JP2000509485A - 対象物の位置検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光学的送信器および光学的受信器を有する測定装置に対する対象物の位置を検出する方法および装置であって、前記送信器は光ビームを変化する送信角の下で照射し、前記受信器は前記送信器から間隔をおいて配置されており、かつ角度分解能を有し、それぞれの送信角および受信器が対象物から反射されたビームを受信する角度（受信角）から、送信器および受信器の角度分解能により定められた分解セルのどれに対象物が存在するかが推定され、送信器から照射される光ビームは変調される。送信された光ビームの変調と受信されたビームの変調との位相差が測定される。この位相差からそれぞれの分解セルにおける対象物の位置が計算される。

Description

【発明の詳細な説明】 対象物の位置検出方法および装置 本発明は、測定装置に対する対象物の位置を検出する方法および測定装置に関 する。この測定装置は、光ビームを変化する送信角度の下で照射する光学的送信 器と、角度分解能のある受信器とを有し、受信器は送信器から間隔をおいて配置 されている。ここではそれぞれの送信角度および受信器が対象物から反射された ビームを受信するそれぞれの角度（受信角度）から、送信器と受信器の角度分解 能によって決められた分解セルのどれに対象物が存在するかが推定される。 対象物の位置を検出するために例えば、請求項１の上位概念による光学的三角 法が公知であり、例えばJ.A.Marzalee,R.A.Myllyla:Perfornmance test of an a ngular scan LED arry‐based range imaging sensor,Proc.of the SPIE‐The International Society for Optical Engineering 2088（1994）p.59‐68に 記載されている。このような方法の測定精度は、送信器と受信器の角度分解能が 高い場合には非常に正確である。しかしとりわけコストの理由から、角度分解能 の制限された送信器と受信器しか使用されない。このことにより比較的大きな分 解セルが生じ、その縦方向（受信器／送信器の軸に対して垂直）の広がりが測定 装置から の距離が増えると増大する。 本発明の課題は、簡単に実現可能な光学的三角法を、測定の位置分解能が格段 に上昇するように構成することである。 この課題は本発明の方法により、送信器から照射された光ビームを変調し、送 信された光ビームの変調と受信されたビームの変調との間の位相差を測定し、位 相差からそれぞれの分解セルにおける対象物の位置を計算することによって解決 される。 本発明の方法によって、位置分解能がとりわけ送信器と受信器との間の間隔よ りも大きな距離に対して格段に上昇する。本発明の方法はさらに、公知の三角法 に対して僅かな付加コストしか必要としないという利点を有する。 本発明の方法と本発明の測定装置は種々の目的に対して使用することができ、 その構成を適合することができる。例えば自動車の車間距離および監視区間に対 する警報機として適する。 本発明の方法の改善実施例では、送信角と受信角とが離散的な値を有し、対象 物が存在する解像セルを送信角と受信角とのそれぞれの組み合わせごとに、記憶 されている表から読み出す。 この改善実施例により、比較的簡単な光学的送受信器で十分となり、詳細な三 角法計算が必要ない。 測定装置の対象物間隔を検出するためにこの改善実 施例の第１実施例では、表がさらに測定装置と、解像セルの次の点およびもっと も離れた点との間の間隔ｄ１とｄ２、さらにこれらの点に相応する位相差γ１と γ２とを含み、反射ビームの受信時に存在する送信角と受信角との組み合わせに 対する表から、間隔ｄ１とｄ２、および位相差γ１とγ２を読み出し、読み出さ れた間隔および位相差、並びに測定された位相差γから対象物と測定装置との間 隔を計算する。ここで有利には対象物の間隔ｄの計算は式 ｄ＝ｄ１＋（ｄ２−ｄ１）・（γ−γ１）／（γ２−γ１） に従って行われる。 第２の実施例では対象物と測定装置との間隔計算は次のように行われる。すな わち、表がさらに測定装置と解像セルのそれぞれ次の点との間の間隔ｄ１、およ びこれらの点に相応する位相差γ１を含み、対象物と測定装置との間隔を式 ｄ＝ｄ１＋（γ−γ１）・ｃ／（４π・ｆ）に従って計算し、ここｃは光速度 、ｆは変調周波数であり、γおよびγ１はラジアンで測定される。 位相差の明確性は本発明では次のようにして保証される。すなわち、変調を、 検出すべき最も長い解像セルの長さの少なくとも４倍の波長に相当する周波数で 行うのである。 本発明の測定装置により前記課題は次のようにして 解決される。すなわち、送信器が集光レンズと、一列の光源からなり、かつ選択 的にスイッチオンオフ可能であり、受信器が別の集光レンズと、一列の光電変換 器とからなるように構成して解決される。ここで光電変換器により形成された信 号は選択的に問い合わせすることができ、光源に変調信号を供給することができ 、位相比較回路の出力側はＡ／Ｄ変換器を介してマイクロコンピュータの入力側 と接続されており、このマイクロコンピュータは光源と光電変換器の選択部を制 御し、位相比較回路の出力信号は次のように評価され、すなわちそれぞれ投入接 続された光源と、対象物から反射されたそれぞれのビームを受信する光電変換器 とから、送信器および受信器の角度分解能により定められた解像セルのどこに対 象物が存在するかを推定するように評価され、位相比較回路により測定された位 相差から、それぞれの分解セルにおける対象物の位置が計算される。ここでは光 源に例えば発光ダイオードが設けられている。 本発明の実施例が図面に示されており、以下詳細に説明する。 図１は、本発明の方法での送信器と受信器による対象物の検出を概略的に示す 図である。 図２は、本発明の装置のブロック回路図である。 図３は、図２の測定装置における位相比較回路を説明するために電圧時間図で ある。 図４は、位相比較回路の出力電圧と位相差との関係を示す線図である。 図５は、送信角および受信角を評価するための表を簡単に示したものである。 図面中、同じ部材には同じ参照符号が付してある。 図１は送信器１と受信器２を概略的に示し、これらは所定の間隔をおいて測定 装置３に配置されている。送信器１および受信器２から発するラインは、送信器 １の発散ビーム、ないし受信器２の分解すべき受信角の境界を示す。送信器１と 受信器２をそれぞれ集光レンズと離散的光源ないし光電変換器により実現する場 合には、図２に関連して後で説明するように、個々の発散送信ビームと受信角と の間にそれぞれ中間空間をおくことができる。検出すべき対象物は通常は分解セ ルよりも大きいか、または中間空間よりも大きいから、このことにより本発明の 方法が損なわれることはない。 公知の方法によっては単に、対象物４が少なくとも解像セル５の中にあること が検出できるだけである。測定装置３からの間隔が増大すると共にこの解像セル は長くなり、従って分解能は低下する。公知の方法によってはまた単に、値ｄ１ とｄ２との間にある対象物と測定装置との間隔ｄが検出されるだけである。 送信器から照射される光を変調し、位相差を測定することによって、ビーム６ と７の区間とビーム８と９ の区間との間の長さ差を検出することができる。本発明の方法では実質的に、間 隔が大きな場合の長さ分解能の改善が重要であるから、本発明の方法ではこのよ うな伝搬時間差を評価する際に、正確な三角法の計算の代わりに、測定装置から 対象物へ、そしてまた戻ってくるビームを考慮することができる。このようにし て得られた簡単な幾何学的関係を後で説明する。 図２は、集光レンズ１０と、８つの発光ダイオード１１〜１８を有する送信器 を概略的に示す。８つの発光ダイオードは密に一列に並置されている。受信器は 集光レンズ２０と、一列に並置された８つの光電変換器２１〜２８を有し、これ らは例えばフォトダイオードまたはフォトトランジスタである。 デマルチプレクサ３１は、出力段３２の出力電圧をシーケンシャルに個々の発 光ダイオード１１〜１８に導く。相応にしてマルチプレクサ３３が設けられてお り、このマルチプレクサは時間シーケンスで、フォトダイオード２１〜２８のそ れぞれ１つを全治増幅器３４の入力側と接続する。送信器１から照射された光を 変調するために、出力段３２にはパルス電圧が供給され、このパルス電圧の周波 数は解像セルの大きさに依存し、解像セルはさらに送信器および受信器と測定装 置の測定領域との間隔に依存する。間隔が数１０ｃｍであり、測定領域が１０ｍ までの場合、周波数は１０ＭＨｚから１００ＭＨｚである。出力段３２に供給さ れるパルスはクロック発生器３５により形成され、このクロック発生器はマイク ロプロセッサ３６により制御される。 送信された光の変調と受信された光の変調との間の位相差を測定することがで きるようにするため、位相がそれぞれの間隔に依存する基準信号が必要である。 この信号は実施例では、クロック発生器の出力信号を別の出力段３７、別の発光 ダイオード３８，光導波体３９，フォトダイオード４０および前置増幅器４１を 介して導くことによって形成される。前置増幅器３４と４１の出力信号ＳｅとＳ ｓは位相比較器に供給される。この位相比較器はマルチプレクサ４２とローパス フィルタ４３からなる。 位相比較器の機能を図３の線図に基づいて説明する。ここで信号ＳｅとＳｓは 位相差γを有する。この位相差は、送信器の変調と受信器の変調との間の測定す べき位相差として、種々の回路および光導波体３９における伝搬時間を考慮して さらに処理される。積Ｓｅ・Ｓｓは、位相差γにより変化するデューティ比を有 する。積分器として作用するローパスフィルタ４３の出力側には電圧Ｕγが発生 する。この電圧は僅かな波形状を除いてそれぞれの位相差を表す。図４は電圧Ｕ γを位相差の関数として表している。 電圧ＵγはＡ／Ｄ変換器４４を介してマイクロコンピュータ３６の入力側に供 給される。マイクロコンピ ュータ３６とひいては測定装置３全体は出力側４５を有し、この出力側には対象 物の位置を表すデータが出力され、相応の出力装置（例えばディスプレイ）また は処理装置にさらに供給することができる。 マイクロコンピュータ３６はさらにデマルチプレクサ３１とマルチプレクサ３ １を次のように制御する。すなわち、各発光ダイオードから送出され、対象物に より反射された光が各フォトダイオード２１〜２８により“問い合わされる”よ うに制御する。 図５は、マイクロコンピュータ３６（図２）のメモリにファイルされた表を表 す。この表は送信角と受信角の組み合わせを示し、間隔ｄ１と位相差γ１がファ イルされている。例えばフォトダイオード２２が、発光ダイオード１２が発光し ている間に反射された光を受信すると、ｄ１に対して値ｄ１（１２２２）が、γ １に対して値γ１（１２２２）が読み出される。これらの値は前もって計算して おくことができ、一連の各測定装置に記憶しておくことも、また較正過程で各測 定装置ごとに個別に検出して記憶しておくこともできる。対象物４（図１）の距 離は次式 ｄ＝ｄ＋（γ−γ１）・ｃ／（４π・ｆ） に従って計算することができる。 光の送出および反射された光の受信に基づく光学的測定法では、しばしば外部 光の影響を抑圧するために送出された光が変調される。このことは本発明の方法 でも同じように行うことができる。本発明の変調がこのために十分でなければ、 例えば格段に低い周波数領域でさらに変調を実行することができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年５月９日（１９９８．５．９） 【補正内容】 対象物の位置検出方法 本発明は測定装置に対する対象物の位置を検出する方法に関する。この測定装 置は光学的送信器と光学的受信器とを有し、前記送信器は光ビームを変化する送 信角の下で照射し、前記受信器は前記送信器から間隔をおいて配置されており、 かつ角度分解能を有し、それぞれの送信角と、受信器が対象物により反射された ビームを受信する角度（受信角）とから、送信器と受信器により定められる分解 セルのどれに対象物が存在するかが推定される。 対象物の位置を検出するために例えば、請求項１の上位概念による光学的三 角法が公知であり、例えばJ.A.Marzalee,R.A.Myllyla:Perfornmance test of an angular scan LED arry‐based range imaging sensor,Proc.of the SPIE T he International Society for Optical Engineering 2088（1994）p.59‐68 に記載されている。このような方法の測定精度は、送信器と受信器の角度分解能 が高い場合には非常に正確である。しかしとりわけコストの理由から、角度分解 能の制限された送信器と受信器しか使用されない。このことにより比較的大きな 分解セルが生じ、その縦方向（受信器／送信器の軸に対して垂直）の広がりが測 定装置か らの距離が増えると増大する。このことによって距離測定を正確な位置分解能で 行うことは不可能である。 ＥＰ０４７９２７３Ａ２から、測定装置に対する対象物の間隔を検出する方法 が公知であり、この方法はレーダー原理に基づく。ここでは位置決めすべき対象 物の間隔が、変調された送信信号と対象物で反射された受信信号との位相比較に よって求められる。 本発明の課題は、簡単に実現できる光学的三角法を次のように構成することで ある。すなわち、位置決めすべき対象物の距離測定に対する位置分解能ができる だけ高くなるように構成することである。 この課題は本発明の方法において、 送信器から照射された光ビームを変調し、 送信された光ビームの変調と受信されたビームの変調との位相差を測定し、 個々の分解セルを離散的な送信角および受信角により定め、 離散的な送信角と受信角の各組合わせに対して、メモリのアドレスが所属して おり、当該アドレスの下に所属の位相差と測定装置からの間隔が記憶されており 、 分解セルにおける対象物の位置を、測定された位相差および分解セルに対して メモリにファイルされた位相差値および間隔値から検出することにより解決され る。本発明の方法により位置分解能が格段に向上する 。とりわけ、送信器と受信器の間隔よりも大きな距離に対する位置分解能が向上 する。本発明の方法のさらなる利点は、公知の三角法に対して非常に僅かな付加 コストしかかからないことである。本発明の方法は種々異なる課題に対して適用 することができる。例えば自動車用の車間距離警報装置の実現に適する。 本発明の有利な改善形態は従属請求項に記載されている。 測定装置に対する対象物の間隔を検出するための第１の方法では、対象物が存 在するそれぞれの分解セルごとに、測定装置に対して次の点およびもっとも離れ た点の間隔ｄ１とｄ２、並びに位相差γ１とγ２をメモリから読み出し、当該間 隔ｄ１、ｄ２および位相差γ１，γ２、並びに測定された位相差γから次式に従 って測定装置に対する対象物の間隔ｄを計算する。 ｄ＝ｄ１＋（ｄ２−ｄ１）＊（γ−γ１）／（γ２−γ１） 測定装置に対する対象物の間隔を検出するための第２の方法では、対象物が存 在する各分解セルごとに、測定装置に対して次の点の間隔ｄ１と位相差γ１をメ モリから読み出し、間隔ｄ１，位相差γ１、および測定された位相差ガンマから 、測定装置に対する対象物の間隔ｄを次式に従って計算する。 ｄ＝ｄ１＋（γ−γ１）＊ｃ／２πｆ ここでｃは光速度、ｆは変調周波数である。 位相差の明確性は本発明では次のようにして保証される。すなわち、変調を、 検出すべき最も長い解像セルの長さの少なくとも４倍の波長に相当する周波数で 行うのである。 本発明の実施例が複数の図面に示されており、以下詳細に説明する。 図１は、本発明の方法による送信器および受信器によって対象物を検出するた めの概略図である。 請求の範囲 １． 測定装置（３）に対する対象物（４）の位置検出方法であって、 前記測定装置は、光学的送信器（１）と光学的受信器（２）とを有し、 前記送信器は光ビーム（８）を変化する送信角の下で照射し、 前記受信器は送信器（１）から間隔をおいて配置されており、かつ角度分解能 を有し、 それぞれの送信角、および受信器（２）が対象物により反射されたビームを受 信するそれぞれの角度（受信角）から、送信器（１）および受信器（２）により 定められる分解セル（５）のどれに対象物（４）が存在するかを推定する方法に おいて、 送信器（１）により照射される光ビーム（８）を変調し、 送出された光ビームの変調と、受信されたビーム（９）の変調との間の位相差 を測定し、 個々の分解セルを離散的な送信角と受信角により定め、 離散的な送信角と受信角の各組合せに対してメモリのアドレスが所属しており 、当該アドレスの下に所属の位相差および測定装置（３）からの間隔が記憶され ており、 分解セル（５）における対象物の位置を、測定された位相差、および分解セル に対してメモリ（３６）に記憶されている位相差値および間隔値から求める、こ とを特徴とする位置検出方法。 ２． 対象物（４）の存在するそれぞれの分解セルに対して、測定装置（３） に対して次の点およびもっとも離れた点の間隔ｄ１とｄ２、および位相差γ１と γ２をメモリ（３６）から読み出し、 当該間隔ｄ１，ｄ２および位相差γ１，γ２、および測定された位相差γから 、測定装置に対する対象物（４）の間隔ｄを次式に従って計算する、 ｄ＝ｄ１＋（ｄ２−ｄ１）＊（γ−γ１）／（γ２−γ１） 請求項１記載の方法。 ３． 対象物（４）が存在するそれぞれの分解セル（５）に対して、測定装置 （３）に対して次の点の間隔ｄ１および位相差γ１をメモリ（３６）から読み出 し、 間隔ｄ１，位相差γ１および測定された位相差γから、測定装置（３）に対す る対象物（４）の間隔ｄを次式に従って計算する、 ｄ＝ｄ１＋（γ−γ１）＊ｃ／２πｆ ただし、ｃは光速度、ｆは変調周波数である、請求項１記載の方法。 ４． 変調を、最も長い検出すべき分解セル（５） の長さの少なくとも４倍の波長に相応する周波数により行う、請求項１記載の方 法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴェルナー ウーラー ドイツ連邦共和国 Ｄ―76646 ブルーフ ザール アウグシュタイナーシュトラーセ 11

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 測定装置に対する対象物の位置検出方法であって、光学的送信器と、光 学的受信器とを有し、 前記光学的送信器は、光ビームを変化する送信角の下で照射し、 前記光学的受信器は、送信器から距離をおいて配置されており、角度分解能を 有し、 それぞれの送信角、および受信器が対象物から反射されたビームを受信するそ れぞれの角度（受信角）から、送信器および受信器の角度分解能によって定めら れる分解セルのどれに対象物が存在するかを推定する方法において、 送信器から照射された光ビームを変調し、 送信された光ビームの変調と、受信された光ビームの変調との位相差を測定し 、 該位相差から、それぞれの分解セルにおける対象物の位置を計算する、 ことを特徴とする対象物の位置検出方法。 ２． 送信角と受信角は離散的な値を有しており、 対象物が存在する分解セルを、送信角と受信角のそれぞれ存在する組み合わせ に対して、記憶された表から読み出す、請求項１記載の方法。 ３． 前記表はさらに、測定装置と、分解セルの次の点およびもっとも離れた 点との間隔ｄ１およびｄ２ 、並びに当該点に相応する位相差γ１およびγ２を含んでおり、 当該表から、反射されたビームの受信時に存在する送信角と受信角の組み合わ せに対して、間隔ｄ１およびｄ２、並びに位相差γ１およびγ２を読み出し、 読み出された間隔および位相差と、測定された位相差ガンマとから、対象物と 測定装置との間隔を計算する、請求項２記載の方法。 ４． 対象物の間隔の計算を次式に従って行う、 ｄ＝ｄ１＋（ｄ２−ｄ１）・（γ−γ１）／（γ２−γ１） 請求項３記載の方法。 ５． 前記表はさらに、測定装置と分解セルのそれぞれ次の点との間隔ｄ１、 および当該点に相応する位相差γ１を含んでおり、 対象物と測定装置との間隔ｄを次式に従って計算する、 ｄ＝ｄ１＋（γ−γ１）・ｃ／（４π・ｆ） ただし、ｃは光速度、ｆは変調周波数であり、γおよびγ１はラジアンで測定さ れる、請求項２記載の方法。 ６． 変調を、最も長い検出すべき解像セルの長さの少なくとも４倍の波長に 相当する周波数で行う、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。 ７． 測定装置に対する対象物の位置を検出する測 定装置において、 送信器（１）は、集光レンズ（１０）および一列の光源（１１〜１８）からな り、 当該光源は選択的にスイッチオンオフ可能であり、 受信器（２）は、別の集光レンズ（２０）および一列の光電変換器（２１〜２ ８）からなり、 前記光電変換器（２１〜２８）により形成された信号が選択的に問い合わされ 、 前記光源（１１〜１８）には変調信号が供給され、 前記変調信号と光電変換器（２１〜２８）のそれぞれの出力信号は位相比較回 路（４２，４３）に供給され、 該位相比較回路（４２，４３）の出力側はＡ／Ｄ変換器（４４）を介してマイ クロコンピュータ（３６）の入力側と接続されており、 該マイクロコンピュータは、光源（１１〜１８）および光電変換器（２１〜２ ８）の選択を制御し、かつ位相比較回路（４２，４３）の出力信号を次のように 評価し、すなわち、それぞれ投入接続された光源（１１〜１８）と、対象物（４ ）により反射されたビームを受信する光電変換器（２１〜２８）とから、送信器 （１）と受信器（２）により定められる分解セルのどれに対象物（４）が存在す るかを推定するように評価し、 位相比較回路（４２，４３）により測定された位相 差から、それぞれの解像セルにおける対象物の位置が計算される、ことを特徴と する測定装置。 ８． 光源（１１〜１８）は発光ダイオードである、請求項７記載の測定装置 。