JP2019074419A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＴＯＦ方式の駆動周波数の高い間欠光を用いる測距に適切に対処しつつ、トランスインピーダンスアンプの出力電圧の飽和を防止して、測距精度を高める。【解決手段】測距装置１は、被測距物１０からの間欠光Ｒａの反射光Ｒｂの強度に応じた生成電流Ｉｐｄを生成するＡＰＤ５と、間欠光Ｒａの出射時刻からの経過時間に応じて減少する排出電流Ｉｄｒを生成する定電流回路３５と、ＩｐｄからＩｄｒを引いた差分電流Ｉｓｕｂに基づく出力電圧Ｖｏｕを出力するＴＩＡ３６と、出力電圧Ｖｏｕに基づいて被測距物１０の距離Ｌｏｂを算出する距離算出部４６とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、被測距物に向けて間欠光を出射し、その反射光に基づいて被測距物までの距離を測定する測距装置に関する。

被測距物に向けて間欠光を出射し、その反射光をフォトダイオードにより受光し、フォトダイオードにおける反射光の受光時刻に基づいて被測距物までの距離を測定するＴＯＦ(Time Of Flight：光飛行時間)方式の測距装置がすでに知られている。

フォトダイオードの生成電流は、ＴＩＡ（トランスインピーダンスアンプ）で対応電圧に変換され、ＴＩＡの出力電圧に基づいて反射光の受光時刻が検出される。ＴＩＡは、入力電流について定格の入力レンジを有し、該入力レンジ外の入力電流に対しては、出力電圧が定格の上限又は下限で飽和状態になり、フォトダイオードの生成電流を一義の対応電圧に変換することが困難になる。

特許文献１は、ＴＩＡの飽和対策として、フォトダイオードの生成電流に重畳するＤＣ成分電流値に応じた値の電流をＴＩＡ入力端子にフィードバックし引き算することで飽和状態を回避する光検出装置を開示する。

特許文献２は、ＴＩＡを二段のｎｐｎ型トランジスタで構成し、一段目のｎｐｎ型トランジスタのベースとエミッタとの間にバイアス抵抗を追加し、検出可能な入力電流の範囲を増大させた光検出装置を開示する。

特開昭６２−１６５１２８号公報 特開平９−６４６５４号公報

測距装置は、例えば、自動車等に搭載して前方の被測距物の距離を測定する場合、測距範囲は１ｍ〜１００ｍが要求される。一方、測距装置において、受光素子としてのフォトダイオードに入射する反射光の強度（例：フォトダイオードにおける照度）は、被測距物までの距離の二乗に反比例する。したがって、測距範囲内の近傍と遠方の被測距物では、反射光の強度差が著しく増大する。

特許文献１の光検出装置は、フォトダイオードの生成電流に重畳するＤＣ成分電流値に応じた値の電流をＴＩＡ入力端子にフィードバックし引き算することで飽和状態を回避する。しかしながら、ＴＯＦ方式の測距装置では、高い駆動周波数の間欠光が用いられる。したがって、特許文献１の光検出装置をＴＯＦ方式の測距装置に適用すると、ＴＩＡは、その動特性との関係で位相余裕を確保できず、ＴＩＡの制御は不安定になる。

特許文献２の光検出装置は、定格の入力レンジを増大させるものの、フォトダイオードの生成電流がＴＩＡの定格の入力レンジを超える場合に、対処するものではない。

本発明の目的は、ＴＯＦ方式の駆動周波数の高い間欠光を用いる測距に適切に対処しつつ、トランスインピーダンスアンプの出力電圧の飽和を防止して、測距精度を高めることができる測距装置を提供することである。

本発明の測距装置は、
被測距物に向けて光パルス列からなる間欠光を出射する光出射部と、
前記被測距物からの反射光を含む入射光の強度に応じた電流を生成する受光素子と、
前記光出射部が前記間欠光の光パルスを出射するごとに、出射時刻からの経過時間に応じて減少する排出電流を生成する排出電流生成部と、
前記受光素子の生成電流から前記排出電流生成部による前記排出電流を引いた差分電流に基づく電圧を出力するトランスインピーダンスアンプと、
前記トランスインピーダンスアンプの出力電圧に基づいて前記被測距物までの距離を算出する距離算出部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、光出射部が間欠光の光パルスを出射するごとに、出射時刻からの経過時間に応じて増大する排出電流が生成される。そして、トランスインピーダンスアンプは、受光素子の生成電流から排出電流を引いた差分電流に関係する電圧を出力するようになっている。すなわち、差分電流をフィードフォワード方式で生成するので、トランスインピーダンスアンプの制御を安定化して、駆動周波数の高い間欠光を用いるＴＯＦ方式に対処することができる。また、反射光の強度範囲の増大にもかかわらず、トランスインピーダンスアンプの出力電圧の飽和を防止して、測距精度を高めることができる。

本発明の測距装置において、
前記排出電流生成部は、前記間欠光の出射期間では前記光パルスを一定の周期で出射し、
前記排出電流生成部が生成する前記排出電流は、前記測距装置の設定された距離範囲内の任意の距離に存在する前記被測距物からの反射光に対して、前記差分電流を前記トランスインピーダンスアンプの定格の入力レンジの範囲内に収めるように、設定されていることが好ましい。

この構成によれば、測距装置の設定した距離範囲内に存在する被測距物に対して、トランスインピーダンスアンプの入力電流が定格の入力レンジ内になることを保証することができる。

本発明の測距装置において、
背景光を検出する背景光検出部を備え、
前記光出射部は、前記間欠光の出射停止期間において前記間欠光の出射を中止し、
前記背景光検出部は、前記出射停止期間の前記受光素子の前記生成電流を前記背景光に係る背景電流として検出し、
前記排出電流生成部が生成する前記排出電流には、オフセット分と非オフセット分とが含まれ、
前記オフセット分には、前記背景光検出部が検出した前記背景電流に基づく電流が含まれることが好ましい。

この構成によれば、背景光の強度の相当分が排出電流のオフセット分に含められる。この結果、トランスインピーダンスアンプは、背景光に相当する受光素子の生成電流分を除外して、反射光に相当する受光素子の生成電流分のみを電圧に変換することができる。これにより、測距装置の測距可能な距離範囲を増大することができる。

本発明の測距装置において、前記非オフセット分は、前記測距装置の設定された測距距離の異なる複数の位置に関し、各位置の基準反射率の反射点からの前記間欠光の反射光に対する前記受光素子の生成電流と、各位置の距離との関係に基づいて、決定されていることが好ましい。

この構成によれば、被測距物の距離に対する受光素子の出力特性に排出電流の特性を適合させて、測距装置の測距精度を高めることができる。

本発明の測距装置において、前記非オフセット分は、前記測距装置の設定された測距距離及び方向の異なる複数の位置に関し、各位置の基準反射率の反射点からの前記間欠光の反射光に対する前記受光素子の生成電流と、各位置の距離及び方向との関係に基づいて、決定されていることが好ましい。

この構成によれば、被測距物の距離及び方向に対する受光素子の出力特性に排出電流の特性を適合させて、測距装置の測距精度を高めることができる。

測距装置の模式図。 測距装置における間欠光の出射状況の説明に関し、図２Ａは間欠光の出射期間を示す図、図２Ｂは間欠光の出射停止期間を示す図、図２Ｃは間欠光の出射期間と出射停止期間との混在状態を示す図。 測距装置のブロック図。 ＴＩＡ及びその入力側の詳細図 周期Ｔａにおける複数の異なる受光時刻の反射光に対するＴＩＡの入出力についての説明に関し、図５Ａは排出電流無しのときの差分電流及び出力電圧の関係を示す図、図５Ｂは排出電流有りのときの差分電流及び出力電圧の関係を示す図。 被測距物までの距離とＡＰＤの生成電流との関係の一例を示すグラフ。 測距装置の各部の出力等の時間変化を示す図。 ＡＰＤに適合させる排出電流を決定する実測グラフ。 測距装置が実施する具体的な測距方法についてのフローチャート。

（全体構成）
図１は、測距装置１の模式図である。測距装置１は、主要な構成要素として、レーザ光源２、光路分岐素子３、光偏向器４及びＡＰＤ（Avalanche PhotoDiode）５を備えている。レーザ光源２、光路分岐素子３、光偏向器４及び後述の光源用駆動回路２５（図３）は、測距装置１の光出射部を構成する。

測距装置１は、測距装置１に対して設定された測距距離及び方向を内側に画成する測距範囲１１に存在する被測距物１０までの距離Ｌｏｂを測定する。なお、この測距装置１は、光偏向器４のミラー部１６の回転軸線の回りの回動角（例：図８の水平方向チルト角ω）を検出することにより、測距装置１に対する被測距物１０の相対的な方向も検出することができるようになっている。

測距装置１は、例えば、レーザレーダとして車両に搭載され、被測距物１０までの距離Ｌｏｂと車両から見た被測距物１０の方向とを検出する。該レーザレーダとしての測距装置１の場合、被測距物１０は、自車の前方に存在する、例えば先行車両、対向車両、歩行者及びその他（例：ガードレール等の構造物）となる。

図２は、測距装置１における間欠光の出射状況の説明に関し、図２Ａは間欠光Ｒａの出射期間を示す図、図２Ｂは間欠光Ｒａの出射停止期間を示す図、図２Ｃは間欠光Ｒａの出射期間と出射停止期間との混在状態を示す図である。

図２Ａにおいて、間欠光（「断続光」と呼ばれることもある。）Ｒａは光パルス１３の光パルス列からなる。間欠光Ｒａの出射期間では、光パルス１３が、被測距物１０に向けて一定の周期Ｔａで光出射部から出射される。測距装置１は、間欠光Ｒａの出射期間における反射光Ｒｂに基づいて被測距物１０までの距離Ｌｏｂを測定する。

図２Ａの間欠光Ｒａの出射期間に対し、図２Ｂの間欠光Ｒａの出射停止期間では、光出射部からの光パルス１３の出射が停止される。測距装置１は、間欠光Ｒａの出射停止期間では、背景光Ｒｃの強度（例：照度）を測定する。

背景光Ｒｃの強度は、測距装置１が搭載される車両の走行環境の変化伴い、変化するので、図２Ｃに示すように、間欠光Ｒａの出射停止期間は、間欠光Ｒａの出射期間に適宜挿入される。後述の図９の測距方法のフローチャートでは、測距装置１の起動時に間欠光Ｒａの出射停止期間を設けて、背景光Ｒｃの強度を測定している。

レーザ光源２は、間欠光Ｒａの光パルス１３を所定の周期Ｔａ（図７等）で出射する。間欠光Ｒａは、光路分岐素子３を直進し、光偏向器４に到達する。間欠光Ｒａは、光偏向器４で所定の走査方向に沿って偏向され、被測距物１０の存在する測距範囲１１に照射される。間欠光Ｒａは、被測距物１０に照射されると、反射光Ｒｂになって、反射光Ｒｂは、間欠光Ｒａと同一の進路を逆向きに進み、光偏向器４を経て、光路分岐素子３に到達する。反射光Ｒｂは、光路分岐素子３内のハーフミラーで一部は透過するものの、所定部分が該ハーフミラーで反射して、ＡＰＤ（受光素子）５に入射する。

光偏向器４は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）のデバイスとして、周知の構成を有する。光偏向器４の詳細な構成及び作用は、例えば特開２０１２−２０３１８６号公報、特開２０１３−８４８０号公報及び特開２０１３−８４５３０号公報等に記載されている。したがって、光偏向器４を概略的に説明する。

光偏向器４は、ミラー部１６、可動枠１７及び支持枠１８を有している。光偏向器４は、さらに、４つの内側圧電アクチュエータ２０と、２つの外側圧電アクチュエータ２１とを有している。内側圧電アクチュエータ２０は、ミラー部１６と可動枠１７との間に介在し、ミラー部１６を第１軸線の回りに往復回動させる。外側圧電アクチュエータ２１は、可動枠１７と支持枠１８との間に介在し、ミラー部１６を第１軸線に対してほぼ直交する第２軸線の回りに往復回動させる。

第１軸線及び第２軸線の回りのミラー部１６の往復回動によりミラー部１６で反射された間欠光Ｒａは、それぞれ水平方向Ｄｈ及び垂直方向Ｄｖに走査される。第１軸線の回りのミラー部１６の往復回動の周波数は、第２軸線の回りのミラー部１６の往復回動の周波数より大きい。この結果、間欠光Ｒａは測距範囲１１をラスタースキャンの走査線に沿って不連続に走査する。

光偏向器４は、図示していない圧電センサを備え、該圧電センサの出力に基づいて、第１軸線及び第２軸線の回りのミラー部１６の回動角を検出可能になっている。検出された回動角は、間欠光Ｒａについての水平方向Ｄｈのチルト角及び垂直方向Ｄｖのチルト角として被測距物１０の方向を検出するのに使用される。

図３は、測距装置１のブロック図である。図１で説明済みのブロックは、図１で付けた符号と同一の符号を付けている。測距装置１の構成素子のうち、間欠光Ｒａの生成に関与する構成素子について先に説明する。

制御部２４は、各種製品で各種プログラムを実行する際の電子制御部として汎用かつ周知の構造を有している。具体的には、制御部２４は、実装されたプログラムを実行するために必要なマイクロプロセッサ、メモリ（例：ＲＯＭ、ＲＡＭ及び読書き自在の不揮発性メモリ）、インターフェース及びその他を備えている。制御部２４が実装しているプログラムには、後述の図９の測距方法を実行する測距プログラムが含まれる。

制御部２４は、光源用駆動回路２５を介してレーザ光源２の点灯及び消灯を制御する。レーザ光源２は、点灯中は間欠光Ｒａを出射し、消灯中は間欠光Ｒａを出射しない。制御部２４は、光偏向器用駆動回路２６を介して光偏向器４のミラー部１６の往復回動を制御する。光偏向器用駆動回路２６は、具体的には、制御部２４からの制御信号に基づいて圧電式カンチレバー型の内側圧電アクチュエータ２０及び外側圧電アクチュエータ２１の圧電膜の印加電圧を生成する。

ＰＤ（フォトダイオード）２７は、光路分岐素子３においてＡＰＤ５とは反対側に向きを変更されて出射して来る間欠光Ｒａのパルス列の各光パルス１３の一部を照射されて、電流を生成する。スタート信号生成部２８は、ＰＤ２７の出力の立ち上り時刻をレーザ光源２からの間欠光Ｒａの各光パルス１３の出射時刻（スタート時刻）として検出し、検出信号をスタート信号としてＴＤＣ（Time to Digital Converter）４１に出力する。

次に、測距装置１の構成素子のうち、反射光Ｒｂの処理に関与する構成素子について説明する。

ＡＰＤ５は、入射光の強度（例：照度）に対応する電流を生成する。ＡＰＤ５の入射光は、反射光Ｒｂと背景光Ｒｃとを含む。ＡＰＤ５は、反射光Ｒｂの強度と背景光Ｒｃの強度と両者の強度の和に相当する電流（以下、「生成電流Ｉｐｄ」という。）を生成する。

定電流回路３５は、排出電流Ｉｄｒを生成する。排出電流Ｉｄｒの詳細は後述する。ＴＩＡ（トランスインピーダンスアンプ）３６は、差分電流Ｉｓｕｂを入力される。差分電流Ｉｓｕｂは、生成電流Ｉｐｄから排出電流Ｉｄｒを引いた電流に相当する（Ｉｓｕｂ＝Ｉｐｄ−Ｉｄｒ）。ＴＩＡ３６は、差分電流Ｉｓｕｂを入力電流として、該入力電流に対応する出力電圧Ｖｏｕを生成する。

排出電流Ｉｄｒは、後で詳細に説明するが（図６等）、レーザ光源２が光パルス１３を出射するごとに、その出射時刻からの経過時間に応じて減少する特性となっている。

ＴＩＡ３６の出力電圧Ｖｏｕは、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）３７及び背景光検出部としてのＤＣオフセット検知部３８に出力される。ＤＣオフセット検知部３８は、制御部２４から検知指示を受信すると、出力電圧Ｖｏｕをオフセット電圧分Ｖｏｆｓ（ＤＣオフセット）として記憶して、出力として保持する。

制御部２４は、光源用駆動回路２５を介してレーザ光源２に間欠光Ｒａを出射する出射期間と出射しない出射休止期間と（図２）を切替可能になっている。ＤＣオフセット検知部３８が出力として保持するオフセット電圧分Ｖｏｆｓは、出射停止期間のＴＩＡ３６の出力電圧Ｖｏｕである。

ＨＰＦ３７は、出力電圧Ｖｏｕから低周波数成分を除去してから、ゼロクロス検出部４０に出力する。ゼロクロス検出部４０は、交流入力電圧が０Ｖを通過することを検出した時に、反射光Ｒｂの受光時刻を示す信号としてのゼロクロス信号をＴＤＣ４１に出力する。

ＴＤＣ４１は、スタート信号生成部２８からのスタート信号の示すスタート時刻（光パルス１３の出射時刻）から、ゼロクロス検出部４０からのゼロクロス信号の示すゼロクロス時刻（反射光Ｒｂの受光時刻）までの経過時間Ｔｒ（図７）を、各周期Ｔａにおいて計時する。各周期Ｔａの開始時刻は０に設定されているので、経過時間Ｔｒは、各光パルス１３に対するＡＰＤ５における反射光Ｒｂの受光時刻に相当する。

加算器４４は、ＤＣオフセット検知部３８が保持し、出力しているオフセット電圧分Ｖｏｆｓと制御部２４から入力される非オフセット電圧分Ｖｖａｒとを加算した制御電圧Ｖｄｒ（＝Ｖｏｆｓ＋Ｖｖａｒ）を定電流回路３５に出力する。

定電流回路３５は、制御電圧Ｖｄｒに応じた排出電流Ｉｄｒを生成する。制御電圧Ｖｄｒに含まれるオフセット電圧分Ｖｏｆｓ及び非オフセット電圧分Ｖｖａｒは、排出電流Ｉｄｒのうちのオフセット電流Ｉｏｆｓ（オフセット分）及び非オフセット電流Ｉｖａｒ（非オフセット分：図３）にそれぞれ対応する。

ＡＰＤ５、定電流回路３５、ＴＩＡ３６、ＤＣオフセット検知部３８及び加算器４４は、測距装置１の光電変換部を構成する。ＤＣオフセット検知部３８は、背景光検出部も構成する。

制御部２４は、ＡＰＤ５の周囲温度を検出し、ＡＰＤ５の受光感度が一定となるように受光素子用駆動電源（図３ではブロック省略）による印加逆電圧の調整信号Ｃｍを出力する。

制御部２４は、距離算出部４６を有する。距離算出部４６は、ＴＤＣ４１から入力された経過時間Ｔｒに基づいて被測距物１０までの距離Ｌｏｂを算出する。測距装置１から被測距物１０までの距離Ｌｏｂは次の式（１）で算出することができる。
Ｌｏｂ＝（Ｃｓ×Ｔｒ）／２・・・式（１）
ただし、Ｃｓは光速である。

（ＴＩＡ）
図４は、ＴＩＡ３６及びその入力側の詳細図である。ＴＩＡ３６は、オペアンプ５０及び負帰還抵抗５１を含む。負帰還抵抗５１は、両端においてオペアンプ５０の負相端子（反転端子）と出力端子とに接続されている。オペアンプ５０の正相端子（非反転端子）は基準電圧Ｖｒｅｆを供給される。ＡＰＤ５と定電流回路３５とは、一定電圧Ｖｃｃの電圧端子とアースとの間に介在する。ＡＰＤ５と定電流回路３５との接続点はオペアンプ５０の入力端子としての負相端子に接続されている。

ＡＰＤ５の入射光には、反射光Ｒｂと背景光Ｒｃとが含まれる。ＡＰＤ５は、反射光Ｒｂの強度と背景光Ｒｃの強度とを加算した強度（ここでは照度）に応じた生成電流Ｉｐｄを生成する。一方、定電流回路３５は、排出電流Ｉｄｒを生成する。この結果、負帰還抵抗５１には、差分電流Ｉｓｕｂ（＝Ｉｐｄ−Ｉｄｒ）がオペアンプ５０の負相側から出力端子側に流れる。オペアンプ５０は、差分電流Ｉｓｕｂに基づく出力電圧Ｖｏｕを出力する。

図５は、周期Ｔａにおける複数の異なる受光時刻の反射光Ｒｂに対するＴＩＡ３６の入出力についての説明図である。図５Ａは排出電流Ｉｄｒ無しのときの差分電流Ｉｓｕｂ及び出力電圧Ｖｏｕの関係を示し、図５Ｂは排出電流Ｉｄｒ有りのときの差分電流Ｉｓｕｂ及び出力電圧Ｖｏｕの関係を示している。反射光Ｒｂの受光時刻は、各間欠光Ｒａの出射時刻としての周期Ｔａの開始時刻を０とし、該開始時刻からの経過時間Ｔｒで定義している。

図５では、測距装置１からの被測距物１０までの距離Ｌｏｂが異なる４つのケースＯｂ１〜ケースＯｂ４について、差分電流Ｉｓｕｂ及び出力電圧Ｖｏｕが示されている。ケースＯｂ１〜ケースＯｂ４の番号順に測距範囲１１における被測距物１０は、測距装置１から遠方になっている。

図５において、定格の入力レンジとは、ＴＩＡ３６の出力電圧Ｖｏｕを飽和させない差分電流Ｉｓｕｂの範囲を意味する。定格の出力レンジとは、出力電圧Ｖｏｕの非飽和範囲を示し、差分電流Ｉｓｕｂが定格の入力レンジであるときの出力電圧Ｖｏｕの範囲である。Ｉｕ，Ｉｌは、それぞれ入力レンジの上限及び下限を示している。

図５では、ＴＩＡ３６の入力電流としての差分電流Ｉｓｕｂは、背景光Ｒｃに相当する分を含まないもので示しており、反射光Ｒｂに相当する分のみとなっている。差分電流Ｉｓｕｂは、負帰還抵抗５１を負相端子の側から出力端子の側に流れる向きが正の向きとなっている。

図５Ａから説明する。この場合、差分電流Ｉｓｕｂは、ＡＰＤ５の生成電流Ｉｐｄのみとなる（Ｉｓｕｂ＝Ｉｐｄ）。生成電流Ｉｐｄは、ケースＯｂ１，Ｏｂ２では、ＴＩＡ３６の定格の入力レンジの上限Ｉｕを上回る。この結果、ＴＩＡ３６の出力電圧Ｖｏｕは、ケースＯｂ１，Ｏｂ２の対応する反射光Ｒｂの受光時Ｔｒ１，Ｔｒ２に定格の出力レンジの下限側で飽和してしまい、被測距物１０までの距離Ｌｏｂの測距が困難になる。

図５Ｂについて説明する。ＴＩＡ３６の入力電流としての差分電流Ｉｓｕｂは、ＡＰＤ５の生成電流Ｉｐｄから排出電流Ｉｄｒを引いたものとなる（Ｉｓｕｂ＝Ｉｐｄ−Ｉｄｒ）。なお、生成電流Ｉｐｄは、オペアンプ５０の負相側からオペアンプ５０の出力側に負帰還抵抗５１を流れるのに対し、排出電流Ｉｄｒは、生成電流Ｉｐｄとは逆向きに流れる。図５Ｂでは、このことを反映させて、Ｉｄｒに−の符号を付けている。差分電流Ｉｓｕｂは、−ＩｄｒにＩｐｄを上乗せしたものになる。

排出電流Ｉｄｒは、各周期Ｔａにおいて間欠光Ｒａを出射するごとに、周期Ｔａの開始時刻としての間欠光Ｒａの出射時刻からの経過時間に応じて増大するものである。具体的には、排出電流Ｉｄｒは、各周期Ｔａにおいて、ＡＰＤ５における反射光Ｒｂの受光時刻に関係なく、受光時Ｔｒ１〜Ｔｒ４には差分電流ＩｓｕｂをＴＩＡ３６の定格の入力レンジの上限Ｉｕ〜下限Ｉｌの範囲内に収めることを保証するように、経過時間に対する減少特性を設定されている。

（排出電流の説明）
図６は、被測距物１０までの距離ＬｏｂとＡＰＤ５の生成電流Ｉｐｄとの関係（実線）の一例を示すグラフである。被測距物１０までの距離Ｌｏｂと、ＡＰＤ５が受光する反射光Ｒｂの強度（例：照度）とは、距離Ｌｏｂの自乗に反比例する関係にある。図６の特性線は、生成電流Ｉｐｄが、距離Ｌｏｂの増大に連れて、距離Ｌｏｂの自乗の反比例で減少する特性として規定されている。

図６の横軸の距離Ｌｏｂは、前述の式（１）に定義されるように、経過時間Ｔｒと比例関係にある。したがって、図６の横軸の距離Ｌｏｂを経過時間Ｔｒに置き換えることもできる。

図６には、排出電流Ｉｄｒの特性（破線）が、生成電流Ｉｐｄの特性（実線）と対比されている。Ｉｇａｐは、Ｉｐｄから排出電流Ｉｄｒを引いた差分を示し、Ｉｐｄ＞Ｉｄｒのとき正とする。差分Ｉｇａｐは、ＡＰＤ５における反射光Ｒｂの受光時刻としての経過時間Ｔｒが各周期Ｔａ内のどの時刻であっても、該受光時刻においてＴＩＡ３６の定格の入力レンジ内に収まるように設定される。この結果、ＴＩＡ３６の入力電流としての差分電流Ｉｓｕｂは、少なくとも反射光Ｒｂの受光時には、ＴＩＡ３６の定格の入力レンジ内に収まることが保証され、該受光時の出力電圧Ｖｏｕの飽和が回避される。

図６では、Ｉｇａｐは、距離Ｌｏｂの増大に連れて減少している。しかしながら、Ｉｇａｐが、任意の経過時間Ｔｒ（間欠光Ｒａの受光時刻）においてＩｌ＜Ｉｇａｐ＜Ｉｕの条件を満たしていれば、少なくとも反射光Ｒｂの受光時には出力電圧Ｖｏｕが非飽和となる。したがって、Ｉｇａｐは、距離Ｌｏｂに関係なく一定値であったり、距離Ｌｏｂの増大に連れて増大する特性であってもよい。

（排出電流の効果）
図７は、測距装置１の各部の出力等の時間変化を示している。図７の一段目の光出射部の出力とは、具体的にはレーザ光源２から出射される間欠光Ｒａの強度（例：レーザ光源２の輝度）を示している。光出射部の出力の各矩形は、各光パルス１３（図２）に対応する。

図７の二段目には、生成電流Ｉｐｄが、背景光Ｒｃに相当する分が除去した後の値に対応する波形で示されている。反射光Ｒｂは、被測距物１０までの距離Ｌｏｂに応じた強度（例：照度）でＡＰＤ５に受光される。受光時刻としての経過時間Ｔｒ（各周期Ｔａの開始時刻を時刻０とする。）は、被測距物１０までの距離Ｌｏｂの増大に応じて増大する（前述の式（１）参照）。また、経過時間Ｔｒが大きいほど、ＡＰＤ５にける反射光Ｒｂの入射強度が低下し、ＡＰＤ５の生成電流Ｉｐｄが減少する。

図７の三段目の排出電流Ｉｄｒは、図６の波線で示した排出電流Ｉｄｒになっている。図７の三段目の波線は、二段目の生成電流Ｉｐｄの絶対値のうち三段目の排出電流Ｉｄｒの絶対値を上回っている分を排出電流Ｉｄｒに上乗せしたものである。ＴＩＡ３６の入力電流としての差分電流Ｉｓｕｂは、Ｉｐｄ−Ｉｄｒとなる。この結果、周期Ｔａにおいて、反射光Ｒｂを受光していない期間(以下、「周期Ｔａのうちの非受光期間」という。)では、差分電流Ｉｓｕｂは、ＴＩＡ３６の定格の入力レンジの下限Ｉｌを下回っているが、間欠光Ｒａの受光時(以下、「周期Ｔａのうちの受光期間」という。)では、上昇して、定格の入力レンジとしてのＩｌ＜Ｉｓｕｂ＜Ｉｕの範囲に収まる。

図７の四段目のＴＩＡ３６の出力電圧Ｖｏｕは、周期Ｔａのうちの非受光期間では、定格の出力レンジ外、詳細には、定格の出力レンジの上限としての基準電圧Ｖｒｅｆ（図４も参照）で飽和している。これに対し、周期Ｔａのうちの反射光Ｒｂの受光期間では、出力電圧Ｖｏｕは、飽和を解除され、定格の出力レンジ内、すなわち基準電圧Ｖｒｅｆ未満になる。この結果、出力電圧Ｖｏｕは、周期Ｔａのうちの反射光Ｒｂの受光期間は、立ち下がって、出力電圧Ｖｏｕは、定格の出力レンジ内に収まる。これにより、出力電圧Ｖｏｕのピーク位置を検出すれば、反射光Ｒｂの受光時を正しく検出することができる。なお、本明細書では、「ピーク位置」を、上方向移動時の最高点の位置だけでなく、下方向移動時の最低点の位置も含めて、使用する。

こうして、ゼロクロス検出部４０は、反射光Ｒｂの受光時刻としての経過時間Ｔｒは、出力電圧Ｖｏｕのピーク位置に応じてゼロクロス信号を正確に出力することができる。この結果、距離算出部４６は、測距装置１の設定された距離範囲の増大に伴う測距反射光間欠光Ｒａの強度範囲（例：照度範囲）の増大にもかかわらず、ＴＩＡ３６の出力電圧Ｖｏｕの飽和を防止して、測距装置１の測距精度を高めることができる。

（ＡＰＤに適合する排出電流の決定の仕方）
図８は、ＡＰＤ５に適合させる排出電流Ｉｄｒを決定する実測グラフである。該グラフは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の直交三軸座標系に定義される。Ｘ軸は光偏向器４のミラー部１６の水平方向チルト角ωに対応し、Ｙ軸は被測距物１０までの距離Ｌｏｂに対応し、Ｚ軸は生成電流Ｉｐｄに対応する。特性曲面Ｐｐｄ上の座標位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸ，Ｙ，Ｚは、（ａ）出荷品としての各測距装置１ごとに実際に試験を行って実測するか、（ｂ）出荷品としての複数の所定数の測距装置１を群とし、該群の中から１つを標本として選択し、該標本について実際に試験を行って実測したものになる。

（ａ）の場合は、生成電流Ｉｐｄの特性が各測距装置１ごとに決定される。（ｂ）の場合は、標本における生成電流Ｉｐｄの特性が、該標本の属する群の全部の測距装置１の生成電流Ｉｐｄとして決定される。

該試験の内容を詳細に述べると、測距範囲１１において均一に分布する複数の位置Ｐｏｂ（Ｘ，Ｙ）が標本位置として選定される。位置Ｐｏｂ（Ｘ，Ｙ）のＸは、チルト角ωであり、Ｙは距離Ｌｏｂである。次に、１つの標本位置に基準反射板を測距装置１に対峙して置く。基準反射板（「基準反射点」に相当）は、決められた形状（基準形状）、寸法（基準寸法）及び反射率（基準反射率）を有する。そして、生成電流Ｉｐｄを実測する。この実測を全部の標本位置で行う。

なお、基準反射板は、本発明の「基準反射点」に相当する。基準反射板の形状、寸法及び反射率は、それぞれ「基準形状」、「基準寸法」及び「基準反射率」に相当する。

こうして、各標本位置のＰｏｂ（Ｘ，Ｙ）に対して実測した生成電流ＩｐｄとしてのＺを加えて、Ｐｏｂ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を得る。全部のＰｏｂ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）をＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の直交三軸座標系にプロットし、各プロット点（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＺに対し最小二乗法を適用して、全プロット点におけるＺの自乗の合計が最小になる近似曲面を図８の特性曲面Ｐｐｄとして決定される。

特性曲面Ｐｐｄに対する排出電流Ｉｄｒは、図６で排出電流Ｉｄｒを決定したときと近似した仕方で決定される。すなわち、図８で決定される排出電流Ｉｄｒの特性曲面Ｐｄｒは、特性曲面ＰｐｄからＩｇａｐ（図６参照）だけＺ軸方向に下側に位置する特性曲面となる。

なお、図６のＩｇａｐは、パラメータが距離Ｌｏｂの１つだけであるが、図８では、パラメータは距離Ｌｏｂと水平方向チルト角ωとの２つになる。こうして、決定された排出電流Ｉｄｒの特性曲面Ｐｄｒ上の各座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に対応させて測距装置１の排出電流Ｉｄｒが決定される。

測距装置１から出射される間欠光Ｒａの強度及び被測距物１０までの距離Ｌｏｂが同一であっても、測距装置１から見た被測距物１０の方向としての水平方向チルト角ωが異なると、ＡＰＤ５における反射光Ｒｂの強度が異なる。一般に、光偏向器４の真正面方向（ω＝０°）からの被測距物１０からの生成電流Ｉｐｄが最大となり、真正面の方向から離れた方向の被測距物１０から反射光Ｒｂほど、同一の距離Ｌｏｂに対する反射光Ｒｂの受光強度が低下して、ＡＰＤ５の生成電流Ｉｐｄが低下する。

なお、真正面の方向から離れた方向の被測距物１０から反射光Ｒｂほど、同一の距離Ｌｏｂに対する反射光Ｒｂの受光強度が低下することは、水平方向チルト角ωについてだけでなく、垂直方向チルト角についても言える。したがって、図８のグラフに、さらに、垂直方向チルト角をパラメータとして追加して、計３つの因子で生成電流Ｉｐｄを実測し、四座標の特性曲面Ｐｐｄを作成し、該特性曲面Ｐｐｄに基づいてさらに四座標の特性曲面Ｐｄｒを作成し、該四座標の特性曲面Ｐｄｒに基づいて生成電流Ｉｐｄの特性を決定することもできる。

図８の特性曲面Ｐｄｒは、同一のＹ座標位置に対してＸ座標の増大に連れてＺ軸方向に下降している。特性曲面Ｐｄｒに基づく排出電流Ｉｄｒの決定により、測距装置１からの被測距物１０の方向の相違にもかかわらず、ｌｐｄの測距精度の低下を防止することができる。

なお、実測に基づいて作成された特性曲面Ｐｐｄから得られる特性曲面Ｐｄｒに基づく排出電流Ｉｄｒの決定方式でも、Ｉｇａｐを特性曲面Ｐｐｄの全体で一律とせず、生成電流Ｉｐｄの低いものほど、Ｉｇａｐが減少するように、排出電流Ｉｄｒを決定することができる。

（測距方法）
測距装置１が実施する測距方法について、図９のフローチャートを参照して説明する。該測距方法は、具体的には、制御部２４が、ＲＯＭ（図示せず）に記憶されている測距プログラムに従って、実行するものである。

該測距プログラムは、例えば、ユーザにより測距装置１の電源スイッチ（図示せず）がオンにされしだい、起動して、処理を開始し、ユーザにより該電源スイッチオフにされると、終了する。制御部２４は、測距プログラムとは別途に測距装置１の電源スイッチのオン、オフにより測距プログラムの開始及び終了を実行する割込みプログラムを有している。

制御部２４は、ＳＴＥＰ１０において、間欠光Ｒａの出射を禁止する。具体的には、測距装置１の光出射部におけるレーザ光源２が通電されるのを禁止する。これにより、間欠光Ｒａの出射停止期間（図２Ｂ）が開始する。

制御部２４は、ＳＴＥＰ１１において、排出電流生成部としての定電流回路３５の作動を停止させる。これにより、定電流回路３５による排出電流Ｉｄｒの生成は停止し、差分電流Ｉｓｕｂ＝生成電流Ｉｐｄとなる。

制御部２４は、ＳＴＥＰ１２において背景光検出部としてのＤＣオフセット検知部３８にＴＩＡ３６の出力電圧Ｖｏｕを測定させる。この測定時は、間欠光Ｒａの出射停止期間内であるので、出力電圧Ｖｏｕは、背景光Ｒｃのみに対応するＴＩＡ３６の出力電圧、すなわちオフセット電圧分Ｖｏｆｓとなる。

ＤＣオフセット検知部３８は、ＳＴＥＰ１３において、ＳＴＥＰ１２で測定したオフセット電圧分Ｖｏｆｓを保持する。ＤＣオフセット検知部３８は、その後、ＳＴＥＰ１３が再度実行されるまで、保持したオフセット電圧分Ｖｏｆｓを出力することになる。

制御部２４は、ＳＴＥＰ１４においてレーザ光源２による間欠光Ｒａの出射の禁止及び定電流回路３５の作動の禁止を共に解除する。これにより、間欠光Ｒａの出射期間（図２Ａ）が開始する。

制御部２４は、ＳＴＥＰ１５において、周期Ｔａの開始に合わせて、レーザ光源２には間欠光Ｒａを出射させ、定電流回路３５には排出電流Ｉｄｒの生成を開始させる。これにより、Ｉｓｕｂ＝Ｉｐｄ−Ｉｄｒとなる。なお、Ｉｄｒ（排出電流）＝Ｉｏｆｓ（オフセット電流）＋Ｉｖａｒ（非オフセット電流）である（図３参照）。

ゼロクロス検出部４０は、ＳＴＥＰ１６において、ＴＩＡ３６の出力電圧ＶｏｕからＡＰＤ５における反射光Ｒｂの受光時刻（経過時間Ｔｒ）を検出する。

距離算出部４６は、ＳＴＥＰ１７において、前述の式（１）に基づいて被測距物１０までの距離Ｌｏｂを算出する。

制御部２４は、ＳＴＥＰ１８において、間欠光Ｒａの出射後、すなわち周期Ｔａの開始時刻からの経過時間がＴａ以上であるか否かを判定する。そして、経過時間がＴａ以上になるまで、ＳＴＥＰ１８を繰り返し、経過時間がＴａ以上になりしだい、処理をＳＴＥＰ１５に戻す。

こうして、生成電流Ｉｐｄから背景光Ｒｃの相当分のオフセット電流Ｉｏｆｓを除外して、環境により変化する背景光Ｒｃの強度に関係なく、間欠光Ｒａの強度に関係する差分電流Ｉｓｕｂを生成することができる。また、生成される差分電流Ｉｓｕｂを、反射光Ｒｂの受信時刻に関係なく、ＴＩＡ３６の入力レンジ内に収めて、ＴＩＡ３６の出力電圧Ｖｏｕの飽和を防止することができる。

（変形例）
本実施形態の測距装置１で光出射部の１つの要素として用いられいる光偏向器４は、被測距物１０に対し間欠光Ｒａを二次元走査する二次元光偏向器になっている。本発明は、一次元走査（例：ミラー部１６の回動軸が一軸だけとなっている光偏向器による走査）の光偏向器を用いることもできる。

さらに、本発明は、光偏向器を省略することもできる。その場合、間欠光Ｒａは、走査されないので、本発明の測距装置自体は、一次元の方向に存在する被測距物１０の距離Ｌｏｂを測距することになる。また、光偏向器４を省略した測距装置を台に載置して、台を回転させたり、往復動させたりすれば、間欠光Ｒａを走査して、走査方向に存在する被測距物１０について、その距離Ｌｏｂを測距することができる。

本実施形態では、間欠光Ｒａの出射停止期間（ＳＴＥＰ１０）は、測距装置１の作動中（電源のオン中）、起動時に１回だけを間欠光Ｒａの出射期間の開始前に設定している。本発明では、測距装置１の作動中、背景光Ｒｃの強度に変化が生じたと判断したときに、間欠光Ｒａの出射期間を適宜中止して、出射停止期間を挿入して、背景光Ｒｃに係る背景電流（図２のオフセット電流Ｉｏｆｓ）を検出することができる。

背景光Ｒｃに係る背景電流を検出する出射停止期間は、被測距物１０の測距が不要となる期間が選択される。例えば、測距装置１を搭載する車両では、信号待ち等で一時停車している期間である。

本実施形態では、間欠光Ｒａの各光パルス１３の出射時刻は、スタート信号生成部２８がＰＤ２７の出力に基づいて検出している。本実施形態の変形例では、スタート信号生成部２８の代わりに、制御部２４がレーザ光源２を点灯開始した時刻から各光パルス１３の出射時刻を検出することもできる。

１・・・測距装置、２・・・レーザ光源（光出射部）、４・・・光偏向器、５・・・ＡＰＤ（受光素子）、１０・・・被測距物、２４・・・制御部、３５・・・定電流回路（排出電流生成部）、３６・・・ＴＩＡ（トランスインピーダンスアンプ）、３８・・・ＤＣオフセット検知部（背景光検出部）、４６・・・距離算出部、５０・・・オペアンプ、５１・・・負帰還抵抗。

Claims (5)

1. 被測距物に向けて光パルス列からなる間欠光を出射する光出射部と、
   前記被測距物からの反射光を含む入射光の強度に応じた電流を生成する受光素子と、
   前記光出射部が前記間欠光の光パルスを出射するごとに、出射時刻からの経過時間に応じて減少する排出電流を生成する排出電流生成部と、
   前記受光素子の生成電流から前記排出電流生成部による前記排出電流を引いた差分電流に基づく電圧を出力するトランスインピーダンスアンプと、
   前記トランスインピーダンスアンプの出力電圧に基づいて前記被測距物までの距離を算出する距離算出部とを備えることを特徴とする測距装置。
2. 請求項１に記載の測距装置において、
   前記排出電流生成部は、前記間欠光の出射期間では前記光パルスを一定の周期で出射し、
   前記排出電流生成部が生成する前記排出電流は、前記測距装置の設定された距離範囲内の任意の距離に存在する前記被測距物からの反射光に対して、前記差分電流を前記トランスインピーダンスアンプの定格の入力レンジの範囲内に収めるように、設定されていることを特徴とする測距装置。
3. 請求項１又は２に記載の測距装置において、
   背景光を検出する背景光検出部を備え、
   前記光出射部は、前記間欠光の出射停止期間において前記間欠光の出射を中止し、
   前記背景光検出部は、前記出射停止期間の前記受光素子の前記生成電流を前記背景光に係る背景電流として検出し、
   前記排出電流生成部が生成する前記排出電流には、オフセット分と非オフセット分とが含まれ、
   前記オフセット分には、前記背景光検出部が検出した前記背景電流に基づく電流が含まれることを特徴とする測距装置。
4. 請求項３に記載の測距装置において、
   前記非オフセット分は、前記測距装置の設定された測距距離の異なる複数の位置に関し、各位置の基準反射率の反射点からの前記間欠光の反射光に対する前記受光素子の生成電流と、各位置の距離との関係に基づいて、決定されていることを特徴とする測距装置。
5. 請求項４に記載の測距装置において、
   前記非オフセット分は、前記測距装置の設定された測距距離及び方向の異なる複数の位置に関し、各位置の基準反射率の反射点からの前記間欠光の反射光に対する前記受光素子の生成電流と、各位置の距離及び方向との関係に基づいて、決定されていることを特徴とする測距装置。