特許 6990158 距離計測装置、及び距離計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-07

(45)【発行日】2022-01-12

(54)【発明の名称】距離計測装置、及び距離計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/486 20200101AFI20220104BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20220104BHJP

   G01S 17/10 20200101ALI20220104BHJP

   G01S 17/89 20200101ALI20220104BHJP

【ＦＩ】

G01S7/486

G01C3/06 120Q

G01S17/10

G01S17/89

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2018173543

(22)【出願日】2018-09-18

(65)【公開番号】P2020046247

(43)【公開日】2020-03-26

【審査請求日】2020-08-31

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100118843

【弁理士】

【氏名又は名称】赤岡 明

(74)【代理人】

【識別番号】100125151

【弁理士】

【氏名又は名称】新畠 弘之

(72)【発明者】

【氏名】久保田 寛

(72)【発明者】

【氏名】松本 展

【審査官】仲野 一秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２００３－１６７０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１７６７５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－９６７４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８－７／５１

１７／００－１７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／００－３／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ光の反射光を信号化した計測信号が第１閾値に達する立ち上がり時間と、前記第１閾値に達した後に第２閾値に達する立ち下がり時間と、を取得する時間取得部と、
前記立ち上がり時間に第１重み係数で重み付けした第１時間、及び前記立ち下がり時間に第２重み係数で重み付けした第２時間に基づくタイミングと、前記レーザ光の照射タイミングとの時間差に基づいて、対象物までの距離を計測する距離計測部と、
を備え、
前記距離計測部は、前記計測信号のパルス幅に応じて前記第１重み係数を取得する、距離計測装置。

【請求項2】

前記距離計測部は、前記計測信号の信号強度に応じて前記第１重み係数を取得する、請求項１に記載の距離計測装置。

【請求項3】

前記距離計測部は、環境光強度に応じて前記第１重み係数を取得する、請求項１に記載の距離計測装置。

【請求項4】

前記距離計測部は、前記計測信号の信号強度、及び環境光強度に応じて前記第１重み係数を取得する、請求項１に記載の距離計測装置。

【請求項5】

前記距離計測部は、前記パルス幅が大きくなるに従い前記第１重み係数を増加させる、請求項１に記載の距離計測装置。

【請求項6】

前記距離計測部は、前記計測信号のパルス幅が所定値を超えた場合に、前記立ち上がり時間に所定値を加えた値に基づくタイミングと、前記レーザ光の照射タイミングとの時間差に基づいて、対象物までの距離を計測する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の距離計測装置。

【請求項7】

前記レーザ光の照射方向を変更しながら計測対象物に照射する照射光学系と
前記照射光学系が照射した前記レーザ光の反射光を受光する受光光学系と、
前記受光光学系を介して受光した反射光を電気信号に変換するセンサと、
前記センサが出力する電気信号を前記計測信号に増幅変換する増幅器と、を更に備え、
前記距離計測部は、前記センサの特性に応じて前記第１重み係数を変更する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の距離計測装置。

【請求項8】

レーザ光の反射光に基づきセンサが出力する電気信号を計測信号に増幅変換する増幅器と、
前記計測信号が第１閾値に達する立ち上がり時間と、前記第１閾値に達した後に第２閾値に達する立ち下がり時間と、を取得する時間取得部と、
前記立ち上がり時間に第１重み係数で重み付けした第１時間、及び前記立ち下がり時間に第２重み係数で重み付けした第２時間に基づくタイミングと、前記レーザ光の照射タイミングとの時間差に基づいて、対象物までの距離を計測する距離計測部と、
を備え、
前記距離計測部は、前記計測信号のパルス幅に応じて前記第１重み係数を取得する、距離計測装置。

【請求項9】

前記センサは、複数のアバランシェフォトダイオードを有する、請求項７又は８に記載の距離計測装置。

【請求項10】

前記センサは、シリコンフォトマルチプライアにより構成される、請求項７又は８に記載の距離計測装置。

【請求項11】

前記センサは、フォトダイオードにより構成される、請求項７又は８に記載の距離計測装置。

【請求項12】

レーザ光の反射光をデジタル化した計測信号が第１閾値に達する立ち上がり時間と、前記第１閾値に達した後に第２閾値に達する立ち下がり時間と、を取得する時間取得工程と、
前記立ち上がり時間に第１重み係数で重み付けした第１時間、及び前記立ち下がり時間に第２重み係数で重み付けした第２時間に基づくタイミングと、前記レーザ光の照射タイミングとの時間差に基づいて、対象物までの距離を計測する距離計測工程と、
を備え、
前記距離計測工程は、前記計測信号のパルス幅に応じて前記第１重み係数を取得する、距離計測方法。

【請求項13】

レーザ光の反射光に基づきセンサが出力する電気信号を計測信号に増幅変換する増幅工程と、
前記計測信号が第１閾値に達する立ち上がり時間と、前記第１閾値に達した後に第２閾値に達する立ち下がり時間と、を取得する時間取得工程と、
前記立ち上がり時間に第１重み係数で重み付けした第１時間、及び前記立ち下がり時間に第２重み係数で重み付けした第２時間に基づくタイミングと、前記レーザ光の照射タイミングとの時間差に基づいて、対象物までの距離を計測する距離計測工程と、
を備え、
前記距離計測工程は、前記計測信号のパルス幅に応じて前記第１重み係数を取得する、距離計測方法。

【請求項14】

レーザ光の反射光を信号化した計測信号が第１閾値に達する立ち上がり時間と、前記第１閾値に達した後に第２閾値に達する立ち下がり時間と、を取得する時間取得部と、
前記立ち上がり時間に第１重み係数で重み付けした第１時間、及び前記立ち下がり時間に第２重み係数で重み付けした第２時間に基づくタイミングと、前記レーザ光の照射タイミングとの時間差に基づいて、対象物までの距離を計測する距離計測部と、
を備え、
前記距離計測部は、環境光強度に応じて前記第１重み係数を取得する、距離計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、距離計測装置及び距離計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＬＩＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）と称される距離計測装置が知られている。この距離計測装置では、レーザ光を計測対象物に照射し、計測対象物により反射された反射光の強度をセンサ出力に基づき時系列な計測信号に変換する。これにより、レーザ光の発光の時点と、計測信号の信号値のピークに対応する時点との時間差に基づき、計測対象物までの距離が計測される。

【0003】

ところが、センサへの単位時間あたりの入力フォトン数が増加すると、センサの出力信号値が飽和する場合があり、計測精度が低下してしまう恐れがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－１４５３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、センサの出力信号値が飽和しても安定的に距離計測が可能な距離計測装置及び距離計測方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本実施形態に係る距離計測装置は、時間取得部と、距離計測部と、を備える。時間取得部は、レーザ光の反射光を信号化した計測信号が第１閾値に達する立ち上がり時間と、第１閾値に達した後に計測信号が第２閾値に達する立ち下がり時間と、を取得する。距離計測部は、立ち上がり時間に第１重み係数で重み付けした第１時間、及び立ち下がり時間に第２重み係数で重み付けした第２時間に基づくタイミングと、レーザ光の照射タイミングとの時間差に基づいて、対象物までの距離を計測する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態に係る距離計測装置の概略的な全体構成を示す図。

【図2】第１実施形態に係る距離計測装置の構成例を示す図。

【図3】光源の出射パターンを模式的に示している図。

【図4】レーザ光それぞれの計測対象物上の照射位置を拡大して示す模式図。

【図5】時間取得部、及び距離計測部の詳細な構成を示すブロック図。

【図6】時間検出部による計測信号の立ち上がり時間、及び立ち下がり時間の一例を示す図。

【図7】センサの計測信号がパイルアップした状態を模式的に示す図。

【図8】光源の出射時点とセンサの電気信号化の時間関係を説明する図。

【図9】ＳＰＡＤセルの１フォトン検出時の出力波形例を示す図。

【図10】ＳＰＡＤセルの計測信号値のシミュレーション例を示す図。

【図11】演算されたタイミングと、立ち上がり時間及び立ち下がり時間との関係を示す図。

【図12】第２増幅器の入出力特性示す図。

【図13】異なる入出力特性に基づく信号値を示す図。

【図14】比較例として、ＣＦＤの測定方法を示す図。

【図15】第２実施形態に係る距離計測処理部の詳細な構成例を示すブロック図。

【図16】単位時間あたりのフォトン数を変更してえられた計測信号値の最大値を示す図。

【図17】最大値に対応する計測信号値毎に、第１重み係数Ｗ１を求めた図。

【図18】最大値に対応する第１重み係数を環境光の強度値を変更して求めた図。

【図19】補正最大値に対応する第１重み係数を環境光の強度値を変更して求めた図。

【図20】第３実施形態に係る距離計測処理部の詳細な構成例を示すブロック図。

【図21】計測信号の特性をパルス幅に応じて説明する概念図。

【図22】Ｃ及びＤに対応する場合の演算式に用いる関数の特性を説明する図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の実施形態に係る距離計測装置及び距離計測方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。

【0009】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る距離計測装置１の概略的な全体構成を示す図である。この図１に示すように距離計測装置１は、走査方式及びＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式を用いて、計測対象物１０の距離画像を生成する。より具体的には、この距離計測装置１は、出射部１００と、光学機構系２００と、計測部３００と、画像処理部４００と、を備えて構成されている。

【0010】

出射部１００は、レーザ光Ｌ１を間欠的に出射する。光学機構系２００は、出射部１００が出射するレーザ光Ｌ１を計測対象物１０に照射するとともに、計測対象物１０上で反射されたレーザ光Ｌ１の反射光Ｌ２を計測部３００に入射させる。ここで、レーザ光とは、位相および周波数が揃った光を意味する。

【0011】

計測部３００は、光学機構系２００を介して受光した反射光Ｌ２に基づき、計測対象物１０までの距離を計測する。すなわち、この計測部３００は、出射部１００がレーザ光Ｌ１を計測対象物１０に照射した時点と、反射光Ｌ２が計測された時点との時間差に基づき、計測対象物１０までの距離を計測する。

【0012】

画像処理部４００は、ノイズの除去、歪み補正、及び補間処理を行い、計測対象物１０上の複数の測定点までの距離に基づき最終的な距離画像データを出力する。画像処理部４００は、距離計測装置１の筐体内に組み込んでもよい。

【0013】

次に、図２に基づき、第１実施形態に係る距離計測装置１の出射部１００、光学機構系２００、および計測部３００のより詳細な構成例を説明する。図２は、第１の実施形態に係る距離計測装置１の構成例を示す図である。図２に示すように、距離計測装置１は、出射部１００と、光学機構系２００と、計測部３００と、画像処理部４００と、を備えて構成されている。ここでは、散乱光Ｌ３の内、所定の方向の散乱光を反射光Ｌ２と呼ぶこととする。

【0014】

出射部１００は、光源１１と、発振器１１ａと、第１駆動回路１１ｂと、制御部１６と、第２駆動回路１６ａとを、有する。

【0015】

光学機構系２００は、照射光学系２０２と、受光光学系２０４とを有する。照射光学系２０２は、レンズ１２と、第１光学素子１３と、レンズ１３ａ、ミラー（反射デバイス）１５とを有する。

【0016】

受光光学系２０４は、第２光学素子１４と、ミラー１５とを有する。すなわち、これら照射光学系２０２、及び受光光学系２０４は、ミラー１５を共有している。

【0017】

計測部３００は、光検出器１７、センサ１８と、レンズ１８ａと、第１増幅器１９と、第２増幅器２０と、時分割処理部２１と、距離計測部２２と、を有する。なお、光を走査する既存方法としては、距離計測装置１を回転させる方法（以下、回転方法と呼ぶ）がある。また、別の走査する既存方法として、ＯＰＡ方法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈａｓｅｄ ａｒｒａｙ）がある。本実施形態は、光を走査する方法に依存しないため、回転方法やＯＰＡ方法により光を走査してもよい。

【0018】

出射部１００の発振器１１ａは、制御部１６の制御に基づき、パルス信号を生成する。第１駆動回路１１ｂは、発振器１１ａの生成したパルス信号に基づいて光源１１を駆動する。光源１１は、例えばレーザダイオードなどのレーザ光源であり、第１駆動回路１１ｂによる駆動に応じてレーザ光Ｌ１を間欠的に発光する。

【0019】

図３は、光源１１の出射パターンを模式的に示している図である。図３において、横軸は時刻を示し、縦線は光源１１の出射タイミングを示している。下側の図は、上側の図における部分拡大図である。この図３に示すように光源１１は、例えばＴ＝数マイクロ秒～数十マイクロ秒の間隔で、レーザ光Ｌ１（ｎ）（０≦ｎ＜Ｎ）を間欠的に繰り返し発光する。ここで、ｎ番目に発光されるレーザ光Ｌ１をＬ１（ｎ）と表記する。Ｎは、計測対象物１０を計測するために照射するレーザ光Ｌ１（ｎ）の照射回数を示している。

【0020】

図２に示すように、照射光学系２０２の光軸Ｏ１上には、光源１１、レンズ１２、第１光学素子１３、第２光学素子１４、及びミラー１５がこの順番に配置されている。これにより、レンズ１２は、間欠的に出射されるレーザ光Ｌ１をコリメートして、第１光学素子１３に導光する。

【0021】

第１光学素子１３は、レーザ光Ｌ１を透過させると共に、レーザ光Ｌ１の一部を光軸Ｏ３に沿って光検出器１７に入射させる。第１光学素子１３は、例えばビームスプリッタである。

【0022】

第２光学素子１４は、第１光学素子１３を透過したレーザ光Ｌ１を更に透過して、レーザ光Ｌ１をミラー１５に入射させる。第２光学素子１４は、例えばハーフミラーである。

【0023】

ミラー１５は、光源１１から間欠的に出射されるレーザ光Ｌ１を反射する反射面１５ａを有する。反射面１５ａは、例えば、互いに交差する２つの回動軸線ＲＡ１、ＲＡ２を中心として回動可能となっている。これにより、ミラー１５は、レーザ光Ｌ１の照射方向を周期的に変更する。

【0024】

制御部１６は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）及びプログラムを記憶する記憶部を備え、記憶部に記憶されるプログラムを実行することにより制御を実行する。この制御部１６は、反射面１５ａの傾斜角度を連続的に変更させる制御を第２駆動回路１６ａに対して行う。第２駆動回路１６ａは、制御部１６から供給された駆動信号に従って、ミラー１５を駆動する。すなわち、制御部１６は、第２駆動回路１６ａを制御して、レーザ光Ｌ１の照射方向を変更させる。

【0025】

図４は、レーザ光Ｌ１の計測対象物１０上の照射位置を拡大して示す模式図である。この図４に示すように、反射面１５ａは、レーザ光Ｌ１毎に照射方向を変更して計測対象物１０上のほぼ平行な複数の直線経路Ｐ１～Ｐｍ（ｍは２以上の自然数）に沿って、離散的に照射させる。このように、本実施形態に係る距離計測装置１は、レーザ光Ｌ１（ｎ）（０≦ｎ＜Ｎ）の照射方向Ｏ（ｎ）（０≦ｎ＜Ｎ）を変更しつつ、計測対象物１０に向けて１回ずつ照射する。ここで、レーザ光Ｌ１（ｎ）の照射方向をＯ（ｎ）で表記する。すなわち、本実施形態に係る距離計測装置１では、レーザ光Ｌ１（ｎ）は、照射方向Ｏ（ｎ）に一回照射される。

【0026】

レーザ光Ｌ１（ｎ）とＬ１（ｎ＋１）との計測対象物１０上の照射位置の間隔は、レーザ光Ｌ１間の照射間隔Ｔ＝数マイクロ秒～数十マイクロ秒（図３）に対応している。このように、各直線経路Ｐ１～Ｐｍ上に照射方向の異なるレーザ光Ｌ１が離散的に照射される。なお、直線経路の数や走査方向は特に限定されない。また、図示したレーザ光の照射数や照射を行う範囲は一例であり、照射数や照射を行う範囲を変更してもよい。

【0027】

図２に示すように、受光光学系２０４の光軸Ｏ２上には、反射光Ｌ２が入射する順に、ミラー１５の反射面１５ａ、第２光学素子１４、レンズ１８ａ、センサ１８が配置されている。ここで、光軸Ｏ１とは、レンズ１２の中心位置を通過するレンズ１２の焦点軸である。光軸Ｏ２とは、レンズ１８ａの中心位置を通過するレンズ１８ａの焦点軸である。

【0028】

反射面１５ａは、計測対象物１０上で散乱された散乱光Ｌ３のうち光軸Ｏ２に沿って進む反射光Ｌ２を第２光学素子１４に入射させる。第２光学素子１４は、反射面１５ａで反射された反射光Ｌ２の進行方向を変えて、光軸Ｏ２に沿って計測部３００のレンズ１８ａに入射させる。レンズ１８ａは、光軸Ｏ２に沿って入射した反射光Ｌ２をセンサ１８にコリメートさせる。

【0029】

一方で、散乱光Ｌ３のうちレーザ光Ｌ１と異なる方向に反射された光の進行方向は、受光光学系２０４の光軸Ｏ２からずれている。このため、散乱光Ｌ３のうち光軸Ｏ２と異なる方向に反射された光は、仮に受光光学系２０４内に入射しても、受光光学系２０４が配置されている筐体内の黒体などに吸収されるか、センサ１８の入射面からずれた位置に入射される。これに対して、何らかの物体により散乱された太陽光などの環境光の中には、光軸Ｏ２に沿って進行する光があり、これらの光は、ランダムにセンサ１８の入射面に入射して、ランダムなノイズとなる。

【0030】

なお、図２においては、明確化のためにレーザ光Ｌ１と反射光Ｌ２の光路を分けて図示しているが、実際にはこれらは重なっている。また、レーザ光Ｌ１の光束の中心の光路を光軸Ｏ１として図示している。同様に、反射光Ｌ２の、光束の中心の光路を光軸Ｏ２として図示している。

【0031】

センサ１８は、レンズ１８ａから入射する反射光Ｌ２を検出する。このセンサ１８は、例えば、シリコンフォトマルチプライア（ＳｉＰＭ：Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）により構成される。シリコンフォトマルチプライアは、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄ）をマルチピクセル化したフォトンカウンティングデバイスである。シリコンフォトマルチプライアは、フォトンカウンティングレベルの微弱光を検出することが可能である。すなわち、センサ１８を構成する受光素子のそれぞれは、光学機構系２００を介して受けた光の強さに応じた出力信号を出力する。なお、ガイガーモードで使用するアバランシェフォトダイオードはスパッド（ＳＰＡＤ： Ｓｉｎｇｌｅ－Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）と呼ばれる場合がある。

【0032】

本実施形態に係るセンサ１８は、シリコンフォトマルチプライアにより構成されるがこれに限定されない。例えば、センサ１８を、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）、アバランシェダイオード（ＡＢＤ：ａｖａｌａｎｃｈｅ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｄｉｏｄｅ）などを複数配置して構成してもよい。フォトダイオードは、例えば光検出器として働く半導体により構成される。アバランシェダイオードは、特定の逆電圧にてアバランシェ降伏を起こすことにより、受光感度を上げたダイオードである。

【0033】

第２増幅器２０は、例えばトランスインピーダンスアンプ（Ｔｒａｎｓｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）であり、反射光Ｌ２に基づく電気信号を増幅する。第２増幅器２０は、例えばセンサ１８の電流信号を計測信号としての電圧信号に増幅変換する。

【0034】

時間取得部２１は、レーザ光Ｌ１の反射光を信号化した計測信号が第１閾値に達する立ち上がり時間と、第１閾値に達した後に第２閾値に達する立ち下がり時間と、を取得する。
距離計測部２２は、時間取得部２１が取得した立ち上がり時間に第１重み係数で重み付けした第１時間、及び時間取得部２１が取得した立ち下がり時間に第２重み係数で重み付けした第２時間に基づくタイミングと、レーザ光Ｌ１の照射タイミングとの時間差に基づいて、対象物１０までの距離を計測する。

【0035】

図５は、時間取得部２１、及び距離計測部２２の詳細な構成を示すブロック図である。図５に示すように、時間取得部２１は、立ち上がり検出部２１ａと、第１ＴＤＣ２１ｂと、立ち下がり検出部２１ｃと、第２ＴＤＣ２１ｄとを有する。距離計測部２２は、距離計測処理部２２ａを有する。なお、図５に記載のブロック図は、信号例であり、順序、配線はこれに限定されない。

【0036】

図６は、時間検出部２１による計測信号の立ち上がり時間、及び立ち下がり時間の一例を示す図である。図６の横軸はレーザ光Ｌ１の発光時刻からの経過時間を示し、縦軸は計測信号の信号値を示す。ここでは、計測信号のピークタイミングＴＬ２における値が異なる２種類の信号を図示している。計測信号が第１閾値Ｔｈ１に達する立ち上がり時間Ｔｕｐと、第１閾値に達した後に計測信号が低下して第２閾値Ｔｈ２に達する立ち下がり時間Ｔｄｎとをそれぞれ２種類の計測信号に対して示している。

【0037】

図５に示すように、立ち上がり検出部２１ａは、例えば比較器であり、第２増幅器２０が出力する計測信号の信号値と第１閾値とを比較し、計測信号の値が第１閾値を超えた時刻に立ち上がり信号を出力する。すなわち、立ち上がり検出部２１ａは、正理論により計測信号が第１閾値に達すると、立ち上がり信号を出力する。

【0038】

第１ＴＤＣ２１ｂは、例えば時間デジタル変換器（ＴＤＣ：Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）であり、レーザ光Ｌ１が出射されてから立ち上がり検出部２１ａが立ち上がり信号を出力するまでの立ち上がり時間Ｔｕｐを計測する。すなわち、第１ＴＤＣ２１ｂは、レーザ光の反射光を信号化した計測信号が第１閾値に達する立ち上がり時間Ｔｕｐを取得する。

【0039】

立ち下がり検出部２１ｃは、例えば比較器であり、第２増幅器２０が出力する計測信号の信号値と第２閾値とを比較し、計測信号の値が第２閾値を超えた時刻に立ち下がり信号を出力する。すなわち、立ち下がり検出部２１ｃは、負理論により計測信号が第２閾値に達すると、立ち下がり信号を出力する。例えば、立ち下がり検出部２１ｂは、第１閾値に達した後に計測信号の値が低下して第２閾値に達すると立ち下がり信号を出力する。すなわち、立ち上がり信号が出力される時間は、レーザ光Ｌ１の発光時刻から計測信号が第１閾値に達した後に第２閾値に達する時間に対応する。

【0040】

第２ＴＤＣ２１ｄは、例えば時間デジタル変換器（ＴＤＣ：Ｔｉｍｅ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）であり、レーザ光Ｌ１が出射されてから立ち下がり検出部２１ｃが立ち下がり信号を出力するまでの立ち下がり時間Ｔｄｎを計測する。すなわち、第２ＴＤＣ２１ｄは、レーザ光の反射光を信号化した計測信号が第２閾値に達する立ち下がり時間Ｔｄｎを取得する。

【0041】

なお、計測信号をネガティブ反転して閾値処理をしてもよい。この場合、立ち上がり検出部２１ａは、第２増幅器２０が出力する計測信号の信号値と第１閾値とを比較し、時系列に変化する計測信号の値が時間経過と共に低下し、第１閾値を超えた際に立ち上がり信号を出力する。立ち下がり検出部２１ｂは、第２増幅器２０が出力する計測信号の信号値と第２閾値とを比較し、時系列に変化する計測信号の値が時間経過と共に増加し、第１閾値に達した後に第２閾値を超えた際に立ち下がり信号を出力する。

【0042】

距離計測部２２は、例えば例えば加算器、減算器、乗算器、及び除算器を含んで構成され、時間取得部２２で取得された立ち上がり時間Ｔｕｐ（図６）及び、及び立ち下がり時間（図６）に基づき、対象物までの距離を計測する。すなわち、この距離計測処理部２２ａは、立ち上がり時間Ｔｕｐ（図６）に第１重み係数Ｗ１で重み付けした第１時間、及び立ち下がり時間（図６）に第２重み係数Ｗ２で重み付けした第２時間に基づくタイミングと、レーザ光の照射タイミングとの時間差に基づいて、対象物までの距離を計測する。例えば、距離計測処理部２２ａは、立ち上がり時間Ｔｕｐ（図６）に第１重み係数Ｗ１で重み付けした第１時間、及び立ち下がり時間Ｔｄｎ（図６）に第２重み係数Ｗ２で重み付けした第２時間に基づき、計測信号のピークタイミングＴＬ２に対応するタイミングＴＬ３を取得する。すなわち、タイミングＴＬ３＝第１重み係数Ｗ１×立ち上がり時間Ｔｕｐ＋第２重み係数Ｗ２×立ち下がり時間Ｔｄｎで示すことができる。本実施形態に係る第１閾値Ｔｈ１（図６）は第２閾値Ｔｈ２（図６）と等しいため、第２重み係数Ｗ２＝（１－第１重み係数Ｗ１）の関係がある。

【0043】

このように、距離計測処理部２２ａは、計測距離＝光速×（タイミングＴＬ３－光検出器１７がレーザ光Ｌ１を検出したタイミングＴＬ１）／２なる式に基づき、対象物までの距離を計測する。このように、計測距離は（１）式として示すことができる。
［数式１］
計測距離＝光速×（（Ｗ１×Ｔｕｐ＋（１－Ｗ１）×Ｔｄｎ）－ＴＬ１）／２ （１）式

【0044】

時間取得部２１、及び距離計測部２２のそれぞれは、ハードウェアで構成される。例えば、時間取得部２１、及び距離計測部２２のそれぞれは、回路で構成される。なお、上述のように、本実施形態に係る第２しきい値Ｔｈ２は、重み係数の計算を簡略化するために、第１しきい値Ｔｈ１と同じ値にするが、これに限定されない。

【0045】

図７は、センサ１８（図１）の計測信号がパイルアップ（Ｐｉｌｅ ＵＰ）した状態を模式的に示す図である。横軸はレーザ光Ｌ１の発光時刻からの経過時間を示し、縦軸は計測信号の信号値を示す。ここでは、計測信号のピーク値が異なる２種類の信号を図示している。本実施形態に係るセンサ１８（図１）は、ＳＰＡＤセルにより構成されており、単位時間あたりの受光光子数とＳＰＡＤセルの出力値の関係は、単位時間あたりの受光光子数が少ないときは線形特性を有する。一方で、単位時間あたりの受光光子数が大きくなると、ＳＰＡＤセルの出力値が飽和し、単位時間あたりの受光光子数とＳＰＡＤセルの出力値の関係は、非線形特性を有する。このため、図７に示すように、計測信号のピークがなだらかになる場合があり、パイルアップと呼ばれる。

【0046】

図８乃至図１１は、パイルアップした場合のタイミングＴＬ３のシミュレーション例を説明する図である。以下では、パイルアップした場合にも、立ち上がり時間Ｔｕｐに第１重み係数Ｗ１で重み付けした第１時間、及び立ち下がり時間Ｔｄｎに第２重み係数Ｗ２で重み付けした第２時間に基づく、タイミングＴＬ３がピークタイミングＴＬ２（図６）とほぼ同等の値を示すことを説明する。

【0047】

図８は、光源１１の出射時点とセンサ１８の電気信号化の時間関係を説明する図である。横軸は時間を示す。Ｐ１０は、光源１１が照射するレーザパルス光の照射時間の一例を示し、Ｔ＝０が照射開始時間、１０ｎｓがパルス幅を示している。Ｐ１２は、Ｐ１０が１０メートル先の対象物１０から反射されて戻ってくる時間範囲を示している。すなわち、光の往復速度は６．７ｎｓ／ｍなので、計測対象物１０までの距離が１０ｍの場合、６７ｎｓとなる。このため、対象物１０が１０メートル先に有る場合、屋外などの測定環境においてＴ＝６７からＴ＝７７ｎｓの時間範囲に受光される光子はレーザパルス光の反射光と環境光であり、それ以外の時間に受光される光子は環境光である。

【0048】

図９は、ＳＰＡＤセルの１フォトン検出時の出力波形例を示す図である。出力波形Ｉ（ｔ）とすると、近似的に（２）式で示される。ここで、ＳＰＡＤセルの出力時定数を１０ｎｓとしている。Ｉ０は、ｔ＝０での出力信号値である。
［数式２］
Ｉ（ｔ）∝ｅｘｐ（－ｔ／１０ｎｓ）， ｏｒ
Ｉ（ｔ）＝Ｉ０×ｅｘｐ（－ｔ／１０ｎｓ）
（２）式

【0049】

図１０は、パイルアップを考慮しない場合のＳＰＡＤセルの計測信号値のシミュレーション例を示す図である。縦軸は計測信号値を示し、横軸は時間ｔを示している。ここで、ＳＰＡＤセルのＰＤＥ（検出フォトン数／入力フォトン数）を１０パーセント、１画素あたりのＳＰＡＤセル数を１０とし、（２）式で示した出力波形Ｉ（ｔ）を用いる。この条件では、パイルアップ前励起フォトン数として、例えば１０フォトン入力時には、平均で１フォトン検出できる。また、１００００フォトン入力時には、パイルアップ前励起フォトン数として、平均で１０００個（＝１００００×１０％）検出できる。図１０では、単位時間あたりのフォトン数、すなわち、フォトン／入力時間を、１０．０、１４．４、２０．７、２９．８，４２．８，６１．６，８８．６，１２７．４，１８３．３，２６３．７，３７９．３，５４５．６，７８４．８，１１２８．８，１６２３．８，２３３５．７，３３５９．８，４８３２．９，６９５１．９，１００００．０としてシュミレーションしている。また、環境光を０とし、第２増幅器２０（図１）の出力帯域を１００ＭＨＺとしている。

【0050】

このシミュレーションでは、第１閾値Ｔｈ１＝第２閾値Ｔｈ２＝０．２とした場合における、立ち上がり時間Ｔｕｐと、立ち下がり時間Ｔｄｎを求め、パイルアップ前励起フォトン数に対し測距結果が変わらない重み係数Ｗ１を求める。すなわち、タイミングＴＬ３と図１０で示す計測信号のピークタイミングＴＬ２とが最も一致する重み係数Ｗ１を求める。より詳細には、ＴＬ３＝（Ｗ１×Ｔｕｐ＋（１－Ｗ１）×Ｔｄｎ）が図１０で示す計測信号のピークタイミングＴＬ２と最も一致する重み係数Ｗ１を求める。このような、演算により、本パラメータ例では、第１重み係数Ｗ１＝０．７１が演算される。

【0051】

図１１は、第１重み係数Ｗ１＝０．７１により演算されたタイミングＴＬ３と、立ち上がり時間Ｔｕｐ及び立ち下がり時間Ｔｄｎとの関係を示す図である。ここで、縦軸は時間を示し、横軸はパイルアップ前励起フォトン数を示す。また、第１ライン１３０ａが立ち上がり時間Ｔｕｐを示し、第２ライン１３０ｂが立ち下がり時間を示し、第３ライン１３０ｃがタイミングＴＬ３を示している。図１２に示すように、パイルアップ前励起フォトン数により、立ち上がり時間Ｔｕｐ及び立ち下がり時間Ｔｄｎが変動する。一方で、パイルアップ前励起フォトン数が変更されても、重み係数Ｗ１＝０．７１により演算されたタイミングＴＬ３は、ほぼ一定値、すなわち８．９ｎｓを示す。

【0052】

これらから分かるように、一つの重み係数Ｗ１＝０．７１により、パイルアップ前励起フォトン数が変更されても、図１２で示す計測信号のピークタイミングＴＬ２とほぼ同一のタイミングＴＬ３を演算可能である。このように、パイルアップ前励起フォトン数が変更されても、ＳＰＡＤセルの入出力特性の線形性が維持される範囲に第１閾値Ｔｈ及び第２閾値Ｔｈ２を設定することにより、パイルアップした場合にも、図１２で示す計測信号のピークタイミングＴＬ２とほぼ同一のタイミングＴＬ３を演算可能となる。また、同様の演算により、異なる特性のセンサ１８に対しても、予め重み係数Ｗ１を演算可能である。さらにまた、本実施形態に係るセンサ１８は、シリコン光電子増倍管で構成したが、これに限定されず、他の種類の撮像素子に対しても第１重み係数Ｗ１の演算は可能である。

【0053】

図１２及び図１３に基づき、第２増幅器２０により生じる波形歪みの低減効果について説明する。図１２は、第２増幅器２０の入出力特性示す図である。縦軸は出力信号値を示し、横軸は入力信号値を示す。入出力特性１４０ａは、入出力特性が線形であり、理想的な入出力特性を示している。入出力特性１４０ｂは、入出力特性が非線形であり、歪みのある場合の入出力特性を示している。

【0054】

図１３は、理想的な入出力特性に基づく信号値と、歪みのある場合の入出力特性に基づく信号値とを示す図である。縦軸は信号値を示し、横軸は時間を示している。信号値１５０ａは、理想的な入出力特性を有する第２増幅器２０を用いた場合のサ信号値であり、信号値１５０ｂは、歪みのある入出力特性を有する第２増幅器２０を用いた場合の信号値である。第１重み係数Ｗ１＝０．５とする信号値１５０ａ、１５０ｂは、センサ１８（図１）のパイルアップが生じない範囲でのデータである。

【0055】

信号値１５０ａによる測定距離は、（０．５＊Ｔ１＋０．５＊Ｔ４）／６．７であり、信号値１５０ｂによる測定距離は、（０．５＊Ｔ２＋０．５＊Ｔ３）／６．７である。前提により、Ｔ２－Ｔ１＝Ｔ４－Ｔ３なので、信号値１５０ａによる測定距離は、信号値１５０ｂによる測定距離と等しくなる。これから分かるように、（１）式で示す本実施形態に係る演算方式を用いると、歪みのある入出力特性を有する第２増幅器２０を用いた場合にも測定精度の低下を抑制できる。また、上述のようにセンサ１８（図１）の入出力特性の線形性が維持される範囲に閾値を設定することにより、飽和やパイルアップした場合にも、歪みのある入出力特性を有する第２増幅器２０を用いた場合にも測定精度の低下を抑制可能となる。

【0056】

なお、本実施形態では、第２増幅器２０により計測信号に変換しているが、これに限定されず、第２増幅器２０及びＡＤ変換器などにより計測信号に変換してもよい。この場合、ＡＤ変換器が歪みのある入出力特性を有していても、測定精度の低下を抑制可能となる。

【0057】

図１４は、比較例として、ＣＦＤの測定方法を示す図である。図１４に示すように、ＣＦＤ（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ）では、計測信号７０ａ，７２ａを、減数した減衰信号７０ｂ，７２ｂを取得する。また、ＣＦＤでは、計測信号７０ａ，７２ａを、反転し且つ遅延させて信号７０ｃ，７２ｃを取得する。そして、ＣＦＤでは、減衰信号７０ｂ，７２ｂに反転し且つ遅延させて信号７０ｃ，７２ｃを加算した信号７０ｄ，７２ｄを得る。ＣＦＤでは、信号７０ｄ，７２ｄのゼロクロス点を距離測定の基準時間として使用する。図１４に示すように、飽和やパイルアップが生じていない場合には、計測信号７０ａ，７２ａの波高値の影響を抑制できる。ところが、ＣＦＤでは、計測信号７０ａ，７２ａでは、飽和やパイルアップが生じると、ゼロクロス点がずれてしまい、距離測定の精度が低下してしまう。これに対して、本実施形態によれば、計測信号が第１閾値に達する立ち上がり時間Ｔｕｐと、第１閾値に達した後に計測信号が低下して第２閾値に達する立ち下がり時間Ｔｄｎと、に基づき、距離測定の基準時間を取得するので、計測信号７０ａ，７２ａに飽和やパイルアップが生じても、測定精度に与える影響を抑制できる。

【0058】

以上のように本実施形態によれば、計測信号が第１閾値に達する立ち上がり時間Ｔｕｐと、第１閾値に達した後に計測信号が低下して第２閾値に達する立ち下がり時間Ｔｄｎと、に基づき、対象物までの距離を計測する。これにより、第１閾値以上の値を有する計測信号の距離測定への影響を低減でき、計測信号がパイルアップ、飽和などする場合でも対象物までの距離を精度よく、かつ安定的に計測できる。

【0059】

（第２実施形態）
第２の実施形態は、計測信号の強度値、及び環境光の強度値の内の少なくともいずれかを参照して重み係数を取得することにより、計測距離をより高精度に取得する。以下では、第１実施形態と異なる点について説明する。

【0060】

図１５は、第２実施形態に係る距離計測部２２の詳細な構成例を示すブロック図である。図１５に示すように、距離計測部２２は、信号光強度検出部２２ｂと、環境光強度検出部２２ｃと、重み係数取得部２２ｄとを有している。信号光強度検出部２２ｂ、環境光強度検出部２２ｃ、重み係数取得部２２ｄのそれぞれは、ハードウェアで構成される。例えば、信号光強度検出部２２ｂ、環境光強度検出部２２ｃ、重み係数取得部２２ｄのそれぞれは、回路で構成される。なお、図１５に記載のブロック図は、信号例であり、順序、配線はこれに限定されない。

【0061】

信号光強度検出部２２ｂは、光源１１（図１）がレーザ光Ｌ１（ｎ）を照射し、次のレーザ光Ｌ１（ｎ＋１）を照射するまでの時間Ｔでの計測信号の第１代表値として、例えば最大値を取得する。信号光強度検出部２２ｂは、フィルタリング処理によりノイズを低減した後に信号値の最大値を取得してもよい。

【0062】

環境光強度検出部２２ｃは、環境光の強度を検出する。より具体的には、光源１１（図１）がレーザ光の照射を停止している期間における時間Ｔでの計測信号の第２代表値として、例えば平均値を取得する。環境光強度検出部２２ｃは、フィルタリング処理によりノイズを低減した後に代表値を取得してもよい。また、第２代表値は、時間Ｔでの計測信号の最大値、中間値などでもよい。

【0063】

重み係数取得部２２ｄは、信号光強度検出部２２ｂが検出した第１代表値、及び環境光強度検出部２２ｃが検出した第２代表値のうちの少なくとも一方に基づき、重み係数Ｗ１及びＷ２を所得する。上述のように本実施形態に係る第２重み係数Ｗ２はＷ２＝（１－Ｗ１）の関係がある。これにより、距離計測処理部２２ａは、上述の（１）式に重み係数取得部２２ｄが取得した第１重み係数Ｗ１を代入して、計測対象物１０までの距離を計測する。このように、距離計測処理部２２ａは、計測信号の信号強度、及び環境光強度の少なくとも一方に応じて第１重み係数Ｗ１を変更する。

【0064】

図１６乃至図２０に基づき、重み係数取得部２２ｄに関してより詳細に説明する。
図１６は、図１０で示した単位時間あたりのフォトン数を変更してえられた計測信号値の最大値を示す図である。縦軸は計測信号値の最大値を示し、横軸は単位時間あたりのフォトン数、すなわち、フォトン／入力時間示す。図１６に示すように、計測信号値の最大値は単位時間あたりのフォトン数と対応している。また、最大値は、単位時間あたりのフォトン数が増加するに従い単調増加し、フォトン数が増加するに従い増加率が減少する傾向がある。

【0065】

図１７は、図１５で示した最大値に対応する計測信号値毎に、第１重み係数Ｗ１を求めた図である。縦軸は、第１重み係数Ｗ１を示し、横軸は、図１５で示した計測信号値の最大値を示している。
ここでの第１重み係数Ｗ１は、図１０で示した単位時間あたりのフォトン数毎の計測信号に基づき、演算した値である。すなわち、第１閾値Ｔｈ１＝第２閾値Ｔｈ２＝０．２とした場合における、立ち上がり時間Ｔｕｐと、立ち下がり時間Ｔｄｎを計測信号毎に求め、タイミングＴＬ３と図１２で示す計測信号のピークタイミングＴＬ２とが最も一致する重み係数Ｗ１を求めたものである。上述したように、計測信号値の最大値は単位時間あたりのフォトン数と対応しているので、計測信号値の最大値毎に、タイミングＴＬ３と計測信号のピークタイミングＴＬ２とが最も一致する重み係数Ｗ１を得ることができる。

【0066】

重み係数取得部２２ｄは、例えば図１７に示す最大値と第１重み係数Ｗ１との関係をルックアップテーブルとして記憶している。これにより、重み係数取得部２２ｄは、信号光強度検出部２２ｂが検出した第１代表値、すなわち最大値を引き数として第１重み係数Ｗ１を取得する。このように、重み係数取得部２２ｄは、信号光強度検出部２２ｂが検出した第１代表値、すなわち最大値に基づき、第１重み係数Ｗ１を取得することにより、より高精度に演算された第１重み係数Ｗ１を得ることができる。これにより、距離計測処理部２２ａは、上述の（１）式に重み係数取得部２２ｄが取得した第１重み係数Ｗ１を代入して、計測対象物１０までの距離をより高精度に計測可能となる。

【0067】

図１８は、計測信号の最大値に対応する第１重み係数Ｗ１を環境光の強度値を変更して求めた図である。縦軸は、第１重み係数Ｗ１を示し、横軸は、計測信号値の最大値を示している。環境光は定常的にセンサ１８（図１）に入射してくるフォトンであるので、ＤＣ（直流）的に電気信号を励起している。すなわち、環境光が増加するに従い、平均的にはＳＰＡＤ数を減らした場合と同等の効果を生じる。このため、図１８では、環境光の強度を、ＳＰＡＤ数を減らした割合として示している。例えば、１０％であれば、ＳＰＡＤ数を１０％減らした場合に相当し、２０％であれば、ＳＰＡＤ数を２０％減らした場合に相当し、３０％であれば、ＳＰＡＤ数を３０％減らした場合に相当する。すなわち、図１８で示す環境光の強度値毎の第１重み係数Ｗ１の値は、図１７と同等の演算をＳＰＡＤセルの数を変更して行ったものである。

【0068】

重み係数取得部２２ｄは、例えば図１８に示す最大値及び環境光の強度値と、第１重み係数Ｗ１との関係をルックアップテーブルとして記憶している。これにより、重み係数取得部２２ｄは、信号光強度検出部２２ｂが検出した第１代表値、すなわち最大値と、環境光強度検出部２２ｃが検出した第２代表値、すなわち環境光による計測信号の平均値とを引き数として第１重み係数Ｗ１を取得する。

【0069】

図１８は、計測信号の最大値に対応する第１重み係数Ｗ１を環境光の強度値を変更して求めた図である。環境光による信号強度は、計測信号値のＤＣ成分として考えることが可能である。

【0070】

図１９は、計測信号の補正最大値に対応する第１重み係数Ｗ１を環境光の強度値を変更して求めた図である。縦軸は、第１重み係数Ｗ１を示し、横軸は、計測信号値の補正最大値を示している。ここで、補正最大値ＣＭａは（３）式で示される。
［数式３］
ＣＭａ＝Ｍａ×（１＋ＥＳ） （３）式
ここで、最大値Ｍａは、信号光強度検出部２２ｂが検出した第１代表値であり、環境光の強度値ＥＳは、環境光強度検出部２３ｂが検出した第２代表値である。

【0071】

近似線２００ａは、補正最大値ＣＭａに対する第１重み係数Ｗ１の近似線を示している。
重み係数取得部２２ｄは、補正最大値ＣＭａに対する第１重み係数Ｗ１の近似線２００ａをルックアップテーブルとして記憶している。或いは、重み係数取得部２２ｄは、補正最大値ＣＭａに対する第１重み係数Ｗ１の近似線２００ａを線形式として記憶している。線形式は一般的な一次回帰式であるので記載を省略する。

【0072】

このように、近似線２００ａをルックアップテーブルとして記憶するので、環境光の強度値ごとにルックアップテーブルを記憶する場合よりもメモリ量を低減できる。また、近似線２００ａを線形式として記憶する場合には、ルックアップテーブルを記憶する場合よりも更にメモリ量を低減可能となる。

【0073】

このように、重み係数取得部２２ｄは、信号光強度検出部２２ｂが検出した第１代表値である最大値Ｍａに、環境光強度検出部２２ｃが検出した第２代表値である環境光の強度値ＥＳに１を加算して乗算し、補正最大値ＣＭａを取得する。そして、重み係数取得部２２ｄは、補正最大値ＣＭａに対応する第１重み係数Ｗ１を取得する。なお、補正最大値ＣＭａが小さいときは精度が出ないが、その場合、計測対象物１０との距離が遠いことが考えられ、そこまで精度は必要ないと考えられている。距離計測処理部２２ａは、計測信号の信号強度、及び環境光強度に応じて第１重み係数Ｗ１を変更する。これにより、計測対象物１０までの計測距離をより高精度に取得できる。
以上のように本実施形態によれば、立ち上がり時間Ｔｕｐと、立ち下がり時間Ｔｄｎと、を加算するために用いる第１重み係数Ｗ１を計測信号の強度値、及び環境光の強度値の内の少なくともいずれかを参照して取得することした。これにより、計測信号の強度値、及び環境光の強度値によりセンサ１８の入出力特性が変わる場合にも、入出力特性に対応した第１重み係数Ｗ１の取得が可能となり、計測信号の強度値、及び環境光の強度値が変化する場合にも、対象物までの距離を精度よく、かつ安定的に計測できる。

【0074】

（第３実施形態）
第３の実施形態は、計測信号のパルス幅に応じて第１重み係数を変更することにより、計測距離をより高精度に取得する。以下では、第２実施形態と異なる点について説明する。

【0075】

図２０は、第３実施形態に係る距離計測部２２の詳細な構成例を示すブロック図である。図２０に示すように、距離計測部２２は、パルス幅取得部２３ｅを更に有している。パルス幅取得部２３ｅは、回路で構成される。なお、図２０に記載のブロック図は、信号例であり、順序、配線はこれに限定されない。

【0076】

パルス幅取得部２３ｅは、立ち上がり検出部２２ａが検出した立ち上がり時間Ｔｕｐと、立ち下がり検出部２２ｂが検出した立ち下がり時間Ｔｄｎと、に基づきパルス幅を取得する。例えば、パルス幅取得部２３ｅは、立ち下がり時間Ｔｄｎと立ち上がり時間Ｔｕｐとの差分をパルス幅として取得する。なお、本実施形態に係る立ち下がり検出部２２ｂは、光源１１（図１）の照射間隔Ｔを超えても立ち下がり時間Ｔｄｎを検出できない場合に、検出エラーを示す情報を含むエラー信号を出力するように構成されている。

【0077】

図２１は、計測信号の特性をパルス幅に応じて説明する概念図である。縦軸は、計測信号値であり、横軸は時間である。図２１に示すように、Ａ、Ｂ，Ｃ，Ｄの順にパルス幅が大きくなっている。

【0078】

Ａは、単位時間あたりのフォトン数が最も少ない場合であり、Ｂは、単位時間あたりのフォトン数がＡよりも強く、パイルアップする程度であり、Ｃは、単位時間あたりのフォトン数がＢよりも強く、立ち下がりの時定数がＢから変化する程度であり、Ｄは、単位時間あたりのフォトン数がＣよりも強く、立ち下がり検出部２２ｂが立ち下がり時間Ｔｄｎを検出できない程度である。このように、パルス幅に応じて計測信号の特性が変化する。

【0079】

このため、距離計測処理部２２ａは、パルス幅取得部２３ｅが取得したパルス幅に基づき、第１重み係数Ｗ１の取得方法を変更する。より具体的には、距離計測処理部２２ａは、Ａに対応する場合には、時分割処理部２１が出力する計測信号を数フレーム分積算し、積算信号のピーク値に基づき、計測対象物１０までの距離を計測する。距離計測処理部２２ａは、Ｂに対応する場合には、上述したように（１）式に基づき、計測対象物１０までの距離を計測する。

【0080】

図２２は、Ｃ及びＤに対応する場合の演算式に用いる関数の特性を説明する図である。縦軸は関数の値を示し、横軸はパルス幅Ｐを示している。ここで、Ｐ＝Ｔｕｐ－Ｔｄｎであり、Ｐ１、Ｐ２は、フィッティングパラメータとしての定数である。図２２に示すように関数ｆ１（ｐ）は、パルス幅Ｐ１までは０であり、パルス幅Ｐ１を超えるとｆ１（ｐ）＝ｋ×（Ｐ－Ｐ１）の線形式に従い線形増加し、パルス幅Ｐｄに達すると定数ＣＯＮＳＴ１となる関数である。

【0081】

関数ｆ２（ｐ）は、ｆ２（ｐ）＝ｋ／（Ｐ＋Ｐ_２）の式に従い単調増加し、パルス幅Ｐｄに達すると定数ＣＯＮＳＴ２となる関数である。

【0082】

距離計測処理部２２ａは、パルス幅ＰｃからＰｄの範囲である状態Ｃの場合に、例えば（４）式に従い、計測距離を所得する。
［数式４］
計測距離＝光速×（Ｔｕｐ＋ｆ１（Ｐ））
＝光速×（１－ｋ）×Ｔｕｐ＋ｋ×Ｔｄｎ－ｋ×Ｐ１）
＝光速×（Ｗ１×Ｔｕｐ＋（１－Ｗ１）×Ｔｄｎ－ｋ×Ｐ１） （４）式
ここで、（１－ｋ）をＷ１としている。これから分かるように、（４）式は、オフセット成分であるｋ×Ｐ１を除き、（１）式と同等の式となる。

【0083】

また、パルス幅ＰがＰｄ以上であるＤの状態では、距離計測処理部２２ａは、例えば（５）式に従い、計測距離を取得する。
［数式５］
計測距離＝光速×（Ｔｕｐ＋ＣＯＮＳＴ１） （５）式

【0084】

距離計測処理部２２ａは、パルス幅ＰｃからＰｄの範囲である状態Ｃの場合に、例えば（６）式に従い、計測距離を所得する。状態Ｃの場合、ｆ２（Ｐ）は、状態Ｃの場合に単調増加するので、パルス幅Ｐが大きくなるにしたがい立ち上がり時間Ｔｄｎの重みが立ち下がり時間Ｔｄｎよりもより大きくなる。
［数式６］
計測距離＝光速×（ｆ２（Ｐ）×Ｔｕｐ＋（１－ｆ２（Ｐ））×Ｔｄｎ （６）式
また、パルス幅ＰがＰｄ以上であるＤの状態では、ＰをＣＯＮＳＴ２として扱う。

【0085】

このように、パルス幅Ｐがパルス幅ＰｃからＰｄの範囲である状態Ｃの場合、立ち上がり時間Ｔｕｐが急峻であり、立ち下がり時間Ｔｄｎが緩やかである。立ち上がり時間Ｔｕｐは入力の光量依存性が小さく、立ち下がり時間Ｔｄｎは入力の光量依存性が大きい。（４）式又は（６）式に従い計測距離を取得することにより、光量依存性を小さくすることが可能であり、計測誤差も縮小できる。

【0086】

また、パルス幅Ｐがパルス幅Ｐｄ以上の範囲である状態Ｄの場合、立下り時間Ｔｄｎの取得ができない場合がある。しかし、状態Ｄの場合、本実施形態に係る距離計測処理部２２ａは、立ち下がり時間Ｔｄｎを使わないため、計測距離の測定が可能となる。このように、パルス幅Ｐを距離計測に導入することにより、より自由度が増し、計測信号のフィツティング精度がより向上する。

【0087】

本実施形態によれば、パルス幅Ｐが大きくなるにしたがい立ち上がり時間Ｔｄｎの重みを立ち下がり時間Ｔｄｎよりも大きくする。立ち上がり時間Ｔｄｎは、センサ１８への入力光量依存性が小さく、下がり時間Ｔｄｎは大きいので、入力光量依存性が低減され、計測信号の強度値がより増加する場合にも、対象物までの距離を精度よく、かつ安定的に計測できる。

【0088】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0089】

１：距離計測装置、１０：計測対象物、２２：時間取得部、２３ａ：距離計測部、２０：第２増幅器、２０２：照射光学系、２０４：受光光学系

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】