特開 2024-155535 測距装置及びプログラム

(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】P2024155535

(43)【公開日】2024-10-31

(54)【発明の名称】測距装置及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/4865 20200101AFI20241024BHJP

【ＦＩ】

G01S7/4865

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023070327

(22)【出願日】2023-04-21

(71)【出願人】

【識別番号】000004651

【氏名又は名称】日本信号株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000752

【氏名又は名称】弁理士法人朝日特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】内田 景太朗

【テーマコード（参考）】

5J084

【Ｆターム（参考）】

5J084AA05

5J084CA07

5J084CA24

5J084EA07

(57)【要約】

【課題】光を走査して測距を行う測距装置において、従来よりも測距距離を長くする。
【解決手段】波長域ごとに異なる周期で強度変調させた光を物体に照射し、当該光が物体で反射したときの反射光の位相差を用いて当該物体までの距離を測定する。処理部１４は、変調部１２を制御して、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長域ごとに異なる周期で強度変調したＲ，Ｇ，Ｂの各照射光を光源１１から照射させる。次に、処理部１４は、受光部１３において光電変換されて蓄積された電荷量に基づいて、Ｒ，Ｇ，Ｂの位相差を用いてＲ，Ｇ，Ｂごとに距離を算出し、これらの距離の組を用いて現実の距離を求める。処理部１４は、これらの処理を受光部１３の撮像素子ごとに行うことにより、距離画像を生成する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

波長域ごとに異なる周期で強度変調させた光を物体に照射し、当該光が物体で反射したときの反射光の位相差を用いて当該物体までの距離を測定する測距装置。

【請求項2】

前記光は拡散光である請求項１に記載の測距装置。

【請求項3】

前記周期は人の目の時間分解能よりも短い請求項１に記載の測距装置。

【請求項4】

前記波長域はＲ，Ｇ，Ｂに相当する波長域である請求項１に記載の測距装置。

【請求項5】

前記周期を変更可能とした請求項１に記載の測距装置。

【請求項6】

コンピュータに、
波長域ごとに異なる周期で強度変調させた光を物体に照射させ、当該光が物体で反射したときの反射光の位相差を用いて当該物体までの距離を測定させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物体までの距離を測定する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

物体に光を照射してその反射光を受光するまでの時間差を用いて、その物体までの距離を測定する技術が知られている。例えば特許文献１には、測距機能を搭載したレーザープロジェクタにおいて、タイムオブフライト方式で物体を光で走査して距離画像を生成する技術が開示されている。また、特許文献２には、光を変調させて通信を行う技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－６２９８２号公報

【特許文献2】特開２０１８－１５７３９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術は、長距離に存在する物体に対する測距の用途には適さない。また、特許文献２に記載の技術は、変調光を用いた通信に関するものであり、物体までの測距を目的とした技術ではない。

【0005】

本発明は、光を走査して測距を行う測距装置において、従来よりも測距距離を長くすることを目的の１つとする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、波長域ごとに異なる周期で強度変調させた光を物体に照射し、当該光が物体で反射したときの反射光の位相差を用いて当該物体までの距離を測定する測距装置を第１の態様として提供する。第１の態様の測距装置によれば、単一波長の光を用いた測距に比べて、測距距離を長くすることが可能となる。

【0007】

本発明は、前記光は拡散光である測距装置を第２の態様として提供する。第２の態様の測距装置によれば、広域な空間に対して短期間での測距が可能となる。

【0008】

本発明は、前記周期は人の目の時間分解能よりも短い測距装置を第３の態様として提供する。第３の態様の測距装置によれば、人の目に対するちらつきを抑制する。

【0009】

本発明は、前記波長域はＲ，Ｇ，Ｂに相当する波長域である測距装置を第４の態様として提供する。第４の態様の測距装置によれば、人の目には白色光に見えるようになるので、例えば車両のヘッドライトとして利用可能となる。

【0010】

本発明は、前記周期を変更可能とした測距装置を第５の態様として提供する。第５の態様の測距装置によれば、測距精度又は測距距離を調整することが可能となる。

【0011】

本発明は、コンピュータに、波長域ごとに異なる周期で強度変調させた光を物体に照射させ、当該光が物体で反射したときの反射光の位相差を用いて当該物体までの距離を測定させるためのプログラムを第６の態様として提供する。第６の態様のプログラムによれば、単一波長の光を用いた測距に比べて、測距距離を長くすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の実施形態に係る測距装置１０の構成の一例を示す図。

【図2】同実施形態に係る処理部１４のハードウェア構成の一例を示す図。

【図3】タイムフライト方式の測距の原理を説明するタイミングチャート。

【図4】同実施形態に係るＲ，Ｇ，Ｂの各照射光のタイミングチャート。

【図5】同実施形態に係るＲ，Ｇ，Ｂの各反射光のタイミングチャート。

【図6】同実施形態に係る処理部１４の動作の一例を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0013】

＜実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る測距装置１０の構成の例を示す図である。この測距装置１０は、例えば列車や自動車等の車両に搭載されており、その車両の進行方向の空間に対して光走査してその空間に存在する物体Ｏまでの距離を測定する。測距装置１０は、光源１１と、変調部１２と、受光部１３と、処理部１４とを備えている。

【0014】

光源１１は、例えばＲ（レッド），Ｇ（グリーン），Ｂ（ブルー）というように、予め決められた波長域に相当する光（以下、照射光という）を照射する。これらＲ，Ｇ，Ｂの各照射光は、広範囲且つ短時間の測距を可能とするべく、拡散光であることが望ましい。

【0015】

変調部１２は、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長域ごとに異なる周期で、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照射光を強度変調する。このときのＲ，Ｇ，Ｂの各照射光の周期は、人の目の時間分解能よりも短い周期である。本実施形態では、例えば、Ｒの照射光の周期がＴｒ＝９０ｎｓであり、Ｇの照射光の周期がＴｇ＝１２０ｎｓであり、Ｂの照射光の周期がＴｂ＝１２５ｎｓであるが、必ずしもこの例示に限定されない。人の目の時間分解能よりも短い周期のＲ，Ｇ，Ｂの照射光が照射されるから、人の目では、ちらつきが抑えられるとともに、これらＲ，Ｇ，Ｂが合成された白色光として認識されることになる。

【0016】

受光部１３は、所要の解像度に応じた十分な数の撮像素子を備えている。これら各撮像素子はそれぞれ、Ｒ，Ｇ，Ｂのカラーフィルタを有する。受光部１３は、Ｒ，Ｇ，Ｂの照射光が物体で反射した反射光をＲ，Ｇ，Ｂごとに受光する。

【0017】

処理部１４は、いわゆるタイムオブフライト方式の測距を行う。具体的には、処理部１４は、Ｒ，Ｇ，Ｂの照射光とその反射光との位相差（つまり時間差）を距離に換算して、物体までの距離を表す画像である距離画像を生成する。

【0018】

処理部１４は、図２に示すように、プロセッサ１４１、メモリ１４２及びストレージ１４３を備えたコンピュータとして構成されている。プロセッサ１４１は、メモリ１４２からプログラムを読出して実行することにより処理部１４を制御する。

【0019】

プロセッサ１４１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）である。また、プロセッサ１４１は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）であってもよいし、ＦＰＧＡを含んでもよい。また、このプロセッサは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、又は他のプログラマブル論理デバイスを有してもよい。

【0020】

メモリ１４２は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などの少なくとも１つによって構成されてもよい。メモリ１４２は、レジスタ、キャッシュ、メインメモリ（主記憶装置）などと呼ばれてもよい。メモリ１４２は、本実施形態に係る方法を実施するために実行可能なプログラム（プログラムコード）、ソフトウェアモジュールなどを保存することができる。

【0021】

ストレージ１４３は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体であり、例えば、光ディスク、ハードディスクドライブ、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、スマートカード、フラッシュメモリ、などの少なくとも１つによって構成されてもよい。

【0022】

ここで、図３は、タイムオブフライト方式の測距の原理を説明する図である。図３の例では、照射光の強度変調の周波数ｆを１０ＭＨｚとし、Ｄｕｔｙを５０％とする。図３の上方に示したタイミングチャートは、照射光の強度の時系列変化を示しており、図３の下方に示したタイミングチャートは、その反射光の強度の時系列変化を示している。照射光が照射されたタイミングからその反射光が受光されたタイミングまでは、物体までの距離に比例した光の進行時間分だけ遅れることになる。

【0023】

この光の照射から受光までの時間的な遅れを位相差として、物体までの距離を受光部の画素（撮像素子）毎に算出する。具体的には、各撮像素子において、フォトダイオードで光電変換された電荷をＬＥＤ（Light-Emitting Diode）の変調に同期して、複数の電荷蓄積部に振り分ける。図３の例では、０°、９０°、１８０°、２７０°という位相に応じた４つの電荷蓄積部に電荷を振り分ける。ここで、位相０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣ１とし、位相９０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣ２とし、位相１８０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣ３とし、位相２７０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣ４としたとき、位相差φは次式により算出される。

【0024】

φ＝Ａｔａｎ（（Ｃ２－Ｃ４）／（Ｃ１－Ｃ３））

【0025】

さらに、物体までの距離Ｄは位相差φを用いて次式により算出される。
Ｄ＝（φ／２π）×（ｃ／２ｆ）
ただし、ｃは光速である３×１０8ｍ／ｓとする。

【0026】

ここで、前述したように強度変調の周波数ｆ＝１０ＭＨｚであるから、周期Ｔ＝１／ｆ＝１００ｎｓとなる。よって、１周期に相当する１００ｎｓで光が進行する距離Ｌは、次式で算出される。
Ｌ＝ｃ×Ｔ＝３×１０⁸×１００×１０^-9＝３０ｍ

【0027】

物体に照射されて反射するまでの光の進行距離は、物体までの距離の２倍となる。よって、上記条件においては、３０ｍ／２＝１５ｍまでの距離の範囲内にある物体までに対する測距が可能である。一方、１５ｍより遠い距離にある物体については、照射光と反射光との位相差が１周期以上ずれることになるため、正確な距離を測定することができない。例えば、現実には１５ｍ離れた位置にある物体までの距離を０ｍであると誤認識してしまったり、また、現実には２０ｍ離れた位置にある物体までの距離を５ｍであると誤認識してしまったりする。

【0028】

そこで、本実施形態では、Ｒ，Ｇ，Ｂごとに異なる周期で強度変調させた照射光を用いる。つまり、前述したように、例えばＲの照射光の周期Ｔｒ＝９０ｎｓとし、Ｇの照射光の周期Ｔｇ＝１２０ｎｓとし、Ｂの照射光の周期Ｔｂ＝１２５ｎｓとする。

【0029】

ここで、図４は、周期Ｔｒ＝９０ｎｓ、Ｔｇ＝１２０ｎｓ、Ｔｂ＝１２５ｎｓという異なる周期で強度変調させたＲ，Ｇ，Ｂの照射光の強度の時系列変化を示しており、図５は、その反射光の強度の時系列変化を示している。なお、図４において、Ｄｕｔｙは５０％である。

【0030】

この場合、Ｒの照射光が１周期で進行する距離Ｌｒ、Ｇの照射光が１周期で進行する距離Ｌｇ、Ｂの照射光が１周期で進行する距離Ｌｂはそれぞれ次式で算出される。
Ｌｒ＝ｃ×Ｔ＝３×１０⁸×９０×１０^-9＝２７ｍ
Ｌｇ＝ｃ×Ｔ＝３×１０⁸×１２０×１０^-9＝３６ｍ
Ｌｂ＝ｃ×Ｔ＝３×１０⁸×１２５×１０^-9＝３７．５ｍ

【0031】

受光部１３は、Ｒ，Ｇ，Ｂごとに、０°、９０°、１８０°、２７０°という位相に応じた４つの電荷蓄積部に電荷を振り分ける。ここで、Ｒにおいて、位相０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｒ１とし、位相９０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｒ２とし、位相１８０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｒ３とし、位相２７０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｒ４としたとき、位相差φｒは次式により算出される。
φｒ＝Ａｔａｎ（（Ｃｒ２－Ｃｒ４）／（Ｃｒ１－Ｃｒ３））

【0032】

同様に、Ｇにおいて、位相０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｇ１とし、位相９０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｇ２とし、位相１８０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｇ３とし、位相２７０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｇ４としたとき、Ｇにおける位相差φｇは次式により算出される。
φｇ＝Ａｔａｎ（（Ｃｇ２－Ｃｇ４）／（Ｃｇ１－Ｃｇ３））

【0033】

同様に、Ｂにおいて、位相０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｂ１とし、位相９０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｂ２とし、位相１８０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｂ３とし、位相２７０°に対応する電荷蓄積部に蓄積された電荷量をＣｂ４としたとき、Ｂにおける位相差φｂはそれぞれ次式により算出される。
φｂ＝Ａｔａｎ（（Ｃｂ２－Ｃｂ４）／（Ｃｂ１－Ｃｂ３））

【0034】

処理部１４は、これらＲ，Ｇ，Ｂの位相差φｒ、φｇ、φｂをそれぞれ用いてＲ，Ｇ，Ｂごとに距離を算出し、さらに、これらの距離の組を用いて現実の距離を求める。例えば現実には２７ｍ離れた位置にある物体までの距離は、照射光Ｒで測定した場合には０ｍとなるが、照射光Ｇ，Ｂでそれぞれ測定した場合には２７ｍとなる。また、例えば現実には５００ｍ離れた位置にある物体までの距離は、照射光Ｒで測定した場合には１４ｍとなり、照射光Ｇで測定した場合には３２ｍとなり、照射光Ｇで測定した場合には１２．５ｍとなる。また、例えば現実には１０００ｍ離れた位置にある物体までの距離は、照射光Ｒで測定した場合には１ｍとなり、照射光Ｇで測定した場合には２８ｍとなり、照射光Ｇで測定した場合には２５ｍとなる。そして、現実には１３５０ｍ離れた位置にある物体までの距離は、照射光Ｒで測定した場合には０ｍとなり、照射光Ｇで測定した場合には０ｍとなり、照射光Ｇで測定した場合には０ｍとなる。

【0035】

つまり、処理部１４は、Ｌｒ＝２７ｍ、Ｌｇ＝３６ｍ、Ｌｂ＝３７．５ｍの最小公倍数である１３５０ｍ未満の距離であれば、Ｒ，Ｇ，Ｂごとに算出した距離の組が、現実の距離に固有の値の組み合わせとなるから、現実の距離を求めることが可能である。一方、１３５０ｍ以上の距離は測定することができないことになるが、Ｒ，Ｇ，Ｂをそれぞれ単独で用いたときの算出可能距離２７ｍ、３６ｍ、３７．５ｍに比較して格段に長い距離を測定することが可能となる。なお、処理部１４は、上記のように位相差φｒ、φｇ、φｂからＲ，Ｇ，Ｂごとの距離を算出し、さらに、これらの距離の組から換算アルゴリズムを用いて現実の距離を求めてもよいし、位相差φｒ、φｇ、φｂの組から換算アルゴリズムを用いて現実の距離を求めるようにしてもよい。

【0036】

図６は、処理部１４の動作の一例を示すフローチャートである。処理部１４は、変調部１２を制御して、Ｒ，Ｇ，Ｂの波長域ごとに異なる周期で強度変調したＲ，Ｇ，Ｂの各照射光を光源１１から照射させる（ステップＳ１０１）。

【0037】

次に、処理部１４は、受光部１３において光電変換されて蓄積された電荷量に基づいて、Ｒ，Ｇ，Ｂの位相差を用いてＲ，Ｇ，Ｂごとに距離を算出し、これらの距離の組を用いて現実の距離を求める。処理部１４は、これらの処理を受光部１３の撮像素子ごとに行うことにより、画素ごとに距離が算出された距離画像を生成する（ステップＳ１０２）。以上の処理は照射光が照射されるたび（つまり光走査のたび）に行われる。

【0038】

本実施形態によれば、単一波長の照射光を用いた場合に比べて、測距可能な奥行き方向の距離を長くすることが可能となる。また、拡散光を用いることで、幅方向に広範囲で且つ短時間での測距が可能となる。

【0039】

また、Ｒ，Ｇ，Ｂの照射光を人間の目の分解能よりも短い周期で変調させることで、人の目に対するちらつきを抑制する。さらに、人の目にはＲ，Ｇ，Ｂが合成された白色光に知覚されるため、例えば車両のヘッドライトのような照明光として使用することも可能となる。

【0040】

＜変形例＞
以上が実施形態の説明であるが、この実施形態の内容は以下のように変形し得る。また、以下の変形例は組み合わされてもよい。

【0041】

＜変形例１＞
上記実施形態では、波長域をＲ，Ｇ，Ｂに相当する波長域としていたが、これはあくまで例示過ぎず、この例示とは違う波長域を用いてもよい。

【0042】

＜変形例２＞
照射光の波長域ごとにその照射光の周期を変更可能としてもよい。このため、測距装置１０は、ユーザが照射光の周期を変更する操作を受け付ける操作部（例えばボタン、キーボード、タッチパネル、マウス等）を備える。ユーザの操作により、照射光の波長域ごとの周期の最小公倍数を大きくするように各周期を変更すれば、測距可能な距離はより長くなる。一方、照射光の波長域ごとの周期の最小公倍数を小さくするように各周期を変更した場合、測距可能な距離は短くなるものの、測距精度を向上させることができる。このように照射光の波長域ごとにその照射光の周期を変更可能とすることで、測距精度又は測距距離を調整することが可能となる。

【0043】

＜変形例３＞
本発明は、図６に示す各ステップをコンピュータに実行させるように記述されたプログラムとしても観念され得る。すなわち、このプログラムは、コンピュータに、波長域ごとに異なる周期で強度変調させた光を物体に照射し、当該光が物体で反射したときの反射光の位相差を用いて当該物体までの距離を測定させるためのプログラムである。

【符号の説明】

【0044】

１０…測距装置、１１…光源、１２…変調部、１３…受光部、１４…処理部、１４１…プロセッサ、１４２…メモリ、１４３…ストレージ、Ｏ…物体。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】