JP6780699B2 - 測距装置および測距方法 - Google Patents

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Description

本技術は、測距装置および測距方法に関する。
従来から、測定対象物までの距離を測定する測距装置が知られている（例えば下記特許文献１、２参照のこと）。
特開２００７−０７８４２４号公報 特開２００７−１４７３３２号公報
反射光の検出レベルを制御する方法として、特許文献１では、反射光を受光する受光部の感度を制御する方法が提案されている。しかし、感度を上げた場合には固有の暗電流ノイズも増幅されるため、得られる信号のS/N(Signal to Noise)が低下し、測距精度の低下や誤検出を招く問題がある。また、感度を下げた場合にも、信号レベルの低下によるS/N低下の問題がある。一方、特許文献２に記載の技術では、反射光の強度に応じて、複数の異なる反射光検出方式を設けることで測距精度を改善しているが、この場合、システム（装置）の構成が複雑化するという問題がある。
したがって、本技術は、システムの複雑化を招くことなく、測距の精度を向上させた測定装置および測距方法を提供することを目的の一つとする。
上述の課題を解決するために、本技術は、例えば、
少なくとも１つの計測ユニットを備え、
計測ユニットは、
受光部からの出力に基づいて得られる電圧に任意のバイアスを印加することで、当該電圧のレベルをオフセットさせる電圧レベル変換部と、
電圧レベル変換部から出力される電圧を増幅する増幅部と、
増幅部からの出力が所定の閾値に達するタイミングを計測する計測部と
を備える測距装置である。
また、本技術は、例えば、
電圧レベル変換部が、受光部からの出力に基づいて得られる電圧に任意のバイアスを印加することで、当該電圧のレベルをオフセットし、
増幅部が、電圧レベル変換部から出力される電圧を増幅し、
計測部が、増幅部からの出力が所定の閾値に達するタイミングを計測する
測距装置における測距方法である。
本技術の少なくとも一つの実施形態によれば、測距の精度を向上させることができる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本技術中に記載されたいずれの効果であってもよい。また、例示された効果により本技術の内容が限定して解釈されるものではない。
図１は、測距の一方式であるTOF方式を説明するための図である。 図２は、ウォークエラーを説明するための図である。 図３は、本技術の第１実施形態に係る測距装置の構成例を説明するための図である。 図４は、本技術の実施形態に係る受光部の一例を説明するための図である。 図５は、本技術の実施形態に係る受光部からの出力信号の一例を示す図である。 図６は、本技術の実施形態に係る電圧制限増幅部の動作例を説明するための図である。 図７は、本技術の実施形態に係る電圧レベル変換部および電圧制限増幅部の構成例を説明するための図である。 図８は、本技術の実施形態に係る電圧レベル変換部および電圧制限増幅部の動作例を説明するための図である。 図９は、本技術の実施形態に係る電圧レベル変換部および電圧制限増幅部と、受光部側との接続例を説明するための図である。 図１０は、本技術の第２実施形態に係る測距装置の構成例を説明するための図である。 図１１は、本技術の第２実施形態に係る測距装置の動作例を説明するための図である。 図１２は、本技術の第２実施形態に係る測距装置の他の構成例を説明するための図である。
以下、本技術の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
＜１．第１実施形態＞
＜２．第２実施形態＞
＜３．変形例＞
以下に説明する実施形態等は本技術の好適な具体例であり、本技術の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
＜１．第１実施形態＞
「TOF(Time OF Flight)方式について」
本技術の理解を容易とするために、測距の一方式であるTOF方式について図１を参照して概略的に説明する。TOF方式では、距離を測定する対象である測定対象物に対して基準パルス光が照射され、その反射パルス光が受光されるまでに要する飛行時間TTOFの計測がなされる。
一例として、以下のようにして飛行時間TTOFの計測がなされる。基準パルス光（非反射パルス光）が受光部Ａにより受光され、受光部Ａから出力される信号（電圧）が閾値Vthを超えるタイミングtaが計測ユニットＡにより検出される。一方、基準パルス光が測定対象物により反射された反射パルス光が受光部Ｂにより受光され、受光部Ｂから出力される信号（電圧）が閾値Vthを超えるタイミングtbが計測ユニットＢにより検出される。タイミングtaとタイミングtbの差を求めることにより飛行時間TTOFを計測することが可能となる。そして、この飛行時間TTOFに光速c(m/s)を乗算し、乗算結果に1/2を乗算することで測定対象物までの距離を算出することができる。
ところで、実際の測距においては、測定対象物までの距離が長い場合もあれば、測定対象物の反射率が低い場合もある。このような場合には、反射パルス光の光強度が低下し、反射パルス光のレベルが閾値Vthを超えるタイミングを計測できない場合がある。反射パルス光の光強度が低下した微弱光の受光にも対応するためには、閾値Vthのレベルを低く設定するか、信号の増幅率を高くする必要がある。しかしながら、閾値Vthのレベルを低く設定した場合には、光強度の強い反射パルス光を受光した際には、受光により得られるパルス信号の立ち上がりの裾を検出することになり、測距の精度が悪化するおそれがある。さらに、パルス信号の立ち上がりの裾にはノイズ等も含まれるため電気的ノイズや環境光といった外乱ノイズに対しても敏感になり、誤検知を誘発してしまうおそれがある。このような問題は、増幅率を高くした場合も同様に発生し得る。
また、反射パルス光を受光することにより得られる伝送信号は完全な三角波ではなく、信号の立ち上がりおよびパルス頂上付近で時間に対する電圧変化量が小さくなる場合もある。この場合、図２に示すように、電圧パルスが定められた閾値Vthに達する時間t2は、反射パルス光強度によって変化する。この場合、得られる飛行時間tTOFは、真の飛行時間TTOFとは△t2-△t1分だけ異なった値となり、高い距離分解能を得るためには、このズレ量(ウォークエラー)を補正する必要がある。以上の点に鑑みてなされた本技術の実施形態等について詳細に説明する。
「測距装置の構成例」
図３は、本技術の第１実施形態に係る測距装置（測距装置１Ａ）の構成例を示す図である。測距装置１Ａは、一例として上述したTOF方式が適用される測距装置であり、例えば、第１計測ユニット１０と、他の計測ユニットとしての第２計測ユニット２０と、投光部３０と、算出部４０と、制御部５０と、波高値検出回路６０とを備えている。
測距装置１Ａの各部について詳細に説明する。第１計測ユニット１０は、例えば、受光部１０１と、電流−電圧変換部１０２と、線形増幅部１０３と、電圧レベル変換部１０４と、電圧制限増幅部１０５と、計測部１０６とを備えている。
受光部１０１は、例えば、複数のフォトンカウント型受光素子が並列に接続されることにより構成されている。フォトンカウント型受光素子として本実施形態では、シングルフォトンアバランシェフォトダイオード（以下適宜、SPAD(Single Photon Avalanche Diode)と称する）を用いている。受光部１０１により、投光部３０から出射された基準パルス光SPが測定対象物MTにより反射された反射パルス光RPが受光される。
電流−電圧変換部１０２は、受光部１０１から出力される電流を電圧に変換する素子や回路である。本実施形態における電流−電圧変換部１０２は、受光部１０１とグランド（GND）との間に接続される（負荷）抵抗により構成されている。
線形増幅部１０３は、電流−電圧変換部１０２から出力される電圧を所定の増幅率でもって線形（リニア）に増幅する回路である。
電圧レベル変換部１０４は、受光部１０１からの出力に基づいて得られる電圧に任意のバイアスを印加することで、当該電圧のレベルをオフセットさせる構成である。なお、電圧レベル変換部１０４の具体的な構成例等については後述する。
電圧制限増幅部１０５は、出力される電圧を増幅し、増幅後の電圧を出力する回路である。詳細については後述するが、本実施形態における電圧制限増幅部１０５は、増幅後の電圧が所定の制限値を超える場合には、当該制限値を出力するリミッティングアンプとして構成されている。
計測部１０６は、電圧制限増幅部１０５から出力される電圧が所定の閾値Vthに達するエッジ点を検出して受光タイミングを計測し、計測した受光タイミングを算出部４０に出力する構成である。本実施形態における計測部１０６は、計測したタイミングをデジタル値に変換して出力する時間−デジタル変換器（以下適宜、TDC(Time Digital Converter)と称する）により構成されている。なお、詳細については後述するが、計測部１０６は、例えば、レベルがオフセットされた信号がマイナスのレベルから0Vに到達するタイミングを計測するように構成されている。このオフセット値が閾値Vthに対応している。
第２計測ユニット２０は、例えば、受光部２０１と、電流−電圧変換部２０２と、電圧制限増幅部２０３と、計測部２０４とを備えている。
受光部２０１は、例えば、複数のフォトンカウント型受光素子が並列に接続されることにより構成されている。フォトンカウント型受光素子として本実施形態では、SPADを用いている。受光部２０１により、投光部３０から出射され、ビームスプリッタBSにより分岐された基準パルス光SPが受光される。なお、受光部２０１の構成や使用する受光素子は、受光部１０１と異なるものとしてもよい。
電流−電圧変換部２０２は、受光部２０１から出力される電流を電圧に変換する素子や回路である。本実施形態における電流−電圧変換部２０２は、受光部２０１とグランドとの間に接続される（負荷）抵抗により構成されている。
電圧制限増幅部２０３は、出力される電圧を増幅し、増幅後の電圧を出力する回路である。本実施形態における電圧制限増幅部２０３は、増幅後の電圧が所定の制限値を超える場合には、当該制限値を出力するリミッティングアンプとして構成されている。
計測部２０４は、電圧制限増幅部２０３から出力される電圧が所定の閾値Vthに達するエッジ点を検出して受光タイミングを計測し、計測した受光タイミングを算出部４０に出力する構成である。本実施形態における計測部２０４は、計測したタイミングをデジタル値に変換して出力するTDCにより構成されている。
投光部３０は、光源として例えばパルスレーザーダイオードと、パルスレーザーダイオードを駆動するドライバ等（これらの図示は省略している）とを備えている。ドライバが動作することにより、パルスレーザーダイオードからパルス光が出射される。一例として、投光部３０からは、波長830nm（ナノメートル）程度、半値幅300ps（ピコ秒）以下のパルス光が10MHz（メガヘルツ）の繰り返しでもって出射される。投光部３０の光源波長は外乱光となる太陽光に含まれる割合の少ない波長を選択したが、830nm以外の波長であっても良い。また、レーザの半値幅はSPAD信号の立ち上がりより小さい半値幅であることが望ましい。
算出部４０は、マイクロコンピュータやFPGA(Field Programmable Gate Array)等から構成されている。算出部４０は、計測部１０６により計測された反射パルス光RPの受光タイミングと、計測部２０４により計測された基準パルス光SPの受光タイミングとの差を求めることでパルス光の飛行時間TTOFを算出する。算出部４０は、飛行時間TTOFに光速cを乗算してその結果に1/2を乗算することで測定対象物MTまでの距離を算出する。
制御部５０は、マイクロコンピュータやFPGA等から構成されており、測距装置１Ａの各部を制御する。制御部５０は、例えば、計測部１０６や計測部２０４における処理で使用される閾値Vthを変更したり、波高値検出回路６０により検出される波高値に応じて、電圧レベル変換部１０４により印加されるバイアスのバイアス量を設定する制御等を実行する。
波高値検出回路６０は、電流−電圧変換部１０２から出力される電圧の波高値（ピークレベル）を検出し、検出結果を制御部５０に出力する回路である。波高値検出回路６０としては、例えば、積分回路やフラッシュ型AD(Analog to Digital)コンバータを含む回路により構成することができる。
「受光部について」
次に、本技術の実施形態における受光部１０１について詳細に説明する。図４は、受光部１０１の構成例を示す図である。受光部１０１は、複数のSPAD１１1、SPAD１１2・・SPAD１１n（ｎは任意の整数）が並列接続された構成を成している（なお、以下の説明において、個々のSPADを区別する必要がない場合は、単にSPAD１１と称する。）。SPAD１１は、降伏電圧以上の逆バイアス下（ガイガーモードと称される）で動作させるAPD(Avalanche Photo Diode)１２と、APD１２に接続されるクエンチング抵抗１３とを備えている。
SPAD１１におけるAPD１２は、単一のフォトンを受光するとアバランシェ増倍を起こし、105〜106の増倍率でアバランシェ電流を発生する。アバランシェ増倍は、APD１２に印加される電圧を降伏電圧以下に下げることで停止することできる。この機能は、クエンチング抵抗１３に実現される。すなわち、アバランシェ電流がクエンチング抵抗１３を流れることでクエンチング抵抗１３の両端に電圧が発生し、これによりAPD１２に対する印加電圧が降下してアバランシェ増倍が停止する。以上のメカニズムからSPAD信号は指数関数的に減少する電流パルスとなる。
APD１２は、所定期間であるアバランシェ増倍を起こしている間は別のフォトンを受光しても反応しない。不感期間は、一般に数ns（ナノ秒）である。すなわち、フォトンカウント型受光素子とは、例えば、単一のフォトンを受光した後、所定期間内に他のフォトンを受光しても反応しない素子（例えば、APD１２）を含み、出力を見ることで１個のフォトンを受光したことを判別できる素子を意味する。
ところで、SPAD１１から生じるノイズ信号として、ダークカウントおよびアフターパルスが挙げられる。ダークカウントは熱的に励起されたキャリアによって発生するパルス信号であり、アフターパルスはアバランシェ増倍の過程で結晶欠陥などにキャリアが捕獲され、このキャリアの放出により発生するパルス信号である。
受光部１０１を単一のSAPD１１により構成した場合には、ノイズ信号と反射パルス光RP（基準パルス光SPでもよい）とを区別することが困難となり、高いS/Nを得ることができない。そこで、本技術の実施形態では受光部１０１を、複数のSPAD１１を並列に接続したマルチピクセル型の構成としている。これにより、並列接続したSPAD１１の数だけフォトンを同時に受光することが可能となり、各SPAD１１から出力される信号が重畳されて出力されるため、受光部１０１から出力される信号と偶発的に発生しうるノイズ信号とを区別することができる。また、高いS/Nの信号を得ることができ、微弱な反射パルス光RPも受光できるようになる。
図５は、受光部１０１から出力される電流信号を電流−電圧変換部１０２（例えば、50Ω（オーム）の抵抗）に通し、電流−電圧変換部１０２の両端に発生する電圧信号の波形例を示している。なお、受光部１０１から出力される電流信号は、各SPAD１１から出力される電流信号を合成したものである。
図５において縦軸は信号レベル（電圧）を示し、横軸は時間を示している。なお、本例では、受光部１０１としてSPAD１１が縦120個＊横120個に並列接続され、外形が3mm2程度のもの（SPAD１１間の間隔（ピッチ間隔）は25μm（マイクロメートル））を使用した。受光可能な反射パルス光のダイナミックレンジはSPAD数を最大とし、本例では、14400個のSPAD１１が並列接続されているため、1〜14400までのフォトンを受光することが可能であり、そのダイナミックレンジは４桁以上になる。
図５において、波形W1が、受光部１０１が20個のフォトンを受光したときの出力信号の波形を示し、波形W2が、受光部１０１が50個のフォトンを受光したときの出力信号の波形を示し、波形W3が、受光部１０１が90個のフォトンを受光したときの出力信号の波形を示し、波形W4が、受光部１０１が220個のフォトンを受光したときの出力信号の波形を示し、波形W5が、受光部１０１が380個のフォトンを受光したときの出力信号の波形を示している。
一般に、受光部１０１として複数のSPAD１１を使用した場合、各SPAD１１がフォトンを受光するタイミングにばらつきが生じ、SPAD１１からの出力信号が複数に分離された信号となることが考えられる。しかしながら、投光部３０から出射されるパルス光の半値幅をSPAD信号の立ち上がり時間に比べて十分に小さくすることで、図５に示すように、受光部１０１から出力される信号は分離された信号とならず、指数関数的に減衰する波形として取り扱うことができる。
受光部１０１からの出力信号の立ち上がり時間は１ns程度であり、立ち下がり時間（信号レベルが1/e（eは対数）になる時間）は20ns程度であり、受光したフォトン数の増加による波形変化も認められない。受光部１０１からの出力信号の波高値（ピークレベル）は受光したフォトン数の増加にしたがって大きくなり、1フォトン当たりの信号レベルは0.2mV（ミリボルト）程度である。ノイズレベルの顕著な増幅は見られず、受光フォトン数の増加によりS/Nが改善された信号を得ることができる。
複数のSPAD１１による多数のフォトンの同時受光は、S/Nの改善だけでなく、SPAD１１に起因する受光時間のばらつき（以下適宜、SPADジッタと称する）を減少させることができる。この点について詳細に説明する。
正規分布の母集団を想定した場合、平均値ｍ、標準偏差σの母集団から大きさＮの標本を抽出すると、その平均値ｍ'、標準偏差σ'はそれぞれｍ'＝ｍ、σ'＝σ／√Nで与えられる。ここで、SPAD１１固有のジッタをσ＿SPADとすると、N個のフォトンを同時受光した時の実効的なSPADジッタはσ＿SPAD／√Nで与えられ、フォトン数であるNが増加すればするほど実効的なSPADジッタを低減することができる。すなわち、複数のSPAD１１を用いて受光するフォトン数Nを増加させることでSPADジッタを統計的誤差の範囲内に収めることができる。換言すれば、複数のSPAD１１により受光した際のSPADジッタを、個々のSPAD１１が受光した際のSPADジッタよりも小さくすることができる。このように複数のSPAD１１により受光部１０１を構成しているので受光部１０１におけるジッタを低減でき、ジッタの影響による測距の精度の低下を防止することができる。
図５に示すように、受光部１０１からの出力信号が収束する収束時間は、60ns〜80nsであり、投光部３０からのパルス光の繰り返し周波数10MHz（周期でみれば100ns）にも対応することができる。この収束時間は、SPAD１１を含めた回路の時定数等によって決まるものであり、主として受光部１０１を構成する複数のSPAD１１の全寄生容量に依存する。SPAD１１間のピッチ間隔を狭めたり、SPAD１１の数を減らすことで収束時間を短縮することができ、さらに速く繰り返される測距にも対応することができる。すなわち、SPAD１１の数、配列態様等は例示したものに限定されることはなく、測距装置１Ａの用途や反射パルス光RPの強度等を考慮して任意に設定することができる。
「電圧レベル変換部および電圧制限増幅部について」
次に、本技術の実施形態における電圧レベル変換部１０４および電圧制限増幅部１０５について詳細に説明する。説明の便宜上、電圧制限増幅部１０５から説明する。なお、本実施形態では、電圧制限増幅部２０３も電圧制限増幅部１０５と同様の構成としているので、以下に説明する事項は電圧制限増幅部２０３に対して適用することも可能である。
上述したように、本実施形態では受光部１０１を複数のSPAD１１により構成することによりその出力信号のダイナミックレンジを例えば４桁以上にできる一方、ダイナミックレンジ全域にわたって出力信号を線形増幅すると、後段の計測部１０６で使用されるデジタル回路の入力規格を超えてしまうおそれがある。そこで、電圧制限増幅部１０５は、微弱なレベルの信号は増幅し、その増幅値が計測部１０６におけるデジタル回路の入力規格(Vlim)を超える場合には、その規格内で出力制限するような増幅器であることが望まれる。
このような増幅器として、例えば、リミッティングアンプを用いることができる。リミッティングアンプはギガビット・イーサーネット（GbE）や光ファイバ・チャンネル光レシーバのアプリケーションに最適化された高速、高ゲインの増幅器であり、信号振幅の異なる入力信号を一定振幅の差動信号出力に増幅し、波形整形するIC（Integrated Circuit）チップである。リミッティングアンプを使用する利点として、入力信号を一律の差動利得で増幅しながらも、一定値を超える出力はリミッティング(制限)し、入力信号レベルに関わらず定格の出力が得られる点や、伝送信号を差動とすることによりノイズ成分をキャンセルし、高S/Nの信号伝送を実現できる点、1ns程度で立ち上がるSPAD１１の出力信号のような高周波信号をなまらせないで伝送できる点等を挙げることができる。
電圧制限増幅部１０５として、例えば、リミッティングアンプを適用することにより、信号の広ダイナミックレンジを図るために受光部１０１を複数のSPAD１１により構成しつつ、当該構成を採用したことで起こり得る不都合を防止できる。なお、以下の説明において、リミッティングアンプの増幅作用を制限的に増幅すると称する場合がある。
受光部１０１として複数のSPAD１１を使用した場合には、受光部１０１からの出力信号はシングルエンド信号であるから、電圧制限増幅部１０５には片チャンネル入力されることになる。しかしながらこの場合でも差動出力を得ることができる。
図６は、受光部１０１からの出力信号を電圧制限増幅部１０５に片チャンネル入力した際の出力例を説明するための図である。なお理解を容易とするために、図６では、受光部１０１からの出力信号をパルス状の波形で簡略化して示している。電圧制限増幅部１０５の入力端(Din,/Din)は、信号規格に合致するコモン電圧(Vref)にバイアスされている。ここで、0Vをコモン電圧とするシングルエンド信号（受光部１０１からの出力信号）をDin端に入力する。一方、/Din端は無入力とする。
上述した入力の場合、電圧制限増幅部１０５の出力端Doutからは、Vref[V]をコモン電圧として正電圧に振れるプロファイルの信号が出力され、また、出力端/Doutからは、Vref[V]をコモン電圧として負電圧に振れるプロファイルの信号が出力される。この時の電圧の振幅は、各入出力端子における信号振幅をV_Din, V_/Din, V_Dout, V_/Doutとし、電圧制限増幅部１０５の差動利得をGとすると下記の式（１）により示すことができる。
V_Dout - V_/Dout = G * (V_Din - V_/Din) ・・・（１）
つまり、差動利得Gは、差動信号の振幅に対してかかる増幅率である。なお、上述した通り入力信号の振幅が大きく、電圧制限増幅部１０５の出力がVlimを超える場合には、その振幅は制限されることになる。
但し、図６に示した差動出力信号の場合には、マイナスオフセットがなく0Vに到達するタイミングを得ることができない。そこで、本実施形態では、電圧レベル変換部１０４を設け、線形増幅部１０３からの出力信号のレベルをオフセットさせ、当該出力信号が0Vに到達するタイミングを計測する。図７は、本技術の実施形態における電圧レベル変換部１０４および電圧制限増幅部１０５の構成例を示す図である。上述したように、電圧制限増幅部１０５は、例えば、２入力２出力のリミッティングアンプ(Lim.Amp)として構成されている。電圧制限増幅部１０５には、図示しない電源部から電源電圧Vcc（例えば、3.3V）が供給されている。上述したように、電圧制限増幅部１０５の入力端(Din,/Din)は、それぞれ抵抗R1,R2を介して信号規格に合致するコモン電圧(Vref)にバイアスされている。なお、抵抗R1,R2は、例えば、インピーダンスマッチングのための50Ωの抵抗であり必ずしも接続されている必要はない。
電源電圧Vccと入力端/Dinとが可変抵抗Rupを介して接続されている。この可変抵抗Rupが、本実施形態における電圧レベル変換部１０４に該当する。可変抵抗Rupの抵抗値は、例えば、制御部５０により制御される。可変抵抗Rupの抵抗値を制御することにより電源電圧Vccに基づく可変な電圧Vupを生成することができ、この電圧Vupにより入力端/Dinに任意のバイアス量のバイアスを印加することが可能となる。
図６に示した例では、入力端Dinにシングルエンド信号を入力し、入力端/Dinを無入力としたが、本例では、入力端/Dinを電圧Vupだけバイアスし、Vref+Vup[V]にする。この処理は、入力端/Dinに電圧VupのDC(Direct Current)入力を行うことと等価である。図８に示すように、この場合も、上記式（１）に従って入力信号は増幅されて出力されるが、入力端/Dinを電圧Vupだけバイアスすることにより、差動出力はG*Vup分だけ負電圧にオフセット（シフト）する。計測部１０６は、差動信号のレベルが閾値Vthすなわちオフセット値であるG*Vupから0Vに達するタイミングを計測する。
例えば、反射パルス光RPのレベルが小さい場合にはバイアス量である可変抵抗Rupの抵抗値を大きくして電圧Vupを小さくすればよい。すなわち、反射パルス光RPのレベルが小さいことに対応して閾値Vthを小さくすることができる。一方で、反射パルス光RPのレベルが大きい場合にはバイアス量である可変抵抗Rupの抵抗値を小さくして電圧Vupを大きくすればよい。すなわち、反射パルス光RPのレベルが大きいことに対応して閾値Vthを大きくすることができ、パルス信号の立ち上がりの裾を検出等してしまうことを防止することができる。この制御により、反射パルス光RPのレベル変動に起因する上述した不都合を回避できる。
この制御を実行する上で、反射パルス光RPのレベルを検出する必要が生じる。そこで、本実施形態における測距装置１Ａでは、電流−電圧変換部１０２の出力を分岐させて波高値検出回路６０に入力する構成とし、波高値検出回路６０により受光部１０１からの出力信号の波高値を検出する構成としている。波高値検出回路６０は、受光部１０１からの出力信号の波高値を検出し、検出結果を制御部５０に供給する。制御部５０は、波高値検出回路６０から供給される波高値に基づいて反射パルス光RPのレベルを識別し、レベルに応じた抵抗値となるように可変抵抗Rupを制御する。例えば、制御部５０は、波高値（フォトン数でもよい）に対応する抵抗値が記述されたルックアップテーブルを有する構成とし、当該ルックアップテーブルを参照して適切な抵抗値を可変抵抗Rupに設定することができる。
図９は、受光部１０１側（具体的には、受光部１０１および電流−電圧変換部１０２）と、電圧レベル変換部１０４および電圧制限増幅部１０５との接続例を示す図である。なお、図９では線形増幅部１０３の図示は省略している。受光部１０１をDC接続すると、入力端Dinにコモン電圧Vrefがバイアスされているため、電流-電圧変換部１０２に電流が流れてしまう。このため、本例では、受光部１０１側と電圧制限増幅部１０５側との間にコンデンサC1，C2を介してAC(Alternating Current)接続する構成とし、受光部１０１から出力される高周波の信号のみを通過させる構成とした。
「測距装置の動作」
次に、測距装置１Ａの動作例について説明する。投光部３０のドライバが動作することで投光部３０からパルス光が出射される。パルス光の一部がビームスプリッタBSで反射され、基準パルス光（非反射パルス光）SPとして第２計測ユニット２０の受光部２０１により受光される。基準パルス光SPを受光することにより受光部２０１から電流信号が出力される。そして、電流−電圧変換部２０２において電流信号が電圧信号に変換された後、当該電圧信号が電圧制限増幅部２０３で制限的に増幅される。増幅後の電圧信号が計測部２０４に出力される。計測部２０４は、増幅後の電圧信号における電圧が所定の閾値Vth(例えば、0V）に達したタイミングtaを計測し、タイミングtaを示すデジタル信号を生成する。計測部２０４は、タイミングtaを示すデジタル信号を算出部４０に出力する。
一方、パルス光の一部が測定対象物MTで反射され、反射パルス光RPとして第１計測ユニット１０の受光部１０１により受光される。反射パルス光RPを受光することにより受光部１０１から電流信号が出力される、そして、電流−電圧変換部１０２において電流信号が電圧信号に変換される。変換後の電圧信号が分岐されて波高値検出回路６０に供給される。波高値検出回路６０は、反射パルス光RPの波高値を検出し、検出結果を制御部５０に出力する。制御部５０は、波高値に応じた抵抗値を識別し、当該抵抗値を電圧レベル変換部１０４の可変抵抗Rupに設定する。
一方、電流−電圧変換部１０２から出力された電圧信号は、線形増幅部１０３に供給される。線形増幅部１０３は、電圧信号を所定の増幅率でもって増幅して電圧レベル変換部１０４に出力する。電圧レベル変換部１０４は、制御部５０によって設定されたバイアス量のバイアスを増幅後の電圧信号に対して印加する。そして、電圧制限増幅部１０５で信号を制限的に増幅する処理が行われた後、増幅後の電圧信号が計測部１０６に出力される。計測部１０６は、電圧制限増幅部１０５から供給される電圧信号の電圧が所定の閾値Vth(例えば、0V）に達したタイミングtbを計測し、タイミングtbを示すデジタル信号を生成する。計測部１０６は、タイミングtbを示すデジタル信号を算出部４０に出力する。
算出部４０は、計測部１０６から入力されるタイミングtbと、計測部２０４から入力されたタイミングtaとの差分（tb−ta）を求める。そして、算出部４０は、パルス光の飛行時間TTOFに相当する差分（tb−ta）に対して光速cを乗算し、乗算結果に1/2を乗算することで測定対象物MTまでの距離を算出する。得られた測定対象物MTまでの距離に関する情報は後段の制御部５０に供給され、アプリケーションに応じた使用がなされる。
以上、第１実施形態によれば、計測部における閾値そのものを変更するのではなく、反射パルス光に基づいて得られる信号に対してバイアスを印加することで、反射パルス光の信号レベルに対する閾値を相対的に変化させることができる。結果として、反射パルス光の信号レベルに対して適切な閾値が設定されることになるので、測距の精度を低下させることを防止できるとともに、反射パルス光の光強度に起因する不都合（ウォークエラー等）を解決して測距の精度を向上させることができる。また、複数の異なる検出方式に係る構成を設ける必要が無いため、装置が大型化、複雑化することを防止することができる。
＜２．第２実施形態＞
次に、第２実施形態について説明する。なお、第１実施形態で説明した事項は、特に断らない限り第２実施形態にも適用することができ、同様、同質の構成については同一の符号を付し重複した説明を省略する。
図１０は、第２実施形態に係る測距装置（測距装置１Ｂ）の構成例を示す。測距装置１Ｂは、波高値検出回路６０に代えて、電圧レベル変換部１０４ａと、電圧制限増幅部１０５ａと、計測部１０６ａと、電圧レベル変換部１０４ｂと、電圧制限増幅部１０５ｂと、計測部１０６ｂとを備えている。なお、これらの構成は、対応する構成（第１計測ユニット１０における電圧レベル変換部１０４、電圧制限増幅部１０５、計測部１０６）と同様の機能を有している。各電圧レベル変換部に対しては、線形増幅部１０３から出力された信号が分岐されて供給される。なお、計測部１０６、１０６ａ、１０６ｂには異なる閾値Vth1、Vth2、Vth3が設定されている。このうち、閾値Vth1は、反射パルス光RPの飛行時間TTOFを算出するための閾値と同一である。
線形増幅部１０３から供給された信号が分岐され、計測部１０６、１０６ａ、１０６ｂのそれぞれに入力される。各計測部は、図１１に模式的に示すように、入力された信号のレベルと閾値Vth1、Vth2、Vth3とを比較し、比較結果を制御部５０に対して出力する。各計測部は、例えば、信号のレベルが閾値より大きい場合には論理的な意味でのH(High)レベルを出力し、信号のレベルが閾値以下の場合には論理的な意味でのL(Low)レベルを出力する。制御部５０は、各計測部からの信号レベルに基づいて受光部１０１から出力された信号（増幅後の信号）の波高値を判別（推定）する。例えば、Hレベルを出力した計測部に設定された閾値のうち、最も大きな閾値に基づいて波高値を判別してもよいし、傾き（レベル変化／時間変化（例えば、図１１における、（閾値Vth2−閾値Vth1）／（t2−t1）））や半値幅等に基づいて波高値を判別してもよい。制御部５０は、判別した波高値に応じたバイアス量を各電圧レベル変換部に設定する。その他の処理は、第１実施形態と同様であるので重複した説明を省略する。
なお、上述した第２実施形態に係る構成は、より簡易とすることができる。図１２は、第２実施形態に係る他の測距装置（測距装置１Ｃ）の構成例を示す。測距装置１Ｃは、波高値検出回路６０に代えて、３個の判定部（判定部１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）を備えている。各判定部は、コンパレータ等により構成されている。判定部１２ａ、１２ｂ、１２ｃのそれぞれに、上述した閾値Vth1、Vth2、Vth3が設定されている。各判定部は、線形増幅部１０３から供給される信号のレベルと各閾値とを比較して、その結果を論理的なレベルで制御部５０に出力する。制御部５０は、各判定部から供給される信号レベルに基づいて波高値を判別し、判別結果に応じて電圧レベル変換部１０４を制御して適切なバイアス量を設定する。以上のような第２実施形態に係る構成によっても第１実施形態と同様の効果が得られる。
＜３．変形例＞
以上、本技術の複数の実施形態について具体的に説明したが、本技術の内容は上述した実施形態に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
上述した第２実施形態において、計測部１０６、１０６ａ、１０６ｂに設定される閾値Vth1、Vth2、Vth3が第１実施形態で説明した閾値Vthであってもよい。この場合、計測部１０６による線形増幅部１０３から入力される信号と各閾値とを比較する処理により、タイミングt1、t2、t3が得られる。これらのタイミングt1、t2、t3は、略等しい値となるが、それぞれにはジッタが重畳されている。これらの各タイミングを、制御部５０が例えば平均化する処理等のジッタ低減処理を実行することによりジッタを低減することができ、より高い精度での計時が可能となる。
上述した実施形態では、受光部１０１をSPADにより構成した例を説明した。SPADの出力信号のレベルは微弱であるため、電圧制限増幅部１０５による増幅のみでは計測部１０６で計測可能な信号レベルに達しない場合を考慮して、線形増幅部１０３を設ける構成とした。しかしながら、受光部１０１の出力信号のレベルや電圧制限増幅部１０５の増幅率等によっては、線形増幅部１０３を必ずしも設ける必要はない。但し、第２実施形態のように、受光部１０１からの出力信号を分岐する場合には、信号レベルが低下することを防止するためや、信号を安定化し回路の発振を防止するために線形増幅部１０３を設けることが好ましい。
測定対象物MTまでの距離が短いか、もしくは、測定対象物MTの反射率が高い場合には、反射パルス光RPの光強度が増加し、同時に増幅されたノイズ信号までが計測部１０６における閾値Vthを超える場合には、タイミングtbに対して複数のタイミングtaが計測されることもあり得る。このような場合に、制御部５０は、タイミングtaが未検出の場合には計測部１０６における閾値Vthを小さくし、複数のタイミングtaが検出された場合には計測部１０６における閾値Vthを大きくするなど、算出部４０からの出力結果に基づいて計測部１０６における閾値Vthを適宜変化させる処理を行うようにしてもよい。
上述した第２実施形態において、各計測部（各判定部）に設定される閾値（閾値Vth1、Vth2、Vth3）を動的に変更するようにしてもよいし、複数の判定がなされるようにしてもよい。例えば、信号のレベルと閾値Vth1、Vth2、Vth3とを比較した後、当該レベルより大きいと判定された閾値のうち最大の閾値より小さい複数の閾値を再度、設定し、設定された閾値を信号のレベルとを再度、比較するようにしてもよい。受光部１０１からの出力信号が連続的な特性の信号である場合には、この構成により反射パルス光RPのレベルを正確に判別することができる。また、第２実施形態における信号の分岐数や分岐数に応じた構成は、例示された数や構成に限定されることなく適宜、変更可能である。
電圧レベル変換部１０４は、可変抵抗Rupに限定されることはない。例えば、電圧レベル変換部１０４は、入力端/Dinにバイアスとしての電圧Vupを直接的に供給するDC電源（定電圧源）でもよく、バイアスを印加する構成、方法は適宜、変更可能である。
受光部１０１や受光部２０１はSPADに限定されることなく、他の受光素子を使用することもできる。また、使用されるSPADの個数や接続態様は適宜、変更できる。クエンチング抵抗１３は、抵抗に限らずトランジスタ等の他の回路素子でもよい。
計測部１０６は、TDCに限定されることはない。例えば、所定の波形の減衰波形と、当該所定の波形を遅延反転させた波形とを足し合わせてゼロクロス点（タイミングta等に相当）を検出するCFD(Constant Fraction Discriminator)等を使用してもよい。計測部２０４についても同様である。
上述した実施形態における測距装置１Ａ等において、波高値を検出する処理に要する時間や、可変抵抗の抵抗値を設定する処理に要する時間を考慮して、電圧レベル変換部１０４の前段等に、遅延回路を設けてもよい。また、例えば投光部３０が測距装置１Ａ等と異なる装置であってもよいし、ビームスプリッタBSに代えてハーフミラー等を使用してもよく、測距装置１Ａ等の構成は適宜、変更可能である。
上述した実施形態では、受光部２０１に入力される基準パルス光SPのレベルの変動は小さい点を考慮して、受光部２０１からの出力に基づいて得られる電圧にはバイアスを印加する処理等を行わない構成とした。しかしながら、第２計測ユニット２０に線形増幅部、電圧レベル変換部を設け、第２計測ユニット２０において第１計測ユニット１０と同様の処理が行われるようにしてもよい。
測距装置１Ａ等が１つの計測ユニットを有する構成でもよい。例えば、１つの計測ユニットに基準パルス光SPおよび反射パルス光RPが入力される構成とし、基準パルス光SPが所定の閾値を超えたタイミングtaを記憶しつつ、反射パルス光RPが所定の閾値を超えたタイミングtbを求め、それらのタイミングに基づいて測定対象部MTまでの距離を算出するようにしてもよい。
上述した実施形態では、電圧レベル変換部１０４に対してシングルエンド信号が入力される例について説明したが、必ずしもシングルエンド信号である必要はなく、差動信号が入力されてもよいし、この場合にも同様の構成を適用することができる。
本技術の測距装置は、測距装置単体としてではなく、各種の機器に組み込まれて使用されてもよい。例えば、プロジェクタ装置に測距装置が組み込まれてもよい。そして、投影面である壁面の各点に対して測距がなされるようにし、当該壁面の凹凸を識別するようにしてもよい。識別した壁面の凹凸に応じて投影画像の画像データの全体または一部に補正処理（コントラスト改善処理や色調改善処理等）が行われてもよい。また、本技術の測距装置は、ゲーム機器、撮像装置等の各種の電子機器にも適用可能である。
本技術の測距装置は、歩行者や障害物等までの距離を検知し、距離に応じてブレーキを作動させる安全装置にも適用可能である。すなわち、本技術の測距装置は、このような安全装置が使用され得る自動車、電車、飛行機、ヘリコプター、小型飛行体等の移動体にも適用可能である。また、本技術の測距装置は、ロボット（接客用ロボットや災害救助用ロボット、掃除用ロボット等）や防犯装置にも適用可能である。
上述の実施形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。また、本技術は、装置、方法、複数の装置からなるシステム等により実現することができ、実施形態および変形例で説明した事項は、技術的な矛盾が生じない限り相互に組み合わせることができる。
なお、本技術は、以下のような構成も取ることができる。
（１）
少なくとも１つの計測ユニットを備え、
前記計測ユニットは、
受光部からの出力に基づいて得られる電圧に任意のバイアスを印加することで、当該電圧のレベルをオフセットさせる電圧レベル変換部と、
前記電圧レベル変換部から出力される電圧を増幅する増幅部と、
前記増幅部からの出力が所定の閾値に達するタイミングを計測する計測部と
を備える測距装置。
（２）
前記計測ユニットは、
前記受光部からの出力を増幅する線形増幅部を備える
（１）に記載の測距装置。
（３）
前記増幅部は、増幅後の電圧が所定の制限値を超える場合には、該制限値を出力するように構成された
（１）または（２）に記載の測距装置。
（４）
前記受光部と、
前記受光部から出力される電流を電圧に変換する変換部とを備える
（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の測距装置。
（５）
少なくとも前記計測部により計測されたタイミングを使用して、測定対象物までの距離を算出する算出部を備える
（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の測距装置。
（６）
前記受光部からの出力に基づいて得られる電圧から波高値を検出する波高値検出部を備え、
前記波高値に応じて前記印加されるバイアス量が設定される
（１）乃至（５）のいずれか１項に記載の測距装置。
（７）
前記受光部からの出力に基づいて得られる電圧が分岐されて入力され、異なる閾値が設定された複数の判定部を備え、
前記複数の判定部による前記電圧と前記閾値との比較結果に応じて前記印加されるバイアス量が設定される
（１）乃至（５）のいずれか１項に記載の測距装置。
（８）
前記計測ユニットを複数、備え、
それぞれの前記計測ユニットに対して、前記受光部からの出力に基づいて得られる電圧が分岐されて入力されるように構成され、
それぞれの前記計測ユニットにおける計測部により計測されるタイミングを使用して、ジッタ低減処理が実行されるように構成された
（１）乃至（７）のいずれか１項に記載の測距装置。
（９）
他の計測ユニットを備え、
前記他の計測ユニットは、
他の受光部からの出力を増幅する他の増幅部と、
前記他の増幅部からの出力が所定の閾値に達するタイミングを計測する他の計測部と
を備える（１）乃至（８）のいずれか１項に記載の測距装置。
（１０）
前記受光部は、投光部から投光された光が測定対象物により反射された反射光を受光するように構成され、
前記他の受光部は、前記投光部から投光された基準光を受光するように構成された（９）に記載の測距装置。
（１１）
前記投光部を備える（１０）に記載の測距装置。
（１２）
前記計測部および前記他の計測部により計測されたタイミングに基づいて、測定対象物までの距離を算出する算出部を備える（９）乃至（１１）のいずれか１項に記載の測距装置。
（１３）
電圧レベル変換部が、受光部からの出力に基づいて得られる電圧に任意のバイアスを印加することで、当該電圧のレベルをオフセットし、
増幅部が、前記電圧レベル変換部から出力される電圧を増幅し、
計測部が、前記増幅部からの出力が所定の閾値に達するタイミングを計測する
測距装置における測距方法。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ・・・測距装置
１０，２０・・・計測ユニット
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ・・・判定部
３０・・・投光部
４０・・・算出部
５０・・・制御部
６０・・波高値検出回路
１０１，２０１・・・受光部
１０３・・・線形増幅部
１０４・・・電圧レベル変換部
１０５，２０３・・・電圧制限増幅部
１０６，２０４・・・計測部

Claims (13)

  1. 少なくとも１つの計測ユニットを備え、
    前記計測ユニットは、
    受光部からの出力に基づいて得られる電圧に任意のバイアスを印加することで、当該電圧のレベルをオフセットさせる電圧レベル変換部と、
    前記電圧レベル変換部から出力される電圧を増幅する増幅部と、
    前記増幅部からの出力が所定の閾値に達するタイミングを計測する計測部と
    を備える測距装置。
  2. 前記計測ユニットは、
    前記受光部からの出力を増幅する線形増幅部を備える
    請求項１に記載の測距装置。
  3. 前記増幅部は、増幅後の電圧が所定の制限値を超える場合には、該制限値を出力するように構成された
    請求項１に記載の測距装置。
  4. 前記受光部と、
    前記受光部から出力される電流を電圧に変換する変換部とを備える
    請求項１に記載の測距装置。
  5. 少なくとも前記計測部により計測されたタイミングを使用して、測定対象物までの距離を算出する算出部を備える
    請求項１に記載の測距装置。
  6. 前記受光部からの出力に基づいて得られる電圧から波高値を検出する波高値検出部を備え、
    前記波高値に応じて前記印加されるバイアス量が設定される
    請求項１に記載の測距装置。
  7. 前記受光部からの出力に基づいて得られる電圧が分岐されて入力され、異なる閾値が設定された複数の判定部を備え、
    前記複数の判定部による前記電圧と前記閾値との比較結果に応じて前記印加されるバイアス量が設定される
    請求項１に記載の測距装置。
  8. 前記計測ユニットを複数、備え、
    それぞれの前記計測ユニットに対して、前記受光部からの出力に基づいて得られる電圧が分岐されて入力されるように構成され、
    それぞれの前記計測ユニットにおける計測部により計測されるタイミングを使用して、ジッタ低減処理が実行されるように構成された
    請求項１に記載の測距装置。
  9. 他の計測ユニットを備え、
    前記他の計測ユニットは、
    他の受光部からの出力を増幅する他の増幅部と、
    前記他の増幅部からの出力が所定の閾値に達するタイミングを計測する他の計測部と
    を備える
    請求項１に記載の測距装置。
  10. 前記受光部は、投光部から投光された光が測定対象物により反射された反射光を受光するように構成され、
    前記他の受光部は、前記投光部から投光された基準光を受光するように構成された
    請求項９に記載の測距装置。
  11. 前記投光部を備える
    請求項１０に記載の測距装置。
  12. 前記計測部および前記他の計測部により計測されたタイミングに基づいて、測定対象物までの距離を算出する算出部を備える
    請求項９に記載の測距装置。
  13. 電圧レベル変換部が、受光部からの出力に基づいて得られる電圧に任意のバイアスを印加することで、当該電圧のレベルをオフセットし、
    増幅部が、前記電圧レベル変換部から出力される電圧を増幅し、
    計測部が、前記増幅部からの出力が所定の閾値に達するタイミングを計測する
    測距装置における測距方法。
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