DE102019004031B4

DE102019004031B4 - Abstandsmessvorrichtung, die Genauigkeitsinformation ausgibt

Info

Publication number: DE102019004031B4
Application number: DE102019004031.7A
Authority: DE
Inventors: Minoru Nakamura; Yuuki Takahashi; Atsushi Watanabe
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2019-06-06
Publication date: 2024-02-01
Anticipated expiration: 2039-06-07
Also published as: JP6773724B2; CN110596727A; US20190383906A1; US11693093B2; CN110596727B; DE102019004031A1; JP2019215260A

Abstract

Abstandsmessvorrichtung (10), umfassend:einen Lichtemissionsabschnitt (11), der ein Emittieren von Messlicht ausführt, das zu einem Zielraum gestrahlt wird, der gemessen werden soll;mehrere lichtempfindliche Elemente (17), die in Reaktion auf einfallendes Licht von dem Zielraum, der gemessen werden soll, elektrische Ladungen speichern;einen Abstandsberechnungsabschnitt (13), der einen Abstand zu einem Objekt in eine Beobachtungsrichtung für jeden Pixel auf der Grundlage von Beträgen elektrischer Ladung berechnet, die jeweils zu mehreren Zeitpunkten in lichtempfindlichen Elementen (17) gespeichert werden, die jeweils um vorgegebene Phasen von einem Zeitpunkt des Emittierens des Messlichts verzögern, wobei die berechneten Abstände von der Abstandsmessvorrichtung ausgegeben werden; undeinen Genauigkeitsberechnungsabschnitt (26), der eine Genauigkeit des Abstands für jeden Pixel auf der Grundlage einer Beziehung unter den Beträgen der elektrischen Ladung berechnet, die zu den mehreren Zeitpunkten gespeichert wurden, wobei die berechneten Genauigkeiten von der Abstandsmessvorrichtung ausgegeben werden,wobei der Genauigkeitsberechnungsabschnitt dazu eingerichtet ist, die Genauigkeit auf der Grundlage eines Unterschieds (D) zwischen (Q1+ Q3) und (Q2+ Q4) zu berechnen, wobei Q1, Q2, Q3, und Q4jeweils die Beträge der elektrischen Ladungen zu den vier Arten von Zeitpunkten repräsentieren, undwobei der Genauigkeitsberechnungsabschnitt ferner dazu eingerichtet ist, eine Skalierung des Unterschieds (D) zwischen (Q1+ Q3) und (Q2+ Q4) durch eine Verwendung einer Lichtempfangs-Intensität (I) des einfallenden Lichts zu ändern.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Feld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandsmessvorrichtung, die einen Abstand zu einem Objekt auf der Grundlage der Laufzeit von Licht misst, und insbesondere eine Abstandsmessvorrichtung, die Genauigkeitsinformation ausgibt.
2. Beschreibung des verwandten Stands der Technik
Unter Abstandsmessvorrichtungen, welche den Abstand zu einem Objekt messen, sind TOF-Kameras (Time-of-Flight-Kameras) bekannt, die einen Abstand auf der Grundlage der Laufzeit von Licht ausgeben. Viele TOF-Kameras verwenden ein Phasenunterschied-Verfahren , bei dem Messlicht, das mit einer bestimmten Periode intensitätsmoduliert ist, zu einem Zielraum gestrahlt wird, der gemessen werden soll, und der Phasenunterschied zwischen dem ausgestrahlten Messlicht und dem Licht erfasst wird, das von einem Objekt in dem Zielraum reflektiert wird, der gemessen werden soll.
In derartigen TOF-Kameras kann ein lichtempfindliches Element, das ein Bild eines Objekts in einem sehr kleinen Abstand oder ein Bild eines Objekts mit einer sehr großen Reflexivität erfasst, dabei versagen, eine Abstandsmessung durchzuführen, da übermäßig starkes reflektiertes Licht eine Sättigung verursacht. Zugleich kann ein lichtempfindliches Element, das ein Bild eines Objekts in einem sehr großen Abstand oder eines Objekts mit einer sehr geringen Reflexivität erfasst, dabei versagen, eine Abstandsmessung durchzuführen, da übermäßig schwaches reflektiertes Licht eine unzureichende Lichtintensität bereitstellt. In dem Fall eines Fehlers in der Abstandsmessung wird eine typische TOF-Kamera einen einzelnen Wert anstelle eines Abstands ausgeben, um den Fehler in der Abstandsmessung anzuzeigen. Der Benutzer der Abstandsmessvorrichtungen hält daher den Ausgabewert von der TOF-Kamera für einen korrekten Abstandswert, wenn der Ausgabewert kein einzelner Wert ist.
Neben den oben beschriebenen zwei Fällen von Fehlern bei einer Abstandsmessung weist eine TOF-Kamera jedoch aufgrund unvermeidbaren weißen Rauschens, wie beispielsweise Schuss-Rauschen, Dunkelstrom-Rauschen und thermisches Rauschen, eine Dispersion von Abstandswerten sowie einen Quantifizierungsfehler aufgrund der A/D-Wandlung auf. Ferner kann sich die Genauigkeit von Abstandswerten aufgrund einer Bewegung des Objekts, einer sehr großen Änderung im Umgebungslicht und dergleichen stark verschlechtern. Um eine derartige Unregelmäßigkeit bei der Abstandsmessung zu bestimmen, ist eine Methode bekannt, bei der ein lichtempfindliches Element dazu veranlasst wird, elektrische Ladungen zu mehreren Zeitpunkten zu speichern, die um eine bestimmte Phase von den Zeitpunkten des Emittierens des Messlichts verzögern, und bei der eine Beziehung zwischen den Beträgen der gespeicherten elektrischen Ladungen verwendet wird (vgl. zum Beispiel die Literatur 1 bis 3 unten).
Die JP 2009 - 079 987 A offenbart eine Abstandsmessvorrichtung, die ein erstes Detektionssignal α, ein zweites Detektionssignal β, ein drittes Detektionssignal γ und ein viertes Detektionssignal δ mit vier Arten eines Phasenunterschieds erfasst, d. h. 0°, 90°, 180° und 270° relativ zu dem Zeitpunkt des Emittierens des Messlichts, eine erste Summe W1 des ersten Detektionssignals α und des dritten Detektionssignals γ und eine zweite Summe W2 des zweiten Detektionssignals β und des vierten Detektionssignals δ berechnet und bestimmt, dass es aufgrund externer Faktoren, wie beispielsweise eines äußeren Lichts, weder möglich ist, den korrekten Phasenunterschied zu detektieren, noch, den Abstand zu berechnen, wenn der Unterschied ΔW zwischen der ersten Summe W1 und der zweiten Summe W2 größer ist als ein festgelegter Wert A.
Die JP 2014 - 528 059 A offenbart eine Unschärfe-Verarbeitungseinheit, welche das Phänomen nutzbar macht, dass die Beziehung zwischen Q₁ - Q₂ und Q₃ - Q₄ als eine Raute grafisch dargestellt wird, wobei Q₁, Q₂, Q₃ und Q₄ die Beträge von elektrischen Ladungen sind, die in Übereinstimmung mit vier Steuersignalen C₁, C₂, C₃ und C₄ erfasst wurden, welche einen 90°-Phasenunterschied zueinander aufweisen, und welche bestimmt, dass eine Unschärfe aufgrund einer Bewegung des Objekts, der Kamera, des Hintergrunds und dergleichen aufgetreten ist, wenn ein Wert in einem Bereich aufgetragen wird, der sich von der Position der Raute unterscheidet.
Die JP 2011 - 022 089 A offenbart eine räumliche-Information-Erfassungseinrichtung, welche Messlicht zu einem rechteckigen Wellensignal moduliert, das binäre Werte bei einem H-Niveau und L-Niveau aufweist, wobei Zeitdauern bei diesen Niveaus zufällig geändert werden, welche die Beträge von elektrischen Ladungen A0, A1, A2 und A3 in Übereinstimmung mit vier Arten von Zeitsignalen erfasst, d. h. ein erstes Zeitsignal, das ein nichtinvertiertes Signal des Modulationssignals ist, ein zweites Zeitsignal, das ein invertiertes Signal des Modulationssignals ist, ein drittes Zeitsignal, das um eine Chip-Dauer Tc von dem nichtinvertierten Signal des Modulationssignals verzögert, und ein viertes Zeitsignal, welches um eine Chip-Dauer Tc von dem invertierten Signal des Modulationssignals verzögert, und welche bestimmt, dass der Abstand zu einem Objekt außerhalb des Messbereichs liegt, aufgrund eines Schuss-Rauschens oder dergleichen, wenn die Bedingung, dass A0 - A2 = 0 ist nicht erfüllt ist.
Die DE 10 2013 207 654 A1 offenbart eine optische Entfernungsmessung mittels eines Lichtlaufzeitkamerasystems. Darin enthalten ist ein Beleuchtungsmodul mit einer Beleuchtung und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik sowie eine Lichtlaufzeitkamera mit einer Empfangsoptik und einem Lichtlaufzeitsensor. Der Lichtlaufzeitsensor weist mindestens ein Laufzeitpixel auf, vorzugsweise ein Pixel-Array, und ist als PMD-Sensor ausgebildet. Weiteren Stand der Technik offenbaren die JP 2018 - 025 474 A und die DE 10 2014 204 423 A1 .
Zusammenfassung der Erfindung
Da TOF-Kameras selbst auf viel Know-how beruhen, binden Entwickler einer Anwendungsvorrichtung mit einer TOF-Kamera oft eine TOF-Kamera ein, die von einem Lieferanten erworben wurde. Entwickler einer Anwendungsvorrichtung stellen Anwendungen durch Verwenden eines Abstandsbilds (einer Datengruppe von Abstandswerten für die Pixel) und eines Lichtintensitätsbilds (einer Datengruppe von Lichtintensitätswerten für die Pixel, die durch Einstrahlen von Messlicht (üblicherweise Nahinfrarot-(NIR)-Licht, das üblicherweise Infrarot-(IR)-Bilder, NIR-Bilder und dergleichen genannt wird) erhalten werden) her, welche die TOF-Kamera ausgibt, aber die Entwickler mussten große Fehler annehmen, welche auf die Spezifikation und dergleichen der TOF-Kamera gleichmäßig für die Abstandsdaten jedes beliebigen Pixels in dem Abstandsbild aufgezeichnet sind.
Wie oben beschrieben wurde, werden TOF-Kameras jedoch von weißem Rauschen wie beispielsweise Schuss-Rauschen gemäß der Theorie einer Abstandsmessung beeinträchtigt, und es existiert eine Dispersion von Distanzwerten für jeden Pixel und jede Ausführung einer Bilderfassung (für jede Ausführung einer Abstandsmessung). Ferner können die Abstandswerte für jeden Pixel und jede Ausführung einer Bilderfassung aufgrund externer Faktoren wie beispielsweise einer Bewegung des Objekts und einer Änderung im Umgebungslicht ungenau sein. Diese Faktoren erhöhen auch die Fehlerspanne einer TOF-Kamera, die auf den Spezifikationen und dergleichen aufgezeichnet ist.
Daher ist eine vielseitige Abstandsmessvorrichtung wünschenswert, welche die Erkennung des Fehlers in dem Abstand für jeden Pixel gestattet.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Abstandsmessvorrichtung bereitgestellt, welche umfasst: einen Lichtemissionsabschnitt, der ein Emittieren von Messlicht ausführt, das zu einem Zielraum gestrahlt wird, der gemessen werden soll; mehrere lichtempfindliche Elemente, die in Reaktion auf einfallendes Licht von dem Zielraum, der gemessen werden soll, elektrische Ladungen speichern; einen Abstandsberechnungsabschnitt, der einen Abstand zu einem Objekt in eine Beobachtungsrichtung für jeden Pixel auf der Grundlage von Beträgen elektrischer Ladung berechnet, die jeweils zu mehreren Zeitpunkten in lichtempfindlichen Elementen gespeichert werden, die jeweils um vorgegebene Phasen von einem Zeitpunkt des Emittierens des Messlichts verzögern, wobei die berechneten Abstände von der Abstandsmessvorrichtung ausgegeben werden; und einen Genauigkeitsberechnungsabschnitt, der eine Genauigkeit des Abstands für jeden Pixel auf der Grundlage einer Beziehung unter den Beträgen der elektrischen Ladung berechnet, die zu den mehreren Zeitpunkten gespeichert wurden, wobei die berechnete Genauigkeiten von der Abstandsmessvorrichtung ausgegeben werden, wobei der Genauigkeitsberechnungsabschnitt dazu eingerichtet ist, die Genauigkeit auf der Grundlage eines Unterschieds zwischen (Q₁ + Q₃) und (Q₂ + Q₄) zu berechnen, wobei Q₁, Q₂, Q₃, und Q₄ jeweils die Beträge der elektrischen Ladungen zu den vier Arten von Zeitpunkten repräsentieren, und wobei der Genauigkeitsberechnungsabschnitt ferner dazu eingerichtet ist, eine Skalierung des Unterschieds zwischen (Q₁ + Q₃) und (Q₂ + Q₄) durch eine Verwendung einer Lichtempfangs-Intensität des einfallenden Lichts zu ändern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Blockdiagramm, welches eine Abstandsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt.
2 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches ein Beispiel eines Lichtemissions-Zeitablaufs und eines Bilderfassungs-Zeitablaufs der Abstandsmessvorrichtung darstellt.
3 stellt ein Beispiel von Beträgen elektrischer Ladung dar, die zu bestimmten Bilderfassungs-Zeiten erfasst wurden.
4 stellt eine Änderung der reflektierten Lichtmenge und der empfangenen Lichtmenge aufgrund äußerer Faktoren wie beispielsweise einer Bewegung des Objekts und einer Änderung im Umgebungslicht während der Bilderfassung dar.
5 stellt Änderungen in den Beträgen elektrischer Ladung dar, die sich aus einer Bewegung des Objekts, einer Änderung im Umgebungslicht und dergleichen ergeben.
6 ist ein Histogramm, welches eine Dispersion von Abstandswerten für dieselben Punkte darstellt, für die eine Abstandsmessung durchgeführt wird, aufgrund der Effekte von weißem Rauschen, Quantisierungsfehler und dergleichen.
7 stellt eine Matrix von Genauigkeitsdaten für Bilderfassungspixel dar, welche der Pixelanordnung entspricht.
8 stellt Abstandsdaten mit ausgegebenen einzelnen Werten dar.
9 ist ein Graph, der eine Dispersion von Abständen darstellt.
10 ist eine Tabelle, die ein Beispiel einer Abstandskorrektur auf der Grundlage von Genauigkeit darstellt.

Ausführliche Beschreibung
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unten mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben. Gleiche oder ähnliche Merkmale sind durch die Zeichnungen hindurch mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Die unten beschriebenen Ausführungsformen beschränken weder den technischen Rahmen der Erfindung, der durch die Ansprüche definiert ist, noch die Bedeutung der darin verwendeten Begriffe.
1 ist ein Blockdiagramm einer Abstandsmessvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Die Abstandsmessvorrichtung 10 ist zum Beispiel eine TOF-Kamera, welche den Abstand zu einem Objekt O durch ein Phasenunterschied-Verfahren misst und einen Lichtemissionsabschnitt 11 umfasst, der Messlicht L1 emittiert, das zu dem Zielraum gestrahlt wird, der gemessen werden soll, einen Lichtempfangsabschnitt 12, der einfallendes Licht L2 von dem Zielraum empfängt, der gemessen werden soll, und einen Abstandsberechnungsabschnitt 13, der den Abstand zu dem Objekt O in dem Zielraum berechnet, der gemessen werden soll.
Der Lichtemissionsabschnitt 11 umfasst eine Lichtquelle, zum Beispiel eine Licht emittierende Diode (LED) oder eine Laserdiode (LD), die NIR-Licht emittiert, und der Lichtemissionsabschnitt 11 emittiert Messlicht L1, das in Übereinstimmung mit einem Lichtemissionsabschnitt-Zeitsignal mit einer bestimmten Periode intensitätsmoduliert ist, das von einem Lichtemissions- und Bilderfassungs-Zeitsteuerabschnitt 14 empfangen wird. Das modulierte Messlicht L1 kann eine Sinuswelle oder eine Rechteckwelle sein. Das Messlicht L1 wird von einer Streuscheibe 15 gestreut und zu dem Zielraum gestrahlt, der gemessen werden soll.
Der Lichtempfangsabschnitt 12 umfasst einen Bildsensor, wie beispielsweise einen CCD oder einen CMOS, der mit einem NIR-Filter versehen ist und einfallendes Licht L2 durch ein optisches System 16 empfängt, das eine Sammellinse und dergleichen umfasst. Das einfallende Licht L2 schließt Umgebungslicht zusätzlich zu dem Messlicht ein, das an dem Objekt O reflektiert wird. Der Lichtempfangsabschnitt 12 umfasst lichtempfindliche Elemente 17, die in Reaktion auf das einfallende Licht L2 elektrische Ladungen speichern, wobei jedes der lichtempfindlichen Elemente 17 einem Pixel entspricht. Die lichtempfindlichen Elemente 17 umfassen zum Beispiel Photodioden und Kondensatoren und speichern elektrische Ladungen für eine bestimmte Bilderfassungs-Zeitdauer zu mehreren Bilderfassungs-Zeiten, die jeweils um bestimmte Phasen von dem Zeitpunkt des Emittierens des Messlichts L1 in Übereinstimmung mit Bilderfassungs-Zeitsignalen von dem Lichtemissions- und Bilderfassungs-Zeitsteuerabschnitt 14 verzögern.
2 ist ein Zeitablaufdiagramm, welches ein Beispiel eines Lichtemissionsabschnitt, Zeitablaufs und eines Bilderfassungs-Zeitablaufs der Abstandsmessvorrichtung 10 darstellt. Die lichtempfindlichen Elemente 17 speichern elektrische Ladungen Q₁ bis Q₄ zu vier Arten von Bilderfassungs-Zeiten, die in ihrer Phase von dem Zeitpunkt des Emittierens des Messlichts L1 beispielsweise um 0°, 90°, 180° und 270° verschoben sind. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist es die Priorität, eine räumliche Auflösung zu verbessern, und jedes lichtempfindliche Element 17 erfasst Q₁ bis Q₄ der Reihe nach, d. h. seriell durch Erfassen von Bildern zu getrennten Zeiten. Die Periode Tp der Lichtemissionsabschnitt, Pulse, welche von dem Messbereich der Abstandsmessvorrichtung 10 abhängt, wird im Vorhinein bestimmt und beträgt typischerweise einige zehn Nanosekunden. Zum Beispiel ist Tp 67 ns von 10 m = c ×Tp/2 (wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist (3 × 10⁸ m/s)), wenn der Messbereich 10 m ist. Da eine Ausführung einer Bilderfassung nicht ausreichend ist, um ausreichend elektrische Ladungen zu speichern, werden Bildauffassungen aufeinanderfolgend mehrere 1000 Male wiederholt, um elektrische Ladungen in angemessener Menge zu speichern, um Q₁ bis Q₄ zu erfassen. Daher addieren sich die Bilderfassungs-Zeitdauern zum Erfassen von Q₁ bis Q₄ zu mehreren Millisekunden.
3 stellt ein Beispiel der Beträge der elektrischen Ladungen Q₁ bis Q₃ dar, die zu entsprechenden Bilderfassungszeiten Et1 bis Et4 aufgenommen wurden. Es wird angenommen, dass das Messlicht L1 mit einer Modulationsperiode Tp von dem Zeitpunkt des Emittierens des Messlichts an intensitätsmoduliert ist. In einer idealen Bilderfassung ohne Fehler erfüllen die elektrischen Ladungsbeträge Q₁ bis Q₄ die Beziehung, die in der folgenden bekannten Gleichung beschrieben ist, aufgrund der Phasenbeziehung zwischen den vier Bilderfassungszeiten Et1 bis Et4. Hierbei ist D ein Unterschied zwischen der Summe des ersten elektrischen Ladungsbetrags Q₁ und des dritten elektrischen Ladungsbetrags Q₃ und der Summe des zweiten elektrischen Ladungsbetrags Q₂ und des vierten elektrischen Ladungsbetrags Q₄. $D = | (Q_{1} + Q_{3}) - (Q_{2} + Q_{4}) | = 0$
Mit erneutem Bezug auf 1 werden die Spannungswerte der elektrischen Ladungsbeträge Q₁ bis Q₄ in dem Lichtempfangsabschnitt 12 von dem Verstärkungsabschnitt 20 verstärkt, von einem A/D-Umwandlungsabschnitt 21 A/D-umgewandelt und in einem Pufferspeicher 22 gespeichert, nachdem die Lichtemission und die Bilderfassung für eine vorgegebene Anzahl von Wiederholungen in Übereinstimmung mit Lichtemissions-Zeitsignalen und Bilderfassungs-Zeitsignalen von dem Lichtemissions- und Bilderfassungs-Zeitsteuerabschnitt 14 ausgeführt wurden.
Der Sättigungs-Bestimmungsabschnitt 23 bestimmt, dass eine Sättigung erfolgt ist, wenn ein beliebiger der Werte der elektrischen Ladungsbeträge Q₁ bis Q₄, die in dem Pufferspeicher 22 gespeichert und aus diesem ausgelesen sind, einen vorgegebenen Wert übersteigt, und gibt das Bestimmungsergebnisse an den Abstandsberechnungsabschnitt 13 für jeden Pixel und für jede Ausführung der Bilderfassung aus.
Der Lichtintensitäts-Berechnungsabschnitt 24 berechnet eine Lichtempfangs-Intensität I für jeden Pixel und für jede Ausführung der Bilderfassung auf der Grundlage der Werte der elektrischen Ladungsbeträge Q₁ bis Q₄, die in dem Pufferspeicher 22 gespeichert und aus diesem ausgelesen sind. Die Lichtempfangs-Intensität I wird beispielsweise anhand der folgenden bekannten Gleichung berechnet. Die berechneten Lichtintensitätsdaten werden in einem Pufferspeicher 28 gespeichert. $I = \frac{\sqrt{{(Q_{1} - Q_{3})}^{2} + {(Q_{2} - Q_{4})}^{2}}}{2}$
Wenn die Lichtempfangs-Intensität I unter einem vorbestimmten Wert liegt, bestimmt ein Lichtintensitäts-Unzulänglichkeits-Bestimmungsabschnitt 25, dass die Lichtintensität unzureichend ist, und gibt das Bestimmungsergebnisse für jeden Pixel und für jede Ausführung der Bilderfassung an den Abstandsberechnungsabschnitt 13 aus. Es ist zu beachten, dass es auch eine Methode gibt, in welcher die Bestimmung der Unzulänglichkeit der Lichtintensität darauf beruht, ob sämtliche der Werte der elektrischen Ladungsbeträge Q₁ bis Q₄, die in dem Pufferspeicher 22 gespeichert und aus diesem ausgelesen sind, unterhalb eines vorgeschriebenen Werts liegen.
Ferner können sich, wie in 4 dargestellt ist, die reflektierte Lichtmenge und die empfangene Lichtmenge aufgrund externer Faktoren wie beispielsweise einer Bewegung des Objekts und einer Änderung im Umgebungslicht während der Bilderfassungs-Zeitdauer ändern. 5 stellt Änderungen in den elektrischen Ladungsbeträgen Q₂ bis Q₄ dar, die von einer Erhöhung der reflektierten Lichtmenge und der empfangenen Lichtmenge aufgrund einer Bewegung des Objekts, einer Änderung im Umgebungslicht und dergleichen während der Ausführung der Bilderfassung zu den Bilderfassungszeiten Et2 bis Et4.
Ferner werden in der Abstandsmessvorrichtung 10 die elektrischen Ladungsbeträge Q₁ bis Q₄ und ihre ausgelesenen Werte von weißem Rauschen, Quantisierungsfehlern aufgrund einer A/D-Umwandlung und dergleichen gemäß der Theorie von Abstandsmessungen beeinträchtigt, was zu einer zufällig verteilten Dispersion von Abstandswerten führt. 6 ist ein Histogramm, das eine Dispersion von Abstandswerten für denselben Punkt darstellt, für den eine Abstandsmessung durchgeführt wird, aufgrund der Effekte von weißem Rauschen, Quantisierungsfehlern und dergleichen.
Um sich hiermit zu befassen, umfasst die Abstandsmessvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, wie in 1 dargestellt ist, einen Genauigkeitsberechnungsabschnitt 26, der die Genauigkeit des Abstands für jeden Pixel und für jede Ausführung einer Bilderfassung auf der Grundlage einer Beziehung zwischen den elektrischen Ladungsbeträgen in einer idealen Bilderfassung ohne Fehler und einer Beziehung zwischen den tatsächlich erfassten elektrischen Ladungsbeträgen Q₁ bis Q₄ berechnet. Wie die anderen in 1 dargestellten Berechnungsabschnitte kann der Genauigkeitsberechnungsabschnitt 26 beispielsweise Software zum Veranlassen eines Prozessors, wie beispielsweise einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), eines Computers sein, um zu funktionieren. Alternativ kann der Genauigkeitsberechnungsabschnitt 26 zum Beispiel als Hardware umgesetzt sein, wie beispielsweise als ein Prozessor, der in der Lage ist, zumindest einen Teil der Verarbeitung auszuführen, die von der Software durchgeführt wird.
Der Genauigkeitsberechnungsabschnitt 26 berechnet die Genauigkeit zum Beispiel anhand der folgenden Gleichung. Hierbei ist D der Unterschied zwischen der Summe des ersten elektrischen Ladungsbetrags Q₁ und des dritten elektrischen Ladungsbetrags Q₃ und der Summe des zweiten elektrischen Ladungsbetrags Q₂ und des vierten elektrischen Ladungsbetrags Q₄, wie oben beschrieben wurde, I ist die Lichtempfangs-Intensität wie oben beschrieben wurde, h ist ein Korrekturfaktor, der auch verwendet wird, um die Genauigkeit in Prozent auszudrücken, und e repräsentiert andere Fehler, die angesichts struktureller Fehler, Komponenteneigenschaften, Temperatureigenschaften, Verschlechterung durch Altern, Umweltbedingungen und dergleichen erwartet werden (d. h. eine Bandbreite). Es ist nicht unverzichtbar, e an dieser Stelle hinzuzufügen, und e können deutlich in der Spezifikation der Abstandsmessvorrichtung c angegeben sein, um es dem Benutzer der Abstandsmessvorrichtung zu gestatten, die Addition vorzunehmen, wenn dies erforderlich ist. $P = h \frac{D}{I} + e$
Da die Skalierung des Unterschieds D sich in Abhängigkeit von der Helligkeit der Umgebung der Bilderfassung ändert, wird die Skalierung des Unterschieds D durch die Verwendung der Lichtempfangs-Intensität I in der Berechnung der Genauigkeit P verwendet. Ferner ist e eine vorgegebene Konstante, die größer ist als 0. Da der Unterschied D in einer idealen Beziehung zwischen den elektrischen Ladungsbeträgen 0 ist, drückt die Genauigkeit P einen Grad einer Abweichung aus, wobei eine Genauigkeit näher an 0 eine große Genauigkeit repräsentiert, und wobei eine Genauigkeit P, die weiter von 0 entfernt liegt, eine geringe Genauigkeit repräsentiert. In einer anderen Ausführungsform kann die Genauigkeit P einen Grad eines Normalzustands ausdrücken. Die Genauigkeit P kann in Prozent berechnet werden. Die berechneten Genauigkeitsdaten werden in dem Pufferspeicher 28 gespeichert.
7 stellt eine Matrix von Genauigkeitsdaten für Bilderfassungs-Pixel dar, die der Pixelanordnung entsprechen. Mit derartigen Genauigkeitsdaten ist es möglich, zu erkennen, dass die Genauigkeit nicht nur an Pixeln mit Sättigung oder unzureichender Einwirkung der Lichtintensität niedrig ist, sondern auch an Pixeln, die von weißem Rauschen, einer Bewegung des Objekts, einer Änderung im Umgebungslicht oder dergleichen beeinträchtigt sind. In anderen Worten kann der Entwickler einer Anwendung den Fehler für jeden Pixel und für jede Ausführung einer Bilderfassung auf der Grundlage derartiger Genauigkeitsdaten erkennen, was zum Verbessern der Genauigkeit der Anwendungen für eine Objekterkennung, Formerkennung und dergleichen hilfreich ist. Beispiele bestimmter Anwendungen schließen die Erkennung einer Flusslinie eines Menschen, Gestenerkennung und ein Zählen ankommender und abreisender Besucher ein.
Die Abstandsmessvorrichtung 10 umfasst ferner einen Genauigkeitsbestimmungsabschnitt 27, der bestimmt, dass die Genauigkeit unzureichend ist, wenn die Genauigkeit P eine vorbestimmte Genauigkeit nicht erfüllt, und der das Bestimmungsergebnis an den Abstandsberechnungsabschnitt 13 für jeden Pixel und für jede Ausführung einer Bilderfassung ausgibt. Ob die Genauigkeit unzureichend ist oder nicht wird zum Beispiel durch Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt, in der k eine vorgegebene Konstante ist, die größer ist als 0. $P > k$
Der Abstandsberechnungsabschnitt 13 berechnet den Abstand zu einem Objekt in der Beobachtungsrichtung für jeden Pixel und für jede Ausführung einer Bilderfassung auf der Grundlage der Werte der elektrischen Ladungsbeträge Q₁ bis Q₄, die in dem Pufferspeicher 22 gespeichert und aus diesem ausgelesen sind. Der Abstand L wird zum Beispiel anhand der folgenden bekannten Gleichung berechnet, in welcher Td ein Phasenunterschied wie oben beschrieben ist, c die Lichtgeschwindigkeit wie oben beschrieben ist, und f eine Frequenz ist. $T d = arctan (\frac{Q_{2} - Q_{1}}{Q_{1} - Q_{5}})$
$L = \frac{c}{4 π ƒ} T d$
Ferner gibt der Abstandsberechnungsabschnitt 13 anstelle eines Abstands einen einzelnen Wert (zum Beispiel 9999) aus, der Sättigung anzeigt, einen einzelnen Wert (zum Beispiel 9998), der eine Unzulänglichkeit der Lichtintensität anzeigt, und einen einzelnen Wert (zum Beispiel 9997), der eine Mangelhaftigkeit der Genauigkeit anzeigt, in Reaktion auf die Bestimmungsergebnisse, die von den oben beschriebenen drei Bestimmungsabschnitten ausgegeben werden, d. h. von dem Sättigungsbestimmungsabschnitt 23, dem Lichtintensitäts-Unzulänglichkeits-Bestimmung Abschnitt 25 und dem Genauigkeitsbestimmungsabschnitt 27. Es ist zu beachten, dass der Abstandsberechnungsabschnitt 13 die Berechnung des Abstands L unterlässt, wenn er einen einzelnen Wert auf der Grundlage eines derartigen Bestimmungsergebnisses ausgibt. Die Abstandsdaten werden mit dem ausgegebenen einzelnen Wert in dem Pufferspeicher 28 gespeichert.
8 stellt Abstandswerte mit ausgegebenen einzelnen Werten dar. Derartige Abstandswerte verhindern, dass ein falscher Abstand L ausgegeben wird, da dann, wenn die Genauigkeit unzureichend ist, ein einzelner Wert anstelle eines Abstandswerts L ausgegeben wird, der die Mangelhaftigkeit der Genauigkeit anzeigt (9997). Ferner kann der Entwickler einer Anwendung auf der Grundlage des einzelnen Werts die Art unter den neu hinzugefügten Arten von Fehlern in Abstandsmessungen erkennen (Fehler in Abstandsmessungen aufgrund weißen Rauschens, einer Bewegung des Objekts, einer Änderung im Umgebungslicht, Quantisierungsfehlern aufgrund einer A/D-Umwandlung und dergleichen).
Mit erneutem Bezug auf 1 gibt ein Ausgabesteuerabschnitt 29 Lichtintensitäts-Bilddaten, Abstands-Bilddaten und Genauigkeits-Bilddaten an eine Anwendung 30 auf der Grundlage der drei Sätze von Daten aus, die in dem Pufferspeicher 28 gespeichert sind, d. h. auf der Grundlage der Lichtintensitätsdaten, der Abstandsdaten und der Genauigkeitsdaten.
Die Abstandsmessvorrichtung 10 kann auch einen Abstandskorrekturabschnitt 31 umfassen, welcher den Abstand L auf der Grundlage der Genauigkeitsdaten und der Abstandsdaten korrigiert, die in dem Pufferspeicher 28 gespeichert sind. Der Abstandskorrekturabschnitt 31 kann den Abstand durch eine Bildverarbeitung wie beispielsweise einen Durchschnittfilter und einen Medianfilters um den Pixel mit unzureichender Genauigkeit herum korrigieren. Alternativ kann der Abstandskorrekturabschnitt 31 den Abstand durch Berechnen des gewichteten Durchschnitts der Abstandswerte korrigieren, die aus mehreren der Ausführungen der Abstandsmessung an einem Pixel oder aus mehreren der Abstandswerte an mehreren der Pixel in der Umgebung erhalten sind, wobei die Abstandswerte entsprechend mit dem Inversen der Genauigkeit der Abstandswerte gewichtet sind.
9 ist ein Graph, der eine Dispersion von Abständen darstellt, und 10 ist eine Tabelle, die ein Beispiel einer Abstandskorrektur auf der Grundlage der Genauigkeit darstellt. 9 stellt Abstandswerte eines 1000 mm entfernten ausgesetzten Objekts dar, die aus zehn Ausführungen von Abstandsmessungen an einem Pixel oder aus zehn Abstandswerten an zehn Pixeln in der Umgebung erhalten sind, sowie entsprechende maximale und minimale Abstandswerte, die anhand der Genauigkeit (die Werte in Prozent unterhalb des Graphen) der Abstandswerte vorhergesagt sind. Ferner listet 10 die Werte der in 9 dargestellten Abstände auf. Der Abstandskorrekturabschnitt 31 berechnet dann den gewichteten Durchschnitt (1000,029 mm) der Abstandswerte, die jeweils mit den Inversen der Genauigkeiten gewichtet sind, und korrigiert die Abstände an einem Pixel oder die Abstände an zehn Pixeln durch Verwendung des gewichteten Durchschnitts.
Dieses Beispiel umfasst zufällig zwei kleine Abstandswerte (980 mm, 970 mm), welche den einfachen Durchschnitt verringern, der sich als etwa 996 mm herausstellt. Im Gegensatz hierzu stellt sich der gewichtete Durchschnitt unter Verwendung der Inversen der Genauigkeit als 1000 mm heraus, wobei der Effekt der Abstandswerte mit geringer Genauigkeit reduziert ist. In anderen Worten ist es möglich, einen Abstand mit einer großen Genauigkeit mit einer kleinen Dispersion zu erfassen.
Gemäß einer derartigen Ausführungsform kann der Entwickler der Anwendung 30 genauere Abstandswerte erfassen, was zu einer Verbesserung der Genauigkeit einer Objekterfassung, Formerfassung und dergleichen der Anwendung führt. Ferner wird die Verarbeitung auf Seiten der Anwendung 30 zum Erhalten einer höheren Genauigkeit vereinfacht. Als Ergebnis wird eine vielseitige Abstandsmessvorrichtung 10 mit höherer Genauigkeit bereitgestellt.

Claims

Abstandsmessvorrichtung (10), umfassend: einen Lichtemissionsabschnitt (11), der ein Emittieren von Messlicht ausführt, das zu einem Zielraum gestrahlt wird, der gemessen werden soll; mehrere lichtempfindliche Elemente (17), die in Reaktion auf einfallendes Licht von dem Zielraum, der gemessen werden soll, elektrische Ladungen speichern; einen Abstandsberechnungsabschnitt (13), der einen Abstand zu einem Objekt in eine Beobachtungsrichtung für jeden Pixel auf der Grundlage von Beträgen elektrischer Ladung berechnet, die jeweils zu mehreren Zeitpunkten in lichtempfindlichen Elementen (17) gespeichert werden, die jeweils um vorgegebene Phasen von einem Zeitpunkt des Emittierens des Messlichts verzögern, wobei die berechneten Abstände von der Abstandsmessvorrichtung ausgegeben werden; und einen Genauigkeitsberechnungsabschnitt (26), der eine Genauigkeit des Abstands für jeden Pixel auf der Grundlage einer Beziehung unter den Beträgen der elektrischen Ladung berechnet, die zu den mehreren Zeitpunkten gespeichert wurden, wobei die berechneten Genauigkeiten von der Abstandsmessvorrichtung ausgegeben werden, wobei der Genauigkeitsberechnungsabschnitt dazu eingerichtet ist, die Genauigkeit auf der Grundlage eines Unterschieds (D) zwischen (Q₁ + Q₃) und (Q₂ + Q₄) zu berechnen, wobei Q₁, Q₂, Q₃, und Q₄ jeweils die Beträge der elektrischen Ladungen zu den vier Arten von Zeitpunkten repräsentieren, und wobei der Genauigkeitsberechnungsabschnitt ferner dazu eingerichtet ist, eine Skalierung des Unterschieds (D) zwischen (Q₁ + Q₃) und (Q₂ + Q₄) durch eine Verwendung einer Lichtempfangs-Intensität (I) des einfallenden Lichts zu ändern.
Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Genauigkeitsberechnungsabschnitt auf der Grundlage eines Unterschieds zwischen den Beziehungen unter den Beträgen der elektrischen Ladung in einer idealen Bilderfassung ohne Fehler und der Beziehung unter den Beträgen der elektrischen Ladung, die tatsächlich erfasst werden, die Genauigkeit berechnet.
Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die lichtempfindlichen Elemente elektrische Ladungen zu den vier Arten von Zeitpunkten speichern, die zu dem Zeitpunkt des Emittierens um 0°, 90°, 180° und 270° verschoben sind.
Abstandsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend einen Genauigkeitsbestimmungsabschnitt (27), der bestimmt, dass die Genauigkeit für einen Pixel unzureichend ist, wenn die Genauigkeit für den Pixel eine vorbestimmte Genauigkeit nicht erfüllt, wobei der Abstandsberechnungsabschnitt, anstelle des berechneten Abstands, für den Pixel, für welchen bestimmt wurde, dass die Genauigkeit unzureichend ist, einen einzelnen Wert ausgibt, der anzeigt, dass die Genauigkeit unzureichend ist.
Abstandsmessvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der einzelne Wert eine Mangelhaftigkeit der Genauigkeit aufgrund zumindest eines von weißem Rauschen, einer Bewegung des Objekts, einer Änderung eines Umgebungslichts und einem Quantisierungsfehler aufgrund einer A/D-Wandlung anzeigt, die auftreten, während die elektrischen Ladungen gespeichert werden.
Abstandsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend einen Abstandskorrekturabschnitt (31), der den Abstand auf der Grundlage der Genauigkeit korrigiert.
Abstandmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Genauigkeitsberechnungsabschnitt die Genauigkeit anhand folgender Formel berechnet: $P = h (D / I)$
wobei D der Unterschied zwischen (Q₁ + Q₃) und (Q₂ + Q₄) ist, I die Lichtempfangs-Intensität ist, und h ein Korrekturfaktor ist.
Abstandmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Genauigkeitsberechnungsabschnitt die Genauigkeit anhand folgender Formel berechnet: $P = h (D / I) + e$
wobei D der Unterschied zwischen (Q₁ + Q₃) und (Q₂ + Q₄) ist, I die Lichtempfangs-Intensität ist, h ein Korrekturfaktor ist, und e andere Fehler, die angesichts struktureller Fehler, Komponenteneigenschaften, Temperatureigenschaften, Verschlechterung durch Altern, oder Umweltbedingungen erwartet werden, repräsentiert.