(57)【要約】  本発明は、地面上の車両の移動速度のセンサに関する。センサは、表面を照明するための照明手段（Ｓ１）と、表面によって返された放射線を検出できる少なくとも１つの光センサ（Ｃ１）とを備える。照明手段および光センサは、表面に対して傾斜した同一の光軸（Ａ１）を有する。この構成により、センサを眩惑するほど強く照らす鏡面反射のリスクを除外する一方で、地面に対するセンサの高さのばらつきによる測定の妨害を回避する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体（２０）が移動する表面（１０）の画像の観測から、光学的手段によって物体の速度を測定するための装置であって、前記表面を照明するための照明手段（Ｓ１）と、前記表面によって返された放射線を検出できる少なくとも１つの光センサ（Ｃ１）と、これらの画像を相関させるための手段とを備える装置において、
前記照明手段および前記光センサが、前記表面に対して傾斜している同一の光軸（Ａ１）を有しており、該光軸は、光源から放射されかつ前記表面から鏡面反射された放射線に対しては前記光センサによって検出されないような、十分な傾斜度を有していることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記光センサが、２つの異なる時刻に取得された２つの画像を提供することができ、および前記相関手段が、前記画像間の空間相関をもたらし、位置のずれた画像間の最良の相関をもたらす画像の相対運動を決定することによって、これらの２つの時刻の間の前記光センサの相対運動を決定することができることを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記検出器がマトリックス検出器であり、かつｎ×ｍの検出素子で構成され、ｎおよびｍは整数であり、少なくとも一方が２以上であることを特徴とする請求項２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記検出器がｎ×ｍの検出素子を備え、ｎおよびｍは整数であり、少なくとも一方が２以上であり、前記検出器は、前記表面の第１および第２の画像を提供することができる少なくとも第１および第２の検出素子のサブセットに分けられること、および前記相関手段は、これらの画像間の時間的相関を確立することができることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記照明手段が２つの別個の光源を備えること、前記光センサが２つの別個の検出器を備えること、各光源がそれぞれの検出器と連動していること、および前記検出器によって提供された画像の前記相関が時間的なものであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記光源が平行な光軸を有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記光センサが、インプットレンズと、前記センサの軸に対して横方向に入ってくるビームを前記センサの軸に沿って返すために、前記レンズの中心に接合された小型ミラーとを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記インプットレンズが、その焦点面に絞りを備えることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記光源が、レーザー光源または発光ダイオードであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記光源がビーム整形光学系と連動して、地面に形成された光のスポットに所望の形状および寸法を与えることを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
地面上を移動する車両の速度検出に応用されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ある物体の別の物体に対する相対運動の速度を測定するための装置に関し、より正確には、本質的に平面的（いずれの場合も局所的に平面的）かつ光学的にテクスチャ加工された（すなわち不均一な）表面に沿って移動する物体のための速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は様々な状況に適用することができ、まず、このセンサが特に有利であることが分かる状況に関連して説明する。この状況は、車両の下の地面の通過を光学的に観測することによって自動車の速度を測定するものであり：センサは車両の下に装着されている。
【０００３】
走行している車両用の速度センサは、ほとんどの場合車輪の回転速度の測定に基づくものであるが、これらはあまり正確ではない。なぜなら、常に（タイヤの摩耗および膨張レベルによって）車輪の直径が不確実なためであり、かつ車輪の回転はスリップを伴わないものであるかどうか不確実なためである：車輪の横滑りおよびグリップの不足は、測定を妨害するスリップの原因である。さらに、速度はパルスを積分することによってのみ得られ、かつ車両がゆっくりと運転されているときはパルスの繰返し数が非常に低いので、これらのセンサは応答が遅い。
【０００４】
そのため、車両に対する地面の移動を観測し、かつこれから車両の真の速度を推測する光センサを車両の下部に取り付けることが既に提案されている。地面の光学的な表面状態（ｔｅｘｔｕｒｅ）は、表面材（例えばタール）が粗いために常に高コントラストである。車両が前進する場合には、光源によって照明された道路の小さい領域を観測する光感知素子が、この表面状態に応じて変化する光束をとらえる。車両の走行方向において長手方向にずらして設けられた２つの同一のセンサで、従って異なる時刻に地面の同じ部分を観測することによって、受光された信号の部分間の相関を連続的に測定することにより、最適な相関を見つけることが可能となり、センサ間の距離が分かる場合、地面に対する車両速度を推測できるようになる。
【０００５】
単純な一解決法は、道路表面に垂直に向けられた光ビームを使用して道路表面に光のスポットを投射し、かつ光源の方向に反射または散乱した光を観測することにある。そこで、地面の反射率が高すぎる場合に問題が発生する：センサは、平面的な反射表面における光の鏡面反射によって、眩惑されるほど強く照らされるので、観測された画像は使用できない。これは道路が濡れている場合に顕著である：鏡面反射強度が、光源によって放射された強度の３％のみであっても、濡れていない地面または水の層の下の地面によって後方散乱された非常に弱い照明を検出できなければならないセンサにとってはまだ高すぎる。
【０００６】
この問題を解決するために、一方では信号処理ベースの解決法が既に提案されている。例えば、観測された地面の表面状態に由来するものではなく、前記表面状態を覆う水の層に由来する信号の部分を除外するものである。これらの解決法は、観測される条件の性質が非常に変わりやすいために、あまり有効ではない。
【０００７】
光アイソレータの使用も提案されている。これは、光偏光条件（これらは、水によって生じた鏡面反射によって、かつ地面によって生じた後方散乱によって異なる）から、望ましくない反射光を取り除くことができる。これらのアイソレータ（偏光スプリッタ）は、信号にかなり強度損失を生じるので、使用するのが困難である。
【０００８】
別の解決法は、地表に対する光の放射方向を傾けることにある。受光器は、光源は地面を斜めに照明するが、光軸を地面に垂直にしてある光学素子を使用して地面を観測する。少しでも水があると、鏡面反射された光線も斜めになり、受光器に到達しない。地面によって垂直に後方散乱された光線のみが、受光器によって観測される。観測軸に対して照明軸を傾けることによって鏡面反射を除外するこの技術は、顕微鏡において使用される暗視野照明の技術と同様である。
【０００９】
しかしながら、この暗視野照明技術は、地面に対する車両の移動速度を測定するための想定された応用において満足のいくものではないことが分かっている。欠点の１つは、センサと地面との間の距離が一定でない場合に生じる。観測に最適である理論的な距離に関して距離が長すぎるまたは短すぎると、地面に対して傾斜した軸にある光源によって生じた光のスポットはもはや受光器の下になく、比較的狭い受光器開口を有する受光器の光学素子は、もはや光のスポットを「とらえ」ない。その代わりに、光のスポットの大きさをかなり拡大する必要があるのでその後の相関ははるかに困難になり、さらに光源のパワーをそれに応じて上げる必要がある。従って、この解決法は、距離が固定されていない状況においては、許容できない。これは、地面上の車両の場合に実際に起こることである。
【００１０】
欧州特許ＥＰ０５６２９２４号明細書には、斜照明、垂直観測のような解決法が説明されている。
【００１１】
当然、原理は同じままであり、地面が垂直に照明される一方で、受光器の観測軸を傾斜させる場合でも、同じ欠点を有する。
【００１２】
イメージセンサおよび光学式マウスが動くときにセンサによって検出される連続画像の空間相関を使用する、コンピュータの光学式マウスの動きを分析する手段が、従来技術において提案されている（米国特許出願公開第２００３／００３４９５９号明細書）。画像シフトの方向を見つけることが、可能性のある動きの全方向の中から最適な相関を見つけることによってなされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、物体が相対的に移動する表面の観測から光学的手段によって速度を測定するための装置を提案することにあり、この装置は、装置と表面との間の距離が変化しても、かつ表面が、有意な鏡面反射率を有する透明層で覆われていても、正確に機能することができる。ここでは、鏡面反射率がほんの数パーセントのみであるとしても、鏡面反射率は有意であると考慮される。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、物体が相対的に移動する表面の画像の観測から、光学的手段によって物体の速度を測定するための装置を提案し、その装置は、表面を照明するための照明手段と、表面によって返された放射線を検出しかつ表面の画像を提供できる少なくとも１つの光センサと、これらの画像を相関させるための手段とを備える装置であって、照明手段および光センサが、表面に対して傾斜している同一の光軸を有しており、この光軸は、光源から放射されかつ表面から鏡面反射された放射線が、センサによって検出されないような十分な傾斜度を有していることを特徴とする。
【００１５】
光センサは、照明手段によって形成された光のスポットによって照明された表面の領域の狭い開口角において観測ができるようにする光学系を備える。法線に対する傾斜角を、光源から放射されかつ表面から鏡面反射された放射線に対して十分にとって、光センサによって検出されないように選択する。
【００１６】
測定装置は、２つの光学的組立体を備えることができ、それぞれが、観測された表面に対して傾斜した所定の軸に沿って細い光ビームをもたらす光源と、表面によって後方散乱された光を受光する、関連した光センサとから構成される。光源は平行な光軸を有し、かつ各センサの光軸は、それが関連する光源の光軸と一致する。センサの光軸は距離Ｄだけ離隔され、かつ時間的相関手段が設けられて、一方のセンサから放射される信号と他方のセンサの時間遅延信号との間の最大の相関をもたらす時間遅延を決定する。
【００１７】
光センサの軸と同一線上の軸を有する光ビームを得るために、光センサのインプットレンズの片面の中心に小型ミラーを配置することが好ましく、このミラーは、軸に対して横方向に入ってくる光ビームによって照明され、この光ビームは、このミラーによってセンサの軸へ返される。
【００１８】
光源は、特にレーザー光源または発光ダイオードであってもよく、ビーム整形光学系と連動して、地面に形成された光のスポットに所望の形状および寸法を与えることが可能である。
【００１９】
光センサは、２つの異なる時刻に取得された２つの画像を提供できるようにしてもよく、かつ相関手段は、画像間の空間相関をもたらし、位置のずれた画像間の最良の相関をもたらす画像間の相対的なずれを決定することによって、これらの２つの時刻の間のセンサの相対運動を決定できるようにしてもよい。
【００２０】
検出器はマトリックス検出器であり、ｎ×ｍの検出素子で構成されてもよく、ｎおよびｍは整数であり、少なくとも一方が２以上であり、空間相関は、ちょうど時間的相関と同じようである。
【００２１】
ｎ×ｍの検出素子（ｎ×ｍ＞１）の検出器の場合、少なくとも第１および第２の検出素子のサブセットを、表面の第１および第２の画像を提供できるように規定でき、これらの画像の相関は時間的なものである、すなわち、相関を最大にする画像間の時間遅延を捜し求める。
【００２２】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面に関して与えられた詳細な説明を読むことから明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、物体２０が移動している表面１０を光学観測することによって、速度を測定する原理を概略的に示す。物体２０には、表面１０の通過を光学的に観測することによって動作する測定装置が装着されている。想定される主な応用は、地面上を走行する車両の速度を測定する応用であり、従って、物体２０は車両の車台を示し、かつ表面１０は道路を示し、測定装置は、車両の車台の下部に取り付けられ、かつ道路を観測するために下方に向けられている。原理は、物体２０が静止して表面１０が動いている場合と同じであることを理解されたい。例えば、表面は、一枚の布、金属板などである可能性もあり、その移動速度を、速度測定用の装置を支持する固定フレームに関して測定するものである。以下全文において、主に地面１０の表面、走行する車両である物体２０に関して説明するが、本発明はこの応用に限定されるものではないことを理解されたい。
【００２４】
測定装置は、互いに距離Ｄだけ離隔された２つの光学的組立体で構成される。第１の組立体は、細い光ビームＢ１を地面に向けて小さな光のスポットＦ１を地面に生じる光源Ｓ１を備える。光ビームＢ１の軸の方向は、表面１０に対して垂直ではない。軸の方向は斜めであり、地面に対して垂直な軸と入射角Ａ１を形成する。第１の光学的組立体はまた、光のスポットＦ１の真上に配置された光センサを備え、光センサは、表面１０に垂直な方向において光のスポットを観測する。光センサは、光電受光器（例えば光ダイオード、またはリニアアレイやマトリックスの形態の数個の光ダイオード）と、光のスポットＦ１の画像の焦点を受光器に合わせる光学系とを備える。少なくとも１つの集束レンズで構成される光学系は、表面１０に垂直な光軸を有するので、光源からの光ビームＢ１の軸と入射角Ａ１を形成する。光ビームＢ１の鏡面反射によって表面１０から放射される光に対しては入射角Ａ１は十分に大きいため、光が不十分に反射される場合、放射された光は光センサに到達されないので、光電受光器には投影されない、または事実上投影されない。入射角Ａ１の最小値は、センサの光学系の開口および光ビームＢ１の幅にも左右されることを理解されたい。
【００２５】
例えば、直径２５ｍｍのインプットレンズの場合、入射角Ａ１を少なくとも２°超であるように選択する（センサと表面との間の距離が約２００ｍｍである場合）。しかしながら、表面が滑らかでない場合には、入射角Ａ１はさらに大きい必要があり、その結果、（より開いた円錐状に生成された）鏡面反射による光ビームはセンサに到達しない。前述の例において、かつ表面に道路舗装の粗さがある場合、角度は約１０°であるように選択される。
【００２６】
単純な例においては、第２の光学的組立体は第１の光学的組立体と同一でもよく、細い光ビームＢ２および地面に光のスポットＦ２を生じる光源Ｓ２と、表面１０に垂直な軸を有する光センサＣ２とを備える。細い光ビームＢ２の入射角は、光ビームＢ１の入射角と同じ値Ａ１を有する。
【００２７】
第１のセンサは、時刻ｔにおいて地面の表面状態の画像を観測し、物体が、２つのセンサの光学的中心を離隔する想像線の方向に移動する場合、第２のセンサが、時刻ｔ＋ｄｔｍ（ここでｄｔｍはＤ／Ｖに等しく、Ｖは車両速度であり、Ｄは両センサの光学的中心を離隔する距離である）において同じ画像を観測する。
【００２８】
装置は、一方の信号の時間サンプルと、同じ期間であるが時間間隔ｄｔ０、ｄｔ１、ｄｔ２などだけ時間が遅延した、他方の信号の時間サンプルとの時間的相関を測定可能な信号処理回路を備える。信号は、これらの相関測定を行うためにデジタル式にサンプルされる。
【００２９】
様々な相関の測定は比較され、最大の相関が観測される時間間隔は、値ｄｔｍに近似する値であり、この値から車両の速度を計算する：Ｖ＝Ｄ／ｄｔｍ。
【００３０】
信号処理回路は、図１に示されていない。
【００３１】
図２は、車両の車台と地面との間の高さが、光センサの光軸が光のスポットＦ１またはＦ２に対して厳密に垂直である最適値を有さない場合に生じる問題を示す。高さがＨ’になると、光のスポットＦ１は光のスポットＦ’１に移動し、光センサは、垂直軸に沿って、分析することが困難な照明されていない領域を観測し始める。
【００３２】
図３は、本発明による測定装置の原理を示す。図１と同じ要素には同じ参照符号を使用する。
【００３３】
この場合にも、２つの光学的組立体Ｅ１およびＥ２がある。組立体Ｅ１の光源Ｓ１はまた、地面の法線に関して入射角Ａ１で斜めに入射する細い光ビームＢ１を生じ、この光ビームは小さい光のスポットを地面に生じる。組立体Ｅ１の光センサＣ１の光軸は、光ビームＢ１の光軸と一致する。地面によって光センサＣ１へ後方散乱された光は、この光軸に沿って光センサＣ１によって集光される。これを図３に広い光ビームＲ１として示す。
【００３４】
ここでは、光センサを、レンズＬ１および光電検出器Ｄ１によって概略的に示す。検出器は、リニアアレイやマトリックスを規定するために並列された１つ以上の検出素子（光ダイオードなど）を備えてもよい。
【００３５】
放射された光ビームＢ１に、光センサＣ１の受光器の軸と同じ軸上、すなわちレンズＬ１の光軸上を伝播させるための一解決法は、光源Ｓ１を光センサに対して横方向に位置決めし、かつ表面積の小さい小型ミラーＭ１をレンズＬ１の中心に配置する方法である。このミラーは光源の光を最大量反射して、事実上その全てを地面に向けて送る必要がある。他方、ミラーは、レンズのかなりの部分を覆い隠してはならないので、ミラーのサイズはレンズのサイズと比較して小さい必要があり、そのため、後方散乱された光が最大限センサに到達する。これは特に、光源Ｓ１がレーザー光源である場合に可能である。レーザー光源用のビーム整形光学系（図示せず）、特に凹レンズを、光源とミラーとの間に設けて、レーザービームをわずかに拡大し、地面に生じる光のスポットＦ１の領域を所望のサイズに調整できるようにしてもよい。インプットレンズＬ１の焦点面に絞りも加えて、速度測定の精度を改善してもよい。
【００３６】
図３は、光源Ｓ２と、センサＣ２（レンズＬ２、検出器Ｄ２）と、光ビームＢ１と同じ入射角で光源のビームＢ２を地面（光のスポットＦ２）に向けて返すミラーＭ２とを有する、組立体Ｅ１と同一な第２の光学的組立体Ｅ２を示す。
【００３７】
電子的処理の原理は図１と同じである：２つの検出器から生じる信号間の、異なる時間遅延を有する信号を多数相関させ、かつ最良の相関を生じる時間遅延ｄｔｍを捜し求め、次にセンサを離隔する水平距離Ｄを最適な時間遅延ｄｔｍで割ることによって水平方向の速度を計算する。電子的処理は処理回路ＣＴにおいて行われ、処理回路ＣＴは、組立体Ｅ１またはＥ２に局在するかまたはこれらに近接してもよく、または他の機能のために設けられた機載コンピュータの一部であってもよい。
【００３８】
本発明による構成では、道路が濡れているときに鏡面反射が除外される（十分に大きい入射角Ａ１を選択すれば十分である）だけでなく、光学的組立体と地面との間の高さがばらつくリスクによる問題ももはやない。なぜなら、いかなる高さでも、光センサは常に光のスポットの方向を向いているからである。
【００３９】
例えば、１０°〜１５°の傾斜角Ａ１を選択してもよいが、両光学的組立体に対して同じであれば、この値は重要ではない。角度が大きいほど、鏡面反射がより除外されるが、高すぎる値は、地面を正確に観測する機会を減らしてしまう。
【００４０】
上述した説明では、光学的組立体は同一であり、光のスポットＦ１およびＦ２は点状であり、かつ各光学的組立体と連動する検出器は単一の検出素子のみを含むと仮定した。この場合、第１の点状の光のスポットＦ１を第２の点状の光のスポットＦ２から離隔する方向においてのみ速度を測定できることを理解されたい。従って、この方向に垂直な速度成分がある場合には、第２の光のスポットＦ２は、第１の光のスポットによって先に照明された道路の部分を照明しないという危険を冒し、相関ピークを得ることは不可能である。それゆえ、光のスポットの１つ、例えば光のスポットＦ２が点状ではなく、車両の主移動方向に対して垂直方向に、地面上を線状に延在することが好ましい。そこで検出器Ｄ２は、垂直方向に整列した複数のピクセルを備える直線検出アレイを備える。例えば１００個位のピクセルが３０ミリメートル位にわたって広がっている。各ピクセルは、個別に処理されて、検出器Ｄ１からの信号と相関される。最良の相関が、行われた相関全ての中から（上述したように、Ｄ２の様々なピクセルを用いて、異なる時間遅延を有するＤ２の各ピクセルに対して）捜し求められる。それゆえ、Ｄ２のピクセルおよび最良の相関を生じる時間遅延が決定され、それにより、速度値だけでなく、この速度の方向も求められるので、車両の方向の意図的な変動だけでなく、横滑りによるスリップも考慮されている。
【００４１】
さらに、車両の２つの速度成分の測定を改善するために、一方のセンサが、車両の主移動方向に整列した複数のピクセルのリニアアレイ（およびこの方向に平らで細いビームを生じる光源）を有するように、他方のセンサが、垂直方向に整列した複数のピクセルのリニアアレイ（およびこの垂直方向に平らで細いビームを生じる対応する光源）を有するように構成できることに留意されたい。
【００４２】
図３では、光学的組立体は、センサの光軸が確かに地面に対して所望の入射角を有するように車台に対して入射角Ａ１を規定する固定機構を有する車台に装着されていると仮定される。図４では、わずかに異なる可能性を示した：実際のセンサの光軸は垂直であり、（組立体Ｅ１用の）プリズムＰＲ１は、ビームを入射角Ａ１だけ偏向させる。ここで重要なことは、車両への取り付けが簡単であり、組立体を垂直に装着できることである。いずれの場合も、車両と地面との間の伝播・受光の光軸は、斜入射角Ａ１を有する。プリズムを、同じ機能を果たす他の光学素子（例えば回折光学素子）と置き換えてもよい。
【００４３】
小型化するまたはコンパクトにするために、単一の光源（例えばＳ２）のみを使用して、他方の光源（Ｓ１）を省略することが有利な場合がある。この場合、追加的で特有の光学素子を使用して、Ｓ２から放射されるビームが、ミラーまたはプリズムＭ２を部分的に通過し、次に、様々な方向に返して、ミラーまたはプリズムＭ１まで伝搬して、そこから光のスポットＦ１へ返されて光源Ｓ１と同等のものを生じることができる必要がある。
【００４４】
組立体を小型化する別の方法は、検出素子の２つの組立部品が検出器Ｄ１およびＤ２の機能を果たすと規定されるマトリックス検出器を使用することである。この場合、単一の光源のみを使用することが非常に有利である。
【００４５】
最後に、（コンピュータの光学式マウスの動きの検出に関連して）上述の従来技術で提案されているように、本発明を空間相関システムに応用することが有利であろう。このようなシステムにおいては、センサによって２つの異なる時刻に取得された連続的な画像が観測され、画像の一方と他方との間の相関、空間的にずれた画像が、様々な方向においてかつ様々な幅を用いて計算されて、どの画像の位置ずれが画像間の最良の相関をもたらすかを決定する。この位置ずれから速度が推測される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】平面に対する物体の移動速度センサの公知の原理を示す。
【図２】装置と表面との間の距離を変更することの影響を示す。
【図３】本発明による検出装置の原理を示す。
【図４】入射−出射プリズムを使用する変形実施形態を示す。
【図１】
2009511866.tif 000003
【図２】
2009511866.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2009511866.tif 000007
2009511866.tif 000008
2009511866.tif 000009
2009511866.tif 000010
2009511866.tif 000011
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