JP2020148747A - 物体検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲の環境に応じて検出可能距離と画素密度との優先順位を選択可能な物体検出装置を提供する。【解決手段】本物体検出装置１００は、物体までの距離を算出する物体検出装置であって、所定の発光周期で光を出射する光源１１、及び前記光源からの出射光を所定範囲に走査する投光系２０、を含む光走査系２００と、前記光走査系を制御する光走査系制御部６３と、を有し、前記光走査系制御部は、１回の走査における発光回数が一定の値となるように、前記投光系の走査範囲か前記光源の発光周期の少なくとも一方を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、物体検出装置に関する。

近年、ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）はＡＤＡＳ（Advanced Driver Assistance System）用途として必要不可欠なものとなりつつある。ＬｉＤＡＲは、アクティブ型の測距センサであり、自ら指向性の高いレーザ光を出射し、物体で散乱した光を受けることで、物体までの距離を算出する物体検出装置である。

ＬｉＤＡＲは、他のアクティブ型の測距装置である超音波センサやミリ波レーダーと比べて空間分解能が高く、パッシブ型であるカメラと比較すると精度高く検出できる距離が長い。これらの特性を活かして、例えば複雑な構造物の多い環境下での正確な運転支援を想定した時に、ＬｉＤＡＲは重要な構成要素として期待されている。そのため、遠方の検出性能と、画素密度（空間分解能）を高めることが重要な課題である。

指向性の高いレーザ光を照射するＬｉＤＡＲにおいて、遠方ほど画素密度は低下する。画素密度を向上させるためには、単位空間あたりのレーザの照射点数を増やす必要がある。その際、リフレッシュレートを一定にしようとするならば、単位時間あたりの発光回数を増やす必要があるが、その場合光源の発熱量が増加する。光源の発熱量が増加すると、その特性上出力光量が低下するため、遠方の物体での散乱光を受けた場合にＳ／Ｎが低くなり検出が難しくなる。

すなわち、検出可能距離と画素密度はトレードオフの関係にある。一般的には、検出可能距離と画素密度は設計パラメータであり、設計者が両者のバランスを取りながら初期に決定する固定値としている。光源の発熱を抑えるために、別途冷却装置を設けることも考えられるが、装置が大きくなるため設置場所が限定される車載用途等では好ましくない。

このような問題点に対して、ＬＤからの光を偏向する物体検出装置において、走査中央（有効走査領域の中央部）において隣接する２つの走査位置の走査角の差を、走査端（有効走査領域の端部）において隣接する２つの走査位置の走査角の差よりも小さくすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記の物体検出装置は、距離に応じて変化する画素密度の変動を抑制することを目的とするものであり、走査領域の中央が最も検出可能距離が長いことを前提としている。そのため、走査領域の中央での画素密度が、周辺の画素密度と比較して高くなるように光を照射している。

これにより、遠方で画素密度が低下することは防げるが、それに対応しているのは中央領域のみである。もし、周辺領域で遠方を取得するような状況では、画素密度が著しく低下することが予想される。

このように、上記の物体検出装置は、周囲の環境に応じて検出可能距離と画素密度を適切に選択することができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、周囲の環境に応じて検出可能距離と画素密度との優先順位を選択可能な物体検出装置を提供することを目的とする。

本物体検出装置は、物体までの距離を算出する物体検出装置であって、所定の発光周期で光を出射する光源、及び前記光源からの出射光を所定範囲に走査する投光系、を含む光走査系と、前記光走査系を制御する光走査系制御部と、を有し、前記光走査系制御部は、１回の走査における発光回数が一定の値となるように、前記投光系の走査範囲か前記光源の発光周期の少なくとも一方を制御する。

開示の技術によれば、周囲の環境に応じて検出可能距離と画素密度との優先順位を選択可能な物体検出装置を提供できる。

第１実施形態に係る物体検出装置の概略的構成を例示するブロック図である。 第１実施形態に係る物体検出装置の投光系、受光系、同期系を例示する模式図である。 射出光パルスと反射光パルスのタイミング図の一例である。 第１実施形態に係る物体検出装置の計測制御系のハードウェアブロック図の例である。 光源出力について説明する図である。 画素密度を導くための簡易構成を例示する図である。 １走査当たりの発光回数と検出可能距離及び画素密度の関係を例示する図である。 第１実施形態に係る物体検出装置の動作フローの例である。 第２実施形態に係る物体検出装置が物体を検出する様子を例示する図である。 第２実施形態に係る物体検出装置の動作フローの例である。 ステレオカメラの基本構成を例示する図である。 第３実施形態に係る物体検出装置が物体を検出する様子を例示する図である。 物体検出装置におけるノイズの低減について説明する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１実施形態〉
図１は、第１実施形態に係る物体検出装置の概略的構成を例示するブロック図である。物体検出装置１００は、一例として、移動体としての自動車に搭載され、光を出射し、物体（例えば先行車両、停車車両、障害物、歩行者等）からの反射光（散乱光）を受光して該物体までの距離を測定する走査型レーザレーダである。物体検出装置１００は、例えば自動車のバッテリ（蓄電池）から電力の供給を受ける。

図１に示すように、物体検出装置１００は、光源としてのＬＤ（レーザダイオード）１１、ＬＤ駆動部１２、投光系２０、受光系３０、検出系４０、同期系５０、計測制御系６０等を備えている。計測制御系６０は、時間計測部６１と、距離算出部６２と、光走査系制御部６３とを含む。

ＬＤ１１は、例えば端面発光レーザであり、ＬＤ駆動部１２により駆動され、レーザ光を出射する。ＬＤ１１は、所定の発光周期で光を出射することができる。ＬＤ駆動部１２は、光走査系制御部６３が生成する制御信号の１つであるＬＤ駆動信号（例えば、矩形パルス信号）を用いてＬＤ１１を点灯（発光）させる。ＬＤ駆動部１２は、一例として、ＬＤ１１に電流を供給可能に接続されたコンデンサ、該コンデンサとＬＤ１１との間の導通／非導通を切り替えるためのトランジスタ、該コンデンサを充電可能な充電手段等を含む。

なお、光源として、端面発光レーザであるＬＤ１１に代えて、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）やＬＥＤ（Light Emitted Diode）等の発光素子を用いても良い。

図２（ａ）には、投光系２０及び同期系５０が模式的に示されている。図２（ｂ）には、受光系３０が模式的に示されている。以下では、図２（ａ）等に示すＺ軸方向を鉛直方向とするＸＹＺ３次元直交座標系を適宜用いて説明する。

投光系２０は、ＬＤ１１からの出射光を所定範囲に走査する。投光系２０は、図２（ａ）に示すように、ＬＤ１１からの光の光路上に配置されたカップリングレンズ２２と、カップリングレンズ２２を介した光の光路上に配置された反射ミラー２４と、反射ミラー２４で反射された光の光路上に配置された偏向器としての回転ミラー２６と、を含む。ここでは、装置を小型化するために、カップリングレンズ２２と回転ミラー２６との間の光路上に反射ミラー２４を設けて光路を折り返している。

ＬＤ１１から出射された光は、カップリングレンズ２２により所定のビームプロファイルの光に整形された後、反射ミラー２４で反射され、回転ミラー２６でＺ軸周りに偏向される。

回転ミラー２６でＺ軸周りの所定の偏向範囲に偏向された光が投光系２０から投射された光、すなわち物体検出装置１００から射出された走査光である。

回転ミラー２６は、回転軸（Ｚ軸）周りに複数の反射面を有し、反射ミラー２４からの光を回転軸周りに回転しながら反射（偏向）することで該光により上記偏向範囲に対応する有効走査領域を水平な１軸方向（ここではＹ軸方向）に１次元走査する。ここでは、偏向範囲、有効走査領域は、物体検出装置１００の＋Ｘ側である。以下では、回転ミラー２６の回転方向を「ミラー回転方向」とも呼ぶ。

回転ミラー２６は、図２（ａ）から分かるように、反射面を２面（対向する２つの面）有しているが、これに限らず、１面でも３面以上でも良い。又、少なくとも２つの反射面を設け、回転ミラーの回転軸に対して異なった角度で傾けて配置して、走査・検出する領域をＺ軸方向に切り替えることも可能である。

このように、ＬＤ１１、ＬＤ駆動部１２、及び投光系２０を含んで、光により有効走査領域を走査する光走査系２００が構成されている（図１参照）。

なお、回転ミラー２６の代わりに、ＭＥＭＳミラーを用いても良い。

受光系３０は、光走査系２００からの走査光に対する物体からの検出光（物体で反射又は散乱された光）を含む光を受光し、電気信号に変換する。

受光系３０は、図２（ｂ）に示すように、投光系２０から投射され有効走査領域内にある物体で反射（散乱）された光を反射する回転ミラー２６と、回転ミラー２６からの光を反射する反射ミラー２４と、反射ミラー２４からの光の光路上に配置され、該光を後述する時間計測用ＰＤ４２に結像させる結像光学系２９と、を含む。

図２（ｃ）には、ＬＤ１１から反射ミラー２４までの光路と、反射ミラー２４から時間計測用ＰＤ４２までの光路が示されている。

図２（ｃ）から分かるように、投光系２０と受光系３０は、Ｚ軸方向に重なるように配置されており、回転ミラー２６と反射ミラー２４は、投光系２０と受光系３０で共通となっている。これにより、物体上におけるＬＤの照射範囲と時間計測用ＰＤ４２の受光可能範囲の相対的な位置ずれを小さくでき、安定した物体検出を実現できる。

検出系４０は、図２（ｂ）及び図１に示すように、投光系２０から投射され有効走査領域内にある物体で反射（散乱）された光を受光系３０を介して受光する時間計測用ＰＤ４２（フォトダイオード）と、時間計測用ＰＤ４２の受光信号（出力信号）を検出するＰＤ出力検出部４４とを含む。

投光系２０から投射され物体で反射（散乱）された光は、回転ミラー２６、反射ミラー２４を介して結像光学系２９に導かれ、結像光学系２９により時間計測ＰＤ４２に集光する（図２（ｂ）参照）。図２（ｂ）では、装置を小型化するために、回転ミラー２６と結像光学系２９との間に反射ミラー２４を設けて光路を折り返している。ここでは、結像光学系２９は２枚のレンズ（結像レンズ）で構成されているが、１枚のレンズとしても良いし、３枚以上のレンズとしても良いし、ミラー光学系を用いても良い。

同期系５０は、回転ミラー２６の回転方向を検知することを目的として配置されており、システムの走査方向の同期をとることができる。

同期系５０は、図２（ａ）及び図１に示すように、ＬＤ１１から出射されカップリングレンズ２２を介して反射ミラー２４で反射された光であって回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で再び反射された光の光路上に配置された同期レンズ５２と、同期レンズ５２を介した光の光路上に配置された同期検知用ＰＤ５４と、同期検知用ＰＤ５４の出力信号を検出するＰＤ出力検出部５６と、を含む。

詳述すると、反射ミラー２４は、上記偏向範囲に対して回転ミラー２６の回転方向上流側に配置され、回転ミラー２６で上記偏向範囲の上流側に偏向された光が入射される。そして、回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で反射された光が同期レンズ５２を介して同期検知用ＰＤ５４に入射される。

なお、反射ミラー２４は、上記偏向範囲に対して回転ミラー２６の回転方向下流側に配置されても良い。そして、回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で反射された光の光路上に同期系５０が配置されても良い。

回転ミラー２６の回転により、回転ミラー２６の反射面で反射された光が同期検知用ＰＤ５４で受光される度に同期検知用ＰＤ５４から信号が出力される。すなわち、同期検知用ＰＤ５４からは定期的に信号（同期信号）が出力されることになる。

このように回転ミラー２６からの光を同期検知用ＰＤ５４に照射するための同期点灯を行うことで、同期検知用ＰＤ５４での受光タイミングから、回転ミラー２６の回転タイミングを得ることが可能となる。

そこで、ＬＤを同期点灯してから所定時間経過後にＬＤをパルス点灯することで有効走査領域を光走査することができる。すなわち、同期検知用ＰＤ５４に光が照射されるタイミングの前後期間にＬＤをパルス点灯することで有効走査領域を光走査することができる。

ここで、時間計測や同期検知に用いる光検出器としては、上述したＰＤ（Photo Diode）の他、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）、ガイガーモードＡＰＤであるＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）等を用いることが可能である。ＡＰＤやＳＰＡＤは、ＰＤに対して感度が高いため、検出精度や検出距離の点で有利である。

なお、同期検知用ＰＤ５４を用いず、エンコーダを用い、モータの回転位置を直接検知可能な構成としても良い。

ＰＤ出力検出部５６での動作としては、受光信号の信号増幅及び受光信号のタイミング検出の２つの動作がある。受光信号の信号増幅についてはアンプなどの信号増幅器を用いて増幅し、受光信号のタイミング検出についてはコンパレータなどの比較器を用いて、ＰＤからの受光信号の一定出力（スレッシュレベル）以上となる立ち上がり波形部を検出する。すなわち、ＰＤ出力検出部は、受光信号をコンパレータを用いて２値化した論理信号として得ることができる。

ＰＤ出力検出部５６は、同期検知用ＰＤ５４の受光信号（立ち上がり波形部）を検出すると同期信号（上記２値化した論理信号）を計測制御系６０の光走査系制御部６３に出力する。

光走査系制御部６３は、光走査系２００を制御する部分である。光走査系制御部６３は、例えば、ＰＤ出力検出部５６からの同期信号に基づいて制御信号の１つであるＬＤ駆動信号を生成し、該ＬＤ駆動信号をＬＤ駆動部１２及び時間計測部６１に出力する。すなわち、ＬＤ駆動信号は、同期信号に対して遅延したパルス点灯信号（周期的なパルス信号）である。又、光走査系制御部６３は、周囲の環境に関する情報を入手することができる。

時間計測用ＰＤ４２は、図示しない受光素子駆動部により駆動される。ＰＤ出力検出部４４は、時間計測用ＰＤ４２からのアナログ信号を必要に応じて増幅し、閾値電圧を基準に２値化し、２値化信号を時間計測部６１へと出力する。

時間計測部６１は、光走査系制御部６３が生成したＬＤ駆動信号と受光系３０で受光した検出光とに基づいて、距離値を算出する物体８００までの光の往復時間を計測する。より詳しくは、時間計測部６１は、ＰＤ出力検出部４４から出力された２値化信号の立ち上がりタイミングと、光走査系制御部６３からのＬＤ駆動信号の立ち上がりタイミングとの入力時間差に基づいて、物体８００までの光の往復時間を計測し、計測結果を距離算出部６２に出力する。ここで光の往復時間は図３における時間ｔである。

距離算出部６２は、時間計測部６１の計測結果に基づいて、物体８００までの距離値を算出する。より詳しくは、距離算出部６２は、時間計測部６１から出力された計測結果（光の往復時間）を光速値を用いて物体８００までの距離値に変換する。距離算出部６２では、光の走査方向と、該走査方向における物体までの距離値を有していることから、それらの値を図示しない物体認識部へと出力しても良い。

物体認識部では、複数の連続する距離値から物体のクラスタリング等を行い、クラスタリングした結果から、例えば移動体の操舵制御や、速度制御に利用できるデータを出力しても良い。

図３（ａ）は、射出光パルスと反射光パルスのタイミング図の一例である。ＬＤ駆動部１２は、回転ミラー２６によって有効走査領域が走査されるとき、ＬＤ１１を駆動して、図３（ａ）に示すようなパルス光（以下、「射出光パルス」と呼ぶ場合がある）を射出させる。そして、ＬＤ１１から射出され、物体で反射（散乱）されたパルス光（以下、「反射光パルス」と呼ぶ場合がある）が時間計測用ＰＤ４２で検出される。

図３（ｂ）は、２値化後の射出光パルスと反射光パルスのタイミング図の一例である。ＬＤ１１が射出光パルスを射出してから、時間計測用ＰＤ４２で反射光パルスを検出するまでの時間ｔを計測することで、物体までの距離を算出することが可能である。例えば、図３（ｂ）に示すように、時間計測に関しては、射出光パルスをＰＤ等の受光素子で受光して２値化した矩形パルスとし、反射光パルスをＰＤ出力検出部４４で２値化した矩形パルスとし、これらの両矩形パルスの立ち上がりタイミングの時間差ｔを、時間計測部６１で計測しても良い。又、射出光パルス及び反射光パルスの波形をＡ／Ｄ変換してデジタルデータに変換し、ＬＤ１１の出力信号と時間計測用ＰＤ４２の出力信号とを相関演算することで、時間ｔを計測することも可能である。

このように、ＬＤ１１が射出光パルスを射出してから、時間計測用ＰＤ４２で反射光パルスを検出するまでの時間ｔを計測することで、物体８００までの距離を算出することが可能である。

図４は、第１実施形態に係る物体検出装置の計測制御系のハードウェアブロック図の例である。図４に示すように、計測制御系６０は、主要な構成要素として、ＣＰＵ６１０と、ＲＯＭ６２０と、ＲＡＭ６３０と、Ｉ／Ｆ６４０と、バスライン６５０とを有している。ＣＰＵ６１０、ＲＯＭ６２０、ＲＡＭ６３０、及びＩ／Ｆ６４０は、バスライン６５０を介して相互に接続されている。計測制御系６０は、必要に応じ、他のハードウェアブロックを有しても構わない。

ＣＰＵ６１０は、計測制御系６０の各機能を制御する。記憶手段であるＲＯＭ６２０は、ＣＰＵ６１０が計測制御系６０の各機能を制御するために実行するプログラムや、各種情報を記憶している。記憶手段であるＲＡＭ６３０は、ＣＰＵ６１０のワークエリア等として使用される。又、ＲＡＭ６３０は、所定の情報を一時的に記憶できる。Ｉ／Ｆ６４０は、他の機器等と接続するためのインターフェイスであり、例えば、外部ネットワーク等と接続される。

計測制御系６０は、電子回路により実装されるプロセッサのようにソフトウェアによって各機能を実行するようプログラミングされたプロセッサや、所定の機能を実行するよう設計されたＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit)、ＤＳＰ（digital signal processor）、ＦＰＧＡ（field programmable gate array）、ＳＯＣ（System on a chip)、又はＧＰＵ（Graphics Processing Unit）であってもよい。又、計測制御系６０は、回路モジュール等であってもよい。

上記のような距離測定方式では、『Ｐｒ∝Ｐｏ／Ｌ^２』・・・式（１）のような形で受信信号の大きさＰｒが決定される。式（１）において、Ｌは検出距離、Ｐｏは光源出力である。

式（１）より物体検出装置１００の受信する信号の大きさは、距離の２乗で減衰する。同じ反射率の物体であっても、距離Ｌが２倍になると、物体検出装置１００の受信する信号の大きさは１／４になる。検出距離を延ばすためには、光学系等の工夫も考えられるが、装置サイズの制約から限界があり、一般には光源出力を高めることが重要である。

図５（ａ）では、１走査当たりの発光回数に対する、光源出力の値を示している。縦軸は発光回数２回の時の最大出力を用いて規格化している。発光回数が多いほど光源出力が低下しているのは、単位時間当たりに光源で消費される電力が上昇し、光源の温度が上昇したことによるものである。

図５（ｂ）には、光源近傍の温度と光源出力の関係を示す。縦軸は、光源近傍温度３３℃の時の最大出力を用いて規格化している。こちらも、光源近傍の温度上昇に伴い、光源出力は概ね線形に減少している。例えば、工場出荷時に、１走査当たりの発光回数、光源近傍の温度、光源出力の関係を測定しておけば、３者の関係式若しくはテーブルを装置内で持つことは容易である。すなわち、１走査当たりの発光回数から光源近傍の温度を制御することも可能である。

別の手段として、物体検出装置１００内の光源近傍に温度検出手段を搭載し、装置の動作中に測定した光源近傍温度から、光源出力を見積もっても良い。他には、物体検出装置１００内に光源出力検出手段を搭載し、装置の動作中に測定した光源出力から光源近傍温度を見積もっても良い。

次に、画素密度について記載する。ここで、画素密度は、単位空間当たりの検出点数と考える。図６は、画素密度を導くための簡易構成を例示する図である。物体検出装置１００から垂直に出射された光線に対し、垂直に配置された像面Ｓを想定する。

ここでは、光走査系により出射角度差θで光線が出力されている。この時、像面Ｓにおける検出点同士の差を検出間隔ｄとすると、物体検出装置１００と像面Ｓとの距離Ｌを用いて、ｄ＝Ｌ×ｔａｎθと表せられる。すなわち、ｄは距離Ｌに比例して広くなるため、画素密度は物体までの距離が遠いほど減少することが分かる。例えば、像面Ｓの距離がＬに対して２倍延びたとすると、出射角度差をθ／２としなければ、像面Ｓの距離がＬの時と同じ画素密度にはならないことも分かる。

図１及び図２において、等速で動作する光走査系を持つような構成の場合、出射角度差をθ／２とすることは、光源の発光周期を１／２にすることで実現できる。その場合、当然光走査範囲内における検出点数、すなわち光源の発光回数も２倍になり光源出力は低下する。光走査系が非等速で動作する場合には、その速度変化を考慮した発光周期を設定することが望ましい。

物体検出装置１００において、光走査系制御部６３は、周囲の環境に関する情報を入手し、入手した情報に基づいて、１回の走査における発光回数が一定の値となるように、光走査系２００の走査光の走査範囲かＬＤ１１の発光周期の少なくとも一方を制御する。

なお、検出可能距離と画素密度は、単位時間当たりの発光回数で決定する。本実施形態では、単位時間を機械的な１走査時間における光の走査時間で定義する。以下で単に「走査時間」と記述しているものに関しては、機械的な１走査時間を表す。光の走査時間は、機械的な走査時間の内、発光開始から発光終了までの時間である。

本実施形態では、光源のパルス発光を想定しているため、機械的な１走査における最初のパルスが出力されてから、最後のパルスが出力されるまでを光の走査時間と考える。以上より、単位時間当たりの発光回数は、光の走査時間と、その時間内における光源の発光周期で決定される。

要するに、検出可能距離と画素密度は、機械的な１走査における光の走査時間と、光源の発光周期を選択することで決定する。周囲の環境については、物体検出装置１００自身で検出するモードを設けたり、物体検出装置１００とは別の撮像装置（例えばステレオカメラ等）で検出したりすることできる。

或いは、光走査系制御部６３は、ネットワークや路車間通信（ＶＩＣＳ（登録商標）（Vehicle Information and Communication System）等）、ＧＰＳ（Global Positioning System）等から周囲の環境に関する情報を入手してもよい。

物体検出装置１００の測定対象となる環境は常に変化しており、検出可能距離をより優先すべき状況と、画素密度をより優先すべき状況が存在する。車載を想定する場合、前者の例としては高速道路を走行中等が挙げられ、後者の例としては複雑な対象物が数多く配置された街中を走行中が挙げられる。

例えば高速道路を走行中は、単位時間あたりの発光回数を抑えることで光源の発熱量を低減し、距離を担保する。その場合、光の走査範囲を狭くし、ある程度の画素密度も維持する。街中を走行中は、光の走査範囲を広くし、単位時間当たりの発光回数も増やす。これにより、検出可能距離は短下するが光の走査範囲と画素密度は一定水準以上になる。

以下に、物体検出装置１００において、周囲の環境に応じて検出可能距離と画素密度との優先順位を選択する具体例を示す。

図５及び図６の説明により、光源出力と画素密度が、１走査あたりの発光回数で決定されることを示した。式（１）より、光源出力と検出距離は２乗の反比例の関係にある。以上より、１走査当たりの発光回数と、検出可能距離、画素密度の関係を１つのグラフで示したものが図７である。

図７において、グラフ線上にある黒点は、仮に設定したそれぞれの目標値である。多くの場合、検出可能距離は遠く、画素密度は高くなるように目標値は設定されるため、それぞれに対応する１走査あたりの発光回数には差が生じる。このような状況における物体検出装置１００の動作フローを図８に示す。

図８において、まず、ステップＳ１及びＳ２で、光走査系制御部６３は、周囲の環境に関する情報を入手し、入手した情報に基づいて、検出可能距離と画素密度の目標値を決定する。これは、図７において黒点を置くことと同義である。具体的な手順としては、まずステップＳ１で検出可能距離の目標値Ｌｍａｘを決定し、ステップＳ２でＬｍａｘにおける画素密度をプロットし、目標画素密度を決定することが望ましい。

画素密度の目標値を決定する過程では、何ｍ先でどのようなターゲットを取得したいかを指標にすると良い。例えば、１００ｍ先で人間を検出したい場合には、人間の幅である約５０ｃｍあたりに１点以上の検出点があるように動作させることが望ましい。

次に、ステップＳ３では、光走査系制御部６３は、検出可能距離と、画素密度のどちらを優先するかを決定する。この時、完全に検出可能距離に重きをおいても良いし、完全に画素密度に重きをおいても良い。又、検出可能距離と画素密度の両者で優先度の比重を１：１に置いても良い。

検出可能距離は発光回数の２乗で変化するので、どちらかというと検出可能距離を優先する方が望ましい。

次に、ステップＳ４では、光走査系制御部６３は、ステップＳ３で決定された優先度を基に、１走査あたりの発光回数を決定する。

次に、ステップＳ５では、光走査系制御部６３は、実際に光を走査する範囲を決定する。この光走査範囲は、機械的な走査範囲に対し一致させても良いし、狭くしても良い。

次に、ステップＳ６では、光走査系制御部６３は、ステップＳ５で決定した光走査範囲における発光周期を決定する。光走査系の走査速度が等速である場合には、１走査あたりの発光回数と光走査範囲から、発光周期が決定される。光走査系の走査速度が非等速である場合には、光走査系の走査速度も考慮して発光周期を決定することが望ましい。なお、光走査系の走査速度が等速であった場合でも、発光周期を時間的に変化させても良い。

このように、物体検出装置１００において、光走査系制御部６３は、周囲の環境に関する情報を入手し、入手した情報に基づいて、１回の走査における発光回数が一定の値となるように、光走査系２００の走査光の走査範囲かＬＤ１１の発光周期の少なくとも一方を制御する。そして、光源の発光周期と、光の走査範囲の何れかを変えることで、周囲の環境に応じて検出可能距離か画素密度のどちらかを優先させるか選択可能である。

なお、物体検出装置１００の検出可能距離は、光源の出力光量の２乗根に反比例する。ここで光源の出力光量ＰＯは、単位時間当たりの発光回数Ｎｔに対して負の比例関係にあり、ＰＯ＝Ｐｍａｘ−ｋ×Ｎｔと表せる。ここで、Ｐｍａｘは光源の最大光量、ｋは比例定数、Ｎｔ＞０である。

一方、画素密度Ｄは、単位空間当たりの発光回数Ｎｓで決定される。もし走査時間Ｔｓが時間的に一定であるならば、画素密度も単位時間当たりの発光回数Ｎｔに依存し、Ｄ＝ｍ×Ｎｔ×Ｔｓと表せる。ここで、ｍは比例定数である。

以上より、検出可能距離と画素密度は共にＮｔの関数であり、Ｎｔの値により制御可能である。これにより、検出可能距離か画素密度のどちらかを優先させるかをＮｔの値により選択可能になる。

又、物体検出装置１００では、光源の冷却装置等を設ける必要がないため、装置の小型化を実現できる。

なお、光源の発熱量は物体検出装置１００で制御可能である。例えば、光源近くに小型の温度センサを設置し、それを物体検出装置１００で監視し、単位時間当たりの光源の発光回数を制御することで、光源の温度を一定に保つことができる。

〈第２実施形態〉
第２実施形態では、光走査系制御部６３が、注目範囲Ａ_Ｒを設定し、注目範囲Ａ_Ｒでは、注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲と比較して光の照射頻度が高くなるように、すなわち、画素密度が高くなるように光走査系２００を制御する例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図９は、第２実施形態に係る物体検出装置が物体を検出する様子を例示する図である。図９では、物体検出装置１００からの相対距離が異なる３つの物体８０１〜８０３（測定対象物）が走査範囲Ｓ_Ｒ内に存在している。

距離算出部６２は、少なくとも１回の走査により走査範囲Ｓ_Ｒの全体にわたって距離値を算出し、光走査系制御部６３は、例えば、物体検出装置１００との相対距離が最も遠い検出点Ｐ_１を中心点として注目範囲Ａ_Ｒを設定する。そして、光走査系制御部６３は、注目範囲Ａ_Ｒでは、注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲と比較して光の照射頻度が高くなるように、すなわち、画素密度が高くなるように光走査系２００を制御する。

図９の例では、走査範囲Ｓ_Ｒ内にある白丸で示す検出点１２個の内、６個が注目範囲Ａ_Ｒに含まれるように動作させている。例えば、ある走査では注目範囲Ａ_Ｒに対して６回の照射を行い、異なる走査で注目範囲Ａ_Ｒ以外に対して６回の照射を行う。但し、これには限定されず、１走査において発光周期を時間的に変化させ、注目範囲Ａ_Ｒとそれ以外の範囲を１走査で測定しても良い。

図１０は、第２実施形態に係る物体検出装置の動作フローの例であり、図９に対応する動作フローである。まず、ステップＳ７では、距離算出部６２は、走査範囲Ｓ_Ｒの全体にわたって物体との相対距離を測定する。本過程においては、まず遠方を十分に検出できるように、１走査あたりの発光回数を少なく設定する。しかしながら、画素密度は遠方の物体を漏れなく検出できるほど高い必要がある。そこで、１走査あたりの発光回数を少なくしつつ、走査数を増やし、各走査で光の照射位置が異なるように動作させることが望ましい。これにより、実効的な画素密度を高める。本過程においては、走査範囲Ｓ_Ｒの全体にわたって画素密度が均一であることが望ましい。

次に、ステップＳ８では、光走査系制御部６３は、ステップＳ７での測定結果に基づいて、最も遠い検出点Ｐ_１を抽出し、注目範囲Ａ_Ｒを設定する。ステップＳ８の後、図７と同様のステップＳ１〜Ｓ６の処理が行われ、注目範囲Ａ_Ｒにおける動作条件が決定される。

その後、ステップＳ９により、注目範囲Ａ_Ｒ以外が設定され、ステップＳ９の後、図７と同様のステップＳ１〜Ｓ６の処理が行われ、注目範囲外における動作条件が決定される。

その後、図９のように実際に物体までの相対距離が測定された後、ステップＳ７で再び走査範囲Ｓ_Ｒの全体にわたって物体との相対距離を測定し、ステップＳ８で注目範囲Ａ_Ｒを決定する。ステップＳ７へ進む際、前述のように全走査範囲で均一な画素密度になるように動作させても良いし、（２）のフローへ進む以前で図９のように動作させた結果を用いても良い。

このように、物体検出装置１００との相対距離が最も遠い検出点Ｐ_１を中心点として注目範囲Ａ_Ｒを設定し、注目範囲Ａ_Ｒでは、注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲と比較して光の照射頻度が高くなるように、すなわち、画素密度が高くなるように光走査系２００を制御してもよい。

例えば、物体検出装置１００で注目したい範囲として、道路の遠方等が挙げられる。道路の遠方では画素密度が低下する。そこで、道路の遠方を注目範囲Ａ_Ｒに設定し、そこで上記のように、光の照射頻度、すなわち画素密度を高めることで、画素の隙間を空けることを防ぐ効果がある。

道路の遠方を注目範囲Ａ_Ｒに設定し画素密度の高い光を照射したい場合、動作中に注目範囲Ａ_Ｒを決定するためには、物体検出装置１００と物体との距離を把握する必要がある。ここでは、まず物体検出装置１００で所定の走査範囲Ｓ_Ｒの全体にわたって測距結果を取得し、物体検出装置１００との相対距離が最も遠い検出点Ｐ_１を中心に注目範囲Ａ_Ｒを決定する。これにより、物体検出装置１００で設定する注目範囲Ａ_Ｒの目星をつけることが可能となる。

なお、物体検出装置１００は、距離算出部６２とは異なる方式で距離を算出する距離算出手段を備えてもよい。この場合、距離算出手段が図１０のステップＳ７における走査範囲Ｓ_Ｒの全体にわたって物体との相対距離を測定する。走査範囲Ｓ_Ｒの全体が距離算出手段の検出範囲に含まれ、距離算出手段の算出結果に基づいて注目範囲Ａ_Ｒを設定する。距離算出手段の例としては、ステレオカメラが挙げられる。

図１１は、ステレオカメラの基本構成を例示する図である。ステレオカメラは、左右対称に配置された少なくとも１対の撮像光学系を用いて被写体画像を取得する装置である。

図１１では、単眼カメラＬＬ及びＲＬが距離ｄで配置されている。ＯＬは単眼カメラＬＬの光軸、ＯＲは単眼カメラＲＬの光軸である。複数の位置に配置された単眼カメラＬＬ及びＲＬからの画像を取得し、視差(各画像における像位置の差)と、基線長(単眼カメラ同士の距離ｄ)と焦点距離ｆ０から三角測量の原理を用いて物体Ｓの距離や位置を測定できる。

更に別の距離算出手段としては、ステレオカメラ以外に、単眼カメラやミリ波レーダーも挙げられる。カメラのような撮像手段を用いた方が、物体検出装置１００と比較して画素密度が圧倒的に高いため、注目範囲Ａ_Ｒの設定がより精度よく行える効果がある。

〈第３実施形態〉
第３実施形態では、注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲において複数走査を行う例を示す。なお、第３実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

第２実施形態で説明した図９に示す動作をさせる場合、注目範囲Ａ_Ｒと注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲とでは画素密度に差が生じてしまう。第３実施形態では、それを補うことが目的である。

図１２は、第３実施形態に係る物体検出装置が物体を検出する様子を例示する図である。図１２に示すように、注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲においては複数走査を行い、前走査における光の照射位置と異なる位置に光を照射する。なお、図１２において、走査範囲Ｓ_Ｒの内の５本の破線は、前走査における光の照射位置と異なる位置に光を照射する様子を模式的に示している。

前走査における光の照射位置と異なる位置への光照射を繰り返すことで、注目範囲Ａ_Ｒと注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲とで画素密度の差を縮めることができる。例えば、注目範囲Ａ_Ｒに対し注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲での物体の距離が１／２で、画素密度が１／４倍であるならば、図５における関係性から、注目範囲Ａ_Ｒ以外では注目範囲Ａ_Ｒと比べ２倍多くの走査を行うことで画素密度を同等にすることができる。

このように、光走査系制御部６３は、走査範囲Ｓ_Ｒの内、注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲では２回以上の走査を行い、各走査において光の照射位置が異なるように光走査系２００を制御してもよい。

この方法では、時間的な積算により実効的に画素密度を高める効果があり、注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲で照射頻度（すなわち画素密度）が低くなることを補うことができる。

〈第４実施形態〉
第４実施形態では、注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲において複数走査を行う例を示す。なお、第４実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１３は、物体検出装置におけるノイズの低減について説明する図である。図１３において、Ｎはノイズ、Ｓは物体からの検出信号（反射信号）を示している。又、Ｔｈは、検出信号ＳとノイズＮとを分離するための閾値である。

遠方においては式（１）の関係から信号レベルが大きく減衰する。例えば、太陽光等が受光系に入り込んでいる場合、ショットノイズが増大し、図１３（ａ）に示すように、遠方では物体からの検出信号ＳとノイズＮの大きさが同等程度になることも考えられる。

このとき、設定する閾値Ｔｈの大きさによっては、図１３（ｂ）に示すようにノイズＮも検出信号Ｓも等しく２値化され、図１の時間計測部６１へ入力されることになる。この場合、ノイズＮを物体として認識してしまい、誤った操舵制御をしてしまうことも考えられる。そこで、少なくとも遠方を検出する注目範囲Ａ_Ｒにおいては積算処理を行うことで対応する。

図１３（ｂ）のように１回の測定では物体からの検出信号Ｓ以外に多くのノイズＮが閾値Ｔｈを超えている。それに対し、図１３（ｃ）のように３回の測定を積算すると、物体からの検出信号Ｓの存在する箇所だけ検出回数が増大する。

これは、ノイズＮの発生確率が時間的にランダムであるためである。３回の測定結果を積算するためには、３回以上の走査を行い、空間的に同じ位置に光を照射すること（すなわち各走査において光の照射位置が一致すること）が必要である。例えば、注目範囲Ａ_Ｒを遠方と定義し測定結果を積算するが、注目範囲Ａ_Ｒ以外の範囲でもシステム上遠方であると判断されるならば測定結果を積算しても良い。

このように、光走査系制御部６３は、走査範囲Ｓ_Ｒの内、注目範囲Ａ_Ｒでは２回以上の走査を行い、各走査において光の照射位置が一致するように光走査系２００を制御してもよい。

注目範囲Ａ_Ｒが遠方の場合には、物体に照射して戻ってくる光量が低下するためＳ／Ｎ比が低下する。これにより、一度の測定で物体からの検出信号ＳとノイズＮ（ショットノイズや回路由来のノイズ等）を区別することが難しい。ノイズＮが時間的にランダムに発生することを活かし、検出信号Ｓを時間的に積算することにより、実質的なＳ／Ｎ比が向上し、検出信号ＳとノイズＮとを区別できる。

〈第１〜第４実施形態の変形例〉
第１〜第４実施形態に係る物体検出装置において、光走査系制御部６３は、光走査系２００の走査速度が時間的に一律でない場合、光走査系２００の走査速度を考慮して光の発光周期を決定してもよい。

光走査系２００にＭＥＥＳミラー等の機械的な共振特性を利用している場合、その走査速度は一律ではなく、例えば三角関数的に変化する。

この場合、光の発光周期が一定であると、走査速度が速い箇所では空間的には照射頻度が少なく、走査速度が遅い箇所では空間的な照射頻度が多くなる。これにより、本来意図しない検出点の粗密が生じることになる。

そこで、光走査系制御部６３が、光走査系２００の走査速度が速い箇所では光の照射周期を速く、走査速度が遅い箇所では光の発光周期を遅くするように光走査系２００を制御する。例えば、光走査系制御部６３が、走査速度の逓倍で光の発光周期を決定すれば、空間的な照射頻度を少なくとも均一にすることができる。

以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

１００ 物体検出装置
１１ ＬＤ
１２ ＬＤ駆動部
２０ 投光系
２２ カップリングレンズ
２４ 反射ミラー
２６ 回転ミラー
２９ 結像光学系
３０ 受光系
４０ 検出系
４２ 時間計測用ＰＤ
４４ ＰＤ出力検出部
５０ 同期系
５２ 同期レンズ
５４ 同期検知用ＰＤ
５６ ＰＤ出力検出部
６０ 計測制御系
６１ 時間計測部
６２ 距離算出部
６３ 光走査系制御部
２００ 光走査系

特開２０１７−１５４１６号公報

Claims (8)

1. 物体までの距離を算出する物体検出装置であって、
   所定の発光周期で光を出射する光源、及び前記光源からの出射光を所定範囲に走査する投光系、を含む光走査系と、
   前記光走査系を制御する光走査系制御部と、を有し、
   前記光走査系制御部は、１回の走査における発光回数が一定の値となるように、前記投光系の走査範囲か前記光源の発光周期の少なくとも一方を制御する物体検出装置。
2. 前記光走査系制御部は、前記所定範囲に含まれる注目範囲を設定し、前記注目範囲では前記注目範囲以外の範囲と比較して光の照射頻度が高くなるように前記光走査系を制御する請求項１に記載の物体検出装置。
3. 前記光走査系からの走査光に対する物体からの検出光を受光する受光系と、
   前記光走査系制御部が生成した制御信号と前記受光系で受光した前記検出光とに基づいて、前記物体までの距離値を算出する距離算出部と、を有する請求項２に記載の物体検出装置。
4. 前記距離算出部は、少なくとも１回の走査により前記所定範囲にわたって距離値を算出し、
   前記光走査系制御部は、前記物体との相対距離が最も遠い検出点を中心点として前記注目範囲を設定する請求項３に記載の物体検出装置。
5. 前記距離算出部とは異なる方式で距離を算出する距離算出手段を備え、
   前記所定範囲は前記距離算出手段の検出範囲に含まれ、
   前記光走査系制御部は、前記距離算出手段の算出結果に基づいて前記注目範囲を設定する請求項３又は４に記載の物体検出装置。
6. 前記光走査系制御部は、前記所定範囲の内、前記注目範囲以外の範囲では２回以上の走査を行い、各走査において光の照射位置が異なるように前記光走査系を制御する請求項２乃至５の何れか一項に記載の物体検出装置。
7. 前記光走査系制御部は、前記所定範囲の内、前記注目範囲では２回以上の走査を行い、各走査において光の照射位置が一致するように前記光走査系を制御する請求項２乃至５の何れか一項に記載の物体検出装置。
8. 前記光走査系における走査速度が時間的に一律ではなく、
   前記光走査系制御部は、前記走査速度を考慮して前記発光周期を決定する請求項１乃至７の何れか一項に記載の物体検出装置。

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