JP7013926B2 - 光学的測距装置およびその方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学的に距離を測定する技術に関する。

近年、車両の運転に関して、衝突回避や自動運転などを行うために、対象物までの距離を高速に測定する技術が求められている。こうした光学的測距技術の１つに、レーザ光などを照射し、その光の反射光が戻ってくるまでの時間を計測することで、距離を測定するものがある。反射光の検出には、高い応答性と優れた検出能力とが要求されることから、受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）やＰＩＮフォトダイオードが用いられることが多い。

ＡＰＤに反射光（フォトン）が入射すると、電子・正孔対が生成され、電子と正孔が各々高電界で加速され、次々と衝突電離を引き起こして新たな電子・正孔対が生成される（アバランシェ現象）。このように、ＡＰＤはフォトンの入射を増幅することができることから、遠くの対象物のように反射光の強度が小さくなる場合には、ＡＰＤが用いられることが多い。ＡＰＤの動作モードには、降伏電圧未満の逆バイアス電圧で動作させるリニアモードと、降伏電圧以上の逆バイアス電圧で動作させるガイガモードとがある。リニアモードでは、生成される電子・正孔対よりも高電解領域から出て消滅する電子・正孔対の数が大きく、電子・正孔対の崩壊は自然に止まる。このため、ＡＰＤからの出力電流は、入射光量にほぼ比例する。

他方、ガイガモードでは、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすことができるため、検出感度を更に高めることができる。こうしたガイガモードで動作されるＡＰＤを、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）と呼ぶことがある。ＳＰＡＤを用いた高速測距装置（例えば特許文献１）では、レーザなどの光を対象に向けて照射し、その反射光をＳＰＡＤにより高感度で検出する。レーザの照射から反射光を検出するまでの時間（ＴＯＦ：Time Of Flightということがある）を計ることにより、対象までの距離を検出できる。

特開２０１４－７７６５８号公報

こうした光学的測距技術では、ＳＰＡＤなどの受光素子を２次元的なアレイとして配列した受光面を用意し、この上に、対象に向けて照射したレーザ光などの反射光を入射する。照射した光の反射光は、受光面の所定の位置に像を形成するように、光学系が用意されるが、光学系のアライメントがずれたりすれば、測距が上手くできない場合が有り得る。こうしたズレは、製造時のバラツキ、温度変化などによる光学系の機器の歪みや位置の変化、光学系の経年変化など、種々の要因により発生し得る。受光面における反射光の光学的な位置がずれると、測距の精度が低下してしまう。こうした問題は、ＳＰＡＤを受光素子として用いる測距装置に限らず、高感度ＣＣＤや電子打込型光倍増センサなどの受光素子を用いた場合でも生じ得る。

こうした精度の低下以外にも、光学的な測距を行なうこうした装置の種々の状態を知りたいという要求が存在する。しかし、従来、光学的な測距を行なう装置の状態を検出することは困難であった。

本発明は、上述の課題を踏まえるものであり、以下の形態として実現することが可能である。

光学的測距の一つの態様として、光源（３５）からの光の反射を利用して対象までの距離を検出する光学的測距装置（２０）が提供される。光学的測距装置は、光源からの光を、空間の所定の範囲に向けて照射し、照射した光の前記所定の範囲からの反射光を導く光学系（３０）と、前記光学系により導かれた反射光が入射し得る広さを備えた受光領域に、前記入射する光に応じた信号を出力する複数の受光素子（５０，６０）を配列した受光部（４０）と、受光領域に配列された複数の受光素子からの信号を処理して、受光領域において、所定の範囲からの反射光が入射する受光素子の存在する受光エリアを特定する特定部としての（９０、１００）と、特定した受光エリアの形態から、光学系の状態を含むこの光学的測距装置の状態を推定する推定部（８０）とを備える。

かかる光学的測距装置によれば、受光領域に配列された前記複数の受光素子からの信号を処理して、受光領域において、前記所定の範囲からの反射光が入射する受光素子の存在する受光エリアを特定し、この受光エリアの受光素子からの信号を用いて、光学的測距装置の状態を推定する。従って、光学的測距装置の状態、例えば異常を容易に推定できる。

第１実施形態の光学的測距装置の概略構成を示す概略構成図。 第１実施形態の光学的測距装置の光学系を模式的に示す説明図。 受光素子（ＳＰＡＤ）の等価回路を例示する回路図。 第１実施形態の光学的測距装置のＳＰＡＤ演算部を中心とした機能ブロック図。 第１実施形態の検出原理を示す説明図。 第１実施形態において受光エリアを検出する受光エリア特定部の概略構成を示す説明図。 第１実施形態の光学的測距装置における距離画像形成処理ルーチンを示すフローチャート。 第１実施形態の光学的測距装置における受光エリア更正処理ルーチンを示すフローチャート。 同軸光学系における１回目のスキャンの様子を示す説明図。 同軸光学系における２回目のスキャンの様子を示す説明図。 同軸光学系における３回目のスキャンの様子を示す説明図。 同軸光学系におけるｎ回目のスキャンの様子を示す説明図。 １回からｎ回までの反射光強度画像を加算した画像を示す説明図。 加算により特定された受光エリアを示す説明図。 受光エリアの異常の一例を示す説明図。 受光エリアの異常の他の例を示す説明図。 受光エリアの異常の他の例を示す説明図。 受光エリアの異常の他の例を示す説明図。 受光エリアの異常の他の例を示す説明図。 光学系の汚れなどにより一部のスキャン位置で異常が生じる理由を説明する説明図。 異常が生じていないスキャン位置での高加算領域の一例を示す説明図。 異常が生じているスキャン位置での高加算領域の一例を示す説明図。 他の実施形態の光学的測距装置のＳＰＡＤ演算部を中心とした機能ブロック図。 他の実施形態であるブロック内の複数の受光素子（ＳＰＡＤ）の出力を加算する回路構成を例示する回路図。 その他の実施形態の検出原理を示す説明図。 外乱光の強弱の一例を示す説明図。 上側の外乱光が強い場合の加算画像ＳＧの一例を示す説明図。 上側の外乱光が強い場合に下辺を基準に受光エリアを決定する一例を示す説明図。 決定された受光エリアを示す説明図。

Ａ．第１実施形態：
（１）全体の概略構成：
第１実施形態の光学的測距装置２０は、図１、図２に示すように、距離の測定を行なう対象に向けてレーザを照射しその反射光を受光する光学系３０、複数の受光素子５０を配列した受光アレイ４０、受光アレイ４０からの出力を用いてい測距演算を行なうＳＰＡＤ演算部１００、これらを制御する制御部８０から構成されている。測距の対象となる対象物としては、光学的測距装置２０が車載される場合には、他の車両、歩行者、障害物など、種々のものが想定される。図１では、これらを符号ＯＢＪ１～３として示し、図２ではまとめて符号ＯＢＪとして示した。

第１実施形態の光学系３０は、測距用の光を照射する照射部を含み、レーザ光を出力するレーザ素子３５、このレーザ光を反射して方向を変更するミラー３１、ミラー３１を回転するモータ３４、対象物ＯＢＪからの反射光を集光し受光アレイ４０上に導くレンズ３６等を備える。レーザ素子３５から射出する光は、図２では、単線で描かれているが、実際にはミラー３１の回転軸方向（以下、便宜的に縦方向と呼ぶ）に沿って角度θで広がっている。ミラー３１は、モータ３４によって高速で回転されるので、レーザ素子３５から射出したレーザ光は、ミラー３１の回転角度に応じて進行方向を変え、結果的にモータ３４の回転軸に垂直な方向（以下、便宜的に水平方向と呼ぶ）に対して、レーザ光の広がりの幅で、スキャンすることになる。ミラー３１は、片面にのみ反射面が形成された表面反射鏡であり、原理的には、上記水平方向において１８０度のスキャンが可能だが、光学系３０がケース（不図示）内に収納されていることから、レーザ光の出口の幅による制限を受け、実際には、おおよそ９０～１２０度の範囲をスキャン可能としている。スキャン可能な空間の所定の範囲は、このように光学系３０の構成により定まる範囲である。なお、モータ３４には、回転の原点位置を検出する図示しない原点検出センサが内蔵されており、制御部８０は、モータ３４の原点位置を検出したタイミングとモータ３４の回転数とから、スキャンしている空間の所定の範囲における現在のスキャン位置を知ることができる。

ミラー３１に反射して測距を行なう範囲に照射されたレーザＳＬは、対象物ＯＢＪで反射すると、通常は対象物ＯＢＪの表面で乱反射するから、その一部は入射した方向に戻って来る。照射光の方向に戻る反射光は、照射光とは逆方向に向かい、ミラー３１に反射してレンズ３６に入射し、レンズ３６によって集光されて受光アレイ４０上に到達し、照射したレーザ光の幅および縦方向の拡がりに応じた形状の像ＲＳを形成する。この像ＲＳの受光アレイ４０上の位置は、光学系３０のアライメントによって定まる。従って、組み立て精度の範囲内で、像ＲＳの受光アレイ４０上での位置はバラつく。また、部品の一部の温度上昇による線膨張や経年変化などによって、光学系３０のアライメントがずれれば、受光アレイ４０上での像ＲＳの位置もずれることがある。

レーザ素子３５から出た光は、光学的測距装置２０と対象物ＯＢＪとの間を往復するが、レーザ光の往復時間は極めて短いので、反射光がミラー３１に戻った時点でも、ミラー３１の回転角度は変化していないとみなせる。従って、図１に示したように、対象物ＯＢＪで反射した光は、レーザ素子３５から対象物ＯＢＪに至る光路と同軸の経路を、逆向きに辿って戻ってくる。このため、こうした光学系３０を同軸光学系と呼ぶことがある。

受光アレイ４０には、図２に示したように、縦横に複数の受光素子５０が配列されている。受光素子５０が配列された範囲を受光領域と呼ぶ。各受光素子５０からの信号は、後述するように、画像として扱われることから、受光素子５０を、受光アレイ４０に対応した大きさの画像を形成する画素と呼ぶことがある。各受光素子５０の等価回路を図３に示した。図示するように、各受光素子５０は、電源Ｖｃｃと接地ラインとの間に直列にクエンチ抵抗器ＲｑとアバランシェダイオードＤａを接続し、その接続点の電圧を論理演算素子の一つである反転素子ＩＮＶに入力し、電圧レベルの反転したデジタル信号に変換している。反転素子ＩＮＶの出力は、アンド回路ＳＷの一方の入力に接続されているから、他方の入力がハイレベルになっていれば、そのまま外部に出力される。アンド回路ＳＷの他方の入力の状態は、選択信号ＳＣにより切り換えることができる。選択信号ＳＣは、受光アレイ４０のどの受光素子５０からの信号を読み出すかを指定するのに用いられることから、アドレス信号と呼ぶことがある。なお、アバランシェダイオードＤａをリニアモードで用い、その出力をアナログ信号のまま扱う場合などには、アンド回路ＳＷに代えて、アナログスイッチを用いればよい。

受光素子５０に光が入射していなければ、アバランシェダイオードＤａは、非導通状態に保たれる。このため、反転素子ＩＮＶの入力側は、クエンチ抵抗器Ｒｑを介してプルアップされた状態、つまりハイレベルＨに保たれている。従って、反転素子ＩＮＶの出力はロウレベルＬに保たれる。各受光素子５０に外部から光が入射すると、アバランシェダイオードＤａは、入射した光（フォトン）により通電状態となる。この結果、クエンチ抵抗器Ｒｑを介して大きな電流が流れ、反転素子ＩＮＶの入力側は一旦ロウレベルＬとなり、反転素子ＩＮＶの出力はハイレベルＨに反転する。クエンチ抵抗器Ｒｑを介して大きな電流が流れた結果、アバランシェダイオードＤａに印加される電圧は低下するから、アバランシェダイオードＤａへの電力供給は止り、アバランシェダイオードＤａは、非道通状態に復する。この結果、反転素子ＩＮＶの出力信号も反転してロウレベルＬに戻る。結果的に、反転素子ＩＮＶは、各受光素子５０に光（フォトン）が入射すると、ごく短時間、ハイレベルとなるパルス信号を出力することになる。そこで、各受光素子５０が光を受光するタイミングに合わせて、アドレス信号ＳＣハイレベルＨにすれば、アンド回路ＳＷの出力信号、つまり各受光素子５０からの出力信号Ｓout は、アバランシェダイオードＤａの状態を反映したものとなる。

受光アレイ４０の受光領域には、図２に模式的に示したように、こうした受光素子５０がＨ×Ｖ画素分、配列されている。このＨ×Ｖ画素分の受光素子５０が配列された領域は、上述した像ＲＳの大きさよりも大きい。従って、光学系３０による光学系のアライメントがずれても、そのズレが設計時の想定の範囲に入っていれば、像ＲＳは受光アレイ４０上に納まるが、光学系３０のアライメントのズレが大きくなれば、像ＲＳが受光アレイ４０の受光領域からはみ出すこともあり得る。

以上説明した各受光素子５０はガイガモードで動作するように更正されているので、反射光として、たった一つのフォトンが入射しただけでこれを検出することが可能であるが、光学系３０のミラー３１方向に戻ってくる光は、対象物ＯＢＪの表面で乱反射する光のごく一部に限られる。このために、レーザ光によるスキャンの方向に対象物ＯＢＪが存在したとしても、レーザ素子３５から射出された１パルスに対して必ず反射光が検出されるとは限らない。従って、受光素子５０による反射光の検出は確率的なものとなる。ＳＰＡＤ演算部１００は、確率的にしか反射光を検出し得ない受光素子５０からの信号Ｓout を用いて、統計的な処理を施して反射光を検出する。

そこで、ＳＰＡＤ演算部１００による反射光検出の仕組みについて、図４～図６を用いて説明する。既に説明した様に、受光アレイ４０は、Ｈ×Ｖ画素分の受光素子５０が配列されており、その上に、反射光による像ＲＳが形成される。この像ＲＳは、レーザ光によりスキャンした領域からの反射光であり、ミラー３１が回転しているので、スキャン対象領域の一方の端から他端までの範囲からの反射光が、順次届いたものに対応している。しかも、特定のスキャン位置で考えれば、近い位置の対象物ＯＢＪからの反射光が受光素子５０に到達する時間は、遠方の対象物ＯＢＪからの反射光が受光素子５０に到達する時間より早い。従って、特定のスキャン位置において、反射光のフォトンを検出するまでの時間の長短により、そのスキャン位置に存在する対象物ＯＢＪまでの距離を知ることができる。

受光アレイ４０には、水平セレクタ５１と垂直セレクタ５２とが設けられており、この両セレクタ５１，５２を制御部８０の受光エリア選択部８２が制御することにより、最大Ｈ×Ｖ画素の検出領域から、範囲を限定して、受光素子５０の信号Ｓout を読み出すことができる。これは、両セレクタ５１，５２によって制御される選択信号ＳＣにより、読み出そうとする範囲の受光素子５０のアンド回路ＳＷ（図３参照）を選択状態都とし、その範囲以外の受光素子５０のアンド回路ＳＷを非選択状態とすることで実現される。検出しようとする反射光は、Ｐ×Ｑ画素分の受光素子５０の全てに入射する訳ではなく、光学系３０の設定により定まる特定の範囲にのみ、反射光は入射する。この範囲を、図４では、Ｐ×Ｑ画素からなるアクティブ領域として示した。

受光アレイ４０の出力は、ＳＰＡＤ演算部１００に出力される。ＳＰＡＤ演算部１００は、図４に示したように、Ｈ×Ｖ画素分の受光素子５０の信号Ｓout を入力するパルス検出部１０２、Ｈ×Ｖ画素についてパルス検出部１０２が検出したパルスを各画素毎にＮ回加算するＮ回加算器１０４、各画素における検出結果をヒストグラムとして記憶するヒストグラムメモリ１０６、各画素に関してヒストグラムのピークを検出するピーク検出器１０８を備える。

第１実施形態におけるパルス検出部１０２～ヒストグラムメモリ１０６の動作を図５に例示した。レーザ素子３５が短時間発光して発光パルスを出力すると、対象物ＯＢＪからの反射光が受光素子５０に入射する。各受光素子５０は、時間軸上の特定の位置で反射光を検出する（図中●印のタイミング）。一つの受光素子５０が反射光である受光パルスを検出可能な時間ｔとして、検出可能な最も遠い場所からの反射光が戻るまでの時間が確保されている。その間に検出される受光パルスとしては、レーザ素子３５の発光パルスの反射光によるものの他、外乱光によって生じる受光バルスも存在する。受光素子５０は、反射光および外乱光によるフォトンの入射を受け、信号Ｓout を出力するから、パルス検出部１０２は、これらを受光パルスとして検出する。この動作をＮ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４・・・と複数回、ここではＮ回繰り返すと、Ｎ回分の受光パルスの信号がＮ回加算器１０４によって加算され、ヒストグラムメモリ１０６に記憶されることになる。これを、図５の最下段に「積算ヒストグラム」として例示した。Ｎ回のうち、フォトンを検出できない場合も有り得るが、Ｎ回のレーザ光パルスの照射に対する反射光ピークの検出を重ね合わせることで、つまりヒストグラムを求めるという統計的な処理を施すことで、反射光の存在を検出することができる。また、そのピークまでの時間を測定すれば、対象物ＯＢＪまでの距離を求めることができる。なお、受光エリアの範囲を特定するためであれば、少なくとも反射光によるピークの存在が検出できれば足り、ピークまでの時間を測定する必要は必ずしもない。

図示するように、Ｎ回の検出結果を重ね合わせると、外乱光によるパルス信号はランダムに生じるのに対して、特定の部位から反射光に基づくパルス信号は、特定のタイミングで生じるから、積算ヒストグラム上にピークを形成する。従って、ピーク検出器１０８は、ヒストグラムメモリ１０６の結果を読み取ることにより、ピークの存在の存在とその位置、即ち照射したレーザ光が戻ってくるまでの時間を検出できる。レーザ光の往復に要した時間が分れば、レーザ光を反射した対象物ＯＢＪまでの距離を知ることができる。これが測距信号ＤＣＳである。このように、ＳＰＡＤ演算部１００は、受光素子５０からの信号Ｓout を用いて対象までの距離を測定する測定部として働く。

ビーク検出器１０８は、測距信号ＤＣＳの他に、受光エリア特定用の信号を出力する。測距信号ＤＣＳは、アクティブ領域のＰ×Ｑ画素についての検出信号であり、光学的測距装置２０から見た所定の範囲に存在する対象物ＯＢＪまでの距離の情報を示す信号であるのに対して、受光エリア特定用の信号は、検出領域のＨ×Ｖ画素についての検出信号である。ピーク検出器１０８のこの出力は、制御部８０に設けられた受光エリア特定部９０に出力される。制御部８０は、ＣＰＵ８１を備え、受光エリア特定部９０によって、受光アレイ４０の検出領域（Ｈ×Ｖ画素）からのこの検出信号に基づき、アクティブ領域（Ｐ×Ｑ画素）を検出する。検出の処理については、後で詳しく説明する。受光エリア特定部９０が検出した受光エリア（アクティブ領域）の情報は、測距信号ＤＣＳの生成に利用される。

制御部８０には、図４での図示を省略しているが、ＣＰＵ８１の他にメモリやリアルタイムクロックなど、制御に必要な回路構成部品を内蔵している。また、光学系３０を介して受光アレイ４０に入射する外乱光の強度を検出する外乱光センサ５５が受光アレイ４０の近傍に設けられている。制御部８０は、この外乱光センサ５５から、外乱光の強度を読み取ることができる。

次に、受光エリア特定部９０の構成について、図６を参照して説明する。受光エリア特定部９０は、図示するように、反射光強度画像生成器９２、加算画像生成器９４、受光エリア特定器９６を備える。反射光強度画像生成器９２は、ＳＰＡＤ演算部１００のピーク検出器１０８から受け取った信号を基に反射光強度画像ＬＧを生成する。この反射光強度画像ＬＧは、受光領域に関して、ピーク検出器１０８が反射光を検出した信号に対応した画像である。

加算画像生成器９４は、ピーク検出器１０８による反射光の検出に基づいて反射光強度画像生成器９２が生成した反射光強度画像ＬＧを、複数回加算する。複数回加算することにより加算画像ＳＧを形成し、これを記憶することから、加算画像生成器９４は、画像を記憶するフレームメモリと考えることができる。この加算画像ＳＧから高加算領域ＡＧを検出して受光エリアを特定するのが、受光エリア特定器９６ある。受光エリア特定器９６は、加算画像ＳＧを解析し、レーザ素子３５から照射されて受光アレイ４０上に形成される反射光の像ＲＳの形状に基づいて、受光エリアを決定する。通常、像ＲＳは、略四辺形形状をしているので、加算画像ＳＧを四辺形で近似して、例えば加算画像ＳＧが含まれる最小の四辺形形状を受光エリアとして特定すればよい。あるいは、加算画像ＳＧが外接する最小の四辺形形状を受光エリアとして特定することも差し支えない。受光エリアの形状は、レーザ素子３５から照射されて受光アレイ４０上に形成される反射光の像ＲＳの形状に基づいて決めれば良く、例えば像ＲＳが楕円形であれば、楕円形状に定めれば良い。制御部８０は、この加算画像生成器９４による受光エリアの形状の特定を受けて、光学的測距装置２０の状態、ここでは異常の発生を推定する推定部として働く。推定の詳細については後述する。

（２）距離画像形成処理：
以上、説明したハードウェア構成を踏まえ、光学的測距装置２０が実行する距離測定のための距離画像形成処理について、図７を用いて説明する。図７に示した距離画像形成処理ルーチンは、光学的測距装置２０が起動されると、必要な初期化の処理を行なった後、繰り返し実行される。この処理が起動されると、まず受光エリアを更正するタイミングが否かの判断が行なわれる（ステップＳ１００）。受光エリアの更正とは、上述したように、光学系３０のアライメントなどがずれて受光アレイ４０に形成される像ＲＳの位置がずれた場合、これを検出して、測距に用いる受光エリアを修正することを言う。

こうした受光エリアの更正は、以下のタイミングの少なくとも一つで実施することができる。
〈１〉光学的測距装置２０を起動したとき、
〈２〉光学的測距装置２０による測距の実施中において、間欠的に定められたタイミングとなったとき、
〈３〉光学的測距装置２０の使用を終了するとき、
〈４〉車両が停止中など、測距を実施していないとき、
〈５〉測距を行なう毎、
〈６〉測距を行なっているが、時間的に許容できるタイミング（いわゆるサイクルスチールのタイミング）であるとき、
〈７〉運転席近くに設けた「更正ボタン」などを運転者が操作して、受光エリアの更正を指示したとき、
〈８〉工場出荷時や定期検査などでの光学的測距装置２０の調整をおこなうとき。

受光エリアの更正を行なうべきタイミングであれば（ステップＳ１００：「ＹＥＳ」）、次に受光エリア更正処理（ステップＳ２００）を行なってから、距離画像の形成処理（ステップＳ３００）を実行する。他方、受光エリアの更正を行なうタイミングでなければ（ステップＳ１００：「ＮＯ」）、ステップＳ２００を飛ばして、距離画像の形成処理（ステップＳ３００）に移行する。ステップＳ２００の受光エリア更正処理およびそこで行なわれる異常処理については、図８を用いて後でまとめて説明する。

距離画像形成処理（ステップＳ３００）では、更正された受光エリアを用いて、距離画像を形成し、これを測距信号ＤＣＳとして出力する。距離画像は、レーザ素子３５からのバルス光を、ミラー３１によりスキャンするスキャン領域に対応した大きさの画像であり、このスキャン領域に存在する対象物ＯＢＪまでの距離を、画像を構成する画素単位で定義した画像である。各画素に定義される距離は、ミラー３１の角度が所定の位置、つまり光学的測距装置２０から見て所定の方向でのピークが検出された受光バルスの戻り時間に基づいて求められる。受光パルスのピークは、同じ方向に対して複数個のパルス光を照射し、これに対応した反射光を受光して、反射光に含まれる受光パルスを重ね合わせることで求められる（図５参照）。ステップＳ１００のピーク検出器１０８は、このピークを画素毎に検出し、これをレーザ光によるスキャンの位置に合せて並べ替え、距離画像とする。その結果を、測距信号ＤＣＳとして、外部に出力する。

外部とは、例えば車両であれば、運転支援装置などである。運転支援装置は、受け取った距離画像から対象物ＯＢＪの存在を認識し、危険回避などの運転支援に利用することができる。もとより、距離画像をそのまま表示する装置などに出力しても良い。車両であれば、別途カメラで撮影した画像とこの距離画像とを重ね合わせ、歩行者などをマーキングするといった利用も可能である。あるいは、ネットワークを介してサーバなどに距離画像を出力しても良い。サーバでは、例えば、所定の場所を走行する車両からの距離画像を多数集め、その場所の道路状況（例えば混雑や渋滞の状態）を示すビッグデータとして解析に用いるといった利用も可能である。あるいは光学的測距装置２０を主に路面までの距離を計測するように車両に取り付け、路面までの距離を計測し、路面の３次元形状の精密な認識に用いてもよい。

こうして距離画像形成処理（ステップＳ３００）を行なった後、この距離画像の形成処理がステップＳ２００に示した受光エリアの更正処理の直後になされたか否かを判断する（ステップＳ１１０）。直後であれば、受光感度確認処理（ステップＳ４００）を行なう。受光感度確認処理とは、ステップＳ２００で行なった受光エリアの更正処理の結果、受光感度が高まって、距離画像の形成が以前より望ましい条件で行なわれるようになったか（あるいは、以前より受光の感度が低下していないか）を確認する処理である。実際に距離画像を形成してみて、受光エリアの更正処理の前と比べて、受光感度が落ちており、距離画像の形成の条件が劣化していれば、受光エリアを更正前のエリアに戻し、ステップＳ４００の処理を終了し、距離画像形成処理ルーチンを終了する。他方、受光エリア更正処理の直後でなければ、ステップＳ４００の処理を行なうことなく、図７に示した処理ルーチンを終了する。

（３）受光エリア更正処理：
次に、ステップＳ２００として示した受光エリア更正処理について、図８のフローチャートに基づいて説明する。図８に示した処理は、制御部８０のＣＰＵ８１により行なわれる。受光エリア更正処理ルーチンを開始すると、ＣＰＵ８１は、まず初期化の処理を行なう（ステップＳ２０５）。初期化の処理は、それまでの受光エリアを示すデータを保存する処理や、加算画像生成器９４のフレームメモリをクリアする処理の他、ＳＰＡＤ演算部１００に指示して、ヒストグラムメモリ１０６のデータをリセットする処理などを含む。

次に、ＣＰＵ８１は、外乱光センサ５５から外乱光の強度を取得する処理を行なう（ステップＳ２１０）。その後、ＣＰＵ８１は、受光エリア検出部９０の反射光強度画像生成器９２にアクセスし、反射光強度画像ＬＧを読み込む（ステップＳ２１５）。この反射光強度画像ＬＧの強度と、外乱光センサ５５から読み込んだ外乱光の強度とを比較して、加算画像生成器９４による加算回数Ｍを決定する。外乱光が強い場合は、図５を用いて説明した様に、各回の検出におけるノイズが多くなるので、ピークの検出を行なう際、検出結果を重ね合わせる回数を増やした方が望ましいからである。決定された加算回数Ｍは、加算画像生成器９４に出力され、加算画像生成器９４では加算画像ＳＧの生成が行なわれ、加算画像ＳＧがフレームメモリに形成される（ステップＳ２２５）。したがって、この処理は、ピーク検出器１０８が検出したピーク値を複数回の測距により更に重ね合わせていることになる。なお、反射光強度画像ＬＧを読み込んで加算するとき、外乱光の強度を検出し、これを、反射光強度画像ＬＧにおける各画素の強度から減算するようにしてもよい。

続いて、加算画像ＳＧからノイズを除去する処理を行なう（ステップＳ２３５）。ノイズの除去処理は、得られた加算画像ＳＧに含まれているノイズを除去する処理である。図５に例示したように、反射光強度画像ＬＧでは外乱光などによる単発のノイズの影響を除かれているが、空気中の微粒子などの影響で短時間内で同じタイミングで反射光が検出されていれば、反射光強度画像ＬＧの段階ではこれをピークとして検出する可能性がある。こうしたピークは、Ｍ回の加算を行なっても残ることになる。そこで、ノイズ除去処理では、加算画像ＳＧのピーク値に残っているノイズを除去するために、閾値を決定し（ステップＳ２３０）、加算画像ＳＧをこの閾値で２値化する処理を行なう（ステップＳ２４０）。

こうして得られたノイズ除去後の加算画像に基づいて、領域分割の処理を行なう（ステップＳ２５０）。領域分割とは、光学系３０により受光アレイ４０上に形成される受光エリアが、本実施形態では四辺形形状をしているという事前の情報に基づき、加算画像ＳＧを包含する最小の四辺形形状の領域を、受光アレイ４０の全領域から分割して取り出す処理である（図６参照）。こうして取り出された領域を高加算領域ＡＧと呼ぶ。

次に高加算領域ＡＧの位置や形状に異常があるかを判断する（ステップＳ２６０）。高加算領域ＡＧの位置や形状に異常がなければ（ステップＳ２６０：「ＮＯ」）、受光エリアの更正処理（ステップＳ２７０）を行なう。他方、高加算領域ＡＧの位置や形状に異常があると判断した場合は、異常処理（ステップＳ２８０）を実行する。受光エリアの更正処理（ステップＳ２７０）または異常処理（ステップＳ２８０）を行なった後、「ＮＥＸＴ」に抜けて、本受光エリア更正ルーチンを終了する。

高加算領域ＡＧの異常を判断する手法と異常処理の内容については、後で詳述するものとし、先に受光エリアの更正処理（ステップＳ２７０）について説明する。受光エリアの更正とは、受光アレイ４０上に光学系３０による像が形成される領域を特定することであり、それまでの受光エリアを改めることを意味する。本実施形態では、次の二つの手法のいずれか、あるいは両方の処理を行なうことを言う。
［１］水平セレクタ５１および垂直セレクタ５２により、特定した受光エリアに対応する範囲の受光素子５０のアンド回路ＳＷを選択状態とし、他を非選択状態にする。これにより、受光アレイ４０から出力される信号の範囲を制限し、受光エリア以外からの信号を処理する必要がないようにする。
［２］ＳＰＡＤ演算部１００のパルス検出部１０２，Ｎ回加算器１０４，ヒストグラムメモリ１０６，ピーク検出器１０８の少なくとも１つの動作範囲を、特定した受光エリアに制限することで、受光アレイ４０の全受光素子５０からの信号が入力したとしても、ＳＰＡＤ演算部１００の各部の演算処理の範囲を限定する。

前者によれば、受光アレイ４０からの信号Ｓout の読み出しを制限でき、読み出し時間の短縮を図ることができる。またその分、読み出しの繰り替え周波数を高めることができる。後者の場合には、重ね合わせ演算などの演算量を低減でき、演算時間を短縮することができる。

本実施形態では、光学系３０として同軸光学系を採用している。このため、レーザ素子３５から照射したレーザ光の反射光が形成する像の位置は、ミラー３１の角度、即ちスキャンの位置によらず、ほぼ同一になる。このことを利用して、反射光強度画像ＬＧから加算画像ＳＧを容易に生成することができる。この手法について、説明する。図９Ａでは、受光アレイ４０において、反射光を受光しているエリアをクロスハッチングにより示している。

受光アレイ４０から信号Ｓout を読み出す範囲は、水平セレクタ５１または垂直セレクタ５２により変更することができる。そこで、第１回から第ｎ回まで、垂直方向の読み出し領域を順次変えて、反射光強度画像生成器９２により反射光強度画像ＬＧを生成する。図９Ａから図９Ｄに示した例では、水平セレクタ５１により読み出しの範囲を変えている。第１回目の読み出しの範囲は、図９Ａの例示では、受光アレイ４０の垂直方向上端の３画素分である。次に、読み出しの範囲を１画素分ずらして、第２回目の読み出し（図９Ｂ）、第３回目の読み出し（図９Ｃ）、・・・・と継続し、最後に受光アレイ４０の他端の３画素分を読み出す第ｎ回目の読み出しを行なう（図９Ｄ）。

こうすると、受光エリアに入っている画素からは、何らかのピークが読み出され、結果的に、その３画素の幅における反射光強度画像ＬＧが読み出されることになり、これをずらしながらｎ回繰り返すことで、受光エリア内では、ヒストグラムはおおよそ「３」となり、受光エリア以外ではノイズがなければ０となる。また、受光エリアの境界では、検出の度に反射光が検出されたり検出されなかったりする。その割合は、統計的な値となる。そこで、加算画像生成器９４により重ね合わせが行なわれた後の加算画像ＳＧは、図９Ｅに例示したように、境界領域では、受光エリアの内側のヒストグラムよりも小さなヒストグラムに対応した画像となる。

そこで、図９Ｆに示すように、このヒストグラムの高い値に対応した領域、つまり反射光強度の高い領域を受光エリアとして選択することができる。上記の例では、１回の読み出しの対象を３画素分として水平セレクタ５１を動作させたが、３画素より広い画素幅、例えば１０画素以上としても差し支えない。また１回の読み出し毎の読み出し位置の変更量も１画素とはせず、２画素以上（但し、読み出しの幅よりも小さい値）としても良い。

以上説明した第１実施形態では、受光アレイ４０で反射光の像ＲＳが形成されている場所を特定し、その領域内でピーク検出を行ない、測距信号ＤＣＳを求めて外部に出力することで、光学的測距装置２０での測距を精度良く行なうことができる。受光アレイ４０を構成する複数の受光素子５０上に形成される反射光の像ＲＳの位置（アライメント）がずれても、受光エリア更正処理（図７、ステップＳ２００および図８、ステップＳ２０５～Ｓ２７０）により、現に反射光による像が形成されている領域（受光エリアの位置）を容易に特定することができる。受光エリアが特定できれば、その領域内でピーク検出を行なうことができ、光学的測距装置２０の測距の精度の低下を抑制できる。

上記実施形態では、外乱光の強度に応じて加算回数Ｍを増減したが、加算画像ＳＧの形成時（ステップＳ２２５）に、反射光強度画像ＬＧから外乱光に対応する値を減算しておくものとしてもよい。この場合、加算回数は一定としてもよいし、外乱光の強度に応じて増減してもよい。また、図９Ｅに示したように、１～ｎ回までの反射強度画像を加算して加算画像に求める際、各画素毎に加算値のデータを持つのではなく、行毎、列毎に加算した射影ヒストグラムとして、扱ってもよい。図９Ｅに示したように、水平方向の受光素子行Ｈ１，Ｈ２，・・・Ｈｈにおいてピークが検出された画素の数を検出の度に加算して記憶し、同時に垂直方向の受光素子列Ｖ１，Ｖ２，・・・Ｖｖにおいてピークが検出された画素の数を検出の度に加算して記憶する。こうすることでも、反射光による像が形成されている領域を特定することができる。しかも、２次元的に配列された全ての受光素子についてのデータを記憶する必要がないので、加算画像生成器９４におけるフレームメモリの容量を低減することができる。

（４）光学的測距装置２０の状態（異常）の推定処理：
次に、高加算領域ＡＧに基づいて、受光エリアに何らかの異常があると判断する処理（図８、ステップＳ２６０）および異常処理（ステップＳ２８０）について説明する。これらの処理は、光学的測距装置２０の状態を推定する処理の一つとして、制御部８０により実行される。ステップＳ２６０では、受光アレイ４０の高加算領域ＡＧの位置や形状に異常があるか否かを判断する。この処理は、以下のようにして行なわれる。受光エリア更正処理ルーチンを実行することにより、エリア検出部９０は受光エリアを四辺形形状として検出する。四辺形形状として検出するのは、レーザ素子３５から射出されたレーザ光の広がりの範囲が、おおよそ長方形状をしているからである。このため、反射光を受光した高加算領域ＡＧの形状も四辺形形状になると想定される。

そこで、検出された高加算領域ＡＧの位置や形状が以下のいずれかになっている場合、高加算領域ＡＧの位置や形状に異常があると判断する。
〈１〉高加算領域ＡＧが台形の場合：図１０Ａに例示したように、高加算領域ＡＧが四辺形形状であっても、台形形状Ｒ１となっているときは、光学系３０に異常があると判断する。高加算領域ＡＧが台形形状になる光学系３０の異常としては、受光アレイ４０が傾いている可能性が最も高いが、それ以外にレーザ素子３５からミラー３１への入射位置のズレなども有り得る。

〈２〉高加算領域ＡＧの大きさが逸脱している場合：図１０Ｂに例示するように、高加算領域ＡＧが、長方形形状Ｒ２であっても、通常想定される大きさＳＡと比べて、一定以上大きい場合には、光学系３０に異常があると判断する。こうした異常は、受光アレイ４０が光軸に沿った前後方向に、調整の範囲を超えてずれている場合や、レンズ３６位置のズレ、あるいはレンズの膨張や収縮による焦点距離のズレなどなどによって生じる。なお、通常想定される大きさＳＡと比べてどの程度大きいかは、高加算領域ＡＧに含まれる画素の総数によって判断しても良いし、高加算領域ＡＧの縦横の少なくとも一方が予め縦横について定めた閾値より大きいことにより判断してもよい。

〈３〉高加算領域ＡＧの内側に常にピーク値の低い画素がある場合：図１０Ｃに例示するように、高加算領域ＡＧが長方形形状Ｒ３であっても、その内側に、常時ピーク値の低い画素ＤＡが検出される場合には、異常と判断する。ピーク値の低い画素は、受光エリア更正処理を行なう際の光学的測距装置２０の前方の状況によっては生じ得るものの、ほぼ常時、同じ画素のピーク値が低い場合には、受光アレイ４０の受光素子５０の不良（動作不良、破損、劣化など）の異常が生じたと判断できる。また、これ以外に、ミラー３１やレンズ３６の部分汚れや傷などによって、こうした異常が生じる場合もありえる。

〈４〉高加算領域ＡＧが極端にシフトしている場合：図１０Ｄに例示するように、高加算領域ＡＧが長方形形状Ｒ４であっても、その位置が、受光アレイ４０上において上下左右の少なくともいずれか１つの方向に極端にシフトしている場合には、光学系３０に異常があると判断する。こうした異常は、受光アレイ４０の位置の縦横方向へのズレや、レーザ素子３５，ミラー３１，レンズ３６などの位置や傾きのズレによっても生じ得る。

〈５〉高加算領域ＡＧを検出したものの、各画素のピーク値が全体的に低い場合：図１０Ｅに示すように、高加算領域ＡＧが長方形形状Ｒ５であっても、全体に広く、かつ各画素のピーク値が全体的に低い場合には、光学系３０の異常だと判断する。こうした異常は、受光アレイ４０の全画素の不良（動作不良、破損、劣化など）や光学系３０のアライメントの不良などにより生じる。受光アレイ４０の全画素の不良は、経年変化などによっても生じるが、受光素子５０に供給される電源系の異常などによっても生じ得る。また、光学系３０に関しては、レーザ素子３５，ミラー３１，レンズ３６の表面の曇り、結露、汚れなどによっても生じ得る。更に、レンズ３６と受光アレイ４０との位置関係のズレにより、受光アレイ４０が合焦の位置から大きく隔たっている場合にも生じ得る。

図１０Ｅに例示した場合とよく似たケースで、高加算領域ＡＧが受光アレイ４０の全体に広がっている場合で、各画素のピーク値が全体的に低すぎるとまでは言えなかったり、逆に高すぎるという場合も有りえる。この場合も、異常と判断することができる。こうした異常が生じる原因としては、例えば、レンズ３６のアライメントが狂ったために像ＲＳがぼやけて光学的測距装置２０の受光アレイ４０の全域に反射光が入っている状態や、他の車の車体などで反射した太陽光などが受光アレイ４０に直接射し込んでしまった場合などが考えられる。

〈６〉特定のスキャン位置で生じる異常：光学系３０の一部に汚れが生じたりした場合には、特定のスキャン位置だけで生じる異常も有り得る。図１１Ａは、こうした異常が生じる場合の一例を示す説明図である。図示したように、レンズ３６の端に汚れが着していたり曲率の異常などが存在したりする異常箇所ＤＳＴが存在すると、ミラー３１の回転角度によっては、レーザ光がこの異常箇所ＤＳＴに当たらない場合と当たる場合とが有り得る。ミラー３１に対して入射する反射光の角度が浅いスキャン位置の場合（反射光ＬＴ１の場合）には、反射光は、レンズ３６の中心部を通り、異常箇所ＤＳＴは通過しない。この場合、高加算領域ＡＧは、図１１Ｂに例示したように、正常となる。他方、スキャン位置が変化し、ミラー３１に対して入射する反射光の角度が深くなった場合（反射光ＬＴ２の場合）には、反射光は、レンズ３６の周辺部も通ることになり、異常箇所ＤＳＴに、その一部がかかってしまう。この場合、高加算領域ＡＧは、図１１Ｃに例示したように、一部が異常となる。

こうした異常箇所ＤＳＴが、光学系３０の端の方に存在する場合には、スキャン位置一部で異常が検出される。検出される異常は、図１０Ａから図１０Ｅに示したような形態で現れる場合もあるし、それ以外の形態、例えば高加算領域ＡＧ
略長方形形状だが、その１つの端に並んだ画素ＢＲＵのピーク値が常に特定のスキャン位置で、残りの正常な画素ＲＬＡ２と比べて低くなるといった異常として検出される場合も有り得る。こうした異常箇所ＤＳＴは、ミラー３１においても生じ得る。ミラー３１の端が汚れなどで異常箇所ＤＳＴを有する場合、レーザ素子３５からの入射光の角度が浅い場合に入射するレーザ光が端までの範囲を異常となり、深い場合には、異常とならないということも有り得る。

上記のように、高加算領域ＡＧの位置や形状から、光学系３０や受光アレイ４０に何らかの異常が生じていると判断した場合（ステップＳ２６０：「ＹＥＳ」）には、異常処理を（ステップＳ２８０）を行なうが、こうした異常処理としては、
（Ａ）制御部８０から、異常を示す信号ＥＲＲを出力し、この信号ＥＲＲを用いて、インスツルメントパネルなどに「異常」の発生を表示すると言った異常を報知する処理を行ない、利用者に警告する。同時にダイアグノーシス用のメモリなどに異常の発生を記録して、メンテナンスなどで利用できるようにしてもよい。
（Ｂ）光学的測距装置２０による距離の計測が、自動ブレーキなどの運転支援や、自動運転に用いられている場合には、制御部８０から、異常を示す信号ＥＲＲを出力し、この信号ＥＲＲを用いて、運転支援を中止し、その旨を運転者に報知したり、自動運転の場合には、車両の走行を中止するなどの対応を行なってもよい。
（Ｃ）光学系３０の異常のうち、光学系のアライメントの不良であると判断できる場合には、制御部８０から、異常を示す信号ＥＲＲを出力し、この信号ＥＲＲを用いて、光学系３０を修正するようにしてもよい。例えば図１０Ｄに例示したような受光位置のズレの場合、このズレ量を検出して、高加算領域ＡＧが受光アレイ４０の中心（デフォルトの位置）にくるように、光学系３０を修正するものとしてもよい。

上記（Ｃ）の対応について、一例を挙げて簡単に説明する。受光アレイ４０の位置の修正は、例えば受光アレイ４０の位置を少なくとも受光表面に沿った方向に２次元的に移動する機構を設け、反射光の像の位置が、デフォルトの位置となるように、受光アレイ４０の位置を修正すればよい。こうした受光アレイ４０を移動する機構は、例えば受光アレイ４０に、その表面に沿った縦横２方向に移動するラック（平ギア）を設け、モータによって回転されるピニオンギヤをこのラックに螺合させ、ズレ量に見合った量だけモータを回転するようにすれば、容易に実現できる。もとより受光アレイ４０に代えて、レーザ素子３５やミラー３１の角度を変更するようにしてもよい。また、受光アレイ４０を３次元的に移動可能とし、高加算領域ＡＧがデフォルトの大きさより所定以上広くなっているような場合（例えず図１０Ｅのようなケース）には、受光アレイ４０がレンズ３６による合焦の位置からずれていると判断し、受光アレイ４０を反射光の光軸の方向（前後方向と呼ぶ）に移動するようにしてもよい。前後方向のいずれに移動するかは高加算領域ＡＧの大きさから一意に決められないが、前後方向に移動した後の高加算領域ＡＧの大きさを確認し、これが小さくなる方向に移動するものとすればよい。

以上説明した第１実施形態の光学的測距装置２０よれば、レーザ光を投射する方向に存在する対象物までの距離を、光学的に測距できるだけでなく、光学的な測距おいて、光学系３０や受光アレイ４０等の異常を検出することができ、異常の発生に気付かず、測距の精度が低下したまま、測距を行なうということを回避しやすくなるという優れた効果を奏する。なお、光学的測距装置２０は、検出した領域の位置や形状から、光学的測距装置２０の異常以外の状態を推定するものとしてもよい。例えば、光学系３０のアライメントの状態、一例を挙げれば、初期のアライメントからの変化量や、平均的なアライメントからの逸脱の程度などを推定するものとしてもよい。あるいは、受光素子の劣化、経年変化、損傷など、受光素子の状態を推定するものであってもよい。こうした推定の結果は、部品の取り替え時期の判断や、故障の発生予測などに用いることができる。

Ｂ１．その他の実施形態１：
上記第１実施形態以外のその他の実施形態について、説明する。以下に示す光学的測距装置２０は、光学系３０などは、実施形態と同様であり、受光アレイの内部構成、およびＳＰＡＤ演算部の内部構成のみ異なる。そこで、この点を中心に以下、説明する。この実施形態で用いる受光アレイ４０Ａは、図１２、図１３に示すように、複数の受光素子５０からなる受光ブロック６０を、縦横Ｈ×Ｖ個配列している。各受光ブロック６０は、図１３に示した例では、７×７個の受光素子５０を内蔵している。受光素子５０の内部構成は、図１３に示したように、第１実施形態の構成と同様であるが、各受光ブロック６０の光学的な大きさを、第１実施形態における受光素子５０の光学的な大きさとほぼ同一としているので、受光素子５０の光学的な大きさは、第１とこの実施形態では異なる。なお、各ブロック内の受光素子５０の数は複数であれば、幾つでもよい。また縦横の配列数は、少なくとも一方が複数個であればよい。

受光アレイ４０Ａは、Ｈ×Ｖ個の受光ブロック６０の他、複数の受光素子５０からの信号Ｓout を加算するブロック内加算器４３を、受光ブロック６０の数だけ備える。また、複数のブロック内加算器４３からの信号を記憶するヒストグラムメモリ４６を備える。ヒストグラムメモリ４６は、Ｈ×Ｖ個のブロックに対応するヒストグラムを記憶する容量を有する。

各ブロック６０に含まれる全受光素子５０からの信号Ｓout は、図１３に一部を示したように、ブロック内加算器４３に出力され、加算される。その上で、ブロック内加算器４３の加算結果は、ヒストグラムメモリ４６に記憶される。即ち、第１実施形態では、各受光素子５０における反射光の検出を時間軸上で複数回繰り返すことで、統計的処理としてピークを検出した（図５参照）のに対して、この実施形態では、複数個の受光素子５０が反射光を同じタイミングで検出した結果を加算して、ピークを検出するのである。この様子を図１４に示した。

図１４では、例示のため、一つのブロックＢ１内に、４つの受光素子Ｇ１～Ｇ４が存在するものとしている。反射光がこのブロックＢ１に入射すると、各受光素子５０は、時間軸上の特定の位置で反射光を検出する（図中●印のタイミング）。もとより、それ以外のタイミングで、外乱光などのノイズも検出している。これら４つの受光素子Ｇ１～Ｇ４の信号を重ね合わせて、積算ヒストグラムを求めると、ピークを容易に検出することができる。つまり、第１実施形態では時間軸上の複数の検出結果を重ね合わせたのに対して、この実施形態では空間的に近接する複数の検出結果を重ね合わせたと理解することができる。図１３に示した例では、一つの発光パルスに対する７×７個の受光素子５０の検出結果を重ね合わせることができる。このため、検出に要する時間を短くできる。

この検出結果は、ヒストグラムメモリ４６に記憶されるので、ＳＰＡＤ演算部１００Ａは、重ね合わせのための構成を要しない。従って、図１２に示したように、実質的にピーク検出器１０８だけがあれば、第１実施形態と同様に、ピークの存在位置、即ち照射したレーザ光が戻ってくるまでの時間を検出できる。レーザ光の往復に要した時間が分れば、レーザ光を反射した対象物ＯＢＪまでの距離を知ることができ、測距信号ＤＣＳとしてこれを出力できる。このように、ＳＰＡＤ演算部１００Ａは、各受光ブロック６０内の複数の受光素子５０の信号Ｓout を加算した結果を用いて対象までの距離を測定する測定部として働くことは、第１実施形態と同様である。

以上説明したこの実施形態の光学的測距装置２０でも、精度良く測距を行なうことができ、光学的なアライメントがずれても、検出精度の低下を抑制できる。また、第１実施形態と同様に、距離画像形成処理（図７）および受光エリア更正処理（図８）が実行されるので、第１実施形態と同様に、光学系３０のアライメントがずれて、反射光が受光アレイ４０Ａ上に形成する像の位置がずれた場合、その位置を更正して、高い感度で、反射光の検出、延いては対象物ＯＢＪまでに距離の計測を行なうことができる。しかも、この実施形態では、ヒストグラムを生成するのに、時間軸上の重ね合わせを要しないので、検出までの時間を短縮することができる。

上記実施形態では、ＳＰＡＤ演算部１００Ａでは、第１実施形態で行なったＮ回加算の処理を行なっていないが、この実施形態でも、第１実施形態同様、各受光ブロック６０からの出力を複数回検出して加算処理し、ヒストグラムメモリ１０６に記憶するようにしてもよい。重ね合わせを複数回行なうことで、統計的な処理に基づくピークの検出精度は更に高められる。加算を行なう場合、加算回数を、第１実施形態での加算回数Ｎより少ない数とすることも差し支えない。そうすれば、複数回の加算を行なっても、第１実施形態より処理時間を短くすることができる。

Ｂ２．その他の実施形態２：
上記の実施形態では、受光エリアの更正を行なう際、入射する光の方向に関して、ノイズ量などの違いが無いとして説明した。実際の車両などでは、この光学的測距装置２０を用いて測距を行なう場合、上下方向に関して、外乱光によるノイズの強さが異なることがある。例えば、図１５に例示したように、車両ＣＲの前方に光学的測距装置２０を取り付けると、地面に近い側（下方向側）で外乱光は少なく、高精度の検出が可能であるのに対して、地面から遠い側（上方向側）では、外乱光は多く、検出の精度は低くなることが多い。こうした状態で、受光エリアの更正処理を行なうと、図１６Ａに例示するように、受光エリアの外乱光の多い側に対応する位置での検出精度は低くなっている。

そこでこうした場合には、図１６Ｂに示すように、受光エリアの検出を、車両の下方向側に対応する領域についてのみ行ない、下方向側に対応する下辺を基準とし、予め準備した受光エリアの大きさ（Ｐ×Ｑ）を当て嵌めることで、上方向側を含む受光エリアを特定し（図１６Ｃ参照）、受光エリアの更正を行なうものとすればよい。なお、雪道のように、下側の外乱光の方が多いような条件の場合には、上辺を基準として受光エリアを決定するものとすればよい。同様に、例えばトンネル内のように片側に照明器具が偏っており、左右方向で外乱光に偏りがあれば、左右いずれかの辺を基準として受光エリアを決定すればよい。

Ｂ３．その他の実施形態３：
光学系の構成としては、以下に説明する種々の形態が可能である。例えば、受光素子５０はアバランシェダイオードをガイガモードに代えてリニアモードで用いる構成としてもよい。あるいは、高感度のＣＣＤやＣ－ＭＯＳ型センサ、あるいはＰＩＮフォトダイオード、電子打込型光倍増センサ（ＥＢ－ＣＣＤ）など他の光検出素子を用いることも差し支えない。受光素子５０や受光ブロック６０は、Ｈ×Ｖのように格子状に配列する必要は必ずしもなく、ハニカム状に配列しても良い。受光素子５０，受光ブロック６０はその位置が分るものとしてあればランダムに配列しても差し支えない。受光ブロック６０内に複数の受光素子５０を設ける場合、受光素子５０の配列も自由であり、例えば円形や十字形など自由な形態で配列しても差し支えない。

光学系３０は、上記実施形態では同軸光学系としたが、必ずしも同軸光学系に限らず、射出するレーザ光の方向とは異なる方向の反射光を受光する構成としてもよい。上記実施形態では、単一のレーザ素子３５を用い、レーザビームがミラー３１の回転軸方向に拡がっているものを用いたが、レーザ素子３５は指向性がより強い単一ビームを出力するものとし、ミラーの回転軸方向に沿って多数のレーザ素子を配列した構成としてもよい。また、上記実施形態では、レーザ光は、ミラーの回転により、水平方向にスキャンするものとしたが、垂直方向など他の方向、または水平・垂直の両方向に２次元的にスキャンするように光学系を構成しても差し支えない。更に、レーザ素子３５を２次元的に配列すると共にその射出方向を異ならせたり、あるいはレーザ光を光学的に広く拡散させたりすることにより、所定の範囲を覆うようにするなど、ミラー３１を回転しない構成やミラーレスの構成とすることも可能である。

複数の検出結果の重ね合わせは、必ずしも時間軸上、空間的のいずれかに限る必要はなく、両方の重ね合わせを行なって、更に検出精度を高めてもよい。また統計的な処理としては、生成したヒストグラムが閾値より大きいか否かといった判断を行なうだけはなく、ヒストグラムから標準偏差を求め、３σに入らないものを除くと言った処理を行なっても良い。この他、重ね合わせて求めたピーク値が他のピーク値と比べて異常に高い場合には、これを除くと言った異常値の削除処理を行なっても良い。受光素子５０が高感度ＣＣＤなど、確率的な検出を行なうものでない場合には、検出における統計的な処理は必ずしも必要がない。

以上、いくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態に限る必要はなく、本開示において、必須であるとして記載されていなかったものは、省くことができる。また、上記の実施形態において、ハードウェアにより実現されている構成の一部はソフトウェアにより実現しても良く、ソフトウェアにより実現されている構成の一部または全部はハードウェアにより実現することも差し支えない。

また本開示において、光学的測距装置は、光源からの光の反射を利用して対象までの距離を検出するものであり、前記光源からの光を、空間の所定の範囲に向けて照射し、前記照射した光の前記所定の範囲からの反射光を導く光学系３０と、前記光学系により導かれた反射光が入射し得る広さを備えた受光領域に、前記入射する光に応じた信号を出力する複数の受光素子５０，６０を配列した受光部４０と、前記受光領域に配列された前記複数の受光素子からの信号を処理して、前記受光領域において、前記所定の範囲からの反射光が入射する受光素子の存在する受光エリアを特定する受光エリア特定部９０およびＳＰＡＤ演算部１００などの特定部と、前記特定した受光エリアの形態から、前記光学系の状態を含む当該光学的測距装置の状態を推定する制御部８０等の推定部とを備えたものとして構成したが、こうした光学的測距装置は以下の構成を採用することも可能である。

例えば、推定部は、特定した受光エリアの形態として、受光領域における受光エリアの位置および領域の形状の少なくとも一方を用いてこうした推定を行なうものとしてもよい。もとより、位置や形状以外の要素により状態の推定を行なってもよい。例えば、受光エリアに入力する反射光の強度の範囲やバラツキなどにより状態の推定をおこなってもよい。

あるいは、推定部は、光学的測距装置の状態の推定として、光学系および受光部の少なくとも一方の異常を推定するものとしてもよい。状態の推定は、こうした異常以外に、光学系のアライメントの状態、例えば初期のアライメントからの変化量や、平均的なアライメントからの逸脱の程度などであってもよい。あるいは、受光素子の劣化、経年変化、損傷など、受光素子の状態を推定するものであってもよい。こうした推定の結果は、部品の取り替え時期の判断や、故障の発生予測などに用いることができる。

こうした推定部は、異常を推定したとき、当該推定結果ＥＲＲを報知するものとしてもよい。判定結果ＥＲＲは、表示部などに表示しても良いし、ダイアグノーシスに出力するものとしてもよい。

こうした光学的測距装置は、更に、特定された受光エリアに属する受光素子からの信号を用いることで、対象までの距離を測定するピーク検出部１０８などの測定部を備えるものとしてもよい。

あるいは、こうした光学的測距装置において、受光部の受光素子は、入射する反射光に応じた信号を確率的に出力する素子、例えばＳＰＡＤとしてもよく、特定部は、受光素子からの信号を統計的に処理するものであっても差し支えない。統計的な処理としては、積算値を用いることの他、平均値や偏差値を用いる方法などを想定することができる。もとより、受光素子が高感度ＣＣＤのように、確率的に信号を出力するものでなければ、特定部は統計的な処理を行なうものでなくてもよい。

例えば、こうした光学的測距装置において、光学系は、１回の測距において、照射を複数回行ない、特定部は、統計的な処理として、複数回の照射に対する受光素子の出力信号を加算処理し、加算処理の結果、反射光に対応したピーク値が得られた受光素子の配置から、受光エリアを特定するものとしてもよい。

あるいはこうした光学的測距装置において、受光部は、複数の受光素子を集合した受光ブロックを複数配列した構成を備え、特定部は、統計的な処理として、受光ブロックに含まれる複数の受光素子からの複数の出力信号を加算処理し、この加算処理の結果、反射光に対応したピーク値が得られた受光ブロックの配置から、受光エリアを特定するものとしてもよい。

こうした光学的測距装置において、光学系は、１回の測距において、前記照射を複数回行ない、特定部は、上記の加算処理として、受光ブロック毎の加算処理の結果を、複数回の照射に応じて更に加算処理するものとしてもよい。

上述した光学的測距装置において、特定部は、複数回の測距を行なうものとし、上述した受光エリアの特定を、１回の測距において受光素子または前記受光ブロック毎に前記加算処理によって得られたピーク値を、この複数回の測距に亘って加算したピーク値に基づいて行なうものとしてもよい。

こうした光学的測距装置において、外乱光の強度を検出する外乱光検出部に相当する外乱光センサ５５を備え、特定部は、検出した外乱光の強度が予め定めた閾値以上の場合には、検出した外乱光の強度が閾値未満の場合より多数回の加算処理を行なうことも差し支えない。

あるいは、特定部は、こうした加算処理の際に、検出した外乱光の強度を減算して、加算処理を行なうものとしてもよい。

上記の各光学的測距装置において、特定部が、特定した受光エリアのうち、空間の所定の範囲においてピーク値が低い側に対応する側または外乱光の強度が高い側に対応する側については、受光エリアの外縁を、反射光が入射する受光素子の存在する領域の大きさとして予め設定した大きさから決定するものとしてもよい。

あるいは、特定部は、加算処理において、反射光に対応する信号を、受光素子が配列された行および列を単位として計数した射影ヒストグラムを求め、射影ヒストグラムの大きさに従って、受光エリアを特定するものとしてもよい。

あるいは、特定された受光エリアが、受光部の受光領域において予め定められた位置から逸脱しているとき、こうした受光エリアのアライメントを修正する修正部を備えるものとしてもよい。

上述した光学的測距装置としての技術は、いずれも光学的測距方法あるいは光学的検出方法としても実施可能である。

上記実施形態では、光学的測距装置２０は、自動車に搭載したが、他の移動体、例えばドローンなどの航空機、あるいは船舶、ロボットなどに搭載しても良い。移動体に搭載した場合には、移動体の衝突回避等の運転支援や自動運転などにおける対象物までの距離の測定に用いることができる。もとより、移動体の周辺の物体までの距離の測定を行なうものにも利用できる。例えば、地表の起伏の詳細なデータの取得などにも用いることができる。

２０…光学的測距装置 ３０…光学系 ３１…ミラー
３４…モータ ３５…レーザ素子 ３６…レンズ
４０，４０Ａ…受光アレイ ４３…ブロック内加算器
４６…ヒストグラムメモリ ５０…受光素子 ５１…水平セレクタ
５２…垂直セレクタ ５５…外乱光センサ ６０…受光ブロック
８０…制御部 ８１…ＣＰＵ
８２…受光エリア選択部 ９０…受光エリア特定部
９２…反射光強度画像生成器 ９４…加算画像生成器
９６…受光エリア検出器
１００，１００Ａ…ＳＰＡＤ演算部 １０２…パルス検出部
１０４…Ｎ回加算器 １０６…ヒストグラムメモリ １０８…ピーク検出器

Claims (15)

1. 光源（３５）からの光の反射を利用して対象までの距離を検出する光学的測距装置（２０）であって、
   前記光源からの光を、空間の所定の範囲に向けて照射し、前記照射した光の前記所定の範囲からの反射光を導く光学系（３０）と、
   前記光学系により導かれた反射光が入射し得る広さを備えた受光領域に、前記入射する光に応じた信号を出力する複数の受光素子（５０，６０）を配列した受光部（４０）と、
   前記受光領域に配列された前記複数の受光素子からの信号を処理して、前記受光領域において、前記所定の範囲からの反射光が入射する受光素子の存在する受光エリアを特定する特定部（９０，１００）と、
   前記特定した受光エリアの形態から、前記光学系の状態を含む当該光学的測距装置の状態を推定する推定部（８０）と
   を備え、
   前記推定部は、前記特定した受光エリアの形態として、前記受光領域における受光エリアの形状を用いて前記推定を行なう
   光学的測距装置。
2. 前記推定部は、前記光学的測距装置の状態の推定として、前記光学系および前記受光部の少なくとも一方の異常を推定する請求項１に記載の光学的測距装置。
3. 前記推定部は、前記異常を推定したとき、当該推定の結果（ＥＲＲ）を報知する、請求項２記載の光学的測距装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学的測距装置であって、更に、
   前記特定された受光エリアに属する受光素子からの前記信号を用いることで、前記対象までの距離を測定する測定部（１０８）を備える光学的測距装置。
5. 前記受光部の前記受光素子は、アバランシェダイオード（Ｄａ）を用いた素子であり、
   前記特定部は、前記受光素子からの信号を統計的に処理する
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光学的測距装置。
6. 請求項５に記載の光学的測距装置であって、
   前記光学系は、１回の測距において、前記照射を複数回行ない、
   前記特定部は、前記統計的な処理として、前記複数回の照射に対する前記受光素子の出力信号を加算処理し、前記加算処理の結果、前記反射光に対応したピーク値が得られた受光素子の配置から、前記受光エリアを特定する
   光学的測距装置。
7. 請求項５に記載の光学的測距装置であって、
   前記受光部は、複数の前記受光素子を集合した受光ブロック（６０）を複数配列した構成を備え、
   前記特定部は、１回の測距において、前記統計的な処理として、前記受光ブロックに含まれる複数の受光素子からの複数の出力信号を加算処理し、前記加算処理の結果、前記反射光に対応したピーク値が得られた受光ブロックの配置から、前記受光エリアを特定する
   光学的測距装置。
8. 請求項７記載の光学的測距装置であって、
   前記光学系は、１回の測距において、前記照射を複数回行ない、
   前記特定部は、前記加算処理として、前記受光ブロック毎の前記加算処理の結果を、前記複数回の照射に応じて更に加算処理する
   光学的測距装置。
9. 請求項６に記載の光学的測距装置であって、
   前記特定部は、
   複数回の前記測距を行なうものとし、
   前記受光エリアの特定を、前記１回の測距において前記受光素子毎に前記加算処理によって得られたピーク値を、前記複数回の測距に亘って加算したピーク値に基づいて行なう、
   光学的測距装置。
10. 請求項７または請求項８に記載の光学的測距装置であって
    前記特定部は、
    複数回の前記測距を行なうものとし、
    前記受光エリアの特定を、前記１回の測距において前記受光ブロック毎に前記加算処理によって得られたピーク値を、前記複数回の測距に亘って加算したピーク値に基づいて行なう、
    光学的測距装置。
11. 請求項６から請求項１０のいずれか一項に記載の光学的測距装置であって、
    外乱光の強度を検出する外乱光検出部（５５）を備え、
    前記特定部は、前記検出した外乱光の強度が予め定めた閾値以上の場合には、前記検出した外乱光の強度が前記閾値未満の場合より多数回の加算処理を行なう
    光学的測距装置。
12. 前記加算処理の際に、前記検出した外乱光の強度を減算して、前記加算処理を行なう請求項１１に記載の光学的測距装置。
13. 請求項１１または請求項１２に記載の光学的測距装置であって、
    前記特定部が、前記特定した受光エリアのうち、前記空間の所定の範囲において前記ピーク値が低い側に対応する側または前記外乱光の強度が高い側に対応する側については、前記受光エリアの外縁を、前記反射光が入射する受光素子の存在する受光エリアの大きさとして予め設定した大きさから決定する光学的測距装置。
14. 前記特定部は、前記加算処理において、前記反射光に対応する前記出力信号を、前記受光素子が配列された行および列を単位として計数した射影ヒストグラムを求め、前記射影ヒストグラムの大きさに従って、前記受光エリアを特定する請求項６から請求項１３のいずれか一項に記載の光学的測距装置。
15. 光源からの光の反射を利用して検出を行なう光学的検出方法であって、
    前記光源からの光を、空間の所定の範囲に向けて照射すると共に、前記照射した光の前記所定の範囲からの反射光が入射し得る広さを備えた受光領域に配列された複数の受光素子から、前記入射する前記反射光に応じて出力される信号を入力し（ステップＳ２１５）、
    前記受光領域に配列された前記複数の受光素子から入力された信号を処理して、前記受光領域において、前記所定の範囲からの反射光が入射する受光素子の存在する受光エリアを特定し（ステップＳ２５０）、
    前記特定した受光エリアの形状を用いて、前記光源から前期受光素子までの光学系の状態を含む検出の状態を推定する（ステップＳ２６０）
    光学的測距方法。

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