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(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】2024-02-09
(45)【発行日】2024-02-20
(54)【発明の名称】距離計測装置
(51)【国際特許分類】
G01S 7/4865 20200101AFI20240213BHJP
G01S 17/931 20200101ALI20240213BHJP
【ＦＩ】
G01S7/4865
G01S17/931
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020157620
(22)【出願日】2020-09-18
(65)【公開番号】P2022051244
(43)【公開日】2022-03-31
【審査請求日】2022-11-15
(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】110003708
【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所
(72)【発明者】
【氏名】久保田 寛
(72)【発明者】
【氏名】松本 展
【審査官】佐藤 宙子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－０５２９７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１８４５４５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－０７８３６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－０９６９０５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１５８６９３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１５０１２８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１
Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光信号を出射する光源を含む投光部と、
光検出器と、前記投光部から出射された前記光信号を外部の物体が反射した反射光を前記光検出器に導く光学系と、を含む受光部と、
前記光源が前記光信号を出射した第１時刻と、前記光検出器が前記反射光を検出した第２時刻とを用いて、前記物体との距離値を算出する計測部と、
前記光源に前記光信号を間欠的に出射させ、間欠的に出射された光信号毎に、前記計測部に距離値を算出させる制御部と、を備え、
前記計測部が、
第１方向に出射された第１光信号の反射光の受光結果を含む第１デジタル信号と、第１方向と異なる第２方向に出射された第２光信号の反射光の受光結果を含む第２デジタル信号とを前記受光部から受け取り、
前記第１デジタル信号と前記第２デジタル信号との間の、底部から突出している部分の値の類似性、又は底部の値の類似性の強さに基づいて重み値を生成し、
前記重み値に基づいて前記第１デジタル信号に前記第２デジタル信号を積算した第３デジタル信号を生成し、
前記第３デジタル信号のうち、底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第１光信号に関連付けられた第２時刻を算出することによって、前記第１方向に存在する物体との距離値を算出し、
前記計測部が、底部の値として、前記第１デジタル信号及び前記第２デジタル信号のそれぞれの平均値を用いる、
距離計測装置。
【請求項2】
光信号を出射する光源を含む投光部と、
光検出器と、前記投光部から出射された前記光信号を外部の物体が反射した反射光を前記光検出器に導く光学系と、を含む受光部と、
前記光源が前記光信号を出射した第１時刻と、前記光検出器が前記反射光を検出した第２時刻とを用いて、前記物体との距離値を算出する計測部と、
前記光源に前記光信号を間欠的に出射させ、間欠的に出射された光信号毎に、前記計測部に距離値を算出させる制御部と、を備え、
前記計測部が、
第１方向に出射された第１光信号の反射光の受光結果を含む第１デジタル信号と、第１方向と異なる第２方向に出射された第２光信号の反射光の受光結果を含む第２デジタル信号とを前記受光部から受け取り、
前記第１デジタル信号と前記第２デジタル信号との間の、底部から突出している部分の値の類似性、又は底部の値の類似性の強さに基づいて重み値を生成し、
前記重み値に基づいて前記第１デジタル信号に前記第２デジタル信号を積算した第３デジタル信号を生成し、
前記第３デジタル信号のうち、底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第１光信号に関連付けられた第２時刻を算出することによって、前記第１方向に存在する物体との距離値を算出し、
前記計測部が、前記第１デジタル信号及び前記第２デジタル信号のそれぞれを複数の期間に分割し、前記複数の期間の各々で、最大の値と最小の値との差を算出し、前記複数の期間の各々で算出された前記差の平均値を、底部の値として使用する、
距離計測装置。
【請求項3】
光信号を出射する光源を含む投光部と、
光検出器と、前記投光部から出射された前記光信号を外部の物体が反射した反射光を前記光検出器に導く光学系と、を含む受光部と、
前記光源が前記光信号を出射した第１時刻と、前記光検出器が前記反射光を検出した第２時刻とを用いて、前記物体との距離値を算出する計測部と、
前記光源に前記光信号を間欠的に出射させ、間欠的に出射された光信号毎に、前記計測部に距離値を算出させる制御部と、を備え、
前記計測部が、
第１方向に出射された第１光信号の反射光の受光結果を含む第１デジタル信号と、第１方向と異なる第２方向に出射された第２光信号の反射光の受光結果を含む第２デジタル信号とを前記受光部から受け取り、
前記第１デジタル信号と前記第２デジタル信号との間の、底部から突出している部分の値の類似性、又は底部の値の類似性の強さに基づいて重み値を生成し、
前記重み値に基づいて前記第１デジタル信号に前記第２デジタル信号を積算した第３デジタル信号を生成し、
前記第３デジタル信号のうち、底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第１光信号に関連付けられた第２時刻を算出することによって、前記第１方向に存在する物体との距離値を算出し、
前記計測部が、
第１の底部の値として、前記第１デジタル信号及び前記第２デジタル信号のそれぞれの平均値を使用し、
第２の底部の値として、前記第１デジタル信号及び前記第２デジタル信号のそれぞれを複数の期間に分割し、前記複数の期間の各々で、最大の値と最小の値との差を算出し、前記複数の期間の各々で算出された前記差の平均値を使用し、
前記第１デジタル信号又は前記第２デジタル信号の光量が第１の値である場合に、前記底部の値として前記第２の底部の値を使用し、
前記第１デジタル信号又は前記第２デジタル信号の光量が前記第１の値よりも大きい第２の値である場合に、前記底部の値として前記第１の底部の値を使用する、
距離計測装置。
【請求項4】
前記計測部が、前記第１デジタル信号又は前記第２デジタル信号の光量が前記第２の値よりも大きい第３の値である場合に、前記底部の値として前記第２の底部の値を使用する、請求項３に記載の距離計測装置。
【請求項5】
光信号を出射する光源を含む投光部と、
光検出器と、前記投光部から出射された前記光信号を外部の物体が反射した反射光を前記光検出器に導く光学系と、を含む受光部と、
前記光源が前記光信号を出射した第１時刻と、前記光検出器が前記反射光を検出した第２時刻とを用いて、前記物体との距離値を算出する計測部と、
前記光源に前記光信号を間欠的に出射させ、間欠的に出射された光信号毎に、前記計測部に距離値を算出させる制御部と、を備え、
前記計測部が、
第１方向に出射された第１光信号の反射光の受光結果を含む第１デジタル信号と、第１方向と異なる第２方向に出射された第２光信号の反射光の受光結果を含む第２デジタル信号とを前記受光部から受け取り、
前記第１デジタル信号と前記第２デジタル信号との間の、底部から突出している部分の値の類似性、又は底部の値の類似性の強さに基づいて重み値を生成し、
前記重み値に基づいて前記第１デジタル信号に前記第２デジタル信号を積算した第３デジタル信号を生成し、
前記第３デジタル信号のうち、底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第１光信号に関連付けられた第２時刻を算出することによって、前記第１方向に存在する物体との距離値を算出し、
前記重み値は、前記第１デジタル信号の底部の値と前記第２デジタル信号の底部の値との比率に基づいて算出され、類似性が強いほど大きく設定される、
距離計測装置。
【請求項6】
前記重み値は、前記第１デジタル信号の突出している部分のピークの値と前記第２デジタル信号の突出している部分のピークの値との比率に基づいて算出され、類似性が強いほど大きく設定される、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の距離計測装置。
【請求項7】
前記計測部が、前記第３デジタル信号から突出している部分を含む期間を抽出し、前記第１デジタル信号の前記期間内で底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第１光信号に関連付けられた前記第２時刻を算出する、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の距離計測装置。
【請求項8】
底部の値は、１回の計測時間における輝度の時間平均値である、請求項１に記載の距離計測装置。
【請求項9】
光信号を出射する光源を含む投光部と、
光検出器と、前記投光部から出射された前記光信号を外部の物体が反射した反射光を前記光検出器に導く光学系と、を含む受光部と、
前記光源が前記光信号を出射した第１時刻と、前記光検出器が前記反射光を検出した第２時刻とを用いて、前記物体との距離値を算出する計測部と、
前記光源に前記光信号を間欠的に出射させ、間欠的に出射された光信号毎に、前記計測部に距離値を算出させる制御部と、を備え、
前記計測部が、
第１方向に出射された第１光信号の反射光の受光結果を含む第１デジタル信号と、第１方向と異なる第２方向に出射された第２光信号の反射光の受光結果を含む第２デジタル信号とを前記受光部から受け取り、
前記第１デジタル信号と前記第２デジタル信号との間の、底部から突出している部分の値の類似性、又は底部の値の類似性の強さに基づいて重み値を生成し、
前記重み値に基づいて前記第１デジタル信号に前記第２デジタル信号を積算した第３デジタル信号を生成し、
前記第３デジタル信号のうち、底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第１光信号に関連付けられた第２時刻を算出することによって、前記第１方向に存在する物体との距離値を算出し、
前記光検出器が、基板上に２次元に配置された複数のセンサを含み、
前記複数のセンサの各々が、アノードが第１電源ノードに接続されたアバランシェフォトダイオードと、一端が第２電源ノードに接続され、他端が前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続されたクエンチ素子とを含み、
前記制御部が、前記センサをオンさせている時に、前記第１電源ノードに第１電圧を印加し、前記第２電源ノードに前記第１電圧よりも高い第２電圧を印加する、
距離計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
実施形態は、距離計測装置に関する。
【背景技術】
【0002】
ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）と呼ばれる距離計測装置が知られている。ＬｉＤＡＲは、レーザ光を対象物に照射し、対象物から反射された反射光の強度をセンサ（光検出器）によって検出する。そして、ＬｉＤＡＲは、センサから出力される光強度信号に基づいて、ＬｉＤＡＲから対象物までの距離を計測する。ＬｉＤＡＲで使用されるセンサは多々有るが、今後有望なものとして、複数のシリコンフォトマルチプライヤを備えるセンサが知られている。ＬｉＤＡＲの計測データは、車両の制御等に使用されることが想定されるため、高い精度が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１９－０５２９７８号公報
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３６３７４０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
距離計測装置による距離の計測精度を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【0005】
実施形態の距離計測装置は、投光部と、受光部と、計測部と、制御部とを含む。投光部は、光信号を出射する光源を含む。受光部は、光検出器と、投光部から出射された光信号を外部の物体が反射した反射光を光検出器に導く光学系とを含む。計測部は、光源が光信号を出射した第１時刻と、光検出器が反射光を検出した第２時刻とを用いて、物体との距離値を算出する。制御部は、光源に光信号を間欠的に出射させ、間欠的に出射された光信号毎に、計測部に距離値を算出させる。計測部が、第１方向に出射された第１光信号の反射光の受光結果を含む第１デジタル信号と、第１方向と異なる第２方向に出射された第２光信号の反射光の受光結果を含む第２デジタル信号とを受光部から受け取る。計測部が、第１デジタル信号と前記第２デジタル信号との間の、底部から突出している部分の値の類似性、又は底部の値の類似性の強さに基づいて重み値を生成する。計測部が、重み値に基づいて第１デジタル信号に第２デジタル信号を積算した第３デジタル信号を生成する。計測部が、第３デジタル信号のうち、底部から突出している部分の位置に基づいて、第１光信号に関連付けられた第２時刻を算出することによって、第１方向に存在する物体との距離値を算出する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】第１実施形態に係る距離計測装置の全体構成の一例を示す概略図。
【図2】第１実施形態に係る距離計測装置の測距方法の一例を示す概略図。
【図3】第１実施形態に係る距離計測装置の備える出射部及び受光部の構成の一例を示す概略図。
【図4】第１実施形態に係る距離計測装置における光検出器の平面レイアウトの一例を示す平面図。
【図5】第１実施形態に係る距離計測装置におけるＳＰＡＤユニットの回路構成の一例を示す回路図。
【図6】第１実施形態に係る距離計測装置におけるアバランシェフォトダイオードの構造の一例と単一光子アバランシェダイオードの動作原理とを示す概略図。
【図7】第１実施形態に係る距離計測装置における光検出器で設定されたアクティブ領域の一例を示す平面図。
【図8】第１実施形態に係る距離計測装置における受光部に含まれた出力回路の構成の一例を示すブロック図。
【図9】第１実施形態に係る距離計測装置における計測部の構成の一例を示すブロック図。
【図10】第１実施形態に係る距離計測装置における出射部のスキャン方法の一例を示すテーブル。
【図11】第１実施形態に係る距離計測装置における光検出器の受光結果の一例を示すタイムチャート。
【図12】第１実施形態に係る距離計測装置における信号処理部の単純積算処理の一例を示すタイムチャート。
【図13】第１実施形態に係る距離計測装置のスキャン領域内でターゲットの測定点の測距に使用される領域の一例を示す概略図。
【図14】第１実施形態に係る距離計測装置における対象物毎の受光結果の一例を示すタイムチャート。
【図15】第１実施形態に係る距離計測装置の計測動作の一例を示すフローチャート。
【図16】第１実施形態に係る距離計測装置における積算データの一例を示すタイムチャート。
【図17】第１実施形態に係る距離計測装置の計測動作における重み値の計算方法の一例を示すフローチャート。
【図18】第１実施形態と第１実施形態の比較例との違いを模式的に示すタイムチャート。
【図19】第１実施形態の変形例に係る距離計測装置における信号処理部の構成の一例を示すブロック図。
【図20】第１実施形態の変形例に係る距離計測装置における光検出器の受光結果に対するＡＣカップリングの効果の一例を示すタイムチャート。
【図21】第２実施形態に係る距離計測装置における分割平均を用いたフロアノイズ値の算出方法を説明するためのタイムチャート。
【図22】第２実施形態に係る距離計測装置における各領域の受光結果の一例を示すタイムチャート。
【図23】第２実施形態に係る距離計測装置における重み値を用いた積算結果の一例を示すタイムチャート。
【図24】第３実施形態に係る距離計測装置における環境光起因の励起フォトン数に対する受光結果の変化の一例を示すグラフ。
【図25】第３実施形態に係る距離計測装置におけるアルゴリズム毎のノイズ値の変化の一例を示すグラフ。
【図26】第３実施形態に係る距離計測装置の計測動作におけるフロアノイズ値の計算に使用されるアルゴリズムの選択方法の一例を示すフローチャート。
【図27】第４実施形態に係る距離計測装置の計測動作の一例を示すフローチャート。
【図28】第４実施形態に係る距離計測装置における積算データの一例を示すタイムチャート。
【図29】第５実施形態に係る距離計測装置における計測部の構成の一例を示すブロック図。
【図30】第５実施形態に係る距離計測装置の第１平均化アルゴリズムに基づく信頼度の算出フローの一例を示す概略図。
【図31】第５実施形態に係る距離計測装置の第２平均化アルゴリズムに基づく信頼度の算出フローの一例を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下に、実施形態について図面を参照して説明する。各実施形態は、発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示している。図面は模式的又は概念的なものであり、各図面の寸法及び比率等は必ずしも現実のものと同一とは限らない。図面に示された“Ｘ方向”及び“Ｙ方向”は、互いに交差する方向に対応している。本発明の技術的思想は、構成要素の形状、構造、配置等によって特定されるものではない。以下の説明において、略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付す。参照符号を構成する文字の後の数字は、同じ文字を含んだ参照符号によって参照され、且つ同様の構成を有する要素同士を区別するために使用される。
【0008】
［１］第１実施形態
第１実施形態に係る距離計測装置１は、例えば当該距離計測装置１と対象物ＴＧと間の距離を計測することが可能なＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）の一種である。以下に、第１実施形態に係る距離計測装置１について説明する。
第１実施形態に係る距離計測装置１は、例えば当該距離計測装置１と対象物ＴＧと間の距離を計測することが可能なＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）の一種である。以下に、第１実施形態に係る距離計測装置１について説明する。
【0009】
［１－１］構成
［１－１－１］距離計測装置１の全体構成
図１は、第１実施形態に係る距離計測装置１の全体構成の一例を示す概略図である。図１に示すように、本例では、距離計測装置１の前方に、測距の対象物ＴＧとして車両が配置されている。そして、第１実施形態に係る距離計測装置１は、例えば、制御部１０、出射部２０、受光部３０、及び計測部４０を備えている。
［１－１－１］距離計測装置１の全体構成
図１は、第１実施形態に係る距離計測装置１の全体構成の一例を示す概略図である。図１に示すように、本例では、距離計測装置１の前方に、測距の対象物ＴＧとして車両が配置されている。そして、第１実施形態に係る距離計測装置１は、例えば、制御部１０、出射部２０、受光部３０、及び計測部４０を備えている。
【0010】
制御部１０は、距離計測装置１の全体の動作を制御する。制御部１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、発振器を含んでいる（図示せず）。ＲＯＭは、距離計測装置１の動作に使用されるプログラム等を記憶している。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されたプログラムに従って、出射部２０、受光部３０、及び計測部４０を制御する。ＲＡＭは、ＣＰＵの作業領域として使用される。発振器は、間欠的なパルス信号の生成に使用される。制御部１０は、様々なデータ処理や、演算処理を実行することも可能である。
【0011】
出射部２０は、レーザ光を間欠的に生成及び出射する。生成及び出射されたレーザ光は、対象物ＴＧに照射され、距離計測装置１と対象物ＴＧとの間の距離の計測に使用される。本明細書では、出射部２０から出射されたレーザ光のことを、“出射光Ｌ１”と呼ぶ。対象物ＴＧによって反射された出射光Ｌ１のことを、“反射光Ｌ２”と呼ぶ。尚、出射部２０は、投光部と呼ばれても良い。
【0012】
受光部３０は、距離計測装置１に入射した光を検出して、受光結果を計測部４０に転送する。言い換えると、受光部３０は、距離計測装置１に入射した光を電気信号に変換して、変換した電気信号を計測部４０に転送する。受光部３０は、距離計測装置１に間欠的に入射する反射光Ｌ２の検出に使用される。
【0013】
計測部４０は、受光部３０から転送された受光結果に基づいて、受光部３０が反射光Ｌ２を検出した時刻を計測する。そして、計測部４０は、出射部２０から出射光Ｌ１が出射された時刻と、受光部３０が反射光Ｌ２を検出した時刻とに基づいて、距離計測装置１と対象物ＴＧとの間の距離を計測する。出射部２０から出射光Ｌ１が出射された時刻は、例えば制御部１０から通知される。
【0014】
図２は、第１実施形態に係る距離計測装置１の測距方法の概要を示す概略図である。入力電圧の波形は、出射部２０に含まれた光源に供給される電圧の時間変化を示している。受光結果の波形は、受光部３０が検出した光に基づいた電気信号の強度の時間変化を示している。図２に示すように、出射部２０の光源にパルス信号が供給されると、パルス信号の立ち上がりに基づいて出射光Ｌ１が生成及び出射される。そして、当該出射光Ｌ１が対象物ＴＧに照射され、受光部３０が、対象物ＴＧから反射した反射光Ｌ２を検出する。
【0015】
計測部４０は、出射部２０から出射光Ｌ１が出射された出射時刻Ｔ１と、受光部３０が反射光Ｌ２を検出した受光時刻Ｔ２との差に基づいて、出射光Ｌ１の飛行時間（ＴｏＦ：Time of Flight）を算出する。そして、計測部４０は、出射光Ｌ１の飛行時間とレーザ光の速度とに基づいて、距離計測装置１と対象物ＴＧとの間の距離を計測（測距）する。このような距離計測装置１の測距方法は、“ＴｏＦ方式”とも呼ばれる。計測部４０は、距離計測装置１が出射及び受光する出射光Ｌ１及び反射光Ｌ２の組毎に、測距結果を出力する。
【0016】
尚、計測部４０は、少なくとも出射光Ｌ１の出射に関する時間に基づいて出射時刻Ｔ１を決定し、反射光Ｌ２の受光に関する時間に基づいて受光時刻Ｔ２を決定していれば良い。言い換えると、計測部４０は、出射時刻Ｔ１及び受光時刻Ｔ２を、信号の突出部分に基づいて決定していれば良く、例えば、信号の立ち上がり時間やピーク時刻等に基づいて決定する。制御部１０は、出射部２０、受光部３０、及び計測部４０毎に設けられても良い。計測部４０の処理が制御部１０によって実行されても良い。距離計測装置１は、計測部４０の測距結果に基づいた画像を生成する画像処理部を有していても良い。このような画像は、距離計測装置１を搭載した車両等の制御プログラムによって参照される。
【0017】
［１－１－２］出射部２０の構成
図３は、第１実施形態に係る距離計測装置１の備える出射部２０及び受光部３０の構成の一例を示す概略図である。図３に示すように、第１実施形態における出射部２０は、例えば、駆動回路２１及び２２、光源２３、光学系２４、及びミラー２５を含む。
図３は、第１実施形態に係る距離計測装置１の備える出射部２０及び受光部３０の構成の一例を示す概略図である。図３に示すように、第１実施形態における出射部２０は、例えば、駆動回路２１及び２２、光源２３、光学系２４、及びミラー２５を含む。
【0018】
駆動回路２１は、制御部１０の発振器から入力されたパルス信号に応じて駆動電流を生成する。そして、駆動回路２１は、生成した駆動電流を光源２３に供給する。つまり、駆動回路２１は、光源２３の電流供給源として機能する。
【0019】
駆動回路２２は、制御部１０による制御に応じて駆動電流を生成する。そして、駆動回路２２は、生成した駆動電流をミラー２５に供給する。つまり、駆動回路２２は、ミラー２５の電源回路として機能する。
【0020】
光源２３は、レーザダイオード等のレーザ光源である。光源２３は、駆動回路２１から供給された間欠的な駆動電流（パルス信号）に基づいて、レーザ光（出射光Ｌ１）を間欠的に出射する。光源２３により出射されたレーザ光は、光学系２４に入射する。
【0021】
光学系２４は、複数のレンズや光学素子を含み得る。光学系２４は、光源２３により出射される出射光Ｌ１の光路上に配置される。例えば、光学系２４は、入射した出射光Ｌ１をコリメートして、コリメートした出射光Ｌ１をミラー２５に導光する。図３に示された光学系２４は、いわゆる非同軸光学系であるが、本実施形態では、それに限定されない。光学系２４は、同軸光学系でもよく、穴開きミラーや、ビームスプリッタ等を含んでいても良い。
【0022】
ミラー２５は、駆動回路２２から供給される駆動電流に基づいて駆動し、当該ミラー２５に入射した出射光Ｌ１を反射する。例えば、ミラー２５の反射面は、互いに交差する２つの軸を中心として回転可能に構成される。ミラー２５によって反射された出射光Ｌ１が、距離計測装置１の外部の対象物ＴＧに照射される。ミラーは、後述する様に、ポリゴンミラーの様な回転ミラーであってもよい。
【0023】
第１実施形態に係る距離計測装置１において、制御部１０は、ミラー２５を制御して出射光Ｌ１の出射方向を変更することによって、測距したい領域をスキャンする。出射部２０は、レーザ光を用いたスキャンをすることが可能な構成を有していれば良く、その他の構成であっても良い。例えば、出射部２０は、ミラー２５によって反射されたレーザ光の光路上に配置された光学系をさらに備えていても良い。
【0024】
本明細書では、距離計測装置１によって測距される領域のことを、“スキャン領域ＳＡ”と呼ぶ。距離計測装置１は、スキャン領域ＳＡ内で複数点の計測動作を実行し、様々な対象物ＴＧとの距離を計測する。また、１回のスキャンに対応する複数点の測距結果の組のことを“フレーム”と呼ぶ。距離計測装置１は、スキャンを連続的に実行することによって、距離計測装置１の前方の対象物ＴＧとの距離を逐次取得することが出来る。
【0025】
［１－１－３］受光部３０の構成
引き続き図３を参照して、第１実施形態における受光部３０の構成について説明する。図３に示すように、第１実施形態における受光部３０は、例えば、光学系３１、光検出器３２、及び出力回路３３を含む。
引き続き図３を参照して、第１実施形態における受光部３０の構成について説明する。図３に示すように、第１実施形態における受光部３０は、例えば、光学系３１、光検出器３２、及び出力回路３３を含む。
【0026】
光学系３１は、少なくとも１つのレンズを含み得る。光学系３１は、距離計測装置１に入射した反射光Ｌ２を光検出器３２に集める。光検出器３２は、例えば、半導体を用いた光電子像倍素子を含み、光学系３１を介して当該光検出器３２に入射した光を電気信号に変換する。光検出器３２によって変換された電気信号（受光結果）は、出力回路３３に転送される。出力回路３３は、光検出器３２から転送された電気信号をデジタル信号に変換する。そして、出力回路３３は、受光結果に対応するデジタル信号を計測部４０に出力する。
【0027】
第１実施形態に係る距離計測装置１において、受光部３０の光検出器３２の光軸は、出射部２０の光源２３の光軸と異なっている。つまり、距離計測装置１は、出射部２０及び受光部３０の間で非同軸の光学系を有している。尚、受光部３０は、距離計測装置１に入射した反射光Ｌ２を検出可能であれば、その他の構成、例えば同軸光学系や、分離光学系であっても良い。
【0028】
（光検出器３２の構成）
図４は、第１実施形態に係る距離計測装置１における光検出器３２の平面レイアウトの一例を示す平面図である。図４に示すように、第１実施形態における光検出器３２は、２Ｄセンサであり、受光領域ＤＡを含む。尚、光検出器３２として、１Ｄセンサが使用されても良い。
図４は、第１実施形態に係る距離計測装置１における光検出器３２の平面レイアウトの一例を示す平面図である。図４に示すように、第１実施形態における光検出器３２は、２Ｄセンサであり、受光領域ＤＡを含む。尚、光検出器３２として、１Ｄセンサが使用されても良い。
【0029】
受光領域ＤＡは、距離計測装置１に入射した光の検出に使用される領域である。受光領域ＤＡは、複数の画素ＰＸを含む。画素ＰＸは、光検出器３２から出力される受光結果の最小単位に対応している。複数の画素ＰＸは、例えば、半導体基板の上に２次元に配置される、言い換えると、複数の画素ＰＸは、半導体基板の上に、ＸＹ平面に沿ったマトリクス状に配置される。ＸＹ平面は、Ｘ方向とＹ方向とによって形成される平面であり、光検出器３２の受光領域ＤＡが形成される基板の表面と平行である。複数の画素ＰＸのそれぞれには、Ｘ方向に対応する座標と、Ｙ方向に対応する座標とが割り当てられる。
【0030】
複数の画素ＰＸの各々は、少なくとも１つのＳＰＡＤユニットＳＵを含む。ＳＰＡＤユニットＳＵは、光電子増倍素子を含む。光電子増倍素子としては、例えば、単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Single-Photon Avalanche Diode）が使用される。画素ＰＸが複数のＳＰＡＤユニットＳＵを含む場合、複数のＳＰＡＤユニットＳＵは、例えばＸＹ平面に沿ったマトリクス状に配置される。複数のＳＰＡＤを含む画素ＰＸは、シリコン光増倍素子（ＳｉＰＭ：Silicon Photomultiplier）とも呼ばれる。
【0031】
尚、光検出器３２に含まれた画素ＰＸの数と、画素ＰＸに含まれたＳＰＡＤユニットＳＵの数とのそれぞれは、任意の数に設計され得る。画素ＰＸの形状とＳＰＡＤユニットＳＵの形状とのそれぞれは、任意の形状に設計され得る。画素ＰＸの形状とＳＰＡＤユニットＳＵの形状とのそれぞれは、単一の形状で設けられていなくても良い。画素ＰＸにおいて、Ｘ方向に並んだＳＰＡＤユニットＳＵの数と、Ｙ方向に並んだＳＰＡＤユニットＳＵの数とは、異なっていても良い。画素ＰＸの形状は、画素ＰＸに含まれたＳＰＡＤユニットＳＵの数や配置等に応じて設計され得る。
【0032】
（ＳＰＡＤユニットＳＵの回路構成）
図５は、第１実施形態に係る距離計測装置１におけるＳＰＡＤユニットＳＵの回路構成の一例を示す回路図である。図５に示すように、第１実施形態におけるＳＰＡＤユニットＳＵは、少なくとも１つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及びクエンチ抵抗Ｒｑの組と、高電圧ノードＮｈｖと、低電圧ノードＮｌｖと、Ｐ型トランジスタＴｏｕｔとを含む。アバランシェフォトダイオードＡＰＤ及びクエンチ抵抗Ｒｑの組の数は、ＳＰＡＤユニットＳＵが含むＳＰＡＤの数に対応している。
図５は、第１実施形態に係る距離計測装置１におけるＳＰＡＤユニットＳＵの回路構成の一例を示す回路図である。図５に示すように、第１実施形態におけるＳＰＡＤユニットＳＵは、少なくとも１つのアバランシェフォトダイオードＡＰＤ及びクエンチ抵抗Ｒｑの組と、高電圧ノードＮｈｖと、低電圧ノードＮｌｖと、Ｐ型トランジスタＴｏｕｔとを含む。アバランシェフォトダイオードＡＰＤ及びクエンチ抵抗Ｒｑの組の数は、ＳＰＡＤユニットＳＵが含むＳＰＡＤの数に対応している。
【0033】
アバランシェフォトダイオードＡＰＤ及びクエンチ抵抗Ｒｑの組は、高電圧ノードＮｈｖと低電圧ノードＮｌｖとの間に直列に接続される。具体的には、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノードが、低電圧ノードＮｌｖに接続される。アバランシェフォトダイオードＡＰＤのカソードが、クエンチ抵抗Ｒｑの一端に接続される。クエンチ抵抗Ｒｑの他端が、高電圧ノードＮｈｖに接続される。距離計測装置１の計測動作において、高電圧ノードＮｈｖに印加される電圧は、低電圧ノードＮｌｖに印加される電圧よりも高い。つまり、アバランシェフォトダイオードＡＰＤには、逆バイアスが印加される。
【0034】
高電圧ノードＮｈｖは、ＳＰＡＤユニットＳＵの出力ノードに対応している。高電圧ノードＮｈｖには、Ｐ型トランジスタＴｏｕｔのドレインが接続される。Ｎ型トランジスタＴｏｕｔのゲートには、制御信号Ｓｏｕｔが入力される。制御信号Ｓｏｕｔの電圧が“Ｌ”レベルである場合、Ｐ型トランジスタＴｏｕｔのソースから、高電圧ノードＮｈｖの電圧に基づいた出力信号ＩＯＵＴが出力される。出力信号ＩＯＵＴは、ＳＰＡＤユニットＳＵの受光結果に対応している。制御信号Ｓｏｕｔの電圧が“Ｈ”レベルである場合、Ｐ型トランジスタＴｏｕｔが、ＳＰＡＤユニットＳＵによる受光結果の出力を遮断する。制御部１０は、複数の画素ＰＸ毎に、制御信号Ｓｏｕｔを制御することが出来る。
【0035】
尚、ＳＰＡＤユニットＳＵは、その他の回路構成であっても良い。例えば、高電圧ノードＮｈｖにＮ型トランジスタのドレインを接続し、そのゲートに制御信号Ｓｏｕｔを接続し、そのソースを適当な低い電位に接続しても良い。そして、Ｐ型トランジスタＴｏｕｔによる出力信号ＩＯＵＴの出力が遮断されている場合に、当該Ｎ型トランジスタを介して電流が排出されても良い。例えば、クエンチ抵抗Ｒｑが、トランジスタに置き換えられても良い。クエンチ抵抗Ｒｑと異なるクエンチ用のトランジスタが、高電圧ノードＮｈｖに接続されても良い。高電圧ノードＮｈｖ（出力ノード）の配置は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤによる受光結果を出力可能であれば、その他の配置であっても良い。Ｐ型トランジスタＴｏｕｔは、直列に接続された複数のトランジスタによって構成されても良い。トランジスタＴｏｕｔは、Ｎ型トランジスタであっても良い。トランジスタＴｏｕｔは、出力信号ＩＯＵＴを選択的に出力可能であれば、その他のスイッチ素子であっても良い。画素ＰＸが複数のＳＰＡＤユニットＳＵを有する場合、当該画素ＰＸの出力信号は、例えば、その画素ＰＸに属するＳＰＡＤユニットＳＵの出力信号ＩＯＵＴの合計に対応する。
【0036】
（アバランシェフォトダイオードＡＰＤの構造）
図６は、第１実施形態に係る距離計測装置１におけるアバランシェフォトダイオードＡＰＤの構造の一例と単一光子アバランシェダイオードＳＰＡＤの動作原理とを示す概略図である。図６に示すように、第１実施形態におけるアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、例えば、基板５０、Ｐ型半導体層５１及び５２、及びＮ型半導体層５３を含む。
図６は、第１実施形態に係る距離計測装置１におけるアバランシェフォトダイオードＡＰＤの構造の一例と単一光子アバランシェダイオードＳＰＡＤの動作原理とを示す概略図である。図６に示すように、第１実施形態におけるアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、例えば、基板５０、Ｐ型半導体層５１及び５２、及びＮ型半導体層５３を含む。
【0037】
基板５０は、例えばＰ型の半導体基板である。基板５０の上に、Ｐ型半導体層５１、Ｐ型半導体層５２、及びＮ型半導体層５３が、この順番に積層されている。例えば、Ｐ型半導体層５１は、Ｐ型半導体層５２よりも厚く形成される。Ｐ型半導体層５２にドープされたＰ型不純物の濃度は、Ｐ型半導体層５１にドープされたＰ型不純物の濃度よりも高い。Ｐ型半導体層５２とＮ型半導体層５３との接触部分には、ＰＮ接合が形成される。これにより、Ｐ型半導体層５２及びＮ型半導体層５３が、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのアノード及びカソードとしてそれぞれ使用される。
【0038】
第１実施形態におけるアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、ガイガーモードで使用される。そして、当該アバランシェフォトダイオードＡＰＤを用いたＳＰＡＤは、フォトン単位の光を検出して、電気信号に変換する。以下に、図６に示されたアバランシェフォトダイオードＡＰＤを用いたＳＰＡＤの動作原理について説明する。本例では、基板５０側が、ＳＰＡＤユニットＳＵの低電圧ノードＮｌｖに対応している。Ｎ型半導体層５３側が、ＳＰＡＤユニットＳＵの高電圧ノードＮｈｖに対応している。
【0039】
アバランシェフォトダイオードＡＰＤに高い逆バイアスが印加されると、Ｐ型半導体層５２とＮ型半導体層５３との間に強い電界が発生する（図６（１））。すると、Ｐ型半導体層５２とＮ型半導体層５３とのＰＮ接合部分からＰ型半導体層５１の領域に亘って、空乏層が形成される（図６（２））。このとき、アバランシェフォトダイオードＡＰＤが、光を検出可能な状態（以下、アクティブ状態と呼ぶ）になる。アクティブ状態のアバランシェフォトダイオードＡＰＤに光が照射されると、光エネルギーの一部が空乏層に到達する（図６（３））。すると、空乏層に、電子と正孔の対、すなわちキャリアが発生する（図６（４））。空乏層に発生したキャリアは、ＰＮ接合の近傍の強い電界によりドリフトする（図６（５））。具体的には、発生したキャリアのうち正孔が、基板５０側に向かって加速され、発生したキャリアのうち電子が、Ｎ型半導体層５３側に向かって加速される。
【0040】
Ｎ型半導体層５３側に向かって加速された電子は、ＰＮ接合の近傍の強い電界の下で、原子と衝突する。すると、原子に衝突した電子が、当該原子をイオン化させて、新たな電子と正孔の対を発生させる。このような電子と正孔の対の発生は、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加された逆バイアスの電圧が、アバランシェフォトダイオードＡＰＤのブレークダウン電圧を超えている場合に繰り返される（図６（６）アバランシェ降伏）。アバランシェ降伏が発生すると、アバランシェフォトダイオードＡＰＤが放電する（図６（７）アバランシェ電流）。アバランシェ電流とその後のリカバリに関わる電気信号が、アバランシェフォトダイオードＡＰＤ、すなわち１つのＳＰＡＤから出力される。
【0041】
アバランシェフォトダイオードＡＰＤから出力された電流は、例えばクエンチ抵抗Ｒｑに流れる。すると、ＳＰＡＤユニットＳＵの出力ノードにおいて、電圧降下が発生する（図６（８）クエンチング）。クエンチングによって、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに印加された逆バイアスの電圧がブレークダウン電圧未満になると、ガイガー放電が停止する。それから、アバランシェフォトダイオードＡＰＤに対するリカバリ電流の流入や、ＰＮ接合における容量の充電が行われるガイガー放電が止まった暫く後に、アバランシェフォトダイオードＡＰＤが、光を検出可能な状態に戻る。
【0042】
尚、ＳＰＡＤユニットＳＵが含むアバランシェフォトダイオードＡＰＤは、その他の構造であっても良い。例えば、Ｐ型半導体層５２が省略されても良い。Ｐ型半導体層５１、Ｐ型半導体層５２、及びＮ型半導体層５３のそれぞれの厚さは、アバランシェフォトダイオードＡＰＤの設計に応じて変更され得る。アバランシェフォトダイオードＡＰＤのＰＮ接合は、基板５０と基板５０の上の半導体層との接触部分に形成されても良い。アバランシェフォトダイオードＡＰＤは、図６に示されたＰ型半導体層とＮ型半導体層とが入れ替えられた構造を有していても良い。
【0043】
（光検出器３２のアクティブ領域ＡＡ）
第１実施形態に係る距離計測装置１に入射する反射光Ｌ２は、例えば、出射光Ｌ１のスキャン位置と光学系３１の設計とに基づいて、受光領域ＤＡの一部に照射される。そして、制御部１０は、各画素ＰＸに含まれたＳＰＡＤユニットＳＵを、反射光Ｌ２の照射位置に基づいて、アクティブ状態又は非アクティブ状態にする。
第１実施形態に係る距離計測装置１に入射する反射光Ｌ２は、例えば、出射光Ｌ１のスキャン位置と光学系３１の設計とに基づいて、受光領域ＤＡの一部に照射される。そして、制御部１０は、各画素ＰＸに含まれたＳＰＡＤユニットＳＵを、反射光Ｌ２の照射位置に基づいて、アクティブ状態又は非アクティブ状態にする。
【0044】
本明細書では、光を検出可能な状態に制御されたＳＰＡＤユニットＳＵを含む画素ＰＸのことを、オン状態の画素ＰＸと呼ぶ。光を検出不可能な状態に制御されたＳＰＡＤユニットＳＵを含む画素ＰＸのことを、オフ状態の画素ＰＸと呼ぶ。制御部１０が、受光領域ＤＡに設定する少なくとも１つのオン状態の画素ＰＸを含む領域のことを、“アクティブ領域ＡＡ”と呼ぶ。
【0045】
図７は、第１実施形態に係る距離計測装置１における光検出器３２の受光領域ＤＡに設定されたアクティブ領域ＡＡの一例を示す平面図である。図７に示すように、距離計測装置１の計測動作において、制御部１０は、出射光Ｌ１毎に、受光領域ＤＡのＸ座標Ｃｘ及びＹ座標Ｃｙを、光検出器３２に通知する。そして、光検出器３２が、制御部１０によって指定されたＸ座標Ｃｘ及びＹ座標Ｃｙに基づいて、受光領域ＤＡ内にアクティブ領域ＡＡを設定する。
【0046】
Ｘ座標Ｃｘ及びＹ座標Ｃｙは、例えば、当該出射光Ｌ１が出射されたタイミングのミラー２５の傾きに関連付けられ、アクティブ領域ＡＡの左上の画素ＰＸの座標を示している。アクティブ領域ＡＡは、例えば、Ｘ座標Ｃｘ及びＹ座標Ｃｙを基準として、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ４画素及び３画素の広がりを有する領域に設定される。言い換えると、本例では、アクティブ領域ＡＡが、４×３画素を含む矩形領域に設定される。このように、受光領域ＤＡ内にアクティブ領域ＡＡが設定されると、反射光Ｌ２が照射されると推測される領域の画素ＰＸのみが、受光結果を出力する。
【0047】
これにより、アクティブ領域ＡＡ外の画素ＰＸからのノイズが、光検出器３２の受光結果から除去され、受光結果のＳ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）が高くなる。また、アクティブ領域ＡＡ外の画素ＰＸに対する電圧の印加が適宜省略されるため、光検出器３２の消費電力が抑制される。尚、アクティブ領域ＡＡの位置は、少なくとも制御部１０によって指定された座標に基づいて設定されていれば良い。アクティブ領域ＡＡの形状は、制御部１０によって指定された座標に応じて変更されても良い。
【0048】
（出力回路３３の構成）
図８は、第１実施形態に係る距離計測装置１における出力回路３３の構成の一例を示すブロック図である。図８に示すように、第１実施形態における出力回路３３は、例えば、スイッチ部ＳＷ及び信号処理部ＳＰを含む。
図８は、第１実施形態に係る距離計測装置１における出力回路３３の構成の一例を示すブロック図である。図８に示すように、第１実施形態における出力回路３３は、例えば、スイッチ部ＳＷ及び信号処理部ＳＰを含む。
【0049】
スイッチ部ＳＷは、複数のスイッチ回路を含む。スイッチ部ＳＷは、アクティブ領域ＡＡの位置を示すＸ座標Ｃｘ及びＹ座標Ｃｙに基づいて、複数のスイッチ回路を適宜繋ぎ替える。このようなスイッチ部ＳＷによって、光検出器３２において画素ＰＸの出力に使用される信号線の本数が、削減され得る。また、スイッチ部ＳＷは、受光領域ＤＡから出力された複数の出力信号ＩＯＵＴの順序を整列する。例えば、光検出器３２からアクティブ領域ＡＡ内の１２個の画素ＰＸに対応する出力信号ＩＯＵＴａ１～１２が出力される場合、スイッチ部ＳＷは、入力された出力信号ＩＯＵＴａ１～１２を整列して、整列された出力信号ＩＯＵＴｂ１～１２を信号処理部ＳＰに出力する。アクティブ領域ＡＡ内の各画素ＰＸの出力順番は、例えば図８の下部に示された順番に変更される。
【0050】
信号処理部ＳＰは、スイッチ部ＳＷから入力された複数の出力信号ＩＯＵＴを用いて、様々な信号処理を実行する。信号処理部ＳＰは、例えば増幅回路のようなアナログ回路、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）、時間－デジタル変換器（ＴＤＣ）、加算器のようなロジック回路を含み得る。例えば、信号処理部ＳＰは、入力された出力信号ＩＯＵＴｂ１～１２のそれぞれにアナログ－デジタル変換を実行して、光検出器３２の受光結果に基づくデジタル信号を生成する。そして、信号処理部ＳＰは、受光結果に基づくデジタル信号を、計測部４０に転送する。このように、スイッチ部ＳＷによって整列された出力信号ＩＯＵＴｂ１～１２が入力されることによって、信号処理部ＳＰは、アクティブ領域ＡＡ内における相対的な位置に関する順番を変更せずに、信号処理を実行することが出来る。
【0051】
尚、受光領域ＤＡ、スイッチ部ＳＷ、及び信号処理部ＳＰは、互いに異なる基板上に形成されても良い。スイッチ部ＳＷと信号処理部ＳＰとは、一体で設けられても良い。アクティブ領域ＡＡ内の画素ＰＸの出力信号は、アクティブ領域ＡＡ内の画素の配置に応じて統合されても良い。
【0052】
［１－１－４］計測部４０の構成
図９は、第１実施形態に係る距離計測装置１における計測部４０の構成の一例を示すブロック図である。図９に示すように、第１実施形態における計測部４０は、例えば、単純積算部４１、記憶部４２、解析部４３、積算部４４、及び距離計測部４５を含む。
図９は、第１実施形態に係る距離計測装置１における計測部４０の構成の一例を示すブロック図である。図９に示すように、第１実施形態における計測部４０は、例えば、単純積算部４１、記憶部４２、解析部４３、積算部４４、及び距離計測部４５を含む。
【0053】
単純積算部４１は、受光結果に関するデータの単純積算処理を実行する。具体的には、単純積算部４１は、受光部３０の信号処理部ＳＰから転送された複数の画素ＰＸの受光結果を単純に積算することによって、積算データＳＤを生成する。そして、単純積算部４１は、出射光Ｌ１毎に得られた積算データＳＤを記憶部４２に転送する。
【0054】
記憶部４２は、出射光Ｌ１毎に得られた積算データＳＤを一時的に記憶する。記憶部４２は、例えば１フレーム分の積算データＳＤを記憶し得る。記憶部４２は、複数フレーム分の積算データＳＤを記憶しても良い。記憶部４２に記憶された積算データＳＤは、後述される計測動作の進行に応じて、適宜破棄されても良い。
【0055】
解析部４３は、ターゲットの測定点の積算データＳＤｃと、ターゲットの近傍の測定点の積算データＳＤｐとを記憶部４２から読み出す。本明細書において、“ターゲットの測定点”は、測距の対象とされる出射光Ｌ１の反射光Ｌ２に対応する測定点のことを示している。距離計測装置１は、ターゲットの測定点における距離値の算出に、ターゲットの近傍の少なくとも１つの測定点の積算データＳＤｐを利用する。
【0056】
また、解析部４３は、例えば、底部算出部４３１、突出部検出部４３２、及び重み値生成部４３３を含む。底部算出部４３１は、積算データＳＤｃ及びＳＤｐのそれぞれの底部の値を算出する。以下では、“積算データＳＤの底部の値”のことを、“フロアノイズ値”とも呼ぶ。突出部検出部４３２は、反射光Ｌ２の検出と推測され得る信号の突出部分を検出する。重み値生成部４３３は、底部算出部４３１及び突出部検出部４３２の出力に基づいて、各積算データＳＤｐの重み値を生成する。具体的な重み値の算出方法の一例については後述する。
【0057】
積算部４４は、各積算データＳＤｐの重み値を用いて、積算データＳＤｃに積算データＳＤｐを加算する。そして、積算部は、生成した積算データＳＤｗを距離計測部４５に転送する。重み値を用いた積算処理の詳細については後述する。
【0058】
距離計測部４５は、制御部１０から出射光Ｌ１の出射時刻Ｔ１に関するデータを取得し、積算部４４からターゲットの測定点に関する積算データＳＤｗを取得する。そして、距離計測部４５は、積算部４４から転送された積算データＳＤｗに基づいて、反射光Ｌ２の受光時刻Ｔ２を算出する。それから、距離計測部４５は、出射時刻Ｔ１と光検出器３２の受光時刻Ｔ２とを用いて、ＴｏＦ方式に基づいた距離を計測する。計測結果は、例えば画像処理部に転送される。計測結果は、制御部１０によって参照されても良い。
【0059】
［１－２］動作
［１－２－１］スキャン方法
図１０は、第１実施形態に係る距離計測装置１における距離計測装置１のスキャン方法の一例を示すテーブルである。図１０に示されたテーブルは、スキャン方法の名称とスキャン方法の具体例との３種類の組み合わせを示している。図１０において、符号“Ｌ１”は、関連付けられたスキャン方法における出射光Ｌ１の形状及び出射タイミングを示している。“スキャン位置”の矢印は、スキャン領域ＳＡ内で、複数の出射光Ｌ１が順に照射される経路を模式的に示している。“左方向”及び“右方向”は、紙面上の左方向及び右方向をそれぞれ示している。
［１－２－１］スキャン方法
図１０は、第１実施形態に係る距離計測装置１における距離計測装置１のスキャン方法の一例を示すテーブルである。図１０に示されたテーブルは、スキャン方法の名称とスキャン方法の具体例との３種類の組み合わせを示している。図１０において、符号“Ｌ１”は、関連付けられたスキャン方法における出射光Ｌ１の形状及び出射タイミングを示している。“スキャン位置”の矢印は、スキャン領域ＳＡ内で、複数の出射光Ｌ１が順に照射される経路を模式的に示している。“左方向”及び“右方向”は、紙面上の左方向及び右方向をそれぞれ示している。
【0060】
図１０（１）に示されたスキャン方法では、例えばドット状の照射面を有する出射光Ｌ１が使用される。そして、距離計測装置１は、左右方向のスキャンを繰り返し実行する。具体的には、距離計測装置１が、右方向にスキャンした後に、折り返して左方向にスキャンして、再び左方向にスキャンした後に、再び折り返して右方向にスキャンする。このようなスキャン方法は、“ラスタスキャン”と呼ばれている。ラスタスキャンを実現する手段としては、ミラー２５として、例えば２軸のミラーを使用すること等が考えられる。
【0061】
図１０（２）に示されたスキャン方法では、縦方向に細長い形状の照射面を有する出射光Ｌ１が使用される。この場合、出射部２０が、例えばコリメータレンズ及びシリンドリカルレンズを有している。そして、距離計測装置１が、縦一列に複数の画素ＰＸを同時に照射して、右方向にスキャンする。このようなスキャン方法は、“マルチチャネルスキャン”と呼ばれている。マルチチャネルスキャンを実現する手段としては、ミラー２５として、ポリゴンミラー、回転ミラーや１軸のＭＥＭＳミラーを使用することが考えられる。マルチチャネルスキャンは、ミラー２５を使用せずに、距離計測装置１自身を回転させることによって実現されても良い。マルチチャネルスキャンは、一度のレーザ出射で複数の画素ＰＸを同時に照射することができる。このため、マルチチャネルスキャンが使用されることによって、ラスタスキャンよりも、高解像及び／或いは高フレームレートが可能とされる。
【0062】
図１０（３）に示されたスキャン方法では、縦方向に細長い形状の照射面を有する出射光Ｌ１が使用される。この場合、出射部２０が、例えば異方性のある非球面コリメータレンズを有している。そして、距離計測装置１が、縦一列に複数の画素を同時に照射して、右方向にスキャンした後に、垂直位置がずらされたスキャンを繰り返し実行する。このようなスキャン方法は、“マルチチャネルラスタスキャン”と呼ばれている。マルチチャネルラスタスキャンを実現する手段としては、ミラー２５として、異なるチルト角を有するポリゴンミラー、回転ミラー及び２軸のミラー等を使用すること等が考えられる。マルチチャネルラスタスキャンも、一度のレーザ出射で複数の画素ＰＸを同時に照射できるため、ラスタスキャンよりも、高解像及び／或いは高フレームレートが可能となる。逆に、ある程度の高解像及び高フレームレートを得るためには、ラスタスキャン或いはマルチチャネルラスタスキャンが使用されることが好ましい。
【0063】
以上で説明されたスキャン方法は、あくまで一例である。図１０（１）～（３）に示されたスキャン方法は、機械的な方法に対応している。距離計測装置１は、別のスキャン方法として、ＯＰＡ方法（Optical Phased Array）を使用しても良い。１回のスキャンにおける直線経路の数やスキャン方向は、その他の設定であっても良い。第１実施形態に係る距離計測装置１による動作及び効果は、出射光Ｌ１のスキャン方法に依存しない。このため、第１実施形態に係る距離計測装置１は、機械的な方法とＯＰＡ方法とのいずれを用いて、スキャンを実行しても良い。以下では、説明を簡潔にするために、距離計測装置１がラスタスキャンを使用する場合について説明する。
【0064】
［１－２－２］受光結果のサンプリング
図１１は、第１実施形態に係る距離計測装置１における光検出器３２の受光結果の一例を示すタイムチャートである。図１１のタイムチャートの縦軸は、画素ＰＸの出力信号に基づく輝度を示している。図１１に示すように、距離計測装置１が出射光Ｌ１毎に実行する計測動作の各々は、例えば、サンプリング期間及びブランキング期間を含む。
図１１は、第１実施形態に係る距離計測装置１における光検出器３２の受光結果の一例を示すタイムチャートである。図１１のタイムチャートの縦軸は、画素ＰＸの出力信号に基づく輝度を示している。図１１に示すように、距離計測装置１が出射光Ｌ１毎に実行する計測動作の各々は、例えば、サンプリング期間及びブランキング期間を含む。
【0065】
サンプリング期間は、光検出器３２の信号処理部ＳＰが受光結果に対する信号処理を実行する期間である。サンプリング期間において、信号処理部ＳＰは、受光領域ＤＡから出力された電気信号を、所定のサンプリング間隔でデジタル信号に変換する。本例では、時刻ｔ０～ｔ３２がサンプリング期間に対応し、信号処理部ＳＰが、時刻ｔ１～ｔ３２のそれぞれにおいて、受光領域ＤＡから出力された電気信号をデジタル信号に変換する。尚、サンプリング期間やサンプリング間隔の長さは、任意の長さに設定され得る。
【0066】
ブランキング期間は、現在の出射光Ｌ１に対するサンプリング期間と、次の出射光Ｌ１に対するサンプリング期間との間に設定された期間である。ブランキング期間では、例えば信号処理部ＳＰによる信号処理が省略される。本例では、時刻ｔ３２～ｔ３３が、ブランキング期間に対応している。距離計測装置１の計測動作において、ブランキング期間は適宜省略されても良い。また、出射光Ｌ１毎に設定されるアクティブ領域ＡＡの位置が重なっていない場合に、連続した出射光Ｌ１のサンプリング期間が重なっていても良い。
【0067】
［１－２－３］受光結果の単純積算処理
図１２は、第１実施形態に係る距離計測装置１における計測部４０の単純積算処理の一例を示すタイムチャートである。図１２に示された２つのタイムチャートの縦軸は、受光結果に基づいたアナログ信号の輝度を示している。図１２（１）は、アクティブ領域ＡＡ内の各画素ＰＸの出力（受光結果）の一例を示している。図１２（２）は、アクティブ領域ＡＡ内の複数の画素ＰＸの出力の積算結果の一例を示している。
図１２は、第１実施形態に係る距離計測装置１における計測部４０の単純積算処理の一例を示すタイムチャートである。図１２に示された２つのタイムチャートの縦軸は、受光結果に基づいたアナログ信号の輝度を示している。図１２（１）は、アクティブ領域ＡＡ内の各画素ＰＸの出力（受光結果）の一例を示している。図１２（２）は、アクティブ領域ＡＡ内の複数の画素ＰＸの出力の積算結果の一例を示している。
【0068】
図１２（１）に示すように、各画素ＰＸの出力は、反射光Ｌ２に基づくピーク部分と、ノイズとを含む。距離計測装置１には、何らかの物体により散乱された太陽光等の環境光が入射することがあり、環境光が、受光結果にランダムなノイズとして表れる。つまり、ノイズの発生箇所は、画素ＰＸ毎にばらついている。一方で、反射光Ｌ２に基づくピーク部分は、通常、ノイズよりも高い輝度を有している。画素ＰＸ毎の出力は、ダイナミックレンジが狭いため、ノイズと反射光Ｌ２によるピーク部分との差異は小さい。
【0069】
図１２（２）に示すように、アクティブ領域ＡＡ内の複数の画素ＰＸの出力に対して単純積算処理が実行されると、各出力の特徴的な部分が強調される。具体的には、対象物ＴＧからの反射光Ｌ２が、ほぼ同じタイミングでサンプリングされる。このため、反射光Ｌ２が検出された部分の信号の強度が、単純積算処理によって増加する。一方で、ランダムなノイズは、再現性がない、つまり単純積算処理によって強調され辛い。
【0070】
これにより、単純積算処理を介した受光結果では、ランダムなノイズが、対象物ＴＧからの反射光Ｌ２に対して相対的に低減される。言い換えると、反射光Ｌ２の受光結果におけるデジタル信号のＳ／Ｎ比が、単純積算処理によって改善される。そして、第１実施形態に係る距離計測装置１では、単純積算処理によって得られた測定点毎の積算データＳＤが、記憶部４２に記憶される。
【0071】
［１－２－４］測距に使用される領域
図１３は、第１実施形態に係る距離計測装置１のスキャン領域ＳＡ内でターゲットの測定点の測距に使用される領域の一例を示す概略図である。図１３に示すように、スキャン領域ＳＡは、領域ＡＲ～ＩＲを含んでいる。領域ＡＲ～ＩＲのそれぞれは、出射光Ｌ１が照射される領域に対応している。以下では、出射光Ｌ１が照射されることにより１つの測距結果が得られる領域のことを、“測定点”とも呼ぶ。
図１３は、第１実施形態に係る距離計測装置１のスキャン領域ＳＡ内でターゲットの測定点の測距に使用される領域の一例を示す概略図である。図１３に示すように、スキャン領域ＳＡは、領域ＡＲ～ＩＲを含んでいる。領域ＡＲ～ＩＲのそれぞれは、出射光Ｌ１が照射される領域に対応している。以下では、出射光Ｌ１が照射されることにより１つの測距結果が得られる領域のことを、“測定点”とも呼ぶ。
【0072】
また、スキャン領域ＳＡに、位置の異なる対象物ＴＧ１及びＴＧ２が含まれている。具体的には、領域ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＥＲ、ＦＲ及びＩＲが、対象物ＴＧ１を主に含んでいる。領域ＤＲ、ＧＲ及びＨＲが、対象物ＴＧ２を主に含んでいる。例えば、ラスタスキャンが実行される場合、領域ＡＲ～ＩＲは、互いに異なる出射光Ｌ１によって照射される。マルチチャネルスキャンが実行される場合、縦に並んだ複数の領域（例えば領域ＡＲ、ＤＲ及びＧＲ）が、１回の出射光Ｌ１で同時に照射される。
【0073】
領域ＥＲには、ターゲットの測定点の距離値を算出するための領域として、例えば領域ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＤＲ、ＦＲ、ＧＲ、ＨＲ及びＩＲが関連付けられる。この場合、積算部４４が、領域ＥＲに対応する積算データＳＤｃに、重み付けされた領域ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＤＲ、ＦＲ、ＧＲ、ＨＲ及びＩＲのそれぞれの積算データＳＤｐを累積する。尚、各領域において、積算データＳＤｃに累積される積算データＳＤｐは、ターゲットの測定点の周囲の少なくとも１箇所の測定点に対応して設定されていれば良い。
【0074】
図１４は、第１実施形態に係る距離計測装置１における対象物ＴＧ１及びＴＧ２毎の受光結果の一例を示すタイムチャートである。図１４に示された２つのタイムチャートの縦軸は、受光結果に基づいた積算データＳＤの輝度を示している。図１４（１）は、ターゲットの測定点に含まれた対象物ＴＧ１に対応する積算データＳＤの一例を示している。図１４（２）は、対象物ＴＧ２に対応する積算データＳＤの一例を示している。
【0075】
図１４（１）に示すように、対象物ＴＧ１に対応する積算データＳＤは、反射光Ｌ２に基づくピーク部分とノイズとを含む。一方で、図１４（２）に示すように、対象物ＴＧ２に対応する積算データＳＤは、ターゲットの測定点と異なる物体からの反射光Ｌ２に基づくピーク部分とノイズとを含み得る。また、図１４（１）に含まれたピーク部分と、図１４（２）に含まれたピーク部分とは、検出される時刻と、輝度の強さとが異なっている。
【0076】
積算データＳＤに含まれたピーク部分の高さは、反射光Ｌ２の強度に応じて変化する。例えば、反射光Ｌ２の強度は、対象物ＴＧの表面の反射率に応じて変化する。このため、異なる対象物ＴＧからの反射光Ｌ２は、検出される時刻が異なり、且つ輝度の強さが異なる可能性が高い。そして、積算データＳＤに含まれたノイズの強度も、ピーク部分の強度と同様に、出射光Ｌ１の照射方向に応じて変化し得る。
【0077】
［１－２－５］計測動作の流れ
図１５は、第１実施形態に係る距離計測装置１の計測動作の一例を示すフローチャートである。図１５に示すように、計測動作が開始すると（開始）、距離計測装置１が、平均化に必要な領域のスキャンを実行して、各測定点の積算データを記憶部４２に記憶させる（Ｓ１０）。そして、記憶部４２が、ターゲットの測定点の積算データＳＤｃと、ターゲットの周辺の測定点の積算データＳＤｐとを解析部４３に転送する（Ｓ１１）。それから、解析部４３が、積算データＳＤｃ及びＳＤｐの類似性に基づいて、積算データＳＤｐの重み値を計算する（Ｓ１２）。その後、解析部４３が、算出した重み値を関連付けた積算データＳＤｐと積算データＳＤｃとを積算部４４に転送する。
図１５は、第１実施形態に係る距離計測装置１の計測動作の一例を示すフローチャートである。図１５に示すように、計測動作が開始すると（開始）、距離計測装置１が、平均化に必要な領域のスキャンを実行して、各測定点の積算データを記憶部４２に記憶させる（Ｓ１０）。そして、記憶部４２が、ターゲットの測定点の積算データＳＤｃと、ターゲットの周辺の測定点の積算データＳＤｐとを解析部４３に転送する（Ｓ１１）。それから、解析部４３が、積算データＳＤｃ及びＳＤｐの類似性に基づいて、積算データＳＤｐの重み値を計算する（Ｓ１２）。その後、解析部４３が、算出した重み値を関連付けた積算データＳＤｐと積算データＳＤｃとを積算部４４に転送する。
【0078】
次に、積算部４４が、重み値が適用された積算データＳＤｐを積算データＳＤｃに加算して、積算データＳＤｗを取得する（Ｓ１３）。積算部４４が積算データＳＤｗを取得した後に、距離計測部４５が、積算データＳＤｗからフロアノイズ値を減算する（差し引く）（Ｓ１４）。そして、距離計測部４５が、積算データＳＤｗの突出部に基づいて、ターゲットの測定点の出射光Ｌ１に対応する受光時刻Ｔ２を算出する（Ｓ１５）。それから、距離計測部４５が、ターゲットの測定点の出射時刻Ｔ１と受光時刻Ｔ２とに基づいて、当該測定点の距離値を計測する（Ｓ１６）。これにより、１つのフレーム内の１つの測定点に対応する距離値の計測が終了する（終了）。
【0079】
図１６は、第１実施形態に係る距離計測装置１における積算データの一例を示すタイムチャートである。図１６に示された２つのタイムチャートの縦軸は、受光結果に基づいた積算データＳＤの輝度を示している。図１６（１）は、積算データＳＤｗの一例と、当該積算データＳＤｗに対応するフロアノイズ値ＦＮとを示している。図１６（２）は、フロアノイズ値が減算された積算データＳＤｗの一例を示している。
【0080】
図１６（１）に示すように、積算データＳＤｗは、ランダムなノイズ成分を含んでいる。積算データＳＤｗからフロアノイズ値ＦＮが減算されると、図１６（２）に示すように、積算データＳＤｗの全体の値が低くなる。これにより、フロアノイズ値が減算された積算データＳＤｗでは、反射光Ｌ２に基づいた突出部におけるＳ／Ｎ比が向上する。
【0081】
尚、フロアノイズ値の減算において、マイナスの数値は、切り捨てられても良い。積算データＳＤｗから減算されるフロアノイズ値ＦＮは、単純平均により算出されても良いし、分割平均により算出されても良い。積算データＳＤｗが、クラスタ内で重み値が適用された積算データＳＤの平均値である場合には、底部算出部４３１が算出したフロアノイズ値が、ステップＳ１４の処理におけるフロアノイズ値として使用されても良い。
【0082】
図１７は、第１実施形態に係る距離計測装置１の計測動作における重み値の計算方法の一例を示すフローチャートである。図１７は、ステップＳ１２の処理の流れの具体例を示している。図１７に示すように、ステップＳ１２の処理が開始すると（開始）、底部算出部４３１が、積算データＳＤｃ及びＳＤｐのそれぞれの底部の値（すなわち、フロアノイズ値）を計算する（Ｓ１２１）。尚、底部の値は、例えば、１回の計測時間における輝度の時間平均値である。また、突出部検出部４３２が、積算データＳＤｃ及びＳＤｐから、該当する底部の値を減算し、その後、それぞれの突出部のピーク値を検出する（Ｓ１２２）。
【0083】
次に、底部算出部４３１が、積算データＳＤｃ及びＳＤｐのそれぞれのフロアノイズ値の比率を計算して、比率値ＲＶ１を取得する（Ｓ１２３）。比率値ＲＶ１は、ターゲットの測定点と、ターゲットの周辺の測定点との間のフロアノイズ値の類似度を示している。また、突出部検出部４３２が、積算データＳＤｃ及びＳＤｐのそれぞれの突出部のピーク値の比率を計算して、比率値ＲＶ２を取得する（Ｓ１２４）。比率値ＲＶ２は、ターゲットの測定点における受光結果の最大強度（ピーク値）と、ターゲットの周辺の測定点における受光結果の最大強度（ピーク値）との類似度を示している。
【0084】
そして、重み値生成部４３３が、比率値ＲＶ１及びＲＶ２に基づいて、積算データＳＤｐの重み値を計算する（Ｓ１２５）。それから、重み値生成部４３３が、算出した重み値を関連付けた積算データＳＤｐと積算データＳＤｃとを積算部４４に転送する（終了）。尚、距離計測装置１は、少なくともターゲットの測定点の積算データＳＤｃと、ターゲットの周辺の測定点の積算データＳＤｐとの類似度に基づいて重み値を計算していれば良い。例えば、重み値の計算には、比率値ＲＶ１及びＲＶ２の一方のみが使用されても良いし、その他の部分の類似度が使用されても良い。ステップＳ１２３～Ｓ１２５に関する詳細な処理の一例については、第２実施形態で説明する。
【0085】
なお、本実施形態では、図１５のフローのＳ１４にてフロアノイズ値を減算しているが、その代わりに、Ｓ１２にて、或いはその前段階にて、積算データＳＤｃと積算データＳＤｐに対して、該当画素に対応するフロアノイズ値を減算してもよい。
【0086】
［１－３］第１実施形態の効果
以上で説明されたように、第１実施形態に係る距離計測装置１は、積算データＳＤｗの突出部の位置を検出する前に、積算データＳＤｗからフロアノイズ値（環境光の強さ）を差し引いている。すなわち、第１実施形態に係る距離計測装置１は、重み値を用いた積算データＳＤｗの算出後に、当該積算データＳＤｗに含まれたノイズ成分を除去する。これにより、前述した通り、Ｓ／Ｎ比が向上する。その結果、第１実施形態に係る距離計測装置１の測距成功率および測距精度が改善する。
以上で説明されたように、第１実施形態に係る距離計測装置１は、積算データＳＤｗの突出部の位置を検出する前に、積算データＳＤｗからフロアノイズ値（環境光の強さ）を差し引いている。すなわち、第１実施形態に係る距離計測装置１は、重み値を用いた積算データＳＤｗの算出後に、当該積算データＳＤｗに含まれたノイズ成分を除去する。これにより、前述した通り、Ｓ／Ｎ比が向上する。その結果、第１実施形態に係る距離計測装置１の測距成功率および測距精度が改善する。
【0087】
積算データＳＤｗの突出部は、他の部分と同様に、フロアノイズの成分を含んでいる。このため、積算データＳＤｗでは、反射光Ｌ２に対応する突出部の信号値が、フロアノイズ値が減算されることによって正しい値になる。図１８は、第１実施形態と第１実施形態の比較例との違いを模式的に示すタイムチャートである。図１８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれフロアノイズの成分Ｆ１及びＦ２を含む積算データに対応している。フロアノイズの成分Ｆ２は、フロアノイズの成分Ｆ１よりも大きい。“Ｓ１ｃ”及び“Ｓ２ｃ”は、第１実施形態の比較例における信号値である。“Ｓ１”及び“Ｓ２”は、第１実施形態における信号値である。
【0088】
第１実施形態の比較例における信号値Ｓ１ｃ及びＳ２ｃは、それぞれフロアノイズの成分Ｆ１及びＦ２を含んでいる。一方で、第１実施形態における信号値Ｓ１及びＳ２では、それぞれフロアノイズの成分Ｆ１及びＦ２が除かれている。つまり、フロアノイズの成分Ｆ１及びＦ２が除かれた信号値が、反射光Ｌ２に基づく正しい信号値に対応する。例えば、第１実施形態の比較例では、“Ｓ２ｃ＞Ｓ１ｃ”であり、図１８（ｂ）に示された信号値Ｓ２ｃの方が、図１８（ａ）に示された信号値Ｓ１ｃよりも大きい。しかしながら、正しくは“Ｓ１＞Ｓ２”であり、図１８（ａ）に示された信号値Ｓ１の方が、図１８（ｂ）に示された信号値よりも大きい。
【0089】
このように、第１実施形態の比較例では、信号の大小関係が間違えられるおそれがある。一方で、第１実施形態に係る距離計測装置１は、正しく信号の大小関係を判別することが出来る。尚、本例では信号の大小関係の判別について述べたが、Ｓ／Ｎ比等についても同様に、第１実施形態によって正確な値を得ることが出来る。これにより、第１実施形態に係る距離計測装置１は、計測のＳ／Ｎ比を改善することが出来る。その結果、第１実施形態に係る距離計測装置１は、積算データＳＤｗにおける反射光Ｌ２の突出部の検出精度を向上させることが出来、ＴｏＦ方式に基づく距離の計測精度を向上させ、また、測距成功率を改善することが出来る。
【0090】
［１－４］第１実施形態の変形例
第１実施形態に係る距離計測装置１は、種々の変形が可能である。以下に、第１実施形態の変形例について、第１実施形態と異なる点を説明する。
第１実施形態に係る距離計測装置１は、種々の変形が可能である。以下に、第１実施形態の変形例について、第１実施形態と異なる点を説明する。
【0091】
図１９は、第１実施形態の変形例に係る距離計測装置１Ａにおける信号処理部ＳＰの構成の一例を示すブロック図である。図１９に示すように、第１実施形態の変形例における信号処理部ＳＰは、例えば、増幅回路６０、キャパシタ６１、及びＡＤ変換回路（ＡＤＣ：Analog to Digital Converter）６２を含む。
【0092】
増幅回路６０は、入力された電気信号を増幅する。増幅回路６０は、例えばトランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）である。増幅回路６０には、例えば、出力信号ＩＯＵＴｂ１～１２のいずれかに対応する１種類の信号ＩＮが入力される。キャパシタ６１の一方電極は、増幅回路６０の出力に接続され、キャパシタ６１の他方電極は、ＡＤＣ６２の入力に接続される。キャパシタ６１は、増幅回路６０から入力された電気信号の直流成分を除去して、ＡＤＣ６２に出力する。つまり、キャパシタ６１は、増幅回路６０とＡＤＣ６２との間でＡＣカップリングを形成している。ＡＤＣ６２は、入力されたアナログ電気信号をデジタル電気信号に変換する。ＡＤＣ６２は、信号ＩＮに基づく出力信号ＯＵＴを計測部４０に出力する。
【0093】
以上で説明された信号処理部ＳＰの構成は、あくまで一例である。信号処理部ＳＰは、複数のＡＤＣを含んでいても良い。信号処理部ＳＰに含まれた各構成は、計測部４０に含まれていても良い。信号処理部ＳＰにおいて、１つまたは複数のＡＤＣが、アナログ－デジタル変換処理を逐次実行しても良い。
【0094】
図２０は、第１実施形態の変形例に係る距離計測装置１Ａにおける光検出器３２の受光結果に対するＡＣカップリングの効果の一例を示すタイムチャートである。図２０のタイムチャートの縦軸は、画素ＰＸの出力信号に基づく輝度を示している。図２０（１）は、ＡＣカップリングの前の各画素ＰＸの出力（受光結果）の一例を示している。図２０（２）は、ＡＣカップリングの後の各画素ＰＸの出力の一例を示している。
【0095】
図２０（１）に示すように、ＡＣカップリングの前の各画素ＰＸの出力の輝度値（電圧値）は、ゼロ以上で変動している。これに対して、ＡＣカップリングの後の平均出力電圧は、ゼロになる。具体的には、図２０（２）に示すように、ＡＣカップリングの前の各画素ＰＸの出力が、全体的に下がる。そして、平均の出力電圧が、ノイズ部分と反射光Ｌ２に基づくピーク部分とを含めた領域でゼロになる。ＡＣカップリングは、ＤＣ成分を遮断して後段にそれを伝達しない。ＤＣ成分は、第１実施形態に記したフロアノイズの平均値に概ね該当するため、ＡＣカップリングの後の出力は、輝度値からフロアノイズの平均値を減じられたものに相当する。
【0096】
その結果、第１実施形態の変形例に係る距離計測装置１Ａは、フロアノイズ分を差し引くことにより、ＡＣカップリングの後の出力信号におけるＳ／Ｎ比を改善させることが出来る。そして、このようにＳ／Ｎ比が改善された出力信号が、例えばＡＤＣ６２に入力され、第１実施形態で説明されたアナログ－デジタル変換が実行される。
【0097】
［２］第２実施形態
第２実施形態に係る距離計測装置２は、第１実施形態に係る距離計測装置１と同様の構成を備える。第２実施形態は、第１実施形態で説明されたステップＳ１２３～Ｓ１２５の処理の詳細に関する。以下に、第２実施形態に係る距離計測装置２について、第１実施形態と異なる点を説明する。
第２実施形態に係る距離計測装置２は、第１実施形態に係る距離計測装置１と同様の構成を備える。第２実施形態は、第１実施形態で説明されたステップＳ１２３～Ｓ１２５の処理の詳細に関する。以下に、第２実施形態に係る距離計測装置２について、第１実施形態と異なる点を説明する。
【0098】
［２－１］動作
図２１は、第２実施形態に係る距離計測装置１における分割平均を用いたフロアノイズ値の算出方法を説明するためのタイムチャートである。図２１に示すように、フロアノイズ値の算出には、分割平均が使用されても良い。フロアノイズ値の算出に分割平均が使用される場合、サンプリング期間内の所定の期間が、複数の領域に分割される。本例では、説明を簡潔にするために、当該所定の期間が領域ＲＧ１～ＲＧ５に分割された場合について説明する。本実施形態では、第１実施形態の変形例と同じく、図１９の信号処理部を有する、ＡＣカップリングの構成を採用しても、採用しなくてもよい。
図２１は、第２実施形態に係る距離計測装置１における分割平均を用いたフロアノイズ値の算出方法を説明するためのタイムチャートである。図２１に示すように、フロアノイズ値の算出には、分割平均が使用されても良い。フロアノイズ値の算出に分割平均が使用される場合、サンプリング期間内の所定の期間が、複数の領域に分割される。本例では、説明を簡潔にするために、当該所定の期間が領域ＲＧ１～ＲＧ５に分割された場合について説明する。本実施形態では、第１実施形態の変形例と同じく、図１９の信号処理部を有する、ＡＣカップリングの構成を採用しても、採用しなくてもよい。
【0099】
分割平均では、底部算出部４３１が、領域ＲＧ１～ＲＧ５毎の信号の最小値及び最大値を検出する。そして、底部算出部４３１が、領域ＲＧ１～ＲＧ５毎に、信号の最大値及び最小値の差を計算する。それから、底部算出部４３１が、領域ＲＧ１～ＲＧ５毎に算出された信号の最大値及び最小値の差の平均値を算出する。底部算出部４３１は、このように算出された平均値を、フロアノイズ値として取り扱う。
【0100】
尚、反射光Ｌ２が検出される期間は、サンプリング期間内で極めて短い期間に相当する。このため、底部算出部４３１は、所定の期間を適切に設定することによって、反射光Ｌ２の信号がフロアノイズ値に与える影響を小さくすることが出来る。分割平均においてフロアノイズ値の算出に使用される所定の期間の長さ及び位置は、距離計測装置１の設計に応じて変更され得る。底部算出部４３１は、フロアノイズ値の算出に、サンプリング期間の全体を所定の期間として設定しても良いし、サンプリング期間の一部を所定の期間として設定しても良い。分割平均における所定の期間の分割数は、４つ以下又は６つ以上であっても良い。
【0101】
図２２は、第１実施形態に係る距離計測装置１における各領域ＡＲ～ＨＲの受光結果の一例を示すタイムチャートである。図２２に示された３つのタイムチャートの縦軸は、受光結果に基づいた積算データＳＤの輝度を示している。図２２（１）は、領域ＥＲにおける積算データＳＤｃの一例を示している。図２２（２）は、領域ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＦＲ及びＩＲにおける積算データＳＤｐの一例を示している。図２２（３）は、領域ＤＲ、ＧＲ及びＨＲにおける積算データＳＤｐの一例を示している。図２２（１）に示されたピーク値及びフロアノイズ値をそれぞれ“Ｐ１”及び“Ｎ１”と呼ぶ。図２２（２）に示されたピーク値及びフロアノイズ値をそれぞれ“Ｐ２”及び“Ｎ２”と呼ぶ。図２２（１）に示されたピーク値及びフロアノイズ値をそれぞれ“Ｐ３”及び“Ｎ３”と呼ぶ。
【0102】
図２２に示す一例では、“１－（Ｐ２／Ｐ１）”の絶対値が、“１－（Ｐ３／Ｐ１）”の絶対値よりも小さく、“１－（Ｎ２／Ｎ１）”の絶対値が、“１－（Ｎ３／Ｎ１）”の絶対値よりも小さい。“１－ＲＶ１”の絶対値が小さいほど、積算データＳＤｃ及びＳＤｐのフロアノイズ値の類似性が高いことを示している。“１－ＲＶ２”の絶対値が小さいほど、積算データＳＤｃ及びＳＤｐのピーク値の類似性が高いことを示している。一般に、昼間など明るい場合には、太陽光に基づくフロアノイズ値が大きい。この場合に、解析部４３が、そのフロアノイズ値に基づく類似性の指標により、２つの画素に対応する対象が同一か否かを判別し易い。しかし、ピーク値は、pile upを起こし易く、解析部４３は、pile upしている値を基に、類似性を判別できない。逆に、夜間など暗い場合には、太陽光に基づくフロアノイズ値が小さい。この場合に、解析部４３が、そのフロアノイズ値を基に類似性を判断し難い。一方で、ピーク値はpile upし難くなり、解析部４３は、そのフロアノイズ値に基づく類似性の指標により、２つの画素に対応する対象が同一か否かを判別し易い。フロアノイズ値とピーク値の両方について、その類似性が高いと考えられる場合は、明るい場合と暗い場合とのいずれにおいても、２つの画素に対応する対象が同一である可能性が高い。なお、同一でない、異なる対象からの反射光の積算データは、ノイズでしかない。 つまり、領域ＥＲにおける積算データＳＤｃは、領域ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＥＲ及びＩＲのそれぞれの積算データＳＤｐとの類似度が高い。一方で、領域ＥＲにおける積算データＳＤｃは、領域ＤＲ、ＧＲ及びＨＲのそれぞれの積算データＳＤｐとの類似度が低い。この場合、重み値生成部４３３は、例えば、領域ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＥＲ及びＩＲのそれぞれから取得される積算データＳＤｐの重み値を大きく設定し、領域ＤＲ、ＧＲ及びＨＲのそれぞれから取得される積算データＳＤｐの重み値を小さく設定する。尚、重み値は、例えば類似度が高いほど大きく設定されるが、部分的な例外も許容され得る。
【0103】
図２３は、第１実施形態に係る距離計測装置１における重み値を用いた積算結果の一例を示すタイムチャートである。図２３（１）～（３）は、それぞれ図２２（１）～（３）に対応している。図２３（４）は、積算部４４により算出された積算データＳＤｗの一例を示している。図２３に示すように、領域ＥＲから取得された積算データＳＤｃに領域内の他の領域から取得された積算データＳＤｐが、重み値に基づいて累積される。
【0104】
本例では、領域ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＥＲ及びＩＲのそれぞれから取得される積算データＳＤｐの類似度が高いことから、領域ＡＲ、ＢＲ、ＣＲ、ＥＲ及びＩＲのそれぞれから取得された積算データＳＤｐが、例えば高い重み値で積算データＳＤｃに累積される。領域ＤＲ、ＧＲ及びＨＲのそれぞれから取得された積算データＳＤｐの類似度が低いことから、領域ＤＲ、ＧＲ及びＨＲのそれぞれから取得される積算データＳＤｐが、例えば低い重み値で積算データＳＤｃに累積される。
【0105】
類似度の高い積算データＳＤｐの重み値に基づく累積は、同じ対象からの反射光Ｌ２、すなわち信号Ｓのピーク値を加算することが出来、積算データＳＤｗにおける反射光Ｌ２のＳ／Ｎ比を高くすることが出来る。一方で、類似度の低い積算データＳＤｐ、つまりノイズＮの可能性の高いデータの重み値に基づく累積は、積算データＳＤｗに与える変化が小さいため、積算データＳＤｗにおける反射光Ｌ２のＳ／Ｎ比の悪化を抑制することが出来る。そして、距離計測部４５が、積算データＳＤｗから、反射光Ｌ２に対応する突出部を検出して、当該突出部に基づいて受光時刻Ｔ２を算出する。それから、距離計測部４５が、出射時刻Ｔ１及び受光時刻Ｔ２に基づいてターゲットの測定点における距離値を算出する。
【0106】
［２－２］第２実施形態の効果
以上で説明されたように、第２実施形態に係る距離計測装置２は、間欠的にレーザ光（出射光Ｌ１）を出射しつつ所定の領域のスキャンを実行する出射部２０と、出射光Ｌ１毎に反射光Ｌ２を受ける受光部３０と、受光部３０の受光結果に基づいて対象物ＴＧとの距離を算出する計測部４０とを含む。計測部４０は、同じフレーム内で、光源２３から第１方向に照射された出射光Ｌ１に対応する第１デジタル信号（積算データＳＤｃ）と、第１方向の近傍に照射された複数の出射光Ｌ１に対応する複数の第２デジタル信号（積算データＳＤｐ）から正しくフロアノイズの影響を除去し、その除去された結果の類似性に基づいて、複数の第２デジタル信号の重み値を生成する。そして、計測部４０が、重み値に基づいて各第２デジタル信号を第１デジタル信号に累積する。
以上で説明されたように、第２実施形態に係る距離計測装置２は、間欠的にレーザ光（出射光Ｌ１）を出射しつつ所定の領域のスキャンを実行する出射部２０と、出射光Ｌ１毎に反射光Ｌ２を受ける受光部３０と、受光部３０の受光結果に基づいて対象物ＴＧとの距離を算出する計測部４０とを含む。計測部４０は、同じフレーム内で、光源２３から第１方向に照射された出射光Ｌ１に対応する第１デジタル信号（積算データＳＤｃ）と、第１方向の近傍に照射された複数の出射光Ｌ１に対応する複数の第２デジタル信号（積算データＳＤｐ）から正しくフロアノイズの影響を除去し、その除去された結果の類似性に基づいて、複数の第２デジタル信号の重み値を生成する。そして、計測部４０が、重み値に基づいて各第２デジタル信号を第１デジタル信号に累積する。
【0107】
これにより、第２実施形態に係る距離計測装置２は、複数の第２デジタル信号を、フロアノイズが低減された状態で類似度に基づいて、第１デジタル信号に累積させることが出来る。累積結果に対応する第３デジタル信号（積算データＳＤｗ）のＳ／Ｎ比は、第１デジタル信号よりも高くなる。その結果、計測部４０が、第１方向に照射された出射光Ｌ１の反射光Ｌ２に基づく突出部を第３デジタル信号から容易に検出することが出来、受光時刻Ｔ２の計測精度が向上する。従って、第２実施形態に係る距離計測装置２は、ＴｏＦ方式に基づく距離の計測精度を向上させることが出来る。
【0108】
［３］第３実施形態
第３実施形態に係る距離計測装置３は、第１実施形態に係る距離計測装置１と同様の構成を備える。そして、第３実施形態に係る距離計測装置３は、環境光の強さに応じて、フロアノイズ値の算出に用いるアルゴリズムを変更する。以下に、第３実施形態に係る距離計測装置２について、第１及び第２実施形態と異なる点を説明する。
第３実施形態に係る距離計測装置３は、第１実施形態に係る距離計測装置１と同様の構成を備える。そして、第３実施形態に係る距離計測装置３は、環境光の強さに応じて、フロアノイズ値の算出に用いるアルゴリズムを変更する。以下に、第３実施形態に係る距離計測装置２について、第１及び第２実施形態と異なる点を説明する。
【0109】
［３－１］動作
［３－１－１］環境光の感度
図２４は、第３実施形態に係る距離計測装置３における環境光起因の励起フォトン数に対する環境光の受光結果の変化の一例を示すグラフである。図２４に示されたグラフにおいて、横軸は環境光起因の励起フォトン数／ｎｓを示し、縦軸は測定結果に対応する信号の強度を示している。図２４に示すように、受光結果に対応する信号の強度は、環境光が強くなるほど単調増加で高くなる傾向がある。
［３－１－１］環境光の感度
図２４は、第３実施形態に係る距離計測装置３における環境光起因の励起フォトン数に対する環境光の受光結果の変化の一例を示すグラフである。図２４に示されたグラフにおいて、横軸は環境光起因の励起フォトン数／ｎｓを示し、縦軸は測定結果に対応する信号の強度を示している。図２４に示すように、受光結果に対応する信号の強度は、環境光が強くなるほど単調増加で高くなる傾向がある。
【0110】
図２５は、第３実施形態に係る距離計測装置３におけるアルゴリズム毎のノイズ値の変化の一例を示すグラフである。図２５に示されたグラフにおいて、横軸は環境光起因の励起フォトン数／ｎｓを示し、縦軸は測定結果の標準偏差／Δ環境光起因の励起フォトン数を示している。図２５に示されたグラフの意味は、環境光ノイズが増加分に対する、環境光のばらつき増加の程度を表しており、縦軸の値が小さい程望ましい。尚、図２５に示されたグラフの横軸のスケールは、図２４に示されたグラフの横軸のスケールと同じである。また、当該グラフにおいて、細線が単純平均のデータを示し、破線が分割平均のデータを示している。
【0111】
単純平均のデータは、環境光起因の励起フォトン数／ｎｓに依存して、凹状の傾向を有している。分割平均のデータは、図２４のグラフと同じ条件による分割平均の算出結果に対する標準偏差に対応している。分割平均のデータは、環境光起因の励起フォトン数／ｎｓに依存して、凸状の傾向を有している。図２５に示されたデータは、数値が小さい方が対象物ＴＧの検出がし易いことを意味している。すなわち、単純平均を用いた場合の対象物ＴＧの感度は、環境光が大／小の両端で悪くなっている。分割平均を用いた場合の対象物ＴＧの感度は、環境光が大／小の両端で、単純平均よりも良好になっている。
【0112】
言い換えると、環境光の強さに応じて、低い方から順に第１条件、第２条件及び第３条件を定義された場合、第１条件における対象物ＴＧの感度は、単純平均よりも分割平均の方が良好である。第２条件における対象物ＴＧの感度は、分割平均よりも単純平均の方が良好である。第３条件における対象物ＴＧの感度は、単純平均よりも分割平均の方が良好である。
【0113】
環境光が極めて少ない場合、分割平均は、ＳｉＰＭセンサのダークカウントの程度を求めることに該当し、通常の平均値より大きな値を取る。一方、その場合、環境光ノイズの影響も、通常の平均値による推定より大きくなり（量子的な効果）、結果として、分割平均の方が、通常の平均より、正しく環境光の影響を反映する。また、分割平均の方が、環境光の変化を安定的に表し、例えば、分割平均を用いることにより、画素間の類似性の判別などがし易くなる。
【0114】
一方、環境光が極めて強い場合は、パイルアップが著しくなり、平均値が、環境光の変化に鈍感になる。しかし、分割平均の方は、環境光の変化により敏感であり、分割平均の方が、通常の平均より、正しく環境光の影響を反映すると、考えられる。
【0115】
［３－１－２］アルゴリズムの選択方法
図２６は、第３実施形態に係る距離計測装置３の計測動作におけるフロアノイズ値の計算に使用されるアルゴリズムの選択方法の一例を示すフローチャートである。図２６に示すように、計測動作が開始して、記憶部４２に積算データＳＤが蓄積されると（開始）、底部算出部４３１が、フロアノイズの大きさＶＮを確認する（Ｓ２０）。
図２６は、第３実施形態に係る距離計測装置３の計測動作におけるフロアノイズ値の計算に使用されるアルゴリズムの選択方法の一例を示すフローチャートである。図２６に示すように、計測動作が開始して、記憶部４２に積算データＳＤが蓄積されると（開始）、底部算出部４３１が、フロアノイズの大きさＶＮを確認する（Ｓ２０）。
【0116】
そして、底部算出部４３１が、ＶＮが第１の閾値ＶＮref１よりも大きいか否かを確認する（Ｓ２１）。ＶＮ＞ＶＮref１が満たされない場合（Ｓ２１、ＮＯ）、底部算出部４３１が、フロアノイズ値の算出に、分割平均を使用する（Ｓ２２）。ＶＮ＞ＶＮref１が満たされる場合（Ｓ２１、ＹＥＳ）、続けて底部算出部４３１は、ＶＮが第２の閾値ＶＮref２よりも大きいか否かを確認する（Ｓ２３）。ＶＮ＞ＶＮref２が満たされない場合（Ｓ２３、ＮＯ）、底部算出部４３１が、フロアノイズ値の算出に、単純平均を使用する（Ｓ２４）。ＶＮ＞ＶＮref２が満たされる場合（Ｓ２３、ＹＥＳ）、底部算出部４３１が、フロアノイズ値の算出に、分割平均を使用する（Ｓ２５）。
【0117】
尚、ＶＮref１は、図２５に示された第１条件と第２条件との境界近傍に設定されることが好ましい。ＶＮref２は、図２５に示された第２条件と第３条件との境界近傍に設定されることが好ましい。第３実施形態に係る距離計測装置２は、フロアノイズ値の算出に使用するアルゴリズムを、少なくとも２種類使用していれば良い。例えば、距離計測装置２は、第２条件と第３条件との場合分けを省略し、環境光の光量が第１条件に対応する場合に分割平均を使用し、第２条件に対応する場合に単純平均を使用しても良い。距離計測装置２は、第１条件と第２条件との場合分けを省略し、環境光の光量が第２条件に対応する場合に単純平均を使用し、第３条件に対応する場合に分割平均を使用しても良い。
【0118】
［３－２］第３実施形態の効果
距離計測装置において、例えば角度分解能を向上させるためには、画素ＰＸを小さくすることが好ましい。しかしながら、画素ＰＸが小さくなる、すなわち各画素ＰＸが含むＳＰＡＤの数が少なくなると、環境光の影響が大きくなる。特に２Ｄセンサでは、環境光によるＳ／Ｎ比の悪化や信号の飽和によって、測距精度が低下するおそれがある。また、環境光の大きさの値（フロアノイズ値）は、例えば第１実施形態で説明された距離値の算出に使用される。このため、環境光の測定精度は、高められることが好ましい。
距離計測装置において、例えば角度分解能を向上させるためには、画素ＰＸを小さくすることが好ましい。しかしながら、画素ＰＸが小さくなる、すなわち各画素ＰＸが含むＳＰＡＤの数が少なくなると、環境光の影響が大きくなる。特に２Ｄセンサでは、環境光によるＳ／Ｎ比の悪化や信号の飽和によって、測距精度が低下するおそれがある。また、環境光の大きさの値（フロアノイズ値）は、例えば第１実施形態で説明された距離値の算出に使用される。このため、環境光の測定精度は、高められることが好ましい。
【0119】
これに対して、第３実施形態に係る距離計測装置３は、積算データＳＤの底部の値の大きさに応じて、フロアノイズ値の計算に使用されるアルゴリズムを変更する。言い換えると、第３実施形態に係る距離計測装置３は、環境光の強さに応じて、フロアノイズ値の算出に最適なアルゴリズムを選択する。
【0120】
このように、フロアノイズ値を算出するアルゴリズムが変更されることによって、積算データＳＤｐの解析精度が向上する。つまり、第３実施形態に係る距離計測装置３は、重み値の算出に用いるフロアノイズ値を最適な値にすることが出来、積算データＳＤｗのＳ／Ｎ比を向上させることが出来る。その結果、第３実施形態に係る距離計測装置３は、第１実施形態よりも、ＴｏＦ方式に基づく距離の計測精度を向上させることが出来る。
【0121】
［４］第４実施形態
第４実施形態に係る距離計測装置４は、第１実施形態に係る距離計測装置１と同様の構成を備える。そして、第４実施形態に係る距離計測装置４は、積算データＳＤｗの解析結果に基づいて積算データＳＤｃを参照することにより、ターゲットの測定点の距離値を算出する。以下に、第４実施形態に係る距離計測装置４について、第１～第３実施形態と異なる点を説明する。
第４実施形態に係る距離計測装置４は、第１実施形態に係る距離計測装置１と同様の構成を備える。そして、第４実施形態に係る距離計測装置４は、積算データＳＤｗの解析結果に基づいて積算データＳＤｃを参照することにより、ターゲットの測定点の距離値を算出する。以下に、第４実施形態に係る距離計測装置４について、第１～第３実施形態と異なる点を説明する。
【0122】
［４－１］動作
図２７は、第４実施形態に係る距離計測装置４の計測動作の一例を示すフローチャートである。図２７に示すように、第４実施形態における計測動作のフローチャートは、第１実施形態における計測動作のフローチャートのステップＳ１４がステップＳ３０及びＳ３１に置き換えられた構成を有する。
図２７は、第４実施形態に係る距離計測装置４の計測動作の一例を示すフローチャートである。図２７に示すように、第４実施形態における計測動作のフローチャートは、第１実施形態における計測動作のフローチャートのステップＳ１４がステップＳ３０及びＳ３１に置き換えられた構成を有する。
【0123】
具体的には、ステップＳ１３の処理において積算部４４が積算データＳＤｗを取得した後に、距離計測部４５が、積算データＳＤｗの突出部に基づいて受光期間ＤＰを算出する（Ｓ３０）。そして、距離計測部４５が、積算データＳＤｃの受光期間ＤＰ内の突出部に基づいて、受光時刻Ｔ２を算出する（Ｓ３１）。その後、距離計測部４５が、ターゲットの測定点の出射時刻Ｔ１と、Ｓ４０の処理により算出された受光時刻Ｔ２とに基づいて、当該測定点の距離値を計測する（Ｓ１５）。第４実施形態におけるその他の動作は、第１実施形態と同様である。
【0124】
図２８は、第４実施形態に係る距離計測装置４における積算データの一例を示すタイムチャートである。図２８に示された２つのタイムチャートの縦軸は、受光結果に基づいた積算データＳＤの輝度を示している。図２８（１）は、算出された積算データＳＤｗの一例を示している。図２８（２）は、当該積算データＳＤｗに関連付けられた積算データＳＤｃの一例を示している。
【0125】
図２８（１）に示すように、例えば突出部検出部４３２が、積算部４４により算出された積算データＳＤｗから、反射光Ｌ２を含むと推測される受光期間ＤＰを抽出する。そして、距離計測部４５が、図２８（２）に示すように、当該積算データＳＤｗに関連付けられた積算データＳＤｃにおいて、受光期間ＤＰに対応する部分を参照する。それから、距離計測部４５が、受光期間ＤＰ内の検出結果（突出部）に基づいて、反射光Ｌ２の受光時刻Ｔ２を算出する。言い換えると、距離計測部４５は、積算データＳＤｗにおける突出部に対応する期間に基づいて、累積前の積算データＳＤｃから受光時刻Ｔ２を算出する。
【0126】
［４－２］第４実施形態の効果
以上で説明されたように、第４実施形態に係る距離計測装置４は、積算データＳＤｗの突出部の位置を検出した後に、当該位置に基づいて、累積前の積算データＳＤｃから受光時刻Ｔ２を算出する。これにより、第４実施形態に係る距離計測装置４は、累積前の積算データＳＤｃにおける受光時刻Ｔ２の算出においても、ランダムなノイズ成分の影響を抑制することが出来る。第４実施形態に係る距離計測装置４は、周囲の積算データＳＤｐの影響を含まない、積算データＳＤｃを用いて距離を計測することが出来るため、対象が細かい凹凸を有す場合に、測距結果は、その凹凸を表す様な、細かい距離の違いを反映することが出来る。その結果、第１実施形態よりも立体的で、解像感の高い測距結果を得ることが出来る。
以上で説明されたように、第４実施形態に係る距離計測装置４は、積算データＳＤｗの突出部の位置を検出した後に、当該位置に基づいて、累積前の積算データＳＤｃから受光時刻Ｔ２を算出する。これにより、第４実施形態に係る距離計測装置４は、累積前の積算データＳＤｃにおける受光時刻Ｔ２の算出においても、ランダムなノイズ成分の影響を抑制することが出来る。第４実施形態に係る距離計測装置４は、周囲の積算データＳＤｐの影響を含まない、積算データＳＤｃを用いて距離を計測することが出来るため、対象が細かい凹凸を有す場合に、測距結果は、その凹凸を表す様な、細かい距離の違いを反映することが出来る。その結果、第１実施形態よりも立体的で、解像感の高い測距結果を得ることが出来る。
【0127】
［５］第５実施形態
第５実施形態に係る距離計測装置５は、積算データＳＤｃ及びＳＤｐに基づいて信頼度を算出し、算出した信頼度に基づいて測距結果を確定させる。以下に、第５実施形態に係る距離計測装置２について、第１～第４実施形態と異なる点を説明する。
第５実施形態に係る距離計測装置５は、積算データＳＤｃ及びＳＤｐに基づいて信頼度を算出し、算出した信頼度に基づいて測距結果を確定させる。以下に、第５実施形態に係る距離計測装置２について、第１～第４実施形態と異なる点を説明する。
【0128】
［５－１］構成
図２９は、第５実施形態に係る距離計測装置５における計測部４０の構成の一例を示すブロック図である。図２９に示すように、第５実施形態における計測部４０は、第１実施形態における計測部４０の解析部４３に信頼度生成部４３４が追加された構成を有する。
図２９は、第５実施形態に係る距離計測装置５における計測部４０の構成の一例を示すブロック図である。図２９に示すように、第５実施形態における計測部４０は、第１実施形態における計測部４０の解析部４３に信頼度生成部４３４が追加された構成を有する。
【0129】
信頼度生成部４３４は、積算データＳＤｃ及びＳＤｐの類似性に基づいて、信頼度を生成する。信頼度生成部４３４は、信頼度の生成に、後述する第１平均化アルゴリズム又は第２平均化アルゴリズムを使用する。第５実施形態に係る距離計測装置５のその他の構成は、第１実施形態に係る距離計測装置１と同様である。
【0130】
［５－２］動作
第５実施形態に係る距離計測装置５は、信頼度に基づいて測距結果を確定させる。簡潔に述べると、距離計測部４５が、積算データＳＤｗから抽出された複数のピークから、信頼度が最も高いピークを採用する。そして、距離計測部４５が、採用したピークに対応する突出部分に基づいて受光時刻Ｔ２を計測し、測距結果を確定させる。以下に、信頼度に関する第１及び第２平均化アルゴリズムについて順に説明する。
第５実施形態に係る距離計測装置５は、信頼度に基づいて測距結果を確定させる。簡潔に述べると、距離計測部４５が、積算データＳＤｗから抽出された複数のピークから、信頼度が最も高いピークを採用する。そして、距離計測部４５が、採用したピークに対応する突出部分に基づいて受光時刻Ｔ２を計測し、測距結果を確定させる。以下に、信頼度に関する第１及び第２平均化アルゴリズムについて順に説明する。
【0131】
［５－２－１］平均化と信頼度推定
１平均化アルゴリズムは、信号の強度と環境光情報とを使用してターゲットの反射データを認識することによって、積算データを選択的に蓄積する。以下に、第１平均化アルゴリズムに基づく平均化と、その後の信頼度の算出フローの一例について説明する。
１平均化アルゴリズムは、信号の強度と環境光情報とを使用してターゲットの反射データを認識することによって、積算データを選択的に蓄積する。以下に、第１平均化アルゴリズムに基づく平均化と、その後の信頼度の算出フローの一例について説明する。
【0132】
図３０は、第５実施形態に係る距離計測装置５の平均化と信頼度の算出フローの一例を示す概略図である。図３０に示すように、受光部３０が反射光Ｌ２を受けると、信号処理部ＳＰがＡＤ変換を実行する（Ｓ４０）。ＡＤ変換により得られたデジタルデータは計測部４０に転送され、単純積算部４１が測定点毎の単純積算データを出力し、出力された単純積算データを記憶部４２が記憶する。そして、解析部４３が、平均化アルゴリズムに基づいた平均化処理を実行する（Ｓ４１）。
【0133】
平均化アルゴリズムにおいて、突出部検出部４３２は、現在のフレームの積算データから、ピークの候補を抽出する。本例では、突出部検出部４３２が、現在のフレームの累積結果の出力候補として、２つのピークＰ１及びＰ２を選択している。そして、信頼度生成部４２４が、積算部４４によって生成された積算データＳＤｗに対して、後述するＲ２に基づく信頼度Ｒ２を算出する（Ｓ４２）。それから、距離計測部４５が、積算データＳＤｗに付加された信頼度Ｒ２に基づいて、出力候補のピークを選択、或いは棄却する（Ｓ４３）。
【0134】
信頼度に関連する数式について、以下に説明する。
【0135】
【数1】
【0136】
数式（１）は、閾値ｋを用いて、２点の距離データが同じか否かを決める関数である。“ｉ”は、測距するターゲットの測定点の識別子（ＩＤ）を示している。“ｊ”は、領域内のターゲット以外の測定点のＩＤを示している。ｐ（ｉ，ｊ）は、例えば、距離値Ｄｉと距離値Ｄｊとの距離が“ｋ”以内であれば“１”を示し、“ｋ”より大きければ“０”を示す。距離値Ｄｉは、ターゲットの測定点の測距結果に対応している。距離値Ｄｊは、クラスタ内のターゲット以外の測定点の測距結果に対応している。“ｋ”は、０を超える数値であり、例えば２メートルである。
【0137】
【数2】
【0138】
数式（２）は、クラスタのサイズを示す関数である。Ｎｉは、ターゲットの測定点から所定範囲Ａ内の測定点のうち、ターゲットの測定点の距離値Ｄｉとの差が所定の“ｋ”以内である距離値Ｄｊを有する測定点の数を示している。
【0139】
【数3】
【0140】
数式（３）は、信頼度Ｒ２を与える関数である。信頼度Ｒ２ｉは、ターゲットの測定点から所定範囲Ａ内の他の測定点のうち、ターゲットの測定点と距離が等しいと考えられる測定点の、信号値Ｌｊの２乗平均に基づく値である。信号値Ｌｊは、ターゲットの測定点の距離値Ｄｉとの差が閾値ｋ以内である距離値Ｄｊを有する測定点に対応している。
【0141】
以上で説明された数式（１）～（３）に基づいて、信頼度生成部４３４が、ターゲットの測定点における信頼度Ｒ２を算出する。本例では、ピークＰ１の信頼度Ｒ２が“１２２”になり、ピークＰ２の信頼度Ｒ２が“１０１”になっている。この場合、距離計測部４５は、信頼度Ｒ２がピークＰ２よりも高いピークＰ１を、受光時刻Ｔ２の計測に採用する。
【0142】
［５－２－２］フレーム間平均化アルゴリズム
フレーム間平均化アルゴリズムは、前のフレームで測定された距離と動きに応じて検索ウィンドウを定義して、現在のフレームのウィンドウ内で検出された戻り値（ピーク）から追加の出力候補を選択する。そして、フレーム間平均化アルゴリズムでは、前のフレームからの情報を含めるように拡張された信頼度Ｒ３に従ってピークが選択される。以下に、フレーム間平均化アルゴリズムに基づく信頼度の算出フローの一例について説明する。
フレーム間平均化アルゴリズムは、前のフレームで測定された距離と動きに応じて検索ウィンドウを定義して、現在のフレームのウィンドウ内で検出された戻り値（ピーク）から追加の出力候補を選択する。そして、フレーム間平均化アルゴリズムでは、前のフレームからの情報を含めるように拡張された信頼度Ｒ３に従ってピークが選択される。以下に、フレーム間平均化アルゴリズムに基づく信頼度の算出フローの一例について説明する。
【0143】
図３１は、第５実施形態に係る距離計測装置５のフレーム間平均化アルゴリズムに基づく信頼度の算出フローの一例を示す概略図である。図３１に示すように、受光部３０が反射光Ｌ２を受けると、信号処理部ＳＰがＡＤ変換を実行する（Ｓ５０）。ＡＤ変換により得られたデジタルデータは計測部４０に転送され、記憶部４２が、複数フレーム分の測定点毎の積算データを記憶する。そして、解析部４３が、フレーム間平均化アルゴリズムに基づいた平均化処理を実行する（Ｓ５１）。
【0144】
フレーム間平均化アルゴリズムにおいて、突出部検出部４３２は、現在のフレームの積算データで、先の平均化アルゴリズムと同様に、ピークの候補を抽出する。本例では、突出部検出部４３２が、現在のフレームの累積結果の出力候補として２つのピークＰ１及びＰ２を選択している。さらに、距離計測部４５が、前のフレームで検出されたピークに基づいて検索ウインドウＷ１～Ｗ３を定義する。例えば、距離計測部４５が、現在のフレームにおいて、検索ウインドウＷ１～Ｗ３内で検出されたピークＰ３及びＰ４を追加する。それから、信頼度生成部４３４が、フレーム間平均化アルゴリズムを介した積算データＳＤｗに対して、後述するＲ３に基づく信頼度を算出する（Ｓ５２）。その後、距離計測部４５が、積算データに付与された信頼度に基づいて、距離データを選択・棄却する（Ｓ５３）。
【0145】
フレーム間平均化アルゴリズムに関連する数式について、以下に説明する。
【0146】
【数4】
【0147】
数式（４）は、信頼度Ｒ３を算出するための関数である。“ｉ”は、ターゲットの測定点のＩＤを示している。“ａ”は、現在のフレームにおいて抽出されたピークのＩＤを示している。Ｒ２i,a
2は、先の平均化アルゴリズムにおける信頼度Ｒ２に対応している。つまり、Ｒ２i,a
2は、現在のフレームの測距結果が信頼性に与える純粋な重み値を示している。ＲＰi,a
2は、前のフレームの測距結果に基づいて追加された重み値を示している。
【0148】
【数5】
【0149】
数式（５）は、２つの距離値が同じであるかどうかを判断するための関数である。“ｋｓ（Ｄ１）”は、フレーム間平均化アルゴリズムにおける閾値に対応しており、“Ｄ１”の関数である。Ｐｓ（Ｄ１，Ｄ２）は、例えば、距離値Ｄ１と距離値Ｄ２との距離が“ｋｓ（Ｄ１）”以内であれば“１”を示し、“ｋｓ（Ｄ１）”より大きければ“０”を示す。
【0150】
【数6】
【0151】
数式（６）は、フレーム間平均化アルゴリズムにおける信頼度Ｒ２を算出するための関数である。“Ｎ”は、現在のフレームのＩＤを示している。つまり、“Ｎ－１”は、１つ前のフレームのＩＤを示し、“Ｎ－２”は、２つ前のフレームのＩＤを示している。“Ｓｓ（ｊ）”は、現在のフレームにおいて抽出されたピークのセットを示している。“ｂ”は、１つ前のフレームにおいて抽出されたピークのＩＤを示している。
【0152】
つまり、Ｌ（ｊ，ｂ，Ｎ）は、現在のフレームにおける、１つ前のフレームで抽出されたピークのＩＤの輝度を示している。“Ｄ（ｉ，ａ，Ｎ）”は、現在のフレームにおいて抽出されたピークのうちターゲットの測定点に対応する距離値を示している。“Ｄ（ｊ，ｂ，Ｎ）”は、現在のフレームにおいて抽出されたピークのうち１つ前のフレームにおいて信頼度の高いピークの距離値を示している。
【0153】
【数7】
【0154】
数式（７）は、検索ウインドウを定義するための関数である。検索ウインドウは、連続した２つのフレームで取得された距離値の変化量ΔＤによって決定される。例えば、ΔＤは、前のフレームと２つ前のフレームとの距離値の差を表している。つまり、ΔＤは、対象物ＴＧの動き（速度）を表している。速度が小さいほど、検索ウインドウが狭くなり、環境光の影響が抑制される。
【0155】
【数8】
【0156】
数式（８）は、検索ウインドウの設定条件を示す関数である。ｋｓ（Ｄ１）は、ターゲットの測定点における距離値に基づいて算出された閾値である。Ｃ１×ΔＤ２は、領域内の他の測定点における距離値が、所定の定数Ｃ１で倍された数値である。
【0157】
【数9】
【0158】
数式（９）は、前のフレームの測距結果に基づいて追加される重み値を算出するための関数である。“Ｂ”は、１つ前のフレームにおける領域内の複数の測定点を示している。ｂ’は、２つ前のフレームにおいて抽出された信頼度の高いピークのＩＤを示している。つまり、“Ｄ（ｊ，ｂ'，Ｎ－２）”は、２つ前のフレームにおいて、抽出されたピークのうち信頼度の高いピークの距離値を示している。
【0159】
以上で説明された数式（４）～（９）に基づいて、信頼度生成部４３４は、ターゲットの測定点における信頼度Ｒ３を算出する。本例では、ピークＰ１～Ｐ４の信頼度Ｒ３が、それぞれ“１２２”、“１０１”、“１２０”、及び“１５６”になっている。この場合、距離計測部４５は、信頼度Ｒ２が他のピークよりも高いピークＰ４を、受光時刻Ｔ２の計測に採用する。
【0160】
［５－３］第５実施形態の効果
以上で説明されたように、信頼度が使用されることによって、ターゲットからの反射データが、積算データＳＤｗにおいて抽出される。つまり、ターゲットからの反射光Ｌ２を含む可能性が高い突出部分が、積算データＳＤｗにおいて抽出される。その結果、第５実施形態に係る距離計測装置５は、反射光Ｌ２の検出精度を向上させることが出来、距離の計測精度を向上させることが出来る。
以上で説明されたように、信頼度が使用されることによって、ターゲットからの反射データが、積算データＳＤｗにおいて抽出される。つまり、ターゲットからの反射光Ｌ２を含む可能性が高い突出部分が、積算データＳＤｗにおいて抽出される。その結果、第５実施形態に係る距離計測装置５は、反射光Ｌ２の検出精度を向上させることが出来、距離の計測精度を向上させることが出来る。
【0161】
［６］その他
第１実施形態では、制御部１０が、出射光Ｌ１の出射時刻Ｔ１を計測部４０に通知する場合について例示したが、これに限定されない。出射時刻Ｔ１は、出射光Ｌ１が出射部２０内で分光され、分光された出射光Ｌ１が受光部３０に設けられたセンサによって検出された時刻に基づいて設定されても良い。この場合、出射時刻Ｔ１は、受光部３０から計測部４０に通知される。また、距離計測装置１は、出射部２０と受光部３０との間で同軸の光学系を使用しても良い。この場合、反射光Ｌ２は、出射部２０のミラー２５及び光学系２４を介して、光検出器３２に入射する。
第１実施形態では、制御部１０が、出射光Ｌ１の出射時刻Ｔ１を計測部４０に通知する場合について例示したが、これに限定されない。出射時刻Ｔ１は、出射光Ｌ１が出射部２０内で分光され、分光された出射光Ｌ１が受光部３０に設けられたセンサによって検出された時刻に基づいて設定されても良い。この場合、出射時刻Ｔ１は、受光部３０から計測部４０に通知される。また、距離計測装置１は、出射部２０と受光部３０との間で同軸の光学系を使用しても良い。この場合、反射光Ｌ２は、出射部２０のミラー２５及び光学系２４を介して、光検出器３２に入射する。
【0162】
第１実施形態に係る距離計測装置１の構成は、あくまで一例である。例えば、出力回路３３に含まれた信号処理部ＳＰは、ＡＤＣとＴＤＣとの両方を含んでいても良い。信号処理部ＳＰがＡＤＣ及びＴＤＣを含む場合に、アクティブ領域ＡＡ内の複数の画素ＰＸが、ＡＤＣによってデジタル信号に変換される画素ＰＸのグループと、ＴＤＣによってデジタル信号に変換される画素ＰＸのグループとに分類されても良い。ＡＣカップリングを使用しない場合に、キャパシタ６１が省略されても良い。
【0163】
第１実施形態に係る距離計測装置１の各構成の分類は、その他の分類であっても良い。計測部４０は、上記実施形態で説明された動作を実現することが可能であれば、その他の分類であっても良い。制御部１０に含まれたＣＰＵは、その他の回路であっても良い。例えば、ＣＰＵの替わりに、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）等が使用されても良い。また、各実施形態において説明された処理のそれぞれは、専用のハードウェアによって実現されても良い。ソフトウェアにより実行される処理と、ハードウェアによって実行される処理とが混在していても良いし、どちらか一方のみであっても良い。各実施形態において、動作の説明に用いたフローチャートでは、処理の順番が可能な範囲で入れ替えられても良いし、その他の処理が追加されても良い。
【0164】
上記実施形態は、組み合わせることが可能である。例えば、第２実施形態は、第３～第５実施形態とのいずれとも組み合わされ得る。第３実施形態は、第４及び第５実施形態のいずれとも組み合わされ得る。第４実施形態は、第５実施形態と組み合わされ得る。さらに、３つ以上の実施形態が組み合わされても良い。複数の実施形態が組み合わされた距離計測装置は、組み合わされた実施形態のそれぞれの効果を得ることが出来る。
【0165】
本明細書において“アクティブ領域ＡＡ”は、受光領域と呼ばれても良い。制御部１０の制御に基づきパルス信号が入力された光源２３が出射する出射光Ｌ１が、パルス信号と呼ばれても良い。“パルス幅”は、例えば、対象のパルス信号の半値幅で算出される。“デジタル信号”は、例えば光検出器３２の出力（受光結果）がアナログ－デジタル変換、又は時間－デジタル変換された信号のことを示している。“輝度”は、光検出器３２の出力に基づく信号の大きさのことを示しており、その他の単位に置き換えられても良い。制御部１０及び計測部４０の組が、“制御回路”又は“コントローラ”と呼ばれても良い。この場合、距離計測装置１のコントローラが、計測動作に関する各構成の制御と、計測部４０による距離値の算出との両方を実行する。“累積”は、“積算”と同義である。
【0166】
本明細書において、“積算データＳＤ”は、反射光Ｌ２の受光結果を含むデジタル信号と呼ばれても良い。“デジタル信号の底部”は、当該デジタル信号に含まれたフロアノイズのことを示している。“底部の値”は、例えば、１回の計測時間における輝度の時間平均値である。つまり、“デジタル信号の底部の値”は、例えば、１回の計測時間に対応する積算データＳＤにおける、輝度の時間平均値のことを示している。“１回の計測時間”は、１回のサンプリング期間に対応している。“底部から突出している部分の値”は、例えば、反射光Ｌ２の受光結果を含むデジタル信号のうち反射光Ｌ２の受光結果に対応する突出部の輝度のことを示している。尚、“底部から突出している部分の値”は、当該突出部のピーク値に限定されず、突出部の輝度が利用された値であれば良い。“信号のピーク”は、受光結果を含むデジタル信号の底部からの突出部において、最も高い輝度の部分のことを示している。
【0167】
本明細書において“Ｈ”レベルの電圧は、ゲートに当該電圧が印加されたＮ型のトランジスタがオン状態になり、ゲートに当該電圧が印加されたＰ型のトランジスタがオフ状態になる電圧である。“Ｌ”レベルの電圧は、ゲートに当該電圧が印加されたＮ型のトランジスタがオフ状態になり、ゲートに当該電圧が印加されたＰ型のトランジスタがオン状態になる電圧である。
【0168】
本明細書において“接続”とは、電気的に接続されている事を示し、例えば間に別の素子を介することを除外しない。また、明細書において“オン状態”とは、対応するトランジスタのゲートに当該トランジスタの閾値電圧以上の電圧が印加されていることを示している。“オフ状態”とは、対応するトランジスタのゲートに当該トランジスタの閾値電圧未満の電圧が印加されていることを示し、例えばトランジスタのリーク電流のような微少な電流が流れることを除外しない。
【0169】
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され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、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、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】
【0170】
１～６…距離計測装置、１０…制御部、２０…出射部、２１…駆動回路、２２…駆動回路、２３…光源、２４…光学系、２５…ミラー、３０…受光部、３１…光学系、３２…光検出器、３３…出力回路、４０…計測部、４１…単純積算部、４２…記憶部、４３…解析部、４４…積算部、４５…距離計測部、４３１…底部算出部、４３２…突出部検出部、４３３…重み値生成部、５０…基板、５１…Ｐ型半導体層、５２…Ｐ型半導体層、５３…Ｎ型半導体層、ＩＯＵＴ…出力信号、Ｌ１…出射光、Ｌ２…反射光、ＰＸ…画素、Ｔ１…出射時刻、Ｔ２…受光時刻
【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】
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【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
