JP2019015697A - 距離測定装置及び移動体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】測定可能な距離に関して、広角な視野角を有する距離測定装置、及び、当該距離測定装置を備える移動体装置を提供する。【解決手段】本開示の距離測定装置は、測定対象物に対してレーザ光を照射するレーザ照射部、及び、測定対象物で反射されたレーザ光を画素単位で受光する受光素子を含むレーザ受光部、を備える。そして、受光素子の単位画素のピッチが、受光画素エリア内の場所によって異なる。本開示の移動体装置は、上記の構成の距離測定装置を搭載している。【選択図】 図５

Description

本開示は、距離測定装置及び移動体装置に関する。

測定対象物までの距離を測定する距離測定装置（測距装置と呼称される場合もある）で用いる測定法の一つとして、測定対象物に向けて照射したレーザ光が、当該測定対象物で反射されて戻ってくるまでの時間を測定するＴＯＦ（time of flight：飛行時間）法が広く知られている。測定対象物からの反射光を受光する受光素子としては、例えば、単位画素（以下、単に「画素」と記述する場合がある）が２次元アレイ状に配置されて成るセンサを用いることができる。２次元アレイセンサは、一般的に、各画素が等間隔ピッチで配置された構成となっている（例えば、非特許文献１，２参照）。

非特許文献１には、レーザビームをスキャンする方式において、受光素子に２次元アレイセンサを用いるレーザスキャン方式ＴＯＦ型センサが開示されている。また、非特許文献２には、Ｆｌａｓｈ ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）と呼称される方式で、カメラと同じように、面照射光源を用いて測定対象物にレーザ光を照射し、当該測定対象物からの反射光を２次元アレイセンサで受光するＦｌａｓｈレーザレーダシステムが開示されている。

Christiano Niclass,et.al,"Design and characterization of a 256x64-pixel single-photon imager in CMOS for a MEMS based laser scanning time-of-flight sensor",21 May 2012/Vol.20,No.11/OPTICS EXPRESS 11864 Dries,John C.,Brian Miles,and Roger Stettner."A 32x32 pixel FLASH laser radar system incorporating InGaAs PIN and APD detectors.",Defense and Security.International Society for Optics and Photonics,2004.

ところで、受光素子に２次元アレイセンサを用いない距離測定装置の代表例として、レーザ光を回転ミラー等の走査機構でスキャンし、測定対象物から戻ってくる反射光を、単体画素の受光素子で受光する距離測定装置がある。この種の距離測定装置の場合、走査機構がメカ式であり、駆動部分が多いために、大きく、高価であり、長期信頼性にも課題がある。このような観点から、受光素子に２次元アレイセンサを用いる距離測定装置が開発され、将来技術として有望視されている。

しかしながら、特に受光素子に２次元アレイセンサを用いる従来の距離測定装置では、２次元アレイセンサの各画素が等間隔ピッチで配置されているために、受光素子の中央部から周縁部に行くに従って、受光素子の各画素に入射する反射光の入射角度が狭まる。それと同時に、受光素子の各画素に入射する反射光の光量も、各画素のなす立体角に応じて減少し、その分だけ受光素子の周縁部の感度が低下するために、受光素子の中央部と周縁部との感度差が大きくなる。その結果、測定可能な距離が受光素子の周縁部ほど短くなるために、測定可能な視野角が狭まる。

そこで、本開示は、測定可能な距離に関して、広角な視野角を有する距離測定装置、及び、当該距離測定装置を備える移動体装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本開示の距離測定装置は、
測定対象物に対してレーザ光を照射するレーザ照射部、及び、
測定対象物で反射されたレーザ光を画素単位で受光する受光素子を含むレーザ受光部、
を備え、
受光素子の単位画素のピッチが、受光画素エリア内の場所によって異なる。

また、上記の目的を達成するための本開示の移動体装置は、
測定対象物に対してレーザ光を照射するレーザ照射部、及び、
測定対象物で反射されたレーザ光を画素単位で受光する受光素子を含むレーザ受光部、
を備え、
受光素子の単位画素のピッチが、受光画素エリア内の場所によって異なる、
距離測定装置を搭載している。

受光素子の単位画素のピッチが受光画素エリア内の場所によって異なるということは、受光画素エリア全体で単位画素のピッチが等間隔でないということである。例えば、受光素子の中央部と周縁部とで単位画素のピッチを異ならせる、具体的には、受光素子の中央部から周縁部に行くに従って単位画素のピッチが広がるようにすることで、受光素子の中央部と周縁部との感度差を小さくすることができる。

本開示によれば、受光素子の中央部と周縁部との感度差を小さくすることができるために、測定可能な距離に関して、広角な視野角とすることができる。尚、ここに記載された効果に必ずしも限定されるものではなく、本明細書中に記載されたいずれかの効果であってもよい。また、本明細書に記載された効果はあくまで例示であって、これに限定されるものではなく、また付加的な効果があってもよい。

図１は、本発明の一実施形態に係る距離測定装置を示す概略構成図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る距離測定装置の基本的な構成を示すブロック図である。 図３Ａは、参考例１に係る受光素子の画素配列を示す平面図であり、図３Ｂは、参考例１に係る受光素子の画素配列の場合の各画素に入射する反射光の入射角度についての説明図である。 図４は、参考例２に係るレーザビームスキャン法の距離測定装置を示す概略構成図である。 図５は、実施例１に係る受光素子の画素配列を示す平面図である。 図６は、実施例１に係る受光素子の画素配列の場合の各画素に入射する反射光の入射角度についての説明図である。 図７Ａは、実施例２に係る受光素子の画素配列を示す平面図（その１）であり、図７Ｂは、実施例２に係る受光素子の画素配列を示す平面図（その２）である。 図８は、実施例３に係る受光素子の画素配列を示す平面図である。 図９Ａは、実施例４に係るレーザ受光部の積層構造の概略を示す分解斜視図であり、図９Ｂは、実施例４に係る積層構造のレーザ受光部における単位画素と回路部との接続関係を示す概略側面図である。 図１０は、実施例５に係る受光素子の画素配列を示す平面図である。 図１１は、実施例６に係る受光素子の概略構成図である。 図１２は、距離測定装置を搭載した本開示の移動体装置の一例である自動車を示す概略平面図である。

以下、本開示の技術を実施するための形態（以下、「実施形態」と記述する）について図面を用いて詳細に説明する。本開示の技術は実施形態に限定されるものではなく、実施形態における種々の数値等は例示である。以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。尚、説明は以下の順序で行う。
１．本開示の距離測定装置及び移動体装置、全般に関する説明
２．実施形態に係る距離測定装置
２−１．参考例１（単位画素のピッチが等間隔である場合の例）
２−２．参考例２（１次元アレイセンサを用いたレーザビームスキャン法の例）
２−３．実施例１（２次元アレイセンサの場合の例）
２−４．実施例２（画素ピッチを画素単位で異ならせる場合の例）
２−５．実施例３（画素ピッチをブロック単位で異ならせる場合の例）
２−６．実施例４（レーザ受光部が積層構造の場合の例）
２−７．実施例５（単位画素が複数の副画素から成る場合の例）
３．変形例
３−１．変形例１
３−２．変形例２
４．本開示の移動体装置
４−１．具体例（移動体装置が自動車の場合の例）
５．本開示がとることができる構成

＜本開示の距離測定装置及び移動体装置、全般に関する説明＞
本開示の距離測定装置及び移動体装置にあっては、受光素子の中央部から周縁部に行くに従って単位画素のピッチが広がる構成とすることができる。このとき、画素単位で単位画素のピッチが異なる構成、あるいは又、隣接する複数の単位画素を１ブロックとするとき、ブロック単位で単位画素のピッチが異なる構成とすることができる。

上述した好ましい構成を含む本開示の距離測定装置及び移動体装置にあっては、受光素子が、第１の方向及び当該第２の方向に交差する第２の方向において２次元配置されて成る２次元アレイセンサである構成とすることができる。このとき、第１の方向及び第２の方向の少なくとも一方において、受光素子の単位画素のピッチが異なる構成とすることができる。

更に、上述した好ましい構成を含む本開示の距離測定装置及び移動体装置にあっては、受光素子の単位画素のサイズが、受光画素エリア内の場所によって異なる構成とすることができる。ここで、単位画素のサイズとは、単位画素の受光面のサイズを言う。

更に、上述した好ましい構成を含む本開示の距離測定装置及び移動体装置にあっては、レーザ受光部について、受光素子の各単位画素の信号を処理する回路部を画素毎に有する構成とすることができる。このとき、単位画素を第１の基板上に形成し、回路部を第２の基板上に形成し、第１の基板と第２の基板とを積層した積層構造とすることが好ましい。また、積層構造を採ることで、第１の基板上に形成された単位画素のピッチと、第２の基板上に形成された回路部のピッチとを異ならせることができる。

更に、上述した好ましい構成を含む本開示の距離測定装置及び移動体装置にあっては、受光素子について、一定のピッチで配列された複数の副画素から成り、単位画素が、互いに隣接する任意の個数の副画素から成る構成とすることができる。このとき、単位画素のピッチは、副画素のピッチ及び単位画素を構成する副画素の個数によって決まることになる。

また、本開示の距離測定装置及び移動体装置にあっては、レーザ照射部について、レーザ光を等角度ピッチでスキャンしつつ測定対象物に照射する構成とすることができる。このとき、単位画素については、レーザ光の等角度ピッチに対応したピッチ配列となっていることが好ましい。また、受光素子については、その受光面がレーザ受光部の光軸に対して湾曲していることが好ましい。

＜実施形態に係る距離測定装置＞
図１は、本発明の一実施形態に係る距離測定装置を示す概略構成図であり、図２は、本発明の一実施形態に係る距離測定装置の基本的な構成を示すブロック図である。

本発明の一実施形態に係る距離測定装置１は、測定対象物１０までの距離を測定する測定法として、測定対象物１０に向けて照射したレーザ光が、当該測定対象物１０で反射されて戻ってくるまでの時間を測定するＴＯＦ法（飛行時間法）を採用している。ＴＯＦ法による距離測定を実現するために、本実施形態に係る距離測定装置１は、レーザ照射部２０、レーザ受光部３０、及び、制御部４０を備えている。

レーザ照射部２０は、レーザドライバ２１、レーザ光源２２、及び、拡散レンズ２３を有し、測定対象物１０に対してレーザ光を照射する。レーザドライバ２１は、制御部４０による制御の下に、レーザ光源２２を駆動する。レーザ光源２２は、例えば半導体レーザから成り、レーザドライバ２１によって駆動されることによりレーザ光を出射する。拡散レンズ２３は、レーザ光源２２から出射されたレーザ光を拡散し、測定対象物１０に対して面照射する。

レーザ受光部３０は、受光レンズ３１、受光素子３２、及び、受光回路３３を有し、レーザ照射部２０による照射レーザ光に基づいて、測定対象物１０で反射されて戻ってくる反射レーザ光を受光する。受光レンズ３１は、測定対象物１０からの反射レーザ光を受光素子３２の受光面上に集光する。受光素子３２は、受光レンズ３１を経た測定対象物１０からの反射レーザ光を画素単位で受光し、光電変換する。

受光回路３３は、制御部４０による制御の下に、受光素子３２から受光出力を受けることで、レーザ照射部２０が測定対象物１０に向けて照射したレーザ光が、当該測定対象物１０で反射されて戻ってくるまでの時間ｔを測定する。ここで、測定対象物１０までの距離をＬとし、光速をｃとすると、測定対象物１０までの距離Ｌは、次式から求めることができる。
Ｌ＝（ｃ×ｔ）／２

制御部４０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理ユニット）等によって構成され、レーザ照射部２０及びレーザ受光部３０を制御する。尚、上記した例では、レーザ照射部２０が測定対象物１０に向けて照射したレーザ光が、当該測定対象物１０で反射されて戻ってくるまでの時間ｔの測定を、受光回路３３において実行するとしたが、制御部４０において実行するようにすることも可能である。

上述した構成の距離測定装置１において、本実施形態では、受光素子３２の単位画素のピッチが、受光画素エリア内の場所によって異なることを特徴としている。ここで、「受光画素エリア」とは、測定対象物１０からの反射レーザ光を受光する単位画素が配置された領域を言う。

受光素子３２としては、単位画素が２次元アレイ状に配置されて成る２次元アレイセンサ（所謂、エリアセンサ）を用いることもできるし、単位画素が直線状に配置されて成る１次元アレイセンサ（所謂、ラインセンサ）を用いることもできる。受光素子３２として２次元アレイセンサを用い、レーザ照射部２０による面照射によって画素毎の同時計測により、距離画像を動画像として取得することができる。

また、単位画素の光電変換素子としては、逆電圧を印加することにより光電流が増倍される高速・高感度のアバランシェ・フォトダイオード（avalanche photodiode：ＡＰＤ）や、単一フォトンの検出を行うＳＰＡＤ（single photon avalanche diode）等を例示することができる。

受光素子３２の単位画素のピッチが受光画素エリア内の場所によって異なるということは、受光画素エリア全体で単位画素のピッチが等間隔でないということである。例えば、受光素子３２の中央部と周縁部とで単位画素のピッチを異ならせる、具体的には、受光素子３２の中央部から周縁部に行くに従って単位画素のピッチが広がるようにすることで、受光素子３２の中央部と周縁部との感度差を小さくすることができる。これにより、測定可能な距離に関して、広角な視野角とすることができる。

［参考例１］
ここで、受光画素エリア全体で単位画素のピッチが等間隔である従来技術に係る距離測定装置の場合の受光素子の画素配列について、参考例１として説明する。参考例１に係る受光素子の画素配列の平面図を図３Ａに示す。また、参考例１に係る受光素子の画素配列の場合の各画素に入射する反射光の入射角度についての説明図を図３Ｂに示す。

図３Ａに示すように、複数の単位画素５０が行列状に２次元配置されて成る２次元アレイセンサにおいて、参考例１に係る受光素子３２の画素配列では、単位画素５０のピッチ（画素ピッチ）が、受光画素エリア全体で等間隔ｐ₀に設定されている。

このように、画素ピッチが受光画素エリア全体で等間隔である場合、図３Ｂから明らかなように、受光素子３２の中央部から周縁部に行くに従って、受光素子３２の各画素５０に入射する、測定対象物１０からの反射光の入射角度が狭まる。それと同時に、測定対象物１０の反射面を平面としたときに、測定対象物１０から受光素子３２の各画素５０に至る反射光の光路長が、受光素子３２の中央部から周縁部に行くに従って長くなる。これにより、受光素子３２の各画素５０に入射する反射光の光量も、各画素５０のなす立体角に応じて減少するために、その分だけ受光素子３２の周縁部の感度が低下する。

上述したように、受光素子３２に入射する反射光の角度ピッチが、受光素子３２の画素ピッチで支配されるため、受光素子３２の中央部と周縁部との感度差が大きくなる。これにより、測定可能な距離が受光素子３２の周縁部ほど短くなるために、測定可能な視野角が狭まる。受光素子３２に入射する反射光の角度ピッチが、受光素子３２の画素ピッチで支配されることは、画素ピッチが受光画素エリア全体で等間隔である限り避けられない。これは、受光素子３２が２次元アレイセンサであっても、１次元アレイセンサであっても同じである。

距離測定装置については、例えば、自動運転等を目的として自動車に搭載されて用いることができる。この場合の距離測定装置（距離測定システム）では、３６０度の測距視野（撮像視野）ＦｏＶ（Field of View）が要求される。３６０度の測距視野ＦｏＶを４つの距離測定装置で分割して分担するとした場合でも、最低でも、９０度、死角の低減を考慮したり、妥当なオーバーラップ領域を確保したりするためには、１００度以上の測距視野ＦｏＶが要求される。

画素ピッチが受光画素エリア全体で等間隔の２次元アレイセンサから成る受光素子３２では、測距視野ＦｏＶを１００度にすると、例えば、受光素子３２の中央部では０．２４度の角度ピッチだったものが、受光素子３２の周縁部では０．１１度となる。これにより、感度では約半分になり、受光素子３２の中央部と周縁部との感度差が約２倍となる。

［参考例２］
続いて、受光素子３２が１次元アレイセンサから成る、レーザビームスキャン法の距離測定装置について、参考例２として説明する。参考例２に係るレーザビームスキャン法の距離測定装置の概略構成図を図４に示す。

レーザビームスキャン法の距離測定装置は、例えば、レーザ光源２２から出射されたレーザビーム（レーザ光）をビーム走査部２４でスキャンし、測定対象物で反射されて戻ってくるビームをミラー２５で反射して受光素子３２に導く構成となっている。ビーム走査部２４は、回転ミラーやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を含む走査機構や、測定対象物で反射されて戻ってくるビームを分離してミラー２５に導くビームスプリッター等によって構成される。参考例２に係るレーザビームスキャン法の場合、受光素子３２は単体画素から成る。

このレーザビームスキャン法の距離測定装置では、通常、レーザビームのスキャンが同一間隔の角度ピッチ（等角度ピッチ）で行われるため、視野の中央部でも端部でも等間隔のデータ取得が可能である。しかし、走査機構がメカ式であるために、大きく、高価であり、長期信頼性にも課題がある。また、画素ピッチに合わせて、レーザビームのスキャンピッチとレーザビームの射出タイミングとを一致させるように、非線形な制御が必要となるために、その制御が非常に複雑になる。特に、回転ミラーやＭＥＭＳのような回転や振動によるメカ式の走査機構では、スキャン角速度の制御は一層困難であり、測定可能な距離に関して、広角な視野角を有する距離測定装置を実現することは難しい。

上記の参考例１や参考例２の問題点に鑑み、本実施形態においては、測定可能な距離に関して、広角な視野角を実現するようにしている。具体的には、本実施形態では、受光素子３２の画素配列について、単位画素５０のピッチを、受光画素エリア内の場所によって異なるようにしている。受光素子３２については、２次元アレイセンサであってもよいし、１次元アレイセンサであってもよい。以下に、受光素子３２の画素配列の具体的な実施例について説明する。

［実施例１］
実施例１は、受光素子３２が２次元アレイセンサの場合の例である。実施例１に係る受光素子の画素配列の平面図を図５に示す。尚、図５では、単位画素５０の平面形状を正方形として図示しているが、正方形に限られるものではなく、長方形や六角形（ハニカム）等の他の形状であってもよい。

図５に示すように、実施例１に係る受光素子３２は、複数の単位画素５０が行列状に２次元配置されて成る２次元アレイセンサである。そして、単位画素５０のピッチ（画素ピッチ）を、受光画素エリア内の場所によって異ならせた画素配列となっている。具体的には、実施例１に係る受光素子３２の画素配列では、受光素子３２に入射する反射光の角度ピッチが、受光素子３２の画素ピッチで支配されることから、各画素５０に対する反射光の入射角度が一定の角度になるように画素ピッチを変化させている。

一例として、実施例１に係る受光素子３２の画素配列では、受光画素エリアにおいて、中央部から周縁部に向かって画素ピッチをｐ₁，ｐ₂，ｐ₃，・・・，ｐ_n-1，ｐ_nとするとき、ｐ₁＜ｐ₂＜ｐ₃，・・・，ｐ_n-1＜ｐ_nとなるように、画素ピッチを設定している。すなわち、実施例１に係る受光素子３２では、受光画素エリアにおいて、中央部から周縁部に行くに従って、画素ピッチが徐々に広がる画素配列とすることで、各画素５０に対する反射光の入射角度が一定の角度になるようにすることができる。

上述したように、実施例１に係る受光素子３２の画素配列では、受光画素エリアにおいて、受光素子３２の各画素５０に対する反射光の入射角度が一定の角度になるように、画素ピッチを画素単位で異ならせている（変化させている）。これにより、受光素子３２の中央部と周縁部との感度差を小さくすることができるために、測定可能な距離に関して、広角な視野角とすることができる。

尚、実施例１では、２次元アレイセンサから成る受光素子３２において、行方向（第１の方向）及び列方向（第２の方向）の両方向で画素ピッチを異ならせるとしたが、両方向に限られるものではなく、行方向及び列方向の少なくとも一方で画素ピッチを異ならせる構成を採るようにすればよい。また、行方向及び列方向の両方向で画素ピッチを異ならせる構成を採る場合に、行方向の画素ピッチと列方向の画素ピッチとを、必ずしも同じ（同一ピッチ）にする必要はない。

また、実施例１では、単位画素５０のサイズ（受光面のサイズ）を、全画素で同一サイズとしているが、受光画素エリア内の場所によって異なるサイズ設定とすることも可能である。単位画素５０のサイズを、受光画素エリア内の場所によって異なる設定とすることに伴う作用、効果については、後述する実施例２において説明することとする。

実施例１に係る受光素子３２の画素配列において、各画素５０に入射する反射光の入射角度について、図６を用いて説明する。図６は、実施例１に係る受光素子３２の画素配列における各画素５０に入射する反射光の入射角度についての説明図である。

ここで、レーザ受光部３０におけるレンズ光学系の焦点距離をｆ、各画素５０に入射する反射光の角度ピッチ（角度分解能）をΔθ、画素ピッチをΔｐとする。尚、図５では、画素ピッチについてΔを省略して図示している。また、図５及び図６では、受光素子３２の中心部に位置する画素番号をｘ₁とし、最端部に位置する画素番号をｘ_nとしている。

受光素子３２の中心部に位置する画素ｘ₁の画素ピッチｐ₁は、
ｐ₁＝｛ｔａｎ（Δθ）−ｔａｎ（０）｝×ｆ
と表され、中心部からｉ番目の画素ｘ_iの画素ピッチｐ_iは、
ｐ_i＝｛ｔａｎ（ｉ×Δθ）−ｔａｎ（（ｉ−１）×Δθ）｝×ｆ
と表される。

以上の関係式が成り立つように、画素ピッチを受光画素エリア内で変化させる。但し、完全に当該関係式に基づいたピッチに従う必要は無く、受光素子３２の中央部（中心部）から周縁部（最端部）に行くにつれて画素ピッチが少なくとも広がる画素配列であれば、所期の目的を達成することができる。

ここで、実施例１に係る受光素子３２の画素配列における画素ピッチの設定について、数値例を挙げて具体的に説明する。例えば、必要な測距視野ＦｏＶを１００度、角度ピッチΔθを０．２度、レンズ光学系の焦点距離ｆを１７ｍｍとする。このとき、中心部に位置する画素ｘ₁の画素ピッチｐ₁は、
ｐ₁＝（ｔａｎ０．２−ｔａｎ０）×１７ｍｍ
≒５９μｍ
となる。また、ｎ＝２５０とするとき、最端部に位置する画素ｘ_nの画素ピッチｐ_nは、
ｐ_n＝（ｔａｎ５０−ｔａｎ４９．８）×１７ｍｍ
≒１４３μｍ
となる。

［実施例２］
実施例２は、１次元アレイセンサから成る受光素子３２において、画素ピッチを画素単位で異ならせる場合の例である。実施例２に係る受光素子３２の画素配列の平面図（その１）を図７Ａに示し、実施例２に係る受光素子３２の画素配列の平面図（その２）を図７Ｂに示す。尚、図７Ａ及び図７Ｂでは、単位画素５０の平面形状を長方形として図示しているが、長方形に限られるものではなく、正方形や六角形等の他の形状であってもよい。

図７Ａに示す画素配列は、受光素子３２の単位画素５０を行方向において（行方向に沿って）例えば２列に配列した１次元アレイセンサの例であり、図７Ｂに示す画素配列は、受光素子３２の単位画素５０を列方向において（列方向に沿って）例えば２列に配列した１次元アレイセンサの例である。

実施例２に係る受光素子３２の画素配列では、図７Ａ及び図７Ｂに示す１次元アレイセンサから成る受光素子３２において、各単位画素５０に対する反射光の入射角度が一定の角度になるように画素ピッチを異ならせている。一例として、受光画素エリアにおいて、中央部から周縁部に向かって画素ピッチをｐ₁，ｐ₂，ｐ₃，・・・，ｐ_n-1，ｐ_nとするとき、ｐ₁＜ｐ₂＜ｐ₃，・・・，ｐ_n-1＜ｐ_nとなるように、画素ピッチを設定している。

上述したように、実施例２に係る受光素子３２の画素配列では、受光画素エリアにおいて、受光素子３２の各画素５０に対する反射光の入射角度が一定の角度になるように、画素ピッチを画素単位で異ならせている（変化させている）。これにより、受光素子３２の中央部と周縁部との感度差を小さくすることができるために、測定可能な距離に関して、広角な視野角とすることができる。

更に、実施例２に係る受光素子３２の画素配列では、受光素子３２の単位画素５０のサイズ（受光面のサイズ）を、受光画素エリア内の場所によって異ならせている。図７Ａに示す１次元アレイセンサから成る受光素子３２の場合には、一例として、単位画素５０の列方向の寸法ｘを各画素で同じとし、中央部から周縁部に向かって、行方向の寸法をy₁，y₂，y₃，・・・，y_n-1，y_nとするとき、y₁＜y₂＜y₃，・・・，y_n-1＜y_nとなるように、行方向の寸法を設定している。

図７Ｂに示す１次元アレイセンサから成る受光素子３２の場合には、一例として、単位画素５０の行方向の寸法ｘを各画素で同じとし、中央部から周縁部に向かって、列方向の寸法をy₁，y₂，y₃，・・・，y_n-1，y_nとするとき、y₁＜y₂＜y₃，・・・，y_n-1＜y_nとなるように、行方向の寸法を設定している。すなわち、図７Ａ、図７Ｂのいずれの場合にも、受光画素エリアにおいて、単位画素５０のサイズを、中央部から周縁部に向かって大きくなるように設定している。

先述したように、測定対象物から受光素子３２の各画素５０に至る反射光の光路長が、受光素子３２の中央部から周縁部に行くに従って長くなることで、各画素５０に入射する反射光の光量が、各画素５０のなす立体角に応じて減少し、その分だけ受光素子３２の周縁部の感度が低下する。これにより、受光素子３２の中央部と周縁部との感度差が大きくなる。その結果、測定可能な距離が受光素子３２の周縁部ほど短くなるために、測定可能な視野角が狭まる。

これに対し、実施例２に係る受光素子３２の画素配列では、受光画素エリアにおいて、単位画素５０のサイズを、中央部から周縁部に向かって大きくなるように設定している。これにより、測定対象物から受光素子３２の各画素５０に至る反射光の光路長が、受光素子３２の中央部から周縁部に行くに従って長くなることに伴う光量の減少を補うことができるため、受光素子３２の中央部と周縁部との感度差を小さくすることができる。

単位画素５０のサイズを、中央部から周縁部に向かって大きくなるように設定するに当たっては、各画素サイズについては、受光素子３２の中央部から周縁部に行くに従って長くなる反射光の光路長の変化の度合いに応じて設定することが好ましい。

［実施例３］
実施例３は、１次元アレイセンサから成る受光素子３２において、画素ピッチをブロック単位で異ならせる場合の例である。実施例３に係る受光素子３２の画素配列の平面図を図８に示す。尚、図８では、単位画素５０の平面形状を長方形として図示しているが、長方形に限られるものではなく、正方形や六角形等の他の形状であってもよい。

実施例３に係る受光素子３２の画素配列は、単位画素５０を行方向において（行方向に沿って）例えば２列に配列した１次元アレイセンサの例である。この１次元アレイセンサにおいて、互いに隣接する任意の個数の単位画素５０、例えば３つの単位画素５０を１ブロックとしている。すなわち、中央部から周縁部に向かって、３つの単位画素５０を単位として、ブロック１、ブロック２、ブロック３、・・・、ブロックｍとしている。各ブロック内において、３つの単位画素５０のピッチ（行方向のサイズ）を同じとする。

そして、実施例３に係る受光素子３２の画素配列では、ブロック１の画素ピッチをｐ₁、ブロック２の画素ピッチをｐ₂、・・・、ブロックｍの画素ピッチをｐ_mとするとき、ｐ₁＜ｐ₂，・・・，ｐ_n-1＜ｐ_nとなるように、画素ピッチを設定している。すなわち、受光画素エリアにおいて、中央部から周縁部に行くに従って、画素ピッチがブロック単位で広がる画素配列としている。この場合、画素サイズについても、中央部から周縁部に行くに従って大きくなる。

上述したように、実施例３に係る受光素子３２の画素配列では、受光画素エリアにおいて、受光素子３２の各画素５０に対する反射光の入射角度が一定の角度になるように、画素ピッチをブロック単位で異ならせている（変化させている）。これにより、受光素子３２の中央部と周縁部との感度差を小さくすることができるために、測定可能な距離に関して、広角な視野角とすることができる。

尚、ここでは、単位画素５０を行方向において例えば２列に配列した１次元アレイセンサの場合を例に挙げて説明したが、単位画素５０を列方向において例えば２列に配列した１次元アレイセンサの場合においても、基本的に同様の構成を採ることで、同様の作用、効果を得ることができる。

［実施例４］
実施例４は、本実施形態に係る距離測定装置１のレーザ受光部３０が積層構造の場合の例である。実施例４に係る積層構造のレーザ受光部３０の分解斜視図を図９Ａに示し、実施例４に係る積層構造のレーザ受光部における単位画素と回路部との接続関係を図９Ｂに示す。

図７Ａに示すように、本実施形態に係る距離測定装置１のレーザ受光部３０は、受光素子３２を第１の基板６１上に形成し、受光回路３３を第２の基板６２上に形成し、第１の基板６１及び第２の基板６２を積層した積層構造となっている。より具体的には、第１の基板６１上には、受光素子３２の単位画素５０が形成されている。受光回路３３は、受光素子３２の各単位画素５０の信号を処理する回路部３３１を画素毎に有しており、第２の基板６２上には、受光回路３３の各回路部３３１が各々同程度の回路規模にて形成されている。

ここで、第１の基板６１上に単位画素５０が受光画素エリア全体に亘って等間隔で２次元配置されている場合（図３Ａ参照）には、第１の基板６１に対して積層された第２の基板６２上にも、受光回路３３の各回路部３３１が各単位画素５０に対応して、等間隔で２次元配置されることになる。このレーザ受光部３０が積層構造によれば、レーザ照射部２０による面照射に基づく各単位画素５０の信号を、受光回路３３の各回路部３３１によって同じタイミングで読み出して処理することができる。

実施例４に係る積層構造では、例えば実施例２の場合（図７Ａ及び図７Ｂ参照）のように、単位画素５０の画素ピッチ及び画素サイズを画素単位で変化させる場合において、図９Ｂに示すように、受光回路３３の各回路部３３１を同程度の回路規模とし、配線３３２の繋ぎのみで回路部３３１のピッチを変えるようにする。これは、レーザ受光部３０が積層構造であるが故に実現できる構造となる。

すなわち、実施例４に係る積層構造では、積層構造であるが故に、第１の基板６１上に形成された単位画素５０のピッチと、第２の基板６２上に形成された回路部のピッチ３３１とを、配線３３２の繋ぎのみで異ならせることができる。これにより、単位画素５０の画素ピッチが変わっても、受光回路３３の各回路部３３１の回路規模を一定に維持し、しかも、単位画素５０のピッチの影響を受けることなく、受光回路３３の各回路部３３１を第２の基板６２上に配置することができることになる。

［実施例５］
実施例５は、１次元アレイセンサから成る受光素子３２において、単位画素５０が複数の副画素から成る場合の例である。実施例５に係る受光素子３２の画素配列の平面図を図１０に示す。尚、図１０では、単位画素５０の平面形状を長方形として図示しているが、長方形に限られるものではなく、正方形や六角形等の他の形状であってもよい。

実施例５に係る受光素子３２の画素配列は、単位画素５０を構成する副画素５１を複数、行方向において（行方向に沿って）一定のピッチｐ₀で例えば１列に配列した１次元アレイセンサの例である。この１次元アレイセンサにおいて、単位画素５０は、複数の副画素５１のうち、互いに隣接する任意の個数の副画素５１から成る。このとき、任意の個数の副画素５１は、回路部３３１において、電気的に互いに並列に接続されることによって１つの単位画素５０として機能する。

図１０に示す例では、１次元アレイセンサから成る受光素子３２において、中央部から周縁部に向けて、単位画素５０を構成する副画素５１の個数を、２個、３個、４個、・・・としている。すなわち、センサ最中心の単位画素５０₁を２個の副画素５１で構成し、センサ中心から２番目の単位画素５０₂を３個の副画素５１で構成し、センサ中心から３番目の単位画素５０₃を４個の副画素５１で構成し、・・・、としている。

これにより、単位画素５０のピッチは、副画素５１のピッチｐ₀及び単位画素５０を構成する副画素５１の個数によって決まる。上記の例では、単位画素５０₁のピッチ（行方向の寸法）ｐ₁はｐ₀×２となり、単位画素５０₂のピッチｐ₂はｐ₀×３となり、単位画素５０₃のピッチｐ₃はｐ₀×３となり、・・・、という具合に、副画素５１のピッチｐ₀及び副画素５１の個数で決まる。

実施例５に係る受光素子３２の画素配列によれば、副画素５１のピッチｐ₀及び単位画素５０を構成する副画素５１の個数によって、単位画素５０₃のピッチを変えることができるとともに、単位画素５０₃のサイズ（受光面のサイズ）を変えることができる。そして、受光画素エリアにおいて、単位画素５０のピッチ及びサイズが、中央部から周縁部に向かって大きくなるように、単位画素５０を構成する副画素５１の個数を設定することにより、受光素子３２の中央部と周縁部との感度差を小さくすることができるために、測定可能な距離に関して、広角な視野角とすることができる。

尚、ここでは、単位画素５０を行方向において例えば１列に配列した１次元アレイセンサの場合を例に挙げて説明したが、単位画素５０を列方向において例えば１列に配列した１次元アレイセンサの場合においても、基本的に同様の構成を採ることで、同様の作用、効果を得ることができる。

＜変形例＞
以上、本開示の技術について、好ましい実施例に基づき説明したが、本開示の技術は当該実施例に限定されるものではない。上記の各実施例において説明した距離測定装置の構成、構造は例示であり、適宜、変更することができる。

［変形例１］
例えば、上記の各実施例では、レーザ光源２２が面光源である距離測定装置を例に挙げて説明したが、ＭＥＭＳやミラー、光学的フェーズドアレイ（optical phased array：ＯＰＡ）等によるレーザビームスキャン法の距離測定装置（図４参照）に対して本開示の技術を適用することができる。レーザビームスキャン法の距離測定装置の場合、レーザビームのスキャンが等角度ピッチ（同一間隔の角度ピッチ）で行われるため、当該等角度ピッチに対応した単位画素５０のピッチ配列とすることが好ましい。

［変形例２］
また、レーザ光を等角度ピッチでスキャンしつつ測定対象物に照射する距離測定装置において、受光素子３２について、図１１に示すように、その受光面をレーザ受光部３０の光軸Ｏに対して湾曲させて、単位画素５０のピッチをレーザ光の角度ピッチに対応させる構成とすることもできる。これにより、単位画素５０のピッチの変化量を少なくすることができる。受光素子３２の受光面を湾曲させることについては、例えば、受光素子３２のチップ（基板）を湾曲させることによって実現できる。

＜本開示の移動体装置＞
本開示の距離測定装置は、例えば、自動車、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、自動二輪車、自転車、パーソナルモビリティ、飛行機、ドローン、船舶、ロボット、建設機械、農業機械（トラクター）などのいずれかの種類の移動体装置に搭載して用いることができる。

［具体例］
ここでは、移動体装置の具体例として自動車を例示する。距離測定装置を搭載した本開示の移動体装置の一例である自動車の概略平面図を図１２に示す。

図１２に示すように、自動車１００は、自動運転等を目的として、車体１０１の例えば前方２箇所及び後方２箇所の計４箇所に距離測定装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｂを搭載している。尚、ここで例示した距離測定装置１の配置位置及び配置個数は一例であって、これに限定されるものではない。自動運転等を目的とする場合、３６０度の測距視野（撮像視野）ＦｏＶが要求されることから、距離測定装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｂはそれぞれ、３６０度の測距視野ＦｏＶを分割して分担する。

そして、前方左側の距離測定装置１Ａは、前方及び左側を走行する自動車との間の距離や、前方及び左側に位置する障害物等との間の距離を測定する。前方右側の距離測定装置１Ｂは、前方及び右側を走行する自動車との間の距離や、前方及び右側に位置する障害物等との間の距離を測定する。

後方左側の距離測定装置１Ｃは、後方及び左側を走行する自動車との間の距離や、後方及び左側に位置する障害物等との間の距離を測定する。後方右側の距離測定装置１Ｄは、後方及び右側を走行する自動車との間の距離や、後方及び右側に位置する障害物等との間の距離を測定する。

距離測定装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｂとして、本開示の距離測定装置１を用いることができる。先述したように、本開示の距離測定装置１は、受光素子の単位画素のピッチが受光画素エリア内の場所によって異なる。これにより、受光素子の中央部と周縁部との感度差を小さくすることができるために、測定可能な距離に関して、広角な視野角とすることができる。従って、自動運転等を目的とした自動車１００における距離測定装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｂとして、本開示の距離測定装置１を用いることで、周辺を走行する自動車や、周辺に位置する障害物等との間の距離を、より確実に測定することができるために、より安全な自動運転システム等の構築に寄与できる。

＜本開示がとることができる構成＞
尚、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
≪Ａ．距離測定装置≫
［Ａ−１］測定対象物に対してレーザ光を照射するレーザ照射部、及び、
測定対象物で反射されたレーザ光を画素単位で受光する受光素子を含むレーザ受光部、
を備え、
受光素子の単位画素のピッチが、受光画素エリア内の場所によって異なる、
距離測定装置。
［Ａ−２］受光素子の中央部から周縁部に行くに従って単位画素のピッチが広がる、
上記［Ａ−１］に記載の距離測定装置。
［Ａ−３］画素単位で単位画素のピッチが異なる、
上記［Ａ−１］又は上記［Ａ−２］に記載の距離測定装置。
［Ａ−４］隣接する複数の単位画素を１ブロックとするとき、
ブロック単位で単位画素のピッチが異なる、
上記［Ａ−１］又は上記［Ａ−２］に記載の距離測定装置。
［Ａ−５］受光素子が、第１の方向及び当該第２の方向に交差する第２の方向において２次元配置されて成る２次元アレイセンサであるとき、
第１の方向及び第２の方向の少なくとも一方において、受光素子の単位画素のピッチが異なる、
上記［Ａ−２］乃至上記［Ａ−４］のいずれかに記載の距離測定装置。
［Ａ−６］受光素子の単位画素のサイズが、受光画素エリア内の場所によって異なる、
上記［Ａ−１］乃至上記［Ａ−５］のいずれかに記載の距離測定装置。
［Ａ−７］レーザ受光部は、受光素子の各単位画素の信号を処理する回路部を画素毎に有し、
単位画素は、第１の基板上に形成され、
回路部は、第１の基板に対して積層された第２の基板上に形成されている、
上記［Ａ−１］乃至上記［Ａ−６］のいずれかに記載の距離測定装置。
［Ａ−８］第１の基板上に形成された単位画素のピッチと、第２の基板上に形成された回路部のピッチとが異なる、
上記［Ａ−７］に記載の距離測定装置。
［Ａ−９］受光素子は、一定のピッチで配列された複数の副画素から成り、
単位画素は、複数の副画素のうち、互いに隣接する任意の個数の副画素から成り、
単位画素のピッチは、副画素のピッチ及び単位画素を構成する副画素の個数によって決まる、
上記［Ａ−１］に記載の距離測定装置。
［Ａ−１０］レーザ照射部は、レーザ光を等角度ピッチでスキャンしつつ測定対象物に照射し、
単位画素は、レーザ光の等角度ピッチに対応したピッチ配列となっている、
上記［Ａ−１］に記載の距離測定装置。
［Ａ−１１］受光素子は、その受光面がレーザ受光部の光軸に対して湾曲している、
上記［Ａ−１０］に記載の距離測定装置。
≪Ｂ．移動体装置≫
［Ｂ−１］測定対象物に対してレーザ光を照射するレーザ照射部、及び、
測定対象物で反射されたレーザ光を画素単位で受光する受光素子を含むレーザ受光部、
を備え、
受光素子の単位画素のピッチが、受光画素エリア内の場所によって異なる、
距離測定装置を搭載した移動体装置。
［Ｂ−２］受光素子の中央部から周縁部に行くに従って単位画素のピッチが広がる、
上記［Ｂ−１］に記載の移動体装置。
［Ｂ−３］画素単位で単位画素のピッチが異なる、
上記［Ｂ−１］又は上記［Ｂ−２］に記載の移動体装置。
［Ｂ−４］隣接する複数の単位画素を１ブロックとするとき、
ブロック単位で単位画素のピッチが異なる、
上記［Ｂ−１］又は上記［Ｂ−２］に記載の移動体装置。
［Ｂ−５］受光素子が、第１の方向及び当該第２の方向に交差する第２の方向において２次元配置されて成る２次元アレイセンサであるとき、
第１の方向及び第２の方向の少なくとも一方において、受光素子の単位画素のピッチが異なる、
上記［Ｂ−２］乃至上記［Ｂ−４］のいずれかに記載の移動体装置。
［Ｂ−６］受光素子の単位画素のサイズが、受光画素エリア内の場所によって異なる、
上記［Ｂ−１］乃至上記［Ｂ−５］のいずれかに記載の移動体装置。
［Ｂ−７］レーザ受光部は、受光素子の各単位画素の信号を処理する回路部を画素毎に有し、
単位画素は、第１の基板上に形成され、
回路部は、第１の基板に対して積層された第２の基板上に形成されている、
上記［Ｂ−１］乃至上記［Ｂ−６］のいずれかに記載の移動体装置。
［Ｂ−８］第１の基板上に形成された単位画素のピッチと、第２の基板上に形成された回路部のピッチとが異なる、
上記［Ｂ−７］に記載の移動体装置。
［Ｂ−９］受光素子は、一定のピッチで配列された複数の副画素から成り、
単位画素は、複数の副画素のうち、互いに隣接する任意の個数の副画素から成り、
単位画素のピッチは、副画素のピッチ及び単位画素を構成する副画素の個数によって決まる、
上記［Ｂ−１］に記載の移動体装置。
［Ｂ−１０］レーザ照射部は、レーザ光を等角度ピッチでスキャンしつつ測定対象物に照射し、
単位画素は、レーザ光の等角度ピッチに対応したピッチ配列となっている、
上記［Ｂ−１］に記載の移動体装置。
［Ｂ−１１］受光素子は、その受光面がレーザ受光部の光軸に対して湾曲している、
上記［Ｂ−１０］に記載の移動体装置。

１・・・距離測定装置、１０・・・測定対象物、２０・・・レーザ照射部、２１・・・レーザドライバ、２２・・・レーザ光源、２３・・・拡散レンズ、２４・・・ビーム走査部、２５・・・ミラー、３０・・・レーザ受光部、３１・・・受光レンズ、３２・・・受光素子、３３・・・受光回路、４０・・・制御部、５０・・・単位画素、５１・・・副画素、６１・・・第１の基板、６２・・・第２の基板

Claims (12)

1. 測定対象物に対してレーザ光を照射するレーザ照射部、及び、
   測定対象物で反射されたレーザ光を画素単位で受光する受光素子を含むレーザ受光部、
   を備え、
   受光素子の単位画素のピッチが、受光画素エリア内の場所によって異なる、
   距離測定装置。
2. 受光素子の中央部から周縁部に行くに従って単位画素のピッチが広がる、
   請求項１に記載の距離測定装置。
3. 画素単位で単位画素のピッチが異なる、
   請求項１に記載の距離測定装置。
4. 隣接する複数の単位画素を１ブロックとするとき、
   ブロック単位で単位画素のピッチが異なる、
   請求項１に記載の距離測定装置。
5. 受光素子が、第１の方向及び当該第２の方向に交差する第２の方向において２次元配置されて成る２次元アレイセンサであるとき、
   第１の方向及び第２の方向の少なくとも一方において、受光素子の単位画素のピッチが異なる、
   請求項２に記載の距離測定装置。
6. 受光素子の単位画素のサイズが、受光画素エリア内の場所によって異なる、
   請求項１に記載の距離測定装置。
7. レーザ受光部は、受光素子の各単位画素の信号を処理する回路部を画素毎に有し、
   単位画素は、第１の基板上に形成され、
   回路部は、第１の基板に対して積層された第２の基板上に形成されている、
   請求項１に記載の距離測定装置。
8. 第１の基板上に形成された単位画素のピッチと、第２の基板上に形成された回路部のピッチとが異なる、
   請求項７に記載の距離測定装置。
9. 受光素子は、一定のピッチで配列された複数の副画素から成り、
   単位画素は、複数の副画素のうち、互いに隣接する任意の個数の副画素から成り、
   単位画素のピッチは、副画素のピッチ及び単位画素を構成する副画素の個数によって決まる、
   請求項１に記載の距離測定装置。
10. レーザ照射部は、レーザ光を等角度ピッチでスキャンしつつ測定対象物に照射し、
    単位画素は、レーザ光の等角度ピッチに対応したピッチ配列となっている、
    請求項１に記載の距離測定装置。
11. 受光素子は、その受光面がレーザ受光部の光軸に対して湾曲している、
    請求項１０に記載の距離測定装置。
12. 測定対象物に対してレーザ光を照射するレーザ照射部、及び、
    測定対象物で反射されたレーザ光を画素単位で受光する受光素子を含むレーザ受光部、
    を備え、
    受光素子の単位画素のピッチが、受光画素エリア内の場所によって異なる、
    距離測定装置を搭載した移動体装置。

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