特許 7588489 物体の反射率に依存しない飛行時間

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-14

(45)【発行日】2024-11-22

(54)【発明の名称】物体の反射率に依存しない飛行時間

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/4865 20200101AFI20241115BHJP

   G01S 7/484 20060101ALI20241115BHJP

【ＦＩ】

G01S7/4865

G01S7/484

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020161608

(22)【出願日】2020-09-28

(65)【公開番号】P2021056223

(43)【公開日】2021-04-08

【審査請求日】2023-03-29

(31)【優先権主張番号】16/585,293

(32)【優先日】2019-09-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】516320322

【氏名又は名称】センサーズ・アンリミテッド・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】トゥック－ウエン グエン

【審査官】梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－１１３５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０８２３３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０５３８３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３３１７４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０５－０８７５８３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】国際公開第２０１７／００６５４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】独国特許発明第１０２０１４１１７０９７（ＤＥ，Ｂ３）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８ － ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００ － １７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／００ － ３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の照明電力レベルにおいて第１の照明パルスで物体に光を当てることと、
前記第１の照明電力レベルよりも低い第２の照明電力レベルにおいて第２の照明パルスで前記物体に光を当てることと、
前記物体から戻る前記第１の照明パルスである第１の復帰パルスの少なくとも一部を所定の閾値まで積分して、第１の復帰時間を判定することと、
前記物体から戻る前記第２の照明パルスである第２の復帰パルスの少なくとも一部を前記所定の閾値まで積分して、第２の復帰時間を判定することと、
ルックアップテーブル（ＬＵＴ）において、前記第１の復帰時間及び前記第２の復帰時間を前記物体までの距離に相関付けることと、
前記第１の復帰時間及び前記第２の復帰時間と、前記ルックアップテーブル（ＬＵＴ）を使用して、前記物体の反射率に依存せずに前記物体までの距離を判定することと、
を含む、方法。

【請求項2】

前記ＬＵＴは動作空間に限定される、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ＬＵＴは５メートルから１０メートルまでの範囲の動作空間に限定される、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記第２の照明電力レベルは前記第１の照明電力レベルの８０％である、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記第１の照明パルス及び前記第２の照明パルスは、それぞれ、ガウス時間プロファイルに適合する、請求項１に記載の方法。

【請求項6】

前記ＬＵＴを使用することは、パルス毎に１つずつ、２つのサブテーブルを使用することを含み、各サブテーブルは各々の測定された進行時間を既定の実際の進行時間に相関付け、前記ＬＵＴを使用することは、相互に最もマッチする前記サブテーブルのそれぞれにおける既定の実際の進行時間を特定することを含み、前記物体までの実際の距離を計算するために前記実際の進行時間を使用できる、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

第１の照明光源及び第２の照明光源で前記物体に光を当てることを繰り返すことによって、前記物体までの距離を更新することと、前記第１の復帰パルス及び前記第２の復帰パルスを積分することと、前記物体までの距離を判定することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

２つの異なるレベルの照明電力でシーンに光を当てるように構成される照明器と、
前記照明器からの照明を感知するセンサと、
前記照明器及び前記センサに動作可能に接続されるコントローラであって、前記センサ及び前記照明器を前記２つの異なるレベルの照明電力で使用して、物体の反射率に依存せずに前記物体までの範囲を測るように構成される、前記コントローラと、を備え、
前記コントローラは機械可読命令を含み、前記機械可読命令は、前記コントローラに、
前記照明器を使用して、第１の照明電力レベルにおいて第１の照明パルスで物体に光を当てることと、
前記照明器を使用して、前記第１の照明電力レベルよりも低い第２の照明電力レベルにおいて第２の照明パルスで前記物体に光を当てることと、
前記センサを使用して、前記物体から戻る前記第１の照明パルスである第１の復帰パルスの少なくとも一部を所定の閾値まで積分して、第１の復帰時間を判定することと、
前記センサを使用して、前記物体から戻る前記第２の照明パルスである第２の復帰パルスの少なくとも一部を前記所定の閾値まで積分して、第２の復帰時間を判定することと、
ルックアップテーブル（ＬＵＴ）において、前記第１の復帰時間及び前記第２の復帰時間を前記物体までの距離に相関付けることと、
前記第１の復帰時間及び前記第２の復帰時間と、前記ルックアップテーブル（ＬＵＴ）を使用して、前記物体の反射率に依存せずに前記物体までの距離を判定することと、を行わせるように構成された、システム。

【請求項9】

前記ＬＵＴは動作空間に限定される、請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

前記ＬＵＴは５メートルから１０メートルまでの範囲の動作空間に限定される、請求項９に記載のシステム。

【請求項11】

前記第２の照明電力レベルは前記第１の照明電力レベルの８０％である、請求項８に記載のシステム。

【請求項12】

前記第１の照明パルス及び前記第２の照明パルスは、それぞれ、ガウス時間プロファイルに適合する、請求項８に記載のシステム。

【請求項13】

前記ＬＵＴを使用することは、パルス毎に１つずつ、２つのサブテーブルを使用することを含み、各サブテーブルは各々の測定された進行時間を既定の実際の進行時間に相関付け、前記ＬＵＴを使用することは、相互に最もマッチする前記サブテーブルのそれぞれにおける既定の実際の進行時間を特定することを含み、前記物体までの実際の距離を計算するために前記実際の進行時間を使用できる、請求項８に記載のシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（連邦政府支援の研究または開発に関する記載）
本発明は、「ＮＩＧＨＴ ＶＩＳＩＯＮ ＬＡＢ ＡＮＤ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ ＳＥＮＳＯＲ ＤＩＲＥＣＴＯＲＡＴＥ」（米国陸軍）によって与えられた契約番号４００１０７９１の下、政府支援により作られたものである。政府は、本発明の特定の権利を有する。

【0002】

本開示は、画像化に関し、より詳細には、光学視差式距離計及びライダー（ＬＩＤＡＲ）システム等の飛行時間の画像化に関する。

【背景技術】

【0003】

発光式飛行時間（ＴｏＦ）深度感知適用では、深度または距離の情報は、光パルスの進行時間に基づいて計算される。再調整されたパルスが積分され閾値を超えると、受信ピクセルが戻された光の受信をマークする。反射率が不明な物体は、システムの深度精度を著しく損なう可能性がある。反射率の高い物体は、同じ距離にある反射率の低い物体よりも近くに見える。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来技術は、その意図された目的を満たすと考えられてきた。しかしながら、飛行時間を判定するためのシステム及び方法の改善の必要性が絶えず存在している。本開示は、この必要性に対する解決策を提供している。

【課題を解決するための手段】

【0005】

方法は、第１の照明電力レベルにおいて第１の照明パルスで物体に光を当てることと、第１の照明電力レベルと異なる第２の照明電力レベルにおいて第２の照明パルスで物体に光を当てることと、物体から戻る第１の照明パルスである第１の復帰パルスの少なくとも一部を積分して、第１の復帰時間を判定することと、物体から戻る第２の照明パルスである第２の復帰パルスの少なくとも一部を積分して、第２の復帰時間を判定することと、を含む。本方法は、第１の復帰時間及び第２の復帰時間を使用して、物体の反射率に依存せずに物体までの距離を判定することを含む。

【0006】

時間差を使用して物体までの距離を判定することは、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）を使用して第１の復帰時間及び第２の復帰時間を物体までの距離に相関付けることを含み得る。ＬＵＴは５メートルから１０メートルまでの範囲の動作空間等の動作空間に限定され得る。

【0007】

第２の照明電力レベルは第１の照明電力レベルの８０％であり得る。第１の照明パルス及び第２の照明パルスは、それぞれ、ガウス時間プロファイルに適合し得る。ＬＵＴを使用することは、パルス毎に１つずつ２つのサブテーブルを使用することを含み得、各サブテーブルは各々の測定された進行時間を既定の実際の進行時間に相関付け、ＬＵＴを使用することは、相互に最もマッチするサブテーブルのそれぞれにおける既定の実際の進行時間を特定することを含み、物体までの実際の距離を計算するために実際の進行時間を使用できる。本方法は、第１の照明光源及び第２の照明光源で物体に光を当てることを繰り返すことによって、物体までの距離を更新することと、第１の復帰パルス及び第２の復帰パルスを積分することと、時間差を判定することと、物体までの距離を判定することと、を含み得る。

【0008】

システムは、２つの異なるレベルの照明電力においてシーンに光を当てるように構成される照明器と、照明器からの照明を感知するセンサとを含む。コントローラは、照明器及びセンサに動作可能に接続される。コントローラは、センサ及び照明器を２つの異なるレベルの照明電力で使用して、物体の反射率に依存せずに物体までの範囲を測るように構成される。コントローラは、照明器及びセンサを使用して、上記に開示した方法を実施するように構成される機械可読命令を含み得る。

【0009】

主題の開示のシステム及び方法のこれら及び他の特徴は、図面と併せて解釈される以下の好ましい実施形態の詳細な説明から、当業者により容易に明らかになる。

【0010】

主題の開示に関係する当業者は、過度に試験をしないで主題の開示のデバイス及び方法を作成及び使用する方法を容易に理解できるように、特定の図面を参照して、本明細書で下記に、その好ましい実施形態を詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】照明器、センサ、及びコントローラを示す、本開示に従って構造化されるシステムの実施形態の概略的斜視図である。

【図2】図１のシステムを使用してプロセスを示す、本開示に従った方法を示す図である。

【図3】図２に示されるＬＵＴ手順についてより詳細に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

ここで図面を参照するが、同様の参照番号は、主題の開示の同様の構造的特徴または態様を識別する。限定ではなく説明及び例示の目的で、本開示に従ったシステムの実施形態の部分図が図１に示され、全体的に参照文字１００によって示される。本開示に従ったシステムの他の実施形態またはその態様は説明されるように図２～図３に提供される。本明細書に説明されるシステム及び方法は、レーザ式距離測定またはＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）等で、物体の反射率に依存せずに物体までの距離を測るために使用できる。

【0013】

システム１００は、２つの異なるレベルの照明電力においてシーンに光を当てるように構成される照明器１０２を含む。図２の光の円錐１０６は、照明器１０２からの照明を示す。システム１００は、また、照明器１０２からの照明を感知するセンサ１０４を含む。図１の破線によって示されるように、センサは、物体１１０から反射される照明器１０２からの照明パルスの戻りを検出できる。反射パルスの戻りのタイミングは、物体１１０とシステム１００との間の範囲を判定するために使用される。コントローラ１０８は、照明器１０２及びセンサ１０４に動作可能に接続される。コントローラ１０８は、センサ１０４及び照明器１０２を２つの異なるレベルの照明電力で使用して、物体１１０の反射率に依存せずに物体１１０までの範囲を測るように構成される。コントローラ１０８は、照明器１０２及びセンサ１０４を使用して、本明細書に開示される方法を実施するように構成される機械可読命令を含み得る。

【0014】

ここで図２を参照すると、方法１１２は、ボックス１１４によって示されるように、第１の照明電力レベルにおいて第１の照明パルスで物体に光を当てることを含む。方法１１２は、また、図２のボックス１１６によって示されるように、第１の照明電力レベルよりも低い第２の照明電力レベルにおいて第２の照明パルスで物体に光を当てることを含み、パルスは時間関数としてガウス時間プロファイル曲線として表され、第２のパルスのピーク照明電力レベル（ボックス１１６）は第１のパルスのピーク電力レベル（ボックス１１４）の８０％であることに留意されたい。当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、２つのパルス間の任意の他の適切な電力比を使用できることを容易に認識する。

【0015】

方法１１２は、ボックス１１８の積分によって示されるように、物体から戻る第１の照明パルスである第１の復帰パルスを少なくとも部分的に積分して、第１の復帰時間を判定することを含む。物体から戻る第２の照明パルスである復帰パルスは、ボックス１２０に示されるような第２の復帰時間を判定するために（少なくとも部分的に）同様に積分できる。これらの積分のそれぞれは、例えば、同じ閾値が両方のパルスに使用される場合、所定の閾値まで積分することを含み得る。本方法は、第１の復帰時間及び第２の復帰時間を使用して、物体の反射率に依存せずに、ボックス１２２に示されるような物体までの距離を判定することを含む。

【0016】

第１の復帰時間及び第２の復帰時間を使用して物体までの距離を判定することは、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）１２４を使用して第１の復帰時間及び第２の復帰時間を物体までの距離に相関付けることを含み得る。ＬＵＴ１２４は、物体に実際の時間１２６（すなわち、物体が１００％の反射率を有する場合にパルスが物体から戻るのにかかる時間）を提供できる。この実際の時間１２６は、物体の反射率に依存せずに、物体までの実際の距離を計算するために使用できる。ＬＵＴ１２４は、５メートルから１０メートルの範囲の動作空間等の動作空間、または所与の用途のための他の任意の適切な範囲に限定できる。

【0017】

ここで図３を参照すると、ＬＵＴを使用することは、パルス毎に１つずつ、２つのサブテーブル１２８及び１３０を使用することを含み得る。サブテーブル１２８、１３０のそれぞれは、縦軸上の各々の測定された進行時間を、既定の実際の進行時間と相関付ける。実際の進行時間は横軸に沿って位置する。サブテーブル１２８及び１３０は、次の方程式を使用してガウス時間プロファイルに関して生成でき、
Ｖａｌ＝１＋ｅｒｆ（Ｂ^0.5（ｔ_i－Δｔ））
ここで、Ｖａｌは、ｔ_i（測定または記録された進行時間）とΔｔ（ゼロを中心とする最初の開始パルスからカウントされた実際の進行時間）の所与の組み合わせのサブテーブル値であり、ｅｒｆ（）はガウス誤差関数を指し、Ｂは次の方程式によって与えられ、
Ｂ＝（４ ｌｎ（２））／（ｗ²）
ここで、ｗは所与のガウス時間プロファイルの半値全幅である。上記のＶａｌを計算するための方程式を使用して、２次元配列は、ｔ_iとΔｔの値を（所望の動作範囲に対応する）値の範囲にわたって変動させることによって作られることができる。これは、パルスで使用される２つの異なる電力レベルで行われ、２つのサブテーブル１２８及び１３０を作ることができる。

【0018】

２つのサブテーブル１２８、１３０を使用するために、図２の方法１１２は、入力として第１の測定された復帰時間及び第２の測定された復帰時間を取る。（図３の両方向矢印で示されるような）サブテーブル１２８、１３０のそれぞれの行１３２、１３４の各々を分析し、行１３２、１３４に沿った垂直位置１３６を判定し、テーブルの値（上記の方程式から得たＶａｌ）は、２つのサブテーブル１２８、１３０に可能な限り近くなる。サブテーブル１２８または１３０のいずれかからの垂直位置１３６は、距離測定で使用するために計算された実際の時間である。ＬＵＴ１２４を使用することにより、コントローラ１０８（図１に示される）が誤差関数を実行する必要を回避することを可能にし、したがって計算費用を節約する。当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく他のパルス形状を使用でき、ＬＵＴ１２４が適切に修正されることを容易に認識する。本方法は、例えば、図２～図３に示されるプロセスを繰り返すことによって、物体までの距離を更新することを含み得る。当業者は、ＬＵＴ１２４及び関連プロセスが、ハードウェアがｅｒｆ誤差関数を実行することを要求することを回避することが望ましい画像化プラットフォームで使用できるが、本開示の範囲から逸脱することなく、ハードウェアが許可される場合、ｅｒｆを簡単に使用することが可能であることを容易に認識する。

【0019】

上記に説明し及び図面に示されるように本開示の方法及びシステムは、表面反射率に依存しない距離測定を提供する。本主題の開示の装置及び方法が好ましい実施形態を参照して示され及び説明されているが、当業者は、本主題の開示の範囲から逸脱することなく、本実施形態に変更及び／または修正がなされることを容易に認識する。

【図1】

【図2】

【図3】