JP2006322759A - 光センサ及びこれを用いた物体検出装置と光通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 外乱光の影響を容易に排除することが可能な光センサと、この光センサを用いた物体検出装置、光通信装置を提供する。
【解決手段】 光センサ１は、ＰＮ符号を発生する変調部２Ａと光源２Ｂを備えた発光部２と、複数の光電変換素子がマトリクス状に配列され光源２Ｂから投光された変調光ａを受光して電気信号に変換するイメージ検出部３と、変調光ａと同一のＰＮ符号を用いて各光電変換素子の受光出力毎に逆拡散処理して外乱光の影響が排除された受光出力を抽出する相関処理部４とを備えて構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、変調光を利用した光通信や物体検出に好適な光センサ及びこの光センサを用いた物体検出装置と光通信装置に関し、特に、容易に外乱光の影響を排除できるようにした光センサ及びこの光センサを用いた物体検出装置と通信装置に関する。

従来から、変調光を利用して情報通信する光通信装置（例えば、特許文献１参照）や、変調光を利用して画像センサにより物体検出する物体検出装置（例えば、特許文献２参照）が提案されている。
従来のこの種の光通信装置に用いられる光センサでは、通信距離が長いような場合、通信相手の光源だけが検出領域に存在するよう指向性を狭く設定することにより、通信相手の光源の光だけを受光できるようにしている。これにより、外乱光の影響で通信相手の光源の光が検出できなくなることを回避している。
また、従来のこの種の物体検出装置の画像センサでは、画像センサの光電変換素子の変換タイミングを変調光と同期させて行い、光電変換されている間の電流を積分して変調光の受光に基づく画像を取入れるようにしている。
特許第３４９９６９４号 特開平１０−２８１８６８号公報

しかしながら、従来の光通信装置の光センサのように指向性を狭く設定すると、光軸を高精度に合わせる必要があり、鉄道車両や自動車等の移動体に適用する場合に、光軸合わせが難しく、少なくとも一方の局が移動局となる光通信システムに適用することが難しいという問題がある。
また、上述した従来の物体検出装置の画像センサのように、受光信号を積分する方式では、他の光源が存在する状況では、他の光源の光（外乱光）によるオフセット分（直流分）を除去できない。この外乱光の影響を排除するためには、画像センサの出力に対して前記オフセット分を除去するための処理が別途必要であり、物体検出のための画像処理が煩雑となる。
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、光軸調整が不要で、且つ、外乱光の影響を容易に排除することが可能な光センサを提供することを目的とする。また、この光センサを用いた物体検出装置と光通信装置を提供することを目的とする。

このため、本発明の請求項１に記載の光センサは、拡散符号で拡散変調した変調光を発光する発光部と、複数の光電変換素子がマトリクス状に配列され前記発光部の変調光に基づく光画像を電気信号に変換する撮像部と、該撮像部の各光電変換素子の受光出力を、前記拡散符号と同一の拡散符号を用いて各光電変換素子毎に逆拡散処理して前記変調光に応じた受光出力のみを抽出する逆拡散処理部とを備えて構成したことを特徴とする。

かかる構成では、発光部から拡散符号で拡散変調した変調光を発光し、光電変換素子がマトリクス状に配列された撮像部で発光部からの変調光を受光し、その光画像を電気信号に変換する。逆変換処理部は、変調光の受光に基づく各光電変換素子の受光出力を、発光部の拡散符号と同一の拡散符号を用いた逆拡散処理により各光電変換素毎に互いの相関を演算する。これにより、逆変換処理部から、外乱光のオフセット分（直流分）の取除かれた、変調光に基づく受光出力のみが得られるようになる。

請求項２のように、前記撮像部の各光電変換素子毎に露光調整する露光調整部を備える構成とするとよい。
かかる構成では、それぞれの光電変換素子が受光レベルに応じて露光調整されるので、受光レベルが極端に異なる部位が撮像部に存在する場合でも、それぞれの受光レベルに応じて適正な露光処理が可能になる。

また、本発明の請求項３に記載の物体検出装置は、物体検出対象領域において前記変調光の物体からの反射光を受光して得た前記物体の光画像を電気信号に変換する請求項１又は２に記載の光センサと、該光センサの前記逆拡散処理部の各光電変換素子毎の相関出力に基づいて各光電変換素子毎に前記物体検出対象領域の物体からの反射率を検出し、各光電変換素子毎に前記検出した実際の反射率と予め記憶した前記物体検出対象領域の既存物体からの反射率とを比較し、反射率が異なるときに前記物体検出領域内に既存物体以外の物体ありと判定する物体有無判定部とを備えて構成したことを特徴とする。

かかる構成では、物体有無判定部は、物体検出対象領域に配置した光センサの逆拡散処理部の各光電変換素子毎の相関出力に基づいて、各光電変換素子毎に物体検出対象領域の物体からの反射率を検出する。そして、各光電変換素子毎に検出した実際の反射率と予め記憶した物体検出対象領域の既存物体からの反射率とを比較し、反射率が異なるときに物体検出領域内に既存物体以外の物体ありと判定する。

また、本発明の請求項４に記載の光通信装置は、前記発光部の発光する前記変調光を直接受光して得た前記発光部の光画像を電気信号に変換する請求項１又は２に記載の光センサと、該光センサの前記逆拡散処理部の各光電変換素子毎の相関出力に基づいて前記発光部の位置を特定する位置特定部と、該位置特定部で特定した発光部の前記変調光に含まれる送信情報を抽出する情報抽出部とを備えて構成したことを特徴とする。

かかる構成では、位置特定部により、光センサの逆拡散処理部の各光電変換素子毎の相関出力に基づいて、光センサの撮像部における発光部の撮像位置から発光部の位置を特定する。そして、情報抽出部は、位置特定部で特定した発光部の変調光に含まれる送信情報を抽出する。

以上説明したように本発明の光センサによれば、発光部から投光する光を拡散符号により拡散処理した変調光とし、この変調光の受光側で逆拡散処理するので、受光出力に対する外乱光の影響を容易に取除くことができる。従って、光センサの出力に対して別途外乱光の影響を取除くための処理を施す必要がない。また、撮像部の各光電変換素子毎に露光時間を制御する露光調整部を設けることにより、撮像部の一部に極めて明るい外乱光が照射した場合でも、暗い部分が撮像できないという問題がなく、変調光の受光に基づく画像を確実且つ良好に撮像できる。また、発光部からの変調光を２次元の撮像部で画像として受光するので、光通信装置に適用した場合に光軸合わせの必要がなく、光通信装置を移動体の光通信システムに適用することが容易である。

本発明の物体検出装置によれば、光センサにより容易に外乱光の影響を排除できるので、従来の画像センサを用いる物体検出装置と比較して簡素な構成で、画像による物体検出が可能になる。

本発明の光通信装置によれば、発光部からの変調光を２次元の撮像部で画像として受光するので、発光側と受光側との間の光軸調整の必要がなく、移動体通信装置に適用する場合に、光軸調整機構を設ける必要がなく、簡素な構成で容易に移動体光通信装置に適用できるようになる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る光センサの一実施形態を示す構成図である。
図１において、本実施形態の光センサ１は、発光部２と、撮像部としてのイメージ検出部３と、逆拡散処理部としての相関処理部４と、露光調整部５とを備えて構成される。

前記発光部２は、拡散符号として例えば擬似ランダム符号であるＰＮ符号により拡散変調した変調光を発光するもので、変調部２Ａと光源２Ｂを備える。変調部２Ａは、拡散符号として例えばＰＮ符号を発生するＰＮ符号発生器からなり、光源２Ｂの発光する光を拡散変調する。光源２Ｂは、ＬＥＤやレーザ光源等変調に適した光源であり、変調部２Ａから発生するＰＮ符号で変調された変調光ａを外部に投光する。

前記イメージ検出部３は、発光部２からの変調光ａ或いは変調光ａの物体からの反射光ｂを受光して電気信号に変換するＮ個の光電変換素子がマトリクス状（Ｎ＝ｎ×ｍ個）に配列され、変調光に基づく光画像を電気画像信号に変換する。光電変換素子としては、例えばフォトダイオード、ＣＭＯＳ等を使用すればよい。

前記相関処理部４は、イメージ検出部３のＮ個の光電変換素子の各受光出力を、変調光ａと同じ拡散符号で各光電変換素子毎に逆拡散処理して変調光に基づく受光出力のみを抽出するものであり、変調部２ＡのＰＮ符号の発生タイミングに同期して同一のＰＮ符号を発生し、イメージ検出部３のＮ個の光電変換素子の各受光出力と発生するＰＮ符号との相関値を演算し、各光電変換素子毎の相関値出力を発生する。
前記露光調整部５は、イメージ検出部３の露光調整を行うもので、各光電変換素子毎に露光を調整する。

次に、光センサ１の動作を説明する。
変調部２ＡからＰＮ符号を発生して光源２Ｂの光を拡散変調し、発光部２から変調光ａを投光する。この変調光ａ或いはその反射光ｂをイメージ検出部３が受光すると、露光調整部５により各光電変換素子の受光レベルに応じて各光電変換素子毎に露光時間が制御され、各光電変換素子から受光レベルに応じた電気信号が相関処理部４３に出力される。相関処理部４は、変調部２ＡのＰＮ符号発生タイミングに同期して同一のＰＮ符号を発生し、光電変換素子から出力された電気信号を各光電変換素子毎に逆拡散処理して相関値を演算する。この逆拡散処理により外乱光によるオフセット分（直流分）が除去される。従って、外乱光によるオフセット分（直流分）を除去するための処理部を別途設けることなく、受信した変調光のみにより画像信号を光センサから直接出力することができる。

ここで、相関処理部４の拡散処理により外乱光の影響が除去されることについて説明する。
図２は、ＰＮ符号で拡散変調した変調光波形ｐ（ｔ）の例と、この変調光の受光に基づくイメージ検出部３の光電変換素子の受光出力波形ｒ（ｔ）を示す。変調光波形ｐ（ｔ）は、発光レベルの高レベルがｐ（ｔ）＝１に相当し、発光レベルの低レベルがｐ（ｔ）＝−１に相当する。従って、ｓ０を変調光の発光レベルの平均値とすると、発光レベルｓ０＋Δｓはｐ（ｔ）＝１に相当し、発光レベルｓ０−Δｓはｐ（ｔ）＝−１に相当する。そして、受光出力波形ｒ（ｔ）は、発光レベルｓ０＋Δｓのときの受光レベルを（ｒ０＋Δｒ（ｔ）δ）とし、発光レベルｓ０−Δｓのときの受光レベルを（ｒ０−Δｒ′（ｔ）δ）とする。ここで、δは物体の反射率である。

相関処理部４の逆拡散処理では、イメージ検出部２から出力される受光出力波形に変調光と同一のＰＮ符号を乗算して相関値が演算される。
今、イメージ検出部２から出力される受光出力波形が外乱光が存在しない図２のような波形ｒ（ｔ）とすると、この波形ｒ（ｔ）にｐ（ｔ）を乗算して相関値Ｒを演算すると、下記の数１の（１）式のようになる。ここで、∫ｐ(t)＝０である。

一方、イメージ検出部３から出力される受光出力波形に外乱光が存在する場合、外乱光をｎ（ｔ）とすると、イメージ検出部３から出力される受光出力波形は（ｒ（ｔ）＋ｎ（ｔ））と表せる。従って、この時の相関値Ｒは、数２の（２）式のようになる。

∫ｐ(t)＝０であるので、（２）式の相関値は（１）式の外乱光の存在しない場合の相関値と等しい。即ち、相関処理部４で拡散処理することにより外乱光のオフセット分（直流分）が除去され、外乱光の影響が取除かれた変調光のみの受光出力が光センサ１から得られる。

かかる本実施形態の光センサ１によれば、発光部２から投光する光をＰＮ符号により拡散処理した変調光ａとし、この変調光ａ或いはその反射光ｂによるイメージ検出部３からの受光出力を逆拡散処理するようにしたので、光センサ１から外乱光（変調光ａ或いはその反射光ｂ以外の他の光）の影響を取除いた受光出力を直接得ることができ、光センサの出力に対して別途外乱光の影響を取除くための処理を施す必要がない。

また、発光部２からの変調光ａを２次元のイメージ検出部３で受光するので、従来の光通信装置に用いる光センサのように、光軸を高精度に合わせる必要がなく、移動体と固定局及び移動体間の光通信システムに適用することが可能となる。
また、露光調整部５により、イメージ検出部３の各光電変換素子毎に露光時間を制御するようにしたので、例えばイメージ検出部３の一部に極めて明るい外乱光が照射し、イメージ検出部３の受光面に受光レベルの極端な差が生じても、暗い部分が撮像できないという問題がなく、発光部２からの変調光に基づく画像を確実且つ良好に撮像することができる。

次に、上述した本発明の光センサを用いた本発明の物体検出装置について説明する。
図３に、本発明に係る物体検出装置の一実施形態を示す構成図を示す。尚、図１と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図３において、本実施形態の物体検出装置は、図１の光センサ１と、物体有無判定部１０とを備えて構成される。

前記光センサ１は、物体検出対象領域として例えば室内において既存物体以外の物体１１を検出するものであり、例えば、発光部２の光源２Ｂを室内の天井等に配置し、イメージ検出部３を室内の予め定めた監視領域が撮像できる部位に配置するようにして室内に設置する。
前記物体有無判定部１０は、光センサ１の相関処理部４の各光電変換素子毎の相関出力に基づいて各光電変換素子毎に物体検出対象領域である室内の物体からの反射率を検出し、各光電変換素子毎に検出した実際の反射率と予め記憶した室内の既存物体からの反射率とを比較し、反射率が異なるときに室内に既存物体以外の物体１１ありと判定するものである。

次に、本実施形態の物体検出装置の物体検出動作を説明する。
光センサ１の発光部２の光源２Ｂから、前述のようにしてＰＮ符号により拡散変調された変調光ａを室内に照射する。今、物体検出対象領域の室内の既存物体であるフロア１２に、既存物体以外の物体１１が存在するものとすると、変調光ａは物体１１やフロア１２で反射され、その反射光ｂが光センサ１のイメージ検出部３で受光され、その受光出力が前述のように各光電変換素子毎に相関処理部４で逆拡散処理された相関値出力が物体有無判定部１０に出力される。ここで、物体有無判定部１０に入力する相関値出力は、外乱光の影響が排除された変調光ａのみに応じたものである。

物体有無判定部１０では、入力する各光電変換素子毎の相関値出力に基づいて前述の数１の（１）式から各光電変換素子毎に実際の反射率を知ることができ、予め記憶されている既存物体の反射率と比較する。図３の場合、フロア１２の反射光ｂに基づく相関値出力がＲ０で、物体１１の反射光ｂに基づく相関値出力がＲ１とすると、フロア１２の反射率と物体１１の反射率が異なれば、前記（１）式から相関値出力Ｒ０と相関値出力Ｒ１が異なり、室内の既存物体であるフロア１２上に物体１１が存在することを検出できる。

かかる構成の本実施形態の物体検出装置によれば、画像センサ出力が既に外乱光の影響が除去された出力となっているため、外乱光を排除するための処理部を別途設ける必要がなく、従来の画像センサを用いる物体検出装置と比較して簡素な構成で、画像による物体検出が可能になる。

尚、上述の実施形態では室内の物体検出例について説明したが、本発明の物体検出装置は、物体検出対象領域が移動するような場合でも適用できることは言うまでもない。例えば、列車の前部に配置し、列車前方を監視することも可能である。この場合、例えば予め列車の走行区間の前方画像データを記録しておき、列車走行時の実際の画像データと記憶画像データを比較すれば、列車前方における異物の有無の監視ができる。

次に、上述した本発明の光センサを用いた本発明の光通信装置について説明する。
図４に、本発明に係る光通信装置の一実施形態を示す構成図を示す。尚、図１と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図４において、本実施形態の光通信装置は、図１の光センサ１と、位置特定部２１と、情報抽出部２２とを備えて構成される。

前記光センサ１は、発光部２−１，２−２の変調部２Ａと相関処理部４が例えばそれぞれ基準時間を取得して互いに同期して動作するように構成され、イメージ検出部３は発光部２−１，２−２からの各変調光ａを直接受光してその光画像を電気信号に変換する。
前記位置特定部２１は、光センサ１の相関処理部４の各光電変換素子毎の相関値出力に基づいて、２次元のイメージ検出部３上の変調光ａの受光位置を検出して目的とする通信相手の発光部２の位置を特定する。
前記情報抽出部２２は、位置特定部２１で特定した発光部２の変調光ａに含まれる送信情報を抽出するものである。

次に、本実施形態の光通信装置の動作を、列車側で前方の信号灯の情報を読取る場合の例で説明する。
この場合、発光部２−１，２−２が車両前方の信号灯であり、イメージ検出部３、相関処理部４、露光調整部５、位置特定部２１及び情報抽出部２２を車両側に搭載する。
各発光部２−１，２−２は、予め互いの識別情報としてＩＤ番号ＩＤ１，ＩＤ２が与えられており、このＩＤ番号を含んだ情報を変調光ａとして送信する。イメージ検出部３は、これら変調光ａを直接受光すると、前述のようにして相関処理部４で各光電変換素子毎の受光出力を逆拡散処理して各相関値を演算する。この場合、例えばイメージ検出部３で図５のように各変調光ａの受光により発光部２−１，２−２の光学画像が得られたとすれば、各受光領域周辺の各光電変換素子から相関値出力が得られる。位置特定部２１は、相関処理部４の各相関値出力を取入れ、取入れた相関値出力に基づいてイメージ検出部３における受光位置を検出し、受光した発光部２−１，２−２のうちの情報を得たい目的とする通信相手の発光部の位置を特定する。位置特定部２１で特定した発光部の位置情報は情報抽出部２２に送られ、情報抽出部２２はその相関値出力に基づいて情報（例えば信号灯の表示情報等）を取得する。その後は、特定した通信相手の発光部の変調光ａが受光されている受光領域周辺に限定して、イメージ検出部３の出力の相関処理を行うことで、相関処理を効率化できる。

かかる構成の本実施形態の光通信装置によれば、外乱光の影響を容易に排除できる。また、発光部からの変調光ａを２次元のイメージ検出部３で光画像として受光するので、従来のように発光側と受光側とで光軸を合わせる必要がなく、高精度な光軸調整が不要である。従って、移動体通信装置に適用する場合に、高精度な光軸調整機構が不要となり、移動体光通信装置の構成を簡素化でき、光通信装置への適用が容易となる。

本発明に係る光センサの一実施形態を示す構成図 ＰＮ符号で拡散変調した変調光とその受光出力の例を示す波形図 本発明に係る物体検出装置の一実施形態を示す構成図 本発明に係る光通信装置の一実施形態を示す構成図 イメージ検出部における発光部の受光状態の説明図

符号の説明

１ 光センサ
２ 発光部
２Ａ 変調部
２Ｂ 光源
３ イメージ検出部
４ 相関処理部
５ 露光調整部
１０ 物体有無判定部
１１ 物体
１２ フロア（既存物体）

Claims (4)

1. 拡散符号で拡散変調した変調光を発光する発光部と、
   複数の光電変換素子がマトリクス状に配列され前記発光部の変調光に基づく光画像を電気信号に変換する撮像部と、
   該撮像部の各光電変換素子の受光出力を、前記拡散符号と同一の拡散符号を用いて各光電変換素子毎に逆拡散処理して前記変調光に応じた受光出力のみを抽出する逆拡散処理部と、
   を備えて構成したことを特徴とする光センサ。
2. 前記撮像部の各光電変換素子毎に露光調整する露光調整部を備える構成とした請求項１に記載の光センサ。
3. 物体検出対象領域において前記変調光の物体からの反射光を受光して得た前記物体の光画像を電気信号に変換する請求項１又は２に記載の光センサと、
   該光センサの前記逆拡散処理部の各光電変換素子毎の相関出力に基づいて各光電変換素子毎に前記物体検出対象領域の物体からの反射率を検出し、各光電変換素子毎に前記検出した実際の反射率と予め記憶した前記物体検出対象領域の既存物体からの反射率とを比較し、反射率が異なるときに前記物体検出領域内に既存物体以外の物体ありと判定する物体有無判定部と、
   を備えて構成したことを特徴とする物体検出装置。
4. 前記発光部の発光する前記変調光を直接受光して得た前記発光部の光画像を電気信号に変換する請求項１又は２に記載の光センサと、
   該光センサの前記逆拡散処理部の各光電変換素子毎の相関出力に基づいて前記発光部の位置を特定する位置特定部と、
   該位置特定部で特定した発光部の前記変調光に含まれる送信情報を抽出する情報抽出部と、
   を備えて構成したことを特徴とする光通信装置。

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