JP3832101B2 - 距離測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離測定装置に関し、特にレーザ光を掃引照射して反射物体による反射光を検出し、レーザ光を照射したタイミングと反射光を検出したタイミングとの時間差に基づいて、反射物体までの距離または距離を表す物理量を算出する距離測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車などに取り付けられ、車両周囲の所定角度に渡り、レーザ光を断続的に照射して反射物体により反射された反射光を検出し、そのレーザ光を照射したタイミングと、反射光を検出したタイミングとの時間差を測定して、その時間差に基づいて反射物体までの距離を算出する距離測定装置が知られている。このような距離測定装置においては、広い検知エリアを確保するために、掃引照射範囲（スキャンエリア）を広げることが基本的には望ましい。
【０００３】
但し、スキャンエリアを広げると、反射光を検出する部分における受光素子部の面積を大きくする必要があり、例えば対向車線を走行している自動車に搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光を受光してしまったり、あるいは隣接レーンを走行している自動車に搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光の反射物体による反射光を受光してしまったりして、適切な距離測定が妨害されてしまうおそれがある。
【０００４】
そのため、例えば特開平７−９８３８１号公報においては、外乱光ノイズの影響を極力小さくする目的で次のような構成を採用している。つまり、受光する部分には複数の受光素子が配列されており、レーザ光の照射方向に応じて、複数の受光素子の内の一部のみを機能させることによって、実質的に受光する面積を小さくするのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、距離測定対象の２次元的な位置情報を得るために、受光素子をマトリックス状に配置することはもちろん、レーザ光の照射についても、２次元的に照射方向を変えていく必要があった。つまり、レーザ光を車幅方向の所定角度に渡って照射するための機構と、レーザ光を車高方向の所定角度に渡って照射するための機構の両方が必要となり、複雑な構成となってしまう。例えば、レーザ光を照射用ミラーにて反射させて照射するのであれば、そのミラーを車幅方向及び車高方向の２方向に回動させる機構が必要であり、また、その回動させるための制御も複雑となる。
【０００６】
そこで、本発明は、スキャン方式は１次元のままでありながら、２次元の位置情報を得ることのできる距離測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達するためになされた請求項１記載の距離測定装置によれば、掃引照射したレーザ光が反射物から反射されて来た反射光を検出する。そして、レーザ光を照射してから反射光を検出するまでの時間差を計測し、その計測した時間差に基づいて反射物までの距離または距離を表す物理量を算出する。ここで、掃引照射されるレーザ光は、その光ビームの断面が掃引方向に対して垂直方向に長く設定されている。また、少なくとも掃引方向に垂直な方向に複数の受光素子が配置された受光素子部を備えていると共に、その掃引方向に垂直な方向に配置された受光素子群については、受光素子の機能の発揮の有無を個別に制御可能に構成されている。そして、掃引方向に垂直な方向での検出対象位置に応じ、機能を発揮させる受光素子を切替選択する。
【０００８】
掃引照射されるレーザ光については、その光ビームの断面が掃引方向に対して垂直方向に長く設定されており、一方、受光素子群については、レーザ光の掃引方向に垂直な方向には複数の受光素子が配置されているため、レーザ光断面の長手方向に複数の受光素子が対応するよう配置される。そして、レーザ光の掃引方向に垂直な方向、すなわちレーザ光断面の長手方向に対応するよう配置された受光素子群については、受光素子の機能の発揮の有無を個別に制御可能に構成されており、掃引方向に垂直な方向での検出対象位置に応じて、機能を発揮させる受光素子を切替選択する。そのため、レーザ光の掃引操作は１次元的でありながら、その方向に垂直な方向についての位置情報も得ることができる。したがって、掃引方向に基づき、掃引方向についての位置情報も得れば、測定対象物の２次元的な位置情報を得ることができるのである。
また、外乱光ノイズの影響除去の観点からすれば、必要な受光素子のみ機能発揮させるのはもちろん、その必要な受光素子の領域が極力小さい方がよい。しかし、集光レンズの焦点位置が受光素子部の中央に設定されていると、どうしても受光素子部の周辺部分でのスポットサイズが大きくなってしまう。そこで、本願発明においては、次のような工夫を施している。すなわち、反射光検出手段が受光素子部に対して反射光を集光するための集光レンズを備えており、その集光レンズと受光素子部の中央部分との距離である第１の距離が集光レンズの焦点距離よりも短くなるよう配置している。このようにすれば、受光素子部の中央部分でのスポットサイズは相対的に大きくなるが、逆に受光素子部の周辺部分でのスポットサイズは相対的に小さくなる。なお、この場合、受光素子部の中央部分でのスポットサイズが周辺部分でのスポットサイズよりも大きくなってしまうのは好ましくないので、そこまでは焦点位置をずらさないこととする。
但し、実際には、受光素子部の周辺部分よりも中央部分にて検知される情報の頻度や重要度の方が高いことが多いと考えられるので、「中央部分でのスポットサイズ＜周辺部分でのスポットサイズ」に設定することが多いと考えられる。つまり、ここでの技術思想を要約して言えば、受光素子部の中央部分に焦点位置があると周辺部分でのスポットサイズが大きくなりすぎるので、それを緩和するために焦点位置をずらすということである。
【０００９】
また、請求項２に示すように、レーザ光の照射方向にも応じて、機能を発揮させる受光素子を切替選択するようにすれば、外乱光ノイズの影響を極力小さくできるという利点も併せ持つことができる。例えば上述した対向車線を走行している自動車に搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光や隣接レーンを走行している自動車に搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光の反射物体による反射光、あるいは太陽光などの影響を極力小さくすることができ、その結果、適切な距離測定を実現できる。
【００１０】
ところで、上述したように、受光素子群については、レーザ光の掃引方向に垂直な方向には少なくとも複数の受光素子が配置されていることが必要であるが、レーザ光の掃引方向自体には、複数の受光素子が配置されていることが必須要件ではない。但し、掃引方向及び当該方向に垂直な方向に複数の受光素子が行列状に配置された受光素子部を備えるようにすれば、２次元座標位置として処理できるため、便利である。
【００１１】
その場合には、例えば請求項３に示すような反射光検出手段とすることができる。すなわち、行列状に配置された受光素子部の行単位及び列単位で受光素子の機能の発揮の有無を切り替える選択スイッチとを備え、それら行単位及び列単位の選択スイッチが両方とも機能発揮側になっている場合にのみ、該当する受光素子の機能が発揮されるよう構成するのである。また、請求項４に示すように、行列状に配置された受光素子毎に機能の発揮の有無を切り替える受光素子選択スイッチを備え、受光素子を個別に制御可能に構成してもよい。
【００１２】
なお、請求項３のように行列単位の選択スイッチの場合には、選択スイッチの数が行数（ｍ）＋列数（ｎ）で済むが、請求項４のように受光素子選択スイッチの場合には、選択スイッチの数が受光素子数、すなわち行数（ｍ）×列数（ｎ）だけ必要である。しかし、請求項３のように行列単位の選択スイッチの場合には、機能を発揮させる領域を矩形形状でしか選択することができないが、請求項４の場合には、どのような形状の領域も選択できるため、真に必要な受光素子のみを機能発揮させる点ではより好ましい。これは、外乱光ノイズの影響除去の点でも好ましい。
【００１３】
このように、受光素子の必要な受光素子のみ機能発揮させるという観点からすれば、次に示す集光レンズによる影響を考慮することが好ましい。この集光レンズは、受光素子部に対して反射光を集光するためのレンズであり、受光素子部に対して１つだけ設けられている。したがって、集光レンズの焦点位置が受光素子部の中央に設定されている場合には、反射光のスポットのサイズが、受光素子部の中央部分では小さいが、周辺部分に行くほど大きくなってしまう。そこで、請求項５に示すように、切替選択手段が、受光素子の機能を発揮させる領域に関し、受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方が大きくなるよう切替選択することによって、外乱光ノイズの影響を極力防止できると共に、常に良好な感度を保つことができる。
【００１４】
そして、受光素子の機能を発揮させる領域を、受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方が大きくなるようにする際には、例えば請求項６に示すように、受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方の受光素子を大きなサイズに形成することが考えられる。つまり、予めスポットサイズに併せた受光素子サイズとしておくことで、上述した行列単位の選択スイッチ（請求項３参照）あるいは受光素子選択スイッチ（請求項４参照）の数を減らすことができる。その結果、切替制御に係るロジック部の簡素化や、ＩＣ化した場合のピン数や配線数の削減という利点が得られる。
【００１５】
また、請求項７に示すように、切替選択手段が、選択する受光素子数に関し、受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方が多くなるよう切替選択するようにしてもよい。この場合には、受光素子サイズが等しいタイプの受光素子部であれば当然適用できるし、さらには、請求項６に示したように、受光素子サイズが等しくないタイプの受光素子部であっても適用できる。
【００１６】
ところで、外乱光ノイズの影響除去の観点からすれば、必要な受光素子のみ機能発揮させるのはもちろん、その必要な受光素子の領域が極力小さい方がよい。しかし、集光レンズの焦点位置が受光素子部の中央に設定されていると、どうしても受光素子部の周辺部分でのスポットサイズが大きくなってしまう。そこで、次のような工夫をすることも好ましい。すなわち、請求項８に示すように、集光レンズと前記受光素子部の中央部分との距離である第１の距離が集光レンズの焦点距離よりも短くなるよう配置することによって、集光レンズと受光素子部の最外周部分との距離である第２の距離を、焦点距離に相対的に近づけるのである。このようにすれば、受光素子部の中央部分でのスポットサイズは相対的に大きくなるが、逆に受光素子部の周辺部分でのスポットサイズは相対的に小さくなる。なお、この場合、受光素子部の中央部分でのスポットサイズが周辺部分でのスポットサイズよりも大きくなってしまうのは好ましくないので、そこまでは焦点位置をずらさないこととする。したがって、請求項９に示すように、焦点距離に対する第１の距離のずれ量の絶対値が、焦点距離に対する前記第２の距離のずれ量の絶対値と等しくなるよう配置した状態が限界である。
【００１７】
但し、実際には、受光素子部の周辺部分よりも中央部分にて検知される情報の頻度や重要度の方が高いことが多いと考えられるので、「中央部分でのスポットサイズ＜周辺部分でのスポットサイズ」に設定することが多いと考えられる。つまり、ここでの技術思想を要約して言えば、受光素子部の中央部分に焦点位置があると周辺部分でのスポットサイズが大きくなりすぎるので、それを緩和するために焦点位置をずらすということである。
【００１８】
なお、この距離測定装置は、例えば請求項８に示すように車両に搭載されて用いられることを前提とし、前記レーザ光の掃引方向が車幅方向あるいは車高方向であることが考えられる。このように設定すると、距離測定に際して、測定対象物の位置が、車幅方向及び車高方向の２次元位置として得られるため、処理が容易となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、実施の形態の距離測定装置１を表す概略構成図である。なお、本実施の形態の距離測定装置１は、自動車に搭載されて前方の車両や障害物等の反射物体を検出するためのものである。
【００２０】
本距離測定装置１は、送受信部３１と演算部３３とを主要部として次のように構成されている。図１に示すように、送受信部３１は、パルス状のレーザ光Ｈを、スキャン機構部３５を介して放射する半導体レーザダイオード（以下、単にレーザダイオードと称する。）３９と、図示しない反射物体としての障害物に反射されたレーザ光Ｈを受光レンズ４１を介して受光し、そのパルス状の強度変化に対応する電圧変化を出力する受光素子部４３とを備えている。
【００２１】
レーザダイオード３９はＬＤ駆動部４０を介して演算部３３に接続され、演算部３３からのトリガー信号としての駆動信号によりレーザ光Ｈを放射（発光）する。また、スキャン機構部３５は、絞り４５、投光レンズ４６、ミラー４７及びスキャナ４９を備えており、レーザダイオード３９から放射されたレーザ光Ｈは絞り４５によって断面が略長方形状の光ビームとされ、投光レンズ４６によって光ビームの断面がさらに細長くされる。そして、そのレーザ光Ｈは、スキャナ４９によって揺動されるミラー４７を介して掃引照射される。本実施形態においては、このレーザ光Ｈは、車両の前方において、車幅方向の水平面内の所定角度に渡り掃引照射される。
【００２２】
なお、本実施形態のスキャン機構部３５によるスキャンエリアは、縦方向（車高方向）が４ｄｅｇ、横方向（車幅方向）が１６ｄｅｇの矩形領域であり、スキャナ４９は、横方向（車幅方向）の１６ｄｅｇ分が確保できるようにミラー４７を揺動してレーザ光Ｈを掃引照射する。一方、縦方向（車高方向）にはスキャンしない。その代わりに、絞り４５及び投光レンズ４６によって光ビームの断面が略長方形状とされたレーザ光Ｈは、その光ビームの断面形状自体が、縦方向（車高方向）の４ｄｅｇ分を確保できるような縦長形状に形成されている。
【００２３】
一方、受光素子部４３は、受光レンズ４１を介して受光したレーザ光Ｈのパルス状の強度変化に対応する電圧変化を出力するフォトダイオード（ＰＤ）のセルが行列状に配置されている。本実施形態においては、上述したスキャンエリア（縦方向（車高方向）４ｄｅｇ、横方向（車幅方向）１６ｄｅｇ）が確保できるように縦方向（車高方向）及び横方向（車幅方向）に所定数ずつ配置されたＰＤマトリックスとして構成されている。
【００２４】
そして、図２に示すように、そのＰＤマトリックスの行単位で各ＰＤセルの機能の発揮の有無を切り替える垂直方向選択スイッチ５１と、列単位で各ＰＤセルの機能の発揮の有無を切り替える水平方向選択スイッチ５２とを備えている。そして、これら垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２が両方とも機能発揮側になっている場合にのみ、該当するＰＤセルの機能が発揮されるよう構成されている。したがって、これら垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２がセル選択部５０を構成する。なお、図２においては、垂直方向選択スイッチ５１の場合はスイッチが開いている状態が機能発揮側であり、逆に水平方向選択スイッチ５２の場合はスイッチが閉じている状態が機能発揮側である。
【００２５】
受光素子部４３の出力電圧は、アンプ５３を介して時間計測回路６１へ入力される。なお、アンプ５３に入力させる前に、例えばＳＴＣ（Sensitivity Time Control）回路を介して所定レベルに増幅されてもよい。受信信号強度は目標物までの距離の４乗に反比例するため、近距離にリフレクタ等の反射率の高いものがあり受光強度がきわめて強くなった場合を補償する点でこのＳＴＣ回路は好ましい。
【００２６】
時間計測回路６１には、演算部３３からＬＤ駆動部４０へ出力される駆動信号も入力され、上記駆動信号をスタートパルスＰＡ、上記受光信号をストップパルスＰＢとし、２つのパルスＰＡ，ＰＢ間の位相差（すなわち入力時間差）を２進デジタル信号に符号化して、その値を演算部３３へ入力する。この時間計測回路６１は、微小時間を数値化することができ、放射されたレーザ光Ｈ１発に対して複数の受光信号があってもそれぞれの信号についての時間差を検出することができるものである。なお、このことを「マルチラップが可能である」と表現し、またこのようにして得たデータをマルチラップデータと表現している。
【００２７】
演算部３３は、時間計測回路６１からの時間差データと、そのときのミラー４７の揺動角に基づき、障害物までの距離および方向を算出する。なお、演算部３３には図示しない車速センサからの車速信号も入力している。
次に、このように構成された距離測定装置１の作動について説明する。
【００２８】
まず、距離測定の概略について説明する。演算部３３がＬＤ駆動部４０に対して、レーザダイオード３９を発光させるために発光トリガーとしての駆動信号を出力し、レーザダイオード３９を発光させる。この発光に対応し、図示しない障害物に反射されたレーザ光Ｈを受光レンズ４１を介して受光する。そしてこの受光したレーザ光Ｈは、受光素子部４３でその強度に対応する電圧に変換され、アンプ５３を介して時間計測回路６１へ入力する。そして、時間計測回路６１は、放射されたレーザ光Ｈ１発に対して複数の反射信号があってもそれぞれの信号についての時間差を検出して、マルチラップ距離データとして演算部３３に入力する。この時間計測回路６１から入力された距離データは、演算部３３の図示しないＲＡＭに記憶される。演算部３３により時間差から求められた距離データは、受光素子部４３における検出の遅延時間やアンプ５３における検出の遅延時間を考慮して、距離に対応した正確な時間差に変換した後、その時間差と光速とから、正確な距離データとして求められている。なお、直接、距離のデータでなくても、距離を表す物理量ならば良く、例えば前記正確な時間差そのものでも良い。遅延時間が考慮された時間差は距離に比例しているので、距離そのものの代りに用いることができる。このような、正確な距離データあるいは正確な時間差は、時間計測回路６１から演算部３３が受け取った際に算出しておけば良い。
【００２９】
これが距離測定の概略であるが、本実施形態においては、演算部３３がスキャナ４９を介してミラー４７を揺動させて上述した所定のスキャンエリアをスキャンする手法を採用している。これによって、レーザ光Ｈは車両の前方において水平面内の所定角度（１６ｄｅｇ）に渡り掃引照射される。
【００３０】
この際、本実施形態においては、同一のスキャン角度において複数回レーザ光Ｈを照射し、照射毎に機能発揮させるＰＤセルを切り替えながら、受光及び測距を行う。この点を、例えば図３（ｂ）に示したＰＤマトリックスのイメージ図を参照して説明すれば、縦方向に４つのセルがあるが、最初は図３（ｃ）に示すように最上部のセルだけを機能発揮させ、２回目は２番目のセル、３回目は３番目のセル、そして最後は図３（ｄ）に示すように最下部のセルだけ、というように順番に機能発揮させるセルを切り替えていく。
【００３１】
上述した縦方向（車高方向）４ｄｅｇ、横方向（車幅方向）１６ｄｅｇのスキャンエリア中における上側に近いほど、受光素子部４３のＰＤマトリックス中では下側に近いセルに受光することとなり、逆にスキャンエリア中における下側に近いほど、受光素子部４３のＰＤマトリックス中では上側に近いセルに受光することとなる。したがって、同一のスキャン角度においてレーザ光Ｈを照射したとしても、例えば図３（ｃ）に示すように最上部のセルだけを機能発揮させれば、スキャンエリア中の下部に存在する対象物を測距することができ、図３（ｄ）に示すように最下部のセルだけ機能発揮させれば、スキャンエリア中の上部に存在する対象物を測距することができる。
【００３２】
つまり、横方向（車幅方向）にスキャンしているが、そのスキャン方向に垂直な方向（車高方向）での検出対象位置に基づいて、機能を発揮させる受光素子を切替選択できるようにしたため、レーザ光Ｈは１次元的にスキャンしていながら、その方向に垂直な方向についての位置情報も得ることができる。したがって、スキャン操作に基づき、横方向（車幅方向）についての位置情報も得れば、測定対象物の２次元的な位置情報を得ることができるのである。これにより、スキャン方式は１次元のままでありながら、２次元の位置情報を得られる距離測定装置１を実現することができる。
【００３３】
また、図３（ｂ）に示したＰＤマトリックスのイメージ図では横方向に８つのセルがある。この横方向についても全てのセルを機能発揮状態にするのではなく、この場合にはレーザ光Ｈの照射方向に応じて、その照射方向であれば、ＰＤマトリックス中のこの部分に受光するであろうと予測されるセルだけを機能発揮させる。例えば、図４に示す車両Ａを測距対象としている場合には、その車両Ａからの反射光は受光レンズ４１を介して受光素子部４３中の相対的に右部側に受光すると予測される。したがって、その受光が予測されるセルを特定し、垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２を制御して、該当するＰＤセルのみが機能発揮されるようにする。このようにレーザ光Ｈの照射方向に応じて機能を発揮させる受光素子を切替選択するようにすれば、外乱光ノイズの影響を極力小さくできる。
【００３４】
例えば図４中の車両Ｂが対向車線を走行している自動車であったとすると、その車両Ｂに搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光Ｈは、受光レンズ４１を介して受光素子部４３中の相対的に左部側に受光すると予測されるが、その部分のＰＤセルは機能発揮されない状態とされている。そのため、その車両Ｂからのレーザ光Ｈによる悪影響は生じない。
【００３５】
このように、スキャンエリア中における検出対象の縦方向（車高方向）位置に応じると共に、レーザ光Ｈの照射方向に応じて機能発揮させるＰＤセルを切り替えていくことにより、「必要なＰＤセルのみ機能発揮させる」ことができるのであるが、受光レンズ４１による集光機能を鑑みると、次の点を考慮して「必要なＰＤセル」を決定することが好ましい。つまり、受光レンズ４１は、受光素子部４３に対して反射光を集光する機能を持っており、本実施形態の場合には受光素子部４３に対して１つだけ設けられている。そして、図５（ａ）に示すように、この受光レンズ４１の焦点位置が受光素子部４３の中央に設定されている場合には、次のような状況が生じる。すなわち、図５（ｂ）に示すように、反射光のスポットサイズが、受光素子部４３の中央部分では小さいが、周辺部分に行くほど略楕円状に大きくなってしまう。このような状況による影響を鑑みて、次のようないくつかの工夫が考えられる。
【００３６】
（１）まず、このようなスポットサイズの違いに応じ、機能発揮させるＰＤセルの領域を、受光素子部４３の中央部分よりも周辺部分の方が大きくなるよう切替選択することが考えられる。
例えば図６に示すように、縦方向に６個、横方向に１８個のセルが行列状に配置されたＰＤマトリックスを考える。この場合、受光レンズ４１に対する水平方向（車幅方向）の入射角度が０ｄｅｇの場合には、４セルの矩形エリアを同時に選択する。具体的には、セル位置を（ｍ，ｎ）で示すと次のような４セルが１グループとなる。
【００３７】
（９，１）＋（１０，１）＋（９，２）＋（１０，２）
（９，２）＋（１０，２）＋（９，３）＋（１０，３）
（９，３）＋（１０，３）＋（９，４）＋（１０，４）
（９，４）＋（１０，４）＋（９，５）＋（１０，５）
（９，５）＋（１０，５）＋（９，６）＋（１０，６）
一方、受光レンズ４１に対する水平方向（車幅方向）の入射角度が−１０ｄｅｇの場合には、８セルの矩形エリアを同時に選択する。具体的には、次のような８セルが１グループとなる。
【００３８】
(1,1)＋(2,1)＋(3,1)＋(4,1)＋(1,2)＋(2,2)＋(3,2)＋(4,2)
(1,2)＋(2,2)＋(3,2)＋(4,2)＋(1,3)＋(2,3)＋(3,3)＋(4,3)
(1,3)＋(2,3)＋(3,3)＋(4,3)＋(1,4)＋(2,4)＋(3,4)＋(4,4)
(1,4)＋(2,4)＋(3,4)＋(4,4)＋(1,5)＋(2,5)＋(3,5)＋(4,5)
(1,5)＋(2,5)＋(3,5)＋(4,5)＋(1,6)＋(2,6)＋(3,6)＋(4,6)
なお、複数のＰＤセルを同時に機能発揮させる場合には、そのＰＤセル領域に対応する垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２（図２参照）を同時に切り替えればよい。
【００３９】
こうすることによって、スポットサイズの違いに応じて「必要なＰＤセルのみ機能発揮させる」ことができるため、外乱光ノイズの影響を極力防止できると共に、常に良好な感度を保つことができる。
（２）また、図６に示した例では、受光素子部４３のＰＤマトリックスを構成する各ＰＤセルの大きさは等しいことを前提としたが、「機能を発揮させる領域を受光素子部４３の中央部分よりも周辺部分の方を大きくする」ための手法としては、次のような工夫も考えられる。つまり、図７に示すように、ＰＤマトリックスを構成するＰＤセルのサイズ自体を、受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方が大きくなるように形成するのである。
【００４０】
予めスポットサイズに併せたＰＤセルサイズとしておくことで、受光レンズ４１に対して垂直方向から±１０ｄｅｇ傾いて入射した場合であっても、４セルの矩形エリアを同時に選択するだけでよくなる。その結果、垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２（図２参照）の数を減らすことができ、切替制御に係るロジック部の簡素化や、ＩＣ化した場合のピン数や配線数の削減という利点が得られる。なお、図７の例では横方向（車幅方向に対応する方向）のみサイズを大きくしているが、縦方向（車高方向に対応する方向）のサイズを大きくしてもよい。
【００４１】
また、図７に示す例では、０ｄｅｇ，±５ｄｅｇ，±８ｄｅｇ，±１０ｄｅｇのいずれの場合にも４つのＰＤセルのみを機能発揮させればよいようにしたが、これには限られず、例えば±１０ｄｅｇにおいては、６つのＰＤセルで対応するように、セルサイズを設定してもよい。
【００４２】
（３）さらに、外乱光ノイズの影響除去の観点からすれば、上述した「必要なＰＤセルのみ機能発揮させる」ことはもちろん、その「必要なＰＤセル」の領域が極力小さい方がよい。したがって、図８（ａ）に示すように、受光レンズ４１の焦点位置が受光素子部４３の中央に設定されていると、どうしても受光素子部４３の周辺部分でのスポットサイズが大きくなってしまう（図５等参照）。そこで、図８（ｂ）に示すように、受光レンズ４１と受光素子部４３の中央部分との距離である第１の距離が受光レンズ４１の焦点距離よりも短くなるよう配置することによって、受光レンズ４１と受光素子部４３の最外周部分との距離である第２の距離を、焦点距離に相対的に近づける。
【００４３】
このようにすれば、例えば、図９に示した受光ビームのスポットサイズ角度特性からも判るように、受光素子部４３の中央部分でのスポットサイズは相対的に大きくなるが、逆に受光素子部４３の周辺部分でのスポットサイズは相対的に小さくなる。なお、この場合、受光素子部４３の中央部分でのスポットサイズが周辺部分でのスポットサイズよりも大きくなってしまうのは好ましくないので、そこまでは焦点位置をずらさないこととする。したがって、焦点距離に対する第１の距離のずれ量の絶対値が、焦点距離に対する第２の距離のずれ量の絶対値と等しくなるよう配置した状態が限界である。
【００４４】
但し、実際には、受光素子部４３の周辺部分よりも中央部分にて検知される情報の頻度や重要度の方が高い場合が多いと考えられるので、「中央部分でのスポットサイズ＜周辺部分でのスポットサイズ」に設定することが多い。図９に示す例では、入射角度が５ｄｅｇ付近でスポットサイズが最も小さくなるようにしているが、１０ｄｅｇでのスポットサイズは０ｄｅｇでのスポットサイズの２倍程度はある。
【００４５】
なお、本実施の形態において、レーザダイオード３９、ＬＤ駆動部４０及びスキャン機構部３５が掃引照射手段に該当し、受光レンズ４１、受光素子部４３が反射光検出手段に該当し、時間計測回路６１が時間差計測手段に該当し、演算部３３が距離算出手段に該当し、演算部３３及びセル選択部５０が切替選択手段に該当する。
【００４６】
［その他］
本発明の距離測定装置１は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の態様で構成することができる。
例えば、上記実施形態においては、図２に示すように、ＰＤセルが行列状に配置された受光素子部４３のＰＤマトリックスに対して、行単位及び列単位で受光素子の機能の発揮の有無を切り替える垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２を備え、それら両選択スイッチ５１，５２が両方とも機能発揮側になっている場合にのみ、該当するＰＤセルの機能が発揮されるよう構成したが、図１０に示すように、ＰＤマトリックスのＰＤセル毎に、機能の発揮の有無を切り替える選択スイッチを備え、ＰＤセルを個別に制御可能に構成してもよい。
【００４７】
なお、上記実施形態の用に行列単位の選択スイッチ５１，５２（図２参照）の場合には、選択スイッチ５１，５２の数が行数（ｍ）＋列数（ｎ）で済むが、図１０に示すようにＰＤセル毎に選択スイッチを設ける場合には、選択スイッチの数が受光素子数、すなわち行数（ｍ）×列数（ｎ）だけ必要である。しかし、行列単位の選択スイッチ５１，５２の場合には、機能を発揮させる領域を矩形形状でしか選択することができないが、図１０に示すＰＤセル毎の選択スイッチであれば、どのような形状の領域も選択できるため、真に必要な受光素子のみを機能発揮させる点ではより好ましい。これは、外乱光ノイズの影響除去の点でも好ましい。
【００４８】
また、上記実施形態ではスキャン機構部３５のミラー４７としてガルバノミラーを用いていたが、図１１に示すように、ポリゴンミラー１４７を用いてもよい。この場合には、ポリゴンミラー１４７の各面の倒れ角に応じて２次元的にもスキャンすることとなるが、上述した本発明の効果はこのような態様でも有効である。つまり、図３（ａ）に示すようなレーザ光Ｈの照射がポリゴンミラー１４７の各面の倒れ角に応じて上下方向に位置を変えて同様に実施されることとなるが、ポリゴンミラー１４７のある１面について考えた場合には、レーザ光Ｈを１次元的に照射しながら、図３（ｂ）にて説明したように２次元的な位置の区別ができる点は同様であり、これまでに説明した効果は得られる。つまり、従来方式で同様のことを実現しようとした場合には、やはりポリゴンミラー１４７自体を２次元的に駆動させる機構が必要であるため、本発明の優位性は明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一実施の形態の距離測定装置を表す概略構成図である。
【図２】 前記距離測定装置における送受信部の構成説明図である。
【図３】 レーザ光の光ビーム断面のイメージや受光素子部のＰＤマトリックスのイメージを示す説明図である。
【図４】 前記距離測定装置の作用効果を示すための説明図である。
【図５】 ビームの入射角度に対するスポットサイズの説明図である。
【図６】 ビームの入射角度に対するスポットサイズの違いによる影響を解消するための１手法（選択セル数可変）を示す説明図である。
【図７】 ビームの入射角度に対するスポットサイズの違いによる影響を解消するための１手法（不等セルサイズ）を示す説明図である。
【図８】 ビームの入射角度に対するスポットサイズの違いによる影響を解消するための１手法（焦点位置移動）を示す説明図である。
【図９】 受光ビームのスポットサイズ角度特性を示すグラフである。
【図１０】 選択スイッチ部分の別実施形態の説明図である。
【図１１】 ミラー部分の別実施形態の説明図である。
【符号の説明】
１…距離測定装置 ３１…送受信部
３３…演算部 ３５…スキャン機構部
３９…レーザダイオード ４０…ＬＤ駆動部
４１…受光レンズ ４３…受光素子部
４５…絞り ４６…投光レンズ
４７…ミラー ４９…スキャナ
５０…セル選択部 ５１…垂直方向選択スイッチ
５２…水平方向選択スイッチ ５３…アンプ
６１…時間計測回路 １４７…ポリゴンミラー
Ａ，Ｂ…車両 Ｈ…レーザ光
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離測定装置に関し、特にレーザ光を掃引照射して反射物体による反射光を検出し、レーザ光を照射したタイミングと反射光を検出したタイミングとの時間差に基づいて、反射物体までの距離または距離を表す物理量を算出する距離測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車などに取り付けられ、車両周囲の所定角度に渡り、レーザ光を断続的に照射して反射物体により反射された反射光を検出し、そのレーザ光を照射したタイミングと、反射光を検出したタイミングとの時間差を測定して、その時間差に基づいて反射物体までの距離を算出する距離測定装置が知られている。このような距離測定装置においては、広い検知エリアを確保するために、掃引照射範囲（スキャンエリア）を広げることが基本的には望ましい。
【０００３】
但し、スキャンエリアを広げると、反射光を検出する部分における受光素子部の面積を大きくする必要があり、例えば対向車線を走行している自動車に搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光を受光してしまったり、あるいは隣接レーンを走行している自動車に搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光の反射物体による反射光を受光してしまったりして、適切な距離測定が妨害されてしまうおそれがある。
【０００４】
そのため、例えば特開平７−９８３８１号公報においては、外乱光ノイズの影響を極力小さくする目的で次のような構成を採用している。つまり、受光する部分には複数の受光素子が配列されており、レーザ光の照射方向に応じて、複数の受光素子の内の一部のみを機能させることによって、実質的に受光する面積を小さくするのである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、距離測定対象の２次元的な位置情報を得るために、受光素子をマトリックス状に配置することはもちろん、レーザ光の照射についても、２次元的に照射方向を変えていく必要があった。つまり、レーザ光を車幅方向の所定角度に渡って照射するための機構と、レーザ光を車高方向の所定角度に渡って照射するための機構の両方が必要となり、複雑な構成となってしまう。例えば、レーザ光を照射用ミラーにて反射させて照射するのであれば、そのミラーを車幅方向及び車高方向の２方向に回動させる機構が必要であり、また、その回動させるための制御も複雑となる。
【０００６】
そこで、本発明は、スキャン方式は１次元のままでありながら、２次元の位置情報を得ることのできる距離測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達するためになされた請求項１記載の距離測定装置によれば、掃引照射したレーザ光が反射物から反射されて来た反射光を検出する。そして、レーザ光を照射してから反射光を検出するまでの時間差を計測し、その計測した時間差に基づいて反射物までの距離または距離を表す物理量を算出する。ここで、掃引照射されるレーザ光は、その光ビームの断面が掃引方向に対して垂直方向に長く設定されている。また、少なくとも掃引方向に垂直な方向に複数の受光素子が配置された受光素子部を備えていると共に、その掃引方向に垂直な方向に配置された受光素子群については、受光素子の機能の発揮の有無を個別に制御可能に構成されている。そして、掃引方向に垂直な方向での検出対象位置に応じ、機能を発揮させる受光素子を切替選択する。
【０００８】
掃引照射されるレーザ光については、その光ビームの断面が掃引方向に対して垂直方向に長く設定されており、一方、受光素子群については、レーザ光の掃引方向に垂直な方向には複数の受光素子が配置されているため、レーザ光断面の長手方向に複数の受光素子が対応するよう配置される。そして、レーザ光の掃引方向に垂直な方向、すなわちレーザ光断面の長手方向に対応するよう配置された受光素子群については、受光素子の機能の発揮の有無を個別に制御可能に構成されており、掃引方向に垂直な方向での検出対象位置に応じて、機能を発揮させる受光素子を切替選択する。そのため、レーザ光の掃引操作は１次元的でありながら、その方向に垂直な方向についての位置情報も得ることができる。したがって、掃引方向に基づき、掃引方向についての位置情報も得れば、測定対象物の２次元的な位置情報を得ることができるのである。
また、外乱光ノイズの影響除去の観点からすれば、必要な受光素子のみ機能発揮させるのはもちろん、その必要な受光素子の領域が極力小さい方がよい。しかし、集光レンズの焦点位置が受光素子部の中央に設定されていると、どうしても受光素子部の周辺部分でのスポットサイズが大きくなってしまう。そこで、本願発明においては、次のような工夫を施している。すなわち、反射光検出手段が受光素子部に対して反射光を集光するための集光レンズを備えており、その集光レンズと受光素子部の中央部分との距離である第１の距離が集光レンズの焦点距離よりも短くなるよう配置している。このようにすれば、受光素子部の中央部分でのスポットサイズは相対的に大きくなるが、逆に受光素子部の周辺部分でのスポットサイズは相対的に小さくなる。なお、この場合、受光素子部の中央部分でのスポットサイズが周辺部分でのスポットサイズよりも大きくなってしまうのは好ましくないので、そこまでは焦点位置をずらさないこととする。
但し、実際には、受光素子部の周辺部分よりも中央部分にて検知される情報の頻度や重要度の方が高いことが多いと考えられるので、「中央部分でのスポットサイズ＜周辺部分でのスポットサイズ」に設定することが多いと考えられる。つまり、ここでの技術思想を要約して言えば、受光素子部の中央部分に焦点位置があると周辺部分でのスポットサイズが大きくなりすぎるので、それを緩和するために焦点位置をずらすということである。
【０００９】
また、請求項２に示すように、レーザ光の照射方向にも応じて、機能を発揮させる受光素子を切替選択するようにすれば、外乱光ノイズの影響を極力小さくできるという利点も併せ持つことができる。例えば上述した対向車線を走行している自動車に搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光や隣接レーンを走行している自動車に搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光の反射物体による反射光、あるいは太陽光などの影響を極力小さくすることができ、その結果、適切な距離測定を実現できる。
【００１０】
ところで、上述したように、受光素子群については、レーザ光の掃引方向に垂直な方向には少なくとも複数の受光素子が配置されていることが必要であるが、レーザ光の掃引方向自体には、複数の受光素子が配置されていることが必須要件ではない。但し、掃引方向及び当該方向に垂直な方向に複数の受光素子が行列状に配置された受光素子部を備えるようにすれば、２次元座標位置として処理できるため、便利である。
【００１１】
その場合には、例えば請求項３に示すような反射光検出手段とすることができる。すなわち、行列状に配置された受光素子部の行単位及び列単位で受光素子の機能の発揮の有無を切り替える選択スイッチとを備え、それら行単位及び列単位の選択スイッチが両方とも機能発揮側になっている場合にのみ、該当する受光素子の機能が発揮されるよう構成するのである。また、請求項４に示すように、行列状に配置された受光素子毎に機能の発揮の有無を切り替える受光素子選択スイッチを備え、受光素子を個別に制御可能に構成してもよい。
【００１２】
なお、請求項３のように行列単位の選択スイッチの場合には、選択スイッチの数が行数（ｍ）＋列数（ｎ）で済むが、請求項４のように受光素子選択スイッチの場合には、選択スイッチの数が受光素子数、すなわち行数（ｍ）×列数（ｎ）だけ必要である。しかし、請求項３のように行列単位の選択スイッチの場合には、機能を発揮させる領域を矩形形状でしか選択することができないが、請求項４の場合には、どのような形状の領域も選択できるため、真に必要な受光素子のみを機能発揮させる点ではより好ましい。これは、外乱光ノイズの影響除去の点でも好ましい。
【００１３】
このように、受光素子の必要な受光素子のみ機能発揮させるという観点からすれば、次に示す集光レンズによる影響を考慮することが好ましい。この集光レンズは、受光素子部に対して反射光を集光するためのレンズであり、受光素子部に対して１つだけ設けられている。したがって、集光レンズの焦点位置が受光素子部の中央に設定されている場合には、反射光のスポットのサイズが、受光素子部の中央部分では小さいが、周辺部分に行くほど大きくなってしまう。そこで、請求項５に示すように、切替選択手段が、受光素子の機能を発揮させる領域に関し、受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方が大きくなるよう切替選択することによって、外乱光ノイズの影響を極力防止できると共に、常に良好な感度を保つことができる。
【００１４】
そして、受光素子の機能を発揮させる領域を、受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方が大きくなるようにする際には、例えば請求項６に示すように、受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方の受光素子を大きなサイズに形成することが考えられる。つまり、予めスポットサイズに併せた受光素子サイズとしておくことで、上述した行列単位の選択スイッチ（請求項３参照）あるいは受光素子選択スイッチ（請求項４参照）の数を減らすことができる。その結果、切替制御に係るロジック部の簡素化や、ＩＣ化した場合のピン数や配線数の削減という利点が得られる。
【００１５】
また、請求項７に示すように、切替選択手段が、選択する受光素子数に関し、受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方が多くなるよう切替選択するようにしてもよい。この場合には、受光素子サイズが等しいタイプの受光素子部であれば当然適用できるし、さらには、請求項６に示したように、受光素子サイズが等しくないタイプの受光素子部であっても適用できる。
【００１６】
ところで、外乱光ノイズの影響除去の観点からすれば、必要な受光素子のみ機能発揮させるのはもちろん、その必要な受光素子の領域が極力小さい方がよい。しかし、集光レンズの焦点位置が受光素子部の中央に設定されていると、どうしても受光素子部の周辺部分でのスポットサイズが大きくなってしまう。そこで、次のような工夫をすることも好ましい。すなわち、請求項８に示すように、集光レンズと前記受光素子部の中央部分との距離である第１の距離が集光レンズの焦点距離よりも短くなるよう配置することによって、集光レンズと受光素子部の最外周部分との距離である第２の距離を、焦点距離に相対的に近づけるのである。このようにすれば、受光素子部の中央部分でのスポットサイズは相対的に大きくなるが、逆に受光素子部の周辺部分でのスポットサイズは相対的に小さくなる。なお、この場合、受光素子部の中央部分でのスポットサイズが周辺部分でのスポットサイズよりも大きくなってしまうのは好ましくないので、そこまでは焦点位置をずらさないこととする。したがって、請求項９に示すように、焦点距離に対する第１の距離のずれ量の絶対値が、焦点距離に対する前記第２の距離のずれ量の絶対値と等しくなるよう配置した状態が限界である。
【００１７】
但し、実際には、受光素子部の周辺部分よりも中央部分にて検知される情報の頻度や重要度の方が高いことが多いと考えられるので、「中央部分でのスポットサイズ＜周辺部分でのスポットサイズ」に設定することが多いと考えられる。つまり、ここでの技術思想を要約して言えば、受光素子部の中央部分に焦点位置があると周辺部分でのスポットサイズが大きくなりすぎるので、それを緩和するために焦点位置をずらすということである。
【００１８】
なお、この距離測定装置は、例えば請求項８に示すように車両に搭載されて用いられることを前提とし、前記レーザ光の掃引方向が車幅方向あるいは車高方向であることが考えられる。このように設定すると、距離測定に際して、測定対象物の位置が、車幅方向及び車高方向の２次元位置として得られるため、処理が容易となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、実施の形態の距離測定装置１を表す概略構成図である。なお、本実施の形態の距離測定装置１は、自動車に搭載されて前方の車両や障害物等の反射物体を検出するためのものである。
【００２０】
本距離測定装置１は、送受信部３１と演算部３３とを主要部として次のように構成されている。図１に示すように、送受信部３１は、パルス状のレーザ光Ｈを、スキャン機構部３５を介して放射する半導体レーザダイオード（以下、単にレーザダイオードと称する。）３９と、図示しない反射物体としての障害物に反射されたレーザ光Ｈを受光レンズ４１を介して受光し、そのパルス状の強度変化に対応する電圧変化を出力する受光素子部４３とを備えている。
【００２１】
レーザダイオード３９はＬＤ駆動部４０を介して演算部３３に接続され、演算部３３からのトリガー信号としての駆動信号によりレーザ光Ｈを放射（発光）する。また、スキャン機構部３５は、絞り４５、投光レンズ４６、ミラー４７及びスキャナ４９を備えており、レーザダイオード３９から放射されたレーザ光Ｈは絞り４５によって断面が略長方形状の光ビームとされ、投光レンズ４６によって光ビームの断面がさらに細長くされる。そして、そのレーザ光Ｈは、スキャナ４９によって揺動されるミラー４７を介して掃引照射される。本実施形態においては、このレーザ光Ｈは、車両の前方において、車幅方向の水平面内の所定角度に渡り掃引照射される。
【００２２】
なお、本実施形態のスキャン機構部３５によるスキャンエリアは、縦方向（車高方向）が４ｄｅｇ、横方向（車幅方向）が１６ｄｅｇの矩形領域であり、スキャナ４９は、横方向（車幅方向）の１６ｄｅｇ分が確保できるようにミラー４７を揺動してレーザ光Ｈを掃引照射する。一方、縦方向（車高方向）にはスキャンしない。その代わりに、絞り４５及び投光レンズ４６によって光ビームの断面が略長方形状とされたレーザ光Ｈは、その光ビームの断面形状自体が、縦方向（車高方向）の４ｄｅｇ分を確保できるような縦長形状に形成されている。
【００２３】
一方、受光素子部４３は、受光レンズ４１を介して受光したレーザ光Ｈのパルス状の強度変化に対応する電圧変化を出力するフォトダイオード（ＰＤ）のセルが行列状に配置されている。本実施形態においては、上述したスキャンエリア（縦方向（車高方向）４ｄｅｇ、横方向（車幅方向）１６ｄｅｇ）が確保できるように縦方向（車高方向）及び横方向（車幅方向）に所定数ずつ配置されたＰＤマトリックスとして構成されている。
【００２４】
そして、図２に示すように、そのＰＤマトリックスの行単位で各ＰＤセルの機能の発揮の有無を切り替える垂直方向選択スイッチ５１と、列単位で各ＰＤセルの機能の発揮の有無を切り替える水平方向選択スイッチ５２とを備えている。そして、これら垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２が両方とも機能発揮側になっている場合にのみ、該当するＰＤセルの機能が発揮されるよう構成されている。したがって、これら垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２がセル選択部５０を構成する。なお、図２においては、垂直方向選択スイッチ５１の場合はスイッチが開いている状態が機能発揮側であり、逆に水平方向選択スイッチ５２の場合はスイッチが閉じている状態が機能発揮側である。
【００２５】
受光素子部４３の出力電圧は、アンプ５３を介して時間計測回路６１へ入力される。なお、アンプ５３に入力させる前に、例えばＳＴＣ（Sensitivity Time Control）回路を介して所定レベルに増幅されてもよい。受信信号強度は目標物までの距離の４乗に反比例するため、近距離にリフレクタ等の反射率の高いものがあり受光強度がきわめて強くなった場合を補償する点でこのＳＴＣ回路は好ましい。
【００２６】
時間計測回路６１には、演算部３３からＬＤ駆動部４０へ出力される駆動信号も入力され、上記駆動信号をスタートパルスＰＡ、上記受光信号をストップパルスＰＢとし、２つのパルスＰＡ，ＰＢ間の位相差（すなわち入力時間差）を２進デジタル信号に符号化して、その値を演算部３３へ入力する。この時間計測回路６１は、微小時間を数値化することができ、放射されたレーザ光Ｈ１発に対して複数の受光信号があってもそれぞれの信号についての時間差を検出することができるものである。なお、このことを「マルチラップが可能である」と表現し、またこのようにして得たデータをマルチラップデータと表現している。
【００２７】
演算部３３は、時間計測回路６１からの時間差データと、そのときのミラー４７の揺動角に基づき、障害物までの距離および方向を算出する。なお、演算部３３には図示しない車速センサからの車速信号も入力している。
次に、このように構成された距離測定装置１の作動について説明する。
【００２８】
まず、距離測定の概略について説明する。演算部３３がＬＤ駆動部４０に対して、レーザダイオード３９を発光させるために発光トリガーとしての駆動信号を出力し、レーザダイオード３９を発光させる。この発光に対応し、図示しない障害物に反射されたレーザ光Ｈを受光レンズ４１を介して受光する。そしてこの受光したレーザ光Ｈは、受光素子部４３でその強度に対応する電圧に変換され、アンプ５３を介して時間計測回路６１へ入力する。そして、時間計測回路６１は、放射されたレーザ光Ｈ１発に対して複数の反射信号があってもそれぞれの信号についての時間差を検出して、マルチラップ距離データとして演算部３３に入力する。この時間計測回路６１から入力された距離データは、演算部３３の図示しないＲＡＭに記憶される。演算部３３により時間差から求められた距離データは、受光素子部４３における検出の遅延時間やアンプ５３における検出の遅延時間を考慮して、距離に対応した正確な時間差に変換した後、その時間差と光速とから、正確な距離データとして求められている。なお、直接、距離のデータでなくても、距離を表す物理量ならば良く、例えば前記正確な時間差そのものでも良い。遅延時間が考慮された時間差は距離に比例しているので、距離そのものの代りに用いることができる。このような、正確な距離データあるいは正確な時間差は、時間計測回路６１から演算部３３が受け取った際に算出しておけば良い。
【００２９】
これが距離測定の概略であるが、本実施形態においては、演算部３３がスキャナ４９を介してミラー４７を揺動させて上述した所定のスキャンエリアをスキャンする手法を採用している。これによって、レーザ光Ｈは車両の前方において水平面内の所定角度（１６ｄｅｇ）に渡り掃引照射される。
【００３０】
この際、本実施形態においては、同一のスキャン角度において複数回レーザ光Ｈを照射し、照射毎に機能発揮させるＰＤセルを切り替えながら、受光及び測距を行う。この点を、例えば図３（ｂ）に示したＰＤマトリックスのイメージ図を参照して説明すれば、縦方向に４つのセルがあるが、最初は図３（ｃ）に示すように最上部のセルだけを機能発揮させ、２回目は２番目のセル、３回目は３番目のセル、そして最後は図３（ｄ）に示すように最下部のセルだけ、というように順番に機能発揮させるセルを切り替えていく。
【００３１】
上述した縦方向（車高方向）４ｄｅｇ、横方向（車幅方向）１６ｄｅｇのスキャンエリア中における上側に近いほど、受光素子部４３のＰＤマトリックス中では下側に近いセルに受光することとなり、逆にスキャンエリア中における下側に近いほど、受光素子部４３のＰＤマトリックス中では上側に近いセルに受光することとなる。したがって、同一のスキャン角度においてレーザ光Ｈを照射したとしても、例えば図３（ｃ）に示すように最上部のセルだけを機能発揮させれば、スキャンエリア中の下部に存在する対象物を測距することができ、図３（ｄ）に示すように最下部のセルだけ機能発揮させれば、スキャンエリア中の上部に存在する対象物を測距することができる。
【００３２】
つまり、横方向（車幅方向）にスキャンしているが、そのスキャン方向に垂直な方向（車高方向）での検出対象位置に基づいて、機能を発揮させる受光素子を切替選択できるようにしたため、レーザ光Ｈは１次元的にスキャンしていながら、その方向に垂直な方向についての位置情報も得ることができる。したがって、スキャン操作に基づき、横方向（車幅方向）についての位置情報も得れば、測定対象物の２次元的な位置情報を得ることができるのである。これにより、スキャン方式は１次元のままでありながら、２次元の位置情報を得られる距離測定装置１を実現することができる。
【００３３】
また、図３（ｂ）に示したＰＤマトリックスのイメージ図では横方向に８つのセルがある。この横方向についても全てのセルを機能発揮状態にするのではなく、この場合にはレーザ光Ｈの照射方向に応じて、その照射方向であれば、ＰＤマトリックス中のこの部分に受光するであろうと予測されるセルだけを機能発揮させる。例えば、図４に示す車両Ａを測距対象としている場合には、その車両Ａからの反射光は受光レンズ４１を介して受光素子部４３中の相対的に右部側に受光すると予測される。したがって、その受光が予測されるセルを特定し、垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２を制御して、該当するＰＤセルのみが機能発揮されるようにする。このようにレーザ光Ｈの照射方向に応じて機能を発揮させる受光素子を切替選択するようにすれば、外乱光ノイズの影響を極力小さくできる。
【００３４】
例えば図４中の車両Ｂが対向車線を走行している自動車であったとすると、その車両Ｂに搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光Ｈは、受光レンズ４１を介して受光素子部４３中の相対的に左部側に受光すると予測されるが、その部分のＰＤセルは機能発揮されない状態とされている。そのため、その車両Ｂからのレーザ光Ｈによる悪影響は生じない。
【００３５】
このように、スキャンエリア中における検出対象の縦方向（車高方向）位置に応じると共に、レーザ光Ｈの照射方向に応じて機能発揮させるＰＤセルを切り替えていくことにより、「必要なＰＤセルのみ機能発揮させる」ことができるのであるが、受光レンズ４１による集光機能を鑑みると、次の点を考慮して「必要なＰＤセル」を決定することが好ましい。つまり、受光レンズ４１は、受光素子部４３に対して反射光を集光する機能を持っており、本実施形態の場合には受光素子部４３に対して１つだけ設けられている。そして、図５（ａ）に示すように、この受光レンズ４１の焦点位置が受光素子部４３の中央に設定されている場合には、次のような状況が生じる。すなわち、図５（ｂ）に示すように、反射光のスポットサイズが、受光素子部４３の中央部分では小さいが、周辺部分に行くほど略楕円状に大きくなってしまう。このような状況による影響を鑑みて、次のようないくつかの工夫が考えられる。
【００３６】
（１）まず、このようなスポットサイズの違いに応じ、機能発揮させるＰＤセルの領域を、受光素子部４３の中央部分よりも周辺部分の方が大きくなるよう切替選択することが考えられる。
例えば図６に示すように、縦方向に６個、横方向に１８個のセルが行列状に配置されたＰＤマトリックスを考える。この場合、受光レンズ４１に対する水平方向（車幅方向）の入射角度が０ｄｅｇの場合には、４セルの矩形エリアを同時に選択する。具体的には、セル位置を（ｍ，ｎ）で示すと次のような４セルが１グループとなる。
【００３７】
（９，１）＋（１０，１）＋（９，２）＋（１０，２）
（９，２）＋（１０，２）＋（９，３）＋（１０，３）
（９，３）＋（１０，３）＋（９，４）＋（１０，４）
（９，４）＋（１０，４）＋（９，５）＋（１０，５）
（９，５）＋（１０，５）＋（９，６）＋（１０，６）
一方、受光レンズ４１に対する水平方向（車幅方向）の入射角度が−１０ｄｅｇの場合には、８セルの矩形エリアを同時に選択する。具体的には、次のような８セルが１グループとなる。
【００３８】
(1,1)＋(2,1)＋(3,1)＋(4,1)＋(1,2)＋(2,2)＋(3,2)＋(4,2)
(1,2)＋(2,2)＋(3,2)＋(4,2)＋(1,3)＋(2,3)＋(3,3)＋(4,3)
(1,3)＋(2,3)＋(3,3)＋(4,3)＋(1,4)＋(2,4)＋(3,4)＋(4,4)
(1,4)＋(2,4)＋(3,4)＋(4,4)＋(1,5)＋(2,5)＋(3,5)＋(4,5)
(1,5)＋(2,5)＋(3,5)＋(4,5)＋(1,6)＋(2,6)＋(3,6)＋(4,6)
なお、複数のＰＤセルを同時に機能発揮させる場合には、そのＰＤセル領域に対応する垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２（図２参照）を同時に切り替えればよい。
【００３９】
こうすることによって、スポットサイズの違いに応じて「必要なＰＤセルのみ機能発揮させる」ことができるため、外乱光ノイズの影響を極力防止できると共に、常に良好な感度を保つことができる。
（２）また、図６に示した例では、受光素子部４３のＰＤマトリックスを構成する各ＰＤセルの大きさは等しいことを前提としたが、「機能を発揮させる領域を受光素子部４３の中央部分よりも周辺部分の方を大きくする」ための手法としては、次のような工夫も考えられる。つまり、図７に示すように、ＰＤマトリックスを構成するＰＤセルのサイズ自体を、受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方が大きくなるように形成するのである。
【００４０】
予めスポットサイズに併せたＰＤセルサイズとしておくことで、受光レンズ４１に対して垂直方向から±１０ｄｅｇ傾いて入射した場合であっても、４セルの矩形エリアを同時に選択するだけでよくなる。その結果、垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２（図２参照）の数を減らすことができ、切替制御に係るロジック部の簡素化や、ＩＣ化した場合のピン数や配線数の削減という利点が得られる。なお、図７の例では横方向（車幅方向に対応する方向）のみサイズを大きくしているが、縦方向（車高方向に対応する方向）のサイズを大きくしてもよい。
【００４１】
また、図７に示す例では、０ｄｅｇ，±５ｄｅｇ，±８ｄｅｇ，±１０ｄｅｇのいずれの場合にも４つのＰＤセルのみを機能発揮させればよいようにしたが、これには限られず、例えば±１０ｄｅｇにおいては、６つのＰＤセルで対応するように、セルサイズを設定してもよい。
【００４２】
（３）さらに、外乱光ノイズの影響除去の観点からすれば、上述した「必要なＰＤセルのみ機能発揮させる」ことはもちろん、その「必要なＰＤセル」の領域が極力小さい方がよい。したがって、図８（ａ）に示すように、受光レンズ４１の焦点位置が受光素子部４３の中央に設定されていると、どうしても受光素子部４３の周辺部分でのスポットサイズが大きくなってしまう（図５等参照）。そこで、図８（ｂ）に示すように、受光レンズ４１と受光素子部４３の中央部分との距離である第１の距離が受光レンズ４１の焦点距離よりも短くなるよう配置することによって、受光レンズ４１と受光素子部４３の最外周部分との距離である第２の距離を、焦点距離に相対的に近づける。
【００４３】
このようにすれば、例えば、図９に示した受光ビームのスポットサイズ角度特性からも判るように、受光素子部４３の中央部分でのスポットサイズは相対的に大きくなるが、逆に受光素子部４３の周辺部分でのスポットサイズは相対的に小さくなる。なお、この場合、受光素子部４３の中央部分でのスポットサイズが周辺部分でのスポットサイズよりも大きくなってしまうのは好ましくないので、そこまでは焦点位置をずらさないこととする。したがって、焦点距離に対する第１の距離のずれ量の絶対値が、焦点距離に対する第２の距離のずれ量の絶対値と等しくなるよう配置した状態が限界である。
【００４４】
但し、実際には、受光素子部４３の周辺部分よりも中央部分にて検知される情報の頻度や重要度の方が高い場合が多いと考えられるので、「中央部分でのスポットサイズ＜周辺部分でのスポットサイズ」に設定することが多い。図９に示す例では、入射角度が５ｄｅｇ付近でスポットサイズが最も小さくなるようにしているが、１０ｄｅｇでのスポットサイズは０ｄｅｇでのスポットサイズの２倍程度はある。
【００４５】
なお、本実施の形態において、レーザダイオード３９、ＬＤ駆動部４０及びスキャン機構部３５が掃引照射手段に該当し、受光レンズ４１、受光素子部４３が反射光検出手段に該当し、時間計測回路６１が時間差計測手段に該当し、演算部３３が距離算出手段に該当し、演算部３３及びセル選択部５０が切替選択手段に該当する。
【００４６】
［その他］
本発明の距離測定装置１は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の態様で構成することができる。
例えば、上記実施形態においては、図２に示すように、ＰＤセルが行列状に配置された受光素子部４３のＰＤマトリックスに対して、行単位及び列単位で受光素子の機能の発揮の有無を切り替える垂直方向選択スイッチ５１及び水平方向選択スイッチ５２を備え、それら両選択スイッチ５１，５２が両方とも機能発揮側になっている場合にのみ、該当するＰＤセルの機能が発揮されるよう構成したが、図１０に示すように、ＰＤマトリックスのＰＤセル毎に、機能の発揮の有無を切り替える選択スイッチを備え、ＰＤセルを個別に制御可能に構成してもよい。
【００４７】
なお、上記実施形態の用に行列単位の選択スイッチ５１，５２（図２参照）の場合には、選択スイッチ５１，５２の数が行数（ｍ）＋列数（ｎ）で済むが、図１０に示すようにＰＤセル毎に選択スイッチを設ける場合には、選択スイッチの数が受光素子数、すなわち行数（ｍ）×列数（ｎ）だけ必要である。しかし、行列単位の選択スイッチ５１，５２の場合には、機能を発揮させる領域を矩形形状でしか選択することができないが、図１０に示すＰＤセル毎の選択スイッチであれば、どのような形状の領域も選択できるため、真に必要な受光素子のみを機能発揮させる点ではより好ましい。これは、外乱光ノイズの影響除去の点でも好ましい。
【００４８】
また、上記実施形態ではスキャン機構部３５のミラー４７としてガルバノミラーを用いていたが、図１１に示すように、ポリゴンミラー１４７を用いてもよい。この場合には、ポリゴンミラー１４７の各面の倒れ角に応じて２次元的にもスキャンすることとなるが、上述した本発明の効果はこのような態様でも有効である。つまり、図３（ａ）に示すようなレーザ光Ｈの照射がポリゴンミラー１４７の各面の倒れ角に応じて上下方向に位置を変えて同様に実施されることとなるが、ポリゴンミラー１４７のある１面について考えた場合には、レーザ光Ｈを１次元的に照射しながら、図３（ｂ）にて説明したように２次元的な位置の区別ができる点は同様であり、これまでに説明した効果は得られる。つまり、従来方式で同様のことを実現しようとした場合には、やはりポリゴンミラー１４７自体を２次元的に駆動させる機構が必要であるため、本発明の優位性は明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一実施の形態の距離測定装置を表す概略構成図である。
【図２】 前記距離測定装置における送受信部の構成説明図である。
【図３】 レーザ光の光ビーム断面のイメージや受光素子部のＰＤマトリックスのイメージを示す説明図である。
【図４】 前記距離測定装置の作用効果を示すための説明図である。
【図５】 ビームの入射角度に対するスポットサイズの説明図である。
【図６】 ビームの入射角度に対するスポットサイズの違いによる影響を解消するための１手法（選択セル数可変）を示す説明図である。
【図７】 ビームの入射角度に対するスポットサイズの違いによる影響を解消するための１手法（不等セルサイズ）を示す説明図である。
【図８】 ビームの入射角度に対するスポットサイズの違いによる影響を解消するための１手法（焦点位置移動）を示す説明図である。
【図９】 受光ビームのスポットサイズ角度特性を示すグラフである。
【図１０】 選択スイッチ部分の別実施形態の説明図である。
【図１１】 ミラー部分の別実施形態の説明図である。
【符号の説明】
１…距離測定装置 ３１…送受信部
３３…演算部 ３５…スキャン機構部
３９…レーザダイオード ４０…ＬＤ駆動部
４１…受光レンズ ４３…受光素子部
４５…絞り ４６…投光レンズ
４７…ミラー ４９…スキャナ
５０…セル選択部 ５１…垂直方向選択スイッチ
５２…水平方向選択スイッチ ５３…アンプ
６１…時間計測回路 １４７…ポリゴンミラー
Ａ，Ｂ…車両 Ｈ…レーザ光
Claims (8)
- レーザ光を掃引照射する掃引照射手段と、
前記掃引照射手段にて掃引照射されたレーザ光が反射物から反射されて来た反射光を検出する反射光検出手段と、
前記掃引照射手段がレーザ光を照射してから前記反射光検出手段が反射光を検出するまでの時間差を計測する時間差計測手段と、前記時間差計測手段にて計測された時間差に基づいて前記反射物までの距離または距離を表す物理量を算出する距離算出手段と、
を備えた距離測定装置において、
前記掃引照射されるレーザ光は、その光ビームの断面が、掃引方向に対して垂直方向に長く設定されており、
前記反射光検出手段は、少なくとも掃引方向に垂直な方向に複数の受光素子が配置された受光素子部を備えていると共に、前記掃引方向に垂直な方向に配置された受光素子群については、受光素子の機能の発揮の有無を個別に制御可能に構成されており、さらに、前記掃引方向に垂直な方向での検出対象位置に応じて、機能を発揮させる受光素子を切替選択する切替選択手段を備えており、
前記反射光検出手段は、前記受光素子部に対して前記反射光を集光するための集光レンズを備えており、前記集光レンズと前記受光素子部の中央部分との距離である第１の距離が前記集光レンズの焦点距離よりも短くなるよう配置されていること、
を特徴とする距離測定装置。 - 請求項１記載の距離測定装置において、
前記切替選択手段は、前記レーザ光の照射方向にも応じて、機能を発揮させる受光素子を切替選択すること、
を特徴とする距離測定装置。 - 請求項１又は２記載の距離測定装置において、
前記反射光検出手段は、
掃引方向及び当該方向に垂直な方向に複数の受光素子が行列状に配置された受光素子部と、
その行列状に配置された受光素子部に対し、行単位及び列単位で前記受光素子の機能の発揮の有無を切り替える選択スイッチとを備えており、
それら行単位及び列単位の選択スイッチが両方とも機能発揮側になっている場合にのみ、該当する受光素子の機能が発揮されるよう構成されていること、
を特徴とする距離測定装置。 - 請求項１又は２記載の距離測定装置において、
前記反射光検出手段は、
掃引方向及び当該方向に垂直な方向に複数の受光素子が行列状に配置された受光素子部と、
前記受光素子毎に機能の発揮有無を切り替える受光素子選択スイッチとを備えていること、
を特徴とする距離測定装置。 - 請求項１〜４のいずれか記載の距離測定装置において、
前記切替選択手段は、前記受光素子の機能を発揮させる領域に関し、前記受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方が大きくなるよう切替選択すること、
を特徴とする距離測定装置。 - 請求項５記載の距離測定装置において、
前記受光素子は、前記受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方が大きなサイズに形成されていること、
を特徴とする距離測定装置。 - 請求項５又は６記載の距離測定装置において、
前記切替選択手段は、選択する受光素子数に関し、前記受光素子部の中央部分よりも周辺部分の方が多くなるよう切替選択すること、
を特徴とする距離測定装置。 - 請求項１〜７のいずれか記載の距離測定装置において、
車両に搭載されて用いられることを前提とし、
前記レーザ光の掃引方向は車幅方向あるいは車高方向であること、
を特徴とする距離測定装置。
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