JP2010286307A

JP2010286307A - 画像撮像装置

Info

Publication number: JP2010286307A
Application number: JP2009139262A
Authority: JP
Inventors: Toru Misuno; 徹御簾納; Fumihiro Kanbara; 文博神原
Original assignee: NEC Engineering Ltd
Current assignee: NEC Engineering Ltd
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-24

Abstract

【課題】レーザレーダの測距精度の向上、レーザ光路上に複数の目標が有る場合への対応、および霧・雨等の影響を除去したデータ（画像）の取得。
【解決手段】レーザ照射後、光路上の全ての反射レーザ光の信号レベルをＡ／Ｄ変換器により時系列に取得する。Ａ／Ｄ変換した信号からソフトウエアによる移動平均、ピーク検出処理により受光信号のピークレベルを正確に検知し、精度の高い測距データを得る。また、Ａ／Ｄ変換データ上にある複数のピークを検出することにより、複数目標の距離を測定可能となる。更に、Ａ／Ｄ変換データ上の所定の閾値以上の反射信号強度のみを抽出、表示することにより、霧・雨や背景のデータを削除した画像を表示する。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像撮像、特に複数の撮像目標がある場合や雨・霧等の障害物がある場合に好適な画像撮像に関する。

従来の画像撮像装置は、例えば、図１４に示すように、レーザ光を目標に向けて照射し、反射光をＣＣＤカメラのような蓄光型の素子を使用して測定している。これは、ＣＣＤカメラを使用すれば回路構成が容易であり、また高速な受光回路とＡ／Ｄ変換回路を手ごろな価格で入手することができなかったからでもある。この場合、霧・煙等の影響を取り除いたデータを得るために、レーザ照射のタイミングからＣＣＤカメラのシャッター開／閉するタイミングを調整することにより、目標とする距離からの反射信号のみをＣＣＤカメラに入力するようにしている。しかし、この技術では、目標までの大よその距離が分かっていないと目的の画像を取得できず、目標までの距離を測るため電波レーダが必要である。

また、図１５に示すように、画像フレームまたはフィールド毎に、発光装置からの照射を行い、画像フレームまたはフィールド毎にシャッターを開／閉するためのタイミングをずらした複数のＣＣＤカメラ画像を取得することにより、反射光の強度波形を得るようにした技術が公知である。しかし、このような方法では、近距離から遠距離までの撮像画像を得るためには多数の画像データの取得が必要になる。

また、目標までの距離を測る場合、従来は、目標に向けてレーザを照射し、反射光を入力するまでの時間をカウンタで計測するようにしている（文献公知発明ではない）。しかし、この方法では、図１６に示すように、反射光の強弱とコンパレータのスレッショルドレベルの取り方により、測定距離に誤差が生じることになる。また、複数の目標からの反射光がある場合には、図１７に示すように、手前の反射光でカウンタが停止してしまい、より遠方の目標までの距離を測定できない。

特開2002-162467号公報
特開2005-295442号公報

解決しようとする問題点は、複数の目標の撮像画像を同時に得ることができない点である。

本発明は、複数の目標の撮像画像を同時に得るため、反射信号の強度を積算することなく直接出力して時系列的に取得することを最も主要な特徴とする。時系列的に取得された反射信号は、電気信号、続いてデジタル信号に変換される。そして、デジタル信号に対して適用することでその係数が求められた回帰計算式により、デジタル信号のピークタイミングを算出する。これによって複数の目標それぞれの距離を求めることができる。

具体的には、回帰計算式の係数は、所定の閾値を超え画面表示上の１ピクセルに相当する信号毎に求められ、ピークタイミングが算出される。算出されたピークタイミングにおける回帰計算式の値を当該デジタル信号のピークパワーとして、目標を正しく画像表示することができる。

また、ピークパワーは、ピークタイミングにより求まる目標までの距離によって距離補正することができる。これにより、ピークパワーが距離によって減衰しても、目標を正しく画面表示することができるようになる。

また、反射信号の電気信号への変換は、典型的には、パワーと出力電流の関係がリニアなアバランシェ光ダイオードとアンプを使用することにより行なう。

なお、目標に対する照射光および目標からの反射光は典型的にはレーザ光である。

本発明は、複数の目標からの反射光があっても、全ての目標の撮像が可能であるという第１の利点がある。その理由は、従来はハードウエア回路により反射信号の検出を行っており、複数の目標から反射波が入ってきた場合、２つ目以降の反射波に対応できなかったのに対し、反射信号の全てを直接出力してＡ／Ｄ変換し、反射信号の波形をなぞるような時系列のデータを得ることにより反射波のピークを検出し、距離を出すことが可能となったからである。

また、霧・雨等の効果を除いた画像データを取得可能になったという第２の利点がある。その理由は、従来の画像センサ（ＣＣＤカメラ等）は蓄光型のセンサで、シャッターを開いている間の反射光量の積分値しか得られなかったのに対し、本発明では反射光の距離分布を得ることが可能になり、霧・雨等の目標以外の反射光データを除去可能になったからである。

また、測定距離の精度が向上するという第３の利点もある。その理由は、従来は目標からの反射信号の強弱により、測定距離に大きな誤差があったが、反射信号の全てを直接出力してＡ／Ｄ変換し、信号のピークを得ることにより、反射信号の強弱による測距誤差を大幅に減少させたからである。

本発明の概要を従来技術と対比して説明するための図本発明により雨・霧や背景のデータを除いた反射データの取得を示す図本発明により精度の高い測距データを得ることができことを示す図本発明により複数の目標の距離を測定可能とすることを示す図本発明の画像撮像装置の実施例１を示すブロック図本発明が採用した受光回路の一例を示す回路図本発明におけるＡ／Ｄ変換器の詳細図信号処理部における信号の処理を示すフローチャート画面表示上の１ピクセルに相当するＡ／Ｄ変換データの波形図送光パルスの波形図受光パルスの波形図画面上における画像表示の概念図本発明の画像撮像装置の実施例２を示すブロック図従来技術における画像取得方法の一例を示す図従来技術における画像取得方法の他の例を示す図従来技術における反射信号の強弱による測距誤差を示す図従来技術における手前目標による遠方目標のブラインドを示す図

図１は本発明の概要を従来技術と対比して説明するための図である。図１のように、レーザ装置（またはストロボ等の発光装置）１から目標に向けて照射レーザ光２を発射すると、反射レーザ光３が得られる。反射レーザ光３が従来方式センサ４に入力すると、反射レーザ光３の積算値のみしか得られない。１つの積算値から反射レーザ光３の距離方向の分布を再現することは不可能で、このデータのみでは、霧・煙等の影響を除いたり、複数目標からの反射レーザ光３を識別することはできない。

これに対して、本発明センサ５では、反射レーザ光３の強度を積算することなく直接出力するフォトダイオード等のセンサと高速Ａ／Ｄコンバータを組み合わせることにより、反射レーザ光３の距離分布を再現可能なＡ／Ｄ変換データを得ることができる。そして、取得したＡ／Ｄ変換データの内、所定の閾値を超えるレベルを有するデータのみを得ることが可能になり、雨・霧や背景のデータを除いた反射データを取得することができるようになる（図２）。また、移動平均とピーク検出処理により、Ａ／Ｄ変換データから受光信号のピークレベルを正確に検知し、精度の高い測距データを得ることができる（図３）。更に、取得したＡ／Ｄ変換信号上にある複数のピークを識別することにより、複数の目標の距離を測定可能とする（図４参照)。

図５は本発明の画像撮像装置の実施例１を示す。この装置は、目標200に向けて照射レーザ光を放射するレーザ装置101と、光学系（102〜109）と、目標200からの反射光205を受光して強度に応じた電気信号に変換した受光信号206を出力する受光回路110と、受光信号206をデジタル変換してＡ／Ｄ変換データ207をするＡ／Ｄ変換111と、Ａ／Ｄ変換データ207を処理する信号処理部112とで構成されている。

レーザ装置101は、照射レーザ光201を出力すると同時にレーザ照射のタイミングを示すトリガ信号202をA/D変換器111に出力する。レーザ装置101が放射する照射レーザ光201は、例えば、波長905nm、繰返し周波数1.936Khz、平均出力24Wである。

コリメートレンズ102,103は照射レーザ光201のビーム広がり角を調整し、スキャナミラー104およびスキャナミラー105は、照射レーザ光201が指向される方位・角度に照射されるようにする。スキャナミラー104,105はガルバノスキャナに反射ミラーを搭載したものである。スキャナミラー104は、水平方向に22mradの幅を44Hz周期でスキャンしている。これにより、照射レーザ光201と反射光205の光軸を水平方向に走査し、水平角度情報203を信号処理部112に出力する。スキャナミラー105は、垂直方向に22mradの幅を1Hz周期でスキャンしている。これにより、照射レーザ光201と反射光205の光軸を垂直方向に走査し、垂直角度情報204を信号処理112に出力する。

目標200は任意の反射体であって、照射レーザ光201を反射して反射光205とする。集光レンズ106は反射光202を集める。リレーレンズ107,108は反射光205を受光回路110に導き、干渉フィルタ109は光の帯域を制限する。リレーレンズ107とリレーレンズ108の間には干渉フィルタ109が入っており、905nm帯以外の光を遮断している。

受光回路110は、受光した反射光202を、そのパワーと出力電流の関係がリニアになる光電気変換素子により電気信号に変換し、アナログバッファを介して受光信号206としてＡ／Ｄ変換器111に出力する。本実施例では、図６に示すように、光電気変換素子にアバランシェ光ダイオードを使用し、これに約430ボルトのバイアス電圧を印加することにより、帯域幅50MHz、感度3MV/Wの性能を得ることができる。50MHzの帯域幅により、反射光205の波形を保持した電気信号を出力可能であり、また3MV/Wの感度により、1nW〜1Μwの微弱な反射光205に対してもＡ／Ｄ変換に適合した3mV〜3Vの電圧を出力することが可能である。

Ａ／Ｄ変換器111は、入力した受光信号206のＡ／Ｄ変換を行い、Ａ／Ｄ変換データ207として信号処理部112に出力し、図７に示すように、Ａ／Ｄ変換回路301，制御回路302，デュアルポートのバッファメモリ303およびLVDS_I/F304により構成される。LVDS（Low Voltage Differential Signaling）は、安価で高速な標準画像インターフェースのための電気信号システムとして周知である。

Ａ／Ｄ変換のスタートタイミングはレーザ装置101からのトリガ信号202で決まり、トリガ信号202の入力から8μsの間、2GHzの周期でＡ／Ｄ変換回路301でＡ／Ｄ変換を行い、バッファメモリ303に記録する。例えば、サンプルレートは2GHz,分解能8bit、バッファメモリ303は16kwordで1200m(8μs)分の容量を有する。

Ａ／Ｄ変換回路301は受光信号206のＡ／Ｄ変換を行う。Ａ／Ｄ変換データは、８bitのＡ／Ｄ変換４回分を１つのデータとし32bit幅でバッファメモリ303に保存される。制御回路302は、トリガ信号202を入力すると、Ａ／Ｄ変換を開始するよう変換制御信号をＡ／Ｄ変換回路301に出力する。また、バッファメモリ303へのリード／ライト制御を行う。バッファメモリ303は保存したデータは制御回路302からの指示に従い、LVDS_IF 306を介してＡ／Ｄ変換データ207として信号処理部112に出力する。

信号処理部112はパソコンにソフトウエアを組み込んだものである。Ａ／Ｄ変換器111からのＡ／Ｄ変換データ207、スキャナミラー104からの水平角度情報203、スキャナミラー105からの垂直角度情報204を入力しソフトウエアにより信号の処理を行う。また、レーサ゛照射のレート(1.936kHz)への対応と、Ａ／Ｄ変換データ207、水平角度情報203および垂直角度情報204の同期を確保するため、信号処理部112には信号入力ボードを搭載している。

以上の説明では、コリメートレンズ102,103によりレーザ光のビーム広がりを小さくし、受光回路110の光電気変換素子を１つ使用し、照射レーザ光201および反射光205の指向方向を２つのスキャナミラー104,105で変化させることにより、水平角度情報203，垂直角度情報204および反射光205の電気信号（この３つを面のデータという）を得ている。受光回路110の光電気変換素子を複数平面上に配置すれば、スキャナミラー104,105を排除し、１回のレーザ照射で面のデータを取ることも可能である。

次に、信号処理部112におけるソフトウエアにより行う信号の処理について、図８のフローチャートに沿って説明する。

先ず、画面表示上の１ピクセルに相当するＡ／Ｄ変換データ207をＡ／Ｄ変換器111から取り込む（図８のステップＳ１）。このようなデータの波形の例を図９に示す。図９においては、反射光205対応の受光パルスの他に照射レーザ光201対応の送光パルスも示されている。この送光パルスは、レーザ照射時の強い光が装置内部で受光側に周り込んだもので、送光タイミングに同期して安定して出力されるため、送光の基準タイミングとして使用している。なお、図９の例では１個の受光パルスしかないが、複数の目標がある場合は複数の受光パルスが得られる。

次に、Ａ／Ｄ変換データ207に対応した水平角度情報203と垂直角度情報204を取り込み（図８のステップＳ２）、所定の閾値を超えるデータを切り出す（図８のステップＳ３）。閾値を超えるデータが連続している場合は、データ数が多くなるので、連続したデータを１つの塊として扱う。図９のデータの例から送光パルスの塊と受光パルスの塊を切り出して図１０と図１１に拡張して示す。反射光205の波形は、照射レーザ光201の波形に依存するので、理想的には図１１の波形は図１０の波形と相似形になる。

続いて、切り出したデータの塊毎に、ノイズ成分を取り除いた信波形を得るため、図１１の波形を三次の回帰計算式（１）で再現し、この式の係数ａ〜ｄを求める（図８のステップＳ４）。

係数ａ〜ｄの算出方法は周知であるので説明を省略する。なお、より精密に波形を再現するためには、三次式以上のより高次の回帰計算式を用いるのが良いが、実用上問題ない範囲として、ここでは三次式を採用した。

係数ａ〜ｄが求められた回帰計算式によりピークタイミングを計算する（図８のステップＳ５）。それには、代数学の教えるところにより、回帰計算式（１）をｘで微分し二次式（２）の２つの解を求め、各解を式（１）に代入して得られるｙの内で大きい方を与える解がピークタイミングＸとなる。

上記のようにして、ピークタイミングＸを送光パルスと受光パルスについて求め、その時間差により、目標までの距離を計算する（図８のステップＳ６）。複数の受光パルスがある場合は各受光パルスについて距離の計算を行う。いま、光速をＣ、受光パルスのピークタイミングをＸstop、送光パルスのピークタイミングをＸstart、Ａ／Ｄ変換周波数をｈとすると、距離Ｌは（３）式で与えられる。

係数が求められた回帰計算式（１）にピークタイミングＸを代入してｙの値（ピークパワー）を計算する（図８のステップＳ７）。ただし、ピークパワーは距離と共に減衰するので、画像を正しく表示するためには、ピークパワーに対して距離補正を行なう（図８のステップＳ８）。ピークパワーの補正計算は式（４）による。

Ｐは補正後のピークパワー（相対値であり単位は持たない）、Ｐoは計算（図８のステップＳ７）により求めたピークパワー、Ｌは式（３）により求めた距離である。

なお、本補正計算は、レーザの広がり角が、受光視野角(１ピクセル分相当）と同じか、より小さい場合のみ有効である。

最後に、水平角度情報203、垂直角度情報204、距離データおよびピークパワーデータを１つのパケットとしてバッファに保存する（図８のステップＳ９）。反射光205による受光ピークが複数ある場合は、１つのパケットに各受光ピークに対応した距離データおよびピークパワーデータを保存する。以上の処理を1.936kHzの各Ａ／Ｄ変換データ207毎に実施する。

以上のようにしてバッファに保存されたデータにより、目標の画像を画像表示することができる。図１２は画面上における画像表示の概念図である。スキャナミラー104は水平方向に22mradの範囲を44Hz周期でスキャンし、スキャナミラー105は垂直方向に22mradの範囲を１Hz周期でスキャンしている。レーザ装置101は1.936kHz周期で照射レーザ光201を出力している。よって、図８のデータ処理の結果、１秒間に水平22mmrad、垂直22mradを0.5mrad刻みで分割した1936個のデータを取得できる。

図１２に示した各ドットで、垂直角度と水平角度に対応した方位のピークパワーに応じて色を変えて表示することにより、雨・霧等の影響を排除した画像を表示できる。また、表示する距離の範囲を限定することにより、遠方からの反射を排除した画像の表示可能となる。

また、図８の処理後のデータは、距離、水平方位、垂直方位を持った３次元データであり、距離毎に色を変えた表示や３次元画像の表示も可能となる。

図１３は、図５に示した構成にチャープフィルタ114を追加した実施例である。チャープフィルタは、回転する円盤に幅の異なるスリットを刻んだもので、照射レーザ光201に対し強度方向のチャープ変調を与える。信号処理部112では、Ａ／Ｄ変換データ207に対し、逆チャープ処理を行うことにより、反射信号のＳ／Ｎ比の改善および時間方向の圧縮を行うことが可能となる。チャープ変調はレーダ装置で広く使われている技術で、チャープ以外の変調方式（パスル変調）等を組み合わせ、Ｓ／Ｎ比の改善および測距精度の向上を行うことも可能である。また、照射レーザ光201に対する変調方式としては、チャープフィルタ114によるものの他、レーザ装置101の発振を電気的に制御する方法も考えられる。
［産業上の利用可能性］
本発明の活用例として、霧・雨等の影響を受け難い画像監視装置や高精度レーザレーダを挙げることができる。

１レーザ装置
２照射レーザ光
３反射レーザ光
４従来方式センサ
５本発明センサ
101 レーザ装置
102,103 コリメートレンズ
104,105 スキャナミラー
106 集光レンズ
107,108 リレーレンズ
109 干渉レンズ
110 受光回路
111 Ａ／Ｄ変換器
112 信号処理部
200 目標
201 照射レーザ光
202 トリガ信号
203 水平角度情報
204 垂直角度情報
205 反射レーザ光
206 受光信号
207 Ａ／Ｄ変換データ
301 Ａ／Ｄ変換回路
302 制御回路
303 バッファメモリ
304 LVDS_IF

Claims

照射光を少なくとも１つの目標に向けて上下左右に走査しながら照射する光学手段と、
前記照射光に対する前記目標からの反射光を蓄積することなく電気信号に変換して直接出力する手段と、
前記電気信号をデジタル信号に変換する手段と、
前記各デジタル信号に対して回帰計算式を適用して係数を求めることにより前記回帰計算式を完成する手段と、
前記完成された回帰計算式により前記デジタル信号のピークタイミングを算出する手段を有することを特徴とする画像撮像装置。
前記デジタル信号は、所定の閾値を超え画面表示上の１ピクセルに相当する信号毎に前記係数が求められ、前記ピークタイミングが算出されることを特徴とする請求項１に記載の画像撮像装置。
前記算出されたピークタイミングにおける前記回帰計算式の値を当該デジタル信号のピークパワーとして前記目標を画像表示することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の画像撮像装置。
前記ピークパワーは前記ピークタイミングにより求まる前記目標までの距離により距離補正されることを特徴とする請求項３に記載の画像撮像装置。
前記反射光を電気信号に変換する手段は、
パワーと出力電流の関係がリニアになるアバランシェ光ダイオードと、
前記アバランシェ光ダイオードの出力電流を増幅するアンプと、
前記アンプの出力に対するアナログバッファで構成されることを特徴とする請求項１〜請求項３に記載の画像撮像装置。
照射光および反射光はレーザ光であることを特徴とする請求項１〜請求項５に記載の画像撮像装置。