JP2020034301A - 電子装置および距離測定方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】測定精度の高い電子装置および距離測定方法を提供する。【解決手段】本発明の実施形態としての電子装置は、パルスを出射する光源と、前記パルスの反射波を検出し、検出された前記反射波を第１電気信号に変換する検出器と、前記パルスの出力値または前記パルスの第１周波数特性に応じたタップ係数で、前記第１電気信号の等化処理を行い、第２電気信号を生成する等化器と、前記第２電気信号に基づいて、前記パルスを反射した物体との間の距離を推定する演算部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電子装置および距離測定方法に関する。
近年、フォトン単位の検出が可能なガイガーモードのアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）などの光検出器を使って長距離の測距を実現する技術の開発が進められている。長距離の測距においては、高感度の光検出器を使うため、レーザーなどの光源から出射されたフォトンと、環境光に由来するフォトンとの間の区別が難しくなる。
また、ガイガーモードの光検出器ではフォトンの検出時に過渡応答が生じ、光源のパルスと異なった形状の波形が検出されることがある。環境光の影響による測距性能の低下を抑える技術の開発が求められている。
特願２０１６−１３７４２９号公報
本発明の実施形態は、測定精度の高い電子装置および距離測定方法を提供する。
本発明の実施形態としての電子装置は、パルスを出射する光源と、前記パルスの反射波を検出し、検出された前記反射波を第１電気信号に変換する検出器と、前記パルスの出力値または前記パルスの第１周波数特性に応じたタップ係数で、前記第１電気信号の等化処理を行い、第２電気信号を生成する等化器と、前記第２電気信号に基づいて、前記パルスを反射した物体との間の距離を推定する演算部とを備える。
第１の実施形態に係る電子装置の構成例を示すブロック図。 ＴｏＦ型ＬｉＤＡＲの原理を示した図。 検出器の各動作モードにおいて検出する波形の例を示した図。 第１の実施形態に係る等化器の構成例を示すブロック図。 等化器における入出力信号の周波数特性の関係を示した図。 光源および検出器の周波数特性と等化器の周波数応答との関係を示す図。 等化器のインパルス応答の例を示す図。 ４つの遅延器を備えた等化器の構成例を示すブロック図。 等化器への入出力信号の波形の例を示す図。 光源によって生成された略矩形状のパルスの例を示す図。 検出器によるフォトンの検出例を示す図。 検出器がフォトンを検出した際の、出力波形の例を示す図。 等化器の出力波形の例を示す図。 第２の実施形態に係る電子装置の構成例を示すブロック図。 光源によって生成されるパルス形状の例を示した図。 処理回路を実現するハードウェアの構成例を示したブロック図。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。また、図面において同一の構成要素は、同じ番号を付し、説明は、適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電子装置の構成例を示すブロック図である。図１の電子装置１は、物体２との間の距離を測定する、距離測定装置である。電子装置１は、光源１０と、検出器１１と、Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）１２と、処理回路１３とを備えている。処理回路１３は、内部の構成要素として等化器１４と、演算部１５とを含む。
光源１０は、物体２に向けて時間幅を有する電磁波のパルスを出射するデバイスである。光源１０として、例えばレーザーダイオードなどのレーザー光源と、パルスを生成する回路（パルス生成回路）の組み合わせを使うことができる。また、ＬＥＤや、各種のランプをパルス生成回路と組み合わせてもよい。どのような種類のデバイスを使って電磁波を生成してもよい。また、光源１０が出射する電磁波の周波数帯域については特に限定しない。光源１０が出射する電磁波の例としては、赤外線、近赤外線、可視光、紫外線またはこれらの組み合わせなどが挙げられる。したがって、光源１０として赤外線光源、近赤外線光源、紫外線光源（ＵＶ光源）などを使ってもよい。以下では、可視光成分を含む電磁波（以下、光とよぶ）が光源１０から出射される場合を例に説明する。
光源１０が出射する光のパルス形状に係る情報（パルス形状情報）は、等化器１４と共有されるものとする。例えば、略矩形状のパルスに係る光が光源１０によって出射される場合、パルス形状情報としてパルス幅（例えば、１０ｎｍ）が等化器１４と共有される。パルス形状情報を共有する方法については特に問わない。例えば、光源１０が出射する光のパルス形状が固定されている場合には、電子装置１の製造時に固定値のパルス形状情報を等化器１４に設定してもよい。また、光源１０と等化器１４を電気的に接続し、等化器１４が光源１０のパルス形状情報を参照できるようにする。これにより、光源１０が出射する光のパルス形状が変更された場合に、等化器１４は変更後のパルス形状情報を取得することができる。
光源１０から出射された出射光３は、物体２によって反射され、反射光４として検出器１１に入射する。反射光４は、拡散反射光であってもよいし、鏡面反射光であってもよいし、これらの組み合わせであってもよい。反射光４は、光源１０からの出射波が物体２によって反射された反射波の一例である。
検出器１１は、入射する光を電気信号に変換するデバイスである。検出器１１の例としては、フォトダイオード、光電子増倍管などの光検出器があるが、光（電磁波）の検出が可能であれば、どのような種類のデバイスを用いてもよい。測距対象の物体２が検出器１１から遠距離にある場合、検出感度を向上させるために、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）をガイガーモードで使用することができる。検出器１１は、検出可能な周波数帯域に係る光（電磁波）を電気信号に変換する。すなわち、検出器１１は、パルスの反射波を含む電磁波を検出し、検出された電磁波を第１電気信号に変換する。
検出器１１は、出射光３が物体２から反射された反射光４に限らず、測定環境中に存在する環境光５も検出する。検出される環境光５の量や種類は、電子装置１と、物体２が設置される環境に依存する。なお、光源１０以外の光源（例えば、その他の照明機器、太陽など）に由来する光が、物体２に反射され、検出器１１によって検出されることもある。このような光は光源１０に由来しないため、反射光４ではなく、環境光５に分類される。
Ａ／Ｄコンバータ１２は、検出器１１から出力されたアナログの電気信号をディジタル信号に変換する。Ａ／Ｄコンバータ１２を実装するのに使われる回路の種類については特に問わない。
等化器１４は、Ａ／Ｄコンバータ１２から出力されたディジタル信号の等化処理を行う。等化器１４がディジタル信号に対して実行する等化処理の詳細については後述する。等化器１４は、第１電気信号の等化処理を実行することにより第２電気信号を生成する。等化器１４が出力する等化後のディジタル信号（第２電気信号）は、演算部１５に入力される。演算部１５は、等化後のディジタル信号（第２電気信号）に基づき、電子装置１から物体２までの間の距離ｄを推定する。電子装置１から物体２までの間の距離を推定するために、ＴｏＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）を使うことができる。
ＴｏＦでは、光源１０の照射した光（出射光３）が対象の物体（物体２）に当たり、物体で反射した光（反射光４）が戻ってくるのに要する時間から物体までの距離を算出する。例えば、光の周波数の位相差を変換することにより、時間差ＴｏＦを求めることができる。下記の式（１）にしたがって時間差ＴｏＦに光の速度（約３×１０８ｍ／ｓ）を乗じ、２で割ると物体２までの距離を求めることができる。
Figure 2020034301
 時間差ＴｏＦは、光が電子装置１と物体２との間を往復するのに要する時間である。式（１）では、片道の時間に換算するため２で割っている。
図２は、ＴｏＦ型ＬｉＤＡＲの原理を示している。図２上段は、光源１０から出射されるパルスを示している。図２の例における光源１０としてレーザー光源が使われている。図２下段は、検出器１１で検出されるフォトンを示している。図２の上段と、図２下段の横軸はいずれも時間を示している。
図２上段には、幅１０ｎｓの略矩形状のパルスが示されている。一方、図２下段には、環境光５由来のフォトンが塗りつぶされた丸と、破線とを組み合わせた記号で示されている。また、レーザー光源由来のフォトンが白い丸と、実線とを組み合わせた記号で示されている。レーザー光源由来のフォトンがまとまって検出されている時間帯２０は、図２上段に示されたパルスに対応するフォトンが検出器１１に到着した時間帯に対応している。例えば、時間帯２０の中心時刻２１と、図２上段のパルスの中心時刻との時間差ＴｏＦを上述の式（１）に代入することにより、電子装置１と物体２との間の距離を推定することができる。
なお、照射されたパルスの中心時刻と、時間帯２０の中心時刻２１との時間差を用いる方法は一例にしか過ぎない。例えば、照射されたパルスの立ち上がり時刻と、時間帯２０の始まりの時刻との時間差を用いてもよく、基準となる時刻の選び方については特に問わない。また、図２の例では、レーザー光源由来のフォトンと、環境光５由来のフォトンが異なる記号で示されているが、検出器１１は、検出可能な周波数帯域に含まれる限り、由来を問わずにフォトンを検出する。
図３は、検出器１１が各動作モードにおいて検出する波形の例を示している。図３上段のグラフ２２は、検出器１１がリニアモードで動作し、受光量が比較的大きい場合において検出される波形の例を示している。図３中段のグラフ２３は、検出器１１がリニアモードで動作し、受光量が比較的小さい場合において検出される波形の例を示している。図３下段のグラフ２４は、検出器１１がガイガーモードで動作し、受光量が比較的小さい場合において検出される波形の例を示している。図３の例で使われている検出器１１は、ＡＰＤであるものとする。
検出されたレーザー光の強度が大きい場合（グラフ２２）、リニアモードで動作しているＡＰＤは、照射されたレーザー光と同様の略矩形状の波形（実線）を出力し、環境光に係る波形の部分（破線）との区別もしやすい。しかし、検出されたレーザー光の強度が小さい場合（グラフ２３）、リニアモードで動作しているＡＰＤが検出するレーザー光に由来する波形（実線）は、環境光に係る波形（破線）とほぼ同様のレベルとなってしまうため、環境光との区別が困難となってしまう。グラフ２２、２３の例で同じ強度とパルス形状に係るレーザー光が照射されていると仮定すると、グラフ２２は、比較的近い距離にある物体の測距を行っている場合に対応し、グラフ２３は、比較的離れた物体（例えば、距離２００ｍ以上）の測距を行っている場合に対応する。
したがって、リニアモードで動作するＡＰＤは、検出される光の強度が充分に大きい場合の測距に適しているものの、受光量が低下する長距離の測距では、レーザー光と環境光の区別が難しくなる場合があることがわかる。一般に、レーザー光と環境光を区別するのに必要なレーザー光の強度は、環境光の量に依存する。
上述のように、ガイガーモードで動作するＡＰＤを使うと、フォトン単位で光を検出することができる。ただし、グラフ２４に示されているように、それぞれのフォトンを検出したときの過渡応答があるため、フォトンが検出されるとピークからなだらかに減衰する形状の波形が現れる。環境光に由来するフォトンが検出される場合（破線で示された波形）も、レーザー光に由来するフォトンが検出される場合（実線で示された波形）のいずれも、ピークからなだらかに減衰する波形がＡＰＤから出力されるため、重なり合う部分が生ずる。このため、ガイガーモードで動作するＡＰＤを使うと、受信波形に基づいてフォトンの由来を識別するのは難しくなる。
リニアモードで動作するＡＰＤを使った測距では、雑音の影響を低減することが測定精度の改善を行う上で必要である。一方、ガイガーモードで動作するＡＰＤを使った測距を行う場合には、雑音の低減だけでなく、環境光によって反射光を使った測定精度が低下するのを防ぐ必要がある。以下では、環境光の影響を低減し、高精度な測距を実現する等化器について説明する。
図４は、第１の実施形態に係る等化器の構成例を示すブロック図である。図４の等化器１４は、Ｎ個の遅延器３１と、Ｎ＋１個の乗算器３２と、加算器３３とを備えている。Ｎ個の遅延器３１には、図４の左側から右側に向かって＃１、＃２、・・・、＃Ｎの番号が割り当てられているものとする。また、Ｎ＋１個の乗算器３２には、図４の左側から右側に向かって＃０、＃１、・・・、＃Ｎの番号が割り当てられているものとする。
それぞれの遅延器３１は、入力信号に対して時間遅れのある信号を出力する。例えば、フリップフロップなどを使って遅延器３１を形成することができる。乗算器３２は、割り当てられた番号に対応するタップ係数で入力信号を乗算した信号を出力する。例えば、乗算器＃０は入力信号をタップ係数ｗ０で乗算した信号を出力する。乗算器＃１は入力信号をタップ係数ｗ１で乗算した信号を出力する。乗算器＃２は入力信号をタップ係数ｗ２で乗算した信号を出力する。乗算器＃Ｎ−１は入力信号をタップ係数ｗＮ−１で乗算した信号を出力する。乗算器＃Ｎは入力信号をタップ係数ｗＮで乗算した信号を出力する。
加算器３３は、複数の乗算器３２（乗算器＃０〜＃Ｎ）の出力信号を加算した信号を出力する。加算器３３が出力する信号は、等化器１４による等化が行われた後の信号となる。
（時間領域の演算）
次に、タップ係数ｗ０〜ｗＮの導出処理について述べる。まず、時間領域の演算を行う場合を例に説明する。はじめに、等化器１４への入力信号（遅延器＃１に入力される信号）と、遅延器＃１〜＃Ｎのそれぞれの出力信号をある時刻でサンプリングし、式（２）のベクトルを生成する。
Figure 2020034301
 ここで、ｘ０は等化器１４への入力信号（遅延器＃１に入力される信号）である。また、ｘ１〜ｘＮは遅延器＃１〜＃Ｎのそれぞれの出力信号である。
各等化器で使用するタップ係数をベクトル表記すると、下記の式（３）のようになる。
Figure 2020034301
式（２）のベクトルと式（３）のベクトルは等化器の出力値ｙに等しくなる。下記の式（４）は等化器の出力値ｙを示している。
Figure 2020034301
本実施形態に係る電子装置１は、等化器の出力値ｙと、光源１０から出射されたパルスの出力値ｍとの間の平均最小二乗誤差が最小となるようにタップ係数を決める。このようにして求められるタップ係数は最適ウェイトに相当する。なお、等化器の出力値ｙと、光源１０から出射されたパルスの出力値ｍの単位の例としては、電流、電圧、電力などが挙げられるが、その他の単位であってもよい。また、等化器の出力値ｙと、光源１０から出射されたパルスの出力値ｍは正規化された値であってもよい。
最適ウェイトを求めるために、下記の式（５）の評価関数Ｊを用いる。
Figure 2020034301
ここで、関数Ｅ［・・・］はアンサンブル平均を示している。ベクトルに付加された記号Ｔは、転置行列を示している。また、ベクトルに付加された記号Ｈは、共役転置（エルミート転置）をとった行列を示している。また、式（５）で使われているベクトルは下記の式（６）のように定義される。
Figure 2020034301
複数の試行における等化器の出力値ｙと、光源１０から出射されたパルスの出力値ｍを求め、上述の式（５）、（６）におけるアンサンブル平均を計算する必要がある。等化器の出力値ｙと、光源１０から出射された光の出力値ｄとの間の誤差が最小となるのは、評価関数Ｊの値が最小となるときである。評価関数Ｊの値が最小となるのは、下記の式（７）の条件が満たされるときである。
Figure 2020034301
式（７）を使って最適ウェイトを求めると、下記の式（８）のようになる。
Figure 2020034301
 上述の式（８）のベクトルにおけるそれぞれの要素を、等化器１４のタップ係数ｗ０〜ｗＮとして使うことができる。すなわち、時間領域の演算が行われる場合において、等化器１４のタップ係数は、等化器１４の出力値と光源１０から出射される電磁波のパルスの出力値との差を二乗した値のアンサンブル平均が最小となるように決定される。
等化器１４は、ゼロフォーシング（ＺＦ：Ｚｅｒｏ−Ｆｏｒｃｉｎｇ）等化器であっても、ＭＭＳＥ等化器（Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ Ｅｒｒｏｒ Ｅｑｕａｌｉｚｅｒ）のいずれであってもよい。ゼロフォーシング等化器が用いられている場合、サンプリングされた式（２）のベクトルは、検出器１１がフォトンを検出した際の応答特性となる。この場合、等化処理後の波形は、光源１０のパルス形状と一致するが、検出器１１で発生した雑音が強調されるおそれがある。
ＭＭＳＥ等化器が用いられている場合、サンプリングされた式（２）のベクトルは、検出器１１がフォトンを検出した際の応答特性に検出器１１の雑音を含めた波形となる。この場合、等化処理後の波形は、光源１０のパルス形状と完全に一致しないが、検出器１１で発生した雑音が強調されるリスクを軽減することができる。なお、ゼロフォーシング等化器と、ＭＭＳＥ等化器以外の種類の等化器を用いてもよく、電子装置１に適用される等化器の種類については特に問わない。
（周波数領域の演算）
次に、周波数領域の演算を行って等化器１４のタップ係数を計算する処理を例に説明する。等化器１４のタップ係数は上述の時間領域の演算によって計算されてもよいし、以下で述べる周波数領域の演算によって計算されてもよい。
図５は、等化器における入出力信号の周波数特性の関係を示している。図５に示されているように、等化器１４への入力信号の周波数特性をＨｉｎ（ｆ）、等化器１４の周波数特性をＨＥｑ（ｆ）とすると、等化後の信号の周波数特性Ｈｄ（ｆ）は下記の式（９）のようになる。
Figure 2020034301
以下では入力信号が所望の周波数特性に変換されるように等化を行う場合を例に説明する。信号を所望の周波数特性Ｈｄ（ｆ）に変換したい場合、下記の式（１０）を満たす等化器１４を使えばよい。
Figure 2020034301
例えば、等化後の信号の所望の周波数特性Ｈｄ（ｆ）が、光源が出射したパルスに係る周波数特性ＨＬＤ（ｆ）であるものとする。光源１０が出射したパルスに係る周波数特性ＨＬＤ（ｆ）は、例えば光源１０で出射された光の時間軸波形をフーリエ変換することによって求めることができる。フーリエ変換に用いられるアルゴリズムの種類については特に問わない。図１に示したように、検出器１１から出力された信号はＡ／Ｄ変換後に等化器１４に入力されている。したがって、等化器１４への入力信号の周波数特性として、検出器１１の周波数特性ＨＰＤ（ｆ）を使うことができる。これらの関係を使うと、等化器１４の周波数特性ＨＥＱ（ｆ）の式（１０）を下記の式（１１）のように書き換えることができる。
Figure 2020034301
必要に応じて光源が出射したパルスに係る周波数特性ＨＬＤ（ｆ）を第１周波数特性、検出器１１の周波数特性ＨＰＤ（ｆ）を第２周波数特性、第１周波数特性と第２周波数特性を除算することによって得られる周波数特性を第３周波数特性とそれぞれよぶものとする。第３周波数特性は、式（１１）におけるＨＥＱ（ｆ）に相当する。
周波数領域の演算を行う場合、等化器１４の周波数特性を逆フーリエ変換し、インパルス応答を求める。以下では、周波数領域の演算の詳細について説明する。
光源１０が略矩形状の波形を有するパルスを生成する場合、光源１０のパルスに係る時間軸波形ｈＬＤ（ｔ）を、下記の式（１２）のように表すことができる。
Figure 2020034301
 ここで、ＴＬＤＰＷは光源のパルス幅を示している。式（１２）の時間軸波形をフーリエ変換し、光源１０が出射したパルスに係る周波数特性ＨＬＤ（ｆ）として使ってもよい。
また、検出器１１が１フォトンを検出した場合の応答波形（時間軸波形）ｈＰＤ（ｔ）は、下記の式（１３）のような時定数τの指数減衰関数を使ってモデル化することができる。
Figure 2020034301
 式（１３）の時間軸波形をフーリエ変換し、検出器１１の周波数特性ＨＰＤ（ｆ）として使ってもよい。
なお、式（１２）、（１３）の時間軸波形は例にしか過ぎず、これとは異なる波形を用いてもよい。例えば、光源１０のパルス形状が略矩形でない場合、式（１２）とは異なる式を使うことができる。また、式（１３）とは異なる式を使って検出器１１が１フォトンを検出した場合の応答波形を近似的に表現してもよい。
図６は、光源、検出器および等化器の周波数特性を示したグラフである。図６のグラフの縦軸はデシベル（ｄＢ）単位のゲインを示している。また、図６のグラフの横軸はＭＨｚ単位の周波数を示している。図６のグラフでは、光源１０のパルスに係る周波数特性ＨＬＤ（ｆ）と、検出器１１の周波数特性ＨＰＤ（ｆ）とがそれぞれ破線で示されている。一方、等化器１４の周波数特性ＨＥｑ（ｆ）は実線で示されている。ここでは、式（１１）の関係を使って等化器１４の周波数特性ＨＥｑ（ｆ）が計算されている。なお、図６の例では光源１０のパルス幅ＴＬＤＰＷと、式（１３）の時定数τがそれぞれ１０ｎｓである場合のグラフが示されている。
次に、式（１１）を使って計算された等化器１４の周波数特性ＨＥｑ（ｆ）を逆フーリエ変換する。これにより、図７のグラフに示したような等化器１４のインパルス応答を求めることができる。図７では、サンプリング周波数を４００ＭＨｚに設定し、離散逆フーリエ変換を実行した結果が示されている。計算されたインパルス応答を等化器１４のタップ係数ｗｋ（ｋ＝０，１、・・・、Ｎ）として使う。図７のグラフでは、縦軸がタップ係数ｗｋの値を示している。図７のグラフの横軸は、タップ係数のインデックスｋを示している。
図７のグラフを参照すると、インデックスがｋ≧５である場合、インパルス応答の値が０でなっている。この結果より、図８に示されたような４つの遅延器３１（遅延器＃１〜＃４）を備えた等化器を使えばよいことがわかる。
図９は、等化器１４への入出力信号の波形の例を示している。図９のグラフの縦軸は波形の振幅を示している。また、図９のグラフの横軸は時間を示している。図９のグラフでは、等化器１４に入力される波形が破線で示されている。等化器１４に入力される波形は、検出器１１が１フォトンを検出したときの応答波形に相当する。そして、図９のグラフでは等化器１４から出力される波形が実線で示されている。図９のグラフを参照すると、１フォトンを検出したときの応答波形が光源１０から出射された光のパルス形状（略矩形状でパルス幅１０ｎｓの波形）に等化できていることがわかる。
上述のように、等化器のタップ係数を等化器の出力値と光源のパルスの出力値とに基づいて決定してもよい。また、等化器のタップ係数を等化器の出力値と光源のパルスの出力値との差に基づいて決定してもよい。さらに、等化器のタップ係数を等化器の出力値と光源のパルスの出力値との差が最小となるように設定してもよい。すなわち、等化器のタップ係数を光源のパルスの波形と検出器の出力信号の波形とに基づいて設定することができる。上述の時間領域の演算は、タップ係数の設定方法の一例である。
本発明の実施形態では、等化器のタップ係数は検出器の出力信号の波形が、光源のパルスの波形に整形されるように設定されているともいえる。上述の周波数領域の演算のように、等化器のタップ係数は、光源のパルスの第１周波数特性と検出器の第２周波数特性に基づいて設定されてもよい。
次に、電子装置１の各処理ステップにおける信号の時間軸波形を説明する。図１０は、光源１０によって生成された略矩形状のパルスの例を示している。図１１は、検出器１１によるフォトンの検出例を示している。図１２は、検出器１１がフォトンを検出した際の、出力波形の例を示している。図１３は、等化器１４の出力波形の例を示している。図１０〜図１３では、いずれのグラフも縦軸が時間軸波形の振幅を示している。時間軸波形の振幅は、最大値が１となるように正規化されている。そして、いずれのグラフも横軸がｎｓ単位の時間を示している。なお、各グラフの横軸では、出射光３の出射が開始された時刻が０ｎｓに設定されているものとする。
図１０では、光源１０の出射光３に係る波形の一例として、略矩形状でパルス幅１０ｎｓの波形が示されている。図１０に示された光のパルスは、物体２で反射された後、一部が電子装置１の検出器１１に戻ってくる（図１１）。一般に、物体２に向けて出射された光のうち、一部は物体２によって鏡面反射（正反射）され、一部は物体２によって拡散反射され、一部は物体２によって吸収される。物体２の物性や光の周波数によっては、一部の光は物体２を透過する。したがって、図１１に示されている検出器１１で検出された光は、光源１０で出射した光の一部となる。
図１１では、塗りつぶされた丸と破線が組み合わされた記号によって、環境光５に係るフォトンが示されている。一方、白い丸と実線が組み合わされた記号によって、反射光４に係るフォトンが示されている。図１１の例では、時刻３９ｎｓから時刻４９ｎｓにかけて、反射光４に由来するフォトンが検出されている。しかし、各時刻で散発的に環境光５に由来するフォトンも検出されている。環境光５に由来するフォトンによって距離測定の精度の低下を抑制する必要がある。
検出器１１におけるそれぞれのフォトンの応答波形（図１２）は時定数１０ｎｓの指数減衰関数となっている。過渡応答が生ずるため、それぞれのフォトンの応答波形が重なり合って検出器１１から出力される。
図１３は、等化器１４による等化処理が行われた後の信号に係る時間軸波形の例である。演算部１５では、図１３の時間軸波形において振幅がピークとなる時刻に基づき、電子装置１と物体２との間の距離を測定する。したがって、電子装置１の測定精度を高めるためには、反射光４に由来するフォトンが多く検出されている時間帯における振幅のピーク値（第１ピーク値）と、環境光５に由来するフォトンが多く検出されている時間帯における振幅のピーク値（第２ピーク値）との間の比が大きくなることが好ましい。
等化処理が行われる前の信号に係る時間軸波形（図１２）では、第１ピーク値が１であるのに対して、第２ピーク値が０．５５となっている。等化処理が行われた後の信号に係る時間軸波形（図１３）では、第１ピーク値が１であるのに対して、第２ピーク値が０．４３となっている。したがって、等化器１４が信号の等化処理を行うことにより、反射光４に由来するフォトンが多く検出されている時間帯における振幅のピーク値（第１ピーク値）と、環境光５に由来するフォトンが多く検出されている時間帯における振幅のピーク値（第２ピーク値）との間の比が大きくなり、距離測定の精度が低下するリスクを軽減している。
光源１０として、コヒーレントであり、指向性および単色性に優れたレーザー光源が用いられている場合において、検出器１１から出力された信号の時間軸波形において複数のピークが検出されている場合、最も振幅の大きいピークが反射光４に由来するフォトンが多く検出されている時間帯における振幅のピーク（第１ピーク値）であると推定することができる。一般に、その他の光源に由来する環境光５のコヒーレンスや指向性はレーザー光源ほど高くないと想定されるからである。
（第２の実施形態）
電子装置（距離測定装置）の光源が出射する電磁波（光）のパルス形状、パルス幅、強度、周波数は必ず固定されていなくてもよい。生成される電磁波のパルス形状、パルス幅、強度、周波数などに係る設定が調整可能な光源も存在する。このような光源を使って測距を行う場合、光源が出射する電磁波を測距に適した条件に設定したり、光源が出射する電磁波の設定に係る情報を等化器に通知したりする必要がある。第２の実施形態に係る電子装置は、光源が出射する電磁波の設定を変更したり、光源が出射する電磁波の設定に係る情報を等化器に通知したりする、制御部を備えている。
以下では、第１の実施形態に係る電子装置との差異点を中心に説明する。
図１４は、第２の実施形態に係る電子装置の構成例を示すブロック図である。図１４の電子装置１は、処理回路１３の内部の構成要素として制御部１６を備えている。電子装置１が制御部１６を備えており、光源１０と等化器１４が制御部１６によって制御される点を除けば、第２の実施形態に係る電子装置の構成は、第１の実施形態に係る電子装置と同様である。
制御部１６は、光源１０が出射する光のパルス形状、パルス幅、強度、パルスの出射タイミングなどを制御する。また、制御部１６は、さらに光源１０が出射する光の周波数、光が出射される方向を制御してもよい。制御部１６は、光源１０と電気的に接続されている。制御部１６は光源１０に制御信号を送信し、上述の制御処理を実行する。なお、制御部１６は、電気的な接続に代わり無線通信を使って光源１０に制御信号を送信してもよい。
また、制御部１６は、等化器１４とも電気的に接続されているものとする。制御部１６は、電気的な接続を介して、光源１０が出射する光のパルスに係る情報（以下、パルス情報とよぶ）を、等化器１４に通知する。周波数領域の演算が行われる場合、通知されるパルス情報の例としては、光源１０で出射される光の時間軸波形のデータ、光源のパルス幅ＴＬＤＰＷ、光源１０で出射されるパルスに係る周波数特性ＨＬＤ（ｆ）が挙げられる。時間領域の演算が行われる場合、通知されるパルス情報の例としては、式（５）における光源１０から出射された光の出力値ｍが挙げられる。等化器１４は、通知されたパルス情報に基づいて等化に使うタップ係数ｗｋ（ｋ＝０，１、・・・、Ｎ）を決定する。なお、制御部１６は、電気的な接続に代わり無線通信を使って等化器１４にパルス情報を送信してもよい。
光源１０から出射光３が物体２に向けて出射され、反射光４の一部が検出器１１によって検出されるのは、第１の実施形態に係る電子装置と同様である。また、光源１０以外の光源に由来する環境光５も、検出器１１によって検出される。
検出器１１は、検出した光を電気信号に変換する。電気信号は、Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）１２によってアナログ信号からディジタル信号に変換された後、等化器１４に入力される。等化器１４は、制御部１６から通知されたパルス情報に基づいて、ディジタル信号を等化し、演算部１５に等化処理後の信号を入力する。演算部１５は、等化処理後の信号に基づき、電子装置１から物体２までの距離を計算する。
制御部１６が光源１０で生成されるパルス形状を変更した場合、変更後のパルス形状がただちに等化器１４へ通知される。これによって、光源１０に係る設定の変更があっても、等化器１４において光源１０で生成されるパルス形状に適合した等化処理が実行されるため、距離測定の精度の低下を防止することができる。
上述では、光源１０が略矩形状で幅１０ｎｓのパルスを有する光を出射する場合を例に、本実施形態に係る電子装置（距離測定装置）を説明した。ただし、光源１０によって生成されるパルスの形状はこれとは異なっていてもよい。例えば、パルスの幅をこれとは異なる幅に設定してもよい。また、パルスの形状は必ず略矩形状（矩形波）でなくてもよい。
図１５は、光源１０によって生成されるパルス形状の例を示している。図１５の上段に示されたような略三角波状のパルスが光源１０によって生成されてもよい。また、図１５の下段に示されたようなガウス曲線状のパルスが光源１０によって生成されてもよい。図１５の時間軸波形は例であり、これとは異なる波形のパルスが光源１０によって生成されてもよい。
（第３の実施形態）
第３の実施形態では、電子装置の各構成要素のハードウェア構成について説明する。例えば、上述の各実施形態における処理回路１３の少なくとも一部を図１６のコンピュータ１００によって構成してもよい。また、光源１０へパルスを生成させる指令をコンピュータ１００に出させてもよい。コンピュータ１００には、サーバ、クライアント端末、組み込み機器のマイコン、車載情報機器、タブレット、スマートフォン、フィーチャーフォン、パソコンなどの各種の情報処理装置が含まれる。コンピュータ１００は、仮想計算機（ＶＭ：Ｖｉｒｔｕａｌ Ｍａｃｈｉｎｅ）やコンテナなどによって実現されたものであってもよい。
図１６は、コンピュータ１００の一例を示す図である。図１６のコンピュータ１００は、プロセッサ１０１と、入力装置１０２と、表示装置１０３と、通信装置１０４と、記憶装置１０５とを備える。プロセッサ１０１、入力装置１０２、表示装置１０３、通信装置１０４、記憶装置１０５は、バス１０６によって相互に接続されている。
プロセッサ１０１は、コンピュータ１００の制御装置と演算装置を含む電子回路である。プロセッサ１０１として、例えば、汎用目的プロセッサ、中央処理装置（ＣＰＵ）、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、コントローラ、マイクロコントローラ、状態マシン、特定用途向け集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラム可能論理回路（ＰＬＤ）またはこれらの組合せを用いることができる。
プロセッサ１０１は、バス１０６を介して接続された各装置（例えば、入力装置１０２、通信装置１０４、記憶装置１０５）から入力されたデータやプログラムに基づいて演算処理を行い、演算結果や制御信号を、バス１０６を介して接続された各装置（例えば、表示装置１０３、通信装置１０４、記憶装置１０５）に出力する。具体的には、プロセッサ１０１は、コンピュータ１００のＯＳ（オペレーティングシステム）や、制御プログラムなどを実行し、コンピュータ１００に含まれるそれぞれの装置を制御する。
制御プログラムとは、コンピュータ１００に、電子装置１の処理回路１３の少なくとも一部の処理を実行させるプログラムである。制御プログラムが実行する処理の例としては、上述の光源１０のパルス生成回路に向けてパルスの生成指令を送信する処理、上述の等化器１４が実行していた信号の等化処理、上述の制御部１６が実行していた、光源１０によって出射される電磁波の設定変更処理および出射される電磁波の設定に係る情報を等化器１４に通知する処理、上述の演算部１５が実行していた等化後の信号に基づき、電子装置１から物体２までの距離を計算する処理などが挙げられる。なお、これらの処理の一部を制御プログラムではなく、専用の電子回路などのハードウェアに実行させることを妨げるものではない。
制御プログラムは、一時的ではない有形のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶される。上記の記憶媒体は、例えば、光ディスク、光磁気ディスク、磁気ディスク、磁気テープ、フラッシュメモリ、半導体メモリであるが、これに限られない。プロセッサ１０１が制御プログラムを実行することによって、コンピュータ１００は距離測定装置として動作することができる。
入力装置１０２は、コンピュータ１００に情報を入力するための装置である。入力装置１０２は、例えば、キーボード、マウス、タッチパネルなどであるが、これ以外の装置であってもよい。ユーザは、入力装置１０２を介して、ユーザは物体２に向けて照射する電磁波のパルス形状、パルス幅、強度、パルスの出射タイミング、周波数などを変更する操作、等化処理に使われる手法（周波数領域の演算、時間領域の演算）を選択する操作、する操作、測距処理を開始する操作、表示装置１０３に表示される内容を変更する操作などを求める指令をコンピュータ１００に入力することができる。
表示装置１０３は、画像や映像を表示するための装置である。表示装置１０３は、例えば、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）、ＣＲＴ（ブラウン管）、有機ＥＬ（有機エレクトロルミネッセンス）ディスプレイ、プロジェクタ、ＬＥＤディスプレイなどであるが、これに限られない。表示装置１０３には、物体２に向けて照射する電磁波のパルス形状、パルス幅、強度、パルスの出射タイミング、周波数などに関する情報（パルス情報）、物体２までの距離の測定結果などが表示される。
通信装置１０４は、コンピュータ１００が外部装置と無線または有線で通信するために使用する装置である。通信装置１０４は、例えば、ＮＩＣ（Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｃａｒｄ）、通信モジュール、モデム、ハブ、ルータなどであるが、これに限られない。コンピュータ１００は、通信装置１０４を介して、他の計算機、サーバ、端末とデータ通信をすることができる。コンピュータ１００は通信装置１０４を介して、リモートの端末からの操作指令を受け付けたり、所望のテキストやグラフィックをリモートの端末に表示させたりしてもよい。
記憶装置１０５は、コンピュータ１００のＯＳや、制御プログラム、制御プログラムの実行に必要なデータ、制御プログラムの実行により生成されたデータなどを記憶する記憶媒体である。記憶装置１０５には、主記憶装置と外部記憶装置が含まれる。主記憶装置は、例えば、ＲＡＭ、ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭであるが、これに限られない。また、外部記憶装置は、例えば、ハードディスク、光ディスク、フラッシュメモリ、磁気テープなどであるが、これに限られない。
なお、コンピュータ１００は、プロセッサ１０１、入力装置１０２、表示装置１０３、通信装置１０４、記憶装置１０５を、それぞれ１つずつまたは複数備えてもよい。また、コンピュータ１００にプリンタやスキャナなどの周辺機器が接続されていてもよい。上述の処理回路１３の機能を単一のコンピュータ１００によって実現してもよい。また、上述の処理回路１３の機能は、複数のコンピュータ１００が相互に接続された情報システムによって実現されていてもよい。
さらに、制御プログラムは、コンピュータ１００の記憶装置１０５に予め記憶されていてもよいし、コンピュータ１００の外部の記憶媒体に記憶されていてもよいし、インターネット上にアップロードされていてもよい。いずれの場合にも、制御プログラムをコンピュータ１００にインストールして実行することにより、距離測定装置（電子装置）の機能を実現することができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１ 電子装置
２ 物体
３ 出射光
４ 反射光
５ 環境光
１０ 光源
１１ 検出器
１２ Ａ／Ｄコンバータ（ＡＤＣ）
１３ 処理回路
１４ 等化器
１５ 演算部
１６ 制御部
２０ 時間帯
２１ 中心時刻
２２、２３、２４ グラフ
３１ 遅延器
３２ 乗算器
３３ 加算器
１００ コンピュータ
１０１ プロセッサ
１０２ 入力装置
１０３ 表示装置
１０４ 通信装置
１０５ 記憶装置
１０６ バス

Claims (17)

  1. パルスを出射する光源と、
    前記パルスの反射波を検出し、検出された前記反射波を第１電気信号に変換する検出器と、
    前記パルスの出力値または前記パルスの第１周波数特性に応じたタップ係数で、前記第１電気信号の等化処理を行い、第２電気信号を生成する等化器と、
    前記第２電気信号に基づいて、前記パルスを反射した物体との間の距離を推定する演算部とを備える、
    電子装置。
  2. 前記第１周波数特性は、前記パルスの時間軸波形をフーリエ変換することによって計算される、
    請求項１に記載の電子装置。
  3. 前記等化器のタップ係数は、前記等化器の出力値と前記パルスの出力値とに基づいて決定される、
    請求項１または２に記載の電子装置。
  4. 前記等化器のタップ係数は、前記等化器の出力値と前記パルスの出力値との差に基づいて決定される、
    請求項１ないし３のいずれか一項に記載の電子装置。
  5. 前記等化器のタップ係数は、前記等化器の出力値と前記パルスの出力値との差が最小となるように設定される、
    請求項１ないし４のいずれか一項に記載の電子装置。
  6. 前記等化器のタップ係数は、前記光源のパルスの波形と前記検出器の出力信号の波形とに基づいて設定される、
    請求項１ないし５のいずれか一項に記載の電子装置。
  7. 前記等化器のタップ係数は、前記検出器の出力信号の波形が、前記光源のパルスの波形に整形されるように設定される、
    請求項１ないし６のいずれか一項に記載の電子装置。
  8. 前記等化器のタップ係数は、前記第１周波数特性と前記検出器の第２周波数特性に基づいて設定される、
    請求項１ないし７のいずれか一項に記載の電子装置。
  9. 前記等化器のタップ係数は、前記等化器の出力値と前記パルスの出力値との差を二乗した値のアンサンブル平均が最小となるように決定される
    請求項１ないし８のいずれか一項に記載の電子装置。
  10. 前記等化器のタップ係数は、前記第１周波数特性と前記検出器の第２周波数特性を除算した第３周波数特性を逆フーリエ変換して求めたインパルス応答を用いて計算される
    請求項１ないし９のいずれか一項に記載の電子装置。
  11. 前記第２周波数特性は、前記検出器がフォトンを検出したときにおける応答波形をフーリエ変換することによって計算される、
    請求項１０に記載の電子装置。
  12. 前記応答波形は指数減衰関数である、
    請求項１１に記載の電子装置。
  13. 前記検出器は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードである、
    請求項１ないし１２のいずれか一項に記載の電子装置。
  14. 前記等化器は、ゼロフォーシング等化器またはＭＭＳＥ等化器である、
    請求項１ないし１３のいずれか一項に記載の電子装置。
  15. 光源が電磁波のパルスを出射するステップと、
    検出器によって前記パルスが物体によって反射された反射波を検出し、検出された前記反射波を第１電気信号に変換するステップと、
    前記パルスの出力値または前記パルスの第１周波数特性に基づいて等化器のタップ係数を決定するステップと、
    前記タップ係数を用いて前記第１電気信号の等化処理を実行し、第２電気信号を生成するステップと、
    前記第２電気信号に基づいて、前記物体との間の距離を推定するステップとを含む、
    距離測定方法。
  16. 前記等化器の出力値と前記パルスの出力値との差を二乗した値のアンサンブル平均が最小となるように前記等化器の前記タップ係数を決定するステップを含む、
    請求項１５に記載の距離測定方法。
  17. 前記第１周波数特性と前記検出器の第２周波数特性を除算した第３周波数特性を逆フーリエ変換して求めたインパルス応答を用いて前記等化器の前記タップ係数を計算するステップを含む、
    請求項１５に記載の距離測定方法。
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