JP6413960B2 - Distance measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光を用いて物体との距離を測定する技術に関する。   The present invention relates to a technique for measuring a distance from an object using a laser beam.

従来、レーザ光の照射レベルまたは反射光の増幅ゲインを複数段階で調整し、高レベルまたは高ゲイン時に得られた波形が飽和していてピークを検出できない場合には、低レベルまたは低ゲイン時に得られた波形を用いてピークを検出することで、低反射物体、および高反射物体のいずれについても正確な距離を測定する技術が知られている(特許文献1参照)。   Conventionally, if the laser light irradiation level or reflected light amplification gain is adjusted in multiple steps and the waveform obtained at high level or high gain is saturated and no peak can be detected, it can be obtained at low level or low gain. A technique is known in which an accurate distance is measured for both a low reflection object and a high reflection object by detecting a peak using the obtained waveform (see Patent Document 1).

特開2007−232381号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2007-232381

しかしながら、上述の従来技術は、時間軸上だけで信号強度を調整するものであり、飽和を回避できるダイナミックレンジが限られてしまうという問題があった。
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、精度を劣化させることなく測距が可能な受光ダイナミックレンジを拡大する技術を提供することを目的とする。
However, the above-described conventional technique adjusts the signal intensity only on the time axis, and has a problem that the dynamic range in which saturation can be avoided is limited.
The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide a technique for expanding a light receiving dynamic range capable of ranging without degrading accuracy.

本発明の距離測定装置は、発光部と、受光部と、測距処理部とを備える。発光部は、光出力のパワーおよびパルス幅の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の発光モードを有する。なお、パルス幅の代わりに、パルスの立上り/立下り時間が段階的に大きくなるように設定されていてもよく、結果としてパルス幅が大きくなればよい。受光部は、発光部から送信された光信号の反射光を受光する回路のゲインおよび帯域の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の受光モードを有する。測距処理部は、発光モードと受光モードとを組み合わせることで設定された複数の動作モードで、発光部および受光部を繰り返し動作させ、動作モードのそれぞれで得られる受光信号から抽出した非飽和のピーク波形を用いて、光信号を反射した物体との距離を求める。   The distance measuring device of the present invention includes a light emitting unit, a light receiving unit, and a distance measurement processing unit. The light emitting unit has a plurality of light emission modes that are set so that both the power and the pulse width of the light output increase stepwise. Instead of the pulse width, the pulse rise / fall time may be set to increase stepwise, and as a result, the pulse width only needs to be increased. The light receiving unit has a plurality of light receiving modes that are set so that both the gain and the band of the circuit that receives the reflected light of the optical signal transmitted from the light emitting unit increase stepwise. The distance measurement processing unit repeatedly operates the light emitting unit and the light receiving unit in a plurality of operation modes set by combining the light emission mode and the light reception mode, and the desaturation processing unit extracted from the light reception signal obtained in each of the operation modes. Using the peak waveform, the distance from the object reflecting the optical signal is obtained.

つまり、発光部と受光部を協調動作させ、時間軸上の成分(パワー/ゲイン)だけでなく周波数軸上の成分(パルス幅/帯域)も制御している。なお、光出力のパルス幅によって光出力に含まれる周波数成分が決まる。これにより時間軸上の成分だけを制御する従来技術と比較して、受光した信号を飽和させることなく処理可能な受光レベルの範囲を表すダイナミックレンジを拡大することができ、その非飽和の受信信号を用いて正確な測距を実現することができる。   That is, the light emitting unit and the light receiving unit are operated in cooperation to control not only the component on the time axis (power / gain) but also the component on the frequency axis (pulse width / band). The frequency component included in the light output is determined by the pulse width of the light output. Compared with the conventional technology that controls only the components on the time axis, the dynamic range that represents the range of received light levels that can be processed without saturating the received signal can be expanded, and the non-saturated received signal Accurate ranging can be realized using the.

なお、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。   In addition, the code | symbol in the parenthesis described in the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later as one aspect, Comprising: The technical scope of this invention is limited is not.

距離測定装置の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of a distance measuring device. 発光部の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of a light emission part. 発光回路の特性を示すグラフであり、(a)はトリガー信号のパルス幅毎に光出力の波形を示したグラフ、(b)はトリガー信号のパルス幅と光出力の半値幅との関係を示したグラフである。It is a graph which shows the characteristic of a light emission circuit, (a) is the graph which showed the waveform of the optical output for every pulse width of a trigger signal, (b) shows the relationship between the pulse width of a trigger signal and the half value width of optical output. It is a graph. 動作モードと各部の動作および波形との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between an operation mode, the operation | movement of each part, and a waveform. 受光部の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of a light-receiving part. 測距処理部が生成するトリガー信号、およびトリガー信号と切替回路の動作、ひいては受光モードとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the trigger signal which a ranging process part produces | generates, operation | movement of a trigger signal and a switching circuit, and also light reception mode. 受光部の他の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the other structural example of a light-receiving part.

以下に本発明が適用された実施形態について、図面を用いて説明する。
[1.第1実施形態]
[2.全体構成]
本実施形態の距離測定装置1は、例えば、乗用車等の車両に搭載して使用され、図1に示すように、光学ユニット2と、走査駆動部4と、測距処理部5とを備える。
Embodiments to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
[1. First Embodiment]
[2. overall structure]
The distance measuring device 1 of the present embodiment is used by being mounted on a vehicle such as a passenger car, for example, and includes an optical unit 2, a scanning drive unit 4, and a distance measurement processing unit 5, as shown in FIG.

[3.光学ユニット]
光学ユニット2は、発光部20と受光部30とを備える。
[3.1.発光部]
発光部20は、測距処理部5からの供給されるパルス状のトリガー信号Stに応じてレーザ光を照射する。なお、発光部20は、トリガー信号Stのパルス幅に応じた発光モードで動作し、ここでは、パルス幅の狭い第1発光モードと、パルス幅の広い第2発光モードとが用いられる。そして、第1発光モードでは、低パワーかつ広帯域幅のレーザ光が照射され、第2発光モードでは、高パワーかつ狭帯域のレーザ光が照射される。なお、ここでいう低パワー/高パワー、狭帯域/広帯域は、両発光モード間での相対的な状態を表現したものであり、何等かの絶対的な値を表現したものではない。
[3. Optical unit]
The optical unit 2 includes a light emitting unit 20 and a light receiving unit 30.
[3.1. Light emitting part]
The light emitting unit 20 emits laser light according to the pulsed trigger signal St supplied from the distance measurement processing unit 5. The light emitting unit 20 operates in a light emission mode corresponding to the pulse width of the trigger signal St, and here, a first light emission mode with a narrow pulse width and a second light emission mode with a wide pulse width are used. In the first light emission mode, laser light having a low power and a wide bandwidth is irradiated, and in the second light emission mode, laser light having a high power and a narrow band is irradiated. Here, the low power / high power and the narrow band / broadband represent the relative states between the two light emitting modes, and do not represent any absolute values.

発光部20は、具体的には、図2に示すように、ドライバ21、保護回路22、発光回路23、抵抗24、ノイズ除去回路25,26を備える。ドライバ21は、低電圧(例えば15V)の信号用電源Vsから給電を受けて動作し、測距処理部5から供給されるトリガー信号Stを、電流駆動力がより大きいトリガー信号Trgに変換する。保護回路22は、直列接続された一対のツェナーダイオードからなり、トリガー信号Trgの伝送線を介してドライバ21に過剰な電圧が加わらないようにクリッピング動作をする周知のものである。 ノイズ除去回路25,26は、ノイズを抑制するための抵抗またはフェライトビーズからなる。ノイズ除去回路25は、信号用電源Vsの電源線に設けられ、また、ノイズ除去回路26はドライバ21から発光回路23に到るトリガー信号Trgの伝送線に設けられている。   Specifically, as shown in FIG. 2, the light emitting unit 20 includes a driver 21, a protection circuit 22, a light emitting circuit 23, a resistor 24, and noise removing circuits 25 and 26. The driver 21 operates by receiving power from a low voltage (for example, 15 V) signal power source Vs, and converts the trigger signal St supplied from the distance measurement processing unit 5 into a trigger signal Trg having a larger current driving force. The protection circuit 22 includes a pair of Zener diodes connected in series, and is a known circuit that performs a clipping operation so that an excessive voltage is not applied to the driver 21 via the transmission line of the trigger signal Trg. The noise removal circuits 25 and 26 are made of resistors or ferrite beads for suppressing noise. The noise removal circuit 25 is provided on the power supply line of the signal power supply Vs, and the noise removal circuit 26 is provided on the transmission line of the trigger signal Trg from the driver 21 to the light emitting circuit 23.

発光回路23は、発光素子231、スイッチング素子232、電荷蓄積部233からなる。電荷蓄積部233は、並列接続された複数のコンデンサからなり、その一端が抵抗24を介して高電圧(例えば20V)の駆動用電源Vcに接続され、他端がグランドラインGNDに接続されている。発光素子231は、レーザダイオードからなり、カソードがグランドGNDに接続され、アノードがスイッチング素子232を介して、電荷蓄積部233の駆動用電源側に接続されている。スイッチング素子232は、電界効果トランジスタからなり、ドライバ21が出力するトリガー信号Trgに従ってオンオフする。このように構成された発光回路23は、スイッチング素子232がオフしている時に、抵抗24を介して電荷蓄積部233を構成するコンデンサが充電される。その後、スイッチング素子232がオンに切り替わると、電荷蓄積部233に蓄積された電荷が発光素子231に供給され、レーザ光が照射される。   The light emitting circuit 23 includes a light emitting element 231, a switching element 232, and a charge storage unit 233. The charge storage unit 233 includes a plurality of capacitors connected in parallel. One end of the charge storage unit 233 is connected to a driving power source Vc having a high voltage (for example, 20 V) via the resistor 24, and the other end is connected to the ground line GND. . The light emitting element 231 is formed of a laser diode, the cathode is connected to the ground GND, and the anode is connected to the drive power supply side of the charge storage unit 233 via the switching element 232. The switching element 232 includes a field effect transistor, and is turned on / off according to a trigger signal Trg output from the driver 21. In the light emitting circuit 23 configured as described above, the capacitor constituting the charge storage unit 233 is charged via the resistor 24 when the switching element 232 is off. Thereafter, when the switching element 232 is turned on, the charge accumulated in the charge accumulation unit 233 is supplied to the light emitting element 231 and irradiated with laser light.

このように構成された発光回路23では、図3(a)に示すように、トリガー信号Trgのパルス幅(図では、4ns〜80ns)が大きいほど、光出力(以下「発光パルス」という)のパワーおよびパルス幅が大きくなる。なお、発光パルスのパワーのピーク値は、10nsを超えるとほぼ一定となる。また、発光パルスのパルス幅(ここでは半値幅)は、図3(b)に示すように、トリガー信号Trgのパルス幅が30ns以下では、パルス幅に応じて増大し、30nsを超えるとほぼ一定の大きさとなる。   In the light emitting circuit 23 configured as described above, as shown in FIG. 3A, the light output (hereinafter referred to as “light emission pulse”) increases as the pulse width (4 ns to 80 ns in the figure) of the trigger signal Trg increases. Increases power and pulse width. The peak value of the power of the light emission pulse becomes almost constant when it exceeds 10 ns. Further, as shown in FIG. 3B, the pulse width of the light emission pulse (here, the half width) increases according to the pulse width when the pulse width of the trigger signal Trg is 30 ns or less, and is almost constant when the pulse width exceeds 30 ns. It becomes the size of.

つまり、発光回路23は、図4に示すように、パルス幅が狭いトリガー信号Trgが供給される第1発光モードでは、パワーが小さくパルス幅の狭い(即ち帯域が広い)発光パルスを照射し、パルス幅が広いトリガー信号Trgが供給される第2発光モードでは、パワーが大きくパルス幅の広い(即ち帯域が狭い)発光パルスを照射する。   That is, as shown in FIG. 4, the light emitting circuit 23 irradiates a light emitting pulse having a small power and a narrow pulse width (that is, a wide band) in the first light emitting mode to which the trigger signal Trg having a narrow pulse width is supplied. In the second light emission mode in which the trigger signal Trg having a wide pulse width is supplied, a light emission pulse having a large power and a wide pulse width (that is, a narrow band) is emitted.

[3.2.受光部]
図1に戻り、受光部30は、発光部20から照射され、物体7にて反射した反射光を受光し、これを電気信号である受光信号に変換する。ここでは、発光部20が第1発光モードで動作した時に使用する第1受光モードと、発光部20が第2発光モードで動作した時に使用する第2受光モードとからなる。なお、第1受光モードでは、受光部30を構成する回路が低ゲインかつ狭帯域となり、第2受光モードでは、受光部30を構成する回路が高ゲインかつ広帯域となる。
[3.2. Light receiving section]
Returning to FIG. 1, the light receiving unit 30 receives reflected light emitted from the light emitting unit 20 and reflected by the object 7, and converts it into a received light signal that is an electrical signal. Here, the light receiving unit 20 includes a first light receiving mode used when the light emitting unit 20 operates in the first light emitting mode, and a second light receiving mode used when the light emitting unit 20 operates in the second light emitting mode. In the first light receiving mode, the circuit forming the light receiving unit 30 has a low gain and a narrow band, and in the second light receiving mode, the circuit forming the light receiving unit 30 has a high gain and a wide band.

受光部30は、具体的には、図5に示すように、受光素子31、演算増幅器32、第1RC回路33、第2RC回路34、切替回路35を備える。
受光素子31は、フォトダイオード(PD)またはアバランシェフォトダイオード(APD)からなり、逆バイアスが加わるように接続されている。演算増幅器32は、反転入力に受光素子31のカソードが接続され、非反転入力が接地され、出力が切替回路35に接続されている。第1RC回路33は、並列接続されたコンデンサCF1および抵抗RF1からなり、一端が演算増幅器32の反転入力に接続され、他端が切替回路35に接続されている。第2RC回路34は、並列接続されたコンデンサCF2および抵抗RF2からなり、第1RC回路33と同様に、一端が演算増幅器32の反転入力に接続され、他端が切替回路35に接続されている。但し、抵抗値および容量値は、RF1<RF2、かつ、RF1×CF1>RF2×CF2となるように設定されている。
Specifically, as shown in FIG. 5, the light receiving unit 30 includes a light receiving element 31, an operational amplifier 32, a first RC circuit 33, a second RC circuit 34, and a switching circuit 35.
The light receiving element 31 is composed of a photodiode (PD) or an avalanche photodiode (APD), and is connected so that a reverse bias is applied. In the operational amplifier 32, the cathode of the light receiving element 31 is connected to the inverting input, the non-inverting input is grounded, and the output is connected to the switching circuit 35. The first RC circuit 33 includes a capacitor C F1 and a resistor R F1 connected in parallel. One end is connected to the inverting input of the operational amplifier 32 and the other end is connected to the switching circuit 35. The second RC circuit 34 includes a capacitor C F2 and a resistor R F2 connected in parallel. Like the first RC circuit 33, one end is connected to the inverting input of the operational amplifier 32 and the other end is connected to the switching circuit 35. Yes. However, the resistance value and the capacitance value are set such that R F1 <R F2 and R F1 × C F1 > R F2 × C F2 .

切替回路35は、第1RC回路33が接続された第1経路、第2RC回路34が接続された第2経路、これら第1経路および第2経路のいずれか一方を、受光部30の出力端と演算増幅器32の出力との間に挿入する一対のスイッチ351,352により構成されている。なお、スイッチ351,352は、測距処理部5からのトリガー信号Stの立ち上がりエッジを検出する毎に同時に切り替わる(図6参照)。そして、切替回路35により第1RC回路33が接続されている状態の動作モードを第1受光モード、第2RC回路34が接続されている状態の動作モードを第2受光モードと呼ぶ。   The switching circuit 35 includes a first path to which the first RC circuit 33 is connected, a second path to which the second RC circuit 34 is connected, one of the first path and the second path as an output terminal of the light receiving unit 30. A pair of switches 351 and 352 are inserted between the outputs of the operational amplifier 32. The switches 351 and 352 are simultaneously switched every time the rising edge of the trigger signal St from the distance measurement processing unit 5 is detected (see FIG. 6). The operation mode in which the first RC circuit 33 is connected by the switching circuit 35 is referred to as a first light reception mode, and the operation mode in the state in which the second RC circuit 34 is connected is referred to as a second light reception mode.

切替回路35により演算増幅器32の出力に接続されたRC回路(第1RC回路33または第2RC回路34のいずれか一方)は、演算増幅器32と共に積分回路を構成する。この積分回路は、RC回路の抵抗値が大きいほどゲインが大きくなり、抵抗値と容量値を乗じた値が大きいほど、RC回路が構成するローパスフィルタのカットオフ周波数が低くなる。   The RC circuit (one of the first RC circuit 33 and the second RC circuit 34) connected to the output of the operational amplifier 32 by the switching circuit 35 constitutes an integration circuit together with the operational amplifier 32. In this integration circuit, the gain increases as the resistance value of the RC circuit increases, and the cutoff frequency of the low-pass filter formed by the RC circuit decreases as the value obtained by multiplying the resistance value and the capacitance value increases.

つまり、受光部30の回路特性は、図4に示すように、第1RC回路33が接続される第1受光モードでは低ゲインかつ狭帯域となり、第2RC回路34が接続される第2受光モードでは高ゲインかつ広帯域となる。なお、ここでいう低ゲイン/高ゲイン、狭帯域/広帯域は、両受光モード間での相対的な状態を表現したものであり、何等かの絶対的な値を表現したものではない。以下では、第1発光モードかつ第1受光モードでの動作モードを近距離モード、第2発光モードかつ第2受光モードでの動作モードを遠距離モードとも称する。   That is, as shown in FIG. 4, the circuit characteristics of the light receiving unit 30 are low gain and narrow band in the first light receiving mode to which the first RC circuit 33 is connected, and in the second light receiving mode to which the second RC circuit 34 is connected. High gain and wide bandwidth. Here, the low gain / high gain and the narrow band / broadband represent relative states between the two light receiving modes, and do not represent any absolute values. Hereinafter, the operation mode in the first light emission mode and the first light reception mode is also referred to as a short distance mode, and the operation mode in the second light emission mode and the second light reception mode is also referred to as a long distance mode.

[4.走査駆動部]
走査駆動部4は、測距処理部5からのトリガー信号Stに同期した同期信号SYを受けて、発光部20から照射されるレーザ光(発光パルス)の照射方向および受光部30による反射光の受光方向を、水平および垂直方向に変化させ、予め設定された範囲内を走査する。具体的には、例えば、発光パルスおよび反射光を反射する反射面を複数備えた回転ミラーを用い、走査駆動部4が、同期信号SYに同期したタイミングで回転ミラーを回転させることによって水平方向にレーザ光を走査する。また、反射面の角度をそれぞれ異なる角度に設定することによって、鉛直方向の走査も実現する。なお、回転ミラーを用いた二次元走査は公知の手法であるため、ここではその詳細についての説明は省略する。
[4. Scanning drive unit]
The scanning drive unit 4 receives the synchronization signal SY synchronized with the trigger signal St from the distance measurement processing unit 5, and the irradiation direction of the laser light (light emission pulse) emitted from the light emitting unit 20 and the reflected light from the light receiving unit 30. The light receiving direction is changed in the horizontal and vertical directions, and scanning is performed within a preset range. Specifically, for example, a scanning mirror 4 is used in a horizontal direction by rotating the rotating mirror at a timing synchronized with the synchronizing signal SY using a rotating mirror having a plurality of reflecting surfaces that reflect the light emission pulse and the reflected light. Scan with laser light. Also, vertical scanning is realized by setting the angles of the reflecting surfaces to different angles. Note that two-dimensional scanning using a rotating mirror is a well-known technique, and therefore, detailed description thereof is omitted here.

また、ここでは、照射光および反射光をいずれも走査するように構成したが、いずれか一方を、照射範囲または受光範囲が走査範囲の全体をカバーするように構成し、他方のみ走査するように構成してもよい。また、回転ミラーを用いず、発光部20や受光部30自体を機械的に動かすことで走査を実現するように構成してもよい。   Also, here, both the irradiation light and the reflected light are configured to scan, but either one is configured so that the irradiation range or the light receiving range covers the entire scanning range, and only the other is scanned. It may be configured. Further, the scanning may be realized by mechanically moving the light emitting unit 20 and the light receiving unit 30 themselves without using a rotating mirror.

[5.測距処理部]
測距処理部5は、CPU51と、ROM,RAM等のメモリ52と、を備えた周知のコンピュータとして構成されている。CPU51は、メモリ52に記憶されたプログラムに従って、後述する発光/受光処理および測距処理等の各種処理を実施する。なお、測距処理部5は、受光部30からの受信信号VoをサンプリングするA/D変換器を備えており、測距処理では、そのA/D変換されたデジタルデータを処理する。なお、測距処理部5が実現する機能は、その一部または全部を回路等によるハードウェアで実現してもよい。
[5. Ranging processing unit]
The distance measurement processing unit 5 is configured as a known computer including a CPU 51 and a memory 52 such as a ROM or a RAM. The CPU 51 performs various processes such as a light emission / light reception process and a distance measurement process, which will be described later, according to a program stored in the memory 52. The distance measurement processing unit 5 includes an A / D converter that samples the reception signal Vo from the light receiving unit 30. In the distance measurement processing, the A / D converted digital data is processed. Note that some or all of the functions realized by the distance measurement processing unit 5 may be realized by hardware such as a circuit.

[5.1.発光/受光処理]
発光/受光処理は、図示しない入力部からの起動指示により起動し、発光部20に対してトリガー信号Stを供給すると共に、走査駆動部4に対して同期信号SYを供給する。
[5.1. Light emission / light reception processing]
The light emission / light reception process is activated by an activation instruction from an input unit (not shown), supplies a trigger signal St to the light emitting unit 20, and supplies a synchronization signal SY to the scanning drive unit 4.

トリガー信号Stは、図6に示すように、予め設定された1方位分の走査周期毎に発生するパルス幅の異なる二つのパルス信号からなる。両パルス信号のパルス幅を比較すると、最初の方が狭く、後の方が広く設定されている。以下では、前者を狭パルス、後者を広パルスと称する。なお、狭パルスと広パルスとは予め設定された発光間隔だけ時間をおいて供給される。   As shown in FIG. 6, the trigger signal St is composed of two pulse signals having different pulse widths that are generated every preset scanning period of one azimuth. Comparing the pulse widths of both pulse signals, the first is narrower and the latter is wider. Hereinafter, the former is referred to as a narrow pulse and the latter is referred to as a wide pulse. Note that the narrow pulse and the wide pulse are supplied with a predetermined light emission interval.

なお、発光間隔は、近距離モードでの最大検出距離を光が往復するのに要する時間にマージンを加えた長さに設定される。但し、回転ミラーの回転速度は、狭パルスと広パルスを発光間隔で出力した時に、両パルスの照射範囲の方位誤差が、十分に小さくなるように設定する。   The light emission interval is set to a length obtained by adding a margin to the time required for the light to reciprocate the maximum detection distance in the short distance mode. However, the rotation speed of the rotating mirror is set so that the azimuth error in the irradiation range of both pulses is sufficiently small when a narrow pulse and a wide pulse are output at the light emission interval.

例えば、発光間隔を2μs、発光ビームのビーム幅を0.15deg、回転ミラーの回転速度を1200rpmとした場合、照射範囲の方位誤差は0.0144degとなる。この場合、照射範囲の約90%が一致することになるため、狭パルスと広パルスとはほぼ同じ場所を照射しているとみなすことができる。   For example, when the emission interval is 2 μs, the beam width of the emission beam is 0.15 deg, and the rotation speed of the rotating mirror is 1200 rpm, the azimuth error in the irradiation range is 0.0144 deg. In this case, since about 90% of the irradiation range coincides, the narrow pulse and the wide pulse can be regarded as irradiating almost the same place.

また、同期信号SYは、トリガ信号に同期していればよい。
この発光/受光処理により、図4に示すように、発光部20が第1発光モード、受光部30が第1受光モードで動作する近距離モードでは、パワーが小さくかつパルス幅の狭い(帯域の広い)発光パルスが照射される。その反射光は、受光部30にて、低ゲインかつ狭帯域で処理される。その結果、測距処理部5に取り込まれる受信信号Voは、信号レベルが小さく、帯域が制限されることでパルス幅が広がった波形を有したものとなる。また、発光部20が第2発光モード、受光部30が第2受光モードで動作する遠距離モードでは、パワーが大きくかつパルス幅の広い(帯域の狭い)発光パルスが照射される。その反射光は、受光部30にて、高ゲインかつ広帯域で処理される。その結果、測距処理部5に取り込まれる受信信号Voは、信号レベルが大きく、帯域制限を受けないためパルス幅が維持された波形を有したものとなる。
The synchronization signal SY only needs to be synchronized with the trigger signal.
With this light emission / light reception processing, as shown in FIG. 4, in the short distance mode in which the light emitting unit 20 operates in the first light emission mode and the light receiving unit 30 operates in the first light reception mode, the power is small and the pulse width is narrow (band width). A wide) emission pulse is irradiated. The reflected light is processed by the light receiving unit 30 with a low gain and a narrow band. As a result, the reception signal Vo taken into the distance measurement processing unit 5 has a waveform in which the signal level is small and the pulse width is widened by limiting the band. In the long distance mode in which the light emitting unit 20 operates in the second light emitting mode and the light receiving unit 30 operates in the second light receiving mode, a light emitting pulse having a large power and a wide pulse width (narrow band) is emitted. The reflected light is processed by the light receiving unit 30 with a high gain and a wide band. As a result, the reception signal Vo captured by the distance measurement processing unit 5 has a waveform in which the pulse width is maintained because the signal level is large and the band is not limited.

[5.2.測距処理]
測距処理は、近距離モードおよび遠距離モードのそれぞれで受信信号Vo(サンプリングデータ)を取得する毎に起動する。
[5.2. Ranging process]
The ranging process is started every time the reception signal Vo (sampling data) is acquired in each of the short distance mode and the long distance mode.

測距処理では、まず、近距離モードでの検出結果から信号レベルが第1閾値以上となり、飽和の有無に関わらずパルス信号波形を全て抽出する。次に遠距離モードでの検出結果から信号レベルが第1閾値以下に設定された第2閾値以上となり、かつ飽和していないパルス信号波形を全て抽出する。   In the distance measurement process, first, the signal level is equal to or higher than the first threshold value from the detection result in the short distance mode, and all pulse signal waveforms are extracted regardless of the presence or absence of saturation. Next, from the detection result in the long-distance mode, all the pulse signal waveforms whose signal level is equal to or higher than the second threshold set below the first threshold and are not saturated are extracted.

次に、抽出した各パルス信号波形について、そのパルス信号波形の最大値が得られるタイミングを反射光の受光タイミングとして、いわゆるTOF(タイムオブフライト)法によりレーザ光を反射した物体までの距離を求める。但し、近距離モードと遠距離モードの両方にて、ほぼ同じタイミングでパルス信号波形が検出されている場合は、遠距離モードでの検出結果を用いて距離を求める。   Next, with respect to each extracted pulse signal waveform, the timing at which the maximum value of the pulse signal waveform is obtained is taken as the light reception timing of the reflected light, and the distance to the object reflecting the laser light is obtained by the so-called TOF (time of flight) method. . However, when the pulse signal waveform is detected at almost the same timing in both the short distance mode and the long distance mode, the distance is obtained using the detection result in the long distance mode.

[6.効果]
以上説明したように、近距離モードでは、パルス幅が狭く広帯域のパルス光を照射し、反射光を帯域制限して処理するため、反射率の高い物体からの反射光を飽和させることなく処理可能な受光レベルの範囲を広げることができる。なお、TOF方式の測距では、受光波形においてパルス信号波形の最大値となるタイミングがわかればよいため、高周波成分を除去して波形を鈍らせても問題なく距離を求めることができる。また、遠距離モードでは、パルス幅が広く狭帯域のパルス光を照射し、反射光を帯域が制限されないようにして処理するため、反射率の低い物体からの反射光を検出可能な受光レベルの範囲を広げることができる。その結果、全体として、精度のよい測距が可能な受光ダイナミックレンジを拡大することができる。
[6. effect]
As explained above, in the short-distance mode, the pulse light with a narrow pulse width is irradiated and the reflected light is band-limited, so that the reflected light from an object with high reflectivity can be processed without saturation. A wide range of received light levels. It should be noted that in TOF distance measurement, it is only necessary to know the timing at which the pulse signal waveform reaches the maximum value in the received light waveform, and therefore the distance can be obtained without problems even if the waveform is blunted by removing the high frequency component. In the long-distance mode, pulse light with a wide pulse width is irradiated and the reflected light is processed so that the band is not limited, so that the reflected light from an object with low reflectivity can be detected. The range can be expanded. As a result, it is possible to expand the light receiving dynamic range that enables accurate ranging as a whole.

具体的には、送信信号の強度や受信信号のゲインのみを調整する従来装置では、受光ダイナミックレンジは100dB程度であるのに対して、更に帯域の制御を加えて制御する距離測定装置1では、受信ダイナミックレンジを140dB程度まで広げることができる。   Specifically, in the conventional device that adjusts only the intensity of the transmission signal and the gain of the reception signal, the light receiving dynamic range is about 100 dB, whereas in the distance measuring device 1 that controls by further controlling the band, The reception dynamic range can be expanded to about 140 dB.

[7.他の実施形態]
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。
[7. Other Embodiments]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention can take a various form, without being limited to the said embodiment.

(1)上記実施形態では、受光部30を構成する回路のゲインおよび帯域を調整するために、演算増幅器32と共に積分回路を構成するRC回路33,34を切り替えるように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図7に示す受光部30aのように、RC回路36を一つだけ設け、演算増幅器32の出力と受光部30aの出力端との間に、可変抵抗371、可変コンデンサ372、抵抗373からなる調整回路37を付加した構成のものを用いてもよい。つまり、可変抵抗371と抵抗373とにより構成される分圧回路によって、受信信号Voのゲインを調整することができ、また、可変抵抗371と可変コンデンサ372とにより構成されるローパスフィルタによって受信信号Voに含まれる周波数成分(即ち帯域)を調整することができる。   (1) In the above embodiment, in order to adjust the gain and band of the circuit that constitutes the light receiving unit 30, the RC circuit 33 and 34 that constitute the integration circuit together with the operational amplifier 32 are switched. It is not limited to. For example, like the light receiving unit 30a shown in FIG. 7, only one RC circuit 36 is provided, and a variable resistor 371, a variable capacitor 372, and a resistor 373 are provided between the output of the operational amplifier 32 and the output end of the light receiving unit 30a. A configuration having an adjustment circuit 37 added thereto may be used. That is, the gain of the reception signal Vo can be adjusted by a voltage dividing circuit constituted by the variable resistor 371 and the resistor 373, and the reception signal Vo is constituted by a low-pass filter constituted by the variable resistor 371 and the variable capacitor 372. Can be adjusted.

(2)上記実施形態では、発光部20が出力する発光パルスのパワーおよび帯域を、トリガー信号Stのパルス幅を変化させることによって調整しているが、これに限るものではない。例えば、発光回路23に供給する駆動用電源Vcの電圧を変化させることで調整するように構成してもよい。   (2) In the above embodiment, the power and band of the light emission pulse output from the light emitting unit 20 are adjusted by changing the pulse width of the trigger signal St, but the present invention is not limited to this. For example, the voltage may be adjusted by changing the voltage of the driving power supply Vc supplied to the light emitting circuit 23.

(3)上記実施形態では、光学ユニット2は、近距離モードと遠距離モードからなる二つの動作モードを有しているが、三つ以上の動作モードを有していてもよい。この場合、受光ダイナミックレンジをより拡大することができるだけでなく、各々の動作モードを実現するために使用される各部品の負荷を軽減することができるため、小型で安価な部品を用いて装置を構成することができる。   (3) In the above embodiment, the optical unit 2 has two operation modes including a short-distance mode and a long-distance mode. However, the optical unit 2 may have three or more operation modes. In this case, not only can the light receiving dynamic range be further expanded, but also the load on each component used to realize each operation mode can be reduced. Can be configured.

(4)上記実施形態では、発光部20および受光部30が、それぞれ一つの発光素子231および一つの受光素子31を用いて構成されているが、特性やサイズの異なる複数の発光素子または複数の受光素子を用いて構成されていてもよい。この場合、各素子がそれぞれ単一の動作モードで動作してもよいし、各素子がそれぞれ複数の動作モードで動作してもよい。   (4) In the above embodiment, the light emitting unit 20 and the light receiving unit 30 are configured by using one light emitting element 231 and one light receiving element 31, respectively. You may comprise using the light receiving element. In this case, each element may operate in a single operation mode, or each element may operate in a plurality of operation modes.

(5)上記実施形態では、走査駆動部4を備え、照射光を走査しているが、これに限定されるものではなく、走査を行わない構成であってもよい。
(6)上記実施形態における一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。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等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。
(5) In the above embodiment, the scanning drive unit 4 is provided and the irradiation light is scanned. However, the present invention is not limited to this, and a configuration in which scanning is not performed may be employed.
(6) The functions of one component in the above embodiment may be distributed to a plurality of components, or the functions of a plurality of components may be integrated into one component. Further, at least a part of the configuration of the above embodiment may be replaced with a known configuration having the same function. Moreover, you may abbreviate | omit a part of structure of the said embodiment. Further, at least a part of the configuration of the above embodiment may be added to or replaced with the configuration of the other embodiment. In addition, all the aspects included in the technical idea specified only by the wording described in the claim are embodiment of this invention.

(7)上述した距離測定装置の他、当該距離測定装置を構成要素とするシステム、距離測定方法など、種々の形態で実現することもできる。   (7) In addition to the distance measuring device described above, the present invention can be realized in various forms such as a system including the distance measuring device as a constituent element and a distance measuring method.

1…距離測定装置、2…光学ユニット、4…走査駆動部、5…測距処理部、7…物体、20…発光部、21…ドライバ、22…保護回路、23…発光回路、24…抵抗、25,26…ノイズ除去回路、30,30a…受光部、31…受光素子、32…演算増幅器、33…第1RC回路、34…第2RC回路、35…切替回路、36…RC回路、37…調整回路、51…CPU、52…メモリ、231…発光素子、232…スイッチング素子、233…電荷蓄積部、351,352…スイッチ、371…可変抵抗、372…可変コンデンサ、373…抵抗   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Distance measuring device, 2 ... Optical unit, 4 ... Scanning drive part, 5 ... Distance measuring process part, 7 ... Object, 20 ... Light emission part, 21 ... Driver, 22 ... Protection circuit, 23 ... Light emission circuit, 24 ... Resistance , 25, 26 ... noise elimination circuit, 30, 30 a ... light receiving unit, 31 ... light receiving element, 32 ... operational amplifier, 33 ... first RC circuit, 34 ... second RC circuit, 35 ... switching circuit, 36 ... RC circuit, 37 ... Adjustment circuit, 51 ... CPU, 52 ... memory, 231 ... light emitting element, 232 ... switching element, 233 ... charge storage unit, 351, 352 ... switch, 371 ... variable resistor, 372 ... variable capacitor, 373 ... resistor

Claims (4)

光出力のパワーおよびパルス幅の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の発光モードを有する発光部(20)と、
前記発光部から送信された光信号の反射光を受光する回路のゲインおよび帯域の両方が段階的に大きくなるように設定された複数の受光モードを有する受光部(30)と、
前記発光モードと前記受光モードとを組み合わせることで設定された複数の動作モードで、前記発光部および前記受光部を繰り返し動作させ、前記動作モードのそれぞれで得られる受光信号から抽出した非飽和のピーク波形を用いて、前記光信号を反射した物体との距離を求める測距処理部(5)と、
を備えることを特徴とする距離測定装置。
A light emitting section (20) having a plurality of light emission modes set so that both the power and pulse width of the optical output increase stepwise;
A light receiving section (30) having a plurality of light receiving modes set so that both the gain and the band of the circuit that receives the reflected light of the optical signal transmitted from the light emitting section are increased stepwise;
A plurality of operation modes set by combining the light emitting mode and the light receiving mode, the light emitting unit and the light receiving unit are operated repeatedly, and a non-saturated peak extracted from the light receiving signal obtained in each of the operation modes. A distance measurement processing unit (5) for obtaining a distance from an object reflecting the optical signal using a waveform;
A distance measuring device comprising:
前記発光部は、発光素子、スイッチング素子、および電荷蓄積部からなり、トリガー信号のパルス幅が大きいほど、前記光出力のパワーおよびパルス幅が大きくなる特性を有した発光回路を用いて構成されていることを特徴とする請求項1に記載の距離測定装置。 The light-emitting unit includes a light-emitting element, a switching element, and a charge storage unit, and is configured using a light-emitting circuit having characteristics that the power and pulse width of the optical output increase as the pulse width of the trigger signal increases. The distance measuring device according to claim 1, wherein: 前記発光部は、特性が互いに異なる複数の発光素子を用いて構成され、前記発光素子のそれぞれが、一つ以上の前記発光モードを実現するように構成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の距離測定装置。   The light emitting unit is configured by using a plurality of light emitting elements having different characteristics, and each of the light emitting elements is configured to realize one or more of the light emission modes. Or the distance measuring apparatus of Claim 2. 前記受光部は、特性が互いに異なる複数の受光素子を用いて構成され、前記受光素子のそれぞれが、一つ以上の前記受光モードを実現するように構成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の距離測定装置。   2. The light receiving unit is configured by using a plurality of light receiving elements having different characteristics, and each of the light receiving elements is configured to realize one or more of the light receiving modes. The distance measuring device according to any one of claims 3 to 4.
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