JP2012202776A

JP2012202776A - 距離測定装置

Info

Publication number: JP2012202776A
Application number: JP2011066673A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Matsubara; 弘幸松原; Kota Ito; 晃太伊藤; Mineki Soga; 峰樹曽我
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2012-10-22

Abstract

【課題】光検出器のダイナミックレンジを簡易な構成で拡大することができ、測定対象物までの距離に拘らず、測定対象物までの距離を精度よく測定することができる距離測定装置を提供する。
【解決手段】距離測定装置は、測定対象物に対し測定光を投光する光投光部と、測定対象物で反射された反射光を集光する集光光学系と、一定の受光感度を有する複数の受光素子が被照射面内に配置された光検出器と、集光光学系と光検出器との間に配置された光量分布変換素子と、複数の受光素子から検出信号を取得し、取得された複数の検出信号に基づいて測定対象物までの距離を演算する制御部と、を備える。光量分布変換素子は、被照射面において、複数の受光素子の各々が配置される位置に応じて、予め定めた光量分布が得られるように、集光光学系で集光された反射光の光量分布を変換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、距離測定装置に関する。

従来、測定対象物に対し光パルスを照射し、光パルスが射出されてから反射光パルスを受光するまでに要した応答時間を計測して、測定対象物までの距離を測定する距離測定装置が用いられている。距離測定装置では、測定対象物までの距離が長くなると、外乱等の要因により反射光パルスによる信号強度が小さくなり、測定精度が低下する。一方、微弱信号を検出できるように光検出器を調整すると、近距離に在る測定対象物からの反射光パルス等、高強度の反射光より光検出器が飽和して測定不能となる。

特に、車両用の距離測定装置には、数十ｃｍから１００ｍ以上先までの広い範囲で、測定対象物までの距離を精度よく測定できる性能が要求される。反射光の強度は、距離の二乗に反比例して変化する。例えば、測定対象物までの距離が１ｍから１００ｍ以上先まで変化すると、反射光の強度は４桁以上変化することになる。通常、光検出器のダイナミックレンジは２桁から３桁程度である。反射光の強度が４桁以上変化すると、光検出器のダイナミックレンジが不足する。

この問題を解決するために、光検出器のダイナミックレンジを拡大する手法が種々検討されている。例えば、測距対象物からの反射光を複数の受信光に分離し、分離された受信光を各々異なった光減衰量で減衰し、レベルが所定の弁別閾値以上でかつ最小の信号を選択し、選択された信号と測距対象物への送信光とに基づきパルスレーザ光の往復時間を計時するパルスレーザ測距装置が提案されている（特許文献１）。

また、低輝度な入射光が受光光学系に入射した場合には、高感度な第１の受光素子（アバランシェフォトダイオード：ＡＰＤ）の出力を用い、高輝度な入射光が受光光学系に入射した場合には、低感度な第２の受光素子（ＰＩＮ型フォトダイオード：ＰＤ）の出力を用いるレーダ装置が提案されている（特許文献２、特許文献３）。

特公平７−６９４２２号公報特開２００８−２０２０３号公報特開２００８−２０２０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置では、測距対象物からの反射光を複数の受信光に分離する光学系、複数の光減衰器、及び複数の光検出器（受光素子）が必要となり、装置全体が大型化するという問題がある。また、光検出器毎に光減衰器を設けたのでは、総受光量が減少してしまい、シグナルノイズ比（Ｓ/Ｎ）が低下するという問題がある。

また、特許文献２、３に記載の装置では、第１の受光素子（ＡＰＤ）と第２の受光素子（ＰＤ）という動作原理の異なる２種類の受光素子が必要となり、駆動回路の構成が複雑化するという問題がある。また、受光光学系に入射する反射光の強度は、測定対象物からの距離に応じて変化するものであり、受光感度が大幅に異なるＡＰＤとＰＤとでは、測定不能となる強度範囲が生じる可能性がある。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、光検出器が検出できる反射光の強度範囲（ダイナミックレンジ）を簡易な構成で拡大することができ、測定対象物までの距離に拘らず、測定対象物までの距離を精度よく測定することができる距離測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、測定対象物に対し測定光を投光する光投光部と、前記測定対象物で反射された反射光を集光する集光光学系と、一定の受光感度を有する複数の受光素子が被照射面内に配置された光検出器と、前記集光光学系と前記光検出器との間に配置され、前記被照射面において前記複数の受光素子の各々が配置される位置に応じて予め定めた光量分布が得られるように、前記集光光学系で集光された反射光の光量分布を変換する光量分布変換素子と、前記複数の受光素子から検出信号を取得し、取得された複数の検出信号に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する制御部と、を備えた距離測定装置である。

請求項２に記載の発明は、前記制御部が、取得された複数の検出信号から飽和レベルに到達していない検出信号を選択して、選択された検出信号に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する、又は取得された複数の検出信号の和信号を求め、得られた和信号に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する、請求項１に記載の距離測定装置である。

請求項３に記載の発明は、前記光検出器が、前記複数の受光素子が複数の組に分けて配置されており、前記光量分布変換素子が、前記複数の組間で受光光量が変化するように反射光の光量分布を変換し、前記制御部が、前記複数の組毎に検出信号を取得し、取得された複数の検出信号から飽和レベルに到達していない検出信号を選択して、選択された検出信号に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する、又は取得された複数の検出信号の和信号を求め、得られた和信号に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する、請求項１又は請求項２に記載の距離測定装置である。

請求項４に記載の発明は、前記光検出器が、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードを有するガイガーモードＡＰＤアレイである、請求項１から３までの何れか１項に記載の距離測定装置である。

請求項５に記載の発明は、前記集光光学系と前記光量分布変換素子との間に配置され、前記反射光を通過させる開口と当該開口の周囲に照射される光を遮断する遮光板とを有し、受光視野を制限する受光視野制限部を、更に備えた、請求項１から４までの何れか１項に記載の距離測定装置である。

請求項６に記載の発明は、前記光量分布変換素子が、前記集光光学系で集光された反射光を前記光検出器に向けて拡散させる機能を備える、請求項１から５までの何れか１項に記載の距離測定装置である。

請求項７に記載の発明は、前記光量分布変換素子が、入射した反射光を拡散透過する拡散板である、請求項１から６までの何れか１項に記載の距離測定装置である。

請求項８に記載の発明は、前記光量分布変換素子が、開口部を備え前記光検出器側が反射面とされた反射鏡、及び前記開口部を通過した反射光を透過させる光透過板を備え、前記光透過板の前記開口部に対向する位置に入射した反射光を、前記反射鏡の方向に反射する斜面が配置された、請求項１から６までの何れか１項に記載の距離測定装置である。

請求項９に記載の発明は、前記光量分布変換素子は、入射した反射光を回折する回折光学素子である、請求項１から６までの何れか１項に記載の距離測定装置である。

本発明の距離測定装置によれば、光検出器が検出できる反射光の強度範囲（ダイナミックレンジ）を簡易な構成で拡大することができ、測定対象物までの距離に拘らず、測定対象物までの距離を精度よく測定することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る距離測定装置の構成の一例を示す概略図である。距離測定装置の光受光部の構成の一例を示す分解斜視図である。光検出器の被照射面における光量分布を示す図である。全入射光量と各素子の出力信号との関係を表す模式図である。「距離演算処理」の処理ルーチンを示すフローチャートである。「検出信号特定処理」の処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。「検出信号特定処理」の他の処理ルーチンを示すフローチャートである。（Ａ）〜（Ｅ）は光量分布変換素子の種々の構成例を示す模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る距離測定装置における光検出器の構成の一例と、当該光検出器の被照射面における光量分布を示す図である。光検出器として使用されるガイガーモードＡＰＤアレイの構成の一例を示す平面図である。ガイガーモードＡＰＤアレイを使用した場合の吸収された全光子数に対する出力フォトン数を表すグラフである。（Ａ）は分割ディテクタ方式の光検出器の構成の一例を示す平面図であり、（Ｂ）は各ユニットをモジュール化した例を示す模式図である。（Ａ）及び（Ｂ）は光検出器の被照射面における光量分布の種々の変形例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
（距離測定装置の概略構成）
まず、距離測定装置の構成の一例について説明する。ここでは、距離測定装置を、レーザ光の直進性を利用して、広い範囲で対象物までの距離を測定できるレーザレーダ装置として構成した例について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る距離測定装置の構成の一例を示す概略図である。図２は距離測定装置の光受光部の構成の一例を示す分解斜視図である。

図１に示すように、距離測定装置１０は、測定対象物（以下、「対象物」という。）に対し測定光を投光する光投光部２０、測定対象物で反射された反射光を受光する光受光部３０、及び各種演算等を行うと共に装置各部を制御する制御部４０を備えている。また、制御部４０には、測定結果等を表示する表示部４２が接続されていてもよい。光投光部２０は、測定光を射出するレーザ光源２４、レーザ光源２４を駆動する駆動部２６、及び測定光を対象物に投光する投光光学系２２を備えている。

駆動部２６は、制御部４０に電気的に接続されている。駆動部２６は、制御部４０からの制御信号に基づいて、レーザ光源２４を点灯駆動する。レーザ光源２４としては、半導体レーザ（ＬＤ）等を使用することができる。例えば、発振波長１．５５μｍの半導体レーザ等を使用することができる。なお、レーザ光源２４には、通常、出力モニタ用の光検出部が内蔵されている。内蔵された光検出部からの検出信号は、「測定光の出力信号」として駆動部２６を介して制御部４０に入力される。

光受光部３０は、対象物で反射された反射光を集光する集光光学系３２、集光光学系３２の焦点位置に配置されて受光視野を制限する受光視野制限部３４、集光光学系３２で集光された反射光の光量分布を変換する光量分布変換素子３６、及び反射光を検出する光検出器３８を備えている。これら各部は、反射光の入射側からこの順に配置されている。光検出器３８は、制御部４０に電気的に接続されている。

光検出器３８は、後述する通り複数の受光素子５０を備えており、複数の受光素子５０の各々で受光した光信号は電気信号に光電変換される。光検出器３８で光電変換された電気信号は、「反射光の検出信号」として制御部４０に入力される。本実施の形態では、反射光の検出信号は、後述する素子１〜素子３の各々に対応して入力される。

図２に示すように、本実施の形態では、光検出器３８は複数の受光素子５０を備えている。複数の受光素子５０の各々は、光検出器３８の被照射面３８Ａ内にアレイ状に配置されている。図示した例では、６個の受光素子５０_１〜５０_６が、被照射面３８Ａ内に一次元アレイ状に配列されている。受光素子５０の配列方向の中心線の左側には、受光素子５０_３、５０_２、５０_１が中心線からこの順に配置されている。上記中心線の右側には、受光素子５０_４、５０_５、５０_６が中心線からこの順に配置されている。なお、受光素子５０_１〜５０_６を区別する必要がない場合には、受光素子５０と総称する。

受光素子５０としては、ＰＩＮ型フォトダイオード（ＰＤ）、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）等のフォトダイオードを使用することができる。例えば、レーザ光源２４として発振波長１．５５μｍの半導体レーザ等を使用する場合には、受光素子５０としては、波長１．５５μｍを含む赤外線に感度を有するフォトダイオードを使用することができる。

制御部４０は、Ａ／Ｄ変換器、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶部、ＣＰＵ等の中央処理装置を備えている。ＲＯＭには、測定対象物までの距離の演算等、種々の処理ルーチンを実行するためのプログラムや各種データ等が記憶されている。ＲＡＭは、ＣＰＵによって行われる各種演算等を行うワークエリア等として使用される。制御部４０には、上述した通り、測定光の出力信号、反射光の検出信号が入力される。制御部４０に入力されたこれらのアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）でデジタル信号に変換され、記憶部（図示せず）に保持される。

（光量分布変換）
次に、反射光の光量分布が変換される様子について説明する。まず、図２を参照して光受光部３０の動作を説明する。上述した通り、光受光部３０は、集光光学系３２、受光視野制限部３４、光量分布変換素子３６、及び光検出器３８を備えている。対象物で反射された反射光は、集光光学系３２に入射し、集光光学系３２で集光されて、受光視野制限部３４に照射される。

光量分布変換素子３６は、反射光の光量分布を所望の光量分布に変換する機能を備えていれば特に制限はない。例えば、透過率分布を有するフィルタ等を用いてもよいが、微弱な光信号を精度よく検出するためには、光量損失の少ないものが好ましい。光量分布変換素子３６としては、後述する通り、入射した反射光を拡散透過する拡散板、開口部を備えた反射鏡を備えた導光板、入射した反射光を回折する回折光学素子等を用いることができる。これらの詳細に構成については後述する。

受光視野制限部３４は、反射光を通過させる開口３４Ａを備えた遮光板で構成されている。反射光は開口３４Ａを通過し、開口３４Ａの周囲に照射された外乱光は遮光版で遮断される。受光視野を制限することにより、余分な外乱光を遮断する。図示した例では、受光視野制限部３４は、受光素子５０の配列方向と直交する方向を長さ方向とするスリット状の開口３４Ａを有している。

集光光学系３２で集光され、開口３４Ａを通過した反射光は、光量分布変換素子３６に入射する。光量分布変換素子３６は、光検出器３８の被照射面３８Ａにおいて不均一な光量分布が得られるように、反射光の光量分布を変換する。被照射面３８Ａにおける光量分布は、複数の受光素子５０の各々が配置される位置に応じて予め設定されている。光検出器３８は、不均一な光量分布を有する反射光を検出する。

図３は光検出器３８の被照射面３８Ａにおける光量分布（光強度分布）を示す図である。光量分布は濃淡で表され、濃い部分ほど光量が大きく、淡い部分ほど光量が小さいことを示している。図示した例では、受光視野制限部３４のスリット状の開口３４Ａを通過した反射光は、光量分布変換素子３６により受光素子５０の配列方向に拡げられて、光検出器３８の被照射面３８Ａに照射される。被照射面３８Ａにおける光量は、受光素子５０の配列方向の中心線で最も大きく、中心線から外側に行くほど小さくなる。

ここでは、中心線から１列目の受光素子５０_３及び５０_４を「素子１」、中心線から２列目の受光素子５０_２及び５０_５を「素子２」、中心線から３列目の受光素子５０_１及び５０_６を「素子３」とする。中心から外側に行くに従って光量が１／１０ずつ低下するように、素子１〜素子３の各々が配置される位置に応じて光量分布が設定されている。

（ダイナミックレンジの拡大）
図４は全入射光量と各素子の出力電圧（検出信号）との関係を表す模式図である。一般に、受光素子５０は、ある光量以上になると飽和して、正しい検出信号が得られなくなる。また、光量が小さ過ぎても、検出信号がノイズに埋もれてしまう。このため、正しい検出信号が得られる光量の検出可能範囲は、「ノイズレベル（下限）」から「飽和レベル（上限）」までの範囲に限定される。

素子１から素子３に向かって光量が低下するように光量分布を設定した場合、全入射光量に対する各素子からの検出信号は、図４に示すように、素子毎に傾きの異なる曲線を描く。即ち、最も光量が大きい位置に在る「素子１」は、最も先に飽和レベルに到達し、次に光量が大きい位置に在る「素子２」は、次に飽和レベルに到達し、最も光量が小さい位置に在る「素子３」は、最後に飽和レベルに到達する。

従って、全入射光量に応じて、検出可能範囲に在る素子からの検出信号を選択することで、光検出器３８全体としては、広い光量範囲に亘って検出信号を得ることができるようになる。即ち、光検出器３８が検出できる反射光の強度範囲（ダイナミックレンジ）が拡大する。例えば、「素子１」が飽和するまでは「素子１」の検出信号を選択し、「素子１」が飽和すると「素子２」の検出信号を選択し、「素子２」が飽和すると「素子３」の検出信号を選択する。

なお、本実施の形態では、光量が１／１０ずつ低下するように光量分布を付与しているが、検出可能範囲に在る受光素子からの検出信号を選択することが可能であればよく、受光素子５０の検出可能範囲に応じて、光検出器３８の被照射面３８Ａにおける光量分布を設定すればよい。

（距離演算処理及び検出信号特定処理）
次に、上記の距離測定装置１０の動作について説明する。図５は制御部４０で実行される「距離演算処理」の処理ルーチンを示すフローチャートである。また、図６は「距離演算処理」のサブルーチンとして実行される「検出信号特定処理」の処理ルーチンを示すフローチャートである。

「距離演算処理」の処理ルーチンは、距離測定装置１０の光投光部２０が、対象物に対し測定光を投光するタイミングで開始される。即ち、制御部４０は、対象物に対し測定光を投光するように、レーザ光源２４を駆動する駆動部２６に制御信号を入力する。駆動部２６は、制御部４０からの制御信号に基づいて、レーザ光源２４を点灯駆動する。レーザ光源２４から射出された測定光は、投光光学系２２により対象物に対して投光される。制御部４０には、測定光の出力信号が入力される。

ステップＳ１００で、駆動部２６から「測定光の出力信号」を取得する。次に、ステップＳ１０２で、取得された「測定光の出力信号」に基づいて、測定光が投光されたタイミングを計算し、計算された投光タイミングを記憶する。

次に、距離測定装置１０の光受光部３０は、対象物からの反射光を受光する。上述した通り、集光光学系３２で集光され、開口３４Ａを通過した反射光は、光量分布変換素子３６により受光素子５０の配列方向に拡げられて、光検出器３８の被照射面３８Ａに照射される。光検出器３８は、不均一な光量分布を有する反射光を検出する。光検出器３８で反射光が検出されると、制御部４０には、反射光の検出信号が入力される。

ステップＳ１０４で、光検出器３８から「反射光の検出信号」を取得する。制御部４０は、素子１〜素子３の各々に対応する３種類の検出信号を取得する。次に、ステップＳ１０６で使用する検出信号を特定する「検出信号特定処理」を実行する。ここで、図６を参照して「検出信号特定処理」について説明する。

図６に示すように、まず、ステップＳ２００で、「素子１」の検出信号が飽和レベル未満か否かを判定する。飽和レベルに到達していない場合には、ステップＳ２００で肯定判定してステップ２０２に進み、ステップ２０２で「素子１」の検出信号を選択して、ルーチンを終了する。飽和レベルに到達した場合には、ステップＳ２００で否定判定してステップ２０４に進む。

次に、ステップＳ２０４で、「素子２」の検出信号が飽和レベル未満か否かを判定する。飽和レベルに到達していない場合には、ステップＳ２０４で肯定判定してステップ２０６に進み、ステップ２０６で「素子２」の検出信号を選択して、ルーチンを終了する。飽和レベルに到達した場合には、ステップＳ２０４で否定判定してステップ２０８に進む。

次に、ステップＳ２０８で、「素子３」の検出信号が飽和レベル未満か否かを判定する。飽和レベルに到達していない場合には、ステップＳ２０８で肯定判定してステップ２１０に進み、ステップ２１０で「素子３」の検出信号を選択して、ルーチンを終了する。飽和レベルに到達した場合には、ステップＳ２０８で否定判定してステップ２１２に進む。

ステップ２１２では、信号飽和である旨を表示する。即ち、有効な検出信号が存在しないことを通知して、ルーチンを終了する。なお、「距離演算処理」では、当該「通知」に基づいて、有効な検出信号が存在するか否かを判定する。信号が飽和している場合、正確な距離の算出は困難であるが、物体の存在は検出できる。

次に、図５に戻って、ステップＳ１０８で、「検出信号特定処理」を行った結果、有効な検出信号が存在するか否かを判定する。即ち、検出可能範囲に在る素子からの検出信号を選択することができたか否かを判定するのである。有効な検出信号が存在する場合には、ステップＳ１０８で肯定判定してステップＳ１１０に進み、有効な検出信号が存在しない場合には、否定判定してルーチンを終了する。ステップＳ１１０では、取得された「反射光の検出信号」に基づいて、反射光が受光されたタイミングを計算し、計算された受光タイミングを記憶する。

次に、ステップ１１２で、取得された測定光の投光タイミングと反射光の受光タイミングとに基づいて、測定光が投光されてから反射光を受光するまでに要した応答時間を計算する。そして、計算された応答時間に基づいて、測定対象物までの距離を演算して、ルーチンを終了する。なお、演算により得られた測定対象物までの距離を、測定結果として表示部４２に表示してもよい。

なお、上記の「検出信号の特定処理」では、検出可能範囲に在る素子からの検出信号を選択する例について説明したが、各素子からの検出信号の和信号を用いてもよい。図７は「検出信号特定処理」の他の処理ルーチンを示すフローチャートである。図７に示すように、まず、ステップＳ３００で、素子１〜素子３の検出信号の和（和信号）を計算する。次に、ステップ３０２で、和信号が飽和レベル未満か否かを判定する。

飽和レベルに到達していない場合には、ステップＳ３０２で肯定判定してステップ３０４に進み、ステップ３０４で和信号を検出信号として、ルーチンを終了する。飽和レベルに到達した場合には、ステップＳ３０２で否定判定してステップ３０６に進む。ステップ３０６では、信号飽和である旨を表示する。即ち、有効な検出信号が存在しないことを通知して、ルーチンを終了する。

（光量分布変換素子の構成例）
次に、光量分布変換素子３６の構成について説明する。図８（Ａ）〜（Ｅ）は光量分布変換素子の種々の構成例を示す模式図である。図８（Ａ）は、光量分布変換素子として、入射した反射光を回折する回折光学素子３６Ａを用いた例である。回折光学素子３６Ａとしては、回折光の波面を任意に設計可能な、回折光学素子（Digital Optics Elements：ＤＯＥ）、ホログラフィック光学素子（Holographic Optical Element：ＨＯＥ）等を用いることができる。これらの光学素子によれば、被照射面３８Ａにおける光量分布、回折光の拡がり角度等を、任意に設計することができる。

なお、光量分布変換素子として回折光学素子３６Ａを用いる場合には、図８（Ａ）に示すように、受光視野制限部３４を、回折光学素子３６Ａから離間して配置してもよい。また、図８（Ｂ）に示すように、受光視野制限部３４を、回折光学素子３６Ａと接するように配置してもよい。

図８（Ｃ）は、光量分布変換素子として、入射した反射光を拡散透過する拡散板３６Ｂを用いた例である。受光視野制限部３４と光検出器３８との間に、拡散板３６Ｂを配置するだけでよく、最も簡易な構成で光検出器のダイナミックレンジを拡大することができる。拡散板３６Ｂとしては、フロスト型拡散板、ガラスや樹脂内に乳白色の光拡散物質を分散させた拡散板等、従来公知の拡散板を用いることができる。

また、等方的な拡散板では、例えば、スリットの長さ方向と同じ方向に拡散する等、所望の方向・角度で拡散ができない場合がある。従って、拡散板３６Ｂとして異方性拡散板を用いることで、拡散光の拡がりを低減することができる。なお、光量分布変換素子として拡散板３６Ｂを用いる場合には、図８（Ｃ）に示すように、受光領域外に漏出する光を低減するために、拡散板３６Ｂを光検出器３８と接するように配置することが好ましい。また、図８（Ｃ）に示すように、受光視野制限部３４を、拡散板３６Ｂと接するように配置してもよい。

図８（Ｄ）及び（Ｅ）は、光量分布変換素子として、開口部を有する反射鏡を備えた導光板３６Ｃを用いた例である。図８（Ｄ）及び（Ｅ）に示すように、導光板３６Ｃは、開口部３１Ａを有し且つ光検出器３８側が反射面とされた反射鏡３１、及び開口部３１Ａを通過した反射光を透過させる光透過板３３を備えている。光透過板３３の開口部３１Ａに対向する位置には、入射した反射光を反射鏡３１の方向に反射する斜面３５が配置されている。

図示した例では、光透過板３３の光出射側の面をＶ字状に切り欠いて２つの斜面３５を形成することで、スリット状の開口３４Ａの長さ方向に延びる溝が形成されている。上記の導光板３６Ｃでは、受光視野制限部３４のスリット状の開口３４Ａを通過した反射光は、斜面３５により一部が反射鏡３１の方向に反射され、反射鏡３１により光検出器３８の方向に反射されることで、受光素子５０の配列方向に拡げられて（導光されて）、光検出器３８の被照射面３８Ａに照射される。

なお、光量分布変換素子として導光板３６Ｃを用いる場合には、図８（Ｄ）に示すように、導光板３６Ｃを光検出器３８と接するように配置することが好ましい。また、図８（Ｄ）に示すように、受光視野制限部３４を、導光板３６Ｃと接するように配置してもよい。

以上説明したとおり、本実施の形態によれば、光検出器の被照射面内に複数の受光素子を一次元アレイ状に配置すると共に、複数の受光素子に不均一な光量分布の反射光が照射されるように、光量分布変換素子で反射光の光量分布を変換することで、複数の受光素子の受光感度が同一であっても、広い光量範囲に亘って検出信号を得ることができるようになる。即ち、光検出器が検出できる反射光の強度範囲（ダイナミックレンジ）が拡大する。

＜第２の実施の形態＞
次に、本発明の距離測定装置の他の構成ついて説明する。図９は本発明の第２の実施の形態に係る距離測定装置における光検出器の構成の一例と、当該光検出器の被照射面における光量分布を示す図である。光検出器３８として、複数の受光素子５０が二次元アレイ状に配置された光検出器を用いた以外は、第１の実施の形態に係る距離測定装置と同じ構成であるため、同じ構成部分については説明を省略する。

図９に示すように、本実施の形態では、複数の受光素子５０の各々は、光検出器３８の被照射面３８Ａ内に二次元アレイ状に配置されている。図示した例では、３６個の受光素子５０_１1〜５０_６6が、６行６列のマトリクス状に配列されている。ここでは、ｍ行ｎ列に配列された受光素子５０を「受光素子５０_ｍｎ」と表記する。受光素子５０の配列方向の中心線の左側には、受光素子５０_ｍ３、５０_ｍ２、５０_ｍ１が中心線からこの順に配置されている。上記中心線の右側には、受光素子５０_ｍ４、５０_ｍ５、５０_ｍ６が中心線からこの順に配置されている。なお、受光素子５０_１１〜５０_６６を区別する必要がない場合には、受光素子５０と総称する。

上記の複数の受光素子５０が二次元アレイ状に配置された光検出器３８としては、ガイガーモードＡＰＤアレイを用いることができる。図１０は、本実施の形態で光検出器３８として使用されるガイガーモードＡＰＤアレイの構成の一例を示す平面図である。ガイガーモードＡＰＤアレイは、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）が、二次元マトリクス状に配列されたＡＰＤアレイである。通常、ガイガーモードＡＰＤアレイは、ＡＰＤを２次元に並列接続した構造とされ、フォトンカウンターとして使用される。

各ＡＰＤは、フォトンが入射すると一定のパルスを出力する。全部のＡＰＤは１個の読み出しチャンネルに接続されており、各ＡＰＤから出力されたパルスは１つの大きなパルスとなり、このパルスの大きさによりＡＰＤアレイが検出したフォトン数を測定することができる。換言すれば、Ｎ個のＡＰＤを有するＡＰＤアレイでは、２^Ｎ階調の光を検出することができる。即ち、ＡＰＤのサイズを小さくし、ＡＰＤの個数を増やすことで、光検出器のダイナミックレンジは拡大する。一方、ＡＰＤの個数を増やすと、素子分離帯の面積が増加し、有効受光割合（フィルファクタ）が低下する。

本実施の形態では、複数の受光素子（ＡＰＤ）５０が、ｍ行ｎ列のマトリクス状に配列されている。以下、本実施の形態では、受光素子５０を「ＡＰＤ５０」と言い換える。また、本実施の形態では、複数のＡＰＤ５０は、複数の組５２に分けられおり、光検出器３８からの「検出信号」は、複数の組５２の各々に対応して入力される。図示した例では、３６個のＡＰＤ５０_１1〜５０_６6が、６行６列のマトリクス状に配列されており、中心線から１列目のＡＰＤ５０_ｍ３及び５０_ｍ４を「組５２_１」、中心線から２列目のＡＰＤ５０_ｍ２及び５０_ｍ５を「組５２_２」、中心線から３列目のＡＰＤ５０_ｍ１及び５０_ｍ６を「組５２_３」とする。

図１１はガイガーモードＡＰＤアレイを使用した場合の吸収された全光子数に対する出力フォトン数を表すグラフである。横軸が吸収された全光子数を表し、縦軸が出力フォトン数を表す。光検出器３８として、図１０に示すガイガーモードＡＰＤアレイを用い、光検出器３８の被照射面３８Ａにおいて、組５２_１〜組５２_３の各々について、異なる光量が得られるように光量分布変換素子３６を設計した。

ここでは、「組５２_１」を構成するＡＰＤ５０に全光量の９０％の光が照射され、「組５２_２」を構成するＡＰＤ５０に全光量の９％の光が照射され、「組５２_３」を構成するＡＰＤ５０に全光量の０．９％の光が照射されるように、組５２_１〜組５２_３の各々が配置される位置に応じて光量分布が設定されている。

グラフ中の「Homo」は、比較のために、従来と同様に、複数のＡＰＤ５０の各々に（即ち、光検出器３８の被照射面３８Ａに）均一な光量の光を照射した場合の出力（検出信号）を表している。「Hetero 1st row」は「組５２_１」を構成するＡＰＤ５０からの出力を表し、「Hetero 2nd row」は「組５２_２」を構成するＡＰＤ５０からの出力を表し、「Hetero 3rd row」は「組５２_３」を構成するＡＰＤ５０からの出力を表している。また、「Hetero」は、「組５２_１」を構成するＡＰＤ５０からの出力（Hetero 1st row）、「組５２_２」を構成するＡＰＤ５０からの出力（Hetero 2nd row）、及び「組５２_３」を構成するＡＰＤ５０からの出力（Hetero 3rd row）の和（和信号）を表している。

光検出器３８の被照射面３８Ａに均一な光量の光を照射した場合には、吸収フォトン数が約２０あたりから傾きが緩やかになり、吸収フォトン数が１００になると略横ばいになって、光検出器３８の出力が飽和してしまう。これに対し、本実施の形態では、被照射面３８Ａで不均一な光量分布となるように、光量分布を変換した反射光を照射することで、吸収フォトン数が１０００近くになるまで傾きを保つことができる。これにより、従来と比較して、ダイナミックレンジを１０倍以上に拡大することができる。

例えば、組５２_１〜組５２_３の各々に対応する「検出信号（Hetero 1st row／Hetero 2nd row／Hetero 3rd row）」の何れかを選択する場合には、吸収フォトン数が１０００近くでも組５２_３の「検出信号」は飽和していないので、組５２_３の検出信号を選択することで、反射光を検出することができる。また、組５２_１〜組５２_３の各検出信号の「和信号（Hetero）」を用いる場合にも、吸収フォトン数が１０００近くでも「和信号」は飽和していないので、「和信号」により反射光を検出することができる。

以上説明したとおり、本実施の形態によれば、光検出器の被照射面内に複数の受光素子を二次元アレイ状に配置すると共に、複数の受光素子に不均一な光量分布の反射光が照射されるように、光量分布変換素子で反射光の光量分布を変換することで、複数の受光素子の受光感度が同一であっても、広い光量範囲に亘って検出信号を得ることができるようになる。即ち、光検出器が検出できる反射光の強度範囲（ダイナミックレンジ）が拡大する。

また、光検出器としてガイガーモードＡＰＤアレイを用いた場合にも、ＡＰＤの個数を増やすことなく、即ち、有効受光割合（フィルファクタ）が低下させることなく、光検出器のダイナミックレンジを拡大することができる。

＜その他の変形例＞
（受光視野制限部）
なお、上記の実施の形態では、受光視野が必要以上に広くなり、屋外の太陽光等の外乱光が余分に入射してノイズが増加するのを避けるために、スリット状の開口を有する受光視野制限部（開口絞り）を備える例について説明したが、受光視野を制限する他の機構を有する場合には、受光視野制限部を省略してもよい。例えば、光投光部の投光光学系等により、対象物に投光する測定光に強度分布を付与してもよい。

（分割ディテクタ方式の光検出器への応用）
また、本発明は分割ディテクタ方式の光検出器にも適用することができる。図１２（Ａ）は分割ディテクタ方式の光検出器の構成の一例を示す平面図であり、図１２（Ｂ）は各ユニットをモジュール化した例を示す模式図である。図１２（Ａ）に示すように、光検出器３８が、複数のユニット３８_１〜３８_４に分割された分割ディテクタ方式の光検出器である場合には、複数のユニット３８_１〜３８_４の各々について、光量分布を変換するモジュールを形成してもよい。

例えば、図１２（Ｂ）に示すように、ユニット３８_１を含むモジュールは、受光視野制限部３４_１、光量分布変換素子３６_１、及びユニット３８_１を備えている。光量分布変換素子３６_１は、ユニット３８_１の被照射面での光量分布が不均一となるように、受光視野制限部３４_１の開口３４Ａ_１を通過した反射光の光量分布を変換する。なお、複数のユニット３８_１〜３８_４の各々の間でのクロストークを低減するために、光量分布変換素子３６_１としては、被照射面における光量分布、回折光の拡がり角度等を、任意に設計することができる、ＤＯＥやＨＯＥ等の回折光学素子が好ましい。

（光量分布の変形例）
なお、上記の実施の形態では、被照射面における光量が、受光素子の配列方向の中心線で最も大きく、中心線から外側に行くほど小さくなる例について説明したが、不均一な光量分布の反射光を照射できればよく、光量分布は上記の例に限定されない。複数の受光素子が配置される位置に応じて、適宜変更してもよい。図１３（Ａ）及び（Ｂ）は光検出器の被照射面における光量分布の種々の変形例を示す図である。図１３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、光検出器３８の被照射面３８Ａにおける光量分布を、中心対象の光量分布としてもよい。例えば、図１３（Ａ）に示すように、中央部分ほど光量を大きく、周辺部分ほど光量を小さくしてもよい。また、逆に、図１３（Ｂ）に示すように、中央部分ほど光量を小さく、周辺部分ほど光量を大きくしてもよい。

１０距離測定装置
２０光投光部
２２投光光学系
２４レーザ光源
２６駆動部
３０光受光部
３１Ａ開口部
３１反射鏡
３２集光光学系
３３光透過板
３４Ａ開口
３４受光視野制限部
３５斜面
３６光量分布変換素子
３６Ａ回折光学素子
３６Ｂ拡散板
３６Ｃ導光板
３８光検出器
３８Ａ被照射面
４０制御部
４２表示部
５０受光素子
５２組

Claims

測定対象物に対し測定光を投光する光投光部と、
前記測定対象物で反射された反射光を集光する集光光学系と、
一定の受光感度を有する複数の受光素子が被照射面内に配置された光検出器と、
前記集光光学系と前記光検出器との間に配置され、前記被照射面において前記複数の受光素子の各々が配置される位置に応じて予め定めた光量分布が得られるように、前記集光光学系で集光された反射光の光量分布を変換する光量分布変換素子と、
前記複数の受光素子から検出信号を取得し、取得された複数の検出信号に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する制御部と、
を備えた距離測定装置。
前記制御部は、取得された複数の検出信号から飽和レベルに到達していない検出信号を選択して、選択された検出信号に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する、又は取得された複数の検出信号の和信号を求め、得られた和信号に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する、請求項１に記載の距離測定装置。
前記光検出器は、前記複数の受光素子が複数の組に分けて配置されており、
前記光量分布変換素子は、前記複数の組間で受光光量が変化するように反射光の光量分布を変換し、
前記制御部は、前記複数の組毎に検出信号を取得し、取得された複数の検出信号から飽和レベルに到達していない検出信号を選択して、選択された検出信号に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する、又は取得された複数の検出信号の和信号を求め、得られた和信号に基づいて前記測定対象物までの距離を演算する、請求項１又は請求項２に記載の距離測定装置。
前記光検出器は、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードを有するガイガーモードＡＰＤアレイである、請求項１から３までの何れか１項に記載の距離測定装置。
前記集光光学系と前記光量分布変換素子との間に配置され、前記反射光を通過させる開口と当該開口の周囲に照射される光を遮断する遮光板とを有し、受光視野を制限する受光視野制限部を、更に備えた、請求項１から４までの何れか１項に記載の距離測定装置。
前記光量分布変換素子は、前記集光光学系で集光された反射光を前記光検出器に向けて拡散させる機能を備える、請求項１から５までの何れか１項に記載の距離測定装置。
前記光量分布変換素子は、入射した反射光を拡散透過する拡散板である、請求項１から６までの何れか１項に記載の距離測定装置。
前記光量分布変換素子は、開口部を備え前記光検出器側が反射面とされた反射鏡、及び前記開口部を通過した反射光を透過させる光透過板を備え、前記光透過板の前記開口部に対向する位置に入射した反射光を、前記反射鏡の方向に反射する斜面が配置された、請求項１から６までの何れか１項に記載の距離測定装置。
前記光量分布変換素子は、入射した反射光を回折する回折光学素子である、請求項１から６までの何れか１項に記載の距離測定装置。