JP5243996B2 - 物体検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、可視光或いは近赤外、遠赤外光を利用して人体、自動車、障害物などの物体（被検知物）を検知する物体検知装置に関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術によって形成される小型の光偏向器を利用して小型化される物体検知装置に関する。

従来、ＭＥＭＳ技術を用いて超小型に形成された光偏向器を使用して、物体検知装置を小型化することが提案されている。

例えば、特許文献１に示す物体検知装置は、光を被検知領域に照射する発光素子と、被検知領域にある被検知物から反射された反射光を受光する受光素子と、前記受光素子を回転させる回転駆動手段と、前記受光素子により受光された反射光の強度分布を得る検知手段と備えている。

前記回転駆動手段は、少なくとも一対の圧電ユニモルフ振動板と、前記圧電ユニモルフ振動板の一端を固定して支持する空洞部を有する支持体と、前記圧電ユニモルフ振動板に弾性体を介して接続され、前記圧電ユニモルフ振動板の圧電駆動により前記空洞部内で回転振動する基板とで構成されており、前記基板上に前記受光素子を配置している。

前記検知手段は、前記基板の回転角度に対する前記反射光の強度分布から前記被検知物の存在とその方向を検知する。

この物体検知装置によれば、発光素子として発光ダイオードを用いて、被検知物の存在とその方向を検知することができる。また、前記受光素子を同一平面上に複数設けることによって、当該平面から被検知物までの距離を求めることもできる。

特開２００８−２４９４１２号公報

しかしながら、上記のような物体検知装置では、前記被検知物の存在とその方向及び距離だけでなく、被検知物の形状及び大きさも検知することが望まれる。また、受光素子を複数設置することなく被検知物までの距離を求めることができれば、物品検知装置のさらなる小型化を達成できる。

本発明の目的は、被検知物の存在、方向、または距離だけでなく、形状や大きさをも検知することができる超小型物体検知装置を提供することにある。

本発明の物体検知装置は、発光素子と、発光素子から照射された光を線状光に変換する回折光学素子と、前記発光素子と前記回折光学素子とを回転させる回転駆動手段と、前記線状光をその線方向と直交する方向に走査することによって形成される検知領域にある被検知物から反射された反射光を受けて前記反射光のパターンを生成する撮像素子と、前記撮像素子により生成された前記反射光のパターンから前記被検知物の存在、その方向、形状又は大きさを検知する検知手段とを備え、前記回転駆動手段は、少なくとも一対の圧電ユニモルフ振動板と、前記圧電ユニモルフ振動板の一端を固定して支持する支持体と、前記圧電ユニモルフ振動板に接続されかつ該圧電ユニモルフ振動板の圧電駆動により回転振動する基板とで構成され、前記基板上に前記発光素子と前記回折光学素子とが配設されることを特徴とする。

本発明の物体検知装置によれば、発光素子から照射された光は、回折光学素子により線状光に変換される。この線状光は、圧電ユニモルフ振動板の圧電駆動により回転振動されながら、その線方向と直交する方向に走査されることによって、面状の線状光のパターンを形成する。

このとき、被検知領域内に物体が存在すると、撮像素子で生成される線状光の反射光のパターンが物体の形状および大きさに応じて歪むので、この反射光のパターンの歪み位置、歪み範囲を検知手段で検知すれば、物体の形状や大きさもわかる。すなわち、従来の複雑な画像処理をすることなく、物体の存在、方向に加えて、その形状と大きさも検知することができる。

また、本発明の物体検知装置によれば、前記反射光のパターンの歪みに基づいて、物体の形状等を検出するので、撮像素子の解像度は、一般的なカメラ用撮像素子よりも低い解像度でも足り、その分安価な撮像素子を用いて、装置の製造コストを抑えることができる。また、物体の検知に必要な反射光のパターンは低い解像度で生成できるので、撮像の画素数を低く設定することにより感度を上げることができる。これにより、発光素子から照射される光が弱い場合であっても物体の形状等を検知することが可能となる。

本発明の物体検知装置において、前記発光素子は、前記撮像素子の撮影周波数と同期したパルス光を照射するように制御することが好ましい。

この場合、パルス光を被検知物にあて、その反射光を受光するまでの時間を測定することで、受光素子を複数備えることなく、被検知物までの距離を算出することができる。さらに、この距離の算出結果と前記物体の形状の算出結果を合算することにより、被検出物の正確な大きさを算出することができる。

本発明の好ましい態様では、前記発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いることができる。例えば、レーザ源とこれを駆動するための装置は構造が複雑で高価であり、また、レーザ光はその高い指向性や収束性により、人の目に入ると網膜を傷つけるおそれがある。これに対し、ＬＥＤは、レーザ源よりも構造が簡単で安価であることに加え、発光素子として指向性や収束性が低いため、アイセーフの面で安全性に優れている。

また、本発明では発光素子から照射される光が弱くても物体検知をすることができるため、大光量を出射するときに問題となるＬＥＤの温度上昇による性能劣化の問題を回避することができる。

また、発光素子としては、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を使用することもできる。ＶＣＳＥＬの場合には、発散角がＬＥＤより小さいので、遠方までの検知が可能となる。また、出力は一般的な端面出射型のレーザに比べて低いので、アイセーフの問題も緩和される。

本発明の物体検知装置においては、前記発光素子の発光頻度または前記回転駆動手段の回転速度を制御する制御手段を備え、該制御手段は、被検知物の有無を走査するための第１の制御モードと、被検知物の種類を走査するための第２の制御モードとを有することが望ましい。第１の制御モードでは、発光素子の発光頻度または回転駆動手段の回転速度を相対的に低く制御し、第２の制御モードでは、発光素子の発光頻度または回転駆動手段の回転速度を相対的に高く制御する。

この制御手段による第１のモードは、物体の存在の有無のみを検出するモードであり、走査線の数はそれほど必要としない。この第１のモードにおいて、検知領域内に物体が存在すると、走査線状光の歪みから物体の存在がわかる。

次に、前記制御手段による第２のモードでは、第１モードと比較して、発光素子の発光頻度または回転駆動手段の回転速度を相対的に高くし、走査線の数を増やすことにより、撮像素子における画像データの解像度を高め、物体の方向、距離、形状及び大きさを検知することができる。

結果として、この制御手段を備えると、第１のモードによるラフスキャンによって、物体の存在とその距離を検知し、その後の第２のモードによるファインスキャンによって、物体の形状・大きさを検知することができる。このため、検知手段として用いられる演算素子の能力を十分に活用することが可能となる。すなわち、処理能力の低い安価な演算素子を用いても物体検知ができ、製造コストを抑えることができる。

本発明の一実施形態の物体検知装置を示す斜視図。 本発明の一実施形態の光スキャナを示す斜視図。 （ａ）は光スキャナの静止時を示す斜視図、（ｂ）は光スキャナの駆動時を示す説明的斜視図。 光スキャナの基板を示す説明的平面図。 図４のＶ−Ｖ線に沿う断面図。 光源から出た光が線状光に変換されることを示す説明図。 本発明の一実施形態の物体検知装置の線状光パターンの照射を示す説明的斜視図。 本発明の物体検知の原理を示す説明図であり、（ａ）は被検知領域に被検知物がない場合の反射光のパターン図、（ｂ）は被検知領域に被検知物がある場合の反射光のパターン図。 本発明の一実施形態の物体検知装置によるパルス光の照射を示す説明的斜視図。

図１に示すように、本実施形態の物体検知装置１は、ＭＥＭＳによる光スキャナ２を備えている。この光スキャナ２の回転振動する基板１２（図４）上には、発光素子３と、発光素子３からの光を線状光１６（図６、図７）に変換する回折光学素子４とが接合されている。

また、本実施形態の物体検知装置１は、発光素子３からの線状光１６を被検知領域にある被検知物Ｗ（図９参照）が反射した反射光１７を生成する撮像素子５と、撮像素子５により生成された反射光１７を検知する検知回路６とを備えている。

発光素子３は、安価で扱いやすいインコヒーレント光を発生するＬＥＤからなり、これによって可視光又は近赤外光を被検知領域に照射する。

撮像素子５は、一般的なビデオカメラで使われるＣＭＯＳ撮像素子を使用することができる。物体検出の場合にはフルカラーである必要はないので、監視カメラ用のモノクロＣＭＯＳ撮像素子で足りる。その撮像素子の解像度も、ＶＧＡ以下の低解像度のものが使えるので、製造コストを抑えることができる。

発光素子３の発光中心軸と撮像素子５の撮像中心軸とは、一致するように配置される。

撮像素子５の実装方法は、ダイアタッチ剤でダイボンドしたのちにワイヤーボンディングでパッケージと電気的に接続する一般的な方法でよい。ただし、貫通電極付きのＣＭＯＳ撮像素子であれば、ハンダのボール・グリッド・アレイ（以下ＢＧＡ）で接続することも可能である。

次に、図２及び図３を用いて、光スキャナ２の回転振動原理を説明する。

光スキャナ２は、チタン酸ジルコン酸鉛（以下ＰＺＴ）等の圧電体薄膜をシリコンウエハ上に成膜し、このシリコンウエハをカンチレバー構造にエッチング加工したものを、電圧印加による圧電体の伸縮をカンチレバーの先端変位として取り出す圧電ユニモルフ振動板８を駆動源の基本としている。

光スキャナ２は、図２に示すように、複数の圧電ユニモルフ振動板８を折り返しながら連結した圧電振動部９，１０と、各圧電振動部９，１０の一端を固定して支持する支持体１１と、一対の圧電振動部９，１０に挟まれる形で接続された回転振動する基板１２とを備えている。

図３(ａ）に示すように、各圧電振動部９，１０を構成する折り返された圧電ユニモルフ振動板８は、一つ飛ばしで２系統の電気配線が形成されている。

基板１２の偏向原理は、図３(ｂ）に示すように、奇数番および偶数番の圧電ユニモルフ振動板８にそれぞれ逆向きの印加電圧を加えることで、個々の圧電ユニモルフ振動板８が上下交互に歪曲し、圧電振動部９，１０の先端部に大きな偏向角を発生させるものである。

圧電ユニモルフ振動板８単体の変位量は微量だが、それを積算することで大きな偏向角を与えることができ、機械的共振を利用しなくても、実用上十分な偏向角が得ることができる。

基板１２は、図４及び図５に示すように、電極配線１３を備え、この電極配線上に発光素子３をフリップチップ実装により接続する。この接続は、例えば、AuSn共晶接合、Au-Au固相拡散接合、又は図示のAuバンプ１５による接合によって行うことができる。この接合によれば、公知のワイヤーボンディングと比較して、発光素子３の上に回折光学素子４を配設するのが容易であるとともに、基板１２が回転振動してもワイヤーボンディングのワイヤーが断線するおそれが低いという利点がある。もっとも、ワイヤーボンディングで実装しても良い。

発光素子３の接合はチップをダイボンダーで基板１２上にマウントしてもよいし、ウエハレベルで光スキャナ２の加工ウエハ上に接合してもよい。

また、通常のフリップチップ実装では、成長基板であるGaAsやサファイアが最上面に位置するが、10μm以下の厚みの発光素子３に対して100μm以上の厚みをもつ成長基板の存在は、発光素子３と回折光学素子４との接合の妨げになる場合がある。

これを避けるために、基板１２上に発光素子３としてＬＥＤを接合した後に、成長基板を除去してエピ成長発光部のみを残す、いわゆる薄膜ＬＥＤの形態にしてもよい。薄膜ＬＥＤの場合には、基板１２の質量にほとんど変化が生じないため、光スキャナ２の設計通りに基板１２が回転振動することができる。

回折光学素子４は、ガラスウエハまたはプラスチック基板上にコートされた透明樹脂を微細加工された型で押し込んで、表面に複雑な凹凸パターンを形成した平面光学素子であり、基板１２に接合された発光素子３上に配設される。

回折光学素子４を配設するためには、例えば、図示のように光学接着剤１４を介して発光素子３上に直接接着する方法と、発光素子３とは接着せずに基板１２のみと接着する方法とがある。いずれを選ぶかは、全体の寸法、ＬＥＤの発光波長、回折光学素子の材料、線状化率等を考慮して決める。

この回折光学素子４は、図６（ａ）〜（ｆ）に示すように、発光素子３からのランバーシアン配向光を、一次元的な配向である線状光１６へと変換する。例えば、ＬＥＤの場合にはレーザに比べてコヒーレント性が小さいので、厳密な意味の線形状にはならないが、基本発光パターン（図６（ａ）、（ｂ））に比べると明らかに線状の配向に見える程度の配向（図６（ｅ）、（ｆ））を形成することが可能である。

次に物体検知の原理について説明する。

まず、図７に示すように、発光素子３と回折光学素子４とで形成された線状光１６は、光スキャナ２によって回転振動されながら、線状光１６の線方向と直交する方向に走査され、面状の線状光１６のパターンを形成する。

この線状光１６のパターンは、被検知領域に物体がない場合には、線状光１６の反射光１７のパターンとして、乱れなくそのままの形状で撮像素子５に生成される（図８（ａ））。これに対し、被検知領域に物体が存在するときには、線状光１６の反射光１７のパターンは、物体の形状、大きさに応じて各線状光１６のパターンに歪みが生じた状態で撮像素子５に生成される（図８（ｂ））。

この撮像された各線状光１６の反射光１７の歪み位置、歪み範囲を検知手段により検知することで、複雑な画像処理をすることなく、物体の存在、方向のみならず、その形状と大きさも検知することができる。

このとき、図９に示すように、発光素子３の発光を撮像素子５の撮影周波数と同期したパルス光とすると、光が物体で反射されて撮像素子に戻ってくるまでの時間を測定することができ、このようなタイムオブフライト（ＴＯＦ）の原理で物体までの距離を算出することが可能となる。

また、距離と物体の形状の結果を合算することで、物体の大きさを正確に検出することができる。

本実施形態においては、発光素子３の発光頻度または光スキャナ２による基板１２の回転速度を制御する制御手段として、ＣＰＵを備えた検知回路６が設けられている。ＣＰＵは、被検知物の有無を走査するための第１の制御モードと、被検知物の種類を走査するための第２の制御モードとを有する。第１の制御モードは、発光素子３の発光頻度または光スキャナ２による基板１２の回転速度を相対的に低く制御し、第２の制御モードでは、当該発光頻度または当該回転速度を相対的に高く制御する。

この第１の制御モードは、物体の存在の有無のみを検出するモードであり、走査線の数はそれほど必要としないので、例えば走査周波数を１０Ｈｚに設定し線状光１６を走査すればよい。第１の制御モードにおいて、検知領域内に物体が存在すると、線状光１６の歪みから物体の存在がわかる。

第２の制御モードでは、第１モードと比較して、前記発光頻度または前記回転速度を相対的に高く、例えば走査周波数を１００Ｈｚに設定し走査線の数を増やすことにより、撮像素子における画像データの解像度を高め、物体の方向、距離、形状及び大きさを検知することができる。

この結果、第１の制御モードによるラフスキャンによって、物体の存在とその距離を検知し、その後の第２の制御モードによるファインスキャンによって、物体の形状・大きさを検知することができ、演算素子の能力を十分に活用することが可能となる。すなわち、処理能力の低い安価な演算素子を用いても物体検知ができ、製造コストを抑えることができる。

本発明の小型物体検知装置は、以下の分野で好適に用いられる。
・自動車の助手席の乗員検知（大人／子供、人間／犬の相違を判別）
・自動車のプリクラッシュ検知システム
・異種混合ラインでの製品仕分け

基板のサイズが２ｍｍ角、チップサイズが４ｍｍ角のＭＥＭＳ光スキャナの基板上に３００μｍ角、発光波長８３０ｎｍのＡｌＧａＡｓ系ＬＥＤチップをフリップチップ実装し、その上からガラスウエハ上にモールド形成された回折光学素子をＵＶ硬化樹脂によって接着した。この光スキャナと別行程で作成された３０万画素のモノクロＣＭＯＳ撮像素子をＨＴＣＣパッケージに光軸を合わせて実装した。最後に８３０ｎｍの波長に対する両面ＡＲコート付きのガラスで同パッケージを封止した。

このパッケージと制御回路および電源部とを一つの匡体にまとめてマッチ箱程度と非常に小型の物体検知装置を作製した。

この装置を自動車の乗員検知、すなわち助手席に人間が座っているかどうかを検出する用途に適用した。

走査周波数はラフスキャン時が１０Ｈｚ、ファインスキャン時が１００Ｈｚ、発光出力は５ｍＷとした。走査角は光学全角で６０°とした。撮像素子には可視光カットフィルタを設けて、走査線状光の光のみを撮像するように設定した。

その結果、人間が座っているか否かはもちろんのこと、大人か子供、子供か犬の違いまでもが線状光の歪みによって判別でき、乗員検知として十分に使用できることがわかった。

１…物体検知装置、２…光スキャナ、３…発光素子、４…回折光学素子、５…撮像素子、６…検知回路、８…圧電ユニモルフ振動板、９…圧電振動部、１０…圧電ユニモルフ振動板群、１１…支持体、１２…基板、１３…電極配線、１４…光学接着剤、１５…Auバンプ、１６…線状光、１７…反射光、Ｗ…被検知物。

Claims (4)

1. 発光素子と、
   前記発光素子から照射された光を線状光に変換する回折光学素子と、
   前記発光素子と前記回折光学素子とを回転させる回転駆動手段と、
   前記線状光をその線方向と直交する方向に走査することによって形成される検知領域にある被検知物から反射された反射光を受けて前記反射光のパターンを生成する撮像素子と、
   前記撮像素子により生成された前記反射光のパターンから前記被検知物の存在、その方向、形状又は大きさを検知する検知手段とを備え、
   前記回転駆動手段は、少なくとも一対の圧電ユニモルフ振動板と、前記圧電ユニモルフ振動板の一端を固定して支持する支持体と、前記圧電ユニモルフ振動板に接続されかつ該圧電ユニモルフ振動板の圧電駆動により回転振動する基板とで構成され、前記基板上に前記発光素子と前記回折光学素子とが配設されることを特徴とする物体検知装置。
2. 前記発光素子は、前記撮像素子の撮影周波数と同期したパルス光を照射するものであることを特徴とする請求項１記載の物体検知装置。
3. 前記発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の物体検知装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の物体検知装置において、
   少なくとも前記発光素子の発光頻度または前記回転駆動手段の回転速度を制御する制御手段を備え、
   該制御手段は、被検知物の有無を走査するための第１の制御モードと、被検知物の種類を走査するための第２の制御モードとを有し、
   前記第１の制御モードでは、前記発光素子の発光頻度または前記回転駆動手段の回転速度を相対的に低く制御し、前記第２の制御モードでは、前記発光素子の発光頻度または前記回転駆動手段の回転速度を相対的に高く制御することを特徴とする物体検知装置。