JP7762088B2 - Measuring equipment - Google Patents
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Description
本発明は、測定装置に関する。 The present invention relates to a measuring device.
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。 Patent Document 1 describes a distance measuring device that measures the distance to a reflecting object based on the time of flight of light from when a pulse of light is emitted until the reflected light is received.
特許文献1記載の装置では、ミラーを回転させることによって、光を走査させている。但し、ミラーを回転させるような可動部は、故障の原因になり易い。一方、可動部を用いずに光を照射する場合、測定可能な範囲(測定エリア)が狭くなるという課題がある。 In the device described in Patent Document 1, light is scanned by rotating a mirror. However, moving parts such as those that rotate the mirror are prone to malfunction. On the other hand, if light is irradiated without using a moving part, there is the issue that the measurable range (measurement area) becomes narrower.
本発明は、可動部を用いずに光を照射可能な測定エリアを広げることを目的とする。 The present invention aims to expand the measurement area that can be irradiated with light without using moving parts.
上記目的を達成するための本発明の一形態は、光源と、前記光源の光を測定エリアに照射する投光用光学系と、前記測定エリアからの反射光を受光する受光部と、を備え、前記光源は、第1方向に並ぶ複数の発光領域を有しており、前記投光用光学系は、前記第1方向に光軸をシフトさせた第1レンズエレメントと、前記第1レンズエレメントとは逆方向に光軸をシフトさせた第2レンズエレメントとを連結させた連結レンズを有し、前記光源の光を、前記第1レンズエレメントを介して、第1測定エリアに照射するとともに、前記光源の光を、前記第2レンズエレメントを介して、前記第1測定エリアと重複した重複エリアを含む第2測定エリアに照射し、前記複数の発光領域のうちの特定の発光領域から光を出射し、前記第1レンズエレメントを介して前記第1測定エリアの所定の領域に光を照射するとともに、前記第2レンズエレメントを介して前記第2測定エリアの所定の領域に光を照射する、測定装置である。
One form of the present invention to achieve the above-mentioned object is a measurement device comprising a light source, a light projection optical system that irradiates light from the light source onto a measurement area, and a light receiving unit that receives reflected light from the measurement area , wherein the light source has a plurality of light-emitting regions arranged in a first direction, and the light projection optical system has a coupled lens that connects a first lens element whose optical axis is shifted in the first direction and a second lens element whose optical axis is shifted in the opposite direction to the first lens element, and the light from the light source is irradiated onto a first measurement area via the first lens element, and the light from the light source is irradiated onto a second measurement area including an overlapping area that overlaps with the first measurement area via the second lens element, and light is emitted from a specific light-emitting region of the plurality of light-emitting regions, and the light is irradiated onto a predetermined region of the first measurement area via the first lens element, and the light is irradiated onto a predetermined region of the second measurement area via the second lens element .
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。 Furthermore, the problems disclosed in this application and the solutions thereto will be made clear in the detailed description and drawings.
本発明によれば、可動部を用いずに光を照射可能な測定エリアを広げることができる。 This invention makes it possible to expand the measurement area onto which light can be irradiated without using any moving parts.
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。 The following describes embodiments of the present invention with reference to the drawings. Note that in the following description, identical or similar components may be designated by common reference numerals, and redundant explanations may be omitted.
<全体構成>
図1は、測定装置1の全体構成の説明図である。
<Overall structure>
FIG. 1 is an explanatory diagram of the overall configuration of a measurement device 1.
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、いわゆるLiDAR(Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging)としての機能を有する装置である。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とを有する。 The measuring device 1 is a device that measures the distance to an object 90. The measuring device 1 is a device that functions as a so-called LiDAR (Light Detection and Ranging, Laser Imaging Detection and Ranging). The measuring device 1 emits measuring light, detects the reflected light reflected from the surface of the object 90, and measures the time from emitting the measuring light to receiving the reflected light, thereby measuring the distance to the object 90 using the TOF (Time of Flight) method. The measuring device 1 has an irradiation unit 10, a light receiving unit 20, and a control unit 30.
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、所定の画角で測定エリア50(後述)に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測定エリア50に照射する光学系である。照射部10の詳しい構成については、後述する。 The irradiation unit 10 irradiates measurement light toward the object 90. The irradiation unit 10 irradiates the measurement light onto a measurement area 50 (described below) at a predetermined angle of view. The irradiation unit 10 has a light source 12 and a light projection optical system 14. The light source 12 emits light. The light source 12 is configured, for example, by a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL). The light projection optical system 14 is an optical system that irradiates the light emitted from the light source 12 onto the measurement area 50. The detailed configuration of the irradiation unit 10 will be described later.
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、測定エリア50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。 The light receiving unit 20 receives light reflected from the object 90. The light receiving unit 20 receives light reflected from the measurement area 50. The light receiving unit 20 has a light receiving sensor 22 and a light receiving optical system 24.
制御部30は、測定装置1の制御を司る。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。記憶装置は、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。記憶装置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。図中には、各種処理の機能ブロックが示されている。 The control unit 30 is responsible for controlling the measurement device 1. The control unit 30 controls the emission of light from the emission unit 10. The control unit 30 also measures the distance to the object 90 using the TOF (Time of Flight) method based on the output results of the light receiving unit 20. The control unit 30 has a calculation unit and a storage device (not shown). The calculation unit is, for example, a calculation processing device such as a CPU or GPU. Part of the calculation unit may be composed of an analog calculation circuit. The storage device is composed of a main storage device and an auxiliary storage device, and is a device that stores programs and data. The calculation unit executes programs stored in the storage device to perform various processes for measuring the distance to the object 90. Functional blocks of the various processes are shown in the figure.
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。なお、制御部30の処理については、後述する。 The control unit 30 has a setting unit 32, a timing control unit 34, and a distance measurement unit 36. The setting unit 32 performs various settings. The timing control unit 34 controls the processing timing of each unit. For example, the timing control unit 34 controls the timing of emitting light from the light source 12. The distance measurement unit 36 measures the distance to the object 90. The distance measurement unit 36 has a signal processing unit 362, a time detection unit 364, and a distance calculation unit 366. The signal processing unit 362 processes the output signal of the light receiving sensor 22. The time detection unit 364 detects the time of flight of light (the time from when light is emitted until the reflected light arrives). The distance calculation unit 366 calculates the distance to the object 90. The processing of the control unit 30 will be described later.
<照射部10について>
図2は、照射部10の構成の説明図である。既に説明した通り、照射部10は、光源12と、投光用光学系14とを有する。
<Regarding the irradiation unit 10>
2 is an explanatory diagram of the configuration of the irradiation unit 10. As already described, the irradiation unit 10 has a light source 12 and a light projection optical system 14.
以下の説明では、投光用光学系14の光軸に沿った方向を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、連結レンズ15(後述)を構成する第1レンズエレメント151及び第2レンズエレメント152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。 In the following description, the direction along the optical axis of the light projection optical system 14 is referred to as the Z direction. Note that the object 90 to be measured by the measuring device 1 is separated from the measuring device 1 in the Z direction. The direction perpendicular to the Z direction, in which the first lens element 151 and second lens element 152 that make up the coupled lens 15 (described below) are aligned, is referred to as the Y direction. The direction perpendicular to the Z and Y directions is referred to as the X direction.
図3Aは、光源12の説明図である。
光源12は、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、測定エリア50に照射される。
FIG. 3A is an explanatory diagram of the light source 12.
The light source 12 has a light-emitting surface parallel to the XY plane (a plane parallel to the X and Y directions). The light-emitting surface is rectangular. Light emitted from the light source 12 is irradiated onto the measurement area 50 via the light-projecting optical system 14.
投光用光学系14は、連結レンズ15を有する。図4は、連結レンズ15の斜視図である。
連結レンズ15は、第1レンズエレメント151と第2レンズエレメント152とを連結させた光学部品である。第1レンズエレメント151及び第2レンズエレメント152は、凸レンズ状の部位(光学エレメント)であり、Y方向に並んで配置されている。第1レンズエレメント151の焦点距離と第2レンズエレメント152の焦点距離は同じである。また、第1レンズエレメント151及び第2レンズエレメント152は、それぞれZ方向に沿った光軸を有する。第1レンズエレメント151の光軸は、投光用光学系14(後述する投影レンズ16)の光軸に対して+Y方向にシフトされている。一方、第2レンズエレメント152の光軸は、投光用光学系14の光軸に対して-Y方向にシフトされている。つまり、第2レンズエレメント152の光軸は、第1レンズエレメント151とは逆方向にシフトされている。
The light projection optical system 14 has a coupling lens 15. FIG.
The coupled lens 15 is an optical component in which a first lens element 151 and a second lens element 152 are coupled together. The first lens element 151 and the second lens element 152 are convex lens-shaped portions (optical elements) and are arranged side by side in the Y direction. The focal length of the first lens element 151 is the same as the focal length of the second lens element 152. The first lens element 151 and the second lens element 152 each have an optical axis along the Z direction. The optical axis of the first lens element 151 is shifted in the +Y direction with respect to the optical axis of the light projection optical system 14 (projection lens 16, described later). On the other hand, the optical axis of the second lens element 152 is shifted in the −Y direction with respect to the optical axis of the light projection optical system 14. In other words, the optical axis of the second lens element 152 is shifted in the opposite direction to that of the first lens element 151.
また、投光用光学系14は、投影レンズ16を有する。投影レンズ16は、光源12と連結レンズ15との間に配置されたレンズである。投光用光学系14が投影レンズ16を有することによって、光源12の光を広い範囲の測定エリア50に投影できる。また、投光用光学系14が投影レンズ16を有することによって、光源12の光を矩形状の配光パターンにして測定エリア50に投影できる。投影レンズ16と光源12との距離は、投影レンズ16の焦点距離よりも近い。投影レンズ16から連結レンズ15に向かう光線は発散するが、凸レンズ状の第1光学エレメント及び第2光学エレメントによって、連結レンズ15から測定エリア50に向かって照射される光の広がりは抑制される(コリメート光に近い光が投光用光学系14から測定エリア50に照射される)。 The light projection optical system 14 also has a projection lens 16. The projection lens 16 is a lens positioned between the light source 12 and the connecting lens 15. By having the projection lens 16, the light from the light source 12 can be projected over a wide range of the measurement area 50. By having the projection lens 16, the light from the light source 12 can be projected onto the measurement area 50 in a rectangular light distribution pattern. The distance between the projection lens 16 and the light source 12 is shorter than the focal length of the projection lens 16. Although the light beams from the projection lens 16 toward the connecting lens 15 diverge, the convex first and second optical elements suppress the spread of the light irradiated from the connecting lens 15 toward the measurement area 50 (light close to collimated light is irradiated from the light projection optical system 14 onto the measurement area 50).
図3Bは、測定エリア50の説明図である。図5A及び図5Bは、測定エリア50の説明図である。図5Aは、光源12の光が第1レンズエレメント151を介して第1測定エリア51に照射される様子の説明図である。図5Bは、光源12の光が第2レンズエレメント152を介して第2測定エリア52に照射される様子の説明図である。 Figure 3B is an explanatory diagram of the measurement area 50. Figures 5A and 5B are explanatory diagrams of the measurement area 50. Figure 5A is an explanatory diagram of how light from the light source 12 is irradiated onto the first measurement area 51 via the first lens element 151. Figure 5B is an explanatory diagram of how light from the light source 12 is irradiated onto the second measurement area 52 via the second lens element 152.
測定エリア50は、第1測定エリア51と第2測定エリア52とにより構成される。第1測定エリア51は、第1レンズエレメント151を介して光源12の光が照射されるエリアである(言い換えると、第1レンズエレメント151は、第1測定エリア51に光源12の光を照射する光学エレメントである)。第2測定エリア52は、第2レンズエレメント152を介して光源12の光が照射されるエリアである(言い換えると、第2レンズエレメント152は、第2測定エリア52に光源12の光を照射する光学エレメントである)。第1レンズエレメント151と第2レンズエレメント152がY方向に並んで配置されているため、第1測定エリア51及び第2測定エリア52はY方向にずれて配置されている。これにより、測定エリア50をY方向に長く設定できる(言い換えると、Y方向の広い範囲に光を照射できる)。 The measurement area 50 is composed of a first measurement area 51 and a second measurement area 52. The first measurement area 51 is an area onto which light from the light source 12 is irradiated via the first lens element 151 (in other words, the first lens element 151 is an optical element that irradiates the first measurement area 51 with light from the light source 12). The second measurement area 52 is an area onto which light from the light source 12 is irradiated via the second lens element 152 (in other words, the second lens element 152 is an optical element that irradiates the second measurement area 52 with light from the light source 12). Because the first lens element 151 and the second lens element 152 are arranged side by side in the Y direction, the first measurement area 51 and the second measurement area 52 are arranged offset in the Y direction. This allows the measurement area 50 to be set long in the Y direction (in other words, light can be irradiated over a wide area in the Y direction).
本実施形態では、第1測定エリア51と第2測定エリア52が重複している。以下の説明では、第1測定エリア51と第2測定エリア52とが重複した領域のことを「重複エリア53」と呼ぶ。重複エリア53が設けられることによって、第1測定エリア51と第2測定エリア52との間に光を照射できない領域が形成されることを防止できる。 In this embodiment, the first measurement area 51 and the second measurement area 52 overlap. In the following description, the area where the first measurement area 51 and the second measurement area 52 overlap is referred to as the "overlap area 53." By providing the overlap area 53, it is possible to prevent the formation of an area between the first measurement area 51 and the second measurement area 52 where light cannot be irradiated.
図3Bに示すように、Z方向から測定エリア50を見ると、測定エリア50はX方向及びY方向に所定の画角を有する。本実施形態では、X方向の長さに対するY方向の長さの割合(いわゆるアスペクト比)は、測定エリア50の方が光源12よりも大きくなる。つまり、本実施形態では、光源12の形状と比べて、測定エリア50をY方向に長く設定できる(言い換えると、Y方向の広い範囲に光を照射できる)。 As shown in Figure 3B, when the measurement area 50 is viewed from the Z direction, the measurement area 50 has a predetermined angle of view in the X and Y directions. In this embodiment, the ratio of the length in the Y direction to the length in the X direction (the so-called aspect ratio) of the measurement area 50 is greater than that of the light source 12. In other words, in this embodiment, the measurement area 50 can be set longer in the Y direction compared to the shape of the light source 12 (in other words, light can be irradiated over a wider range in the Y direction).
図5Aに示すように、光源12の発光面のうち、第1レンズエレメント151を介して重複エリア53に照射する光を出射する領域を「第1領域121」と呼ぶ。また、図5Bに示すように、光源12の発光面のうち、第2レンズエレメント152を介して重複エリア53に照射する光を出射する領域を「第2領域122」と呼ぶ。 As shown in FIG. 5A, the region of the light-emitting surface of light source 12 that emits light to illuminate overlap area 53 via first lens element 151 is referred to as "first region 121." Also, as shown in FIG. 5B, the region of the light-emitting surface of light source 12 that emits light to illuminate overlap area 53 via second lens element 152 is referred to as "second region 122."
重複エリア53では、第1レンズエレメント151を介する光と、第2レンズエレメント152を介する光とをそれぞれ照射させることができる。光源12の第1領域121及び第2領域122を同時に発光させると、重複エリア53では、第1レンズエレメント151を介して照射された光と、第2レンズエレメント152を介して照射された光とを重畳させることができる。このため、重複エリア53では、重複エリア53を除く測定エリア50と比べて、光の照射強度を高めることができる。 In the overlapping area 53, light passing through the first lens element 151 and light passing through the second lens element 152 can be irradiated separately. When the first region 121 and the second region 122 of the light source 12 are illuminated simultaneously, the light irradiated through the first lens element 151 and the light irradiated through the second lens element 152 can be superimposed in the overlapping area 53. Therefore, the light irradiation intensity can be increased in the overlapping area 53 compared to the measurement area 50 excluding the overlapping area 53.
図3Bに示すように、照射強度が比較的高くなる重複エリア53(ハッチングが施された領域)は、測定エリア50のY方向の中央部に位置する。光源12の発光面を一括発光させることによって(つまり、光源12の第1領域121及び第2領域122を同時に発光させることによって)、図3Bに示すように、測定エリア50の中央部(重複エリア53)に照射する光の強度を高めることができる。 As shown in Figure 3B, the overlap area 53 (hatched area), where the illumination intensity is relatively high, is located in the center of the measurement area 50 in the Y direction. By collectively illuminating the light-emitting surface of the light source 12 (i.e., by simultaneously illuminating the first area 121 and the second area 122 of the light source 12), the intensity of the light irradiated onto the center of the measurement area 50 (overlap area 53) can be increased, as shown in Figure 3B.
図3Cは、測定装置1を車両に搭載した例の説明図である。図に示すように、測定装置1を車両に搭載する場合、比較的近傍では、広視野で距離を測定することが望ましい。これに対し、本実施形態では、図3Bに示すように、測定エリア50のアスペクト比を広げることができるので、広視野での距離の測定に有利である。
一方、図3Cに示すように、測定装置1を車両に搭載する場合、遠方までの距離の測定が必要とされるエリアは、比較的狭い範囲であることが許容されるが、遠方まで十分な強度の光を照射できることが望ましい。これに対し、本実施形態では、図3Bに示すように、測定エリア50の重複エリア53の光の強度を高めることができるので、遠方の距離の測定に有利である。
3C is an explanatory diagram of an example in which the measurement device 1 is mounted on a vehicle. As shown in the figure, when the measurement device 1 is mounted on a vehicle, it is desirable to measure distances with a wide field of view in relatively close proximity. In contrast, in this embodiment, as shown in FIG. 3B, the aspect ratio of the measurement area 50 can be widened, which is advantageous for measuring distances with a wide field of view.
On the other hand, when the measurement device 1 is mounted on a vehicle, the area where long-distance measurement is required can be a relatively small range, but it is desirable that light of sufficient intensity can be irradiated to a long distance. In contrast, in this embodiment, as shown in Figure 3B, the light intensity of the overlap area 53 of the measurement area 50 can be increased, which is advantageous for measuring long-distance distances.
<光学条件について>
図6A及び図6Bは、光学条件の説明図である。図6Aは、光源12と投影レンズ16との関係の説明図である。図6Bは、光源12の虚像12’と連結レンズ15との関係の説明図である。
<Optical conditions>
6A and 6B are explanatory diagrams of optical conditions. Fig. 6A is an explanatory diagram of the relationship between the light source 12 and the projection lens 16. Fig. 6B is an explanatory diagram of the relationship between the virtual image 12' of the light source 12 and the coupling lens 15.
図6Aに示すように、投影レンズ16の焦点距離をf1とする。また、投影レンズ16の主点から光源12までの距離をL1とする。また、光源12のY方向の半分の長さをyとする(投光用光学系14の光軸から光源12の端部までの長さをyとする)。 As shown in Figure 6A, the focal length of the projection lens 16 is defined as f1. The distance from the principal point of the projection lens 16 to the light source 12 is defined as L1. The half length of the light source 12 in the Y direction is defined as y (the length from the optical axis of the projection optical system 14 to the end of the light source 12 is defined as y).
本実施形態では、投影レンズ16の主点から光源12までの距離L1は、投影レンズ16の焦点距離f1よりも小さい(L1<f1)。光源12が投影レンズ16の焦点よりも近くに配置されるため、光源12の虚像12’(投影レンズ16による光源12の像)は、投影レンズ16から見て光源12の反対側(図中の光源12の左側)に配置される。 In this embodiment, the distance L1 from the principal point of the projection lens 16 to the light source 12 is smaller than the focal length f1 of the projection lens 16 (L1 < f1). Because the light source 12 is positioned closer than the focal point of the projection lens 16, the virtual image 12' of the light source 12 (the image of the light source 12 formed by the projection lens 16) is positioned on the opposite side of the light source 12 from the projection lens 16 (to the left of the light source 12 in the figure).
投影レンズ16の主点から虚像12’までの距離をL’とすると、L1、L’及びf1の関係は次式(1)の通りとなる。
(1/L1)-(1/L’)=1/f1 ・・・・(1)
If the distance from the principal point of the projection lens 16 to the virtual image 12' is L', the relationship between L1, L' and f1 is given by the following equation (1).
(1/L1)-(1/L')=1/f1...(1)
このため、投影レンズ16の主点から虚像12’までの距離L’は、次式(2)の通りとなる。
L’=(L1×f1)/(f1-L1) ・・・・(2)
Therefore, the distance L' from the principal point of the projection lens 16 to the virtual image 12' is given by the following equation (2).
L'=(L1×f1)/(f1-L1)...(2)
また、投光用光学系14の光軸から光源12の虚像12’の端部までの長さをy’とすると、y’は次式の通りとなる。
y’=y×(L’/L1)
=y×f1/(f1-L1) ・・・・(3)
Furthermore, if the length from the optical axis of the light projection optical system 14 to the end of the virtual image 12' of the light source 12 is y', then y' is given by the following equation.
y'=y×(L'/L1)
=y×f1/(f1-L1)...(3)
次に、図6Bに示すように、第1レンズエレメント151及び第2レンズエレメント152の焦点距離をf2とする。また、連結レンズ15の主点(第1レンズエレメント151又は第2レンズエレメント152の主点)から虚像12’までの距離をL2とする。ここで、図6Bに示すように、連結レンズ15が虚像12’の光を遠方の照射エリアに照射すると考えると、焦点距離f2と距離L2との関係は次式(4)の通りとなる。
L2=f2 ・・・・(4)
Next, as shown in Fig. 6B , the focal length of first lens element 151 and second lens element 152 is defined as f2. Furthermore, the distance from the principal point of coupled lens 15 (the principal point of first lens element 151 or second lens element 152) to virtual image 12' is defined as L2. Here, as shown in Fig. 6B , if it is considered that coupled lens 15 irradiates the light of virtual image 12' onto a distant illumination area, the relationship between focal length f2 and distance L2 is as shown in the following equation (4).
L2=f2...(4)
なお、投影レンズ16の主点と連結レンズ15の主点との距離をdとする。ここで、距離L2は、距離L’に距離dを加算した値に相当するため、焦点距離f1,f2と各距離との関係は、次式(5)の通りとなる。
(L1×f1)/(f1-L1)+d=f2 ・・・・(5)
The distance between the principal point of the projection lens 16 and the principal point of the coupling lens 15 is defined as d. Here, the distance L2 corresponds to the value obtained by adding the distance d to the distance L', and therefore the relationship between the focal lengths f1 and f2 and each distance is given by the following equation (5).
(L1×f1)/(f1-L1)+d=f2 (5)
また、図6Bに示すように、投光用光学系14(投影レンズ16)の光軸と第1レンズエレメント151(又は第2レンズエレメント152)の光軸との間隔をtとし、「シフト量t」と呼ぶ。ここで、重複エリア53が形成されるためには、第1測定エリア51と第2測定エリア52とが重なる必要がある。このため、シフト量tは、投光用光学系14の光軸から光源12の虚像12’の端部までの長さy’よりも小さい必要がある(t<y’)。つまり、重複エリア53が形成されるためには、連結レンズ15の第1レンズエレメント151及び第2レンズエレメント152のそれぞれのシフト量tは、次式の条件を満たす必要がある。
t<y×f1/(f1-L1) ・・・・(6)
6B , the distance between the optical axis of the light projection optical system 14 (projection lens 16) and the optical axis of the first lens element 151 (or the second lens element 152) is denoted by t and is referred to as the "shift amount t." Here, in order for the overlap area 53 to be formed, the first measurement area 51 and the second measurement area 52 must overlap. Therefore, the shift amount t must be smaller than the length y' from the optical axis of the light projection optical system 14 to the edge of the virtual image 12' of the light source 12 (t<y'). In other words, in order for the overlap area 53 to be formed, the shift amounts t of the first lens element 151 and the second lens element 152 of the coupled lens 15 must satisfy the following condition:
t<y×f1/(f1-L1) (6)
<測定例1>
図7は、受光センサ22の説明図である。
<Measurement Example 1>
FIG. 7 is an explanatory diagram of the light receiving sensor 22.
受光センサ22は、2次元配置された複数の画素221を有する。例えばVGAの受光センサ22の場合、480×640の画素211が2次元配置されている。各画素221は、受光素子を有しており、受光素子は、受光量に応じた信号を出力する。制御部30は、画素221ごとの出力信号を取得することになる。 The light receiving sensor 22 has multiple pixels 221 arranged two-dimensionally. For example, in the case of a VGA light receiving sensor 22, 480 x 640 pixels 211 are arranged two-dimensionally. Each pixel 221 has a light receiving element, which outputs a signal according to the amount of light received. The control unit 30 acquires the output signal for each pixel 221.
図8は、測定方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。 Figure 8 is a timing chart illustrating an example of a measurement method.
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る。図8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。ここでは、光源12の発光面の全体から光を出射させるものとする。光源12から出射された光は、投光用光学系14を介して測定エリア50に照射される。測定エリア50内の対象物90の表面で反射した光は、受光用光学系24を介して受光センサ22に受光される。受光センサ22の各画素221は、パルス状の反射光を受光することになる。図8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。各画素221は、受光量に応じた信号を出力する。図8の下側には、各画素221の出力信号が示されている。 The control unit 30 (timing control unit 34) causes the light source 12 of the irradiation unit 10 to emit pulsed light at a predetermined cycle. The upper part of Figure 8 shows the timing (emission timing) at which the light source 12 emits pulsed light. Here, light is emitted from the entire light-emitting surface of the light source 12. The light emitted from the light source 12 is irradiated onto the measurement area 50 via the light-projecting optical system 14. Light reflected from the surface of the object 90 within the measurement area 50 is received by the light-receiving sensor 22 via the light-receiving optical system 24. Each pixel 221 of the light-receiving sensor 22 receives the pulsed reflected light. The center of Figure 8 shows the timing (arrival timing) at which the pulsed reflected light arrives. Each pixel 221 outputs a signal corresponding to the amount of light received. The lower part of Figure 8 shows the output signal of each pixel 221.
制御部30の測距部36(信号処理部362)は、各画素221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、各画素221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、画素221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。
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Lを算出する。なお、光を照射してから反射光が到達するまでの時間をTfとし、光の速度をCとしたとき、距離Lは、L=C×Tf/2となる。制御部30は、画素221ごとに検出した時間Tfに基づいて、画素221ごとに対象物90までの距離を算出することによって、距離画像を生成する。
The distance measurement unit 36 (signal processing unit 362) of the control unit 30 detects the arrival timing of the reflected light based on the output signal of each pixel 221. For example, the signal processing unit 362 detects the arrival timing of the reflected light based on the timing of the peak of the output signal of each pixel 221. Note that the signal processing unit 362 may determine the arrival timing of the reflected light based on the peak of a signal obtained by cutting the DC component of the output signal of the pixel 221 in order to remove the influence of ambient light (for example, sunlight).
Next, the distance measurement unit 36 (time detection unit 364) detects the time Tf from when light is emitted until the reflected light arrives, based on the light emission timing and the light arrival timing. The time Tf corresponds to the time it takes for light to travel back and forth between the measurement device 1 and the object 90. The distance measurement unit 36 (distance calculation unit 366) then calculates the distance L to the object 90 based on the time Tf. Note that when the time from when light is emitted until the reflected light arrives is Tf and the speed of light is C, the distance L is calculated as L = C × Tf/2. The control unit 30 generates a distance image by calculating the distance to the object 90 for each pixel 221 based on the time Tf detected for each pixel 221.
<測定例2>
図9Aは、受光センサ22の別の一例の説明図である。
受光センサ22は、2次元配置された複数の画素221を有する。各画素221は、複数の受光素子222を有する。ここでは、各画素221は、受光素子222として、X方向に3個、Y方向に3個に配列された9個のSPAD(Single Photon Avalanche Diode)を有する。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。
<Measurement Example 2>
FIG. 9A is an explanatory diagram of another example of the light receiving sensor 22.
The light receiving sensor 22 has a plurality of pixels 221 arranged two-dimensionally. Each pixel 221 has a plurality of light receiving elements 222. Here, each pixel 221 has nine SPADs (Single Photon Avalanche Diodes) arranged as the light receiving elements 222, three in the X direction and three in the Y direction. The light receiving elements 222 made up of SPADs output a pulse signal when they detect photons.
図9Bは、信号処理部362の説明図である。信号処理部362は、加算部362Aと、比較部362Bと、ヒストグラム生成部362Cとを有する。ここでは、処理信号部は、受光センサ22の各画素221の出力信号に基づいて、時間相関単一光子計数法(Time Correlated Single Photon Counting(TCSPC)で用いるヒストグラムを生成する。 Figure 9B is an explanatory diagram of the signal processing unit 362. The signal processing unit 362 has an adder 362A, a comparator 362B, and a histogram generator 362C. Here, the signal processing unit generates a histogram used in time-correlated single photon counting (TCSPC) based on the output signals of each pixel 221 of the light-receiving sensor 22.
加算部362Aは、画素221を構成する複数の受光素子222(SPAD)の出力信号を加算する。加算部362Aは、受光素子222が出力するパルス幅を調整(整形)した上で、複数の受光素子222の出力信号を加算しても良い。比較部362Bは、加算部362Aの出力信号と閾値とを比較し、加算部362Aの出力信号が閾値以上の場合に信号を出力する。比較部362Bが信号を出力するタイミングは、受光センサ22の受光素子222(SPAD)が光を検知したタイミングであると考えられる。 The adder 362A adds the output signals of the multiple light receiving elements 222 (SPAD) that make up the pixel 221. The adder 362A may add the output signals of the multiple light receiving elements 222 after adjusting (shaping) the pulse width output by the light receiving elements 222. The comparator 362B compares the output signal of the adder 362A with a threshold value, and outputs a signal if the output signal of the adder 362A is equal to or greater than the threshold value. The timing at which the comparator 362B outputs a signal is considered to be the timing at which the light receiving element 222 (SPAD) of the light receiving sensor 22 detects light.
ところで、外乱光のフォトンは時間的にランダムにそれぞれの受光素子222に入射する。これに対し、反射光のフォトンは、光を照射してから所定の遅延時間(対象物90までの距離に応じた飛行時間)にそれぞれの受光素子222に入射する。このため、外乱光のフォトンが時間的にランダムに受光素子222に入射した場合には、加算部362Aの出力信号が閾値以上になる確率は低い。一方、反射光のフォトンが受光素子222に入射した場合には、画素221を構成する複数の受光素子222が同時にフォトンを検出するため、加算部362Aの出力信号が閾値以上になる確率は高い。このため、複数の受光素子222の出力信号を加算部362Aで加算し、加算部362Aの出力信号と閾値とを比較部362Bに比較させることによって、受光素子222(SPAD)が反射光を検知したと考えられる時間を計測する。 Incidentally, photons of ambient light are incident on each light-receiving element 222 at random in time. In contrast, photons of reflected light are incident on each light-receiving element 222 with a predetermined delay (the flight time corresponding to the distance to the object 90) after the light is emitted. For this reason, when photons of ambient light are incident on the light-receiving element 222 at random in time, there is a low probability that the output signal of the adder 362A will exceed the threshold. On the other hand, when photons of reflected light are incident on the light-receiving element 222, the multiple light-receiving elements 222 that make up the pixel 221 detect the photons simultaneously, so there is a high probability that the output signal of the adder 362A will exceed the threshold. For this reason, the output signals of the multiple light-receiving elements 222 are added by the adder 362A, and the output signal of the adder 362A is compared with the threshold by the comparator 362B, thereby measuring the time at which the light-receiving element 222 (SPAD) is considered to have detected the reflected light.
図9Cは、ヒストグラムの説明図である。図中の横軸は、時間であり、縦軸は頻度(回数)である。ヒストグラム生成部362Cは、比較部362Bの出力に基づいて、受光センサ22の受光素子222(SPAD)が光を検知した時間を繰り返し計測するとともに、その時間に対応付けられた頻度(回数)をインクリメントすることによって、ヒストグラムを生成する。ヒストグラム生成部362Cは、頻度(回数)をインクリメントする時、数を1つ増加させる代わりに、加算部362Aの出力信号(加算値)に相当する数を増加させても良い。 Figure 9C is an explanatory diagram of a histogram. The horizontal axis in the diagram represents time, and the vertical axis represents frequency (number of times). The histogram generation unit 362C generates a histogram by repeatedly measuring the time at which the light receiving element 222 (SPAD) of the light receiving sensor 22 detects light based on the output of the comparison unit 362B, and incrementing the frequency (number of times) associated with that time. When incrementing the frequency (number of times), the histogram generation unit 362C may increase the number corresponding to the output signal (addition value) of the addition unit 362A instead of increasing the number by one.
なお、設定部32(図1参照)は、ヒストグラムを生成するための積算回数を予め設定する。タイミング制御部34は、設定された積算回数に応じて、照射部10の光源12にパルス光を複数回出射させる。光源12からの1回のパルス光の出射に対して、加算部362Aから信号が1回又は複数回出力される。ヒストグラム生成部362Cは、設定された積算回数に達するまで、比較部362Bの出力信号に応じて、頻度(回数)をインクリメントすることによって、ヒストグラムを生成する。 The setting unit 32 (see Figure 1) presets the number of accumulations required to generate a histogram. The timing control unit 34 causes the light source 12 of the irradiation unit 10 to emit pulsed light multiple times according to the set number of accumulations. For each emission of pulsed light from the light source 12, the adder 362A outputs a signal once or multiple times. The histogram generation unit 362C generates a histogram by incrementing the frequency (number of times) according to the output signal of the comparator 362B until the set number of accumulations is reached.
ヒストグラムの生成後、測距部36(時間検出部364)は、ヒストグラムに基づいて、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。図9Cに示すように、測距部36(時間検出部364)は、ヒストグラムの頻度のピークに対応する時間を検出し、その時間を時間Tfとする。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。 After generating the histogram, the distance measurement unit 36 (time detection unit 364) detects the time Tf from when light is emitted until the reflected light arrives, based on the histogram. As shown in FIG. 9C, the distance measurement unit 36 (time detection unit 364) detects the time corresponding to the frequency peak in the histogram and sets this time as time Tf. The distance measurement unit 36 (distance calculation unit 366) then calculates the distance to the object 90 based on time Tf.
通常、遠方の対象物90の距離を測定する場合には、対象物90に照射される光が弱まるため、対象物90の距離を高精度に測定するためには、ヒストグラムを生成するための積算回数を増やす必要がある。但し、積算回数を増やしてしまうと、ヒストグラムが完成するまでに時間がかかってしまうため、距離の測定に時間がかかってしまう(言い換えると、距離画像のフレームレート(FPS)が悪くなる)。これに対し、本実施形態では、測定エリア50の重複エリア53の光の強度を高めることができるので、重複エリア53において遠方の対象物90の距離を測定する際に、積算回数を増やさずに済むという利点がある。 Normally, when measuring the distance to a distant object 90, the light irradiated onto the object 90 is weaker, so in order to measure the distance to the object 90 with high accuracy, it is necessary to increase the number of accumulations to generate a histogram. However, if the number of accumulations is increased, it takes longer to complete the histogram, which increases the time required to measure the distance (in other words, the frame rate (FPS) of the distance image decreases). In contrast, in this embodiment, the light intensity in the overlap area 53 of the measurement area 50 can be increased, which has the advantage of eliminating the need to increase the number of accumulations when measuring the distance to a distant object 90 in the overlap area 53.
===第2実施形態===
上記の第1実施形態では、光源12は、発光面を一括発光させていた。但し、発光面の一部の領域を発光させるように、光源12を制御しても良い。
Second Embodiment
In the first embodiment, the light source 12 emits light from the entire light-emitting surface at once. However, the light source 12 may be controlled to emit light from only a partial area of the light-emitting surface.
図10A及び図10Bは、光源12の発光領域と、測定エリア50との関係を示す説明図である。図10Aは、第1レンズエレメント151を介して第1測定エリア51に光を照射する場合の光源12の発光領域と、測定エリア50との関係を示す説明図である。図10Bは、第2レンズエレメント152を介して第2測定エリア52に光を照射する場合の光源12の発光領域と、測定エリア50との関係を示す説明図である。図10A及び図10Bの測定エリア50の各領域の右側には、対応する光源12の発光領域が示されている。 Figures 10A and 10B are explanatory diagrams showing the relationship between the light-emitting area of the light source 12 and the measurement area 50. Figure 10A is an explanatory diagram showing the relationship between the light-emitting area of the light source 12 and the measurement area 50 when light is irradiated onto the first measurement area 51 via the first lens element 151. Figure 10B is an explanatory diagram showing the relationship between the light-emitting area of the light source 12 and the measurement area 50 when light is irradiated onto the second measurement area 52 via the second lens element 152. To the right of each area of the measurement area 50 in Figures 10A and 10B, the light-emitting area of the corresponding light source 12 is shown.
光源12は、Y方向に複数の発光領域に分割されており、ここでは12個の発光領域(発光領域#1~#12)に分割されている。なお、Y方向に分割された光源12の発光領域の数は、12に限られるものではない。また、測定エリア50は、Y方向に複数の領域(領域A~領域P)に分割されており、ここでは16個の領域に分割されている。なお、Y方向に分割された測定エリア50の領域の数は、16に限られるものではない。 The light source 12 is divided into multiple light-emitting regions in the Y direction, and here it is divided into 12 light-emitting regions (light-emitting regions #1 to #12). Note that the number of light-emitting regions of the light source 12 divided in the Y direction is not limited to 12. The measurement area 50 is also divided into multiple regions in the Y direction (regions A to P), and here it is divided into 16 regions. Note that the number of regions of the measurement area 50 divided in the Y direction is not limited to 16.
図10Aに示すように、第1測定エリア51は、領域A~領域Lに相当する。光源12の発光領域#1~#12は、第1測定エリア51の領域L~領域Aにそれぞれ対応する。例えば、光源12の発光領域#5から出射した光は、第1レンズエレメント151を介して、測定エリア50の領域Hに照射されることになる。 As shown in FIG. 10A, the first measurement area 51 corresponds to areas A to L. Light-emitting areas #1 to #12 of the light source 12 correspond to areas L to A of the first measurement area 51, respectively. For example, light emitted from light-emitting area #5 of the light source 12 is irradiated onto area H of the measurement area 50 via the first lens element 151.
図10Bに示すように、第2測定エリア52は、領域E~領域Pに相当する。光源12の発光領域#1~#12は、第2測定エリア52の領域P~領域Eにそれぞれ対応する。例えば、光源12の発光領域#5から出射した光は、第2レンズエレメント152を介して、測定エリア50の領域Lに照射されることになる。このように、光源12の或る発光領域(例えば発光領域#5)から出射した光は、連結レンズ15の第1レンズエレメント151及び第2レンズエレメント152を介して、測定エリア50の2つの領域(例えば領域Hと領域L)に照射される。 As shown in FIG. 10B, the second measurement area 52 corresponds to areas E to P. Light-emitting areas #1 to #12 of the light source 12 correspond to areas P to E of the second measurement area 52, respectively. For example, light emitted from light-emitting area #5 of the light source 12 is irradiated onto area L of the measurement area 50 via the second lens element 152. In this way, light emitted from a certain light-emitting area of the light source 12 (e.g., light-emitting area #5) is irradiated onto two areas of the measurement area 50 (e.g., areas H and L) via the first lens element 151 and second lens element 152 of the coupled lens 15.
図10A及び図10Bに示すように、重複エリア53は、領域E~領域Lに相当する。図10Aに示すように、光源12の発光領域#8~#1から出射した光は、第1レンズエレメント151を介して、重複エリア53である領域E~領域Lに照射される。このため、光源12の発光領域#1~#8は、前述の第1領域121に相当する。また、図10Bに示すように、光源12の発光領域#12~#5から出射した光は、第2レンズエレメント152を介して、重複エリア53である領域E~領域Lに照射される。このため、光源12の発光領域#5~#12は、前述の第2領域122に相当する。 As shown in Figures 10A and 10B, overlapping area 53 corresponds to regions E to L. As shown in Figure 10A, light emitted from light-emitting regions #8 to #1 of light source 12 is irradiated onto regions E to L, which are overlapping area 53, via first lens element 151. Therefore, light-emitting regions #1 to #8 of light source 12 correspond to the aforementioned first region 121. Also, as shown in Figure 10B, light emitted from light-emitting regions #12 to #5 of light source 12 is irradiated onto regions E to L, which are overlapping area 53, via second lens element 152. Therefore, light-emitting regions #5 to #12 of light source 12 correspond to the aforementioned second region 122.
図11は、重複エリア53である領域Hの測定時の様子の説明図である。図中の測定エリア50の各領域の右側には、対応する光源12の領域が示されている。また、図中の受光センサ22の各画素221の左側には、対応する測定エリア50の領域が示されている。受光センサ22の各画素221は、測定エリア50の対応する領域からの反射光を受光する(測定エリア50の像が受光用光学系24によって受光センサ22の受光面で結像する)。 Figure 11 is an explanatory diagram of the state during measurement of area H, which is the overlap area 53. The corresponding light source 12 area is shown to the right of each area in the measurement area 50 in the figure. The corresponding area of the measurement area 50 is shown to the left of each pixel 221 of the light-receiving sensor 22 in the figure. Each pixel 221 of the light-receiving sensor 22 receives reflected light from the corresponding area of the measurement area 50 (an image of the measurement area 50 is formed on the light-receiving surface of the light-receiving sensor 22 by the light-receiving optical system 24).
重複エリア53の領域Hには、光源12の発光領域#5及び発光領域#9が対応付けられている。図に示すように、領域Hを測定する場合、制御部30は、光源12の発光領域#5及び発光領域#9から同時に光を出射させる。このように、重複エリア53の特定の領域を測定するとき、制御部30は、その領域に対応する2つの発光領域から同時に光を出射させる。 Emission areas #5 and #9 of light source 12 are associated with area H of overlapping area 53. As shown in the figure, when measuring area H, control unit 30 simultaneously emits light from emission areas #5 and #9 of light source 12. In this way, when measuring a specific area of overlapping area 53, control unit 30 simultaneously emits light from the two emission areas corresponding to that area.
光源12の発光領域#5から出射した光は、領域H(第1測定エリア51)と、領域L(第2測定エリア52)に照射される。また、光源12の領域#9から出射した光は、領域D(第1測定エリア51)と、領域H(第2測定エリア52)に照射される。つまり、重複エリア53となる領域H(重複エリア53)には、光源12の領域#5及び#9から出射した光が重畳するため、照射される光の強度が高くなる。 Light emitted from light-emitting region #5 of light source 12 is irradiated onto region H (first measurement area 51) and region L (second measurement area 52). Light emitted from region #9 of light source 12 is irradiated onto region D (first measurement area 51) and region H (second measurement area 52). In other words, the light emitted from regions #5 and #9 of light source 12 overlap in region H (overlapping area 53), which forms overlapping area 53, increasing the intensity of the light irradiated thereto.
受光センサ22の画素#9は、測定エリア50の領域Hからの反射光を受光する。領域Hには光源12の発光領域#5及び発光領域#9から出射した光が重畳するため、受光センサ22の画素#9が受光する反射光の強度を高めることができる。 Pixel #9 of the light-receiving sensor 22 receives reflected light from region H of the measurement area 50. Because light emitted from light-emitting regions #5 and #9 of the light source 12 overlap in region H, the intensity of the reflected light received by pixel #9 of the light-receiving sensor 22 can be increased.
なお、これまでの説明では、連結レンズ15は、重複エリア53の光の強度を高める目的で用いられている。但し、連結レンズ15の用途は、重複エリア53の光の強度を高めるものでなくても良い。 In the explanation so far, the connected lens 15 has been used to increase the light intensity in the overlap area 53. However, the use of the connected lens 15 does not have to be to increase the light intensity in the overlap area 53.
例えば、領域Hを測定する際に、制御部30は、光源12の発光領域#5から光を出射させて受光センサ22の画素#9の受光結果に基づいて距離を算出することと、光源12の発光領域#9から光を出射させて受光センサ22の画素#9の受光結果に基づいて距離を算出することと、を別々に行っても良い。そして、制御部30は、それぞれの距離の算出結果を平均化することによって、距離を算出しても良い。このように、連結レンズ15は、光の強度を高める目的で用いられなくても良い。 For example, when measuring area H, the control unit 30 may separately calculate the distance by emitting light from light-emitting area #5 of the light source 12 and based on the light reception result of pixel #9 of the light-receiving sensor 22, and by emitting light from light-emitting area #9 of the light source 12 and based on the light reception result of pixel #9 of the light-receiving sensor 22. The control unit 30 may then calculate the distance by averaging the results of each distance calculation. In this way, the coupled lens 15 does not need to be used for the purpose of increasing the light intensity.
図12は、別の測定方法の説明図である。 Figure 12 is an explanatory diagram of another measurement method.
光源12の特定の発光領域から出射した光は、第1測定エリア51の対応する領域と、第2測定エリア52の対応する領域とに照射される。つまり、光源12の特定の発光領域から出射した光は、測定エリア50の2つの領域に照射される。例えば、図に示すように、光源12の発光領域#5から出射した光は、領域H(第1測定エリア51)と、領域L(第2測定エリア52)に照射される。 Light emitted from a specific light-emitting region of the light source 12 is irradiated onto a corresponding region in the first measurement area 51 and a corresponding region in the second measurement area 52. In other words, light emitted from a specific light-emitting region of the light source 12 is irradiated onto two regions in the measurement area 50. For example, as shown in the figure, light emitted from light-emitting region #5 of the light source 12 is irradiated onto region H (first measurement area 51) and region L (second measurement area 52).
図に示すように、受光センサ22の画素#9は、測定エリア50の領域Hに対応しており、領域Hからの反射光を受光する。また、受光センサ22の画素#5は、測定エリア50の領域Lに対応しており、領域Lからの反射光を受光する。 As shown in the figure, pixel #9 of the light receiving sensor 22 corresponds to region H of the measurement area 50 and receives reflected light from region H. Pixel #5 of the light receiving sensor 22 corresponds to region L of the measurement area 50 and receives reflected light from region L.
この測定方法では、光源12の或る発光領域から光を出射することによって、測定エリア50の2つの領域における対象物90までの距離を同時に測定することが可能である。このように、連結レンズ15は、重複エリア53の光の強度を高める目的で用いられなくても良い。 In this measurement method, by emitting light from a certain light-emitting region of the light source 12, it is possible to simultaneously measure the distance to the object 90 in two regions of the measurement area 50. In this way, the coupling lens 15 does not need to be used to increase the light intensity in the overlapping area 53.
===小括===
上記の測定装置1は、光源12と、光源12の光を測定エリア50に照射する投光用光学系14と、測定エリア50からの反射光を受光する受光部20とを備えている。投光用光学系14は、第1レンズエレメント151と第2レンズエレメント152とを連結させた連結レンズ15を有する。第1レンズエレメント151の光軸は+Y方向(第1方向に相当)にシフトされており、第2レンズエレメント152の光軸は-Y方向(第1レンズエレメント151の光軸をシフトさせた方向と逆方向)にシフトされている。光源12の光は、第1レンズエレメント151を介して第1測定エリア51に照射されるとともに、第2レンズエレメント152を介して重複エリア53を含む第2測定エリア52に照射される。このような測定装置1によれば、Y方向(第1方向に相当)の広い範囲に光を照射できる。また、重複エリア53が設けられるため、第1測定エリア51と第2測定エリア52との間に光を照射できない領域が形成されることを防止できる。
===Summary===
The measuring device 1 includes a light source 12, a light projection optical system 14 that projects light from the light source 12 onto a measurement area 50, and a light receiving unit 20 that receives light reflected from the measurement area 50. The light projection optical system 14 includes a coupled lens 15 that connects a first lens element 151 and a second lens element 152. The optical axis of the first lens element 151 is shifted in the +Y direction (corresponding to the first direction), and the optical axis of the second lens element 152 is shifted in the −Y direction (the opposite direction to the direction in which the optical axis of the first lens element 151 is shifted). Light from the light source 12 is projected onto the first measurement area 51 via the first lens element 151, and onto the second measurement area 52, including the overlap area 53, via the second lens element 152. This measuring device 1 can project light over a wide range in the Y direction (corresponding to the first direction). Furthermore, since the overlapping area 53 is provided, it is possible to prevent the formation of an area between the first measurement area 51 and the second measurement area 52 that cannot be irradiated with light.
上記の測定装置1では、X方向(第2方向に相当)の長さに対するY方向(第1方向に相当)の長さの割合は、測定エリア50の方が光源12よりも大きくなる(図3A及び図3B参照)。これにより、測定エリア50のY方向の画角を広くすることができる。 In the above-described measuring device 1, the ratio of the length in the Y direction (corresponding to the first direction) to the length in the X direction (corresponding to the second direction) is greater for the measurement area 50 than for the light source 12 (see Figures 3A and 3B). This allows the angle of view in the Y direction of the measurement area 50 to be widened.
また、上記の測定装置1では、光源12の第1領域121及び第2領域122を同時に発光させることによって、光源12の第1領域121の光を第1レンズエレメント151を介して重複エリア53に照射するとともに、光源12の第2領域122の光を第2レンズエレメント152を介して重複エリア53に照射する。これにより、測定エリア50の重複エリア53(図3Bのハッチングが施された領域)に照射する光の強度を高めることができる。 In addition, in the above-described measuring device 1, by simultaneously emitting light from the first region 121 and the second region 122 of the light source 12, the light from the first region 121 of the light source 12 is irradiated onto the overlapping area 53 via the first lens element 151, and the light from the second region 122 of the light source 12 is irradiated onto the overlapping area 53 via the second lens element 152. This increases the intensity of the light irradiated onto the overlapping area 53 of the measurement area 50 (the hatched area in Figure 3B).
上記の投光用光学系14は、光源12と連結レンズ15との間に、投影レンズ16を有する。投光用光学系14が投影レンズ16を有することにより、光源12の光を広い範囲に投影することが可能になる。但し、投光用光学系14が投影レンズ16を有していなくても良い(この場合、図6Bの虚像12’を光源12に置き換えることになるため、光源12や測定装置1が大型化する)。 The above-mentioned projection optical system 14 has a projection lens 16 between the light source 12 and the connecting lens 15. By including the projection lens 16 in the projection optical system 14, it is possible to project the light from the light source 12 over a wide area. However, the projection optical system 14 does not have to have a projection lens 16 (in this case, the virtual image 12' in Figure 6B would be replaced with the light source 12, which would increase the size of the light source 12 and the measuring device 1).
上記の投光用光学系14において、投影レンズ16の焦点距離をf1とし、投影レンズ16の主点から光源12までの距離をL1とし、Y方向(第1方向に相当)における光源12の幅の半分の長さをyとし、Y方向における投光用光学系14の光軸と第1レンズエレメント151の光軸との間隔(シフト量)をtとしたとき、t<y×f1/(f1-L1)であることが望ましい。これにより、測定エリア50に重複エリア53を設けることができる。 In the above-described projection optical system 14, when the focal length of the projection lens 16 is f1, the distance from the principal point of the projection lens 16 to the light source 12 is L1, half the width of the light source 12 in the Y direction (corresponding to the first direction) is y, and the distance (shift amount) between the optical axis of the projection optical system 14 and the optical axis of the first lens element 151 in the Y direction is t, it is desirable that t < y × f1/(f1 - L1). This allows an overlap area 53 to be provided in the measurement area 50.
上記の測定装置1の制御部30は、光源12に光を発光させてから反射光を受光するまでの到達時間に基づいて、反射光を反射した対象物90までの距離を算出する。但し、測定装置1は、対象物90までの距離を測定するものに限られるものではない。例えば、測定装置1は、距離を算出しなくても、光源12に光を発光させてから反射光を受光するまでの到達時間を測定するものでも良いし、測定エリア50の画像(輝度画像)を測定するものでも良い。 The control unit 30 of the measuring device 1 calculates the distance to the object 90 that reflects the reflected light based on the time it takes for the light source 12 to emit light and for the reflected light to be received. However, the measuring device 1 is not limited to measuring the distance to the object 90. For example, the measuring device 1 may measure the time it takes for the light source 12 to emit light and for the reflected light to be received, or may measure an image (brightness image) of the measurement area 50, without calculating the distance.
上記の測定装置1の制御部30は、受光部20の受光素子222が光を検知した時間を繰り返し計測することによってヒストグラムを生成し、ヒストグラムのピークに基づいて光の到達時間Tfを検出する。このようにヒストグラムを用いて光の到達時間Tfを検出する際に、本実施形態の連結レンズ15を用いて測定エリア50の重複エリア53の光の強度を高めることが特に有効となる。 The control unit 30 of the above-described measuring device 1 generates a histogram by repeatedly measuring the time at which the light receiving element 222 of the light receiving unit 20 detects light, and detects the light arrival time Tf based on the peak of the histogram. When detecting the light arrival time Tf using a histogram in this way, it is particularly effective to use the coupled lens 15 of this embodiment to increase the light intensity in the overlap area 53 of the measurement area 50.
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。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments and includes various modifications. Furthermore, the above embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and the present invention is not necessarily limited to those that include all of the described configurations. Furthermore, some of the configurations of the above embodiments can be added to, deleted from, or replaced with other configurations.
1 測定装置、10 照射部、
12 光源、12’ 虚像、
121 第1領域、122 第2領域、
14 投光用光学系、15 連結レンズ、
151 第1レンズエレメント、152 第2レンズエレメント、
16 投影レンズ、
20 受光部、22 受光センサ、
221 画素、222 受光素子、
24 受光用光学系、
30 制御部、32 設定部、
34 タイミング制御部、36 測距部、
362 信号処理部、362A 加算部、
362B 比較部、362C ヒストグラム生成部、
364 時間検出部、366 距離算出部、
50 測定エリア、51 第1測定エリア、
52 第2測定エリア、53 重複エリア、
90 対象物
1 measurement device, 10 irradiation section,
12 light source, 12' virtual image,
121 first area, 122 second area,
14 Light projection optical system, 15 Connecting lens,
151 first lens element, 152 second lens element,
16 projection lens,
20 Light receiving unit, 22 Light receiving sensor,
221 pixel, 222 light receiving element,
24 Light receiving optical system,
30 control unit, 32 setting unit,
34 Timing control unit, 36 Distance measurement unit,
362 signal processing unit, 362A addition unit,
362B comparison unit, 362C histogram generation unit,
364 time detection unit, 366 distance calculation unit,
50 measurement area, 51 first measurement area,
52 second measurement area, 53 overlapping area,
90 Object
Claims (7)
前記光源の光を測定エリアに照射する投光用光学系と、
前記測定エリアからの反射光を受光する受光部と、
を備え、
前記光源は、第1方向に並ぶ複数の発光領域を有しており、
前記投光用光学系は、
前記第1方向に光軸をシフトさせた第1レンズエレメントと、前記第1レンズエレメントとは逆方向に光軸をシフトさせた第2レンズエレメントとを連結させた連結レンズを有し、
前記光源の光を、前記第1レンズエレメントを介して、第1測定エリアに照射するとともに、
前記光源の光を、前記第2レンズエレメントを介して、前記第1測定エリアと重複した重複エリアを含む第2測定エリアに照射し、
前記複数の発光領域のうちの特定の発光領域から光を出射し、前記第1レンズエレメントを介して前記第1測定エリアの所定の領域に光を照射するとともに、前記第2レンズエレメントを介して前記第2測定エリアの所定の領域に光を照射する、
測定装置。 A light source and
a light projection optical system that irradiates the light from the light source onto a measurement area;
a light receiving unit that receives reflected light from the measurement area;
Equipped with
the light source has a plurality of light-emitting regions arranged in a first direction,
The light projection optical system includes:
a coupled lens that couples a first lens element whose optical axis is shifted in the first direction and a second lens element whose optical axis is shifted in the opposite direction to the first lens element;
irradiating a first measurement area with light from the light source through the first lens element;
irradiating the light from the light source through the second lens element onto a second measurement area including an overlap area that overlaps with the first measurement area ;
Light is emitted from a specific light-emitting region among the plurality of light-emitting regions, and a predetermined region of the first measurement area is irradiated with the light via the first lens element, and a predetermined region of the second measurement area is irradiated with the light via the second lens element.
Measuring equipment.
前記光軸及び前記第1方向に垂直な第2方向の長さに対する前記第1方向の長さの割合は、前記測定エリアの方が前記光源よりも大きい、
測定装置。 2. The measuring device according to claim 1,
a ratio of a length in the first direction to a length in a second direction perpendicular to the optical axis and the first direction of the measurement area is greater than that of the light source;
Measuring equipment.
前記光源の第1領域及び第2領域を同時に発光させることによって、
前記第1領域の光を前記第1レンズエレメントを介して前記重複エリアに照射するとともに、
前記第2領域の光を前記第2レンズエレメントを介して前記重複エリアに照射する、
測定装置。 3. The measuring device according to claim 1 or 2,
By simultaneously emitting light from the first region and the second region of the light source,
irradiating the first region of light onto the overlapping area through the first lens element;
irradiating the second region of light onto the overlapping area through the second lens element;
Measuring equipment.
前記投光用光学系は、前記光源と前記連結レンズとの間に投影レンズを有する、測定装置。 The measuring device according to any one of claims 1 to 3,
The light projection optical system includes a projection lens between the light source and the coupling lens.
前記投影レンズの焦点距離をf1、
前記投影レンズの主点から前記光源までの距離をL1、
前記第1方向における前記光源の幅の半分の長さをy、
前記第1方向における前記投光用光学系の光軸と前記第1レンズエレメントの光軸との間隔をt、
としたとき、
t<y×f1/(f1-L1)
である、測定装置。 5. The measuring device according to claim 4,
The focal length of the projection lens is f1,
The distance from the principal point of the projection lens to the light source is L1,
y is half the width of the light source in the first direction;
a distance between the optical axis of the light projection optical system and the optical axis of the first lens element in the first direction is t;
When
t<y×f1/(f1-L1)
That is, the measuring device.
前記光源に光を発光させてから前記反射光を受光するまでの到達時間に基づいて、前記反射光を反射した対象物までの距離を算出する制御部を有する、
測定装置。 The measuring device according to any one of claims 1 to 5,
a control unit that calculates a distance to an object that has reflected the reflected light based on a time taken for the light source to emit light and for the reflected light to be received;
Measuring equipment.
前記制御部は、
前記受光部の受光素子が光を検知した時間を繰り返し計測することによってヒストグラムを生成し、
前記ヒストグラムのピークに基づいて前記到達時間を検出する、測定装置。 7. The measuring device according to claim 6,
The control unit
generating a histogram by repeatedly measuring the time at which the light receiving element of the light receiving unit detects light;
A measurement device that detects the arrival time based on a peak in the histogram.
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