JP2019002760A - 距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受光部からの出力信号にノイズが含まれていても、対象物までの距離を精度良く計測する。【解決手段】距離計測装置１００は、光パルスを照射する発光モジュール２と、光パルスの対象物による反射光を受光する受光モジュール７と、受光モジュール７からの出力信号と閾値とを比較して、該出力信号が閾値より大きい場合に所定信号を出力するコンパレータ８と、コンパレータ８から所定信号が出力された場合に、反射光の受光時刻を検出し、該受光時刻と光パルスの照射時刻とに基づいて、対象物までの距離を算出する距離算出部１ａと、反射光を受光モジュール７により受光しない非受光期間に、受光モジュール７からの出力信号の最大値を検出する最大値検出部１ｂと、該最大値に基づいて非受光期間に閾値を設定する閾値設定部１ｃとを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、発光部から光パルスを照射した時刻と、その光パルスの対象物による反射光を受光部により受光した時刻とに基づいて、対象物までの距離を計測する距離計測装置に関する。

たとえば、衝突防止機能を有する車両などには、レーザレーダのような光学式の距離計測装置が搭載されている。この距離計測装置は、発光部の発光素子から光パルスを照射して、該光パルスの対象物による反射光を受光部の受光素子により受光し、光パルスの照射時刻と反射光の受光時刻とに基づいて対象物までの距離を計測する。

具体的には、たとえば特許文献１〜６に開示されているように、ＴＯＦ（Time of Flight）法によりパルス光を照射してから対象物で反射して戻ってくるまでの飛行時間を計測し、該飛行時間に基づいて対象物までの距離を算出する。また、ＴＯＦ法により対象物の画像を取得する画像取得装置もある。

ＴＯＦ法に基づく距離計測装置では、アレイ状に配置された複数のガイガーモードのＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）が受光部に用いられることが多い。ガイガーモードのＡＰＤは、１フォトンの入射に対して１つの電圧パルスを出力するフォトカウント型の受光素子である。ガイガーモードのＡＰＤは、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすので、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）とも呼ばれている。

このため、たとえば、ガイガーモードのＡＰＤにより生じる電圧パルスと、該電圧パルスの到来時刻とを繰り返し測定して、ヒストグラムを作成し、その極大値に基づいてＴＯＦ（パルス光の飛行時間）を検出する。また、電圧パルスの到来時刻やＴＯＦの計測には、たとえばＴＤＣ（Time to Digital Converter）が用いられる。（特許文献１〜６参照）なお、フォトカウント型の受光素子は、たとえば半導体検査用の光量検出装置でも用いられる。（特許文献７参照）

特許文献１〜７には、距離、画像、または光量などの物理量の検出精度を高めるための技術が開示されている。

たとえば、特許文献１〜６では、ガイガーモードのＡＰＤにより生じる電圧信号と、該電圧信号の到来時刻とを繰り返し測定して、ヒストグラムを作成し、その極大値に基づいてＴＯＦを検出する。そして、ＴＯＦに基づいて、対象物までの距離を算出する。

また、特許文献１では、発光部によるパルス光の投光休止期間中に、ＡＰＤの周辺回路が対象物から受光した光の強度を求めることで、対象物との距離に依存しない対象物の画像を取得する。

特許文献２では、測定受光手段（ガイガーモードのＡＰＤ）が次回測定する領域からの光を参照受光手段により受光し、該受光量に応じて測定受光手段の感度を制御する。また、測定受光手段から出力される電圧パルスをパルス整形回路で整形した後に加算し、その加算値が所定の閾値以上である場合に、反射パルスの到来を示す判定結果がＴＤＣに出力される。上記閾値は、参照受光手段から出力される外乱光の強さを示す信号に応じて変更される。

特許文献３では、すべてのガイガーモードのＡＰＤから出力される電圧パルスを、電圧電流変換手段により電流パルスに変換して、該電流パルスを加算した後に積分手段により時間積分することにより、光量として出力する。

特許文献４では、ＳＰＡＤの検出パルス数を一定の閾値と比較した結果に基づいて、ＳＰＡＤの逆バイアス電圧を変化させることにより、フォトンの検出確率を制御する。

特許文献５および６では、対象物による反射光を受光したＳＰＡＤの個数（画素数）である計数値を縦軸とし、時間を横軸としてヒストグラムを作成する。そして、特許文献５では、ヒストグラムの最大値と初期値との差、および最小値と初期値との差のうち、大きい方の絶対値が算出判定値以上である場合に、該絶対値に対応する時間に基づいて対象物までの距離を算出する。また、ヒストグラムの最大値または最小値以外の部分の初期値からの変化量を外乱光として認識し、該変化量に基づいて算出判定値を可変する。

特許文献６では、ヒストグラムの総和値、平均値、または中央値が第１の閾値を超えると、計数値の積算方向のデータを圧縮し、該圧縮後のヒストグラムの最大値に基づいて対象物までの距離を算出する。また、前回の計測の外乱光量値やＳＮ比（信号・ノイズ比）に基づいて、第１の閾値を設定する。

特許文献７では、ノイズを除去するため、ＳＰＡＤの検出信号をＡ／Ｄ変換（アナログ・デジタル変換）し、変換後の検出信号が閾値以上の場合は、該検出信号を光子数算出回路に送り、変換後の検出信号が閾値以下の場合は、あらかじめ設定された基準値を光子数算出回路に送る。光子数算出回路は、光量測定が終了するまでに取得した検出信号の波形の面積から、ＳＰＡＤに入射した光子数あるいは光量を求める。また、無光時のＳＰＡＤの検出信号をノイズ信号として取得し、該ノイズ信号の平均値、ばらつき、または最大値に基づいて、上記閾値と基準値とを設定する。

特開２０１０−９１３７８号公報 特開２０１４−８１２５４号公報 特開２０１４−８１２５３号公報 特表２０１２−５３０９１７号公報 特開２０１６−１５１４５８号公報 特開２０１６−１６１４３８号公報 特開２０１２−３７２６７号公報

対象物までの距離を計測する距離計測装置において、受光部が受光する光には、発光部から照射したパルス光の対象物による反射光だけでなく、周囲の外乱光も含まれる。また、受光部から出力される信号には、反射光に基づく受光信号だけでなく、外乱光や周囲の温度などに起因したノイズも含まれる。反射光に基づく受光信号は、ノイズに比べて変動が大きいため、従来は、たとえば、受光部からの出力信号を閾値と比較するなどして、受光部からの出力信号の極大値を抽出し、該極大値に基づいてパルス光を照射してから対象物による反射光を受光するまでの時間を計測していた。然るに、受光部からの出力信号の極大値や、パルス光の照射から反射光の受光までの時間を精度良く検出することができなければ、対象物までの距離も精度良く算出することができない。

本発明は、受光部から出力される信号にノイズが含まれていても、対象物までの距離を精度良く計測することができる距離計測装置を提供することを課題とする。

本発明による距離計測装置は、光パルスを照射する発光素子を有する発光部と、光パルスの対象物による反射光を受光する複数の受光素子を有する受光部と、受光素子の受光状態に応じて受光部から出力される出力信号と所定の閾値とを比較して、該出力信号が閾値より大きい場合に所定信号を出力する比較出力部と、比較出力部から所定信号が出力された場合に、受光部による反射光の受光時刻を検出し、該受光時刻と発光部からの光パルスの照射時刻とに基づいて、対象物までの距離を算出する距離算出部と、反射光を受光部により受光しない期間に、受光部からの出力信号の最大値を検出する最大値検出部と、最大値検出部により検出された最大値に基づいて、前記期間に閾値を設定する閾値設定部とを備える。

発光部から照射された光パルスの対象物による反射光が受光部で受光されない期間では、外乱光が受光部で受光されるので、受光状態に応じて受光部から出力される出力信号が、外乱光や周囲の温度などに基づくノイズだけとなる。このため、ノイズの最大値を検出して、該最大値に基づいて閾値を設定することで、ノイズのレベルに応じた閾値とすることができる。また、その後、反射光が受光部で受光される期間に、受光部からの出力信号にノイズが含まれていても、該出力信号と閾値とを比較することで、反射光に基づく受光信号とノイズとを確実に区別することができる。そして、受光部からの出力信号が閾値より大きい場合、すなわち受光部からの出力信号が反射光に基づく受光信号である場合に、比較出力部から所定信号が出力されるので、距離算出部により反射光の受光時刻を検出して、該受光時刻および光パルスの照射時刻に基づいて、対象物までの距離を精度良く算出することができる。よって、受光部から出力される信号にノイズが含まれていても、対象物までの距離を精度良く計測することが可能となる。

本発明において、閾値設定部は、閾値を、最大値検出部により検出された最大値以上の値に設定してもよい。

また、本発明において、受光素子は、ガイガーモードのＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）から成り、受光部は、該受光素子が複数並列に接続された受光素子群を少なくとも１つ含み、受光素子群から出力される電流に応じた電圧信号を出力信号として出力してもよい。

また、本発明において、反射光を受光部により受光しない期間に、比較出力部は、大きさが段階的に異なる複数の仮閾値を順番に切り替えて、受光部からの出力信号と比較し、該出力信号が仮閾値より大きいときに所定信号を出力し、最大値検出部は、仮閾値毎に比較出力部から出力される所定信号の出力頻度に基づいて、受光部からの出力信号の最大値を検出してもよい。

また、本発明において、比較出力部から出力されるアナログの所定信号をデジタルの所定信号に変換して距離算出部に出力する１ビットのアナログデジタルコンバータをさらに備えてもよい。

さらに、本発明において、距離算出部は、ＴＤＣ（Time to Digital Converter）を含んでいてもよい。

本発明によれば、受光部から出力される信号にノイズが含まれていても、対象物までの距離を精度良く計測することができる距離計測装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態による距離計測装置の光学系を上方から見た状態を示した図である。 図１の距離計測装置の光学系を後方から見た状態を示した図である。 図１のＳＰＡＤアレイの受光面を示した図である。 図１の距離計測装置の電気的構成を示した図である。 図３の受光モジュールの出力信号を示した図である。 図１の距離計測装置の動作タイミングを示した図である。 図３の受光モジュールとコンパレータのノイズ検出時の出力信号を示した図である。 図３の受光モジュールとコンパレータの反射光検出時の出力信号を示した図である。 本発明の他の実施形態による距離計測装置の電気的構成を示した図である。 図９のＴＤＣの回路構成を示した図である。 本発明の他の実施形態による距離計測装置の電気的構成を示した図である。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一符号を付してある。

図１は、距離計測装置１００の光学系を上方から見た状態を示した図である。図２は、距離計測装置１００の光学系を後方（図１で下側、すなわち対象物５０と反対側）から見た状態を示した図である。

距離計測装置１００は、車載用のレーザレーダである。距離計測装置１００の光学系は、ＬＤ（Laser Diode）２ａ、投光レンズ１４、回転走査部４、受光レンズ１６、反射鏡１７、およびＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）アレイ７ａから成る。そのうち、ＬＤ２ａ、投光レンズ１４、および回転走査部４は、投光光学系である。回転走査部４、受光レンズ１６、反射鏡１７、およびＳＰＡＤアレイ７ａは、受光光学系である。

これらの光学系は、距離計測装置１００のケース（図示省略）内に収容されている。そのケースの前面（対象物５０側）は開口しているが、透光性を有するカバーにより覆われている。このカバーが車両の前方、後方、または左右側方を向くように、距離計測装置１００は車両の前部、後部、または左右側部に設置される。

ＬＤ２ａは、高出力の光パルスを照射する発光素子である。図１および図２では、便宜上、ＬＤ２ａを１つだけ示しているが、ＬＤ２ａは、実際には図２で上下方向に複数配列されている。また、ＬＤ２ａは、発光面が回転走査部４側を向くように配置されている。

ＳＰＡＤアレイ７ａには、複数のＳＰＡＤがアレイ状に配置されている。ＳＰＡＤは、ガイガーモードのＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）であり、フォトカウント型の受光素子である。ＳＰＡＤアレイ７ａは、受光面が反射鏡１７側を向くように配置されている。

図３は、ＳＰＡＤアレイ７ａの受光面を示した図である。ＳＰＡＤアレイ７ａの受光面は、縦方向（図２で上下方向）に複数のチャンネル１ｃｈ〜Ｘｃｈに区分されている。各チャンネル１ｃｈ〜Ｘｃｈでは、縦方向にｍ画素、横方向にｎ画素の、合計ｍ×ｎ画素に細分化されている。この受光面の各画素に１対１で対応するように、ＳＰＡＤは設けられている。すなわち、ＳＰＡＤアレイ７ａにおけるＳＰＡＤの個数は、フォトンが入射する画素数と同一である。

図１および図２に示す回転走査部４は、回転鏡または光偏向器とも呼ばれている。回転走査部４には、回転鏡４ａとモータ４ｃなどが備わっている。回転鏡４ａは、板状に形成されている。回転鏡４ａの表面および裏面は、反射面となっている。

図２に示すように、回転鏡４ａの下方には、モータ４ｃが設けられている。モータ４ｃの回転軸４ｊは上下方向と平行になっている。モータ４ｃの回転軸４ｊの上端には、回転鏡４ａの中央にある連結軸（図示せず）が固定されている。モータ４ｃの回転軸４ｊに連動して、回転鏡４ａは回転する。

図２に示すように、受光レンズ１６、反射鏡１７、およびＳＰＡＤアレイ７ａは、回転鏡４ａの上部周辺に配置されている。ＬＤ２ａと投光レンズ１４は、回転鏡４ａの下部周辺に配置されている。

図１および図２に１点鎖線の矢印で示すように、ＬＤ２ａから照射された光パルスは、投光レンズ１４により拡がりを調整された後、回転鏡４ａの表面または裏面の下半分の領域に当たる。この際、モータ４ｃが回転して、回転鏡４ａの角度（向き）が変化し、回転鏡４ａの表面または裏面が対象物５０側を向いた所定角度となる（たとえば図１に実線で示す鏡４ａの状態）。これにより、ＬＤ２ａからの光パルスが投光レンズ１４を透過した後、回転鏡４ａの表面または裏面の下半分の領域で反射して、距離計測装置１００の外方にある所定範囲に走査される。つまり、回転走査部４は、ＬＤ２ａからの光パルスを、回転鏡４ａの表面と裏面で反射して対象物５０側に偏向する。

図１に示す走査角度範囲Ｚは、ＬＤ２ａからの光パルスが回転走査部４の鏡４ａの表面または裏面により反射されて、距離計測装置１００から投射される所定範囲（上面視）である。すなわち、この走査角度範囲Ｚが、距離計測装置１００による対象物５０の検出範囲である。

上記のように、距離計測装置１００から投射された光パルスは、人や物体などの対象物５０で反射される。その反射光は、図１および図２に２点鎖線の矢印で示すように、回転鏡４ａの表面または裏面の上半分の領域に当たる。この際、モータ４ｃが回転して、回転鏡４ａの角度（向き）が変化し、回転鏡４ａの表面または裏面が対象物５０側を向いた所定角度となる（たとえば図１に実線で示す鏡４ａの状態）。これにより、対象物５０での反射光が、回転鏡４ａの表面または裏面の上半分の領域で反射して、受光レンズ１６に入射する。つまり、回転走査部４は、対象物５０からの反射光を、回転鏡４ａの表面または裏面で反射して、受光レンズ１６側へ偏向する。

回転走査部４を経由して受光レンズ１６に入射した反射光は、受光レンズ１６で集光された後、反射鏡１７で反射して、ＳＰＡＤアレイ７ａで受光される。つまり、回転走査部４は、対象物５０からの反射光を回転鏡４ａで反射して、受光レンズ１６と反射鏡１７を介してＳＰＡＤアレイ７ａへ導く。

図４は、距離計測装置１００の電気的構成図である。距離計測装置１００には、制御部１、発光モジュール２、ＬＤ駆動回路３、モータ４ｃ、モータ駆動回路５、エンコーダ６、受光モジュール７、コンパレータ８、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）９、ＤＡＣ（Digital to Analog Converter）１０、記憶部１１、およびインタフェイス１２が備わっている。

制御部１は、マイクロコンピュータなどから成り、距離計測装置１００の各部の動作を制御する。制御部１には、距離算出部１ａ、最大値検出部１ｂ、および閾値設定部１ｃが設けられている。

記憶部１１は、揮発性や不揮発性のメモリから成る。記憶部１１には、制御部１が距離計測装置１００の各部を制御するための情報や、対象物５０までの距離を計測するための情報などが記憶されている。

インタフェイス１２は、車両に搭載されたＥＣＵ（電子制御装置）と通信するための通信回路から成る。制御部１は、インタフェイス１２によりＥＣＵに対して、対象物５０までの距離に関する情報や各種制御情報を送受信する。

発光モジュール２には、前述した複数のＬＤ２ａと、各ＬＤ２ａを発光させるためのキャパシタ２ｃなどが設けられている。図４では、便宜上、ＬＤ２ａとキャパシタ２ｃのブロックを、それぞれ１つ示している。発光モジュール２は、本発明の「発光部」の一例である。

制御部１は、ＬＤ駆動回路３により発光モジュール２のＬＤ２ａの動作を制御する。具体的には、制御部１は、ＬＤ駆動回路３によりＬＤ２ａを発光させて、人や物体などの対象物５０に光を照射する。また、制御部１は、ＬＤ駆動回路３によりＬＤ２ａの発光を停止させて、キャパシタ２ｃを充電する。

また、制御部１は、モータ駆動回路５により回転走査部４のモータ４ｃの駆動を制御する。そして、制御部１は、前述したように、回転鏡４ａを回転させて、ＬＤ２ａから照射した光パルスや、対象物５０による反射光を偏向する。この際、制御部１は、エンコーダ６の出力に基づいて、モータ４ｃや回転鏡４ａの回転状態（回転角や回転数など）を検出する。

受光モジュール７には、ＳＰＡＤアレイ７ａ、ＴＩＡ（Trans Impedance Amplifier）７ｂ、およびＭＵＸ（Multiplexer）７ｃが含まれている。受光モジュール７は、本発明の「受光部」の一例である。

ＳＰＡＤアレイ７ａは、複数のＳＰＡＤ群７ｇを有している。図４では、代表的に最上位置にあるＳＰＡＤ群７ｇの回路構成を示しているが、他のＳＰＡＤ群７ｇの回路構成も同様である。

各ＳＰＡＤ群７ｇでは、ＳＰＡＤ７ｓのアノードにクエンチング抵抗Ｒｃの一端を接続したものを１ピクセル（基本単位）とし、該ピクセルを多数並列に接続している。各ＳＰＡＤ群７ｇは、図３に示した各チャンネル１ｃｈ〜Ｘｃｈに対応している。このため、各ＳＰＡＤ群７ｇにおいて、ＳＰＡＤ７ｓおよびクエンチング抵抗Ｒｃは、ｍ×ｎ画素分設けられている。ＳＰＡＤアレイ７ａ（またはＳＰＡＤ群７ｇ）は、ＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter）とも呼ばれている。

各ＳＰＡＤ群７ｇの各クエンチング抵抗Ｒｃの他端は、ＴＩＡ７ｂに接続されている。各ＳＰＡＤ群７ｇのＳＰＡＤ７ｓのカソードは、電源＋Ｖに接続されている。この各ＳＰＡＤ群７ｇと電源＋Ｖとの間に、ローパスフィルタが設けられることもある。

ＴＩＡ７ｂは、ＳＰＡＤ群７ｇ毎に設けられている。図４では、便宜上、一部のＳＰＡＤ群７ｇに接続されたＴＩＡ７ｂのみ示しているが、他のＳＰＡＤ群７ｇにも同様にＴＩＡ７ｂが接続されている。

各ＳＰＡＤ群７ｇにおいて、各ＳＰＡＤ７ｓに降伏電圧以上のバイアス電圧を印加しておくことにより、少なくともいずれか１つのＳＰＡＤ７ｓに単一のフォトンが入射すると、該ＳＰＡＤ７ｓはガイガー放電して、所定の電流を出力する（アバランシェ現象）。この際、並列に接続された各ＳＰＡＤ７ｓからの出力電流が加算されて、該加算電流がＳＰＡＤ群７ｇに流れる。

ＳＰＡＤ７ｓが電流を出力すると、該ＳＰＡＤ７ｓに接続されたクエンチング抵抗Ｒｃの両端電圧が上昇して、該ＳＰＡＤ７ｓのバイアス電圧が降下して行く。そして、そのバイアス電圧が降伏電圧を下回ると、ＳＰＡＤ７ｓのガイガー放電が停止して、ＳＰＡＤ７ｓから電流が出力されなくなり、クエンチング抵抗Ｒｃの両端電圧が降下して、ＳＰＡＤ７ｓに再び降伏電圧以上の電圧が印加される。これにより、各ＳＰＡＤ７ｓの加算電流もＳＰＡＤ群７ｇで流れなくなり、次のフォトンがＳＰＡＤ７ｓで検出可能となる。

上記のようなＳＰＡＤ群７ｇからの出力電流は、該ＳＰＡＤ群７ｇに接続されたＴＩＡ７ｂにより電圧信号に変換されて、ＭＵＸ７ｃへ出力される。ＭＵＸ７ｃは、各ＴＩＡ７ｂの出力信号を選択し、コンパレータ８に出力する。すなわち、各ＳＰＡＤ群７ｇのＳＰＡＤ７ｓの受光状態に応じた電圧信号が、受光モジュール７から順次コンパレータ８に出力される。

発光モジュール２のＬＤ２ａから照射された光パルスの照射角度によって、該光パルスの対象物５０による反射光は、図３に示したＳＰＡＤアレイ７ａの受光面の対応するチャンネル１ｃｈ〜Ｘｃｈに入射する。太陽光などの外乱光も、各チャンネル１ｃｈ〜Ｘｃｈに入射する。

つまり、各ＳＰＡＤ群７ｇの各ＳＰＡＤ７ｓには、対象物５０による反射光のフォトンまたは外乱光のフォトンが入射する。このため、各ＳＰＡＤ群７ｇからは、対象物５０による反射光のフォトンの受光に基づく電圧信号、または外乱光のフォトンの受光に基づく電圧信号が出力される。

図５は、受光モジュール７からコンパレータ８に入力される出力信号の一例を示した図である。図５では、横軸に時間、縦軸に電圧を示している。

ＳＰＡＤ７ｓでは、従来のフォトダイオードなどの受光素子に比べて、受光時のガイガー放電により出力する信号（電流信号）の立ち上がり速度が速い。このため、ＳＰＡＤ群７ｇの各ＳＰＡＤ７ｓの受光状態に応じた受光モジュール７からの出力信号（電圧信号）は、図５に示すように、鋭く立ち上がる。そして、クエンチング抵抗Ｒｃによるガイガー放電の停止時に、ＳＰＡＤ７ｓが出力する信号は、ある程度まで急激に立ち下がった後、なだらかに低下する。このため、受光モジュール７からの出力信号も、図５に示すように、ある程度まで急激に立ち下がった後、なだらかに低下する。

このように、受光素子として複数のＳＰＡＤ７ｓを用いた受光モジュール７からは、従来の受光素子を用いた受光モジュールに比べて、立ち上がりと立ち下がりが急峻な電圧パルスが出力される。

ＬＤ２ａから照射された光パルスの対象物５０による反射光がＳＰＡＤ群７ｇに入射した場合は、フォトンが入射するＳＰＡＤ７ｓの数が多くなるので、該ＳＰＡＤ群７ｇからの出力電流が大きくなる。一方、外乱光がＳＰＡＤ群７ｇに入射した場合は、対象物５０による反射光が入射した場合に比べて、フォトンが入射するＳＰＡＤ７ｓの数が少なくなるため、該ＳＰＡＤ群７ｇからの出力電流が小さくなる。

そのため、対象物５０による反射光に基づく受光モジュール７からの出力信号は、図５に１点鎖線で囲んでいるように、レベル（波高値）が大きくなる。これに対して、外乱光に基づく受光モジュール７からの出力信号は、図５に２点鎖線で囲んでいるように、レベル（波高値）が小さくなる。

対象物５０による反射光が一時的な光であるのに対して、外乱光は定常光であるので、ＳＰＡＤアレイ７ａの各ＳＰＡＤ７ｓには、外乱光のフォトンが常にランダムに入射する。このため、各ＳＰＡＤ群７ｇからは、外乱光の受光に応じて電流信号が常にランダムに出力され、受光モジュール７からは、図５に示すように、外乱光に基づくレベルの小さい電圧信号が常にランダムに出力される。

また、各ＳＰＡＤ群７ｇからは、周囲の温度や個体特性などに起因したダークパルスやアフターパルスも出力されることがある。ダークパルスやアフターパルスは、対象物５０による反射光に基づくパルスに比べて、レベルが小さい。このため、受光モジュール７からも、図５に２点鎖線で囲んでいるように、ダークパルスやアフターパルスに基づくレベルの小さい電圧信号がランダムに出力される。

受光モジュール７からの出力信号のうち、対象物５０による反射光に基づく出力信号は、対象物５０までの距離計測用の受光信号であり、外乱光やダークパルスやアフターパルスに基づく出力信号は、距離計測に関与しないノイズである。

図４に示すコンパレータ８は、ＭＵＸ７ｃからの出力信号（電圧信号）と所定の閾値（後述する図８の閾値Ｖｔ）とを比較して、該出力信号が距離計測用の受光信号であるかノイズであるかを区別する。具体的には、コンパレータ８は、ＭＵＸ７ｃの出力信号が閾値より大きい場合、該出力信号が距離計測用の受光信号であることを示すため、所定信号（たとえばハイレベル信号）をＡＤＣ９に出力する。

また、コンパレータ８は、ＭＵＸ７ｃの出力信号が閾値以下である場合、該出力信号がノイズであることを示すため、ＡＤＣ９に所定信号を出力しない。このとき、コンパレータ８は、別の所定信号（たとえばローレベル信号）をＡＤＣ９に出力してもよいし、ＡＤＣ９に何も信号を出力しなくてもよい。コンパレータ８は、本発明の「比較出力部」の一例である。

ＡＤＣ９は、サンプリングレートが１０ＧＳｐｓの１ビットのアナログデジタルコンバータである。ＡＤＣ９は、コンパレータ８から出力されるアナログ信号を、高速でデジタル信号に変換して、制御部１に出力する。具体的には、コンパレータ８から所定信号が出力されたとき、ＡＤＣ９は、該所定信号をデジタルの「１」信号に変換して、制御部１に出力する。また、コンパレータ８から所定信号が出力されていないとき（コンパレータ８から別の所定信号が出力されたとき、またはコンパレータ８の出力が無信号状態のとき）、ＡＤＣ９は、デジタルの「０」信号を制御部１に出力する。

制御部１の距離算出部１ａは、ＬＤ２ａからの光パルスの照射時刻を検出する。また、ＡＤＣ９から「１」信号が出力された場合に、該「１」信号に基づいて、ＬＤ２ａからの光パルスの対象物５０による反射光の受光時刻を検出する。そして、光パルスの照射時刻と反射光の受光時刻とに基づいて、対象物５０までの距離を算出する。詳しくは、ＬＤ２ａから照射した光パルスのＴＯＦ（Time of Flight）を検出し、該ＴＯＦに基づいて対象物５０までの距離を算出する。

受光モジュール７により検出されるノイズ（図５）のレベルは、周囲環境などに起因して変動する。受光モジュール７からの出力信号が距離計測用の受光信号であるかノイズであるかを精度良く区別するには、コンパレータ８で用いる閾値をその都度適切に設定する必要がある。そのため、閾値は、後述するように、コンパレータ８、ＡＤＣ９、制御部１の最大値検出部１ｂ、閾値設定部１ｃ、およびＤＡＣ１０により、受光モジュール７から出力されるノイズのレベルに応じて変更される。

ＤＡＣ１０は、８ビットのデジタルアナログコンバータである。ＤＡＣ１０は、制御部１から入力される閾値に関するデジタル信号をアナログ信号に変換して、コンパレータ８に出力する。コンパレータ８は、ＤＡＣ１０から入力されるアナログ信号に基づいて、閾値を変更する。

図６は、距離計測装置１００の動作タイミングを示した図である。たとえば、発光モジュール２のＬＤ２ａからは、図６（ａ）に示すように、光パルスが５ｎｓ（ナノ秒）の幅で５μｓ（マイクロ秒）毎に照射される。ＬＤ２ａの動作は制御部１により制御され、ＬＤ２ａからの光パルスの照射時刻は距離算出部１ａにより検出される。

距離算出部１ａのＴＯＦによる距離測定には１μｓかかる。このため、ＬＤ２ａにより光パルスの照射を開始してから１μｓ間が、光パルスの対象物５０による反射光を受光モジュール７により受光する受光期間Ｔ１である（図６（ｂ））。そして、その後の４μｓは、ＬＤ２ａから光パルスが照射されないので、光パルスの対象物５０による反射光を受光モジュール７により受光しない非受光期間Ｔ２である（図６（ｂ））。この非受光期間Ｔ２に、外乱光を受光モジュール７により受光して、受光モジュール７から出力されるノイズを検出する。

図７は、受光モジュール７とコンパレータ８のノイズ検出時の出力信号を示した図である。図７（ａ）は、図６の非受光期間Ｔ２に受光モジュール７から出力される信号を示している。この出力信号は、外乱光やダークパルスやアフターパルスに基づくノイズであり、対象物５０による反射光に基づく受光信号を含んでいない。

非受光期間Ｔ２において、制御部１の閾値設定部１ｃは、大きさが段階的に異なる複数の仮閾値Ｖ１〜Ｖｎを示したデジタルの情報を、ＤＡＣ１０に昇順に出力する。ＤＡＣ１０は、閾値設定部１ｃからいずれかの仮閾値Ｖ１〜Ｖｎを示した情報が入力される度に、該情報をアナログ信号に変換して、コンパレータ８に出力する。コンパレータ８は、ＤＡＣ１０からいずれかの仮閾値Ｖ１〜Ｖｎを示した信号が入力される度に、受光モジュール７からの出力信号と比較する仮閾値Ｖ１〜Ｖｎを切り替えて、両者の比較を行う。つまり、図７（ａ）に示すように、受光モジュール７からの出力信号と比較する仮閾値が、Ｖ１→Ｖ２→Ｖ３→・・・→Ｖｎと段階的に変更される。

そして、コンパレータ８は、受光モジュール７からの出力信号が仮閾値より大きいときに、所定信号（オン信号）を出力する。図７（ｂ）、（ｃ）は、代表的に、それぞれコンパレータ８が受光モジュール７からの出力信号と仮閾値Ｖ１、Ｖ４とを比較したときの、コンパレータ８の出力状態を示している。出力信号が仮閾値Ｖ１、Ｖ４を超えている間、コンパレータ８からオン信号が出力される。また、図７（ｄ）は、コンパレータ８が受光モジュール７からの出力信号と仮閾値Ｖ５〜Ｖｎとを比較したときの、コンパレータ８の出力状態を示している。出力信号が仮閾値Ｖ５〜Ｖｎを超えないため、コンパレータ８からオン信号は出力されない。

ＡＤＣ９は、コンパレータ８から出力される所定信号を、デジタル信号に変換して、制御部１に出力する。制御部１の最大値検出部１ｂは、閾値設定部１ｃが出力した仮閾値Ｖ１〜Ｖｎ毎に、コンパレータ８からＡＤＣ９を介して出力される所定信号の出力頻度を検出し、該出力頻度に基づいてノイズの最大値を検出する。

具体的には、たとえば最大値検出部１ｂは、所定信号が出力された仮閾値のうちの最大の仮閾値以上で、かつ所定信号が出力されなかった仮閾値のうちの最小の仮閾値未満の値（範囲）を、ノイズの最大値として検出する。図７の例では、仮閾値Ｖ４以上でかつ仮閾値Ｖ５未満の値が、ノイズの最大値となる。

他の例として、所定信号が出力された仮閾値のうちの最大の仮閾値を、ノイズの最大値として検出してもよい。この場合、図７の例では、仮閾値Ｖ４がノイズの最大値となる。

たとえば、仮閾値Ｖ１〜Ｖｎとして大きさが異なる１０個の値を設定した場合（ｎ＝１０）、４μｓの非受光期間Ｔ２が各閾値に対応して１０区間に分割され、１区間あたりが４００ｎｓとなる。そして、１ビットのＡＤＣ９でコンパレータ８からの出力信号を変換処理することで、非受光期間Ｔ２に少なくとも４００サンプルのデータを観測することができる。

上述したように、最大値検出部１ｂによりノイズの最大値が検出されると、閾値設定部１ｃは、該最大値に基づいて距離計測用の閾値（以下、「本閾値」という。）Ｖｔを設定する。このとき、たとえば閾値設定部１ｃは、最大値検出部１ｂにより検出されたノイズの最大値より１段階大きい仮閾値を、本閾値Ｖｔとして設定する。図７の例では、ノイズの最大値が仮閾値Ｖ５未満なので、仮閾値Ｖ５が本閾値Ｖｔとして設定される。

他の例として、最大値検出部１ｂにより検出されたノイズの最大値と同等の仮閾値を、本閾値Ｖｔとして設定してもよい。具体的には、図７の例では、ノイズの最大値が仮閾値Ｖ４以上なので、仮閾値Ｖ４を本閾値Ｖｔとして設定してもよい。つまり、本閾値Ｖｔは、最大値検出部１ｂにより検出されたノイズの最大値以上に設定すればよい。

そして、閾値設定部１ｃは、本閾値Ｖｔを示したデジタルの情報をＤＡＣ１０に出力する。ＤＡＣ１０は、本閾値Ｖｔを示した情報をアナログ信号に変換して、コンパレータ８に出力する。コンパレータ８は、ＤＡＣ１０からの入力信号に基づいて、受光モジュール７からの出力信号と比較する閾値を変更する。これにより、次の対象物５０による反射光を受光モジュール７により受光する受光期間Ｔ１に、コンパレータ８が、受光モジュール７からの出力信号と本閾値Ｖｔとを比較する。つまり、ＬＤ２ａから光パルスが照射される毎に、ノイズのレベルに応じて、コンパレータ８で使用される閾値が変更される。

他の例として、たとえば、ＬＤ２ａから光パルスが所定の複数回照射される毎に、ノイズのレベルに応じて、コンパレータ８で使用される閾値を変更するようにしてもよい。

図８は、受光モジュール７とコンパレータ８の反射光検出時の出力信号を示した図である。図８（ａ）は、図６の受光期間Ｔ１に受光モジュール７から出力される信号を示している。この出力信号は、外乱光等に基づくノイズと、対象物５０による反射光に基づく受光信号とを含んでいる。

前述したように、前回の非受光期間Ｔ２に本閾値Ｖｔを設定することで、今回の受光期間Ｔ１では、ノイズが本閾値Ｖｔより大きくなることはなく、対象物５０による反射光に基づく受光信号だけが本閾値Ｖｔより大きくなる。このため、コンパレータ８が、受光モジュール７からの出力信号が本閾値Ｖｔより大きいときに、図８（ｂ）に示すように所定信号（オン信号）を出力することで、該所定信号が確実に対象物５０による反射光に基づく信号となる。

コンパレータ８から出力された所定信号がＡＤＣ９を介して制御部１に入力されると、距離算出部１ａは、該入力信号に基づいて対象物５０による反射光の受光時刻を検出する。そして、距離算出部１ａは、ＬＤ２ａからの光パルスの照射時刻と、対象物５０による反射光の受光時刻とに基づいて、光パルスのＴＯＦ（Time of Flight）を検出し、該ＴＯＦに基づいて対象物５０までの距離を算出する。

以上の実施形態によると、発光モジュール２から照射した光パルスの対象物５０による反射光を、受光モジュール７により受光しない非受光期間Ｔ２に、外乱光が受光モジュール７のＳＰＡＤ７ｓにより受光されるので、ＳＰＡＤ７ｓの受光状態に応じて受光モジュール７から出力される出力信号が、外乱光や周囲の温度などに基づくノイズだけとなる。このため、ノイズの最大値を最大値検出部１ｂにより検出して、該最大値に基づいて本閾値Ｖｔを閾値設定部１ｃにより設定することで、ノイズのレベルに応じた本閾値Ｖｔとすることができる。

また、その後、発光モジュール２から照射した光パルスの対象物５０による反射光を、受光モジュール７により受光する受光期間Ｔ１に、受光モジュール７からの出力信号にノイズが含まれていても、受光モジュール７からの出力信号と本閾値Ｖｔとをコンパレータ８により比較することで、反射光に基づく受光信号とノイズとを確実に区別することができる。そして、受光モジュール７からの出力信号が本閾値Ｖｔより大きい場合、すなわち受光モジュール７からの出力信号が反射光に基づく受光信号である場合に、コンパレータ８から所定信号を出力するので、距離算出部１ａにより反射光の受光時刻を検出して、該受光時刻および発光モジュール２からの光パルスの照射時刻に基づいて、対象物５０までの距離を精度良く算出することができる。よって、受光モジュール７から出力される信号にノイズが含まれていても、対象物５０までの距離を精度良く計測することが可能となる。

また、以上の実施形態では、対象物５０による反射光を受光モジュール７により受光しない非受光期間Ｔ２に、閾値設定部１ｃが、本閾値Ｖｔを、最大値検出部１ｂにより検出された最大値より大きな値に設定している。このため、その後、光パルスの対象物５０による反射光を受光モジュール７により受光する受光期間Ｔ１に、コンパレータ８により受光モジュール７からの出力信号と本閾値Ｖｔとを比較して、受光モジュール７からの出力信号が本閾値ｖｔより大きい場合に、反射光に基づく受光信号だけに応じた所定信号を確実に出力することができる。そして、距離算出部１ａにおいて、コンパレータ８からＡＤＣ９を介して入力された所定信号に基づいて、反射光の受光時刻を検出し、該受光時刻および発光モジュール２からの光パルスの照射時刻に基づいて、対象物５０までの距離を一層精度良く算出することができる。

また、以上の実施形態では、受光モジュール７は、ＳＰＡＤ７ｓが複数並列に接続されたＳＰＡＤ群７ｇを複数配列したＳＰＡＤアレイ７ａと、各ＳＰＡＤ群７ｇから出力される電流信号を電圧信号に変換するＴＩＡ７ｂとを有している。このため、各ＳＰＡＤ７ｓの受光状態に応じてＳＰＡＤ群７ｇ毎に出力される電圧信号を、ＭＵＸ７ｃにより選択して、コンパレータ８に取り込むことができる。そして、コンパレータ８により受光モジュール７からの電圧信号と閾値とを比較した結果に基づいて所定信号を出力し、該所定信号をＡＤＣ９を介して制御部１に入力することができる。また、ＳＰＡＤ７ｓは、他の受光素子に比べて、出力する電流信号の立ち上がりが速いので、単位時間における受光モジュール７からの電圧信号の出力数を多くして、対象物５０までの距離の検出精度を一層高めることができる。

また、以上の実施形態では、光パルスの対象物５０による反射光を受光モジュール７により受光しない非受光期間Ｔ２に、コンパレータ８において、大きさが段階的に異なる複数の仮閾値を順番に切り替えて、受光モジュール７からの出力信号と比較し、出力信号が仮閾値より大きいときに所定信号を出力している。そして、仮閾値毎にコンパレータ８からＡＤＣ９を介して出力される所定信号の出力頻度に基づいて、最大値検出部１ｂが受光モジュール７からの出力信号の最大値を検出している。このため、受光モジュール７から出力されるノイズの最大値を最大値検出部１ｂにより精度良く検出して、ノイズのレベルに応じた閾値を閾値設定部１ｃにより的確に設定することができる。

さらに、以上の実施形態では、コンパレータ８から順次出力されるアナログの所定信号を、１ビットのＡＤＣ９によりデジタルの所定信号に変換している。このため、ＳＰＡＤ７ｓの受光状態に応じてＳＰＡＤ群７ｇ毎に受光モジュール７から出力される電圧信号に基づいて、コンパレータ８から出力される信号を、ＡＤＣ９により高速でデジタル信号に変換して、制御部１に取り込むことができる。そして、距離算出部１ａにおいて、光パルスのＴＯＦを検出するためのサンプル数を多くして、ＴＯＦの検出精度を高め、対象物５０までの距離の計測精度を一層向上させることが可能となる。

本発明は、上述した以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、以上の実施形態では、コンパレータ８から１ビットのＡＤＣ９を経由して制御部１に入力された所定信号に基づいて、最大値検出部１ｂおよび閾値設定部１ｃにより本閾値Ｖｔを設定し、かつ距離算出部１ａにより対象物５０までの距離を算出した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば図９に示すように、閾値設定用のコンパレータ８およびＤＡＣ１０とは別に、距離算出用のコンパレータ８ａおよびＤＡＣ１０ａを設けて、該コンパレータ８ａの出力信号を制御部１に設けたＴＤＣ（Time to Digital Converter）１ｅに入力するようにしてもよい。コンパレータ８ａは、本発明の「比較出力部」の一例である。ＴＤＣ１ｅは、距離算出部１ｄに含まれている。

図９では、受光モジュール７のＭＵＸ７ｃから各コンパレータ８、８ａに電圧信号を出力する。光パルスの対象物５０による反射光を受光しない非受光期間Ｔ２では、閾値設定部１ｃが、仮閾値を順次ＤＡＣ１０を介してコンパレータ８に設定する。コンパレータ８は、受光モジュール７からの出力信号を仮閾値と比較して、該比較結果に基づいて所定信号を出力する。コンパレータ８からの所定信号は、１ビットのＡＤＣ９を介して制御部１に入力され、該入力信号に基づいて、最大値検出部１ｂがノイズの最大値を検出し、該最大値に基づいて閾値設定部１ｃが本閾値Ｖｔを設定する。そして、その本閾値Ｖｔが閾値設定部１ｃからＤＡＣ１０ａを介してコンパレータ８ａに設定される。

また、光パルスの対象物５０による反射光を受光する受光期間Ｔ１では、コンパレータ８ａが、受光モジュール７からの出力信号を本閾値Ｖｔと比較する。そして、受光モジュール７からの出力信号が本閾値Ｖｔより大きい場合に、コンパレータ８ａからＴＤＣ１ｅに所定信号が出力される。

図１０は、ＴＤＣ１ｅの回路構成を示した図である。ＴＤＣ１ｅのＳｔａｒｔのバス１３には、ＬＤ２ａから光パルスを照射するための発光信号（制御部１から発光モジュール２への発光指令）が入力される。このＳｔａｒｔのバス１３に遅延バッファ１５を複数挿入することにより、遅延ラインが構成されている。各遅延バッファ１５に対応するように、Ｄラッチ１６が複数設けられている。発光信号は、Ｓｔａｒｔのバス１３を通じて、各遅延バッファ１５に順次入力されるとともに、各遅延バッファ１５の手前から各Ｄラッチ１６の一方の入力端Ｄに順次入力される。受光信号は、Ｓｔｏｐのバス１４を通じて、各Ｄラッチ１６の他方の入力端に入力される。各Ｄラッチ１６の出力端Ｑからのデジタルの出力信号Ｄ１〜Ｄｎは、距離算出部１ｄに入力される。

距離算出部１ｄは、発光信号のＳｔａｒｔのバス１３への入力に基づいて、光パルスの照射時刻を検出し、各Ｄラッチ１６からの出力信号Ｄ１〜Ｄｎの出力に基づいて、反射光の受光時刻を検出する。そして、距離算出部１ｄは、光パルスの照射時刻と反射光の受光時刻とに基づいて、光パルスの飛行時間を算出し、該飛行時間に基づいて、対象物５０までの距離を計測する。このようにすると、ＴＤＣ１ｅにより高速サンプリング（たとえば、１０ＧＳｐｓ）で時間の計測を行うことができる。

また、以上の実施形態では、図４に示したように、ＳＰＡＤ群７ｇの各ＳＰＡＤ７ｓにクエンチング抵抗Ｒｃを１対１で接続して、各ＳＰＡＤ群７ｇから出力される電流をＴＩＡ７ｂにより電圧に変換した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば図１１に示すように、各ＳＰＡＤ群７ｇ’の複数のＳＰＡＤ７ｓのアノード側に、共通の抵抗Ｒｄと、高速アンプ７ｄを接続してもよい。この場合、ＳＰＡＤ７ｓへのフォトンの入射により、ＳＰＡＤ群７ｇ’に電流が流れて、抵抗Ｒｄに電圧降下が生じ、該電圧降下を高速アンプ７ｄにより電圧信号として取り出して、ＭＵＸ７ｃに出力する。

また、以上の実施形態では、各ＳＰＡＤ群からの出力電流に応じた電圧信号を、コンパレータで閾値と比較した例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば、各ＳＰＡＤ群からの出力電流に応じた電流信号を、コンパレータで電流の閾値と比較して、対象物による反射光かノイズかを区別してもよい。

また、以上の実施形態では、受光素子としてＳＰＡＤを用いた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではなく、その他の受光素子を用いてもよい。また、ＳＰＡＤ群のような、複数の受光素子を並列に接続した素子群を、受光部に１つだけ設けてもよい。また、受光素子群を構成せずに、複数の受光素子を独立して受光部に設けて、受光部から各受光素子の受光状態に応じた信号をそれぞれ出力してもよい。また、ＬＤ以外の発光素子を１つまたは複数用いてもよい。

さらに、以上の実施形態では、車載用の距離計測装置１００に本発明を適用した例を挙げたが、その他の用途の距離計測装置に対しても、本発明を適用することは可能である。

１ａ、１ｄ 距離算出部
１ｂ 最大値検出部
１ｃ 閾値設定部
１ｅ ＴＤＣ
２ 発光モジュール（発光部）
２ａ ＬＤ（発光素子）
７ 受光モジュール（受光部）
７ｇ、７ｇ’ ＳＰＡＤ群
７ｓ ＳＰＡＤ（受光素子）
８、８ａ コンパレータ（比較出力部）
９ １ビットのＡＤＣ
５０ 対象物
１００ 距離計測装置
Ｔ１ 受光期間
Ｔ２ 非受光期間
Ｖ１〜Ｖｎ 仮閾値
Ｖｔ 本閾値

Claims (6)

1. 光パルスを照射する発光素子を有する発光部と、
   前記光パルスの前記対象物による反射光を受光する複数の受光素子を有する受光部と、
   前記受光素子の受光状態に応じて前記受光部から出力される出力信号と所定の閾値とを比較して、前記出力信号が前記閾値より大きい場合に所定信号を出力する比較出力部と、
   前記比較出力部から前記所定信号が出力された場合に、前記受光部による前記反射光の受光時刻を検出し、該受光時刻と前記発光部からの前記光パルスの照射時刻とに基づいて、前記対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えた距離計測装置において、
   前記反射光を前記受光部により受光しない非受光期間に、前記受光部からの前記出力信号の最大値を検出する最大値検出部と、
   前記最大値検出部により検出された前記最大値に基づいて、前記非受光期間に前記閾値を設定する閾値設定部と、をさらに備えたことを特徴とする距離計測装置。
2. 請求項１に記載の距離計測装置において、
   前記閾値設定部は、前記閾値を、前記最大値検出部により検出された前記最大値以上の値に設定する、ことを特徴とする距離計測装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の距離計測装置において、
   前記受光素子は、ガイガーモードのＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）から成り、
   前記受光部は、前記受光素子が複数並列に接続された受光素子群を少なくとも１つ含み、前記受光素子群から出力される電流に応じた電圧信号を前記出力信号として出力する、ことを特徴とする距離計測装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の距離計測装置において、
   前記非受光期間に、
   前記比較出力部は、大きさが段階的に異なる複数の仮閾値を順番に切り替えて、前記受光部からの前記出力信号と比較し、前記出力信号が前記仮閾値より大きいときに前記所定信号を出力し、
   前記最大値検出部は、前記仮閾値毎に前記比較出力部から出力される前記所定信号の出力頻度に基づいて、前記受光部からの前記出力信号の前記最大値を検出する、ことを特徴とする距離計測装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の距離計測装置において、
   前記比較出力部から出力されるアナログの前記所定信号をデジタルの所定信号に変換して前記距離算出部に出力する１ビットのアナログデジタルコンバータをさらに備えた、ことを特徴とする距離計測装置。
6. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の距離計測装置において、
   前記距離算出部は、ＴＤＣ（Time to Digital Converter）を含んでいる、ことを特徴とする距離計測装置。

Images