JP6825565B2

JP6825565B2 - 測距装置

Info

Publication number: JP6825565B2
Application number: JP2017537191A
Authority: JP
Inventors: 享宏小山; 大畑　豊治; 豊治大畑; 大野　智輝; 智輝大野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2015-09-02
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2036-06-06
Also published as: US10852401B2; JPWO2017037968A1; US20180238999A1; DE112016003988T5; WO2017037968A1

Description

本開示は、測距装置に関する。

従来から、測定対象物に対してパルス光を照射し、その反射光を受光するまでに要する時間（飛行時間（ＴＯＦ(Time Of Flight)）と称されることもある）を計測することにより、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には、受光部にアバランシェフォトダイオードを使用した測距装置が記載されている。

特許４８９８１７６号公報

このような測距装置の分野では、より高精度に距離を測定することが望まれている。

したがって、本開示は、より高精度に距離を測定することが可能な測距装置を提供することを目的の一つとする。

上述した課題を解決するために、本開示は、例えば、
少なくとも１つの計測ユニットと他の計測ユニットとを備え、
計測ユニットは、
複数のフォトンカウント型受光素子が接続されて成る第１の受光部と、
第１の受光部から出力される電流を電圧に変換する第１の変換部と、
第１の変換部から出力される電圧を増幅した増幅値を出力し、該増幅値が所定の制限値を超える場合には、該制限値で出力する第１の増幅部と、
第１の増幅部からの出力値が所定の閾値に達するタイミングを計測する第１の計測部とを備え、
他の計測ユニットは、
第２の受光部と、
第２の受光部から出力される電流を電圧に変換する第２の変換部と、
第２の変換部からの出力値が所定の閾値に達するタイミングを計測する第２の計測部と、
第２の変換部から出力される電圧を増幅した増幅値を出力し、増幅値が所定の制限値を超える場合には、該制限値で出力する第２の増幅部とを備え、
さらに、第１および第２の計測部により得られるタイミングの差に基づいて、測定対象物までの距離を算出し、第１の受光部により受光されたフォトン数に応じた補正量に基づいて、算出した距離を補正する算出部を備える
測距装置である。

本開示の少なくとも一の実施形態によれば、測定対象物までの距離をより高精度に測定することができる。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、本開示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開示の内容が限定して解釈されるものではない。

図１は、一実施形態に係る測距装置の構成を示すブロック図である。図２は、一実施形態に係るＳＰＡＤ和信号の波形例を示す図である。図３は、一実施形態に係る増幅部の特性の一例を説明するための図である。図４は、一実施形態に係る計測部における処理の一例を説明するための図である。図５は、変形例に係る測距装置の構成を示すブロック図である。図６は、反射パルス光の光強度の強弱に応じて発生し得る誤差の一例を説明するための図である。図７は、誤差に応じて測距の精度が低下することを説明するための図である。

以下、本開示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。
＜１．一実施形態＞
＜２．変形例＞
以下に説明する実施形態等は本開示の好適な具体例であり、本開示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。

＜１．一実施形態＞
「測距装置の構成例」
図１は、本開示の一実施形態に係る測距装置１の構成例を示している。測距装置１は、例えば、１の計測ユニットとしての第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とを備えている。概略的に説明すれば、本実施形態に係る測距装置１は、投光部３０から照射されたパルス光のうち測定対象物ＭＴからの反射パルス光ＲＰ（反射光）を第１計測ユニット１０により受光しつつ、基準パルス光ＳＰ（基準光）を第２計測ユニット２０により受光し、受光タイミングの差からパルス光の飛行時間Ｔ_TOFを求め、当該飛行時間Ｔ_TOFに例えば光速を乗算し、乗算結果を２で除算することで測定対象物ＭＴまでの距離を測定する装置である。

測距装置１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、変換部１０２と、増幅部１０３と、計測部１０４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。

図１に示すように、受光部１０１は、複数のＳＰＡＤ１０５₁、ＳＰＡＤ１０５₂・・ＳＰＡＤ１０５_n（ｎは任意の整数）で構成されており、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ＳＰＡＤ１０５と称する。ＳＰＡＤ１０５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)１０６と、ＡＰＤ１０６に接続されるクエンチング抵抗１０７とを備えている。

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から構成されており、本実施形態における変換部１０２は、受光部１０１とグランド（ＧＮＤ）との間に接続される抵抗により構成されている。

増幅部１０３は、変換部１０２から出力される電圧を増幅し、増幅後の電圧（増幅値）を出力するアンプ（増幅器）である。詳細は後述するが、本実施形態における増幅部１０３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１０４は、増幅部１０３から出力される電圧（出力値）が所定の閾値に達するタイミングを計測し、計測したタイミングを算出部４０に出力する。本実施形態における計測部１０４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。

次に、第２計測ユニット２０について説明する。本実施形態における第２計測ユニット２０の構成は第１計測ユニット１０の構成と同様とされており、例えば、受光部２０１と、変換部２０２と、増幅部２０３と、計測部２０４とを備えている。

第２計測ユニット２０の各部については概略的に説明する。受光部２０１は、複数のＳＰＡＤが並列に接続されることにより構成されている。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から構成されており、抵抗により構成されている。増幅部２０３は、変換部２０２から出力される電圧を増幅し、増幅後の電圧を出力するアンプであり、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、増幅部２０３から出力される電圧が所定の閾値に達するタイミングを計測し、計測したタイミングをデジタル値に変換して算出部４０に出力するＴＤＣである。

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８００ｎｍ（ナノメートル）程度、半値幅１００ｐｓ（ピコ秒）以下のパルス光が２０ＭＨｚ（メガヘルツ）の繰り返しでもって出射される。パルス光の波長は、外乱光となる太陽光に含まれる割合の少ない波長が好ましいものの、上述した例と異なる波長のパルス光でもよい。また、パルス光の半値幅は、ＳＰＡＤ１０５から出力される信号（以下適宜、ＳＰＡＤ信号と称する）の立ち上がり時間より小さく設定することが望ましい。

算出部４０は、マイクロコンピュータ等から構成されており、計測部１０４および計測部２０４のそれぞれから入力されるタイミングの差に基づいて飛行時間Ｔ_TOFを求める。そして、求めた飛行時間Ｔ_TOFに対して光速を乗算し、乗算結果を例えば２で除算することにより測定対象物ＭＴまでの距離を算出する。

「受光部の詳細について」
次に、本実施形態における受光部１０１について詳細に説明する。なお、本実施形態では、受光部２０１も受光部１０１と同様の構成としているので、以下の説明は受光部２０１に適用することも可能である。

ＳＰＡＤ１０５におけるＡＰＤ１０６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、ＡＰＤ１０６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１０７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１０７を流れることでクエンチング抵抗１０７の両端に電圧が発生し、これによりＡＰＤ１０６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。

ＡＰＤ１０６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、ＡＰＤ１０６）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、ＳＰＡＤ１０５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を特許文献１に記載の技術の如く単一のＳＡＰＤ１０５により構成した場合には、上述した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(Signal to Noise)を得ることができない。そこで、本実施形態では受光部１０１を、複数のＳＰＡＤ１０５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ＳＰＡＤ１０５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ＳＰＡＤ１０５から出力されるＳＰＡＤ信号が重畳されて出力されるため、ＳＰＡＤ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２は、受光部１０１から出力される電流信号を変換部１０２に通し、変換部１０２に発生する電圧信号の波形例を示している。受光部１０１から出力される電流信号は、各ＳＰＡＤ１０５から出力される電流信号を合成したものであり、以下適宜、ＳＰＡＤ和信号と称する。

図２において縦軸は電圧の値を示し、横軸は時間を示している。なお、本例では、受光部１０１としてＳＰＡＤ１０５が縦１２０個＊横１２０個に並列接続されたもの（ＳＰＡＤ１０５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ＳＰＡＤ１０５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２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ＳＰＡＤ和信号の波形を示し、波形Ｗ２が、受光部１０１が５０個のフォトンを受光したときのＳＰＡＤ和信号の波形を示し、波形Ｗ３が、受光部１０１が９０個のフォトンを受光したときのＳＰＡＤ和信号の波形を示し、波形Ｗ４が、受光部１０１が２２０個のフォトンを受光したときのＳＰＡＤ和信号の波形を示し、波形Ｗ５が、受光部１０１が３８０個のフォトンを受光したときのＳＰＡＤ和信号の波形を示している。

一般に、複数のＳＰＡＤ１０５を使用した場合、各ＳＰＡＤ１０５がフォトンを受光するタイミングにばらつきが生じ、ＳＰＡＤ和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２に示すように、ＳＰＡＤ和信号は分離された信号とならず、ＳＰＡＤ信号と同様の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。

ＳＰＡＤ和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ＳＰＡＤ１０５数の増加によるＳＰＡＤ和信号の波形変化も認められない。ＳＰＡＤ和信号のピークレベルは受光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ＳＰＡＤ和信号を得ることができる。

複数のＳＰＡＤ１０５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、ＳＰＡＤ１０５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、ＳＰＡＤ１０５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ＳＰＡＤ１０５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ＳＰＡＤ１０５により受光した際のＳＰＡＤジッタを、個々のＳＰＡＤ１０５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ＳＰＡＤ１０５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２に示すように、ＳＰＡＤ和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、ＳＰＡＤ１０５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ＳＰＡＤ１０５の全寄生容量に依存する。ＳＰＡＤ１０５間のピッチ間隔を狭めたり、ＳＰＡＤ１０５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、ＳＰＡＤ１０５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１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。

「増幅部の詳細について」
次に、本実施形態における増幅部１０３について詳細に説明する。なお、本実施形態では、増幅部２０３も増幅部１０３と同様の構成としているので、以下の説明は増幅部２０３に適用することも可能である。

図３は、増幅部１０３の特性を説明するための図である。図３において、縦軸は増幅部１０３から出力される信号の電圧を示し、横軸はフォトン数Ｎを示している。グラフ中の点線Ｇ１においてプロットされている４点（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）は、図２に示したのと同様に各フォトンにおけるＳＰＡＤ和信号の波高値（ピークレベル）を示している。

点Ｐ１〜Ｐ４に示される通りＳＰＡＤ和信号の波高値は数１０ｍＶであり、後段の計測部１０４の入力規格電圧（例えば、１００ｍＶ）に満たない。従って、ＳＰＡＤ和信号の電圧（レベル）を増幅部１０３で増幅する必要がある。

ここで、本実施形態では受光部１０１を複数のＳＰＡＤ１０５により構成することによりＳＰＡＤ和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ＳＰＡＤ和信号を線形増幅すると、後段の計測部１０４に用いられるデジタル回路の入力規格を超えてしまう。そこで、増幅部１０３は、微弱なレベルの信号は増幅し、その増幅値が計測部１０４におけるデジタル回路の入力規格（Ｖ_lim）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の大きな特徴は、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である。

一例として、差動増幅率１２６倍のリミッティングアンプを用いた場合の振幅増幅率は６３倍になる。図３に示すように、ＳＰＡＤ和信号のレベルが小さい時には、そのレベルがほぼ線形（リニア）に６３倍増幅され、増幅後のＳＰＡＤ和信号（以下適宜、リミッティングアンプ信号と称する）が生成される。例えば、フォトン数Ｎが２０個の場合のＳＰＡＤ和信号のレベル（ピークレベル）０．００５Ｖ程度がリミッティングアンプにより増幅され、シングルエンド出力３００ｍＶ程度のレベルのリミッティングアンプ信号が生成される。

一方で、リミッティングアンプ信号のレベルが、計測部１０４の制限電圧(例えば、４５０ｍＶ程度)を超える場合には、その信号レベルは一定に制限される。例えば、フォトン数Ｎが１２０個の場合のＳＰＡＤ和信号のレベルはリミッティングアンプにより出力制限がなされるようにして増幅され、４５０ｍＶ程度のレベルのリミッティングアンプ信号が生成される。以上のようにして、後段の計測部１０４の入力規格を満たす構成とすることができる。すなわち、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ＳＰＡＤ１０５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増幅部１０３の構成とすることができる。なお、増幅部１０３の増幅率が満たない場合は、その前段にリニアアンプ等を設けてもよい。

「測距装置の動作」
次に、測距装置１の動作の一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する。パルス光の一部がハーフミラーＨＭで反射された光が、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ＳＰＡＤ和信号Ｓ２１が出力される。そして、変換部２０２では、電流パルスであるＳＰＡＤ和信号Ｓ２１を電圧パルスのＳＰＡＤ和信号Ｓ２２に変換して増幅部２０３に出力する。

増幅部２０３によりＳＰＡＤ和信号Ｓ２２を増幅したリミッティングアンプ信号Ｓ２３が生成され、計測部２０４に出力される。計測部２０４は、図４に示すように、リミッティングアンプ信号Ｓ２３の電圧が所定の閾値Ｖ_th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。なお、図４では、基準パルス光ＳＰの波形がガウス関数に近似したもので示されているが、変換部２０２以降の処理で取り扱われる信号の実際の波形は、図２に例示した波形である（反射パルス光ＲＰおよび後述する図６，図７についても同様である）。

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からはＳＰＡＤ和信号Ｓ１１が出力される、そして、変換部１０２では、電流パルスであるＳＰＡＤ和信号Ｓ１１を電圧パルスのＳＰＡＤ和信号Ｓ１２に変換して増幅部１０３に出力する。

増幅部１０３によりＳＰＡＤ和信号Ｓ１２を増幅したリミッティングアンプ信号Ｓ１３が生成され、計測部１０４に出力される。計測部１０４は、図４に示すように、リミッティングアンプ信号Ｓ１３の電圧が所定の閾値Ｖ_th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１０４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１０４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Ｔ_TOFに相当する差分（ｔｂ−ｔａ）に対して光速を乗算し、乗算結果を２で除算することにより測定対象物ＭＴまでの距離を算出して一連の処理を終了する。

なお、装置における各構成要素の誤差の確率分布期待値が正規分布に従っており、各々独立な誤差をもつとすれば、分散の加法性に基づき、それらを組み合わせた誤差は各構成要素の誤差の二乗和の平方根になる。すなわち、測距装置１の測距の精度は、第１計測ユニット１０における受光部１０１、変換部１０２、増幅部１０３、計測部１０４の各々のジッタの二乗和の平方根になる（第２計測ユニットについても同様）。なお、ここでの距離精度は、１点、１パルス当たりの測距の精度である。

本実施形態では、投光部３０から出射されるパルス光の繰り返し周期（例えば、１０ＭＨｚから数１０ＭＨｚ）に対応して測距を行うことが可能である。しかしながら、１点あたりＱ回の測定を行うことで、その標準誤差は上述の測距の精度の√Ｑ分の１（１／√Ｑ）になり更に測距の精度を上げることができるので、１点当たりの測定回数を増やしてもよい。（但し、測距の繰り返しはＱ分の１になる。）

以上、一実施形態に係る測距装置１について詳細に説明した。上述したように、測距装置１により高精度な測距を行うことが可能となる。なお、受光部を複数のＳＰＡＤで構成し、各ＳＰＡＤからの出力信号を矩形パルスに変換する複数の弁別回路を設けることも考えられる。しかしながらこの構成では、受光部のジッタは減少できるものの、他要素のジッタの影響が大きくなるため測距の精度を上げることができない。本実施形態における測距装置１は、各ＳＰＡＤからの出力信号を一つのＳＰＡＤ和信号として取り扱い、ＳＰＡＤ和信号を処理する一の処理系統（変換部１０２、増幅部１０３および計測部１０４）のみを設けた構成としている。このため、構成要素を少なくすることができ、各構成要素のジッタや遅延時間のばらつきにより測距の精度が低下することを防止できる。

なお、微弱光を受光する素子としてＳＰＡＤに代えてＡＰＤを使用し、受光時間（積算時間）を長くしたり、当該ＡＰＤの受光面積を大きくすることにより微弱な反射パルス光を検出することも可能になる。しかしながら、高速に測距を繰り返すためにはＳＰＡＤを使用することが望ましい。なお、ＳＰＡＤを使用する場合にも、ＡＰＤ（上述した実施形態におけるＡＰＤ１０６）の受光面積を大きくしてもよいが、この場合、寄生容量の増加によるＳＰＡＤ和信号の収束時間の増加が生じるおそれがあるため、高速に測距を行うため且つＳＰＡＤの受光感度を所定以上とするために、ＡＰＤのサイズを適切に設定する必要がある。

＜２．変形例＞
以上、本開示の一実施形態について具体的に説明したが、本開示の内容は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本開示の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。以下、変形例について説明する。

「変形例１」
図５は、変形例１に係る測距装置（測距装置２）の構成を示している。測距装置１と構成的に異なる点は、測距装置２は第２計測ユニット２０を備えていない点である。

測距装置２の動作について説明する。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する。パルス光の一部がハーフミラーＨＭで反射され、基準パルス光ＳＰとして受光部１０１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１０１からはＳＰＡＤ和信号Ｓ３１が出力される。そして、変換部１０２は、電流パルスであるＳＰＡＤ和信号Ｓ３１を電圧パルスのＳＰＡＤ和信号Ｓ３２に変換して増幅部１０３に出力する。

増幅部１０３によりＳＰＡＤ和信号Ｓ３２を増幅したリミッティングアンプ信号Ｓ３３が生成され、計測部１０４に出力される。計測部１０４はリミッティングアンプ信号Ｓ３３の電圧が所定の閾値Ｖ_thに達したタイミングｔｃを計測し、タイミングｔｃを示すデジタル信号を生成して一時的に記憶する。

一方、所定時間経過後に、測定対象物ＭＴで反射された反射パルス光ＲＰが受光部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からはＳＰＡＤ和信号Ｓ４１が出力される。そして、変換部１０２は、電流パルスであるＳＰＡＤ和信号Ｓ４１を電圧パルスのＳＰＡＤ和信号Ｓ４２に変換して増幅部１０３に出力する。

増幅部１０３によりＳＰＡＤ和信号Ｓ４２を増幅したリミッティングアンプ信号Ｓ４３が生成され、計測部１０４に出力される。計測部１０４は、リミッティングアンプ信号Ｓ４３の電圧が所定の閾値Ｖ_thに達したタイミングｔｄを計測し、タイミングｔｄを示すデジタル信号を生成して一時的に記憶する。そして、計測部１０４は、タイミングｔｃおよびタイミングｔｄを示すデジタル信号を例えば時分割多重して算出部４０に出力する。

算出部４０は、計測部１０４から入力されるタイミングｔｃおよびタイミングｔｄとの差分（ｔｄ−ｔｃ）を求める。そして、算出部４０は、パルス光の飛行時間Ｔ_TOFに相当する差分（ｔｄ−ｔｃ）に対して光速を乗算し、乗算結果を２で除算することにより測定対象物ＭＴまでの距離を算出して一連の処理を終了する。

以上、説明したように、本開示の測距装置は、少なくとも１つの計測ユニット（例示した第１計測ユニット１０）を備えていればよく、必ずしも計測ユニットを２個備えている必要はない。なお、測距装置が３個以上の計測ユニットを備え、多点の測距が並列的になされるようにしてもよい。上述した変形例１において、時間的に先に取得されるタイミングｔｃを算出部４０が記憶するようにしてもよい。

「変形例２」
次に、変形例２について説明する。受光部１０１で受光される反射パルス光ＲＰの光強度は、測定対象物ＭＴまでの距離や測定対象物ＭＴの反射率などの条件によって変化する。伝送信号（パルス光）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。図６に示すように、反射パルス光ＲＰの光強度が弱い場合には、光強度が強いレベルの反射パルス光ＲＰの場合と比べて所定の閾値Ｖｔｈに達する時間がΔｔｂ（＝ｔｂ'−ｔｂ）分遅れてしまう。この誤差Δｔｂにより測定対象物ＭＴまでの距離が長く算出され、測距の精度に影響を与えるおそれがある。なお、受光部２０１により受光される基準パルス光ＳＰの光強度の変動は少ないものの誤差Δｔａが生じ得る。図７に示すように、算出部４０で計測される飛行時間ｔ_TOFは、真の飛行時間Ｔ_TOFとは（Δｔｂ-Δｔａ）分だけ異なった値となるため、高い距離分解能を得るためには誤差量（Δｔｂ-Δｔａ）を補正する必要がある。

誤差量（Δｔｂ-Δｔａ）を補正する方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。図２に例示した通り、受光部１０１から出力されるＳＰＡＤ和信号は、フォトン数に応じて波高値が変わるだけで波形そのものは略同じであるので、反射パルス光ＲＰの波高値を測定すれば、フォトン数を得ることができる。例えばフォトン数とΔｔｂとを対応付けたテーブルを用意しこのテーブルを参照することで、得られたフォトン数からΔｔｂを見積ることができる。上述したように、基準パルス光ＳＰの光強度の変動は少ないので誤差Δｔａを０若しくは一定値として考えれば、誤差量（Δｔｂ-Δｔａ）を得ることができる。そして、得られた誤差量（Δｔｂ-Δｔａ）を飛行時間ｔ_TOFから減算することにより、真の飛行時間Ｔ_TOFを得、これに光速を乗算し乗算結果を２で除算することで正確な距離を算出することができる。以上のような補正処理は、算出部４０が実行してもよく、マイクロコンピュータ等の制御部が実行してもよい。本開示の測距装置において上述した補正処理を実行することによりさらに測距精度を向上させることができる。

「その他の変形例」
その他の変形例について説明する。反射パルス光ＲＰを処理する系と基準パルス光ＳＰを処理する系、すなわち、第１計測ユニット１０の構成および第２計測ユニット２０の構成は等長配線とし同一の構成とすることが好ましいが、異なる構成であってもよい。例えば、第２計測ユニット２０の受光部２０１は、比較的強い光強度の基準パルス光ＳＰを受光するので、必ずしもＳＰＡＤを使用せずにＰＤ(Photo Diode)等で構成してもよい。また、受光部２０１の構成に応じて受光部２０１より後段の構成を適宜変更してもよい。例えば、変換部２０２から出力される信号のレベルが十分である場合には、増幅部２０３の構成がなくてもよい。さらに、受光部２０１の特性に応じてハーフミラーＨＭの透過度等を適宜変更してもよい。

フォトンカウント型受光素子は、ＳＰＡＤに限定されることなく、受光フォトン数に応じた信号を出力する他の受光素子を使用することもできる。また、受光部１０１は、複数のＳＰＡＤ１０５を２次元（３次元でもよい）に電気的に接続すればよく、その接続態様は並列接続に限らず適宜、変更できる。ＳＰＡＤ１０５を構成するクエンチング抵抗１０７や変換部１０２、変換部２０２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。

増幅部１０３は、リミッティングアンプ等の非線形増幅器に限定されることはない。例えば、増幅率が異なる複数の増幅器を設け、ＳＰＡＤ和信号の電圧に応じて異なる増幅率でもって増幅がなされるようにしてもよい。増幅部２０３についても同様である。

計測部１０４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。

上述した一実施形態および変形例に係る測距装置１，２は、説明した全ての構成を備える必要はなく、任意の構成を追加、削除してもよいし、ある構成要素の機能を他の構成要素の機能に統合することも可能である。

例えば、測距装置１，２は、投光部３０を備えなくてもよい。測距装置１，２は、算出部４０を備えなくてもよい。測距装置１，２は、投光部３０および算出部４０の一方のみを備えていてもよい。

算出部４０の機能を計測部１０４または計測部２０４が担うようにしてもよい。例えば、計測部２０４から計測部１０４に対してタイミングｔａを示す信号が入力されるように構成する。そして、計測部１０４がタイミングｔａ、ｔｂから飛行時間Ｔ_TOFを求め、飛行時間Ｔ_TOFに光速を乗算して測定対象物ＭＴまでの距離を算出するようにしてもよい。

本開示の測距装置は、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、本開示の測距装置は、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。

本開示の測距装置は、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、本開示の測距装置は、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、本開示の測距装置は、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。

本開示は、例えば、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、本開示は、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、一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、本開示は、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、
複数のフォトンカウント型受光素子が接続されて成る第１の受光部と、
前記第１の受光部から出力される電流を電圧に変換する第１の変換部と、
前記第１の変換部から出力される電圧を増幅した増幅値を出力し、該増幅値が所定の制限値を超える場合には、該制限値で出力する第１の増幅部と、
前記第１の増幅部からの出力値が所定の閾値に達するタイミングを計測する第１の計測部とを備える測距装置。
（２）
他の計測ユニットを備え、
前記他の計測ユニットは、
第２の受光部と、
前記第２の受光部から出力される電流を電圧に変換する第２の変換部と、
前記第２の変換部からの出力値が所定の閾値に達するタイミングを計測する第２の計測部とを備える（１）に記載の測距装置。
（３）
前記他の計測ユニットは、
前記第２の変換部から出力される電圧を増幅した増幅値を出力し、増幅値が所定の制限値を超える場合には、該制限値で出力する第２の増幅部を備える（２）に記載の測距装置。
（４）
前記第１の受光部は、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、
前記第２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る（２）または（３）に記載の測距装置。
（５）
前記投光部を備える（４）に記載の測距装置。
（６）
前記第１および第２の計測部により得られるタイミングの差に基づいて、測定対象物までの距離を算出する算出部を備える（２）乃至（５）のいずれかに記載の測距装置。
（７）
前記第１の受光部は、投光部から投光された基準光および前記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る（１）に記載の測距装置。
（８）
前記フォトンカウント型受光素子は、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を含む（１）乃至（７）のいずれかに記載の測距装置。
（９）
複数のフォトンカウント型受光素子が接続されて成る第１の受光部が、投光部から投光された基準光および前記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のうち、少なくとも前記反射光を受光し、
第１の変換部が、前記反射光の受光に伴って前記第１の受光部から出力される電流を電圧に変換し、
第１の増幅部が、前記第１の変換部から出力される電圧を増幅した増幅値を出力し、増幅値が所定の制限値を超える場合には、該制限値で出力し、
第１の計測部が、前記第１の増幅部からの出力値が所定の閾値に達するタイミングを計測する測距方法。

１，２・・・測距装置
１０・・・第１計測ユニット
２０・・・第２計測ユニット
３０・・・投光部
４０・・・算出部
１０１，２０１・・・受光部
１０２，２０２・・・変換部
１０３，２０３・・・増幅部
１０４，２０４・・・計測部
ＭＴ・・・測定対象物

Claims

少なくとも１つの計測ユニットと他の計測ユニットとを備え、
前記計測ユニットは、
複数のフォトンカウント型受光素子が接続されて成る第１の受光部と、
前記第１の受光部から出力される電流を電圧に変換する第１の変換部と、
前記第１の変換部から出力される電圧を増幅した増幅値を出力し、該増幅値が所定の制限値を超える場合には、該制限値で出力する第１の増幅部と、
前記第１の増幅部からの出力値が所定の閾値に達するタイミングを計測する第１の計測部とを備え、
前記他の計測ユニットは、
第２の受光部と、
前記第２の受光部から出力される電流を電圧に変換する第２の変換部と、
前記第２の変換部からの出力値が所定の閾値に達するタイミングを計測する第２の計測部と、
前記第２の変換部から出力される電圧を増幅した増幅値を出力し、増幅値が所定の制限値を超える場合には、該制限値で出力する第２の増幅部とを備え、
さらに、前記第１および第２の計測部により得られるタイミングの差に基づいて、測定対象物までの距離を算出し、前記第１の受光部により受光されたフォトン数に応じた補正量に基づいて、前記算出した距離を補正する算出部を備える
測距装置。
前記第１の受光部は、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、
前記第２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る請求項１に記載の測距装置。
前記投光部を備える請求項２に記載の測距装置。