JP5167755B2 - 光検出装置、光検出方法および車両 - Google Patents

Description

本発明は、パルス光を被検物に照射して被検物からの光を検出する光検出装置、およびこの光検出装置を用いる乗用車等の車両に関するものである。

光を検知対象領域内の被検物に向けて照射し、被検物をＣＣＤなどの撮像装置で撮像し、その撮像データを処理して被検物までの距離または被検物の形状などを計測する光学式の計測装置が知られている。このような計測装置において、被検物に照射された光の反射光が背景光に比べて弱いと、反射光は背景光の雑音に埋もれてしまい、反射光の認識は困難となる。

そこで、従来より、背景光の雑音を除去するための装置として同期検波を用いた光検出器が知られている（例えば、特許文献１参照）。この同期検波を用いた光検出器は、点滅光源を用いて被検物に一定周波数のパルス光を投光し、点灯時の撮像装置の出力を正の値とし、消灯時の撮像装置の出力を負の値にして、撮像装置の出力を積分することで、点滅光源からのパルス光に基づく検出信号のみを抽出するものである。
特開２００２−２８１３８７号公報

しかしながら、上記従来技術では、投光する光量レベルが、検知対象領域の光量レベル（背景光によるノイズ）に比べて低い場合、撮像装置の出力の積分回数を増大させてその反射光を検出していたため、その被検物を検出するのに多くの時間がかかっていた。

本発明による光検出装置および光検出方法では以下のようにして計測信号を出力する。所定周波数で点灯消灯するパルス光を被検物に照射し、パルス光が照射される被検物を含む領域を撮像する。所定周波数の１以上の整数倍の複数の周波数の信号を含む複数の参照信号を生成し、生成された複数の参照信号を用いて、撮像信号を同期検波する。同期検波された複数の検波信号を加算し、加算した同期検波信号に基づいて、ノイズ成分を除去した計測信号を出力する。

本発明によれば、背景光の光量レベルが高い環境または被検物からの光が弱い環境下でも、被検物からの光を短時間で効率良く検出できる。

図１〜図８を参照して本発明による光検出方法を適用した距離計測装置の一実施形態について説明する。本実施形態による距離計測装置は、乗用車等の車両に備えられている。図１は、本実施形態の距離計測装置を搭載した車両ＭＢを示す。距離計測装置は、第１および第２の投光装置１Ｌ，１Ｒと、撮像装置２と、図４のコントロールユニットＣＵとを備えている。

第１および第２の投光装置１Ｌ，１Ｒは、車両ＭＢのフロントバンパー３の左端部および右端部の近傍に設置されている。第１および第２の投光装置１Ｌ，１Ｒは、それぞれ、内部のレーザ光源からのレーザ光を、路面に垂直な方向に細長いスリット光として車両前方に左右方向に走査しながら照射する。なお、第１および第２の投光装置１Ｌ，１Ｒは同一であり、車両前方の斜め左方向を投光装置１Ｌで投光し、車両前方の斜め右方向を投光装置１Ｒで投光し、後述する駆動制御部３２の投光コントロール信号Ｔ１のタイミングに同期して撮像装置２で撮像する。以下、投光装置１として説明する。

撮像装置２は、フロントガラスの上部中央付近、すなわちルーフ４の前端部中央裏側のルームミラー（不図示）の近傍に取り付けられたカメラを含む。この実施形態の距離計測装置では、投光装置１からスリット光を車両前方へ照射しながら、撮像装置２で車両前方を撮像する。撮像装置２には背景光も入射するため、背景光によるノイズを除去するために、スリット光は予め定められた周波数でパルス発光している。

図２は、車両ＭＢに備えられた距離計測装置によって、撮像装置２から車両前方の種々の物体までの距離計測を説明する図である。図２において、右前方を走行中の別の車両ＭＢ１までの距離ｄ１は、車両ＭＢ１に照射されるスリット光ＬＢの投光角度αと、車両ＭＢ１からの反射光ＬＢ１が撮像装置２に入射する際の車両ＭＢの前方方向に対する角度である撮像角度γとを用いると、三角測量に基づく次式で計算できる。なお、投光装置１と撮像装置２との車両の前後方向の間隔をｆ、車両の幅寸法をｅとしている。また、投光角度αは、スリット光の進行方向と車両の幅方向との角度である。なお、図２中、符号ＳＣは投光装置１のスキャン範囲を示している。
ｄ１＝（ｅ・sinαcosγ＋ｆ・cosαcosγ）／cos（α＋γ） …（１）

図３は、投光装置１および撮像装置２の構成を示す。投光装置１は、レーザ光よりなるスリット光ＬＢを出力するレーザ光源（ラインレーザ）７と、スリット光ＬＢを走査するミラー８とを備えている。レーザ光源７は、投光信号Ｔ１１によって制御されるレーザ駆動部６からの駆動信号ＤＲＶがハイレベルの期間に点灯し、駆動信号ＤＲＶがローレベルの期間に消灯する。距離計測時の駆動信号ＤＲＶは、ハイレベルの期間とローレベルの期間との比であるデューティ比が１：１の周期ＴＰの信号であるため、それに応じてスリット光ＬＢも周期ＴＰで、デューティ比が１：１でパルス発光する。また、ミラー８は、投光信号Ｔ１２によって制御される駆動部５によって不図示のモータを介して揺動される。ミラー８は、スリット光ＬＢの投光角度αｉが所定の最小値α１から最大値αＩ（Ｉは２以上の整数で、ｉ＝１〜Ｉ）まで一定の角速度で変化するように駆動される。

投光信号Ｔ１１，Ｔ１２は図４のコントロールユニットＣＵから供給される。また、投光装置１の近傍に、背景光の光量をモニタするための光電センサよりなる照度モニタ９が設置され、照度モニタ９の検出信号Ｔ４が図４のコントロールユニットＣＵに供給される。

図３において、撮像装置２は、対物レンズ１１と、ＣＣＤまたはＣＭＯＳなどの多数の画素を２次元的に配列した撮像素子１２とを有し、投光装置１から照射光を照射しつつ車両前方を撮像する。撮像装置２はまた、撮像素子１２から出力される撮像信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器１３と、Ａ／Ｄ変換された撮像信号を記憶する画像メモリ１４を含んで構成される。

撮像素子１２の多数の画素は二次元的に配列されているが、図３においては、水平方向に配列された一列のＪ個（Ｊは２以上の整数）の画素ＰＸｊ（ｊ＝１〜Ｊ）のみを示している。以下の説明では、主に、一列の画素ＰＸｊの撮像信号ｓｊ（ｔ）を処理するものとして説明するが、他の列の画素の撮像信号も同様に処理される。

図３においては、スリット光ＬＢが投光角度αｉで点Ｐ１に照射され、点Ｐ１からの反射光ＬＢ１が、対物レンズ１１の光軸ＡＸに対して角度γｊで、すなわち撮像角度γｊでｊ番目の画素ＰＸｊに入射している。同様に、スリット光ＬＢが例えば投光角度αｈで点Ｐ２に照射された場合、点Ｐ２からの反射光ＬＢ２は、撮像角度γｋでｋ番目の画素ＰＸｋに受光される。このように、各画素ＰＸｊ毎に、それぞれ画素に受光する反射光の撮像角度γｊが予め分かっている。なお、撮像装置２から点Ｐ１までの距離に依存して、反射光の像の撮像素子１２上での大きさが異なるが、例えば最も光量が大きい画素（ここではＰＸｊ）を特定することで、点Ｐ１からの反射光ＬＢ１の撮像角度γｊを正確に求めることができる。

投光信号Ｔ１１，Ｔ１２と同期して図４のコントロールユニットＣＵから出力されるカメラコントロール信号Ｔ２により撮像素子１２は撮像を開始する。撮像装置２による撮像周期は、投光装置１から照射されるパルスの発光周期よりも短く、１つのパルス発光周期に対して複数回の撮像が行われる。したがって撮像装置２は、ミラー８から反射される投光角度αｉのスリット光ＬＢの１パルス周期において複数回撮像を行う。各撮像ごとに、撮像素子１２の各画素ＰＸｊから読み出された撮像信号ｓｊ（ｔ）はＡ／Ｄ変換器１３を介して画像メモリ１４に記憶される。撮像素子１２の他の列の各画素からの撮像信号についても同様に処理され、画像メモリ１４に複数枚の画像データが記憶される。これらの複数枚の画像データは加算され、特定の投光角度αｉに対して取得された画像データとして画像メモリ１４に記憶される。

この場合、画像メモリ１４の記憶領域から読み出された投光角度αｉに対応する画像データについて、各列毎の撮像信号（撮像信号ｓｊ（ｔ）を一例として説明する）のうち、最も信号レベルの高い画素ＰＸｊを特定することで、その投光角度αｉにおける被検物からの反射光の撮像装置２に対する撮像角度γｊを求めることができる。これらの角度αｉおよびγｊを式（１）の投光角度αおよび撮像角度γに代入することによって、その画素ＰＸｊ（撮像角度γｊ）で撮像される被検物までの距離ｄ１ｊを求めることができる。

なお、本実施の形態では、Ａ／Ｄ変換器１３から出力される一連の撮像信号ｓｊ（ｔ）も原撮像信号Ｔ５として図４のコントロールユニットＣＵに供給されている。後述するように、この原撮像信号Ｔ５は、被写体の明るさを判別するために使用することができる。

−コントロールユニットＣＵ−
図４は、投光装置１および撮像装置２の動作を制御し、撮像装置２の撮像信号を処理して車両前方の被検物体を検出して警報するコントロールユニットＣＵを示す。コントロールユニットＣＵは、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵ、および周辺回路などを備えた制御回路であり、コンピュータのソフトウェアによって後述する各種処理を実行する。ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどのハードウエア構成の論理回路を組合せて実現することも可能である。

コントロールユニットＣＵは、投光装置駆動部３１と、駆動制御部３２と、参照信号生成部３３と、同期検波処理部３４と、画像メモリ３５とを備えている。投光装置駆動部３１は、投光装置１に投光信号Ｔ１１，Ｔ１２を出力して投光装置１からのスリット光ＬＢのパルス発光および走査を制御する。駆動制御部３２は、装置全体の動作を統括的に制御する。参照信号生成部３３は、同期検波のための参照信号を生成する。同期検波処理部３４は、撮像装置２（実際には図３の画像メモリ１４）から供給される撮像信号をその参照信号を用いて同期検波する。画像メモリ３５は、同期検波処理部３４から出力される撮像信号を記憶する。さらに、コントロールユニットＣＵは、照射光抽出部３６と、距離計測部３７とを備えている。照射光抽出部３６は、画像メモリ３５から読み出した撮像信号を用いて、図３を参照して説明したように、スリット光ＬＢの各投光角度αｉ(ｉ＝１〜Ｉ）に対応して反射光（照射光）を受光する撮像素子１２上の画素ＰＸｊ（ひいては撮像角度γｊ）を特定する。距離計測部３７は、投光角度αｉと撮像角度γｊとを用いて式（１）から被検物までの距離ｄ１を算出する。

−駆動制御部３２−
駆動制御部３２には、照度モニタ９からの検出信号Ｔ４と、撮像装置２からの原撮像信号Ｔ５とが供給されている。駆動制御部３２は、投光コントロール信号Ｔ１を投光装置駆動部３１に、カメラコントロール信号Ｔ２を撮像装置２に、参照信号コントロール信号Ｔ３を参照信号生成部３３にそれぞれ供給する。投光コントロール信号Ｔ１により、投光装置駆動部３１は、スリット光のパルス発光のタイミングと投光角度とを制御する。カメラコントロール信号Ｔ２により、撮像装置２は、撮像素子１２による撮像タイミングを制御する。参照信号コントロール信号Ｔ３により、参照信号生成部３３は、参照信号の組合せおよび出力タイミングを制御する。また、図示は省略するが、駆動制御部３２は、画像メモリ３５への撮像信号の読み書きのタイミング、照射光抽出部３６の動作、および距離計測部３７の動作も制御する。このような同期信号Ｔ１〜Ｔ３により、画像メモリ１４に記憶した画像データを投射角度と対応付けすることができ、また、画像メモリ１４から読み出す画像データに乗じる参照信号との同期を取ることが可能となる。

図５（Ａ）および（Ｂ）を参照して撮像信号ｓｊを詳細に説明する。図５は、図３のスリット光ＬＢがある投光角度αｐで点灯しているときに、撮像素子１２の一連の画素ＰＸｊ（ｊ＝１〜Ｊ）から読み出される撮像信号ｓｊの一例を示す。図５（Ａ）は被検物からの反射光が強い場合、図５（Ｂ）は被検物からの反射光が弱い場合である。図５（Ａ）および（Ｂ）において、点線のノイズ信号ＢＧは背景光によるものである。このとき、図５（Ａ）の場合には、被検物からの反射光の光量が最も大きい画素ＰＸｐ（ひいては撮像角度γｐ）を正確に特定できるが、図５（Ｂ）の場合には、単に信号レベルのみから判断すると、ノイズ信号ＢＧによって被検物からの反射光の光量が最も大きい画素が画素ＰＸ２（撮像角度γ２）と誤認されて、被検物までの距離も誤って計算される。

このように背景光が直射日光等の強い光であるか、または被検物が遠方にあって反射光が弱いと、ノイズ信号ＢＧに比べてスリット光ＬＢによる信号レベルが低い。この場合、単に信号レベルのみから判断すると、その被検物に対応する画素ＰＸｊ、ひいては撮像角度γｊを誤認して、それまでの距離が誤って計算される恐れがある。このような誤認を防止するために、本実施の形態では、スリット光ＬＢをパルス発光して、後述のように得られる撮像信号を同期検波する。

−参照信号生成部３３−
図４の参照信号生成部３３において生成される参照信号について説明する。スリット光ＬＢが点灯される期間でハイレベルとなり、消灯している期間でローレベルとなる矩形波信号をｆ（ｔ）として、スリット光ＬＢが点灯しているときの撮像素子１２の任意の画素ＰＸｊの撮像信号ｓ（ｔ）のレベルを２・ａ0 とする。このとき、パルス発光しているスリット光ＬＢによる撮像信号ｓ（ｔ）は次の関数ａ0 ×ｆ（ｔ）で表すことができる。さらに、以下の式では、スリット光ＬＢのパルス発光の周期ＴＰに対応する周波数ｆ（＝１／ＴＰ）の角周波数ω（＝２π・ｆ）を用いて、スリット光ＬＢがデューティ比１：１でパルス発光しているものとして、関数ｆ（ｔ）をフーリエ級数で展開している。

この式（２）から、関数ａ0 ×ｆ（ｔ）には、スリット光ＬＢのパルス発光の周波数ｆの奇数倍、すなわち１倍、３倍、５倍、７倍、…の周波数のｓｉｎ波成分が含まれていることが分かる。そこで、本実施の形態では、そのうちの周波数ｆの１倍、３倍、および５倍の周波数成分を取り出すために、参照信号として、周波数がｆの１倍、３倍、および５倍のｓｉｎ波よりなる３つの参照信号ｒ1（ｔ）（＝sin（ωt）），ｒ3（ｔ）（＝sin（３ωt）），ｒ5（ｔ）（＝sin（５ωt））を用いることとする。具体的に、図４の駆動制御部３２は、コントロール信号Ｔ３により、関数ａ0 ×ｆ（ｔ）で表すことができる撮像信号ｓ（ｔ）を画像メモリ１４から読み込むタイミングに同期して、参照信号生成部３３から３つの参照信号ｒ1（ｔ），ｒ3（ｔ），ｒ5（ｔ）を同期検波処理部３４に出力する。なお、参照信号の数を増加するほど、スリット光ＬＢに起因する撮像信号の検出精度は向上する。

−同期検波処理部３４−
図６は同期検波処理部３４の構成を示す。同期検波処理部３４は、掛算部４１，４２，４３と、加算部４４と、ローパルフィルタ回路（ＬＰＦ回路）４５とを備えている。掛算部４１，４２，４３は、図４の撮像装置２（画像メモリ１４）からの撮像信号ｓ（ｔ）にそれぞれ参照信号ｒ1（ｔ），ｒ3（ｔ），ｒ5（ｔ）を乗算して積信号ｐ1（ｔ），ｐ3（ｔ），ｐ5（ｔ）を出力する。加算部４４は、積信号ｐ1（ｔ），ｐ3（ｔ），ｐ5（ｔ）を加算する。加算部４５の和信号ｐs（ｔ）は次の（３）式で示すことができる。

ｐs（ｔ）＝ ａ0 ×ｆ（ｔ）｛ｒ1（ｔ）＋ｒ3（ｔ）＋ｒ5（ｔ）｝
＝ａ0 ×ｆ（ｔ）｛sin（ωt）＋sin（３ωt）＋sin（５ωt）｝
＝（２／π）（ａ0 ＋ａ0 ／３＋ａ0 ／５）＋周波数ｆ以上の成分 …（３）

ローパルフィルタ回路（ＬＰＦ回路）４５は、（３）式で示される和信号ｐs（ｔ）のなかから、周波数がｆ（スリット光ＬＢのパルス発光の周波数）より小さい周波数成分を有する和信号ｐs（ｔ）を抽出する。ＬＰＦ回路４５は、たとえばカットオフ周波数がｆ／２のローパルフィルタであり、ＬＰＦ回路４５から出力される撮像信号ｘ（ｔ）は、式（３）の直流成分（周波数がｆより小さい成分）に対応している。

同期検波処理について図５（Ｄ）（Ｅ）を参照してさらに具体的に説明する。
図５（Ｄ）は、同期検波処理部３４に供給される撮像信号ｓｊ（ｔ）の時間変化を示すグラフの一例を示している。撮像信号ｓｊ（ｔ）には、背景光によるノイズ信号ＢＧｊに対して、パルス発光されるスリット光による信号成分ＤＳｊが加算されている。信号成分ＤＳｊは、上述したように、最大振幅が２ａ0であり、また、信号成分ＤＳｊ中の黒点は、撮像素子１２からの読み出し時点を意味している。撮像信号ｓｊ（ｔ）を同期検波処理部３４で処理すると、図５（Ｅ）に示すように、背景光によるノイズ信号が除去された低い周波数の信号ＬＦｊよりなる撮像信号ｘｊ（ｔ）が得られる。撮像信号ｘｊ（ｔ）の最高レベルは、所定の係数を除いてａ0 にａ0 ／３およびａ0 ／５を加算したものであり、Ｓ／Ｎ比が向上している。

すなわち、ＬＰＦ回路４５によって、所定周波数以下の信号成分を含む信号（ａ0 ＋ａ0 ／３＋ａ0 ／５）を得ることができる。この信号の強度は、参照信号としてsin（ωt）のみを用いる従来例に比べて、ほぼ５３％高くなっており、背景光に影響されることなく、より高精度にスリット光ＬＢによる反射光を検出できる。なお、参照信号としてｒ1（ｔ），ｒ3（ｔ）のみを用いることも可能であり、この場合に同期検波によって得られる直流の信号レベルは、従来例に比べてほぼ３３％高くなる。

同期検波処理部３４における同期検波処理は、撮像装置２の撮像素子１２の各画素ＰＸｊ（ｊ＝１〜Ｊ）の撮像信号ｓｊ（ｔ）についてそれぞれ実行される。実際には、撮像素子１２の垂直方向に配列された画素の撮像信号についても同様に同期検波処理が行われる。

なお、同期検波処理部３４中の掛算部４１，４２，４３の個数は、使用される参照信号の個数と同じである。また、掛算部４１，４２，４３および加算部４４をデジタル回路またはアナログ回路で構成することも可能である。

図７（Ａ）〜（Ｉ）は、図６に示した各信号の一例を示し、撮像信号ｓ（ｔ）が図７（Ａ）に示す周期ＴＰ（周波数ｆ）の矩形波信号とすると、参照信号ｒ1（ｔ），ｒ3（ｔ），ｒ5（ｔ）はそれぞれ図７（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示すように周期がＴＰ，ＴＰ／３，ＴＰ／５のｓｉｎ波信号である。積信号ｐ1（ｔ），ｐ3（ｔ），ｐ5（ｔ）はそれぞれ図７（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ）に示すような信号であり、それらの和信号ｐs（ｔ）は図７（Ｈ）に示すような信号である。最終的に同期検波後に得られる撮像信号ｘ（ｔ）は、図７（Ｉ）に示すような直流信号となる。なお、実際には、周波数がｆより小さい成分の信号である。図７（Ｉ）から理解されるように、撮像信号ｘ（ｔ）からは背景光に起因するノイズ信号が除去されている。

−計測動作−
図５の距離計測装置で行われる計測動作を図８のフローチャートを参照して説明する。この動作は図５の駆動制御部３２によって制御される。

ステップＳ１において、図４の駆動制御部３２は、同期検波で使用する複数の参照信号の組み合わせを決定する。ここでは、上述のように図３のスリット光ＬＢの周波数ｆを用いて、周波数ｆ，３ｆ，５ｆの３つの参照信号ｒ1（ｔ），ｒ3（ｔ），ｒ5（ｔ）が選択される。なお、図４の照度モニタ９からの検出信号Ｔ４によって背景光の光量が小さいこと（低輝度）が分かるような場合には、例えば周波数がｆおよび３ｆの２つの参照信号のみを使用してもよい。この場合には、図６の同期検波処理部３４において、掛算部４３は使用されない。

ステップＳ３において、駆動制御部３２から、投光装置駆動部３１に投光コントロール信号Ｔ１を出力するとともに、この投光コントロール信号Ｔ１に同期して、撮像装置２にカメラコントロール信号Ｔ２を出力する。これによって、図３のスリット光ＬＢの投光角度αｉ（ｉ＝１〜Ｉ）に対応させて、撮像装置２が撮像動作を行い、撮像素子１２からの撮像信号が画像メモリ１４に記憶される。

ステップＳ５において、駆動制御部３２は参照信号コントロール信号Ｔ３を参照信号生成部３３に出力して、上記の３つの参照信号ｒ1（ｔ），ｒ3（ｔ），ｒ5（ｔ）の同期検波処理部３４への供給を開始させる。これと同期して撮像装置２の画像メモリ１４から、図７（Ａ）〜（Ｄ）に示すタイミングで、各画素の撮像信号ｓ（ｔ）を読み出して同期検波処理部３４に供給する。この結果、ステップＳ９において、同期検波処理部３４において撮像信号ｓ（ｔ）に対して参照信号を用いた同期検波処理が行われて、低い周波数の撮像信号ｘ（ｔ）が得られ、撮像信号ｘ（ｔ）は図３の投光角度αｉに対応して図４の画像メモリ３５に記憶される。

ステップＳ１１において、図３の撮像素子１２の全部の画素の撮像信号について同期検波処理が完了するまで、ステップＳ５からＳ９の処理が繰り返される。ステップＳ１１において、全部の画素の撮像信号について同期検波処理が完了したときに、動作はステップＳ１３に移行して、照射光抽出部３６は画像メモリ３５から撮像信号ｘ（ｔ）を読み出す。そして、図３を参照して説明したように、スリット光ＬＢの各投光角度αｉ毎に照射光の抽出、すなわち撮像素子１２中で最も受光量（撮像信号ｘ（ｔ）の信号レベル）が大きい画素ＰＸｊ（ひいては撮像角度γｊ）が特定される。次のステップＳ１５において、図４の距離計測部３７によって、式（１）を用いて撮像角度γｊ毎に被検物までの距離ｄ１が計測される。

本実施の形態の距離計測装置によれば、以下の作用効果を奏する。
（１）投光装置１は、所定の周波数ｆでパルス発光されるスリット光ＬＢを被検物に照射し、撮像装置２は、パルス光で照射される被検物を含む車両前方の撮像領域を撮像する。周波数ｆ，３ｆ，５ｆの３つの参照信号ｒ1（ｔ），ｒ3（ｔ），ｒ5（ｔ）を用いて、撮像装置２から出力される撮像信号ｓｊ（ｔ）を同期検波し、３つの検波信号を加算する。このような同期検波を撮像素子１２の各画素ごとに行うことにより、背景光に影響されることなく、スリット光ＬＢによる被検物からの光を検出できる。その結果、パルス光（スリット光ＬＢ）の光量レベルを抑えることが可能となり、距離計測装置中の投光装置１の大型化を避けて、外界に与える影響を抑えながらも、背景光の光量レベルが高い環境または被検物からの光が弱い環境下でも、被検物からの光を検出できる。

（２）本実施の形態のようにスリット光ＬＢを矩形波状に点滅させる場合、そのスリット光ＬＢには、その周波数ｆの成分の他に、その２倍以上の高次の周波数成分が含まれる。そこで、参照信号として、周波数ｆの２倍以上の整数倍の周波数の信号も用いることで、従来は検出できなかったパルス光成分も検出でき、被検物からの光の検出精度が向上する。

（３）参照信号には、周波数ｆと同じ周波数の参照信号ｒ1（ｔ）も含まれている。この周波数成分は最も検出信号が大きいため、被検物からの光の検出精度が向上する。
（４）上記の３つの参照信号ｒ1（ｔ），ｒ3（ｔ），ｒ5（ｔ）は、すべて周波数ｆの１倍以上の奇数倍の周波数の信号である。本実施の形態のスリット光ＬＢのようにデューティ比が１：１でパルス駆動される場合には、式（２）で示すように、その周波数成分は周波数（角周波数）が周波数ｆ（角周波数ω）の奇数倍の成分のみが含まれる。従って、参照信号としても、周波数ｆの奇数倍の周波数の信号のみを用いることによって、不要な掛算部を用いることなく、効率的に撮像信号の同期検波を行うことができる。

（５）図５のコントロールユニットＣＵは、投光装置１のパルス発光動作、撮像装置２の撮像動作、および参照信号生成部３３の参照信号生成動作を制御する駆動制御部３２をさらに備えている。従って、撮像装置２での撮像動作と、撮像信号の同期検波とのタイミングを異ならせることができ、多数の画素の撮影素子を使用しても、撮像動作と同期検波動作と距離計測動作の各処理を効率よく円滑に行うことができる。

（６）本実施の形態では、被検物からの光を撮像装置２の撮像素子１２で受光し、同期検波処理部３４は、上記の参照信号を用いて撮像素子１２の複数の画素のそれぞれから読み出される撮像信号の同期検波を行っている。従って、１次元的または２次元的な光量分布を背景光の影響を抑えて効率的に高精度に検出できる。

（７）参照信号は周波数の異なる３つの参照信号を含み、同期検波処理部３４は、撮像装置２から出力される撮像信号にそれぞれその３つの参照信号のうちの互いに異なる一つの信号を掛ける複数の掛算部４１〜４３と、これらの掛算部４１〜４３の出力信号を加算する加算部４４と、加算部４４の出力信号から周波数ｆよりも小さい周波数成分を抽出するローパスフィルタ回路４５とを有している。従って、参照信号の数が多くなっても効率的に同期検波を行うことができる。

（８）本実施の形態の車両は、本実施の形態の距離計測装置を備え、投光装置１は車両の前方に向けてパルス光（スリット光ＬＢ）を照射し、撮像装置２は、車両の前方にある被検物から反射または散乱される光を検出している。従って、背景光に影響されることなく、または被検物が遠方にある場合でも、車両前方の被検物からの光を高精度に検出できる。

（９）本実施の形態の距離計測装置を備えた車両において、同期検波処理部３４から出力される信号に基づいて被検物までの距離を検出する距離計測部３７を備えているため、その被検物までの距離を高精度に計測できる。

上記実施の形態による距離計測装置を以下のように変形することができる。
（１）変形例１
上記の実施の形態では、３つの参照信号ｒ1（ｔ），ｒ3（ｔ），ｒ5（ｔ）を生成して同期検波を行う例を示したが、本発明はこれに限定されず、参照信号の数を増加させてもよい。たとえば、図４の駆動制御部３２では、同期検波処理部３４から出力される撮像信号ｘ（ｔ）のレベル（抽出された照射光の光量レベル）が低い場合、参照信号の数を増加させるように構成することができる。この場合には、例えば式（２）の角周波数７ω９ω……の参照信号を追加する。これによって、撮像信号ｘ（ｔ）の信号レベルを上げることが可能となる。なお、参照信号と同数の掛算器を必要とする。

（２）変形例２
上記の実施の形態では、背景光を検出する照度モニタ９を備えている。そこで、駆動制御部３２は、照度モニタ９で検出される背景光の光量レベルによって検知対象領域の明るさを判断し、この明るさの情報に基づいて、自動的に参照信号生成部３３から出力される参照信号の周波数の組合せを決定してもよい。なお、光量センサ９に代えて、撮像装置２からの撮像信号である原撮像信号Ｔ５のレベルにより明るさを判断してもよい。

照度モニタ９で検出される光量レベル、あるいは撮像装置２による原撮像信号Ｔ５の出力が高い場合、検知対象領域が明るいので、参照信号の数を増加させる。照度モニタ９で検出される光量レベル、あるいは撮像装置２による原撮像信号Ｔ５の出力が低い場合、検知対象領域の明るさが暗いので、参照信号の数を減少させる。これを実施することで、検知対象領域が明るいときにおいても、被検物の検出精度を向上することができる。

（３）変形例３
上記の実施の形態では、スリット光ＬＢは周波数ｆで、かつデューティ比１：１でパルス発光するものとしたので、参照信号の周波数はｆの奇数倍であった。しかしながら、スリット光ＬＢのパルス発光のデューティ比が１：１から外れる場合には、スリット光ＬＢには周波数がｆの偶数倍の成分も含まれることがある。この場合には、参照光としても、周波数がｆの２倍以上の偶数倍の信号を用いることで、被検物の検出精度が向上する。

（４）変形例４
上記の実施の形態では、参照信号に周波数ｆの信号も含まれているが、上記の実施の形態の同期検波処理部３４を従来の周波数ｆの参照信号のみで同期検波を行う装置に付加するような場合には、同期検波処理部３４では周波数ｆの参照信号を用いる必要はない。その従来の同期検波を行う装置の出力に、同期検波処理部３４（この場合には、周波数ｆの参照信号は用いない）の出力を加算することによって、被検物からの光をより高精度に検出可能となる。

（５）変形例５
上記実施の形態では、撮像素子１２の各画素から読み出した撮像信号をデジタル化して同期検波するものとして説明した。しかし、アナログ撮像信号に複数の参照信号を乗じて検波し、生成された検波信号を加算してローパスフィルタリングするアナログ回路で本発明を実現することもできる。
（６）変形例６
上記の実施の形態では、被検物からの光を２次元に複数の光電変換素子を配列した撮像装置２（撮像素子）で受光しているが、被検物からの光を単一のフォトダイオード等の受光素子で受光することも可能である。この場合にも、受光素子の検出信号をスリット光ＬＢの周波数の２倍以上の周波数の信号を含む参照信号を用いて同期検波することで、被検物からの光を高精度に検出できる。これは、例えば車両の前方の１箇所（一つの撮像角度）における被検物までの距離を計測するような場合に適用可能である。このように単一の受光素子の検出信号の同期検波は、ほぼリアルタイムのアナログ回路によっても容易に実現できる。

また、上記の実施の形態では、本発明の光検出装置を車両に搭載した距離計測装置に適用した例を示したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、例えば鉄道や船舶などの他の乗り物や、産業ロボット・警備ロボット・介護ロボットなどのロボット、あるいは産業機器などの移動する装置に搭載される各種の計測装置に適用できる他、固定して使用される測定機器等（形状測定装置等を含む）にも適用することができる。

また、図４の投光装置１から照射する光は、上記の実施の形態で示したスリット光ＬＢ（照射光）に限定されるものではなく、適用された機器、検知対象領域、および被検物に応じて最適の形態の光を照射すればよい。例えば、照射光を単に検知対象領域全体に照射するようにしてもよい。このようにすることで、照射光を高精度で抽出することが可能となる。

さらに、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、本発明は、上述した実施の形態に何ら限定されない。また、上述した実施の形態および変形例は組み合わせてもよい。
なお、特許請求の範囲の構成要素と上述の実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、投光手段は投光装置１に、撮像手段は撮像装置２に、参照信号生成手段は参照信号生成部３３に、同期検波信号出力手段は同期検波処理部３４に、制御手段は駆動制御部３２に、距離情報算出手段は距離計測部３７にそれぞれ対応する。
なお、以上の説明はあくまで一例であり、発明を解釈する際、上記の実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項との対応関係になんら限定も拘束もされない。

本発明の実施の形態の一例の距離計測装置が搭載された車両を示す斜視図である。 その実施の形態において距離計測時の状態の一例を示す図である。 その実施の形態の距離計測装置の光学系等の構成を示す図である。 投光装置１および撮像装置２の動作を制御するコントロールユニットＣＵの構成を示すブロック図である。 （Ａ）は信号レベルが高い場合の各画素の撮像信号の一例を示す図、（Ｂ）は信号レベルが低い場合の各画素の撮像信号の一例を示す図、（Ｃ）は同期検波後の各画素の撮像信号の一例を示す図、（Ｄ）はパルス光の成分を含むある画素の時間軸上の撮像信号の一例を示す図、（Ｅ）はある画素の同期検波後の時間軸上の撮像信号の一例を示す図である。 図４中の同期検波処理部３４の構成を示すブロック図である。 図６の同期検波処理部３４中の各信号の一例を示す図である。 実施の形態における距離計測動作の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１：投光装置 ２：カメラ
ＣＵ：コントロールユニット ３１：投光装置駆動部
３２：駆動制御部 ３３：参照信号生成部
３４：同期検波処理部 ３７：距離計測部
４１〜４３：掛算部 ４４：加算部
４５：ローパルフィルタ回路

Claims (12)

1. 所定周波数で点灯消灯するパルス光を被検物に照射する投光手段と、
   前記パルス光が照射される前記被検物を含む領域を撮像する撮像手段と、
   前記所定周波数の１以上の整数倍の複数の周波数の信号を含む複数の参照信号を生成する参照信号生成手段と、
   前記参照信号生成手段で生成される前記複数の参照信号を用いて、前記撮像手段から出力される撮像信号を同期検波し、同期検波された複数の前記検波信号を加算し、加算した同期検波信号に基づいて、ノイズ成分を除去した計測信号を出力する同期検波出力手段とを備えることを特徴とする光検出装置。
2. 請求項１に記載の光検出装置において、
   前記複数の参照信号のそれぞれは、前記所定周波数の１倍以上の奇数倍の複数の周波数の信号であることを特徴とする光検出装置。
3. 請求項１または２に記載の光検出装置において、
   前記撮像手段は、２次元に配置された複数の画素を有する撮像素子であり、
   前記同期検波出力手段は、前記複数の参照信号を用いて前記複数の画素のそれぞれから読み出された複数の撮像信号をそれぞれ同期検波し、前記複数の撮像信号の同期検波信号に基づいて前記計測信号を出力することを特徴とする光検出装置。
4. 請求項３に記載の光検出装置において、
   前記同期検波出力手段は、
   前記撮像信号に前記複数の参照信号をそれぞれ掛ける複数の掛算部と、
   前記複数の掛算部の出力信号を加算する加算部と、
   前記加算部の出力信号から前記所定周波数よりも低い周波数成分の信号を前記計測信号として抽出するローパスフィルタ部とを有することを特徴とする光検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光検出装置において、
   前記参照信号生成手段は、前記被検物の背景光の明るさが明るいほど、前記参照信号の数を多くすることを特徴とする光検出装置。
6. 請求項４に記載の光検出装置において、
   前記参照信号生成手段は、前記同期検波出力手段の前記加算部から出力される信号、または前記ローパスフィルタ部から出力される前記計測信号レベルが高いほど、前記参照信号の数を多くすることを特徴とする光検出装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の光検出装置において、
   前記投光手段のパルス発光動作、前記撮像手段の撮像動作、および前記参照信号生成手段の信号生成動作を制御する制御手段をさらに備えることを特徴とする光検出装置。
8. 請求項７に記載の光検出装置において、
   前記撮像手段による撮像周期は、前記投光手段から照射されるパルスの発光周期よりも短く、１つのパルス発光周期に対して複数回の撮像が行われることを特徴とする光検出装置。
9. 請求項８に記載の光検出装置において、
   前記撮像手段から出力される撮像信号は、前記投光手段から照射されるパルスの発光タイミングと同期してフレームメモリに転送され、フレームメモリには複数枚分の画像データが記憶されることを特徴とする光検出装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の光検出装置を備えた車両において、
    前記投光手段は、車両前方に向けて前記パルス光を照射し、前記撮像手段は、前記車両前方を撮像することを特徴とする車両。
11. 請求項１０に記載の車両において、
    前記同期検波出力手段から出力される前記計測信号に基づいて前記被検物までの距離情報を算出する距離情報算出手段をさらに備えることを特徴とする車両。
12. 所定周波数で点灯消灯するパルス光を被検物に照射する照射工程と、
    前記パルス光が照射される前記被検物を含む領域を撮像する撮像工程と、
    前記所定周波数の１以上の整数倍の複数の周波数の信号を含む複数の参照信号を生成する参照信号生成工程と、
    前記参照信号生成工程で生成される前記複数の参照信号を用いて、前記撮像工程で取得される撮像信号を同期検波し、同期検波された複数の前記検波信号を加算し、加算した同期検波信号に基づいて、ノイズ成分を除去した計測信号を出力する同期検波出力工程とを備えることを特徴とする光検出方法。