JP2019074361A - Projector for three-dimensional measurement and three-dimensional measuring device - Google Patents
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Abstract
【課題】高解像度で広偏向角を有する小型で低消費電力な３次元計測用プロジェクタおよび３次元計測装置を提供する。【解決手段】３次元計測用プロジェクタ１００および３次元計測装置１は、参照面上の遠視野像がライン形状のライン光２０２をデバイス表面から直接出射する光放射構造２０と、ライン光を偏向角θが異なる方向に掃引する光掃引構造を備えるビーム偏向デバイス２と、参照面上に、ライン光を時間的に掃引し、ライン光の送出時間と偏向角に基づいてストラクチャードライト２００を生成する光掃引コントローラ３と、を有する。【選択図】図１PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact and low power consumption 3D measurement projector and 3D measurement device having high resolution and wide deflection angle. SOLUTION: A projector 100 for three-dimensional measurement and a three-dimensional measuring device 1 have a light emission structure 20 in which a line light 202 having a line-shaped far-view image on a reference surface is directly emitted from a device surface, and a deflection angle of the line light. A beam deflection device 2 having a light sweep structure in which θ sweeps in different directions, and light that sweeps line light temporally on a reference surface to generate a structured light 200 based on the emission time and deflection angle of the line light. It has a sweep controller 3. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明の実施形態は、３次元計測用プロジェクタおよび３次元計測装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a three-dimensional measurement projector and a three-dimensional measurement apparatus.
近年、３次元計測の用途が広がりつつある。自動車、ドローン、ロボットなどに搭載されるレーザレーダ（ＬＩＤＡＲ）、パソコンやスマートフォンに搭載され顔認証などを行う３Ｄセンサ、安全監視システム、製造現場での自動検査装置などは、３次元計測の代表である。 In recent years, applications of three-dimensional measurement are expanding. Laser radar (LIDAR) mounted on cars, drones, robots etc., 3D sensors mounted on personal computers and smartphones to perform face recognition etc., safety monitoring systems, automatic inspection equipment at manufacturing sites etc. are representative of three-dimensional measurement is there.
３次元計測の方式のひとつとして、ストラクチャードライト方式がある。ストラクチャードライト方式は、ドット状にパターニングされたストラクチャードライトを対象物に照射し、そのパターンの歪みから奥行き情報を取得するものである（特許文献１〜３）。 The structured light method is one of the methods of three-dimensional measurement. The structured light method irradiates a target with structured light patterned in a dot shape, and obtains depth information from distortion of the pattern (Patent Documents 1 to 3).
特許文献２や３には、ストラクチャードライト方式の３次元計測装置のプロジェクタが開示される。特許文献２のプロジェクタは、光源の出射光を、集光レンズおよび２次元のアレイのパターニングデバイスによってマトリクス状に配置されるドット状の光にパターニングし、投影レンズによって投影する。 Patent Documents 2 and 3 disclose a projector of a structured light type three-dimensional measurement apparatus. The projector of Patent Document 2 patterns outgoing light of a light source into dot-like light arranged in a matrix by a condenser lens and a two-dimensional array patterning device, and projects the light by a projection lens.
特許文献３のプロジェクタは、アレイ状に配置された複数の光放射素子を備える。複数の光放射素子の出射光は、投影レンズおよびファンアウト回折光学素子（ＦＯ−ＤＯＥ）によって、マトリクス状に配置されるドット光を含むようにパターニングし、投影レンズによって投影する。 The projector of Patent Document 3 includes a plurality of light emitting elements arranged in an array. The light emitted from the plurality of light emitting elements is patterned to include dot light arranged in a matrix by a projection lens and a fan-out diffractive optical element (FO-DOE), and projected by a projection lens.
特許文献２や３に記載のプロジェクタは、複数のドット光が同時に放射される。アイセーフ安全基準では、単位放射角当たりのパワーに制限が課される。これは従来の方式において、光ドット１個当たりの強度が制限されることを意味し、明るい屋外での利用に制限があるなどの欠点がある。 The projectors described in Patent Documents 2 and 3 emit a plurality of dot lights simultaneously. The eye-safe safety standard imposes limits on the power per unit of radiation angle. This means that in the conventional method, the intensity per light dot is limited, and there are disadvantages such as limited use in bright outdoors.
また従来では、ドットやラインパターンを生成するための光学部品が、光源とは別に必要であるという問題があった。 Also, conventionally, there has been a problem that an optical component for generating dots or line patterns is required separately from the light source.
本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、ストラクチャード方式の３次元計測装置に利用可能なプロジェクタの提供にある。 The present invention has been made in such a situation, and one of the exemplary objects of an aspect of the present invention is to provide a projector that can be used for a structured three-dimensional measurement apparatus.
本発明のある態様は、ストラクチャードライト方式の３次元計測用プロジェクタに関する。３次元計測用プロジェクタは、遠視野像がライン形状であるライン光をデバイス表面から出射する光放射構造を含み、ライン光が放射される偏向角が可変に構成されるビーム偏向デバイスと、参照面上に所望のストラクチャードライトが発生するように、光放射構造が出射するライン光の時間プロファイルと偏向角を同期制御する光掃引コントローラと、を備える。 One embodiment of the present invention relates to a structured light type three-dimensional measurement projector. The projector for three-dimensional measurement includes a beam deflection device including a light emission structure for emitting line light whose far-field image is a line shape from the device surface, and the deflection angle at which the line light is emitted is variable; A light sweep controller is provided to synchronously control the time profile of the line light emitted by the light emitting structure and the deflection angle so that the desired structured light is generated thereon.
本発明のある態様によれば、従来のプロジェクタの問題の少なくともひとつが解決できる。 According to an aspect of the present invention, at least one of the problems of the conventional projector can be solved.
（実施の形態の概要）
本明細書に開示される一実施の形態は、ストラクチャードライト方式の３次元計測装置に使用されるプロジェクタに関する。プロジェクタは、遠視野像がライン形状であるライン光をデバイス表面から出射する光放射構造を含み、ライン光が放射される偏向角が可変に構成されるビーム偏向デバイスと、参照面上に所望のストラクチャードライトが発生するように、光放射構造が出射するライン光の時間プロファイルと偏向角を同期制御する光掃引コントローラと、を備える。
(Overview of the embodiment)
One embodiment disclosed herein relates to a projector used for a structured light three-dimensional measurement device. The projector includes a light emission structure that emits line light from the device surface, the far-field image of which is in the form of a line, and a beam deflection device configured to change the deflection angle at which the line light is emitted. A light sweep controller is provided to synchronously control the time profile of the line light emitted by the light emitting structure and the deflection angle so as to generate structured light.
この実施の形態において、ストラクチャードライトは、複数の光スポットの集合としてライン状あるいはスポット状に形成されるが、各光スポットは、測定対象に同時には照射されない。このため、従来のプロジェクタに比べて、アイセーフ安全基準下でも光スポットの強度を高めることができる。これにより明るい環境下におけるＳ／Ｎ比を高めることができる。 In this embodiment, the structured light is formed in a line or spot as a set of a plurality of light spots, but each light spot is not simultaneously irradiated to the object to be measured. Therefore, the intensity of the light spot can be increased even under the eye safe safety standard as compared with the conventional projector. This can increase the S / N ratio in bright environments.
また、マトリクス状のスポット光にパターニングするための光学系が不要であるため、プロジェクタを薄型化（低背化）することができる。 In addition, since an optical system for patterning into a matrix of spot light is unnecessary, the projector can be thinned (reduced in height).
光放射構造は、スローライト光が伝搬するＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）構造を有してもよい。 The light emitting structure may have a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) structure through which the slow light is propagated.
ビーム偏向デバイスは、第１波長のシード光を光放射構造の入力端に光結合させるシード光源をさらに含んでもよい。光放射構造は、第２波長で単体発振するよう構成され、第１波長と第２波長の少なくとも一方が制御可能に構成される。第１波長と第２波長の相対関係を変化させることにより、偏向角を制御できる。 The beam deflecting device may further comprise a seed light source for optically coupling the seed light of the first wavelength to the input end of the light emitting structure. The light emitting structure is configured to oscillate singly at the second wavelength, and at least one of the first wavelength and the second wavelength is configured to be controllable. The deflection angle can be controlled by changing the relative relationship between the first wavelength and the second wavelength.
ビーム偏向デバイスは、シード光源および光放射構造の少なくとも一方の共振器長が可変に構成されてもよい。これにより波長を変化させることができる。 The beam deflection device may be configured such that the resonator length of at least one of the seed light source and the light emitting structure is variable. This allows the wavelength to be changed.
ビーム偏向デバイスは、シード光源および光放射構造の少なくとも一方の温度を制御するヒータを含んでもよい。温度を制御することで屈折率を変化させ、実効的な共振器長、ひいては波長を制御できる。 The beam deflection device may include a seed light source and a heater to control the temperature of at least one of the light emitting structure. By controlling the temperature, the refractive index can be changed to control the effective resonator length and hence the wavelength.
光掃引コントローラは、シード光源および光放射構造の少なくとも一方の駆動電流の量を制御してもよい。駆動電流の量に応じて、シード光源あるいは光放射構造の自己発熱を制御することにより屈折率を変化させ、実効的な共振器長ひいては発振波長を制御できる。 The light sweep controller may control the amount of drive current of at least one of the seed light source and the light emitting structure. Depending on the amount of drive current, the refractive index can be changed by controlling the self-heating of the seed light source or the light emitting structure to control the effective resonator length and hence the oscillation wavelength.
シード光源および光放射構造の少なくとも一方はエアギャップ層と、エアギャップ層の厚みを制御するＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)構造と、を含んでもよい。機械的に共振器長を制御することで、より広範囲に波長制御が可能となり、ひいては大きな偏向角の変化が得られる。 At least one of the seed light source and the light emitting structure may include an air gap layer and a micro electro mechanical systems (MEMS) structure that controls the thickness of the air gap layer. By mechanically controlling the resonator length, wavelength control can be performed in a wider range, and thus a large change in deflection angle can be obtained.
ビーム偏向デバイスは、光放射構造の表面に形成され、ライン光の長手方向の強度プロファイルを変調するプロファイル調整構造をさらに含んでもよい。 The beam deflecting device may further comprise a profile adjustment structure formed on the surface of the light emitting structure and modulating the longitudinal intensity profile of the line light.
プロファイル調整構造は、参照面上においてライン光が形成する光スポットの長手方向の強度プロファイルが均一化されるように定められてもよい。 The profile adjustment structure may be defined such that the longitudinal intensity profile of the light spot formed by the line light on the reference surface is made uniform.
プロファイル調整構造は、ライン光の長手方向の強度プロファイルを、離散的な複数のスポットに分割してもよい。 The profile adjustment structure may divide the longitudinal intensity profile of the line light into discrete spots.
プロファイル調整構造は、ライン光の断面プロファイルを決定する窓構造および横方向閉じ込め構造の少なくとも一方を備えてもよい。 The profile adjustment structure may comprise at least one of a window structure and a lateral confinement structure that determines the cross-sectional profile of the line light.
プロジェクタは、ビーム偏向デバイスを複数備えてもよい。複数のビーム偏向デバイスが出射する複数のライン光が長手方向に連結されて、ストラクチャードライトが形成されてもよい。 The projector may comprise a plurality of beam deflection devices. A plurality of line beams emitted by a plurality of beam deflection devices may be longitudinally coupled to form a structured light.
プロジェクタは、ビーム偏向デバイスを２個備えてもよい。２個のビーム偏向デバイスは、スローライト伝搬方向がお互い反対方向になるように配置されてもよい。 The projector may comprise two beam deflection devices. The two beam deflection devices may be arranged such that the slow light propagation directions are in opposite directions.
プロジェクタは、ビーム偏向デバイスを２個備えてもよい。２個のビーム偏向デバイスは、スローライト伝搬方向が直角となるように配置されてもよい。 The projector may comprise two beam deflection devices. The two beam deflection devices may be arranged such that the slow light propagation direction is at right angles.
複数のビーム偏向デバイスを、参照面に対し角度をつけて配置してもよい。 Multiple beam deflection devices may be arranged at an angle to the reference plane.
３次元計測装置は、測定対象物にストラクチャードライトを照射する３次元計測用プロジェクタと、測定対象物に投光されたストラクチャードライトを撮像するイメージセンサと、イメージセンサで撮像されたストラクチャードライトのライン歪みに基づいて測定対象物の３次元位置を識別する形状識別部と、を有してもよい。 The three-dimensional measurement apparatus includes a three-dimensional measurement projector that irradiates structured light to an object to be measured, an image sensor that images structured light projected to the object to be measured, and line distortion of the structured light captured by the image sensor. And a shape identification unit that identifies the three-dimensional position of the measurement object based on the
以下、実施形態についていくつかの図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複説明は必要な場合にのみ行う。 Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to several drawings. In the following description, components having substantially the same function and configuration are given the same reference numerals, and redundant description will be made only when necessary.
図１は、実施形態に係るストラクチャードライト方式の３次元計測装置のブロック図である。３次元計測装置１は、主として、３次元計測用プロジェクタ（以下、単にプロジェクタと称する）１００と、イメージセンサ４、形状識別部５を備える。 FIG. 1 is a block diagram of a structured-write three-dimensional measurement apparatus according to an embodiment. The three-dimensional measurement apparatus 1 mainly includes a three-dimensional measurement projector (hereinafter, simply referred to as a projector) 100, an image sensor 4, and a shape identification unit 5.
プロジェクタ１００は、測定対象物にストラクチャードライト２００を照射する。イメージセンサ４は、測定対象物に投光されたストラクチャードライトを撮像する。ここでは仮想的な測定対象物として平面を示す。形状識別部５は、イメージセンサ４で撮像されたストラクチャードライトのライン歪みに基づいて測定対象物の３次元位置あるいは形状を識別する。 The projector 100 emits the structured light 200 to the object to be measured. The image sensor 4 captures an image of the structured light projected onto the object to be measured. Here, a plane is shown as a virtual measurement object. The shape identification unit 5 identifies the three-dimensional position or the shape of the measurement object based on the line distortion of the structured light captured by the image sensor 4.
本実施の形態において、プロジェクタ１００は、ビーム偏向デバイス２および光掃引コントローラ３を備える。ビーム偏向デバイス２は、遠視野像がライン形状であるライン光２０２をデバイス表面から出射する光放射構造２０を含み、ライン光２０２が放射される偏向角θが可変に構成される。ここでは、デバイス表面に対して垂直方向をθ＝０とする。図１に示されるストラクチャードライト２００は、第１方向（図中、ｘ方向）に離間する複数のラインパターン（光スポット）２０４＿１〜２０４＿Ｎを含み、各ラインパターン２０４は、第２方向（ｙ方向）が長手である。なお測定対象に対して、複数のラインパターン２０４＿１〜２０４＿Ｎが同時に照射されることはなく、ある時刻では、一のラインパターン２０４のみが測定対象に照射される。 In the present embodiment, the projector 100 includes a beam deflection device 2 and a light sweep controller 3. The beam deflection device 2 includes a light emission structure 20 that emits from the device surface a line light 202 whose far-field image is line-shaped, and the deflection angle θ at which the line light 202 is emitted is variable. Here, the direction perpendicular to the device surface is θ = 0. The structured light 200 shown in FIG. 1 includes a plurality of line patterns (light spots) 204_1 to 204_N spaced in a first direction (x direction in the drawing), and each line pattern 204 has a second direction (y direction). Is the longitudinal. Note that the plurality of line patterns 204_1 to 204_N are not simultaneously irradiated to the measurement target, and only one line pattern 204 is irradiated to the measurement target at a certain time.
光掃引コントローラ３は、参照面ＲＳ上に所望のストラクチャードライト２００が発生するように、光放射構造２０が出射するライン光２０２の時間プロファイルと、偏向角θを同期制御する。 The light sweep controller 3 synchronously controls the time profile of the line light 202 emitted by the light emitting structure 20 and the deflection angle θ such that the desired structured light 200 is generated on the reference surface RS.
以上がプロジェクタ１００の基本構成である。続いてその動作を説明する。図２は、図１のプロジェクタ１００の動作の一例を説明するタイムチャートである。光掃引コントローラ３は、時間とともに偏向角θをスイープする。またそれと同期して、ライン光２０２の強度を時間的に変化させる。この例では、ライン光２０２は時間的にオン、オフを繰り返している。 The above is the basic configuration of the projector 100. Subsequently, the operation will be described. FIG. 2 is a time chart explaining an example of the operation of the projector 100 of FIG. The light sweep controller 3 sweeps the deflection angle θ with time. Also, synchronously with that, the intensity of the line light 202 is temporally changed. In this example, the line light 202 is repeatedly on and off in time.
図２には、偏向角θを一定の傾きでスイープさせる例を示しているが、ライン光２０２の発光期間中、スイープを停止してもよい。 Although FIG. 2 shows an example in which the deflection angle θ is swept at a constant inclination, the sweep may be stopped during the light emission period of the line light 202.
これにより、図１に示すようなストラクチャードライト２００を生成することができる。 Thereby, structured light 200 as shown in FIG. 1 can be generated.
本発明は、図１のブロック図として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置、回路に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例や変形例を説明する。 The present invention extends to various devices and circuits that can be understood as the block diagram of FIG. 1 or derived from the above description, and is not limited to a specific configuration. Hereinafter, in order not to narrow the scope of the present invention but to help the understanding of the nature and operation of the invention and clarify them, more specific examples and modifications will be described.
図３は、一実施例に係る３次元計測装置１のブロック図である。３次元計測装置１は、ビーム偏向デバイス２、ビーム偏向デバイス２から出射するビームを制御する光掃引コントローラ３、ビーム偏向デバイス２から出射し、測定対象物を投光したビームを２次元画素上で検知するイメージセンサ４、イメージセンサの検知信号から測定対象物の３次元形状を識別する形状識別部５、および種々の制御データを格納するメモリ６を有している。 FIG. 3 is a block diagram of the three-dimensional measurement apparatus 1 according to an embodiment. The three-dimensional measurement apparatus 1 includes a beam deflection device 2, a light sweep controller 3 for controlling a beam emitted from the beam deflection device 2, a beam deflected from the beam deflection device 2 and projected the object to be measured on a two-dimensional pixel. It has an image sensor 4 for detection, a shape identification unit 5 for identifying a three-dimensional shape of an object to be measured from a detection signal of the image sensor, and a memory 6 for storing various control data.
ビーム偏向デバイス２は、参照面ＲＳ（図中ではＲＳ１、ＲＳ２を示す）上の遠視野像がライン形状のライン光をデバイス表面から直接出射する光放射構造２０と、ライン光を偏向角が異なる方向（図中ではθ１〜θ７）に掃引する光掃引構造２１を有する。また、光掃引コントローラ３は、デバイス表面から直接出射するライン光を時間的に所定の偏向角で順次掃引し、参照面ＲＳ上に所定のライン間隔で、所定数のラインからなるストラクチャードライトパターンを生成する。 The beam deflection device 2 has a light emitting structure 20 in which far-field images on the reference surface RS (RS1 and RS2 are shown) directly emit line light of line shape from the device surface, and the deflection angle of the line light differs. It has a light sweep structure 21 that sweeps in the direction (θ 1 to θ 7 in the figure). In addition, the light sweep controller 3 sequentially sweeps line light directly emitted from the device surface at a predetermined deflection angle in time, and generates a structured light pattern consisting of a predetermined number of lines at a predetermined line interval on the reference surface RS. Generate
この光掃引コントローラ３は、参照面ＲＳ上に投光するストラクチャードライトのパターンを設定するストラクチャードライト設定部３１、ストラクチャードライトのパターンに応じた制御波長を設定する波長設定部３２、およびビーム偏向デバイス２を駆動する駆動部３３を有する。 The light sweep controller 3 sets a structured light setting unit 31 for setting a structured light pattern to be projected onto the reference surface RS, a wavelength setting unit 32 for setting a control wavelength according to the structured light pattern, and a beam deflection device 2 Drive unit 33 for driving the
イメージセンサ４は、グローバルシャッター方式のイメージセンサであり、測定対象物に投光したストラクチャードライトを撮像する。 The image sensor 4 is an image sensor of a global shutter system, and images the structured light projected onto the object to be measured.
形状識別部５は、イメージセンサ４で撮像されたライン光のライン歪みと、ライン光の送出時間と偏向角に基づいて測定対象物の３次元位置を識別する。形状識別部５は、ライン光のライン歪を検出するライン歪検出部５１と、必要に応じてＴＯＦ（Time of Flight）方式によってライン光の偏向角を算出するＴＯＦ検出部５２を有する。 The shape identification unit 5 identifies the three-dimensional position of the measurement object based on the line distortion of the line light imaged by the image sensor 4 and the transmission time and deflection angle of the line light. The shape identification unit 5 includes a line distortion detection unit 51 that detects line distortion of the line light, and a TOF detection unit 52 that calculates the deflection angle of the line light according to the TOF (Time of Flight) method as needed.
そしてストラクチャードライトを形成するライン光全てに対して、測定対象物の３次元位置を求めることで３次元形状を取得し、この３次元形状データの特徴点などを解析する図示しないＡＩ（Artificial Intelligence）処理部やモニタ等に出力する。 Then, for all the line lights forming the structured light, the three-dimensional shape is obtained by obtaining the three-dimensional position of the measurement object, and AI (Artificial Intelligence) not shown analyzes the feature points of this three-dimensional shape data. Output to processing unit or monitor.
メモリ６は、ビーム偏向デバイス２から出射するビームを制御するための制御データ、３次元形状識別のためのキャリブレーションデータ、および測定対象物の３次元形状データなど各種のデータを保存する。 The memory 6 stores various data such as control data for controlling a beam emitted from the beam deflection device 2, calibration data for three-dimensional shape identification, and three-dimensional shape data of an object to be measured.
図４は、一実施例に係る光放射構造２０の断面図である。この光放射構造２０は、半導体基板２３上に集積化されたＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）構造２２を有する半導体デバイスであって、ＶＣＳＥＬ構造２２は、半導体基板２３上に形成された下部ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）２４、活性層２５、上部ＤＢＲ２６を備え、スローライト光を伝搬させる。このＶＣＳＥＬ構造２２は、垂直方向（Ｚ方向）の共振長で定まる固有の発振波長λ２を有している。 FIG. 4 is a cross-sectional view of a light emitting structure 20 according to one embodiment. The light emitting structure 20 is a semiconductor device having a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) structure 22 integrated on a semiconductor substrate 23, and the VCSEL structure 22 is formed of a lower DBR (a lower DBR) formed on the semiconductor substrate 23. A distributed Bragg reflector 24, an active layer 25 and an upper DBR 26 are provided to propagate slow light. The VCSEL structure 22 has an inherent oscillation wavelength lambda 2 which is determined by the resonant length in the vertical direction (Z-direction).
光放射構造２０は、スローライト光を増幅させながら伝搬させるため、導波路長は、２ｍｍ〜１０ｍｍ程度に長尺化される。駆動部３３は、光放射構造２０に発振しきい値電流より大きな電流を注入し、ＶＣＳＥＬ構造２２で決定する波長λ２で発振させる。この状態で、光放射構造２０の一端側に設けられた入射口２７からコヒーレントな入射光Ｌｉが入力されると、入射光Ｌｉは略垂直方向に多重反射するスローライト光として増幅されながら伝搬し、光放射構造２０の表面上部に形成された出射口２８から、放射角θｒの出射光Ｌｏが放射され、出射光Ｌｏの遠視野像は、ライン形状となる。 In order for the light emitting structure 20 to propagate slow light while propagating it, the waveguide length is elongated to about 2 mm to 10 mm. Drive unit 33, a current larger than the oscillation threshold current to the light emitting structure 20 is injected, to oscillate at the wavelength lambda 2 to determine in VCSEL structure 22. In this state, when coherent incident light Li is input from the entrance 27 provided at one end side of the light emission structure 20, the incident light Li is amplified while being amplified as slow light which is multiply reflected in a substantially vertical direction. The emission light Lo of the radiation angle θ r is emitted from the emission port 28 formed on the upper surface of the light emission structure 20, and the far-field pattern of the emission light Lo has a line shape.
ここで光掃引構造２１は、コヒーレントな入射光Ｌｉを発生するシード光源２１ｓを用いることができて、波長可変レーザ（ＴＬＤ：Tunable Laser Diode）構造を有する。シード光源２１ｓは、端面出射型のＴＬＤでも構わないが、シード光源２１ｓが光放射構造２０と一体に集積される構造の方が小型化には効果的である。 Here, the light sweeping structure 21 can use a seed light source 21s that generates coherent incident light Li, and has a tunable laser (TLD) structure. The seed light source 21s may be an end face emission type TLD, but a structure in which the seed light source 21s is integrated with the light emitting structure 20 is more effective for downsizing.
光放射構造２０は、シード光Ｌｉの波長λ１に応じた放射角θｒで、出射光Ｌｏを放射する。光放射構造２０内におけるスローライト光の多重反射角をθｉ、出射光Ｌｏの出射角をθｒとするとき、式（１）が成り立つ。 The light emitting structure 20 emits the outgoing light Lo at a radiation angle θ r according to the wavelength λ 1 of the seed light Li. When the multiple reflection angle of the slow light light in the light emission structure 20 is θ i and the emission angle of the emission light Lo is θ r , the equation (1) holds.
ｓｉｎθｒ＝ｎｓｉｎθｉ＝ｎ√（１−（λ１／λｃ）２） …（１）
ｎは光放射構造２０の導波路の屈折率であり、λｃは導波路のカットオフ波長であり、λ２と等しい。
sin θ r = n sin θ i = n ((1-(λ 1 / λ c) 2 ) (1)
n is the refractive index of the waveguide of the light emitting structure 20, λ c is the cutoff wavelength of the waveguide, and is equal to λ 2 .
この光放射構造２０は、しきい値電流より大きな電流が注入されているため、入射光Ｌｉが入射しないときは単体発振波長λ２での発振状態が維持されるが、波長λ１の入射光Ｌｉが入力されると、入射光Ｌｉは、多重反射するスローライト光として増幅されながら伝搬するため、単体発振波長λ２の成分は非常に小さくなる。 In the light emitting structure 20, since a current larger than the threshold current is injected, the oscillation state at the single oscillation wavelength λ 2 is maintained when the incident light Li is not incident, but the incident light of the wavelength λ 1 is When Li is input, the incident light Li propagates while being amplified as slow-reflected light that is multi-reflected, so the component of the single oscillation wavelength λ 2 becomes very small.
この時、出射光Ｌｏは、波面の揃ったコヒーレントな光となるため、放射角θｒ方向に極めて狭いビーム広がり角Δθｄｉｖを有する。このビーム広がり角Δθｄｉｖは、光放射構造２０の出射口２８の長手方向の開口幅ＷＬを用いて、式（２）で与えられる。 At this time, since the outgoing light Lo is a coherent light having a uniform wavefront, it has a very narrow beam spread angle Δθ div in the radiation angle θ r direction. The beam spread angle Δθ div is given by equation (2) using the longitudinal opening width WL of the exit 28 of the light emitting structure 20.
Δθｄｉｖ≒λ１／（ＷＬ・ｃｏｓθｒ） … （２）
すなわち、出射口２８の開口幅ＷＬが長いほどビーム広がり角Δθｄｉｖは狭くなり、同時に高出力化が達成される。
Δθ div λ λ 1 / (WL · cos θ r ) (2)
That is, as the opening width WL of the exit 28 is longer, the beam spread angle Δθ div becomes narrower, and at the same time, higher output is achieved.
図５は、図４の光放射構造２０から放射されるストラクチャードライトの概念図である。図５を用いて本実施形態で生成するストラクチャードライトについて説明する。光放射構造２０の左側から波長λ１のシード光を入力すると、光放射構造２０内を多重反射するスローライト光が伝搬し、式（１）に従って偏向角θｒ方向に、ビーム広がり角が非常に狭い光ビームが出射口２８から出射される。今、光放射構造２０からの距離がＷＤ１であり、光放射構造２０が配置される平面と平行な参照面ＲＳ１を考え、この参照面ＲＳ１上に例えば、等間隔なｎ本（ｎは自然数）のライン光からなるストラクチャードライトパターンを形成することを考える。出射口２８から出射された光ビームは、参照面ＲＳ１上にてライン形状となり（以下ライン光と称する）、シード光の波長λ１を時間的に掃引することで、偏向角θｒ変化し、参照面ＲＳ１上にマルチラインのストラクチャードライトパターン（Ｌ１〜Ｌｎ）が形成される。光放射構造２０から放射されるライン光の幅は、式（２）に示すように、光放射構造２０の長さを長くすることで狭くすることができ、かつ光出力も大きくできるため、ライン光強度を高めることができる。これにより明るい環境下におけるＳ／Ｎ比を高めることができる。 FIG. 5 is a schematic diagram of the structured light emitted from the light emitting structure 20 of FIG. The structured light generated in this embodiment will be described with reference to FIG. When seed light of wavelength λ 1 is input from the left side of light emitting structure 20, slow light light which is multi-reflected in light emitting structure 20 propagates, and the beam spread angle becomes very large in the deflection angle θ r direction according to equation (1). A narrow light beam is emitted from the exit 28. Now, consider a reference surface RS1 parallel to the plane on which the light emitting structure 20 is disposed, where the distance from the light emitting structure 20 is WD1, and for example, n equally spaced n (n is a natural number) on the reference surface RS1. Consider forming a structured light pattern consisting of line light. The light beam emitted from the exit 28, at the upper reference surface RS1 becomes the line shape (hereinafter referred to as line light), by temporally sweeping the wavelength lambda 1 of the seed light, the deflection angle theta r changes, A multi-line structured light pattern (L1 to Ln) is formed on the reference surface RS1. The width of the line light emitted from the light emitting structure 20 can be narrowed by increasing the length of the light emitting structure 20 as shown in equation (2), and the light output can also be increased. Light intensity can be increased. This can increase the S / N ratio in bright environments.
ここで参照面ＲＳ１上の各ライン光Ｌ１〜Ｌｎの中心を通るＸ−Ｘ'直線を考え、各ライン光Ｌ１〜Ｌｎとの交点位置をＳ１〜Ｓｎとする。また、最大の偏向角θｓ＿ｍａｘは、シード光の波長λ１の掃引範囲によって決定される。 Here, an XX ′ straight line passing through the center of each of the line lights L1 to Ln on the reference surface RS1 is considered, and the intersection position with each of the line lights L1 to Ln is taken as S1 to Sn. Further, the maximum deflection angle θs_max is determined by the sweep range of the wavelength λ 1 of the seed light.
具体的には、シード光の波長λ１をカットオフ波長の近傍の９９０ｎｍから９５０ｎｍまで約４０ｎｍ掃引すると、偏向角が約１０°〜７５°となり、最大の偏向角θｓ＿ｍａｘは、６０°を超える結果が得られている。この時の解像点数は１０００を超える高解像度である。 Specifically, when the wavelength λ 1 of the seed light is swept about 40 nm from 990 nm to 950 nm in the vicinity of the cutoff wavelength, the deflection angle is approximately 10 ° to 75 °, and the maximum deflection angle θs_max is more than 60 ° Is obtained. The resolution number at this time is a high resolution of over 1000.
次に参照面ＲＳ１上での各ラインのライン長について説明する。図６は、ライン光２０２のライン長を説明する図である。例えば、図５で略垂直方向（即ちθ＝０）に放射しているライン光Ｌ１に対するライン長は、出射口２８の横方向の開口幅ＷＴによって概ね決定する。放射する光の電界が開口幅で一様であると仮定すると、遠方での遠視野像は、フランフォーファ回折となりＳＩＮＣ関数の２乗の強度分布となる。ライン端において電界強度４０が０となるライン長を定義するとすれば、ライン長ＬＴは、回折角θｄで決定され、式（３ａ）、（３ｂ）が成り立つ。
ＬＴ＝２ＷＤ・ｔａｎ（θｄ／２） … （３ａ）
θｄ≒λ／ＷＴ …（３ｂ）
光放射構造２０からの距離ＷＤ（図中、ＷＤ１，ＷＤ２）に対応してライン長ＬＴ１、ＬＴ２が求まる。すなわち、測定対象物の大きさと、測定対象物までの距離ＷＤに応じて適切な開口幅ＷＴを設定し、所望のライン長ＬＴを得る必要がある。本実施形態では、さらにライン光のプロファイルを調整するプロファイル調整構造４６を備える。
Next, the line length of each line on the reference surface RS1 will be described. FIG. 6 is a diagram for explaining the line length of the line light 202. As shown in FIG. For example, the line length for the line light L1 emitting in the substantially vertical direction (that is, θ = 0) in FIG. 5 is approximately determined by the lateral opening width WT of the emission port 28. Assuming that the electric field of the light to be emitted is uniform at the aperture width, the far-field pattern at a distance becomes furan Forfa diffraction and has an intensity distribution of the square of the SINC function. If the electric field strength 40 at the line end to define a line length becomes 0, the line length LT is determined by diffraction angle theta d, formula (3a), is (3b) holds.
LT = 2 WD · tan (θ d / 2) ... (3a)
θ d λ λ / WT (3b)
Line lengths LT1 and LT2 are obtained corresponding to distances WD (WD1 and WD2 in the figure) from the light emitting structure 20. That is, it is necessary to set an appropriate aperture width WT according to the size of the measurement object and the distance WD to the measurement object to obtain a desired line length LT. In the present embodiment, a profile adjustment structure 46 is further provided to adjust the profile of the line light.
図７は、一実施例に係るビーム偏向デバイスの断面図である。このビーム偏向デバイス２は、シード光源２１ｓと光放射構造２０がモノリシックに集積される。ここで光掃引構造２１は、シード光源２１ｓ、光放射構造２０、そしてそれらを加熱するヒータ４１、４２、温度制御を行う熱駆動部４３を有する。 FIG. 7 is a cross-sectional view of a beam deflection device according to one embodiment. In the beam deflection device 2, the seed light source 21s and the light emitting structure 20 are monolithically integrated. Here, the light sweeping structure 21 includes a seed light source 21s, a light emitting structure 20, heaters 41 and 42 for heating them, and a thermal driving unit 43 for controlling temperature.
この集積化されたビーム偏向デバイスは、ＶＣＳＥＬ構造２２ｓを有するシード光源２１ｓとＶＣＳＥＬ構造２２を有する光放射構造２０を、同一半導体基板上に形成したものである。 In this integrated beam deflection device, a seed light source 21s having a VCSEL structure 22s and a light emitting structure 20 having a VCSEL structure 22 are formed on the same semiconductor substrate.
ＶＣＳＥＬ構造２２ｓは、光放射構造２０のＶＣＳＥＬ構造２２と同様の構成であり、半導体基板２３上に形成された下部ＤＢＲ２４ｓ、活性層２５、上部ＤＢＲ２６ｓを備え、シード光源２１ｓと光放射構造２０は、結合面５４を介して活性層２５を共通とする光結合状態にある。さらにシード光源２１ｓと光放射構造２０お互いの発振波長が少し異なり、λ１＜λ２となるように共振器長を変える構成となっているほうが好ましい。また、反射率を考慮し、上部ＤＢＲ２６ｓのＤＢＲ層数は、光放射構造２０のものとは異なり高反射となるように設計される。 The VCSEL structure 22s has the same configuration as the VCSEL structure 22 of the light emitting structure 20, and includes a lower DBR 24s, an active layer 25 and an upper DBR 26s formed on a semiconductor substrate 23, and the seed light source 21s and the light emitting structure 20 The active layer 25 is in a common optical coupling state through the coupling surface 54. Furthermore, it is preferable that the oscillation wavelength of the seed light source 21s and the light emission structure 20 be slightly different from each other, and the resonator length be changed so as to satisfy λ 1 <λ 2 . Further, in consideration of the reflectance, the number of DBR layers in the upper DBR 26s is designed to be highly reflective unlike that of the light emitting structure 20.
駆動部３３からしきい値電流以上の電流を駆動電極４５から注入することによってシード光源２１ｓを垂直方向に波長λ１で発振させる。この発振モードの光強度分布５６の一部が光放射構造２０のシード光５６ｓとして染み出す。 The seed light source 21 s is oscillated in the vertical direction at the wavelength λ 1 by injecting a current equal to or greater than the threshold current from the drive unit 33 from the drive electrode 45. A part of the light intensity distribution 56 in this oscillation mode exudes as the seed light 56 s of the light emitting structure 20.
一方、駆動部３３から光放射構造２０に対しても、しきい値電流より大きな電流が注入され波長λ２にて発振状態とする。この時、シード光源２１ｓの光強度分布５６の一部が光放射構造２０のシード光入力Ｌｉとなって光結合し、光放射構造の長手方向に波長λ１のスローライト光が増幅されながら伝搬する。そして光放射構造２０の表面に形成された出射口２８から出射光Ｌｏが放射される。 On the other hand, with respect to light emission structure 20 from the drive unit 33, the oscillation state at a wavelength lambda 2 are injected current larger than the threshold current. At this time, a part of the light intensity distribution 56 of the seed light source 21s becomes the seed light input Li of the light emission structure 20 and is optically coupled, and the slow light of wavelength λ 1 is amplified while propagating in the longitudinal direction of the light emission structure. Do. The outgoing light Lo is emitted from the exit 28 formed on the surface of the light emitting structure 20.
熱駆動部４３の制御について説明する。図７では、説明のため、シード光源２１ｓを加熱するヒータ４１と光放射構造２０を加熱するヒータ４２を基板２３下に記載しているが、加熱効率の観点からビーム偏向デバイス２の上面に配置することが好ましく、さらには熱的なアイソレーションのため、結合面５４付近に、例えば空隙５７などの熱分離が可能な構造を形成する。それぞれのヒータ４１、４２の温度調整をすることにより、屈折率が変化し、発振波長λ１，λ２が変化するため、出射光Ｌｏの偏向角θを掃引することができる。 Control of the thermal drive unit 43 will be described. In FIG. 7, the heater 41 for heating the seed light source 21 s and the heater 42 for heating the light emitting structure 20 are described below the substrate 23 for the purpose of illustration. However, they are disposed on the upper surface of the beam deflection device 2 from the viewpoint of heating efficiency. It is preferable to form a structure capable of thermal separation such as an air gap 57 near the bonding surface 54 for thermal isolation. By adjusting the temperature of each of the heaters 41 and 42, the refractive index changes and the oscillation wavelengths λ 1 and λ 2 change, so that the deflection angle θ of the outgoing light Lo can be swept.
式（１）をみてわかるように、光放射構造２０のカットオフ波長λｃを変化させても出射光Ｌｏの偏向角を変えることが可能である。ＶＣＳＥＬ構造２２を有する光放射構造２０では、カットオフ波長λｃは、光放射構造２０の単体発振波長λ２と等しいことから、式（１）を式（４）のように書き換える。 As understood from the equation (1), even if the cutoff wavelength λc of the light emitting structure 20 is changed, the deflection angle of the outgoing light Lo can be changed. In the light emitting structure 20 having the VCSEL structure 22, since the cutoff wavelength λc is equal to the single oscillation wavelength λ 2 of the light emitting structure 20, the equation (1) is rewritten as the equation (4).
ｓｉｎθｒ＝ｎｓｉｎθｉ＝ｎ√（１−（λ１／λ２）２） …（４）
シード光源２１ｓと光放射構造２０の単体発振波長λ１とλ２の変化が反対になるようにヒータ４１、４２を制御することで効率的な偏向制御が行える。もちろんシード光源２１ｓと光放射構造２０のどちらか一方の温度を変えてもよい。
sin θ r = n sin θ i = n ((1-(λ 1 / λ 2 ) 2 ) (4)
Single change in the oscillation wavelength lambda 1 and lambda 2 of seed source 21s and a light emitting structure 20 can be performed efficiently deflection control by controlling the heater 41 so that the opposite. Of course, the temperature of either the seed light source 21s or the light emitting structure 20 may be changed.
図８は、一実施例に係るビーム偏向デバイスの斜視図である。ビーム偏向デバイス２のシード光源２１ｓ側の表面には、駆動電極４５が形成される。駆動電極４５は、遮蔽部としての機能を担ってもよい。ビーム偏向デバイス２の光放射構造２０側の表面には、駆動電極３３ａやヒータ電極４２ａが形成される。領域４８には、シード光源２１ｓと光放射構造２０の間の電気的アイソレーションを高めるために、プロトンが注入される。電極３３ａ（４２ａ）の間隔をさらに狭めることにより、それらの間隔によって開口幅ＷＴを規定することができる。 FIG. 8 is a perspective view of a beam deflection device according to one embodiment. A drive electrode 45 is formed on the surface of the beam deflection device 2 on the side of the seed light source 21s. The drive electrode 45 may have a function as a shielding unit. The drive electrode 33 a and the heater electrode 42 a are formed on the surface of the beam deflection device 2 on the light emission structure 20 side. In the region 48, protons are injected to enhance the electrical isolation between the seed light source 21s and the light emitting structure 20. By further reducing the spacing of the electrodes 33a (42a), the spacing can define the aperture width WT.
図９は、マイクロマシン構造によるビーム偏向デバイスの断面図である。図７と異なる点は、シード光源２１ｓと光放射構造２０の上部ＤＢＲ２６ｓ、２６にそれぞれエアギャップ層５８ｓ、５８を設け、このエアギャップ層５８ｓの厚みがＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)構造によって可変に構成されている点である。エアギャップ層５８ｓの厚みを変化させることで、上部ＤＢＲ２６ｓで構成される高反射ミラーの位置を制御でき、これによりシード光源２１ｓのキャビティ長が変化し、発振波長λ１を変化させることができる。さらに、このＭＥＭＳ構造を制御するＭＥＭＳ駆動部６０を備える。これにより、光掃引構造２１は、ＭＥＭＳ構造を有するシード光源２１ｓとＭＥＭＳ駆動部６０を有する。なお、図９では、駆動部３３を省略した。 FIG. 9 is a cross-sectional view of a micromachined beam deflection device. The difference from FIG. 7 is that the air gap layers 58s and 58 are provided on the seed light source 21s and the upper DBRs 26s and 26 of the light emitting structure 20, respectively, and the thickness of the air gap layer 58s is made variable by the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) structure. It is a point that is configured. By varying the thickness of the air gap layer 58s, it can control the position of the formed high reflection mirror in the upper DBR26s, thereby cavity length of seed source 21s is changed, it is possible to change the oscillation wavelength lambda 1. Furthermore, a MEMS drive unit 60 that controls this MEMS structure is provided. Thus, the light sweeping structure 21 includes the seed light source 21s having the MEMS structure and the MEMS driving unit 60. In addition, the drive part 33 was abbreviate | omitted in FIG.
ＭＥＭＳ駆動部６０は、ＭＥＭＳ制御電極５９に印加する電圧を変化させることでシード光源２１ｓのエアギャップ層５８の層厚を変化させ、発振波長λ１を掃引する制御を行う。 MEMS driver 60 changes the thickness of the air gap layer 58 of the seed source 21s by changing the voltage applied to the MEMS control electrode 59, performs control to sweep the oscillation wavelength lambda 1.
なお、光放射構造２０側にもエアギャップ層５８を変化させるＭＥＭＳ構造を形成してもよい。その場合は、熱的制御と同様に、単体発振波長λ１とλ２を変化が反対となるような制御を行うと効率がよい。 A MEMS structure in which the air gap layer 58 is changed may be formed on the light emitting structure 20 side. In that case, similarly to the thermal control, change the single oscillation wavelength lambda 1 and lambda 2 is more efficient when performing control such that the opposite.
（ストラクチャードライトの生成）
以上のように構成されたビーム偏向デバイス２を用いて、光掃引コントローラ３は、ライン光を時間的に掃引し、ライン光を送出した時間とライン光の偏向角に基づいてストラクチャードライトを生成する。その結果、所定のライン間隔で、所定数のラインからなる種々のストラクチャードライトが生成される。
(Generation of structured lights)
Using the beam deflection device 2 configured as described above, the light sweep controller 3 sweeps the line light in time, and generates a structured light based on the time when the line light is sent and the deflection angle of the line light. . As a result, at a predetermined line interval, various structured lights consisting of a predetermined number of lines are generated.
まず、図１と図５用いて、ビーム偏向デバイス２から参照面までの距離（以下ワーキングディスタンスと称する）がＷＤ1だけ離れた参照面ＲＳ１上に７つのライン光からなるストラクチャードライトパターンを形成する方法について説明する。すなわち、図５に示すように、７つのライン光Ｌ１〜Ｌ７（ｎ＝７）がそれぞれｔ１〜ｔ７の時間に掃引され、参照面ＲＳ１上にライン光が等間隔に並ぶように形成される場合である。 First, referring to FIGS. 1 and 5, a method of forming a structured light pattern of seven line lights on a reference surface RS1 with a distance from the beam deflection device 2 to the reference surface (hereinafter referred to as working distance) separated by WD1. Will be explained. That is, as shown in FIG. 5, seven line lights L1 to L7 (n = 7) are swept at times t1 to t7, respectively, and line lights are formed at equal intervals on the reference surface RS1. It is.
そして７つのライン光Ｌ１〜Ｌ７の中心を結ぶＸ−Ｘ'直線上に、等間隔なＳ１〜Ｓ７点を定義する。このようなマルチラインのパターンを投光するための設定値は、図１の設定入力から入力しても良いし、メモリ６内にデータベーステーブルの形式で格納されているストラクチャードライトのパターンデータを読み出してもよい。 Then, equidistant points S1 to S7 are defined on the line XX 'connecting the centers of the seven line lights L1 to L7. Setting values for projecting such a multi-line pattern may be input from the setting input of FIG. 1 or the pattern data of the structured light stored in the form of a database table in the memory 6 is read. May be
図１０（ａ）は、７つのライン光で形成されるマルチラインパターンについて、ストラクチャードライト設定部３１で設定される設定項目の例である。このマルチラインパターンは、ワーキングディスタンスがＷＤ１であり、ビーム偏向デバイス２に対して、参照面ＲＳ１の傾きθＡが０、すなわちビーム偏向デバイス２と平行な参照面の場合である。データ項目には、「デバイス番号」、「送出時間」、「光出力」、「位置」、「偏向角」、「送出情報」などがある。 FIG. 10A is an example of setting items set by the structured light setting unit 31 for a multiline pattern formed of seven line lights. This multiline pattern is the case where the working distance is WD1 and the inclination θA of the reference surface RS1 is 0 with respect to the beam deflection device 2, ie, the reference surface parallel to the beam deflection device 2. The data items include "device number", "delivery time", "light output", "position", "deflection angle", "delivery information" and the like.
「デバイス番号」は、複数のビーム偏向デバイス２を同時に使用する場合に、制御すべきビーム偏向デバイスを識別するための番号である。「送出時間」は、ライン光を送出する時間である。ただし、図７に示した熱駆動や、図９に示したＭＥＭＳ駆動の場合、波長が安定するのに時間が必要である。このため波長が安定した時をもって送出時間とするか、波長が安定したことを示す所定の変調をライン光に施し、この変調を開始した時間を送出時間とする。この送出時間の変調は、受光側のライン歪検出部５１で復調できるように構成される。 The “device number” is a number for identifying a beam deflection device to be controlled when using a plurality of beam deflection devices 2 simultaneously. The "delivery time" is the time for delivering the line light. However, in the case of the thermal drive shown in FIG. 7 and the MEMS drive shown in FIG. 9, it takes time for the wavelength to be stabilized. Therefore, the transmission time is determined when the wavelength is stabilized, or a predetermined modulation indicating that the wavelength is stabilized is applied to the line light, and the time when the modulation is started is determined as the transmission time. The modulation of the transmission time is configured to be demodulated by the line distortion detection unit 51 on the light receiving side.
「光出力」は、各ライン光の光出力パワーであり、通常は各送出時間で同じ値を設定されるが、各ライン光で異なる値を設定することもできる。また、測定対象物の表面粗さ状態などによっては光出力を変更して設定する。 The “light output” is the light output power of each line light, and usually the same value is set for each transmission time, but different values can be set for each line light. In addition, the light output is changed and set depending on the surface roughness state of the object to be measured.
「位置」は、参照面上のライン光中心の位置である。「偏向角」は、ライン光の各位置Ｓｉに対する偏向角θｉ（ｉ＝１〜７）であり、ワーキングディスタンスＷＤ１とライン光の位置Ｓｉ（ｉ＝１〜７）より式（５）で表すことができる（図３参照）。 "Position" is the position of the line light center on the reference surface. The “deflection angle” is the deflection angle θ i (i = 1 to 7) with respect to each position S i of the line light, and from the working distance WD 1 and the position S i of the line light (i = 1 to 7) Can be represented by (see FIG. 3).
θｉ＝ｔａｎ−１（Ｓｉ／ＷＤ１） …（５）
この偏向角も「送出時間」と同様に偏向角を示す所定の変調をライン光に施し、受信側のライン歪検出部５１で復調できるように構成される。
θ i = tan −1 (S i / WD 1) (5)
Similar to the “delivery time”, this deflection angle is also configured to perform predetermined modulation on the line light indicating the deflection angle, and to be demodulated by the line distortion detection unit 51 on the receiving side.
なお、参照面が角度θＡで傾いている場合（参照面ＲＳ２）については、各偏向角の直線と、参照面ＲＳ２を示す直線Ａ−Ａ'との交点（白丸で示す）を求め、この交点の間隔が所定の距離になる偏向角θｉを求めればよい。 In the case where the reference surface is inclined at the angle θ A (reference surface RS2), the intersection point (indicated by a white circle) of the straight line of each deflection angle and the straight line AA ′ indicating the reference surface RS2 is determined. intersection distance may be determined deflection angle theta i to a predetermined distance.
「送出情報」は、上述した送出時間ｔと偏向角θ(ｔ)を示すライン光変調をそれぞれ各ライン光に施すかどうかの有無をそれぞれ設定する項目で、無を指定したものには変調がなされない設定となる。 The “transmission information” is an item for setting whether or not to perform line light modulation indicating the transmission time t and the deflection angle θ (t) described above to each line light, respectively. It will not be set.
図１０（ｂ）は、波長設定部３２で設定されるストラクチャードライトの送出時間に対応する偏向角と波長の設定例である。波長設定部３２では、ストラクチャードライト設定部３１で設定された設定項目から、ビーム偏向デバイス２の偏向角を制御するための波長を求める。各送信時間ｔｉにおける偏向角θｉを用いて、式（４）から、シード光源２１ｓと光放射構造２０における発振波長λ１とλ２を求め、メモリ６内にデータベーステーブルの形式で格納する。 FIG. 10B is a setting example of the deflection angle and the wavelength corresponding to the transmission time of the structured light set by the wavelength setting unit 32. The wavelength setting unit 32 obtains the wavelength for controlling the deflection angle of the beam deflection device 2 from the setting items set by the structured light setting unit 31. With deflection angle theta i in each transmission time ti, from equation (4), determine the oscillation wavelength lambda 1 and lambda 2 in the seed source 21s and a light emitting structure 20, it is stored in the form of a database table in memory 6.
図１０（ｃ）は、駆動部３３で設定されるストラクチャードライトを放射するための駆動条件の例である。波長設定部３２で設定された各送信時間ｔｉにおけるシード光源２１ｓと光放射構造２０それぞれが、波長λ１とλ２で発振する制御電圧Ｖｓ（ｉ）、Ｖ（ｉ）が設定される。波長と偏向角を示す信号をライン光に重畳するライン光変調は、ストラクチャードライト設定部３１で設定された送出情報の有無に従って、変調を行うかどうかが決定される。そして駆動部３３は、この駆動条件にもとづいてシード光源２１ｓと光放射構造２０を駆動する。 FIG. 10C shows an example of the drive condition for emitting the structured light set by the drive unit 33. Each seed source 21s and a light emission structure 20 at each transmission time ti which is set by the wavelength setting portion 32, a control voltage Vs that oscillates at a wavelength lambda 1 and λ 2 (i), V ( it) is set. In line light modulation in which a signal indicating a wavelength and a deflection angle is superimposed on the line light, whether to perform modulation is determined according to the presence or absence of the transmission information set by the structured light setting unit 31. Then, the drive unit 33 drives the seed light source 21s and the light emission structure 20 based on this drive condition.
（ライン光のプロファイル調整）
図６で説明したように、ライン光のプロファイルは、放射する光の電界が開口幅で一様であると仮定すると、遠方での遠視野像は、フランフォーファ回折となる。長いライン長ＬＴを得るためには、出射口２８の開口幅ＷＴを狭くして回折角θｄを大きくする必要がある。
(Line light profile adjustment)
As described in FIG. 6, the profile of the line light assumes that the far-field image at a distance is furanforfa diffraction, assuming that the electric field of the light to be emitted is uniform at the aperture width. To obtain a longer line length LT, it is necessary to increase the diffraction angle theta d by narrowing the opening width WT of the exit port 28.
図１１（ａ）は、酸化狭窄構造を用いたプロファイル調整構造４６の断面図である。活性層２５の上部に酸化狭窄層９０を設けて電流を狭窄するとともに、横方向の屈折率分布を変えることができるため、屈折率導波構造を形成できる。このため、電流狭窄幅ＣＷとともに開口幅ＷＴを１μｍ程度まで狭くすることができる。この場合、開口幅ＷＴは、電流狭窄幅ＣＷと同じか、それより広くすることで、活性層で発生したレーザ光を有効に回折することができる。 FIG. 11A is a cross-sectional view of a profile adjustment structure 46 using an oxidized constriction structure. The oxide constriction layer 90 is provided on the active layer 25 to constrict current, and the refractive index distribution in the lateral direction can be changed, so that a refractive index guided structure can be formed. Therefore, the aperture width WT can be narrowed to about 1 μm together with the current confinement width CW. In this case, the laser beam generated in the active layer can be effectively diffracted by setting the aperture width WT equal to or larger than the current confinement width CW.
図１１（ｂ）は、イオン注入構造を用いたプロファイル調整構造４６の説明図である。上部ＤＢＲ２６領域にイオン注入領域９２を設けて電流狭窄することができる。このイオン注入構造では、利得導波構造となる。このため電流狭窄幅ＣＷを１０μｍから１５μｍと広く設定することが可能となり、光放射構造２０の大出力が可能となる。従って、開口幅ＷＴは、電流狭窄幅ＣＷより小さくし、開口幅ＷＴにて回折角θｄを設定する。利得導波構造では、波面が湾曲し、強度分布に双峰性を有するため、ライン光の強度分布を均一にする方向に寄与することが期待できる。 FIG. 11B is an explanatory view of a profile adjustment structure 46 using an ion implantation structure. An ion implantation region 92 can be provided in the upper DBR 26 region to narrow the current. In this ion implantation structure, it becomes a gain waveguide structure. As a result, the current confinement width CW can be set as wide as 10 μm to 15 μm, and a large output of the light emitting structure 20 becomes possible. Therefore, the opening width WT is smaller than the current confinement width CW, setting the diffraction angle theta d at the opening width WT. In the gain guide structure, since the wave front is curved and the intensity distribution is bimodal, it can be expected to contribute in the direction to make the intensity distribution of the line light uniform.
図１１（ｃ）は、窓構造を用いたプロファイル調整構造４６の説明図である。ライン光の強度分布はなるべく均一であることが望ましい。本実施形態では、出射口２８に、透過率、位相特性がライン方向に分布する分布型レンズを形成した窓構造１１０を示している。図１１（ｃ）では、図１１（ａ）の酸化狭窄構造に窓構造１１０を採用しているが、これに限定されることはなく、図１１（ｂ）のイオン注入構造やその他の電流狭窄構造に対して有効である。以下、窓構造１１０の例を示す。 FIG. 11C is an explanatory view of the profile adjustment structure 46 using the window structure. It is desirable that the intensity distribution of line light be as uniform as possible. In the present embodiment, a window structure 110 is shown in which a distribution type lens in which transmittance and phase characteristics are distributed in the line direction is formed at the exit 28. In FIG. 11C, the window structure 110 is adopted as the oxide narrowing structure of FIG. 11A, but the present invention is not limited to this, and the ion implantation structure of FIG. It is valid for the structure. Hereinafter, an example of the window structure 110 is shown.
図１２（ａ）は、ＮＤフィルタを用いた窓構造の断面図である。窓構造１１０の中心部分の透過率を低くしたＮＤフィルタ構造１２０ａを形成し、ライン光中央部分の強度を落とすことによって強度分布を均一化させる。 FIG. 12A is a cross-sectional view of a window structure using an ND filter. An ND filter structure 120a is formed in which the transmittance of the central portion of the window structure 110 is lowered, and the intensity distribution is made uniform by lowering the intensity of the central portion of the line light.
図１２（ｂ）は、ＳＩＮＣ関数窓構造の例である。出射口２８での電界分布をＳＩＮＣ関数の形状に調整する構造１２０ｂにより、ライン光のプロファイルを均一化できる。 FIG. 12 (b) is an example of the SINC function window structure. The profile of line light can be made uniform by the structure 120 b that adjusts the electric field distribution at the exit 28 to the shape of the SINC function.
図１２（ｃ）は、マルチ窓構造の例である。窓構造１１０の上部部分に金（Ａｕ）などの高反射率を有する材料にてマルチ窓構造１２０ｃを形成する。このマルチ窓構造１２０ｃによりライン光のプロファイルを波線形状にすることができる。 FIG. 12C is an example of the multi-window structure. The multi-window structure 120 c is formed of a material having high reflectance such as gold (Au) in the upper portion of the window structure 110. The multi-window structure 120c can make the profile of the line light wavy.
（ライン長ＬＴの拡大）
続いて、ライン長ＬＴの拡大について説明する。図１３（ａ）、（ｂ）は、ライン長ＬＴの拡大を説明する図である。図１３（ａ）に示すように、３つのビーム偏向デバイス２を台形状の基板１３０に実装してもよい。図１３（ｂ）に示すように、各ビーム偏向デバイス２の回折角が接する、または重なるように実装することにより、ライン長ＬＴを拡大できる。
(Expansion of line length LT)
Subsequently, expansion of the line length LT will be described. FIGS. 13A and 13B are diagrams for explaining the enlargement of the line length LT. As shown in FIG. 13A, three beam deflection devices 2 may be mounted on a trapezoidal substrate 130. As shown in FIG. 13B, the line length LT can be expanded by mounting so that the diffraction angles of the beam deflection devices 2 are in contact or overlap.
（クロスパターン生成）
クロス形状のストラクチャードライトを形成したい場合は、２つのビーム偏向デバイスを直交させて配置すればよい。しかしながら、本実施形態のビーム偏向デバイスは、スローライト光の伝搬方向が一方向なため、偏向角を伝搬方向と反対な方向には掃引できない。従って、２つのビーム偏向デバイス２から投影されるストラクチャードライトの投光位置をオーバーラップさせることが好ましい。図１４（ａ）〜（ｃ）は、２つのビーム偏向デバイス２ａ、２ｂを近接し直交配置させる場合の例である。
(Cross pattern generation)
If it is desired to form a cross-shaped structured light, two beam deflection devices may be arranged at right angles. However, in the beam deflection device of the present embodiment, since the propagation direction of the slow light is one direction, the deflection angle can not be swept in the direction opposite to the propagation direction. Therefore, it is preferable to overlap the light projection positions of the structured lights projected from the two beam deflection devices 2. FIGS. 14 (a) to 14 (c) show an example in which two beam deflection devices 2a and 2b are arranged close to each other and orthogonally.
図１４（ａ）は、ビーム偏向デバイス２ａを偏向角方向に傾かせて配置する。また、図１４（ｂ）は、ビーム偏向デバイス２ｂを回折角方向に傾かせて配置する。図１４（ｃ）は、２つのビーム偏向デバイス２ａ、２ｂ両者を傾かせて配置する。 In FIG. 14 (a), the beam deflection device 2a is arranged to be inclined in the deflection angle direction. Further, in FIG. 14B, the beam deflection device 2b is disposed so as to be inclined in the diffraction angle direction. In FIG. 14 (c), both of the two beam deflection devices 2a and 2b are arranged to be inclined.
（偏向角の拡大）
本実施形態のビーム偏向デバイスは、偏向角をスローライト伝搬方向と反対の方向には掃引できないため２つのビーム偏向デバイス２ａ、２ｂを平行に配置することで、偏向角の拡大が可能である。しかし本実施形態のビーム偏向デバイスは、垂直放射（θ＝０）が難しく最小でも３°〜５°程度の偏向角を有する。そのため、ビーム偏向デバイス２ａ、２ｂを、少なくとも５°程度傾け、スローライト伝搬方向を逆に平行に配置する。図１５（ａ）は、２つのビーム偏向デバイス２ａ、２ｂを直線上に配置する例であり、図１５（ｂ）は、２つのビーム偏向デバイス２ａ、２ｂを並べて配置する場合である。
(Expansion of deflection angle)
The beam deflection device of the present embodiment can not sweep the deflection angle in the direction opposite to the slow light propagation direction, so that the deflection angle can be expanded by arranging the two beam deflection devices 2a and 2b in parallel. However, the beam deflection device of this embodiment is difficult to emit vertical radiation (θ = 0) and has a deflection angle of at least 3 ° to 5 °. Therefore, the beam deflection devices 2a and 2b are inclined by at least about 5 °, and the slow light propagation directions are arranged in parallel in reverse. Fig. 15 (a) is an example in which two beam deflection devices 2a and 2b are arranged on a straight line, and Fig. 15 (b) is a case in which two beam deflection devices 2a and 2b are arranged side by side.
図１６は、一実施例に係るビーム偏向デバイス２の断面図である。光放射構造２０の出射口２８の長手方向にプリズム１６０を配置する。このプリズム１６０によってビーム偏向デバイス２ａ、２ｂを傾けて実装することなく垂直出射が可能となる。 FIG. 16 is a cross-sectional view of a beam deflecting device 2 according to an embodiment. A prism 160 is disposed in the longitudinal direction of the exit 28 of the light emitting structure 20. The prism 160 enables vertical emission without mounting the beam deflection devices 2a and 2b at an angle.
図１７（ａ）は、４つのビーム偏向デバイスを配置する場合の配置例である。図１５（ｂ）に示したように、ビーム偏向デバイス２Ｘ、２Ｘ'を並べて配置することでＸ方向に偏向角を拡大し、同様にビーム偏向デバイス２Ｙ、２Ｙ'を用いてＹ方向に偏向角を拡大する。この構成によれば、図１７（ｂ）に示すように、ビーム偏向デバイス２Ｘ、２Ｘ'が投光する参照面Ｒｓ＿Ｘと、ビーム偏向デバイス２Ｙ、２Ｙ'が投光する参照面Ｒｓ＿Ｙを、４つのビーム偏向デバイスの垂直上で有効に直交させることができる。 FIG. 17A shows an example of arrangement in the case of arranging four beam deflection devices. As shown in FIG. 15 (b), the deflection angle is enlarged in the X direction by arranging the beam deflection devices 2X and 2X 'side by side, and similarly the deflection angle in the Y direction using the beam deflection devices 2Y and 2Y'. To expand. According to this configuration, as shown in FIG. 17B, four reference planes Rs_X projected by the beam deflection devices 2X and 2X ′ and four reference planes Rs_Y projected by the beam deflection devices 2Y and 2Y ′ It can be effectively orthogonal on the vertical of the beam deflection device.
図１８（ａ）〜（ｆ）は、プロジェクタ１００により生成可能なストラクチャードライトを示す図である。図１８（ａ）には、ある時刻で生成されるラインパターン２０４が示される。図１８（ｂ）は、図１８（ａ）のラインパターン２０４が掃引されて形成される縞状のストラクチャードライト２００が示される。実施の形態に係るプロジェクタ１００によれば、図１８（ｂ）に示すようにラインパターン２０４の間隔を任意に（たとえば不等間隔）制御することが可能である。図１８（ｃ）は、ある時刻において生成されるクロスパターン２０６であり、直交する２本のラインパターン２０４ｘ、２０４ｙを含む。クロスパターン２０６は、図１４（ａ）〜（ｃ）を参照して説明したように、直交配置された２個のビーム偏向デバイス２の組み合わせにより実現可能である。図１８（ｃ）のクロスパターン２０６が掃引されると、図１８（ｄ）に示すような格子状のストラクチャードライト２０８が形成される。 18 (a) to 18 (f) are diagrams showing structured lights that can be generated by the projector 100. FIG. FIG. 18A shows a line pattern 204 generated at a certain time. FIG. 18B shows a striped structured light 200 formed by sweeping the line pattern 204 of FIG. 18A. According to the projector 100 according to the embodiment, as shown in FIG. 18B, it is possible to control the intervals of the line patterns 204 arbitrarily (for example, unequal intervals). FIG. 18C shows a cross pattern 206 generated at a certain time, which includes two orthogonal line patterns 204x and 204y. The cross pattern 206 can be realized by a combination of two orthogonally arranged beam deflection devices 2 as described with reference to FIGS. 14 (a) to 14 (c). When the cross pattern 206 in FIG. 18C is swept, a lattice-shaped structured light 208 as shown in FIG. 18D is formed.
図１８（ｅ）は、ライン光を、長手方向に離散的な複数のスポット２１２を含むように変調して得られるラインパターン２１０を示す図である。このようなラインパターン２１０は、図１１（ｃ）に示す窓構造１１０によって実現できる。図１８（ｆ）のストラクチャードライト２１４は、図１８（ｅ）のラインパターン２１０を形成可能なビーム偏向デバイス２を、２個、直交して配置することで実現できる。 FIG. 18E is a view showing a line pattern 210 obtained by modulating line light so as to include a plurality of discrete spots 212 in the longitudinal direction. Such a line pattern 210 can be realized by the window structure 110 shown in FIG. The structured light 214 of FIG. 18 (f) can be realized by arranging two beam deflection devices 2 capable of forming the line pattern 210 of FIG. 18 (e) at right angles.
（３次元計測）
図１９は、実施形態に係るライン歪検出による３次元計測の説明図である。光放射構造２０から偏向角θ３にてライン光が放射されたと仮定すると、光放射構造２０から距離ＷＤ１離れた参照面ＲＳ１のＸ−Ｘ'直線上ではＳ３点に到達する。この時、イメージセンサ４の中心Ｒ点からみてＳ３方向の角度にライン光が観測される。
(3D measurement)
FIG. 19 is an explanatory diagram of three-dimensional measurement by line distortion detection according to the embodiment. When the line beam at the deflection angle theta 3 from the light emitting structure 20 is assumed to have been emitted on the X-X 'straight reference surfaces RS1 from the light emitting structure 20 a distance WD1 away reaches to step S3 point. At this time, line light is observed at an angle in the direction S3 from the center R point of the image sensor 4.
今、測定対象物がＲ３点にあると仮定すると、イメージセンサ４の中心Ｒ点からみてＲ３方向の角度にライン光が観測される。すなわち、図中のΔθだけライン光が移動して観測される。このΔθは、イメージセンサ４上では画素点の移動として撮像される。同様に、イメージセンサ４のＹ方向の画素全ておいて同様のことが成り立つから、イメージセンサ４上ではライン歪となって観測される。 Now, assuming that the measurement object is at the R3 point, line light is observed at an angle in the R3 direction with respect to the center R point of the image sensor 4. That is, the line light is moved and observed by Δθ in the drawing. This Δθ is imaged on the image sensor 4 as the movement of the pixel point. Similarly, since the same applies to all the pixels in the Y direction of the image sensor 4, line distortion is observed on the image sensor 4.
イメージセンサ４から見てＲ３方向には、Ｓ２点、Ｒ４〜Ｒ７点が存在するが、イメージセンサ側では、ライン光の発出時間ｔと偏向角を示すθ（ｔ）情報が通知されることからＲ３点からの反射であることが判別できる。Ｒ３点の位置は、三角法によって算出できる。ビーム偏向デバイス２から送出されるライン光の発出時間ｔと偏向角θ（ｔ）の情報は、図１０（ａ）、（ｃ）に示したようにライン光自体に変調されるか、または光掃引コントローラ３から形状識別部５に直接送られる。 The image sensor 4 has points S2 and R4 to R7 in the R3 direction when viewed from the image sensor 4. However, the image sensor side is notified of θ (t) information indicating the emission time t of the line light and the deflection angle. It can be determined that the reflection is from the R3 point. The position of the R3 point can be calculated by trigonometry. Information on emission time t and deflection angle θ (t) of the line light transmitted from the beam deflection device 2 is modulated to the line light itself as shown in FIGS. 10 (a) and (c), or It is sent directly from the sweep controller 3 to the shape identification unit 5.
なお、ビーム偏向デバイス２は、熱駆動もしくはＭＥＭＳ駆動されるため発振波長λ１およびλ２が揺らぎ、送出されるライン光の偏向角の精度がとれない場合があると考えられる。その場合、ＴＯＦ検出回路にて、経路Ｓ−Ｒ３−Ｒの光の到達時間からＲ３点の位置を算出し、その時の偏向角θ３を求めることができる。そしてこの算出したθ３を用いて、ライン全体についてライン歪検出を行えばよい。 The beam deflection device 2, the oscillation wavelength lambda 1 and lambda 2 are fluctuations to be thermally driven or MEMS drive, the accuracy of the deflection angle of the dispatched by the line light is considered that there may not be taken. In that case, at TOF detection circuit, calculates the position of the R3 point from light arrival time of the path S-R3-R, can be determined deflection angle theta 3 at that time. And using the calculated theta 3, the entire line may be performed line distortion detection.
図２０は、実施形態に係る３次元計測のフローチャート図である。まずステップＳＴ１では、まず所望のストラクチャードライトを設定し、ステップＳＴ２において、ビーム偏向デバイス２から、ストラクチャードライトを形成するライン光を時間的に掃引して測定対象物に投光する。ステップＳＴ３では、イメージセンサ４上のライン光の反射角度と、ライン光の送出時間と偏向角を示すθ（ｔ）情報を取得する。 FIG. 20 is a flowchart of three-dimensional measurement according to the embodiment. First, in step ST1, a desired structured light is set, and in step ST2, the beam deflecting device 2 temporally sweeps the line light forming the structured light and projects the light onto the object to be measured. In step ST3, the reflection angle of the line light on the image sensor 4 and θ (t) information indicating the transmission time and deflection angle of the line light are acquired.
ステップＳＴ４では、ライン歪検出部５１はイメージセンサ４で撮像されたライン光の反射角度と、このライン光の送出時間ｔと偏向角を示すθ（ｔ）情報を用いて、測定対象物の３次元位置を求める。 In step ST4, the line distortion detection unit 51 uses the reflection angle of the line light imaged by the image sensor 4 and the θ (t) information indicating the transmission time t of this line light and the deflection angle to obtain 3 of the measurement object. Find the dimensional position.
ステップＳＴ５では、ストラクチャードライトを形成する全てのライン光に対して３次元位置求め、測定対象物の３次元像を得る。 In step ST5, three-dimensional position determination is performed on all the line lights forming the structured light to obtain a three-dimensional image of the measurement object.
ステップＳＴ６は、偏向角の精度が取れない場合に実施され、ＴＯＦ検出部５２でライン光の到達時間からライン光の偏向角を求め、ライン歪検出部５１に通知する。ライン歪検出部５１では、この偏向角をもちいて３次元位置を算出する。もちろんＴＯＦ検出部５２だけで３次元像を求めることも可能である。 Step ST6 is performed when the accuracy of the deflection angle can not be obtained, and the TOF detection unit 52 obtains the deflection angle of the line light from the arrival time of the line light and notifies the line distortion detection unit 51 of it. The line distortion detection unit 51 calculates a three-dimensional position using this deflection angle. Of course, it is also possible to obtain a three-dimensional image by the TOF detection unit 52 alone.
以上述べたように、本実施形態によれば、広偏向角６０°以上、解像点数は１０００以上のビーム偏向デバイスを用いて３次元計測を行うため、高解像度な３次元データを得ることが可能である。また、本実施形態の利得導波構造や光放射構造の長尺化などを採用することによって高出力化が可能である。このため、外光に強い３次元計測が行える。 As described above, according to this embodiment, high resolution three-dimensional data can be obtained because three-dimensional measurement is performed using a beam deflection device having a wide deflection angle of 60 ° or more and a resolution score of 1,000 or more. It is possible. In addition, high output can be achieved by adopting the gain waveguide structure of the present embodiment, the lengthening of the light emission structure, and the like. Therefore, it is possible to perform three-dimensional measurement that is resistant to external light.
さらに、複数のビーム偏向デバイスを配置する場合は、レンズ系を使用せず、回折角と偏向角を拡大できるため、解像度を落とさず投光面積の拡大ができる。従って比較的近くにある大きな測定対象物に投光して３次元計測が行える。また複数のビーム偏向デバイスを配置することにより、測定対象物に合わせ、最適なストラクチャライトパターンを形成できる。 Furthermore, in the case of arranging a plurality of beam deflection devices, since the diffraction angle and the deflection angle can be expanded without using a lens system, the projection area can be expanded without reducing the resolution. Therefore, three-dimensional measurement can be performed by projecting light onto a relatively large measuring object. Further, by arranging a plurality of beam deflection devices, it is possible to form an optimum structured light pattern in accordance with the object to be measured.
また、偏向角を測定対象物に合わせて設定できるため、ストラクチャパターンを一斉に投光するタイプのものに比べ低消費電力が達成される。 In addition, since the deflection angle can be set in accordance with the object to be measured, lower power consumption can be achieved as compared with the type in which the structure pattern is projected simultaneously.
また、イメージセンサ側で、ビーム偏向デバイスから出射されるライン光の偏向角を正確に取得できるため、高解像度の３次元計測が行える。 Further, since the deflection angle of the line light emitted from the beam deflection device can be accurately obtained on the image sensor side, high-resolution three-dimensional measurement can be performed.
尚、本発明のいくつかの実施形態を述べたが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。本実施形態及びその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 While certain embodiments of the invention have been described, these embodiments have been presented by way of example only, and are not intended to limit the scope of the invention. This novel embodiment can be implemented in other various forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. The present embodiment and the modifications thereof are included in the scope and the gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
１…３次元計測装置
２…ビーム偏向デバイス
３…光掃引コントローラ
４…イメージセンサ
５…形状識別部
６…メモリ
２０…光放射構造
２１…光掃引構造
２１ｓ…シード光源
２２…ＶＣＳＥＬ構造
３１…ストラクチャードライト設定部
３２…波長設定部
３３…駆動部
５１…ライン歪検出部
５２…ＴＯＦ検出部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 3D measuring device 2 Beam deflection device 3 Light sweep controller 4 Image sensor 5 Shape identification part 6 Memory 20 Light emission structure 21 Light sweep structure 21s Seed light source 22 VCSEL structure 31 Structured light Setting unit 32 ... Wavelength setting unit 33 ... Drive unit 51 ... Line distortion detection unit 52 ... TOF detection unit.
Claims (15)
参照面上に所望のストラクチャードライトが発生するように、前記光放射構造が出射する前記ライン光の時間プロファイルと前記偏向角を同期制御する光掃引コントローラと、
を備えることを特徴とするストラクチャードライト方式の３次元計測用プロジェクタ。 A beam deflection device including a light emission structure in which a far-field image has a line shape and emits line light from the device surface, and the deflection angle at which the line light is emitted is variable;
A light sweep controller for synchronously controlling a time profile of the line light emitted by the light emission structure and the deflection angle so that a desired structured light is generated on a reference surface;
A structured light type three-dimensional measurement projector comprising:
前記光放射構造は、第２波長で単体発振するよう構成され、
前記第１波長と前記第２波長の少なくとも一方が制御可能に構成されることを特徴とする請求項２に記載の３次元計測用プロジェクタ。 The beam deflection device further comprises a seed light source for optically coupling a first wavelength of seed light to the input end of the light emitting structure,
The light emitting structure is configured to oscillate at a second wavelength,
The projector according to claim 2, wherein at least one of the first wavelength and the second wavelength is configured to be controllable.
複数のビーム偏向デバイスが出射する複数のライン光が長手方向に連結されて、前記ストラクチャードライトが形成されることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の３次元計測用プロジェクタ。 Comprising a plurality of said beam deflection devices,
The projector for three-dimensional measurement according to any one of claims 1 to 10, wherein a plurality of line lights emitted from a plurality of beam deflection devices are longitudinally connected to form the structured light.
２個のビーム偏向デバイスは、スローライト伝搬方向がお互い反対方向になるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の３次元計測用プロジェクタ。 Comprising two said beam deflection devices,
The three-dimensional measurement projector according to claim 2, wherein the two beam deflection devices are arranged such that the slow light propagation directions are opposite to each other.
２個のビーム偏向デバイスは、スローライト伝搬方向が直角となるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の３次元計測用プロジェクタ。 Comprising two said beam deflection devices,
The three-dimensional measurement projector according to claim 2, wherein the two beam deflection devices are arranged such that the slow light propagation direction is at right angles.
前記測定対象物に投光されたストラクチャードライトを撮像するイメージセンサと、
前記イメージセンサで撮像されたストラクチャードライトのライン歪みに基づいて前記測定対象物の３次元位置を識別する形状識別部と、
を有することを特徴とする３次元計測装置。 The projector for three-dimensional measurement according to any one of claims 1 to 14, wherein the object to be measured is irradiated with structured light.
An image sensor for imaging the structured light projected onto the object to be measured;
A shape identification unit for identifying a three-dimensional position of the measurement object based on line distortion of the structured light imaged by the image sensor;
A three-dimensional measuring device characterized by having.
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