JP2019128221A - Time measurement device, distance measurement device, moving body device, time measurement method, and distance measurement method - Google Patents

Time measurement device, distance measurement device, moving body device, time measurement method, and distance measurement method Download PDF

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Abstract

To provide a distance measurement device that can conduct a highly accurate and high-speed measurement, not relying on an amount of reception light by a light reception element of light projected and reflected upon an object.SOLUTION: A time measurement device measures a time from emission from an LD11 of light projected from a light projection system 10 including an LD 11 and reflected upon an object to reception of the light by a time measurement-purpose PD 42. The time measurement device comprises a time acquisition system that includes a control system 46 configured to, when a plurality of light projection are conducted in the same direction by the light projection system 10, classify a voltage signal in which a peak exceeds a threshold of voltage signals output from a waveform processing circuit 41 upon each light projection of the plurality of light projection or a value based on the voltage signal into a plurality of ranks corresponding to the time or a value based on the time; and acquire the time upon the light projection in the same direction on the basis of the classification result, in which a rank width for each rank is set based on a frequency characteristic (characteristic) of the waveform processing circuit 41.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、時間測定装置、距離測定装置、移動体装置、時間測定方法及び距離測定方法に関する。   The present invention relates to a time measuring device, a distance measuring device, a mobile device, a time measuring method, and a distance measuring method.

従来、光源を含む投光系と、該投光系から投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する受光素子と、該受光素子の出力電流に対して少なくとも1つの処理を行い、該処理により得られた信号を出力する処理部とを有し、該処理部から出力された信号のうちピークが閾値を超えた複数の信号から上記光による信号を抽出し、該信号に基づいて該光が光源から射出されてから受光素子で受光されるまでの時間を測定する装置が知られている(例えば特許文献1、2参照)。   Conventionally, a light projecting system including a light source, a light receiving element that receives and photoelectrically converts light projected from the light projecting system and reflected by an object, and at least one process for the output current of the light receiving element, A processing unit that outputs a signal obtained by the processing, and extracts a signal based on the light from a plurality of signals whose peaks exceed a threshold among the signals output from the processing unit, and based on the signal There is known an apparatus for measuring the time from when the light is emitted from the light source to when it is received by the light receiving element (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

しかしながら、特許文献1、2に開示されている装置では、投光され物体で反射された光の受光素子での受光光量によらず高精度かつ高速な測定を行うことに関して改善の余地があった。   However, the devices disclosed in Patent Documents 1 and 2 have room for improvement with respect to performing high-accuracy and high-speed measurement regardless of the amount of light received by the light-receiving element of the light projected and reflected by the object. .

本発明は、光源を含む投光系と、前記投光系から投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する受光素子を含む受光系と、該受光素子が出力する電気信号に対して少なくとも1つの処理を行い、該処理により得られた信号を出力する処理系と、を備え、前記光が前記光源から射出されてから前記受光素子で受光されるまでの時間を測定する時間測定装置において、前記投光系が前記物体に向かう同一方向へ複数回の投光を行ったときに、前記複数回の各回の投光時に前記処理系から出力された前記信号のうちピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値を、前記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて前記同一方向への投光時における前記時間を取得する時間取得系を備え、前記処理系の特性に基づいて前記階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする時間測定装置である。   The present invention relates to a light projecting system including a light source, a light receiving system including a light receiving element that receives and photoelectrically converts light projected from the light projecting system and reflected by an object, and an electric signal output from the light receiving element. A processing system that performs at least one processing and outputs a signal obtained by the processing, and measures a time from when the light is emitted from the light source until it is received by the light receiving element. In the apparatus, when the light projecting system performs a plurality of times of light projecting in the same direction toward the object, the peak of the signals output from the processing system at the time of the plurality of times of light projecting has a threshold value. The time when the signal exceeding the value or the value based on the signal is classified into a plurality of classes corresponding to the time or the value based on the time, and the time at the time of light projection in the same direction is acquired based on the classification result An acquisition system, the processing system It is the time measurement device according to claim the class width of each of the classes based on the properties are set.

本発明によれば、投光され物体で反射された光の受光素子での受光光量によらず高精度かつ高速な測定を行うことができる。   According to the present invention, highly accurate and high-speed measurement can be performed regardless of the amount of light received by the light receiving element of the light projected and reflected by the object.

一実施形態に係る物体検出装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the object detection apparatus which concerns on one Embodiment. 図2(A)は、投光光学系、同期系を説明するための図であり、図2(B)は、受光光学系を説明するための図であり、図2(C)は、LD11から反射ミラーまでの光の光路、及び反射ミラーから時間計測用PDまでの光の光路を概略的に示す図である。2A is a diagram for explaining the light projecting optical system and the synchronization system, FIG. 2B is a diagram for explaining the light receiving optical system, and FIG. It is a figure which shows roughly the optical path of the light from to a reflective mirror, and the optical path of the light from a reflective mirror to PD for time measurement. 同期信号とLD駆動信号を示すタイミング図である。It is a timing diagram which shows a synchronizing signal and LD drive signal. 図4(A)は、発光パルスと受光パルスを示すタイミング図であり、図4(B)は、二値化後の発光パルスと受光パルスを示すタイミング図である。4A is a timing chart showing the light emission pulse and the light reception pulse, and FIG. 4B is a timing chart showing the light emission pulse and the light reception pulse after binarization. 図5(A)は閾値電圧に対してショットノイズが大きい場合を示す図であり、図5(B)は閾値電圧に対してショットノイズが小さい場合を示す図である。FIG. 5A is a view showing a case where shot noise is larger than a threshold voltage, and FIG. 5B is a view showing a case where shot noise is smaller than a threshold voltage. 物体信号とノイズのパルス幅の違いを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the difference of the pulse width of an object signal and noise. 波形処理回路の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural example of a waveform processing circuit. 電流電圧変換器と信号増幅器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a current-voltage converter and a signal amplifier. 理想的な正弦波と受光波形を比較するための図である。It is a figure for comparing an ideal sine wave and a light reception waveform. 受光光量の変化に応じた受光波形の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the received light waveform according to the change of received light quantity. 受光信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間を説明するための図である。It is a figure for demonstrating rise time and fall time of a light reception signal. 受光光量の変化に応じた受光信号の立ち上がりが閾値電圧を横切る時間の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the time when the rising of the received light signal crosses a threshold voltage according to the change of received light quantity. 投光波形のパルス幅を示す図である。It is a figure which shows the pulse width of a light projection waveform. 時間階級の階級幅を変化させる例について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the example which changes the class width of time class. センシング装置について説明するための図である。It is a figure for demonstrating a sensing apparatus. 測距処理1について説明するためのフローチャートである。6 is a flowchart for explaining distance measurement processing 1; 測距処理2について説明するためのフローチャートである。6 is a flowchart for explaining distance measurement processing 2; 測距処理3について説明するためのフローチャートである。6 is a flowchart for explaining distance measurement processing 3; 測距処理4について説明するためのフローチャートである。10 is a flowchart for explaining distance measurement processing 4; 制御系の構成例を示す図であるIt is a figure showing an example of composition of a control system.

以下に、本発明の一実施形態の物体検出装置100について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an object detection apparatus 100 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1には、物体検出装置100の概略的構成がブロック図にて示されている。   FIG. 1 is a block diagram illustrating a schematic configuration of the object detection apparatus 100.

物体検出装置100は、一例として、移動体としての車両(例えば自動車)に搭載され、投光し、物体(例えば先行車両、停車車両、障害物、歩行者等)で反射(散乱)された光を受光して該物体の有無や、該物体までの距離等の物体に関する情報(以下では「物体情報」とも呼ぶ)を検出する走査型レーザレーダである。物体検出装置100は、例えば車両のバッテリ(蓄電池)から電力の供給を受ける。
すなわち、物体検出装置100は、物体有無判定装置や距離測定装置(測距装置)や物体認識装置(物体の位置、形状、大きさ等を認識する装置)として機能する。
For example, the object detection device 100 is mounted on a vehicle (for example, an automobile) as a moving body, and is projected and reflected (scattered) by an object (for example, a preceding vehicle, a stopped vehicle, an obstacle, a pedestrian, or the like). Is a scanning laser radar that detects information regarding an object (hereinafter also referred to as “object information”) such as the presence or absence of the object and the distance to the object. The object detection apparatus 100 receives power supply from, for example, a battery (storage battery) of a vehicle.
That is, the object detection device 100 functions as an object presence / absence determination device, a distance measurement device (distance measurement device), or an object recognition device (a device for recognizing the position, shape, size, etc. of an object).

物体検出装置100は、一例として図1に示されるように、投光系10、受光系40、波形処理回路41(処理系)、二値化回路44(時間取得系の一部)、制御系46(時間取得系の一部)、同期系50、物体認識部47などを備えている。   As shown in FIG. 1 as an example, the object detection apparatus 100 includes a light projecting system 10, a light receiving system 40, a waveform processing circuit 41 (processing system), a binarization circuit 44 (part of a time acquisition system), a control system. 46 (part of the time acquisition system), a synchronization system 50, an object recognition unit 47, and the like.

投光系10は、光源としてのLD11(レーザダイオード)、LD駆動部12、投光光学系20を含む。   The light projecting system 10 includes an LD 11 (laser diode) as a light source, an LD driving unit 12, and a light projecting optical system 20.

LD11は、端面発光レーザとも呼ばれ、LD駆動部12により駆動され、レーザ光を射出する。LD駆動部12は、制御系46から出力されるLD駆動信号(矩形パルス信号)を用いてLD11を点灯(発光)させる。LD駆動部12は、一例として、LD11に電流を供給可能に接続されたコンデンサ、該コンデンサとLD11との間の導通/非導通を切り替えるためのトランジスタ、該コンデンサを充電可能な充電手段等を含む。制御系46は、自動車のECU(エレクトロニックコントロールユニット)からの測定制御信号(測定開始信号や測定停止信号)を受けて測定開始や測定停止を行う。   The LD 11 is also called an edge emitting laser, and is driven by the LD driving unit 12 to emit laser light. The LD driving unit 12 lights (emits light) the LD 11 using the LD driving signal (rectangular pulse signal) output from the control system 46. The LD driver 12 includes, as an example, a capacitor connected so as to supply current to the LD 11, a transistor for switching between conduction / non-conduction between the capacitor and the LD 11, charging means capable of charging the capacitor, and the like. . The control system 46 starts and stops measurement in response to a measurement control signal (measurement start signal or measurement stop signal) from the ECU (Electronic Control Unit) of the automobile.

なお、上記光源としてLD11を用いているが、これに限られない。例えば、VCSEL(面発光レーザ)、有機EL素子、LED(発光ダイオード)、LDやVCSEL以外のレーザ等の他の発光素子を用いても良い。   In addition, although LD11 is used as the said light source, it is not restricted to this. For example, another light emitting element such as a VCSEL (surface emitting laser), an organic EL element, an LED (light emitting diode), an LD or a laser other than the VCSEL may be used.

図2(A)には、投光光学系20、同期系50が模式的に示されている。図2(B)には、受光光学系30が模式的に示されている。以下では、図2(A)等に示されるZ軸方向を鉛直方向とするXYZ3次元直交座標系を適宜用いて説明する。   FIG. 2A schematically shows the light projecting optical system 20 and the synchronization system 50. FIG. 2B schematically shows the light receiving optical system 30. In the following, description will be made using an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system in which the Z-axis direction shown in FIG. 2A or the like is the vertical direction, as appropriate.

投光光学系20は、図2(A)に示されるように、LD11からの光の光路上に配置されたカップリングレンズ22と、該カップリングレンズ22を介した光の光路上に配置された反射ミラー24と、該反射ミラー24で反射された光の光路上に配置された偏向器としての回転ミラー26と、を含む。ここでは、装置を小型化するために、カップリングレンズ22と、偏向器としての回転ミラー26との間の光路上に反射ミラー24を設けて光路を折り返している。   As shown in FIG. 2A, the light projecting optical system 20 is disposed on the optical path of light through the coupling lens 22 and the coupling lens 22 disposed on the optical path of the light from the LD 11. And a rotating mirror 26 as a deflector disposed on the optical path of the light reflected by the reflecting mirror 24. Here, in order to reduce the size of the apparatus, a reflection mirror 24 is provided on the optical path between the coupling lens 22 and the rotating mirror 26 serving as a deflector, and the optical path is folded.

そこで、LD11から射出された光は、カップリングレンズ22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24で反射され、回転ミラー26でZ軸周りに偏向される。   Therefore, the light emitted from the LD 11 is shaped into light having a predetermined beam profile by the coupling lens 22, reflected by the reflecting mirror 24, and deflected around the Z axis by the rotating mirror 26.

回転ミラー26でZ軸周りの所定の偏向範囲に偏向された光が投光光学系20から投射された光、すなわち物体検出装置100から射出された光である。   The light deflected to a predetermined deflection range around the Z axis by the rotating mirror 26 is the light projected from the light projecting optical system 20, that is, the light emitted from the object detection device 100.

回転ミラー26は、回転軸(Z軸)周りに複数の反射面を有し、反射ミラー24からの光を回転軸周りに回転しながら反射(偏向)することで該光により上記偏向範囲に対応する有効走査領域を水平な1軸方向(ここではY軸方向)に1次元走査する。ここでは、偏向範囲、有効走査領域は、物体検出装置100の+X側である。以下では、回転ミラー26の回転方向を「ミラー回転方向」とも呼ぶ。   The rotating mirror 26 has a plurality of reflecting surfaces around the rotation axis (Z-axis), and reflects (deflects) the light from the reflecting mirror 24 while rotating around the rotation axis, thereby responding to the deflection range by the light. The effective scanning area to be scanned is one-dimensionally scanned in the horizontal one-axis direction (here, the Y-axis direction). Here, the deflection range and the effective scanning area are on the + X side of the object detection apparatus 100. Hereinafter, the rotation direction of the rotation mirror 26 is also referred to as “mirror rotation direction”.

回転ミラー26は、図2(A)から分かるように、反射面を2面(対向する2つの面)有しているが、これに限らず、1面でも3面以上でも良い。また、少なくとも2つの反射面を設け、回転ミラーの回転軸に対して異なった角度で傾けて配置して、走査・検出する領域をZ軸方向に切り替えることも可能である。   As can be seen from FIG. 2A, the rotating mirror 26 has two reflecting surfaces (two opposing surfaces), but is not limited thereto, and may be one surface or three or more surfaces. It is also possible to provide at least two reflecting surfaces and to incline them at different angles with respect to the rotation axis of the rotating mirror so as to switch the scanning / detection region in the Z-axis direction.

なお、偏向器として、回転ミラーに代えて、例えば、ポリゴンミラー(回転多面鏡)、ガルバノミラー、MEMSミラー等の他のミラーを用いても良い。   As the deflector, other mirrors such as a polygon mirror (rotating polygon mirror), a galvano mirror, and a MEMS mirror may be used instead of the rotating mirror.

受光系40は、図2(B)及び図1に示されるように、投光光学系20から投射され有効走査領域内にある物体で反射された光が入射される受光光学系30と、該受光光学系30を介した光を受光及び光電変換して電気信号を出力する時間計測用PD42とを含む。時間計測用PD42が出力する電気信号は電流(出力電流)であり、波形処理回路41に送られる。なお、「PD」はフォトダイオードの略称である。   As shown in FIGS. 2B and 1, the light receiving system 40 includes a light receiving optical system 30 on which light projected from the light projecting optical system 20 and reflected by an object in the effective scanning region is incident, It includes a time measurement PD 42 that receives and photoelectrically converts light via the light receiving optical system 30 and outputs an electrical signal. The electrical signal output from the time measurement PD 42 is a current (output current) and is sent to the waveform processing circuit 41. “PD” is an abbreviation for photodiode.

受光光学系30は、図2(B)に示されるように、投光光学系20から投射され有効走査領域内にある物体で反射された光を反射する回転ミラー26と、該回転ミラー26からの光を反射する反射ミラー24と、該反射ミラー24からの光の光路上に配置され、該光を後述する時間計測用PD42に結像させる結像光学系と、を含む。   As shown in FIG. 2B, the light receiving optical system 30 reflects the light projected from the light projecting optical system 20 and reflected by the object in the effective scanning area, and the rotating mirror 26 A reflection mirror 24 that reflects the light of the light, and an imaging optical system that is disposed on the optical path of the light from the reflection mirror 24 and forms an image on the time measurement PD 42 described later.

ここで、投光光学系20と受光光学系30は同一筐体内に設置されている。この筐体は、投光光学系20からの射出光の光路上及び受光光学系30への入射光の光路上に開口部を有し、該開口部がウィンドウ(光透過窓部材)で塞がれている。ウィンドウは例えばガラス製、樹脂製とすることができる。   Here, the light projecting optical system 20 and the light receiving optical system 30 are installed in the same casing. This housing has openings on the optical path of the emitted light from the light projecting optical system 20 and on the optical path of the incident light to the light receiving optical system 30, and the opening is closed by a window (light transmission window member). It is done. The window can be made of glass or resin, for example.

図2(C)には、LD11から反射ミラー24までの光路と、反射ミラー24から時間計測用PD42までの光路が示されている。   FIG. 2C shows an optical path from the LD 11 to the reflection mirror 24 and an optical path from the reflection mirror 24 to the time measurement PD 42.

図2(C)から分かるように、投光光学系20と受光光学系30は、Z軸方向に重なるように配置されており、回転ミラー26と反射ミラー24は、投光光学系20と受光光学系30で共通となっている。これにより、物体上におけるLD11の照射範囲と時間計測用PD42の受光可能範囲の相対的な位置ずれを小さくでき、安定した物体検出を実現できる。   As can be seen from FIG. 2C, the light projecting optical system 20 and the light receiving optical system 30 are arranged so as to overlap in the Z-axis direction, and the rotating mirror 26 and the reflecting mirror 24 are connected to the light projecting optical system 20 and the light receiving optical system. The optical system 30 is common. As a result, the relative positional deviation between the irradiation range of the LD 11 and the light receivable range of the time measurement PD 42 on the object can be reduced, and stable object detection can be realized.

そこで、投光光学系20から投射され物体で反射された光は、回転ミラー26、反射ミラー24を介して結像光学系に導かれ、該結像光学系により時間計測用PD42に集光する(図2(B)参照)。図2(B)では、装置を小型化するために、回転ミラー26と結像光学系との間に反射ミラー24を設けて光路を折り返している。ここでは、結像光学系は2枚のレンズ(結像レンズ)で構成されているが、1枚のレンズとしても良いし、3枚以上のレンズとしても良いし、ミラー光学系を用いても良い。   Therefore, the light projected from the light projecting optical system 20 and reflected by the object is guided to the imaging optical system via the rotating mirror 26 and the reflecting mirror 24, and is condensed on the time measurement PD 42 by the imaging optical system. (See FIG. 2 (B)). In FIG. 2B, in order to reduce the size of the apparatus, a reflection mirror 24 is provided between the rotating mirror 26 and the imaging optical system to return the optical path. Here, the imaging optical system is composed of two lenses (imaging lenses), but may be one lens, three or more lenses, or a mirror optical system. good.

波形処理回路41は、時間計測用PD42から出力される出力電流を電圧信号(受光信号)に変換する電流電圧変換器43と、該電流電圧変換器43の出力信号(電圧信号)を増幅する信号増幅器48とを含む。
波形処理回路41の出力信号、すなわち信号増幅器48の出力信号は、二値化回路44及び制御系46に送られる。
なお、波形処理回路41において信号増幅器48は必須ではない。
The waveform processing circuit 41 converts a current / voltage converter 43 that converts the output current output from the time measurement PD 42 into a voltage signal (light reception signal), and a signal that amplifies the output signal (voltage signal) of the current / voltage converter 43. And an amplifier 48.
The output signal of the waveform processing circuit 41, that is, the output signal of the signal amplifier 48 is sent to the binarization circuit 44 and the control system 46.
In the waveform processing circuit 41, the signal amplifier 48 is not essential.

二値化回路44は、閾値電圧を基準に波形処理回路41の出力信号を二値化し、該出力信号が閾値を超えている間、ハイレベル信号を検出信号として制御系46に出力する。二値化回路44は、コンパレータを含んで構成される。   The binarization circuit 44 binarizes the output signal of the waveform processing circuit 41 with reference to the threshold voltage, and outputs a high level signal as a detection signal to the control system 46 while the output signal exceeds the threshold. The binarization circuit 44 includes a comparator.

同期系50は、図2(A)及び図1に示されるように、LD11から射出されカップリングレンズ22を介して反射ミラー24で反射された光であって回転ミラー26で偏向され反射ミラー24で再び反射された光の光路上に配置された同期レンズ52と、該同期レンズ52を介した光の光路上に配置された同期検知用PD54と、該同期検知用PD54が出力する電気信号(出力電流)を電圧信号に変換する電流電圧変換器53と、該電流電圧変換器53からの電圧信号を増幅する信号増幅器55と、該信号増幅器55からの電圧信号を閾値を基準に二値化し、該電圧信号が閾値を超えている間、ハイレベル信号を同期信号として制御系46に出力する、コンパレータを有する二値化回路56と、を含む。   As shown in FIGS. 2A and 1, the synchronization system 50 is light emitted from the LD 11 and reflected by the reflection mirror 24 via the coupling lens 22, and is deflected by the rotation mirror 26 and reflected by the reflection mirror 24. The synchronous lens 52 disposed on the optical path of the light reflected again in the above, the synchronous detection PD 54 disposed on the optical path of the light passing through the synchronous lens 52, and the electric signal output from the synchronous detection PD 54 ( A current-voltage converter 53 for converting the output current) into a voltage signal, a signal amplifier 55 for amplifying the voltage signal from the current-voltage converter 53, and the voltage signal from the signal amplifier 55 is binarized based on a threshold value. And a binarization circuit 56 having a comparator that outputs a high level signal as a synchronization signal to the control system 46 while the voltage signal exceeds the threshold.

詳述すると、反射ミラー24は、上記偏向範囲に対して回転ミラー26の回転方向上流側に配置され、回転ミラー26で上記偏向範囲の上流側に偏向された光が入射される。そして、回転ミラー26で偏向され反射ミラー24で反射された光が同期レンズ52を介して同期検知用PD54に入射される。   More specifically, the reflection mirror 24 is arranged on the upstream side in the rotation direction of the rotary mirror 26 with respect to the deflection range, and the light deflected upstream of the deflection range by the rotary mirror 26 is incident thereon. Then, the light deflected by the rotation mirror 26 and reflected by the reflection mirror 24 is incident on the synchronization detection PD 54 through the synchronization lens 52.

なお、反射ミラー24は、上記偏向範囲に対して回転ミラー26の回転方向下流側に配置されても良い。そして、回転ミラー26で偏向され反射ミラー24で反射された光の光路上に同期系50が配置されても良い。   The reflection mirror 24 may be arranged on the downstream side in the rotation direction of the rotation mirror 26 with respect to the deflection range. Then, the synchronization system 50 may be disposed on the optical path of the light deflected by the rotating mirror 26 and reflected by the reflecting mirror 24.

回転する回転ミラー26の反射面で反射された光が同期検知用PD54で受光される度に同期検知用PD54から電気信号(出力電流)が出力される。この結果、二値化回路56からは定期的に同期信号が出力される(図3参照)。   Each time the light reflected by the reflecting surface of the rotating rotating mirror 26 is received by the synchronization detection PD 54, an electrical signal (output current) is output from the synchronization detection PD 54. As a result, a synchronizing signal is periodically output from the binarization circuit 56 (see FIG. 3).

このように回転ミラー26からの光を同期検知用PD54に照射するための同期点灯を行うことで、同期検知用PD54での受光タイミングから、回転ミラー26の回転タイミングを得ることが可能となる。   As described above, by performing synchronous lighting for irradiating the synchronization detection PD 54 with the light from the rotation mirror 26, the rotation timing of the rotation mirror 26 can be obtained from the light reception timing of the synchronization detection PD 54.

そこで、LD11を同期点灯してから所定時間経過後にLD11をパルス点灯することで有効走査領域を光走査することができる。すなわち、同期検知用PD54に光が照射されるタイミングの前後期間にLD11をパルス点灯することで有効走査領域を光走査することができる。
そして、回転ミラー26の回転周期と同じ周期で同期信号を生成し、該同期信号毎にLD駆動信号を生成することにより、有効走査領域を繰り返し光走査することができる。
Therefore, the effective scanning area can be optically scanned by pulsing the LD 11 after a predetermined time has elapsed since the LD 11 is synchronously turned on. That is, the effective scanning region can be optically scanned by pulsing the LD 11 before and after the timing at which the synchronization detection PD 54 is irradiated with light.
Then, by generating a synchronization signal with the same cycle as the rotation cycle of the rotating mirror 26 and generating an LD drive signal for each synchronization signal, the effective scanning region can be repeatedly optically scanned.

なお、同期系は、同期レンズを有していなくも良いし、他の光学素子(例えば集光ミラー)を有していても良い。   The synchronization system may not have a synchronization lens, or may have another optical element (for example, a light collecting mirror).

ここで、時間計測や同期検知に用いる受光素子としては、上述したPD(Photo Diode)の他、APD(Avalanche Photo Diode)、ガイガーモードAPDであるSPAD(Single Photon Avalanche Diode)等を用いることが可能である。APDやSPADは、PDに対して感度が高いため、検出精度や検出距離の点で有利である。   Here, as a light receiving element used for time measurement and synchronization detection, in addition to PD (Photo Diode) described above, APD (Avalanche Photo Diode), Geiger mode APD SPAD (Single Photo Avalanche Diode), etc. can be used. It is. Since APD and SPAD are highly sensitive to PD, they are advantageous in terms of detection accuracy and detection distance.

制御系46は、二値化回路56からの同期信号に基づいてLD駆動信号を生成し、該LD駆動信号をLD駆動部12に出力する。   The control system 46 generates an LD drive signal based on the synchronization signal from the binarization circuit 56, and outputs the LD drive signal to the LD drive unit 12.

すなわち、LD駆動信号は、同期信号に対して遅延した発光信号(LDを発光させるためのパルス信号)である(図3参照)。
LD駆動信号がLD駆動部12に入力されると、LD駆動部12からLD11に駆動電流が印加され、LD11からパルス光が出力される。なお、LD11の安全性やLD11の耐久性の観点からLD11の発光のデューティが制限されるため、LD11から出力されるパルス光はパルス幅が狭い方が望ましく、該パルス幅は、一般に10ns〜数十ns程度に設定される。また、パルス間隔は一般に数十μ秒程度である。
That is, the LD drive signal is a light emission signal (pulse signal for causing the LD to emit light) delayed with respect to the synchronization signal (see FIG. 3).
When the LD drive signal is input to the LD drive unit 12, a drive current is applied from the LD drive unit 12 to the LD 11, and pulsed light is output from the LD 11. Since the light emission duty of the LD 11 is limited from the viewpoint of the safety of the LD 11 and the durability of the LD 11, it is desirable that the pulse light output from the LD 11 has a narrow pulse width, and the pulse width is generally 10 ns to several It is set to about 10 ns. The pulse interval is generally about several tens of microseconds.

制御系46は、LD駆動信号、波形処理回路41の出力信号及び二値化回路44の出力信号に基づいて、対象物(測定対象の物体)までの距離を測定し、その測定結果を距離データとして物体認識部47に出力する。
制御系46は、一例として、制御部46a、記憶部46b、演算部46c、ヒストグラム/度数分布表生成部46d、所属階級推定部46eを含む(図20参照)。制御系46において、記憶部46bは例えばメモリやハードディスクで実現することが可能であり、記憶部46b以外の構成要素は例えばCPU(Central Processing Unit)やIC(Integrated Circuit)により実現できる。
制御系46の各構成要素の機能については後述する。
The control system 46 measures the distance to the object (object to be measured) based on the LD drive signal, the output signal of the waveform processing circuit 41, and the output signal of the binarization circuit 44, and uses the measurement result as distance data. Output to the object recognition unit 47.
The control system 46 includes, as an example, a control unit 46a, a storage unit 46b, an operation unit 46c, a histogram / frequency distribution table generation unit 46d, and a belonging class estimation unit 46e (see FIG. 20). In the control system 46, the storage unit 46b can be realized by, for example, a memory or a hard disk, and components other than the storage unit 46b can be realized by, for example, a central processing unit (CPU) or an integrated circuit (IC).
The function of each component of the control system 46 will be described later.

物体認識部47は、制御系46からの1走査もしくは複数の走査で取得した複数の距離データに基づいて、物体の位置、形状、大きさ等を認識し、その物体認識結果を制御系46に出力する。制御系46は、該物体認識結果をECUに転送する。
物体認識部47は、例えばCPU(Central Processing Unit)やIC(Integrated Circuit)によって実現できる。
The object recognizing unit 47 recognizes the position, shape, size, etc. of the object based on a plurality of distance data acquired from one or more scans from the control system 46, and sends the object recognition result to the control system 46. Output. The control system 46 transfers the object recognition result to the ECU.
The object recognition unit 47 can be realized by, for example, a CPU (Central Processing Unit) or an IC (Integrated Circuit).

ECUは、転送された物体認識結果に基づいて、例えば自動車の操舵制御(例えばオートステアリング)、速度制御(例えばオートブレーキ、オートアクセル等)、運転者への視覚や聴覚に訴える警告等を行う。
なお、制御系46及び物体認識部47の少なくとも一方を設けずに、該少なくとも一方の機能をECUに担わせても良い。
Based on the transferred object recognition result, the ECU performs, for example, vehicle steering control (for example, auto steering), speed control (for example, auto brake, auto accelerator, etc.), warning to the driver for visual and auditory senses, and the like.
Note that at least one of the functions of the control system 46 and the object recognition unit 47 may be performed by the ECU without providing at least one of the control system 46 and the object recognition unit 47.

ここで、LD駆動部12は、回転ミラー26によって有効走査領域が走査されるとき、LD11を駆動して(発光させて)、図4(A)に示されるようなパルス光(以下では「発光パルス」や「投光パルス」とも称する)を射出させる。そして、LD11から射出され物体で反射(散乱)されたパルス光(以下では「受光パルス」とも称する)が時間計測用PD42(図4(A)では受光素子としてPDの代わりにAPDを用いている)で受光される。   Here, when the effective scanning region is scanned by the rotating mirror 26, the LD driving unit 12 drives (emits light) the LD 11, and pulse light as shown in FIG. Emitting a pulse (also referred to as a “projected pulse”). Then, the pulse light (hereinafter also referred to as “received light pulse”) emitted from the LD 11 and reflected (scattered) by the object uses the APD instead of the PD as a light receiving element in the time measurement PD 42 (FIG. 4A) Light is received.

LD11が発光パルスを射出してから、APDで受光パルスを受光するまでの時間tを計測することで、物体までの距離を算出することが可能である。時間計測に関しては、例えば、図4(B)に示されるように、発光パルスをPD等の受光素子で受光して光電変換後、電流電圧変換して(さらには必要に応じて信号増幅して)得られた電圧信号を二値化して矩形パルスとし、受光パルスをAPDで受光して光電変換後、電流電圧変換して(さらには必要に応じて信号増幅して)得られた電圧信号(受光信号)を二値化して矩形パルスとし、両矩形パルスの立ち上がりタイミング間の時間tを制御系46で計測しても良いし、発光パルス、受光パルスの波形をA/D変換してデジタルデータに変換し、両波形のデジタルデータを相関演算することで、時間tを計測することも可能である。   The distance to the object can be calculated by measuring the time t from when the LD 11 emits the light emission pulse to when the APD receives the light reception pulse. With respect to time measurement, for example, as shown in FIG. 4B, a light emission pulse is received by a light receiving element such as a PD, subjected to photoelectric conversion, current-voltage conversion (and signal amplification as necessary). ) The obtained voltage signal is binarized into a rectangular pulse, the received light pulse is received by the APD, subjected to photoelectric conversion, current-voltage conversion (and further signal amplification as necessary), and the obtained voltage signal ( The light reception signal may be binarized to form a rectangular pulse, and the time t between the rising timings of both rectangular pulses may be measured by the control system 46, or the waveforms of the light emission pulse and the light reception pulse are A / D converted to digital data It is also possible to measure the time t by converting the digital data of both waveforms into a correlation calculation.

ところで、物体からの反射光を受光系40で受光したときに、物体からの反射光による信号(「以下では「物体信号」とも呼ぶ)とともにショットノイズ(外乱光に伴う白色雑音)が発生する。
このとき、物体信号の検出は二値化回路44に設定された閾値電圧を基準に行われるため、物体信号のピーク強度がショットノイズのピーク強度に比べて十分に大きくなる場合は、例えば閾値電圧を高めに設定することにより、物体信号のみを検出することが可能である(図5(B)参照)。
しかし、物体信号のピーク強度がショットノイズのピーク強度と同程度となるほど小さくなる場合(例えば遠距離にある物体や反射率が低い物体からの反射光を受光する場合)には、物体信号を検出するために閾値電圧を低めに設定すると、物体信号とショットノイズの両方が検出されてしまう(図5(A)参照)。この場合には、物体信号とショットノイズを判別する必要がある。
そこで、物体信号のピーク強度によらず、物体信号を精度良く取得するためには、閾値電圧を低めに設定し、かつ物体信号とショットノイズを判別することが必要となる。
なお、以下では、適宜、物体信号及びショットノイズを「信号」と総称する。
By the way, when light reflected from an object is received by the light receiving system 40, a shot noise (white noise accompanying disturbance light) is generated together with a signal (hereinafter, also referred to as "object signal" hereinafter) by light reflected from the object.
At this time, since the detection of the object signal is performed based on the threshold voltage set in the binarization circuit 44, if the peak intensity of the object signal is sufficiently larger than the peak intensity of the shot noise, for example, the threshold voltage By setting to a higher value, it is possible to detect only the object signal (see FIG. 5B).
However, if the peak intensity of the object signal becomes small enough to be about the same as the peak intensity of the shot noise (for example, when receiving reflected light from a distant object or an object with low reflectance), the object signal is detected. If the threshold voltage is set to a lower value in order to do this, both the object signal and the shot noise will be detected (see FIG. 5A). In this case, it is necessary to discriminate between the object signal and shot noise.
Therefore, regardless of the peak intensity of the object signal, in order to acquire the object signal with high accuracy, it is necessary to set the threshold voltage low and to discriminate the object signal from the shot noise.
Hereinafter, the object signal and the shot noise will be collectively referred to as a "signal" as appropriate.

以下に、物体信号とノイズ(例えばショットノイズ)が閾値電圧を超える場合において、物体信号とノイズを判別する方法について説明する。
先ず、図6に示されるように、ある物体に対して光を投光し、該物体からの反射光を受光及び光電変換し、該光電変換により生じた電流を処理(例えば電流電圧変換、信号増幅、二値化)する一連の工程を含む測定を行うと、1つの受光波形(1つの受光信号の波形)から、ピークが閾値電圧(ここでは120mVに設定)を超える物体信号及び少なくとも1つ(ここでは2つ)のノイズが検出される。
Hereinafter, a method of determining an object signal and noise when the object signal and noise (for example, shot noise) exceed a threshold voltage will be described.
First, as shown in FIG. 6, the light is projected to an object, the reflected light from the object is received and photoelectrically converted, and the current generated by the photoelectric conversion is processed (for example, current voltage conversion, signal When a measurement including a series of steps of amplification and binarization is performed, from one light reception waveform (one light reception signal waveform), an object signal whose peak exceeds the threshold voltage (here, set to 120 mV) and at least one Two noises are detected here.

このような測定を複数回行うことで、時間又は距離の階級毎の信号の度数を表すヒストグラムや度数分布表を作成することができる。以下では、時間の階級を「時間階級」とも呼び、距離の階級を「距離階級」とも呼ぶ。なお、1回の測定は「1フレーム」とも呼ばれる。
すなわち、検出された複数の信号(物体信号及び少なくとも1つのノイズ)を複数の階級に分類し、各階級に属する信号の数をカウントする。
By performing such measurement a plurality of times, it is possible to create a histogram or frequency distribution table that represents the frequency of the signal for each class of time or distance. In the following, the class of time is also referred to as "time class" and the class of distance is also referred to as "distance class". One measurement is also called “one frame”.
That is, a plurality of detected signals (object signal and at least one noise) are classified into a plurality of classes, and the number of signals belonging to each class is counted.

ここでは、検出された複数の信号を、発光信号の立ち上がりタイミングから、信号の立ち上がりが閾値電圧を横切るタイミングまでの時間を距離に換算し、その換算値又は該換算値の1/2に応じた距離階級に分類する。
なお、ここでは信号の立ち上がりが閾値電圧を横切るタイミングに基づいて距離を算出しているが、信号の立ち下がりが閾値電圧を横切るタイミングに基づいて距離を算出したり、信号の立ち上がり及び立ち下がりがそれぞれ閾値電圧を横切るタイミングから所定の換算式によって距離を算出したり、その他の距離算出方法を用いるなど、種々の変形が可能である。
図6には、各時間階級の階級幅(以下では適宜「時間幅tw」と総称する)が一定(tw0=tw1=tw2=tw3=tw4=tw5)の場合が示されている。
Here, a plurality of detected signals are converted into a distance from the rise timing of the light emission signal to the timing at which the rise of the signal crosses the threshold voltage, and the converted value or 1/2 of the converted value is used. Classify into distance class.
Here, the distance is calculated based on the timing when the rising edge of the signal crosses the threshold voltage, but the distance is calculated based on the timing when the falling edge of the signal crosses the threshold voltage, and the rising and falling edges of the signal Various modifications can be made, such as calculating the distance from the timing of crossing the threshold voltage according to a predetermined conversion equation, or using another distance calculation method.
FIG. 6 shows a case where the class width of each time class (hereinafter collectively referred to as “time width tw” as appropriate) is constant (tw0 = tw1 = tw2 = tw3 = tw4 = tw5).

次の表1は、上記測定を5回繰り返す実験1を行って作成した度数分布表であって、図6に示される時間幅twよりも短い時間幅20nsに相当する物体までの距離、すなわち時間幅20nsに光束を乗じた値の1/2である3mを階級幅とした距離階級の度数分布表である。

Figure 2019128221
The following Table 1 is a frequency distribution table created by performing Experiment 1 which repeats the above measurement five times, and the distance to an object corresponding to a time width 20 ns shorter than the time width tw shown in FIG. It is a frequency distribution table of distance classes in which 3 m, which is a half of a value obtained by multiplying the width 20 ns by the luminous flux, is 3 m.
Figure 2019128221

先ず、1回目の測定では、30〜33mの距離階級に1つの信号が入っている。2回目の測定では、21〜24mの距離階級に1つの信号が入り、30〜33mの距離階級に1つの信号が入っている。3回目の測定では、18〜21mの距離階級に1つの信号が入り、30〜33mの距離階級に1つの信号が入っている。4回目の測定では、21〜24mの距離階級に1つの信号が入り、30〜33mの距離階級に1つの信号が入っている。5回目の測定では、24〜27mの距離階級に1つの信号が入り、30〜33mの距離階級に1つの信号が入り、42〜45mの距離階級に1つの信号が入っている。   First, in the first measurement, one signal is included in the distance class of 30 to 33 m. In the second measurement, one signal enters the distance class of 21 to 24 m, and one signal enters the distance class of 30 to 33 m. In the third measurement, one signal enters the distance class of 18 to 21 m, and one signal enters the distance class of 30 to 33 m. In the fourth measurement, one signal enters the distance class of 21 to 24 m, and one signal enters the distance class of 30 to 33 m. In the fifth measurement, one signal is contained in the distance class of 24 to 27 m, one signal is contained in the distance class of 30 to 33 m, and one signal is contained in the distance class of 42 to 45 m.

このような例えば5回の測定(フレーム数が5)を行って分ったことは、測定毎にノイズはランダムな時間に検出されるので、測定を繰り返しても同一の距離階級に少量の個数しか入らないのに対し、測定毎に物体信号は概ね一定の時間に検出されるので(物体信号は各回の測定において物体までの概ね一定の距離を反映するので)、測定を繰り返しても同一の距離階級に入ることである。
すなわち、30〜33mの距離階級には最も多くの信号(5つの信号)が入っているので、この距離階級に入っている信号が物体信号であると推定している。
そして、30〜33mの距離階級に入っている信号毎に距離値を算出し、該距離値の平均値や中央値(メジアン)を物体までの距離として求めることができる。
For example, the fact that the measurement is performed five times (the number of frames is 5) shows that noise is detected at random times for each measurement. Since the object signal is detected at a substantially constant time for each measurement (in contrast to the fact that the object signal reflects a substantially constant distance to the object in each measurement), the same measurement is repeated. To enter the distance class.
That is, since most signals (five signals) are contained in the distance class of 30 to 33 m, it is estimated that the signals in this distance class are object signals.
Then, a distance value is calculated for each signal in the distance class of 30 to 33 m, and an average value or median value (median) of the distance values can be obtained as the distance to the object.

次の表2は、上記測定を3回繰り返す実験2を行って作成した、上記表1に比べて距離階級の階級幅が狭い度数分布表である。ここでは、階級幅は1mとされている。
ここで、階級幅が狭いと、複数の物体信号に基づいてそれぞれ算出された複数の距離値(以下では「距離演算値」とも呼ぶ)が隣接する2つの距離階級の境界付近で分散している場合、本来同一の階級に入るべき複数の物体信号が異なる距離階級(隣接する2つの距離階級の一方及び他方)に入ってしまうおそれがある。
また、物体信号に基づいて算出された距離値とノイズに基づいて算出された距離値が隣接する2つの距離階級の境界付近で分散している場合、本来異なる距離階級に入るべき物体信号とノイズが同一の階級に入ってしまうおそれがある。
また、測定回数(フレーム数)が少ないと、物体信号が入っている距離階級の信号数(物体信号の数)とノイズが入っている距離階級の信号数(ノイズの数)が同数になるおそれがある。

Figure 2019128221
The following Table 2 is a frequency distribution table which is created by performing Experiment 2 repeating the above measurement three times, and the class width of the distance class is narrower than that of Table 1 above. Here, the class width is set to 1 m.
Here, when the class width is narrow, a plurality of distance values (hereinafter also referred to as “distance operation values”) calculated based on a plurality of object signals are dispersed near the boundary between two adjacent distance classes. In this case, there is a risk that a plurality of object signals that should originally enter the same class may enter different distance classes (one and the other of two adjacent distance classes).
In addition, when the distance value calculated based on the object signal and the distance value calculated based on the noise are distributed near the boundary between two adjacent distance classes, the object signal and noise that should originally be in different distance classes May enter the same class.
If the number of measurements (number of frames) is small, the number of distance class signals (number of object signals) containing object signals may be the same as the number of distance class signals (number of noises) containing noise. There is.
Figure 2019128221

そこで、実験2では、物体信号が属する距離階級とノイズが属する距離階級を判別するために、複数の信号が入っている距離階級毎に、該距離階級に属する信号が閾値を超えている時間を距離に換算した値(パルス幅)を集計し、その標準偏差σ(ばらつき)を算出している。
ノイズはランダムなピーク強度で閾値を超えるためパルス幅の標準偏差σは大きくなり、逆に物体信号のパルス幅は安定しており標準偏差σが小さくなるため、両者の判別が可能となる。
Therefore, in Experiment 2, in order to determine the distance class to which the object signal belongs and the distance class to which the noise belongs, the time during which the signal belonging to the distance class exceeds the threshold for each distance class containing a plurality of signals The values (pulse widths) converted into distances are summed up to calculate their standard deviation σ (variation).
Since the noise exceeds the threshold with random peak intensity, the standard deviation σ of the pulse width becomes large, and conversely, the pulse width of the object signal is stable and the standard deviation σ becomes small, so that both can be discriminated.

実験2では、複数の信号が入っている階級のうち、パルス幅の標準偏差σが1.0以下となる階級を物体信号が入っている階級(物体信号が属する階級)と判断し、1.0を上回る階級をノイズが入っている階級(ノイズが属する階級)と判断している。
具体的には、27〜28mの距離階級と31〜32mの距離階級に2つ(最多数)ずつ信号が入っているが、27〜28mの距離階級は標準偏差σが1.0を上回るのでノイズが属する距離階級と判断し、31〜32mの距離階級は標準偏差σが1.0以下なので物体信号が属する距離階級と判断している。そして、31〜32mの距離階級に入っている信号毎に距離値を算出し、該距離値の平均値や中央値(メジアン)を物体までの距離として求めることができる。
実験2では、物体信号が属する階級とノイズが属する階級を判別するのにパルス幅の標準偏差σを用いたが、パルス幅の平均値や中央値(メジアン)を用いても良い。
In Experiment 2, among classes in which a plurality of signals are contained, a class having a pulse width standard deviation σ of 1.0 or less is determined as a class in which an object signal is contained (a class to which an object signal belongs); A class higher than 0 is judged as a class containing noise (class to which noise belongs).
Specifically, two (most) signals are included in the distance class of 27 to 28 m and the distance class of 31 to 32 m, but since the standard deviation σ exceeds 1.0 for the 27 to 28 m distance class The distance class to which noise belongs is determined, and the distance class of 31 to 32 m is determined to be the distance class to which the object signal belongs because the standard deviation σ is 1.0 or less. Then, a distance value is calculated for each signal in the distance class of 31 to 32 m, and an average value or median value (median) of the distance values can be obtained as the distance to the object.
In Experiment 2, the standard deviation σ of the pulse width is used to discriminate the class to which the object signal belongs and the class to which the noise belongs, but an average value or median value (median) of the pulse width may be used.

次の表3は、上記測定を2回繰り返す実験3を行って作成した、上記表1に比べて距離階級の階級幅が狭い度数分布表である。ここでは、階級幅は1mとされている。

Figure 2019128221
実験3では、26〜27mの距離階級、27〜28mの距離階級、30〜31mの距離階級、31〜32mの距離階級に信号が1つずつ入っているが、26〜27mの距離階級に属する信号と27〜28mの距離階級に属する信号のパルス幅の標準偏差σが1.0を上回るのでノイズが属する距離階級と判断し、30〜31mの距離階級に属する信号と31〜32mの距離階級に属する信号のパルス幅の標準偏差σが1.0以下なので物体信号が属する距離階級と判断する。
すなわち、実験3では、一組の隣接する2つの距離階級にそれぞれ属する2つの信号のパルス標準偏差σと、別の組の隣接する2つの距離階級にそれぞれ属する2つの信号のパルス幅の標準偏差σを算出し、各標準偏差σが所定値(例えば1.0)以下であるか否かを判定することにより、物体信号が属する階級とノイズが属する階級を判別している。
そして、30〜31mの距離階級、31〜32mの距離階級に属する信号毎に距離値を算出し、該距離値の平均値や中央値(メジアン)を物体までの距離として求めることができる。 The following Table 3 is a frequency distribution table that is created by conducting Experiment 3 in which the above measurement is repeated twice and has a narrower class width than that of Table 1 above. Here, the class width is set to 1 m.
Figure 2019128221
In Experiment 3, one signal is included in each of the distance classes of 26 to 27 m, 27 to 28 m, 30 to 31 m, and 31 to 32 m, but belongs to the 26 to 27 m distance class Since the standard deviation σ of the pulse width of the signal and the signal belonging to the distance class of 27 to 28 m exceeds 1.0, it is judged as a distance class to which noise belongs, and the signal belonging to the distance class of 30 to 31 m and the distance class of 31 to 32 m Since the standard deviation σ of the pulse width of the signal belonging to is 1.0 or less, it is determined that the object signal belongs to the distance class.
That is, in Experiment 3, the pulse standard deviation σ of two signals belonging to one set of two adjacent distance classes and the standard deviation of the pulse widths of two signals respectively belonging to another set of two adjacent distance classes By calculating σ and determining whether each standard deviation σ is equal to or less than a predetermined value (for example, 1.0), the class to which the object signal belongs and the class to which the noise belongs are determined.
Then, a distance value is calculated for each of the signals belonging to the distance class of 30 to 31 m and the distance class of 31 to 32 m, and an average value or median value (median) of the distance values can be obtained as the distance to the object.

つまり、最多数の信号が属する距離階級が複数ある場合に、各距離階級に属する信号のパルス幅の標準偏差σを比較することにより、最多数の信号が属する複数の距離階級を物体信号が属する距離階級とノイズが属する距離階級に区別することができる。   That is, when there are a plurality of distance classes to which the largest number of signals belong, by comparing the standard deviation σ of the pulse width of the signals belonging to each distance class, the object signal belongs to the plurality of distance classes to which the largest number of signals belong. A distinction can be made between a distance class and a distance class to which noise belongs.

これまで、より少ないフレーム数で高速に、物体信号とノイズを区別しながら、物体までの距離を検出する方法について述べてきた。以下では、時間階級の階級幅(時間幅)について説明する。   So far, the method of detecting the distance to the object while distinguishing the object signal and the noise at high speed with a smaller number of frames has been described. In the following, the class width (time width) of the time class will be described.

図6に示される受光波形のうちノイズの波形は、図1及び図7に示される波形処理回路41の周波数特性に依存する。波形処理回路41は、時間計測用PD42で光電変換により生じた電流を電圧に変換し、その電圧を増幅する回路である。ここでは、波形処理回路41において、電流電圧変換器43としてTIA(Time Interval Analyzer)を用い、信号増幅器48としてVGA(Variable Gain Amplifier)を用いている。   The noise waveform among the light reception waveforms shown in FIG. 6 depends on the frequency characteristics of the waveform processing circuit 41 shown in FIGS. 1 and 7. The waveform processing circuit 41 is a circuit that converts a current generated by photoelectric conversion in the time measurement PD 42 into a voltage and amplifies the voltage. Here, in the waveform processing circuit 41, a TIA (Time Interval Analyzer) is used as the current-voltage converter 43, and a VGA (Variable Gain Amplifier) is used as the signal amplifier 48.

波形処理回路41の具体的な回路構成例が図8に示されている。ここで、電流電圧変換器43及び信号増幅器48それぞれで定義されるカットオフ周波数fc(ここでは実質的に同一と仮定)は、電流電圧変換器43、信号増幅器48にそれぞれ組み込まれるオペアンプ(ここでは実質的に同一と仮定)の帯域が十分広いものであると仮定したときに、次の(1)式で表される。
fc=GBW/G・・・(1)
ここで、GBWはオペアンプのGB積(Gain Band width product)、Gは次の(2)式で表される上記オペアンプのゲインである。
G=−R2/R1=−R5/R4・・・(2)
A specific circuit configuration example of the waveform processing circuit 41 is shown in FIG. Here, the cut-off frequencies fc (assumed to be substantially the same here) defined by the current-voltage converter 43 and the signal amplifier 48 respectively are operational amplifiers (here, the current-voltage converter 43 and the signal amplifier 48). If it is assumed that the bands substantially the same are assumed to be wide enough, the following equation (1) is obtained.
fc = GBW / G (1)
Here, GBW is a GB product (Gain Band width product) of the operational amplifier, and G is a gain of the operational amplifier expressed by the following equation (2).
G = −R2 / R1 = −R5 / R4 (2)

特に、外乱光に起因するショットノイズについては、その揺らぎの周波数が、波形処理回路41のカットオフ周波数fcとほぼ一致する(図9参照)。図9には、受光波形が実線で示されるとともに、12.5MHz、つまり80ns周期の理想的な正弦波が破線で示されているが、ベースレベルの揺らぎの周波数が、12.5MHzにほぼ一致している。このため、ヒストグラムや度数分布表を作成するための時間幅tw(時間階級の階級幅)を、カットオフ周波数fcの逆数をとって得られる時間以下にする(tw≦1/fc)ことにより、1つの時間階級に複数のショットノイズのピークが入ることがほとんどないため、時間階級間で信号のカウント数を比較することにより、物体信号とノイズを容易かつ明確に区別することが可能となる。
なお、時間階級に代えて距離階級を用いる場合についても、時間幅tw、1/fcをそれぞれ距離に換算することで同様の議論が成立する。
ここでは、fc=12.5MHzとしており、その逆数である80ns(距離換算で12m)より短い一定の時間幅に各時間幅twを設定している(tw0=tw1=tw2=tw3=tw4=tw5)。表1では20ns(距離換算で3m)、表2、表3では6.6ns(距離換算で1m)としている。
In particular, with respect to shot noise caused by disturbance light, the frequency of the fluctuation substantially coincides with the cut-off frequency fc of the waveform processing circuit 41 (see FIG. 9). In FIG. 9, the received light waveform is indicated by a solid line, and an ideal sine wave having a period of 12.5 MHz, that is, an 80 ns period is indicated by a broken line, but the frequency of the base level fluctuation is almost equal to 12.5 MHz. I do. For this reason, by setting the time width tw (class width of the time class) for creating the histogram and the frequency distribution table to be equal to or less than the time obtained by taking the reciprocal of the cutoff frequency fc (tw ≦ 1 / fc), Since a plurality of shot noise peaks rarely occur in one time class, it is possible to easily and clearly distinguish the object signal from the noise by comparing the signal count numbers between the time classes.
In the case where the distance class is used instead of the time class, the same argument is established by converting the time widths tw and 1 / fc into distances.
Here, fc = 12.5 MHz, and each time width tw is set to a constant time width shorter than 80 ns (12 m in distance conversion), which is the reciprocal thereof (tw0 = tw1 = tw2 = tw3 = tw4 = tw5 ). It is set as 20 ns (3 m in distance conversion) in Table 1, and 6.6 ns (1 m in distance conversion) in Table 2 and Table 3.

さらに、時間幅twを波形処理回路41のカットオフ周波数fcの逆数の値とする(tw=1/fc)と、上述の範囲内で時間幅twが最大になって比較すべき階級の数が最少となり、その結果、比較するための演算処理量やそれに付随するメモリ数などを最低限に抑えることができる。   Further, when the time width tw is a value of the reciprocal of the cut-off frequency fc of the waveform processing circuit 41 (tw = 1 / fc), the number of classes to be compared with the maximum time width tw within the above range is obtained. As a result, the amount of arithmetic processing for comparison and the number of memories accompanying it can be minimized.

また、時間幅twは、波形処理回路41から出力された信号の立ち上がり時間tr以上にすること(tw≧tr)が好ましい。   Further, it is preferable that the time width tw be equal to or more than the rise time tr of the signal output from the waveform processing circuit 41 (tw ≧ tr).

なお、ここでは、電流電圧変換器43及び信号増幅器48それぞれで定義されるカットオフ周波数を同一の「カットオフ周波数fc」として説明したが、電流電圧変換器43及び信号増幅器48のカットオフ周波数、すなわち電流電圧変換器43及び信号増幅器48にそれぞれ組み込まれるオペアンプのカットオフ周波数が互いに異なることも想定される。
そこで、電流電圧変換器43及び信号増幅器48それぞれで定義されるカットオフ周波数をカットオフ周波数fc1、fc2とし、電流電圧変換器43のGB積、ゲインをそれぞれGBW1、G1=−R2/R1とし、信号増幅器48のGB積、ゲインをそれぞれGBW2、G2=−R5/R4とすると、上記(1)式のfcをfc1に置き換え、GBWをGBW1に置き換え、GをG1に置き換えた式と、上記(1)式のfcをfc2に置き換え、GBWをGBW2に置き換え、GをG2に置き換えた式が成立する。
この場合にも、tw≦1/fc1又はtw≦1/fc2であることが好ましく、tw≦1/fc1かつtw≦1/fc2であること、すなわちtwがfc1、fc2のうち小さくない方の逆数以下であることがより好ましい。
Here, although the cutoff frequency defined by each of the current-voltage converter 43 and the signal amplifier 48 has been described as the same “cut-off frequency fc”, the cutoff frequency of the current-voltage converter 43 and the signal amplifier 48, That is, it is also assumed that the cut-off frequencies of the operational amplifiers incorporated in the current-voltage converter 43 and the signal amplifier 48 are different from each other.
Therefore, let the cutoff frequencies defined by the current-voltage converter 43 and the signal amplifier 48 be cutoff frequencies fc1 and fc2, and let the GB product of the current-voltage converter 43 and the gain be GBW1, G1 = -R2 / R1, respectively. Assuming that the GB product and gain of the signal amplifier 48 are GBW2 and G2 = −R5 / R4, respectively, fc in the above equation (1) is replaced by fc1, GBW is replaced by GBW1, and G is replaced by G1; 1) An expression is established in which fc in the expression is replaced with fc2, GBW is replaced with GBW2, and G is replaced with G2.
Also in this case, it is preferable that tw ≦ 1 / fc1 or tw ≦ 1 / fc2, and that tw ≦ 1 / fc1 and tw ≦ 1 / fc2, that is, the reciprocal of tw which is not smaller than fc1 or fc2. It is more preferable that

図10には、時間計測用PD42で受光する、物体から反射もしくは散乱した光の光量(以下では「受光光量」とも呼ぶ)が変化したときの、受光光量毎の物体信号の波形が示されている。
図10では、受光光量1<受光光量2<受光光量3<受光光量4の関係になっている。図10から分かるように、受光光量1から受光光量3までは受光光量が増えるにつれて物体信号の波形のピーク電圧が高くなっているが、受光光量が受光光量4まで増えると、時間計測用PD42そのもの、もしくは波形処理回路41で電圧の飽和が起こり、物体信号の波形は受光光量3までとは異なり、ピーク電圧が所定の値に収束し、パルス幅が伸びていくようになる。
FIG. 10 shows the waveform of the object signal for each received light amount when the amount of light reflected or scattered from the object (hereinafter also referred to as “received light amount”) received by the time measurement PD 42 changes. Yes.
In FIG. 10, the relationship of received light amount 1 <received light amount 2 <received light amount 3 <received light amount 4 is satisfied. As can be seen from FIG. 10, the peak voltage of the waveform of the object signal increases as the received light amount increases from the received light amount 1 to the received light amount 3, but when the received light amount increases to the received light amount 4, the time measurement PD 42 itself Alternatively, voltage saturation occurs in the waveform processing circuit 41, and the waveform of the object signal differs from the amount of received light 3, the peak voltage converges to a predetermined value, and the pulse width is extended.

ここで、波形処理回路41から出力された物体信号の立ち上がり時間trと立ち下がり時間tfについて、図11を用いて説明する。
物体信号の電圧について、ピーク電圧の90%となる電圧をV90、ピーク電圧の10%となる電圧をV10とする。物体信号が立ち上がるときにV10となる時間をtr10、V90となる時間をtr90とし、物体信号が立ち下がるときにV10となる時間をtf10、V90となる時間をtf90とする。ここで、立ち上がり時間trを、tr=tr90−tr10と定義する。また、立ち下がり時間tfを、tf=tf10−tf90と定義する。
Here, the rising time tr and the falling time tf of the object signal output from the waveform processing circuit 41 will be described with reference to FIG.
With respect to the voltage of the object signal, a voltage that is 90% of the peak voltage is V90, and a voltage that is 10% of the peak voltage is V10. The time for V10 when the object signal rises is tr10 and the time for V90 is tr90, and the time V10 when the object signal falls is tf10 and the time for V90 is tf90. Here, the rise time tr is defined as tr = tr90−tr10. Further, the falling time tf is defined as tf = tf10−tf90.

図10において、受光光量1の物体信号、受光光量2の物体信号、受光光量3の物体信号は、立ち上がり時間trと立ち下がり時間tfは同等であるが、ピーク電圧が異なるので、閾値電圧を超えるタイミングは互いに異なる。例えば図10の時間軸を拡大し、閾値電圧を0.75Vとした場合が図12に示されている。
これは、発光信号が立ち上がってから、物体信号が立ち上がるときに閾値を超えるまでの時間又は該時間に基づく距離を複数の階級に振り分けて階級毎に信号数をカウントする場合に、同一距離にある複数の物体からの反射光による信号がカウントされる階級が異なりうることや、物体の同一距離にある複数の部分からの反射光による信号がカウントされる階級が異なりうることを示唆している。
受光光量1から受光光量3までは受光光量が増えるにつれ、物体信号が閾値を超えるタイミングが早くなる。受光光量が受光光量4になると、物体信号が閾値を超えるタイミングが受光光量3よりも一層早くなる。
In FIG. 10, the object signal of received light amount 1, the object signal of received light amount 2, and the object signal of received light amount 3 have the same rise time tr and fall time tf, but the peak voltage is different. The timings are different from each other. For example, the case where the time axis of FIG. 10 is expanded and the threshold voltage is 0.75 V is shown in FIG.
This is the same distance when the time from when the light emission signal rises until the object signal rises exceeds the threshold, or when the number of signals is counted for each class by dividing the distance based on that time into a plurality of classes. It suggests that the class in which signals from the reflected light from a plurality of objects are counted may differ, and that the class in which signals from light reflected from a plurality of portions of the object at the same distance may be different.
From the received light amount 1 to the received light amount 3, as the received light amount increases, the timing at which the object signal exceeds the threshold becomes earlier. When the amount of light received reaches the amount of light received 4, the timing at which the object signal exceeds the threshold becomes earlier than the amount of light received 3.

つまり、受光光量は、同一距離にある複数の物体や物体の同一距離にある複数の部分でも、反射率やサイズの違いによって変動する。この変動によって、物体信号が閾値を超えるタイミングが異なり、物体信号がカウントされる階級が異なると、複数の階級で物体信号がカウントされてしまい、物体信号とノイズを区別することが困難となる。
このため、受光光量が変動しても、物体信号が同じ階級でカウントされるように、時間幅twを物体信号の立ち上がり時間trと以上とするのが好ましい。
なお、上述のように物体信号の立ち上がり時間trは、受光信号が飽和しない限り同等なので、予め所定値として取得しておくことが可能である。
ここでは、物体信号の立ち上がり時間trが8nsより長い時間に設定されている。実験1ではtr=20ns(距離換算で3m)とされ、実験2及び実験3では6.7ns(距離換算で1m)とされている。
That is, the amount of received light fluctuates due to the difference in reflectance and size even in a plurality of objects at the same distance and a plurality of portions at the same distance of the objects. Due to this variation, when the object signal exceeds the threshold value at different timings and the classes in which the object signal is counted are different, the object signals are counted in a plurality of classes, making it difficult to distinguish between the object signal and the noise.
Therefore, it is preferable that the time width tw be equal to or more than the rise time tr of the object signal so that the object signal is counted in the same class even if the amount of received light changes.
As described above, the rise time tr of the object signal is the same as long as the light reception signal is not saturated, and can be acquired in advance as a predetermined value.
Here, the rise time tr of the object signal is set to a time longer than 8 ns. In Experiment 1, tr = 20 ns (3 m in terms of distance), and in Experiment 2 and Experiment 3, 6.7 ns (1 m in terms of distance).

また、trは、LD11からの発光パルス(投光パルス)において物体信号と同様に定義される立ち上がり時間や立ち下がり時間と同等であることが好ましい。
LD11からの発光パルスに、波形処理回路41が応答しないと、受光信号がピークを迎える前に、LD11の点灯が終了してしまい、その結果、受光信号のピーク電圧が低下してしまうおそれがあるためである。
そこで、時間幅twをLD11からの発光パルスのパルス幅や立ち上がり時間や立ち下がり時間に基づいて設定しても良い。例えば時間幅twを発光パルスのパルス幅や該パルス幅の1/4〜1/2と同等にしたり、時間幅twを発光パルスの立ち上がり時間以上としたり、時間幅twを発光パルスの立ち下がり時間以上としても良い。
ここで、発光パルス(投光パルス)のパルス幅は、図13に示されるように、発光パルスのピーク光量(投光パルスピーク値)の50%の光量(投光パルス50%値)における発光パルスの横幅をパルス幅(投光パルス幅Tpw)としている。なお、図13では、便宜上、パルス幅を時間表記している。
受光パルスの波形は、発光パルスの波形に対して、時間計測用PD42の応答特性と図7、図8に示される波形処理回路41の周波数特性が重畳された波形となる。
受光パルスの波形は、十分に速い特性であれば発光パルスの波形と同一となるが、実際には時間計測用PD42の応答特性や波形処理回路41の周波数特性に応じて発光パルスの波形よりも鈍ることが多い。
Moreover, tr is preferably equal to the rise time and fall time defined in the same manner as the object signal in the light emission pulse (projection pulse) from the LD 11.
If the waveform processing circuit 41 does not respond to the light emission pulse from the LD 11, the lighting of the LD 11 ends before the light reception signal reaches its peak, and as a result, the peak voltage of the light reception signal may decrease. Because.
Therefore, the time width tw may be set based on the pulse width of the light emission pulse from the LD 11, the rise time, and the fall time. For example, the time width tw is made equal to the pulse width of the light emission pulse or 1/4 to 1/2 of the pulse width, the time width tw is set to be longer than the rise time of the light emission pulse, or the time width tw is set to the fall time of the light emission pulse. It is good as above.
Here, the pulse width of the light emission pulse (light emission pulse) is, as shown in FIG. 13, the light emission at 50% of the light amount (light emission pulse 50% value) of the peak light amount of the light emission pulse (light emission pulse peak value) The width of the pulse is taken as the pulse width (projected pulse width Tpw). In FIG. 13, for convenience, the pulse width is expressed in time.
The waveform of the light reception pulse is a waveform in which the response characteristic of the time measurement PD 42 and the frequency characteristic of the waveform processing circuit 41 shown in FIGS. 7 and 8 are superimposed on the waveform of the light emission pulse.
The waveform of the light reception pulse is the same as the waveform of the light emission pulse if the characteristics are sufficiently fast, but actually, the waveform of the light reception pulse is higher than that of the light emission pulse depending on the response characteristics of the time measurement PD 42 and the frequency characteristics of the waveform processing circuit 41. It is often dull.

また、時間計測用PD42の応答特性や波形処理回路41の周波数特性のうち遅い方が律速となって最終的な受光波形が決まるが、以上では波形処理回路41の周波数特性が律速となる場合として述べてきた。
波形処理回路41の周波数特性は、前述のカットオフ周波数fcによって制約を受ける。カットオフ周波数fcでの利得低下が3dBとなるため、高い周波数の信号はそのまま伝達されず、全体として波形が鈍った状態で波形処理回路41から出力される。図6は、その鈍りがある受光波形を示している。
Further, the slower one of the response characteristic of the time measurement PD 42 and the frequency characteristic of the waveform processing circuit 41 is the rate-limiting and the final light reception waveform is determined, but in the above, the frequency characteristic of the waveform processing circuit 41 is the rate-limiting Have said.
The frequency characteristic of the waveform processing circuit 41 is restricted by the above-mentioned cut-off frequency fc. Since the gain decrease at the cut-off frequency fc is 3 dB, a high frequency signal is not transmitted as it is and is output from the waveform processing circuit 41 with the waveform being dull as a whole. FIG. 6 shows a received light waveform with the blunting.

また、前述のように時間幅twを立ち上がり時間tr以上としているが、同一距離にある複数の物体や物体の同一距離にある複数の部分からの反射光による信号の検出タイミングが、異なる階級に属さないようにすれば良いため、時間幅twとして、信号が閾値を超えるタイミングから該信号がピークに達するまでの時間や、物体検出装置100と物体との相対速度が得られる場合に、その相対速度やフレームレート、それに関わる速度検知の分解能等を用いることも可能である。
例えば、物体検出装置100と物体との相対速度が得られる場合、その相対速度で物体検出装置100から物体までの距離が時間ごとに変化していく。フレームレートなどで、同一画素(同一走査位置)での次の検知までの時間が決まっているため、検出したい速度の分解能などで、同じ階級でカウントしたい物体までの時間幅や距離幅を算出し、その算出値を階級幅に設定しても良い。
Also, as described above, although the time width tw is the rise time tr or more, the detection timing of the reflected light from the plurality of objects at the same distance and the multiple portions at the same distance belongs to different classes. If the time from when the signal exceeds the threshold to the peak of the signal or when the relative velocity between the object detection apparatus 100 and the object is obtained, the relative speed is taken as the time width tw. It is also possible to use the frame rate, the resolution of speed detection related to it, or the like.
For example, when the relative velocity between the object detection device 100 and the object is obtained, the distance from the object detection device 100 to the object changes with time at that relative velocity. Since the time until the next detection at the same pixel (same scanning position) is decided by the frame rate etc., the time width and the distance width to the object to be counted in the same class are calculated by the resolution of the speed to be detected. The calculated value may be set as the class width.

また、上記では受光信号の立ち上がり時間trを考慮して時間幅twを設定しているが、受光信号の立ち下がり時間tfも考慮して時間幅twを設定する方法について以下に説明する。
受光信号の立ち上がりのみならず、立ち下がりも考慮した方が、測距精度が向上する場合がある。
また、波形処理回路41や、LD11やLD駆動部12の特性で、受光信号の立ち上がり時間trと立ち下がり時間tfが異なること(tr<tfとなること)も多い。この場合、時間幅twを、受光信号の立ち下がりがV90を横切ってから閾値電圧を横切るまでの時間以上に設定することが好ましい。
受光信号の立ち上がりが閾値を横切るタイミングをtr以上の時間幅twの対応する時間階級に振り分け、かつ立ち下がりが閾値を横切るタイミングをtf以上の時間幅twの対応する時間階級に振り分けて、時間階級毎の信号数をカウントしても良いが、trとtfの短い方であるtr以上に時間幅twを設定し、受光信号の立ち上がり、立ち下がりがそれぞれ閾値を横切るタイミングを対応する時間階級に振り分けて時間階級毎の信号数をカウントしても良い。このようにすれば、受光信号の立ち下がりでのカウントのばらつきは出るが、時間幅twを別々に設定してヒストグラムや度数分布表を別々に作成する必要がないため、より簡素な制御で測距することができる。
ここでも、上記と同様に、時間測定、距離換算の方法は種々の変形が可能である。
In the above description, the time width tw is set in consideration of the rise time tr of the light reception signal. A method for setting the time width tw in consideration of the fall time tf of the light reception signal will be described below.
In some cases, not only the rising edge of the received light signal but also the falling edge is taken into account, the ranging accuracy may be improved.
In addition, in the characteristics of the waveform processing circuit 41, the LD 11, and the LD driving unit 12, the rising time tr and falling time tf of the light reception signal are often different (tr <tf). In this case, it is preferable to set the time width tw to be equal to or longer than the time from when the falling edge of the received light signal crosses V90 to the threshold voltage.
The timing at which the rising edge of the light reception signal crosses the threshold is distributed to a corresponding time class with a time width tw greater than tr, and the timing at which the falling crosses a threshold is distributed to a corresponding time class with a time width tw greater than tf. The number of signals may be counted for each, but the time width tw is set to be greater than tr, which is the shorter of tr and tf, and the timing at which the rising and falling edges of the received light signal cross the threshold value is assigned to the corresponding time class. Thus, the number of signals for each time class may be counted. In this way, although there is variation in counting at the falling edge of the light reception signal, it is not necessary to set the time width tw separately to create the histogram and the frequency distribution table separately, so measurement can be performed with simpler control. The distance can be measured.
Here too, as in the above, the method of time measurement and distance conversion can be variously modified.

また、受光信号の立ち上がりが閾値を超えるタイミングを時間幅twの対応する時間階級に振り分けて信号数をカウントする場合に、図14に示されるように、物体までの距離が長くなるほど時間幅twが長くなるように設定すること(tw0<tw1<tw2<tw3<tw4<tw5)が好ましい。
例えば物体検出装置100が車両の前方に存在する物体(他の車両、歩行者、障害物等)を検出するような場合に、近距離にある物体ほど測距精度が高いことが望ましい。複数の階級のうち信号の度数が最多の階級に属する信号で物体までの距離を算出するため、時間幅twが短いほど、測距精度が高くなる。このため、近距離では、時間幅twを短くすることが望ましい。
一方、遠距離では、物体信号のピーク電圧が低く、ノイズなどの影響で物体信号がピークをとるタイミングが変動しやすくなり、そのヒストグラムはなだらかになりやすい。それでも、複数回の測定を行う場合に、物体信号のパルス幅は、ノイズのパルス幅よりも安定しているため(ばらつきが少ないため)、より多くのカウント数を早く積み上げて、各信号のパルス幅の標準偏差σを比較することで、物体信号とノイズを区別しやすくすることが望ましい。このため、遠距離では、時間幅twを長くすることが望ましい。
Further, when the timing when the rising edge of the light reception signal exceeds the threshold is distributed to the corresponding time class with the time width tw and the number of signals is counted, the time width tw increases as the distance to the object increases, as shown in FIG. It is preferable to set the length to be longer (tw0 <tw1 <tw2 <tw3 <tw4 <tw5).
For example, when the object detection device 100 detects an object (another vehicle, a pedestrian, an obstacle, etc.) existing in front of the vehicle, it is desirable that the distance measurement accuracy is higher for an object at a short distance. Since the distance to the object is calculated using a signal belonging to the class having the highest signal frequency among a plurality of classes, the distance measurement accuracy becomes higher as the time width tw is shorter. For this reason, it is desirable to shorten the time width tw at a short distance.
On the other hand, at long distances, the peak voltage of the object signal is low, and the timing at which the object signal takes a peak tends to fluctuate due to the influence of noise or the like, and the histogram tends to be gentle. Even so, when performing multiple measurements, the pulse width of the object signal is more stable than the pulse width of noise (because the variation is small), so more counts can be accumulated faster to pulse each signal. It is desirable to make it easy to distinguish the object signal from the noise by comparing the standard deviation σ of the width. For this reason, it is desirable to increase the time width tw at a long distance.

図14では、複数(例えば6つ)の時間階級の時間幅twを遠距離になるほど(時間が経つにつれて)長くなるように設定しているが、例えば、物体検出装置100に要求される検出距離範囲(例えば0m〜210m)のうち、0m〜30mの範囲を距離幅1m(時間幅6.7ns)の複数の距離階級に分割し、30m〜90mの範囲を距離幅3m(時間幅20ns)の複数の距離階級に分割し、90m〜210mの範囲を距離幅12m(時間幅80ns)の複数の距離階級に分割しても良いし、さらに各距離階級を一定の距離幅の複数の距離階級に分割しても良い。なお、「距離幅」は、距離階級の階級幅を意味する。   In FIG. 14, the time width tw of a plurality of (for example, six) time classes is set to become longer as the distance becomes longer (as time passes). For example, the detection distance required for the object detection device 100 Within the range (for example, 0 m to 210 m), the range of 0 m to 30 m is divided into a plurality of distance classes with a distance width of 1 m (time width 6.7 ns), and a range of 30 m to 90 m is a distance width 3 m (time width 20 ns) It may be divided into a plurality of distance classes, and the range of 90 m to 210 m may be divided into a plurality of distance classes with a distance width of 12 m (time width 80 ns), and each distance class may be further divided into a plurality of distance classes of a certain distance width. It may be divided. The "distance width" means the class width of the distance class.

図15には、物体検出装置100を備えるセンシング装置1000が示されている。センシング装置1000は、車両(移動体)に搭載され、物体検出装置100に加えて、該物体検出装置100に電気的に接続された監視制御装置300を備えている。物体検出装置100は、車両のバンパー付近やバックミラーの近傍に取り付けられる。監視制御装置300は、物体検出装置100での検出結果に基づいて、物体の形状や大きさの推定、物体の位置情報の算出、移動情報の算出、物体の種類の認識等の処理を行って、危険の有無を判断する。そして、危険有りと判断した場合には、アラーム等の警報を発して移動体の操縦者に注意を促したり、ハンドルを切って危険を回避する指令を移動体の操舵制御部に出したり、制動をかけるための指令を移動体のECUに出す。なお、センシング装置1000は、例えば車両のバッテリから電力の供給を受ける。   FIG. 15 shows a sensing device 1000 provided with an object detection device 100. The sensing device 1000 is mounted on a vehicle (moving body), and includes a monitoring control device 300 electrically connected to the object detection device 100 in addition to the object detection device 100. The object detection device 100 is attached in the vicinity of a vehicle bumper or in the vicinity of a rearview mirror. The monitoring control device 300 performs processing such as estimation of the shape and size of the object, calculation of the position information of the object, calculation of movement information, recognition of the type of the object, and the like based on the detection result of the object detection device 100. , Determine the presence or absence of danger. Then, when it is judged that there is a danger, an alarm such as an alarm is issued to alert the operator of the mobile body, or the steering control unit of the mobile body is instructed to turn off the steering wheel to avoid danger, or braking A command is issued to the ECU of the moving body. Sensing device 1000 receives supply of power, for example, from a battery of the vehicle.

なお、監視制御装置300は、物体検出装置100と一体的に設けられても良いし、物体検出装置100とは別体に設けられても良い。また、監視制御装置300は、ECUが行う制御の少なくとも一部を行っても良い。   The monitoring control device 300 may be provided integrally with the object detection device 100 or may be provided separately from the object detection device 100. Moreover, the monitoring control apparatus 300 may perform at least one part of the control which ECU performs.

以下に、物体検出装置100で実施される測距処理の具体例(測距処理1〜4)について説明する。   Hereinafter, specific examples (ranging processes 1 to 4) of the ranging process performed by the object detection apparatus 100 will be described.

<測距処理1>
測距処理1について図16を用いて説明する。図16のフローチャートは、制御系46で実行される処理アルゴリズムに基づいている。測距処理1は、物体検出装置100に電力が供給されたときに開始される。
<Distance measurement process 1>
The ranging process 1 will be described with reference to FIG. The flowchart of FIG. 16 is based on a processing algorithm executed by the control system 46. Ranging process 1 is started when power is supplied to the object detection apparatus 100.

最初のステップS1では、有効走査領域の繰り返し走査を開始する。具体的には、制御部46aが、入力された同期信号に基づいて生成したLD駆動信号(発光信号)をLD駆動部12に出力してLD11に駆動電流を印加することによりLD11をパルス発光させ、そのパルス光を回転する回転ミラー26で偏向する。   In the first step S1, repeated scanning of the effective scanning area is started. Specifically, the control unit 46a outputs an LD drive signal (light emission signal) generated based on the input synchronization signal to the LD drive unit 12 and applies a drive current to the LD 11, thereby causing the LD 11 to emit light in pulses. The pulsed light is deflected by the rotating mirror 26 that rotates.

次のステップS2では、走査回数のカウント値kを初期化する。具体的には、制御部46aが、内蔵するカウンタのカウント値を0にする。   In the next step S2, the count value k of the number of scans is initialized. Specifically, the control unit 46a sets the count value of the built-in counter to zero.

次のステップS3では、走査回数のカウントを開始する。具体的には、制御部46aが、入力された同期信号をトリガとしてカウンタによるカウントを開始し、以後、同期信号が入力される度にカウンタのカウント値を1だけアップする(カウントアップする)。   In the next step S3, counting of the number of scans is started. Specifically, the control unit 46a starts counting by the counter using the input synchronization signal as a trigger, and thereafter increases the count value of the counter by 1 (counts up) each time the synchronization signal is input.

次のステップS4では、有効走査領域における各走査位置に対する走査時に波形処理回路41から出力された電圧信号のうち閾値電圧を超えた電圧信号を記憶部46bとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部46aが、二値化回路44の出力信号(デジタル信号)に基づいて波形処理回路41から出力された電圧信号(アナログ信号)のピークが閾値電圧を超えたか否かを判定し、その判定結果が肯定的な電圧信号を該電圧信号が得られた走査位置に対応付けてメモリに保存する。   In the next step S4, a voltage signal exceeding the threshold voltage among the voltage signals output from the waveform processing circuit 41 at the time of scanning for each scanning position in the effective scanning region is stored in the memory as the storage unit 46b. Specifically, the control unit 46a determines whether or not the peak of the voltage signal (analog signal) output from the waveform processing circuit 41 based on the output signal (digital signal) of the binarization circuit 44 exceeds the threshold voltage. A determination is made, and a positive voltage signal is stored in the memory in association with the scanning position at which the voltage signal is obtained.

次のステップS5では、制御部46aが、カウント値kがK(K≧2)未満であるか否かを判断する。ここで、「K」は、測定結果を出力するまでの予め設定された測定回数である。ステップS5での判断が肯定されるとステップS4に戻り、否定されるとステップS5.5に移行する。   In the next step S5, the control unit 46a determines whether the count value k is less than K (K) 2). Here, “K” is a preset number of measurements until a measurement result is output. If the determination in step S5 is affirmed, the process returns to step S4. If the determination is negative, the process proceeds to step S5.5.

ステップS5.5では、制御部46aが、走査回数のカウントを終了する。   In step S5.5, the control unit 46a ends the counting of the number of scans.

次のステップS6では、制御部46aが、nに1をセットする。   At the next step S6, the control unit 46a sets 1 to n.

次のステップS7では、第n走査位置に対する各回の走査時に閾値電圧を超えた電圧信号毎に時間演算を行い、その演算結果である時間演算値を記憶部46bとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部46aが、有効走査領域における第n番目の走査位置(1走査分のLD駆動信号の第n番目のパルスに対応する走査位置)である第n走査位置に対する各回の走査時に発光信号の立ち上がりタイミングから、電圧信号が閾値電圧を横切るタイミングに基づく所定タイミングまでの時間を算出し、その算出結果を該電圧信号に対応付けて時間演算値としてメモリに保存する。   In the next step S7, time calculation is performed for each voltage signal that exceeds the threshold voltage during each scan for the n-th scanning position, and the time calculation value that is the calculation result is stored in the memory as the storage unit 46b. Specifically, the control unit 46a scans each time for the nth scanning position which is the nth scanning position in the effective scanning region (the scanning position corresponding to the nth pulse of the LD driving signal for one scan). Sometimes, the time from the rising timing of the light emission signal to the predetermined timing based on the timing at which the voltage signal crosses the threshold voltage is calculated, and the calculation result is stored in the memory as a time calculation value in association with the voltage signal.

次のステップS8では、時間階級毎の、閾値電圧を超えた電圧信号の度数を表すヒストグラム又は度数分布表を作成する。具体的には、ヒストグラム/度数分布表生成部46dが、ステップS7でメモリに保存された各時間演算値に対応する電圧信号を対応する時間階級に振り分けてヒストグラム又は度数分布表を作成する。   In the next step S8, a histogram or a frequency distribution table representing the frequency of the voltage signal exceeding the threshold voltage for each time class is created. Specifically, the histogram / frequency distribution table generation unit 46d divides the voltage signals corresponding to the respective time operation values stored in the memory in step S7 into the corresponding time classes, and creates a histogram or a frequency distribution table.

次のステップS9では、閾値電圧を超えた電圧信号の度数が最多の時間階級(以下では「度数最多時間階級」とも呼ぶ)を抽出する。具体的には、制御部46aが、ステップS8で作成されたヒストグラム又は度数分布表の複数の時間階級から、度数最多時間階級を抽出する。   In the next step S9, the time class having the highest frequency of the voltage signal exceeding the threshold voltage (hereinafter also referred to as “frequency most frequent time class”) is extracted. Specifically, the control unit 46a extracts the most frequent time class from the plurality of time classes of the histogram or the frequency distribution table created in step S8.

次のステップS10では、制御部46aが、ステップS9で抽出された度数最多時間階級が複数であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとステップS11に移行し、否定されるとステップS16に移行する。   In the next step S10, the control unit 46a determines whether or not the highest frequency time class extracted in step S9 is plural. If the determination here is affirmed, the process proceeds to step S11. If the determination is negative, the process proceeds to step S16.

ステップS11では、所属階級推定部46eが、各度数最多時間階級に属する複数の電圧信号のパルス幅の標準偏差σを算出する。   In step S11, the belonging class estimation unit 46e calculates the standard deviation σ of the pulse widths of the plurality of voltage signals belonging to the most frequent time classes.

次のステップS12では、所属階級推定部46eが、標準偏差σが1.0以下の度数最多時間階級を物体信号が属する階級(以下では「物体信号所属階級」とも呼ぶ)と推定し、その推定結果を演算部46cに出力する。   In the next step S12, the belonging class estimation unit 46e estimates the most frequent time class having a standard deviation σ of 1.0 or less as the class to which the object signal belongs (hereinafter also referred to as "object signal belonging class"), The result is output to the calculation unit 46c.

次のステップS13では、演算部46cが、所属階級推定部46eからの推定結果及びメモリに保存された各電圧信号に対応する時間演算値を参照して、物体信号所属階級と推定された度数最多時間階級に属する電圧信号毎の時間演算値の平均値(該時間演算値が1つの場合は該時間演算値そのもの)を算出し、該平均値を距離に換算した値の1/2を第n走査位置の測定結果として出力する。なお、上記時間演算値の平均値に代えて、該時間演算値の中央値(メジアン)や、物体信号所属階級と推定された度数最多時間階級の代表的な値、例えば階級値(階級幅の中央の値)を用いても良い。   In the next step S13, the operation unit 46c refers to the estimation result from the belonging class estimation unit 46e and the time operation value corresponding to each voltage signal stored in the memory to determine the object signal belonging class most frequently. The average value of the time operation value for each voltage signal belonging to the time class (when the time operation value is 1, the time operation value itself is calculated), and 1/2 of the value obtained by converting the average value to the distance is n Output as the measurement result of the scanning position. In addition, instead of the average value of the above-mentioned time operation value, the median value (median) of the time operation value or a representative value of the most frequent time class estimated to be the object signal belonging class, for example, class value (class width (class width) The middle value may be used.

次のステップS14では、n<Nであるか否かを判断する。ここで、「N」は、有効走査領域における走査位置の総数(1走査分のLD駆動信号の総パルス数)である。ステップS14での判断が肯定されるとステップS17に移行し、否定されるとステップS15に移行する。   In the next step S14, it is determined whether n <N. Here, “N” is the total number of scan positions in the effective scan area (the total number of pulses of the LD drive signal for one scan). If the determination in step S14 is affirmed, the process proceeds to step S17. If the determination in step S14 is negative, the process proceeds to step S15.

ステップS15では、測定終了か否かを判断する。具体的には、ここでの判断は、物体検出装置100への電力の供給が停止されたときに肯定され、停止されていないときに否定される。ステップS15での判断が肯定されるとフローは終了し、否定されるとステップS2に戻る。   In step S15, it is determined whether or not the measurement is finished. Specifically, the determination here is affirmed when the supply of power to the object detection apparatus 100 is stopped, and is denied when the supply is not stopped. If the determination in step S15 is affirmed, the flow ends. If the determination is negative, the process returns to step S2.

ステップS17では、nをインクリメントする。ステップS17が実行されると、ステップS7に戻る。
なお、ステップS5.5〜ステップS17の一連の処理は、走査の合間(K回の走査が終了してから、次のK回の走査の最初の走査が開始されるまでの間)に行われる。
In step S17, n is incremented. When step S17 is executed, the process returns to step S7.
Note that the series of processing from step S5.5 to step S17 is performed between scans (from the end of the K scans to the start of the first scan of the next K scans). .

以上説明した測距処理1では、波形処理回路41から出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号を、該電圧信号に基づいて算出された時間演算値に対応する時間階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しているが、該電圧信号を該時間演算値の1/2に対応する時間階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しても良い。   In the distance measuring process 1 described above, among the voltage signals output from the waveform processing circuit 41, the voltage signal whose peak exceeds the threshold value is distributed to the time class corresponding to the time calculation value calculated based on the voltage signal. The histogram and the frequency distribution table are created, but the voltage signal may be distributed to a time class corresponding to 1/2 of the time calculation value to create the histogram and the frequency distribution table.

<測距処理2>
測距処理2について図17を用いて説明する。図17のフローチャートは、制御系46で実行される処理アルゴリズムに基づいている。測距処理2は、物体検出装置100に電力が供給されたときに開始される。
<Distance measurement process 2>
The distance measurement process 2 will be described with reference to FIG. The flowchart in FIG. 17 is based on a processing algorithm executed by the control system 46. The ranging process 2 is started when the object detection apparatus 100 is supplied with power.

最初のステップS21では、有効走査領域の繰り返し走査を開始する。具体的には、制御部46aが、入力された同期信号に基づいて生成したLD駆動信号(発光信号)をLD駆動部12に出力してLD11に駆動電流を印加することによりLD11をパルス発光させ、そのパルス光を回転する回転ミラー26で偏向する。   In the first step S21, repeated scanning of the effective scanning area is started. Specifically, the control unit 46a outputs an LD drive signal (light emission signal) generated based on the input synchronization signal to the LD drive unit 12 and applies a drive current to the LD 11, thereby causing the LD 11 to emit light in pulses. The pulsed light is deflected by the rotating mirror 26 that rotates.

次のステップS22では、走査回数のカウント値kを初期化する。具体的には、制御部46aが、内蔵するカウンタのカウント値を0にする。   In the next step S22, the count value k of the number of scans is initialized. Specifically, the control unit 46a sets the count value of the built-in counter to zero.

次のステップS23では、走査回数のカウントを開始する。具体的には、制御部46aが、入力された同期信号をトリガとしてカウンタによるカウントを開始し、以後、同期信号が入力される度にカウンタのカウント値を1だけアップする(カウントアップする)。   In the next step S23, counting of the number of scans is started. Specifically, the control unit 46a starts counting by the counter using the input synchronization signal as a trigger, and thereafter increases the count value of the counter by 1 (counts up) each time the synchronization signal is input.

次のステップS24では、有効走査領域における各走査位置に対する走査時に波形処理回路41から出力された電圧信号のうち閾値電圧を超えた電圧信号を記憶部46bとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部46aが、二値化回路44の出力信号(デジタル信号)に基づいて波形処理回路41から出力された電圧信号(アナログ信号)のピークが閾値電圧を超えたか否かを判定し、その判定結果が肯定的な電圧信号を該電圧信号が得られた走査位置に対応付けてメモリに保存する。   In the next step S24, the voltage signal exceeding the threshold voltage among the voltage signals output from the waveform processing circuit 41 at the time of scanning for each scanning position in the effective scanning region is stored in the memory as the storage unit 46b. Specifically, the control unit 46a determines whether or not the peak of the voltage signal (analog signal) output from the waveform processing circuit 41 based on the output signal (digital signal) of the binarization circuit 44 exceeds the threshold voltage. A determination is made, and a positive voltage signal is stored in the memory in association with the scanning position at which the voltage signal is obtained.

次のステップS25では、制御部46aが、カウント値kがK(K≧2)未満であるか否かを判断する。ここで、「K」は、測定結果を出力するまでの予め設定された測定回数である。ステップS25での判断が肯定されるとステップS24に戻り、否定されるとステップS25.5に移行する。   In the next step S25, control unit 46a determines whether count value k is less than K (K (2). Here, “K” is a preset number of measurements until a measurement result is output. If the determination in step S25 is affirmed, the process returns to step S24, and if denied, the process proceeds to step S25.5.

ステップS25.5では、制御部46aが、走査回数のカウントを終了する。   In step S25.5, the control unit 46a ends the count of the number of scans.

次のステップS26では、制御部46aが、nに1をセットする。   At the next step S26, the control unit 46a sets 1 to n.

次のステップS27では、第n走査位置に対する各回の走査時に閾値電圧を超えた電圧信号毎に距離演算を行い、その演算結果である距離演算値を記憶部46bとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部46aが、有効走査領域における第n番目の走査位置(1走査分のLD駆動信号の第n番目のパルスに対応する走査位置)である第n走査位置に対する各回の走査時に発光信号の立ち上がりタイミングから、電圧信号が閾値電圧を横切るタイミングに基づく所定タイミングまでの時間を算出し、その算出結果を距離に換算した値の1/2を該電圧信号に対応付けて距離演算値としてメモリに保存する。   In the next step S27, distance calculation is performed for each voltage signal exceeding the threshold voltage at each scan with respect to the n-th scan position, and the distance calculation value as the calculation result is stored in the memory as the storage unit 46b. Specifically, the control unit 46a performs each scan with respect to the nth scan position, which is the nth scan position in the effective scan area (a scan position corresponding to the nth pulse of the LD drive signal for one scan). Sometimes the time from the rise timing of the light emission signal to the predetermined timing based on the timing at which the voltage signal crosses the threshold voltage is calculated, and a distance calculation is performed by associating 1/2 of the calculated result into a distance to the voltage signal. Save to memory as a value.

次のステップS28では、距離階級毎の、閾値電圧を超えた電圧信号の度数を表すヒストグラム又は度数分布表を作成する。具体的には、ヒストグラム/度数分布表生成部46dが、ステップS27でメモリに保存された各距離演算値に対応する電圧信号を対応する距離階級に振り分けてヒストグラム又は度数分布表を作成する。   In the next step S28, a histogram or frequency distribution table representing the frequency of the voltage signal exceeding the threshold voltage for each distance class is created. Specifically, the histogram / frequency distribution table generation unit 46d creates a histogram or frequency distribution table by distributing the voltage signal corresponding to each distance calculation value stored in the memory in step S27 to the corresponding distance class.

次のステップS29では、閾値電圧を超えた電圧信号の度数が最多の距離階級(以下では「度数最多距離階級」とも呼ぶ)を抽出する。具体的には、制御部46aが、ステップS28で作成されたヒストグラム又は度数分布表の複数の距離階級から、度数最多距離階級を抽出する。   In the next step S29, the distance class with the largest number of frequencies of the voltage signal exceeding the threshold voltage (hereinafter, also referred to as "frequency largest class") is extracted. Specifically, the control unit 46a extracts the most frequent distance class from the plurality of distance classes of the histogram or the frequency distribution table created in step S28.

次のステップS30では、制御部46aが、ステップS29で抽出された度数最多距離階級が複数であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとステップS31に移行し、否定されるとステップS36に移行する。   In the next step S30, the control unit 46a determines whether or not the frequency largest distance class extracted in step S29 is plural. If the determination here is affirmed, the process proceeds to step S31. If the determination is denied, the process proceeds to step S36.

ステップS31では、所属階級推定部46eが、メモリを参照して、各度数最多距離階級に属する複数の電圧信号のパルス幅の標準偏差σを算出する。   In step S31, the belonging class estimation unit 46e refers to the memory to calculate the standard deviation σ of the pulse widths of the plurality of voltage signals belonging to the largest frequency classes.

次のステップS32では、所属階級推定部46eが、標準偏差σが1.0以下の度数最多距離階級を物体信号が属する階級(以下では「物体信号所属階級」とも呼ぶ)と推定し、その推定結果を演算部46cに出力する。   In the next step S32, the affiliation class estimation unit 46e estimates the most frequent frequency class with a standard deviation σ of 1.0 or less as the class to which the object signal belongs (hereinafter also referred to as “object signal affiliation class”), and the estimation. The result is output to the calculation unit 46c.

次のステップS33では、演算部46cが、所属階級推定部46eからの推定結果及びメモリに保存された各電圧信号に対応する距離演算値を参照して、物体信号所属階級と推定された度数最多距離階級に属する電圧信号毎の距離演算値の平均値(該距離演算値が1つの場合は該距離演算値そのもの)を第n走査位置の測定結果として出力する。なお、上記距離演算値の平均値に代えて、該距離演算値の中央値(メジアン)や、物体信号所属階級と推定された度数最多距離階級の代表的な値、例えば階級値(該度数最多距離階級の中央の値)を用いても良い。   In the next step S33, the calculation unit 46c refers to the estimation result from the affiliation class estimation unit 46e and the distance calculation value corresponding to each voltage signal stored in the memory, so that the frequency most frequently estimated as the object signal affiliation class is obtained. The average value of the distance calculation value for each voltage signal belonging to the distance class (if the distance calculation value is one, the distance calculation value itself) is output as the measurement result of the n-th scanning position. In place of the average value of the distance calculation values, a median value (median) of the distance calculation values or a representative value of the most frequent distance class estimated as the object signal affiliation class, for example, a class value (the frequency maximum) The middle value of the distance class) may be used.

次のステップS34では、制御部46aが、n<Nであるか否かを判断する。ここで、「N」は、有効走査領域における走査位置の総数(1走査分のLD駆動信号の総パルス数)である。ステップS34での判断が肯定されるとステップS37に移行し、否定されるとステップS35に移行する。   In the next step S34, the control unit 46a determines whether n <N. Here, “N” is the total number of scan positions in the effective scan area (the total number of pulses of the LD drive signal for one scan). If the determination in step S34 is affirmed, the process proceeds to step S37. If the determination in step S34 is negative, the process proceeds to step S35.

ステップS35では、測定終了か否かを判断する。具体的には、ここでの判断は、物体検出装置100への電力の供給が停止されたときに肯定され、停止されていないときに否定される。ステップS35での判断が肯定されるとフローは終了し、否定されるとステップS22に戻る。   In step S35, it is determined whether or not the measurement is finished. Specifically, the determination here is affirmed when the supply of power to the object detection apparatus 100 is stopped, and is denied when the supply is not stopped. If the determination in step S35 is affirmed, the flow is ended, and if denied, the process returns to step S22.

ステップS37では、nをインクリメントする。ステップS37が実行されると、ステップS27に戻る。
なお、ステップS25.5〜ステップS37の一連の処理は、走査の合間(K回の走査が終了してから、次のK回の走査の最初の走査が開始されるまでの間)に行われる。
In step S37, n is incremented. When step S37 is executed, the process returns to step S27.
A series of processing from step S25.5 to step S37 is performed between scannings (after the end of K scannings and before the start of the first scanning of the next K scannings). .

以上説明した測距処理2では、波形処理回路41から出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号を、該電圧信号に基づいて算出された距離演算値に対応する距離階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しているが、該電圧信号を該距離演算値に対応する時間階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しても良い。   In the distance measurement process 2 described above, among the voltage signals output from the waveform processing circuit 41, the voltage signal whose peak exceeds the threshold value is distributed to the distance class corresponding to the distance calculation value calculated based on the voltage signal. The histogram and the frequency distribution table are created, but the voltage signal may be distributed to the time class corresponding to the distance calculation value to create the histogram and the frequency distribution table.

<測距処理3>
測距処理3について図18を用いて説明する。図18のフローチャートは、制御系46で実行される処理アルゴリズムに基づいている。測距処理3は、物体検出装置100に電力が供給されたときに開始される。
<Ranging process 3>
The distance measurement process 3 will be described with reference to FIG. The flowchart in FIG. 18 is based on a processing algorithm executed by the control system 46. Ranging process 3 is started when the object detection apparatus 100 is supplied with power.

最初のステップS41では、有効走査領域の繰り返し走査を開始する。具体的には、制御部46aが、入力された同期信号に基づいて生成したLD駆動信号をLD駆動部12に出力してLD11に駆動電流を印加することによりLD11をパルス発光させ、そのパルス光を回転する回転ミラー26で偏向する。   In the first step S41, repeated scanning of the effective scanning area is started. Specifically, the control unit 46a outputs the LD drive signal generated based on the input synchronization signal to the LD drive unit 12 and applies a drive current to the LD 11, thereby causing the LD 11 to emit light, and the pulse light. Is deflected by a rotating mirror 26 that rotates.

次のステップS42では、走査回数のカウント値kを初期化する。具体的には、制御部46aが、内蔵するカウンタのカウント値を0にする。   In the next step S42, the count value k of the number of scans is initialized. Specifically, the control unit 46a sets the count value of the built-in counter to zero.

次のステップS43では、走査回数のカウントを開始する。具体的には、制御部46aが、入力された同期信号をトリガとしてカウンタによるカウントを開始し、以後、同期信号が入力される度にカウンタのカウント値を1だけアップする(カウントアップする)。   In the next step S43, counting of the number of scans is started. Specifically, the control unit 46a starts counting by the counter using the input synchronization signal as a trigger, and thereafter increases the count value of the counter by 1 (counts up) each time the synchronization signal is input.

次のステップS44では、有効走査領域における各走査位置に対する走査時に波形処理回路41から出力された電圧信号のうち閾値電圧を超えた電圧信号を記憶部46bとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部46aが、二値化回路44の出力信号(デジタル信号)に基づいて波形処理回路41から出力された電圧信号(アナログ信号)のピークが閾値電圧を超えたか否かを判定し、その判定結果が肯定的な電圧信号を該電圧信号が得られた走査位置に対応付けてメモリに保存する。   In the next step S44, of the voltage signals output from the waveform processing circuit 41 at the time of scanning with respect to each scanning position in the effective scanning region, voltage signals exceeding the threshold voltage are stored in the memory as the storage unit 46b. Specifically, the control unit 46a determines whether or not the peak of the voltage signal (analog signal) output from the waveform processing circuit 41 based on the output signal (digital signal) of the binarization circuit 44 exceeds the threshold voltage. A determination is made, and a positive voltage signal is stored in the memory in association with the scanning position at which the voltage signal is obtained.

次のステップS45では、制御部46aが、カウント値kがK(K≧2)未満であるか否かを判断する。ここで、「K」は、測定結果を出力するまでの予め設定された測定回数である。ステップS45での判断が肯定されるとステップS44に戻り、否定されるとステップS45.5に移行する。   In the next step S45, control unit 46a determines whether count value k is smaller than K (K22). Here, “K” is the preset number of measurements before outputting the measurement result. If the determination in step S45 is affirmed, the process returns to step S44. If the determination in step S45 is negative, the process proceeds to step S45.5.

ステップS45.5では、制御部46aが、走査回数のカウントを終了する。   In step S45.5, the control unit 46a ends the count of the number of scans.

次のステップS46では、制御部46aが、nに1をセットする。   In the next step S46, the control unit 46a sets n to n.

次のステップS47では、第n走査位置に対する各回の走査時に閾値電圧を超えた電圧信号毎に時間演算を行い、その演算結果である時間演算値を記憶部46bとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部46aが、有効走査領域における第n番目の走査位置(1走査分のLD駆動信号の第n番目のパルスに対応する走査位置)である第n走査位置に対する各回の走査時に発光信号の立ち上がりタイミングから、電圧信号が閾値電圧を横切るタイミングに基づく所定タイミングまでの時間を算出し、その算出結果を該電圧信号に対応付けて時間演算値としてメモリに保存する。   In the next step S47, a time calculation is performed for each voltage signal that exceeds the threshold voltage during each scan for the n-th scanning position, and a time calculation value that is the calculation result is stored in a memory as the storage unit 46b. Specifically, the control unit 46a performs each scan with respect to the nth scan position, which is the nth scan position in the effective scan area (a scan position corresponding to the nth pulse of the LD drive signal for one scan). Sometimes, the time from the rising timing of the light emission signal to the predetermined timing based on the timing at which the voltage signal crosses the threshold voltage is calculated, and the calculation result is stored in the memory as a time calculation value in association with the voltage signal.

次のステップS48では、時間階級毎の時間演算値の度数を表すヒストグラム又は度数分布表を作成する。具体的には、ヒストグラム/度数分布表生成部46dが、ステップS47でメモリに保存された各時間演算値を対応する時間階級に振り分けてヒストグラム又は度数分布表を作成する。   In the next step S48, a histogram or frequency distribution table representing the frequency of the time operation value for each time class is created. Specifically, the histogram / frequency distribution table generating unit 46d creates a histogram or a frequency distribution table by assigning each time calculation value stored in the memory in step S47 to the corresponding time class.

次のステップS49では、時間演算値の度数が最多の時間階級(以下では「度数最多時間階級」とも呼ぶ)を抽出する。具体的には、制御部46aが、ステップS48で作成されたヒストグラム又は度数分布表の複数の時間階級から、度数最多時間階級を抽出する。   In the next step S49, the time class with the largest frequency of the time operation value (hereinafter, also referred to as "the most frequency class") is extracted. Specifically, the control unit 46a extracts the most frequent time class from the plurality of time classes in the histogram or the frequency distribution table created in step S48.

次のステップS50では、制御部46aが、ステップS49で抽出された度数最多時間階級が複数であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとステップS51に移行し、否定されるとステップS56に移行する。   In the next step S50, the control unit 46a determines whether or not there is a plurality of most frequent time classes extracted in step S49. If the determination here is affirmed, the process proceeds to step S51. If the determination is denied, the process proceeds to step S56.

ステップS51では、所属階級推定部46eが、メモリを参照して、各度数最多時間階級に属する複数の時間演算値にそれぞれ対応する複数の電圧信号のパルス幅の標準偏差σを算出する。   In step S51, the affiliation class estimation unit 46e refers to the memory and calculates the standard deviation σ of the pulse widths of the plurality of voltage signals respectively corresponding to the plurality of time calculation values belonging to each frequency most frequent time class.

次のステップS52では、所属階級推定部46eが、標準偏差σが1.0以下の度数最多時間階級を物体信号に基づいて算出された時間演算値が属する階級(以下では「TOF演算時間所属階級」とも呼ぶ)と推定し、その推定結果を演算部46cに出力する。なお、「TOF」は、Time of Flightの略称である。   In the next step S52, the affiliation class estimation unit 46e assigns the most frequent time class having a standard deviation σ of 1.0 or less to the class to which the time operation value calculated based on the object signal belongs (hereinafter referred to as “TOF operation time affiliation class” And the estimation result is output to the calculation unit 46c. "TOF" is an abbreviation of Time of Flight.

次のステップS53では、演算部46cが、所属階級推定部46eからの推定結果及びメモリに保存された時間演算値を参照して、TOF演算時間所属階級と推定された度数最多時間階級に属する時間演算値の平均値(該時間演算値が1つの場合は該時間演算値そのもの)を算出し、該平均値を距離に換算した値の1/2を第n走査位置の測定結果として出力する。なお、上記時間演算値の平均値に代えて、該時間演算値の中央値(メジアン)や、TOF演算時間所属階級と推定された度数最多時間階級の代表的な値、例えば階級値(該度数最多時間階級の中央の値)を用いても良い。   In the next step S53, the calculation unit 46c refers to the estimation result from the affiliation class estimation unit 46e and the time calculation value stored in the memory, and the time belonging to the most frequent time class estimated as the TOF calculation time affiliation class. An average value of the calculation values (if the time calculation value is one, the time calculation value itself) is calculated, and ½ of the value obtained by converting the average value into a distance is output as the measurement result of the nth scanning position. Instead of the average value of the time calculation values, a median value (median) of the time calculation values or a representative value of the most frequent time class estimated as the TOF calculation time affiliation class, for example, a class value (the frequency) The middle value of the most frequent time class) may be used.

次のステップS54では、n<Nであるか否かを判断する。ここで、Nは、有効走査領域における走査位置の総数(1走査分のLD駆動信号の総パルス数)である。ステップS54での判断が肯定されるとステップS57に移行し、否定されるとステップS55に移行する。   In the next step S54, it is determined whether n <N. Here, N is the total number of scan positions in the effective scan area (the total number of pulses of the LD drive signal for one scan). If the determination in step S54 is affirmed, the process proceeds to step S57. If the determination in step S54 is negative, the process proceeds to step S55.

ステップS55では、測定終了か否かを判断する。具体的には、ここでの判断は、物体検出装置100への電力の供給が停止されたときに肯定され、停止されていないときに否定される。ステップS55での判断が肯定されるとフローは終了し、否定されるとステップS42に戻る。   In step S55, it is determined whether or not the measurement is finished. Specifically, the determination here is affirmed when the supply of power to the object detection apparatus 100 is stopped, and is denied when the supply is not stopped. If the determination in step S55 is affirmed, the flow is ended, and if denied, the process returns to step S42.

ステップS57では、nをインクリメントする。ステップS57が実行されると、ステップS47に戻る。
なお、ステップS45.5〜ステップS57の一連の処理は、走査の合間(K回の走査が終了してから、次のK回の走査の最初の走査が開始されるまでの間)に行われる。
In step S57, n is incremented. When step S57 is executed, the process returns to step S47.
Note that a series of processes from step S45.5 to step S57 is performed between scannings (from the end of K scans to the start of the first scan of the next K scans). .

以上説明した測距処理3では、波形処理回路41から出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号に基づいて算出された時間演算値を対応する時間階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しているが、該時間演算値の1/2を対応する時間階級又は対応する距離階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しても良い。   In the distance measuring process 3 described above, a time calculation value calculated based on a voltage signal whose peak exceeds a threshold value among the voltage signals output from the waveform processing circuit 41 is distributed to the corresponding time class, and a histogram or frequency distribution. Although a table is created, one-half of the time operation value may be distributed to the corresponding time class or the corresponding distance class to create a histogram or a frequency distribution table.

<測距処理4>
測距処理4について図19を用いて説明する。図19のフローチャートは、制御系46で実行される処理アルゴリズムに基づいている。測距処理4は、物体検出装置100に電力が供給されたときに開始される。
<Distance measurement process 4>
The distance measurement process 4 will be described with reference to FIG. The flowchart in FIG. 19 is based on a processing algorithm executed by the control system 46. The ranging process 4 is started when the object detection apparatus 100 is supplied with power.

最初のステップS61では、有効走査領域の繰り返し走査を開始する。具体的には、制御部46aが、入力された同期信号に基づいて生成したLD駆動信号(発光信号)をLD駆動部12に出力してLD11に駆動電流を印加することによりLD11をパルス発光させ、そのパルス光を回転する回転ミラー26で偏向する。   In the first step S61, repeated scanning of the effective scanning area is started. Specifically, the control unit 46a outputs an LD drive signal (light emission signal) generated based on the input synchronization signal to the LD drive unit 12 and applies a drive current to the LD 11, thereby causing the LD 11 to emit light in pulses. The pulsed light is deflected by the rotating mirror 26 that rotates.

次のステップS62では、走査回数のカウント値kを初期化する。具体的には、制御部46aが、内蔵するカウンタのカウント値を0にする。   In the next step S62, the count value k of the number of scans is initialized. Specifically, the control unit 46a sets the count value of the built-in counter to zero.

次のステップS63では、走査回数のカウントを開始する。具体的には、制御部46aが、入力された同期信号をトリガとしてカウンタによるカウントを開始し、以後、同期信号が入力される度にカウンタのカウント値を1だけアップする(カウントアップする)。   In the next step S63, counting of the number of scans is started. Specifically, the control unit 46a starts counting by the counter using the input synchronization signal as a trigger, and thereafter increases the count value of the counter by 1 (counts up) each time the synchronization signal is input.

次のステップS64では、有効走査領域における各走査位置に対する走査時に波形処理回路41から出力された電圧信号のうち閾値電圧を超えた電圧信号を記憶部46bとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部46aが、二値化回路44の出力信号(デジタル信号)に基づいて波形処理回路41から出力された電圧信号(アナログ信号)のピークが閾値電圧を超えたか否かを判定し、その判定結果が肯定的な電圧信号を該電圧信号が得られた走査位置に対応付けてメモリに保存する。   In the next step S64, of the voltage signals output from the waveform processing circuit 41 at the time of scanning with respect to each scanning position in the effective scanning area, voltage signals exceeding the threshold voltage are stored in the memory as the storage unit 46b. Specifically, the control unit 46a determines whether or not the peak of the voltage signal (analog signal) output from the waveform processing circuit 41 based on the output signal (digital signal) of the binarization circuit 44 exceeds the threshold voltage. A determination is made, and a positive voltage signal is stored in the memory in association with the scanning position at which the voltage signal is obtained.

次のステップS65では、制御部46aが、カウント値kがK(K≧2)未満であるか否かを判断する。ここで、「K」は、測定結果を出力するまでの予め設定された測定回数である。ステップS65での判断が肯定されるとステップS64に戻り、否定されるとステップS65.5に移行する。   In the next step S65, control unit 46a determines whether count value k is less than K (K ≧ 2). Here, “K” is the preset number of measurements before outputting the measurement result. If the determination in step S65 is affirmative, the process returns to step S64, and if the determination is negative, the process proceeds to step S65.5.

ステップS65.5では、制御部46aが、走査回数のカウントを終了する。   In step S65.5, the control unit 46a ends the counting of the number of scans.

次のステップS66では、制御部46aが、nに1をセットする。   In the next step S66, the control unit 46a sets 1 to n.

次のステップS67では、第n走査位置に対する各回の走査時に閾値電圧を超えた電圧信号毎に距離演算を行い、その演算結果である距離演算値を記憶部46bとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部46aが、有効走査領域における第n番目の走査位置(1走査分のLD駆動信号の第n番目のパルスに対応する走査位置)である第n走査位置に対する各回の走査時に発光信号の立ち上がりタイミングから、電圧信号が閾値電圧を横切るタイミングに基づく所定タイミングまでの時間を算出し、その算出結果を距離に換算した値の1/2を該電圧信号に対応付けて距離演算値としてメモリに保存する。   In the next step S67, a distance calculation is performed for each voltage signal that exceeds the threshold voltage during each scan for the n-th scanning position, and a distance calculation value that is the calculation result is stored in a memory as the storage unit 46b. Specifically, the control unit 46a performs each scan with respect to the nth scan position, which is the nth scan position in the effective scan area (a scan position corresponding to the nth pulse of the LD drive signal for one scan). Sometimes the time from the rise timing of the light emission signal to the predetermined timing based on the timing at which the voltage signal crosses the threshold voltage is calculated, and a distance calculation is performed by associating 1/2 of the calculated result into a distance to the voltage signal. Save to memory as a value.

次のステップS68では、距離階級毎の距離演算値の度数を表すヒストグラム又は度数分布表を作成する。具体的には、ヒストグラム/度数分布表生成部46dが、ステップS67でメモリに保存された各距離演算値を対応する距離階級に振り分けて、ヒストグラム又は度数分布表を作成する。   In the next step S68, a histogram or frequency distribution table representing the frequency of the distance operation value for each distance class is created. Specifically, the histogram / frequency distribution table generating unit 46d assigns each distance calculation value stored in the memory in step S67 to the corresponding distance class, and creates a histogram or a frequency distribution table.

次のステップS69では、距離演算値の度数が最多の距離階級(以下では「度数最多距離階級」とも呼ぶ)を抽出する。具体的には、制御部46aが、ステップS68で作成されたヒストグラム又は度数分布表の複数の距離階級から、度数最多距離階級を抽出する。   In the next step S69, the distance class having the largest frequency of the distance operation value (hereinafter, also referred to as "frequency largest distance class") is extracted. Specifically, the control unit 46a extracts the most frequent distance class from the plurality of distance classes of the histogram or the frequency distribution table created in step S68.

次のステップS70では、制御部46aが、ステップS69で抽出された度数最多距離階級が複数であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとステップS71に移行し、否定されるとステップS76に移行する。   In the next step S70, control unit 46a determines whether or not the frequency largest distance class extracted in step S69 is plural. If the determination here is affirmed, the process proceeds to step S71. If the determination is denied, the process proceeds to step S76.

ステップS71では、所属階級推定部46eが、メモリを参照して、各度数最多距離階級に属する複数の電圧信号のパルス幅の標準偏差σを算出する。   In step S71, the belonging class estimation unit 46e refers to the memory to calculate the standard deviation σ of the pulse widths of the plurality of voltage signals belonging to the largest frequency classes.

次のステップS72では、所属階級推定部46eが、標準偏差σが1.0以下の度数最多距離階級を物体信号に基づいて算出された距離演算値が属する階級(以下では「TOF演算距離所属階級」とも呼ぶ)と推定し、その推定結果を演算部46cに出力する。   In the next step S72, the class to which the distance calculation value calculated based on the object signal belongs to the class rank estimation unit 46e based on the object signal is the class with the highest frequency class having a standard deviation σ of 1.0 or less (hereinafter And the estimation result is output to the calculation unit 46c.

次のステップS73では、演算部46cが、所属階級推定部46eからの推定結果及びメモリに保存された距離演算値を参照して、TOF演算距離所属階級と推定された度数最多距離階級に属する電圧信号毎の距離演算値の平均値(該距離演算値が1つの場合は該距離演算値そのもの)を第n走査位置の測定結果として出力する。なお、上記距離演算値の平均値に代えて、該距離演算値の中央値(メジアン)や、TOF演算距離所属階級と推定された度数最多距離階級の代表的な値、例えば階級値(該度数最多距離階級の中央の値)を用いても良い。   In the next step S73, the calculation unit 46c refers to the estimation result from the belonging class estimation unit 46e and the distance calculation value stored in the memory to determine that the voltage belongs to the highest distance class estimated as the TOF calculation distance belonging class. The average value of the distance calculation value for each signal (if the distance calculation value is one, the distance calculation value itself) is output as the measurement result of the n-th scanning position. In addition, instead of the average value of the distance calculation value, a median value (median) of the distance calculation value or a representative value of the most frequent distance class estimated to be a TOF calculation distance belonging class, for example, a class value The middle value of the largest distance class may be used.

次のステップS74では、制御部46aが、n<Nであるか否かを判断する。ここで、「N」は、有効走査領域における走査位置の総数(1走査分のLD駆動信号の総パルス数)である。ステップS74での判断が肯定されるとステップS77に移行し、否定されるとステップS75に移行する。   In the next step S74, the control unit 46a determines whether n <N. Here, “N” is the total number of scan positions in the effective scan area (the total number of pulses of the LD drive signal for one scan). If the determination in step S74 is affirmed, the process proceeds to step S77. If the determination in step S74 is negative, the process proceeds to step S75.

ステップS75では、測定終了か否かを判断する。具体的には、ここでの判断は、物体検出装置100への電力の供給が停止されたときに肯定され、停止されていないときに否定される。ステップS75での判断が肯定されるとフローは終了し、否定されるとステップS62に戻る。   In step S75, it is determined whether the measurement is completed. Specifically, the determination here is affirmed when the supply of power to the object detection apparatus 100 is stopped, and is denied when the supply is not stopped. If the determination in step S75 is affirmed, the flow ends. If the determination is negative, the process returns to step S62.

ステップS77では、nをインクリメントする。ステップS77が実行されると、ステップS67に戻る。
なお、ステップS65.5〜ステップS77の一連の処理は、走査の合間(K回の走査が終了してから、次のK回の走査の最初の走査が開始されるまでの間)に行われる。
In step S77, n is incremented. When step S77 is executed, the process returns to step S67.
Note that a series of processes from step S65.5 to step S77 is performed between scannings (after the completion of K scannings and before the start of the first scanning of the next K scannings). .

以上説明した測距処理4では、波形処理回路41から出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号に基づいて算出された距離演算値を対応する距離階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しているが、該距離演算値を対応する時間階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しても良い。   In the distance measurement process 4 described above, among the voltage signals output from the waveform processing circuit 41, the distance operation value calculated based on the voltage signal whose peak exceeds the threshold is distributed to the corresponding distance class to be used as a histogram or frequency distribution Although a table is created, the distance calculation values may be distributed to corresponding time classes to create a histogram or a frequency distribution table.

以上説明した本実施形態の物体検出装置100の一部を構成する時間測定装置は、LD駆動信号(発光信号)に基づいて発光するLD11(光源)を含む投光系10と、該投光系10から投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する時間計測用PD42(受光素子)を含む受光系40と、時間計測用PD42の出力電流に対して少なくとも1つの処理を行い、該処理により得られた電圧信号(信号)を出力する波形処理回路41(処理系)と、を備え、上記光がLD11から射出されてから時間計測用PD42で受光されるまでの時間を測定する時間測定装置において、投光系10が上記物体に向かう同一方向へ(同一の走査位置へ)複数回の投光を行ったときに、該複数回の各回の投光時に波形処理回路41から出力された電圧信号のうちピークが閾値電圧(閾値)を超えた電圧信号又は該電圧信号に基づく値を、上記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて上記同一方向への投光時における上記時間を取得する、制御系46を含む時間取得系を備え、波形処理回路41の周波数特性(特性)に基づいて階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする時間測定装置である。   The time measurement apparatus which constitutes a part of the object detection apparatus 100 of the present embodiment described above includes a light projection system 10 including an LD 11 (light source) that emits light based on an LD drive signal (light emission signal); A light receiving system 40 including a time measuring PD 42 (light receiving element) for receiving and photoelectrically converting light projected from 10 and reflected by the object, and at least one process on the output current of the time measuring PD 42; And a waveform processing circuit 41 (processing system) for outputting a voltage signal (signal) obtained by the processing, and a time for measuring a time from when the light is emitted from the LD 11 to when it is received by the time measuring PD 42 In the measurement apparatus, when the light projecting system 10 performs light projection a plurality of times in the same direction toward the object (to the same scanning position), the light is output from the waveform processing circuit 41 at the plurality of times of light projection. Voltage signal The voltage signal whose peak exceeds the threshold voltage (threshold value) or the value based on the voltage signal is classified into a plurality of classes corresponding to the time or the value based on the time, and the same direction based on the classification result Characterized in that a time acquisition system including a control system 46 for acquiring the above time at the time of light projection is provided, and the class width for each class is set based on the frequency characteristic (characteristic) of the waveform processing circuit 41 Time measuring device.

ここで、階級幅が狭すぎると、階級の数すなわち比較処理をする対象が多くなり演算処理量が多くなってしまう。逆に、階級幅が広すぎると、各回の投光時に同一階級に入る、ピークが閾値を超えるノイズ(例えばショットノイズ)の数が増えることにより、物体信号とノイズの判別精度が低下する。   Here, if the class width is too narrow, the number of classes, that is, the number of objects to be compared increases, and the amount of calculation processing increases. On the contrary, if the class width is too wide, the number of noises (for example, shot noises) whose peak exceeds the threshold value that enter the same class at each light projection increases, and the discrimination accuracy between the object signal and the noise decreases.

そこで、ノイズのパルス周期が受光素子の出力電流を処理する波形処理回路41の周波数特性に関連していることに着目し、該周波数特性に基づいて階級幅を設定することにより、閾値電圧を低めに設定した場合に1回の測定に要する走査回数(投光回数)が少なくても物体信号とノイズの判別精度を向上できるとともに、演算処理量を低減できる。   Therefore, focusing on the fact that the pulse period of noise is related to the frequency characteristic of the waveform processing circuit 41 that processes the output current of the light receiving element, the threshold voltage can be lowered by setting the class width based on the frequency characteristic. Even when the number of scans (the number of times of light projection) required for one measurement is small when setting to, the accuracy of discrimination between an object signal and noise can be improved, and the amount of arithmetic processing can be reduced.

結果として、本実施形態の時間測定装置によれば、投光され物体で反射された光の時間計測用PD42での受光光量によらず(物体までの距離や物体の反射率によらず)高精度かつ高速な測定を行うことができる。   As a result, according to the time measurement device of the present embodiment, the amount of light received by the time measuring PD 42 for the light reflected and reflected by the object is high (regardless of the distance to the object and the reflectance of the object) Accurate and high-speed measurement can be performed.

一方、特許文献1、2では、受光素子の出力電流を処理する回路の周波数特性に基づいて階級幅が設定されていないので、各回の投光時に同一階級に入る、ピークが閾値を超えるノイズの数を低減するとともに演算処理量を低減することに関して改善の余地があった。
すなわち、特許文献1、2では、投光され物体で反射された光の受光素子での受光光量によらず(物体までの距離や物体の反射率によらず)高精度かつ高速な測定を可能とすることに関して改善の余地があった。
On the other hand, in Patent Documents 1 and 2, since the class width is not set based on the frequency characteristic of the circuit that processes the output current of the light receiving element, noises with peaks exceeding the threshold value enter the same class at each light projection. There was room for improvement in terms of reducing the number and the amount of calculation processing.
That is, in Patent Documents 1 and 2, high-precision and high-speed measurement is possible regardless of the amount of light received by the light receiving element of the light that is projected and reflected by the object (regardless of the distance to the object or the reflectance of the object). There was room for improvement.

また、波形処理回路41は、時間計測用PD42の出力電流を電圧に変換する電流電圧変換器43(電流電圧変換回路)を含み、階級幅は、電流電圧変換器43のカットオフ周波数fc1に基づいて設定されることが好ましい。ノイズのパルス周期は、特にカットオフ周波数fc1に関連しているからである。   The waveform processing circuit 41 further includes a current-voltage converter 43 (current-voltage conversion circuit) that converts the output current of the time measurement PD 42 into a voltage, and the class width is based on the cut-off frequency fc1 of the current-voltage converter 43. Is preferably set. This is because the pulse period of noise is particularly related to the cutoff frequency fc1.

また、階級幅は、カットオフ周波数fc1の逆数以下であることが好ましい。この場合、1つの階級に複数のノイズが入ることを防止でき、物体信号とノイズの判別精度をさらに向上できる。   The class width is preferably equal to or less than the reciprocal of the cutoff frequency fc1. In this case, a plurality of noises can be prevented from entering one class, and the discrimination accuracy between the object signal and the noise can be further improved.

また、波形処理回路41は、電流電圧変換器43の出力信号を処理する信号増幅器48(信号処理回路)を含み、階級幅は、信号増幅器48のカットオフ周波数fc2に基づいて設定されることが好ましい。ノイズのパルス周期は、特にカットオフ周波数fc2に関連しているからである。   Further, the waveform processing circuit 41 includes a signal amplifier 48 (signal processing circuit) that processes the output signal of the current-voltage converter 43, and the class width is set based on the cut-off frequency fc2 of the signal amplifier 48. preferable. This is because the pulse period of noise is particularly related to the cutoff frequency fc2.

また、階級幅は、電流電圧変換器43及び信号増幅器48のカットオフ周波数fc1、fc2のうち小さくない方の逆数以下であることがより好ましい。この場合、1つの階級に複数のノイズが入ることをより確実に防止でき、物体信号とノイズの判別精度をより一層向上できる。   Further, it is more preferable that the class width is equal to or less than the reciprocal of the cut-off frequencies fc1 and fc2 of the current-voltage converter 43 and the signal amplifier 48 which is not smaller. In this case, it is possible to more reliably prevent a plurality of noises from entering one class, and it is possible to further improve the determination accuracy of the object signal and the noise.

また、階級幅は、物体信号(投光系10から投光され物体で反射された光による信号)の立ち上がり時間tr以上に設定されることが好ましい。この場合、投光毎に、時間計測用PD42での受光光量の違いなどによる物体信号のばらつきがあっても、該物体信号又は該物体信号に基づく値が同じ階級に入るため、物体信号とノイズの判別精度をより向上できる。   In addition, it is preferable that the class width be set to be equal to or more than the rise time tr of the object signal (a signal by light emitted from the light projection system 10 and reflected by the object). In this case, even if there are variations in the object signal due to differences in the amount of light received by the time measurement PD 42 for each light projection, the object signal or the value based on the object signal falls in the same class, so the object signal and noise It is possible to further improve the determination accuracy of

また、階級幅は、物体信号(投光系10から投光され物体で反射された光による信号)の立ち下がり時間以上に設定されることが好ましい。
物体信号は、立ち上がりのみならず、立ち下がりも考慮した方が、測距精度が向上する場合があり、その場合でも、立ち下がりのタイミングをカウントする際に、物体信号のばらつきがあっても、該物体信号又は該物体信号に基づく値が同じ階級に入るため、物体信号とノイズの判別精度をより向上できる。
In addition, the class width is preferably set to be equal to or longer than the fall time of the object signal (a signal generated by light projected from the light projecting system 10 and reflected by the object).
If the object signal not only rises but also falls is considered, distance measurement accuracy may be improved. Even in that case, even when there are variations in the object signal when counting the fall timing, Since the object signal or a value based on the object signal falls in the same class, it is possible to further improve the determination accuracy of the object signal and the noise.

また、階級幅は、階級間で異なっていても良い。例えば階級幅は、階級が高いほど(時間や距離が長くなるほど)広くなることが好ましい。この場合、近距離レンジでの測距精度を向上しつつ、遠距離レンジでの物体信号とノイズの区別を容易にすることができる。   Also, the class width may be different among the classes. For example, the class width is preferably wider as the class is higher (as time and distance are longer). In this case, it is possible to easily distinguish the object signal and the noise in the far distance range while improving the distance measurement accuracy in the short distance range.

また、階級幅は、LD11から射出された光(発光パルス)のパルス幅、立ち上がり時間、立ち下がり時間のいずれかに基づいて設定されることが好ましい。なお、通常、波形処理回路41のカットオフ周波数は、発光パルスのパルス幅(LD駆動信号のパルス幅)と同一のパルス幅の物体信号を取得するために所定の値に設定されるため、発光パルスのパルス幅や立ち上がり時間や立ち下がり時間に基づいて階級幅を設定することにより、結果として物体信号のパルス幅や立ち上がり時間や立ち下がり時間に基づいて階級幅を設定することができる。   The class width is preferably set based on any of the pulse width of the light (emission pulse) emitted from the LD 11, the rise time, and the fall time. In general, the cutoff frequency of the waveform processing circuit 41 is set to a predetermined value in order to obtain an object signal having the same pulse width as the pulse width of the light emission pulse (pulse width of the LD drive signal). By setting the class width based on the pulse width of the pulse, the rise time and the fall time, as a result, the class width can be set based on the pulse width of the object signal, the rise time and the fall time.

また、時間取得系は、波形処理回路41から出力された電圧信号を閾値で二値化する二値化回路44を含み、各回の投光時に、LD駆動信号の立ち上がりタイミング(LD11の発光タイミング、より詳細にはLD11の発光開始タイミング)と、二値化回路44の出力信号に基づくタイミングとの時間差又は該時間差に基づく値を算出し、その算出結果に基づいて上記分類を行うことが好ましい。   In addition, the time acquisition system includes a binarization circuit 44 that binarizes the voltage signal output from the waveform processing circuit 41 with a threshold, and the rising timing of the LD drive signal (the light emission timing of the LD 11, More specifically, it is preferable to calculate the time difference between the light emission start timing of the LD 11 and the timing based on the output signal of the binarization circuit 44 or a value based on the time difference, and perform the above classification based on the calculation result.

また、時間取得系は、複数の階級のうち、ピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値の数が最多の階級に属するピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値(時間演算値)に基づいて、上記同一方向への投光時における上記時間を算出することが好ましい。   In addition, the time acquisition system is a signal having a peak exceeding a threshold or a peak belonging to the largest number of values based on the signal among a plurality of classes, a signal having a peak exceeding a threshold or a value based on the signal It is preferable to calculate the time at the time of light projection in the same direction based on the value).

また、時間取得系は、上記最多の階級が複数ある場合に、ピークが閾値を超えた信号が閾値を最初に横切ってから次に横切るまでの時間に基づいて、複数の階級のうち物体信号又は該物体信号に基づく値が属する階級を推定することが好ましい。   In addition, when there are a plurality of the above-mentioned largest classes, the time acquisition system is an object signal or a signal among the plurality of classes based on the time from when the signal whose peak exceeds the threshold first crosses the threshold to the next. Preferably, the class to which the value based on the object signal belongs is estimated.

また、時間取得系は、複数の階級のうち、ピークが閾値を超えた信号が閾値を最初に横切ってから次に横切るまでの時間又は該時間に基づく値(該時間を距離に換算した値)の標準偏差σが所定値(例えば1.0)以下の階級を物体信号又は該物体信号に基づく値(例えばTOF演算時間やTOF演算距離)が属する階級と推定することが好ましい。   In addition, in the time acquisition system, a time when the signal whose peak exceeds the threshold first crosses the threshold and then crosses the threshold among a plurality of classes, or a value based on the time (a value obtained by converting the time into a distance) It is preferable to estimate a class having a standard deviation σ of a predetermined value (for example, 1.0) or less as a class to which an object signal or a value based on the object signal (for example, TOF operation time or TOF operation distance) belongs.

また、投光系10は、LD11からの光を偏向走査する回転ミラー26(偏向器)を含んでいる。この場合、投光系10が同一方向へ複数回の投光を行うまでに複数回の走査を要するが、物体検出装置100は閾値電圧が低めに設定された状態で少ない走査回数でも物体信号とノイズを区別できるので、物体までの距離や物体の反射率によらず高精度かつ高速な測定が可能である。   The light projecting system 10 includes a rotating mirror 26 (deflector) that deflects and scans the light from the LD 11. In this case, a plurality of scans are required for the light projecting system 10 to emit light a plurality of times in the same direction, but the object detection apparatus 100 detects an object signal even with a small number of scans while the threshold voltage is set lower. Since noise can be distinguished, high-precision and high-speed measurement is possible regardless of the distance to the object and the reflectance of the object.

また、本実施形態の時間測定装置を備え、該時間測定装置の時間取得系の取得結果に基づいて物体までの距離を算出する物体検出装置100によれば、投光され物体で反射された光の時間計測用PD42での受光光量によらず高精度かつ高速な測定を可能とする距離測定装置を実現できる。
なお、物体検出装置100が時間測定装置の出力に基づいて物体までの距離を算出せずに、物体検出装置100が搭載される車両のECUが時間測定装置の出力に基づいて物体までの距離を算出しても良い。
Further, according to the object detection device 100 that includes the time measurement device of the present embodiment and calculates the distance to the object based on the acquisition result of the time acquisition system of the time measurement device, the light that is projected and reflected by the object It is possible to realize a distance measurement device that enables high-accuracy and high-speed measurement regardless of the amount of light received by the time measurement PD 42.
The object detection device 100 does not calculate the distance to the object based on the output of the time measurement device, and the ECU of the vehicle on which the object detection device 100 is mounted determines the distance to the object based on the output of the time measurement device. It may be calculated.

また、物体検出装置100と、該物体検出装置100が搭載される車両(移動体)と、を備える車両装置(移動体装置)によれば、衝突安全性に優れる車両装置を実現できる。   Moreover, according to the vehicle apparatus (mobile body apparatus) provided with the object detection apparatus 100 and the vehicle (mobile body) on which the object detection apparatus 100 is mounted, a vehicle apparatus having excellent collision safety can be realized.

また、物体検出装置100と、該物体検出装置100の出力に基づいて、物体情報(物体の有無、物体の位置、物体の移動方向及び物体の移動速度の少なくとも1つ)を求める監視制御装置300と、を備えるセンシング装置1000によれば、物体情報を高精度かつ高速に安定して取得することができる。   In addition, an object detection apparatus 100 and a monitoring control apparatus 300 for obtaining object information (at least one of presence / absence of an object, position of an object, moving direction of an object, and moving speed of an object) based on an output of the object detection apparatus 100. , The object information can be stably acquired with high accuracy and high speed.

また、センシング装置1000は移動体に搭載され、監視制御装置300は物体の位置情報及び移動情報の少なくとも一方に基づいて危険の有無を判断するため、例えば移動体の操縦制御系、速度制御系等に危険回避のための有効な情報を提供することができる。   In addition, the sensing device 1000 is mounted on a moving object, and the monitoring control device 300 determines the presence or absence of a danger based on at least one of position information and movement information of an object. Can provide useful information for risk avoidance.

また、センシング装置1000と、該センシング装置1000が搭載される車両(移動体)と、を備える車両装置(移動体装置)によれば、衝突安全性に優れる車両装置を実現できる。   Further, according to the vehicle apparatus (mobile apparatus) including the sensing apparatus 1000 and the vehicle (mobile body) on which the sensing apparatus 1000 is mounted, a vehicle apparatus having excellent collision safety can be realized.

また、本実施形態の時間測定方法は、投光する投光工程と、該投光工程で投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する光電変換工程と、該光電変換工程で生じた電流に対して少なくとも1つの処理を行い、該処理により得られた電圧信号(信号)を出力する処理工程と、を含み、上記光が投光されてから受光されるまでの時間を測定する時間測定方法において、投光工程で上記物体に向かう同一方向へ複数回の投光を行ったときに、該複数回の各回の投光時に処理工程で出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号又は該電圧信号に基づく値を、上記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて上記同一方向への投光時における上記時間を取得する時間取得工程を含み、上記処理の特性に基づいて階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする時間測定方法である。   In the time measurement method of the present embodiment, a light emitting process of emitting light, a photoelectric conversion process of receiving and photoelectrically converting light reflected by the object and emitted in the light emitting process, and generated in the photoelectric conversion process Performing at least one processing on the current, and outputting a voltage signal (signal) obtained by the processing, and measuring a time from the projection of the light to the reception of the light In the time measurement method, when light is projected a plurality of times in the same direction toward the object in the light projection step, a peak among the voltage signals output in the processing step at the time of each plural times of light projection The exceeded voltage signal or the value based on the voltage signal is classified into a plurality of classes corresponding to the time or the value based on the time, and based on the classification result, the time at the time of light projection in the same direction is obtained Including the time acquisition step A time measurement method, wherein a class width of each class is set based on the characteristic.

本実施形態の時間測定方法によれば、投光され物体で反射された光の光電変換工程での受光光量によらず(物体までの距離や物体の反射率によらず)高精度かつ高速な測定を行うことができる。   According to the time measurement method of the present embodiment, high accuracy and high speed are achieved regardless of the amount of light received in the photoelectric conversion step of the light projected and reflected by the object (regardless of the distance to the object and the reflectance of the object) Measurement can be performed.

また、本実施形態の距離測定方法は、投光する投光工程と、該投光工程で投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する光電変換工程と、該光電変換工程で生じた電流に対して少なくとも1つの処理を行い、該処理により得られた電圧信号(信号)を出力する処理工程と、を含み、上記光が投光されてから受光されるまでの時間を測定する距離測定方法において、投光工程で上記物体に向かう同一方向へ複数回の投光を行ったときに、該複数回の各回の投光時に処理工程で出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号又は該電圧信号に基づく値を、上記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて上記同一方向への投光時における上記時間を取得する時間取得工程と、時間取得工程での取得結果に基づいて物体までの距離を算出する距離算出工程を含み、上記処理の特性に基づいて階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする距離測定方法である。   In the distance measuring method of the present embodiment, a light emitting process of emitting light, a photoelectric conversion process of receiving and photoelectrically converting light reflected by the object and emitted in the light emitting process, and generated in the photoelectric conversion process Performing at least one processing on the current, and outputting a voltage signal (signal) obtained by the processing, and measuring a time from the projection of the light to the reception of the light In the distance measuring method, when light is projected a plurality of times in the same direction toward the object in the light projecting step, a peak among the voltage signals output in the processing step at each of the plurality of times of light projecting The exceeded voltage signal or the value based on the voltage signal is classified into a plurality of classes corresponding to the time or the value based on the time, and based on the classification result, the time at the time of light projection in the same direction is obtained Time acquisition process and time acquisition process It includes a distance calculation step of calculating the distance to the object based on the acquisition result, the distance measurement method, wherein a class width of each class based on the characteristics of the processing is set.

本実施形態の距離測定方法によれば、投光され物体で反射された光の光電変換工程での受光光量によらず(物体までの距離や物体の反射率によらず)高精度かつ高速な測定を行うことができる。   According to the distance measurement method of the present embodiment, high accuracy and high speed can be achieved regardless of the amount of light received in the photoelectric conversion step of the light projected and reflected by the object (regardless of the distance to the object and the reflectance of the object) Measurement can be performed.

なお、上記実施形態の物体検出装置100の構成は、適宜変更可能である。   The configuration of the object detection device 100 according to the above embodiment can be changed as appropriate.

例えば、波形処理回路に、信号処理回路として、例えばローパスフィルタ、ハイパスフィルタ等のフィルタを組み込んでも良い。このようなフィルタは、波形処理回路に信号増幅器が組み込まれる場合は信号増幅器と二値化回路との間に接続することが好ましく、波形処理回路に信号増幅器が組み込まれない場合は電流電圧変換器と二値化回路との間に接続することが好ましい。   For example, a filter such as a low-pass filter or a high-pass filter may be incorporated in the waveform processing circuit as a signal processing circuit. Such a filter is preferably connected between the signal amplifier and the binarization circuit when the signal amplifier is incorporated in the waveform processing circuit, and a current-voltage converter when the signal amplifier is not incorporated in the waveform processing circuit. It is preferable to connect between the signal and the binarization circuit.

また、投光系10は、偏向器としての回転ミラー26を用いる走査型であるが、偏向器を用いない非走査型であっても良い。すなわち、投光系は、少なくとも光源を有していれば良く、投光範囲の調整のためのレンズを光源の後段に有していても良い。非走査型の投光系には、複数の光源がアレイ状に配置された光源アレイを用いることが好ましい。
このような光源アレイとしては、例えば複数のLD11が1次元又は2次元に配列されたLD11アレイ、VCSELが1次元又は2次元に配列されたVCSELアレイなどが挙げられる。複数のLD11が1次元配列されたLD11アレイとしては、複数のLD11が積層されたスタック型のLD11アレイや複数のLD11が横に並べられたLD11アレイが挙げられる。
なお、光源アレイにおける各光源としてVCSELを用いれば、LDを用いる場合よりも高密度配置する(アレイ内の発光点の数をより多くする)ことができる。
The light projecting system 10 is a scanning type that uses a rotating mirror 26 as a deflector, but may be a non-scanning type that does not use a deflector. That is, the light projection system only needs to have at least a light source, and a lens for adjusting the light projection range may be provided at a later stage of the light source. For the non-scanning light projecting system, it is preferable to use a light source array in which a plurality of light sources are arranged in an array.
Examples of such a light source array include an LD11 array in which a plurality of LDs 11 are arranged one-dimensionally or two-dimensionally, and a VCSEL array in which VCSELs are arranged one-dimensionally or two-dimensionally. Examples of the LD11 array in which a plurality of LD11 are one-dimensionally arranged include a stacked LD11 array in which a plurality of LD11 are stacked and an LD11 array in which a plurality of LD11 are arranged horizontally.
In addition, if VCSEL is used as each light source in a light source array, it can arrange | position more densely than the case where LD is used (the number of the light emission points in an array can be increased more).

また、投光光学系は、カップリングレンズを有していなくても良いし、他のレンズを有していても良い。   Further, the light projecting optical system may not have a coupling lens, and may have another lens.

また、投光光学系、受光光学系は、反射ミラーを有していなくても良い。すなわち、LD11からの光を、光路を折り返さずに回転ミラーに入射させても良い。   Further, the light projecting optical system and the light receiving optical system may not have the reflection mirror. That is, the light from the LD 11 may be incident on the rotating mirror without folding the optical path.

また、受光光学系は、受光レンズを有していなくも良いし、他の光学素子(例えば集光ミラー)を有していても良い。   The light receiving optical system may not have the light receiving lens, or may have another optical element (for example, a light collecting mirror).

また、偏向器として、回転ミラーに代えて、例えば、ポリゴンミラー(回転多面鏡)、ガルバノミラー、MEMSミラー等の他のミラーを用いても良い。   Also, as the deflector, in place of the rotating mirror, for example, another mirror such as a polygon mirror (rotating polygon mirror), a galvano mirror, a MEMS mirror, etc. may be used.

また、同期系は、同期レンズを有していなくも良いし、他の光学素子(例えば集光ミラー)を有していても良い。   The synchronization system may not have a synchronization lens, or may have another optical element (for example, a focusing mirror).

また、上記実施形態では、物体検出装置100が搭載される移動体として車両を例にとって説明したが、該移動体は、例えば航空機、船舶、ロボット等であっても良い。   Further, in the above embodiment, a vehicle is described as an example of a mobile body on which the object detection apparatus 100 is mounted, but the mobile body may be, for example, an aircraft, a ship, a robot or the like.

また、以上の説明で用いた具体的な数値、形状などは、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なことは言うまでもない。   Further, it is needless to say that the specific numerical values, shapes and the like used in the above description are merely examples and can be suitably changed without departing from the scope of the present invention.

以上の説明から明らかなように、上記実施形態の時間測定装置を含む物体検出装置100(距離測定装置)、センシング装置1000、移動体装置、時間測定方法、距離測定方法、測距処理1〜4は、物体までの距離を測定する所謂Time of Flight(TOF)法を用いた技術であり、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次元形状計測技術などの産業分野などで幅広く用いることができる。すなわち、本発明の時間測定装置や距離測定装置やセンシング装置1000は、必ずしも移動体に搭載されなくても良い。   As is apparent from the above description, the object detection apparatus 100 (distance measurement apparatus) including the time measurement apparatus of the above embodiment, the sensing apparatus 1000, the mobile apparatus, the time measurement method, the distance measurement method, the distance measurement processes 1 to 4 Is a technology that uses the so-called Time of Flight (TOF) method to measure the distance to an object, and in industrial fields such as motion capture technology, range finder, three-dimensional shape measurement technology, etc. It can be used widely. That is, the time measurement device, the distance measurement device, and the sensing device 1000 according to the present invention may not necessarily be mounted on a moving body.

以下に、発明者らが上記実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。
物体検出装置として、例えば、車載用途では、走行中の車両前方における物体の有無や、その物体までの距離を検出するレーザレーダ(「LIDAR」とも呼ばれる)が知られている。レーザレーダは、レーザ光源から射出されたレーザ光を物体に照射し、その物体から反射もしくは散乱された光を受光素子で受光することで、所望の範囲における物体の有無やその物体までの距離を検出する。
Below, the thought process in which inventors came to draft the said embodiment is demonstrated.
As an object detection device, for example, in an on-vehicle application, a laser radar (also referred to as “LIDAR”) is known which detects the presence or absence of an object in front of a traveling vehicle and the distance to the object. Laser radar irradiates an object with laser light emitted from a laser light source, and receives light reflected or scattered from the object with a light receiving element, thereby determining the presence or absence of an object in a desired range and the distance to the object. To detect.

このようなレーザレーダでの測距において重要になるのがノイズと物体からの信号との分離である。ノイズの中でもショットノイズは外乱光に伴う白色雑音である。ショットノイズの大きさは外乱光の光量の時間平均の平方根に比例し、受光素子の感度が高いもしくは外乱光が強い場合には回路ノイズよりも問題になる。また、雨や霧など、回避不要な物体が検知されてしまう場合もノイズとなりうる。   What is important in ranging with such a laser radar is separation of noise and signals from objects. Among noises, shot noise is white noise accompanying disturbance light. The magnitude of the shot noise is proportional to the square root of the time average of the light quantity of the disturbance light, and becomes more problematic than the circuit noise when the sensitivity of the light receiving element is high or the disturbance light is strong. Noise can also be generated when an object that is unnecessary to avoid, such as rain or fog, is detected.

閾値電圧を基準に受光信号(受光素子の出力電流に基づく信号)を検出する方式では、基本的には、ショットノイズによる誤検出を防ぐために、閾値電圧はショットノイズが最大となる状況を鑑みて、十分高い電圧値に決定される(図5(A)参照)。そのため、ショットノイズが比較的小さい場合においては閾値電圧が過剰に大きくなって遠距離にある物体からの反射光による信号が閾値電圧を超えないため、最大検出距離が非常に短くなってしまう(図5(B)参照)。
そこで、最大検出距離を長くするために、閾値電圧は誤検出の起こらない範囲で最小に設定することが望まれる。
In the method of detecting the light reception signal (signal based on the output current of the light receiving element) on the basis of the threshold voltage, basically, in order to prevent false detection due to shot noise, the threshold voltage has a maximum shot noise. The voltage value is determined to be sufficiently high (see FIG. 5A). For this reason, when the shot noise is relatively small, the threshold voltage becomes excessively large and the signal due to the reflected light from the object at a long distance does not exceed the threshold voltage, so the maximum detection distance becomes very short (see FIG. 5 (B)).
Therefore, in order to increase the maximum detection distance, it is desirable to set the threshold voltage to the minimum within the range where false detection does not occur.

特許文献1には、距離や時間の階級を持つヒストグラムのどの階級に計測された距離が該当するか判断し、計測された距離の頻度が最大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物体までの距離を算出する距離測定装置が開示されている。この距離測定装置では、雨天などの悪環境下であっても、ノイズ成分を抑制して物体までの距離を正確に算出できるとされている。   According to Patent Document 1, it is determined to which class of the histogram having the class of distance and time the measured distance corresponds, and an output voltage signal in a predetermined range centered on the class where the frequency of the measured distance is maximum A distance measuring device is disclosed that calculates the distance to an object based on the average value of This distance measuring device is said to be able to accurately calculate the distance to an object while suppressing noise components even in a bad environment such as rainy weather.

特許文献2には、特許文献1と同様なヒストグラムを作成し、その極大となるビンを除いたヒストグラムにて外乱光の分布を算出する方法が開示されている。この方法では、パルス光の強度を対象物までの距離に応じて変更することができるようになるため、物体までの距離に依存しない物体の画像を取得することが可能となる。   Patent Document 2 discloses a method of creating a histogram similar to that of Patent Document 1 and calculating the distribution of disturbance light with a histogram excluding the bins that are the maximum. In this method, the intensity of the pulsed light can be changed according to the distance to the object, so it is possible to acquire an image of the object independent of the distance to the object.

しかし、特許文献1、2では、2次元配置された複数の光源を一斉に点灯して複数のパルス光で照明された対象物の2D画像を取得するセンサ及び集積回路を有するTOF(Time Of Fright)センサの使用が想定されている。
このTOFセンサは、センサの画素毎にパルス光が対象物との間を往復する時間、さらには該時間に基づいて対象物までの距離を求める。
このTOFセンサで用いられる各光源は例えば10ns周期(100MHz)という高速の点灯が繰り返されるため、このようなヒストグラムの作成が短時間で可能となる。
However, in Patent Documents 1 and 2, a TOF (Time Of Flight) having a sensor and an integrated circuit that acquire a 2D image of an object illuminated with a plurality of pulsed lights by simultaneously lighting a plurality of light sources arranged two-dimensionally. ) The use of sensors is assumed.
This TOF sensor obtains the time for the pulsed light to reciprocate between the object and the distance to the object based on the time for each pixel of the sensor.
Since each light source used in this TOF sensor is repeatedly lit at a high speed of, for example, a 10 ns cycle (100 MHz), such a histogram can be generated in a short time.

一方、1ショットの発光を角度ごとに繰り返していく走査型の時間測定装置や距離測定装置では、角度毎(画素毎、走査位置毎)の発光周期(1走査の周期)が、例えば60ms程度となる。
この場合に、特許文献1、2のように、測距においてヒストグラムを作成し、その分散が統計的に信頼できるだけの回数、例えば1度の正確な測距を行うのに30回の測定を繰り返すと、1.8秒もの時間がかかってしまう。
このため、走査型の時間測定装置や距離測定装置は、移動物体などを検出する必要がある車両などの移動体に搭載される場合、せめて数回程度の測定でショットノイズや雨などのノイズと物体信号とを区別して正確な測距を行うことが要求される。
On the other hand, in a scanning time measurement device or distance measurement device that repeats light emission of one shot at each angle, the light emission cycle (period of one scan) at each angle (every pixel, every scanning position) is, for example, about 60 ms. Become.
In this case, as in Patent Documents 1 and 2, a histogram is created in distance measurement, and the measurement is repeated 30 times to perform accurate distance measurement, for example, once the dispersion is statistically reliable. It takes 1.8 seconds.
For this reason, when the scanning type time measurement device or distance measurement device is mounted on a moving object such as a vehicle that needs to detect a moving object or the like, noise such as shot noise or rain may be measured at least several times. It is required to accurately measure the distance by distinguishing it from the object signal.

そこで、発明者らは、物体信号を検出するための閾値電圧を低く設定してもノイズと物体信号とを高速かつ高精度に判別可能な走査型の時間測定装置、距離測定装置、時間測定方法、距離測定方法、該時間測定装置や該距離測定装置を備えるセンシング装置、該時間測定装置や該距離測定装置や該センシング装置を備える移動体装置を実現すべく、上記実施形態を発案した。   Therefore, the inventors have made a scanning time measurement apparatus, distance measurement apparatus, and time measurement method capable of discriminating noise and object signal at high speed and with high accuracy even if threshold voltage for detecting object signal is set low. In order to realize the distance measuring method, the time measuring device, the sensing device including the distance measuring device, the time measuring device, the distance measuring device, and the mobile device including the sensing device, the above embodiment is proposed.

10…投光系、11…LD(光源、投光系の一部)、26…回転ミラー(投光系の一部)、30…受光光学系(受光系の一部)、40…受光系、41…波形処理回路(処理系)、42…時間計測用PD(受光素子、受光系の一部)、43…電流電圧変換器(電流電圧変換回路、処理系の一部)、48…信号増幅器(信号処理回路、処理系の一部)、44…二値化回路(時間取得系の一部)、46…制御系(時間取得系の一部)、100…物体検出装置(時間測定装置を含む装置、距離測定装置)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Projection system, 11 ... LD (light source, a part of projection system), 26 ... Rotation mirror (part of a projection system), 30 ... Light reception optical system (part of light reception system), 40 ... Light reception system 41: waveform processing circuit (processing system) 42: PD for measuring time (light receiving element, part of light receiving system) 43: current / voltage converter (current voltage conversion circuit, part of processing system) 48: signal Amplifier (signal processing circuit, part of processing system), 44: binarization circuit (part of time acquisition system), 46: control system (part of time acquisition system), 100: object detection apparatus (time measurement apparatus) Devices, including distance measuring devices).

特許3771346Patent 3771346 特許6020547Patent 6020547

Claims (20)

光源を含む投光系と、
前記投光系から投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する受光素子を含む受光系と、
前記受光素子が出力する電気信号に対して少なくとも1つの処理を行い、該処理により得られた信号を出力する処理系と、を備え、
前記光が前記光源から射出されてから前記受光素子で受光されるまでの時間を測定する時間測定装置において、
前記投光系が前記物体に向かう同一方向へ複数回の投光を行ったときに、前記複数回の各回の投光時に前記処理系から出力された前記信号のうちピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値を、前記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて前記同一方向への投光時における前記時間を取得する時間取得系を備え、
前記処理系の特性に基づいて前記階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする時間測定装置。
A light projection system including a light source,
A light receiving system including a light receiving element for receiving and photoelectrically converting light emitted from the light emitting system and reflected by the object;
A processing system which performs at least one process on the electrical signal output from the light receiving element and outputs a signal obtained by the process;
In a time measuring device for measuring a time from when the light is emitted from the light source to when it is received by the light receiving element,
Among the signals output from the processing system during each of a plurality of times of light emission when the light emission system performs light emission in the same direction toward the object, a signal whose peak exceeds a threshold Alternatively, a time acquisition system that classifies values based on the signal into the time or a plurality of classes corresponding to the values based on the time, and acquires the time at the time of light projection in the same direction based on the classification result. Prepared,
A time measuring apparatus characterized in that a class width for each class is set based on the characteristics of the processing system.
前記電気信号は、電流であり、
前記処理系は、前記電流を電圧に変換する電流電圧変換回路を含み、
前記階級幅は、前記電流電圧変換回路のカットオフ周波数に基づいて設定されることを特徴とする請求項1に記載の時間測定装置。
The electrical signal is a current,
The processing system includes a current-voltage conversion circuit that converts the current into a voltage,
The time measuring apparatus according to claim 1, wherein the class width is set based on a cut-off frequency of the current-voltage conversion circuit.
前記階級幅は、前記カットオフ周波数の逆数以下であることを特徴とする請求項2に記載の時間測定装置。   The time measuring apparatus according to claim 2, wherein the class width is equal to or less than an inverse number of the cutoff frequency. 前記処理系は、前記電流電圧変換回路の出力信号を処理する信号処理回路を含み、
前記階級幅は、前記信号処理回路のカットオフ周波数に基づいて設定されることを特徴とする請求項2又は3に記載の時間測定装置。
The processing system includes a signal processing circuit that processes an output signal of the current-voltage conversion circuit,
The time measuring apparatus according to claim 2 or 3, wherein the class width is set based on a cut-off frequency of the signal processing circuit.
前記階級幅は、前記電流電圧変換回路及び前記信号処理回路のカットオフ周波数のうち小さくない方の逆数以下であることを特徴とする請求項4に記載の時間測定装置。   5. The time measuring device according to claim 4, wherein the class width is equal to or less than the reciprocal of the non-smaller one of the cut-off frequencies of the current-voltage conversion circuit and the signal processing circuit. 前記階級幅は、前記光による前記信号の立ち上がり時間以上に設定されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の時間測定装置。   The time measurement apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the class width is set to be equal to or more than a rise time of the signal by the light. 前記階級幅は、前記光による前記信号の立ち下がり時間以上に設定されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の時間測定装置。   The time measurement apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the class width is set to be equal to or more than a fall time of the signal due to the light. 前記階級幅は、前記階級間で異なることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の時間測定装置。   The time measurement apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the class width is different among the classes. 前記階級幅は、前記階級が高いほど広くなることを特徴とする請求項8に記載の時間測定装置。   The time measuring device according to claim 8, wherein the class width increases as the class increases. 前記階級幅は、前記光源から射出される光のパルス幅、立ち上がり時間及び立ち下がり時間のいずれかに基づいて設定されることを特徴とする請求項1〜9のいずれか一項に記載の時間測定装置。   10. The time according to any one of claims 1 to 9, wherein the class width is set based on any one of pulse width, rise time and fall time of light emitted from the light source. measuring device. 前記時間取得系は、前記処理系から出力された信号を前記閾値で二値化する二値化回路を含み、前記各回の投光時に、前記光源の発光タイミングと、前記二値化回路の出力信号に基づくタイミングとの時間差又は該時間差に基づく値を算出し、その算出結果に基づいて前記分類を行うことを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の時間測定装置。   The time acquisition system includes a binarization circuit that binarizes the signal output from the processing system with the threshold value, and the light emission timing of the light source and the output of the binarization circuit at the time of each light projection The time measurement apparatus according to any one of claims 1 to 10, wherein a time difference with a timing based on a signal or a value based on the time difference is calculated, and the classification is performed based on the calculation result. 前記時間取得系は、前記複数の階級のうち、前記ピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値の数が最多の階級に属する前記ピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値に基づいて、前記同一方向への投光時における前記時間を算出することを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の時間測定装置。   In the time acquisition system, a signal having the peak exceeding a threshold or a number of values based on the signal among the plurality of classes belongs to a class having the largest number of signals or a value based on the signal. The time measuring apparatus according to any one of claims 1 to 11, wherein the time at the time of light projection in the same direction is calculated based on the time. 前記時間取得系は、前記最多の階級が複数ある場合に、前記ピークが閾値を超えた信号が前記閾値を最初に横切ってから次に横切るまでの時間に基づいて、前記複数の階級のうち前記光による信号又は該信号に基づく値が属する階級を推定することを特徴とする請求項12に記載の時間測定装置。   In the time acquisition system, when there are a plurality of the largest classes, the signal among the plurality of classes is based on the time from when the signal with the peak exceeding the threshold first crosses the threshold to the next. 13. The time measuring apparatus according to claim 12, wherein a class to which a signal based on light or a value based on the signal belongs is estimated. 前記時間取得系は、前記複数の階級のうち、前記ピークが閾値を超えた信号が前記閾値を最初に横切ってから次に横切るまでの時間又は該時間に基づく値の標準偏差が所定値以下の階級を前記光による信号又は該信号に基づく値が属する階級と推定することを特徴とする請求項13に記載の時間測定装置。   In the time acquisition system, in the plurality of classes, a time when a signal whose peak exceeds the threshold first crosses the threshold to the next or a standard deviation of a value based on the time is less than or equal to a predetermined value. The time measuring apparatus according to claim 13, wherein the class is estimated as a class to which the light signal or the value based on the signal belongs. 前記投光系は、前記光源からの光を偏向走査する偏向器を含むことを特徴とする請求項1〜14のいずれか一項に記載の時間測定装置。   The time measuring apparatus according to any one of claims 1 to 14, wherein the light projection system includes a deflector that deflects and scans light from the light source. 請求項1〜15のいずれか一項に記載の時間測定装置を備え、該時間測定装置の出力に基づいて前記物体までの距離を算出する距離測定装置。   A distance measuring device comprising the time measuring device according to any one of claims 1 to 15, wherein the distance to the object is calculated based on the output of the time measuring device. 請求項16に記載の距離測定装置と、
前記距離測定装置が搭載される移動体と、を備える移動体装置。
The distance measuring device according to claim 16;
A moving body device comprising: a moving body on which the distance measuring device is mounted.
請求項1〜15のいずれか一項に記載の時間測定装置と、
前記時間測定装置が搭載される移動体と、を備える移動体装置。
The time measuring device according to any one of claims 1 to 15,
A moving body device comprising: a moving body on which the time measuring device is mounted.
投光する投光工程と、
前記投光工程で投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する光電変換工程と、
前記光電変換工程により生じた電気信号に対して少なくとも1つの処理を行い、該処理により得られた信号を出力する処理工程と、を含み、前記光が投光されてから受光されるまでの時間を測定する時間測定方法において、
前記物体に向かう同一方向に対して前記投光工程が複数回行われたときに、前記複数回の各回の投光時に前記処理工程で出力された前記信号のうちピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値を、前記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて前記同一方向への投光時における前記時間を取得する時間取得工程と、を含み、
前記処理の特性に基づいて前記階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする時間測定方法。
A floodlighting process to floodlight,
A photoelectric conversion step of receiving and photoelectrically converting the light projected in the light projection step and reflected by the object; and
A process of performing at least one process on the electrical signal generated by the photoelectric conversion process and outputting a signal obtained by the process, and a time from when the light is projected until the light is received In the time measurement method of measuring
When the light projecting step is performed a plurality of times in the same direction toward the object, a signal whose peak has exceeded a threshold among the signals output in the processing step at the time of each of the plurality of times of light projecting, or Classifying the value based on the signal into the time or a plurality of classes corresponding to the value based on the time, and acquiring the time at the time of light projection in the same direction based on the classification result; and Including
A time measurement method, wherein a class width for each class is set based on the characteristics of the processing.
投光する投光工程と、
前記投光工程で投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する光電変換工程と、
前記光電変換工程により生じた電気信号に対して少なくとも1つの処理を行い、該処理により得られた信号を出力する処理工程と、を含み、前記物体までの距離を測定する距離測定方法において、
前記物体に向かう同一方向に対して前記投光工程が複数回行われたときに、前記複数回の各回の投光時に前記処理工程で出力された前記信号のうちピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値を、前記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて、前記同一方向への投光時における前記光が投光されてから受光されるまでの時間を取得する時間取得工程と、
前記時間取得工程での取得結果に基づいて前記距離を算出する距離算出工程と、を含み、
前記処理の特性に基づいて前記階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする距離測定方法。
A floodlighting process to floodlight,
A photoelectric conversion step of receiving and photoelectrically converting the light projected in the light projection step and reflected by the object; and
Performing at least one process on the electrical signal generated by the photoelectric conversion process, and outputting a signal obtained by the process, wherein the distance measurement method measures the distance to the object,
When the light projecting step is performed a plurality of times in the same direction toward the object, a signal whose peak has exceeded a threshold among the signals output in the processing step at the time of each of the plurality of times of light projecting, or The value based on the signal is classified into a plurality of classes corresponding to the time or the value based on the time, and based on the classification result, the light is projected when the light is projected in the same direction, and then received. A time acquisition step of acquiring time until
A distance calculating step of calculating the distance based on an acquisition result in the time acquiring step;
A distance measuring method, wherein a class width for each class is set based on the characteristics of the processing.
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