WO2018173818A1 - 距離測定装置 - Google Patents

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WO2018173818A1
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unit
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distance
light emitting
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信三 香山
征人 竹本
基範 石井
裕介 福島
福島　奨
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present disclosure irradiates a predetermined area with light, and when receiving the reflected light of the light, detects the reflected object based on the light reception signal corresponding to the reflected light, and determines the distance to the reflected object.
  • the present invention relates to a distance measuring device to measure.
  • the distance measuring device that measures the distance to an object around the vehicle uses the principle of time-of-flight method (time-of-flight method) that measures the time until the emitted light is reflected by the object and then received.
  • time-of-flight method time-of-flight method
  • a cover made of a glass plate or a resin plate that transmits light is attached to protect the light emitting element and the light receiving element from the external environment. If foreign matter such as dirt adheres to the protective cover on the optical path of both the light radiated to the distance measurement object and the light reflected back from the object, an error will occur in the distance measurement, An error may be given to the measurement or measurement may be defective.
  • JP 2006-38686 A Japanese Utility Model Publication No. 5-28759
  • the main object of the present disclosure is to provide a distance measuring device that can determine adhesion of foreign matter even when foreign matter adheres to the protective cover.
  • a distance measurement device includes a light emitting unit that intermittently emits light, and a photoelectric including a photodiode that receives reflected light with respect to the light emitted from the light emitting unit and performs photoelectric conversion to generate a light reception signal.
  • a light receiving unit having a conversion element, a protective cover disposed on an optical path between the light emitting unit and the light receiving unit, a mode switching unit for switching between the first mode and the second mode, and light emission in the first mode
  • a distance calculation unit that calculates a distance to the target object based on a time difference from when light is emitted from the unit to when reflected light is received by the light receiving unit, and a light emission intensity adjustment unit that adjusts the light emission intensity of the light emitting unit In the second mode, the light emission intensity of the light emitting unit is adjusted to be weaker than that in the first mode.
  • the distance calculation unit determines the intensity change of the reflected scattered light in the protective cover based on the output of the light receiving unit under the weak light amount from the light emitting unit in the second mode. The presence or absence of foreign matter adhesion can be detected.
  • a distance measurement device includes a light emitting unit that intermittently emits light, and a photo that receives reflected light with respect to the light emitted from the light emitting unit and performs photoelectric conversion to generate a light reception signal.
  • a light receiving unit having a photoelectric conversion element including a diode, a protective cover disposed on an optical path between the light emitting unit and the light receiving unit, a mode switching unit for switching between the first mode and the second mode,
  • the distance calculation unit that calculates the distance to the target object based on the time difference from when the light is emitted from the light emitting unit to when the reflected light is received by the light receiving unit, and the voltage applied to the photodiode is adjusted
  • an applied voltage adjustment unit which adjusts the gain factor of the photodiode to be lower in the second mode than in the first mode.
  • the distance calculation unit determines a change in the intensity of the reflected and scattered light in the protective cover based on the output of the light receiving unit whose gain factor is adjusted to be low in the second mode, whereby the foreign matter on the protective cover is determined. The presence or absence of adhesion can be detected.
  • a distance measuring device receives a light emitting unit that intermittently emits light and reflected light with respect to the light emitted from the light emitting unit, and performs photoelectric conversion to generate a light reception signal.
  • a light receiving unit having a photoelectric conversion element including an avalanche photodiode, a protective cover disposed on an optical path between the light emitting unit and the light receiving unit, a mode switching unit for switching between the first mode and the second mode, A distance calculation unit that calculates a distance to the target object based on a time difference from when the light is emitted from the light emitting unit to when the reflected light is received by the light receiving unit in the first mode, and an applied voltage to the avalanche photodiode And an applied voltage adjustment unit that adjusts the avalanche photodiode in the fourth mode as compared with the first mode.
  • the distance calculation unit determines a change in the intensity of the reflected scattered light in the protective cover based on the output of the light receiving unit whose gain has been adjusted to be low in the second mode, so that the foreign matter on the protective cover The presence or absence of adhesion can be detected.
  • the distance measuring device may further include a cleaning unit that performs cleaning so as to remove the foreign matter adhering to the protective cover when the foreign matter adhesion is detected by the distance calculating unit.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration example of the distance measuring device according to the first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration example of the control unit in FIG. 1 and its peripheral blocks.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a detailed configuration example of the PD unit in FIG.
  • FIG. 4 is a timing diagram showing an operation example of the distance measuring apparatus of FIG. 1 using the LD emission intensity adjusting unit.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of the overall operation of the distance measuring apparatus of FIG.
  • a photoelectric conversion element including a photodiode (PD) is employed in the light receiving unit.
  • a highly sensitive PD is used for the light receiving unit so that distance measurement can be performed even when the target object is far away, the reflected scattered light in the protective cover arranged in the vicinity of the light emitting unit and the light receiving unit If it is attempted to detect the presence or absence of foreign matter adhering to the protective cover by determining the intensity change, the high sensitivity is damaged and foreign matter detection becomes difficult. Therefore, when trying to detect foreign matter, the light emission intensity of the light emitting unit is adjusted to be weak, or the voltage applied to the PD is adjusted so that the gain factor of the PD is low, thereby substantially reducing the PD. The sensitivity was reduced.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration example of a distance measuring device according to Embodiment 1 of the present disclosure.
  • the distance measuring device in FIG. 1 is attached to the housing 10 including the light emitting unit 20, the light receiving unit 30, and the control unit 40, the light-transmissive protective cover 11 that covers the opening of the housing 10, and the protective cover 11. And a cleaning unit 50 for removing the foreign matter 12.
  • the light emitting unit 20 includes a first multiplexer (MUX1) 22 that selects a driving voltage of the LD unit 21 in addition to a laser diode (LD) unit 21 that emits a pulsed laser beam L via a light emitting lens and a scanner.
  • MUX1 first multiplexer
  • the light receiving unit 30 includes a plurality of pixels each including an optical system 31 for condensing, a band pass filter (BPF) 32 that transmits only light of a specific wavelength, and a photodiode (PD) as a photoelectric conversion element.
  • BPF band pass filter
  • PD photodiode
  • This is a distance measuring camera having a PD unit 33 arranged in an array and a second multiplexer (MUX2) 34 for selecting a driving voltage of the PD unit 33.
  • the control unit 40 drives the LD drive voltage switching signal SW1 to the first multiplexer 22, the LD drive control signal DR1 to the LD unit 21, the PD applied voltage switching signal SW2 to the second multiplexer 34, and the PD drive to the PD unit 33.
  • the control signal DR2 is supplied, and the light reception signal RV is received from the PD unit 33. Further, the control unit 40 supplies a cleaning command W to the cleaning unit 50 configured with a wiper, a washer, and the like, and receives a completion signal C from the cleaning unit 50.
  • the PD unit 33 is composed of a plurality of pixels, and it is convenient to have a global shutter function capable of controlling the light reception timing at the same time for all the pixels. Based on this global shutter function, by controlling the shutter timing from the control unit 40 as a relative timing with respect to the light emission timing of the LD unit 21, it is possible to detect a subject in a specific distance section from the distance measuring device. it can. By scanning the distance section in the distance direction, even when there are a plurality of subjects at different positions, the control unit 40 can acquire a distance image as an image having a different distance.
  • the distance measuring device in FIG. 1 detects the presence or absence of foreign matter 12 adhering to the protective cover 11 by determining the intensity change of the reflected scattered light S in the protective cover 11.
  • the emitted light that can pass through the protective cover 11 decreases. Further, the reflected light from the target object is also absorbed or scattered by the foreign object 12, and as a result, the reflected light that can pass through the protective cover 11 is reduced. In this way, when the amount of light incident on the PD unit 33 is less than or equal to a predetermined amount, the measurement accuracy of the light round-trip time decreases. That is, it is conceivable that the reliability of the distance measurement value is impaired, or the maximum distance that can be measured is reduced and the safety is lowered. Therefore, it is important to detect and remove the foreign matter 12. Further, as shown in FIG.
  • the light emitting unit 20 and the light receiving unit 30 are arranged in the same casing 10, when the foreign material 12 is irradiated with light, the light is scattered, and a part of the light receiving unit 20 is scattered. Reach 30. Further, the light reflected by the protective cover 11 reaches the light receiving unit 30 even if the foreign matter 12 is not attached. That is, the foreign matter 12 is mostly a mud or insect carcass of only a few millimeters or less, and the distance is reflected from almost the same distance, so it eventually changes depending on the presence or absence of the foreign matter 12. Is the intensity of the reflected scattered light S in the protective cover 11.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a detailed configuration example of the control unit 40 in FIG. 1 and its peripheral blocks.
  • the control unit 40 includes an LD drive control unit 41, an LD emission intensity adjustment unit 42, a PD drive control unit 43, a PD applied voltage adjustment unit 44, a distance calculation unit 45, a mode switching unit 46, and a cleaning processing unit. 47.
  • FIG. 2 illustrates an LD unit 21, a first multiplexer (MUX 1) 22, a PD unit 33, a second multiplexer 34, and a cleaning unit 50 as peripheral blocks of the control unit 40.
  • MUX 1 first multiplexer
  • the mode switching unit 46 supplies each unit with a mode switching signal indicating switching between a normal distance measurement mode for measuring the distance to the target object and a foreign object detection mode for detecting the foreign object 12 attached to the protective cover 11.
  • the LD emission intensity adjusting unit 42 adjusts the LD drive voltage switching signal SW1 so that the high voltage VDDA1 is supplied to the LD unit 21 in the normal distance measurement mode and the emission intensity is increased, and the low voltage VDDA2 is set in the foreign object detection mode. Adjustment is made so that the light intensity is supplied to the LD section 21 and becomes weaker.
  • the LD drive control unit 41 controls the light emission timing by the LD drive control signal DR1.
  • the PD applied voltage adjusting unit 44 adjusts the PD applied voltage switching signal SW2 so that the high voltage VDDB1 is supplied to the PD unit 33 in the normal distance measurement mode and the PD gain factor is increased, and in the foreign object detection mode, the low voltage VDDB2 is adjusted. Is supplied to the PD unit 33 to adjust the PD gain factor to be low.
  • the PD drive control unit 43 receives the LD drive control signal DR1 that notifies the light emission timing, and controls the light receiving operation by the PD drive control signal DR2.
  • the distance calculation unit 45 receives the LD drive control signal DR1 for notifying the light emission timing and the light reception signal RV from the PD unit 33, and operates differently in the normal distance measurement mode and the foreign object detection mode.
  • the distance calculation unit 45 is configured to reach the target object based on the time difference from when the light is emitted from the LD unit 21 to when the reflected light is received by the PD unit 33 in the normal distance measurement mode. The distance is calculated. On the other hand, the distance calculation unit 45 outputs the output of the PD unit 33 whose gain factor is adjusted to be low based on the output of the PD unit 33 under the weak light amount from the LD unit 21 in the foreign object detection mode. Then, by determining the intensity change of the reflected scattered light S in the protective cover 11, it is detected whether or not the foreign matter 12 has adhered to the protective cover 11. When the foreign matter 12 is detected, the distance calculation unit 45 supplies the foreign matter detection signal D to the cleaning processing unit 47.
  • the cleaning processing unit 47 Upon receiving the foreign object detection signal D, the cleaning processing unit 47 issues a cleaning command W to the cleaning unit 50.
  • the cleaning processing unit 47 transmits the completion signal C to the distance calculation unit 45 to notify the distance calculation unit 45 that the cleaning processing is completed.
  • the distance calculation unit 45 that has received the completion signal C requests the mode switching unit 46 to shift from the foreign object detection mode to the normal distance measurement mode.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a detailed configuration example of the PD unit 33 in FIG. 1, and illustrates one pixel of the PD unit 33.
  • 3 includes a photoelectric conversion element 61 including a PD, a received light detection count section 62 that counts PD output, a demultiplexer (DeMUX) 63, a background light detection count storage section 64, and signal light + background light.
  • the demultiplexer 63 distributes the output of the light reception detection number counting unit 62 to the background light detection number storage unit 64 and the signal light + background light detection number storage unit 65 in accordance with the distribution control signal SW3.
  • the first switch 68 is turned on / off according to the output of the comparator 66 and outputs the distance voltage LV.
  • the second switch 69 is turned on / off according to the first count output control signal SW4, and transmits the output of the background light detection number storage unit 64 to the distance storage unit 67 and the output amplifier 71.
  • the third switch 70 is turned on / off in response to the second count output control signal SW5, and transmits the output of the signal light + background light detection number storage unit 65 to the distance storage unit 67 and the output amplifier 71.
  • the output amplifier 71 outputs a light reception signal RV.
  • the shutter is released at 10 nanoseconds, it is possible to detect whether or not there is an object in the distance section 1.5 m in consideration of the round-trip time of light at a constant light speed. If the light emission timing of the LD unit 21 and the shutter timing of the PD unit 33 are relatively shifted, it is possible to detect objects arranged in different distance sections. However, since the influence of background light such as sunlight is large in the daytime, first obtain the amount of background light, then determine the magnitude of the signal light + the amount of background light, and if the latter is large, the distance interval Is written in the distance storage unit 67. By using a high-sensitivity PD, a sufficient signal margin can be ensured with respect to circuit noise at the subsequent stage.
  • the high-sensitivity PD is not suitable for comparing the signal amount. Therefore, in FIG. 3, the number of photons detected is counted to compare the two. The distance is determined by the comparator 66 based on the number of times. In FIG. 3, by driving the first and second count output control signals SW4 and SW5, the number of detections of background light and signal light + background light can be output to the outside of the PD unit 33, and their values are controlled. The determination is made by the unit 40.
  • FIG. 4 is a timing chart showing an operation example of the distance measuring apparatus of FIG. 1 using the LD light emission intensity adjusting unit 42.
  • a light emission pulse signal with a strong light amount is radiated from the LD unit 21.
  • the light reception signal level of the PD unit 33 in the normal distance measurement mode always exceeds the threshold value that is the foreign matter determination level, regardless of the presence or absence of the foreign matter 12, as shown in FIG. Therefore, the LD emission intensity adjustment unit 42 performs adjustment so that a light emission pulse signal with a low light amount is emitted from the LD unit 21 in the foreign object detection mode.
  • the light reception signal level of the PD unit 33 in the foreign object detection mode can fall below the threshold value as shown in FIG. 4C.
  • the reflected scattered light S derived only from the protective cover 11, and the protective cover 11 and the reflected and scattered light S caused by the foreign matter 12 can be distinguished.
  • FIG. 5 is a flowchart showing an example of the overall operation of the distance measuring apparatus of FIG.
  • the operation of the distance measuring device in FIG. 1 is divided into an operation in the foreign object detection mode M1 from step S11 to step S19 and an operation in the normal distance measurement mode M2 from step S21 to step S26.
  • step S11 the LD light emission intensity adjustment unit 42 selects a weak light amount, and the PD applied voltage adjustment unit 44 selects a low gain factor.
  • step S12 the completion of the drive voltage change in the first and second multiplexers 22 and 34 is awaited.
  • step S13 the photoelectric conversion element 61 and the received light detection number counting unit 62 are stopped in a state where light emission from the LD unit 21 is suspended. The background light ranging is performed at, and the number of detection times is stored in the background light detection number storage unit 64.
  • step S14 signal light + background light distance measurement is performed by the photoelectric conversion element 61 and the received light detection number counting unit 62 in the state where there is signal light from the LD unit 21, and the signal light + background light detection number storage unit 65 is performed. The number of detection times is stored.
  • step S15 the second switch 69 is turned on by the first count output control signal SW4, the detection number storage of the background light detection number storage unit 64 is output to the control unit 40, and the second count output control signal
  • the third switch 70 is turned on by SW5, and the detection number storage of the signal light + background light detection number storage unit 65 is output to the control unit 40.
  • step S ⁇ b> 16 the distance calculation unit 45 of the control unit 40 performs foreign object determination by comparing the difference between both detection count memories with a reference acquired in advance without any foreign object.
  • the foreign object 12 includes both an object that reflects light and an object that absorbs light, both of which deteriorate the distance measurement performance, and therefore the intensity of the reflected scattered light S in the protective cover 11 increases beyond a certain amount. If there is a decrease, it is determined that the foreign matter 12 has adhered to the protective cover 11. If it is determined that there is no foreign object, the process proceeds from step S16 to the operation of the normal distance measurement mode M2. If it is determined that there is a foreign object, the process proceeds from step S16 to step S17.
  • step S ⁇ b> 17 the cleaning processing unit 47 performs cleaning determination and issues a cleaning command W to the cleaning unit 50.
  • step S ⁇ b> 18 the cleaning unit 50 performs cleaning of the protective cover 11 so as to remove the foreign matter 12.
  • the operation proceeds to the normal distance measurement mode M2.
  • step S21 the LD light emission intensity adjustment unit 42 selects a strong light amount, and the PD applied voltage adjustment unit 44 selects a high gain factor.
  • step S22 after completion of the drive voltage change in the first and second multiplexers 22 and 34, in step S23, the photoelectric conversion element 61 and the received light detection number counting unit 62 are stopped with the light emission from the LD unit 21 suspended. The background light ranging is performed at, and the number of detection times is stored in the background light detection number storage unit 64.
  • step S24 signal light + background light distance measurement is performed by the photoelectric conversion element 61 and the light reception detection number counting unit 62 in a state where there is signal light from the LD unit 21, and the signal light + background light detection number storage unit 65 performs measurement.
  • the number of detection times is stored.
  • step S25 the magnitudes of both detection counts are compared by the comparator 66, and the distance voltage LV is stored in the distance storage unit 67 based on the result.
  • the distance voltage here means a voltage corresponding to the measured distance, and if the distance is calculated by calculation, it may be a voltage value used for the calculation or may be a distance by a conversion table or the like. If the value is converted, the voltage value may be used.
  • step S23 to step S25 are repeated in N (N is an integer value) distance intervals.
  • N is an integer value
  • the distance voltage information stored in the distance storage unit 67 is output to the distance calculation unit 45 of the control unit 40 in step S26.
  • the distance calculation unit 45 calculates the distance to the target object in each of the N distance sections based on the received distance voltage information.
  • the process of step S26 ends, the process proceeds to the foreign object detection mode M1.
  • an avalanche photodiode is used in the photoelectric conversion unit instead of a normal PD. Since the other components are the same as those in the first embodiment, detailed description is omitted by replacing the PD in FIGS. 1 to 3 with APD.
  • APD When an APD is used for the photoelectric conversion unit, a high reverse bias voltage of about 10V to 100V is usually applied. Ordinary PD generates one electron or hole for one photon incident on the photoelectric conversion unit, while APD generates a plurality of electrons or holes for one photon incident on the photoelectric conversion unit. Generate. The number of electrons or holes generated is called multiplication factor.
  • the PD applied voltage adjustment unit 44 is supplied with a high reverse bias voltage VDDB1 to the PD unit 33 in the normal ranging mode by the PD applied voltage switching signal SW2, and the PD unit 33 Adjust the gain to be higher.
  • a distance signal with a very high S / N ratio can be obtained by setting the multiplication factor, which is called Geiger mode, to approximately 10,000 or more.
  • an APD operates in a Geiger mode with a high gain by applying a high reverse bias voltage as described above. When the applied voltage is lowered to about several volts, the APD operates in the same manner as a normal PD. Show.
  • the voltage VDDB2 supplied to the PD unit 33 is adjusted so that the APD multiplication factor is lowered or a normal PD operation is performed.
  • the intensity change of the reflected scattered light S in the protective cover 11 based on the output of the PD unit 33 whose operation is adjusted in this way, it is possible to detect whether or not the foreign matter 12 has adhered to the protective cover 11.
  • the distance measurement device achieves highly sensitive distance measurement, and foreign matter on the protective cover 11 positioned on the optical path of the light emitting unit 20 and the light receiving unit 30. 12 adhesion can be determined correctly.
  • the cleaning unit 50 and cleaning the protective cover 11 a highly reliable distance measuring device can be provided.
  • control unit 40 includes both the LD light emission intensity adjusting unit 42 and the PD applied voltage adjusting unit 44. However, the control unit 40 may include at least one of them.
  • the distance measuring device has an effect of correctly determining the adhesion of foreign matter to the protective cover while realizing highly sensitive distance measurement, particularly for in-vehicle use etc. Useful.

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Abstract

距離測定装置は、発光部（２０）と、受光部（３０）と、発光部（２０）と受光部（３０）との光路上に配置された保護カバー（１１）と、第１のモードと第２のモードの切り替えを行うモード切替部（４６）と、第１のモードにて、発光部（２０）から光を放射してから、受光部（３０）によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて、目標対象物までの距離を算出する距離算出部（４５）と、発光部（２０）の発光強度を調整するＬＤ発光強度調整部（４２）とを備え、第１のモードと比較して第２のモードでは、発光部（２０）の発光強度が弱くなるように調整する。

Description

距離測定装置
　本開示は、所定の領域に光を照射するとともに、当該光の反射光を受信した際に、その反射光に対応する受光信号に基づいて、反射物を検出し、当該反射物までの距離を測定する距離測定装置に関する。
　従来、車載用の安全機構の一つとして、撮像素子を用いて車両の前方や周辺或いは後方を監視するシステムが提案されている。車両周辺における物体までの距離を測定する距離測定装置には、放射された光が物体で反射された後に受光されるまでの時間を計測する飛行時間法（タイムオブフライト法）の原理を用いた構成が知られている。計測した時間は、物体までの距離に換算される（特許文献１、２参照）。
　距離測定装置では、発光素子や受光素子を外部環境から保護するため、光を透過するガラス板や樹脂板からなるカバーが取り付けられる。測距対象物へ放射される光と、対象物から反射して戻った光の両方の光路上にある保護カバーに汚れ等の異物が付着していると、測距に異常が発生して、測定に誤差を与えたり、測定不良となったりする。
特開２００６－３８６８６号公報 実開平５－２８７５９号公報
　本開示は、前記課題を鑑み、保護カバーに異物が付着した場合であっても異物の付着を判定できる距離測定装置を提供することを主な目的とする。
　本開示の一態様に係る距離測定装置は、光を間欠的に放射する発光部と、発光部から放射された光に対する反射光を受光し光電変換して受光信号を生成するフォトダイオードを含む光電変換素子を有する受光部と、発光部と受光部との光路上に配置された保護カバーと、第１のモードと第２のモードの切り替えを行うモード切替部と、第１のモードにて発光部から光を放射してから受光部によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて目標対象物までの距離を算出する距離算出部と、発光部の発光強度を調整する発光強度調整部とを備え、第１のモードと比較して第２のモードでは、発光部の発光強度が弱くなるように調整する。
　ここで、距離算出部は、第２のモードにて発光部からの弱光量下での受光部の出力をもとにして保護カバーにおける反射散乱光の強度変化を判定することで、保護カバーへの異物付着の有無を検出することができる。
　また、本開示の他の一態様に係る距離測定装置は、光を間欠的に放射する発光部と、発光部から放射された光に対する反射光を受光し光電変換して受光信号を生成するフォトダイオードを含む光電変換素子を有する受光部と、発光部と受光部との光路上に配置された保護カバーと、第１のモードと第２のモードとの切り替えを行うモード切替部と、第１のモードにて発光部から光を放射してから受光部によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて目標対象物までの距離を算出する距離算出部と、フォトダイオードへの印加電圧を調整する印加電圧調整部とを備え、第１のモードと比較して第２のモードでは、フォトダイオードの利得率が低くなるように調整する。
　ここで、距離算出部は、第２のモードにて利得率が低く調整された受光部の出力をもとにして保護カバーにおける反射散乱光の強度変化を判定することで、保護カバーへの異物付着の有無を検出することができる。
　また、本開示のさらに他の一態様に係る距離測定装置は、光を間欠的に放射する発光部と、発光部から放射された光に対する反射光を受光し光電変換して受光信号を生成するアバランシェフォトダイオードを含む光電変換素子を有する受光部と、発光部と受光部との光路上に配置された保護カバーと、第１のモードと第２のモードとの切り替えを行うモード切替部と、第１のモードにて発光部から光を放射してから受光部によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて目標対象物までの距離を算出する距離算出部と、アバランシェフォトダイオードへの印加電圧を調整する印加電圧調整部とを備え、第１のモードと比較して第４のモードでは、アバランシェフォトダイオードの増倍率が低くなるように調整する。
　ここで、距離算出部は、第２のモードにて増倍率が低く調整された受光部の出力をもとにして保護カバーにおける反射散乱光の強度変化を判定することで、保護カバーへの異物付着の有無を検出することができる。
　ここで、距離測定装置は、距離算出部にて異物付着が検出された場合に、保護カバーに付着した異物を除去するように洗浄を行う洗浄部を更に備えてもよい。
　本開示の一実施形態によって得られる効果を簡単に説明すれば、次のとおりである。すなわち、距離測定装置において高感度の測距を実現しつつ、保護カバーへの異物の付着を正しく判定することができる。また、判定結果を用いて保護カバーの洗浄を実行することにより、信頼性の高い距離測定装置を提供することができる。
図１は、本開示の実施の形態１に係る距離測定装置の概略構成例を示す図である。 図２は、図１中の制御部の詳細構成例およびその周辺ブロックを示すブロック図である。 図３は、図１中のＰＤ部の詳細構成例を示すブロック図である。 図４は、ＬＤ発光強度調整部を用いた図１の距離測定装置の動作例を示すタイミング図である。 図５は、図１の距離測定装置の全体動作例を示すフロー図である。
　以下、本開示に係る実施形態について、図面を参照しながら、具体的に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明する。また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密な寸法を表すものではない。
　（実施形態１）
　本開示に係る実施形態１によれば、フォトダイオード（ＰＤ）を含む光電変換素子が受光部に採用される。ところが、目標対象物が遠く離れていても測距を行うことができるよう、感度の高いＰＤを受光部に用いた場合、発光部と受光部との近傍に配置された保護カバーにおける反射散乱光の強度変化を判定することで、保護カバーへの異物付着の有無を検出しようとすると、高感度が災いして異物検出が困難になる。そこで、異物検出を行おうとする際には、発光部の発光強度が弱くなるように調整し、或いはＰＤの利得率が低くなるようにＰＤへの印加電圧を調整することで、ＰＤの実質的な感度を低下させることとした。
　図１は、本開示の実施形態１に係る距離測定装置の概略構成例を示す図である。図１の距離測定装置は、発光部２０、受光部３０及び制御部４０を内蔵した筐体１０と、筐体１０の開口部を覆う光透過性の保護カバー１１と、保護カバー１１に付着した異物１２を除去するための洗浄部５０とを備える。発光部２０は、発光レンズ及びスキャナを介してパルス状のレーザ光Ｌを放射するレーザダイオード（ＬＤ）部２１に加えて、ＬＤ部２１の駆動電圧を選択する第１のマルチプレクサ（ＭＵＸ１）２２を有する光源である。受光部３０は、集光のための光学系３１と、特定の波長の光だけを透過するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３２と、各々光電変換素子としてのフォトダイオード（ＰＤ）を備える複数の画素をアレイ状に配列してなるＰＤ部３３と、ＰＤ部３３の駆動電圧を選択する第２のマルチプレクサ（ＭＵＸ２）３４とを有する測距カメラである。制御部４０は、第１のマルチプレクサ２２にＬＤ駆動電圧切替信号ＳＷ１を、ＬＤ部２１にＬＤ駆動制御信号ＤＲ１を、第２のマルチプレクサ３４にＰＤ印加電圧切替信号ＳＷ２を、ＰＤ部３３にＰＤ駆動制御信号ＤＲ２をそれぞれ供給し、ＰＤ部３３から受光信号ＲＶを受け取る。また、制御部４０は、ワイパー、ウォッシャ等で構成された洗浄部５０へ洗浄命令Ｗを供給し、洗浄部５０から完了信号Ｃを受け取る。
　ＰＤ部３３は複数の画素で構成されており、全画素同時に受光タイミングを制御することができるグローバルシャッタ機能を有するのが好都合である。このグローバルシャッタ機能をもとに制御部４０からシャッタタイミングを、ＬＤ部２１の発光タイミングに対する相対的なタイミングとして制御することで、当該距離測定装置から特定の距離区間にある被写体を検出することができる。その距離区間を距離方向にスキャンすることで、異なる位置の被写体が複数あっても、距離の異なる画像として制御部４０が距離画像を取得することができる。
　さて、図１の距離測定装置は、保護カバー１１における反射散乱光Ｓの強度変化を判定することで、保護カバー１１への異物１２の付着の有無を検出するものである。
　図１に示すように、例えば車載用の距離測定装置において、異物１２がＬＤ部２１の前方にて付着していると、保護カバー１１を透過できる放射光が減少する。また、目標対象物からの反射光も、異物１２によって吸収又は散乱される結果、保護カバー１１を透過できる反射光が減少する。このようにしてＰＤ部３３への入射光量が所定量以下となると、光の往復時間の計測精度が落ちてしまう。すなわち、距離測定値の信頼性が損なわれたり、或いは測定できる最大距離が減少して安全性が低下したりすることが考えられる。そのため、異物１２の検出及び除去が重要となる。また、図１のように、発光部２０と受光部３０とが同一の筐体１０内に配置された構造においては、異物１２に光が当たると光は散乱されて、その一部が受光部３０に到達する。また、異物１２が付着していなくても保護カバー１１で反射した光が受光部３０に到達する。すなわち、異物１２と言ってもわずか数ミリメートル以下の泥や虫の死骸等であることが大多数であり、距離としてはほぼ同じ距離から反射されるため、結局異物１２の有無に応じて変化するのは保護カバー１１における反射散乱光Ｓの強度である。
　ところが、発光部２０から出た光が保護カバー１１及び異物１２で反射、散乱された場合、この位置は発光部２０の極近傍であるため、光強度を非常に強く保ったまま反射される。前述のように受光部３０の光電変換素子として感度の高い素子を用いた場合、感度が高いがゆえに保護カバー１１のみに由来する反射散乱光Ｓと、保護カバー１１及び異物１２に起因した反射散乱光Ｓとの区別が困難である。
　そこで、本願発明者らが鋭意検討した結果、異物検出を行おうとする際には、発光部２０の発光強度が弱くなるように調整し、或いは受光部３０におけるＰＤの利得率が低くなるように調整することで、ＰＤの実質的な感度を低下させれば、保護カバー１１のみに由来する反射散乱光Ｓと、保護カバー１１及び異物１２に起因した反射散乱光Ｓとを区別し得ることが見出された。
　図２は、図１中の制御部４０の詳細構成例およびその周辺ブロックを示すブロック図である。制御部４０は、ＬＤ駆動制御部４１と、ＬＤ発光強度調整部４２と、ＰＤ駆動制御部４３と、ＰＤ印加電圧調整部４４と、距離算出部４５と、モード切替部４６と、洗浄処理部４７とを備える。また、図２には、制御部４０の周辺ブロックとして、ＬＤ部２１、第１のマルチプレクサ（ＭＵＸ１）２２、ＰＤ部３３、第２のマルチプレクサ３４および洗浄部５０を図示している。
　モード切替部４６は、目標対象物までの距離を測定する通常測距モードと、保護カバー１１に付着した異物１２を検出する異物検出モードとの切り替えを示すモード切替信号を各部へ供給する。ＬＤ発光強度調整部４２は、ＬＤ駆動電圧切替信号ＳＷ１により、通常測距モードでは高電圧ＶＤＤＡ１がＬＤ部２１へ供給されて発光強度が強くなるように調整し、異物検出モードでは低電圧ＶＤＤＡ２がＬＤ部２１へ供給されて発光強度が弱くなるように調整する。ＬＤ駆動制御部４１は、ＬＤ駆動制御信号ＤＲ１により発光タイミングを制御する。ＰＤ印加電圧調整部４４は、ＰＤ印加電圧切替信号ＳＷ２により、通常測距モードでは高電圧ＶＤＤＢ１がＰＤ部３３へ供給されてＰＤ利得率が高くなるように調整し、異物検出モードでは低電圧ＶＤＤＢ２がＰＤ部３３へ供給されてＰＤ利得率が低くなるように調整する。ＰＤ駆動制御部４３は、発光タイミングを通知するＬＤ駆動制御信号ＤＲ１を受けて、ＰＤ駆動制御信号ＤＲ２により受光動作を制御する。距離算出部４５は、発光タイミングを通知するＬＤ駆動制御信号ＤＲ１と、ＰＤ部３３からの受光信号ＲＶとを受け、通常測距モードと異物検出モードとで異なる動作をする。具体的に言うと、距離算出部４５は、通常測距モードにて、ＬＤ部２１から光を放射してから、ＰＤ部３３によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて、目標対象物までの距離を算出する。一方、距離算出部４５は、異物検出モードにて、ＬＤ部２１からの弱光量下でのＰＤ部３３の出力をもとにして、また利得率が低く調整されたＰＤ部３３の出力をもとにして保護カバー１１における反射散乱光Ｓの強度変化を判定することで、保護カバー１１への異物１２の付着の有無を検出する。異物１２が検出された場合、距離算出部４５は、洗浄処理部４７へ異物検出信号Ｄを供給する。異物検出信号Ｄを受けた洗浄処理部４７は、洗浄部５０へ洗浄命令Ｗを発する。洗浄処理部４７は、洗浄部５０から完了信号Ｃを受け取ると、距離算出部４５へ完了信号Ｃを伝達することで、洗浄処理が完了したことを距離算出部４５へ通知する。完了信号Ｃを受けた距離算出部４５は、モード切替部４６に対して、異物検出モードから通常測距モードへ移行するように要求する。
　図３は、図１中のＰＤ部３３の詳細構成例を示すブロック図であって、ＰＤ部３３の１画素分を示している。図３の構成は、ＰＤを備える光電変換素子６１と、ＰＤ出力を計数する受光検出回数カウント部６２と、デマルチプレクサ（ＤｅＭＵＸ）６３と、背景光検出回数記憶部６４と、信号光＋背景光検出回数記憶部６５と、両記憶部６４，６５の出力を比較する比較器６６と、距離記憶部６７と、第１、第２及び第３のスイッチ６８，６９，７０と、出力アンプ７１とを備える。デマルチプレクサ６３は、振り分け制御信号ＳＷ３に応じて、受光検出回数カウント部６２の出力を背景光検出回数記憶部６４と、信号光＋背景光検出回数記憶部６５とに振り分ける。第１のスイッチ６８は、比較器６６の出力に応じてオン・オフし、距離電圧ＬＶを出力する。第２のスイッチ６９は、第１のカウント出力制御信号ＳＷ４に応じてオン・オフし、背景光検出回数記憶部６４の出力を距離記憶部６７及び出力アンプ７１へ伝える。第３のスイッチ７０は、第２のカウント出力制御信号ＳＷ５に応じてオン・オフし、信号光＋背景光検出回数記憶部６５の出力を距離記憶部６７及び出力アンプ７１へ伝える。出力アンプ７１は、受光信号ＲＶを出力する。
　例えば１０ナノ秒でシャッタを切れば、一定の光速による光の往復時間を考慮して、距離区間１．５ｍに物体があるか無いかを検出することができる。ＬＤ部２１の発光タイミングとＰＤ部３３のシャッタタイミングとを相対的にずらしていくと、異なる距離区間に配置された物体をそれぞれ検出することが可能になる。ただし、昼間では太陽光等の背景光の影響が大きいので、まず、背景光の光量を取得して、その後に信号光＋背景光の光量との大小を判定し、後者が大きければその距離区間に物体が存在するという判定を距離記憶部６７に書き込む。高感度のＰＤを用いることで、後段の回路ノイズに対して十分な信号マージンを確保することができる。しかし、背景光の大きさと信号光＋背景光の大きさとを比較する場合において、高感度のＰＤは信号量を比較することに適していない。そこで、図３では、フォトンが何回検出されたかという回数をカウントすることで両者の比較を行う構成になっている。距離はその回数の大小を比較器６６で判定する。図３では、第１及び第２のカウント出力制御信号ＳＷ４、ＳＷ５を駆動することで、それぞれ背景光、信号光＋背景光の検出回数をＰＤ部３３の外へ出力でき、それらの値を制御部４０で判定する。
　図４は、ＬＤ発光強度調整部４２を用いた図１の距離測定装置の動作例を示すタイミング図である。通常測距モードでは、図４の（ａ）に示すように、強光量の発光パルス信号がＬＤ部２１から放射される。この通常測距モードにおけるＰＤ部３３の受光信号レベルは、図４の（ｂ）に示すように、異物１２の有無にかかわらず、異物判定レベルである閾値を常に超えてしまう。そこで、ＬＤ発光強度調整部４２は、異物検出モードにてＬＤ部２１から弱光量の発光パルス信号が放射されるように調整する。これにより、異物検出モードにおけるＰＤ部３３の受光信号レベルが、図４の（ｃ）に示すように閾値を下回り得るようになる結果、保護カバー１１のみに由来する反射散乱光Ｓと、保護カバー１１及び異物１２に起因した反射散乱光Ｓとを区別し得るようになる。
　図５は、図１の距離測定装置の全体動作例を示すフロー図である。図１の距離測定装置の動作は、ステップＳ１１からステップＳ１９までの異物検出モードＭ１の動作と、ステップＳ２１からステップＳ２６までの通常測距モードＭ２の動作とに分けられる。
　まず、異物検出モードＭ１の動作を説明する。ステップＳ１１では、ＬＤ発光強度調整部４２により弱光量を、ＰＤ印加電圧調整部４４により低利得率をそれぞれ選択する。ステップＳ１２にて第１及び第２のマルチプレクサ２２，３４における駆動電圧変更の完了を待って、ステップＳ１３では、ＬＤ部２１からの発光を休止した状態で光電変換素子６１及び受光検出回数カウント部６２にて背景光測距を行い、背景光検出回数記憶部６４にて検出回数記憶を行う。ステップＳ１４では、ＬＤ部２１からの信号光ありの状態で光電変換素子６１及び受光検出回数カウント部６２にて信号光＋背景光測距を行い、信号光＋背景光検出回数記憶部６５にて検出回数記憶を行う。ステップＳ１５では、第１のカウント出力制御信号ＳＷ４により第２のスイッチ６９をオンさせて、背景光検出回数記憶部６４の検出回数記憶を制御部４０へ出力し、また第２のカウント出力制御信号ＳＷ５により第３のスイッチ７０をオンさせて、信号光＋背景光検出回数記憶部６５の検出回数記憶を制御部４０へ出力する。ステップＳ１６では、制御部４０の距離算出部４５にて、両検出回数記憶の差分を、異物なしの状態で予め取得しておいたリファレンスと比較することで異物判定を行う。異物１２には光を反射する物体と光を吸収する物体との両方が存在し、そのいずれもが測距性能を劣化させるため、保護カバー１１における反射散乱光Ｓの強度に一定量を超える増加又は減少があれば、保護カバー１１に異物１２が付着したものと判定する。異物なしの判定の場合にはステップＳ１６から通常測距モードＭ２の動作へ移行するが、異物ありの判定の場合にはステップＳ１６からステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７では、洗浄処理部４７が洗浄判定を行い、洗浄部５０へ洗浄命令Ｗを発する。ステップＳ１８では、異物１２を除去するように洗浄部５０が保護カバー１１の洗浄を実行する。そして、ステップＳ１９にて洗浄完了が確認されると、通常測距モードＭ２の動作へ移行する。
　次に、通常測距モードＭ２の動作を説明する。ステップＳ２１では、ＬＤ発光強度調整部４２により強光量を、ＰＤ印加電圧調整部４４により高利得率をそれぞれ選択する。ステップＳ２２にて第１及び第２のマルチプレクサ２２，３４における駆動電圧変更の完了を待って、ステップＳ２３では、ＬＤ部２１からの発光を休止した状態で光電変換素子６１及び受光検出回数カウント部６２にて背景光測距を行い、背景光検出回数記憶部６４にて検出回数記憶を行う。ステップＳ２４では、ＬＤ部２１からの信号光ありの状態で光電変換素子６１及び受光検出回数カウント部６２にて信号光＋背景光測距を行い、信号光＋背景光検出回数記憶部６５にて検出回数記憶を行う。ステップＳ２５では、両検出回数記憶の大小を比較器６６にて比較し、その結果を以て距離電圧ＬＶを距離記憶部６７に記憶する。ここでいう距離電圧とは、計測された距離に対応する電圧を意味し、計算で距離が算出される場合であれば、計算に用いられる電圧値であってもよいし、変換テーブルなどで距離値を変換する場合であれば、その電圧値であってもよい。これらステップＳ２３からステップＳ２５までの動作は、Ｎ（Ｎは整数値）個の距離区間で繰り返される。これらの動作がＮ個の距離区間で完了した時点で、ステップＳ２６にて距離記憶部６７に記憶された距離電圧の情報を制御部４０の距離算出部４５へ出力する。距離算出部４５は、受け取った距離電圧の情報をもとに、Ｎ個の距離区間の各々における目標対象物までの距離を算出する。ステップＳ２６の処理が終わると、異物検出モードＭ１の動作へ移行する。
　（実施形態２）
　本開示の実施形態２に係る距離測定装置に搭載される画素では、光電変換部に通常のＰＤに代わり、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を使用する。なお、他の構成要素は実施形態１と同様であるため、図１～図３中のＰＤをＡＰＤに読み替えることとして、詳細な説明を省略する。
　光電変換部にＡＰＤを使用する場合は、通常、１０Ｖから１００Ｖ程度の高い逆バイアス電圧を印加する。通常のＰＤは、光電変換部に入射したフォトン１個に対して電子又は正孔を１個生成するが、ＡＰＤは、光電変換部に入射したフォトン１個に対して電子又は正孔を複数個生成する。この生成する電子又は正孔の個数を、増倍率という。
　例えば、図２に示す距離測定装置において、ＰＤ印加電圧調整部４４は、ＰＤ印加電圧切替信号ＳＷ２により、通常測距モードでは高い逆バイアス電圧ＶＤＤＢ１がＰＤ部３３へ供給されて、ＰＤ部３３における増倍率が高くなるように調整する。特に、ガイガーモードと呼ばれる、増倍率が概ね１００００以上の状態にすることで、非常に高いＳＮ比の距離信号を得ることができる。
　なお、一般に、ＡＰＤは、上記のような高い逆バイアス電圧を印加することで、増倍率の高いガイガーモードで動作し、印加する電圧を数Ｖ程度まで低くすると、通常のＰＤと同様の動作を示す。
　異物検出モードでは、ＰＤ部３３へ供給される電圧ＶＤＤＢ２を、ＡＰＤ増倍率が低くなるように、又は通常のＰＤの動作をするように調整する。このように動作が調整されたＰＤ部３３の出力をもとにして保護カバー１１における反射散乱光Ｓの強度変化を判定することで、保護カバー１１への異物１２の付着の有無を検出できる。
　以上の説明のように、上記実施形態１、２によれば、距離測定装置において高感度の測距を実現しつつ、発光部２０及び受光部３０の光路上に位置する保護カバー１１への異物１２の付着を正しく判定することができる。また、洗浄部５０を設けて保護カバー１１の洗浄を実行することにより、信頼性の高い距離測定装置を提供することができる。
　なお、上記実施形態１、２では制御部４０がＬＤ発光強度調整部４２とＰＤ印加電圧調整部４４との双方を備えることとしたが、これらのうち少なくとも一方を備えることとしてもよい。
　以上説明してきたように、本開示に係る距離測定装置は、高感度の測距を実現しつつ、保護カバーへの異物の付着を正しく判定することができる効果を有し、特に車載用等として有用である。
１０　筐体
１１　保護カバー
１２　異物
２０　発光部
２１　ＬＤ（レーザダイオード）部
２２　第１のマルチプレクサ（ＭＵＸ１）
３０　受光部
３１　光学系
３２　ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）
３３　ＰＤ（フォトダイオード）部
３４　第２のマルチプレクサ（ＭＵＸ２）
４０　制御部
４１　ＬＤ駆動制御部
４２　ＬＤ発光強度調整部
４３　ＰＤ駆動制御部
４４　ＰＤ印加電圧調整部
４５　距離算出部
４６　モード切替部
４７　洗浄処理部
５０　洗浄部

Claims (7)

  1. 　光を間欠的に放射する発光部と、
    　前記発光部から放射された光に対する反射光を受光し、光電変換して受光信号を生成するフォトダイオードを含む光電変換素子を有する受光部と、
    　前記発光部と前記受光部との光路上に配置された保護カバーと、
    　第１のモードと第２のモードの切り替えを行うモード切替部と、
    　前記第１のモードにて、前記発光部から光を放射してから、前記受光部によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて、目標対象物までの距離を算出する距離算出部と、
    　前記発光部の発光強度を調整する発光強度調整部とを備え、
    　前記第１のモードと比較して前記第２のモードでは、前記発光部の発光強度が弱くなるように調整する
    距離測定装置。
  2. 　請求項１に記載の距離測定装置において、
    　前記距離算出部は、前記第２のモードにて、前記発光部からの弱光量下での前記受光部の出力をもとにして前記保護カバーにおける反射散乱光の強度変化を判定することで、前記保護カバーへの異物付着の有無を検出する
    距離測定装置。
  3. 　光を間欠的に放射する発光部と、
    　前記発光部から放射された光に対する反射光を受光し、光電変換して受光信号を生成するフォトダイオードを含む光電変換素子を有する受光部と、
    　前記発光部と前記受光部との光路上に配置された保護カバーと、
    　第１のモードと第２のモードとの切り替えを行うモード切替部と、
    　前記第１のモードにて、前記発光部から光を放射してから、前記受光部によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて、目標対象物までの距離を算出する距離算出部と、
    　前記フォトダイオードへの印加電圧を調整する印加電圧調整部とを備え、
    　前記第１のモードと比較して前記第２のモードでは、前記フォトダイオードの利得率が低くなるように調整する
    距離測定装置。
  4. 　請求項３に記載の距離測定装置において、
    　前記距離算出部は、前記第２のモードにて、利得率が低く調整された前記受光部の出力をもとにして前記保護カバーにおける反射散乱光の強度変化を判定することで、前記保護カバーへの異物付着の有無を検出する
    距離測定装置。
  5. 　光を間欠的に放射する発光部と、
    　前記発光部から放射された光に対する反射光を受光し、光電変換して受光信号を生成するアバランシェフォトダイオードを含む光電変換素子を有する受光部と、
    　前記発光部と前記受光部との光路上に配置された保護カバーと、
    　第１のモードと第２のモードとの切り替えを行うモード切替部と、
    　前記第１のモードにて、前記発光部から光を放射してから、前記受光部によって反射光を受光するまでの時間差に基づいて、目標対象物までの距離を算出する距離算出部と、
    　前記アバランシェフォトダイオードへの印加電圧を調整する印加電圧調整部とを備え、
    　前記第１のモードと比較して前記第２のモードでは、前記アバランシェフォトダイオードの増倍率が低くなるように調整する
    距離測定装置。
  6. 　請求項５に記載の距離測定装置において、
    　前記距離算出部は、前記第２のモードにて、増倍率が低く調整された前記受光部の出力をもとにして前記保護カバーにおける反射散乱光の強度変化を判定することで、前記保護カバーへの異物付着の有無を検出する
    距離測定装置。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の距離測定装置において、
    　前記距離算出部にて異物付着が検出された場合に、前記保護カバーに付着した異物を除去するように洗浄を行う洗浄部を更に備えた
    距離測定装置。
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