JP7208052B2 - 光学的測距装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光学的測距装置に関する。
交通事故等の低減を目指して衝突防止システム等を搭載した移動体（車両等）が開発されている。このようなシステムでは外部環境を観測するためにカメラやミリ波レーダ等を備えた環境用センサが用いられている。
飛行時間法（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）に基づく光学的測距装置は、高空間解像度（角度分解能）を有すると共に、広角及び遠距離の測距が可能である。このため、走路や障害物の検出精度とロバスト性を高められ、安全システムの機能の拡張が期待できる。例えば、より遠方の障害物を高い位置精度で検知できれば、早期の警報が可能となる。また、駐車車両の形状等の周囲環境を高精度に検知できれば衝突やすり抜けを高い信頼度で判定できる。
ＴＯＦに基づく光学的測距装置の受光素子としてアバランシェフオトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）やＰＩＮフォトダイオードが用いられることが多い。ＡＰＤに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、次々と雪崩のように衝突電離を引き起こして新たな電子・正孔対を生成する。このアバランシェ現象の内部増幅作用により受光素子の感度が高められる。ＡＰＤの動作モードには、印加する逆バイアス電圧を降伏電圧未満で動作させるリニアモードと、降伏電圧以上で動作させるガイガーモードとがある。リニアモードでは生成される電子・正孔対の割合よりも消滅（高電界の領域から出る）する電子・正孔対の割合が大きく、アバランシェ現象は自然に止まる。出力電流は入射光量にほぼ比例するため入射光量を測定できる。ガイガーモードのＡＰＤは、単一フォトンでもアバランシェ現象を引き起こせるので、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）とも呼ばれる。ＳＰＡＤでは、印加電圧を降伏電圧まで下げることでアバランシェ現象を止めることができる。印加電圧を下げてアバランシェ現象を停止させることはクエンチングと呼ばれる。最も単純なクエンチング回路は、ＳＰＡＤと直列にクエンチング抵抗を接続することで実現される。アバランシェ電流が生じるとクエンチング抵抗の端子間の電圧上昇によってＳＰＡＤのバイアス電圧が降下する。バイアス電圧が降伏電圧まで降下するとアバランシェ電流が止まる。アバランシェ電流が止まると、クエンチング抵抗の端子間の電圧が降下し、ＳＰＡＤに再び降伏電圧以上の電圧が印加される。このＳＰＡＤとクエンチング抵抗間の電圧昇降を、バッファーを介して取り出すことにより、フォトン入射を電圧パルスとして出力する。このようにフォトン入射の有無を検出する受光素子をフォトンカウント型受光素子と呼ぶ。
リニアモードのＡＰＤとガイガーモードのＡＰＤを受光素子に用いる場合のＴＯＦを求める方法を図２に示す。光学的測距装置は、繰り返しパルス光を対象物に照射する。受光素子は、対象物で反射されたパルス光と太陽光等の外乱光が加算された光を受光する。リニアモードＡＰＤのように入射光量にほぼ比例した電流を出力する受光素子では、受光信号の直流成分を除去した後にピークを抽出する。一方、ガイガーモードのＡＰＤのようなフォトンカウント型の受光素子では、電圧パルスの到来時刻を繰り返し測定してヒストグラムを作成してそのピークを抽出する。反射パルス光のフォトンは同時に受光素子に到来するのに対して外乱光のフォトンは時間的に無相関に到来することから、受光信号のピークを抽出することにより外乱光が存在しても正しくＴＯＦ検出できる。ここで受光信号とは、リニアモードのＡＰＤの場合は電流出力であり、ガイガーモードのＡＰＤの場合はヒストグラムである。
常に受光信号のピークに対応するＴＯＦを出力すると、対象物からの反射光が小さい場合や対象物が存在しない場合に誤検出となる。このような誤検出を防止するために、一般に受光信号のピーク抽出に閾値を設け、抽出されたピーク値が閾値以下のときは対象物が存在しないと判断してＴＯＦを出力しない。この閾値を小さく設定すると検知距離は延びるが誤検出率が大きくなる。閾値を大きく設定すると誤検出率は低減できるが検知距離は短くなる。したがって、誤検出を生じない範囲又は許容できる誤差検出率の範囲でなるべく閥値を小さく設定するために、外乱光等のノイズレベルに応じて適応的に閥値を設定することが望ましい。
ノイズレベルに応じて閾値を設定する技術が開示されている（特許文献１）。閾値設定手段は、ノイズ波形の平均値に予め設定されたマージンを加えた値を検出閾値として設定する。マージンの決め方としていくつかの方法が開示されている。例えば、ノイズ波形の交流成分の標準偏差又は実効値に予め設定された係数を乗じた値をマージンとする。または、ノイズ波形における最大値と最小値との差分値に予め設定された係数を乗じた値、ノイズ波形における最大値と平均値との差分値に予め設定された係数を乗じた値をマージンとする。または、パルス光送信回数をＮとして、ノイズ波形における最大値と最小値との差分を表すノイズ差分値を算出してルートＮ倍した値に予め設定された係数を乗じた値をマージンとする。または、パルス光送信回数をＮとして、ノイズ波形における最大値と平均値との差分を表すノイズ差分値を算出してルートＮ倍した値に予め設定された係数を乗じた値をマージンとする。
特開２０１３－９６９０５号公報
従来技術の閾値設定では、ノイズ波形から求めたノイズレベルの大きさに基づいて閾値を決定する。ノイズレベルの大きさは、標準偏差、又は最大値と最小値の差、又は最大値と平均値の差として求める。標準偏差に基づくことは正規分布を仮定することを意味し、ノイズの分布が正規分布でない場合には標準偏差は分布のばらつき度合、すなわちノイズレベルの大きさを正確に表さない。また、最大値や最小値は変動が大きく値が安定しないのでノイズレベルの大きさを正確に表さない。不正確なノイズレベルの大きさに基づいて閾値を決定すると閾値を適切に設定できない問題がある。また、閾値が小さすぎると誤検出率が増大し、逆に閾値が大きすぎると検知距離が短くなるという問題がある。
フォトンカウント型受光素子を用いた光学的測距装置では、ノイズ成分の分布は正規分布にはならず、ポアソン分布に近い分布となる。標準偏差に基づいて閾値を決定すると特にノイズレベルが小さい場合に信号検出の閾値が小さく設定される傾向があり、誤検出率が増大する問題がある。
本発明は、測定対象物や日照条件等の測定条件の変化に応じて適応的に反射信号の検出閾値を定めて誤検出率を所望の値にすることができる光学的測距装置を提供する。
本発明の１つの態様は、光の伝搬時間に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、パルス状の出力光を測定対象物へ向けて繰り返し投光する投光手段と、光を受光して受光信号として出力するフォトンカウント型受光素子を含む受光手段と、前記受光信号において閾値を超える信号成分を前記測定対象物における前記出力光の反射による反射信号として弁別する信号弁別手段と、前記反射信号に基づいて前記測定対象物までの前記出力光の往復伝搬時間を推定する伝搬推定手段と、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布から求められる基準レベルと当該確率分布における累積確率が所定値となる境界レベルとの関係に基づいて、前記信号弁別手段において前記反射信号を弁別する際に前記受光信号から実際に求めた基準レベルに対応する境界レベルを前記閾値として設定する閾値設定手段と、を備えることを特徴とする光学的測距装置である。
ここで、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布に対する前記基準レベルと前記境界レベルとの関係を予め求めて記憶させた変換データベースを備え、前記閾値設定手段では、前記変換データベースを参照して前記受光信号から実際に求めた基準レベルに対応する境界レベルを前記閾値として設定することが好適である。
また、前記受光信号のノイズの確率分布を推定する確率分布推定手段をさらに備えることが好適である。
また、前記受光信号のノイズの確率分布は、前記受光信号の波形の最大値の確率分布であることが好適である。
また、前記境界レベルは、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布において基準レベルと当該基準レベルの平方根に所定の係数を乗じた値とを加算した値であることが好適である。
本発明の別の態様は、光の伝搬時間に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、パルス状の出力光を測定対象物へ向けて繰り返し投光する投光手段と、光を受光して受光信号として出力するフォトンカウント型受光素子を含む受光手段と、前記受光信号に含まれる前記測定対象物における前記出力光の反射による反射信号に基づいて前記測定対象物までの前記出力光の往復伝搬時間を推定する伝搬推定手段と、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布において前記反射信号に対応する累積確率を検出の信頼度として出力する信頼度出力手段と、を備えることを特徴とする光学的測距装置である。
ここで、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布に対する基準レベル毎に当該基準レベルに対応するノイズの確率分布を予め求めて記憶させた変換データベースを備え、前記信頼度出力手段では、前記反射信号を検出する際に前記受光信号から実際に求めた基準レベルに対応する前記変換データベースを参照して、前記反射信号に対応する累積確率を検出の信頼度として出力することが好適である。
また、前記受光信号のノイズの確率分布を推定する確率分布推定手段をさらに備えることが好適である。
また、前記受光信号のノイズの確率分布は、前記受光信号の波形の最大値の確率分布であることが好適である。
また、前記基準レベルは、前記受光信号の平均値であることが好適である。
本発明によれば、ノイズのレベルに応じて反射光の信号の誤検出率を所定値にすることができる。
本発明の実施の形態における光学的測距装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態における光学的測距装置のＴＯＦを求める方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態における受光素子の配置例を示す図である。 本発明の実施の形態におけるノイズ計測方法を説明する図である。 本発明の実施の形態における光検出器の回路構成を示す図である。 本発明の実施の形態におけるノイズのヒストグラムの生成を説明する図である。 本発明の実施の形態におけるノイズのヒストグラム値の確率分布を説明する図である。 本発明の実施の形態における基準レベル（平均値）と反射信号の検出のための閾値の設定方法を説明する図である。
本発明の実施の形態における光学的測距装置１００は、図１に示すように、レーザダイオード１０、双極面ミラー１２、ポリゴンミラー１４及び測距部１６を含んで構成される。
レーザダイオード１０から繰り返し出射されるレーザ光（発光パルス）は図示しないコリメートレンズでコリメートされ、双極面ミラー１２の中央に設けられた穴からポリゴンミラー１４へ向かう。ポリゴンミラー１４で反射されたレーザ光は測定対象物が存在し得る空間へ出射される。レーザ光が測定対象物で反射された場合、その反射光は測距部１６へと戻る。出射された光と同じ経路で測距部１６へ戻ってきた反射光は、再びポリゴンミラー１４で反射されて、さらに双極面ミラー１２で反射されて測距部１６の受光素子１８へ入射する。
光学的測距装置１００の光学系は、投光ビーム（レーザ光）と受光ビーム（反射光）の光軸を一致させた同軸型の光学系である。双極面ミラー１２は、レンズと同様の働きをし、反射光を受光素子１８に結像させる。また、ポリゴンミラー１４が回転することで、レーザ光と反射光は同時に水平方向に走査される。ポリゴンミラー１４は、例えば６面で構成され、各面の俯角を変化させることで垂直方向にレーザ光及び反射光を走査することができる。各面の俯角の差を投光するレーザ光の垂直方向のビーム広がり角度と等しくすれば、垂直方向に隙間なく走査することができる。
測距部１６は、外乱光の影響を除去して、測定対象物によって反射された発光パルスが戻ってくるまでの時間（ＴＯＦ：ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）を求める。
図３は、本実施の形態における測距部１６に含まれる受光素子１８の構成例を示す。受光素子１８は、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａとノイズ計測用光検出器１８ｂとを並列に配置して構成される。ＴＯＦ計測用光検出器１８ａは、受光エリアと結像するレーザ光のビームスポットが重なるように受光素子を配置する。ノイズ計測用光検出器１８ｂは、受光エリアとレーザ光のビームスポットとが重ならないように受光素子を配置する。したがって、ノイズ計測用光検出器１８ｂは、測定対象物からの反射光を受光せず、外乱光のみを受光する。
ＴＯＦ計測用光検出器１８ａ及びノイズ計測用光検出器１８ｂには、それぞれ垂直方向に１６個の光検出器が１次元アレイ状に実装されている。ＴＯＦ計測用光検出器１８ａ及びノイズ計測用光検出器１８ｂは、例えば、シリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）とすることが好適である。ＳｉＰＭは、複数のＳＰＡＤをアレイ状に配置し、全体として大きな受光部の１個の光検出器を構成したものである。図３の例では、各ＳｉＰＭは４ｘ６個のＳＰＡＤで構成される。ＴＯＦ計測用光検出器１８ａ及びノイズ計測用光検出器１８ｂは、それぞれ１６個のＳｉＰＭで構成される。ポリゴンミラー１４は６面で構成されるので、光学的測距装置１００の垂直方向の走査線数は光検出器数とポリゴンの面数の積で表され１６×６＝９６ラインとなる。
図３に示したＴＯＦ計測用光検出器１８ａ及びノイズ計測用光検出器１８ｂの配置において左右方向を水平に、上下方向を垂直になるように配置すると、図４に示すように走査中の各時刻でＴＯＦ計測用光検出器１８ａとノイズ計測用光検出器１８ｂとは常に異なる水平方向からの光を観測する。当該観測方向の角度差は、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａとノイズ計測用光検出器１８ｂの間隔及び双極面ミラー１２の焦点距離で決まる。また、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａの現在測定方向と次回測定方向の角度差、即ち水平解像度、はポリゴンミラー１４の回転速度、測定時間間隔、投光ビームのポリゴンミラーへの入射角度等で決まる。水平解像度と双極面ミラー１２の焦点距離とを固定して考えると、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａとノイズ計測用光検出器１８ｂの間隔を調節してノイズ計測用光検出器１８ｂの観測方向をＴＯＦ計測用光検出器１８ａの次回測定方向に一致させることができる。これによって、ノイズ計測用光検出器１８ｂは、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａと同一方向を一時刻前に観測することになる。
なお、本実施の形態では、ノイズ計測用光検出器１８ｂをＴＯＦ計測用光検出器１８ａと同一の構成としたが、異なる構成であってもよい。また、ノイズ計測用光検出器１８ｂを別途設けた構成例を示したが、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａのみを実装し、パルスレーザ光を照射しない時間にノイズレベルを計測する構成としてもよい。
図５は、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａを構成するＳｉＰＭの１つの回路構成例を示す。ＳＰＡＤ２０の出力パルスは５～５０ｎｓ程度の有限のパルス幅を持つ。パルス整形回路２２は、ＳＰＡＤ２０の出力パルス幅をレーザダイオード１０の発光パルス幅に等しくなるように整形する。整形された電圧パルスは、ディジタル加算器２４で加算される。ディジタル加算器２４は、出力がハイ状態（Ｈｉｇｈ）のＳＰＡＤ２０の数を出力する。ディジタル加算器２４の出力は、コンパレータ２６に入力され、所定値（本例では２としている）以上の場合、ＴＤＣ２８（Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）がレーザ発光時刻からの経過時間を計測する。すなわち、同時に所定値以上のＳＰＡＤ２０でフォトンが検出された場合のみ時間が測定される。このように、測定対象物からの反射光では多数のフォトンが同時に到来するのに対し、外乱光ではフォトンはランダムなタイミングで到来するため同時に到来する確率は小さいという性質に基づいた処理が行われる。また、時間的にレーザダイオード１０の発光パルス幅以上に乖離している電圧パルスは反射光に由来するものではない確率が高いので、パルス整形回路２２において電圧パルス幅をレーザダイオード１０の発光パルス幅に等しく調整している。ＴＤＣ２８において時間が計測されると、ヒストグラム回路３０は計測時間に相当するヒストグラムのビンで、その時点のディジタル加算器２４の出力値を加算する。多数のＳＰＡＤ２０において同時にパルスが検出されたときにより多くの値が加算されるので、より有効に情報を活用してヒストグラムを形成することができる。
レーザ光の発光からヒストグラム値加算までの一連の動作をＮｐ回繰り返すことによって、最終的なヒストグラムが生成される。ＴＯＦのヒストグラムの最大値を高精度に抽出するには、より多くのデータでヒストグラムを生成する必要があり、より多数のＴＯＦ測定が必要となり、測定時間が長くなる。測定時間が長くなると、投光／受光ビームを走査する場合や対象物が動いている場合に測定誤差を生じる原因となる。ＳｉＰＭでは、ＳＰＡＤ２０の出力を時間と空間の両方で統合するため測定時間を短縮することができる。
ヒストグラムを生成した後、ヒストグラム回路３０は、ヒストグラムにおけるピーク値が閾値設定部３２で設定された閾値以上である場合にピーク位置に対応する時間をＴＯＦとして出力する。閾値を超えるピーク値が複数存在する場合、複数のピークに対応する複数のＴＯＦを出力してもよい。このようにして、１つの発光パルスが距離の異なる複数の測定対象物によって反射された場合であっても複数のＴＯＦを検出することができる。閾値を超えるピーク値がない場合は、測定対象物が存在しないと判定してＴＯＦを出力しない。このように、ヒストグラムにおけるピーク値に対して閾値を設けてＴＯＦを検出することによってＴＯＦの誤検出を抑制することができる。
ノイズ計測用光検出器１８ｂを構成するＳｉＰＭもＴＯＦ計測用光検出器１８ａのＳｉＰＭと同様の検出回路を備えており、ＴＯＦ検出と同様にヒストグラムを生成する。ノイズ計測用光検出器１８ｂは、発光パルスの反射光を受光しないので、生成されるヒストグラムはすべてノイズ成分である。ノイズ成分には外乱光の他にＳＰＡＤのダークカウントやアフターパルスがあり、生成されるヒストグラムにはこれらすべてのノイズ成分が含まれている。ノイズ計測用光検出器１８ｂは、所定の計測時間でヒストグラムを生成した後、全ビンの平均値をノイズ平均値として出力する。
閾値設定部３２は、予め作成したノイズ平均－閾値変換テーブルを参照して、ノイズ計測用光検出器１８ｂの検出回路が出力したノイズ平均値に対応する境界レベルをヒストグラム回路３０の閾値として設定する。以下、ノイズ－平均閾値変換テーブルの作成方法について説明する。
まず、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａで測定されるノイズの確率分布を測定する。同時にノイズ計測用光検出器１８ｂでノイズ平均を測定する。ハロゲンランプ等の光源の光を光学的測距装置１００の測距部１６に照射することで時間的に変化しない外乱光ノイズを生成する。このような状態において、レーザダイオード１０からの発光パルスの出力を停止して、測距の場合と同様に、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａを用いて発光パルスのＮｐ回分に相当するヒストグラムを生成する。
図６は、生成されるヒストグラムの例を示す。１つのヒストグラムからビン数Ｎｂｉｎ個分のヒストグラム値が得られる。外乱光を一定に保ったままヒストグラムの生成をＮｍｅｓ回繰り返すと、合計でＮｂｉｎ×Ｎｍｅｓ個のヒストグラム値が得られる。ヒストグラム値のとり得る値の範囲はゼロからＮｓｐａｄ×Ｎｐである。ここで、Ｎｓｐａｄは、ＳｉＰＭを構成するＳＰＡＤの数である。測定した全ヒストグラム値の度数分布を作成し、全度数の合計Ｎｂｉｎ×Ｎｍｅｓで各度数を除すると、図７に示すような確率分布が得られる。
ここで、ヒストグラム値がｉとなる確率を数式（１）で表す。
Figure 0007208052000001
累積確率は、数式（２）で表される。ここで、累積確率とは、ある１つのビンについてノイズのヒストグラム値がｉ以下となる確率である。
Figure 0007208052000002
ヒストグラムのピーク値がｉ以下になる確率は、ヒストグラムのＮｂｉｎ個全てのビンのヒストグラム値がｉ以下になる確率である。各ビンのヒストグラム値が独立な確率事象であると仮定すると、その確率は数式（３）で表される。
Figure 0007208052000003
また、ピーク値がｉを超える確率、即ち境界レベルをｉとしたときに誤検出となる確率は数式（４）で表される。
Figure 0007208052000004
各ビンのヒストグラム値は独立な確率事象ではないが、数式（４）を用いれば十分な精度で誤検出率を近似できる。したがって、誤検出率がＥｒｒ以下となる閾値Ｔは、数式（５）を満たす最小の値ｉである境界レベルとすることが好適である。
Figure 0007208052000005
ノイズ平均μは、ノイズ計測用光検出器１８ｂで生成したヒストグラムの全ビン（Ｎｂｉｎ）の全測定回数（Ｎｍｅｓ）の平均として求める。以上のように、ノイズのヒストグラム値の確率分布Ｐ（ｉ）｛ｉ＝０，１，２・・・，Ｎｓｐａｄ×Ｎｐ｝が得られると、図８に示すように、ノイズレベルに応じた確率分布毎にその平均値μ（μ１，μ２・・・）と、誤検出率Ｅｒｒになる境界レベルε（ε１，ε２・・・）との関係を求めることができる。確率分布の測定に基づいて、平均値μと境界レベルεとの関係をすべてのノイズレベルに対して予め調べておくことによって、ノイズの平均値μと閾値Ｔとの変換テーブル（変換データベース）を作成することができる。具体的には、光源の光量を変化させたり、光源と測距装置の距離を変化させたりすることでノイズレベルを変化させた状態で平均値μと境界レベルεとの関係をすべてのノイズレベルに対して調べることができる。
なお、すべてのノイズレベルで確率分布を測定して平均値μと境界レベルεとの関係を求める代わりに、いくつかの代表的なノイズレベルで平均値μと境界レベルεの組み合わせを求め、補間によってノイズの平均値μと境界レベルεとの変換テーブルを完成させてもよい。
閾値設定部３２は、当該変換テーブルを参照することによって、ノイズ計測用光検出器１８ｂの検出回路が出力したノイズが平均値μを示すときに反射信号のピーク検出のための閾値Ｔをヒストグラム回路３０に対して設定する。これによって、すべてのノイズレベルに対して反射信号の検出において誤検出率Ｅｒｒを維持することができる。また、変換テーブルの代わりに、ノイズレベル毎に平均値μと境界レベルεとの関係を示す関係式を求めておき、平均値μを引数として境界レベルεを算出できるようにしてよい。これによって、実際に求めたノイズの平均値μから算出された境界レベルεを閾値Ｔとして設定することができる。
以上では、ヒストグラムの値の各ビンの確率分布に基づいてノイズの平均値μと境界レベルεの関係を求めたが、ヒストグラムの最大値の確率分布に基づいてもよい。１回のヒストグラム生成で１個の最大値が得られるので、ヒストグラム生成をＮｍｅｓ回繰り返すことでＮｍｅｓ個の最大値が得られる。測定したＮｍｅｓ個の最大値の度数分布を生成し、各度数を全度数Ｎｍｅｓで除することで最大値の確率分布が得られる。
Figure 0007208052000006
この累積確率をＣｍａｘ（ｉ）とすると、誤検出率がＥｒｒ以下となる閾値Ｔは、数式（７）を満たす最小の値ｉである境界レベルとすることが好適である。
Figure 0007208052000007
１回のヒストグラム生成で１個の最大値しか得られないので、確率分布を高い精度で求めるにはより多くのヒストグラム生成が必要になり、長い計測時間を要する。一方で、各ビンの値は独立な確率事象であるという仮定を用いずに閾値を定められるという利点がある。
なお、ノイズの平均値μと境界レベルεとの変換テーブルの作成は１度だけ行えばよい。同じ受光素子であれば複製した測距装置で同じ変換テーブルを共有することもできる。したがって、本実施の形態の光学的測距装置１００において、確率分布推定手段は必須の構成要素ではない。確率分布推定手段を備えることにより、受光手段の特性が経年劣化等で変化した場合でもノイズレベルと閾値との関係、すなわち変換テーブルを更新することができる。本実施の形態では、実測により確率分布を測定したが、各種のシミュレーションによって確率分布を求めて変換テーブルを作成してもよい。
また、変換テーブルを用いない簡易な構成としてもよい。フォトンカウント式ＬｉＤＡＲの受光素子の応答はポアソン過程であり、応答から生成される受光タイミングのヒストグラム等の受光信号の値もポアソン過程と近似できる。ポアソン過程では、所与の時間の平均発生回数がｎ回である時、発生回数のばらつき（標準偏差）はｎの平方根になることが知られている。そこで、図８に示すように、閾値設定部３２は、ノイズ計測用光検出器１８ｂが出力したノイズの平均値μと、当該平均値μの平方根に所定の係数（例えば４．０）を乗じた値とを加算した値を境界レベルεとしてもよい。
これによって、フォトンカウント式ＬｉＤＡＲの受光信号のノイズ成分のばらつき度合に応じた閾値設定が簡易な構成で可能になる。
本実施の形態におけるＴＯＦ計測用光検出器１８ａ及びノイズ計測用光検出器１８ｂは、複数のＳＰＡＤをアレイ状に配置して全体として大きな受光部の光検出器を構成するＳｉＰＭとしたが、これに限定されるものではない。各ＳＰＡＤの出力電流を加算するＳｉＰＭであってもよい。
また、所定個数以上のＳＰＡＤ出力が同時に”ハイ”状態であるときにＴＤＣ２８をトリガする構成を示したが、全ＳＰＡＤの出力加算信号を時間サンプリングすることで、ヒストグラムに相当する受光信号を生成するようにしてもよい。また、フォトンカウント式の受光素子であれば、この他にもＳｉＰＭの実装には種々の変形が可能である。ＳｉＰＭの代わりに１つのＳＰＡＤが１つの光検出器であってもよい。
本実施の形態では、１つのヒストグラムを生成するためのレーザ発光回数、即ちヒストグラムの積算回数をＮｐとした。前述したように、積算回数を大きくするとより高精度にヒストグラムの最大値を抽出できる反面、測定時間が長くなる。また、隣接する光検出器の出力ヒストグラムを加算統合する、即ち空間的な積算回数を増加させることで空間解像度は犠牲になるが、時間的な積算回数の増加と同様に最大値の抽出精度を高めることができる。夜間のように外乱光が少ない場合は積算回数を大きくし、昼間のように外乱光が少ない場合に積算回数を小さくすることもできる。このようにヒストグラムの積算回数を可変にする場合、ノイズの計測時間も積算回数に比例して増減させることが好適である。または、積算回数を基準のｘ倍としたとき平均値μと閾値Ｔの変換テーブルにおいて計測したノイズ平均のｘ倍を参照して閾値を求めてもよい。
また、本実施の形態では、基準レベルをノイズの確率分布の平均値μ（期待値）としたが、基準レベルを最頻値やメディアン（中央値）としてもよい。この場合、例えば、最頻値やメディアンと境界レベルεとの関係を予め求めて変換テーブルを作成しておくことによってノイズの確率分布に応じた閾値Ｔを設定することができる。なお、最頻値とは、確率分布において確率が最大になる確率変数、即ちヒストグラム値である。メディアンとは、確率分布における累積確率が０．５になる確率変数である。最頻値もメディアンもノイズ計測手段でヒストグラムを生成することにより容易に算出することができる。
また、平均値μ、最頻値、メディアン等の統計値を線形変換した値、例えば平均値μの１．２倍を基準レベルとしても用いるようにしてもよい。
［変形例］
数式（４）又はＣｍａｘ（ｉ）で表される累積確率は、ノイズ成分のみのヒストグラムにおいてヒストグラム値の最大値がｉ以下になる確率である。この確率は、反射信号を含むヒストグラムにおいてヒストグラム値のピーク値がｉであったときにノイズ成分ではない確率であり、すなわちピークが反射信号であることの信頼性を表す。そこで、反射信号を検出する際のノイズの確率分布において、ヒストグラム回路３０で検出された反射信号のピーク値に対応する累積確率を検出の信頼度として出力する構成としてもよい。
具体的には、受光信号に含まれるノイズの確率分布における基準レベル（平均値、最頻値、メディアン等）毎に当該基準レベルに対応するノイズの累積確率分布を予め求めて記憶させた変換データベースを作成しておき、反射信号のピークを検出する際に受光信号から実際に求めたノイズの基準レベルに対応する変換データベースを参照して反射信号のピーク値に対応する累積確率を検出の信頼度として出力するようにすればよい。例えば、ヒストグラム回路３０における反射信号の検出の際にピーク値がＰである場合、ピーク値Ｐに対応する累積確率Ｃｍａｘ（Ｐ）を検出の信頼度として出力するようにすればよい。
１０ レーザダイオード、１２ 双極面ミラー、１４ ポリゴンミラー、１６ 測距部、１８ 受光素子、１８ａ ＴＯＦ計測用光検出器、１８ｂ ノイズ計測用光検出器、２２ パルス整形回路、２４ ディジタル加算器、２６ コンパレータ、３０ ヒストグラム回路、３２ 閾値設定部、１００ 光学的測距装置。

Claims (10)

  1. 光の伝搬時間に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、
    パルス状の出力光を測定対象物へ向けて繰り返し投光する投光手段と、
    光を受光して受光信号として出力するフォトンカウント型受光素子を含む受光手段と、
    前記受光信号において閾値を超える信号成分を前記測定対象物における前記出力光の反射による反射信号として弁別する信号弁別手段と、
    前記反射信号に基づいて前記測定対象物までの前記出力光の往復伝搬時間を推定する伝搬推定手段と、
    前記受光信号に含まれるノイズの確率分布から求められる基準レベルと当該確率分布における累積確率が所定値となる境界レベルとの関係に基づいて、前記信号弁別手段において前記反射信号を弁別する際に前記受光信号から実際に求めた基準レベルに対応する境界レベルを前記閾値として設定する閾値設定手段と、
    を備えることを特徴とする光学的測距装置。
  2. 請求項１に記載の光学的測距装置であって、
    前記受光信号に含まれるノイズの確率分布に対する前記基準レベルと前記境界レベルとの関係を予め求めて記憶させた変換データベースを備え、
    前記閾値設定手段では、前記変換データベースを参照して前記受光信号から実際に求めた基準レベルに対応する境界レベルを前記閾値として設定することを特徴とする光学的測距装置。
  3. 請求項１又は２に記載の光学的測距装置であって、
    前記受光信号のノイズの確率分布を推定する確率分布推定手段をさらに備えることを特徴とする光学的測距装置。
  4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の光学的測距装置であって、
    前記受光信号のノイズの確率分布は、前記受光信号の波形の最大値の確率分布であることを特徴とする光学的測距装置。
  5. 請求項１に記載の光学的測距装置であって、
    前記境界レベルは、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布において基準レベルと当該基準レベルの平方根に所定の係数を乗じた値とを加算した値であることを特徴とする光学的測距装置。
  6. 光の伝搬時間に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、
    パルス状の出力光を測定対象物へ向けて繰り返し投光する投光手段と、
    光を受光して受光信号として出力するフォトンカウント型受光素子を含む受光手段と、
    前記受光信号に含まれる前記測定対象物における前記出力光の反射による反射信号に基づいて前記測定対象物までの前記出力光の往復伝搬時間を推定する伝搬推定手段と、
    前記受光信号に含まれるノイズの確率分布において前記反射信号に対応する累積確率を検出の信頼度として出力する信頼度出力手段と、
    を備えることを特徴とする光学的測距装置。
  7. 請求項６に記載の光学的測距装置であって、
    前記受光信号に含まれるノイズの確率分布に対する基準レベル毎に当該基準レベルに対応するノイズの確率分布を予め求めて記憶させた変換データベースを備え、
    前記信頼度出力手段では、前記反射信号を検出する際に前記受光信号から実際に求めた基準レベルに対応する前記変換データベースを参照して、前記反射信号に対応する累積確率を検出の信頼度として出力することを特徴とする光学的測距装置。
  8. 請求項６又は７に記載の光学的測距装置であって、
    前記受光信号のノイズの確率分布を推定する確率分布推定手段をさらに備えることを特徴とする光学的測距装置。
  9. 請求項６～８のいずれか１項に記載の光学的測距装置であって、
    前記受光信号のノイズの確率分布は、前記受光信号の波形の最大値の確率分布であることを特徴とする光学的測距装置。
  10. 請求項１～９のいずれか１項に記載の光学的測距装置であって、
    前記基準レベルは、前記受光信号の平均値であることを特徴とする光学的測距装置。
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