JP2015165196A - 距離測定装置、移動体及び距離測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物までの距離の測定精度を向上できる距離測定装置を提供すること。
【解決手段】 距離測定装置は、ＬＤに駆動電流を供給し前記ＬＤを発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定方法であり、ＬＤに駆動電流及び付加電流を印加するＬＤ制御部を備え、該ＬＤ制御部は、ＬＤに駆動電流の印加を開始する前に付加電流の印加を開始し、付加電流の電流値Ｉａｄを、駆動電流の電流値Ｉｏｐの１／１００以下に制御する。この場合、対象物までの距離の測定精度を向上できる。
【選択図】図４

Description

本発明は、距離測定装置、移動体及び距離測定方法に係り、更に詳しくは、光を対象物に照射し、該対象物からの反射光を検出して前記対象物までの距離を測定する距離測定装置、該距離測定装置を備える移動体及び前記距離を測定する距離測定方法に関する。

従来、光を対象物に照射し、該対象物からの反射光を検出して前記対象物までの距離を測定するレーザレーダ装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

ところで、特許文献１に開示されているレーザレーダ装置では、対象物までの距離の測定精度に向上の余地があった。

本発明は、光源に駆動電流を供給し前記光源を発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定装置において、前記光源に駆動電流及び付加電流を供給する光源制御部と、前記反射光を受光する光検出器を含む検出系と、を備え、前記光源制御部は、前記光源に前記駆動電流の供給を開始する前に前記付加電流の供給を開始し、前記付加電流の電流値を、前記検出系の特性に基づいて制御することを特徴とする距離測定装置である。

本発明によれば、対象物までの距離の測定精度を向上できる。

一実施形態に係る距離測定装置の概略構成を示す図である。 ＰＤ出力検出部を説明するための図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、それぞれ比較例の駆動電流波形及び光波形を示す図である。 図４（Ａ）〜図４（Ｄ）は、それぞれ本実施形態の駆動電流波形、付加電流波形、印加電流波形（駆動電流波形＋付加電流波形）及び光波形を示す図である。 図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、比較例及び本実施形態の電流波形の生成手順を説明するための図であり、図５（Ｃ）の上図及び下図は、それぞれ比較例及び本実施形態の電流波形を示す図であり、図５（Ｄ）の上図及び下図は、それぞれ比較例及び本実施形態のＬＤ電位波形を示す図であり、図５（Ｅ）は、それぞれ比較例及び本実施形態の光波形を示す図である。 図６（Ａ）は、ＬＤ制御部を説明するための図であり、図６（Ｂ）の上図及び下図は、それぞれ付加信号及び駆動信号を示す図である。 図７（Ａ）は、ＬＤの光出力／電流特性、電圧／電流特性を示す図であり、図７（Ｂ）は、駆動電流の時間変化を示す図である。 総寄生容量Ｃ及びＬＤへの電流の流れについて説明するための図である。 図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、それぞれ比較例及び本実施形態の受光信号１〜３の検出タイミングの時間差について説明するための図である。 変形例のＬＤ制御部について説明するための図である。

以下に、本発明の一実施形態の距離測定装置１００について、図１〜図９を参照して説明する。

図１には、距離測定装置１００の概略的構成がブロック図にて示されている。

距離測定装置１００は、一例として、移動体としての自動車に搭載され、光を対象物（例えば先行車、障害物、歩行者等）に照射し、該対象物からの反射光を検出して該対象物までの距離を測定する。

距離測定装置１００は、光源装置３０、照射光学系１４、受光光学系１６、光検出器としてのＰＤ１８（フォトディテクタ）、ＰＤ出力検出部２０、時間計測部２２などを備えている。

距離測定装置１００での測定結果（距離情報）は、自動車のＥＣＵ（エンジンコントーロールユニット）２４に出力され、該ＥＣＵは、その測定結果に基づいて、例えば自動車の速度制御等を行う。

光源装置３０は、一例として、光源としてのＬＤ１０（レーザダイオード）、ＬＤ１０を制御するＬＤ制御部１２、該ＬＤ制御部１２及びＬＤ１０が実装されるパッケージ、該パッケージに設けられる各種配線部材などを含む。ＬＤ制御部１２を構成する複数の電子部品には、例えばＬＤ１０に電流を印加するための電流源としてのトランジスタなどが挙げられる。ＬＤ１０は、半導体レーザの一種であり、端面発光レーザとも呼ばれる。

ＬＤ制御部１２は、一例として、ＥＣＵからの発光指令信号（点灯信号）に基づいてＬＤ１０に断続的（例えば周期的）に駆動電流を印加（供給）し、パルス発光させる。ここでは、ＬＤ１０から例えば周期的に射出されるレーザ光（光パルス）のパルス幅は、例えば数ｎｓ〜５０ｎｓであり、パルス周期は、例えば数μｓ〜５０μｓである。

ＬＤ１０から射出されたレーザ光は、照射光学系１４により導光され、対象物に照射される。

詳述すると、照射光学系１４は、一例として、ＬＤ１０からのレーザ光の光路上に配置され、該レーザ光の拡散を抑制する照射レンズ（例えばカップリングレンズ）と、該照射レンズを介したレーザ光の光路上に配置された光偏向器（例えばポリゴンスミラー、ガルバノスミラー、ＭＥＭＳミラー）とを含む。

そこで、ＬＤ１０からのレーザ光は、照射レンズにより所定のビームプロファイルのレーザ光に成形された後、光偏向器で例えば水平面内において偏向され、対象物に照射される。すなわち、レーザ光により対象物が例えば水平方向に走査される。結果として、対象物の例えば水平方向の広範囲な領域に対する距離測定が可能となる。

対象物に照射されたレーザ光は対象物で反射（散乱）され、その一部の反射光（散乱光）が受光光学系１６を介してＰＤ１８に導かれる。

受光光学系１６は、一例として、受光レンズ（例えば集光レンズ）を含み、対象物からの反射光のうち入射光（光偏向器で偏向され対象物に入射するレーザ光の経路とほぼ同じ経路を辿ってくる反射光をＰＤ１８に結像させる。

ＰＤ１８は、対象物からの反射光を受光したとき、ＰＤ出力検出部２０に、該反射光の光量に応じた電気信号である受光信号を出力する。

ＰＤ出力検出部２０での動作としては、受光信号の信号増幅及び受光信号のタイミング検出の２つの動作がある。図２に示されるように、受光信号の信号増幅についてはアンプなどの信号増幅器を用いて増幅し、受光信号のタイミング検出についてはコンパレータなどの比較器を用いて、ＰＤ１８からの受光信号の一定出力（スレッシュレベル）以上となる立ち上り波形部を検出する（図９（Ｂ）参照）。すなわち、この一定出力（スレッシュレベル）がＰＤ出力検出部２０の検出分解能である。ＰＤ出力検出部２０は、受光信号（立ち上がり波形部）を検出すると、その検出タイミングを時間計測部２２に出力する。

時間計測部２２では、後述するＬＤ制御部１２からの駆動信号（例えば矩形パルス信号）の出力タイミングとＰＤ出力検出部２０からの受光信号の検出タイミングとの時間差を対象物との間の往復距離（対象物までの距離の２倍）と推定し、該時間差を距離に換算することで、対象物との間の往復距離、ひいては対象物までの距離を測定する。

詳述すると、時間計測部２２は、ＬＤ制御部１２からの駆動信号の立ち上がりタイミングで計時を開始し、ＰＤ出力検出部２０からの受光信号の検出タイミングで計時を終了する時計機能を有する。この時計機能で計測された時間は、距離測定装置１００と対象物との間をレーザ光が伝播（往復）している時間であり、この時間を距離に換算することで、対象物との間の往復距離を求めることができる。なお、駆動信号のパルス周期は例えば数μｓ〜５０μｓであり、時間計測部２２は、対象物との間の往復距離をリアルタイムで算出する。

ところで、近年、距離測定装置が搭載された自動車において、例えば高速走行中に停止させる判断をしたり、対象物を検出し警告や制動をする場合、距離測定装置による測定可能な距離を極力伸ばし、かつ対象物までの距離を極力正確に測定することが要請されている。

距離測定装置において測定可能な距離を伸ばすために、例えば照射光学系からの照射光量を上げて反射光の光量を上げることや、受光光学系における取り込み光量を上げることが考えられる。

一方、距離測定装置において対象物までの距離を正確に測定するために、ＬＤからの発光パルス（光波形）の立ち上がり応答を早くすることが考えられる。

その理由は、ＬＤからの発光パルスの立ち上り応答が遅いと、反射光による応答波形（受光信号の波形）も立ち上りが遅くなり、ＬＤからの発光パルスの立ち上がりタイミングとＰＤから出力される受光信号の検出タイミングとの時間差の誤差が大きくなり（図９（Ａ）参照）、ひいては対象物までの距離の測定誤差が大きくなるからである。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）には、それぞれ比較例におけるＬＤ１０に印加（供給）される駆動電流波形（矩形のパルス波形）及びＬＤ１０から出力される光波形が示されている。

ここで、ＬＤへのパルス状の駆動電流の電流値（振幅）をＩｏｐ、印加時間（パルス幅）をＴ１としたとき、対象物までの距離（例えば数１０ｍ〜１００ｍ）に応じて、ＬＤから例えば数１０Ｗ〜１００Ｗ程度の高出力のパルス光を出力することが好ましい。すなわち、駆動電流の電流値を、例えば数１０Ａ〜１００Ａ程度とすることが好ましい。

ところで、例えばパッケージの寄生容量、該パッケージに実装されたＬＤ１０の寄生容量、ＬＤ制御部１２を構成する複数の電子部品の寄生容量、該パッケージに設けられた各種配線部材の寄生容量等を併せた総寄生容量Ｃ、すなわち光源装置３０の寄生容量は、ＬＤ１０から出力される光波形の応答性に影響する要因である。なお、上記複数の電子部品の寄生容量としては、例えば電流源としてのトランジスタの接合容量等が挙げられる。

駆動電流の立ち上がりに対する光波形の立ち上がり応答の遅延はｎｓオーダーの値となるため、特に本実施形態のようにパルス幅が５０ｎｓ以下の極短パルス発光を行う場合に、総寄生容量Ｃの影響が非常に大きくなる。

比較例において、ＬＤに駆動電流を供給すると、総寄生容量Ｃが充電された後に実質的にＬＤの活性層に電流が注入されるため、ＬＤは駆動電流の印加開始タイミング（立ち上がりタイミング）から大きく遅れて発光する（光波形が立ち上がる）。

すなわち、比較例では、光波形の立ち上り応答に改善の余地がある。

そこで、本実施形態では、ＬＤ制御部１２は、ＬＤ１０に駆動電流（図４（Ａ）参照）及び付加電流（図４（Ｂ）参照）を一部並行して印加する（図４（Ｃ）参照）。詳述すると、ＬＤ制御部１２は、ＬＤ１０に駆動電流の印加を開始する前に付加電流の印加を開始し、ＬＤ１０への駆動電流の印加を終了した後に付加電流の印加を終了する。すなわち、付加電流の総印加時間は、駆動電流の印加時間Ｔ１を含むように設定される。より詳細には、付加電流の総印加時間（総供給時間）は、駆動電流の印加を開始する前の事前印加時間Ｔ２と、駆動電流の印加時間Ｔ１と、駆動電流の印加を終了した後の事後印加時間Ｔ３との和である。

なお、付加電流は、ＬＤ１０に断続的に（例えば周期的に）印加される各駆動電流（各電流パルス）に対応してＬＤ１０に印加される。すなわち、各付加電流の印加は、前の付加電流の印加終了後に開始され、次の付加電流の印加開始前に終了される。

この際、ＬＤ制御部１２は、付加電流の電流値Ｉａｄと事前印加時間Ｔ２との積、すなわち駆動電流の印加が開始される以前の付加電流の電流値を時間積分して得られる電荷量Ｑを総寄生容量Ｃに基づいて制御する。ここでは、電荷量Ｑは、総寄生容量Ｃをフル充電可能な電荷量Ｑｆｃに設定されている。具体的には、付加電流の電流値Ｉａｄは、例えばＬＤ１０の閾値電流Ｉｔｈ（ＬＤ１０がレーザ発振を開始するときの電流値）未満の電流値Ｉａｄ１に設定され、付加電流の事前印加時間Ｔ２は、Ｑｆｃ／Ｉａｄ１に設定されている。

この場合、ＬＤ１０に駆動電流が印加される前に付加電流による総寄生容量Ｃへのフル充電がなされるため、総寄生容量Ｃがフル充電された状態で駆動電流をＬＤ１０に印加することができる。この結果、ＬＤ１０に駆動電流の印加が開始されるのと略同時に（僅かに遅れて）ＬＤ１０が発光する（光波形が立ち上がる）（図４（Ｄ）参照）。すなわち、光波形の立ち上り応答を改善することができる。

ここで、駆動電流及び付加電流は、ＥＣＵからの発光指令信号（例えばパルス幅Ｔ１の矩形パルス信号、図５（Ａ）上図参照）に基づいて制御される。

詳述すると、駆動電流の制御は、発光指令信号をＴ２だけ遅延させた遅延パルス信号（図５（Ａ）下図参照）、すなわち駆動信号（図５（Ｂ）上図参照）により行われる。付加電流の制御は、発光指令信号に対する駆動信号の遅延時間Ｔ２と、駆動信号のパルス幅Ｔ１と、駆動信号に対する延長時間Ｔ３との和だけハイレベルとなる矩形パルス状の付加信号（図５（Ｂ）の下図参照）により行われる。

図５（Ｃ）上図には、比較例の駆動電流波形が示され、図５（Ｃ）下図には、本実施形態の印加電流波形（駆動電流波形＋付加電流波形）が示されている。

図５（Ｄ）上図には、比較例において、ＬＤに駆動電流のみが印加されたときのＬＤ電位（ＬＤの両極間の電圧）が示されている。同図から分かるように、ＬＤに駆動電流のみが印加される場合、ＬＤ電位は、駆動電流の立ち上がり時（印加開始時）から総寄生容量Ｃがフル充電されるまでの時間（以下では、充電時間Ｔｃと呼ぶ）、ほぼ０であり、総寄生容量Ｃが充電されると、上昇し、閾値電位Ｖｔｈ（ＬＤに閾値電流Ｉｔｈが流れるときの電位、図７（Ａ）参照）を経て、駆動電位Ｖｏｐ（目標電位、図７（Ａ）参照）に達する。結果として、比較例では、駆動電流の立ち上がりに対して、充電時間ＴｃとＬＤ電位が０から閾値電位Ｖｔｈになるまでの時間Ｔ３との和（Ｔｃ＋Ｔ３）だけ遅れて光波形が立ち上がる（図５（Ｅ）上図参照）。

一方、図５（Ｄ）下図には、本実施形態において、ＬＤ１０に印加電流（駆動電流＋付加電流）が印加されたときのＬＤ電位（ＬＤ１０の両極間の電圧）が示されている。同図から分かるように、付加電流の印加により、駆動電流の印加開始時では、既に総寄生容量Ｃが充電されており、ＬＤ電位が付加電位Ｖａｄになっている。このため、駆動電流の印加開始直後に電流がＬＤ１０に注入され、ＬＤ電位は、付加電位Ｖａｄから上昇し、閾値電位Ｖｔｈを経て、印加電位（Ｖｏｐ＋Ｖａｄ）、すなわち目標電位に達する。結果として、本実施形態では、駆動電流の印加開始タイミングに対して、ＬＤ電位が付加電位Ｖａｄから閾値電位Ｖｔｈになるまでの時間Ｔ４だけ遅れて光波形が立ち上がる（図５（Ｅ）下図参照）。

ここで、Ｔ４＜Ｔ３であるため、Ｔ４≪Ｔｃ＋Ｔ３であり、本実施形態では、比較例に比べて、駆動電流の立ち上がりに対する、光波形の立ち上がりの遅れを格段に小さくでき、ひいては光波形の立ち上がり応答を格段に向上できる。

以上のように、本実施形態では、ＬＤ１０に駆動電流を印加する前に付加電流の印加を開始することで総寄生容量Ｃを予め充電するため、駆動電流の立ち上がりに対する光波形の立ち上り応答を改善することが可能となる。

ところで、距離測定装置１００は、駆動電流の印加開始タイミング（駆動信号の立ち上がりタイミング）と、ＰＤ出力検出部２０での受光信号の検出タイミングとに基づいて対象物までの距離を測定するため、付加電流が印加されているときにＬＤ１０が発光するとそのレーザ光がＰＤ１８で受光され、ひいては対象物までの距離の測定精度が低下するおそれがある。

詳述すると、付加電流が印加されたときにＬＤ１０が発光すると、ＰＤ１８から振幅（最大値）がスレッシュレベル以上の受光信号（パルス信号）がＰＤ出力検出部２０に出力されるおそれがある。この場合、ＰＤ出力検出部２０において、受光信号におけるスレッシュレベル以上の立ち上り波形部の検出タイミングの、駆動電流の印加開始タイミングからの遅れ時間を計測する際、付加電流が印加されたときのＬＤ１０の発光による受光信号がＰＤ出力検出部２０で検出され、該遅れ時間の計測誤差が大きくなるおそれがある。すなわち、対象物までの距離の測定精度が低下するおそれがある。

そこで、付加電流によるＬＤ１０の発光を極力抑制することが望まれる。

具体的には、付加電流の電流値Ｉａｄは、駆動電流の電流値Ｉｏｐよりも小さく設定されることが好ましい。

例えば、上述の如く付加電流の電流値Ｉａｄが閾値電流Ｉｔｈ未満の電流値Ｉａｄ１に設定されていれば、付加電流がＬＤ１０に印加されても、該ＬＤ１０は発光しない。この結果、対象物までの距離の測定精度が低下するのを防止できる。

特に、付加電流の電流値Ｉａｄを閾値電流Ｉｔｈよりも僅かに小さい電流値に設定することが好ましい。この場合、ＬＤ電位を駆動電流の印加開始時に閾値電位Ｖｔｈよりも僅かに小さい電位にすることができ、駆動電流の立ち上がりとほぼ同時に光波形を立ち上げることができる。結果として、対象物までの距離の測定精度を格段に向上させることができる。

また、付加電流の電流値Ｉａｄを閾値電流Ｉｔｈよりも僅かに大きい電流値に設定しても良い。この場合、ＬＤ１０は僅かに発光するが遅れ時間の計測誤差を発生させる可能性が低い一方、ＬＤ電位を駆動電流の印加開始時に閾値電位Ｖｔｈよりも僅かに大きい電位にすることができ、駆動電流の立ち上がりとほぼ同時に光波形を立ち上げることができる。結果として、対象物までの距離の測定精度をより向上させることができる。

また、例えば、付加電流の電流値Ｉａｄを、駆動電流の電流値Ｉｏｐの１／１００以下の電流値、すなわちＬＤ１０の発光にほとんど寄与しない電流値（例えば閾値電流Ｉｔｈ以下の電流値）に設定しても良い。

この場合、付加電流がＬＤ１０に印加されたときのＰＤ１８からの受光信号（以下では、付加電流に対応する受光信号とも称する）を、駆動電流がＬＤ１０に印加されたときの受光信号（以下では、駆動電流に対応する受光信号とも称する）よりも著しく小さくできる。

この結果、ＰＤ出力検出部２０で駆動電流に対応する受光信号と付加電流に対応する受光信号とをスレッシュレベルを基準に容易に分離でき、対象物までの距離の測定精度が低下するのを防止できる。なお、付加電流の電流値Ｉａｄが、該付加電流がＬＤ１０に印加されたときの対象物からの反射光をＰＤ１８が検出できない程度の電流値である場合には、そもそもＰＤ出力検出部２０に受光信号が出力されず、受光信号が混同されることはない。

また、以下に具体的に説明するように、付加電流の電流値Ｉａｄを、ＰＤ１８及びＰＤ出力検出部２０を含む検出系の特性（性能）に基づいて設定しても良い。この際、付加電流の電流値Ｉａｄに応じて、付加電流の事前印加時間Ｔ２を、上記電荷量Ｑが上記電荷量Ｑｆｃとなる値に設定することが好ましい。

例えば、付加電流の電流値Ｉａｄを、ＰＤ１８の検出感度（検出限界）に基づいて設定しても良い。具体的には、付加電流の電流値Ｉａｄを、該付加電流が印加されたときのＬＤ１０の発光光量がＰＤ１８で検出可能な最低の光量未満となる電流値又は該光量よりも僅かに大きい光量となる電流値に設定しても良い。この場合、ＰＤ１８からＰＤ出力検出部２０に受光信号が出力されず、また出力されても微弱レベルなので、ＰＤ出力検出部２０での駆動電流に対応する受光信号の検出に影響しない。

例えば、付加電流の電流値Ｉａｄを、該付加電流がＬＤ１０に印加され該ＬＤが発光したときの対象物からの反射光の光量がＰＤ１８で検出可能な最低の光量未満となる電流値又は該光量よりも僅かに大きい光量となる電流値に設定しても良い。この場合も、ＰＤ１８からＰＤ出力検出部２０に受光信号が出力されず、また出力されても微弱レベルなので、ＰＤ出力検出部２０での駆動電流に対応する受光信号の検出に影響しない。

例えば、付加電流の電流値Ｉａｄを、ＰＤ出力検出部２０の検出分解能に基づいて設定しても良い。具体的には、付加電流の電流値Ｉａｄを、付加電流に対応する受光信号と、駆動電流に対応する受光信号とを、ＰＤ出力検出部２０でスレッシュレベルを基準に分離可能な電流値に設定しても良い。例えば、付加電流の電流値Ｉａｄを、該付加電流に対応する受光信号の振幅（最大値）がＰＤ出力検出部２０の検出分解能（スレッシュレベル）未満となる電流値に設定しても良い。すなわち、付加電流の電流値Ｉａｄは、該付加電流に対応する受光信号が出力されても該受光信号がＰＤ出力検出部２０で検出されない程度の電流値であれば良い。

また、以下に具体的に説明するように、付加電流の事前印加時間Ｔ２を、ＬＤ１０の応答時間（ＬＤ１０が応答可能な時間）に基づいて制御しても良い。この際、付加電流の事前印加時間Ｔ２に応じて、付加電流の電流値Ｉａｄを、上記電荷量Ｑが上記電荷量Ｑｆｃとなる値に設定することが好ましい。この場合、付加電流を駆動電流の印加開始前に断続的に複数回印加するようにしても良い。

例えば、事前印加時間Ｔ２をＬＤ１０の応答時間以下、例えば１ｎｓ以下に設定しても良い。この場合、付加電流が印加されてもＬＤ１０は発光しないため、付加電流の電流値Ｉａｄは、特に制限されない。そこで、付加電流の電流値Ｉａｄを、閾値電流Ｉｔｈ以上の電流値に設定しても良いし、駆動電流の電流値Ｉｏｐ以上に設定しても良い。

また、例えば、付加電流の電流値Ｉａｄを閾値電流Ｉｔｈよりも僅かに大きくし、かつ事前印加時間Ｔ２をＬＤ１０の応答時間よりも僅かに長くしても良い。この場合、付加電流によりＬＤ１０は僅かに発光するがＰＤ１８からの受光信号は微弱レベルなので、駆動電流に対応する受光信号の検出にほとんど影響しない。

ここで、各付加電流の印加は、前の駆動電流の印加が終了してから対応する駆動電流の印加が開始されるまでの間に開始され、対応する駆動電流の印加が終了してから次の駆動電流の印加が開始されるまでの間に終了される。すなわち、各付加電流の印加方式は、対応する駆動電流に付随して断続的に（例えば周期的）に供給され、常時バイアス電流（一定電流）を印加するバイアス電流印加方式とは異なる。

付加電流の印加方式をバイアス電流印加方式としなかったのは、駆動電流の電流値Ｉｏｐを上述のように数１０Ａ〜１００Ａ程度と非常に大きくした場合に、バイアス電流印加方式では省電力の観点から好ましくないからである。

具体的には、駆動電流のパルス周期を例えば５０μｓ、パルス幅Ｔ１を例えば５０ｎｓとしたとき、該パルス幅Ｔ１を含む付加電流の総印加時間を例えば数１００ｎｓ〜１μｓ程度とすることで、付加電流による電力消費を抑制し、消費電力を増大させることなく、光波形の立ち上り応答を向上させることができる。

ここで、ＬＤ制御部１２には、図６（Ａ）に示されるように、駆動電流の電流源である駆動電流源（例えばトランジスタ）と、付加電流の電流源である付加電流源（例えばトランジスタ）とが設けられている。駆動電流源は、駆動信号でＯＮ／ＯＦＦが制御され、付加電流源は、付加信号でＯＮ／ＯＦＦが制御される（図６（Ｂ）参照）。

そこで、ＬＤ制御部１２では、例えば、第１のタイミング（付加信号の立ち上がりタイミング）で付加電流源がＯＮになり付加電流の印加が開始され、該第１のタイミングから第１のカウント値に応じたクロック数後の第２のタイミング（駆動信号の立ち上がりタイミング）で駆動電流源がＯＮになり駆動電流の印加が開始され、該第２のタイミングから第２のカウント値に応じたクロック数後の第３のタイミング（駆動信号の立下りタイミング）で駆動電流源がＯＦＦになり駆動電流の印加が終了され、該第３のタイミングから第３のカウント値に応じたクロック数後の第４のタイミング（付加信号の立ち下がりタイミング）で付加電流源がＯＦＦとなり付加電流の印加が終了される。

この場合、駆動信号により駆動電流源を制御し、かつ付加信号により付加電流源を制御することにより、簡易な構成により、駆動電流及び付加電流を安定して精度良く制御でき、ひいては対象物までの距離の測定精度を向上できる。

図７（Ａ）には、ＬＤ１０の光出力／電流特性、電圧／電流特性が示されている。図７（Ａ）では、横軸が電流、左側の縦軸が光出力、右側の縦軸がＬＤ電位（ＬＤの両端間の電圧）を示している。図７（Ｂ）には、駆動電流の立ち上がり部が拡大して示されている。図７（Ｂ）では、横軸が時間、縦軸が電流を示している。

ところで、ＬＤに電流を印加する際、ＬＤ領域での発光（レーザ発振）が始まるのは、総寄生容量Ｃが充電され、ＬＤへの注入電流が閾値電流Ｉｔｈ以上となったときであり、駆動電流の供給開始タイミングｔ０と光波形の実質的な立ち上がりタイミングｔ１との間には、時間差（ｔ１−ｔ０）が生じてしまう。この場合、駆動電流に対して得られる発光パワー（発光強度）は、総寄生容量Ｃが大きいほど小さくなってしまう。すなわち、発光効率が低下してしまう。

具体的には、図８に示されるように、ＬＤ制御部（図示の便宜上、寄生容量を０とする）から印加される駆動電流Ｉは、ＬＤ（図示の便宜上、寄生容量を０とする）に並列に付加された総寄生容量Ｃを充電するＩｃと、ＬＤへの注入電流Ｉｌｄ＝Ｉ−Ｉｃとに分けられるが、電流Ｉが印加された当初、総寄生容量Ｃには電流Ｉｃが流れるがＬＤには電流Ｉｌｄが流れず、ＬＤは発光しない。そして、総寄生容量Ｃが大きいほど、ＬＤ領域での発光開始が遅くなり、駆動電流Ｉに対して得られる発光パワーは小さくなってしまう。

そこで、本実施形態のように、駆動電流の印加開始前に総寄生容量Ｃを予め充電しておくことで、駆動電流に対して得られる発光パワーが小さくなるのを防止できる。すなわち、発光効率の低下を防止できる。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）には、それぞれ比較例及び本実施形態の、ＬＤに断続的に（例えば周期的に）印加される駆動電流１〜３に対応する受光信号１〜３の波形が例示されている。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）から分かるように、各駆動電流（電流パルス）が印加されＬＤが発光したときの対象物からの反射光の光量が例えば対象物での反射位置（反射率）の違いにより、互いに異なり、対応する受光信号（パルス信号）のピーク強度が互いに異なっている。

比較例では、ＬＤからの各発光パルス（光波形）の立ち上り応答が改善されておらず、各受光信号のスレッシュレベル以上の立ち上り波形部を検出して時間計測する場合、該受光信号のピーク強度が互いに異なると、駆動電流のパルス周期に対する受光信号の検出タイミングの時間差が大きくなり（図９（Ａ）参照）、高精度な距離測定が困難となる。

一方、本実施形態では、ＬＤ１０からの各発光パルス（光波形）の立ち上り応答が改善されており、発光パルスの立ち上りが早く、対象物からの反射光による受光信号の立ち上りも早くなり、受光信号のピーク強度が互いに異なっていても、駆動電流のパルス周期に対する受光信号の検出タイミングの時間差を小さくでき（図９（Ｂ）参照）、高精度な距離測定が可能となる。

以上説明した本実施形態の距離測定装置１００は、ＬＤ１０に駆動電流を供給し前記ＬＤ１０を発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定装置であり、ＬＤ１０に駆動電流及び付加電流を印加するＬＤ制御部１２を備え、該ＬＤ制御部１２は、ＬＤ１０に駆動電流の印加を開始する前に付加電流の印加を開始し、付加電流の電流値Ｉａｄを、駆動電流の電流値Ｉｏｐの１／１００以下に制御する。

また、本実施形態の距離測定装置１００は、ＬＤ１０に駆動電流を供給し前記ＬＤ１０を発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定装置であり、ＬＤ１０に駆動電流及び付加電流を印加するＬＤ制御部１２と、前記反射光を受光するＰＤ１８及びＰＤ出力検出部２０を含む検出系とを備え、ＬＤ制御部１２は、ＬＤ１０に駆動電流の印加を開始する前に付加電流の印加を開始し、付加電流の電流値Ｉａｄを、検出系の特性に基づいて制御する。

また、本実施形態の距離測定装置１００は、ＬＤ１０に駆動電流を供給し前記ＬＤ１０を発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定装置であり、ＬＤ１０に駆動電流及び付加電流を印加するＬＤ制御部１２を備え、該ＬＤ制御部１２は、ＬＤ１０に駆動電流の印加を開始する前に付加電流の印加を開始し、付加電流の電流値Ｉａｄを、ＬＤ１０の閾値電流Ｉｔｈに基づいて制御する。

また、本実施形態の距離測定装置１００を用いる距離測定方法は、ＬＤ１０に駆動電流を供給し前記ＬＤ１０を発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定方法であり、ＬＤ１０に駆動電流及び付加電流を印加する工程を含み、該供給する工程では、駆動電流の印加を開始する前に付加電流の印加を開始し、前記供給する工程に先立って、付加電流の電流値Ｉａｄを駆動電流の電流値Ｉｏｐの１／１００以下に設定する工程を更に含む。

また、本実施形態の距離測定装置１００を用いる距離測定方法は、ＬＤ１０に駆動電流を供給し前記ＬＤ１０を発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光をＰＤ１８及びＰＤ出力検出部２０を含む検出系で受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定方法であり、ＬＤ１０に駆動電流及び付加電流を印加する工程を含み、該印加する工程では、駆動電流の印加を開始する前に付加電流の印加を開始し、前記印加する工程に先立って、付加電流の電流値Ｉａｄを、検出系の特性に基づいて設定する工程を更に含む。

本実施形態の距離測定装置１００及び距離測定方法では、駆動電流の印加が開始される前に付加電流の印加が開始され、該付加電流の電流値Ｉａｄを、対象物までの距離の測定精度に悪影響を及ぼさない電流値に制御（設定）できる。

この結果、対象物までの距離の測定精度を向上できる。また、消費電力を極力抑制することができる。

また、本実施形態の距離測定装置１００及び距離測定方法では、駆動電流の供給を開始する以前の付加電流の電流値Ｉａｄ及び事前印加時間Ｔ２を総寄生容量Ｃ（ＬＤ１０及びＬＤ制御部１２を含む光源装置３０の寄生容量）に基づいて制御する。

この場合、ＬＤ１０に駆動電流の印加を開始する前に総寄生容量Ｃを充電できるため、駆動電流の立ち上がりに対する光波形の立ち上がり応答を向上させることができる。この結果、対象物までの距離の測定精度を向上できる。

また、本実施形態の距離測定装置１００及び距離測定方法では、駆動電流の印加を開始する以前の付加電流の電流値Ｉａｄ及び事前印加時間Ｔ２を総寄生容量Ｃがフル充電されるように制御するため、総寄生容量Ｃがフル充電された状態で駆動電流の印加を開始でき、該駆動電流の立ち上がりとほぼ同時に光波形を立ち上げることができる。この結果、対象物までの距離の測定精度を更に向上できる。

また、本実施形態の距離測定装置１００及び距離測定方法では、駆動電流の印加を開始した後に付加電流の印加を終了する（付加電流を立ち下げる）ため、駆動電流の印加が開始されてから該駆動電流が立ち上がりきるまでの時間を短縮できる。

また、本実施形態の距離測定装置１００及び距離測定方法では、駆動電流の印加を終了した後に付加電流の供給を終了するため、駆動電流の立ち上がりや立ち下がりに付加電流の立ち下げを同期させる場合と比べ、制御が容易である。

また、本実施形態の距離測定装置１００及び距離測定方法では、ＬＤ１０に駆動電流を断続的に供給し、かつ各駆動電流に対応して付加電流を供給するため、該駆動電流の立ち上がりに対するＬＤ１０からの光波形の立ち上がり応答を向上できる。

また、本実施形態の距離測定装置１００及び距離測定方法では、ＬＤ１０の発光指令信号（点灯信号）及び該発光指令信号に対して遅延する遅延パルス信号を生成し、発光指令信号及び遅延パルス信号に基づいて付加電流の電流源を駆動し、かつ遅延パルス信号に基づいて駆動電流の電流源を駆動するため、簡易な構成により付加電流及び駆動電流それぞれを安定して制御でき、対象物までの距離を安定して精度良く測定できる。

そこで、距離測定装置１００が搭載された自動車を提供でき、該自動車では、距離測定装置１００からの高精度な測定結果に基づいてＥＣＵが例えば速度制御等を正確に行うことができる。

図１０には、変形例のＬＤ制御部１２０の一部が示されている。ＬＤ制御部１２０は、図１０に示されるように、例えば電流源としての２つのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２（例えばバイポーラトランジスタ）がダーリントン接続された回路を構成し、付加電流及び駆動電流を、時間差をもって、ＬＤ１０に印加することにより、光波形（光パルス）の立ち上がり応答を向上させる。

ＬＤ制御部１２０は、２つのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２のうち一段目のトランジスタＴｒ１で付加電流を印加し、二段目のトランジスタＴｒ２で駆動電流を印加する。具体的には、ＬＤ制御部１２０は、付加信号及び駆動信号に基づいてＴｒ１へのベース電流の供給を制御する。詳述すると、ＬＤ制御部１２０は、付加信号がローレベルのときにＴｒ１にベース電流を供給せず、付加信号のみがハイレベルのときにＴｒ１のみがＯＮとなるベース電流をＴｒ１に供給し、付加信号及び駆動信号がハイレベルのときにＴｒ１及びＴｒ２がＯＮとなるベース電流をＴｒ１に供給する。

そこで、ＬＤ制御部１２０は、第１のタイミング（付加信号の立ち上がりタイミング）でＴｒ１のみをＯＮにして付加電流の印加を開始し、該第１のタイミングから第１のカウント値に応じたクロック数後の第２のタイミング（駆動信号の立ち上がりタイミング）でＴｒ２もＯＮにして駆動電流の印加を開始し、該第２のタイミングから第２のカウント値に応じたクロック数後の第３のタイミング（駆動信号の立下りタイミング）でＴｒ２のみをＯＦＦにして駆動電流の印加を終了し、該第３のタイミングから第３のカウント値に応じたクロック数後の第４のタイミング（付加信号の立ち下がりタイミング）でＴｒ１もＯＦＦにして付加電流の印加を終了する。

この場合、２つのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２により、電流値の大きい駆動電流（大電流パルス）を印加でき、光パルスの立ち上り応答を更に向上させることができる。

なお、ダーリントン接続された２つのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２を、例えば駆動電流のみの電流源（駆動電流源）として用いても良いし、付加電流のみの電流源（付加電流源）として用いても良い。

また、上記実施形態及び変形例では、ＬＤ１０への駆動電流の印加を終了した後に付加電流の印加を終了しているが、これに限られない。

例えば、ＬＤ１０に駆動電流の印加を開始する前に付加電流の印加を終了しても良い。具体的には、ＬＤ１０に駆動電流の印加を開始する直前に付加電流の印加を終了しても良い。

例えば、ＬＤ１０に駆動電流の印加を開始すると同時に付加電流の印加を終了しても良い。この場合、駆動電流の供給開始時のＬＤ電位を付加電位Ｖａｄとすることができ、駆動電流の立ち上がりに対する光波形の立ち上がり応答を向上させることができる。

例えば、ＬＤ１０に駆動電流を印加中に付加電流の印加を終了しても（付加電流を立ち下げても）良い。この場合、駆動電流の立ち上がりや立ち下がりに付加電流の立ち下げを同期させる場合と比べ、制御が容易である。

例えば、ＬＤ１０への駆動電流の印加を終了すると同時に付加電流の印加を終了しても良い。この場合、駆動電流の印加開始時のＬＤ電位を付加電位Ｖａｄとすることができ、駆動電流の立ち上がりに対する光波形の立ち上がり応答を向上させることができる。また、付加電流の印加を駆動電流の印加終了後に終了させる場合に比べて、駆動電流の立ち下がりに対する光波形の立ち下がり応答の鈍化を抑制でき、ひいては対象物までの距離の測定精度の低下を抑制できる。

なお、上記実施形態及び変形例では、光源として、単一のＬＤを用いているが、これに限られない。例えば、複数のＬＤが１次元又は２次元に配列されたＬＤアレイ、半導体レーザの一種であるＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）、ＶＣＳＥＬが１次元又は２次元に配列されたＶＣＳＥＬアレイ、半導体レーザ以外のレーザ、ＬＥＤ（発光ダイオード）、複数のＬＥＤが１次元又は２次元に配列されたＬＥＤアレイ、有機ＥＬ素子、複数の有機ＥＬ素子が１次元又は２次元に配列された有機ＥＬアレイなどを用いても良い。複数のＬＤが１次元配列されたＬＤアレイとしては、複数のＬＤが積層されたスタック型のＬＤアレイや複数のＬＤが横に並べられたＬＤアレイが挙げられる。

また、上記実施形態及び変形例では、駆動電流及び付加電流の波形は、矩形波とされているが、これに限らず、例えば台形波、三角波、鋸波、正弦波等の他の波形であっても良い。

また、上記実施形態及び変形例では、駆動電流の供給が開始される以前の付加電流の電流値Ｉａｄ及び事前印加時間Ｔ２は、光源装置３０の寄生容量Ｃをフル充電するように設定されているが、これに限られず、要は、寄生容量Ｃの少なくとも一部を充電するように設定されれば良い。具体的には、寄生容量Ｃの５０％以上を充電するように設定されることが好ましく、総寄生容量Ｃの７０％以上を充電するように設定されることがより好ましく、寄生容量Ｃの９０％以上を充電するように設定されることがより一層好ましい。

また、上記実施形態及び変形例の距離測定装置の構成は、適宜変更可能である。例えば、照射光学系は、照射レンズ及び光偏向器を有していなくても良いし、他の光学素子（例えばミラー）を有していても良い。また、受光光学系は、受光レンズを有していなくも良いし、他の光学素子（例えばミラー）を有していても良い。

また、上記実施形態及び変形例では、距離測定装置が搭載される移動体として自動車を例に説明したが、該移動体は、自動車以外の車両（例えば電車）、航空機、船舶等であっても良い。

以上の説明から明らかなように、本発明の距離測定装置は、対象物との間の往復の距離を測定する所謂Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）法を用いた距離測定装置であり、移動体におけるセンシングの他、モーションキャプチャ技術、測距計などの産業分野などで幅広く用いられる。すなわち、本発明の距離測定装置は、必ずしも移動体に搭載されなくても良い。

１０…ＬＤ（光源）、１２…ＬＤ制御部（光源制御部）、１８…ＰＤ（光検出器、検出系の一部）、２０…ＰＤ出力検出部（検出系の一部）、１００…距離測定装置。

特開２０１２−６３２３６号公報

Claims (18)

1. 光源に駆動電流を供給し前記光源を発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定装置において、
   前記光源に駆動電流及び付加電流を供給する光源制御部と、
   前記反射光を受光する光検出器を含む検出系と、を備え、
   前記光源制御部は、
   前記光源に前記駆動電流の供給を開始する前に前記付加電流の供給を開始し、
   前記付加電流の電流値を、前記検出系の特性に基づいて制御することを特徴とする距離測定装置。
2. 光源に駆動電流を供給し前記光源を発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定装置において、
   前記光源に前記駆動電流及び付加電流を供給する光源制御部を備え、
   前記光源制御部は、
   前記光源に前記駆動電流の供給を開始する前に前記付加電流の供給を開始し、
   前記付加電流の電流値を、前記駆動電流の電流値の１／１００以下に制御することを特徴とする距離測定装置。
3. 前記光源制御部は、前記駆動電流の供給を開始する以前の前記付加電流の電流値及び供給時間を、前記光源及び前記光源制御部を含む光源装置の寄生容量に基づいて制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の距離測定装置。
4. 前記光源制御部は、前記駆動電流の供給を開始すると同時に前記付加電流の供給を終了することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離測定装置。
5. 前記光源制御部は、前記駆動電流の供給を開始した後に前記付加電流の供給を終了することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離測定装置。
6. 前記光源制御部は、前記駆動電流の供給を終了すると同時に前記付加電流の供給を終了することを特徴とする請求項５に記載の距離測定装置。
7. 前記光源制御部は、前記駆動電流の供給を終了した後に前記付加電流の供給を終了することを特徴とする請求項５に記載の距離測定装置。
8. 前記光源制御部は、
   前記光源に前記駆動電流を断続的に供給し、かつ各駆動電流に対応して前記付加電流を供給することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の距離測定装置。
9. 前記光源制御部は、前記駆動電流及び前記付加電流を異なる電流源を用いて生成することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の距離測定装置。
10. 前記駆動電流の電流源及び前記付加電流の電流源は、ダーリントン接続により接続されていることを特徴とする請求項９に記載の距離測定装置。
11. 前記光源制御部は、前記光源の点灯信号及び該点灯信号に対して遅延する遅延点灯信号を生成し、前記点灯信号及び前記遅延点灯信号に基づいて前記付加電流の電流源を駆動し、前記遅延点灯信号に基づいて前記駆動電流の電流源を駆動することを特徴とする請求項９又は１０に記載の距離測定装置。
12. 前記光源は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の距離測定装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の距離測定装置が搭載された移動体。
14. 光源に駆動電流を供給し前記光源を発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定装置において、
    前記光源に前記駆動電流及び付加電流を供給する工程を含み、
    前記供給する工程では、前記駆動電流の供給を開始する前に前記付加電流の供給を開始し、
    前記供給する工程に先立って、前記付加電流の電流値を前記駆動電流の電流値の１／１００以下に設定する工程を更に含むことを特徴とする距離測定方法。
15. 光源に駆動電流を供給し前記光源を発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を、光検出器を含む検出系で受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定方法において、
    前記光源に前記駆動電流及び付加電流を供給する工程を含み、
    前記供給する工程では、前記駆動電流の供給を開始する前に前記付加電流の供給を開始し、
    前記供給する工程に先立って、前記付加電流の電流値を、前記検出系の特性に基づいて設定する工程を更に含むことを特徴とする距離測定方法。
16. 前記設定する工程では、前記駆動電流の供給を開始する以前の前記付加電流の電流値及び供給時間を、前記光源を含む光源装置の寄生容量に基づいて設定することを特徴とする請求項１４又は１５に記載の距離測定方法。
17. 半導体レーザに駆動電流を供給し前記半導体レーザを発光させて対象物に光を照射し、該対象物からの反射光を受光して前記対象物までの距離を測定する距離測定装置において、
    前記半導体レーザに前記駆動電流及び付加電流を供給する光源制御部を備え、
    前記光源制御部は、
    前記半導体レーザに前記駆動電流の供給を開始する前に前記付加電流の供給を開始し、
    前記付加電流の電流値を、前記半導体レーザの閾値電流に基づいて制御することを特徴とする距離測定装置。
18. 前記光源制御部は、前記駆動電流の供給を開始する以前の前記付加電流の電流値及び供給時間を、前記半導体レーザ及び前記光源制御部を含む光源装置の寄生容量に基づいて制御することを特徴とする請求項１７に記載の距離測定装置。