WO2019194039A1 - 光測距装置 - Google Patents

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善英 立野
勇 高井
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株式会社デンソー
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Definitions

  • the present disclosure relates to an optical distance measuring device.
  • the optical distance measuring device described in Patent Document 1 adds a pulse signal output from a SPAD (single photon avalanche diode) array in response to incidence of reflected light from an object by an adder, and determines a predetermined time.
  • a histogram is generated by recording the added value at each interval. Then, the peak that is the maximum value of the frequency is detected from the histogram, and the distance to the object is calculated using the occurrence time of the peak.
  • JP 2016-176750 A Japanese Patent No. 5644294
  • the inventors of the present application conducted extensive studies to improve the measurement accuracy of the optical distance measuring device, and as a result, obtained the knowledge that the occurrence time of the peak appearing on the histogram varies depending on the incident intensity of light. Based on this knowledge, the inventors of the present application calculate the distance to the object using the peak occurrence time, and the calculation result of the distance also fluctuates with the fluctuation of the incident intensity of light, and the measurement accuracy decreases. I found a problem.
  • an optical distance measuring device includes a light source for irradiating a target with light having a first pulse width, and a pulse signal indicating that light reflected from the target is incident, the width being equal to or greater than the first pulse width.
  • a light-receiving element that outputs a pulse signal having the second pulse width and a histogram generation that records a frequency according to the number of pulse signals output from the light-receiving element at a predetermined time interval to generate a histogram
  • a peak detection unit that detects an end point of the peak shape from the histogram, and a time obtained by subtracting a time corresponding to the second pulse width from a time corresponding to the end point of the peak shape.
  • a distance calculation unit for calculating the distance.
  • the end point of the peak shape is used as a reference. If the time corresponding to the second pulse width is subtracted from the end point, the incident time of light on the light receiving element can be accurately obtained. Therefore, by calculating the distance using this incident time, it is possible to accurately measure the distance to the object regardless of the intensity of light incident on the light receiving element.
  • the present disclosure can be realized in various forms other than the optical distance measuring device.
  • it can be realized in the form of an optical ranging method, a vehicle equipped with an optical ranging device, a control method for controlling the optical ranging device, and the like.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an optical distance measuring device
  • FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the light receiving element
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a histogram
  • FIG. 4 is a diagram showing a histogram according to the incident intensity of light
  • FIG. 5 is a diagram showing a histogram in the second embodiment
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a peak detection method according to the third embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a first aspect of the adjustment unit according to the fourth embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a method of adjusting the second pulse width in the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a second mode of the adjustment unit according to the fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a third aspect of the adjustment unit according to the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing another configuration of the light receiving element,
  • FIG. 12 is a diagram illustrating a pulse signal output from the light receiving element in FIG. 11.
  • the optical distance measuring device 10 includes a light source 20, a light receiving element array 30, an adder 40, a histogram generator 50, a peak detector 60, A distance calculation unit 70.
  • the addition part 40, the histogram generation part 50, the peak detection part 60, and the distance calculation part 70 may be comprised with a circuit, or software when CPU which is not shown in figure runs a program. May be realized.
  • the optical distance measuring device 10 is mounted on, for example, a vehicle, and is used for obstacle detection and vehicle driving assistance.
  • the light source 20 is a device that irradiates light to the object OB which is a distance measurement target.
  • the light source 20 includes a laser diode element 21.
  • the laser diode element 21 emits pulsed laser light having a pulse width of the first pulse width PW1 and repeating blinking at a predetermined cycle as irradiation light.
  • the light source 20 in this embodiment is comprised as a light source provided with the laser diode element 21, you may be comprised as a light source provided with other light-emitting devices, such as a solid-state laser.
  • the light receiving element array 30 includes a plurality of light receiving elements 31 capable of outputting a pulse signal in response to incidence of reflected light from the object OB.
  • the light receiving element 31 in the present embodiment is configured by a known circuit including an avalanche photodiode 32 as a light receiving element, a quenching resistor 33, an inverter circuit (NOT circuit) 34, and the like.
  • a quenching resistor 33 and an avalanche photodiode 32 are connected in series between a power supply and a ground line, and an input side of the inverter circuit 34 is connected to the connection point. It is constituted by.
  • the quenching resistor 33 is connected to the power supply side, and the avalanche photodiode 32 is connected to the ground line side so as to be reverse-biased.
  • the light receiving element 31 is also referred to as SPAD (single photo avalanche diode).
  • the light receiving element array 30 is configured as a silicon photomultiplier (SiPM) in which such light receiving elements 31 are arranged in an array.
  • SiPM silicon photomultiplier
  • Each light receiving element 31 operates in the Geiger mode, and when light (photon) reflected from the object OB is input, a pulse signal indicating that the light is incident is output to the adding unit 40 with a certain probability.
  • the second pulse width PW2 of the pulse signal output from the light receiving element 31 is set in advance to be equal to or greater than the first pulse width PW1 that is the pulse width of the light emitted from the light source 20.
  • the adding unit 40 adds the number of pulse signals output from the plurality of light receiving elements 31 included in the light receiving element array 30 substantially simultaneously to obtain an added value.
  • the addition unit 40 outputs the obtained addition value to the histogram generation unit 50.
  • the histogram generation unit 50 generates a histogram based on the addition value output from the addition unit 40.
  • FIG. 3 shows an example of a histogram.
  • the class (horizontal axis) of the histogram indicates the flight time of light from when the light is irradiated until when the reflected light is received. This time is also referred to as TOF (TOF: Time Of Flight).
  • the frequency (vertical axis) of the histogram is an addition value calculated by the addition unit 40 and indicates the intensity of light reflected from the object OB.
  • the histogram generation unit 50 generates a histogram by recording the addition value output from the addition unit 40 at predetermined time intervals in accordance with the recording timing synchronized with the period of the pulsed laser light emitted from the light source 20. . If the object OB exists in the range irradiated with light from the light source 20, the frequency of the class corresponding to the time when the reflected light from the object OB enters becomes large. That is, if there is a class having a large frequency in the histogram, the distance to the object OB can be calculated based on the time corresponding to the class. In generating one histogram, the frequency may be integrated by irradiating light multiple times. By doing so, the SN ratio can be improved.
  • the peak detector 60 detects the peak shape end point tpk (FIG. 3) from the histogram.
  • the peak means a class having a frequency exceeding a predetermined threshold.
  • the peak shape is a substantially mountain shape and is a set of adjacent peaks.
  • the peak shape end point tpk is the position of the class immediately before the frequency that increases with time in the peak shape decreases.
  • the distance calculation unit 70 calculates a distance to the object OB using a time tin obtained by subtracting a time corresponding to the second pulse width PW2 from the time corresponding to the end point tpk of the peak shape. Specifically, when the time obtained by subtracting the time t0 when the light is irradiated from the time tin is “ ⁇ t”, the speed of light is “c”, and the distance to the object OB is “D”, the distance calculation unit 70: The distance D to the object OB is calculated by the equation (1). The distance calculation unit 70 outputs the calculated distance D to, for example, the ECU of the vehicle. Based on this distance, the vehicle ECU performs obstacle detection and vehicle driving assistance.
  • FIG. 4 shows an example in which a histogram is generated by changing the incident intensity of light to the light receiving element array 30 in three stages.
  • the frequency increases immediately after the light incident timing tin as the light incident intensity increases. This is because if the incident intensity of light increases, the possibility that pulse signals are output from the respective light receiving elements 31 in the light receiving element array 30 almost simultaneously increases, and the added value increases.
  • the incident intensity of light is small, the probability that pulse signals are output from the light receiving element array 30 substantially simultaneously is low, so the frequency of the entire histogram is small.
  • the timing tin at which each light receiving element 31 enters light is the same, the falling timing of the first pulse signal output from each light receiving element 31 also coincides, and therefore the peak end point tpk regardless of the light incident intensity. The positions of match.
  • the distance D is calculated based on the time tin obtained by subtracting the time corresponding to the second pulse width PW2 from the end point tpk of the peak shape.
  • the second pulse width PW2 of the pulse signal output from the light receiving element 31 is equal to or greater than the first pulse width PW1 of the light emitted from the light source 20 (PW2 ⁇ PW1). Therefore, the pulse of the pulse signal output from the light receiving element 31 with the incidence of incident light is always larger than the pulse width of the incident light reflected from the object OB and incident on the light receiving element 31 (first pulse width PW1).
  • the width (second pulse width PW2) is equal or longer.
  • the time corresponding to the second pulse width PW2 is subtracted from the time corresponding to the end point tpk of the peak shape, the time always becomes the light incident timing tin.
  • the light incident timing tin does not vary with the light incident intensity, like the peak shape end point tpk. Therefore, according to the present embodiment, the light incident time tin on the light receiving element 31 can be accurately obtained. As a result, even if the reflectance or disturbance light of the object OB affects the incident intensity of light to the optical distance measuring device 10, the distance D to the object OB is accurately measured using the light incident time tin. can do.
  • the peak detection unit 60 detects a plurality of peak shapes from the histogram generated by the histogram generation unit 50, and detects an end point tpk of the peak shape from each of the peak shapes. Then, the distance calculation unit 70 uses the end point of the peak shape in which the width of the peak shape among the plurality of peak shapes, that is, the number of classes included in the peak shape is larger than the other peak shapes, the object OB. The distance to is calculated.
  • the distance calculation unit 70 may calculate the distance to the object OB using the end point of the peak shape having the maximum width among the plurality of peak shapes.
  • the distance is calculated based on the peak caused by the influence of disturbance light or the like. Can be suppressed.
  • the distance calculation unit 70 may obtain each distance from a plurality of peak shapes and output each distance to the ECU of the vehicle.
  • the ECU determines the true distance based on a predetermined reference from the plurality of inputted distances. For example, the ECU may determine that the distance closest to the previously input distance is the true distance.
  • the peak detector 60 detects the peak shape by comparing a predetermined threshold value with the frequency of the histogram.
  • the peak detection unit 60 detects the peak shape by comparing the shape of the histogram with a predetermined shape. Specifically, as shown in FIG. 6, the peak detection unit 60 stores in advance a template data exhibiting a predetermined typical peak shape in a memory, and uses this template data to generate a known template. A portion similar to the template data is detected in the histogram by the matching method, and the portion is determined as the peak shape. By doing so, it is possible to suppress the distance from being calculated based on the peak caused by the influence of disturbance light or the like.
  • the optical distance measuring device 10 includes the adjusting unit 80 (FIGS. 7, 9, and 10) so that the first pulse width PW1 and the second pulse width PW2 always have a relationship of PW2 ⁇ PW1. .
  • the adjusting unit 80 measures the second pulse width PW2 from the pulse signal output from the light receiving element 31, and changes at least one of the first pulse width PW1 and the second pulse width PW2 based on the measurement result,
  • the two-pulse width PW2 has a function of adjusting so as to be equal to or greater than the first pulse width PW1.
  • the adjustment unit 80 may be configured by a circuit or software.
  • FIG. 7 shows a first mode of the adjustment unit 80.
  • the adjustment unit 80a illustrated in FIG. 7 adjusts the second pulse width PW2 by changing the resistance value Rq of the quenching resistor connected to the light receiving element (avalanche photodiode 32) included in the light receiving element 31.
  • the adjustment unit 80a includes a pulse width measuring device 81, and further includes a quenching resistor circuit 82 configured by a transistor (FET) or the like instead of the quenching resistor 33.
  • FET transistor
  • the transistor has a linear region in which the drain current varies in proportion to the gate voltage Vg applied to the gate. Therefore, by adjusting the gate voltage Vg applied to the transistor, the quenching resistance circuit 82 can be handled as a voltage controlled variable resistance element.
  • the pulse width measuring device 81 detects the rising timing and the falling timing of the pulse signal output from the light receiving element 31 at a predetermined sampling period, and calculates the elapsed time therebetween as the second pulse width PW2.
  • the pulse width measuring device 81 changes the gate voltage Vg applied to the quenching resistance circuit 82 so that the calculated second pulse width PW2 becomes equal to or greater than the first pulse width PW1 of the light emitted from the light source 20.
  • the resistance value Rq of the quenching resistance circuit 82 is changed.
  • FIG. 8 shows the relationship between the input voltage and the output voltage of the inverter circuit 34 constituting the light receiving element 31.
  • 8 shows the time change of the input voltage V1 of the inverter circuit 34, and the lower part shows the time change of the output voltage V1out of the inverter circuit 34.
  • the output voltage V1out from the inverter circuit 34 falls from the high level to the low level.
  • the quenching resistance Rq is changed by the adjustment unit 80a shown in FIG. 7, the speed at which the input voltage V1 of the inverter circuit 34 recovers from the breakdown voltage Vbd is changed. Accordingly, the pulse width (second pulse width PW2) of the output voltage V1out of the inverter circuit 34 is changed.
  • the adjustment unit 80a adjusts the second pulse width PW2 to change the first pulse width PW1 or the second pulse width PW2 depending on the temperature dependent characteristics of the laser diode element 21 and the light receiving element 31.
  • these pulse widths can be automatically controlled so as to maintain a certain relationship (PW2 ⁇ PW1).
  • FIG. 9 shows a second mode of the adjustment unit 80.
  • the adjustment unit 80b shown in FIG. 9 changes the threshold value to be compared with the signal output from the light receiving element (avalanche photodiode 32) included in the light receiving element 31 in order for the light receiving element 31 to generate a pulse signal. Adjust the pulse width.
  • the adjustment unit 80 b includes a pulse width measuring device 81, and further includes a comparator circuit 83 instead of the inverter circuit 34.
  • the voltage V1 output from the avalanche photodiode 32 is input to the comparator circuit 83. More specifically, the voltage V1 at the connection point between the quenching resistor 33 and the avalanche photodiode 32 is input.
  • the comparator circuit 83 compares the voltage V1 with the reference voltage Vth output from the pulse width measuring device 81. If the comparison result indicates that the voltage V1 is lower than the reference voltage Vth, the output from the comparator circuit 83 is performed. When the voltage Vout is set to the high level and the voltage V1 is higher than the reference voltage Vth, the output voltage Vout from the comparator circuit 83 is set to the low level. In this way, the adjustment unit 80b varies the reference voltage Vth input to the comparator circuit 83 by the pulse width measuring device 81, so that the first pulse width PW1 and the first pulse width PW1 are changed depending on the temperature dependent characteristics of the laser diode element 21 and the light receiving element 31. Even when the two-pulse width PW2 fluctuates, control can be automatically performed so that these pulse widths maintain a certain relationship (PW2 ⁇ PW1).
  • FIG. 10 shows a third mode of the adjustment unit 80.
  • the adjustment unit 80c illustrated in FIG. 10 includes a pulse width measuring device 81, and the pulse width measuring device 81 is connected to a drive circuit 84 that drives the laser diode element 21.
  • the drive circuit 84 is provided in the light source 20 and is a circuit that generates light having the first pulse width PW1.
  • the pulse width measuring device 81 controls the driving circuit 84 so that the second pulse width PW2 becomes equal to or larger than the first pulse width PW1, and more specifically the first pulse width PW1. For this, the falling timing of the first pulse signal is adjusted.
  • the adjustment unit 80 may be configured by combining two or more of the first adjustment unit 80a, the second adjustment unit 80b, and the third adjustment unit 80c. That is, the adjustment unit 80 adjusts two or more of the quenching resistance of the light receiving element 31, the reference threshold value of the comparator circuit 83, and the falling timing of the first pulse signal by the drive circuit 84, thereby Control may be performed so that the two-pulse width PW2 is equal to or greater than the first pulse width PW1.
  • FIG. 11 shows another configuration of the light receiving element 31.
  • the avalanche photodiode 32 is connected to the ground line side, and the quenching resistor 33 is connected to the power supply side.
  • the light receiving element 31b shown in FIG. 11 is connected so that the avalanche photodiode 32 is reverse-biased to the power supply side, and the quenching resistor 33 is connected to the ground line side.
  • a buffer circuit 36 is connected to a connection point between the avalanche photodiode 32 and the quenching resistor 33.
  • FIG. 12 shows the relationship between the input voltage V2 and the output voltage V2out of the buffer circuit 36 constituting the light receiving element 31b.
  • the light receiving element 31b shown in FIG. 11 can generate a pulse signal in the same manner as the light receiving element 31 shown in FIG.
  • the quenching resistor 33 is configured as a variable resistor using a transistor or the like, the second pulse width PW2 can be adjusted in the same manner as in the fourth embodiment described with reference to FIGS. Is possible.
  • the optical distance measuring device 10 includes the plurality of light receiving elements 31.
  • the optical distance measuring device 10 may include only one light receiving element 31. In this case, in order to generate a good peak shape in the histogram, it is preferable to irradiate light a plurality of times and accumulate the frequency when generating one histogram.
  • the second pulse signal shown in each drawing is an active high signal (positive pulse), but the second pulse signal may be an active low signal (negative pulse). .
  • the present disclosure is not limited to the above-described embodiment, and can be realized with various configurations without departing from the spirit of the present disclosure.
  • the technical features in the embodiments are appropriately replaced or combined to solve part or all of the above-described problems or to achieve part or all of the above-described effects. Is possible.
  • the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.

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Abstract

光測距装置(10)は、対象物に第1パルス幅の光を照射する光源(20)と、対象物から反射された光が入射したことを示すパルス信号であって、第1パルス幅以上の幅である第2パルス幅のパルス信号を出力する受光要素(31)と、予め定められた時間間隔ごとに、受光要素から出力されたパルス信号の数に応じた度数を記録してヒストグラムを生成するヒストグラム生成部(50)と、ヒストグラムからピーク形状の終了点を検出するピーク検出部(60)と、ピーク形状の終了点に対応する時刻から第2パルス幅に相当する時間を差し引いた時刻を用いて対象物までの距離を算出する距離算出部(70)と、を備える。

Description

光測距装置 関連出願の相互参照
 本出願は、2018年4月4日に出願された日本出願番号2018-72108号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
 本開示は、光測距装置に関する。
 特許文献1に記載された光測距装置は、対象物からの反射光の入射に応じてSPAD(シングルフォトンアバランシェダイオード)アレイから出力されるパルス信号を加算器で加算し、予め定められた時間間隔毎にその加算値を記録することによりヒストグラムを生成する。そして、そのヒストグラムから度数の最大値であるピークを検出し、そのピークの発生時刻を用いて対象物までの距離を算出する。
特開2016-176750号公報 特許第5644294号公報
 本願発明者らは、光測距装置の測定精度向上のため鋭意検討を行った結果、ヒストグラム上に出現するピークの発生時刻は、光の入射強度によって変動するという知見を得た。この知見に基づき、本願発明者らは、ピークの発生時刻を用いて対象物までの距離を算出すると、光の入射強度の変動に伴って距離の算出結果も変動し、測定精度が低下するという課題を見出した。
 本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
 本開示の一形態によれば、光測距装置が提供される。この光測距装置は、対象物に第1パルス幅の光を照射する光源と、前記対象物から反射された光が入射したことを示すパルス信号であって、前記第1パルス幅以上の幅である第2パルス幅のパルス信号を出力する受光要素と、予め定められた時間間隔ごとに、前記受光要素から出力されたパルス信号の数に応じた度数を記録してヒストグラムを生成するヒストグラム生成部と、前記ヒストグラムからピーク形状の終了点を検出するピーク検出部と、前記ピーク形状の終了点に対応する時刻から前記第2パルス幅に相当する時間を差し引いた時刻を用いて前記対象物までの距離を算出する距離算出部と、を備えることを特徴とする。
 この形態の制御装置によれば、受光要素から出力されるパルス信号の第2パルス幅が、光源から照射される光の第1パルス幅以上の幅であるため、ピーク形状の終了点を基準に、その終了点から第2パルス幅に相当する時間を差し引けば、受光要素に対する光の入射時刻を正確に求めることができる。従って、この入射時刻を用いて距離を算出することにより、受光要素に入射する光の強度にかかわらず、対象物までの距離を正確に測定することができる。
 本開示は、光測距装置以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、光測距方法、光測距装置を搭載する車両、光測距装置を制御する制御方法等の形態で実現できる。
 本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図1は、光測距装置の概略構成を示す図であり、 図2は、受光要素の概略構成を示す図であり、 図3は、ヒストグラムの例を示す図であり、 図4は、光の入射強度に応じたヒストグラムを示す図であり、 図5は、第2実施形態におけるヒストグラムを示す図であり、 図6は、第3実施形態におけるピーク検出方法を示す図であり、 図7は、第4実施形態における調整部の第1の態様を示す図であり、 図8は、第4実施形態における第2パルス幅の調整方法を示す図であり、 図9は、第4実施形態における調整部の第2の態様を示す図であり、 図10は、第4実施形態における調整部の第3の態様を示す図であり、 図11は、受光要素の他の構成を示す図であり、 図12は、図11の受光要素から出力されるパルス信号を示す図である。
A.第1実施形態:
 図1に示すように、本開示における第1実施形態としての光測距装置10は、光源20と、受光要素アレイ30と、加算部40と、ヒストグラム生成部50と、ピーク検出部60と、距離算出部70とを備えている。これらのうち、加算部40と、ヒストグラム生成部50と、ピーク検出部60と、距離算出部70とは、回路によって構成されてもよいし、図示していないCPUがプログラムを実行することによってソフトウェア的に実現されてもよい。光測距装置10は、例えば、車両に搭載され、障害物の検出や車両の運転支援に使用される。
 光源20は、距離の測定対象である対象物OBに対して光を照射する装置である。本実施形態では、光源20は、レーザダイオード素子21を備えている。レーザダイオード素子21は、照射光として、第1パルス幅PW1のパルス幅を有し、所定の周期で点滅を繰り返すパルスレーザ光を照射する。なお、本実施形態における光源20は、レーザダイオード素子21を備える光源として構成されているが、固体レーザ等の他の発光装置を備える光源として構成されてもよい。
 受光要素アレイ30は、対象物OBからの反射光の入射に応じてパルス信号を出力可能な受光要素31を複数有する。本実施形態における受光要素31は、図2に示すように、受光素子としてのアバランシェフォトダイオード32や、クエンチング抵抗器33、インバータ回路(NOT回路)34等を含む周知の回路によって構成されている。より具体的には、各受光要素31は、電源と接地ラインとの間に直列にクエンチング抵抗器33とアバランシェフォトダイオード32とが接続され、その接続点にインバータ回路34の入力側が接続されることにより構成されている。クエンチング抵抗器33は電源側に接続され、アバランシェフォトダイオード32は、逆バイアスとなるように接地ライン側に接続されている。受光要素31のことをSPAD(single photon avalanche diode)ともいう。受光要素アレイ30は、こうした受光要素31をアレイ状に配置したシリコンフォトマルチプライヤ(SiPM:Silicon Photo Multipliers)として構成されている。各受光要素31は、ガイガーモードで動作し、対象物OBから反射された光(フォトン)を入力すると、その光を入射したことを示すパルス信号を一定の確率で加算部40に出力する。本実施形態では、受光要素31が出力するパルス信号の第2パルス幅PW2は、光源20が照射する光のパルス幅である第1パルス幅PW1以上の幅になるように予め設定されている。
 加算部40は、受光要素アレイ30に含まれる複数の受光要素31から略同時に出力されたパルス信号の数を加算して加算値を求める。加算部40は、求めた加算値をヒストグラム生成部50に出力する。
 ヒストグラム生成部50は、加算部40から出力された加算値に基づきヒストグラムを生成する。図3には、ヒストグラムの例を示している。ヒストグラムの階級(横軸)は、光が照射されてから反射光が受光されるまでの光の飛行時間を示している。この時間のことを、TOF(TOF:Time Of Flight)ともいう。ヒストグラムの度数(縦軸)は、加算部40によって算出された加算値であり、対象物OBから反射された光の強度を示している。ヒストグラム生成部50は、光源20から照射されるパルスレーザ光の周期に同期した記録タイミングに従って、加算部40から出力された加算値を予め定められた時間間隔ごとに記録することによってヒストグラムを生成する。光源20によって光が照射される範囲に対象物OBが存在すれば、その対象物OBからの反射光が入射する時刻に対応する階級の度数が大きくなる。つまり、ヒストグラムにおいて大きな度数を有する階級が存在すれば、その階級に対応する時刻に基づいて、対象物OBまでの距離を算出することができる。なお、1つのヒストグラムを生成するにあたり、光を複数回照射して度数を積算してもよい。こうすることにより、SN比を向上させることができる。
 ピーク検出部60(図1)は、ヒストグラムからピーク形状の終了点tpk(図3)を検出する。本実施形態において、ピークとは、予め定めた閾値を超える度数を有する階級のことをいう。ピーク形状とは、略山なりの形状であり、隣接するピークの集合である。ピーク形状の終了点tpkとは、図3に示すように、ピーク形状において、時間経過に伴って増加する度数が低下する直前の階級の位置である。
 距離算出部70は、ピーク形状の終了点tpkに対応する時刻から、第2パルス幅PW2に相当する時間を差し引いた時刻tinを用いて、対象物OBまでの距離を算出する。具体的には、時刻tinから光を照射した時刻t0を差し引いた時間を「Δt」、光速を「c」、対象物OBまでの距離を「D」とすると、距離算出部70は、以下の式(1)により、対象物OBまでの距離Dを算出する。距離算出部70は、算出した距離Dを、例えば、車両のECUに出力する。車両のECUは、この距離に基づき、障害物の検出や車両の運転支援を行う。
 D=(Δt×c)/2 ・・・式(1)
 図4には、受光要素アレイ30に対する光の入射強度を3段階に変化させて、ヒストグラムを生成した例を示している。図4に示すように、ヒストグラムでは、光の入射強度が大きくなるほど、光の入射タイミングtin直後から度数が増大する。これは、光の入射強度が大きくなれば、受光要素アレイ30中の各受光要素31から略同時にパルス信号が出力される可能性が高くなり、加算値が大きくなるからである。これに対して、光の入射強度が小さい場合、受光要素アレイ30から略同時にパルス信号が出力される確率は低くなるため、ヒストグラム全体の度数は小さくなる。各受光要素31が光を入射するタイミングtinが同じ場合、各受光要素31から最初に出力されるパルス信号の立ち下がりのタイミングも一致するため、光の入射強度にかかわらず、ピークの終了点tpkの位置は一致する。
 本実施形態では、図3に示したように、ピーク形状の終了点tpkから第2パルス幅PW2に相当する時間を差し引いた時刻tinに基づき、距離Dを算出する。受光要素31から出力されるパルス信号の第2パルス幅PW2は、前述したように、光源20から照射される光の第1パルス幅PW1以上の幅である(PW2≧PW1)。そのため、対象物OBから反射して受光要素31へ入射する入射光のパルス幅(第1パルス幅PW1)よりも、常に、入射光の入射に伴って受光要素31から出力されるパルス信号のパルス幅(第2パルス幅PW2)は等しいか長くなる。この結果、ピーク形状の終了点tpkに対応する時刻から、第2パルス幅PW2に相当する時間を差し引けば、その時刻は、必ず、光の入射タイミングtinになる。図4に示すように、この光の入射タイミングtinは、ピーク形状の終了点tpkと同様に、光の入射強度によって変動することはない。従って、本実施形態によれば、受光要素31に対する光の入射時刻tinを正確に求めることができる。この結果、対象物OBの反射率や外乱光が光測距装置10に対する光の入射強度に影響を与えたとしても、光の入射時刻tinを用いて対象物OBまでの距離Dを正確に測定することができる。
B.第2実施形態:
 上記実施形態では、図3および図4に示したとおり、ヒストグラムに一つのピーク形状が現れている例を説明した。しかし、図5に示すように、ヒストグラムには、外乱光等の影響によりピーク形状が複数出現する場合がある。そのため、第2実施形態では、ピーク検出部60は、ヒストグラム生成部50によって生成されたヒストグラムから、複数のピーク形状を検出し、それらのピーク形状からそれぞれ、ピーク形状の終了点tpkを検出する。そして、距離算出部70は、複数のピーク形状のうち、ピーク形状の幅、つまり、ピーク形状に含まれる階級の数が、他のピーク形状よりも大きいピーク形状の終了点を用いて対象物OBまでの距離を算出する。例えば、距離算出部70は、複数のピーク形状のうち、最大の幅を有するピーク形状の終了点を用いて対象物OBまでの距離を算出してもよい。このように、他のピーク形状の幅よりも大きな幅のピーク形状の終了点tpkを用いて距離を算出することにより、外乱光等の影響によって生じたピークに基づいて距離が算出されることを抑制することができる。なお、距離算出部70は、複数のピーク形状からそれぞれ距離を求め、それぞれの距離を、車両のECUに出力してもよい。この場合、ECUは、入力された複数の距離の中から、所定の基準に基づき真の距離を判断する。例えば、ECUは、前回入力された距離に最も近い距離を、真の距離と判断してもよい。
C.第3実施形態:
 上記実施形態では、ピーク検出部60は、予め定めた閾値とヒストグラムの度数とを比較することによりピーク形状を検出している。これに対して、第3実施形態では、ピーク検出部60は、ヒストグラムの形状と、予め定められた形状とを対比してピーク形状の検出を行う。具体的には、ピーク検出部60は、図6に示すように、予め定められた典型的なピーク形状を呈するテンプレートデータを予めメモリに記憶させておき、このテンプレートデータを用いて、周知のテンプレートマッチング法により、ヒストグラム中、テンプレートデータに相似する部分を検出して、その部分をピーク形状と判断する。こうすることにより、外乱光等の影響によって生じたピークに基づいて距離が算出されることを抑制することができる。
D.第4実施形態:
 第4実施形態の光測距装置10は、第1パルス幅PW1と第2パルス幅PW2とが常に、PW2≧PW1の関係となるように、調整部80(図7,9,10)を備える。調整部80は、受光要素31から出力されたパルス信号から第2パルス幅PW2を測定し、その測定結果に基づき、第1パルス幅PW1および第2パルス幅PW2の少なくとも一方を変更して、第2パルス幅PW2が第1パルス幅PW1以上になるように調整する機能を有する。調整部80は、回路によって構成されてもよいし、ソフトウェアによって構成されてもよい。
 図7には、調整部80の第1の態様を示している。図7に示す調整部80aは、受光要素31に含まれる受光素子(アバランシェフォトダイオード32)に接続されたクエンチング抵抗の抵抗値Rqを変更することにより、第2パルス幅PW2の調整を行う。具体的には、調整部80aは、パルス幅測定器81を備え、更に、クエンチング抵抗器33に代えて、トランジスタ(FET)等によって構成されるクエンチング抵抗回路82を備えている。周知のとおり、トランジスタは、ゲートに印加するゲート電圧Vgに比例してドレイン電流が可変する線形領域を有している。従って、トランジスタに印加するゲート電圧Vgを調整することにより、クエンチング抵抗回路82を、電圧制御可変抵抗素子として扱うことが可能である。パルス幅測定器81は、所定のサンプリング周期で受光要素31から出力されるパルス信号の立ち上がりのタイミングと立ち下がりのタイミングとを検出して、その間の経過時間を第2パルス幅PW2として算出する。パルス幅測定器81は、算出した第2パルス幅PW2が、光源20から照射される光の第1パルス幅PW1以上となるように、クエンチング抵抗回路82に印加するゲート電圧Vgを変更し、クエンチング抵抗回路82の抵抗値Rqを変更する。
 図8は、受光要素31を構成するインバータ回路34の入力電圧と出力電圧との関係を示している。図8の上部には、インバータ回路34の入力電圧V1の時間変化を示し、下部にはインバータ回路34の出力電圧V1outの時間変化を示している。ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード32に光が入射すると、インバータ回路34の入力電圧V1は、受光要素31に印加されるバイアス電圧Vbから、ブレイクダウン電圧Vbdまで急激に降下する。すると、インバータ回路34の出力電圧V1outは、ローレベルからハイレベルに立ち上がる。その後、インバータ回路34の入力電圧V1はバイアス電圧Vbまで回復していく。その回復中に、インバータ回路34の入力電圧V1が、インバータ回路34の閾値電圧THinvを超えると、インバータ回路34からの出力電圧V1outは、ハイレベルからローレベルに立ち下がる。このように動作する受光要素31において、図7に示した調整部80aによってクエンチング抵抗Rqが変更されると、インバータ回路34の入力電圧V1がブレイクダウン電圧Vbdから回復する速度が変更され、それに応じてインバータ回路34の出力電圧V1outのパルス幅(第2パルス幅PW2)が変更される。調整部80aは、このように、第2パルス幅PW2を調整することにより、レーザダイオード素子21や受光要素31の温度依存特性によって第1パルス幅PW1あるいは第2パルス幅PW2が変動した場合であっても、これらのパルス幅が、一定の関係(PW2≧PW1)を保つように自動的に制御を行うことができる。
 図9には、調整部80の第2の態様を示している。図9に示す調整部80bは、受光要素31がパルス信号を生成するために、受光要素31に含まれる受光素子(アバランシェフォトダイオード32)から出力される信号と比較する閾値を変更することにより、パルス幅の調整を行う。具体的には、調整部80bは、パルス幅測定器81を備え、更に、インバータ回路34に代えて、コンパレータ回路83を備えている。コンパレータ回路83には、アバランシェフォトダイオード32から出力される電圧V1が、より具体的には、クエンチング抵抗器33とアバランシェフォトダイオード32の接続点における電圧V1が、入力される。そして、コンパレータ回路83は、その電圧V1と、パルス幅測定器81から出力される基準電圧Vthとを比較し、比較の結果、電圧V1が基準電圧Vthよりも低ければ、コンパレータ回路83からの出力電圧Voutをハイレベルとし、電圧V1が基準電圧Vthよりも高ければ、コンパレータ回路83からの出力電圧Voutをローレベルとする。調整部80bは、このように、コンパレータ回路83に入力する基準電圧Vthをパルス幅測定器81によって可変させることにより、レーザダイオード素子21や受光要素31の温度依存特性によって第1パルス幅PW1と第2パルス幅PW2とが変動した場合であっても、これらのパルス幅が、一定の関係(PW2≧PW1)を保つように自動的に制御を行うことができる。
 図10には、調整部80の第3の態様を示している。図10に示す調整部80cは、パルス幅測定器81を備え、パルス幅測定器81は、レーザダイオード素子21を駆動する駆動回路84に接続されている。駆動回路84は、光源20に備えられており、第1パルス幅PW1の光を生成する回路である。パルス幅測定器81は、第2パルス幅PW2を測定すると、第2パルス幅PW2が第1パルス幅PW1以上となるように、駆動回路84を制御して第1パルス幅PW1を、より具体的には、第1パルス信号の立ち下がりのタイミングを、調整する。このような調整部80cによっても、レーザダイオード素子21や受光要素31の温度依存特性によって第1パルス幅PW1と第2パルス幅PW2とが変動した場合に、これらのパルス幅が、一定の関係(PW2≧PW1)を保つように自動的に制御を行うことができる。
 本実施形態において、調整部80は、第1の調整部80a、第2の調整部80b、第3の調整部80cのうちの2以上を組み合わせることによって構成されてもよい。つまり、調整部80は、受光要素31のクエンチング抵抗と、コンパレータ回路83の基準閾値と、駆動回路84による第1パルス信号の立ち下がりタイミングと、のうちの2以上を調整することによって、第2パルス幅PW2が第1パルス幅PW1以上となるように制御を行ってもよい。
E.他の実施形態:
(E-1)図11には、受光要素31の他の構成を示している。上記実施形態では、図2に示したように、アバランシェフォトダイオード32が接地ライン側に接続され、クエンチング抵抗器33が電源側に接続されている。これに対して、図11に示す受光要素31bは、アバランシェフォトダイオード32が電源側に逆バイアスとなるように接続され、クエンチング抵抗器33が接地ライン側に接続されている。そして、アバランシェフォトダイオード32とクエンチング抵抗器33の接続点には、バッファ回路36が接続されている。
 図12には、受光要素31bを構成するバッファ回路36の入力電圧V2と出力電圧V2outの関係を示している。図12に示すように、図11に示した受光要素31bによっても、図2に示した受光要素31と同様に、パルス信号を生成することが可能である。また、クエンチング抵抗器33を、トランジスタ等を用いて可変抵抗として構成すれば、上述した図7,8を用いて説明した第4実施形態と同様に、第2パルス幅PW2を調整することが可能である。
(E-2)上記実施形態では、光測距装置10は、複数の受光要素31を備えている。しかし、光測距装置10は、受光要素31を1つのみ備えてもよい。この場合、ヒストグラムに良好なピーク形状を発生させるため、1つのヒストグラムを生成するにあたり、光を複数回照射して度数を積算することが好ましい。
(E-3)上記実施形態において、各図に示した第2パルス信号は、アクティブハイ信号(ポジティブパルス)であるが、第2パルス信号は、アクティブロー信号(ネガティブパルス)であってもよい。
 本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

Claims (8)

  1.  光測距装置(10)であって、
     対象物に第1パルス幅の光を照射する光源(20)と、
     前記対象物から反射された光が入射したことを示すパルス信号であって、前記第1パルス幅以上の幅である第2パルス幅のパルス信号を出力する受光要素(31)と、
     予め定められた時間間隔ごとに、前記受光要素から出力されたパルス信号の数に応じた度数を記録してヒストグラムを生成するヒストグラム生成部(50)と、
     前記ヒストグラムからピーク形状の終了点を検出するピーク検出部(60)と、
     前記ピーク形状の終了点に対応する時刻から前記第2パルス幅に相当する時間を差し引いた時刻を用いて前記対象物までの距離を算出する距離算出部(70)と、
     を備える光測距装置。
  2.  請求項1に記載の光測距装置であって、
     複数の前記受光要素を備え、
     複数の前記受光要素から略同時に出力された前記パルス信号の数を加算して加算値を求める加算部(40)を備え、
     前記ヒストグラム生成部は、前記度数として前記加算値を記録して前記ヒストグラムを生成する、光測距装置。
  3.  請求項1または請求項2に記載の光測距装置であって、
     前記ピーク検出部は、前記ヒストグラムから複数のピーク形状を検出可能であり、
     前記距離算出部は、前記複数のピーク形状のうち、ピーク形状の幅が、他のピーク形状の幅よりも大きいピーク形状の終了点を用いて前記対象物までの距離を算出する、光測距装置。
  4.  請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の光測距装置であって、
     前記受光要素から出力されたパルス信号の第2パルス幅を測定し、前記第2パルス幅の測定結果に基づき、前記第1パルス幅および前記第2パルス幅の少なくとも一方を変更して、前記第2パルス幅が前記第1パルス幅以上になるように調整する調整部(80)を備える、光測距装置。
  5.  請求項4に記載の光測距装置であって、
     前記調整部は、前記受光要素に含まれる受光素子に接続されたクエンチング抵抗回路の抵抗値を変更することにより、前記調整を行う、光測距装置。
  6.  請求項4に記載の光測距装置であって、
     前記調整部は、前記受光要素が前記パルス信号を生成するために、前記受光要素に含まれる受光素子から出力される電圧と比較する閾値を変更することにより、前記調整を行う、光測距装置。
  7.  請求項4に記載の光測距装置であって、
     前記調整部は、前記光源に備えられ前記第1パルス幅の光を生成する駆動回路を制御することにより前記調整を行う、光測距装置。
  8.  請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の光測距装置であって、
     前記ピーク検出部は、前記ヒストグラムの形状と、予め定められた形状とを対比して前記ピーク形状を検出する、光測距装置。
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