WO2021182224A1

WO2021182224A1 - 測定装置

Info

Publication number: WO2021182224A1
Application number: PCT/JP2021/008134
Authority: WO
Inventors: 田中　秀明
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2021-09-16
Also published as: JP7476583B2; US20230003851A1; JP2021143907A

Abstract

車両に搭載される測定装置（１）であって、発光部（３０）と、少なくとも１つの受光素子（Ｄ０～Ｄ１０）と、測定部（４４）と、モニタ回路（４６）と、調整部（Ｓ４００～Ｓ４４０）とを備える。調整部（Ｓ４００～Ｓ４４０）は、基準光（１５０）を受光した少なくとも１つの受光素子（Ｄ０～Ｄ１０）からの受光信号に基づきモニタ回路（４６）が生成したモニタ信号に基づき、少なくとも１つの受光素子（Ｄ０～Ｄ１０）の感度を調整する。

Description

測定装置

関連出願の相互参照

　本国際出願は、２０２０年３月１１日に日本国特許庁に出願された日本国特許出願第２０２０－４２０５０号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願第２０２０－４２０５０号の全内容を本国際出願に参照により援用する。

　本開示は、パルス光を照射することで物体の測定を行う測定装置に関する。

　パルス光を照射すると共に、パルス光の反射光をＡＰＤ等の受光素子により受光し、物体の距離等を測定する測定装置が知られている。このような測定装置においては、受光素子の増倍率を好適に調整する必要がある。これに対し、特許文献１に開示されたＡＰＤ等の受光素子の調整方法では、基準光源から受光素子に基準光が照射される。そして、基準光を受光した受光素子から出力される信号を監視しながら、受光素子のバイアス電圧を変化させることで、増倍率が目標値となるバイアス電圧がサーチされる。

特開平８－５４４６８号公報

　しかしながら、発明者の詳細な検討の結果、特許文献１に開示された技術では、増倍率の調整に必要な構成が複雑化する可能性があるという課題が見出された。すなわち、増倍率の調整に用いられる基準光として、物体の距離の測定時と同様、パルス光が用いられる場合が想定される。このような場合、パルス光のＯＮ期間に受光素子の信号を監視する必要がある。しかし、パルス光のＯＮ期間は短いため、受光素子の信号の監視タイミングを、パルス光のＯＮ期間に同期させるために必要な構成が複雑化すると考えられる。

　本開示の１つの局面は、より簡易的に受光素子の調整を行うことができる測定装置を提供することにある。

　本開示の一態様の測定装置は、車両に搭載され、発光部と、少なくとも１つの受光素子と、測定部と、モニタ回路と、調整部とを備える。発光部は、パルス光を照射する。少なくとも１つの受光素子は、予め設定された感度で受光量に応じた受光信号を出力する素子であって、発光部により照射されたパルス光の反射光を受光するよう構成される。測定部は、反射光を受光した少なくとも１つの受光素子から出力される受光信号に基づき、物体の測定を行うよう構成される。モニタ回路は、少なくとも１つの受光素子から出力される受光信号に基づき、少なくとも１つの受光素子の受光量を示すモニタ信号を生成するよう構成される。調整部は、強さが予め定められたレベルに固定されている基準光を受光した少なくとも１つの受光素子からの受光信号に基づきモニタ回路が生成したモニタ信号に基づき、少なくとも１つの受光素子の感度を調整するよう構成される。

　上記構成によれば、受光素子の感度を調整する際には、強さが予め定められたレベルに固定されている基準光が受光素子に照射される。このため、基準光が受光素子に照射されているタイミングと、モニタ信号を監視するタイミングとを容易に同期させることができる。したがって、より簡易的に受光素子の調整を行うことができる。

測定装置のブロック図である。測定装置における受光素子等と、調整装置とのブロック図である。調整工程のフローチャートである。電圧サーチ処理のフローチャートである。

　以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。

　［１．構成］
　本実施形態の測定装置１は、例えばＣＡＮ（登録商標）等の車内ネットワークに接続された状態で車両（以後、自車両）に搭載される（図１参照）。測定装置１は、パルス状のレーザー光（以後、パルス光１００）を発射する。そして、測定装置１は、パルス光１００の発射後、その反射光を受光するまでの経過時間に基づき、自車両と、パルス光１００が反射した反射点との間の距離を測定する。これにより、自車両と、自車両前方に存在する物体との間の距離が測定される。なお、これに限らず、測定装置１は、反射光の受光に基づき、例えば、自車両前方に存在する物体の速度を測定しても良いし、該物体の有無を検出しても良い。

　測定装置１は、制御部１０、通信部２０、発光部３０、及び、受光部４０を備える。以下では、測定装置１における各部位について説明する。

　［２．制御部、通信部、及び発光部］
　制御部１０は、測定装置１を統括制御する部位であり、ＣＰＵ１１と、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ（以後、メモリ１２とする）とを有するマイクロコンピュータとを備える。また、制御部１０は、Ａ／Ｄコンバータ１３と、Ｄ／Ａコンバータ１４とを備える（図２参照）。

　ＣＰＵ１１は、メモリ１２に保存されているプログラムを実行する。ＣＰＵ１１が非遷移的実体的記憶媒体に格納されたプログラムを実行することにより、測定装置１の各機能が実現される。本実施形態では、メモリ１２が、該プログラムを格納した非遷移的実体的記憶媒体に該当する。また、該プログラムが実行されることで、該プログラムに対応する方法が実行される。なお、測定装置１は、１つのマイクロコンピュータを備えても良いし、複数のマイクロコンピュータを備えても良い。また、測定装置１の機能を実現する手法はソフトウェアに限るものではなく、その一部又は全部の機能は、電子回路を用いて実現されても良い。この場合、電子回路は、デジタル回路、又は、アナログ回路、あるいはこれらの組み合わせとして構成されていても良い。

　Ａ／Ｄコンバータ１３は、後述するモニタ回路４６から入力されたモニタ信号のＡ／Ｄ変換を行い、変換結果をＣＰＵ１１に出力する。

　Ｄ／Ａコンバータ１４は、ＣＰＵ１１により設定されたバイアス電圧の値のＤ／Ａ変換を行い、該値を示すアナログ信号であるバイアス電圧信号を生成する。そして、Ｄ／Ａコンバータ１４は、バイアス電圧信号をバイアス制御回路４５に出力する。なお、バイアス電圧信号及びバイアス制御回路４５については、後述する。

　通信部２０は、車内ネットワークと接続され、ＥＣＵ２と通信を行う。測定装置１による距離の測定結果は、車内ネットワークを介して、例えば運転支援又は自動運転等を行うＥＣＵ２に送信される。

　発光部３０は、制御部１０からの指示に応じて、自車両前方にパルス光１００を照射する。

　［３．受光部］
　受光部４０は、光学系４１と、複数の受光素子Ｄ０～Ｄ１０を備える受光回路４２と、各受光素子に対応して設けられた複数の増幅回路４３と、距離測定回路４４と、バイアス制御回路４５と、モニタ回路４６とを備える（図１、２参照）。

　光学系４１は、図示しない集光レンズ及び光路変更部を有し、集光レンズを介して反射光を受光する。そして、光学系４１は、制御部１０からの指示に応じて、ミラー等を有する光路変更部を回転変位させることで、受光した反射光をいずれかの受光素子Ｄ０～Ｄ１０に照射する。

　受光回路４２は、複数（本実施形態では、一例として１１個）の受光素子Ｄ０～Ｄ１０を備える。無論、受光素子の数は１１個に限らず、例えば、受光回路４２には１つ又は複数の受光素子が設けられていても良い。また、本実施形態では、一例として、受光素子は、アバランシェ・フォトダイオード（以後、ＡＰＤ）として構成される。

　複数の受光素子Ｄ０～Ｄ１０は、車幅方向（換言すれば、水平方向）に沿って一列に配置されており、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０は、車幅方向に広がる１１の方位θ０～θ１０のいずれかに対応付けられている。光学系４１は、各方位から到来する反射光を、該方位に対応する受光素子に照射する。そして、対応する方位からの反射光を受光した受光素子は、光電変換作用により、その受光量に応じた受光信号を出力する。

　また、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０は、増倍率を調整可能となっており、増倍率に応じた電圧値の受光信号を出力する。つまり、受光素子の増倍率は、受光素子の感度に相当し得る。受光素子の増倍率は、当該受光素子に入力されるバイアス電圧に応じて定められる。

　バイアス制御回路４５は、制御部１０のＤ／Ａコンバータ１４により入力されたバイアス電圧信号に応じたバイアス電圧を、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０に入力する。なお、本実施形態では、Ｄ／Ａコンバータ１４からバイアス制御回路４５に対し、１つのバイアス電圧信号のみを入力可能となっている。そして、バイアス制御回路４５は、該バイアス電圧信号に応じた同一の値のバイアス電圧を、全ての受光素子Ｄ０～Ｄ１０に入力する。つまり、本実施形態では、制御部１０は、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０のバイアス電圧の値を、一律に設定するよう構成されている。

　しかしながら、例えば、制御部１０は、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０のバイアス電圧の値を個別に設定しても良い。そして、バイアス制御回路４５は、制御部１０からの指示に応じて、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０に対し個別に設定されたバイアス電圧を入力しても良い。

　各増幅回路４３は、対応する受光素子に接続されており、該受光素子から出力される受光信号を増幅して距離測定回路４４に出力する。

　距離測定回路４４には、増幅回路４３により増幅された各受光素子Ｄ０～Ｄ１０の受光信号に基づき、発光部３０によるパルス光１００の発射から、該パルス光１００の反射光を受光するまでの経過時間を測定する。そして、距離測定回路４４は、該経過時間を、自車両から反射点までの距離に換算し、算出した距離を制御部１０に出力する。

　モニタ回路４６は、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０におけるＤＣ光の受光量を測定するために設けられる。ＤＣ光とは、発光部３０が照射するパルス状のパルス光１００等と比べ、強度が緩やかに変動する光である。換言すれば、ＤＣ光は、パルス状のパルス光１００等よりも単位時間あたりの強度の変動幅が小さい。なお、太陽光等の自然光は、ＤＣ光に該当し得る。

　モニタ回路４６は、図示しない選択回路により、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０との接続状態が制御される。また、モニタ回路４６は、選択回路を介して接続された１つ又は複数の受光素子Ｄ０～Ｄ１０から入力された受光信号を増幅し、増幅した受光信号であるモニタ信号を、制御部１０のＡ／Ｄコンバータ１３に出力する。そして、制御部１０は、Ａ／Ｄコンバータ１３を介して検出されたモニタ信号の電圧値に基づき、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０における受光量を測定する。

　［４．距離の測定について］
　制御部１０は、周期的なタイミングで発光部３０によりパルス光１００を照射する。一方、光学系４１は、各方位θ０～θ１０から到来する光を、順番に対応する受光素子に照射するよう構成されており、これにより、各方位からの反射光が、該方位に対応する受光素子に導かれる。

　そして、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０は、受光量に応じた受光信号を距離測定回路４４に出力する。一方、距離測定回路４４は、受光信号に基づき反射光の受光を検出すると共に、パルス光１００を照射してからその反射光を受光するまでの経過時間を測定し、測定結果に基づき、自車両とパルス光１００の反射点との間の距離を測定する。そして、制御部１０は、距離測定回路４４から距離の測定結果を取得し、これにより、自車両と、自車両前方に存在する物体との間の距離が測定される。

　ところで、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０から出力される受光信号には、上述したＤＣ光の受光等により生じる雑音成分が含まれ得る。そして、受光信号に含まれる雑音成分が大きい場合には、反射点の測定結果に誤差が生じ易くなる。

　そこで、制御部１０は、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０が反射光を受光しないタイミングで、受光素子の受光信号を増幅して得られたモニタ信号の電圧値を測定し、測定結果に基づき、受光素子におけるＤＣ光の受光量を測定する。つまり、モニタ信号は受光素子の受光量を示し、モニタ信号に基づき、受光素子に含まれる雑音成分が検出される。そして、制御部１０は、ＤＣ光の受光量の多い受光素子を特定し、特定した受光素子により得られた反射点の測定結果を破棄する。これにより、雑音成分を多く含む受光信号を用いること無く、物体の距離の測定が行われる。

　［５．受光素子の調整］
　測定装置１の製造工程では、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０の増倍率を目標値（以後、Ｔ）に設定する調整工程が設けられている。なお、本実施形態では、Ｔは、一例として１７となっている。増倍率の設定は、調整装置２００により各受光素子Ｄ０～Ｄ１０に基準光１５０を照射することで行われる（図２参照）。基準光１５０とは、その強さが予め定められたレベルに固定された光である。基準光１５０は、上述したＤＣ光に相当し、少なくとも増倍率の設定を行う間は、基準光１５０の強さは同一レベルに維持される。

　本実施形態では、一例として、調整工程は、測定装置１の組み立てが完了する前の段階で行われる。以下では、調整工程に作業者により行われる作業について、図３のフローチャートを用いて詳しく説明する。

　（１）調整工程について
　調整工程では、まず、調整装置２００が測定装置１の制御部１０に接続される。調整装置２００は、基準光源２１０と、基準光源２１０を駆動する駆動回路２２０を備える。そして、制御部１０は、駆動回路２２０を介して、基準光源２１０に対し、基準光１５０の照射を開始させる（Ｓ３００）。

　続いて、制御部１０等が搭載された測定装置１の制御基板に検査基板２５０が接続される（Ｓ３０５）。また、基準光１５０が各受光素子Ｄ０～Ｄ１０に到達可能となるよう、組み立て中の測定装置１に含まれる各部品が配置される。

　なお、検査基板２５０は、後述する電圧サーチ処理にて用いられる。すなわち、本実施形態では、バイアス制御回路４５を介して設定可能なバイアス電圧の値の範囲に制限が課せられている。つまり、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０に設定可能なバイアス電圧の範囲の一部（以後、制限範囲）は、バイアス制御回路４５を介して設定することができない。具体的には、本実施形態では、増倍率が１となるバイアス電圧の値を含む範囲が、制限範囲となる。しかし、後述する電圧サーチ処理では、バイアス電圧を制限範囲の値に設定する必要があり、このような場合には、検査基板２５０を介してバイアス電圧が設定される。つまり、バイアス電圧を制限範囲の値に設定する場合には、制御部１０からの指示に応じて、検査基板２５０が、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０に対し直接バイアス電圧を入力する。無論、制限範囲が設けられていない場合には、検査基板２５０の接続は不要となる。

　続くＳ３１０では、測定装置１の制御部１０は、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０について、増幅率がＴとなるバイアス電圧の値（以後、目標電圧値）をサーチする電圧サーチ処理を開始する。具体的には、制御部１０は、例えば、検査基板２５０の接続を検出した際に、電圧サーチ処理を開始しても良いし、作業者等により行われた開始操作を検出した際に、電圧サーチ処理を開始しても良い。

　続くＳ３１５では、制御部１０は、電圧サーチ処理によりサーチされた各受光素子Ｄ０～Ｄ１０の目標電圧値の中央値を、バイアス電圧の設定値としてメモリ１２に記憶する。この他にも、制御部１０は、例えば、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０の目標電圧値の平均値を、バイアス電圧の設定値としても良い。その後、基準光１５０の照射が停止されると共に（Ｓ３２０）、測定装置１の制御基板と検査基板２５０との接続が解除され（Ｓ３２５）、調整工程が終了する。

　以後、測定装置１の制御部１０は、測定装置１による測定が開始されると、メモリ１２からバイアス電圧の設定値を読み出す。そして、制御部１０は、Ｄ／Ａコンバータ１４を介して、バイアス制御回路４５に対し、設定値に応じたバイアス電圧信号を出力する。これにより、バイアス制御回路４５を介して、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０のバイアス電圧が設定値となる。

　（２）電圧サーチ処理について
　次に、調整工程のＳ３１０にて実行される電圧サーチ処理について、図４のフローチャートを用いて説明する。なお、上述したように、電圧サーチ処理は、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０に対応して実行される。このため、電圧サーチ処理は、測定装置１に設けられた受光素子の数に相当する回数にわたって実行される。

　Ｓ４００では、制御部１０は、電圧サーチ処理の対象となる受光素子（以後、対象受光素子）に基準光１５０が照射されるように光学系４１における光路変更部を回転変位させ、Ｓ４０５に移行する。

　Ｓ４０５では、制御部１０は、対象受光素子の増倍率が１となるように、検査基板２５０を介して、対象受光素子のバイアス電圧を予め定められた基準値に設定する。なお、バイアス電圧の値に制限範囲が設けられていない場合には、バイアス制御回路４５を介してバイアス電圧が設定される。

　続くＳ４１０では、調整設備２００は、制御部１０からの指示に応じて、基準光源２１０に設けられた図示しないシャッタを閉鎖することで、対象受光素子への基準光１５０の照射を遮断する。そして、制御部１０は、モニタ回路４６を介して、対象受光素子からの受光信号を増幅したモニタ信号の電圧値（以後、Ｖ０）を測定する（Ｓ４１５）。

　Ｓ４２０では、調整設備２００は、制御部１０からの指示に応じてシャッタを開放することで、対象受光素子に基準光１５０が照射されるようにする。続いて、制御部１０は、基準光が照射された対象受光素子からの受光信号を増幅したモニタ信号の電圧値（以後、Ｖ１）を測定する（Ｓ４２５）。

　そして、Ｓ４３０～Ｓ４４０では、制御部１０は、対象受光素子の増倍率がＴとなるバイアス電圧の値をサーチする。具体的には、対象受光素子の増倍率がＴである場合に、対象受光素子からの受光信号を増幅したモニタ信号の電圧値（以後、Ｖｔ）は、（Ｖ１－Ｖ０）×α＝Ｖｔ－Ｖ０という関係を満たす。なお、αは、Ｔに応じて定められた係数である。制御部１０は、モニタ信号の電圧値（以後、Ｖ）を監視しつつ、バイアス制御回路４５又は検査基板２５０を介して、バイアス電圧の値を基準値から徐々に増加させ、Ｖ＝Ｖｔとなるバイアス電圧の値をサーチする。

　すなわち、Ｓ４３０では、制御部１０は、バイアス電圧を所定値増加させ、その後、Ｖを測定する（Ｓ４３５）。続くＳ４４０では、制御部１０は、Ｖ－Ｖ０が（Ｖ１－Ｖ０）×α以上であるか否かを判定することで、現在のバイアス電圧の値が、対象受光素子の増倍率がＴとなるときの値であるか否かを判定する。そして、制御部１０は、肯定判定が得られた場合には（Ｓ４４０：Ｙｅｓ）、現在のバイアス電圧の値を対象受光素子の目標電圧値として保存し、否定判定が得られた場合には（Ｓ４４０：Ｎｏ）、本処理を終了する。

　［６．効果］
　本実施形態によれば、以下の効果を奏する。

　（１）上記実施形態によれば、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０の増倍率を調整する際には、強さが予め定められたレベルに固定されている基準光１５０が各受光素子Ｄ０～Ｄ１０に照射される。このため、基準光１５０が各受光素子Ｄ０～Ｄ１０に照射されているタイミングと、モニタ信号を監視するタイミングとを容易に同期させることができる。したがって、より簡易的に各受光素子Ｄ０～Ｄ１０の調整を行うことができる。

　（２）また、モニタ回路４６は、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０の受光信号に含まれる雑音成分の検出に用いられる。このため、物体の距離の測定のために測定装置１に設けられた構成を有効活用しながら、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０の調整を行うことができる。

　（３）また、測定装置１には、複数の受光素子Ｄ０～Ｄ１０が設けられている。このため、物体の距離を精度良く測定できる。

　［７．他の実施形態］
　以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

　（１）上記実施形態では、測定装置１の製造工程で各受光素子Ｄ０～Ｄ１０の増倍率が調整される。しかしながら、測定装置１の製造後に、上記実施形態と同様にして各受光素子Ｄ０～Ｄ１０に基準光１５０を照射することで、増倍率が調整されても良い。具体的には、例えば、測定装置１のユーザ、又は測定装置１の整備を行う業者が、基準光１５０を用いつつ測定装置１に上述した電圧サーチ処理を実行させることで、増倍率が調整されても良い。

　（２）上記実施形態では、モニタ回路４６は、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０の受光信号に含まれる雑音成分の検出に用いられる。しかしながら、モニタ回路４６は、各受光素子Ｄ０～Ｄ１０の増倍率の調整を行うために専用に設けられた回路として構成されていても良い。

　（３）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。

　［８．文言の対応関係］
　測定装置１における距離測定回路４４が測定部に相当し、制御部１０が検出部に相当し、電圧サーチ処理のＳ４００～Ｓ４４０が調整部に相当する。

Claims

　車両に搭載される測定装置（１）であって、
　パルス光（１００）を照射するよう構成された発光部（３０）と、
　予め設定された感度で受光量に応じた受光信号を出力する素子であって、前記発光部により照射された前記パルス光の反射光を受光するよう構成された素子である少なくとも１つの受光素子（Ｄ０～Ｄ１０）と、
　前記反射光を受光した前記少なくとも１つの受光素子から出力される前記受光信号に基づき、物体の測定を行うよう構成された測定部（４４）と、
　前記少なくとも１つの受光素子から出力される前記受光信号に基づき、前記少なくとも１つの受光素子の受光量を示すモニタ信号を生成するよう構成されたモニタ回路（４６）と、
　強さが予め定められたレベルに固定されている基準光（１５０）を受光した前記少なくとも１つの受光素子からの前記受光信号に基づき前記モニタ回路が生成した前記モニタ信号に基づき、前記少なくとも１つの受光素子の前記感度を調整するよう構成された調整部（Ｓ４００～Ｓ４４０）と、
　を備える測定装置。
　請求項１に記載された測定装置において、
　前記モニタ信号に基づき、前記受光信号に含まれる雑音成分を検出するよう構成された検出部（１０）をさらに備える
　測定装置。
　請求項１又は請求項２に記載された測定装置において、
　前記少なくとも１つの受光素子として、複数の受光素子を備える
　測定装置。