CN110907942A - 距离测量装置及距离测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开距离测量装置以及距离测量方法。本实施方式所涉及的距离测量装置具有时刻取得电路和距离测量电路。时刻取得电路取得对激光的反射光进行信号化而得到的测量信号达到第一阈值的上升时刻和在达到第一阈值后测量信号达到第二阈值的下降时刻。距离测量电路根据基于第一时刻以及第二时刻的时刻与激光的照射时刻的时间差，测量距对象物的距离，所述第一时刻是对上升时刻用第一权重系数进行加权而得到的，所述第二时刻是对下降时刻用第二权重系数进行加权而得到的。

Description

距离测量装置及距离测量方法
相关申请
本申请享受以日本专利申请2018-173543号(申请日：2018年9月18日)为基础申请的优先权。本申请通过参照该基础申请而包含基础申请的全部内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及距离测量装置以及距离测量方法。
背景技术
已知有被称为LIDAR(Light Detection and Ranging Laser Imaging Detectionand Ranging，光探测和测距激光成像探测和测距)的距离测量装置。在该距离测量装置中，向测量对象物照射激光，将由测量对象物反射的反射光的强度基于传感器输出转换为时间序列的数字信号。由此，基于激光的发光的时间点和与测量信号的信号值的峰值对应的时间点的时间差，测量距测量对象物的距离。
但是，若向传感器的每单位时间的输入光子数增加，则存在传感器的输出信号值饱和的情况，存在测量精度降低的可能。
发明内容
本发明的实施方式提供一种即使传感器的输出信号值饱和也能够稳定地进行距离测量的距离测量装置以及距离测量方法。
实施方式所涉及的距离测量装置具备时刻取得电路和距离测量电路。时刻取得电路取得对激光的反射光进行信号化而得到的测量信号达到第一阈值的上升时刻和在达到第一阈值后测量信号达到第二阈值的下降时刻。距离测量电路根据基于第一时刻和第二时刻的时刻与激光的照射时刻的时间差，测量距对象物的距离，所述第一时刻是对上升时刻用第一权重系数进行加权而得到的，所述第二时刻是对下降时刻用第二权重系数进行加权而得到的。
附图说明
图1是表示第一实施方式所涉及的距离测量装置的概略的整体结构的图。
图2是表示第一实施方式所涉及的距离测量装置的结构例的图。
图3是示意性地表示光源的射出模式的图。
图4是放大表示各个激光的测量对象物上的照射位置的示意图。
图5是表示时刻取得部和距离测量部的详细结构的框图。
图6是表示时刻检测部的测量信号的上升时刻以及下降时刻的一个例子的图。
图7是示意性地表示传感器的测量信号堆积的状态的图。
图8是说明光源的射出时间点与传感器的电信号化的时刻关系的图。
图9是表示SPAD元件的1光子检测时的输出波形例的图。
图10是表示SPAD元件的测量信号值的仿真例的图。
图11是表示计算出的时刻与上升时刻以及下降时刻的关系的图。
图12是表示第二放大器的输入输出特性的图。
图13是表示基于不同的输入输出特性的信号值的图。
图14是表示作为比较例的CFD的测定方法的图。
图15是表示第二实施方式的距离测量处理部的详细的结构例的框图。
图16是表示变更每单位时间的光子数而得到的测量信号值的最大值的图。
图17是针对与最大值对应的每个测量信号值求出第一权重系数W1的图。
图18是对环境光的强度值进行变更而求出与最大值对应的第一权重系数的图。
图19是对环境光的强度值进行变更而求出与校正最大值对应的第一权重系数的图。
图20是示出第三实施方式所涉及的距离测量处理部的详细结构例的框图。
图21是根据脉冲宽度说明测量信号的特性的概念图。
图22是说明计算式中使用的函数的特性的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式所涉及的距离测量装置以及距离测量方法进行详细说明。另外，以下所示的实施方式是本发明的实施方式的一例，本发明并不限定于这些实施方式来解释。另外，在本实施方式中参照的附图中，对相同部分或具有相同功能的部分标注相同的附图标记或类似的附图标记，有时省略其重复的说明。另外，为了便于说明，有时附图的尺寸比率与实际的比率不同，或者将结构的一部分从附图中省略。
(第一实施方式)
图1是表示第一实施方式的距离测量装置1的概略的整体结构的图。如该图1所示，距离测量装置1使用扫描方式以及TOF(Time Of Flight，飞行时间)方式生成测量对象物10的距离图像。更具体而言，该距离测量装置1构成为具备射出部100、光学机构系统200、测量部300以及图像处理部400。
射出部100间歇地射出激光L1。光学机构系统200向测量对象物10照射射出部100射出的激光L1，并且使在测量对象物10上反射的激光L1的反射光L2射入到测量部300。这里，激光是指相位和频率对齐的光。
测量部300基于经由光学机构系统200接收到的反射光L2，测量距测量对象物10的距离。即，该测量部300基于射出部100向测量对象物10照射激光L1的时间点与测量到反射光L2的时间点的时间差，测量距测量对象物10的距离。
图像处理部400进行噪声的去除、失真校正以及插值处理，基于距测量对象物10上的多个测定点的距离，输出最终的距离图像数据。图像处理部400也可以组装到距离测量装置1的框体内。
接着，基于图2，对第一实施方式所涉及的距离测量装置1的射出部100、光学机构系统200以及测量部300的更详细的结构例进行说明。图2是表示第一实施方式所涉及的距离测量装置1的结构例的图。如图2所示，距离测量装置1构成为具备射出部100、光学机构系统200、测量部300以及图像处理部400。在此，将散射光L3中的规定方向的散射光称为反射光L2。
射出部100具有光源11、振荡器11a、第一驱动电路11b、控制部16以及第二驱动电路16a。
光学机构系统200具有照射光学系统202和受光光学系统204。照射光学系统202具有透镜12、第一光学元件13、透镜13a和反射镜(反射器件)15。
受光光学系统204具有第二光学元件14和反射镜15。即，这些照射光学系统202和受光光学系统204共用反射镜15。
测量部300具有光检测器17、传感器18、透镜18a、第一放大器19、第二放大器20、时刻取得部21和距离测量部22。另外，作为扫描光的现有方法，有使距离测量装置1旋转的方法(以下，称为旋转方法)。另外，作为其他扫描的现有方法，有OPA方法(Optical Phasedarray，光学相控阵)。本实施方式不依赖于扫描光的方法，因此也可以通过旋转方法或OPA方法扫描光。
射出部100的振荡器11a基于控制部16的控制而生成脉冲信号。第一驱动电路11b基于振荡器11a所生成的脉冲信号驱动光源11。光源11例如是激光二极管等激光光源，与第一驱动电路11b的驱动相应地间歇地发出激光L1。
图3是示意性地表示光源11的射出模式的图。在图3中，横轴表示时刻，纵线表示光源11的射出时刻。下侧的图是上侧的图中的局部放大图。如该图3所示，光源11例如以T＝几微秒～几十微秒的间隔间歇地反复发出激光L1(n)(0≤n<N)。这里，将第n个发出的激光L1记为L1(n)。N表示为了对测量对象物10进行测量而照射的激光L1(n)的照射次数。
如图2所示，在照射光学系统202的光轴O1上依次配置有光源11、透镜12、第一光学元件13、第二光学元件14以及反射镜15。由此，透镜12对间歇地射出的激光L1进行准直，并向第一光学元件13导光。
第一光学元件13使激光L1透过，并且使激光L1的一部分沿着光轴O3射入到光检测器17。第一光学元件13例如是分束器。
第二光学元件14使透过第一光学元件13的激光L1进一步透过，使激光L1射入到反射镜15。第二光学元件14例如是半透半反镜。
反射镜15具有对从光源11间歇地射出的激光L1进行反射的反射面15a。反射面15a例如能够以相互交叉的两个转动轴线RA1、RA2为中心转动。由此，反射镜15周期性地变更激光L1的照射方向。
控制部16例如具备CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)及存储程序的存储部，通过执行存储于存储部的程序来执行控制。该控制部16对第二驱动电路16a进行使反射面15a的倾斜角度连续地变更的控制。第二驱动电路16a按照从控制部16供给的驱动信号，驱动反射镜15。即，控制部16控制第二驱动电路16a，变更激光L1的照射方向。
图4是放大表示激光L1的测量对象物10上的照射位置的示意图。如该图4所示，反射面15a对每个激光L1变更照射方向，沿着测量对象物10上的大致平行的多个直线路径P1～Pm(m是2以上的自然数)离散地照射。这样，本实施方式所涉及的距离测量装置1一边变更激光L1(n)(0≤n<N)的照射方向O(n)(0≤n<N)，一边向测量对象物10一次一次地照射。这里，用O(n)表示激光L1(n)的照射方向。即，在本实施方式的距离测量装置1中，激光L1(n)向照射方向O(n)照射一次。
激光L1(n)和L1(n+1)在测量对象物10上的照射位置的间隔与激光L1间的照射间隔T＝几微秒～几十微秒(图3)对应。这样，在各直线路径P1～Pm上离散地照射照射方向不同的激光L1。另外，直线路径的数量和扫描方向没有特别限定。另外，图示的激光的照射次数和进行照射的范围是一个例子，也可以变更照射次数和进行照射的范围。
如图2所示，在受光光学系统204的光轴O2上，按照反射光L2射入的顺序，配置有反射镜15的反射面15a、第二光学元件14、透镜18a、传感器18。这里，光轴O1是通过透镜12的中心位置的透镜12的焦点轴。光轴O2是通过透镜18a的中心位置的透镜18a的焦点轴。
反射面15a使在测量对象物10上散射的散射光L3中的沿着光轴O2前进的反射光L2射入到第二光学元件14。第二光学元件14改变被反射面15a反射的反射光L2的行进方向，使其沿着光轴O2射入到测量部300的透镜18a。透镜18a使沿着光轴O2射入的反射光L2向传感器18准直。
另一方面，散射光L3中的向与激光L1不同的方向反射的光的行进方向偏离受光光学系统204的光轴O2。因此，散射光L3中的向与光轴O2不同的方向反射的光假设射入到受光光学系统204内，也被配置有受光光学系统204的框体内的黑体等吸收，或者射入到从传感器18的射入面偏离的位置。与此相对，在被某些物体散射的太阳光等环境光中，存在沿着光轴O2行进的光，这些光随机地射入到传感器18的射入面，成为随机的噪声。
另外，在图2中，为了明确化而分开图示了激光L1和反射光L2的光路，但实际上它们重叠。另外，将激光L1的光束的中心的光路图示为光轴O1。同样地，将反射光L2的、光束的中心的光路图示为光轴O2。
传感器18检测从透镜18a射入的反射光L2。该传感器18例如由硅光电倍增管(SiPM：Silicon Photomultipliers)构成。硅光电倍增管是将盖革模式的雪崩光电二极管(APD：Avalanche Photo Diod)多像素化的光子计数设备。硅光电倍增管能够检测光子计数水平的微弱光。即，构成传感器18的受光元件分别输出与经由光学机构系统200接收到的光的强度对应的输出信号。另外，有时将在盖革模式下使用的雪崩光电二极管称为单光子雪崩二极管(SPAD：Single-Photon Avalanche Diode)。
本实施方式所涉及的传感器18由硅光电倍增管构成，但并不限定于此。例如，也可以配置多个光电二极管(Photodiode)、雪崩二极管(ABD：avalanche breakdown diode)等而构成传感器18。光电二极管例如由作为光检测器工作的半导体构成。雪崩二极管是通过以特定的反向电压引起雪崩击穿而提高了受光灵敏度的二极管。
第二放大器20例如是跨阻放大器(Transimpedance Amplifier)，对基于反射光L2的电信号进行放大。第二放大器20例如将传感器18的电流信号放大转换为作为测量信号的电压信号。
时刻取得部21取得对激光L1的反射光进行信号化而得到的测量信号达到第一阈值的上升时刻和达到第一阈值后达到第二阈值的下降时刻。
距离测量部22根据基于第一时刻以及第二时刻的时刻与激光L1的照射时刻的时间差，测量距对象物10的距离，该第一时刻是对时刻取得部21取得的上升时刻用第一权重系数进行加权而得到的，该第二时刻是对时刻取得部21取得的下降时刻用第二权重系数进行加权而得到的。
图5是示出时刻取得部21和距离测量部22的详细结构的框图。如图5所示，时刻取得部21具有上升检测部21a、第一TDC21b、下降检测部21c以及第二TDC21d。距离测量部22具有距离测量处理部22a。另外，图5中记载的框图是信号例，顺序、配线并不限定于此。
图6是表示时刻检测部21的测量信号的上升时刻以及下降时刻的一个例子的图。图6的横轴表示从激光L1的发光时刻起的经过时间，纵轴表示测量信号的信号值。在此，图示了测量信号的峰值时刻TL2下的值不同的两种信号。对两种测量信号分别示出测量信号达到第一阈值Th1的上升时刻Tup和在达到第一阈值之后测量信号下降而达到第二阈值Th2的下降时刻Tdn。
如图5所示，上升检测部21a例如是比较器，对第二放大器20输出的测量信号的信号值与第一阈值进行比较，在测量信号的值超过第一阈值的时刻输出上升信号。即，上升检测部21a在通过正理论而测量信号达到第一阈值时，输出上升信号。
第一TDC21b例如为时间数字转换器(TDC：Time to Digital Converter)，测量从激光L1射出起到上升检测部21a输出上升信号为止的上升时刻Tup。即，第一TDC21b取得对激光的反射光进行信号化得到的测量信号达到第一阈值的上升时刻Tup。
下降检测部21c例如是比较器，对第二放大器20输出的测量信号的信号值和第二阈值进行比较，在测量信号的值超过第二阈值的时刻输出下降信号。即，下降检测部21c在通过负理论而测量信号达到第二阈值时，输出下降信号。例如，在达到第一阈值后测量信号的值降低而达到第二阈值时，下降检测部21c输出下降信号。即，输出上升信号的时刻对应于从激光L1的发光时刻起测量信号达到第一阈值后达到第二阈值的时刻。
第二TDC21d例如是时间数字转换器(TDC：Time to Digital Converter)，测量从激光L1射出到下降检测部21c输出下降信号为止的下降时刻Tdn。即，第二TDC21d取得对激光的反射光进行信号化而得到的测量信号达到第二阈值的下降时刻Tdn。
另外，也可以将测量信号负反转而进行阈值处理。在该情况下，上升检测部21a对第二放大器20输出的测量信号的信号值与第一阈值进行比较，在时间序列上变化的测量信号的值随着时间经过而降低，在超过第一阈值时输出上升信号。下降检测部21c对第二放大器20输出的测量信号的信号值与第二阈值进行比较，在时间序列上变化的测量信号的值随着时间经过而增加，在达到第一阈值后超过第二阈值时输出下降信号。
距离测量部22例如构成为包括加法器、减法器、乘法器以及除法器，基于由时刻取得部22取得的上升时刻Tup(图6)以及下降时刻Tdn(图6)，测量距对象物的距离。即，该距离测量处理部22a根据基于第一时刻以及第二时刻的时刻与激光的照射时刻的时间差，测量距对象物的距离，该第一时刻是对上升时刻Tup(图6)用第一权重系数W1进行加权而得到的，该第二时刻是对下降时刻Tdn(图6)用第二权重系数W2进行加权而得到的。例如，距离测量处理部22a基于对上升时刻Tup(图6)用第一权重系数W1进行加权而得到的第一时刻以及对下降时刻Tdn(图6)用第二权重系数W2进行加权而得到的第二时刻，取得与测量信号的峰值时刻TL2对应的时刻TL3。即，能够用时刻TL3＝第一权重系数W1×上升时刻Tup+第二权重系数W2×下降时刻Tdn表示。本实施方式的第一阈值Th1(图6)与第二阈值Th2(图6)相等，因此存在第二权重系数W2＝(1－第一权重系数W1)的关系。
这样，距离测量处理部22a基于测量距离＝光速×(时刻TL3－光检测器17检测到激光L1的时刻TL1)/2的式子，测量距对象物的距离。这样，测量距离能够表示为(1)式。
测量距离＝光速×((W1×Tup+(1－W1)×Tdn)－TL1)/2(1)式
时刻取得部21以及距离测量部22分别由硬件构成。例如，时刻取得部21以及距离测量部22分别由电路构成。另外，如上所述，为了简化权重系数的计算，本实施方式所涉及的第二阈值Th2设为与第一阈值Th1相同的值，但并不限定于此。
图7是示意性地表示传感器18(图2)的测量信号堆积(Pile UP)的状态的图。横轴表示从激光L1的发光时刻起的经过时间，纵轴表示测量信号的信号值。在此，图示了测量信号的峰值不同的两种信号。本实施方式的传感器18(图2)由SPAD元件构成，每单位时间的受光光子数与SPAD元件的输出值的关系在每单位时间的受光光子数少时具有线性特性。另一方面，当每单位时间的受光光子数变大时，SPAD元件的输出值饱和，每单位时间的受光光子数与SPAD元件的输出值的关系具有非线性特性。因此，如图7所示，存在测量信号的峰值变得平缓的情况，被称为堆积。
图8至图11是说明堆积的情况下的时刻TL3的仿真例的图。以下，说明在堆积的情况下时刻TL3也表示与峰值时刻TL2(图6)大致同等的值的情况，其中，时刻TL3基于对上升时刻Tup用第一权重系数W1进行加权而得到的第一时刻以及对下降时刻Tdn用第二权重系数W2进行加权而得到的第二时刻。
图8是说明光源11的射出时间点与传感器18的电信号化的时刻关系的图。横轴表示时间。P10表示光源11照射的激光脉冲光的照射时刻的一例，T＝0表示照射开始时刻，10ns表示脉冲宽度。P12表示P10从前方10米的对象物10反射回来的时间范围。即，光的往复速度为6.7ns/m，因此当距测量对象物10的距离为10m的情况下，为67ns。因此，在对象物10位于前方10米的情况下，在屋外等的测定环境中，在T＝67到T＝77ns的时间范围内受光的光子是激光脉冲光的反射光和环境光，在除此以外的时刻受光的光子是环境光。
图9是表示SPAD元件的1光子检测时的输出波形例的图。当设为输出波形I(t)时，近似地用(2)式表示。这里，将SPAD元件的输出时间常数设为10ns。I0是t＝0时的输出信号值。
I(t)∝exp(－t/10ns)，或者
I(t)＝I0×exp(－t/10ns)
(2)式
图10是表示未考虑堆积的情况下的SPAD元件的测量信号值的仿真例的图。纵轴表示测量信号值，横轴表示时刻t。在此，将SPAD元件的PDE(检测光子数/输入光子数)设为10％，将每1像素的SPAD元件数设为10，使用(2)式所示的输出波形I(t)。在该条件下，作为堆积前激发光子数，例如在输入10个光子时，平均能够检测到1个光子。另外，在输入10000个光子时，作为堆积前激发光子数，平均能够检测到1000个(＝10000×10％)。在图10中，将每单位时间的光子数，即光子/输入时间设为10.0、14.4、20.7、29.8、42.8、61.6、88.6、127.4、183.3、263.7、379.3、545.6、784.8、1128.8、1623.8、2335.7、3359.8、4832.9、6951.9、10000.0来进行仿真。另外，将环境光设为0，将第二放大器20(图2)的输出带宽设为100MHZ。
在该仿真中，求出第一阈值Th1＝第二阈值Th2＝0.2的情况下的上升时刻Tup和下降时刻Tdn，求出测距结果相对于堆积前激发光子数不变的权重系数W1。即，求出时刻TL3与图10所示的测量信号的峰值时刻TL2最一致的权重系数W1。更详细而言，求出TL3＝(W1×Tup+(1－W1)×Tdn)与图10所示的测量信号的峰值时刻TL2最一致的权重系数W1。通过这样的计算，在本参数例中，计算出第一权重系数W1＝0.71。
图11是表示用第一权重系数W1＝0.71计算出的时刻TL3与上升时刻Tup以及下降时刻Tdn的关系的图。在此，纵轴表示时间，横轴表示堆积前激发光子数。另外，第一线130a表示上升时刻Tup，第二线130b表示下降时刻，第三线130c表示时刻TL3。如图11所示，根据堆积前激发光子数，上升时刻Tup以及下降时刻Tdn变动。另一方面，即使堆积前激发光子数被变更，用权重系数W1＝0.71计算的时刻TL3也示出大致恒定值，即8.9ns。
由这些可知，利用一个权重系数W1＝0.71，即使堆积前激发光子数被变更，也能够计算与图12所示的测量信号的峰值时刻TL2大致相同的时刻TL3。这样，即使堆积前激发光子数被变更，通过在维持SPAD元件的输入输出特性的线性的范围设定第一阈值Th以及第二阈值Th2，从而在堆积的情况下也能够计算与图12所示的测量信号的峰值时刻TL2大致相同的时刻TL3。另外，通过同样的计算，对于不同特性的传感器18也能够预先计算权重系数W1。并且，本实施方式所涉及的传感器18由硅光电倍增管构成，但并不限定于此，对于其他种类的摄像元件也能够进行第一权重系数W1的计算。
基于图12以及图13，对由第二放大器20产生的波形失真的降低效果进行说明。图12是表示第二放大器20的输入输出特性的图。纵轴表示输出信号值，横轴表示输入信号值。输入输出特性140a的输入输出特性为线性，表示理想的输入输出特性。输入输出特性140b的输入输出特性为非线性，表示有失真的情况下的输入输出特性。
图13是表示基于理想的输入输出特性的信号值和基于有失真的情况下的输入输出特性的信号值的图。纵轴表示信号值，横轴表示时间。信号值150a是使用了具有理想的输入输出特性的第二放大器20的情况下的信号值，信号值150b是使用了有失真的输入输出特性的第二放大器20的情况下的信号值。设第一权重系数W1＝0.5的信号值150a、150b是不产生传感器18(图2)的堆积的范围内的数据。
基于信号值150a的测定距离为(0.5×T1+0.5×T4)/6.7，基于信号值150b的测定距离为(0.5×T2+0.5×T3)/6.7。根据前提，由于T2－T1＝T4－T3，所以基于信号值150a的测定距离与基于信号值150b的测定距离相等。由此可知，若使用(1)式所示的本实施方式所涉及的计算方式，则即使在使用有失真的输入输出特性的第二放大器20的情况下也能够抑制测定精度的降低。另外，通过如上述那样在维持传感器18(图2)的输入输出特性的线性的范围设定阈值，从而即使在饱和或堆积的情况下，即使使用有失真的输入输出特性的第二放大器20的情况下，也能够抑制测定精度的降低。
另外，在本实施方式中，通过第二放大器20转换为测量信号，但并不限定于此，也可以通过第二放大器20以及AD转换器等转换为测量信号。在这种情况下，即使AD转换器具有存在失真的输入输出特性，也能够抑制测定精度的降低。
图14是表示作为比较例的CFD的测定方法的图。如图14所示，在CFD(ConstantFraction Discriminator，恒比鉴别器)中，取得减小了测量信号70a、72a的衰减信号70b、72b。另外，在CFD中，使测量信号70a、72a反转且延迟而取得信号70c、72c。并且，在CFD中，得到将衰减信号70b、72b和反转且延迟的信号70c、72c相加的信号70d、72d。在CFD中，将信号70d、72d的零交叉点用作距离测定的基准时刻。如图14所示，在没有产生饱和或堆积的情况下，能够抑制测量信号70a、72a的波峰值的影响。但是，在CFD中，在测量信号70a、72a中，若产生饱和或堆积，则零交叉点偏移，距离测定的精度会降低。与此相对，根据本实施方式，基于测量信号达到第一阈值的上升时刻Tup和在达到第一阈值后测量信号降低而达到第二阈值的下降时刻Tdn，取得距离测定的基准时刻，所以，即使在测量信号70a、72a产生饱和或堆积，也能够抑制对测定精度造成的影响。
如上所述，根据本实施方式，基于测量信号达到第一阈值的上升时刻Tup和在达到第一阈值后测量信号降低而达到第二阈值的下降时刻Tdn，测量距对象物的距离。由此，能够降低具有第一阈值以上的值的测量信号对距离测定的影响，即使在测量信号堆积、饱和等的情况下，也能够精度良好且稳定地测量距对象物的距离。
(第二实施方式)
第二实施方式通过参照测量信号的强度值以及环境光的强度值中的至少任一个来取得权重系数，从而能够更高精度地取得测量距离。以下，对与第一实施方式不同的点进行说明。
图15是示出第二实施方式所涉及的距离测量部22的详细结构例的框图。如图15所示，距离测量部22具有信号光强度检测部22b、环境光强度检测部22c、权重系数取得部22d。信号光强度检测部22b、环境光强度检测部22c、权重系数取得部22d分别由硬件构成。例如，信号光强度检测部22b、环境光强度检测部22c、权重系数取得部22d分别由电路构成。另外，图15记载的框图是信号例，顺序、配线并不限定于此。
信号光强度检测部22b作为光源11(图2)照射激光L1(n)并照射下一个激光L1(n+1)之前的时间T中的测量信号的第一代表值例如取得最大值。信号光强度检测部22b也可以在通过滤波处理降低了噪声之后取得信号值的最大值。
环境光强度检测部22c检测环境光的强度。更具体而言，作为光源11(图2)停止激光的照射的期间的时间T中的测量信号的第二代表值例如取得平均值。环境光强度检测部22c也可以在通过滤波处理降低了噪声之后取得代表值。另外，第二代表值也可以是时间T中的测量信号的最大值、中间值等。
权重系数取得部22d基于信号光强度检测部22b检测出的第一代表值以及环境光强度检测部22c检测出的第二代表值中的至少一方，取得权重系数W1以及W2。如上所述，本实施方式所涉及的第二权重系数W2具有W2＝(1－W1)的关系。由此，距离测量处理部22a将权重系数取得部22d取得的第一权重系数W1代入上述的(1)式，测量距测量对象物10的距离。这样，距离测量处理部22a与测量信号的信号强度和环境光强度中的至少一方相应地变更第一权重系数W1。
基于图16至图20，对权重系数取得部22d进行更详细的说明。
图16是表示对图10所示的每单位时间的光子数进行变更而得到的测量信号值的最大值的图。纵轴表示测量信号值的最大值，横轴表示每单位时间的光子数，即光子/输入时间。如图16所示，测量信号值的最大值与每单位时间的光子数对应。另外，最大值随着每单位时间的光子数增加而单调增加，存在随着光子数增加而增加率减少的趋势。
图17是针对与图16所示的最大值对应的每个测量信号值求出第一权重系数W1的图。纵轴表示第一权重系数W1，横轴表示图16所示的测量信号值的最大值。
这里的第一权重系数W1是基于图10所示的每单位时间的每个光子数的测量信号计算出的值。即，针对每个测量信号求出第一阈值Th1＝第二阈值Th2＝0.2的情况下的上升时刻Tup和下降时刻Tdn，求出时刻TL3与图12所示的测量信号的峰值时刻TL2最一致的权重系数W1。如上所述，由于测量信号值的最大值与每单位时间的光子数对应，因此能够对测量信号值的每个最大值得到时刻TL3与测量信号的峰值时刻TL2最一致的权重系数W1。
如图17所示，随着测量信号值的最大值增加，第一权重系数W1单调减少，当测量信号值的最大值进一步增加时，第一权重系数W1以预定值为界单调增加。这样，在测量信号值的最大值为预定值以上的情况下，随着测量信号值的最大值增加，第一权重系数W1单调增加。
权重系数取得部22d例如将图17所示的最大值与第一权重系数W1的关系作为查找表存储。由此，权重系数取得部22d将信号光强度检测部22b检测出的第一代表值即最大值作为自变量来取得第一权重系数W1。这样，权重系数取得部22d通过基于信号光强度检测部22b检测出的第一代表值即最大值取得第一权重系数W1，从而能够得到高精度地计算出的第一权重系数W1。由此，距离测量处理部22a将权重系数取得部22d取得的第一权重系数W1代入上述的(1)式，能够更高精度地测量距测量对象物10的距离。
图18是对环境光的强度值进行变更而求出与测量信号的最大值对应的第一权重系数W1的图。纵轴表示第一权重系数W1，横轴表示测量信号值的最大值。环境光是稳定地射入到传感器18(图2)的光子，因此DC(直流)地激发电信号。即，随着环境光的增加，产生与平均地减少SPAD数量的情况同等的效果。因此，在图18中，将环境光的强度表示为减少了SPAD数量的比例。例如，如果是10％，则相当于将SPAD数量减少10％的情况，如果是20％，则相当于将SPAD数量减少20％的情况，如果是30％，则相当于将SPAD数量减少30％的情况。即，图18所示的环境光的每个强度值的第一权重系数W1的值是通过变更SPAD元件的数量而进行了与图17同等的计算而得到的值。
如图18所示，权重系数取得部22d在测量信号值的最大值为预定值以上的情况下，随着环境光的强度增加，使第一权重系数W1相对于测量信号值的最大值的增加的增加率变大。
权重系数取得部22d例如将图18所示的最大值及环境光的强度值与第一权重系数W1的关系作为查找表存储。由此，权重系数取得部22d将信号光强度检测部22b检测出的第一代表值即最大值和环境光强度检测部22c检测出的第二代表值即基于环境光的测量信号的平均值作为自变量，取得第一权重系数W1。
图18是对环境光的强度值进行变更而求出与测量信号的最大值对应的第一权重系数W1的图。
可以将基于环境光的信号强度认为是测量信号值的DC分量。
图19是对环境光的强度值进行变更而求出与测量信号的校正最大值对应的第一权重系数W1的图。纵轴表示第一权重系数W1，横轴表示测量信号值的校正最大值。在此，校正最大值CMa用(3)式表示。
CMa＝Ma×(1+ES) (3)式
在此，最大值Ma是信号光强度检测部22b检测出的第一代表值，环境光的强度值ES是环境光强度检测部23b检测出的第二代表值。
近似线200a表示针对校正最大值CMa的第一权重系数W1的近似线。
权重系数取得部22d将针对校正最大值CMa的第一权重系数W1的近似线200a作为查找表存储。或者，权重系数取得部22d将针对校正最大值CMa的第一权重系数W1的近似线200a作为线性方程存储。由于线性方程是一般的一次回归式，所以省略记载。
这样，由于将近似线200a作为查找表存储，所以与按环境光的每个强度值存储查找表的情况相比，能够减少存储量。另外，在将近似线200a作为线性方程存储的情况下，与存储查找表的情况相比，能够进一步降低存储量。
这样，权重系数取得部22d对作为信号光强度检测部22b检测出的第一代表值的最大值Ma乘以对作为环境光强度检测部22c检测出的第二代表值的环境光的强度值ES加上1而得到的值，取得校正最大值CMa。然后，权重系数取得部22d取得与校正最大值CMa对应的第一权重系数W1。另外，虽然在校正最大值CMa小时不显出精度，但在该情况下，考虑到与测量对象物10的距离远，因此认为不需要到那个程度的精度。距离测量处理部22a根据测量信号的信号强度和环境光强度变更第一权重系数W1。由此，能够更高精度地取得距测量对象物10的测量距离。
如上所述，根据本实施方式，参照测量信号的强度值和环境光的强度值中的至少任意一个来取得将上升时刻Tup和下降时刻Tdn相加时使用的第一权重系数W1。由此，即使在由于测量信号的强度值以及环境光的强度值而传感器18的输入输出特性变化的情况下，也能够取得与输入输出特性对应的第一权重系数W1，即使在测量信号的强度值以及环境光的强度值变化的情况下，也能够精度良好且稳定地测量距对象物的距离。
(第三实施方式)
在第三实施方式中，根据测量信号的脉冲宽度变更第一权重系数，从而能够更高精度地取得测量距离。以下，对与第二实施方式不同的点进行说明。
图20是示出第三实施方式所涉及的距离测量部22的详细结构例的框图。如图20所示，距离测量部22还具有脉冲宽度取得部23e。脉冲宽度取得部23e由电路构成。另外，图20中记载的框图是信号例，顺序、配线并不限定于此。
脉冲宽度取得部23e基于上升检测部22a检测出的上升时刻Tup和下降检测部22b检测出的下降时刻Tdn取得脉冲宽度。例如，脉冲宽度取得部23e取得下降时刻Tdn与上升时刻Tup的差作为脉冲宽度。另外，本实施方式所涉及的下降检测部22b构成为，在即使超过光源11(图2)的照射间隔T也无法检测下降时刻Tdn的情况下，输出包含表示检测错误的信息的错误信号。
图21是与脉冲宽度相应地说明测量信号的特性的概念图。纵轴是测量信号值，横轴是时间。如图21所示，脉冲宽度按照A、B、C、D的顺序变大。
A是每单位时间的光子数最少的情况，B是每单位时间的光子数比A大且堆积的程度，C是每单位时间的光子数比B大且下降的时间常数从B变化的程度，D是每单位时间的光子数比C大且下降检测部22b无法检测下降时刻Tdn的程度。这样，测量信号的特性根据脉冲宽度而变化。
因此，距离测量处理部22a基于脉冲宽度取得部23e取得的脉冲宽度，变更第一权重系数W1的取得方法。更具体而言，在与A对应的情况下，距离测量处理部22a对时刻取得部21输出的测量信号进行几个帧的累计，基于累计信号的峰值，测量距测量对象物10的距离。在与B对应的情况下，距离测量处理部22a如上所述，基于(1)式，测量距测量对象物10的距离。
图22是说明与C以及D对应的情况下的计算式中使用的函数的特性的图。纵轴表示函数的值，横轴表示脉冲宽度P。这里，P＝Tdn－Tup，P1、P2是作为拟合参数的常数。如图22所示，函数f1(p)为如下函数：在脉冲宽度P1之前为0，当超过脉冲宽度P1时，随着f1(p)＝k×(P－P1)的线性方程而线性增加，达到脉冲宽度Pd时成为常数CONST1。
函数f2(p)是如下函数：随着f2(p)＝k/(P+P2)的式子而单调增加，达到脉冲宽度Pd时成为常数CONST2。
距离测量处理部22a在从脉冲宽度Pc到Pd的范围的状态C的情况下，例如按照(4)式，取得测量距离。
测量距离＝光速×(Tup+f1(P))
＝光速×(Tup+k×(P－P1))
＝光速×(Tup+k×(Tdn－Tup－P1))
＝光速×((1－k)×Tup+k×Tdn－k×P1)
＝光速×(W1×Tup+(1－W1)×Tdn－k×P1)
(4)式
在此，将(1－k)设为W1。由此可知，(4)式除了作为偏移分量的k×P1以外，成为与式(1)同等的式子。
另外，在脉冲宽度P为Pd以上的D的状态下，距离测量处理部22a例如按照(5)式，取得测量距离。
测量距离＝光速×(Tup+CONST1) (5)式
距离测量处理部22a在从脉冲宽度Pc到Pd的范围的状态C的情况下，例如按照(6)式，取得测量距离。在状态C的情况下，f2(P)在状态C的情况下单调增加，因此随着脉冲宽度P变大，上升时刻Tup的权重变得比下降时刻Tdn大。
测量距离＝光速×(f2(P)×Tup+(1－f2(P)×Tdn)
(6)式
另外，在脉冲宽度P为Pd以上的D的状态下，将P作为CONST2处理。
这样，在脉冲宽度P为脉冲宽度Pc至Pd的范围的状态C的情况下，上升时刻Tup陡峭，下降时刻Tdn平缓。上升时刻Tup的输入的光量依赖性小，下降时刻Tdn的输入的光量依赖性大。根据(4)式或(6)式取得测量距离，从而能够减小光量依赖性，还能够缩小测量误差。
另外，在脉冲宽度P为脉冲宽度Pd以上的范围的状态D的情况下，有时无法取得下降时刻Tdn。但是，在状态D的情况下，由于本实施方式所涉及的距离测量处理部22a不使用下降时刻Tdn，因此能够进行测量距离的测定。这样，通过将脉冲宽度P导入距离测量，从而自由度进一步提高，测量信号的拟合精度进一步提高。
根据本实施方式，随着脉冲宽度P变大，使上升时刻Tup的权重比下降时刻Tdn大。上升时刻Tup的向传感器18的输入光量依赖性小，下降时刻Tdn大，所以即使在输入光量依赖性降低，测量信号的强度值进一步增加的情况下，也能够精度良好且稳定地测量距对象物的距离。
对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子而提示的，并不意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围、主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。

Claims (20)

1.一种距离测量装置，具有：
时刻取得电路，取得对激光的来自对象物的反射光进行信号化而得到的测量信号达到第一阈值的上升时刻和达到所述第一阈值后达到第二阈值的下降时刻；以及
距离测量电路，根据基于第一时刻以及第二时刻的时刻与所述激光的照射时刻的时间差，测量距对象物的距离，其中，所述第一时刻是对所述上升时刻用第一权重系数进行加权而得到的，所述第二时刻是对所述下降时刻用第二权重系数进行加权而得到的。
2.根据权利要求1所述的距离测量装置，其中，
所述距离测量电路根据所述测量信号的信号强度以及环境光强度中的至少一方取得所述第一权重系数。
3.根据权利要求2所述的距离测量装置，其中，
所述距离测量电路在所述测量信号的最大值为预定值以上的情况下，相对于测量信号的最大值的增加，使所述第一权重系数单调增加。
4.根据权利要求2所述的距离测量装置，其中，
所述距离测量电路在所述测量信号的最大值为预定值以上的情况下，随着环境光强度增加，使第一权重系数相对于测量信号的最大值的增加的增加率变大。
5.根据权利要求1所述的距离测量装置，其中，
所述距离测量电路根据所述测量信号的脉冲宽度取得所述第一权重系数。
6.根据权利要求5所述的距离测量装置，其中，
所述距离测量电路随着所述脉冲宽度变大而使所述第一权重系数增加。
7.根据权利要求1所述的距离测量装置，其中，
所述距离测量电路在所述测量信号的脉冲宽度超过预定值的情况下，根据基于对所述上升时刻加上预定值而得到的值的时刻与所述激光的照射时刻的时间差，测量距对象物的距离。
8.根据权利要求1所述的距离测量装置，还具有：
照射光学系统，一边改变所述激光的照射方向，一边照射测量对象物；
受光光学系统，接收所述照射光学系统照射的所述激光的反射光；
传感器，将经由所述受光光学系统接收到的反射光转换为电信号；以及
放大器，将所述传感器输出的电信号放大转换为所述测量信号，
所述距离测量部根据所述传感器的特性改变所述第一权重系数。
9.根据权利要求8所述的距离测量装置，其中，
所述传感器具有多个雪崩光电二极管。
10.根据权利要求8所述的距离测量装置，其中，
所述传感器由硅光电倍增管构成。
11.根据权利要求8所述的距离测量装置，其中，
所述传感器由光电二极管构成。
12.根据权利要求1所述的距离测量装置，还具有：
放大器，将传感器基于所述反射光输出的电信号放大转换为测量信号。
13.一种距离测量方法，具有：
时刻取得工序，取得对激光的来自对象物的反射光进行数字化得到的测量信号达到第一阈值的上升时刻和在达到所述第一阈值后达到第二阈值的下降时刻；以及
距离测量工序，根据基于第一时刻以及第二时刻的时刻与所述激光的照射时刻的时间差，测量距对象物的距离，其中，所述第一时刻是对所述上升时刻用第一权重系数进行加权而得到的，所述第二时刻是对所述下降时刻用第二权重系数进行加权而得到的。
14.根据权利要求13所述的距离测量方法，还具有：
放大工序，将传感器基于所述反射光输出的电信号放大转换为所述测量信号。
15.根据权利要求13所述的距离测量方法，还具有：
根据所述测量信号的信号强度以及环境光强度中的至少一方取得所述第一权重系数的工序。
16.根据权利要求15所述的距离测量方法，还具有：
在所述测量信号的最大值为预定值以上的情况下，相对于测量信号的最大值的增加，使所述第一权重系数单调增加的工序。
17.根据权利要求15所述的距离测量方法，还具有：
在所述测量信号的最大值为预定值以上的情况下，随着环境光强度增加，使第一权重系数相对于测量信号的最大值的增加的增加率变大的工序。
18.根据权利要求13所述的距离测量方法，还具有：
根据所述测量信号的脉冲宽度取得所述第一权重系数的工序。
19.根据权利要求18所述的距离测量方法，其中，
随着所述脉冲宽度变大，使所述第一权重系数增加。
20.根据权利要求13所述的距离测量方法，还具有：
在所述测量信号的脉冲宽度超过预定值的情况下，根据基于对所述上升时刻加上预定值而得到的值的时刻与所述激光的照射时刻的时间差，测量距对象物的距离的工序。
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