JP2020067294A - 検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補正係数を受光素子毎に設定可能とする。【解決手段】複数の受光素子１０３２１を有するイメージセンサ１０３２と、第１コンデンサ１０３４１を用いて受光素子１０３２１毎に第１検出期間での入光に応じた電圧を検出する第１電圧検出部１０３４と、第２コンデンサ１０３５１を用いて受光素子１０３２１毎に第１検出期間の後に続く第２検出期間での入光に応じた電圧を検出する第２電圧検出部１０３５と、第１検出期間をイメージセンサ１０３２での光の受光期間と同一の期間とする第１制御、及び、第２検出期間を当該イメージセンサ１０３２での光の受光期間と同一の期間とする第２制御を行う検出制御部１０３６と、受光素子１０３２１毎に、第１電圧検出部１０３４により第１制御に従って検出された電圧及び第２電圧検出部１０３５により第２制御に従って検出された電圧に基づく感度比を、感度補正係数として算出する補正係数算出部１０７とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、物体を検出する検出装置に関する。

従来、検出領域に存在する物体（被検出対象）を検出する検出装置として、複数の受光素子を有するイメージセンサを用いたエッジセンサが知られている（例えば特許文献１参照）。このエッジセンサは、投光部と受光部とが対向配置された透過型であり、受光部による受光結果から光と影の境界の位置を検出することで、物体のエッジの位置を検出可能としている。

特開２００８−２８６７１１号公報

このようなイメージセンサを用いた従来のエッジセンサでは、検出精度を高めるための補正係数として単一値を用いている。しかしながら、補正係数が単一値である場合には画素（受光素子）単位での精度が落ちるという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、補正係数を受光素子毎に設定可能な検出装置を提供することを目的としている。

この発明に係る検出装置は、複数の受光素子を有するイメージセンサと、第１コンデンサを用いて受光素子毎に第１検出期間での入光に応じた電圧を検出する第１電圧検出部と、第２コンデンサを用いて受光素子毎に第１検出期間の後に続く第２検出期間での入光に応じた電圧を検出する第２電圧検出部と、第１検出期間をイメージセンサでの光の受光期間と同一の期間とする第１制御、及び、第２検出期間を当該イメージセンサでの光の受光期間と同一の期間とする第２制御を行う検出制御部と、受光素子毎に、第１電圧検出部により第１制御に従って検出された電圧及び第２電圧検出部により第２制御に従って検出された電圧に基づく感度比を、感度補正係数として算出する補正係数算出部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、補正係数を受光素子毎に設定可能となる。

実施の形態１に係る検出装置の構成例を示す図である。 図２Ａ、図２Ｂは、実施の形態１におけるセンサヘッドの構成例を示す図であり、図２Ａはセンサヘッドの内部構造の一例を示す図であり、図２Ｂはセンサヘッドの外観の一例を示す図である。 実施の形態１における受光基板の一部の構成例を示す図である。 実施の形態１に係る検出装置による感度補正係数の設定動作例を示すフローチャートである。 図５Ａ、図５Ｂは、実施の形態１における第１電圧検出部及び第２電圧検出部の動作例を説明するためのタイミングチャートであり、図５Ａは第１制御の場合を示すタイミングチャートであり、図５Ｂは第２制御の場合を示すタイミングチャートである。 図６Ａは実施の形態１における第１電圧検出部による第１制御での検出結果の一例を示す図であり、図６Ｂは実施の形態１における第２電圧検出部による第２制御での検出結果の一例を示す図である。 実施の形態１に係る検出装置による物体の検出動作例を示すフローチャートである。 実施の形態１における第１電圧検出部及び第２電圧検出部の動作例を説明するためのタイミングチャートである。 実施の形態１における距離演算部及び位置演算部の動作例を説明するための図であり、受光位置と距離との関係の一例を示す図である。 実施の形態１における距離演算部及び位置演算部の動作例を説明するための図であり、受光位置と距離との関係の一例を示す図である。 実施の形態１に係る検出装置の動作の具体例を示す図である。 実施の形態１における距離演算部による演算結果の一例を示す図である。 図１３Ａ、図１３Ｂは、実施の形態２に係る検出装置による幅算出を説明するための図であり、図１３Ａは物体と受光部との位置関係の一例を示す図であり、図１３Ｂは受光位置と距離との関係の一例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る検出装置１の構成例を示す図である。
検出装置１は、検出領域に存在する物体（被検出対象）２を検出する。この検出装置１は、産業用（工業用）のセンサとして用いられる。また実施の形態１では、物体２の検出対象となる面は、後述するイメージセンサ１０３２の受光面に対して平行（略平行の意味を含む）であるとする。この検出装置１は、図１に示すように、計測制御部１０１、投光部１０２、受光部１０３、第１バッファ１０４、第２バッファ１０５、ＡＤ変換部１０６、補正係数算出部１０７、補正係数記録部１０８、距離演算部１０９、位置演算部１１０、ＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１１１、入出力部１１２、通信部１１３、表示部１１４及び操作部１１５を備えている。また、検出装置１は、投光部１０２が投光して検出領域で反射された光を受光部１０３が受光する反射型に構成されている。

なお、投光部１０２及び受光部１０３は、計測部１１６を構成する。また図２では、計測制御部１０１、投光部１０２、受光部１０３、第１バッファ１０４、第２バッファ１０５、ＡＤ変換部１０６、補正係数算出部１０７、補正係数記録部１０８、距離演算部１０９、位置演算部１１０及びＭＰＵ１１１が、センサヘッド１１７に搭載されている。図２に示すセンサヘッド１１７の前面には、フィルタ１１７１が設けられている。なお図２では、計測制御部１０１、第１バッファ１０４、第２バッファ１０５、ＡＤ変換部１０６、補正係数算出部１０７、補正係数記録部１０８、距離演算部１０９及び位置演算部１１０の図示を省略している。
また、入出力部１１２、通信部１１３、表示部１１４及び操作部１１５は、インタフェース部１１８を構成する。

計測制御部１０１は、ＭＰＵ１１１を介して入力された制御情報に基づいて、制御信号を生成する。制御信号は、イメージセンサ１０３２での光の受光動作に応じて、投光部１０２での光の投光タイミングを制御する信号である。この計測制御部１０１により生成された制御信号は、投光部１０２及び受光部１０３に出力される。

投光部１０２は、計測制御部１０１からの制御信号に従い、パルス状の光を検出領域に投光する。なお、投光部１０２が投光する光のビーム形状は、予め設定されている。図２では、投光部１０２は、回路基板である投光基板（不図示）１０２１と、光を発光する発光素子１０２２と、発光素子１０２２の前面に配置された絞りであるアパーチャー１０２３と、発光素子１０２２により発光されてアパーチャー１０２３を通過した光を拡散するディヒューザー１０２４とから構成されている。また、投光部１０２により投光される光の幅及び投光周期は、想定される物体２までの距離又は移動速度等により決まる。

受光部１０３は、投光部１０２により投光されて検出領域で反射された光を受光する。図２では、受光部１０３は、レンズ１０３１と、イメージセンサ１０３２と、回路基板である受光基板１０３３とから構成されている。図２では受光基板１０３３の図示を省略している。受光基板１０３３は、図３に示すように、第１電圧検出部１０３４、第２電圧検出部１０３５及び検出制御部１０３６を有している。図３では後述する受光素子１０３２１も示している。

レンズ１０３１は、投光部１０２により投光されて検出領域で反射された光を集光する。このレンズ１０３１は、非テレセントリックレンズである。

イメージセンサ１０３２は、複数の受光素子１０３２１を有し、レンズ１０３１により集光された光を当該受光素子１０３２１毎に受光する。以下では、イメージセンサ１０３２はリニアタイプであり、複数の受光素子１０３２１が一次元方向に配列されているものとする。リニアタイプのイメージセンサ１０３２は、産業用のセンサに求められる高速応答に対応可能である。

第１電圧検出部１０３４は、受光素子１０３２１毎に、第１検出期間での入光に応じた電圧を検出する。第１電圧検出部１０３４は、図３に示すように、受光素子１０３２１毎に、第１コンデンサ１０３４１、第１スイッチ１０３４２及び第１電圧測定部１０３４３を有する。第１コンデンサ１０３４１は、一端が接地され、他端が第１スイッチ１０３４２の一端に接続されている。第１スイッチ１０３４２は、他端が受光素子１０３２１の出力端に接続され、一端は検出制御部１０３６による制御に従い当該他端に接続可能である。また、第１電圧測定部１０３４３は、第１コンデンサ１０３４１に蓄積された電荷量に応じた電圧を測定する。この第１電圧検出部１０３４による検出結果（第１電圧測定部１０３４３による測定結果）を示す信号は、第１バッファ１０４に出力される。

第２電圧検出部１０３５は、受光素子１０３２１毎に、第２検出期間での入光に応じた電圧を検出する。第２検出期間は、第１検出期間の後に続く期間である。第２電圧検出部１０３５は、図３に示すように、受光素子１０３２１毎に、第２コンデンサ１０３５１、第２スイッチ１０３５２及び第２電圧測定部１０３５３を有する。第２コンデンサ１０３５１は、一端が接地され、他端が第２スイッチ１０３５２の一端に接続されている。第２スイッチ１０３５２は、他端が受光素子１０３２１の出力端に接続され、一端は検出制御部１０３６による制御に従い当該他端に接続可能である。また、第２電圧測定部１０３５３は、第２コンデンサ１０３５１に蓄積された電荷量に応じた電圧を測定する。この第２電圧検出部１０３５による検出結果（第２電圧測定部１０３５３による測定結果）を示す信号は、第２バッファ１０５に出力される。

検出制御部１０３６は、計測制御部１０１からの制御信号に従い、第１スイッチ１０３４２のオンオフを制御することで第１電圧検出部１０３４を制御し、第２スイッチ１０３５２のオンオフを制御することで第２電圧検出部１０３５を制御する。
この検出制御部１０３６は、検出装置１が感度補正係数の設定を行う際には、第１制御及び第２制御を行う。第１制御は、第１電圧検出部１０３４における第１検出期間を、イメージセンサ１０３２での光の受光期間と同一（略同一の意味を含む）の期間とする制御である。第２制御は、第２電圧検出部１０３５における第２検出期間を、イメージセンサ１０３２での光の受光期間と同一（略同一の意味を含む）の期間とする制御である。
また、検出制御部１０３６は、検出装置１が物体２の検出を行う際には、第３制御を行う。第３制御は、第１電圧検出部１０３４における第１検出期間を、投光部１０２による光の投光期間と同一（略同一の意味を含む）の期間とする制御である。

第１バッファ１０４は、第１電圧検出部１０３４による検出結果を示す信号を保持する。
第２バッファ１０５は、第２電圧検出部１０３５による検出結果を示す信号を保持する。

ＡＤ変換部１０６は、第１バッファ１０４に保持されている信号及び第２バッファ１０５に保持されている信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換する。このＡＤ変換部１０６によるＡＤ変換後の信号は、補正係数算出部１０７及び距離演算部１０９に出力される。

補正係数算出部１０７は、ＡＤ変換部１０６によるＡＤ変換後の信号に基づいて、受光素子１０３２１毎に感度補正係数を算出する。この際、補正係数算出部１０７は、受光素子１０３２１毎に、上記ＡＤ変換後の信号のうちの、第２電圧検出部１０３５により第２制御に従って検出された電圧に相当する信号を、第１電圧検出部１０３４により第１制御に従って検出された電圧に相当する信号で除算した結果である感度比を、感度補正係数として算出する。補正係数算出部１０７は、検出装置１が感度補正係数の設定を行う際に動作する。この補正係数算出部１０７により算出された受光素子１０３２１毎の感度補正係数を示す情報は、補正係数記録部１０８に出力される。

補正係数記録部１０８は、補正係数を示す情報を記録する。補正係数記録部１０８に記録される情報が示す補正係数としては、補正係数算出部１０７により算出された受光素子１０３２１毎の感度補正係数の他に、傾き補正係数及びオフセット値が挙げられる。傾き補正係数は、検出装置１による測定距離と実際の距離とが１対１で対応するように補正するための補正係数である。なお、傾き補正係数及びオフセット値は事前に実験的に取得可能である。また、傾き補正係数及びオフセット値は、イメージセンサ１０３２に対して単一の値を用いてもよいし、受光素子１０３２１毎の値を用いてもよい。なお、検出装置１は、傾き補正係数及びオフセット値として受光素子１０３２１毎の値を用いることで、単一の値を用いる場合に対し、物体２の検出精度が向上する。

なお、補正係数記録部１０８は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）又はメモリ等によって構成される。
また図１では、補正係数記録部１０８が検出装置１の内部に設けられている。しかしながら、これに限らず、補正係数記録部１０８は検出装置１の外部に設けられていてもよい。

距離演算部１０９は、ＡＤ変換部１０６によるＡＤ変換後の信号及び補正係数記録部１０８に記録されている情報に基づいて、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式により、イメージセンサ１０３２から物体２までの距離を、受光素子１０３２１が位置する受光位置毎に算出する。この際、距離演算部１０９は、上記ＡＤ変換後の信号のうちの、第１電圧検出部１０３４により第３制御に従って検出された電圧及び第２電圧検出部１０３５により第３制御に従って検出された電圧を用いる。距離演算部１０９は、検出装置１が物体２の検出を行う際に動作する。この距離演算部１０９により算出された受光位置毎の距離を示す情報（距離情報）は、位置演算部１１０及びＭＰＵ１１１に出力される。

位置演算部１１０は、距離演算部１０９により算出された受光位置毎の距離に基づいて、イメージセンサ１０３２に結像された物体２の像の位置を算出する。この位置演算部１１０により算出された物体２の像の位置を示す情報（位置情報）は、ＭＰＵ１１１に出力される。

ＭＰＵ１１１は、距離演算部１０９により算出された受光位置毎の距離及び位置演算部１１０により算出された物体２の像の位置に基づいて、物体２の位置を算出する。この際、ＭＰＵ１１１は、イメージセンサ１０３２に結像された物体２の像の位置、イメージセンサ１０３２から物体２までの距離、及び、レンズ１０３１の焦点距離に基づいて、物体２までの位置を算出する。このＭＰＵ１１１により算出された物体２の位置を示す情報は、インタフェース部１１８に出力される。

また、ＭＰＵ１１１は、距離演算部１０９により算出された受光位置毎の距離及び位置演算部１１０により算出された物体２の像の位置に基づいて、物体２の幅を算出する。この際、ＭＰＵ１１１は、イメージセンサ１０３２に結像された物体２の像の幅、イメージセンサ１０３２から物体２までの距離、及び、レンズ１０３１の焦点距離に基づいて、物体２の幅を算出する。このＭＰＵ１１１により算出された物体２の幅を示す情報は、インタフェース部１１８に出力される。なお、ＭＰＵ１１１による物体２の幅の算出については必須の処理ではなく実施しなくてもよい。

なお、位置演算部１１０及びＭＰＵ１１１は、「距離演算部１０９により算出された受光位置毎の距離に基づいて、物体２の位置を算出する物体位置演算部」及び「距離演算部１０９により算出された受光位置毎の距離に基づいて、物体２の幅を算出する物体幅演算部」を構成する。

また、計測制御部１０１、補正係数算出部１０７、距離演算部１０９及び位置演算部１１０は、システムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。

入出力部１１２は、検出装置１に対する各種設定の入力を行い、制御情報を生成してＭＰＵ１１１に出力する。この制御情報には、例えば、投光部１０２による光の投光を指示するトリガ信号、又は、投光部１０２でレーザ光を用いる場合にはレーザ光の停止を指示する停止信号等が含まれる。
また、入出力部１１２は、ＭＰＵ１１１から入力された情報の出力を行う。この際、入出力部１１２は、例えば、アナログ出力を行ってもよいし、閾値判定を行って閾値を超えた場合にオン出力を行ってもよい。

通信部１１３は、イーサネット（登録商標）等のネットワークを介して外部装置と通信を行い、例えばＭＰＵ１１１から入力された情報を外部装置に送信する。
表示部１１４は、各種の動作表示を行う。また、表示部１１４は、ＭＰＵ１１１から入力された情報を表示する。例えば、表示部１１４は、物体２の位置を表示する場合に、受光部１０３の光軸上を零点とし、物体２が光軸からどのくらい離れた場所に位置しているかを数値で表示する。
操作部１１５は、ユーザ操作を受付け、例えば、表示部１１４の表示切替え又は検出装置１に対する各種設定等を行う。

次に、実施の形態１に係る検出装置１による感度補正係数の設定動作例について、図４を参照しながら説明する。
検出装置１による感度補正係数の設定動作例では、図４に示すように、まず、イメージセンサ１０３２は、入射された光を受光素子１０３２１毎に受光する（ステップＳＴ４０１）。なお、イメージセンサ１０３２に入射される光は、飽和露光量の半分程度の光量であることが望ましい。

次いで、第１電圧検出部１０３４は、第１制御に従い、受光素子１０３２１毎に、第１検出期間での入光に応じた電圧を検出する（ステップＳＴ４０２）。第１検出期間は、イメージセンサ１０３２による光の受光期間と同一の期間である。この第１電圧検出部１０３４による検出結果を示す信号は第１バッファ１０４に保持される。
なお、第２電圧検出部１０３５も第１制御に従って動作するが、検出装置１はその結果を用いないため、その説明を省略する。

図５Ａに第１電圧検出部１０３４の動作例を説明するためのタイミングチャートを示す。また、図６Ａに第１電圧検出部１０３４による検出結果の一例を示す。
図５Ａにおいて、符号５０１はイメージセンサ１０３２による光の受光期間を示し、符号５０２は第１電圧検出部１０３４における第１検出期間を示し、符号５０３は第２電圧検出部１０３５における第２検出期間を示している。また、図６Ａにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。また、図６Ａにおける各破線上の電圧は、第１電圧検出部１０３４により検出された受光素子１０３２１（ｃｅｌｌ）毎の電圧を示している。

図５Ａに示すように、第１制御に従う第１検出期間は、イメージセンサ１０３２による光の受光期間と同一の期間である。そして、第１電圧検出部１０３４は、下式（１）に示すように、この第１検出期間に第１コンデンサ１０３４１に蓄積された電荷量に基づく電圧を検出する。式（１）において、Ｖ_{ｏｕｔ１ｉ}はｉ番目の受光素子１０３２１に対して第１電圧検出部１０３４により検出された電圧を示し、Ｑ_１ｉは第１検出期間にｉ番目の受光素子１０３２１に対する第１コンデンサ１０３４１に蓄積された電荷量を示し、Ｃｄ_１ｉは当該第１コンデンサ１０３４１の容量を示している。
Ｖ_{ｏｕｔ１ｉ}＝Ｑ_１ｉ／Ｃｄ_１ｉ （１）

次いで、ステップＳＴ４０１と同様に、イメージセンサ１０３２は、入射された光を受光素子１０３２１毎に受光する（ステップＳＴ４０３）。この際の光量は、ステップＳＴ４０１での光量と同一（略同一の意味を含む）である。

次いで、第２電圧検出部１０３５は、第２制御に従い、受光素子１０３２１毎に、第２検出期間での入光に応じた電圧を検出する（ステップＳＴ４０４）。第２検出期間は、イメージセンサ１０３２による光の受光期間と同一の期間である。この第２電圧検出部１０３５による検出結果を示す信号は第２バッファ１０５に保持される。
なお、第１電圧検出部１０３４も第２制御に従って動作するが、検出装置１はその結果を用いないため、その説明を省略する。

図５Ｂに第２電圧検出部１０３５の動作例を説明するためのタイミングチャートを示す。また、図６Ｂに第２電圧検出部１０３５による検出結果の一例を示す。
図５Ｂにおいて、符号５０４は第１電圧検出部１０３４における第１検出期間を示し、符号５０５は第２電圧検出部１０３５における第２検出期間を示している。また、図６Ｂにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。また、図６Ｂにおける各破線上の電圧は、第２電圧検出部１０３５により検出された受光素子１０３２１（ｃｅｌｌ）毎の電圧を示している。

図５Ｂに示すように、第２制御に従う第２検出期間は、イメージセンサ１０３２による光の受光期間と同一の期間である。そして、第２電圧検出部１０３５は、下式（２）に示すように、この第２検出期間に第２コンデンサ１０３５１に蓄積された電荷量に基づく電圧を検出する。式（２）において、Ｖ_{ｏｕｔ２ｉ}はｉ番目の受光素子１０３２１に対して第２電圧検出部１０３５により検出された電圧を示し、Ｑ_２ｉは第２検出期間にｉ番目の受光素子１０３２１に対する第２コンデンサ１０３５１に蓄積された電荷量を示し、Ｃｄ_２ｉは当該第２コンデンサ１０３５１の容量を示している。
Ｖ_{ｏｕｔ２ｉ}＝Ｑ_２ｉ／Ｃｄ_２ｉ （２）

次いで、ＡＤ変換部１０６は、第１バッファ１０４に保持されている信号及び第２バッファ１０５に保持されている信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換する（ステップＳＴ４０５）。

次いで、補正係数算出部１０７は、ＡＤ変換部１０６によるＡＤ変換後の信号に基づいて、感度補正係数を算出する（ステップＳＴ４０６）。この際、下式（３）に示すように、補正係数算出部１０７は、受光素子１０３２１毎に、上記ＡＤ変換後の信号のうちの、第２電圧検出部１０３５により第２制御に従って検出された電圧に相当する信号を、第１電圧検出部１０３４により第１制御に従って検出された電圧に相当する信号で除算した結果である感度比を、感度補正係数として算出する。式（３）において、β_ｉはｉ番目の受光素子１０３２１に対する感度補正係数（感度比）を示している。この補正係数算出部１０７により算出された受光素子１０３２１毎の感度補正係数を示す情報は、補正係数記録部１０８に記録される。
β_ｉ＝Ｖ_{ｏｕｔ２ｉ}／Ｖ_{ｏｕｔ１ｉ} （３）

このように、実施の形態１に係る検出装置１では、同じ光量の光がイメージセンサ１０３２に入射された場合での第１コンデンサ１０３４１における電荷蓄積量に基づく電圧と第２コンデンサ１０３５１における電荷蓄積量に基づく電圧との比から、感度補正係数を取得する。すなわち、図６に示すように、第１コンデンサ１０３４１と第２コンデンサ１０３５１とでは容量（感度）に違いがあり、第１電圧検出部１０３４と第２電圧検出部１０３５とで得られる電圧にも違いが生じる。そのため、検出装置１は、その感度比を算出して補正係数とする。

次に、実施の形態１に係る検出装置１による物体２の検出動作例について、図７を参照しながら説明する。なお以下では、ＭＰＵ１１１が物体２の位置及び幅を算出する場合を示す。また、補正係数記録部１０８は、受光素子１０３２１毎の感度補正係数を示す情報、受光素子１０３２１毎の傾き補正係数を示す情報及び受光素子１０３２１毎のオフセット値を示す情報を記録しているものとする。
検出装置１における物体２の検出動作例では、図７に示すように、まず、投光部１０２は、計測制御部１０１からの制御信号に従い、パルス状の光を検出領域に投光する（ステップＳＴ７０１）。この投光部１０２により投光された光は、検出領域に存在する物体２により反射され、レンズ１０３１を介してイメージセンサ１０３２に入射される。なお、検出領域に壁等の背景が存在する場合には、投光部１０２により投光された光は当該背景でも反射され、レンズ１０３１を介してイメージセンサ１０３２に入射される。

次いで、イメージセンサ１０３２は、入射された光を受光素子１０３２１毎に受光する（ステップＳＴ７０２）。

次いで、第１電圧検出部１０３４は、第３制御に従い、受光素子１０３２１毎に、第１検出期間での入光に応じた電圧を検出する（ステップＳＴ７０３）。この第１電圧検出部１０３４による検出結果を示す信号は第１バッファ１０４に保持される。

また、第２電圧検出部１０３５は、第３制御に従い、受光素子１０３２１毎に、第２検出期間での入光に応じた電圧を検出する（ステップＳＴ７０４）。この第２電圧検出部１０３５による検出結果を示す信号は第２バッファ１０５に保持される。

図８に、第１電圧検出部１０３４及び第２電圧検出部１０３５の動作例を説明するためのタイミングチャートを示す。
図８において、符号８０１は投光部１０２による光の投光期間を示し、符号８０２はイメージセンサ１０３２による光の受光期間を示し、符号８０３は第１電圧検出部１０３４における第１検出期間を示し、符号８０４は第２電圧検出部１０３５における第２検出期間を示している。また、図８において、ｔ_{ｗｉｄｔｈ}は投光部１０２により投光された光のパルス幅を示し、ｔ_ｄｉはｉ番目の受光素子１０３２１での遅れ時間を示している。

図８に示すように、ｉ番目の受光素子１０３２１での光の受光タイミングは、投光部１０２による光の投光タイミングに対し、物体２との間の距離に応じて遅れる。また、第１検出期間は投光部１０２による光の投光期間と同一の期間である。また、第２検出期間は、第１検出期間の後に続く期間である。そして、第１電圧検出部１０３４は、式（１）に示すように、第３制御に従う第１検出期間に第１コンデンサ１０３４１に蓄積された電荷量（図８に示すＱ_１ｉ）に基づく電圧を検出する。また、第２電圧検出部１０３５は、式（２）に示すように、第３制御に従う第２検出期間に第２コンデンサ１０３５１に蓄積された電荷量（図８に示すＱ_２ｉ）に基づく電圧を検出する。

次いで、ＡＤ変換部１０６は、第１バッファ１０４に保持されている信号及び第２バッファ１０５に保持されている信号を、アナログ信号からデジタル信号に変換する（ステップＳＴ７０５）。

次いで、距離演算部１０９は、ＡＤ変換部１０６によるＡＤ変換後の信号及び補正係数記録部１０８に記録されている情報に基づいて、ＴＯＦ方式により、物体２までの距離を、受光素子１０３２１が位置する受光位置毎に算出する（ステップＳＴ７０６）。

この際、距離演算部１０９は、まず、ＡＤ変換部１０６によるＡＤ変換後の信号及び補正係数記録部１０８に記録されている情報に基づいて、下式（４）より、受光位置毎に、受光素子１０３２１で受光した光が反射された位置（反射点）までの距離を算出する。式（４）において、ｄ_ｉはｉ番目の受光素子１０３２１で受光した光の反射点までの距離を示し、α_ｉはｉ番目の受光素子１０３２１に対する傾き補正係数を示し、ｃは光の速度を示し、γ_ｉはｉ番目の受光素子１０３２１に対するオフセット値を示している。
ｄ_ｉ＝α_ｉ×｛Ｖ_{ｏｕｔ２ｉ}／｛（Ｖ_{ｏｕｔ１ｉ}×β_ｉ）＋Ｖ_{ｏｕｔ２ｉ}｝｝×（ｃ×ｔ_{ｗｉｄｔｈ}／２）−γ_ｉ （４）

ここで、式（４）により得られる受光位置から反射点までの距離は、受光部１０３の光軸に対してθ_ｉだけ傾いた方向の距離である。なお、θ_ｉは、レンズ１０３１上の光軸位置とｉ番目の受光位置とを結ぶ線分と、光軸との成す角度であり、既知である。そこで、距離演算部１０９は、受光位置毎に、θ_ｉを用いて、算出した反射点までの距離を、受光部１０３の光軸に平行（略平行の意味を含む）な距離に変換する。

そして、距離演算部１０９は、受光位置毎に、上記変換により得られた反射点までの距離から、物体２までの距離を得る。ここで、距離演算部１０９は、上記変換により得られた反射点までの距離のうち、イメージセンサ１０３２から背景までの距離に相当するものは除外する。また、実施の形態１では、物体２の検出対象となる面はイメージセンサ１０３２の受光面に対して平行であるため、物体２までの距離は受光位置毎にそれぞれ同じ値となる。この距離演算部１０９により例えば図９及び図１０に示すような距離情報が得られる。

次いで、位置演算部１１０は、距離演算部１０９により得られた距離情報に基づいて、イメージセンサ１０３２に結像された物体２の像の位置を算出する（ステップＳＴ７０７）。例えば図９及び図１０では位置演算部１１０が像のエッジの位置を検出した場合での位置情報を示している。

次いで、ＭＰＵ１１１は、距離演算部１０９により得られた距離情報及び位置演算部１１０により得られた位置情報に基づいて、物体２の位置を算出する（ステップＳＴ７０８）。

この際、ＭＰＵ１１１は、下式（５）より、物体２の位置を算出する。式（５）において、ｘ_１は物体２の位置を示し、ｘ_２は物体２の像の位置（受光位置）を示している。また、ｄは物体２とイメージセンサ１０３２との間の距離を示し、ｆはレンズ１０３１とイメージセンサ１０３２との間の距離（焦点距離）を示している。なお、式（５）における｛（ｄ−ｆ）／ｆ｝は光学系の倍率である。
ｘ_１＝｛（ｄ−ｆ）／ｆ｝×ｘ_２ （５）

また、ＭＰＵ１１１は、距離演算部１０９により得られた距離情報及び位置演算部１１０により得られた位置情報に基づいて、物体２の幅を算出する（ステップＳＴ７０９）。

この際、ＭＰＵ１１１は、下式（６）より、物体２の幅を算出する。式（６）において、ｗ_１は物体２の幅を示し、ｗ_２は物体２の像の幅を示している。なお、ＭＰＵ１１１は、位置演算部１１０により像の両端の位置が検出されない場合には、幅算出処理は行わない。
ｗ_１＝｛（ｄ−ｆ）／ｆ｝×ｗ_２ （６）

ここで、実施の形態１に係る検出装置１は、補正係数として、受光素子１０３２１毎の感度補正係数を含む補正係数を用いている。これにより、実施の形態１に係る検出装置１は、単一の感度補正係数を用いた場合に対し、物体２の検出精度が向上する。

また、実施の形態１に係る検出装置１は、センサ（投光部１０２及び受光部１０３）と検出領域とが対向配置された反射型に構成されている。これにより、実施の形態１に係る検出装置１は、検出領域の片側にのみセンサを設置すればよく、また、投光部１０２と受光部１０３との間での光軸合わせが不要となり、透過型を用いた場合に対して設置条件が緩くなる。また、実施の形態１に係る検出装置１は、検出範囲が広くなる。また、実施の形態１に係る検出装置１は、イメージセンサ１０３２と物体２との間の距離が算出できるため、非テレセントリックレンズを用いても物体２の位置及び幅を算出でき、従来構成に対して低コスト化が実現できる。

次に、実施の形態１に係る検出装置１の動作の具体例について、図１１，１２を参照しながら説明する。以下では、図１１に示すように、検出装置１が、イメージセンサ１０３２から物体２までの距離と、物体２のエッジの位置（光軸から物体２のエッジまでの距離であるＰ_１）とを算出するものとする。また、イメージセンサ１０３２の画素ピッチ（受光素子１０３２１間の距離）は２０［μｍ］とし、画素数（受光素子１０３２１数）は２５６画素とし、レンズ１０３１の焦点距離は２０［ｍｍ］とする。また、イメージセンサ１０３２から検出領域に存在する背景までの距離（図１１に示すｄ_ｂ）が３［ｍ］であるとする。
これらの条件において、投光部１０２がパルス状の光を背景に向けて投光すると、受光部１０３により受光素子１０３２１毎に電圧が得られ、例えば図１２に示すように、距離演算部１０９により受光位置毎の反射点までの距離が得られる。そして、イメージセンサ１０３２から背景までの距離は３［ｍ］であるため、距離演算部１０９は、図１２から、イメージセンサ１０３２から物体２までの距離として、１．９９５［ｍ］を出力する。

また、位置演算部１１０は、距離演算部１０９による演算結果から、イメージセンサ１０３２に結像された物体２の像のエッジの位置を算出する。図１１，１２の場合では、光軸位置に対応する画素はＰｉｘｅｌ Ｎｏ．１２８であり、物体２のエッジの位置に対応する画素の１つ手前の画素はＰｉｘｅｌ Ｎｏ．２００である。よって、位置演算部１１０は、Ｐｉｘｅｌ Ｎｏ．１２８からＰｉｘｅｌ Ｎｏ．２００までの距離から、物体２の像のエッジの位置（光軸から物体２の像のエッジまでの距離）として、０．００１４７［ｍ］を出力する。

次いで、ＭＰＵ１１１は、距離演算部１０９及び位置演算部１１０による演算結果から、物体２のエッジの位置を算出する。図１２の場合では、光学系の倍率は９８．７５である。そして、ＭＰＵ１１１は、物体２の像のエッジの位置に光学系の倍率を乗算することで、物体２のエッジの位置（光軸から物体２のエッジまでの距離であるＰ_１）として、０．１４５［ｍ］を出力する。

なお上記では、複数の受光素子１０３２１が一次元方向に配列されたリニアタイプのイメージセンサ１０３２を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、複数の受光素子１０３２１が二次元方向に配列されたイメージセンサ１０３２を用いてもよい。これにより、検出装置１は、検出領域に存在する物体２の幅だけではなく、高さも算出可能となる。

以上のように、この実施の形態１によれば、検出装置１は、複数の受光素子１０３２１を有するイメージセンサ１０３２と、第１コンデンサ１０３４１を用いて受光素子１０３２１毎に第１検出期間での入光に応じた電圧を検出する第１電圧検出部１０３４と、第２コンデンサ１０３５１を用いて受光素子１０３２１毎に第１検出期間の後に続く第２検出期間での入光に応じた電圧を検出する第２電圧検出部１０３５と、第１検出期間をイメージセンサ１０３２での光の受光期間と同一の期間とする第１制御、及び、第２検出期間を当該イメージセンサ１０３２での光の受光期間と同一の期間とする第２制御を行う検出制御部１０３６と、受光素子１０３２１毎に、第１電圧検出部１０３４により第１制御に従って検出された電圧及び第２電圧検出部１０３５により第２制御に従って検出された電圧に基づく感度比を、感度補正係数として算出する補正係数算出部１０７とを備えた。これにより、実施の形態１に係る検出装置１は、補正係数を受光素子１０３２１毎に設定可能となり、従来に対して物体２の検出精度が向上する。

また、実施の形態１に係る検出装置１は、第１電圧検出部１０３４により第３制御に従って検出された電圧、第２電圧検出部１０３５により第３制御に従って検出された電圧及び補正係数算出部１０７により算出された受光素子１０３２１毎の感度補正係数に基づいて、ＴＯＦ方式により、検出領域に存在する物体２までの距離を、受光素子１０３２１が位置する受光位置毎に算出する距離演算部１０９と、距離演算部１０９により算出された受光位置毎の距離に基づいて、物体２の位置を算出する物体位置演算部とを備えることで、反射型で、物体２の位置を検出可能となる。
また、実施の形態１に係る検出装置１は、距離演算部１０９により算出された受光位置毎の距離に基づいて、物体２の幅を算出する物体幅演算部を備えることで、物体２の幅を検出可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、物体２の検出対象となる面がイメージセンサ１０３２の受光面に対して平行である場合を示した。それに対し、実施の形態２では、物体２の検出対象となる面がイメージセンサ１０３２の受光面に対して斜めであっても、物体２の幅を算出可能とする構成を示す。
なお、実施の形態２に係る検出装置１の構成例は、図１に示す実施の形態１に係る検出装置１の構成例と同様である。

なお、距離演算部１０９は、θ_ｉを用いた光軸に平行な距離への変換処理は実施しない。
また、ＭＰＵ１１１は、イメージセンサ１０３２に結像された物体２の像の一端から光軸位置までの幅及び当該像の他端から光軸位置までの幅、当該一端から物体２の一端である反射点までの距離及び当該他端から物体２の他端である反射点までの距離、及び、当該一端からレンズ１０３１上の光軸位置までの距離及び当該他端からレンズ１０３１上の光軸位置までの距離に基づいて、物体２の幅を算出する。

実施の形態２におけるＭＰＵ１１１は、下式（７）〜（９）より、物体２の幅を算出する。図１３に示すように、式（７）〜（９）において、ｗ_０は物体２の幅を示す。また、Ｌ_１は、イメージセンサ１０３２に結合された物体２の像の一端（第１の受光位置に相当）から光軸位置までの幅を示し、Ｌ_２は、当該像の他端（第２の受光位置に相当）から光軸位置までの幅を示している。また、ｄ_１ｍは、第１の受光位置から物体２の一端である反射点（第１のエッジ）までの距離を示し、ｄ_２ｍは、第２の受光位置から物体２の他端である反射点（第２のエッジ）までの距離を示している。また、ｄ_１は、第１のエッジとレンズ１０３１上の光軸位置との間の距離を示し、ｄ_２は、第２のエッジとレンズ１０３１上の光軸位置との間の距離を示している。また、ｄ_１ｆは、レンズ１０３１上の光軸位置と第１の受光位置との間の距離を示し、ｄ_２ｆは、レンズ１０３１上の光軸位置と第２の受光位置との間の距離を示している。なお、ｄ_１ｆ及びｄ_２ｆは既知である。これにより、ＭＰＵ１１１は、物体２が、イメージセンサ１０３２の受光面に対して斜めであっても、物体２の幅を算出可能である。

実施の形態２に係る検出装置１は、例えばＡＧＶ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等に設けられる衝突防止用のセンサ（測域センサ）として用いることができる。従来、この種の衝突防止用のセンサとしては、レーザ光を反射するミラーが可動するレーザスキャン方式のセンサが用いられている。これに対し、実施の形態２に係る検出装置１を用いることで、また、上記ミラーのような可動部は不要となるため、センサの小型化が可能であり、また、振動及び衝撃に対する耐性の高いセンサを実現できる。なおこの場合には、レンズ１０３１は広角レンズであることが望ましい。

なお、実施の形態１，２に係る検出装置１は、反射型である場合を示した。しかしながら、これに限らず、検出装置１は、感度補正係数を受光素子１０３２１毎に設定可能な構成であればよく、投光部１０２と受光部１０３とが検出領域を挟んで対向配置された透過型でもよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 検出装置
２ 物体
１０１ 計測制御部
１０２ 投光部
１０３ 受光部
１０４ 第１バッファ
１０５ 第２バッファ
１０６ ＡＤ変換部
１０７ 補正係数算出部
１０８ 補正係数記録部
１０９ 距離演算部
１１０ 位置演算部
１１１ ＭＰＵ
１１２ 入出力部
１１３ 通信部
１１４ 表示部
１１５ 操作部
１１６ 計測部
１１７ センサヘッド
１１８ インタフェース部
１０２１ 投光基板
１０２２ 発光素子
１０２３ アパーチャー
１０２４ ディヒューザー
１０３１ レンズ
１０３２ イメージセンサ
１０３３ 受光基板
１０３４ 第１電圧検出部
１０３５ 第２電圧検出部
１０３６ 検出制御部
１１７１ フィルタ
１０３２１ 受光素子
１０３４１ 第１コンデンサ
１０３４２ 第１スイッチ
１０３４３ 第１電圧測定部
１０３５１ 第２コンデンサ
１０３５２ 第２スイッチ
１０３５３ 第２電圧測定部

Claims (9)

1. 複数の受光素子を有するイメージセンサと、
   第１コンデンサを用いて前記受光素子毎に第１検出期間での入光に応じた電圧を検出する第１電圧検出部と、
   第２コンデンサを用いて前記受光素子毎に第１検出期間の後に続く第２検出期間での入光に応じた電圧を検出する第２電圧検出部と、
   第１検出期間を前記イメージセンサでの光の受光期間と同一の期間とする第１制御、及び、第２検出期間を当該イメージセンサでの光の受光期間と同一の期間とする第２制御を行う検出制御部と、
   前記受光素子毎に、前記第１電圧検出部により第１制御に従って検出された電圧及び前記第２電圧検出部により第２制御に従って検出された電圧に基づく感度比を、感度補正係数として算出する補正係数算出部と
   を備えた検出装置。
2. 光を投光する投光部を備え、
   前記検出制御部は、第１検出期間を前記投光部による光の投光期間と同一の期間とする第３制御を行い、
   前記第１電圧検出部により第３制御に従って検出された電圧、前記第２電圧検出部により第３制御に従って検出された電圧及び前記補正係数算出部により算出された前記受光素子毎の感度補正係数に基づいて、ＴＯＦ方式により、検出領域に存在する物体までの距離を、前記受光素子が位置する受光位置毎に算出する距離演算部と、
   前記距離演算部により算出された受光位置毎の距離に基づいて、前記物体の位置を算出する物体位置演算部とを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の検出装置。
3. 前記距離演算部は、自機による測定距離と実際の距離とが１対１で対応するように補正するための傾き補正係数、及び、オフセット値も考慮して、距離を算出する
   ことを特徴とする請求項２記載の検出装置。
4. 入射された光を集光するレンズを備え、
   前記イメージセンサは、前記レンズにより集光された光を前記受光素子毎に受光し、
   前記物体位置演算部は、前記イメージセンサに結像された前記物体の像の位置、当該イメージセンサから当該物体までの距離、及び、前記レンズの焦点距離に基づいて、当該物体までの位置を算出する
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の検出装置。
5. 前記距離演算部により算出された受光位置毎の距離に基づいて、前記物体の幅を算出する物体幅演算部を備えた
   ことを特徴とする請求項２から請求項４のうちの何れか１項記載の検出装置。
6. 入射された光を集光するレンズを備え、
   前記イメージセンサは、前記レンズにより集光された光を前記受光素子毎に受光し、
   前記物体幅演算部は、前記イメージセンサに結像された前記物体の像の幅、当該イメージセンサから当該物体までの距離、及び、前記レンズの焦点距離に基づいて、当該物体の幅を算出する
   ことを特徴とする請求項５記載の検出装置。
7. 入射された光を集光するレンズを備え、
   前記イメージセンサは、前記レンズにより集光された光を前記受光素子毎に受光し、
   前記物体幅演算部は、前記イメージセンサに結像された前記物体の像の一端から光軸位置までの幅及び当該像の他端から光軸位置までの幅、当該一端から当該物体の一端である反射点までの距離及び当該他端から当該物体の他端である反射点までの距離、及び、当該一端から前記レンズ上の光軸位置までの距離及び当該他端から当該レンズ上の光軸位置までの距離に基づいて、当該物体の幅を算出する
   ことを特徴とする請求項５記載の検出装置。
8. 前記レンズは、非テレセントリックレンズである
   ことを特徴とする請求項４、請求項６又は請求項７のうちの何れか１項記載の検出装置。
9. 前記受光素子は、一次元方向に配列された
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のうちの何れか１項記載の検出装置。

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