JP2014202610A

JP2014202610A - 光測距装置

Info

Publication number: JP2014202610A
Application number: JP2013079114A
Authority: JP
Inventors: 将史山本; Masashi Yamamoto; 瀬尾　欣穂; Yoshiho Seo; 欣穂瀬尾
Original assignee: Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
Current assignee: Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2014-10-27
Anticipated expiration: 2033-04-05
Also published as: US20140300887A1; CN104101880B; US9696425B2; CN104101880A; JP6045963B2; EP2787368B1; EP2787368A1

Abstract

【課題】測定対象物の反射光強度に関わらず高精度な光測距装置を提供する。【解決手段】ＴＯＦ方式の光測距装置は、測距光を発光する光源１と、測定対象物に測距光を走査する反射角度可変ミラー２と、測距光の測定対象物からの反射光を受光する受光手段３と、受光手段により得られた受光信号を検出する光量受光部６と、光量受光部で検出した反射光の光量に基づいて受光手段の受光感度の設定目標値の検出あるいは受光手段の受光感度を設定する増幅率制御部７と、光量受光部で検出した発光信号から測距光の飛行時間を検出し、測定対象物までの距離を算出する距離算出部１１と、を備え、第１の走査期間に、増幅率制御部は光量受光部で検出した反射光の光量に基づいて受光手段の設定目標値を検出し、第２の走査期間に、増幅率制御部は受光手段の感度を第１の走査期間で検出した設定目標値に設定し、距離算出部が測定対象物までの距離を算出する。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光等の測距光を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を受光して、対象物までの距離測定をおこなう光測距装置に係り、受光回路構成および測距制御方法に関する。

従来から、距離測定方法のひとつとして、測距対象にレーザ光を照射するとともに対象物からのレーザ反射光を受光する構成とし、レーザの照射時刻からレーザ反射光の受光時刻までの時間差を求めて対象物までの距離を求めるＴＯＦ（Time of Flight）方式の距離測定方法が、知られている。これらのレーザ測距装置では、反射レーザ光を高感度に受光する必要があり、受光素子のなかでも、APD(Avalanche Photo Diode)と呼ばれる高感度のフォトダイオードを採用したものがある。

APDは、アバランシェ増倍と呼ばれる現象を利用して受光感度を高めたフォトダイオードであるが、温度変化による増倍率変化が大きく距離検出誤差を生じる場合があった。特許文献１には、検出誤差を軽減するためAPDの温度変化による増倍率を制御し温度補償する光測距装置の技術が開示されている。

特開2010-286448号公報

特許文献１によれば、APDの温度変化による増倍率を制御し補正するので、光測距装置の検出誤差を軽減することができる。しかし、測定対象物の反射率が異なる場合反射光の強度が異なるため、同距離でも反射率の異なる対象物に対し高い距離測定精度を実現することは困難であった。

また、受光素子の微弱な信号を増幅するため後段回路にアンプを用いるが、アンプによりオフセットが生じる。このオフセットを除去するためコンデンサ等を用いるが、反射光の強度によってオフセットレベルが変動し、受光信号の電圧と参照電圧を比較しパルスを出力する回路構成において、距離測定精度に大きく影響するという問題があった。そのため後段アンプに入力する前段階で受光信号レベルを合わせ、受光強度差を抑制するという課題があった。

上記課題を解決するために、本発明の測距光を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を受光して測定対象物までの距離を測定する光測距装置は、測距光を発光する光源と、測定対象物に前記測距光を走査する反射角度可変ミラーと、前記測距光の測定対象物からの反射光を受光する受光手段と、前記受光手段により得られた受光信号を検出する光量受光部と、前記光量受光部で検出した反射光の光量に基づいて前記受光手段の受光感度の設定目標値の検出あるいは前記受光手段の受光感度を設定する増幅率制御部と、前記光量受光部で検出した発光信号から測距光の飛行時間を検出し、測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備える構成とし、第１の走査期間に、前記増幅率制御部は前記光量受光部で検出した反射光の光量に基づいて前記受光手段の設定目標値を検出し、第２の走査期間に、前記増幅率制御部は前記受光手段の感度を前記第１の走査期間で検出した設定目標値に設定し、前記距離算出部が測定対象物までの距離を算出するようにした。

さらに、前記光量受光部は増幅部及び/またはオフセット除去部を含むように構成するか、または、前記増幅率制御部は微分回路を含むようにした。

本発明により測定対象物の反射率に関わらず高精度な光測距装置を提供できる。

本発明の距離測定原理を説明する図である。本発明の距離測定の動作タイミングを説明する図である。本実施例の構成を示した図である。ＡＰＤの各温度のバイアス電圧と増倍率の関係を示した図である。光量受光部6の構成を示した図である。光量受光部6の詳細な回路構成を示した図である。電流電圧変換部61をアンプを用いた構成を示した図である。反射率の異なる対象物の一例を示した図である。反射率の異なる対象物からの受光強度の状態を説明する図だる。反射率の異なる対象物の受光制御構成を示す図である。受光手段3、光量受光部6、パルス生成部10の出力信号の遷移を示した図である。光量受光部3から増幅率制御部7の構成を示した図である。増幅率制御部の回路構成を示した図である。読み込み期間及びバイアス電圧制御期間におけるバイアス電圧Vij(n)の制御歩法を示した図である。他の実施例の構成を示した図である。他の実施例の増幅率制御部7の構成を示した図である。

以下、本発明の光源にレーザを用い、受光素子にＡＰＤを用いた光測距装置の距離測定原理、構成及びその駆動方法に関する実施例を、図面を用いて説明する。

図１ａと図１ｂは、本発明の距離測定原理を説明する図である。図に示すように、レーザ光源１の光の出射時間と、対象物14から反射する光の受光手段3における光の受光時間の差を用いて測定を行うＴＯＦ(Time of Flight)方式を記載している。レーザ光源1から出射した光は対象物14に照射する。対象物14に照射した光は散乱し1部の光を受光手段3で検出する。この時間差をt[s]とすると距離L[m]は光速3.0x108[m]から、
L[m]=光速3.0x108[m]x t[s]/2 (1)
と表される。上記式による距離算出を行うことで光測距装置を実現している。

次に、図２により光測距装置の構成及びその駆動方法に関して説明する。
光測距装置はレーザモジュール12と駆動基板13から構成される。レーザモジュール12はレーザ光源1、反射角度可変ミラー2、受光手段3からなる。駆動基板１3はミラー駆動部4、レーザ光源駆動部5、光量受光部6、増幅率制御部7、制御信号生成部9、パルス生成部10と距離算出部11からなる。受光手段3はレーザモジュール12の筐体外側に配置しているが、それに限らず、レンズ、ミラー等を用いレーザモジュール12内に配置してもよい。光を受光可能な構成であればよい。

次に駆動基板13の動作に関し説明する。
駆動基板13における制御信号生成部9は、ミラー駆動部制御信号100、レーザ光源駆動部制御信号101、バイアス電圧制御信号102、同期信号200を生成する。レーザ光源駆動部制御信号101と同期信号200はレーザ光源駆動部5に入力される。レーザ光源駆動部5は入力されたレーザ光源駆動部制御信号101と同期信号200に応じレーザ駆動信号203を生成し、レーザ駆動信号203の信号レベルやその印加時間によりレーザ光源１の光量を調整する。また、ミラー駆動部制御信号100と同期信号200はミラー駆動部4に入力される。ミラー駆動部４はミラー駆動部制御信号100と同期信号200に応じ水平方向駆動信号201と垂直駆動信号202を生成する。水平方向駆動信号201と垂直駆動信号202はそれぞれ反射角度可変ミラー2の水平方向、垂直方向の角度を制御する。バイアス電圧制御信号102と同期信号200は増幅率制御部7に入力される。増幅率制御部7はバイアス電圧制御信号102と同期信号200に応じバイアス電圧を受光手段3に印加する。

以上のような駆動基板13の回路動作により、レーザ光源１の光量と反射角度可変ミラー2の角度を調整しレーザをスキャンする。なお図１においてレーザ光源１は1つしか記載していないが、複数のレーザを使用しスキャンすることも可能である。

一方受光手段3側に着目すると、対象物14から反射し受光手段3で検出した信号は、光量受光部6および増幅率制御部7に入力される。光量受光部6の信号はパルス生成部10に入力される。光量受光部6は微小信号の増幅を行う。パルス生成部10では入力信号と参照電圧を比較しアナログ信号をパルスに変換する。パルス生成部10で生成されたパルスは距離算出部11でレーザ光源駆動部5のレーザパルス出射タイミング信号103との時間差により距離データを出力する。

以上のような駆動基板13の回路動作により、レーザ光源１の光量と反射角度可変ミラー2の角度を調整しレーザをスキャンする。なお図１においてレーザ光源１は1つしか記載していないが、複数のレーザを使用しスキャンすることも可能である。
以上が本実施例の距離測定原理、構成及びその駆動方法である。

以下ＡＰＤの特性、検出信号処理回路、回路の処理方法により生じる問題点と本実施例の具体的な駆動方法に関し記載する。
まずＡＰＤの特性に関して説明する。

図３はＡＰＤの温度毎のバイアス電圧と増倍率の関係を示した図である。バイアス電圧が高いほど増倍率が高くなり、あるバイアス電圧から急激に増倍率が増加する。同じバイアス電圧でも温度が低い方が増倍率が高い。先行文献１は増倍率を一定とするため、ＡＰＤの温度による増倍率の変化をバイアス電圧により制御している。

次に検出信号処理回路に関して説明する。
図４は光量受光部6の構成を示した図である。
光量受光部6は、受光手段3への入射光により生じた電流を電圧に変換する電流電圧変換部61、微小な電圧を増幅する増幅部62、アンプのオフセット成分を除去するオフセット除去部63から構成される。増幅部62とオフセット除去部は例えばオフセット除去部→増幅部のように順番が入れ替わってもよいし、増幅部→オフセット除去部→増幅部→オフセット除去部のように複数のブロックを使用してもよい。求める効果に応じ柔軟に変更してよい。

図５は光量受光部6の詳細回路構成を示した図である。
上段に回路図、下段に各位置に対応した電圧を示している。
回路構成は、受光手段3から流れ込む電流を抵抗により電圧に変換し、微小電圧を増幅器62により増幅する。さらにアンプによって生じたオフセット成分をコンデンサで除去し、最後に電圧を増幅し信号をパルス生成部10に出力する構成となっている。

図６は電流電圧変換部61をアンプを用い構成した図を示している。図５では電流電圧変換部61を抵抗のみで構成しているが、図6のようにアンプを用いて構成してもよい。電流を電圧に変換する手段であればよい。

増幅部62は帰還抵抗にコンデンサを並列に接続しフィルタとして使用してもよい。またオフセット除去部63はコンデンサのみでなく、抵抗を用いハイパスフィルタを形成してもよい。電流電圧変換部61、増幅部62、オフセット除去部63はそれぞれの機能を満たす構成であれば、フィルタ機能等性能を向上する機能を付加してもよい。

次に回路処理方法により生じる問題点について説明する。
図7aと図7bは回路処理方法により生じる問題点を示した図である。
図7aは同距離で反射率が異なる対象物14にレーザモジュール12から光を照射した図であり、図7bは対象物14から受光手段3に検出される光(以下戻り光)の受光強度を示した図である。

図7bに示すように、反射率高の波形と反射率低の波形は検出波形が異なるため、基準電圧と比較しパルスを出力する際時間差を生じる。受光強度によるズレに加え、後段で使用するアンプは受光強度によりオフセットレベルが異なるため、さらにパルスのズレを生じる。

つぎに後段のアンプにより生じる問題点を以下に示す。
図8aと図8bは、受光手段3、光量受光部6、パルス生成部10の構成とそれぞれの出力信号の遷移を示した図である。図8aのＡは受光手段3の出力、Ｂは光量受光部6の出力、Ｃはパルス生成部10の出力を示している。パルス生成部10は入力信号と基準電圧を比較しパルス変換を行う。Ａ，Ｂ，Ｃ各パルスは、出射開始時は反射率高の面からの戻り光、後半は反射率低の面からの戻り光に対応している。

ここで反射率低の面からの信号は受光手段3の出力信号として検出されているが、オフセットレベルが変化することでパルス生成部10から出力されない。そのため反射率低の領域で距離測定不能となる場合が生じる。

以上受光手段3の検出波形、強度の相違により、出力パルスにズレを生じるため、受光手段3で光を検出する段階で受光レベルを合わせておく必要がある。例として同距離で反射率が異なる場合を示したが、上記問題はこの場合に限らず光量差がある場合生じる。例えば距離が異なる場合でも光量が異なるため生じる問題である。

次に本発明の具体的な駆動方法に関し説明する。説明では受光手段3から取り込んだ信号を微分し、信号の微分値を基にバイアス電圧を制御し受光手段3の受光レベルを調整する方法を記載する。

図9はバイアス電圧制御シーケンスを示した図である。ここでは反射角度可変ミラー2を2次元にスキャンし、１フレーム毎にバイアス電圧を制御する場合を例に説明する。

まずバイアス電圧制御シーケンスは、読み込み期間、バイアス電圧制御期間から構成される。読み込み期間では受光手段3の信号を基に算出した値と印加したバイアス電圧の関係から次フレームに印加する目標バイアス電圧をデータとして格納する。バイアス電圧制御期間では、読み込み期間で得た目標バイアス電圧を受光手段3に印加する。

図10は増幅率制御部の回路構成を示した図である。増幅率制御部7の構成を示した図である。増幅率制御部は微分回路71、目標バイアス算出部72、バイアス電圧生成部73から構成される。受光手段3の出力は微分回路71に入力され、入力波形の微分値を目標バイアス電圧算出部72に出力する。目標バイアス電圧算出部72は微分回路71の出力信号、目標微分値さらにバイアス電圧から目標バイアス電圧生成信号を算出する。目標電圧生成部73はバイアス電圧制御期間に目標バイアス電圧生成信号に応じたバイアス電圧を生成する。

ここで図10における目標微分値をA、バイアス電圧値Vij(n)、目標バイアス電圧Vij(n+1)とする。i,jは解像度を示しており、i列番号、jは行番号,ｎはフレーム数を示している。つつまりVij(n)はi列j行にレーザを照射する際のnフレーム目のバイアス電圧を示している。目標バイアス電圧算出部72は、入力信号をADコンバータによりデジタル値に変換し、その値を用い目標バイアス電圧生成信号を算出してもよいし、入力信号の最大値のみを使用し算出してもよい。

図１１は読み込み期間及びバイアス電圧制御期間におけるバイアス電圧Vij(n)の制御方法を示した図である。縦列は偶数フレームの読み込み期間、奇数フレームのバイアス電圧制御期間におけるバイアス電圧を示しており、横軸はi列の値を示している。

まず(n)フレーム目でどの列にも一定のバイアス電圧を印加する。次に(n+1)フレームで(n)フレーム目の印加電圧を基に増幅率制御部7で生成したバイアス電圧を印加する。(n+2)フレーム目の読み込み期間では、一定電圧を使用してもよいし、(n+1)フレームの電圧を使用してもよい。

上記実施例ではフレーム毎に制御を行ったが、1フレームおきにバイアス電圧制御期間を設けることは、一点毎のデータを正確に測定でき解像度は高い。しかし2フレームに1回制御を行うため応答速度が半減する。

応答速度が求められるアプリケーションに対してはライン毎、または画素毎に行ってもよい。例えばj行(またはi列)目で読み込んだデータをj+1行(またはi+1列)目にバイアス電圧として印加してもよい。この場合解像度がi*j/2(またはi/2*j)となるが、1フレーム毎に最適なバイアス電圧を印加するため、応答速度を求められるアプリケーションに適している。

本発明の第2の実施例を図１２により説明する。本実施例は実施例1と異なり光源1の強度を制御し受光手段3の受光レベルを調整する。

図１２は実施例２の構成を示した図である。実施例１と異なる点は、増幅率制御部７の出力であるレーザ強度制御信号104がレーザ光源駆動部5に入力されている点である。以下実施例２における増幅率制御部７の構成を図１３により説明する。

図１３は実施例２における増幅率制御部7の構成を示した図である。実施例１と異なる点は、レーザ強度制御部74が追加された点である。レーザ強度制御部74は目標バイアス電圧生成信号からレーザ光源駆動部5を動作させる信号を生成する。

レーザ強度制御部74はレーザ光源駆動部5に付加する信号を送り電流を制御してもよいし、光源1のアノードの印加電圧を制御してもよい。また目標バイアス生成信号に応じた電流をレーザ強度制御部74で生成してもよい。レーザ強度を制御する手段であればよい。

またレーザ強度を制御する手段だけでなく、同時に受光手段3のバイアス電圧を制御してもよい。受光手段3での受光レベルを調整する手段であれば複数の手段を用いてもよい。

上述の実施例では受光手段３がＡＰＤの場合について記述したが、外部より受光手段の増幅率、言い換えれば、受光手段３は感度を調整できる受光センサであればよく、ＡＰＤに限定されるものではない。

1 レーザ光源
2 反射角度可変ミラー
3 受光手段
4 ミラー駆動部
5 レーザ光源駆動部
6 光量受光部
7 増幅率制御部
8 同期信号生成部
9 制御信号生成部
10 パルス生成部
11 距離算出部
12 レーザモジュール
13 駆動基板
14 対象物
61 電流電圧変換部
62 増幅部
63 オフセット除去部
71 微分回路
72 目標バイアス電圧算出部
73 バイアス電圧生成部
74 レーザ強度制御部
100ミラー駆動部制御信号
100レーザ光源駆動部制御信号
102バイアス電圧制御信号
103レーザパルス出射タイミング信号
104レーザ制御信号
200同期信号
203レーザ駆動信号
201水平方向駆動信号
202垂直駆動信号

Claims

測距光を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光を受光して測定対象物までの距離を測定する光測距装置において、
測距光を発光する光源と、
測定対象物に前記測距光を走査する反射角度可変ミラーと、
前記測距光の測定対象物からの反射光を受光する受光手段と、
前記受光手段により得られた受光信号を検出する光量受光部と、
前記光量受光部で検出した反射光の光量に基づいて前記受光手段の受光感度の設定目標値の検出あるいは前記受光手段の受光感度を設定する増幅率制御部と、
前記光量受光部で検出した発光信号から測距光の飛行時間を検出し、測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備え、
第１の走査期間に、前記増幅率制御部は前記光量受光部で検出した反射光の光量に基づいて前記受光手段の設定目標値を検出し、
第２の走査期間に、前記増幅率制御部は前記受光手段の感度を前記第１の走査期間で検出した設定目標値に設定し、前記距離算出部が測定対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする光測距装置。
請求項１に記載の光測距装置において、
前記反射角度可変ミラーは２次元に測距光を走査し、
前記第１の走査期間と第２の走査期間は、前記２次元の走査フレームごとに切り替える
ことを特徴とする光測距装置。
請求項１に記載の光測距装置において、
前記反射角度可変ミラーは２次元に測距光を走査し、
前記第１の走査期間と第２の走査期間は、前記２次元の走査ラインごとに切り替える
ことを特徴とする光測距装置。
請求項１に記載の光測距装置において、
前記反射角度可変ミラーは１次元に測距光を走査し、
前記第１の走査期間と第２の走査期間は、前記１次元の走査ラインごとに切り替える
ことを特徴とする光測距装置。
請求項１に記載の光測距装置において、
前記反射角度可変ミラーは１次元に測距光を走査し、
前記第１の走査期間と第２の走査期間は、前記１次元の走査ラインの所定の解像度ごとに切り替える
ことを特徴とする光測距装置。
請求項１から５に記載の光測距装置において、
前記光量受光部は増幅部及び/またはオフセット除去部を含む
ことを特徴とする光測距装置。
請求項１から５に記載の光測距装置において、
前記増幅率制御部は微分回路を含む
ことを特徴とする光測距装置。
請求項１から７に記載の光測距装置において、
前記受光手段はアバランシェフォトダイオードである
ことを特徴とする光測距装置。
請求項１から７に記載の光測距装置において、
前記光源はレーザである
ことを特徴とする光測距装置。
請求項９に記載の光測距装置において、
前記レーザの波長は赤外領域である
ことを特徴とする光測距装置。