しかしながら、従来の技術では、光軸ずれを検出するために、外界の参照対象物として先行車両の存在を要する。また、測距装置から出力される出力信号の強度の低下により光軸ずれが検出される場合には、光軸ずれが検出されるまでに時間を要する。
本開示に係る光学式検出装置および光学式検出装置における光軸ずれ判定方法について、いくつかの実施形態に基づいて以下説明する。
第1の実施形態:
図1に示すように、第1の実施形態に係る車両における光学式検出装置10は、例えば、車両50に搭載されて用いられる。光学式検出装置10は、ライダー(Lidar:Light Detection and Ranging)200およびライダー200の動作を制御する制御装置100を備えている。なお、光学式検出装置10は、測距装置とも呼ばれ、ライダー200を用いて対象物までの距離の他、対象物の位置や特性が検出され得る。また、光学式検出装置10は車両50以外の移動体、例えば、ドローンやロボット、あるいは、固定式の監視用装置の検出部として用いられても良い。
図2に示すように、光学式検出装置10は、発光により検出光を出射し、入射する検出反射光を受光する光測定部であるライダー200と、ライダー200の発光動作や受光動作を制御する制御装置100とを備えている。ライダー200および制御装置100は、物理的に一体の筐体に収容されていても良く、あるいは、別々の筐体に収容されていても良い。ライダー200は、受光部20、発光部30、電動機40、回転角センサ41および走査鏡42を備えている。ライダー200は、走査方向が水平方向HDである場合、水平方向HDに予め定められた走査角範囲SRを有しており、走査角範囲SRを複数の角度に分割した単位走査角SCを単位として発光部30による検出光の照射および受光部20による検出反射光の受光を実行することによって走査角範囲SRの全体にわたる検出反射点の取得が実行され、測距が実現される。単位走査角SCは、水平方向HDにおけるライダー200の分解能またはライダー200により得られる測距結果の解像度を規定し、単位走査角が小さくなるに連れて、すなわち検出反射点数が多くなるに連れて分解能および解像度は高くなる。ライダー200における単位走査角SCを単位とする検出点の取得、すなわち、発光および受光処理は、走査角範囲SRを一方向へ往走査する際、あるいは、走査角範囲SRを双方向へ往復走査する際に実行される。走査角範囲SRは、受光部20における受光素子の構成や受光処理手順に応じて、垂直方向VDに複数の行に区分され得る。図2の例では、L1~L4の4行に分割されている。光学式検出装置10は、垂直方向VDを走査方向として備えていても良く、この場合には、垂直方向VDに予め定められた走査角範囲SRを有する。なお、水平および垂直の用語は、配置された状態の光学式検出装置10の姿勢を意味し、垂直方向とは鉛直方向を意味する。また、以下における垂直方向VDおよび水平方向HDも同様である。
受光部20は、受光制御部21および受光素子アレイ22、並びに図示しない受光レンズを備え、発光部30から照射される検出光に対応する検出反射光の受光に応じて、検出点を示す検出信号を出力する受光処理を実行し、また、発光部30からの反射に対応せず入射する環境光の受光に応じて、背景光画像データを出力する受光処理を実行する。環境光には、発光部30からの検出光ではない、太陽光や照明光によりもたらされる周囲雰囲気の雰囲気光、太陽光や照明光が照射された周囲物体からの反射光や散乱光が含まれる。受光素子アレイ22は、図3に示すように、複数の受光素子220が縦横方向、すなわち、走査角範囲SRの水平方向HDおよび垂直方向VDに対応する方向に配列されている平板状の光センサであり、例えば、SPAD(Single Photon Avalanche Diode)、その他のフォトダイオードが各受光素子を構成する。なお、受光処理の最小単位、すなわち検出点に対応する受光単位として受光画素230の用語が用いられることがあり、受光単位は、単一の受光素子によって構成される受光画素231、または、複数の受光素子によって構成される受光画素232、233のいずれかを意味する。本実施形態においては、垂直方向VDに1受光素子を備える受光画素230、例えば、縦×横:1×1の受光画素231または縦×横:1×2の受光画素232を備える受光素子アレイ22が用いられる。受光素子アレイ22において、受光画素、すなわち、受光単位を構成する受光素子数が少なくなるにつれて、受光単位、すなわち、検出点数は増大する。本実施形態において、受光素子アレイ22は、垂直方向VDの上段から、走査角範囲SRの4行L1、L2、L3、L4に対応し、それぞれが複数の受光画素230によって構成される、受光画素行RL1、RL2、RL3、RL4を備えている。すなわち、本実施形態においては、受光素子アレイ22が備える複数の受光素子220のうち、受光画素行RL1、RL2、RL3、RL4に対応する複数の受光画素230群が受光処理に用いられる。
受光制御部21は、発光部30による検出光の発光に応じて、単位走査角SCを単位、すなわち、単位走査角SCに対応する列単位で、受光画素行RL1~RL4に対応する受光画素230を用いて、入射された入射光量または入射光強度に応じた入射光強度信号を出力する受光処理を実行する。具体的には、受光制御部21は、全ての受光画素230を用いて単位走査角SC毎に、受光画素230を構成する受光素子が入射光量に応じて発生させる電流、または、電流から変換された電圧を取り出して入射光強度信号として制御装置100へ出力する。あるいは、発光部30において走査角範囲SRの各行に対応する発光が実行される場合には、発光行に対応する受光画素230を選択し、入射光強度信号として制御装置100へ出力する。入射光強度信号は、単位走査各SC毎に制御装置100に対して出力されても良く、走査角範囲SRにわたる走査が完了した所で走査角範囲SRに対応する入射光強度信号が制御装置100に対して出力されても良い。なお、各受光画素230を構成する受光素子が受光する光子の合計個数に応じた入射光強度信号が制御装置100へ出力されるということもできる。一般的にSPADでは、1つの受光素子220によって得られる入射光量は少ないので、各受光画素行RL1~RL4について、受光画素230のように8個の受光素子220からの入射強度信号を図示しない加算器により加算してS/Nの向上が図られる。TOF(Time Of Flight)等による検出点の測距を実行する測距機能部は、受光制御部21の回路として、一体に備えられていても良く、後述するように、制御装置100において実行されるプログラムとして備えられても良い。
発光部30は、発光制御部31、発光素子32およびコリメータレンズを備え、単位走査角SC単位で検出光を1回または離散的に複数回照射する。発光素子32は、例えば、例えば、1または複数の赤外レーザダイオードであり、検出光として赤外レーザ光を出射する。発光部30は垂直方向に単一の発光素子を備えていても良く、複数の発光素子を備えていても良い。複数の発光素子が備えられる場合には、発光制御部31によって、走査タイミングに応じて発光する発光素子が切り換えられ得る。発光制御部31は、制御装置100から単位走査角毎に入力される発光素子の発光を指示する発光制御信号に応じて、パルス駆動波形の駆動信号によって発光素子を駆動して赤外レーザ光の発光を実行する。発光部30から照射される赤外レーザ光は、走査鏡42によって反射され、ライダー200の外部、すなわち、対象物の検出が所望される範囲に向けて射出される。
図4~図6を用いて、発光部による照射光および照射光に対応する反射光と受光素子アレイにおける反射光の受光位置との関係について説明する。図4および図5は、従来例を示し、図6は本実施形態の例を示す。なお、発光部については、従来例と本実施形態の例とにおいて相違はないので、本実施形態における符号を付して説明する。発光部30は、垂直方向VDに複数の発光素子32を備えており、例えば、図4~図6に示すように、4つの発光素子32が配列されている。なお、図6には、図3に示す受光素子アレイ22のうち、受光処理に用いられる受光画素230が抽出して記載されている。各発光素子32にから発光された照射光はコリメータレンズPLによって合成され、光学式検出装置10の外界に向けて照射される。合成された照射光の発光強度は以下の態様を取る。隣接する2つの発光素子32の照射領域が重複する場合には、重複領域LPにおける発光強度は、重複しない他の照射領域における発光強度よりも高くなる。一方、隣接する2つの発光素子32の照射領域が重複しない場合、すなわち、非照射領域Spが形成される場合には、非照射領域Spにおける発光強度は、照射領域における発光強度よりも低くなる。これら強度の高低、すなわち、重複領域LPおよび非照射領域Spの存在が光強度斑を形成する。従来例における受光素子アレイ60は、発光素子32の配列方向に応じて、例えば、4つの受光画素61を備えており、各受光画素61は、重複領域LPまたは非照射領域Spと重ならないように、すなわち、重複領域LPまたは非照射領域Spを外すように、隙間62を設けて配置されている。従来は、この構成により、光強度斑に起因する受光信号のばらつき、並びに受光信号のばらつきに起因する測距精度の低下の抑制が図られていた。
これに対して、本実施形態の例においては、受光素子アレイ22は、発光素子32の配列方向に応じて隙間なく配置されている、すなわち、重複領域LPまたは非照射領域Spに対応する反射光を受光するように複数の受光画素230を備えている。より具体的には、本実施形態における受光素子アレイ22は、発光素子32の照射領域に含まれる各重複領域LPに対応する各受光位置、すなわち、受光領域LA1、LA2、LA3に複数の受光画素230が配置される構成を備えている。重複領域LPに対応する受光位置、すなわち受光領域LA1~LA3は、複数の受光画素230を備えており、例えば、隣接する受光画素列の一方が備える複数の受光画素230によって各受光領域LA1~LA3が形成されても良く、あるいは、隣接する受光画素行RL1・RL2、RL2・RL3、RL3・RL4の双方がそれぞれ備える1以上の受光画素230によって各受光領域LA1~LA3が形成されても良い。図6の例では、各受光画素230は、発光素子32の配列方向に対応する垂直方向に対して、1つの受光素子220を備えており、この結果、各受光画素230の垂直方向VD方向の寸法は、1つの受光画素220分の高さとなる。一方、受光領域LA1、LA2、LA3に複数の受光画素230が配置される限り、発光素子32の配列方向に対応する垂直方向に対して、2以上の受光素子220を備える受光画素230が備えられても良い。すなわち、受光画素230は、反射光に含まれる光強度斑の原因となる重複領域LPを複数の受光画素230によって受光できる寸法に設定されていれば良い。受光画素230の寸法、すなわち、垂直方向VDの長さは、例えば、数10μmである。これに対して、従来の受光素子の同長さは、例えば、数100μmであり、一桁大きな長さを有している。なお、非照射領域Spについても同様にして、複数の受光画素230が対応づけられ得る。
電動機40は、図示しない電動機ドライバを備える。電動機40には、電動機40の回転角度を検出するための回転角センサ41が配置されている。電動機ドライバは、回転角センサ41から回転角信号の入力を受けて制御装置100によって出力される回転角度指示信号を受けて電動機40に対する印加電圧を変更して電動機40の回転角度を制御する。電動機40は、例えば、超音波モータ、ブラシレスモータ、ブラシモータであり、走査角範囲SRにおいて往復動を行うための周知の機構を備えている。電動機40の出力軸の先端部には、走査鏡42が取り付けられている。走査鏡42は、発光素子32から出射された検出光を水平方向HDに走査させる反射体、すなわち、鏡体であり、電動機40によって往復駆動されることによって水平方向HDにおける走査角範囲SRの走査が実現される。なお、走査鏡42による1往復の走査は1フレームと呼ばれ、ライダー200の検出単位である。また、発光部30による検出光の発光は、走査鏡42の往方向への変位または往復方向の変位に対応して実行される。すなわち、ライダー200による物体検出は、走査角範囲SRにおける一方向、または、双方向においてのみ実行され得る。走査鏡42は、例えば、120度、180度といった走査角範囲で検出光の走査および反射光の受光を実現する。水平方向HDに代えて垂直方向VDへの走査が行われても良い。また、水平方向HDに加えて垂直方向VDへの走査、すなわち垂直方向VDにおける走査位置の変更が実現されても良い。水平方向HDおよび垂直方向VDへの走査を実現するために、走査鏡42は、多面鏡体、例えば、ポリゴンミラーであっても良く、あるいは、垂直方向VDへ揺動される機構を備える単面鏡体、あるいは、垂直方向VDへ揺動される別の単面鏡体を備えていても良い。なお、走査鏡42は、電動機40により回転駆動されて回転走査を実行しても良く、この場合には、走査角範囲SRに対応して発光部30および受光部20による発光・受光処理が実行されれば良い。さらに、例えば、60度程度の走査角範囲SRが実現される場合には、走査鏡42を備えることなく、走査角範囲SRに応じた横幅の受光素子アレイを備え、行および列を順次選択することによって対象物の検出、すなわち、測距処理が実行されても良い。
発光部30から照射された検出光は、走査鏡42によって反射され、単位走査角SCを単位として水平方向の走査角範囲SRにわたり走査される。検出光が物標によって反射された検出反射光は、走査鏡42によって、受光部20へと反射され、単位走査角SC毎に受光部20に入射される。受光部20は、発光部30による発光タイミングに応じて、列単位にて受光処理を実行する。受光処理が実行される単位走査角SCは、順次インクリメントされ、この結果、所望の走査角範囲SRにわたる受光処理のための走査が可能となる。発光部30および受光部20は走査鏡42と共に電動機40によって回転されても良く、走査鏡42とは別体であり、電動機40によって回転されなくても良い。さらに、走査鏡42が備えられることなく、走査角範囲SRに対応してアレイ状に配置された複数の受光画素または受光素子アレイ22を備え、レーザ光を順次外界に対して直接照射し、受光画素を順次切り換えて反射光を直接受光する構成を備えていても良い。
図7に示すように、制御装置100は、演算部としての中央処理装置(CPU)101、記憶部としてのメモリ102、入出力部としての入出力インタフェース103および図示しないクロック発生器を備えている。CPU101、メモリ102、入出力インタフェース103およびクロック発生器は内部バス104を介して双方向に通信可能に接続されている。メモリ102は、光軸ずれ判定処理を実行するための光軸ずれ判定プログラムPr1を不揮発的且つ読み出し専用に格納する格納部としてのメモリ、例えばROMと、CPU101による読み書きが可能なメモリ、例えばRAMとを含んでいる。メモリ102の不揮発的且つ読み出し専用領域は、光軸ずれの判定に際して基準となる基準受光領域RPを記憶する基準受光領域記憶領域102a、光軸ずれの予測時期を記憶する光軸ずれ予測時期記憶領域102bを含んでいる。なお、不揮発的且つ読み出し専用領域は、プログラムの更新や基準値の更新の際には、書き換え可能であっても良い。CPU101、すなわち、制御装置100は、メモリ102に格納されている光軸ずれ判定プログラムPr1を読み書き可能なメモリに展開して実行することによって、判定部として機能する。なお、CPU101は、単体のCPUであっても良く、各プログラムを実行する複数のCPUであっても良く、あるいは、複数のプログラムを同時実行可能なマルチタスクタイプあるいはマルチスレッドタイプのCPUであっても良い。
入出力インタフェース103には、受光部20を構成する受光制御部21、発光部30を構成する発光制御部31、電動機40および回転角センサ41がそれぞれ制御信号線を介して接続されている。発光制御部31に対しては発光制御信号が送信され、受光制御部21に対しては物体検出のための受光処理を指示する受光制御信号が送信され、受光制御部21からは検出反射光強度を示す入射光強度信号が受信される。電動機40に対しては回転角度指示信号が送信され、回転角センサ41からは回転角信号が受信される。
第1の実施形態に係る光学式検出装置10により実行される光軸ずれ判定処理について説明する。図8に示す処理ルーチンは、光学式検出装置10の作動期間が予め定められた期間、例えば、10日、30日、2ヶ月といった期間を経過するたびに実行され得る。また、光学式検出装置10が車両50に搭載して用いられる場合には、車両の制御システムが始動される都度、または、スタートスイッチがオンされる度、あるいは、車両50の累積走行時間が予め定められた時間経過する度、または、車両50の累積走行距離が予め定められた距離を超過する度に実行されても良い。さらには、車両50が点検、修理を受けた後のタイミングで実行されても良い。CPU101が光軸ずれ判定プログラムPr1を実行することによって図8に示す処理フローが実行される。
CPU101は、入出力インタフェース103を介して、受光部20から検出反射光を取得する(ステップS100)。検出反射光は、発光部30により照射された検出光としての照射光が物体において反射し、受光部20に入射した入射光である。受光部20、より具体的には、受光素子アレイ22により受光された反射光には、図6に示した、発光部30の照射光に含まれる重複領域LPまたは非照射領域Spに対応する光強度斑が含まれている。重複領域LPに対応する反射光を受光する受光画素230から出力される入射光強度は、重複領域LPおよび非照射領域Sp以外の通常領域に対応する反射光を受光する受光画素230から出力される入射光強度よりも高い。一方、非照射領域Spに対応する反射光を受光する受光画素230から出力される入射光強度は、通常領域に対応する反射光を受光する受光画素230から出力される入射光強度よりも低い。したがって、光強度斑を受光している受光画素230であるか否かは入射光強度を用いて判別することができる。例えば、通常領域に対応する反射光を受光する受光画素230から出力される入射光強度と差分が予め定められた判定差分よりも大きい受光画素230は、光強度斑を受光している受光画素230であると判別され得る。光強度斑を受光する受光画素230の位置は、受光画素230に対して予め位置番号を割り当てることによって容易に特定され得る。なお、判定差分は、光学式検出装置10の使用に伴い得られる通常領域に対応する反射光の入射光強度の統計値、例えば、平均値や中央値と、光強度斑に対応する入射光強度の統計値、例えば、平均値や中央値とを用いて逐次、更新、すなわち学習されても良い。この場合には、光学式検出装置10が実際に使用される環境の影響を反映した判定差分を用いることが可能となり、光強度斑を受光する受光画素230の判別精度を向上させることができる。
CPU101は、メモリ102の基準受光領域記憶領域102aから予め用意されている基準受光領域を取得する(ステップS102)。基準受光領域は、発光部30の照射光に含まれる光強度斑の発生位置に対応する受光素子アレイ22における受光位置であり、光学式検出装置10が正しい姿勢にて設置、例えば、車両50に搭載されている場合に、重複領域LPまたは非照射領域Spに対応する反射光を受光する受光画素230の位置である。重複領域LPまたは非照射領域Spに対応する反射光を受光する受光画素230の位置は、光学式検出装置10が設置されるタイミングにて、予め取得され、基準受光領域記憶領域102aに位置番号として格納される。なお、第1の実施形態においては、基準受光領域を基準受光位置とも呼ぶ。
CPU101は、受光部20から取得した受け取った光強度斑の位置、すなわち、重複領域LPまたは非照射領域Spの検出受光領域、すなわち、実受光位置と、メモリ102から取得した基準受光位置とが一致するか否かを判定する(ステップS104)。具体的には、CPU101は、実受光位置に対応する受光画素230の位置番号と、基準受光位置の位置番号とが一致するか否かを判定する。CPU101は、実受光位置と、基準受光位置とが一致すると判定すると(ステップS104:Yes)、光軸ずれは発生していないと判定し、本処理ルーチンを終了する。実受光位置と、基準受光位置とが一致する場合、光学式検出装置10において光軸ずれは発生していないからである。なお、光強度斑は、複数の受光画素230により検出され得るので、例えば、実受光位置のうち、小さい位置番号、あるいは、中間の位置番号が対応する基準受光位置の位置番号と対比されても良く、実受光位置の全ての位置番号が全ての基準受光位置の位置番号と対比されても良い。
CPU101は、実受光位置と、基準受光位置とが一致しないと判定すると(ステップS104:No)、位置ずれ量Dpを取得する(ステップS106)。位置ずれ量Dpは、例えば、実受光位置の位置番号RNと、基準受光位置の位置番号SNとの差分である。あるいは、受光素子アレイ22の一端から各受光画素230の中心または基準点までの物理的な距離を予め対応づけておき、実受光位置の距離と、基準受光位置の距離との差分が求められても良い。CPU101は、位置ずれ量Dp<許容ずれ量Draであるか否かを判定し(ステップS108)、位置ずれ量Dp<許容ずれ量Draであると判定すると(ステップS108:Yes)、光軸ずれが発生する時期を予測し(ステップS112)、本処理ルーチンを終了する。許容ずれ量Draは、光軸ずれが発生しているとの判定に用いられる非許容ずれ量Drcよりも小さな値であり、例えば、統計的なデータから、6ヶ月以内に光軸ずれが発生し得るとして設定されたずれ量である。光軸ずれの発生時期の予測は、本処理ルーチンの実行時における実受光位置の位置情報を用いて実受光位置の時間当たり、または、本処理ルーチンの実行回数当たりの位置ずれ量を算出し、今後の時間の経過と共に生じる位置ずれ量を予測位置ずれ量として算出し、予測位置ずれ量が許容ずれ量Draを超える時期を算出することにより実現される。算出された光軸ずれの発生予測時期は、メモリ102の光軸ずれ予測時期記憶領域102bに格納される。光軸ずれ予測時期記憶領域102bへの格納に加えて、光軸ずれの予測時期、例えば、1ヶ月後、あるいは、2週間後、に応じたタイミングにて光学式検出装置10のユーザに対する報知処理が行われても良い。光学式検出装置10が車両50に搭載されている場合には、車両50が備える情報表示装置を介して点検を促す報知が行われ得る。さらに、光軸ずれ予測時期記憶領域102bに格納されている光軸ずれの予測時期は、光学式検出装置10のダイアグノーシス情報として用いられ、定期点検のタイミングにて、整備士による確認、整備のために用いられても良い。さらに、車両50の使用状況、具体的には、月間走行距離、週間走行距離を用いて、光軸ずれが発生し得るまでの走行距離が報知されても良い。
CPU101は、位置ずれ量Dp<許容ずれ量Draでない、すなわち、位置ずれ量Dpが許容ずれ量Dra以上であると判定すると(ステップS108:No)、位置ずれ量Dp<非許容ずれ量Drcであるか否かを判定する(ステップS110)。CPU101は、位置ずれ量Dp<非許容ずれ量Drcであると判定する(ステップS110:Yes)と、ステップS112に移行する。この場合、未だ許容できない光軸ずれは発生していないので、予防的な処理が実行される。CPU101は、位置ずれ量Dp<非許容ずれ量Drcでない、すなわち、位置ずれ量Dpが非許容ずれ量Drc以上であると判定すると(ステップS110:No)あると判定すると、光軸ずれの発生を報知して(ステップS114)、本処理ルーチンを終了する。位置ずれ量Dpが非許容ずれ量Drc以上である場合には、許容できない光軸ずれが光学式検出装置10に発生している。非許容ずれ量Drcは、許容できない光軸ずれに対応する実受光位置の位置ずれ量に対応し、許容できない光軸ずれは、例えば、光学式検出装置10による測距の精度が予め定められた精度よりも低下し得る光軸ずれに対応するずれ量である。予め定められた精度は、例えば、誤差率が予め想定されている誤差率、例えば、±5%である。光軸ずれの報知は、光学式検出装置10のユーザに対して実行され、光学式検出装置10が車両50に搭載されている場合には、車両50が備える情報表示装置や音声を介して速やかな点検を促す報知が行われ得る。なお、非許容ずれ量Drcは第1の判定値であり、許容ずれ量Draは第1の判定値よりも小さい第2の判定値である。
以上説明した第1の実施形態に係る光学式検出装置10によれば、複数の受光画素230により形成されている受光素子アレイ22を備える受光部20により検出された光強度斑の実受光位置と、発光部30の照射光に含まれる光強度斑の発生位置に対応する受光素子アレイ22における基準受光位置とを用いて光軸ずれを判定するので、光軸ずれを、光学式検出装置10が単体で早期に判定することができる。また、光軸ずれの判定精度を向上させることができる。具体的には、複数の受光画素230を用いることによって受光画素230単位での光強度斑の実受光位置の検出精度が向上され、基準受光位置に対するずれ量の判定の精度が向上される。この結果、従来、検出できなかった許容できない光軸のずれが発生する前に光軸ずれを検出することが可能となり、光学式検出装置10による測距精度を維持または精度の低下を抑制することができる。これに対して、従来の光学式検出装置は、図4および図5に示すように、光強度斑を受光しないように受光画素61が配置されており、あるいは、寸法の大きな受光画素61を備えているため光強度斑の受光位置を特定することができない。したがって、長期間にわたって受光部から出力される検出信号の信号強度を観察し、信号強度の低下が観察された場合に初めて光軸ずれが判定され、光軸ずれの判定に時間を要し、また、光軸ずれが判定された時点では測距精度が大きく低下するほどに大きな光軸ずれが発生している。
さらに、複数の受光画素230は、反射光に含まれる光強度斑を複数の受光画素230で受光するように発光素子32の配置方向に隙間なく配置されており、あるいは複数の受光画素230の各受光画素230は、反射光に含まれる光強度斑を複数の受光画素230によって受光するように寸法が設定されている。したがって、光強度斑の位置をより精度良く判定することが可能となり、光軸ずれ量の判定精度を向上させることができる。
上記実施形態においては、光学式検出装置10が車両50に搭載された際に設定された基準受光位置が用いられているが、車両50の走行開始後の初期の検出結果、例えば、100km~500kmの走行時に得られた反射光に対応する入射光強度および光強度斑に対応する入射光強度の統計処理値、例えば、平均値や中央値を用いて基準受光位置、すなわち、光軸ずれが発生していない場合における受光素子アレイ22における光強度斑の受光位置が更新、すなわち、学習されても良い。この場合には、車両50の実際の走行状態や光学式検出装置10の設置環境を反映した基準受光位置を設定することが可能となり、例えば、走行に伴う車両50の振動を反映した基準受光位置を設定することにより、車両50の挙動に起因する外乱を除外または低減した光軸ずれの判定を実行することができる。
第2の実施形態:
第2の実施形態に係る車両における光学式検出装置について説明する。第2の実施形態に係る車両における光学式検出装置は、垂直方向への光軸ずれに加えて、水平方向への光軸ずれ、回転方向の光軸ずれおよびレンズと受光素子アレイ22との相対的な光軸ずれを検出する点において第1の実施形態に係る光学式検出装置10とことなる。一方で、第2の実施形態に係る光学式検出装置の構成は、第1の実施形態に係る光学式検出装置10と同等であるから同一の符号を付して説明を省略する。なお、光軸ずれ判定プログラムPr1は、CPU101によって実行されることによって、図11に示す処理フローを実現する。また、第2の実施形態においては、受光領域の用語には、受光領域の位置のみならず受光領域の大きさ・面積が含まれる。したがって、メモリ102の基準受光領域記憶領域102aには、基準受光位置に加えて光強度斑に対応する受光領域の基準受光面積が基準受光領域情報として格納されている。
垂直方向VDにおける光軸ずれについて説明するために用いられる図6においては、垂直方向VDにおける各受光画素230の構成が明示的に記載され、水平方向における各受光画素230の詳細な構成について図示が省略されている。これに対して、第2の実施形態においては、水平方向HDへの光軸ずれ、回転方向の光軸ずれおよびレンズと受光素子アレイ22との相対的な光軸ずれについても判定される。したがって、受光画素230は、発光素子32の配列方向と直交する方向に隙間なく複数配列されている。図9においては、水平方向における各受光画素230の構成についても明示的に、すなわち、図6に示す各受光画素230は水平方向に複数の受光画素230を有するように構成されていることが明示的に記載されている。図9の例においては、垂直方向VDおよび水平方向HDに1受光素子を備える受光画素230、すなわち、縦×横:1×1の受光画素231を備える受光素子アレイ22が用いられる。なお、第1の実施形態においても説明したように、受光処理に用いられる受光画素230は、複数の受光素子220を備える受光素子アレイ22の中で、一部の複数の受光画素230であり、図9においては、4つの受光ブロックRB1、RB2、RB3、RB4を構成する受光画素230によって受光処理が実行される。また、図9は受光素子アレイ22を模式的に示しており、受光素子アレイ22は、例えば、縦:596×横:42の受光素子、あるいは、他の行×列の組み合わせを備え得る。さらに、受光素子アレイ22は、垂直方向、水平方向および回転方向における光軸ずれを検出できる構成、すなわち、垂直方向VDおよび水平方向HDに複数の受光画素230を備えていれば良く、受光画素230は、縦×横:2×2、1×2、2×1といった任意の数の受光素子を備えていても良い。
本実施形態においては、説明を容易にするため、光強度斑の受光領域として、略円形の形状を有する受光領域LA11、LA21、LA31を用いて説明する。なお、略矩形には楕円も含まれ、また、受光領域LA11、LA21、LA31は、台形、平行四辺形、多角形を含む略矩形の形状やその他の形状を有していても良い。略円形の形状の場合には円心位置を、略矩形の形状の場合には、重心位置を、それぞれ受光領域の中心、すなわち、対応する受光画素230の位置として考えれば良い。図9の例において、受光素子アレイ22における各受光画素230の位置は、垂直方向VDをY方向、水平方向HDをX方向とするとき、XY座標によって表すことができる。なお、光強度斑を受光する受光画素230、または、受光画素230の受光位置、すなわち、受光領域の判別手法は第1の実施形態において説明済みである。
図10において符合Aで示す左側の受光素子アレイ22は、垂直・水平・回転軸・光軸方向のいずれにおいても光軸ずれがおきていない場合の受光状態を模式的に示し、符合Bで示す右側の受光素子アレイ22は、回転軸の光軸ずれがおきており、また、ぼけが生じている場合の受光状態を模式的に示している。なお、ぼけは、光学式検出装置10の光軸方向の光軸ずれであり、光軸と平行な方向において焦点に関わる光学系、主には、例えば、コリメータレンズPLといったレンズと受光素子アレイ22との相対距離のずれによって生じる光軸ずれの一種であり、図10においては、受光領域LA11、LA21に現れている。ぼけは受光領域の大きさ、すなわち、面積の変化として受光素子アレイ22上に現れ、ぼけが生じていない基準となる受光領域に対して大きくなる場合は、コリメータレンズPLと受光素子アレイ22との相対距離が減少しており、光学式検出装置10の構成上、基準となる受光領域に対して小さくなる場合は、コリメータレンズPLと受光素子アレイ22との相対距離が増加している。基準距離に対するコリメータレンズPLと受光素子アレイ22との相対距離の増減は、光軸と平行な方向におけるコリメータレンズPLの位置ずれおよび受光素子アレイ22の位置ずれの少なくともいずれか一つによって生じる。
図10のBにおいて、受光領域LA11および受光領域LA21は、Aに示す基準位置(基準直線BVL)に対して、水平方向(X方向)にずれていると共に、面積が増大している。図10のBに示す受光領域LA11、LA21の位置は、受光素子アレイ22の左上側を原点位置(x,y)=(0,0)とする座標位置として取得することが可能となる。すなわち、対応する複数の受光画素230の座標位置を用いて得られる重心位置、または、中心位置に対応する座標値を各受光領域LA11、LA21、LA31の位置を示す座標位置として取得することができる。各受光領域LA11、LA21、LA31の位置ずれの種別並びに位置ずれ量(位置ずれの程度)は、図10のBに示す各受光領域LA11、LA21、LA31の中心を通る検出直線RVLを算出し、図10のAに示す基準となる各受光領域LA11、LA21、LA31の中心を通る直線を基準直線BVLとして算出し、両直線の幾何学的な位置関係を求めることによって取得され得る。なお、基準直線BVLを表す一次式は予め定められており、検出直線RVLを表す一次式は受光領域LA11およびLA31の座標位置を用いて決定されても良く、あるいは、受光領域LA11、LA21、LA31の3点を用いて最小自乗法等の周知の直線近似手法によって算出されても良い。図10のBの例においては、受光領域LA21が水平方向へずれており、また、検出直線RVLは基準直線BVLに対して回転角度θだけ回転している。基準直線BVLに対する検出直線RVLの水平方向HDおよび垂直方向VDにおける軸ずれ量は、基準直線BVLの中点と検出直線RVLの中点の座標値を用いて算出され得、検出直線RVLおよび基準直線BVLがなす回転角度θは、種々の周知の方法、例えば2ベクトルの内積を用いる方法によって算出され得る。
さらに、受光領域LA11の面積は、受光領域LA21の面積よりも大きく、図10のおける上向き、すなわち、Y座標値が0となる方向に向かって、コリメータレンズPLと受光素子アレイ22との相対距離が近づく光軸方向の光軸ずれが発生している。ぼけについては、例えば、予め定められている、受光領域の面積の大きさと、コリメータレンズPLと受光するとの相対距離との関係から、ぼけの程度が決定されても良く、予め定められている受光領域の面積と受光素子アレイ22の表面に対する検出直線RVLの傾きとの関係からぼけの程度が決定されても良い。各受光領域LA11、LA21、LA31の大きさ、すなわち、面積は、各受光領域LA11、LA21、LA31を構成する受光画素230の個数を、予め定められた1つの受光画素230の面積に乗じることによって、あるいは、各受光領域LA11、LA21、LA31を構成する受光画素230の座標位置により得られる最大距離を直径として近似的に算出される円の面積や直交する2つの最大距離を2辺として近似的に算出される矩形の面積として得られ得る。本実施形態においては、面積の正確な値は要求されておらず、同一の算出手法によって定められた基準となる面積との対比が行われれば十分である。
第2の実施形態に係る光学式検出装置10により実行される光軸ずれ判定処理について説明する。図11に示す処理ルーチンは、光学式検出装置10の作動期間が予め定められた期間、例えば、10日、30日、2ヶ月といった期間を経過するたびに実行され得る。また、光学式検出装置10が車両50に搭載して用いられる場合には、車両の制御システムが始動される都度、または、スタートスイッチがオンされる度、あるいは、車両50の累積走行時間が予め定められた時間経過する度、または、車両50の累積走行距離が予め定められた距離を超過する度に実行されても良い。さらには、車両50が点検、修理を受けた後のタイミングで実行されても良い。CPU101が光軸ずれ判定プログラムPr1を実行することによって図11に示す処理フローが実行される。なお、第1の実施形態において説明した処理ステップと同様の処理ステップについては、同一のステップ番号を付すと共に、簡単に説明するに留める。
CPU101は、入出力インタフェース103を介して、受光部20から検出反射光を取得する(ステップS100)。受光部20、より具体的には、受光素子アレイ22により受光された反射光には、図9に示した発光部30の照射光に含まれる重複領域LPまたは図5に示した非照射領域Spに対応する受光領域LA11、LA21、LA31が含まれている。受光領域LA11、LA21、LA31を受光している受光画素230であるか否かは、第1の実施形態において説明したように入射光強度を用いて判別することができる。CPU101は、メモリ102の基準受光領域記憶領域102aから予め用意されている基準受光領域情報である基準受光位置および基準受光面積を取得する(ステップS101)。基準受光位置は、発光部30の照射光に含まれる受光領域LA11、LA21、LA31の発生位置に対応する受光素子アレイ22における受光位置であり、光学式検出装置10が正しい姿勢にて設置、例えば、車両50に搭載されている場合に、光強度斑に対応する反射光を受光する受光画素230の位置、より具体的には、受光領域LA11、LA21、LA31の中心または重心に対応する座標位置である。基準受光面積は、発光部30の照射光に含まれる光強度斑の発生位置に対応する受光素子アレイ22における受光領域LA11、LA21、LA31の面積であり、光学式検出装置10の焦点に関わる光学系、主にはレンズと受光素子アレイ22とが正しい姿勢にて配置されている場合に、受光領域LA11、LA21、LA31に対応する受光画素230の数により定められた受光領域の大きさである。基準受光位置および基準受光面積は、光学式検出装置10が設置されるタイミングにて、予め取得され、基準受光位置記憶領域102aに座標位置(x,y)および面積値として格納される。
CPU101は、受光部20から取得した受け取った検出受光領域と、メモリ102から取得した基準受光領域とのずれ量Dpsを取得する(ステップS103)。ずれ量Dpsは、光軸のずれ量を表す指標であり、本実施形態においては、位置ずれ量および大きさ・面積のずれ量の双方が少なくとも含まれる。位置ずれ量は、例えば、検出受光領域の中心または重心に対応する座標位置と、基準受光位置の座標位置との差分として取得され得る。既述のように、水平方向HDおよび垂直方向VDへの位置ずれ量は、それぞれ、検出直線RVLおよび基準直線BVLの中点のX方向およびY方向における座標値の差分として取得され、光軸周りの回転ずれ量は、検出直線RVLと基準直線BVLとの内角または外角によって取得される。さらに、本実施形態における光軸ずれには、既述のように光軸方向におけるコリメータレンズPLと受光素子アレイ22との相対的な位置ずれが含まれている。この相対的な位置ずれは、コリメータレンズPLと受光素子アレイ22との相対距離の変動により発生し、検出受光領域の大きさのずれ、すなわち、変化として現れる。したがって、基準受光領域の面積と検出受光領域の面積の大きさの相違がずれ量を表す指標として算出される。なお、本実施形態における各ずれ量は、差分に限らず基準値に対する実受光値との比であっても良い。
CPU101は、ずれ量Dpsが同一許容範囲内になるか否かを判定する(ステップS105)。具体的には、CPU101は、ずれ量Dpsの絶対値が、予め定められている同一基準ずれ量Drbよりも小さい、すなわち、|Dps|<Drbであるか否かを判定する。同一基準ずれ量Drbは、第1の実施形態において同一または略同一と判定できる程度の位置ずれ量に相当する。CPU101は、ずれ量Dpsの絶対値が同一基準ずれ量Drbよりも小さいと判定すると(ステップS105:Yes)、光軸ずれは発生していないと判定し、本処理ルーチンを終了する。検出受光領域と基準受光領域とのずれ量Dpsの絶対値が同一基準ずれ量Drbよりも小さい場合には、光学式検出装置10において光軸ずれは発生していないか発生していないと見なすことができるからである。
CPU101は、ずれ量Dpsの絶対値が同一基準ずれ量Drbよりも小さくない、すなわち、|Dps|≧Drbと判定すると(ステップS105:No)、ずれ量Dpsの絶対値が第1の基準ずれ量Dr1よりも小さいか、すなわち、|Dps|<Dr1であるか否かを判定する(ステップS107)。CPU101は、ずれ量Dps<第1の基準ずれ量Dr1であると判定すると(ステップS107:Yes)、光軸ずれが発生する時期を予測し(ステップS112)、本処理ルーチンを終了する。第1の基準ずれ量Dr1は、同一基準ずれ量Drbよりも大きく、光軸ずれが発生しているとの判定に用いられる第2の基準ずれ量Dr2よりも小さな値であり、例えば、統計的なデータから、6ヶ月以内に光軸ずれが発生し得るとして設定されたずれ量である。
CPU101は、ずれ量Dpsの絶対値が第1の基準ずれ量Dr1よりも小さくない、すなわち、|Dps|≧Dr1と判定すると(ステップS107:No)、ずれ量Dpsの絶対値が第2の基準ずれ量Dr2よりも小さいか、すなわち、|Dps|<Dr2であるか否かを判定する(ステップS109)。CPU101は、ずれ量Dps<第2の基準ずれ量Dr2であると判定すると(ステップS109:Yes)、ステップS112に移行する。この場合、未だ許容できない光軸ずれは発生していないので、予防的な処理が実行される。CPU101は、ずれ量Dpsの絶対値が第2の基準ずれ量Dr2よりも小さくない、すなわち、|Dps|≧Dr2と判定すると(ステップS109:No)、光軸ずれの発生を報知して(ステップS114)、本処理ルーチンを終了する。位置ずれ量Dpが非許容ずれ量Drc以上である場合には、許容できない光軸ずれが光学式検出装置10に発生している。第2の基準ずれ量Dr2は、許容できない光軸ずれに対応する検出受光領域の位置ずれ量に対応し、許容できない光軸ずれは、例えば、光学式検出装置10による測距の精度が予め定められた精度よりも低下し得る光軸ずれに対応するずれ量である。予め定められた精度は、例えば、誤差率が予め想定されている誤差率、例えば、±5%である。光軸ずれの報知は、光学式検出装置10のユーザに対して実行され、光学式検出装置10が車両50に搭載されている場合には、車両50が備える情報表示装置や音声を介して速やかな点検を促す報知が行われ得る。なお、第2の基準ずれ量Dr1は第1の判定値であり、第1の基準ずれ量Dr1は第2の判定値である。
以上説明した第2の実施形態に係る光学式検出装置10によれば、第1の実施形態に係る光学式検出装置10により得られる種々の利点に加えて、水平方向および垂直方向の光軸ずれ、光軸を中心とする回転方向の光軸ずれ並びに光軸と直交する直交軸方向の光軸ずれを判定するので、光軸ずれの判定精度をさらに向上させることができる。光軸ずれの判定精度がさらに向上することによって、光学式検出装置10の歩留まりを増大させることが可能となり、経年的な光軸ずれの解析精度を向上させることが可能なり、さらに、光学式検出装置10の要整備時期の予測を向上させることができる。なお、光軸と直交する直交軸は、焦点に関わる光学系、主にはレンズまたは受光素子アレイ22において光軸に対して直交する仮想的な直交軸であり、当該直交軸方向の光軸ずれは、レンズと受光素子アレイ22との相対距離の変化に伴うぼけをもたらす。第2の実施形態において説明した種々の光軸ずれの態様は、任意の組み合わせで検出されてもよく、全ての組み合わせで検出されても良い。
上記説明においては、光軸ずれの報知並びに光軸ずれ発生の予測に止まっているが、光学式検出装置10は、検出された光軸ずれの態様に応じて受光処理に用いる受光画素230を変更可能な構成を備えていても良い。すなわち、光軸ずれ量をより詳細に検出することができるので、受光処理に用いる受光画素を適切に変更することができる。変更可能な構成には、光学式検出装置10における受光処理を行う受光画素230の設定を人が変更する態様、光学式検出装置10自身が、光軸ずれの態様、すなわち、水平、垂直、光軸まわりの光軸ずれ、に応じて受光画素230の設定を変更する態様が含まれる。図12を用いて受光領域の変更の具体的について説明する。図12において基準となる、すなわち、光軸ずれが発生する前に用いられていた受光領域ORPは破線で示されている。上記各実施形態においては、4つの受光ブロックRB1、RB2、RB3、RB4によって受光領域ORPが構成されている。光軸周りの光軸ずれが存在せず、水平方向HDおよび垂直方向VDに光軸ずれが発生し、光強度斑が破線で示す領域CH1に現れている場合には、領域CH1に対応する受光画素230が受光処理に用いられる。この場合、受光ブロックRB1、RB2、RB3、RB4は、受光領域ORPを構成する際と同一の縦横の配置形態を有するように選択される。光軸を回転中心とする回転方向の光軸ずれが発生し、光強度斑が破線で示す領域CH2に現れている場合には、領域CH2に対応する受光画素230が受光処理に用いられる。この場合、領域CH2は垂直方向VDおよび水平方向HDに対して斜めの領域となるので、受光ブロックRB1、RB2、RB3、RB4は、領域CH2と一致または近似するように階段状をなすように選択され、領域CH2に対応する受光領域が設定される。このように、受光領域ORPを複数の受光ブロックにより形成する場合には、水平、垂直、光軸まわりの光軸ずれが発生している場合であっても、光軸ずれに応じて受光領域を変更することが可能となり、光学式検出装置10における検出精度の低下を抑制または防止することができる。この結果、光学式検出装置10の検出精度を従前よりも長い期間にわたって維持することができる。なお、ぼけにより検出される、レンズと受光素子アレイ22との相対距離、すなわち、相対位置の変化に伴う光軸ずれについては、ハードウェア的な修正が求められるので、一般的には、整備員によって修正される。ただし、レンズおよび受光素子アレイ22の少なくともいずれか一方にアクチュエータが備えられている場合には、アクチュエータを作動させることにより、レンズと受光素子アレイ22との相対距離が修正されても良い。
その他の実施形態:
(1)上記各実施形態においては、光軸ずれ発生の予測時期の算出と光軸ずれの判定および報知の双方が実行されているが、いずれか一方のみが実行されても良い。光軸ずれ発生の予測時期の算出のみが実行される場合には、算出された予想時期に応じた報知を実行することにより、光軸ずれが生じる前に対策を取ることが可能である。光軸ずれの判定および報知のみが実行される場合であっても、光学式検出装置10単体で早期に光軸ずれの判定を実行することができる。光軸ずれ発生の予測時期の算出と光軸ずれの判定および報知の双方が実行される場合には、算出された予想時期に応じた対策が取られない場合であっても、発生した光軸ずれを早期に判定し、報知することができる。
(2)上記各実施形態においては、CPU101が光軸ずれ判定プログラムPr1を実行することによって、光軸ずれの判定処理を実行する光学式検出装置10が実現されているが、予めプログラムされた集積回路またはディスクリート回路によってハードウェア的に実現されても良い。すなわち、上記各実施形態における制御部およびその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つまたは複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサおよびメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部およびその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部およびその手法は、一つまたは複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサおよびメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。
以上、実施形態、変形例に基づき本開示について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本開示の理解を容易にするためのものであり、本開示を限定するものではない。本開示は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本開示にはその等価物が含まれる。たとえば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。