JP2021076517A - 距離測定装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】距離測定精度を向上させる。【解決手段】距離測定装置1は、照射部2と、受光アレイ部3と、計数部4と、信号処理部5とを備える。照射部2は、パルス状のパルス光を照射する。受光アレイ部3は、フォトンの入射によってパルス信号を出力する複数の光検知器31を備える。計数部4および信号処理部5は、光量の時間変化を示す画素ヒストグラムを作成する。信号処理部5は、画素ヒストグラムに基づいて、背景光ノイズフロアを算出する。信号処理部5は、画素ヒストグラムに基づいて、背景光標準偏差を算出する。信号処理部5は、背景光ノイズフロアと、背景光標準偏差とに基づいて、画素ヒストグラムにおいてパルス光を受光アレイ部3で検出したか否かを判断するための閾値を算出する。【選択図】図1

Description

本開示は、光を照射して、光を反射した物体までの距離を測定する距離測定装置に関する。
特許文献1には、光を照射し、物体からの反射光を受光することで、照射から受光までの時間を計測し、この時間に基づいて、光を反射した物体までの距離を測定する距離測定装置において、光を検出するために、ガイガーモードで動作する複数のアバランシェフォトダイオードを用いることが記載されている。
特許第5644294号公報
太陽光などの背景光が距離測定装置内に入射する場合において、背景光の光量が多くなると、背景光と、物体からの反射光とを分離し難くなり、背景光を物体からの反射光であると誤検出してしまったり、物体からの反射光を検出できなかったりして、距離測定精度が低下してしまう恐れがあった。
本開示は、距離測定精度を向上させることを目的とする。
本開示の一態様は、照射部(2)と、受光アレイ部(3)と、ヒストグラム作成部(4,S20,S30,S210〜S250)と、ノイズフロア算出部(S40,S280)と、ばらつき算出部(S50,S290)と、閾値算出部(S60,S300,S305)と、距離算出部(S70,S310)とを備える距離測定装置(1)である。
照射部は、パルス状のパルス光を照射するように構成される。受光アレイ部は、フォトンの入射によってパルス信号を出力する複数の光検知器(31)を備える。
ヒストグラム作成部は、受光アレイ部から出力される複数のパルス信号に従い、受光アレイ部で受光された光量の時間変化を示すヒストグラムを作成するように構成される。
ノイズフロア算出部は、ヒストグラム作成部により作成されたヒストグラムに基づいて、受光アレイ部により検出される背景光の受光レベルを示す背景光ノイズフロアを算出するように構成される。
ばらつき算出部は、ヒストグラム作成部により作成されたヒストグラムに基づいて、背景光ノイズフロアのばらつきの度合いを示すばらつきパラメータを算出するように構成される。閾値算出部は、ノイズフロア算出部により算出された背景光ノイズフロアと、ばらつき算出部により算出されたばらつきパラメータとに基づいて、ヒストグラムにおいて照射部により照射されたパルス光を受光アレイ部で検出したか否かを判断するための閾値を算出するように構成される。
距離算出部は、閾値算出部により算出された閾値に基づいて、パルス光を反射した物体までの距離を算出するように構成される。
このように構成された本開示の距離測定装置は、背景光ノイズフロアと、背景光ノイズフロアのばらつきパラメータとに基づいて、閾値を算出する。このため、本開示の距離測定装置は、背景光ノイズフロアのばらつきの大きさ(すなわち、背景光ノイズフロアの標準偏差の大きさ)に応じて、閾値を変化させることができる。これにより、本開示の距離測定装置は、背景光を物体で反射したパルス光(以下、反射光)であると誤検出してしまったり、物体からの反射光を検出できなかったりする事態の発生を抑制し、距離測定精度を向上させることができる。
距離測定装置の構成を示すブロック図である。 受光アレイ部および光検知器の構成を示す図である。 第1実施形態のヒストグラムの具体例を示す図である。 第1実施形態の距離測定処理を示すフローチャートである。 第2実施形態の距離測定処理を示すフローチャートである。 第2実施形態のヒストグラムの具体例を示す図である。 第3実施形態の距離測定処理を示すフローチャートである。 第3実施形態の閾値テーブルの構成を示す図である。 別の実施形態の閾値テーブルの構成を示す図である。
[第1実施形態]
以下に本開示の第1実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態の距離測定装置1は、車両に搭載され、車両の周辺に存在する各種物体までの距離を測定する。
距離測定装置1は、図1に示すように、照射部2と、受光アレイ部3と、計数部4と、信号処理部5とを備える。
照射部2は、パルス状のレーザ光を、予め設定された間隔で繰り返し照射するとともに、その照射タイミングを計数部4および信号処理部5に通知する。以下、レーザ光を照射する周期を、計測周期という。
受光アレイ部3は、複数の画素ユニットP1,P2,・・・,Pkを有する。kは2以上の整数である。各画素ユニットPiは、それぞれN個の光検知器31を備える。Nは2以上の整数である。光検知器31は、フォトンが入射すると、予め設定されたパルス幅を有するパルス信号を出力する。
計数部4は、複数の加算器A1,A2,・・・,Akと、複数のヒストグラムメモリM1,M2,・・・,Mkとを備える。
加算器A1,A2,・・・,Akはそれぞれ、画素ユニットP1,P2,・・・,Pkに接続される。加算器Aiは、画素ユニットPiを構成するN個の光検知器31から入力しているパルス信号の合計値(以下、パルス入力個数)を示す加算信号を出力する。iは1からkまでの整数である。
ヒストグラムメモリM1,M2,・・・,Mkはそれぞれ、加算器A1,A2,・・・,Akに接続される。そしてヒストグラムメモリMiは、照射部2から通知された直近の照射タイミングを起点として予め設定された取得周期が経過する毎に、加算器Aiから入力している加算信号が示すパルス入力個数を、直近の照射タイミングから取得周期が到来した回数に対応付けて記憶する。またヒストグラムメモリM1,M2,・・・,Mkは、信号処理部5に接続される。
信号処理部5は、CPU51、ROM52およびRAM53等を備えたマイクロコンピュータを中心に構成された電子制御装置である。マイクロコンピュータの各種機能は、CPU51が非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、ROM52が、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムの実行により、プログラムに対応する方法が実行される。なお、CPU51が実行する機能の一部または全部を、一つあるいは複数のIC等によりハードウェア的に構成してもよい。また、信号処理部5を構成するマイクロコンピュータの数は1つでも複数でもよい。
図2に示すように、受光アレイ部3は、複数の画素ユニットP1,P2,・・・,Pkを2次元行列状に配列すること形成された受光面3aを備える。
光検知器31は、SPAD61と、クエンチ抵抗62と、反転回路63と、Dフリップフロップ回路(以下、DFF回路)64と、遅延回路65とを備える。SPADは、Single Photon Avalanche Diodeの略である。
SPAD61は、ガイガーモードで動作し、単一フォトンの入射を検出することができるアバランシェフォトダイオードである。SPAD61は、アノードが負電源に接続され、カソードがクエンチ抵抗62を介して正電源に接続される。クエンチ抵抗62は、SPAD61に逆バイアス電圧を印加する。またクエンチ抵抗62は、SPAD61にフォトンが入射してSPAD61がブレイクダウンしたときに、SPAD61に流れる電流により発生する電圧降下によって、SPAD61のガイガー放電を停止させる。なお、クエンチ抵抗62には、所定の抵抗値を有する抵抗素子、或いは、ゲート電圧によってオン抵抗を設定可能なMOSFET等が用いられる。
SPAD61のカソードには反転回路63が接続される。SPAD61がブレイクダウンしていない状態では、反転回路63の入力はハイレベルである。SPAD61がブレイクダウンした状態では、クエンチ抵抗62に電流が流れることで、反転回路63の入力はロウレベルに変化する。DFF回路64は、反転回路63の出力がロウレベルからハイレベルに変化する立上がりエッジで出力がハイレベルに変化する。DFF回路64の出力は、遅延回路65を介してDFF回路64のリセット端子に接続される。遅延回路65は、DFF回路64の出力を、信号レベルを反転させ、かつ、予め設定された遅延時間だけ遅延させてリセット端子に入力させる。これにより、DFF回路64の出力は、ハイレベルに変化してから遅延時間が経過すると、DFF回路64がリセットされることにより、ロウレベルに変化する。
ヒストグラムメモリMiに記憶される記憶データにより作成される画素ヒストグラムは、図3に示すように、直近の照射タイミングを起点とした時間を横軸とし、パルス入力個数を縦軸として、パルス入力個数の時間変化を示すヒストグラムである。縦軸の最大値は、Nである。
画素ヒストグラムは、パルス入力個数を時間ビンTbin毎に示す。時間ビンTbinは、画素ヒストグラムの単位目盛りとなる時間範囲である。時間ビンTbinの長さは、上記の取得周期に等しい。
時間ビンTbinは、直近の照射タイミングから近い順に、1,2,3,・・・・・と識別番号が付されている。そして、識別番号が1からmまでの時間ビンTbinは、背景光ノイズフロア算出期間Tbに対応する。識別番号が(m+1)以降の時間ビンTbinは、距離算出期間Trに対応する。mは2以上の整数である。
図3に示す画素ヒストグラムにおけるバーB1,B2,B3の高さは、物体で反射した光と背景光とによるパルス入力個数を示す。一方、バーB1,B2,B3以外のバーの高さは、背景光によるパルス入力個数を示す。
次に、信号処理部5のCPU51が実行する距離測定処理の手順を説明する。距離測定処理は、照射部2がレーザ光を照射しているときにおいて計測周期が経過する毎に繰り返し実行される処理である。
距離測定処理が実行されると、CPU51は、図4に示すように、S10にて、RAM53に設けられた画素指示値iに1を格納する。
CPU51は、S20にて、ヒストグラムメモリMiから記憶データを取得する。
CPU51は、S30にて、S20で取得した記憶データを用いて、i番目の画素ユニットPiの画素ヒストグラムを作成する。
CPU51は、S40にて、背景光ノイズフロアBGNDを算出する。背景光ノイズフロアは、照射部2から照射されたレーザ光が受光アレイ部3により受光されていないときにおいて受光アレイ部3により検出される光(すなわち、背景光)の受光レベルである。具体的には、CPU51は、識別番号がjの時間ビンTbinに対応するパルス入力個数をBGND_jとして、下式(1)により、背景光ノイズフロアBGNDを算出する。
Figure 2021076517
CPU51は、S50にて、背景光標準偏差σ_BGNDを下式(2)により算出する。
Figure 2021076517
ここで、背景光標準偏差σ_BGNDを式(2)により算出することができる理由を説明する。
背景光標準偏差σ_BGNDで用いる光検知器31のパラメータは理論的には二項分布の定義式に基づいている。
2つのパラメータn,pで定まる二項分布の確率密度関数は下式(3)で表される。下式(3)は、成功確率pの独立なベルヌーイ試行をn回試行したときにk回成功する確率を示す。
Figure 2021076517
この二項分布における期待値E[X]、分散V[X]および標準偏差σ[X]はそれぞれ、下式(4)、下式(5)および下式(6)で表される。
Figure 2021076517
成功確率pを、SPAD61が光で反応する確率とすると、1個のSPAD61の応答確率pは下式(7)で表される。また、試行回数nは下式(8)で表される。下式(7)または式(8)において、rは理想カウントレート、τP,τNPはSPAD61のデッドタイム、Aは応答したSPAD数(すなわち、背景光の期待値)、Nは1画素あたりのSPAD数である。
下式(7)で示すように、1個のSPAD61の応答確率pは、「N個のSPAD61のうちA個のSPAD61が応答する確率」と置き換えることが可能である。
Figure 2021076517
式(4)、式(7)および式(8)より、期待値E[X]は下式(9)で表される。式(1)は、識別番号が1からmまでの時間ビンTbinにおけるパルス入力個数の平均値を示しており、式(1)は下式(9)に相当する。
Figure 2021076517
式(6)、式(7)および式(8)より、標準偏差σ[X]は下式(10)で表される。下式(10)で示す標準偏差σ[X]は、式(2)で示す背景光標準偏差σ_BGNDに相当する。
Figure 2021076517
次にCPU51は、S60にて、閾値Thを下式(11)により算出する。下式(11)におけるaは、予め設定される誤検出許容係数である。誤検出許容係数aが大きくなるほど、背景光の検出を、物体で反射した光の検出であると誤検出してしまう頻度が減少する。
なお、図3に示す曲線D1は、平均値が背景光ノイズフロアBGNDであり、標準偏差が背景光標準偏差σ_BGNDである正規分布を示す。
Figure 2021076517
CPU51は、S70にて、S30で作成した画素ヒストグラムと、S60で算出した閾値Thとを用いて、光を反射した物体までの距離(以下、物体距離)を算出する。
具体的には、CPU51は、図3に示すように、まず、距離算出期間Trにおいて、パルス入力個数が閾値Th未満である状態から、パルス入力個数が閾値Th以上である状態へ遷移したときの時間ビンTbinを立ち上り時間ビンとして特定する。図3に示す画素ヒストグラムでは、バーB1に対応する時間ビンTbinが立ち上り時間ビンである。
さらにCPU51は、距離算出期間Trにおいて、パルス入力個数が閾値Th以上である状態から、パルス入力個数が閾値Th未満である状態へ遷移したときの時間ビンTbinを立ち下り時間ビンとして特定する。図3に示す画素ヒストグラムでは、バーB4に対応する時間ビンTbinが立ち下り時間ビンである。
さらにCPU51は、立ち上り時間ビンに対応する立ち上り時間と、立ち下り時間ビンに対応する立ち下り時間との中間の時間を信号検出時間として算出する。図3に示す画素ヒストグラムでは、照射タイミングからバーB1に対応する時間ビンTbinまでの時間Tuが立ち上り時間であり、照射タイミングからバーB4に対応する時間ビンTbinまでの時間Tdが立ち下り時間である。
そしてCPU51は、算出した信号検出時間に基づいて、物体距離を算出する。
S70の処理が終了すると、図4に示すように、CPU51は、S80にて、画素指示値iに格納されている値が全画素数k以上であるか否かを判断する。ここで、画素指示値iに格納されている値が全画素数k未満である場合には、CPU51は、S90にて、画素指示値iに格納されている値に1を加算した加算値を画素指示値iに格納して、S20に移行する。
一方、画素指示値iに格納されている値が全画素数k以上である場合には、CPU51は、距離測定処理を終了する。
このように構成された距離測定装置1は、照射部2と、受光アレイ部3と、計数部4および信号処理部5とを備える。
照射部2は、パルス状のパルス光を照射する。受光アレイ部3は、フォトンの入射によってパルス信号を出力する複数の光検知器31を備える。
計数部4および信号処理部5は、受光アレイ部3から出力される複数のパルス信号に従い、受光アレイ部3で受光された光量の時間変化を示す画素ヒストグラムを作成する。
信号処理部5は、作成された画素ヒストグラムに基づいて、受光アレイ部3により検出される背景光の受光レベルを示す背景光ノイズフロアBGNDを算出する。なお、信号処理部5は、照射部2により照射されたパルス光が受光アレイ部3により受光されていないときにおいて受光アレイ部3により検出される光の受光レベルを背景光ノイズフロアBGNDとして算出する。
信号処理部5は、作成された画素ヒストグラムに基づいて、背景光標準偏差σ_BGNDを算出する。信号処理部5は、算出された背景光ノイズフロアBGNDと、算出された背景光標準偏差σ_BGNDとに基づいて、画素ヒストグラムにおいて照射部2により照射されたパルス光を受光アレイ部3で検出したか否かを判断するための閾値Thを算出する。
信号処理部5は、算出された閾値Thに基づいて、パルス光を反射した物体までの距離を算出する。
このように距離測定装置1は、背景光ノイズフロアBGNDと、背景光標準偏差σ_BGNDとに基づいて、閾値Thを算出する。このため、距離測定装置1は、背景光ノイズフロアBGNDのばらつきの大きさ(すなわち、背景光標準偏差σ_BGNDの大きさ)に応じて、閾値Thを変化させることができる。これにより、距離測定装置1は、背景光を物体で反射したパルス光(以下、反射光)であると誤検出してしまったり、物体からの反射光を検出できなかったりする事態の発生を抑制し、距離測定精度を向上させることができる。
また受光アレイ部3は、複数の光検知器31が一つの画素を形成するように構成され、画素をk個備える。信号処理部5は、算出された背景光ノイズフロアBGNDと、一つの画素を構成する光検知器31の数Nとに基づいて、背景光標準偏差σ_BGNDを算出する。これにより、距離測定装置1は、背景光標準偏差σ_BGNDを簡便に算出することができ、信号処理部5の処理負荷を低減することができる。
以上説明した実施形態において、計数部4およびS20,S30はヒストグラム作成部としての処理に相当し、画素ヒストグラムはヒストグラムに相当し、S40はノイズフロア算出部としての処理に相当し、S50はばらつき算出部としての処理に相当し、背景光標準偏差σ_BGNDはばらつきパラメータに相当する。
また、S60は閾値算出部としての処理に相当し、S70は距離算出部としての処理に相当し、画素ユニットPiは画素に相当する。
[第2実施形態]
以下に本開示の第2実施形態を図面とともに説明する。なお第2実施形態では、第1実施形態と異なる部分を説明する。共通する構成については同一の符号を付す。
第2実施形態の距離測定装置1は、距離測定処理が変更された点が第1実施形態と異なる。
次に、第2実施形態の距離測定処理の手順を説明する。
第2実施形態の距離測定処理が実行されると、CPU51は、図5に示すように、S210にて、RAM53に設けられた加算回数Countに格納されている値に1を加算した加算値を加算回数Countに格納する。
CPU51は、S220にて、全てのヒストグラムメモリM1,M2,・・・,Mkから記憶データを取得する。
CPU51は、S230にて、S220で取得した記憶データを用いて、全ての画素ユニットP1,P2,・・・,Pkのそれぞれの積算画素ヒストグラムを作成する。
具体的には、まず、S220で取得したヒストグラムメモリM1の記憶データを用いて、画素ユニットP1の画素ヒストグラムを作成する。そして、作成した画素ユニットP1の画素ヒストグラムを、RAM53に記憶されている画素ユニットP1の積算画素ヒストグラムに加算する。すなわち、画素ユニットP1の画素ヒストグラムと、画素ユニットP1の積算画素ヒストグラムとについて、識別番号が同じ時間ビンTbinのパルス入力個数を加算して、この加算値を、新たな積算画素ヒストグラムのパルス入力個数とする。そして、画素ユニットP1について作成された新たな積算画素ヒストグラムをRAM53に記憶する。なお、画素ユニットP1の積算画素ヒストグラムがRAM53に記憶されていない場合には、作成した画素ユニットP1の画素ヒストグラムを新たな積算画素ヒストグラムとしてRAM53に記憶する。
CPU51は、画素ユニットP2,・・・,Pkについても、画素ユニットP1と同様にして、積算画素ヒストグラムを作成し、RAM53に記憶する。
CPU51は、S240にて、加算回数Countに格納されている値が上限回数n以上であるか否かを判断する。ここで、加算回数Countに格納されている値が上限回数n未満である場合には、CPU51は、距離測定処理を終了する。
一方、加算回数Countに格納されている値が上限回数n以上である場合には、CPU51は、S250にて、加算回数Countに0を格納する。
これにより、上限回数nだけ繰り返して画素ヒストグラムを加算した積算画素ヒストグラムが作成される。
全ての画素ユニットP1,P2,・・・,Pkのそれぞれの積算画素ヒストグラムは、図6に示すように、照射タイミングを起点とした時間を横軸とし、パルス入力個数を縦軸として、パルス入力個数の時間変化を示すヒストグラムである。縦軸の最大値は、N×nである。
積算画素ヒストグラムは、パルス入力個数を時間ビンTbin毎に示す。時間ビンTbinは、直近の照射タイミングから近い順に、1,2,3,・・・・・と識別番号が付されている。そして、識別番号が1からmまでの時間ビンTbinは、背景光ノイズフロア算出期間Tbに対応する。識別番号が(m+1)以降の時間ビンTbinは、距離算出期間Trに対応する。mは2以上の整数である。
図6に示す画素ヒストグラムにおけるバーB11,B12,B13の高さは、物体で反射した光と背景光とによるパルス入力個数を示す。一方、バーB11,B12,B13以外のバーの高さは、背景光によるパルス入力個数を示す。
S250の処理が終了すると、CPU51は、図5に示すように、S260にて、RAM53に設けられた画素指示値iに1を格納する。
CPU51は、S270にて、RAM53から画素ユニットPiの積算画素ヒストグラムを取得する。
CPU51は、S280にて、画素ユニットPiの積算画素ヒストグラムの背景光ノイズフロアBGND_nを算出する。具体的には、CPU51は、識別番号がjの時間ビンTbinに対応するパルス入力個数をBGND_n_jとして、下式(12)により、背景光ノイズフロアBGND_nを算出する。
Figure 2021076517
CPU51は、S290にて、背景光標準偏差σ_BGND_nを下式(13)により算出する。
Figure 2021076517
ここで、背景光標準偏差σ_BGND_nを下式(13)により算出することができる理由を説明する。
第2実施形態では、パルス入力個数を複数回繰り返して積算した積算画素ヒストグラムが作成されるため、試行回数nは下式(14)で表される。式(14)におけるCountは上記の加算回数である。
Figure 2021076517
式(4)、式(7)および式(14)より、期待値E[X]は下式(15)で表される。式(12)は、識別番号が1からmまでの時間ビンTbinにおけるパルス入力個数の平均値を示しており、式(12)は下式(15)に相当する。
Figure 2021076517
式(6)、式(7)および式(14)より、標準偏差σ[X]は下式(16)で表される。下式(16)で示す標準偏差σ[X]は、式(13)で示す背景光標準偏差σ_BGND_nに相当する。
Figure 2021076517
次にCPU51は、S300にて、閾値Th_nを下式(17)により算出する。なお、図6に示す曲線D2は、平均値が背景光ノイズフロアBGND_nであり、標準偏差が背景光標準偏差σ_BGND_nである正規分布を示す。
Figure 2021076517
CPU51は、S310にて、S270で取得した画素ユニットPiの積算画素ヒストグラムと、S300で算出した閾値Th_nとを用いて、物体距離を算出する。
具体的には、CPU51は、図6に示すように、まず、距離算出期間Trにおいて、パルス入力個数が閾値Th_n未満である状態から、パルス入力個数が閾値Th_n以上である状態へ遷移したときの時間ビンTbinを立ち上り時間ビンとして特定する。図6に示す積算画素ヒストグラムでは、バーB11に対応する時間ビンTbinが立ち上り時間ビンである。
さらにCPU51は、距離算出期間Trにおいて、パルス入力個数が閾値Th_n以上である状態から、パルス入力個数が閾値Th_n未満である状態へ遷移したときの時間ビンTbinを立ち下り時間ビンとして特定する。図6に示す積算画素ヒストグラムでは、バーB14に対応する時間ビンTbinが立ち下り時間ビンである。
さらにCPU51は、立ち上り時間ビンに対応する立ち上り時間と、立ち下り時間ビンに対応する立ち下り時間との中間の時間を信号検出時間として算出する。図6に示す積算画素ヒストグラムでは、照射タイミングからバーB11に対応する時間ビンTbinまでの時間Tuが立ち上り時間であり、照射タイミングからバーB14に対応する時間ビンTbinまでの時間Tdが立ち下り時間である。
そしてCPU51は、算出した信号検出時間に基づいて、物体距離を算出する。
S310の処理が終了すると、図5に示すように、CPU51は、S320にて、画素指示値iに格納されている値が全画素数k以上であるか否かを判断する。ここで、画素指示値iに格納されている値が全画素数k未満である場合には、CPU51は、S330にて、画素指示値iに格納されている値に1を加算した加算値を画素指示値iに格納して、S270に移行する。
一方、画素指示値iに格納されている値が全画素数k以上である場合には、CPU51は、S340にて、RAM53に記憶されている全ての画素ユニットP1,P2,・・・,Pkの積算画素ヒストグラムをRAM53から消去して、距離測定処理を終了する。
このように構成された距離測定装置1は、照射部2と、受光アレイ部3と、計数部4および信号処理部5とを備える。
照射部2は、パルス状のパルス光を照射する。受光アレイ部3は、フォトンの入射によってパルス信号を出力する複数の光検知器31を備える。
計数部4および信号処理部5は、受光アレイ部3から出力される複数のパルス信号に従い、受光アレイ部3で受光された光量の時間変化を示す積算画素ヒストグラムを作成する。
計数部4および信号処理部5は、照射部2がパルス光を照射してから受光アレイ部3がパルス光を検出するまでの光検出動作をn回実行することにより得られたn回の検出結果を積算することによって、積算画素ヒストグラムを作成する。
信号処理部5は、作成された積算画素ヒストグラムに基づいて、受光アレイ部3により検出される背景光の受光レベルを示す背景光ノイズフロアBGND_nを算出する。
信号処理部5は、作成された積算画素ヒストグラムに基づいて、背景光標準偏差σ_BGND_nを算出する。信号処理部5は、算出された背景光ノイズフロアBGND_nと、算出された背景光標準偏差σ_BGND_nとに基づいて、積算画素ヒストグラムにおいて照射部2により照射されたパルス光を受光アレイ部3で検出したか否かを判断するための閾値Th_nを算出する。
信号処理部5は、算出された閾値Th_nに基づいて、パルス光を反射した物体までの距離を算出する。
このように距離測定装置1は、背景光ノイズフロアBGND_nと、背景光標準偏差σ_BGND_nとに基づいて、閾値Th_nを算出する。このため、距離測定装置1は、背景光ノイズフロアBGND_nのばらつきの大きさ(すなわち、背景光標準偏差σ_BGND_nの大きさ)に応じて、閾値Th_nを変化させることができる。これにより、距離測定装置1は、背景光を反射光であると誤検出してしまったり、物体からの反射光を検出できなかったりする事態の発生を抑制し、距離測定精度を向上させることができる。
また受光アレイ部3は、複数の光検知器31が一つの画素を形成するように構成され、画素をk個備える。信号処理部5は、算出された背景光ノイズフロアBGND_nと、一つの画素を構成する光検知器31の数Nと、光検出動作をn回実行することにより得られたn回の検出結果を積算することにより作成された積算画素ヒストグラムの積算回数nとに基づいて、背景光標準偏差σ_BGND_nを算出する。これにより、距離測定装置1は、背景光標準偏差σ_BGND_nを簡便に算出することができ、信号処理部5の処理負荷を低減することができる。
また距離測定装置1は、n個の画素ヒストグラムを積算することによって、積算画素ヒストグラムを作成する。このようにして、1回の距離測定で用いるパルス光の数を増加させることにより、積算画素ヒストグラムにおけるSN比を向上させることができ、距離測定精度を更に向上させることができる。
以上説明した実施形態において、計数部4およびS210〜S250はヒストグラム作成部としての処理に相当し、積算画素ヒストグラムはヒストグラムに相当し、S280はノイズフロア算出部としての処理に相当し、S290はばらつき算出部としての処理に相当し、背景光標準偏差σ_BGND_nはばらつきパラメータに相当する。
また、S300は閾値算出部としての処理に相当し、S310は距離算出部としての処理に相当する。
[第3実施形態]
以下に本開示の第3実施形態を図面とともに説明する。なお第3実施形態では、第2実施形態と異なる部分を説明する。共通する構成については同一の符号を付す。
第3実施形態の距離測定装置1は、距離測定処理が変更された点が第2実施形態と異なる。
第3実施形態の距離測定処理は、図7に示すように、S300の代わりにS305の処理を実行する点が第2実施形態と異なる。
すなわち、S290の処理が終了すると、CPU51は、S305にて、ROM52に記憶されている閾値テーブルTB1を参照して、閾値Th_nを算出し、S310に移行する。
閾値テーブルTB1は、図8に示すように、背景光ノイズフロアBGND_nと閾値Th_nとの対応関係を設定する。具体的には、閾値テーブルTB1は、背景光ノイズフロアBGND_nが0,1,・・・,N×nであるときの閾値Th_nをそれぞれ、閾値th_BGND_0,th_BGND_1,・・・,th_BGND_N×nとして記憶する。閾値th_BGND_xは、下式(18)で算出される値である。xは、0からN×nまでの整数である。
Figure 2021076517
以上説明した実施形態において、S305は閾値算出部としての処理に相当する。
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
[変形例1]
例えば上記実施形態では、背景光ノイズフロアBGND,BGND_nを、背景光ノイズフロア算出期間Tbにおけるパルス入力個数の平均値として算出する形態を示した。しかし、背景光ノイズフロアBGND,BGND_nを、背景光ノイズフロア算出期間Tbにおけるパルス入力個数の中央値として算出するようにしてもよい。
[変形例2]
上記第3実施形態では、閾値テーブルTB1を参照して閾値Th_nを算出する形態を示した。しかし、第1実施形態の閾値Thを、図9に示す閾値テーブルTB2を参照することにより算出するようにしてもよい。閾値テーブルTB2は、図9に示すように、背景光ノイズフロアBGNDと閾値Thとの対応関係を設定する。具体的には、閾値テーブルTB1は、背景光ノイズフロアBGNDが0,1,・・・,Nであるときの閾値Thをそれぞれ、閾値th_BGND_0,th_BGND_1,・・・,th_BGND_Nとして記憶する。閾値th_BGND_yは、下式(19)で算出される値である。yは、0からNまでの整数である。
Figure 2021076517
[変形例3]
上記実施形態では、背景光ノイズフロア算出期間Tbにおけるパルス入力個数に基づいて背景光ノイズフロアBGND,BGND_nを算出する形態を示した。しかし、距離算出期間Trにおけるパルス入力個数も用いて背景光ノイズフロアBGND,BGND_nを算出するようにしてもよい。
本開示に記載の信号処理部5およびその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサおよびメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の信号処理部5およびその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の信号処理部5およびその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサおよびメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されてもよい。信号処理部5に含まれる各部の機能を実現する手法には、必ずしもソフトウェアが含まれている必要はなく、その全部の機能が、一つあるいは複数のハードウェアを用いて実現されてもよい。
上記実施形態における1つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、1つの構成要素が有する1つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、1つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される1つの機能を、1つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加または置換してもよい。
上述した距離測定装置1の他、当該距離測定装置1を構成要素とするシステム、当該距離測定装置1としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実体的記録媒体、距離測定方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。
1…距離測定装置、2…照射部、3…受光アレイ部、4…計数部、5…信号処理部、31…光検知器

Claims (4)

  1. パルス状のパルス光を照射するように構成された照射部(2)と、
    フォトンの入射によってパルス信号を出力する複数の光検知器(31)を備える受光アレイ部(3)と、
    前記受光アレイ部から出力される複数の前記パルス信号に従い、前記受光アレイ部で受光された光量の時間変化を示すヒストグラムを作成するように構成されたヒストグラム作成部(4,S20,S30,S210〜S250)と、
    前記ヒストグラム作成部により作成された前記ヒストグラムに基づいて、前記受光アレイ部により検出される背景光の受光レベルを示す背景光ノイズフロアを算出するように構成されたノイズフロア算出部(S40,S280)と、
    前記ヒストグラム作成部により作成された前記ヒストグラムに基づいて、前記背景光ノイズフロアのばらつきの度合いを示すばらつきパラメータを算出するように構成されたばらつき算出部(S50,S290)と、
    前記ノイズフロア算出部により算出された前記背景光ノイズフロアと、前記ばらつき算出部により算出された前記ばらつきパラメータとに基づいて、前記ヒストグラムにおいて前記照射部により照射された前記パルス光を前記受光アレイ部で検出したか否かを判断するための閾値を算出するように構成された閾値算出部(S60,S300,S305)と、
    前記閾値算出部により算出された前記閾値に基づいて、前記パルス光を反射した物体までの距離を算出するように構成された距離算出部(S70,S310)と
    を備える距離測定装置(1)。
  2. 請求項1に記載の距離測定装置であって、
    前記ノイズフロア算出部は、前記照射部により照射された前記パルス光が前記受光アレイ部により受光されていないときにおいて前記受光アレイ部により検出される光の受光レベルを前記背景光ノイズフロアとして算出する距離測定装置。
  3. 請求項1または請求項2に記載の距離測定装置であって、
    前記受光アレイ部は、複数の前記光検知器が一つの画素を形成するように構成され、前記画素を1つ以上備え、
    前記ばらつき算出部は、前記ノイズフロア算出部により算出された前記背景光ノイズフロアと、一つの前記画素を構成する前記光検知器の数と、前記照射部が前記パルス光を照射してから前記受光アレイ部が前記パルス光を検出するまでの光検出動作を1回または複数回実行することにより得られた検出結果を積算することにより作成された前記ヒストグラムの積算回数とに基づいて、前記ばらつきパラメータを算出する距離測定装置。
  4. 請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の距離測定装置であって、
    前記ヒストグラム作成部(4,S210〜S250)は、前記照射部が前記パルス光を照射してから前記受光アレイ部が前記パルス光を検出するまでの光検出動作を複数回実行することにより得られた前記複数回の検出結果を積算することによって、前記ヒストグラムを作成する距離測定装置。
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