JP5598100B2 - 物体検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、監視領域に存在する物体を検出する装置に関するものである。

測距用の走査光により３次元空間を主走査方向及び副走査方向に走査させるレーザレーダを用い、走査光の反射光を解析することで物体を検出する技術は、例えば、監視領域における侵入物の監視の分野にも利用可能な技術である（例えば、特許文献１）。

特開２００４−２１２１２９号公報

上述したレーザレーダは、監視領域の全体からの見通しがよい高さに設置されることになる。そして、監視領域がレーザレーダの近辺から遠方まで広いエリアに亘る場合、レーザレーダの発光手段から監視領域に照射された走査光は、照射を受けた対象物の表面で拡散反射され、その反射光をレーザレーダの受光手段が受光する。反射光は拡散しながらレーザレーダまで到来するため、受光手段が受光する反射光の強度は、レーザレーダから走査光の照射箇所までの距離の二乗に反比例して弱まる。そのため、遠方の監視領域からの反射光を解析可能な強度で受光手段に受光させるには、発光手段が出力する走査光を相応の強度とする必要がある。

しかし、遠方の監視領域に合わせて走査光の強度を高くすると、近辺の監視領域から受光する反射光の強度が強すぎてしまう場合がある。受光する反射光の強度が強すぎると、反射光の受光強度に応じた受光手段の出力信号が光学的に飽和してその出力波形が歪み、正しい物体検出を行うことができなくなる。その結果、例えば近辺の監視領域の地表面が実際よりも高い位置にあると誤って判断される等の支障を生じる。

本発明は前記事情に鑑みなされたもので、本発明の目的は、レーザレーダから監視領域に走査光を照射しその反射光をレーザレーダで受光し解析することで、監視領域に存在する物体を検出する際に、監視領域がレーザレーダの近辺から遠方まで広く分布する場合であっても、監視領域の物体を正確に検出することができる物体検出装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１に記載した本発明の物体検出装置は、レーザ投光ユニットが出力するレーザ光を走査用ミラーにより反射させて、監視領域を所定の走査方向に走査する走査光とし、該走査光の反射光を前記走査用ミラーにより反射させて受光ユニットに受光させることで、前記監視領域に存在する物体の位置を検出する装置において、前記走査用ミラーが、前記レーザ投光ユニット及び前記受光ユニットに対して、前記走査方向において前記監視領域の前記レーザ投光ユニットに最も近い照射箇所と前記レーザ投光ユニットから最も遠い照射箇所とに同じビーム径の前記走査光を反射させ、かつ、前記監視領域における照射箇所が前記走査方向において前記レーザ投光ユニットから遠い前記走査光の前記反射光ほど、大きい光束幅で前記受光ユニットに向けて反射させる相対位置関係で配置されていることを特徴とする。

請求項１に記載した本発明の物体検出装置によれば、走査用ミラーが受光ユニットに向けて反射する反射光の光束幅が大きければ大きいほど、受光ユニットが反射光を受光する効率が高くなる。したがって、監視領域のうち走査光の走査方向においてレーザ投光ユニットに近い箇所に照射される走査光の反射光の強度に比べて、レーザ投光ユニットから離れた箇所に照射される走査光の反射光の受光効率、言い換えれば、光学的な強度ゲインが高くなる。

したがって、走査光が走査方向におけるレーザ投光ユニットの近辺の監視領域に照射されるか遠方の監視領域に照射されるかに応じて、走査光の強度や受光ユニットの電気的なゲインを動的に高速で変化させることなく、反射光の拡散の度合いが大きい遠方の監視領域からは強い強度で反射光を受光させ、反射光の拡散の度合いが小さい近辺の監視領域からは弱い強度で反射光を受光させることができる。これにより、遠方の監視領域からの反射光を解析可能な強度とし、かつ、近辺の監視領域からの反射光を光学的に飽和しない程度の強度に抑えることができる。よって、レーザレーダからの走査光により走査される監視領域がレーザレーダの近辺から遠方まで広く分布する場合であっても、監視領域からレーザレーダが受光する走査光の反射光によって監視領域の物体を正確に検出することができる。

また、請求項２に記載した本発明の物体検出装置は、請求項１に記載した本発明の物体検出装置において、前記レーザ投光ユニット及び前記受光ユニットが、前記レーザ投光ユニットが出力する前記レーザ光と前記受光ユニットが受光する前記反射光とが、前記走査用ミラーの複数の反射面のうち同一の反射面に前記走査用ミラーの回転軸方向に間隔をおいてそれぞれ照射され、かつ、互いの光路が干渉しないように配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載した本発明の物体検出装置によれば、請求項１に記載した本発明の物体検出装置において、走査用ミラーの同一の反射面により反射されるレーザ投光ユニットからのレーザ光の光路と受光ユニットが受光する反射光の光路とを、走査用ミラーの回転軸と直交する面において同一の経路に配置することができる。これにより、監視領域における走査光の照射箇所が走査方向において変化するのと同期する走査用ミラーの回転角度によって、受光ユニットが受光する反射光の光束幅の大きさを変化させることができる。

さらに、請求項３に記載した本発明の物体検出装置は、請求項１又は２に記載した本発明の物体検出装置において、前記受光ユニットが、少なくとも前記反射光の最大光束幅以上のレンズ径を有する集束レンズを備えていることを特徴とする。

請求項３に記載した本発明の物体検出装置によれば、請求項１又は２に記載した本発明の物体検出装置において、反射光を受光する受光ユニットの集束レンズが反射光の最大光束幅以上のレンズ系を有することから、監視領域における走査光の照射箇所が走査方向において変化するのに応じて反射光の光束幅が変化しても、その反射光を確実に受光ユニットで受光させることができる。

本発明によれば、レーザレーダからの走査光により走査される監視領域がレーザレーダの近辺から遠方まで広く分布する場合であっても、監視領域からレーザレーダが受光する走査光の反射光によって監視領域の物体を正確に検出することができる。

本発明の一実施形態に係る物体検出装置を示す概略構成図である。 図１の走査光により走査する監視領域とレーザレーダヘッドの設置位置との関係を示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は、図１のレーザ投光ユニット及び受光ユニットとポリゴンミラーとの位置関係を示す平面図及び側面図である。 （ａ），（ｂ）は、図１のポリゴンミラーによるレーザ投光ユニットからのレーザ光の反射の様子を、走査光が監視領域の主走査方向における走査開始端を走査するときと走査終了端を走査するときとについてそれぞれ示す説明図である。 （ａ），（ｂ）は、図１のポリゴンミラーによる受光ユニットへの反射光の反射の様子を、走査光が監視領域の主走査方向における走査開始端を走査するときと走査終了端を走査するときとについてそれぞれ示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る物体検出装置を示す概略構成図である。図１に示す物体検出装置は、監視領域を走査光により走査してその反射光により監視領域内に侵入した物体を検出するもので、走査光を出力しその反射光を受光するレーザレーダヘッド５と、走査光及び反射光に基づいてエリア内の物体の検出処理を行う制御装置６とを有している。

図１の物体検出装置を例えば敷地内の監視領域における侵入物の検出に用いる場合、前記レーザレーダヘッド５は、図２の説明図に示すように、監視領域Ａの全体を見通せる支柱Ｂの上端付近に取り付け設置される。このような高所にレーザレーダヘッド５を設置することで、レーザレーダヘッド５からの走査光ＬＢ１で監視領域Ａの全体を走査することができる。本実施形態では、支柱Ｂの地上高Ｈ［ｍ］のところにレーザレーダヘッド５を設置しているものとする。

なお、本実施形態では、監視領域Ａは、レーザレーダヘッド５からの走査光ＬＢ１の主走査方向Ｘ（請求項中の走査方向に相当）において、支柱ＢからＬｍｉｎ［ｍ］〜Ｌｍａｘ［ｍ］の範囲に延在している。このＬｍｉｎ［ｍ］は、Ｌｍｉｎ＝０［ｍ］としてもよい。つまり、レーザレーダヘッド５からの走査光ＬＢ１が届くのであれば、監視領域Ａを支柱Ｂの根元から延在させることもできる。

また、図２のθは、走査光ＬＢ１の監視領域Ａに対する主走査方向Ｘにおける走査角度を示す。この走査角度θは、主走査方向Ｘにおける走査光ＬＢ１の走査箇所のレーザレーダヘッド５乃至支柱Ｂからの距離をＬとした場合、θ＝ｔａｎ^-1（Ｌ／Ｈ）で表すことができる。走査角度θは、主走査方向Ｘにおける走査光ＬＢ１の走査箇所がレーザレーダヘッド５乃至支柱Ｂに近いほど小さく、遠いほど大きい値となる（但し、θ＜９０゜）。

そして、レーザレーダヘッド５は、図１に示すように、レーザ光ＬＢを間欠的に出力するレーザ投光ユニット１と、レーザ光ＬＢを垂直及び水平方向に走査させて走査光ＬＢ１とするポリゴンミラー１１及びガルバノミラー１２と、物体に照射された走査光ＬＢ１の反射光ＬＢ２をガルバノミラー１２及びポリゴンミラー１１による反射後に受光する受光ユニット２と、ポリゴンミラー１１を回転駆動させるポリゴンスキャナ１１ａと、ガルバノミラー１２を回転駆動させるガルバノスキャナ１２ａとを有している。

前記ポリゴンミラー１１（請求項中の走査用ミラーに相当）は、高速回転する６面体を有しており、鏡面化された４側面を除く対峙する２面（上下面）の中心を回転軸としてポリゴンスキャナ１１ａにより回転されるように構成されている。このポリゴンミラー１１の４側面のいずれかでレーザ光ＬＢが反射されることで、レーザ光ＬＢは主走査方向（垂直走査方向）Ｘに走査される。

前記ガルバノミラー１２は、ガルバノスキャナ１２ａにより限られた角度範囲で往復回動される回動軸の側面に接続されており、この回動軸の往復回動により往復揺動される。このガルバノミラー１２の一面でレーザ光ＬＢが反射されることで、レーザ光ＬＢは副走査方向（水平走査方向）Ｙに走査される。

なお、ポリゴンスキャナ１１ａ及びガルバノスキャナ１２ａは、後述する制御装置６の制御器１３からの速度指令により指令される回転速度で、ポリゴンミラー１１を回転させ、また、ガルバノミラー１２を揺動させる。また、ポリゴンスキャナ１１ａ及びガルバノスキャナ１２ａは、ポリゴンミラー１１の回転角度やガルバノミラー１２の揺動角度を示す角度情報を制御器１３に出力する。なお、上述したポリゴンミラー１１及びガルバノミラー１２は単なる一例であり、レーザ光ＬＢの走査光学系は図示した構成に限定されるものではない。

図１に示す構成のレーザレーダヘッド５は、ポリゴンミラー１１によるレーザ光ＬＢの走査方向（主走査方向Ｘ）が、図２に示すように、監視領域Ａの支柱Ｂに接近離間する方向と一致するように、支柱Ｂに取り付けられる。したがって、ガルバノミラー１２によるレーザ光ＬＢの走査方向（副走査方向Ｙ）は、図２の監視領域Ａの幅方向、つまり、図２の紙面の表裏方向に延在することになる。

図１に示す制御装置６は、制御器１３及び距離演算器１４を有している。制御器１３と距離演算器１４とは別々のマイクロコンピュータで構成することもでき、一つのマイクロコンピュータで構成することもできる。

制御器１３は、レーザ投光ユニット１に対して投光指令を間欠的に出力する。この投光指令は、距離演算器１４にも並行して出力される。

距離演算器１４には、上述した投光指令が制御器１３から入力されると共に、反射光ＬＢ２を受光したときに受光ユニット２が出力する受光タイミング信号が入力される。距離演算器１４は、投光指令の入力から受光タイミング信号の入力までの時間差と、光の速度Ｖ［ｍ／ｓｅｃ］とに基づいて、走査光ＬＢ１の光路上に存在する物体のレーザレーダヘッド５からの距離を演算し、演算した距離を示す距離情報を制御器１３に出力する。

制御器１３は、上述したように、ポリゴンスキャナ１１ａやガルバノスキャナ１２ａに速度指令をそれぞれ出力する。各速度指令で指令するポリゴンミラー１１の回転速度やガルバノミラー１２の揺動速度は、図２の監視領域Ａの主走査方向Ｘ及び副走査方向Ｙにそれぞれ間欠的に照射する走査光ＬＢ１のピッチ、つまり、監視領域Ａにおける走査光ＬＢ１の空間分解能に応じて決定される。

また、制御器１３は、ポリゴンスキャナ１１ａやガルバノスキャナ１２ａからそれぞれ入力される角度情報によって、ポリゴンミラー１１の回転角度やガルバノミラー１２の揺動角度を算出することができる。したがって、制御器１３は、ポリゴンスキャナ１１ａやガルバノスキャナ１２ａから受け取った角度情報に基づいて、レーザ投光ユニット１に出力する投光指令により走査光ＬＢ１が照射される監視領域Ａの箇所の座標値を特定することができる。特定した座標値は、距離演算器１４からの距離情報に基づいて監視領域Ａに侵入した物体を検出する際に利用する。

ここで、上述した監視領域Ａにおける走査光ＬＢ１の空間分解能のうち、主走査方向Ｘにおける走査光ＬＢ１の空間分解能について説明する。ポリゴンミラー１１の回転角速度をω［°／ｓｅｃ］（光学角）、走査光ＬＢ１の元となるレーザ光ＬＢのレーザ投光ユニット１による出力周波数を繰り返し周波数をＳ（Ｈｚ）とした場合、主走査方向Ｘにおいてレーザレーダヘッド５乃至支柱Ｂから距離Ｌの位置を走査する走査光ＬＢ１の、主走査方向Ｘにおける空間分解能Ｄは、Ｄ≒Ｌ×ｔａｎ（ω／Ｓ）［ｍ］となる。

この式からも明らかなように、走査光ＬＢ１が走査する箇所が主走査方向Ｘにおいてレーザレーダヘッド５から遠くなるほど走査光ＬＢ１の空間分解能Ｄは大きくなる。このため、主走査方向Ｘにおいてレーザレーダヘッド５から距離Ｌｍａｘ離れた監視領域Ａを走査光ＬＢ１が走査する際に、必要な空間分解能Ｄが得られるように、繰り返し周波数Ｓを決定する。

また、光の速度はＶ［ｍ／ｓｅｃ］であるから、レーザレーダヘッド５から距離Ｌｍａｘ離れた監視領域Ａに走査光ＬＢ１が到達しその反射光ＬＢ２がレーザレーダヘッド５に戻るまでの所要時間は、およそ、２Ｌ／Ｖ［ｓｅｃ］で表すことができる。したがって、繰り返し周波数Ｓは、Ｖ／２Ｌ［Ｈｚ］以下に設定する。

ところで、受光ユニット２により受光される反射光ＬＢ２の強度は、走査光ＬＢ１が照射される監視領域Ａ中の箇所が主走査方向Ｘにおいてレーザレーダヘッド５から遠いほど弱くなる。これは、走査光ＬＢ１の照射箇所からの反射光ＬＢ２が拡散しながらレーザレーダヘッド５に到来し、その強度が、レーザレーダヘッド５から走査光ＬＢ１の照射箇所までの距離Ｌの二乗に反比例して弱まるからである。

そのため、主走査方向Ｘにおいてレーザレーダヘッド５から最も遠い、監視領域Ａのレーザレーダヘッド５から距離Ｌｍａｘ離れた箇所に照射する走査光ＬＢ１の強度は、そこからの反射光ＬＢ２が検出可能な強度で受光ユニット２により受光されるような強度である必要がある。そこで、レーザ投光ユニット１が出力するレーザ光ＬＢの強度は、主走査方向Ｘにおいてレーザレーダヘッド５から最も遠い監視領域Ａからの反射光ＬＢ２が十分な強度で受光ユニット２により受光されるような強度に決定する。

一方、走査光ＬＢ１の照射箇所が主走査方向Ｘにおいてレーザレーダヘッド５に近くなると、レーザレーダヘッド５から走査光ＬＢ１の照射箇所までの距離Ｌが短いことから、反射光ＬＢ２がレーザレーダヘッド５に到達するまでに拡散する度合いは、走査光ＬＢ１の照射箇所が主走査方向Ｘにおいてレーザレーダヘッド５から遠い場合に比べて少なくなる。したがって、例えば、主走査方向Ｘにおいてレーザレーダヘッド５から最も遠い距離Ｌｍａｘの監視領域Ａに走査光ＬＢ１を照射するときと同じ強度で他の監視領域Ａに走査光ＬＢ１を照射すると、距離Ｌの二乗に反比例する反射光ＬＢ２の強度が強すぎて、反射光ＬＢ２を受光した受光ユニット２が出力する受光タイミング信号が光学的に飽和してしまう可能性がある。受光タイミング信号が光学的に飽和すると、レーザレーダによる三次元物体認識の精度に悪影響が及んでしまう。

このため、監視領域Ａの走査光ＬＢ１が照射される箇所が主走査方向Ｘにおいてレーザレーダヘッド５に近くなるほど、その走査光ＬＢ１の反射光ＬＢ２の強度を弱くする必要がある。そのために、本実施形態の物体検出装置では、レーザ投光ユニット１や受光ユニット２とポリゴンミラー１１とを、図３（ａ），（ｂ）に示すような位置関係となるように配置している。

図３（ａ），（ｂ）に平面図及び側面図で示すように、レーザ投光ユニット１と受光ユニット２は、ポリゴンミラー１１の回転軸方向（図３（ｂ）中の水平方向）に間隔をおき、回転軸方向と直交する平面において重なるように配置されている。

レーザ投光ユニット１は、レーザ光源１ａとビーム径補正用の集束レンズ１ｂとを有している。集束レンズ１ｂにより所望のビーム径に補正されたレーザ光ＬＢは、回転中のポリゴンミラー１１の４つのうち一つの反射面１１ｂに照射され、ガルバノミラー１２に向けて反射される。

受光ユニット２は、受光素子２ａと集光レンズ２ｂとを有している。ガルバノミラー１２を介して監視領域Ａから導かれた反射光ＬＢ２は、回転中のポリゴンミラー１１のレーザ光ＬＢが照射されるのと同じ反射面１１ｂに照射され、受光ユニット２に向けて反射される。図３（ｂ）に示すように、反射面１１ｂにおけるレーザ光ＬＢの照射箇所と反射光ＬＢ２の照射箇所とは、ポリゴンミラー１１の回転軸方向に間隔をおいているので、レーザ光ＬＢの光路と反射光ＬＢ２の光路とは互いに干渉しない。ポリゴンミラー１１により反射された反射光ＬＢ２は、集光レンズ２ｂにより集光され、受光素子２ａに導かれて受光される。

上述したようにレーザ投光ユニット１をポリゴンミラー１１に対して配置したことで、ポリゴンミラー１１による反射後のレーザ光ＬＢ（走査光ＬＢ１）のビーム径は、図４（ａ）に示す、走査光ＬＢ１が主走査方向Ｘにおける監視領域Ａのレーザレーダヘッド５に最も近い箇所に照射されるときと、図４（ｂ）に示す、レーザレーダヘッド５から最も遠い箇所に照射されるときとで、同じになる。また、図を用いた説明は省略するが、走査光ＬＢ１が監視領域Ａを主走査方向Ｘに走査開始端から走査終了端まで走査する間も、ポリゴンミラー１１による反射後のレーザ光ＬＢ（走査光ＬＢ１）のビーム径は変化しない。

また、上述したように受光ユニット２をポリゴンミラー１１に対して配置したことで、ポリゴンミラー１１の反射面１１ｂが受光ユニット２に向けて反射できる反射光ＬＢ２の光束幅は、図５（ａ）に示す、走査光ＬＢ１が主走査方向Ｘにおける監視領域Ａのレーザレーダヘッド５に最も近い箇所に照射されるときよりも、図５（ｂ）に示す、レーザレーダヘッド５から最も遠い箇所に照射されるときの方が、大きくなる。また、図を用いた説明は省略するが、走査光ＬＢ１が監視領域Ａを主走査方向Ｘに走査開始端から走査終了端まで走査する間、ポリゴンミラー１１の反射面１１ｂが受光ユニット２に向けて反射できる反射光ＬＢ２の光束幅は、ポリゴンミラー１１が図５（ａ）に示す角度から図５（ｂ）に示す角度に回転するのに同期して、図５（ａ）に示す幅から図５（ｂ）に示す幅に連続的に変化する。

これにより、レーザレーダヘッド５に到達するまでに反射光ＬＢ２に生じる拡散の度合いが小さい監視領域Ａのレーザレーダヘッド５寄りの箇所ほど走査光ＬＢ１の反射光ＬＢ２の受光効率を低くして、反射光ＬＢ２を受光した受光ユニット２から出力される受光タイミング信号が光学的に飽和しないようにすることができる。

そして、制御器１３は、距離演算器１４からの距離情報と、ポリゴンスキャナ１１ａやガルバノスキャナ１２ａから受け取った角度情報に基づいて特定した、監視領域Ａにおける走査光ＬＢ１の照射箇所の座標値とから、監視領域Ａに侵入した物体を検出し、検出結果を出力する。

なお、本実施形態では、レーザ光ＬＢと反射光ＬＢ２とがポリゴンミラー１１の回転軸方向に間隔をおいてポリゴンミラー１１の同じ反射面１１ｂに照射されるものとした。しかし、例えば、レーザ光ＬＢと反射光ＬＢ２とがポリゴンミラー１１の隣り合う別々の反射面に照射されるように構成してもよい。その場合、レーザ投光ユニット１と受光ユニット２とは、ポリゴンミラー１１を挟んでその両脇に分かれて配置されることになる。

また、本実施形態では、監視領域Ａの主走査方向Ｘにおけるレーザレーダヘッド５からの距離によって、受光ユニット２により受光される反射光ＬＢ２の受光効率が変化する場合の構成を例に取って説明した。

しかし、監視領域Ａの副走査方向Ｙにおけるレーザレーダヘッド５からの距離によって、受光ユニット２により受光される反射光ＬＢ２の受光効率が変化する構成としても良い。その場合は、副走査方向Ｙが請求項中の走査方向に相当することになる。そして、レーザレーダヘッド５を、レーザ投光ユニット１からのレーザ光ＬＢを副走査方向Ｙに走査させた後に主走査方向Ｘに走査させる構成とすることになる。したがって、この場合には、レーザ光ＬＢを副走査方向Ｙに走査させるミラーが請求項中の走査用ミラーに相当することになる。

１ レーザ投光ユニット
１ａ レーザ光源
１ｂ 集束レンズ
２ 受光ユニット
２ａ 受光素子
２ｂ 集光レンズ
５ レーザレーダヘッド
６ 制御装置
１１ ポリゴンミラー
１１ａ ポリゴンスキャナ
１１ｂ 反射面
１２ ガルバノミラー
１２ａ ガルバノスキャナ
１３ 制御器
１４ 距離演算器
Ａ 監視領域
Ｂ 支柱
ＬＢ レーザ光
ＬＢ１ 走査光
ＬＢ２ 反射光
Ｘ 主走査方向
Ｙ 副走査方向

Claims (3)

1. レーザ投光ユニットが出力するレーザ光を走査用ミラーにより反射させて、監視領域を所定の走査方向に走査する走査光とし、該走査光の反射光を前記走査用ミラーにより反射させて受光ユニットに受光させることで、前記監視領域に存在する物体の位置を検出する装置において、
   前記走査用ミラーは、前記レーザ投光ユニット及び前記受光ユニットに対して、前記走査方向において前記監視領域の前記レーザ投光ユニットに最も近い照射箇所と前記レーザ投光ユニットから最も遠い照射箇所とに同じビーム径の前記走査光を反射させ、かつ、前記監視領域における照射箇所が前記走査方向において前記レーザ投光ユニットから遠い前記走査光の前記反射光ほど、大きい光束幅で前記受光ユニットに向けて反射させる相対位置関係で配置されている、
   ことを特徴とする物体検出装置。
2. 前記レーザ投光ユニット及び前記受光ユニットは、前記レーザ投光ユニットが出力する前記レーザ光と前記受光ユニットが受光する前記反射光とが、前記走査用ミラーの複数の反射面のうち同一の反射面に前記走査用ミラーの回転軸方向に間隔をおいてそれぞれ照射され、かつ、互いの光路が干渉しないように配置されていることを特徴とする請求項１記載の物体検出装置。
3. 前記受光ユニットは、少なくとも前記反射光の最大光束幅以上のレンズ径を有する集束レンズを備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の物体検出装置。

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