JP6844732B2

JP6844732B2 - 光測距装置

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Publication number: JP6844732B2
Application number: JP2020072018A
Authority: JP
Inventors: 善英立野; 勇高井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2021-03-17
Anticipated expiration: 2038-04-04
Also published as: JP2020118695A

Description

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（１０）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（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を検出するピーク検出部（６０）と、前記ピーク形状に対応する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、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）と、を備え、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。

光測距装置の概略構成を示す図。受光要素の概略構成を示す図。ヒストグラムの例を示す図。光の入射強度に応じたヒストグラムを示す図。第２実施形態におけるヒストグラムを示す図。第３実施形態におけるピーク検出方法を示す図。第４実施形態における調整部の第１の態様を示す図。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。第４実施形態における調整部の第２の態様を示す図。第４実施形態における調整部の第３の態様を示す図。受光要素の他の構成を示す図。図１１の受光要素から出力されるパルス信号を示す図。

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（ｓｉｎｇｌｅｐｈｏｔｏｎａｖａｌａｎｃｈｅｄｉｏｄｅ）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：ＳｉｌｉｃｏｎＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）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：ＴｉｍｅＯｆＦｌｉｇｈｔ）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。

１０光測距装置、２０光源、２１レーザダイオード素子、３０受光要素アレイ、３１，３１ｂ受光要素、３２アバランシェフォトダイオード、３３クエンチング抵抗器、３４インバータ回路、３６バッファ回路、４０加算部、５０ヒストグラム生成部、６０ピーク検出部、７０距離算出部、８０，８０ａ，８０ｂ，８０ｃ調整部、８１パルス幅測定器、８２クエンチング抵抗回路、８３コンパレータ回路、８４駆動回路

Claims

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を検出するピーク検出部（６０）と、
前記ピーク形状に対応する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、
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）と、
を備え、
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。
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。
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を用いて前記対象物までの距離を算出する、光測距装置。
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。