JP2021162466A - 状態検出装置、電磁波走査装置における透過部の状態検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透過部を介して電磁波を外部に放出する装置において、透過部の状態を検出できるようにする。【解決手段】Ｌｉｄａｒ１００は、出射部１１０、ハーフミラー１２０、ＭＥＭＳミラー１３０、駆動部１４０、透過部１５０、受信部１６０、演算部１７０を備えている。演算部１７０は、検出部１７１、測定制御部１７２、状態検出部１７３を備えている。検出部１７１は、受信部１６０が出力する受光信号を検出し、測定制御部１７２に出力する。状態検出部１７３は、透過部１５０で反射したと推定される戻り光の受光強度を出射角度毎に取得し、あらかじめ記録された初期受光強度分布データ１７４と比較することで透過部１５０の状態を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、距離測定等に用いる電磁波走査装置に関する。

電磁波を物体に照射し、戻ってくるまでの時間に基づいて物体までの距離を測定するＴｏＦ（Time of Flight）方式のセンサとしてＬｉｄａｒ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）が知られている（例えば特許文献１を参照）。

一般に、Ｌｉｄａｒは走査機構を備えており、出射角度を変化させながら電磁波としてパルス光を出射し、物体からの戻り光を検出することで三次元点群情報を取得することができる。このため、Ｌｉｄａｒは電磁波走査装置として機能することができる。

特開２０２０−００１５６２号公報

Ｌｉｄａｒにおいて、出射光は、レンズ等で構成された光を透過する透過部を介して装置外部に出力されるが、透過部は使用を続けるうちに汚れや傷等により部分的に状態が変化して特性が低下する場合がある。透過部の状態が変化して特性が低下すると検出結果に悪影響を及ぼすおそれがあるため、透過部の状態を検出する技術の開発が望まれている。

本発明が解決しようとする課題としては、透過部を介して電磁波を外部に放出する装置において、透過部の状態を検出できるようにすることが一例として挙げられる。

本発明の状態検出装置は、電磁波を出射する出射部と、所定の走査範囲に対し、出射角度を変化させて前記電磁波を走査する走査部と、前記電磁波を外部へ放出する透過部と、前記出射角度毎に出射され、前記透過部を介して戻った前記電磁波の戻り波を受信する受信部と、前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、あらかじめ記録された、前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、を比較することで、前記透過部の状態を検出する状態検出部と、を備えることを特徴とする。

本発明の電磁波走査装置における透過部の状態検出方法は、電磁波を出射する出射部と、所定の走査範囲に対し、出射角度を変化させて前記電磁波を走査する走査部と、前記電磁波を外部へ放出する透過部と、前記出射角度毎に出射され、前記透過部を介して戻った前記電磁波の戻り波を受信する受信部と、前記受信部が受信した前記戻り波に基づく受信データを検出する検出部と、を備える電磁波走査装置における前記透過部の状態検出方法であって、前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、あらかじめ記録された、前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、を比較することで、前記透過部の状態を検出することを特徴とする。

本発明の一実施例である状態検出装置を適用したＬｉｄａｒの構成例を示すブロック図である。 初期受光強度分布データの構成例を示す図である。 初期受光強度分布データの取得動作を説明するフローチャートである。 透過部の状態検出動作を説明するフローチャートである。 状態変化マップの一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を説明する。本発明の一実施形態にかかる状態検出装置は、電磁波を出射する出射部と、所定の走査範囲に対し、出射角度を変化させて前記電磁波を走査する走査部と、前記電磁波を外部へ放出する透過部と、前記出射角度毎に出射され、前記透過部を介して戻った前記電磁波の戻り波を受信する受信部と、前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、あらかじめ記録された、前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、を比較することで、前記透過部の状態を検出する状態検出部と、を備える。このような本発明によれば、電磁波の各出射角度は透過部の特定位置と対応付けられるため、状態検出部は、透過部の位置毎に状態を検出することができる。

また、前記状態検出部は、前記出射角度毎に、取得した受信データとあらかじめ記録された受信データとを比較し、その比較結果に基づいてその出射角度に対応する前記透過部の位置の状態の変化を検出するようにしてもよい。

また、前記状態検出装置は、前記出射角度毎の比較結果をマップ化して出力するマップ生成部を備えていてもよい。

また、前記状態の変化は、出射角度に対応する前記透過部の位置における特性の低下である。

また、前記出射角度毎の受信データは、出射角度毎の受信強度である。

また、本発明の一実施形態にかかる電磁波走査装置における透過部の状態検出方法は、電磁波を出射する出射部と、所定の走査範囲に対し、出射角度を変化させて前記電磁波を走査する走査部と、前記電磁波を外部へ放出する透過部と、前記出射角度毎に出射され、前記透過部を介して戻った前記電磁波の戻り波を受信する受信部と、前記受信部が受信した前記戻り波に基づく受信データを検出する検出部と、を備える電磁波走査装置における前記透過部の状態検出方法であって、前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、あらかじめ記録された、前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、を比較することで、前記透過部の状態を検出する。このような本発明によれば、電磁波の各出射角度は透過部の特定位置と対応付けられるため、透過部の位置毎に状態を検出することができる。

図１は、本発明の一実施例である状態検出装置を適用したＬｉｄａｒ１００の構成例を示すブロック図である。本図に示すようにＬｉｄａｒ１００は、出射部１１０、ハーフミラー１２０、ＭＥＭＳミラー１３０、駆動部１４０、透過部１５０、受信部１６０、演算部１７０を備えており、電磁波として光を用いて走査を行なう。

出射部１１０は、レーザ光源等を備えており、パルス光を連続的に出射する。出射部１１０が出射したパルス光は、ハーフミラー１２０を通過してＭＥＭＳミラー１３０に入射する。ＭＥＭＳミラー１３０は直交する２方向の軸を有する２軸構成となっており、駆動部１４０により主走査及び副走査方向に所定の周波数で振動する。

ＭＥＭＳミラー１３０の振動により、連続するパルス光は出射角度を変化させながら透過部１５０を通過して装置外に出射され、所定の範囲を走査する。ＭＥＭＳミラー１３０と駆動部１４０は、走査部として機能する。透過部１５０は、レンズを含んだ光学系として構成されている。

外部に出射されたパルス光は物体で反射すると一部が戻り光となって透過部１５０に再入射する。透過部１５０に再入射した光は、ハーフミラー１２０で反射され、受信部１６０に入射する。受信部１６０は、フォトダイオード等の受光素子を含んで構成され、受光強度等に応じた受光信号を出力する。

演算部１７０は、マイクロコンピュータ等を用いて構成することができ、検出部１７１、測定制御部１７２、状態検出部１７３を備えている。

検出部１７１は、受信部１６０が出力する受光信号を検出し、測定制御部１７２に出力する。この受光信号に基づいて、受光強度、受光タイミング等を把握することができる。

測定制御部１７２は、パルス光を用いた距離測定動作の制御を行なう。具体的には、出射部１１０と駆動部１４０とを制御し、パルス光の出射タイミングとＭＥＭＳミラー１３０の振動を同期させ、所定の出射角度でパルス光が順次出射されるようにする。また、検出部１７１が検出した受光信号の受信タイミングと出射部１１０の出射タイミングとの差に基づいて、出射角度毎に物体までの距離を測定する。本実施形態では、マルチエコーに対応しており、１回のパルス光出射に対して複数の受光信号を検出できるものとする。

測定制御部１７２の測定結果、すなわち、出射角度毎の距離情報は、情報処理装置等の外部装置に出力され、例えば、３次元点群情報が生成される。

状態検出部１７３は、透過部１５０で反射したと推定される戻り光の受光強度を出射角度毎に取得し、あらかじめ記録された初期受光強度分布データ１７４と比較することで透過部１５０の状態を検出する。各出射角度は透過部１５０の特定位置と対応付けられるため、状態検出部１７３は、透過部１５０の位置毎に状態を検出することができる。また、状態検出部１７３は、比較結果をマップ化して表示装置等の外部装置に出力するマップ生成部としても機能する。

ここで、初期受光強度分布データ１７４は、Ｌｉｄａｒの初期状態、すなわち、透過部１５０に傷や汚れ等がない状態で記録したデータであり、図２に一例を示すように、透過部１５０で反射したと推定される戻り光の受光強度を出射角度毎に記録したデータである。本図の例では、ＭＥＭＳミラー１３０のＸ軸、Ｙ軸それぞれの角度毎に受光強度を記録しているが、他の形式であってもよく、例えば、透過部１５０上の照射位置を示す座標等であってもよい。

出射部１１０が出射してＭＥＭＳミラー１３０が反射したパルス光は、その大部分が透過部１５０を通過するが、ごく一部は透過部１５０で反射し、戻り光の一部となって受信部１６０に入射する。

一般に、この戻り光は不要反射光（迷光）として扱われるが、本実施形態では、透過部１５０の状態検出に用いるようにしている。すなわち、透過部１５０に傷や汚れ等が発生すると、その部分で透明度が低下し、反射率が大きくなるため、その部分に対応する出射角度で戻り光が多くなると想定される。

そこで、状態検出部１７３は、初期状態に得られた透過部１５０での反射光の出射角度毎の受光強度と、状態検出時に得られた透過部１５０での反射光の出射角度毎の受光強度とを比較して透過部１５０の状態検出を行なうようにしている。具体的には、受光強度の差を算出して、受光強度が大きくなっている出射角度に対応する透過部１５０の位置で傷や汚れ等により特性が悪化していると判定する。

ただし、必ずしも初期状態の受光強度に限られず、過去のある時点における出射角度毎の受光強度を記録しておけば、その時点からの状態変化を検出することができる。また、比較は受光強度に限られない。例えば、位相変化、Ｓ／Ｎ比、受光信号の信頼度等を用いてもよい。

また、透過部１５０での反射光については、出射部１１０によるパルス発光のタイミングと、検出部１７１の受光信号の受信タイミングとの時間差に基づいて推定することができる。すなわち、前記時間差が所定時間以下であれば、測距対象物での反射ではなく透過部１５０での反射であると推定できる。

次に、上記構成のＬｉｄａｒ１００の動作について説明する。まず、初期受光強度分布データ取得動作について図３のフローチャートを参照して説明する。本動作は、透過部１５０に傷や汚れのない初期状態で行なうことが好ましい。

初期受光強度分布データ取得動作において、Ｌｉｄａｒ１００は、光パルスを出射して走査を行なう。すなわち、出射角度αｎで透過部１５０を介して光パルスを出射する（Ｓ１０１）。

そして、得られた受光信号から、測定制御部１７２は、透過部１５０で反射したと推定される戻り光の受光信号を抽出する（Ｓ１０２）。上述のように、受光信号の受光タイミングに基づいて透過部１５０で反射した戻り光の受光信号を推定することができる。

透過部１５０で反射したと推定される戻り光の受光信号を抽出すると、状態検出部１７３が、その受光強度を出射角度に対応付けて記録する（Ｓ１０３）。以上の処理を、出射角度を変化させながら、所定の範囲内の走査が終了するまで繰り返す（Ｓ１０４）。

走査が終了すると、状態検出部１７３は、記録していた出射角度毎の受光強度を初期受光強度分布データ１７４として保存する（Ｓ１０５）。

次に、Ｌｉｄａｒ１００が行なう透過部１５０の状態検出動作について図４のフローチャートを参照して説明する。本動作は、Ｌｉｄａｒ１００の運用開始後、適宜行なうことが望ましい。例えば、毎起動時に行なったり、定期的に行なうことができる。

透過部１５０の状態検出動作においてもＬｉｄａｒ１００は、光パルスを出射して走査を行なう。すなわち、出射角度αｎで透過部１５０を介して光パルスを出射する（Ｓ２０１）。

そして、得られた受光信号から、測定制御部１７２は、透過部１５０で反射したと推定される戻り光の受光信号を抽出する（Ｓ２０２）。透過部１５０で反射したと推定される戻り光の受光信号を抽出すると、状態検出部１７３が、その受光強度を出射角度に対応付けて記録する（Ｓ２０３）。以上の処理を、出射角度を変化させながら、所定の範囲内の走査が終了するまで繰り返す（Ｓ２０４）。

走査が終了すると、状態検出部１７３は、あらかじめ作成しておいた初期受光強度分布データ１７４を参照する（Ｓ２０５）。そして、出射角度毎に比較する（Ｓ２０６）。具体的には、初期受光強度分布データ１７４と新たに得られた出射角度毎の受光強度との差分を出射角度毎に算出する。

受光強度に所定基準以上の変化がある場合（Ｓ２０７：Ｙｅｓ）、特に、受光強度が大きくなっている出射角度がある場合には、その出射角度に対応する透過部１５０の位置を情報処理装置や表示装置等の外部装置に出力する（Ｓ２０８）。この出力に基づいて、例えば、警告を出力することで、ユーザは、透過部１５０の特定の位置で特性が低下していることを知ることができる。

さらに、出射角度毎の受光強度の差を視覚化した状態変化マップを外部装置に出力することができる（Ｓ２０９）。状態変化マップは、例えば、図５に示すように、出射範囲に対応した透過部１５０上の領域を示す矩形領域に、位置毎の受光強度の変化の大きさを濃淡で表すことで、受光強度の変化の状態、すなわち特性変化の分布を視覚化した情報とすることができる。状態変化マップは、例えば、表示装置に表示させることができる。

状態変化マップは、すべての出射角度で所定基準以上の変化がない場合（Ｓ２０７：Ｎｏ）にも、出力するようにしてもよい。

上記実施例の他に、状態検出部１７３を情報処理装置等の外部装置に設け、Ｌｉｄａｒ１００本体に予め記録された初期受光強度分布データ１７４と、Ｌｉｄａｒ１００の運用開始後に記録された受光強度分布データと、を外部装置に適時出力して、これらを外部装置で比較するようにしてもよい。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。上述の各図で示した実施例は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。また、各図の記載内容はそれぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。

１００ Ｌｉｄａｒ（電磁波走査装置、状態検出装置）
１１０ 出射部
１２０ ハーフミラー
１３０ ＭＥＭＳミラー（走査部）
１４０ 駆動部
１５０ 透過部
１６０ 受信部
１７０ 演算部
１７１ 検出部
１７２ 測定制御部
１７３ 状態検出部
１７４ 初期受光強度分布データ

Claims (6)

1. 電磁波を出射する出射部と、
   所定の走査範囲に対し、出射角度を変化させて前記電磁波を走査する走査部と、
   前記電磁波を外部へ放出する透過部と、
   前記出射角度毎に出射され、前記透過部を介して戻った前記電磁波の戻り波を受信する受信部と、
   前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、あらかじめ記録された、前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、を比較することで、前記透過部の状態を検出する状態検出部と、
   を備える状態検出装置。
2. 前記状態検出部は、前記出射角度毎に、取得した受信データとあらかじめ記録された受信データとを比較し、その比較結果に基づいてその出射角度に対応する前記透過部の位置の状態の変化を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の状態検出装置。
3. 前記出射角度毎の比較結果をマップ化して出力するマップ生成部を備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の状態検出装置。
4. 前記状態の変化は、出射角度に対応する前記透過部の位置における特性の低下である
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の状態検出装置。
5. 前記出射角度毎の受信データは、出射角度毎の受信強度である
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の状態検出装置。
6. 電磁波を出射する出射部と、
   所定の走査範囲に対し、出射角度を変化させて前記電磁波を走査する走査部と、
   前記電磁波を外部へ放出する透過部と、
   前記出射角度毎に出射され、前記透過部を介して戻った前記電磁波の戻り波を受信する受信部と、
   前記受信部が受信した前記戻り波に基づく受信データを検出する検出部と、を備える電磁波走査装置における前記透過部の状態検出方法であって、
   前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、あらかじめ記録された、前記透過部で反射したと推定される戻り波の前記出射角度毎の受信データと、を比較することで、前記透過部の状態を検出する状態検出方法。

Images