JP7413657B2 - 光学装置及び情報処理装置 - Google Patents
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Description
この場合、省エネルギ等の観点から、被測定物が予め定めた距離内にあるか否かを検知する近接検知用の光源と、近接検知用の光源よりも高い光出力の光を光拡散部材等を介して被測定物に拡散照射する三次元測定用の光源とを備える構成が考えられる。
ここで、近接検知用の光源としては、被測定物の照射面で光密度が低下し過ぎないように、拡がり角が広すぎないことが望まれる。一方、三次元測定用の光源としては、光拡散部材等によって拡散照射するため拡がり角が狭いことは望まれず、むしろ光出力が高いことが望まれる。
請求項2に記載の発明は、単一横モードで発振する第1の光源と、前記第1の光源よりも光出力が大きく、当該第1の光源と独立して駆動するよう構成された、多重横モードで発振する第2の光源と、前記第1の光源から出射され被測定物で反射された第1の反射光、及び前記第2の光源から出射され当該被測定物で反射された第2の反射光を受光する受光部と、前記第1の反射光で、前記被測定物が予め定めた距離内に存在するか否かを確認し、前記第2の反射光で形状を測定するよう制御する制御部と、を備え、前記第2の光源は、当該第2の光源の出射経路上に設けられた光拡散部材を介して光を出射する光学装置である。
請求項3に記載の発明は、前記第1の光源は、少なくとも1つ以上の第1の垂直共振器面発光レーザ素子を含み、前記第2の光源は複数の第2の垂直共振器面発光レーザ素子を含み、前記第1の垂直共振器面発光レーザ素子1個から出射される光出力が、前記第2の垂直共振器面発光レーザ素子1個から出射される光出力よりも小さくなるように駆動される請求項1又は2に記載の光学装置である。
請求項4に記載の発明は、前記第1の光源は、少なくとも1つ以上の第1の垂直共振器面発光レーザ素子を含み、前記第2の光源は複数の第2の垂直共振器面発光レーザ素子を含み、前記第1の垂直共振器面発光レーザ素子の電力変換効率が前記第2の垂直共振器面発光レーザ素子の電力変換効率より低くなる光出力で駆動される請求項1又は2に記載の光学装置である。
請求項5に記載の発明は、前記第1の垂直共振器面発光レーザ素子は、当該第1の垂直共振器面発光レーザ素子1個の光出力が1mW~4mWの範囲となるように駆動される請求項3又は4に記載の光学装置である。
請求項6に記載の発明は、前記第2の垂直共振器面発光レーザ素子は、当該第2の垂直共振器面発光レーザ素子1個の光出力が4mW~8mWの範囲となるように駆動される請求項3乃至5のいずれか1項に記載の光学装置である。
請求項7に記載の発明は、前記第1の垂直共振器面発光レーザ素子は、発振波長をλとした場合に、5λ~20λの共振器長を有する長共振器構造である請求項3乃至6のいずれか1項に記載の光学装置である。
請求項8に記載の発明は、前記受光部は、前記第1の光源から光が出射されてから当該受光部で受光されるまでの時間に相当する信号、及び前記第2の光源から光が出射されてから当該受光部で受光されるまでの時間に相当する信号を出力する請求項1又は2に記載の光学装置である。
請求項9に記載の発明は、請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光学装置と、前記光学装置が備える第2の光源から出射され被測定物で反射された第2の反射光に基づき、当該被測定物の三次元形状を特定する形状特定部と、を備える情報処理装置である。
請求項10に記載の発明は、前記形状特定部での特定結果に基づき、自装置の使用に関する認証処理を行う認証処理部と、を備える請求項9に記載の情報処理装置である。
請求項3に記載の発明によれば、第1の垂直共振器面発光レーザ素子の光出力を第2の垂直共振器面発光レーザ素子の光出力と一致させる場合と比較し、第1の垂直共振器面発光レーザ素子から出射された光の照射面での光密度の低下が抑制される。
請求項4に記載の発明によれば、第1の垂直共振器面発光レーザ素子の電力変換効率を第2の垂直共振器面発光レーザ素子の電力変換効率と一致させる場合と比較し、第1の垂直共振器面発光レーザ素子から出射された光の照射面での光密度の低下が抑制される。
請求項5に記載の発明によれば、4mWを超える領域で駆動される場合と比較し、拡がり角の狭い光が照射される。
請求項6に記載の発明によれば、4mW未満の領域で駆動される場合と比較し、第2の垂直共振器面発光レーザ素子の電力変換効率が向上する。
請求項7に記載の発明によれば、共振器長がλと一致する通常のシングルモード垂直共振器面発光レーザ素子で構成する場合と比較し、拡がり角が狭くなる。
請求項8に記載の発明によれば、近接検知と三次元測定との両方を行える光学装置が提供される。
請求項9に記載の発明によれば、三次元形状を測定できる情報処理装置が提供される。
請求項10に記載の発明によれば、三次元形状に基づく認証処理を搭載した情報処理装置が提供される。
情報処理装置は、その情報処理装置にアクセスしたユーザがアクセスすることが許可されているか否かを識別し、アクセスが許可されているユーザであることが認証された場合にのみ、自装置である情報処理装置の使用を許可するようになっていることが多い。これまで、パスワード、指紋、虹彩などにより、ユーザを認証する方法が用いられてきた。最近では、さらにセキュリティ性の高い認証方法が求められている。この方法として、ユーザの顔の形状など、三次元像による認証が行われるようになっている。
ここでは、情報処理装置は、一例として携帯型情報処理端末であるとして説明し、三次元像として捉えられた顔の形状を認識することで、ユーザを認証するとして説明する。なお、情報処理装置は、携帯型情報処理端末以外のパーソナルコンピュータ(PC)などの情報処理装置に適用しうる。
さらに、本実施の形態で説明する構成、機能、方法等は、顔の形状の認識以外に、物体の三次元形状の認識にも適用しうる。すなわち、顔以外の物体を被測定物として、その形状の認識にも適用してもよい。また、被測定物までの距離は問わない。
図1は、本実施の形態が適用される情報処理装置1の一例を示す図である。前述したように、情報処理装置1は、一例として携帯型情報処理端末である。
情報処理装置1は、ユーザインターフェイス部(以下では、UI部と表記する。)2と三次元像を取得する光学装置3とを備える。UI部2は、例えばユーザに対して情報を表示する表示デバイスとユーザの操作により情報処理に対する指示が入力される入力デバイスとが一体化されて構成されている。表示デバイスは、例えば液晶ディスプレイや有機ELディスプレイであり、入力デバイスは、例えばタッチパネルである。
情報処理装置1は、上記した光学装置3と、光学装置制御部8と、システム制御部9とを備える。光学装置3は、前述したように発光装置4と3Dセンサ6を備える。光学装置制御部8は、光学装置3を制御する。そして、光学装置制御部8は、形状特定部81を含む。システム制御部9は、情報処理装置1全体をシステムとして制御する。そして、システム制御部9は、認証処理部91を含む。そして、システム制御部9には、UI部2、スピーカ92、二次元(2D)カメラ93などが接続されている。なお、3Dセンサ6は、受光部の一例である。
以下、順に説明する。
そして、光学装置3は、後述するように、近接検知用光源10及び3D形状測定用光源20のそれぞれから被測定物に向けて照射された光に対する被測定物からの反射光を3Dセンサ6が受光するように構成されている。
近接検知用光源10から照射されて被測定物から反射した光は、第1の反射光の一例であり、3D形状測定用光源20から照射されて被測定物から反射した光は、第2の反射光の一例である。
システム制御部9の認証処理部91は、形状特定部81が特定した特定結果である被測定物の3D形状がROMなどに予め蓄積された3D形状である場合に、情報処理装置1の使用に関する認証処理を行う。なお、情報処理装置1の使用に関する認証処理とは、一例として、自装置である情報処理装置1の使用を許可するか否かの処理である。例えば、被測定物である顔の3D形状が、ROM等の記憶部材に記憶された顔形状に一致する場合は、情報処理装置1が提供する各種アプリケーション等を含む自装置である情報処理装置1の使用が許可される。
上記の形状特定部81及び認証処理部91は、一例として、プログラムによって構成される。また、ASICやFPGA等の集積回路で構成されてもよい。さらには、プログラム等のソフトウエアと集積回路とで構成されてもよい。
次に、光学装置3について、詳細に説明する。
図3は、光学装置3の平面図及び断面図の一例である。図3(a)は、平面図、図3(b)は、図3(a)のIIIB-IIIB線での断面図である。ここで、図3(a)において、紙面の横方向をx方向、紙面の上方向をy方向とする。x方向及びy方向に反時計回りで直交する方向をz方向とする。
光量監視用受光素子40は、3D形状測定用光源20から出射され、拡散板30の裏面、つまり-z方向側の面で反射した光が受光されるようになっている。なお、光量監視用受光素子40は、近接検知用光源10から出射し、拡散板30の裏面で反射された光を受光してもよい。
図4は、近接検知用光源10及び3D形状測定用光源20の構成を説明する図である。近接検知用光源10は、垂直共振器面発光レーザ素子VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)-Aを含んで構成されている。一方、3D形状測定用光源20は、垂直共振器面発光レーザ素子VCSEL-Bを含んで構成されている。以下では、垂直共振器面発光レーザ素子VCSEL-AをVCSEL-Aと表記し、垂直共振器面発光レーザ素子VCSEL-BをVCSEL-Bと表記する。なお、VCSEL-AとVCSEL-Bとを区別しないときは、VCSELと表記する。VCSEL-Aは、第1の垂直共振器面発光レーザ素子の一例、VCSEL-Bは、第2の垂直共振器面発光レーザ素子の一例である。
次に、近接検知用光源10のVCSEL-Aの構造を説明する。
近接検知用光源10は、被測定物が近接しているか否かを検知するために光を照射するものである。よって、近接検知用光源10のVCSEL-Aは、低出力で、予め定められた距離における光密度が予め定められた値となるものがよい。つまり、低消費電力で、被測定物からの反射光が3Dセンサ6で確実に検知される光密度とすることがよい。このため、VCSEL-Aは、出射光の拡がり角が小さく、距離に対する光密度の低下が少ないことが求められる。
なお、光密度とは、放射照度をいう。
長共振器構造のVCSELは、共振器長が発振波長λである一般的なλ共振器構造のVCSEL内の活性領域と一方の多層膜反射鏡との間に、数λ~数10λ分のスペーサ層を導入して共振器長を長くすることで高次横モードの損失を増加させ、これにより、一般的なλ共振器構造のVCSELの酸化アパーチャ径よりも大きい酸化アパーチャ径でシングルモード発振を可能にする。典型的なλ共振器構造のVCSELでは、縦モード間隔(フリースペクトルレンジと呼ばれることがある。)が大きいため、単一縦モードで安定的な動作を得ることができる。これに対し、長共振器構造のVCSELの場合には、共振器長が長くなることで縦モード間隔が狭くなり、共振器内に複数の縦モードである定在波が存在し、その結果、縦モード間のスイッチングが起こり易くなる。このため、長共振器構造のVCSELでは、縦モード間のスイッチングを抑制することが要求される。
そして、長共振器構造のVCSELは、一般的なλ共振器構造のシングルモードVCSELと比較し、更に拡がり角を狭く設定しやすい。
VCSEL-Aは、n型のGaAsの基板100上に、Al組成の異なるAlGaAs層を交互に重ねたn型の下部分布ブラック型反射鏡(DBR:Distributed Bragg Reflector)102、下部DBR102上に形成された、共振器長を延長する共振器延長領域104、共振器延長領域104上に形成されたn型のキャリアブロック層105、キャリアブロック層105上に形成された、上部および下部スペーサ層に挟まれた量子井戸層を含む活性領域106、活性領域106上に形成されたAl組成の異なるAlGaAs層を交互に重ねたp型の上部DBR108を積層して構成されている。
次に、3D形状測定用光源20のVCSEL-Bについて説明する。
ここでは、3D形状測定用光源20は、被測定物の3D形状を特定するために光を照射するものである。よって、予め定められた測定範囲に対して、予め定められた光密度を照射するものである。よって、ここでは、3D形状測定用光源20のVCSEL-Bは、シングルモードVCSELよりも高出力化しやすいマルチモードVCSELで構成されるものがよい。
一般的に、VCSELは、1個の光出力が4mW~8mWの光出力において電力変換効率が最大となる。しかし、光出力がそれより小さい範囲で使用する場合と比較し、拡がり角が大きくなってしまい、照射面での光密度が光出力の増加に比例してはあがらない。
ここでは、近接検知用光源10のVCSEL-Aは、電力変換効率が落ちる光出力の範囲となるように駆動されるのがよい。つまり、あえて電力変換効率が最大となりうる範囲よりも低い光出力で発光させることで、狭い拡がり角で発光させるようにする。なお、照射面において、光密度が不足する場合には、VCSEL-A1個あたりの光出力を増やすのではなく、VCSEL-Aの数を増やすことで、狭い拡がり角を保ちつつ光密度が高められる。なお、一例として、VCSEL-Aの1個の光出力は、1mW~4mWに設定されている。そして、近接検知用光源10におけるVCSEL-Aの数は、例えば、1個~50個である。なお、図4に示した構成では、前述のとおり、電力変換効率が最大となりうる範囲(4mW~8mW)を避けつつ光密度を高めるため、近接検知用光源10を複数のVCSEL-Aを含むように構成している。
次に、拡散板30について説明する。
図8は、拡散板30の構成の一例を説明する図である。図8(a)は、平面図、図8(b)は、(a)のVIIIB-VIIIB線での断面図である。
拡散板30は、図3(a)、(b)に示したように、近接検知用光源10及び3D形状測定用光源20が光を出射する側に設けられ、近接検知用光源10及び3D形状測定用光源20がそれぞれ出射する光を拡散させる。拡散板30は、拡散板30に入射する光の拡がり角を更に拡げる機能を有する。
一方、VCSEL-Bから出射した光が凹凸の設けられた第2の領域30Bを透過する場合には、拡散を生じて、出射光の拡がり角θ2より大きい拡散角βの光が拡散板30から出射する。
なお、拡がり角θ1、θ2及び拡散角α、βは、半値全幅(FWHM)である。
図8(b)により、近接検知用光源10のVCSEL-A及び3D形状測定用光源20のVCSEL-Bの位置関係を説明する。ここで、互いに隣接する近接検知用光源10のVCSEL-Aと3D形状測定用光源20のVCSEL-Bとの配置の間隔をp1、近接検知用光源10のVCSEL-A間の間隔をp2、3D形状測定用光源20のVCSEL-B間の間隔をp3とする。
図9は、拡散板30の変形例を示す図である。図9(a)は、拡散板30の第1の変形例、図9(b)は、拡散板30の第2の変形例である。
図9(a)に示す拡散板30の第1の変形例では、拡散板30の第1の領域30Aの平面形状を+x方向に延びたスリット状にした。このようにすることで、±x方向の配置に対するマージンが広がる。この場合であっても、第1の領域は、第2の領域で囲まれているので、3D形状測定用光源20のVCSEL-Bから出射する光が、拡散板30の第1の領域を通過することが抑制される。
ここでは、第1の領域が第2の領域で囲まれているとは、平面視した状態において、少なくとも2方向以上に第2の領域30Bが存在する状態をいう。
図10は、3Dセンサ6を説明する図である。
3Dセンサ6は、複数の受光領域61がマトリクス(格子)状に配列されて構成されている。3Dセンサ6は、発光装置4からの出射光パルスに対する被測定物からの反射光である受光パルスを受光し、受光されるまでの時間に対応する電荷を受光領域61毎に蓄積する。一例として、3Dセンサ6は、各受光領域61が2つのゲートとそれらに対応した電荷蓄積部を備えたCMOS構造のデバイスとして構成されている。そして、2つのゲートに交互にパルスを加えることによって、発生した光電子を2つの電荷蓄積部の何れかに高速に転送し、出射光パルスと受光パルスとの位相差に応じた電荷を蓄積するように構成されている。そして、ADコンバータを介して、受光領域61毎の出射光パルスと受光パルスとの位相差に応じた電荷に対応するデジタル値が信号として出力される。すなわち、3Dセンサ6は、近接検知用光源10から光が出射されてから3Dセンサ6で受光されるまでの時間に相当する信号、及び3D形状測定用光源20から光が出射されてから3Dセンサ6で受光されるまでの時間に相当する信号を出力する。
図11は、情報処理装置1の使用に関する認証処理を行うためのフローチャートである。
ここでは、情報処理装置1は、少なくとも、電源がオフのオフ状態と、情報処理装置1の一部分のみに電源が供給されている待機状態と、待機状態よりも多くの部分、例えば、情報処理装置1全体に電源が供給されている動作状態とを備えるとする。
ステップ110において、否定(NO)の判断がされた場合、つまりオフ状態や待機状態が継続している場合には、ステップ110が繰り返される。
一方、ステップ130において、肯定(YES)の判断がされた場合、つまり被測定物が近接している場合には、3D形状測定用光源20から光が照射され、被測定物からの反射光が3Dセンサ6により受光される(ステップ140)。このとき、近接検知用光源10からの光の照射を停止してもよく、光の照射を継続してもよい。近接検知用光源10からの照射を継続すれば、照射を継続しない場合と比較し、照射面での照射パタンがより均一になりやすい。
次に、図4により、近接検知用光源10及び3D形状測定用光源20と回路基板7に設けられた導体パタンとの接続関係を説明する。
回路基板7上には、導体パタンとして、近接検知用光源10用のカソードパタン71、アノードパタン72、3D形状測定用光源20用のカソードパタン73、アノードパタン74A、74Bが設けられている。
同様に、3D形状測定用光源20は、裏面にカソード電極214が設けられ、表面にアノード電極218が設けられている(図6参照)。なお、アノード電極218は、マトリクス状に配置されたVCSEL-Bのアノード電極218を接続するように形成されるとともに、±y方向側に延長され、後述するボンディングワイヤ75A、75Bが接続されるパッド部218A、218Bを備えている。
3D形状測定用光源20用のアノードパタン74A、74Bは、3D形状測定用光源20の表面に設けられたアノード電極218(図6参照)の対向する二辺(±y方向側)と対向するように設けられている。そして、アノードパタン74A、74Bと3D形状測定用光源20のアノード電極218のパッド部218A、218Bとが、それぞれボンディングワイヤ75A、75Bで接続されている。なお、ボンディングワイヤ75A、75Bは、各々複数設けられているが、そのうちの1つに符号を付している。
近接検知用光源10及び3D形状測定用光源20をより高速に駆動させたい場合は、ともにローサイド駆動すればよい。ローサイド駆動とは、VCSELなどの駆動対象に対して、電流経路の下流側にMOSトランジスタ等の駆動部が位置する構成を言う。逆に、上流側に駆動部が位置する構成をハイサイド駆動と言う。本実施の形態においては、近接検知用光源10及び3D形状測定用光源20の両方をローサイド駆動とするために、両者のカソードを分離して、独立して駆動している。
なお、図12では、近接検知用光源10のVCSEL-Aと3D形状測定用光源20のVCSEL-Bとは、アノード側も分離されている。
図13は、発光装置4における近接検知用光源10、3D形状測定用光源20及び光量監視用受光素子40の配置について説明する図である。図13(a)は、本実施の形態として説明した配置、図13(b)は、配置についての第1の変形例、図13(c)は、配置についての第2の変形例、図13(d)は、配置についての第3の変形例である。ここでは、近接検知用光源10、3D形状測定用光源20、光量監視用受光素子40及びボンディングワイヤを示し、他の記載を省略する。なお、平面形状が四角形である3D形状測定用光源20における-x方向の側面を側面21A、+x方向の側面を側面21B、+y方向の側面を側面21C、-y方向の側面を側面21Dとする。ここでは、側面21Aと側面21Bとが対向し、側面21Cと側面21Dとが側面21Aと側面21Bとを接続して対向する。
Claims (10)
- 単一横モードで発振する第1の光源と、
前記第1の光源よりも光出力が大きく、当該第1の光源と独立して駆動するよう構成された、多重横モードで発振する第2の光源と、
前記第1の光源から出射され被測定物で反射された第1の反射光、及び前記第2の光源から出射され当該被測定物で反射された第2の反射光を受光する受光部と、を備え、
前記第2の光源は、当該第2の光源の出射経路上に設けられた光拡散部材を介して光を出射し、
前記第1の反射光が、前記被測定物が予め定めた距離内に存在することを示す光である場合、前記第2の光源から光を出射する光学装置。 - 単一横モードで発振する第1の光源と、
前記第1の光源よりも光出力が大きく、当該第1の光源と独立して駆動するよう構成された、多重横モードで発振する第2の光源と、
前記第1の光源から出射され被測定物で反射された第1の反射光、及び前記第2の光源から出射され当該被測定物で反射された第2の反射光を受光する受光部と、
前記第1の反射光で、前記被測定物が予め定めた距離内に存在するか否かを確認し、前記第2の反射光で形状を測定するよう制御する制御部と、を備え、
前記第2の光源は、当該第2の光源の出射経路上に設けられた光拡散部材を介して光を出射する
光学装置。 - 前記第1の光源は、少なくとも1つ以上の第1の垂直共振器面発光レーザ素子を含み、前記第2の光源は複数の第2の垂直共振器面発光レーザ素子を含み、
前記第1の垂直共振器面発光レーザ素子1個から出射される光出力が、前記第2の垂直共振器面発光レーザ素子1個から出射される光出力よりも小さくなるように駆動される請求項1又は2に記載の光学装置。 - 前記第1の光源は、少なくとも1つ以上の第1の垂直共振器面発光レーザ素子を含み、前記第2の光源は複数の第2の垂直共振器面発光レーザ素子を含み、
前記第1の垂直共振器面発光レーザ素子の電力変換効率が前記第2の垂直共振器面発光レーザ素子の電力変換効率より低くなる光出力で駆動される請求項1又は2に記載の光学装置。 - 前記第1の垂直共振器面発光レーザ素子は、当該第1の垂直共振器面発光レーザ素子1個の光出力が1mW~4mWの範囲となるように駆動される請求項3又は4に記載の光学装置。
- 前記第2の垂直共振器面発光レーザ素子は、当該第2の垂直共振器面発光レーザ素子1個の光出力が4mW~8mWの範囲となるように駆動される請求項3乃至5のいずれか1項に記載の光学装置。
- 前記第1の垂直共振器面発光レーザ素子は、発振波長をλとした場合に、5λ~20λの共振器長を有する長共振器構造である請求項3乃至6のいずれか1項に記載の光学装置。
- 前記受光部は、前記第1の光源から光が出射されてから当該受光部で受光されるまでの時間に相当する信号、及び前記第2の光源から光が出射されてから当該受光部で受光されるまでの時間に相当する信号を出力する請求項1又は2に記載の光学装置。
- 請求項1乃至8のいずれか1項に記載の光学装置と、
前記光学装置が備える第2の光源から出射され被測定物で反射された第2の反射光に基づき、当該被測定物の三次元形状を特定する形状特定部と、
を備える情報処理装置。 - 前記形状特定部での特定結果に基づき、自装置の使用に関する認証処理を行う認証処理部と、
を備える請求項9に記載の情報処理装置。
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