JP2010091377A - 光学式測距装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外乱光が多く且つ変動する環境においても不要な測定を減少させて正しく動作する光学式測距装置及び方法を提供する。
【解決手段】ヒストグラム回路３３７が、投光部２０のパルス光投光時間とアバランシェフォトダイオード３３２のパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して時間差のヒストグラムを作成し、信号処理回路３３８が、ヒストグラム回路３３７が作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する３Ｄカメラ１０において、信号処理回路３３８は、ヒストグラム回路３３７が作成したヒストグラムの信頼度を算出し、算出したヒストグラムの信頼度が閾値以上である場合に、ヒストグラム回路３３７にヒストグラムの作成を停止させる。これにより、外乱光が多く且つ変動する環境でも、ヒストグラムの信頼度が高いときにヒストグラムの作成を停止し、不要な測定及び演算を減らす。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学式測距装置及び方法に関し、特には、対象物に照射した照射光が対象物上で反射して戻ってくるまでの時間に基づいて対象物までの距離を測定する光学式測距装置及び方法に関する。

従来、対象物に照射した照射光が対象物上で反射して戻ってくるまでの時間（ＴＯＦ：time of flight）に基づいて対象物までの距離を測定する装置が提案されている。このような装置では、自ら発光した光以外はノイズであるため、太陽光等の外乱光の影響を除去することが必要となる。ＴＯＦを繰り返し測定して、ＴＯＦのヒストグラムを作成し、その極大値を抽出することで、外乱光が存在しても正しくＴＯＦを抽出することが可能となる。しかし、高精度でＴＯＦのヒストグラムの極大値を抽出するためには、多数のＴＯＦの測定回数が必要となり、測定時間が長くなる。測定時間が長くなると、動く対象物を測定したときに誤差を生じる。

そこで、例えば、特許文献１では、本測定の前に、遠近判定のための予備測定を実施する距離測定装置が提案されている。この装置では、予備測定においても、複数回の測定を行い、ＴＯＦのヒストグラムを作成する。この装置の遠近判定部は、このヒストグラムの内、Ｔ_１以上Ｔ_ｐ以下の範囲で、度数が定められた度数閾値ｎ以上となるものがあるかどうかを判別する。もし、度数閾値ｎ以上となるものがあれば、近距離に存在する測定対象物からの反射光が得られたとして、近距離モードにセットされる。もし、度数閾値ｎ以上となるものが無ければ、測定対象物は近距離に無いものとして、遠距離モードにセットされる。そして、本測定において、近距離モードの場合は、反射光の強さが強く、背光ノイズの影響を受けにくいので、遠距離モードに比べて測定回数を少なくして距離測定が行なわれる。
特開２００６−３２２８３４号公報

上記技術では、対象物の距離が近いほど背景ノイズの影響を受けにくいため、少ない測定回数で所定の精度が得られるという考えに基づいている。ところが、距離の測定精度は、光学的ＳＮ比と測定回数に依存するため、対象物との距離以外にも、照射光の強度、対象物の反射率、及び背景ノイズの強さに依存する。したがって、背景ノイズが大きく変化する場合や、対象物の反射率が通常と大きく異なる場合に、適切な測定回数に設定することができないという問題がある。

本発明は、このような実情に鑑みなされたものであり、その目的は、外乱光が多く且つ変動する環境においても正しく動作する光学式測距装置及び方法を提供することにある。

本発明は、対象物へパルス光を繰り返し照射する投光手段と、対象物から投光手段が照射したパルス光の反射パルス光を繰り返し受光する受光手段と、投光手段がパルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、受光手段が反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、時間差のヒストグラムを作成するヒストグラム作成手段と、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する距離算出手段と、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの信頼度を算出する信頼度算出手段と、信頼度算出手段が算出したヒストグラムの信頼度が閾値以上である場合に、ヒストグラム作成手段にヒストグラムの作成を停止させるヒストグラム作成停止手段と、を備えた光学式測距装置である。

この構成によれば、ヒストグラム作成手段が、投光手段がパルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と受光手段が反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して時間差のヒストグラムを作成し、距離算出手段が、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する光学式測距装置において、信頼度算出手段は、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの信頼度を算出し、ヒストグラム作成停止手段は、信頼度算出手段が算出したヒストグラムの信頼度が閾値以上である場合に、ヒストグラム作成手段にヒストグラムの作成を停止させるため、外乱光が多く且つ変動する環境においても、ヒストグラムの信頼度が高いときにヒストグラムの作成を停止することにより、不要な測定及び演算を減らすことができる。

また、本発明は、対象物へパルス光を繰り返し照射する投光手段と、対象物から投光手段が照射したパルス光の反射パルス光を繰り返し受光する受光手段と、投光手段がパルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、受光手段が反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、時間差のヒストグラムを作成するヒストグラム作成手段と、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する距離算出手段と、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの信頼度を算出する信頼度算出手段と、信頼度算出手段が算出したヒストグラムの信頼度が閾値以下である場合に、距離算出手段による距離の算出を不能であるとする測定不能検出手段と、を備えた光学式測距装置である。

この構成によれば、ヒストグラム作成手段が、投光手段がパルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と受光手段が反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して時間差のヒストグラムを作成し、距離算出手段が、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する光学式測距装置において、信頼度算出手段は、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの信頼度を算出し、測定不能検出手段は、信頼度算出手段が算出したヒストグラムの信頼度が閾値以下である場合に、距離算出手段による距離の算出を不能であるとするため、外乱光が多く且つ変動する環境において、ヒストグラムの信頼度が低いときに距離の算出を不能であるとすることにより、誤った測定結果を出力することを防止することができる。

さらに、本発明は、対象物へパルス光を繰り返し照射する投光手段と、対象物から投光手段が照射したパルス光の反射パルス光を繰り返し受光する受光手段と、投光手段がパルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、受光手段が反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、時間差のヒストグラムを作成するヒストグラム作成手段と、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する距離算出手段と、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの信頼度を算出する信頼度算出手段と、信頼度算出手段が算出したヒストグラムの信頼度が第１の閾値以上である場合に、ヒストグラム作成手段にヒストグラムの作成を停止させるヒストグラム作成停止手段と、信頼度算出手段が算出したヒストグラムの信頼度が第２の閾値以下である場合に、距離算出手段による距離の算出を不能であるとする測定不能検出手段と、を備えた光学式測距装置である。

この構成によれば、ヒストグラム作成手段が、投光手段がパルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と受光手段が反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して時間差のヒストグラムを作成し、距離算出手段が、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する光学式測距装置において、信頼度算出手段は、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの信頼度を算出し、ヒストグラム作成停止手段は、信頼度算出手段が算出したヒストグラムの信頼度が第１の閾値以上である場合に、ヒストグラム作成手段にヒストグラムの作成を停止させるため、外乱光が多く且つ変動する環境においても、ヒストグラムの信頼度が高いときにヒストグラムの作成を停止することにより、不要な測定及び演算を減らすことができる。

また、測定不能検出手段は、信頼度算出手段が算出したヒストグラムの信頼度が第２の閾値以下である場合に、距離算出手段による距離の算出を不能であるとするため、外乱光が多く且つ変動する環境において、ヒストグラムの信頼度が低いときに距離の算出を不能であるとすることにより、誤った測定結果を出力することを防止することができる。

この場合、信頼度算出手段が算出する信頼度は、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの極大値の先鋭度を表わす値であることが好適である。

この構成によれば、信頼度算出手段は、光学的ＳＮが大きいときにはヒストグラムの極大値がより先鋭になり、小さいときには不明瞭になることを利用してヒストグラムの先鋭度を表わす値をヒストグラムの信頼度とする。このため、照射光と外乱光との大きさの比に応じて適切にヒストグラムの信頼度を算出することができる。

また、信頼度算出手段は、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムにおける時間差の計測数が多いほど信頼度を大きく算出し、時間差の計測数が少ないほど信頼度を小さく算出することが好適である。

この構成によれば、信頼度算出手段は、計測度数を考慮するため、少ない測定回数で偶発的にヒストグラムの極大値が先鋭化された場合でも、正しく信頼度を算出することができる。

また、信頼度算出手段は、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムにおける極大値を示すビンの計測数Ａ、全てのビン及び全てのビンから極大値を示すビンを除いた残りのビンのいずれかの計測数の平均値Ｎに対して、信頼度をＡ／Ｎとして算出するものとできる。

この構成によれば、信頼度算出手段は、簡易な手法により信頼度を算出することができる。

あるいは、信頼度算出手段は、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムにおける極大値を示すビンの計測数Ａ、全てのビン及び全てのビンから極大値を示すビンを除いた残りのビンのいずれかの計測数の平均値Ｎ、０．５≦α≦３、０．５≦β≦３、全てのビンの数ｎに対して、信頼度を、信頼度＝（Ａ−α・Ａ^１／２）／〔Ｎ＋β・｛（Ｎ／（ｎ−１）｝^１／２〕として算出するものとできる。

この構成によれば、ショットノイズの量に基づいて信頼度を算出することができるため、少ない検出数のときに偶発的に誤った位置でヒストグラムが先鋭化されてもより正確に信頼度を求めることができる。

さらに、極大値を示すビンは隣接する複数のビンからなり、当該複数のビンの計測数の平均値を、極大値を示すビンの計測数Ａとするものとできる。

この構成によれば、パルス光のパルス時間幅がビンの時間幅に比べて長く、極大値を示すビンが隣接する複数のビンからなる場合であっても、極大値を示すビンの計測数Ａを適切に求めることができる。

一方、本発明は、対象物へパルス光を繰り返し照射する工程と、対象物から照射したパルス光の反射パルス光を繰り返し受光する工程と、パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、時間差のヒストグラムを作成する工程と、作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する工程と、作成したヒストグラムの信頼度を算出する工程と、算出したヒストグラムの信頼度が閾値以上である場合に、ヒストグラムの作成を停止する工程と、を備えた光学式測距方法である。

あるいは本発明は、対象物へパルス光を繰り返し照射する工程と、対象物から照射したパルス光の反射パルス光を繰り返し受光する工程と、パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、時間差のヒストグラムを作成する工程と、作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する工程と、作成したヒストグラムの信頼度を算出する工程と、算出したヒストグラムの信頼度が閾値以下である場合に、距離の算出を不能であるとする工程と、を備えた光学式測距方法である。

さらに、本発明は、対象物へパルス光を繰り返し照射する工程と、対象物から投光手段が照射したパルス光の反射パルス光を繰り返し受光する工程と、パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、時間差のヒストグラムを作成する工程と、作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する工程と、作成したヒストグラムの信頼度を算出する工程と、算出したヒストグラムの信頼度が第１の閾値以上である場合に、ヒストグラムの作成を停止する工程と、算出したヒストグラムの信頼度が第２の閾値以下である場合に、距離の算出を不能であるとする工程と、を備えた光学式測距方法である。

この場合、算出する信頼度は、作成したヒストグラムの極大値の先鋭度を表わす値であることが好適である。

また、作成したヒストグラムにおける時間差の計測数が多いほど信頼度を大きく算出し、時間差の計測数が少ないほど信頼度を小さく算出することが好適である。

また、作成したヒストグラムにおける極大値を示すビンの計測数Ａ、全てのビン及び全てのビンから極大値を示すビンを除いた残りのビンのいずれかの計測数の平均値Ｎに対して、信頼度をＡ／Ｎとして算出するものとできる。

あるいは、作成したヒストグラムにおける極大値を示すビンの計測数Ａ、全てのビン及び全てのビンから極大値を示すビンを除いた残りのビンのいずれかの計測数の平均値Ｎ、０．５≦α≦３、０．５≦β≦３、全てのビンの数ｎに対して、信頼度を、信頼度＝（Ａ−α・Ａ^１／２）／〔Ｎ＋β・｛（Ｎ／（ｎ−１）｝^１／２〕として算出するものとできる。

さらに、極大値を示すビンは隣接する複数のビンからなり、当該複数のビンの計測数の平均値を、極大値を示すビンの計測数Ａとするものとできる。

本発明の光学式測距装置及び方法によれば、外乱光が多く且つ変動する環境においても、正しく動作する光学式測距装置とできる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、本発明に係る光学式測距装置の種別について説明する。レーザ光線により対象物との距離を測定するレーザレンジファインダ（レーザ測距装置）には、スキャン型と非スキャン型とがある。

スキャン型は、レーザビームをスキャンしつつ対象物に繰返し照射して、その反射光を一つの受光素子で受光する。スキャン型は、コリメートした光を照射するので、対象物上でのパワー密度は比較的大きくなり、光学的ＳＮ比を大きくすることができる。しかしながら、スキャン型は、距離の空間分布を高解像度で得るためには、高密度スキャンが必要となり、スキャン時間が増大する。そこで、スキャン型は、即時性が要求される自動車における用途では、スキャン時間を短縮するため、水平方向は高密度でスキャンして、鉛直方向は数ラインのみスキャンすることが一般的である。

一方、非スキャン型は、測定対象をカバーする広がりのある光を照射して、その反射光を２次元アレイ化した受光素子に結像させて受光する。非スキャン型では、一度の光照射で多点の距離を同時に測定することができるので、高解像度の空間分布を高速に得ることができるメリットがある。その反面、非スキャン型では、照射光等のノイズ成分の除去が重要となる。

図１は、実施形態に係る非スキャン型のレーザレンジファインダである３Dカメラ１０の構成を示すブロック図である。上述した非スキャン型レーザレンジファインダは３Ｄカメラとも呼ばれ、図１に示すように、対象物Ｏに照射光Ｌ１を照射する投光部２０と対象物Ｏからの反射光Ｌ２を受光する受光部３０とで構成される。

投光部２０は、クロック発生回路２１、回路基板２２、駆動回路２３、複数のレーザダイオード２４からなるレーザダイオードアレイ、フレネルレンズ２５、及び拡散板２６を備えている。クロック発生回路２１は、投光部２０及び受光部３０を動作させるためのクロック信号ＣＬＫ１，ＣＬＫ２を発生させる。各レーザダイオード２４は回路基板２２上に配列され、駆動回路２３及びフレネルレンズ２５を備えている。各レーザダイオード２４が発生させたレーザ光は拡散板２６で拡散され、対象物Ｏに照射される。

受光部３０は、干渉フィルタ３１、レンズ３２、及び２次元受光素子アレイ３３により構成される。図２に示すように、２次元受光素子アレイ３３は、受光部３３１を有するアバランシェフォトダイオード３３２とその周辺回路３３３とを備えた各画素３３０が格子状に配置されたものである。図３に各画素３３０の回路構成の一例を示す。図３に示すように、周辺回路３３３は、抵抗３３４、バッファ３３５、ＴＤＣ（時間デジタル変換器）３３６、ヒストグラム回路３３７及び信号処理回路３３８で構成される。

投光部２０のクロック発生回路２１は、周期Ｔのクロック信号ＣＬＫ１と、周期ＭＴのクロック信号ＣＬＫ２とを生成する（Ｍは１以上の任意の自然数）。クロック信号ＣＬＫ１は投光部２０のレーザダイオード２４のパルス発光のタイミングを規定するクロック信号であり、クロック信号ＣＬＫ２はレーザダイオード２４がＭ回発光した後に、受光部３０の信号処理回路３３８が距離を算出するタイミングを規定するクロック信号である。投光部２０のレーザダイオードアレイにはクロック信号ＣＬＫ１が、受光部３０の２次元受光素子アレイ３３にはクロック信号ＣＬＫ１とクロック信号ＣＬＫ２とが入力される。

レーザダイオードアレイに入力されたクロック信号ＣＬＫ１は各駆動回路２３に分配され、各レーザダイオード２４を駆動するための電流信号を生成する。レーザダイオード２４は駆動回路２３で生成された電流信号により駆動され、クロック信号ＣＬＫ１に同期してパルス発光する。発光素子としてレーザダイオード２４を用いる利点は高速な応答性と単波長性のためであるが、レーザダイオード２４はＬＥＤ等の他の発光素子に置き換えることも可能である。レーザダイオード２４からの出力光はフレネルレンズ２５により平行光とされ、拡散板２６にて拡散されて対象物Ｏに向けて照射される。拡散板２６は、発光素子固有の配光特性を持ち、この配光特性により、ビームの広がり角度が決まる。各レーザダイオード２４からの出力光は拡散板２６にて拡散されて足し合わされ、１つの円錐状のビームが形成される。

このように本実施形態では、円錐状に広がるビームである照射光Ｌ１で測定したい対象物Ｏ全体を一度に照明して、反射光Ｌ２を受光部３０の２次元受光素子アレイ３３で同時に受光するため、距離データを高い空間的解像度で取得することが可能である。その反面、本実施形態では、照射光Ｌ１の照射範囲が広いために照射光Ｌ１のパワー密度は低下するので、光学的ＳＮ比は小さくなる。

拡散板２６を用いる他の利点は、アパーレント光源のサイズを大きくすることができることである。「アパーレント光源」は、ＪＩＳ（日本工業規格）のレーザ安全基準で定義された用語で、最も小さな網膜像を結ぶ実物体又は仮想物体であり、出力が一定であるなら、アパーレント光源のサイズが大きい方が目に対してより安全である。本実施形態では、拡散板２６で見かけの光源サイズを大きくすることにより、目の安全性をより確実なものにすることができる。

対象物Ｏ上で反射した反射光Ｌ２は、受光部３０の干渉フィルタ３１を透過してレンズ３２により２次元受光素子アレイ３３上に結像される。結像された光は、２次元受光素子アレイ３３上の各アバランシェフォトダイオード３３２で受光される。干渉フィルタ３１は、特定の狭い波長域の光のみを透過させるフィルタであり、レーザ光の中心波長と干渉フィルタ３１の中心波長とを等しくすることにより、太陽光等の外乱光の大部分を除去することができる。レーザ光の帯域幅は数ｎｍが一般的であるが、中心波長は温度により変動する。広い温度範囲での動作を保証するために、干渉フィルタ３１の帯域幅は数十〜百ｎｍ程度に設定される。このため、全ての外乱光を干渉フィルタ３１で除去することはできず、信号処理によるノイズ除去が必要となる。

アバランシェフォトダイオードは、フォトダイオードの一種で高電界の印加に関する機能を有するものである。アバランシェフォトダイオードには、逆バイアス電圧を降伏電圧以下で動作させるリニアモードと、降伏電圧以上で動作させるガイガーモードとがある。アバランシェフォトダイオードは、フォトンが入射すると電子正孔対が生成され、電子と正孔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とからアバランシェ（雪崩）と呼ばれる。

リニアモードでは、生成される電子正孔対の割合よりも消滅する（高電界域から出る）電子正孔対の割合が大きく、アバランシェ現象は自然に止まる。出力電流は入射光量にほぼ比例するため入射光量の測定に用いることができる。後述するガイガーモードによるフォトンカウントがデジタル的であるのに対し、リニアモードでの光量計測はアナログ的であるのでアナログ計測と呼ばれることもある。

ガイガーモードでは、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、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。印加電圧を下げてアバランシェ現象を止めることは、クエンチングと呼ばれる。最も単純なクエンチング回路は、図３に示すようにアバランシェフォトダイオード３３２と直列に抵抗３３４を接続することで実現することができ、アバランシェ電流による抵抗３３４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。このクエンチング回路により、周辺回路３３３は、フォトンの入射を電圧パルスとして取り出し計数することが可能となる。このため、ガイガーモードはフォトンカウントモードとも呼ばれる。

アナログ計測の受光素子の感度は一般に量子効率と暗電流とで表される。量子効率とは、入射フォトン１個あたりに生成される電子の個数の割合である。暗電流とは光が入射しない状態において、熱で励起された電子によって流れる電流であり熱ノイズの最も低いレベルである。ノイズレベル（暗電流）の出力を得るのに必要な最小入力は量子効率から算出することができる。暗電流を１００ｎＡ、量子効率を５０％とすると、電子１個の電荷が１．６×１０^−１９Ｃであることから、ノイズレベルの出力を得るのに必要な最小入力は、（１００〔ｎＡ〕／１．６×１０^−１９〔Ｃ〕）／０．５＝１．２５×１０^１２〔フォトン／秒〕となる。

一方、フォトンカウンタの感度は、検出効率と暗計数率とで表される。ガイガーモードでのアバランシェフォトダイオードでは、クエンチング回路でアバランシェ電流を止めない限り、次々と電子正孔対が生成され続けるため、量子効率は無限大となる。フォトンの入射に対するアバランシェ電流の発生は確率的現象であり、この確率は検出効率と呼ばれる。リニアモードにおける暗電流と同様に、ガイガーモードにおいても電子の熱運動によってアバランシェ電流が発生することがあり、この熱ノイズ量は時間当たりのアバランシェ発生数（暗計数率）で表される。

本実施形態では、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３３２を用いる。C.Niclass, A.Rochas, P.A.Besse, and E.Charbon, “Design and Characterization of a CMOS 3-D Image Sensor Based on Single Photon Avalanche Diodes”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.40,n.9,Sep.2005.にあるように、近年、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを標準ＣＭＯＳプロセスで実現する技術が開発され、これにより低コストでアバランシェフォトダイオードを２次元アレイ化することが可能となった。

本実施形態では、各画素３３０が備えるＴＤＣ３３６、ヒストグラム回路３３７及び信号処理回路３３８は、全てＣＭＯＳプロセスで同一ＬＳＩ上に実装することができる。図３に示すように、このＬＳＩ上に実装された２次元受光素子アレイに入力されるクロック信号ＣＬＫ１及びＣＬＫ２は、各画素３３０のＴＤＣ３３６及び信号処理回路３３８へとそれぞれ分配される。

以下、図３を用いて、アバランシェフォトダイオードに光即ちフォトンが入射したときの各画素の動作を説明する。フォトンがアバランシェフォトダイオード３３２に入射するとアバランシェ電流が流れ、端子Ａの電圧が上昇する。その電圧上昇によりバッファ３３５を介してパルスＰＬＳが生成され、ＴＤＣ３３６へと入力される。ＴＤＣ３３６は、クロック信号ＣＬＫ１の入力時点からパルスＰＬＳの入力時点までの時間をデジタル値に変換してヒストグラム回路３３７に出力する。パルスＰＬＳが入力されないときは、ＴＤＣ３３６は所定の最大値を出力する。

ヒストグラム回路３３７は、クロック信号ＣＬＫ１のタイミングでＴＤＣ３３６の出力値に対応するアドレスのメモリ値を１インクリメントする。ヒストグラム回路３３７は、ＴＤＣ３３６の値が、パルスＰＬＳが入力されなかったことを表す値のときは、メモリ値のインクリメントはしない。このクロックＣＬＫ１の発生からヒストグラムメモリのインクリメントまでの一連の動作がＭ回繰り返された後に、クロックＣＬＫ２のタイミングで、信号処理回路３３８はヒストグラムメモリの値を読み出し、最大値が保存されたアドレスに対応する時間と光速とから距離を算出して出力する。各画素で算出された距離値は読み出し回路を介して２次元受光素子アレイ３３の外に逐次読み出される。

前述したように、干渉フィルタ３１により外乱光を全て除去することはできないため、アバランシェフォトダイオード３３２が受光する光は、投光部２０のレーザダイオード２４からの照射光Ｌ１と外乱光とが含まれる。以下、図４を用いて、外乱光が受光する光に含まれる場合であっても、正しくＴＯＦを検出することができることを説明する。

アバランシェフォトダイオード３３２から出力されるパルスＰＬＳには照射光Ｌ１のフォトンに反応したものと外乱光のフォトンに反応したものとが含まれる。計測中に対象物Ｏと３Ｄカメラ１０とが相対的に動かないと仮定すると照射光Ｌ１による反射光Ｌ２の受光タイミングは一定であるため、パルスＰＬＳの検出タイミングを繰返し多数回計測して最大頻度の計測値を選択することにより、反射光Ｌ２のＴＯＦを求めることができる。ヒストグラム回路３３７が、多数回（Ｍ回）のパルス発光に対して繰返しパルスＰＬＳの検出タイミングを計測してヒストグラムを作成すると、反射光Ｌ２に対応する計測はヒストグラムにピーク（極大値）を形成する。

一方、太陽光等の外乱光の受光タイミングは、照射光Ｌ１のパルス発光タイミングであるクロック信号ＣＬＫ１のタイミングとは無相関であるため、ヒストグラム上に一様に分布する。信号処理回路３３８によりヒストグラムのピーク位置を検出することにより、外乱光の影響を除去して正しいＴＯＦ即ち距離を検出することができる。図４のヒストグラムは光学的ＳＮ比が０．０１の場合の実測例であり、外乱光成分が大きい場合でも正しくピークを抽出することができることが判る。２次元受光素子アレイ３３では、各画素３３０に対応する対象物Ｏまでの距離が異なるため、照射光Ｌ１に対応した反射光Ｌ２の受光タイミングは画素３３ごとに異なる。本実施形態では、画素３３ごとに独立にヒストグラムを作成してピークを抽出するため、画素３３ごとに異なる距離の分布を求めることができる。

本実施形態ではヒストグラムのピーク位置を検出する最も単純な例を示したが、ピーク位置の検出方法は様々な変形が可能である。例えば、ヒストグラムの各ビンの値を平滑化した後にそれらの最大値を求めることにより、ピーク位置を検出することができる。各ビン時間間隔が短いとき、各ビンの値の相対的変動量が大きくなるが、平滑化によりその変動に対してロバストにピーク位置を検出することができる。ピーク位置を求めた後、ピーク位置の近傍で重心位置を求めることにより、更に高精度にＴＯＦを求めることができる。このＴＯＦ検出は、ヒストグラム上でのＴＯＦ近傍にて受光頻度が高くなることに基づくものであり、ピーク形状を考慮したその他のヒストグラム処理方法によってもＴＯＦを検出することができる。

以上の説明では、ヒストグラムを作成する間の３Ｄカメラ１０と対象物Ｏとの動きは十分小さいことを仮定していた。一方、運転支援制御や衝突防止システム等の自動車用途においては、測定時間が長くなると、３Ｄカメラ１０と対象物Ｏとの動きの影響が無視できなくなる。例えば、距離データの更新レートを１５回／秒であるとすると、１回当たりの測定時間は６６ｍｓｅｃとなる。この場合に３Ｄカメラ１０と対象物Ｏとの相対速度が１００ｋｍ／ｈである場合には、当該測定時間内の相対移動距離は１．８ｍになる。これは測定距離にこの移動距離に対応した大きな誤差が生じることを意味する。したがって、３Ｄカメラ１０と対象物Ｏとの間に相対的な動きがある場合には、測定時間を短縮しなければならない。

しかしながら、測定時間を短縮するとヒストグラムから正しくピークを検出できる確率が低下するという問題が生じる。所定時間内に検出されるフォトン数の平均値は統計的に変動し、その変動量はショットノイズと呼ばれる。ショットノイズはポワソン分布に従い、その標準偏差は検出数の平方根となる。ヒストグラムから極大値を抽出する場合にも、このショットノイズの影響を受けるため、フォトン検出数が小さくなると測定精度が低下する。

ここで、ヒストグラム中から頻度が最大となるビンを抽出する場合を具体的に考える。検出数が最大のビンの検出数をＡとすると、その揺らぎの量はその平方根であるＡ^１／２である。例えば、Ａが１００のとき、その揺らぎ量は１０で、ＳＮ比は１０となり、Ａが１００００のとき、その揺らぎ量は１００で、ＳＮ比は１００となる。したがって、測定時間が短くなると検出されるフォトン数が少なくなり、揺らぎに対するロバスト性が小さくなることがわかる。

以上から、３Ｄカメラ１０と対象物との動きの影響を低減するためには測定時間を短くする必要があるが、測定時間を短くするとピーク抽出の精度が低下するというトレードオフの関係がある。本実施形態は、ピーク抽出の制度を維持するために必要最小限の測定時間でヒストグラムを作成してＴＯＦを検出するものである。本実施形態では、信号処理回路３３８はヒストグラムの信頼度を求め、ヒストグラム回路３３７は信頼度が閾値以上になった時点でヒストグラム作成を終了することにより、最小限の測定時間を実現する。

次に、ヒストグラムがピークを形成しない測定不能な状況において、上述の方法で極大値を求めると誤った測定距離を出力する問題があることについて述べる。測定不能な具体的な状況として以下のような場合が考えられる。すなわち、測定不能な状況とは、朝日や西日が直接入射する場合、高温環境で動作させて暗計数率が高くなる場合、雨霧により反射光が散乱及び減衰する場合、測定可能領域に対象物が存在しない場合等である。前二者はノイズが大きくなる場合であり、後二者は信号が小さくなる場合である。

特開平５−２９７１４０号公報に記載の技術は、受信光量が小さくなるものを検出して測定データとして取り扱わないものであり、特開平７−１６７９５５号公報に記載の技術は、ノイズが大きくなるものを検出して、その場合に距離の演算を行なわないようにするものである。しかしながら、測定可能な状態か否かは、信号とノイズとの相対的な大きさの比、すなわちＳＮ比によって決まるものであり、信号とノイズとの和又はそのどちらか一方に基づく判定は適切ではない。本実施形態では、ヒストグラムの極大値の信頼度に基づいて測定の可否を適切に判定する。測定結果のＳＮ比が大きいとヒストグラムの極大値の信頼度は高くなる。

以下、図５〜７を用いて本実施形態における具体的なヒストグラムの信頼度の求め方を説明する。図５〜７は、ビン数ｎのヒストグラムである。図５に示す場合、まず信号処理回路３３８は、ヒストグラム回路３３７が作成したヒストグラムの中で検出数が最大となるビンｉを求める。図５中において斜線で示すビンｉが、検出数が最大であり、その検出数はＡである。次に、信号処理回路３３８は、ビンｉを除く全てのビンの平均検出数Ｎを求める。ここで信号処理回路３３８は、ビン数が多いときは全てのビンの平均をＮとすることもできる。

ＡとＮとの差が大きいときフォトン検出がビンｉに相当する時間に集中しており、その時間がＴＯＦである信頼度が高いといえる。そのため、信頼度をＡ／Ｎと定めることにより、総検出数に依存しない評価値とすることができる。ヒストグラム回路３３７のヒストグラム作成中の所定時間間隔にて、信号処理回路３３８はこの信頼度Ａ／Ｎを計算し、信頼度Ａ／Ｎが所定の閾値（第１の閾値）以上となったときにヒストグラム回路３３７にヒストグラム作成を中止させ、ＴＯＦを求める。本実施形態では、これにより、測定時間を必要最小限度とすることができ、ピーク抽出の精度を維持して３Ｄカメラ１０と対象物Ｏとの動きの影響を低減することができる。

また、信号処理回路３３８は、Ｋ回（Ｋは任意の自然数）の計測後に信頼度Ａ／Ｎが所定の閾値（第２の閾値）以下であるときは、測定不能を意味する信号、例えば距離ゼロを示す信号を出力する。図３中に図示しない周辺回路３３３の後段の読み出し回路がＮ回の計測毎に信号処理回路３３８の出力を読み出し、その間に信頼度Ａ／Ｎが閾値に達しない場合に測定不能を意味する値ゼロが読み出される。これにより、測定信号のＳＮ比が小さいことに起因して誤った距離を出力することを防止することができる。これにより、測定信号のＳＮ比が小さいことに起因して誤った距離を出力することを防止することができる。

次にフォトンショットノイズを考慮した信頼度の定義例を示す。ビンの検出数がＡであるとき、その揺らぎ量の標準偏差は、Ａ^１／２である。また、Ｎのゆらぎ量は｛（Ｎ／（ｎ−１）｝^１／２である。したがって、信頼度を下式のように定めることができる。
信頼度＝（Ａ−α・Ａ^１／２）／〔Ｎ＋β・｛（Ｎ／（ｎ−１）｝^１／２〕 （１）

ここで、αとβとは定数であり０．５から３程度の値である。また、上述したように、ｎは総ビン数である。このような定義により、少ない検出数のときに、ショットノイズにより偶発的に誤った位置でヒストグラムが先鋭化されても正しく信頼度を求めることができる。例えば、簡単のため、ｎ＝３２、α＝β＝１として、ビン１の検出数が２で、その他のビンの検出数が１である場合を考えると、検出数が少なすぎるためにヒストグラムの信頼度は明らかに低い。この場合、単に、信頼度＝Ａ／Ｎとすると、信頼度＝２と高い信頼度となる。しかし、上記式（１）により信頼度を算出すると、信頼度は約０．６程度の値となり、検出数を考慮した正しい信頼度であることが判る。なお、信頼度の判定は、一定の検出数を検出した後にのみ行なうことができる。

図５の例では、最大検出数のビンｉとその他の全てのビンの平均とを比較した。図６に示すように、ビンｉとその他の一部のビンとを比較することもできる。例えば、ビンｉの比較対象を２番目に検出数の大きい検出数Ｂであるビンｊとして、ビンｉとビンｊとを比較することもできる。さらに、ビンｉと、３番目に検出数の大きい検出数である検出数Ｃであるビンｋと２番目に検出数の大きいビンｊとの平均とを比較することもできる。逆に全てのビンから、上記のような例外値のビンｉ，ｊ，ｋを除いたビンから平均値Ｍを求めることもできる。

次に、投光するパルス光のパルス時間幅がビンの時間幅に比べて長い場合を考える。このような場合、典型的には図７に示すようなヒストグラム形状となる。このような場合は、パルス形状を考慮し、例えば、図７に示す斜線のビンの平均や加重平均から最大値Ａを求め、図７中の斜線のビンを除いたビンから平均値Ｍを求めることができる。

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

実施形態に係る３Dカメラの構成を示すブロック図である。 実施形態に係る２次元受光素子アレイの構成を示す図である。 ２次元受光素子アレイの各画素の回路の構成を示す図である。 実施形態に係るヒストグラム処理によるＴＯＦ検出の原理を示す図である。 ヒストグラムのピーク先鋭度を示す図である。 ヒストグラムのピーク先鋭度を示す図である。 ヒストグラムのピーク先鋭度を示す図である。

符号の説明

１０…３Ｄカメラ、２０…投光部、２１…クロック発生回路、２２…回路基板、２３…駆動回路、２４…レーザダイオード、２５…フレネルレンズ、２６…拡散板、３０…受光部、３１…干渉フィルタ、３２…レンズ、３３…２次元受光素子アレイ、３３０…画素、３３１…受光部、３３２…アバランシェフォトダイオード、３３３…周辺回路、３３４…抵抗、３３５…バッファ、３３６…ＴＤＣ、３３７…ヒストグラム回路、３３８…信号処理回路。

Claims (16)

1. 対象物へパルス光を繰り返し照射する投光手段と、
   前記対象物から前記投光手段が照射した前記パルス光の反射パルス光を繰り返し受光する受光手段と、
   前記投光手段が前記パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、前記受光手段が前記反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、前記時間差のヒストグラムを作成するヒストグラム作成手段と、
   前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムの極大値に基づいて前記対象物までの距離を算出する距離算出手段と、
   前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムの信頼度を算出する信頼度算出手段と、
   前記信頼度算出手段が算出した前記ヒストグラムの信頼度が閾値以上である場合に、前記ヒストグラム作成手段に前記ヒストグラムの作成を停止させるヒストグラム作成停止手段と、
   を備えた光学式測距装置。
2. 対象物へパルス光を繰り返し照射する投光手段と、
   前記対象物から前記投光手段が照射した前記パルス光の反射パルス光を繰り返し受光する受光手段と、
   前記投光手段が前記パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、前記受光手段が前記反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、前記時間差のヒストグラムを作成するヒストグラム作成手段と、
   前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムの極大値に基づいて前記対象物までの距離を算出する距離算出手段と、
   前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムの信頼度を算出する信頼度算出手段と、
   前記信頼度算出手段が算出した前記ヒストグラムの信頼度が閾値以下である場合に、前記距離算出手段による距離の算出を不能であるとする測定不能検出手段と、
   を備えた光学式測距装置。
3. 対象物へパルス光を繰り返し照射する投光手段と、
   前記対象物から前記投光手段が照射した前記パルス光の反射パルス光を繰り返し受光する受光手段と、
   前記投光手段が前記パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、前記受光手段が前記反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、前記時間差のヒストグラムを作成するヒストグラム作成手段と、
   前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムの極大値に基づいて前記対象物までの距離を算出する距離算出手段と、
   前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムの信頼度を算出する信頼度算出手段と、
   前記信頼度算出手段が算出した前記ヒストグラムの信頼度が第１の閾値以上である場合に、前記ヒストグラム作成手段に前記ヒストグラムの作成を停止させるヒストグラム作成停止手段と、
   前記信頼度算出手段が算出した前記ヒストグラムの信頼度が第２の閾値以下である場合に、前記距離算出手段による距離の算出を不能であるとする測定不能検出手段と、
   を備えた光学式測距装置。
4. 前記信頼度算出手段が算出する前記信頼度は、前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムの極大値の先鋭度を表わす値である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学式測距装置。
5. 前記信頼度算出手段は、前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムにおける前記時間差の計測数が多いほど前記信頼度を大きく算出し、前記時間差の計測数が少ないほど前記信頼度を小さく算出する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学式測距装置。
6. 前記信頼度算出手段は、前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムにおける極大値を示すビンの計測数Ａ、全てのビン及び前記全てのビンから前記極大値を示すビンを除いた残りのビンのいずれかの計測数の平均値Ｎに対して、前記信頼度をＡ／Ｎとして算出する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学式測距装置。
7. 前記信頼度算出手段は、前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムにおける極大値を示すビンの計測数Ａ、全てのビン及び前記全てのビンから前記極大値を示すビンを除いた残りのビンのいずれかの計測数の平均値Ｎ、０．５≦α≦３、０．５≦β≦３、前記全てのビンの数ｎに対して、前記信頼度を、信頼度＝（Ａ−α・Ａ^１／２）／〔Ｎ＋β・｛（Ｎ／（ｎ−１）｝^１／２〕として算出する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学式測距装置。
8. 前記極大値を示すビンは隣接する複数のビンからなり、当該複数のビンの計測数の平均値を、前記極大値を示すビンの計測数Ａとする、請求項６又は７に記載の光学式測距装置。
9. 対象物へパルス光を繰り返し照射する工程と、
   前記対象物から照射した前記パルス光の反射パルス光を繰り返し受光する工程と、
   前記パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、前記反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、前記時間差のヒストグラムを作成する工程と、
   作成した前記ヒストグラムの極大値に基づいて前記対象物までの距離を算出する工程と、
   作成した前記ヒストグラムの信頼度を算出する工程と、
   算出した前記ヒストグラムの信頼度が閾値以上である場合に、前記ヒストグラムの作成を停止する工程と、
   を備えた光学式測距方法。
10. 対象物へパルス光を繰り返し照射する工程と、
    前記対象物から照射した前記パルス光の反射パルス光を繰り返し受光する工程と、
    前記パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、前記反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、前記時間差のヒストグラムを作成する工程と、
    作成した前記ヒストグラムの極大値に基づいて前記対象物までの距離を算出する工程と、
    作成した前記ヒストグラムの信頼度を算出する工程と、
    算出した前記ヒストグラムの信頼度が閾値以下である場合に、距離の算出を不能であるとする工程と、
    を備えた光学式測距方法。
11. 対象物へパルス光を繰り返し照射する工程と、
    前記対象物から前記投光手段が照射した前記パルス光の反射パルス光を繰り返し受光する工程と、
    前記パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、前記反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、前記時間差のヒストグラムを作成する工程と、
    作成した前記ヒストグラムの極大値に基づいて前記対象物までの距離を算出する工程と、
    作成した前記ヒストグラムの信頼度を算出する工程と、
    算出した前記ヒストグラムの信頼度が第１の閾値以上である場合に、前記ヒストグラムの作成を停止する工程と、
    算出した前記ヒストグラムの信頼度が第２の閾値以下である場合に、距離の算出を不能であるとする工程と、
    を備えた光学式測距方法。
12. 算出する前記信頼度は、作成した前記ヒストグラムの極大値の先鋭度を表わす値である、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の光学式測距方法。
13. 作成した前記ヒストグラムにおける前記時間差の計測数が多いほど前記信頼度を大きく算出し、前記時間差の計測数が少ないほど前記信頼度を小さく算出する、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の光学式測距方法。
14. 作成した前記ヒストグラムにおける極大値を示すビンの計測数Ａ、全てのビン及び前記全てのビンから前記極大値を示すビンを除いた残りのビンのいずれかの計測数の平均値Ｎに対して、前記信頼度をＡ／Ｎとして算出する、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の光学式測距方法。
15. 作成した前記ヒストグラムにおける極大値を示すビンの計測数Ａ、全てのビン及び前記全てのビンから前記極大値を示すビンを除いた残りのビンのいずれかの計測数の平均値Ｎ、０．５≦α≦３、０．５≦β≦３、前記全てのビンの数ｎに対して、前記信頼度を、信頼度＝（Ａ−α・Ａ^１／２）／〔Ｎ＋β・｛（Ｎ／（ｎ−１）｝^１／２〕として算出する、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の光学式測距方法。
16. 前記極大値を示すビンは隣接する複数のビンからなり、当該複数のビンの計測数の平均値を、前記極大値を示すビンの計測数Ａとする、請求項１４又は１５に記載の光学式測距方法。

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