JP2017020841A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】精度を劣化させることなく測距が可能な受光ダイナミックレンジを拡大する技術を提供する。
【解決手段】発光部（２０）は、光出力のパワーおよびパルス幅の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の発光モードを有する。受光部（３０）は、発光部から送信された光信号の反射光を受光する回路のゲインおよび帯域の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の受光モードを有する。測距処理部（５）は、発光モードと受光モードとを組み合わせることで設定された複数の動作モードで、発光部および受光部を繰り返し動作させ、動作モードのそれぞれで得られる受光信号から抽出した非飽和のピーク波形を用いて、光信号を反射した物体との距離を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて物体との距離を測定する技術に関する。

従来、レーザ光の照射レベルまたは反射光の増幅ゲインを複数段階で調整し、高レベルまたは高ゲイン時に得られた波形が飽和していてピークを検出できない場合には、低レベルまたは低ゲイン時に得られた波形を用いてピークを検出することで、低反射物体、および高反射物体のいずれについても正確な距離を測定する技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００７−２３２３８１号公報

しかしながら、上述の従来技術は、時間軸上だけで信号強度を調整するものであり、飽和を回避できるダイナミックレンジが限られてしまうという問題があった。
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、精度を劣化させることなく測距が可能な受光ダイナミックレンジを拡大する技術を提供することを目的とする。

本発明の距離測定装置は、発光部と、受光部と、測距処理部とを備える。発光部は、光出力のパワーおよびパルス幅の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の発光モードを有する。なお、パルス幅の代わりに、パルスの立上り／立下り時間が段階的に大きくなるように設定されていてもよく、結果としてパルス幅が大きくなればよい。受光部は、発光部から送信された光信号の反射光を受光する回路のゲインおよび帯域の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の受光モードを有する。測距処理部は、発光モードと受光モードとを組み合わせることで設定された複数の動作モードで、発光部および受光部を繰り返し動作させ、動作モードのそれぞれで得られる受光信号から抽出した非飽和のピーク波形を用いて、光信号を反射した物体との距離を求める。

つまり、発光部と受光部を協調動作させ、時間軸上の成分（パワー／ゲイン）だけでなく周波数軸上の成分（パルス幅／帯域）も制御している。なお、光出力のパルス幅によって光出力に含まれる周波数成分が決まる。これにより時間軸上の成分だけを制御する従来技術と比較して、受光した信号を飽和させることなく処理可能な受光レベルの範囲を表すダイナミックレンジを拡大することができ、その非飽和の受信信号を用いて正確な測距を実現することができる。

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

距離測定装置の全体構成を示すブロック図である。 発光部の構成を示す回路図である。 発光回路の特性を示すグラフであり、（ａ）はトリガー信号のパルス幅毎に光出力の波形を示したグラフ、（ｂ）はトリガー信号のパルス幅と光出力の半値幅との関係を示したグラフである。 動作モードと各部の動作および波形との関係を示す説明図である。 受光部の構成を示す回路図である。 測距処理部が生成するトリガー信号、およびトリガー信号と切替回路の動作、ひいては受光モードとの関係を示すグラフである。 受光部の他の構成例を示す回路図である。

以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
［１．第１実施形態］
［２．全体構成］
本実施形態の距離測定装置１は、例えば、乗用車等の車両に搭載して使用され、図１に示すように、光学ユニット２と、走査駆動部４と、測距処理部５とを備える。

［３．光学ユニット］
光学ユニット２は、発光部２０と受光部３０とを備える。
［３．１．発光部］
発光部２０は、測距処理部５からの供給されるパルス状のトリガー信号Ｓｔに応じてレーザ光を照射する。なお、発光部２０は、トリガー信号Ｓｔのパルス幅に応じた発光モードで動作し、ここでは、パルス幅の狭い第１発光モードと、パルス幅の広い第２発光モードとが用いられる。そして、第１発光モードでは、低パワーかつ広帯域幅のレーザ光が照射され、第２発光モードでは、高パワーかつ狭帯域のレーザ光が照射される。なお、ここでいう低パワー／高パワー、狭帯域／広帯域は、両発光モード間での相対的な状態を表現したものであり、何等かの絶対的な値を表現したものではない。

発光部２０は、具体的には、図２に示すように、ドライバ２１、保護回路２２、発光回路２３、抵抗２４、ノイズ除去回路２５，２６を備える。ドライバ２１は、低電圧（例えば１５Ｖ）の信号用電源Ｖｓから給電を受けて動作し、測距処理部５から供給されるトリガー信号Ｓｔを、電流駆動力がより大きいトリガー信号Ｔｒｇに変換する。保護回路２２は、直列接続された一対のツェナーダイオードからなり、トリガー信号Ｔｒｇの伝送線を介してドライバ２１に過剰な電圧が加わらないようにクリッピング動作をする周知のものである。 ノイズ除去回路２５，２６は、ノイズを抑制するための抵抗またはフェライトビーズからなる。ノイズ除去回路２５は、信号用電源Ｖｓの電源線に設けられ、また、ノイズ除去回路２６はドライバ２１から発光回路２３に到るトリガー信号Ｔｒｇの伝送線に設けられている。

発光回路２３は、発光素子２３１、スイッチング素子２３２、電荷蓄積部２３３からなる。電荷蓄積部２３３は、並列接続された複数のコンデンサからなり、その一端が抵抗２４を介して高電圧（例えば２０Ｖ）の駆動用電源Ｖｃに接続され、他端がグランドラインＧＮＤに接続されている。発光素子２３１は、レーザダイオードからなり、カソードがグランドＧＮＤに接続され、アノードがスイッチング素子２３２を介して、電荷蓄積部２３３の駆動用電源側に接続されている。スイッチング素子２３２は、電界効果トランジスタからなり、ドライバ２１が出力するトリガー信号Ｔｒｇに従ってオンオフする。このように構成された発光回路２３は、スイッチング素子２３２がオフしている時に、抵抗２４を介して電荷蓄積部２３３を構成するコンデンサが充電される。その後、スイッチング素子２３２がオンに切り替わると、電荷蓄積部２３３に蓄積された電荷が発光素子２３１に供給され、レーザ光が照射される。

このように構成された発光回路２３では、図３（ａ）に示すように、トリガー信号Ｔｒｇのパルス幅（図では、４ｎｓ〜８０ｎｓ）が大きいほど、光出力（以下「発光パルス」という）のパワーおよびパルス幅が大きくなる。なお、発光パルスのパワーのピーク値は、１０ｎｓを超えるとほぼ一定となる。また、発光パルスのパルス幅（ここでは半値幅）は、図３（ｂ）に示すように、トリガー信号Ｔｒｇのパルス幅が３０ｎｓ以下では、パルス幅に応じて増大し、３０ｎｓを超えるとほぼ一定の大きさとなる。

つまり、発光回路２３は、図４に示すように、パルス幅が狭いトリガー信号Ｔｒｇが供給される第１発光モードでは、パワーが小さくパルス幅の狭い（即ち帯域が広い）発光パルスを照射し、パルス幅が広いトリガー信号Ｔｒｇが供給される第２発光モードでは、パワーが大きくパルス幅の広い（即ち帯域が狭い）発光パルスを照射する。

［３．２．受光部］
図１に戻り、受光部３０は、発光部２０から照射され、物体７にて反射した反射光を受光し、これを電気信号である受光信号に変換する。ここでは、発光部２０が第１発光モードで動作した時に使用する第１受光モードと、発光部２０が第２発光モードで動作した時に使用する第２受光モードとからなる。なお、第１受光モードでは、受光部３０を構成する回路が低ゲインかつ狭帯域となり、第２受光モードでは、受光部３０を構成する回路が高ゲインかつ広帯域となる。

受光部３０は、具体的には、図５に示すように、受光素子３１、演算増幅器３２、第１ＲＣ回路３３、第２ＲＣ回路３４、切替回路３５を備える。
受光素子３１は、フォトダイオード（ＰＤ）またはアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）からなり、逆バイアスが加わるように接続されている。演算増幅器３２は、反転入力に受光素子３１のカソードが接続され、非反転入力が接地され、出力が切替回路３５に接続されている。第１ＲＣ回路３３は、並列接続されたコンデンサＣ_Ｆ１および抵抗Ｒ_Ｆ１からなり、一端が演算増幅器３２の反転入力に接続され、他端が切替回路３５に接続されている。第２ＲＣ回路３４は、並列接続されたコンデンサＣ_Ｆ２および抵抗Ｒ_Ｆ２からなり、第１ＲＣ回路３３と同様に、一端が演算増幅器３２の反転入力に接続され、他端が切替回路３５に接続されている。但し、抵抗値および容量値は、Ｒ_Ｆ１＜Ｒ_Ｆ２、かつ、Ｒ_Ｆ１×Ｃ_Ｆ１＞Ｒ_Ｆ２×Ｃ_Ｆ２となるように設定されている。

切替回路３５は、第１ＲＣ回路３３が接続された第１経路、第２ＲＣ回路３４が接続された第２経路、これら第１経路および第２経路のいずれか一方を、受光部３０の出力端と演算増幅器３２の出力との間に挿入する一対のスイッチ３５１，３５２により構成されている。なお、スイッチ３５１，３５２は、測距処理部５からのトリガー信号Ｓｔの立ち上がりエッジを検出する毎に同時に切り替わる（図６参照）。そして、切替回路３５により第１ＲＣ回路３３が接続されている状態の動作モードを第１受光モード、第２ＲＣ回路３４が接続されている状態の動作モードを第２受光モードと呼ぶ。

切替回路３５により演算増幅器３２の出力に接続されたＲＣ回路（第１ＲＣ回路３３または第２ＲＣ回路３４のいずれか一方）は、演算増幅器３２と共に積分回路を構成する。この積分回路は、ＲＣ回路の抵抗値が大きいほどゲインが大きくなり、抵抗値と容量値を乗じた値が大きいほど、ＲＣ回路が構成するローパスフィルタのカットオフ周波数が低くなる。

つまり、受光部３０の回路特性は、図４に示すように、第１ＲＣ回路３３が接続される第１受光モードでは低ゲインかつ狭帯域となり、第２ＲＣ回路３４が接続される第２受光モードでは高ゲインかつ広帯域となる。なお、ここでいう低ゲイン／高ゲイン、狭帯域／広帯域は、両受光モード間での相対的な状態を表現したものであり、何等かの絶対的な値を表現したものではない。以下では、第１発光モードかつ第１受光モードでの動作モードを近距離モード、第２発光モードかつ第２受光モードでの動作モードを遠距離モードとも称する。

［４．走査駆動部］
走査駆動部４は、測距処理部５からのトリガー信号Ｓｔに同期した同期信号ＳＹを受けて、発光部２０から照射されるレーザ光（発光パルス）の照射方向および受光部３０による反射光の受光方向を、水平および垂直方向に変化させ、予め設定された範囲内を走査する。具体的には、例えば、発光パルスおよび反射光を反射する反射面を複数備えた回転ミラーを用い、走査駆動部４が、同期信号ＳＹに同期したタイミングで回転ミラーを回転させることによって水平方向にレーザ光を走査する。また、反射面の角度をそれぞれ異なる角度に設定することによって、鉛直方向の走査も実現する。なお、回転ミラーを用いた二次元走査は公知の手法であるため、ここではその詳細についての説明は省略する。

また、ここでは、照射光および反射光をいずれも走査するように構成したが、いずれか一方を、照射範囲または受光範囲が走査範囲の全体をカバーするように構成し、他方のみ走査するように構成してもよい。また、回転ミラーを用いず、発光部２０や受光部３０自体を機械的に動かすことで走査を実現するように構成してもよい。

［５．測距処理部］
測距処理部５は、ＣＰＵ５１と、ＲＯＭ，ＲＡＭ等のメモリ５２と、を備えた周知のコンピュータとして構成されている。ＣＰＵ５１は、メモリ５２に記憶されたプログラムに従って、後述する発光／受光処理および測距処理等の各種処理を実施する。なお、測距処理部５は、受光部３０からの受信信号ＶｏをサンプリングするＡ／Ｄ変換器を備えており、測距処理では、そのＡ／Ｄ変換されたデジタルデータを処理する。なお、測距処理部５が実現する機能は、その一部または全部を回路等によるハードウェアで実現してもよい。

［５．１．発光／受光処理］
発光／受光処理は、図示しない入力部からの起動指示により起動し、発光部２０に対してトリガー信号Ｓｔを供給すると共に、走査駆動部４に対して同期信号ＳＹを供給する。

トリガー信号Ｓｔは、図６に示すように、予め設定された１方位分の走査周期毎に発生するパルス幅の異なる二つのパルス信号からなる。両パルス信号のパルス幅を比較すると、最初の方が狭く、後の方が広く設定されている。以下では、前者を狭パルス、後者を広パルスと称する。なお、狭パルスと広パルスとは予め設定された発光間隔だけ時間をおいて供給される。

なお、発光間隔は、近距離モードでの最大検出距離を光が往復するのに要する時間にマージンを加えた長さに設定される。但し、回転ミラーの回転速度は、狭パルスと広パルスを発光間隔で出力した時に、両パルスの照射範囲の方位誤差が、十分に小さくなるように設定する。

例えば、発光間隔を２μｓ、発光ビームのビーム幅を０．１５ｄｅｇ、回転ミラーの回転速度を１２００ｒｐｍとした場合、照射範囲の方位誤差は０．０１４４ｄｅｇとなる。この場合、照射範囲の約９０％が一致することになるため、狭パルスと広パルスとはほぼ同じ場所を照射しているとみなすことができる。

また、同期信号ＳＹは、トリガ信号に同期していればよい。
この発光／受光処理により、図４に示すように、発光部２０が第１発光モード、受光部３０が第１受光モードで動作する近距離モードでは、パワーが小さくかつパルス幅の狭い（帯域の広い）発光パルスが照射される。その反射光は、受光部３０にて、低ゲインかつ狭帯域で処理される。その結果、測距処理部５に取り込まれる受信信号Ｖｏは、信号レベルが小さく、帯域が制限されることでパルス幅が広がった波形を有したものとなる。また、発光部２０が第２発光モード、受光部３０が第２受光モードで動作する遠距離モードでは、パワーが大きくかつパルス幅の広い（帯域の狭い）発光パルスが照射される。その反射光は、受光部３０にて、高ゲインかつ広帯域で処理される。その結果、測距処理部５に取り込まれる受信信号Ｖｏは、信号レベルが大きく、帯域制限を受けないためパルス幅が維持された波形を有したものとなる。

［５．２．測距処理］
測距処理は、近距離モードおよび遠距離モードのそれぞれで受信信号Ｖｏ（サンプリングデータ）を取得する毎に起動する。

測距処理では、まず、近距離モードでの検出結果から信号レベルが第１閾値以上となり、飽和の有無に関わらずパルス信号波形を全て抽出する。次に遠距離モードでの検出結果から信号レベルが第１閾値以下に設定された第２閾値以上となり、かつ飽和していないパルス信号波形を全て抽出する。

次に、抽出した各パルス信号波形について、そのパルス信号波形の最大値が得られるタイミングを反射光の受光タイミングとして、いわゆるＴＯＦ（タイムオブフライト）法によりレーザ光を反射した物体までの距離を求める。但し、近距離モードと遠距離モードの両方にて、ほぼ同じタイミングでパルス信号波形が検出されている場合は、遠距離モードでの検出結果を用いて距離を求める。

［６．効果］
以上説明したように、近距離モードでは、パルス幅が狭く広帯域のパルス光を照射し、反射光を帯域制限して処理するため、反射率の高い物体からの反射光を飽和させることなく処理可能な受光レベルの範囲を広げることができる。なお、ＴＯＦ方式の測距では、受光波形においてパルス信号波形の最大値となるタイミングがわかればよいため、高周波成分を除去して波形を鈍らせても問題なく距離を求めることができる。また、遠距離モードでは、パルス幅が広く狭帯域のパルス光を照射し、反射光を帯域が制限されないようにして処理するため、反射率の低い物体からの反射光を検出可能な受光レベルの範囲を広げることができる。その結果、全体として、精度のよい測距が可能な受光ダイナミックレンジを拡大することができる。

具体的には、送信信号の強度や受信信号のゲインのみを調整する従来装置では、受光ダイナミックレンジは１００ｄＢ程度であるのに対して、更に帯域の制御を加えて制御する距離測定装置１では、受信ダイナミックレンジを１４０ｄＢ程度まで広げることができる。

［７．他の実施形態］
以上、本発明の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ことなく、種々の形態を採り得る。

（１）上記実施形態では、受光部３０を構成する回路のゲインおよび帯域を調整するために、演算増幅器３２と共に積分回路を構成するＲＣ回路３３，３４を切り替えるように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図７に示す受光部３０ａのように、ＲＣ回路３６を一つだけ設け、演算増幅器３２の出力と受光部３０ａの出力端との間に、可変抵抗３７１、可変コンデンサ３７２、抵抗３７３からなる調整回路３７を付加した構成のものを用いてもよい。つまり、可変抵抗３７１と抵抗３７３とにより構成される分圧回路によって、受信信号Ｖｏのゲインを調整することができ、また、可変抵抗３７１と可変コンデンサ３７２とにより構成されるローパスフィルタによって受信信号Ｖｏに含まれる周波数成分（即ち帯域）を調整することができる。

（２）上記実施形態では、発光部２０が出力する発光パルスのパワーおよび帯域を、トリガー信号Ｓｔのパルス幅を変化させることによって調整しているが、これに限るものではない。例えば、発光回路２３に供給する駆動用電源Ｖｃの電圧を変化させることで調整するように構成してもよい。

（３）上記実施形態では、光学ユニット２は、近距離モードと遠距離モードからなる二つの動作モードを有しているが、三つ以上の動作モードを有していてもよい。この場合、受光ダイナミックレンジをより拡大することができるだけでなく、各々の動作モードを実現するために使用される各部品の負荷を軽減することができるため、小型で安価な部品を用いて装置を構成することができる。

（４）上記実施形態では、発光部２０および受光部３０が、それぞれ一つの発光素子２３１および一つの受光素子３１を用いて構成されているが、特性やサイズの異なる複数の発光素子または複数の受光素子を用いて構成されていてもよい。この場合、各素子がそれぞれ単一の動作モードで動作してもよいし、各素子がそれぞれ複数の動作モードで動作してもよい。

（５）上記実施形態では、走査駆動部４を備え、照射光を走査しているが、これに限定されるものではなく、走査を行わない構成であってもよい。
（６）上記実施形態における一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（７）上述した距離測定装置の他、当該距離測定装置を構成要素とするシステム、距離測定方法など、種々の形態で実現することもできる。

１…距離測定装置、２…光学ユニット、４…走査駆動部、５…測距処理部、７…物体、２０…発光部、２１…ドライバ、２２…保護回路、２３…発光回路、２４…抵抗、２５，２６…ノイズ除去回路、３０，３０ａ…受光部、３１…受光素子、３２…演算増幅器、３３…第１ＲＣ回路、３４…第２ＲＣ回路、３５…切替回路、３６…ＲＣ回路、３７…調整回路、５１…ＣＰＵ、５２…メモリ、２３１…発光素子、２３２…スイッチング素子、２３３…電荷蓄積部、３５１，３５２…スイッチ、３７１…可変抵抗、３７２…可変コンデンサ、３７３…抵抗

Claims (4)

1. 光出力のパワーおよびパルス幅の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の発光モードを有する発光部（２０）と、
   前記発光部から送信された光信号の反射光を受光する回路のゲインおよび帯域の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の受光モードを有する受光部（３０）と、
   前記発光モードと前記受光モードとを組み合わせることで設定された複数の動作モードで、前記発光部および前記受光部を繰り返し動作させ、前記動作モードのそれぞれで得られる受光信号から抽出した非飽和のピーク波形を用いて、前記光信号を反射した物体との距離を求める測距処理部（５）と、
   を備えることを特徴とする距離測定装置。
2. 前記発光部は、トリガー信号のパルス幅が大きいほど、前記光出力のパワーおよびパルス幅が大きくなる特性を有した発光素子を用いて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記発光部は、特性が互いに異なる複数の発光素子を用いて構成され、前記発光素子のそれぞれが、一つ以上の前記発光モードを実現するように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の距離測定装置。
4. 前記受光部は、特性が互いに異なる複数の受光素子を用いて構成され、前記受光素子のそれぞれが、一つ以上の前記受光モードを実現するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の距離測定装置。