JP2015078953A - レーダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーダ装置の検出結果の検出精度が低下するのを抑制する【解決手段】レーダ装置１では、まず光源２が、レーザ光を照射し、一次元スキャナ３が、光源２から照射されたレーザ光である照射光を走査方向に沿って走査する。そして、複数の画素２６を二次元行列状に配列することで構成された光検出部５が、複数の画素２６のそれぞれについて、光源２から照射されたレーザ光の反射光を検出する。さらに処理部６は、光源２がレーザ光を照射してから光検出部５の画素２６が反射光を検出するまでの飛行時間を測定する。また光源２は、走査方向に対して垂直な方向に沿った長さが、走査方向に沿った長さよりも長くなるように矩形状に成形されたレーザ光を照射する。【選択図】図１

Description

本発明は、光を照射しその反射光を受光することにより、光を反射した物体に関する情報を取得するレーダ装置に関する。

従来、光を照射し、物体で反射した光を検出することによって、光を反射した物体に関する情報（例えば、物体までの距離）を取得するレーダ装置において、照射光がレーダ装置内を通過するときの光軸（以下、照射光軸という）と、反射光がレーダ装置内を通過するときの光軸（以下、反射光軸という）とが一致している同軸光学系を採用したものが知られている（例えば、非特許文献１を参照）。

しかし、同軸光学系を採用したレーダ装置では、レーダ装置内を通過する照射光がレーダ装置の内部で反射することにより発生する内部散乱光の影響により、レーダ装置から近い物体までの距離を測定することができないことがある。

上記のような内部散乱光の影響を回避するために、照射光軸と反射光軸とを異ならせる異軸光学系を採用したレーダ装置が知られている（例えば、非特許文献２を参照）。

第１９回画像センシングシンポジウムOS2-03 OPTICS EXPRESS, Vol. 20, No. 11, pp. 11863-11881

しかし、異軸光学系を採用した場合であっても、太陽光などの背景光がレーダ装置内に入射した場合の影響を回避することができない。背景光がレーダ装置内に入射する状況下において物体を精度よく検出するためには、一箇所で光を複数回照射し、反射光を検出した結果を積算する必要がある。

しかし、照射光の走査周期および照射周期等によっては一箇所で複数回の光照射を行えない場合があり、このような場合には反射光の検出結果を十分に蓄積することができず、光を反射した物体に関する検出結果の検出精度が低下するおそれがあった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、レーダ装置の検出結果の検出精度が低下するのを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明のレーダ装置は、光照射手段と、走査手段と、反射光検出手段と、時間測定手段とを備える。
本発明のレーダ装置では、まず光照射手段が、光を照射し、走査手段が、光照射手段から照射された光である照射光を、予め設定された照射光走査方向に沿って走査する。そして、複数の受光部を二次元行列状に配列することで構成された反射光検出手段が、複数の受光部のそれぞれについて、光照射手段から照射された光の反射光を検出する。さらに時間測定手段は、光照射手段が光を照射してから反射光検出手段の受光部が反射光を検出するまでの時間である飛行時間を測定する。また光照射手段は、照射光走査方向に対して垂直な方向に沿った長さが、照射光走査方向に沿った長さよりも長くなるように成形された光を照射する。

このように構成されたレーダ装置では、複数の受光部が二次元行列状に配列されている受光面に反射光が照射される。そして、この反射光は、照射光走査方向に沿った照射光の走査に対応して反射光が受光面において走査される方向を反射光走査方向として、反射光走査方向に対して垂直な方向に沿った長さが、反射光走査方向に沿った長さよりも長くなる。

このため、光照射手段による１回の光照射で、反射光走査方向に沿って１個の受光部に反射光を照射させるとともに、反射光走査方向に対して垂直な方向に沿った複数の受光部に向けて同時に反射光を照射させること（すなわち、１個の受光部のみに向けて反射光を照射する場合よりも多くの受光部に反射光を照射させること）が可能となる。

例えば、反射光走査方向に対して垂直な方向に沿ってＮ（Ｎは２以上の整数）個の受光部が受光面に配置されている場合に、本発明のレーダ装置では、光照射手段による１回の光照射で、反射光走査方向に対して垂直な方向に沿ったＮ個の受光部に反射光を照射することが可能である。一方、１個の受光部のみに向けて反射光を照射する場合において、反射光走査方向に対して垂直な方向に沿ったＮ個の受光部に反射光を照射するためには、Ｎ回の光照射が必要である。そして本発明のレーダ装置では、光照射手段によりＮ回の光照射を行わせることで、反射光走査方向に対して垂直な方向に沿ったＮ個の受光部のそれぞれについて、反射光をＮ回照射することができる。

このため、本発明のレーダ装置によれば、一定時間内で１個の受光部に反射光を照射させる回数を増加させることができ、一定時間内において１個の受光部について蓄積することができる検出結果の数を増加させることができる。これにより、本発明のレーダ装置は、反射光を検出することにより得られたレーダ装置の検出結果の検出精度が低下するのを抑制することができる。

レーダ装置１の構成を示すブロック図である。 レーダ装置１の斜視図と、所定走査角度範囲および走査周期を示す図である。 光源２から照射されたレーザ光の経路を示す図である。 画素２６の概略構成を示す平面図である。 受光素子５１とリードアウトサーキット５２の構成を示す回路図である。 画素データ処理部３１の構成を示すブロック図である。 ヒストグラムの一例を示すイメージ図である。 レーダ装置１と光切断法とを比較する図表である。

以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
レーダ装置１は、車両に搭載され、図１に示すように、光源２、一次元スキャナ３、走査制御部４、光検出部５および処理部６を備える。

光源２は、例えば半導体レーザダイオードで構成されており、パルスレーザ光をレーダ波として照射する。
一次元スキャナ３は、不図示の駆動源から駆動力の供給を受けて、ミラー１１（図３を参照）を回転軸１２（図３を参照）を中心にして振動させることにより、光源２から照射されたレーザ光の一次元走査を所定走査角度範囲Ｒ１（図３を参照）で行う。なお、一次元スキャナ３の走査機構は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）またはマイクロモータ等により構成される。

走査制御部４は、一次元スキャナ３の走査角度を検出し、この検出結果に基づいて、光源２によるレーザ光照射と、一次元スキャナ３によるレーザ光走査を制御する。また走査制御部４は、レーダ装置１が搭載された車両の走行速度（以下、車速という）を示す車速信号を車速センサから入力し、車速に応じて、光源２と一次元スキャナ３を制御する。なお、走査制御部４による光源２と一次元スキャナ３の制御についての詳細は後述する。

光検出部５は、二次元画素アレイ２１とデコーダ２２を備える。二次元画素アレイ２１は、複数の画素２６を二次元行列状に配列することで構成されている。画素２６は、その受光面にレーザ光が入射すると、検出信号を出力する。なお、画素２６の回路構成は後述する。

デコーダ２２は、レーザ光の検出のために用いる画素２６を選択するための回路である。デコーダ２２は、複数の画素２６により構成される行列の列毎に設けられた選択制御線ＣＬを備える。選択制御線ＣＬは、対応する列に配置されている画素２６の全てに接続される。デコーダ２２は、選択制御線ＣＬに選択制御電圧Ｖ_ＳＥＬを印加することにより、画素２６を列単位で選択する。

処理部６は、光源２がパルスレーザ光を照射した時刻と、反射レーザ光を光検出部５が検出した時刻との差に基づいて、レーザ光を反射した物体までの距離を計測するための処理を行う。

処理部６は、複数の画素データ処理部３１を備える。画素データ処理部３１は、複数の画素２６により構成される行列の行毎に設けられている。画素データ処理部３１は、対応する行に配列されている複数の画素２６のそれぞれからの検出信号を入力する。なお、画素データ処理部３１の構成とデータ処理についての詳細は後述する。

図２（ａ）に示すように、レーダ装置１は、走査方向ＳＤ１に対して垂直な方向が長手方向となる矩形状に成形されたレーザ光を照射する（スキャン光ＳＬを参照）。またレーダ装置１は、本実施形態では例えばパルス幅が４ｎｓであり発光周期が４μｓであるパルスレーザ光を照射する。

本実施形態の所定走査角度範囲Ｒ１は、図２（ｂ）に示すように、−２７°〜＋２７°である。また、本実施形態の走査周期は５０ｍｓであり、４０ｍｓで−２７°から＋２７°まで走査した後に、１０ｍｓで＋２７°から−２７°に戻る。

また図３に示すように、光源２は、コリメートレンズ４１を介して一次元スキャナ３へ向けてレーザ光を照射する（光Ｌ１を参照）。そして、一次元スキャナ３に到達したレーザ光は、ミラー１１で反射することにより、ミラー１１の走査角度に応じた方向に向けてレーダ波として照射される（光Ｌ２を参照）。その後、車両の前方に向けて照射されたレーザ光が、車両前方に位置する物体（以下、前方物体ともいう）に到達すると（スキャン光ＳＬを参照）、レーザ光がこの前方物体で反射する。そして、反射したレーザ光（以下、反射光ともいう）は、受光レンズ４２を通過した後に、二次元画素アレイ２１に到達する（光Ｌ３を参照）。

なお、上述のようにレーザ光は矩形状に成形されている。このため、二次元画素アレイ２１の受光面ＲＰ上には、反射光の走査方向ＳＤ２に対して垂直な方向が長手方向となる矩形状に成形された反射光が到達する（反射光ＲＬを参照）。

そして、矩形状に成形された反射光の長手方向長さが、矩形状に形成されている受光面ＲＰの短手方向長さよりも長くなるように、レーダ装置１から照射される照射光の長手方向長さが設定されている。

また図４に示すように、画素２６は、４個の受光素子５１と、４個の受光素子５１のそれぞれに対応して設けられたリードアウトサーキット（Read Out Circuit）５２とを備える。なお本実施形態の受光素子５１は、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）である。ＳＰＡＤは、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードであり、単一光子の入射を検出することができる。ＳＰＡＤのアノードとカソードの間には、降伏電圧以上となるように予め設定された逆電圧Ｖ_ＳＰＡＤが印加される（図５を参照）。この状態でＳＰＡＤの受光部５６に光子が入射すると、ＳＰＡＤでアバランシェ電流が発生する。このためＳＰＡＤは、光子が入射すると、その入射を検知したことを示す信号を出力することができる。

またリードアウトサーキット５２は、レーザ光が受光素子５１に入射することにより受光素子５１が出力する信号をデジタルパルス信号に変換する回路である。なお、リードアウトサーキット５２の回路構成は後述する。

また４個の受光素子５１は、その受光部５６が列方向に２個配置されるとともに行方向に２個配置されるようにして二次元行列状に配列されている。さらに、４個のリードアウトサーキット５２は、対応する受光素子５１に対して、行方向Ｄ１に沿って隣接するように配置されている。但しリードアウトサーキット５２は、同じ行に配列されている２個のリードアウトサーキット５２の間に、行方向Ｄ１に沿って２個の受光素子５１が配置されるようにして配置される。すなわち、４個の受光素子５１は画素２６の中央部に配置され、４個のリードアウトサーキット５２は画素２６の周辺部に配置されている。

なお本実施形態では、レーダ装置１は、１個の画素２６において４個の受光素子５１が配置されている領域Ｅ１を反射光が走査方向ＳＤ２に沿って走査する時間内に、例えば１６回のパルスレーザ光の発光を行う。

また図５に示すように、リードアウトサーキット５２は、クエンチ抵抗６１、デジタル変換器６２、インバータ６３、バッファ６４およびセレクタ６５を備える。
クエンチ抵抗６１はＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（以下、Ｎ型トランジスタという）である。クエンチ抵抗６１を構成するＮ型トランジスタのドレインは、受光素子５１を構成するＳＰＡＤのアノードに接続され、ソースはセレクタ６５を介して接地される。また、Ｎ型トランジスタのゲートには、Ｎ型トランジスタをクエンチ抵抗として作用させるために予め設定されたクエンチ電圧Ｖ_ＱＣＨが印加される。

デジタル変換器６２は、抵抗７１とＮ型トランジスタ７２を備える。Ｎ型トランジスタ７２のドレインは抵抗７１を介して電源電圧Ｖ_ＤＤが印加され、ソースは接地される。また、Ｎ型トランジスタ７２のゲートは、ＳＰＡＤのアノードとクエンチ抵抗６１との接続点ＣＰ１に接続される。

インバータ６３は、Ｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（以下、Ｐ型トランジスタという）７３とＮ型トランジスタ７４を備える。Ｐ型トランジスタ７３のドレインは電源電圧Ｖ_ＤＤが印加され、ソースはＮ型トランジスタ７４のドレインに接続される。Ｐ型トランジスタ７３のゲートとＮ型トランジスタ７４のゲートは、Ｎ型トランジスタ７２のドレインと抵抗７１との接続点ＣＰ２に接続される。Ｎ型トランジスタ７４のソースは接地される。

バッファ６４は、インピーダンス変換のための回路である。そしてバッファ６４の入力端子は、Ｐ型トランジスタ７３のソースとＮ型トランジスタ７４のドレインとの接続点ＣＰ３に接続される。

セレクタ６５はＮ型トランジスタである。セレクタ６５を構成するＮ型トランジスタのドレインは、クエンチ抵抗６１を構成するＮ型トランジスタのソースに接続され、ソースは接地される。また、Ｎ型トランジスタのゲートはデコーダ２２に接続されている。セレクタ６５は、デコーダ２２から選択制御電圧Ｖ_ＳＥＬが印加されるとオン状態になる。

次に、このように構成されたリードアウトサーキット５２の動作を説明する。
まず、セレクタ６５がオン状態である場合に逆電圧Ｖ_ＳＰＡＤがＳＰＡＤに印加されることにより、受光素子５１が動作可能状態となる。一方、セレクタ６５がオフ状態である場合には、逆電圧Ｖ_ＳＰＡＤがＳＰＡＤに印加されず、受光素子５１の動作が禁止される。

そして、セレクタ６５がオン状態であるときに、受光素子５１に反射光が入射してアバランシェ電流が発生すると、クエンチ抵抗６１にアバランシェ電流が流れ、接続点ＣＰ１の電圧が上昇する。そして、接続点ＣＰ１の電圧がＮ型トランジスタ７２のオン電圧より高くなると、Ｎ型トランジスタ７２がオン状態となり、接続点ＣＰ２の電圧が電源電圧Ｖ_ＤＤから０Ｖに変化する。

これにより、Ｐ型トランジスタ７３がオフ状態からオン状態に変化するとともにＮ型トランジスタ７４がオン状態からオフ状態に変化するため、接続点ＣＰ３の電圧が０Ｖから電源電圧Ｖ_ＤＤに変化する。

これにより、バッファ６４の出力端子の電圧Ｖ_ＯＵＴがハイレベルになる。
その後、接続点ＣＰ１における電圧上昇が継続すると、ＳＰＡＤのアノードとカソードの間に印加されている電圧が降伏電圧より小さくなり、アバランシェ電流が止まる。これにより、接続点ＣＰ１の電圧が低下してＮ型トランジスタ７２がオフ状態となり、バッファ６４の出力端子の電圧Ｖ_ＯＵＴがローレベルになる。

このように、リードアウトサーキット５２は、反射光が入射してアバランシェ電流が発生することによりＮ型トランジスタ７２がオン状態になってから、アバランシェ電流が止まってＮ型トランジスタ７２がオフ状態になるまでの間ハイレベルになるデジタルパルス信号を出力する。

また図６に示すように、画素データ処理部３１は、パルス整形部８１、測定開始判定部８２、時間計測部８３、ヒストグラム作成部８４、距離決定部８５およびデータ記憶部８６を備える。

パルス整形部８１は、画素２６を構成する複数の受光素子５１のそれぞれに対応して設けられた複数のＤ型フリップフロップ回路９１と、複数のＤ型フリップフロップ９１のそれぞれに対応して設けられた複数の遅延回路９２とを備える。

そしてＤ型フリップフロップ回路９１は、入力端子Ｄとクロック端子ＣＬＫと出力端子Ｑとリセット端子ＣＬＲを備える。そして、入力端子Ｄにはハイレベルが印加される。またクロック端子ＣＬＫには、対応する受光素子５１の上記デジタルパルス信号がリードアウトサーキット５２を介して入力する。このためＤ型フリップフロップ回路９１は、上記デジタルパルス信号がクロック端子ＣＬＫに入力したタイミングで、出力端子Ｑから、ハイレベルの信号の出力を開始する。

またリセット端子ＣＬＲには、出力端子Ｑから出力された信号が遅延回路９２を介して入力する。遅延回路９２は、入力した信号を、予め設定された遅延時間だけ遅延させて出力する。このため、リセット端子ＣＬＲには、出力端子Ｑからハイレベルの信号が出力されてから上記遅延時間が経過した後に、ハイレベルの信号が入力する。そして、ハイレベルの信号がリセット端子ＣＬＲに入力すると、Ｄ型フリップフロップ回路９１は、ハイレベルの信号の出力を停止する。すなわちＤ型フリップフロップ回路９１は、対応する受光素子５１の上記デジタルパルス信号が入力すると、上記遅延時間継続してハイレベルとなるパルス信号を出力する。以下、このパルス信号を受光検出信号という。

測定開始判定部８２は、入力数判定回路９３と、複数のＤ型フリップフロップ回路９４と、加算回路９５とを備える。
入力数判定回路９３は、パルス整形部８１を構成するＤ型フリップフロップ回路９１のそれぞれからの受光検出信号を入力する。そして入力数判定回路９３は、入力した受光検出信号の数が予め設定された測定開始判定値（本実施形態では２）以上である場合に、予め設定された一定時間継続してハイレベルとなるパルス信号を出力する。以下、このパルス信号を測定開始検出信号という。

Ｄ型フリップフロップ回路９４は、パルス整形部８１を構成する複数のＤ型フリップフロップ回路９１のそれぞれに対応して設けられている。なお図６では、図示の簡略化のために、１個のＤ型フリップフロップ回路９４を示す。

Ｄ型フリップフロップ回路９４は、入力端子Ｄとクロック端子ＣＬＫと出力端子Ｑを備える。そして入力端子Ｄには、対応するＤ型フリップフロップ回路９１の上記受光検出信号が入力する。またクロック端子ＣＬＫには、入力数判定回路９３の上記測定開始検出信号が入力する。このためＤ型フリップフロップ回路９４は、上記測定開始検出信号がクロック端子ＣＬＫに入力したタイミングで上記受光検出信号が入力端子Ｄに入力している場合に、ハイレベルの信号を出力する。

加算回路９５は、測定開始判定部８２を構成する複数のＤ型フリップフロップ回路９４のそれぞれについて、出力端子Ｑから出力される信号を入力する。そして加算回路９５は、入力した信号のうち、ハイレベルになっている信号の数を計り、その計数値を示すデジタル信号を出力する。以下、上記計数値を示す信号を受光数信号という。

なお図６では、受光素子５１の数が４個であるため、上記計数値は０，１，２，３，４の何れかである。０〜４の整数値をデジタルで表すためには３ビット必要であるため、加算回路９５は、上記計数値を示すデジタル信号を出力するために３本の信号出力線を備えている。

時間計測部８３は、ＴＤＣ（Time to Digital Converter）９６と、複数のＤ型フリップフロップ回路９７と、遅延回路９８と、データ生成部９９を備える。
ＴＤＣ９６は、入力数判定回路９３から上記測定開始検出信号を入力する。そしてＴＤＣ９６は、光源２がパルスレーザ光を照射してから、上記測定開始検出信号が入力するまでの時間を計測し、計測した時間を示すデジタル信号を出力する。なお、本実施形態のＴＤＣ９６は、１１ビットのデジタル信号を出力するために、１１本の信号出力線を備えている。以下、ＴＤＣ９６が出力するデジタル信号を時間計測信号という。

Ｄ型フリップフロップ回路９７は、加算回路９５が備える複数の信号出力線のそれぞれに対応して設けられている。なお図４では、図示の簡略化のために、１個のＤ型フリップフロップ回路９７を示す。

Ｄ型フリップフロップ回路９７は、入力端子Ｄとクロック端子ＣＬＫと出力端子Ｑを備える。そして入力端子Ｄには、対応する信号出力線からの信号が入力する。またクロック端子ＣＬＫには、入力数判定回路９３から出力された上記測定開始検出信号が遅延回路９８を介して入力する。遅延回路９８は、入力した信号を、予め設定された遅延時間だけ遅延させて出力する。なお、遅延回路９８の遅延時間は、加算回路９５からの信号がＤ型フリップフロップ回路９７に入力した直後に上記測定開始検出信号がＤ型フリップフロップ回路９７に入力するように設定されている。

したがって、Ｄ型フリップフロップ回路９７は、上記測定開始検出信号が入力した場合に、加算回路９５による計数結果を示すデジタル信号（受光数信号）を出力する。
データ生成部９９は、ＴＤＣ９６から時間計測信号を入力するとともに、Ｄ型フリップフロップ回路９７から受光数信号を入力する。そしてデータ生成部９９は、時間計測信号と、受光数信号を対応付けたデータを生成して出力する。

ヒストグラム作成部８４は、１個の画素２６の受光面上を反射光が走査方向ＳＤ２に沿って走査する時間（以下、単位走査時間という）毎に、データ生成部９９から入力したデータを集計して、ヒストグラムを作成する。

このヒストグラムは、図７に示すように、ＴＤＣ９６により計測された時間を横軸とし、画素２６の受光素子５１が受光を検出した数を単位走査時間内で積算した値（以下、受光積算値という）を縦軸としたものである。

距離決定部８５は、ヒストグラム作成部８４が作成したヒストグラムを用いて、車両前方に位置する物体（前方物体）までの距離を決定する。具体的には、まず、ヒストグラムからピークを抽出する（図７では、ピークＰＫ１，ＰＫ２，ＰＫ３が抽出される）。その後、最も高いピーク（図７ではピークＰＫ１）の受光積算値と、その他のピーク（図７ではピークＰＫ２，ＰＫ３）の受光積算値との差が、予め設定された決定判定値以上である場合に、最も高いピークに対応する時間に基づいて距離を算出する。そして、この算出距離が、前方物体までの距離であると決定し、前方物体までの距離を示す距離データを出力する。

また距離決定部８５は、ヒストグラムにおけるピーク以外の部分（図７の背景光ＢＧを参照）を背景光として、この部分の受光積算値に基づいて、背景光の照度を算出する。そして距離決定部８５は、背景光の照度と許可判定値との間の対応関係が予め設定された許可判定値テーブルを参照して、許可判定値を決定する。許可判定値テーブルでは、背景光の照度が大きくなるほど、許可判定値が大きくなるように設定されている。

さらに距離決定部８５は、最も高いピーク（図７ではピークＰＫ１）の受光積算値が許可判定値以上であるか否かを判断する。ここで、最も高いピークの受光積算値が許可判定値未満である場合には、物体が存在しないとして出力を行う。

データ記憶部８６は、データ生成部９９が出力したデータ（時間計測信号が示す時間と、受光数信号が示す計数値とを対応付けたデータ）を、距離決定部８５が距離を決定するまでの間、一時的に記憶する。

また走査制御部４は、二次元画素アレイ２１の受光面ＲＰ（図３を参照）において４個の受光素子５１が配置されている領域Ｅ１（図４を参照）を反射光が走査方向ＳＤ２に沿って走査しているときには、上記領域Ｅ１以外の領域を反射光が走査しているときよりも、走査方向ＳＤ２に沿って走査する走査速度を遅くする。

また走査制御部４は、車速に応じて、光源２の発光強度を変更する。具体的に走査制御部４は、車速が小さい場合には発光強度を下げ、車速が大きい場合には発光強度を上げる。

また走査制御部４は、車速に応じて、一次元スキャナ３の所定走査角度範囲Ｒ１を変更する。具体的に走査制御部４は、車速が小さい場合には所定走査角度範囲Ｒ１を大きくし、車速が大きい場合には所定走査角度範囲Ｒ１を小さくする。

また光検出部５は、走査制御部４から一次元スキャナ３の走査角度を示す走査角度情報を取得し、この走査角度情報に基づいて、二次元画素アレイ２１の受光面ＲＰ上において反射光が照射される列を決定する。その後、光検出部５は、決定した列に対応した選択制御線ＣＬに選択制御電圧Ｖ_ＳＥＬを印加する。

このように構成されたレーダ装置１は、光源２と、一次元スキャナ３と、光検出部５と、処理部６とを備える。
レーダ装置１では、まず光源２が、レーザ光を照射し、一次元スキャナ３が、光源２から照射されたレーザ光である照射光を走査方向ＳＤ１に沿って走査する。そして、複数の画素２６を二次元行列状に配列することで構成された光検出部５が、複数の画素２６のそれぞれについて、光源２から照射されたレーザ光の反射光を検出する。さらに処理部６は、光源２がレーザ光を照射してから光検出部５の画素２６が反射光を検出するまでの飛行時間を測定する。また光源２は、走査方向ＳＤ１に対して垂直な方向に沿った長さが、走査方向ＳＤ１に沿った長さよりも長くなるように矩形状に成形されたレーザ光を照射する。

このように構成されたレーダ装置１では、複数の画素２６が二次元行列状に配列されている受光面ＲＰに反射光が照射される。そして、この反射光は、走査方向ＳＤ１に沿った照射光の走査に対応して反射光が受光面ＲＰにおいて走査される走査方向ＳＤ２に対して垂直な方向に沿った長さが、走査方向ＳＤ２に沿った長さよりも長くなる。

このため、光源２による１回のレーザ光照射で、走査方向ＳＤ２に沿って１個の画素２６に反射光を照射させるとともに、走査方向ＳＤ２に対して垂直な方向に沿った複数の画素２６に向けて同時に反射光を照射させること（すなわち、１個の画素２６のみに向けて反射光を照射する場合よりも多くの画素２６に反射光を照射させること）が可能となる。

例えば、走査方向ＳＤ２に対して垂直な方向に沿ってＮ（Ｎは２以上の整数）個の画素２６が受光面ＲＰに配置されている場合に、レーダ装置１では、光源２による１回のレーザ光照射で、走査方向ＳＤ２に対して垂直な方向に沿ったＮ個の画素２６に反射光を照射することが可能である。一方、１個の画素２６のみに向けて反射光を照射する場合において、走査方向ＳＤ２に対して垂直な方向に沿ったＮ個の画素２６に反射光を照射するためには、Ｎ回のレーザ光照射が必要である。そしてレーダ装置１では、光源２によりＮ回の光照射を行わせることで、走査方向ＳＤ２に対して垂直な方向に沿ったＮ個の画素２６のそれぞれについて、反射光をＮ回照射することができる。

このため、レーダ装置１によれば、一定時間内で１個の画素２６に反射光を照射させる回数を増加させることができ、一定時間内において１個の画素２６について蓄積することができる検出結果の数を増加させることができる。これによりレーダ装置１は、反射光を検出することにより得られたレーダ装置１の検出結果の検出精度が低下するのを抑制することができる。

また光検出部５は、反射光が照射される画素２６の動作を、対応する選択制御線ＣＬに選択制御電圧Ｖ_ＳＥＬを印加することにより許可する一方、反射光が照射されない画素２６の動作を、対応する選択制御線ＣＬに選択制御電圧Ｖ_ＳＥＬを印加しないことにより禁止する。これにより、反射光が照射されない画素２６において誤検出に起因して出力される検出信号が、光検出部５の検出結果に及ぼす影響を低減することができる。

また光源２は、１個の画素２６上を反射光が走査方向ＳＤ２に沿って走査する単位走査時間内に複数回（本実施形態では１６回）、レーザ光を照射する。このため処理部６では、ヒストグラム作成部８４が、単位走査時間内でヒストグラムを作成することができる。このため、時間計測部８３からヒストグラム作成部８４へ出力されるデータは、単位走査時間が経過する毎に破棄することが可能である。すなわち、データ記憶部８６の記憶容量は、二次元行列状に構成されている二次元画素アレイ２１の１列分のデータを、単位走査時間内のパルスレーザ発光回数（積算回数）分記憶することができる程度でよい。

また画素２６は、複数（本実施形態では４個）の受光素子５１を備える。これにより、複数（例えば２個）の受光素子５１で同時に光を検出したときに、画素２６で反射光を検出したという検出方法を採用することができる。これにより、画素２６の誤検出を低減することができる。複数の受光素子５１が同時に誤検出する可能性は低いからである。

また画素２６は、受光素子５１からの信号を読み出すリードアウトサーキット５２を備え、４個の受光素子５１はそれぞれ、隣接する受光素子５１との間にリードアウトサーキット５２が位置しないようにして配置される。これにより、反射光が、少なくとも２つの受光素子５１に同時に入射する可能性を高めることができる。

一次元スキャナ３は、受光面ＲＰにおいて受光素子５１が配置されている領域Ｅ１に反射光が照射されるときには、受光素子５１が配置されていない領域に反射光が照射されるときよりも、走査速度を遅くする。これにより、単位走査時間内で、反射光が受光素子５１に照射される回数を増加させることができる。

またデータ生成部９９は、光源２がレーザ光を照射する毎に、ＴＤＣ９６が測定した時間計測信号と、Ｄ型フリップフロップ回路９７から出力された受光数信号とを対応付けたデータを取得する。そしてヒストグラム作成部８４は、データ生成部９９により取得したＴＤＣ分解能時間ごとの受光数信号をレーザ光の発光回数分だけ積算し、ヒストグラムを作成する。さらに距離決定部８５は、ヒストグラム作成部８４が作成したヒストグラムに基づいて、光源２により照射されたレーザ光を反射した物体までの距離を決定する。このように複数回レーザ光を照射した結果を積算しヒストグラムを作成すると、作成したヒストグラムにおいて、反射光に基づいて検出された受光数信号の度数は、その他の受光数信号の度数よりも高くなる。これは、反射光に基づいて検出される時間計測信号は、複数回の照射にわたってほぼ一定の値になるのに対して、背景光に基づいて検出される時間計測信号はランダムに変化するからである。このため、距離の決定において、背景光の影響を低減することができる。

また、ＳＰＡＤの特性上、光が入射しない場合でも応答する可能性や、光が入射しても応答しない可能性がある。このような特性が検出結果に及ぼす影響を低減するためにも、複数回の照射で得られたＴＤＣ分解能時間ごとの受光数信号を用いて、ヒストグラムを作成する必要がある。

また距離決定部８５は、ヒストグラムから、度数が最も大きいピークである最大ピークを抽出し、最大ピークの度数（受光積算値）と、ヒストグラムにおけるその他の部分の度数との差が、予め設定された決定判定値以上である場合に、最大ピークに対応する飛行時間に基づいて、距離を決定する。これにより、決定判定値以上であるか否かという簡便な方法で、反射光に基づいて検出された飛行時間であるか否かを判断することができる。

また距離決定部８５は、最大ピークの度数が予め設定された許可判定値未満である場合に、距離の決定を禁止し、許可判定値は、背景光の照度との間で正の相関を有するように設定される。なお、「背景光の照度と許可判定値との間で正の相関を有する」とは、背景光の照度の増大に伴い連続的に許可判定値が増大することだけではなく、背景光の照度の増大に伴い段階的に許可判定値が減少することも含む。これにより、背景光の照度が大きいほど、反射光に基づいて検出された飛行時間であると判断されるための最大ピークの度数が大きくなる。このため、背景光の照度が大きくなることに起因して、背景光に基づいて検出された飛行時間が、反射光に基づいて検出された飛行時間であると判断される事態の発生を抑制することができる。

また光源２は、車速に応じて、レーザ光の強度を、車速とレーザ光の強度との間で正の相関を有するように変更する。なお、「車速とレーザ光の強度との間で正の相関を有する」とは、車速の増大に伴い連続的にレーザ光の強度が増大することだけではなく、車速の増大に伴い段階的にレーザ光の強度が減少することも含む。これにより、車速が小さく、車両の周辺に歩行者が存在する可能性を考慮する必要がある状況ではレーザ光の強度が小さくなり、強度の大きいレーザ光が歩行者に照射されるという事態を回避することができる。また、車速が大きく、一般に前方の車両の存在をできるだけ早く検知する必要がある状況ではレーザ光の強度が大きくなり、遠くの車両を検知することができる。

また一次元スキャナ３は、車速に応じて、所定走査角度範囲Ｒ１を、車速と所定走査角度範囲Ｒ１との間で負の相関を有するように変更する。なお、「車速と所定走査角度範囲Ｒ１との間で負の相関を有する」とは、車速の増大に伴い連続的に所定走査角度範囲Ｒ１が減少することだけではなく、車速の増大に伴い段階的に所定走査角度範囲Ｒ１が減少することも含む。これにより、車速が小さく、車両の周辺に歩行者が存在する可能性を考慮する必要がある状況では所定走査角度範囲Ｒ１が大きくなり、周辺の歩行者を可能な限り早く検知することができる。また、車速が大きく、一般に前方の車両を検知する必要がある状況では所定走査角度範囲Ｒ１が小さくなり、前方に車両が存在しない可能性が高い領域を走査範囲から除外することができるため、遠くの車両を可能な限り早く検知することができる。

以上説明した実施形態において、光源２は本発明における光照射手段、一次元スキャナ３は本発明における走査手段、光検出部５は本発明における反射光検出手段、処理部６は本発明における時間測定手段、画素２６は本発明における受光部、リードアウトサーキット５２は本発明における読出回路、データ生成部９９は本発明における情報取得手段、ヒストグラム作成部８４は本発明におけるヒストグラム作成手段、距離決定部８５は本発明における距離決定手段である。

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、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
例えば上記実施形態では、決定判定値が一定値であるものを示した。しかし、決定判定値は、最も高いピーク（図７ではピークＰＫ１）に対応する飛行時間との間で負の相関を有するように設定されるようにしてもよい。なお、「飛行時間と決定判定値との間で負の相関を有する」とは、飛行時間の増大に伴い連続的に決定判定値が減少することだけではなく、飛行時間の増大に伴い段階的に決定判定値が減少することも含む。例えば、決定判定値が、飛行時間（すなわち距離）に反比例したり、飛行時間（すなわち距離）の２乗に反比例したりするようにしてもよい。これにより、レーダ装置付近に位置する前方物体についての誤検出を低減することができるとともに、レーダ装置の遠方に位置する前方物体についての検出確率を向上させることができる。

また上記実施形態では、最も高いピーク（図７ではピークＰＫ１）の受光積算値と、その他のピーク（図７ではピークＰＫ２，ＰＫ３）の受光積算値との差が、決定判定値以上である場合に、最も高いピークに対応する時間に基づいて距離を算出するものを示した。しかし、上記の差が決定判定値未満である場合にであっても、過去の距離決定結果（例えば、走査の１周期前から現時点までの結果）を参照して、同じ距離に物体が存在していた場合には、最も高いピークに対応する時間に基づいて距離を算出するようにしてもよい。

また上記実施形態では、複数の画素２６を二次元行列状に配列することで構成されている二次元画素アレイ２１における１個の画素２６を反射光が走査方向ＳＤ２に沿って走査する時間（単位走査時間）内に、複数回（本実施形態では１６回）のパルスレーザ光の発光を行うものを示した。この場合には、上述のように、二次元行列状に構成されている二次元画素アレイ２１の１列分のデータを、単位走査時間内のパルスレーザ発光回数（積算回数）分記憶することができる記憶容量が必要である。

これに対し、一次元スキャナ３の走査速度が速く、単位走査時間内で例えば１回のパルスレーザ光の発光を行う場合には、ヒストグラム作成部８４がヒストグラムを作成するためには、積算回数×走査周期の時間が必要である。このため、この積算回数×走査周期の時間が経過するまで、時間計測部８３からヒストグラム作成部８４へ出力されるデータを破棄することができない。すなわち、二次元行列状に構成されている二次元画素アレイ２１の全列分のデータを、積算回数分記憶することができる記憶容量が必要である。

このためレーダ装置１は、一次元スキャナ３の走査速度が速く、単位走査時間内でのパルスレーザ光の発光回数が少ない場合には、二次元画素アレイ２１の受光面ＲＰ上において反射光が照射される列を間引くように、インターレース方式で照射光を走査するようにするとよい。これにより、間引かれた列分のデータを記憶する必要がなくなり、データ記憶部８６における記憶容量の増大を抑制することができる。

また上記実施形態において、背景光の影響を除去するために、パルスレーザ光の波長に対応したバンドパスフィルタを備えるようにしてもよい。
また上記実施形態において、リードアウトサーキット５２を構成する要素の一部（例えばインバータ６３およびバッファ６４）を、配線で延長することにより、二次元画素アレイ２１の受光面ＲＰの外側に設置するようにしてもよい。また、配線で延長することにより信号の遅延が大きくなり、画素データ処理部３１に接続されている同一の行の画素２６間でも、画素２６と画素データ処理部３１との間を伝達する信号の伝達時間の差が大きくなるおそれがある。このため、同一の行の画素２６間での上記伝達時間の差を補正する機構を設けるようにしてもよい。

また上記実施形態において、リードアウトサーキット５２を構成する要素の一部を、貫通ビア（Through Silicon Via）または裏面照射（Back Side Illumination）等により、二次元画素アレイ２１の受光面ＲＰの裏側に設置するようにしてもよい。

また上記実施形態では、矩形状に成形されたレーザ光を照射するものを示したが、楕円状に成形されたレーザ光を照射するようにしてもよい。
また、上記実施形態におけるレーダ装置１の構成は、図８に示すように、光切断法に類似している。しかし、レーダ装置１と光切断法とでは、測距方式が違うために回路構成が異なる。また光切断法では、領域全体のメモリが必要となる。

１…レーダ装置、２…光源、３…一次元スキャナ、４…走査制御部、５…光検出部、６…処理部、２６…画素

Claims (16)

1. 光を照射する光照射手段（２）と、
   前記光照射手段から照射された光である照射光を、予め設定された照射光走査方向に沿って走査する走査手段（３）と、
   複数の受光部を二次元行列状に配列することで構成され、複数の前記受光部（２６）のそれぞれについて、前記光照射手段から照射された光の反射光を検出する反射光検出手段（５）と、
   前記光照射手段が光を照射してから前記反射光検出手段の前記受光部が前記反射光を検出するまでの時間である飛行時間を測定する時間測定手段（６）とを備え、
   前記光照射手段は、
   前記照射光走査方向に対して垂直な方向に沿った長さが、前記照射光走査方向に沿った長さよりも長くなるように成形された光を照射する
   ことを特徴とするレーダ装置（１）。
2. 前記光照射手段は、
   前記照射光走査方向に沿った前記照射光の走査に対応して、前記反射光が、複数の前記受光部が二次元行列状に配列されている受光面において走査される方向を、反射光走査方向として、
   前記反射光走査方向に沿って１個の前記受光部に前記反射光が照射されるとともに、前記反射光走査方向に対して垂直な方向に沿って複数個の前記受光部に前記反射光が照射されるように、前記照射光を照射する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーダ装置。
3. 前記反射光検出手段は、
   複数の前記受光部のうち、前記反射光が照射される前記受光部の動作を許可する一方、前記反射光が照射されない前記受光部の動作を禁止する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のレーダ装置。
4. 前記光照射手段は、
   前記照射光走査方向に沿った前記照射光の走査に対応して、前記反射光が、複数の前記受光部が二次元行列状に配列されている受光面において走査される方向を、反射光走査方向として、
   １個の前記受光部上を前記反射光が前記反射光走査方向に沿って走査する時間内に複数回、前記照射光を照射する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のレーダ装置。
5. 前記光照射手段は、
   前記照射光走査方向に沿った前記照射光の走査に対応して、前記反射光が、複数の前記受光部が二次元行列状に配列されている受光面において走査される方向を、反射光走査方向として、
   前記受光面において前記反射光が照射される前記受光部が、前記反射光走査方向に沿って間引かれるように、前記照射光をインターレース方式で走査する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のレーダ装置。
6. 前記受光部は、複数の受光素子（５１）を備える
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５の何れか１項に記載のレーダ装置。
7. 前記受光部は、
   前記受光素子から検出信号を読み出す読出回路（５２）を備え、
   複数の前記受光素子はそれぞれ、隣接する前記受光素子との間に前記読出回路が位置しないようにして配置される
   ことを特徴とする請求項６に記載のレーダ装置。
8. 前記受光素子は、アバランシェフォトダイオードであり、ガイガーモードで動作する
   ことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のレーダ装置。
9. 前記走査手段は、
   複数の前記受光部が二次元行列状に配列されている受光面において前記受光素子が配置されている領域に前記反射光が照射されるときには、前記受光素子が配置されていない領域に前記反射光が照射されるときよりも、前記照射光走査方向に沿って走査する走査速度を遅くする
   ことを特徴とする請求項６〜請求項８の何れか１項に記載のレーダ装置。
10. 前記光照射手段が光を照射する毎に、前記時間測定手段が測定した前記飛行時間を示す飛行時間情報を取得する情報取得手段（９９）と、
    前記光照射手段による複数回の照射で前記情報取得手段により取得された複数の前記飛行時間情報を用いて、前記飛行時間のヒストグラムを作成するヒストグラム作成手段（８４）と、
    前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムに基づいて、前記光照射手段により照射された光を反射した物体までの距離を決定する距離決定手段（８５）とを備える
    ことを特徴とする請求項１〜請求項９の何れか１項に記載のレーダ装置。
11. 前記距離決定手段は、
    前記ヒストグラムから、度数が最も大きいピークである最大ピークを抽出し、前記最大ピークの度数と、前記ヒストグラムにおけるその他の部分の度数との差が、予め設定された決定判定値以上である場合に、前記最大ピークに対応する前記飛行時間に基づいて、前記距離を決定する
    ことを特徴とする請求項１０に記載のレーダ装置。
12. 前記距離決定手段は、
    前記最大ピークの度数が予め設定された許可判定値未満である場合に、前記距離の決定を禁止し、
    前記許可判定値は、背景光の照度との間で正の相関を有するように設定される
    ことを特徴とする請求項１１に記載のレーダ装置。
13. 前記決定判定値は、
    前記最大ピークに対応する前記飛行時間との間で負の相関を有するように設定される
    ことを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載のレーダ装置。
14. 前記距離決定手段は、
    前記最大ピークの度数と、前記ヒストグラムにおけるその他の部分の度数との差が、前記決定判定値未満である場合には、さらに前記距離決定手段による過去の距離決定結果を参照して、前記最大ピークに対応する前記飛行時間に基づいて、前記距離を決定するか否かを判断する
    ことを特徴とする請求項１１〜請求項１３の何れか１項に記載のレーダ装置。
15. 当該レーダ装置は車両に搭載され、
    前記光照射手段は、前記車両の走行速度に応じて、前記照射光の強度を、前記走行速度と前記強度との間で正の相関を有するように変更する
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１４の何れか１項に記載のレーダ装置。
16. 当該レーダ装置は車両に搭載され、
    前記走査手段は、前記車両の走行速度に応じて、前記照射光走査方向に沿って走査する走査範囲を、前記走行速度と前記走査範囲との間で負の相関を有するように変更する
    ことを特徴とする請求項１〜請求項１５の何れか１項に記載のレーダ装置。