特開 2023-19651 投影デバイスおよび測距システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023019651

(43)【公開日】2023-02-09

(54)【発明の名称】投影デバイスおよび測距システム

(51)【国際特許分類】

   G01C 3/06 20060101AFI20230202BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20230202BHJP

   G02B 7/36 20210101ALI20230202BHJP

   G02B 7/32 20210101ALI20230202BHJP

   G03B 35/04 20210101ALI20230202BHJP

   G03B 13/36 20210101ALI20230202BHJP

   H04N 23/56 20230101ALI20230202BHJP

   H04N 23/45 20230101ALI20230202BHJP

【ＦＩ】

G01C3/06 110A

G01B11/00 H

G02B7/36

G02B7/32

G03B35/04

G03B13/36

H04N5/225 600

H04N5/225 800

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021124558

(22)【出願日】2021-07-29

(71)【出願人】

【識別番号】000006220

【氏名又は名称】ミツミ電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091627

【弁理士】

【氏名又は名称】朝比 一夫

(74)【代理人】

【識別番号】100173691

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 康久

(74)【代理人】

【識別番号】100091292

【弁理士】

【氏名又は名称】増田 達哉

(74)【代理人】

【識別番号】100137095

【弁理士】

【氏名又は名称】江部 武史

(72)【発明者】

【氏名】川上 啓介

(72)【発明者】

【氏名】安食 賢

【テーマコード（参考）】

2F065

2F112

2H011

2H059

2H151

5C122

【Ｆターム（参考）】

2F065AA06

2F065BB05

2F065DD03

2F065DD04

2F065FF01

2F065FF05

2F065FF09

2F065GG07

2F065GG24

2F065HH06

2F065JJ03

2F065JJ05

2F065JJ26

2F065QQ31

2F065UU01

2F112AA07

2F112AA09

2F112AC03

2F112AC06

2F112BA06

2F112BA07

2F112CA12

2F112FA35

2H011BA14

2H011BA37

2H059AA08

2H151BA25

2H151BA37

2H151BA55

2H151BA72

2H151BA77

2H151CB05

2H151CB06

2H151CB22

2H151CC04

5C122DA13

5C122EA42

5C122FC04

5C122FD05

5C122GG08

5C122HA85

5C122HA88

5C122HB01

(57)【要約】

【課題】対象物に投影されるパターンが測距のための特徴点として利用可能なコントラスト比を維持している範囲を拡張しつつ、対象物に投影されるパターンの輝度の低下を抑制可能な投影デバイスおよび測距システムを提供する。
【解決手段】投影デバイス１は、第１のパターンを有する第１のパターン板１１ａと、第２のパターンを有する第２のパターン板１１ｂと、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂに対して光を照射するための光源１２と、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂを透過した透過光を集光することにより、第１のパターンおよび第２のパターンを対象物２００上に投影するための投影光学系１３と、を含む。第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂは、投影光学系１３の光軸ＯＡ上であって、光源１２と投影光学系１３との間に設けられている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のパターンを有する第１のパターン板と、
第２のパターンを有する第２のパターン板と、
前記第１のパターン板および前記第２のパターン板に対して光を照射するための光源と、
前記光源によって照射され、前記第１のパターン板および前記第２のパターンを透過した透過光を集光することにより、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンを対象物に投影するための投影光学系と、を含み、
前記第１のパターン板および前記第２のパターン板は、前記投影光学系の光軸上であって、前記光源と前記投影光学系との間に設けられていることを特徴とする投影デバイス。

【請求項2】

前記第１のパターン板は、前記投影光学系の前記光軸上であって、前記第２のパターン板よりも前記光源側に設けられている請求項１に記載の投影デバイス。

【請求項3】

前記第１のパターンのパターンサイズは、前記第２のパターンのパターンサイズよりも大きい請求項２に記載の投影デバイス。

【請求項4】

前記第１のパターンのパターン密度は、前記第２のパターンのパターン密度よりも低い請求項２または３に記載の投影デバイス。

【請求項5】

前記第１のパターンおよび前記第２のパターンのそれぞれは、ランダムに配置された複数のドットによって構成されるランダムドットパターンまたはランダムに延伸する複数の格子線から構成されるランダム格子パターンである請求項１ないし４のいずれかに記載の投影デバイス。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれかに記載の投影デバイスと、
前記第１のパターンおよび前記第２のパターンが投影された前記対象物を撮像することにより、前記対象物までの距離を測定するよう構成された測距デバイスと、を含むことを特徴とする測距システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一般に、対象物にパターンを投影するための投影デバイスおよび該投影デバイスを含む測距システムに関し、より具体的には、対象物に、結像位置が互いに異なる第１のパターンおよび第２のパターンを投影するための投影デバイスおよび該投影デバイスを含む測距システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、対象物を撮像することにより、対象物までの距離を測定する測距デバイスが広く用いられている。このような測距デバイスとして、対象物からの光を集光し、対象物の光学像を形成するための撮像光学系と、該撮像光学系によって形成された対象物の光学像を画像に変換するための撮像素子とを少なくとも２対備えるステレオカメラ方式の測距デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。

【0003】

特許文献１が開示するようなステレオカメラ方式の測距デバイスは、光軸方向に対して垂直な方向に互いにシフトして配置された２つの撮像光学系によって形成された２つの光学像の対応する特徴点間の視差を算出し、この視差の値に基づいて、対象物の特徴点までの距離を算出することができる。また、対象物の複数の特徴点までの距離を算出することによって、対象物の奥行情報（３次元情報）を生成することができる。

【0004】

視差を算出する際に用いられる特徴点としては、エッジ部や模様（テクスチャともいう）等の他の部位との区別が容易で、検出し易い部位が利用される。換言すれば、ステレオカメラ方式の測距デバイスを用いて対象物までの距離を算出するためには、対象物上に、エッジ部や模様等の特徴点として利用可能な部位が存在している必要がある。そのため、対象物の表面が凹凸のない滑らかな曲面である場合のように、対象物の表面上に特徴点として利用可能な部位（エッジ部や模様等）が存在しない、または、少ない場合、視差に基づいて、対象物までの距離を測定し、対象物の３次元形状を正確に取得することが困難であった。

【0005】

このような問題を解決するため、所定のパターン（例えば、ドットパターンや格子パターン）を有するパターン板（レチクル板ともいう）と、パターン板に光を照射する光源と、パターン板を透過した透過光を集光することにより、対象物にパターンを投影するための投影光学系と、を含む投影デバイスが、一般に用いられている。投影デバイスによって対象物にパターンが投影され、さらに、対象物に投影されたパターンが、視差を算出するための特徴点として利用される。この結果、対象物の表面上に特徴点として利用可能な部位が存在しない、または、少ない場合であっても、視差に基づいて、対象物までの距離を測定し、対象物の奥行情報を正確に取得することができる。

【0006】

投影光学系によってパターンを対象物に投影する場合、対象物のできるだけ広い範囲にパターンを投影するために、焦点距離の長い（すなわち、画角の広い）投影光学系が用いられる。また、対象物に投影されるパターンの輝度を上げるために、投影光学系のＦナンバーは、小さいことが好ましい。しかしながら、焦点距離が長く、かつ、Ｆナンバーの小さい（すなわち、明るい）投影光学系を用いた場合、投影される所定のパターンが許容可能な合焦状態を維持できる被写界深度（ＤｏＦ：Depth of Field）が非常に浅くなってしまう。投影光学系の被写界深度外に対象物が存在する場合、対象物に投影されるパターンがデフォーカスしてしまい、パターンが測距のための特徴点として利用可能なだけのコントラスト比を維持することができず、対象物に投影されたパターンを測距のための特徴点として利用することができない。そのため、対象物の測距可能範囲が極めて狭くなってしまう。

【0007】

このような問題に対し、特許文献２は、図１に示すような、投影デバイス５００を開示している。図１に示されているように、投影デバイス５００は、投影光学系５１０と、投影光学系５１０からの光路長がそれぞれ異なるよう配置された複数のパターン板５２０ａ、５２０ｂ、５２０ｃと、投影光学系５１０の光軸上に配置された２つのハーフミラー５３０ａ、５３０ｂと、を含む。図示しない第１の光源から発せられ、第１のパターン板５２０ａを透過した透過光は、２つのハーフミラー５３０ａ、５３０ｂを透過し、投影光学系５１０によって集光され、第１の合焦面５４０ａで結像する。図示しない第２の光源から発せられ、第２のパターン板５２０ｂを透過した透過光は、第１のハーフミラー５３０ａによって反射された後、第２のハーフミラー５３０ｂを透過し、投影光学系５１０によって集光され、第２の合焦面５４０ｂで結像する。図示しない第３の光源から発せられ、第３のパターン板５２０ｃを透過した透過光は、第２のハーフミラー５３０ｂによって反射され、投影光学系５１０によって集光され、第３の合焦面５４０ｃで結像する。このような構成により、対象物に投影されるパターンが、測距のための特徴点として利用可能なコントラスト比を維持している範囲を拡張し、対象物の測距可能範囲を拡張している。

【0008】

しかしながら、図１に示した構成の場合、２つのハーフミラー５３０ａ、５３０ｂのそれぞれの光の反射率が８０％であり、光の透過率が２０％であると仮定すると、第１のパターン板５２０ａを透過した透過光の光量は、投影光学系５１０に到達するまでに、４％にまで低下してしまう（１×０．２×０．２＝０．０４）。同様に、第２のパターン板５２０ｂを透過した透過光の光量は、投影光学系５１０に到達するまでに、１６％まで低下し（１×０．８×０．２＝０．１６）、第３のパターン板５２０ｃを透過した透過光の光量は、投影光学系５１０に到達するまでに、８０％まで低下してしまう（１×０．８＝０．８）。そのため、各合焦面５４０ａ、５４０ｂ、５４０ｃに結像されるパターンの光学像の輝度が低下、特に、第１の合焦面５４０ａおよび第２の合焦面５４０ｂに結像されるパターンの光学像の輝度が著しく低下してしまうという問題があった。そのため、図１に示した構成では、対象物に投影されるパターンが測距のための特徴点として利用可能なコントラスト比を維持している範囲を拡張しつつ、対象物に投影されるパターンの輝度の低下を抑制したいというニーズを満たすことができなかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０１２－２６８４１号公報

【特許文献2】特開平７－２１８２３２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明は、上記従来の問題点を鑑みたものであり、その目的は、対象物に投影されるパターンが測距のための特徴点として利用可能なコントラスト比を維持している範囲を拡張しつつ、対象物に投影されるパターンの輝度の低下を抑制可能な投影デバイスおよび該デバイスを含む測距システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

このような目的は、以下の（１）～（２）によって規定される本発明により達成される。

【0012】

（１）第１のパターンを有する第１のパターン板と、
第２のパターンを有する第２のパターン板と、
前記第１のパターン板および前記第２のパターン板に対して光を照射するための光源と、
前記光源によって照射され、前記第１のパターン板および前記第２のパターンを透過した透過光を集光することにより、前記第１のパターンおよび前記第２のパターンを対象物に投影するための投影光学系と、を含み、
前記第１のパターン板および前記第２のパターン板は、前記投影光学系の光軸上であって、前記光源と前記投影光学系との間に設けられていることを特徴とする投影デバイス。

【0013】

（２）上記（１）に記載の投影デバイスと、
前記第１のパターンおよび前記第２のパターンが投影された前記対象物を撮像することにより、前記対象物までの距離を測定するよう構成された測距デバイスと、を含むことを特徴とする測距システム。

【発明の効果】

【0014】

本発明の投影デバイスにおいては、第１のパターンを有する第１のパターン板および第２のパターンを有する第２のパターン板が、投影光学系の光軸上であって、光源と投影光学系との間に設けられている。そのため、結像位置が互いに異なる第１のパターンおよび第２のパターンを、対象物に投影することができる。さらに、第１のパターン板および第２のパターン板は、光源から発せられる光に対する高い光透過率を有しているので、対象物に投影された第１のパターンおよび第２のパターンの輝度の低下を抑制することができる。この結果、本発明の投影デバイスは、対象物に投影される第１のパターンまたは第２のパターンの少なくとも一方が測距のための特徴点として利用可能なコントラスト比を維持している範囲を拡張しつつ、対象物に投影されるパターンの輝度の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】従来の投影デバイスを示す概略図である。

【図2】本発明の実施形態に係る測距システムを示す概略図である。

【図3】図２に示す投影デバイスの構成を示す概略図である。

【図4】第１のパターンおよび第２のパターンの例を示す図である。

【図5】第１のパターン板および第２のパターン板の代わりに使用可能な透明構造体を示す図である。

【図6】投影距離に応じた第１のパターンの光学像および第２のパターンの光学像のコントラスト比の変化の１例を示すグラフである。

【図7】図２に示す測距デバイスの構成を示す概略図である。

【図8】図７に示す演算ユニットのブロック図である。

【図9】図２に示す測距システムによって実行される測距方法のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図２～図９を参照して、本発明の実施形態に係る投影デバイスおよび測距システムを詳述する。また、各図において、同一または対応する要素には、同じ参照番号が付されている。図２は、本発明の実施形態に係る測距システムを示す概略図である。図３は、図２に示す投影デバイスの構成を示す概略図である。図４は、第１のパターンおよび第２のパターンの例を示す図である。図５は、第１のパターン板および第２のパターン板の代わりに使用可能な透明構造体を示す図である。図６は、投影距離に応じた第１のパターンの光学像および第２のパターンの光学像のコントラスト比の変化の１例を示すグラフである。図７は、図２に示す測距デバイスの構成を示す概略図である。図８は、図７に示す演算ユニットのブロック図である。図９は、図２に示す測距システムによって実行される測距方法のフローチャートである。

【0017】

図２に示す本発明の測距システム１００は、対象物２００上に、結像位置が互いに異なる第１のパターンおよび第２のパターンを投影するための投影デバイス１と、第１のパターンおよび第２のパターンが投影された対象物２００を撮像することにより、対象物２００までの距離を算出するよう構成された測距デバイス２と、を含む。測距デバイス２は、２つの撮像系ＩＳ１、ＩＳ２（図７参照）を含むステレオカメラ方式の測距デバイスであり、対象物２００を撮像することにより第１の画像と第２の画像を取得し、第１の画像と第２の画像との間の視差に基づいて対象物２００までの距離を算出するよう構成されている。投影デバイス１から対象物２００に第１のパターンおよび第２のパターンが投影された状態で、測距デバイス２が対象物２００を撮像することにより、第１の画像および第２の画像を取得し、第１の画像と第２の画像と間の視差に基づいて、対象物２００までの距離が算出される。なお、対象物２００の種類は特に限定されず、対象物２００は、電子部品、構造物、建築物、地形、人、動物等の測距の対象となり得る任意の種類のオブジェクトである。

【0018】

図３は、投影デバイス１の構成を概略的に示している。図３に示されているように、投影デバイス１は、第１のパターンを有する第１のパターン板１１ａと、第２のパターンを有する第２のパターン板１１ｂと、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂに対して光（典型的には、白色光）を照射する光源１２と、光源１２によって照射され、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂを透過した透過光を集光することにより、第１のパターンおよび第２のパターンを、対象物２００上に投影するための投影光学系１３と、を含む。

【0019】

第１のパターン板１１ａは、光源１２から発せられる光に対して高い光透過率（例えば、８０％以上の光透過率）を有する透明ガラス等の透明材料から構成された透明板の一方または双方の面上に、着色料や顔料等の不透明材料をプリントまたは焼き付け、第１のパターンを形成することにより得られる。同様に、第２のパターン板１１ｂは、光源１２から発せられる光に対して高い光透過率（例えば、８０％以上の光透過率）を有する透明ガラス等の透明材料から構成された透明板の一方または双方の面上に、着色料や顔料等の不透明材料をプリントまたは焼き付け、第２のパターンを形成することにより得られる。したがって、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂのそれぞれは、一方または双方の面上に、光源１２からの光を透過させる透過部分と、光源１２からの光を遮断する不透過部分とを有している。第１のパターン板１１ａは、一方または双方の面上の不透過部分が第１のパターンを形成するポジ型のパターン板である。同様に、第２のパターン板１１ｂは、一方または双方の面上の不透過部分が第２のパターンを形成するポジ型のパターン板である。投影光学系１３によって、第１のパターンの光学像が第１の合焦面ＦＰ１に結像され、第２のパターンの光学像が第２の合焦面ＦＰ２に結像される。

【0020】

第１のパターン板１１ａの第１のパターンおよび第２のパターン板１１ｂの第２のパターンのそれぞれは、高いコントラスト比を有するパターンであれば特に限定されないが、典型的には、図４Ａに示されているようなランダムドットパターン３または図４Ｂに示されているようなランダム格子パターン４である。ランダムドットパターン３は、ランダムに配置された複数のドット３１によって構成されている。ランダムドットパターン３の複数のドット３１は、全て同じサイズを有している。ランダム格子パターン４は、ランダムに延伸する複数の格子線４１と、複数の格子線４１の複数の交点（格子点）４２と、から構成されている。ランダム格子パターン４の格子線４１は、全て同じ太さを有している。さらに、各格子線４１の延伸方向は、各格子線４１が交点４２を通過するたびにランダムに変化している。

【0021】

第１のパターンと第２のパターンは、同じ種類のパターンである。例えば、第１のパターンがランダムドットパターン３である場合、第２のパターンもランダムドットパターン３である。同様に、第１のパターンがランダム格子パターン４である場合、第２のパターンもランダム格子パターン４である。このように第１のパターンと第２のパターンは、同じ種類のパターンであるが、第１のパターンのパターン特性と、第２のパターンのパターン特性は互いに異なっていてもよい。ここで言う「パターン特性」とは、ランダムドットパターン３の場合、複数のドット３１のサイズおよび平均密度であり、ランダム格子パターン４の場合、複数の格子線４１の太さおよび複数の交点４２の平均密度である。また、以下の説明において、複数のドット３１のサイズまたは格子線４１の太さを「パターンサイズ」といい、複数のドット３１の平均密度または複数の交点（格子点）４２の平均密度を「パターン密度」という。

【0022】

図３に戻り、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂの双方は、光源１２と投影光学系１３との間であって、投影光学系１３の光軸ＯＡ上に設けられている。第１のパターン板１１ａは、投影光学系１３の光軸ＯＡ上において、第２のパターン板１１ｂよりも光源側に位置している。第２のパターン板１１ｂは、投影光学系１３の光軸ＯＡ上において、第１のパターン板１１ａよりも投影光学系１３側に、距離Ｄだけ離間して位置している。また、第２のパターン板１１ｂは、投影光学系１３の後側主点から、投影光学系１３の焦点距離より大きい距離だけ離間して位置している。

【0023】

第１のパターン板１１ａと第２のパターン板１１ｂと間の距離Ｄは、任意に設定することができる。好ましくは、第１のパターンの光学像が合焦状態で結像される第１の合焦面ＦＰ１と、第２のパターンの光学像が合焦状態で結像される第２の合焦面ＦＰ２との間の範囲Ｒの全てにおいて、第１のパターンの光学像および第２のパターンの光学像の少なくとも一方が、測距のための特徴点として利用可能なコントラスト比を維持するよう、第１のパターン板１１ａと第２のパターン板１１ｂと間の距離Ｄが設定される。このような構成により、対象物２００が第１の合焦面ＦＰ１と第２の合焦面ＦＰ２との間の範囲Ｒ内に位置する場合に、確実に、対象物２００上に、測距のための特徴点として利用可能なコントラスト比を維持した第１のパターンまたは第２のパターンを投影することができる。

【0024】

なお、図３に示す態様においては、それぞれ別部材である第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂを、投影光学系１３の光軸ＯＡ上であって、光源１２と投影光学系１３との間に、互いに距離Ｄだけ離間して設けることにより、対象物２００上に、結像位置が互いに異なる第１のパターンおよび第２のパターンを投影することを可能としているが、本発明はこれに限られない。例えば、図５に示されているような透明構造体１４を、投影光学系１３の光軸ＯＡ上であって、光源１２と投影光学系１３との間に設けることにより、対象物２００上に、結像位置が互いに異なる第１のパターンおよび第２のパターンを投影することを可能としてもよい。

【0025】

透明構造体１４は、光源１２から発せられる光に対して高い光透過率（例えば、８０％以上の光透過率）を有する透明ガラス等の透明材料によって構成された、対向する一対の面を有する構造体である。透明構造体１４の一方の面上に、着色料や顔料等の不透明材料をプリントまたは焼き付けることにより第１のパターンが形成されており、透明構造体１４の一方の面が第１のパターン板１１ａとして機能する。さらに、透明構造体１４の他方の面上に、着色料や顔料等の不透明材料をプリントまたは焼き付けることにより第２のパターンが形成されており、透明構造体１４の他方の面が第２のパターン板１１ｂとして機能する。また、透明構造体１４の対向する一対の面間の距離Ｄは、第１のパターン板１１ａと第２のパターン板１１ｂとの間の距離Ｄと等しい。透明構造体１４は、第１のパターン板１１ａとして機能する一方の面が光源１２と対向し、第２のパターン板１１ｂとして機能する他方の面が投影光学系１３と対向するよう、投影光学系１３の光軸ＯＡ上であって、光源１２と投影光学系１３との間に設けられる。このような透明構造体１４を用いた態様も、本発明の範囲内である。

【0026】

図３に戻り、光源１２は、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂに対して拡散光を照射する機能を有している。光源１２が第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂに対して照射する拡散光は、白色光や単色光（赤色光、緑色光、青色光等）の可視光、または、赤外線光や紫外線光等の非可視光である。典型的には、光源１２は、白色ＬＥＤである。なお、説明の簡略化のため、特に言及がない場合、光源１２から発せられる光は、白色光であるものとして以下の説明が提供される。光源１２は、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂに対して、略均一に拡散光を照射するよう構成されている。

【0027】

投影光学系１３は、光源１２によって照射され、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂを透過した透過光を集光することにより、第１のパターンおよび前記第２のパターンを、対象物２００上に投影する機能を有している。投影光学系１３は、１つ以上のレンズと絞り等の光学素子から構成された固定焦点光学系である。また、投影光学系１３の色収差は、複数のレンズの組み合わせにより十分に補正されていることが好ましい。これにより、光源１２が白色拡散光を発する場合、投影光学系１３は、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂを透過した透過光を集光することにより、高コントラスト比で、対象物２００に第１のパターンおよび第２のパターンを投影することができる。

【0028】

投影光学系１３によって、第１のパターンの光学像が第１の合焦面ＦＰ１に結像され、さらに、第２のパターンの光学像が第２の合焦面ＦＰ２に結像される。ここで、投影光学系１３の後側主点から第１のパターン板１１ａまでの距離までの距離ｂ_１と、投影光学系１３の後側主点から第２のパターン板１１ｂまでの距離ｂ_２は、レンズの公式から、下記式（１）によって表される。

【0029】

【数1】

【0030】

ここで、ｆは、投影光学系１３の焦点距離、ａ_１は、投影光学系１３の前側主点から第１の合焦面ＦＰ１までの距離、ａ_２は、投影光学系１３の前側主点から第２の合焦面ＦＰ２までの距離である。

【0031】

このように、本発明の投影デバイス１においては、投影光学系１３の光軸ＯＡ上において、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂが、互いに投影光学系１３の光軸方向に距離Ｄだけシフトした状態で配置されているため、第１のパターンの光学像が結像される第１の合焦面ＦＰ１と第２のパターンの光学像が結像される第２の合焦面ＦＰ２は一致しない。

【0032】

図６は、投影光学系１３の前側主点から第１の合焦面ＦＰ１までの距離ａ_１が４５０ｍｍとなり、投影光学系１３の前側主点から第２の合焦面ＦＰ２までの距離ａ_２が７００ｍｍとなるように、投影デバイス１を構成した場合における、投影距離（投影光学系１３の前側主点からの距離）に応じた第１のパターンの光学像および第２のパターンの光学像のコントラスト比の変化の１例を示している。

【0033】

図６から明らかなように、第１のパターンの光学像のコントラスト比は、第１のパターンの光学像の結像位置である４５０ｍｍ前後の範囲において高い値を維持しており、第２のパターンの光学像のコントラスト比は、第２のパターンの光学像の結像位置である７００ｍｍ前後の範囲において高い値を維持している。対象物２００上に投影される第１のパターンまたは第２のパターンが、測距のための特徴点として利用可能となるコントラスト比が３０％だと仮定する。第１のパターンのみを対象物２００に投影する場合、約３００ｍｍ以下の投影距離および約８００ｍｍ以上の投影距離において、第１のパターンの光学像のコントラスト比が３０％以下となり、対象物２００に投影された第１のパターンを、測距のための特徴点として利用することができなくなってしまう。この場合、測距デバイス２の測距可能範囲が、約３００ｍｍ～約８００ｍｍに限定されてしまう。一方、第２のパターンのみを対象物２００に投影する場合、約４００ｍｍ以下の投影距離において、第２のパターンの光学像のコントラスト比が３０％以下となり、対象物２００に投影された第２のパターンを、測距のための特徴点として利用することができなくなってしまう。この場合、測距デバイス２の測距可能範囲が、約４００ｍｍ以上に限定されてしまう。

【0034】

一方、本発明の投影デバイス１は、結像位置が互いに異なる第１のパターンと第２のパターンの双方を、対象物２００に投影する。第１のパターンおよび第２のパターンの少なくとも一方が３０％以上のコントラスト比を維持している投影距離は、約３００ｍｍ以上となる。そのため、結像位置が互いに異なる第１のパターンと第２のパターンの双方を測距のための特徴点として利用することにより、測距デバイス２の測距可能範囲を拡張することができる。

【0035】

このように、本発明の投影デバイス１において、第１のパターンの光学像が測距のための特徴点として利用可能なコントラスト比を維持する範囲と、第２のパターンの光学像が測距のための特徴点として利用可能なコントラスト比を維持する範囲とが完全に一致しない。測距デバイス２は、対象物２００に投影された第１のパターンまたは第２のパターンのいずれかを測距のための特徴点として利用することができるので、投影デバイス１を用いて、対象物２００に、結像位置が互いに異なる第１のパターンおよび第２のパターンを投影することにより、測距デバイス２の測距可能範囲を拡張することができる。

【0036】

さらに、前述したように、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂのそれぞれは、一方または双方の面上の不透過部分が第１のパターンまたは第２のパターンを形成するポジ型のパターン板である。そのため、第１のパターンまたは第２のパターンのパターンサイズやパターン密度にもよるが、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂのそれぞれは、光源１２から発せられる光（白色光）に対して、約７０％以上の高い光透過率を有している。そのため、第１のパターン板１１ａを透過した透過光を投影光学系１３によって集光することにより第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの輝度および第２のパターン板１１ｂを透過した透過光を投影光学系１３によって集光することにより第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの輝度の低下を大幅に抑制することができる。

【0037】

また、本発明の投影デバイス１においては、第１のパターンの光学像が結像される第１の合焦面ＦＰ１と第２のパターンの光学像が結像される第２の合焦面ＦＰ２は一致しないので、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像の倍率ｍ_１は、第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像の倍率ｍ_２と異なるものとなる。

【0038】

具体的には、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像の倍率ｍ_１および第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像の倍率ｍ_２は、下記式（２）によって表される。

【0039】

【数2】

【0040】

このように、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像の倍率ｍ_１と第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像の倍率ｍ_２が異なる。通常、ｍ_２＞ｍ_１の関係が成立する。そのため、第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像のパターン密度は、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像のパターン密度より低くなり、第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像のパターンサイズは、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像のパターンサイズよりも大きくなる。このように、第１のパターン板１１ａに形成された第１のパターンのパターン特性（パターンサイズおよびパターン密度）と、第２のパターン板１１ｂに形成された第２のパターンのパターン特性が同じである場合、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像のパターン特性は、第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像のパターン特性と異なったものとなる。

【0041】

本発明の投影デバイス１の１つの態様において、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像のパターンサイズと第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像のパターンサイズとが等しくなるように、第１のパターン板１１ａの第１のパターンおよび第２のパターン板１１ｂの第２のパターンが構成されていてもよい。

【0042】

具体的には、第１のパターン板１１ａに形成されている第１のパターンの各ドット３１のサイズ（第１のパターンおよび第２のパターンのそれぞれがランダムドットパターン３である場合）または各格子線４１の太さ（第１のパターンおよび第２のパターンのそれぞれがランダム格子パターン４である場合）をＰＳ_１とし、第２のパターン板１１ｂに形成されている第２のパターンの各ドット３１のサイズまたは各格子線４１の太さをＰＳ_２とした場合、ＰＳ_１×ｍ_１＝ＰＳ_２×ｍ_２との条件を満たすよう、第１のパターン板１１ａの第１のパターンおよび第２のパターン板１１ｂの第２のパターンが構成されている。この場合、通常、ｍ_２＞ｍ_１の関係が成立しているので、ＰＳ_１＞ＰＳ_２の関係が成立する。すなわち、第１のパターン板１１ａの第１のパターンのパターンサイズＰＳ_１は、第２のパターン板１１ｂの第２のパターンのパターンサイズＰＳ_２よりも大きい。このような構成により、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像のパターンサイズと第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像のパターンサイズとを等しくすることができる。

【0043】

また、本発明の投影デバイス１の別の態様において、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像のパターン密度と第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像のパターン密度とが等しくなるように、第１のパターン板１１ａの第１のパターンおよび第２のパターン板１１ｂの第２のパターンが構成されていてもよい。

【0044】

具体的には、第１のパターン板１１ａに形成されている第１のパターンの複数のドット３１の平均密度（第１のパターンおよび第２のパターンのそれぞれがランダムドットパターン３である場合）または複数の交点４２の平均密度（第１のパターンおよび第２のパターンのそれぞれがランダム格子パターン４である場合）をＰＤ_１とし、第２のパターン板１１ｂに形成されている第２のパターンの複数のドット３１の平均密度または複数の交点４２の平均密度をＰＤ_２とした場合、ＰＤ_１×ｍ_２＝ＰＤ_２×ｍ_１との条件を満たすよう、第１のパターン板１１ａの第１のパターンおよび第２のパターン板１１ｂの第２のパターンが構成されている。この場合、通常、ｍ_２＞ｍ_１の関係が成立しているので、ＰＤ_１＜ＰＤ_２の関係が成立する。すなわち、第１のパターン板１１ａの第１のパターンのパターン密度ＰＤ_１は、第２のパターン板１１ｂの第２のパターンのパターン密度ＰＤ_２よりも低い。このような構成により、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像のパターン密度と第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像のパターン密度とを等しくすることができる。

【0045】

また、本発明の投影デバイス１の別の態様において、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像のパターンサイズおよびパターン密度と、第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像のパターンサイズおよびパターン密度とが、それぞれ等しくなるように、第１のパターン板１１ａの第１のパターンおよび第２のパターン板１１ｂの第２のパターンが構成されていてもよい。

【0046】

このように、本発明の投影デバイス１においては、第１のパターン板１１ａに形成される第１のパターンのパターン特性と、第２のパターン板１１ｂに形成される第２のパターンのパターン特性とが互いに異なっていてもよい。特に、第１の合焦面ＦＰ１に結像される第１のパターンの光学像のパターンサイズおよびパターン密度と、第２の合焦面ＦＰ２に結像される第２のパターンの光学像のパターンサイズおよびパターン密度とが、それぞれ等しくなるように、第１のパターン板１１ａの第１のパターンおよび第２のパターン板１１ｂの第２のパターンが構成されていることが好ましい。

【0047】

このような構成により、第１の合焦面ＦＰ１と第２の合焦面ＦＰ２の間の範囲Ｒ内に位置する対象物２００に投影される第１のパターンのパターン特性と第２のパターンのパターン特性とを略等しくすることができる。そのため、測距デバイス２が、範囲Ｒ内に位置する対象物２００に投影された第１のパターンを測距のための特徴点として利用した場合であっても、範囲Ｒ内に位置する対象物２００に投影された第２のパターンを測距のための特徴点として利用した場合であっても、対象物２００の奥行情報を生成するために必要な分解能で、対象物２００の距離情報を取得することができる。さらに、測距デバイス２が、範囲Ｒ内に位置する対象物２００に投影された第１のパターンを測距のための特徴点として利用した場合であっても、範囲Ｒ内に位置する対象物２００に投影された第２のパターンを測距のための特徴点として利用した場合であっても、取得される対象物２００の距離情報の分解能に差が生じないため、対象物２００の各箇所の奥行位置に応じて、生成される対象物２００の奥行情報の精度が変化することを抑制することができる。

【0048】

このように、第１のパターン板１１ａに形成される第１のパターンのパターン特性（パターンサイズＰＳ_１およびパターン密度ＰＤ_１）と、第２のパターン板１１ｂに形成される第２のパターンのパターン特性（パターンサイズＰＳ_２およびパターン密度ＰＤ_２）は、任意に設定することができる。第１のパターン板１１ａに形成される第１のパターンのパターン特性と、第２のパターン板１１ｂに形成される第２のパターンのパターン特性を適切に設定することにより、投影光学系１３の前側主点から、第１のパターンおよび第２のパターンが投影される対象物２００までの距離が大きくなった際に発生する、対象物２００に投影される第１のパターンのパターン密度および第２のパターンのパターン密度の極度の低下、並びに、対象物２００に投影される第１のパターンのパターンサイズおよび第２のパターンのパターンサイズの過度な拡大を防止することができる。

【0049】

さらに、従来技術の欄において図１を参照して詳述した従来の投影デバイス５００では、第１のパターン板５２０ａ用の第１の光源、第２のパターン板５２０ｂ用の第２の光源、および第３のパターン板５２０ｃ用の第３の光源を含む３つの光源を使用する必要があった。一方、本発明の投影デバイス１では、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂが、光源１２と投影光学系１３との間であって、投影光学系１３の光軸ＯＡ上に設けられているので、１つの光源１２で、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂに対して光を照射することができる。そのため、本発明の投影デバイス１において用いられる光源１２の数は、従来の投影デバイス５００において用いられる光源の数よりも少ない。この結果、投影デバイス１の製造コストを低減させることができる。

【0050】

さらに、従来の投影デバイス５００では、第２のパターン板５２０ｂおよび第３のパターン板５２０ｃは、投影光学系５１０の光軸から、投影光学系５１０の光軸方向に対して垂直な方向にシフトした位置に設けられている。そのため、従来の投影デバイス５００の幅（投影光学系５１０の光軸方向に対して垂直な方向の長さ）が増大してしまい、従来の投影デバイス５００のサイズが増加してしまう。一方、本発明の投影デバイス１では、第１のパターン板１１ａおよび第２のパターン板１１ｂが、投影光学系１３の光軸ＯＡ上に設けられているので、投影デバイス１の幅の増加を抑制することができる。

【0051】

図７は、本発明の測距システム１００において用いられる測距デバイス２の構成を概略的に示している。図７に示されているように、測距デバイス２は、第１の撮像光学系ＯＳ１および第１の撮像素子Ｓ１を含む第１の撮像系ＩＳ１と、第２の撮像光学系ＯＳ２および第２の撮像素子Ｓ２を含む第２の撮像系ＩＳ２と、第１の撮像素子Ｓ１が取得した第１の画像および第２の撮像素子Ｓ２が取得した第２の画像を受信し、第１の画像と第２の画像との間の視差に基づいて対象物２００までの距離を算出する演算ユニット５と、を含む。

【0052】

第１の撮像光学系ＯＳ１および第２の撮像光学系ＯＳ２のそれぞれは、１つ以上のレンズと絞り等の光学素子から構成され、同じ特性（焦点距離、収差特性、Ｆナンバー、前側主点位置、後側主点位置等）を有する固定焦点光学系である。また、第１の撮像光学系ＯＳ１および第２の撮像光学系ＯＳ２は、第１の撮像光学系ＯＳ１の光軸と第２の撮像光学系ＯＳ２の光軸が平行となり、かつ、第１の撮像光学系ＯＳ１の光軸方向（または、第２の撮像光学系ＯＳ２の光軸方向）に対して垂直な方向に距離Ｐだけ離間するよう配置されている。このため、第１の撮像光学系ＯＳ１によって形成される第１の光学像と第２の撮像光学系ＯＳ２によって形成される第２の光学像との間には視差が存在することになる。

【0053】

第１の撮像光学系ＯＳ１は、投影デバイス１によって第１のパターンおよび第２のパターンが投影された対象物２００からの光を集光し、第１の撮像素子Ｓ１の撮像面上に第１の光学像を形成する。同様に、第２の撮像光学系ＯＳ２は、投影デバイス１によって第１のパターンおよび第２のパターンが投影された対象物２００からの光を集光し、第２の撮像素子Ｓ２の撮像面上に第２の光学像を形成する。

【0054】

第１の撮像素子Ｓ１は、第１の撮像光学系ＯＳ１の光軸上に配置されており、第１の撮像光学系ＯＳ１によって形成された第１の光学像を撮像し、第１の画像を取得する機能を有している。第２の撮像素子Ｓ２は、第２の撮像光学系ＯＳ２の光軸上に配置されており、第２の撮像光学系ＯＳ２によって形成された第２の光学像を撮像し、第２の画像を取得する機能を有している。第１の撮像素子Ｓ１および第２の撮像素子Ｓ２のそれぞれは、ベイヤー配列等の任意のパターンで配列されたＲＧＢ原色系カラーフィルターやＣＭＹ補色系カラーフィルターのようなカラーフィルターを有するカラー撮像素子であってもよいし、そのようなカラーフィルターを有さない白黒撮像素子であってもよい。

【0055】

また、測距デバイス２の向きと投影デバイス１の向きは、第１の撮像光学系ＯＳ１の光軸および第２の撮像光学系ＯＳ２の光軸が、投影デバイス１の投影光学系１３の光軸ＯＡに対して傾くように設定される。また、測距デバイス２は、測距デバイス２の第１の撮像系ＩＳ１の合焦面および第２の撮像系ＩＳ２の合焦面が、投影デバイス１の第１の合焦面ＦＰ１と第２の合焦面ＦＰ２との間の範囲Ｒ内において、投影デバイス１の投影光学系１３の光軸ＯＡと交差するよう、構成および配置されていることが好ましい。より好ましくは、測距デバイス２は、測距デバイス２の第１の撮像系ＩＳ１の合焦面および第２の撮像系ＩＳ２の合焦面が、投影デバイス１の第１の合焦面ＦＰ１と第２の合焦面ＦＰ２との間の範囲Ｒの中間点において、投影デバイス１の投影光学系１３の光軸ＯＡと交差するよう、構成および配置されていることが好ましい。このような構成により、投影デバイス１の第１の合焦面ＦＰ１と第２の合焦面ＦＰ２との間の範囲Ｒ内に位置する対象物２００に対する測距を精度良く実行することができる。

【0056】

第１の撮像素子Ｓ１および第２の撮像素子Ｓ２は、演算ユニット５からの制御によって同じタイミングで撮像を行い、それぞれ、第１の画像および第２の画像を取得する。第１の撮像素子Ｓ１によって取得された第１の画像および第２の撮像素子Ｓ２によって取得された第２の画像は、演算ユニット５に送信される。

【0057】

演算ユニット５は、第１の撮像素子Ｓ１および第２の撮像素子Ｓ２からそれぞれ受信した第１の画像および第２の画像を用いて、対象物２００までの距離を算出するよう構成されている。図８に示されているように、演算ユニット５は、演算ユニット５の動作を実行するための１つ以上のプロセッサー５１と、演算ユニット５への入力および演算ユニット５からの出力を実行するためのＩ／Ｏ（インプット／アウトプット）インターフェース５２と、演算ユニット５の処理を実行するために用いられるデータ５４およびモジュール５５を保存している１つ以上のメモリー５３と、を備えている。

【0058】

１つ以上のプロセッサー５１は、１つ以上のマイクロプロセッサー、マイクロコンピューター、マイクロコントローラー、デジタル信号プロセッサー（ＤＳＰ）、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、メモリーコントロールユニット（ＭＣＵ）、画像処理用演算処理装置（ＧＰＵ）、状態機械、論理回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはこれらの組み合わせ等のコンピューター可読命令に基づいて信号操作等の演算処理を実行する演算ユニットである。特に、プロセッサー５１は、メモリー５３内に保存されているコンピューター可読命令（例えば、データ、プログラム、モジュール等）をフェッチし、演算、信号操作および制御を実行するよう構成されている。

【0059】

Ｉ／Ｏインターフェース５２は、ウェブインターフェース、グラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）等の様々なソフトウェアインターフェースおよびハードウェアインターフェースを含む。例えば、Ｉ／Ｏインターフェース５２は、キーボード、マウス、タッチパネルディスプレイ、外部メモリー、プリンター、ディスプレイのような周辺デバイスのためのインターフェースである。Ｉ／Ｏインターフェース５２は、キーボード、マウス、タッチパネルディスプレイのような入力デバイスを用いた演算ユニット５への入力およびディスプレイ、プリンター、外部メモリーへの演算ユニット５からの出力を可能とする。

【0060】

メモリー５３は、揮発性記憶媒体（例えば、ＲＡＭ、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ）、不揮発性記憶媒体（例えば、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリー、ハードディスク、ソリッドステートドライブ、ＳＤカード、光ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、ブルーレイディスク、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク）、またはこれらの組み合わせを含むコンピューター可読媒体である。

【0061】

メモリー５３は、プロセッサー５１と通信可能に接続されており、プロセッサー５１により実行可能な複数のモジュール５５、および、複数のモジュール５５による処理に必要なデータ５４を保存している。また、メモリー５３は、複数のモジュール５５の１つ以上によって受信、処理、生成されたデータや、複数のモジュール５５による処理を実行するために必要なデータを一時保存する機能を備えている。

【0062】

データ５４は、第１の画像と第２の画像との間の視差に基づいて対象物２００までの距離を測定するために必要な測距パラメーター５４１と、演算ユニット５の処理を実行するために必要な任意の数のその他データ５４２と、を含んでいる。測距パラメーター５４１は、第１の撮像系ＩＳ１および第２の撮像系ＩＳ２のそれぞれの特性に関する内部パラメーター（第１の撮像光学系ＯＳ１および第２の撮像光学系ＯＳ２の焦点距離、第１の撮像光学系ＯＳ１および第２の撮像光学系ＯＳ２の収差特性、第１の撮像素子Ｓ１および第２の撮像素子Ｓ２の画素数や画素ピッチ等の特性等）と、第１の撮像光学系ＯＳ１および第２の撮像光学系ＯＳ２の配置に関する外部パラメーター（第１の撮像光学系ＯＳ１の光軸と第２の撮像光学系ＯＳ２の光軸との距離Ｐ等）と、を含んでいる。測距パラメーター５４１は、第１の撮像系ＩＳ１および第２の撮像系ＩＳ２の構成および配置によって決定される固定パラメーターであり、メモリー５３内に事前に保存される。演算ユニット５は、第１の画像と第２の画像との間の視差と、測距パラメーター５４１に基づいて、対象物２００までの距離を算出する。

【0063】

モジュール５５は、ルーティーン、アプリケーション、プログラム、アルゴリズム、ライブラリー、オブジェクト、コンポーネント、データ構造、またはこれらの組み合わせ等のプロセッサー５１により実行可能なコンピューター可読命令である。

【0064】

モジュール５５は、第１の撮像素子Ｓ１および第２の撮像素子Ｓ２の撮像を制御するための撮像制御モジュール５５１と、第１の画像中の特徴点および第２の画像中の対応特徴点を抽出するための特徴点抽出モジュール５５２と、算出された視野に基づいて対象物２００の特徴点までの距離を算出する距離算出モジュール５５３と、算出された対象物２００の複数の特徴点までの距離に基づいて、対象物２００の奥行情報を生成する奥行情報生成モジュール５５４と、演算ユニット５が提供する機能を補うための任意の数のその他モジュール５５５と、を含んでいる。

【0065】

撮像制御モジュール５５１は、Ｉ／Ｏインターフェース５２を介して、ユーザーから入力された操作に従って、第１の撮像素子Ｓ１および第２の撮像素子Ｓ２を制御し、第１のパターンおよび第２のパターンが投影された対象物２００を撮像する機能を有している。撮像制御モジュール５５１からの制御によって、第１の撮像素子Ｓ１および第２の撮像素子Ｓ２が、同じタイミングで第１のパターンおよび第２のパターンが投影された対象物２００を撮像し、第１の画像および第２の画像をそれぞれ取得する。

【0066】

特徴点抽出モジュール５５２は、第１の撮像素子Ｓ１が取得した第１の画像中の特徴点と、第２の撮像素子Ｓ２が取得した第２の画像中の対応特徴点を抽出する機能を有している。具体的には、特徴点抽出モジュール５５２は、最初に、第１の画像中における、対象物２００に投影された第１のパターンまたは第２のパターンのエッジ部の１つを第１の画像中の特徴点として抽出する。その後、特徴点抽出モジュール５５２は、第２の画像を探索し、抽出した第１の画像中の特徴点に対応する対応特徴点を検出する。エッジ部の抽出および対応特徴点の抽出は、ステレオカメラ方式を用いた測距分野において既知の種々の方法（例えば、Ｓｏｂｅｌフィルタを用いたエッジ抽出方法や、エピポーラ線を利用した対応特徴点の検出方法等）を用いて実行することができる。第１の画像中の特徴点の座標および第２の画像中の対応特徴点の座標の差が算出され、第１の画像中の特徴点と第２の画像中の対応特徴点との間の視差として、メモリー５３内に一時保存される。

【0067】

また、特徴点抽出モジュール５５２は、パターンマッチングにより、第１の画像中の特徴点および第２の画像中の対応特徴点を抽出してもよい。この場合、特徴点抽出モジュール５５２は、最初に、第１の画像中における、対象物２００に投影された第１のパターンまたは第２のパターンの任意の領域を、所定のサイズで切り出し、テンプレートパターンとしてメモリー５３内に一時保存する。次に、特徴点抽出モジュール５５２は、メモリー５３内に保存されているテンプレートパターンを用いてパターンマッチングを実行し、テンプレートパターンとマッチングするパターンを、第２の画像中から抽出する。なお、パターンマッチングは、２つのパターン間の相関係数（類似度）を算出する幾何学形状パターンマッチング等の画像処理の分野において既知の種々の方法を用いて実行することができる。第１の画像中の切り出されたパターン（テンプレートパターン）の任意の箇所の座標と、第２の画像中のマッチングパターンの対応する箇所の座標との差が算出され、第１の画像中の特徴点と第２の画像中の対応特徴点との間の視差として、メモリー５３内に一時保存される。この場合、測距のために利用される一対の特徴点は、第１の画像中の切り出されたパターン（テンプレートパターン）の任意の箇所と、第２の画像中のマッチングパターンの対応する箇所である。

【0068】

距離算出モジュール５５３は、特徴点抽出モジュール５５２によって抽出された視差に基づいて、対象物２００の特徴点までの距離を算出する機能を有している。具体的には、距離算出モジュール５５３は、メモリー５３内に一時保存されている第１の画像中の特徴点と第２の画像中の対応特徴点との間の視差およびメモリー５３内に保存されている測距パラメーター５４１を参照し、対象物２００の特徴点までの距離を算出する。距離算出モジュール５５３によって算出された対象物２００の特徴点までの距離は、メモリー５３内に一時保存される。特徴点抽出モジュール５５２および距離算出モジュール５５３は、奥行情報生成モジュール５５４が対象物２００の奥行情報を生成するのに十分な数の距離情報を取得するまで、第１の画像中の特徴点および第２の画像内の対応特徴点の抽出と、対象物２００の特徴点までの距離の算出を、抽出する特徴点を変えながら、繰り返し実行する。

【0069】

奥行情報生成モジュール５５４は、距離算出モジュール５５３によって算出された対象物２００の複数の特徴点までの距離に基づいて、対象物２００の奥行情報を生成する機能を有している。具体的には、奥行情報生成モジュール５５４は、対象物２００の複数の特徴点までの距離に基づいて、対象物２００の３次元グリッドおよびテクスチャを生成し、対象物２００の３次元モデルを生成し、メモリー５３内に対象物２００の奥行情報として保存する。

【0070】

このように、本発明の測距システム１００においては、投影デバイス１が対象物２００に対して、結像位置が互いに異なる第１のパターンおよび第２のパターンを投影する。また、上述のように、投影デバイス１によって対象物２００に投影される第１のパターンおよび第２のパターンの輝度の低下が大幅に抑制されている。そのため、測距デバイス２は、投影デバイス１によって対象物２００に投影された第１のパターンまたは第２のパターンを、測距のための特徴点として利用することができる。この結果、対象物２００の表面が凹凸のない滑らかな曲面である場合であっても、対象物２００の奥行情報を生成するのに十分な数の距離情報を取得することができる。

【0071】

また、投影デバイス１によって対象物２００に対して投影される第１のパターンおよび第２のパターンは、互いに異なる位置で結像する。さらに、測距デバイス２は、対象物２００に投影された第１のパターンまたは第２のパターンを測距のための特徴点とすることができるので、測距デバイス２の測距可能範囲を拡張することができる。

【0072】

次に、図９を参照して、本発明の測距システム１００によって実行される測距方法Ｓ１００を詳述する。工程Ｓ１１０において、ユーザーは、投影デバイス１を用いて、対象物２００に対して、結像位置が互いに異なる第１のパターンおよび第２のパターンを投影する。工程Ｓ１２０において、ユーザーは、演算ユニット５に対して対象物２００に対する撮像を実行するための操作を実行する。演算ユニット５がユーザーからの操作を受け付けると、演算ユニット５のプロセッサー５１は、撮像制御モジュール５５１を用いて、第１の撮像素子Ｓ１および第２の撮像素子Ｓ２を制御し、投影デバイス１によって第１のパターンおよび第２のパターンが投影された対象物２００の撮像を行い、第１の画像および第２の画像を取得する。

【0073】

工程Ｓ１３０において、演算ユニット５のプロセッサー５１は、特徴点抽出モジュール５５２を用いて、第１の画像中の特徴点および第２の画像中の対応特徴点を抽出し、第１の画像中の特徴点と第２の画像中の対応特徴点との間の視差を算出する。工程Ｓ１４０において、演算ユニット５のプロセッサー５１は、距離算出モジュール５５３を用いて、工程Ｓ１３０において算出された視差に基づいて、対象物２００の特徴点までの距離を算出する。工程Ｓ１３０および工程Ｓ１４０は、奥行情報生成モジュール５５４が対象物２００の奥行情報を生成するのに十分な数の距離情報を取得するまで、工程Ｓ１３０において抽出される特徴点を変えて、繰り返し実行される。工程Ｓ１５０において、演算ユニット５のプロセッサー５１は、奥行情報生成モジュール５５４を用いて、工程Ｓ１４０において算出された対象物２００の複数の特徴点までの距離に基づいて、対象物２００の奥行情報を生成する。工程Ｓ１４０において対象物２００の奥行情報が生成されると、測距方法Ｓ１００は、終了する。

【0074】

以上、本発明の投影デバイスおよび測距システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。上述の投影デバイスおよび測距デバイスの構成は、同様の機能を発揮し得る任意のものと置換することができ、あるいは、投影デバイスおよび測距デバイスに任意の構成のものを付加することができる。

【0075】

例えば、図３に示された投影デバイスおよび図７に示された測距デバイスのそれぞれのコンポーネントの数や種類は、説明のための例示にすぎず、本発明は必ずしもこれに限られない。本発明の原理および意図から逸脱しない範囲において、任意のコンポーネントが追加若しくは組み合わされ、または任意のコンポーネントが削除された様態も、本発明の範囲内である。また、投影デバイスおよび測距デバイスの各コンポーネントは、ハードウェア的に実現されていてもよいし、ソフトウェア的に実現されていてもよいし、これらの組み合わせによって実現されていてもよい。

【0076】

また、上述の説明では、測距デバイスは、２つの画像間の視差を利用して対象物までの距離を算出しているが、本発明はこれに限られない。例えば、測距デバイスは、対象物に投影された第１のパターンまたは第２のパターンのドットや交点の画像中の位置や位相差情報等の視差以外の情報に基づいて、対象物までの距離を算出する測距分野において既知の種々の方法（アクティブステレオ法等）によって、対象物までの距離を算出してもよい。このような態様もまた、本発明の範囲内である。

【符号の説明】

【0077】

１…投影デバイス １１ａ…第１のパターン板 １１ｂ…第２のパターン板 １２…光源 １３…投影光学系 １４…透明構造体 ２…測距デバイス ３…ランダムドットパターン ３１…ドット ４…ランダム格子パターン ４１…格子線 ４２…交点 ５…演算ユニット ５１…プロセッサー ５２…Ｉ／Ｏインターフェース ５３…メモリー ５４…データ ５４１…測距パラメーター ５４２…その他データ ５５…モジュール ５５１…撮像制御モジュール ５５２…特徴点抽出モジュール ５５３…距離算出モジュール ５５４…奥行情報生成モジュール ５５５…その他モジュール １００…測距システム ２００…対象物 ５００…投影デバイス ５１０…投影光学系 ５２０ａ…第１のパターン板 ５２０ｂ…第２のパターン板 ５２０ｃ…第３のパターン板 ５３０ａ…第１のハーフミラー ５３０ｂ…第２のハーフミラー ５４０ａ…第１の合焦面 ５４０ｂ…第２の合焦面 ５４０ｃ…第３の合焦面 Ｄ…距離 ＦＰ１…第１の合焦面 ＦＰ２…第２の合焦面 ＩＳ１…第１の撮像系 ＩＳ２…第２の撮像系 ＯＡ…光軸 ＯＳ１…第１の撮像光学系 ＯＳ２…第２の撮像光学系 Ｐ…距離 Ｒ…範囲 Ｓ１…第１の撮像素子
Ｓ２…第２の撮像素子 Ｓ１００…測距方法 Ｓ１１０、Ｓ１２０、Ｓ１３０、Ｓ１４０、Ｓ１５０…工程

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】