JP6739074B2

JP6739074B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JP6739074B2
Application number: JP2017058423A
Authority: JP
Inventors: 信三香山; 征人竹本; 基範石井; 福島　奨; 奨福島; 裕介福島
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2020-08-12
Anticipated expiration: 2037-03-24
Also published as: JP2018159685A

Description

本開示は、所定の領域に光を照射するとともに、当該光の反射光を受信した際に、その反射光に対応する受光信号に基づいて、反射物を検出し、当該反射物までの距離を測定する距離測定装置に関する。

従来、車載用の安全機構の一つとして、撮像素子を用いて車両の前方や周辺或いは後方を監視するシステムが提案されている。車両周辺における物体までの距離を測定する距離測定装置には、放射された光が物体で反射された後に受光されるまでの時間を計測する飛行時間法（タイムオブフライト法）の原理を用いた構成が知られている。計測した時間は、物体までの距離に換算される（特許文献１、２参照）。

距離測定装置では、光路上に汚れ等の異物が付着していると、測距に異常が発生して、測定に誤差を与えたり、測定不良となったりすることがあった。

特開２００６−３８６８６号公報実開平５−２８７５９号公報

本開示は、前記課題を鑑み、光路上に異物が付着した場合であっても異物の付着を判定できる距離測定装置を提供することを主な目的とする。

本開示に係る一実施形態によれば、タイムオブフライト法の原理を用いて目標対象物までの距離を算出する距離算出部にて算出された最大距離の実測値が急激に小さくなった場合に、光路上に異物が付着したものと判定する。他の実施形態によれば、環境光の強度を測定する測光センサを設け、異物なしの場合に距離算出部にて算出され得る最大距離を環境光の強度に応じて推定し、この推定値と最大距離の実測値との比較結果をもとに異物付着の判定を行う。この構成によれば、環境光の強度変化を異物付着と誤判定してしまうことを防止できる。

すなわち、本開示に係る第１の距離測定装置は、光を間欠的に放射する発光部と、各々発光部から放射された光に対する反射光を受光し光電変換して受光信号を生成する複数の光電変換素子を有する受光部と、発光部から光を放射してから受光部によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて目標対象物までの距離を算出する距離算出部と、距離算出部における距離算出履歴をもとに距離算出部にて算出され得る最大距離を推定する最大距離推定部と、最大距離推定部にて推定された最大距離の推定値と距離算出部にて算出された最大距離の実測値とを比較する比較部とを備えたものである。

また、本開示に係る第２の距離測定装置は、光を間欠的に放射する発光部と、各々発光部から放射された光に対する反射光を受光し光電変換して受光信号を生成する複数の光電変換素子を有する受光部と、発光部から光を放射してから受光部によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて目標対象物までの距離を算出する距離算出部と、前記受光部と独立して構成されており、環境光の強度を測定する測光センサと、前記発光部及び前記受光部に異物が付着していない状態における、環境光の強度と前記距離算出部にて算出され得る最大距離との関係を記憶しており、測光センサにより測定された環境光の強度に応じて距離算出部にて算出され得る最大距離を推定する最大距離推定部と、最大距離推定部にて推定された最大距離の推定値と距離算出部にて算出された最大距離の実測値とを比較する比較部とを備えたものである。

第１又は第２の距離測定装置において、実測値が推定値から所定の割合以上小さくなった場合に、発光部又は受光部に異物が付着していると判定することができる。

本開示の実施形態によって得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりである。すなわち、距離測定装置において、光路上への異物の付着を判定することができる。また、判定結果を用いて発光部又は受光部の洗浄を実行することにより、信頼性の高い距離測定装置を提供することができる。

本開示の実施形態１に係る距離測定装置の概略構成図である。図１中の制御部の詳細構成例を示すブロック図である。図１の距離測定装置にて測定可能な最大距離に対して異物の有無が及ぼす影響を示す図である。図１の距離測定装置にて測定可能な最大距離に対して環境光強度が及ぼす影響を示す図である。環境光強度の相違が異物検出を困難にする状況を説明するための図である。図１の距離測定装置の動作例を示すフロー図である。本開示の実施形態２に係る距離測定装置の動作例を示すフロー図である。

以下、本開示に係る実施形態について、図面を参照しながら、具体的に説明する。実質的に同一の構成に対して同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

（実施形態１）
図１は、本開示の実施形態１に係る距離測定装置の概略構成図である。図１の距離測定装置は、発光部２０と、受光部３０と、制御部４０と、測光センサ６０と、発光部２０又は受光部３０に付着した異物１１，１２を除去するための洗浄部５０とを備える。発光部２０は、発光レンズ及びスキャナを介してパルス状のレーザ光Ｌを放射するレーザダイオード（ＬＤ）部を有する光源である。受光部３０は、集光のための光学系３１と、特定の波長の光だけを透過するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３２と、各々光電変換素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）を含む複数の画素をアレイ状に配列してなるＰＤ部３３とを有する測距カメラである。ＰＤ部３３のフォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）としてもよい。ＡＰＤはアバランシェ効果による内部増幅作用によって、遠く離れた目標対象物からの微弱な光を高い感度で検出することが可能である。制御部４０は、発光部（ＬＤ部）２０にＬＤ駆動制御信号ＤＲ１を、ＰＤ部３３にＰＤ駆動制御信号ＤＲ２をそれぞれ供給し、ＰＤ部３３から受光信号ＲＶを、測光センサ６０から環境光信号ＥＮＶをそれぞれ受け取る。また、制御部４０は、ワイパー、ウォッシャ等で構成された洗浄部５０へ洗浄命令Ｗを供給し、洗浄部５０から完了信号Ｃを受け取る。

ＰＤ部３３は複数の画素で構成されており、全画素同時に受光タイミングを制御することができるグローバルシャッタ機能を有するのが好都合である。このグローバルシャッタ機能をもとに制御部４０からシャッタタイミングを、発光部（ＬＤ部）２０の発光タイミングに対する相対的なタイミングとして制御することで、当該距離測定装置から特定の距離区間にある被写体を検出することができる。その距離区間を距離方向にスキャンすることで、異なる位置の被写体が複数あっても、距離の異なる画像として制御部４０が距離画像を取得することができる。

図１に示すように、例えば車載用の距離測定装置において、発光部（ＬＤ部）２０の前方に異物１１が付着していると、光源からの放射光が減少する。一方で、受光部３０の前方に異物１２が付着していると、測定対象物から受光部３０に入ってくる反射光が減少する。このようにして放射光又は反射光が減少し、ＰＤ部３３への入射光量が所定量以下となると、光の往復時間の計測精度が落ちてしまう。すなわち、距離測定値の信頼性が損なわれたり、或いは測定できる最大距離が減少して安全性が低下したりすることが考えられる。そのため、異物１１，１２の検出及び除去が重要となる。

さて、図１の距離測定装置は、タイムオブフライト法の原理を用いて各画素にて目標対象物までの距離を実測し、そのうち最大距離の実測値が急激に小さくなった場合に、発光部（ＬＤ部）２０又は受光部３０の光路上に異物１１，１２が付着したものと判定するものである。この判定に対する環境光の影響を排除するため、図１の距離測定装置には、環境光の強度を測定する測光センサ６０を設けている。測光センサ６０は、異物の付着を避けるように、例えば車室内で環境光を受け得る位置に設置される。

図２は、図１中の制御部４０の詳細構成例を示すブロック図である。制御部４０は、ＬＤ駆動制御部４１と、ＰＤ駆動制御部４３と、距離算出部４５と、洗浄処理部４７と、最大距離推定部４８と、比較部４９とを備える。ＬＤ駆動制御部４１は、ＬＤ駆動制御信号ＤＲ１により発光部（ＬＤ部）２０の発光タイミングを制御する。ＰＤ駆動制御部４３は、発光タイミングを通知するＬＤ駆動制御信号ＤＲ１を受けて、ＰＤ駆動制御信号ＤＲ２によりＰＤ部３３の受光動作を制御する。距離算出部４５は、発光タイミングを通知するＬＤ駆動制御信号ＤＲ１と、ＰＤ部３３からの受光信号ＲＶとを受けて、発光部（ＬＤ部）２０から光を放射してから、ＰＤ部３３によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて、目標対象物までの距離を算出する。最大距離推定部４８は、測光センサ６０からの環境光信号ＥＮＶを受けて、異物なしの状態で距離算出部４５にて算出され得る最大距離の推定値を環境光強度に応じて推定する。比較部４９は、最大距離推定部４８にて推定された最大距離の推定値と、距離算出部４５にて算出された最大距離の実測値とを比較して、実測値が推定値から所定の割合以上小さくなった場合に、発光部（ＬＤ部）２０又は受光部３０に異物が付着していると判定する。比較部４９は、異物付着の判定をした場合、洗浄処理部４７へ異物検出信号Ｄを供給する。異物検出信号Ｄを受けた洗浄処理部４７は、洗浄部５０へ洗浄命令Ｗを発する。洗浄処理部４７は、洗浄部５０から完了信号Ｃを受け取ると、比較部４９へ完了信号Ｃを伝達することで、洗浄処理が完了したことを比較部４９へ通知する。

図３は、弱い環境光（強度Ｘ）の下でＰＤ部３３の各画素で実測した距離値の分布を示すヒストグラムであって、図１の距離測定装置にて測定可能な最大距離に対して異物の有無が及ぼす影響を示している。発光部（ＬＤ部）２０及び受光部３０のいずれにも異物の付着がない場合、図１の距離測定装置は、最大距離Ａまでの測距が可能である。これに対して、例えば発光部（ＬＤ部）２０に異物１１が付着している場合、図１の距離測定装置で測距可能な最大距離はＢ（＜Ａ）まで低下してしまう。これは、発光部（ＬＤ部）２０からの放射光量が減少してしまうため、反射光量が少なくなり、特に遠方からの戻り光量が少なくなるからである。このことから、最大距離を常時モニタリングしておけば、最大距離が低減した場合に異物の付着があると判定することが可能になる。

一方、図４は、異物なしの状態で同様にＰＤ部３３の各画素で実測した距離値の分布を示すヒストグラムであって、図１の距離測定装置にて測定可能な最大距離に対して環境光強度が及ぼす影響を示している。夜間の弱い環境光（強度Ｘ）の下では、図１の距離測定装置は、最大距離Ａまでの測距が可能である。これに対して、太陽光が照射している強い環境光（強度Ｙ＞Ｘ）の下では、図１の距離測定装置で測距可能な最大距離はＢ（＜Ａ）まで低下してしまう。これは、環境光が強い場合には、発光部（ＬＤ部）２０から信号光として一定光量のレーザ光Ｌを放射しても、ＰＤ部３３にて信号光＋背景光を検知する際の信号光の比重が低下してしまうからである。つまり、図３の結果から単に最大距離が低減した場合に異物の付着があると判定することとすれば、環境光強度が増加した場合にも、あたかも異物が付着したように誤判定してしまう恐れがある。

図５は、環境光強度の相違が異物検出を困難にする状況を更に説明するための図である。図３にて説明した弱い環境光強度Ｘの下で「異物なし」の最大距離Ａから「異物あり」の最大距離Ｂへ変化するということは、図５中の点Ｐから点Ｑへの移動に対応する。一方、図４にて説明した異物なしの状態で「弱い環境光強度Ｘ」の下での最大距離Ａから「強い環境光強度Ｙ」の下での最大距離Ｂへ変化するということは、図５中の点Ｐから点Ｒへの移動に対応する。最大距離の変化だけをとらえたのでは、環境光強度Ｘで異物が付着している場合と、環境光強度Ｙで異物が付着していない場合とで同じ最大距離Ｂを得てしまい、両者を区別できないのである。

そこで、発明者らが鋭意検討した結果、環境光強度を測定する測光センサ６０を設け、異物なしの状態で距離算出部４８にて算出され得る最大距離の推定値を環境光強度に応じて最大距離推定部４８にて推定することとした。具体的には、図５における「異物なし」の推定曲線が示す環境光強度と最大距離との関係を、数式又は数値テーブルの形式で最大距離推定部４８に保持しておく。例えば、弱い環境光強度Ｘの下では、最大距離の推定値がＡとされ、点Ｐから点Ｑへ移動したとき、つまり最大距離Ａから最大距離Ｂまで低下したときに異物が付着したものと判定される。一方、強い環境光強度Ｙの下では、最大距離の推定値がＢとされ、点Ｒから点Ｓへ移動したとき、つまり最大距離Ｂから最大距離Ｅまで低下したときに異物が付着したものと判定される。なお、図５中の推定曲線は、異物なしの状態にて様々な環境光強度下で最大距離を実測することにより得られる。

図６は、図１の距離測定装置の動作例を示すフロー図である。ステップＳ１１では、測光センサ６０が環境光強度を測定する測光動作を実行する。ステップＳ１２では、環境光信号ＥＮＶを受けて、最大距離推定部４８が当該環境光強度下で測定可能な最大距離を推定する。一方、発光部（ＬＤ部）２０と、受光部３０のＰＤ部３３とは、ステップＳ２１からステップＳ２４までの測距動作を実行する。ステップＳ２１では、発光部（ＬＤ部）２０からの信号光なしの状態でＰＤ部３３にて背景光測距を行い、背景光検出回数の記憶を行う。ステップＳ２２では、発光部（ＬＤ部）２０からの信号光ありの状態でＰＤ部３３にて信号光＋背景光測距を行い、信号光＋背景光検出回数の記憶を行う。ステップＳ２３では、両検出回数記憶の大小を比較し、その結果を以て距離電圧を記憶する。ここでいう距離電圧とは、計測された距離に対応する電圧を意味し、計算で距離が算出される場合であれば、計算に用いられる電圧値であり、変換テーブルなどで距離値を変換する場合であれば、その電圧値である。これらステップＳ２１からステップＳ２３までの動作は、Ｎ（Ｎは整数値）個の距離区間で繰り返される。これらの動作がＮ個の距離区間で完了した時点で、ステップＳ２４にて距離電圧の情報が制御部４０の距離算出部４５に供給される。距離算出部４５は、受け取った距離電圧の情報をもとに、Ｎ個の距離区間の各々における目標対象物までの距離を算出し、そのうちの最大値を最大距離の実測値として算出する。ステップＳ１３において、比較部４９は、最大距離推定部４８にて推定された最大距離の推定値と、距離算出部４５にて算出された最大距離の実測値とを比較する。ステップＳ１４において、比較部４９は、最大距離の実測値が最大距離の推定値から所定の割合以上小さくなった場合に、発光部（ＬＤ部）２０又は受光部３０に異物が付着していると判定して、洗浄部５０に対して洗浄命令Ｗを発行するように制御する。

（実施形態２）
本開示の実施形態２に係る距離測定装置も、実施形態１の場合と同様に、タイムオブフライト法の原理を用いて各画素にて目標対象物までの距離を実測し、そのうち最大距離の実測値が急激に小さくなった場合に、発光部又は受光部の光路上に異物が付着したものと判定するものである。ただし、測光センサを用いて最大距離の推定値を得るのではなく、距離算出履歴をもとに最大距離の推定値を得る点が、実施形態１の場合と異なる。すなわち、実施形態２に係る距離測定装置の構成は、図１及び図２から測光センサ６０を除去し、図２中の距離算出部４５の出力を最大距離推定部４８へ供給するように変更したものに相当する。

図７は、本開示の実施形態２に係る距離測定装置の動作例を示すフロー図である。ステップＳ２１からステップＳ２４までの測距動作は、図６の場合と同様である。ステップＳ３１において、最大距離推定部４８は、現在の距離データから平均距離や最大距離のみを抽出してフレーム毎に記憶する。抽象化されたデータであるため、メモリの記憶容量は小さくても問題ない。ステップＳ３２において、最大距離推定部４８は、記憶した多フレームの最大距離を時系列にモニタリングすることにより、すなわち距離算出部４５における距離算出履歴をもとに、測定可能な最大距離を推定する。次のステップＳ１３において、比較部４９は、最大距離推定部４８にて推定された最大距離の推定値と、距離算出部４５にて算出された最大距離の実測値とを比較する。ステップＳ１４において、比較部４９は、最大距離の実測値が最大距離の推定値から所定の割合以上小さくなった場合に、発光部（ＬＤ部）２０又は受光部３０に異物が付着していると判定して、洗浄部５０に対して洗浄命令Ｗを発行するように制御する。

（変形例）
上記実施形態１、２において、ＰＤ部３３にて撮像された画面全体の画素で最大距離が低下した場合には、発光部（ＬＤ部）２０への異物１１の付着が疑われる。画面の一部のみの画素で最大距離が低下した場合には、受光部３０の光学系３１への異物１２の付着が疑われる。これらの状況に応じて、洗浄部５０による洗浄対象を選択すればよい。

道路のアスファルト部分の画像に限定して得た最大距離をもとに異物判定を行うこととすれば、異物判定精度が向上する。

最大距離の推定値を下回る最大距離の実測値がたまたま得られたことのみを以て異物判定を行うのではなく、平均化された最大距離の実測値を以て異物判定を行うこととしても、異物判定精度が向上する。

洗浄命令Ｗを発行して発光部（ＬＤ部）２０又は受光部３０の洗浄を実行しても距離性能が向上しなければ、発光部（ＬＤ部）２０からなる光源の性能が劣化した等のシステムの劣化を疑い、使用者にシステム使用を停止する警告等を発することも可能である。

なお、発光部２０の構成素子はＬＤに限らない。

以上説明してきたように、本開示に係る距離測定装置は、光路上への異物の付着を判定することができる効果を有し、特に車載用等として有用である。

１１，１２異物
２０発光部［ＬＤ（レーザダイオード）部］
３０受光部
３１光学系
３２ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
３３ＰＤ（フォトダイオード）部
４０制御部
４１ＬＤ駆動制御部
４３ＰＤ駆動制御部
４５距離算出部
４７洗浄処理部
４８最大距離推定部
４９比較部
５０洗浄部
６０測光センサ

Claims

光を間欠的に放射する発光部と、
各々前記発光部から放射された光に対する反射光を受光し、光電変換して受光信号を生成する複数の光電変換素子を有する受光部と、
前記発光部から光を放射してから、前記受光部によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて、目標対象物までの距離を算出する距離算出部と、
前記距離算出部における距離算出履歴をもとに、前記距離算出部にて算出され得る最大距離を推定する最大距離推定部と、
前記最大距離推定部にて推定された最大距離の推定値と、前記距離算出部にて算出された最大距離の実測値とを比較する比較部とを備えた距離測定装置。
光を間欠的に放射する発光部と、
各々前記発光部から放射された光に対する反射光を受光し、光電変換して受光信号を生成する複数の光電変換素子を有する受光部と、
前記発光部から光を放射してから、前記受光部によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて、目標対象物までの距離を算出する距離算出部と、
前記受光部と独立して構成されており、環境光の強度を測定する測光センサと、
前記発光部及び前記受光部に異物が付着していない状態における、環境光の強度と前記距離算出部にて算出され得る最大距離との関係を記憶しており、前記測光センサにより測定された環境光の強度に応じて、前記距離算出部にて算出され得る最大距離を推定する最大距離推定部と、
前記最大距離推定部にて推定された最大距離の推定値と、前記距離算出部にて算出された最大距離の実測値とを比較する比較部とを備えた距離測定装置。
請求項１又は２に記載の距離測定装置において、
前記実測値が前記推定値から所定の割合以上小さくなった場合に、前記発光部又は前記受光部に異物が付着していると判定する距離測定装置。
請求項３に記載の距離測定装置において、
前記発光部又は前記受光部に異物が付着していると前記比較部にて判定された場合に、前記発光部又は前記受光部に付着した異物を除去するように洗浄を行う洗浄部を更に備えた距離測定装置。