JP6978394B2 - 電磁波検出装置及び情報取得システム - Google Patents

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Description

本発明は、電磁波検出装置及び情報取得システムに関する。
近年、電磁波を検出する複数の検出器による検出結果から周囲に関する情報を得る装置が開発されている。例えば、赤外線カメラで撮像した画像中の物体の位置を、レーザレーダを用いて測定する装置が知られている。（特許文献１参照）。
特開２０１１−２２０７３２号公報
このような装置において、電磁波の検出精度の向上は有益である。
従って、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、電磁波の検出精度を向上させることにある。
上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による電磁波検出装置は、入射する電磁波を複数の方向に分離して進行させる分離部と、分離された第１の電磁波を第１の頻度で検出する第１の検出部と、前記第１の電磁波と異なる方向へ分離された第２の電磁波を前記第１の頻度より低い第２の頻度で検出し、検出信号の増幅率を前記第１の検出部の検出結果に応じて変化させる第２の検出部と、を有する。
また、第２の観点による情報取得システムは、電磁波検出装置と、第１の検出部及び第２の検出部による電磁波の検出結果に基づいて、周囲に関する情報を取得する制御部とを、有する。
本開示の解決手段は、上述の装置及びシステムとしてだけではなく、これらを含む態様としても実現し得るものであり、また、これらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現し得るものであり、本開示の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
上記のように構成された本開示によれば、電磁波の検出精度を向上し得る。
一実施形態に係る電磁波検出装置含む情報取得システムの概略構成を示す構成図である。 電磁波検出装置の概略構成を示す構成図である。 検出部における合成ノイズの増幅率依存性を説明する図である。 検出部における合成ノイズの入力電流依存性を説明する図である。 本実施形態における検出部の検出頻度を説明する図である。 制御部の動作手順を説明するフローチャート図である。 電磁波強度と増幅率の関係を説明する図である。 電磁波強度と最適増幅率のテーブルの例を示す図である。 第１の検出部の検出結果に基づく第２の検出部の増幅率設定の例を示す図である。 第１の検出部の検出結果に基づく第２の検出部の増幅率設定の例を示す図である。 第１の検出部の検出結果に基づく第２の検出部の増幅率設定の例を示す図である。 第１の検出部の検出結果に基づく第２の検出部の増幅率設定の例を示す図である。 第１の検出部の検出結果に基づく第２の検出部の増幅率設定の例を示す図である。 第１の検出部の検出結果に基づく第２の検出部の増幅率設定の例を示す図である。 第１の検出部の検出結果に基づく第２の検出部の増幅率設定の例を示す図である。 第１の検出部の検出結果に基づく第２の検出部の増幅率設定の例を示す図である。 進行部の変形例を示す図である。
以下、本発明を適用した電磁波検出装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。電磁波検出装置は、複数の検出部により電磁波を検出するよう構成される。電磁波検出装置は、入射する電磁波を分離して各検出部へ進行させる、分離部としての光学系を有する。この光学系は、入射する電磁波の中から、各検出部に割当てられた波長帯域の電磁波をそれぞれの検出部へ向けて分離するように構成される。少なくとも一部の検出部は、例えば、シリコン半導体に電場勾配をかけることで増幅機能を持たせた半導体素子である。かかる半導体素子は、電磁波の検出に起因する検出信号を増幅する際、増幅率または電磁波強度に応じてノイズも増大させる。すると、増幅率または入力電流が大きいからといって、良好なＳ／Ｎ比を得られるとは限らない。そこで、本実施形態の電磁波検出装置は、複数の検出部のうち少なくとも増幅機能を有する一つに対し、電磁波強度に応じた最適な増幅率を設定することで、良好なＳ／Ｎ比での電磁波の検出を可能にする。
図１に示すように、本実施形態に係る電磁波検出装置１０を含む情報取得システム１１は、電磁波検出装置１０、放射部１２、走査部１３、及び制御部１４を含んで構成される。
以降の図において、各機能ブロックを結ぶ破線は、制御信号または通信される情報の流れを示す。破線が示す通信は有線通信であってもよいし、無線通信であってもよい。また、各機能ブロックから突出する実線は、ビーム状の電磁波を示す。
図２に示すように、電磁波検出装置１０は、前段光学系１５、分離部１６、検出部１７、進行部１８、後段光学系１９、及び検出部２０を有する。ここにおいて、検出部１７及び２０は、それぞれ、「第１の検出部」及び「第２の検出部」に対応する。
前段光学系１５は、例えば、レンズ及びミラーの少なくとも一方を含み、被写体となる対象ｏｂの像を結像させる。
分離部１６は、前段光学系１５と、前段光学系１５から所定の距離をおいて離れた対象ｏｂの像の、前段光学系１５による結像位置である一次結像位置との間に設けられる。
分離部１６は、方向ｄ０に沿って入射する電磁波を分離して、方向ｄ１及び方向ｄ２に進行するように分離する。入射の方向ｄ０は、例えば、前段光学系１５の光軸に平行であってよい。分離部１６は、入射の方向ｄ０に沿って進行する電磁波の一部を方向ｄ１に進行させ、電磁波の別の一部を方向ｄ２に進行させてよい。方向ｄ１に進行させる一部の電磁波は、方向ｄ０に沿って進行する電磁波のうち特定の波長の電磁波であってよく、方向ｄ２に進行させる電磁波は他の波長の電磁波であってよい。
例えば、分離部１６は、具体的には、可視光帯域の電磁波を方向ｄ１に進行させ、赤外帯域の電磁波を方向ｄ２に進行させてよい。反対に、分離部１６は、赤外帯域の電磁波を方向ｄ１に進行させ、可視光帯域の電磁波を方向ｄ２に進行させてよい。また、分離部１６は、長波長の電磁波を方向ｄ１に進行させ、短波長の電磁波を方向ｄ２に進行させてよい。反対に、分離部１６は、長波長の電磁波を方向ｄ１に進行させ、短波長の電磁波を方向ｄ２に進行させてよい。
本実施形態では、分離部１６は、方向ｄ０に進行する電磁波の一部を方向ｄ１に反射し、電磁波の別の一部を方向ｄ２に透過する。分離部１６は、方向ｄ０に進行する電磁波の一部を方向ｄ１に透過し、電磁波の別の一部を方向ｄ２に透過してもよい。また、分離部１６は、方向ｄ０に進行する電磁波の一部を方向ｄ１に屈折させ、電磁波の別の一部を方向ｄ２に屈折させてもよい。分離部１６は、例えば、プリズムに蒸着された可視光反射コーティング、ハーフミラー、ビームスプリッタ、ダイクロイックミラー、コールドミラー、ホットミラー、メタサーフェス、及び偏向素子のいずれかを含む。
検出部１７は、分離部１６から方向ｄ１に進行する電磁波の経路上に、設けられる。さらに、検出部１７は、前段光学系１５から所定の距離をおいて離れた対象ｏｂの像の、分離部１６から方向ｄ１における前段光学系１５による結像位置または当該結像位置近傍に、設けられる。検出部１７は、分離部１６から方向ｄ１に進行した電磁波を検出（または、電磁波の到来方向に存在する物体を示す信号を生成）する。
本実施形態において、検出部１７は、例えばパッシブセンサであり、さらに具体的には、素子アレイを含む。検出部１７は、例えば、イメージセンサまたはイメージングアレイなどの撮像素子を含み、検出面において結像した電磁波による像を撮像して、撮像した対象ｏｂに相当する画像情報を生成する。
なお、本実施形態において、検出部１７は、さらに具体的には可視光の像を撮像する。検出部１７は、生成した画像情報を画像信号として制御部１４に送信する。画像信号は、例えば、フレームごとに生成される。各フレームは、二次元に配列された画素信号からなる。例えば、１フレームは、一列数百〜数万個、一行数百〜数万個の画素からなる。例えば、１フレームの画素数は、1920×1080である。検出部１７は、例えば、０．０１秒〜０．０４秒ごとに１フレームの画像信号を生成して制御部１４に送信する。
なお、検出部１７は、赤外線、紫外線、及び電波の像など、可視光以外の像を撮像して、それぞれの画像情報を生成してもよい。また、検出部１７は測距センサを含んでもよい。この構成において、電磁波検出装置１０は、検出部１７により画像状の距離情報を取得し得る。また、検出部１７はサーモセンサなどを含んでもよい。この構成において、電磁波検出装置１０は、検出部１７により画像状の温度情報を取得し得る。
進行部１８は、分離部１６から方向ｄ２に進行する電磁波の経路上に設けられる。さらに、進行部１８は、前段光学系１５から所定の距離をおいて離れた対象ｏｂの像の、分離部１６から方向ｄ２における前段光学系１５による一次結像位置または当該一次結像位置近傍に、設けられる。
本実施形態においては、進行部１８は、当該結像位置に設けられる。進行部１８は、前段光学系１５及び分離部１６を通過した電磁波が入射する基準面ｓｓを有する。基準面ｓｓは、二次元状に配置される複数の画素ｐｘによって構成される。基準面ｓｓは、電磁波に、例えば、反射及び透過などの作用を生じさせる。
進行部１８は、方向ｄ２に進行して基準面ｓｓに入射する電磁波を、別の方向ｄ３に進行させる。進行部１８は、画素ｐｘ毎に電磁波を反射する反射面を有する。進行部１８は、画素ｐｘ毎の反射面の向きを変更することにより、方向ｄ２に進行して基準面ｓｓに入射する電磁波の進行方向を、画素ｐｘ毎に、方向ｄ３またはさらに別の方向に切り替えることができる。
本実施形態において、進行部１８は、例えばＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ：デジタルマイクロミラーデバイス）を含む。ＤＭＤは、基準面ｓｓを構成する微小な反射面を駆動することにより、画素ｐｘ毎に当該反射面を基準面ｓｓに対して、例えば＋１２°及び１２°のいずれかの傾斜状態に切替え可能である。なお、基準面ｓｓは、ＤＭＤにおける微小な反射面を載置する基板の板面に平行である。
進行部１８は、後述する制御部１４の制御に基づいて、基準面ｓｓに入射する電磁波の進行方向を、画素ｐｘ毎に切り替える。
後段光学系１９は、進行部１８から方向ｄ３に設けられる。後段光学系１９は、例えば、レンズ及びミラーの少なくとも一方を含む。後段光学系１９は、進行部１８において進行方向を切替えられた電磁波に対応する対象ｏｂの像を結像させる。
検出部２０は、進行部１８によって方向ｄ３に進行した後に後段光学系１９を経由して進行する電磁波の経路上に設けられる。検出部２０は、後段光学系１９を経由した電磁波を検出（または、電磁波の到来方向に存在する物体を示す信号を生成）する。
本実施形態において、検出部２０は、放射部１２から対象ｏｂに向けて放射された電磁波の当該対象ｏｂからの反射波を検出するアクティブセンサである。検出部２０は、放射部１２から放射され且つ走査部１３により反射されることにより対象ｏｂに向けて放射された電磁波の当該対象ｏｂからの反射波を検出する。放射部１２から放射される電磁波は赤外線、可視光線、紫外線、及び電波の少なくともいずれかであり、検出部２０は、検出部１７とは異種または同種の電磁波を検出する。
本実施形態において、検出部２０は、検出部１７と異種または同種のセンサであってよい。検出部２０は、例えば、シリコン半導体に電場勾配をかけることで増幅機能を持たせた半導体素子である。かかる半導体素子は、測距センサを構成する素子、例えば、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）、ＭＰＰＣ（Ｍｕｌｔｉ−Ｐｉｘｅｌ Ｐｈｏｔｏｎ Ｃｏｕｎｔｅｒ）、ＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）、及び測距イメージセンサなどの素子を含む。また、検出部２０は、ＡＰＤアレイ、ＰＤアレイ、測距イメージングアレイ、及び測距イメージセンサなどの素子アレイを含むものであってもよい。
本実施形態において、検出部２０は、被写体からの反射波を検出したことを示す、増幅された検出信号を制御部１４に送信する。検出部２０は、例えば、０．１秒ごとに、フレーム単位の画像信号として、または他の形態の信号として、増幅された検出信号を制御部１４に送信する。検出部２０がフレーム単位の画素信号を生成する場合、例えば、１フレームは、一列１〜数百個、一行１〜数百個の画素からなる。検出部２０は、さらに具体的には、赤外線の帯域の電磁波を検出する。
なお、検出部２０は、上述した測距センサを構成する単一の素子である構成において、電磁波を検出できればよく、検出面において電磁波が結像しなくてもよい。それゆえ、検出部２０は、後段光学系１９による結像位置である二次結像位置に設けられなくてもよい。すなわち、検出部２０は、すべての画角からの電磁波が検出面上に入射可能な位置であれば、進行部１８により方向ｄ３に進行した後に後段光学系１９を経由して進行する電磁波の経路上のどこに配置されてもよい。
ここで図１を参照し、電磁波検出装置１０を含む情報取得システム１１の、電磁波検出装置１０以外の各部の構成及び動作について説明する。放射部１２は、赤外線、可視光線、紫外線、及び電波の少なくともいずれかを放射する。本実施形態において、放射部１２は、赤外線を放射する。放射部１２は、放射する電磁波を、対象ｏｂに向けて、直接または走査部１３を介して間接的に、放射する。本実施形態においては、放射部１２は、放射する電磁波を、対象ｏｂに向けて、走査部１３を介して間接的に放射する。
放射部１２は、幅の細い、例えば０．５°のビーム状の電磁波を放射する。また、本実施形態において、放射部１２は電磁波をパルス状に放射可能である。例えば、放射部１２は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）及びＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）などを含む。放射部１２は、制御部１４の制御に基づいて、電磁波の放射及び停止を切り替える。
走査部１３は、例えば、電磁波を反射する反射面を有し、放射部１２から放射された電磁波を、反射面の向きを変更しながら反射することにより、対象ｏｂに照射される電磁波の放射位置を変更する。すなわち、走査部１３は、放射部１２から放射される電磁波を用いて、対象ｏｂを走査する。よって、本実施形態において、検出部２０は、走査部１３と協働して、走査型の測距センサを構成する。なお、走査部１３は、一次元方向または二次元方向に対象ｏｂを走査する。本実施形態においては、走査部１３は、二次元方向に対象ｏｂを走査する。
走査部１３は、放射部１２から放射されて反射した電磁波の照射領域の少なくとも一部が、電磁波検出装置１０における電磁波の検出範囲に含まれるように、構成される。よって、走査部１３を介して対象ｏｂに照射される電磁波の少なくとも一部は、電磁波検出装置１０において検出され得る。
なお、本実施形態において、走査部１３は、放射部１２から放射され且つ走査部１３に反射した電磁波の放射領域の少なくとも一部が、検出部２０における検出範囲に含まれるように、構成される。よって、本実施形態において、走査部１３を介して対象ｏｂに放射される電磁波の少なくとも一部は、検出部２０により検出され得る。
走査部１３は、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー、ポリゴンミラー、及びガルバノミラーなどを含む。本実施形態においては、走査部１３は、ＭＥＭＳミラーを含む。
走査部１３は、後述する制御部１４の制御に基づいて、電磁波を反射する向きを変える。また、走査部１３は、例えばエンコーダなどの角度センサを有してもよく、角度センサが検出する角度を、電磁波を反射する方向情報として、制御部１４に通知してもよい。このような構成において、制御部１４は、走査部１３から取得する方向情報に基づいて、放射位置を算出し得る。また、制御部１４は、走査部１３に電磁波を反射する向きを変えさせるために入力する駆動信号に基づいて放射位置を算出し得る。
制御部１４は、１以上のプロセッサ及びメモリを含む。プロセッサは、特定のプログラムを読み込ませて特定の機能を実行する汎用のプロセッサ、及び特定の処理に特化した専用のプロセッサの少なくともいずれかを含んでよい。専用のプロセッサは、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を含んでよい。プロセッサは、プログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）を含んでよい。ＰＬＤは、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）を含んでよい。制御部１４は、１つまたは複数のプロセッサが協働するＳｏＣ（Ｓｙｓｔｅｍ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ）、及びＳｉＰ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎ ａ Ｐａｃｋａｇｅ）の少なくともいずれかを含んでもよい。
制御部１４は、検出部１７及び検出部２０からそれぞれ送信される検出信号に基づいて、電磁波検出装置１０の周囲に関する情報を取得する。周囲に関する情報は、例えば画像情報、距離情報、及び温度情報等である。本実施形態において、制御部１４は、前述のように、検出部１７が画像として検出した電磁波を画像情報として取得する。また、制御部１４は、検出部２０が検出する検出情報に基づいて、例えば、ＴｏＦ（Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）方式により、放射部１２に照射される照射位置の距離情報を取得する。
制御部１４は、放射部１２に電磁波放射信号を入力することにより、放射部１２にパルス状の電磁波を放射させる。放射部１２は、入力された当該電磁波放射信号に基づいて電磁波を放射する。放射部１２が放射し且つ走査部１３が反射して任意の放射領域に放射された電磁波は、当該放射領域において反射する。検出部２０は、当該放射領域の反射波の進行部１８における結像領域の中の少なくとも一部の画素ｐｘの向きを切り替え、反射された電磁波を検出するとき、検出信号を制御部１４に通知する。制御部１４は、例えば、時間計測ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）を有しており、放射部１２に電磁波を放射させてから検出信号を取得するまでの経過時間を計測する。制御部１４は、当該経過時間に、光速を乗算し、且つ２で除算することにより、放射位置までの距離を算出する。なお、制御部１４は、上述のように、走査部１３から取得する方向情報、または自身が走査部１３に出力する駆動信号に基づいて、放射位置を算出する。制御部１４は、放射位置を変えながら、各放射位置までの距離を算出することにより、画像状の距離情報を作成する。
さらに、本実施形態において、制御部１４は、検出部１７の検出信号に基づいて検出部２０の検出信号の増幅率を制御する。詳細は後述する。
なお、情報取得システム１１は、レーザ光を放射して、返ってくるまでの時間を直接測定するＤｉｒｅｃｔ ＴｏＦにより距離情報を作成する構成に限られず、例えば、電磁波を一定の周期で放射し、放射された電磁波と返ってきた電磁波との位相差から、返ってくるまでの時間を間接的に測定するＦｌａｓｈ ＴｏＦにより距離情報を作成してもよい。また、情報取得システム１１は、他のＴｏＦ方式、例えば、Ｐｈａｓｅｄ ＴｏＦにより距離情報を作成してもよい。
本実施形態において、検出部２０は、電場勾配をかけることで検出信号を増幅する増幅機能を有する。かかる増幅機能の増幅率は、電場の強さに応じて増大する。しかし、増幅率を増大すべく電場を強くすると、増幅過程においてショットノイズが加わる。よって、電場を強くして増幅率を大きくすると、検出信号の利得も増大するが、それとともにノイズも大きくなるため、Ｓ／Ｎ比は必ずしも向上しない。また、かかるショットノイズは、検出部２０に入力される電磁波の強度（つまり電磁波の強度に応じた入力電流）に応じて増加する。さらに、検出部２０がＡＰＤを有する場合、ＡＰＤは温度に起因する熱雑音を有する。そして、熱雑音は、ショットノイズとは異なり、増幅率及び入力電流に依存しない。このように、検出部２０では、検出信号の増幅に伴うショットノイズと、ＡＰＤ由来の熱雑音とを合わせた合成ノイズを有する。
図３には、合成ノイズの増幅率依存性が示される。図３は、横軸に増幅率、縦軸に出力信号の強度を示す。まず、入力電流Ｉにおいて、増幅率の増加に伴う出力信号強度の直線的な増加が示される。また、ショットノイズｓＮは、増幅率の増加に伴って出力信号に混入したときの強度が指数関数的に増加する。一方、熱雑音ｈＮは増幅率にかかわらず一定である。ここにおいて、ショットノイズｓＮと熱雑音ｈＮとを合わせた合成ノイズｍＮの大きさは、増幅率に概ね依存することが示される。
また、図３に示すように、入力電流Ｉと合成ノイズｍＮとの乖離の大きさが、増幅率に応じたＳ／Ｎ比に対応する。ここでは、増幅率の増加に応じたＳ／Ｎ比ＳＮ＿１、ＳＮ＿２、ＳＮ＿３が示される。ここにおいて、増幅率ＯｐのときのＳ／Ｎ比ＳＮ＿２が他より大きく、最良のＳ／Ｎ比である。このように、増幅率が大きければ、または小さければ、良好なＳ／Ｎ比が得られるとは限らない。以下、入力電流において最良のＳ／Ｎ比が得られる増幅率を最適増幅率（Ｏｐ）という。
図４には、合成ノイズの入力電流依存性が示される。図４は、横軸に増幅率、縦軸に出力信号の強度を示す。ここでは、入力電流Ｉ１及び入力電流Ｉ１より小さい入力電流Ｉ２が示される。ここにおいて、入力電力Ｉ１のときの合成ノイズｍＮ１と比較して、入力電力Ｉ２のときの合成ノイズｍＮ２は、合成ノイズｍＮ１と同等かそれより小さいことが示される。つまり、合成ノイズの大きさは、入力電流の大きさに概ね依存する。
また、図４に示すように、入力電力Ｉ１のとき、合成ノイズｍＮ１に対し、最適増幅率Ｏｐ１のとき最良のＳ／Ｎ比ＳＮ＿Ｉ１が得られる。一方、入力電力Ｉ２のとき、合成ノイズｍＮ２に対し、最適増幅率Ｏｐ２のとき最良のＳ／Ｎ比ＳＮ＿Ｉ２が得られる。ここにおいて、入力電流Ｉ１のときの最適増幅率Ｏｐ１より、入力電流Ｉ２のときの最適増幅率Ｏｐ２の方が大きいことが示される。つまり、最適増幅率は入力電流に応じて異なり、入力電流が大きくなると、最適増幅率は小さくなる傾向がある。
本実施形態では、検出部２０がＡＰＤ由来の合成ノイズを有することに鑑み、入力電流に応じて異なる最適増幅率で検出部２０が検出信号を増幅するように検出部２０を制御する。そうすることで、良好なＳ／Ｎ比の検出信号を得ることができる。
具体的には、制御部１４は、まず、検出部１７の検出信号を取得する。検出部１７は、検出部２０より高い頻度で電磁波を検出する。そして、検出部１７は、検出する電磁波の強度に応じた強度の検出信号を出力する。次いで検出部２０が電磁波を検出するときに、制御部１４は、検出部１７の制御信号に基づいて検出部２０の検出信号の増幅率を制御する。ここにおいて、検出部１７と検出部２０は同じ電磁波から分離された電磁波をそれぞれ検出するので、検出部１７の検出信号の強度と検出部２０の検出信号の強度は同等か、少なくとも相関する。たとえば、分離部１６がダイクロックミラーである場合、波長以外の条件が同じ電磁波（光）がそれぞれ検出部１７及び２０で検出される。よって、検出部１７の検出信号の強度に基づいて、検出部２０が検出する電磁波の強度、すなわち入力電流の大きさを推定することができる。例えば、検出部１７の検出信号の強度に基づいて検出部２０が検出する電磁波の強度を推定する上で好適な例では、検出部１７が検出する電磁波の波長帯域と検出部２０が検出する電磁波の波長帯域の差が２００００ｎｍ以下である。ここで、波長帯域の差は、波長帯域の上限値同士、下限値同士、中央値同士、最高感度波長同士、または最頻発波長同士の差であってよい。
このことから、制御部１４は、検出部１７の検出信号の強度に基づいて、検出部２０が検出する電磁波の強度、すなわち入力電流の大きさに対応する最適増幅率を検出部２０に設定する。例えば、検出部１７の検出信号が、電磁波の強度が比較的高いことを示すときには比較的低い最適増幅率が、電磁波の強度が比較的低いことを示すときには比較的高い最適増幅率が、検出部２０に設定される。これにより、検出部２０から良好なＳ／Ｎ比の検出信号が出力される。
＜実施例＞
図５〜図８を用いて、一実施例における制御部１４の動作を説明する。この実施例では、検出部１７は、対象ｏｂを撮像するイメージセンサであり、検出部２０は、対象ｏｂまでの距離を測定する測距センサである。例えば、情報取得システム１１は、対象ｏｂを撮像するとともに対象ｏｂまでの距離を測定し、撮像画像と距離情報とを取得する。
図５の上段には、検出部１７の電磁波検出（撮像）周期Ｃ１７＿ｎ（ｎは整数）が模式的に示され、下段には検出部２０の電磁波検出（測距）周期Ｃ２０＿ｎが模式的に示される。検出部１７は、各周期Ｃ１７＿ｎで１フレームの画像の撮像を行う。一方、検出部２０は、各周期Ｃ２０＿ｎで電磁波から１フレームごとの画像状の距離情報を検出する。ここにおいて、検出部１７の電磁波検出頻度（フレームレート）は、検出部２０の電磁波検出頻度（フレームレート）より高いことが示される。
制御部１４は、まず、検出部１７の周期Ｃ１７_１における検出結果、つまり撮像画像の輝度情報を取得する（図６：ステップＳ１０）。そして、制御部１４は、検出部１７の検出結果に基づいて、検出部２０の最適増幅率を導出する（図６：ステップＳ２０）。
制御部１４は、図７に示されるような、検出部１７及び２０に入射する電磁波の強度、検出部２０において電磁波強度に応じてＡＰＤに入力される入力電流、及び検出部２０における最適増幅率の関係に基づいて、検出部２０の増幅率を制御する。すなわち、図７（Ａ）に示されるように、電磁波強度に応じて検出部１７の出力信号の強度（つまり検出部２０における入力電流）は増加する。また、図７（Ｂ）に示されるように、検出部２０における入力電流に応じて最適増幅率は減少する。そして、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）から、図７（Ｃ）に示されるような、検出部１７からの出力信号の強度に応じて減少する検出部２０の最適増幅率の関係を得ることができる。
具体的には、制御部１４は、図７（Ｃ）に示される検出部１７からの出力信号と検出部２０の最適増幅率との関係を、予め、内部メモリに記憶する。または、図８に示すように、制御部１４は、検出部１７からの出力信号（Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、…）に対応する検出部２０の最適増幅率（Ｏｐ１、Ｏｐ２、Ｏｐ３、…）を対応付けたテーブルデータを予め内部メモリに記憶する。そして、制御部１４は、関係式またはテーブルを用いて、検出部１７からの出力信号に基づいて、そのときの電磁波強度に適した検出部２０の最適増幅率を導出し、導出した最適増幅率を検出部２０に設定する。例えば、制御部１４は、検出部２０のＡＰＤに最適増幅率に応じた電圧を印加する。または、制御部１４は、最適増幅率に応じた電圧を印加する指示信号を、検出部２０のＡＰＤの制御回路に送ってもよい。そうすることで、検出部２０の出力信号が最適増幅率で増幅され、良好なＳ／Ｎ比を得ることができる。
図５、図６に戻ると、制御部１４は、周期Ｃ１７＿１より後に到来する検出部２０の周期Ｃ２０＿１で、検出部２０に最適増幅率を設定する（図６：ステップＳ３０）。なお、周期Ｃ１７＿１の終期と周期Ｃ２０＿１の始期の間の時間間隔は、制御部１４、検出部１７、２０の処理速度の関係に応じて、任意に設定することができる。フレームレートの高い検出部１７での検出結果を用いてフレームレートの低い検出部２０の増幅率を制御することで、制御部１４、検出部１７、２０の処理速度に応じて、検出部２０の各フレームに対する増幅率制御に好適なタイミングで検出部１７の検出結果を用いることができる。よって、たとえば、検出部２０自らの過去の周期における検出結果に基づいて最適増幅率を設定しようとするより、フレームレートの高い検出部１７の検出結果を用いることで、より新鮮な検出結果に基づいて即時性の高い制御が可能になる。
以降、同様に、制御部１４は、検出部１７が周期Ｃ１７_２で撮像した画像の輝度情報に基づいて、検出部２０の周期Ｃ２０＿２で検出部２０に最適増幅率を設定する。また、制御部１４は、検出部１７が周期Ｃ１７_３で撮像した画像の輝度情報に基づいて、検出部２０の周期Ｃ２０＿３で検出部２０に最適増幅率を設定する。このように検出部２０の毎フレームで増幅率を制御してもよいし、または、制御部１４、検出部１７、２０の処理速度に応じて、検出部２０の間欠的なフレームで増幅率を制御してもよい。
本実施例では、制御部１４は、検出部１７の１フレーム内の画素信号毎に、各画素信号の強度に基づいて、その画素信号に対応する検出部２０の１フレーム内の画素信号の最適増幅率を、検出部２０に設定する。ここで、検出部１７の１フレーム内の画素信号と、これに対応する検出部２０の１フレーム内の画素信号は、同じ方向から到来する電磁波を検出部１７と検出部２０がそれぞれ検出することによって得られる。
図９Ａ、９Ｂは、検出部１７と検出部２０が同じ解像度のフレームを検出する例を示す。図９Ａには検出部１７の１フレームＦ１７に含まれる画素信号がマス目によって模式的に示され、各画素信号の４段階の強度がハッチングの密度により模式的に示される。また、図９Ｂには、図９ＡのフレームＦ１７に対応する検出部２０の１フレームＦ２０が示される。ここでは、フレームＦ２０に含まれる画素信号がマス目によって模式的に示され、各画素信号の４段階の最適増幅率がハッチングの密度によって模式的に示される。説明の便宜上、フレームＦ１７、Ｆ２０の画素信号Ｐｘ１、Ｐｘ２、Ｐｘ３及びＰｘ４についてのみ図示する。制御部１４は、例えば、検出部１７のフレームＦ１７に含まれる画素信号Ｐｘ１の強度Ｓｇ４に基づいて、検出部２０のフレームＦ２０における対応する画素信号Ｐｘ１の最適増幅率Ｏｐ＿４を、検出部２０に設定する。同様にして、フレームＦ１７に含まれる画素信号Ｐｘ２の強度Ｓｇ３に基づいて、フレームＦ２０における対応する画素信号Ｐｘ２の最適増幅率Ｏｐ＿３が、検出部２０に設定される。また、フレームＦ１７に含まれる画素信号Ｐｘ３の強度Ｓｇ２に基づいて、フレームＦ２０における対応する画素信号Ｐｘ３の最適増幅率Ｏｐ＿２が、検出部２０に設定される。そして、フレームＦ１７に含まれる画素信号Ｐｘ４の信号強度Ｓｇ１に基づいて、フレームＦ２０における対応する画素信号Ｐｘ４の最適増幅率Ｏｐ＿１が、検出部２０に設定される。このように、画素信号ごとに最適増幅率を設定することで、検出部２０の出力信号において精細な増幅率の制御ができ、良好なＳ／Ｎ比を得ることができる。
＜変形例＞
変形例では、制御部１４は、検出部１７の１フレーム内の画素信号群毎に、画素信号群の強度の平均を導出する。そして、その平均に対応する最適増幅率を、対応する検出部２０の１フレーム内の画素信号群に対し設定してもよい。図１０Ａ、１０Ｂ、１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、及び１２Ｂには、それぞれ図９Ａ、９Ｂと同様の表現で、検出部１７の１フレームＦ１７の画素信号、またはこれに対応する検出部２０の１フレームＦ２０の画素信号が示される。
制御部１４は、例えば、図１０Ａに示す検出部１７のフレームＦ１７で、画素信号Ｐｘ１、Ｐｘ２、Ｐｘ３、及びＰｘ４からなる画素信号群において、画素信号Ｐｘ１、Ｐｘ２、Ｐｘ３、及びＰｘ４のそれぞれの強度Ｓｇ４、Ｓｇ３、Ｓｇ２、Ｓｇ１の平均Ｓｇａｖを導出する。そして、制御部１４は、図１０Ｂに示す検出部２０のフレームＦ２０で、対応する画素信号群Ｐｘ１、Ｐｘ２、Ｐｘ３、及びＰｘ４に対し、平均Ｓｇａｖに対応する最適増幅率Ｏｐ＿ａｖを設定する。また、制御部１４は、例えば図１１Ａに示すように、フレームＦ１７に含まれる全画素信号の平均Ａｖを導出し、図１１Ｂに示すように、平均Ａｖに対応する最適増幅率Ｏｐ＿ａｖを、フレームＦ２０に含まれる全画素信号に設定してもよい。
また、例えば、図１２Ａに示すように、制御部１４は、検出部１７の１フレームＦ１７に含まれる画素信号を領域Ａｒ１〜Ａｒ４に分割し、領域毎に画素信号の強度の平均を導出する。そして、図１２Ｂに示すように、制御部１４は、平均強度Ａｖ１〜Ａｖ４に対応する最適増幅率Ｏｐ＿ａｖ１〜Ｏｐ＿ａｖ４を、フレームＦ２０の対応する領域Ａｒ１〜Ａｒ３に設定してもよい。ここでは、１フレームを４つの領域に分割する例を示したが、フレームを分割する領域の数はここに示したものに限られず、任意の数とすることが可能である。このように、画素信号群ごとに最適増幅率を設定することで、画素信号毎に最適増幅率を設定する場合より、最適増幅率を導出する処理の負担を軽減することができる。
なお、制御部１４は、検出部２０の１フレーム分の検出信号を取得・増幅しながらその一部に対し最適増幅率を設定してもよいし、予め進行部１８の任意の画素ｐｘを制御することで１フレームのうち一部の検出信号のみを取得・増幅する際に最適増幅率を設定してもよい。
さらに、検出部１７と検出部２０が異なる解像度のフレームを検出する場合には、制御部１４は次のように動作することができる。例えば、検出部１７の１フレーム内の１つの画素信号に検出部２０の１フレーム内の複数の画素信号が対応する場合には、制御部１４は、検出部１７の画素信号の強度に対応する最適増幅率を、対応する検出部２０の複数の画素信号に対し設定する。また、検出部１７の１フレーム内の複数の画素信号に検出部２０の１フレーム内の１つの画素信号が対応する場合には、制御部１４は、検出部１７の複数の画素信号の強度の平均を求め、その平均に対応する最適増幅率を、対応する検出部２０の１つの画素信号に対し設定する。このようにして、検出部１７と検出部２０が異なる解像度のフレームを検出する場合であっても、検出部２０の出力信号が最適増幅率で増幅され、良好なＳ／Ｎ比を得ることができる。
本発明の実施形態を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
例えば、放射部１２、走査部１３、及び制御部１４が、電磁波検出装置１０とともに情報取得システム１１を構成するが、電磁波検出装置１０は、これらの少なくとも１つを含んで構成されてよい。
また、進行部１８は、基準面ｓｓに入射する電磁波の進行方向を２方向に切替え可能であるが、２方向のいずれかへの切替えでなく、３以上の方向に切替可能であってよい。
また、情報取得システム１１は、放射部１２から放射されるビーム状の電磁波を走査部１３に走査させることにより、検出部２０を走査部１３と協同させて走査型のアクティブセンサとして機能させる構成を有する。しかし、情報取得システム１１は、このような構成に限られない。例えば、放射状の電磁波を放射可能な複数の放射源を有する放射部１２において、放射時期をずらしながら各放射源から電磁波を放射させるフェイズドスキャン方式により、走査部１３を有することなく、走査型のアクティブセンサとして機能させる構成でも、本実施形態及と類似の効果が得られる。また、例えば、情報取得システム１１は、走査部１３を有さず、放射部１２から放射状の電磁波を放射させ、走査なしで情報を取得する構成でも、本実施形態と類似の効果が得られる。
また、上述において、情報取得システム１１は、検出部１７がパッシブセンサであり、検出部２０がアクティブセンサである構成を有する。しかし、情報取得システム１１は、このような構成に限られない。例えば、情報取得システム１１において、検出部１７及び検出部２０が共にアクティブセンサである構成でも、パッシブセンサである構成でも本実施形態と類似の効果が得られる。検出部１７及び検出部２０が共にアクティブセンサである構成において、対象ｏｂに電磁波を放射する放射部１２は異なっていても、同一であってもよい。さらに、異なる放射部１２は、それぞれ異種または同種の電磁波を放射してよい。
また、本実施形態の進行部１８は、図１３に示すように、基準面ｓｓに入射する電磁波を透過させて検出部２０へ進行させる透過状態であってもよい。進行部１８１は、さらに画素ｐｘ毎に電磁波を、透過させる電磁波とは異なる方向に反射する反射面を有するシャッタを含んでいてもよい。このような構成の進行部１８１においては、制御部１４による制御のもと、画素ｐｘ毎のシャッタを開閉することにより、透過状態と反射状態を画素ｐｘ毎に切替え得る。
このような構成の進行部１８１として、例えば、開閉可能な複数のシャッタがアレイ状に配列されたＭＥＭＳシャッタを含む進行部が挙げられる。また、進行部１８１として、電磁波を反射する反射状態と電磁波を透過する透過状態とを液晶配向に応じて切替え可能な液晶シャッタを含む進行部が挙げられる。このような構成の進行部１８１においては、画素ｐｘ毎の液晶配向を切替えることにより、透過状態と反射状態を画素ｐｘ毎に切替え得る。
１０ 電磁波検出装置
１１ 情報取得システム
１２ 放射部
１３ 走査部
１４ 制御部
１５ 前段光学系
１６ 分離部
１７、２０ 検出部
１８ 進行部
１９ 後段光学系
ｏｂ 対象
ｐｘ 画素
ｓｓ 基準面

Claims (10)

  1. 電磁波を放射する放射部と、
    前記放射部から放射された電磁波の放射方向を変化させて、対象が存在する空間に放射させる走査部と、
    前記空間から入射する電磁波を検出して画像信号を生成する第１の検出部と、
    前記放射部から放射された電磁波が前記対象で反射した反射波を検出して検出信号を出力する第２の検出部と、
    前記第１の検出部へ入射した電磁波の強度に応じて前記検出信号の増幅率を変化させる制御部と、を有し、
    前記検出信号に基づいて、前記対象との距離を測定し、
    前記第２の検出部は、前記走査部が所定の周期で前記対象が存在する空間を走査することにより距離情報を取得し、
    前記第１の検出部による１フレームの電磁波検出頻度は、前記第２の検出部による１フレームの電磁波検出頻度よりも高く、
    前記制御部は、前記第１の検出部により前記画像信号が生成された後に出力される前記検出信号の増幅率を変化させる、
    電磁波検出装置。
  2. 前記画像信号は前記空間から入射する電磁波を検出することで得られる複数の画素信号を含み、
    前記制御部は、各々の前記画素信号の強度に応じて、当該画素信号に対応する各々の前記検出信号の増幅率を変化させる、
    請求項１に記載の電磁波検出装置。
  3. 前記制御部は、前記画素信号に対応する電磁波と同じ方向から到来する電磁波を検出した前記第２の検出部が出力する前記検出信号の増幅率を変化させる、
    請求項２に記載の電磁波検出装置。
  4. 前記制御部は、前記画素信号の強度が高くなるほど、当該画素信号に対応する前記検出信号の増幅率を低くする、
    請求項２または３に記載の電磁波検出装置。
  5. 前記制御部は、複数の前記画素信号のうち、所定の数の前記画素信号からなる画素信号群の信号の強度の平均に基づいて、前記画素信号群に含まれる前記画素信号の各々に対応する前記検出信号の増幅率を変化させる、
    請求項２乃至請求項４のいずれかに記載の電磁波検出装置。
  6. 前記空間から入射する電磁波を第１部分と第２部分に分離する分離部を有し、
    前記第１部分は、前記第１の検出部へ入射し、前記第２部分は前記第２の検出部へ入射する、
    請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電磁波検出装置。
  7. 前記放射部は赤外線を放射し、
    前記分離部は、入射する電磁波のうち、赤外帯域の電磁波を第２部分に分離する、
    請求項６に記載の電磁波検出装置。
  8. 前記分離部は、入射する電磁波のうち、少なくとも前記反射波を第２部分に分離する、請求項６に記載の電磁波検出装置。
  9. 入射する電磁波のうち、前記反射波を前記第２の検出部に進行させる進行部を有する、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の電磁波検出装置。
  10. 前記制御部は、前記第２の検出部により第１のフレームの検出信号を検出してから、前記第１のフレームに後続する第２のフレームの検出信号を検出するまでの間に、前記第１の検出部へ入射した電磁波の強度に応じて前記検出信号の増幅率を変化させる、
    請求項１乃至７のいずれかに記載の電磁波検出装置。
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