JP6969425B2

JP6969425B2 - 光測距装置

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Publication number: JP6969425B2
Application number: JP2018027610A
Authority: JP
Inventors: 禎祐木村; 勇高井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: JP2019144065A; US11977156B2; CN111742241B; US20200379111A1; CN111742241A; WO2019163673A1

Description

本開示は、光測距装置に関する。

測定対象物までの距離を測定する光測距装置の一つとして、レーザレーダと呼ばれる装置がある（例えば、特許文献１参照）。レーザレーダは、発光素子から照射した光が測定対象物で反射し、受光素子に戻るまでの飛行時間（ＴＯＦ：ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ）に基づいて、測定対象物までの距離を測定する。

特開２０１６−１７６７５０号公報

こうした光測距装置は、例えば、車両に搭載され、障害物の検出や障害物までの距離を測定する用途に使用される。そのため、光測距装置には、高い測定精度が求められている。

本開示は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、光測距装置（１０）が提供される。この光測距装置は、予め定められた範囲に光を照射する光源部（３０）と；前記光が照射された物体からの反射光の入射に応じてパルス信号を出力可能な受光素子を複数有する受光部（１２）と；各前記受光素子から出力されたパルス信号の数を加算して加算値を求める加算部（５２）と；前記光の照射から受光までの時間を表す飛行時間ごとに前記加算値を記録したヒストグラムを生成するヒストグラム生成部（５４）と；前記ヒストグラムからピークを検出し、前記ピークにおける前記加算値を信号強度として取得するとともに、前記ピークに対応する前記飛行時間から距離値を求めるピーク検出部（５６）と；前記信号強度を前記範囲に対応する領域に含まれる各要素に対応付けて信号強度画像データを生成するとともに、前記距離値を前記範囲に対応する領域に含まれる各要素に対応付けて距離画像データを生成する画像生成部（５８）と；前記信号強度画像データから、予め定めた閾値よりも低い信号強度を有する低信号強度要素を検出する低信号強度要素検出部（６２）と；前記距離画像データのうち、前記低信号強度要素に対応する対象要素に記録された距離値を、他の要素の距離値に基づき補正する画像補正部（６４）と；を備えることを特徴とする。

この形態の制御装置によれば、信号強度の低いヒストグラムに基づいて算出された距離画像データ中の距離値を、他の距離値によって補正することができる。そのため、物体から十分に光が反射されない場合においても、精度良く物体までの距離を測定することができる。しかも、上記形態では、距離画像データのすべての要素について補正を行うのではなく、信号強度の低いヒストグラムに基づいて算出された距離値のみ補正するため、距離画像データ全体の空間分解能が低下して、小さな物体の検出性能が低下することや、距離画像データ全体の時間分解能が低下して、高速に移動する物体の検出性能が低下することを抑制できる。従って、高い測定精度を有する光測距装置を提供できる。

本開示は、光測距装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、光測距方法、光測距装置を搭載する車両、光測距装置を制御する制御方法等の形態で実現できる。

光測距装置の概略構成を示す説明図。受光部の概略構成を示す説明図。測定対象範囲に対応する領域を示す説明図。受光ＩＣのブロック図。ヒストグラムの一例を示す図。ヒストグラムの一例を示す図。信号強度画像データおよび距離画像データの生成方法を示す図。補正対象となる要素を説明するための図。補正処理が行われるまでの処理の流れを示す図。補正方法を示す図。

Ａ．第１実施形態
図１に示すように、本開示における第１実施形態としての光測距装置１０は、光源部３０と、受光ＩＣ１４と、双曲面ミラー２０と、ポリゴンミラー２２と、筐体２６と、制御部５０とを備えている。光測距装置１０は、例えば、車両に搭載され、障害物の検出や障害物までの距離を測定するために使用される。

光源部３０は、予め定められた測定対象範囲に照射する照射光Ｌｔを生成する。本実施形態では、光源部３０は、光源として、レーザダイオード素子１８を備えている。レーザダイオード素子１８は、照射光Ｌｔとして、所定のパルス幅および周期で点滅を繰り返すパルスレーザ光を照射する。照射光Ｌｔは、双曲面ミラー２０に設けられた開口Ｋからポリゴンミラー２２に導かれる。光源部３０から射出されるパルスレーザ光のビーム形状は、鉛直方向に縦長のビーム形状である。なお、本実施形態では、光源としてレーザダイオード素子１８を用いているが、固体レーザ等他の光源を用いてもよい。

ポリゴンミラー２２は、６面のミラー面を有する回転多角形ミラーである。ポリゴンミラー２２は、照射光Ｌｔを各ミラー面で反射して測定対象範囲に向けて照射する。測定対象範囲に物体が存在する場合、その物体によって照射光Ｌｔが反射されて、ポリゴンミラー２２まで導かれる。ポリゴンミラー２２は、測定対象範囲から受光した反射光を、各ミラー面によって反射して双曲面ミラー２０へ導く。

双曲面ミラー２０は、ポリゴンミラー２２によって導かれた反射光を集光し、受光光Ｌｒとして受光ＩＣ１４の受光部１２に導く。双曲面ミラー２０はレンズと同様の作用を奏し、受光光Ｌｒを受光ＩＣ１４の受光部１２に結像させる。

ポリゴンミラー２２の各ミラー面は回転軸Ａに対して傾けて設けられている。ポリゴンミラー２２は、回転軸Ａを中心として所定の回転速度で回転される。ポリゴンミラー２２の各ミラー面は、それぞれ、回転軸Ａとのなす角度が異なるように配置されている。そのため、ポリゴンミラー２２の回転に伴って、照射光Ｌｔと反射光の俯角が変化する。この結果、ポリゴンミラー２２を回転させることにより、光源部３０からの照射光Ｌｔは、水平方向の走査（スキャン）のみならず、異なる俯角で垂直方向にも走査される。この結果、ポリゴンミラー２２からの照射光Ｌｔは面状に走査されて測定対象範囲に向け照射される。

筐体２６は、上記の各構成を支持する支持構造とともに、制御基板２７を含む。制御基板２７には、制御部５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵやメモリを備えるコンピュータとして構成されている。制御部５０は、入力インタフェースおよび出力インタフェースを備える。入力インタフェースには、受光ＩＣ１４が接続され、出力インタフェースには、例えば、車両のＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）が接続される。制御部５０は、受光ＩＣ１２によって生成された距離画像データ（詳細は後述）をＥＣＵに出力する。車両のＥＣＵは、制御部５０から取得した距離画像データに基づき、障害物の検出や障害物までの距離を測定する。

図２に示すように、受光ＩＣ１４は、受光部１２を有する。受光部１２は、物体からの反射光の入射に応じてパルス信号を出力可能な受光素子を複数有する。本実施形態では、受光部１２は、受光素子としてＳＰＡＤ（ｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎａｖａｌａｎｃｈｅｄｉｏｄｅ）１３を備える。受光部１２は、複数のＳＰＡＤ１３をアレイ状に配置したシリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ：ＳｉｌｉｃｏｎＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）として構成されている。受光部１２は、横６個×縦４個の計２４個のＳＰＡＤ１３からなる画素ＧＴが、鉛直方向に１６個（ＧＴ０〜ＧＴ１５）配列されることにより構成されている。１つの画素ＧＴのサイズは、後述する信号強度画像データおよび距離画像データの１つの要素のサイズに対応する。各ＳＰＡＤ１３は、光（フォトン）を入力すると、一定の確率でパルス信号を出力する。そのため、各画素ＧＴは、受光した光の強度に応じて、０〜２４個のパルス信号を出力する。

光源部３０から射出されるパルスレーザ光のビーム形状は、鉛直方向に縦長のビーム形状であり、受光部１２の画素ＧＴも鉛直方向に配列されている。反射光も縦長のビーム形状のまま光測距装置１０に戻るので、縦長のビーム形状を有する受光光Ｌｒが、画素ＧＴの配列方向に沿って受光部１２に入射する。つまり、１６個分の画素ＧＴに相当する縦長の反射光パルスを、受光部１２が一括して受光する。照射光Ｌｔおよび受光光Ｌｒは、ポリゴンミラー２２の回転によって水平方向および垂直方向に走査されるので、受光部１２には、ポリゴンミラー２２の回転によって走査された光が次々に入光する。本実施形態では、図３に示すように、ポリゴンミラー２２が１／６回転することにより、１つのミラー面によって、Ｙ方向に１６要素分の帯状の領域が走査され、ポリゴンミラー２２が１回転することにより、６つのミラー面によって、Ｙ方向に９６要素（＝１６画素×６面）分の面状の領域が走査される。Ｘ方向の要素数は、本実施形態では、２５６個とする。図３に示した面状の領域は、光源部３０によって光が照射される測定対象範囲に対応する。

図４を用いて、受光ＩＣ１４の構成について説明する。受光ＩＣ１４は、受光部１２と、加算部５２と、ヒストグラム生成部５４と、ピーク検出部５６と、画像生成部５８と、画像保存メモリ６０と、低信号強度要素検出部６２と、画像補正部６４と、出力部６６と、を備えている。これらのうち、受光部１２および画像保存メモリ６０を除く各部は、制御部５０に備えられたＣＰＵがプログラムを実行することによってソフトウェア的に実現する機能部として実現されてもよい。

加算部５２は、受光部１２から出力されたパルス信号の数を加算して加算値を求める回路である。より具体的には、加算部５２は、画素ＧＴ毎に、各画素ＧＴに含まれる複数のＳＰＡＤ１３から同時に出力されるパルス信号の数を計数することにより、画素ＧＴ毎に加算値を求める。例えば、１つの画素ＧＴに含まれる複数のＳＰＡＤ１３のうち、１２個のＳＰＡＤ１３からパルス信号が出力されれば、加算部５２は、加算値として「１２」をヒストグラム生成部５４に出力する。なお、図４には、加算部５２をまとめて１つ示しているが、加算部５２は、受光部１２の１つの画素ＧＴにつき、１つ設けられている。

ヒストグラム生成部５４は、加算部５２から出力された加算値に基づきヒストグラムを生成する回路である。図５には、ヒストグラムの例を示している。ヒストグラムの階級（横軸）は、光が照射されてから反射光（受光光）が受光されるまでの光の飛行時間を示している。以下、この時間のことを、ＴＯＦ（ＴＯＦ：ＴｉｍｅＯｆＦｌｉｇｈｔ）という。一方、ヒストグラムの度数（縦軸）は、加算部５２によって算出された加算値であり、物体から反射された光の強度を示している。ヒストグラム生成部５４は、光源部３０およびポリゴンミラー２２による走査タイミングに同期した記録タイミングに従って、加算部５２から出力された加算値をＴＯＦ毎に記録することによってヒストグラムを生成する。測定対象範囲に物体が存在する場合、その物体から光が反射され、その物体までの距離に応じたＴＯＦの階級に加算値が記録される。ヒストグラム中のピークは、そのピークに対応するＴＯＦに応じた位置（距離）に物体が存在することを表している。ヒストグラム中のピークが現れていない部分の度数は、概ね、外乱光の影響によるノイズである。なお、図４にはヒストグラム生成部５４をまとめて１つ示しているが、ヒストグラム生成部５４は、画素ＧＴ毎に設けられている。そのため、ヒストグラムは、図３に示した領域中の全ての要素について生成される。なお、１つの画素ＧＴに対して複数回走査を行ってヒストグラムの度数を加算していくことにより、ヒストグラムのＳＮ比を向上させることが可能である。

ピーク検出部５６（図４）は、ヒストグラムからピークを検出する回路である。ピーク検出部５６は、検出されたピークにおける度数（加算値）を信号強度として取得するとともに、ピークに対応するＴＯＦから距離値を求める。ＴＯＦを「ｔ」、光速を「ｃ」、距離値を「Ｄ」とすると、ピーク検出部５６は、以下の式（１）により、距離値を算出する。
Ｄ＝（ｃ×ｔ）／２・・・式（１）

図５には、ヒストグラムに一つのピークが現れている例を示したが、図６に示すように、ヒストグラムには、ピークが複数出現する場合がある。これは、１つのヒストグラムを生成している間に、測定対象範囲中の物体と光測距装置１０との相対的な位置関係が変化して、異なる物体からの反射光が同じ画素ＧＴに届く場合があるからである。そのため、本実施形態では、１つのヒストグラムの中に複数のピークが存在する場合には、ピーク検出部５６は、最も度数が大きいピークに基づいて距離値を算出する。なお、これに限らず、ピーク検出部５６は、例えば、予め定められた順位のピーク（例えば、２番目に度数の大きいピーク）に基づいて距離値を求めてもよいし、ＴＯＦの最も大きい、または、最も小さいピークに基づいて距離値を求めてもよい。

画像生成部５８（図４）は、信号強度画像データ（Ｉ_Ｐｋ）と距離画像データ（Ｉ_Ｄ）とを生成する回路である。図７に示すように、画像生成部５８は、ピーク検出部５６によって検出されたピークの信号強度を、図３に示した領域の各要素に対応付けることにより、信号強度画像データを生成する。また、画像生成部５８は、ピーク検出部５６によってＴＯＦから算出された距離値を、図３に示した領域の各要素に対応付けることにより距離画像データを生成する。画像生成部５８は、図４に示すように、生成した信号強度画像データ（Ｉ_Ｐｋ）を低信号強度要素検出部６２に出力する。また、画像生成部５８は、生成した距離画像データ（Ｉ_Ｄ）を、画像保存メモリ６０に保存するとともに画像補正部６４に出力する。画像保存メモリ６０には、距離画像データが新しいものから順番に予め定められた枚数分保存され、古いデータから順番に消去される。

低信号強度要素検出部６２は、画像生成部５８によって生成された信号強度画像データから、予め定められた強度判定閾値よりも低い信号強度を有する低信号強度要素を検出する回路である。低信号強度要素検出部６２は、検出した低信号強度要素の座標を画像補正部６４に出力する。強度判定閾値は、測定された距離値と実際の距離値との誤差が小さくなる信号強度を、様々な環境下で評価する実験を行うことによって予め定めることができる。

画像補正部６４は、距離画像データを補正する回路である。画像補正部６４は、低信号強度要素検出部６２から取得した座標に基づき、距離画像データのうち、低信号強度要素に対応する要素を特定し、その要素（以下、「対象要素」ともいう）の距離値を、他の要素の距離値に基づき補正することによって距離画像データを補正する。補正された距離画像データは、出力部６６に出力される。

図７及び図８を用いて、補正対象となる対象要素について説明する。図７に示したヒストグラムのピークは、予め定められた強度判定閾値を超えている。この場合、そのピークにおける信号強度は、十分に信用できる値といえる。そのため、そのピークに対応するＴＯＦ値から距離値を求め、その値をそのまま距離画像データに記録する。つまり、ピークが強度判定閾値を超える場合には、上記式（１）によって算出された距離値の値をそのまま採用する。これに対して、図８に示したヒストグラムのピークは、強度判定閾値よりも低い。つまり、そのピークにおける信号強度は、度数が小さく、信用できる値とは言えない。そのため、そのピークに対応するＴＯＦ値から距離値を求めても、その距離値には誤差が含まれている可能性が高い。そこで、本実施形態では、このような距離値については、他の要素の距離値によって補正を行う補正対象とする。図８に示すように、補正対象となる要素は、例えば、光測距装置１０から遠方に存在する物体の位置に対応する要素である。

図９を用いて、画像補正部６４によって補正処理が行われるまでの処理の流れについて説明する。まず、ヒストグラム生成部５４によってヒストグラムが生成され（工程１）、そのヒストグラムに基づき、画像生成部５８が、距離画像データを生成するとともに（工程２）、信号強度画像データを生成する（工程３）。そして、低信号強度要素検出部６２が、信号強度画像データから、低信号強度要素を検出し、検出した低信号強度要素の座標を画像補正部６４に出力する。画像補正部６４は、距離画像データから、その座標に対応する対象要素を特定し（工程４）。距離画像データのその対象要素の距離値について、空間的演算（工程５）および時間的演算（工程６）を行うことにより距離値を補正する。

図１０に示すように、本実施形態では、画像補正部６４は、対象要素の距離値に、対象要素に隣接する４つの要素の距離値を加算する。そして、さらに、その加算された値に、画像保存メモリ６０に記録された過去２枚の距離画像データ中の同じ位置の要素の距離値（補正前の距離値）を加算する。そして、その合計値を合算対象とした要素の数で除することにより、空間的および時間的な平均値を求める。画像補正部６４は、その平均値によって、距離画像データの対象要素の距離値を上書きする。こうして補正された距離画像データは、出力部６６を通じて、車両のＥＣＵ等に出力され、障害物の検出や障害物までの距離の測定に用いられる。

以上で説明した本実施形態の光測距装置１０によれば、信号強度の低いヒストグラムに基づいて算出された距離画像データ中の距離値を、他の距離値によって補正することができる。そのため、物体から十分に光が反射されない場合においても、精度良く物体までの距離を測定することができる。物体から十分に光が反射されない場合とは、例えば、物体が遠い位置に存在する場合や、物体の反射率が小さい場合、悪天候の場合などである。

また、本実施形態では、距離画像データのすべての要素について補正を行うのではなく、信号強度の低いヒストグラムに基づいて算出された距離値のみ補正するため、距離画像データ全体の空間分解能が低下して、小さな物体の検出性能が低下することや、距離画像データ全体の時間分解能が低下して、高速に移動する物体の検出性能が低下することを抑制できる。つまり、本実施形態によれば、高い測定精度を有する光測距装置１０を提供することが可能になる。

また、本実施形態では、現在の距離画像データの周囲の距離値だけではなく、過去の距離画像データの距離値をも用いて距離値を補正するので、より精度良く物体までの距離を測定することができる。

Ｂ．他の実施形態：
（Ｂ１）上記実施形態では、画像補正部６４は、周囲の要素の距離値および過去の距離値の両方に基づいて対象要素の距離値を補正している。これに対して、画像補正部６４は、周囲の要素の距離値のみを用いて距離値を補正してもよい。また、画像補正部６４は、過去の距離値のみを用いて距離値を補正してもよい。周囲の要素の距離値のみを用いて距離値を補正する場合には、過去の距離画像データを保存しなくてもよいため、図４に示した画像保存メモリ６０を省略してもよい。

（Ｂ２）上記実施形態では、画像補正部６４は、複数の要素の距離値の平均値を求めることにより補正を行っている。これに対して、画像補正部６４は、複数の要素の距離値の中央値や最頻値など、他の代表値によって補正を行ってもよい。

（Ｂ３）上記実施形態では、画像補正部６４は、空間的に４つの方向に隣接する要素の距離値を用いて補正を行っているが、対象要素からより離れた要素の距離値を用いて補正を行ってもよい。この場合、対象要素から空間方向に遠ざかるほど、重みを低下させ、演算結果への影響度が小さくなるようにしてもよい。また、同様に、対象要素から時間方向に遠ざかるほど、重みを低下させ、演算結果への影響度が小さくなるようにしてもよい。つまり、画像補正部６４は、対象要素に距離的、時間的に近い要素の距離値を優先的に用いて補正を行ってもよい。

（Ｂ４）上記実施形態において、画像補正部６４は、対象要素の距離値から著しく外れた距離値を有する他の要素の距離値を、演算から除外してもよい。こうすることにより、測定精度をより高めることができる。

（Ｂ５）上記実施形態において、ピーク検出部５６がヒストグラムからピークを検出できなかった場合には、距離値が定まらないため、距離画像データには距離値が記録されない。そこで、画像補正部６４は、距離値が記録されていない距離画像データ中の要素に対して、周囲の要素および過去の要素のうち少なくとも一方を用いて距離値の平均値あるいは中央値を算出し、その値を記録してもよい。また、過去の距離画像データの対応する要素から距離値を取得して、その距離値を記録してもよい。こうすることにより、距離画像データ中に、距離値の存在しない要素が生じてしまうことを防止できる。

（Ｂ６）上記実施形態の光測距装置１０は、投光における光軸と受光における光軸とが一致する同軸型の光学系を採用している。これに対して、光測距装置１０は、投光における光軸と受光における光軸とが異なる異軸型の光学系を採用してもよい。また、上記実施形態では、受光部１２の画素ＧＴは、鉛直方向に１列に並んでいるものとしたが、画素ＧＴは、鉛直方向および水平方向に平面的に配列されていてもよい。また、光測距装置１０の走査方式も、短冊状の光を一方向に走査する１Ｄスキャン方式であってもよいし、点状の光を２次元方向に走査する２Ｄスキャン方式であってもよい。また、光測距装置１０は、光を走査せず、広範囲に光を照射するフラッシュ方式の装置であってもよい。

（Ｂ７）上記実施形態におけるポリゴンミラー２２のミラー面の数、受光部１２を構成する画素ＧＴの数、画素ＧＴを構成するＳＰＡＤ１３の数、信号強度画像データの要素数、距離画像データの要素数は、それぞれ、例示である。そのため、これらの数は、上記実施形態に示した数に限らず、光測距装置１０の仕様に応じて適宜設定可能である。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０光測距装置、１２受光部、１３ＳＰＡＤ、１４受光ＩＣ、１８レーザダイオード素子、２０双曲面ミラー、２２ポリゴンミラー、２６筐体、２７制御基板、３０光源部、５０制御部、５２加算部、５４ヒストグラム生成部、５６ピーク検出部、５８画像生成部、６０画像保存メモリ、６２低信号強度要素検出部、６４画像補正部、６６出力部

Claims

光測距装置（１０）であって、
予め定められた範囲に光を照射する光源部（３０）と、
前記光が照射された物体からの反射光の入射に応じてパルス信号を出力可能な受光素子を複数有する受光部（１２）と、
各前記受光素子から出力されたパルス信号の数を加算して加算値を求める加算部（５２）と、
前記光の照射から受光までの時間を表す飛行時間ごとに前記加算値を記録したヒストグラムを生成するヒストグラム生成部（５４）と、
前記ヒストグラムからピークを検出し、前記ピークにおける前記加算値を信号強度として取得するとともに、前記ピークに対応する前記飛行時間から距離値を求めるピーク検出部（５６）と、
前記信号強度を前記範囲に対応する領域に含まれる各要素に対応付けて信号強度画像データを生成するとともに、前記距離値を前記範囲に対応する領域に含まれる各要素に対応付けて距離画像データを生成する画像生成部（５８）と、
前記信号強度画像データから、予め定めた閾値よりも低い信号強度を有する低信号強度要素を検出する低信号強度要素検出部（６２）と、
前記距離画像データのうち、前記低信号強度要素に対応する対象要素に記録された距離値を、他の要素の距離値に基づき補正する画像補正部（６４）と、
を備える光測距装置。
請求項１に記載の光測距装置であって、
前記画像補正部は、前記対象要素に記録された距離値を、前記対象要素の周囲の画素の距離値に基づき補正する、光測距装置。
請求項１に記載の光測距装置であって、
前記画像補正部は、前記対象要素に記録された距離値を、過去に生成された距離画像データ中の前記対象要素に記録された距離値に基づき補正する、光測距装置。
請求項１に記載の光測距装置であって、
前記画像補正部は、前記対象要素に記録された距離値を、前記対象要素の周囲の画素の距離値と、過去に生成された距離画像データ中の前記対象要素に記録された距離値とに基づき補正する、光測距装置。