(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物に対し照射光パルスを投光する投光部と、
前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、
前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の１つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、
前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、
前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を含み、
前記合成部は、前記受光画素の観測方向が異なることによる前記反射光パルスの受光時刻の差を補正して前記複数の個別受光信号を加算し、前記合成受光信号を出力する
光学的測距装置。
【請求項２】
測定対象物に対し照射光パルスを投光する投光部と、
前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、
前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の１つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、
前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、
前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、
信号と雑音との比率に基づいて前記個別受光信号のピーク値検出の信頼度である個別信頼度を算出し、信号と雑音との比率に基づいて前記合成受光信号のピーク値検出の信頼度である合成信頼度を算出する信頼度算出部と、を含み、
前記合成部は、前記合成信頼度が前記個別信頼度より大きい場合に前記合成受光信号を出力するとともに、前記合成信頼度が前記個別信頼度以下の場合には、前記注目画素に対応する前記個別受光信号を前記合成受光信号として出力する
光学的測距装置。
【請求項３】
信号と雑音との比率に基づいて前記個別受光信号のピーク値検出の信頼度である個別信頼度を算出し、信号と雑音との比率に基づいて前記合成受光信号のピーク値検出の信頼度である合成信頼度を算出する信頼度算出部をさらに含み、
前記合成部は、前記合成信頼度が前記個別信頼度より大きい場合に前記合成受光信号を出力するとともに、前記合成信頼度が前記個別信頼度以下の場合には、前記注目画素に対応する前記個別受光信号を前記合成受光信号として出力する
請求項１に記載の光学的測距装置。
【請求項４】
前記合成信頼度が前記個別信頼度より大きい場合には前記測定対象物が路面であると判定するとともに、前記合成信頼度が前記個別信頼度以下の場合には前記測定対象物が非路面であると判定する判定部をさらに含む
請求項３に記載の光学的測距装置。
【請求項５】
前記受光部は、前記反射光パルスを含まない外乱光のみを受光する受光画素を備えた外乱光受光部を有し、
前記信頼度算出部は、前記受光信号のピーク値を前記信号とし、前記外乱光受光部の出力を雑音として前記個別信頼度を算出する
請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の光学的測距装置。
【請求項６】
測定対象物に対し照射光パルスを投光する投光部と、
前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、
前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の１つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、
前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、
前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を含み、
前記投光部は、予め定められた計測時間に亘って前記測定対象物に繰り返し前記照射光パルスを投光し、
前記選択部は、注目画素と前記注目画素の近傍の１つまたは複数の画素の各々から出力される、繰り返し投光された前記照射光パルスの受光信号を時間軸に沿って累積した個別ヒストグラムを前記個別受光信号として出力し、
前記合成部は前記個別ヒストグラムを加算した合成ヒストグラムを前記合成受光信号として出力し、
前記距離算出部は、前記合成ヒストグラムのピーク値に対応する時刻を前記受光時刻として前記測定対象物までの距離を算出する
光学的測距装置。
【請求項７】
前記投光部は、予め定められた計測時間に亘って前記測定対象物に繰り返し前記照射光パルスを投光し、
前記選択部は、注目画素と前記注目画素の近傍の１つまたは複数の画素の各々から出力される、繰り返し投光された前記照射光パルスの受光信号を時間軸に沿って累積した個別ヒストグラムを前記個別受光信号として出力し、
前記合成部は前記個別ヒストグラムを加算した合成ヒストグラムを前記合成受光信号として出力し、
前記距離算出部は、前記合成ヒストグラムのピーク値に対応する時刻を前記受光時刻として前記測定対象物までの距離を算出する
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の光学的測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的測距装置に関し、特に車両等の移動体に搭載される光学的測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
衝突防止システム等の安全システム用途の車外環境用のセンサのひとつとして、レーザレーダがある。レーザレーダは、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ：飛行時間）を用いた光学的測距センサ（光学的測距装置）であり、センサから照射した光が測定対象物で反射し光学的測距装置に戻るまでの時間差、すなわちＴＯＦに基づいて、光学的測距装置と測定対象物との間の距離を測定するセンサである。
【０００３】
光学的測距装置では、測定対象空間における照射光の走査、あるいは反射光を受光する受光部のアレイ化等により、多数の測定点（点群）を得るのが一般的である。そして、点群の空間分布を解析することで、路面や障害物を認識する。
【０００４】
安全システムが移動体の制動や回避の要否を判断する上で、測定点が路面であるか否かを判断することは重要である。測定点が路面であれば、安全システムは制動や回避の必要はないと判断する。一方、測定点が非路面、すなわち障害物等の場合には、安全システムは、警報、自動制動、自動回避等により、移動体の運転を支援する場合があるからである。
【０００５】
一方、ＴＯＦを用いた光学的測距装置では、反射光の受光素子としてフォトダイオードが用いられる場合がある。フォトダイオードのうち、ブレークダウン電圧（降伏電圧）付近の高電圧を印加し、電流の内部増幅作用を用いるフォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード（Ａｖａｌａｎｃｈｅ  Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＡＰＤ）と呼ばれている。
【０００６】
ＡＰＤにフォトンが入射すると電子・正孔対が生成され、生成された電子と正孔が各々ＡＰＤに印加された高電圧による高電界で加速され、次々と雪崩のように衝突、電離を引き起こして新たな電子・正孔対が生成されていく。これがアバランシェ効果によるＡＰＤの内部増幅作用であり、この内部増幅作用により感度が高められるため、特に長距離における測定対象物の検出が求められる光学式測距装置ではＡＰＤが用いられることが多い。
【０００７】
ＡＰＤの動作モードには、降伏電圧より小さい逆バイアス電圧で動作させるリニアモードと、降伏電圧より大きい逆バイアス電圧で動作させるガイガーモードとがある。
【０００８】
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（高電界の領域から出る）電子・正孔対の割合の方が大きく、アバランシェ増幅は自然に止まる。リニアモードにおけるＡＰＤの出力電流は、ＡＰＤに入射する光量にほぼ比例する。
【０００９】
一方、ガイガーモードでは、アバランシェ増幅は自然には止まらず、ＡＰＤに対する印加電圧を降伏電圧以下まで下げることにより停止させる必要がある。この強制的にアバランシェ増幅を停止させることをクエンチングとい、ＡＰＤに対してクエンチング作用をもたらす回路をクエンチング回路という。
【００１０】
最も簡易なクエンチング回路は、ＡＰＤに対して直列に接続した抵抗によるクエンチング回路であり、この直列抵抗をクエンチング抵抗という。アバランシェ電流が発生するとクエンチング抵抗の端子間の電圧が上昇し、この上昇分だけＡＰＤに印加される逆バイアス電圧が減少する。逆バイアス電圧が降伏電圧まで減少するとアバランシェ増幅が停止し、アバランシェ電流が流れなくなる。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減少し、ＡＰＤには再び降伏電圧以上の逆バイアスが印加され、再度アバランシェ効果を引き起こせる状態になる。
【００１１】
このＡＰＤとクエンチング抵抗との間における電位の変化を、たとえばバッファを介して取り出すことにより、フォトンの入射を電圧パルスとして出力させることができる。ガイガーモードでは、出力信号の振幅自体に情報は含まれず、電圧パルスの頻度が入射光量を表す。ガイガーモードのＡＰＤは、単一のフォトンの入射でもアバランシェ効果を引き起こすことができるので、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。
【００１２】
ここで、図８を参照し、測定対象物に照射した照射光が、測定対象物で反射して反射光として戻るまでの時間、すなわちＴＯＦを求める原理について説明する。図８は、横軸を時間とし、図８（ｃ）に示すように照射光パルスＰｔと反射光パルスＰｒが発生した場合の、リニアモードの出力と、ガイガーモードの出力を説明する図である。ＴＯＦを用いて測定対象物までの距離を測定する装置においては、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極力除去する必要がある。以下では、この外乱光の除去も含めて各モードの出力について説明する。
【００１３】
リニアモードのＡＰＤでは、出力電流ＩＬが入射光量にほぼ比例するので、図８（ａ）に示すように、受光電流に含まれる直流成分を除去したのちに閾値電流Ｉｔｈと比較処理することにより、外乱光の影響を低減して反射光が到来するタイミングを抽出することができる。その結果、外乱光の存在下でも正しいＴＯＦを求めることができる。
【００１４】
一方、ガイガーモードのＳＰＡＤでは、フォトンの入射に対して図８（ｂ）に示すような電圧パルスＶＰを出力するので、該電圧パルスＶＰの到来時刻を繰り返し測定してヒストグラムを作成し、そのヒストグラムにおけるピーク値を抽出することで、外乱光の存在下でも正しいＴＯＦを求めることができる。図８（ｄ）は、ヒストグラムおよび当該ヒストグラムから求められるＴＯＦの一例を示す図であり、縦軸は測定回数（度数）Ｎを示している。
【００１５】
いずれのモードのＡＰＤを使用する場合でも、ＴＯＦを精度よく求めるためには、受光信号において、外乱光、より一般的にはノイズと、自ら発光した光に対する反射光である信号との比率、すなわちＳ／Ｎ比を向上させることは重要である。
【００１６】
つぎに、光学的測距装置により測定された多数の測定点、すなわち点群から路面を検出する従来技術について説明する。
【００１７】
たとえば、特許文献１には、ステレオカメラで得られた距離画像（点群）から路面の高さを検出する方法が開示されている。図９を参照して、特許文献１に開示された路面の高さを検出する技術について説明する。特許文献１では、図９（ａ）に示すように、路傍７において建造物８の高さ方向に並ぶ対応点の列Ｌを抽出し、この対応点列Ｌから高さが最も低い最低対応点を抽出する。そして、図９（ｂ）に示すように、前後方向に並ぶ該最低対応点列を曲線近似または直線近似することにより、走行路６の路面の高さを検出する。
【００１８】
また、特許文献２には、レーザレーダで得られた点群について路面か否かを判定する方法が開示されている。特許文献２では、予め設定された近距離閾値以下の距離に位置し、かつ反射波の受信強度が閾値未満となる擬似物標を路面の候補として追跡する。単一のものとして認識される擬似物標が複数の分割領域に渡って検出され、かつ奥行幅が予め設定された奥行閾値以下であり、かつ移動速度が予め設定された停止判定閾値以下である場合に、当該擬似物標を路面であると判定する。
【００１９】
さらに、特許文献３には、レーザレーダの反射光の波形から、測定点が路面か否か判定する方法が開示されている。図１０を参照して、特許文献３に開示された、測定点が路面か否かを判定する方法について説明する。図１０は、レーザスキャナ１３から照射された照射ビーム２９が反射面３５に入射したときの、照射パルス２３の波形と反射パルス２５の波形を表している。
【００２０】
図１０（ａ）のように、反射面３５が建造物等の障害物の一部の場合は、反射面３５への照射パルスの入射角度は直角に近くなるが、１０（ｂ）に示すように、反射面３５が路面の一部である場合の照射パルスの反射面３５への入射角度は小さくなる。そのため、図１０（ａ）示すように、反射面３５が障害物の一部である場合には、反射パルス２５のパルス幅Ｗ１は比較的狭い。しかしながらが、反射面３５が路面の場合は、照射ビーム２９の空間的な分布に応じて反射面３５までの距離に差が生ずるので、図１０（ｂ）に示すように、反射パルスのパルス幅が広がる。特許文献３では、この反射パルスのパルス幅の相違を用いて測定点が路面であるか否かを判定している。
【００２１】
一方、光学的測距装置の受光信号のＳ／Ｎ比を向上させるための従来技術に係る受信回路の一例として、特許文献４に開示されたものが知られている。特許文献４に開示された受信回路は、外部からの信号を受信する２系統の受信部、各々の系統の受信部に接続された増幅器、一端が増幅器に接続されたスイッチ、増幅器の出力端にスイッチと並列になるように接続された比較器、２つのスイッチの各々の他端に接続された加算回路を備えて構成されている。
【００２２】
各々の受信部は、パルスレーザ等の外部からの信号を受信して各々の増幅器へ出力する。各々の比較器は、閾値電圧と、各々の増幅器から出力された信号の電圧とを比較する。
各々の比較器は、それぞれの増幅器から出力された信号の電圧が閾値電圧よりも高い場合には、ＨＩＧＨレベルの信号を各々のスイッチへ出力し、各々の増幅器と加算回路とを電気的に繋ぐ。他方、各々の比較器は、それぞれ増幅器から出力された信号の電圧が閾値電圧よりも低い場合には、ＬＯＷレベルの信号を各々のスイッチへ出力し、各々の増幅器と加算回路とを電気的に分離する。
【００２３】
特許文献４に開示された受信回路では、複数の増幅器のそれぞれの信号の振幅と所定の閾値とを比較し、増幅器から出力された信号の振幅が閾値以上である場合に当該増幅器と加算回路とを電気的に繋ぎ、増幅器から出力された信号の振幅が閾値未満である場合に当該増幅器と加算回路とを電気的に分離する。特許文献４では、増幅器から出力された信号の振幅が閾値未満であれば、その信号に含まれる雑音は加算回路による加算処理を受けないことから、加算処理によって生じるＳ／Ｎ比の低下を防ぐことができ、より適切にＳ／Ｎ比の改善を図ることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【特許文献１】特開２００９−２３０７０９号公報
【特許文献２】特開２０１４−０８９１１４号公報
【特許文献３】ＥＰ１２８６１７８Ａ２
【特許文献４】特開２０１１−２３９３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
一般に、点群から路面を検出する場合は、特許文献１に開示された路面を検出する方法のように、多数の測定点の連続性や直線性を考慮して統計的に推定する。そのため、より正確に路面を推定するためには、より遠方まで多数の測定点を得ることが好ましい。しかしながら、距離が遠くなるほどレーザ光のパワー密度が低下する。さらに、上述したように、遠方ほど路面への入射角度が小さくなって反射パルスのパルス幅が広がるので、反射パルスのピークパワーが下がる。このため、遠方ほど路面の距離測定が困難になる。
【００２６】
特許文献２では、近距離の測定点のうち反射強度が小さい測定点を路面の候補としている。しかしながら、特許文献２に開示された方法は、近距離の路面の検出には有効であるが、遠方の路面の検出性能を高めることは困難である。
【００２７】
また、特許文献３では、反射パルスのパルス幅が広い、したがって強度が小さい点を路面の候補としている。しかしながら、壁面のように路面と垂直な面であっても、その位置と向きによっては照射光の測定対象物への入射角度が小さくなることもあり、障害物を路面と誤検出する虞がある。したがって、特許文献３のものもやはり遠方の路面の検出性能を高めることは困難である。
【００２８】
一方、受信回路のＳ／Ｎ比に関しては、特許文献４の方法では、受信部の出力が閾値以上であるときにスイッチをオンにして、受信部の出力が加算回路で加算される。すなわち、受信部の出力が閾値以上であるときに信号成分であるという仮定に基づいている。そのため、閾値を大きく定めると、大きなピーク値、つまりＳ／Ｎ比の改善の必要がない信号しか加算されない。逆に閾値を小さく定めると、小さなピーク値も加算される反面、ノイズ成分も加算されてＳ／Ｎ比が低下して誤検出を生じる可能性がある。
【００２９】
換言すれば、閾値処理により、容易かつ明確に信号成分とノイズ成分とを分離できる場合には、容易にＴＯＦを求めることができるためＳ／Ｎ比の改善の必要はない。閾値処理により容易に信号成分とノイズ成分を分離できない場合にＳ／Ｎ比の改善が必要になるが、信号成分とノイズ成分の大きさは近い値になるため、閾値の設定が容易ではない。したがって、特許文献４に開示された受信回路のＳ／Ｎ比改善方法では、ノイズのレベルに応じてＳ／Ｎ比を改善するということはできず、光学的測距装置の検出性能を向上させる観点から改善の余地がある。
【００３０】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、測定対象物、特に遠方に位置する測定対象物や反射率の低い測定対象物の検出性能が高められた光学的測距装置を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の光学的測距装置は、測定対象物に対し照射光パルスを投光する投光部と、前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の１つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を含み、前記合成部は、前記受光画素の観測方向が異なることによる前記反射光パルスの受光時刻の差を補正して前記複数の個別受光信号を加算し、前記合成受光信号を出力する。
【００３３】
また、請求項２に記載の発明は、測定対象物に対し照射光パルスを投光する投光部と、前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の１つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、信号と雑音との比率に基づいて前記個別受光信号のピーク値検出の信頼度である個別信頼度を算出し、信号と雑音との比率に基づいて前記合成受光信号のピーク値検出の信頼度である合成信頼度を算出する信頼度算出部と、を含み、前記合成部は、前記合成信頼度が前記個別信頼度より大きい場合に前記合成受光信号を出力するとともに、前記合成信頼度が前記個別信頼度以下の場合には、前記注目画素に対応する前記個別受光信号を前記合成受光信号として出力する。
【００３４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、信号と雑音との比率に基づいて前記個別受光信号のピーク値検出の信頼度である個別信頼度を算出し、信号と雑音との比率に基づいて前記合成受光信号のピーク値検出の信頼度である合成信頼度を算出する信頼度算出部をさらに含み、前記合成部は、前記合成信頼度が前記個別信頼度より大きい場合に前記合成受光信号を出力するとともに、前記合成信頼度が前記個別信頼度以下の場合には、前記注目画素に対応する前記個別受光信号を前記合成受光信号として出力する。
【００３５】
また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記合成信頼度が前記個別信頼度より大きい場合には前記測定対象物が路面であると判定するとともに、前記合成信頼度が前記個別信頼度以下の場合には前記測定対象物が非路面であると判定する判定部をさらに含む。
【００３６】
また、請求項５に記載の発明は、請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記受光部は、前記反射光パルスを含まない外乱光のみを受光する受光画素を備えた外乱光受光部を有し、前記信頼度算出部は、前記受光信号のピーク値を前記信号とし、前記外乱光受光部の出力を雑音として前記個別信頼度を算出する。
また、請求項６に記載の発明は、測定対象物に対し照射光パルスを投光する投光部と、前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の１つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を含み、前記投光部は、予め定められた計測時間に亘って前記測定対象物に繰り返し前記照射光パルスを投光し、前記選択部は、注目画素と前記注目画素の近傍の１つまたは複数の画素の各々から出力される、繰り返し投光された前記照射光パルスの受光信号を時間軸に沿って累積した個別ヒストグラムを前記個別受光信号として出力し、前記合成部は前記個別ヒストグラムを加算した合成ヒストグラムを前記合成受光信号として出力し、前記距離算出部は、前記合成ヒストグラムのピーク値に対応する時刻を前記受光時刻として前記測定対象物までの距離を算出する。
【００３７】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、前記投光部は、予め定められた計測時間に亘って前記測定対象物に繰り返し前記照射光パルスを投光し、前記選択部は、注目画素と前記注目画素の近傍の１つまたは複数の画素の各々から出力される、繰り返し投光された前記照射光パルスの受光信号を時間軸に沿って累積した個別ヒストグラムを前記個別受光信号として出力し、前記合成部は前記個別ヒストグラムを加算した合成ヒストグラムを前記合成受光信号として出力し、前記距離算出部は、前記合成ヒストグラムのピーク値に対応する時刻を前記受光時刻として前記測定対象物までの距離を算出する。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、測定対象物、特に遠方に位置する測定対象物や反射率の低い測定対象物の検出性能が高められた光学的測距装置を実現することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施の形態に係る光学的測距装置の構成の一例を示す側面図である。
【図２】実施の形態に係る受光ＬＳＩの構成の一例を示す平面図である。
【図３】実施の形態に係るＴＯＦ画素の観測方向と参照画素の観測方向とを示す図である。
【図４】実施の形態に係るＴＯＦ信号処理部および参照信号処理部を示すブロック図である。
【図５】実施の形態に係る光学的測距装置とその観測方向および路面との幾何学的関係を説明するための図である。
【図６】第１の実施の形態に係る個別ヒストグラムおよび合成ヒストグラムを説明するための図である。
【図７】第２の実施の形態に係る信頼度を説明するための図である。
【図８】受光素子であるアバランシェフォトダイオードのリニアモードとガイガーモードを説明するための図である。
【図９】従来技術に係る路面の検出方法を説明するための図である。
【図１０】従来技術に係る他の路面の検出方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
［第１の実施の形態］
以下、図１ないし図６を参照して本実施の形態について詳細に説明するが、まず、図１を参照して、本実施の形態に係る光学的測距装置１０の基本的な構成について説明する。
光学的測距装置１０は、投光部３０、受光部３２、双曲面ミラー２０、ポリゴンミラー２２、および筐体２６を備えている。
【００４３】
投光部３０は、測定対象空間に照射する照射光となる投光光Ｌｔを生成する部位であり、光源としてのＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）素子１８を搭載した投光基板１６を含んで構成されている。本実施の形態においては、投光光Ｌｔは連続して投光されるパルス状の波形とされ、投光基板１６は、ＬＤ素子１８から出射する連続光を光パルス（パルスレーザ光）とするＬＤ素子駆動回路（図示省略）を含んでいる。なお、本実施の形態では、光源としてＬＤ素子を用いた形態を例示して説明するが、固体レーザ等他の光源を用いた形態としてもよい。また、一例として、パルスレーザ光の周期は４μｓ（ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄ）、パルス幅は数ｎｓ（ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ）程度とすることができる。
【００４４】
受光部３２は、測定対象物で反射した反射光を受光光Ｌｒとして受光する部位であり、受光ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）１２を搭載した受光基板１４を含んで構成されている。
【００４５】
ポリゴンミラー２２は６面のミラー面を有する回転多角形ミラーであり、投光光Ｌｔを走査し照射光として測定対象空間に向け照射するとともに、測定対象物からの反射光を走査して双曲面ミラー２０へ導く部位である。
【００４６】
ポリゴンミラー２２の各ミラー面は回転軸Ａに対して傾けて設けられており、ポリゴンミラー２２は回転軸Ａを中心として所定の回転速度で回転される。本実施の形態に係るポリゴンミラー２２の各ミラー面と回転軸Ａとのなす角度は各々異なるように配置されているので、ポリゴンミラー２２の回転に伴って照射光と反射光の俯角が変化する。
【００４７】
したがって、ポリゴンミラー２２を回転させることにより、ＬＤ素子１８からの投光光Ｌｔは、水平方向の走査（スキャン）のみならず、異なる俯角で垂直方向にも走査され、つまり面状に走査され、測定対象空間に向け照射される。なお、本実施の形態では６面を有するポリゴンミラー２２を用いた形態を例示して説明するが、これに限られず、具体的設計条件等に応じて他の面数のポリゴンミラーを用いた形態としてもよい。
【００４８】
双曲面ミラー２０は、測定対象物で反射した反射光を集光し受光光Ｌｒとして受光ＬＳＩ１２に導く部位である。
【００４９】
筐体２６は、上記の各構成を支持する支持構造とともに、電源基板２４および制御基板２７を含んで構成され、電源基板２４には、投光基板１６および受光基板１４が接続されている。電源基板２４は、外部から供給される電力を用いて、投光基板１６、受光基板１４、および制御基板２７に供給する電圧を生成する回路を含んでいる。また、制御基板２７には、光学的測距装置１０の全体を統括制御する制御部（図示省略）が設けられており、当該制御部は、投光基板１６および受光基板１４の制御等を実行する。当該制御部は、図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等を備えて構成されている。
【００５０】
つぎに、上記構成を有する光学的測距装置１０の動作について説明する。
【００５１】
ＬＤ素子１８から出射されるパルスレーザ光は、図示しないコリメートレンズでコリメートされ（平行光とされ）、双曲面ミラー２０に設けられた開口Ｋからポリゴンミラー２２に導かれる。ポリゴンミラー２２で反射した投光光Ｌｔは測定対象空間に向けて投光され、測定対象空間内の測定対象物に照射され、測定対象物で反射された反射光は光学的測距装置１０へと再び戻る。なお、上記コリメートレンズは投光空間を規定するものであり、必要に応じて用いればよい。
【００５２】
光学的測距装置１０に戻った反射光は、再びポリゴンミラー２２によって反射され、さらに双曲面ミラー２０で反射され、受光光Ｌｒとして受光ＬＳＩ１２へ入射する。双曲面ミラー２０はレンズと同様の作用を奏し、受光光Ｌｒを受光ＬＳＩ１２の受光面（後述）に結像させる。
【００５３】
以上の説明からも明らかなように、本実施の形態に係る光学的測距装置１０の光学系は、投光における光軸と受光における光軸とを一致させた同軸型の光学系である。
【００５４】
つぎに、図２を参照して、本実施の形態に係る受光ＬＳＩ１２について説明する。受光ＬＳＩ１２は、受光光Ｌｒを受光して光電変換する光検出部と、該光検出部からの信号を処理する信号処理部とが集積化された半導体集積回路である。本実施の形態では、光検出部としてシリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ：Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｐｈｏｔｏ  Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）を用いた形態を例示して説明する。ＳｉＰＭとは、複数のＳＰＡＤをアレイ状に行列配置し、全体として大きな光検出器、すなわち画素を構成したものである。
【００５５】
ところで、図８（ｄ）に示す、フォトンの入射時間を繰り返し測定したヒストグラムから、そのピーク値を高精度に抽出するためには、多数回の測定が必要となり、その結果ＴＯＦを求めるための測定時間が長くなる。測定時間が長くなると、測定対象物が移動した場合に測定誤差を生ずる。その点、ＳｉＰＭを用いた光検出器は、短い測定時間で外乱光の影響を排除しつつ正しいＴＯＦを求めることができる方法である（たとえば、特開２０１２−０６００１２号公報、C.Niclass, M.Soga, H.Matsubara, S.Kato, “A 100m-range 10-frame/s 340×96-pixel time-of flight depth sensor in 0.18μm CMOS”, Proceeding of ESSCIRC, pp.107-110, September, 2011.等参照）。
【００５６】
図２に示すように、本実施の形態に係る受光ＬＳＩ１２の光検出部５０は、信号光検出部１３０および参照光検出部２３０を含んで構成されている。信号光検出部１３０は、距離を計測するための受光光Ｌｒを検出する光検出部であり、参照光検出部２３０は、外乱光の強度を検出する光検出部である。
【００５７】
本実施の形態に係る信号光検出部１３０は、受光光Ｌｒを検出する、１次元に配列された１６個のＴＯＦ画素ＧＴ１〜ＧＴ１６（以下、総称する場合は「ＴＯＦ画素ＧＴ」という）を含んで構成されている。また、ＴＯＦ画素ＧＴの各々は、ＳＰＡＤ１２０が４行×６列のアレイ状に配置されて構成されている。
【００５８】
一方、本実施の形態に係る参照光検出部２３０は、外乱光を検出する、１次元に配列された１６個の参照画素ＧＲ１〜ＧＲ１６（以下、総称する場合は「参照画素ＧＲ」という）を含んで構成されている。また、参照画素ＧＲの各々は、ＳＰＡＤ２２０が４行×６列のアレイ状に配置されて構成されている。本実施の形態では、参照光検出部２３０として信号光検出部１３０と同じ構造の素子を用いている。
【００５９】
本実施の形態に係る投光部３０から出射されるパルスレーザ光のビーム形状は、鉛直方向（図１のＺ方向）に縦長のビーム形状とされている。また、信号光検出部１３０のＴＯＦ画素ＧＴ、および参照光検出部２３０の参照画素ＧＲも鉛直方向（図２のＺ方向）に配列されている。反射光も縦長のビーム形状のまま光学的測距装置１０に戻るので、縦長のビーム形状を有する受光光Ｌｒが、ＴＯＦ画素ＧＴの配列方向に沿って信号光検出部１３０に入射する。つまり、１つのパルスレーザ光に対応する反射光パルスを、信号光検出部１３０が一括して受光する。
【００６０】
さらに、本実施の形態では、信号光検出部１３０の受光領域と、信号光検出部１３０の受光面に結像する反射光パルスのビームスポットとが重なるように受光ＬＳＩ１２が配置されている。このように配置することにより、信号光検出部１３０が反射光と外乱光とを検出するのに対し、参照光検出部２３０は反射光を検出せず外乱光のみ検出する。
【００６１】
先述したように、本実施の形態では、ポリゴンミラー２２が回転することにより、投光光Ｌｔの光ビーム（投光ビーム）と、受光光Ｌｒのビーム（受光ビーム）とが同時に水平方向に走査される。本実施の形態に係るポリゴンミラー２２は６面で構成されるとともに、各面は俯角が異なるように形成されているので、垂直方向の６方向についても走査される。ポリゴンミラー２２の各面の俯角の差を投光ビームのビーム広がり角度と略一致させることにより、垂直方向に隙間なく走査することができる。したがって、光学的測距装置１０の垂直方向の走査線数は、信号光検出部１３０におけるＴＯＦ画素ＧＴの数１６と、ポリゴンミラー２２の面の数６との積である９６ラインとなる。
【００６２】
つぎに、図３を参照して、信号光検出部１３０と、参照光検出部２３０の観測方向について説明する。図３に示すように、本実施の形態では、信号光検出部１３０の観測方向ＤＴと、参照光検出部２３０の観測方向ＤＲとが常に異なる方向を観測するように構成されている。なお、図３に示す矢印Ｓは投光部３０の走査方向を示している。
【００６３】
この観測方向の角度差φは、受光ＬＳＩ１２上での信号光検出部１３０と参照光検出部２３０との水平方向の間隔ｄ（図２参照）、および双曲面ミラー２０の焦点距離によって決まる。信号光検出部１３０の現在の観測方向と次回の観測方向の角度は、ポリゴンミラー２２の回転速度、パルス光の発光時間間隔等によって決まる。いま、角度差φと双曲面ミラー２０の焦点距離とを固定して考えると、信号光検出部１３０と参照光検出部２３０との間隔ｄを調節することにより、参照光検出部２３０の観測方向を信号光検出部１３０の次回の観測方向に一致させることができる。本実施の形態では、以上のように構成することにより、信号光検出部１３０の観測方向ＤＴと、参照光検出部２３０の観測方向ＤＲとが常に異なる方向となるように構成されている。
【００６４】
つぎに、図４を参照して、本実施の形態に係る信号処理部について説明する。本実施の形態に係る信号処理部は、光検出部５０からの受光信号を処理する部位であり、信号光検出部１３０から出力される受光信号を用いてＴＯＦを求めるＴＯＦ信号処理部１００と、参照光検出部２３０から出力される受光信号を用いて外乱光の大きさを求める参照信号処理部２００とを備えている。
【００６５】
図４（ａ）に示すように、ＴＯＦ信号処理部１００は、フロントエンド部１０２（フロントエンド部１０２−１〜１０２−２４）、パルス整形回路１０４（パルス整形回路１０４−１〜１０４−２４）、加算器１０６、コンパレータ１０８、ＴＤＣ（Ｔｉｍｅ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）１１０、およびヒストグラム処理部１１２を備えている。
【００６６】
フロントエンド部１０２は、ＳＰＡＤ１２０、ＳＰＡＤ１２０に直列に接続された抵抗１２２、ＳＰＡＤ１２０と抵抗１２２の接続点を入力とするプリアンプ１２４を含んで構成されている。ＳＰＡＤ１２０の各々には降伏電圧以上の逆バイアス電圧が印加されており、ＳＰＡＤ１２０の各々は、フォトンの入射に対してアバランシェ効果を引き起こし、電圧パルス（受光パルス）を出力する。抵抗１２２は上述したクエンチング抵抗であり、ＳＰＡＤ１２０のアバランシェ効果を停止させる機能を有している。プリアンプ１２４は、ＳＰＡＤ１２０と抵抗１２２との接続点の電位の変化を取り出すバッファである。
【００６７】
図４（ａ）に示すＳＰＡＤ１２０は、図２（ａ）に示すＳＰＡＤ１２０の各々に対応しており、２４個のフロントエンド部１０２−１〜１０２−２４の各々は、ＴＯＦ画素ＧＴに含まれる２４個のＳＰＡＤ１２０に対応させて設けられている。また、２４個のフロントエンド部１０２の組が、ＴＯＦ画素ＧＴの各々に対応させてさらに１６個設けられ、信号光検出部１３０に対応するフロントエンド部が構成される。なお、本実施の形態に係るフロントエンド部１０２では、プリアンプ１２４の後段に、次段のパルス整形回路１０４と信号レベルを合わせるための増幅器等、他の回路が設けられる場合もある。
【００６８】
パルス整形回路１０４（パルス整形回路１０４−１〜１０４−２４）は、２４個のフロントエンド部１０２の各々に接続され、フロントエンド部１０２から出力される受光パルスの波形を整形する。フロントエンド部１０２から出力される受光パルスのパルス幅は、ＳＰＡＤ１２０の寄生容量とクエンチング抵抗１２２によって決まる時定数に相当する（一例として、数１０ｎｓ〜数１００ｎｓ）。パルス整形回路１０４では、この受光パルスのパルス幅を、投光部３０から出力されるパルスレーザ光のパルス幅程度（一例として、数ｎｓ程度）まで狭める整形を行う。
【００６９】
加算器１０６は、２４個のパルス整形回路１０４からの出力を加算（合成）して、加算結果をコンパレータ１０８に出力する回路である。加算器１０６により、複数のＳＰＡＤ１２０から同じタイミングで出力された受光パルスが加算される。本実施の形態では、加算結果はデジタル信号として出力される。たとえば、複数のＳＰＡＤ１２０のうち２つから同時に受光パルスが出力されれば、加算器１０６からの出力信号はデジタル信号の”２”（１０進数）となる。
【００７０】
コンパレータ１０８は、加算器１０６から出力された加算値を所定の閾値と比較し、加算値が閾値以上の場合に、投光光Ｌｔのパルスレーザ光に対応する受光光Ｌｒの光パルス（反射光パルス）が到来したことを示す判定結果を出力する。本実施の形態では当該閾値を２としており、加算器１０６から出力された加算値が２以上の場合に、コンパレータ１０８は、パルス信号を出力する。
【００７１】
なお、本実施の形態では上記閾値を一例として２としているが、当該閾値は所定数以上のＳＰＡＤが同時に受光パルスを出力した場合、すなわち同時に多数のフォトンが到来した場合を判別するものであるから、上記閾値は２である必要はなく、具体的設計条件等を考慮して最適な値を設定すればよい。コンパレータ１０８の出力は次段のＴＤＣ１１０をトリガリングするトリガパルスとなる。
【００７２】
ＴＤＣとは、一般に、パルス信号とパルス信号との間の時間差を計測し、その時間差をデジタル数値に変換して出力する回路である。本実施の形態に係るＴＤＣ１１０は、コンパレータ１０８から出力されたトリガパルスにより、反射光パルスの到達時間を計測する。すなわち、ＴＤＣ１１０は、投光部３０からパルスレーザ光が投光された投光時刻から、コンパレータ１０８で反射光パルスが検出された受光時刻までの時間を、ＴＯＦの測定結果として出力する。
【００７３】
ヒストグラム処理部１１２は、ＴＤＣ１１０で得られたＴＯＦの測定結果をさらに所定の計測時間に亘って蓄積し、ヒストグラムＨを生成する（図６参照）。ヒストグラムＨは、投光部３０からＴＯＦ測定用のパルスレーザ光を所定の計測時間に亘って繰り返し照射し、各々のパルスレーザ光に対応して得られたＴＯＦの測定結果を累積することにより生成される。すなわち、投光部３０からのパルスレーザ光の投光時刻ｔｔから受光部３２における反射光パルスの受光時刻ｔｒまでの時間ｔｒ−ｔｔ（＝ＴＯＦ）について、所定の計測時間においてコンパレータ１０８がパルス信号を検出した回数（度数）を示している。本実施の形態では、ＴＯＦが計測される毎に、ヒストグラムＨの対応するビンの値に加算器１０６の出力が加算される。これにより、同時にパルスを出力するＳＰＡＤ数、すなわち入射光量がヒストグラムＨの度数により正確に反映される。
【００７４】
所定の計測時間に亘る上記計測により生成されたヒストグラムＨは、統計的に累積処理されることになるので、より遠方の路面からの弱い反射光パルスであっても捉えることができる。このように、反射光パルスの到来時刻を繰り返し測定してヒストグラムＨを生成し、生成されたヒストグラムＨのピーク値を抽出することによって、外乱光の存在下でも正しいＴＯＦの計測を行うことができる。
【００７５】
上記のヒストグラムＨによるＴＯＦの算出処理は、投光部３０から投光されるパルスレーザ光に対する反射光パルスが信号光検出部１３０に入射した場合には、多数のフォトンが同時に到来して複数のＳＰＡＤ１２０で受光されるのに対し、外乱光が信号光検出部１３０に入射した場合には、フォトンがランダムなタイミングで到来するので、複数のＳＰＡＤ１２０で同時に受光する確率は低いという性質に基づいた処理である。
【００７６】
以上のように構成されたＴＯＦ信号処理部１００によれば、外乱光に起因するフォトンに対する応答を低減できるので、少ない測定回数でＴＯＦを正しく計測することができる。
【００７７】
つづけて、本実施の形態に係る参照信号処理部２００について説明する。図４（ｂ）に示すように、参照信号処理部２００は、フロントエンド部２０２（フロントエンド部２０２−１〜２０２−２４）、パルス整形回路２０４（パルス整形回路２０４−１〜２０４−２４）、加算器２０６、コンパレータ２０８、およびカウンタ２１０を備えている。
【００７８】
参照信号処理部２００は、ＴＯＦ信号処理部１００におけるＴＤＣ１１０とヒストグラム処理部１１２を、カウンタ２１０に置き換えたものである。したがって、フロントエンド部２０２、パルス整形回路２０４、加算器２０６、およびコンパレータ２０８の動作は、各々フロントエンド部１０２、パルス整形回路１０４、加算器１０６、およびコンパレータ１０８の動作と同様なので説明を省略する。
【００７９】
上述したように、参照信号処理部２００には外乱光のみが入射するように構成されているので、コンパレータ２０８の出力パルスの数を所定の時間に亘って計測することにより、外乱光（背景光）の光量を測定することができる。ＴＯＦ信号処理部１００における処理で得られた反射光パルスの情報には、正味のＴＯＦ信号成分と外乱光による背景光成分とが含まれる。したがって、ヒストグラムＨのピーク値を抽出するときに、参照信号処理部２００で処理された情報を用いることにより、適切に閾値を定めることができる。
【００８０】
つぎに、図５を参照して、車両に搭載した光学的測距装置１０によって路面を計測する場合の、ＴＯＦ画素間の光学的測距装置１０と路面上の点との間の距離の違い、つまり俯角の違いと、路面の検出の難易度との関係について説明する。
【００８１】
図５に示すように、車両１の前方上部の、路面Ｒからの高さがＨの位置に、本実施の形態に係る光学的測距装置１０が搭載されている。光学的測距装置１０の投光部３０からは、ポリゴンミラー２２によって連続して走査される投光光Ｌｔのなかで、ｉ番目のＴＯＦ画素ＧＴによって受光される部分をＬｔｉとすると、投光光Ｌｔｉは、光学的測距装置１０との水平距離がＸｉである路面Ｒ上の点Ｓｉに投光されている。投光光Ｌｔｉの光軸と、路面Ｒとのなす角度をθｉとし、該角度θｉを俯角と定義する。先述したように、本実施の形態では、信号光検出部１３０および参照光検出部２３０が路面Ｒに対し垂直方向（すなわち、鉛直方向）に配置されていることから、俯角θｉを、ｉ番目のＴＯＦ画素ＧＴあるいは参照画素ＧＲの観測方向の俯角とも称することにする。
【００８２】
路面Ｒを水平平面と仮定した場合の、光学的測距装置１０から路面Ｒ上の点Ｓｉまでの距離ＤｉとＴＯＦτｉとの関係は、図５に示す幾何学的な関係から以下に示す（式１）によって表される。
0006477083.tif 000002
0006477083.tif 000003
ここで、ｃは光速であり、ｃ＝３×１０８ｍ／ｓｅｃ（ｓｅｃｏｎｄ）である。
【００８３】
俯角θｉと路面Ｒ上の点Ｓｉの検出の難易度との関係について、俯角θｉに対するＴＯＦτｉの変化率ｄτｉ／ｄθｉを用いて説明する。(式１）および（式２）から、ｄτｉ／ｄθｉは以下に示す（式３）で与えられる。
0006477083.tif 000004
【００８４】
一例として、Ｈ＝１．４ｍとし、５ｍ前方の路面Ｒ（すなわち、水平距離Ｘｉ＝５ｍ）を計測する場合の俯角θｉは、θｉ＝１５．６度である。（式３）にθｉ＝１５．６度、Ｈ＝１．４ｍ、ｃ＝３×１０８ｍ／ｓｅｃを代入すると、ＴＯＦτｉの俯角θｉに対する変化率ｄτｉ／ｄθｉは、ｄτｉ／ｄθｉ＝１．２３×１０−７（ｓｅｃ／度）となる。ひとつのＴＯＦ画素ＧＴの垂直画角が０．１度であるとすると、ひとつのＴＯＦ画素ＧＴ内でのＴＯＦτｉの変化率Δτｉは、Δτｉ＝０．２２ｎｓｅｃ（ｎａｎｏｓｅｃｏｎｄ）となる。
【００８５】
一方、Ｈ＝１．４ｍとし、３０ｍ前方の路面Ｒ（すなわち、水平距離Ｘｉ＝３０ｍ）を計測する場合の俯角θｉは、θｉ＝２．６７度であり、この場合のΔτｉは、Δτｉ＝７．５ｎｓｅｃとなる。さらに、Ｈ＝１．４ｍとし、５０ｍ前方の路面Ｒ（すなわち、水平距離Ｘｉ＝５０ｍ）を計測する場合の俯角θｉは、θｉ＝１．６０度であり、この場合のΔτｉは、Δτｉ＝２０ｎｓｅｃとなる。
【００８６】
つまり、０．１度という比較的狭い画素画角であっても、より遠方の路面Ｒの観測においては、ひとつのＴＯＦ画素ＧＴ内におけるＴＯＦτｉの変化率Δτｉが大きくなることがわかる。ひとつのＴＯＦ画素ＧＴ内におけるＴＯＦτｉの変化率Δτｉが大きくなると、反射光パルスのパルス幅が広がりピーク値が減少するので、ＴＯＦτｉの計測が困難になるという問題がある。
【００８７】
つぎに、図６を参照して、上記問題点を解決するための、本実施の形態における、より遠方の路面まで検出性能を高める方法について説明する。上記の説明で明らかなように、投光光Ｌｔｉの俯角によって、各ＴＯＦ画素ＧＴで受光される反射光パルスに基づくＴＯＦは、ＴＯＦ画素ＧＴごとに異なる。したがって、ＴＯＦ画素ＧＴごとの受光信号、すなわちヒストグラムを用いた場合には、ピーク値には一定の制限があり、遠方路面の検出性能にも自ずと限界がある。
【００８８】
そこで、本実施の形態では、近傍に配置されたＴＯＦ画素ＧＴの間のＴＯＦのずれ量を補正し、複数のＴＯＦ画素ＧＴからの受光信号を合成する手法を採用している。このことにより、測定対象物が路面の場合には、受光信号のピーク値同士が加算され、受光信号がさらに増大されるので、受光信号のＳ／Ｎ比をさらに高めることができる。一方、測定対象物が障害物等の非路面の場合には、ピーク値同士が加算されないので、Ｓ／Ｎ比が高まることはない。
【００８９】
上記補正の具体的な方法として、本実施の形態では、注目画素のヒストグラムおよび該注目画素の近傍における１つまたは複数の画素のヒストグラム（以下、「個別ヒストグラム」という）を加算、統合して合成ヒストグラムを得、この合成ヒストグラムのピーク値に対応する時刻を用いてＴＯＦを算出することにより、より遠方までの路面の検出性能を高めている。
【００９０】
図６（ａ）は、信号光検出部１３０において注目するＴＯＦ画素ＧＴｉ（以下、「画素ｉ」という）の個別ヒストグラムＨｉ、および画素ｉの近傍の画素、すなわち前後に２つずつの画素、画素ｉ−２、画素ｉ−１、画素ｉ＋１、および画素ｉ＋２の個別ヒストグラムＨｉ−２、Ｈｉ−１、Ｈｉ＋１、およびＨｉ＋２を示している。各画素に対する俯角が異なるので、異なる時刻、ｔｉ−２、ｔｉ−１、ｔｉ、ｔｉ＋１、ｔｉ＋２において、反射光パルスによるピークＰＫが形成される。
【００９１】
光学的測距装置１０の車両１における設置位置および姿勢は既知であり、各画素ｉの俯角θｉも既知であるから、路面Ｒの形状を仮定すれば、時刻ｔｉ−２、ｔｉ−１、ｔｉ、ｔｉ＋１、およびｔｉ＋２の算出は可能である。本実施の形態では、各画素、画素ｉ−２、画素ｉ−１、画素ｉ、画素ｉ＋１、および画素ｉ＋２のピーク値形成時刻を、画素ｉのピーク値形成時刻を基準として、ｔｉ−２−ｔｉ、ｔｉ−１−ｔｉ、０、ｔｉ＋１−ｔｉ、ｔｉ＋２−ｔｉだけシフトさせて加算、統合し、図６（ｂ）に示すような合成ヒストグラムＨＴを得る。各画素の観測対象が上記の仮定した路面Ｒであれば、各画素に対応する個別ヒストグラムＨｉのピーク値を与える時刻が重なって加算、統合されるので、合成ヒストグラムＨＴはより大きなピーク値を形成する。その結果、路面Ｒの検出性能が高められる。
【００９２】
以上詳述したように、本実施の形態に係る光学的測距装置によれば、測定対象物、特に遠方に位置する測定対象物の検出性能を高めることができる。より遠方までの測定対象物の検出が可能になると、測定可能な測定点をより増加させることができる。より多数の測定点が得られると、連続性や直線性を考慮した測定対象物の統計的な推定がより正確で、よりロバストなものとなる。
【００９３】
［第２の実施の形態］
本実施の形態は、上述した方法を用いてあるヒストグラムについてなされたピーク値の検出、すなわちＴＯＦの計測が、信頼に足るものであるか否かを判断するために「信頼度」という指標を導入し、さらに路面の検出性能を高めた形態である。上記実施の形態による補正を行った場合でも、補正後の受光信号により誤ったＴＯＦを計測する場合が皆無とはいえない。本実施の形態は、この誤計測の回避を目的とする形態である。
【００９４】
図７を参照して、ＴＯＦ信号処理部１００および参照信号処理部２００の出力を用いて計測されたＴＯＦについての、上記信頼度を算出する方法について説明する。図７は、ＴＯＦ信号処理部１００で作成されるヒストグラムの一例であり、横軸は時間、縦軸は度数（カウント値）を示している。図７において、Ｐは反射光パルスの強度のピーク値（図７では、「Ｐ：ピークレベル」と表記）を示し、Ｎは外乱光の強度の平均値（図７では、「Ｎ：ノイズレベル」と表記）を示している。
【００９５】
図７に示すように、ＴＯＦを算出するヒストグラムでは、ＴＯＦを示す時間ｔ０（受光時刻ｔｒに相当する時刻）にピーク値Ｐが形成される。このピーク値は反射光パルスの強度を示している。ただし、このピーク値Ｐには外乱光成分がオフセットとして含まれている。したがって、ピーク値Ｐからオフセットの外乱光成分の平均値Ｎを減算したＰ−Ｎが、ピーク値で見た場合の正味のＴＯＦ信号成分となる。
【００９６】
本実施の形態では、図７に示すヒストグラムの信頼度を、図７に示すヒストグラムのＳ／Ｎ比を用いて定義する。外乱光成分のゆらぎ量をノイズ成分とみなせば、図７に示すヒストグラムのノイズ成分は、外乱光成分の平均値Ｎの平方根で表すことができる。したがって、図７に示すヒストグラムのＳ／Ｎ比は、正味のＴＯＦ信号成分Ｐ−Ｎをノイズ成分の平均値Ｎの平方根で除したものとなるので、信頼度Ｃは以下に示す（式４）で定義することができる。
0006477083.tif 000005
なお、信頼度Ｃは、個別ヒストグラムＨｉ、合成ヒストグラムＨＴの区別なく算出することが可能である。
【００９７】
ここで、以下においては、合成ヒストグラムＨＴを算出することを「補正する」ということにする。したがって、合成する前の個別ヒストグラムＨｉは補正がなされていない。本実施の形態では、この補正ありの場合の信頼度と、補正なしの場合の信頼度とを比較することにより、測定対象物が路面であるか否か（障害物等であるか否か）について、より確実に判定することを可能としている。
【００９８】
補正後、すなわち合成後の外乱光成分は、合成の対象であるＴＯＦ画素ＧＴに対応する参照画素ＧＲの出力の和を算出することにより得られる。合成後のＴＯＦ信号成分は合成ヒストグラムＨＴのピーク値から求めることができる。
【００９９】
一例として、合成前のＴＯＦ信号成分のピーク値がＰ、外乱光成分の平均値がＮ、外乱光に起因するノイズ成分がＮの平方根である２つの画素の受光信号について考える。この場合、合成後の外乱光成分の平均値は２・Ｎであるから、ノイズ成分は２・Ｎの平方根である。画素の観測対象が路面である場合、合成後のＴＯＦ信号成分のピーク値は２・Ｐとなる。したがって、合成後の、つまり補正後の信頼度Ｃ＊は、以下に示す（式５）のように表せる。
0006477083.tif 000006
【０１００】
(式５）は以下に示す（式６）にように変形できるので、合成後すなわち補正後の信頼度Ｃ＊は、合成前すなわち補正前の信頼度Ｃの２の平方根倍となることがわかる。
0006477083.tif 000007
【０１０１】
観測対象が路面ではないもの、たとえば、路面に垂直な面を有する立体物について、上記同様２つの画素の合成を考えると、補正後の外乱光成分を含むＴＯＦ信号成分のピーク値はＰ＋Ｎであり、補正後の正味のＴＯＦ信号成分のピーク値は補正前と同じＰ−Ｎである。一方、補正後のノイズ成分は２・Ｎの平方根であるから、この場合の信頼度Ｃ’は、以下に示す（式７）で与えられる。
0006477083.tif 000008
【０１０２】
（式７）は以下に示す（式８）のように変形できるので、補正後の信頼度Ｃ’は補正前の信頼度Ｃを２の平方根で除したものとなる。
0006477083.tif 000009
【０１０３】
以上の検討結果から、本実施の形態では、補正後の信頼度が補正前の信頼度より大きくなる場合には観測対象が路面であると判定し、補正後の信頼度が補正前の信頼度以下となる場合には観測対象が非路面（障害物）であると判定する。そして、路面と判定された場合には補正された合成ヒストグラムを採用してピーク値を検出し、非路面と判定された場合には補正なしのヒストグラムを採用してピーク値を検出する。
【０１０４】
以上、詳述したように、本実施の形態によれば、補正の有無による信頼度を比較し、観測対象が路面か非路面かでピーク値を検出する対象を異ならせているので、ＴＯＦの誤検出を防止することができる。その結果、路面Ｒの検出性能が高められ、また、受光時刻ｔｒの測定もより正確なものとなるので、より遠方に位置する路面までの距離を、より正確に測定することができる。
【０１０５】
［第３の実施の形態］
上記の実施の形態では、ヒストグラムのＳ／Ｎ比によるヒストグラムのピーク値検出の信頼度Ｃを用い、主として路面Ｒの検出性能を高める形態を示した。本実施の形態は、ヒストグラムのＳ／Ｎ比を用い、ノイズのレベルに応じて受信回路（具体的には、ＴＯＦ信号処理部１００）のＳ／Ｎ比の改善を図る形態である。
【０１０６】
ここでは、説明の便宜上、上記個別ヒストグラムＨｉの信頼度を「個別信頼度Ｃｉ」、合成ヒストグラムＨＴの信頼度を「合成信頼度ＣＴ」と称する。また、上記の実施の形態は、路面Ｒの検出が主目的であったので、画素ｉごとに俯角が異なり、異なる時刻において反射光パルスによるピークＰＫが形成される形態（異なる距離に観測対象が存在する形態）を例示して説明した。それに対し、本実施の形態は、観測対象が異なる距離に存在するか、同一の距離に存在するかに関わらず、受信回路のＳ／Ｎ比の改善を図る形態である。したがって、以下では、観測対象が同一の距離に存在する場合を例示して説明する。観測対象が同一の距離に存在する場合とは、たとえば、路面Ｒに対しほぼ垂直な面を有する障害物を観測するような場合である。
【０１０７】
上述したように、個別信頼度Ｃｉは個別ヒストグラムＨｉのＳ／Ｎ比であり、合成信頼度ＣＴは合成ヒストグラムＨＴのＳ／Ｎ比である。そこで、本実施の形態では、上述した方法によって、個別ヒストグラムＨｉおよび合成ヒストグラムＨＴを取得したのち、個別信頼度Ｃｉおよび合成信頼度ＣＴを算出する。そして、算出された個別信頼度Ｃｉと合成信頼度ＣＴとを比較し、合成ヒストグラムＨＴおよび個別ヒストグラムＨｉのいずれをＴＯＦ信号処理部１００の出力とするかを判定する。
【０１０８】
以下、本実施の形態に係る受信回路のＳ／Ｎ比改善方法について、より具体的に説明する。まず、個別信頼度Ｃｉおよび合成信頼度ＣＴは、上記実施の形態と同様にして算出することができる。すなわち、信号光検出部１３０において注目するＴＯＦ画素ＧＴｉである画素ｉの個別ヒストグラムＨｉ、および画素ｉの近傍の画素、画素ｉ−２、画素ｉ−１、画素ｉ＋１、および画素ｉ＋２の個別ヒストグラムＨｉ−２、Ｈｉ−１、Ｈｉ＋１、およびＨｉ＋２は、図６（ａ）のように求めることができる。ただし、本実施の形態では、観測対象が同一の距離に存在するので、Ｈｉ−２、Ｈｉ−１、Ｈｉ、Ｈｉ＋１、およびＨｉ＋２は、同一の時刻に観測される。
【０１０９】
合成ヒストグラムＨＴは、個別ヒストグラムＨｉ−２、Ｈｉ−１、Ｈｉ、Ｈｉ＋１、およびＨｉ＋２を、時間差を補正することなく加算、統合して、図６（ｂ）のように求めることができる。各画素の観測対象が上記の仮定した障害物等であれば、各画素に対応する個別ヒストグラムＨｉのピーク値を与える時刻が重なって加算、統合されるので、合成ヒストグラムＨＴはより大きなピーク値を形成する。
【０１１０】
いま、上記実施の形態と同様に、注目画素を画素ｉとし、該画素ｉに、画素ｉの近傍の画素ｉ＋１を合成する場合を考える。合成後の外乱光成分は画素ｉおよび画素ｉ＋１のヒストグラム出力の和から、上記実施の形態と同様の方法で求めることができる。合成後の信号成分は画素ｉおよび画素ｉ＋１のヒストグラム出力の和のピーク値から求めることができる。一例として、画素ｉおよび画素ｉ＋１の個別ヒストグラムのピーク値がＰ、外乱光成分がＮ、ノイズ成分がＮの平方根である場合を考える。この場合の個別信頼度Ｃｉは、（式４）を用いて各々以下に示す（式９）で与えられる。
0006477083.tif 000010
【０１１１】
一方、個別ヒストグラムＨｉの合成後の外乱光成分は２Ｎ、ノイズ成分は２Ｎの平方根となる。画素ｉおよび画素ｉ＋１が同じ距離の対象を観測するとき、上述のように合成前の個別ヒストグラムＨｉのピークは同じ時刻に形成されるので、合成後のピーク値は加算されて２Ｐとなる。したがって、観測対象が同一距離に存在する場合の合成信頼度ＣＴＯは、式（５）を用いて以下に示す（式１０）で与えられる。
0006477083.tif 000011
すなわち、観測対象が同一の距離に存在する場合の合成信頼度ＣＴＯは、個別信頼度Ｃｉの２の平方根倍となる。
【０１１２】
一方、画素ｉおよび画素ｉ＋１が異なる距離の対象を観測するとき、合成前の個別ヒストグラムＨｉのピークは異なる時間に形成されるので、合成後のピーク値は加算されずに、大きさＰ＋Ｎの２つのピークが異なる時間に形成される。しかしながら、この場合も外乱光成分は加算されて２Ｎとなり、ノイズ成分は２Ｎの平方根となる。信号成分はピーク値Ｐ＋Ｎから外乱光成分２Ｎを減じたＰ−Ｎであり、個別ヒストグラムＨｉと同じである。
したがって、観測対象が異なる距離に存在する場合の合成信頼度ＣＴＲは、以下に示す（式１１）で与えられる。
0006477083.tif 000012
すなわち、観測対象が異なる距離に存在する場合の合成信頼度ＣＴＲは、個別信頼度Ｃｉを２の平方根で除した値となる。
【０１１３】
以上のように、本実施の形態では、観測対象の距離に応じて、個別信頼度Ｃｉに対する合成信頼度ＣＴの値、すなわちＳ／Ｎ比の値が異なることを利用する。つまり、観測対象が同一距離にある場合の合成信頼度ＣＴＯは個別信頼度Ｃｉより大きくなり、観測対象が異なる距離にある場合の合成信頼度ＣＴＲは個別信頼度Ｃｉより小さくなることを利用する。
【０１１４】
本実施の形態では、観測対象が同一距離に存在する場合において、同一時刻における個別ヒストグラムＨｉを合成する場合を例示して説明したが、上記の個別信頼度Ｃｉと合成信頼度ＣＴとの大小関係は、観測対象が異なる距離に存在する場合において、俯角の違いに基づく時間差を補正して個別ヒストグラムＨｉを合成する場合でも同様に成り立つ。ただし、先述したように、この場合の合成信頼度ＣＴＯおよびＣＴＲと、個別信頼度Ｃｉとの大小関係は逆になる。
【０１１５】
そして、本実施の形態では、合成信頼度ＣＴが個別信頼度Ｃｉ以下の場合には、個別ヒストグラムＨｉを出力する。このような判定処理を行うことにより、受信回路から出力される信号のＳ／Ｎ比は少なくとも個別信頼度Ｃｉより小さくなることがない。一方、合成信頼度ＣＴが個別信頼度Ｃｉより大きい場合には、合成ヒストグラムＨＴを出力する。このような判定処理を行うことによりさらに大きなＳ／Ｎ比が見込める場合を判別し、よりＳ／Ｎ比を向上させることが可能となる。
【０１１６】
以上詳述したように、本実施の形態に係る受信回路のＳ／Ｎ比の改善方法によれば、個別ヒストグラムを合成する場合としない場合とでピーク値検出の信頼度、すなわち、Ｓ／Ｎ比を比較することにより、個別ヒストグラムＨｉの合成の適否を適切に判定できるので、常に最適なＳ／Ｎ比の受光信号が得られる。
【０１１７】
ここで、本実施の形態では、注目画素とその近傍の１画素を合成する形態を例示して説明たが、これに限られず、合成される近傍画素は複数であってもよい。この場合、注目画素と近傍の画素の１対ずつで、個別ヒストグラムＨｉの合成の適否を判断してもよく、また、注目画素とすべての近傍画素との合成の適否を同時に判断することもできる。
【０１１８】
また、本実施の形態では、受光ＬＳＩ１２上の異なる複数の画素を合成する形態を例示して説明したが、これに限られず、受光ＬＳＩ１２上の同一画素の異なる時刻の出力を合成することもできる。受光ＬＳＩ１２上の画素は、観測対象空間において鉛直方向に列をなして並んでいるのに対し、水平方向に走査中の連続する異なる時刻の出力は、水平方向に並ぶ。したがって、上記合成は、水平方向の隣接画素の出力を合成していることに相当する。
【０１１９】
なお、上記各実施の形態では、路面として水平の平面路面を仮定し、俯角が時間的に変動しない場合について本発明を適用した形態を例示して説明したが、これに限られず、勾配や曲率が異なる複数の路面パターンを仮定し、俯角が時間的に変動する場合について本発明を適用した形態としてもよい。この場合、仮定した複数の路面パターンごとに求めたピーク値形成時刻ｔｉに基づいて、注目画素の個別ヒストグラムおよび該注目画素の近傍画素の個別ヒストグラムを加算、統合して合成ヒストグラムを生成する。その複数の路面パターンに対応する複数の加算、統合された合成ヒストグラムの信頼度を比較し、最も信頼度が大きくなる路面パターンを採用する。このことにより、さまざまな形状の路面に対して柔軟に対応した路面の検出が可能となる。
【０１２０】
さらに、上記各実施の形態に係る光学的測距装置が搭載された移動体（車両等）の上下運動に伴う俯角の変動について考慮した、本発明の実施の形態とすることも可能である。
この場合、俯角θｉに正負の複数のオフセット値を加算した複数の俯角ごとに求めたピーク値形成時刻ｔｉに基づいて、上記同様最も信頼度が大きくなる俯角条件を採用すればよい。
【０１２１】
また、上記各実施の形態では、２４個のＳＰＡＤからなるＳｉＰＭを用いた画素（ＴＯＦ画素ＧＴ、参照画素ＧＲ）により光検出部を構成する形態を例示して説明したが、これに限られず、ＳＰＡＤの数を他の適宜な数としたＳｉＰＭを用いた画素により光検出部を構成する形態としてもよい。さらに、１個のＳＰＡＤでも画素を構成することが可能であり、この場合でも個別ヒストグラムの生成、および合成ヒストグラムの生成（すなわち、補正）が可能である。
【０１２２】
また、上記各実施の形態では、ガイガーモードのＳＰＡＤにより受光部を構成する形態を例示して説明したが、これに限られず、リニアモードのＡＰＤにより受光部を構成し、受光信号として該受光部から得られる時系列信号を用いる形態としてもよい。
【０１２３】
また、上記各実施の形態では、信号光検出部と参照光検出部とを同じ素子構造で形成する形態を例示して説明したが、これに限られず、各々の光検出部に要求される特性等を考慮して、信号光検出部と参照光検出部とを異なる素子構造とした形態としてもよい。また、信号光検出部と参照光検出部とで受光モード（ガイガーモード、リニアモード）を異ならせてもよい。さらに、参照光検出部を用いないで、信号光検出部だけを用いて光検出部を構成することも可能である。この場合、照射光を投光しない休止期間における信号光検出部からの受光信号から、外乱光レベルを求めることができる。
【０１２４】
また、上記各実施の形態では、光検出部と信号処理部とを集積化した形態を例示して説明したが、これに限られず、光検出部と信号処理部とを別々の半導体集積回路で形成してもよい。
【０１２５】
また、上記各実施の形態では、参照光検出部の観測方向を次回の信号光検出部の観測方向とする形態を例示して説明したが、これに限られず複数回先の観測方向とする形態としてもよい。さらに、参照光検出部の観測方向を前回の信号光検出部の観測方向とする形態としてもよい。
【０１２６】
また、上記各実施の形態では、受光信号の信号処理を、ＴＯＦ信号処理部１００および参照信号処理部２００が実行する形態を例示して説明したが、これに限られず、各信号処理部の機能、あるいはその一部をソフトウエアによりプログラムとして記述し、該プログラムを図示しない制御部のＣＰＵが実行する形態としてもよい。この場合、当該プログラムを図示しないＲＯＭに格納しておき、ＣＰＵが図示しないＲＡＭに展開して実行するようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１２７】
１        車両
６        走行路
７        路傍
８        建造物
１０      光学的測距装置
１２      受光ＬＳＩ
１３      レーザスキャナ
１４      受光基板
１６      投光基板
１８      ＬＤ素子
２０      双曲面ミラー
２２      ポリゴンミラー
２３      照射パルス
２４      電源基板
２７      制御基板
２５      反射パルス
２６      筐体
２９      照射ビーム
３０      投光部
３２      受光部
３５      反射面
５０      光検出部
１００    ＴＯＦ信号処理部
１０２    フロントエンド部
１０４    パルス整形回路
１０６    加算器
１０８    コンパレータ
１１０    ＴＤＣ
１１２    ヒストグラム処理部
１２０    ＳＰＡＤ
１２２    抵抗
１２４    プリアンプ
１３０    信号光検出部
２００    参照信号処理部
２０２    フロントエンド部
２０４    パルス整形回路
２０６    加算器
２０８    コンパレータ
２１０    カウンタ
２２０    ＳＰＡＤ
２３０    参照光検出部
Ａ        回転軸
ＤＴ、ＤＲ  観測方向
ＧＴ      ＴＯＦ画素
ＧＲ      参照画素
Ｋ        開口
Ｌｔ      投光光
Ｌｒ      受光光
Ｐｔ      照射光パルス
Ｐｒ      反射光パルス
ＰＫ      ピーク
Ｓｉ      点
Ｘｉ      水平距離
【図１】
0006477083.tif 000013
【図２】
0006477083.tif 000014
【図３】
0006477083.tif 000015
【図４】
0006477083.tif 000016
【図５】
0006477083.tif 000017
【図６】
0006477083.tif 000018
【図７】
0006477083.tif 000019
【図８】
0006477083.tif 000020
【図９】
0006477083.tif 000021
【図１０】
0006477083.tif 000022