JP2020125983A - 測距装置及び測距方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物との距離の算出の基礎となるデータを記憶するために大きな記憶容量のメモリーを用意する必要がなく、かつ、確実にノイズ光との干渉を除去することができる測距装置を提供する。【解決手段】コヒーレント光を対象物へ出射する光源と、コヒーレント光の出射間隔を調整する間隔調整部と、対象物からの反射光を受光する受光部と、光源からの出射光の出射時刻から、この出射光に対応する反射光が受光部で受光された受光時刻までの時間差を測定する時間測定器と、時間測定器で測定された時間差を、これに対応するアドレスに変換するアドレス算出部と、アドレス算出部からアドレスが入力されるたびに、該当するアドレスのインデックス値が加算される記憶部と、アドレスごとのインデックス値に基づいて、対象物との距離を算出する演算部とを備え、間隔調整部は、出射時刻の間隔をランダムに設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、コヒーレント光を対象物へ出射し、対象物からの反射光に基づいて対象物との距離を算出する測距装置及び測距方法に関する。

特許文献１は光相関装置に関し、変調された送信信号を送信するとともに、この送信信号が対象物で反射され遅延した受信信号を受信し、さらに、信号の飛行時間を決定するために、送信信号と受信信号との間の相関ピークを識別するように、受信信号を複数の積分サイクル期間に渡って周期的に積分している。これにより光相関装置での干渉の低減を図っている。

特許文献２は、飛行時間測定システムにおける干渉除去方法に関し、周囲の全ての赤外線照明の変調周波数を測定し、測定された変調周波数の持続時間が、予め設定された閾値を超えた場合に、飛行時間測定システムの赤外線照明の変調周波数を調整する。これにより、周囲にある飛行時間測定システムとの間の干渉の除去を図っている。

米国公開特許２００８／０１７５５９６号公報 米国公開特許２０１４／０１５２９７４号公報

コヒーレント光を対象物へ出射し、その反射光に基づいて対象物との距離を測定する場合に、測定精度を確保するためには、環境光、及び、ほかの装置からのコヒーレント光などのノイズ光による干渉（妨害）を除去することが求められる。従来の装置においては、特許文献１のように、送信信号と受信信号の相関関係を計算したり、特許文献２のように出射光の周波数を変調することによって、干渉の除去を図っていた。しかし、特許文献１の装置において送信信号と受信信号の間の相関関係を計算するためには、長時間に渡って測定した大量のデータを保存する必要があることから、このようなデータを記憶するために大きな記憶容量のメモリーを要していた。また、ほかの装置からのコヒーレント光と区別するために周波数を変調するには、ほかの装置からのコヒーレント光の周波数を測定し、これを解析しなければならないことから、一定の期間に渡る測定データを記憶するために大きな記憶容量のメモリーを必要としていた。

そこで本発明は、対象物との距離の算出の基礎となるデータを記憶するために大きな記憶容量のメモリーを用意する必要がなく、かつ、確実にノイズ光との干渉を除去することができる測距装置を提供することを目的としている。また、本発明の目的は、液晶層を有する光変調ユニットを用いることにより、高速又は高頻度で距離を算出し、これによって、装置を搭載した自動車その他の移動体、又は、対象物の移動速度に拘わらずに、継続的に高精度で距離を測定することにある。

上記課題を解決するために、本発明の測距装置は、コヒーレント光を対象物へ出射する光源と、コヒーレント光の出射間隔を調整する間隔調整部と、対象物からの反射光を受光する受光部と、光源からの出射光の出射時刻から、この出射光に対応する反射光が受光部で受光された受光時刻までの時間差を測定する時間測定器と、時間測定器で測定された時間差を、これに対応するアドレスに変換するアドレス算出部と、アドレス算出部からアドレスが入力されるたびに、該当するアドレスのインデックス値が加算される記憶部と、アドレスごとのインデックス値に基づいて、対象物との距離を算出する演算部とを備え、間隔調整部は、出射時刻の間隔をランダムに設定することを特徴としている。

これにより、測定された時間差に対応するアドレスを算出し、記憶部においてアドレスのインデックス値を順次加算し、そしてアドレスごとのインデックス値に基づいて対象物との距離を算出することができるため、対象物との距離の算出の基礎となるデータを記憶するための記憶容量を小さく抑えることが可能となる。さらに、出射時刻の間隔をランダムに設定することにより、ノイズ光との判別ができ、確実にノイズ光による干渉を避けることが可能となる。

本発明の測距装置において、出射光を変調した変調光を対象物へ出射する光変調ユニットを備えることが好ましく、受光部は対象物で反射された変調光を受光し、時間測定器は、出射光の出射時刻から、この出射光の変調光に対応する反射光が受光部で受光された受光時刻までの時間差を測定することが好ましい。
これにより、光源からの出射間隔を短くすることができるため、記憶部におけるインデックス値の積算数を所定値より大きくすることができる。よって、ノイズ光による干渉をさらに抑えることができ、ＳＮ比の高い測定を行うことができる。また、出射間隔が短いため、高速又は高頻度で距離を算出することができることから、装置を搭載した自動車その他の移動体、又は、対象物の移動速度に拘わらずに、継続的に高精度で距離を測定することができる。また、変調光を用いることで太陽光等のノイズ光との区別が容易となる。

本発明の測距装置において、光変調ユニットは、液晶層を有する、液晶パネル又はＬＣＯＳであることが好ましい。
これにより、インデックス値の積算数を所定値より大きくとることができるため、ノイズ光による干渉の抑止効果をさらに高めることができ、ＳＮ比が高く、測定精度の高い測距装置を実現することができる。これに対して、光変調ユニットを用いない場合では積算数が上記所定値よりも小さくなるため、ノイズ光による干渉の抑止効果が小さくなり、距離の誤検出率が高くなってしまうおそれがある。

本発明の測距装置において、出射時刻の間隔は１０ｎｓ以上であることが好ましく、出射時刻の間隔の平均値は１００μｓ以下であるとよい。さらに、出射時刻の間隔の平均値は５μｓ未満であることが好ましい。
これにより、記憶部におけるインデックス値の積算数を所定値より大きくできるため、ＳＮ比の高い測距が可能となる。

本発明の測距装置において、記憶部のインデックス値が１ｓあたりに加算される回数の平均値は５００回／ｓ以上であることが好ましい。
これにより、記憶部におけるインデックス値の積算数を所定値より大きくできるため、ＳＮ比の高い測距が可能となる。

本発明の測距方法は、コヒーレント光を光源から対象物へ、ランダムな時間間隔で出射し、この出射光の出射時刻を測定する出射ステップと、対象物からの反射光を受光し、その受光時刻を測定する受光ステップと、出射時刻から受光時刻までの時間差を測定し、これに対応するアドレスに変換するアドレス算出ステップと、アドレスを取得するたびに、該当するアドレスのインデックス値が加算されるインデックス値加算ステップと、アドレスごとのインデックス値に基づいて、対象物との距離を算出する距離算出ステップとを備えることを特徴としている。

これにより、時間差に対応するアドレスを算出し、記憶部においてアドレスのインデックス値を順次加算し、そしてアドレスごとのインデックス値に基づいて対象物との距離を算出することができるため、対象物との距離の算出の基礎となるデータを記憶するための記憶容量を小さく抑えることが可能となる。さらに、出射時刻の間隔をランダムに設定することにより、ノイズ光との判別ができ、確実にノイズ光による干渉を避けることが可能となる。

本発明によると、対象物との距離の算出の基礎となるデータを記憶するために大きな記憶容量のメモリーを用意する必要がなく、かつ、確実にノイズ光との干渉を除去することができる測距装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る測距装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る測距装置を用いた測距の手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態に係る測距装置及び測距方法について図面を参照しつつ詳しく説明する。図1は、実施形態に係る測距装置の構成を示すブロック図である。図２は、測距装置を用いた測距の手順を示すフローチャートである。

＜測距装置＞
図１に示すように、本実施形態に係る測距装置は、制御部１０と、光源２１と、光変調ユニット２２と、時間測定器２３と、受光部２４と、演算部３０とを備える。さらに、制御部１０は、間隔調整部１１と、カウンター部１２とを備え、演算部３０は、アドレス算出部３１と記憶部３２とを備える。

光源２１は、コヒーレント光を出射する光源であって、例えば、ガウシアンビームを出射するレーザー光源である。また、光源２１からの出射光をコリメート光とし、光変調ユニット２２へ出射するコリメート光学系を備えることが好ましい。光源２１は、出射のタイミングに合わせて、出射通知信号を時間測定器２３へ出力する。
なお、上記出射通知信号に代えて、制御部１０が光源２１へ出射の指示信号を出したときに、同時に時間測定器２３へ通知信号を出力するようにしてもよい。

光変調ユニット２２は、光源２１からの出射光の光路に配置され、入射光を変調して出射する。光変調ユニット２２の態様としては、例えば、液晶層を有する、液晶パネル又はＬＣＯＳを用いると、出射時刻の間隔を短くすることができる。これによって、光源２１からの出射光が対象物Ｓで反射されて受光部２４に受光される、単位時間あたりの回数を大きくすることができる。したがって、光源２１からの出射光が対象物Ｓで反射又は散乱されて受光部２４に至る時間差及びこれに対応するアドレスと、測定ごとの時間差（各アドレスに対する頻度（インデックス値））との対応を示すマトリックスデータの取得回数を増やすことができることから、マトリックスデータから算出される対象物Ｓとの距離の信頼性を高め、高精度の測距を実行することが可能となる。

受光部２４は、各種の光センサを用いることができる。受光部２４は、対象物Ｓからの反射光が入射すると、そのタイミングで時間測定器２３へ受光通知信号を出力する。ここで、対象物Ｓからの反射光には、光源２１からの出射光が対象物Ｓの表面で散乱された散乱光を含む。

時間測定器２３は、光源２１からの出射通知信号を受けた時刻を出射時刻として、時間をゼロにリセットする。さらに、時間測定器２３は、受光部２４からの受光通知信号を受けた時刻を受光時刻として、出射時刻から受光時刻までの時間を時間差として測定する。測定された時間差は、演算部３０へ出力される。

演算部３０は、アドレス算出部３１と記憶部３２とを備える。アドレス算出部３１は、時間測定器２３から入力された時間差を、これに対応するアドレスに変換する。アドレスのリストは、あらかじめ記憶部３２に保存されており、アドレス算出部３１がアドレス変換を行うたびに、該当するアドレスの頻度を示すインデックス値が加算される。インデックス値は、カウンター部１２におけるカウント値をゼロとした測定開始時に、すべてのアドレスについてリセットされる。上記カウント値は、光源２１からの出射ごとに１ずつ加算され、予め定めた規定値に達したところで、測定が終了としたものとしてリセットされる。

演算部３０は、上記カウント値が規定値に達して測定が終了したときに、アドレスごとのインデックス値に基づいて、対象物Ｓとの距離を算出する。光変調ユニット２２からの出射光は、出射の時間間隔がランダムに設定され、かつ、変調されている（変調光である）ため、光源２１以外からの外光、例えば太陽光、とは容易に区別することができる。一方、ほかの測距装置からの出射光については、光源２１からの出射の間隔がランダムに設定されていることや、受光頻度の違いから、インデックス値が高いアドレスを特定すれば、そのインデックス値に対応するアドレスから時間差を特定でき、この時間差と光速から、対象物Ｓとの距離を算出することができる。

制御部１０は、間隔調整部１１とカウンター部１２とを備える。間隔調整部１１は、光源２１からのコヒーレント光の出射間隔をランダムに設定する。ランダムな出射間隔の設定は、例えばモンテカルロ法に基づいて行う。ここで、間隔調整部１１が設定するランダムな出射間隔には擬似ランダムな出射間隔も含まれる。疑似ランダムな出射間隔の設定は、例えば、準モンテカルロ法に基づいて行う。

制御部１０は、間隔調整部１１が設定した出射間隔にしたがって、光源２１に対して出射の指示信号（トリガー信号）を与える。

カウンター部１２は、光源２１からの出射のタイミングに合わせて、光源２１から信号を受けとりカウント値を１ずつ加算する。カウンター値は制御部１０内のメモリー（不図示）に記憶されており、予め定めた規定値に達したところでリセットされる。カウンター部１２は、カウンター値が規定値に達したところで、演算部３０に対して距離算出指示信号を出力する。この信号を受けた演算部３０では、その時点で記憶されている、アドレスごとのインデックス値に基づいて対象物Ｓとの距離を算出する。

（変形例）
間隔調整部１１とカウンター部１２は制御部１０とは独立した回路等として設けてもよい。アドレス算出部３１と記憶部３２も、演算部３０とは独立した回路等として設けてもよい。
また、間隔調整部１１は、光源２１の駆動制御回路にその機能を持たせることもできる。時間測定器２３は、制御部１０又は演算部３０にその機能を持たせてもよい。

次に、図２を参照して測距の処理手順について説明する。
間隔調整部１１は、光源２１に対して出射の指示信号を送出する（ステップＳ１）。この指示信号は、光源２１からのコヒーレント光の出射間隔がランダムになるように、間隔調整部１１で生成され、光源２１へ出力される。

指示信号を受けた光源２１は、コヒーレント光を対象物Ｓへ出射する（出射ステップ）（ステップＳ２）。光源２１は、出射のタイミングに合わせて、出射通知信号を時間測定器２３へ出力する。時間測定器２３は、出射通知信号を受けた時刻を出射時刻として、時間をゼロにリセットする（ステップＳ３）。

光源２１は、コヒーレント光出射のたびに、制御部１０のカウンター部１２に対して通知信号を出力する。カウンター部１２は、光源２１からの通知信号を受けるたびにカウント値を１ずつ加算する（ステップＳ４）。

受光部２４は、対象物Ｓからの反射光を受光すると、時間測定器２３に対して受光通知信号を送出する。時間測定器２３は、受光通知信号を受けた時刻を受光時刻として、出射時刻からの時間差を測定する（受光ステップ）（ステップＳ５）。

測定された時間差のデータは、演算部３０のアドレス算出部３１へ出力される。アドレス算出部３１は、入力された時間差を、これに対応するアドレスに変換する（アドレス算出ステップ）（ステップＳ６）。アドレスへの変換は、時間差に基づいて、予め記憶部３２に保存されたアドレスのリストを参照することにより実行される。アドレス算出部３１は、記憶部３２において、算出されたアドレスに対応するレジスターが保持するインデックス値を１ずつ加算する（インデックス値加算ステップ）（ステップＳ７）。

上記インデックス値の加算（ステップＳ７）が行われるたびに、制御部１０に対して通知信号が送出され、制御部１０のカウンター部１２は、カウント値が予め定めた規定値に到達したか否かを判別する（ステップＳ８）。規定値に達していない間（ステップＳ８でＮＯ）は、上記ステップＳ１〜Ｓ６までの処理を実行する。

一方、規定値に達したとき（ステップＳ８でＹＥＳ）は、記憶部３２から、アドレスとインデックス値の対応関係を示すデータを読み出し、このデータに基づいて対象物Ｓとの距離を算出する（距離算出ステップ）（ステップＳ９）。距離の算出後は、記憶部３２においてインデックス値を保持しているレジスターをリセットする（ステップＳ１０）。

（実施例１）
受光部２４として、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを使用した。このダイオードの出力を２値化した値に基づいて、時間差をアドレスに変換し、記憶部３２においてアドレスに対応するように格納されているインデックス値に加算する構成とした。光源２１からの出射間隔を一定とし、間隔調整部１１から光源２１へのトリガー信号により出射が開始される測定時間の間隔を２μｓとした。時間測定器２３の時間分解能を１２５ｐｓとした。この条件で測定できる距離の最大値、距離分解能、及び、時間方向の測定点数はそれぞれ次の通りとなる。
（１）距離の最大値：光速（３×１０^８（ｍ／ｓ））×２×１０^−６（ｓ）÷２＝３００（ｍ）
（２）距離分解能：光速（３×１０^８（ｍ／ｓ））×１２５×１０^−１２（ｓ）÷２≒０．０１９（ｍ）
（３）測定点数：２×１０^−６（ｓ）÷１２５×１０^−１２（ｓ）＝１６０００点

光変調ユニット２２として液晶パネルを用い、積算回数（インデックス値が１ｓあたりに加算される回数）は２５５回とした。この条件では、時間方向の各測定点の値の最大値は符号なし８ｂｉｔの整数で表現することができる。よって、記憶部３２において必要なメモリーの量は約１２８ｋｂｉｔとなる。メモリーの使用量をさらに削減するために、トリガー信号発生の平均間隔を３μｓとした。この条件で１つの測定点の測定に要する時間は７６５μｓとなる。

記憶部３２に必要なメモリーの量は、測定できる距離の最大値や時間分解能に依存する。例えば、測定できる距離の最大値を２５０ｍ、時間分解能を４０７ｐｓとすると、必要なメモリーの量は約３２ｋｂｉｔまで削減することができる。

（比較例１）
受光部２４として、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを使用した。このダイオードの出力を２値化した値に基づいて時間差を算出し、その時間差をそのまま記憶部３２に格納する構成とした。時間測定器２３の時間分解能は１２５ｐｓとした。１つの測定点の測定に要する時間は、実施例１と同じく７６５μｓとした。この場合に必要なメモリーの量は約５．８Ｇｂｉｔとなった。

（実施例２）
光源２１からの出射間隔をランダムとし、その出射間隔はモンテカルロ法で設定した。光源２１からの出射光との時間差を距離と光速から算出し、その時間差に対してランダムに複数の妨害光が入射する条件とした。

シミュレーションに用いる装置の構成は以下とした。受光部２４として、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードアレイを使用した。そのアレイサイズは１０ｍｍ×１０ｍｍとした。このアレイに含まれるフォトダイオードの性能は全て同一で、量子収率７％、不感時間１．５ｎｓとした。このフォトダイオードの出力を２値化し、記憶部３２に格納されているインデックス値に加算する構成とした。加算が行われる記憶部３２において設定されたアドレスは、１２５ｐｓの分解能で測定された時間差と１対１で対応するものとした。

光源２１は、光出力１００Ｗ、波長９０６ｎｍの単色のコヒーレント光とした。光源２１の発光の時間プロファイルは、パルス幅５ｎｓの矩形前後に、立ち上がり時間１ｎｓ、立ち下がり時間１ｎｓの指数関数に従って強度が変化する成分を付加したものとした。光源２１からの出射光の広がりは７°とした。

妨害光（ノイズ光）として、太陽光等に由来する背景光、近傍に存在するＬＩＤＡＲが同一の対象物に照射した光の散乱光、近傍に存在するＬＩＤＡＲの発光が直接受光器へ入射したものの３つを考慮した。ここで、ＬＩＤＡＲは、Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ又はＬａｓｅｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇであり、レーザー照射に対する散乱光に基づいて測距等を行う装置である。

上記背景光は、全ての条件で、照度で定義されるエネルギーの０．５％が受光部２４へ入射するとした。照度は、約１４００００ｌｘ（真夏晴天時の昼間）、約３５０００ｌｘ（晴天時午後３時程度の明るさ）、約７０００ｌｘ（曇天時夕方）、約４００ｌｘ（夜間街灯照明下）の４つの条件とした。

近傍に存在するＬＩＤＡＲが発する光は、いずれも、出力５０Ｗ、波長９０６ｎｍの単色光とした。その発光は、パルス幅５ｎｓの矩形前後に、立ち上がり時間１ｎｓ、立ち下がり時間１ｎｓの指数関数に従って強度が変化する時間プロファイルを持ち、光の広がりは０．０１°とした。

ＬＩＤＡＲで認識する対象物は、フォトダイオード１個がカバーする範囲よりも大きいサイズとした。上記対象物の反射率は、全ての光に対して１０％とし、この反射光は２πｓｒの範囲に均一に散乱されることとした。

実施例２の測距装置（以下「自ＬＩＤＡＲ」と言う。）が認識する時間差は、一定回数の発光後、１ｎｓあたりの積分値が最大となる時間を採った。この積分値に閾値は設けなかった。この条件で、自ＬＩＤＡＲが認識した距離が、実際の対象物との距離と１ｍ以上の誤差が出た場合を測定失敗と定義した。

本シミュレーションの結果を表１と表２にまとめた。
表１は、背景光による照度（背景照度）を変えたときの、対象物までの距離の検出結果（検出距離）を示す表である。表１に示すように、背景光の強度が検出距離に大きな影響を及ぼすことが分かった。

表２は、背景光による照度１４００００ｌｘ（ルクス）、対象物との距離１００ｍとした条件において、積算数を変えた場合の誤検出率の測定結果を示す表である。表２に示すように、対象物が１００ｍにある場合で、２５５回の積算でほぼ誤検知無く距離の測定ができることが分かった。これに対して積算数が１００以下で小さくなるほど誤検出率が高くなっている。よって、記憶部におけるインデックス値の積算数としては２５５回（所定値）以上であることが好ましく、２５５回未満ではノイズ光による干渉が増えることが分かった。さらに、記憶部３２のインデックス値が１ｓあたりに加算される回数の平均値は５００回／ｓ以上であることが好ましい。

本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的又は本発明の思想の範囲内において改良又は変更が可能である。

以上のように、本発明に係る測距装置は、対象物との距離の算出の基礎となるデータを記憶するために大きな記憶容量のメモリーを用意する必要がなく、かつ、確実にノイズ光との干渉を除去することができる点で有用である。

１０ 制御部
１１ 間隔調整部
１２ カウンター部
２１ 光源
２２ 光変調ユニット
２３ 時間測定器
２４ 受光部
３０ 演算部
３１ アドレス算出部
３２ 記憶部
Ｓ 対象物

Claims (8)

1. コヒーレント光を対象物へ出射する光源と、
   前記コヒーレント光の出射間隔を調整する間隔調整部と、
   前記対象物からの反射光を受光する受光部と、
   前記光源からの出射光の出射時刻から、この出射光に対応する前記反射光が前記受光部で受光された受光時刻までの時間差を測定する時間測定器と、
   前記時間測定器で測定された前記時間差を、これに対応するアドレスに変換するアドレス算出部と、
   前記アドレス算出部から前記アドレスが入力されるたびに、該当するアドレスのインデックス値が加算される記憶部と、
   前記アドレスごとの前記インデックス値に基づいて、前記対象物との距離を算出する演算部とを備え、
   前記間隔調整部は、前記出射時刻の間隔をランダムに設定することを特徴とする測距装置。
2. 前記出射光を変調した変調光を前記対象物へ出射する光変調ユニットを備え、
   前記受光部は前記対象物で反射された前記変調光を受光し、
   前記時間測定器は、前記出射光の出射時刻から、この出射光の前記変調光に対応する前記反射光が前記受光部で受光された受光時刻までの時間差を測定する請求項１に記載の測距装置。
3. 前記光変調ユニットは、液晶層を有する、液晶パネル又はＬＣＯＳである請求項２に記載の測距装置。
4. 前記出射時刻の間隔は１０ｎｓ以上である請求項２又は請求項３に記載の測距装置。
5. 前記出射時刻の間隔の平均値は１００μｓ以下である請求項４に記載の測距装置。
6. 前記出射時刻の間隔の平均値は５μｓ未満である請求項５に記載の測距装置。
7. 前記記憶部の前記インデックス値が１ｓあたりに加算される回数の平均値は５００回／ｓ以上である請求項５又は請求項６に記載の測距装置。
8. コヒーレント光を光源から対象物へ、ランダムな時間間隔で出射し、この出射光の出射時刻を測定する出射ステップと、
   前記対象物からの反射光を受光し、その受光時刻を測定する受光ステップと、
   前記出射時刻から前記受光時刻までの時間差を測定し、これに対応するアドレスに変換するアドレス算出ステップと、
   前記アドレスを取得するたびに、該当するアドレスのインデックス値が加算されるインデックス値加算ステップと、
   前記アドレスごとの前記インデックス値に基づいて、前記対象物との距離を算出する距離算出ステップとを備えることを特徴とする測距方法。