CN113874755A - 光测距装置及其方法 - Google Patents

Abstract

光测距装置(20)使与从发光部(40)向规定范围射出的脉冲光对应的反射光在排列有能够分别进行检测的多个小像素(69、s1～s9)的像素(66)上成像，通过定时控制部(170)以不同的相位进行多个小像素中的至少一部分小像素隔开时间间隔反复进行的反射光的检测、和其它的小像素隔开时间间隔反复进行的反射光的检测。使用由各小像素隔开时间间隔反复进行的检测的结果，确定部(100)确定包含到存在于规定范围的对象物为止的距离的对象物(OBJ1)的空间上的位置。

Description

光测距装置及其方法

相关申请的交叉引用

本申请基于在2019年5月20日在日本申请的专利申请号2019-94254号，主张该优先权的利益，通过参照将该专利申请的全部内容纳入至本申请说明书中。

技术领域

本公开涉及利用了光的对象物的检测技术。

背景技术

已知有如下技术：照射激光等脉冲光，在受光部检测来自对象物的反射光，计测从照射到受光为止的返回时间(TOF)，从而检测对象物的存在与否、测量到对象物的距离。在这样的装置中，进行了各种提高捕捉对象物的分辨率的研究。作为分辨率，存在如下两个：检测对象物的空间上的位置时的分辨率(以下，也称为空间分辨率)、计测与到对象物的距离对应的返回时间时的分辨率(以下，也称为时间分辨率)。为了提高前者，减小发光元件、受光元件的大小即可，例如在日本特开2016-176721号公报(以下，称为专利文献1)中，记载了如下结构：准备多个比受光元件的受光区域小的发光区域的发光元件，使多个发光元件分时发光，从而以比受光元件的分辨率高的分辨率获取距离图像。

然而，在上述专利文献1所记载的技术中，在一次的测距中，使具有小的发光区域的激光二极管分时发光，因此测距所需的时间变长，结果导致帧率的降低。另一方面，也能够假定将受光元件的内部分割成多个小像素并能够进行每个小像素的检测的技术，但是虽然空间分辨率被提高，但那样无法提高时间分辨率。

发明内容

本公开能够作为以下的方式或者应用例来实现。即，本公开的光测距装置使用光测量到对象物的距离，上述光测距装置具备：发光部，向规定范围射出脉冲光；光学系统，使与上述脉冲光对应的来自上述规定范围的反射光在进行检测的像素上成像；受光部，在上述像素内排列有能够分别检测上述反射光的多个小像素；定时控制部，以不同的相位进行上述多个小像素中的至少一部分小像素隔开时间间隔反复进行的上述反射光的检测、和其它的上述小像素隔开时间间隔反复进行的上述反射光的检测；确定部，使用由各上述小像素隔开上述时间间隔反复进行的上述检测的结果，确定包含到存在于上述规定范围的对象物为止的距离的上述对象物的空间上的位置。

根据该光测距装置，能够以不同的相位进行多个小像素中的至少一部分小像素隔开时间间隔反复进行的反射光的检测、和其它的小像素隔开时间间隔反复进行的反射光的检测，因此通过使用由各小像素隔开时间间隔反复进行的检测的结果，而在包含到存在于规定范围的对象物为止的距离的对象物的空间上的位置的确定中，通过小像素间的检测的相位差，能够提高时间轴上的分辨率，另外，通过使用多个小像素的检测结果，能够提高空间上的分辨率。

附图说明

图1是第一实施方式的光测距装置的简要结构图，

图2是表示光学系统的详细结构的说明图，

图3是表示SPAD运算部的内部结构的框图，

图4是表示构成受光电路的SPAD电路的一个例子的说明图，

图5是表示将各SPAD电路的检测结果叠加来检测峰值的状态的说明图，

图6是表示加法部、直方图生成部、峰值检测部的详细结构的框图，

图7是表示定时控制电路的内部结构和输出到各加法器的定时控制信号的说明图，

图8是以4个小像素为例，表示在各小像素的检测的相位差的说明图，

图9是表示测距的处理的流程图，

图10是表示各直方图生成器所生成的直方图的一个例子的说明图，

图11是表示各直方图生成器所生成的直方图的其它的例子的说明图，

图12是表示第二实施方式中的定时控制电路的内部结构和输出到各加法器的定时控制信号的说明图，

图13是表示在第二实施方式中将各SPAD电路的检测结果叠加来检测峰值的状态的说明图，

图14是表示作为其它的测距处理而在第二次的动作中变更各小像素中的检测的定时的相位的状态的说明图，

图15是表示2个小像素的组合的例子的说明图，

图16是表示2个小像素的组合的其它的例子的说明图，

图17是表示4个小像素的组合的例子的说明图，

图18A是表示从4×4个小像素中组合3×3个小像素的情况的说明图，

图18B是表示从4×4个小像素中变更为2×2个小像素的组合的情况的说明图。

具体实施方式

A.第一实施方式：

(A1)装置结构：

作为第一实施方式的光学装置的光测距装置20是光学地测量距离的装置，如图1所示，具备：对作为要测距的对象物的物体OBJ1投射用于测距的光并接受反射光的光学系统30、以及驱动光学系统30且对从光学系统30得到的信号进行处理的SPAD运算部100。光学系统30具备：射出激光的发光部40；将来自发光部40的激光射出到要测距的规定范围并进行扫描的扫描部50；接受来自扫描了激光的范围的反射光的受光部60。

图2表示光学系统30的详细。如图所示，发光部40具备射出测距用的激光的半导体激光元件(以下，也简称为激光元件)41、组装有激光元件41的驱动电路的电路基板43、以及使从激光元件41射出的激光成为平行光的准直透镜45。激光元件41是能够振荡所谓的短脉冲激光的激光二极管，激光的脉冲宽度为5nsec左右。通过使用5nsec的短脉冲，能够提高测距的分辨率。

扫描部50具备：反射由准直透镜45形成为平行光的激光的表面反射镜51、通过旋转轴54可旋转地保持该表面反射镜51的保持架53、以及驱动旋转轴54使其旋转的旋转螺线管55。旋转螺线管55接受来自外部的控制信号Sm，在规定的角度范围(以下，称为视场角范围)内反复正转以及反转。其结果是，旋转轴54、进而表面反射镜51也在该范围内转动。结果，从激光元件41经由准直透镜45入射的激光在图示横向(H方向)上在规定的视场角范围内扫描。旋转螺线管55内置有未图示的编码器，能够输出其旋转角度。因此，通过读取表面反射镜51的旋转角度作为编码器的输出，从而能够获取扫描位置。

通过在规定范围内驱动表面反射镜51，发光部40所射出的激光在横向(H方向)上扫描。激光元件41具备在与H方向正交的方向(以下，称为V方向)上较长的形状。包含上述的扫描部50的表面反射镜51的光学系统30收纳于壳体32内，朝向物体OBJ1射出的光以及来自物体OBJ1的反射光通过设置于壳体32的罩31。

扫描部50在由激光的V方向高度和扫描部50的H方向的角度范围规定的规定范围，扫描激光元件41所射出的脉冲光。若存在人、车等物体OBJ1，则从光测距装置20朝向该区域输出的激光在物体OBJ1的表面漫反射，其一部分返回到扫描部50的表面反射镜51方向。该反射光在表面反射镜51反射，入射到受光部60的受光透镜61。在受光透镜61聚光的反射光在形成受光面的受光阵列65成像。在受光阵列65中，如图4所示，排列有检测反射光的多个受光元件66。

如图3所示，来自受光部60的受光阵列65的输出信号输入到相当于测距部的SPAD运算部100。使用图3、图4，对SPAD运算部100的结构和动作进行说明。SPAD运算部100使激光元件41发光来扫描外部的空间，并且根据从激光元件41输出照射脉冲的时刻起到受光部60的受光阵列65接收反射光脉冲为止的时间TF，运算到物体OBJ1的距离。SPAD运算部100具备公知的CPU、存储器，通过执行预先准备的程序来进行测距所需的处理。具体而言，SPAD运算部100除了具备进行整体的控制的控制部110之外，还具备加法部120、直方图生成部130、峰值检测部140、距离运算部150以及定时控制电路170等。

如图4所示，在受光部60的受光阵列65中排列有多个受光元件66。各受光元件66是进行反射光的检测的通常的单位，因此在以下的说明中，也称为像素66。各像素66由3×3个小像素69构成。各小像素69由多个、在这里为3×3个SPAD电路68构成。如图4所示，3×3个小像素69在均由3×3个SPAD电路68构成这一方面具有相同的结构，但在像素66内的配置不同，因此在需要区别各小像素69的情况下，从左上的小像素69朝向右下依次称为小像素s1、s2···s9。构成像素66的小像素69的数量只要是多个，则可以为任意的数量，但若考虑分辨率的下限、S/N比的改善的效果等，则优选4个(例如2×2个)至16个(例如4×4个)左右。

加法部120是对构成小像素69的SPAD电路68的输出进行加法运算的电路，该小像素69包含在构成受光部60的像素66中。在本实施方式中，如图4所示，受光部60的受光阵列65由在反射光的V方向上排列的多个像素66构成。像素66是在测距时检测物体OBJ1，并测量到物体OBJ1的距离时的单位。另一方面，1个像素66由3×3个小像素69构成，各小像素69能够独立地控制其开、关。也就是说，作为像素66整体，在本实施方式中，能够使9个小像素s1～s9独立地工作。

SPAD电路68使用实现高响应性和优异的检测能力的雪崩光电二极管(APD)。若反射光(光子)入射到APD，则生成电子-空穴对，电子和空穴分别在高电场加速，陆续引起碰撞电离而生成新的电子-空穴对(雪崩现象)。像这样，APD能够放大光子的入射，因此在如远处的物体那样反射光的强度变小的情况下，大多使用APD。在APD的动作模式中包括以小于击穿电压的反向偏置电压进行动作的线性模式、和以击穿电压以上的反向偏置电压进行动作的盖革模式。在线性模式中，与所生成的电子-空穴对相比，从高电解区域出来而消失的电子-空穴对的数量较大，电子-空穴对的裂变自然停止。因此，来自APD的输出电流与入射光量大致成比例。

另一方面，在盖革模式中，即使是单个光子的入射，也能够引起雪崩现象，因此能够进一步提高检测灵敏度。有时将这样的以盖革模式进行动作的APD称为单光子雪崩二极管(SPAD：Single Photon Avalanche Diode)。

各SPAD电路68如图4的等效电路所示那样，在电源Vcc与接地线之间串联连接雪崩二极管Da和淬火电阻器Rq，将该连接点的电压输入到作为逻辑运算元件之一的反转元件INV，转换为电压电平反转后的数字信号。反转元件INV的输出信号Sout直接输出到外部。淬火电阻器Rq构成为FET，如果选择信号SC有效，则其接通电阻作为淬火电阻器Rq工作。如果选择信号SC无效，则淬火电阻器Rq成为高阻抗状态，因此即使光入射到雪崩二极管Da，也不流过淬火电流，结果SPAD电路68不动作。选择信号SC被一并输出到小像素69内的3×3个SPAD电路68，用于指定读出或不读出来自各像素66的哪个小像素69的信号。此外，也可以在线性模式下使用雪崩二极管Da，将其输出作为模拟信号直接处理。另外，也能够使用PIN光电二极管代替雪崩二极管Da。

如果光没有入射到SPAD电路68，则雪崩二极管Da保持非导通状态。因此，反转元件INV的输入侧通过淬火电阻器Rq保持在上拉的状态、即高电平H。因此，反转元件INV的输出保持在低电平L。若光从外部入射到各SPAD电路68，则雪崩二极管Da通过入射的光(光子)成为通电状态。其结果是，经由淬火电阻器Rq流过较大的电流，反转元件INV的输入侧暂时成为低电平L，反转元件INV的输出反转为高电平H。经由淬火电阻器Rq流过较大的电流的结果是，施加到雪崩二极管Da的电压降低，因此向雪崩二极管Da的供电停止，雪崩二极管Da恢复到非导通状态。其结果是，反转元件INV的输出信号也反转而返回到低电平L。结果，若光(光子)入射到各SPAD电路68，则反转元件INV输出在极短时间内成为高电平的脉冲信号。因此，如果根据各SPAD电路68接受光的定时，将选择信号SC设为高电平H，则“与”电路SW的输出信号、即来自各SPAD电路68的输出信号Sout成为反映了雪崩二极管Da的状态的数字信号。

小像素69所包含的3×3个SPAD电路68的合计9个输出信号Sout如图4中示出小像素69的一个的量那样被输入到在加法部120内准备的块内加法器121并被加法运算。因此，在加法部120中具备9个块内加法器121～129。在以下的说明中，块内加法器也简称为“加法器”。各小像素69内的9个SPAD电路68的输出分别由加法器121～129汇集，并输出到直方图生成部130，用于直方图的生成。

图5例示了该状态。使发光部40的激光元件41发光，若来自物体OBJ1的反射光入射到与配置于受光部60的受光面的一个像素相当的像素66，则各小像素69在接受到反射光的定时(时间TOF的定时)输出脉冲信号。详细而言，如图5左栏所示，构成小像素s1～s9的各SPAD电路68的每一个也受到干扰光(噪声)等的影响，在各种定时输出输出信号Sout。这是图5左栏的SPAD_1～SPAD_N(在这里N＝9)。此外，图5中的附图标记t表示时间(在其它的附图中也相同)。

针对小像素s1～s9的每一个，通过加法器121～129将该SPAD电路68的每一个所输出的输出信号Sout合计运算，如图5中央所示，求出SPAD响应数As1～As9。如图所示，各SPAD电路68也输出由噪声引起的输出信号Sout，但在与针对激光元件41射出的脉冲光的反射光对应的返回时间TOF的附近，各SPAD电路68输出输出信号Sout，因此在将其合计运算出的SPAD响应数As1～As9中，在返回时间TOF出现SPAD响应数的峰值。这样的针对各小像素s1～s9求出的SPAD响应数As1～As9被进一步合计运算，求出针对像素66的直方图。在图5的右栏将其示出。

若在相同的扫描位置进行多次测量，进一步直方图生成部130对加法部120针对小像素s1、s2···s9求出的SPAD响应数As1～As9进行叠加，则如图5右栏所例示那样，生成在返回时间TOF具有峰值的直方图。若针对小像素s1、s2···s9将SPAD响应数合计运算，则在时间TOF附近形成响应数的峰值。由于SPAD电路68的性质，在所输出的脉冲信号中也包含噪声。噪声由于太阳光等的干扰光而随机产生。基于噪声的脉冲信号随机产生，因此若将来自SPAD电路68的输出信号Sout相加，进一步将针对小像素s1、s2···s9求出的SPAD响应数As1～As9合计运算，则相对于噪声随机出现，而来自物体OBJ1的反射光在返回时间被检测出，因此在特定的返回时间得到峰值。也就是说，与反射光脉冲对应的信号被累积，与噪声对应的信号未被累积，因此与反射光脉冲对应的信号变得明确。所谓的S/N比变高。

这样，若直方图生成部130生成针对像素的直方图，则接受该直方图，峰值检测部140检测信号的峰值。信号的峰值在与来自成为测距的对象的物体OBJ1的反射光脉冲对应的返回时间产生。这样，若检测出峰值，则距离运算部150测量从照射光脉冲到反射光脉冲的峰值的时间TOF，从而检测至物体的距离D。所检测出的距离D被输出到外部，例如若光测距装置20搭载于自动驾驶车辆，则被输出到自动驾驶装置等。当然，除了无人驾驶飞机、汽车、船舶等移动体之外，也能够用作固定的测距装置。

图3所示的控制部110除了输出对发光部40的电路基板43决定激光元件41的发光定时的指令信号SL、决定是否将SPAD电路68激活的选择信号SC之外，还输出针对直方图生成部130的直方图的生成定时、指示直方图的修正的信号St、针对峰值检测部140的切换峰值检测的阈值Tn的信号Sp、针对扫描部50的旋转螺线管55的驱动信号Sm等。并且，设置于控制部110的定时控制部170对加法部120输出调整各小像素69进行加法运算的相位的定时控制信号Sa。通过控制部110在预先决定的定时输出这些信号，SPAD运算部100作为将存在于规定范围的物体OBJ1与到该物体OBJ1的距离D一起进行检测的确定部而工作。

接下来，对本实施方式中的加法部120、直方图生成部130、峰值检测部140的结构、调整这些各部的动作定时的定时控制部170的结构及动作依次进行说明。如图6所示，构成像素66的9个小像素69(s1～s9)分别与构成加法部120的加法器121～129连接。对于加法器121～129的结构，已经使用图4进行了说明。加法器121～129对各小像素s1～s9内具备的3×3个SPAD电路68的输出、SPAD响应数As1～As9进行运算并输出。

加法器121～129所输出的SPAD响应数As1～As9被输入到存储器m1～m9，依次存储于存储器m1～m9。存储于存储器m1～m9的SPAD响应数As1～As9由下一级的直方图生成部130所具备的直方图生成器131～139在规定的定时读取。

直方图生成器131～139分别对基于小像素69的多次的检测结果、即多次的SPAD响应数As1～As9进行累计，生成每个小像素s1～s9的直方图T1～T9。所生成的直方图T1～T9被输入到峰值检测部140的峰值检测器141～149的每一个和合计峰值检测器160。各峰值检测器141～149基于针对小像素s1～s9分别生成的直方图T1～T9，检测其峰值的位置、时间轴上的返回时间TOF。这是与小像素s1～s9的每一个对应的来自物体的反射光的返回时间。另外，合计峰值检测器160基于对针对所有小像素s1～s9生成的直方图T1～T9进行合计运算后的直方图TT，检测其峰值的位置、时间轴上的返回时间TOF。这是与由小像素s1～s9构成的像素66对应的来自物体的反射光的返回时间。

以上说明的各加法器121～129、存储器m1～m9在由来自控制部110内的定时控制部170的定时控制信号Sa决定的定时进行动作，进行来自SPAD电路68的信号的读取和存储。对定时控制部170的结构和定时控制部170所输出的定时控制信号Sa进行说明。

如图7所示，定时控制部170具备输出规定频率的时钟信号CLK的振荡器(OSC)180、和输入该时钟信号CLK并使时钟信号CLK的相位各延迟规定时间的8级延时电路172～179。振荡器180所输出的时钟信号CLK作为基准的定时控制信号Sa被输入到加法器121以及存储器m1的触发端子。若定时控制信号Sa1输入到触发端子，则加法器121输出该定时下的SPAD响应数As1，存储器m1将其存储。从该基准的定时控制信号Sa1相位延迟了基于延时电路172的延迟时间DL的定时控制信号Sa2被输入到加法器122以及存储器m2的触发端子。若定时控制信号Sa2输入到触发端子，则加法器122输出该定时下的SPAD响应数As2，存储器m2将其存储。以下，同样地，根据相位逐一延迟后的定时控制信号Sa3～Sa9，加法器123～129分别输出SPAD响应数As3～As9，存储器m3～m9的每一个存储对应的SPAD响应数As3～As9。在图7中省略了图示，但各存储器m1～m9所存储的SPAD响应数As1～As9在所希望的定时，被后级的峰值检测部140所具备的峰值检测器141～149以及合计峰值检测器160读取。

图8示出了基于这样的相位被逐渐延迟后的定时控制信号的SPAD响应数的读取的状态。在图8中，为了便于理解，将SPAD电路68设为4个。在图8中，没有涂满的圆圈表示在定时控制信号Sa1下求出SPAD响应数，被涂满的圆圈表示在从定时控制信号Sa1相位延迟了延时时间DL的定时控制信号Sa2下求出。另外，没有涂满的正方形表示在从定时控制信号Sa2相位进一步延迟了延时时间DL的定时控制信号Sa3下求出SPAD响应数，被涂满的正方形表示在从定时控制信号Sa3相位延迟了延时时间DL的定时控制信号Sa4下求出。

如图8的最上级所示，根据各定时控制信号Sa1～Sa4反复求出SPAD响应数。其中，在第二级示出根据定时控制信号Sa1求出的SPAD响应数As1，在第三级示出根据定时控制信号Sa2求出的SPAD响应数As2，在第四级示出根据定时控制信号Sa3求出的SPAD响应数As3，在第五级示出根据定时控制信号Sa4求出的SPAD响应数As4。图8的最上级相当于将该4个SPAD响应数As1～As4进行合计运算而得到的结果。

如图8所示，由各小像素s1～s4检测到的SPAD响应数As1～As4的采样的定时依次错开延时电路172的延迟时间DL。在图8所示的例子中，以正好4等分发光部40的发光周期的方式设定延迟时间DL，因此基于各小像素s1～s4的SPAD响应数As1～As4的检测不会产生重复。在图1～图7所示的本实施方式中，小像素69设置有3×3个，因此在实际的结构中，对于延迟时间DL而言，以9等分基于发光部40的发光脉冲的发光周期的方式设定延迟时间DL。也就是说，基于小像素s1～s9的检测的时间间隔比由发光部40射出的脉冲光的宽度短。

(A2)测距处理的详细：

以以上说明的硬件结构为前提，使用图9对控制部110所具备的CPU进行的控制进行说明。图9所示的测距处理例程以规定的间隔被反复执行。若该处理例程开始，则首先对小像素s1～s9进行将步骤S210～s230反复规定次数的处理(步骤S201s～S201e)。

在该反复的处理中，首先进行定时控制(步骤S210)。所谓定时控制，是如使用图7、图8示出那样，准备在测距中输出到加法部120、直方图生成部130的定时控制信号Sa1～Sa9的处理。在本实施例中，各定时控制信号Sa1～Sa9确定为时钟信号CLK和延时电路172～179的输出，如后所述，存在各定时控制信号Sa1～Sa9任意地指定的情况。因此，设为进行定时控制处理(步骤S210)。

在进行了定时的控制之后，控制部110进行对发光部40输出司令信号SL，使激光元件41脉冲发光的发光处理(步骤S220)，接着进行受光处理(步骤S230)。在这里，在受光处理中，控制部110向受光部60输出选择信号SC，并且向加法部120输出定时控制信号Sa1～Sa9，进行基于上述的加法器121～129的SPAD响应数As1～As9的运算及输出、和基于存储器m1～m9的SPAD响应数As1～As9的存储。

上述的处理(步骤S210～S230)被反复规定次数，因此若反复的处理结束，则在存储器m1～m9中，针对对应的小像素s1～s9，存储反复次数的量的基于来自定时控制部170的定时控制信号Sa1～Sa9的SPAD响应数As1～As9。因此，在接下来的步骤S240中，通过直方图生成部130的各直方图生成器131～139，将存储于对应的存储器m1～m9的多次量的SPAD响应数As1～As9进行合计运算，生成各自的直方图。

使用这样获得的关于各小像素s1～s9的直方图，在接下来的步骤S250中，进行针对像素以及小像素的物体的检测、测距处理。该处理相当于基于峰值检测部140中的各峰值检测器141～149以及合计峰值检测器160的峰值检测的处理。另外，在步骤S250中，如后所述，能够进行以小像素69为单位的检测及测距(第一处理)、和以像素66为单位的检测及测距(第二处理)。若结束该处理，则结束测距处理例程。

对作为步骤S250而示出的针对像素以及小像素的物体的检测、测距处理进行说明。在开始步骤S250的处理的时刻，直方图生成部130的直方图生成器131～139生成对存储于存储器m1～m9的多次量的SPAD响应数As1～As9进行合计运算而得的直方图。针对小像素s1～s9而获得的直方图如图8所示，检测出SPAD响应数的定时分别不同。

使用与该小像素s1～s9对应的直方图T1～T9以及将这些直方图合计运算而得到的合计直方图TT，峰值检测部140检测峰值。图10示出该状态。峰值检测部140的各峰值检测器141～149以及合计峰值检测器160将所得到的直方图T1～T9以及合计直方图TT与阈值r1～r9以及阈值R进行比较，从而检测峰值的存在以及其在时间轴上的位置(返回时间)。此时，也存在不存在超过阈值的峰值的直方图。也就是说，作为小像素s1～s9检测物体OBJ1时的空间上的空间分辨率的界限发挥功能。并且，针对各小像素s1～s9的SPAD响应数As1～As9的检测不是在相同的定时，而是如图8所示，在每次错开延迟时间DL的定时进行。其结果是，将SPAD响应数As1～As9分别多次叠加而得到的直方图T1～T9在时间轴上的位置不同，因此关于时间轴，具有比脉冲发光的间隔更高的时间分辨率。其结果是，将这些进一步合计运算而得到的合计直方图TT如图8最上级所示，具有高的时间轴上的分辨率。

例如，在图10所示的例子中，针对小像素s1的直方图T1在时间t1超过阈值r1，检测出峰值。另一方面，针对小像素s9的直方图T9在任意时间均不存在超过阈值r9的峰值。并且，合计直方图TT在时间t1超过阈值R。其结果是，距离运算部150判断为至少在与小像素s1对应的位置，在返回时间t1的场所，存在物体OBJ1，运算其位置和距离D。另一方面，在小像素s9中，判断为不存在物体OBJ1。进而，作为由小像素s1～s9构成的像素66整体来看，判断为在与像素66对应的位置且与返回时间t1对应的距离D存在物体OBJ1。此外，假设在针对小像素s2的直方图T2中，在紧接时间t1之后的时间t2检测出峰值，则判断为在与小像素s2对应的空间上的位置且与返回时间t2对应的距离存在物体OBJ1，并且根据合计直方图TT，判断为在像素66中，在与返回时间t1、t2对应的距离存在物体OBJ1。也就是说，能够判断为在返回时间t1、t2附近存在至少横跨小像素s1、s2的大小的物体OBJ1。

图11例示了其它的检测的状态。在图11所示的例子中，针对小像素s1的直方图T1在时间t1超过阈值r1，检测出峰值。另一方面，针对小像素s9的直方图T9在时间t9超过阈值r9，检测出峰值。另外，在其它的小像素s2～s8中没有检测出峰值。另一方面，合计直方图TT在时间t1、时间t9均低于阈值R，没有检测出峰值。该情况下，小的物体OBJ1、OBJ2存在于小像素s1、s9，到该物体的距离如返回时间t1、t9那样相当不同，因此在该情况下，能够判断为与小像素对应的程度的大小的物体存在于不同的距离。也就是说，该实施方式的SPAD运算部100能够进行以下处理：根据由小像素s1～s9进行的隔开时间间隔的检测的结果，以第一空间上的分辨率且第一时间轴上的分辨率来检测存在于规定范围的对象物的处理；根据将由检测的相位相互不同的多个小像素进行的隔开时间间隔的检测的结果叠加而得到的结果，以比第一空间上的分辨率低的第二空间上的分辨率且比第一时间轴上的分辨率高的第二时间轴上的分辨率来检测存在于规定范围的对象物OBJ1、OBJ2。

如以上说明那样，根据第一实施方式的光测距装置20，能够以比基于发光部40的发光脉冲的间隔高的时间分辨率、且比像素66高的空间分辨率，检测物体的位置和距离。而且，因此，所需的存储器容量被抑制为与以像素66为单位提高时间分辨率来进行检测的情况同等及以下。即，尽管提高了空间分辨率，但与图8的最上级所示的进行像素整体的检测的情况相比，不需要增加预先存储的数据量。在本实施方式中，反复进行使用了来自定时控制部170的定时控制信号Sa1～Ss9的检测，将该数据全部存储于存储器m1～m9，然后，进行直方图的生成，但如果在每次输出定时控制信号Sa1～Sa9时，在上个周期中检测出的SPAD响应数As1～As9上加上这次检测出的SPAD响应数As1～As9并存储于存储器m1～m9中，则能够进一步减少存储器m1～m9的容量。该情况下，直方图生成部130也能够构成为仅读出存储于存储器m1～m9的累积值。

B.第二实施方式：

接下来，对第二实施方式进行说明。除了构成SPAD运算部100的控制部110A以及加法部120A的结构不同之外，第二实施方式的光测距装置20具备与第一实施方式同样的结构。在第二实施方式中，控制部110A和加法部120A具备图12所示的结构。在第二实施方式中，110A具备振荡器180A和存储器选择器190作为定时控制部170A。第二实施方式中的振荡器180A与第一实施方式相比，其振荡频率高约9倍左右。从该振荡器180A输出的时钟信号CLK被供给到设置于加法部120A的加法器121～129和存储器m1～m9。另外，从存储器选择器190向存储器m1～m9输出9个定时控制信号Sa1～Sa9。通过该存储器选择器190，定时控制信号Sa1～Sa9从存储器选择器190输出，但该输出定时在第一实施方式中的测距处理例程中说明的步骤S210的定时控制中被决定。对于定时控制信号Sa1～Sa9，在后面进行详细说明。

在具有上述结构的第二实施方式的光测距装置20中，在加法部120A的加法器121～129中输入有高的频率的时钟信号CLK，各加法器121～129如图8最上级所示那样针对每个时钟信号CLK求出SPAD响应数As1～As9。如图4所示，加法器121通过硬件将各SPAD电路68的输出相加而求出SPAD响应数As1～As9，因此其响应性较高。因此，跟随频率比第一实施方式高的时钟信号CLK，能够求出SPAD响应数As1～As9。

另一方面，存储器m1～m9根据对应的定时控制信号Sa1～Sa9分别存储来自加法器121～129的SPAD响应数As1～As9的信号。也就是说，各加法器121～129如图8最上级那样进行动作，在全部的定时求出SPAD响应数As1～As9，如图8的第二级以下所示，在每次输出定时控制信号Sa1～Sa9时，存储器m1～m9存储在该定时输出的SPAD响应数As1～As9。

因此，如果将该定时控制信号Sa1～Sa9在与第一实施方式大致相同的定时、即每次延迟时钟信号CLK后的定时输出，则与第一实施方式同样，能够以比基于发光部40的发光脉冲的间隔高的时间分辨率、且比像素66高的空间分辨率检测物体的位置和距离。而且，因此所需的存储器容量被抑制为与以像素66为单位提高时间分辨率来进行检测的情况同等及以下。即，尽管提高了空间分辨率，但比图8的最上级所示的进行像素整体的检测的情况相比，不需要增加预先存储的数据量等，能够起到与第一实施方式同样的作用、效果。此外，这样的作用效果在以下的包含第三实施方式的其它的实施方式中也同样。

C.第三实施方式：

如图12所示，根据上述的第二实施方式所采用的硬件，输出到加法部120的存储器m1～m9的定时控制信号Sa1～Sa9的定时能够根据存储器选择器190自由地设定。因此，例如在多次反复进行基于发光部40的发光脉冲的射出和基于受光部60的受光处理的情况下(图9，步骤S201s～S201e)，每次也能够变更从存储器选择器190输出的定时控制信号Sa1～Sa9。将该例作为第三实施方式，在以下示出。

例如，如图13所示，在每次反复处理时，在定时控制(步骤S210)中，也可以替换存储于存储器m1～m9的定时。在图13中，为了便于理解，与图8同样，图示为处理来自4个小像素s1～s4的SPAD响应数As1～As4。在该例中，存储器选择器190在第一次的反复中，对小像素s1～s4输出存储于存储器m1～m4的定时每次延迟时钟信号CLK的定时控制信号Sa1～Sa4，因此，结果，存储于存储器m1～m4的SPAD响应数As1～As4与图8所示的情况相同。表示各定时的没有涂满的圆圈、被涂满的圆圈、没有涂满的正方形、被涂满的正方形与图8相同。将其示出为SPAD响应数As11～As41。对于SPAD响应数Asij的添标而言，前者i表示小像素s1～s4的编号，后者j表示反复次数。反复第二次的SPAD响应数As12～As42与反复第一次相比，如图所示，定时控制信号Sa1～Sa4针对小像素逐个错开。反复第三次、第四次进一步逐个错开定时。

在图13的右栏示出了在反复四次的情况下，将各次检测出并存储于存储器m1～m4的SPAD响应数叠加而得到的叠加响应数At1～At4。这相当于直方图生成部130的各直方图生成器131～134所生成的直方图T1～T4。也能够进一步将这些合计运算来求出相当于合计直方图TT的合计响应数Att。将其在图13的再下级示出。

这样，针对全部的小像素s1～s9，能够以与小像素s1～s9的大小对应的高的空间分辨率、且与时钟信号CLK对应的高的时间分辨率检测反射光的峰值。并且，存储器m1～m9的容量不会比第一、第二实施例增加。另外，从存储器选择器190输出的定时控制信号Sa1～Sa9能够在每次反复进行SPAD响应数As1～As9的检测时变更，因此未必需要如图13所示那样周期性地变更定时。也能够将多次反复进行的检测中的2次以上设为相同的定时，将其它设为不同的定时。

D.第四实施方式：

同样地，也能够利用从存储器选择器190输出的定时控制信号Sa1～Sa9能够在每次反复进行SPAD响应数As1～As9的检测时变更，使用第一次的检测结果，变更第二次以后的定时。将该例作为第四实施方式在以下示出。图14表示通过第一次的检测来改变第二次以后的检测的定时并计测的例子。图14也与图8、图13同样，为了便于理解，仅对小像素s1～s4进行图示，但当然也能够对小像素s1～s9来实施。

在图14所示的例子中，左栏表示反复的第一次的动作，右栏表示第二次及以后的动作。在反复的第一次的动作中，与图8所示的情况同样，对于小像素s1～s4，在将发光、受光的周期4等分的定时读入SPAD响应数Bs11～Bs41。SPAD响应数Bsij的添标ij的意思与图13相同。

若进行第一次的动作，则将SPAD响应数Bs1～Bs4合计运算，求出合计直方图Bt1。若检测该合计直方图Bt1，则能够知晓反射光的峰值的大概位置。因此，在第一次的动作中检测合计直方图Bt1，并调整定时控制信号Sa1～Sa4，使得能够细致地进行被认为其峰值的部位的上升和下降的部分的检测。具体而言，分别使针对小像素s1、s2的定时控制信号Sa1、Sa2稍微延迟，使针对小像素s3的定时控制信号Sa3稍微提前，使针对小像素s4的定时控制信号Sa4维持在原来的状态，使得在形成峰值的波形的上升的部分Ra1和下降的部分Ra2能够细致地进行SPAD响应数的检测。由此，能够将针对各小像素s1～s4的定时控制信号Sa1～Sa4集中在形成峰值的波形的上升的部分Ra1和下降的部分Ra2。其结果是，能够细致地获取形成峰值的波形的最重要的部分的信息。形成峰值的波形的上升、下降的形状能够有助于得知被检测的物体OBJ1是金属、混凝土等轮廓明确的物体，还是树木、人体等轮廓模糊的物体这样的信息等。

在上述实施方式中，各小像素s1～s4的检测的间隔保持恒定，对每个小像素使其检测的相位提前或延迟，但也可以包含间隔地自由设定从定时控制部170输出的定时控制信号Sa。这样，能够进一步提高反射光脉冲的上升、下降的检测精度。当然，不仅是上升、下降，反射光脉冲的峰值附近等、提高检测精度的场所也可以自由地设定。另外，在上述实施方式中，使用第一次的测量来调整第二次的测量的相位，但也可以利用每次的测量结果来调整下次的测量的相位。

E.第五实施方式：

(1)以上对几个实施方式进行了说明，但也可以是除此以外的方式。将汇集多个小像素来进行来自小像素s1～s9的SPAD响应数的检测表示为第五实施方式。在这种情况下，在图6所示的结构中，直方图生成部130的直方图生成器例如交替地读出存储器m1、m2的内容并进行合计运算即可。将这样的对多个小像素的SPAD响应数进行合计运算的结构在图15中示出。在图15所示的例子中，直方图生成器合计运算纵向排列的两个小像素的SPAD响应数，并生成直方图。作为将该情况下的小像素s1、s5合并后的SPAD响应数的合计值而生成的直方图Tu1与针对小像素s1以及s4分别生成的直方图Ts1+Ts4一致。以下，将作为合并了多个小像素的SPAD响应数的合计值而生成的直方图称为组直方图。

在图15所示的例子中，各组直方图如以下所示。

Tu1：Ts1+Ts4

Tu2：Ts2+Ts5

Tu3：Ts3+Ts6

Tu4：Ts4+Ts7

Tu5：Ts5+Ts8

Tu6：Ts6+Ts9

如果采用上述的结构，则能够高精度地检测横跨与相对于像素66纵向排列的两个小像素对应的位置而存在的物体。

(2)求出组直方图的情况下的小像素的汇集方法并不限于图15所示的例子，如图16所示，也可以使小像素横向邻接。该情况下的各组直方图Tv1～Tv6和针对小像素而生成的直方图具备以下的对应关系。

Tv1：Ts1+Ts2

Tv2：Ts2+Ts3

Tv3：Ts4+Ts5

Tv4：Ts5+Ts6

Tv5：Ts7+Ts8

Tv6：Ts8+Ts9

该情况下的物体的位置的检测和测距的方法与上述实施方式所示的内容同样。这样，能够高精度地检测横跨与相对于像素66横向排列的两个小像素69对应的位置而存在的物体。

(3)小像素的直方图Ts并不限于每2个进行分组的情况，也可以每M个(M≥3)进行分组。图17例示了每4个进行分组的情况。该情况下，构成为将直方图Ts1～Ts9每4个进行组合，求出组直方图Tw。具体而言，组直方图Tw求出为：

Tw1＝Ts1+Ts2+Ts4+Ts5

Tw2＝Ts2+Ts3+Ts5+Ts6

Tw3＝Ts4+Ts5+Ts7+Ts8

Tw4＝Ts5+Ts6+Ts8+Ts9。

求出组直方图Tw、检测物体、测距的处理与其它的实施方式同样。

这样，SPAD运算部100能够根据将检测的相位相互不同的多个小像素s1～s9中的一部分小像素的隔开时间间隔的检测的结果叠加而得到的结果，以比将像素66作为单位的分辨率高的分辨率检测存在于上述的范围的上述对象物OBJ1的空间上的位置。

F.第六实施方式：

将在测量的中途变更这样组合的小像素的数量、组合的结构表示为第六实施方式。在第六实施方式中，如图18A以及图18B所示，在构成像素66的小像素为4×4个(合计16个)的情况下，可以通过3×3个小像素进行分组，或者通过2×2个小像素进行分组。对于这样的分组而言，在反复的第一次的检测中，能够判断为反射光的返回时间较短、物体OBJ1在附近的情况下，增多分组的小像素数量，在反复的第一次的检测中，能够判断为反射光的返回时间较长、物体OBJ1在远处的情况下，减少分组的小像素数量这样的对应是有用的。这是因为，如果物体OBJ1处于附近，则来自物体OBJ1的反射光同时进入多个小像素的可能性较高，如果物体OBJ1处于远处，则来自物体OBJ1的反射光进入多个小像素的可能性较低。另外，也可以在测量的中途变更小像素的组合，例如，在判断为纵向存在细长物体的可能性较高的情况下，使小像素的组合成为纵长，在判断为横向存在细长物体的可能性较高的情况下，使小像素的组合成为横长等。有时将这样的组合数称为合并数。

这样，根据物体OBJ1的距离，通过改变合并数，能够容易地切换是优先时间分辨率，还是优先空间分辨率。如果增加分组的小像素数量，则组直方图所包含的SPAD响应数增加，因此能够缩短生成直方图时的时间，也能够减少在相同的位置的测距的次数，增加扫描次数。

G.其它实施方式：

在上述各实施方式中，也可以将由硬件实现的结构的一部分置换成软件。由软件实现的结构的至少一部分也能够通过分立的电路结构来实现。另外，在本公开的功能的一部分或者全部由软件实现的情况下，该软件(计算机程序)能够以储存于计算机可读取的记录介质的形式来提供。所谓的“计算机可读取的记录介质”，并不限于软盘、CD-ROM那样的便携式的记录介质，还包含各种RAM、ROM等的计算机内的内部存储装置、硬盘等的固定于计算机的外部存储装置。即，所谓的“计算机可读取的记录介质”，具有包含不是暂时而是可固定数据包的任意的记录介质的广泛意义。另外，在上述光测距装置中进行的处理能够理解为作为光测距方法来实施。

本公开并不限于上述的实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内以各种结构来实现。例如，为了解决上述的课题的一部分或者全部，或者为了实现上述的效果的一部分或者全部，与在发明的概要栏记载的各方式中的技术特征对应的实施方式中的技术特征能够适当地进行替换、组合。另外，只要未将该技术特征说明为在本说明书中为必须的，则能够适当地删除。

Claims (13)

1.一种光测距装置，使用光测量到对象物为止的距离，

所述光测距装置(20)具备：

发光部(40)，向规定范围射出脉冲光；

光学系统(30)，使与所述脉冲光对应的来自所述规定范围的反射光在进行检测的像素(66)上成像；

受光部(60)，在所述像素内排列有能够分别检测所述反射光的多个小像素(69、s1～s9)；

定时控制部(170)，以不同的相位进行所述多个小像素中的至少一部分小像素隔开时间间隔反复进行的所述反射光的检测、和其它的所述小像素隔开时间间隔反复进行的所述反射光的检测；以及

确定部(100)，使用由各所述小像素隔开所述时间间隔反复进行的所述检测的结果，确定包含到存在于所述规定范围的对象物为止的距离的所述对象物的空间上的位置。

2.根据权利要求1所述的光测距装置，其中，

所述小像素具备能够独立地检测光的入射来作为电响应信号的多个光检测电路(68)，

所述确定部针对每个所述小像素具备：

加法部(121～129)，在隔开所述时间间隔的所述检测的定时，对所述小像素所包含的所述光检测电路的响应信号的数量进行合计运算；以及

存储部(m1～m9)，存储至少一次测距量的所述合计运算出的所述响应信号的数量。

3.根据权利要求2所述的光测距装置，其中，

所述光检测电路是使用了单光子雪崩二极管(SPAD)的电路。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的光测距装置，其中，

所述定时控制部针对所述多个小像素中的每一个小像素，使所述检测的相位不同。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的光测距装置，其中，

所述定时控制部将各所述小像素中的所述时间间隔设为恒定。

6.根据权利要求1～4中的任一项所述的光测距装置，其中，

所述定时控制部能够变更各所述小像素中的所述检测的所述时间间隔。

7.根据权利要求6所述的光测距装置，其中，

在变更所述时间间隔之前，进行所述脉冲光的射出和使用了所述小像素的隔开所述时间间隔的检测，并且根据该检测的结果，决定由各所述小像素进行的所述检测的时间间隔。

8.根据权利要求1～7中的任一项所述的光测距装置，其中，

由所述小像素进行的检测的时间间隔比由所述发光部射出的所述脉冲光的宽度短。

9.根据权利要求1～8中的任一项所述的光测距装置，其中，

所述确定部进行：

第一处理，根据由所述小像素进行的隔开所述时间间隔的所述检测的结果，以第一空间上的分辨率且第一时间轴上的分辨率检测存在于所述规定范围的对象物；以及

第二处理，根据将由所述检测的相位相互不同的多个小像素进行的隔开时间间隔的所述检测的结果叠加而得到的结果，以比所述第一空间上的分辨率低的第二空间上的分辨率且比所述第一时间轴上的分辨率高的第二时间轴上的分辨率检测存在于所述规定范围的所述对象物。

10.根据权利要求1～9中的任一项所述的光测距装置，其中，

所述确定部根据将由所述检测的相位相互不同的多个小像素中的一部分小像素进行的隔开时间间隔的所述检测的结果叠加而得到的结果，以比将所述像素作为单位的分辨率高的分辨率检测存在于所述规定范围的所述对象物的空间上的位置。

11.根据权利要求10所述的光测距装置，其中，

能够变更将隔开所述时间间隔的所述检测的结果叠加的所述一部分小像素的数量。

12.根据权利要求11所述的光测距装置，其中，

在变更所述叠加的小像素的数量之前，进行所述脉冲光的射出和使用了所述小像素的隔开所述时间间隔的检测，并且根据该检测的结果，决定所述叠加的小像素的数量。

13.一种光测距方法，使用光测量到对象物的距离，

在所述光测距方法中，

向规定范围射出脉冲光，

使与所述脉冲光对应的来自所述规定范围的反射光在进行检测的像素上成像，在所述像素内排列有能够分别检测所述反射光的多个小像素，

以不同的相位进行所述多个小像素中的至少一部分小像素隔开时间间隔反复进行的所述反射光的检测、和其它的所述小像素隔开时间间隔反复进行的所述反射光的检测，

使用由各所述小像素隔开所述时间间隔反复进行的所述检测的结果，确定包含到存在于所述规定范围的对象物为止的距离的所述对象物的空间上的位置。

Images