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JP7011290B2 - 3D measurement projector and 3D measurement device - Google Patents
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JP7011290B2 - 3D measurement projector and 3D measurement device - Google Patents

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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。 An embodiment of the present invention relates to a projector for three-dimensional measurement and a three-dimensional measuring device.

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, the applications of three-dimensional measurement are expanding. Laser radars (LIDAR) mounted on automobiles, drones, robots, etc., 3D sensors mounted on personal computers and smartphones for face recognition, safety monitoring systems, automatic inspection devices at manufacturing sites, etc. are representative of 3D measurement. be.

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)。 There is a structured light method as one of the three-dimensional measurement methods. In the structured light method, an object is irradiated with a structured light patterned in a dot shape, and depth information is acquired from the 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 measuring device. The projector of Patent Document 2 patterns the emitted light of the light source into dot-shaped light arranged in a matrix by a condenser lens and a patterning device of a two-dimensional array, and projects the light by the 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 emitted light of the plurality of light emitting elements is patterned by a projection lens and a fan-out diffractive optical element (FO-DOE) so as to include dot light arranged in a matrix, and is projected by the projection lens.

米国特許第8,320,621B2号明細書U.S. Pat. No. 8,320,621B2 米国特許出願公開第2014/0211215A1号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2014/0211215A1 米国特許出願公開第2016/0025993A1号明細書U.S. Patent Application Publication No. 2016/0025993A1

T. Matsuda, F. Abe, and H. Takahashi, "Laser printer scanning system with a parabolic mirror" Appl. Opt., vol. 17, no. 6, pp. 878-884, Mar. 1978.T. Matsuda, F. Abe, and H. Takahashi, "Laser printer scanning system with a parabolic mirror" Appl. Opt., Vol. 17, no. 6, pp. 878-884, Mar. 1978. P. F. V. Dessel, L. J. Hornbeck, R. E. Meier, and M. R. Douglass, "A MEMS-based projection display," Proc. IEEE,vol. 86, no. 8, pp. 1687-1704, Aug. 1988.P. F. V. Dessel, L. J. Hornbeck, R. E. Meier, and M. R. Douglass, "A MEMS-based projection display," Proc. IEEE, vol. 86, no. 8, pp. 1687-1704, Aug. 1988. K. Nakamura, J. Miyazu, M. Sasaura, and K. Fujiura, "Wide-angle, low-voltage electro-optic beam deflection based onspace-charge-controlled mode of electrical conduction in KTa1xNbxO3," Appl. Phys. Lett., vol. 89, no. 3, pp. 131115-1-131115-3, Sep. 2006.K. Nakamura, J. Miyazu, M. Sasaura, and K. Fujiura, "Wide-angle, low-voltage electro-optic beam deflection based onspace-charge-controlled mode of electrical conduction in KTa1xNbxO3," Appl. Phys. Lett. , vol. 89, no. 3, pp. 131115-1-131115-3, Sep. 2006. Y. Kurosaka, S. Iwahashi, Y. Liang, K. Sakai, E. Miyai, W. Kunishi, D. Ohnishi, and S. Noda, "On-chip beam-steering photonic-crystal lasers," Nat. Photon., vol. 4, no. 7, pp. 447-450, May 2010.Y. Kurosaka, S. Iwahashi, Y. Liang, K. Sakai, E. Miyai, W. Kunishi, D. Ohnishi, and S. Noda, "On-chip beam-steering photonic-crystal lasers," Nat. Photon. , vol. 4, no. 7, pp. 447-450, May 2010. J. K. Doylend, et.al., "Two-dimensional free-space beam steering with an optical phased array on silicon-on-insulator," Optics Express, vol. 19, no.22, pp.21595-21604, 2011.J. K. Doylend, et.al., "Two-dimensional free-space beam steering with an optical phased array on silicon-on-insulator," Optics Express, vol. 19, no.22, pp.21595-21604, 2011. X. Gu, T. Shimada, and F. Koyama, "Giant and high-resolution beam steering using slow-light waveguide amplifier,"Opt. Exp., vol. 19, no. 23, pp. 22 675-22 683, Nov. 2011.X. Gu, T. Shimada, and F. Koyama, "Giant and high-resolution beam steering using slow-light waveguide amplifier," Opt. Exp., vol. 19, no. 23, pp. 22 675-22 683, Nov. 2011. M. Nakahama, X. Gu, T. Shimada, and F. Koyama, "On-Chip high-resolution beam scanner based on Bragg reflector slow-light waveguide amplifier and tunable micro-electro-mechanical system vertical cavity surface emitting laser," Jpn. J. Appl. Phys., vol. 51, no. 4, pp. 040208-1-040208-3, Mar. 2012.M. Nakahama, X. Gu, T. Shimada, and F. Koyama, "On-Chip high-resolution beam scanner based on Bragg reflector slow-light waveguide amplifier and tunable micro-electro-mechanical system vertical cavity surface emitting laser," Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 51, no. 4, pp. 040208-1-040208-3, Mar. 2012.

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 at the same time. Eyesafe safety standards impose limits on power per unit radiation angle. This means that in the conventional method, the intensity per optical dot is limited, and there is a drawback that the use in a bright outdoor environment is limited.

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。 Further, in the past, there has been a problem that an optical component for generating a dot or line pattern 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 circumstances, and one of the exemplary purposes of that aspect is to provide a projector that can be used in a structured 3D measuring device.

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 aspect of the present invention relates to a structured light type three-dimensional measurement projector. The projector for 3D measurement includes a beam deflection device that includes a light emission structure that emits line light whose far-field image is a line shape from the device surface, and has a variable deflection angle at which the line light is emitted, and a reference surface. It comprises a light sweep controller that synchronously controls the time profile and deflection angle of the line light emitted by the light emitting structure so that the desired structured light is generated on top.

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 certain aspects of the invention, at least one of the problems of conventional projectors can be solved.

実施形態に係る3次元計測装置のブロック図である。It is a block diagram of the 3D measuring apparatus which concerns on embodiment. 図1の3次元計測装置の動作を説明する図である。It is a figure explaining the operation of the 3D measuring apparatus of FIG. 一実施例に係る3次元計測装置の動作を説明する図である。It is a figure explaining the operation of the 3D measuring apparatus which concerns on one Embodiment. 一実施例に係る光放射構造の断面図である。It is sectional drawing of the light radiation structure which concerns on one Example. 図4の光放射構造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。It is a conceptual diagram of the structured light emitted from the light emission structure of FIG. ライン光のライン長を説明する図である。It is a figure explaining the line length of a line light. 一実施例に係るビーム偏向デバイスの断面図である。It is sectional drawing of the beam deflection device which concerns on one Example. 一実施例に係るビーム偏向デバイスの斜視図である。It is a perspective view of the beam deflection device which concerns on one Example. 一実施例に係るビーム偏向デバイスの断面図である。It is sectional drawing of the beam deflection device which concerns on one Example. 図10(a)~(c)は、ストラクチャードライト設定部の設定の例を示す図である。10 (a) to 10 (c) are diagrams showing an example of setting of the structured light setting unit. 図11(a)~(c)は、プロファイル調整構造の断面図である。11 (a) to 11 (c) are cross-sectional views of the profile adjustment structure. 図12(a)~(c)は、窓構造の断面図である。12 (a) to 12 (c) are cross-sectional views of the window structure. 図13(a)、(b)は、複数のビーム偏向デバイスを利用したライン長の拡大を説明する図である。13 (a) and 13 (b) are diagrams illustrating the expansion of the line length using a plurality of beam deflection devices. 図14(a)~(c)は、2つのビーム偏向デバイスの配置例を示す図である。14 (a) to 14 (c) are diagrams showing an arrangement example of two beam deflection devices. 図15(a)、(b)は、2つのビーム偏向デバイスの配置を示す図である。15 (a) and 15 (b) are diagrams showing the arrangement of two beam deflection devices. 一実施例に係るビーム偏向デバイスの断面図である。It is sectional drawing of the beam deflection device which concerns on one Example. 図17(a)、(b)は、4つのビーム偏向デバイスの配置例を示す図である。17 (a) and 17 (b) are diagrams showing an arrangement example of four beam deflection devices. 図18(a)~(f)は、種々のストラクチャードライトパターンを示す図である。18 (a) to 18 (f) are diagrams showing various structured light patterns. 実施形態に係るライン歪検出による3次元計測を説明する図である。It is a figure explaining 3D measurement by line strain detection which concerns on embodiment. 実施形態に係る3次元計測のフローチャートである。It is a flowchart of 3D measurement which concerns on embodiment.

(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。
(Outline of embodiment)
One embodiment disclosed herein relates to a projector used in a structured light type 3D measuring device. The projector includes a beam deflection device that includes a light emission structure that emits line light whose far-field image is in the shape of a line from the device surface, and has a variable deflection angle at which the line light is emitted, and a desired beam deflection device on the reference surface. It is provided with a light sweep controller that synchronously controls the time profile and deflection angle of the line light emitted by the light emitting structure so that the structured light is generated.

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 shape or a spot shape as a set of a plurality of light spots, but the light spots are not irradiated to the measurement target at the same time. Therefore, as compared with the conventional projector, the intensity of the light spot can be increased even under the eye safety safety standard. This makes it possible to increase the S / N ratio in a bright environment.

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。 Further, since an optical system for patterning the spot light in a matrix shape is not required, the projector can be made thinner (lowered).

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 emission structure may have a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) structure in which slow light light propagates.

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 deflection device may further include a seed light source that photocouples the seed light of the first wavelength to the input end of the light emission structure. The light radiation structure is configured to oscillate as a single substance at the second wavelength, and at least one of the first wavelength and the second wavelength can be controlled. 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 with a variable resonator length at least one of the seed source and the light emission structure. This makes it possible to change the 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 heater that controls the temperature of at least one of the seed source and the light emission structure. By controlling the temperature, the refractive index can be changed, and the effective resonator length and thus the wavelength can be controlled.

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 in at least one of the seed light source and the light radiation structure. The refractive index can be changed by controlling the self-heating of the seed light source or the light radiation structure according to the amount of the drive current, and the effective resonator length and thus the oscillation wavelength can be controlled.

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 emission structure may include an air gap layer and a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) structure that controls the thickness of the air gap layer. By mechanically controlling the resonator length, it is possible to control the wavelength in a wider range, and by extension, a large change in the 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 deflection device may further include a profile adjustment structure formed on the surface of the light emission structure to modulate 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 so that the longitudinal intensity profile of the light spot formed by the line light on the reference plane is 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 a plurality of 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 include 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 include a plurality of beam deflection devices. A plurality of line lights emitted by a plurality of beam deflection devices may be connected in the longitudinal direction 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 include two beam deflection devices. The two beam deflection devices may be arranged so that the slow light propagation directions are opposite to each other.

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 include two beam deflection devices. The two beam deflection devices may be arranged so that the slow light propagation directions are 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 placed 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 3D measuring device consists of a 3D measuring projector that irradiates the object to be measured with structured light, an image sensor that captures the structured light projected on the object to be measured, and line distortion of the structured light captured by the image sensor. It may have a shape identification unit for identifying a three-dimensional position of an object to be measured based on the above.

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 some drawings. In the following description, components having substantially the same function and configuration are designated by the same reference numerals, and duplicate explanations are given 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 light type three-dimensional measuring device according to an embodiment. The three-dimensional measuring device 1 mainly includes a three-dimensional measuring 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 irradiates the object to be measured with the structured light 200. The image sensor 4 captures an image of the structured light projected on 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 shape of the object to be measured 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 this 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 line light 202 having a line shape in a far-field image from the device surface, and a deflection angle θ to which the line light 202 is emitted is variably configured. Here, θ = 0 in the direction perpendicular to the device surface. The structured light 200 shown in FIG. 1 includes a plurality of line patterns (light spots) 204_1 to 204_N separated in the first direction (x direction in the drawing), and each line pattern 204 is in the second direction (y direction). Is the length. It should be noted that a 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 emission structure 20 and the deflection angle θ so 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. Next, the operation will be described. FIG. 2 is a time chart illustrating an example of the operation of the projector 100 of FIG. The light sweep controller 3 sweeps the deflection angle θ over time. Further, in synchronization with this, the intensity of the line light 202 is changed with time. In this example, the line light 202 is repeatedly turned 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。 As a result, the 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 grasped as the block diagram of FIG. 1 or derived from the above description, and is not limited to a specific configuration. Hereinafter, more specific examples and modifications will be described not to narrow the scope of the present invention but to help understanding the essence and operation of the invention and to clarify them.

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 measuring device 1 according to the embodiment. The three-dimensional measuring device 1 emits a beam emitted from a beam deflection device 2, a light sweep controller 3 for controlling a beam emitted from the beam deflection device 2, and a beam deflection device 2, and projects a beam projected on a measurement object 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 a measurement object 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θ~θ)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 different deflection angle from the light emission structure 20 in which the far-field image on the reference surface RS (RS1 and RS2 are shown in the figure) directly emits line-shaped line light from the device surface. It has a light sweep structure 21 that sweeps in a direction (θ 1 to θ 7 in the figure). Further, the light sweep controller 3 sequentially sweeps the line light directly emitted from the surface of the device at a predetermined deflection angle in time, and creates a structured light pattern consisting of a predetermined number of lines on the reference surface RS at a predetermined line interval. 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 includes a structured light setting unit 31 that sets a pattern of a structured light that is projected onto the reference surface RS, a wavelength setting unit 32 that sets a control wavelength according to the pattern of the structured light, and a beam deflection device 2. Has a drive unit 33 for driving the light.

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 a global shutter type image sensor, and captures an image of a structured light projected on an 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 object to be measured based on the line distortion of the line light captured by the image sensor 4, the transmission time of the line light, and the deflection angle. The shape identification unit 5 includes a line distortion detection unit 51 that detects line distortion of line light, and a TOF detection unit 52 that calculates the deflection angle of line light by a TOF (Time of Flight) method, if necessary.

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, AI (Artificial Intelligence) (not shown) that acquires a three-dimensional shape by obtaining the three-dimensional position of the object to be measured for all the line lights forming the structured light and analyzes the feature points of the three-dimensional shape data. Output to the 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 the beam emitted from the beam deflection device 2, calibration data for three-dimensional shape identification, and three-dimensional shape data of the 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λを有している。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the light radiation structure 20 according to the embodiment. The light radiation structure 20 is a semiconductor device having a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) structure 22 integrated on the semiconductor substrate 23, and the VCSEL structure 22 is a lower DBR (lower DBR) formed on the semiconductor substrate 23. A Distributed Bragg Reflector) 24, an active layer 25, and an upper DBR26 are provided to propagate slow light light. The VCSEL structure 22 has a unique oscillation wavelength λ 2 determined by the resonance 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λ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θ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。 Since the light radiation structure 20 propagates the slow light light while amplifying it, the waveguide length is lengthened to about 2 mm to 10 mm. The drive unit 33 injects a current larger than the oscillation threshold current into the light radiation structure 20 and oscillates at the wavelength λ 2 determined by the VCSEL structure 22. In this state, when coherent incident light Li is input from the incident port 27 provided on one end side of the light radiation structure 20, the incident light Li propagates while being amplified as slow light light that is multiple-reflected in a substantially vertical direction. The emitted light Lo having a radiation angle θ r is emitted from the exit port 28 formed on the upper surface of the surface of the light radiation structure 20, and the far-field image of the emitted 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 sweep structure 21 can use a seed light source 21s that generates coherent incident light Li, and has a tunable laser diode (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 emission structure 20 is more effective for miniaturization.

光放射構造20は、シード光Liの波長λに応じた放射角θ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θ、出射光Loの出射角をθとするとき、式(1)が成り立つ。 The light radiation structure 20 emits emitted light Lo at a radiation angle θ r corresponding to the wavelength λ 1 of the seed light Li. Equation (1) holds when the multiple reflection angle of the slow light light in the light radiation structure 20 is θ i and the emission angle of the emitted light Lo is θ r .

sinθ=nsinθ=n√(1-(λ/λc)) …(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、λと等しい。
sinθ r = nsinθ i = n√ (1- (λ 1 / λc) 2 )… (1)
n is the refractive index of the waveguide of the light radiation structure 20, λc 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λでの発振状態が維持されるが、波長λ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λの成分は非常に小さくなる。 Since the light emission structure 20 is injected with a current larger than the threshold current, the oscillation state at the single oscillation wavelength λ 2 is maintained when the incident light Li is not incident, but the incident light having the wavelength λ 1 is maintained. When Li is input, the incident light Li propagates while being amplified as slow light light that is multiple-reflected, so that 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θ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, the emitted light Lo has a beam spreading angle Δθ div which is extremely narrow in the radiation angle θr direction because it becomes coherent light with a uniform wavefront. This beam spread angle Δθ div is given by the equation (2) using the opening width WL in the longitudinal direction of the exit port 28 of the light radiation structure 20.

Δθdiv≒λ/(WL・cosθ) … (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 1 / (WL · cosθ r )… (2)
That is, the longer the opening width WL of the exit port 28, the narrower the beam spread angle Δθ div , and at the same time, high 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λ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θ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λを時間的に掃引することで、偏向角θ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 conceptual diagram of a structured light emitted from the light emitting structure 20 of FIG. The structured light generated in the present embodiment will be described with reference to FIG. When seed light of wavelength λ 1 is input from the left side of the light radiation structure 20, slow light light that is multiple-reflected in the light radiation structure 20 propagates, and the beam spread angle is very large in the deflection angle θr direction according to Eq. (1). A narrow light beam is emitted from the exit 28. Now, consider a reference plane RS1 whose distance from the light radiation structure 20 is WD1 and which is parallel to the plane on which the light radiation structure 20 is arranged. Consider forming a structured light pattern consisting of line light of. The light beam emitted from the emission port 28 has a line shape on the reference surface RS1 (hereinafter referred to as line light), and by sweeping the wavelength λ 1 of the seed light in time, the deflection angle θ r changes. A multi-line structured light pattern (L1 to Ln) is formed on the reference surface RS1. As shown in the equation (2), the width of the line light emitted from the light radiation structure 20 can be narrowed by increasing the length of the light radiation structure 20, and the light output can also be increased. The light intensity can be increased. This makes it possible to increase the S / N ratio in a bright environment.

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λの掃引範囲によって決定される。 Here, consider an XX'straight line passing through the center of each line light L1 to Ln on the reference surface RS1, and let the intersection position with each line light L1 to Ln be 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λ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 from 990 nm to 950 nm near the cutoff wavelength by about 40 nm, the deflection angle becomes about 10 ° to 75 °, and the maximum deflection angle θs_max exceeds 60 °. Has been obtained. The number of resolution points at this time is a high resolution exceeding 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θで決定され、式(3a)、(3b)が成り立つ。
LT=2WD・tan(θ/2) … (3a)
θ≒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 plane RS1 will be described. FIG. 6 is a diagram illustrating the line length of the line light 202. For example, the line length with respect to the line light L1 radiating in the substantially vertical direction (that is, θ = 0) in FIG. 5 is largely determined by the lateral opening width WT of the exit port 28. Assuming that the electric field of the emitted light is uniform with the aperture width, the far-field image at a distance becomes furanforfa diffraction and becomes the intensity distribution of the square of the SINC function. If the line length at which the electric field strength 40 becomes 0 is defined at the line end, the line length LT is determined by the diffraction angle θ d , and the equations (3a) and (3b) hold.
LT = 2WD · tan (θ d / 2)… (3a)
θ d ≒ λ / WT… (3b)
The line lengths LT1 and LT2 can be obtained corresponding to the distance WD (WD1 and WD2 in the figure) from the light radiation structure 20. That is, it is necessary to set an appropriate opening width WT according to the size of the object to be measured and the distance WD to the object to be measured, and obtain a desired line length LT. The present embodiment further includes a profile adjusting structure 46 for adjusting 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 the beam deflection device according to the embodiment. In this beam deflection device 2, the seed light source 21s and the light radiation structure 20 are monolithically integrated. Here, the light sweep structure 21 includes a seed light source 21s, a light radiation structure 20, heaters 41 and 42 for heating them, and a heat drive unit 43 for controlling the 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、λ<λ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 radiation structure 20, and includes a lower DBR 24s, an active layer 25, and an upper DBR 26s formed on the semiconductor substrate 23, and the seed light source 21s and the light radiation structure 20 include. It is in a photobonded state in which the active layer 25 is common via the bonding surface 54. Further, it is preferable that the seed light source 21s and the light radiation structure 20 have slightly different oscillation wavelengths, and the resonator length is changed so that λ 12 is satisfied. Further, in consideration of the reflectance, the number of DBR layers of the upper DBR 26s is designed to have high reflection unlike that of the light radiation 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λ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 21s is oscillated in the vertical direction at the wavelength λ 1 by injecting a current equal to or larger 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 seed light 56s of the light emission 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λ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λ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, a current larger than the threshold current is also injected from the drive unit 33 into the light radiation structure 20 to oscillate at the wavelength λ 2 . 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 radiation structure 20 and is photocoupled, and the slow light light having a wavelength λ 1 is amplified and propagated in the longitudinal direction of the light radiation structure. do. Then, the emitted light Lo is emitted from the exit port 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λ,λ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。 The control of the thermal drive unit 43 will be described. In FIG. 7, for the sake of explanation, the heater 41 for heating the seed light source 21s and the heater 42 for heating the light radiation structure 20 are shown under the substrate 23, but are arranged on the upper surface of the beam deflection device 2 from the viewpoint of heating efficiency. Further, due to thermal isolation, a structure capable of heat separation such as a void 57 is formed in the vicinity of the bonding surface 54. 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 emitted 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λと等しいことから、式(1)を式(4)のように書き換える。 As can be seen from the equation (1), it is possible to change the deflection angle of the emitted light Lo by changing the cutoff wavelength λc of the light radiation structure 20. In the light radiation structure 20 having the VCSEL structure 22, the cutoff wavelength λc is equal to the single oscillation wavelength λ 2 of the light radiation structure 20, so the equation (1) is rewritten as the equation (4).

sinθ=nsinθ=n√(1-(λ/λ) …(4)
シード光源21sと光放射構造20の単体発振波長λとλ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。
sinθ r = nsinθ i = n√ (1- (λ 1 / λ 2 ) 2 )… (4)
Efficient deflection control can be performed by controlling the heaters 41 and 42 so that the changes of the single oscillation wavelengths λ 1 and λ 2 of the seed light source 21s and the light radiation structure 20 are opposite to each other. Of course, the temperature of either the seed light source 21s or the light radiation 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 the beam deflection device according to the embodiment. A drive electrode 45 is formed on the surface of the beam deflection device 2 on the seed light source 21s side. The drive electrode 45 may serve as a shielding portion. A drive electrode 33a and a heater electrode 42a are formed on the surface of the beam deflection device 2 on the light radiation structure 20 side. Region 48 is injected with protons to enhance electrical isolation between the seed light source 21s and the light emitting structure 20. By further narrowing the distance between the electrodes 33a (42a), the opening width WT can be defined by the distance between them.

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λ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 beam deflection device with a micromachine structure. The difference from FIG. 7 is that the seed light source 21s and the upper DBRs 26s and 26 of the light radiation structure 20 are provided with air gap layers 58s and 58, respectively, and the thickness of the air gap layers 58s can be changed by the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) structure. It is a point that is composed. By changing the thickness of the air gap layer 58s, the position of the high reflection mirror configured by the upper DBR 26s can be controlled, whereby the cavity length of the seed light source 21s can be changed and the oscillation wavelength λ 1 can be changed. Further, a MEMS driving unit 60 for controlling this MEMS structure is provided. As a result, the light sweep structure 21 has a seed light source 21s having a MEMS structure and a MEMS driving unit 60. In FIG. 9, the drive unit 33 is omitted.

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λを掃引する制御を行う。 The MEMS drive unit 60 changes the layer thickness of the air gap layer 58 of the seed light source 21s by changing the voltage applied to the MEMS control electrode 59, and controls to sweep the oscillation wavelength λ 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λとλ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 that changes the air gap layer 58 may be formed on the light radiation structure 20 side as well. In that case, it is efficient to control the single oscillation wavelengths λ 1 and λ 2 so that the changes are opposite to each other, as in the case of thermal control.

(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 light)
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 transmitted and the deflection angle of the line light. .. As a result, various structured lights consisting of a predetermined number of lines are generated at predetermined line intervals.

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, using FIGS. 1 and 5, a method of forming a structured light pattern consisting of seven line lights on a reference surface RS1 in which the distance from the beam deflection device 2 to the reference surface (hereinafter referred to as a working distance) is WD1 away. Will be explained. That is, as shown in FIG. 5, when the seven line lights L1 to L7 (n = 7) are swept at the time of t1 to t7, respectively, and the line lights are formed so as to be arranged at equal intervals on the reference surface RS1. 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, points S1 to S7 at equal intervals are defined on the XX'straight line connecting the centers of the seven line lights L1 to L7. The setting value 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 memory 6 in the form of a database table is read out. You may.

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 multi-line pattern formed by seven line lights. This multi-line pattern is a case where the working distance is WD1 and the inclination θA of the reference plane RS1 is 0 with respect to the beam deflection device 2, that is, the reference plane parallel to the beam deflection device 2. Data items include "device number", "sending time", "optical output", "position", "deflection angle", "sending 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 a plurality of beam deflection devices 2 are used at the same time. The "sending time" is the time for sending 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 stabilize. Therefore, the transmission time is defined as the time when the wavelength is stable, or the transmission time is the time when a predetermined modulation indicating that the wavelength is stable is applied to the line light and this modulation is started. This 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 "optical output" is the optical output power of each line light, and is usually set to the same value for each transmission time, but a different value 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Sに対する偏向角θ(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S(i=1~7)より式(5)で表すことができる(図3参照)。 The "position" is the position of the center of line light on the reference plane. The “deflection angle” is a deflection angle θ i ( i = 1 to 7) with respect to each position Si of the line light, and is an equation (5) from the working distance WD1 and the position Si ( i = 1 to 7) of the line light. It can be represented by (see FIG. 3).

θ=tan-1(S/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 / WD1)… (5)
This deflection angle is also configured so that the line light is subjected to a predetermined modulation indicating the deflection angle in the same manner as the “transmission time” and can be demodulated by the line distortion detection unit 51 on the receiving side.

なお、参照面が角度θ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θを求めればよい。 When the reference surface is tilted at an angle θ A (reference surface RS2), the intersection (indicated by a white circle) between the straight line of each deflection angle and the straight line AA'indicating the reference surface RS2 is obtained. The deflection angle θ i at which the distance between the intersections is a predetermined distance may be obtained.

「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。 "Sending information" is an item for setting whether or not to apply line optical modulation indicating the transmission time t and the deflection angle θ (t) 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θ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λとλ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 an example of setting 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 a wavelength for controlling the deflection angle of the beam deflection device 2 from the setting items set by the structured light setting unit 31. Using the deflection angle θ i at each transmission time ti, the oscillation wavelengths λ 1 and λ 2 in the seed light source 21s and the light radiation structure 20 are obtained from the equation (4) and stored in the memory 6 in the form of a database table.

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λとλ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 is an example of driving conditions for radiating the structured light set by the driving unit 33. The control voltages Vs (i) and V (i) that oscillate at the wavelengths λ 1 and λ 2 are set for the seed light source 21s and the light emission structure 20 at each transmission time ti set by the wavelength setting unit 32, respectively. In the line light modulation in which the signal indicating the wavelength and the deflection angle is superimposed on the line light, it is determined whether or not the modulation is performed 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 radiation 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θを大きくする必要がある。
(Adjusting the profile of line light)
As described in FIG. 6, in the profile of line light, assuming that the electric field of the emitted light is uniform in the aperture width, the far-field image at a distance is Franforfa diffraction. In order to obtain a long line length LT, it is necessary to narrow the opening width WT of the exit port 28 and increase the diffraction angle θ d .

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 the profile adjusting structure 46 using the oxidative stenosis structure. Since the oxidation narrowing layer 90 is provided on the upper part of the active layer 25 to narrow the current and change the refractive index distribution in the lateral direction, a refractive index waveguide structure can be formed. Therefore, the opening width WT can be narrowed to about 1 μm together with the current narrowing width CW. In this case, the aperture width WT is the same as or wider than the current narrowing width CW, so that the laser beam generated in the active layer can be effectively diffracted.

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θ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 diagram of the profile adjusting structure 46 using the ion implantation structure. An ion implantation region 92 can be provided in the upper DBR26 region to narrow the current. This ion implantation structure has a gain waveguide structure. Therefore, the current narrowing width CW can be set as wide as 10 μm to 15 μm, and a large output of the light radiation structure 20 becomes possible. Therefore, the aperture width WT is made smaller than the current narrowing width CW, and the diffraction angle θ d is set by the aperture width WT. In the gain waveguide structure, since the wavefront is curved and the intensity distribution has bimodality, it can be expected to contribute to the direction of making 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 diagram of the profile adjustment structure 46 using the window structure. It is desirable that the intensity distribution of the line light is as uniform as possible. In the present embodiment, a window structure 110 is shown in which a distributed lens having transmittance and phase characteristics distributed in the line direction is formed at the exit port 28. In FIG. 11 (c), the window structure 110 is adopted for the oxidative stenosis structure of FIG. 11 (a), but the present invention is not limited to this, and the ion implantation structure and other current stenosis of FIG. 11 (b) are used. Effective for structures. Hereinafter, an example of the window structure 110 will be 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. The ND filter structure 120a in which the transmittance of the central portion of the window structure 110 is lowered is formed, and the intensity of the central portion of the line light is reduced to make the intensity distribution uniform.

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. 12B is an example of a SINC function window structure. The structure 120b that adjusts the electric field distribution at the outlet 28 to the shape of the SINC function makes it possible to make the profile of the line light uniform.

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 a multi-window structure. The multi-window structure 120c is formed on the upper portion of the window structure 110 with a material having a high reflectance such as gold (Au). With this multi-window structure 120c, the profile of the line light can be made into a wavy line shape.

(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, the expansion of the line length LT will be described. 13 (a) and 13 (b) are diagrams illustrating the expansion of the line length LT. As shown in FIG. 13A, the three beam deflection devices 2 may be mounted on the trapezoidal substrate 130. As shown in FIG. 13B, the line length LT can be expanded by mounting the beam deflection devices 2 so that the diffraction angles are in contact with each other or overlap with each other.

(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 you want to form a cross-shaped structured light, you can arrange the two beam deflection devices orthogonally. However, in the beam deflection device of the present embodiment, since the propagation direction of the slow light light is unidirectional, the deflection angle cannot be swept in the direction opposite to the propagation direction. Therefore, it is preferable to overlap the projection positions of the structured lights projected from the two beam deflection devices 2. 14 (a) to 14 (c) are examples of cases where two beam deflection devices 2a and 2b are arranged close to each other and orthogonally to each other.

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. 14A, the beam deflection device 2a is arranged so as to be tilted in the deflection angle direction. Further, in FIG. 14B, the beam deflection device 2b is arranged so as to be tilted in the diffraction angle direction. In FIG. 14C, the two beam deflection devices 2a and 2b are both tilted and arranged.

(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)
Since the beam deflection device of the present embodiment cannot sweep the deflection angle in the direction opposite to the slow light propagation direction, the deflection angle can be expanded by arranging the two beam deflection devices 2a and 2b in parallel. However, the beam deflection device of the present embodiment is difficult to emit vertically (θ = 0) and has a deflection angle of at least about 3 ° to 5 °. Therefore, the beam deflection devices 2a and 2b are tilted by at least about 5 °, and the slow light propagation directions are arranged in parallel in the opposite direction. FIG. 15A is an example of arranging the two beam deflection devices 2a and 2b on a straight line, and FIG. 15B is a case where the 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 the beam deflection device 2 according to the embodiment. The prism 160 is arranged in the longitudinal direction of the exit port 28 of the light radiation structure 20. The prism 160 enables vertical emission without tilting and mounting the beam deflection devices 2a and 2b.

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 is an arrangement example in which four beam deflection devices are arranged. As shown in FIG. 15B, the beam deflection devices 2X and 2X'are arranged side by side to expand the deflection angle in the X direction, and similarly, the beam deflection devices 2Y and 2Y'are used to increase the deflection angle in the Y direction. To expand. According to this configuration, as shown in FIG. 17B, there are four reference planes Rs_X flooded by the beam deflection devices 2X and 2X'and four reference planes Rs_Y flooded by the beam deflection devices 2Y and 2Y'. It can be effectively orthogonal to 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. 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, it is possible to arbitrarily control the interval of the line pattern 204 (for example, unequal interval) as shown in FIG. 18 (b). FIG. 18 (c) is 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 beam deflection devices 2 arranged orthogonally as described with reference to FIGS. 14 (a) to 14 (c). When the cross pattern 206 of FIG. 18 (c) is swept, a grid-like structured light 208 as shown in FIG. 18 (d) 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. 18 (e) is a diagram showing a line pattern 210 obtained by modulating line light so as to include a plurality of spots 212 discrete in the longitudinal direction. Such a line pattern 210 can be realized by the window structure 110 shown in FIG. 11 (c). The structured light 214 of FIG. 18F can be realized by arranging two beam deflection devices 2 capable of forming the line pattern 210 of FIG. 18E 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θ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 strain detection according to the embodiment. Assuming that the line light is emitted from the light emission structure 20 at a deflection angle θ 3 , the point S3 is reached on the XX'straight line of the reference surface RS1 at a distance WD1 from the light emission structure 20. At this time, the line light is observed at an angle in the S3 direction when viewed 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。 Assuming that the object to be measured is at the R3 point, line light is observed at an angle in the R3 direction when viewed from the central R point of the image sensor 4. That is, the line light moves by Δθ in the figure and is observed. This Δθ is imaged as a movement of pixel points on the image sensor 4. 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。 There are S2 points and R4 to R7 points in the R3 direction when viewed from the image sensor 4, but the image sensor side is notified of the emission time t of the line light and the θ (t) information indicating 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. The information on the emission time t and the deflection angle θ (t) of the line light transmitted from the beam deflection device 2 is modulated by the line light itself as shown in FIGS. 10 (a) and 10 (c), or is light. 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λおよびλ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θを求めることができる。そしてこの算出したθ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。 Since the beam deflection device 2 is thermally driven or MEMS-driven, it is considered that the oscillation wavelengths λ 1 and λ 2 fluctuate, and the deflection angle of the transmitted line light may not be accurate. In that case, the TOF detection circuit can calculate the position of the R3 point from the arrival time of the light of the path S-R3-R, and obtain the deflection angle θ 3 at that time. Then, using the calculated θ 3 , line distortion may be detected for the entire line.

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 first set, and in step ST2, the line light forming the structured light is temporally swept from the beam deflection device 2 and projected onto the object to be measured. In step ST3, θ (t) information indicating the reflection angle of the line light on the image sensor 4, the transmission time of the line light, and the deflection angle is 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 captured by the image sensor 4 and the θ (t) information indicating the transmission time t and the deflection angle of the line light to measure 3 of the object to be measured. 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, a three-dimensional position is obtained for all the line lights forming the structured light, and a three-dimensional image of the object to be measured is obtained.

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 cannot 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. 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 only by the TOF detection unit 52.

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 the present embodiment, since the three-dimensional measurement is performed using a beam deflection device having a wide deflection angle of 60 ° or more and a resolution point of 1000 or more, it is possible to obtain high-resolution three-dimensional data. It is possible. Further, it is possible to increase the output by adopting the gain waveguide structure and the lengthening of the light radiation structure of the present embodiment. Therefore, three-dimensional measurement that is strong against external light can be performed.

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。 Further, when a plurality of beam deflection devices are arranged, the diffraction angle and the deflection angle can be expanded without using a lens system, so that the projection area can be expanded without reducing the resolution. Therefore, it is possible to perform three-dimensional measurement by projecting light on a large object to be measured relatively close. Further, by arranging a plurality of beam deflection devices, it is possible to form an optimum structure light pattern according to 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。 Further, since the deflection angle can be set according to the object to be measured, low power consumption can be achieved as compared with the type in which the structure pattern is flooded all at once.

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 acquired 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。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. This novel embodiment can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. The present embodiment and its modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of 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。
1 ... 3D measuring device 2 ... Beam deflection device 3 ... Light sweep controller 4 ... Image sensor 5 ... Shape identification unit 6 ... Memory 20 ... Light radiation 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 (16)

遠視野像が第1方向を長手とする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、前記ライン光が前記第1方向と垂直な第2方向に掃引されるように、前記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、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。
The far-field image includes a light emitting structure that emits line light having a line shape having a length in the first direction from the device surface so that the line light is swept in a second direction perpendicular to the first direction. A beam deflection device in which the deflection angle at which the line light is emitted is variable, and
A light sweep controller that synchronously controls the time profile of the line light emitted by the light emitting structure and the deflection angle so that a desired structured light is generated on the reference surface.
A projector for 3D measurement of the structured light system, which is characterized by being equipped with.
前記光放射構造は、スローライト光が伝搬するVCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)構造を有することを特徴とする請求項1に記載の3次元計測用プロジェクタ。 The projector for three-dimensional measurement according to claim 1, wherein the light emission structure has a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) structure in which slow light light propagates. 前記ビーム偏向デバイスは、第1波長のシード光を前記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み、
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 that photocouples the seed light of the first wavelength to the input end of the light emission structure.
The light radiation structure is configured to oscillate as a single substance at the second wavelength.
The projector for three-dimensional measurement according to claim 2, wherein at least one of the first wavelength and the second wavelength is controllably configured.
前記ビーム偏向デバイスは、前記シード光源および前記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ることを特徴とする請求項3に記載の3次元計測用プロジェクタ。 The projector for three-dimensional measurement according to claim 3, wherein the beam deflection device is characterized in that at least one resonator length of the seed light source and the light radiation structure is variably configured. 前記ビーム偏向デバイスは、前記シード光源および前記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むことを特徴とする請求項3または4に記載の3次元計測用プロジェクタ。 The projector for three-dimensional measurement according to claim 3 or 4, wherein the beam deflection device includes a heater for controlling the temperature of at least one of the seed light source and the light radiation structure. 前記光掃引コントローラは、前記シード光源および前記光放射構造の少なくとも一方の駆動電流の量を制御することを特徴とする請求項3または4に記載の3次元計測用プロジェクタ。 The projector for three-dimensional measurement according to claim 3 or 4, wherein the light sweep controller controls the amount of driving current of at least one of the seed light source and the light radiation structure. 前記シード光源および前記光放射構造の少なくとも一方はエアギャップ層と、前記エアギャップ層の厚みを制御するMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)構造と、を含むことを特徴とする請求項3または4に記載の3次元計測用プロジェクタ。 The third or four claim, wherein at least one of the seed light source and the light emission structure includes an air gap layer and a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) structure for controlling the thickness of the air gap layer. Projector for 3D measurement. 前記ビーム偏向デバイスは、前記光放射構造の表面に形成され、前記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むことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の3次元計測用プロジェクタ。 The beam deflection device according to any one of claims 1 to 7, further comprising a profile adjusting structure formed on the surface of the light emitting structure and modulating the longitudinal intensity profile of the line light. Projector for 3D measurement. 前記プロファイル調整構造は、前記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することを特徴とする請求項8に記載の3次元計測用プロジェクタ。 The projector for three-dimensional measurement according to claim 8, wherein the profile adjusting structure divides the intensity profile in the longitudinal direction of the line light into a plurality of discrete spots. プロファイル調整構造は、前記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有することを特徴とする請求項8に記載の3次元計測用プロジェクタ。 The projector for three-dimensional measurement according to claim 8, wherein the profile adjusting structure has at least one of a window structure and a lateral confinement structure for determining a cross-sectional profile of the line light. 前記ビーム偏向デバイスを複数備え、
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。
It is equipped with a plurality of the 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 by a plurality of beam deflection devices are connected in the longitudinal direction to form the structured light.
前記ビーム偏向デバイスを2個備え、
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。
The two beam deflection devices are provided.
The projector for three-dimensional measurement according to claim 2, wherein the two beam deflection devices are arranged so that the slow light propagation directions are opposite to each other.
前記ビーム偏向デバイスを2個備え、
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。
The two beam deflection devices are provided.
The projector for three-dimensional measurement according to claim 2, wherein the two beam deflection devices are arranged so that the slow light propagation directions are at right angles.
複数の前記ビーム偏向デバイスを、前記参照面に対し角度をつけて配置す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 projector for three-dimensional measurement according to claim 2, wherein the plurality of beam deflection devices are arranged at an angle with respect to the reference surface. 測定対象物にストラクチャードライトを照射する請求項1から14のいずれかに記載の3次元計測用プロジェクタと、
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, which irradiates the object to be measured with a structured light.
An image sensor that captures the structured light projected onto the object to be measured, and
A shape identification unit that identifies the three-dimensional position of the object to be measured based on the line distortion of the structured light imaged by the image sensor.
A three-dimensional measuring device characterized by having.
前記参照面において前記ライン光の前記第1方向の長さが所望の長さとなるように、前記VCSEL構造の前記第1方向の開口幅が決定されていることを特徴とする請求項2から7のいずれかに記載の3次元計測用プロジェクタ。 Claims 2 to 7 are characterized in that the opening width of the VCSEL structure in the first direction is determined so that the length of the line light in the first direction becomes a desired length on the reference surface. The projector for 3D measurement described in any of.
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