JP6225411B2

JP6225411B2 - 光学的測距装置

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Publication number: JP6225411B2
Application number: JP2012228620A
Authority: JP
Inventors: 峰樹曽我; クリスチアーノニクラス
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: JP2014081254A

Description

本発明は、光学的測距装置に関する。

交通事故等の低減を目指して衝突防止システム等を搭載した移動体（車両等）が開発されている。このようなシステムでは外部環境を観測するためにカメラやミリ波レーダ等を備えた環境用センサが用いられている。

ステレオカメラは、比較的広角で空間解像度も高いが、その反面、遠方での距離精度が著しく低下する。一方、ミリ波レーダは、２００ｍ程度の遠方の対象物を検知することができるが、視野が狭く、角度分解能も低い。

これに対して、飛行時間法（ＴＯＦ：ＴｉｍｅＯｆＦｌｉｇｈｔ）に基づく光学的測距センサは、高空間解像度（角度分解能）を有すると共に、広角及び遠距離の測距が可能である。このため、走路や障害物の検出精度とロバスト性を高められ、安全システムの機能の拡張が期待できる。例えば、より遠方の障害物を高い位置精度で検知できれば、早期の警報が可能となる。また、駐車車両の形状等の周囲環境を高精度に検知できれば衝突やすり抜けを高い信頼度で判定できる。

このようなＴＯＦによる光学式測距装置において、受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）やＰＩＮフォトダイオードが用いられることが多い。ＡＰＤにフォトンが入射すると、電子・正孔対が生成され、電子と正孔が各々高電界で加速され、次々と雪崩のように衝突電離を引き起こして新たな電子・正孔対が生成される。この内部増幅作用により感度が高められるため、特に長距離検出が求められる場合にＡＰＤが用いられることが多い。ＡＰＤの動作モードには、逆バイアス電圧を降伏電圧（ブレークダウン電圧）未満で動作させるリニアモードと、降伏電圧以上で動作させるガイガーモードとがある。リニアモードでは、生成される電子・正孔対の割合よりも消滅する（高電解領域から出る）電子・正孔対の割合が大きく、アバランシェは自然に止まる。出力電流は、入射光量にほぼ比例し、入射光量の測定に用いられる。ガイガーモードでは、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすことができるので、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：ＳｉｎｇｌｅＰｈｏｔｏｎＡｖａｌａｎｃｈｅＤｉｏｄｅ）とも呼ばれる。

図９は、対象物に照射した光が対象物によって反射して戻ってくるまでの時間を求めるＴＯＦ測定方法を示す。このとき、自ら対象物に照射した光以外はノイズであるので、太陽光等の外乱光の影響を除去する必要がある。入射光量にほぼ比例した出力を得る受光素子を用いる場合、受光素子の直流成分を除去した後に閾値処理をすることにより、外乱光の影響を低減して反射光の到来タイミングを抽出できる。一方、ＳＰＡＤのように、フォトン入射に対して電圧パルスを出力するフォトンカウント型の受光素子を用いる場合、電圧パルスの到来時刻を繰り返し測定してヒストグラムを作成し、その極大値を抽出する。これにより、外乱光が存在しても正しいＴＯＦ測定をすることができる。

ＴＯＦのヒストグラムの極大値を高精度に抽出するには、多数回のＴＯＦ測定が必要となり、測定時間が長くなる。測定時間が長くなると、対象物が動くときに対象物までの距離の変化が生じ、測定誤差を生ずる。短い測定時間で外乱光の影響を除去して正しくＴＯＦを求める方法として、シリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ：ＳｉｌｉｃｏｎＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）を用いた方法が開示されている（特許文献１、非特許文献１）。ＳｉＰＭは、複数のＳＰＡＤをアレイ状に行列配置し、全体として大きな光検出器を構成する。ＳｉＰＭを用いたＴＯＦ検出回路の例を図１０に示す。ＳｉＰＭの出力にコンパレータを設け、所定数以上のＳＰＡＤから同時にパルス出力された場合、すなわち同時に多数のフォトンが到来した場合のみＴＯＦを測定する。これにより、外乱光のフォトンに対する応答を低減できるので、少ない測定回数で照射光のＴＯＦを正しく抽出できるようになる。これは、自ら照射した光の反射光は多数のフォトンが同時に到来するのに対し、外乱光のフォトンはランダムなタイミングで到来するため同時に到来する確率は小さいという性質に基づく処理である。

ＴＯＦに基づく光学的測距装置は、距離情報に加えて明るさ情報も出力できる。受光素子が受光する光は、照射光の対象物上での反射光、環境光（太陽やその他の照明）の対象物上での反射光、及び対象物が発光する光、がすべて加算された光である。入射光量にほぼ比例する値を出力する受光素子の場合、受光量の極大値を照射光と見なすことができ、照射光をその他の光と分離して抽出することができる。受光量の極大値を距離値で補正することにより、対象物の反射率も求められる。逆に、レーザ休止期間の受光素子出力から、照射光以外の光、すなわち外乱光を抽出することもできる（特許文献２）。

一方、フォトンカウント型の受光素子の場合、ＴＯＦのヒストグラムから明るさ情報を抽出できる。ヒストグラム値の合計値が全受光量であり、極大値が照射光である。また、レーザ休止期間の受光素子の出力から外乱光の情報を得ることもできる（特許文献３）。

また、光検出器が屋外で使用される場合、広い明るさダイナミックレンジが求められる。屋外環境の明るさ変動範囲は大きく、晴天の昼間の照度は１０万ルクスを超え、一方で夜間の街灯下での照度は数十ルクス程度である。さらに、対象物の反射率まで考慮すると、６桁程度のダイナミックレンジが必要とされる。フォトンカウントで光量検出する場合、光量が少ない時のカウント数は光量にほぼ比例する。光量が増加して出力電圧パルス幅よりも短い周期でフォトンが入射するようになると、複数の電圧パルスが結合することがあり、これによりカウント数が減少する。したがって、図１１に示すように、光量とカウント数とが単調増加の関係にならないので、光量が増加すると正しく光量を計測できなくなる。

そこで、リセット手段により受光素子を繰り返しリセットし、このリセットパルス間に入射するフォトンの入射個数ではなく入射するフォトンがあったか否かを検出し、この検出パルスを所定の期間計数する。これにより、カウントに必要なビット数が少なくなるのでダイナミックレンジを拡大できる（特許文献４）。また、フォトンカウント型光検出器の検出信号をＡ／Ｄ変換し、予め設定した閾値以上の場合には、そのまま後段の光子数算出回路に検出信号を送り、閾値以下の場合には予め定められた基準値を後段に送る処理を行う方法が開示されている。光子数算出回路では、光量測定が終了するまで、取得した検出信号波形の面積から光量を算出する（特許文献５）。

ところで、ＳＰＡＤのバイアス電圧を降伏電圧まで下げることによりアバランシェ現象を止めることができる。印加電圧を下げてアバランシェ現象を停止させることはクエンチングと呼ばれる。最も単純なクエンチング回路はＳＰＡＤと直列にクエンチング抵抗を接続することで実現される。アバランシェ電流が生じるとクエンチング抵抗の端子間の電圧の上昇によってＳＰＡＤのバイアス電圧が降下する。バイアス電圧が降伏電圧まで降下するとアバランシェ現象が停止する。アバランシェ電流が流れなくなると、クエンチング抵抗端子間の電圧が降下し、ＳＰＡＤには再び降伏電圧以上の電圧が印加される。このＳＰＡＤとクエンチング抵抗との間の電圧の昇降をバッファーを介して取り出すことにより、フォトンの入射を電圧パルスとして出力することができる。この電圧パルスのパルス幅に相当する時間は、ＳＰＡＤのバイアス電圧が低下しているため、新たなフォトンが入射しても新たにアバランシェ現象を誘発できず、フォトンを検出できないデッドタイムとなる。

太陽光等の外乱光の大きい環境下にて、フォトンカウント型の受光素子を用いてＴＯＦを検出する場合、デッドタイムによる実効的なフォトン検出レートが低下する。フォトンカウント型の受光素子のフォトン検出レートをλ、デッドタイムをｔとすると、実効的なフォトン検出レートはλ_effは数式（１）で表される。

数式（１）は、次のように導出することができる。計測時間Ｔは、フォトンを検出できる有効時間の合計Ｔ_effと、フォトンを検出できないデッドタイムの合計Ｔ_deadとの和として数式（２）で表される。

計測時間Ｔにおけるフォトンの平均カウント数Ｍは数式（３）で表される。

ここで、フォトンカウント型の受光素子がＭ回カウントする際にＭ回のデッドタイムが生ずるので、デッドタイムの合計時間は数式（４）で表される。

数式（３）及び数式（４）より、デッドタイムの合計Ｔ_deadを消去するとＭ／Ｔ、すなわち実効的な検出レートの数式（１）が導出される。

図１２は、デッドタイムを２０ｎｓとして数式（１）の関係をプロットした図である。検出レートλが小さいときは、検出レートλは実効的なフォトン検出レートλ_effとほぼ等しい。しかし、検出レートλが大きくなると、実効的なフォトン検出レートλ_effは大きく低下し始める。

図１２では、検出レートが５ＭＨｚ付近で特性が変化し始めることがわかる。５ＭＨｚの検出周期は２００ｎｓに相当し、すなわちデッドタイムの１０倍程度である。検出周期が短くなり、デッドタイムに近づくと、計測時間中に実際にフォトンを検出できる割合Ｔ_eff／Ｔ、すなわち検出時間効率が低下する課題がある。

次に、検出レートと実効検出レートの差が大きくなるとヒストグラムによるＴＯＦ検出に誤検出を引き起こすという問題がある。図１３（ａ）は、受光素子に対してゲーティングしない場合の例であり、図１３（ｂ）は、受光素子をゲーティングする場合の例である。受光素子のゲーティングとは、例えば、バイアス電圧をオフにすることにより、受光素子を所定時間応答させないようにすることである。照射光の発光の直後にゲーティングをしないと、照射光が測距装置のカバーや走査ミラー等で反射して受光素子に直接入射する不要反射によってヒストグラムに偽ピークを形成することがある。ほとんどの照射光は対象物に向かい、不要反射となる光はごく僅かであるが、至近距離で反射を受けるのでヒストグラムに大きなピークを形成する。この現象は、投光と受光の光軸が同じである同軸型光学系の場合に特に顕著となる。受光素子はこの迷光（不要反射）を検出した直後にフォトンを検出できないデッドタイムとなり、その後、再びアクティブとなる。アクティブとなった直後はデッドタイムの影響がないので、検出レートは“λ”である。その後、時間が経過するとデットタイムの影響により、実効検出レートλ_effに収束する。この検出レートの遷移時間に図中に破線で示したようなピークを形成し、ＴＯＦの誤検出を引き起こす原因となることがある。この偽ピークは検出レートλと実効検出レートλ_effとの差が大きいほど大きくなる。図１３（ｂ）のように、照射光の発光直後に受光素子をゲーティングすると、迷光によるデッドタイムがなくなるので、デッドタイムに相当するＴＯＦの近距離対象物を検出できるようになる。しかしながら、ゲーティング後に受光素子がアクティブとなった直後には検出レートの遷移による偽ピークが生ずるおそれがある。

検出時間効率の低下や偽ピークの形成は外乱光に対する検出レートが大きすぎることに起因する。そこで、受光素子の感度を調整することでこれらの影響を回避する方法が考えられている。例えば、ＳＰＡＤのバイアス電圧を調整する技術が開示されている（特許文献５）。また、ＳＰＡＤの出力パルスをカウントし、カウント値に応じて受光素子のバイアス電圧を変更してフォトン検出確率を調整する技術等が開示されている（特許文献６）。また、電磁石を利用して投光レンズ及び受光レンズを移動させることによって測定点を走査し、次回測定領域で反射光のサイドローブを測定する技術が開示されている。これにより、次回測定において受光素子が飽和しないようにゲインを調整する（特許文献７）。

特開２０１２−６００１２号公報特開２０１１−２４７８７２号公報特開２０１０−９１３７８号公報特開平０７−０６７０４３号公報特開２０１２−０３７２６７号公報米国特許出願公開２０１２／００７５６１５明細書特開２００７−１８３２４６号公報

C.Niclass, M.Soga, H.Matsubara, S.Kato, "A 100m-range 10-frames/s 340x96-pixel time-of-flight depth sensor in 0.18μm CMOS", Proceeding of the ESSCIRC, pp.107-110, September, 2011

ところで、反射光を繰り返し受光し、ＴＯＦを検出するヒストグラム処理をしながらフォトンの検出レートを測定する方法では、太陽光等のノイズ成分に加えて照射光の成分も含まれる。特に、近距離に高反射率の対象物がある場合、ノイズ成分を正しく検出することができなくなる。

また、反射光のサイドローブを検出する方法では、検出される光に照射光が含まれるので外乱光を正確に測定することができない。また、サイドローブを検出できるように受光レンズの焦点距離を調整しているためにレーザ光のパワーの無駄がある。さらに、ゲイン調整用の受光素子が次回測定領域を観測するため、ゲイン調整用の受光素子と測定用の受光素子との相対的な位置を正確にアライメントしなければならない。

本発明は、照射光の投光時刻と反射光の受光時刻との差に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、パルス光を投光する光源と、物体からの光を受光するフォトンカウント型の測定受光素子を備えた感度が可変の測定受光手段と、投光方向と受光方向を走査する走査手段と、前記走査手段により前記測定受光手段が次回測定する領域からの光であって、前記照射光として投光された光以外の光のみを受光する参照受光素子を備えた参照受光手段と、前記参照受光手段の受光量に応じて前記測定受光手段の感度を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする光学的測距装置である。

ここで、前記参照受光素子は、フォトンカウント型の受光素子から構成され、前記参照受光手段は、前記参照受光素子から出力されるパルス信号を時間的に累積して累積値として出力する累積手段を備え、前記制御手段は、前記参照受光手段の受光量として前記累積値を使用して、前記累積値に応じて前記測定受光手段の感度を制御することが好適である。また、前記測定受光手段は、前記測定受光素子として、アレイ状に配置された複数のガイガーモードのアバランシェフォトダイオードと、前記アバランシェフォトダイオードの出力を加算する加算部と、前記加算部の出力が閾値以上である場合にトリガー信号を出力する判定部と、を含んで構成され、前記制御手段は、前記アバランシェフォトダイオードへのバイアス電圧を変化させること、及び、前記判定部の前記閾値を変化させること、の少なくとも一方により前記測定受光手段の感度を制御する、ことが好適である。

本発明によれば、光検出器の明るさのダイナミックレンジを適切に広げることができる。

本発明の実施の形態における光検出器の構成を示す図である。本発明の実施の形態における受光素子の配置例を示す図である。本発明の実施の形態における光検出器で生成されるヒストグラムの例を示す図である。本発明の実施の形態における参照受光手段の構成を示す図である。本発明の実施の形態における光学的測距装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態における測定受光素子及び参照受光素子の配置例を示す図である。本発明の実施の形態における光学的測距装置の測定方向を説明する図である。本発明の実施の形態における測定受光素子に対するバイアス電圧の制御を説明する図である。光学的測距装置によるＴＯＦ測定を説明する図である。従来の光学的測距装置の構成を示す図である。従来の光学的測距装置における受光量とフォトンのカウント数との関係を示す図である。従来の光学的測距装置における検出レートと実効検出レートとの関係を示す図である。従来の光学的測距装置におけるＴＯＦのピーク検出の課題を説明する図である。

本実施の形態における光検出器１００は、図１に示すように、測定受光手段１０２、パルス整形回路１０４、加算手段１０６、比較手段１１４、ＴＤＣ（ＴｉｍｅｔｏＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）１１６、ヒストグラム生成手段１１８及びバイアス手段１２０を含んで構成される。

測定受光手段１０２は、フォトダイオード１０、クエンチング抵抗１２及びバッファー１４を含んで構成される。一組のフォトダイオード１０、クエンチング抵抗１２及びバッファー１４が１つの測定受光部１０２ａを構成する。測定受光部１０２ａは、ＴＯＦによる距離を測定するために設けられる。

フォトダイオード１０は、ガイガーモードのシングルフォトンアバランシェフォトダイオード（ＳＰＡＤ）である。すなわち、フォトダイオード１０は、降伏電圧以上のバイアス電圧の印加によって単一フォトンの入射に対してアバランシェ現象を引き起こし、フォトン入射に対して電圧パルスを出力する。

クエンチング抵抗１２は、ＳＰＡＤのアバランシェ現象を停止させるための抵抗素子である。本実施の形態では、クエンチング抵抗１２は、ＦＥＴのソース・ドレイン間の抵抗成分を利用している。フォトダイオード１０では、印加電圧を降伏電圧まで下げることによりアバランシェ現象を止めることができる。印加電圧を下げてアバランシェ現象を停止させることはクエンチングと呼ばれ、最も単純なクエンチング回路はフォトダイオード１０と直列にクエンチング抵抗１２を接続することで実現される。アバランシェ電流が生じるとクエンチング抵抗１２の端子間の電圧の上昇によってフォトダイオード１０のバイアス電圧が降下する。バイアス電圧が降伏電圧まで降下するとアバランシェ現象が停止する。アバランシェ電流が流れなくなると、クエンチング抵抗１２の端子電圧が降下し、フォトダイオード１０には再び降伏電圧以上の電圧が印加される。

バッファー１４は、フォトダイオード１０とクエンチング抵抗１２との間の電圧の昇降を取り出すために設けられる。これにより、フォトダイオード１０へのフォトンの入射を電圧パルスとして出力することができる。

なお、この電圧パルスのパルス幅に相当する時間は、ＳＰＡＤのバイアス電圧が低下しているため、新たなフォトンが入射しても新たにアバランシェ現象を誘発できず、フォトンを検出できないデッドタイムとなる。

測定受光手段１０２は複数の測定受光部１０２ａを含んで構成してもよい。すなわち、測定受光手段１０２は、シリコンフォトマルチプライヤ（ＳｉＰＭ：ＳｉｌｉｃｏｎＰｈｏｔｏＭｕｌｔｉｐｌｉｅｒｓ）として構成してもよい。図１では、図を簡潔に示すために、２つの測定受光部１０２ａのみの構成を示し、他の測定受光部１０２ａは省略した。測定受光部１０２ａは、例えば図２の平面模式図に示すように、アレイ状に並べられた構成とするとよい。このようにアレイ状に配置すれば、合計の受光面積が大きくなり、より多くの光量を受光することができる。

パルス整形回路１０４では、測定受光部１０２ａからの出力パルスのパルス幅を照射するレーザ光のパルス幅と等しくなるように整形する。加算手段１０６では、パルス整形回路１０４からの出力を加算する。

比較手段１１４は、加算手段１０６から出力された値Ｓを所定の閾値Ｎ_REFと比較し、値Ｓが閾値Ｎ_REF以上の場合にＴＯＦの反射パルスが到来したことを示す判定結果を出力する。例えば、閾値Ｎ_REFを“２”に設定した場合、値Ｓが“２”以上であれば出力ＰＥＡＫをハイレベルとし、そうでなければローレベルとする。

ＴＤＣ１１６は、比較手段１１４の出力ＰＥＡＫがハイレベルである場合、反射パルスの到達時間を測定する。ＴＤＣ１１６は、後述する光源から照射されるＴＯＦ測定用の光（レーザ光）の出力の時刻から比較手段１１４で反射パルスが検出された時刻までの時間をＴＯＦの測定結果として出力する。ＴＤＣ１１６は、数百ピコ秒の時間分解能での測定を可能とする。

ヒストグラム生成手段１１８は、ＴＤＣ１１６で得られたＴＯＦの測定結果をさらに所定の計測時間に亘って蓄積してヒストグラムを生成する。ヒストグラムは、図３に示すように、ＴＯＦ測定用の照射光を計測時間に亘って繰り返し照射して得られたＴＯＦの測定結果を累積して生成され、光の照射時刻から到達までの時間（ビン）に対して計測時間に亘って比較手段１１４にてパルスが検出された回数（頻度）を示す。このようにパルス信号の到来時刻を繰り返し測定してヒストグラムを作成し、その極大値を抽出することによって、外乱光が存在しても正しいＴＯＦ測定をすることができる。

また、光検出器１００は、測定受光手段１０２に加えて参照受光手段１２２を含んで構成される。図４は、参照受光部１２２ａを含む参照受光手段１２２を示す。参照受光手段１２２は、参照受光部１２２ａ、第１サンプリング手段１２４、加算手段１２６、第２サンプリング手段１２８、累積手段１４０及びラッチ手段１４２を含んで構成される。

参照受光手段１２２は、フォトダイオード２０、クエンチング抵抗２２及びバッファー２４を含んで構成される。一組のフォトダイオード２０、クエンチング抵抗２２及びバッファー２４が１つの受光素子１２２ａを構成し、図４では、３つの参照受光部１２２ａによって参照受光手段１２２が構成された例を示している。参照受光部１２２ａの数は、これに限定されるものではなく、単数でもよいし、複数の参照受光部１２２ａをアレイ状に構成してもよい。

第１サンプリング手段１２４は、参照受光手段１２２からの出力を一時的に保持する回路を含んで構成される。第１サンプリング手段１２４は、例えば、Ｄフリップフロップ１６により実現することができる。参照受光手段１２２が複数の参照受光部１２２ａを含む場合、各参照受光部１２２ａ毎にＤフリップフロップ１６が設けられる。第１サンプリング手段１２４は、参照受光手段１２２に含まれる参照受光部１２２ａから出力される２値の出力信号（パルス電圧：Ｎ_SPAD）をクロックＳＣＬＫに同期してサンプリングし、保持した値を出力する。サンプリング周波数は、参照受光部１２２ａが出力する電圧パルスのナイキスト周波数以上とすることが好ましく、電圧パルス幅の逆数の２倍以上とすることが好適である。

加算手段１２６は、第１サンプリング手段１２４からの出力を加算して、加算結果（ビット幅：Ｎ_ADD＝［ｌｏｇ₂（Ｎ_SPAD）］）を出力する。加算手段１２６によって、複数の参照受光部１２２ａから同じタイミングで出力された電圧パルスが加算されることになる。例えば、参照受光手段１２２に含まれる複数の参照受光部１２２ａのうち２つの電圧パルスがハイレベルとなっていれば加算手段１２６からの出力はデジタル信号の“２（１０進数）”＝“１０（２進数）”となる。第２サンプリング手段１２８は、加算手段１２６から出力された信号をクロックＳＣＬＫが入力される毎にサンプリングして保持した値を出力する。第２サンプリング手段１２８は、Ｄフリップフロップ１６を含んで構成することができる。

累積手段１４０は、加算手段１２６から出力され、第２サンプリング手段１２８に保持された加算結果をさらに所定の測定時間に亘って累積して出力する。累積手段１４０は、アキュムレータにより構成することができる。累積手段１４０は、複数の参照受光部１２２ａの出力の加算値をさらに時間積分した累積値（ビット幅：Ｎ_REG＝［ｌｏｇ₂（Ｎ_SPAD・Ｔ・ｆ_SCLK）］を出力する。累積値は、複数の参照受光部１２２ａの電圧パルスのパルス幅の増加に対して常に単調に増加する値となる。

すなわち、フォトンの入射数が少ない（入射光量が小さい）場合、すべてのフォトダイオード２０の電圧パルスのパルス幅の合計に比例する累積値が累積手段１４０から出力される。フォトンの入射数が多くなってくる（入射光量が増えてくる）と、フォトダイオード２０の電圧パルスの出力頻度が高くなり、次第に複数の電圧パルスが結合する確率が高くなる。電圧パルスが結合し始めるとパルス数は減少するが、累積手段１４０での電圧パルスのパルス幅の累積値（合計時間）は常に増加する。したがって、入射光量の増加に対して常に単調に増加するダイナミックレンジの広い出力が得られる。

ラッチ手段１４２は、累積手段１４０の出力をクロックＳＣＬＫが入力される毎にサンプリングして保持した値を出力する。ラッチ手段１４２は、Ｄフリップフロップ１６を含んで構成することができる。

このように、参照受光部１２２ａでは、フォトンの入射に対して２値の情報（電圧パルス）が出力され、温度等の変動に対してロバストである。したがって、電圧パルスのパルス幅の合計時間も内部増幅ゲイン等の変動の影響を受けず、温度に依らず安定な光検出ができる。

また、複数の参照受光手段１２２からの電圧パルスのパルス幅の合計時間を光量として出力するので、参照受光手段１２２が１つの場合に比べて更にダイナミックレンジを広くすることができる。

また、参照受光手段１２２としてガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを用いているので、光電子増倍管等の他のフォトンカウント型受光素子に比べて安価にコンパクトに装置に実装することができる。また、アバランシェフォトダイオードは半導体素子であるので、複数の参照受光手段１２２を集積化することも容易である。特に、参照受光手段１２２と測定受光手段１０２とを１つのチップ上に集積化することも容易である。さらに、ＣＭＯＳプロセスによりアバランシェフォトダイオードを実現する技術も開発されているので、第１サンプリング手段１２４、加算手段１２６及び第２サンプリング手段１２８、累積手段１４０、ラッチ手段１４２等と同一のチップ上に実装が可能となる。これにより、製造工程の簡素化及び低製造コスト化が図れる。また、アバランシェフォトダイオードの寄生容量が小さくなるので、デッドタイムを短縮することができ、ダイナミックレンジをより広くすることができる。

なお、参照受光手段１２２が複数の参照受光部１２２ａを含む構成としたが、参照受光部１２２ａが１つであっても同様にダイナミックレンジを広げる作用は得られる。

次に、上記光検出器を搭載した光学的測距装置２００について説明する。光学的測距装置２００は、図５に示すように、光検出器１００、光源２０２、双曲面ミラー２０４及びポリゴンミラー２０６を含んで構成される。光学的測距装置２００は、投光される光と受光される光との光軸を一致させた同軸型の光学系を有する。

光源２０２は、光学的測距装置２００の測距対象空間にパルス光を照射する。光源２０２は、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）とすることができる。パルス光の周期及びパルス幅は、これに限定されるものではないが、それぞれ数１００μｓ及び数ｎｓ程度とすることが好適である。光源２０２からのパルス光の照射時刻がＴＤＣ１１６に入力され、ＴＯＦの測定に用いられる。

光源２０２は、双曲面ミラー２０４の中央部に設けられた孔２０４ａからポリゴンミラー２０６へ向かって光を投光する。光源２０２から出力された光は、コリメートレンズ等によってコリメートしてもよい。

双曲面ミラー２０４の孔２０４ａを抜けた光は、ポリゴンミラー２０６にて反射され、測距対象空間へ投光される。測距対象空間に物体（例えば、車、道路、樹木、人物等）が存在している場合、それらの物体によって光が反射され、光学的測距装置２００へ戻ってくる。戻された光は、再びポリゴンミラー２０６にて反射され、さらに双曲面ミラー２０４で反射し、光検出器１００へ入射する。双曲面ミラー２０４は、レンズと同様の働きをし、光を光検出器１００へ設けられた受光素子へ結像させる。

ここで、ポリゴンミラー２０６は、回転多角形ミラーであり、回転軸に平行又は傾けられた複数のミラー面を有する。ポリゴンミラー２０６は、回転軸２０６ａを中心に所定の回転速度で回転させられ、回転に伴って光源２０２からの光に対してミラー面の向きを変化させて測距対象空間へ光を走査して投光する。走査方向は、ポリゴンミラー２０６に設けられたミラー面の回転軸２０６ａに対する角度で決定される。複数のミラー面の俯角を異ならせることによって、水平方向のみならず垂直方向にも光を走査することが可能である。各面の俯角の差を投光される光の広がり角度以下とすれば、垂直方向にも隙間なく走査することができる。

光検出器１００は、上記したＴＯＦ測定のための測定受光部１０２ａ及び外乱光の強度を検出するための参照受光部１２２ａを含む。図６に示すように、測定受光部１０２ａ及び参照受光部１２２ａは、それぞれアレイ状に配置された測定受光素子領域２０８ａ及び参照受光素子領域２０８ｂを含む受光素子領域２０８に配置される。測定受光素子領域２０８ａは、光源２０２から照射されて物体によって反射された光が結像する位置に配置される。参照受光素子領域２０８ｂは、測定受光素子領域２０８ａと隣接して配置され、光源２０２からの反射光が入射しない配置であって、参照受光素子領域２０８ｂに現在入射している外乱光（環境光）が次のＴＯＦの計測時間において測定受光素子領域２０８ａに入射してくるような位置に配置される。

すなわち、図７に示すように、ポリゴンミラー２０６による光の走査中のある時刻において測定受光手段１０２と参照受光手段１２２とは異なる方向を観測し、参照受光手段１２２の測定方向Ａが常に次回の測定受光手段１０２の測定方向Ｂを観測するような相対位置に配置される。観測方向の角度差は、測定受光手段１０２と参照受光手段１２２との間隔及び双曲面ミラー２０４の焦点距離によって決定される。また、測定受光手段１０２のある時刻での測定方向Ｂと次回の測定方向Ａの角度差、すなわち水平解像度は、ポリゴンミラー２０６の回転速度、測定時間間隔、照射光の入射角度等によって決定される。したがって、これらの条件を考慮して測定受光手段１０２と参照受光手段１２２とを配置すればよい。例えば、水平解像度と双曲面ミラー２０４の焦点距離とを一定とした場合、測定受光手段１０２と参照受光手段１２２との間隔を調整することによって参照受光手段１２２が常に次回測定方向Ａを観測するようにすることができる。

測定受光部１０２ａを複数備える場合、参照受光手段１２２も測定受光部１０２ａ毎又は幾つかの測定受光部１０２ａの組毎に複数設けることが好ましい。図１に示す光検出器１００の例では、測定受光手段１０２の水平方向に配置された複数の測定受光部１０２ａの組毎に参照受光手段１２２を設ける構成となっている。もちろん、１つの測定受光手段１０２毎に１つの参照受光手段１２２を設けてもよい。

太陽光等の外乱光等が強い場合においてフォトンの検出時間効率の低下やヒストグラムの偽ピーク形成を抑制するため、外乱光が強いときに測定受光部１０２ａの感度を低下させればよい。測定受光部１０２ａは、降伏電圧より大きい電圧を印加して動作させるガイガーモードであり、バイアス電圧と降伏電圧との差（過剰電圧）を大きくすると感度が高くなり、小さくすると感度が低くなる。感度とは、フォトンの検出確率のことであり、フォトンの入射に対して電圧パルスを出力する確率である。過剰電圧が閾値Ｖ_TH以下になるとガイガーモードでの動作ができなくなり、逆に過剰電圧を大きくしすぎると偽パルス（ノイズ）の発生頻度が高くなる。

そこで、光検出器１００のバイアス手段１２０において、参照受光手段１２２から出力される外乱光の強さを示す出力信号Ｌ_BGに応じて測定受光部１０２ａのバイアス電圧を調整する。

図１に示すように、バイアス手段１２０は、バイアス電圧設定部１８及びデジタル／アナログ変換部（ＤＡＣ）１９を含んで構成される。バイアス電圧設定部１８では、参照受光手段１２２から出力された出力信号Ｌ_BGに応じて適切なバイアス電圧値を設定する。バイアス電圧設定部１８は、例えば、予め実験等によって得られた出力信号Ｌ_BGと適切なバイアス電圧とを関連付けて登録したルックアップテーブルを参照して出力信号Ｌ_BGに応じて適切なバイアス電圧値を設定する。また、出力信号Ｌ_BGと適切なバイアス電圧とを関数で表現し、出力信号Ｌ_BGをその関数に代入することにより適切なバイアス電圧を算出してもよい。ＤＡＣ１９は、バイアス電圧設定部１８にて設定されたバイアス電圧をアナログ値に変換して出力する。ＤＡＣ１９から出力されたバイアス電圧は、測定受光部１０２ａに含まれるフォトダイオード２０のマイナス側電位を制御する。バイアス電圧は、図８に示すように、出力信号Ｌ_BGが高くなるほどフォトダイオード２０のマイナス側電位が大きくなるように設定される。

このように、参照受光手段１２２及びバイアス手段１２０を設けることによって、外乱光が強いときにフォトダイオード２０のバイアス電圧を低下させてフォトダイオード２０の感度を低下させることができる。この構成により、フォトダイオード２０に対して降伏電圧Ｖ_BDに閾値電圧Ｖ_THを加えた電圧から電源電圧Ｖ_SPADまでの範囲においてバイアス電圧を調整することが可能となる。すなわち、参照受光手段１２２によって観測された次回測定方向からの外乱光の強度に応じてＴＯＦ観測用の測定受光部１０２ａの感度を適切に調整することができる。したがって、検出時間効率の低下やヒストグラムの偽ピークの発生を抑制することができ、ＴＯＦの検出効率や確度を高めることができる。

さらに、外乱光の強度に応じて比較手段１１４の閾値Ｎ_REFを変更する構成としてもよい。外乱光が大きくなるほど閾値Ｎ_REFを大きくすることでヒストグラムの偽ピークをより抑制することができる。特に、測定受光手段１０２を構成する測定受光部１０２ａの数が多いときやＴＤＣ１１６のデッドタイムが長いときに閾値Ｎ_REFを調整することが有効である。

また、測定受光部１０２ａと参照受光部１２２ａとを同一構造の受光素子とすることが好適である。これにより、測定受光部１０２ａと参照受光部１２２ａとの特性の差が小さくなるので、測定受光部１０２ａのダークカウント（暗電流）の影響を参照受光部１２２ａの出力値によって補償することができる。さらに、測定受光部１０２ａと参照受光部１２２ａとを同一の半導体基板（チップ）上に実装することが好適である。これにより、測定受光部１０２ａと参照受光部１２２ａとの特性の差がより小さくなるので、測定受光素子のバイアス制御や、比較手段の閾値の調節をより正確に行うことができる。さらに、測定受光手段１０２と参照受光手段１２２との相対的な位置関係を正確に決めることができ、他の構成要素との配置をより正確かつ容易に行うことができる。

１０フォトダイオード、１２クエンチング抵抗、１４バッファー、１６フリップフロップ、１８バイアス電圧設定部、１９ＤＡＣ、２０フォトダイオード、２２クエンチング抵抗、２４バッファー、１００光検出器、１０２測定受光手段、１０２ａ測定受光部、１０４パルス整形回路、１０６加算手段、１１４比較手段、１１６ＴＤＣ、１１８ヒストグラム生成手段、１２０バイアス手段、１２２参照受光手段、１２２ａ参照受光部、１２４第１サンプリング手段、１２６加算手段、１２８第２サンプリング手段、１４０累積手段、１４２ラッチ手段、２００光学的測距装置、２０２光源、２０４双曲面ミラー、２０４ａ孔、２０６ポリゴンミラー、２０８受光素子領域、２０８ａ測定受光素子領域、２０８ｂ参照受光素子領域。

Claims

照射光の投光時刻と反射光の受光時刻との差に基づいて距離を測定する光学的測距装置であって、
パルス光を投光する光源と、
物体からの光を受光するフォトンカウント型の測定受光素子を備えた感度が可変の測定受光手段と、
投光方向と受光方向を走査する走査手段と、
前記走査手段により前記測定受光手段が次回測定する領域からの光であって、前記照射光として投光された光以外の光のみを受光する参照受光素子を備えた参照受光手段と、
前記参照受光手段の受光量に応じて前記測定受光手段の感度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする光学的測距装置。
請求項１に記載の光学的測距装置であって、
前記参照受光素子は、フォトンカウント型の受光素子から構成され、
前記参照受光手段は、前記参照受光素子から出力されるパルス信号を時間的に累積して累積値として出力する累積手段を備え、
前記制御手段は、前記参照受光手段の受光量として前記累積値を使用して、前記累積値に応じて前記測定受光手段の感度を制御することを特徴とする光学的測距装置。
請求項１に記載の光学的測距装置であって、
前記測定受光手段は、
前記測定受光素子として、アレイ状に配置された複数のガイガーモードのアバランシェフォトダイオードと、
前記アバランシェフォトダイオードの出力を加算する加算部と、
前記加算部の出力が閾値以上である場合にトリガー信号を出力する判定部と、
を含んで構成され、
前記制御手段は、
前記アバランシェフォトダイオードへのバイアス電圧を変化させること、及び、前記判定部の前記閾値を変化させること、の少なくとも一方により前記測定受光手段の感度を制御する、
ことを特徴とする光学的測距装置。