CN110231629A - 光测距传感器 - Google Patents

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ligh
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宁霄光
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Abstract

本发明提供准确地测定与对象物的距离的光测距传感器。光测距传感器(1)包括具有多个光接收元件且经由光学系统(20)而接收反射光(L2)的光接收部(30)。以在比最大测定距离(D1)更近的区域内配置有最小值的尺寸的对象物(P1)时，两个以上的光接收元件接收到来自所述对象物(P1)的反射光(L2)的方式，构成光学系统(20)。

Description

光测距传感器
技术领域
本发明涉及一种光测距传感器。
背景技术
专利文献1中公开了一种距离传感器，此距离传感器使用防护区域来监视危险区域，并且具备下述光接收器，所述光接收器具有经分割成微像素(micro pixel)的单光子雪崩二极管(Single Photon Avalanche Diode，SPAD)阵列。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2017-78707号公报(2017年4月27日公开)
发明内容
[发明所要解决的问题]
但是，专利文献1所公开的装置例如有下述问题：当检测区域中存在对象物时，因受到距背景的距离的影响，而在与对象物的距离测定中产生测定误差。
本发明的一实施方式的目的在于准确地测定与对象物的距离。
[解决问题的技术手段]
为了解决所述问题，本发明的一实施方式的光测距传感器向对象物投射光并接收其反射光，由此测定与配置于比规定的最大测定距离更近的区域内的所述对象物的距离，且所述光测距传感器包括：光接收部，具有多个光接收元件，经由光学系统而接收所述反射光，规定所述最大测定距离中可测定的、从所述光接收部观看时的所述对象物的尺寸的最小值，并且以在比所述最大测定距离更近的区域内配置有所述最小值的尺寸的对象物时，两个以上的所述光接收元件接收到来自所述对象物的反射光的方式，构成所述光学系统。
根据所述结构，接收来自对象物的反射光的光接收部是具有多个光接收元件的多像素式光接收部。因此，例如当光测距传感器针对多个光接收元件的每个光接收信号算出与检测对象的距离时，能够将与检测对象的距离中最短的距离判定为与对象物的距离。因此，与光接收部并非多像素式而在整个观测区域中测定与对象物的距离时相比，能够准确地测定与对象物的距离。
而且，以光接收部的多个光接收元件中的两个以上的光接收元件接收到来自对象物的反射光的方式，构成光学系统。因此，可不产生仅一个光接收元件接收到反射光时所产生的、由距背景的距离的影响所致的测定误差，而准确地测定与对象物的距离。
本发明的一实施方式的光测距传感器优选所述光学系统包含可变更焦点距离的变焦透镜(zoom lens)。
根据所述结构，光学系统包含变焦透镜，因而通过变更焦点距离，而能够变更最大测定距离及对象物的尺寸的最小值的至少一者。因此，可应对各种测定环境及测定对象。
本发明的一实施方式的光测距传感器优选所述光学系统具有以可更换所述光学系统具备的至少一个透镜的方式构成的更换机构。
根据所述结构，光学系统具有以可更换所述光学系统具备的至少一个透镜的方式构成的更换机构。因此，通过更换透镜，而能够变更最大测定距离及对象物的尺寸的最小值的至少一者。因此，可应对各种测定环境及测定对象。
优选还包括：处理部，进行针对多个所述光接收元件的每个光接收信号算出与检测对象的距离，并将与所述检测对象的距离中最短的距离判定为与所述对象物的距离的处理。
根据所述结构，与光接收部并非多像素式而在整个观测区域中测定与对象物的距离时相比，能够准确地测定与对象物的距离。而且，当采用光测距传感器作为用于避免设有光测距传感器的装置与对象物的碰撞的传感器时，能够准确地测定与对象物的距离。因此，能够更可靠地避免设有光测距传感器的装置与对象物的碰撞。
[发明的效果]
根据本发明的一实施方式，能够准确地测定与对象物的距离。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的光测距传感器的结构的一例的示意图。
图2的(a)是表示光接收部的结构的一例的示意图，图2的(b)是表示光接收部识别的图像的一例的图。
图3是表示本发明的实施方式的光测距传感器的结构的一例的框图。
图4是表示本发明的实施方式的光测距传感器的动作的一例的流程图。
图5的(a)是表示图像识别部识别的图像中对象物包含多个像素中的一个像素时，将对象物配置于多个像素中排列成任意一列的像素的中心时的一例的图。图5的(b)是表示图像识别部识别的图像中对象物包含多个像素中的一个像素时，在多个像素中排列成任意两列的像素中，将对象物配置于此两列的交界处时的一例的图。图5的(c)是表示图5的(a)时的各像素的测定距离的图，图5的(d)是表示图5的(b)时的各像素的测定距离的图。
图6的(a)是表示图像识别部识别的图像中对象物包含多个像素中的两个以上的像素时，将对象物配置于多个像素中排列成任意一列的像素的中心时的一例的图。图6的(b)是表示图像识别部识别的图像中对象物包含多个像素中的两个以上的像素时，在多个像素中排列成任意两列的像素中，将对象物配置于此两列的交界处时的一例的图。图6的(c)是表示图6的(a)时的各像素的测定距离的图，图6的(d)是表示图6的(b)时的各像素的测定距离的图。
图7是表示本发明的变形例1的光测距传感器的结构的一例的示意图。
图8是表示本发明的变形例2的光测距传感器的结构的一例的示意图。
符号的说明
1、1a、1b：光测距传感器
10：光投射部
20、20a、20b：光学系统
30：光接收部
31：光接收元件
32：基板
40：处理部
410：光投射控制部
420：光接收控制部
430：图像识别部
440：距离计算部
450：距离判定部
D1：最大测定距离
D2：尺寸
Dmin：最小值
L1：入射光
L2：反射光
M1、M2：测定距离
P1、P2：对象物
S10～S40：步骤
具体实施方式
[实施方式]
以下，根据附图对本发明的一方面的实施方式(以下也表述作“本实施方式”)进行说明。
§1适用例
首先，使用图1对适用本发明的场景的一例进行说明。图1示意性地例示本实施方式的光测距传感器1的适用场景的一例，是表示本发明的实施方式的光测距传感器1的结构的一例的示意图。
如图1所示，光测距传感器1向对象物P1投射光，并接收其反射光，由此测定与配置于比规定的最大测定距离D1更近的区域内的对象物P1的距离。光测距传感器1具备光投射部10、光学系统20、光接收部30及处理部40。此外，光测距传感器1可采用小型相机等中所用的、在暗处也可动作的小型的飞行时间(Time Of Flight，TOF)方式的测距传感器。而且，通过采用小型的TOF方式的测距传感器作为光测距传感器1，能够降低采用光测距传感器1时的成本。
§2结构例
光投射部10例如是将入射光L1投射于对象物P1的光投射器。光投射部10可具有发出光的光源(未图示)、使来自所述光源的光进入并将此光导向光测距传感器1的外部的光投射用光纤(未图示)、及设于基板(未图示)上的光投射电路(未图示)。所述光源例如也可为发光二极管(Light Emitting Diode，LED)。所述光投射电路中也可含有放大电路。
光学系统20例如可包含由具有透光性的玻璃或树脂构成的透镜。光学系统20配置于光接收部30的附近，可采用凸透镜作为光学系统20中所含的透镜。来自对象物P1等检测对象的反射光L2通过光学系统20。
图2的(a)是表示光接收部30的结构的一例的示意图，图2的(b)是表示光接收部30识别的图像的一例的图。光接收部30如图2的(a)所示，是具有多个光接收元件31的多像素式光接收部，经由光学系统20而接收来自对象物P1的反射光。光接收部30具有使反射光L2进入并将反射光L2导向多个光接收元件31的光接收用光纤(未图示)、及设于基板32上的光接收电路(未图示)。光接收部30例如可为于基板32上将多个光接收元件31排列成m×n(m、n为自然数)的矩阵(matrix)状的结构。图2的(a)中，多个光接收元件31例如排列成8×8的矩阵状。
处理部40如图3所示，具备光投射控制部410、光接收控制部420、图像识别部430、距离计算部440及距离判定部450。处理部40针对多个光接收元件31的每个光接收信号算出与检测对象的距离。而且，当采用光测距传感器1作为用于避免设有光测距传感器1的装置与对象物P1的碰撞的传感器时，处理部40例如也可进行将与检测对象的距离中最短的距离判定为与对象物P1的距离的处理。以下将进行具体说明。
§3动作例
(光测距传感器1的动作)
接下来，使用图3及图4对光测距传感器1的动作进行说明。图3是表示本发明的实施方式的光测距传感器1的结构的一例的框图。图3中表示处理部40的详细，省略光学系统20。图4是表示本发明的实施方式的光测距传感器1的动作的一例的流程图。
首先，光投射控制部410对光投射部10进行投射入射光L1的控制，并指示光接收控制部420进行处理。由此，光投射部10开始投射入射光L1(步骤S10)。光接收控制部420从光投射控制部410收到进行处理的指示时，指示图像识别部430受理来自光接收部30的多个光接收元件31的光接收信号。
图像识别部430从光接收控制部420收到指示时，开始受理来自光接收部30的多个光接收元件31的光接收信号。光投射部10开始投射入射光L1后，光接收部30接收反射光L2(步骤S20)，图像识别部430接收来自光接收部30的多个光接收元件31的光接收信号。
此处，图2的(a)中，多个光接收元件31排列成8×8的矩阵状。因此，图像识别部430通过受理来自光接收部30的多个光接收元件31的光接收信号从而识别的图像如图2的(b)所示，成为将像素排列成8×8的矩阵状的图像。即，图像识别部430将来自光接收部30多个光接收元件31的光接收信号识别为多个像素。此时，多个光接收元件31的光接收信号与多个像素一对一地对应。图像识别部430将识别出的图像的数据发送至距离计算部440。
距离计算部440从图像识别部430接收图像的数据时，针对图像识别部430所识别的图像的所有像素，算出光接收部30与检测对象之间的距离(步骤S30)。具体而言，距离计算部440针对每个像素，基于光接收信号的光接收量、及光投射部10开始投射入射光L1的时间与图像识别部430接收到光接收信号的时间之时间差，算出所述距离。距离计算部440将所算出的距离的数据发送至距离判定部450。
距离判定部450从距离计算部440接收距离的数据时，将由距离计算部440算出的与检测对象的距离中最短的距离判定为与对象物P1的距离(步骤S40)。此时，对象物P1为最接近光接收部30的检测对象。此外，由距离判定部450判定的结果可发送至设有光测距传感器1的装置。
根据以上内容，当采用光测距传感器1作为用于避免设有光测距传感器1的装置与对象物P1的碰撞的传感器时，能够准确地测定与对象物P1的距离。因此，能够更可靠地避免设有光测距传感器1的装置与对象物P1的碰撞。
而且，如图1所示，规定最大测定距离D1中可测定的、从光接收部30观看时的对象物P1的尺寸D2的最小值。所谓尺寸D2，是从光接收部30观看时的对象物P1的任意方向的长度。此处，考虑规定对象物P1的尺寸D2的最小值Dmin的情况。此时，以在比最大测定距离D1更近的区域内配置有最小值Dmin的尺寸的对象物P1时，两个以上的光接收元件31接收到来自所述对象物P1的反射光的方式，构成光学系统20。
即，此时，以两个以上的光接收元件31接收到来自最小值Dmin的尺寸的对象物P1的反射光的方式，例如规定光学系统20的凸透镜的放大率或缩小率、以及光学系统20的位置。此外，当两个以上的光接收元件31接收到来自最小值Dmin的尺寸的对象物P1的反射光时，如图2的(b)所示，图像识别部430所识别的图像中，对象物P1包含两个以上的像素。
根据以上内容，接收来自对象物P1的反射光L2的光接收部30是具有多个光接收元件31的多像素式光接收部。因此，例如当处理部40针对多个光接收元件31的每个光接收信号算出与检测对象的距离时，能够将与检测对象的距离中最短的距离判定为与对象物P1的距离。因此，与光接收部30并非多像素式而在整个观测区域中测定与对象物P1的距离时相比，能够准备地测定与对象物P1的距离。
而且，以光接收部30的多个光接收元件31中两个以上的光接收元件31接收到来自对象物P1的反射光的方式，构成光学系统20。因此，可不产生仅一个光接收元件接收到来自对象物的反射光时产生的、由距背景的距离的影响所致的测定误差，而准确地测定与对象物P1的距离。
图5的(a)是表示在图像识别部430识别的图像中对象物P2包含多个像素中的一个像素时，将对象物P2配置于多个像素中排列成任意一列的像素的中心时的一例的图。图5的(b)是表示图像识别部430识别的图像中对象物P2包含多个像素中的一个像素时，在多个像素中排列成任意两列的像素中，将对象物P2配置于此两列的交界处时的一例的图。此外，图5的(a)及图5的(b)中，所谓对象物P2包含多个像素中的一个像素，是指对象物P2的短边方向的宽度与一个像素的宽度相同或大致相同。
图5的(c)是表示图5的(a)时的各像素的测定距离的图，图5的(d)是表示图5的(b)时的各像素的测定距离的图。此外，图5的(c)及图5的(d)中，横轴相当于多个光接收元件31中的列，纵轴相当于测定距离。横轴中，例如若为1则相当于多个光接收元件31中的第1列，若为2则相当于多个光接收元件31中的第2列。后述的图6的(c)及图6的(d)也相同。
图5的(c)中，图像识别部430识别的图像中对象物P2包含多个像素中的一个像素时，光接收部30与对象物P2之间的测定距离M1、和实际的光接收部30与对象物P2之间的距离一致。但是，图5的(d)中，图像识别部430识别的图像中对象物P2包含多个像素中的一个像素时，光接收部30与对象物P2之间的测定距离M2、和实际的光接收部30与对象物P2之间的距离不一致。以下说明其原因。当对象物P2包含多个像素中的一个像素时，视对象物P2的位置不同，有时图像识别部430无法准确识别对象物P2。例如可列举：如图5的(b)所示，在多个像素中排列成任意两列的像素中，将对象物P2配置于此两列的交界处的情况。此时，将对象物P2配置于此两列的交界处，因而与此两列的交界处邻接的像素包含对象物P2的一部分。因而，这些像素中出现并非对象物P2的部分(背景)。因此，利用这些像素算出的测定距离M2成为基于来自对象物P2的反射光的距离、及基于来自背景的反射光的距离的加权平均值，因而测定距离M2和实际的光接收部30与对象物P2之间的距离不一致。
图6的(a)表示图像识别部430识别的图像中对象物P2包含多个像素中的两个以上的像素时，将对象物P2配置于多个像素中排列成任意一列的像素的中心时的一例的图。图6的(b)表示图像识别部430识别的图像中对象物P2包含多个像素中的两个以上的像素时，在多个像素中排列成任意两列的像素中，将对象物P2配置于此两列的交界处时的一例的图。此外，图6的(a)及图6的(b)中，所谓对象物P2包含多个像素中的两个以上的像素，是指对象物P2的短边方向的宽度大于两个像素的宽度。
图6的(c)是表示图6的(a)时的各像素的测定距离的图，图6的(d)是表示图6的(b)时的各像素的测定距离的图。
图6的(c)及图6的(d)中，当图像识别部430识别的图像中对象物P2包含多个像素中的两个以上的像素时，光接收部30与对象物P2之间的测定距离M1、和实际的光接收部30与对象物P2之间的距离一致。
根据以上内容，即便在多个像素中排列成任意两列的像素中，将对象物P2配置于此两列的交界处时，也因多个光接收元件31中的两个以上的光接收元件31接收到来自对象物P2的反射光，而能够准确地测定光接收部30与对象物P2之间的距离。
§4变形例
(变形例1)
图7是表示本发明的变形例1的光测距传感器1a的结构的示意图。如图7所示，光测距传感器1a与光测距传感器1相比，将光学系统20变更为光学系统20a的方面不同。光学系统20a例如可包含可变更焦点距离的变焦透镜。
由此，光学系统20a包含变焦透镜，因而通过变更焦点距离，而能够变更最大测定距离D1及对象物P1的尺寸D2的最小值Dmin的至少一者。因此，可应对各种测定环境及测定对象。
此外，所述变焦透镜既可为可由用户通过手动操作而变更焦点距离的结构，也可为可利用光学系统20a所具有的驱动部以机械式变更焦点距离的结构。
(变形例2)
图8是表示本发明的变形例2的光测距传感器1b的结构的示意图。如图8所示，光测距传感器1b与光测距传感器1相比，将光学系统20变更为光学系统20b的方面不同。光学系统20b例如可具有以可更换光学系统20b具备的至少一个透镜的方式构成的更换机构。
由此，光学系统20b具有以可更换光学系统20b具备的至少一个透镜的方式构成的更换机构。因此，通过更换透镜，而能够变更最大测定距离D1及对象物P1的尺寸D2的最小值Dmin的至少一者。因此，可应对各种测定环境及测定对象。
此外，所述更换机构既可为可由用户通过手动操作而更换至少一个透镜的结构，也可为可利用光学系统20b所具有的驱动部以机械式更换至少一个透镜的结构。
[借由软件的实现例]
光测距传感器1的控制块(特别是处理部40)既可由形成为集成电路(IC芯片)等的逻辑电路(硬件)来实现，也可由软件来实现。
后者的情况下，光测距传感器1包括计算机，此计算机执行作为实现各功能的软件的程序的命令。所述计算机例如具备一个以上的处理器，并且具备存储有所述程序的计算机可读取的记录介质。而且，所述计算机中，通过所述处理器从所述记录介质读取所述程序并执行，而达成本发明的目的。所述处理器例如能够使用中央处理器(Central ProcessingUnit，CPU)。作为所述记录介质，除了“非临时的有形介质”、例如只读存储器(Read OnlyMemory，ROM)等以外，还能够使用带(tape)、盘(disk)、卡(card)、半导体存储器、可编程的逻辑电路等。而且，也可还具备展开所述程序的随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)等。而且，所述程序可经由可传输所述程序的任意传输介质(通信网络或广播波等)而提供给所述计算机。此外，本发明的一实施方式也能以通过电子传输来将所述程序具现化的、被嵌入载波中的数据信号的形态来实现。
本发明不限定于所述各实施方式，可在权利要求所示的范围内进行各种变更，将不同实施方式中分别公开的技术部件适当组合而获得的实施方式也包含于本发明的技术范围内。

Claims (4)

1.一种光测距传感器，向对象物投射光并接收其反射光，由此测定与配置于比规定的最大测定距离更近的区域内的所述对象物的距离，所述光测距传感器的特征在于，包括：
光接收部，具有多个光接收元件，经由光学系统而接收所述反射光，
规定在所述最大测定距离中能测定的、从所述光接收部观看时的所述对象物的尺寸的最小值，并且
以在比所述最大测定距离更近的区域内配置有所述最小值的尺寸的对象物时，两个以上的所述光接收元件接收到来自所述对象物的反射光的方式，构成所述光学系统。
2.根据权利要求1所述的光测距传感器，其特征在于，所述光学系统包含能变更焦点距离的变焦透镜。
3.根据权利要求1所述的光测距传感器，其特征在于，所述光学系统具有以能更换所述光学系统具备的至少一个透镜的方式构成的更换机构。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光测距传感器，其特征在于，还包括：处理部，进行针对多个所述光接收元件的每个光接收信号算出与检测对象的距离，并将与所述检测对象的距离中最短的距离判定为与所述对象物的距离的处理。
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