(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発生手段からレーザパルスを出射し、障害物で反射された前記レーザパルスを２次元アレイ受光素子の各受光素子毎に受光して前記障害物までの距離を３次元的に測定する距離測定装置であって、
前記レーザパルスが出射されてから前記２次元アレイ受光素子に最初に到達するまでの時間を第１パルス時間として計測する第１パルス検出用時間計測手段と、
前記２次元アレイ受光素子の各受光素子間の前記レーザパルスの受光タイミングの時間差を計測する時間計測手段とを具備し、
前記２次元アレイ受光素子の各受光素子からの信号を和演算する和演算手段を具備し、
前記第１パルス検出用時間計測手段は、前記和演算手段からの信号に基づいて前記第１パルス時間を計測させることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記２次元アレイ受光素子の各受光素子毎に前記受光タイミングを遅らせる遅延手段をそれぞれ具備し、
前記時間計測手段は、前記遅延手段により遅らせた前記受光タイミングの時間差を計測させることを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記２次元アレイ受光素子に至る光路上に配置されたハーフミラーと、
該ハーフミラーで分離された前記レーザパルスを受光するフォトディテクタとを具備し、
前記第１パルス検出用時間計測手段は、前記フォトディテクタからの信号に基づいて前記第１パルス時間を計測させることを特徴とする請求項１又は２記載の距離測定装置。
【請求項４】
レーザ発生手段からレーザパルスを出射し、障害物で反射された前記レーザパルスを２次元アレイ受光素子の各受光素子毎に受光して前記障害物までの距離を３次元的に測定する距離測定方法であって、
前記レーザパルスを出射してから前記２次元アレイ受光素子に最初に到達するまでの時間を第１パルス時間として計測し、
前記２次元アレイ受光素子の各受光素子間の前記レーザパルスの受光タイミングの時間差を計測し、
前記２次元アレイ受光素子の各受光素子からの信号を和演算し、
該和演算した信号に基づいて前記第１パルス時間を計測することを特徴とする距離測定方法。
【請求項５】
前記２次元アレイ受光素子の各受光素子毎の前記受光タイミングを遅らせ、
該遅らせた前記受光タイミングの時間差を計測することを特徴とする請求項４記載の距離測定方法。
【請求項６】
前記２次元アレイ受光素子に至る光路上に配置したハーフミラーで前記レーザパルスを分離し、
該分離した前記レーザパルスをフォトディテクタで受光し、
該フォトディテクタからの信号に基づいて前記第１パルス時間を計測することを特徴とする請求項４又は５記載の距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、目標までの距離を測定する距離測定装置および距離測定方法に関し、特にレーザパルスと２次元アレイ受光素子を用いて目標までの距離を測定する距離測定装置および距離測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、距離測定の運用イメージ例を示す説明図であり、図４は、従来の距離測定装置の構成を示すブロック図である。
【０００３】
図３（ａ）は、自動車が樹木（障害物）の合間を走行している場面を示しており、このような場所で自動車を自動運転しようとする場合、図３（ｂ）で示すような車両からの視野に基づいて自動車前方の樹木（障害物）の状況を３次元的に把握する必要がある。図３（ｃ）は、樹木（障害物）を上から見た状況を示す。
【０００４】
自動車前方の障害物の状況を３次元的に把握する方法として、現状では、ペンシルビームと２次元走査光学系を使用する方法と、ファンビームと１次元アレイ受光素子によるライン状測定範囲を１次元走査光学系を用いて走査する方法と、レーザパルスと２次元アレイ受光素子を使用する方法とが考えられるが、将来的には、１フレーム計測時間の短縮のため、レーザパルスと２次元アレイ受光素子を使用する方法が一般的に使用されることが予想される。
【０００５】
レーザパルスと測距機能付ディテクタアレイ等の２次元アレイ受光素子（２次元アレイ状に並んだ受光素子）を使用する方法は、１発のレーザパルスを前方に向けて発射し、２次元アレイ受光素子で障害物（目標）からの反射光を受光することにより、瞬時にして前方の３次元障害物状況を測定することができる。
【０００６】
従来のレーザパルスと２次元アレイ受光素子を使用する方法を用いる距離測定装置は、図４に示すように、レーザ発振部１から発信されたレーザパルスをハーフミラー２により発光光学系３を介して出射される出射レーザビームとスタートタイミング検出用レーザパルスとに分離し、分離したスタートタイミング検出用レーザパルスが光検知器４で受光されたタイミングをスタートタイミングＴ０として測距機能付ディテクタアレイ５に入力する。測距機能付ディテクタアレイ５の１素子は、フォトディテクタ（photodetector）７と、プリアンプ８と、判定回路９と、時間計測回路１０とからなり、スタートタイミングＴ０は、時間計測回路１０に入力される。
【０００７】
出射レーザビームは、目標である障害物で反射され、目標からの反射光として受光光学系６を介して測距機能付ディテクタアレイ５に入射され、各素子毎に判定回路９で目標からの反射光の受光タイミングがストップタイミングとして判定され、時間計測回路１０に入力される。
【０００８】
時間計測回路１０では、スタートタイミングＴ０（スタートタイミング検出用レーザパルスが光検知器４で受光されたタイミング）からストップタイミング（目標からの反射光の受光タイミング）までの時間が計測され、スタートタイミングＴ０からストップタイミングまでの時間計測に基づいて目標までの距離が計測できる。
【０００９】
例えば、距離測定分解能を０．０５とし、時間計測を３ＧＨｚクロックパルスを用いてディジタル的に行う場合、１０ｋｍの測定においては、１８ビットのカウンタが必要となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では、距離測定装置の小型化のために、測距機能付ディテクタアレイをＬＳＩ化した場合、時間計測回路の規模が大きいため、１素子の小型化には限度があり、測距機能付ディテクタアレイの高分解能化を行うことができないという問題点があった。
【００１１】
本発明は斯かる問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、測距機能付ディテクタアレイの時間計測回路規模を小さくでき、測距機能付ディテクタアレイの１素子をより小さい面積で構成でき、測距機能付ディテクタアレイをＬＳＩ化した場合にも、測距機能付ディテクタアレイの高分解能化を行うことができる距離測定装置および距離測定方法を提供する点にある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決すべく、以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、レーザ発生手段からレーザパルスを出射し、障害物で反射された前記レーザパルスを２次元アレイ受光素子の各受光素子毎に受光して前記障害物までの距離を３次元的に測定する距離測定装置であって、前記レーザパルスが出射されてから前記２次元アレイ受光素子に最初に到達するまでの時間を第１パルス時間として計測する第１パルス検出用時間計測手段と、前記２次元アレイ受光素子の各受光素子間の前記レーザパルスの受光タイミングの時間差を計測する時間計測手段とを具備し、前記２次元アレイ受光素子の各受光素子からの信号を和演算する和演算手段を具備し、前記第１パルス検出用時間計測手段は、前記和演算手段からの信号に基づいて前記第１パルス時間を計測させることを特徴とする距離測定装置に存する。
また請求項２記載の発明の要旨は、前記２次元アレイ受光素子の各受光素子毎に前記受光タイミングを遅らせる遅延手段をそれぞれ具備し、前記時間計測手段は、前記遅延手段により遅らせた前記受光タイミングの時間差を計測させることを特徴とする請求項１記載の距離測定装置に存する。
また請求項３記載の発明の要旨は、前記２次元アレイ受光素子に至る光路上に配置されたハーフミラーと、該ハーフミラーで分離された前記レーザパルスを受光するフォトディテクタとを具備し、前記第１パルス検出用時間計測手段は、前記フォトディテクタからの信号に基づいて前記第１パルス時間を計測させることを特徴とする請求項１又は２記載の距離測定装置に存する。
また請求項４記載の発明の要旨は、レーザ発生手段からレーザパルスを出射し、障害物で反射された前記レーザパルスを２次元アレイ受光素子の各受光素子毎に受光して前記障害物までの距離を３次元的に測定する距離測定方法であって、前記レーザパルスを出射してから前記２次元アレイ受光素子に最初に到達するまでの時間を第１パルス時間として計測し、前記２次元アレイ受光素子の各受光素子間の前記レーザパルスの受光タイミングの時間差を計測し、前記２次元アレイ受光素子の各受光素子からの信号を和演算し、該和演算した信号に基づいて前記第１パルス時間を計測することを特徴とする距離測定方法に存する。
また請求項５記載の発明の要旨は、前記２次元アレイ受光素子の各受光素子毎の前記受光タイミングを遅らせ、該遅らせた前記受光タイミングの時間差を計測することを特徴とする請求項４記載の距離測定方法に存する。
また請求項６記載の発明の要旨は、前記２次元アレイ受光素子に至る光路上に配置したハーフミラーで前記レーザパルスを分離し、該分離した前記レーザパルスをフォトディテクタで受光し、該フォトディテクタからの信号に基づいて前記第１パルス時間を計測することを特徴とする請求項４又は５記載の距離測定方法に存する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る距離測定装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【００１５】
本実施の形態は、レーザパルスを発信するレーザ発振部１と、レーザ発振部１から発信されたレーザパルスの一部をスタートタイミング検出用レーザパルスとして分離するハーフミラー２と、レーザ発振部１から発信されたレーザパルスを出射レーザビームとして出射するための発光光学系３と、ハーフミラー２により分離されたスタートタイミング検出用レーザパルスの受光タイミングを検知する光検知器４と、２次元アレイ受光素子である測距機能付ディテクタアレイ５と、目標からの反射光を測距機能付ディテクタアレイ５に導く受光光学系６と、目標からの反射光を第１パルス検出用レーザパルスとして分離する第１パルス検出用ハーフミラー１２と、第１パルス検出用ハーフミラー１２により分離された第１パルス検出用レーザパルスから一番初めに受光するパルスを検出する第１パルス検出部２０とからなる。
【００１６】
測距機能付ディテクタアレイ５の１素子は、目標からの反射光を受光して電気信号に変換するフォトディテクタ（photodetector）７と、フォトディテクタ７からの電気信号を増幅するプリアンプ８と、プリアンプ８で増幅された電気信号をディレイさせるディレイライン１１と、ディレイライン１１でディレイさせた電気信号に基づいて受光タイミングを判定する判定回路９と、受光タイミングの素子間の時間差を計測する時間計測回路１０とからなる。
【００１７】
第１パルス検出部２０は、第１パルス検出用ハーフミラー１２により分離された目標からの反射光を受光して電気信号に変換する第１パルス検出用フォトディテクタ２１と、第１パルス検出用フォトディテクタ２１により変換された電気信号を増幅する第１パルス検出用プリアンプ２２と、第１パルス検出用プリアンプ２２により増幅された電気信号に基づいて目標からの反射光から一番初めに受光するパルスの受光タイミングを判定する第１パルス検出用判定回路２３と、第１パルス検出用判定回路２３の判定結果に基づいて一番初めに受光するパルスの受光タイミングまでの時間を計測する第１パルス検出用時間計測回路２４とからなる。なお、第１パルス検出用ハーフミラー１２から第１パルス検出用フォトディテクタ２１までの光路と、第１パルス検出用ハーフミラー１２から測距機能付ディテクタアレイ５までの光路とは、同一の長さに設定されている。
【００１８】
時間計測回路１０および第１パルス検出用時間計測回路２４の具体的な回路としては、ディジタルカウンタであっても良く、コンデンサへの電荷蓄積を利用して充電時間をコンデンサ電圧レベル変換するアナログ的時間計測方式の回路であっても良い。
【００１９】
次に、第１の実施の形態の動作について詳細に説明する。
【００２０】
レーザ発振部１から発信されたレーザパルスをハーフミラー２により発光光学系３を介して出射される出射レーザビームとスタートタイミング検出用レーザパルスとに分離し、光検知器４は、分離したスタートタイミング検出用レーザパルスを受光することにより受光タイミングを検知し、検知した受光タイミングをスタートタイミングＴ０として第１パルス検出部２０の第１パルス検出用時間計測回路２４に入力する。
【００２１】
発光光学系３を介して出射された出射レーザビームは、目標で反射され、目標からの反射光として受光光学系６に至る。受光光学系６を通過した目標からの反射光は、第１パルス検出用ハーフミラー１２により測距機能付ディテクタアレイ５に受光される目標からの反射光と第１パルス検出用レーザパルスとに分離する。
【００２２】
第１パルス検出用フォトディテクタ２１は、第１パルス検出用ハーフミラー１２により分離された第１パルス検出用レーザパルスを受光して電気信号に変換し、第１パルス検出用プリアンプ２２は、第１パルス検出用フォトディテクタ２１により変換された電気信号を増幅し、第１パルス検出用判定回路２３は、第１パルス検出用プリアンプ２２により増幅された電気信号に基づいて目標からの反射光（第１パルス検出用レーザパルス）の内で一番初めに受光するパルスの受光タイミングを判定し、判定した受光タイミングを第１パルス受光タイミングＴ１として第１パルス検出用時間計測回路２４と時間計測回路１０とに入力する。なお、第１パルス検出用フォトディテクタ２１は、測定エリア全体を受光視野としている。
【００２３】
第１パルス検出用時間計測回路２４は、光検知器４から入力されるスタートタイミングＴ０と、第１パルス検出用判定回路２３から入力される第１パルス受光タイミングＴ１とに基づいて、スタートタイミングＴ０から第１パルス受光タイミングＴ１までの時間を計測する。第１パルス検出用時間計測回路２４による時間の計測結果から障害物（目標）までの距離を求めることにより一番近い障害物（目標）までの距離を測定することができる。
【００２４】
測距機能付ディテクタアレイ５は、目標からの反射光を各素子毎に受光する。各素子のフォトディテクタ７は、目標からの反射光を受光して電気信号に変換し、プリアンプ８は、フォトディテクタ７からの電気信号を増幅し、ディレイライン１１は、プリアンプ８で増幅された電気信号をディレイさせ、判定回路９は、ディレイライン１１でディレイさせた電気信号に基づいて受光タイミングを判定してストップタイミングとして時間計測回路１０に入力する。
【００２５】
時間計測回路１０は、第１パルス検出用判定回路２３から入力される第１パルス受光タイミングＴ１と、判定回路９から入力されるストップタイミングとに基づいて、素子間の時間差を計測する。時間計測回路１０による時間差の計測結果からディレイライン１１による電気信号のディレイ時間を勘案して障害物（目標）間の距離を求めることにより、障害物（目標）間の距離を測定することができる。
【００２６】
なお、ディレイライン１１による電気信号のディレイは、第１パルス受光タイミングＴ１に対して、ストップタイミングが測定できる程度に遅れて時間計測回路１０に入力される必要があるために行われる。
【００２７】
障害物（目標）計測の場合、測距機能付ディテクタアレイ５の各素子すべてが障害物（目標）までの距離を計測する必要はなく、１箇所の基準となる距離とその１点を基準点として、ある程度の距離範囲の相対的な距離を計測できれば、障害物（目標）の把握は可能である。障害物（目標）の大きさが数ｍ〜十数ｍの場合、１００ｍ程度の範囲の計測ができれば十分であり、１００ｍの相対距離を計測するには、カウンタは１１ビットで十分であり、遠距離の障害物（目標）を計測する場合には、測距機能付ディテクタアレイ５の時間計測回路１０の規模を相対距離を計測しない場合の数分の１にすることができる。
【００２８】
以上説明したように、第１の実施の形態によれば、一番初めに受光した第１パルス受光タイミングＴ１に基づいて測距機能付ディテクタアレイ５の各素子間の時間差を求めて障害物（目標）の相対距離を測定するため、測距機能付ディテクタアレイ５の全ての素子について目標までの距離計測をする必要が無くなり、測距機能付ディテクタアレイ５の時間計測回路１０の規模を小さくでき、測距機能付ディテクタアレイ５の１素子をより小さい面積で構成でき、測距機能付ディテクタアレイ５をＬＳＩ化した場合にも、測距機能付ディテクタアレイ５の高分解能化を行うことができるという効果を奏する。
【００２９】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明に係る距離測定装置の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【００３０】
第１の実施の形態では、目標からの反射光を第１パルス検出用ハーフミラー１２で分離することにより第１パルス検出用判定回路２３で第１パルス受光タイミングＴ１を判定する構成としたが、第２の実施の形態は、図２に示すように、測距機能付ディテクタアレイ５の各素子のプリアンプ８１〜８ｎの出力の和を和演算回路２５でとり、和演算回路２５からの出力に基づいて第１パルス検出用判定回路２３で第１パルス受光タイミングＴ１を判定する構成である。
【００３１】
測距機能付ディテクタアレイ５の各素子のフォトディテクタ７１〜７ｎは、目標からの反射光をそれぞれ受光して電気信号に変換し、プリアンプ８１〜８ｎは、フォトディテクタ７１〜７ｎからの電気信号をそれぞれ増幅し、ディレイライン１１１〜１１ｎにそれぞれ出力すると共に、和演算回路２５に出力する。
【００３２】
和演算回路２５は、プリアンプ８１〜８ｎの出力の和をとり、第１パルス検出用判定回路２３は、和演算回路２５からの出力に基づいて第１パルス受光タイミングＴ１を判定して第１パルス検出用時間計測回路２４と時間計測回路１０１〜１０ｎに入力する。
【００３３】
ディレイライン１１１〜１１ｎは、プリアンプ８１〜８ｎで増幅された電気信号をそれぞれディレイさせ、判定回路９１〜９ｎは、ディレイライン１１１〜１１ｎでディレイさせた電気信号に基づいて受光タイミングをそれぞれ判定してストップタイミングとして時間計測回路１０１〜１０ｎに入力する。
【００３４】
なお、本発明が上記各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の距離測定装置および距離測定方法は、一番初めに受光した第１パルス受光タイミングに基づいて測距機能付ディテクタアレイの各素子間の時間差を求めて障害物（目標）の相対距離を測定するため、測距機能付ディテクタアレイの全ての素子について目標までの距離計測をする必要が無くなり、測距機能付ディテクタアレイの時間計測回路の規模を小さくでき、測距機能付ディテクタアレイの１素子をより小さい面積で構成でき、測距機能付ディテクタアレイをＬＳＩ化した場合にも、測距機能付ディテクタアレイの高分解能化を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る距離測定装置の第１の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る距離測定装置の第２の実施の形態の構成を示すブロック図である。
【図３】距離測定の運用イメージ例を示す説明図である。
【図４】従来の距離測定装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  レーザ発振部
２  ハーフミラー
３  発光光学系
４  光検知器
５  測距機能付ディテクタアレイ
６  受光光学系
７  フォトディテクタ（photodetector）
８  プリアンプ
９  判定回路
１０  時間計測回路
１１  ディレイライン
１２  第１パルス検出用ハーフミラー
２０  第１パルス検出部
２１  第１パルス検出用フォトディテクタ
２２  第１パルス検出用プリアンプ
２３  第１パルス検出用判定回路
２４  第１パルス検出用時間計測回路
２５  和演算回路
【図１】
0003651412.tif 000002
【図２】
0003651412.tif 000003
【図３】
0003651412.tif 000004
【図４】
0003651412.tif 000005