JP5215547B2 - Spatial information detection device - Google Patents
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Description
本発明は、対象空間に光を投光するとともに対象空間からの光を受光し、投光した光に対する受光した光の変化から対象空間に関する空間情報を検出する空間情報の検出装置に関するものである。 The present invention relates to a spatial information detection device for projecting light into a target space, receiving light from the target space, and detecting spatial information regarding the target space from a change in the received light with respect to the projected light. .
従来から、対象空間における物体の有無、媒質の透過率、物体の位置、物体までの距離などの空間情報を検出するために、対象空間に光を投光するとともにその反射光を受光し、対象空間に投光した光と受光した光との強度変化や位相変化を検出する技術が知られている。 Conventionally, in order to detect spatial information such as the presence of an object in the target space, the transmittance of the medium, the position of the object, the distance to the object, etc., light is projected into the target space and the reflected light is received, and the target A technique for detecting a change in intensity and a phase change between light projected into space and received light is known.
この種の光の投受光を行うアクティブ型のセンサに用いる受光素子のダイナミックレンジには制限がある。したがって、近距離からの反射光や反射率の高い物体からの反射光を受光しても飽和しないように受光素子から受光出力を取り出すと、遠距離からの反射光や反射率の低い物体からの反射光に対する受光出力が微小になって、遠距離の空間情報を検出したり反射率の低い物体に関して空間情報を検出するのが困難になる。逆に、遠距離の空間情報を検出したり反射率の低い物体に関して空間情報が得やすいように受光出力を取り出すと、近距離からの反射光や反射率の高い物体からの反射光に対して光検出素子が飽和しやすくなる。 There is a limit to the dynamic range of a light receiving element used in an active type sensor that projects and receives this type of light. Therefore, if the received light output is taken out from the light receiving element so that it does not saturate even when reflected light from a short distance or reflected light from an object with high reflectivity is received, it is from reflected light from a long distance or an object with low reflectivity. The light reception output with respect to the reflected light becomes minute, and it becomes difficult to detect spatial information at a long distance or to detect spatial information on an object with low reflectivity. On the other hand, if the received light output is extracted so that spatial information at a long distance can be detected or spatial information can be easily obtained for an object with low reflectance, reflected light from a short distance or reflected light from an object with high reflectance The light detection element is likely to be saturated.
この種の問題を解決するために、光検出素子での光の検出期間の長さを複数設定しておき、各検出期間のうち得られた受光出力が許容範囲内で最大になる検出期間を求め、この検出期間の受光出力を用いて空間情報を求めることが考えられている(たとえば、特許文献1参照)。つまり、1つの光検出素子で検出期間の長さを変えて複数回受光し、複数回の受光による受光出力のうち飽和せず最大である受光出力を用いることによって、光検出素子への入射光の強度が小さければ検出期間の長い受光出力を採用し、光検出素子への入射光の強度が大きければ検出期間の短い受光出力を採用することになる。この動作によって、光検出素子への入射光の強度の広範囲に亘って適正な(つまり、SNRが十分に大きいが飽和しない)受光出力を得ることができる。
しかしながら、上述の技術では同じ光検出素子で検出期間の長さを変えて複数回受光し、受光毎に受光出力を取り出すとともに、受光出力の大小を比較するために受光毎の受光出力を記憶することが必要である。したがって、検出期間ごとの受光出力には比較的大きな時間差があり、対象空間の状態が刻々と変化している場合には、正しい空間情報を検出することができないという問題が生じる。とくに、光検出素子としてイメージセンサを用いて対象空間を撮像し、イメージセンサの各画素ごとの受光出力について、検出期間を異ならせた同じ位置の受光出力を比較し、各位置ごとに上述の条件を満たす画素の受光出力を組み合わせるとすれば、1つの画像内に異なる時刻の受光出力で得られた空間情報が含まれるという問題が生じる。 However, in the above-described technique, the same light detection element changes the length of the detection period and receives light a plurality of times, takes out the received light output for each received light, and stores the received light output for each received light to compare the magnitude of the received light output. It is necessary. Accordingly, there is a relatively large time difference in the light reception output for each detection period, and there arises a problem that correct spatial information cannot be detected when the state of the target space is constantly changing. In particular, the target space is imaged using an image sensor as a light detection element, and the light reception output of each pixel of the image sensor is compared with the light reception output at the same position with different detection periods. If the light reception outputs of pixels satisfying the above are combined, there arises a problem that spatial information obtained by light reception outputs at different times is included in one image.
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、複数の受光出力から選択することにより入射光の強度の広範囲に亘って適正な受光出力を用いて空間情報を求めることを可能にしながらも、各受光出力の時間差を少なくした空間情報の検出装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and its object is to obtain spatial information using an appropriate light receiving output over a wide range of the intensity of incident light by selecting from a plurality of light receiving outputs. An object of the present invention is to provide a spatial information detection device that can reduce the time difference between the light reception outputs.
請求項1の発明は、対象空間に赤外線を投光する発光源と、前記対象空間の同じ空間領域からの光を受光しそれぞれ受光量に応じた受光出力が得られる複数個の光検出素子と、前記対象空間から前記光検出素子への光路上に配置され前記対象空間からの入射光を前記光検出素子ごとに振り分ける光路制御要素と、前記光検出素子ごとの受光出力のうち受光出力の上限としての飽和閾値と受光出力の下限としての不感閾値とにより定められた適正範囲である前記光検出素子の受光出力を用いて前記対象空間に関する空間情報を検出する評価部とを備え、前記光路制御要素は、前記入射光が入射するプリズムを備え、光路を2分岐する部分透過ミラーからなる光分岐部を前記光検出素子の個数より1個少なく備える構成であり、前記光分岐部の反射率および透過率により設定された所定の分配比率で前記入射光を前記光検出素子にそれぞれ振り分けることにより前記光検出素子ごとの受光量を互いに異ならせる機能を有し、前記プリズムは一面に配置された前記光分岐部で反射された反射光を前記対象空間からの入射面である他面で全反射させた後に前記光検出素子の一つに入射させる光路を形成することを特徴とする。
The invention of
請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記各光制御要素の露光時間は実質的同一であることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the exposure times of the respective light control elements are substantially the same.
請求項3の発明は、対象空間に赤外線を投光する発光源と、前記対象空間の同じ空間領域からの光を受光しそれぞれ受光量に応じた受光出力が得られる複数個の光検出素子と、前記対象空間から前記光検出素子への光路上に配置され前記対象空間からの入射光を前記光検出素子ごとに振り分ける光路制御要素と、前記光検出素子ごとの受光出力のうち受光出力の上限としての飽和閾値と受光出力の下限としての不感閾値とにより定められた適正範囲である前記光検出素子の受光出力を用いて前記対象空間に関する空間情報を検出する評価部とを備え、前記光路制御要素は、光を透過させる状態と反射させる状態とが選択可能であって光路を2系統に切り替える光分岐部を前記光検出素子の個数より1個少なく備え、前記光分岐部での前記光検出素子ごとの露光時間により入射光を所定の分配比率で前記光検出素子にそれぞれ振り分けることを特徴とする。
The inventions of
請求項4の発明では、請求項3の発明において、前記光路制御要素は、前記対象空間からの光を前記光検出素子のいずれかに択一的に入射させ、前記光検出素子ごとに1回ずつ光を入射させる期間内において前記光検出素子ごとに光を入射させる期間を互いに連続させることを特徴とする。
請求項5の発明では、請求項1ないし請求項4のいずれかの発明において、前記光路制御要素は、前記光検出素子のうち、入射光の強度が大きいときに適正な受光出力が得られる前記光検出素子は、入射光の強度が小さいときに適正な受光出力が得られる前記光検出素子よりも入射光の分配比率が小さく設定されることを特徴とする。
In the invention of
According to a fifth aspect of the present invention, in any one of the first to fourth aspects, the optical path control element can obtain an appropriate received light output when the intensity of incident light is large among the light detection elements. The light detecting element is characterized in that the distribution ratio of incident light is set smaller than that of the light detecting element that can obtain an appropriate received light output when the intensity of incident light is small.
請求項6の発明では、請求項1ないし請求項5のいずれかの発明において、前記評価部における選択条件は、規定の飽和閾値以下の範囲で最大の受光出力を選択することであって、前記光検出素子は、それぞれ前記対象空間からの光を受光して受光量に応じた電荷を生成する複数個の感光部を有し前記対象空間を撮像することにより前記感光部で生成された電荷を受光出力とするイメージセンサであり、前記評価部は、前記光検出素子において前記対象空間の同じ位置に対応付けられた前記感光部で得られる受光出力のうち前記選択条件を満たす受光出力を前記対象空間の位置ごとに選択することを特徴とする。 According to a sixth aspect of the invention, in the invention according to any one of the first to fifth aspects, the selection condition in the evaluation unit is to select a maximum received light output within a range below a prescribed saturation threshold, serial photodetector is generated in the photosensitive portion by imaging the object space has a plurality of photosensitive unit generating an electric charge according to the amount of light received by receiving light from each of the target space charge is an image sensor that a light receiving output, the evaluation unit, the said selection criteria received light output of the light receiving output obtained by the light-sensitive portion associated with the same position of the target space in the light detection element and selecting for each position of the target space.
請求項7の発明では、請求項1ないし請求項5の発明において、前記発光源は、所定周期の変調信号で強度変調された光を対象空間に照射し、前記評価部における選択条件は、規定の飽和閾値以下の範囲で最大の受光出力を選択することであって、前記光検出素子は、それぞれ前記対象空間からの光を受光して受光量に応じた電荷を生成する複数個の感光部を有し前記対象空間を撮像することにより前記感光部で生成された電荷を受光出力とするイメージセンサであり、前記評価部は、前記光検出素子において前記対象空間の同じ位置に対応付けられた前記感光部で得られる受光出力のうち前記選択条件を満たす受光出力を用いて物体までの距離を求め、前記感光部に対応付けた前記対象空間の位置ごとの距離を画素値とする距離画像を生成することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the first to fifth aspects of the present invention, the light emitting source irradiates the target space with light whose intensity is modulated with a modulation signal having a predetermined period, and the selection condition in the evaluation unit is defined as the method comprising the selecting the maximum of the light receiving output in the range below the saturation threshold, before Symbol light detecting element, a plurality of photosensitive generating a charge according to the amount of light received by receiving light from each of the target space is an image sensor that a light receiving output the generated in the photosensitive unit charges by imaging the object space has a section, the evaluation unit is associated in the light detection element at the same position of the target space said one of the light-receiving output obtained by the photosensitive unit, using the selected satisfying the received light output seek distance to the object, the distance image to the pixel value distance for each position of the target space associated with said photosensitive portion Generate a And wherein the Rukoto.
請求項1の発明の構成によれば、対象空間の同じ空間領域からの光を受光する複数個の光検出素子を設け、対象空間から各光検出素子への光路上に光路制御要素を設けて各光検出素子での受光量を異ならせるから、光路制御要素による各光検出素子への光の分配比率を適宜に調節することによって、光路制御要素への入射光の強度が広範囲に変化しても、いずれかの光検出素子での受光量が適正範囲になる可能性が高くなり、結果的に入射光の強度の広範囲に亘って適正な受光出力を用いて空間情報を求めることが可能になる。しかも、光路制御要素への入射光を複数個の光検出素子に振り分けているから、各光検出素子には、同時刻または時刻がわずかにずれただけの光が入射することになり、各光検出素子の受光出力の時間差が少なくなる。 According to the configuration of the first aspect of the present invention, a plurality of light detection elements that receive light from the same space region of the target space are provided, and an optical path control element is provided on the optical path from the target space to each light detection element. Since the amount of light received by each light detection element is different, the intensity of incident light to the light path control element changes over a wide range by appropriately adjusting the light distribution ratio to each light detection element by the light path control element. also, either the amount of light received by the light detecting element likely to become the proper range, is possible to obtain the spatial information using an appropriate light output over a wide range of intensity as a result, the incident light It becomes possible. In addition, since the incident light to the optical path control element is distributed to a plurality of light detection elements, each light detection element is incident with light at the same time or slightly shifted in time. The time difference between the light receiving outputs of the detection elements is reduced.
このことは、たとえば、各光検出素子が複数の感光部を備えるイメージセンサであって、対象空間の同じ位置に対応付けた感光部ごとに受光出力を比較し、各位置ごとに適正な受光出力を選択する場合であっても、各感光部から得られる受光出力の時間差をとくに考慮せずに用いることを可能にする。しかも、飽和しない範囲で最大の受光出力を空間情報の検出に用いるから、光検出素子のショットノイズの影響を低減することができ、結果的に空間情報の検出精度を高めることができる。
しかも、光路制御要素に部分透過ミラーで構成された光分岐部を設け、各光検出素子への光の分配比率を光分岐部の反射率および透過率により設定しているから、光路制御要素は各光検出素子から見れば減光率の異なる減光フィルタと同様に機能し、特段の制御を行わずに各光検出素子の感度を異ならせることができる。また、各光検出素子には対象空間の同じ領域からの光が同時に入射するから、各受光出力を時間差なく同時に得ることが可能になる。
This is, for example, an image sensor in which each photodetecting element includes a plurality of photosensitive portions, and the light reception output is compared for each photosensitive portion associated with the same position in the target space, and an appropriate light reception output is obtained for each position. Even in the case of selecting, it is possible to use the light receiving output obtained from each photosensitive portion without special consideration. In addition, since the maximum received light output is used for detecting spatial information in a range where saturation does not occur, the influence of shot noise of the light detection element can be reduced, and as a result, the detection accuracy of spatial information can be increased.
In addition, the optical path control element is provided with a light branching unit configured by a partial transmission mirror, and the light distribution ratio to each photodetecting element is set by the reflectance and transmittance of the light branching part. When viewed from each light detection element, it functions in the same way as a neutral density filter having a different light attenuation rate, and the sensitivity of each light detection element can be made different without performing special control. In addition, since light from the same region of the target space is simultaneously incident on each photodetecting element, it is possible to simultaneously obtain each light reception output without a time difference.
請求項2の発明の構成によれば、各光制御要素の露光時間を実質的に同一にしているから、各光検出素子から同時刻の受光出力を得ることができ、複数の光検出素子のうちのどの受光出力を用いても実質的に同時刻の空間情報を検出することができる。 According to the configuration of the second aspect of the invention, since the exposure time of each light control element is substantially the same, it is possible to obtain a light reception output at the same time from each light detection element, and a plurality of light detection elements The spatial information at substantially the same time can be detected using any of the received light outputs.
請求項3の発明の構成によれば、光路制御要素として光を透過させる状態と反射させる状態との選択が可能な光分岐部を設け、各光検出素子の露光時間を光分岐部により調節することで各光検出素子への光の分配比率を調節しているから、光路制御要素は各光検出素子から見れば露光時間の異なるシャッタと同様に機能し、各光検出素子の感度を異ならせることができる。この構成では、各光検出素子に対象空間の同じ領域からの光が必ずしも同時に入射するわけではないが、光検出素子からの受光出力は同時に取り出すことができるから、1個の光検出素子を用いて露光時間の異なる受光出力を得る場合に比較すると、複数の受光出力の時間差を小さくすることができる。
According to the configuration of the invention of
請求項4の発明の構成によれば、各光検出素子の露光時間を個々に制御することができる。この構成では、各光検出素子が対象空間の同じ領域からの光を同時に受光することはなく、各光検出素子から取り出す受光出力には時間差が生じるが、1個の光検出素子を用いて露光時間の異なる受光出力を得る場合に比較すると、複数の受光出力の時間差を小さくすることができる。また、各光検出素子に光が入射する期間は各光検出素子に1回ずつ光が入射する期間では互いに連続しているから、各光検出素子の受光出力の時間差は小さくなる。
請求項5の発明の構成によれば、光路制御要素による各光検出素子への光の分配比率を異ならせているから、光路制御要素によって各光検出素子の感度を調節していることになり、複数段階の感度の光検出素子を配置したことと等価になる。したがって、光路制御要素に入射する光の強度が広範囲に変化したとしても、いずれかの光検出素子では適正な受光出力が得られる可能性が高くなる。
According to the configuration of the invention of
According to the configuration of the fifth aspect of the invention, since the distribution ratio of the light to each light detection element by the light path control element is made different, the sensitivity of each light detection element is adjusted by the light path control element. This is equivalent to the arrangement of photodetection elements with multiple levels of sensitivity. Therefore, even if the intensity of light incident on the optical path control element changes in a wide range, there is a high possibility that an appropriate received light output can be obtained with any of the light detection elements.
請求項6の発明の構成によれば、光検出素子としてイメージセンサを用いることにより対象空間を撮像した情報から空間情報を検出するものであり、各光検出素子において対象空間の各位置に対応付けた感光部で得られる受光出力についてそれぞれ選択条件によって最適な受光出力を選択するから、イメージセンサで得られる画像内のどの部位においても光の強度に関して広いダイナミックレンジを確保することができる。 According to the configuration of the sixth aspect of the invention, spatial information is detected from information obtained by imaging the target space by using an image sensor as the light detection element, and each light detection element is associated with each position in the target space. Since the optimum light receiving output is selected according to the selection condition for the light receiving output obtained by the photosensitive section, a wide dynamic range can be secured with respect to the light intensity at any part in the image obtained by the image sensor.
請求項7の発明の構成によれば、強度変調された光を用いるとともに、光検出素子としてイメージセンサを用いることにより、対象空間を撮像した情報から対象空間に関する距離画像を求めるものであり、複数個の光検出素子から得られる各感光部に対応した受光出力のうち飽和していない最大の受光出力を用いて求めた距離を画素値とするから、近距離から遠距離までの広い距離範囲に亘る距離の計測が可能になる。 According to the configuration of the seventh aspect of the invention, the intensity-modulated light is used and an image sensor is used as the light detection element to obtain a distance image related to the target space from information obtained by imaging the target space. Since the distance obtained using the maximum light receiving output that is not saturated among the light receiving outputs corresponding to each photosensitive part obtained from each photodetecting element is used as the pixel value, it can be used in a wide distance range from a short distance to a long distance. It is possible to measure the distance over the distance.
以下に説明する実施形態では、空間情報として対象空間に存在する物体までの距離を求める。また、以下に説明する空間情報の検出装置は、対象空間の画像を撮像することにより対象空間の位置ごとの距離を各画素に対応付けた距離画像を生成する。 In the embodiment described below, a distance to an object existing in the target space is obtained as spatial information. In addition, the spatial information detection device described below generates a distance image in which a distance for each position in the target space is associated with each pixel by capturing an image of the target space.
実施形態について説明する前に、まず距離を計測する原理について簡単に説明する。空間情報の検出装置は、図5に示すように、対象空間に光を投光する発光源2を備えるとともに、対象空間からの光を受光し受光量を反映した出力が得られる光検出素子1を備える。発光源2としては、単一波長のものを用いており、可視光を用いるよりは不可視である赤外線を用いるのが望ましい。対象空間に存在する物体Obまでの距離は、発光源2から対象空間に光が投光されてから物体Obでの反射光が光検出素子1に入射するまでの時間(「飛行時間」と呼ぶ)によって求める。飛行時間を求めるために、対象空間に投光する光の強度が一定周期で周期的に変化するように変調した強度変調光を発光源2から対象空間に投光し、光の強度の変調成分について投受光の位相差を求め、この位相差を飛行時間に換算する。すなわち、投受光の位相差ψの単位を[rad]、物体Obまでの距離をL[m]、光速をc[m/s]、強度変調光の角周波数をω[rad/s]とすれば、L=ψ・c/2ωになる。
Before describing the embodiment, first, the principle of measuring the distance will be briefly described. As shown in FIG. 5, the spatial information detection device includes a
位相差ψは、発光源2から対象空間に投光した光を変調する変調信号の波形に同期する複数のタイミングで検出した受光量を用いることにより計算することができる。いま、変調信号の位相が0〜90度、90〜180度、180〜270度、270〜360度である4つの位相区間で求めた受光量をそれぞれA0、A1、A2、A3とする。つまり、各位相区間における受光量A0、A1、A2、A3は、それぞれ変調信号に同期する90度ずつの期間に光検出素子1に入射した光の強度を積分した値になる。
The phase difference ψ can be calculated by using received light amounts detected at a plurality of timings synchronized with the waveform of a modulation signal that modulates the light projected from the
いま、受光量A0、A1、A2、A3を求める間に、位相差ψが変化せず(つまり、物体Obまでの距離が変化せず)、かつ物体Obの反射率にも変化がないものとする。また、発光源2から放射する光の強度を正弦波で変調し、時刻tにおいて光検出素子1で受光される光の強度がA・sin(ωt+δ)+Bで表されるものとする。ただし、Aは振幅、Bは直流成分(環境光成分と反射光成分との平均値)、ωは強度変調光の角周波数(ω=2πf;fは変調周波数)、δは初期位相である。これらの条件を満たすとき、位相差ψは、たとえば次式で表すことができる。
ψ=tan−1(A2−A0)/(A1−A3)
上式は積分する区間の取り方(たとえば、上述の例では1区間の位相幅が90度であるが、180度などにしてもよい)によって符号が変化したり位相が90度異なったりするが、位相差ψは4つの位相区間の受光量A0、A1、A2、A3を用いて求めることができる。
Now, while obtaining the received light amounts A0, A1, A2, and A3, the phase difference ψ does not change (that is, the distance to the object Ob does not change), and the reflectance of the object Ob does not change. To do. Further, it is assumed that the intensity of light emitted from the
ψ = tan −1 (A2−A0) / (A1−A3)
The above equation changes the sign or the phase differs by 90 degrees depending on how to take the interval to be integrated (for example, the phase width of one section is 90 degrees in the above example, but may be 180 degrees). The phase difference ψ can be obtained by using the received light amounts A0, A1, A2, and A3 in the four phase sections.
発光源2には、たとえば多数個の発光ダイオードを一平面上に配列したものや半導体レーザと発散レンズとを組み合わせたものなどを用いる。発光源2を駆動する変調信号は、たとえば20MHzの正弦波であり、タイミング制御部3から出力される。発光源2から放射される光の強度はこの変調信号により変調される。変調信号の波形は、正弦波のほかに、三角波、鋸歯状波などを用いることもできる。
As the
光検出素子1は、フォトダイオードのような1個の光電変換素子を用いることもできるが、距離画像を得るにはCCDイメージセンサのように複数個の感光部を備えたイメージセンサを用いる。ただし、イメージセンサは二次元イメージセンサに限らず、一次元イメージセンサであってもよい。感光部への光の入射経路には受光光学系5が配置され、受光光学系5によって各感光部に対象空間の各位置が対応付けられる。ここに、受光量は感光部に入射する光の強度と感光部に光が入射している時間との積(つまり、入射時間における光の強度の積分値)であり、感光部が飽和しない範囲では、各感光部は受光量に応じた電荷を生成する。また、感光部11は、平面格子の格子点上に配置され、たとえば垂直方向(つまり、縦方向)と水平方向(つまり、横方向)とにそれぞれ等間隔で複数個ずつ並べたマトリクス状に配列される。
The
上述のように、物体Obまでの距離を求めるために、変調信号に同期する4つの位相区間の受光量A0、A1、A2、A3を求めるから、目的の受光量A0、A1、A2、A3を得るためのタイミングの制御が必要である。この動作は、IT(インターライントランスファ)型のCCDイメージセンサであれば、たとえば、感光部から垂直転送部への電荷の移動とオーバーフロードレインによる電荷の廃棄のタイミングとを制御することにより実現することができる。また、FT(フレームトランスファ)型のCCDイメージセンサであれば、たとえば、電荷を廃棄するためのオーバーフロードレインを用いて目的とする位相区間以外の電荷を廃棄するように廃棄のタイミングを制御することにより実現することができる。 As described above, in order to obtain the distance to the object Ob, the received light amounts A0, A1, A2, and A3 of the four phase sections synchronized with the modulation signal are obtained, so that the desired received light amounts A0, A1, A2, and A3 are obtained. Control of the timing to obtain is necessary. In the case of an IT (interline transfer) type CCD image sensor, for example, this operation can be realized by controlling the movement of charges from the photosensitive section to the vertical transfer section and the timing of discarding charges by the overflow drain. Can do. Further, in the case of an FT (frame transfer) type CCD image sensor, for example, by using an overflow drain for discarding charges, the discard timing is controlled so as to discard charges other than the target phase section. Can be realized.
ただし、発光源2から対象空間に投光され物体Obで反射された後に光検出素子1の感光部に入射する光の強度は小さいから、上述した各区間の受光量A0、A1、A2、A3に相当する電荷を強度変調光の変調周期の1周期内で集積したとしても各受光量A0、A1、A2、A3に十分な大きさの差が得られず、距離の測定精度が低くなる。したがって、実際には各区間に相当して生成される電荷を強度変調光の複数周期(たとえば、1万周期)にわたって蓄積した後に、蓄積した電荷を光検出素子1から取り出すようにタイミング制御部3の出力で光検出素子1を制御する。
However, since the intensity of the light incident on the photosensitive portion of the
光検出素子1から出力される受光出力は評価部としての距離演算部4に与えられ、距離演算部4では上述の4つの位相区間の受光量A0、A1、A2、A3に相当する電荷に相当する受光出力を受け取り、上述した位相差ψを求める数式に当て嵌めるか、あるいは当該数式に相当するテーブルに当て嵌めることによって位相差ψを求め、さらに位相差ψから物体Obまでの距離を求める。距離演算部4は対象空間の複数方向について距離を求めるから、対象空間についての三次元情報を得ることができるのであって、画素値に距離値を対応付けた距離画像を生成することができる。
The light reception output output from the
(実施形態1)
本実施形態では、上述の動作原理によって距離画像を生成するにあたり、図1に示すように、複数個(図示例では3個)の光検出素子1a,1b,1cを用いている。各光検出素子1a,1b,1cは、それぞれ複数個の感光部を有したイメージセンサであり、上述した光検出素子1と同じ構成のものである。また、各光検出素子1には同仕様のものを用いている。対象空間から各光検出素子1a,1b,1cへの光路上には、対象空間からの入射光を各光検出素子1a,1b,1cに振り分けて入射させる光路制御要素11が配置されている。
(Embodiment 1)
In the present embodiment, a plurality of (three in the illustrated example)
図1に示す光路制御要素11は、3個のプリズム11a,11b,11cを組み合わせて構成され、各プリズム11a,11b,11cを接合している部位の境界面には部分透過ミラーが光分岐部12a,12bとして配置されている。また、図示していないが、対象空間と光路制御要素11との間には、対象空間の各位置を光検出素子1a,1b,1cの各感光部に対応付けるための受光光学系が配置される。ここに、各光検出素子1a,1b,1cは、同位置の感光部が対象空間の同じ位置に対応するように配置される。
The optical path control
対象空間からの光が直接入射する第1のプリズム11aは断面三角形状であり、入射光の延長線上である第2のプリズム11bとの境界面に配置した光分岐部12aで反射された光が、入射面で全反射されプリズム11aの残りの一面である出射面から出射して光検出素子1aに入射するように形成されている。
The
第2のプリズム11bおよび第3のプリズム11cは、ともに断面四角形状であり、第1のプリズム11aの入射面に直交する一直線上に配列されている。つまり、第1のプリズム11aに入射した光は、第2のプリズム11bおよび第3のプリズム11cにも導入される。光分岐部12aを通して第2のプリズム11bに入射した光は、第3のプリズム11cとの境界面に配置された光分岐部12bで反射され、第1のプリズム11aとの境界面および第3のプリズム11cとの境界面とは異なる出射面から出射して光検出素子1bに入射する。
Both the
さらに、第2プリズム11bと第3のプリズム11cとの境界面に配置した部分透過ミラーからなる光分岐部12bを通して第3のプリズム11cに入射した光は、第3のプリズム11cにおいて第2のプリズム11bとの境界面の反対側に位置する出射面から出射して光検出素子1cに入射する。
Further, the light incident on the
上述のように、光路制御要素11は、それぞれ光路を2分岐する部分透過ミラーからなる光分岐部12a,12bを2個(つまり、光検出素子1a,1b,1cよりも1個少ない個数)備えることにより、光路制御要素11に入射した光を3分岐して3個の光検出素子1a,1b,1cに振り分けることができる。各光分岐部12a,12bの反射率および透過率は、光路制御要素11への入射光を各光検出素子1a,1b,1cに振り分ける分配比率が互いに異なるように設定される。つまり、各光検出素子1a,1b,1cには同仕様のものを用いながらも光路制御要素11への入射光の強度に対する感度を異ならせることができる。
As described above, the optical path control
このように、各光検出素子1a,1b,1cの感度を互いに異ならせることができるから、各光検出素子1a,1b,1cの受光量が適正範囲となるときの光路制御要素11への入射光の強度を3つの範囲(以下、強度範囲という)に分けることが可能になる。すなわち、図2に示すように、光検出素子1a,1b,1cの受光出力がノイズと区別できる最小値から受光出力が飽和するまでの範囲であって、受光量と受光出力とが一対一に対応する範囲を適正範囲Rfとするとき、各光検出素子1a,1b,1cの受光出力が適正範囲Rfになる強度範囲Sa,Sb,Scを互いに異ならせることができる。ここで、各強度範囲Sa,Sb,Scが連続するように設定すれば、光路制御要素11への入射光が強度範囲Sa,Sb,Scを合わせた範囲Si内の強度であるときに、いずれかの光検出素子1a,1b,1cから適正範囲Rfの出力が得られる。
In this way, the sensitivity of the
言い換えると、各光検出素子1a,1b,1cは、光路制御要素11への入射光の強度範囲Sa,Sb,Scにそれぞれ対応付けられていることになる。ここにおいて、強度範囲Sa,Sb,Scのレベルが高いほど、その強度範囲Sa,Sb,Scに対応付ける光検出素子1a,1b,1cを低感度に設定しなければならないから、光路制御要素11での分配比率は、光検出素子1a,1b,1bに対応付けた強度範囲Sa,Sb,Scのレベルが高いほど小さく設定されることになる。
In other words, the
評価部としての距離演算部4において距離を正確に求めるには、受光出力が適正範囲Rfである光検出素子1a,1b,1cを択一的に選択することが必要になる。そこで、距離演算部4には、各光検出素子1a,1b,1cの受光出力を規定の選択条件に従って評価する出力判定部4aと、出力判定部4aの判定結果を用いていずれかの光検出素子1a,1b,1cの受光出力を選択するセレクタ4bとが設けられる。
In order to accurately obtain the distance in the
出力判定部4aでの選択条件は、各光検出素子1a,1b,1cの受光出力について適正範囲Rfか否かを判定し、さらに受光出力が適正範囲Rfになる光検出素子1a,1b,1cが複数存在するときには、受光出力が最大である光検出素子1a,1b,1cを選択するというものである。適正範囲Rfか否かは、受光出力の上限としての飽和閾値と、受光出力の下限としての不感閾値とを設定し、受光出力を飽和閾値Tsおよび不感閾値Tiと大小比較することにより判定する。
The selection condition in the output determination unit 4a is to determine whether or not the light reception output of each of the
受光出力の比較は、各光検出素子1a,1b,1cにおいて対象空間の同じ位置に対応付けられている感光部ごとに行う。つまり、対象空間の同じ位置から得られた情報について受光出力を比較し、上述の判定を行うことにより、適正な受光出力を選択する。したがって、対象空間の位置ごとに距離の演算に用いる光検出素子1a,1b,1cが決められることになる。
The comparison of the received light output is performed for each photosensitive unit associated with the same position in the target space in each of the
なお、不感閾値Tiは設定するのが望ましいが必ずしも必要ではない。また、もっともレベルの高い強度範囲Scに対応付けた光検出素子1cの受光出力が飽和閾値Tsを超えているときには、距離の演算を正常に行うことができないから、距離の演算を行わずに距離測定が不能である場合の処理を行う。この処理では、測定不能の報知、あるいは前の測定値によるみなしを行う。同様に、不感閾値Tiを設定している場合において、もっともレベルの低い強度範囲Saに対応付けた光検出素子1aの受光出力が不感閾値Tiを下回っているときにも、距離測定が不能である場合の処理を行う。
Although it is desirable to set the dead threshold Ti, it is not always necessary. In addition, when the light reception output of the
上述の構成により、3個の光検出素子1a,1b,1cを用いて、各光検出素子1a,1b,1cを単独で用いる場合に比較して、光路制御要素11への入射光の強度範囲を広げることができ、光路制御要素11に入射する光の広範囲の強度変化に対してSNRの大きい受光出力を用いて距離を求めることができる。つまり、計測できる距離の範囲を大きくとることができ、また対象空間に存在する物体Obの反射率の相違に対する対応範囲も広くなる。図示例では、各強度範囲Sa,Sb,Scを重複なしに異ならせているが、一部を重複させるのが望ましい。これは、強度範囲Sa,Sb,Scの一部を重複させることにより、選択する光検出素子1a,1b,1cが切り替わる際の受光出力の変化を小さくし、結果的にSNRの変化を小さくすることができるからである。
Compared with the case where each of the
ところで、本実施形態の構成では、光路制御要素11は静的であって光分岐部12a,12bの反射率および透過率が変化しないから、各光検出素子1a,1b,1cにおいて対象空間の同領域から同時に空間情報を得ることができる。つまり、各光検出素子1a,1b,1cによって得られる空間情報には時間差が生じない。本実施形態では、各光検出素子1a,1b,1cの露光時間は実質的に同一であるが、各光分岐部12a,12bでは光の吸収が生じるから、実際には理論値通りの分配比率を得ることはできない。したがって、必要に応じて露光時間を調整する手段を設けてもよい。
By the way, in the structure of this embodiment, since the optical path control
一例として各光分岐部12a,12bが、入射光の2/3を反射し、1/3を透過させる場合を想定する。また、各光検出素子1a,1b,1cの露光時間Peを18msとし、受光出力の読み出しに要する読出時間Prを8msとする。この設定では、各光検出素子1a,1b,1cの感度は、光路制御要素11を用いない場合の感度を1とするとき、実質的に2/3、2/9、1/9に設定したことになる。また、露光時間Peが等しいから受光量は感度の比率に比例し、実際の露光時間Peに感度の割合を乗じて得られる露光時間での受光量に相当する電荷が生成されることになる。要するに、光検出素子1a,1b,1cでは、それぞれ18ms×(2/3)=12ms,18ms×(2/9)=4ms,18ms×(1/9)=2msの露光時間に相当する受光出力が得られる。
As an example, it is assumed that each of the
仮に1個の光検出素子を用いて露光時間Peを12ms、4ms、2msと変化させるとすれば、同じ露光時間Peの受光出力を得ることができるが、1回の読出時間Prは8msであるから、図3(b)のように、3種類の受光出力を得るために42msを要することになる。これに対して、本実施形態の構成では、図3(a)のように26msで3種類の受光出量を得ることができるのであって、本実施形態のほうが1枚の距離画像を生成するのに要する時間を短縮することができ、結果的に単位時間内に得られる情報量が多くなる。しかも、本実施形態では3種類の受光出力に時間差がないから、3個の光検出素子1a,1b,1cの受光出力を用いながらも同じ条件で物体Obまでの距離を計測することができる。つまり、物体Obが相対的に移動している場合でも同じ時刻における距離を求めることができる。
If the exposure time Pe is changed to 12 ms, 4 ms, and 2 ms using one photodetecting element, a light-receiving output with the same exposure time Pe can be obtained, but one readout time Pr is 8 ms. Therefore, as shown in FIG. 3B, it takes 42 ms to obtain three types of light reception outputs. On the other hand, in the configuration of the present embodiment, three kinds of received light output amounts can be obtained in 26 ms as shown in FIG. 3A, and the present embodiment generates one distance image. The time required for this can be shortened, resulting in an increase in the amount of information obtained within a unit time. In addition, in the present embodiment, since there is no time difference between the three types of light reception outputs, the distance to the object Ob can be measured under the same conditions while using the light reception outputs of the three
なお、図2に示す関係から明らかなように、各強度範囲Sa,Sb,Scの上限値はべき乗の関係で増加する。つまり、飽和閾値Tsと不感閾値Tiとを用い、最小の強度範囲Saの上限値をVaとすれば、(Ts/Ti)n・Vaという関係で表すことができるから、12ms、4ms、2msの露光時間Peに相当するように感度を調整する代わりに、8ms、4ms、2msの露光時間Peに相当する関係としたり、10ms、4.4ms(=2×50.5)、2msの露光時間Peに相当する関係としたりすればよい。 As is clear from the relationship shown in FIG. 2, the upper limit values of the intensity ranges Sa, Sb, and Sc increase with a power relationship. That is, if the saturation threshold Ts and the dead threshold Ti are used and the upper limit value of the minimum intensity range Sa is Va, it can be expressed by the relationship of (Ts / Ti) n · Va. Instead of adjusting the sensitivity to correspond to the exposure time Pe, a relationship corresponding to an exposure time Pe of 8 ms, 4 ms, 2 ms, or an exposure time of 10 ms, 4.4 ms (= 2 × 5 0.5 ), 2 ms A relationship corresponding to Pe may be used.
(実施形態2)
実施形態1では、光路制御要素11において透過率および反射率が一定で光路を2分岐させる部分透過ミラーからなる光分岐部12a,12bを用いたが、本実施形態では、光を透過させる状態と反射させる状態とを選択可能であり、光路を2系統に切り替える光分岐部12a,12bを用いている。光分岐部12a,12bの配置は、図1に示した実施形態1と同様であるものとする。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the optical path control
本実施形態で用いる光分岐部12a,12bは、調光ミラー(特開昭60−247226号公報等参照)として知られており、エレクトリッククロミック材料に印加する電圧を変化させることにより、光を反射させる状態と透過させる状態とを切り替えることができる。
The
本実施形態では、タイミング制御部3から各光分岐部12a,12bの透過と反射とを選択する信号を出力する(図示せず)。したがって、各光分岐部12a,12bの透過と反射とを選択することにより、各光検出素子1a,1b,1cに択一的に光を導入することが可能になる。具体的には、光分岐部12aを反射の状態にすれば光分岐部12bの状態にかかわらず光検出素子1aにのみ光が導入され、光分岐部12aを透過の状態として光分岐部12bを反射の状態とすれば光検出素子1bにのみ光が導入され、光分岐部12a,12bをともに透過の状態とすれば光検出素子1cにのみ光が導入される。
In the present embodiment, the
実施形態1では各光分岐部12a,12bにおける反射率および透過率を調節することにより、各光検出素子1a,1b,1cに対する光の強度について分配比率を調節しているが、本実施形態における光分岐部12a,12bは反射と透過とを選択するのみであって、一種のシャッタとしての機能しか持たないから、光の強度について分配比率を調節することはできない。ただし、光分岐部12a,12bはシャッタとして機能するから、露光時間によって光の分配比率を調節することは可能である。
In the first embodiment, the distribution ratio is adjusted with respect to the light intensity with respect to each of the
そこで、図4に示すように、各光検出素子1a,1b,1cの露光時間が異なるように光分岐部12a,12bを制御することに加え、光検出素子1a,1b,1cの露光時間Teの一部に他の光検出素子1a,1b,1cの読出時間Trを重複させている。図示例では、実施形態1と同様に、各光検出素子1a,1b,1cの実質的な露光時間Teが12ms,4ms,2msになるように光分岐部12a,12bを制御している。読出時間Trは8msであって、光検出素子1b,1cの露光時間Teの合計が6msであるから、この関係では光検出素子1aの読出時間Teにおいて光検出素子1b,1cの露光時間Teが終了する。つまり、光検出素子1aの露光時間Teと読出時間Trとを合計した20msで、光検出素子1b,1cの露光が終了する。ただし、すべての光検出素子1a,1b,1cの受光出力を読み出すのに要する時間は26msになる。
Therefore, as shown in FIG. 4, in addition to controlling the
本実施形態の構成では、各光検出素子1a,1b,1cには異なる時刻の光が入射するから、光検出素子1a,1b,1cの受光出力に含まれる情報に時間差が生じるが、1個の光検出素子のみを用いて露光時間Teと読出時間Trとを交互に繰り返す場合に比較すると、各光検出素子1a,1b,1cの受光出力に含まれる情報の時間差は少なく、またすべての光検出素子1a,1b,1cから受光出力を得るのに要する時間も短くなる。さらに、実施形態1の構成では最大感度に対応付けた光検出素子1aであっても、入射光の強度が光路制御要素11への入射光に対して減衰しているから、減衰分だけ露光時間を延長する必要があるのに対して、本実施形態では最大感度に対応付けた光検出素子1aへの入射光の強度が、光路制御要素11への入射光の強度とほぼ等しいから、露光時間の延長が不要である。
In the configuration of the present embodiment, since light at different times is incident on each of the
なお、光分岐部12a,12bの個数は2個に限らず、1個あるいは3個以上でもよい。3個以上設ける場合には、2分岐した後にさらに2分岐するように光分岐部を配置してもよい。また、上述した構成例では、光検出素子1bの光軸上に各光分岐部12a,12bを配置した例を示しているが、光分岐部はこの光軸とは異なる位置に配置してもよい。他の構成および動作は実施形態1と同様である。
Note that the number of the optical branching
1 光検出素子
1a,1b,1c 光検出素子
2 発光源
3 タイミング制御部
4 距離演算部(評価部)
4a 出力判定部
4b セレクタ
5 受光光学系
11 光路制御要素
11a,11b,11c プリズム
12a,12b 光分岐部
Ob 物体
DESCRIPTION OF
4a
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