JP7040042B2 - 時間測定装置、距離測定装置、移動体装置、時間測定方法及び距離測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、時間測定装置、距離測定装置、移動体装置、時間測定方法及び距離測定方法に関する。

従来、光源を含む投光系と、該投光系から投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する受光素子と、該受光素子の出力電流に対して少なくとも１つの処理を行い、該処理により得られた信号を出力する処理部とを有し、該処理部から出力された信号のうちピークが閾値を超えた複数の信号から上記光による信号を抽出し、該信号に基づいて該光が光源から射出されてから受光素子で受光されるまでの時間を測定する装置が知られている（例えば特許文献１、２参照）。

しかしながら、特許文献１、２に開示されている装置では、投光され物体で反射された光の受光素子での受光光量によらず高精度かつ高速な測定を行うことに関して改善の余地があった。

本発明は、光源を含む投光系と、前記投光系から投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する受光素子を含む受光系と、該受光素子が出力する電気信号に対して少なくとも１つの処理を行い、該処理により得られた信号を出力する処理系と、を備え、前記光が前記光源から射出されてから前記受光素子で受光されるまでの時間を測定する時間測定装置において、前記投光系が前記物体に向かう同一方向へ複数回の投光を行ったときに、前記複数回の各回の投光時に前記処理系から出力された前記信号のうちピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値を、前記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて前記同一方向への投光時における前記時間を取得する時間取得系を備え、前記電気信号は電流であり、前記処理系は、前記電流を電圧に変換する電流電圧変換回路を含み、前記電流電圧変換回路のカットオフ周波数に基づいて前記階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする時間測定装置である。

本発明によれば、投光され物体で反射された光の受光素子での受光光量によらず高精度かつ高速な測定を行うことができる。

一実施形態に係る物体検出装置の概略構成を示す図である。 図２（Ａ）は、投光光学系、同期系を説明するための図であり、図２（Ｂ）は、受光光学系を説明するための図であり、図２（Ｃ）は、ＬＤ１１から反射ミラーまでの光の光路、及び反射ミラーから時間計測用ＰＤまでの光の光路を概略的に示す図である。 同期信号とＬＤ駆動信号を示すタイミング図である。 図４（Ａ）は、発光パルスと受光パルスを示すタイミング図であり、図４（Ｂ）は、二値化後の発光パルスと受光パルスを示すタイミング図である。 図５（Ａ）は閾値電圧に対してショットノイズが大きい場合を示す図であり、図５（Ｂ）は閾値電圧に対してショットノイズが小さい場合を示す図である。 物体信号とノイズのパルス幅の違いを説明するための図である。 波形処理回路の構成例を説明するための図である。 電流電圧変換器と信号増幅器の構成例を示す図である。 理想的な正弦波と受光波形を比較するための図である。 受光光量の変化に応じた受光波形の変化を示す図である。 受光信号の立ち上がり時間と立ち下がり時間を説明するための図である。 受光光量の変化に応じた受光信号の立ち上がりが閾値電圧を横切る時間の変化を示す図である。 投光波形のパルス幅を示す図である。 時間階級の階級幅を変化させる例について説明するための図である。 センシング装置について説明するための図である。 測距処理１について説明するためのフローチャートである。 測距処理２について説明するためのフローチャートである。 測距処理３について説明するためのフローチャートである。 測距処理４について説明するためのフローチャートである。 制御系の構成例を示す図である

以下に、本発明の一実施形態の物体検出装置１００について、図面を参照して説明する。

図１には、物体検出装置１００の概略的構成がブロック図にて示されている。

物体検出装置１００は、一例として、移動体としての車両（例えば自動車）に搭載され、投光し、物体（例えば先行車両、停車車両、障害物、歩行者等）で反射（散乱）された光を受光して該物体の有無や、該物体までの距離等の物体に関する情報（以下では「物体情報」とも呼ぶ）を検出する走査型レーザレーダである。物体検出装置１００は、例えば車両のバッテリ（蓄電池）から電力の供給を受ける。
すなわち、物体検出装置１００は、物体有無判定装置や距離測定装置（測距装置）や物体認識装置（物体の位置、形状、大きさ等を認識する装置）として機能する。

物体検出装置１００は、一例として図１に示されるように、投光系１０、受光系４０、波形処理回路４１（処理系）、二値化回路４４（時間取得系の一部）、制御系４６（時間取得系の一部）、同期系５０、物体認識部４７などを備えている。

投光系１０は、光源としてのＬＤ１１（レーザダイオード）、ＬＤ駆動部１２、投光光学系２０を含む。

ＬＤ１１は、端面発光レーザとも呼ばれ、ＬＤ駆動部１２により駆動され、レーザ光を射出する。ＬＤ駆動部１２は、制御系４６から出力されるＬＤ駆動信号（矩形パルス信号）を用いてＬＤ１１を点灯（発光）させる。ＬＤ駆動部１２は、一例として、ＬＤ１１に電流を供給可能に接続されたコンデンサ、該コンデンサとＬＤ１１との間の導通／非導通を切り替えるためのトランジスタ、該コンデンサを充電可能な充電手段等を含む。制御系４６は、自動車のＥＣＵ（エレクトロニックコントロールユニット）からの測定制御信号（測定開始信号や測定停止信号）を受けて測定開始や測定停止を行う。

なお、上記光源としてＬＤ１１を用いているが、これに限られない。例えば、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）、有機ＥＬ素子、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＬＤやＶＣＳＥＬ以外のレーザ等の他の発光素子を用いても良い。

図２（Ａ）には、投光光学系２０、同期系５０が模式的に示されている。図２（Ｂ）には、受光光学系３０が模式的に示されている。以下では、図２（Ａ）等に示されるＺ軸方向を鉛直方向とするＸＹＺ３次元直交座標系を適宜用いて説明する。

投光光学系２０は、図２（Ａ）に示されるように、ＬＤ１１からの光の光路上に配置されたカップリングレンズ２２と、該カップリングレンズ２２を介した光の光路上に配置された反射ミラー２４と、該反射ミラー２４で反射された光の光路上に配置された偏向器としての回転ミラー２６と、を含む。ここでは、装置を小型化するために、カップリングレンズ２２と、偏向器としての回転ミラー２６との間の光路上に反射ミラー２４を設けて光路を折り返している。

そこで、ＬＤ１１から射出された光は、カップリングレンズ２２により所定のビームプロファイルの光に整形された後、反射ミラー２４で反射され、回転ミラー２６でＺ軸周りに偏向される。

回転ミラー２６でＺ軸周りの所定の偏向範囲に偏向された光が投光光学系２０から投射された光、すなわち物体検出装置１００から射出された光である。

回転ミラー２６は、回転軸（Ｚ軸）周りに複数の反射面を有し、反射ミラー２４からの光を回転軸周りに回転しながら反射（偏向）することで該光により上記偏向範囲に対応する有効走査領域を水平な１軸方向（ここではＹ軸方向）に１次元走査する。ここでは、偏向範囲、有効走査領域は、物体検出装置１００の＋Ｘ側である。以下では、回転ミラー２６の回転方向を「ミラー回転方向」とも呼ぶ。

回転ミラー２６は、図２（Ａ）から分かるように、反射面を２面（対向する２つの面）有しているが、これに限らず、１面でも３面以上でも良い。また、少なくとも２つの反射面を設け、回転ミラーの回転軸に対して異なった角度で傾けて配置して、走査・検出する領域をＺ軸方向に切り替えることも可能である。

なお、偏向器として、回転ミラーに代えて、例えば、ポリゴンミラー（回転多面鏡）、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等の他のミラーを用いても良い。

受光系４０は、図２（Ｂ）及び図１に示されるように、投光光学系２０から投射され有効走査領域内にある物体で反射された光が入射される受光光学系３０と、該受光光学系３０を介した光を受光及び光電変換して電気信号を出力する時間計測用ＰＤ４２とを含む。時間計測用ＰＤ４２が出力する電気信号は電流（出力電流）であり、波形処理回路４１に送られる。なお、「ＰＤ」はフォトダイオードの略称である。

受光光学系３０は、図２（Ｂ）に示されるように、投光光学系２０から投射され有効走査領域内にある物体で反射された光を反射する回転ミラー２６と、該回転ミラー２６からの光を反射する反射ミラー２４と、該反射ミラー２４からの光の光路上に配置され、該光を後述する時間計測用ＰＤ４２に結像させる結像光学系と、を含む。

ここで、投光光学系２０と受光光学系３０は同一筐体内に設置されている。この筐体は、投光光学系２０からの射出光の光路上及び受光光学系３０への入射光の光路上に開口部を有し、該開口部がウィンドウ（光透過窓部材）で塞がれている。ウィンドウは例えばガラス製、樹脂製とすることができる。

図２（Ｃ）には、ＬＤ１１から反射ミラー２４までの光路と、反射ミラー２４から時間計測用ＰＤ４２までの光路が示されている。

図２（Ｃ）から分かるように、投光光学系２０と受光光学系３０は、Ｚ軸方向に重なるように配置されており、回転ミラー２６と反射ミラー２４は、投光光学系２０と受光光学系３０で共通となっている。これにより、物体上におけるＬＤ１１の照射範囲と時間計測用ＰＤ４２の受光可能範囲の相対的な位置ずれを小さくでき、安定した物体検出を実現できる。

そこで、投光光学系２０から投射され物体で反射された光は、回転ミラー２６、反射ミラー２４を介して結像光学系に導かれ、該結像光学系により時間計測用ＰＤ４２に集光する（図２（Ｂ）参照）。図２（Ｂ）では、装置を小型化するために、回転ミラー２６と結像光学系との間に反射ミラー２４を設けて光路を折り返している。ここでは、結像光学系は２枚のレンズ（結像レンズ）で構成されているが、１枚のレンズとしても良いし、３枚以上のレンズとしても良いし、ミラー光学系を用いても良い。

波形処理回路４１は、時間計測用ＰＤ４２から出力される出力電流を電圧信号（受光信号）に変換する電流電圧変換器４３と、該電流電圧変換器４３の出力信号（電圧信号）を増幅する信号増幅器４８とを含む。
波形処理回路４１の出力信号、すなわち信号増幅器４８の出力信号は、二値化回路４４及び制御系４６に送られる。
なお、波形処理回路４１において信号増幅器４８は必須ではない。

二値化回路４４は、閾値電圧を基準に波形処理回路４１の出力信号を二値化し、該出力信号が閾値を超えている間、ハイレベル信号を検出信号として制御系４６に出力する。二値化回路４４は、コンパレータを含んで構成される。

同期系５０は、図２（Ａ）及び図１に示されるように、ＬＤ１１から射出されカップリングレンズ２２を介して反射ミラー２４で反射された光であって回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で再び反射された光の光路上に配置された同期レンズ５２と、該同期レンズ５２を介した光の光路上に配置された同期検知用ＰＤ５４と、該同期検知用ＰＤ５４が出力する電気信号（出力電流）を電圧信号に変換する電流電圧変換器５３と、該電流電圧変換器５３からの電圧信号を増幅する信号増幅器５５と、該信号増幅器５５からの電圧信号を閾値を基準に二値化し、該電圧信号が閾値を超えている間、ハイレベル信号を同期信号として制御系４６に出力する、コンパレータを有する二値化回路５６と、を含む。

詳述すると、反射ミラー２４は、上記偏向範囲に対して回転ミラー２６の回転方向上流側に配置され、回転ミラー２６で上記偏向範囲の上流側に偏向された光が入射される。そして、回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で反射された光が同期レンズ５２を介して同期検知用ＰＤ５４に入射される。

なお、反射ミラー２４は、上記偏向範囲に対して回転ミラー２６の回転方向下流側に配置されても良い。そして、回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で反射された光の光路上に同期系５０が配置されても良い。

回転する回転ミラー２６の反射面で反射された光が同期検知用ＰＤ５４で受光される度に同期検知用ＰＤ５４から電気信号（出力電流）が出力される。この結果、二値化回路５６からは定期的に同期信号が出力される（図３参照）。

このように回転ミラー２６からの光を同期検知用ＰＤ５４に照射するための同期点灯を行うことで、同期検知用ＰＤ５４での受光タイミングから、回転ミラー２６の回転タイミングを得ることが可能となる。

そこで、ＬＤ１１を同期点灯してから所定時間経過後にＬＤ１１をパルス点灯することで有効走査領域を光走査することができる。すなわち、同期検知用ＰＤ５４に光が照射されるタイミングの前後期間にＬＤ１１をパルス点灯することで有効走査領域を光走査することができる。
そして、回転ミラー２６の回転周期と同じ周期で同期信号を生成し、該同期信号毎にＬＤ駆動信号を生成することにより、有効走査領域を繰り返し光走査することができる。

なお、同期系は、同期レンズを有していなくも良いし、他の光学素子（例えば集光ミラー）を有していても良い。

ここで、時間計測や同期検知に用いる受光素子としては、上述したＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）の他、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）、ガイガーモードＡＰＤであるＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）等を用いることが可能である。ＡＰＤやＳＰＡＤは、ＰＤに対して感度が高いため、検出精度や検出距離の点で有利である。

制御系４６は、二値化回路５６からの同期信号に基づいてＬＤ駆動信号を生成し、該ＬＤ駆動信号をＬＤ駆動部１２に出力する。

すなわち、ＬＤ駆動信号は、同期信号に対して遅延した発光信号（ＬＤを発光させるためのパルス信号）である（図３参照）。
ＬＤ駆動信号がＬＤ駆動部１２に入力されると、ＬＤ駆動部１２からＬＤ１１に駆動電流が印加され、ＬＤ１１からパルス光が出力される。なお、ＬＤ１１の安全性やＬＤ１１の耐久性の観点からＬＤ１１の発光のデューティが制限されるため、ＬＤ１１から出力されるパルス光はパルス幅が狭い方が望ましく、該パルス幅は、一般に１０ｎｓ～数十ｎｓ程度に設定される。また、パルス間隔は一般に数十μ秒程度である。

制御系４６は、ＬＤ駆動信号、波形処理回路４１の出力信号及び二値化回路４４の出力信号に基づいて、対象物（測定対象の物体）までの距離を測定し、その測定結果を距離データとして物体認識部４７に出力する。
制御系４６は、一例として、制御部４６ａ、記憶部４６ｂ、演算部４６ｃ、ヒストグラム／度数分布表生成部４６ｄ、所属階級推定部４６ｅを含む（図２０参照）。制御系４６において、記憶部４６ｂは例えばメモリやハードディスクで実現することが可能であり、記憶部４６ｂ以外の構成要素は例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）により実現できる。
制御系４６の各構成要素の機能については後述する。

物体認識部４７は、制御系４６からの１走査もしくは複数の走査で取得した複数の距離データに基づいて、物体の位置、形状、大きさ等を認識し、その物体認識結果を制御系４６に出力する。制御系４６は、該物体認識結果をＥＣＵに転送する。
物体認識部４７は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）によって実現できる。

ＥＣＵは、転送された物体認識結果に基づいて、例えば自動車の操舵制御（例えばオートステアリング）、速度制御（例えばオートブレーキ、オートアクセル等）、運転者への視覚や聴覚に訴える警告等を行う。
なお、制御系４６及び物体認識部４７の少なくとも一方を設けずに、該少なくとも一方の機能をＥＣＵに担わせても良い。

ここで、ＬＤ駆動部１２は、回転ミラー２６によって有効走査領域が走査されるとき、ＬＤ１１を駆動して（発光させて）、図４（Ａ）に示されるようなパルス光（以下では「発光パルス」や「投光パルス」とも称する）を射出させる。そして、ＬＤ１１から射出され物体で反射（散乱）されたパルス光（以下では「受光パルス」とも称する）が時間計測用ＰＤ４２（図４（Ａ）では受光素子としてＰＤの代わりにＡＰＤを用いている）で受光される。

ＬＤ１１が発光パルスを射出してから、ＡＰＤで受光パルスを受光するまでの時間ｔを計測することで、物体までの距離を算出することが可能である。時間計測に関しては、例えば、図４（Ｂ）に示されるように、発光パルスをＰＤ等の受光素子で受光して光電変換後、電流電圧変換して（さらには必要に応じて信号増幅して）得られた電圧信号を二値化して矩形パルスとし、受光パルスをＡＰＤで受光して光電変換後、電流電圧変換して（さらには必要に応じて信号増幅して）得られた電圧信号（受光信号）を二値化して矩形パルスとし、両矩形パルスの立ち上がりタイミング間の時間ｔを制御系４６で計測しても良いし、発光パルス、受光パルスの波形をＡ／Ｄ変換してデジタルデータに変換し、両波形のデジタルデータを相関演算することで、時間ｔを計測することも可能である。

ところで、物体からの反射光を受光系４０で受光したときに、物体からの反射光による信号（「以下では「物体信号」とも呼ぶ）とともにショットノイズ（外乱光に伴う白色雑音）が発生する。
このとき、物体信号の検出は二値化回路４４に設定された閾値電圧を基準に行われるため、物体信号のピーク強度がショットノイズのピーク強度に比べて十分に大きくなる場合は、例えば閾値電圧を高めに設定することにより、物体信号のみを検出することが可能である（図５（Ｂ）参照）。
しかし、物体信号のピーク強度がショットノイズのピーク強度と同程度となるほど小さくなる場合（例えば遠距離にある物体や反射率が低い物体からの反射光を受光する場合）には、物体信号を検出するために閾値電圧を低めに設定すると、物体信号とショットノイズの両方が検出されてしまう（図５（Ａ）参照）。この場合には、物体信号とショットノイズを判別する必要がある。
そこで、物体信号のピーク強度によらず、物体信号を精度良く取得するためには、閾値電圧を低めに設定し、かつ物体信号とショットノイズを判別することが必要となる。
なお、以下では、適宜、物体信号及びショットノイズを「信号」と総称する。

以下に、物体信号とノイズ（例えばショットノイズ）が閾値電圧を超える場合において、物体信号とノイズを判別する方法について説明する。
先ず、図６に示されるように、ある物体に対して光を投光し、該物体からの反射光を受光及び光電変換し、該光電変換により生じた電流を処理（例えば電流電圧変換、信号増幅、二値化）する一連の工程を含む測定を行うと、１つの受光波形（１つの受光信号の波形）から、ピークが閾値電圧（ここでは１２０ｍＶに設定）を超える物体信号及び少なくとも１つ（ここでは２つ）のノイズが検出される。

このような測定を複数回行うことで、時間又は距離の階級毎の信号の度数を表すヒストグラムや度数分布表を作成することができる。以下では、時間の階級を「時間階級」とも呼び、距離の階級を「距離階級」とも呼ぶ。なお、１回の測定は「１フレーム」とも呼ばれる。
すなわち、検出された複数の信号（物体信号及び少なくとも１つのノイズ）を複数の階級に分類し、各階級に属する信号の数をカウントする。

ここでは、検出された複数の信号を、発光信号の立ち上がりタイミングから、信号の立ち上がりが閾値電圧を横切るタイミングまでの時間を距離に換算し、その換算値又は該換算値の１／２に応じた距離階級に分類する。
なお、ここでは信号の立ち上がりが閾値電圧を横切るタイミングに基づいて距離を算出しているが、信号の立ち下がりが閾値電圧を横切るタイミングに基づいて距離を算出したり、信号の立ち上がり及び立ち下がりがそれぞれ閾値電圧を横切るタイミングから所定の換算式によって距離を算出したり、その他の距離算出方法を用いるなど、種々の変形が可能である。
図６には、各時間階級の階級幅（以下では適宜「時間幅ｔｗ」と総称する）が一定（ｔｗ０＝ｔｗ１＝ｔｗ２＝ｔｗ３＝ｔｗ４＝ｔｗ５）の場合が示されている。

次の表１は、上記測定を５回繰り返す実験１を行って作成した度数分布表であって、図６に示される時間幅ｔｗよりも短い時間幅２０ｎｓに相当する物体までの距離、すなわち時間幅２０ｎｓに光束を乗じた値の１／２である３ｍを階級幅とした距離階級の度数分布表である。

先ず、１回目の測定では、３０～３３ｍの距離階級に１つの信号が入っている。２回目の測定では、２１～２４ｍの距離階級に１つの信号が入り、３０～３３ｍの距離階級に１つの信号が入っている。３回目の測定では、１８～２１ｍの距離階級に１つの信号が入り、３０～３３ｍの距離階級に１つの信号が入っている。４回目の測定では、２１～２４ｍの距離階級に１つの信号が入り、３０～３３ｍの距離階級に１つの信号が入っている。５回目の測定では、２４～２７ｍの距離階級に１つの信号が入り、３０～３３ｍの距離階級に１つの信号が入り、４２～４５ｍの距離階級に１つの信号が入っている。

このような例えば５回の測定（フレーム数が５）を行って分ったことは、測定毎にノイズはランダムな時間に検出されるので、測定を繰り返しても同一の距離階級に少量の個数しか入らないのに対し、測定毎に物体信号は概ね一定の時間に検出されるので（物体信号は各回の測定において物体までの概ね一定の距離を反映するので）、測定を繰り返しても同一の距離階級に入ることである。
すなわち、３０～３３ｍの距離階級には最も多くの信号（５つの信号）が入っているので、この距離階級に入っている信号が物体信号であると推定している。
そして、３０～３３ｍの距離階級に入っている信号毎に距離値を算出し、該距離値の平均値や中央値（メジアン）を物体までの距離として求めることができる。

次の表２は、上記測定を３回繰り返す実験２を行って作成した、上記表１に比べて距離階級の階級幅が狭い度数分布表である。ここでは、階級幅は１ｍとされている。
ここで、階級幅が狭いと、複数の物体信号に基づいてそれぞれ算出された複数の距離値（以下では「距離演算値」とも呼ぶ）が隣接する２つの距離階級の境界付近で分散している場合、本来同一の階級に入るべき複数の物体信号が異なる距離階級（隣接する２つの距離階級の一方及び他方）に入ってしまうおそれがある。
また、物体信号に基づいて算出された距離値とノイズに基づいて算出された距離値が隣接する２つの距離階級の境界付近で分散している場合、本来異なる距離階級に入るべき物体信号とノイズが同一の階級に入ってしまうおそれがある。
また、測定回数（フレーム数）が少ないと、物体信号が入っている距離階級の信号数（物体信号の数）とノイズが入っている距離階級の信号数（ノイズの数）が同数になるおそれがある。

そこで、実験２では、物体信号が属する距離階級とノイズが属する距離階級を判別するために、複数の信号が入っている距離階級毎に、該距離階級に属する信号が閾値を超えている時間を距離に換算した値（パルス幅）を集計し、その標準偏差σ（ばらつき）を算出している。
ノイズはランダムなピーク強度で閾値を超えるためパルス幅の標準偏差σは大きくなり、逆に物体信号のパルス幅は安定しており標準偏差σが小さくなるため、両者の判別が可能となる。

実験２では、複数の信号が入っている階級のうち、パルス幅の標準偏差σが１．０以下となる階級を物体信号が入っている階級（物体信号が属する階級）と判断し、１．０を上回る階級をノイズが入っている階級（ノイズが属する階級）と判断している。
具体的には、２７～２８ｍの距離階級と３１～３２ｍの距離階級に２つ（最多数）ずつ信号が入っているが、２７～２８ｍの距離階級は標準偏差σが１．０を上回るのでノイズが属する距離階級と判断し、３１～３２ｍの距離階級は標準偏差σが１．０以下なので物体信号が属する距離階級と判断している。そして、３１～３２ｍの距離階級に入っている信号毎に距離値を算出し、該距離値の平均値や中央値（メジアン）を物体までの距離として求めることができる。
実験２では、物体信号が属する階級とノイズが属する階級を判別するのにパルス幅の標準偏差σを用いたが、パルス幅の平均値や中央値（メジアン）を用いても良い。

次の表３は、上記測定を２回繰り返す実験３を行って作成した、上記表１に比べて距離階級の階級幅が狭い度数分布表である。ここでは、階級幅は１ｍとされている。

実験３では、２６～２７ｍの距離階級、２７～２８ｍの距離階級、３０～３１ｍの距離階級、３１～３２ｍの距離階級に信号が１つずつ入っているが、２６～２７ｍの距離階級に属する信号と２７～２８ｍの距離階級に属する信号のパルス幅の標準偏差σが１．０を上回るのでノイズが属する距離階級と判断し、３０～３１ｍの距離階級に属する信号と３１～３２ｍの距離階級に属する信号のパルス幅の標準偏差σが１．０以下なので物体信号が属する距離階級と判断する。
すなわち、実験３では、一組の隣接する２つの距離階級にそれぞれ属する２つの信号のパルス標準偏差σと、別の組の隣接する２つの距離階級にそれぞれ属する２つの信号のパルス幅の標準偏差σを算出し、各標準偏差σが所定値（例えば１．０）以下であるか否かを判定することにより、物体信号が属する階級とノイズが属する階級を判別している。
そして、３０～３１ｍの距離階級、３１～３２ｍの距離階級に属する信号毎に距離値を算出し、該距離値の平均値や中央値（メジアン）を物体までの距離として求めることができる。

つまり、最多数の信号が属する距離階級が複数ある場合に、各距離階級に属する信号のパルス幅の標準偏差σを比較することにより、最多数の信号が属する複数の距離階級を物体信号が属する距離階級とノイズが属する距離階級に区別することができる。

これまで、より少ないフレーム数で高速に、物体信号とノイズを区別しながら、物体までの距離を検出する方法について述べてきた。以下では、時間階級の階級幅（時間幅）について説明する。

図６に示される受光波形のうちノイズの波形は、図１及び図７に示される波形処理回路４１の周波数特性に依存する。波形処理回路４１は、時間計測用ＰＤ４２で光電変換により生じた電流を電圧に変換し、その電圧を増幅する回路である。ここでは、波形処理回路４１において、電流電圧変換器４３としてＴＩＡ（Ｔｉｍｅ Ｉｎｔｅｒｖａｌ Ａｎａｌｙｚｅｒ）を用い、信号増幅器４８としてＶＧＡ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｇａｉｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いている。

波形処理回路４１の具体的な回路構成例が図８に示されている。ここで、電流電圧変換器４３及び信号増幅器４８それぞれで定義されるカットオフ周波数ｆｃ（ここでは実質的に同一と仮定）は、電流電圧変換器４３、信号増幅器４８にそれぞれ組み込まれるオペアンプ（ここでは実質的に同一と仮定）の帯域が十分広いものであると仮定したときに、次の（１）式で表される。
ｆｃ＝ＧＢＷ／Ｇ・・・（１）
ここで、ＧＢＷはオペアンプのＧＢ積（Ｇａｉｎ Ｂａｎｄ ｗｉｄｔｈ ｐｒｏｄｕｃｔ）、Ｇは次の（２）式で表される上記オペアンプのゲインである。
Ｇ＝－Ｒ２／Ｒ１＝－Ｒ５／Ｒ４・・・（２）

特に、外乱光に起因するショットノイズについては、その揺らぎの周波数が、波形処理回路４１のカットオフ周波数ｆｃとほぼ一致する（図９参照）。図９には、受光波形が実線で示されるとともに、１２．５ＭＨｚ、つまり８０ｎｓ周期の理想的な正弦波が破線で示されているが、ベースレベルの揺らぎの周波数が、１２．５ＭＨｚにほぼ一致している。このため、ヒストグラムや度数分布表を作成するための時間幅ｔｗ（時間階級の階級幅）を、カットオフ周波数ｆｃの逆数をとって得られる時間以下にする（ｔｗ≦１／ｆｃ）ことにより、１つの時間階級に複数のショットノイズのピークが入ることがほとんどないため、時間階級間で信号のカウント数を比較することにより、物体信号とノイズを容易かつ明確に区別することが可能となる。
なお、時間階級に代えて距離階級を用いる場合についても、時間幅ｔｗ、１／ｆｃをそれぞれ距離に換算することで同様の議論が成立する。
ここでは、ｆｃ＝１２．５ＭＨｚとしており、その逆数である８０ｎｓ（距離換算で１２ｍ）より短い一定の時間幅に各時間幅ｔｗを設定している（ｔｗ０＝ｔｗ１＝ｔｗ２＝ｔｗ３＝ｔｗ４＝ｔｗ５）。表１では２０ｎｓ（距離換算で３ｍ）、表２、表３では６．６ｎｓ（距離換算で１ｍ）としている。

さらに、時間幅ｔｗを波形処理回路４１のカットオフ周波数ｆｃの逆数の値とする（ｔｗ＝１／ｆｃ）と、上述の範囲内で時間幅ｔｗが最大になって比較すべき階級の数が最少となり、その結果、比較するための演算処理量やそれに付随するメモリ数などを最低限に抑えることができる。

また、時間幅ｔｗは、波形処理回路４１から出力された信号の立ち上がり時間ｔｒ以上にすること（ｔｗ≧ｔｒ）が好ましい。

なお、ここでは、電流電圧変換器４３及び信号増幅器４８それぞれで定義されるカットオフ周波数を同一の「カットオフ周波数ｆｃ」として説明したが、電流電圧変換器４３及び信号増幅器４８のカットオフ周波数、すなわち電流電圧変換器４３及び信号増幅器４８にそれぞれ組み込まれるオペアンプのカットオフ周波数が互いに異なることも想定される。
そこで、電流電圧変換器４３及び信号増幅器４８それぞれで定義されるカットオフ周波数をカットオフ周波数ｆｃ１、ｆｃ２とし、電流電圧変換器４３のＧＢ積、ゲインをそれぞれＧＢＷ１、Ｇ１＝－Ｒ２／Ｒ１とし、信号増幅器４８のＧＢ積、ゲインをそれぞれＧＢＷ２、Ｇ２＝－Ｒ５／Ｒ４とすると、上記（１）式のｆｃをｆｃ１に置き換え、ＧＢＷをＧＢＷ１に置き換え、ＧをＧ１に置き換えた式と、上記（１）式のｆｃをｆｃ２に置き換え、ＧＢＷをＧＢＷ２に置き換え、ＧをＧ２に置き換えた式が成立する。
この場合にも、ｔｗ≦１／ｆｃ１又はｔｗ≦１／ｆｃ２であることが好ましく、ｔｗ≦１／ｆｃ１かつｔｗ≦１／ｆｃ２であること、すなわちｔｗがｆｃ１、ｆｃ２のうち小さくない方の逆数以下であることがより好ましい。

図１０には、時間計測用ＰＤ４２で受光する、物体から反射もしくは散乱した光の光量（以下では「受光光量」とも呼ぶ）が変化したときの、受光光量毎の物体信号の波形が示されている。
図１０では、受光光量１＜受光光量２＜受光光量３＜受光光量４の関係になっている。図１０から分かるように、受光光量１から受光光量３までは受光光量が増えるにつれて物体信号の波形のピーク電圧が高くなっているが、受光光量が受光光量４まで増えると、時間計測用ＰＤ４２そのもの、もしくは波形処理回路４１で電圧の飽和が起こり、物体信号の波形は受光光量３までとは異なり、ピーク電圧が所定の値に収束し、パルス幅が伸びていくようになる。

ここで、波形処理回路４１から出力された物体信号の立ち上がり時間ｔｒと立ち下がり時間ｔｆについて、図１１を用いて説明する。
物体信号の電圧について、ピーク電圧の９０％となる電圧をＶ９０、ピーク電圧の１０％となる電圧をＶ１０とする。物体信号が立ち上がるときにＶ１０となる時間をｔｒ１０、Ｖ９０となる時間をｔｒ９０とし、物体信号が立ち下がるときにＶ１０となる時間をｔｆ１０、Ｖ９０となる時間をｔｆ９０とする。ここで、立ち上がり時間ｔｒを、ｔｒ＝ｔｒ９０－ｔｒ１０と定義する。また、立ち下がり時間ｔｆを、ｔｆ＝ｔｆ１０－ｔｆ９０と定義する。

図１０において、受光光量１の物体信号、受光光量２の物体信号、受光光量３の物体信号は、立ち上がり時間ｔｒと立ち下がり時間ｔｆは同等であるが、ピーク電圧が異なるので、閾値電圧を超えるタイミングは互いに異なる。例えば図１０の時間軸を拡大し、閾値電圧を０．７５Ｖとした場合が図１２に示されている。
これは、発光信号が立ち上がってから、物体信号が立ち上がるときに閾値を超えるまでの時間又は該時間に基づく距離を複数の階級に振り分けて階級毎に信号数をカウントする場合に、同一距離にある複数の物体からの反射光による信号がカウントされる階級が異なりうることや、物体の同一距離にある複数の部分からの反射光による信号がカウントされる階級が異なりうることを示唆している。
受光光量１から受光光量３までは受光光量が増えるにつれ、物体信号が閾値を超えるタイミングが早くなる。受光光量が受光光量４になると、物体信号が閾値を超えるタイミングが受光光量３よりも一層早くなる。

つまり、受光光量は、同一距離にある複数の物体や物体の同一距離にある複数の部分でも、反射率やサイズの違いによって変動する。この変動によって、物体信号が閾値を超えるタイミングが異なり、物体信号がカウントされる階級が異なると、複数の階級で物体信号がカウントされてしまい、物体信号とノイズを区別することが困難となる。
このため、受光光量が変動しても、物体信号が同じ階級でカウントされるように、時間幅ｔｗを物体信号の立ち上がり時間ｔｒと以上とするのが好ましい。
なお、上述のように物体信号の立ち上がり時間ｔｒは、受光信号が飽和しない限り同等なので、予め所定値として取得しておくことが可能である。
ここでは、物体信号の立ち上がり時間ｔｒが８ｎｓより長い時間に設定されている。実験１ではｔｒ＝２０ｎｓ（距離換算で３ｍ）とされ、実験２及び実験３では６．７ｎｓ（距離換算で１ｍ）とされている。

また、ｔｒは、ＬＤ１１からの発光パルス（投光パルス）において物体信号と同様に定義される立ち上がり時間や立ち下がり時間と同等であることが好ましい。
ＬＤ１１からの発光パルスに、波形処理回路４１が応答しないと、受光信号がピークを迎える前に、ＬＤ１１の点灯が終了してしまい、その結果、受光信号のピーク電圧が低下してしまうおそれがあるためである。
そこで、時間幅ｔｗをＬＤ１１からの発光パルスのパルス幅や立ち上がり時間や立ち下がり時間に基づいて設定しても良い。例えば時間幅ｔｗを発光パルスのパルス幅や該パルス幅の１／４～１／２と同等にしたり、時間幅ｔｗを発光パルスの立ち上がり時間以上としたり、時間幅ｔｗを発光パルスの立ち下がり時間以上としても良い。
ここで、発光パルス（投光パルス）のパルス幅は、図１３に示されるように、発光パルスのピーク光量（投光パルスピーク値）の５０％の光量（投光パルス５０％値）における発光パルスの横幅をパルス幅（投光パルス幅Ｔｐｗ）としている。なお、図１３では、便宜上、パルス幅を時間表記している。
受光パルスの波形は、発光パルスの波形に対して、時間計測用ＰＤ４２の応答特性と図７、図８に示される波形処理回路４１の周波数特性が重畳された波形となる。
受光パルスの波形は、十分に速い特性であれば発光パルスの波形と同一となるが、実際には時間計測用ＰＤ４２の応答特性や波形処理回路４１の周波数特性に応じて発光パルスの波形よりも鈍ることが多い。

また、時間計測用ＰＤ４２の応答特性や波形処理回路４１の周波数特性のうち遅い方が律速となって最終的な受光波形が決まるが、以上では波形処理回路４１の周波数特性が律速となる場合として述べてきた。
波形処理回路４１の周波数特性は、前述のカットオフ周波数ｆｃによって制約を受ける。カットオフ周波数ｆｃでの利得低下が３ｄＢとなるため、高い周波数の信号はそのまま伝達されず、全体として波形が鈍った状態で波形処理回路４１から出力される。図６は、その鈍りがある受光波形を示している。

また、前述のように時間幅ｔｗを立ち上がり時間ｔｒ以上としているが、同一距離にある複数の物体や物体の同一距離にある複数の部分からの反射光による信号の検出タイミングが、異なる階級に属さないようにすれば良いため、時間幅ｔｗとして、信号が閾値を超えるタイミングから該信号がピークに達するまでの時間や、物体検出装置１００と物体との相対速度が得られる場合に、その相対速度やフレームレート、それに関わる速度検知の分解能等を用いることも可能である。
例えば、物体検出装置１００と物体との相対速度が得られる場合、その相対速度で物体検出装置１００から物体までの距離が時間ごとに変化していく。フレームレートなどで、同一画素（同一走査位置）での次の検知までの時間が決まっているため、検出したい速度の分解能などで、同じ階級でカウントしたい物体までの時間幅や距離幅を算出し、その算出値を階級幅に設定しても良い。

また、上記では受光信号の立ち上がり時間ｔｒを考慮して時間幅ｔｗを設定しているが、受光信号の立ち下がり時間ｔｆも考慮して時間幅ｔｗを設定する方法について以下に説明する。
受光信号の立ち上がりのみならず、立ち下がりも考慮した方が、測距精度が向上する場合がある。
また、波形処理回路４１や、ＬＤ１１やＬＤ駆動部１２の特性で、受光信号の立ち上がり時間ｔｒと立ち下がり時間ｔｆが異なること（ｔｒ＜ｔｆとなること）も多い。この場合、時間幅ｔｗを、受光信号の立ち下がりがＶ９０を横切ってから閾値電圧を横切るまでの時間以上に設定することが好ましい。
受光信号の立ち上がりが閾値を横切るタイミングをｔｒ以上の時間幅ｔｗの対応する時間階級に振り分け、かつ立ち下がりが閾値を横切るタイミングをｔｆ以上の時間幅ｔｗの対応する時間階級に振り分けて、時間階級毎の信号数をカウントしても良いが、ｔｒとｔｆの短い方であるｔｒ以上に時間幅ｔｗを設定し、受光信号の立ち上がり、立ち下がりがそれぞれ閾値を横切るタイミングを対応する時間階級に振り分けて時間階級毎の信号数をカウントしても良い。このようにすれば、受光信号の立ち下がりでのカウントのばらつきは出るが、時間幅ｔｗを別々に設定してヒストグラムや度数分布表を別々に作成する必要がないため、より簡素な制御で測距することができる。
ここでも、上記と同様に、時間測定、距離換算の方法は種々の変形が可能である。

また、受光信号の立ち上がりが閾値を超えるタイミングを時間幅ｔｗの対応する時間階級に振り分けて信号数をカウントする場合に、図１４に示されるように、物体までの距離が長くなるほど時間幅ｔｗが長くなるように設定すること（ｔｗ０＜ｔｗ１＜ｔｗ２＜ｔｗ３＜ｔｗ４＜ｔｗ５）が好ましい。
例えば物体検出装置１００が車両の前方に存在する物体（他の車両、歩行者、障害物等）を検出するような場合に、近距離にある物体ほど測距精度が高いことが望ましい。複数の階級のうち信号の度数が最多の階級に属する信号で物体までの距離を算出するため、時間幅ｔｗが短いほど、測距精度が高くなる。このため、近距離では、時間幅ｔｗを短くすることが望ましい。
一方、遠距離では、物体信号のピーク電圧が低く、ノイズなどの影響で物体信号がピークをとるタイミングが変動しやすくなり、そのヒストグラムはなだらかになりやすい。それでも、複数回の測定を行う場合に、物体信号のパルス幅は、ノイズのパルス幅よりも安定しているため（ばらつきが少ないため）、より多くのカウント数を早く積み上げて、各信号のパルス幅の標準偏差σを比較することで、物体信号とノイズを区別しやすくすることが望ましい。このため、遠距離では、時間幅ｔｗを長くすることが望ましい。

図１４では、複数（例えば６つ）の時間階級の時間幅ｔｗを遠距離になるほど（時間が経つにつれて）長くなるように設定しているが、例えば、物体検出装置１００に要求される検出距離範囲（例えば０ｍ～２１０ｍ）のうち、０ｍ～３０ｍの範囲を距離幅１ｍ（時間幅６．７ｎｓ）の複数の距離階級に分割し、３０ｍ～９０ｍの範囲を距離幅３ｍ（時間幅２０ｎｓ）の複数の距離階級に分割し、９０ｍ～２１０ｍの範囲を距離幅１２ｍ（時間幅８０ｎｓ）の複数の距離階級に分割しても良いし、さらに各距離階級を一定の距離幅の複数の距離階級に分割しても良い。なお、「距離幅」は、距離階級の階級幅を意味する。

図１５には、物体検出装置１００を備えるセンシング装置１０００が示されている。センシング装置１０００は、車両（移動体）に搭載され、物体検出装置１００に加えて、該物体検出装置１００に電気的に接続された監視制御装置３００を備えている。物体検出装置１００は、車両のバンパー付近やバックミラーの近傍に取り付けられる。監視制御装置３００は、物体検出装置１００での検出結果に基づいて、物体の形状や大きさの推定、物体の位置情報の算出、移動情報の算出、物体の種類の認識等の処理を行って、危険の有無を判断する。そして、危険有りと判断した場合には、アラーム等の警報を発して移動体の操縦者に注意を促したり、ハンドルを切って危険を回避する指令を移動体の操舵制御部に出したり、制動をかけるための指令を移動体のＥＣＵに出す。なお、センシング装置１０００は、例えば車両のバッテリから電力の供給を受ける。

なお、監視制御装置３００は、物体検出装置１００と一体的に設けられても良いし、物体検出装置１００とは別体に設けられても良い。また、監視制御装置３００は、ＥＣＵが行う制御の少なくとも一部を行っても良い。

以下に、物体検出装置１００で実施される測距処理の具体例（測距処理１～４）について説明する。

＜測距処理１＞
測距処理１について図１６を用いて説明する。図１６のフローチャートは、制御系４６で実行される処理アルゴリズムに基づいている。測距処理１は、物体検出装置１００に電力が供給されたときに開始される。

最初のステップＳ１では、有効走査領域の繰り返し走査を開始する。具体的には、制御部４６ａが、入力された同期信号に基づいて生成したＬＤ駆動信号（発光信号）をＬＤ駆動部１２に出力してＬＤ１１に駆動電流を印加することによりＬＤ１１をパルス発光させ、そのパルス光を回転する回転ミラー２６で偏向する。

次のステップＳ２では、走査回数のカウント値ｋを初期化する。具体的には、制御部４６ａが、内蔵するカウンタのカウント値を０にする。

次のステップＳ３では、走査回数のカウントを開始する。具体的には、制御部４６ａが、入力された同期信号をトリガとしてカウンタによるカウントを開始し、以後、同期信号が入力される度にカウンタのカウント値を１だけアップする（カウントアップする）。

次のステップＳ４では、有効走査領域における各走査位置に対する走査時に波形処理回路４１から出力された電圧信号のうち閾値電圧を超えた電圧信号を記憶部４６ｂとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部４６ａが、二値化回路４４の出力信号（デジタル信号）に基づいて波形処理回路４１から出力された電圧信号（アナログ信号）のピークが閾値電圧を超えたか否かを判定し、その判定結果が肯定的な電圧信号を該電圧信号が得られた走査位置に対応付けてメモリに保存する。

次のステップＳ５では、制御部４６ａが、カウント値ｋがＫ（Ｋ≧２）未満であるか否かを判断する。ここで、「Ｋ」は、測定結果を出力するまでの予め設定された測定回数である。ステップＳ５での判断が肯定されるとステップＳ４に戻り、否定されるとステップＳ５．５に移行する。

ステップＳ５．５では、制御部４６ａが、走査回数のカウントを終了する。

次のステップＳ６では、制御部４６ａが、ｎに１をセットする。

次のステップＳ７では、第ｎ走査位置に対する各回の走査時に閾値電圧を超えた電圧信号毎に時間演算を行い、その演算結果である時間演算値を記憶部４６ｂとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部４６ａが、有効走査領域における第ｎ番目の走査位置（１走査分のＬＤ駆動信号の第ｎ番目のパルスに対応する走査位置）である第ｎ走査位置に対する各回の走査時に発光信号の立ち上がりタイミングから、電圧信号が閾値電圧を横切るタイミングに基づく所定タイミングまでの時間を算出し、その算出結果を該電圧信号に対応付けて時間演算値としてメモリに保存する。

次のステップＳ８では、時間階級毎の、閾値電圧を超えた電圧信号の度数を表すヒストグラム又は度数分布表を作成する。具体的には、ヒストグラム／度数分布表生成部４６ｄが、ステップＳ７でメモリに保存された各時間演算値に対応する電圧信号を対応する時間階級に振り分けてヒストグラム又は度数分布表を作成する。

次のステップＳ９では、閾値電圧を超えた電圧信号の度数が最多の時間階級（以下では「度数最多時間階級」とも呼ぶ）を抽出する。具体的には、制御部４６ａが、ステップＳ８で作成されたヒストグラム又は度数分布表の複数の時間階級から、度数最多時間階級を抽出する。

次のステップＳ１０では、制御部４６ａが、ステップＳ９で抽出された度数最多時間階級が複数であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとステップＳ１１に移行し、否定されるとステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１１では、所属階級推定部４６ｅが、各度数最多時間階級に属する複数の電圧信号のパルス幅の標準偏差σを算出する。

次のステップＳ１２では、所属階級推定部４６ｅが、標準偏差σが１．０以下の度数最多時間階級を物体信号が属する階級（以下では「物体信号所属階級」とも呼ぶ）と推定し、その推定結果を演算部４６ｃに出力する。

次のステップＳ１３では、演算部４６ｃが、所属階級推定部４６ｅからの推定結果及びメモリに保存された各電圧信号に対応する時間演算値を参照して、物体信号所属階級と推定された度数最多時間階級に属する電圧信号毎の時間演算値の平均値（該時間演算値が１つの場合は該時間演算値そのもの）を算出し、該平均値を距離に換算した値の１／２を第ｎ走査位置の測定結果として出力する。なお、上記時間演算値の平均値に代えて、該時間演算値の中央値（メジアン）や、物体信号所属階級と推定された度数最多時間階級の代表的な値、例えば階級値（階級幅の中央の値）を用いても良い。

次のステップＳ１４では、ｎ＜Ｎであるか否かを判断する。ここで、「Ｎ」は、有効走査領域における走査位置の総数（１走査分のＬＤ駆動信号の総パルス数）である。ステップＳ１４での判断が肯定されるとステップＳ１７に移行し、否定されるとステップＳ１５に移行する。

ステップＳ１５では、測定終了か否かを判断する。具体的には、ここでの判断は、物体検出装置１００への電力の供給が停止されたときに肯定され、停止されていないときに否定される。ステップＳ１５での判断が肯定されるとフローは終了し、否定されるとステップＳ２に戻る。

ステップＳ１７では、ｎをインクリメントする。ステップＳ１７が実行されると、ステップＳ７に戻る。
なお、ステップＳ５．５～ステップＳ１７の一連の処理は、走査の合間（Ｋ回の走査が終了してから、次のＫ回の走査の最初の走査が開始されるまでの間）に行われる。

以上説明した測距処理１では、波形処理回路４１から出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号を、該電圧信号に基づいて算出された時間演算値に対応する時間階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しているが、該電圧信号を該時間演算値の１／２に対応する時間階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しても良い。

＜測距処理２＞
測距処理２について図１７を用いて説明する。図１７のフローチャートは、制御系４６で実行される処理アルゴリズムに基づいている。測距処理２は、物体検出装置１００に電力が供給されたときに開始される。

最初のステップＳ２１では、有効走査領域の繰り返し走査を開始する。具体的には、制御部４６ａが、入力された同期信号に基づいて生成したＬＤ駆動信号（発光信号）をＬＤ駆動部１２に出力してＬＤ１１に駆動電流を印加することによりＬＤ１１をパルス発光させ、そのパルス光を回転する回転ミラー２６で偏向する。

次のステップＳ２２では、走査回数のカウント値ｋを初期化する。具体的には、制御部４６ａが、内蔵するカウンタのカウント値を０にする。

次のステップＳ２３では、走査回数のカウントを開始する。具体的には、制御部４６ａが、入力された同期信号をトリガとしてカウンタによるカウントを開始し、以後、同期信号が入力される度にカウンタのカウント値を１だけアップする（カウントアップする）。

次のステップＳ２４では、有効走査領域における各走査位置に対する走査時に波形処理回路４１から出力された電圧信号のうち閾値電圧を超えた電圧信号を記憶部４６ｂとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部４６ａが、二値化回路４４の出力信号（デジタル信号）に基づいて波形処理回路４１から出力された電圧信号（アナログ信号）のピークが閾値電圧を超えたか否かを判定し、その判定結果が肯定的な電圧信号を該電圧信号が得られた走査位置に対応付けてメモリに保存する。

次のステップＳ２５では、制御部４６ａが、カウント値ｋがＫ（Ｋ≧２）未満であるか否かを判断する。ここで、「Ｋ」は、測定結果を出力するまでの予め設定された測定回数である。ステップＳ２５での判断が肯定されるとステップＳ２４に戻り、否定されるとステップＳ２５．５に移行する。

ステップＳ２５．５では、制御部４６ａが、走査回数のカウントを終了する。

次のステップＳ２６では、制御部４６ａが、ｎに１をセットする。

次のステップＳ２７では、第ｎ走査位置に対する各回の走査時に閾値電圧を超えた電圧信号毎に距離演算を行い、その演算結果である距離演算値を記憶部４６ｂとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部４６ａが、有効走査領域における第ｎ番目の走査位置（１走査分のＬＤ駆動信号の第ｎ番目のパルスに対応する走査位置）である第ｎ走査位置に対する各回の走査時に発光信号の立ち上がりタイミングから、電圧信号が閾値電圧を横切るタイミングに基づく所定タイミングまでの時間を算出し、その算出結果を距離に換算した値の１／２を該電圧信号に対応付けて距離演算値としてメモリに保存する。

次のステップＳ２８では、距離階級毎の、閾値電圧を超えた電圧信号の度数を表すヒストグラム又は度数分布表を作成する。具体的には、ヒストグラム／度数分布表生成部４６ｄが、ステップＳ２７でメモリに保存された各距離演算値に対応する電圧信号を対応する距離階級に振り分けてヒストグラム又は度数分布表を作成する。

次のステップＳ２９では、閾値電圧を超えた電圧信号の度数が最多の距離階級（以下では「度数最多距離階級」とも呼ぶ）を抽出する。具体的には、制御部４６ａが、ステップＳ２８で作成されたヒストグラム又は度数分布表の複数の距離階級から、度数最多距離階級を抽出する。

次のステップＳ３０では、制御部４６ａが、ステップＳ２９で抽出された度数最多距離階級が複数であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとステップＳ３１に移行し、否定されるとステップＳ３６に移行する。

ステップＳ３１では、所属階級推定部４６ｅが、メモリを参照して、各度数最多距離階級に属する複数の電圧信号のパルス幅の標準偏差σを算出する。

次のステップＳ３２では、所属階級推定部４６ｅが、標準偏差σが１．０以下の度数最多距離階級を物体信号が属する階級（以下では「物体信号所属階級」とも呼ぶ）と推定し、その推定結果を演算部４６ｃに出力する。

次のステップＳ３３では、演算部４６ｃが、所属階級推定部４６ｅからの推定結果及びメモリに保存された各電圧信号に対応する距離演算値を参照して、物体信号所属階級と推定された度数最多距離階級に属する電圧信号毎の距離演算値の平均値（該距離演算値が１つの場合は該距離演算値そのもの）を第ｎ走査位置の測定結果として出力する。なお、上記距離演算値の平均値に代えて、該距離演算値の中央値（メジアン）や、物体信号所属階級と推定された度数最多距離階級の代表的な値、例えば階級値（該度数最多距離階級の中央の値）を用いても良い。

次のステップＳ３４では、制御部４６ａが、ｎ＜Ｎであるか否かを判断する。ここで、「Ｎ」は、有効走査領域における走査位置の総数（１走査分のＬＤ駆動信号の総パルス数）である。ステップＳ３４での判断が肯定されるとステップＳ３７に移行し、否定されるとステップＳ３５に移行する。

ステップＳ３５では、測定終了か否かを判断する。具体的には、ここでの判断は、物体検出装置１００への電力の供給が停止されたときに肯定され、停止されていないときに否定される。ステップＳ３５での判断が肯定されるとフローは終了し、否定されるとステップＳ２２に戻る。

ステップＳ３７では、ｎをインクリメントする。ステップＳ３７が実行されると、ステップＳ２７に戻る。
なお、ステップＳ２５．５～ステップＳ３７の一連の処理は、走査の合間（Ｋ回の走査が終了してから、次のＫ回の走査の最初の走査が開始されるまでの間）に行われる。

以上説明した測距処理２では、波形処理回路４１から出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号を、該電圧信号に基づいて算出された距離演算値に対応する距離階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しているが、該電圧信号を該距離演算値に対応する時間階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しても良い。

＜測距処理３＞
測距処理３について図１８を用いて説明する。図１８のフローチャートは、制御系４６で実行される処理アルゴリズムに基づいている。測距処理３は、物体検出装置１００に電力が供給されたときに開始される。

最初のステップＳ４１では、有効走査領域の繰り返し走査を開始する。具体的には、制御部４６ａが、入力された同期信号に基づいて生成したＬＤ駆動信号をＬＤ駆動部１２に出力してＬＤ１１に駆動電流を印加することによりＬＤ１１をパルス発光させ、そのパルス光を回転する回転ミラー２６で偏向する。

次のステップＳ４２では、走査回数のカウント値ｋを初期化する。具体的には、制御部４６ａが、内蔵するカウンタのカウント値を０にする。

次のステップＳ４３では、走査回数のカウントを開始する。具体的には、制御部４６ａが、入力された同期信号をトリガとしてカウンタによるカウントを開始し、以後、同期信号が入力される度にカウンタのカウント値を１だけアップする（カウントアップする）。

次のステップＳ４４では、有効走査領域における各走査位置に対する走査時に波形処理回路４１から出力された電圧信号のうち閾値電圧を超えた電圧信号を記憶部４６ｂとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部４６ａが、二値化回路４４の出力信号（デジタル信号）に基づいて波形処理回路４１から出力された電圧信号（アナログ信号）のピークが閾値電圧を超えたか否かを判定し、その判定結果が肯定的な電圧信号を該電圧信号が得られた走査位置に対応付けてメモリに保存する。

次のステップＳ４５では、制御部４６ａが、カウント値ｋがＫ（Ｋ≧２）未満であるか否かを判断する。ここで、「Ｋ」は、測定結果を出力するまでの予め設定された測定回数である。ステップＳ４５での判断が肯定されるとステップＳ４４に戻り、否定されるとステップＳ４５．５に移行する。

ステップＳ４５．５では、制御部４６ａが、走査回数のカウントを終了する。

次のステップＳ４６では、制御部４６ａが、ｎに１をセットする。

次のステップＳ４７では、第ｎ走査位置に対する各回の走査時に閾値電圧を超えた電圧信号毎に時間演算を行い、その演算結果である時間演算値を記憶部４６ｂとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部４６ａが、有効走査領域における第ｎ番目の走査位置（１走査分のＬＤ駆動信号の第ｎ番目のパルスに対応する走査位置）である第ｎ走査位置に対する各回の走査時に発光信号の立ち上がりタイミングから、電圧信号が閾値電圧を横切るタイミングに基づく所定タイミングまでの時間を算出し、その算出結果を該電圧信号に対応付けて時間演算値としてメモリに保存する。

次のステップＳ４８では、時間階級毎の時間演算値の度数を表すヒストグラム又は度数分布表を作成する。具体的には、ヒストグラム／度数分布表生成部４６ｄが、ステップＳ４７でメモリに保存された各時間演算値を対応する時間階級に振り分けてヒストグラム又は度数分布表を作成する。

次のステップＳ４９では、時間演算値の度数が最多の時間階級（以下では「度数最多時間階級」とも呼ぶ）を抽出する。具体的には、制御部４６ａが、ステップＳ４８で作成されたヒストグラム又は度数分布表の複数の時間階級から、度数最多時間階級を抽出する。

次のステップＳ５０では、制御部４６ａが、ステップＳ４９で抽出された度数最多時間階級が複数であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとステップＳ５１に移行し、否定されるとステップＳ５６に移行する。

ステップＳ５１では、所属階級推定部４６ｅが、メモリを参照して、各度数最多時間階級に属する複数の時間演算値にそれぞれ対応する複数の電圧信号のパルス幅の標準偏差σを算出する。

次のステップＳ５２では、所属階級推定部４６ｅが、標準偏差σが１．０以下の度数最多時間階級を物体信号に基づいて算出された時間演算値が属する階級（以下では「ＴＯＦ演算時間所属階級」とも呼ぶ）と推定し、その推定結果を演算部４６ｃに出力する。なお、「ＴＯＦ」は、Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔの略称である。

次のステップＳ５３では、演算部４６ｃが、所属階級推定部４６ｅからの推定結果及びメモリに保存された時間演算値を参照して、ＴＯＦ演算時間所属階級と推定された度数最多時間階級に属する時間演算値の平均値（該時間演算値が１つの場合は該時間演算値そのもの）を算出し、該平均値を距離に換算した値の１／２を第ｎ走査位置の測定結果として出力する。なお、上記時間演算値の平均値に代えて、該時間演算値の中央値（メジアン）や、ＴＯＦ演算時間所属階級と推定された度数最多時間階級の代表的な値、例えば階級値（該度数最多時間階級の中央の値）を用いても良い。

次のステップＳ５４では、ｎ＜Ｎであるか否かを判断する。ここで、Ｎは、有効走査領域における走査位置の総数（１走査分のＬＤ駆動信号の総パルス数）である。ステップＳ５４での判断が肯定されるとステップＳ５７に移行し、否定されるとステップＳ５５に移行する。

ステップＳ５５では、測定終了か否かを判断する。具体的には、ここでの判断は、物体検出装置１００への電力の供給が停止されたときに肯定され、停止されていないときに否定される。ステップＳ５５での判断が肯定されるとフローは終了し、否定されるとステップＳ４２に戻る。

ステップＳ５７では、ｎをインクリメントする。ステップＳ５７が実行されると、ステップＳ４７に戻る。
なお、ステップＳ４５．５～ステップＳ５７の一連の処理は、走査の合間（Ｋ回の走査が終了してから、次のＫ回の走査の最初の走査が開始されるまでの間）に行われる。

以上説明した測距処理３では、波形処理回路４１から出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号に基づいて算出された時間演算値を対応する時間階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しているが、該時間演算値の１／２を対応する時間階級又は対応する距離階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しても良い。

＜測距処理４＞
測距処理４について図１９を用いて説明する。図１９のフローチャートは、制御系４６で実行される処理アルゴリズムに基づいている。測距処理４は、物体検出装置１００に電力が供給されたときに開始される。

最初のステップＳ６１では、有効走査領域の繰り返し走査を開始する。具体的には、制御部４６ａが、入力された同期信号に基づいて生成したＬＤ駆動信号（発光信号）をＬＤ駆動部１２に出力してＬＤ１１に駆動電流を印加することによりＬＤ１１をパルス発光させ、そのパルス光を回転する回転ミラー２６で偏向する。

次のステップＳ６２では、走査回数のカウント値ｋを初期化する。具体的には、制御部４６ａが、内蔵するカウンタのカウント値を０にする。

次のステップＳ６３では、走査回数のカウントを開始する。具体的には、制御部４６ａが、入力された同期信号をトリガとしてカウンタによるカウントを開始し、以後、同期信号が入力される度にカウンタのカウント値を１だけアップする（カウントアップする）。

次のステップＳ６４では、有効走査領域における各走査位置に対する走査時に波形処理回路４１から出力された電圧信号のうち閾値電圧を超えた電圧信号を記憶部４６ｂとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部４６ａが、二値化回路４４の出力信号（デジタル信号）に基づいて波形処理回路４１から出力された電圧信号（アナログ信号）のピークが閾値電圧を超えたか否かを判定し、その判定結果が肯定的な電圧信号を該電圧信号が得られた走査位置に対応付けてメモリに保存する。

次のステップＳ６５では、制御部４６ａが、カウント値ｋがＫ（Ｋ≧２）未満であるか否かを判断する。ここで、「Ｋ」は、測定結果を出力するまでの予め設定された測定回数である。ステップＳ６５での判断が肯定されるとステップＳ６４に戻り、否定されるとステップＳ６５．５に移行する。

ステップＳ６５．５では、制御部４６ａが、走査回数のカウントを終了する。

次のステップＳ６６では、制御部４６ａが、ｎに１をセットする。

次のステップＳ６７では、第ｎ走査位置に対する各回の走査時に閾値電圧を超えた電圧信号毎に距離演算を行い、その演算結果である距離演算値を記憶部４６ｂとしてのメモリに保存する。具体的には、制御部４６ａが、有効走査領域における第ｎ番目の走査位置（１走査分のＬＤ駆動信号の第ｎ番目のパルスに対応する走査位置）である第ｎ走査位置に対する各回の走査時に発光信号の立ち上がりタイミングから、電圧信号が閾値電圧を横切るタイミングに基づく所定タイミングまでの時間を算出し、その算出結果を距離に換算した値の１／２を該電圧信号に対応付けて距離演算値としてメモリに保存する。

次のステップＳ６８では、距離階級毎の距離演算値の度数を表すヒストグラム又は度数分布表を作成する。具体的には、ヒストグラム／度数分布表生成部４６ｄが、ステップＳ６７でメモリに保存された各距離演算値を対応する距離階級に振り分けて、ヒストグラム又は度数分布表を作成する。

次のステップＳ６９では、距離演算値の度数が最多の距離階級（以下では「度数最多距離階級」とも呼ぶ）を抽出する。具体的には、制御部４６ａが、ステップＳ６８で作成されたヒストグラム又は度数分布表の複数の距離階級から、度数最多距離階級を抽出する。

次のステップＳ７０では、制御部４６ａが、ステップＳ６９で抽出された度数最多距離階級が複数であるか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとステップＳ７１に移行し、否定されるとステップＳ７６に移行する。

ステップＳ７１では、所属階級推定部４６ｅが、メモリを参照して、各度数最多距離階級に属する複数の電圧信号のパルス幅の標準偏差σを算出する。

次のステップＳ７２では、所属階級推定部４６ｅが、標準偏差σが１．０以下の度数最多距離階級を物体信号に基づいて算出された距離演算値が属する階級（以下では「ＴＯＦ演算距離所属階級」とも呼ぶ）と推定し、その推定結果を演算部４６ｃに出力する。

次のステップＳ７３では、演算部４６ｃが、所属階級推定部４６ｅからの推定結果及びメモリに保存された距離演算値を参照して、ＴＯＦ演算距離所属階級と推定された度数最多距離階級に属する電圧信号毎の距離演算値の平均値（該距離演算値が１つの場合は該距離演算値そのもの）を第ｎ走査位置の測定結果として出力する。なお、上記距離演算値の平均値に代えて、該距離演算値の中央値（メジアン）や、ＴＯＦ演算距離所属階級と推定された度数最多距離階級の代表的な値、例えば階級値（該度数最多距離階級の中央の値）を用いても良い。

次のステップＳ７４では、制御部４６ａが、ｎ＜Ｎであるか否かを判断する。ここで、「Ｎ」は、有効走査領域における走査位置の総数（１走査分のＬＤ駆動信号の総パルス数）である。ステップＳ７４での判断が肯定されるとステップＳ７７に移行し、否定されるとステップＳ７５に移行する。

ステップＳ７５では、測定終了か否かを判断する。具体的には、ここでの判断は、物体検出装置１００への電力の供給が停止されたときに肯定され、停止されていないときに否定される。ステップＳ７５での判断が肯定されるとフローは終了し、否定されるとステップＳ６２に戻る。

ステップＳ７７では、ｎをインクリメントする。ステップＳ７７が実行されると、ステップＳ６７に戻る。
なお、ステップＳ６５．５～ステップＳ７７の一連の処理は、走査の合間（Ｋ回の走査が終了してから、次のＫ回の走査の最初の走査が開始されるまでの間）に行われる。

以上説明した測距処理４では、波形処理回路４１から出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号に基づいて算出された距離演算値を対応する距離階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しているが、該距離演算値を対応する時間階級に振り分けてヒストグラムや度数分布表を作成しても良い。

以上説明した本実施形態の物体検出装置１００の一部を構成する時間測定装置は、ＬＤ駆動信号（発光信号）に基づいて発光するＬＤ１１（光源）を含む投光系１０と、該投光系１０から投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する時間計測用ＰＤ４２（受光素子）を含む受光系４０と、時間計測用ＰＤ４２の出力電流に対して少なくとも１つの処理を行い、該処理により得られた電圧信号（信号）を出力する波形処理回路４１（処理系）と、を備え、上記光がＬＤ１１から射出されてから時間計測用ＰＤ４２で受光されるまでの時間を測定する時間測定装置において、投光系１０が上記物体に向かう同一方向へ（同一の走査位置へ）複数回の投光を行ったときに、該複数回の各回の投光時に波形処理回路４１から出力された電圧信号のうちピークが閾値電圧（閾値）を超えた電圧信号又は該電圧信号に基づく値を、上記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて上記同一方向への投光時における上記時間を取得する、制御系４６を含む時間取得系を備え、波形処理回路４１の周波数特性（特性）に基づいて階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする時間測定装置である。

ここで、階級幅が狭すぎると、階級の数すなわち比較処理をする対象が多くなり演算処理量が多くなってしまう。逆に、階級幅が広すぎると、各回の投光時に同一階級に入る、ピークが閾値を超えるノイズ（例えばショットノイズ）の数が増えることにより、物体信号とノイズの判別精度が低下する。

そこで、ノイズのパルス周期が受光素子の出力電流を処理する波形処理回路４１の周波数特性に関連していることに着目し、該周波数特性に基づいて階級幅を設定することにより、閾値電圧を低めに設定した場合に１回の測定に要する走査回数（投光回数）が少なくても物体信号とノイズの判別精度を向上できるとともに、演算処理量を低減できる。

結果として、本実施形態の時間測定装置によれば、投光され物体で反射された光の時間計測用ＰＤ４２での受光光量によらず（物体までの距離や物体の反射率によらず）高精度かつ高速な測定を行うことができる。

一方、特許文献１、２では、受光素子の出力電流を処理する回路の周波数特性に基づいて階級幅が設定されていないので、各回の投光時に同一階級に入る、ピークが閾値を超えるノイズの数を低減するとともに演算処理量を低減することに関して改善の余地があった。
すなわち、特許文献１、２では、投光され物体で反射された光の受光素子での受光光量によらず（物体までの距離や物体の反射率によらず）高精度かつ高速な測定を可能とすることに関して改善の余地があった。

また、波形処理回路４１は、時間計測用ＰＤ４２の出力電流を電圧に変換する電流電圧変換器４３（電流電圧変換回路）を含み、階級幅は、電流電圧変換器４３のカットオフ周波数ｆｃ１に基づいて設定されることが好ましい。ノイズのパルス周期は、特にカットオフ周波数ｆｃ１に関連しているからである。

また、階級幅は、カットオフ周波数ｆｃ１の逆数以下であることが好ましい。この場合、１つの階級に複数のノイズが入ることを防止でき、物体信号とノイズの判別精度をさらに向上できる。

また、波形処理回路４１は、電流電圧変換器４３の出力信号を処理する信号増幅器４８（信号処理回路）を含み、階級幅は、信号増幅器４８のカットオフ周波数ｆｃ２に基づいて設定されることが好ましい。ノイズのパルス周期は、特にカットオフ周波数ｆｃ２に関連しているからである。

また、階級幅は、電流電圧変換器４３及び信号増幅器４８のカットオフ周波数ｆｃ１、ｆｃ２のうち小さくない方の逆数以下であることがより好ましい。この場合、１つの階級に複数のノイズが入ることをより確実に防止でき、物体信号とノイズの判別精度をより一層向上できる。

また、階級幅は、物体信号（投光系１０から投光され物体で反射された光による信号）の立ち上がり時間ｔｒ以上に設定されることが好ましい。この場合、投光毎に、時間計測用ＰＤ４２での受光光量の違いなどによる物体信号のばらつきがあっても、該物体信号又は該物体信号に基づく値が同じ階級に入るため、物体信号とノイズの判別精度をより向上できる。

また、階級幅は、物体信号（投光系１０から投光され物体で反射された光による信号）の立ち下がり時間以上に設定されることが好ましい。
物体信号は、立ち上がりのみならず、立ち下がりも考慮した方が、測距精度が向上する場合があり、その場合でも、立ち下がりのタイミングをカウントする際に、物体信号のばらつきがあっても、該物体信号又は該物体信号に基づく値が同じ階級に入るため、物体信号とノイズの判別精度をより向上できる。

また、階級幅は、階級間で異なっていても良い。例えば階級幅は、階級が高いほど（時間や距離が長くなるほど）広くなることが好ましい。この場合、近距離レンジでの測距精度を向上しつつ、遠距離レンジでの物体信号とノイズの区別を容易にすることができる。

また、階級幅は、ＬＤ１１から射出された光（発光パルス）のパルス幅、立ち上がり時間、立ち下がり時間のいずれかに基づいて設定されることが好ましい。なお、通常、波形処理回路４１のカットオフ周波数は、発光パルスのパルス幅（ＬＤ駆動信号のパルス幅）と同一のパルス幅の物体信号を取得するために所定の値に設定されるため、発光パルスのパルス幅や立ち上がり時間や立ち下がり時間に基づいて階級幅を設定することにより、結果として物体信号のパルス幅や立ち上がり時間や立ち下がり時間に基づいて階級幅を設定することができる。

また、時間取得系は、波形処理回路４１から出力された電圧信号を閾値で二値化する二値化回路４４を含み、各回の投光時に、ＬＤ駆動信号の立ち上がりタイミング（ＬＤ１１の発光タイミング、より詳細にはＬＤ１１の発光開始タイミング）と、二値化回路４４の出力信号に基づくタイミングとの時間差又は該時間差に基づく値を算出し、その算出結果に基づいて上記分類を行うことが好ましい。

また、時間取得系は、複数の階級のうち、ピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値の数が最多の階級に属するピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値（時間演算値）に基づいて、上記同一方向への投光時における上記時間を算出することが好ましい。

また、時間取得系は、上記最多の階級が複数ある場合に、ピークが閾値を超えた信号が閾値を最初に横切ってから次に横切るまでの時間に基づいて、複数の階級のうち物体信号又は該物体信号に基づく値が属する階級を推定することが好ましい。

また、時間取得系は、複数の階級のうち、ピークが閾値を超えた信号が閾値を最初に横切ってから次に横切るまでの時間又は該時間に基づく値（該時間を距離に換算した値）の標準偏差σが所定値（例えば１．０）以下の階級を物体信号又は該物体信号に基づく値（例えばＴＯＦ演算時間やＴＯＦ演算距離）が属する階級と推定することが好ましい。

また、投光系１０は、ＬＤ１１からの光を偏向走査する回転ミラー２６（偏向器）を含んでいる。この場合、投光系１０が同一方向へ複数回の投光を行うまでに複数回の走査を要するが、物体検出装置１００は閾値電圧が低めに設定された状態で少ない走査回数でも物体信号とノイズを区別できるので、物体までの距離や物体の反射率によらず高精度かつ高速な測定が可能である。

また、本実施形態の時間測定装置を備え、該時間測定装置の時間取得系の取得結果に基づいて物体までの距離を算出する物体検出装置１００によれば、投光され物体で反射された光の時間計測用ＰＤ４２での受光光量によらず高精度かつ高速な測定を可能とする距離測定装置を実現できる。
なお、物体検出装置１００が時間測定装置の出力に基づいて物体までの距離を算出せずに、物体検出装置１００が搭載される車両のＥＣＵが時間測定装置の出力に基づいて物体までの距離を算出しても良い。

また、物体検出装置１００と、該物体検出装置１００が搭載される車両（移動体）と、を備える車両装置（移動体装置）によれば、衝突安全性に優れる車両装置を実現できる。

また、物体検出装置１００と、該物体検出装置１００の出力に基づいて、物体情報（物体の有無、物体の位置、物体の移動方向及び物体の移動速度の少なくとも１つ）を求める監視制御装置３００と、を備えるセンシング装置１０００によれば、物体情報を高精度かつ高速に安定して取得することができる。

また、センシング装置１０００は移動体に搭載され、監視制御装置３００は物体の位置情報及び移動情報の少なくとも一方に基づいて危険の有無を判断するため、例えば移動体の操縦制御系、速度制御系等に危険回避のための有効な情報を提供することができる。

また、センシング装置１０００と、該センシング装置１０００が搭載される車両（移動体）と、を備える車両装置（移動体装置）によれば、衝突安全性に優れる車両装置を実現できる。

また、本実施形態の時間測定方法は、投光する投光工程と、該投光工程で投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する光電変換工程と、該光電変換工程で生じた電流に対して少なくとも１つの処理を行い、該処理により得られた電圧信号（信号）を出力する処理工程と、を含み、上記光が投光されてから受光されるまでの時間を測定する時間測定方法において、投光工程で上記物体に向かう同一方向へ複数回の投光を行ったときに、該複数回の各回の投光時に処理工程で出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号又は該電圧信号に基づく値を、上記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて上記同一方向への投光時における上記時間を取得する時間取得工程を含み、上記処理の特性に基づいて階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする時間測定方法である。

本実施形態の時間測定方法によれば、投光され物体で反射された光の光電変換工程での受光光量によらず（物体までの距離や物体の反射率によらず）高精度かつ高速な測定を行うことができる。

また、本実施形態の距離測定方法は、投光する投光工程と、該投光工程で投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する光電変換工程と、該光電変換工程で生じた電流に対して少なくとも１つの処理を行い、該処理により得られた電圧信号（信号）を出力する処理工程と、を含み、上記光が投光されてから受光されるまでの時間を測定する距離測定方法において、投光工程で上記物体に向かう同一方向へ複数回の投光を行ったときに、該複数回の各回の投光時に処理工程で出力された電圧信号のうちピークが閾値を超えた電圧信号又は該電圧信号に基づく値を、上記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて上記同一方向への投光時における上記時間を取得する時間取得工程と、時間取得工程での取得結果に基づいて物体までの距離を算出する距離算出工程を含み、上記処理の特性に基づいて階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする距離測定方法である。

本実施形態の距離測定方法によれば、投光され物体で反射された光の光電変換工程での受光光量によらず（物体までの距離や物体の反射率によらず）高精度かつ高速な測定を行うことができる。

なお、上記実施形態の物体検出装置１００の構成は、適宜変更可能である。

例えば、波形処理回路に、信号処理回路として、例えばローパスフィルタ、ハイパスフィルタ等のフィルタを組み込んでも良い。このようなフィルタは、波形処理回路に信号増幅器が組み込まれる場合は信号増幅器と二値化回路との間に接続することが好ましく、波形処理回路に信号増幅器が組み込まれない場合は電流電圧変換器と二値化回路との間に接続することが好ましい。

また、投光系１０は、偏向器としての回転ミラー２６を用いる走査型であるが、偏向器を用いない非走査型であっても良い。すなわち、投光系は、少なくとも光源を有していれば良く、投光範囲の調整のためのレンズを光源の後段に有していても良い。非走査型の投光系には、複数の光源がアレイ状に配置された光源アレイを用いることが好ましい。
このような光源アレイとしては、例えば複数のＬＤ１１が１次元又は２次元に配列されたＬＤ１１アレイ、ＶＣＳＥＬが１次元又は２次元に配列されたＶＣＳＥＬアレイなどが挙げられる。複数のＬＤ１１が１次元配列されたＬＤ１１アレイとしては、複数のＬＤ１１が積層されたスタック型のＬＤ１１アレイや複数のＬＤ１１が横に並べられたＬＤ１１アレイが挙げられる。
なお、光源アレイにおける各光源としてＶＣＳＥＬを用いれば、ＬＤを用いる場合よりも高密度配置する（アレイ内の発光点の数をより多くする）ことができる。

また、投光光学系は、カップリングレンズを有していなくても良いし、他のレンズを有していても良い。

また、投光光学系、受光光学系は、反射ミラーを有していなくても良い。すなわち、ＬＤ１１からの光を、光路を折り返さずに回転ミラーに入射させても良い。

また、受光光学系は、受光レンズを有していなくも良いし、他の光学素子（例えば集光ミラー）を有していても良い。

また、偏向器として、回転ミラーに代えて、例えば、ポリゴンミラー（回転多面鏡）、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等の他のミラーを用いても良い。

また、同期系は、同期レンズを有していなくも良いし、他の光学素子（例えば集光ミラー）を有していても良い。

また、上記実施形態では、物体検出装置１００が搭載される移動体として車両を例にとって説明したが、該移動体は、例えば航空機、船舶、ロボット等であっても良い。

また、以上の説明で用いた具体的な数値、形状などは、一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なことは言うまでもない。

以上の説明から明らかなように、上記実施形態の時間測定装置を含む物体検出装置１００（距離測定装置）、センシング装置１０００、移動体装置、時間測定方法、距離測定方法、測距処理１～４は、物体までの距離を測定する所謂Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）法を用いた技術であり、移動体におけるセンシングの他、モーションキャプチャ技術、測距計、３次元形状計測技術などの産業分野などで幅広く用いることができる。すなわち、本発明の時間測定装置や距離測定装置やセンシング装置１０００は、必ずしも移動体に搭載されなくても良い。

以下に、発明者らが上記実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。
物体検出装置として、例えば、車載用途では、走行中の車両前方における物体の有無や、その物体までの距離を検出するレーザレーダ（「ＬＩＤＡＲ」とも呼ばれる）が知られている。レーザレーダは、レーザ光源から射出されたレーザ光を物体に照射し、その物体から反射もしくは散乱された光を受光素子で受光することで、所望の範囲における物体の有無やその物体までの距離を検出する。

このようなレーザレーダでの測距において重要になるのがノイズと物体からの信号との分離である。ノイズの中でもショットノイズは外乱光に伴う白色雑音である。ショットノイズの大きさは外乱光の光量の時間平均の平方根に比例し、受光素子の感度が高いもしくは外乱光が強い場合には回路ノイズよりも問題になる。また、雨や霧など、回避不要な物体が検知されてしまう場合もノイズとなりうる。

閾値電圧を基準に受光信号（受光素子の出力電流に基づく信号）を検出する方式では、基本的には、ショットノイズによる誤検出を防ぐために、閾値電圧はショットノイズが最大となる状況を鑑みて、十分高い電圧値に決定される（図５（Ａ）参照）。そのため、ショットノイズが比較的小さい場合においては閾値電圧が過剰に大きくなって遠距離にある物体からの反射光による信号が閾値電圧を超えないため、最大検出距離が非常に短くなってしまう（図５（Ｂ）参照）。
そこで、最大検出距離を長くするために、閾値電圧は誤検出の起こらない範囲で最小に設定することが望まれる。

特許文献１には、距離や時間の階級を持つヒストグラムのどの階級に計測された距離が該当するか判断し、計測された距離の頻度が最大となる階級を中心とした所定範囲の出力電圧信号の平均値に基づいて物体までの距離を算出する距離測定装置が開示されている。この距離測定装置では、雨天などの悪環境下であっても、ノイズ成分を抑制して物体までの距離を正確に算出できるとされている。

特許文献２には、特許文献１と同様なヒストグラムを作成し、その極大となるビンを除いたヒストグラムにて外乱光の分布を算出する方法が開示されている。この方法では、パルス光の強度を対象物までの距離に応じて変更することができるようになるため、物体までの距離に依存しない物体の画像を取得することが可能となる。

しかし、特許文献１、２では、２次元配置された複数の光源を一斉に点灯して複数のパルス光で照明された対象物の２Ｄ画像を取得するセンサ及び集積回路を有するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｒｉｇｈｔ）センサの使用が想定されている。
このＴＯＦセンサは、センサの画素毎にパルス光が対象物との間を往復する時間、さらには該時間に基づいて対象物までの距離を求める。
このＴＯＦセンサで用いられる各光源は例えば１０ｎｓ周期（１００ＭＨｚ）という高速の点灯が繰り返されるため、このようなヒストグラムの作成が短時間で可能となる。

一方、１ショットの発光を角度ごとに繰り返していく走査型の時間測定装置や距離測定装置では、角度毎（画素毎、走査位置毎）の発光周期（１走査の周期）が、例えば６０ｍｓ程度となる。
この場合に、特許文献１、２のように、測距においてヒストグラムを作成し、その分散が統計的に信頼できるだけの回数、例えば１度の正確な測距を行うのに３０回の測定を繰り返すと、１．８秒もの時間がかかってしまう。
このため、走査型の時間測定装置や距離測定装置は、移動物体などを検出する必要がある車両などの移動体に搭載される場合、せめて数回程度の測定でショットノイズや雨などのノイズと物体信号とを区別して正確な測距を行うことが要求される。

そこで、発明者らは、物体信号を検出するための閾値電圧を低く設定してもノイズと物体信号とを高速かつ高精度に判別可能な走査型の時間測定装置、距離測定装置、時間測定方法、距離測定方法、該時間測定装置や該距離測定装置を備えるセンシング装置、該時間測定装置や該距離測定装置や該センシング装置を備える移動体装置を実現すべく、上記実施形態を発案した。

１０…投光系、１１…ＬＤ（光源、投光系の一部）、２６…回転ミラー（投光系の一部）、３０…受光光学系（受光系の一部）、４０…受光系、４１…波形処理回路（処理系）、４２…時間計測用ＰＤ（受光素子、受光系の一部）、４３…電流電圧変換器（電流電圧変換回路、処理系の一部）、４８…信号増幅器（信号処理回路、処理系の一部）、４４…二値化回路（時間取得系の一部）、４６…制御系（時間取得系の一部）、１００…物体検出装置（時間測定装置を含む装置、距離測定装置）。

特許３７７１３４６ 特許６０２０５４７

Claims (19)

1. 光源を含む投光系と、
   前記投光系から投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する受光素子を含む受光系と、
   前記受光素子が出力する電気信号に対して少なくとも１つの処理を行い、該処理により得られた信号を出力する処理系と、を備え、
   前記光が前記光源から射出されてから前記受光素子で受光されるまでの時間を測定する時間測定装置において、
   前記投光系が前記物体に向かう同一方向へ複数回の投光を行ったときに、前記複数回の各回の投光時に前記処理系から出力された前記信号のうちピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値を、前記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて前記同一方向への投光時における前記時間を取得する時間取得系を備え、
   前記電気信号は電流であり、
   前記処理系は、前記電流を電圧に変換する電流電圧変換回路を含み、
   前記電流電圧変換回路のカットオフ周波数に基づいて前記階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする時間測定装置。
2. 前記階級幅は、前記カットオフ周波数の逆数以下であることを特徴とする請求項１に記載の時間測定装置。
3. 前記処理系は、前記電流電圧変換回路の出力信号を処理する信号処理回路を含み、
   前記階級幅は、前記信号処理回路のカットオフ周波数に基づいて設定されることを特徴とする請求項２に記載の時間測定装置。
4. 前記階級幅は、前記電流電圧変換回路及び前記信号処理回路のカットオフ周波数のうち小さくない方の逆数以下であることを特徴とする請求項３に記載の時間測定装置。
5. 前記階級幅は、前記光による前記信号の立ち上がり時間以上に設定されることを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の時間測定装置。
6. 前記階級幅は、前記光による前記信号の立ち下がり時間以上に設定されることを特徴とする請求項１～５のいずれか一項に記載の時間測定装置。
7. 前記階級幅は、前記階級間で異なることを特徴とする請求項１～６のいずれか一項に記載の時間測定装置。
8. 前記階級幅は、前記階級が高いほど広くなることを特徴とする請求項７に記載の時間測定装置。
9. 前記階級幅は、前記光源から射出される光のパルス幅、立ち上がり時間及び立ち下がり時間のいずれかに基づいて設定されることを特徴とする請求項１～８のいずれか一項に記載の時間測定装置。
10. 前記時間取得系は、前記処理系から出力された信号を前記閾値で二値化する二値化回路を含み、前記各回の投光時に、前記光源の発光タイミングと、前記二値化回路の出力信号に基づくタイミングとの時間差又は該時間差に基づく値を算出し、その算出結果に基づいて前記分類を行うことを特徴とする請求項１～９のいずれか一項に記載の時間測定装置。
11. 前記時間取得系は、前記複数の階級のうち、前記ピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値の数が最多の階級に属する前記ピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値に基づいて、前記同一方向への投光時における前記時間を算出することを特徴とする請求項１～１０のいずれか一項に記載の時間測定装置。
12. 前記時間取得系は、前記最多の階級が複数ある場合に、前記ピークが閾値を超えた信号が前記閾値を最初に横切ってから次に横切るまでの時間に基づいて、前記複数の階級のうち前記光による信号又は該信号に基づく値が属する階級を推定することを特徴とする請求項１１に記載の時間測定装置。
13. 前記時間取得系は、前記複数の階級のうち、前記ピークが閾値を超えた信号が前記閾値を最初に横切ってから次に横切るまでの時間又は該時間に基づく値の標準偏差が所定値以下の階級を前記光による信号又は該信号に基づく値が属する階級と推定することを特徴とする請求項１２に記載の時間測定装置。
14. 前記投光系は、前記光源からの光を偏向走査する偏向器を含むことを特徴とする請求項１～１３のいずれか一項に記載の時間測定装置。
15. 請求項１～１４のいずれか一項に記載の時間測定装置を備え、該時間測定装置の出力に基づいて前記物体までの距離を算出する距離測定装置。
16. 請求項１５に記載の距離測定装置と、
    前記距離測定装置が搭載される移動体と、を備える移動体装置。
17. 請求項１～１４のいずれか一項に記載の時間測定装置と、
    前記時間測定装置が搭載される移動体と、を備える移動体装置。
18. 投光する投光工程と、
    前記投光工程で投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する光電変換工程と、 前記光電変換工程により生じた電気信号に対して少なくとも１つの処理を行い、該処理により得られた信号を出力する処理工程と、を含み、前記光が投光されてから受光されるまでの時間を測定する時間測定方法において、
    前記物体に向かう同一方向に対して前記投光工程が複数回行われたときに、前記複数回の各回の投光時に前記処理工程で出力された前記信号のうちピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値を、前記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて前記同一方向への投光時における前記時間を取得する時間取得工程と、を含み、
    前記電気信号は電流であり、
    前記処理工程は、電流電圧変換回路により前記電流を電圧に変換する処理を含み、
    前記電流電圧変換回路のカットオフ周波数に基づいて前記階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする時間測定方法。
19. 投光する投光工程と、
    前記投光工程で投光され物体で反射された光を受光及び光電変換する光電変換工程と、 前記光電変換工程により生じた電気信号に対して少なくとも１つの処理を行い、該処理により得られた信号を出力する処理工程と、を含み、前記物体までの距離を測定する距離測定方法において、
    前記物体に向かう同一方向に対して前記投光工程が複数回行われたときに、前記複数回の各回の投光時に前記処理工程で出力された前記信号のうちピークが閾値を超えた信号又は該信号に基づく値を、前記時間又は該時間に基づく値に対応する複数の階級に分類し、その分類結果に基づいて、前記同一方向への投光時における前記光が投光されてから受光されるまでの時間を取得する時間取得工程と、
    前記時間取得工程での取得結果に基づいて前記距離を算出する距離算出工程と、を含み、
    前記電気信号は電流であり
    前記処理工程は、電流電圧変換回路により前記電流を電圧に変換する処理を含み、
    前記電流電圧変換回路のカットオフ周波数に基づいて前記階級毎の階級幅が設定されていることを特徴とする距離測定方法。

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