JP2016184018A - 光偏向装置、光照射装置および距離計測装置 - Google Patents
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Abstract
Description
以下では図1−3を参照しながら、実施例に係る光偏向装置300およびこれを備えた光照射装置200について説明する。光照射装置200は、検出対象8との距離を検出するレーザレーダである。図1に示すように、光照射装置200は、光偏向装置300と、光源201と、コリメートレンズ203と、ハーフミラー205と、集光レンズ207と、受光手段209とを備えている。なお、図1には、光偏向装置300については、MEMSミラー100のみが図示されており、その他の構成については図示を省略している。
X=sin(2π・N1・n・T+Φx) (4)
Y=sin(2π・N2・n・T+Φy) (5)
ここで、N1は基準軸における周期数であり、N2は従属軸における周期数であり、nはフレームレートであり、Tは時間であり、Φxは、基準軸における1フレームの描画開始時の位相であり、Φyは、従属軸における1フレームの描画開始時の位相である。
(1)N1、N2の双方が奇数の場合
(Φx,Φy)=(0°,±90°),(±180°,±90°),(±90°,0°),(±90°,±180°)
(2)N1,N2の少なくともいずれか一方が偶数の場合
(Φx,Φy)=(0°,0°),(0°,±180°),(±180°,0°),(±180°,±180°)
フレームレートnと従属軸の駆動周波数f2の組合せの候補は、下記の式(6)(7)によって計算できる。
n=fr1/N1・・・(6)
f2=n×N2・・・(7)
1)移動物の最新の位置情報を得られること
2)距離画像の出力レートが一定であること
3)距離画像の画素数が一定であること
1)は、侵入防止や衝突回避のために必要となる。
この要求を満たすためには、レーザ光のスキャン方法はリサージュスキャンが望ましい。これについて以下で簡単に説明する。
主なレーザのスキャン方式として、ラスタースキャンとリサージュスキャンが考えられる。
ラスタースキャンは図5に示すように端からレーザを等間隔にスキャンしていく方法である。等間隔にレーザをスキャンするため、距離画像の分解能を、距離画像全体で完全に均一にすることができる。
しかし、端からレーザをスキャンしていくため、スキャン開始時近傍の画素(図5の(b)付近)と、スキャン終了時近傍の画素(図5の(e)付近)では、およそフレームレートと同じ程度の時間差が生じる。距離画像を1フレーム取得した時には、スキャン開始点位置付近の移動物は移動している可能性がある。このため、距離画像上の移動物の位置と、実際の移動物の位置との間に誤差が生じやすい。
一方でリサージュスキャンは、図6に示すように、2軸同時に正弦波スキャンする。
スキャンの端付近では、スキャン速度が遅くなるため軌跡が密になる。これによって、距離画像の画素に粗密が生じる。
しかし、移動物の最新の位置を検出するのに適している。図6の(b)〜(d)に、リサージュスキャンを1/4フレームずつ区切って示す。リサージュスキャンは、1フレームの間、常に監視範囲のほぼ全域をスキャンし続けている。常に全体を監視できるため、移動物の最新の位置を検出しやすい。このため、リサージュスキャンの方が移動物の検出に適している。
2)と3)は、移動物の抽出、その位置や速度の追跡のために必要である。移動物の抽出や、その位置の追跡、速度の追跡については、レーザレーダ外に用意したCPUなどで実施することが考えられる。距離画像のレートと距離画像の画素数は、常に一定である方がCPUなどでのデータ処理を容易にできる。このため、移動物の位置と速度の抽出が必要な、侵入者監視用のレーザレーダや、衝突防止用のレーザレーダは、一定のレートで一定の画素の距離画像を出力できることが望ましい。
本発明の距離計測装置は、画像レート調整手段352および画素数調整手段353を備えている。画像レート調整手段352を備えているため、基準軸と従属軸の駆動周波数f1、f2の変化に応じて距離画像を取得するためのフィールドレートが変化した場合も、距離画像の出力レートを一定に保つことができる。
また、画素数調整手段353を備えているため、基準軸と従属軸の駆動周波数f1、f2の変化に応じてリサージュの軌跡が変化した場合でも、距離画像の画素数を一定に保つことができる。
以上より、本発明では、基準軸をMEMSミラーの共振周波数で駆動し、かつ、従属軸をその共振周波数近傍の周波数で駆動しながらも、距離画像の提供レートおよび距離画像の画素数を一定に保つことが可能となる。
以下で、画像レート調整手段352および画素数調整手段353で行われる具体的な処理について説明する。
また、上述の処理に加え、未計測画素周辺の計測結果から、未計測画素の情報を予想する構成にしても良い。具体例を図9に示す。未計測画素を取り囲む4画素の距離計測値の平均値を計算して補填を行う。角の画素が未計測の場合は、周辺2画素の平均値を、角以外の端の画素が未計測の場合は、周辺3画素の平均値を補填する。周辺の画素も同様に未計測である場合は、直前のフィールドで計測した結果を補填する。
リサージュスキャンではスキャン方向が概ね斜めであり、未計測の画素の周辺画素は計測できている可能性が高い。このため、計測済の画素を用いることで、高い精度で未計測画素を予測することが可能である。図9に示すように、移動体の現状に実際の形状に近い状態を検出できる。上記処理により、移動物の最新位置により近い情報を提供しつつ、距離画像の出力レートを一定に保つことが可能である。
図10は、外部機器から距離画像の出力を要求されたタイミングで、計測できていない画素が存在した場合、直前のフィールドで計測した距離画像を出力する方法を示している。図10の手法では、図7〜図9の方法よりも容易な処理で距離画像の出力レートを一定に保つことが可能となる。
図11は、外部機器から距離画像の出力を要求されたタイミングで計測できていない画素を、それ以前に取得した複数枚の距離画像から予測して補完する例を示している。取得した距離画像から、移動物を抽出し、その位置と速度を計測しておく。過去の移動物の位置とその速度から、計測できていない画素に移動物があるか否かを予想し、未計測画素を補完する。
図11の例では、過去2枚の距離画像から、3×3画素程度の大きさの移動物が近づいてきていることがわかる。計測できていない画素には、前記移動物が存在すると考えられる。このため、1フィールド前の前記移動物とその移動速度から予想される距離値を、計測できていなかった画素に補填する。
本手法によれば、移動物のより最新の位置を予想した距離画像を得つつ、かつ、画像出力のレートを一定に保つことが可能となる。
図12は、取得した距離画像データを、15×15の距離画像に変換し出力する例を示している。
図12の左図は、変換前の10×8画素の距離画像である。図12の中央図は、変換前の10×8画素の画像に、15×15のマスを重ねたものである。画素数調整手段353は、変換後の画素の位置における、変換前の画素の距離データを確認する。
変換後の画素が変換前の画素に完全に収まっている場合は、変換前の画素の距離データを変換後の画素に記述する。
変換後の画素が変換前の複数の画素にまたがっている場合は、最も広い面積で重なっている変換前の画素の距離データを変換後の画素に記述する。
たとえ取得した距離画像が10×6画素などに変化した場合でも、上述と同様の処理により、出力する距離画像の画素数を15×15画素に変換することができる。
このため、基準軸と従属軸の駆動周波数f1、f2の変化に応じてリサージュの軌跡が変化し、取得できる距離画像の画素数が変化した場合でも、一定の画素数の距離画像を出力することが可能となる。
(3)N1、N2が互いに素の自然数であり、かつ、N1が偶数であり、かつ、N2が奇数であり、かつ、Φx=±90°,Φy=0°,±90°,±180°
(4)N1、N2が互いに素の自然数であり、かつ、N1が奇数であり、かつ、N2が偶数であり、かつ、Φx=0°,±90°,±180°,Φy=±90°
(5)N1、N2が互いに素の自然数であり、かつ、N1とN2の双方が奇数であり、かつ、Φx,Φy=0°,±90°,±180°
実施例2に係る第2の光偏向装置およびこれを備えた光照射装置は、図3に示す駆動周波数計算手段322で行われる処理において実施例1と相違している。その他の光照射装置の各構成は、実施例1で説明したものと同様であるため、説明を省略する。
上記の実施例では、駆動信号と傾き角の位相差から共振周波数を予想する構成を例示して説明したが、これに限定されない。例えば、駆動周波数を変化させて傾き角の振幅を計測し、傾き角が最大となる周波数を共振周波数とする構成にしてもよい。また、上記の実施例では、距離画像を計測可能な光照射装置を例示して説明したが、これに限定されない。例えば、図15に示すような光偏向装置500を備えた光照射装置(例えば、プロジェクタ)であってもよい。
3 :光
8 :検出対象
11 :画素
12 :画素
13 :画素
14 :画素
21 :画素
22 :画素
23 :画素
24 :画素
100 :MEMSミラー
101 :外枠
103a :第1可撓部
103b :第1可撓部
105 :内枠
107a :第2可撓部
107b :第2可撓部
109 :ミラー
110 :永久磁石
200 :光照射装置
201 :光源
203 :コリメートレンズ
205 :ハーフミラー
207 :集光レンズ
209 :受光手段
300 :光偏向装置
303 :検出手段
305 :駆動手段
320 :選択手段
321 :共振周波数予想手段
322 :駆動周波数計算手段
323 :駆動位相差計算手段
324 :計測手段
325 :計測手段
327 :光源駆動信号計算手段
330 :距離計測部
350 :画像データ生成部
351 :距離画像生成手段
352 :画像レート調整手段
353 :画素数調整手段
500 :光偏向装置
501 :光源
503 :MEMSスキャナ
505 :駆動手段
520 :選択手段
521 :共振周波数予想手段
522 :駆動周波数計算手段
523 :駆動位相差計算手段
524 :計測手段
525 :計測手段
527 :照射開始タイミング計算手段
550 :画像調整部
551 :画素数調整手段
552 :画像出力レート調整手段
Claims (13)
- 基準軸と従属軸の周りに駆動可能かつ光を反射可能なMEMSミラーと、
MEMSミラーを駆動する駆動手段と、
MEMSミラーの振幅および位相を検出する検出手段と、
検出手段で検出されたMEMSミラーの振幅および位相に基づいて、MEMSミラーの駆動周波数とフレームレートとを選択し、駆動手段に出力する、選択手段と、を備え、
選択手段は、
基準軸の駆動周波数として基準軸の共振周波数を選択し、
基準軸の共振周波数に基づき、1フィールド内で重複しないリサージュ図形を提供可能なフレームレートおよび従属軸の駆動周波数の組合せの候補を計算し、
フレームレートおよび従属軸の駆動周波数の組合せの候補から、最も従属軸の共振周波数に近い周波数を含むフレームレートおよび従属軸の駆動周波数の組合せの候補を選択し、駆動手段に出力する、光偏向装置。 - 基準軸と従属軸の周りに駆動可能なMEMSミラーと、
MEMSミラーを駆動する駆動手段と、
MEMSミラーの振幅および位相を検出する検出手段と、
検出手段で検出されたMEMSミラーの振幅および位相に基づいて、MEMSミラーの駆動周波数とフレームレートとを選択し、駆動手段に出力する、選択手段と、を備え、
選択手段は、
基準軸の共振周波数に基づき、1フィールド内で重複しないリサージュ図形を提供可能なフレームレートおよび従属軸の駆動周波数の組合せの候補を計算し、
フレームレートおよび従属軸の駆動周波数の組合せの候補から、最も従属軸の共振周波数に近い周波数を含むフレームレートおよび従属軸の駆動周波数の組合せの候補を選択し、
基準軸の共振周波数に基づいて、基準軸の駆動周波数を変化させた場合の基準軸の駆動電力を計算し、
選択された従属軸の駆動周波数に基づいて、従属軸の駆動周波数を変化させた場合の従属軸の駆動電力を計算し、
計算した基準軸の駆動電力と、従属軸の駆動電力との和が最小となる基準軸と従属軸との組合せを選択し、駆動手段に出力する、光偏向装置。 - 選択手段は、基準軸の共振周波数に基づいて、
1フレーム内で重複が起こらないリサージュを描画可能なフレームレートと、
従属軸の駆動周波数の候補と、
基準軸の初期駆動位相と、
従属軸の初期駆動位相と、を計算する、請求項1または2に記載の光偏向装置。 - 選択手段は、基準軸の共振周波数に基づいて、
1フレーム内で1回重複し、かつ、前半の1/2フレームと後半の1/2フレームのスキャン軌跡が逆方向であるリサージュを描画可能なフレームレートと、
従属軸の駆動周波数の候補と、
基準軸の初期駆動位相と、
従属軸の初期駆動位相と、を計算する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光偏向装置。 - 基準軸の駆動周波数は、従属軸の駆動周波数よりも小さい、請求項1〜4のいずれか一項に記載の光偏向装置。
- MEMSミラーに照射する光のパルス間隔は、基準軸の駆動周波数と、従属軸の駆動周波数と、フレームレートに基づいて決定される、請求項1〜5のいずれか一項に記載の光偏向装置。
- 請求項1〜6のいずれか一項に記載の光偏向装置と、
MEMSミラーに光を照射する光源と、
光源を略均一に発光させるためのタイミングを計算する、レーザパルス間隔と照射開始タイミング計算部と、を備えた光照射装置。 - 請求項1〜7に記載の光照射装置と、受光手段と、
受光手段からの出力信号に基づいて検出対象との距離を計測する計測部と、
光の照射方向と前記計測部の出力から距離画像を生成する画像データ生成部を備えた距離計測装置。 - 前記距離画像生成部は、取得した距離画像を任意のレートで装置外部に出力可能な画像出力レート調整手段を備えており、
画像出力レート調整手段は、距離画像の出力が要求された時点で未計測の画素がある場合には、未計測の画素を1フィールド前に取得した距離画像の画素で補完した距離画像を生成し、出力することで、画像出力のレートを調整することを特徴とする請求項8に記載の距離計測装置。 - 前記距離画像生成部は、取得した距離画像を任意のレートで装置外部に出力可能な画像出力レート調整手段を備えており、
画像出力レート調整手段は、距離画像の出力が要求された時点で未計測の画素を検索し、未計測画素を取り囲む画素がすべて計測済みである場合には、取り囲む画素の値の平均値で未計測画素を補完し、未計測画素を取り囲む画素のすべてが計測できていない場合は、1フィールド前に取得した距離画像の画素の値で補完した距離画像を生成し、出力することで、画像出力のレートを調整することを特徴とする請求項8に記載の距離計測装置。 - 前記距離画像生成部は、取得した距離画像を任意のレートで装置外部に出力可能な画像出力レート調整手段を備えており、
画像出力レート調整手段は、距離画像の出力が要求された時点で未計測の画素がある場合には、1フィールド前に取得した距離画像を出力することで、画像出力のレートを調整することを特徴とする請求項8に記載の距離計測装置。 - 前記距離画像生成部は、取得した距離画像を任意のレートで装置外部に出力可能な画像出力レート調整手段を備えており、
画像出力レート調整手段は、距離画像の出力が要求された時点で未計測の画素がある場合には、過去数フィールドの距離画像から移動物を検出し、前記移動物の位置と速度から現在の移動物の位置を予想し、前記予想結果に基づいて未計測の画素を補完した距離画像を生成し、出力することで、画像出力のレートを調整することを特徴とする請求項8に記載の距離計測装置。 - 前記距離画像生成部は、取得した画像データの画素煤を特定の画素数に変更可能な画素数調整手段を備えており、
画素数調整手段は、変換後の画素の位置における、変換前の画素の距離データを確認し、変換後の画素が変換前の画素に完全に収まっている場合は、変換前の画素の距離データを変換後の画素に記述し、変換後の画素が変換前の複数の画素にまたがっている場合は、最も広い面積で重なっている変換前の画素の距離データを変換後の画素に記述することで、装置外部に一定の画素数の距離画像を出力することを特徴とする、請求項8〜12に記載の距離計測装置。
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