JP6382899B2 - 物体検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、光源を用いて発信光のパルスが検出領域へ繰り返し送出され、該検出領域から受け取った受信光が複数の検出器を有する検出装置で捕らえられる物体検出方法に関する。本方法では、複数の検出器を含む領域であって、その内側で受信光が前記複数の検出器に当たるような評価領域が定められる。

この種の物体検出方法は、例えば物体の有無の検査又は運動する物体の検出に用いられる。特にそのような方法は、製造工程において、例えばベルトコンベア上で搬送される物品を検出するために用いることができる。

その際、検出すべき物体と光源との間の空気中に塵埃粒子等が存在し、それが光源から送出される発信光のパルスを反射する、という問題が生じることがある。

光を反射する塵埃粒子は、（余分な）物体として誤認識される可能性があり、その結果不所望のスイッチング信号が出力される恐れがある。また、本来検出すべき物体に誤った距離が割り当てられる可能性もある。

塵埃粒子又は汚染粒子とは、例えば花粉や、摩耗により生じる粒子等、空中に浮遊する微粒子と解することができる。

特に、光源から送出される発信光を非常に小さな点に収束させる操作を伴う高い位置分解能を前提とし、且つ高い感度を条件とする場合、前記のような塵埃粒子及び汚染粒子の誤認識を間違いなく抑制できないことが頻繁に起こり得る。

本発明の基礎を成す課題は、冒頭で述べた種類の方法において、対応の難しい（特に塵埃の多い）環境条件下であっても確実に物体を認識できる方法を提示することである。

この課題は請求項１に記載の方法、特に、評価領域の内側に複数の部分領域が定められ、続いて、複数の互いに相前後する発信光のパルスを用いて前記複数の部分領域の少なくとも一部が順次評価され、それら部分領域の評価が組み合わされて、検出領域内の物体の有無が確認される、という方法により解決される。

言い換えると、従来のように単一の時点においてその都度評価領域全体で評価を行う代わりに、各受信光の評価を、それぞれ異なる時点において評価される複数の部分領域に分配する。ただし、それら部分領域の一部を同時に評価してもよい。続いて、物体の有無の確認、又は、検出領域が「空」であること、つまり検出すべき物体がないことの確認を行うために、個々の部分領域の評価の結果を組み合わせる。

本発明は、塵埃粒子は検出すべき物体に比べて相対的に小さいという知見を利用している。つまり、塵埃粒子により反射された光（つまり塵埃粒子からの受信光）は、検出装置のうち少数の検出器、例えば１つの部分領域にしか戻ってこない。

本明細書では主として塵埃粒子を引き合いに出す。ただし、仮に塵埃粒子だけが模範例として挙がっていても、その記述は花粉や汚染物質等、他の微小なノイズ源又は粒子についても当てはまる。

光源からの複数の発信光のパルスにわたる従来の（本発明によらない）評価領域全体の評価では、パルス毎に塵埃粒子の信号が処理され、その信号が複数のパルスにわたって加算され、その結果、例えばエネルギーの評価の際、塵埃粒子から戻ってくるエネルギーが相当な量となって評価されるため、その塵埃粒子が（誤って）独立の物体として認識される。

本発明に従って評価を複数の部分領域に順次分配することにより、塵埃粒子から反射されてくる放射光が例えば１回だけ（つまり、該塵埃粒子からの反射光が入射する部分領域の評価の際に）評価に算入される。従って、塵埃粒子に由来する受信光は、評価される受信光全体において非常に僅かな分量のエネルギー、つまり部分領域がｎ個であれば通常わずかｎ分の１のエネルギーしか有していない。従って、通常は塵埃粒子が誤って物体と認識されることはない。なぜなら、反射されたエネルギーの流入量が物体として認識されるには不十分だからである。

従って、本発明に係る方法によれば、塵埃粒子が存在する場合でも、誤ったスイッチングや誤った測定を回避し、所望の物体（例えば特定の大きさ以上の物体）のみを認識することができる。

光源から送出されるパルスは一般に電磁気的な光線を含むことができ、例えば赤外レーザ光が検出領域へ送出される。パルスとは時間的に区切られて送出される発信光である。光源にはレーザが好適に用いられる。

検出領域とはその内部で物体を認識できる又は認識すべき空間領域と解すべきものである。

光源から放射された発信光は、検出領域内で、例えば直反射又は拡散反射により反射されるが、その反射された発信光を受信光と呼ぶ。検出領域から受け取られるそれ以外の光を迷光又は外部光と呼ぶ。特に、迷光又は外部光も検出装置により、つまりは検出器により捕らえられる可能性がある。

受け取られた光は、例えばレンズ、好ましくはフィルタを備えるレンズにより検出装置へ導かれる。このフィルタは、例えば光源の波長領域でのみ光を通過させるバンドバスフィルタとすることができる。これにより、可能な限り多くの迷光が抑制される。

本方法の実施に際して、評価領域は、検出すべき物体から反射される光（受信光）が非常に大きな確率で見出される（つまり検出装置に当たる）場所に定められる。評価領域を確定するために、発信光のパルスを検出領域へ送出し、物体のおよその位置を反射光に基づいて、特にその強度に基づいて求めることができる。この場合、評価領域の大きさ及び形状をその都度の用途に適合させること、そして好ましくは固定しておくことが可能である。評価領域の大きさ及び形状とは、検出装置の検出器のうち該評価領域に割り当てられた検出器により分けられた面と解すべきものである。例えば検出器が平面上でマトリックス状に配置されている場合、評価領域は長方形、正方形又は略円形とすることができる。あるいは評価領域が、検出すべき物体の輪郭に合わせた形状を有していてもよい。検出領域の外側で検出装置に当たる光は物体の検出の際に考慮の対象外とされる（評価領域を確定する場合を除く）。

こうして評価領域の内側に複数の部分領域が定められる、つまり評価領域の一部の面がそれぞれ１つの部分領域に割り当てられる。１つの部分領域は少なくとも１つの検出器を含む。部分領域は、例えば所定のパターンに従って、又はランダムに、駆動中に動的に選択することができる。あるいは部分領域を予め、つまり例えば本方法を実施する装置の製造時に、固定的に設定しておいてもよい。

各部分領域はそれぞれ１個又は複数の発信光のパルスにより順次評価される。より正確に言えば、光源を用いて複数のパルスが生成され、各パルスに対して好ましくはまさに１つの部分領域だけが評価される。これは、該部分領域に対して、該部分領域に検出領域からの光の入射があるか、入射時点はいつか、及び／又は、光量はどのくらいかが把握されるということを意味する。その際、高い強度の受信光を伴う強い直反射は、検出領域内に物体があることを示唆する。

受信光を迷光から区別するため、パルスの持続時間中に部分領域に入射する光を、その前及び後に部分領域に入射する光と比べた差に基づいて、受け取った光のどの分量が受信光でありどの分量が迷光であるかを調べることができる。

１つの部分領域についての評価が終了したら、次の部分領域が同様に評価される。つまり、再び１個又は複数の発信光のパルスが送出され、受け取られた光が評価される。

全ての部分領域についての評価が終了したら、検出領域内の物体の有無を推定したり、検出領域が空であることを確認したりするために、各部分領域の評価を（例えば平均値の計算により）組み合わせる。物体が検出されたら、例えばスイッチ出力を作動させて物体の存在を知らせる。

本発明の有利な発展形態は、本明細書、従属請求項及び図面から読み取ることができる。

第１の有利な実施形態では、受信光の強度に基づいて評価領域の位置及び／又は大きさが確定される。加えて、検出装置のどの領域に物体の受信光が当たる可能性がありそうかを見積もるために、検出装置の全ての検出器の予備評価が行ってもよい。この見積もりは、例えば受信光の強度に基づいて、つまり受け取った光子の数を数えることにより行われる。これにより、物体と思われるものの位置が少なくとも大まかに特定できる。そうすれば、物体により反射された光、つまり物体に付属する受信光が評価領域の内側で検出装置に当たるように、評価領域を定めることができる。評価領域の大きさ及び許容される位置は固定的に決めておいてもよく、例えば適宜の装置を設置又は校正する際に確定することができる。

好ましくは、少なくとも１つの部分領域の面が長方形又は正方形である。この場合、該１つ又は複数の部分領域は、予め固定的に定められた幾何形状を有する空間的につながった面を画定する。また、前記のような長方形又は正方形の部分領域の他、ほぼ円形又は楕円形に部分領域を選択してもよい。長方形又は正方形の部分領域の場合、該部分領域のアスペクト比は、検出装置の全ての検出器により覆われた面のアスペクト比と一致させてもよい。

特に、全ての部分領域が同一形状であるようにしてもよい。

別の有利な実施形態では、いずれの部分領域も同数の検出器を含む。例えば、各部分領域が１個、４個、９個、１６個又は２５個の検出器を含む。同様に、検出器がマトリックス状に配置されている場合、例えば２個目、３個目、４個目、８個目又は１０個目毎に検出器が１つの部分領域に割り当てられるように部分領域を選択してもよい。この場合、１つの部分領域の検出器は空間的につながった面を形成しないものの、評価領域の内側には位置する。

別の有利な実施形態では、少なくとも１つの部分領域の面が分散して配置される。言い換えると、１つの部分領域を複数の面から成るものとすることができる。これらの面は互いに離して配置してもよい。つまり、１つの部分領域が空間的につながった面を形成しないようにしてもよい。

別の有利な実施形態では、少なくとも２つの部分領域が少なくとも部分的に重なり合う又は互いに境界を接している。互いに重なり合う２つの部分領域では少なくとも１個の検出器が両方の部分領域に割り当てられ、その結果、両方の部分領域の評価の際に考慮される。互いに境界を接する部分領域では一方の部分領域の少なくとも１個の検出器が他方の部分領域の１つの検出器に直接隣接する。

特に好ましくは、全ての部分領域が異なる態様で選択される。これは、どの２つの部分領域も同一ではない、つまり形状及び位置が一致していないことが好ましい、ということを意味する。あるいは、２つ以上の部分領域を同じ態様で選択して、同じ領域が複数回、異なる時点に評価されるようにしてもよい。これは動きが速い塵埃粒子の場合に有利となり得る。

別の有利な実施形態では、各部分領域の評価のために１個より多い発信光のパルス、好ましくは少なくとも５０個のパルス、特に好ましくは少なくとも２５０個のパルスが用いられる。この場合、光源は各部分領域の評価のために例えば少なくとも２５０個のパルスを検出領域へ送出し、各部分領域の全ての検出器にて少なくとも２５０回、受け取った光が測定される。あるいは、例えば各部分領域の評価のために最大で１０個又は最大で１００個のパルスだけを用いてもよい。発信光の各パルスの持続時間は１ナノ秒未満、好ましくは５００ピコ秒未満、特に好ましくは３００ピコ秒未満とすることができる。

従来の測定に比べて測定時間が長くならないようにするため、従来より用いられている測定のためのパルス数を各部分領域に均一に分配することができる。例えば、通常に用いられるパルスが１０００個、部分領域が４つであれば、前述のように部分領域あたり２５０個のパルスを利用できる。

別の有利な実施形態では、部分領域の評価の順序が基準点に対する各部分領域の距離に応じて決められる。基準点は、例えば評価領域の中心点とすることができる。距離に加えて、各部分領域が評価領域内において例えば垂直線と成す角度を考慮に入れてもよい。

特に好ましくは、検出領域における物体の有無及び／又は距離を確定するために、送出された発信光と受け取られた受信光との間の時間のずれが算出される。つまり、例えば発信光の送出とそれに対応する受信光の捕捉との間の時間の長さに基づいて検出領域における物体の有無及び／又は距離を確定することができる。従って、一般的に言えば、物体の認識を行うために、いわゆる光伝播時間法又は飛行時間法（Time Of Flight Verfahren）を用いることができる。これにより、例えばある特定の距離（例えば８００ｍｍから１２００ｍｍまでの距離）にある物体のみを、検出された物体として示すことができる。この場合、その範囲外の物体は物体として示されない。つまり、検出領域の大きさを特に距離方向にも調整できる。光伝播時間法に加えて、受信光の強度を物体認識のために考慮に入れることもできる。

また、検出器はシングルフォトンアバランシェダイオード（Single Photon Avalanche Diode; SPAD）であることが好ましい。この検出器は一般にアバランシェダイオードと呼ばれるものでもよい。アバランシェダイオードはガイガーモードで駆動することができる。このモードでは、わずか１個の光子が電子なだれを誘発することができ、その結果容易に検出できる電気信号が発生する。従って、この種の検出器によれば非常に高感度な測定が可能であり、増幅素子が不要となる。それにより、特に暗い物体でも良好に認識でき、また増幅器用のスペースを節約することができる。

電子なだれは例えば２０ナノ秒から５０ナノ秒持続し得るが、このなだれのせいで、その都度の検出器はなだれの間、更なる入射光子に対して不感状態となる。従って、この検出器には２０ナノ秒から５０ナノ秒のむだ時間がある。

前記検出器は、発信光の送出から受信光の捕捉までの時間の長さを特定するために、少なくともその一部が時間デジタル変換器（Time-to-Digital Converter; TDC）と結合されていることが特に好ましい。時間デジタル変換器は、短い時間間隔を捕らえてデジタル的に出力することができる素子である。このようなＴＤＣはナノ秒未満、好ましくは１００ピコ秒未満の時間分解能を示すことができる。従って、ＴＤＣを用いれば物体までの距離を相対的に正確に特定できる。

別の有利な実施形態では、各時点において評価される部分領域内にある検出器のみが時間デジタル変換器に結合される。

ＴＤＣを使用するとコストが高くなる可能性があるため、通常、ＴＤＣの使用数はできるだけ少なくすることが望ましい。評価を複数の部分領域に分けることで、ＴＤＣの使用数を減らすことができ、それにより本方法を安価に且つ経済的に実施することができる。特に、指定される検出器の数がいずれの部分領域においても最大でＴＤＣと同数となるように部分領域を選択することができる。例えば装置に２５個のＴＤＣがある場合、１つの部分領域が最大で２５個の検出器を含むようにする。この場合、２５個のＴＤＣは各部分領域の２５個の検出器に順次切り替えられる。このような切り替えは交換マトリックスを用いて好適に行うことができる。一般には、例えば少なくともＴＤＣの個数の２０倍を超える数の検出器を設けることができる。

本発明の別の対象は、光源と、複数の検出器を備える検出装置とを有する物体検出装置である。この装置は、先に説明した方法を実施するように構成された制御ユニットを備える。

前記装置の検出器はシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）であることが好ましい。また、前記検出器の少なくとも一部が時間デジタル変換器（ＴＤＣ）に結合されていることが好ましい。

本発明に係る方法についての説明は本発明に係る装置にも同様に当てはまり、特にその利点及び好ましい実施形態についてそれが言える。

以下、図面を参照しながら、単に模範例として本発明の説明を行う。

本発明に係る装置の概略図。 検出装置の概略図。

図１はレーザダイオードの形をした光源１２を含む物体認識装置１０を示している。光源１２はレーザ光のパルス、つまり発信光１４を検出領域１６へ繰り返し送出する。検出領域１６には物体１８と塵埃粒子２０が存在する。

物体１８と塵埃粒子２０はともに発信光１４を物体認識装置１０へ受信光２２として反射する。受信光２２の他、物体認識装置１０は迷光２４にもさらされる。受け取られた光２２及び２４はレンズ２６によりフィルタリングされて検出装置２８に投射される。

検出装置２８を図２に平面図で示す。検出装置２８はシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）として構成された多数の検出器３０を含む。これら検出器３０は均一なマトリックス状のラスタ（網目）内に配置されている。検出器３０のうちその都度９個を交換マトリックス（図示せず）により９個の時間デジタル変換器（ＴＤＣ。これも図示せず）と電気的に接続することができる。

図２の中には、円形の評価領域３２、つまりいわゆる「関心領域（Region Of Interest; ROI）」が描き込まれている。評価領域３２は、入射光２２及び２４の強度測定に基づいて定められ、物体１８から検出領域２８へ反射される受信光２２が投射される箇所にほぼ位置している。評価領域３２の内側にはそれぞれ９個の検出器３０を含む３つの部分領域３４ａ、３４ｂ及び３４ｃが定められている。この例では部分領域３４がいずれも、互いに隣接しない検出器３０から成る。従って、各部分領域３４は空間的につながった面を成していない。評価領域３２の内側であって、部分領域３４ａに属する１つの検出器３０の位置において、塵埃粒子２０に由来する受信光２２が検出装置２８へ投射されている。この領域をここでは誤検出領域３６と呼ぶ。

物体認識装置１０の駆動中、光源１２は発信光１４のパルスを検出領域１８へ繰り返し送出し、すぐその後、受信光２２と迷光２４の間の強度差に基づいて評価領域３２が確定される。

その後、評価領域の内側では常に同じ３つの部分領域３４が用いられる。評価領域３２の確定とそれに伴う部分領域３４の確定の後、次に部分領域３４ａから評価が始まる。そのために光源１２は２５０個の発信光１４のパルスを検出領域１８へ送出する。そして、部分領域３４ａに属する９個の検出器３０と、該検出器３０に結合されたＴＤＣとを用いて、距離値が２５０回求められる。

その際、部分領域３４ａでは、誤検出領域３６にある検出器３０が塵埃粒子２０に由来する誤った値を出力する。部分領域３４ａの評価は、例えば部分領域３４ａにおいて算出された全ての距離値を平均することにより行われる。距離値に加えて更に強度の測定も行ってもよい。

部分領域３４ａに対する評価に基づいて結果の距離値が算出され、該評価が終了したら、次の部分領域３４ｂに移り、利用可能な９個のＴＤＣが、今度は部分領域３４ｂに含まれる検出器３０に結合される。

ここでもまた光源１２から２５０個の発信光１４のパルスが検出領域１６へ送出される。既に述べたように、２５０個のパルスのそれぞれに対して、今度は部分領域３４ｂの検出器３０を用いた距離測定が行われる。部分領域３４ｂは誤検出領域３６を含んでいないため、該部分領域３４ｂの検出器３０を用いた測定では、塵埃粒子２０までではなく物体１８までの距離がその都度適切に得られる。従って、部分領域３４ｂに対して計算された結果の距離値は物体までの距離をより正確に示す。

同様にして部分領域３４ｃに対する処理も行われる。全ての部分領域３４を共通に評価すれば、誤検出領域３６、つまり塵埃粒子２０の影響はそもそも測定の３回に１回しか考慮されず、従って測定の全体の結果、つまり結果の距離値の組み合わせ乃至平均の精度を僅かに低下させるに過ぎない、という利点がある。従って、物体認識装置１０から見た物体１８の有無及び距離を確実に、信頼性をもって、正確に求めることができる。

１０…物体認識装置
１２…光源
１４…発信光
１６…検出領域
１８…物体
２０…塵埃粒子
２２…受信光
２４…迷光
２６…レンズ
２８…検出装置
３０…検出器
３２…評価領域
３４ａ〜３４ｃ…部分領域
３６…誤検出領域

Claims (17)

1. 物体（１８）を検出するための方法であって、
   光源（１２）を用いて発信光（１４）のパルスが検出領域（１６）へ繰り返し送出され、
   前記検出領域（１６）から受け取った受信光（２２）が複数の検出器（３０）を有する検出装置（２８）で捕らえられ、
   複数の検出器（３０）を含む領域であって、その内側で受信光（２２）が前記複数の検出器に当たるような評価領域（３２）が定められる
   物体検出方法において、
   前記評価領域（３２）の内側に複数の部分領域（３４）が定められ、
   複数の互いに相前後する発信光（１４）のパルスを用いて、前記受信光（２２）の評価が前記複数の部分領域（３４）に順次分配されるよう、前記複数の部分領域（３４）の少なくとも一部が順次評価され、
   それら部分領域の評価が組み合わされて、前記検出領域（１６）内の物体（１８）の有無が確認されること、
   を特徴とする方法。
2. 前記受信光（２２）の強度に基づいて前記評価領域（３４）の位置及び／又は大きさが確定されること、を特徴とする請求項１に記載の方法。
3. いずれの部分領域（３４）も同数の検出器（３０）を含むこと、を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 少なくとも１つの部分領域（３４）の面が長方形又は正方形であること、を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 少なくとも２つの部分領域（３４）が少なくとも部分的に重なり合う又は互いに境界を接していること、を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 全ての部分領域（３４）が異なる態様で選択されること、を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 各部分領域（３４）の評価のために１個より多い発信光（１４）のパルスが用いられること、を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 少なくとも５０個のパルスが用いられること、を特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 少なくとも２５０個のパルスが用いられること、を特徴とする請求項７に記載の方法。
10. 前記部分領域（３４）の評価の順序が基準点に対する各部分領域（３４）の距離に応じて決められること、を特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 前記発信光（１４）の送出とそれに対応する前記（２２）受信光の捕捉との間の時間の長さに基づいて前記（１６）検出領域における物体（１８）の有無及び／又は距離を確定すること、を特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記検出器（３０）がシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）であること、を特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記検出器（３０）が、前記発信光（１４）の送出から前記受信光（２２）の捕捉までの時間の長さを特定するために、時間デジタル変換器（ＴＤＣ）と結合されていること、を特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 各時点において評価される部分領域（３４）内にある検出器（３０）のみが時間デジタル変換器に結合されること、を特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 光源（１２）と、複数の検出器（３０）を備える検出装置（２８）とを有する物体検出装置（１０）において、
    請求項１〜１４のいずれかに記載の方法を実施するように構成された制御ユニットを備えること、を特徴とする装置。
16. 前記検出器（３０）がシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）であること、を特徴とする請求項１５に記載の装置（１０）。
17. 前記検出器（３０）の少なくとも一部が時間デジタル変換器（ＴＤＣ）に結合されていること、を特徴とする請求項１５又は１６に記載の装置（１０）。

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