CN110779681A - 检测光学系统异常的测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供测距装置。测距装置具备光学系统异常度检测部，该光学系统异常度检测部通过测距值d及光强度Ls的关系与基准值K_ρ、K_ρ1、K_Ls0d0或K_Ab0的比较，来检测测距装置的光学系统的异常度。

Description

检测光学系统异常的测距装置

技术领域

本发明涉及基于光的飞行时间来测定到物体为止的距离的测距装置，尤其是涉及检测光学系统异常的测距装置。

背景技术

作为测定到物体为止的距离的测距装置，已知有基于光的飞行时间而输出距离的TOF(time of flight)相机。TOF相机在大多情况下采用相位差方式，在该相位差方式中，向测定对象空间照射以规定周期进行了强度调制的测距光，对照射的测距光与从测定对象空间的被拍摄物反射的反射光之间的相位差进行检测。

在上述测距装置中，有时由于光学系统异常而导致测距精度降低，丧失测距能力。尤其是作为三维传感器的TOF相机通过拍摄测距光的从被拍摄物反射的反射光而进行测距，因此，通常知晓当反射光变弱时，散粒噪声、暗电流噪声、热噪音等的影响相对显著化，测距值的偏差变大。作为反射光变弱的主要原因，通常举出黑色等的低反射率的被拍摄物、遥远的被拍摄物等，但除此外，还举出(1)污垢向透镜的附着、(2)污垢向测距光用扩散板的附着、(3)测距光源的输出下降、(4)受光元件的异常这样的光学系统异常。作为与上述光学系统异常的检测相关联的在先技术，公知有下述的文献。

在日本特开2004-271404号公报中，公开了一种经由窗罩出射激光并接受反射光来检测障碍物的车辆用障碍物检测装置。在车辆用障碍物检测装置中，将来自路面的反射光的强度与时间的关系推断为理想反射波形，将来自实际路面的反射光的强度与时间的关系作为实际反射波形来检测，并且，基于理想反射波形和实际反射波形来检测窗罩的污垢。

在日本特开平10-227856号公报中，公开了一种检测车辆的有无及台数的光束传感器。在光束传感器中，对由回归反射板反射后的光束的受光量进行监控，在平均的受光量为预先设定的基准值以下的情况下，判定为入射出射窗、回归反射板等产生污垢。

如图7A所示，在向被拍摄物O照射测距光L1并利用从被拍摄物O反射的反射光L2进行测距的测距装置中，求出从照射到受光的时间差Δt，进行测距。由于被拍摄物O也被照射外部光，因此，测距装置接受到还混合有测距光L1以外的光在内的反射光L2。如图7B所示，在光学系统正常时，外部光成分的光强度大致固定，因此，通过减去在不照射测距光时获取到的光强度，从而能够确保S/N比，能够检测仅反射光成分的光强度。

然而，如图7B所示，在光学系统异常时，反射光变弱，S/N比下降，发生了反射光成分的误检测或者不能检测，导致测距精度的下降或测距能力的丧失。因此，为了维持稳定的测距精度及测距能力，需要检测光学系统异常。另外，即便能够检测到光学系统异常，若不知道其异常度，则也无法掌握测距装置的清洁或部件更换的适当时机。

发明内容

对此，谋求能够容易地检测光学系统的异常度的测距装置。

本公开的一方式提供一种测距装置，具备向被拍摄物照射测距光的照射部、以及接受从被拍摄物反射的反射光的受光部，该测距装置输出基于测距光与反射光之间的相位差而计算出的到被拍摄物为止的测距值及反射光的光强度，其中，该测距装置具备光学系统异常度检测部，该光学系统异常度检测部通过测距值及光强度的关系与基准值的比较，来检测测距装置的光学系统的异常度。

附图说明

图1是一实施方式中的测距装置的框图。

图2A是示出光学系统异常的检测原理的说明图。

图2B是示出光学系统异常的检测原理的说明图。

图2C是示出光学系统异常的检测原理的说明图。

图3A是示出其他实施方式中的使用了反射率明确的被拍摄物的异常度的检测的图。

图3B是示出另一实施方式中的使用了反射率不明确的被拍摄物的异常度的检测的图。

图4是示出使用基于二维图像而计算出的到被拍摄物为止的距离来检测光学系统的异常度的例子的说明图。

图5A是示出又一实施方式中的基准值的求法的说明图。

图5B是示出又一实施方式中的基准值的求法的说明图。

图6A是示出即便在附着了斑点状的污垢的情况下、也能够视为在光学上与均匀附着的污垢同等的说明图。

图6B是示出即便在附着了斑点状的污垢的情况下、也能够视为在光学上与均匀附着的污垢同等的图。

图7A是示出现有技术中的测距原理的说明图。

图7B是示出现有技术中的光学系统正常时的S/N比的说明图。

具体实施方式

以下，参照附图对本公开的实施方式详细进行说明。在各附图中，对相同或类似的构成要素标注相同或类似的标号。另外，以下所记载的实施方式并不限定技术方案所记载的发明的技术范围及用语的含义。

图1是一实施方式中的测距装置10的框图。测距装置10例如是基于相位差方式来测定距物体的距离的TOF相机、激光扫描仪等，测距装置10具备：向被拍摄物O照射进行强度调制后的测距光L1的照射部11；接受从被拍摄物O反射的反射光L2的受光部12；以及输出基于测距光与反射光之间的相位差而计算出的到被拍摄物为止的测距值及反射光的光强度的输出控制部13。

照射部11例如是由发出近红外(NIR)光的发光二极管、半导体激光等测距光源、将NIR光作为测距光L1来扩散的扩散板等构成。照射部11基于来自发光/拍摄时机控制部14的发光时机信号而向被拍摄物O照射以规定周期进行了强度调制的测距光L1。

受光部12例如由将从被拍摄物O反射的反射光L2聚光的聚光透镜、经由RGB滤波器、NIR滤波器等接受反射光L2的光电元件、CCD图像传感器或CMOS图像传感器等构成。反射光L2除了包括由被拍摄物O反射后的测距光L1之外，还包括外部光的反射光。受光部12也可以针对一个像素而具有接受红色光、蓝色光、绿色光及NIR光的四个受光元件，或者还可以针对一个像素而具有仅接受NIR光的一个受光元件。受光部12也有时具有二维排列的多个受光元件15。

在激光扫描仪中，通常，受光部12直接对图7A、图7B所示的反射光相对于参照光的照射时机的延迟Δt或者反射光成分的光强度进行测定。在本实施方式以后，以测距装置10为TOF相机的情况作为前提来说明。受光元件15例如由光电二极管、电容器等构成。接受NIR光的受光元件15基于来自发光/拍摄时机控制部14的拍摄时机信号，在例如相对于测距光L1的发光时机而错开了0°、90°、180°及270°的相位的多个拍摄时机获取受光量Q₁～Q₄。另一方面，接受红色光、蓝色光、绿色光的受光元件15在预先决定的整个拍摄期间分别获取受光量。获取到的受光量由放大部16放大，并由A/D转换部17进行A/D转换，将A/D转换值存储于缓冲存储器18。

距离图像生成部19基于NIR光的受光量Q₁～Q₄的A/D转换值，按照各像素而生成包含到被拍摄物O为止的测距值在内的距离图像30。测距值d例如通过公知的下述式来计算。这里，Td是测距光与反射光之间的相位差，c是光速，f是测距光的频率。所生成的距离图像30存储在缓冲存储器20中，经由输出控制部13向测距装置10的外部输出。

二维图像生成部21基于RGB光或NIR光的受光量的A/D转换值而生成二维图像31。即，二维图像31可以是RGB图像(彩色图像)，也可以是NIR图像(黑白图像)。二维图像31存储在缓冲存储器20中，经由输出控制部13向测距装置10的外部输出。需要说明的是，在测距装置10为TOF相机的情况下，基于受光量Q1～Q4，例如通过公知的下述式来计算受光元件15所输出的光强度Ls。

如参照图7B说明的那样，在光学系统异常时，反射光变弱，S/N比下降，发生了测距光的信号成分的误检测或者不能检测，导致测距精度的下降或测距能力的丧失。为了检测上述光学系统的异常度，进而为了维持测距精度或测距能力，本实施方式中的测距装置10还具备对光学系统的异常度进行检测的光学系统异常度检测部22。光学系统异常度检测部22例如能够构成为用于使中央处理装置(CPU)等处理器发挥功能的软件。或者，例如也可以作为能够执行上述软件的至少一部分处理的处理器等硬件来实现。

图2A-图2C是示出光学系统异常的检测原理的说明图。如图2A所示，从测距光源P向被拍摄物O的照度E通常如下述式那样与距离d的平方成反比例。这里，I是朝向观测方向的测距光源P的光度。

另外，如图2B所示，在被拍摄物O具有反射率ρ的均等扩散反射面的情况下，上述反射面的亮度Lr通常能够由下述式表示。

此外，如图2C所示，受光元件15通常输出与入射光束成比例的输出电流。受光元件15接受的光束、即、受光元件15所输出的光强度Ls与受光元件15通过聚光透镜22而观察到的面的亮度Lr成比例，因此，得到下述式。

当使用常数k来重新表达上述式时，得到下述式。这里，常数k是对装置的构造、与发光或受光相关的各元件的特性的差异、以及各元件的个体特性偏差等进行吸收的修正值。

上述式能够变形为下述的基本式。因此，在朝向观测方向的测距光源的光度I固定且对反射率为ρ的被拍摄物O进行测距的状况下，示出下述基本式的左边的到被拍摄物O为止的测距值d与受光元件15接受的光强度Ls之间的关系成为固定值。即，在光学系统的异常度的检测时，计算出到反射率为ρ的被拍摄物O为止的测距值d与受光元件15接受的光强度Ls之间的关系，其结果是，若与固定值不同，则测距装置10的光学系统中存在某种异常。

Ls·d²＝k·ρ·I

而且，上述基本式的右边包括朝向观测方向的测距光源的光度I，但该值根据构成测距装置10的使用部件的特性偏差等，按照各个测距装置而存在不同值。用于检测光学系统异常的基准值K_ρ例如在测距装置10正常时(例如出厂时、设置时等)，根据通过使用了反射率ρ_cb的被拍摄物的校准而得到的测距值d及光强度Ls，按照下式而求出。基准值K_ρ与反射率ρ_cb一同存储在测距装置10的非易失性存储器23中(参照图1。)(后述的基准值也是同样的)。

K_ρ＝Ls·d²

光学系统异常度检测部22在光学系统的异常度的检测时，将测距光源的光度I是固定的作为条件，计算具有已知的反射率ρ_cb的被拍摄物O的光强度Ls及测距值d的关系，通过对上述关系与基准值K_ρ进行比较，来检测测距装置10的光学系统的异常度Ab。光学系统的异常度Ab例如也可以如下述式那样作为光强度Ls及测距值d的关系与基准值K_ρ之比来检测，或者作为差分来检测。但是，下述式是光学系统异常的理论上的检测原理，因此，要注意被拍摄物O的光强度Ls及测距值d的关系由于各种情况而需要修正。

在上述式中光学系统的异常度Ab小于1的情况下，怀疑因光学窗(透镜、扩散板等)的污垢附着而引起发光强度的下降、受光强度的下降、或者测距光源的输出下降等。这样，通过使用具有已知的反射率ρ_cb的被拍摄物O来作为基准值，无论测距装置10的设置环境如何，都能够检测光学系统异常。另外，通过使用被拍摄物O的光强度Ls及测距值d的关系来作为光学系统异常的测定值(上述式的分子)，无论到被拍摄物O为止的距离如何，都能够检测光学系统异常。

图3A是示出其他实施方式中的使用了反射率明确的被拍摄物的异常度的检测的图。关于使用具有与获取到基准值K_ρ时的反射率ρ_cb不同的反射率ρ₁的被拍摄物O的情况下的基准值K_ρ1，根据上述基本式，例如如下述式那样使用反射率ρ_cb与反射率ρ₁之比来求出。

光学系统异常度检测部22在光学系统的异常度的检测时，计算被拍摄物O的光强度Ls及测距值d的关系，通过对上述关系与基准值K_ρ1进行比较，来检测测距装置10的光学系统的异常度Ab。光学系统的异常度Ab例如也可以如下述式那样作为光强度Ls及测距值d的关系与基准值K_ρ1之比来检测，或者作为差分来检测。

图3B是示出另一实施方式中的使用了反射率不明确的被拍摄物的异常度的检测的图。上述基本式示出，使用即便反射率不明确但在测距装置10正常时(例如设置时、维护完成时等)获取到的被拍摄物O的测距值d₀及光强度Ls₀的关系，例如如下述式那样求出基准值K_Ls0d0。之后，能够通过使用同一被拍摄物O(即，虽然反射率不明确，但为同一反射率的被拍摄物)来进行异常度的检测。

K_Ls0d0＝Ls₀·(d₀)²

光学系统异常度检测部22在光学系统的异常度的检测时，计算被拍摄物O的光强度Ls及测距值d的关系，通过对上述关系与基准值K_Ls0d0进行比较，来检测测距装置10的光学系统的异常度Ab。光学系统的异常度Ab例如也可以如下述式那样作为光强度Ls及测距值d的关系与基准值K_Ls0d0之比来检测，或者作为差分来检测。

这样，测距装置10也能够根据反射率不明确的被拍摄物O的测距值d₀及光强度Ls₀的关系来求出基准值。换言之，被拍摄物也可以为由测距装置10始终或定期拍摄的固有的固定物(例如固有的地板、机器、机械等)。通过使用上述固定物的光强度及测距值的关系来作为光学系统异常的测定值(上述式的分子)及基准值(上述式的分母)，能够检测光学系统异常。即，无需准备具有已知的反射率的特殊的被拍摄物，测距装置10就能够自动地维持测距精度或测距能力。

图4是示出使用基于二维图像31以几何学的形式计算出的到被拍摄物O为止的距离d_ref来检测光学系统的异常度的例子的说明图。测距装置10例如在如TOF相机那样具有呈二维排列多个的受光元件15的情况下，输出由各受光元件15的光强度值构成的二维图像。被拍摄物O使用所谓的参考标记。参考标记例如在大小已知的四边形的白色板状构件上配置大小、位置关系已知的正圆、正方形及菱形，包括大量的三维坐标的相关性已知的特征点。例如特征点可以为正圆、正方形及菱形的中心部32a、32b、32c、四边形的角部32d、32e、32f、32g。此外，将参考标记的正圆的中心部32b设为代表特征点，在正圆内设为具有规定的反射率ρ的部分。需要说明的是，在其他实施方式中，代替参考标记，也可以使用三维坐标的相关性明确的任意的被拍摄物来检测光学系统异常。三维坐标的相关性明确是指，能够知晓多个特征点的相对的位置关系，并非需要多个特征点的三维坐标的相关性是已知的。即，测距装置10无需预先存储于存储器等。

光学系统异常度检测部22利用公知的图像处理，根据二维图像31来检测参考标记，以子像素级别来确定参考标记的各种特征点的图像上的位置坐标，并且，根据多个(通常为4个以上)特征点的图像上的位置坐标的组合，以几何学的形式来计算到代表特征点即正圆的中心部32b为止的距离d_ref。为了计算更高精度的距离d_ref，也可以根据组合不同的多个特征点来计算多个d_ref，进行平均化处理等。然后，光学系统异常度检测部22例如如下述式那样，代替测距值d而使用基于拍摄到参考标记的二维图像31以几何学的形式计算出的直到参考标记(代表特征点)为止的距离d_ref，来检测光学系统的异常度Ab。

这样，通过使用基于二维图像31计算出的到被拍摄物O为止的距离d_ref，即便在由于光学系统异常而使测距精度降低的情况下，也能够准确地检测光学系统的异常度Ab。

图5A及图5B是示出又一实施方式中的基准值的求法的说明图。如图5A所示，在使用了参考标记等另一被拍摄物O’的情况下，能够准确地观测某一程度进行的光学系统的异常度Ab₀。因此，基准值K_Ab0也可以通过将进行至中途的光学系统的异常度Ab₀移交给观测对象的被拍摄物O来求出。关于基准值K_Ab0，例如如下述式那样，使用利用另一被拍摄物O’检测到的光学系统的异常度Ab₀、以及与和另一被拍摄物O’同时拍摄到的观测对象的被拍摄物O相关的测距值d_bref及光强度L_bref的关系来求出。

如图5B所示，光学系统异常度检测部22在光学系统的异常度的检测时，计算被拍摄物O的光强度Ls及测距值d的关系，通过对上述关系与基准值K_Ab0进行比较，来检测测距装置10的光学系统的异常度Ab。光学系统的异常度Ab例如也可以如下述式那样，作为光强度Ls及测距值d的关系与基准值K_Ab0之比来检测，或者作为差分来检测。

这样，在将进行至中途的光学系统的异常度Ab₀移交给观测对象的被拍摄物O来求出基准值Ab₀的情况下，反射率已知的被拍摄物、参考标记等成为暂时使用，以后，能够仅利用观测对象的被拍摄物来检测光学系统的异常度。

图6A及图6B是示出即便在附着了斑点状的污垢的情况下、也能够视为在光学上与均匀附着的污垢同等的说明图。作为在光学系统异常的原因中能够良好地产生的向光学窗(例如透镜33、扩散板34等)的污垢附着，能够举出尘埃、雾等的均匀附着和斑点状的附着。如图6A所示，在斑点状的污垢附着于透镜33的表面的情况下，并不是图像上的一部分变暗，而是图像整体变暗。图6B所示的扩散板34也是同样的。因此，应注意，即便如本申请那样在决定了基准值的观测对象的被拍摄物仅在图像的一部分中被拍摄的情况下，也视为与检测到图像整体的异常度的情况等价。

光学系统异常度检测部22在检测到光学系统异常的情况下，向警告部24(参照图1。)进行警告指令，并且，向警告部24输出光学系统的异常度Ab。警告部24例如由扬声器、LED灯、显示器装置、通信控制部等构成，按照来自光学系统异常度检测部22的警告指令，将光学系统的异常度Ab向测距装置10的外部输出。

根据以上的实施方式，测距装置10能够根据测距值d及光强度Ls的关系容易地检测光学系统的异常度Ab，能够基于上述异常度Ab而掌握测距装置10的清洁、部件更换的适当时机。进而，能够维持测距精度及测距能力。

在本说明书中对各种实施方式进行了说明，但本发明不局限于上述实施方式，应认为在技术方案所记载的范围内能够进行各种变更。

Claims (5)

1.一种测距装置，该测距装置具备向被拍摄物照射测距光的照射部以及接受从所述被拍摄物反射的反射光的受光部，且输出基于所述测距光与所述反射光之间的相位差而计算出的到所述被拍摄物为止的测距值及所述反射光的光强度，

其特征在于，

所述测距装置具备光学系统异常度检测部，该光学系统异常度检测部通过所述测距值及所述光强度的关系与基准值的比较，来检测所述测距装置的光学系统的异常度。

2.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，

使用所述被拍摄物的反射率来求出所述基准值。

3.根据权利要求1所述的测距装置，其特征在于，

使用在所述测距装置正常时获取到的所述测距值及所述光强度的关系来求出所述基准值。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的测距装置，其特征在于，

所述测距装置还具备二维图像生成部，该二维图像生成部针对所述测距装置所观测的空间，基于所述受光部的受光量而生成二维图像，

代替所述测距值，使用基于所述二维图像而计算出的到所述被拍摄物为止的距离来检测所述光学系统的异常度，该二维图像是对具有三维坐标的相关性明确的多个特征点的所述被拍摄物进行拍摄而得到的。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的测距装置，其特征在于，

使用所述光学系统的异常度和所述测距值及所述光强度的关系来求出所述基准值，其中，所述光学系统的异常度使用与所述被拍摄物不同的另一被拍摄物来检测，所述测距值及所述光强度的关系与和所述另一被拍摄物同时拍摄到的所述被拍摄物相关。

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