JP2011133271A

JP2011133271A - 物体検知装置

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Publication number: JP2011133271A
Application number: JP2009291323A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Hagio; 健一萩尾; Hiroyuki Fujii; 裕之藤井; Junpei Endo; 淳平遠藤
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: JP5469446B2

Abstract

【課題】可動部がなく耐久性や信頼性が高く、広範囲の対象空間を設定することを可能にしながらも投光に要するエネルギーを低減可能な距離センサを提供する。
【解決手段】発光源１は、強度が時間経過に伴って変化する変調光を投光する。演算処理部７は、発光源１による投光から撮像素子２による受光までの時間差に相当する情報を変調光の時間変化と撮像素子２の各受光領域での受光強度とから抽出し、距離を画素の値とする距離画像を生成する。発光源１の前方には、変調光をスリット光として対象空間に投光するスリット光形成部３ｂと、変調光をスポット光として対象空間に投光するスポット光形成部３ｃとを備えた投光光学系３が配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、強度が時間経過に伴って変化する変調光を対象空間に投光し、変調光を投光してから対象空間に存在する物体での反射光が受光されるまでの時間差を計測することにより検知対象までの距離を求めることにより、対象空間について画素値が距離である距離画像を生成し、この距離画像を用いて対象空間に規定した監視領域における物体の検知を行う物体検知装置に関するものである。

物体検知装置としては、３次元の空間領域にレーザビーム光やレーザスリット光を走査するとともに、投受光の時間差に基づいて物体までの距離を計測することにより、走査角度毎の物体までの距離を求める技術が提案されている（たとえば、特許文献１）。特許文献１には、監視すべき空間領域における物体（人を含む）の位置や動きを検知するために物体を監視する領域を３次元（ボクセル）で設定し、設定した領域に物体が侵入すると、その領域に固有な制御出力や表示出力を外部に出力することが記載されている。

また、物体からの反射光を受光する受光素子としてＣＣＤイメージセンサのような撮像素子を用い、強度が時間経過に伴って変化する変調光を撮像素子の視野全体に投光する構成も提案されている。撮像素子の各受光領域で変調光を受光したタイミングから物体までの距離を受光領域ごとに求めることにより、画素値が距離である距離画像を生成し、距離画像を用いて物体を検知する。

特開２００３−２７２０６１号公報（段落〔０１５６〕など）

ところで、物体までの距離を測定する対象空間を広範囲にするために、投光する光を走査する構成を採用すると、モータのような可動部が必要になり、振動に伴う不規則な測定誤差が生じたり、耐久性や信頼性が低下したりするという問題が生じる。

一方、可動部を設けずに対象空間を広げるために、撮像素子を用いて対象空間に存在する物体までの距離を一括して測定する構成を用いることが考えられるが、光を投光する範囲が広くなるから、受光強度を確保するには投光する光のエネルギを大きくする必要があり、消費電力が大きくなるという問題が生じる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、可動部を持たず耐久性や信頼性が高い上に、所要の監視領域に対して投光するのに要する消費電力の増加を抑制可能な物体検知装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために、強度が時間経過に伴って変化する変調光を出力する発光源および発光源から出力された変調光を対象空間の所望の領域に投光させる投光光学系からなる投光手段と、二次元配列された複数個の受光領域を有し各受光領域ごとに受光した光の受光強度に応じた出力が得られる撮像素子および視野を規定し視野内からの光を撮像素子に入射させる受光光学系からなる受光手段と、発光源が変調光を出力してから対象空間に存在する物体による変調光の反射光を撮像素子が受光するまでの時間差から各受光領域ごとに物体までの距離を求めるとともに求めた距離を画素値とする距離画像を生成する演算処理部と、演算処理部が生成した距離画像から対象空間における物体を検知する物体検知部とを備え、投光手段は、受光手段の視野内に設定した複数の監視領域にそれぞれ変調光を投光する構成を採用している。

投光手段には、受光光学系により規定された受光手段の視野内にスリット光とスポット光とをそれぞれ投光するスリット光形成部とスポット光形成部とを備える構成を採用することができる。

また、受光光学系には、各監視領域の像が撮像素子の受光面のサイズに合わせて投影されるように当該像のアスペクト比を調節するアナモフィック光学系を採用することができる。

受光光学系は、各監視領域の像を前記撮像素子の受光面の異なる部位にそれぞれ投影する複数個の光学要素からなる構成を採用することができ、また、受光手段の視野において低解像力の領域と高解像力の領域とを形成するように解像力の異なる複数個の光学要素を組み合わせて形成された構成を採用することができ、あるいはまた、受光手段の視野において狭角の領域と広角の領域とを形成するように視野角の異なる複数個の光学要素を組み合わせて形成された構成を採用することができる。

さらに、投光手段について、各監視領域に対応付けた複数個の発光源を設け、発光源ごとに変調光を出力するタイミングを制御するタイミング制御部を付加してもよい。

本発明の構成によれば、発光源と投光光学系とからなる投光手段が、受光手段の視野内に設定した複数の監視領域にそれぞれ変調光を投光するから、所要の監視領域にのみ投光すればよく、所要の監視領域については距離画像を生成しながらも、消費電力の増加を抑制することができる。また、投光手段は発光源と投光光学系とにより構成され、可動部を設ける必要がないから耐久性や信頼性が高くなる。しかも、投光手段は監視領域ごとに投光する必要があるから、発光源と投光光学系との少なくとも一方を複数設けることになるが、すべての監視領域を視野に含むように受光手段を構成しておくことにより、受光手段はすべての監視領域で兼用されるから、構成が簡単であり、コスト増を抑制することができる。

投光手段として、スリット光を投光するスリット光形成部と、スポット光を投光するスポット光形成部とを設けた構成を採用すれば、スリット光により形成されるカーテン状の監視領域で区切られた２つの領域の一方から他方への物体の移動を監視することが可能になるとともに、スポット光により形成された監視領域に存在する物体を検出することができる。つまり、２種類の監視領域を組み合わせることによって、区切られた２領域間での物体の移動と、特定領域における物体の存否とを同時に検出することが可能になる。

受光光学系において、アナモフィック光学系を採用すると、広い監視領域を撮像素子の受光面の範囲内に収めることと、狭い監視領域を撮像素子の受光面の範囲に拡大して分解能を高めることとを両立することができる。

受光光学系として、撮像素子の受光面の異なる部位を各監視領域に対応付ける構成を採用すれば、１個の撮像素子において複数の監視領域を同時に監視することが可能になる。また、受光光学系として、低解像力の領域と高解像力の領域とを形成する構成を採用すれば、高い解像力を要する監視領域と低い解像力でよい監視領域との両方に共用することが可能になる。さらに、受光光学系として、視野角の異なる構成を採用すれば、視野内の一部の監視領域を拡大して監視することができ、注目する監視領域を詳細に監視することが可能になる。

投光手段として、監視領域ごとに設けた複数の発光源について変調光を出力するタイミングを制御する構成を採用した場合には、監視領域ごとに投光するタイミングを異ならせることにより、監視領域ごとに撮像素子の受光面の全体を利用することが可能になり、受光領域の個数が少ない撮像素子でも監視領域を詳細に監視することが可能になる。

実施形態を示すブロック図である。同上の動作説明図である。同上に用いる投光光学系の構成例を示す図である。（ａ）は同上に用いる受光光学系の一例を示す正面図、（ｂ）は比較例の正面図である。（ａ）は同上に用いる受光光学系の他の例を示す側面図、（ｂ）は正面図である。（ａ）は同上に用いる受光光学系のさらに他の例を示す側面図、（ｂ）は正面図である。同上をエレベータに使用する例を示す斜視図である。

本実施形態で用いる物体検知装置は、画像を構成する画素の値が距離値である距離画像を用いて物体の状態（存否・移動など）を検出する構成を採用している。距離画像の生成には、物体を検知する対象空間に赤外線のような光を投光するとともに、対象空間に存在する物体（人を含む）での反射光を受光し、投光から受光までの時間差に相当する情報を用いることにより、物体までの距離を検出する飛行時間法（Time Of Flight）の原理を用いる。すなわち、投光手段から出射した光を対象空間に投光するとともに対象空間からの光を受光手段で検出し、受光手段の出力を用いて物体までの距離を検出するアクティブ型の距離センサを用いる。

投光手段からは時間経過に伴って強度が変化する変調光を出射し、物体で反射され受光手段で受光された変調光と投光した変調光との位相差を、投光から受光までの時間差に相当する情報として用いる。変調光の変調波形には、正弦波、三角波、鋸歯状波、方形波などを用いることができる。正弦波、三角波、鋸歯状波を用いる場合には変調光の周期を一定周期とする。また、方形波を用いる場合には変調光の周期を一定周期とするほか、オン期間（投光手段の投光期間）とオフ期間（投光手段の非投光期間）との比率を乱数的に変化させる技術を採用することも可能である。

受光手段は、複数個の画素が２次元に配列された撮像素子を備える。撮像素子は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサとして提供されている濃淡画像を撮像するための周知構成のものを用いることができるが、距離センサに適する構造を有するように専用に設計された撮像素子を用いることが望ましい。

後者の撮像素子は、基本的な構造については、濃淡画像を撮像する周知構成の撮像素子と類似している。ただし、１画素について複数個の受光領域を有し、受光領域ごとの受光感度が電気信号により制御可能になっている。また、各受光領域では受光強度に応じた電荷量の電荷を生成する。受光領域の受光感度を制御するのは、変調光を受光するタイミングを制御することによって投光と受光との位相差を含む情報を検出するためである。

この撮像素子は、各受光領域で生成された電荷を変調光の変調周期の整数倍の期間に亘って蓄積する蓄積領域を有し、さらに、受光領域で生成した電荷のうち変調光ではない環境光ないし周囲光の成分を低減させる機能を設ける場合もある。

以下では、理解を助けるために距離センサの一構成例として下記構成を想定して説明するが、この構成は本発明を限定する趣旨ではなく、変調光の変調波形、撮像素子の構成、撮像素子の制御などに関して、周知の種々の距離センサに提供された構成を用いることができる。

以下の説明で用いる距離センサＡは、図１に示すように、光（近赤外線を用いるのが望ましい）を出射する発光源１と、対象空間からの光を受光する撮像素子２とを備える。発光源１には、発光ダイオードやレーザダイオードのように入力の瞬時値に比例した光出力が得られる発光素子を用いる。また、発光源１から出射する光量を確保するために、発光源１は適数個の発光素子を用いて構成される。

発光源１は、発光源１から出力された変調光を対象空間に投光する投光光学系３とともに投光手段を構成している。また、撮像素子２は、対象空間からの光を撮像素子２に入射させる受光光学系４とともに受光手段を構成している。投光光学系３と受光光学系４とは互いに近接して配置してあり、投光光学系３と受光光学系４との距離は視野に対して実質的に無視することができるものとする。

距離センサＡには、発光源１を駆動するための変調信号を出力する変調信号生成部５と、変調信号生成部５から出力された変調信号に基づいて撮像素子２での受光タイミングを規定する受光タイミング信号を生成するタイミング制御部６と、撮像素子２から出力された受光信号を用いて対象空間に存在する物体までの距離を求めて距離画像を生成する演算処理部７と、演算処理部７で生成した距離画像から監視領域における物体の存否や物体の移動などの情報を抽出する物体検知部８とが設けられる。

変調信号生成部５は、出力電圧が一定周波数（たとえば、２０ＭＨｚ）の正弦波形で変化する変調信号を生成し、変調信号を発光源１に与えることにより、図２（ａ）（ｂ）のように光出力が正弦波状に変化する変調光が発光源１から出射される。発光源１として発光ダイオードを用いる場合には、電流制限抵抗を介して発光ダイオードに変調信号の信号電圧を印加することにより、発光ダイオードの通電電流を変化させ変調光を出射させる。

一方、撮像素子２は、１画素ごとに１個の受光領域を備えるものとする。この場合、電子シャッタの技術を用いることで、受光タイミング信号に同期する期間にのみ受光強度に応じた電荷を生成することが可能になる。また、受光領域で生成された電荷は、遮光された蓄積領域に転送され、蓄積領域において変調信号の複数周期（たとえば、１００００周期）に相当する蓄積期間に蓄積された後、撮像素子２の外部に受光出力として取り出される。

タイミング制御部６では、変調信号に同期する受光タイミング信号を生成する。ここでは、変調信号の１周期における異なる４位相を規定し、各位相ごとに一定時間幅の受光期間を設定する４種類の受光タイミング信号を生成するとともに、蓄積期間ごとに４種類の受光タイミング信号のうちの各１種類の受光タイミング信号を撮像素子２に与える。

すなわち、１種類の受光タイミング信号で規定した受光期間において受光領域で生成した電荷を１回の蓄積期間において蓄積し、蓄積後の電荷を受光出力として撮像素子２の外部に取り出す処理を４回繰り返し、４回の蓄積期間で４種類の受光タイミング信号に対応する受光出力を撮像素子２の外部に取り出す。

いま、図２（ｃ）のように、受光タイミング信号を変調信号の１周期において９０度ずつ異なる位相で規定しているものとする。この場合、各受光タイミング信号に対応する受光出力（電荷量）を、それぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３とするときに、位相差ψ〔ｒａｄ〕は下式で表される。
ψ＝（Ａ０−Ａ２）／（Ａ１−Ａ３）
変調信号の周波数をｆ〔Ｈｚ〕とすれば、投光から受光までの時間差Δｔは位相差ψを用いて、Δｔ＝ψ／２π・ｆと表されるから、光速をｃ〔ｍ／ｓ〕とすると、物体までの距離は、ｃ・ψ／４π・ｆと表すことができる。

すなわち、４種類の受光出力（電荷量）Ａ０〜Ａ３により物体までの距離を求めることができる。なお、受光期間の時間幅は、受光領域において適正な受光量が得られるように、適宜に設定することができる（たとえば、変調信号の４分の１周期に相当する時間幅とすることができる）。ただし、各受光期間の時間幅は互いに等しくすることが必要である。

演算処理部７では、受光出力（電荷量）Ａ０〜Ａ３に基づいて位相差ψを求め、距離に換算する上述の処理のほか、以下に説明する処理も行うことができる。演算処理部７はコンピュータを用いて構成され、上述した処理はコンピュータでプログラムを実行することにより実現される。また、演算処理部７だけではなく、発光源１および撮像素子２を除く構成は、コンピュータを用いて実現される。

なお、上述の動作例では、４種類の受光タイミング信号を用いているが、３種類の受光タイミング信号でも位相差ψを求めることができ、環境光ないし周囲光が存在しない環境下では、２種類の受光タイミング信号でも位相差ψを求めることが可能である。

また、上述の動作では、１画素について１個の受光領域を用いているから、４種類の受光出力（電荷量）Ａ０〜Ａ３を撮像素子２から取り出すために４回の蓄積期間が必要であるが、１画素について２個の受光領域を設ければ、変調信号の１周期で２種類の受光タイミング信号に対応する電荷を生成することが可能になるから、撮像素子２から２種類の受光タイミング信号に対応した受光出力を１回で読み出すことが可能になる。同様に、１画素に４個の受光領域を設ければ、変調信号の１周期で４種類の受光タイミング信号に対応する電荷を生成し、４種類の受光タイミング信号に対応する受光出力を１回で読み出すことが可能になる。

上述した距離センサＡは、対象空間からの光を受光するための受光素子として複数個の画素が２次元配列された撮像素子２を用いているから、各画素の画素値として距離値を求めることにより距離画像が生成されることになる。生成された距離画像はコンピュータのメモリに格納される。

以下では、主として投光光学系３および受光光学系４の構成と、投光光学系３および受光光学系４の構成に関連した演算処理部７の動作とについて説明する。投光光学系３は、発光源１から出力された変調光を対象空間の所望の投光させる機能を有している。

ここでは、図３に示すように、投光光学系３を、１個の発光源１から出力された光を２経路に分岐するハーフミラーなどを用いた光分岐装置３ａと、光分岐装置３ａで分岐された一方の経路の光を扇形に広がるスリット光として対象空間に投光するスリット光形成部３ｂと、光分岐装置３ａで分岐された他方の経路の光を外周が円形であるレンズを用いることにより投光パターンが円形になるスポット光として対象空間に投光するスポット光形成部３ｃとにより形成している。

スリット光形成部３ｂは、一平面内でのみ屈折力を持つシリンドリカルレンズのようなレンズを用いて入射光を扇形に広げるものであり、この種の光学系の構成は光切断法においてスリット光を投光する構成において周知のものを用いることができる。また、スリット光を投光するために、発光源１と投光光学系３とを一体化した発光装置が市場に提供されているから、この種の発光装置を用いてもよい。

ただし、光分岐装置３ａを用いずに、２個の発光源１を用い、一方の発光源１をスリット光形成部３ｂに対応付け、他方の発光源１をスポット光形成部３ｃに対応付けるようにしてもよい。また、スリット光形成部３ｂおよびスポット光形成部３ｃは、レンズではなくミラーを用いて形成することも可能である。

スリット光は、スリットを通した光と同様に、物体に投光したときに物体の表面に線状ないし帯状の投光パターンを形成するように配光が制御された光であり、スリット光形成部３ｂと投光パターンの長手方向とにより規定される平面内において扇形に広がり、当該平面に直交する方向の厚みが略一定になっている。一方、スポット光は、スポット光形成部３ｃを頂点とする円錐状の配光を有し、物体の表面に円形の投光パターンを形成する。

スリット光とスポット光とは、受光光学系４と撮像素子２とにより形成される受光手段の視野内に投光される。したがって、受光手段の視野内には、スリット光によるカーテン状の監視領域Ｄ１と、スポット光による円錐状の監視領域Ｄ２とが形成される。スリット光による監視領域Ｄ１は、主として監視領域Ｄ１により区切られた２つの領域の一方から他方への物体の移動を検出するのに適しており、スポット光による監視領域Ｄ２は、主として監視領域Ｄ２の中に存在する物体を検出するのに適している。

このように、２種類の監視領域Ｄ１，Ｄ２を組み合わせることにより、２種類の情報を同時に取得することが可能になる。図示例では、監視領域Ｄ１，Ｄ２を重複しないように設定しているが、監視領域Ｄ１，Ｄ２は一部が重複するように設定してもよい。また、スリット光形成部３ｂとスポット光形成部３ｃとの発光源１を分けている場合には、タイミング制御部６において、各発光源１から変調光を投光するタイミングを異ならせるように制御すれば、監視領域Ｄ１，Ｄ２ごとに撮像素子２の受光面の全体を利用することが可能になり、画素数（受光領域の個数）が少ない撮像素子２でも、各監視領域Ｄ１，Ｄ２を詳細に監視することが可能になる。

上述のように、受光手段の視野内に設定した複数個の監視領域Ｄ１，Ｄ２にそれぞれ変調光を投光し、視野内であっても監視の必要がない領域には変調光を投光しないから、監視する必要のある領域に投光して物体の状態を監視しながらも、発光源１の駆動に要する電力の増加を抑制することができる。しかも、複数の監視領域Ｄ１，Ｄ２を設定しながらも、すべての監視領域Ｄ１，Ｄ２は受光手段の視野内に形成されるから、撮像素子２は１個でよく簡単な構成で複数の監視領域Ｄ１，Ｄ２の監視が可能であって、コスト増の抑制になる。また、可動部を持たないレンズやミラーなどの光学要素を用いて監視領域Ｄ１，Ｄ２を形成しているから、可動部が不要であって耐久性や信頼性の高い物体検知装置を提供することができる。

上述した監視領域Ｄ１，Ｄ２の設定例は一例であって、たとえば複数のスリット光を投光するように投光手段を構成したり、複数のスポット光を投光するように投光手段を構成することも可能である。また、スリット光とスポット光とを組み合わせて投光する構成のほか、スリット光あるいはスポット光のみを複数の監視領域に投光するように投光手段を構成してもよい。さらには、楕円状の投光パターンとなるように外周が楕円状であるレンズを投光光学系３に用いた投光手段を構成することも可能である。

ところで、上述のように、受光手段の視野に複数の監視領域Ｄ１，Ｄ２を形成しているから、撮像素子２の受光面には監視領域Ｄ１，Ｄ２に対応しない無駄な領域が生じることになる。そこで、各監視領域Ｄ１，Ｄ２の像が撮像素子２の受光面のサイズに合わせて投影されるように受光光学系４を構成すれば、撮像素子２の受光面を無駄なく利用することが可能である。とくに、スリット光のような直線状ないし帯状の投光パターンや楕円状の投光パターンが形成される場合には、撮像素子２の受光面において監視領域とは関係のない領域が生じることになる。

いま、スリット光とスポット光とを投光する領域を監視領域Ｄ１，Ｄ２とすると、外周が円形であるレンズを受光光学系４に用いると、図４（ｂ）に示すように、撮像素子２の受光面には、スリット光に対応する直線状の像と、スポット光に対応する円形の像とが形成される。この構成では、撮像素子２の受光面の大部分の領域には、監視領域Ｄ１，Ｄ２の像が形成されていない。したがって、撮像素子２の受光面の大部分は、監視領域Ｄ１，Ｄ２における物体の監視に利用されていないことになる。

そこで、図４（ａ）のように、受光光学系４に外周が楕円形であるレンズを用いる。図示例の受光光学系４は、スリット光の投光パターンの延長方向に対して、投光パターンの延長方向に直交する方向の倍率を大きくするように、監視領域Ｄ１，Ｄ２の像のアスペクト比（撮像素子２の垂直方向と水平方向との比）を調節している。

このようなアナモフィック光学系の受光光学系４を採用することにより、監視領域Ｄ１，Ｄ２の像が図の上下方向に引き延ばされ、撮像素子２の受光面において監視領域Ｄ１，Ｄ２の像が占める割合が増加する。また、撮像素子２の受光面において監視領域Ｄ１，Ｄ２の占有面積が増加し、監視領域Ｄ１，Ｄ２に対応する垂直方向の画素数が増加するから、この方向における分解能を向上させたことになる。

また、図４（ｂ）のようにアスペクト比が１：１である受光光学系４を用いたときに、監視領域Ｄ１，Ｄ２の像が撮像素子２の受光面の範囲を超える場合には、アナモフィック光学系の受光光学系４を採用して、当該像を撮像素子２の受光面の幅内に縮小して収めることが可能になる。

すなわち、一方向に長い監視領域Ｄ１については監視領域Ｄ１の像が撮像素子２の受光面に収まるように縮小するとともに、他方向については撮像素子２の受光面を有効利用できるように監視領域Ｄ１，Ｄ２の像を拡大するように、受光光学系４にアナモフィック光学系を採用して、監視領域Ｄ１，Ｄ２のアスペクト比を調節することで、撮像素子２の受光面を有効利用することができる。

ところで、受光光学系４としてアナモフィック光学系を採用するだけでも、受光光学系４のアスペクト比が１：１である場合よりも撮像素子２の受光面を有効に利用することになるが、撮像素子２の受光面をさらに有効に利用するために、複数の光学要素の組み合わせた受光光学系４を採用してもよい。

たとえば、光学要素としてレンズを用い、図５（ａ）に示すように、２個のレンズ４ａ，４ｂを並置するとともに、一方のレンズ４ａを監視領域Ｄ１に対応付け、他方のレンズ４ｂを監視領域Ｄ２に対応付ける。また、各レンズ４ａ，４ｂはそれぞれ撮像素子２の受光面の異なる部位に各監視領域Ｄ１，Ｄ２の像を形成するように設計される。

この構成を採用すれば、監視領域Ｄ１，Ｄ２ごとにレンズ４ａ，４ｂを設計することができるから、図５（ｂ）に示すように、撮像素子２の受光面を監視領域Ｄ１に対応付ける領域Ａ１と監視領域Ｄ２に対応付ける領域Ａ２とに分割し、受光面の各領域Ａ１，Ａ２に監視領域Ｄ１，Ｄ２の像が形成されるようにレンズ４ａ，４ｂを設計する。たとえば、監視領域Ｄ１の像については延長方向において縮小するとともに延長方向に直交する方向に拡大し、監視領域Ｄ２の像については領域Ａ２の多くの部分を占めるように楕円状に変形させる。

上述のように、監視領域Ｄ１，Ｄ２ごとにレンズ４ａ，４ｂを設計（上述の例では、それぞれアナモフィック光学系で互いにアスペクト比が異なるように設計）するとともに、２つの監視領域Ｄ１，Ｄ２の像を撮像素子２の受光面の異なる領域Ａ１，Ａ２に形成するから、撮像素子２の受光面の各画素の大部分を監視領域Ｄ１，Ｄ２に対応付けることができ、対象空間の一部である監視領域Ｄ１，Ｄ２にのみ変調光を投光しているにもかかわらず、撮像素子２の受光面を有効に利用することが可能になる。

そして、撮像素子２の受光面に設けられている画素の大部分を利用することにより、監視領域Ｄ１，Ｄ２の一部については拡大して詳細に監視し、また他部については縮小して全体を監視することが可能になる。また、図５の構成を採用することにより、１個の撮像素子２を用いて複数の監視領域Ｄ１，Ｄ２を監視することが可能になる。

複数の光学要素を組み合わせた受光光学系４としては、低解像力の光学要素と高解像力の光学要素とを組み合わせた構成を採用してもよい。解像力は光学要素の設計により、低解像力の領域では物体の有無を監視し、高解像力の領域では物体の形状などの詳細を監視することが可能である。上述の例では、スリット光に対応する監視領域Ｄ１で物体の通過を検出する場合には監視領域Ｄ１は低解像度でよく、スポット光に対応する監視領域Ｄ２で物体の形状を計測する場合には監視領域Ｄ２は高解像度にするのが望ましい。

また、複数の光学要素を組み合わせた構成として、図６（ａ）に示すように、図５に示した構成に対して、スリット光により形成される監視領域Ｄ１の中央部を拡大した像を撮像素子２の受光面に形成するレンズ４ｃを追加した構成を採用してもよい。図示例では、撮像素子２の受光面の中央部をレンズ４ｃに対応付けている。すなわち、受光手段の視野の中央部に狭角の領域を形成し、受光手段の視野における当該領域の一側に広角の領域を形成し、受光手段の視野における他側にスポット光により形成される監視領域Ｄ２に対応した領域を形成する。

この構成では、光学要素としてレンズを用いる場合には、図６（ａ）のように、視野角の異なるレンズ４ａ，４ｃを監視領域Ｄ２用のレンズ４ｂとともに並べて配置した受光光学系４を用いる。図示する受光光学系４は、３枚のレンズ４ａ，４ｂ，４ｃを上下に並べて配置してあり、中央部に配置したレンズ４ｃによる視野を狭角とし、下部に配置したレンズ４ａによる視野を広角としてある。また、上部に配置したレンズ４ｂは、図５に示したレンズ４ｂと同様にスポット光に対応する監視領域Ｄ２の全体が視野になるように形成されている。

このような受光光学系４を用いると、図６（ｂ）のように、撮像素子２の受光面の上部の領域Ａ２ではスポット光が投光される監視領域Ｄ２を監視することができ、撮像素子２の下部の領域Ａ１ではスリット光が投光される監視領域Ｄ１の全体を監視することができ、さらに、撮像素子２の受光面の中央部の領域Ａ１′ではスリット光が投光される監視領域Ｄ１の一部を拡大した監視領域Ｄ１′を監視することが可能になる。したがって、撮像素子２の受光面の中央部の領域Ａ１′および下部の領域Ａ１をスリット光が投光される監視領域Ｄ１′，Ｄ１にそれぞれ対応付けておけば、スリット光が投光される監視領域Ｄ１については全体と細部とを監視することが可能になる。

複数の光学要素を組み合わせた受光光学系４を用いる場合も、監視領域Ｄ１，Ｄ２ごとに投光する複数個の発光源１を設け、タイミング制御部６によって発光源１ごとに変調光を出力するタイミングを制御してもよい。この構成では、監視領域Ｄ１，Ｄ２ごとに投光することが可能になるから、複数の監視領域Ｄ１，Ｄ２に同時に投光する場合よりも投光に要する電力を低減することが可能になる。

上述のように構成した物体検知装置は、たとえば、駆動源により走行駆動されるドア（エレベータのドア、列車のドア、出入口の自動ドアなど）において、ドアの走行時の安全を確認するためのセンサ、工場内における立入の監視を行うセンサなどに適用することができる。

たとえば、エレベータのドアに対して上述した物体検知装置を適用する場合には、図７に示すように、エレベータ１０のカゴ１１に設けた出入口となる開口部１２の上縁に沿って距離センサＡを配置する。

エレベータ１０の開口部１２を開閉するドア１３では、閉状態から開動作を開始したときに人の手や持ち物がドア１３に触れていると、ドア１３が開口部１２の袖に収納される際に、手や持ち物が開口部１２の袖に引き込まれる可能性があるから、開口部１２においてドア１３が出入する部位を監視する必要がある（監視領域Ｅ１）。

また、ドア１３が閉動作を行っているときには手や持ち物がドア１３に挟まれる可能性があるから、ドア１３の先端付近も監視する必要がある（監視領域Ｅ２）。

さらに、ドア１３が開状態であるときにカゴ１１の外部である乗場から、人が乗り込む際にドア１３が閉動作を開始すると、人がドア１３に衝突するから、乗場からカゴ１１に向かって移動する人を監視することも必要である（監視領域Ｅ３）。

したがって、投光手段からは監視領域Ｅ１〜Ｅ３の個々に投光し、受光手段では個々の監視領域Ｅ１〜Ｅ３を撮像素子２の受光面に定めた領域に投影されるように、受光光学系４を複数個の光学要素で形成するのが望ましい。監視領域Ｅ１，Ｅ３はスポット光で対応することができ、監視領域Ｅ２についてはスリット光によって対応することができる。また、監視領域Ｅ３は、カゴ１１の外側に向けて設定し、ドア１３が開状態から閉状態に至る間にカゴ１１に乗り込もうとする人の検知を行えばよい。

上述の動作からわかるように、エレベータのドア１３に関する監視を行う場合には、ドア１３の動作に連動させて監視領域Ｅ１〜Ｅ３を設定すればよいから、監視領域Ｅ１〜Ｅ３への変調光の投光を連続的に行う必要がなく、消費電力の一層の低減が可能になる。なお、エレベータへの使用は一例であって、上述したように、本発明の物体検知装置は各種用途に用いることができる。

１発光源（投光手段）
２撮像素子（受光手段）
３投光光学系（投光手段）
３ｂスリット光形成部
３ｃスポット光形成部
４受光光学系（受光手段）
４ａ〜４ｄレンズ（光学要素）
５変調信号生成部
６タイミング制御部
７演算処理部
８物体検知部

Claims

強度が時間経過に伴って変化する変調光を出力する発光源および発光源から出力された変調光を対象空間の所望の領域に投光させる投光光学系からなる投光手段と、二次元配列された複数個の受光領域を有し各受光領域ごとに受光した光の受光強度に応じた出力が得られる撮像素子および視野を規定し視野内からの光を撮像素子に入射させる受光光学系からなる受光手段と、発光源が変調光を出力してから対象空間に存在する物体による変調光の反射光を撮像素子が受光するまでの時間差から各受光領域ごとに物体までの距離を求めるとともに求めた距離を画素値とする距離画像を生成する演算処理部と、演算処理部が生成した距離画像から対象空間における物体を検知する物体検知部とを備え、投光手段は、受光手段の視野内に設定した複数の監視領域にそれぞれ変調光を投光することを特徴とする物体検知装置。
前記投光手段は、前記受光光学系により規定された前記受光手段の視野内にスリット光とスポット光とをそれぞれ投光するスリット光形成部とスポット光形成部とを備えることを特徴とする請求項１記載の物体検知装置。
前記受光光学系は、各監視領域の像が前記撮像素子の受光面のサイズに合わせて投影されるように当該像のアスペクト比を調節するアナモフィック光学系であることを特徴とする請求項１又は２記載の物体検知装置。
前記受光光学系は、各監視領域の像を前記撮像素子の受光面の異なる部位にそれぞれ投影する複数個の光学要素からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の物体検知装置。
前記受光光学系は、前記受光手段の視野において低解像力の領域と高解像力の領域とを形成するように解像力の異なる複数個の光学要素を組み合わせて形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の物体検知装置。
前記受光光学系は、前記受光手段の視野において狭角の領域と広角の領域とを形成するように視野角の異なる複数個の光学要素を組み合わせて形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の物体検知装置。
前記投光手段は各監視領域に対応付けた複数個の発光源を備え、発光源ごとに変調光を出力するタイミングを制御するタイミング制御部が付加されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の物体検知装置。