特開 2023-116125 測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023116125

(43)【公開日】2023-08-22

(54)【発明の名称】測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/481 20060101AFI20230815BHJP

【ＦＩ】

G01S7/481 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022018733

(22)【出願日】2022-02-09

(71)【出願人】

【識別番号】000001133

【氏名又は名称】株式会社小糸製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】林 幸雄

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 義朗

(72)【発明者】

【氏名】曽根 秀倫

(72)【発明者】

【氏名】本橋 和也

(72)【発明者】

【氏名】春瀬 祐太

【テーマコード（参考）】

5J084

【Ｆターム（参考）】

5J084AA05

5J084AD01

5J084BA04

5J084BA06

5J084BA07

5J084BA36

5J084BA39

5J084BA40

5J084BA49

5J084BA50

5J084BB02

5J084BB04

5J084BB28

5J084CA03

5J084DA08

5J084EA04

(57)【要約】

【課題】解像度を向上できる測定装置を提供すること。
【解決手段】対象物に向けて光を発光する発光素子を有する発光部と、前記対象物に反射された前記発光部の光を受光する受光素子と、を備え、前記発光素子の第１方向における瞬時画角は、前記受光素子の前記第１方向における瞬時画角より小さい、測定装置。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象物に向けて光を発光する発光素子を有する発光部と、
前記対象物に反射された前記発光部の光を受光する受光素子と、を備え、
前記発光素子の第１方向における瞬時画角は、前記受光素子の前記第１方向における瞬時画角より小さい、測定装置。

【請求項2】

前記発光部は、前記発光素子として、前記第１方向に並んだ複数の第１発光素子を有し、
前記受光素子は、前記第１方向に並ぶ前記複数の第１発光素子の反射光を受光可能である、請求項１に記載の測定装置。

【請求項3】

前記発光部は、前記発光素子として、前記第１方向に交差する第２方向に並ぶ複数の第２発光素子を有し、
前記受光素子は、前記第２方向に並ぶ前記複数の第２発光素子の反射光を受光可能である、請求項２に記載の測定装置。

【請求項4】

前記発光部は、発光を行う度に、発光させる前記発光素子を切り替える、請求項２または３に記載の測定装置。

【請求項5】

前記発光素子から出射した光を前記第１方向及び前記第１方向に交差する第２方向の少なくとも１つの方向に走査する走査部をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項6】

前記発光部は、前記第１方向の位置が異なる第１位置及び第２位置に光を走査可能であり、
前記受光素子は、前記第１位置及び前記第２位置に照射された光の反射光を受光可能である、請求項１から５のいずれか１項に記載の測定装置。

【請求項7】

第１位置に前記発光部が光を照射したときに前記受光素子が受光した受光結果と、前記第１位置とは前記第１方向の位置が異なる第２位置に前記発光部が光を照射したときに前記受光素子が受光した受光結果と、をそれぞれ記憶する記憶部を更に有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、パルス光を射出してから反射光を受光するまでの光の飛行時間に基づいて、反射物までの距離を測定する測距装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１５２５３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ＬｉＤＡＲなどの測定装置を使用する際には、取得する画像の解像度をなるべく向上させることが好ましい。

【0005】

本発明は、上記点に鑑み、解像度を向上できる測定装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明は一態様として、対象物に向けて光を発光する発光素子を有する発光部と、前記対象物に反射された前記発光部の光を受光する受光素子と、を備え、前記発光素子の第１方向における瞬時画角は、前記受光素子の前記第１方向における瞬時画角より小さい、測定装置を提供する。

【0007】

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、解像度を向上できる測定装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態における、測定装置１の構成を示す図である。

【図2】第１実施形態における、測定装置１の機能構成の説明図である。

【図3】光源１２及び受光センサ２２の図である。なお、理解を容易にするため、裏面（－Ｚ側）からの透視図としている。

【図4】発光素子１２３、受光素子２２２、及び対称物９０における照射領域の関係を示す図である。

【図5】第１実施形態における、範囲Ｒ及び領域Ｓでの発光位置及び照射位置の時刻歴を示す図である。

【図6】測定方法の一例の説明するためのタイミングチャートである。

【図7】第２実施形態における測定装置１００の構成を示す図である。

【図8】第２実施形態における光源１１２及び受光センサ２２の図である。理解を容易にするため、裏面（－Ｚ側）からの透視図としている。

【図9】第２実施形態における、照射位置の時刻歴を示す図である。

【図10】変形例における発光素子及び受光素子の（ａ）１次元配列の例、（ｂ）１次元配列及び１次元走査の例、及び（ｃ）組み合わせ構成例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。

【0011】

＝＝＝第１実施形態＝＝＝
（概要）
図１は、第１実施形態における測定装置１の全体構成の説明図である。図２では、測定装置１における各機能部に関する機能ブロックが示されている。

【0012】

測定装置１は、対象物９０までの距離を測定する装置である。測定装置１は、測定光を出射し、対象物９０の表面で反射した反射光を検出し、測定光を出射してから反射光を受光するまでの時間を計測することによって、対象物９０までの距離をＴＯＦ方式（Time of flight）で測定する。測定装置１は、照射部１０と、受光部２０と、制御部３０と、記憶部５０とを有する。

【0013】

照射部１０は、対象物９０に向かって測定光を照射する。照射部１０は、所定の画角で測定光を照射することになる。照射部１０は、光源１２と、投光用光学系１４とを有する。光源１２は、光を出射する。光源１２は、例えば面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）により構成される。投光用光学系１４は、光源１２から出射された光を対象物９０に照射する光学系である。

【0014】

以下の説明では、投光用光学系１４の光軸（図１において一点鎖線で示す）に沿った方向をＺ方向とする。なお、測定装置１の測定対象となる対象物９０は、測定装置１に対してＺ方向に離れていることになる。また、Ｚ方向に垂直な方向であって、投光用光学系１４と受光用光学系２４の並ぶ方向をＹ方向とする。また、Ｚ方向及びＹ方向に垂直な方向をＸ方向とする。

【0015】

投光用光学系１４は、光源１２から出射される光を対象物９０に向かって照射するための光学系である。投光用光学系１４の焦点面内に光源１２が配置されている。投光用光学系１４は、光源１２の発光素子１２３（後述）から射出された光をコリメート光として対象物９０に照射する。投光用光学系１４は、複数枚（例えば５～７枚）のレンズで構成されたレンズ群によってそれぞれ構成される（図１では、投光用光学系１４のレンズ群が簡易的に示されている）。

【0016】

受光部２０は、対象物９０からの反射光を受光する。受光部２０は、対象物９０からの反射光を受光することになる。受光部２０は、受光センサ２２と、受光用光学系２４とを有する。

【0017】

受光用光学系２４は、対象物９０からの反射光を受光センサ２２に受光させるための光学系である。受光用光学系２４の焦点面内に受光センサ２２が配置されている。受光用光学系２４は、対象物９０の反射光を受光センサ２２の受光素子２２２（後述）に集光する。受光用光学系２４も、投光用光学系１４と同様に、複数枚（例えば５～７枚）のレンズで構成されたレンズ群によってそれぞれ構成されている（図１では、受光用光学系２４のレンズ群が簡易的に示されている）。

【0018】

光源１２及び受光センサ２２の詳しい構成については、後述する。

【0019】

制御部３０は、測定装置１の制御を司る（図２）。制御部３０は、照射部１０からの光の照射を制御する。また、制御部３０は、受光部２０の出力結果に基づいて、対象物９０までの距離をＴＯＦ方式（Time of flight）で測定する。制御部３０は、不図示の演算装置及び記憶装置を有する。演算装置は、例えばＣＰＵ、ＧＰＵなどの演算処理装置である。演算装置の一部がアナログ演算回路で構成されても良い。

【0020】

記憶部５０は、主記憶装置と補助記憶装置とにより構成され、プログラムやデータを記憶する装置である。記憶部５０に記憶されているプログラムを演算装置が実行することにより、対象物９０までの距離を測定するための各種処理が実行される。

【0021】

記憶部５０は、制御部３０が取得したデータを記憶することができる。例えば、受光部２０が反射光を受光して得られたデータが記憶部５０に保存され、その後の解析処理等に利用される。

【0022】

制御部３０は、設定部３２と、タイミング制御部３４と、測距部３６とを有する。設定部３２は、各種設定を行う。タイミング制御部３４は、各部の処理タイミングを制御する。例えば、タイミング制御部３４は、光源１２から光を射出させるタイミングなどを制御する。測距部３６は、対象物９０までの距離を測定する。測距部３６は、信号処理部３６２と、時間検出部３６４と、距離算出部３６６とを有する。信号処理部３６２は、受光センサ２２の出力信号を処理する。時間検出部３６４は、光の飛行時間（光を照射してから反射光が到達するまでの時間）を検出する。距離算出部３６６は、対象物９０までの距離を算出する。

【0023】

（光源及び受光センサ）
光源１２は、図３に示すように、ＸＹ平面（Ｘ方向及びＹ方向に平行な面）に平行な発光面を有する。発光面は、矩形状に構成されている。光源１２から射出された光は、投光用光学系１４を介して、対象物９０に照射される。

【0024】

光源１２は、２次元配置された複数の発光素子１２３を有している。第１実施形態では、それぞれの発光素子１２３は、制御部３０によって生成される画像の１画素に対応する。

【0025】

受光センサ２２は、図３に示すように、２次元配置された複数の受光素子２２２を有している。受光素子２２２は、受光量に応じた信号を出力する。受光素子２２２の具体例としては様々な種類の素子が考えられるが、一例としてＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）である。ＳＰＡＤで構成された受光素子２２２は、フォトンを検出するとパルス信号を出力する。発光素子１２３は投光用光学系１４を介して対象物９０に光を照射する。

【0026】

ある発光素子１２３によって発せられた光を受光する受光素子２２２の対応関係は予め決められている。詳細に述べると、１つの発光素子１２３に対して複数の受光素子２２２が反射光を受光可能に対応付けられており、或る受光素子２２２の検出位置は、対応する発光素子１２３の発光位置と共役である。

【0027】

本実施形態では、図３及び図４に示すように、４つの発光素子１２３が１つの受光素子２２２に対応付けられている。図３では、対応関係にある４つの発光素子１２３及び受光素子２２２の範囲を範囲Ｒとして太線にて示している。範囲Ｒは、ａ、ｂ、ｃ…の各行、及び、１、２、３…の各列に形成される。

【0028】

換言すれば、受光素子２２２は、対応する範囲Ｒ内に有る４つの発光素子１２３の反射光を受光することができる。例えば、ａ行１列の受光素子２２２は、ａ行１列の範囲Ｒにある４つの発光素子１２３の発光を受光、検知できる。このとき、発光素子１２３から出射した測定光は、対象物９０上の領域Ｓで反射し、対応する受光素子２２２によって受光される（図４）。

【0029】

受光素子２２２の瞬時画角は発光素子１２３の瞬時画角の２倍以上であり、受光素子２２２は、対応する４つの発光素子１２３が発した光を受光可能である。瞬時画角は、一例として発光素子１２３において０．１度と設定され、受光素子２２２において０．２度と設定される。受光素子２２２の瞬時画角が発光素子１２３の２倍以上であるため、受光素子２２２は、対応する範囲Ｒ内にある４つの発光素子１２３の光を受光できる。

【0030】

なお、発光素子１２３や受光素子２２２の数、配列または瞬時画角は、上記のものに限られない。例えば、９つの発光素子１２３に対して、１個の受光素子２２２が受光可能に対応付けられていてもよい。また、光源１２及び受光センサ２２が一次元（つまり直線状）に配列されていてもよい。いずれの構成においても、発光素子１２３の瞬時画角よりも受光素子２２２の瞬時画角は大きい。

【0031】

（測定時の処理）
測定時における、制御部３０（タイミング制御部３４）による発光素子１２３の制御は図５に示すように、各範囲Ｒにおいて実行される。制御部３０（タイミング制御部３４）は、照射部１０の光源１２に所定の周期でパルス光を出射させても良い。

【0032】

詳細に述べると、制御部３０は各範囲Ｒ内にある４つの発光素子１２３を、定められた順番、かつ、一定の周期で順次発光させる。図３及び図５の例では、各範囲Ｒにおいて＋Ｘ－Ｙ側、＋Ｘ＋Ｙ側、－Ｘ－Ｙ側、－Ｘ＋Ｙ側の発光素子１２３の発光が、一定時間間隔で順次行われ、繰り返される。これに伴い、各領域Ｓ内においても、＋Ｘ－Ｙ側、＋Ｘ＋Ｙ側、－Ｘ－Ｙ側、－Ｘ＋Ｙ側の４つの異なる位置に順次測定光が照射される。対応する受光素子２２２は、図４に示すように、４つの発光素子１２３に対応するパルス状の反射光を順次受光する。

【0033】

受光部２０による反射光の受光により得られたデータは、記憶部５０に保存されるとともに、以下のように処理される。

【0034】

図６は、測定方法の一例の説明するためのタイミングチャートである。図６の上側には、光源１２がパルス光を出射するタイミング（出射タイミング）が示されている。図６の中央には、パルス状の反射光が到達するタイミング（到達タイミング）が示されている。受光素子２２２は、受光量に応じた信号を出力する。図６の下側には、受光素子２２２の出力信号が示されている。

【0035】

制御部３０の測距部３６（信号処理部３６２）は、受光素子２２２の出力信号に基づいて、反射光の到達タイミングを検出する。例えば、信号処理部３６２は、受光素子２２２の出力信号のピークのタイミングに基づいて、反射光の到達タイミングを検出する。なお、信号処理部３６２は、外乱光（例えば太陽光）の影響を除去するため、受光素子２２２の出力信号のＤＣ成分をカットした信号のピークに基づいて、反射光の到達タイミングを求めても良い。

【0036】

次に、測距部３６（時間検出部３６４）は、光の出射タイミングと、光の到達タイミングとに基づいて、光を照射してから反射光が到達するまでの時間Ｔｆを検出する。時間Ｔｆは、測定装置１と対象物９０との間を光が往復する時間に相当する。そして、測距部３６（距離算出部３６６）は、時間Ｔｆに基づいて、対象物９０までの距離を算出する。

【0037】

上記のような処理により、制御部３０は、各発光素子１２３に対応した画素を持つ画像を生成するとともに、画素毎に対象物９０までの距離を算出し、距離画像を生成することができる。

【0038】

＝＝＝第２実施形態＝＝＝
第２実施形態による測定装置１００について、図７から図９を用いて以下に説明する。

【0039】

測定装置１００の照射部１１０は、光源１２とは構成の異なる光源１１２を備える。また、測定装置１００は、走査部４０をさらに備える（図７）。測定装置１００における、その他の構成は、測定装置１と同様である。以下では、第１実施形態の測定装置１と同様の構成または部品等に対しては同じ参照番号を付し、説明を省略する。

【0040】

走査部４０は、測定光の照射される角度を変化させることにより、測定光を走査させる機能を有する。走査方法は、フォトニック結晶、液晶などさまざまなものが採用され得る。例えば、走査部４０がガルバノスキャナやＭＥＭＳミラー等のように、回転または移動する鏡を備え、この鏡にレーザー光を反射させてレーザー光を走査させる構成とすることができる。鏡は、１以上の平面鏡でもよいし、多面体形状に形成されてもよい。あるいは、走査部４０がモータ等の駆動装置を備え、投光用光学系１４をＸＹ方向に移動させることによって測定光を走査させてもよい。

【0041】

光源１１２は発光素子１２３を備えるが、発光素子１２３の数は第１実施形態と異なり、受光素子２２２の数と同じである。図８に示すように、発光素子１２３は範囲Ｒ内に１つずつ配列され、受光素子２２２は対応する１つの発光素子１２３の光を受光可能である。

【0042】

受光センサ２２は、図８に示すように、２次元配置された複数の受光素子２２２を有している。この構成は第１実施形態と同じである。受光素子２２２は発光素子１２３と同じ行数及び同じ列数で配列される。

【0043】

測定時における制御部３０（タイミング制御部３４）による制御は図９に示すように実行される。制御部３０は、各範囲Ｒにおいて発光素子１２３を一定周期で発光させる。同時に制御部３０は、走査部４０を制御して、走査光の方向を発光素子１２３の発光の度に変更する。具体的には、図１０に示すように、領域Ｓ内の４つの異なる位置（＋Ｘ－Ｙ側、＋Ｘ＋Ｙ側、－Ｘ－Ｙ側、－Ｘ＋Ｙ側）に順次測定光を照射し、これを繰り返す。

【0044】

このように測定光の出射方向を変えることにより、１つの領域Ｓに対して４つの測定箇所に測定光を照射し、測定を実行できる。各測定箇所は、取得される画像における画素に相当する。

【0045】

信号処理部３６２の制御、及び距離画像の生成方法は、第１実施形態と同じである。

【0046】

このような処理を行うことにより、制御部３０は、発光素子１２３の数の４倍の画素数を持つ距離画像を生成し、画素毎に対象物９０までの距離を算出することができる。

【0047】

＝＝＝変形例＝＝＝
上記各実施形態では、発光素子１２３及び受光素子２２２はＸ方向及びＹ方向に２次元配列されていたが、１次元配列とできる。具体的には、図１０（ａ）の光源３１２及び受光センサ３２２に示すように、Ｘ方向またはＹ方向だけに発光素子１２３または受光素子２２２を並べてもよい。また、１つの素子（単素子）だけの構成とすることも可能である。

【0048】

また、上記各実施形態において、走査部４０は、Ｘ方向及びＹ方向に測定光を走査させていたが、１方向（１次元）に走査を実行してもよい。例えば、図１０（ｂ）の光源４１２及び受光センサ４２２に示すように、発光素子１２３をＸ方向に１次元配列し、走査部４０によって測定光をＸ方向に走査させることで、取得する画像の画素数を増加させることが可能である。

【0049】

その他変形例として、図１０（ｃ）には発光素子１２３及び受光素子２２２の配列、並びに走査部４０の走査方法の組み合わせを列挙している。これらは例示であり、それ以外の配列、走査方法も考えられる。

【0050】

＝＝＝小括＝＝＝
上記各実施形態及び変形例では、測定装置１、１００は、対象物９０に向けて光を発光する発光素子１２３を有する光源１２（発光部に相当する）と、対象物９０に反射された光源１２、１１２の光を受光する受光素子２２２と、を備え、発光素子１２３のＸ方向またはＹ方向（第１方向に相当）における瞬時画角は、受光素子２２２の第１方向における瞬時画角より小さい。

【0051】

上記構成により、受光素子２２２の数よりも多くの画素及び測定点を有する、すなわち高い解像度を有する画像を生成することが可能となる。換言すれば、画像の画素数に比較して、少ない受光素子２２２の数とし、簡易な構成で測定装置１、１００を構成することができる。

【0052】

光源１２、１１２は、第１方向に並んだ複数の発光素子１２３（第１発光素子に相当）を有し、受光素子２２２は、第１方向に並ぶ複数の発光素子１２３の反射光を受光可能である。また、発光素子１２３の第１方向における瞬時画角は、受光素子２２２の第１方向における瞬時画角よりも小さい。

【0053】

上記構成では、受光素子２２２が複数の発光素子１２３から受光するため、受光素子２２２の数よりも多くの画素及び測定点を有する、すなわち高い解像度を有する画像を生成することが可能となる。

【0054】

光源１２は、第１方向に交差する第２方向に並ぶ複数の発光素子１２３（第２発光素子に相当）を有し、受光素子２２２は、第２方向に並ぶ複数の発光素子１２３の反射光を受光可能である。

【0055】

上記構成では、２次元配列された複数の発光素子１２３の光を受光素子２２２が受光可能であるから、受光素子２２２は、２次元に配列された画素を取得することが可能である。高い解像度を有する画像を生成することが可能となる。

【0056】

光源１２は、発光を行う度に、発光させる発光素子１２３を切り替える。

【0057】

上記構成により、受光素子２２２の数よりも多くの画素及び測定点を有する、すなわち高い解像度を有する画像を生成することが可能となる。

【0058】

測定装置１００は、発光素子１２３から出射した光を第１方向及び第１方向に交差する第２方向の少なくとも１つの方向に走査する走査部４０をさらに備える。

【0059】

上記構成では走査部４０を用いて測定光を走査するため、発光素子１２３の数をさらに減少させることが可能である。

【0060】

光源１２、１１２は、第１方向において異なる位置に光を走査可能であり、受光素子２２２は、異なる位置に照射された光の反射光を受光可能である。

【0061】

上記構成とすることにより、各位置の受光結果を画素とした画像を生成することが可能となる。また、測定光を走査するため、発光素子１２３の数よりも画素数を増やし、解像度の高い画像を生成することが可能となる。

【0062】

測定装置１、１００は、第１位置に光源１２が光を照射したときに受光素子２２２が受光した受光結果と、第１位置とは第１方向の位置が異なる第２位置に光源１２が光を照射したときに受光素子２２２が受光した受光結果と、をそれぞれ記憶する記憶部５０を更に有する。

【0063】

上記構成では、異なる位置における受光結果が記憶されることにより、位置毎の受光結果を解析し、各位置の受光結果を画素とした画像を生成することが可能となる。

【0064】

以上、本発明の実施形態につき詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の実施形態の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。

【符号の説明】

【0065】

１、１００ 測定装置
１０、１１０ 照射部
１２、１１２ 光源
１４ 投光用光学系
２０ 受光部
２２ 受光センサ
２２２ 受光素子
２４ 受光用光学系
９０ 対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】