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WO2020166609A1 - 光学的測距装置 - Google Patents

光学的測距装置 Download PDF

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WO2020166609A1
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尾崎　憲幸
武廣 秦
峰樹 曽我
松原　弘幸
勇 高井
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株式会社デンソー
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    • G01S17/931—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes of land vehicles

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical distance measuring device.
  • Mobiles vehicles etc. equipped with a collision prevention system etc. are being developed with the aim of reducing traffic accidents.
  • an environment sensor including a camera, a millimeter wave radar, etc. is used to observe the external environment.
  • Avalanche Photo Diodes and PIN photodiodes are often used as the light receiving elements of TOF-based optical distance measuring devices.
  • APD Avalanche Photo Diodes
  • PIN photodiodes When photons are incident on the APD, electron-hole pairs are generated, and the electrons and holes are accelerated by a high electric field, causing collision ionization to generate new electron-hole pairs.
  • the sensitivity of the light receiving element is enhanced by the internal amplification effect of this avalanche phenomenon.
  • the operation modes of the APD include a linear mode in which the applied reverse bias voltage is operated below the breakdown voltage and a Geiger mode in which the applied reverse bias voltage is operated above the breakdown voltage.
  • the reflected photons of the pulsed light arrive at the light-receiving element at the same time, while the photons of the ambient light arrive at the time uncorrelated.Therefore, by extracting the peak of the received light signal, even if the ambient light exists, TOF can be detected.
  • the received light signal is a current output in the case of the linear mode APD and a histogram in the case of the Geiger mode APD.
  • a threshold value is generally set in the peak extraction of the received light signal, and when the extracted peak value is less than or equal to the threshold value, it is determined that the object does not exist and the TOF is not output.
  • this threshold value is set to be small, the detection distance is extended but the false detection rate is increased. If the threshold value is set large, the false detection rate can be reduced, but the detection distance becomes short.
  • the threshold value in order to set the threshold value as small as possible within the range where erroneous detection does not occur or the range where the erroneous detection rate is allowable, it is desirable to adaptively set the threshold value according to the noise level of ambient light or the like.
  • the noise probability distribution of the received light signal is a probability distribution of the maximum value of the waveform of the received light signal.
  • the noise probability distribution of the received light signal is a probability distribution of the maximum value of the waveform of the received light signal.
  • the reference level is a mode of probability distribution of noise of the received light signal.
  • the laser light (light emission pulse) repeatedly emitted from the laser diode 10 is collimated by a collimator lens (not shown) and travels from a hole provided in the center of the dipole surface mirror 12 to the polygon mirror 14.
  • the laser light reflected by the polygon mirror 14 is emitted to the space where the measurement object can exist.
  • the reflected light returns to the distance measuring unit 16.
  • the reflected light returning to the distance measuring unit 16 along the same path as the emitted light is reflected by the polygon mirror 14 again, further reflected by the dipole surface mirror 12, and enters the light receiving element 18 of the distance measuring unit 16.
  • the 16 photodetectors in the vertical direction are mounted on the TOF measurement photodetector 18a and the noise measurement photodetector 18b in a one-dimensional array.
  • the TOF measurement photodetector 18a and the noise measurement photodetector 18b are preferably, for example, silicon photomultipliers (SiPM: Silicon Photo Multipliers).
  • the SiPM has a plurality of SPADs arranged in an array and constitutes one photodetector having a large light receiving unit as a whole. In the example of FIG. 3, each SiPM is composed of 4 ⁇ 6 SPADs.
  • a final histogram is created by repeating a series of operations from laser light emission to histogram value addition Np times.
  • Np histogram value addition
  • FIG. 6 shows an example of the generated histogram. Histogram values for Nbin bins are obtained from one histogram. When the generation of the histogram is repeated Nmes times while keeping the ambient light constant, Nbin ⁇ Nmes histogram values are obtained in total. The range of possible values of the histogram value is from 0 to Nspad ⁇ Np. Here, Nspad is the number of SPADs forming the SiPM. When a frequency distribution of all measured histogram values is created and each frequency is divided by the total Nbin ⁇ Nmes of all frequencies, a probability distribution as shown in FIG. 7 is obtained.
  • the probability that the peak value of the histogram is i or less is the probability that the histogram values of all Nbin bins of the histogram will be i or less. Assuming that the histogram values of each bin are independent stochastic events, the probabilities are given by equation (3).
  • the threshold value setting unit 32 refers to the conversion table, and when the noise output from the detection circuit of the noise measuring photodetector 18b indicates the noise average value ⁇ , the threshold value for detecting the peak of the histogram of the reflected signal component. T is set for the histogram circuit 30. As a result, the false detection rate Err can be maintained in the detection of the reflected signal for all noise levels.
  • a relational expression indicating the relationship between the noise average value ⁇ and the boundary level ⁇ may be obtained for each noise level, and the boundary level ⁇ may be calculated using the noise average value ⁇ as an argument. Thereby, the boundary level ⁇ calculated from the noise average value ⁇ of the actually obtained noise can be set as the threshold value T.
  • a value obtained by linearly converting statistical values such as the noise average value ⁇ , the mode value, and the median, for example, 1.2 times the noise average value ⁇ may be used as the reference level.

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Abstract

パルス状の出力光を測定対象物へ向けて繰り返し投光するレーザダイオード(１０)と、光を受光して受光信号として出力するフォトンカウント型受光素子を含む受光素子(１８)と、受光信号において閾値を超える信号成分を測定対象物における出力光の反射による反射信号として弁別する信号弁別手段と、反射信号に基づいて測定対象物までの出力光の往復伝搬時間を推定する伝搬推定手段とを含む測距部(１６)と、受光信号に含まれるノイズの確率分布の平均値から求められる基準レベルと確率分布における累積確率が所定値となる境界レベルとの関係に基づいて、信号弁別手段において反射信号を弁別する際に受光信号から実際に求めた基準レベルに対応する境界レベルを閾値として設定する閾値設定部(３２)と、を備える光学的測距装置(１００)とする。

Description

光学的測距装置 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１９年２月１５日に出願された日本出願番号２０１９－２５３１２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、光学的測距装置に関する。
　交通事故等の低減を目指して衝突防止システム等を搭載した移動体（車両等）が開発されている。このようなシステムでは外部環境を観測するためにカメラやミリ波レーダ等を備えた環境用センサが用いられている。
　飛行時間法（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ　Ｏｆ　Ｆｌｉｇｈｔ）に基づく光学的測距装置は、高空間解像度（角度分解能）を有すると共に、広角及び遠距離の測距が可能である。このため、走路や障害物の検出精度とロバスト性を高められ、安全システムの機能の拡張が期待できる。例えば、より遠方の障害物を高い位置精度で検知できれば、早期の警報が可能となる。また、駐車車両の形状等の周囲環境を高精度に検知できれば衝突やすり抜けを高い信頼度で判定できる。
　ＴＯＦに基づく光学的測距装置の受光素子としてアバランシェフオトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ　Ｐｈｏｔｏ　Ｄｉｏｄｅ）やＰＩＮフォトダイオードが用いられることが多い。ＡＰＤにフォトンが入射すると電子・正孔対が生成され、電子と正孔が各々高電界で加速され、衝突電離を引き起こして新たな電子・正孔対を生成する。このアバランシェ現象の内部増幅作用により受光素子の感度が高められる。ＡＰＤの動作モードには、印加する逆バイアス電圧を降伏電圧未満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。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（高電界の領域から出る）する電子・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を測定できる。ガイガーモードのＡＰＤは、単一フォトンでもアバランシェ現象を引き起こせるので、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Ｓｉｎｇｌｅ　Ｐｈｏｔｏｎ　Ａｖａｌａｎｃｈｅ　Ｄｉｏｄｅ）とも呼ばれる。ＳＰＡＤでは、印加電圧を降伏電圧未満まで下げることで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停止させ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、ＳＰＡＤと直列にクエンチング抵抗を接続することで実現される。アバランシェ電流が生じるとクエンチング抵抗の端子間の電圧上昇によってＳＰＡＤのバイアス電圧が降下する。バイアス電圧が降伏電圧未満まで降下するとアバランシェ電流が止まる。アバランシェ電流が止まると、クエンチング抵抗の端子間の電圧が降下し、ＳＰＡＤに再び降伏電圧以上の電圧が印加される。このＳＰＡＤとクエンチング抵抗間の電圧昇降を、バッファーを介して取り出すことにより、フォトン入射を電圧パルスとして出力する。このようにフォトン入射の有無を検出する受光素子をフォトンカウント型受光素子と呼ぶ。
　リニアモードのＡＰＤとガイガーモードのＡＰＤを受光素子に用いる場合のＴＯＦを求める方法を図２に示す。光学的測距装置は、繰り返しパルス光を対象物に照射する。受光素子は、対象物で反射されたパルス光と太陽光等の外乱光が加算された光を受光する。リニアモードＡＰＤのように入射光量にほぼ比例した電流を出力する受光素子では、受光信号の直流成分を除去した後にピークを抽出する。一方、ガイガーモードのＡＰＤのようなフォトンカウント型の受光素子では、電圧パルスの到来時刻を繰り返し測定してヒストグラムを作成してそのピークを抽出する。反射したパルス光のフォトンは同時に受光素子に到来するのに対して外乱光のフォトンは時間的に無相関に到来することから、受光信号のピークを抽出することにより外乱光が存在しても正しくＴＯＦ検出できる。ここで受光信号とは、リニアモードのＡＰＤの場合は電流出力であり、ガイガーモードのＡＰＤの場合はヒストグラムである。
　常に受光信号のピークに対応するＴＯＦを出力すると、対象物からの反射光が小さい場合や対象物が存在しない場合に誤検出となる。このような誤検出を防止するために、一般に受光信号のピーク抽出に閾値を設け、抽出されたピーク値が閾値以下のときは対象物が存在しないと判断してＴＯＦを出力しない。この閾値を小さく設定すると検知距離は延びるが誤検出率が大きくなる。閾値を大きく設定すると誤検出率は低減できるが検知距離は短くなる。したがって、誤検出を生じない範囲又は許容できる誤検出率の範囲でなるべく閥値を小さく設定するために、外乱光等のノイズレベルに応じて適応的に閥値を設定することが望ましい。
　ノイズレベルに応じて閾値を設定する技術が開示されている（特許文献１）。閾値設定手段は、ノイズ波形の平均値に予め設定されたマージンを加えた値を検出閾値として設定する。マージンの決め方としていくつかの方法が開示されている。例えば、ノイズ波形の交流成分の標準偏差又は実効値に予め設定された係数を乗じた値をマージンとする。または、ノイズ波形における最大値と最小値との差分値に予め設定された係数を乗じた値、ノイズ波形における最大値と平均値との差分値に予め設定された係数を乗じた値をマージンとする。または、パルス光送信回数をＮとして、ノイズ波形における最大値と最小値との差分を表すノイズ差分値を算出してルートＮ倍した値に予め設定された係数を乗じた値をマージンとする。または、パルス光送信回数をＮとして、ノイズ波形における最大値と平均値との差分を表すノイズ差分値を算出してルートＮ倍した値に予め設定された係数を乗じた値をマージンとする。
特開２０１３－９６９０５号公報
　従来技術の閾値設定では、ノイズ波形から求めたノイズレベルの大きさに基づいて閾値を決定する。ノイズレベルの大きさは、標準偏差、又は最大値と最小値の差、又は最大値と平均値の差として求める。標準偏差に基づくことは正規分布を仮定することを意味し、ノイズの分布が正規分布でない場合には標準偏差は分布のばらつき度合、すなわちノイズレベルの大きさを正確に表さない。また、最大値や最小値は変動が大きく値が安定しないのでノイズレベルの大きさを正確に表さない。不正確なノイズレベルの大きさに基づいて閾値を決定すると閾値を適切に設定できない問題がある。また、閾値が小さすぎると誤検出率が増大し、逆に閾値が大きすぎると検知距離が短くなるという問題がある。
　フォトンカウント型受光素子を用いた光学的測距装置では、ノイズ成分の分布は正規分布にはならず、ポアソン分布に近い分布となる。標準偏差に基づいて閾値を決定すると特にノイズレベルが小さい場合に信号検出の閾値が小さく設定される傾向があり、誤検出率が増大する問題がある。
　本開示は、測定対象物や日照条件等の測定条件の変化に応じて適応的に反射信号の検出閾値を定めて誤検出率を所望の値にすることができる光学的測距装置を提供する。
　本開示の第一の態様において、光の伝搬時間に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、パルス状の出力光を測定対象物へ向けて繰り返し投光する投光手段と、光を受光して受光信号として出力するフォトンカウント型受光素子を含む受光手段と、前記受光信号において閾値を超える信号成分を前記測定対象物における前記出力光の反射による反射信号として弁別する信号弁別手段と、前記反射信号に基づいて前記測定対象物までの前記出力光の往復伝搬時間を推定する伝搬推定手段と、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布の平均値から求められる基準レベルと当該確率分布における累積確率が所定値となる境界レベルとの関係に基づいて、前記信号弁別手段において前記反射信号を弁別する際に前記受光信号から求めた前記基準レベルに対応する前記境界レベルを前記閾値として設定する閾値設定手段と、を備える光学的測距装置である。
　ここで、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布に対する前記基準レベルと前記境界レベルとの関係を予め求めて記憶させた変換データベースを備え、前記閾値設定手段では、前記変換データベースを参照して前記受光信号から求めた前記基準レベルに対応する前記境界レベルを前記閾値として設定することが好適である。
　また、前記受光信号のノイズの確率分布を推定する確率分布推定手段をさらに備えることが好適である。
　また、前記受光信号のノイズの確率分布は、前記受光信号の波形の最大値の確率分布であることが好適である。
　また、前記境界レベルは、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布において前記基準レベルと当該基準レベルの平方根に所定の係数を乗じた値とを加算した値であることが好適である。
　本開示の別の態様は、光の伝搬時間に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、パルス状の出力光を測定対象物へ向けて繰り返し投光する投光手段と、光を受光して受光信号として出力するフォトンカウント型受光素子を含む受光手段と、前記受光信号に含まれる前記測定対象物における前記出力光の反射による反射信号に基づいて前記測定対象物までの前記出力光の往復伝搬時間を推定する伝搬推定手段と、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布の平均値において前記反射信号に対応する累積確率を検出の信頼度として出力する信頼度出力手段と、を備える光学的測距装置である。
　ここで、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布の平均値を基準レベルとし、前記ノイズの確率分布に対する前記基準レベル毎に当該基準レベルに対応するノイズの確率分布を予め求めて記憶させた変換データベースを備え、前記信頼度出力手段では、前記反射信号を検出する際に前記受光信号から求めた基準レベルに対応する前記変換データベースを参照して、前記反射信号に対応する累積確率を検出の信頼度として出力することが好適である。
　また、前記受光信号のノイズの確率分布を推定する確率分布推定手段をさらに備えることが好適である。
　また、前記受光信号のノイズの確率分布は、前記受光信号の波形の最大値の確率分布であることが好適である。
　また、前記基準レベルは、前記受光信号のノイズの確率分布の最頻値であることが好適である。
　また、前記基準レベルは、前記受光信号のノイズの確率分布のメディアンであることが好適である。
　本開示によれば、ノイズのレベルに応じて反射光の信号の誤検出率を所定値にすることができる。
本開示の実施の形態における光学的測距装置の構成を示す図である。 本開示の実施の形態における光学的測距装置のＴＯＦを求める方法を説明するための図である。 本開示の実施の形態における受光素子の配置例を示す図である。 本開示の実施の形態におけるノイズ計測方法を説明する図である。 本開示の実施の形態における光検出器の回路構成を示す図である。 本開示の実施の形態におけるノイズのヒストグラムの生成を説明する図である。 本開示の実施の形態におけるノイズのヒストグラム値の確率分布を説明する図である。 本開示の実施の形態における基準レベル（平均値）と反射信号の検出のための閾値の設定方法を説明する図である。
　本開示の実施の形態における光学的測距装置１００は、図１に示すように、レーザダイオード１０、双極面ミラー１２、ポリゴンミラー１４及び測距部１６を含んで構成される。
　レーザダイオード１０から繰り返し出射されるレーザ光（発光パルス）は図示しないコリメートレンズでコリメートされ、双極面ミラー１２の中央に設けられた穴からポリゴンミラー１４へ向かう。ポリゴンミラー１４で反射されたレーザ光は測定対象物が存在し得る空間へ出射される。レーザ光が測定対象物で反射された場合、その反射光は測距部１６へと戻る。出射された光と同じ経路で測距部１６へ戻ってきた反射光は、再びポリゴンミラー１４で反射されて、さらに双極面ミラー１２で反射されて測距部１６の受光素子１８へ入射する。
　光学的測距装置１００の光学系は、投光ビーム（レーザ光）と受光ビーム（反射光）の光軸を一致させた同軸型の光学系である。双極面ミラー１２は、レンズと同様の働きをし、反射光を受光素子１８に集光させる。また、ポリゴンミラー１４が回転することで、レーザ光と反射光は同時に水平方向に走査される。ポリゴンミラー１４は、例えば６面で構成され、各面の俯角を変化させることで垂直方向にレーザ光及び反射光を走査することができる。各面の俯角の差を投光するレーザ光の垂直方向のビーム広がり角度と等しくすれば、垂直方向に隙間なく走査することができる。
　測距部１６は、外乱光の影響を除去して、測定対象物によって反射された発光パルスが戻ってくるまでの時間（ＴＯＦ：ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｆｌｉｇｈｔ）を求める。
　図３は、本実施の形態における測距部１６に含まれる受光素子１８の構成例を示す。受光素子１８は、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａとノイズ計測用光検出器１８ｂとを並列に配置して構成される。ＴＯＦ計測用光検出器１８ａは、受光エリアと集光するレーザ光のビームスポットが重なるように受光素子を配置する。ノイズ計測用光検出器１８ｂは、受光エリアとレーザ光のビームスポットとが重ならないように受光素子を配置する。したがって、ノイズ計測用光検出器１８ｂは、測定対象物からの反射光を受光せず、外乱光のみを受光する。
　ＴＯＦ計測用光検出器１８ａ及びノイズ計測用光検出器１８ｂには、それぞれ垂直方向に１６個の光検出器が１次元アレイ状に実装されている。ＴＯＦ計測用光検出器１８ａ及びノイズ計測用光検出器１８ｂは、例えば、シリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ：Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｐｈｏｔｏ　Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）とすることが好適である。ＳｉＰＭは、複数のＳＰＡＤをアレイ状に配置し、全体として大きな受光部の１個の光検出器を構成したものである。図３の例では、各ＳｉＰＭは４×６個のＳＰＡＤで構成される。ＴＯＦ計測用光検出器１８ａ及びノイズ計測用光検出器１８ｂは、それぞれ１６個のＳｉＰＭで構成される。ポリゴンミラー１４は６面で構成されるので、光学的測距装置１００の垂直方向の走査線数は光検出器数とポリゴンの面数の積で表され１６×６＝９６ラインとなる。
　図３に示したＴＯＦ計測用光検出器１８ａ及びノイズ計測用光検出器１８ｂの配置において左右方向を水平に、上下方向を垂直になるように配置すると、図４に示すように走査中の各時刻でＴＯＦ計測用光検出器１８ａとノイズ計測用光検出器１８ｂとは常に異なる水平方向からの光を観測する。当該観測方向の角度差は、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａとノイズ計測用光検出器１８ｂの間隔及び双極面ミラー１２の焦点距離で決まる。また、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａの現在受光時の測定方向と次回受光時の測定方向の角度差、即ち水平解像度、はポリゴンミラー１４の回転速度、測定時間間隔、投光ビームのポリゴンミラーへの入射角度等で決まる。水平解像度と双極面ミラー１２の焦点距離とを固定して考えると、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａとノイズ計測用光検出器１８ｂの間隔を調節してノイズ計測用光検出器１８ｂの観測方向をＴＯＦ計測用光検出器１８ａの次回受光時の測定方向に一致させることができる。これによって、現在受光時のノイズ計測用光検出器１８ｂは、次回受光時のＴＯＦ計測用光検出器１８ａと同一方向を一時刻前に観測することになる。
　なお、本実施の形態では、ノイズ計測用光検出器１８ｂをＴＯＦ計測用光検出器１８ａと同一の構成としたが、異なる構成であってもよい。また、ノイズ計測用光検出器１８ｂを別途設けた構成例を示したが、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａのみを実装し、パルスレーザ光を照射しない時間にノイズレベルを計測する構成としてもよい。
　図５は、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａを構成するＳｉＰＭの１つの回路構成例を示す。複数のＳＰＡＤ２０の出力パルスはそれぞれ５～５０ｎｓ程度の有限のパルス幅を持つ。複数のパルス整形回路２２は、それぞれのＳＰＡＤ２０の出力パルス幅をレーザダイオード１０の発光パルス幅に等しくなるように整形する。整形された電圧パルスは、ディジタル加算器２４で加算される。ディジタル加算器２４は、出力電圧がｈｉｇｈ状態のＳＰＡＤ２０の数を出力する。ディジタル加算器２４の出力は、コンパレーター２６に入力され、所定値（本例では２としている）以上の場合、ＴＤＣ２８（Ｔｉｍｅ　ｔｏ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）がレーザ発光時刻からの経過時間を計測する。すなわち、同時に所定値以上のＳＰＡＤ２０でフォトンが検出された場合のみ経過時間が測定される。このように、測定対象物からの反射光では多数のフォトンが同時にＴＯＦ計測用光検出器１８ａに到来するのに対し、外乱光ではフォトンはランダムなタイミングで到来するため同時に到来する確率は小さいという性質に基づいた処理が行われる。また、時間的にレーザダイオード１０の発光パルス幅以上に乖離している電圧パルスは反射光に由来するものではない確率が高いので、パルス整形回路２２において電圧パルス幅をレーザダイオード１０の発光パルス幅に等しく調整している。ＴＤＣ２８において経過時間が計測されると、ヒストグラム回路３０は横軸をレーザ発光時刻からの経過時間、縦軸を出力電圧がｈｉｇｈ状態であるＳＰＡＤ２０の数としたヒストグラムを生成する。ヒストグラムを生成するにあたって、経過時間に対応するヒストグラムの各ビンに、ディジタル加算器２４の出力値を加算する。多数のＳＰＡＤ２０において同時にパルスが検出されたときにより多くの値が加算されるので、より有効に情報を活用してヒストグラムを形成することができる。
　レーザ光の発光からヒストグラム値加算までの一連の動作をＮｐ回繰り返すことによって、最終的なヒストグラムが生成される。ＴＯＦのヒストグラムの最大値を高精度に抽出するには、より多くのデータでヒストグラムを生成する必要があり、より多数のＴＯＦ測定が必要となり、測定時間が長くなる。測定時間が長くなると、投光／受光ビームを走査する場合や対象物が動いている場合に測定誤差を生じる原因となる。ＳｉＰＭでは、ＳＰＡＤ２０の出力を時間と空間の両方で統合するため測定時間を短縮することができる。
　ヒストグラムを生成した後、ヒストグラム回路３０は、ヒストグラムにおけるピーク値が閾値設定部３２で設定された閾値以上である場合にピーク位置に対応する時間をＴＯＦとして出力する。閾値を超えるピーク値が複数存在する場合、複数のピークに対応する複数のＴＯＦを出力してもよい。このようにして、１つの発光パルスが距離の異なる複数の測定対象物によって反射された場合であっても複数のＴＯＦを検出することができる。閾値を超えるピーク値がない場合は、測定対象物が存在しないと判定してＴＯＦを出力しない。このように、ヒストグラムにおけるピーク値に対して閾値を設けてＴＯＦを検出することによってＴＯＦの誤検出を抑制することができる。
　ノイズ計測用光検出器１８ｂを構成するＳｉＰＭもＴＯＦ計測用光検出器１８ａのＳｉＰＭと同様の検出回路を備えており、ＴＯＦ検出と同様にヒストグラムを生成する。ノイズ計測用光検出器１８ｂは、発光パルスの反射光を受光しないので、生成されるヒストグラムはすべてノイズ成分である。ノイズ成分には外乱光の他にＳＰＡＤのダークカウントやアフターパルスがあり、生成されるヒストグラムにはこれらすべてのノイズ成分が含まれている。ノイズ計測用光検出器１８ｂは、所定の計測時間でヒストグラムを生成した後、正規化した確率分布の平均値をノイズ平均値として出力する。
　閾値設定部３２は、予め作成したノイズ平均値－閾値変換テーブルを参照して、ノイズ計測用光検出器１８ｂの検出回路が出力したノイズ平均値（基準レベル）に対応する境界レベルをヒストグラム回路３０の閾値として設定する。以下、ノイズ平均値－閾値変換テーブルの作成方法について説明する。
　まず、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａで測定されるノイズの確率分布を測定する。同時にノイズ計測用光検出器１８ｂでノイズ平均を測定する。ハロゲンランプ等の光源の光を光学的測距装置１００の測距部１６に照射することで時間的に変化しない外乱光ノイズを生成する。このような状態において、レーザダイオード１０からの発光パルスの出力を停止して、測距の場合と同様に、ＴＯＦ計測用光検出器１８ａを用いて発光パルスのＮｐ回分に相当するヒストグラムを生成する。
　図６は、生成されるヒストグラムの例を示す。１つのヒストグラムからビン数Ｎｂｉｎ個分のヒストグラム値が得られる。外乱光を一定に保ったままヒストグラムの生成をＮｍｅｓ回繰り返すと、合計でＮｂｉｎ×Ｎｍｅｓ個のヒストグラム値が得られる。ヒストグラム値のとり得る値の範囲はゼロからＮｓｐａｄ×Ｎｐである。ここで、Ｎｓｐａｄは、ＳｉＰＭを構成するＳＰＡＤの数である。測定した全ヒストグラム値の度数分布を作成し、全度数の合計Ｎｂｉｎ×Ｎｍｅｓで各度数を除すると、図７に示すような確率分布が得られる。
　ここで、ヒストグラム値がｉとなる確率を数式（１）で表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　累積確率は、数式（２）で表される。ここで、累積確率とは、ある１つのビンについてノイズのヒストグラム値がｉ以下となる確率である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ヒストグラムのピーク値がｉ以下になる確率は、ヒストグラムのＮｂｉｎ個全てのビンのヒストグラム値がｉ以下になる確率である。各ビンのヒストグラム値が独立な確率事象であると仮定すると、その確率は数式（３）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　また、ピーク値がｉを超える確率、即ち境界レベルをｉとしたときに誤検出となる確率は数式（４）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　各ビンのヒストグラム値は独立な確率事象ではないが、数式（４）を用いれば十分な精度で誤検出率を近似できる。したがって、誤検出率がＥｒｒ以下となる閾値Ｔは、数式（５）を満たす最小の値ｉである境界レベルとすることが好適である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　ノイズ平均値μは、ノイズ計測用光検出器１８ｂで生成したヒストグラムの全ビン（Ｎｂｉｎ）に全測定回数（Ｎｍｅｓ）（レーザ発光回数）分の、出力電圧がｈｉｇｈ状態であるＳＰＡＤ２０の数を累積して得られたヒストグラムを正規化したノイズの確率分布の平均値として求める。以上のように、ノイズのヒストグラム値の確率分布Ｐ（ｉ）｛ｉ＝０，１，２・・・，Ｎｓｐａｄ×Ｎｐ｝が得られると、図８に示すように、ノイズレベルに応じた確率分布毎にそのノイズ平均値μ（μ１，μ２・・・）と、誤検出率Ｅｒｒになる境界レベルε（ε１，ε２・・・）との関係を求めることができる。確率分布の測定に基づいて、ノイズ平均値μと境界レベルεとの関係をすべてのノイズレベルに対して予め調べておくことによって、ノイズ平均値μと閾値Ｔとの変換テーブル（変換データベース）を作成することができる。具体的には、光源の光量を変化させたり、光源と測距装置の距離を変化させたりすることでノイズレベルを変化させた状態でノイズ平均値μと境界レベルεとの関係をすべてのノイズレベルに対して調べることができる。
　なお、すべてのノイズレベルで確率分布を測定してノイズ平均値μと境界レベルεとの関係を求める代わりに、いくつかの代表的なノイズレベルでノイズ平均値μと境界レベルεの組み合わせを求め、補間によってノイズ平均値μと境界レベルεとの変換テーブルを完成させてもよい。
　閾値設定部３２は、当該変換テーブルを参照することによって、ノイズ計測用光検出器１８ｂの検出回路が出力したノイズがノイズ平均値μを示すときに反射信号成分のヒストグラムのピーク検出のための閾値Ｔをヒストグラム回路３０に対して設定する。これによって、すべてのノイズレベルに対して反射信号の検出において誤検出率Ｅｒｒを維持することができる。また、変換テーブルの代わりに、ノイズレベル毎にノイズ平均値μと境界レベルεとの関係を示す関係式を求めておき、ノイズ平均値μを引数として境界レベルεを算出できるようにしてよい。これによって、実際に求めたノイズのノイズ平均値μから算出された境界レベルεを閾値Ｔとして設定することができる。
　以上では、ヒストグラムの値の各ビンの確率分布に基づいてノイズ平均値μと境界レベルεの関係を求めたが、ヒストグラムの最大値の確率分布に基づいてもよい。１回のヒストグラム生成でヒストグラムの最大値が１個得られるので、ヒストグラム生成をＮｍｅｓ回繰り返すことで各ヒストグラムの最大値がＮｍｅｓ個得られる。測定したＮｍｅｓ個の最大値の度数分布を生成し、各度数を全度数Ｎｍｅｓで除することで数式（６）を満たす最大値の確率分布が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　この累積確率をＣｍａｘ（ｉ）とすると、誤検出率がＥｒｒ以下となる閾値Ｔは、数式（７）を満たす最小の値ｉである境界レベルとすることが好適である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　１回のヒストグラム生成でヒストグラムの最大値が１個しか得られないので、確率分布を高い精度で求めるにはより多くのヒストグラム生成が必要になり、長い計測時間を要する。一方で、各ビンの値は独立な確率事象であるという仮定を用いずに閾値を定められるという利点がある。
　なお、ノイズ平均値μと境界レベルεとの変換テーブルの作成は１度だけ行えばよい。同じ受光素子であれば複製した測距装置で同じ変換テーブルを共有することもできる。したがって、本実施の形態の光学的測距装置１００において、確率分布推定手段は必須の構成要素ではない。確率分布推定手段を備えることにより、受光手段の特性が経年劣化等で変化した場合でもノイズレベルと閾値との関係、すなわち変換テーブルを更新することができる。本実施の形態では、実測により確率分布を測定したが、各種のシミュレーションによって確率分布を求めて変換テーブルを作成してもよい。
　また、変換テーブルを用いない簡易な構成としてもよい。フォトンカウント式ＬｉＤＡＲの受光素子の応答はポアソン過程であり、応答から生成される受光タイミングのヒストグラム等の受光信号の値もポアソン過程と近似できる。ポアソン過程では、所与の時間の平均発生回数がｎ回である時、発生回数のばらつき（標準偏差）はｎの平方根になることが知られている。そこで、図８に示すように、閾値設定部３２は、ノイズ計測用光検出器１８ｂが出力したノイズ平均値μと、当該ノイズ平均値μの平方根に所定の係数（例えば４．０）を乗じた値とを加算した値を境界レベルεとしてもよい。
　これによって、フォトンカウント式ＬｉＤＡＲの受光信号のノイズ成分のばらつき度合に応じた閾値設定が簡易な構成で可能になる。
　本実施の形態におけるＴＯＦ計測用光検出器１８ａ及びノイズ計測用光検出器１８ｂは、複数のＳＰＡＤをアレイ状に配置して全体として大きな受光部の光検出器を構成するＳｉＰＭとしたが、これに限定されるものではない。各ＳＰＡＤの出力電流を加算するＳｉＰＭであってもよい。
　また、所定個数以上のＳＰＡＤの出力電圧が同時にｈｉｇｈ状態であるときにＴＤＣ２８を作動させる構成を示したが、全ＳＰＡＤの出力加算信号を時間サンプリングすることで、ヒストグラムに相当する受光信号を生成するようにしてもよい。また、フォトンカウント式の受光素子であれば、この他にもＳｉＰＭの実装には種々の変形が可能である。ＳｉＰＭの代わりに１つのＳＰＡＤが１つの光検出器であってもよい。
　本実施の形態では、１つのヒストグラムを生成するためのレーザ発光回数、即ちヒストグラムの積算回数をＮｐとした。前述したように、積算回数を大きくするとより高精度にヒストグラムの最大値を抽出できる反面、測定時間が長くなる。また、隣接する光検出器が生成したヒストグラムを加算統合する、即ち空間的な積算回数を増加させることで空間解像度は犠牲になるが、時間的な積算回数の増加と同様に最大値の抽出精度を高めることができる。夜間のように外乱光が少ない場合は積算回数を大きくし、昼間のように外乱光が少ない場合に積算回数を小さくすることもできる。このようにヒストグラムの積算回数を可変にする場合、ノイズの計測時間も積算回数に比例して増減させることが好適である。または、積算回数を基準のｘ倍としたときノイズ平均値μと閾値Ｔの変換テーブルにおいて計測したノイズ平均のｘ倍を参照して閾値を求めてもよい。
　また、本実施の形態では、基準レベルをノイズの確率分布のノイズ平均値μ（期待値）としたが、基準レベルを最頻値やメディアン（中央値）としてもよい。この場合、例えば、最頻値やメディアンと境界レベルεとの関係を予め求めて変換テーブルを作成しておくことによってノイズの確率分布に応じた閾値Ｔを設定することができる。なお、最頻値とは、確率分布において確率が最大になる確率変数、即ちヒストグラム値である。メディアンとは、確率分布における累積確率が０．５になる確率変数である。最頻値もメディアンもノイズ計測用光検出器でヒストグラムを生成することにより容易に算出することができる。
　また、ノイズ平均値μ、最頻値、メディアン等の統計値を線形変換した値、例えばノイズ平均値μの１．２倍を基準レベルとしても用いるようにしてもよい。
［変形例］
　数式（４）又はＣｍａｘ（ｉ）で表される累積確率は、ノイズ成分のみのヒストグラムにおいてヒストグラム値の最大値がｉ以下になる確率である。この確率は、反射信号成分を含むヒストグラムにおいてヒストグラム値のピーク値がｉであったときにノイズ成分ではない確率であり、すなわちピークが反射信号成分であることの信頼性を表す。そこで、反射信号を検出する際のノイズの確率分布において、ヒストグラム回路３０で検出された反射信号成分のヒストグラムのピーク値に対応する累積確率を検出の信頼度として出力する構成としてもよい。
　具体的には、受光信号に含まれるノイズの確率分布における基準レベル（平均値、最頻値、メディアン等）毎に当該基準レベルに対応するノイズの累積確率分布を予め求めて記憶させた変換データベースを作成しておき、反射信号成分のヒストグラムのピークを検出する際に受光信号から実際に求めたノイズの基準レベルに対応する変換データベースを参照して反射信号成分のヒストグラムのピーク値に対応する累積確率を検出の信頼度として出力するようにすればよい。例えば、ヒストグラム回路３０における反射信号の検出の際にヒストグラムのピーク値がＰである場合、ピーク値Ｐに対応する累積確率Ｃｍａｘ（Ｐ）を検出の信頼度として出力するようにすればよい。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (11)

  1. 　光の伝搬時間に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、
    　パルス状の出力光を測定対象物へ向けて繰り返し投光する投光手段と、
    　光を受光して受光信号として出力するフォトンカウント型受光素子を含む受光手段と、
    　前記受光信号において閾値を超える信号成分を前記測定対象物における前記出力光の反射による反射信号として弁別する信号弁別手段と、
    　前記反射信号に基づいて前記測定対象物までの前記出力光の往復伝搬時間を推定する伝搬推定手段と、
    　前記受光信号に含まれるノイズの確率分布の平均値から求められる基準レベルと当該確率分布における累積確率が所定値となる境界レベルとの関係に基づいて、前記信号弁別手段において前記反射信号を弁別する際に前記受光信号から求めた前記基準レベルに対応する前記境界レベルを前記閾値として設定する閾値設定手段と、
    を備える光学的測距装置。
  2. 　請求項１に記載の光学的測距装置であって、
    　前記受光信号に含まれるノイズの確率分布に対する前記基準レベルと前記境界レベルとの関係を予め求めて記憶させた変換データベースを備え、
    　前記閾値設定手段では、前記変換データベースを参照して前記受光信号から求めた前記基準レベルに対応する前記境界レベルを前記閾値として設定する光学的測距装置。
  3. 　請求項１又は２に記載の光学的測距装置であって、
    　前記受光信号のノイズの確率分布を推定する確率分布推定手段をさらに備える光学的測距装置。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の光学的測距装置であって、
    　前記受光信号のノイズの確率分布は、前記受光信号の波形の最大値の確率分布である光学的測距装置。
  5. 　請求項１に記載の光学的測距装置であって、
    　前記境界レベルは、前記受光信号に含まれるノイズの確率分布において前記基準レベルと当該基準レベルの平方根に所定の係数を乗じた値とを加算した値である光学的測距装置。
  6. 　光の伝搬時間に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、
    　パルス状の出力光を測定対象物へ向けて繰り返し投光する投光手段と、
    　光を受光して受光信号として出力するフォトンカウント型受光素子を含む受光手段と、
    　前記受光信号に含まれる前記測定対象物における前記出力光の反射による反射信号に基づいて前記測定対象物までの前記出力光の往復伝搬時間を推定する伝搬推定手段と、
    　前記受光信号に含まれるノイズの確率分布の平均値において前記反射信号に対応する累積確率を検出の信頼度として出力する信頼度出力手段と、
    を備える光学的測距装置。
  7. 　請求項６に記載の光学的測距装置であって、
    　前記受光信号に含まれるノイズの確率分布の平均値を基準レベルとし、前記ノイズの確率分布に対する前記基準レベル毎に当該基準レベルに対応するノイズの確率分布を予め求めて記憶させた変換データベースを備え、
    　前記信頼度出力手段では、前記反射信号を検出する際に前記受光信号から求めた基準レベルに対応する前記変換データベースを参照して、前記反射信号に対応する累積確率を検出の信頼度として出力する光学的測距装置。
  8. 　請求項１～５、７のいずれか１項に記載の光学的測距装置であって、
    　前記基準レベルは、前記受光信号のノイズの確率分布の最頻値である光学的測距装置。
  9. 　請求項１～５、７のいずれか１項に記載の光学的測距装置であって、
    　前記基準レベルは、前記受光信号のノイズの確率分布のメディアンである光学的測距装置。
  10. 　請求項６～９のいずれか１項に記載の光学的測距装置であって、
    　前記受光信号のノイズの確率分布を推定する確率分布推定手段をさらに備える光学的測距装置。
  11. 　請求項６～１０のいずれか１項に記載の光学的測距装置であって、
    　前記受光信号のノイズの確率分布は、前記受光信号の波形の最大値の確率分布である光学的測距装置。
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