JP4560912B2

JP4560912B2 - Distance measuring device

Info

Publication number: JP4560912B2
Application number: JP2000236897A
Authority: JP
Inventors: 省吾渡辺; 好宏佐藤
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2000-08-04
Publication date: 2010-10-13
Anticipated expiration: 2020-08-04
Also published as: JP2002048533A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学式の距離測定装置に係り、特に、測定装置から障害物までの概略距離を三角測量の原理に基づき測定する距離測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非接触での距離測定手法には様々な方法があり、その一つとしては、特開平１１−１６００５０号公報に示されるように、対象物に照射したスリット光を撮像し、カメラおよびスリット光を照射した位置から三角測量の手法を用いて撮像したスリット光上の各点の距離を算出し、対象物までの距離を測定する方法がある。
【０００３】
一般的な三角測量の原理に基づく距離測定手法は、図７に示すように、発光素子１１から投光レンズ１２を介してスポット状またはスリット状等の光を測定対象物２１に照射し、光源から対象物の方向とは垂直な方向にＢＬ離れた位置に配置された撮像素子３１上に、対象物２１において反射されたパターン光を集光し、集光された位置及び強度分布から、対象物までの距離Ｌを算出する方法である。撮像素子としては、一般的にＣＣＤ（charge coupled device，電荷結合素子）やＰＳＤが用いられる。
【０００４】
特開平１１−１６００５０号公報に示される３次元形状測定装置では、図８（ａ）のようにラインＣＣＤを複数並列に配置することにより２次元の画素マトリックスを構成している。
【０００５】
そして、図８（ｂ）に示す各ラインＣＣＤから読み出した水平走査線の各画素の輝度値を画像メモリ等に一時記憶し、各画素の輝度値を相互に比較して輝度値が最大となる画素を求め、この画素の位置と、投光器及び受光器の光学系パラメータとに基づいて、対象物までの距離を算出していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一般に太陽光の下で、照射したパターン光を撮像もしくは受光するためには、照射強度を高くし、外乱光と照射光を分離することが考えられるが、太陽光に埋もれない程度の強度の光を照射することは現実的ではない。
【０００７】
そこで、太陽光と照射光を分離するためには、一般的に照射光に変調をかけたり、同期検波を行うなどの手法を用いることにより、太陽光のようなレベル変動の少ない光（直流光）や比較的低周波の外乱光と、照射光を分離する手法が用いられる。
【０００８】
しかしながら、特開平１１−１６００５０号公報に示される距離測定装置では、撮像素子としてラインＣＣＤを２次元的に配列した撮像素子を用いており、各ラインＣＣＤで検知した光の強度分布から各ラインＣＣＤ毎に照射光の位置を検知しているために、背景光が太陽光のように強い場合は、照射光が太陽光に埋もれてしまい検知することが不可能となる。また、ＣＣＤの読み出し速度による制限から、Ｓ／Ｎ比を向上させるための光源強度の高速変調や、受光素子の出力の同期検波を行うことができないという問題点があった。
【０００９】
また従来の光学式距離測定装置は、最大輝度となる画素位置を求めるために、撮像素子から読み出した多数の画素の輝度値を画像メモリ等に一時記憶し、これらの輝度値から最大輝度を検索する演算を行っていたので、距離を求める演算時間に多くの時間を要するという問題点があった。
【００１０】
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、輝度値を一時記憶するメモリ容量を削減するとともに、距離を求める演算時間を短縮することができる距離測定装置を提供することである。
【００１１】
また本発明の目的は、太陽光等の外来光（背景光）の強度が高くても対象物までの距離を正確に測定することができる距離測定装置を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１記載の発明は、第１の方向に向けて照射光を投光する投光手段と、前記投光手段から第１の方向とは垂直である所定の第２の方向に所定距離だけ離間して配設され前記第１の方向の物体が反射した反射光を受光する受光手段とを備えた距離測定装置において、前記受光手段は、前記第２の方向に配列された複数の領域毎に反射光を検出し、前記複数の領域のいずれの領域に反射光が入射したかを判定することにより、物体までの距離の範囲を測定する手段であって、前記受光手段の複数の領域それぞれに固有の２進符号が割り当てられ、前記投光手段は、この２進符号の桁数に相当する複数の発光タイミングにより発光し、前記受光手段の各領域は、前記割り当てられた２進符号の各桁が”１”であるタイミングで反射光が入射したか入射しないかを判定し、各領域毎の判定結果の論理和を演算することにより、反射光が入射した領域を示す２進符号の時系列信号を得ることを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため請求項２記載の発明は、請求項１記載の距離測定装置において、前記照射光は、スポット光、またはスリット光であることを要旨とする。
【００１５】
上記目的を達成するため請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の距離測定装置において、前記投光手段は照射光の強度を変調し、前記受光手段は反射光の強度信号を検波していずれの領域に反射光が入射したかを判定することを要旨とする。
【００１６】
上記目的を達成するため請求項４記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の距離測定装置において、前記第２の方向の配列された複数の領域それぞれの前記第２の方向の長さが測定目的に応じて不等長に最適化されたことを要旨とする。
【００１７】
上記目的を達成するため請求項５記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の距離測定装置において、前記第１及び第２の方向とはそれぞれ垂直な第３の方向に複数の前記受光手段を配列し、物体の形状または複数の物体を検出することを要旨とする。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、第１の方向に向けて照射光を投光する投光手段と、前記投光手段から第１の方向とは垂直である所定の第２の方向に所定距離だけ離間して配設され前記第１の方向の物体が反射した反射光を受光する受光手段とを備えた距離測定装置において、前記受光手段は、前記第２の方向に配列された複数の領域毎に反射光を検出し、前記複数の領域のいずれの領域に反射光が入射したかを判定することにより、物体までの距離の範囲を測定するようにしたので、従来のように多数の画素の輝度値を比較して最大輝度を有する画素を判定する必要がなくなり距離を求めるための演算時間を著しく短縮することができるという効果がある。
【００１９】
また、多数の各画素の輝度値を比較するのではなく、受光手段のいずれの領域に反射光が入射したかを判定するようにしたので、多数の画素の輝度値を記憶するメモリ容量を削減することができる。
さらに、前記受光手段の複数の領域それぞれに固有の２進符号を割当て、前記投光手段は、この２進符号の桁数に相当する複数の発光タイミングにより発光し、前記受光手段の各領域は、前記割り当てられた２進符号の各桁が”１”であるタイミングで反射光が入射したか入射しないかを判定し、各領域毎の判定結果の論理和を演算することにより、反射光が入射した領域を示す２進符号の時系列を得るようにしたので、簡単な論理和回路によって、物体までの距離の範囲を示す２進符号列を得ることができる。
【００２０】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、前記照射光は、スポット光、またはスリット光としたので、レーザーダイオード等が発するスポット光をそのまま利用したり、従来の各種ランプ光をスリットを通して本発明の照射光源とすることができる。
【００２２】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加えて、前記投光手段は照射光の強度を変調し、前記受光手段は反射光の強度信号を検波していずれの領域に反射光が入射したかを判定するようにしたので、昼間等の周囲のバックグランド照度が高い場合でも、背景光と物体からの反射光とを容易に分離し、精度の高い距離測定を行うことができる。
【００２３】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし請求項３記載の発明の効果に加えて、前記第２の方向の配列された複数の領域それぞれの前記第２の方向の長さが測定目的に応じて不等長に最適化したので、測定距離の分解能を容易に変更することができる。
【００２４】
請求項５記載の発明によれば、請求項１ないし請求項４記載の発明の効果に加えて、前記第１及び第２の方向とはそれぞれ垂直な第３の方向に複数の前記受光手段を配列し、物体の形状または複数の物体を検出するようにしたので、物体までの距離に加えて、物体の形状を検出することができる。

【００２５】
【発明の実施の形態】
〔原理の説明〕
まず、本発明の基本となる、受光素子アレイと距離検出領域の関係について図５に基づき説明する。受光素子アレイ７００は、例えば複数のフォトトランジスタやフォトダイオード等のフォトディテクター（以下、ＰＤと略す）７０１〜７０３を１次元アレイ状に配置し、各ＰＤが受光レンズ７０４を含めた光学系によりあらかじめ規定された領域からの反射光のみを検出するように設定されている。
【００２６】
図５において、投光器７０５から照射された光が領域１で反射された反射光は、受光レンズ７０４によりＰＤ７０１に結像され、領域２からの反射光はＰＤ７０２に、領域３からの反射光はＰＤ７０３に、それぞれ結像される。
【００２７】
このように、投光器より照射される照射光を反射する物体の存在する領域と、受光レンズにより反射光が結像される素子が１対１に対応するので、どのＰＤが反射光を検知したかにより、反射光を反射する物体の存在領域を知ることが可能となる。
【００２８】
本発明はこの原理に基づき、物体の存在する領域を、各ＰＤの検知信号よりコード化して得られること、つまり、検知信号の時系列コード化により、物体の存在する領域を一意に記述することが可能であり、これにより、ＰＤ後段における距離算出の演算が不要となることを特微とする。
【００２９】
次に、この特微である検知信号の時系列コード化について、図５のタイミングチャートに基づき説明する。
【００３０】
投光器７０５からは、時間ｔ１，ｔ２，・・・の順に所定の方向にスポット光またはスリット光を照射する。このとき、ｔ１のタイミングで、ＰＤ７０１および７０３のシャッターを開く、つまり、ＰＤ７０１，７０３の検知信号に対して検波を行う。続いてｔ２のタイミングでＰＤ７０２，７０３のシャッターを開く。
【００３１】
ここで、受光素子アレイ７００の出力を次のように規定する。「受光素子アレイ７００は、各ＰＤ７０１〜７０３のうち少なくとも一つが反射光を検知したら１を、それ以外は０を出力する」。つまり、タイミングｔ１では、ＰＤ７０１，７０３のどちらか一方でも反射光を検知したらＰＤアレイ７００の出力は１となり、タイミングｔ２では、ＰＤ７０２，７０３のどちらか一方でも反射光を検知したら受光素子アレイ７００の出力は１となる。それ以外は０を出力する。
【００３２】
反射光を反射する物体が、領域１にあるとき、受光素子アレイ７００は、ｔ１のタイミングでのみ反射光を検知する。つまり、領域１を監視しているＰＤ７０１のみが反射光を受光する。同様に物体が領域２にあるときは、ｔ２のタイミングでのみ反射光を検知し、物体が領域３にあるときは、ｔ１，ｔ２の両タイミングで反射光を検知する。
【００３３】
今、時系列コード化のコード長をｔ１，ｔ２の２ビットとし、ｔ１における受光素子アレイ７００の出力を最下位ビット、ｔ２における受光素子アレイ７００の出力を最上位ビットとし、受光素子アレイ７００の出力をｆ（ｔ２，ｔ１）とすると、領域１に物体が存在するときはｆ（ｔ２，ｔ１）＝０１、領域２に物体が存在する時はｆ（ｔ２，ｔ１）＝１０、領域３に物体が存在する時はｆ（ｔ２，ｔ１）＝１１となり、受光素子アレイ７００の出力は物体が存在する領域を時系列の２進数で記述することになる。
【００３４】
このように、監視したい領域に合わせて検波のタイミングを設定することで、物体が存在する領域を、計算することなく一意に定めることができるため、メモリや演算装置を簡素化するとともに演算時間を短縮することができ、回路規模が小さくなる他、システムコストも低く抑えることができる。
【００３５】
次に、図６に基づき、１次元の受光素子アレイを複数並列に配置し、凹凸やマルチターゲットを識別する原理について説明する。図６は図５の受光素子アレイ７００と並列に、受光素子アレイ７１０を配置した様子を上から見た図である。
このように、複数の１次元アレイを並列に配置することで、ｚ方向（発光素子の照射方向）の識別だけではなく、ｘ方向（車両の幅方向）の識別が可能となる。
ゆえに、複数の１次元アレイを並列に配置することで、物体の凹凸やマルチターゲットの識別が可能となる。
【００３６】
〔実施形態の説明〕
次に図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る距離測定装置の実施形態の構成を示すシステム構成図である。
【００３７】
図１において、距離測定装置は、対象物２１に向かってスポット光またはスリット光などの図中縦方向に光束が細く形成された照射光を照射する投光器１０と、受光レンズ３２と、受光素子アレイ３０と、信号処理回路３３と、タイミング生成回路３４と、論理和回路３５とを備えている。
【００３８】
投光器１０は、放電ランプ、発光ダイオード、レーザーダイオード等を用いた発光素子１１と、投光レンズ１２と、発光素子１１を駆動する駆動回路１３より構成される。
【００３９】
投光器１０が前方（図中右方向）の対象物２１に向かって照射するスポット光は、照射領域が点状に形成された光であり、同スリット光は、投光レンズ１２から受光レンズ３２の方向に対して光束が広がらないように細くスリット状に形成した光である。
【００４０】
受光素子アレイ３０は、投光器１０が対象物２１に向かって照射光を照射する方向とは垂直な方向に１次元に複数（図１の例では４つを示す）の受光素子３０１，３０２，３０３，３０４を配列することにより、受光領域を複数の領域に分割した受光素子アレイである。
【００４１】
信号処理回路３３は各受光素子３０１，３０２，３０３，３０４からの出力信号を処理し、反射光が入射した受光素子から検出信号を出力する信号処理回路であり、各受光素子毎に、電流電圧変換器３３１と、直流信号成分を除去するカップリングコンデンサ３３２と、基準電圧と検知信号とを比較する比較器３３３と、各受光素子の検波タイミングでゲートを開くアンドゲート３３４と、検波タイミングの間の信号を積分する積分器３３５とを備えている。
【００４２】
タイミング生成回路３４は、図２を用いて後述するような、発光素子１１の発光タイミング信号である発光指令、および各受光素子３０１，３０２，３０３，３０４の検波タイミング信号を生成し、この検波タイミング信号でアンドゲート３３４を制御する。
【００４３】
論理和回路３５は、各受光素子毎の積分器３３５の出力の論理和を演算する回路であり、対象物２１からの反射光がいずれの受光素子に入射したか、言い換えれば、受光手段のいずれの領域に反射光が入射したかを示す２進符号の時系列信号を出力するものである。
【００４４】
次に図１に従い、システム全体の機能を説明する。投光器１０から照射されたスリット光やスポット光等の照射光は、その光が照射される所定領域内に存在する物体の存在する対象物２１上に光像を形成し、対象物２１上に形成された光像は、受光レンズ３２を介して、１次元の受光素子アレイ３０上に、受光像を形成する。受光素子アレイ３０の各受光領域を構成する各受光素子３０１，３０２，３０３，３０４は、受光量に応じた出力電流を発生する。
【００４５】
受光素子アレイ３０の後段には、信号処理回路３３が接続され、いずれの受光素子に対象物２１からの反射光が入射したかを検出し、論理和回路３５により、反射光が入射した受光素子を識別するための２進符号の時系列信号が出力されるようになっている。
【００４６】
そして、この２進符号と距離測定装置から対象物２１までの距離は、予め、投光レンズ１２と受光レンズ３２との中心間距離、受光レンズ３２と受光素子アレイ３０との距離、レンズ系の光学パラメータにより、対応関係が求められている。
【００４７】
図２（ａ）は、タイミング生成回路３４が行う発光指令のタイミング、図２（ｂ）〜（ｅ）は各受光素子の検波のタイミング、図２（ｆ）は、論理和回路３５の出力タイミングの例を示す。ここでは、簡単のために受光アレイ３０が、受光素子３０１，３０２，３０３，３０４の４つから構成される場合について説明する。
【００４８】
ここで、各受光素子３０１，３０２，３０３，３０４には、それぞれ番号１、２、３、４が付与され、これに対応した２進符号（００１）、（０１０）、（０１１）、（１００）が割り当てられている。
【００４９】
そして、各受光素子に対応するアンドゲートに入力される検波タイミングは、上記２進符号の桁が”１”の値をとるタイミングとしている。即ち、受光素子３０１にはｔ１のタイミング、受光素子３０２にはｔ２のタイミング、受光素子３０３にはｔ１とｔ２のタイミング、受光素子３０４にはｔ３のタイミングである。
【００５０】
発光素子１１の駆動回路１３は、タイミング生成回路３４からの発光指令を受けて、所定の期間中、高速変調をかけた照射光を出力するように発光素子１１を駆動する。受光素子３０１〜３０４は、それぞれ図２（ｂ）〜（ｅ）に示すタイミングで、検知信号を検波し、信号処理回路３３からは、受光素子が反射光を検知していれば１が、検知しなければ０が、各受光素子の出力に対応して出力される。論理和回路３５は、信号処理回路３３の各受光素子の出力値について、ＯＲをとる。
【００５１】
ここで、各受光素子３０１，３０２，３０３，３０４には、それぞれ番号１、２、３、４が付与され、これに対応した２進符号（００１）、（０１０）、（０１１）、（１００）が割り当てられている。
【００５２】
そして、各受光素子に対応するアンドゲートに入力される検波タイミングは、上記２進符号の桁が”１”の値をとるタイミングとしている。即ち、受光素子３０１にはｔ１のタイミング、受光素子３０２にはｔ２のタイミング、受光素子３０３にはｔ１とｔ２のタイミング、受光素子３０４にはｔ３のタイミングである。
【００５３】
これを一般化すれば、関数ｆ（ｔｋ）（ｋ＝１，２，・・・）が０または１の値をとるものとし、受光素子の番号Ｎを次に示す式（１）の２進数で表現したとき、
【数１】

第Ｎ番目の受光素子は、ｆ（ｔｋ）＝１を満たす時間ｔｋに検波を行うものとする。
【００５４】
このとき、図２に示すタイミングにおいて、発光指令１周期中の、時間ｔ１におけるＯＲ値を下位ビット、時間ｔ３におけるＯＲ値を最上位ビットとして、（ｔ３，ｔ２，ｔ１）を発光指令１周期の出力とみなすとき、発光指令ｔ１に対してのみ、受光アレイのＯＲ値が１となる場合、発光指令１周期の出力は（０，０，１）となり、これは、受光素子３０１のみが反射光を検知したことが一意に定まるので、受光素子３０１の検知領域に物体が存在していることを意味する。
【００５５】
また、発光指令ｔ２に対してのみ、受光アレイが出力をしたときは、発光指令１周期の出力が（０，１，０）となるので、受光素子３０２の検知領域に物体が存在することを意味する。同様に、発光指令ｔ１，ｔ２に対して、受光アレイが出力をしたときは、１周期の出力が（０，１，１）となるので、受光素子３０３の検知領域に物体が存在することを意味する。
【００５６】
つまり、発光指令１周期における、これら受光アレイの検知信号ＯＲ値の時系列出力データは、各検知領域を２進数で符号化していることに相当し、この符号化された時系列出力データとカメラパラメータおよびプロジェクタパラメータから物体の存在領域、すなわち物体までの距離を算出する、もしくはカメラパラメータおよびプロジェクタパラメータよりあらかじめ作成したマップとの対応から距離を得る。
【００５７】
上述したように、発光指令１周期における、発光指令と受光アレイ出力値の時系列データより、照射光を反射する対象物の存在領域が一意に定まり、対象物までの距離を得ることができる。
【００５８】
受光アレイを構成する受光素子数をＮとすると、所定の領域を最大Ｎ分割して距離測定を行うことができる。今、受光アレイが１２８個の受光素子より構成されるとする。このとき、監視領域を１２８分割するためには７Ｂｉｔの情報量が必要なので、発光指令は、ｔ１〜ｔ７まで必要となる。ここで、ｔＮ（Ｎ＝１〜７）をそれぞれ１０μｓ、発光指令立ち下がりから次の発光指令立ち上がりまでの発光間隔を１０μｓとして、発光周期を２０μｓとすると、７Ｂｉｔの状態数をすべて検知するには、すなわち距離算定までには、７×２０μｓ＝１４０μｓを要することとなり、きわめて短時間に距離を検知できることとなる。
【００５９】
ここまで、受光アレイを１つとして説明してきたが、この受光アレイを並列に複数並べることで、凹凸検知やマルチターゲット識別へ応用できるとともに、スリット光をスキャンすることにより、３次元形状測定も可能となる。
【００６０】
次に、本発明に係る距離測定装置を車両に適用した場合について、図２，図３，図４に基づき説明する。
【００６１】
図３に示すように、１次元の受光素子アレイ３０が、車両前方を監視するように、かつ１次元の受光素子アレイ３０が地面に対して垂直となるように配置され、投光器１０を車両前方に、１次元アレイと垂直になるようにスリット光、またはスポット光を照射するように配置することで、車両前方の障害物までの距離を測定することができる。
【００６２】
そして、図３（ａ）に示すように、測定する距離の範囲を領域１、２、３、４に分割し、いずれの領域に距離測定対象物があるかを判断するものとする。この距離測定には、受光素子アレイが対象物からの反射光を検出するタイミングは、ｔ１、ｔ２、ｔ３の３種のタイミングがある。
【００６３】
ｔ１のタイミングでは、図３（ｂ）及び（ｅ）に示すように、領域１と領域３からの反射光の有無を検出し、ｔ２のタイミングでは、図３（ｃ）及び（ｆ）に示すように、領域２と領域３からの反射光の有無を検出し、ｔ３のタイミングでは、図３（ｄ）及び（ｇ）に示すように、領域４からの反射光の有無を検出する。
【００６４】
次に、図２に示すタイミングチャートに基づいて、対象物が存在する領域をコード化する方法について説明する。時間ｔ１において、１次元アレイを構成する受光素子アレイは、図３に示す領域１および領域３からの反射光のみを検知するように同期検波を行う。つまり、時間ｔ１においては、領域１および領域３からの反射光以外は検知しない。同様に時間ｔ２においては、領域２、領域３からの反射光のみを検知し、時間ｔ３においては、領域４からの反射光のみを検知する。このとき、図４のように対象物２１の車両側の面が領域３に存在する場合は、投光器１０から投光されたスリット光もしくはスポット光は、対象物２１上に投光像が形成され、その投光像から１次元アレイ３０の受光素子アレイ上に受光像が形成される。
【００６５】
上述の場合、図２示した同期検波のタイミングチャートでは、時間ｔ１，時間ｔ２において、反射光を検知することとなり、発光指令１周期で出力される検知信号の時系列データは、（０，１，１）となる。これは、３の２進表記に相当し、領域３に物体が存在することを意味する。
【００６６】
ここまで、各領域を２進表記する場合における同期検波のタイミングチャートに基づき説明してきたが、同期検波のタイミングは各領域を一意に識別できるタイミングであればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る距離測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施形態における投光器の駆動タイミングと各受光領域の検出信号の検出タイミングを説明するタイムチャートである。
【図３】実施形態の一例における受光素子アレイの監視領域を模式的に表した図である。
【図４】実施形態の一例における物体が存在した時の状態を模式的に表した図である。
【図５】対象物までの距離範囲を２進符号列に変換する説明図である。
【図６】マルチターゲット識別の説明図である
【図７】三角測量の原理説明図である。
【図８】（ａ）従来例におけるＣＣＤ撮像センサの２次元画素配列を示す図である。
（ｂ）従来例における水平走査線を構成する画素出力の配列順を説明する波形図である。
【符号の説明】
１０投光器
１１発光素子
１２投光レンズ
１３駆動回路
２１対象物
３０受光素子アレイ
３０１，３０２，３０３，３０４受光素子
３３信号処理回路
３４タイミング生成回路
３５論理和回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical distance measuring device, and more particularly to a distance measuring device that measures an approximate distance from a measuring device to an obstacle based on the principle of triangulation.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, there are various non-contact distance measuring methods, and one of them is, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-160050, which captures an image of slit light irradiated on an object, and a camera and a slit. There is a method of calculating the distance of each point on the slit light imaged using the triangulation method from the position irradiated with light and measuring the distance to the object.
[0003]
As shown in FIG. 7, a distance measurement method based on a general triangulation principle irradiates a measurement object 21 with light such as a spot shape or a slit shape from a light emitting element 11 through a projection lens 12, and a light source. The pattern light reflected on the object 21 is collected on the image sensor 31 arranged at a position BL away from the direction of the object in the direction perpendicular to the direction of the object. This is a method of calculating a distance L to an object. As the imaging device, a CCD (charge coupled device) or PSD is generally used.
[0004]
In the three-dimensional shape measuring apparatus disclosed in JP-A-11-160050, a two-dimensional pixel matrix is configured by arranging a plurality of line CCDs in parallel as shown in FIG.
[0005]
Then, the luminance value of each pixel of the horizontal scanning line read from each line CCD shown in FIG. 8B is temporarily stored in an image memory or the like, and the luminance value of each pixel is compared with each other to maximize the luminance value. A pixel is obtained, and the distance to the object is calculated based on the position of the pixel and the optical system parameters of the projector and the light receiver.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in general, in order to capture or receive the irradiated pattern light under sunlight, it is conceivable to increase the irradiation intensity and separate the disturbance light and the irradiation light, but not so strong as to be buried in sunlight. It is not realistic to irradiate the light.
[0007]
Therefore, in order to separate the sunlight from the irradiation light, in general, by using a technique such as modulating the irradiation light or performing synchronous detection, light such as sunlight (DC light) ) Or a relatively low frequency disturbance light and a method of separating the irradiation light.
[0008]
However, in the distance measuring apparatus disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 11-160050, an image pickup device in which line CCDs are two-dimensionally arranged is used as the image pickup device, and each line CCD is determined from the intensity distribution of light detected by each line CCD. Since the position of the irradiation light is detected every time, if the background light is as strong as sunlight, the irradiation light is buried in the sunlight and cannot be detected. Further, due to the limitation due to the reading speed of the CCD, there has been a problem that high-speed modulation of the light source intensity for improving the S / N ratio and synchronous detection of the output of the light receiving element cannot be performed.
[0009]
The conventional optical distance measuring device temporarily stores the luminance values of a large number of pixels read from the image sensor in an image memory or the like, and searches for the maximum luminance from these luminance values in order to obtain the pixel position where the maximum luminance is obtained. Therefore, there is a problem that it takes a long time to calculate the distance.
[0010]
In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a distance measuring device capable of reducing the memory capacity for temporarily storing the luminance value and reducing the calculation time for obtaining the distance.
[0011]
Another object of the present invention is to provide a distance measuring device that can accurately measure the distance to an object even when the intensity of external light (background light) such as sunlight is high.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is directed to a light projecting unit for projecting irradiation light in a first direction, and a predetermined second that is perpendicular to the first direction from the light projecting unit. And a light receiving means for receiving reflected light reflected by the object in the first direction, the light receiving means being arranged in the second direction. A means for measuring a range of a distance to an object by detecting reflected light for each of the plurality of regions and determining in which of the plurality of regions the reflected light is incident. A unique binary code is assigned to each of the plurality of areas of the means, and the light projecting means emits light at a plurality of light emission timings corresponding to the number of digits of the binary code, and each area of the light receiving means is assigned to the assigned area. The time when each digit of the binary code is “1” The reflected light to determine not incident or not incident at grayed, by calculating the logical sum of the determination result of each region, the gist that the reflected light obtaining a time series signal of the binary code indicating the incident area And
[0013]
In order to achieve the above object, a second aspect of the present invention is the distance measuring device according to the first aspect, wherein the irradiation light is spot light or slit light.
[0015]
To achieve the above object, according to a third aspect of the present invention, in the distance measuring device according to the first or second aspect , the light projecting means modulates the intensity of the irradiated light, and the light receiving means is an intensity signal of the reflected light. The gist of this is to determine which region the reflected light is incident on.
[0016]
In order to achieve the above object, according to a fourth aspect of the present invention, in the distance measuring device according to any one of the first to third aspects, the second of each of the plurality of regions arranged in the second direction. The gist is that the lengths in the direction of are optimized to be unequal in length according to the purpose of measurement.
[0017]
In order to achieve the above object, a fifth aspect of the present invention is the distance measuring device according to any one of the first to fourth aspects, wherein the third direction is perpendicular to the first and second directions. The gist of the present invention is to arrange a plurality of the light receiving means in order to detect the shape of the object or the plurality of objects.
[0018]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the light projecting means for projecting the irradiation light toward the first direction and the predetermined second direction perpendicular to the first direction from the light projecting means are predetermined. A distance measuring device including a light receiving unit that receives the reflected light reflected by the object in the first direction and is spaced apart by a distance, and the light receiving unit includes a plurality of light receiving units arranged in the second direction. Since the reflected light is detected for each region and the range of the distance to the object is measured by determining which of the plurality of regions the reflected light is incident on, a number of conventional methods are used. There is no need to determine the pixel having the maximum luminance by comparing the luminance values of the pixels, and the calculation time for obtaining the distance can be remarkably shortened.
[0019]
Also, instead of comparing the luminance values of many pixels, it is determined which area of the light receiving means the reflected light is incident on, so the memory capacity for storing the luminance values of many pixels is reduced. can do.
Furthermore, a unique binary code is assigned to each of the plurality of areas of the light receiving means, the light projecting means emits light at a plurality of light emission timings corresponding to the number of digits of the binary code, and each area of the light receiving means is , It is determined whether or not the reflected light is incident at the timing when each digit of the assigned binary code is “1”, and the reflected light is calculated by calculating the logical sum of the determination results for each region. Since the binary code time series indicating the incident area is obtained, a binary code string indicating the range of the distance to the object can be obtained by a simple OR circuit.
[0020]
According to the invention of claim 2, in addition to the effect of the invention of claim 1, since the irradiation light is spot light or slit light, the spot light emitted by a laser diode or the like can be used as it is, Various conventional lamp lights can be used as the irradiation light source of the present invention through a slit.
[0022]
According to the invention described in claim 3 , in addition to the effect of the invention described in

claim

1 or 2 , the light projecting means modulates the intensity of the irradiated light, and the light receiving means detects the intensity signal of the reflected light. In this way, it is determined which area the reflected light is incident on, so even when the background illuminance around the daytime is high, the background light and the reflected light from the object are easily separated. High distance measurement can be performed.
[0023]
According to the invention of claim 4 , in addition to the effects of the inventions of claims 1 to 3 , the length in the second direction of each of the plurality of regions arranged in the second direction is measured. Since the unequal length is optimized according to the purpose, the resolution of the measurement distance can be easily changed.
[0024]
According to the invention described in claim 5 , in addition to the effects of the invention described in claims 1 to 4 , the plurality of light receiving means are provided in a third direction perpendicular to the first and second directions. Since the arrangement and the shape of the object or a plurality of objects are detected, the shape of the object can be detected in addition to the distance to the object.

[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[Description of Principle]
First, the relationship between the light receiving element array and the distance detection area, which is the basis of the present invention, will be described with reference to FIG. The light receiving element array 700 includes, for example, a plurality of photo detectors (hereinafter abbreviated as PDs) 701 to 703 such as phototransistors and photodiodes arranged in a one-dimensional array, and each PD is preliminarily formed by an optical system including a light receiving lens 704. It is set to detect only the reflected light from the defined area.
[0026]
In FIG. 5, the reflected light obtained by reflecting the light emitted from the projector 705 on the region 1 is imaged on the PD 701 by the light receiving lens 704, the reflected light from the region 2 is reflected on the PD 702, and the reflected light from the region 3 is PD 703. Each is imaged.
[0027]
As described above, since the region where the object that reflects the irradiation light irradiated from the projector exists and the element on which the reflected light is imaged by the light receiving lens have a one-to-one correspondence, which PD detected the reflected light. Thus, it is possible to know the existence area of the object that reflects the reflected light.
[0028]
Based on this principle, the present invention can be obtained by coding the area where the object exists from the detection signal of each PD, that is, the area where the object exists is uniquely described by time-series coding of the detection signal. This makes it possible to eliminate the need for distance calculation in the latter stage of PD.
[0029]
Next, the characteristic time-series coding of the detection signal will be described based on the timing chart of FIG.
[0030]
From the projector 705, spot light or slit light is irradiated in a predetermined direction in the order of times t1, t2,. At this time, the shutters of the

PDs

701 and 703 are opened at the timing t1, that is, the detection signals of the

PDs

701 and 703 are detected. Subsequently, the shutters of the

PDs

702 and 703 are opened at the timing of t2.
[0031]
Here, the output of the light receiving element array 700 is defined as follows. “The light receiving element array 700 outputs 1 when at least one of the PDs 701 to 703 detects reflected light, and outputs 0 otherwise”. That is, at timing t1, if either

PD

701 or 703 detects the reflected light, the output of the PD array 700 becomes 1, and at timing t2, if either

PD

702 or 703 detects the reflected light, the light receiving element array 700 outputs. The output is 1. Otherwise, 0 is output.
[0032]
When the object that reflects the reflected light is in the region 1, the light receiving element array 700 detects the reflected light only at the timing t1. That is, only the PD 701 monitoring the area 1 receives the reflected light. Similarly, when the object is in the region 2, the reflected light is detected only at timing t2, and when the object is in the region 3, the reflected light is detected at both timings t1 and t2.
[0033]
Now, the code length of the time series coding is 2 bits of t1 and t2, the output of the light receiving element array 700 at t1 is the least significant bit, the output of the light receiving element array 700 at t2 is the most significant bit, If the output is f (t2, t1), f (t2, t1) = 01 when an object exists in region 1, f (t2, t1) = 10 when an object exists in region 2, and When an object exists, f (t2, t1) = 11, and the output of the light receiving element array 700 describes a region where the object exists in a time-series binary number.
[0034]
In this way, by setting the detection timing according to the area to be monitored, it is possible to uniquely determine the area where the object exists without calculating, so the memory and the arithmetic unit are simplified and the calculation time is reduced. In addition to reducing the circuit scale, the system cost can also be kept low.
[0035]
Next, based on FIG. 6, the principle of identifying a plurality of one-dimensional light receiving element arrays in parallel and identifying irregularities and multi-targets will be described. FIG. 6 is a top view of a state in which the light receiving element array 710 is arranged in parallel with the light receiving element array 700 of FIG.
In this way, by arranging a plurality of one-dimensional arrays in parallel, not only the z direction (light emitting element irradiation direction) but also the x direction (vehicle width direction) can be identified.
Therefore, by arranging a plurality of one-dimensional arrays in parallel, it is possible to identify object irregularities and multi-targets.
[0036]
[Description of Embodiment]
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a system configuration diagram showing the configuration of an embodiment of a distance measuring apparatus according to the present invention.
[0037]
In FIG. 1, the distance measuring device includes a projector 10 that irradiates a target 21 with irradiation light in which a light beam is thinly formed in a vertical direction in the figure, such as spot light or slit light, a light receiving lens 32, and a light receiving element array. 30, a signal processing circuit 33, a timing generation circuit 34, and an OR circuit 35.
[0038]
The projector 10 includes a light emitting element 11 using a discharge lamp, a light emitting diode, a laser diode, and the like, a light projecting lens 12, and a drive circuit 13 that drives the light emitting element 11.
[0039]
The spot light that the light projector 10 irradiates toward the object 21 in the front (right direction in the figure) is light in which the irradiation region is formed in a dot shape, and the slit light is emitted from the light projecting lens 12 to the light receiving lens 32. The light is formed in a thin slit shape so that the light beam does not spread with respect to the direction.
[0040]
The light receiving element array 30 includes a plurality of light receiving

elements

301, 302, and 303 in one dimension in a direction perpendicular to the direction in which the projector 10 emits irradiation light toward the object 21 (four in the example of FIG. 1). , 304 are arranged to divide the light receiving area into a plurality of areas.
[0041]
The signal processing circuit 33 is a signal processing circuit that processes output signals from the

light receiving elements

301, 302, 303, and 304 and outputs detection signals from the light receiving elements on which the reflected light is incident. Between the detection timing, the converter 331, the coupling capacitor 332 for removing the DC signal component, the comparator 333 for comparing the reference voltage and the detection signal, the AND gate 334 for opening the gate at the detection timing of each light receiving element And an integrator 335 for integrating the above signals.
[0042]
The timing generation circuit 34 generates a light emission command that is a light emission timing signal of the light emitting element 11 and detection timing signals of the respective

light receiving elements

301, 302, 303, and 304, as will be described later with reference to FIG. The AND gate 334 is controlled by the signal.
[0043]
The OR circuit 35 is a circuit that calculates the logical sum of the outputs of the integrator 335 for each light receiving element, and which light receiving element the reflected light from the object 21 has entered, in other words, which light receiving means. A time-series signal of a binary code indicating whether the reflected light is incident on this area is output.
[0044]
Next, the functions of the entire system will be described with reference to FIG. Irradiation light such as slit light or spot light emitted from the projector 10 forms a light image on the target 21 where an object exists in a predetermined region irradiated with the light, and is formed on the target 21. The light image thus formed forms a light receiving image on the one-dimensional light receiving element array 30 via the light receiving lens 32. Each

light receiving element

301, 302, 303, 304 constituting each light receiving region of the light receiving element array 30 generates an output current corresponding to the amount of received light.
[0045]
A signal processing circuit 33 is connected to the subsequent stage of the light receiving element array 30 to detect which light receiving element the reflected light from the object 21 enters, and the light receiving element to which the reflected light is incident by the OR circuit 35. A time-series signal of binary code for identifying is output.
[0046]
The binary code and the distance from the distance measuring device to the object 21 are the distance between the center of the light projecting lens 12 and the light receiving lens 32, the distance between the light receiving lens 32 and the light receiving element array 30, and the lens system. Correspondence is required by optical parameters.
[0047]
2A is the timing of the light emission command performed by the timing generation circuit 34, FIGS. 2B to 2E are the detection timings of the respective light receiving elements, and FIG. 2F is the output timing of the OR circuit 35. An example of Here, for the sake of simplicity, the case where the light receiving array 30 includes four light receiving

elements

301, 302, 303, and 304 will be described.
[0048]
Here, the respective

light receiving elements

301, 302, 303, and 304 are assigned

numbers

1, 2, 3, and 4, respectively, and corresponding binary codes (001), (010), (011), and (100). ) Is assigned.
[0049]
The detection timing input to the AND gate corresponding to each light receiving element is a timing at which the digit of the binary code takes a value of “1”. That is, the light receiving element 301 has a timing t1, the light receiving element 302 has a timing t2, the light receiving element 303 has a timing t1 and t2, and the light receiving element 304 has a timing t3.
[0050]
The drive circuit 13 of the light emitting element 11 receives the light emission command from the timing generation circuit 34 and drives the light emitting element 11 so as to output irradiation light subjected to high-speed modulation during a predetermined period. The light receiving elements 301 to 304 detect detection signals at the timings shown in FIGS. 2B to 2E, respectively, and 1 is detected from the signal processing circuit 33 if the light receiving elements detect reflected light. Otherwise, 0 is output corresponding to the output of each light receiving element. The OR circuit 35 takes OR for the output value of each light receiving element of the signal processing circuit 33.
[0051]
Here, the respective

light receiving elements

301, 302, 303, and 304 are assigned

numbers

1, 2, 3, and 4, respectively, and corresponding binary codes (001), (010), (011), and (100). ) Is assigned.
[0052]
The detection timing input to the AND gate corresponding to each light receiving element is a timing at which the digit of the binary code takes a value of “1”. That is, the light receiving element 301 has a timing t1, the light receiving element 302 has a timing t2, the light receiving element 303 has a timing t1 and t2, and the light receiving element 304 has a timing t3.
[0053]
If this is generalized, it is assumed that the function f (tk) (k = 1, 2,...) Takes a value of 0 or 1, and the number N of the light receiving element is a binary number of the following equation (1). When expressed in
[Expression 1]

It is assumed that the Nth light receiving element performs detection at time tk that satisfies f (tk) = 1.
[0054]
At this time, at the timing shown in FIG. 2, the OR value at time t1 in the light emission command cycle is the lower bit, the OR value at time t3 is the most significant bit, and (t3, t2, t1) is the light emission command cycle. When considered as an output, if the OR value of the light receiving array is 1 only for the light emission command t1, the output of one cycle of the light emission command is (0, 0, 1), which means that only the light receiving element 301 reflects the reflected light. Is uniquely determined, which means that an object exists in the detection region of the light receiving element 301.
[0055]
Further, when the light receiving array outputs only in response to the light emission command t2, the output of one cycle of the light emission command is (0, 1, 0), so that the object exists in the detection region of the light receiving element 302. means. Similarly, when the light receiving array outputs in response to the light emission commands t1 and t2, since one cycle of output is (0, 1, 1), it is confirmed that an object exists in the detection region of the light receiving element 303. means.
[0056]
That is, the time series output data of the detection signal OR values of these light receiving arrays in one light emission command cycle corresponds to encoding each detection area in binary, and the encoded time series output data and camera The object existence area, that is, the distance to the object is calculated from the parameter and the projector parameter, or the distance is obtained from the correspondence with the map created in advance from the camera parameter and the projector parameter.
[0057]
As described above, the existence area of the object that reflects the irradiation light is uniquely determined from the time series data of the light emission command and the light receiving array output value in one period of the light emission command, and the distance to the object can be obtained.
[0058]
If the number of light receiving elements constituting the light receiving array is N, a predetermined area can be divided into N at most and distance measurement can be performed. Now, it is assumed that the light receiving array is composed of 128 light receiving elements. At this time, since a 7-bit information amount is necessary to divide the monitoring area into 128, a light emission command is required from t1 to t7. Here, when tN (N = 1 to 7) is 10 μs, the light emission interval from the light emission command fall to the next light emission command rise is 10 μs, and the light emission period is 20 μs, all 7-bit states are detected. That is, it takes 7 × 20 μs = 140 μs to calculate the distance, and the distance can be detected in a very short time.
[0059]
Up to this point, a single light receiving array has been described. By arranging a plurality of light receiving arrays in parallel, it can be applied to unevenness detection and multi-target identification, and by scanning slit light, three-dimensional shape measurement is also possible. It becomes.
[0060]
Next, the case where the distance measuring device according to the present invention is applied to a vehicle will be described with reference to FIGS.
[0061]
As shown in FIG. 3, the one-dimensional light receiving element array 30 is arranged so as to monitor the front of the vehicle, and the one-dimensional light receiving element array 30 is perpendicular to the ground. Moreover, the distance to the obstacle ahead of the vehicle can be measured by arranging the slit light or spot light so as to be perpendicular to the one-dimensional array.
[0062]
Then, as shown in FIG. 3A, the range of distance to be measured is divided into

regions

1, 2, 3, and 4, and it is determined which region has the distance measurement object. In this distance measurement, there are three types of timings t1, t2, and t3 when the light receiving element array detects the reflected light from the object.
[0063]
As shown in FIGS. 3B and 3E, the presence / absence of reflected light from the

regions

1 and 3 is detected at the timing t1, and as shown in FIGS. 3C and 3F at the timing t2. Thus, the presence / absence of reflected light from the region 2 and the region 3 is detected, and at the timing of t3, the presence / absence of reflected light from the region 4 is detected as shown in FIGS. 3 (d) and 3 (g).
[0064]
Next, a method for coding a region where an object exists will be described based on the timing chart shown in FIG. At time t1, the light receiving element array constituting the one-dimensional array performs synchronous detection so as to detect only the reflected light from the

regions

1 and 3 shown in FIG. That is, other than the reflected light from region 1 and region 3 is not detected at time t1. Similarly, only reflected light from the

regions

2 and 3 is detected at time t2, and only reflected light from the region 4 is detected at time t3. At this time, when the surface of the object 21 on the vehicle side exists in the region 3 as shown in FIG. 4, the slit light or spot light projected from the projector 10 forms a projected image on the object 21. Then, a light receiving image is formed on the light receiving element array of the one-dimensional array 30 from the projected image.
[0065]
In the above-described case, in the synchronous detection timing chart shown in FIG. 2, the reflected light is detected at time t1 and time t2, and the time-series data of the detection signal output in one cycle of the light emission command is (0, 1). , 1). This corresponds to a binary notation of 3, and means that an object exists in the region 3.
[0066]
Up to this point, the description has been made based on the timing chart of synchronous detection when each region is expressed in binary. However, the timing of synchronous detection may be any timing as long as each region can be uniquely identified.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a distance measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a time chart for explaining a driving timing of a projector and a detection timing of a detection signal in each light receiving area in the embodiment.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a monitoring region of a light receiving element array in an example of an embodiment.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a state when an object exists in an example of an embodiment.
FIG. 5 is an explanatory diagram for converting a distance range to an object into a binary code string;
FIG. 6 is an explanatory diagram of multi-target identification. FIG. 7 is an explanatory diagram of the principle of triangulation.
FIG. 8A is a diagram illustrating a two-dimensional pixel array of a CCD image sensor in a conventional example.
(B) It is a wave form diagram explaining the arrangement order of the pixel output which comprises the horizontal scanning line in a prior art example.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Light projector 11 Light emitting element 12 Light projection lens 13 Drive circuit 21 Object 30 Light receiving element array 301,302,303,304 Light receiving element 33 Signal processing circuit 34 Timing generation circuit 35 OR circuit

Claims

A light projecting means for projecting irradiating light in a first direction, and a first distance away from the light projecting means in a predetermined second direction perpendicular to the first direction . A distance measuring device including light receiving means for receiving reflected light reflected by an object in one direction;
The light receiving means detects the reflected light for each of the plurality of regions arranged in the second direction, and determines which region of the plurality of regions the reflected light is incident to thereby determine the distance to the object Means for measuring the range of
A unique binary code is assigned to each of the plurality of regions of the light receiving means,
The light projecting means emits light at a plurality of light emission timings corresponding to the number of digits of the binary code,
Each area of the light receiving means determines whether reflected light is incident or not at the timing when each digit of the assigned binary code is “1”, and calculates the logical sum of the determination results for each area. By doing so, a time series signal of a binary code indicating a region where the reflected light is incident is obtained .

The distance measuring device according to claim 1, wherein the irradiation light is spot light or slit light.

Said light projecting means modulates the intensity of the illumination light, according to claim 1 or claim wherein the light receiving means is reflected to any area by detecting the intensity signal of the reflected light and judging whether the incident 2. The distance measuring device according to 2 .

Any of claims 1 to 3, characterized in that the length of the second direction of the aligned plurality of regions each of the second direction is optimized to unequal lengths depending on the purpose of measurement The distance measuring device according to claim 1.

Wherein the first and second directions are arranged a plurality of said light receiving means in a third direction perpendicular respectively, of claims 1 to 4, characterized in that detecting an object shape or a plurality of objects The distance measuring device according to claim 1.