JP2020016577A - 光学系異常を検出する測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】容易に光学系の異常度を検出可能な測距装置を提供する。【解決手段】測距装置１０は、測距値ｄ及び光強度Ｌｓの関係と基準値Ｋρ、Ｋρ1、ＫLs0d0、又はＫAb0との比較により、測距装置１０の光学系の異常度を検出する光学系異常度検出部２２を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光の飛行時間に基づき物体までの距離を測定する測距装置に関し、特に光学系異常を検出する測距装置に関する。

物体までの距離を測定する測距装置として、光の飛行時間に基づき距離を出力するＴＯＦ（time of flight）カメラが公知である。ＴＯＦカメラは、所定周期で強度変調した測距光を測定対象空間に照射し、照射した測距光と測定対象空間の被写体からの反射光との間の位相差を検出する位相差方式を採用するものが多い。

斯かる測距装置では、光学系異常によって測距精度が落ち、測距能力を失うことがある。特に三次元センサであるＴＯＦカメラは、測距光の被写体からの反射光を撮像することにより測距を行うため、反射光が弱くなると、ショットノイズ、暗電流ノイズ、熱雑音等の影響が相対的に顕在化し、測距値のバラツキが大きくなることが一般的に知られている。反射光が弱くなる要因として、一般的には黒色等の低反射率の被写体、遼遠の被写体等が挙げられるが、それ以外にも、（１）レンズへの汚れ付着、（２）測距光用拡散板への汚れ付着、（３）測距光源の出力低下、（４）受光素子の異常といった光学系異常も挙げられる。斯かる光学系異常の検出に関連する先行技術としては、下記の文献が公知である。

特許文献１には、窓カバーを介してレーザ光を出射すると共に、反射光を受光して障害物を検出する車両用障害物検出装置が開示されている。車両用障害物検出装置では、路面からの反射光の強度と時間との関係を理想反射波形として推定し、実際の路面からの反射光の強度と時間との関係を実反射波形として検出すると共に、理想反射波形と実反射波形とに基づいて窓カバーの汚れを検出している。

特許文献２には、車両の有無及び台数を検知する光ビームセンサが開示されている。光ビームセンサでは、回帰反射板で反射された光ビームの受光量をモニタし、平均的な受光量が予め設定した基準値以下の場合に、入出射窓、回帰反射板等が汚れていると判定している。

特開２００４−２７１４０４号公報 特開平１０−２２７８５６号公報

図７Ａに示すように、測距光Ｌ１を被写体Ｏに照射し、被写体Ｏからの反射光Ｌ２により測距する測距装置では、照射から受光までの時間差Δｔを求め、測距を行う。被写体Ｏは外光にも照らされているため、測距装置は測距光Ｌ１以外の光も混在した反射光Ｌ２を受光する。図７Ｂに示すように、光学系の正常時には、外光成分の光強度は概ね一定であるから、測距光を照射してない時に取得した光強度を減算することにより、Ｓ／Ｎ比が確保され、反射光成分のみの光強度を検出できる。

ところが、図７Ｂに示すように、光学系の異常時には、反射光が弱くなり、Ｓ／Ｎ比が低下し、反射光成分の誤検出又は検出不能が発生し、測距精度の低下又は測距能力の喪失を招く。従って、安定した測距精度及び測距能力を維持するためには、光学系異常の検出が必要となる。また、光学系異常を検出できたとしても、その異常度が分からなければ、測距装置のクリーニングや部品交換の適切なタイミングも把握できない。

そこで、容易に光学系の異常度を検出可能な測距装置が求められている。

本開示の一態様は、測距光を被写体に照射する照射部と、被写体からの反射光を受光する受光部と、を備え、測距光と反射光と間の位相差に基づき算出した被写体までの測距値と反射光の光強度とを出力する、測距装置であって、測距値及び光強度の関係と基準値との比較により、測距装置の光学系の異常度を検出する光学系異常度検出部を備える、測距装置を提供する。

本開示の一態様によれば、測距値及び光強度の関係から容易に光学系の異常度を検出できる。斯かる光学系の異常度に基づき測距装置の光学系のクリーニング、部品交換等の適切なタイミングを把握でき、ひいては測距精度及び測距能力を維持できる。

一実施形態における測距装置のブロック図である。 光学系異常の検出原理を示す説明図である。 光学系異常の検出原理を示す説明図である。 光学系異常の検出原理を示す説明図である。 他の実施形態における反射率が明確な被写体を使用した異常度の検出を示す図である。 別の実施形態における反射率が不明な被写体を使用した異常度の検出を示す図である。 二次元画像に基づき算出した被写体までの距離を用いて光学系の異常度を検出する例を示す説明図である。 さらに別の実施形態における基準値の求め方を示す説明図である。 さらに別の実施形態における基準値の求め方を示す説明図である。 斑点状の汚れが付着した場合であっても、光学的には均一付着の汚れと同等とみなせることを示す説明図である。 斑点状の汚れが付着した場合であっても、光学的には均一付着の汚れと同等とみなせることを示す図である。 従来技術における測距原理を示す説明図である。 従来技術における光学系の正常時におけるＳ／Ｎ比を示す説明図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。

図１は、一実施形態における測距装置１０のブロック図である。測距装置１０は、例えば位相差方式に基づき物体までの距離を測定するＴＯＦカメラ、レーザスキャナ等であり、強度変調した測距光Ｌ１を被写体Ｏに照射する照射部１１と、被写体Ｏからの反射光Ｌ２を受光する受光部１２と、測距光と反射光との間の位相差に基づき被写体までの測距値及び反射光の光強度を出力する出力制御部１３と、を備えている。

照射部１１は、例えば近赤外（ＮＩＲ）光を発光する発光ダイオード、半導体レーザ等の測距光源、ＮＩＲ光を測距光Ｌ１として拡散する拡散板等で構成される。照射部１１は、発光・撮像タイミング制御部１４からの発光タイミング信号に基づいて所定周期で強度変調した測距光Ｌ１を被写体Ｏに照射する。

受光部１２は、例えば被写体Ｏからの反射光Ｌ２を集光する集光レンズ、ＲＧＢフィルタ、ＮＩＲフィルタ等を介して反射光Ｌ２を受光する光電素子、ＣＣＤイメージセンサ、又はＣＭＯＳイメージセンサ等で構成される。反射光Ｌ２は、被写体Ｏで反射した測距光Ｌ１に加え、外光の反射光も含む。受光部１２は、１画素につき赤色光、青色光、緑色光、及びＮＩＲ光を受光する４つの受光素子を有していてもよいし、又は、１画素につきＮＩＲ光のみを受光する１つの受光素子を有していてもよい。受光部１２は、二次元配列した複数の受光素子１５を有している場合もある。

レーザスキャナでは、一般に図７Ａ、図７Ｂに示す参照光の照射タイミングに対する反射光の遅延Δｔ又は反射光成分の光強度を受光部１２が直接測定を行う。本実施形態では以降、測距装置１０がＴＯＦカメラである場合を前提に説明する。受光素子１５は、例えばフォトダイオード、コンデンサ等で構成される。ＮＩＲ光を受光する受光素子１５は、発光・撮像タイミング制御部１４からの撮像タイミング信号に基づき、例えば測距光Ｌ１の発光タイミングに対して０°、９０°、１８０°、及び２７０°だけ位相をずらした複数の撮像タイミングで受光量Ｑ₁〜Ｑ₄を取得する。一方、赤色光、青色光、緑色光を受光する受光素子１５は、予め定めた撮像期間に亘って夫々受光量を取得する。取得した受光量は、増幅部１６で増幅され、Ａ／Ｄ変換部１７でＡ／Ｄ変換され、Ａ／Ｄ変換値がバッファメモリ１８に記憶される。

距離画像生成部１９は、ＮＩＲ光の受光量Ｑ₁〜Ｑ₄のＡ／Ｄ変換値に基づき、画素毎に被写体Ｏまでの測距値を含む距離画像３０を生成する。測距値ｄは、例えば公知の下記式から算出される。ここで、Ｔｄは測距光と反射光との間の位相差であり、ｃは光速であり、ｆは測距光の周波数である。生成した距離画像３０は、バッファメモリ２０に記憶され、出力制御部１３を介して測距装置１０の外部に出力される。

二次元画像生成部２１は、ＲＧＢ光又はＮＩＲ光の受光量のＡ／Ｄ変換値に基づき二次元画像３１を生成する。即ち、二次元画像３１は、ＲＧＢ画像（カラー画像）でもよいし、ＮＩＲ画像（モノクロ画像）でもよい。二次元画像３１は、バッファメモリ２０に記憶され、出力制御部１３を介して測距装置１０の外部に出力される。なお、測距装置１０がＴＯＦカメラである場合には、受光素子１５の出力する光強度Ｌｓは、受光量Ｑ１〜Ｑ４に基づき、例えば公知の下記式から算出する。

図７Ｂを参照して説明した通り、光学系の異常時には、反射光が弱くなり、Ｓ／Ｎ比が低下し、測距光のシグナル成分の誤検出又は検出不能が発生し、測距精度の低下又は測距能力の喪失を招く。斯かる光学系の異常度を検出するため、ひいては測距精度又は測距能力を維持するため、本実施形態における測距装置１０は、光学系の異常度を検出する光学系異常度検出部２２をさらに備えている。光学系異常度検出部２２は、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）等のプロセッサを機能させるためのソフトウェアとして構成可能である。又は、例えば斯かるソフトウェアの少なくとも一部の処理を実行可能なプロセッサ等のハードウェアとして実現してもよい。

図２Ａ−図２Ｃは、光学系異常の検出原理を示す説明図である。図２Ａに示すように測距光源Ｐから被写体Ｏへの照度Ｅは、一般に下記式のように距離ｄの二乗に反比例する。ここで、Ｉは観測方向への測距光源Ｐの光度である。

また図２Ｂに示すように、被写体Ｏが反射率ρの均等拡散反射面を有する場合、斯かる反射面の輝度Ｌｒは、一般に下記式で表すことができる。

さらに図２Ｃに示すように、受光素子１５は、一般に入射光束に比例する出力電流を出力する。受光素子１５が受光する光束、即ち、受光素子１５の出力する光強度Ｌｓは、集光レンズ２２によって受光素子１５が見込む面の輝度Ｌｒに比例するため、下記式が得られる。

定数ｋを用いて上記式を表現し直すと、下記式が得られる。ここで、定数ｋは、装置の構造、発光又は受光に関する各素子の特性の相違、さらに各素子の個体特性バラツキ等を吸収する補正値である。

上記式は、下記の基本式に変形できる。従って、観測方向への測距光源の光度Ｉが一定で、且つ、反射率がρの被写体Ｏを測距する状況においては、下記基本式の左辺における被写体Ｏまでの測距値ｄと受光素子１５が受光する光強度Ｌｓとの関係が一定値となることを示す。即ち、光学系の異常度の検出時に、反射率がρの被写体Ｏまでの測距値ｄと受光素子１５が受光する光強度Ｌｓとの関係を算出した結果、一定値と異なれば測距装置１０の光学系に何かしらの異常があることになる。

そして、上記基本式の右辺には観測方向への測距光源の光度Ｉが含まれるが、この値は、測距装置１０を構成する使用部品の特性バラツキ等によって個々の測距装置毎に値が異なる。光学系異常を検出するための基準値Ｋ_ρは、例えば測距装置１０の正常時（例えば出荷時、設置時等）に、反射率ρ_ｃｂの被写体を用いたキャリブレーションにより得られた測距値ｄ及び光強度Ｌｓから、次式の通り求める。基準値Ｋ_ρは、測距装置１０の不揮発性メモリ２３（図１を参照。）に、反射率ρ_ｃｂと共に記憶される（後述する基準値も同様。）。

光学系異常度検出部２２は、光学系の異常度の検出時において、測距光源の光度Ｉが一定であることを条件として、既知の反射率ρ_ｃｂを有する被写体Ｏの光強度Ｌｓ及び測距値ｄの関係を算出し、斯かる関係と基準値Ｋ_ρとを比較することにより、測距装置１０の光学系の異常度Ａｂを検出する。光学系の異常度Ａｂは、例えば下記式のように光強度Ｌｓ及び測距値ｄの関係と基準値Ｋ_ρとの比として検出するか、又は、差分として検出してもよい。但し、下記式は、光学系異常の理論上の検出原理であるため、被写体Ｏの光強度Ｌｓ及び測距値ｄの関係は、種々の事情によって補正を要することに留意されたい。

上記式において光学系の異常度Ａｂが１より小さい場合、光学窓（レンズ、拡散板等）の汚れ付着による発光強度の低下、受光強度の低下、又は測距光源の出力低下等が疑われることになる。このように基準値として、既知の反射率ρ_ｃｂを有する被写体Ｏを用いることにより、測距装置１０の設置環境に拘わらず、光学系異常の検出が可能になる。また、光学系異常の測定値として（上記式の分子に）、被写体Ｏの光強度Ｌｓ及び測距値ｄの関係を用いることにより、被写体Ｏまでの距離に拘わらず、光学系異常の検出が可能になる。

図３Ａは、他の実施形態における反射率が明確な被写体を使用した異常度の検出を示す図である。基準値Ｋ_ρを取得したときの反射率ρ_ｃｂとは異なる反射率ρ_１を有する被写体Ｏを使用する場合の基準値Ｋ_ρ1は、上記基本式から、例えば下記式のように、反射率ρ_ｃｂと、反射率ρ₁との比を用いて求められる。

光学系異常度検出部２２は、光学系の異常度の検出時において、被写体Ｏの光強度Ｌｓ及び測距値ｄの関係を算出し、斯かる関係と基準値Ｋ_ρ1とを比較することにより、測距装置１０の光学系の異常度Ａｂを検出する。光学系の異常度Ａｂは、例えば下記式のように光強度Ｌｓ及び測距値ｄの関係と基準値Ｋ_ρ1との比として検出するか、又は、差分として検出してもよい。

図３Ｂは、別の実施形態における反射率が不明な被写体を使用した異常度の検出を示す図である。上記基本式は、反射率が不明な被写体Ｏであっても、測距装置１０の正常時（例えば設置時、保守完了時等）に取得した被写体Ｏの測距値ｄ₀及び光強度Ｌｓ₀の関係を使用して、例えば下記式のように基準値Ｋ_Ls0d0を求められることを示す。その後、同一被写体Ｏ（つまり反射率は不明であるが、同一反射率の被写体）を用いることで異常度の検出ができる。

光学系異常度検出部２２は、光学系の異常度の検出時において、被写体Ｏの光強度Ｌｓ及び測距値ｄの関係を算出し、斯かる関係と基準値Ｋ_Ls0d0とを比較することにより、測距装置１０の光学系の異常度Ａｂを検出する。光学系の異常度Ａｂは、例えば下記式のように光強度Ｌｓ及び測距値ｄの関係と基準値Ｋ_Ls0d0との比として検出するか、又は、差分として検出してもよい。

このように測距装置１０は、反射率が不明の被写体Ｏの測距値ｄ₀及び光強度Ｌｓ₀の関係から基準値を求めることもできる。換言すれば、被写体が、測距装置１０によって常時又は定期的に撮像される固有の固定物（例えば固有の床、机、機械等）でもよいこととなる。光学系異常の測定値（上記式の分子）及び基準値（上記式の分母）として、斯かる固定物の光強度及び測距値の関係を用いることにより、光学系異常の検出が可能になる。即ち、既知の反射率を有する特別な被写体を用意することなく、測距装置１０は測距精度又は測距能力を自動で維持できる。

図４は、二次元画像３１に基づき幾何学的に算出した被写体Ｏまでの距離ｄ_refを用いて光学系の異常度を検出する例を示す説明図である。測距装置１０が例えばＴＯＦカメラのように二次元に複数配列した受光素子１５を有している場合、各受光素子１５の光強度値で構成された二次元画像が出力される。被写体Ｏには、所謂リファレンスマーカを使用する。リファレンスマーカは、例えば大きさが既知である四角形の白色板状部材に、大きさ、位置関係が既知である正円、正方形、及び菱形を配置し、三次元座標の相関が既知の特徴点を数多く含む。例えば特徴点は、正円、正方形、及び菱形の中心部３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、四角形の角部３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ、３２ｇでよい。さらに、リファレンスマーカの正円の中心部３２ｂを代表特徴点とし、正円内を規定の反射率ρを有する部分とする。なお、他の実施形態では、リファレンスマーカの代わりに、三次元座標の相関が明らかな任意の被写体を用いて光学系異常を検出してもよい。三次元座標の相関が明らかとは、複数の特徴点の相対的な位置関係を知ることができることを意味し、必ずしも複数の特徴点の三次元座標の相関が既知である必要はない。つまり、測距装置１０がメモリ等に予め記憶している必要はない。

光学系異常度検出部２２は、公知の画像処理を利用して二次元画像３１からリファレンスマーカを検出し、リファレンスマーカの種々の特徴点の画像上の位置座標をサブピクセルレベルで特定すると共に、複数（一般に４個以上）の特徴点の画像上の位置座標の組合せから、代表特徴点である正円の中心部３２ｂまでの距離ｄ_refを幾何学的に算出する。より高精度な距離ｄ_refの算出のために、組合せの異なる複数の特徴点から複数のｄ_refを計算し、平均化処理等を行ってもよい。そして、光学系異常度検出部２２は、例えば下記式のように、測距値ｄの代わりに、リファレンスマーカを撮像した二次元画像３１に基づいて、幾何学的に算出したリファレンスマーカ（代表特徴点）までの距離ｄ_refを用いて光学系の異常度Ａｂを検出する。

このように二次元画像３１に基づき算出した被写体Ｏまでの距離ｄ_refを用いることにより、光学系異常によって測距精度が落ちている場合であっても、光学系の異常度Ａｂを正確に検出することが可能になる。

図５Ａ及び図５Ｂは、さらに別の実施形態における基準値の求め方を示す説明図である図５Ａに示すように、リファレンスマーカ等の別被写体Ｏ’を使用した場合、ある程度進行した光学系の異常度Ａｂ₀を正確に観測できる。従って、基準値Ｋ_Ab0は、途中まで進行した光学系の異常度Ａｂ₀を観測対象の被写体Ｏに引き継いで求めてもよい。基準値Ｋ_Ab0は、例えば下記式のように、別被写体Ｏ’を用いて検出した光学系の異常度Ａｂ₀と、別被写体Ｏ’と同時に撮像した観測対象の被写体Ｏに関する測距値ｄ_bref及び光強度Ｌ_brefの関係と、を用いて求められる。

図５Ｂに示すように，光学系異常度検出部２２は、光学系の異常度の検出時において、被写体Ｏの光強度Ｌｓ及び測距値ｄの関係を算出し、斯かる関係と基準値Ｋ_Ab0とを比較することにより、測距装置１０の光学系の異常度Ａｂを検出する。光学系の異常度Ａｂは、例えば下記式のように光強度Ｌｓ及び測距値ｄの関係と基準値Ｋ_Ab0との比として検出するか、又は、差分として検出してもよい。

このように途中まで進行した光学系の異常度Ａｂ₀を観測対象の被写体Ｏに引き継いで基準値Ａｂ₀を求める場合、反射率が既知の被写体、リファレンスマーカ等が一時的な使用となり、以後は観測対象の被写体でのみ光学系の異常度を検出できる。

図６Ａ及び図６Ｂは、斑点状の汚れが付着した場合であっても、光学的には均一付着の汚れと同等とみなせることを示す説明図である。光学系異常の原因の中で良く発生し得る光学窓（例えばレンズ３３、拡散板３４等）への汚れ付着として、埃、ミスト等の均一な付着と、斑点状の付着と、を挙げることができる。図６Ａに示すように、斑点状の汚れがレンズ３３の表面に付着した場合、画像上の一部分が暗くなる訳ではなく、画像全体が暗くなる。図６Ｂに示す拡散板３４でも同様である。従って、本願のように基準値を定めた観測対象の被写体が画像の一部のみに撮像されるケースにおいても、画像全体の異常度を検出していることと等価とみなせることに留意されたい。

光学系異常度検出部２２は、光学系異常を検出した場合、警告部２４（図１を参照。）へ警告指令を行うと共に、光学系の異常度Ａｂを警告部２４へ出力する。警告部２４は、例えばスピーカ、ＬＥＤランプ、ディスプレイ装置、通信制御部等で構成され、光学系異常度検出部２２からの警告指令に従って光学系の異常度Ａｂを測距装置１０の外部へ出力する。

以上の実施形態によれば、測距装置１０は、測距値ｄ及び光強度Ｌｓの関係から容易に光学系の異常度Ａｂを検出でき、斯かる異常度Ａｂに基づいて測距装置１０のクリーニングや部品交換の適切なタイミングを把握できる。ひいては、測距精度及び測距能力を維持できる。

本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。

１０ 測距装置
１１ 照射部
１２ 受光部
１３ 出力制御部
１４ 発光・撮像タイミング制御部
１５ 受光素子
１６ 増幅部
１７ Ａ／Ｄ変換部
１８ バッファメモリ
１９ 距離画像生成部
２０ バッファメモリ
２１ 二次元画像生成部
２２ 光学系異常度検出部
２３ 不揮発性メモリ
２４ 警告部
３０ 距離画像
３１ 二次元画像
３２ａ−３２ｃ 中心部
３２ｄ−３２ｇ 角部
３３ レンズ
３４ 拡散板
Ａｂ 光学系の異常度
Ｋ_ρ、Ｋ_ρ1、Ｋ_Ls0d0、Ｋ_Ab0 基準値
Ｌ１ 参照光
Ｌ２ 入射光
Ｏ 被写体
Ｑ₁〜Ｑ₄ 受光量

Claims (5)

1. 測距光を被写体に照射する照射部と、前記被写体からの反射光を受光する受光部と、を備え、前記測距光と前記反射光との間の位相差に基づき算出した前記被写体までの測距値と前記反射光の光強度とを出力する、測距装置であって、
   前記測距値及び前記光強度の関係と基準値との比較により、前記測距装置の光学系の異常度を検出する光学系異常度検出部を備えることを特徴とする測距装置。
2. 前記基準値は、前記被写体の反射率を用いて求められる、請求項１に記載の測距装置。
3. 前記基準値は、前記測距装置の正常時に取得した前記測距値及び前記光強度の関係を用いて求められる、請求項１に記載の測距装置。
4. 前記測距装置が観測する空間に対する、前記受光部の受光量に基づき二次元画像を生成する二次元画像生成部をさらに備え、
   前記光学系の異常度は、前記測距値の代わりに、三次元座標の相関が明らかな複数の特徴点を有する前記被写体を撮像した前記二次元画像に基づき算出した前記被写体までの距離を用いて検出される、請求項１から３のいずれか一項に記載の測距装置。
5. 前記基準値は、前記被写体とは異なる別被写体を用いて検出した前記光学系の異常度と、前記別被写体と同時に撮像した前記被写体に関する前記測距値及び前記光強度の関係と、を用いて求められる、請求項１から４のいずれか一項に記載の測距装置。