JP2017116340A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高反射率の近距離物標に対する測距を短時間で実現する技術を提供する。
【解決手段】発光部１０はレーザ光を照射する。受光部２０は、レーザ光を反射した物標からの反射光を受光する。距離演算部５０は、発光部１０でのレーザ光の照射タイミングから受光部での反射光の受光タイミングまでの時間を計測してレーザ光を反射した物標までの距離を求める。受光部２０において、ＰＤ２２は、反射光の強度に応じた受光電流を出力する。増幅器２３は、ＰＤ２２が出力する受光電流を電圧信号に変換し且つ増幅する。電流制限回路２４は、受光電流が増幅器２３を非飽和で動作させるのに必要な入力電流の上限値以下となるように、ＰＤ２２への供給電流を制限する。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ光を用いて物標との距離を検出する技術に関する。

レーザ光を利用したレーダ、即ち測距装置では、パルス状のレーザ光を照射してから、そのレーザ光が物標で反射され戻ってくるまでの往復時間を計測し、その計測した往復時間を距離に換算する。このとき、受光信号のパルス波形のピークを受光タイミングとして抽出する。しかし、高反射率の物標が近距離に存在する等して、その物標からの反射光の強度が光電変換回路のダイナミックレンジを超えると、受光信号の波形に飽和が生じることでピークがつぶれてしまい、受光タイミングを正しく抽出することができない。その結果、レーザ光の往復時間、ひいてはレーザ光を反射した物標との距離を正しく求めることができないという問題があった。

これに対して、特許文献１には、近傍に高反射率の物標が存在する等して、反射光の強度が光電変換回路のダイナミックレンジを超えた場合に、レーザ光の出力を下げて計測を繰り返す技術が開示されている。

特開平５−２６５７１９号公報

しかしながら、従来技術では、飽和が生じた場合に、飽和が解消されるまでレーザ光の照射を繰り返すことになるため、計測結果が得られるまでの時間に遅れが生じる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、高反射率の近距離物標に対する測距を短時間で実現する技術を提供することを目的とする。

本発明の測距装置（１）は、発光部（１０）と、受光部（２０）と、距離演算部（５０）とを備える。発光部はレーザ光を照射する。受光部は、レーザ光を反射した物標からの反射光を受光する。距離演算部は、発光部でのレーザ光の照射タイミングから受光部での反射光の受光タイミングまでの時間を計測してレーザ光を反射した物標までの距離を求める。

ここで受光部は、光電変換素子（２２）と、増幅器（２３）と、電流制限回路（２４）とを備える。光電変換素子は、反射光の強度に応じた受光電流を出力する。増幅器は、光電変換素子が出力する受光電流を電圧信号に変換し且つ増幅する。電流制限回路は、受光電流が増幅器を非飽和で動作させるのに必要な入力電流の上限値以下となるように、前記光電変換素子への供給電流を制限する。

このような構成によれば、反射光の強度がどれだけ大きくても、増幅器に、上限電流を超える受光電流が入力されることがなく、増幅器の出力が飽和することがない。このため、従来装置とは異なり、飽和が解消されるまで照射強度を変更して測定を繰り返す必要がなく、また、増幅器の出力の波形である受光波形の歪を抑制することができる。その結果、受光波形のピーク、ひいては受光タイミングを精度よく抽出することができ、飽和を引き起こすような高反射率の物標までの距離を正しく測定することができる。また、このような構成によれば、増幅器の増幅率を低く抑える必要がないため、低反射率の物標の検出能力を低下させることなく、上述の効果を得ることができる。

なお、この欄及び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。

測距装置の構成を示すブロック図である。 測距装置の構成を示すブロック図である。 測距の原理を示す説明図である。 電流制限回路の構成を示す回路図である。 受光強度が強い場合に従来装置で得られる受光信号の波形を示するグラフである。 受光強度が強い場合に測距装置で得られる受光信号の波形を示するグラフである。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。
［１．構成］
測距装置１は、パルス状のレーザ光を照射し、その反射光を受光することで、照射タイミングから受光タイミングまでの時間からレーザ光を反射した物標までの距離を計測する装置である。測距装置１は、図１に示すように、車両の前進方向を中心とする所定角度範囲が探査範囲Ａとなるように、車両の前面に搭載されている。なお、探査範囲Ａや測距装置１の設置位置は、これに限るものではなく、車両の側方や後方を探査範囲に設定してもよく、また、測距装置１の設置位置も、設定された探査範囲Ａに応じて適宜決定すればよい。

測距装置１は、図２に示すように、発光部１０、受光部２０、照射制御部３０、ＡＤ変換器４０、距離演算部５０を備える。なお、測距装置１は、図示を省略するが、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等により構成された周知のマイクロコンピュータを備えており、照射制御部３０および距離演算部５０は、このマイクロコンピュータ（以下、マイコン）が実行する処理によって実現される。但し、照射制御部３０および距離演算部５０をソフトウェアによって実現することはあくまでも一例であり、その全体または一部を例えばロジック回路等のハードウェアによって実現してもよい。

発光部１０は、レーザダイオード（以下、ＬＤ）１１と、ＬＤ駆動回路１２と、発光レンズ１３と、スキャナ機構部１４と、スキャナ駆動回路１５とを備える。ＬＤ駆動回路１２が、発光指令ＣＬに従ってＬＤ１１を駆動することにより、パルス状のレーザ光を出力する。ＬＤ１１から出力されたレーザ光は、発光レンズ１３によってビーム幅が絞られ、スキャナ機構部１４を構成するミラーで反射して探査範囲に向けて出射される。スキャナ駆動回路１５は、スキャン制御指令ＣＳに従ってミラーの角度を変化させることにより、レーザ光による探査範囲Ｒ内でのビームスキャンを実現する。

受光部２０は、受光レンズ２１と、フォトダイオード（以下、ＰＤ）２２と、増幅器２３と、電流制限回路２４とを備える。受光レンズ２１は、発光部１０から照射され、物標で反射したレーザ光（反射光）を集光する。ＰＤ２２は、受光レンズ２１を介して反射光を受光し、その強度に応じた大きさの受光電流Ｉｘを出力する。増幅器２３は、受光電流Ｉｘを電圧信号に変換し且つ増幅してＡＤ変換器４０に供給する。電流制限回路２４は、ＰＤ２２への供給電流、ひいては受光電流Ｉｘが、予め設定された制限値を超えることがないように制限する。なお、制限値は、増幅器２３を非飽和で動作させるのに必要な入力電流の上限値以下に設定される。

ＡＤ変換器４０は、受光部２０からの出力（受光信号）を、所定間隔でサンプリングしデジタル値に変換して距離演算部５０に供給する。
照射制御部３０は、予め設定されたスケジュールに従って、発光部１０への発光指令ＣＬおよびスキャン制御指令ＣＳを生成すると共に、発光指令ＣＬを生成したタイミングである照射タイミングＴＳを距離演算部５０に供給する照射処理を実行する。なお、照射処理の内容は周知のものであるため、その詳細についての説明は省略する。

距離演算部５０は、ＡＤ変換された受光信号からパルス波形のピークを受光タイミングＴＲとして抽出し、図３に示すように、照射制御部３０から供給される照射タイミングＴＳから受光タイミングＴＲまでの時間、即ち、レーザ光を反射した物標との間をレーザ光が往復するのに要する時間を求める。更に、その求めた往復時間から、レーダ波を反射した物標までの距離を求め、他の車載装置に物標情報として提供する。なお、距離演算部５０が実行する処理は周知のものであるため、その詳細についての説明は省略する。

［２．電流制限回路］
次に、電流制限回路２４の具体的な回路構成を、図４を用いて説明する。
なお、ＰＤ２２は、アノードが抵抗Ｒａを介して接地され、カソードが電流制限回路２４を介して電源ＶＤＤに接続されている。

電流制限回路２４は、トランジスタＴと、演算増幅器ＯＰと、抵抗Ｒ１〜Ｒ３とを備える。トランジスタＴは、Ｐチャネル型の電解効果トランジスタからなり、ドレインがＰＤ２２のカソードに、ソースが抵抗Ｒ１を介して電源ＶＤＤに、ゲートが演算増幅器ＯＰの出力に接続されている。演算増幅器ＯＰは、非反転入力には、電源電圧を抵抗Ｒ２，Ｒ３で分圧した基準電圧Ｖｒｅｆが印加され、反転入力には、トランジスタＴのソース電位が印加されている。つまり、演算増幅器ＯＰは、ソース電位が基準電圧Ｖｒｅｆと一致するようにゲート電位を調整する。その際に電流制限回路２４は定電流回路として動作し、（ＶＤＤ−Ｖｒｅｆ）／Ｒ１となる一定電流を流す。この一定電流の大きさを制限値ともよぶ。但し、ソース電位が基準電位Ｖｒｅｆより大きい場合、トランジスタＴはオン状態に保持される。

このように構成された電流制限回路２４では、ＰＤ２２が未受光の場合、ＰＤ２２は電流を流さないため、ソース電位は電源電圧となる。その結果、トランジスタＴはオン状態ではあるが、電流が流れていない状態となる。ＰＤ２２が受光している場合、その受光量に応じた受光電流ＩｘがＰＤ２２に流れる。その受光電流Ｉｘは、抵抗Ｒ１での電圧降下を引き起こし、受光電流Ｉｘが大きいほどソース電位が低下する。そして、ソース電位が基準電圧Ｖｒｅｆに達すると、ＰＤ２２がより大きな受光電流Ｉｘを流そうとしても、演算増幅器ＯＰがソース電位を基準電圧Ｖｒｅｆに保持するように動作するため、受光強度に関わらず、受光電流Ｉｘは制限値に制限される。

例えば、ＰＤ２２への入射光量を６ｎＷ〜０．０１Ｗ、ＰＤ２２の光電変換感度を０．５Ａ／Ｗ、増幅器２３による電流−電圧変換感度を３５ｋＶ／Ａ、増幅器２３の電源電圧を５Ｖとする。

電流制限回路２４が存在しない場合、ＰＤ２２には、上記入射光量に対して３ｎＡ〜０．００５Ａの受光電流が流れる。そして、増幅器２３の出力は、０．０００１０５Ｖ〜１７５Ｖとなる。但し、実際には、増幅器２３の出力は電源電圧以上では飽和する。このとき、非飽和となる増幅器２３の入力電流（即ち、受光電流Ｉｘ）の上限値は、５Ｖ／３５ｋＶで求められ、約１４１μＡとなる。つまり、電流制限回路２４の制限値を、この上限値以下に設定すれば、増幅器２３を飽和させることなく動作させることができる。この場合、例えば、Ｒ１＝７０４Ω、Ｒ２＝１０００Ω、Ｒ３＝４９０００Ωに設定することで実現することができる。なお、Ｖｒｅｆ＝Ｒ３／（Ｒ２＋Ｒ３）＝４．９Ｖ、定電流動作時に加わるＲ１の両端電圧は０．１Ｖである。

［３．作用］
ここで、受光部２０が出力する電圧信号の波形を受光波形として、電流制限回路２４を備えていない従来装置における受光波形、および電流制限回路２４を備えた本実施形態の測距装置１における受光波形を、図５および図６に示す。

従来装置では、受光強度の大きさに関わらず、ＰＤ２２は常に受光強度に応じた大きさの受光電流を流す。これにより、増幅器２３の出力は、図５に示すように、受光強度がある程度大きくなると飽和する。増幅器２３の出力が飽和すると、増幅器２３は、その飽和電圧に応じた大きさ以上の電流を流すことができないのに対して、ＰＤ２２は受光強度に応じた電流を増幅器２３に供給し続ける。このため、飽和時には、増幅器２３の入力に余分な電荷が蓄積される。これにより、その後、受光強度が低下しても、飽和時に蓄積された余分な電荷によって、飽和したままの状態がしばらく継続し、この余分な電荷の放出が終了すると増幅器２３の出力も低下する。その結果、受光波形は、実際のパルス幅より大きなものとなり、本来のピークを正確に抽出することができない。

これに対して、本実施形態の測距装置１では、ＰＤ２２は、電流制限回路２４の作用により、制限値以上の電流を流すことができない。制限値は増幅器２３の出力が飽和しない大きさに設定されているため、受光強度がどれだけ大きくても、増幅器２３の入力に余分な電荷が蓄積されることがない。このため、受光強度が低下して、ＰＤ２２が流そうとする電流が上限電流以下になったときには、それに応じて、直ちに増幅器２３の出力も低下を始める。その結果、受光波形は、実際のパルス幅に応じたものとなり、ピークを精度よく抽出することができる。

［４．効果］
以上詳述した測距装置１によれば、以下の効果が得られる。
測距装置１では、反射光の強度がどれだけ大きくても、増幅器２３に、制限値を超える受光電流Ｉｘが入力されることがなく、増幅器２３の出力が飽和することがない。このため、従来装置とは異なり、飽和が解消されるまで照射強度を変更して測定を繰り返す必要がなく、また、増幅器２３の出力の波形である受光波形の歪を抑制することができる。その結果、受光波形のピーク、ひいては受光タイミングを精度よく抽出することができ、飽和を引き起こすような高反射率の物標までの距離を、速やかに測定することができる。また、測距装置１では、増幅器２３の増幅率を低く抑える必要がないため、低反射率の物標の検出能力を低下させることなく、上述の効果を得ることができる。

［５．他の実施形態］
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（３ａ）上記実施形態では、電流制限回路２４として、トランジスタＴと演算増幅器ＯＰを用いた定電流回路を例示したが、これに限定されるものではない。上限電流を制限できる公知の回路や素子であれば、いずれを用いてもよい。

（３ｂ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。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又は置換してもよい。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。

（３ｃ）上述した測距装置の他、当該測距装置を構成要素とするシステムなど、種々の形態で本発明を実現することもできる。

１…測距装置、１０…発光部、１１…レーザダイオード、１２…駆動回路、１３…発光レンズ、１４…スキャナ機構部、１５…スキャナ駆動回路、２０…受光部、２１…受光レンズ、２２…フォトダイオード、２３…増幅器、２４…電流制限回路、３０…照射制御部、４０…ＡＤ変換器、５０…距離演算部、ＯＰ…演算増幅器、Ｒ１〜Ｒ３，Ｒａ…抵抗、Ｔ…トランジスタ。

Claims (2)

1. 車両に搭載され、レーザ光を送受信することによって、予め設定された探査範囲内に存在する物標との距離を測定する測距装置（２）において、
   前記レーザ光を照射する発光部（１０）と、
   前記レーザ光を反射した物標からの反射光を受光する受光部（２０）と、
   前記発光部での前記レーザ光の照射タイミングから前記受光部での前記反射光の受光タイミングまでの時間を計測して前記レーザ光を反射した物標までの距離を求める距離演算部（５０）と、
   を備え、
   前記受光部は、
   前記反射光の強度に応じた受光電流を出力する光電変換素子（２２）と、
   前記光電変換素子が出力する受光電流を電圧信号に変換し且つ増幅する増幅器（２３）と、
   前記受光電流が前記増幅器を非飽和で動作させるのに必要な入力電流の上限値以下となるように、前記光電変換素子への供給電流を制限する電流制限回路（２４）と、
   を備える測距装置。
2. 請求項１に記載の測距装置において、
   前記電流制限回路は、定電流回路である
   測距装置。