JP6442851B2

JP6442851B2 - レーザ画像計測装置

Info

Publication number: JP6442851B2
Application number: JP2014076604A
Authority: JP
Inventors: 直徒白金
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2018-12-26
Anticipated expiration: 2034-04-03
Also published as: JP2015197402A

Description

この発明は、レーザ走査により物体までの距離画像を計測するレーザ画像計測装置に関する。

従来、センサヘッドと反射板を組み合わせて、物体の有無および個数を検出する光ビームセンサがある。この光ビームセンサを複数用いることで、光ビームの照射範囲を広げることができる。

特開平１０−２２７８５６号公報

しかしながら、この種の光ビームセンサは、物体に照射したレーザパルスの受信光に基づいて物体までの距離画像を計測する、パルスレーザ方式のレーザ画像計測装置が用いられる。パルスレーザ方式のレーザ画像計測装置は、レーザ画像の分解能が低く、自動車のように高速で移動する物体を計測する場合、正確にその物体の形状を捉えられないという問題が生じる。

また、移動する物体の奥行方向にレーザパルスを走査せずに、物体の移動に伴って奥行方向を走査するので、停止している車両は奥行方向が走査できず、物体の形状が捉えられないという問題も生じる。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、レーザ画像の分解能を向上させるレーザ画像計測装置を得ることを目的とする。

この発明によるレーザ画像計測装置は、変調信号をそれぞれ生成する第１、第２の発振器と、上記第１、第２の発振器の変調信号に基づき、光変調したレーザ光をそれぞれ出力する第１、第２のレーザ光送信部と、上記第１、第２のレーザ光送信部の出力したレーザ光を、走査角を測りながらそれぞれ走査する第１、第２のレーザ光走査部と、第１、第２のレーザ光走査部から出力されたレーザ光により、物体から反射した光信号を受光し、光電変換した受信信号をそれぞれ得る第１、第２の受信部と、上記第１、第２の発振器の変調信号と上記第１、第２の受信部の得た受信信号と、上記第１、第２のレーザ光走査部の走査角に基づいて、信号強度、距離、および走査角を計測し、物体の三次元画像をそれぞれ取得する第１、第２の信号処理部と、上記発振器を同期制御して上記レーザ光送信部からのレーザ光の出力タイミングをずらすことで、上記第１、第２の信号処理部によりそれぞれ得られる三次元画像の走査角をずらす同期制御部と、上記第１、第２の信号処理部により得られる三次元画像を結合する画像結合処理装置と、を備えたものである。

この発明によれば、レーザの光学系を複数設け、レーザ送信光の出力タイミングをずらすことにより、高分解能の測距及び強度検知を可能とする。

実施の形態１によるレーザ画像計測装置の構成を示す図である。実施の形態１によるレーザ画像計測装置の動作と従来のレーザ画像計測装置の動作の違いを説明するための図である。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る実施の形態１によるレーザ画像計測装置の構成を示す図である。また、図２は、実施の形態１によるレーザ画像計測装置の動作と従来のレーザ画像計測装置の動作の違いを説明するための図であり、（ａ）は実施の形態１によるレーザ画像計測装置の動作を示し、（ｂ）は比較例として従来のレーザ画像計測装置の動作を示す。図１において、実施の形態１によるレーザ画像計測装置は、センサ部３１ａと、センサ部３１ｂと、画像結合部３０から構成される。

センサ部３１ａは、レーザ送信部２０ａと、レーザ光走査部２１ａと、基準信号発生部２２ａと、受信部２３ａと、信号処理部２５ａから構成される。レーザ送信部２０ａは、レーザ送信光を発生するレーザ装置３ａと、レーザ装置３ａの出力するレーザ送信光の光強度を変調（光変調）する光変調器４ａから構成される。レーザ光走査部２１ａは、光変調器４ａにより光変調されたレーザ送信光について、その出射方向の角度を走査するレーザ光走査光学系５ａから構成される。

基準信号発生部２２ａは、変調信号を発生する発振器１ａと、発振器１ａの出力する変調信号を分配する分配器２ａから構成される。分配器２ａは、分配した一方の変調信号をレーザ光走査光学系２１ａに入力し、分配した他方の変調信号を信号処理部２５ａに入力する。光変調器４ａは、分配器２ａから入力される発振器１ａの出力した変調信号に基づいて、レーザ送信光を光変調する。

受信部２３ａは、受信光学系６ａと、受光器７ａから構成される。受信光学系６ａは、レーザ送信部２０ａから送信され、物体で反射したレーザ送信光の反射光を受光し、受光した反射光を受光器７ａの受光面に結像する。受光器７ａは、受信した反射光の光信号を電気信号に変換する光電変換を行う。

信号処理部２５ａは、位相検波器／時間差計測回路８ａと、位相検波器／時間差計測回路８ａの出力信号が入力される強度・距離演算装置９ａと、強度・距離演算装置９ａの出力信号が入力される３次元画像処理装置１０ａから構成される。位相検波器／時間差計測回路８ａは、分配器２ａから分配された発振器１ａの出力した変調信号と、受光器７ａの変換した電気信号が入力される。３次元画像処理装置１０ａは、強度・距離演算装置９ａから生成される強度値・距離値と、レーザ光走査光学系５ａ，５ｂにて生成される走査角信号とが入力される。

センサ部３１ｂは、レーザ送信部２０ｂと、レーザ光走査部２１ｂと、基準信号発生部２２ｂと、受信部２３ｂと、信号処理部２５ｂから構成される。レーザ送信部２０ｂは、レーザ送信光を発生するレーザ装置３ｂと、レーザ装置３ｂの出力するレーザ送信光の光強度を変調（光変調）する光変調器４ｂから構成される。レーザ光走査部２１ｂは、光変調器４ｂにより光変調されたレーザ送信光について、その出射方向の角度を走査するレーザ光走査光学系５ｂから構成される。

基準信号発生部２２ｂは、変調信号を発生する発振器１ｂと、発振器１ｂの出力する変調信号を分配する分配器２ｂから構成される。分配器２ｂは、分配した一方の変調信号をレーザ光走査光学系２１ｂに入力し、分配した他方の変調信号を信号処理部２５ｂに入力する。光変調器４ｂは、分配器２ｂから入力される発振器１ｂの出力した変調信号に基づいて、レーザ送信光を光変調する。

受信部２３ｂは、受信光学系６ｂと、受光器７ｂから構成される。受信光学系６ｂは、レーザ送信部２０ｂから送信され、物体で反射したレーザ送信光の反射光を受光し、受光した反射光を受光器７ｂの受光面に結像する。受光器７ｂは、受信した反射光の光信号を電気信号に変換する光電変換を行う。

信号処理部２５ｂは、位相検波器／時間差計測回路８ｂと、位相検波器／時間差計測回路８ｂの出力信号が入力される強度・距離演算装置９ｂと、強度・距離演算装置９ｂの出力信号が入力される３次元画像処理装置１０ｂから構成される。位相検波器／時間差計測回路８ｂは、分配器２ｂから分配された発振器１ｂの出力した変調信号と、受光器７ｂの変換した電気信号が入力される。

同期制御部１４は、発振器１ａおよび発振器１ｂに同期信号を入力する同期装置１１と、走査角制御装置１３から構成される。発振器１ａおよび発振器１ｂは同期装置１１の出力する同期信号に同期して変調信号を生成する。走査角制御装置１３は、レーザ光走査部２１ａおよびレーザ光走査部２１ｂにそれぞれ制御信号を入力する。画像結合部３０は、信号処理部２５ａの３次元画像処理装置１０ａと、信号処理部２５ｂの３次元画像処理装置１０ｂの出力する画像信号が入力される画像結合処理装置１２から構成される。同期制御部１４は、発振器１ａ，１ｂを同期制御し、第１、第２の信号処理部２５ａ，２５ｂにより得られる三次元画像の走査角をずらすようにする。

次に、実施の形態１によるレーザ画像計測装置の動作について説明する。
図１において、同期装置１１は、発振器１ａと発振器１ｂがそれぞれ出力する変調信号の時間差を管理し、同期をとる。発振器１ａ，１ｂは、それぞれ基準となる正弦波の変調信号を発生する。分配器２ａ，２ｂは、発振器１ａ，１ｂからの各変調信号をそれぞれ２つに分岐する。

また、レーザ装置３ａ，３ｂはそれぞれレーザ光を発光し、光変調器４ａ，４ｂはレーザ装置３ａ，３ｂがそれぞれ発光したレーザ光に対して光変調をかける。走査角制御装置１３は、レーザ光走査光学系５ａ，５ｂのそれぞれの走査角を制御する。レーザ光走査光学系５ａ，５ｂは光変調器４ａ，４ｂからの光変調されたレーザ光について、ビーム形状を整形し、空間中にレーザ光を照射し、かつ走査角を走査する。また、レーザ光走査光学系５ａ，５ｂは走査角の値を示す走査角信号を生成する。

受信光学系６ａ，６ｂはそれぞれ対象物において反射されたレーザ光を受信し、受光器７ａ，７ｂ上に集光する。また、受光器７ａ，７ｂはそれぞれ受信光を電気信号に変換する。位相検波器／時間差計測回路８ａ，８ｂは、それぞれ基準信号発生部２２ａ，２２ｂから出力する変調信号と光受信部での受信信号を受信して位相検波を行い、パルスの到達時間を計測し、時間差信号に相当する電気信号を出力する。

また、強度・距離演算装置９ａ，９ｂは、それぞれ位相検波器／時間差計測回路８ａ，８ｂからの時間差信号に相当する電気信号に基づき、レーザ光走査光学系から計測対象となる物体までの距離値を算出するとともに、電気信号の強度値を計測する。３次元画像処理装置１０ａは、強度・距離演算装置９ａからの強度値および距離値と、レーザ光走査光学系５ａからの走査角信号を基に、３次元画像を生成する。３次元画像処理装置１０ｂは、強度・距離演算装置９ｂからの強度値および距離値と、レーザ光走査光学系５ｂからの走査角信号を基に、３次元画像を生成する。画像結合処理装置１２は、各３次元画像処理装置１０ａ，１０ｂからの２つの３次元画像を合成して、画像処理を行う。

図２（ｂ）において、従来のレーザ画像計測装置は、センサ部３１ａに相当するレーザ光走査光学系５ａ、レーザ送信部、受信部が各１つしか設けていない。従いレーザパルスを照射する計測ポイントは図２（ｂ）に示すように間隔の空いたものとなる。

一方、図２（ａ）において、実施の形態１によるレーザ画像計測装置は、２つのセンサ部３１ａ，３１ｂを設けることにより、レーザ光走査光学系５ａ，５ｂ、レーザ送信部２０ａ，２０ｂ、受信部２３ａ，２３ｂの２系統からレーザパルスを照射し、３次元画像処理装置１０ａ，１０ｂからそれぞれ得られた３次元画像を画像結合処理装置１２にて合成する。従いレーザパルスを照射する計測ポイントは図２（ａ）に示すように、図２（ｂ）の倍となり、計測ポイントの間隔が密に詰まったものとなる。これにより分解能がより高い３次元画像を得ることができる。

なお、実施の形態１によるレーザ画像計測装置において、発振器１ａ，１ｂにて生成される変調信号はパルスではなく、正弦波でもよい。この場合、位相検波器／時間差計測回路８ａ，８ｂは、基準信号発生部２２ａ，２２ｂから光変調器４ａ，４ｂにそれぞれ出力する変調信号と、受信部２３ａ，２３ｂでの光信号から電気信号に変換された受信信号をそれぞれ受信して位相検波を行い、得られたそれぞれの位相信号からそれぞれ距離を導出する。このため位相検波器／時間差計測回路８ａ，８ｂのかわりに、例えば位相検波器を用いてもよい。

また、レーザ光送信部２０ａ，２０ｂは、光変調器４ａ，４ｂを用いてレーザ光に強度変調をかけるのではなく、レーザ装置３ａ，３ｂに変調機能を持たせたものであってもよい。この場合、例えばレーザ装置３ａ，３ｂにレーザダイオードを用い、発振器１ａ，１ｂの生成した変調信号に同期した駆動電流を注入し、レーザ装置３ａ，３ｂに入力することで、直接変調光を得る。

また、基準信号発生部２２ａ，２２ｂ、レーザ光送信部２１ａ，２１ｂ、レーザ光走査部２１ａ，２１ｂ、受信部２３ａ，２３ｂ、信号処理部２５ａ，２５ｂをそれぞれ２つ設けた例を示したが、それらを３つ以上設けてもよい。

また、基準信号発生部２２ａ，２２ｂ、信号処理部２５ａ，２５ｂをそれぞれ１つに集約して一体化してもよい。

また、レーザ光走査光学系５ａ，５ｂは、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー、ガルバノミラー等を使用し、１つに集約して一体化してもよい。一つに集約しない場合は、走査角制御装置１３において、走査角度差を管理することで、各レーザの照射位置をずらすことを可能とする。

また、センサ部３１ａ，３１ｂがパルス方式ではなく、ＣＷ（continuous wave）方式で高分解能のレーザ検知器を構成する場合においては、アイセーフを考慮してレーザダイオードのパワーを低くする必要があり、ＳＮ（信号対ノイズ比）を高くすることが難しいものの、ＳＮに問題がないのであればＣＷ方式を用いてもよい。

以上説明した通り、実施の形態１によるレーザ画像計測装置は、変調信号をそれぞれ生成する第１、第２の発振器１ａ，１ｂと、上記第１、第２の発振器１ａ，１ｂの変調信号に基づき、光変調したレーザ光をそれぞれ出力する第１、第２のレーザ光送信部２０ａ，２０ｂと、上記第１、第２のレーザ光送信部２０ａ，２０ｂの出力したレーザ光を、走査角を測りながらそれぞれ走査する第１、第２のレーザ光走査部２１ａ，２１ｂと、第１、第２のレーザ光走査部２１ａ，２１ｂから出力されたレーザ光により、物体から反射した光信号を受光し、光電変換した受信信号をそれぞれ得る第１、第２の受信部２３ａ，２３ｂと、上記第１、第２の発振器１ａ，１ｂの変調信号と上記第１、第２の受信部２３ａ，２３ｂの得た受信信号と、上記第１、第２のレーザ光走査部２１ａ，２１ｂの走査角に基づいて、信号強度、距離、および走査角を計測し、物体の三次元画像をそれぞれ取得する第１、第２の信号処理部２５ａ，２５ｂと、上記発振器を同期制御して上記レーザ光送信部２０ａ，２０ｂからのレーザ光の出力タイミングをずらすことで、上記第１、第２の信号処理部２５ａ，２５ｂによりそれぞれ得られる三次元画像の走査角をずらす同期制御部１４と、上記第１、第２の信号処理部２５ａ，２５ｂにより得られる三次元画像を結合する画像結合処理装置１２とを備えたことを特徴とする。これにより、レーザの光学系を複数設けて、ＣＷ波またはパルス波によるレーザ送信光の出射タイミングをずらすことにより、高分解能の測距及び強度検知を可能とする。これにより、停止している物体検知ができる。また、高分解能のレーザ画像計測装置を安価に構成することができる。

１ａ，１ｂ発振器、２ａ，２ｂ分配器、３ａ，３ｂレーザ装置、４ａ，４ｂ光変調器、５ａ，５ｂレーザ光走査光学系、６ａ，６ｂ受信光学系、７ａ，７ｂ受光器、８ａ，８ｂ位相検波器／時間差計測回路、９ａ，９ｂ強度・距離演算装置、１０ａ，１０ｂ３次元画像処理装置、１１同期装置、１２画像結合処理装置、１３走査角制御装置、１４同期制御部、２０ａ，２０ｂレーザ送信部、２１ａ，２１ｂレーザ光走査部、２２ａ，２２ｂ基準信号発生部、２３ａ，２３ｂ受信部、２５ａ，２５ｂ信号処理部、３０画像結合部、３１ａ，３１ｂセンサ部。

Claims

変調信号をそれぞれ生成する第１、第２の発振器と、
上記第１、第２の発振器の変調信号に基づき、光変調したレーザ光をそれぞれ出力する第１、第２のレーザ光送信部と、
上記第１、第２のレーザ光送信部の出力したレーザ光を、走査角を測りながらそれぞれ走査する第１、第２のレーザ光走査部と、
第１、第２のレーザ光走査部から出力されたレーザ光により、物体から反射した光信号を受光し、光電変換した受信信号をそれぞれ得る第１、第２の受信部と、
上記第１、第２の発振器の変調信号と上記第１、第２の受信部の得た受信信号と、上記第１、第２のレーザ光走査部の走査角に基づいて、信号強度、距離、および走査角を計測し、物体の三次元画像をそれぞれ取得する第１、第２の信号処理部と
を有する第１、第２のセンサ部と、
上記第１、第２の発振器を同期制御して上記第１、第２のレーザ光送信部からのレーザ光の出力タイミングをずらし、当該各レーザ光送信部からのレーザ光の出力タイミングに応じて、上記第１、第２の信号処理部によりそれぞれ得られる三次元画像の走査角をずらす同期制御部と、
上記第１、第２の信号処理部により得られる三次元画像を結合する画像結合処理装置と、
を備え、
上記第１、第２のセンサ部の２系統から物体に照射するレーザ光の計測ポイントの間隔が、上記第１のセンサ部のみから物体に照射するレーザ光の計測ポイントの間隔よりも密であることを特徴とする
レーザ画像計測装置。