JP2019152616A - 光測距センサ - Google Patents

Abstract

【課題】対象物との衝突を避けるため、距離を正確に測定することができる光測距センサを提供する。【解決手段】光測距センサ１は、複数の受光素子を有し、光学系２０を介して反射光Ｌ２を受光するマルチピクセル型の受光部３０を備え、最大測定距離Ｄ１よりも近い領域内に最小値の大きさの対象物Ｐ１が配置されている場合に、２つ以上の受光素子が対象物Ｐ１からの反射光Ｌ２を受光するように、光学系２０の拡大率または縮小率、ならびに位置が定められている。【選択図】図１

Description

本発明は光測距センサに関する。

特許文献１には、防護領域を用いて危険領域を監視する距離センサであって、マクロピクセルに分割されたシングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）アレイを有する受光器を備える距離センサが開示されている。

特開２０１７−７８７０７号公報（２０１７年４月２７日公開）

しかしながら、特許文献１に開示されている装置は、例えば、検出領域に対象物が存在する場合、背景までの距離の影響を受けることにより、対象物との距離の測定において測定誤差を生じさせることがあるという問題がある。

本発明の一態様は、対象物との距離を正確に測定することを目的とする。

前記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光測距センサは、対象物に投光し、その反射光を受光することにより、所定の最大測定距離よりも近い領域内に配置される前記対象物との距離を測定する光測距センサであって、複数の受光素子を有し、光学系を介して前記反射光を受光する受光部を備え、前記最大測定距離において測定可能な、前記受光部から見たときの前記対象物の大きさの最小値が定められているとともに、前記最大測定距離よりも近い領域内に前記最小値の大きさの対象物が配置されている場合に、２つ以上の前記受光素子が当該対象物からの反射光を受光するように、前記光学系が構成されている。

前記構成によれば、対象物からの反射光を受光する受光部が、複数の受光素子を有するマルチピクセル型の受光部である。このため、例えば、光測距センサが複数の受光素子の受光信号毎に検出対象との距離を算出する場合、検出対象との距離の中で最も短い距離を対象物との距離であると判定することができる。よって、受光部がマルチピクセル型ではなく、観測領域全体で対象物との距離を測定する場合と比べて、対象物との距離を正確に測定することができる。

また、受光部の複数の受光素子のうち２つ以上の受光素子が対象物からの反射光を受光するように、光学系が構成されている。よって、１つの受光素子のみで反射光を受光する場合に生じていた、背景までの距離の影響による測定誤差を生じさせることなく、対象物との距離を正確に測定することができる。

本発明の一態様に係る光測距センサは、前記光学系は、焦点距離を変更可能なズームレンズを含むことが好ましい。

前記構成によれば、光学系はズームレンズを含むため、焦点距離を変更することにより、最大測定距離および対象物の大きさの最小値の少なくとも一方を変更することができる。よって、様々な測定環境および測定対象に対応することが可能となる。

本発明の一態様に係る光測距センサは、前記光学系は、当該光学系が備える少なくとも１つのレンズを取り替え可能に構成された取り替え機構を有することが好ましい。

前記構成によれば、光学系は、当該光学系が備える少なくとも１つのレンズを取り替え可能に構成された取り替え機構を有する。このため、レンズを取り替えることにより、最大測定距離および対象物の大きさの最小値の少なくとも一方を変更することができる。よって、様々な測定環境および測定対象に対応することが可能となる。

複数の前記受光素子の受光信号毎に検出対象との距離を算出し、前記検出対象との距離の中で最も短い距離を前記対象物との距離であると判定する処理を行う処理部をさらに備えることが好ましい。

前記構成によれば、受光部がマルチピクセル型ではなく、観測領域全体で対象物との距離を測定する場合と比べて、対象物との距離を正確に測定することができる。また、光測距センサが設けられた装置と対象物との衝突を避けるためのセンサとして、光測距センサを採用した場合において、対象物との距離を正確に測定することができる。このため、光測距センサが設けられた装置と対象物との衝突をより確実に避けることができる。

本発明の一態様によれば、対象物との距離を正確に測定することができる。

本発明の実施形態に係る光測距センサの構成の一例を示す模式図である。 （ａ）は、受光部の構成の一例を示す模式図であり、（ｂ）は、受光部が認識する画像の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る光測距センサの構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る光測距センサの動作の一例を示すフローチャートである。 （ａ）は、画像認識部が認識する画像において、対象物が複数の画素のうち１つの画素を含む場合、複数の画素のうち任意の１列に配列された画素の中心に、対象物が配置される場合の一例を示す図である。（ｂ）は、画像認識部が認識する画像において、対象物が複数の画素のうち１つの画素を含む場合、複数の画素のうち任意の２列に配列された画素において、その２列の境界に対象物が配置される場合の一例を示す図である。（ｃ）は、（ａ）の場合の各画素の測定距離を示す図であり、（ｄ）は、（ｂ）の場合の各画素の測定距離を示す図である。 （ａ）は、画像認識部が認識する画像において、対象物が複数の画素のうち２つ以上の画素を含む場合、複数の画素のうち任意の１列に配列された画素の中心に、対象物が配置される場合の一例を示す図である。（ｂ）は、画像認識部が認識する画像において、対象物が複数の画素のうち２つ以上の画素を含む場合、複数の画素のうち任意の２列に配列された画素において、その２列の境界に対象物が配置される場合の一例を示す図である。（ｃ）は、（ａ）の場合の各画素の測定距離を示す図であり、（ｄ）は、（ｂ）の場合の各画素の測定距離を示す図である。 本発明の変形例１に係る光測距センサの構成の一例を示す模式図である。 本発明の変形例２に係る光測距センサの構成の一例を示す模式図である。

〔実施形態〕
以下、本発明の一側面に係る実施形態（以下、「本実施形態」とも表記する）を、図面に基づいて説明する。

§１ 適用例
まず、図１を用いて、本発明が適用される場面の一例について説明する。図１は、本実施形態に係る光測距センサ１の適用場面の一例を模式的に例示し、本発明の実施形態に係る光測距センサ１の構成の一例を示す模式図である。

図１に示すように、光測距センサ１は、対象物Ｐ１に投光し、その反射光を受光することにより、所定の最大測定距離Ｄ１よりも近い領域内に配置される対象物Ｐ１との距離を測定する。光測距センサ１は、投光部１０、光学系２０、受光部３０、および処理部４０を備えている。なお、光測距センサ１としては、小型カメラ等に用いられる、暗所でも動作可能な小型のＴＯＦ（Time Of Flight）方式の測距センサを採用してもよい。また、光測距センサ１として小型のＴＯＦ方式の測距センサを採用することにより、光測距センサ１を採用する際のコストを低減することができる。

§２ 構成例
投光部１０は、例えば、入射光Ｌ１を対象物Ｐ１に投光する投光器である。投光部１０は、光を発する光源（図示せず）と、前記光源からの光を入光し、その光を光測距センサ１の外部へと導く投光用光ファイバ（図示せず）と、基板（図示せず）上に設けられた投光回路（図示せず）とを有してもよい。前記光源は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）であってもよい。前記投光回路には増幅回路が含まれていてもよい。

光学系２０は、例えば、透光性を有するガラスまたは樹脂から構成されたレンズを含んでもよい。光学系２０は、受光部３０の近傍に配置されており、光学系２０に含まれるレンズとして凸レンズを採用してもよい。光学系２０には、対象物Ｐ１等の検出対象からの反射光Ｌ２が通過する。

図２の（ａ）は、受光部３０の構成の一例を示す模式図であり、図２の（ｂ）は、受光部３０が認識する画像の一例を示す図である。受光部３０は、図２の（ａ）に示すように、複数の受光素子３１を有するマルチピクセル型の受光部であり、光学系２０を介して対象物Ｐ１からの反射光を受光する。受光部３０は、反射光Ｌ２を入光し、反射光Ｌ２を複数の受光素子３１へと導く受光用光ファイバ（図示せず）と、基板３２上に設けられた受光回路（図示せず）とを有する。受光部３０は、例えば、基板３２上に複数の受光素子３１がｍ×ｎ（ｍ、ｎは自然数）のマトリックス状に配列された構造であってもよい。図２の（ａ）では、複数の受光素子３１は、例えば、８×８のマトリックス状に配列されている。

処理部４０は、図３に示すように、投光制御部４１０、受光制御部４２０、画像認識部４３０、距離算出部４４０、および距離判定部４５０を備えている。処理部４０は、複数の受光素子３１の受光信号毎に検出対象との距離を算出する。また、光測距センサ１が設けられた装置と対象物Ｐ１との衝突を避けるためのセンサとして、光測距センサ１を採用した場合、処理部４０は、例えば、検出対象との距離の中で最も短い距離を対象物Ｐ１との距離であると判定する処理を行ってもよい。具体的に以下に説明する。

§３ 動作例
（光測距センサ１の動作）
次に、図３および図４を用いて、光測距センサ１の動作について説明する。図３は、本発明の実施形態に係る光測距センサ１の構成の一例を示すブロック図である。図３では、処理部４０の詳細を示しており、光学系２０を省略している。図４は、本発明の実施形態に係る光測距センサ１の動作の一例を示すフローチャートである。

まず、投光制御部４１０は、投光部１０に入射光Ｌ１を投光させる制御を行い、受光制御部４２０に処理を行うように指示する。これにより、投光部１０は、入射光Ｌ１の投光を開始する（ステップＳ１０）。受光制御部４２０は、投光制御部４１０から処理を行うように指示されると、画像認識部４３０に受光部３０の複数の受光素子３１からの受光信号を受け付けるように指示する。

画像認識部４３０は、受光制御部４２０から指示されると、受光部３０の複数の受光素子３１からの受光信号の受け付けを開始する。投光部１０が入射光Ｌ１の投光を開始した後、受光部３０が反射光Ｌ２を受光し（ステップＳ２０）、画像認識部４３０が受光部３０の複数の受光素子３１からの受光信号を受信する。

ここで、図２の（ａ）において、複数の受光素子３１は、８×８のマトリックス状に配列されている。このため、画像認識部４３０が受光部３０の複数の受光素子３１からの受光信号を受け付けることにより認識する画像は、図２の（ｂ）に示すように、画素が８×８のマトリックス状に配列された画像になる。つまり、画像認識部４３０は、受光部３０の複数の受光素子３１からの受光信号を複数の画素として認識する。このとき、複数の受光素子３１の受光信号と複数の画素とが１対１に対応している。画像認識部４３０は、認識した画像のデータを距離算出部４４０に送信する。

距離算出部４４０は、画像認識部４３０から画像のデータを受信すると、画像認識部４３０が認識した画像の全画素について、受光部３０と検出対象との間の距離を算出する（ステップＳ３０）。具体的には、距離算出部４４０は画素毎に、受光信号の受光量、および投光部１０が入射光Ｌ１の投光を開始した時間と画像認識部４３０が受光信号を受信した時間との時間差に基づいて、前記距離を算出する。距離算出部４３５は、算出した距離のデータを距離判定部４５０に送信する。

距離判定部４５０は、距離算出部４４０から距離のデータを受信すると、距離算出部４４０によって算出された検出対象との距離の中で最も短い距離を、対象物Ｐ１との距離であると判定する（ステップＳ４０）。このとき、対象物Ｐ１は、受光部３０に最も近い検出対象である。なお、距離判定部４５０によって判定された結果は、光測距センサ１が設けられた装置に送信されてもよい。

以上により、光測距センサ１が設けられた装置と対象物Ｐ１との衝突を避けるためのセンサとして、光測距センサ１を採用した場合において、対象物Ｐ１との距離を正確に測定することができる。このため、光測距センサ１が設けられた装置と対象物Ｐ１との衝突をより確実に避けることができる。

また、図１に示すように、最大測定距離Ｄ１において測定可能な、受光部３０から見たときの対象物Ｐ１の大きさＤ２の最小値は定められている。大きさＤ２とは、受光部３０から見たときの対象物Ｐ１の任意の方向の長さである。ここで、対象物Ｐ１の大きさＤ２の最小値Ｄｍｉｎが定められている場合について考える。この場合、最大測定距離Ｄ１よりも近い領域内に最小値Ｄｍｉｎの大きさの対象物Ｐ１が配置されているときに、２つ以上の受光素子３１が当該対象物Ｐ１からの反射光を受光するように、光学系２０は構成されている。

つまり、このとき、２つ以上の受光素子３１が最小値Ｄｍｉｎの大きさの対象物Ｐ１からの反射光を受光するように、例えば、光学系２０の凸レンズの拡大率または縮小率、ならびに光学系２０の位置が定められる。なお、２つ以上の受光素子３１が最小値Ｄｍｉｎの大きさの対象物Ｐ１からの反射光を受光する場合、図２の（ｂ）に示すように、画像認識部４３０が認識する画像において、対象物Ｐ１が２つ以上の画素を含む。

以上により、対象物Ｐ１からの反射光Ｌ２を受光する受光部３０が、複数の受光素子３１を有するマルチピクセル型の受光部である。このため、例えば、処理部４０が複数の受光素子３１の受光信号毎に検出対象との距離を算出する場合、検出対象との距離の中で最も短い距離を対象物Ｐ１との距離であると判定することができる。よって、受光部３０がマルチピクセル型ではなく、観測領域全体で対象物Ｐ１との距離を測定する場合と比べて、対象物Ｐ１との距離を正確に測定することができる。

また、受光部３０の複数の受光素子３１のうち２つ以上の受光素子３１が対象物Ｐ１からの反射光を受光するように、光学系２０が構成されている。よって、１つの受光素子のみで対象物からの反射光を受光する場合に生じていた、背景までの距離の影響による測定誤差を生じさせることなく、対象物Ｐ１との距離を正確に測定することができる。

図５の（ａ）は、画像認識部４３０が認識する画像において、対象物Ｐ２が複数の画素のうち１つの画素を含む場合、複数の画素のうち任意の１列に配列された画素の中心に、対象物Ｐ２が配置される場合の一例を示す図である。図５の（ｂ）は、画像認識部４３０が認識する画像において、対象物Ｐ２が複数の画素のうち１つの画素を含む場合、複数の画素のうち任意の２列に配列された画素において、その２列の境界に対象物Ｐ２が配置される場合の一例を示す図である。なお、図５の（ａ）および（ｂ）において、対象物Ｐ２が複数の画素のうち１つの画素を含むとは、対象物Ｐ２の短手方向の幅が１つの画素の幅と同一または略同一であることである。

図５の（ｃ）は、図５の（ａ）の場合の各画素の測定距離を示す図であり、図５の（ｄ）は、図５の（ｂ）の場合の各画素の測定距離を示す図である。なお、図５の（ｃ）および（ｄ）において、横軸は複数の受光素子３１のうちの列に該当し、縦軸は測定距離に該当する。横軸において、例えば、１であれば、複数の受光素子３１のうちの１列目に該当し、２であれば、複数の受光素子３１のうちの２列目に該当する。後述する図６の（ｃ）および（ｄ）においても同様である。

図５の（ｃ）において、画像認識部４３０が認識する画像において、対象物Ｐ２が複数の画素のうち１つの画素を含む場合、受光部３０と対象物Ｐ２との間の測定距離Ｍ１は、実際の受光部３０と対象物Ｐ２との間の距離と合致する。しかし、図５の（ｄ）において、画像認識部４３０が認識する画像において、対象物Ｐ２が複数の画素のうち１つの画素を含む場合、受光部３０と対象物Ｐ２との間の測定距離Ｍ２は、実際の受光部３０と対象物Ｐ２との間の距離と合致しない。理由を以下に説明する。対象物Ｐ２が複数の画素のうち１つの画素を含む場合、対象物Ｐ２の位置によっては、画像認識部４３０は、対象物Ｐ２を正確に認識することができないことがある。例えば、図５の（ｂ）に示すように、複数の画素のうち任意の２列に配列された画素において、その２列の境界に対象物Ｐ２が配置される場合が挙げられる。この場合、対象物Ｐ２がその２列の境界に配置されるため、その２列の境界に隣接する画素は、対象物Ｐ２の一部を含む。よって、これらの画素には、対象物Ｐ２ではない部分（背景）が表れる。したがって、これらの画素で算出される測定距離Ｍ２は、対象物Ｐ２からの反射光に基づく距離、および背景からの反射光に基づく距離の加重平均値になるため、測定距離Ｍ２は、実際の受光部３０と対象物Ｐ２との間の距離と合致しない。

図６の（ａ）は、画像認識部４３０が認識する画像において、対象物Ｐ２が複数の画素のうち２つ以上の画素を含む場合、複数の画素のうち任意の１列に配列された画素の中心に、対象物Ｐ２が配置される場合の一例を示す図である。図６の（ｂ）は、画像認識部４３０が認識する画像において、対象物Ｐ２が複数の画素のうち２つ以上の画素を含む場合、複数の画素のうち任意の２列に配列された画素において、その２列の境界に対象物Ｐ２が配置される場合の一例を示す図である。なお、図６の（ａ）および（ｂ）において、対象物Ｐ２が複数の画素のうち２つ以上の画素を含むとは、対象物Ｐ２の短手方向の幅が２つの画素の幅より大きいことである。

図６の（ｃ）は、図６の（ａ）の場合の各画素の測定距離を示す図であり、図６の（ｄ）は、図６の（ｂ）の場合の各画素の測定距離を示す図である。

図６の（ｃ）および（ｄ）において、画像認識部４３０が認識する画像において、対象物Ｐ２が複数の画素のうち２つ以上の画素を含む場合、受光部３０と対象物Ｐ２との間の測定距離Ｍ１は、実際の受光部３０と対象物Ｐ２との間の距離と合致する。

以上により、複数の画素のうち任意の２列に配列された画素において、その２列の境界に対象物Ｐ２が配置される場合であっても、複数の受光素子３１のうち２つ以上の受光素子３１が対象物Ｐ２からの反射光を受光することにより、受光部３０と対象物Ｐ２との間の距離を正確に測定することができる。

§４ 変形例
（変形例１）
図７は、本発明の変形例１に係る光測距センサ１ａの構成を示す模式図である。図７に示すように、光測距センサ１ａは、光測距センサ１と比べて、光学系２０が光学系２０ａに変更されている点が異なる。光学系２０ａは、例えば、焦点距離を変更可能なズームレンズを含んでもよい。

これにより、光学系２０ａはズームレンズを含むため、焦点距離を変更することにより、最大測定距離Ｄ１および対象物Ｐ１の大きさＤ２の最小値Ｄｍｉｎの少なくとも一方を変更することができる。よって、様々な測定環境および測定対象に対応することが可能となる。

なお、前記ズームレンズは、ユーザによって手作業で焦点距離を変更可能な構成であってもよく、光学系２０ａが有する駆動部によって機械式で焦点距離を変更可能な構成であってもよい。

（変形例２）
図８は、本発明の変形例２に係る光測距センサ１ｂの構成を示す模式図である。図８に示すように、光測距センサ１ｂは、光測距センサ１と比べて、光学系２０が光学系２０ｂに変更されている点が異なる。光学系２０ｂは、例えば、光学系２０ｂが備える少なくとも１つのレンズを取り替え可能に構成された取り替え機構を有してもよい。

これにより、光学系２０ｂは、光学系２０ｂが備える少なくとも１つのレンズを取り替え可能に構成された取り替え機構を有する。このため、レンズを取り替えることにより、最大測定距離Ｄ１および対象物Ｐ１の大きさＤ２の最小値Ｄｍｉｎの少なくとも一方を変更することができる。よって、様々な測定環境および測定対象に対応することが可能となる。

なお、前記取り替え機構は、ユーザによって手作業で少なくとも１つのレンズを取り替え可能な構成であってもよく、光学系２０ｂが有する駆動部によって機械式で少なくとも１つのレンズを取り替え可能な構成であってもよい。

〔ソフトウェアによる実現例〕
光測距センサ１の制御ブロック（特に処理部４０）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。

後者の場合、光測距センサ１は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば１つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１、１ａ、１ｂ 光測距センサ
１０ 投光部
２０、２０ａ、２０ｂ 光学系
３０ 受光部
３１ 受光素子
３２ 基板
４０ 処理部
４１０ 投光制御部
４２０ 受光制御部
４３０ 画像認識部
４４０ 距離算出部
４５０ 距離判定部
Ｄ１ 最大測定距離
Ｄｍｉｎ 最小値
Ｌ１ 入射光
Ｌ２ 反射光
Ｍ１、Ｍ２ 測定距離
Ｐ１、Ｐ２ 対象物

Claims (4)

1. 対象物に投光し、その反射光を受光することにより、所定の最大測定距離よりも近い領域内に配置される前記対象物との距離を測定する光測距センサであって、
   複数の受光素子を有し、光学系を介して前記反射光を受光する受光部を備え、
   前記最大測定距離において測定可能な、前記受光部から見たときの前記対象物の大きさの最小値が定められているとともに、
   前記最大測定距離よりも近い領域内に前記最小値の大きさの対象物が配置されている場合に、２つ以上の前記受光素子が当該対象物からの反射光を受光するように、前記光学系が構成されていることを特徴とする光測距センサ。
2. 前記光学系は、焦点距離を変更可能なズームレンズを含むことを特徴とする請求項１に記載の光測距センサ。
3. 前記光学系は、当該光学系が備える少なくとも１つのレンズを取り替え可能に構成された取り替え機構を有することを特徴とする請求項１に記載の光測距センサ。
4. 複数の前記受光素子の受光信号毎に検出対象との距離を算出し、前記検出対象との距離の中で最も短い距離を前記対象物との距離であると判定する処理を行う処理部をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光測距センサ。

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