(57)【要約】      （修正有）【課題】簡易な構成で複数の画素について測距を行うことが可能な測距装置を提供する。【解決手段】第１周波数信号に基づいて光強度が変化するレーザ光を出射する出射部１１と、対象物によって反射されたレーザ光を受光し、光強度を電気信号に変換して受信信号を得る複数の受光部と、各々が複数の受光部に対応して設けられ、第１周波数信号と受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により受信信号の余弦成分を検出し、第１周波数信号と周波数が同一で位相が異なる第２周波数信号と受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により受信信号の正弦成分を検出するように構成された複数の信号成分検出部と、検出された余弦成分及び正弦成分に基づいて、複数の受光部の各々において得られた受信信号について、位相角を算出する位相角算出部１４と、を有する。【選択図】図１
2020008445.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１周波数信号に基づいて光強度が変化するレーザ光を出射する出射部と、
対象物によって反射された前記レーザ光を受光し、当該受光したレーザ光の光強度を電気信号に変換して受信信号を得る複数の受光部と、
各々が前記複数の受光部に対応して設けられ、前記第１周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により前記受信信号の余弦成分を検出し、前記第１周波数信号と周波数が同一で位相が異なる第２周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により前記受信信号の正弦成分を検出するように構成された複数の信号成分検出部と、
前記複数の信号成分検出部の各々により検出された前記余弦成分及び前記正弦成分に基づいて、前記複数の受光部の各々において得られた前記受信信号の各々について位相角を算出する位相角算出部と、
を有することを特徴とする測距装置。
【請求項２】
前記複数の信号成分検出部において検出された前記受信信号の前記余弦成分及び前記正弦成分を前記複数の信号成分検出部の各々から順次読み出し、当該順次読み出された複数の前記余弦成分からなる余弦成分系列及び当該順次読み出された複数の前記正弦成分からなる正弦成分系列を生成する信号成分読出部を有し、
前記位相角算出部は、前記余弦成分系列に含まれる１の余弦成分と、前記正弦成分系列に含まれかつ前記１の余弦成分に対応する１の正弦成分と、に基づいて前記位相角を算出することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記演算は掛け算であることを特徴とする請求項１又は２に記載の測距装置。
【請求項４】
前記信号成分検出部は、積分回路を含み、
前記積分回路は、前記受信信号を第１の基準位相から１８０度ごとに積分することにより前記受信信号の前記余弦成分を算出し、前記受信信号を前記第１の基準位相から９０度ずれた第２の基準位相から１８０度ごとに積分することにより前記受信信号の前記正弦成分を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項５】
前記積分回路は、前記受信信号に基づいて電荷が充放電される第１のキャパシタ及び第２のキャパシタを有し、前記受信信号の位相に応じて前記第１のキャパシタの充電又は放電を切り替えることにより前記受信信号を積分して前記受信信号の前記余弦成分を算出し、前記受信信号の位相に応じて前記第１のキャパシタの切り替えのタイミングとは９０度異なるタイミングで前記第２のキャパシタの充電又は放電を切り替えることにより前記受信信号を積分して前記受信信号の前記正弦成分を算出する、
ことを特徴とする請求項４に記載の測距装置。
【請求項６】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタは、各々の一端が前記受信信号に基づく電流の供給を受ける電流供給ラインに接続されるとともに他端が接地された第１の状態と、各々の前記一端が接地されるとともに前記他端が前記電流供給ラインに接続された第２の状態と、に交互に切り替えられることによりそれぞれ充電及び放電される、
ことを特徴とする請求項５に記載の測距装置。
【請求項７】
第１周波数信号に基づいて光強度が変化するレーザ光を出射する出射部と、
対象物によって反射された前記レーザ光を受光し、当該受光したレーザ光の光強度を電気信号に変換して受信信号を得る複数の受光部と、
前記複数の受光部に対応して設けられ、前記受信信号を第１の基準位相から１８０度ごとに積分する第１の積分処理と、前記受信信号を前記第１の基準位相から９０度ずれた第２の基準位相から１８０度ごとに積分する第２の積分処理と、を実行する積分回路を含み、前記第１の積分処理に基づいて前記受信信号の余弦成分を算出し、前記第２の積分処理に基づいて前記受信信号の正弦成分を算出する複数の信号成分検出部と、
前記複数の信号成分検出部の各々において検出された前記受信信号の前記余弦成分及び前記正弦成分に基づいて、前記複数の受光部において得られた前記受信信号の各々について位相角を算出し、画素ごとの位相角を得る位相角算出部と、
を有することを特徴とする測距装置。
【請求項８】
第１周波数信号に基づいて光強度が変化するレーザ光を出射するステップと、
対象物によって反射された前記レーザ光を複数の受光部により受光するステップと、
前記複数の受光部により受光したレーザ光の光強度を電気信号に変換して複数の受信信号を得るステップと、
前記第１周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について余弦成分を検出するステップと、
前記第１周波数信号と周波数が同一で位相が異なる第２周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について正弦成分を検出するステップと、
前記複数の受信信号の各々について検出された前記余弦成分及び前記正弦成分に基づいて、前記複数の受信信号の各々について位相角を算出するステップと、
を有することを特徴とする測距方法。
【請求項９】
コンピュータに、
第１周波数信号に基づいて光強度が変化するレーザ光を出射するステップと、
対象物によって反射された前記レーザ光を複数の受光部により受光するステップと、
前記複数の受光部により受光したレーザ光の光強度を電気信号に変換して複数の受信信号を得るステップと、
前記第１周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について余弦成分を検出するステップと、
前記第１周波数信号と周波数が同一で位相が異なる第２周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について正弦成分を検出するステップと、
前記複数の受信信号の各々について検出された前記余弦成分及び前記正弦成分に基づいて、前記複数の受信信号の各々について位相角を算出するステップと、
を実行させることを特徴とするプログラム。
【請求項１０】
コンピュータに、
第１周波数信号に基づいて光強度が変化するレーザ光を出射するステップと、
対象物によって反射された前記レーザ光を複数の受光部により受光するステップと、
前記複数の受光部により受光したレーザ光の光強度を電気信号に変換して複数の受信信号を得るステップと、
前記第１周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について余弦成分を検出するステップと、
前記第１周波数信号と周波数が同一で位相が異なる第２周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について正弦成分を検出するステップと、
前記複数の受信信号の各々について検出された前記余弦成分及び前記正弦成分に基づいて、前記複数の受信信号の各々について位相角を算出するステップと、
を実行させるプログラムを記録することを特徴とする記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測距装置に関し、特に、送信信号及び受信信号の位相を比較して対象物までの距離を測定する測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光を対象物に照射し、当該対象物によって反射されたレーザ光を受光して解析することにより、対象物までの距離を計測する測距装置が知られている（例えば、特許文献１）。かかる測距装置の測距方式としては、ＴＯＦ（Time of Flight）方式や位相差法方式がある。ＴＯＦ方式では、送信した信号が対象物に反射して戻ってくるまでの時間を計測し、計測した時間に基づいて距離を測定する。
【０００３】
一方、位相差法では、例えば正弦波によって光強度を変調したレーザ光を対象物に照射し、対象物によって反射されたレーザ光を受光して、その光強度を電気信号に変換する。そして、電気信号に含まれる正弦波の成分と射出時のレーザ光の光強度に含まれる正弦波の成分との位相差を抽出し、抽出した位相差を遅延時間に変換し、当該遅延時間及び光速度に基づいて対象物との距離を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１２９６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような測距をレーザ光の照射面上の複数の位置（以下、複数の画素と称する）について行う場合、測距装置にはこれに対応する複数の受光部が必要となる。例えば、ＴＯＦ方式では、複数の受光部の各々において受光されたレーザ光について計測された時間を各々の画素について読み出し、画素毎に距離を算出する。その際、複数の画素についての計測時間をそのまま読み出す場合、サンプリング周波数の周波数帯域が広く（数百ＭＨｚ）、パラレル読み出しになるため、配線数が膨大なものとなってしまう。シリアルに読み出しを行うために周波数レートを落とそうとすると、複数の画素についての受光部の各々にＴＤＣ（Time to Digital Converter）処理回路が必要となり、回路規模が増大してしまう。
【０００６】
位相差法を用いて複数の画素について測距を行う場合、複数の受光部の各々は、対象物によって反射されたレーザ光を受光して、その光強度を電気信号に変換し、電気信号に含まれる正弦波の成分を抽出する。抽出された正弦波の成分を複数の画素について読み出す際、そのまま読み出しを行おうとすると、周波数帯域が広く、ＴＯＦ方式の場合と同様にパラレル読み出しになるため、配線数が膨大なものとなってしまうという問題点があった。
【０００７】
このように、複数の画素について測距を行う場合、測距装置の回路規模や配線数が増大してしまうということが課題の一例として挙げられる。
【０００８】
本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で複数の画素について測距を行うことが可能な測距装置を提供することを目的の一つとしている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、測距装置であって、第１周波数信号に基づいて光強度が変化するレーザ光を出射する出射部と、対象物によって反射された前記レーザ光を受光し、当該受光したレーザ光の光強度を電気信号に変換して受信信号を得る複数の受光部と、各々が前記複数の受光部に対応して設けられ、前記第１周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により前記受信信号の余弦成分を検出し、前記第１周波数信号と周波数が同一で位相が異なる第２周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により前記受信信号の正弦成分を検出するように構成された複数の信号成分検出部と、前記複数の信号成分検出部の各々により検出された前記余弦成分及び前記正弦成分に基づいて、前記複数の受光部の各々において得られた前記受信信号の各々について位相角を算出する位相角算出部と、を有することを特徴とする。
【００１０】
請求項７に記載の発明は、測距装置であって、第１周波数信号に基づいて光強度が変化するレーザ光を出射する出射部と、対象物によって反射された前記レーザ光を受光し、当該受光したレーザ光の光強度を電気信号に変換して受信信号を得る複数の受光部と、前記複数の受光部に対応して設けられ、前記受信信号を第１の基準位相から１８０度ごとに積分する第１の積分処理と、前記受信信号を前記第１の基準位相から９０度ずれた第２の基準位相から１８０度ごとに積分する第２の積分処理と、を実行する積分回路を含み、前記第１の積分処理に基づいて前記受信信号の余弦成分を算出し、前記第２の積分処理に基づいて前記受信信号の正弦成分を算出する複数の信号成分検出部と、前記複数の信号成分検出部の各々において検出された前記受信信号の前記余弦成分及び前記正弦成分に基づいて、前記複数の受光部において得られた前記受信信号の各々について位相角を算出し、画素ごとの位相角を得る位相角算出部と、を有することを特徴とする。
【００１１】
請求項８に記載の発明は、測距方法であって、第１周波数信号に基づいて光強度が変化するレーザ光を出射するステップと、対象物によって反射された前記レーザ光を複数の受光部により受光するステップと、前記複数の受光部により受光したレーザ光の光強度を電気信号に変換して複数の受信信号を得るステップと、前記第１周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について余弦成分を検出するステップと、前記第１周波数信号と周波数が同一で位相が異なる第２周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について正弦成分を検出するステップと、前記複数の受信信号の各々について検出された前記余弦成分及び前記正弦成分に基づいて、前記複数の受信信号の各々について位相角を算出するステップと、を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項９に記載の発明は、プログラムであって、コンピュータに、第１周波数信号に基づいて光強度が変化するレーザ光を出射するステップと、対象物によって反射された前記レーザ光を複数の受光部により受光するステップと、前記複数の受光部により受光したレーザ光の光強度を電気信号に変換して複数の受信信号を得るステップと、前記第１周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について余弦成分を検出するステップと、前記第１周波数信号と周波数が同一で位相が異なる第２周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について正弦成分を検出するステップと、前記複数の受信信号の各々について検出された前記余弦成分及び前記正弦成分に基づいて、前記複数の受信信号の各々について位相角を算出するステップと、を実行させることを特徴とする。
【００１３】
請求項１０に記載の発明は、コンピュータに、第１周波数信号に基づいて光強度が変化するレーザ光を出射するステップと、対象物によって反射された前記レーザ光を複数の受光部により受光するステップと、前記複数の受光部により受光したレーザ光の光強度を電気信号に変換して複数の受信信号を得るステップと、前記第１周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について余弦成分を検出するステップと、前記第１周波数信号と周波数が同一で位相が異なる第２周波数信号と前記受信信号とを演算した演算結果に対する高周波成分の遮断により、前記複数の受信信号の各々について正弦成分を検出するステップと、前記複数の受信信号の各々について検出された前記余弦成分及び前記正弦成分に基づいて、前記複数の受信信号の各々について位相角を算出するステップと、を実行させるプログラムを記録することを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施例の測距装置の構成を示すブロック図である。
【図２】受光処理部の内部構成とともに測距装置の構成を示すブロック図である。
【図３Ａ】信号成分検出部に含まれる積分回路の構成例を示す回路図である。
【図３Ｂ】スイッチの切り替えのタイミングを示すマトリクス図である。
【図４Ａ】コンデンサの充放電のタイミングを受光信号の位相として示す図である。
【図４Ｂ】積分回路におけるコンデンサの充放電を模式的に示す概念図である。
【図５】信号成分検出部の機能ブロックを示すブロック図である。
【図６】積分回路の変形例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の実施例における説明及び添付図面においては、実質的に同一または等価な部分には同一の参照符号を付している。
【００１６】
図１は、実施例１の測距装置１００の構成を示すブロック図である。測距装置１００は、所定周波数の信号に基づいて光強度を変調したレーザ光を所定領域に向けて出射し、所定領域内の対象物ＯＪＴによって反射されたレーザ光を受光して、出射時及び受光時のレーザ光の光強度に含まれる当該所定周波数の信号成分の位相差（位相角）に基づいて対象物ＯＪＴまでの距離を計測する。測距装置１００は、レーザ光の照射面上の複数の位置において反射されたレーザ光を受光し、当該複数の位置の各々について距離の計測を行う。
【００１７】
測距装置１００は、基準信号発生部１０、出射部１１、受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）、シリアル読出部１３及び位相差角算出部１４を有する。ここで、ｎは２以上の整数である。また、以下の説明では、上記複数の位置を「複数の画素」と称する。
【００１８】
基準信号発生部１０は、出射時におけるレーザ光の光強度の変調及び受光後における位相差の検出に用いる基準信号を生成する。基準信号発生部１０は、同一の周波数ｆを有し位相が互いに異なる第１周波数信号ＦＳ１及び第２周波数信号ＦＳ２を基準信号として生成する。以下の説明では、位相が９０度異なる場合を例として、第１周波数信号ＦＳ１＝ｃｏｓ（２π・ｆ・ｔ）、第２周波数信号ＦＳ２＝ｓｉｎ（２π・ｆ・ｔ）とする。
【００１９】
出射部１１は、レーザ光を出射するレーザ光源１１Ａ、及びレーザ光源１１Ａを駆動するレーザ発光駆動部１１Ｂを含む。出射部１１は、第１周波数信号ＦＳ１に基づいて光強度を変調したレーザ光を出射光ＯＬとして出射する。
【００２０】
受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）は、複数の画素に対応して設けられており、複数の画素の各々について距離を計測するためのアナログの信号処理を行う。
【００２１】
図２は、受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）のうちの１つを受光処理部１２としてその内部構成を示すとともに、受光処理部１２と、基準信号発生部１０、シリアル読出部１３及び対象物ＯＪＴとの関係を示すブロック図である。
【００２２】
受光処理部１２は、受光部２１及び信号成分検出部２２を含む。上記の通り、受光処理部１２は複数（ｎ個）設けられているため、測距装置１００は全体として複数の受光部２１を有する。また、信号成分検出部２２は、複数の受光部２１に対応して設けられている。
【００２３】
受光部２１は、所定領域内の対象物ＯＪＴによって反射されたレーザ光である反射光ＲＬを受光し、受光した反射光ＲＬの光強度を電気信号に変換する受光素子２１Ａ、及び受光素子２１Ａにより変換された電気信号から受光信号ＲＳを検出する受光信号検出部２１Ｂを含む。受光素子２１Ａは、例えばフォトダイオード等の光検出器から構成され、受光した反射光ＲＬの光強度を電気信号に変換する。例えば、受光素子２１Ａは、ＡＰＤ（Avalanche Photodiode）から構成されている。
【００２４】
信号成分検出部２２は、受光信号ＲＳ、第１周波数信号ＦＳ１及び第２周波数信号ＦＳ２に基づいて、受光信号ＲＳの正弦成分ＳＳ及び余弦成分ＣＳを検出し、シリアル読出部１３に供給する。信号成分検出部２２は、受光信号ＲＳの信号電流を積分する積分回路を含む。
【００２５】
図３Ａは、信号成分検出部２２に含まれる積分回路２３の構成例を示す回路図である。ここでは、受光部２１の受光素子２１Ａを構成する光検出器をＡＰＤとし、受光信号ＲＳの信号電流をＩＳとして示している。積分回路２３は、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ６、ＳＷ７及びＳＷ８と、コンデンサＣ１及びＣ２と、を含む。
【００２６】
スイッチＳＷ１は、一端がＡＰＤに接続され、他端がスイッチＳＷ２の一端に接続されている。スイッチＳＷ２の他端は接地されている。スイッチＳＷ３は、一端がＡＰＤに接続され、他端がスイッチＳＷ４の一端に接続されている。スイッチＳＷ４の他端は接地されている。コンデンサＣ１の一端は、スイッチＳＷ１の他端とスイッチＳＷ２の一端との間の接続ノードに接続されている。コンデンサＣ１の他端は、スイッチＳＷ３の他端とスイッチＳＷ４の一端との間の接続ノードに接続されている。
【００２７】
スイッチＳＷ５は、一端がＡＰＤに接続され、他端がスイッチＳＷ６の一端に接続されている。スイッチＳＷ６の他端は接地されている。スイッチＳＷ７は、一端がＡＰＤに接続され、他端がスイッチＳＷ８の一端に接続されている。スイッチＳＷ８の他端は接地されている。コンデンサＣ２の一端は、スイッチＳＷ５の他端とスイッチＳＷ６の一端との間の接続ノードに接続されている。コンデンサＣ２の他端は、スイッチＳＷ７の他端とスイッチＳＷ８の一端との間の接続ノードに接続されている。
【００２８】
スイッチＳＷ１〜ＳＷ８のＯＮ／ＯＦＦ（すなわち、接続／非接続）の切り替えにより、ＡＰＤから出力された信号電流ＩＳに基づいてコンデンサＣ１及びＣ２に電荷が充電され、又は放電される。なお、コンデンサＣ１には、コンデンサＣ１の両端の電圧を出力するバッファ回路等の出力回路（図示せず）が接続されている。同様に、コンデンサＣ２には、コンデンサＣ２の両端の電圧を出力するバッファ回路等の出力回路（図示せず）が接続されている。これにより、コンデンサＣ１及びＣ２の充電電圧の値が出力される。
【００２９】
図３Ｂは、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８の切り替えのタイミングを示すマトリクス図である。ｉ＝０のタイミングでは、スイッチＳＷ１及びＳＷ４がＯＮ、その他のスイッチがＯＦＦとなり、コンデンサＣ１に電荷が充電される。ｉ＝１のタイミングでは、スイッチＳＷ５及びＳＷ８がＯＮ、その他のスイッチがＯＦＦとなり、コンデンサＣ２に電荷が充電される。ｉ＝２のタイミングでは、スイッチＳＷ２及びＳＷ３がＯＮ、その他のスイッチがＯＦＦとなり、コンデンサＣ１の電荷が放電される。ｉ＝３のタイミングでは、スイッチＳＷ６及びＳＷ７がＯＮ、その他のスイッチがＯＦＦとなり、コンデンサＣ２の電荷が放電される。
【００３０】
図４Ａ及び図４Ｂは、受光信号ＲＳの位相と積分回路２３における積分との関係を示す概念図である。図４Ａにおいて、Ｓ０のタイミングにおける受光信号ＲＳの位相を０°とすると、Ｓ１のタイミングにおける位相は９０°、Ｓ２のタイミングにおける位相は１８０°、Ｓ３のタイミングにおける位相は２７０°となる。以下同様に、Ｓ（４ｋ＋０）における位相は０°、Ｓ（４ｋ＋１）における位相は９０°、Ｓ（４ｋ＋２）における位相は１８０°、Ｓ（４ｋ＋３）における位相は２７０°となる。
【００３１】
図４Ｂに示すように、積分回路２３は、Ｓ（４ｋ＋０）のタイミングでコンデンサＣ１を充電し、Ｓ（４ｋ＋２）のタイミングでコンデンサＣ１を放電する。これにより、受光信号ＲＳの位相０°及び位相１８０°において、信号電流ＩＳに基づく電荷がコンデンサＣ１に充放電され、受光信号ＲＳの余弦成分ＣＳが検出される。すなわち、積分回路２３は、受光信号ＲＳの位相０°を第１の基準位相として、１８０°ごとに積分を行うことにより、受光信号ＲＳの余弦成分ＣＳを生成する。
【００３２】
また、積分回路２３は、Ｓ（４ｋ＋１）のタイミングでコンデンサＣ２を充電し、Ｓ（４ｋ＋３）のタイミングでコンデンサＣ２を放電する。これにより、受光信号ＲＳの位相９０°及び位相２７０°において、信号電流ＩＳに基づく電荷がコンデンサＣ２に充放電され、受光信号ＲＳの正弦成分ＳＳが検出される。すなわち、積分回路２３は、受光信号ＲＳの位相９０°を第２の基準位相として、１８０°ごとに積分を行うことにより、受光信号ＲＳの正弦成分ＳＳを生成する。
【００３３】
このような積分回路２３の動作による余弦成分ＣＳの検出処理は、第２周波数信号ＦＳ２と受光信号ＲＳとを掛け算する演算を行い、演算結果から高周波成分を遮断する処理と機能的に等しい。同様に、積分回路２３の動作による正弦成分ＳＳの検出処理は、第１周波数信号ＦＳ１と受光信号ＲＳとを掛け算する演算を行い、演算結果から高周波成分を遮断する処理と機能的に等しい。
【００３４】
図５は、図２における信号成分検出部２２を、上記機能を表す機能ブロックに置き換えて示すブロック図である。信号成分検出部２２は、余弦側機能ブロック２２Ａ及び正弦側機能ブロック２２Ｂから構成されている。
【００３５】
余弦側機能ブロック２２Ａは、余弦側掛算器２４Ａ及び高周波遮断部２５Ａを含む。余弦側掛算器２４Ａは、受光信号ＲＳに対して第１周波数信号ＦＳ１を掛け算する演算を行う。
【００３６】
高周波遮断部２５Ａは、積分器又はＬＰＦ（Low Pass Filter）としての機能を有し、受光信号ＲＳと第１周波数信号ＦＳ１とを掛け算した演算結果から高周波成分を遮断し、ＤＣ成分を抽出する。これにより、受光信号ＲＳの余弦成分ＣＳが検出される。
【００３７】
正弦側機能ブロック２２Ｂは、正弦側掛算器２４Ｂ及び高周波遮断部２５Ｂを含む。正弦側掛算器２４Ｂは、受光信号ＲＳに対して第２周波数信号ＦＳ２を掛け算する演算を行う。
【００３８】
高周波遮断部２５Ｂは、積分器又はＬＰＦとしての機能を有し、受光信号ＲＳと第２周波数信号ＦＳ２とを掛け算した演算結果から高周波成分を遮断し、ＤＣ成分を抽出する。これにより、受光信号ＲＳの正弦成分ＳＳが検出される。
【００３９】
再び図１を参照すると、シリアル読出部１３は、受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）の各々において検出された余弦成分ＣＳ（１）〜ＣＳ（ｎ）を受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）から順次読み出し、シリアルのデータ系列ＤＳ１として位相角算出部１４に供給する。また、シリアル読出部１３は、受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）の各々において検出された正弦成分ＳＳ（１）〜ＳＳ（ｎ）を受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）から順次読み出し、シリアルのデータ系列ＤＳ２として位相角算出部１４に供給する。
【００４０】
位相角算出部１４は、データ系列ＤＳ１に含まれる余弦成分ＣＳ（１）〜ＣＳ（ｎ）及びＤＳ２に含まれる正弦成分ＳＳ（１）〜ＳＳ（ｎ）のうち、対応する余弦成分ＣＳ及び正弦成分ＳＳ（すなわち、余弦成分ＣＳ（ｋ）及び正弦成分ＳＳ（ｋ）。ｋは１≦ｋ≦ｎの整数）に基づいて、対象物ＯＪＴまでの距離の算出に用いる位相角ＰＤを画素ごとに算出する。
【００４１】
次に、本実施例の測距装置１００の動作について図１、図２、図３Ａ、図３Ｂ及び図５を参照して説明する。
【００４２】
図１に示すように、基準信号発生部１０は、第１周波数信号ＦＳ１及び第２周波数信号ＦＳ２を生成し、出射部１１及び受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）に供給する。
【００４３】
出射部１１は、第１周波数信号ＦＳ１に基づいて光強度を変調したレーザ光を出射光ＯＬとして出射する。例えば、第１周波数信号ＦＳ１＝ｃｏｓ（２π・ｆ・ｔ）、時間をｔとすると、出射光ＯＬの光強度Ｓｅｍｉｔ（ｔ）は、次の数式（数１）で表される。
【００４４】
【数１】
2020008445.tif 000003
【００４５】
なお、光強度Ｓｅｍｉｔ（ｔ）は、０以上に保たれる必要がある。ｃｏｓ（２π・ｆ・ｔ）の最小値は−１であるため、本実施例ではＤＣ的なオフセット値（ＤＣオフセット）として、“＋１”を加えている。ＤＣオフセットは光強度Ｓｅｍｉｔ（ｔ）のベースレベルを表しており、ＤＣオフセットの値である“１”が出射光ＯＬの平均の光強度となる。
【００４６】
出射部１１により出射されたレーザ光（出射光ＯＬ）は、対象物ＯＪＴによって反射される。対象物ＯＪＴによって反射された画素ごとのレーザ光である反射光ＲＬ１〜ＲＬｎは、それぞれ受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）に入射される。
【００４７】
図２に示すように、受光処理部１２（図１における受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）の各々）の受光部２１は、反射光ＲＬ（反射光ＲＬ１〜ＲＬｎのうちの対応する１つ）を受光する。受光素子２１Ａは、反射光ＲＬの光量を増倍させ、反射光ＲＬの光強度を電気信号に変換して受光信号ＲＳを生成する。
【００４８】
出射光ＯＬが対象物ＯＪＴで反射して戻ってくるまでの時間を遅延時間τとすると、受光信号ＲＳ＝Ｓｒｅｃｖ（ｔ）は、次の数式（数２）で表される。
【００４９】
【数２】
2020008445.tif 000004
【００５０】
受光部２１は、受光信号ＲＳを信号成分検出部２２に供給する。信号成分検出部２２は、図３Ａに示す積分回路２３を有し、受光信号ＲＳの信号電流ＩＳによってコンデンサＣ１及びＣ２を充放電することにより、受光信号ＲＳの余弦成分ＣＳ及び正弦成分ＳＳを検出する。
【００５１】
当該検出処理を、図５に示す信号成分検出部２２の機能ブロックの動作として説明すると、以下のようになる。すなわち、余弦側掛算器２４Ａは、受光信号ＲＳに第１周波数信号ＦＳ１を掛け算する演算を行う。当該演算及びその演算結果は、次の数式（３）で表される。
【００５２】
【数３】
2020008445.tif 000005
【００５３】
高周波遮断部２５Ａは、余弦側掛算器２４Ａによる演算結果から高周波成分を遮断し、ＤＣ成分を抽出する。これにより、受光信号ＲＳの余弦成分ＣＳが検出される。余弦成分ＣＳは、次の数式（４）で表される。
【００５４】
【数４】
2020008445.tif 000006
【００５５】
正弦側掛算器２４Ｂは、受光信号ＲＳに第２周波数信号ＦＳ２を掛け算する演算を行う。当該演算及びその演算結果は、次の数式（５）で表される。
【００５６】
【数５】
2020008445.tif 000007
【００５７】
高周波遮断部２５Ｂは、正弦側掛算器２４Ｂによる演算結果から高周波成分を遮断し、ＤＣ成分を抽出する。これにより、受光信号ＲＳの正弦成分ＳＳが検出される。正弦成分ＳＳは、次の数式（６）で表される。
【００５８】
【数６】
2020008445.tif 000008
【００５９】
シリアル読出部１３は、受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）の各々において検出された正弦成分ＳＳ及び余弦成分ＣＳをそれぞれシリアルに読み出し、位相角算出部１４に供給する。位相角算出部１４は、正弦成分ＳＳ及び余弦成分ＣＳに基づいて、位相角ＰＤを画素ごとに算出する。位相角ＰＤ＝θは、次の数式（７）で表される。
【００６０】
【数７】
2020008445.tif 000009
【００６１】
ここで、θ＝２π・ｆ・τであるため、遅延時間τは次の数式（８）で表される。
【００６２】
【数８】
2020008445.tif 000010
【００６３】
従って、対象物ＯＪＴまでの片道の距離Ｌは、遅延時間τ及び光速ｃを用いて次の数式（９）で表される。
【００６４】
【数９】
2020008445.tif 000011
【００６５】
以上のように、本実施例の測距装置１００は、周波数ｆを有する第１周波数信号ＦＳ１（＝ｃｏｓ（２π・ｆ・ｔ））に基づいて光強度を変調したレーザ光を所定領域に向けて出射する。測距装置１００は、所定領域内の対象物ＯＪＴによって反射されたレーザ光を受光処理部１２（１）〜１２（ｎ）の各々の受光部２１（すなわち、複数の受光部）により受光し、電気信号（受光信号ＲＳ）に変換する。信号成分検出部２２は、積分回路２３を有し、受光信号の位相の９０°毎のタイミングでコンデンサＣ１及びＣ２を充放電することにより、受光信号ＲＳの余弦成分ＣＳ及び正弦成分ＳＳを検出する。シリアル読出部１３は、複数の信号成分検出部により検出された余弦成分ＣＳ及び正弦成分ＳＳをシリアルに読み出し、位相角算出部１４に供給する。位相角算出部１４は、複数の余弦成分ＣＳ及び正弦成分ＳＳに基づいて、対象物ＯＪＴまでの距離の算出に用いる位相角ＰＤを画素ごとに算出する。
【００６６】
本実施例の測距装置１００によれば、距離算出のための信号処理の一部である余弦成分ＣＳ及び正弦成分ＳＳの検出を画素ごとに（すなわち、複数の受光処理部の各々において）行っているため、信号の周波数帯域あるいはデータレートを、シリアル読出部１３による順次読み出しが可能なレベルまで落とすことができる。従って、パラレルに読み出しを行う場合と比べて配線数を減らすことができる。これにより、簡易な構成で多画素のＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）装置を実現することが可能となる。
【００６７】
また、本実施例の測距装置１００では、アナログの積分回路２３におけるコンデンサＣ１及びＣ２の充放電により、受光信号ＲＳの余弦成分ＣＳ及び正弦成分ＳＳを検出している。従って、Ａ／Ｄ変換及びデジタル信号処理の手法を使用したり、高速クロック及びＴＤＣ（Time to Digital Converter）を使用したりする場合と比べて、回路規模を抑えることができる。これにより、回路をＬＳＩ化することが容易となり、且つ小さい画素サイズに容易に付随させることができる。
【００６８】
また、本実施例の測距装置１００において、積分回路２３は、受光信号ＲＳの位相の０°（第１の基準位相）でコンデンサＣ１を充電し、１８０°でコンデンサＣ１を放電している。また、積分回路２３は、受光信号ＲＳの位相の９０°（第２の基準位相）でコンデンサＣ２を充電し、２７０°でコンデンサＣ２を放電している。これにより積分効果が発生し、受光信号ＲＳと基準信号（第１周波数信号ＦＳ１及び第２周波数信号ＦＳ２）とを掛け算する機能と、掛け算の結果に対して高周波成分の遮断する機能と、を同時に実現することができる。従って、回路規模をより小さくすることが可能となる。
【００６９】
また、本実施例の積分回路２３では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ８を用いてコンデンサＣ１及びＣ２の両端の接続を切り替えることにより、コンデンサＣ１及びＣ２を充放電している。これにより、例えばＡＰＤから出力された信号電流に正負の極性を持たせるような反転アンプ等を介在させる必要がない。従って、反転アンプのゲインずれによる不正確な積算が生じないため、簡易な構成で正確な積算を実現することができる。
【００７０】
なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、図６は積分回路の変形例である積分回路３３の構成を示す回路図である。積分回路３３は、図３Ａに示した積分回路２３の構成に加えて、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及びオペアンプＯＰを有する。オペアンプＯＰの反転入力端はＡＰＤに接続され、非反転入力端は接地されている。抵抗Ｒ１はオペアンプＯＰの反転入力端と出力端との間に並列に接続されている。抵抗Ｒ２はオペアンプＯＰに直列に接続されている。かかる構成によれば、ＡＰＤからの出力信号である受光信号ＲＳの信号電流ＩＳをさらに増幅して、コンデンサＣ１及びＣ２の充電に用いることができる。
【００７１】
また、上記実施例では、出射光ＯＬの光強度Ｓｅｍｉｔ（ｔ）のＤＣオフセットを“＋１”としたが、ＤＣオフセットの値はこれに限られず、光強度Ｓｅｍｉｔ（ｔ）を０以上に保つために適当な値に設定されていれば良い。
【００７２】
また、上記実施例では、積分回路２３が受光信号ＲＳの位相０°を第１の基準位相として１８０°ごとにコンデンサＣ１を充放電することにより余弦成分ＣＳを算出し、受光信号ＲＳの位相９０°を第２の基準位相として１８０°ごとにコンデンサＣ２を充放電することにより正弦成分ＳＳを算出する例について説明した。しかし、第１の基準位相及び第２の基準位相はこれに限られず、位相が互いに９０度異なっていればよい。
【００７３】
また、上記実施例で説明した一連の処理は、例えばＲＯＭなどの記録媒体に格納されたプログラムに従ったコンピュータ処理により行うことができる。
【符号の説明】
【００７４】
１００  測距装置
１０  基準信号発生部
１１  出射部
１１Ａ  レーザ光源
１１Ｂ  レーザ発光駆動部
１２（１）〜１２（ｎ）  受光処理部
１３  シリアル読出部
１４  位相角算出部
２１Ａ  受光素子
２１Ｂ  受光信号検出部
２２  信号成分検出部
２３  積分回路
２４Ａ  余弦側掛算器
２４Ｂ  正弦側掛算器
２５Ａ  高周波遮断部
２５Ｂ  高周波遮断部
３３  積分回路
【図１】
2020008445.tif 000012
【図２】
2020008445.tif 000013
【図３Ａ】
2020008445.tif 000014
【図３Ｂ】
2020008445.tif 000015
【図４Ａ】
2020008445.tif 000016
【図４Ｂ】
2020008445.tif 000017
【図５】
2020008445.tif 000018
【図６】
2020008445.tif 000019