JP2011089874A - 距離画像データ取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】距離画像データ（観察範囲内に存在する物体までの距離の分布を示すデータ）を取得する装置を高精度化する。
【解決手段】
観察範囲を光ビームで走査する発光部と、アレイ型受光装置を組み合わせて用いる。すると、アレイ型受光装置による優れた空間分解能を活用することができる。また光ビームで局所的に照明することから、高いＳ/Ｎ比を得ることができる。ラスタスキャン方式によって観察範囲を均質に観察することもできる。主走査方向についてはミラーの共振周波数で走査し、副走査方向については車両の共振周波数よりも低い周波数で駆動するができ、車載して用いることができる。光ビームの長軸を主走査方向に一致させることが好ましく、アレイ型受光装置内の複数個の受光素子に同時に入射するサイズの光ビームとレンズの組み合わせを用いることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、観察範囲内に存在している物体までの距離の分布を示す距離画像データを取得する装置に関する。例えば図１に例示するように、観察範囲５００内において装置から所定の距離に置かれている仮想平面５０２を想定し、その仮想平面５０２上にＸ−Ｙ座標系を設定する。すると仮想平面５０２上の座標点を指定することで、観察する方位が特定される。実際の物体は、仮想平面５０２の手前に存在するかもしれないし、奥側に存在するかも知れない。本発明は、例えば仮想平面５０２上の（Ｘ１,Ｙ１）の座標点が見える方位に存在する物体までの距離はｄ１メートルであるといったデータを取得する装置に関する。本明細書でいう距離画像データとは、仮想平面５０２上の任意の座標点（Ｘｍ，Ｙｎ）に対して距離の値ｄ（Ｘｍ、Ｙｎ）が対応付けられているものをいう。

本発明は、距離画像データを表示する技術には制約されない。距離画像データを取得してしまえば、多様な表示技術によって距離画像を表示することができる。距離画像データを取得すること自体で独立した技術的価値ないし技術的有用性を備えている。

距離画像データを取得するために、例えば特開２００３−１７７３４０号公報に開示されているように、レーザーダイオードから射出される光ビームの射出方向を２次元に走査する方法と、特開２００８−２０９１６２号公報に開示されているように、アレイ型受光装置を使用して２次元画像を取得する方法が提案されている。光ビームの射出方向を２次元に走査する方法では、光ビームを反射するミラー（スキャナ）を縦横に振動（揺動）させることによって光ビームの射出方向を２次元に走査（リサージュスキャン）しつつ、観察範囲から反射されてくる光を単一のフォトダイオードで受光する。光ビームの射出方向から座標点に関する情報が特定され、フォトダイオードでの受光タイミングから反射点までの距離が特定される。アレイ型の受光デバイスを使用して２次元画像を取得する方法では、観察範囲の全体を照明しつつ、アレイ型の受光装置（複数個の受光素子が２次元に配列されている）を使用して２次元画像を取得する。アレイ型受光装置内における受光素子の位置から、座標点に関する情報が特定される。

特開２００３−１７７３４０号公報 特開２００８−２０９１６２号公報

本願発明者らは、上述の従来技術が以下の問題を有していることを見出した。
（１）光ビームの射出方向を２次元に走査しながら単一のフォトダイオードで受光する技術では、距離のデータと対応づけられる座標点のデータが光ビームの射出方向で特定される。しかしながら光ビームの射出方向（ミラーによる反射方向）を高精度に制御することも困難であれば、光ビームの射出方向を高精度に検出することも困難である。この技術は、取得される距離画像データの空間分解能が粗いという欠点を持っている。
（２）アレイ型の受光装置で２次元画像を取得する方法では、観察範囲の全体を照明する必要があるので、遠方に存在する物体に十分に照明するのが困難である。遠方に存在する物体までの距離計測が困難となる。

本発明は、観察範囲の全体を照明する方式では対応できないほど遠方の距離計測を可能とし、しかも単一の受光素子で受光する方式では得られないほどに細かな空間分解能を可能とする技術を提供することを目的としている。

本発明では、アレイ型の受光装置を活用することによって、細かな空間分解能を可能とする。また細く絞られているために遠方にまで到達することができる光ビームを利用することによって、遠方までの距離計測を可能とする。さらに、光ビームを２次元に走査することによって、２次元に広がっている観察範囲を観察可能とする。
アレイ型の受光装置と走査型の発光装置の組み合わせは、距離画像データを取得する目的に比して冗長であり、いずれか一方を用いれば、「座標と距離」の組み合わせからなる距離画像データを取得することができるはずである。従来の技術は、いずれか一方を用いており、両者を用いることはない。
本発明ではあえて両者を用いる。ただし単に両者を用いるだけでは不都合が発生する。本発明では下記のようにして不都合の発生を禁止し、両者を併用して両者の利点をともに得ることに成功した。

本発明は、観察範囲内に存在する物体までの距離の分布を示す距離画像データを取得する装置であり、発光部と受光部と制御部と処理部を備えている。

発光部は、光ビームの射出装置と、光ビームを反射するミラーと、ミラーを第１軸の周りに揺動させる第１揺動機構と、ミラーを第２軸の周りに揺動させる第２揺動機構を備えている。

受光部は、ミラーと物体で反射された反射光を結像するレンズと、アレイ型受光装置を備えている。アレイ型受光装置は、複数個の受光素子を備えており、それらはレンズの結像面内において二次元に配列されている。

制御部は、第１揺動機構と第２揺動機構を独立に駆動する。

処理部は、ミラーと物体で反射してレンズで結像した光点内に位置する受光素子が出力する結果のみを選択し、選択した結果から物体上に存在している反射点（ミラーから出た光ビームが物体によって反射された点）までの距離を計算する。処理部は、光点内に位置しない受光素子の出力を処理対象に含めない。この点は従来の技術と大きく相違する点である。従来の技術では、光点内に位置しない受光素子が出力する結果（すなわち物体で反射された反射光を受光しないという結果）をも処理対象に含め、その受光素子に対応する座標点では、物体までの距離が計測可能距離以上（以下では無限大という）であるとする距離画像データを生成する。この技術をそのまま本発明に組み入れると、物体が近くにあっても、光ビームの走査方向から外れている座標点における距離が遠方であると誤計算されてしまう。本発明では、光点内に位置しない受光素子が出力する結果を処理対象に含めず、光点内に位置する受光素子が出力する結果のみを処理対象に含めるという技術を採用することによって、不都合の発生を禁止することに成功し、光ビームを走査する発光装置とアレイ型の受光装置を組み合わせて用いることに成功した。

光点内に位置しない受光素子が出力する結果を処理対象に含めず、光点内に位置する受光素子が出力する結果のみを処理対象に含めるための技術は、特に限定されない。例えば光ビームの射出タイミングから所定時間内に受光した受光素子からの出力のみをその後の処理対象としてもよい。あるいは、光ビームの走査方向から光点が形成されるはずの受光素子を特定し、その受光素子とその周辺の受光素子の中から、光ビームの射出タイミングから所定時間内に受光した受光素子からの出力のみを抽出してもよい。前記したように、光ビームの走査方向を正確に特定することは難しい。しかしながら、粗い精度なら特定することができ、従って物体からの反射光が結像する光点が形成されるはずの位置にある受光素子を特定することができる。その受光素子とその周辺の受光素子のみを処理すれば、実際に光点が形成された受光素子を抽出することができ、距離計算に用いる受光素子を抽出することができる。光ビームのビーム系が大きく、複数個の受光素子に跨るほど大きな光点が得られる場合、その中心に位置する受光素子のみを処理対象としてもよい。粗い精度とはいえ光ビームの走査方向を特定することができるので、物体からの反射光が結像する光点が形成される範囲も特定することができる。その範囲の中心に位置する受光素子には反射光が入射するはずである。その受光素子の出力を処理すれば、正確な距離が計算される。誤って、遠方にあるという結果を計算することがない。

本発明の装置は、アレイ型の受光装置を活用することによって細かな空間分解能を得ることができ、細く絞られている光ビームを利用することによって遠方までの距離計測が可能となり、光ビームを走査することによって面的に広がっている観察範囲を観察可能とする。

本発明の装置は、車載して用いることもできる。この場合、ミラーの共振周波数が車体の共振周波数よりも高いという関係を実現しておく。そして、第１揺動機構をミラーの共振周波数で駆動し、第２揺動機構を車両の共振周波数よりも低い周波数で駆動する。
この場合、擬似的なラスタスキャンが実現され、観察範囲を一様に観察することが可能となる。また、車両の振動によって、ミラーが共振してしまうという現象の発生を防止できる。車載して用いても安定して動作する距離画像データ取得装置が得られる。

例えば半導体レーザーは、光路に垂直な面内において楕円形の強度分布を備えている光ビームを射出する。光ビームが楕円形の強度分布を備えている場合、強度分布の長軸と第１揺動機構による第１走査方向を一致させることが好ましい。また、物体で反射した光ビームが、第１走査方向に沿って配列されている複数個の受光素子上で同時に結像するだけの広がりを持った光ビームを用いることが好ましい。
この場合、パルスレーザービームの発光周波数が低くても、第１走査方向の走査周波数を高く設定することができる。

本発明の距離画像データ取得装置によれば、観察範囲を細かな空間分解能で遠方までの距離が計測可能となる。遠方までの距離が細かな空間分解能でプロットされた距離画像を得ることが可能となる。
特に車載することが可能であることから、運転者等に鮮明な距離画像を提供することができ、安全性の向上に寄与することができる。

実施例に係る距離画像データ取得装置１０の作動原理を示す説明図。 実施例に係るレンズ２１０とアレイ型受光装置２２０とを示す説明図。 距離画像データ取得装置１０の構成を示す説明図。 距離画像データ取得装置１０が作動する様子を示す説明図。 距離画像データ取得装置１０と第２実施例のシステムパラメータを示す対比表。 第２実施例に係る距離画像データ取得装置１０ａが作動する様子を示す説明図。

本発明は、たとえば以下の特徴を単独あるいは組み合わせて備えることによってさらに好ましい形態として実現することもできる。

（第１特徴） 縦方向よりも横方向が長い範囲を観察するときには、縦方向よりも横方向に長い光ビームを用いる。この場合、同一走査速度であれば、発信周波数が低くてパルス強度が高いレーザー装置を利用することができる。レーザー装置の発信周波数が同一であれば、走査速度を高速化することができる。
（第２特徴） 光源に半導体レーザーを使用する。半導体レーザーは、出射光の光路の垂直面で強度分布を計測すると、等強度線が縦横比の大きな楕円形状となることが通例である。
(第３特徴) 主走査方向にはミラーの共振駆動でミラー角度を変化させる。こうすれば、小さなエネルギーでミラー角度を振動させることができる。また車体振動に影響されないよう主走査することができる。
(第４特徴) 副走査方向には、ミラーの共振周波数よりも低く、且つ車体の共振周波数よりも低い周波数でミラー角度を変化させる。こうすれば、車体振動に影響されないように副走査することができる。
（第５特徴） 複数の受光素子が２次元配列されているアレイ型受光装置において、光点を受光した受光素子の位置に基づいて、仮想平面上での座標点を特定する。こうすれば、アレイ型受光装置装置が持っている高い空間分解能を利用して座標点の高精度計測が可能となる。

以下では、上述の特徴を踏まえて本発明の作用や効果を明確に説明するために、本発明の実施の形態を、次のような順序に従って説明する。
Ａ．本発明の実施例に係る距離画像データ取得装置の構成：
Ｂ．本発明の実施例に係る距離画像データ取得装置の動作：
Ｃ．変形例：

Ａ．本発明の実施例に係る距離画像データ取得装置の構成：
図１は、本発明の実施例に係る距離画像データ取得装置１０の作動原理を示す説明図である。距離画像データ取得装置１０は、予め設定されている観察範囲５００内に物体が存在している場合に、その物体までの距離を計測する。物体までの距離は、観察範囲５００内において分布している。

距離画像データ取得装置１０は、発光部１００と、受光部２００と、図３等に示されている制御部３００と、処理部３４０を備えている。

発光部１００は、細く絞られた光ビーム（レーザービーム）を射出するレーザーダイオード１１０と、ＭＥＭＳミラー１２０とを有している。ＭＥＭＳミラー１２０は、ミラー１２１と、内枠１２３と、外枠１２５と、ミラー１２１と内枠１２３とを結合する一対の弾性梁１２２ａ、１２２ｂと、内枠１２３と外枠１２５とを結合する一対の弾性梁１２４ａ、１２４ｂを有している。一対の弾性梁１２２ａ、１２２ｂは、内枠１２３に対してミラー１２１をＹ軸（第1軸）の周りに揺動可能に結合している。これにより、ＭＥＭＳミラー１２０は、ミラー駆動部（後述）を利用してミラー１２１をＹ軸の周りに揺動させ、光ビームの射出方向を横方向（Ｘ軸方向）に走査することができる。また、一対の弾性梁１２４ａ、１２４ｂは、外枠１２５に対して内枠１２３をＸ軸（第２軸）の周りに揺動可能に結合している。ＭＥＭＳミラー１２０は、ミラー駆動部（後述）を利用してミラー１２１をＸ軸の周りに揺動させ、光ビームの射出方向を縦方向（Ｙ軸方向）に走査することができる。また、これらの動きを組み合わせることによって、ＭＥＭＳミラー１２０は光ビームの射出方向を縦横に走査することができる。

後記するように、ＭＥＭＳミラー１２０は、ミラー１２１をＸ軸方向には１．２ｋＨｚの周波数で揺動させ、Ｙ軸方向には５Ｈｚの周波数で揺動させる。光ビームが仮想平面５０２を通過する位置は、横方向（Ｘ軸方向）には高速で移動し、縦方向（Ｙ軸方向）には低速で移動する。光ビームがＸ軸に沿って横方向に高速にスキャンすることを主走査といい、光ビームがＹ軸に沿って縦方向に低速でスキャンすることを副走査という。主走査の周波数と副走査の周波数が大きく異なるために、ミラー１２１で反射された光ビームは観察範囲５００を実質的にラスタスキャンする。ミラー１２１で反射された光ビームは、瞬間的に観察すると観察範囲５００の一部を局所的に強く照明し、時間をかけて平均化して観察すると、観察範囲５００の全域を一様な強度で一様に照明する。

ミラー１２１の角度は、本実施例では、角度センサ（後述）で計測可能となっている。

受光部２００は、レンズ２１０とアレイ型受光装置２２０を有している。図２は、レンズ２１０とアレイ型受光装置２２０を示す説明図である。レンズ２１０は、観察範囲５００からの反射光（反射点は、図示のｂの距離にあるとは限られない。それよりも近くに物体がある座標点も、遠くに物体がある座標点もある）を結像する。アレイ型受光装置２２０は、複数の受光素子を備えており、それらがレンズ２１０の結像面において２次元に配列される位置関係におかれている。アレイ型受光装置２２０には、ＣＣＤイメージセンサを用いている。それに代えてＣＭＯＳイメージセンサを用いてもよい。複数個の光電変換素子が２次元に配列されている受光装置であれば、アレイ型受光装置に利用可能である。

図２に示すように、本実施例では、レンズ２１０とアレイ型受光装置２２０の距離ａは２５．０１ｍであり、レンズ２１０の焦点距離は２５ｍｍであり、一つ一つの受光素子は３０μｍ×３０μｍのサイズであり、レンズ２１０と仮想平面５０２の距離は５０ｍである。この場合、仮想平面５０２上における６０ｍｍ×６０ｍｍの範囲が、一つの受光素子上に結像する。本実施例では、仮想平面５０２上における６０ｍｍ×６０ｍｍの範囲が、アレイ型受光装置２２０で得られる１ピクセルに相当する。

図１において、仮想平面５０２上における格子は６０ｍｍ×６０ｍｍのサイズであり、これが単位となって座標系が構成されている。仮想平面５０２の上側に記載されている番号は横方向（主走査方向）での座標値を示し、仮想平面５０２の左側に記載されているアルファベットは縦方向（副走査方向）での座標値を示している。

図１において、Ｐ１は光軸が仮想平面５０２の座標点３Ａを通過する光ビームを示している。光ビームＰ１の進路上に物体５０４が存在していれば、その物体によって反射した光は光ビームＰ１と逆方向に進み、アレイ型受光装置２２０上で結像する。図１では発光部１００と受光部２００が拡大して表示されており、両者が大きく離れた位置に図示されているが、仮想平面までの距離５０ｍに対して、発光部１００と受光部２００の間の距離は無視できる。この場合、仮想平面５０２上での座標点と、アレイ型受光装置２２０において反射光を受光した受光素子の位置は一対一に対応している。反射光を受光した受光素子の位置によって、反射光の方向を特定することができる。

前記したように、ミラー１２１の反射方向を検出することができるから、光ビームの射出方向を特定することができる。しかしながらミラーの角度の検出精度は低く、５０ｍ前方の光ビームの照射位置を０．０６ｍの精度で特定することはできない。本実施例では、アレイ型受光装置２２０を利用して座標点を特定することから、光ビームの射出方向から座標を特定する方式では得られないほど細かな空間分解能を得ることができる。

アレイ型受光装置２２０の受光素子数はＱＶＧＡ相当（３２０×２４０素子）であり、
仮想平面５０２のサイズは１９．２ｍ×１４．４ｍである。観察範囲５００は、横方向には２２度（全角）の広がりを持ち、縦方向には１６度（全角）の広がりを持っている。

仮想平面５０２上に物体があるとは限られない。レンズ２１０の被写界深度を調整することによって、図２の距離ｂから離れた位置にある反射点についても、アレイ型受光装置２２０上に結像させることができる。本実施例では、結像可能な近点までの距離が数ｍであり、遠点は無限大である。

図２は、２つの結像公式Ｆ１、Ｆ２を示している。結像公式Ｆ１、Ｆ２は、観察対象である物体と、レンズと、像との間の関係を求めるための公式である。第１の結像公式Ｆ１は、レンズ２１０と反射点までの距離ｂと、レンズ２１０とアレイ型受光装置２２０の撮像面２２０ｆの間の距離ａと、レンズ２１０の焦点距離ｆの関係を示している。第２の結像公式Ｆ２は、アレイ型受光装置２２０の受光素子のピッチｄと、各受光素子に対する物体側の対応範囲Ｓと、距離ａと、距離ｂとの間の関係を示している。

各々の受光素子は、光を検出したタイミングを示す情報を出力する。また各々の受光素子は、レーザーダイオード１１０がパルス状の光ビームを射出したタイミングと、受光素子が光を検出したタイミングの時間差から、受光素子で検出した光ビームが物体によって反射された位置までの距離を計算する処理装置と組み合わされている。距離を計算する処理装置もアレイ型受光装置２２０に組み込まれている。アレイ型受光装置２２０は、受光素子ごとに、反射点５０６までの距離を示す情報を出力する。反射光を受光しない受光素子については、反射点５０６までの距離が無限大であるという結果が計算される。

図３は、距離画像データ取得装置１０の構成を示す説明図である。距離画像データ取得装置１０は、発光部１００と、受光部２００と、発光部１００と受光部２００を制御する制御部３００と、処理部３４０を備えている。制御部３００は、光源制御部３２０と、ミラー角度制御部３３０と、これらを連携して作動させるための指令信号を送信する制御指令部３１０とを備えている。

発光部１００は、レーザーダイオード１１０とＭＥＭＳミラー１２０の他に、ミラー１２１の反射方向を変化させるミラー駆動部１３０と、ミラー１２１の方向（角度）を計測する角度センサ１４０を備えている。ミラー駆動部１３０は、例えば磁歪膜（図示せず）と空芯コイル（図示せず）を使用して構成することができる。あるいは一対の電極間に電位差を印加することによって電極間に発生する静電引力を利用してミラー１２１を傾動させるものであってもよい。角度センサ１４０は、ミラー１２１の方向を、ミラー１２１で反射された光ビームが進行する方向で検出する。角度センサ１４０は、ミラー１２１の角度を、ミラー１２１で反射された光ビームが例えば３Ａの座標点を照射する角度にあるといったように検出する。ただしその精度は低く、例えば座標点３Ａの角度を向いていることが判明しても、実際の光点は３Ａからずれていることがある。アレイ型受光装置２２０で光点を受光した受光素子の位置から、光ビームの反射点５０６が見える座標を特定する方が正確である。なお、反射点５０６が見える座標とは、レンズ２１０と反射点５０６を結ぶ線分が仮想平面５０２を通過する位置の座標点をいう。なお図１では、発光部１００と受光部２００が離れた位置に図示されているが、仮想平面５０２までの距離が５０ｍであるのに対し、発光部１００と受光部２００の間の距離は非常に短く、実際的には同一位置にあるといってもよい。

発光部１００は、制御部３００によって以下のように制御される。制御部３００の光源制御部３２０は、発光部１００のレーザーダイオード１１０に発光命令信号を送信する。するとレーザーダイオード１１０は、パルス状のレーザー（光ビーム）を射出する。その発振波長は、１．５４ＭＨｚである。パルス状のレーザーは、前述のようにＭＥＭＳミラー１２０によって、その反射方向が制御される。ＭＥＭＳミラー１２０は、制御部３００のミラー角度制御部３３０からの駆動指令信号に応じて、ミラー駆動部１３０によって傾斜角度が変えられる。ミラー１２１（図１参照）の傾斜角度は、角度センサ１４０によって計測され、その計測値がミラー角度制御部３３０と制御指令部３１０に送信される。ミラー角度制御部３３０は、ミラー１２１の傾斜角度の計測値をフィードバック信号として利用する。

アレイ型受光装置２２０は、各受光素子について、レーザーダイオード１１０がパルス状のレーザーを射出したタイミングから、そのレーザーの反射光が受光素子によって受光されたタイミングまでの時間差を取得し、その時間差からそのレーザーが物体５０４によって反射された反射点５０６までの距離を演算する演算機能を備えている。物体からの反射光が受光されなければ、前記時間差は所定値以上となる。この場合、その受光素子上で結像する方向に存在する物体までの距離は無限大であると計算される。

受光部２００と処理部３４０は、制御部３００によって以下のように制御される。処理部３４０は、角度センサ１４０によって取得された仮想平面５０２上の光点の座標点と、その近傍の座標点から来る光が結像する受光素子を選択する。実際には、仮想平面５０２上の光点の大きさは、Ｘ方向に並んでいる５個の受光素子が受光する大きさである。また角度センサ１４０の検出精度は高くない。そこで、処理部３４０は、角度センサ１４０で検出される座標点から、水平方向には２０をプラスマイナスし、垂直方向には１５をプラスマイナスした範囲にある受光素子群を選択する。次に、その中でも、前記した距離が有限の値を持っている受光素子からの距離情報のみを入力する。即ち無限大の距離を示している距離情報を入力しない。

観察範囲を一様に照明しておいてアレイ型受光装置２２０で検出する場合、無限大の距離が計算されていればそれも有用な情報であり、処理対象から外さない。それに対して本実施例の場合、物体からの反射光が受光されない場合には、物体までの距離が無限大である場合と、光ビームの照射範囲外にあるために物体からの反射光が受光されない場合とがある。後者の場合、アレイ型受光装置２２０では無限大の距離を演算しているにもかかわらず、実際には近い位置に物体が存在することがある。本実施例では、光ビームで局所的に照明することから、光ビームの照射範囲外にある方向が存在し、無限大という計算結果を利用すると誤ったデータ処理をしてしまうという問題が発生する。本実施例では、その問題の発生を防止するために、計算した距離が有限の値を持っている受光素子のみを選択し、選択した受光素子が計算した距離情報のみを選択して、距離画像データを生成する。

なお、角度センサ１４０によって特定されるおよその光ビームの照射方向からの反射光を受光する可能性のある受光素子のみを最初に選択する方式に代え、全受光素子の中から計算した距離が有限の値を持っている受光素子のみを選択してもよい。角度センサ１４０によって特定されるおよその光ビームの照射方向からの反射光を受光する可能性のある受光素子のみを最初に選択する方式によると、計算した距離が有限の値を持っている受光素子の抽出処理が高速化できる。

Ｂ．本発明の実施例に係る距離画像データ取得装置の動作：

距離画像データ取得装置１０は、以下のようにして距離画像データを取得する。本実施例では、１０フレーム／秒の速度で、観察範囲５００内の距離画像データを更新する。ＭＥＭＳミラー１２０がＸ軸の周りの１回振動すると、２フレームが得られる。即ち、ＭＥＭＳミラー１２０がＸ軸の周りを５Ｈｚの周波数で振動すると、１０フレーム／秒の速度で距離画像データが更新される。

１フレーム分の距離画像データを更新するためには、副走査方向に２４０本の走査線が必要とされる。ミラー１２１がＸ方向に１回振動すると２本の走査線が走査されることから、１０フレーム／秒の速度で距離画像データを更新するためには、１/１０/１２０秒の間に、ミラー１２１がＸ方向に１回振動する必要がある。即ち、ＭＥＭＳミラー１２０がＹ軸の周りを１２００Ｈｚの周波数で振動すると、１０フレーム／秒の速度で距離画像データが更新される。

ＭＥＭＳミラー１２０がＹ軸の周りを１２００Ｈｚの周波数で振動すると、光ビームの光点が仮想平面５０２上の１座標点を通過する時間は、１/１２００/６４０秒となる。即ちレーザーダイオード１１０の発振周波数が０．７６８ＭＨｚ以上であれば、各座標点を通過する間に少なくとも１回は光ビームが照射される。

本実施例では、図４に示すように、横長の光ビームを使用しており、一度に水平方向に並んでいる５つの座標点を照明する。本実施例では、図４に示されるように、ある瞬間には、光ビームの光点がＳＰ１の位置にあり、次の瞬間には、光ビームの光点がＳＰ２に移動する。このように、光ビームの光点が横方向にシフトされていく動作を、本明細書では主走査という。なお、光ビームの光点範囲ＳＰ１やＳＰ２は、それぞれの位置で停止するわけではなく、光点は連続的に主走査方向にシフトしていくことになる。具体的には、光点範囲がＳＰ１からＳＰ２まで移動する間において、光点範囲が、座標点Ａ１〜Ａ５を照明し、座標点Ａ２〜Ａ６を照明し、座標点Ａ３〜Ａ７を照明し、座標点Ａ４〜Ａ８を照明し、座標点Ａ５〜Ａ９を照明し、座標点Ａ６〜Ａ１０を照明するという順にシフトしていくことになる。なお、光ビームの光点が縦方向にシフトされていく動作を、本明細書では副走査という。

本実施例では、５座標点（ピクセル）の通過時間は、５/１２００/６４０秒であり、レーザーダイオード１１０の発振周波数が０．１５３６ＭＨｚ以上であれば、各ピクセルを通過する間に少なくとも１回は光ビームが照射される。主走査方向に１ピクセル分の幅を照明する光ビームを使用すると、０．７６８ＭＨｚ以上の発振周波数を必要とするのに対し、主走査方向に複数個のピクセルを照明する幅を持つ光ビームを使用すると、同時に照射するピクセル数の分だけ、発振周波数を遅くすることができる。一般に発振周波数が遅いと、パルスあたりの光ビームの強度が増加し、遠くまで照明することができる。

本実施例では、１．５４ＭＨｚのレーザーダイオード１１０を使用するので、光ビームの光点が一つのピクセルを通過する間に、ほぼ１０パルスの光ビームがそのピクセルを照射する。

図６は、第２実施例に係る距離画像データ取得装置１０ａが作動する様子を示す説明図である。

第２実施例のレーザーダイオード１１０ａは、図６に示すように縦長の照射範囲を備えている。即ち、第１実施例の瞬時照射領域ＳＰ１ａ、ＳＰ２ａが横長であったのに対し、第２実施例の瞬時照射領域ＳＰ１、ＳＰ２は縦長である。第２実施例の瞬時照射領域ＳＰ１ａ、ＳＰ２ａは、縦方向に連続している５受光素子分の照射領域を有し、横方向の照射幅は１受光素子分となっている。この場合、主走査方向の走査線は、Ｙ軸方向に５ピクセル分だけ離れていてよい。即ち、副走査方向に２４０／５本だけ走査されると１フレームの距離画像データが更新される。

１０フレーム／秒の速度で距離画像データを更新するためには、Ｘ軸方向の主走査を１／１０秒の間に４８回実施すれば足り、主走査方向の周波数は２４０Ｈｚで足りることになる。
図５は、第１実施例の距離画像データ取得装置１０と第２実施例の距離画像データ取得装置１０ａのシステムパラメータを示す対比表である。実施例と第２実施例とも、レーザーダイオード１１０は、１．５４ＭＨｚのレーザー光パルス周波数（発光周期）でレーザー光パルスを送出する。

第１実施例の距離画像データ取得装置１０は、１．２ｋＨｚの主走査と、５Ｈｚの副走査によって、１０フレーム毎秒のデータ取得が可能であることが分かる。ＭＥＭＳミラー１２０のミラー１２１を、１．２ｋＨｚの周波数で横方向（主走査方向）に振動させ、同時に５Ｈｚの周波数での縦方向（副走査方向）振動させれば、１０フレーム毎秒の速度で距離画像データを取得することができる。

ミラー１２１の共振周波数は１．２ｋＨｚである。横方向（主走査方向）にはミラー１２１の共振周波数で振動させればよい。共振周波数を利用するために、ミラー１２１を小さなエネルギーで効率よく振動させることができる。主走査方向の周波数である１．２ｋＨｚと、副走査の周波数である５Ｈｚが大きく相違しているために、光ビームの光点は観測範囲５００内をほぼラスタスキャンする。１/１０秒ごとに、観測範囲５００をほぼ均一な照度で照明する。いわゆるリサージュ問題を実質的に回避することができる。

車載する場合、車体は２００Ｈｚ前後の領域に共振周波数を持っている。このような振動環境では、ミラー１２１の共振周波数と車体の共振周波数が大きく異なっていることが好ましい。第１実施例の距離画像データ取得装置１０では、ミラー１２１の共振周波数が１．２ｋＨｚであり、車体の共振周波数である２００Ｈｚから大きく離れている。副走査方向の周波数は５Ｈｚであり、これもまた車体の共振周波数である２００Ｈｚから大きく離れている。第１実施例の距離画像データ取得装置１０は、ＭＥＭＳミラー１２０の振動周波数が、主走査方向においても副走査方向においても車体の共振周波数から大きく相違しており、振動する車体に搭載して用いても安定して動作し、正確な距離画像データを取得し続けることができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

上述の実施例では、照射領域が横方向に複数ピクセル×縦方向に１ピクセルの広がりを持っている構成を例示しているが、例えば、１ピクセル×１ピクセル、１ピクセル×複数ピクセル、複数ピクセル×複数ピクセルの範囲を照射対象領域する光ビームを利用してもよい。ただし、縦と横のうちの一方のピクセル数が他方のピクセルの数よりも多い場合には、多い方向の走査において共振駆動を行うとともに、少ない方向の走査において非共振駆動を行うようにすることが好ましい。またピクセル数が多い向きに長い光ビームを利用することが好ましい。

１０、１０ａ…距離画像データ取得装置
１００…発光部
１１０、１１０ａ…レーザーダイオード
１２１…ミラー
１２２ａ、１２２ｂ、１２２ａａ、１２２ｂａ…弾性梁
１２３…内枠
１２４ａ、１２４ｂ…弾性梁
１２５…外枠
１３０…ミラー駆動部
１４０…角度センサ
２００…受光部
２１０…レンズ
２２０…アレイ型受光装置
３００…制御部
３１０…制御指令部
３２０…光源制御部
３３０…ミラー角度制御部
３４０…処理部
５００…観察範囲
５０２…仮想平面
５０４…物体
５０６…反射点

Claims (3)

1. 発光部と受光部と制御部と処理部を備えており、観察範囲内に存在する物体までの距離の分布を示す距離画像データを取得する装置であり、
   前記発光部は、光ビームの射出装置と、その光ビームを反射するミラーと、そのミラーを第１軸の周りに揺動させる第１揺動機構と、そのミラーを第２軸の周りに揺動させる第２揺動機構を備えており、
   前記受光部は、前記ミラーと前記物体で反射した反射光を結像するレンズと、複数個の受光素子が前記レンズの結像面内において二次元に配列されているアレイ型受光装置を備えており、
   前記制御部は、前記第１揺動機構と前記第２揺動機構を独立に駆動し、
   前記処理部は、前記ミラーと前記物体で反射して前記レンズで結像した光点内に位置する前記受光素子が出力する結果のみを選択し、選択した結果から前記物体上に存在する反射点までの距離を計算する
   ことを特徴とする距離画像データ取得装置。
2. 車載用であり、前記ミラーの共振周波数が車体の共振周波数よりも高く、
   前記制御装置が、前記第１揺動機構を前記ミラーの共振周波数で駆動し、前記第２揺動機構を前記車両の共振周波数よりも低い周波数で駆動することを特徴とする請求項１に記載の距離画像データ取得装置。
3. 前記光ビームは楕円形の強度分布を備えており、
   その強度分布の長軸と前記第１揺動機構による第１走査方向が一致しており、
   前記物体で反射した前記光ビームが、前記第１走査方向に沿って配列されている複数個の前記受光素子上で同時に結像することを特徴とする請求項１又は２に記載の距離画像データ取得装置。

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