JP2015200566A - 距離測定装置、距離測定方法および距離測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 レンズでの反射に起因する誤測定を軽減することができる距離測定装置、距離測定方法および距離測定プログラムを提供する。【解決手段】 距離測定装置は、レーザ光をレンズに照射する照射角度を変更可能な角度変更部と、前記レンズを透過して測距対象で反射して戻る前記レーザ光の戻り光を、前記レンズを介して受光する受光素子と、前記レンズにおける前記レーザ光が入射する側の面の反射の影響を前記照射角度に応じて取得する取得部と、前記取得部が取得した前記反射の影響を用いて、前記受光素子が出力する信号を補正する補正部と、を備える。【選択図】 図５

Description

本件は、距離測定装置、距離測定方法および距離測定プログラムに関する。

近年、距離測定装置（レーザレーダ）は、対象物までの距離計測だけでなく、自動車における障害物検知をはじめ、鉄道のホームにおける車両と開閉扉間の人検知などの周辺監視を目的にさまざまなシーンで利用されている。

特許文献１は、レーザ光を適当な発散角に絞るとともに、レーザ光の車両の所定方向の障害物にて反射される第１の反射光を集光する作用を共用した光学手段と、第１の反射光を受光せず、レーザ光のこの光学手段に反射される第２の反射光を受光するモニタ用光学素子と、モニタ用受光素子の出力信号を受光素子の出力信号から減ずることで、誤検知防止対策を行う技術を開示している。

特許文献２は、検知領域に検知すべき反射物が存在しない場合にレーザレーダセンサ５の受光素子８３から出力される受光信号を所定個数積算した積算信号をノイズ基準値として記録し、検知領域内の反射物を検出する際には差分演算ブロック９２において積算信号からノイズ基準値を減算することにより、ノイズ成分を除去する技術を開示している。

特公平３−２６７９３号公報 特開２００５−２５７４０５号公報

しかしながら、レンズからの反射光は、レーザの照射角度によって異なる。したがって、特許文献１，２の技術では、レンズでの反射に起因する誤測定がなされるおそれがある。

１つの側面では、本発明は、レンズでの反射に起因する誤測定を軽減することができる距離測定装置、距離測定方法および距離測定プログラムを提供することを目的とする。

１つの態様では、距離測定装置は、レーザ光をレンズに照射する照射角度を変更可能な角度変更部と、前記レンズを透過して測距対象で反射して戻る前記レーザ光の戻り光を、前記レンズを介して受光する受光素子と、前記レンズにおける前記レーザ光が入射する側の面の反射の影響を前記照射角度に応じて取得する取得部と、前記取得部が取得した前記反射の影響を用いて、前記受光素子が出力する信号を補正する補正部と、を備える。

レンズでの反射に起因する誤測定を軽減することができる。

比較例に係る距離測定装置の概略図である。 ＴＯＦ方式の説明図である。 反射光と戻り光との関係を例示する図である。 照射角度と反射光量との関係を例示する図である。 実施例１に係る距離測定装置の概略図である。 テーブル記憶部が記憶しているテーブルを例示する図である。 フローチャートの一例である。 実施例２に係る距離測定装置の概略図である。 フローチャートの一例である。 演算部の他のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。

実施例の説明に先立って、距離測定装置の概略について説明する。

図１は、比較例に係る距離測定装置２００の概略図である。図１で例示するように、距離測定装置２００は、発光素子１１、コリメートレンズ１２、ミラー１３、２次元走査ミラー１４、拡大レンズ１５、集光レンズ１６、受光素子１７などを備える。

発光素子１１は、レーザ光を出射する装置であり、一例としてパルス光を出射する。コリメートレンズ１２は、発光素子１１が出射するレーザ光の広がりを抑制して、平行光とする。ミラー１３は、中央部に孔が形成された孔開きミラーである。ミラー１３の角度は、距離測定装置２００内において固定されている。コリメートレンズ１２が出射するレーザ光は、ミラー１３の孔を通過する。

２次元走査ミラー１４は、外部からの指示に従って角度が変化するミラーである。例えば、２次元走査ミラー１４として、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ミラー、ガルバノミラー等を用いることができる。ミラー１３の孔を通過するレーザ光は、２次元走査ミラー１４の回転角度に応じて偏向される。拡大レンズ１５は、２次元走査ミラー１４で変更された光の角度をさらに拡大する。この２次元走査ミラー１４の走査により、レーザ光の拡大レンズ１５に対する入射角度が変更される。拡大レンズ１５から出射されたレーザ光は、測距対象に照射され、散乱（反射）され、広がりを持って拡大レンズ１５に戻る。この戻り光は、拡大レンズ１５を通過し、２次元走査ミラー１４で反射され、ミラー１３で反射され、集光レンズ１６で集光され、受光素子１７で受光される。このように、距離測定装置２００においては、出射されるレーザ光および戻り光が同じ拡大レンズ１５を通過する同軸光学系が採用されている。

距離測定装置２００は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ＯＦ Ｆｌｉｇｈｔ）方式を採用することによって、測距対象までの距離を測定する。図２は、ＴＯＦ方式の説明図である。図２で例示するように、距離測定装置２００は、発光素子１１がレーザ光をパルス出射して戻り光が測距対象から戻ってくるまでの往復時間（ΔＴ）を計測し、光速を乗算することによって、測距対象までの距離を算出する。

距離測定装置２００においては、拡大レンズ１５の裏面（２次元走査ミラー１４側）で反射される光（以下、反射光）の一部等が直接に、あるいは他の部材において反射された後に、ノイズ光として受光素子１７に入射する可能性がある。このようなノイズ光は、受光素子１７におけるＳ／Ｎを低下させる要因となる。反射光対策として、一般に反射防止処理を施すことが考えられる。しかしながら、拡大レンズ１５に入射したレーザ光の強度に対して１０^−３程度の強度の裏面反射光が生じることは避けられない。一方、受光素子１７が検知しなければならない戻り光の強度は、照射されるレーザ光の強度の１０^−８程度まで減衰されている場合がある。したがって、反射防止処理を施しただけでは、距離測定に多大な悪影響が及ぶ可能性がある。

さらに、図３で例示するように、ＴＯＦ方式では、測距対象物が近距離にある場合、反射光と戻り光との間で、波形を分離することが困難となる。そこで、あらかじめ反射波形をＡＤ変換によりデジタル的に取り込んでメモリし、デジタル的に取り込んだ測定波形から差分することで補正を行うことが考えられる。しかしながら、この技術では、レンズでの反射に起因する誤測定がなされるおそれがある。

ここで、図４で例示するように、レンズからの反射光がレーザの照射角度に応じて異なることを新規に見出した。これにより、走査角度の変化によってレンズからの反射光の大きさが変化してしまうため、1つの波形をメモリするだけでは、レンズでの反射に起因する誤測定がなされるおそれがあることがわかった。以下の実施例では、レンズでの反射に起因する誤測定を軽減することができる距離測定装置、距離測定方法および距離測定プログラムについて説明する。

図５は、実施例１に係る距離測定装置１００の概略図である。図５で例示するように、距離測定装置１００は、投受光一体ユニット１０および演算部２０を備える。投受光一体ユニット１０は、発光素子１１、コリメートレンズ１２、ミラー１３、２次元走査ミラー１４、拡大レンズ１５、集光レンズ１６、受光素子１７、受光素子１８などを備える。演算部２０は、変換回路２１、変換回路２２、ミラー位置検出回路２３、テーブル記憶部２４、増幅回路２５、増幅回路２６、差分回路２７、計測回路２８などを備える。

図１の距離測定装置２００と同じ構成については、同じ符号を付すことによって説明を省略する。受光素子１８は、光電変換を行うフォトダイオードなどであり、コリメートレンズ１２を通過したレーザ光がミラー１３の孔を通過する際に孔部で散乱した光を受光する。すなわち、受光素子１８は、拡大レンズ１５の裏面における反射の影響を受けていないレーザ光を検出することができる。

受光素子１７が出力する光電流は、変換回路２１に入力される。変換回路２１は、入力される光電流を電圧信号に変換し、増幅回路２５に入力する。受光素子１８が出力する光電流は、変換回路２２に入力される。変換回路２２は、入力される光電流を電圧信号に変換し、増幅回路２６に入力する。ミラー位置検出回路２３は、２次元走査ミラー１４の位置（拡大レンズ１５に対するレーザ光の照射角度）を検出し、その検出結果をテーブル記憶部２４に入力する。

テーブル記憶部２４は、２次元走査ミラー１４の位置とそれに関連付けられた増幅率とをテーブルとして格納している。テーブル記憶部２４は、ミラー位置検出回路２３から入力された位置に対応する増幅率を、増幅回路２５と増幅回路２６とに個別に入力する。これらの増幅率は、距離測定装置１００の周りに対象物が無い（測距対象物が所定の距離以上存在しない）場合の受光素子１７および受光素子１８の光電流が同じまたは差分が所定値以下となるような増幅率である。これらの増幅率については、事前に取得しておくことができる。

図６は、テーブル記憶部２４が記憶しているテーブルを例示する図である。図６で例示するように、２次元走査ミラー１４の垂直側走査角度と水平側走査角度とに対応させて、増幅率が格納されている。垂直側走査角度および水平側走査角度は、レーザ光の拡大レンズ１５に対する照射角度を決定する因子である。なお、図６の例では、増幅回路２５および増幅回路２６のいずれか一方の増幅率だけ格納されているが、２次元走査ミラー１４の垂直側走査角度と水平側走査角度とに対応させて、増幅回路２５および増幅回路２６の両方の増幅率が個別に格納されていてもよい。また、テーブルではなく、２次元走査ミラー１４の角度を変数とする数式に従って、増幅回路２５，２６の両方の増幅率、または増幅回路２５，２６のいずれか一方の増幅率を算出してもよい。

増幅回路２５から出力される電圧信号および増幅回路２６から出力される電圧信号は、差分回路２７に入力される。差分回路２７は、増幅回路２５が出力する電圧信号から増幅回路２６が出力する電圧信号を減じて差分を得ることによって、補正信号を取得する。取得された補正信号は、計測回路２８に入力される。計測回路２８は、入力された補正信号を用いて、測距対象物までの距離測定を行う。

図７は、以上の動作の一例をフローチャートとして表したものである。図７のフローチャートは、２次元走査ミラー１４の位置が変更されるタイミングと同期して実行される。まず、ミラー位置検出回路２３は、２次元走査ミラー１４の位置を検出する（ステップＳ１）。次に、発光素子１１は、パルス光を出射する（ステップＳ２）。次に、計測回路２８は、時間計測を開始する（ステップＳ３）。

次に、受光素子１７および受光素子１８が出力する光電流が、それぞれ変換回路２１および変換回路２２で電圧信号に変換される（ステップＳ４）。一方、ステップＳ２〜Ｓ４と並行して、テーブル記憶部２４は、ミラー位置検出回路２３が取得した位置に対応する増幅率を取得し、増幅回路２５および増幅回路２６に入力する（ステップＳ５）。

ステップＳ４およびステップＳ５の実行後、増幅回路２５および増幅回路２６は、それぞれ電圧信号を増幅する（ステップＳ６）。次に、差分回路２７は、増幅回路２５が出力する電圧信号と増幅回路２６が出力する電圧信号とから補正信号を取得し（ステップＳ７）、計測回路２８に入力する（ステップＳ８）。計測回路２８は、入力された補正信号を用いて、測距対象物までの距離測定を行う（ステップＳ９）。ステップＳ９の実行後、２次元走査ミラー２の角度が変更されるタイミングでステップＳ１から再度実行される。

本実施例によれば、拡大レンズ１５に対するレーザ光の照射角度に応じて増幅回路２５，２６の少なくともいずれか一方の増幅率を取得することによって、拡大レンズ１５の裏面の反射の影響を取得することができる。取得した反射の影響を用いて受光素子１７の出力信号が補正されるため、拡大レンズ１５での反射に起因する誤測定を軽減することができる。

図８は、実施例２に係る距離測定装置１００ａの概略図である。図８で例示するように、距離測定装置１００ａが図５の距離測定装置１００と異なる点は、投受光一体ユニット１０の代わりに投受光一体ユニット１０ａを備え、演算部２０の代わりに演算部２０ａを備える点である。投受光一体ユニット１０ａが投受光一体ユニット１０と異なる点は、受光素子１８を備えていない点である。演算部２０ａが演算部２０と異なる点は、変換回路２２の代わりに、駆動電流モニタ回路２９および波形補正回路３０を備える点である。図５の距離測定装置１００と同じ構成については、同じ符号を付すことによって説明を省略する。

駆動電流モニタ回路２９は、発光素子１１を駆動するための駆動回路から発光素子１１に入力される駆動電流を検出する。それにより、実施例１の受光素子１８を設けなくても、拡大レンズ１５の裏面における反射の影響を受けていない出射光を検出することができる。波形補正回路３０は、駆動電流モニタ回路２９が検出する駆動電流に基づいて、発光素子１１の出力波形を光電変換することによって得られる光電流を変換した電圧信号を出力する。出力された電圧信号は、増幅回路２６に入力される。その他の動作については、実施例１と同様である。

図９は、以上の動作の一例をフローチャートとして表したものである。図９のフローチャートが図７のフローチャートと異なる点は、ステップＳ４の代わりにステップＳ４ａが実行される点である。ステップＳ４ａでは、受光素子１７が出力する光電流が変換回路２１で電圧信号に変換されるとともに、発光素子１１の出力波形を光電変換することによって得られる光電流を変換した電圧信号を波形補正回路３０が出力する。

本実施例においても、拡大レンズ１５に対するレーザ光の照射角度に応じて増幅回路２５，２６の少なくともいずれか一方の増幅率を取得することによって、拡大レンズ１５の裏面の反射の影響を取得することができる。取得した反射の影響を用いて受光素子１７の出力信号が補正されるため、拡大レンズ１５での反射に起因する誤測定を軽減することができる。

上記各実施例において、２次元走査ミラー１４が、レーザ光をレンズに照射する照射角度を変更可能な角度変更部として機能する。受光素子１７が、レンズを透過して測距対象で反射して戻るレーザ光の戻り光を、当該レンズを介して受光する受光素子として機能する。ミラー位置検出回路２３およびテーブル記憶部２４が、レンズにおけるレーザ光が入射する側の面の反射の影響を照射角度に応じて取得する取得部として機能する。増幅回路２５，２６および差分回路２７が、取得部が取得した反射の影響を用いて、受光素子が出力する信号を補正する補正部として機能する。

（他の例）
図１０は、演算部２０，２０ａの他のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図１０を参照して、演算部２０，２０ａは、ＣＰＵ１０１、ＲＡＭ１０２、記憶装置１０３、インタフェース１０４などを備える。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１０１は、中央演算処理装置である。ＣＰＵ１０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２は、ＣＰＵ１０１が実行するプログラム、ＣＰＵ１０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置１０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置１０３として、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。ＣＰＵ１０１が距離測定プログラムを実行することによって、距離測定装置１００に演算部２０が実現され、または距離測定装置１００ａに演算部２０ａが実現される。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 投受光一体ユニット
１１ 発光素子
１２ コリメートレンズ
１３ ミラー
１４ ２次元走査ミラー
１５ 拡大レンズ
１６ 集光レンズ
１７，１８ 受光素子
２０ 演算部
２１，２２ 変換回路
２３ ミラー位置検出回路
２４ テーブル記憶部
２５，２６ 増幅回路
２７ 差分回路
２８ 計測回路
１００ 距離測定装置

Claims (8)

1. レーザ光をレンズに照射する照射角度を変更可能な角度変更部と、
   前記レンズを透過して測距対象で反射して戻る前記レーザ光の戻り光を、前記レンズを介して受光する受光素子と、
   前記レンズにおける前記レーザ光が入射する側の面の反射の影響を前記照射角度に応じて取得する取得部と、
   前記取得部が取得した前記反射の影響を用いて、前記受光素子が出力する信号を補正する補正部と、を備えることを特徴とする距離測定装置。
2. 前記取得部は、前記反射の影響と前記照射角度とを対応させて格納したテーブルから、前記照射角度に対応する前記反射の影響を取得することを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
3. 前記取得部は、前記反射の影響として、前記レーザ光の光量を前記照射角度に応じて補正することによって得られた補正光量を取得し、
   前記補正部は、前記戻り光の光量から前記補正光量を減ずることによって、前記受光素子が出力する信号を補正することを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
4. 前記取得部は、前記レーザ光が前記レンズに入射する前の光の一部を用いて前記補正光量を取得することを特徴とする請求項３記載の距離測定装置。
5. 前記取得部は、前記レーザ光を射出する発光素子の駆動電流を用いて前記補正光量を取得することを特徴とする請求項３記載の距離測定装置。
6. 前記角度変更部は、前記レーザ光の反射角度を変更するＭＥＭＳミラーであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の距離測定装置。
7. レンズを透過して測距対象で反射して戻るレーザ光の戻り光を、前記レンズを介して受光素子で受光し、
   前記レンズにおける前記レーザ光が入射する側の面の反射の影響を、前記レーザ光が前記レンズに照射される照射角度に応じて取得し、
   前記反射の影響を用いて、前記受光素子が出力する信号を補正する、ことを特徴とする距離測定方法。
8. レンズにおけるレーザ光が入射する側の面の反射の影響を、前記レーザ光が前記レンズに照射される照射角度に応じて取得し、
   前記レンズを透過して測距対象で反射して戻る前記レーザ光の戻り光を、前記レンズを介して受光する受光素子が出力する信号を、前記反射の影響を用いて補正する、処理をコンピュータに実行させることを特徴とする距離測定プログラム。

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