JP2018179974A - 光計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出感度を低下させることなく、計時回路の処理を軽減する。【解決手段】受光アレイ部３は、フォトンの入射によってパルス信号を出力する複数の光検知器３１を備える。複数の光検知器３１に含まれる受光素子が全体として１画素を形成する。複数の計測部４は、受光アレイ部３を分割した複数の受光グループＧ１〜Ｇｘ毎に設けられる。各計測部４は、対応する受光グループから出力されたパルス信号に従い、外部から入力される照射タイミングからの経過時間を表す時間情報Ｔｐ、およびパルス信号を出力している光検知器３１の数を表す光量情報Ｃｐを生成する。ヒストグラム生成部５２は、複数の計測部４にて計測された時間情報Ｔｐおよび光量情報Ｃｐに従って、時間情報Ｔｐが表す時間毎に前記光量情報が示す値を積算することでヒストグラムを生成する。【選択図】図１

Description

本開示は、光の飛翔時間を求める技術に関する。

複数のＳＰＡＤを配列したＳＰＡＤアレイを用い、フォトンが入射された個々のＳＰＡＤから出力されるパルス信号の数（以下、応答数）をカウントすることで受光強度を検出する光検知器が知られている。ＳＰＡＤは、Single Photon Avalanche Diodeの略である。ＳＰＡＤは、ガイガーモードで動作し、単一フォトンの入射を検出できるアバランシェフォトダイオードである。

特許文献１には、光を照射した後、光検知器で検出される応答数がトリガ閾値以上である場合に反射光を受光したものとして、照射から受光までの光の飛翔時間（以下、ＴＯＦ）を計測し、その計測されたＴＯＦから光を反射した物体までの距離を求める技術が記載されている。ＴＯＦは、Time Of Flightの略である。また、ＳＰＡＤアレイに入射する外乱光等の影響を除去するために、ＴＯＦの計測を繰り返し実施して、計測時間毎に応答数を積算したヒストグラムを作成し、ヒストグラムの極大値から得られる時間を、距離の算出に用いることが行われている。

特開２０１４−８１２５４号公報

しかしながら、発明者の詳細な検討の結果、特許文献１に記載の従来技術では、以下の課題が見出された。
即ち、従来技術では、検出性能を向上させるために、ＳＰＡＤアレイに含まれるＳＰＡＤの数を増加させた場合、光検知器での応答数が増加し、これに伴い、ＴＯＦを計測する後段の計時回路の処理負荷が増大する。その処理負荷が、計時回路の処理能力を超えると、却って、検出性能を低下させてしまう。

これに対して、ＳＰＡＤの感度を抑制することで、応答数を抑制することが考えられる。但し、この場合、強度の弱い遠距離からの反射光や反射率の低い物体からの反射光を検出できなくなる。

本開示の１つの局面は、検出感度を低下させることなく、計時回路の処理を軽減可能な技術を提供することにある。

本開示の一態様である光検出装置は、受光アレイ部（３、３ｃ）と、複数の計測部（４、４ｃ）と、信号処理部（５）とを備える。
受光アレイ部は、フォトンの入射によってパルス信号を出力する複数の光検知器（３１、３１ｃ）が受光グループを形成し、複数の受光グループが１画素を形成するように構成され、このような画素を１つ以上備える。

計測部は、複数の受光グループのそれぞれに設けられる。計測部は、受光グループから出力されるパルス信号に従い、外部から入力される照射タイミングからの経過時間を表す時間情報、および前記時間情報から特定される１つ以上のタイミングのそれぞれで取得される光量情報を生成する。なお、光量情報として、受光部ループに属する複数の光検知器のうちパルス信号を出力している光検知器の数を用いる。

信号処理部は、１画素に対応する複数の計測部にて計測された時間情報または光量情報の少なくとも一方に従って、光の飛翔時間を求める。
このような構成によれば、光検知器の感度を低下させることなく、個々の計測部に処理させるパルス信号の数を抑制することができる。

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、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

第１実施形態のレーザレーダの構成を示すブロック図である。 個別メモリの内容を例示する説明図である。 ヒストグラムに関する説明図である。 ヒストグラム生成部５２の構成を示すブロック図である。 ヒストグラム生成部５２の動作を説明するステートマシン図である。 第２実施形態のレーザレーダの構成を示すブロック図である。 計測部に対する受光グループの割り当て方を例示する説明図である。 第３実施形態のレーザレーダの構成を示すブロック図である。 ヒストグラム生成部に対する受光グループの割り当て方を例示する説明図である。 第１〜第３実施形態における光検知器の構成を示す回路図である。 第４実施形態のレーザレーダの構成を示すブロック図である。 第４実施形態における光検知器の構成を示す回路図である。 第２実施形態の変形例の構成を示すブロック図である。 第３実施形態の変形例の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
本実施形態のレーザレーダ１は、車両に搭載され、車両の周辺に存在する各種物体を検出し、その物体に関する情報を生成する。レーザレーダ１は、図１に示すように、照射部２と、受光アレイ部３と、複数の計測部４と、信号処理部５と、ヒストグラム記憶部６とを備える。なお、レーザレーダ１から照射部２を除いた構成が、光計測装置に相当する。

照射部２は、パルス状のレーザ光を、予め設定された間隔で繰り返し照射すると共に、その照射タイミングを複数の計測部４にそれぞれ通知する。以下、レーザ光を照射する周期を、計測サイクルという。

受光アレイ部３は、複数の受光グループＧ１〜Ｇｘを有する。ｘは２以上の整数である。各受光グループＧｉは、それぞれＭｉ個の光検知器３１を備える。ｉは１からｘまでの値の何れかである。個々の光検知器３１は、ＳＰＡＤを備える。

ＳＰＡＤは、Single Photon Avalanche Diodeの略である。ＳＰＡＤは、逆バイアス電圧としてブレイクダウン電圧よりも高い電圧を印加する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、単一フォトンの入射を検出できる。受光アレイ部３には合計Ｍ１＋Ｍ２＋…＋Ｍｘ個のＳＰＡＤが含まれる。これらのＳＰＡＤは、２次元の行列を形成するように配列され、受光面を形成する。ここでは、受光グループＧ１〜Ｇｘには、ＳＰＡＤの行列うち、複数行分のＳＰＡＤがそれぞれ割り当てられている。

受光回路は、ＳＰＡＤにフォトンが入射されると、予め設定されたパルス幅を有するパルス信号Ｐを出力する。以下では、受光グループＧｉに含まれるＭｉ個の光検知器３１が出力する各パルス信号をＰ１〜ＰＭｉで表す。

個々の光検知器３１は、図１０に示すように、ＳＰＡＤ８１と、クエンチ抵抗８２と、反転回路８３と、Ｄフリップフロップ回路（以下、ＤＦＦ回路）８４と、遅延回路８５とを備える。ＳＰＡＤ８１は、アノードが負電源に接続され、カソードがクエンチ抵抗８２を介して正電源に接続される。クエンチ抵抗８２は、ＳＰＡＤ８１に逆バイアス電圧を印加する。また、クエンチ抵抗８２は、ＳＰＡＤ８１にフォトンが入射してＳＰＡＤ８１がブレイクダウンしたときに、ＳＰＡＤ８１に流れる電流により発生する電圧降下によって、ＳＰＡＤ８１のガイガー放電を停止させる。なお、クエンチ抵抗８２には、所定の抵抗値を有する抵抗素子、或いは、ゲート電圧によってオン抵抗を設定可能なＭＯＳＦＥＴ等が用いられる。

ＳＰＡＤ８１のカソードには反転回路８３が接続される。ＳＰＡＤ８１がブレイクダウンしていない状態では、反転回路８３の入力はハイレベルである。ＳＰＡＤ８１がブレイクダウンした状態では、クエンチ抵抗８２に電流が流れることで、反転回路８３の入力はロウレベルに変化する。ＤＦＦ回路８４は、反転回路８３の出力がロウレベルからハイレベルに変化する立上がりエッジで出力がハイレベルに変化する。ＤＦＦ回路８４の出力は、遅延回路８５を介してＤＦＦ回路８４のリセット端子に接続される。遅延回路８５は、ＤＦＦ回路８４の出力を、信号レベルを反転させ、かつ、予め設定された遅延時間τだけ遅延させてリセット端子に入力する。これにより、ＤＦＦ回路８４の出力は、ハイレベルに変化してから遅延時間τが経過すると、ＤＦＦ回路８４がリセットされることにより、ロウレベルに変化する。

複数の計測部４は、受光グループＧ１〜Ｇｘと同じ数ｘを備える。各計測部４は、受光グループＧ１〜Ｇｘのいずれかと１対１に対応づけられる。複数の計測部４は、いずれも同様に構成されているため、以下では、受光グループＧｉに対応付けられた一つの計測部４について説明する。

計測部４は、受光グループＧｉから並列に出力されるパルス信号Ｐ１〜ＰＭｉと、照射部２から供給される照射タイミングとに基づいて、照射から受光までに要した光の飛翔時間であるＴＯＦを表す時間情報Ｔｐ、および受光時の光量を表す光量情報Ｃｐを生成する。ＴＯＦは、Time Of Flightの略である。計測部４は、トリガ部４１と、計時部４２と、カウント部４３と、一時記憶部４４とを備える。

トリガ部４１は、受光グループＧｉから同時出力されているパルス信号Ｐ１〜ＰＭｉの数、即ち、フォトンに応答してパルス信号を出力している光検知器３１の数が、トリガ閾値ＴＨ以上である場合に、受光タイミングを表す所定のパルス幅を有したトリガ信号ＴＧを出力する。受光グループＧｉが異なる距離に位置する複数の物体からの反射波を受信している場合、トリガ部４１は、複数のトリガ信号ＴＧを出力する。トリガ閾値ＴＨは、固定値であってもよいし、状況に応じて変化する可変値であってもよい。

計時部４２は、いわゆるＴＤＣであり、照射部２から通知される照射タイミングからトリガ信号ＴＧが示す受光タイミングまでの時間を計測し時間情報Ｔｐとして出力する。ＴＤＣは、Time to Digital Converterの略である。ＴＤＣは、その全体がデジタル回路で構成される。

カウント部４３は、受光グループＧｉから同時に出力されているパルス信号Ｐ１〜ＰＭｉの数である応答数Ｃｘを、トリガ信号ＴＧに従ったタイミングでカウントし、その応答数Ｃｘからバイアス値Ｃｂを減算した結果である調整応答数を、受光した光の強度を表す光量情報Ｃｐとして出力する。トリガ信号ＴＧに従ったタイミングとは、トリガ信号ＴＧが出力されたタイミングであってもよいし、これを所定の遅延量だけ遅延させたタイミングであってもよい。また、バイアス値Ｃｂは、固定値であってもよいし、状況に応じて変化する可変値であってもよい。バイアス値Ｃｂは、固定値の場合、０であってもよい。また、バイアス値Ｃｂは、可変値の場合、トリガ閾値ＴＨに連動して設定されてもよいし、周囲の明るさ、およびヒストグラム記憶部６の空き容量のうち、いずれか又は両方に応じて設定されてもよい。

一時記憶部４４は、任意に読み書き可能なメモリであるＲＡＭを有する。一時記憶部４４には、図２に示すように、計時部４２にて生成される時間情報Ｔｐに対応づけられたアドレスに、カウント部４３にて生成される光量情報Ｃｐが格納される。時間情報Ｔｐは、計時部４２の時間分解能で区切られた時間領域（以下、時間ビン）を単位として表現される値である。従って、アドレスが大きいほどＴＯＦが長いこと、ひいては物体までの距離が遠いことを表す。一時記憶部４４に格納されるデータのビット幅は、受光グループＧｉに含まれるＳＰＡＤの数Ｍｉを表現することができる最小限の大きさがあればよい。

ヒストグラム記憶部６は、任意に読み書き可能なメモリであるＲＡＭを有する。ヒストグラム記憶部６のアドレスは、図３に示すように、一時記憶部４４と同様に、時間情報Ｔｐに対応づけられる。ヒストグラム記憶部６に格納されるデータのビット幅は、１回の計測で検出される応答数の期待値や、信号処理部５がヒストグラムを生成する際に積算を繰り返す回数である積算回数Ｘ等に応じて、積算値がオーバーフローすることがないように、適宜設定される。積算回数Ｘは１以上であればよい。

信号処理部５は、情報生成部５１と、ヒストグラム生成部５２とを備える。
情報生成部５１は、Ｘ回の計測サイクル毎、即ちヒストグラムが生成される毎に動作し、ヒストグラム生成部５２によって生成されたヒストグラムに基づき、光を反射した物体に関する情報を生成する。具体的には、ヒストグラムの極大値を輝度として抽出すると共に、抽出された極大値毎に、その極大値が得られるアドレスに対応した時間を特定する。更に、これら抽出された輝度と時間ビン（即ち、ＴＯＦ）との組み合わせに基づいて、ヒストグラム上に極大値を発生させる原因となった各物体までの距離や、その物体の信頼度等を含む物体情報を生成する。生成された物体情報は、図示しない車載ＬＡＮを介して、該物体情報を利用する各種車載装置に提供される。

ヒストグラム生成部５２は、計測サイクル毎に動作し、複数の計測部４のそれぞれが有する、各一時記憶部４４に格納された情報に従って、ヒストグラム記憶部６に記憶されたヒストグラムの内容を更新する。

ヒストグラム生成部５２は、図４に示すように、比較部５２１と、メモリ制御部５２２を備える。なお、一時記憶部４４は、初期状態ではデータが書き込まれているアドレスの中で最も小さいアドレスおよびそのアドレスに格納されたデータを出力するように構成される。また、一時記憶部４４は、メモリ制御部５２２からの更新指示ａｃｑに従って、データが書き込まれているアドレスの中で次に小さいアドレスおよびそのアドレスに格納されたデータを順次出力するように構成される。

比較部５２１は、複数の一時記憶部４４からの入力を比較し、最も小さいアドレスを出力している受光グループＧを選択して、その選択された受光グループ（以下、選択グループ）ＳＧと、選択グループの一時記憶部４４から入力されたアドレス（以下、選択アドレス）ＳＡと、データ（以下、選択データ）ＳＤとをメモリ制御部５２２に供給する。なお、最も小さいアドレスを出している受光グループＧが複数存在する場合は、その複数の受光グループＧの中で、受光グループを識別する識別子の最も小さいもの一つだけを選択グループＳＧとする。これに限らず、複数の受光グループの全てを選択グループＳＧ１，ＳＧ２…としてもよい。この場合、選択データＳＤは、選択グループＳＧ１，ＳＧ２，…から入力された全データの合計値としてもよい。

メモリ制御部５２２は、比較部５２１から供給される選択アドレスＳＡと選択データＳＤとを用いて、ヒストグラム記憶部６に格納されたヒストグラムの値を更新する。具体的には、ヒストグラム記憶部６から選択アドレスＳＡのデータを読み出し、読み出したデータに選択データＳＤを加算して、選択アドレスＳＡに書き込む。また、メモリ制御部５２２は、選択グループＳＧを指定した更新指示ａｃｑを一時記憶部４４に出力することで、選択グループＳＧに属する一時記憶部４４の出力を更新する。

なお、信号処理部５の各機能は、ハードウェアである電子回路によって実現される。その電子回路は、デジタル回路、又はアナログ回路、あるいはこれらの組み合わせによって実現してもよい。また、これらの機能の一部をＣＰＵが実行する処理によって実現してもよい。

［１−２．動作］
ここで、ヒストグラム生成部５２の全体的な動作を、図５のステートマシン図に沿って説明する。ヒストグラム生成部５２は、ＩＤＬＥ状態と、ＳＥＴ状態と、ＲＥＡＤ状態と、ＳＵＭ状態と、ＷＲＩＴＥ状態とを有し、これらの状態を適宜遷移して、各状態に応じた動作を実行する。但し、状況に応じて、ＳＵＭ状態とＳＥＴ状態、およびＷＲＩＴＥ状態とＲＥＡＤ状態は、並存することができる。また、図中、ｅｍｐは、複数の一時記憶部４４（以下、リードレジスタ群）のいずれにもデータが存在しないことを意味し、ｄｉｎは、リードレジスタ群にデータが存在することを意味する。

ヒストグラム生成部５２は、情報生成部５１がヒストグラムを用いた情報生成処理を実行する毎にリセットされる。信号処理部５がリセットされるとＩＤＬＥ状態となる。このとき、ヒストグラム記憶部６に格納されたヒストグラムもリセットされる。

ＩＤＬＥ状態は、リードレジスタ群にデータが書き込まれることを待っている状態である。ＩＤＬＥ状態の時に、リードレジスタ群にデータが書き込まれると、リードレジスタ群はｄｉｎになり、ヒストグラム生成部５２は、ＳＥＴ状態に遷移する。

ＳＥＴ状態では、比較部５２１が動作し、選択グループＳＧと、選択アドレスＳＡと、選択データＳＤとをメモリ制御部５２２に出力する。その後、ヒストグラム生成部５２は、ＲＥＡＤ状態に遷移する。

ＲＥＡＤ状態では、メモリ制御部５２２が、ヒストグラム記憶部６から選択アドレスＳＡのデータを読み出す。このとき、リードレジスタ群がｅｍｐであれば、ヒストグラム生成部５２はＳＵＭ状態に遷移する。

ＳＵＭ状態では、メモリ制御部５２２が、ＲＥＡＤ状態の時に読み出したデータに、選択データを加算した積算値を生成する。その後、ヒストグラム生成部５２は、ＷＲＩＴＥ状態に遷移する。

ＷＲＩＴＥ状態では、メモリ制御部５２２が、ＳＵＭ状態の時に生成された積算値を、ヒストグラム記憶部６の選択アドレスＳＡに書き込むと共に、選択グループＳＧを指定した更新指示ａｃｑをリードレジスタ群に出力する。更新指示ａｃｑによりリードレジスタ群の状況が更新された結果、リードレジスタ群がｅｍｐであれば、ヒストグラム生成部５２は、ＩＤＬＥ状態に遷移する。一方、リードレジスタ群がｄｉｎであれば、ヒストグラム生成部５２は、ＳＥＴ状態に遷移する。

先のＲＥＡＤ状態でリードレジスタ群がｄｉｎであれば、ヒストグラム生成部５２は、ＳＵＭ＋ＳＥＴ状態に遷移する。
ＳＵＭ＋ＳＥＴ状態では、メモリ制御部５２２によるＳＵＭ状態の動作と、比較部５２１によるＳＥＴ状態の動作とが並列に実行される。その後、ヒストグラム生成部５２は、ＷＲＩＴＥ＋ＲＥＡＤ状態に遷移する。

ＷＲＩＴＥ＋ＲＥＡＤ状態では、メモリ制御部５２２によるＷＲＩＴＥ状態の動作とＲＥＡＤ状態の動作とが並列に実行される。その後、ヒストグラム生成部５２は、リードレジスタ群の状況がｄｉｎであればＳＵＭ＋ＳＥＴ状態に遷移し、リードレジスタ群の状態がｅｍｐであれば、ＳＵＭ状態に遷移する。

［１−３．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１ａ）レーザレーダ１では、１画素を構成する多数の光検知器３１を、複数の受光グループＧ１〜Ｇｘに分割し、受光グループＧ１〜Ｇｘ毎に設けられた複数の計測部４に分散してパルス信号Ｐの処理を実行させ、その処理結果を統合してヒストグラムを生成している。従って、レーザレーダ１によれば、光検知器３１の感度を低下させることなく、即ち、検出性能を低下させることなく、個々の計測部４の処理負荷を削減することができる。即ち、１つの画素に１つの計測部を備える従来装置では、計測部は、図２中の全てのグラフを足し合わせたグラフに示される全てのパルス信号について処理を実行する必要がある。これに対して、１つの画素に複数の計測部４を有するレーザレーダ１では、計測部４は、それぞれ、図２中のグラフのいずれか一つに示されたパルス信号についてだけ処理を実行すればよく、処理負荷が削減される。

（１ｂ）レーザレーダ１では、計測部４には計測結果である時間情報Ｔｐおよび光量情報Ｃｐを記憶する一時記憶部４４が設けられている。従って、信号処理部５は、パルス信号Ｐの発生タイミングでリアルタイムに処理する必要はなく、次の発光までの時間を利用して処理を実行することができるため、計測結果を漏れなく利用することができる。

［２．第２実施形態］
［２−１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、受光グループＧ１〜Ｇｘと複数の計測部４とが１対１に対応づけられている。これに対し、第２実施形態では、両者の対応づけを適宜変更可能な点で、第１実施形態と相違する。

図６に示すように、本実施形態のレーザレーダ１ａは、第１実施形態のレーザレーダ１の構成に加えて、接続部７および接続制御部８を備える。但し、計測部４の数は、受光グループＧ１〜Ｇｘの数ｘ以下に設定されている。以下では、計測部４の数が２であるものとして説明する。また、接続部７が前置接続部に相当し、接続制御部８が前置制御部に相当する。

接続部７は、接続制御部８からの指示に従って、２つの計測部４のそれぞれに、受光グループＧ１〜Ｇｘを割り当てる。つまり、１画素を上下二つの領域に分割し、第１の計測部４が上側領域に属する受光グループからのパルス信号Ｐを処理し、第２の計測部４が下側領域に属する受光グループからのパルス信号Ｐを処理する。つまり、接続部７は、各計測部４に処理を担当させる受光グループの編成を適宜変更する。

接続制御部８は、レーザレーダ１ａが使用されている状況を示す状況情報を取得し、取得した状況情報に従って、接続部７の設定、即ち、画素の上側領域と下側領域の境界を変更する。

ここでは、接続制御部８は、状況情報として、受光アレイ部３に入射する外乱光の強度をモニタするセンサ等から情報を取得する。そして、接続制御部８は、図７の上欄に示すように、状況情報に従い、外乱光が強いほど、上側領域に属する受光グループ数ｍを減少させ、下側領域に属する受光グループの数ｎを増加させてもよい。

つまり、外乱光が強い場合、計測対象となる対象物の明るさは、上から下に向かって、明から暗に変化するグラデーションになり易い傾向がある。強い外乱光が入射される上側領域のＳＰＡＤ数を減らすことで、上側領域を処理する計測部４の負荷が軽減される。なお、この上下関係は、レンズによって上下が反転する場合がある。

また、接続制御部８は、状況情報として路面の状況をモニタするセンサ等から情報を取得してもよい。この場合、接続制御部８は、状況情報から雪道であること検出した場合には、図７の下欄に示すように、上側領域に属する受光グループ数ｍを増加させ、下側領域に属する受光グループの数ｎを減少させてもよい。

つまり、雪道では、路面反射が強くなるため、計測対象となる対象物の明るさは、上から下に向かって、暗から明に変化するグラデーションになり易い傾向がある。路面反射の強い下側領域のＳＰＡＤ数を減らすことで、下側領域を処理する計測部４の負荷が軽減される。なお、この上下関係は、レンズによって上下が反転する場合がある。

［２−２．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）（１ｂ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（２ａ）レーザレーダ１ａによれば、状況に応じて、各計測部４に割り当てる受光グループの数を変化させるため、各計測部４の負荷が過大となることを、より一層抑制することができる。

［３．第３実施形態］
［３−１．第１実施形態との相違点］
第３実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、複数の計測部４での計測結果を、一つの信号処理部５で処理している。これに対し、第３実施形態では、複数の信号処理部５を有し、しかも計測部４との対応づけを適宜変更可能な点で、第１実施形態と相違する。

図８に示すように、本実施形態のレーザレーダ１ｂは、第１実施形態のレーザレーダ１の構成に加えて、接続部９および接続制御部１０を備える。また、レーザレーダ１ｂは、信号処理部５およびヒストグラム記憶部６を二つずつ備える。信号処理部５およびヒストグラム記憶部６の数は３つ以上であってもよい。なお、接続部９が後置接続部に相当し、接続制御部１０が後置制御部に相当する。

接続部９は、接続制御部１０からの指示に従って、二つの信号処理部５のそれぞれに、計測部４、ひいては受光グループＧ１〜Ｇｘを割り当てる。つまり、１画素を上下二つの領域に分割し、第１の信号処理部５が上側領域に属する受光グループからのパルス信号Ｐを処理する複数の計測部４での計測結果に基づいてヒストグラムを作成する。また、第２の信号処理部５が下側領域に属する受光グループからのパルス信号Ｐを処理する複数の計測部４での計測結果に基づいてヒストグラムを作成する。

接続制御部１０は、レーザレーダ１ｂが使用されている状況を示す状況情報を取得し、取得した状況情報に従って、接続部９の設定、即ち、画素の上側領域と下側領域の境界を変更する。

ここでは、接続制御部１０は、状況情報として、車両の姿勢をモニタするセンサ等から情報を取得する。なお、本実施形態において、レーザレーダ１ｂは、路面に向けてレーザ光を照射するように設定される。そして、接続制御部１０は、基本的には、図９に示すように、上側領域に属する受光グループの数ｍを多く、下側領域に属する受光グループの数ｎを少なく設定し、車両の姿勢に応じて、ｍ，ｎの割合を変化させる。

つまり、レーザ光を路面に向けて照射した場合、上側領域では、より遠くからの反射波を検知し、下側領域では、より近くからの反射波を検知する。なお、この上下関係は、レンズによって上下が反転する場合がある。上部領域に割り当てる受光グループの数ｍを大きくすることで、分解能が粗くなるものの、遠距離からの弱い信号を検出できるようになる。また、下部領域に割り当てる受光グループの数ｎを少なくすることで、弱い信号の検出を犠牲にする代わりに分解能を高めることができる。また、車両の姿勢から受光グループ毎にレーザ光が到達する路面までの距離を推定し、その推定された距離に応じてｍ，ｎの割合を変化させてもよい。

［３−２．効果］
以上詳述した第３実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）（１ｂ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（３ａ）レーザレーダ１ｂによれば、状況に応じて、ヒストグラムを生成する領域の大きさ、ひいては検出精度を適宜変更することができる。
［４．第４実施形態］
［４−１．第１実施形態との相違点］
第４実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、トリガ信号ＴＧを生成し、トリガ信号ＴＧのタイミングで求められた光量情報Ｃｐのみを用いてヒストグラムが更新される。これに対し、第４実施形態では、クロックに同期させて光量情報Ｃｐを繰り返し生成し、その全ての光量情報Ｃｐを用いてヒストグラムが更新される点で、第１実施形態と相違する。

本実施形態のレーザレーダ１ｃは、図１１に示すように、照射部２と、受光アレイ部３ｃと、複数の計測部４ｃと、信号処理部５と、ヒストグラム記憶部６とを備える。
受光アレイ部３ｃは、複数の受光グループＧ１〜Ｇｘを有する。各受光グループＧｉは、それぞれＭｉ個の光検知器３１ｃを有する。Ｍ１＋Ｍ２＋…＋Ｍｘ個の光検知器３１ｃのそれぞれがＳＰＡＤを有し、これらのＳＰＡＤが２次元の行列を形成するように配列され、受光面を形成する点は、第１実施形態と同様である。

個々の光検知器３１ｃは、図１２に示すように、ＳＰＡＤ８１と、クエンチ抵抗８２と、反転回路８３と、ＤＦＦ回路８４とを備える。つまり、光検知器３１ｃは、第１実施形態の光検知器３１と比較して、遅延回路８５が省略され、ＤＦＦ回路８４の接続状態が異なる。

ＤＦＦ回路８４は、反転回路８３の出力を、クロックＣＫの立ち上がりエッジのタイミングでラッチし、これをパルス信号Ｐとして出力する。また、ＤＦＦ回路８４は、リセット信号ＲＳによって出力がリセットされる。

つまり、光検知器３１ｃは、ＳＰＡＤ８１にフォトンが入射されると、これに応答してパルス信号Ｐを出力する。このとき、反転回路８３が出力するパルス信号Ｐｒのパルス幅は、クエンチ抵抗８２に流れる電流により発生する電圧降下によって、ＳＰＡＤ８１のガイガー放電が停止するまで継続する。このパルス信号Ｐｒは、ＤＦＦ回路８４によりクロックＣＫに同期したパルス信号Ｐに変換される。つまり、ＤＦＦ回路８４が出力するパルス信号Ｐのパルス幅は、クロックＣＫによる量子化誤差分のずれを含む。

図１１に戻り、計測部４ｃは、計時部４２ｃと、カウント部４３ｃと、一時記憶部４４ｃとを備える。
計時部４２ｃは、クロックＣＫに従って動作する同期式カウンタを有する。計時部４２ｃは、照射部２から通知される照射タイミングによって、カウントを開始し、少なくとも光信号が最大検知距離を往復するのに要する時間の間、カウント動作を継続する。そして、計時部４２ｃは、同期式カウンタのカウント値を時間情報Ｔｐとして出力する。つまり、時間情報Ｔｐは、クロックＣＫに同期して変化し、照射タイミングからの経過時間を表す。

カウント部４３ｃは、光検知器３１ｃから同時に出力されるパルス信号Ｐ_１〜Ｐ_Ｍｉの数である応答数Ｃｘを、エンコーダ等を用いて常時求める。更に、カウント部４３ｃは、その応答数Ｃｘからバイアス値Ｃｂを減算した結果である調整応答数を、クロックＣＫのタイミング毎、即ち時間情報Ｔｐが変化する毎に繰り返し算出し、算出結果を、受光した光信号の輝度を表す光量情報Ｃｐとして出力する。つまり、光量情報Ｃｐは、時間情報Ｔｐと同様に、クロックＣＫに同期して変化する。

一時記憶部４４ｃは、トリガ信号ＴＧの代わりにクロックＣＫのタイミングで光量情報Ｃｐの格納が行われる以外は、一時記憶部４４と同様である。これにより、一時記憶部４４ｃには、時間情報Ｔｐによって識別される全ての時間ビンに光量情報Ｃｐが格納される。

［４−２．効果］
以上詳述した第４実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）（１ｂ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（４ａ）レーザレーダ１ｃによれば、クロックＣＫに同期したタイミングで常時、時間情報Ｔｐ及び光量情報Ｃｐを生成するため、トリガ信号ＴＧを生成する必要がなく、トリガ部４１を省略できるため、装置構成を簡略化できる。

［５．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示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。

（５ａ）上記実施形態では、ＳＰＡＤの２次元行列のうち、行を単位として受光グループを構成しているが、本開示は、これに限定されるものではない。例えば、受光グループは、ＳＰＡＤの２次元行列のうち、列を単位として構成してもよいし、任意形状の塊を単位として構成されてもよい。

（５ｂ）上記第２実施形態では、接続部７は、受光グループを単位として接続を切り替えているが、本開示は、これに限定されるものではない。例えば、接続部７は、個々の光検知器３１を単位として接続を切り替えるように構成されてもよい。

（５ｃ）上記第２実施形態では、接続制御部８は、状況情報に基づいて、画素の上側領域と下側領域の境界を変更しているが、本開示は、これに限定されるものではない。状況情報に基づく変更の対象は、例えば、受光グループを形成する光検知器の数、受光グループによって形成される画素の大きさ、および画素の形状のうち少なくとも１つが含まれてもよい。

（５ｄ）上記第３実施形態では、複数の信号処理部５は、それぞれ１画素中の部分領域を処理し、１画素について複数のヒストグラムを生成しているが、本開示は、これに限定されるものではない。例えば、複数の信号処理部５は、それぞれ一つの画素についてのヒストグラムを生成し、接続部９は、各画素に対応づける受光グループＧ１〜Ｇｘを切り替えることで、各画素の大きさ、各画素の形状、各画素に含まれる光検知器の数のうち少なくとも１つを適宜変更するように構成されてもよい。

（５ｅ）上記第３実施形態において、信号処理部５のそれぞれに対応する画素中の領域または信号処理部５のそれぞれに対応する画素を領域等というものとして、接続制御部１０は、各領域等を形成する光検知器３１の数、または各領域等の大きさまたは各領域等の形状が同一となるように、接続部９による接続を変更するように構成されてもよい。また、接続制御部１０は、各領域等を形成する光検知器３１の数、または各領域等の大きさまたは各領域等の形状の少なくとも一つが、画素によって異なるように、接続部９による接続を変更するように構成されてもよい。

（５ｆ）上記第２および第３実施形態では、接続制御部８，１０が取得する状況情報をもとに接続数を変化させているが、本開示は、これに限定されるものではない。例えば、受光レンズの特性（例えば、画角や歪み等）や照射部２の光照射範囲をもとに、接続数をあらかじめ設定してもよい。

（５ｇ）上記第２および第３実施形態では、接続制御部８，１０が取得する状況情報として、外乱光の強度や、路面状況、車両の姿勢を用いたが、本開示は、これに限定されるものではない。例えば、状況情報として、時刻または天候など、外乱光と相関関係がある各種情報を用いてもよい。また、状況情報として、車両の加速度または道路の傾斜角度が示された地図等、車両の姿勢と相関関係がある各種情報を用いてもよい。更に、状況情報として、過去の状況情報等を用いてもよい。

（５ｈ）上記第２および第３実施形態では、複数の計測部４の入力側または出力側のいずれか一方に接続部７，９を備えているが、接続部７，９を同時に備えていてもよい。
（５ｉ）上記実施形態では、一時記憶部４４として使用するＲＡＭは、アドレスが時間情報Ｔｐに対応づけられているが、本開示は、これに限定されるものではない。例えば、一時記憶部４４として使用するＲＡＭは、時間情報Ｔｐと光量情報Ｃｐとを対応づけて、いずれもデータとして格納してもよい。これによれば、一時記憶部４４として使用するＲＡＭは、全ての時間ビンについてアドレスを用意する必要がないため、特に、受光グループからのパルス信号頻度が低い場合には、ＲＡＭの容量を削減することができる。また、この場合、ヒストグラム生成部５２は、アドレスを比較する代わりに、時間情報Ｔｐそのものを比較するように構成すればよい。

（５ｊ）上記第４実施形態のレーザレーダ１ｃでは、第１実施形態のレーザレーダ１における受光アレイ部３および計測部４を、受光アレイ部３ｃおよび計測部４ｃに置き換えた構成を示したが、本開示は、これに限定されるものではない。例えば、図１３に示すレーザレーダ１ｄのように、第２実施形態における形態のレーザレーダ１ａの受光アレイ部３および計測部４を、受光アレイ部３ｃおよび計測部４ｃに置き換えた構成であってもよい。また、図１４に示すレーザレーダ１ｅのように、第３実施形態における形態のレーザレーダ１ｂの受光アレイ部３および計測部４を、受光アレイ部３ｃおよび計測部４ｃに置き換えた構成であってもよい。

（５ｋ）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から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（５ｌ）上述した光計測装置の他、当該光計測装置を構成要素とするシステム、光信号の計測方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

１，１ａ〜１ｅ…レーザレーダ、３，３ｃ…受光アレイ部、４，４ｃ…計測部、５…信号処理部、３１，３１ｃ…光検知器。

Claims (20)

1. フォトンの入射によってパルス信号を出力する複数の光検知器（３１、３１ｃ）が受光グループを形成し、複数の前記受光グループが１画素を形成するように構成され、前記画素を１つ以上備える受光アレイ部（３、３ｃ）と、
   前記複数の受光グループのそれぞれに設けられ、前記受光グループから出力される前記パルス信号に従い、外部から入力される照射タイミングからの経過時間を表す時間情報、および前記時間情報から特定される１つ以上のタイミングのそれぞれで取得される光量情報を生成するように構成された計測部（４、４ｃ）と、
   前記１画素に対応する複数の計測部にて計測された前記時間情報または前記光量情報の少なくとも一方に従って、光の飛翔時間を求めるように構成された信号処理部（５）と、
   を備え、
   前記光量情報として、前記受光グループに属する複数の光検知器のうち前記パルス信号を出力している光検知器の数を用いる
   光計測装置。
2. 請求項１に記載の光計測装置であって、
   前記信号処理部を複数備え、
   前記複数の計測部のそれぞれを、前記複数の信号処理部のいずれかに接続するように構成された後置接続部（９）と、
   前記後置接続部による接続を変更することで、前記複数の信号処理部が処理を担当する画素中の領域を変更するように構成された後置制御部（１０）と、
   を更に備える光計測装置。
3. 請求項２に記載の光計測装置であって、
   前記後置制御部は、当該光計測装置が使用されている状況を示す状況情報を取得し、取得した前記状況情報に従って前記後置接続部での接続を変更するように構成された、
   光計測装置。
4. 請求項３に記載の光計測装置であって、
   前記後置制御部は、前記状況情報から計測対象までの距離を推定し、前記計測対象までの推定距離をもとに、前記複数の信号処理部のそれぞれに対する前記計測部の接続数を変更するように構成された、
   光計測装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光計測装置であって、
   前記１画素に含まれる前記複数の光検知器のそれぞれを、前記複数の計測部のいずれかに接続するように構成された前置接続部（７）と、
   前記前置接続部による接続を変更することで、前記受光グループの編成を変更するように構成された前置制御部（８）と、
   を更に備える光計測装置。
6. フォトンの入射によってパルス信号を出力する複数の光検知器（３１、３１ｃ）が受光グループを形成し、複数の前記受光グループが１画素を形成するように構成され、前記画素を１つ以上備える受光アレイ部（３、３ｃ）と、
   前記複数の受光グループ毎のそれぞれに設けられ、前記受光グループから出力された前記パルス信号に従い、外部から入力される照射タイミングからの経過時間を表す時間情報、および前記時間情報から特定される１つ以上のタイミングのそれぞれで取得される光量情報を生成するように構成された計測部（４、４ｃ）と、
   前記複数の計測部にて計測された前記時間情報または前記光量情報の少なくとも一方に従って、光の飛翔時間を求めるように構成された複数の信号処理部（５）と、
   前記複数の画素に対応する前記複数の計測部のそれぞれを前記複数の信号処理部のいずれかに接続するように構成された後置接続部（９）と、
   前記後置接続部による接続を変更することで、前記信号処理部のそれぞれに対応する前記光検知器の数、又は前記信号処理部のそれぞれに対応する画素の大きさ又は画素の形状の少なくとも１つを変更するように構成された後置制御部（１０）と、
   を備え、
   前記光量情報として、前記受光グループに属する複数の光検知器のうち前記パルス信号を出力している光検知器の数を用いる
   光計測装置。
7. 請求項６に記載の光計測装置であって、
   前記後置制御部は、前記信号処理部のそれぞれに対応する各画素を形成する前記光検知器の数、または各画素の大きさまたは各画素の形状が同一となるように、前記後置接続部による接続を変更するように構成された、
   光計測装置。
8. 請求項６に記載の光計測装置であって、
   前記後置制御部は、前記信号処理部のそれぞれに対応する各画素を形成する前記光検知器の数、または各画素の大きさまたは各画素の形状の少なくとも一つが、画素によって異なるように、前記後置接続部による接続を変更するように構成された、
   光計測装置。
9. 請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の光計測装置であって、
   前記後置制御部は、当該光計測装置が使用されている状況を示す状況情報を取得し、取得した前記状況情報に従って前記後置接続部での接続を変更するように構成された、
   光計測装置。
10. 請求項９に記載の光計測装置であって、
    前記後置制御部は、前記状況情報から計測対象までの距離を推定し、前記計測対象までの推定距離をもとに、前記複数の信号処理部のそれぞれに対する前記計測部の接続数を変更するように構成された、
    光計測装置。
11. 請求項６から請求項１０のいずれか１項に記載の光計測装置であって、
    前記受光アレイ部に含まれる前記複数の光検知器のそれぞれを、前記複数の計測部のいずれかに接続するように構成された前置接続部（７）と、
    前記前置接続部による接続を変更することで、前記受光グループの編成を変更するように構成された前置制御部（８）と、
    を更に備える光計測装置。
12. 請求項５または請求項１１に記載の光計測装置であって、
    前記前置制御部は、当該光計測装置が使用されている状況を示す状況情報を取得し、取得した前記状況情報に従って前記前置接続部での接続を変更するように構成された、
    光計測装置。
13. 請求項１２に記載の光計測装置であって、
    前記前置制御部は、前記状況情報から計測対象での明るさの傾向を推定し、前記明るさの傾向をもとに前記受光グループを形成する光検知器の数、又は前記受光グループによって形成される画素の大きさ又は画素の形状の少なくとも１つを変更するように構成された、
    光計測装置。
14. 請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の光計測装置であって、
    前記信号処理部は、前記複数の計測部にて計測された前記時間情報および前記光量情報に従って、前記時間情報が表す時間毎に前記光量情報が示す値を積算することでヒストグラムを生成するように構成されたヒストグラム生成部（５２）、
    を備える光計測装置。
15. 請求項１４に記載の光計測装置であって、
    前記複数の計測部は、それぞれ、生成された前記光量情報および前記時間情報を記憶するように構成された一時記憶部（４４、４４ｃ）を備え、
    前記ヒストグラム生成部は、前記複数の計測部にそれぞれ設けられた前記一時記憶部に記憶された情報に従って、前記ヒストグラムを生成するように構成された、
    光計測装置。
16. 請求項１５に記載の光計測装置であって、
    前記ヒストグラム生成部は、
    前記複数の計測部のそれぞれに設けられた前記一時記憶部に記憶されている前記時間情報を比較し、前記時間情報の値が小さいものから順に、該時間情報および該時間情報に対応づけられた前記光量情報を読み出すように構成された比較部（５２１）と、
    前記比較部にて読み出された前記時間情報および前記光量情報に従って、前記ヒストグラムが格納されたメモリの内容を更新するように構成されたメモリ制御部（５２２）と、
    を備える光計測装置。
17. 請求項１６に記載の光計測装置であって、
    前記比較部は、異なる前記一時記憶部から前記時間情報が同一である複数の前記光量情報が読み出された場合、該複数の光量情報を加算した結果を前記メモリ制御部に供給するように構成された、
    光計測装置。
18. 請求項１５から請求項１７のいずれか１項に記載の光計測装置であって、
    前記一時記憶部は、前記時間情報に対応づけられたアドレスに、前記光量情報を格納するように構成された、
    光計測装置。
19. 請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の光計測装置であって、
    前記計測部（４ｃ）は、
    前記照射タイミングからの経過時間をクロックに従ってカウントしたカウント値を前記時間情報として出力するように構成された計時部（４２ｃ）と、
    前記時間情報が変化する毎に、前記光量情報を生成するように構成されたカウント部（４３ｃ）と、
    を備える光計測装置。
20. 請求項１から請求項１８のいずれか１項に記載の光計測装置であって、
    前記計測部（４）は、
    前記受光グループから同時に出力されている前記パルス信号の数がトリガ閾値以上である場合に、前記受光グループに入射された光信号の受光タイミングを表すトリガ信号を出力するように構成されたトリガ部（４１）と、
    前記照射タイミングから前記受光タイミングまでの時間を前記時間情報として出力するように構成された計時部（４２）と、
    前記トリガ信号が出力される毎に、前記光量情報を生成するように構成されたカウント部（４３）と、
    を備える光計測装置。

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