WO2017042991A1 - 波高値検出装置および波高値検出方法 - Google Patents

波高値検出装置および波高値検出方法 Download PDF

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WO2017042991A1
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WO
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peak value
signal
unit
light receiving
value detection
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Application number
PCT/JP2016/002727
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English (en)
French (fr)
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享宏 小山
伸弘 金井
大畑　豊治
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ソニー株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/04—Measuring peak values or amplitude or envelope of ac or of pulses
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers

Definitions

  • the present disclosure relates to a peak value detection apparatus and a peak value detection method.
  • pulse light is repeatedly projected onto a distance measuring object, reflected pulse light from the object is received, and the time from when the pulse light is projected until when the reflected pulse light is received (flight time (TOF).
  • TOF light time
  • a distance measuring device that measures a distance to a measurement object by measuring (Time Of Flight)).
  • TOF time of Flight
  • the peak value of the reflected pulse light is obtained and held, and since this peak value corresponds to the peak value of the reflected pulse light, it is based on the peak value.
  • a technique for calculating a correction value for distance correction is described.
  • the apparatus of Patent Document 1 does not consider the offset component (DC component) included in the reflected pulse light, the integrated value includes the offset component, and as a result, the peak value of the integrated value and the reflected value are reflected.
  • the peak value of the pulsed light does not correspond accurately. That is, there is a problem that the accuracy of distance measurement is deteriorated because an accurate correction value cannot be obtained by the offset component included in the reflected pulse light.
  • an object of the present disclosure is to provide, for example, a crest value detection device and a crest value detection method that removes an offset component included in reflected pulse light and accurately detects a crest value of the reflected pulse light.
  • a peak value detection apparatus including an integration circuit that acquires an integrated value obtained by removing an offset included in an output signal from a light receiving unit and integrating the output signal from which the offset is removed as a peak value.
  • the present disclosure also includes, for example, An integration circuit for integrating the output signal from the light receiving unit; An integrated value detection unit that samples a signal output from the integration circuit at a predetermined period and outputs an integrated value at each sampling time; A peak value detection apparatus comprising: an arithmetic processing unit that calculates a difference between integral values detected by the integral value detection unit and acquires a peak value of an output signal from the light receiving unit based on the calculation result.
  • the present disclosure also includes, for example, This is a peak value detection method in which an integration circuit removes an offset included in an output signal from a light receiving unit and acquires an integrated value obtained by integrating the output signal from which the offset is removed as a peak value.
  • the present disclosure also includes, for example, The integration circuit integrates the output signal from the light receiving unit,
  • the integration value detection unit samples the signal output from the integration circuit at a predetermined cycle, and outputs the integration value at each sampling time point.
  • This is a peak value detection method in which the arithmetic processing unit calculates the difference between the integral values detected by the integral value detection unit and acquires the peak value of the output signal from the light receiving unit based on the calculation result.
  • the offset component included in the reflected pulse light can be removed, and the peak value of the reflected pulse light can be accurately detected.
  • the effects described here are not necessarily limited, and may be any effects described in the present disclosure. Further, the contents of the present disclosure are not construed as being limited by the exemplified effects.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a ranging system.
  • FIG. 2 is a block diagram for explaining a configuration example of the peak value detection apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a waveform example of a signal output from the light receiving unit.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an error that may occur according to the difference in the light intensity of the reflected pulse light.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the integral value and the peak value.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a specific configuration example of the integration circuit.
  • 7A to 7D are diagrams for explaining an operation example of the peak value detection apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 8 is a flowchart for explaining an operation example of the second measurement unit in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a flowchart for explaining an operation example of the second measurement unit in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a block diagram for explaining a configuration example of a peak value detection apparatus according to the second embodiment.
  • 10A to 10E are diagrams for explaining an operation example of the peak value detection apparatus according to the second embodiment.
  • FIG. 11 is a block diagram for explaining a configuration example of a peak value detection apparatus according to the third embodiment.
  • 12A to 12D are diagrams for explaining an operation example of the peak value detection apparatus according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining an operation example of the conversion unit.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining an operation example of the arithmetic processing unit.
  • FIG. 15 is a flowchart for explaining an operation example of the second measurement unit in the third embodiment.
  • FIG. 1 shows a configuration example of the ranging system 1.
  • the distance measuring system 1 includes, for example, a light projecting unit 2, a first measurement unit 3, a second measurement unit 4, and a calculation unit 5.
  • pulse light is emitted from the light projecting unit 2, and reference pulse light SP (reference light) reflected by the half mirror HM among the emitted pulse light is received by the first measurement unit 3. .
  • the first measurement unit 3 outputs a timing signal Sta indicating the timing ta when the reference pulse light SP is received, and the timing signal Sta is input to the calculation unit 5.
  • the reflected pulsed light RP (reflected light) from the measurement object MT is received by the second measurement unit 4. Then, a timing signal Stb indicating the timing tb at which the reflected pulsed light RP is received is output from the second measurement unit 4, and the timing signal Stb is input to the calculation unit 5.
  • the calculation unit 5 obtains the difference (tb ⁇ ta) in the light reception timing between the reference pulse light SP and the reflected pulse light RP, in other words, the flight time T TOF of the pulse light, and multiplies the flight time T TOF by the speed of light. Then, the distance to the measuring object MT is measured by dividing the multiplication result by 2.
  • FIG. 2 shows a configuration example of the second measurement unit 4.
  • the second measurement unit 4 includes, for example, a light receiving unit 11, an AC (Alternating Current) coupling unit 12, an amplification unit 13, a timing measurement unit 14, a calculation unit 15, and a peak value detection device 20. .
  • the light receiving unit 11 includes a photoelectric conversion element having a charge multiplication region where charge is multiplied by avalanche multiplication, and a quenching resistor 112 connected in series to the photoelectric conversion element, and the reflected pulsed light RP Is configured to receive light.
  • An example of the photoelectric conversion element is an avalanche photodiode 111 that is a kind of photodiode and has a property of causing an avalanche (avalanche) phenomenon.
  • the avalanche photodiode 111 generates an electron-hole pair when a photon (photon) is incident with a reverse voltage applied to a breakdown voltage or higher, and each electron and hole is accelerated by a high electric field, and looks like an avalanche one after another. A new electron-hole pair is generated. This phenomenon is called an avalanche phenomenon.
  • the avalanche phenomenon can be stopped by lowering the voltage applied to the avalanche photodiode 111 to the breakdown voltage.
  • This function can be realized by the quenching resistor 112 connected in series to the avalanche photodiode 111, and the avalanche current stops due to a decrease in the bias voltage due to the voltage increase between the terminals of the quenching resistor 112 due to the avalanche current.
  • the pair of avalanche photodiodes 111 and the quenching resistor 112 are appropriately referred to as SPAD (Single Photon AvalancheSPDiode). SPAD is an element capable of causing an avalanche phenomenon even when a single photon is incident.
  • the light receiving unit 11 is shown by one SPAD. However, in this embodiment, the light receiving unit 11 is configured by connecting a plurality of SPADs two-dimensionally (for example, in parallel). Yes. By configuring the light receiving unit 11 with a plurality of SPADs, a plurality of photons can be detected, and thus a high S / N (Signal to Noise) signal can be obtained.
  • the light receiving unit 11 outputs a signal S1 obtained by combining a plurality of SPAD output signals.
  • the signal S1 is a current signal, and the current signal is converted into a voltage signal by a resistor or the like and output.
  • the signal S1 is branched and input to the peak value detection device 20 as well.
  • the AC coupling unit 12 is connected to, for example, a connection point A between the avalanche photodiode 111 and the quenching resistor 112 in the light receiving unit 11.
  • the AC coupling unit 12 is configured by a coupling capacitor or the like, and removes a DC component in the signal S1 output from the light receiving unit 11.
  • the amplifying unit 13 is connected to the output side of the AC coupling unit 12, amplifies the signal S2 from which the DC component is removed, and outputs the amplified signal S3. For example, when the amplified voltage exceeds a predetermined limit value, the amplifying unit 13 is configured as a limiting amplifier that outputs the limit value.
  • the timing measuring unit 14 is connected to the output side of the amplifying unit 13 and measures the timing at which the voltage of the signal S3 input from the amplifying unit 13 reaches a predetermined threshold value Vth.
  • the timing measurement unit 14 is configured by, for example, a time-digital converter (hereinafter referred to as “TDC (Time Digital Digital Converter)”) that converts the measured timing into a digital value and outputs the digital value.
  • TDC Time Digital Digital Converter
  • the timing measurement unit 14 outputs a timing signal Stb1 indicating the measured timing (hereinafter, appropriately referred to as timing tb1) to the calculation unit 15.
  • the calculation unit 15 is connected to the output side of the timing measurement unit 14 and functions as a correction unit that corrects the timing signal Stb1 according to the peak value.
  • a signal WS indicating the peak value of the signal S1 is input from the peak value detection device 20 to the calculation unit 15.
  • the computing unit 15 includes, for example, a lookup table 15a that associates the signal WS with the correction value.
  • the computing unit 15 obtains a correction value corresponding to the peak value with reference to the lookup table 15a, and corrects the timing tb1 based on the correction value.
  • the calculating part 15 produces
  • the timing signal Stb output from the calculation unit 15 is supplied to the calculation unit 5 described above.
  • FIG. 3 shows an example of the waveform of the signal S1.
  • a waveform W1 shows a waveform example of the signal S1 when the light receiving unit 11 receives 20 photons
  • a waveform W2 shows a waveform of the signal S1 when the light receiving unit 11 receives 50 photons.
  • the waveform W3 shows a waveform example of the signal S1 when the light receiving unit 11 receives 90 photons
  • the waveform W4 shows the waveform of the signal S1 when the light receiving unit 11 receives 220 photons.
  • An example is shown, and a waveform W5 shows a waveform example of the signal S1 when the light receiving unit 11 receives 380 photons.
  • the waveform of the signal S1 has a steep rise regardless of the number of received photons, and thereafter becomes a waveform in which the level decreases exponentially.
  • the peak value changes according to the number of received photons. In other words, the number of photons received by the light receiving unit 11 can be determined by determining the peak value.
  • the light intensity of the reflected pulsed light RP received by the light receiving unit 11 varies depending on the distance to the measurement target MT, the reflectance of the measurement target MT, the light scattering characteristics, and the like.
  • the timing at which the voltage of the reflected pulsed light RP having a high light intensity reaches the threshold value Vth is defined as tc1.
  • the timing at which the voltage of the reflected pulsed light RP reaches the threshold value Vth is tc2 after the time tc1, and an error ⁇ tc occurs. Due to the error ⁇ tc, when the light intensity of the reflected pulsed light RP is low, the distance to the measurement target MT is determined to be longer by an amount corresponding to the error ⁇ tc, and the accuracy of distance measurement is reduced.
  • the second measurement unit in each embodiment of the present disclosure includes a peak value detection device in order to obtain an accurate peak value of the signal S1.
  • the peak value detection device 20 removes the offset included in the signal S1.
  • the peak value detection device 20 in the first embodiment includes a voltage generation unit 21, an integration circuit 22, and a conversion unit 23.
  • the voltage generator 21 generates a voltage (DC voltage) having a phase opposite to that of the offset included in the signal S1 (for example, positive and negative are in the reverse direction and the same absolute value).
  • the offset included in the signal S1 can be acquired by measuring in advance.
  • the voltage V1 is input from the voltage generator 21 to the integrating circuit 22.
  • the integrating circuit 22 is connected to the output side of the voltage generator 21. Further, the integration circuit 22 is connected to a connection point B between the connection point A and the AC coupling unit 12. The integration circuit 22 integrates a differential voltage between the voltage V2 of the signal S1 and the voltage V1 input from the voltage generator 21. As schematically shown in FIG. 5, the integration value as the integration result is proportional to the peak value of the signal S1, and the integration value can be handled as the peak value. Then, the integrating circuit 22 acquires an integrated value that is the result of integration as a peak value, and outputs a signal WSa indicating the peak value to the conversion unit 23.
  • FIG. 6 shows a specific configuration example of the integration circuit 22.
  • the integration circuit 22 includes, for example, a switch 220, a capacitor 221, a resistor 222, and an operational amplifier 223.
  • the voltage V 2 of the signal S 1 is input to the input 1, and the voltage V 2 is input to the negative terminal of the operational amplifier 223 via the resistor 222.
  • the voltage V ⁇ b> 1 is input to the input 2 from the voltage generator 21.
  • the operational amplifier 223 is connected in parallel with a switch 220 and a capacitor 221 as reset means.
  • the switch 220 is turned on / off in response to the reset signal. By turning on the switch 220, the voltage held in the capacitor 221 can be discharged at an appropriate timing to stop the integration voltage hold.
  • the conversion unit 23 is connected to the output side of the integration circuit 22 and is configured by, for example, an A / D (Analog-to-Digital) converter.
  • the conversion unit 23 converts the signal WSa that is an analog signal into a signal WS that is a digital signal. Then, the conversion unit 23 outputs the converted signal WS to the subsequent calculation unit 15.
  • FIG. 7A shows the waveform of the signal S1 output from the light receiving unit 11 and input to the input 1 of the integration circuit 22.
  • the signal S1 includes an offset due to the influence of noise or the like.
  • FIG. 7B shows a voltage V2 having a phase opposite to that of the offset generated by the voltage generator 21.
  • FIG. 7C shows an integration waveform when the integration circuit 22 integrates the signal S1 from which the offset has been removed.
  • FIG. 7D shows a reset signal for the switch 220.
  • the next reflected pulsed light RP is received by the light receiving unit 11.
  • a signal S 1 corresponding to the reflected pulse light RP is output from the light receiving unit 11 and input to the integrating circuit 22 as input 1.
  • the voltage V1 generated by the voltage generator 21 is input to the integrating circuit 22 as the input 2.
  • the integration circuit 22 calculates the difference between the voltage V2 and the voltage V1 of the signal S1, and removes the offset included in the signal S1. Then, the differential voltage is integrated by the integration circuit 22.
  • the output waveform of the integration circuit 22 shown in FIG. 7C is a waveform obtained by integrating only the hatched portion in FIG. 7A.
  • the calculation unit 15 to which the signal WS is input from the peak value detection device 20 refers to the lookup table 15a, acquires a correction amount corresponding to the peak value of the signal WS, that is, the signal S1, and uses the correction amount. Accordingly, the timing tb1 is corrected. Then, a timing signal Stb indicating the corrected timing tb is output.
  • FIG. 8 is a flowchart showing an operation flow in the second measurement unit 4.
  • step ST1 the reflected light RP is received by the light receiving unit 11.
  • light that is, photons enter the avalanche photodiode 111
  • an avalanche current flows, and the voltage at the connection point A between the avalanche photodiode 111 and the quenching resistor 112 increases.
  • the change in voltage is input to the timing measurement unit 14 via the AC coupling unit 12 and the amplification unit 13.
  • the signal S1 corresponding to the reflected pulsed light RP is output from the light receiving unit 11, and after the DC component is removed by the AC coupling unit 12, it is input to the amplifying unit 13 as the signal S2.
  • step ST2 amplification processing for amplifying the voltage (level) of the signal S2 is performed by the amplification unit 13.
  • a signal S3 obtained by amplifying the signal S2 is output to the arithmetic unit 15. Then, the process proceeds to step ST3.
  • step ST3 the timing measurement unit 14 performs timing measurement processing.
  • the timing measurement unit 14 measures a timing tb1 at which the signal S3 exceeds a predetermined threshold value Vth. Then, a timing signal Stb1 indicating the timing tb1 is output to the calculation unit 15.
  • step ST4 an offset removal / integration process is performed in which the offset included in the signal S1 is removed in the integration circuit 22 and the signal from which the offset is removed is integrated.
  • the integration circuit 22 outputs an analog signal WSa. Then, the process proceeds to step ST5.
  • step ST5 the conversion unit 23 performs an AD conversion process on the signal WSa, and a digital signal WS indicating the peak value of the signal S1 is output from the conversion unit 23 to the calculation unit 15. Then, the process proceeds to step ST6. In step ST6, a reset process for resetting the integration circuit 22 is performed.
  • step ST7 the correction process by the calculating part 15 is performed. That is, the calculation unit 15 refers to the lookup table 15a, acquires a correction amount corresponding to the peak value of the signal S1, and corrects the timing tb1 with the correction amount. Then, the calculation unit 15 outputs a timing signal Stb indicating tb that is the corrected timing to the calculation unit 5.
  • the distance calculation process is performed in the calculation part 5 (refer FIG. 1) of the ranging system 1 mentioned above. That is, the calculation unit 5 obtains the difference between the timings ta and tb input from the first and second measurement units 3 and 4, respectively. For example, the difference between the timings ta and tb is calculated by multiplying the speed of light and dividing the multiplication result by 2, thereby calculating the distance to the measurement object MT.
  • the offset included in the reflected pulse light RP is removed, an accurate peak value of the reflected pulse light RP can be obtained.
  • the correction process based on the accurate peak value, it is possible to correct the error due to the magnitude of the light intensity of the reflected pulsed light RP and improve the ranging accuracy.
  • an element that outputs a signal such as SPAD that has a sharp rise, an exponential decrease in level, and an extremely short pulse width (for example, 20 ns (nanoseconds) to 60 ns) is used as the light receiving unit 11.
  • the peak value can be accurately detected.
  • FIG. 9 shows a configuration example of the second measurement unit 4a in the second embodiment.
  • the second measurement unit 4a includes a peak value detection device 20a.
  • the peak value detection device 20 a includes a differential amplifier 24 as a detection unit in addition to the integration circuit 22 and the conversion unit 23.
  • the input side of the integrating circuit 22 is connected to the connection point B and the output side of the differential amplifier 24.
  • the input side of the differential amplifier 24 is connected to the connection point B and the connection point C between the AC coupling unit 12 and the amplification unit 13.
  • the signal S1 output from the light receiving unit 11 is input to the differential amplifier 24.
  • the signal S 2 which is a signal after the DC component of the signal S 1 is removed by the AC coupling unit 12, is input to the differential amplifier 24.
  • the differential amplifier 24 detects an offset by obtaining a difference between the input signal S1 and the signal S2, and obtains a differential voltage corresponding to the offset.
  • the differential amplifier 24 generates and outputs a voltage V3 having a phase opposite to that of the differential voltage.
  • the voltage V3 output from the differential amplifier 24 is input to the input 2 of the integrating circuit 22 (the positive terminal of the operational amplifier 223).
  • FIG. 10A shows the waveform of the signal S1 output from the light receiving unit 11. As described above, the signal S1 includes an offset due to the influence of noise or the like.
  • FIG. 10B shows the waveform of the signal S2 after AC coupling, and the signal S2 has a waveform in which no offset is visible.
  • FIG. 10C shows the output of the differential amplifier 24.
  • FIG. 10D shows a waveform (integrated waveform) after the signal is integrated in the integrating circuit 22.
  • FIG. 10E shows a reset signal for the switch 220 in the integration circuit 22.
  • the next reflected pulsed light RP is received by the light receiving unit 11.
  • a signal S1 corresponding to the reflected pulsed light RP is output from the light receiving unit 11, and the signal S1 is input to each of the integrating circuit 22 and the differential amplifier 24.
  • the signal S2 after the signal S1 passes through the AC coupling unit 12 is input to the differential amplifier 24.
  • the differential amplifier 24 outputs a DC voltage (reverse voltage) that is the difference between the signal S1 and the signal S2 and has a phase opposite to that of the offset voltage as shown in FIG. 10C.
  • the voltage V3 output from the differential amplifier 24 is input to the input 2 of the integrating circuit 22.
  • the difference between the voltage V1 and the voltage V2 of the signal S1 is obtained, and the offset included in the signal S1 is removed. Then, the differential voltage is integrated by the integration circuit 22.
  • the output waveform of the integration circuit 22 shown in FIG. 10D is a waveform obtained by integrating only the shaded portion in FIG. 10A. Then, when the integral value becomes constant, ADC conversion is performed by the conversion unit 23, and the signal WSa as the integral value that is an analog signal is converted into a signal WS that is a digital signal.
  • the signal WS is output from the conversion unit 23 to the calculation unit 15. Since the following processing is the same as that of the first embodiment, a duplicate description is omitted.
  • the offset included in the reflected pulse light RP can be removed, an accurate peak value of the reflected pulse light RP can be obtained. Further, it is possible to eliminate the need for a voltage generator that generates a voltage having a phase opposite to that of the offset.
  • the third embodiment is an example in which the peak value of the signal S1 is acquired without removing the offset of the signal S1 output from the light receiving unit 11.
  • FIG. 11 shows a configuration example of the second measurement unit 4b in the third embodiment.
  • the second measurement unit 4b includes a peak value detection device 20b.
  • the peak value detection apparatus 20b includes an arithmetic processing unit 25 in addition to the integration circuit 22 and the conversion unit 23 as an integration value detection unit.
  • One input 1 of the integrating circuit 22 is connected to the connection point B, and the other input 2 is grounded.
  • a conversion unit 23 is connected to the output side of the integration circuit 22, and an arithmetic processing unit 25 is connected to the output side of the conversion unit 23.
  • the calculation unit 15 is connected to the output side of the calculation processing unit 25.
  • the conversion unit 23 samples the signal output from the integration circuit 22 at a predetermined cycle, and outputs an integrated value at each sampling time.
  • the arithmetic processing unit 25 is composed of a microcomputer or the like, and calculates a difference between integral values detected and output by the conversion unit 23.
  • the calculation processing unit 25 acquires the peak value of the signal S1 output from the light receiving unit 11 based on the calculation result.
  • FIG. 12A shows the waveform of the signal S1 output from the light receiving unit 11.
  • the signal S1 includes an offset due to the influence of noise or the like.
  • a region where a waveform appears (a hatched region in the figure) is referred to as a pulse region, and a DC component region where there is no voltage fluctuation is referred to as an offset region as appropriate.
  • FIG. 12B shows the waveform of the input 2 of the integration circuit 22. Since the input 2 side of the integrating circuit 22 is grounded, no waveform appears.
  • FIG. 12C shows a waveform (integrated waveform) after the integration with respect to the signal S1 is performed in the integrating circuit 22.
  • FIG. 12D shows a reset signal for the switch 220 in the integration circuit 22.
  • the integrating circuit 22 integrates the signal S1 from which the offset is not removed as it is.
  • the conversion unit 23 AD converts the integrated waveform shown in FIG. 12C. For example, as illustrated in FIG. 13, the conversion unit 23 samples the integrated waveform N times at regular intervals with a predetermined period, and acquires an integrated value at each sampling time point. Then, the conversion unit 23 outputs the digital integral value at each sampling time to the arithmetic processing unit 25.
  • the arithmetic processing unit 25 obtains the difference between the integrated values before and after sampling.
  • FIG. 14 shows a change in a value obtained by subtracting the previous (M ⁇ 1) th integration value from a certain Mth integration value.
  • the waveform of the signal S1 is a waveform that gradually attenuates after sharply rising in the pulse region.
  • the arithmetic processing unit 25 determines the value that maximizes the difference between the M-th integrated value and the (M ⁇ 1) -th integrated value as the maximum peak intensity, and acquires this maximum peak intensity as the peak value of the signal S1.
  • the arithmetic processing unit 25 generates a signal WS corresponding to the peak value and outputs the signal WS to the arithmetic unit 15. Since the following processing is the same as that of the first embodiment, a duplicate description is omitted.
  • FIG. 15 is a flowchart showing a flow of operations in the second measurement unit 4b. Since the processing from step ST1 to step ST3 has already been described, a duplicate description is omitted.
  • step ST11 the integration circuit 22 performs a process of integrating the signal S1. Then, the process proceeds to step ST12.
  • step ST12 AD conversion processing by the conversion unit 23 is performed. Then, the process proceeds to step ST13.
  • step ST13 it is determined whether sampling has been performed N times in the AD conversion processing in step ST12. If the sampling has not been performed N times, the process returns to step ST12. If the sampling has been performed N times, the process proceeds to step ST14.
  • step ST14 a maximum peak intensity calculation process is performed in which the arithmetic processing unit 25 discriminates, from the maximum peak intensity, a value that maximizes the difference between the M-th integrated value and the (M ⁇ 1) -th integrated value.
  • the maximum peak intensity determined in this process is acquired as the peak value of the signal S1.
  • the arithmetic processing unit 25 generates a signal WS corresponding to the peak value and outputs it to the arithmetic unit 15. Note that the processes of steps ST13 and ST14 may be performed in parallel. Then, the process proceeds to step ST15.
  • step ST15 a reset process for resetting the integration circuit 22 is performed.
  • step ST7 the correction process by the calculating part 15 is performed. That is, the calculation unit 15 refers to the lookup table 15a, acquires a correction amount corresponding to the peak value of the signal S1, and corrects the timing tb1 with the correction amount. Then, the calculation unit 15 outputs a timing signal Stb indicating tb that is the corrected timing to the calculation unit 5. As described above, the distance calculation process is performed in the calculation unit 5 of the distance measuring system 1.
  • an accurate peak value of the reflected pulsed light RP can be obtained without removing the offset included in the reflected pulsed light RP. Since a configuration for removing the offset included in the reflected pulse light RP is not necessary, the circuit configuration can be simplified and the cost can be reduced.
  • the configuration of the first measurement unit 3 is It may be the same as the configuration of any of the second measurement units 4, 4a, 4b.
  • the configuration of the first measurement unit 3 may be a known configuration that measures the timing at which the reference pulse light SP is received and outputs the timing.
  • the light receiving unit 11 is not limited to a plurality of SPADs. For example, you may use the other light receiving element which outputs the waveform from which a peak value changes according to the number of received photons. For example, in the configuration shown in FIGS. 2 and 9, a light receiving element such as a pin photodiode (PD) or an avalanche photodiode (APD) may be used. Also, the SPAD connection mode, the number of connections, etc. can be changed as appropriate.
  • the quenching resistor 112 is not limited to a resistor, and may be another circuit element such as a transistor.
  • the amplifying unit 13 is not limited to a nonlinear amplifier such as a limiting amplifier, and a known amplifier can be applied.
  • the timing measurement unit 14 is not limited to TDC.
  • a CFD Constant-Fraction-Discriminator
  • a predetermined waveform attenuation waveform and a waveform obtained by delay-inverting the predetermined waveform may be used.
  • the calculation processing unit 25 may calculate the difference every several samplings instead of before and after sampling to simplify the calculation processing.
  • the peak value detection devices 20, 20a, and 20b do not need to have all the configurations described above, and any configuration may be added or deleted, and the function of a certain component may be changed to the function of another component. It is also possible to integrate.
  • the peak value detection devices 20, 20 a, and 20 b may include at least one of the light receiving unit 11 and the calculation unit 15.
  • the peak value detection devices 20 and 20a may include only the integration circuit 22.
  • the electrical connection relationship between the components may be a wired connection using a cable or the like, or may be wireless communication based on a predetermined communication standard.
  • the peak value detection device of the present disclosure is not limited to a distance measuring device, but includes a variety of electronic devices such as a projector device, a game device, and an imaging device, a pedestrian, an obstacle, and the like. Applicable to safety devices that detect distances and activate brakes according to distances, automobiles, trains, airplanes, helicopters, small flying vehicles, robots, security devices, etc.) Is possible. Further, the present invention is not limited to the distance measuring device, and can be applied to devices that require accurate detection of peak values.
  • the configurations, methods, processes, shapes, materials, numerical values, and the like given in the above-described embodiments are merely examples, and different configurations, methods, steps, shapes, materials, and numerical values are necessary as necessary. Etc. may be used.
  • the present disclosure can be realized by an apparatus, a method, a system including a plurality of apparatuses, etc., and the matters described in the plurality of embodiments and the modified examples can be combined with each other unless a technical contradiction occurs. it can.
  • a peak value detection apparatus comprising: an integration circuit that removes an offset included in an output signal from a light receiving unit and acquires an integrated value obtained by integrating the output signal from which the offset is removed as a peak value.
  • a voltage generator that generates a voltage having a phase opposite to that of the offset;
  • the peak value detection device according to (1), wherein the integration circuit is configured to integrate a differential voltage between the voltage of the output signal and the voltage of the opposite phase.
  • a detector that detects the offset based on the output signal and generates a voltage having a phase opposite to the detected offset;
  • the peak value detection device is configured to integrate a differential voltage between the voltage of the output signal and the voltage of the opposite phase.
  • the peak value detection apparatus according to any one of (1) to (3), further including a conversion unit that converts the peak value into a digital signal.
  • the peak value detection apparatus according to any one of (1) to (4), further including a correction unit that corrects a timing at which the light receiving unit receives light according to the peak value.
  • the peak value detection apparatus according to any one of (1) to (6), wherein the light receiving unit is configured to output a waveform whose peak value changes according to the number of received photons.
  • the light receiving section is formed by two-dimensionally connecting photoelectric conversion elements having charge multiplication regions where charges are multiplied by avalanche multiplication, and resistors are connected in series to the respective photoelectric conversion elements (1) to (7 )
  • the peak value detection device according to any one of the above.
  • a peak value detection apparatus comprising: an arithmetic processing unit that calculates a difference between integral values detected by the integral value detection unit and acquires a peak value of an output signal from the light receiving unit based on a calculation result.
  • the peak value detection device wherein the arithmetic processing unit is configured to acquire the maximum value of the difference as a peak value of an output signal from the light receiving unit.
  • a peak value detection method in which an integration circuit removes an offset included in an output signal from a light receiving unit and acquires an integrated value obtained by integrating the output signal from which the offset is removed as a peak value.
  • the integration circuit integrates the output signal from the light receiving unit, The integration value detection unit samples the signal output from the integration circuit at a predetermined period, and outputs an integration value at each sampling time point.
  • a peak value detection method in which an arithmetic processing unit calculates a difference between integral values detected by the integral value detection unit and acquires a peak value of an output signal from the light receiving unit based on a calculation result.

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Abstract

受光部（１１）からの出力信号に含まれるオフセットを除去し、オフセットが除去された出力信号を積分することで得られる積分値を波高値として取得する積分回路（２２）を備える波高値検出装置である。

Description

波高値検出装置および波高値検出方法
　本開示は、波高値検出装置および波高値検出方法に関する。
　従来、パルス光を測距対象物に対して繰り返し投光し、対象物からの反射パルス光を受光し、パルス光を投光してから反射パルス光を受光するまでの時間（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、このような測距装置において、反射パルス光のピーク値を求めてホールドし、このピーク値が反射パルス光の波高値に対応することから、当該ピーク値に基づいて距離補正のための補正値を演算する技術が記載されている。
特開平０８－２４０６７５号公報
　しかしながら、特許文献１の装置は、反射パルス光に含まれるオフセット成分（直流成分）を考慮していないため、積分値にオフセット成分が含まれることになり、この結果、積分値のピーク値と反射パルス光の波高値が正確に対応していないという問題がある。すなわち、反射パルス光に含まれるオフセット成分により正確な補正値を得ることができないため、測距の精度が低下してしまうという問題がある。
　したがって本開示は、例えば、反射パルス光に含まれるオフセット成分を除去し、当該反射パルス光の波高値を正確に検出する波高値検出装置および波高値検出方法を提供することを目的の一つとする。
　上述の課題を解決するために、本開示は、例えば、
　受光部からの出力信号に含まれるオフセットを除去し、オフセットが除去された出力信号を積分することで得られる積分値を波高値として取得する積分回路を
　備える波高値検出装置である。
　また、本開示は、例えば、
　受光部からの出力信号を積分する積分回路と、
　積分回路から出力される信号を所定の周期でサンプリングし、各サンプリング時点における積分値を出力する積分値検出部と、
　積分値検出部により検出される積分値の差分を演算し、演算結果に基づいて、受光部からの出力信号の波高値を取得する演算処理部と
　を備える波高値検出装置である。
　また、本開示は、例えば、
　積分回路が、受光部からの出力信号に含まれるオフセットを除去し、オフセットが除去された出力信号を積分することで得られる積分値を波高値として取得する
　波高値検出方法である。
　また、本開示は、例えば、
　積分回路が、受光部からの出力信号を積分し、
　積分値検出部が、積分回路から出力される信号を所定の周期でサンプリングし、各サンプリング時点における積分値を出力し、
　演算処理部が、積分値検出部により検出される積分値の差分を演算し、演算結果に基づいて、受光部からの出力信号の波高値を取得する
　波高値検出方法である。
　本開示の少なくとも一の実施形態によれば、反射パルス光に含まれるオフセット成分を除去し、当該反射パルス光の波高値を正確に検出することができる。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、測距システムの構成例を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態における波高値検出装置の構成例を説明するためのブロック図である。 図３は、受光部から出力される信号の波形例を示す図である。 図４は、反射パルス光の光強度の違いに応じて生じ得る誤差を説明するための図である。 図５は、積分値と波高値との関係を説明するための図である。 図６は、積分回路の具体的な構成例を説明するための図である。 図７Ａ乃至図７Ｄは、第１の実施形態における波高値検出装置の動作例を説明するための図である。 図８は、第１の実施形態における第２計測ユニットの動作例を説明するためのフローチャートである。 図９は、第２の実施形態における波高値検出装置の構成例を説明するためのブロック図である。 図１０Ａ乃至図１０Ｅは、第２の実施形態における波高値検出装置の動作例を説明するための図である。 図１１は、第３の実施形態における波高値検出装置の構成例を説明するためのブロック図である。 図１２Ａ乃至図１２Ｄは、第３の実施形態における波高値検出装置の動作例を説明するための図である。 図１３は、変換部の動作例を説明するための図である。 図１４は、演算処理部の動作例を説明するための図である。 図１５は、第３の実施形態における第２計測ユニットの動作例を説明するためのフローチャートである。
　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．第１の実施形態＞
＜２．第２の実施形態＞
＜３．第３の実施形態＞
＜４．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．第１の実施形態＞
「測距システムの概要」
　始めに、本開示における波高値検出装置が適用可能な測距システムについて説明する。図１は、測距システム１の構成例を示す。測距システム１は、例えば、投光部２と、第１計測ユニット３と、第２計測ユニット４と、算出部５とを備えている。概略的に説明すれば、投光部２からパルス光が出射され、出射されたパルス光のうちハーフミラーＨＭで反射された基準パルス光ＳＰ（基準光）が第１計測ユニット３により受光される。そして、第１計測ユニット３から、基準パルス光ＳＰを受光したタイミングｔａを示すタイミング信号Ｓｔａが出力され、当該タイミング信号Ｓｔａが算出部５に入力される。
　一方、投光部２から出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）が第２計測ユニット４により受光される。そして、第２計測ユニット４から、反射パルス光ＲＰを受光したタイミングｔｂを示すタイミング信号Ｓｔｂが出力され、当該タイミング信号Ｓｔｂが算出部５に入力される。算出部５は、基準パルス光ＳＰおよび反射パルス光ＲＰの受光タイミングの差（ｔｂ－ｔａ）、換言すれば、パルス光の飛行時間ＴTOFを求め、飛行時間ＴTOF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までの距離を測定する。
「計測ユニットの構成例」
　図２は、第２計測ユニット４の構成例を示す。第２計測ユニット４は、例えば、受光部１１と、ＡＣ(Alternating Current)結合部１２と、増幅部１３と、タイミング計測部１４と、演算部１５と、波高値検出装置２０とを備えている。
　受光部１１は、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される電荷増倍領域を有する光電変換素子と、当該光電変換素子に直列に接続されたクエンチング抵抗１１２とを備えており、反射パルス光ＲＰを受光するように構成されている。光電変換素子としては、フォトダイオードの一種でありアバランシェ（雪崩）現象を生じる性質を有するアバランシェフォトダイオード１１１を例示することができる。アバランシェフォトダイオード１１１は、逆電圧を降伏電圧以上に印加した状態でフォトン（光子）が入射すると電子正孔対を生成し、電子と正孔とが各々高電界で加速されて次々と雪崩のように新たな電子正孔対を生成する。この現象は、アバランシェ現象と称される。
　アバランシェフォトダイオード１１１に対する印加電圧を降伏電圧まで下げることによりアバランシェ現象を止めることができる。この機能は、アバランシェフォトダイオード１１１に直列に接続されたクエンチング抵抗１１２により実現することができ、アバランシェ電流によるクエンチング抵抗１１２の端子間の電圧上昇によってバイアス電圧が降下してアバランシェ電流が止まる。一対のアバランシェフォトダイオード１１１およびクエンチング抵抗１１２をＳＰＡＤ(Single Photon Avalanche Diode)と適宜、称する。ＳＰＡＤ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素子である。
　なお、図１では、受光部１１が１個のＳＰＡＤにより示されているが、本実施形態では、受光部１１が、複数のＳＰＡＤが２次元に接続（例えば、並列接続）されて構成されている。受光部１１を複数のＳＰＡＤにより構成することで、複数のフォトンを検出することができ、そのため、高いＳ／Ｎ(Signal to Noise)の信号を得ることができる。受光部１１からは複数のＳＰＡＤの出力信号が合成された信号Ｓ１が出力される。信号Ｓ１は電流の信号であり、電流の信号が抵抗等により電圧の信号に変換されて出力される。なお、信号Ｓ１は分岐されて波高値検出装置２０にも入力されるように構成されている。
　ＡＣ結合部１２は、例えば、受光部１１におけるアバランシェフォトダイオード１１１とクエンチング抵抗１１２との接続点Ａに接続されている。ＡＣ結合部１２は、カップリングコンデンサ等により構成されており、受光部１１から出力される信号Ｓ１における直流成分を除去するものである。
　増幅部１３は、ＡＣ結合部１２の出力側に接続されており、直流成分が除去された信号Ｓ２を増幅し、増幅した信号Ｓ３を出力する。増幅部１３は、例えば、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。
　タイミング計測部１４は、増幅部１３の出力側に接続されており、増幅部１３から入力される信号Ｓ３の電圧が所定の閾値Ｖthに達したタイミングを計測する。タイミング計測部１４は、例えば、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。タイミング計測部１４は、計測したタイミング（以下、タイミングｔｂ１と適宜称する）を示すタイミング信号Ｓｔｂ１を演算部１５に出力する。
　演算部１５は、タイミング計測部１４の出力側に接続されており、タイミング信号Ｓｔｂ１を波高値に応じて補正する補正部として機能する。詳細は後述するが、波高値検出装置２０から演算部１５に対して信号Ｓ１の波高値を示す信号ＷＳが入力される。演算部１５は、例えば、信号ＷＳと補正値を対応付けたルックアップテーブル１５ａを備えている。演算部１５は、このルックアップテーブル１５ａを参照して波高値に対応する補正値を求め、当該補正値に基づいてタイミングｔｂ１を補正する。そして、演算部１５は、補正後のタイミングｔｂを示すタイミング信号Ｓｔｂを生成して出力する。演算部１５から出力されたタイミング信号Ｓｔｂが上述した算出部５に供給される。
　ここで、受光部１１から出力される信号（電圧に変換後の信号）Ｓ１について説明する。図３は、信号Ｓ１の波形例を示している。図３において、波形Ｗ１が、受光部１１が２０個のフォトンを受光したときの信号Ｓ１の波形例を示し、波形Ｗ２が、受光部１１が５０個のフォトンを受光したときの信号Ｓ１の波形例を示し、波形Ｗ３が、受光部１１が９０個のフォトンを受光したときの信号Ｓ１の波形例を示し、波形Ｗ４が、受光部１１が２２０個のフォトンを受光したときの信号Ｓ１の波形例を示し、波形Ｗ５が、受光部１１が３８０個のフォトンを受光したときの信号Ｓ１の波形例を示している。
　図３に示すように、信号Ｓ１の波形は、受光フォトン数に関係なく、急峻な立ち上がりを有し、その後はレベルが指数関数的に減少する波形となる。但し、受光フォトン数に応じて、波高値（ピークレベル）が変化する。換言すれば、波高値を判別することで受光部１１が受光したフォトン数を判別することができる。
　ところで、受光部１１が受光する反射パルス光ＲＰは、測定対象物ＭＴまでの距離や測定対象物ＭＴの反射率、光散乱特性等に応じて光強度が変化する。図４に模式的に示すように、光強度が大きい反射パルス光ＲＰの電圧が閾値Ｖthに達するタイミングをｔｃ１とする。反射パルス光ＲＰの光強度が低い場合には、反射パルス光ＲＰの電圧が閾値Ｖthに達するタイミングがｔｃ１より時間的に後のｔｃ２となり誤差Δｔｃが生じる。この誤差Δｔｃにより、反射パルス光ＲＰの光強度が低い場合には、測定対象物ＭＴまでの距離が誤差Δｔｃに対応する分だけ長く判別されてしまい測距の精度が低下してしまう。
　そこで、反射パルス光ＲＰの光強度の強弱に応じて生じ得る誤差を補正する必要が生じる。反射パルス光ＲＰの光強度が弱いほど誤差が大きくなり得るので、補正量を大きくすればよい。反射パルス光ＲＰの光強度は、信号Ｓ１の波高値を見ることで判別することができる。上述したルックアップテーブル１５ａに、波高値と補正量とを対応付けた情報を記憶させておけば、波高値に応じた補正を行うことができ測距の精度を向上させることができる。すなわち、適切な補正を行うためには、信号Ｓ１の正確な波高値を得る必要がある。そこで、本開示の各実施形態における第２計測ユニットは、信号Ｓ１の正確な波高値を得るために波高値検出装置を備えている。
「波高値検出装置の構成例」
　一般に、外乱光のノイズの影響等により信号Ｓ１にはオフセット（直流成分）が含まれおり、このオフセットにより信号Ｓ１の正確な波高値を得ることが困難となる。そこで、波高値検出装置２０は、信号Ｓ１に含まれるオフセットを除去する。図２に戻り、波高値検出装置２０の構成例について説明する。第１の実施形態における波高値検出装置２０は、電圧発生部２１と、積分回路２２と、変換部２３とを備えている。
　電圧発生部２１は、信号Ｓ１に含まれるオフセットと逆相（例えば、正負が逆方向で絶対値が同一）の電圧（直流電圧）を発生する。信号Ｓ１に含まれるオフセットは、事前に測定等しておくことで取得することができる。電圧発生部２１から積分回路２２に対して電圧Ｖ１が入力される。
　積分回路２２は、電圧発生部２１の出力側に接続されている。さらに、積分回路２２は、接続点ＡとＡＣ結合部１２との間の接続点Ｂに接続されている。積分回路２２は、信号Ｓ１の電圧Ｖ２と電圧発生部２１から入力される電圧Ｖ１との差分電圧を積分する。図５に概略的に示すように、積分結果である積分値は信号Ｓ１の波高値と比例の関係にあり積分値を波高値として扱うことができる。そして、積分回路２２は、積分した結果である積分値を波高値として取得し、当該波高値を示す信号ＷＳａを変換部２３に出力する。
　図６は、積分回路２２の具体的な構成例を示す。積分回路２２は、例えば、スイッチ２２０と、コンデンサ２２１と、抵抗２２２と、オペアンプ２２３とを備えている。入力１には信号Ｓ１の電圧Ｖ２が入力され、電圧Ｖ２は抵抗２２２を介してオペアンプ２２３のマイナス端子に入力される。一方、入力２には、電圧発生部２１から電圧Ｖ１が入力される。オペアンプ２２３には、リセット手段としてのスイッチ２２０およびコンデンサ２２１が並列に接続されている。スイッチ２２０は、リセット信号を受けてオン／オフする。スイッチ２２０をオンすることにより、適宜なタイミングでコンデンサ２２１にホールドされている電圧を放電して積分電圧のホールドを停止できるように構成されている。
　変換部２３は、積分回路２２の出力側に接続されており、例えば、Ａ／Ｄ(Analog to Digital)コンバータにより構成されている。変換部２３は、アナログ信号である信号ＷＳａをデジタル信号である信号ＷＳに変換する。そして、変換部２３は、変換後の信号ＷＳを後段の演算部１５に出力する。
「波高値検出装置の動作例」
　次に、図７Ａ乃至図７Ｄを参照して、波高値検出装置２０の動作例について説明する。図７Ａは、受光部１１から出力され、積分回路２２の入力１に入力される信号Ｓ１の波形を示している。上述したように、信号Ｓ１には、ノイズ等の影響によりオフセットが含まれている。図７Ｂは、電圧発生部２１が発生するオフセットとは逆相の電圧Ｖ２を示している。図７Ｃは、オフセットが除去された信号Ｓ１を積分回路２２により積分したときの積分波形を示している。図７Ｄは、スイッチ２２０に対するリセット信号を示している。
　リセット信号によりコンデンサ２２１を放電させた後、次の反射パルス光ＲＰが受光部１１により受光される。反射パルス光ＲＰに対応する信号Ｓ１が受光部１１から出力され、入力１として積分回路２２に入力される。一方、電圧発生部２１が発生した電圧Ｖ１が、入力２として積分回路２２に入力される。積分回路２２において信号Ｓ１の電圧Ｖ２と電圧Ｖ１との差分が求められ、信号Ｓ１に含まれるオフセットが除去される。そして、積分回路２２により差分電圧が積分される。図７Ｃに示す積分回路２２の出力波形は図７Ａの斜線部分のみを積分した波形となる。
　そして、積分値が一定になった段階で、変換部２３によりＡＤＣサンプリングがなされ、アナログ信号である積分値としての信号ＷＳａがデジタル信号である信号ＷＳに変換される。信号ＷＳが変換部２３から演算部１５に出力される。
　なお、波高値検出装置２０から信号ＷＳが入力された演算部１５は、ルックアップテーブル１５ａを参照して信号ＷＳ、すなわち、信号Ｓ１の波高値に対応する補正量を取得し、当該補正量でもってタイミングｔｂ１を補正する。そして、補正後のタイミングｔｂを示すタイミング信号Ｓｔｂを出力する。
「計測ユニットの動作例」
　図８は、第２計測ユニット４における動作の流れを示すフローチャートである。ステップＳＴ１では、受光部１１により反射パルス光ＲＰが受光される。アバランシェフォトダイオード１１１に光、すなわち、フォトンが入射するとアバランシェ電流が流れ、アバランシェフォトダイオード１１１とクエンチング抵抗１１２との間の接続点Ａの電圧が上昇する。その電圧の変化がＡＣ結合部１２および増幅部１３を介してタイミング計測部１４に入力される。具体的には、反射パルス光ＲＰに対応する信号Ｓ１が受光部１１から出力され、ＡＣ結合部１２で直流成分が除去された後、信号Ｓ２として増幅部１３に入力される。そして、処理がステップＳＴ２に進む。ステップＳＴ２では、増幅部１３により信号Ｓ２の電圧（レベル）を増幅する増幅処理が行われる。信号Ｓ２を増幅した信号Ｓ３が演算部１５に出力される。そして、処理がステップＳＴ３に進む。
　ステップＳＴ３では、タイミング計測部１４によりタイミング計測処理が行われる。タイミング計測処理において、タイミング計測部１４により、信号Ｓ３が所定の閾値Ｖthを上回るタイミングｔｂ１が計測される。そして、タイミングｔｂ１を示すタイミング信号Ｓｔｂ１が演算部１５に出力される。
　一方、ステップＳＴ２、ＳＴ３の処理と並行して、ステップＳＴ４～ステップＳＴ６の処理が行われる。ステップＳＴ４では、積分回路２２において信号Ｓ１に含まれるオフセットを除去し、オフセットを除去した信号を積分するオフセット除去／積分処理が行われる。積分回路２２からアナログ信号の信号ＷＳａが出力される。そして、処理がステップＳＴ５に進む。
　ステップＳＴ５では、変換部２３により信号ＷＳａに対するＡＤ変換処理が行われ、信号Ｓ１の波高値を示すデジタル信号の信号ＷＳが変換部２３から演算部１５に出力される。そして、処理がステップＳＴ６に進む。ステップＳＴ６では、積分回路２２をリセットするリセット処理が行われる。
　ステップＳＴ３、ＳＴ６に続いて、処理がステップＳＴ７に進む。ステップＳＴ７では、演算部１５による補正処理が行われる。すなわち、演算部１５は、ルックアップテーブル１５ａを参照して信号Ｓ１の波高値に対応する補正量を取得し、当該補正量でもってタイミングｔｂ１を補正する。そして、演算部１５は、補正後のタイミングであるｔｂを示すタイミング信号Ｓｔｂを算出部５に出力する。
　なお、図示はしていないが、上述した測距システム１の算出部５（図１参照）において、距離算出処理が行われる。すなわち、算出部５は、第１、第２計測ユニット３，４のそれぞれから入力されるタイミングｔａ、ｔｂの差分を求める。タイミングｔａ、ｔｂの差分に対して例えば、光速を乗算し乗算結果を２で除算する演算がなされることにより、測定対象物ＭＴまでの距離が算出される。
　以上説明したように、第１の実施形態では、反射パルス光ＲＰに含まれるオフセットを除去するので、反射パルス光ＲＰの正確な波高値を得ることができる。正確な波高値に基づいた補正処理を行うことで、反射パルス光ＲＰの光強度の大小に起因する誤差を補正できる、測距精度を向上させることができる。また、ＳＰＡＤのような立ち上がりが急峻でレベルが指数関数的に減少し、且つ、パルス幅が極めて短い（例えば、２０ｎｓ（ナノ秒）～６０ｎｓ）信号を出力する素子を受光部１１として使用した場合にも波高値を正確に検出することができる。
＜２．第２の実施形態＞
　次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の説明において同一の名称、符号については、特に断らない限り同一もしくは同質の部材を示しており、重複する説明を適宜省略する。また、第１の実施形態で説明した事項は、特に断らない限り第２の実施形態に適用することができる。
「計測ユニットの構成例」
　図９は、第２の実施形態における第２計測ユニット４ａの構成例を示す。第２計測ユニット４ａは、波高値検出装置２０ａを備えている。波高値検出装置２０ａは、積分回路２２および変換部２３の他に、検出部としての差動増幅器２４を備えている。積分回路２２の入力側が、接続点Ｂおよび差動増幅器２４の出力側に接続されている。また、差動増幅器２４の入力側が、接続点ＢおよびＡＣ結合部１２と増幅部１３との間の接続点Ｃに接続されている。
　差動増幅器２４に対して、受光部１１から出力される信号Ｓ１が入力される。また、差動増幅器２４に対して、信号Ｓ１がＡＣ結合部１２により直流成分が除去された後の信号である信号Ｓ２が入力される。差動増幅器２４は、入力された信号Ｓ１と信号Ｓ２との差分を求めることによりオフセットを検出し、オフセットに対応する差分電圧を求める。差動増幅器２４は、差分電圧とは逆相の電圧Ｖ３を生成し出力する。差動増幅器２４から出力された電圧Ｖ３が、積分回路２２の入力２（オペアンプ２２３のプラス端子）に入力される。
「波高値検出装置の動作例」
　次に、図１０Ａ乃至図１０Ｅを参照して、波高値検出装置２０ａの動作例について説明する。図１０Ａは、受光部１１から出力される信号Ｓ１の波形を示している。上述したように、信号Ｓ１には、ノイズの影響等によりオフセットが含まれている。図１０Ｂは、ＡＣ結合後の信号Ｓ２の波形を示しており、信号Ｓ２はオフセットが見えない波形となる。図１０Ｃは、差動増幅器２４の出力を示している。図１０Ｄは、積分回路２２において信号に対する積分がなされた後の波形（積分波形）を示している。図１０Ｅは、積分回路２２におけるスイッチ２２０に対するリセット信号を示している。
　リセット信号によりコンデンサ２２１を放電させた後、次の反射パルス光ＲＰが受光部１１により受光される。反射パルス光ＲＰに対応する信号Ｓ１が受光部１１から出力され、信号Ｓ１が積分回路２２および差動増幅器２４のそれぞれに入力される。信号Ｓ１がＡＣ結合部１２を経由した後の信号Ｓ２が差動増幅器２４に入力される。差動増幅器２４からは、信号Ｓ１と信号Ｓ２との差分であり、図１０Ｃに示すようなオフセット電圧とは逆相の直流電圧（逆方向電圧）が出力される。差動増幅器２４から出力された電圧Ｖ３が積分回路２２の入力２に入力される。
　積分回路２２において信号Ｓ１の電圧Ｖ１と電圧Ｖ２との差分が求められ、信号Ｓ１に含まれるオフセットが除去される。そして、積分回路２２により差分電圧が積分される。図１０Ｄに示す積分回路２２の出力波形は図１０Ａの斜線部分のみを積分した波形となる。そして、積分値が一定になった段階で、変換部２３によりＡＤＣサンプリングがなされ、アナログ信号である積分値としての信号ＷＳａがデジタル信号である信号ＷＳに変換される。信号ＷＳが変換部２３から演算部１５に出力される。以下の処理については第１の実施形態と同様であるため、重複した説明を省略する。
　以上説明したように、第２の実施形態においても、反射パルス光ＲＰに含まれるオフセットを除去できるので、反射パルス光ＲＰの正確な波高値を得ることができる。また、オフセットとは逆相の電圧を発生する電圧発生部を不要とすることができる。
＜３．第３の実施形態＞
　次に、第３の実施形態について説明する。なお、第１、第２の実施形態で説明した事項は、特に断らない限り第３の実施形態に適用することができる。第３の実施形態は、受光部１１から出力される信号Ｓ１のオフセットを除去せずに、当該信号Ｓ１の波高値を取得する例である。
「計測ユニットの構成例」
　図１１は、第３の実施形態における第２計測ユニット４ｂの構成例を示す。第２計測ユニット４ｂは、波高値検出装置２０ｂを備えている。波高値検出装置２０ｂは、積分回路２２と、積分値検出部としての変換部２３の他に、演算処理部２５を備えている。積分回路２２の一方の入力１が接続点Ｂに接続されており、他方の入力２が接地されている。積分回路２２の出力側に変換部２３が接続されており、変換部２３の出力側に演算処理部２５が接続されている。そして、演算処理部２５の出力側に演算部１５が接続されている。
　変換部２３は、積分回路２２から出力される信号を所定の周期でサンプリングし、各サンプリング時点における積分値を出力する。演算処理部２５は、マイクロコンピュータ等から構成されており、変換部２３により検出され出力される積分値の差分を演算する。演算処理部２５は、演算結果に基づいて、受光部１１から出力される信号Ｓ１の波高値を取得する。
「波高値検出装置の動作例」
　次に、図１２乃至図１４を参照して、波高値検出装置２０ｂの動作例について説明する。図１２Ａは、受光部１１から出力される信号Ｓ１の波形を示している。上述したように、信号Ｓ１には、ノイズの影響等によりオフセットが含まれている。なお、波形が現れる領域（図中、斜線を付した領域）をパルス領域と称し、電圧の変動がない直流成分の領域をオフセット領域と適宜、称する。図１２Ｂは、積分回路２２の入力２の波形を示している。積分回路２２の入力２側は接地されているので波形は現れない。図１２Ｃは、積分回路２２において信号Ｓ１に対する積分がなされた後の波形（積分波形）を示している。図１２Ｄは、積分回路２２におけるスイッチ２２０に対するリセット信号を示している。
　リセット信号によりコンデンサ２２１を放電させた後、次の反射パルス光ＲＰが受光部１１により受光される。反射パルス光ＲＰに対応する信号Ｓ１が受光部１１から出力され、信号Ｓ１が積分回路２２に入力される。積分回路２２は、オフセットが除去されていない信号Ｓ１をそのまま積分する。
　変換部２３は、図１２Ｃに示す積分波形をＡＤ変換する。例えば、図１３に示すように、変換部２３は、積分波形を所定の周期でもって等間隔にＮ回、サンプリングし、各サンプリング時点における積分値を取得する。そして、変換部２３は、各サンプリング時点におけるデジタル形式の積分値を演算処理部２５に出力する。
　演算処理部２５は、サンプリング前後の積分値の差分を求める。図１４は、あるＭ回目の積分値から、その前の（Ｍ－１）回目の積分値を減算した値の変化を示す。ここで、信号Ｓ１の波形は、図１２Ａに示したように、パルス領域において急峻に立ち上がった後、徐々に減衰する波形である。この信号Ｓ１を積分した場合には、急峻に立ち上げる波高値に対応して、図１４に示すように差分が急激に増加する箇所が存在する。そこで、演算処理部２５は、Ｍ回目の積分値と（Ｍ－１）回目の積分値の差分が最大となる値を最大ピーク強度と判別し、この最大ピーク強度を信号Ｓ１の波高値として取得する。演算処理部２５は、波高値に対応する信号ＷＳを生成して演算部１５に出力する。以下の処理については第１の実施形態と同様であるため、重複した説明を省略する。
「計測ユニットの動作例」
　図１５は、第２計測ユニット４ｂにおける動作の流れを示すフローチャートである。ステップＳＴ１～ステップＳＴ３にかけての処理は既述しているので、重複した説明を省略する。
　ステップＳＴ２、ＳＴ３の処理と並行して、ステップＳＴ１１～ステップＳＴ１５の処理が行われる。ステップＳＴ１１では、積分回路２２において信号Ｓ１を積分する処理が行われる。そして、処理がステップＳＴ１２に進む。ステップＳＴ１２では、変換部２３によるＡＤ変換処理が行われる。そして、処理がステップＳＴ１３に進む。ステップＳＴ１３では、ステップＳＴ１２のＡＤ変換処理においてＮ回、サンプリングがなされたか否かが判断される。Ｎ回、サンプリングがなされていない場合は処理がステップＳＴ１２に戻り、Ｎ回、サンプリングがなされた場合には、処理がステップＳＴ１４に進む。
　ステップＳＴ１４では、演算処理部２５がＭ回目の積分値と（Ｍ－１）回目の積分値との差分が最大となる値を最大ピーク強度と判別する最大ピーク強度算出処理が行われる。この処理において判別された最大ピーク強度が信号Ｓ１の波高値として取得される。そして、演算処理部２５は、波高値に対応する信号ＷＳを生成して演算部１５に出力する。なお、ステップＳＴ１３，ＳＴ１４の処理が並列的に行われてもよい。そして処理がステップＳＴ１５に進む。ステップＳＴ１５では、積分回路２２をリセットするリセット処理が行われる。
　ステップＳＴ３、ＳＴ１５に続いて、処理がステップＳＴ７に進む。ステップＳＴ７では、演算部１５による補正処理が行われる。すなわち、演算部１５は、ルックアップテーブル１５ａを参照して信号Ｓ１の波高値に対応する補正量を取得し、当該補正量でもってタイミングｔｂ１を補正する。そして、演算部１５は、補正後のタイミングであるｔｂを示すタイミング信号Ｓｔｂを算出部５に出力する。なお、上述したように、測距システム１の算出部５において距離算出処理が行われる。
　以上説明したように、第３の実施形態では、反射パルス光ＲＰに含まれるオフセットを除去しないで当該反射パルス光ＲＰの正確な波高値を得ることができる。反射パルス光ＲＰに含まれるオフセットを除去する構成が必要ないので、回路的な構成を簡素化できコストを低減できる。
＜４．変形例＞
　以上、本開示の複数の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。
　第１計測ユニット３は、比較的強く、且つ、変動の少ない光強度の基準パルス光ＳＰを受光するので波高値に基づく補正処理を行う必要性は低いものの、第１計測ユニット３の構成を、第２計測ユニット４、４ａ、４ｂのいずれかの構成と同一としてもよい。もちろん、第１計測ユニット３の構成を、基準パルス光ＳＰを受光したタイミングを計測して当該タイミングを出力する公知の構成としてもよい。
　受光部１１は、複数のＳＰＡＤに限定されるものではない。例えば、受光したフォトン数に応じて波高値が変化する波形を出力する他の受光素子を使用してもよい。また、例えば、図２や図９に示した構成において、ｐｉｎフォトダイオード（ＰＤ）やアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）等の受光素子が使用されてもよい。また、ＳＰＡＤの接続態様、接続数等は適宜、変更できる。クエンチング抵抗１１２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１３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く、公知の増幅器を適用することができる。タイミング計測部１４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を検出するＣＦＤ(Constant Fraction Discriminator)等を使用してもよい。
　演算処理部２５は、サンプリング前後ではなく、数サンプリング毎に差分を算出し、演算処理を簡素化してもよい。
　上述した波高値検出装置２０，２０ａ、２０ｂ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、波高値検出装置２０、２０ａ、２０ｂが、受光部１１および演算部１５の少なくとも一方を備えていてもよい。また、例えば、波高値検出装置２０、２０ａが積分回路２２のみを備えていてもよい。
　上述した各実施形態において、構成間の電気的な接続関係は、ケーブル等を使用した有線による接続でもよく、所定の通信規格に基づく無線通信でもよい。
　本開示の波高値検出装置は、測距装置の他にも測距装置が組み込まれる機器（例えば、プロジェクタ装置、ゲーム機器、撮像装置等の各種の電子機器や、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、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、ロボット、防犯装置等）にも適用可能である。また、測距装置に限らず、正確な波高値の検出が必要とされる機器に対しても適用可能である。
　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、複数の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）
　受光部からの出力信号に含まれるオフセットを除去し、前記オフセットが除去された前記出力信号を積分することで得られる積分値を波高値として取得する積分回路を
　備える波高値検出装置。
（２）
　前記オフセットとは逆相の電圧を発生する電圧発生部を備え、
　前記積分回路は、前記出力信号の電圧と前記逆相の電圧との差分電圧を積分するように構成された
　（１）に記載の波高値検出装置。
（３）
　前記出力信号に基づいて前記オフセットを検出し、検出した前記オフセットとは逆相の電圧を発生する検出部を備え、
　前記積分回路は、前記出力信号の電圧と前記逆相の電圧との差分電圧を積分するように構成された
　（１）に記載の波高値検出装置。
（４）
　前記波高値をデジタル信号に変換する変換部を備える
　（１）乃至（３）のいずれかに記載の波高値検出装置。
（５）
　前記波高値に応じて、前記受光部が受光したタイミングを補正する補正部を備える
　（１）乃至（４）のいずれかに記載の波高値検出装置。
（６）
　前記受光部を備え、
　前記受光部が測定対象物からの反射光を受光するように構成された
　（１）乃至（５）のいずれかに記載の波高値検出装置。
（７）
　前記受光部は、受光したフォトン数に応じて波高値が変化する波形を出力するように構成された
　（１）乃至（６）のいずれかに記載の波高値検出装置。
（８）
　前記受光部は、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される電荷増倍領域を有する光電変換素子が２次元に接続され、各光電変換素子に抵抗が直列に接続されて成る
　（１）乃至（７）のいずれかに記載の波高値検出装置。
（９）
　受光部からの出力信号を積分する積分回路と、
　前記積分回路から出力される信号を所定の周期でサンプリングし、各サンプリング時点における積分値を出力する積分値検出部と、
　前記積分値検出部により検出される積分値の差分を演算し、演算結果に基づいて、前記受光部からの出力信号の波高値を取得する演算処理部と
　を備える波高値検出装置。
（１０）
　前記演算処理部は、前記差分の最大値を、前記受光部からの出力信号の波高値として取得するように構成された
　（９）に記載の波高値検出装置。
（１１）
　積分回路が、受光部からの出力信号に含まれるオフセットを除去し、前記オフセットが除去された前記出力信号を積分することで得られる積分値を波高値として取得する
　波高値検出方法。
（１２）
　積分回路が、受光部からの出力信号を積分し、
　積分値検出部が、前記積分回路から出力される信号を所定の周期でサンプリングし、各サンプリング時点における積分値を出力し、
　演算処理部が、前記積分値検出部により検出される積分値の差分を演算し、演算結果に基づいて、前記受光部からの出力信号の波高値を取得する
　波高値検出方法。
１１・・受光部
１５・・・演算部
２０，２０ａ，２０ｂ・・・波高値検出装置
２１・・・電圧発生部
２２・・・積分回路
２３・・・変換部
２４・・・差動増幅器
２５・・・演算処理部
１１１・・・アバランシェフォトダイオード
１１２・・・クエンチング抵抗
ＭＴ・・・測定対象物

Claims (12)

  1. 　受光部からの出力信号に含まれるオフセットを除去し、前記オフセットが除去された前記出力信号を積分することで得られる積分値を波高値として取得する積分回路を
    　備える波高値検出装置。
  2. 　前記オフセットとは逆相の電圧を発生する電圧発生部を備え、
    　前記積分回路は、前記出力信号の電圧と前記逆相の電圧との差分電圧を積分するように構成された
    　請求項１に記載の波高値検出装置。
  3. 　前記出力信号に基づいて前記オフセットを検出し、検出した前記オフセットとは逆相の電圧を発生する検出部を備え、
    　前記積分回路は、前記出力信号の電圧と前記逆相の電圧との差分電圧を積分するように構成された
    　請求項１に記載の波高値検出装置。
  4. 　前記波高値をデジタル信号に変換する変換部を備える
    　請求項１に記載の波高値検出装置。
  5. 　前記波高値に応じて、前記受光部が受光したタイミングを補正する補正部を備える
    　請求項１に記載の波高値検出装置。
  6. 　前記受光部を備え、
    　前記受光部が測定対象物からの反射光を受光するように構成された
    　請求項１に記載の波高値検出装置。
  7. 　前記受光部は、受光したフォトン数に応じて波高値が変化する波形を出力するように構成された
    　請求項１に記載の波高値検出装置。
  8. 　前記受光部は、アバランシェ増倍によって電荷が増倍される電荷増倍領域を有する光電変換素子が２次元に接続され、各光電変換素子に抵抗が直列に接続されて成る
    　請求項１に記載の波高値検出装置。
  9. 　受光部からの出力信号を積分する積分回路と、
    　前記積分回路から出力される信号を所定の周期でサンプリングし、各サンプリング時点における積分値を出力する積分値検出部と、
    　前記積分値検出部により検出される積分値の差分を演算し、演算結果に基づいて、前記受光部からの出力信号の波高値を取得する演算処理部と
    　を備える波高値検出装置。
  10. 　前記演算処理部は、前記差分の最大値を、前記受光部からの出力信号の波高値として取得するように構成された
    　請求項９に記載の波高値検出装置。
  11. 　積分回路が、受光部からの出力信号に含まれるオフセットを除去し、前記オフセットが除去された前記出力信号を積分することで得られる積分値を波高値として取得する
    　波高値検出方法。
  12. 　積分回路が、受光部からの出力信号を積分し、
    　積分値検出部が、前記積分回路から出力される信号を所定の周期でサンプリングし、各サンプリング時点における積分値を出力し、
    　演算処理部が、前記積分値検出部により検出される積分値の差分を演算し、演算結果に基づいて、前記受光部からの出力信号の波高値を取得する
    　波高値検出方法。
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