JP6850575B2

JP6850575B2 - 光測距装置

Info

Publication number: JP6850575B2
Application number: JP2016188727A
Authority: JP
Inventors: 智之石川; 宏明猪俣
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2016-09-27
Filing date: 2016-09-27
Publication date: 2021-03-31
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: JP2018054381A

Description

本発明は、測定対象物に向かってレーザを投光し、反射角度可変ミラーの角度を調整してレーザを走査し、測定対象物で反射したレーザを受光するまでの時間差を計測して距離計測を行う光測距装置に関する。

特許文献１には、リサージュ走査により決定される投光タイミングにより、測定対象物に向けて放射光を投光し、測定対象物からの反射光により測定対象物までの距離を測定する光測距装置が記載されている。

特開２０１１−１１２５８５号公報

ところで、光測距装置を、例えばホームドア用支障物検知センサとして用いる場合、検知対象は様々であり、人以外に傘や杖などの細い物体も検知する必要がある。細い物体を検知するには、計測位置の間隔を小さくして解像度を向上させなければならず、特許文献１では振幅や位相を変化させてレーザ放射タイミングを変更し、対象領域内におけるリサージュ走査軌跡を密にして解像度を向上している。
しかしながら、レーザの走査軌跡を密にするためには、光走査部（二次元走査型の半導体ガルバノミラー）の駆動周波数、駆動信号の位相差、揺動振幅を変更する必要があり、変更速度が機械的な応答速度に制限される、という課題がある。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、変更速度が機械的な応答速度に制限されることなく解像度を向上できる光測距装置を提供することにある。

本発明の光測距装置は、測定対象物に向けてリサージュ走査で放射光を投光し、前記測定対象物からの反射光を受光して前記測定対象物までの距離を測定する光測距装置において、前記リサージュ走査の走査起点からの経過時間に基づいて投光タイミングを制御し、前記リサージュ走査の対象領域内に複数の照射パターンを生成し、生成した照射パターンから一つの照射パターンを選択し、選択した前記一つの照射パターンで距離を測定した後、他の照射パターンに切り替えて距離を測定する、ことを特徴とする。

本発明によれば、レーザ放射タイミングを変更して異なる照射パターンを生成し、これら異なる照射パターンを切り替えて測定対象物へ照射することで、実質的に計測位置の間隔を小さくしたのと等価になり、解像度を向上させることができる。従って、駆動周波数、駆動信号の位相差、揺動振幅を変更する必要がなく、変更速度が機械的な応答速度に制限されずに細い物体を検知可能となる。

本発明の実施形態に係る光測距装置の概略構成を示すブロック図である。図１における投光制御部のタイミングテーブルに格納されたデータで生成される複数の照射パターンを示す図である。図１に示した光測距装置の動作を示すフローチャートである。リサージュ走査とレーザ放射タイミングについて説明するための図である。タイミングテーブルに記録されている情報について説明するための図である。横方向の解像度を向上させる場合のレーザ照射位置のパターンの組み合わせを示す図である。縦方向の解像度を向上させる場合のレーザ照射位置のパターンの組み合わせを示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る光測距装置の概略構成を示している。この光測距装置は、レーザ投光部１０、二次元光スキャナ（反射角度可変ミラー）２０、レーザ受光部３０、距離計測部４０、及び制御部５０等を備えている。レーザ投光部１０は、発光素子（光源）としてレーザ１１、このレーザ１１を駆動するレーザドライバ１２、投光ビームを放射する投光光学系１３、及びこの投光光学系１３から放射されるレーザの投光タイミングをモニタする発光モニタ１４を含んで構成されている。

投光光学系１３から放射されるレーザ１１の投光ビームは、投受光分離器１５を介して二次元光スキャナ２０に照射される。二次元光スキャナ２０は、スキャンミラー２１を有する可動部が互いに直交する２つの方向に揺動可能に形成されており、ミラー面に入射される投光ビーム（パルス光）を対象領域内で二次元走査、より具体的にはリサージュ走査することが可能に構成されている。

このような二次元光スキャナ２０としては、例えば、本出願人の特許第２７２２３１４号公報に記載の二次元走査型の半導体ガルバノミラーを用いることができる。この二次元ガルバノミラーは、２つの駆動コイル（内側駆動コイルと外側駆動コイル）にそれぞれ流れる各電流（交流電流）と、１対または２対の永久磁石による静磁界とによって２つの可動部（外側可動部及び内側可動部）にローレンツ力が作用し、その結果、内側可動部が二次元方向に揺動する。内側可動部が揺動することによって、ミラー面に入射される投光ビームが対象領域内でリサージュ走査される。

なお、リサージュ走査を実現するスキャンミラー２１として、２つの一次元ガルバノミラーを使用し、２つの一次元ガルバノミラーを、それぞれのミラーを有する可動部が互いに直交する方向に揺動するよう配置することで、リサージュ走査を行うようにしてもよい。

二次元光スキャナ２０からの投光ビームで測定対象物が走査されると、この測定対象物で反射された光（受光ビーム）は、ミラー面に入射されて投受光分離器１５によりレーザ受光部３０に導かれる。レーザ受光部３０は、受光素子（光検出器）としてフォトダイオードやフォトトランジスタなどのフォトセンサ３１、太陽光等の背景光（外乱光）を低減する光学的バンドパスフィルタ機能を有する受光光学系３２、及びフォトセンサ３１の出力を増幅するアンプ３３を備える。このアンプ３３は、フォトセンサ３１で光電変換された信号から外乱光の周波数成分を除去するフィルタ機能（ＲＦフィルタ）を有する。

フォトセンサ３１の光電面には、信号光以外の入射光があり、この光はノイズ（外乱光ノイズ）となる。この外乱光ノイズを除去するために、レーザ受光部３０は、光学的並びに電気的な処理機能を備えている。光学的には、受光光学系３２に、レーザを投光している方向のみに狭角の受光視野を有する系（投受同軸光学系の場合）と、レーザ波長に対応した光学的バンドパスフィルタを設ける。電気的には、アンプ３３に、外乱光の強度変調周波数成分に対応し、信号光成分のみ透過する電気的フィルタを設けることができる。

アンプ３３の出力信号は、距離計測部４０に設けられた立ち上がりエッジ検出回路４１、共振回路４２、及び光量検出回路４３にそれぞれ供給される。距離計測部４０には更に、計時部４４とＡ／Ｄ変換器４５が設けられている。立ち上がりエッジ検出回路４１は、受光パルスの立ち上がりエッジを検出することによりストップタイミングを検出する。この回路４１は、受光パルスのレベルが予め設定した閾値を越えた時点をストップタイミングとして検出するものであり、受光パルスが高レベルの領域（近距離の測定領域）においては、精度の良い測距が可能である。

また、共振回路４２は、受光パルスのゼロクロス点を検出することにより反射パルスのストップタイミングを検出する。この共振回路４２は、受光パルスに含まれる特定周波数成分で共振する回路を用いて特定周波数成分信号を抽出し、抽出した信号波形のゼロクロス点をストップタイミングとして検出するものである。共振回路４２では、受光パルスが低レベルの領域（遠距離の測定領域）においては、算出距離と実際の距離とは略正比例の関係にあり精度の良い測距が可能である。

そして、発光モニタ１４で検出したレーザの投光タイミングをスタートタイミング、立ち上がりエッジ検出回路４１で検出した立ち上がりエッジと共振回路４２で検出したゼロクロス点をそれぞれストップタイミングとして計時部４４に入力し、レーザの投光タイミングから反射光の受光タイミングまでの時間を計時する。計時部４４の出力信号とＡ／Ｄ変換器４５の出力信号はそれぞれ、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やマイクロコンピュータ等からなる制御部５０に供給される。

制御部５０は、距離値と光量値を算出するとともに健全性を判定する検知判定部５１、レーザの投光制御を行う投光制御部５２、外部とのインターフェイスを行う情報入出力部５３、スキャナの制御を行うスキャナ制御部５４、スキャナドライバ５５及びフィルタ５６等を備えている。検知判定部５１は、光量検出回路４３で検出した受光パルスの光量（受光レベル）が、予め設定した受光レベルより小さいときは共振回路４２から出力されるストップタイミングを用いて測距対象物までの距離を算出し、予め設定した受光レベルより高いときは立ち上がりエッジ検出回路４１から出力されるストップタイミングを用いて測距対象物までの距離を算出する。このように、立ち上がりエッジ検出回路４１による測距と共振回路４２による測距とを組み合わせることによって、広いダイナミックレンジを確保できる。

検知判定部５１で算出された距離値と、光量検出回路４３で検出されＡ／Ｄ変換器４５でデジタルデータに変換された光量値は、投光制御部５２の制御により情報入出力部５３を介して計測データ（判定結果）として外部に出力される。この投光制御部５２は、レーザドライバ１２に投光タイミング制御信号を供給して投光タイミングの制御を行う。投光制御部５２は、リサージュ走査の対象領域内に、異なる複数の照射パターンを生成するためのデータが格納されたタイミングテーブル５２ａを備えている。

タイミングテーブル５２ａには、リサージュ走査における走査起点からの経過時間に基づいて投光タイミングを制御するデータが格納されており、本例では、図２（ａ）に示すような行列状配置の照射パターンを生成するデータと、図２（ｂ）に示すような横方向に千鳥配置の照射パターンを生成するデータと、図２（ｃ）に示すような縦方向に千鳥配置の照射パターンを生成するデータとが格納されている。そして、タイミングテーブル５２ａに格納されたデータを、外部からの指示、タイマーの出力、及び測距判定結果の何れかにより切り替えて読み出すようになっている。

また、スキャナ制御部５４は、スキャナドライバ５５に内軸駆動信号と外軸駆動信号を供給し、このスキャナドライバ５５で二次元光スキャナ２０の内軸と外軸を制御して投光ビームで測距対象物の走査を行う。そして、二次元光スキャナ２０からは、フィルタ５６を介してスキャナ制御部５４にミラー位置信号（サーチコイル）が供給されるように構成されている。

次に、上記のような構成において、図３乃至図７により動作を説明する。図３のフローチャートに示すように、まず、測距開始か否かが判定され（ステップＳ１）、測距開始が指示されるとフレーム毎の処理が実行される（ステップＳ２）。測距開始は、外部からの指示、タイマーにより所定時間経過したことが検知された場合、あるいはタイマーにより所定の時間間隔で実行など、様々な方法が採用できる。
ステップＳ２で測距開始でないと判定されると、測距開始が指示されるまで待機する。

次のステップＳ３では、タイミングテーブル５２ａに格納されたデータを、フレーム毎に外部からの指示、タイマーの出力、及び測距判定結果の何れかにより切り替える。続いて画素毎（ステップＳ４）にタイミングテーブル５２ａから順次データを読み出して取得する（ステップＳ５）。

例えば、二次元光スキャナ２０のＸとＹの走査周波数比を「数：１」程度として走査すると、図４に示すようなリサージュ軌跡となる（図４では約「３：１」の場合を示す）。走査はリサージュ走査起点「０」から始まり、ポイントＰ１，Ｐ２，Ｐ３，…のタイミングでレーザ放射を実行する。
起点「０」からポイントＰ１までの時間ｔ１、ポイントＰ１からポイントＰ２までの時間ｔ２、ポイントＰ２からポイントＰ３までの時間ｔ３、ポイントＰ３からポイントＰ４までの時間ｔ４、…が、タイミングテーブル５２ａに格納されているデータを用いて制御される。

タイミングテーブル５２ａには、図５（ａ）に示すような「次のレーザ放射点までの時間を表すデータ」と、図５（ｂ）に示すような「画素の座標を表すデータ」が格納されており、リサージュ走査における走査起点「０」からの経過時間に基づいて投光タイミングが制御され、各ポイント間の時間が経過するとレーザを放射する（ステップＳ６）。
このような画素毎のレーザ放射（ステップＳ７）がフレーム毎に実行されて測定対象物までの距離を測定する（ステップＳ８）。

上記のような測距動作において、ステップＳ３のタイミングテーブル５２ａの選択時に、例えば図６（ａ），（ｂ）に示すように、行列状配置の照射パターンを生成するデータを選択して測定対象物２２までの距離を測定した後、横方向に千鳥配置の照射パターンを生成するデータを選択して測定対象物２２までの距離を測定する。すると、図６（ａ）に示したような行列状配置の照射パターンでは検知できない、横方向に細長い測定対象物であっても、実質的に垂直方向の画素の縦方向のピッチを狭くしたのと等価になり、図６（ｂ）に示したように測定対象物２２を検知でき、垂直方向の分解能を向上できる。
この際、光測距装置の駆動周波数、駆動信号の位相差、揺動振幅を変更する必要がないので、変更速度が機械的な応答速度に制限されずに細い物体を検知可能である。

また、例えば図７（ａ），（ｂ）に示すように、行列状配置の照射パターンを生成するデータを選択して測定対象物２２までの距離を測定した後、縦方向に千鳥配置の照射パターンを生成するデータを選択して測定対象物２２までの距離を測定する。これによって、図７（ａ）に示したような行列状配置の照射パターンでは検知できない、縦方向に細長い測定対象物であっても、実質的に水平方向の画素の縦方向のピッチを狭くしたのと等価になり、図７（ｂ）に示したように測定対象物２２を検知でき、垂直方向の分解能を向上できる。
この場合にも、光測距装置の駆動周波数、駆動信号の位相差、揺動振幅を変更する必要がないので、変更速度が機械的な応答速度に制限されずに細い物体を検知可能である。

更に、行列状配置の照射パターンを生成するデータを選択して測定対象物２２までの距離を測定した後、横方向に千鳥配置の照射パターンを生成するデータを選択して測定対象物２２までの距離を測定し、更に縦方向に千鳥配置の照射パターンを生成するデータを選択して測定対象物２２までの距離を測定するようにしても良い。このようにすると、行列状配置の照射パターンでは検知できない、横方向に細長い測定対象物と縦方向に細長い測定対象物の両方を検知でき、垂直方向と水平方向の両方の分解能を向上できる。
従って、例えばホームドア用支障物検知センサとして用いる場合に、レーザの走査軌跡を密にすることなく、傘や杖などの細い物体も検知することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することが可能である。例えば、タイミングテーブル５２ａに、行列状配置の照射パターンを生成するデータ、横方向に千鳥配置の照射パターンを生成するデータ、及び縦方向に千鳥配置の照射パターンを生成するデータを格納する例について説明したが、これらのパターンに限られるものではなく、様々なパターンを適用可能である。リサージュ走査の対象領域内に、これらの照射パターンを所定の角度で回転させた照射パターンを生成するデータを格納して用いることもできる。

また、二次元光スキャナ（例えばＭＥＭＳ光スキャナ）を使った走査光学系を例に取って説明したが、リサージュ走査できれば、他の走査光学系を用いる場合にも同様に適用可能である。
更に、ホームドア用支障物検知センサとして用いる場合を例に取って説明したが、この用途に限られるものではない。
また、投光ビームと受光ビームの軸が一致した投光／受光同軸型について説明したが、この構成に限定されるものではなく、投光ビームと受光ビームの光路が異なっていても良いことはもちろんである。

以上の実施形態で説明された回路構成や動作手順等については、本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものに過ぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

１０…レーザ投光部、１１…発光素子（レーザ）、１２…レーザドライバ、１３…投光光学系、１５…投受分離器、２０…二次元光スキャナ（走査光学系）、２１…スキャンミラー、２２…測定対象物、３０…レーザ受光部、３１…受光素子（フォトセンサ）、３２…受光光学系、３３…アンプ、４０…距離計測部、５０…制御部、５１…検知判定部、５２…投光制御部、５２ａ…タイミングテーブル、５３…情報入出力部、５４…スキャナ制御部

Claims

測定対象物に向けてリサージュ走査で放射光を投光し、前記測定対象物からの反射光を受光して前記測定対象物までの距離を測定する光測距装置において、
前記リサージュ走査の走査起点からの経過時間に基づいて投光タイミングを制御し、前記リサージュ走査の対象領域内に複数の照射パターンを生成し、生成した照射パターンから一つの照射パターンを選択し、選択した前記一つの照射パターンで距離を測定した後、他の照射パターンに切り替えて距離を測定する、ことを特徴とする光測距装置。
前記複数の照射パターンが、千鳥配置の照射パターン、行列状配置の照射パターン、及びこれらの照射パターンを所定の角度で回転させた照射パターンを含む、請求項１に記載の光測距装置。
前記リサージュ走査の走査起点からの経過時間のデータをそれぞれ格納するタイミングテーブルを備え、前記タイミングテーブルに格納されたデータを、外部からの指示、タイマーの出力、及び測距判定結果の何れかにより切り替えて読み出す、請求項１又は２に記載の光測距装置。