報取得装置、および当該物体検出装置に搭載される投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、目標領域から反射されたドットパターンをイメージセンサで受光し、イメージセンサ上におけるドットパターンの受光位置に基づいて、三角測量法を用いて、検出対象物の各部までの距離が検出される（たとえば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記構成の物体検出装置では、ドットパターンのレーザ光を投射するための光学系として、たとえば、レーザ光源と、コリメータレンズと、回折光学素子が用いられる。検出可能な物体の高さ、幅は、回折光学素子により生成されたドットパターンのレーザ光の広がり角（以下、「回折投射角」という）と、物体検出装置と検出対象物の距離に応じて、大きくなる。しかし、光学設計上、回折光学素子の回折投射角を、所定以上の大きさにするのは、困難である。そのため、たとえば、大人の人間の身長をすべて認識するためには、ある程度の距離を保つ必要がある（鉛直方向の回折投射角が略５０°の場合、２ｍ以上）。したがって、物体検出装置との距離が近距離である場合、大人の人間の全身の動作を認識させるのが、困難との問題があった。
【０００６】
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、検出対象物が近距離にある場合においても、大きな目標物の距離情報を取得できる情報取得装置、投射装置および物体検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。この態様に係る情報装置は、前記目標領域に所定のドットパターンでレーザ光を投射する投射光学系と、前記投射光学系に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、前記目標領域を撮像する撮像素子を有する受光光学系と、を備える。ここで、
前記投射光学系、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、前記コリメータレンズを透過した前記レーザを分離させる分光素子と、前記分光素子によって分離された第１のレーザ光を前記目標領域において所定の
ドットパターンを有する第１のドットパターン光に変換して前記目標領域に投射する第１の回折光学素子と、前記分光素子によって分離された第２のレーザ光を前記目標領域において所定のドットパターンを有する第２のドットパターン光に変換して前記目標領域に投射する第２の回折光学素子と、を備える。
【０００８】
本発明の第２の態様は、投射装置に関する。この態様に係る投射装置は、上記第１の態様に係る投射光学系を備える。
【０００９】
本発明の第３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。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、検出対象物が近距離にある場合においても、大きな目標物の距離情報を取得できる情報取得装置、投射装置および物体検出装置を提供することができる。
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る物体検出装置の構成を示す図である。
【図２】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。
【図３】実施の形態に係る情報取得装置の回折投射角と検出対象物との距離の関係を示す図である。
【図４】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。
【図５】実施の形態に係る基準テンプレートの設定方法を説明する図である。
【図６】実施の形態に係る距離検出方法を説明する図である。
【図７】実施の形態に係る基準テンプレート生成時における投射光学系とドットパターンが照射されない領域を含むセグメント領域を示す図である。
【図８】変更例に係る目標領域に対するレーザ光の照射状態とドットパターンが照射されない領域を含むセグメント領域を示す図である。
【図９】変更例に係るセグメント領域の設定例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。なお、本実施の形態における投射光学系１１、レーザ駆動回路２２およびレーザ制御部２１ａからなる構成が、特許請求の範囲における投射装置に相当する。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
情報取得装置１は、光学系として、投射光学系１１と受光光学系１２とを備えている。投射光学系１１と受光光学系１２は、投射光学系１１の投射中心と受光光学系１２の撮像中心がＸ軸に平行な直線上に並ぶように、Ｘ軸方向に所定の距離をもって並んで設置されている。
【００２１】
投射光学系１１は、所定のドットパターンのレーザ光を、目標領域に照射する。投射光学系１１の構成は、追って、図３を参照して説明する。
【００２２】
受光光学系１２は、フィルタ１２１と、アパーチャ１２２と、撮像レンズ１２３と、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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。
【００２３】
目標領域から反射されたレーザ光は、フィルタ１２１とアパーチャ１２２を介して撮像レンズ１２３に入射する。
【００２４】
フィルタ１２１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、可視光の波長帯域をカットするバンドパスフィルタである。
【００２５】
アパーチャ１２２は、撮像レンズ１２３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１２３は、アパーチャ１２２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。
【００２６】
ＣＭＯＳイメージセンサ１２４は、撮像レンズ１２３に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。ＣＭＯＳイメージセンサ１２４の解像度は、ＳＸＧＡ（Super Extended Graphics Array）に対応しており、有効画素数は１２８０×１０２４画素である。
【００２７】
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１１１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。
【００２８】
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を駆動する。撮像信号処理回路２３は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図３（ａ）は、本実施の形態における投射光学系１１の構成を模式的に示す図、図３（ｂ）は、比較例における投射光学系１５の構成を模式的に示す図である。なお、投射光学系は、説明の便宜上、検出対象物（人間Ｍ）に対して、通常より大きく示されている。
【００３５】
図３（ａ）を参照して、投射光学系１１は、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、ハーフミラー１１３と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１１４、１１５とを備えている。
【００３６】
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。レーザ光源１１１は、出射光軸がＺ軸に対してＹ−Ｚ平面の面内方向に傾くように設置される。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から僅かに広がった光（以下、単に「平行光」という）に変換する。コリメータレンズ１１２は、
その光軸がレーザ光源１１１の出射光軸と一致するように、Ｙ−Ｚ平面の面内方向に傾いて設置される。
【００３７】
ハーフミラー１１３は、誘電体薄膜の多層膜を備え、反射率と透過率が略同じとなるように膜の層数や膜厚が設計されている。ハーフミラー１１３は、入射面が、コリメータレンズ１１２を透過したレーザ光の光軸に対して、所定の傾きを持つよう設置される。本実施の形態では、ハーフミラー１１３は、コリメータレンズ１１２を透過したレーザ光が略２４°の入射角で入射するよう設置される。ハーフミラー１１３は、コリメータレンズ１１２側から入射されたレーザ光の略半分をＤＯＥ１１４に向かう方向に透過し、残りの略半分をＤＯＥ１１５に向かう方向に反射する。
【００３８】
ＤＯＥ１１４、１１５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、ＤＯＥ１１４、１１５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、コリメータレンズ１１２により平行光とされた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。ＤＯＥ１１４と、ＤＯＥ１１５は、それぞれ、異なる回折パターンが形成されている。ドットパターンの各ドットの大きさは、ＤＯＥ１１４、１１５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。ＤＯＥ１１４、１１５にて回折されないレーザ光（０次光）は、ＤＯＥ１１４、１１５を透過してそのまま直進する。
【００３９】
ＤＯＥ１１４は、入射面がハーフミラー１１３を透過したレーザ光の光軸に対して垂直となるように、Ｘ−Ｙ平面に対してＹ−Ｚ平面の面内方向に傾くように設置される。また、ＤＯＥ１１４は、ハーフミラー１１３を透過したレーザ光を、Ｙ軸方向に所定の角度α、Ｘ軸方向に所定の角度の回折投射角で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。ＤＯＥ１１４は、ドットパターンのレーザ光の下端（Ｙ軸負方向の端）の光が、水平平面（Ｘ−Ｚ平面）に平行にＺ軸正方向に進むように設置される。
【００４０】
ＤＯＥ１１５は、入射面がハーフミラー１１３を反射したレーザ光の光軸に対して垂直となるようにＸ−Ｙ平面に対してＹ−Ｚ平面の面内方向に傾くように設置される。また、ＤＯＥ１１５は、ハーフミラー１１３で反射されたレーザ光を、Ｙ軸方向に所定の角度β、Ｘ軸方向に所定の角度の回折投射角で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。ＤＯＥ１１５は、ドットパターンのレーザ光の上端（Ｙ軸正方向の端）の光が、水平平面（Ｘ−Ｚ平面）に平行にＺ軸正方向に進むように設置される。
【００４１】
ＤＯＥ１１４、１１５は、それぞれ、Ｙ軸方向に並ぶように設置される。ＤＯＥ１１４のＹ軸方向の回折投射角αと、ＤＯＥ１１５のＹ軸方向の回折投射角βは、略同じ角度であり、本実施の形態では、それぞれ、略４８°に設定される。また、ＤＯＥ１１４のＸ軸方向の回折投射角と、ＤＯＥ１１５のＸ軸方向の回折投射角も、略同じ角度であり、本実施の形態では、それぞれ、略６４°に設定される。
【００４２】
ＤＯＥ１１４の回折投射角の下端（Ｙ軸負方向）と、ＤＯＥ１１５の回折投射角の上端（Ｙ軸正方向）の間には、ＤＯＥ１１４、１１５自身の大きさと、ＤＯＥ１１４、１１５を支える保持部材（図示せず）の大きさによって、ドットパターンが照射されない所定の間隔Ｄが生じる。本実施の形態では、所定の間隔Ｄは、略１０ｍｍ程度で構成される。所定の間隔Ｄは、ＤＯＥ１１４により生成されたドットパターンのレーザ光の下端（Ｙ軸負方向の端）の光と、ＤＯＥ１１５により生成されたドットパターンのレーザ光の上端（Ｙ軸正方向の端）の光が、それぞれ、水平平面（Ｘ−Ｚ平面）に平行に進むように設定されているため、同図の距離Ｌが変化しても、一定である。したがって、検出対象物がどのよ
うな距離にあっても、それぞれのドットパターンが検出対象物上で重なることはない。なお、ドットパターンが照射されない間隔Ｄによる距離測定処理への影響は、追って、図７を参照して説明する。
【００４３】
投射光学系１１は、ハーフミラー１１３と、ＤＯＥ１１４と、ＤＯＥ１１５により、回折投射角αとβが足し合わさった広い回折投射角（略９６°）でドットパターンを目標領域に照射する。この場合、大人の人間Ｍの身長Ｈ（略１８０ｃｍ）を全て認識するために必要な距離Ｌの最小値は、略１．０ｍとなる。
【００４４】
ＤＯＥ１１４、１１５により生成されたそれぞれのドットパターンには、略同じ数のドットが含まれている。上記のように、ＤＯＥ１１４、１１５の回折投射角は略同じであるため、ＤＯＥ１１４、１１５により生成されたそれぞれのドットパターンのドットの密度は、略同じである。
【００４５】
図３（ｂ）を参照して、比較例における投射光学系１５は、本実施の形態と同様のレーザ光源１５１と、コリメータレンズ１５２とＤＯＥ１５３とを備えている。
【００４６】
レーザ光源１５１と、コリメータレンズ１５２と、ＤＯＥ１５３は、それぞれＺ軸方向に対して平行に並ぶように設置される。ＤＯＥ１５３は、コリメータレンズ１５２を透過したレーザ光をＹ軸方向に角度γ、Ｘ軸方向に所定の角度の回折投射角で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。角度γは、本実施の形態における角度αと同じであり、略４８°である。
【００４７】
比較例における投射光学系１５は、ＤＯＥ１５３により、Ｙ軸方向に略４８°の回折投射角でドットパターンを目標領域に照射する。この場合、大人の人間Ｍの身長Ｈを全て認識するために必要な目標領域と投射光学系１５との距離Ｌ’の最小値は、略２．０ｍとなり、本実施の形態の距離Ｌと比べ、かなり遠くなる。
【００４８】
このように、投射光学系と検出対象物（人間Ｍ）全体を適正に測定可能な位置との距離は、投射されるドットパターンの回折投射角が大きくなるにつれて、近くなる。通常、ＤＯＥは、光学設計上、回折投射角を所定以上の大きさにするのは、困難である。特に、Ｘ軸方向の回折投射角を確保しつつ、Ｙ軸方向の回折投射角を９０°以上広げることは、非常に困難である。これに対し、本実施の形態では、複数のＤＯＥ１１４、１１５を用いていることにより、１枚のＤＯＥが光学的に広げることのできる回折投射角よりも、かなり広い回折投射角で目標領域にドットパターンのレーザ光を照射することができる。よって、本実施の形態における情報取得装置１では、比較例の場合と比較して、検出対象物（人間Ｍ）を、より近距離で検出することができる。また、検出対象物との距離が比較例の場合と同じ程度に離れている場合、情報取得装置１は、より大きな検出対象物を検出することができる。
【００４９】
図３（ｃ）は、本実施の形態における目標領域へのドットパターンのレーザ光の照射状況を模式的に示す図、図３（ｄ）は、比較例における目標領域へのドットパターンのレーザ光の照射状況を模式的に示す図である。
【００５０】
図３（ｃ）、（ｄ）を参照して、本実施の形態では、ＤＯＥ１１４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）Ｄｐ１を目標領域へ照射し、ＤＯＥ１１５は、ＤＰ光Ｄｐ２を目標領域へ照射する。すなわち、本実施の形態における情報取得装置１では、図示のごとく、それぞれの０次光がＹ軸方向に２つに分かれて目標領域に照射され、各０次光を中心に長方形にＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２のドットが広がる。
【００５１】
また、本実施の形態では、ハーフミラー１１３によってレーザ光が分光されるため、レーザ光源１１１、１５１の出射強度が同じである場合、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の各光量は、比較例のＤＰ光Ｄｐ３の光量に比べ、略半分となる。しかし、本実施の形態では、比較例の場合と比べ、検出対象物を近距離で検出可能であるため、比較例の場合よりも目標領域が近距離に設定される。一般的に、光量は距離の２乗に反比例して減衰する。したがって、図３（ａ）に示す場合の目標領域に入射する光量は、図３（ｄ）に示す比較例の場合と比べ、同等もしくはそれ以上の光量となる。
【００５２】
したがって、本実施の形態のように、ハーフミラー１１３によって、レーザ光が分光されるような場合においても、投射光学系１１は、レーザ光のパワーを上げる必要がない。すなわち、レーザ光のパワーを比較例と同等とした場合にも、ドットの数を減らして各ドットに対する光量配分を高める必要が無い。よって、本実施の形態における投射光学系１１は、ＤＯＥ１１４、１１５によってそれぞれ作成されるドットの数を減らすことなく、比較例の場合と同じ検出対象物（人間Ｍ）に、略２倍のドット数のドットパターンのレーザ光を照射することができる。これにより、本実施の形態における情報取得装置１は、比較例の場合と比べ、後述する距離検出処理を高分解能で行うことができる。
【００５３】
なお、本実施の形態において、検出対象物との距離が比較例の場合と同じ程度に離れているような場合、情報取得装置１は、レーザ光源１１１の出力、もしくはＤＯＥ１１４、１１５により作成されるドット数の調整等によって、検出精度の劣化を保つことができる。
【００５４】
また、図３（ｄ）に示す比較例の場合、ＤＰ光Ｄｐ３は、目標領域の人間Ｍの身長を全てカバーするために、Ｘ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ広がって照射される。このため、比較例では、たとえば、人間Ｍのような、Ｘ軸方向よりもＹ軸方向が大きい縦長の物体を検出対象とする場合に、左右（Ｘ軸方向）の端近くの照射領域が無駄になり易い。これに対し、本実施の形態では、図３（ｃ）に示すように、ＤＰ光Ｄｐ１とＤｐ２とからなる照射領域は、Ｙ軸方向に延びた縦長となるため、距離測定に用いられにくい無駄な照射領域を抑えることができ、距離測定のための処理が効率的なものとなる。
【００５５】
図４（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４（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。
【００５６】
投射光学系１１のＤＯＥ１１４、１１５からは、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２が、目標領域に照射される。同図（ａ）には、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の光束領域が実線の枠によって示されている。ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の光束中には、ＤＯＥ１１４、１１５による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、ＤＯＥ１１４、１１５による回折作用によるドットパターンに従って点在している。
【００５７】
なお、図４（ａ）では、便宜上、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の光束が、マトリックス状に並ぶ複数のセグメント領域に区分されている。ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の間のＤＰ光が照射されない間隔Ｄの領域では、ＤＰ光Ｄｐ１とＤｐ２を跨ぐようにして、セグメント領域が区分されている。各セグメント領域には、ドットが固有のパターンで点在している。一つのセグメント領域におけるドットの点在パターンは、他の全てのセグメント領域におけるドットの点在パターンと相違する。
これにより、各セグメント領域は、ドットの点在パターンをもって、他の全てのセグメント領域から区別可能となっている。
【００５８】
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Ｄｐ１、Ｄｐ２の各セグメント領域は、同図（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上においてマトリックス状に分布する。たとえば、同図（ａ）に示す目標領域上におけるセグメント領域Ｓ０の光は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上では、同図（ｂ）に示すセグメント領域Ｓｐに入射する。なお、図４（ｂ）においても、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の光束領域が実線の枠によって示され、便宜上、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の光束が、マトリックス状に並ぶ複数のセグメント領域に区分されている。
【００５９】
受光光学系１２は、後述する反射平面ＲＳ（図５（ａ）参照）にＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２が投射された場合に、回折投射角の略０．１°の幅が、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の画素のピッチに相当するよう、光学設計されている。したがって、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２のＸ軸方向の回折投射角が、それぞれ約６４°に設定され、Ｙ軸方向の回折投射角が、それぞれ約４８°に設定されている場合、反射平面ＲＳ上におけるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の全体の投射領域は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上では、６４０画素×９６０画素程度の領域に相当する。ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の回折投射角は、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２が反射平面ＲＳに照射されたとき、ドットパターンが照射されない間隔Ｄの領域を含むＤｐ１、Ｄｐ２の全体の投射領域が、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上において６４０画素×９６０画素に相当するよう、調整されている。上述の如く、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４は、１２８０画素×１０２４画素の解像度に対応しているため、これらのＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２を撮像可能である。
【００６０】
上記距離演算部２１ｂでは、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上における各セグメント領域の位置が検出され、検出された各セグメント領域の位置から、三角測量法に基づいて、検出対象物の各セグメント領域に対応する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。
【００６１】
図５は、上記距離検出に用いられる基準テンプレートの生成方法を模式的に示す図である。
【００６２】
図５（ａ）に示すように、基準テンプレートの生成時には、投射光学系１１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。距離Ｌｓは、対象物までの距離を検出可能な範囲に基づいて設定される。すなわち、距離Ｌｓは、対象物までの距離を検出可能な範囲において、反射平面ＲＳを投射光学系１１に接近および離間する方向に移動させたときの、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上におけるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の照射領域の移動範囲に基づいて設定される。具体的には、距離Ｌｓは、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上におけるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の照射領域が当該移動範囲の略中間の位置にあるときの、反射平面ＲＳまでの距離に設定される。本実施の形態では、たとえば、略１．０ｍの位置において、大人の人間の全身が認識可能となるように、所定の距離Ｌｓは、略０．７ｍの距離が設定される。
【００６３】
この状態で、投射光学系１１からＤＰ光が所定時間Ｔｅだけ出射される。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１２のＣＭＯＳイメージセンサ１２４に入射する。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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）が、図２のメモリ２５上に展開される。なお、以下では、便宜上、メモリ２５に展開された画素値に代えて、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上に照射されたＤＰ光の照射状態をもとに説明を行う。
【００６４】
こうしてメモリ２５上に展開された画素値に基づいて、図５（ｂ）に示すように、ＣＭ
ＯＳイメージセンサ１２４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。さらに、この基準パターン領域が、縦横に区分されてセグメント領域が設定される。上記のように、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。なお、図５（ｂ）の例では、各セグメント領域は、他の全てのセグメント領域と同じサイズである。
【００６５】
基準テンプレートは、このようにＣＭＯＳイメージセンサ１２４上に設定された各セグメント領域に、そのセグメント領域に含まれる各画素の画素値を対応付けて構成される。
【００６６】
具体的には、基準テンプレートは、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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と、基準パターン領域をセグメント領域に分割するための情報を含んでいる。基準パターン領域に含まれる全画素の画素値は、基準パターン領域に含まれるＤＰ光のドットパターンに相応するものになる。また、基準パターン領域に含まれる全画素の画素値のマッピング領域をセグメント領域に区分することで、各セグメント領域に含まれる画素の画素値が取得される。なお、基準テンプレートは、さらに、各セグメント領域に含まれる画素の画素値を、セグメント領域毎に保持していても良い。
【００６７】
こうして構成された基準テンプレートは、図２のメモリ２５に、消去不可能な状態で保持される。こうしてメモリ２５に保持された基準テンプレートは、投射光学系１１から検出対象物の各部までの距離を算出する際に参照される。
【００６８】
たとえば、図５（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１１と受光光学系１２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５（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。
【００６９】
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１１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１１からの距離が算出される。
【００７０】
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１２４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。
【００７１】
図６は、かかる検出の手法を説明する図である。同図（ａ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上における基準パターン領域の設定状態を示す図、同図（ｂ）は、実測時におけるセグメント領域の探索方法を示す図、同図（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示す図である。なお、ここでは、セグメント領域が、縦１５画素×横１５画素で構成されている。
【００７２】
たとえば、同図（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
、同図（ｂ）に示すように、セグメント領域Ｓ１が、範囲Ｐ１〜Ｐ２において、Ｘ軸方向に１画素ずつ送られ、各送り位置において、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。この場合、セグメント領域Ｓ１は、基準パターン領域の最上段のセグメント領域群を通るラインＬ１上のみをＸ軸方向に送られる。これは、上記のように、通常、各セグメント領域は、実測時において、基準パターン領域上の位置からＸ軸方向にのみ変位するためである。すなわち、セグメント領域Ｓ１は、最上段のラインＬ１上にあると考えられるためである。このように、Ｘ軸方向にのみ探索を行うことで、探索のための処理負担が軽減される。
【００７３】
なお、実測時には、検出対象物の位置によっては、セグメント領域が基準パターン領域の範囲からＸ軸方向にはみ出すことが起こり得る。このため、範囲Ｐ１〜Ｐ２は、基準パターン領域のＸ軸方向の幅よりも広く設定される。
【００７４】
上記マッチング度合いの検出時には、ラインＬ１上に、セグメント領域Ｓ１と同じサイズの領域（比較領域）が設定され、この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、比較領域の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。
【００７５】
たとえば、図６（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、値Ｒｓａｄが求められる。すなわち、値Ｒｓａｄは、次式により算出される。
【００７６】
【数１】
【００７７】
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。
【００７８】
探索時には、比較領域が、ラインＬ１上を１画素ずつずらされつつ順次設定される。そして、ラインＬ１上の全ての比較領域について、値Ｒｓａｄが求められる。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。ラインＬ１上のセグメント領域Ｓ１以外のセグメント領域も、上記と同様の探索が行われる。また、他のライン上のセグメント領域も、上記と同様、そのライン上に比較領域が設定されて、探索が行われる。
【００７９】
こうして、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の部位までの距離が求められる。
【００８０】
ところで、前述のとおり、本実施の形態では、ＤＯＥ１１４によるＤＰ光Ｄｐ１と、ＤＯＥ１１５によるＤＰ光Ｄｐ２の間には、ドットパターンが照射されない所定の間隔が生
ずる。この間隔が、セグメント領域の大きさに対して、かなり大きい場合は、セグメント領域内に一つもドットが照射されないことが起こり得る。この場合、中央付近の各セグメント領域は、互いに、他のセグメント領域との区別がつかず、検出精度が顕著に劣化するとの問題が生じる。
【００８１】
図７（ａ）は、基準テンプレート生成時における投射光学系１１の光学系を模式的に示す図である。図７（ｂ）は、この場合の中央付近のセグメント領域の例を示した図である。
【００８２】
図７（ａ）を参照して、前述のとおり、基準テンプレート生成時における投射光学系１１と反射平面ＲＳとの距離Ｌｓは、略０．７ｍである。また、ドットパターンが照射されない間隔Ｄは、略１０ｍｍである。さらに、投射光学系１１から照射されるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２を合わせた回折投射角は略９６°である。
【００８３】
したがって、ＤＰ光Ｄｐ１の上端（Ｙ軸正方向の端）を規定する直線とＤＰ光Ｄｐ２の下端（Ｙ軸負方向の端）を規定する直線とが直交する点ｐと、ドットパターンが照射されない領域の上端Ｄｔおよび下端Ｄｂとを結ぶ直線のなす角度θ１は、略０．８°に相当する。すなわち、本実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の１画素が回折投射角の略０．１°に相当するため、ドットパターンが照射されない領域の上下方向（Ｙ軸方向）の幅は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上では８画素程度に相当する。
【００８４】
この場合、図７（ｂ）に示すように、セグメント領域は、１５画素×１５画素で構成されているため、Ｙ軸方向に７画素の幅の領域にドットパターンが照射されることとなる。したがって、ドットパターンが照射されない領域を含む中央付近においても、所定のセグメント領域と他のセグメント領域とが区別可能となり、正常に検証対象物の距離情報を取得することができる。
【００８５】
図７（ｃ）は、反射平面ＲＳが、本実施の形態よりも投射光学系１１に近づいて基準テンプレートが生成された場合の比較例を示す図である。図７（ｄ）は、この場合の中央付近のセグメント領域の例を示した図である。
【００８６】
図７（ｃ）に示すように、投射光学系１１と反射平面ＲＳの距離Ｌｓ’は、略０．４ｍであり、投射光学系１１から照射されるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２を合わせた回折投射角は、本実施の形態と同様に略９６°である。よって、反射平面ＲＳ上のＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の高さｈ’は、図７（ａ）の場合における反射平面ＲＳ上のＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の高さｈよりも、低くなる。一方、ドットパターンが照射されない間隔Ｄは、前述の如く、どのような距離においても一定であるため、図７（ａ）同様、略１０ｍｍである。
【００８７】
また、比較例においても、上記実施の形態と同様、受光光学系（図示せず）は、反射平面ＲＳにＤＰ光Ｄｐ１、ＤＰ２を照射したときに、回折投射角の略０．１°が、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の１画素に相当するよう、光学設計されている。
【００８８】
したがって、ＤＰ光Ｄｐ１の上端（Ｙ軸正方向の端）を規定する直線とＤＰ光Ｄｐ２の下端（Ｙ軸負方向の端）を規定する直線とが直交する点ｐ’と、ドットパターンが照射されない領域の上端及び下端を結ぶ直線のなす角度θ２は、図７（ａ）における角度θ１よりも大きくなり、略１．４°に相当する。すなわち、ドットパターンが照射されない領域の上下方向（Ｙ軸方向）の幅は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の１４画素程度に相当する。
【００８９】
この場合、図７（ｄ）に示すように、セグメント領域は、１５画素×１５画素で構成さ
れているため、残りの１画素にしかドットパターンが照射されないこととなる。したがって、情報取得装置１は、ドットパターンが照射されない領域を含む中央付近において、所定のセグメントと他のセグメント領域とを区別することができず、正常に検証対象物の距離情報を取得し難い。
【００９０】
よって、検出対象位置を非常に近距離とする場合には、ドットパターンが照射されない領域の上下方向（Ｙ軸方向）の幅が１４画素程度に相当するため、セグメント領域のサイズを実施の形態の場合よりも大きくする必要がある。これにより、情報取得装置１は、演算量が多少増加するものの、ドットパターンが照射されない領域を含む中央付近においても、正常に検証対象物の距離情報を取得することができる。
【００９１】
このように、検出対象位置が極端に近距離でなければ、情報取得装置１は、中央付近においても、問題なく距離検出を行うことができる。仮に検出対象物が極端に近距離にあるような場合であっても、情報取得装置１は、セグメント領域のサイズを、少なくとも、間隔Ｄの範囲において、ＤＰ光Ｄｐ１とＤＰ光Ｄｐ２の両方がセグメント領域に入射するようなサイズに大きくすることによって、問題なく検出対象物の距離情報を取得することができる。
【００９２】
以上、本実施の形態によれば、図３（ａ）に示すように、複数のＤＯＥ１１４、１１５を用いることにより、広い角度範囲で、目標領域にドットパターンを照射することができる。よって、情報取得装置１は、検出対象物が近距離にあるような場合においても、検出対象物の距離情報を適正に取得することができる。
【００９３】
また、本実施の形態によれば、図３（ｃ）に示すように、投射光学系１１は、ＤＯＥが１枚の場合と比較して、２倍のドット数、かつ同等以上の光量で、ドットパターンのレーザ光を目標領域に照射することができる。したがって、情報取得装置１は、検出物体の距離検出処理を高分解能で行うことができる。
【００９４】
また、本実施の形態によれば、所定の方向（たとえば、人間の場合、鉛直方向）にのみ長い検出対象物の距離測定を効率的に行うことができ、距離検出にかかる演算処理の無駄を抑制することができる。
【００９５】
また、本実施の形態によれば、図３（ａ）に示すように、ＤＯＥ１１４により生成されたＤＰ光Ｄｐ１の下端（Ｙ軸負方向の端）を進む光と、ＤＯＥ１１５により生成されたＤＰ光Ｄｐ２の上端（Ｙ軸正方向の端）を進む光が、それぞれ、水平（Ｘ−Ｚ平面に平行）となるため、これらドットパターン間の間隔Ｄは、検出対象物までの距離が変化しても、一定である。したがって、検出対象物がどのような距離にあっても、それぞれのドットパターンが検出対象物上で重なることはない。よって、情報取得装置１は、中央付近の部分についても、問題なく検出対象物の距離情報を取得することができる。
【００９６】
また、本実施の形態によれば、ドットパターンの無い間隔Ｄの範囲よりも広い１５画素×１５画素のセグメント領域でマッチング処理が行われるため、ドットパターンが照射されない中央付近の領域においても、検出精度を抑えつつ、距離検出することができる。
【００９７】
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。
【００９８】
たとえば、上記実施の形態では、ＤＯＥ１１４、１１５は、図３（ａ）に示すように、人間の高さ方向（Ｙ軸方向）に合わせて、投射光学系１１と受光光学系１２の並び方向（Ｘ軸方向）に直交する方向に並べて設置したが、Ｘ軸方向の方が長いような物体を検出す
る場合、ＤＯＥ１１４、１１５は、図８（ａ）に示すように、投射光学系１１と受光光学系１２の並び方向（Ｘ軸方向）と同じ方向に並べてもよい。
【００９９】
この場合、図８（ｂ）に示すように、ドットパターンが照射されない領域は、Ｙ軸方向に沿って延びることとなる。この場合も、図７（ａ）同様、基準テンプレート生成時における反射平面との距離を略０．７ｍとすると、ドットパターンが照射されない領域の上下方向（Ｙ軸方向）の幅は、８画素程度となる。したがって、本実施の形態同様、情報取得装置は、ドットパターンが照射されない領域を含む中央付近においても、他のセグメント領域と区別することができ、問題なく検証対象物の距離情報を取得することができる。
【０１００】
また、上記実施の形態では、分光手段として、ハーフミラー１１３が用いられたが、ハーフミラー１１３に代えて、偏光方向によりレーザ光を分離させる偏光ビームスプリッターや、回折現象を用いてレーザ光を分離させる回折格子を用いても良い。
【０１０１】
また、上記実施の形態では、ＤＯＥ１１４、１１５から照射されるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２のＹ軸方向の回折投射角がそれぞれ略４８°となるように投射光学系１１が構成されたが、他の回折投射角となるように構成されてもよい。この場合、ＤＯＥ１１４により生成されたＤＰ光Ｄｐ１の下端（Ｙ軸負方向の端）を進む光と、ＤＯＥ１１５により生成されたＤＰ光Ｄｐ２の上端（Ｙ軸正方向の端）を進む光が、それぞれ、水平（Ｘ−Ｚ平面に平行）となるように、ハーフミラー１１３に入射するレーザ光の入射角とＤＯＥ１１４、１１５の傾き角を調整すればよい。
【０１０２】
また、上記実施の形態では、ＤＯＥ１１４によって生成されるＤＰ光Ｄｐ１の回折投射角の下端に進む光と、ＤＯＥ１１５によって生成されるＤＰ光Ｄｐ２の回折投射角の上端に進む光が、水平（Ｚ軸方向に平行）となるように投射光学系１１が構成されたが、それらの光は、水平から互いにやや接近するように進んでもよく、また、水平から互いにやや離れるように進んでもよい。検出対象物の検出範囲内において、それぞれのＤＰ光のドットパターンが互いに重ならなければ、中央付近の領域についても、問題なく距離検出することができる。
【０１０３】
また、上記実施の形態では、全ての領域において、同一サイズのセグメント領域（１５画素×１５画素）が設定されたが、図９に示すようにドットパターンが照射されない領域を含む中央付近でのみ、他の領域のセグメント領域（１５画素×１５画素）に比べてサイズの大きいセグメント領域（たとえば、１９画素×１９画素）が設定されてもよい。これにより、距離検出にかかる演算量の増大を抑えつつ、ドット数の少ない中央付近の領域についても、精度よく距離検出することができる。
【０１０４】
また、上記実施の形態では、隣り合うセグメント領域が互いに重ならないように、セグメント領域が設定されたが、左右に隣り合うセグメント領域が、互いに重なるように、セグメント領域が設定されても良く、また、上下に隣り合うセグメント領域が、互いに重なるように、セグメント領域が設定されても良い。
【０１０５】
また、上記実施の形態では、ドットパターンが照射されない領域を含む中央付近において、ＤＰ光Ｄｐ１とＤＰ光Ｄｐ２の両方が入射するようなセグメント領域が設定されたが、ＤＰ光Ｄｐ１とＤＰ光Ｄｐ２の少なくとも一方が入射するようにセグメント領域が設定されてもよい。たとえば、セグメント領域における上半分にＤＰ光Ｄｐ１のみが入射するように設定されてもよい。この場合であっても、上記実施の形態同様、Ｙ軸方向に７画素の幅の領域にＤＰ光Ｄｐ１のドットパターンが照射され、正常に検証対象物の距離情報を取得することができる。
【０１０６】
また、上記実施の形態では、受光光学系１２は、基準テンプレート生成時において、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の回折投射角の略０．１°が、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の１画素に相当するよう、光学設計がなされたが、基準テンプレート生成時において、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の回折投射角の略０．２°が、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の１画素に相当するよう、設計されてもよい。この場合、受光光学系１２の構成がやや複雑になるものの、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の撮像される領域を６４０画素×４８０画素相当に絞り込むことができ、より解像度の低いＶＧＡ（Video Graphics Array）に対応するＣＭＯＳイメージセンサを用いることができる。これにより、情報取得装置は、上記実施の形態と比較して、距離検出処理に要する演算量を減らすことができる。
【０１０７】
また、上記実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４によって、撮像された６４０画素×９６０画素の画像をそのまま用いて、検出対象物の距離検出を行ったが、たとえば、基準パターン領域の生成時および比較領域の撮像時において、ＣＰＵ２１により、撮像された６４０画素×９６０画素の画像を６４０画素×４８０画素に画像を圧縮し、圧縮した画像を用いて、検出対象物の距離検出処理を行ってもよい。この場合、ＣＰＵ２１に対して、圧縮処理にかかる負荷がかかるものの、上記実施の形態と比較して、情報取得装置は、距離検出処理に要する演算量を減らすことができる。
【０１０８】
さらに、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。また、情報取得装置１と情報処理装置２は一体化されても良いし、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良い。
【０１０９】
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。
【符号の説明】
【０１１０】
１ … 情報取得装置
１１ … 投射光学系（投射装置）
１１１ … レーザ光源
１１２ … コリメータレンズ
１１３ … ハーフミラー（分光素子）
１１４ … ＤＯＥ（第１の回折光学素子）
１１５ … ＤＯＥ（第２の回折光学素子）
１２ … 受光光学系
２１ａ… レーザ制御部（投射装置）
２１ｂ… 距離演算部（情報取得部）
２２ … レーザ駆動回路（投射装置）
Ｄｐ１ … ＤＰ光（第１のドットパターン光）
Ｄｐ２ … ＤＰ光（第２のドットパターン光）
【技術分野】
【０００１】
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、当該物体検出装置に用いて好適な情報取得装置、および当該物体検出装置に搭載される投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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、目標領域から反射されたドットパターンをイメージセンサで受光し、イメージセンサ上におけるドットパターンの受光位置に基づいて、三角測量法を用いて、検出対象物の各部までの距離が検出される（たとえば、非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記構成の物体検出装置では、ドットパターンのレーザ光を投射するための光学系として、たとえば、レーザ光源と、コリメータレンズと、回折光学素子が用いられる。検出可能な物体の高さ、幅は、回折光学素子により生成されたドットパターンのレーザ光の広がり角（以下、「回折投射角」という）と、物体検出装置と検出対象物の距離に応じて、大きくなる。しかし、光学設計上、回折光学素子の回折投射角を、所定以上の大きさにするのは、困難である。そのため、たとえば、大人の人間の身長をすべて認識するためには、ある程度の距離を保つ必要がある（鉛直方向の回折投射角が略５０°の場合、２ｍ以上）。したがって、物体検出装置との距離が近距離である場合、大人の人間の全身の動作を認識させるのが、困難との問題があった。
【０００６】
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、検出対象物が近距離にある場合においても、大きな目標物の距離情報を取得できる情報取得装置、投射装置および物体検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。この態様に係る情報装置は、前記目標領域に所定のドットパターンでレーザ光を投射する投射光学系と、前記投射光学系に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、前記目標領域を撮像する撮像素子を有する受光光学系と、を備える。ここで、
前記投射光学系、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、前記コリメータレンズを透過した前記レーザを分離させる分光素子と、前記分光素子によって分離された第１のレーザ光を前記目標領域において所定の
ドットパターンを有する第１のドットパターン光に変換して前記目標領域に投射する第１の回折光学素子と、前記分光素子によって分離された第２のレーザ光を前記目標領域において所定のドットパターンを有する第２のドットパターン光に変換して前記目標領域に投射する第２の回折光学素子と、を備える。
【０００８】
本発明の第２の態様は、投射装置に関する。この態様に係る投射装置は、上記第１の態様に係る投射光学系を備える。
【０００９】
本発明の第３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。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、検出対象物が近距離にある場合においても、大きな目標物の距離情報を取得できる情報取得装置、投射装置および物体検出装置を提供することができる。
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態に係る物体検出装置の構成を示す図である。
【図２】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。
【図３】実施の形態に係る情報取得装置の回折投射角と検出対象物との距離の関係を示す図である。
【図４】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。
【図５】実施の形態に係る基準テンプレートの設定方法を説明する図である。
【図６】実施の形態に係る距離検出方法を説明する図である。
【図７】実施の形態に係る基準テンプレート生成時における投射光学系とドットパターンが照射されない領域を含むセグメント領域を示す図である。
【図８】変更例に係る目標領域に対するレーザ光の照射状態とドットパターンが照射されない領域を含むセグメント領域を示す図である。
【図９】変更例に係るセグメント領域の設定例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。なお、本実施の形態における投射光学系１１、レーザ駆動回路２２およびレーザ制御部２１ａからなる構成が、特許請求の範囲における投射装置に相当する。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
情報取得装置１は、光学系として、投射光学系１１と受光光学系１２とを備えている。投射光学系１１と受光光学系１２は、投射光学系１１の投射中心と受光光学系１２の撮像中心がＸ軸に平行な直線上に並ぶように、Ｘ軸方向に所定の距離をもって並んで設置されている。
【００２１】
投射光学系１１は、所定のドットパターンのレーザ光を、目標領域に照射する。投射光学系１１の構成は、追って、図３を参照して説明する。
【００２２】
受光光学系１２は、フィルタ１２１と、アパーチャ１２２と、撮像レンズ１２３と、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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。
【００２３】
目標領域から反射されたレーザ光は、フィルタ１２１とアパーチャ１２２を介して撮像レンズ１２３に入射する。
【００２４】
フィルタ１２１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、可視光の波長帯域をカットするバンドパスフィルタである。
【００２５】
アパーチャ１２２は、撮像レンズ１２３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１２３は、アパーチャ１２２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。
【００２６】
ＣＭＯＳイメージセンサ１２４は、撮像レンズ１２３に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。ＣＭＯＳイメージセンサ１２４の解像度は、ＳＸＧＡ（Super Extended Graphics Array）に対応しており、有効画素数は１２８０×１０２４画素である。
【００２７】
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１１１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。
【００２８】
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を駆動する。撮像信号処理回路２３は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図３（ａ）は、本実施の形態における投射光学系１１の構成を模式的に示す図、図３（ｂ）は、比較例における投射光学系１５の構成を模式的に示す図である。なお、投射光学系は、説明の便宜上、検出対象物（人間Ｍ）に対して、通常より大きく示されている。
【００３５】
図３（ａ）を参照して、投射光学系１１は、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ１１２と、ハーフミラー１１３と、回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）１１４、１１５とを備えている。
【００３６】
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。レーザ光源１１１は、出射光軸がＺ軸に対してＹ−Ｚ平面の面内方向に傾くように設置される。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から僅かに広がった光（以下、単に「平行光」という）に変換する。コリメータレンズ１１２は、
その光軸がレーザ光源１１１の出射光軸と一致するように、Ｙ−Ｚ平面の面内方向に傾いて設置される。
【００３７】
ハーフミラー１１３は、誘電体薄膜の多層膜を備え、反射率と透過率が略同じとなるように膜の層数や膜厚が設計されている。ハーフミラー１１３は、入射面が、コリメータレンズ１１２を透過したレーザ光の光軸に対して、所定の傾きを持つよう設置される。本実施の形態では、ハーフミラー１１３は、コリメータレンズ１１２を透過したレーザ光が略２４°の入射角で入射するよう設置される。ハーフミラー１１３は、コリメータレンズ１１２側から入射されたレーザ光の略半分をＤＯＥ１１４に向かう方向に透過し、残りの略半分をＤＯＥ１１５に向かう方向に反射する。
【００３８】
ＤＯＥ１１４、１１５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、ＤＯＥ１１４、１１５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、コリメータレンズ１１２により平行光とされた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。ＤＯＥ１１４と、ＤＯＥ１１５は、それぞれ、異なる回折パターンが形成されている。ドットパターンの各ドットの大きさは、ＤＯＥ１１４、１１５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。ＤＯＥ１１４、１１５にて回折されないレーザ光（０次光）は、ＤＯＥ１１４、１１５を透過してそのまま直進する。
【００３９】
ＤＯＥ１１４は、入射面がハーフミラー１１３を透過したレーザ光の光軸に対して垂直となるように、Ｘ−Ｙ平面に対してＹ−Ｚ平面の面内方向に傾くように設置される。また、ＤＯＥ１１４は、ハーフミラー１１３を透過したレーザ光を、Ｙ軸方向に所定の角度α、Ｘ軸方向に所定の角度の回折投射角で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。ＤＯＥ１１４は、ドットパターンのレーザ光の下端（Ｙ軸負方向の端）の光が、水平平面（Ｘ−Ｚ平面）に平行にＺ軸正方向に進むように設置される。
【００４０】
ＤＯＥ１１５は、入射面がハーフミラー１１３を反射したレーザ光の光軸に対して垂直となるようにＸ−Ｙ平面に対してＹ−Ｚ平面の面内方向に傾くように設置される。また、ＤＯＥ１１５は、ハーフミラー１１３で反射されたレーザ光を、Ｙ軸方向に所定の角度β、Ｘ軸方向に所定の角度の回折投射角で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。ＤＯＥ１１５は、ドットパターンのレーザ光の上端（Ｙ軸正方向の端）の光が、水平平面（Ｘ−Ｚ平面）に平行にＺ軸正方向に進むように設置される。
【００４１】
ＤＯＥ１１４、１１５は、それぞれ、Ｙ軸方向に並ぶように設置される。ＤＯＥ１１４のＹ軸方向の回折投射角αと、ＤＯＥ１１５のＹ軸方向の回折投射角βは、略同じ角度であり、本実施の形態では、それぞれ、略４８°に設定される。また、ＤＯＥ１１４のＸ軸方向の回折投射角と、ＤＯＥ１１５のＸ軸方向の回折投射角も、略同じ角度であり、本実施の形態では、それぞれ、略６４°に設定される。
【００４２】
ＤＯＥ１１４の回折投射角の下端（Ｙ軸負方向）と、ＤＯＥ１１５の回折投射角の上端（Ｙ軸正方向）の間には、ＤＯＥ１１４、１１５自身の大きさと、ＤＯＥ１１４、１１５を支える保持部材（図示せず）の大きさによって、ドットパターンが照射されない所定の間隔Ｄが生じる。本実施の形態では、所定の間隔Ｄは、略１０ｍｍ程度で構成される。所定の間隔Ｄは、ＤＯＥ１１４により生成されたドットパターンのレーザ光の下端（Ｙ軸負方向の端）の光と、ＤＯＥ１１５により生成されたドットパターンのレーザ光の上端（Ｙ軸正方向の端）の光が、それぞれ、水平平面（Ｘ−Ｚ平面）に平行に進むように設定されているため、同図の距離Ｌが変化しても、一定である。したがって、検出対象物がどのよ
うな距離にあっても、それぞれのドットパターンが検出対象物上で重なることはない。なお、ドットパターンが照射されない間隔Ｄによる距離測定処理への影響は、追って、図７を参照して説明する。
【００４３】
投射光学系１１は、ハーフミラー１１３と、ＤＯＥ１１４と、ＤＯＥ１１５により、回折投射角αとβが足し合わさった広い回折投射角（略９６°）でドットパターンを目標領域に照射する。この場合、大人の人間Ｍの身長Ｈ（略１８０ｃｍ）を全て認識するために必要な距離Ｌの最小値は、略１．０ｍとなる。
【００４４】
ＤＯＥ１１４、１１５により生成されたそれぞれのドットパターンには、略同じ数のドットが含まれている。上記のように、ＤＯＥ１１４、１１５の回折投射角は略同じであるため、ＤＯＥ１１４、１１５により生成されたそれぞれのドットパターンのドットの密度は、略同じである。
【００４５】
図３（ｂ）を参照して、比較例における投射光学系１５は、本実施の形態と同様のレーザ光源１５１と、コリメータレンズ１５２とＤＯＥ１５３とを備えている。
【００４６】
レーザ光源１５１と、コリメータレンズ１５２と、ＤＯＥ１５３は、それぞれＺ軸方向に対して平行に並ぶように設置される。ＤＯＥ１５３は、コリメータレンズ１５２を透過したレーザ光をＹ軸方向に角度γ、Ｘ軸方向に所定の角度の回折投射角で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。角度γは、本実施の形態における角度αと同じであり、略４８°である。
【００４７】
比較例における投射光学系１５は、ＤＯＥ１５３により、Ｙ軸方向に略４８°の回折投射角でドットパターンを目標領域に照射する。この場合、大人の人間Ｍの身長Ｈを全て認識するために必要な目標領域と投射光学系１５との距離Ｌ’の最小値は、略２．０ｍとなり、本実施の形態の距離Ｌと比べ、かなり遠くなる。
【００４８】
このように、投射光学系と検出対象物（人間Ｍ）全体を適正に測定可能な位置との距離は、投射されるドットパターンの回折投射角が大きくなるにつれて、近くなる。通常、ＤＯＥは、光学設計上、回折投射角を所定以上の大きさにするのは、困難である。特に、Ｘ軸方向の回折投射角を確保しつつ、Ｙ軸方向の回折投射角を９０°以上広げることは、非常に困難である。これに対し、本実施の形態では、複数のＤＯＥ１１４、１１５を用いていることにより、１枚のＤＯＥが光学的に広げることのできる回折投射角よりも、かなり広い回折投射角で目標領域にドットパターンのレーザ光を照射することができる。よって、本実施の形態における情報取得装置１では、比較例の場合と比較して、検出対象物（人間Ｍ）を、より近距離で検出することができる。また、検出対象物との距離が比較例の場合と同じ程度に離れている場合、情報取得装置１は、より大きな検出対象物を検出することができる。
【００４９】
図３（ｃ）は、本実施の形態における目標領域へのドットパターンのレーザ光の照射状況を模式的に示す図、図３（ｄ）は、比較例における目標領域へのドットパターンのレーザ光の照射状況を模式的に示す図である。
【００５０】
図３（ｃ）、（ｄ）を参照して、本実施の形態では、ＤＯＥ１１４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）Ｄｐ１を目標領域へ照射し、ＤＯＥ１１５は、ＤＰ光Ｄｐ２を目標領域へ照射する。すなわち、本実施の形態における情報取得装置１では、図示のごとく、それぞれの０次光がＹ軸方向に２つに分かれて目標領域に照射され、各０次光を中心に長方形にＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２のドットが広がる。
【００５１】
また、本実施の形態では、ハーフミラー１１３によってレーザ光が分光されるため、レーザ光源１１１、１５１の出射強度が同じである場合、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の各光量は、比較例のＤＰ光Ｄｐ３の光量に比べ、略半分となる。しかし、本実施の形態では、比較例の場合と比べ、検出対象物を近距離で検出可能であるため、比較例の場合よりも目標領域が近距離に設定される。一般的に、光量は距離の２乗に反比例して減衰する。したがって、図３（ａ）に示す場合の目標領域に入射する光量は、図３（ｄ）に示す比較例の場合と比べ、同等もしくはそれ以上の光量となる。
【００５２】
したがって、本実施の形態のように、ハーフミラー１１３によって、レーザ光が分光されるような場合においても、投射光学系１１は、レーザ光のパワーを上げる必要がない。すなわち、レーザ光のパワーを比較例と同等とした場合にも、ドットの数を減らして各ドットに対する光量配分を高める必要が無い。よって、本実施の形態における投射光学系１１は、ＤＯＥ１１４、１１５によってそれぞれ作成されるドットの数を減らすことなく、比較例の場合と同じ検出対象物（人間Ｍ）に、略２倍のドット数のドットパターンのレーザ光を照射することができる。これにより、本実施の形態における情報取得装置１は、比較例の場合と比べ、後述する距離検出処理を高分解能で行うことができる。
【００５３】
なお、本実施の形態において、検出対象物との距離が比較例の場合と同じ程度に離れているような場合、情報取得装置１は、レーザ光源１１１の出力、もしくはＤＯＥ１１４、１１５により作成されるドット数の調整等によって、検出精度の劣化を保つことができる。
【００５４】
また、図３（ｄ）に示す比較例の場合、ＤＰ光Ｄｐ３は、目標領域の人間Ｍの身長を全てカバーするために、Ｘ軸方向とＹ軸方向にそれぞれ広がって照射される。このため、比較例では、たとえば、人間Ｍのような、Ｘ軸方向よりもＹ軸方向が大きい縦長の物体を検出対象とする場合に、左右（Ｘ軸方向）の端近くの照射領域が無駄になり易い。これに対し、本実施の形態では、図３（ｃ）に示すように、ＤＰ光Ｄｐ１とＤｐ２とからなる照射領域は、Ｙ軸方向に延びた縦長となるため、距離測定に用いられにくい無駄な照射領域を抑えることができ、距離測定のための処理が効率的なものとなる。
【００５５】
図４（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４（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。
【００５６】
投射光学系１１のＤＯＥ１１４、１１５からは、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２が、目標領域に照射される。同図（ａ）には、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の光束領域が実線の枠によって示されている。ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の光束中には、ＤＯＥ１１４、１１５による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、ＤＯＥ１１４、１１５による回折作用によるドットパターンに従って点在している。
【００５７】
なお、図４（ａ）では、便宜上、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の光束が、マトリックス状に並ぶ複数のセグメント領域に区分されている。ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の間のＤＰ光が照射されない間隔Ｄの領域では、ＤＰ光Ｄｐ１とＤｐ２を跨ぐようにして、セグメント領域が区分されている。各セグメント領域には、ドットが固有のパターンで点在している。一つのセグメント領域におけるドットの点在パターンは、他の全てのセグメント領域におけるドットの点在パターンと相違する。
これにより、各セグメント領域は、ドットの点在パターンをもって、他の全てのセグメント領域から区別可能となっている。
【００５８】
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Ｄｐ１、Ｄｐ２の各セグメント領域は、同図（ｂ）のように、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上においてマトリックス状に分布する。たとえば、同図（ａ）に示す目標領域上におけるセグメント領域Ｓ０の光は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上では、同図（ｂ）に示すセグメント領域Ｓｐに入射する。なお、図４（ｂ）においても、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の光束領域が実線の枠によって示され、便宜上、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の光束が、マトリックス状に並ぶ複数のセグメント領域に区分されている。
【００５９】
受光光学系１２は、後述する反射平面ＲＳ（図５（ａ）参照）にＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２が投射された場合に、回折投射角の略０．１°の幅が、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の画素のピッチに相当するよう、光学設計されている。したがって、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２のＸ軸方向の回折投射角が、それぞれ約６４°に設定され、Ｙ軸方向の回折投射角が、それぞれ約４８°に設定されている場合、反射平面ＲＳ上におけるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の全体の投射領域は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上では、６４０画素×９６０画素程度の領域に相当する。ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の回折投射角は、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２が反射平面ＲＳに照射されたとき、ドットパターンが照射されない間隔Ｄの領域を含むＤｐ１、Ｄｐ２の全体の投射領域が、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上において６４０画素×９６０画素に相当するよう、調整されている。上述の如く、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４は、１２８０画素×１０２４画素の解像度に対応しているため、これらのＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２を撮像可能である。
【００６０】
上記距離演算部２１ｂでは、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上における各セグメント領域の位置が検出され、検出された各セグメント領域の位置から、三角測量法に基づいて、検出対象物の各セグメント領域に対応する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。
【００６１】
図５は、上記距離検出に用いられる基準テンプレートの生成方法を模式的に示す図である。
【００６２】
図５（ａ）に示すように、基準テンプレートの生成時には、投射光学系１１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。距離Ｌｓは、対象物までの距離を検出可能な範囲に基づいて設定される。すなわち、距離Ｌｓは、対象物までの距離を検出可能な範囲において、反射平面ＲＳを投射光学系１１に接近および離間する方向に移動させたときの、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上におけるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の照射領域の移動範囲に基づいて設定される。具体的には、距離Ｌｓは、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上におけるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の照射領域が当該移動範囲の略中間の位置にあるときの、反射平面ＲＳまでの距離に設定される。本実施の形態では、たとえば、略１．０ｍの位置において、大人の人間の全身が認識可能となるように、所定の距離Ｌｓは、略０．７ｍの距離が設定される。
【００６３】
この状態で、投射光学系１１からＤＰ光が所定時間Ｔｅだけ出射される。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１２のＣＭＯＳイメージセンサ１２４に入射する。これにより、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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）が、図２のメモリ２５上に展開される。なお、以下では、便宜上、メモリ２５に展開された画素値に代えて、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上に照射されたＤＰ光の照射状態をもとに説明を行う。
【００６４】
こうしてメモリ２５上に展開された画素値に基づいて、図５（ｂ）に示すように、ＣＭ
ＯＳイメージセンサ１２４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。さらに、この基準パターン領域が、縦横に区分されてセグメント領域が設定される。上記のように、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。なお、図５（ｂ）の例では、各セグメント領域は、他の全てのセグメント領域と同じサイズである。
【００６５】
基準テンプレートは、このようにＣＭＯＳイメージセンサ１２４上に設定された各セグメント領域に、そのセグメント領域に含まれる各画素の画素値を対応付けて構成される。
【００６６】
具体的には、基準テンプレートは、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４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と、基準パターン領域をセグメント領域に分割するための情報を含んでいる。基準パターン領域に含まれる全画素の画素値は、基準パターン領域に含まれるＤＰ光のドットパターンに相応するものになる。また、基準パターン領域に含まれる全画素の画素値のマッピング領域をセグメント領域に区分することで、各セグメント領域に含まれる画素の画素値が取得される。なお、基準テンプレートは、さらに、各セグメント領域に含まれる画素の画素値を、セグメント領域毎に保持していても良い。
【００６７】
こうして構成された基準テンプレートは、図２のメモリ２５に、消去不可能な状態で保持される。こうしてメモリ２５に保持された基準テンプレートは、投射光学系１１から検出対象物の各部までの距離を算出する際に参照される。
【００６８】
たとえば、図５（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１１と受光光学系１２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５（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。
【００６９】
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１１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１１からの距離が算出される。
【００７０】
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１２４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。
【００７１】
図６は、かかる検出の手法を説明する図である。同図（ａ）は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上における基準パターン領域の設定状態を示す図、同図（ｂ）は、実測時におけるセグメント領域の探索方法を示す図、同図（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示す図である。なお、ここでは、セグメント領域が、縦１５画素×横１５画素で構成されている。
【００７２】
たとえば、同図（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
、同図（ｂ）に示すように、セグメント領域Ｓ１が、範囲Ｐ１〜Ｐ２において、Ｘ軸方向に１画素ずつ送られ、各送り位置において、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。この場合、セグメント領域Ｓ１は、基準パターン領域の最上段のセグメント領域群を通るラインＬ１上のみをＸ軸方向に送られる。これは、上記のように、通常、各セグメント領域は、実測時において、基準パターン領域上の位置からＸ軸方向にのみ変位するためである。すなわち、セグメント領域Ｓ１は、最上段のラインＬ１上にあると考えられるためである。このように、Ｘ軸方向にのみ探索を行うことで、探索のための処理負担が軽減される。
【００７３】
なお、実測時には、検出対象物の位置によっては、セグメント領域が基準パターン領域の範囲からＸ軸方向にはみ出すことが起こり得る。このため、範囲Ｐ１〜Ｐ２は、基準パターン領域のＸ軸方向の幅よりも広く設定される。
【００７４】
上記マッチング度合いの検出時には、ラインＬ１上に、セグメント領域Ｓ１と同じサイズの領域（比較領域）が設定され、この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、比較領域の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。
【００７５】
たとえば、図６（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、値Ｒｓａｄが求められる。すなわち、値Ｒｓａｄは、次式により算出される。
【００７６】
【数１】
【００７７】
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。
【００７８】
探索時には、比較領域が、ラインＬ１上を１画素ずつずらされつつ順次設定される。そして、ラインＬ１上の全ての比較領域について、値Ｒｓａｄが求められる。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。ラインＬ１上のセグメント領域Ｓ１以外のセグメント領域も、上記と同様の探索が行われる。また、他のライン上のセグメント領域も、上記と同様、そのライン上に比較領域が設定されて、探索が行われる。
【００７９】
こうして、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の部位までの距離が求められる。
【００８０】
ところで、前述のとおり、本実施の形態では、ＤＯＥ１１４によるＤＰ光Ｄｐ１と、ＤＯＥ１１５によるＤＰ光Ｄｐ２の間には、ドットパターンが照射されない所定の間隔が生
ずる。この間隔が、セグメント領域の大きさに対して、かなり大きい場合は、セグメント領域内に一つもドットが照射されないことが起こり得る。この場合、中央付近の各セグメント領域は、互いに、他のセグメント領域との区別がつかず、検出精度が顕著に劣化するとの問題が生じる。
【００８１】
図７（ａ）は、基準テンプレート生成時における投射光学系１１の光学系を模式的に示す図である。図７（ｂ）は、この場合の中央付近のセグメント領域の例を示した図である。
【００８２】
図７（ａ）を参照して、前述のとおり、基準テンプレート生成時における投射光学系１１と反射平面ＲＳとの距離Ｌｓは、略０．７ｍである。また、ドットパターンが照射されない間隔Ｄは、略１０ｍｍである。さらに、投射光学系１１から照射されるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２を合わせた回折投射角は略９６°である。
【００８３】
したがって、ＤＰ光Ｄｐ１の上端（Ｙ軸正方向の端）を規定する直線とＤＰ光Ｄｐ２の下端（Ｙ軸負方向の端）を規定する直線とが直交する点ｐと、ドットパターンが照射されない領域の上端Ｄｔおよび下端Ｄｂとを結ぶ直線のなす角度θ１は、略０．８°に相当する。すなわち、本実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の１画素が回折投射角の略０．１°に相当するため、ドットパターンが照射されない領域の上下方向（Ｙ軸方向）の幅は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上では８画素程度に相当する。
【００８４】
この場合、図７（ｂ）に示すように、セグメント領域は、１５画素×１５画素で構成されているため、Ｙ軸方向に７画素の幅の領域にドットパターンが照射されることとなる。したがって、ドットパターンが照射されない領域を含む中央付近においても、所定のセグメント領域と他のセグメント領域とが区別可能となり、正常に検証対象物の距離情報を取得することができる。
【００８５】
図７（ｃ）は、反射平面ＲＳが、本実施の形態よりも投射光学系１１に近づいて基準テンプレートが生成された場合の比較例を示す図である。図７（ｄ）は、この場合の中央付近のセグメント領域の例を示した図である。
【００８６】
図７（ｃ）に示すように、投射光学系１１と反射平面ＲＳの距離Ｌｓ’は、略０．４ｍであり、投射光学系１１から照射されるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２を合わせた回折投射角は、本実施の形態と同様に略９６°である。よって、反射平面ＲＳ上のＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の高さｈ’は、図７（ａ）の場合における反射平面ＲＳ上のＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の高さｈよりも、低くなる。一方、ドットパターンが照射されない間隔Ｄは、前述の如く、どのような距離においても一定であるため、図７（ａ）同様、略１０ｍｍである。
【００８７】
また、比較例においても、上記実施の形態と同様、受光光学系（図示せず）は、反射平面ＲＳにＤＰ光Ｄｐ１、ＤＰ２を照射したときに、回折投射角の略０．１°が、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の１画素に相当するよう、光学設計されている。
【００８８】
したがって、ＤＰ光Ｄｐ１の上端（Ｙ軸正方向の端）を規定する直線とＤＰ光Ｄｐ２の下端（Ｙ軸負方向の端）を規定する直線とが直交する点ｐ’と、ドットパターンが照射されない領域の上端及び下端を結ぶ直線のなす角度θ２は、図７（ａ）における角度θ１よりも大きくなり、略１．４°に相当する。すなわち、ドットパターンが照射されない領域の上下方向（Ｙ軸方向）の幅は、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の１４画素程度に相当する。
【００８９】
この場合、図７（ｄ）に示すように、セグメント領域は、１５画素×１５画素で構成さ
れているため、残りの１画素にしかドットパターンが照射されないこととなる。したがって、情報取得装置１は、ドットパターンが照射されない領域を含む中央付近において、所定のセグメントと他のセグメント領域とを区別することができず、正常に検証対象物の距離情報を取得し難い。
【００９０】
よって、検出対象位置を非常に近距離とする場合には、ドットパターンが照射されない領域の上下方向（Ｙ軸方向）の幅が１４画素程度に相当するため、セグメント領域のサイズを実施の形態の場合よりも大きくする必要がある。これにより、情報取得装置１は、演算量が多少増加するものの、ドットパターンが照射されない領域を含む中央付近においても、正常に検証対象物の距離情報を取得することができる。
【００９１】
このように、検出対象位置が極端に近距離でなければ、情報取得装置１は、中央付近においても、問題なく距離検出を行うことができる。仮に検出対象物が極端に近距離にあるような場合であっても、情報取得装置１は、セグメント領域のサイズを、少なくとも、間隔Ｄの範囲において、ＤＰ光Ｄｐ１とＤＰ光Ｄｐ２の両方がセグメント領域に入射するようなサイズに大きくすることによって、問題なく検出対象物の距離情報を取得することができる。
【００９２】
以上、本実施の形態によれば、図３（ａ）に示すように、複数のＤＯＥ１１４、１１５を用いることにより、広い角度範囲で、目標領域にドットパターンを照射することができる。よって、情報取得装置１は、検出対象物が近距離にあるような場合においても、検出対象物の距離情報を適正に取得することができる。
【００９３】
また、本実施の形態によれば、図３（ｃ）に示すように、投射光学系１１は、ＤＯＥが１枚の場合と比較して、２倍のドット数、かつ同等以上の光量で、ドットパターンのレーザ光を目標領域に照射することができる。したがって、情報取得装置１は、検出物体の距離検出処理を高分解能で行うことができる。
【００９４】
また、本実施の形態によれば、所定の方向（たとえば、人間の場合、鉛直方向）にのみ長い検出対象物の距離測定を効率的に行うことができ、距離検出にかかる演算処理の無駄を抑制することができる。
【００９５】
また、本実施の形態によれば、図３（ａ）に示すように、ＤＯＥ１１４により生成されたＤＰ光Ｄｐ１の下端（Ｙ軸負方向の端）を進む光と、ＤＯＥ１１５により生成されたＤＰ光Ｄｐ２の上端（Ｙ軸正方向の端）を進む光が、それぞれ、水平（Ｘ−Ｚ平面に平行）となるため、これらドットパターン間の間隔Ｄは、検出対象物までの距離が変化しても、一定である。したがって、検出対象物がどのような距離にあっても、それぞれのドットパターンが検出対象物上で重なることはない。よって、情報取得装置１は、中央付近の部分についても、問題なく検出対象物の距離情報を取得することができる。
【００９６】
また、本実施の形態によれば、ドットパターンの無い間隔Ｄの範囲よりも広い１５画素×１５画素のセグメント領域でマッチング処理が行われるため、ドットパターンが照射されない中央付近の領域においても、検出精度を抑えつつ、距離検出することができる。
【００９７】
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。
【００９８】
たとえば、上記実施の形態では、ＤＯＥ１１４、１１５は、図３（ａ）に示すように、人間の高さ方向（Ｙ軸方向）に合わせて、投射光学系１１と受光光学系１２の並び方向（Ｘ軸方向）に直交する方向に並べて設置したが、Ｘ軸方向の方が長いような物体を検出す
る場合、ＤＯＥ１１４、１１５は、図８（ａ）に示すように、投射光学系１１と受光光学系１２の並び方向（Ｘ軸方向）と同じ方向に並べてもよい。
【００９９】
この場合、図８（ｂ）に示すように、ドットパターンが照射されない領域は、Ｙ軸方向に沿って延びることとなる。この場合も、図７（ａ）同様、基準テンプレート生成時における反射平面との距離を略０．７ｍとすると、ドットパターンが照射されない領域の上下方向（Ｙ軸方向）の幅は、８画素程度となる。したがって、本実施の形態同様、情報取得装置は、ドットパターンが照射されない領域を含む中央付近においても、他のセグメント領域と区別することができ、問題なく検証対象物の距離情報を取得することができる。
【０１００】
また、上記実施の形態では、分光手段として、ハーフミラー１１３が用いられたが、ハーフミラー１１３に代えて、偏光方向によりレーザ光を分離させる偏光ビームスプリッターや、回折現象を用いてレーザ光を分離させる回折格子を用いても良い。
【０１０１】
また、上記実施の形態では、ＤＯＥ１１４、１１５から照射されるＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２のＹ軸方向の回折投射角がそれぞれ略４８°となるように投射光学系１１が構成されたが、他の回折投射角となるように構成されてもよい。この場合、ＤＯＥ１１４により生成されたＤＰ光Ｄｐ１の下端（Ｙ軸負方向の端）を進む光と、ＤＯＥ１１５により生成されたＤＰ光Ｄｐ２の上端（Ｙ軸正方向の端）を進む光が、それぞれ、水平（Ｘ−Ｚ平面に平行）となるように、ハーフミラー１１３に入射するレーザ光の入射角とＤＯＥ１１４、１１５の傾き角を調整すればよい。
【０１０２】
また、上記実施の形態では、ＤＯＥ１１４によって生成されるＤＰ光Ｄｐ１の回折投射角の下端に進む光と、ＤＯＥ１１５によって生成されるＤＰ光Ｄｐ２の回折投射角の上端に進む光が、水平（Ｚ軸方向に平行）となるように投射光学系１１が構成されたが、それらの光は、水平から互いにやや接近するように進んでもよく、また、水平から互いにやや離れるように進んでもよい。検出対象物の検出範囲内において、それぞれのＤＰ光のドットパターンが互いに重ならなければ、中央付近の領域についても、問題なく距離検出することができる。
【０１０３】
また、上記実施の形態では、全ての領域において、同一サイズのセグメント領域（１５画素×１５画素）が設定されたが、図９に示すようにドットパターンが照射されない領域を含む中央付近でのみ、他の領域のセグメント領域（１５画素×１５画素）に比べてサイズの大きいセグメント領域（たとえば、１９画素×１９画素）が設定されてもよい。これにより、距離検出にかかる演算量の増大を抑えつつ、ドット数の少ない中央付近の領域についても、精度よく距離検出することができる。
【０１０４】
また、上記実施の形態では、隣り合うセグメント領域が互いに重ならないように、セグメント領域が設定されたが、左右に隣り合うセグメント領域が、互いに重なるように、セグメント領域が設定されても良く、また、上下に隣り合うセグメント領域が、互いに重なるように、セグメント領域が設定されても良い。
【０１０５】
また、上記実施の形態では、ドットパターンが照射されない領域を含む中央付近において、ＤＰ光Ｄｐ１とＤＰ光Ｄｐ２の両方が入射するようなセグメント領域が設定されたが、ＤＰ光Ｄｐ１とＤＰ光Ｄｐ２の少なくとも一方が入射するようにセグメント領域が設定されてもよい。たとえば、セグメント領域における上半分にＤＰ光Ｄｐ１のみが入射するように設定されてもよい。この場合であっても、上記実施の形態同様、Ｙ軸方向に７画素の幅の領域にＤＰ光Ｄｐ１のドットパターンが照射され、正常に検証対象物の距離情報を取得することができる。
【０１０６】
また、上記実施の形態では、受光光学系１２は、基準テンプレート生成時において、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の回折投射角の略０．１°が、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の１画素に相当するよう、光学設計がなされたが、基準テンプレート生成時において、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の回折投射角の略０．２°が、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４上の１画素に相当するよう、設計されてもよい。この場合、受光光学系１２の構成がやや複雑になるものの、ＤＰ光Ｄｐ１、Ｄｐ２の撮像される領域を６４０画素×４８０画素相当に絞り込むことができ、より解像度の低いＶＧＡ（Video Graphics Array）に対応するＣＭＯＳイメージセンサを用いることができる。これにより、情報取得装置は、上記実施の形態と比較して、距離検出処理に要する演算量を減らすことができる。
【０１０７】
また、上記実施の形態では、ＣＭＯＳイメージセンサ１２４によって、撮像された６４０画素×９６０画素の画像をそのまま用いて、検出対象物の距離検出を行ったが、たとえば、基準パターン領域の生成時および比較領域の撮像時において、ＣＰＵ２１により、撮像された６４０画素×９６０画素の画像を６４０画素×４８０画素に画像を圧縮し、圧縮した画像を用いて、検出対象物の距離検出処理を行ってもよい。この場合、ＣＰＵ２１に対して、圧縮処理にかかる負荷がかかるものの、上記実施の形態と比較して、情報取得装置は、距離検出処理に要する演算量を減らすことができる。
【０１０８】
さらに、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。また、情報取得装置１と情報処理装置２は一体化されても良いし、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良い。
【０１０９】
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。
【符号の説明】
【０１１０】
１ … 情報取得装置
１１ … 投射光学系（投射装置）
１１１ … レーザ光源
１１２ … コリメータレンズ
１１３ … ハーフミラー（分光素子）
１１４ … ＤＯＥ（第１の回折光学素子）
１１５ … ＤＯＥ（第２の回折光学素子）
１２ … 受光光学系
２１ａ… レーザ制御部（投射装置）
２１ｂ… 距離演算部（情報取得部）
２２ … レーザ駆動回路（投射装置）
Ｄｐ１ … ＤＰ光（第１のドットパターン光）
Ｄｐ２ … ＤＰ光（第２のドットパターン光）
【特許請求の範囲】
【請求項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、
前記目標領域に所定のドットパターンでレーザ光を投射する投射光学系と、
前記投射光学系に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、前記目標領域を撮像する撮像素子を有する受光光学系と、を備え、
前記投射光学系は；
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズを透過した前記レーザ光を分離させる分光素子と、
前記分光素子によって分離された第１のレーザ光を前記目標領域において所定のドットパターンを有する第１のドットパターン光に変換して前記目標領域に投射する第１の回折光学素子と、
前記分光素子によって分離された第２のレーザ光を前記目標領域において所定のドットパターンを有する第２のドットパターン光に変換して前記目標領域に投射する第２の回折光学素子と、を備える、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項２】
請求項１に記載の情報取得装置において、
前記第１の回折光学素子と前記第２の回折光学素子は、前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向と直交する方向に並ぶ、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の情報取得装置において、
前記第１の回折光学素子と前記第２の回折光学素子は、前記第１のドットパターン光の前記第２のドットパターン側の端部を進む光と、前記第２のドットパターン光の前記第１のドットパターン側の端部を進む光とが、互いに略平行となるように設置される、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか一項に記載の情報取得装置において、
基準面に前記ドットパターンを照射したときに撮像素子によって撮像される基準ドットパターンを含む撮像画像に複数のセグメント領域を設定し、実測時に前記撮像素子によって撮像された実測ドットパターンから前記セグメント領域に対応する対応領域を探索し、探索した前記対応領域の位置に基づいて、前記目標領域に存在する物体の３次元情報を取得する情報取得部をさらに備え、
前記セグメント領域は、前記第１のドットパターン光と前記第２のドットパターン光とが隣接する領域において、前記第１のドットパターン光と前記第２のドットパターン光の少なくとも一方が入射するサイズを有する、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項５】
請求項１ないし３の何れか一項に記載の投射光学系を備えた投射装置。
【請求項６】
請求項１ないし４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。
【請求項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、
前記目標領域に所定のドットパターンでレーザ光を投射する投射光学系と、
前記投射光学系に対して所定の距離だけ離れて並ぶように配置され、前記目標領域を撮像する撮像素子を有する受光光学系と、を備え、
前記投射光学系は；
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光に変換するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズを透過した前記レーザ光を分離させる分光素子と、
前記分光素子によって分離された第１のレーザ光を前記目標領域において所定のドットパターンを有する第１のドットパターン光に変換して前記目標領域に投射する第１の回折光学素子と、
前記分光素子によって分離された第２のレーザ光を前記目標領域において所定のドットパターンを有する第２のドットパターン光に変換して前記目標領域に投射する第２の回折光学素子と、を備える、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項２】
請求項１に記載の情報取得装置において、
前記第１の回折光学素子と前記第２の回折光学素子は、前記投射光学系と前記受光光学系の並び方向と直交する方向に並ぶ、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の情報取得装置において、
前記第１の回折光学素子と前記第２の回折光学素子は、前記第１のドットパターン光の前記第２のドットパターン側の端部を進む光と、前記第２のドットパターン光の前記第１のドットパターン側の端部を進む光とが、互いに略平行となるように設置される、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか一項に記載の情報取得装置において、
基準面に前記ドットパターンを照射したときに撮像素子によって撮像される基準ドットパターンを含む撮像画像に複数のセグメント領域を設定し、実測時に前記撮像素子によって撮像された実測ドットパターンから前記セグメント領域に対応する対応領域を探索し、探索した前記対応領域の位置に基づいて、前記目標領域に存在する物体の３次元情報を取得する情報取得部をさらに備え、
前記セグメント領域は、前記第１のドットパターン光と前記第２のドットパターン光とが隣接する領域において、前記第１のドットパターン光と前記第２のドットパターン光の少なくとも一方が入射するサイズを有する、
ことを特徴とする情報取得装置。
【請求項５】
請求項１ないし３の何れか一項に記載の投射光学系を備えた投射装置。
【請求項６】
請求項１ないし４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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２３７６０４（Ｐ２０１２−２３７６０４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０５６０７（Ｐ２０１１−１０５６０７）
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]