特許ウォッチ

公開番号2025104068
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-09
出願番号2023221900
出願日2023-12-27
発明の名称パターン光投射装置、3次元測定装置及び距離画像取得装置
出願人日精テクノロジー株式会社
代理人個人
主分類G01B 11/25 20060101AFI20250702BHJP(測定;試験)
要約【課題】簡易な構成で且つ製造が容易で、また測定領域(パターン光投射領域)の全体にわたり均一な強度分布を得る事が可能となるパターン光投射装置、及び高精度な3次元測定装置及び距離画像取得装置を提供すること。
【解決手段】パターン光を発光する発光部と、パターン光を測定対象物に投射する投射部と、を備え、投射部は、一端部、他端部及び側面で区画され、一端部側から他端部側に向かって先細り形状の四角錐台状導光部で構成され、一端部側から導光部内に入射したパターン光は、他端部側に向かって導光部内を伝搬し他端部側で複数の仮想パターン光を形成する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
測定対象物に対して2次元分布のパターン光を投射するパターン光投射装置であって、
所定パターンのパターン光を発光する発光部と、
前記発光部からのパターン光を前記測定対象物に投射する投射部と、を備え、
前記投射部は、一端部、他端部及び側面で区画され、該一端部側から該他端部側に向かって先細り形状の四角錐台状導光部で構成され、
前記一端部は、前記発光部に対面して配置され、
前記一端部側から前記導光部内に入射したパターン光は、前記他端部側に向かって該導光部内を伝搬し他端部側で複数の仮想パターン光を形成し、該仮想パターン光を含む２次元分布のパターン光を測定対象物上に投射してなるパターン光投射装置。
続きを表示（約 550 文字）【請求項２】
前記導光部の一端部の開口径をＤとし、他端部の開口径をｄとしたときに、
０．４２５＜ｄ／Ｄ＜０．４７５であることを特徴とする請求項１に記載のパターン光投射装置。
【請求項３】
前記投射部は、前記四角錐台状導光部に光学的に連結される投射レンズを有し、該投射レンズのレンズ面が非球面であり、コーニック係数ｋが以下の条件を満たす請求項１又は請求項２に記載のパターン光投射装置。
－０．１６＜ｋ＜－０．２１
【請求項４】
請求項１に記載のパターン投射装置と、前記パターン投射装置により投射される測定対象物上の画像を取得する画像取得装置とを備える３次元測定装置。
【請求項５】
前記パターン光投射装置が発光するパターン光が非対称領域を有する請求項４に記載の３次元測定装置。
【請求項６】
前記パターン光投射装置が発光するパターン光がランダムパターン光である請求項４に記載の３次元測定装置。
【請求項７】
前記パターン光投射装置が発光するパターン光が構造化光である請求項４に記載の３次元測定装置。
【請求項８】
請求項４から７に記載の３次元測定装置を備えた距離画像取得装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物に２次元分布のパターン光を投射するパターン光投射装置及び投射されたパターン光の画像から測定対象物の３次元位置を測定する３次元測定装置及び測定対象物までの距離を測定する距離画像取得装置に関する。
続きを表示（約 1,800 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、対象物までの距離の情報や対象物の３次元形状の情報を取得する手法として、測定対象物をランダムドットパターンなどのパターン光（構造化光）で投射し、このパターン光が投射されている測定対象物を撮像部により撮像し、所定のキャリブレーションパラメータを用いて相互相関処理を行うパターンマッチング法や、三角測量法などを用いることにより撮像画像上の各点について、投射基準面（スクリーン位置）からの距離を算出し、対象物の距離情報や３次元の形状情報を取得する技術が注目されている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。
【０００３】
図１０は、このようなパターン光投射方式により距離情報や３次元形状情報を測定する原理を説明する図である。
図１０（ａ）及び（ｂ）は、測定対象物が測定空間に存在しない状況で、光源から発したドットパターンの光が所定の投射基準面に照射されている状態を示す。一方、図１０（ｃ）及び（ｄ）は、測定対象物上に、先程と同一のドットパターンが照射されている状況を示す。測定対象物が測定空間に存在する状況では、所定の基準面からの高さ、即ち測定対象物の形状に応じて、図１０（ｄ）に示すようにドットパターンの画像に歪みが生じる。このドットパターンの画像の歪み量から既存のパターンマッチング法等を用いて、光源から測定対象物までの距離情報や３次元形状の情報を測定する事が可能となる。
【０００４】
この種の３次元測定装置や距離画像取得装置に用いられるパターン光投射装置としては、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）またはＬＤレーザ（ＬａｓｅｒＤｉｏｌｄｅ）からの光を、回折光学素子（ＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔ）による回折現象を利用して、構造化光に変換し、変換された構造化光を、投光レンズで被測定物上の所定の測定領域に投射する構成が知られている（例えば、特許文献３）。
【０００５】
近年、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の低コスト化が進み、ジェスチャーコントロールや３Ｄセンシングなどの多くのアプリケーションで利用されている。例えば、スマートフォンに、３Ｄ顔認証機能として前述のパターン投射装置を応用した、いわゆるドットプロジェクタが搭載されるようになっている。
【０００６】
このようなスマートフォン用のドットプロジェクタとしては、光源としてのＶＣＳＥＬと、所定の構造化光を生成する回折光学素子（ＤＯＥ）及び投射レンズからなる投射光学系と、この投射光学系をスマートフォン本体の厚みの中に収める為に、投射光学系の光路を折り曲げて薄厚化を可能とするプリズム光学系とを、備えた構成が知られている（例えば、特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２０１１－１６９７０１号公報
米国特許第８４９３４９６号公報
特開２０１８－５３４５９２号公報
米国特許第９８２５４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したスマートフォン用のドットプロジェクタは、プリズム光学系、投射レンズ及び回折光学素子（ＤＯＥ）からなる大きさ数ミリ程度の微細構造物をウエハーレベルパッケージ（ＷＬＰ）技術により積層形成するものである。
【０００９】
しかしながら、このようなドットプロジェクタは微細構成要素を複数工程なら成るＷＬＰ技術により積層形成しており、構成が複雑で製造が難しくなると共に、回折光学素子の性質として、特に１次以外の回折光の回折効率の低下により、測定領域（パターン光投射領域）の全体にわたり均一な強度分布を得る事が困難であるという課題を有していた。
【００１０】
本発明はこのような従来の問題点を考慮してなされたものであり、簡易な構成で且つ製造が容易で、また測定領域（パターン光投射領域）の全体にわたり均一な強度分布を得る事が可能となるパターン光投射装置、及び高精度な３次元測定装置及び距離画像取得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】
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許