JP2020067315A - レーザ距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置構成を複雑化させることなく、物体距離及び移動体の移動速度に応じた適切な測定可能距離及び距離検出の即応性を実現できるレーザ距離測定装置を提供する。【解決手段】物体に反射したレーザ光の反射光を受光し、受光信号を出力する受光部と、出射したレーザ光及び受光信号に基づいて物体までの距離である物体距離を算出する距離算出部と、を備え、距離算出部は、物体距離及び移動体の移動速度に基づいて、受光信号の受光感度を変化させるレーザ距離測定装置。【選択図】図１

Description

本願は、レーザ距離測定装置に関する。

従来、レーザ光などの光ビームを測定対象に照射し、物体からの反射される反射光に基づいて物体までの距離を測定するレーザ距離測定装置が知られている。このようなレーザ距離測定装置には、光源のレーザ光を走査手段によって特定の走査範囲を走査させる走査型の装置がある。しかしながら、従来のレーザ距離測定装置の多くは、ある既定の装置条件で動作しており、例えば、パルスレーザ光源はレーザ光源自体の信頼性の観点から出射光を高パワーかつ高周波で駆動することが困難で、遠距離の測定対象までの距離を測定することと、走査範囲の開始点から終了点までの１フレーム間で取得できる点群数に限界があり、距離測定性能、分解能、感度、検出時間等が固定されてしまうという問題がある。

この問題を解決するために、特許文献１の技術では、車両の前方にレーザ光を照射し、水平方向のそれぞれ異なる方向からの反射光を複数の受光素子により同時に受光し、さらに任意の組合せで複数の受光素子を選択し、選択した受光素子から出力される受光信号を加算して出力することにより、受光感度を上げる。

また、特許文献２の技術では、レーザ距離測定装置を車両に搭載し、複数の受光素子で構成し、受光信号が検出されていない方向に関し、車両速度に応じて受光信号の積算回数を増加させることで、受光信号のＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）を向上させて、受光感度を適切に設定する。

特開平７−１９１１４８号公報 特開２０１５−１３５２７２号公報

しかしながら、上述の特許文献１及び２を含め、従来示されているレーザ距離測定装置には、次の課題がある。従来のレーザ距離測定装置は、ある既定の装置動作条件で動作しており、この条件で所要のＳＮＲが得られる場合は問題ないが、測定物体が遠距離にあり、光反射率が低い場合、雨又は霧などの悪天候の場合は、必ずしも十分なＳＮＲが得られるとは限らない。特許文献１では、複数の受光素子から出力された受信信号を加算して受光感度を上げる手段が提案されているが、複数の受光素子を構成するため装置のコスト及びサイズが増加するという問題がある。

さらに、車両のような移動体に搭載され、測定対象の物体（人、他車両、障害物等）への衝突防止等の安全走行に利用されるレーザ距離測定装置の場合、最適動作は移動体の移動情報に依存する。例えば、一般道の走行のように走行速度が遅い場合は、測定対象は近距離の物体となり、高速道の走行のように走行速度が速い場合は、測定対象は遠距離の物体となる。しかしながら、特許文献２では、受光信号が検出されていない方向に関し、車両速度に応じて信号積算回数を増やしてＳＮＲを向上させているが、積算回数を増やすと光を送受信する各方向における距離測定レートが低下するため、近距離の物体の検出時間に遅れが生じ、適切な時間で測定対象となる物体を検出することができないという問題がある。

本願は、上記の状況を鑑みて考案されたものであり、装置構成を複雑化させることなく、物体距離及び移動体の移動速度に応じた適切な測定可能距離及び距離検出の即応性を実現できるレーザ距離測定装置を提供する。

本願に係る移動体に搭載されたレーザ距離測定装置は、
レーザ光を出射するレーザ光発生部と、
物体に反射したレーザ光の反射光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
出射した前記レーザ光及び前記受光信号に基づいて物体までの距離である物体距離を算出する距離算出部と、を備え、
前記距離算出部は、前記物体距離及び前記移動体の移動速度に基づいて、前記受光信号の受光感度を変化させるものである。

本願に係るレーザ距離測定装置によれば、物体距離及び前記移動体の移動速度に基づいて、受光信号の受光感度を変化させるので、装置構成を複雑化させることなく、物体距離及び移動体の移動速度に応じた適切な測定可能距離及び距離検出の即応性を実現できる。

実施の形態１に係るレーザ距離測定装置の概略構成を示す図である。 実施の形態１に係るレーザ距離測定装置の模式図である。 実施の形態１に係るＭＥＭＳミラーを説明するための図である。 実施の形態１に係るＭＥＭＳミラーの駆動電流を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態１に係る上下方向及び左右方向の照射角度範囲を説明するための図である。 実施の形態１に係る制御装置のハードウェア構成図である。 実施の形態１に係る物体までの距離の検出を説明するための図である。 実施の形態１に係る光源信号と受光信号とを説明するタイムチャートである。 実施の形態１に係るレーザ光を左右に走査した場合の受光信号の挙動を説明するための図である。 比較例に係る受光信号の挙動を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態１に係る受光信号の積算の挙動を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態１に係る処理回数の設定データを説明するための図である。 実施の形態１に係る受光信号の時間シフトを説明するためのタイムチャートである。 実施の形態１に係る受光信号の時間シフトを説明するためのタイムチャートである。 実施の形態２に係るゲイン変化回路を説明するための回路図である。 実施の形態２に係る変換ゲイン及びパルス幅の設定データを説明するための図である。 実施の形態２に係る受光信号の挙動を説明するためのタイムチャートである。 実施の形態２に係る受光信号の挙動を説明するためのタイムチャートである。

１．実施の形態１
実施の形態１に係るレーザ距離測定装置１０について図面を参照して説明する。図１は、レーザ距離測定装置１０の概略構成を示すブロック図である。図２は、レーザ距離測定装置１０の光学系の概略配置構成を示す模式図である。レーザ距離測定装置１０は、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）又はレーザレーダとも呼ばれる。レーザ距離測定装置１０は、移動体としての車両に搭載され、移動体の前方にレーザ光Ｌ１を２次元走査して照射し、レーザ距離測定装置１０（移動体）から移動体の前方に存在する物体までの距離を測定する。

レーザ距離測定装置１０は、レーザ光発生部１１、走査機構１２、受光部１３、走査制御部１４、及び距離算出部１５等を備えている。後述するように、走査制御部１４、及び距離算出部１５は、制御装置２０に備えられている。レーザ光発生部１１は、レーザ光Ｌ１を出射する。走査機構１２は、レーザ光Ｌ１の照射角度を変化させる機構である。走査制御部１４は、走査機構１２を制御してレーザ光の照射角度を周期的に走査させる。受光部１３は、物体に反射したレーザ光の反射光Ｌ２を受光し、受光信号を出力する。距離算出部１５は、出射したレーザ光Ｌ１及び受光信号に基づいて物体までの距離である物体距離を算出する。

１−１．レーザ光発生部１１
レーザ光発生部１１は、レーザ光Ｌ１を出射する。レーザ光発生部１１は、レーザ光源１１１、及びレーザ光源駆動回路１１２を備えている。レーザ光源駆動回路１１２は、図８に示すように、パルス周期Ｔｐでオンになるパルス状の出力信号（光源信号）を生成する。レーザ光源駆動回路１１２は、後述する送受光制御部１６からの指令信号に基づいて、パルス状の出力信号を生成する。レーザ光源１１１は、レーザ光源駆動回路１１２から伝達された出力信号がオンになったときに、近赤外波長のレーザ光Ｌ１を発生し、走査機構１２に向かって出射する。なお、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光Ｌ１は、レーザ光源１１１と走査機構１２との間に配置された集光ミラー１３３を透過する。

１−２．走査機構１２
走査機構１２は、レーザ光Ｌ１の照射角度を変化させる。本実施の形態では、走査機構１２は、移動体の前方に照射するレーザ光Ｌ１の照射角度を、移動体の進行方向（照射中心線）に対して左右方向及び上下方向に変化させる。走査機構１２は、可動ミラー１２１、及びミラー駆動回路１２２を備えている。図２に示すように、レーザ光源１１１から出射したレーザ光Ｌ１は、集光ミラー１３３を透過した後、可動ミラー１２１に反射し、筐体９に設けられた透過窓１９を透過して、可動ミラー１２１の角度に応じた照射角度で移動体の前方に照射される。

本実施の形態では、可動ミラー１２１は、ＭＥＭＳミラー１２１（Micro Electro Mechanical Systems）とされている。図３に示すように、ＭＥＭＳミラー１２１は、互いに直交する第１軸Ｃ１と第２軸Ｃ２の回りにミラー１２１ａを回転させる回転機構を備えている。ＭＥＭＳミラー１２１は、ミラー１２１ａが設けられた矩形板状の内側フレーム１２１ｂと、内側フレーム１２１ｂの外側に配置された矩形環板状の中間フレーム１２１ｃと、中間フレーム１２１ｃの外側に配置され矩形板状の外側フレーム１２１ｄと、を備えている。外側フレーム１２１ｄは、ＭＥＭＳミラー１２１の本体に固定されている。

外側フレーム１２１ｄと中間フレーム１２１ｃとは、ねじり弾性を有する左右２つの第１トーションバー１２１ｅにより連結されている。中間フレーム１２１ｃは、外側フレーム１２１ｄに対して、２つの第１トーションバー１２１ｅを結ぶ第１軸Ｃ１回りに捩れる。第１軸Ｃ１回りに一方側又は他方側に捩れると、レーザ光Ｌ１の照射角度が上側又は下側に変化する。中間フレーム１２１ｃと内側フレーム１２１ｂとは、弾性を有する上下２つの第２トーションバー１２１ｆにより連結されている。内側フレーム１２１ｂは、中間フレーム１２１ｃに対して、２つの第２トーションバー１２１ｆを結ぶ第２軸Ｃ２回りに捩れる。第２軸Ｃ２回りに一方側又は他方側に捩れると、レーザ光Ｌ１の照射角度が左側又は右側に変化する。

中間フレーム１２１ｃには、フレームに沿った環状の第１コイル１２１ｇが設けられており、第１コイル１２１ｇに接続された第１電極パット１２１ｈが、外側フレーム１２１ｄに設けられている。内側フレーム１２１ｂには、フレームに沿った環状の第２コイル１２１ｉが設けられており、第２コイル１２１ｉに接続された第２電極パット１２１ｊが、外側フレーム１２１ｄに設けられている。ＭＥＭＳミラー１２１には、不図示の永久磁石が設けられている。第１コイル１２１ｇに正側又は負側の電流が流れると、中間フレーム１２１ｃを第１軸Ｃ１回りに一方側又は他方側にねじるローレンツ力が生じ、捩れ角度は、電流の大きさに比例する。第２コイル１２１ｉに正側又は負側の電流が流れると、内側フレーム１２１ｂを第２軸Ｃ２回りに一方側又は他方側にねじるローレンツ力が生じ、捩れ角度は、電流の大きさに比例する。

図４の上段のタイムチャートに示すように、ミラー駆動回路１２２は、走査制御部１４の指令信号に従って、正の第１最大電流値Ｉｍｘ１と負の第１最小電流値Ｉｍｎ１との間を、第１周期Ｔ１で振動する電流を、第１電極パット１２１ｈを介して第１コイル１２１ｇに供給する。第１周期Ｔ１は、２次元走査の１フレーム分の周期となる。電流の振動波形は、のこぎり波又は三角波等とされる。図５に示すように、レーザ光は、正の第１最大電流値Ｉｍｘ１に対応する上下方向の最大照射角度θＵＤｍｘと、負の第１最小電流値Ｉｍｎ１に対応する上下方向の最小照射角度θＵＤｍｎとの間を、第１周期Ｔ１で振動する。第１最大電流値Ｉｍｘ１及び第１最小電流値Ｉｍｎ１は、運転条件に応じて変化されてもよい。

図４の下段グラフに示すように、ミラー駆動回路１２２は、走査制御部１４の指令信号に従って、正の第２最大電流値Ｉｍｘ２と負の第２最小電流値Ｉｍｎ２との間を、第２周期Ｔ２で振動する電流を、第２電極パット１２１ｊを介して第２コイル１２１ｉに供給する。第２周期Ｔ２は、第１周期Ｔ１よりも短い値に設定されており、第１周期Ｔ１を、１フレームにおける左右方向の往復走査回数で除算した値に設定される。電流の振動波形は、正弦波又は矩形波等とされる。図５に示すように、レーザ光は、正の第２最大電流値Ｉｍｘ２に対応する左右方向の最大照射角度θＬＲｍｘと、負の第２最小電流値Ｉｍｎ２に対応する左右方向の最小照射角度θＬＲｍｎとの間を、第２周期Ｔ２で振動する。第２最大電流値Ｉｍｘ２及び第２最小電流値Ｉｍｎ２は、運転条件に応じて変化されてもよい。

１−３．受光部１３
受光部１３は、移動体の前方の物体に反射したレーザ光の反射光Ｌ２を受光する。受光部１３は、光検出器１３１、光検出器制御回路１３２、及び集光ミラー１３３を備えている。図２に示すように、移動体の前方にある物体４０に反射した反射光Ｌ２は、透過窓１９を透過し、可動ミラー１２１に反射した後、集光ミラー１３３に反射し、光検出器１３１に入射する。

光検出器１３１は、ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）等を受光素子として備え、受光した反射光Ｌ２に応じた受光信号を出力する。光検出器制御回路１３２は、送受光制御部１６からの指令信号に基づいて、光検出器１３１の動作を制御する。光検出器１３１が出力した受光信号は、制御装置２０（距離算出部１５）に入力される。

１−４．制御装置２０
レーザ距離測定装置１０は、制御装置２０を備えている。制御装置２０は、走査制御部１４、距離算出部１５、及び送受光制御部１６等の機能部を備えている。制御装置２０の各機能は、制御装置２０が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置２０は、図６に示すように、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０（コンピュータ）、演算処理装置９０とデータのやり取りをする記憶装置９１、演算処理装置９０に外部の信号を入出力する入出力装置９２、及びレーザ距離測定装置１０の外部の外部装置とデータ通信を行う外部通信装置９３等を備えている。

演算処理装置９０として、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置９０として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置９１として、演算処理装置９０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、演算処理装置９０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。なお、記憶装置９１として、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）等の各種の記憶装置が用いられてもよい。

入出力装置９２は、レーザ光源駆動回路１１２、ミラー駆動回路１２２、光検出器１３１、及び光検出器制御回路１３２等が接続され、これらと演算処理装置９０との間でデータ及び制御指令の送受信を行う通信回路、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、及び入出力ポート等を備えている。また、入出力装置９２は、各回路を制御する演算処理装置を備えている。外部通信装置９３は、カーナビゲーション装置３０、外部演算処理装置３１等の外部装置と通信を行う。

そして、制御装置２０が備える各機能部１４〜１６等の各機能は、演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、入出力装置９２、及び外部通信装置９３等の制御装置２０の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各機能部１４〜１６等が用いる処理回数等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されている。以下、制御装置２０の各機能について詳細に説明する。

＜送受光制御部１６＞
送受光制御部１６は、レーザ光源駆動回路１１２に指令信号を伝達し、パルス周期Ｔｐで、パルス幅を有するパルス状のレーザ光を出力させる。また、送受光制御部１６は、光検出器制御回路１３２に指令信号を伝達し、光検出器１３１に受光信号を出力させる。

＜走査制御部１４＞
走査制御部１４は、走査機構１２を制御してレーザ光の照射角度を走査させる。本実施の形態では、走査制御部１４は、移動体の進行方向に対する左右方向の照射角度範囲でレーザ光を走査させると共に、移動体の進行方向に対する上下方向の照射角度範囲でレーザ光Ｌ１を走査させる２次元走査を行う。

走査制御部１４は、レーザ光の照射角度を、上下方向の照射角度範囲及び第１周期Ｔ１で走査させる指令信号を、ミラー駆動回路１２２に伝達する。具体的には、走査制御部１４は、第１コイル１２１ｇに供給する電流の正の第１最大電流値Ｉｍｘ１及び負の第１最小電流値Ｉｍｎ１、及び第１周期Ｔ１の指令信号を、ミラー駆動回路１２２に伝達する。

また、走査制御部１４は、レーザ光の照射角度を、左右方向の照射角度範囲及び第２周期Ｔ２で走査させる指令信号を、ミラー駆動回路１２２に伝達する。具体的には、走査制御部１４は、第２コイル１２１ｉに供給する電流の正の第２最大電流値Ｉｍｘ２及び負の第２最小電流値Ｉｍｎ２、及び第２周期Ｔ２の指令信号を、ミラー駆動回路１２２に伝達する。走査制御部１４は、第１周期Ｔ１を、１フレームにおける左右方向の往復走査回数で除算した値を、第２周期Ｔ２に設定する。

図５に示すように、第１周期Ｔ１で、レーザ光Ｌ１の照射角度を、矩形状の２次元の走査範囲を１回走査させることができる。この２次元の走査範囲の１回の走査を、１フレームという。

＜距離算出部１５＞
距離算出部１５は、出射したレーザ光及び受光信号に基づいて、照射角度に存在する物体までの距離を算出する。図７に示すように、レーザ光源１１１から出射したレーザ光Ｌ１は、距離Ｌだけ前方にある物体４０に反射し、反射光Ｌ２は、距離Ｌだけ後方にある光検出器１３１に入射する。図８は、レーザ光源１１１から出射したレーザ光Ｌ１の光源信号と、光検出器１３１で受光した反射光Ｌ２の受光信号との関係を示している。光源信号の立ち上がりから受光信号のピークまで時間Ｔｃｎｔは、レーザ光源１１１及び光検出器１３１と物体４０との間の距離Ｌをレーザ光が往復する時間である。よって、時間Ｔｃｎｔに光速を乗算し、２で除算すれば、物体４０までの距離Ｌを算出することができる。

距離算出部１５には、レーザ光源駆動回路１１２からレーザ光源１１１への出力信号（光源信号）が入力されており、レーザ光発生部１１がパルス状のレーザ光を発光し始めた時点を検出できる。距離算出部１５は、レーザ光発生部１１がレーザ光を発光し始めてから、受光部１３が受光信号を出力する時点までの時間Ｔｃｎｔを受光時間として計測する。そして、距離算出部１５は、受光時間Ｔｃｎｔに光速ｃ０を乗算し、２で除算した値を、レーザ光の発光時点の照射角度に存在する物体までの距離Ｌとして算出する（Ｌ＝Ｔｃｎｔ×ｃ０／２）。なお、距離算出部１５は、受光部１３が受光信号を出力していない場合は、その時点の照射角度に存在する物体を検出できないと判定して、距離Ｌを算出しない。距離算出部１５は、距離の算出結果を外部演算処理装置３１に伝達する。

＜受光信号の強度の課題＞
図９は、レーザ光の照射角度を左から右に走査した時の各照射角度Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を示し、照射角度Ｐ１、Ｐ２において、レーザ光が物体４０に当った箇所を黒丸で示している。比較例に係るレーザ距離測定装置では、図１０に示すように、パルス状のレーザ光が照射角度Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の時点で出射され、照射角度Ｐ１、Ｐ２において物体４０に反射した反射光が光検出器１３１に入射し、受光信号Ｒ１、Ｒ２が出力されている。受光信号Ｒ１は、閾値を超えているので、パルス状の受光検出信号が出力されている。しかし、受光信号Ｒ２は、信号のピークが低く、閾値を超えていないため、受光検出信号が出力されていない。よって、距離の測定ができていない。

このような受光信号のピークが低下する現象は、雨又は霧などの悪天候の場合にレーザ光が往復する間に雨又は霧に当たり、光が散乱することで起こる。また、空気中を浮遊する塵にレーザ光が当たり、光が散乱する場合もある。雨、霧、又は塵等への接触は、不規則に生じるので、予測し難い。また、物体が遠距離にあるほど、雨、霧、又は塵等に当たる確率が高くなり、受光信号のピークが低下する現象の頻度が高くなる。

＜受光感度の変化＞
本実施の形態では、距離算出部１５は、物体距離及び移動体の移動速度に基づいて、受光信号の受光感度を変化させる。距離算出部１５は、物体距離及び移動体の移動速度に基づいて、物体距離の算出に用いる、今回及び過去に測定した受光信号の処理回数を変化させるように構成されている。

具体的には、距離算出部１５は、今回と同じ照射角度で今回及び過去の走査周期（フレーム）で測定した処理回数の受光信号の積算値を算出し、受光信号の積算値に基づいて、物体距離を算出する。

距離算出部１５は、各照射角度において測定した受光信号の時間波形をＲＡＭ等の記憶装置９１に記憶する。時間波形の時間は、レーザ光の発光開始時点（光源信号の立ち上がり時点）が０とされている。そして、距離算出部１５は、今回と同じ照射角度で今回及び過去の走査周期（フレーム）で測定した処理回数の受光信号の時間波形を積算し、受光信号の積算値の時間波形に基づいて、物体距離を算出する。

具体的には、距離算出部１５は、各照射角度において、レーザ光の発光開始時点から次の発光開始時点までの期間の受光信号のＡ／Ｄ変換値を、発光開始時点を時間０とした時間情報と関連付けて、ＲＡＭ等の記憶装置９１に記憶する。そして、距離算出部１５は、積算する今回及び過去の受光信号の時間波形を記憶装置９１から読み出し、各時間において、今回及び過去の受光信号を積算し、各時間の積算値からなる積算値の時間波形を算出する。距離算出部１５は、受光信号の積算値の時間波形を用いて、受光信号の積算値が閾値を超えた時間を判定し、判定した時間を受光時間Ｔｃｎｔとして算出する。

図１１に処理回数が３に設定されている場合の挙動をしめす。照射角度Ｐ１について、今回の走査周期（フレーム）の受光信号Ｒ１（３）と、前回の走査周期（フレーム）の受光信号Ｒ１（２）と、前々回の走査周期（フレーム）の受光信号Ｒ１（１）とを積算し、受光信号の積算値が算出されている。また、照射角度Ｐ２について、今回の走査周期（フレーム）の受光信号Ｒ２（３）と、前回の走査周期（フレーム）の受光信号Ｒ２（２）と、前々回の走査周期（フレーム）の受光信号Ｒ２（１）とを積算し、受光信号の積算値が算出されている。今回の走査周期の受光信号Ｒ２（３）のピークが低いが、正常な過去の受光信号も積算されているので、積算値の低下が抑制されている。

距離算出部１５は、受光信号の積算値が積算値用の閾値を超えた場合に、受光検出信号をオンにする。距離算出部１５は、レーザ光源駆動回路１１２からレーザ光源１１１への駆動信号がオンになった時点から、受光検出信号がオンになった時点まで時間を計測し、計測した時間を受光時間Ｔｃｎｔとして算出する。

なお、距離算出部１５は、受光信号の積算値を処理回数で除算して、受光信号の平均値を算出し、受光信号の平均値が平均値用の閾値を超えた場合に、受光検出信号をオンにしてもよい。すなわち、距離算出部１５は、今回と同じ照射角度で今回及び過去の走査周期（フレーム）で測定した処理回数の受光信号の平均値を算出し、受光信号の平均値に基づいて、物体距離を算出するように構成されてもよい。

＜処理回数の設定＞
次に、処理回数の設定について説明する。物体の距離が遠くなるほど、レーザ光の拡がりにより、物体に照射されるレーザ光の強度が低下したり、空気中の雨、霧、又は塵等により光が散乱する頻度が増加したりし、受光強度が低下する。よって、物体の距離が遠くなるほど、処理回数を増加させて、受光感度を高くすることが求められる。一方、移動体の移動速度が大きくなるほど、衝突防止の観点から、処理回数を減少させて、より時間遅れなく（リアルタイム）に検出することが求められる。

そこで、距離算出部１５は、物体距離及び移動体の移動速度に基づいて受光信号の処理回数を変化させる。距離算出部１５は、物体距離が大きくなるに従って、処理回数を増加させると共に、移動体の移動速度が大きくなるに従って、処理回数を減少させる。

この際、距離算出部１５は、過去に測定した物体距離を用いる。距離算出部１５は、例えば、今回と同じ照射角度で前回の走査周期（フレーム）で測定した物体距離を用いる。また、距離算出部１５は、カーナビゲーション装置３０又は車両の制御装置等から移動体の移動速度の情報を取得する。

図１２に、処理回数の設定データの例をしめす。図１２では、移動体の移動速度は、低速度（０〜２０ｋｍ／ｈ）、中速度（２０〜６０ｋｍ／ｈ）、及び高速度（６０ｋｍ／ｈ以上）の３つの領域に分割され、物体距離は、近距離（０〜５０ｍ）、中距離（５０ｍ〜１００ｍ）、及び遠距離（１００ｍ以上）の３つの領域に分割されている。すなわち、３×３のマトリックス状の領域に分割されており、各領域に処理回数が設定されている。

この図に示すように、低速度において、近距離、中距離、遠距離と物体距離が増加するに従って、３回、４回、５回と処理回数が増加されている。中速度において、近距離、中距離、遠距離と物体距離が増加するに従って、２回、３回、４回と処理回数が増加されている。高速度において、近距離、中距離、遠距離と物体距離が増加するに従って、１回、２回、３回と処理回数が増加されている。一方、近距離において、低速度、中速度、高速度と移動速度が増加するに従って、３回、２回、１回と処理回数が減少されている。同様に、中距離において、低速度、中速度、高速度と移動速度が増加するに従って、４回、３回、２回と処理回数が減少されている。遠距離において、低速度、中速度、高速度と移動速度が増加するに従って、５回、４回、３回と処理回数が減少されている。

＜移動速度を考慮した積算方法＞
移動体が走行している場合は、過去の受光信号の測定時点から、今回の受光信号の測定時点の間に、移動体の移動により、物体距離が変化する。そのため、図１３に示すように、過去の測定時点から今回の測定時点までの物体距離の変化に対応する時間だけ、受光信号の時間波形がシフトする。走査周期及び移動速度にも依存するが、今回及び過去の受光信号の時間波形をそのまま積算すると、時間シフトの分だけずれが生じる。

そこで、距離算出部１５は、過去に測定した受光信号を、移動体の移動により変化した物体距離に対応する時間分だけ時間シフトさせ、時間シフトさせた過去の受光信号を用いて、受光信号の積算値を算出するように構成されている。

例えば、距離算出部１５は、今回の測定時点と過去の測定時点との測定時間差ΔＴｍを算出する。距離算出部１５は、前回の走査周期（フレーム）の測定時点の場合は、上述した第１周期Ｔ１を測定時間差ΔＴｍに設定し（ΔＴｍ＝Ｔ１）、前々回の走査周期（フレーム）の測定時点の場合は、上述した第１周期Ｔ１の２倍値を測定時間差ΔＴｍに設定する（ΔＴｍ＝２×Ｔ１）。

そして、距離算出部１５は、次式を用いて、シフト時間ΔＴｓｈｔを算出する。ここで、Ｖｓは、移動体の移動速度である。
ΔＴｓｈｔ＝ΔＴｍ×Ｖｓ／ｃ０×２ ・・・（１）

そして、距離算出部１５は、過去の受光信号の時間波形の各時間からシフト時間ΔＴｓｈｔを減算して、時間波形の時間をシフトする。距離算出部１５は、時間シフトを行った後の各時間において、今回及び過去の受光信号を積算し、各時間の積算値からなる積算値の時間波形を算出する。

次に、受光信号の積算挙動の例を説明する。図１３は、移動体が移動速度４０ｋｍ／ｈｒで、４０ｍ前方にある測定物体に接近している場合の例を示す。図１４は、移動体が移動速度８０ｋｍ／ｈｒで、１２０ｍ前方にある測定物体に接近している場合の例を示す。

図１３の場合は、図１２の処理回数の設定データから、処理回数は２回に設定されている。図１３の例では、前回の走査周期（フレーム）で測定された受光信号の時間波形は、測定時間差による物体距離の変化に対応する時間ΔＴｓｈｔ１だけ、今回の走査周期の時間波形に対してシフトしている。しかし、前回の走査周期の時間波形は、シフト時間ΔＴｓｈｔ１だけ時間が減算されるので、今回の走査周期の時間波形に対するシフトが解消されている。よって、受光信号の積算値が精度よく算出されている。

図１４の場合は、図１２の処理回数の設定データから、処理回数は３回に設定されている。図１４の例では、前々回の走査周期（フレーム）で測定された受光信号の時間波形は、前回の走査周期のシフト時間ΔＴｓｈｔ１の２倍になるシフト時間ΔＴｓｈｔ２だけ、今回の走査周期の時間波形に対してシフトしている。しかし、前々回の走査周期の時間波形についても、シフト時間ΔＴｓｈｔ２だけ時間が減算されるので、今回の走査周期の時間波形に対するシフトが解消されている。よって、受光信号の積算値が精度よく算出されている。

図１４の場合は、図１３の場合よりも物体の距離が遠いため、受光信号の強度が低下しているが、処理回数が図１３の場合よりも多い３回に設定され、過去の受光信号の時間シフトが修正されているので、物体の検出性を向上させることができている。

＜転用例＞
なお、上述した実施の形態では、今回及び過去の受光信号の積算値又は平均値を算出する場合を例に説明したが、距離算出部１５は、今回と同じ照射角度で今回及び過去の走査周期で測定した処理回数の受光信号の最大値を算出し、受光信号の最大値に基づいて、物体距離を算出するように構成されてもよい。

この場合は、距離算出部１５は、今回及び過去の処理回数の受光信号の時間波形の内、各時間において受光信号の最大値を選択し、各時間の最大値からなる最大値の時間波形を算出する。距離算出部１５は、受光信号の最大値の時間波形を用いて、受光信号の最大値が閾値を超えた時間を判定し、判定した時間を受光時間Ｔｃｎｔとして算出する。

或いは、上述した実施の形態では、受光信号の時間波形を積算、平均化、又は最大値取りする場合を例に説明した。しかし、積算、平均化、及び最大値取りを行わず、距離算出部１５は、各照射角度の受光信号に基づいて、受光時間を測定し、今回と同じ照射角度で今回及び過去の走査周期で測定した処理回数の受光時間の平均値を算出するように構成されてもよい。この際、受光信号が弱く、受光時間が算出されない場合もあるので、受光時間が算出されていない回を除いて、平均化される。また、過去の受光時間に対して、上述したシフト時間ΔＴｓｈｔの減算補正を行った上で、平均化されてもよい。

２．実施の形態２
次に、実施の形態２に係るレーザ距離測定装置１０について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係るレーザ距離測定装置１０の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、受光信号の受光感度の変化方法が実施の形態１と異なる。

本実施の形態では、図１５に示すように、受光部１３（光検出器１３１）は、受光素子１６３の出力信号から受光信号への変換ゲインを変化させるゲイン変化回路１６８を有している。光検出器１３１は、ゲイン切り替え機能付きの電流−電圧変換アンプ１６８（Transfer Impedance Amplifier：ＴＩＡ）を備えている。ＡＰＤとされた受光素子１６３を動作させるために電源１６７が接続されており、受光素子１６３は受光した反射光を電流に変換する。変換された電流は、負帰還増幅回路構成のオペアンプ１６４の負入力側に流れ、帰還抵抗１６６を介して電圧に変換される。複数の帰還抵抗１６６（本例では４つ）が並列に接続されている。各帰還抵抗１６６には、スイッチ１６５が直列に接続されており、各スイッチ１６５のオンオフにより、各帰還抵抗１６６の動作のオンオフが切り替えられる。光検出器制御回路１３２からの信号によって各スイッチ１６５がオンオフされることにより、帰還抵抗１６６全体の抵抗値が変更され、電流が電圧に変換されるときの変換ゲインが変更される。なお、帰還抵抗１６６全体の抵抗値が大きくなるに従って、変換ゲインが大きくなり、受光感度が増加する。

次に、ＴＩＡの変換ゲインと、レーザ光のパルス幅の設定方法について説明する。移動体の移動速度が高速の場合は、衝突防止の観点から、より遠距離の物体の検出性能が重要になる。しかし、物体の距離が遠くなるほど、レーザ光の拡がりにより、物体に照射されるレーザ光の強度が低下したり、空気中の雨、霧、又は塵等により光が散乱する頻度が増加したりし、受光強度が低下する。よって、物体の距離が遠くなるほど、受光感度を高くすることが求められる。この要求に応えるため、本実施の形態では、光検出器１３１内のＴＩＡの変換ゲインを大きくして、低下した受光強度を補正することで受光信号を大きくする。また、レーザ光のパルス幅を大きくすることによって、出射光の光強度が大きくなり、受光信号が大きくなる。

距離算出部１５は、物体距離及び移動体の移動速度に基づいて、ＴＩＡの変換ゲインを変化させる。距離算出部１５は、各スイッチ１６５のオンオフ指令を算出し、オンオフ指令を光検出器制御回路１３２に伝達する。光検出器制御回路１３２は、伝達されたオンオフ指令に従って、各スイッチ１６５をオンオフする。

距離算出部１５は、物体距離が大きくなるに従って、ＴＩＡの変換ゲインを増加させると共に、移動体の移動速度が大きくなるに従って、ＴＩＡの変換ゲインを増加させる。

図１６に、変換ゲインの設定データの例をしめす。図１６では、移動体の移動速度は、低速度（０〜６０ｋｍ／ｈ）、及び高速度（６０ｋｍ／ｈ以上）の２つの領域に分割され、物体距離は、近距離（０〜５０ｍ）、中距離（５０ｍ〜１００ｍ）、及び遠距離（１００ｍ以上）の３つの領域に分割されている。すなわち、２×３のマトリックス状の領域に分割されており、各領域に各スイッチ１６５のオンオフ指令（図には、帰還抵抗１６６全体の抵抗値を示している）が設定されている。

この図に示すように、低速度において、近距離、中距離、遠距離と物体距離が増加するに従って、３８ｋΩ、４２ｋΩ、４６ｋΩと変換ゲインが増加されている。高速度において、近距離、中距離、遠距離と物体距離が増加するに従って、４２ｋΩ、４６ｋΩ、５０ｋΩと変換ゲインが増加されている。一方、近距離において、低速度、高速度と移動速度が増加するに従って、３８ｋΩ、４２ｋΩと変換ゲインが増加されている。同様に、中距離において、低速度、高速度と移動速度が増加するに従って、４２ｋΩ、４６ｋΩと変換ゲインが増加されている。遠距離において、低速度、高速度と移動速度が増加するに従って、４６ｋΩ、５０ｋΩと変換ゲインが増加されている。

距離算出部１５は、物体距離及び移動体の移動速度に基づいて、レーザ光発生部１１（レーザ光源１１１）から出射されるレーザ光のパルス幅を変化させる。距離算出部１５は、パルス幅の指令値をレーザ光源駆動回路１１２に伝達する。レーザ光源駆動回路１１２は、伝達されたパルス幅の指令値に従って、レーザ光源１１１を駆動する。

距離算出部１５は、物体距離が大きくなるに従って、パルス幅を増加させると共に、移動体の移動速度が大きくなるに従って、パルス幅を増加させる。

図１６に、パルス幅の設定データの例をしめす。低速度において、近距離、中距離、遠距離と物体距離が増加するに従って、４ｎｓｅｃ、６ｎｓｅｃ、８ｎｓｅｃとパルス幅が増加されている。高速度において、近距離、中距離、遠距離と物体距離が増加するに従って、６ｎｓｅｃ、８ｎｓｅｃ、１０ｎｓｅｃとパルス幅が増加されている。一方、近距離において、低速度、高速度と移動速度が増加するに従って、４ｎｓｅｃ、６ｎｓｅｃとパルス幅が増加されている。同様に、中距離において、低速度、高速度と移動速度が増加するに従って、６ｎｓｅｃ、８ｎｓｅｃとパルス幅が増加されている。遠距離において、低速度、高速度と移動速度が増加するに従って、８ｎｓｅｃ、１０ｎｓｅｃとパルス幅が増加されている。

次に、制御挙動の例を説明する。図１７は、移動体が移動速度４０ｋｍ／ｈで、４０ｍ前方にある測定物体に接近している場合の例を示す。図１８は、移動体が移動速度８０ｋｍ／ｈで、１２０ｍ前方にある測定物体に接近している場合の例を示す。

図１７の場合は、図１６の設定データから、変換ゲインは、３８ｋΩに設定され、パルス幅は、４ｎｓｅｃに設定されている。よって、レーザ光のパルス幅を小さくすることで出射光の光強度を小さくし、さらに、ＴＩＡの変換ゲインを小さくしている。しかし、物体が近距離にあるため、受光信号は適切なレベルになっており、受光信号が閾値を超え、受光時間Ｔｃｎｔを測定できている。

ここで、レーザ光のパルス幅とＴＩＡの変換ゲインを小さくして受光感度を小さくするのは、近距離の場合は反射光の光強度が大きくなり、受光電流信号が大きくなるため、パルス幅及び変換ゲインが大きいとＴＩＡの出力が飽和する可能性があるためである。

図１８の場合は、図１６の設定データから、変換ゲインは、５０ｋΩに設定され、パルス幅は、１０ｎｓｅｃに設定されている。よって、レーザ光のパルス幅を大きくすることで出射光の光強度を大きくし、さらに、ＴＩＡの変換ゲインを大きくしている。しかし、物体が遠距離にあるため、受光信号は適切なレベルになっており、受光信号が閾値を超え、受光時間Ｔｃｎｔを測定できている。

レーザ光のパルス幅を大きくすることで、レーザ光の光強度が大きくなるため、測定物体からの反射光の光強度が大きくなり、ＳＮＲが向上し、測定可能な距離を大きくすることができる。一方で、距離測定分解能と距離測定精度が低下するが、移動体の移動速度が高速の場合に必要な遠距離の測定物体の検出性能を向上できる。更には、遠距離の測定物体の場合は、検出できること自体が重要であり、距離測定分解能と距離測定精度への要求が低いため、距離測定分解能と距離測定精度の低下は、実質的に問題にはならない。また、移動体の移動速度が低速の場合は、検出範囲が近距離でも構わないが、距離測定分解能と距離測定精度を高くする必要がある。この場合には、レーザ光のパルス幅を小さく設定することで、測定可能な距離を小さくする代わりに、距離測定分解能と距離測定精度を向上することができる。また、レーザ光のパルス幅を小さくすることは、実効的なレーザ光の光強度が小さくなるため、測定可能な距離が小さくなる代わりに、発光後の内部散乱の影響が小さくなり、近距離側の測定可能範囲を広げることが可能となる。

〔その他の実施の形態〕
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記の実施の形態１において、実施の形態２と同様に、距離算出部１５が、物体距離及び移動体の移動速度に基づいて、レーザ光発生部１１（レーザ光源１１１）から出射されるレーザ光のパルス幅を変化させるように構成されてもよい。この場合は、距離算出部１５は、物体距離が大きくなるに従って、パルス幅を増加させると共に、移動体の移動速度が大きくなるに従って、パルス幅を増加させてもよい。

（２）上記の実施の形態２において、距離算出部１５は、変換ゲイン及びパルス幅の双方を変化させるように構成されている場合を例に説明した。しかし、距離算出部１５は、変換ゲイン及びパルス幅の一方を変化させるように構成されてもよい。

（３）上記の各実施の形態においては、レーザ距離測定装置１０は、移動体の移動速度情報を用いたが、この情報は必ずしもその時点での走行情報だけではなく、「今後に予測される走行情報」も含んでいれば、さらに物体への衝突回避等の能力が向上する。例えば、今後に移動速度が減速されると予想される場合であれば、距離算出部１５は、処理回数、変換ゲイン、及びパルス幅の設定に用いる物体距離を、その時点の物体距離よりも近距離側に設定してもよい。走行の安全性が増す点で新たな効果が発生する。「今後に予測される走行情報」は、移動の加速度及び走行方向の変化から推定することができるのに加え、移動体を運転する運転体からの意志情報を活用することも可能である。運転体としては、人及び人工知能の一方又は双方が考えられる。なお、「今後に予測される走行情報」に加え、その時点での走行情報を合わせて用いてもよい。

（４）上記の各実施の形態においては、走査機構１２は、ＭＥＭＳミラー１２１を備えている場合を例に説明した。しかし、走査機構１２は、ＭＥＭＳミラー１２１以外の走査機構を備えてもよい。例えば、走査機構１２は、可動ミラーとして回転ポリゴンミラーを備え、上下方向の照射角度範囲が上側又は下側に移動するように、回転ポリゴンミラーの回転軸を傾ける機構等を備えていてもよい。

（５）上記の各実施の形態においては、微小ミラーは、ローレンツ力により可動される場合を例に説明した。しかし、微小ミラーの可動機構は、ローレンツ力のような電磁方式に限られるものではなく、圧電素子を利用した圧電方式、又はミラーと電極間の電位差による静電力を利用した静電方式とされてもよい。

（６）上記の各実施の形態においては、ＭＥＭＳミラー１２１を用い、図５に示すような走査を行って２次元走査を行う場合を例に説明した。しかし、ＭＥＭＳミラー１２１を用い、リサージュ走査又はラスタ走査を行って、２次元走査を行ってもよく、球面ミラーを用いて、歳差走査を行ってもよい。

（７）上記の各実施の形態においては、２つの回転軸回りにミラーを回転させるＭＥＭＳミラー１２１を用いて２次元走査させる場合を例に説明した。しかし、１つの回転軸回りにミラーを回転させるＭＥＭＳミラーを２つ用いて、２次元走査させるように構成されてもよい。

（８）上記の各実施の形態においては、１つのレーザ光源１１１のレーザ光を、ＭＥＭＳミラー１２１に反射させる場合を例に説明した。しかし、複数のレーザ光源１１１のレーザ光をＭＥＭＳミラー１２１に反射させるように構成されてもよい。

（９）上記の各実施の形態においては、光検出器１３１は、ＭＥＭＳミラー１２１及び集光ミラー１３３に反射した反射光Ｌ２を受光する場合を例に説明した。しかし、光検出器１３１は、物体に反射した反射光Ｌ２を直接受光するように構成されてもよい。

（１０）上記の各実施の形態においては、インコヒーレント検波方式を用いてパルス光を送受するタイプであったが、コヒーレント検波方式を用いてパルス光を送受するタイプであってもよい。また、正弦波で強度変調されたレーザ光を送受するタイプであってもよく、インコヒーレントＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Waves)方式であっても、コヒーレントＦＭＣＷ方式であってもよい。正弦波で強度変調された光を送受するタイプであれば、レーザ光のパルス幅を可変とする代わりに正弦波の変調周波数を可変とし、インコヒーレントＦＭＣＷ又はコヒーレントＦＭＣＷのタイプであれば、レーザ光のパルス幅を可変とする代わりに、変調周波数の掃引周波数幅を可変とする。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０ レーザ距離測定装置、１１ レーザ光発生部、１２ 走査機構、１３ 受光部、１４ 走査制御部、１５ 距離算出部、１６８ ゲイン変化回路

本願に係る移動体に搭載されたレーザ距離測定装置は、
レーザ光を出射するレーザ光発生部と、
物体に反射したレーザ光の反射光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
出射した前記レーザ光及び前記受光信号に基づいて物体までの距離である物体距離を算出する距離算出部と、を備え、
前記距離算出部は、前記物体距離及び前記移動体の移動速度に基づいて、前記物体距離の算出に用いる、今回及び過去に測定した前記受光信号の時間波形の処理回数を変化させるものである。

Claims (11)

1. 移動体に搭載されたレーザ距離測定装置であって、
   レーザ光を出射するレーザ光発生部と、
   物体に反射したレーザ光の反射光を受光し、受光信号を出力する受光部と、
   出射した前記レーザ光及び前記受光信号に基づいて物体までの距離である物体距離を算出する距離算出部と、を備え、
   前記距離算出部は、前記物体距離及び前記移動体の移動速度に基づいて、前記受光信号の受光感度を変化させるレーザ距離測定装置。
2. 前記距離算出部は、前記物体距離及び前記移動速度に基づいて、前記物体距離の算出に用いる、今回及び過去に測定した前記受光信号の処理回数を変化させる請求項１に記載のレーザ距離測定装置。
3. 前記距離算出部は、前記物体距離が大きくなるに従って、前記処理回数を増加させると共に、前記移動速度が大きくなるに従って、前記処理回数を減少させる請求項２に記載のレーザ距離測定装置。
4. 前記レーザ光の照射角度を変化させる走査機構と、
   前記走査機構を制御して前記レーザ光の照射角度を周期的に走査させる走査制御部と、を更に備え、
   前記距離算出部は、今回と同じ照射角度で今回及び過去の走査周期で測定した前記処理回数の前記受光信号の積算値を算出し、前記受光信号の積算値に基づいて、前記物体距離を算出する請求項２又は３に記載のレーザ距離測定装置。
5. 前記レーザ光の照射角度を変化させる走査機構と、
   前記走査機構を制御して前記レーザ光の照射角度を周期的に走査させる走査制御部と、を更に備え、
   前記距離算出部は、今回と同じ照射角度で今回及び過去の走査周期で測定した前記処理回数の前記受光信号の平均値を算出し、前記受光信号の平均値に基づいて、前記物体距離を算出する請求項２又は３に記載のレーザ距離測定装置。
6. 前記レーザ光の照射角度を変化させる走査機構と、
   前記走査機構を制御して前記レーザ光の照射角度を周期的に走査させる走査制御部と、を更に備え、
   前記距離算出部は、今回と同じ照射角度で今回及び過去の走査周期で測定した前記処理回数の前記受光信号の最大値を算出し、前記受光信号の最大値に基づいて、前記物体距離を算出する請求項２又は３に記載のレーザ距離測定装置。
7. 前記距離算出部は、過去に測定した前記受光信号を、前記移動体の移動により変化した前記物体距離に対応する時間分だけ時間シフトさせ、時間シフトさせた過去の前記受光信号を用いて、前記物体距離の算出処理を行う請求項４から６のいずれか一項に記載のレーザ距離測定装置。
8. 前記受光部は、受光素子の出力信号から前記受光信号への変換ゲインを変化させるゲイン変化回路を有し、
   前記距離算出部は、前記物体距離及び前記移動速度に基づいて、前記変換ゲインを変化させる請求項１に記載のレーザ距離測定装置。
9. 前記距離算出部は、前記物体距離が大きくなるに従って、前記変換ゲインを増加させると共に、前記移動速度が大きくなるに従って、前記変換ゲインを増加させる請求項８に記載のレーザ距離測定装置。
10. 前記距離算出部は、前記物体距離及び前記移動速度に基づいて、前記レーザ光発生部から出射される前記レーザ光のパルス幅を変化させる請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ距離測定装置。
11. 前記距離算出部は、前記物体距離が大きくなるに従って、前記パルス幅を増加させると共に、前記移動速度が大きくなるに従って、前記パルス幅を増加させる請求項１０に記載のレーザ距離測定装置。

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