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特許7395664３次元距離測定システムで使用するためのラインパターンプロジェクタ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-12-01
(45)【発行日】2023-12-11
(54)【発明の名称】３次元距離測定システムで使用するためのラインパターンプロジェクタ
(51)【国際特許分類】
G01B 11/25 20060101AFI20231204BHJP
G02B 5/00 20060101ALI20231204BHJP
G02B 3/00 20060101ALI20231204BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20231204BHJP
G03B 21/00 20060101ALI20231204BHJP
【ＦＩ】
G01B11/25 H
G02B5/00 Z
G02B3/00 A
G02B5/18
G03B21/00 D
【請求項の数】
9
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2022101698
(22)【出願日】2022-06-24
(65)【公開番号】P2023004973
(43)【公開日】2023-01-17
【審査請求日】2022-08-22
(31)【優先権主張番号】17/358,011
(32)【優先日】2021-06-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/846,029
(32)【優先日】2022-06-22
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】502429109
【氏名又は名称】奇景光電股▲ふん▼有限公司
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100135079
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 修
(72)【発明者】
【氏名】蕭 名淑
【審査官】眞岩 久恵
(56)【参考文献】
【文献】中国特許出願公開第１０８２２７２３１（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１１３５３０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０
Ｇ０２Ｂ ５／００
Ｇ０２Ｂ ３／００
Ｇ０２Ｂ ５／１８
Ｇ０３Ｂ ２１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ラインパターンプロジェクタであって、光ビームを発する複数の光源を含み、第１の方向に沿って配列された光源アレイと、
前記光ビームをコリメートするように構成されたレンズと、
前記コリメートされた光ビームを回折し、それによって照明パターンを投影するように構成された回折マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）であって、前記第１の方向に関する前記回折ＭＬＡのレンズピッチは、第２の方向に関する前記回折ＭＬＡのレンズピッチよりも広い、回折ＭＬＡと
を備え、
ここで、前記照明パターンは、前記光源によって投影される複数のドットパターンを重ね合わせることによって形成され、前記照明パターンは、前記第１の方向に複数のライン光パターンを含む、
ラインパターンプロジェクタ。
【請求項2】
前記光源の各々が垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）である、請求項１に記載のラインパターンプロジェクタ。
【請求項3】
隣接する２つの光源間の光源ピッチが規則的である、請求項１に記載のラインパターンプロジェクタ。
【請求項4】
前記回折ＭＬＡの最大サグ高さが約３３．６９ｕｍであり、前記回折ＭＬＡの最大傾斜が約７３度である、請求項１に記載のラインパターンプロジェクタ。
【請求項5】
前記第１の方向は、前記第２の方向に垂直である、請求項１に記載のラインパターンプロジェクタ。
【請求項6】
前記第１の方向は水平方向であり、前記第２の方向は垂直方向である、請求項１に記載のラインパターンプロジェクタ。
【請求項7】
光学距離測定システムであって、少なくとも１つの光源と拡散器とを含み、第１の照明パターンを投影するように構成された投光イルミネータと、
第２の照明パターンを投影するように構成されたラインパターンプロジェクタであって、
光ビームを発する複数の光源を含み、第１の方向に沿って配列された光源アレイと、
前記光ビームをコリメートするように構成されたレンズと、
前記コリメートされた光ビームを回折し、それによって前記第２の照明パターンを投影するように構成された回折マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）であって、前記第１の方向に関する前記回折ＭＬＡのレンズピッチは、第２の方向に関する前記回折ＭＬＡのレンズピッチよりも広い、回折ＭＬＡと
を備え、ここで、前記第２の照明パターンは、前記光源によって投影される複数のドットパターンを重ね合わせることによって形成され、前記第１の方向に複数のライン光パターンを含む、
ラインパターンプロジェクタと、
物体から反射された照明パターンの画像を取り込むように構成された画像取込装置と
を備える光学距離測定システム。
【請求項8】
前記投光イルミネータの前記拡散器がマイクロレンズアレイである、請求項７に記載の光学距離測定システム。
【請求項9】
前記投光イルミネータの前記拡散器が回折光学素子である、請求項７に記載の光学距離測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、３次元光学距離測定に関し、より詳細には、３次元光学距離測定システムで使用するためのラインパターンプロジェクタに関する。
【背景技術】
【0002】
典型的に、飛行時間（ＴｏＦ）技術に基づく３次元光学距離測定は、物体または形状の距離測定を提供するために、撮像センサと共に投光イルミネータに依存する。しかしながら、投光イルミネータの投射距離は、その光エネルギーが弱いためかなり短い。
【0003】
これを踏まえて、高出力照明パターンおよびかなりの投影距離を提供することができるパターンプロジェクタを提供する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１７８９１５号明細書
【文献】米国特許出願公開第２０１９／００６８８５３号明細書
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３５６４８４号明細書
【文献】中国特許出願公開第１０７５８９６２３号明細書
【発明の概要】
【0005】
このことを考慮して、本発明の１つの目的は、３次元光学距離測定システムで使用するための規則的なラインパターンプロジェクタを提供することである。本発明の実施形態は、規則的に分布するラインを有する照明パターンを生成するために、レンズおよび回折マイクロレンズアレイと共に光源アレイに依存し得る。本発明の実施形態により、光源アレイの異なる光源によって生成されるドットパターンを重ね合わせて、複数のライン光パターンを有する照明パターンを形成することを可能にする。
【0006】
一実施形態によれば、ラインパターンプロジェクタが提供される。ラインパターンプロジェクタは、光源アレイと、レンズと、回折マイクロレンズアレイとを含む。光源アレイは、光ビームを発する複数の光源を含み、複数の光源は、第１の方向に沿って配置される。レンズは、光ビームをコリメートするように構成される。回折マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）は、コリメートされた光ビームを回折し、それによって照明パターンを投影するように構成され、第１の方向に関する回折ＭＬＡのレンズピッチは、第２の方向に関する回折ＭＬＡのレンズピッチよりも広い。照明パターンは、光源によって投影される複数のドットパターンを重ね合わせることによって形成され、照明パターンは、第１の方向に複数のライン光パターンを含む。
【0007】
一実施形態によれば、光学距離測定システムが提供される。光学距離測定システムは、投光イルミネータと、ラインパターンプロジェクタと、画像取込装置とを備える。投光イルミネータは、少なくとも１つの光源と、拡散器とを備える。投光イルミネータは、第１の照明パターンを投影するように構成される。ラインパターンプロジェクタは、第２の照明パターンを投影するように構成され、光源アレイと、レンズと、回折マイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）とを備える。光源アレイは、光ビームを発する複数の光源を含み、複数の光源は、第１の方向に沿って配置される。レンズは、光ビームをコリメートするように構成される。回折ＭＬＡは、コリメートされた光ビームを回折し、それによって第２の照明パターンを投影するように構成され、第１の方向に関する回折ＭＬＡのレンズピッチは、第２の方向に関する回折ＭＬＡのレンズピッチよりも広く、第２の照明パターンは、光源によって投影される複数のドットパターンを重ね合わせることによって形成され、第１の方向に複数のライン光パターンを含む。画像取込装置は、物体から反射された照明パターンの画像を取り込むように構成される。
【0008】
本発明のこれらおよび他の目的は、様々な図および図面に示される好ましい実施形態の以下の詳細な説明を読んだ後に、当業者には疑いなく明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明の一実施形態による光学距離測定システムの概略図を示す。
【図2】本発明の一実施形態によるドットパターンプロジェクタおよび投光イルミネータの実装形態を示す。
【図3】本発明の一実施形態によるドットパターンプロジェクタの詳細な概略図を示す。
【図4A】本発明の一実施形態によるドットパターンを重ね合わせることによって照明パターンがどのように形成されるかを示す。
【図4B】本発明の一実施形態によるドットパターンを重ね合わせることによって照明パターンがどのように形成されるかを示す。
【図4C】本発明の一実施形態によるドットパターンを重ね合わせることによって照明パターンがどのように形成されるかを示す。
【図4D】本発明の一実施形態によるドットパターンを重ね合わせることによって照明パターンがどのように形成されるかを示す。
【図4E】本発明の一実施形態によるドットパターンを重ね合わせることによって照明パターンがどのように形成されるかを示す。
【図5A】本発明の一実施形態によるドットパターンをインターレースすることによって照明パターンがどのように形成されるかを示す。
【図5B】本発明の一実施形態によるドットパターンをインターレースすることによって照明パターンがどのように形成されるかを示す。
【図5C】本発明の一実施形態によるドットパターンをインターレースすることによって照明パターンがどのように形成されるかを示す。
【図5D】本発明の一実施形態によるドットパターンをインターレースすることによって照明パターンがどのように形成されるかを示す。
【図5E】本発明の一実施形態によるドットパターンをインターレースすることによって照明パターンがどのように形成されるかを示す。
【図6A】本発明の異なる実施形態による、光源アレイの配置が照明パターンのドット分布にどのように影響を及ぼすかを示す。
【図6B】本発明の異なる実施形態による、光源アレイの配置が照明パターンのドット分布にどのように影響を及ぼすかを示す。
【図7】本発明の実施形態による、光源アレイおよびマイクロレンズアレイの配置ならびにインターレースタイプが照明パターンのドット分布にどのように影響を及ぼすかを示す。
【図8】本発明の一実施形態によるラインパターンプロジェクタの詳細な概略図を示す。
【図9】本発明の一実施形態にしたがってライン光パターンがどのように形成されるかを示す。
【図10】本発明の一実施形態によるラインパターンプロジェクタで使用される回折マイクロレンズアレイのプロファイルを示す。
【図11A】本発明の一実施形態による単一の光源によって生成される照明パターンを示す。
【図11B】本発明の一実施形態による、同じ方向に沿って配置された複数の光源によって生成される照明パターンを示す。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下の説明では、本実施形態の完全な理解を提供するために、多数の特定の詳細が記載される。しかしながら、本実施形態を実施するために特定の詳細を使用する必要がないことは、当業者には明らかであろう。他の事例では、本実施形態を曖昧にしないために、周知の材料または方法は詳細に説明されていない。
【0011】
本明細書全体にわたる「一実施形態」または「ある実施形態」への言及は、実施形態または例に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、本実施形態の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な箇所で「一実施形態では」または「ある実施形態では」という表現が出現するが、必ずしもすべてが同じ実施形態を指すわけではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つまたは複数の実施形態において、任意の適切な組合せおよび／または部分組合せで組み合わせられ得る。
【0012】
本発明の一実施形態による光学距離測定システム１０の概略図を示す図１を参照されたい。図示されるように、光学距離測定システム１０は、ドットパターンプロジェクタ１００と、投光イルミネータ２００と、画像取込装置３００とを備える。ドットパターンプロジェクタ１００および投光イルミネータ２００の両方は、画像取込装置３００の視野内の物体上に高出力照明パターンを投影するように構成される。本発明の様々な実施形態によれば、ドットパターンプロジェクタ１００および投光イルミネータ２００は、異なるタイプの照明パターンを順次または同時に投影し得る。図２は、ドットパターンプロジェクタ１００および投光イルミネータ２００の可能な配置を示す。図示されるように、ドットパターンプロジェクタ１００（光源１２０と、コリメートレンズ１４０と、回折ユニット１６０とを備え、ドット照明パターンを投影する）および投光イルミネータ２００（光源２２０および回折ユニット２６０を備え、投光照明パターンを投影する）は、同じ基板を共有する。ドットパターンプロジェクタ１００および投光イルミネータ２００は、別個の回折ユニット１６０および２６０を使用し得、それらはいずれも共有基板１０上に配置される。ドットパターンプロジェクタ１００の回折ユニット１６０は、マイクロレンズアレイまたは光回折ユニット（ＤＯＥ）であってもよく、投光イルミネータ２００の回折ユニット２６０（マイクロレンズアレイまたは光回折ユニット（ＤＯＥ）であってもよい）が配置されている共有基板１０上に配置される。同じ基板を共有し、２つの回折ユニットを互いに隣接して配置する利点は、製造プロセスの複雑さを低減することである。この点に関して、ドットパターンプロジェクタ１００および投光イルミネータ２００のエッチングまたは型反転を一緒に行うことができるので、コストが低くなり、組立て時間も短縮される。
【0013】
画像取込装置３００は、（限定はしないが）集束レンズと、フィルタと、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）または電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ（図示せず）などの画像センサとを備え得る。画像取込装置３００は、物体から反射された照明パターンの画像を取り込むように構成される。画像センサ３００によって取り込まれた画像に基づいて、物体に関する奥行き情報を計測することができる。
【0014】
図３は、本発明の一実施形態によるドットパターンプロジェクタ１００の概略図を示す。図示されるように、ドットパターンプロジェクタ１００は、光源アレイ１２０と、レンズ１４０と、回折ユニット１６０とを備える。光源アレイ１２０は、光ビームを発するように配置され、アレイ状に配置された複数の光源１２０＿１～１２０＿Ｎを含む。様々な実施形態によれば、光源１２０＿１～１２０＿Ｎは、図５Ａに示されるように、規則的に分布されていてもよいし、または六角形に分布されていてもよい。図面中の光源１２０＿１～１２０＿Ｎの数は、単に例示を目的としたものであることに留意されたい。好ましくは、光源１２０＿１～１２０＿Ｎは、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり得、ピッチＤ＿Ｌで等しく分離される。
【0015】
レンズ１４０は、光源アレイ１２０が発する光ビームをコリメートするように配置される。好ましくは、光源アレイ１２０とレンズ１４０の光学中心との間の距離は、レンズ１４０の有効焦点距離Ｄ＿ＥＦＬと同一である。したがって、レンズ１４０を用いることで、光ビームをより集光することができ、それにより、ドットパターンプロジェクタ１００によって投影される照明パターン内のドットは、より小さいサイズおよび高いコントラストを有することができる。回折ユニット１６０は、光ビームを回折するように構成され、それによって、図２に示されるようなドットが規則的に分布されている照明パターンを投影する。様々な実施形態によれば、回折ユニット１６０は、回折光学素子（ＤＯＥ）またはマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）であり得る。
【0016】
加えて、投光イルミネータ２００は、光源と拡散器とを備え、ＤＯＥまたはＭＬＡを拡散器として使用し得る。一実施形態では、ドットパターンプロジェクタ１００内の回折ユニット１６０としてＤＯＥが使用されると、投光イルミネータ２００内の拡散器としてもＤＯＥが使用される。一方、ドットパターンプロジェクタ１００内の回折ユニット１６０としてＭＬＡが使用されると、投光イルミネータ２００内の拡散器としてもＭＬＡが使用される。回折ユニット１６０としてＭＬＡが使用される場合、ＭＬＡ１６０は、平凸形状を有する複数のマイクロレンズを含み、ＭＬＡ１６０の隣接する２つの単位レンズ間のレンズピッチはＤ＿Ｍである。回折ユニット１６０としてＤＯＥが使用される場合、ＤＯＥ１６０の隣接する単位セル間のセルピッチはＤ＿Ｅである。好ましい実施形態では、ＭＬＡ１６０のレンズピッチＤ＿ＭまたはＤＯＥ１６０のセルピッチＤ＿Ｅは、１０μｍより大きくなり得、これは、製作が比較的容易である。
【0017】
光源１２０＿１～１２０＿Ｎによって投影されるドットの分布は、様々なパラメータにしたがって決定され得る。一実施形態では、単一の光源によって投影されるドットパターンの０次回折のドットとｍ次回折のドットとの間のファンアウト角をθｍとし、光源が発する光ビームの波長をλとし、ＭＬＡ１６０のレンズピッチをＤ＿Ｍと仮定すると、これらのパラメータ間には以下の関係が存在することになる：
ここで、ｍは回折次数である。これを踏まえて、ドットパターンの０次回折のドットと１次回折のドットとの間のファンアウト角θ１は、次のようになる：
【数1】
【数2】
【0018】
加えて、図２に示されるように、レンズ１４０の光軸に配置されていない光源１２０＿２によって投影されるドットパターン（パターンＢ）は、レンズ１４０の光軸に配置された光源１２０＿１によって投影されるドットパターン（パターンＡ）と比較して垂直方向にシフトされる。様々な実施形態によれば、ドットパターンプロジェクタ１００によって投影される照明パターンは、異なる光源によって投影されるドットパターンを重ね合わせるかまたはインターレースすることによって形成される。
【0019】
本発明の一実施形態による、異なる光源の異なるドットパターンを重ね合わせることによって照明パターンがどのように形成されるかを理解するために、図４Ａ～図４Ｅを参照されたい。そのような実施形態では、光源アレイ１２０は、光源１２０＿１～１２０＿４を含む２×２アレイである。図４Ｂおよび図４Ｃは、レンズ１４０の光軸に配置された光源１２０＿１～１２０＿２によって生成されるドットパターンを示し、図４Ｄおよび図４Ｅは、レンズ１４０の光軸に配置されていない光源１２０＿３～１２０＿４によって生成されるドットパターンを示す。光源１２０＿３～１２０＿４のコリメートされた光ビームは、偏向角αだけレンズの光軸から偏向し、ここで、偏向角αは、次式によって決定され得る：
（Ｄ＿Ｌは隣接する光源間のピッチであり、Ｄ＿ＥＦＬはレンズ１４０の有効焦点距離である）。したがって、光源１２０＿３～１２０＿４によって投影されるドットパターンは、光源１２０＿１～１２０＿２によって投影されるドットパターンと比較して垂直方向にシフトされる。
【数3】
【0020】
ドットパターンを正確に重ね合わせるためには、以下を有する必要がある：
【数4】
【0021】
すなわち、光源のコリメートされた光ビームが光軸から偏向する偏向角αは、０次回折のドットと１次回折のドットとの間のファンアウト角θ１と同一である必要がある。光源ピッチＤ＿Ｌと、有効焦点距離Ｄ＿ＥＦＬと、レンズピッチＤ＿Ｍ（回折ユニット１６０がＭＬＡである場合）またはセルピッチＤ＿Ｅ（回折ユニット１６０がＤＯＥである場合）とがｓｉｎα＝ｓｉｎθを満たすように良好に制御される場合、ドットパターンは、互いに対して垂直方向または水平方向に正確に１ドットピッチＤ＿Ｐ（すなわち、ドットパターン内の隣接するドット間の距離）だけシフトされ、それによって重複タイプの照明パターンを形成する。
【0022】
本発明の一実施形態による、異なる光源の異なるドットパターンをインターレースすることによって照明パターンがどのように形成されるかを理解するために、図５Ａ～図５Ｅを参照されたい。そのような実施形態では、光源アレイ１２０は、光源１２０＿１～１２０＿４を含む２×２アレイである。図４Ｂおよび図４Ｃは、レンズ１４０の光軸に配置された光源１２０＿１～１２０＿２によって生成されるドットパターンを示し、図４Ｄおよび図４Ｅは、レンズ１４０の光軸に配置されていない光源１２０＿３～１２０＿４によって生成されるドットパターンを示す。光源１２０＿３～１２０＿４のコリメートされた光ビームは、偏向角αだけレンズの光軸から偏向し、ここで、偏向角αは、同じく、次式によって決定され得る：
【数5】
【0023】
ドットパターンをインターレースするためには、以下を有する必要がある：
【数6】
【0024】
インターレース係数Ｎは、ドットパターンがどのようにインターレースされるかを決定する。Ｎが１である場合、光軸に配置されていない光源によって投影されるドットパターンは、互いに対して垂直方向または水平方向に１ドットピッチＤ＿Ｐだけシフトされ、それによって、図４Ａに示されるような重複タイプの照明パターンを形成する。Ｎが２である場合、光軸に配置されていない光源によって投影されるドットパターンは、互いに対して垂直方向または水平方向に１／２ドットピッチＤ＿Ｐだけシフトされ、それによって、図４Ａに示されるようなインターレースタイプの照明パターンを形成する。Ｎが３である場合、光軸に配置されていない光源によって投影されるドットパターンは、互いに対して垂直方向または水平方向に１／３ドットピッチＤ＿Ｐだけシフトされ、これもインターレースタイプの照明パターンを形成する。
【0025】
上記を踏まえて、回折ユニット１６０のレンズピッチＤ＿Ｍ（回折ユニット１６０がＭＬＡである場合）または回折ユニット１６０のセルピッチＤ＿Ｅ（回折ユニット１６０がＤＯＥである場合）は、単一光源によって投影されるドットパターンのドット分布（例えば、ドット密度）に影響を与えるファンアウト角θを決定することができる。加えて、光源ピッチＤ＿Ｌおよびレンズ１４０の有効焦点距離Ｄ＿ＥＦＬは、ドットパターンが互いに対してどのようにシフトされるかに影響を及ぼすファンアウト角θを決定することができる。
【0026】
有効焦点距離Ｄ＿ＥＦＬが２ｍｍであり、光源ピッチが３０μｍであると仮定すると、回折ユニット１６０のレンズピッチＤ＿Ｍ（回折ユニット１６０がＭＬＡである場合）または回折ユニット１６０のセルピッチＤ＿Ｅは、次式によって決定され得る：
【数7】
【0027】
したがって、回折ユニット１６０のレンズピッチＤ＿ＭまたはセルピッチＤ＿Ｅは、Ｎ＝１（すなわち、重複タイプ）のときに約６２．７μｍ、またはＮ＝２（すなわち、インターレースタイプ）のときに約３１．３μｍとなる。さらに、関心視野（ＦＯＩ）：６０°（Ｈ）×４０°（Ｖ）をカバーする照明パターンを実装するために、照明パターンの寸法は、次式によって決定され得る：
ここで、θｍＨ＝（６０／２）、θｍＶ＝（４０／２）である。したがって、重複タイプ（Ｎ＝１）では、水平方向の回折次数ｍＨは±３３、垂直方向の回折次数ｍＶは±２２となる。インターレースタイプ（Ｎ＝２）では、水平方向の回折次数ｍＨは±１６、垂直方向の回折次数ｍＶは±１１となる。したがって、照明パターン内のドットの総数は、次式によって決定され得る。
【数8】
【数9】
【0028】
Ｎ＝１、ｍＨ＝±３３、およびｍＶ＝±２２の場合、ドットの総数は約３０１５となり、Ｎ＝２、ｍＨ＝±１６、およびｍＶ＝±１１の場合、ドットの総数は約３０３６となる。これを踏まえて、レンズピッチＤ＿Ｍ（またはセルピッチＤ＿Ｍ）をインターレース係数「Ｎ」と併せて変更することで、所与のＦＯＩにおいて同程度の数のドットをレンダリングすることが可能である。これにより、回折ユニット１６０の設計および製造の柔軟性が大幅に向上する。
【0029】
図６Ａおよび図６Ｂは、異なる光源アレイ１２０の配置およびそれらの対応する照明パターンを示す。図示されるように、照明パターンにおけるドットの分布は、光源アレイ１２０における光源の分布を継承している。図７は、異なる光源配置、ＭＬＡの単位レンズ配置、異なるインターレースタイプの組合せに関する照明パターンを示している。
【0030】
上述のドットパターンプロジェクタに加えて、本発明は、いくつかの実施形態において、３次元距離測定のための照明パターンを提供するために、ラインパターンプロジェクタにも依存する。複数の直線光パターンで構成される照明パターンを投影するように動作可能なラインパターンプロジェクタ４００を示す図８を参照されたい。図示されるように、ラインパターンプロジェクタ４００は、光源アレイ４２０と、レンズ４４０と、回折ＭＬＡ４６０とを備える。光源アレイ４２０は、光ビームを発するように配置され、ライン状に配置された複数の光源４２０＿１～４２０＿４を含む。光源アレイに含まれる光源の数は、要件次第で変わり得ることに留意されたい。本発明の様々な実施形態では、単一の光源アレイ内により多くのまたはより少ない光源が存在し得る。好ましくは、光源４２０＿１～４２０＿４の各々は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であり得、同じピッチで等しく分離される。レンズ４４０は、光源アレイ４２０が発する光ビームをコリメートするように配置される。好ましくは、光源アレイ４２０とレンズ４４０の光学中心との間の距離は、レンズ４４０の有効焦点距離と同一であり得る。レンズ４４０を用いることで、光ビームをより集光することができ、それにより、ラインパターンプロジェクタ４００によって投影された照明パターンにおけるライン光パターンは、より薄くなり、より高いコントラストを有することができる。図９に示すように、光源４２０の光源４２０＿１～４２０＿４は、ドットパターンを生成し得る。これらのドットパターンを水平方向に重なり合わせて、複数の直線光パターンを有する照明パターンを形成することができる。
【0031】
上述したように、ラインパターンプロジェクタ４００の照明パターンは、光源４２０＿１～４２０＿４によって投影されるドットパターンを水平方向にわずかにシフトすることによって生成される。これを達成するために、回折ＭＬＡ４６０は、図１０によって示されるようなプロファイルを有する。一実施形態では、水平方向に対するレンズピッチ（すなわち、中心間）は６０μｍであり得、垂直方向に対するレンズピッチは２０μｍであり得、凸面上の回折ＭＬＡ４６０の最大サグ高さは３３．６９ｕｍであり得、回折ＭＬＡ４６０の最大傾斜は約７３度であり得る。上記の実施形態では、光源４２０＿１～４２０＿４は、水平方向に沿って配置され、水平方向に関するレンズピッチは垂直方向に関するレンズピッチよりも広く、それにより、光源４２０＿１～４２０＿４によって投影されるドットパターンが水平方向にわずかにシフトされて、水平方向に重なり合い、それによって水平方向に複数の直線パターンを形成することができる。
【0032】
図１１Ａは、単一の光源によって生成される照明パターンを示す。上述したように、回折ＭＬＡ４６０のレンズピッチは水平方向に広くなっている。したがって、水平方向に対するドットパターン間のファンアウト角は小さくなり、ドットパターンは水平方向にわずかにシフトされるであろう。図１１Ｂは、水平方向に沿って配置された光源によって生成される照明パターンを示す。光源は水平方向に沿って配置されているので、ドットパターンは水平方向においてより多く重なる。
【0033】
いくつかの実施形態では、光源４２０＿１～４２０＿４は、垂直方向に沿って配置され得、回折ＭＬＡ４６０の垂直方向のレンズピッチは回折ＭＬＡ４６０の水平方向のレンズピッチよりも広く、それにより、光源４２０＿１～４２０＿４によって投影されるドットパターンが垂直方向にわずかにシフトされて、垂直方向に重なり合い、それによって垂直方向に複数の直線光パターンを形成することができる。本発明のいくつかの実施形態では、光源４２０＿１～４２０＿４は、第１の方向に沿って配列され得、回折ＭＬＡ４６０の第１の方向のレンズピッチは、回折ＭＬＡ４６０の第２の方向のレンズピッチよりも広く、それにより、光源４２０＿１～４２０＿４によって投影されるドットパターンが第１の方向にわずかにシフトされて、第１の方向に重なり合い、それによって第１の方向に複数の直線光パターンを形成することができる。
【0034】
ドットパターンプロジェクタ１００と同様に、ラインパターンプロジェクタは、画像取込装置３００が深度情報を得るために物体上にパターンを投影するための光学距離測定システムにおいて投光イルミネータ２００と併せて利用され得る。さらに、ラインパターンプロジェクタ４００および投光イルミネータ２００は、同じ基板を共有し得る。ラインパターンプロジェクタ４００および投光イルミネータ２００は、別個の回折ユニット４６０および２６０を使用し得、それらはいずれも共有基板１０上に配置される。ＭＬＡアレイであるラインパターンプロジェクタ１００の回折ＭＬＡ４６０は、同じくＭＬＡである、投光イルミネータ２００の回折ユニット２６０が配置されている共有基板１０上に配置される。同じ基板を共有し、２つの回折ユニットを互いに隣接して配置する利点は、製造プロセスの複雑さを低減することである。この点に関して、ラインパターンプロジェクタ４００および投光イルミネータ２００のエッチングまたは型反転を一緒に行うことができるので、コストが低くなり、組立て時間も短縮される。
【0035】
結論として、本発明の実施形態は、３次元光学距離測定システムでの使用を意図したドットラインパターンプロジェクタおよびラインパターンプロジェクタを提供する。本発明のドットパターンプロジェクタまたはラインパターンプロジェクタは、光学距離測定システムにおいて投光イルミネータと共に使用され得、それによって、高出力照明パターンおよびかなり長い投影距離を提供することができる。投光イルミネータの拡散器およびドットパターンプロジェクタまたはラインパターンプロジェクタの回折ユニットの両方は、同じタイプの光学素子（例えば、両方ともＭＬＡまたはＤＯＥである）を用いて実装され得、それによって、光学距離測定システムの製造を簡略化する。さらに、本発明の実施形態により、光源アレイの異なる光源によって生成されたドットパターンを重ね合わせるかまたはインターレースすることができ、ドットパターンプロジェクタの構成要素のパラメータが広範囲の調整を有することができるようにする。これにより、ドットパターンプロジェクタの設計および製造の柔軟性が大幅に向上する。さらに、ラインパターンプロジェクタによって投影される照明パターンのライン光パターンは、ドットパターンをシフトして重ね合わせることによって生成されるので、照明パターンの均一性をより良好に達成することができる。
【0036】
当業者は、本発明の教示を保持しながら、装置および方法の多数の修正および変更が行われ得ることを容易に認識するであろう。したがって、上記の開示は、添付の特許請求の範囲の境界によってのみ限定されるものとして解釈されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
