JP2019039715A - 時間測定装置、距離測定装置、移動体、時間測定方法、及び距離測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測距可能距離の向上、測定精度の向上、及び測定処理の高速化を実現する。【解決手段】走査領域へ光を照射し、光が前記走査領域内に存在する対象物に反射された反射光を受光することにより検出信号を取得し、光の照射から検出信号の取得までの時間を測定する時間測定装置であって、測定を複数回行い、検出信号の幅を、測定を行う毎に検出し、時間又は前記時間に基づく値を所定単位で区切られた複数の階級に区分し、測定における検出信号を対応する階級に分類し、複数の階級のそれぞれに分類された複数回の測定における検出信号の幅の変化と、複数の階級のそれぞれに分類された検出信号の数と、に基づいて、複数回の前記測定により得られた複数の前記時間の中から、対象物に反射された反射光を測定した時間を抽出する。【選択図】図１８

Description

本発明は、時間測定装置、距離測定装置、移動体、時間測定方法、及び距離測定方法に関する。

測距技術として、パルスレーザ光を対象物へ照射し、パルスレーザ光の照射タイミングと、パルスレーザ光が対象物に反射された反射光の受光タイミングとの時間差（光飛行時間）に基づいて、対象物までの距離を算出するＴＯＦ（Time of Flight）法が利用されている。このような測距技術はＬＩＤＡＲ（Laser Imaging Detection and Ranging）と称され、例えば移動体（車両、飛行機、船舶等）に搭載される自動運転システム等に利用されている。

反射光の受光を検知するための閾値を低く設定した場合でも誤検出を低減させることを目的として、レーザ光を同一の照射角度で複数回照射することにより得られた複数の算出結果（距離）の分散値を算出し、予め設定された分散値と複数の算出結果の分散値とを比較する技術が開示されている（特許文献１）。

雨天等によるノイズ成分を抑制して測距精度を向上させることを目的として、距離ヒストグラムを作成し、測定された距離が所定距離ずつ区切られた複数の階級のうちのどの階級に属するかを判断し、最大頻度となる階級を中心とした所定範囲の出力電圧信号の平均値に基づいて距離を算出する技術が開示されている（特許文献２）。

ＬＩＤＡＲを利用した装置において、測距可能距離の向上、測定精度の向上（ノイズによる誤検出の低減）、及び測定処理の高速化が求められている。測距可能距離は、反射光の受光を検知するための閾値を低く設定することにより向上され得る。例えば、光電変換素子により反射光の光量を電気信号（電圧）に変換する場合、反射光を受光したと判断するための閾値電圧を低く設定することにより、弱い反射光、すなわち遠方の対象物からの反射光を検出することが可能となる。しかし、閾値を低く設定すると、反射光以外の要因により発生するノイズ（雨、日光、回路ノイズ等により発生する電圧等）を検出しやすくなるため、測定精度が低くなる。

上記従来技術のように、複数の算出結果の分散値を利用したり、距離ヒストグラムの最大頻度となる階級を参照したりすることにより、閾値を低く設定して測距可能距離を伸ばしたり、ノイズによる誤検出を低減させたりすることが可能となる。しかし、このような手法を実現させるためには、対象物が存在する領域へレーザ光を多数回走査させる必要があるため、測定処理の高速化という観点では改善の余地がある。例えば、１回の走査に６０ｍｓかかり、分散が統計的に信頼できるだけの回数が３０回であるとすると、１回の測定処理に１．８秒程度かかることとなる。このような測定処理時間では、移動体における測距を十分に行うことができない。例えば車両に搭載する自動運転システムとしては、数回の走査でショットノイズや雨等によるノイズを判別し、且つ十分な測距距離を実現することが求められる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、測距可能距離の向上、測定精度の向上、及び測定処理の高速化を実現することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一形態は、走査領域へ光を照射し、前記光が前記走査領域内に存在する対象物に反射された反射光を受光することにより検出信号を取得し、前記光の照射から前記検出信号の取得までの時間を測定する時間測定装置であって、前記測定を複数回行い、前記検出信号の幅を、前記測定を行う毎に検出し、前記時間又は前記時間に基づく値を所定単位で区切られた複数の階級に区分し、前記測定における前記検出信号を対応する階級に分類し、前記複数の階級のそれぞれに分類された複数回の前記測定における前記検出信号の幅の変化と、前記複数の階級のそれぞれに分類された前記検出信号の数と、に基づいて、複数回の前記測定により得られた複数の前記時間の中から、前記対象物に反射された反射光を測定した時間を抽出する、ことを特徴とする。

本発明によれば、測距可能距離の向上、測定精度の向上、及び測定処理の高速化を実現することが可能となる。

図１は、第１の実施形態に係る距離測定装置の構成を例示するブロック図である。 図２は、第１の実施形態に係る投光系及び同期系の構成を模式的に例示する図である。 図３は、第１の実施形態に係る受光光学系の構成を模式的に例示する図である。 図４は、第１の実施形態に係る投光系と受光光学系との位置関係を模式的に例示する図である。 図５は、第１の実施形態に係る同期系により生成される同期信号を例示するタイミングチャートである。 図６は、第１の実施形態の第１の例に係る光飛行時間の算出法を例示するグラフである。 図７は、第１の実施形態の第２の例に係る光飛行時間の算出法を例示するグラフである。 図８は、周囲の照度が比較的小さい場合における反射光の検出電圧の波形を例示するグラフである。 図９は、周囲の照度が比較的大きい場合における反射光の検出電圧の波形を例示するグラフである。 図１０は、周囲の照度が比較的大きい場合であってＤＣ成分を除去した場合における反射光の検出電圧の波形を例示するグラフである。 図１１は、周囲の照度が特に大きい場合であってＤＣ成分を除去した場合における反射光の検出電圧の波形を例示するグラフである。 図１２は、対象物距離が比較的小さい場合におけるターゲットピークとノイズ電圧との関係を例示するグラフである。 図１３は、対象物距離が比較的大きい場合におけるターゲットピークとノイズ電圧との関係を例示するグラフである。 図１４は、対象物距離、ターゲットピークのピーク強度、及びノイズ電圧の推定範囲の関係を例示するグラフである。 図１５は、ターゲットピークと雨に起因するノイズピークとを含む検出電圧の波形を例示するグラフである。 図１６は、パルス幅を例示するグラフである。 図１７は、第１の実施形態に係る時間算出部の機能構成を例示するブロック図である。 図１８は、第１の実施形態に係る距離測定装置におけるノイズ判別処理を例示するフローチャートである。 図１９は、実施例１に係る対象物距離とピーク強度との関係を例示するグラフである。 図２０は、実施例１に係る対象物距離と測距成功率との関係を例示するグラフである。 図２１は、比較例１に係る対象物距離と測距成功率との関係を例示するグラフである。 図２２は、比較例２に係る対象物距離と測距成功率との関係を例示するグラフである。 図２３は、フレーム数と測距成功率との関係についてフレーム間処理とσ検閲フレーム間処理との比較結果を例示するグラフである。 図２４は、ヒストグラムの階級幅と測距成功率との関係についてフレーム間処理とσ検閲フレーム間処理との比較結果を例示するグラフである。 図２５は、第２の実施形態に係る距離測定装置におけるノイズ判別処理を例示するフローチャートである。 図２６は、第２の実施形態に係る距離測定装置におけるノイズ判別処理を例示するフローチャートである。 図２７は、実施例２に係る対象物距離と測距成功率との関係を例示するグラフである。 図２８は、フレーム数と測距成功率との関係についてフレーム間処理とσ検閲フレーム間処理と隣接階級取り込み処理との比較結果を例示するグラフである。 図２９は、ヒストグラムの階級幅と測距成功率との関係についてフレーム間処理とσ検閲フレーム間処理と隣接階級取り込み処理との比較結果を例示するグラフである。

以下に添付図面を参照して、時間測定装置、距離測定装置、移動体、時間測定方法、及び距離測定方法の実施形態を詳細に説明する。以下の実施形態によって本発明が限定されるものではなく、以下の実施形態における構成要素には当業者が容易に想到できるもの、実質的に同一のもの、及びいわゆる均等の範囲のものが含まれる。以下の実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換、変更、及び組み合わせを行うことができる。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る距離測定装置１の構成を例示するブロック図である。本実施形態に係る距離測定装置１は、移動体（自動車等）に搭載され、ＬＩＤＡＲ技術を利用して自機から対象物（他車両、障害物、歩行者等）までの距離を測定する走査型レーザレーダである。距離測定装置１は、対象物に向けて走査光を照射し、走査光を照射してから走査光が対象物に反射（散乱）された反射光を受光するまでの時間である光飛行時間に基づいて、自機から対象物までの距離を算出する。距離測定装置１は、例えば車両のバッテリから電力の供給を受ける。

距離測定装置１は、時間測定装置２、測定制御部５、及び対象物認識部６を含む。

時間測定装置２は、走査光が照射された照射タイミングと反射光が受光された受光タイミングとの時間差に基づいて光飛行時間を測定する。測定制御部５は、測定された光飛行時間に基づいて対象物までの距離を算出する。対象物認識部６は、算出された距離に基づいて、走査光の走査範囲内に存在する対象物を認識するための処理を行い、対象物に関する対象物情報を生成する。対象物情報は、例えば距離、位置、移動方向、移動速度、種類（自動車、二輪車、分離帯、電柱、人物、動物等）等を含んでもよい。測定制御部５は、生成された対象物情報を車両のＥＣＵ（Electronic Control Unit）５１に出力し、ＥＣＵ５１から距離（光飛行時間）の測定を制御するための測定制御信号を入力する。測定制御部５は、ＥＣＵ５１から入力された測定制御信号、時間測定装置２から入力される同期信号等に基づいて、時間測定装置２を制御するための信号（ＬＤ（Laser Diode）駆動信号等）を生成する。

時間測定装置２は、投光系１１、受光光学系１２、検出系１３、同期系１４、及び時間算出部１５を含む。

投光系１１は、走査光を生成し、走査光を所定の走査範囲（車両前方の領域等）に照射する機構である。本実施形態に係る投光系１１は、ＬＤ２１、ＬＤ駆動部２２、及び投光光学系２３を含む。

ＬＤ２１は、ＬＤ駆動部２２から出力される駆動電流に応じてパルス状のレーザ光を出力する半導体素子であり、例えば端面発光レーザ等である。ＬＤ駆動部２２は、測定制御部５からのＬＤ駆動信号に応じてパルス状の駆動電流を出力する回路であり、例えば、駆動電流を蓄積するコンデンサ、コンデンサとＬＤ２１との導通／非導通を切り換えるトランジスタ、電源等から構成される。投光光学系２３は、ＬＤ２１から出力されたレーザ光を調光する機構であり、レーザ光を平行化させるカップリングレンズ、レーザ光の進行方向を変化させる偏向器としての回転ミラー等から構成される。投光光学系２３から出力されたパルス状のレーザ光が走査光となる。

受光光学系１２は、走査範囲に照射された走査光が他車両等の対象物に反射された反射光を受光するための機構であり、集光レンズ、平行化レンズ等から構成される。

検出系１３は、反射光を光電変換し、光飛行時間を算出するための電気信号を生成する機構である。本実施形態に係る検出系１３は、時間測定ＰＤ（Photodiode）３１及びＰＤ出力検出部３２を含む。時間測定ＰＤ３１は、反射光の光量に応じた電流（検出電流）を出力するフォトダイオードである。ＰＤ出力検出部３２は、時間測定ＰＤ３１からの検出電流に応じた電圧（検出電圧）を生成するＩ／Ｖ変換回路等から構成される。

同期系１４は、走査光を光電変換し、走査光の照射タイミングを調整するための同期信号を生成する機構である。本実施形態に係る同期系１４は、同期検知ＰＤ４１及び走査光検出部４２を含む。同期検知ＰＤ４１は、走査光の光量に応じた電流を出力するフォトダイオードである。ＰＤ出力検出部４２は、同期検知ＰＤ４１からの電流に応じた電圧を利用して同期信号を生成する回路である。

時間算出部１５は、検出系１３により生成された電気信号（検出電圧等）及び測定制御部５により生成されたＬＤ駆動信号に基づいて光飛行時間を算出する回路であり、例えばプログラムにより制御されるＣＰＵ（Central Processing Unit）、適宜なＩＣ（Integrated Circuit）等により構成される。

図２は、第１の実施形態に係る投光系１１及び同期系１４の構成を模式的に例示する図である。図３は、第１の実施形態に係る受光光学系１２の構成を模式的に例示する図である。図４は、第１の実施形態に係る投光系１１と受光光学系１２との位置関係を模式的に例示する図である。図２〜図４は、Ｚ軸方向を鉛直方向（上下方向）とするＸＹＺ−３次元直交座標系に基づいて作成されている。

図２に示されるように、投光系１１は、ＬＤ２１、ＬＤ２１からの光の光路上に配置されたカップリングレンズ６１、カップリングレンズ６１を通過した走査光６８の光路上に配置された反射ミラー６２、及び反射ミラー６２により反射された走査光６８の光路上に配置された回転ミラー６３を含む。本例では、カップリングレンズ６１と回転ミラー６３との間の反射ミラー６２を配置し光路を折り返すことにより、装置の小型化が図られている。ＬＤ２１から出射された光は、カップリングレンズ６１により所定のビームプロファイルの光に整形された後、反射ミラー６２により反射され、回転ミラー６３によりＺ軸周りに偏向される。

回転ミラー６３は、Ｚ軸に平行な回転軸に固定された複数の反射面６４Ａ，６４Ｂを有する。反射ミラー６２からの光が反射面６４Ａ，６４Ｂに反射されることにより、回転ミラー６３の偏向範囲に対応する有効走査領域内が走査光６８により１軸方向（本例ではＹ軸方向）に走査される。本例に係る偏向範囲（有効走査領域）は、距離測定装置１の＋Ｘ側（例えば車両の前方側）の領域である。

また、回転ミラー６３は、反射ミラー６２からの走査光６８を再び反射ミラー６２に反射させ、走査光６８を同期系１４に送る役割も担っている。同期系１４は、同期検知ＰＤ４１、及び回転ミラー６３から反射ミラー６２を介して反射された走査光６８を同期検知ＰＤ４１に結像させる集光レンズ６６を含む。本例では、回転ミラー６３が走査範囲の最上流点である左走査端より更に上流側に回転したときに、走査光６８が再び反射ミラー６２に反射され、集光レンズ６６を介して同期検知ＰＤ４１に受光される。なお、反射ミラー６２は、回転ミラー６３が走査範囲の最下流点である右走査端より更に下流側に回転したときに走査光６８を再び反射ミラー６２に反射させるように配置されてもよい。同期検知ＰＤ４１は、集光レンズ６６を介して受光した走査光６８を光電変換した電流を出力する。当該電流は同期信号を生成するために利用される。

なお、本例では、光源としてＬＤ２１が用いられているが、光源はこれに限られるものではない。例えば、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER：面発光レーザ）、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）素子、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）等の他の発光素子を用いてもよい。

また、本例に係る回転ミラー６３は２つの反射面６４Ａ，６４Ｂを有しているが、反射面の数はこれに限られるものではなく、１面でもよいし、３面以上でもよい。少なくとも２つの反射面を回転軸に対して異なる角度で固定することにより、有効走査領域をＺ軸方向に切り替えることが可能である。また、偏向器としてポリゴンミラー（回転多面鏡）、ガルバノミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等を用いてもよい。

図３に示すように、受光光学系１２は、反射ミラー６２、回転ミラー６３、及び集光レンズ７３を含む。反射ミラー６２及び回転ミラー６３は、上記投光系１１及び同期系１４と共用される。回転ミラー６３は、投光系１１から照射され有効走査領域内にある対象物に反射された反射光６９を反射ミラー６２に反射させる。反射ミラー６２は、回転ミラー６３からの反射光６９を集光レンズ７３に反射させる。集光レンズ７３は、反射ミラー６２からの反射光６９を時間測定ＰＤ３１に結像させる。時間測定ＰＤ３１は、集光レンズ７３を介して受光した反射光６９を光電変換する。これにより、反射光６９が受光された受光タイミングの検出、反射光６９の光量に応じて電気信号（検出電圧等）の生成等が可能となる。

本例では、投光系１１（投光光学系２３）と受光光学系１２とが同一の筐体内に設置されている。この筐体は、投光系１１からの走査光６８の光路上及び受光光学系１２への反射光６９の光路上に開口部を有し、開口部がウィンドウ（光透過窓部材）７５により塞がれている。ウィンドウ７５は、例えばガラス、樹脂等から構成される。

図４に示すように、投光系１１と受光光学系１２とはＺ軸方向に重なるように配置されている。投光系１１から照射された走査光６８は、反射ミラー６２により反射され、受光光学系１２に受光され、時間測定ＰＤ３１により光電変換される。これにより、走査光６８が照射された照射タイミングの検出等が可能となる。

上記のように、投光系１１と受光光学系１２とで反射ミラー６２及び回転ミラー６３を共用することにより、ＬＤ２１からの光の照射範囲と時間測定ＰＤ３１の受光可能範囲との相対的な位置ずれを小さくすることができ、安定した測定を実現することが可能となる。

検出系１３は、図１及び図３に示すように、受光光学系１２を介して反射光６９を受光する時間測定ＰＤ３１、及び時間測定ＰＤ３１が出力する検出電流に基づく検出電圧を出力するＰＤ出力検出部３２を含む。反射光６９は、回転ミラー６３及び反射ミラー６２により集光レンズ７３に導かれ、集光レンズ７３により時間測定ＰＤ３１に集光する。なお、図３に示す例では、集光レンズ７３が２枚のレンズで構成されているが、１枚のレンズでもよいし、３枚以上のレンズでもよいし、ミラー光学系を用いてもよい。

同期系１４は、図１及び図２に示されるように、走査光６８を受光する同期検知ＰＤ４１、及び同期検知ＰＤ４１が出力する電流に基づく電圧を出力するＰＤ出力検出部４２を含む。本例に係るＰＤ出力検出部４２は、アナログの電圧信号を、閾値電圧を基準として２値化したデジタル信号を生成する２値化回路等であり得る。ＰＤ出力検出部４２からの出力は同期信号として測定制御部５に入力される。

図５は、第１の実施形態に係る同期系１４により生成される同期信号を例示するタイミングチャートである。回転ミラー６３からの走査光６８が同期検知ＰＤ４１に受光される度に、同期検知ＰＤ４１からの電流がＰＤ出力検出部４２に入力される。その結果、ＰＤ出力検出部４２は所定の同期検知間隔Ｔｓ毎に同期信号を出力する。回転ミラー６３からの走査光６８を同期検知ＰＤ４１に照射するための同期点灯を行うことにより同期信号を得ることができ、同期信号に基づいて回転ミラー６３の回転タイミングを得ることができる。そして、ＬＤ２１を同期点灯してから所定の開始時間Ｔ１経過後にＬＤ２１を所定のパルス間隔Ｔ２毎にパルス点灯させることにより、有効走査領域を走査することができる。すなわち、同期検知ＰＤ４１に走査光６８が照射されるタイミングの前後期間にＬＤ２１がパルス点灯するようにＬＤ駆動信号を生成することにより、有効走査領域を走査することができる。

なお、上記においては、走査光６８又は反射光６９の受光素子として、ＰＤを用いる例を示したが、これに限られるものではなく、例えばＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）、ガイガーモードＡＰＤであるＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）等を用いてもよい。ＡＰＤやＳＰＡＤはＰＤより感度が高いため、検出精度や検出距離の点で有利である。

測定制御部５は、同期系１４のＰＤ出力検出部４２からの同期信号に基づいてＬＤ駆動信号を生成し、ＬＤ駆動信号をＬＤ駆動部２２及び時間算出部１５に出力する。すなわち、ＬＤ駆動信号は、同期信号に対して遅延した発光制御信号（周期的なパルス信号）である。

ＬＤ駆動部２２は、測定制御部５からＬＤ駆動信号を入力されると、ＬＤ駆動信号に応じたパルス幅（デューティー比）でＬＤ２１に駆動電流を印加する。これにより、ＬＤ２１はパルス状のレーザ光を出力する。なお、ＬＤ２１の安全性や耐久性の観点からＬＤ２１のデューティ比を制限する必要があるため、パルス幅は狭いことが望ましい。そのため、パルス幅は１０ｎｓ〜数十ｎｓ程度に設定される。

時間算出部１５は、検出系１３のＰＤ出力検出部３２からの光電圧及び測定制御部５からのＬＤ駆動信号に基づいて、走査光６８が照射されてから反射光６９が受光されるまでの光飛行時間を算出する。ＬＤ駆動信号に基づいて走査光６８が照射された照射タイミングを得ることができ、検出電圧に基づいて反射光６９が受光された受光タイミングを得ることができ、照射タイミングと受光タイミングとの時間差に基づいて光飛行時間を算出することができる。

図６は、第１の実施形態の第１の例に係る光飛行時間Δｔの算出法を例示するグラフである。図７は、第１の実施形態の第２の例に係る光飛行時間Δｔの算出法を例示するグラフである。図６の第１の例、及び図７の第２の例は、検出電流を取得する手段としてＰＤの代わりにＡＰＤを用いた場合の例である。図６に示す第１の例では、走査光６８が照射されたことを示す照射パルス８１と反射光６９が受光されたことを示す受光パルス８２とがそれぞれ曲線形状を有している。図７に示す第２の例では、照射パルス８３と受光パルス８４とがそれぞれ矩形状を有している。図６に示す第１の例では、照射パルス８１のピーク位置を照射タイミングｔ１とし、受光パルス８２のピーク位置を受光タイミングｔ２とする。図７に示す第２の例では、照射パルス８３の立ち上がり位置を照射タイミングｔ１とし、受光パルス８４の立ち上がり位置を受光タイミングｔ２とする。光飛行時間Δｔは、ｔ２−ｔ１により算出することができる。

上記のように時間算出部１５により算出された光飛行時間Δｔは、測定制御部５に出力される。測定制御部５は、光飛行時間Δｔの１／２を距離データとして対象物認識部６に出力する。対象物認識部６は、複数回の走査により取得された複数の距離データに基づいて、対象物までの距離、対象物の位置等を認識し、これらの認識結果を含む対象物情報を生成して測定制御部５に出力する。測定制御部５は、対象物認識部６からの対象物情報をＥＣＵ５１に転送する。ＥＣＵ５１は、対象物認識部６からの対象物情報に基づいて、例えば車両の操舵制御、速度制御等を行う。

移動体に搭載される距離測定においては、１００ｍオーダーの測距可能距離が求められる。１００ｍ先に存在する対象物から帰ってくる反射光６９の光量を電気信号に換算すると、一般的に数ｎＷ〜数十ｎＷ程度である。つまり、数ｎＷに対応する電圧を高精度で検知できることが求められる。数ｎＷ程度の電圧は、ランダムノイズの影響を受けやすい。ランダムノイズとしては、大きく分けて回路ノイズとショットノイズとがある。回路ノイズは、抵抗から生じる熱雑音や基板が放射ノイズを拾うことにより生じるノイズであり、通常は数ｍＶ程度である。ショットノイズは、光量計測に伴う白色雑音であり、光量の時間平均の平方根に比例し、感度が高い場合や外乱光が強い場合には数十ｍＶを超える。従って、ショットノイズは回路ノイズより問題になりやすい。また、ノイズの大きさが光量の時間平均の平方根に比例することから分かるように、ショットノイズはＤＣ光検出の際にも白色雑音として生じる。

図８は、周囲の照度が比較的小さい場合における反射光６９の検出電圧の波形を例示するグラフである。図９は、周囲の照度が比較的大きい場合における反射光６９の検出電圧の波形を例示するグラフである。照度が小さい場合（太陽光が弱い場合等）には、図８に示すように、反射光６９の受光に対応するターゲットピーク８５以外のノイズは目立たない。これに対し、照度が大きい場合（太陽光が強い場合等）には、図９に示すように、ＤＣ成分が増大するだけでなく、ターゲットピーク８５以外のランダムノイズ（ショットノイズ）も増大する。ＤＣ成分についてはハイパスフィルタ等により除去することができるが、ランダムノイズについてはハイパスフィルタでは除去することができない。

図１０は、周囲の照度が比較的大きい場合であってＤＣ成分を除去した場合における反射光６９の検出電圧の波形を例示するグラフである。図１０に示すように、反射光６９の受光を検出するための閾値電圧（検出閾値）をランダムノイズの上限値より大きい値に設定することにより、ターゲットピーク８５のみを検出することが可能となる。

しかし、実際の車両の走行環境においては、太陽光が窓ガラス、ボンネット等の高反射物体により反射され、周囲の照度が特に大きく、特に強い太陽光が受光光学系１２に入射する場合がある。図１１は、周囲の照度が特に大きい場合であってＤＣ成分を除去した場合における反射光６９の検出電圧の波形を例示するグラフである。このような場合、ショットノイズにより生じる電圧（ノイズ電圧）が増大し、ノイズ電圧が閾値電圧を超えて誤検出が発生する。特に、高反射物体が受光光学系１２に近い位置にある場合には、ノイズ電圧は更に大きくなり、誤検出の頻度が高くなる。

上記のように、閾値電圧を基準としてターゲットピーク８５を検出する方式では、ノイズ電圧による誤検出を防ぐために閾値電圧をノイズ電圧より十分大きい値に設定する必要がある。通常、閾値電圧はノイズ電圧が最大となる場合（照度が特に大きい場合等）を想定して決定される。そのため、ノイズ電圧が比較的小さい場合（照度が比較的小さい場合等）には、閾値電圧が過剰に大きくなり、ターゲットピーク８５を検知可能な距離、すなわち測距可能距離が小さくなってしまう。従って、閾値電圧は、ノイズ電圧による誤検出が発生しない範囲内で最小に設定されることが望ましい。

以下に、対象物までの距離（対象物距離）がターゲットピーク８５とノイズ電圧との関係に及ぼす影響について記述する。図１２は、対象物距離が比較的小さい場合におけるターゲットピーク８５とノイズ電圧との関係を例示するグラフである。図１３は、対象物距離が比較的大きい場合におけるターゲットピーク８５とノイズ電圧との関係を例示するグラフである。

図１２に示すように、対象物距離が比較的小さい場合（本例では１０ｍ〜４０ｍ）には、ノイズ電圧が大きい場合であっても、ターゲットピーク８５も大きくなるため、ターゲットピーク８５とノイズ電圧との判別は容易となる。対象物の光反射率が大きい場合にもターゲットピーク８５は大きくなる。このような場合には、閾値電圧の設定は容易である。一方、図１３に示すように、対象物距離が比較的大きい場合（本例では５０ｍ〜７０ｍ）には、ターゲットピーク８５が小さくなるため、ターゲットピーク８５とノイズ電圧との判別が困難となる。対象物の光反射率が小さい場合には、更に両者の判別が困難となる。このような場合には、閾値電圧の設定は非常に困難となる。

図１４は、対象物距離、ターゲットピーク８５のピーク強度、及びノイズ電圧の推定範囲の関係を例示するグラフである。本例に係るノイズ電圧の推定範囲は、西日等の強い太陽光を想定している。ノイズ電圧の推定範囲はエラーバー１５１の長さで表示されており、この例では、０ｍＶから３００ｍＶである。ターゲットピーク８５のピーク強度の電圧は、近距離（１０ｍ〜２０ｍ程度）での測距において飽和している。ノイズ電圧による誤測距を避けて閾値電圧を設定する場合、図１４のように、例えば４００ｍＶに閾値電圧を設定することになるが、これでは５０ｍ以上遠距離の測距においてはピーク強度が閾値電圧よりも小さくなるため、測距できなくなることが分かる。すなわち、測距可能距離を大きくするためには、閾値電圧を低く設定し、且つノイズ電圧とターゲットピーク８５とを判別する技術が必要となる。

反射光６９の受光を誤検出するその他の要因として、雨、霧等がある。この場合もショットノイズと同様に、雨、霧等に起因するノイズ電圧が閾値電圧を超える可能性がある。図１５は、ターゲットピーク８５と雨に起因するノイズピーク９５とを含む検出電圧の波形を例示するグラフである。本例では、時間「０」が走査光６８の照射タイミングであり、雨１〜３に起因する３つのノイズピーク９５と、正規の対象物に起因する１つのターゲットピーク８５とが検出されている。ノイズピーク９５を危険情報とは認識せずにターゲットピーク８５のみを危険情報と認識する必要があるが、図１５に示すような情報のみからではそのような認識をすることができない。

そこで、本実施形態においては、ターゲットピーク８５とノイズピーク９５とを判別するために、検出電圧が閾値電圧を超えている時間を示すパルス幅を利用する。

図１６は、パルス幅Ｗｔ，Ｗｎ１〜Ｗｎ３を例示するグラフである。図１６に示すグラフは、横軸を照射タイミングからの経過時間とし、縦軸を検出系１３（ＰＤ出力検出部３２）から出力される検出電圧とした波形である。図１６に示す波形には、１つのターゲットピーク８５と、３つのノイズピーク９５−１〜９５−３と、ターゲットピーク８５に対応するパルス幅（ターゲットパルス幅）Ｗｔと、各ノイズピーク９５−１〜９５−３に対応する３つのパルス幅（ノイズパルス幅）Ｗｎ１〜Ｗｎ３とが示されている。各パルス幅Ｗｔ，Ｗｎ１〜Ｗｎ３は、各ピーク８５，９５−１〜９５−３の検出電圧が閾値電圧を超えている時間を示している。付言すると、閾値電圧における立ち上がりから立ち下がりまでが、パルス幅である。

上記のような波形は、有効走査領域への１回の走査につき１つ取得される。従って、同一の有効走査領域に対して複数回の走査を行うことにより、複数の波形が取得される。各波形におけるピーク８５，９５−１〜９５−３の位置及び形状、並びにパルス幅Ｗｔ，Ｗｎ１〜Ｗｎ３は、有効走査領域内の状況の変化、すなわち対象物の変化（他車両、障害物等の相対距離の変化等）及びノイズの変化（日光、雨等のノイズ要因の発生又は消滅等）に応じて変化する。

同一の有効走査領域に対して複数回の走査を行う場合、通常、走査実行間の時間間隔は短いため、対象物の変化量は比較的小さくなる。これに対し、当該時間間隔内におけるノイズの変化量は、一般的に対象物の変化量より大きくなる。日光、雨、霧、回路内の電気的状況等のノイズ要因は瞬時に変化する場合が多いからである。従って、複数の走査を行った場合、複数のオシロ波形間におけるノイズパルス幅Ｗｎ１〜Ｗｎ３の変化量は、ターゲットパルス幅Ｗｔの変化量より大きく現れることとなる。従って、複数回の走査に対応する複数のオシロ波形におけるパルス幅の変化、ばらつき等を監視することにより、ターゲットパルス幅Ｗｔに対応するターゲットピーク８５と、ノイズパルス幅Ｗｎ１〜Ｗｎ３に対応するノイズピーク９５とを判別することが可能となる。

図１７は、第１の実施形態に係る時間算出部１５の機能構成を例示するブロック図である。本実施形態に係る時間算出部１５は、ピーク検出部１０１、ヒストグラム生成部１０２、パルス幅検出部１０３、ノイズ判別部１０４、及び光飛行時間算出部１０５を含む。

ピーク検出部１０１は、検出電圧（検出系１３のＰＤ出力検出部３２から出力される検出信号、例えば図１６に示すような波形）を監視し、検出電圧が閾値電圧を超えたピークを検出する。

ヒストグラム生成部１０２は、光飛行時間（例えば図１６に示す波形の横軸の値）又は光飛行時間から算出された前記対象物までの距離を階級とし、前記ピーク検出部１０１により検出されたピーク（例えば図１６に示すターゲットピーク８５及びノイズピーク９５−１〜９５−３）の数を度数とするヒストグラムを生成する。

パルス幅検出部１０３は、ピーク検出部１０１により検出されたピークの検出電圧が閾値電圧を超えている時間を示すパルス幅（例えば図１６に示すターゲットパルス幅Ｗｔ及びノイズパルス幅Ｗｎ１〜Ｗｎ３）を検出する。

ノイズ判別部１０４は、ヒストグラム生成部１０２により生成されたヒストグラムと、複数回の走査においてパルス幅検出部１０３により検出されたパルス幅の変化とに基づいて、反射光６９以外の要因であるノイズに起因する偽の光飛行時間を判別する。

光飛行時間算出部１０５は、ノイズ判別部１０４による判別結果に基づいて、反射光６９による真の光飛行時間を算出する。

上記各部１０１〜１０５は、例えば１又は複数の集積回路により実現される。各部１０１〜１０５は、ＣＰＵ等のプロセッサにプログラムを実行させること、すなわちソフトウェアにより実現されてもよい。また、各部１０１〜１０５は、専用のＩＣ等のプロセッサ、すなわちハードウェアにより実現されてもよい。また、各部１０１〜１０５は、ソフトウェア及びハードウェアを併用して実現されてもよい。複数のプロセッサを用いる場合、各プロセッサは、各部１０１〜１０５のうちの１つを実現してもよいし、各部１０１〜１０５のうちの２以上を実現してもよい。

以下に、表１〜表３を参照して本実施形態に係るノイズ判別処理を詳細に説明する。下記表１は、階級幅を２ｍとし、走査回数（以下、フレーム数と表現する場合がある）を５とした場合におけるヒストグラムデータを例示する表である。

先ず、任意の距離で階級を区切る。表１の例では、１つの階級幅が２ｍとなっている。１回目の走査においては、２０ｍ−２２ｍの階級に１つのピーク（度数１）が入っており、３０ｍ−３２ｍの階級に１つのピークが入っている。２回目の走査においては、２４ｍ−２６ｍの階級に１つのピークが入っており、３０ｍ−３２ｍの階級に１つのピークが入っている。同様に５回の走査により同様のデータを取得して合計度数を算出すると、３０ｍ−３２ｍの階級の合計度数が５となり、その他のいくつかの階級において合計度数が１又は２となっている。

このように複数回の走査を行うと、ターゲットピークは１つの階級に集中して出現し、ノイズピークは複数の階級に分散して出現する。これは、走査中における対象物の移動量は微小であることが多いのに対し、ショットノイズは瞬間的且つランダムな場所に出現することが多いからである。従って、最も度数が大きい階級に対応するピークがターゲットピークであり、その他のピークはノイズピークであると類推することができる。従って、表１の例では、３０ｍ−３２ｍの階級に含まれる５つのピークに対応する５つの距離又は時間の平均値を計算することにより、確度の高い距離又は時間（光飛行時間）を求めることができる。このような測定処理を、便宜上「フレーム間処理」と称する。

ここで、上記のようなフレーム間処理では、階級幅の設定やフレーム数の設定に配慮が必要である。表２は、階級幅を１ｍとし、フレーム数を３とした場合におけるヒストグラムデータを例示する表である。

階級幅を狭くすると、検出されたピークの距離又は時間が階級の境界近くに分散している場合に、ターゲットピークが誤差により真の階級（表２の例では３１ｍ−３２ｍ）の隣の階級（３０ｍ−３１ｍ）に入ってしまう可能性が高くなる。また、フレーム数を少なくすると、ターゲットピークが属する真の階級とは異なる偽の階級（表２の例では２７ｍ−２８ｍ）にターゲットピークと同数のノイズピークが偶然入ってしまう可能性が高くなる。このような現象が発生すると、ターゲットピークとノイズピークとを判別することができなくなる。特に、車両等の移動体に搭載される距離測定装置１（時間測定装置２）においては、有効走査領域内の状況が時々刻々と変化すると共に、適切な運転制御を実現させるために迅速な測距処理が必要となるため、フレーム数を多くすることができない場合が多い。

そこで、本実施形態においては、フレーム数を増加させることなく、高精度なノイズ判別処理を実現するために、複数のピークのパルス幅の標準偏差σに基づいて、ターゲットピークが属する真の階級とノイズピークが属する偽の階級とを判別する。表３は、階級幅を１ｍとし、フレーム数を３とし、パルス幅の標準偏差σを用いた判別を行う場合におけるヒストグラムデータを例示する表である。

ショットノイズに起因するノイズピークの検出電圧はランダムな大きさで閾値電圧を超えるため、複数のフレーム間におけるノイズピークのパルス幅（図１６中Ｗｎ１〜Ｗｎ３）の標準偏差σは、複数のフレーム間におけるターゲットピークのパルス幅（図１６中Ｗｔ）の標準偏差σより大きくなる可能性が高い。従って、表３又は表２に例示するように、度数が同一の２つの階級（２７ｍ−２８ｍ及び３１ｍ−３２ｍ）が競合した場合、それぞれの階級に属するピークのパルス幅の標準偏差σを比較し、標準偏差σが小さい方が真の階級であると判断することができる。このような測定処理を、便宜上「σ検閲フレーム間処理」と称する。

なお、表３の例では、標準偏差σが１以下である場合にのみ真の階級となる権利が与えられている。車両等の移動体に搭載される距離測定装置１においては、有効走査領域内に他車両等の真の対象物が存在する場合に、その対象物に起因するピークのパルス幅の標準偏差σが１より大きくなることはほとんどないからである。しかし、真の階級の標準偏差σは必ずしも１以下でなくてもよい。例えば、真の階級の候補が複数存在する場合であって、いずれの標準偏差σも１より大きい場合には、標準偏差σが最も小さい階級を真の階級と判断してもよい。

図１８は、第１の実施形態に係る距離測定装置１におけるノイズ判別処理を例示するフローチャートである。ノイズ判別部１０４は、ヒストグラム生成部１０２により生成されたヒストグラムを参照し、度数が２以上の階級があるか否かを判断する（Ｓ１０１）。度数が２以上の階級がない場合（Ｓ１０１：Ｎｏ）、距離又は光飛行時間の測定は不可能であると判断し（Ｓ１０２）、所定の処理を行う。一方、度数が２以上の階級がある場合（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）、ノイズ判別部１０４は最も度数が大きい階級を特定し（Ｓ１０３）、最も度数が大きい階級に属するピークのパルス幅の標準偏差σを算出する（Ｓ１０４）。このとき、最も度数が大きい階級が複数存在する場合（例えば度数が３の階級が２つ以上存在する場合等）、それらの全ての階級について標準偏差σを算出する。

その後、ノイズ判別部１０４は、標準偏差σが１以下である階級が１つ以上あるか否かを判断する（Ｓ１０５）。標準偏差σが１以下である階級が１つ以上ない場合（Ｓ１０５：Ｎｏ）、換言すれば、全ての標準偏差σが１より大きい場合、ノイズ判別部１０４は、最も度数が大きい階級を偽の階級と判断し（Ｓ１０６）、再びステップＳ１０１を実行する。一方、標準偏差σが１以下である階級が１つ以上ある場合（Ｓ１０５：Ｙｅｓ）、ノイズ判別部１０４は、標準偏差σが１以下である階級をＡ階級とし（Ｓ１０７）、Ａ階級が１つのみであるか否かを判断する（Ｓ１０８）。

Ａ階級が１つのみである場合（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）、ノイズ判別部１０４は、Ａ階級を真の階級と判断し（Ｓ１０９）、真の階級の距離の平均値又は光飛行時間の平均値を算出する（Ｓ１１０）。一方、Ａ階級が１つのみでない場合（Ｓ１０８：Ｎｏ）、標準偏差σが最も小さい階級を真の階級と判断し（Ｓ１１１）、ステップＳ１１０を実行する。

なお、上記においては、パルス幅の標準偏差を利用してターゲットピークとノイズピークとを判別する例を示したが、パルス幅の利用方法はこれに限られるものではなく、例えばパルス幅の平均値等を利用して判別することも可能である。

上記距離測定装置１又は時間測定装置２の機能を実現するプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード、ＣＤ−Ｒ及びＤＶＤ（Digital Versatile Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記憶されてコンピュータ・プログラム・プロダクトとして提供される。

また、プログラムをインターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、プログラムをダウンロードさせずにインターネット等のネットワーク経由で提供するように構成してもよい。また、プログラムをＲＯＭ等の適宜な記憶装置に予め組み込んで提供するように構成してもよい。また、プログラムは上記複数の機能のうちプログラムにより実現可能な機能を含むモジュール構成となっていてもよい。プログラムにより実現される機能は、記憶媒体からプログラムを読み出して実行することによりＲＡＭ等の主記憶装置にロードされる。すなわち、プログラムにより実現される機能は主記憶装置上に生成される。

以上のように、本実施形態によれば、ヒストグラムとパルス幅とに基づいてノイズを判別することにより、反射光の受光を検出する閾値電圧を比較的低く設定し、且つフレーム数（走査回数）を比較的少なくした場合であっても、高精度にノイズを判別することが可能となる。これにより、測距可能距離の向上、測定精度の向上、及び測定処理の高速化を同時に実現することが可能となる。

（実施例１）
以下に、第１の実施形態に係る実施例１について説明する。上記第１の実施形態に係る距離測定装置１を用いて、１ｍ四方の反射率が１０％（＠８７０ｎｍ）の黒幕を対象物として距離を測定した。このとき、走査光６８から１５μｓ遅延した場所でのショットノイズをオシロスコープにより観察し、人口太陽灯（セリック株式会社製 SOLAX XC-500E）を距離測定装置１の正面に設置してショットノイズの標準偏差が１００ｍＶとなるように調整した。人口太陽灯の設置は、西日を正面から入射するという条件を想定したものである。

図１９は、実施例１に係る対象物距離とピーク強度との関係を例示するグラフである。図１９のグラフには、上記対象物に反射された反射光６９の検出電圧をオシロスコープで観察したときのピーク強度と、ショットノイズの範囲を示すエラーバー１５１とが示されている。

ショットノイズの標準偏差が１００ｍＶである場合、ショットノイズの範囲は３００ｍＶであった。本実施例では、閾値電圧が４００ｍＶに設定されている。反射光６９のピーク強度は、図１９及び図１２〜図１４に示すように、距離が遠くになるに従って小さくなった。

図１９に示すように、閾値電圧を４００ｍＶとすると、ショットノイズが閾値電圧を超えることは略なくなるが、対象物距離が５０ｍ程度になったときにピーク強度が閾値電圧を下回り、測距ができなくなる。また、３００ｍＶはショットノイズの範囲の上限値であるから、閾値電圧を３００ｍＶとする場合、ある一定の割合でショットノイズが閾値電圧を超えることが予測される。また、閾値電圧を１００ｍＶ又は２００ｍＶとすると、図１９に示すように、測距可能距離は伸びるが、ショットノイズが閾値電圧を超える割合がかなり高くなる。従って、閾値電圧を下げる場合には、ショットノイズと反射光６９のピーク強度とを判別する技術が必要となる。

本実施例では、閾値電圧を１００ｍＶ〜４００ｍＶに設定し、それぞれの閾値電圧について測距成功率を調査した。測距成功率とは、実際の対象物距離と距離測定装置１により測定された測定値とが略一致した場合（誤差が所定範囲内である場合）に成功とし、実際の対象物距離と測定値とが一致しない場合（誤差が所定範囲外である場合）又は測距不可能な場合（例えば、反射光６９のピーク強度が閾値電圧より低い場合等）に失敗とし、全結果に対する成功の割合を示すものである。

使用したオシロスコープはアジレント製ＤＳＣ−Ｘ ３０５４Ａであり、サンプリングレートを４ＧＳａ/ｓ、横軸を２μＳ／ｄｉｖとしてショットノイズの標準偏差を算出した。測距を１０ｍから１００ｍまで１０ｍ間隔で行い、フレーム間処理のフレーム数（走査回数）を３とし、図１８に示すフローチャートと同じ手順によりパルス幅の標準偏差σを用いた検閲を行った。ここではパルス幅の標準偏差σが１．０以下であれば真の値（ターゲットピーク）が属する真の階級であるとし、真の階級に属する複数の距離の平均値を最終的な距離とした。なお、本実施例では距離を求めているが、光飛行時間を求めるようにしてもよい。パルス幅の標準偏差σが１．０以下の階級が２つ以上ある場合には、最も低いパルス幅の標準偏差σを有する階級を真の階級とした。本実施例に用いられた投光系１１等は、図２〜図４に示した構成と同様であり、回転ミラー６３は５００ｒｐｍで回転するものであった。すなわち、１つのフレームは６０ｍｓであり、３つのフレームに要する時間は１８０ｍｓであった。ヒストグラムの階級幅を１ｍとし、測距成功率を算出するための試験回数Ｎを１００とした。

図２０は、実施例１に係る対象物距離と測距成功率との関係を例示するグラフである。図２０には、閾値電圧を１００ｍＶ、２００ｍＶ、３００ｍＶ、又は４００ｍＶに設定し、上記σ検閲フレーム間処理を行った場合の測距成功率の変化が示されている。図２０に示すように、閾値電圧を比較的低い値１００ｍＶ又は２００ｍＶに設定した場合、西日を想定した大きなショットノイズが存在する環境下であっても、対象物距離が５０ｍ程度まで８０％以上の高い測距成功率を得ることができた。また、このように閾値電圧を１００ｍＶ〜２００ｍＶの比較的低い値に設定することができれば、測距可能距離を長くすることができる。図２０には、閾値電圧を１００ｍＶに設定した場合、対象物距離１００ｍまでの測距成功率が５０％以上になることが示されている。

図２１は、比較例１に係る対象物距離と測距成功率との関係を例示するグラフである。図２１には、閾値電圧を１００ｍＶ、２００ｍＶ、３００ｍＶ、又は４００ｍＶに設定し、上記フレーム間処理（パルス幅の標準偏差σを考慮しない処理方法）を行った場合の測距成功率の変化が示されている。図２１に示すように、閾値電圧を比較的低い値１００ｍＶ又は２００ｍＶに設定した場合、西日を想定した大きなショットノイズが存在する環境下であっても、対象物距離が５０ｍ程度まで５０％以上の測距成功率を得ることができた。

図２２は、比較例２に係る対象物距離と測距成功率との関係を例示するグラフである。本比較例は、フレーム間処理及びσ検閲フレーム間処理のいずれも行わず、通常の閾値電圧設定だけを行う測距方法による測距成功率を示している。図２２には、ショットノイズの電圧より十分高い閾値電圧（例えば３００ｍＶ以上）を設定すると、近距離での測距成功率は図２０に示す実施例１（σ検閲フレーム間処理）における結果及び図２１に示す比較例１（フレーム間処理）における結果とほとんど相違ないが、ショットノイズの電圧に近い閾値電圧（例えば２００ｍＶ以下）を設定すると、測距成功率が急激に下がることが示されている。

図２３は、フレーム数と測距成功率との関係についてフレーム間処理とσ検閲フレーム間処理との比較結果を例示するグラフである。ここでは対象物距離を４０ｍとし、ヒストグラムの階級幅を１ｍとした場合が示されている。表２及び表３において、フレーム間処理において生じる問題の要因の１つとして、フレーム数が少ないことを挙げた。図２３に示すように、フレーム間処理及びσ検閲フレーム間処理共に、フレーム数が５程度であれば高い測距成功率が望まれる。しかし、上記のように、１フレームあたり６０ｍｓ程度の時間が必要であるため、実用上十分な処理速度を得るためにはフレーム数ができるだけ少ないことが望ましい。図２３に示すように、フレーム間処理においてはフレーム数が３のときの測距成功率が５０％程度となるが、σ検閲フレーム間処理においてはフレーム数が３のときの測距成功率が８０％程度となる。このように、σ検閲フレーム間処理を利用することにより、少ないフレーム数でも高い測距成功率を得ることができ、測定処理の高速化を図ることが可能となる。

図２４は、ヒストグラムの階級幅と測距成功率との関係についてフレーム間処理とσ検閲フレーム間処理との比較結果を例示するグラフである。ここでは対象物距離を４０ｍとし、フレーム数を３とした場合が示されている。表２及び表３において、フレーム間処理において生じる問題の要因の１つとして、ヒストグラムの階級幅が狭いことを挙げた。図２４に示すように、フレーム間処理及びσ検閲フレーム間処理共に、階級幅が２ｍ程度であれば高い測距成功率を望める。しかし、階級幅が広すぎるとターゲットピークが属する階級にノイズピークが含まれてしまう可能性が高くなるため、階級幅はある程度狭いことが望ましい。図２４に示すように、フレーム間処理においては階級幅が１ｍ程度のときの測距成功率が５０％程度となるが、σ検閲フレーム間処理においては階級幅が１ｍ程度のときの測距成功率が８０％前後となる。このように、σ検閲フレーム間処理を利用することにより、階級幅を狭くしても高い測距成功率を得ることができ、測距精度を向上させることが可能となる。

以下に、他の実施形態について図面を参照して説明するが、第１の実施形態と同一又は同様の作用効果を奏する箇所については同一の符号を付してその説明を省略する。

（第２の実施形態）
第２の実施形態に係る距離測定装置１のノイズ判別部１０４は、ヒストグラムの階級のパルス幅の標準偏差σを算出する際に、対象となる階級（第１階級）に隣接する階級（第２階級）に属するデータを考慮に入れる。ターゲットピークが隣接する２つの階級の境界に位置する場合、異なるフレーム間で当該ターゲットピークに関するデータが隣接する２つの階級に分散されてしまう可能性がある。このような現象は、パルス幅の標準偏差σ、延いては対象物距離又は光飛行時間の測定精度が低下する要因となる。そこで、本実施形態においては、このようにデータが隣接する階級に分散される現象を救済することを目的とする。

下記表４は、階級幅を１ｍとし、フレーム数を３とし、隣接する階級に属する値を考慮してパルス幅の標準偏差σを算出する第１の例に係るヒストグラムデータを例示する表である。

表４に示す例では、ターゲットピークに対応するデータ（検出電圧）が３０ｍ−３１ｍの階級と３１ｍ−３２ｍの階級とにそれぞれ１つずつ含まれ、ノイズピークに対応するデータが２６ｍ−２７ｍの階級と２７ｍ−２８ｍの階級とにそれぞれ１つずつ含まれている。このような場合、各階級にはそれぞれ１つずつしかデータが入っていないため、パルス幅の標準偏差σを算出することができない。そこで、本実施形態では、隣接する２つの階級に含まれる全てのデータを用いてパルス幅の標準偏差σを算出し、当該標準偏差σが閾値（例えば１．０）以下であれば当該全てのデータをターゲットピークに対応するデータと判断する。これにより、３０ｍ−３１ｍの階級と３１ｍ−３２ｍの階級とに含まれるデータから導き出された距離（平均距離）３１．１ｍが真の値と判断され、２６ｍ−２７ｍの階級と２７ｍ−２８ｍの階級とに含まれるデータから導き出された距離２７．５ｍが偽の値と判断される。

下記表５は、階級幅を１ｍとし、フレーム数を３とし、隣接する階級に属する値を考慮してパルス幅の標準偏差σを算出する第２の例に係るヒストグラムデータを例示する表である。

表５に示す例では、３１ｍ−３２ｍの階級にターゲットピークのデータが２つ含まれ、２７ｍ−２８ｍの階級にノイズピークのデータが２つ含まれている。そして、３１ｍ−３２ｍの階級のパルス幅の標準偏差σ及び２７ｍ−２８ｍの階級のパルス幅の標準偏差σは共に１．０以下となっている。このような場合にも、どちらが真の階級か判断することが困難となる。そこで、本実施形態では、ターゲットピークのデータが隣接する階級に含まれていることを想定し、標準偏差σを算出した階級（２７ｍ−２８ｍ及び３１ｍ−３２ｍ）に隣接する階級に含まれるデータを利用して真の値を判断する。

本例では、先ず標準偏差σを算出した階級に属するパルス幅の平均値Ｗａを算出し、当該平均値Ｗａを基準とする所定範囲内（本例では±２０％以内）に、隣接する階級に属するパルス幅が入っているか否かに基づいて、値の真偽を判別する。表５に示す例では、３１ｍ−３２ｍの階級のパルス幅の平均値Ｗａが４．５ｍであり、その±２０％の範囲が３．６ｍ−５．４ｍであり、隣接する階級（３０ｍ−３１ｍ）のパルス幅３．９ｍが当該範囲に入っているため、３０ｍ−３１ｍの階級のデータ（度数）を３１ｍ−３２ｍの階級に取り込み、取り込み後のデータに基づいて算出される距離３１．１ｍ又は光飛行時間を真の値と判断する。一方、２７ｍ−２８ｍの階級のパルス幅の平均値Ｗａは３．６ｍであり、その±２０％の範囲は２．９ｍ−４．３ｍであり、隣接する階級（２６ｍ−２７ｍ）のパルス幅２．２ｍは当該範囲に入っていないため、２６ｍ−２７ｍの階級のデータは２７ｍ−２８ｍの階級に取り込まれない。これにより、２７ｍ−２８ｍの階級の度数（２）は３１ｍ−３２ｍの階級の度数（３）より小さくなるため、２７ｍ−２８ｍの階級は偽の階級と判断される。

なお、表４に示す第１の例のように隣接する階級に含まれる全てのデータを用いて標準偏差σを算出しない理由は、隣接する階級のデータを取り入れることの影響が、度数に応じて異なるからである。上記のような測定処理を、便宜上「隣接階級取り込み処理」と称する。

図２５及び図２６は、第２の実施形態に係る距離測定装置１におけるノイズ判別処理を例示するフローチャートである。ノイズ判別部１０４は、ヒストグラム生成部１０２により生成されたヒストグラムを参照し、度数が２以上の階級があるか否かを判断する（Ｓ２０１）。度数が２以上の階級がない場合（Ｓ２０１：Ｎｏ）、図２６に示すステップＳ２２１以降の処理を実行する。度数が２以上の階級がある場合（Ｓ２０１：Ｙｅｓ）、ノイズ判別部１０４は最も度数が大きい階級を特定し（Ｓ２０２）、最も度数が大きい階級に属するピークのパルス幅の標準偏差σを算出する（Ｓ２０３）。このとき、最も度数が大きい階級が複数存在する場合（例えば度数が３の階級が２つ以上存在する場合等）、それらの全ての階級について標準偏差σを算出する。

その後、ノイズ判別部１０４は、標準偏差σが１以下である階級が１つ以上あるか否かを判断する（Ｓ２０４）。標準偏差σが１以下である階級が１つ以上ない場合（Ｓ２０４：Ｎｏ）、換言すれば、全ての標準偏差σが１より大きい場合、ノイズ判別部１０４は、最も度数が大きい階級を偽の階級と判断し（Ｓ２０５）、再びステップＳ２０１を実行する。一方、標準偏差σが１以下である階級が１つ以上ある場合（Ｓ２０４：Ｙｅｓ）、ノイズ判別部１０４は、標準偏差σが１以下である階級をＡ階級とし（Ｓ２０６）、Ａ階級が１つのみであるか否かを判断する（Ｓ２０７）。

Ａ階級が１つのみである場合（Ｓ２０７：Ｙｅｓ）、ノイズ判別部１０４はＡ階級を真の階級と判断し（Ｓ２０８）、真の階級の距離の平均値又は光飛行時間の平均値を算出する（Ｓ２０９）。一方、Ａ階級が１つのみでない場合（Ｓ２０７：Ｎｏ）、ノイズ判別部１０４は、各Ａ階級に隣接する階級に度数があるか否かを判定する（Ｓ２１０）。隣接する階級に度数がない場合（Ｓ２１０：Ｎｏ）、標準偏差σが最も小さい階級を真の階級と判断し（Ｓ２１１）、ステップＳ２０９を実行する。

一方、隣接する階級に度数がある場合（Ｓ２１０：Ｙｅｓ）、Ａ階級に属するパルス幅の平均値Ｗａを算出し、更に平均値Ｗａの±２０％の範囲を算出する（Ｓ２１２）。その後、ノイズ判別部１０４は、Ａ階級に隣接する階級に属するパルス幅Ｗが平均値Ｗａの±２０％の範囲に入っているか否かを判断する（Ｓ２１３）。隣接する階級に属するパルス幅Ｗが平均値Ｗａの±２０％の範囲に入っていない場合（Ｓ２１３：Ｎｏ）、ノイズ判別部１０４はステップＳ２１１を実行する。一方、隣接する階級に属するパルス幅Ｗが平均値Ｗａの±２０％の範囲に入っている場合（Ｓ２１３：Ｙｅｓ）、ノイズ判別部１０４は、平均値Ｗａの±２０％以内となったパルス幅Ｗに対応するデータ（距離データ又は光飛行時間データ）をＡ階級に取り込む（Ｓ２１４）。その後、ノイズ判別部１０４は、Ａ階級が１つのみであるか否かを判断し（Ｓ２１５）、Ａ階級が１つのみでない場合（Ｓ２１５：Ｎｏ）、ステップＳ２１１を実行し、Ａ階級が１つのみである場合（Ｓ２１５：Ｙｅｓ）、ステップＳ２０８を実行する。

度数が２以上の階級がない場合（Ｓ２０１：Ｎｏ）、ノイズ判別部１０４は、図２６に示すように、度数が１の階級が隣接して存在しているか否かを判断する（Ｓ２２１）。例えば、表４において、２６ｍ−２７ｍの階級と２７ｍ−２８ｍの階級との関係、及び３０ｍ−３１ｍの階級と３１ｍ−３２ｍの階級との関係が、「度数が１の階級が隣接して存在している」ことに相当する。

度数が１の階級が隣接して存在している場合（Ｓ２２１：Ｙｅｓ）、ノイズ判別部１０４は、隣接する階級（例えば、表４における３０ｍ−３１ｍの階級）を含めて基の階級（例えば、表４における３１ｍ−３２ｍの階級）の標準偏差σを算出し（Ｓ２２２）、標準偏差σが１以下となる階級が１つであるか否かを判断する（Ｓ２２３）。標準偏差σが１以下となる階級が１つである場合（Ｓ２２３：Ｙｅｓ）、ノイズ判別部１０４は、隣接する階級に属するデータ（距離データ又は光飛行時間データ）を基の階級に取り込み（Ｓ２２４）、基の階級の距離又は光飛行時間の平均値を算出する（Ｓ２２５）。一方、標準偏差σが１以下となる階級が１つでない場合（Ｓ２２３：Ｎｏ）、ノイズ判別部１０４は、標準偏差σが最も小さい階級を真の階級と判断し（Ｓ２２６）、真の階級の距離又は光飛行時間の平均値を算出する（Ｓ２２７）。

また、度数が１の階級が隣接して存在しない場合（Ｓ２２１：Ｎｏ）、ノイズ判別部１０４は、度数が１の階級が１つだけ存在するか否かを判断する（Ｓ２２８）。度数が１の階級が１つも存在しない場合（Ｓ２２８：Ｎｏ）、距離又は光飛行時間の測定は不可能であると判断し（Ｓ２２９）、所定の処理を行う。一方、度数が１の階級が１つだけ存在する場合（Ｓ２２８：Ｙｅｓ）、当該階級の距離又は光飛行時間を真の値と判断する（Ｓ２３０）。

以上のように、本実施形態によれば、ヒストグラムの階級のパルス幅の標準偏差を算出する際に、隣接する階級に属するデータが考慮される。これにより、ターゲットピークが隣接する２つの階級の境界に位置し、ターゲットピークに関するデータが隣接する２つの階級に分散される現象を救済することが可能となる。これにより、距離又は光飛行時間の測定精度を向上させることが可能となる。

（実施例２）
以下に、第２の実施形態に係る実施例２について説明する。上記第２の実施形態に係る距離測定装置１を用い、上記実施例１と同様の条件で距離を測定した。

図２７は、実施例２に係る対象物距離と測距成功率との関係を例示するグラフである。図２７には、閾値電圧を１００ｍＶ、２００ｍＶ、３００ｍＶ、又は４００ｍＶに設定し、上記隣接階級取り込み処理を行った場合の測距成功率の変化が示されている。図２７に示すように、閾値電圧を比較的低い値１００ｍＶ又は２００ｍＶに設定した場合、西日を想定した大きなショットノイズが存在する環境下であっても、対象物距離が４０ｍ程度まで８０％以上の高い測距成功率を得ることができた。また、このように閾値電圧を１００ｍＶ〜２００ｍＶの比較的低い値に設定することができれば、測距可能距離を長くすることができる。図２７には、閾値電圧を１００ｍＶに設定した場合、対象物距離１００ｍまでの測距成功率が６０％以上になることが示されている。

図２８は、フレーム数と測距成功率との関係についてフレーム間処理とσ検閲フレーム間処理と隣接階級取り込み処理との比較結果を例示するグラフである。ここでは対象物距離を４０ｍとし、ヒストグラムの階級幅を１ｍとした場合が示されている。図２８に示すように、隣接階級取り込み処理によれば、少ないフレーム数であっても、σ検閲フレーム間処理より更に高い測距成功率を得ることが可能となる。これにより、測定精度の向上と測定処理の高速化とを高いレベルで両立させることが可能となる。

図２９は、ヒストグラムの階級幅と測距成功率との関係についてフレーム間処理とσ検閲フレーム間処理と隣接階級取り込み処理との比較結果を例示するグラフである。ここでは対象物距離を４０ｍとし、フレーム数を３とした場合が示されている。図２９に示すように、隣接階級取り込み処理によれば、階級幅を狭く設定した場合であっても、σ検閲フレーム間処理より更に高い測距成功率を得ることが可能となる。これにより、測定精度を更に向上させることが可能となる。

上記実施形態に係る距離測定装置１又は時間測定装置２を車両等の移動体に搭載することにより、移動体の自動運転システム等の性能を大きく向上させることが可能となる。距離測定装置１又は時間測定装置２は、例えば車両のバンパー付近、バックミラー付近等に取り付けることができる。

自動運転システムは、距離測定装置１又は時間測定装置２の測定結果に基づいて、対象物の形状や大きさの推定、対象物の位置情報の算出、移動情報の算出、対象物の種類の認識等を行い、危険の有無を判断する。自動運転システムは、危険が有ると判断した場合には、警報音等による操縦者への注意喚起、ハンドルやブレーキの自動操作等の危険回避行動を実行するための指令を移動体のＥＣＵ５１に出力する。

自動運転システムは、距離測定装置１又は時間測定装置２と一体的に構成されてもよいし、距離測定装置１又は時間測定装置２とは別体に構成されてもよい。自動運転システムは、ＥＣＵ５１が行う制御の少なくとも一部を行ってもよい。

上記実施形態では、距離測定装置１が搭載される移動体として自動車を例にとって説明したが、移動体は自動車以外の車両、航空機、無人航空機、船舶、ロボット等であってもよい。

以上の説明で用いた具体的な数値、形状等は一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。

上記実施形態の距離測定装置１又は時間測定装置２は、パルス光が照射された対象物の２Ｄ画像を取得する集積回路を有し、パルス光の反射を利用して３Ｄ読み出しを行うことにより対象物までの距離を求めるＴＯＦ法に利用されてもよい。これにより、ＴＯＦ法でのフレームレートをさらに向上させることができる。また、上記実施形態の距離測定装置１又は時間測定装置２は、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、３次元形状計測技術等の幅広い分野に応用することが可能なものである。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図するものではない。この新規な実施形態はその他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更、及び組み合わせを行うことができる。この実施形態及びその変形は発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 距離測定装置
２ 時間測定装置
５ 測定制御部
６ 対象物認識部
１１ 投光系
１２ 受光光学系
１３ 検出系
１４ 同期系
１５ 時間算出部
２１ ＬＤ
２２ ＬＤ駆動部
２３ 投光光学系
３１ 時間測定ＰＤ
３２ ＰＤ出力検出部
４１ 同期検知ＰＤ
４２ ＰＤ出力検出部
５１ ＥＣＵ
６１ カップリングレンズ
６２ 反射ミラー
６３ 回転ミラー
６４Ａ，６４Ｂ 反射面
６６ 集光レンズ
６８ 走査光
６９ 反射光
７３ 集光レンズ
７５ ウィンドウ
８１，８３ 照射パルス
８２，８４ 受光パルス
８５ ターゲットピーク
９５，９５−１，９５−２，９５−３ ノイズピーク
１０１ ピーク検出部
１０２ ヒストグラム生成部
１０３ パルス幅検出部
１０４ ノイズ判別部
１０５ 光飛行時間算出部
１５１ エラーバー
ｔ１ 照射タイミング
ｔ２ 受光タイミング
Ｔ１ 開始時間
Ｔ２ パルス間隔
Ｔｓ 同期検知間隔
Ｗｎ１，Ｗｎ２，Ｗｎ３ （ノイズ）パルス幅
Ｗｔ （ターゲット）パルス幅
Δｔ 光飛行時間

特開２０１５−１０８５３９号公報 特許第３７７１３４６号公報

Claims (17)

1. 走査領域へ光を照射し、前記光が前記走査領域内に存在する対象物に反射された反射光を受光することにより検出信号を取得し、前記光の照射から前記検出信号の取得までの時間を測定する時間測定装置であって、
   前記測定を複数回行い、
   前記検出信号の幅を、前記測定を行う毎に検出し、
   前記時間又は前記時間に基づく値を所定単位で区切られた複数の階級に区分し、前記測定における前記検出信号を対応する階級に分類し、
   前記複数の階級のそれぞれに分類された複数回の前記測定における前記検出信号の幅の変化と、前記複数の階級のそれぞれに分類された前記検出信号の数と、に基づいて、複数回の前記測定により得られた複数の前記時間の中から、前記対象物に反射された反射光を測定した時間を抽出する、
   時間測定装置。
2. 複数の前記検出信号の幅の標準偏差に基づいて、前記複数の階級から、前記対象物に反射された反射光を測定した時間を含む階級を抽出する、
   請求項１に記載の時間測定装置。
3. 前記複数の階級のうち前記標準偏差が閾値より大きい階級を、前記対象物に反射された反射光を測定した時間を含まない階級とする、
   請求項２に記載の時間測定装置。
4. 前記複数の階級のうち、最も多くの前記検出信号が分類され且つ前記標準偏差が最も小さい階級を、前記対象物に反射された反射光を測定した時間を含む階級とする、
   請求項２又は３に記載の時間測定装置。
5. 前記検出信号のピーク値が閾値を超えている検出信号のみについて、当該検出信号の幅を、前記測定を行う毎に抽出する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の時間測定装置。
6. 走査領域へ光を照射し、前記光が前記走査領域内に存在する対象物に反射された反射光を受光することにより検出信号を取得し、前記光の照射から前記検出信号の取得までの時間を測定する時間測定装置であって、
   前記測定を複数回行い、
   前記検出信号の幅を、前記測定を行う毎に検出し、
   前記時間又は前記時間に基づく値を所定単位で区切られた複数の階級に区分し、前記測定における前記検出信号を対応する階級に分類し、
   前記複数の階級における第１階級に分類された第１検出信号の幅と、前記第１階級に隣接する第２階級に分類された第２検出信号の幅と、前記複数の階級のそれぞれに分類された前記検出信号の数と、に基づいて、複数回の前記測定により得られた複数の前記時間の中から、前記対象物に反射された反射光を測定した時間を抽出する、
   時間測定装置。
7. 前記第１検出信号の数が１であり、前記第２検出信号が存在し、前記第１検出信号の幅及び前記第２検出信号の幅のばらつきが所定範囲内である場合、
   前記第１階級及び前記第２階級を１つの階級として扱い、
   前記複数の階級のうち、最も多くの前記検出信号が分類されている階級を前記対象物に反射された反射光を測定した時間を含む階級とする、
   請求項６に記載の時間測定装置。
8. 前記第１検出信号の数が２以上である前記第１階級が複数存在し、当該第１階級に隣接する前記第２階級に分類された前記第２検出信号が存在し、当該第２検出信号の幅が、当該第１階級に分類された２以上の前記第１検出信号の幅の平均値を基準とする所定範囲内にある場合、
   前記第１階級及び前記第２階級を１つの階級として扱い、
   前記複数の階級のうち、最も多くの前記検出信号が分類されている階級を前記対象物に反射された反射光を測定した時間を含む階級とする、
   請求項６に記載の時間測定装置。
9. 前記１つの階級として扱われた前記第１階級及び前記第２階級の組が２つ以上存在し、これらの組のそれぞれに分類された前記第１検出信号及び前記第２検出信号の合計数が同数であり、これらの組を構成する階級が、最も多くの前記検出信号が分類された階級となった場合、
   前記第１検出信号の幅及び前記第２検出信号の幅のばらつきが最も小さい階級を前記対象物に反射された反射光を測定した時間を含む階級とする、
   請求項７又は８に記載の時間測定装置。
10. 前記検出信号のピーク値が閾値を超えている検出信号のみについて、当該検出信号の幅を、前記測定を行う毎に抽出する、
    請求項６〜９のいずれか１項に記載の時間測定装置。
11. 前記複数の階級の中から前記対象物に反射された反射光を測定した時間を含む階級とした階級に含まれる複数回の前記測定により得られた前記時間を平均化する
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の時間測定装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の時間測定装置により測定された前記時間に基づいて前記対象物までの距離を測定する距離測定装置。
13. 請求項１２に記載の距離測定装置を備えた移動体。
14. 走査領域へ光を照射し、前記光が前記走査領域内に存在する対象物に反射された反射光を受光することにより検出信号を取得し、前記光の照射から前記検出信号の取得までの時間を測定する時間測定方法であって、
    前記測定を複数回行い、
    前記検出信号の幅を、前記測定を行う毎に検出し、
    前記時間又は前記時間に基づく値を階級と定義し、前記検出信号の数を度数と定義するとき、前記階級と、前記度数と、複数回の前記測定における前記検出信号の幅の変化と、に基づいて、複数回の前記測定により得た複数の前記時間の中から、前記対象物に反射された反射光を測定した時間を抽出する、
    時間測定方法。
15. 走査領域へ光を照射し、前記光が前記走査領域内に存在する対象物に反射された反射光を受光することにより検出信号を取得し、前記光の照射から前記検出信号の取得までの時間を測定する時間測定方法であって、
    前記測定を複数回行い、
    前記検出信号の幅を、前記測定を行う毎に検出し、
    前記時間又は前記時間に基づく値を所定単位で区切られた複数の階級に区分し、前記測定における前記検出信号を対応する階級に分類し、
    前記複数の階級における第１階級に分類された第１検出信号の幅と、前記第１階級に隣接する第２階級に分類された第２検出信号の幅と、前記複数の階級のそれぞれに分類された前記検出信号の数と、に基づいて、複数回の前記測定により得られた複数の前記時間の中から、前記対象物に反射された反射光を測定した時間を抽出する、
    時間測定方法。
16. 前記検出信号のピーク値が閾値を超えている検出信号のみについて、当該検出信号の幅を、前記測定を行う毎に検出する、
    請求項１４又は１５に記載の時間測定方法。
17. 請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の時間測定方法により測定された前記時間に基づいて前記対象物までの距離を測定する距離測定方法。

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