JP7046144B1 - 光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲の明るさによらず結露の判定を行うこと。【解決手段】制御部２２は、レーザー投光部１１による発光を開始させ（ステップＳ１１）、自機の内部空間Ｂ１の空気の温度及び湿度と、投受光窓１５の内面１５１の温度とを測定する（ステップＳ１２）。測距部２１は、測距値及び光量値を測定する（ステップＳ１３）。制御部２２は、測定された測距値及び光量値に基づき投受光窓１５に結露があるか否かを判定する（ステップＳ１４）。結露がないと判定した場合、制御部２２は、結露指標を算出し、算出した結露指標が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１４で結露がある（ＹＥＳ）と判定した場合、及び、ステップＳ１５で結露指標が閾値以上である（ＹＥＳ）と判定した場合、制御部２２は、ヒータドライバ２５を制御して投受光窓１５を加熱させる。【選択図】図３

Description

本発明は、結露を少なくする技術に関する。

結露を少なくする技術として、特許文献１には、カメラで撮影した窓の画像を解析して窓が曇る可能性が高い、又は窓が曇っている、と判定した場合に窓をヒータで加熱する技術が開示されている。

特開２０１９－００４２５４号公報

特許文献１の技術のように撮影した窓の画像に基づいて結露の判定を行う場合、周囲が暗いと窓の画像も暗くなって結露の判定ができなくなることが起こり得る。
本発明は、上記の背景に鑑み、周囲の明るさによらず結露の判定を行うことを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明は、同軸光学系の距離画像センサに対する電力供給の開始時刻からの経過時間に基づき該距離画像センサの投受光窓の温度を測定し、測定された前記投受光窓の温度と、自機内の空気の温度と湿度の測定値と、に基づいて該投受光窓における結露の発生のしやすさの指標を算出し、前記距離画像センサにより所定範囲内の測距値が測定され、かつ、前記指標が所定の閾値以上である場合に、前記投受光窓に結露があると判定し、前記投受光窓を加熱する光学機器を第１の態様として提供する。

第１の態様の光学機器によれば、周囲の明るさによらず結露の判定を行うことができる。また、第１の態様の光学機器によれば、投受光窓に何も設けなくとも、投受光窓の温度を測定することができる。

上記の第１の態様の光学機器において、所定範囲内の測距値が測定された画素が、所定距離内で所定数以上、隣接又は近接する場合に前記投受光窓に結露があると判定する、という構成が第２の態様として採用されてもよい。

第２の態様の光学機器によれば、外乱等の影響で測距値に誤りが生じる場合の誤判定を抑制することができる。

上記の第２の態様の光学機器において、所定範囲内の測距値が測定され、かつ、当該測距値が測定された画素の光量値が所定範囲内である場合に前記投受光窓に結露があると判定する、という構成が第３の態様として採用されてもよい。

第３の態様の光学機器によれば、測距値だけを用いて判定が行われる場合に比べて、結露の判定の精度を高めることができる。

上記の第３の態様の光学機器において、所定範囲内の測距値が測定され、かつ、所定範囲内の光量値が測定された画素が、所定距離内で所定数以上、隣接又は近接する場合に前記投受光窓に結露があると判定する、という構成が第４の態様として採用されてもよい。

第４の態様の光学機器によれば、外乱等の影響によって画素単位で測距値又は光量値に誤りが生じる場合の誤判定を抑制することができる。

上記の第１乃至第４いずれか１の態様の光学機器において、所定範囲内の測距値が測定され、かつ、当該測距値が前記距離画像センサの所定領域内の画素に関する測距値である場合に前記投受光窓に結露があると判定する、という構成が第５の態様として採用されてもよい。

第５の態様の光学機器によれば、判定の処理の負荷を軽減することができる。

実施例に係る光学機器の構成を表す図 測距値及び光量値の一例を表す図 加熱処理における動作手順の一例を表す図

［１］実施例
図１は実施例に係る光学機器１の構成を表す。光学機器１は、光を照射して、物体に反射して戻ってきた光に基づいて物体までの距離を測定する装置である。光学機器１は、レーザー投光部１１と、レーザー受光部１２と、ハーフミラー１３と、可動ミラー１４と、投受光窓１５と、ヒータ１６と、測距部２１と、制御部２２と、電源部２３と、温度・湿度センサ２４と、ヒータドライバ２５とを備える。

レーザー投光部１１は、所定の光量の光を発する光源である。本実施例では、レーザー投光部１１は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）を主走査方向Ａ１１に１列に並べたＬＥＤロッドである。主走査方向Ａ１１は、図１においては、図の奥行方向に沿った方向である。レーザー受光部１２は、レーザー投光部１１が照射した光の反射光を受光して電気信号に変換する複数の受光素子を１列に並べたイメージセンサである。レーザー受光部１２は、レーザー投光部１１が有するＬＥＤと同じ数の受光素子を有する。

レーザー受光部１２が受光した光が変換された電気信号は、後述するように、光を反射した物体の画像を表すことになる。ハーフミラー１３は、一方の面（透過面）に入射する光を透過し、反対側の面（反射面）に入射する光を全反射する。ハーフミラー１３は、レーザー投光部１１が照射した光が透過面に入射し、その光の入射光をレーザー受光部１２に向けて全反射する位置に設けられている。

可動ミラー１４は、副走査方向Ａ１２に移動可能に設けられたミラーである。副走査方向Ａ１２とは、主走査方向Ａ１１に直交する方向のことであり、主走査方向Ａ１１への走査が行われたあと副走査方向Ａ１２に１列ずれて走査が行われることで矩形の画像が形成される。可動ミラー１４は、副走査方向Ａ１２に移動しながら、ハーフミラー１３を透過してきたレーザー投光部１１の光を投受光窓１５に向けて反射する。

なお、本実施例では、上記のとおり可動ミラー１４が副走査方向Ａ１２に沿った１軸の経路を移動したが、例えば、レーザー投光部１１が、１つのＬＲＤだけを有し、主走査方向Ａ１１及び副走査方向Ａ１２に沿った２軸の経路を移動することで２方向の走査を行ってもよい。投受光窓１５は、自装置の内部空間Ｂ１と外部空間Ｂ２の境目に設けられた、レーザー投光部１１が投光した光とレーザー受光部１２が受光する光とを透過する透明な窓である。

内部空間Ｂ１及び外部空間Ｂ２の気温差が大きくなると、外部空間Ｂ２の空気によって冷やされた投受光窓１５の内部空間Ｂ１側の内面１５１付近の空気が冷やされて、内面１５１に水滴が付着する現象、いわゆる結露が生じることがある。結露が生じると、投受光窓１５に入射した反射光が内面１５１から出射する際に水滴に当たって拡散し、レーザー受光部１２が受光する光の光量が減少する。その結果、光を反射した物体の正確な画像が表されなくなる。

ヒータ１６は、以上のとおり画質を劣化させる原因となる結露を防止するために設けられた加熱用の器具である。ヒータ１６は、電気を流すことで熱を発する発熱線を有し、その発熱線が投受光窓１５の内面１５１に貼り付けられる。発熱線に電気が流されることで、ヒータ１６は、投受光窓１５の内面１５１側を加熱する。ヒータ１６によって投受光窓１５の内面１５１側が加熱されると、内面１５１付近の空気が冷やされなくなり、結露を防止することができる。

図１では、レーザー投光部１１からハーフミラー１３までの光路Ａ１と、ハーフミラー１３から可動ミラー１４及び投受光窓１５を経由して光が往復する光路Ａ２と、ハーフミラー１３からレーザー受光部１２までの光路Ａ３とが表されている。ハーフミラー１３より先の光路Ａ２においては、照射光と反射光の光路が共通になっており、光学機器１は、反射光が投受光窓１５に入射する方向と同じ方向から光が照射されるいわゆる同軸光学系となっている。

測距部２１は、レーザー受光部１２が受光した光を反射した物体までの距離と、その反射光の光量とを測定する。測距部２１には、レーザー投光部１１から光の照射を開始したことが各ＬＥＤについて通知され、レーザー受光部１２から反射光を受光したことが各受光素子について通知される。測距部２１は、照射の開始時刻から反射光を受光した時刻までに光が進む距離の半分を物体までの距離として各画素について測定する。

このように、測距部２１は、光学機器１という同軸光学系の距離画像センサとして機能する。また、測距部２１には、レーザー受光部１２から受光した反射光の波形を示す電気信号が各受光素子について供給される。測距部２１は、供給された波形に基づき、受光した反射光の光量を各画素について測定する。測距部２１は、画素毎の距離及び光量の測定を所定の時間間隔で繰り返し行う。測距部２１は、測定した測距の値（以下「測距値」と言う）及び光量の値（以下「光量値」と言う）を制御部２２に供給する。

制御部２２は、自装置が備える各部を制御する。制御部２２は、プロセッサ、メモリ及びストレージを備える。プロセッサは、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算装置、レジスタ及び周辺回路等を有する。メモリは、プロセッサが読み取り可能な記録媒体であり、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する。ストレージは、プロセッサが読み取り可能な記録媒体であり、例えば、ハードディスクドライブ又はフラッシュメモリ等を有する。

プロセッサは、ＲＡＭをワークエリアとして用いてＲＯＭやストレージに記憶されているプログラムを実行することで自装置の各部の動作を制御する。制御部２２は、レーザー投光部１１に対して光の出射の開始を指示する。また、制御部２２は、可動ミラー１４の副走査方向への移動を制御する。可動ミラー１４は、副走査方向における現在の位置を示す信号を制御部２２に供給する。

制御部２２には、測距部２１から各画素について測定された物体までの距離値と光量値とが供給される。制御部２２は、供給された可動ミラー１４の位置を示す信号、画素毎の測距値及び光量値に基づいて、物体までの距離を画素毎に表した距離画像を生成する。制御部２２は、測距値及び光量値の測定が行われるたびに１つの距離画像を生成する。こうして生成された１つの距離画像のことを「フレーム」とも言う。制御部２２は、生成した距離画像（フレーム）を示す画像データを、例えばディスプレイを備える外部機器に送信する。

電源部２３は、外部電源と接続されており、自装置が備える各部に電力を供給する。温度・湿度センサ２４は、自装置の内部に設けられ、内部空間Ｂ１の空気の温度及び湿度と、投受光窓１５の内面１５１の温度とを測定する。温度・湿度センサ２４は、例えば、投受光窓１５を加熱するヒータ１６の発熱線の抵抗値に基づき投受光窓１５の温度を測定する。発熱線は、例えば、鉄、クロム、アルミ又はニッケル等の合金であり、温度によって抵抗値が変化する。

温度・湿度センサ２４は、発熱線の温度と抵抗値との関係を予め記憶しておくことで、発熱線の現在の抵抗値から発熱線の温度を算出する。発熱線の温度が上昇すると、少し遅れて投受光窓１５の温度も上昇し、最終的には発熱線の温度と等しくなる。そこで、温度・湿度センサ２４は、算出した発熱線の温度を投受光窓１５の内面１５１の温度として測定する。

発熱線の抵抗値は、発熱線を流れる電流及び電圧が分かれば算出可能である。このように、本実施例では、電流及び電圧以外の値を測定しなくとも、投受光窓１５の内面１５１の温度を測定することができる。温度・湿度センサ２４は、空気の温度及び湿度の測定値と内面１５１の温度の測定値とを制御部２２に供給する。

ヒータドライバ２５は、制御部２２によって制御されてヒータ１６を駆動させ、投受光窓１５の内面１５１側を加熱させる。制御部２２は、測距部２１から供給された物体までの距離（測距値）及び光量（光量値）に基づき投受光窓１５に結露があるか否かを判定する。具体的には、制御部２２は、所定範囲内の測距値が測定され、かつ、その測距値が測定された画素の光量値が所定範囲内である場合に、投受光窓１５に結露があると判定する。

図２は測距値及び光量値の一例を表す。図２では、或る距離画像における或る画素のフレーム毎の測距値（ｍｍ：ミリメートル単位）及び光量値（ｄｉｇｉｔ単位）が表されている。図２の例では、測距値がおおよそ１００ｍｍから８００ｍｍまでの範囲に収まっている。なお、測距値にこれだけの幅があるのは、光学機器１においては、物体との距離が短いほど投光から受光までの時間が短くなり、測定時間のわずかな誤差が測距値を大きく変動させることになるためである。また、光量値はおおよそ０ｄｉｇｉｔから７０ｄｉｇｉｔまでの範囲に収まっている。制御部２２は、例えばこれらの範囲を所定範囲として結露の判定を行う。

制御部２２は、結露があると判定した場合、ヒータドライバ２５を制御してヒータ１６を駆動させ、投受光窓１５の内面１５１側を加熱させる。その結果、内面１５１付近の空気の温度も上昇し、水滴が再び水蒸気となって空気中に含まれるようになり、結露が減少する。制御部２２は、結露がないと判定するまでヒータ１６に加熱を続けさせるようヒータドライバ２５を制御する。

また、制御部２２は、結露がないと判定した場合でも、結露の発生の可能性が高い場合にはヒータ１６による加熱の制御を行う。制御部２２は、具体的には、自機（光学機器１）内の空気の温度と湿度の測定値と、投受光窓１５の温度の測定値に基づき投受光窓１５における結露の発生のしやすさの指標（以下「結露指標」と言う）を算出する。制御部２２は、例えば、まず、空気の温度及び湿度の測定値から絶対湿度Ｃ１を算出する。

また、制御部２２には、前述したとおり温度・湿度センサ２４から投受光窓１５の内面１５１の温度の測定値Ｔ１が供給される。内面１５１の近辺の空気の温度は、内面１５１の温度、すなわち供給された測定値Ｔ１に近くなるので、制御部２２は、測定値Ｔ１の空気における飽和水蒸気量Ｄ１を算出する。制御部２２は、以上のとおり算出した絶対湿度Ｃ１及び飽和水蒸気量Ｄ１に基づいて、絶対湿度Ｃ１＋α＞飽和水蒸気量Ｄ１であるか否かを判断する。

なお、αはマージンであり、例えば光学機器１の特性等に応じて定められる。絶対湿度Ｃ１＋αは本発明の「指標」の一例である。制御部２２は、絶対湿度Ｃ１＋α＞飽和水蒸気量Ｄ１である場合、結露が発生しやすい状況であると判断し、投受光窓１５を加熱させる。このように、制御部２２は、算出した結露指標（絶対湿度Ｃ１＋α）が所定の閾値（飽和水蒸気量Ｄ１）以上である場合に投受光窓１５を加熱させる。これにより、結露が発生しそうな状況において予め投受光窓１５を加熱しておくことで結露を予防することができる。

測距部２１及び制御部２２は、上記の構成に基づいて、結露に関する判定を行い、必要なら投受光窓１５を加熱して結露を防ぐ加熱処理を行う。
図３は加熱処理における動作手順の一例を表す。まず、制御部２２は、光源であるレーザー投光部１１による発光を開始させる（ステップＳ１１）。次に、制御部２２は、自機の内部空間Ｂ１の空気の温度及び湿度と、投受光窓１５の内面１５１の温度とを測定する（ステップＳ１２）。

続いて、測距部２１は、測距値及び光量値を測定する（ステップＳ１３）。次に、制御部２２は、測距値及び光量値に基づき投受光窓１５に結露があるか否かを判定する（ステップＳ１４）。ステップＳ１４で結露がない（ＮＯ）と判定した場合、制御部２２は、自機内の空気の温度と湿度の測定値と、投受光窓１５の温度の測定値に基づき結露指標を算出し、算出した結露指標が閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１５）。

ステップＳ１４で結露がある（ＹＥＳ）と判定した場合、及び、ステップＳ１５で結露指標が閾値以上である（ＹＥＳ）と判定した場合、制御部２２は、ヒータドライバ２５を制御して投受光窓１５を加熱させる（ステップＳ１６）。制御部２２は、ステップＳ１６の後は、ステップＳ１２に戻って動作を行う。ステップＳ１５で結露指標が閾値以上でない（ＮＯ）と判定した場合、制御部２２は、投受光窓１５が加熱中であるか否かを判断する（ステップＳ１７）。

ステップＳ１７で加熱中でない（ＮＯ）と判定した場合、制御部２２は、ステップＳ１２に戻って動作する。ステップＳ１７で加熱中である（ＹＥＳ）と判定した場合、制御部２２は、投受光窓１５の加熱を中止する（ステップＳ１８）。制御部２２は、ステップＳ１８の後は、ステップＳ１２に戻って動作を行う。

本実施例では、上記のとおり、測距値及び光量値の両方を用いて結露の判定が行われた。これにより、例えば、測距値だけを用いて結露の判定が行われる場合に比べて、結露の判定の精度を高めることができる。また、本実施例では、光学機器１自身が発する光に基づいて結露の判定が行われるので、周囲の明るさによらず（特に周囲が暗い場合でも）結露の判定を行うことができる。

［２］変形例
上述した実施例は本発明の実施の一例に過ぎず、以下のように変形させてもよい。また、実施例及び各変形例は必要に応じてそれぞれ組み合わせてもよい。

［２－１］結露の判定方法
制御部２２は、光量値は用いずに、測距値だけを用いて、所定範囲内の測距値が測定される場合に投受光窓１５に結露があると判定してもよい。測距値は、近くの物体と結露の水滴とで近い値になる場合があるが、その場合でも、投受光窓１５に汚れが付着せず且つ遠くの物体だけを測距する環境下であれば、距離画像に含まれる各画素の測距値だけに基づいて結露の有無を判定することができる。

また、制御部２２は、反対に、測距値は用いずに、光量値だけを用いて、所定範囲内の光量値が測定される場合に投受光窓１５に結露があると判定してもよい。光量値は、遠くの物体と結露の水滴とで近い値になる場合があるが、その場合でも、近くの物体だけを測距する環境下であれば、距離画像に含まれる各画素の光量値だけに基づいて結露の有無を判定することができる。また、いずれの場合も、測距値及び光量値の両方を用いる場合に比べて、結露の有無を判定する際の処理の負荷を軽減することができる。

［２－２］測定エラー
測定値及び光量値の測定においては、外乱等の影響で、画素単位で測定値及び光量値に誤り（エラー）が生じる場合がある。このエラーが生じると、結露していないのに結露があるという誤判定が行われる場合がある。本変形例では、そのような誤判定を避けるための結露の判定が行われる。

本変形例の制御部２２は、所定範囲内の測距値が測定され、かつ、所定範囲内の光量値が測定された画素が、所定距離内で所定数以上、隣接又は近接する場合に投受光窓１５に結露があると判定する。画素が方眼状に並んでいる場合、隣接する画素とは或る画素の上下左右に接する画素、又は、或る画素の斜め上又は斜め下に位置する画素のことである。また、近接する画素とは、例えば、或る画素から所定距離内で離れた画素のことである。

所定距離及び所定数は、投受光窓１５に付着し得る最小の水滴の距離画像における大きさに基づいて定められる。例えば、最小の水滴が３×３画素の大きさであった場合、３画素の長さが所定距離として定められ、９画素が所定数として定められる。なお、本変形例は、測距値だけを用いて結露の判定が行われる場合にも適用してよい。その場合、制御部２２は、所定範囲内の測距値が測定された画素が、所定距離内で所定数以上、隣接又は近接する場合に投受光窓１５に結露があると判定する。

また、本変形例は、光量値だけを用いて結露の判定が行われる場合にも適用してよい。その場合、制御部２２は、所定範囲内の光量値が測定された画素が、所定距離内で所定数以上、隣接又は近接する場合に投受光窓１５に結露があると判定する。いずれの場合も、外乱等の影響で測距値又は光量値に誤りが生じる場合の誤判定を、水滴の大きさを考慮しない場合に比べて、抑制することができる。

［２－３］結露しやすい領域
投受光窓１５においては、結露しやすい領域が決まっている場合がある。例えば自機内に発熱する部材がある場合、その部材から遠い領域の方が外気によって冷えやすく、結露しやすい。そこで、本変形例では、制御部２２は、測距部２１の所定領域内の画素に関する測定値に基づき投受光窓１５における結露の有無を判定する。

所定領域としては、投受光窓１５において結露しやすい領域が定められる。なお、所定領域は複数定められてもよいし、投受光窓１５の全体よりも小さければどのような大きさの領域が定められてもよい。本変形例によれば、所定領域以外の画素については判定の処理に用いられないので、距離画像の全体の画素に関する測定値が用いられる場合に比べて、判定の処理の負荷を軽減することができる。

［２－４］投受光窓の温度の測定方法
温度・湿度センサ２４は、実施例では、ヒータ１６の発熱線の抵抗値に基づき投受光窓１５の温度を測定したが、投受光窓１５の温度の測定方法はこれに限らない。本変形例では、例えば制御部２２が、測距部２１に対する電力供給の開始時刻からの経過時間に基づき投受光窓１５の温度を測定する。

本変形例では、電源部２３が、最初に制御部２２への電力供給を行い、その後に他の各部への電力供給を行う。また、電源部２３は、測距部２１に対する電力供給を開始すると、その旨を制御部２２に通知する。制御部２２は、この通知を受け取った時刻を測距部２１に対する電力供給の開始時刻として記憶する。測距部２１が稼働すると、測定のためレーザー投光部１１及びレーザー受光部１２も稼働し、それぞれ熱を発生させる。

こうして発生した熱は、自機の筐体や空気を伝播して投受光窓１５を暖める。制御部２２は、測距部２１に対する電力供給の開始時刻からの経過時間と投受光窓１５の温度との相関関係を予め記憶しておく。制御部２２は、上記の通知を受け取った時刻からの経過時間と相関関係にある温度を現在の投受光窓１５の温度として特定する。本変形例によれば、投受光窓１５又はヒータ１６に何も設けなくとも投受光窓１５の温度を測定することができる。

［２－５］発明のカテゴリ
本発明は、光学機器１の他、光学機器１の測距部２１及び制御部２２が実施する処理を実現するための情報処理方法としても捉えられるし、光学機器１を制御するコンピュータを機能させるためのプログラムとしても捉えられる。このプログラムは、それを記憶させた光ディスク等の記録媒体の形態で提供されてもよいし、インターネット等のネットワークを介してコンピュータにダウンロードさせ、それをインストールして利用可能にするなどの形態で提供されてもよい。

１…光学機器、１１…レーザー投光部、１２…レーザー受光部１３…ハーフミラー、１４…可動ミラー、１５…投受光窓、１６…ヒータ、２１…測距部、２２…制御部、２３…電源部、２４…湿度センサ、２５…ヒータドライバ。

Claims (5)

1. 同軸光学系の距離画像センサに対する電力供給の開始時刻からの経過時間に基づき該距離画像センサの投受光窓の温度を測定し、
   測定された前記投受光窓の温度と、自機内の空気の温度と湿度の測定値と、に基づいて該投受光窓における結露の発生のしやすさの指標を算出し、
   前記距離画像センサにより所定範囲内の測距値が測定され、かつ、前記指標が所定の閾値以上である場合に、前記投受光窓に結露があると判定し、前記投受光窓を加熱する
   光学機器。
2. 所定範囲内の測距値が測定された画素が、所定距離内で所定数以上、隣接又は近接する場合に前記投受光窓に結露があると判定する
   請求項１に記載の光学機器。
3. 所定範囲内の測距値が測定され、かつ、当該測距値が測定された画素の光量値が所定範囲内である場合に前記投受光窓に結露があると判定する
   請求項２に記載の光学機器。
4. 所定範囲内の測距値が測定され、かつ、所定範囲内の光量値が測定された画素が、所定距離内で所定数以上、隣接又は近接する場合に前記投受光窓に結露があると判定する
   請求項３に記載の光学機器。
5. 所定範囲内の測距値が測定され、かつ、当該測距値が前記距離画像センサの所定領域内の画素に関する測距値である場合に前記投受光窓に結露があると判定する
   請求項１から４のいずれか１項に記載の光学機器。

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