JP4353086B2 - Safety confirmation device - Google Patents
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Description
本発明は、監視対象空間が監視開始前と同じ安全な状態にあるかを確認可能な安全確認装置に関するものである。 The present invention relates to a safety confirmation device capable of confirming whether a monitored space is in the same safe state as before the start of monitoring.
従来から、この種の安全確認装置として、例えば工場などにおいて監視対象空間をCCDカメラなどの撮像手段により撮像して得られる画像を利用して監視対象空間を監視し、監視対象空間内に障害物となる物体(人、ロボットなど)が存在しないときに安全状態と判断する監視装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。なお、このような監視装置は、例えば、工場内などで稼動されるロボットや無人搬送車などに搭載して用いたり、工場内などにおけるロボットや無人搬送車などの移動経路の上方に設置して用いられる。 Conventionally, as this type of safety confirmation device, for example, in a factory, the monitoring target space is monitored using an image obtained by imaging the monitoring target space with an imaging means such as a CCD camera. There has been proposed a monitoring device that determines that the object is safe when there is no object (such as a person or a robot) (see, for example, Patent Document 1). Such a monitoring device is used by being mounted on, for example, a robot or an automated guided vehicle operating in a factory, or installed on a moving path of a robot or an automated guided vehicle in a factory. Used.
上述の特許文献1に開示された監視装置では、監視対象空間を予め撮像手段により撮像して得られた画像からなる背景画像と監視開始後に監視対象空間を撮像手段により撮像して得られた画像との差画像を求め、差画像に基づいて監視対象空間内に障害物となる物体が存在しない安全な状態にあるか障害物となる物体が存在する不安全な状態にあるかを判断するようになっている。
ところで、上述の特許文献1に開示された監視装置では、撮像手段としてCCDカメラなどの一般的なTVカメラを使用しており、撮像手段により監視対象空間を撮像して得られる画像が濃淡画像であって、監視対象空間内の明暗に関する情報しか得られないので、太陽光や照明や背景などの影響を受けて不安全な状態を検知できないことがあった。
By the way, in the monitoring apparatus disclosed in the above-mentioned
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、太陽光や照明や背景などに影響されずに監視対象空間が安全な状態にあるか否かを確認可能な安全確認装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and its purpose is a safety confirmation device capable of confirming whether the monitored space is in a safe state without being affected by sunlight, lighting, background, or the like. Is to provide.
請求項1の発明は、強度が周期的に変化する強度変調光を対象空間に照射する発光源と、受光光量に応じた電気出力を発生する複数個の感光部が配列され監視対象空間を撮像する光検出素子と、発光源から監視対象空間に照射された光が監視対象空間内の物体で反射され各感光部で受光されるまでの強度変調光の位相差を物体までの距離に換算した距離値を画素値とする距離画像を生成する画像生成部と、監視対象空間の監視開始前に画像生成部で生成された距離画像を背景距離画像として記憶する背景距離画像記憶部と、監視開始後に画像生成部で生成された距離画像からなる監視距離画像と背景距離画像記憶部に記憶されている背景距離画像とを比較して監視開始前には存在しなかった物体が存在するか否かを基準にして安全な状態か否かを判断する状態判断部と、を有し、前記状態判断部が、前記監視対象空間の監視特定エリアに監視開始前には存在しなかった物体が存在した場合に前記監視対象空間が不安全な状態にあると判断する安全確認装置であって、前記状態判断部にて前記監視対象空間が不安全な状態にあると判断されたときに警報出力を発生する警報出力部と、前記画像生成部の出力に基づいて監視開始後に監視対象空間に存在する物体の形状と数とを推定する形状推定部と、を備え、前記状態判断部は、不安全な状態と判断したときに形状推定部にて推定された物体の形状と数との組み合わせに基づいて不安全な状態の不安全レベルを判定し、前記警報出力部は、前記状態判断部から与えられる不安全レベルの情報に基づいて警報出力の警報レベルを変化させることを特徴とする。なお、監視対象空間に存在する物体とは人体を含む概念である。 According to the first aspect of the present invention, a light-emitting source that irradiates the target space with intensity-modulated light whose intensity changes periodically, and a plurality of photosensitive units that generate electrical output according to the amount of received light are arranged to image the monitoring target space. The phase difference of the intensity-modulated light until the light irradiated from the light source to the monitoring target space is reflected by the object in the monitoring target space and received by each photosensitive part is converted into the distance to the object. An image generation unit that generates a distance image having a distance value as a pixel value, a background distance image storage unit that stores a distance image generated by the image generation unit before the monitoring of the monitoring target space as a background distance image, and a monitoring start Whether there is an object that did not exist before the start of monitoring by comparing the monitoring distance image consisting of the distance image generated by the image generation unit later with the background distance image stored in the background distance image storage unit Whether it is safe based on Anda state determination section for determining, the state determination unit, wherein the monitored space when the object that did not exist prior to the start monitoring the monitoring specific area monitored space exists is unsafe A safety confirmation device for determining that the state is in a state, wherein the state determination unit generates a warning output when the monitoring target space is determined to be in an unsafe state; and the image generation unit A shape estimation unit that estimates the shape and number of objects existing in the monitoring target space after the start of monitoring based on the output of the state, the state determination unit to the shape estimation unit when determined to be an unsafe state The unsafe level of the unsafe state is determined based on the combination of the shape and the number of the objects estimated in the above, and the alarm output unit outputs an alarm based on the unsafe level information given from the state determination unit. Change the alarm level It is characterized in. The object existing in the monitoring target space is a concept including a human body.
この発明によれば、監視対象空間に存在する物体までの距離値を画素値とする距離画像に基づいて監視開始前には存在しなかった物体が存在するか否かを基準にして安全な状態か否かが判断されるので、太陽光や照明や背景などの影響を受けずに監視対象空間が安全な状態にあるか否かを確認することが可能となる。 According to the present invention, a safe state is based on whether there is an object that did not exist before the start of monitoring based on a distance image having a pixel value as a distance value to the object existing in the monitoring target space. Therefore, it is possible to confirm whether or not the monitoring target space is in a safe state without being affected by sunlight, lighting, or the background.
また、この発明によれば、監視特定エリアに監視開始前には存在しなかった物体が存在した場合のみ不安全な状態にあると判断させることができる。すなわち、監視特定エリア外のエリアのみにおいて監視開始前に存在しなかった物体があらわれた場合(監視距離画像と背景距離画像との差分画像に変化があらわれた場合)には、安全な状態と判断することになり、監視特定エリア内において監視開始前に存在しなかった物体があらわれた場合(監視距離画像と背景距離画像との差分画像に変化が起こった場合)にのみ不安定な状態と判断することができる。 Further, according to this invention it can be determined that if the did not exist before starting the monitoring in the monitoring specific area object was present only in an unsafe state. That is, when an object that did not exist before the start of monitoring appears only in the area outside the monitoring specific area (when the difference image between the monitoring distance image and the background distance image changes), it is determined as a safe state. Therefore, it is determined that the state is unstable only when an object that does not exist before the start of monitoring appears in the monitoring specific area (when the difference image between the monitoring distance image and the background distance image changes). can do.
さらに、この発明によれば、前記監視対象空間が不安全な状態にあると判断されたときには警報出力が発生するので、前記監視対象空間が不安全な状態のときに前記監視対象空間へ他の物体(例えば、人体、ロボット、無人搬送車など)が入り込むのを防止することが可能となり、前記監視対象空間での事故の発生を未然に防ぐことが可能となる。 Furthermore, according to this invention, since the monitored space alarm output when it is determined to be in an unsafe condition occurs, the other to the monitored space when the monitored space is not safe state It is possible to prevent an object (for example, a human body, a robot, an automatic guided vehicle, etc.) from entering, and to prevent an accident from occurring in the monitoring target space.
この発明によれば、監視開始後に前記監視対象空間に存在する物体の形状と数との組み合わせに基づいて警報出力の警報レベルが変化するので、前記監視対象領域の安全性の高低に応じて警報レベルを変化させることが可能となる。 According to the present invention, since the alarm level of the alarm output changes based on the combination of the shape and number of objects existing in the monitoring target space after the start of monitoring, the alarm is set according to the safety level of the monitoring target area. The level can be changed.
請求項2の発明は、請求項1の発明において、前記状態判断部は、前記監視対象空間に関して予め設定された特定エリアのみについて前記監視距離画像と前記背景距離画像との比較を行うことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the state determination unit compares the monitoring distance image and the background distance image only for a specific area set in advance with respect to the monitoring target space. And
この発明によれば、前記監視対象空間に関する距離画像の全エリアについて前記監視距離画像と前記背景距離画像との比較を行う場合に比べて、前記状態判断部の処理速度の高速化を図れる。 According to the present invention, the processing speed of the state determination unit can be increased as compared with the case where the monitoring distance image and the background distance image are compared for all areas of the distance image related to the monitoring target space.
請求項3の発明は、請求項2の発明において、前記画像生成部が距離画像を生成する機能の他に前記各感光部の受光光量である濃淡値を画素値とし各画素が距離画像の各画素と1対1で対応する濃淡画像を生成する機能を有し、前記監視対象空間の監視開始前に前記画像生成部において距離画像とともに生成された濃淡画像を表示するモニタ装置を具備しモニタ装置に表示された濃淡画像内で前記特定エリアを設定する特定エリア設定手段を備えることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the invention, in addition to the function of the image generation unit to generate a distance image, the gray value that is the amount of light received by each of the photosensitive units is a pixel value, and each pixel is a distance image. A monitor device having a function of generating a gray image corresponding to a pixel on a one-to-one basis and displaying a gray image generated together with a distance image in the image generation unit before the monitoring of the monitoring target space is started. And a specific area setting means for setting the specific area in the grayscale image displayed on the screen.
この発明によれば、前記特定エリアを濃淡画像内で設定することができるので、前記特定エリアを距離画像内で設定する場合に比べて前記特定エリアの設定作業が容易になる。 According to the present invention, since the specific area can be set in the grayscale image, the setting operation of the specific area is facilitated as compared with the case where the specific area is set in the distance image.
請求項1の発明では、監視対象空間の照明や背景などの影響を受けずに監視対象空間が安全な状態にあるか否かを確認することが可能となるという効果がある。また、監視特定エリアに監視開始前には存在しなかった物体が存在した場合のみ不安全な状態にあると判断させることができるという効果がある。さらに、前記監視対象空間が不安全な状態にあると判断されたときには警報出力が発生するので、前記監視対象空間が不安全な状態のときに前記監視対象空間へ他の物体(例えば、人体、ロボット、無人搬送車など)が入り込むのを防止することが可能となり、前記監視対象空間での事故の発生を未然に防ぐことが可能となるという効果がある。さらにまた、監視開始後に前記監視対象空間に存在する物体の形状と数との組み合わせに基づいて警報出力の警報レベルが変化するので、前記監視対象領域の安全性の高低に応じて警報レベルを変化させることが可能となるという効果がある。 According to the first aspect of the invention, there is an effect that it is possible to confirm whether or not the monitoring target space is in a safe state without being affected by the illumination or background of the monitoring target space . In addition, there is an effect that it can be determined that an unsafe state exists only when an object that did not exist before the start of monitoring exists in the monitoring specific area. Further, when it is determined that the monitoring target space is in an unsafe state, an alarm output is generated. Therefore, when the monitoring target space is in an unsafe state, another object (for example, a human body, Robots, automatic guided vehicles, etc.) can be prevented from entering, and an accident can be prevented from occurring in the monitored space. Furthermore, since the alarm level of the alarm output changes based on the combination of the shape and number of objects existing in the monitoring target space after the start of monitoring, the alarm level is changed according to the safety level of the monitoring target area. There is an effect that can be made.
以下、本実施形態の安全確認装置について図1を参照して説明するが、まず、本実施形態の安全確認装置で用いる距離画像センサ10の基本構成について説明する。
Hereinafter, although the safety confirmation apparatus of this embodiment is demonstrated with reference to FIG. 1, first, the basic composition of the
距離画像センサ10は、監視対象空間に光を照射する発光源2を備えるとともに、監視対象空間からの光を受光し受光光量を反映した出力が得られる光検出素子1を備える。監視対象空間に存在する物体Obまでの距離は、発光源2から監視対象空間に光が照射されてから物体Obでの反射光が光検出素子1に入射する(到達する)までの時間(「飛行時間」と呼ぶ)によって求める。ただし、飛行時間はナノ秒レベルの非常に短い時間であるから、監視対象空間に照射する光の強度が一定周期で周期的に変化するように変調した強度変調光を用い、強度変調光を受光したときの位相を用いて飛行時間を求める。
The
すなわち、図2(a)に示すように、発光源2から空間に放射する光の強度が曲線イのように変化し、光検出素子1で受光した受光光量が曲線ロのように変化するとすれば、位相差ψが飛行時間に相当するから、位相差ψを求めることにより物体Obまでの距離を求めることができる。また、位相差ψは、曲線イの複数のタイミングで求めた曲線ロの受光光量を用いて計算することができる。例えば、曲線イにおける位相が0度、90度、180度、270度のタイミングで求めた曲線ロの受光光量がそれぞれA0、A1、A2、A3であるとする(受光光量A0、A1、A2、A3を斜線部で示している)。ただし、各位相における受光光量A0、A1、A2、A3は、瞬時値ではなく所定の受光期間Twで積算した受光光量を用いる。いま、受光光量A0、A1、A2、A3を求める間に、位相差ψが変化せず(つまり、物体Obまでの距離が変化せず)、かつ物体Obの反射率にも変化がないものとする。また、発光源2から放射する光の強度を正弦波で変調し、時刻tにおいて光検出素子1で受光される光の強度がA・sin(ωt+δ)+Bで表されるものとする。ここに、Aは振幅、Bは直流成分(外光成分と反射光成分との平均値)、ω(=2πf)は角振動数、δは初期位相である。光検出素子1で受光する受光光量A0、A1、A2、A3を受光期間Twの積算値ではなく瞬時値とし、変調信号の周期に同期した時刻t=n/f(n=0、1、2、…;ただし、fは変調信号の周波数)における受光光量を、A0=A・sin(δ)+Bとすれば、受光光量A0、A1、A2、A3は、次のように表すことができる。なお、反射光成分とは、発光源2から放射され物体Obにより反射された後に光検出素子1に入射する光の成分を意味する。
A0=A・sin(δ)+B
A1=A・sin(π/2+δ)+B
A2=A・sin(π+δ)+B
A3=A・sin(3π/2+δ)+B
図2では位相差がψであるから、光検出素子1の受光光量に関する波形の初期位相δ(時刻t=0の位相)は−ψになる。つまり、δ=−ψであるから、A0=−A・sin(ψ)+B、A1=A・cos(ψ)+B、A2=A・sin(ψ)+B、A3=−A・cos(ψ)+Bであり、結果的に、各受光光量A0、A1、A2、A3と位相差ψとの関係は、次式のようになる。
ψ=tan−1{(A2−A0)/(A1−A3)} …(式1)
式1では受光光量A0、A1、A2、A3の瞬時値を用いているが、受光光量A0、A1、A2、A3として受光期間Twにおける積算値を用いても式1で位相差ψを求めることができる。
That is, as shown in FIG. 2A, it is assumed that the intensity of light radiated from the
A0 = A · sin (δ) + B
A1 = A · sin (π / 2 + δ) + B
A2 = A · sin (π + δ) + B
A3 = A · sin (3π / 2 + δ) + B
Since the phase difference is ψ in FIG. 2, the initial phase δ (phase at time t = 0) of the waveform related to the amount of light received by the
ψ = tan −1 {(A2−A0) / (A1−A3)} (Formula 1)
Although the instantaneous values of the received light amounts A0, A1, A2, and A3 are used in
また、光検出素子1で受光される光の強度をA・cos(ωt+δ)+Bとする場合、つまり変調信号の周期に同期した時刻t=n/f(n=0、1、2、…)における受光光量を、A0=A・cos(δ)+Bとすれば、位相差ψを次式で求めることができる。
ψ=tan−1{(A1−A3)/(A0−A2)}
この関係は、変調信号に同期させるタイミングを90度ずらした関係である。また、距離値の符号は正であるから、位相差ψを求めたときに符号が負になる場合には、tan−1の括弧内の分母または分子の各項の順序を入れ換えるか括弧内の絶対値を用いるようにしてもよい。
Further, when the intensity of light received by the
ψ = tan −1 {(A1−A3) / (A0−A2)}
This relationship is a relationship in which the timing for synchronizing with the modulation signal is shifted by 90 degrees. In addition, since the sign of the distance value is positive, if the sign is negative when the phase difference ψ is obtained, the order of the denominator in the parenthesis of tan −1 or each term of the numerator is changed, or An absolute value may be used.
上述のように監視対象空間に照射する光の強度を変調するために、発光源2としては、例えば多数個の発光ダイオードを一平面上に配列したものや半導体レーザと発散レンズとを組み合わせたものなどを用いる。また、発光源2は、制御回路部3から出力される所定の変調周波数である変調信号によって駆動され、発光源2から放射される光は変調信号により強度が変調される。制御回路部3では、例えば20MHzの正弦波で発光源2から放射する光の強度を変調する。なお、発光源2から放射する光の強度は正弦波で変調する以外に、三角波、鋸歯状波などで変調してもよく、要するに、一定周期で強度を変調するのであれば、どのような構成を採用してもよい。
As described above, in order to modulate the intensity of the light irradiating the monitoring target space, the
光検出素子1は、規則的に配列された複数個の感光部11を備える。また、感光部11への光の入射経路には受光光学系19が配置される。感光部11は光検出素子1において監視対象空間からの光が受光光学系19を通して入射する部位であって、感光部11において受光光量に応じた量の電荷を生成する。また、感光部11は、平面格子の格子点上に配置され、例えば垂直方向(つまり、縦方向)と水平方向(つまり、横方向)とにそれぞれ等間隔で複数個ずつ並べたマトリクス状に配列される。
The
受光光学系19は、光検出素子1から監視対象空間を見るときの視線方向と各感光部11とを対応付ける。すなわち、受光光学系19を通して各感光部11に光が入射する範囲を、受光光学系19の中心を頂点とし各感光部11ごとに設定された頂角の小さい円錐状の視野とみなすことができる。したがって、発光源2から放射され対象空間に存在する物体Obで反射された反射光が感光部11に入射すれば、反射光を受光した感光部11の位置により、受光光学系19の光軸を基準方向として物体Obの存在する方向を知ることができる。
The light receiving
受光光学系19は一般に感光部11を配列した平面に光軸を直交させるように配置されるから、受光光学系19の中心を原点とし、感光部11を配列した平面の垂直方向と水平方向と受光光学系19の光軸とを3軸の方向とする直交座標系を設定すれば、監視対象空間に存在する物体Obの位置を球座標で表したときの角度(いわゆる方位角と仰角)が各感光部11に対応する。なお、受光光学系19は、感光部11を配列した平面に対して光軸が90度以外の角度で交差するように配置することも可能である。
Since the light receiving
本実施形態では、上述のように、物体Obまでの距離を求めるために、発光源2から監視対象空間に照射される光の強度変化に同期する4点のタイミングで受光光量A0、A1、A2、A3を求めている。したがって、目的の受光光量A0、A1、A2、A3を得るためのタイミングの制御が必要である。また、発光源2から対象空間に照射される光の強度変化の1周期において感光部11で発生する電荷の量は少ないから、複数周期に亘って電荷を集積することが望ましい。そこで、図1のように各感光部11で発生した電荷をそれぞれ集積する複数個の電荷集積部13を設けるとともに、各感光部11の感度をそれぞれ調節する複数個の感度制御部12を設けている。
In the present embodiment, as described above, in order to obtain the distance to the object Ob, the received light amounts A0, A1, and A2 are synchronized at four timings synchronized with the intensity change of the light emitted from the
各感度制御部12では、感度制御部12に対応する感光部11の感度を上述した4点のうちのいずれかのタイミングで高め、感度が高められた感光部11では当該タイミングの受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を主として生成するから、当該受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を当該感光部11に対応する電荷集積部13に集積させることができる。
In each
以下では、感度制御部12の具体的な構成として、感光部11で生成された電荷のうち電荷集積部13に与える電荷の割合を調節する技術と、実質的に感光部11として機能する部位の面積を変化させる技術とを示す。電荷集積部13に与える電荷の割合を調節する技術には、感光部11から電荷集積部13への電荷の通過率を調節する技術と、感光部11から電荷を廃棄する廃棄率を調節する技術と、通過率と廃棄率との両方を調節する技術とがある。
Hereinafter, as a specific configuration of the
感度制御部12において通過率と廃棄率とを調節する技術では、図3に示すように、感光部11と電荷集積部13との間にゲート電極12aを設け、ゲート電極12aに印加する通過電圧を変化させることにより、感光部11から電荷集積部13への電荷の移動(つまり、通過率)を制御する。また、電荷廃棄部12cを設け、電荷廃棄部12cに付設した廃棄電極12bに印加する廃棄電圧を変化させることにより、感光部11から電荷廃棄部12cへの電荷の移動(つまり、廃棄率)を制御する。電荷集積部13は感光部11ごとに一対一に対応するように設けられ、電荷廃棄部12cは複数個の感光部11に共通させて一対多に対応するように設けられる。図示例では、光検出素子1のすべての感光部11で1組の廃棄電極12bおよび電荷廃棄部12cを共用している。
In the technique of adjusting the passing rate and the discard rate in the
感度を制御するために、感光部11からの電荷の廃棄を行わずに感光部11から電荷集積部13への電荷の通過率の制御のみを行うことが考えられるが、電荷の廃棄を行わなければ感光部11において電荷が暫時残留するから、感光部11で生成された電荷のうち不要な残留電荷が、利用する電荷(以下、信号電荷という)に雑音成分として混入する。したがって、信号電荷への残留電荷の混入を防止するために、ゲート電極12aに印加する通過電圧だけでなく廃棄電極12bに印加する廃棄電圧を制御する。
In order to control the sensitivity, it may be possible to control only the charge passage rate from the
ゲート電極12aと廃棄電極12bとを用いて感度を制御するには、ゲート電極12aに印加する通過電圧を一定電圧に保つことにより感光部11で生成された電荷を電荷集積部13に通過可能としておき、感光部11で生成された電荷のうち信号電荷に用いる電荷が生成される期間以外には感光部11から電荷廃棄部12cに電荷が移動するように廃棄電極12bに廃棄電圧を印加する。要するに、感光部11において信号電荷として用いる電荷が生成される期間にのみ電荷廃棄部12cへの電荷の廃棄を行わず、他の期間には電荷廃棄部12cに電荷を廃棄することにより、信号電荷として用いようとする期間に生成された電荷のみを電荷集積部13に集積する。
In order to control the sensitivity using the
いま、図4(a)のような変調信号により発光源2から空間に照射される光の強度が変調されているとする。電荷集積部13には変調信号の複数周期(数万〜数十万周期)において変調信号に同期する特定の区間の受光光量A0,A1,A2,A3に相当する電荷を集積し、各区間の電荷の集積毎に集積した信号電荷を取り出して次の区間の電荷を集積する。例えば、受光光量A0に相当する電荷を変調信号の数万周期について集積すると、この受光光量A0に相当する信号電荷を一旦外部に取り出し、その後、受光光量A1に相当する電荷を変調信号の数万周期について集積する。
Now, it is assumed that the intensity of light emitted from the
図4は受光光量A0に相当する電荷を集積している状態を示しており、図4(b)に示すようにゲート電極12aに印加する通過電圧を一定電圧に保っている。また、受光光量A0に相当する電荷としては、変調信号の位相が0〜90度の区間において感光部11で生成された電荷を採用している。つまり、廃棄電極12bには、図4(c)のように変調信号の位相が90〜360度の区間において、感光部11で生成される電荷を不要電荷とするように廃棄電圧を印加する。この制御により、図4(d)のように所望の区間の受光光量A0に対応した信号電荷を電荷集積部13に集積することが可能になる。図4に示す処理は変調信号の数万〜数十万周期について行われ、この期間に電荷集積部13に得られた信号電荷は受光光量A0に対応する受光出力として電荷取出部14により取り出される。
FIG. 4 shows a state where charges corresponding to the received light quantity A0 are accumulated, and the passing voltage applied to the
電荷取出部14から取り出された電荷は画像生成部4に画像信号として与えられ、画像生成部4において、監視対象空間内の物体Obまでの距離が、上述した式1を用いて受光光量A0、A1、A2、A3に対応する受光出力から算出される。すなわち、画像生成部4では各感光部11に対応した各方向における物体Obまでの距離が算出され、監視対象空間の三次元情報が算出される。この三次元情報を用いると、監視対象空間の各方向に一致する画素の画素値が距離値である距離画像を生成することができる。
The electric charge extracted from the electric charge extraction unit 14 is given to the
なお、上述の制御では、廃棄電極12bに廃棄電圧を印加している期間においてゲート電極12aにも一定電圧である通過電圧を印加しているが、廃棄電圧と通過電圧との大小関係を適宜に設定すれば、不要電荷を廃棄している期間には信号電荷がほとんど集積されないようにすることができる。また、変調信号の数万〜数十万周期について電荷を集積しているのは、集積する電荷量を多くすることによって高感度化するためであり、変調信号を例えば20MHzと設定すれば、30フレーム/秒で信号電荷を取り出すとしても、数十万周期以上の集積が可能になる。
In the above-described control, a passing voltage that is a constant voltage is applied to the
上述したように、廃棄電極12bを備えた電荷廃棄部12cを設け、感光部11に生じた電荷のうち信号電荷として利用しない不要電荷を電荷廃棄部12cに積極的に廃棄しているから、感光部11において電荷集積部13に信号電荷を与えていない期間に感光部11で生成される電荷はほとんどが不要電荷として廃棄されることになり、信号電荷への雑音成分の混入が大幅に抑制される。
As described above, the
上述の例では、ゲート電極12aに一定電圧である通過電圧を印加している期間に廃棄電極12bに廃棄電圧を印加する期間と印加しない期間とを設けることによって、廃棄電圧が印加されていない期間において感光部11に生成された電荷を信号電荷として用いているが、図5に示すように、ゲート電極12aに通過電圧を印加する期間と廃棄電極12bに廃棄電圧を印加する期間とが重複しないように制御してもよい。
In the above-described example, a period in which the discard voltage is not applied by providing a period in which the discard voltage is applied to the discard
図5は受光光量A0に対応する信号電荷を集積する場合の動作を示している。図5(a)は発光源2から空間に照射される光の強度を変調する変調信号を示しており、ゲート電極12aには、図5(b)のように、受光光量A0に対応するタイミングで通過電圧を印加する。ゲート電極12aに通過電圧を印加する期間は、変調信号の位相における0度から一定期間(図示例では0〜90度)に設定され、この期間において感光部11から電荷集積部13への電荷の移動が可能になる。一方、廃棄電極12bには、図5(c)のように、電荷集積部13に受光光量A0に相当する信号電荷を集積する期間以外において廃棄電圧を印加し、信号電荷を集積する期間以外では感光部11で生成した電荷を不要電荷として電荷廃棄部12cに廃棄する。このような制御によって、図5(d)のように受光光量A0に相当する信号電荷を取り出すことが可能になる。
FIG. 5 shows an operation when signal charges corresponding to the received light quantity A0 are integrated. FIG. 5A shows a modulation signal that modulates the intensity of light emitted to the space from the
図5に示す制御では、ゲート電極12aに通過電圧を印加している期間と廃棄電極12bに廃棄電圧を印加している期間とが異なるから、図4に示した制御例のように通過電圧と廃棄電圧との大小関係を考慮しなくとも通過電圧と廃棄電圧との大きさを独立して制御することができ、結果的に通過電圧および廃棄電圧の制御が容易になり、感光部11で受光した光量に対して信号電荷を取り込む割合である感度の制御が容易になるとともに、感光部11で生成された電荷のうち不要電荷として廃棄する割合の制御が容易になる。また、図5に示す制御例では、電荷集積部13に信号電荷を集積する期間はゲート電極12aに印加する通過電圧により規定されるから、廃棄電極12bに廃棄電圧を印加する期間を短縮することが可能であり、例えば、ゲート電極12aに通過電圧を印加する直前の所定期間にのみ廃棄電極12bに廃棄電圧を印加することも可能である。
In the control shown in FIG. 5, the period during which the pass voltage is applied to the
図5に示す制御を行えば、感光部11で生成した電荷を電荷集積部13に信号電荷として集積していない期間において感光部11で生成される電荷をほとんど不要電荷として廃棄するから、信号電荷への雑音成分の混入が大幅に抑制されることになる。
If the control shown in FIG. 5 is performed, the charge generated in the
通過電圧と廃棄電圧との制御例としては、図6に示すように、廃棄電極12bに印加する廃棄電圧を一定電圧に保って感光部11で生成された電荷の一部をつねに廃棄するようにしてもよい。図6の制御例では、ゲート電極12aに通過電圧を印加する期間と印加しない期間とを設け、通過電圧を印加する期間を電荷集積部13に信号電荷を集積する期間としている。
As an example of control of the pass voltage and the discard voltage, as shown in FIG. 6, the discard voltage applied to the discard
図6は受光光量A0に相当する信号電荷を集積する場合の動作を示している。図6(a)は発光源2から空間に照射される光の強度を変調する変調信号を示しており、電荷集積部13に設けたゲート電極12aには、図6(b)のように、受光光量A0に対応する期間に通過電圧が印加され、感光部11において生成された電荷を受光光量A0に相当する信号電荷として電荷集積部13に集積する。つまり、ゲート電極12aに通過電圧を印加する期間は、変調信号の位相における0度から一定期間(図示例では0〜90度)に設定され、この期間において感光部11から電荷集積部13への電荷の移動が可能になる。一方、廃棄電極12bには、図6(c)のように、直流電圧である一定電圧の廃棄電圧がつねに印加され、感光部11で生成された電荷の一部をつねに不要電荷として電荷廃棄部12cに廃棄する。上述の制御では、信号電荷を電荷集積部13に集積する期間にのみゲート電極12aに通過電圧を印加しているから、図6(d)のように受光光量A0に相当する信号電荷を取り出すことが可能になる。
FIG. 6 shows the operation when signal charges corresponding to the received light quantity A0 are integrated. FIG. 6A shows a modulation signal for modulating the intensity of light irradiated to the space from the
図6に示す制御では、ゲート電極12aに通過電圧を印加しているか否かにかかわらず廃棄電極12bに一定電圧の廃棄電圧を印加しているから、感光部11において生成された電荷のうち電荷集積部13に信号電荷として集積されなかった不要電荷は、廃棄電荷として電荷廃棄部12cに廃棄される。ここで、感光部11で生成された電荷の一部を信号電荷として電荷集積部13に集積する期間においても感光部11から電荷廃棄部12cへの電荷の廃棄が継続しているから、信号電荷を電荷集積部13に適正に集積するために、通過電圧と廃棄電圧との大小関係を考慮する必要がある。ただし、廃棄電圧は一定電圧であって廃棄電極12bにつねに印加しているだけであるから、実際には通過電圧のみを制御すればよく、制御自体は容易である。
In the control shown in FIG. 6, a constant voltage discarding voltage is applied to the
図3に示した感度制御部12を備える光検出素子1は、オーバーフロードレインを備えたCCDイメージセンサにより実現することができる。CCDイメージセンサにおける電荷の転送方式はどのようなものでもよく、インターライントランスファ(IT)方式、フレームトランスファ(FT)方式、フレームインターライントランスファ(FIT)方式のいずれであってもよい。
The
図7に縦型オーバーフロードレインを備えるインターライントランスファ方式のCCDイメージセンサの構成を示す。図示例は、感光部11となるフォトダイオード41を水平方向と垂直方向とに複数個ずつ(図では3×4個)配列した2次元イメージセンサであって、垂直方向に配列したフォトダイオード41の各列の右側方にCCDからなる垂直転送レジスタ42を備え、フォトダイオード41および垂直転送レジスタ42が配列された領域の下方にCCDからなる水平転送レジスタ43を備える。垂直転送レジスタ42は各フォトダイオード41ごとに2個ずつの転送電極42a,42bを備え、水平転送レジスタ43は垂直転送レジスタ42の垂直方向の列ごとに2個ずつの転送電極43a,43bを備える。
FIG. 7 shows a configuration of an interline transfer type CCD image sensor having a vertical overflow drain. The illustrated example is a two-dimensional image sensor in which a plurality of
フォトダイオード41と垂直転送レジスタ42と水平転送レジスタ43とは1枚の半導体基板40上に形成され、半導体基板40の主表面には、フォトダイオード41と垂直転送レジスタ42と水平転送レジスタ43との全体を囲む形でアルミニウム電極であるオーバーフロー電極44が、半導体基板40の全周に亘って絶縁膜を介さずに半導体基板40に直接接触するように設けられる。オーバーフロー電極44に半導体基板40に対して正極性になる適宜の廃棄電圧を印加すればフォトダイオード41で生成された電子(電荷)はオーバーフロー電極44を通して廃棄される。オーバーフロー電極44は、感光部11であるフォトダイオード41において生成した電荷のうち不要電荷を廃棄する際に廃棄電圧が印加されるから廃棄電極12bとして機能し、オーバーフロー電極44に廃棄電圧を印加する電源が感光部11で生成された電子(電荷)を廃棄する電荷廃棄部12cとして機能する。半導体基板40の表面はフォトダイオード41に対応する部位を除いて遮光膜46(図8参照)により覆われる。
The
図7に示したCCDイメージセンサについて、1個のフォトダイオード41に関連する部分を切り出して図8に示す。半導体基板40にはn形半導体を用い、半導体基板40の主表面にはフォトダイオード41と垂直転送レジスタ42とに跨る領域にp形半導体からなるウェル領域31を形成している。ウェル領域31は、フォトダイオード41に対応する領域に比較して垂直転送レジスタ42に対応する領域の厚み寸法が大きくなるように形成してある。ウェル領域31のうちフォトダイオード41に対応する領域にはn+形半導体層32を重ねて設けてあり、ウェル領域31とn+形半導体層32とのpn接合によってフォトダイオード41が形成される。フォトダイオード41の表面にはp+形半導体層からなる表面層33を積層してある。表面層33はフォトダイオード41で生成された電荷を垂直転送レジスタ42に移動させる際に、n+形半導体層32の表面付近が電荷の通過経路にならないように制御する目的で設けてある。このような構造は、埋込フォトダイオードとして知られている。
For the CCD image sensor shown in FIG. 7, a portion related to one
ウェル領域31のうち垂直転送レジスタ42に対応する領域にはn形半導体からなる蓄積転送層34を重ねて設けてある。蓄積転送層34の表面と表面層33の表面とは略同一平面であって、蓄積転送層34の厚み寸法は表面層33の厚み寸法よりも大きくしてある。蓄積転送層34は、表面層33とは接触しているが、n+形半導体層32との間には、表面層33と不純物濃度が等しいp+形半導体層からなる分離層35が介在する。蓄積転送層34の表面には、絶縁膜45を介して転送電極42a,42bが配置される。転送電極42a,42bは1個のフォトダイオード41に対して2個ずつ設けられ、垂直方向において2個の転送電極42a,42bのうちの一方は他方よりも広幅に形成される。具体的には、図9のように、1個のフォトダイオード41に対応する2個の転送電極42a,42bのうち狭幅の転送電極42bは平板状に形成されており、広幅の転送電極42aは、幅狭の転送電極42bと同一平面上に配列され一対の転送電極42bの間に配置される平板状の部分と、平板状の部分の垂直方向(図9の左右方向)における両端部からそれぞれ延長され転送電極42bの上に重複する湾曲した部分とを備える。ここに、絶縁膜45はSiO2により形成され、また転送電極42a,42bはポリシリコンにより形成され、各転送電極42a,42bは絶縁膜45を介して互いに絶縁されている。さらに、フォトダイオード41に光を入射させる部位を除いて光検出素子1の表面は遮光膜46により覆われる。ウェル領域31において垂直転送レジスタ42に対応する領域および蓄積転送層34は垂直転送レジスタ42の全長に亘って形成され、したがって、蓄積転送層34には広幅の転送電極42aと狭幅の転送電極42bとが交互に配列される。
An
上述した光検出素子1では、フォトダイオード41が感光部11に相当し、転送電極42aがゲート電極12aに相当し、オーバーフロー電極44が廃棄電極12bに相当し、垂直転送レジスタ42が電荷集積部13および電荷取出部14の一部として機能する。また、水平転送レジスタ43も電荷取出部14の一部になる。すなわち、フォトダイオード41に光が入射すれば電荷が生成され、フォトダイオード41で生成された電荷のうち垂直転送レジスタ42に信号電荷として引き渡される電荷の割合は転送電極42aに印加する通過電圧とオーバーフロー電極44に印加する廃棄電圧との関係によって決めることができる。転送電極42aに通過電圧を印加すると蓄積転送層34にポテンシャル井戸が形成され、通過電圧の制御によりポテンシャル井戸の深さを制御することができる。したがって、ポテンシャル井戸の深さおよび通過電圧を印加する時間とを制御すれば、フォトダイオード41から垂直転送レジスタ42に引き渡される電荷の割合を調節することができる。また、オーバーフロー電極44に印加する廃棄電圧を制御すれば、フォトダイオード41と半導体基板40との間の電位勾配を制御することができるから、電位勾配と廃棄電圧を印加する時間とを制御すれば、垂直転送レジスタ42に引き渡される電荷の割合を調節することができる。通過電圧と廃棄電圧とは図4ないし図6に示した制御例のように制御すればよい。
In the
フォトダイオード41から垂直転送レジスタ42に引き渡された信号電荷は、上述した4区間の受光光量A0,A1,A2,A3のうちの各1区間の受光光量A0,A1,A2,A3に相当する信号電荷が集積されるたびに読み出される。例えば、受光光量A0に相当する信号電荷が各フォトダイオード41に対応して形成されるポテンシャル井戸に集積されると信号電荷を読み出し、次に受光光量A1に相当する信号電荷がポテンシャル井戸に集積されると再び信号電荷を読み出すという動作を繰り返す。なお、各受光光量A0,A1,A2,A3に相当する信号電荷を集積する期間は等しく設定しておく。
The signal charges delivered from the
ところで、上述した制御例のうち、図4に示す制御例では、感光部11(フォトダイオード41)で生成された電荷(電子)を電荷集積部13(垂直転送レジスタ42)に対してつねに引き渡しているから、電荷集積部13に集積された電荷は必ずしも目的の受光光量A0、A1、A2、A3が得られる期間に生成された電荷だけではなく、目的外の期間に生成された電荷も混入することになる。いま、感度制御部12において、受光光量A0、A1、A2、A3に対応した電荷を生成する期間の感度をα、それ以外の期間の感度をβとし、感光部11は受光光量に比例する電荷を生成するものとする。この条件では、受光光量A0に対応した電荷を集積する電荷集積部13には、αA0+β(A1+A2+A3)+βAx(Axは受光光量A0、A1、A2、A3が得られる期間以外の受光光量)に比例する電荷が集積され、受光光量A2に対応した電荷を集積する電荷集積部13には、αA2+β(A0+A1+A3)+βAxに比例する電荷が集積される。上述したように、位相差ψを求める際には(A2−A0)を求めており、(A2−A0)に相当する値を電荷集積部13に集積した電荷から求めると(α−β)(A2−A0)になり、同様にして(A1−A3)に相当する値は(α−β)(A1−A3)になるから、(A2−A0)/(A1−A3)は電荷の混入の有無によらず理論上は同じ値になるのであって、電荷が混入しても求める位相差ψは同じ値になる。
By the way, in the control example shown in FIG. 4 among the control examples described above, the charge (electrons) generated by the photosensitive unit 11 (photodiode 41) is always delivered to the charge accumulation unit 13 (vertical transfer register 42). Therefore, the charges accumulated in the
上述した構成例では、CCDイメージセンサを光検出素子1に用い、電荷集積部13に通過させる電荷の量と、電荷廃棄部12cに廃棄する電荷の量との少なくとも一方を制御することにより感度制御部12を構成する例を示したが、以下に示す光検出素子1の感度制御部12は、感光部11において利用できる電荷を生成する領域の面積(実質的な受光面積)を変化させるものである。
In the configuration example described above, a CCD image sensor is used for the
以下に光検出素子1の具体的構造例を説明する。図10に示す光検出素子1は、複数個(例えば、100×100個)の感光部11をマトリクス状に配列したものであって、例えば1枚の半導体基板上に形成される。1個の感光部11は不純物を添加した半導体層21に酸化膜からなる絶縁膜22を介して複数個(図では5個)の制御電極23を配列した構成を有する。図示例では制御電極23が並ぶ方向(左右方向)が垂直方向であり、感光部11で生成した電荷(本実施形態では、電子を用いる)を取り出す際には、垂直転送レジスタにより電荷を垂直方向に転送した後、水平転送レジスタを用いて水平方向に転送される。つまり、垂直転送レジスタと水平転送レジスタとにより電荷取出部14が構成される。垂直転送レジスタおよび水平転送レジスタの構成には、CCDイメージセンサにおけるインターライントランスファ(IT)方式、フレームトランスファ(FT)方式、フレームインターライントランスファ(FIT)方式と同様の構成を採用することができる。
Hereinafter, a specific structural example of the
すなわち、垂直方向に並ぶ各感光部11が一体に連続する半導体層21を共用するとともに半導体層21を垂直転送レジスタに用いれば、半導体層21が感光部11と電荷の転送経路とに兼用された構造になり、FT方式のCCDイメージセンサと同様にして電荷を垂直方向に転送することができ、また、感光部11から転送ゲートを介して垂直転送レジスタに電荷を転送すれば、IT方式またはFIT方式のCCDイメージセンサと同様にして電荷を転送することができる。
That is, when the
上述のように、半導体層21は不純物が添加してあり、半導体層21の主表面は酸化膜からなる絶縁膜22により覆われ、半導体層21に絶縁膜22を介して複数個の制御電極23を配置している。この光検出素子1はMIS素子として知られた構造であるが、1個の光検出素子1として機能する領域に複数個(図示例では5個)の制御電極23を備える点が通常のMIS素子とは異なる。絶縁膜22および制御電極23は発光源2から監視対象空間に照射される光と同波長の光が透過するように材料が選択され、絶縁膜22を通して半導体層21に光が入射すると、半導体層21の内部に電荷が生成される。図示例の半導体層21の導電形はn形であり、光の照射により生成される電荷として電子eを利用する。図10は1個の感光部11に対応する領域のみを示したものであり、半導体基板(図示せず)には上述したように図10の構造を持つ領域が複数個配列されるとともに電荷取出部14となる構造が設けられる。電荷取出部14として設ける垂直転送レジスタは、図10の左右方向に電荷を転送することを想定しているが、図10の面に直交する方向に電荷を転送する構成を採用することも可能である。また、電荷を図の左右方向に転送する場合には、制御電極23の左右方向の幅寸法を1μm程度に設定するのが望ましい。
As described above, the
この構造の光検出素子1では、制御電極23に正の制御電圧+Vを印加すると、半導体層21には制御電極23に対応する部位に電子eを集積するポテンシャル井戸(空乏層)24が形成される。つまり、半導体層21にポテンシャル井戸24を形成するように制御電極23に制御電圧を印加した状態で光が半導体層21に照射されると、ポテンシャル井戸24の近傍で生成された電子eの一部はポテンシャル井戸24に捕獲されてポテンシャル井戸24に集積され、残りの電子eは半導体層21の深部での再結合により消滅する。また、ポテンシャル井戸24から離れた場所で生成された電子eも半導体層21の深部での再結合により消滅する。
In the
ポテンシャル井戸24は制御電圧を印加した制御電極23に対応する部位に形成されるから、制御電圧を印加する制御電極23の個数を変化させることによって、半導体層21の主表面に沿ったポテンシャル井戸24の面積(言い換えると、受光面において利用できる電荷を生成する領域の面積)を変化させることができる。つまり、制御電圧を印加する制御電極23の個数を変化させることは感度制御部12における感度の調節を意味する。例えば、図10(a)のように3個の制御電極23に制御電圧+Vを印加する場合と、図10(b)のように1個の制御電極23に制御電圧+Vを印加する場合とでは、ポテンシャル井戸24が受光面に占める面積が変化するのであって、図10(a)の状態のほうがポテンシャル井戸24の面積が大きいから、図10(b)の状態に比較して同光量に対して利用できる電荷の割合が多くなり、実質的に感光部11の感度を高めたことになる。このように、感光部11および感度制御部12は半導体層21と絶縁膜22と制御電極23とにより構成されていると言える。ポテンシャル井戸24は光照射により生成された電荷を保持するから電荷集積部13として機能する。
Since the
上述したように、ポテンシャル井戸24から電荷を取り出すには、CCDイメージセンサと同様の技術を採用する。例えば感光部11を垂直転送レジスタとして用いる場合は、ポテンシャル井戸24に電子eが集積された後に、電荷の集積時とは異なる印加パターンの制御電圧を制御電極23に印加することによってポテンシャル井戸24に集積された電子eを一方向(例えば、図の右方向)に転送することができる。あるいはまた、感光部11とは別に設けた垂直転送レジスタに転送ゲートを介して感光部11から電荷を転送する構成を採用することもできる。垂直転送レジスタからは水平転送レジスタに電荷を引き渡し、水平転送レジスタを転送された電荷は、半導体基板に設けた図示しない電極から光検出素子1の外部に取り出される。
As described above, in order to extract charges from the
図10に示す構成における感度制御部12は、利用できる電荷を生成する面積を大小2段階に切り換えることにより感光部11の感度を高低2段階に切り換えるのであって、受光光量A0、A1、A2、A3のいずれかに対応する電荷を感光部11で生成しようとする期間にのみ高感度とし(電荷を生成する面積を大きくし)、他の期間には低感度にする。高感度にする期間と低感度にする期間とは、発光源2を駆動する変調信号に同期させて設定される。具体的には、変調信号に同期する特定の区間(特定位相の区間)において、電荷を生成する面積を大きくして感光部11で生成した電荷を集積し、上記特定区間以外の他の区間において、電荷を生成する面積を小さくして感光部11で生成した電荷を蓄積する。すなわち、感光部11において、電荷を集積する機能と蓄積する機能とが交互に実現される。ここで、集積とは電荷を集めることを意味し、蓄積とは電荷を保持することを意味する。言い換えると、図10に示す構成では、感光部11に設けた電荷集積部13の大きさ(面積)を変化させることにより、電荷を集積する期間には感光部11で生成された電荷の集積率を大きくし、電荷を蓄積する期間には感光部11で生成された電荷の集積率を小さくするのである。
The
また、変調信号の複数周期に亘ってポテンシャル井戸24に電荷を集積した後に電荷取出部14を通して光検出素子1の外部に電荷を取り出すようにしている。変調信号の複数周期に亘って電荷を集積しているのは、変調信号の1周期内では感光部11が利用可能な電荷を生成する期間が短く(例えば、変調信号の周波数を20MHzとすれば50nsの4分の1以下)、生成される電荷が少ないからである。つまり、変調信号の複数周期分の電荷を集積することにより、信号電荷(発光源2から照射された光に対応する電荷)と不要電荷(主に外光成分および光検出素子1の内部で発生するショットノイズに対応する電荷)との比を大きくとることができ、大きなSN比が得られる。
In addition, after the charges are accumulated in the
ところで、位相差ψを求めるのに必要な4区間の受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を1個の感光部11で生成するとすれば、視線方向に関する分解能は高くなるが、各受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を求める時間差が大きくなるという問題が生じる。一方、各受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を4個の感光部11でそれぞれ生成するとすれば、各受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を求める時間差は小さくなるが、4区間の電荷を求める視線方向にずれが生じ視線方向に関する分解能は低下する。そこで、2個の感光部11を用いることにより、変調信号の1周期内で受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を2種類ずつ生成する構成を採用してもよい。つまり、2個の感光部11を組にして用い、組になる2個の感光部11に同じ視線方向からの光が入射するようにしてもよい。
By the way, if the charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3 of the four sections necessary for obtaining the phase difference ψ are generated by one
この構成を採用することにより、視線方向の分解能を比較的高くし、かつ受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を生成する時間差を少なくすることができる。つまり、受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を生成する時間差を少なくしていることにより、監視対象空間の中で移動している物体Obについても距離の検出精度を比較的高く保つことができる。なお、この構成では、1個の感光部11で4種類の受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を生成する場合よりも視線方向の分解能が低下するが、視線方向の分解能については感光部11の小型化や受光光学系19の設計によって向上させることが可能である。
By adopting this configuration, the resolution in the line-of-sight direction can be made relatively high, and the time difference for generating charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3 can be reduced. In other words, by reducing the time difference for generating the charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3, the distance detection accuracy is kept relatively high even for the object Ob moving in the monitoring target space. be able to. In this configuration, the resolution in the line-of-sight direction is lower than that in the case where the charge corresponding to the four types of received light amounts A0, A1, A2, and A3 is generated by one
以下に動作を具体的に説明する。図10に示した例では、1個の感光部11について5個の制御電極23を設けた例を示しているが、両側の2個の制御電極23は、感光部11で電荷(電子e)を生成している間に隣接する感光部11に電荷が流出するのを防止するためのポテンシャルの障壁を形成するものであって、2個の感光部11を画素とする場合には隣接する感光部11のポテンシャル井戸24の間には、いずれかの感光部11でポテンシャルの障壁が形成されるから、各感光部11には3個ずつの制御電極23を設けるだけで足りることになる。この構成によって、感光部11の1個当たりの占有面積が小さくなり、2個の感光部11を画素としながらも視線方向の分解能の低下を抑制することが可能になる。
The operation will be specifically described below. In the example shown in FIG. 10, an example in which five
なお、上述した距離画像センサ10の構成例では、受光光量A0、A1、A2、A3に対応する4区間を変調信号の1周期内で位相の間隔が90度ずつになるように設定しているが、変調信号に対する位相が既知であれば4区間は90度以外の適宜の間隔で設定することが可能である。ただし、間隔が異なれば位相差ψを求める算式は異なる。また、4区間の受光光量に対応した電荷を取り出す周期は、物体Obの反射率および外光成分が変化せず、かつ位相差ψも変化しない時間内であれば、変調信号の1周期内で4区間の信号電荷を取り出すことも必須ではない。さらに、太陽光や照明光のような外乱光の影響があるときには、発光源2から放射される光の波長のみを透過させる光学フィルタを感光部11の前に配置するのが望ましい。
In the configuration example of the
ところで、上述した距離画像センサ10では、各感光部11において受光光量に応じた量の電荷を生成するから、各受光光量A0、A1、A2、A3は物体Obの明るさを反映している。つまり、受光光量A0、A1、A2、A3から得られる直流成分Bは濃淡画像における濃度値に相当する。換言すれば、各感光部11での受光光量A0、A1、A2、A3を用いると、物体Obまでの距離を求めるほか、物体Obの濃度値も得ることが可能になる。しかも、同じ位置の感光部11を用いて物体Obの距離と濃度値とを求めるから、同じ位置について濃度値と距離値との両方の情報を得ることが可能になる。そこで、本実施形態の画像生成部4では距離画像とともに濃淡画像を生成し、同じ感光部11から距離画像と濃淡画像とを生成する。したがって、画像生成部4では、監視対象空間の同じ位置についてほぼ同時刻の距離値と濃度値とを求めることが可能になる。濃度値としては、受光光量A0、A1、A2、A3の平均値(つまり、直流成分B)を用いるから、発光源2からの強度変調の光の影響を除去できる。ただし、距離画像を生成する際の光検出素子1への外光成分の入射を低減するために、発光源2から赤外線を対象空間に照射し、光検出素子1の前方に赤外線透過フィルタを配置してあり、濃淡画像は赤外線に対する濃淡画像になる。
Incidentally, since the
次に、上述の距離画像センサ10を用いた安全確認装置の全体構成について説明する。
Next, the overall configuration of a safety confirmation device using the above-described
本実施形態の安全確認装置は、図1に示すように、上述の距離画像センサ10と、監視対象空間の監視開始前に距離画像センサ10の画像生成部4で生成された監視対象空間の距離画像を背景距離画像として記憶するメモリからなる背景距離画像記憶部5と、監視開始後に画像生成部4で生成された監視対象空間の距離画像からなる監視距離画像と背景距離画像記憶部5に記憶されている背景距離画像とを比較して監視対象空間に監視開始前には存在しなかった物体が存在するか否かを基準にして安全な状態か否かを判断する状態判断部6と、状態判断部6にて監視対象空間が不安全な状態にあると判断されたときに警報出力を発生する警報出力部7とを備えている。なお、画像生成部4、状態判断部6、警報出力部7、後述の形状推定部8などの各機能はマイクロコンピュータで適宜のプログラムを実行することにより実現される。
As shown in FIG. 1, the safety confirmation device according to the present embodiment includes a distance between the above-described
状態判断部6では、監視距離画像と背景距離画像との差分画像(対応する各画素ごとの差分を画素値に持つ画像)を生成し(つまり、異なる時刻の距離画像から差分画像を生成し)、差分画像の監視特定エリアにおいて距離値が所定値を超える画素数が閾値以下の場合には安全な状態にある(監視対象空間が監視開始前と同じ状態にある)と判断し、閾値を超えている場合には不安全な状態にある(監視対象空間に監視開始前には存在しなかった物体Obが存在する状態にある)と判断する。
The
一方、状態判断部6での判断結果が与えられる警報出力部7において発生する警報出力は、例えば、ロボット、無人搬送車、警報装置などの制御対象機器へ与えられれる。なお、制御対象機器が、監視対象空間外から監視対象空間内へ移動して監視対象空間外へ戻ったり、監視対象空間を横切ったりするロボットや無人搬送車の場合には、警報出力を受け取った制御対象機器が、監視対象空間の外で移動を一時的に停止するように構成すればよい。なお、ロボットや無人搬送車などの制御対象機器が移動を再開するタイミングについては、例えば、状態判断部6にて安全な状態と判断されたときに警報出力部7から警報出力の発生を解除するようにし、警報出力部7からの警報出力がなくなったときに移動を再開するようにすればよい。また、制御対象機器が警報装置(例えば、ブザー、ランプ、音声出力装置など)の場合には、警報装置は安全確認装置に設けたものでもよいし、安全確認装置とは別に、例えば、天井や、工場内の安全を管理している防災センター内に設置されたものでもよい。ここで、安全確認装置あるいは当該安全確認装置の近くに警報装置を設置しておけば、例えば、監視開始前に監視対象空間内に存在しなかった人が物体Obとみなされて結果的に警報装置が発報した場合には、監視対象空間内に入り込んでしまった人による迅速な対処が可能となるし、監視開始前に監視対象空間内に存在しなかったロボットや無人搬送者などが物体Obとみなされて警報装置が発報した場合には、監視対象空間外の人による迅速な対処が可能となる。
On the other hand, the alarm output generated in the alarm output unit 7 to which the determination result in the
しかして、本実施形態の安全確認装置では、監視対象空間に存在する物体Obまでの距離値を画素値とする距離画像に基づいて監視開始前には存在しなかった物体が存在するか否かを基準にして安全な状態か否かが判断されるので、太陽光や照明や背景などの影響を受けずに監視対象空間が安全な状態にあるかを確認することが可能となる。また、状態判断部6は、例えば、監視対象空間の監視特定エリアに監視開始前には存在しなかった物体が存在した場合に監視対象空間が不安全な状態にあると判断するようにすれば、監視特定エリアに監視開始前には存在しなかった物体が存在した場合のみ不安全な状態にあると判断させることができる。すなわち、監視特定エリア外のエリアのみにおいて差分画像に変化があらわれた場合には、安全な状態と判断することになる。したがって、例えば、工場内に無人搬送車を走行させる場合には、無人搬送車の走行区域内を監視特定エリアと設定することによって、当該エリア内に差分画像の変化が起こった場合にのみ不安定な状態と判断することができる。また、状態判断部6にて監視対象空間が不安全な状態にあると判断されたときには警報出力部7から警報出力が発生するので、監視対象空間が不安全な状態のときに監視対象空間へ他の物体(例えば、人体、ロボット、無人搬送車など)が入り込むのを防止することが可能となり、監視対象空間での事故の発生を未然に防ぐことが可能となる。
Therefore, in the safety confirmation device according to the present embodiment, whether there is an object that did not exist before the start of monitoring based on a distance image having a pixel value as a distance value to the object Ob existing in the monitoring target space. Therefore, it is possible to check whether the monitoring target space is in a safe state without being affected by sunlight, lighting, background, or the like. Further, for example, the
ところで、本実施形態の安全確認装置は、画像生成部4にて生成された距離画像に基づいて監視対象空間内に監視開始前には存在しなかった物体Obの形状を推定する形状推定部8を備えており、状態判断部6が形状推定部8にて推定された物体Obの形状に基づいて不安全な状態の不安全レベル(不安全レベルは安全性が低いほど高い値となる)を判定可能となっている。したがって、状態判断部6が不安全な状態と判断したときに不安全レベルの情報を警報出力部7へ与えるようにし、警報出力部7が状態判断部6から受け取った不安全レベルの情報に基づいて警報出力の警報レベルを変化させるようにすれば、監視開始後に監視対象空間に存在する物体Obの形状と数との組み合わせに基づいて警報出力の警報レベルが変化するので、監視対象領域の安全性の高低に応じて警報レベルを変化させることが可能となる。なお、例えば、上述の制御対象機器が出力光の異なる複数のランプを備えた警報装置(例えば、出力光が赤色のランプと、出力光が橙色のランプと、出力光が青色のランプとを備えた警報装置)であれば、警報レベルに応じてあらかじめ対応づけた出力光のランプを点灯させるようにすればよい。また、制御対象機器が無人搬送車や移動可能なロボットであれば、例えば、警報レベルに応じて、移動速度を減速したり、移動を停止させるようにすればよい。
By the way, the safety confirmation device of the present embodiment estimates the shape of the object Ob that did not exist in the monitoring target space before the start of monitoring based on the distance image generated by the
形状推定部8において距離画像を用いて物体Obの形状を推定するにあたっては、まず距離画像を用いて物体Obを抽出する。物体Obを自動的に抽出するには、例えば距離画像に対して微分処理を行った後に2値化して物体Obのエッジに相当する領域を抽出し、抽出された領域のうち物体Obを抽出しようとする距離範囲内に存在する領域を物体Obの候補領域とし、さらに候補領域がひとかたまりになるか否かを評価し(例えば、隣接する2個の候補領域間の三次元空間での距離差が規定値以下である場合に、両候補領域を連続した1つの物体Obに含まれる領域とみなす)、さらに、ひとかたまりになる領域(つまり、連結領域)に囲まれる画素数と距離値とを用いて物体Obの大きさを評価すればよい(同じ物体Obであれば、画素数は距離の二乗に反比例する)。あるいはまた、物体Obが移動する場合には、距離画像の距離値を微分した後に2値化し、異なる時刻の距離画像から得られる2値化した画像の差分をとれば、移動した物体Obを抽出することができる。さらにまた、着目する物体Obを背景から分離するために、上述の差分画像について微分および2値化を行えば物体Obの存在する領域の抽出が容易になる。
When the
形状推定部8では、上述のような方法で物体Obの存在する領域を抽出した後、周知のテンプレートマッチングの技術を用いて物体Obの形状と数を推定して推定結果を状態判断部6へ与える。一方、状態判断部6は、形状推定部8から与えられた推定結果に基づいて、例えば、監視開始前には存在せず監視開始後に監視対象空間に存在する物体Obが人あるいは無人搬送車のいずれか一方である場合には、その数が多いほど不安全レベルが高いと判定し、監視開始前には存在せず監視開始後に監視対象空間に存在する物体Obが無人搬送車と人とである場合には、いずれか一方が存在する場合よりも不安全レベルが高いと判定する。要するに、状態判断部6は、形状推定部8にて推定された物体の形状と数との組み合わせに基づいて不安全レベルを判定する。
The
ところで、状態判断部6においてあらかじめ監視対象空間を距離画像内で複数の監視エリアに区画するとともに、各監視エリア毎に警戒レベルの重み付けをしておき、不安全な状態と判断したとき監視開始前には存在しなかった物体Obが存在する監視エリアに重み付けされている警戒レベルの情報を警報出力部7に対して出力し、警報出力部7が警戒レベルの情報に基づいて警報出力の警報レベルを変化させるようにすれば、警報出力部7が、例えば、監視開始前には存在しなかった物体Obが存在する監視エリアの警戒レベルが低いほど警報レベルを低くし、警戒レベルが高いほど警報レベルを高くすることにより、距離画像内の全域において警戒レベルが同じである場合に比べて、警報出力部7から、より適切な警報出力を発生させることが可能となる。
By the way, the
また、上述の説明から明らかなように、距離画像センサ10の画像生成部4は距離画像を生成する機能の他に各感光部11の受光光量である濃淡値を画素値とし各画素が距離画像の各画素と1対1で対応する濃淡画像を生成する機能を有しているが、本実施形態の安全確認装置では、利用者が濃淡画像内(濃淡画像の画面上)で監視対象空間に関して安全な状態にあるか不安全な状態にあるかを判断する対象とする特定エリアを利用者が予め設定することができるようになっている。すなわち、図1に示した構成では、利用者が濃淡画像から上記特定エリアを設定するために、画像生成部4において生成された濃淡画像を表示するモニタ装置9aと、モニタ装置9aに表示された濃淡画像内で上記特定エリアを設定するためのマウスのようなポインティングデバイスからなる位置指定装置9bとを備えている。なお、本実施形態では、モニタ装置9aと位置指定装置9bとで、濃淡画像内で特定エリアを設定する特定エリア設定手段を構成している。
Further, as is clear from the above description, the
ここにおいて、状態判断部6では、監視対象空間に関して予め特定エリアが設定されている場合には、当該特定エリアのみについて監視距離画像と背景距離画像との比較を行うようになっており、監視対象空間に関する距離画像の全エリアについて監視距離画像と背景距離画像との比較を行う場合に比べて、状態判断部6の処理速度の高速化を図れる。
Here, in the
また、上記特定エリアを濃淡画像内で設定することができるので、距離画像を見慣れていない利用者にとっては上記特定エリアを監視開始前の距離画像内で設定する場合に比べて上記特定エリアの設定作業が容易になり、特に監視対象空間内に物体Obが存在しない状態を安全な状態として規定する場合、距離画像内で特定エリアを指定する場合よりも、特定エリアの設定が容易になる。 In addition, since the specific area can be set in the grayscale image, for users who are not familiar with the distance image, the specific area is set as compared with the case where the specific area is set in the distance image before the start of monitoring. In particular, when a state where the object Ob does not exist in the monitoring target space is defined as a safe state, the setting of the specific area becomes easier than when the specific area is specified in the distance image.
上記特定エリアの設定は具体的には例えば以下の手順で行われる。上記特定エリアの設定時にはモニタ装置9aの画面上に規定の大きさの矩形領域が自動的に表示されるようにしておき、この矩形領域を利用者が位置指定装置9bを用いて所望の位置付近に移動させる(マウスであればドラッグする)。次に、矩形領域の左上の角を所望の位置に調節し(ドラッグする)、矩形領域の左上位置を決定する(クリックボタンを押す)。その後、矩形領域の右下の角を所望位置に調節し(ドラッグして矩形領域を拡大縮小し)、矩形領域の右下位置を決定する(クリックボタンを押す)。このような操作により、つまり、モニタ画面9a上の濃淡画像上で特定エリアの2点を指定することにより、モニタ装置9aの画面上で矩形状の特定エリアを設定することができる。なお、濃淡画像上で設定する特定エリアの濃淡画像上での形状は、2点指示による矩形に限定するものではなく、多点指示による任意の形状としてもよい。
Specifically, the setting of the specific area is performed by the following procedure, for example. When the specific area is set, a rectangular area of a prescribed size is automatically displayed on the screen of the monitor device 9a, and the user uses the
1 光検出素子
2 発光源
3 制御回路部
4 画像生成部
5 背景距離画像記憶部
6 状態判断部
7 警報出力部
8 形状推定部
9a モニタ装置
9b 位置指定装置
10 距離画像センサ
11 感光部
19 受光光学系
Ob 物体
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記状態判断部にて前記監視対象空間が不安全な状態にあると判断されたときに警報出力を発生する警報出力部と、前記画像生成部の出力に基づいて監視開始後に監視対象空間に存在する物体の形状と数とを推定する形状推定部と、を備え、前記状態判断部は、不安全な状態と判断したときに形状推定部にて推定された物体の形状と数との組み合わせに基づいて不安全な状態の不安全レベルを判定し、前記警報出力部は、前記状態判断部から与えられる不安全レベルの情報に基づいて警報出力の警報レベルを変化させることを特徴とする安全確認装置。 A light source that irradiates the target space with intensity-modulated light whose intensity changes periodically, a light detection element that images a monitoring target space by arranging a plurality of photosensitive units that generate electrical output according to the amount of received light, and light emission The pixel value is a distance value obtained by converting the phase difference of the intensity-modulated light until the light irradiated from the source to the monitoring target space is reflected by the object in the monitoring target space and received by each photosensitive unit into the distance to the object. An image generation unit that generates a distance image, a background distance image storage unit that stores a distance image generated by the image generation unit before starting monitoring of the monitoring target space as a background distance image, and an image generation unit that starts after monitoring starts A safe state based on whether or not there is an object that did not exist before the start of monitoring by comparing the monitoring distance image consisting of the distance image and the background distance image stored in the background distance image storage unit Status judgment to judge whether or not It has a section, a determining that the state determination section, the monitored space when the object that did not exist prior to the start monitoring the monitoring specific area of the monitored space is present is in an unsafe condition A safety confirmation device,
An alarm output unit that generates an alarm output when the state determination unit determines that the monitoring target space is in an unsafe state, and exists in the monitoring target space after starting monitoring based on the output of the image generation unit A shape estimation unit that estimates the shape and number of objects to be performed, and the state determination unit combines the shape and number of objects estimated by the shape estimation unit when it is determined to be an unsafe state. A safety confirmation is characterized in that an unsafe level of an unsafe state is determined based on the alarm output unit, and the alarm output unit changes the alarm level of the alarm output based on the unsafe level information given from the state determination unit. apparatus.
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