JP2005291864A - 移動体用光信号受信装置及び物体認識装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 フォトダイオードを介して光信号を受信する装置において、受信信号のＳ／Ｎの劣化を防止しつつ、背景光が強くなっても光信号を受信できるようにする。
【解決手段】 フォトダイオード３４のアノードとグランドとの間に抵抗素子を設け、抵抗素子を介してフォトダイオード３４に逆バイアス電圧を印加することにより、フォトダイオード３４に車両周囲からの入射光に応じた電流を流し、その電流の交流信号成分をコンデンサ３８を介して抽出することにより、入射光から背景光を除去した光信号の受信信号を取得する光信号受信装置において、フォトダイオード３４に直列接続する抵抗素子を、抵抗値を制御可能なＦＥＴ３６にて構成し、その抵抗値を、抵抗４２及びコンデンサ４４からなるローパスフィルタを介して取得したフォトダイオード３４のアノード側電位（直流成分）が一定の基準電位となるように制御する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、移動体に搭載されて移動体周囲からの入射光に含まれる光信号を受信するのに好適な移動体用光信号受信装置、及び、この受信装置を利用した物体認識装置に関する。

従来より、車両周囲に光信号を照射し、その反射光を受光することによって、車両周囲に存在する物体（障害物や先行車両等）を認識したり、或いは、更にその物体までの距離を測定する物体認識装置が知られている（例えば、特許文献１等参照）。

そして、この種の物体認識装置においては、車両周囲に出射した光信号の反射光を受光して受信信号に変換するための光信号受信装置として、通常、図３に示すような受光回路が用いられている。

図３に示す如く、この受光回路は、フォトダイオード７２と、フォトダイオード７２のアノードに接続された接地用の抵抗７４と、フォトダイオード７２のアノードに接続され、このアノードに発生した交流信号成分を選択的に通過させるコンデンサ７６と、このコンデンサ７６を通過した交流信号を増幅し、反射光（光信号）の受信信号として出力する増幅器７８とから構成されており、フォトダイオード７２のカソード側を正電位、抵抗７４の接地点（つまりグランド）を負電位として、フォトダイオード７２と抵抗７４との直列回路に直流定電圧Ｖｃを印加すること（換言すれば、抵抗７４を介してフォトダイオード７２に逆バイアス電圧を印加すること）によって使用される。

そして、この受光回路においては、車両周囲からの入射光量に応じた電流がフォトダイオード７２に流れ、その電流の内、入射光に含まれる光信号に対応した交流信号成分がコンデンサ７６により抽出され、その抽出された交流信号成分が、光信号の受信信号として出力される。
特開２００２−２２８２７号公報

ところで、上記従来の受光回路においては、車両周囲からの入射光量に応じてフォトダイオードに流れる電流の直流成分（つまり光信号の検出に不要な背景光に対応した信号成分）は、抵抗７４を介してグランドに流されることから、例えば、天気のよい昼間等に、フォトダイオード７２に対して太陽光が直接入射し、フォトダイオード７２への入射光量が増加すると、フォトダイオード７２から抵抗７４に流れる電流（直流成分）が増加して、抵抗７４で生じる電圧降下が大きくなる。

そして、この電圧降下は、抵抗７４の抵抗値に比例することから、抵抗７４の抵抗値を大きくすると、フォトダイオード７２への入射光量が増加した際に、フォトダイオード７２に正規の逆バイアス電圧を印加することができず、受光回路が正常に機能しなくなってしまう。

一方、この問題を防止するために、抵抗７４の抵抗値を小さくすると、コンデンサ７６を介して取り出すべき交流信号成分も抵抗７４に流れてしまい、得られる受信信号の信号レベルが低下する。また、抵抗７４の抵抗値を小さくすると、熱雑音も増加する。この結果、抵抗７４の抵抗値を小さくすると、コンデンサ７６を介して出力される受信信号のＳ／Ｎ（信号対雑音比）が低下する。

このように、従来の受光回路においては、フォトダイオード７２に直列接続される抵抗７４の抵抗値を大きくすると、コンデンサ７６を介して得られる受信信号のＳ／Ｎはよいが、背景光の増加に伴い光信号の受信機能が損なわれることがあり、逆に、抵抗７４の抵抗値を小さくすると、強い背景光にも耐え得る受光回路を実現できるものの、得られる受信信号のＳ／Ｎが劣化してしまう。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、フォトダイオードを介して光信号を受信する装置において、受信信号のＳ／Ｎの劣化を防止しつつ、背景光が強くなっても光信号を受信できるようにすることを目的とする。

係る目的を達成するためになされた請求項１に記載の移動体用光信号受信装置においては、抵抗素子を介してフォトダイオードに逆バイアス電圧を印加すると、移動体周囲から入射した光の量に応じた電流がフォトダイオードに流れ、その電流の交流信号成分（換言すれば、入射光に含まれる光信号に対応した受信信号）が第１フィルタ手段を介して外部に出力される。

また、抵抗素子は、抵抗値を制御可能な半導体素子にて構成されており、その抵抗値は、制御手段によって、抵抗素子とフォトダイオードとの接続点から直流信号成分を抽出する第２フィルタ手段からの出力が予め設定された一定電位となるように制御される。

つまり、本発明の移動体用光信号受信装置においては、フォトダイオードに逆バイアス電圧が印加されて光信号の受信動作を行う際に、フォトダイオードへの入射光量（詳しくは背景光の量）に応じて、抵抗素子（半導体素子）の抵抗値が制御され、フォトダイオードに印加される逆バイアス電圧が、常時、略一定に制御されることになる。

よって、本発明によれば、抵抗素子の抵抗値を小さくし過ぎることによって生じる受信信号のＳ／Ｎの劣化を防止しつつ、背景光が強くなっても光信号を受信することができるようになる。

ここで、抵抗素子を構成する半導体素子としては、外部から抵抗値を制御できるものであればよく、一般には、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）が考えられるが、より好ましくは、請求項２に記載のように、電界効果トランジスタを用いるようにするとよい。

つまり、トランジスタの内、バーポーラトランジスタは、ＰＮ接合部を有することから、電流が流れた際に、そのＰＮ接合部で散弾雑音（ショットノイズ）が発生する。そして、フォトダイオードもＰＮ接合部を有することから、抵抗素子としてバイポーラトランジスタを使用すると、バイポーラトランジスタとフォトダイオードとで発生したショットノイズを合成したノイズ信号が、第１フィルタ手段を介して出力される受信信号に重畳されることになり、そのノイズ信号の大きさは、バイポーラトランジスタを使用しない場合のノイズ信号の１．４倍（二乗和）になってしまう。

これに対し、ＦＥＴはＰＮ接合部がなく、ショットノイズが発生しないので、抵抗素子としてＦＥＴを使用すれば、受信信号には、フォトダイオードで発生したショットノイズによるノイズ信号だけが重畳されることになり、受信信号のＳ／Ｎが低下するのを防止できる。

一方、本発明の光信号受信装置は、背景光が変化する移動体に搭載して使用することによって上述した効果を得ることができるようになるのであるが、特に、請求項３に記載のように、車両周囲に存在する物体を認識する物体認識装置において、発光手段が出射した光信号の反射光を受光する受光手段として、本発明の光信号受信装置を使用するようにすれば、背景光の影響を受けることなく車両周囲に存在する物体を認識することができるようになり、物体認識装置が、その受信信号にもとづき物体までの距離を測定する装置であれば、その距離を常時正確に測定することができるようになる。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明が適用された物体認識装置の概略構成図である。
この物体認識装置は、車両に搭載されて車両前方の物体（先行車両や障害物）の検出及びその物体までの距離を測定する距離測定装置（所謂レーザレーダ）であり、発光部１０、受光部３０、及び、制御回路５０等を主要部として次のように構成されている。

発光部１０は、パルス状のレーザ光を、発光レンズ１２及びスキャナ１４を介して放射する半導体レーザダイオード（以下、単にレーザダイオードと記載する）１６を備えている。そして、レーザダイオード１６は、レーザダイオード（ＬＤ）駆動回路１８を介して制御回路５０に接続され、制御回路５０からの駆動信号によりレーザ光を放射（発光）する。なお、制御回路５０は、ＣＰＵを中心としたマイクロコンピュータからなる。

また、スキャナ１４には、ポリゴンミラー２０が鉛直軸を中心に回転可能に設けられ、制御回路５０からの駆動信号がモータ駆動回路２２を介して入力されると、このポリゴンミラー２０は図示しないモータの駆動力により回転する。なお、このモータの回転位置は、モータ回転位置センサ２４によって検出され、制御回路５０に出力される。また、本実施形態では、ポリゴンミラー２０は、面倒れ角が異なる６つのミラーを備えており、これによって、車両の幅方向及び高さ方向それぞれの所定角度範囲でレーザ光を掃引(スキャン）し、ガラス板２６を介して車両前方に出射させる。

一方、受光部３０は、受光レンズ３２を介して車両前方からの入射光を受光するフォトダイオード３４を備え、このフォトダイオード３４に流れる電流から、図示しない物体に反射されたレーザ光の信号成分を抽出して、受信信号として出力する。なお、フォトダイオード３４を含む受光部３０の回路構成については、後に詳しく説明する。

そして、この受光部３０からの出力（受信信号）は、信号処理回路５２にてレベル調整された後、コンパレータ５４に入力される。すると、コンパレータ５４は、その入力信号と基準電圧Ｖｔｈとを比較し、入力信号＞基準電圧Ｖｔｈとなったときにハイレベルとなる検出信号を時間計測回路５６へ出力する。

なお、信号処理回路５２は、受信信号の信号レベル（背景ノイズ）が所定レベルとなるように利得を自動調整するＡＧＣ機能付きの増幅器と、レーザ光出射直後の近距離領域では低利得となりレーザ光出射後の経過時間が長くなるに従い利得を上昇させる利得調整機能を有する増幅器とを備え、これら各増幅器の動作によって、反射光の信号レベルを最適レベルに調整する。

次に、時間計測回路５６には、制御回路５０からＬＤ駆動回路１８へ出力される駆動信号も入力される。そして、時間計測回路５６は、制御回路５０から出力された駆動信号をスタートパルスＰＡ、コンパレータ５４から出力された検出信号をストップパルスＰＢとして、この２つのパルスＰＡ−ＰＢ間の位相差（すなわち、レーザ光を出射した時刻と反射光を受光した時刻との時間差ΔＴ）を、２進デジタル信号に符号化すると共に、ストップパルスＰＢのパルス幅を反射光の強度を表す情報として計測し、２進デジタル信号に符号化する。

そして、このように時間計測回路５６にて生成された符号化データは、制御回路５０に入力され、制御回路５０は、その入力された２種類の符号化データ（つまり、レーザ光を出射してからその反射光を受光するまでの時間差と、反射光の強度を表す２つの情報）と、モータ回転位置センサ２４を介して取得したポリゴンミラー２０の回転角度（つまり、車両からのレーザ光の出射方向を表す情報）を、測距データとして図示しない車両制御装置に出力する。

従って、車両制御装置側では、制御回路５０からの測距データに基づき、先行車両（若しくは障害物）までの距離やその方向を検知して、自車両を先行車両に追従させる自動走行制御や障害物を検出して警報を発する障害物報知制御等を実行できる。

次に、図２は、受光部３０の回路構成を表す説明図である。
図２に示す如く、本実施形態の受光部３０には、上述したフォトダイオード３４に加えて、フォトダイオード３４のアノードと接地点（グランド）との間にドレイン及びソースを介して接続されたＦＥＴ３６と、フォトダイオード３４のアノードに接続され、このアノードに発生した交流信号成分を選択的に通過させるコンデンサ３８と、このコンデンサ３８を通過した交流信号を増幅して、反射光（光信号）の受信信号として出力する増幅器４０とが備えられている。なお、コンデンサ３８は、本発明の第１フィルタ手段に相当する。

ここで、ＦＥＴ３６は、図３に示した従来の受光回路における抵抗７４の代わりに可変抵抗として設けられたものであり、その抵抗値は、制御手段としての差動増幅回路４６からゲートに印加される印加電圧に応じて変化する。

また、フォトダイオード３４のカソードは、第２フィルタ手段としてのローパスフィルタ（換言すれば積分回路）を構成する抵抗４２及びコンデンサ４４を介して接地されている。そして、差動増幅回路４６の非反転入力端子は、この抵抗４２とコンデンサ４４との接続点に接続され、差動増幅回路４６の反転入力端子には、一定の基準電圧Ｖｏが印加されている。

このため、差動増幅回路４６からは、抵抗４２及びコンデンサ４４からなるローパスフィルタを介してフォトダイオード３４のアノード側から抽出された直流信号の電位と、基準電圧Ｖｏとの差に応じた電圧が出力され、フォトダイオード３４とＦＥＴ３６との間に動作用の電源電圧（直流定電圧）Ｖｃが印加された際には、ＦＥＴ３６の抵抗値が、フォトダイオード３４のアノード側の電位（直流成分）が一定電位（つまり基準電圧Ｖｏ）となるように制御されることになる。

従って、本実施形態の受光部３０においては、フォトダイオード３４に印加される逆バイアス電圧が略一定電圧に保持することができるようになり、フォトダイオード３４に直列接続される抵抗素子の抵抗値を小さくし過ぎることによって生じる受信信号のＳ／Ｎの劣化を防止しつつ、背景光が強くなって光信号を受信することができるようになる。

また、本実施形態では、フォトダイオード３４に直列接続する抵抗素子として、ＦＥＴ３６を使用しており、その動作時にショットノイズが発生することがないので、抵抗素子としてバイポーラトランジスタを使用した場合に比べて、受光信号に重畳されるノイズ信号を低減して、受信信号のＳ／Ｎを向上できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内で種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施形態では、フォトダイオード３４に直列接続する抵抗素子は、ＦＥＴであるものとして説明したが、バイポーラトランジスタを使用しても、本発明の目的は達成できる。

また、上記実施形態では、抵抗素子としての半導体素子（つまりＦＥＴ３６）は、フォトダイオード３４の電流経路の下流側に設けられるものとして説明したが、抵抗素子としての半導体素子は、フォトダイオード３４の電流経路の上流側に設けるようにしても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

また更に、上記実施形態では、車両に搭載される物体認識装置において、発光部１０から出射したレーザ光の反射光を受光するのに使用される受光部３０に、本発明の光信号受信装置を適用した場合について説明したが、本発明の光信号受信装置は、移動体において、移動体周囲から入射する光を受光し、その受光信号の中から背景光の信号成分（直流信号成分）を除去して、光信号に対応した受信信号を抽出するのに使用されるもの（例えば、光通信のために自車両以外の移動体若しくは固定局から送信されてきた光信号を受信する装置等）であれば、上記実施形態と同様に適用して、同様の効果を得ることができる。

実施形態の障害物認識装置全体の構成を表す概略構成図である。 図１に示す受光部の回路構成を表す電気回路図である。 従来の受光回路の構成を表す電気回路図である。

符号の説明

１０…発光部、１２…発光レンズ、１４…スキャナ、１６…レーザダイオード、１８…レーザダイオード（ＬＤ）駆動回路、２０…ポリゴンミラー、２２…モータ駆動回路、２４…モータ回転位置センサ、２６…ガラス板、３０…受光部、３２…受光レンズ、３４，７２…フォトダイオード、３８…コンデンサ、４０，７８…増幅器、４２，７４…抵抗、４４，７６…コンデンサ、４６…差動増幅回路、５０…制御回路、５２…信号処理回路、５４…コンパレータ、５６…時間計測回路。

Claims (3)

1. 移動体に搭載され、移動体周囲からの入射光を受光するフォトダイオードと、
   該フォトダイオードに直列接続された抵抗素子と、
   該抵抗素子と前記フォトダイオードとの接続点から交流信号成分を抽出する第１フィルタ手段と、
   を備え、前記抵抗素子を介して前記フォトダイオードに逆バイアス電圧が印加されると、前記入射光から背景光を除去した光信号に対応する受信信号を前記第１フィルタから出力する移動体用光信号受信装置であって、
   前記抵抗素子を、抵抗値を制御可能な半導体素子にて構成し、更に、
   前記抵抗素子と前記フォトダイオードとの接続点から直流信号成分を抽出する第２フィルタ手段と、
   該第２フィルタ手段からの出力が予め設定された一定電位となるように前記半導体素子の抵抗値を制御する制御手段と、
   を設けたことを特徴とする移動体用光信号受信装置。
2. 前記抵抗素子を構成する半導体素子は、電界効果トランジスタからなることを特徴とする請求項１に記載の移動体用光信号受信装置。
3. 車両周囲に光信号を出射する発光手段と、該発光手段が出射した光信号の反射光を受光する受光手段とを備え、該受光手段からの出力に基づいて車両周囲に存在する物体を認識する物体認識装置であって、
   前記受光手段として、請求項１又は請求項２に記載の移動体用光信号受信装置を備えたことを特徴とする物体認識装置。
   

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