JP6477083B2 - Optical distance measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、光学的測距装置に関し、特に車両等の移動体に搭載される光学的測距装置に関する。 The present invention relates to an optical distance measuring device, and more particularly to an optical distance measuring device mounted on a moving body such as a vehicle.
衝突防止システム等の安全システム用途の車外環境用のセンサのひとつとして、レーザレーダがある。レーザレーダは、TOF(Time of Flight:飛行時間)を用いた光学的測距センサ(光学的測距装置)であり、センサから照射した光が測定対象物で反射し光学的測距装置に戻るまでの時間差、すなわちTOFに基づいて、光学的測距装置と測定対象物との間の距離を測定するセンサである。 There is a laser radar as one of sensors for the environment outside the vehicle for use in a safety system such as a collision prevention system. The laser radar is an optical distance measuring sensor (optical distance measuring device) using TOF (Time of Flight), and light irradiated from the sensor is reflected by the measurement object and returns to the optical distance measuring device. This is a sensor that measures the distance between the optical distance measuring device and the measurement object based on the time difference up to, that is, the TOF.
光学的測距装置では、測定対象空間における照射光の走査、あるいは反射光を受光する受光部のアレイ化等により、多数の測定点(点群)を得るのが一般的である。そして、点群の空間分布を解析することで、路面や障害物を認識する。 In an optical distance measuring device, a large number of measurement points (point groups) are generally obtained by scanning irradiation light in a measurement object space or arraying a light receiving unit that receives reflected light. The road surface and obstacles are recognized by analyzing the spatial distribution of the point cloud.
安全システムが移動体の制動や回避の要否を判断する上で、測定点が路面であるか否かを判断することは重要である。測定点が路面であれば、安全システムは制動や回避の必要はないと判断する。一方、測定点が非路面、すなわち障害物等の場合には、安全システムは、警報、自動制動、自動回避等により、移動体の運転を支援する場合があるからである。 In order for the safety system to determine whether it is necessary to brake or avoid the moving body, it is important to determine whether the measurement point is a road surface. If the measurement point is a road surface, the safety system determines that there is no need for braking or avoidance. On the other hand, when the measurement point is a non-road surface, that is, an obstacle or the like, the safety system may assist the operation of the moving body by warning, automatic braking, automatic avoidance, or the like.
一方、TOFを用いた光学的測距装置では、反射光の受光素子としてフォトダイオードが用いられる場合がある。フォトダイオードのうち、ブレークダウン電圧(降伏電圧)付近の高電圧を印加し、電流の内部増幅作用を用いるフォトダイオードは、アバランシェフォトダイオード(Avalanche Photodiode:APD)と呼ばれている。 On the other hand, in an optical distance measuring device using TOF, a photodiode may be used as a light receiving element for reflected light. Among photodiodes, a photodiode that applies a high voltage in the vicinity of a breakdown voltage (breakdown voltage) and uses a current internal amplification function is called an avalanche photodiode (APD).
APDにフォトンが入射すると電子・正孔対が生成され、生成された電子と正孔が各々APDに印加された高電圧による高電界で加速され、次々と雪崩のように衝突、電離を引き起こして新たな電子・正孔対が生成されていく。これがアバランシェ効果によるAPDの内部増幅作用であり、この内部増幅作用により感度が高められるため、特に長距離における測定対象物の検出が求められる光学式測距装置ではAPDが用いられることが多い。 When photons enter the APD, electron-hole pairs are generated, and the generated electrons and holes are accelerated by a high electric field due to the high voltage applied to the APD, causing collisions and ionization one after another like an avalanche. New electron / hole pairs are generated. This is the APD internal amplification effect by the avalanche effect, and the sensitivity is enhanced by this internal amplification effect. Therefore, the APD is often used particularly in an optical distance measuring device that is required to detect a measurement object at a long distance.
APDの動作モードには、降伏電圧より小さい逆バイアス電圧で動作させるリニアモードと、降伏電圧より大きい逆バイアス電圧で動作させるガイガーモードとがある。 The operation mode of the APD includes a linear mode that operates with a reverse bias voltage smaller than the breakdown voltage and a Geiger mode that operates with a reverse bias voltage larger than the breakdown voltage.
リニアモードでは、生成される電子・正孔対の割合よりも消滅する(高電界の領域から出る)電子・正孔対の割合の方が大きく、アバランシェ増幅は自然に止まる。リニアモードにおけるAPDの出力電流は、APDに入射する光量にほぼ比例する。 In the linear mode, the proportion of electron / hole pairs that disappear (out of the region of high electric field) is larger than the proportion of electron / hole pairs that are generated, and avalanche amplification stops naturally. The output current of the APD in the linear mode is substantially proportional to the amount of light incident on the APD.
一方、ガイガーモードでは、アバランシェ増幅は自然には止まらず、APDに対する印加電圧を降伏電圧以下まで下げることにより停止させる必要がある。この強制的にアバランシェ増幅を停止させることをクエンチングとい、APDに対してクエンチング作用をもたらす回路をクエンチング回路という。 On the other hand, in the Geiger mode, avalanche amplification does not stop naturally, but it must be stopped by lowering the voltage applied to the APD to a breakdown voltage or lower. This forcibly stopping avalanche amplification is called quenching, and a circuit that brings a quenching action to APD is called a quenching circuit.
最も簡易なクエンチング回路は、APDに対して直列に接続した抵抗によるクエンチング回路であり、この直列抵抗をクエンチング抵抗という。アバランシェ電流が発生するとクエンチング抵抗の端子間の電圧が上昇し、この上昇分だけAPDに印加される逆バイアス電圧が減少する。逆バイアス電圧が降伏電圧まで減少するとアバランシェ増幅が停止し、アバランシェ電流が流れなくなる。アバランシェ電流が止まると、クエンチング抵抗の端子間の電圧が減少し、APDには再び降伏電圧以上の逆バイアスが印加され、再度アバランシェ効果を引き起こせる状態になる。 The simplest quenching circuit is a quenching circuit using a resistor connected in series to the APD, and this series resistance is called a quenching resistor. When an avalanche current is generated, the voltage between the terminals of the quenching resistor increases, and the reverse bias voltage applied to the APD decreases by this increase. When the reverse bias voltage decreases to the breakdown voltage, avalanche amplification stops and the avalanche current does not flow. When the avalanche current stops, the voltage between the terminals of the quenching resistor decreases, and a reverse bias higher than the breakdown voltage is again applied to the APD, and the avalanche effect can be caused again.
このAPDとクエンチング抵抗との間における電位の変化を、たとえばバッファを介して取り出すことにより、フォトンの入射を電圧パルスとして出力させることができる。ガイガーモードでは、出力信号の振幅自体に情報は含まれず、電圧パルスの頻度が入射光量を表す。ガイガーモードのAPDは、単一のフォトンの入射でもアバランシェ効果を引き起こすことができるので、シングルフォトンアバランシェダイオード(SPAD:Single Photon Avalanche Diode)とも呼ばれる。 By taking out the change in potential between the APD and the quenching resistor through, for example, a buffer, it is possible to output photon incidence as a voltage pulse. In the Geiger mode, no information is included in the amplitude of the output signal itself, and the frequency of voltage pulses represents the amount of incident light. Since Geiger mode APDs can cause an avalanche effect even when a single photon is incident, they are also referred to as single photon avalanche diodes (SPAD).
ここで、図8を参照し、測定対象物に照射した照射光が、測定対象物で反射して反射光として戻るまでの時間、すなわちTOFを求める原理について説明する。図8は、横軸を時間とし、図8(c)に示すように照射光パルスPtと反射光パルスPrが発生した場合の、リニアモードの出力と、ガイガーモードの出力を説明する図である。TOFを用いて測定対象物までの距離を測定する装置においては、自ら発光した光以外はノイズであるため、太陽光等の外乱光の影響を極力除去する必要がある。以下では、この外乱光の除去も含めて各モードの出力について説明する。 Here, with reference to FIG. 8, a description will be given of the time until the irradiation light irradiated to the measurement object is reflected by the measurement object and returned as reflected light, that is, the TOF. FIG. 8 is a diagram for explaining the output of the linear mode and the Geiger mode when the horizontal axis is time and the irradiation light pulse Pt and the reflected light pulse Pr are generated as shown in FIG. 8C. . In an apparatus that measures the distance to the measurement object using the TOF, since the light other than the light emitted by itself is noise, it is necessary to remove the influence of disturbance light such as sunlight as much as possible. Hereinafter, the output of each mode including the removal of the disturbance light will be described.
リニアモードのAPDでは、出力電流ILが入射光量にほぼ比例するので、図8(a)に示すように、受光電流に含まれる直流成分を除去したのちに閾値電流Ithと比較処理することにより、外乱光の影響を低減して反射光が到来するタイミングを抽出することができる。その結果、外乱光の存在下でも正しいTOFを求めることができる。 In APD linear mode, the output current I L is approximately proportional to the amount of incident light, as shown in FIG. 8 (a), comparing processing with the threshold current I th in after removing the direct current component included in the received current Thus, it is possible to extract the timing at which the reflected light arrives while reducing the influence of disturbance light. As a result, a correct TOF can be obtained even in the presence of disturbance light.
一方、ガイガーモードのSPADでは、フォトンの入射に対して図8(b)に示すような電圧パルスVPを出力するので、該電圧パルスVPの到来時刻を繰り返し測定してヒストグラムを作成し、そのヒストグラムにおけるピーク値を抽出することで、外乱光の存在下でも正しいTOFを求めることができる。図8(d)は、ヒストグラムおよび当該ヒストグラムから求められるTOFの一例を示す図であり、縦軸は測定回数(度数)Nを示している。 On the other hand, the SPAD Geiger mode, because the output voltage pulse V P as shown in FIG. 8 (b) to the incident photon creates a histogram by repeatedly measuring the arrival time of the voltage pulse V P, By extracting the peak value in the histogram, the correct TOF can be obtained even in the presence of disturbance light. FIG. 8D is a diagram showing an example of a histogram and the TOF obtained from the histogram, and the vertical axis shows the number of times of measurement (frequency) N.
いずれのモードのAPDを使用する場合でも、TOFを精度よく求めるためには、受光信号において、外乱光、より一般的にはノイズと、自ら発光した光に対する反射光である信号との比率、すなわちS/N比を向上させることは重要である。 Regardless of which mode of APD is used, in order to obtain the TOF with high accuracy, the ratio of the disturbance light, more generally noise, to the signal that is the reflected light with respect to the light emitted by the received light signal, It is important to improve the S / N ratio.
つぎに、光学的測距装置により測定された多数の測定点、すなわち点群から路面を検出する従来技術について説明する。 Next, a conventional technique for detecting a road surface from a large number of measurement points measured by an optical distance measuring device, that is, a point group will be described.
たとえば、特許文献1には、ステレオカメラで得られた距離画像(点群)から路面の高さを検出する方法が開示されている。図9を参照して、特許文献1に開示された路面の高さを検出する技術について説明する。特許文献1では、図9(a)に示すように、路傍7において建造物8の高さ方向に並ぶ対応点の列Lを抽出し、この対応点列Lから高さが最も低い最低対応点を抽出する。そして、図9(b)に示すように、前後方向に並ぶ該最低対応点列を曲線近似または直線近似することにより、走行路6の路面の高さを検出する。 For example, Patent Document 1 discloses a method for detecting the height of a road surface from a distance image (point cloud) obtained by a stereo camera. With reference to FIG. 9, the technique for detecting the height of the road surface disclosed in Patent Document 1 will be described. In Patent Document 1, as shown in FIG. 9A, a row L of corresponding points arranged in the height direction of the building 8 on the roadside 7 is extracted, and the lowest corresponding point having the lowest height from the corresponding point row L. To extract. Then, as shown in FIG. 9B, the height of the road surface of the traveling path 6 is detected by performing a curve approximation or a straight line approximation on the lowest corresponding point sequence arranged in the front-rear direction.
また、特許文献2には、レーザレーダで得られた点群について路面か否かを判定する方法が開示されている。特許文献2では、予め設定された近距離閾値以下の距離に位置し、かつ反射波の受信強度が閾値未満となる擬似物標を路面の候補として追跡する。単一のものとして認識される擬似物標が複数の分割領域に渡って検出され、かつ奥行幅が予め設定された奥行閾値以下であり、かつ移動速度が予め設定された停止判定閾値以下である場合に、当該擬似物標を路面であると判定する。 Patent Document 2 discloses a method for determining whether or not a point cloud obtained by a laser radar is a road surface. In Patent Document 2, a pseudo target that is located at a distance equal to or smaller than a preset short distance threshold and whose reflected wave reception intensity is less than the threshold is tracked as a road surface candidate. A pseudo target recognized as a single object is detected over a plurality of divided areas, a depth width is equal to or less than a preset depth threshold value, and a moving speed is equal to or less than a preset stop determination threshold value. In this case, the pseudo target is determined to be a road surface.
さらに、特許文献3には、レーザレーダの反射光の波形から、測定点が路面か否か判定する方法が開示されている。図10を参照して、特許文献3に開示された、測定点が路面か否かを判定する方法について説明する。図10は、レーザスキャナ13から照射された照射ビーム29が反射面35に入射したときの、照射パルス23の波形と反射パルス25の波形を表している。 Furthermore, Patent Document 3 discloses a method for determining whether a measurement point is a road surface from the waveform of reflected light of a laser radar. With reference to FIG. 10, the method disclosed in Patent Document 3 for determining whether or not a measurement point is a road surface will be described. FIG. 10 shows the waveform of the irradiation pulse 23 and the waveform of the reflection pulse 25 when the irradiation beam 29 irradiated from the laser scanner 13 enters the reflection surface 35.
図10(a)のように、反射面35が建造物等の障害物の一部の場合は、反射面35への照射パルスの入射角度は直角に近くなるが、10(b)に示すように、反射面35が路面の一部である場合の照射パルスの反射面35への入射角度は小さくなる。そのため、図10(a)示すように、反射面35が障害物の一部である場合には、反射パルス25のパルス幅W1は比較的狭い。しかしながらが、反射面35が路面の場合は、照射ビーム29の空間的な分布に応じて反射面35までの距離に差が生ずるので、図10(b)に示すように、反射パルスのパルス幅が広がる。特許文献3では、この反射パルスのパルス幅の相違を用いて測定点が路面であるか否かを判定している。 As shown in FIG. 10A, when the reflecting surface 35 is a part of an obstacle such as a building, the incident angle of the irradiation pulse to the reflecting surface 35 is close to a right angle, but as shown in 10 (b). In addition, the incident angle of the irradiation pulse on the reflecting surface 35 when the reflecting surface 35 is a part of the road surface becomes small. Therefore, as shown in FIG. 10A, when the reflecting surface 35 is a part of an obstacle, the pulse width W1 of the reflected pulse 25 is relatively narrow. However, when the reflecting surface 35 is a road surface, a difference occurs in the distance to the reflecting surface 35 according to the spatial distribution of the irradiation beam 29. Therefore, as shown in FIG. Spread. In Patent Document 3, it is determined whether or not the measurement point is a road surface using the difference in the pulse width of the reflected pulse.
一方、光学的測距装置の受光信号のS/N比を向上させるための従来技術に係る受信回路の一例として、特許文献4に開示されたものが知られている。特許文献4に開示された受信回路は、外部からの信号を受信する2系統の受信部、各々の系統の受信部に接続された増幅器、一端が増幅器に接続されたスイッチ、増幅器の出力端にスイッチと並列になるように接続された比較器、2つのスイッチの各々の他端に接続された加算回路を備えて構成されている。 On the other hand, as an example of a conventional receiving circuit for improving the S / N ratio of a light reception signal of an optical distance measuring device, one disclosed in Patent Document 4 is known. The receiving circuit disclosed in Patent Document 4 includes two systems of receiving units for receiving signals from the outside, amplifiers connected to the receiving units of each system, a switch having one end connected to the amplifier, and an output end of the amplifier. A comparator connected in parallel with the switch and an adder circuit connected to the other end of each of the two switches are provided.
各々の受信部は、パルスレーザ等の外部からの信号を受信して各々の増幅器へ出力する。各々の比較器は、閾値電圧と、各々の増幅器から出力された信号の電圧とを比較する。
各々の比較器は、それぞれの増幅器から出力された信号の電圧が閾値電圧よりも高い場合には、HIGHレベルの信号を各々のスイッチへ出力し、各々の増幅器と加算回路とを電気的に繋ぐ。他方、各々の比較器は、それぞれ増幅器から出力された信号の電圧が閾値電圧よりも低い場合には、LOWレベルの信号を各々のスイッチへ出力し、各々の増幅器と加算回路とを電気的に分離する。
Each receiving unit receives an external signal such as a pulse laser and outputs it to each amplifier. Each comparator compares the threshold voltage with the voltage of the signal output from each amplifier.
When the voltage of the signal output from each amplifier is higher than the threshold voltage, each comparator outputs a HIGH level signal to each switch, and electrically connects each amplifier and the addition circuit. . On the other hand, each comparator outputs a LOW level signal to each switch when the voltage of the signal output from the amplifier is lower than the threshold voltage, and electrically connects each amplifier and summing circuit. To separate.
特許文献4に開示された受信回路では、複数の増幅器のそれぞれの信号の振幅と所定の閾値とを比較し、増幅器から出力された信号の振幅が閾値以上である場合に当該増幅器と加算回路とを電気的に繋ぎ、増幅器から出力された信号の振幅が閾値未満である場合に当該増幅器と加算回路とを電気的に分離する。特許文献4では、増幅器から出力された信号の振幅が閾値未満であれば、その信号に含まれる雑音は加算回路による加算処理を受けないことから、加算処理によって生じるS/N比の低下を防ぐことができ、より適切にS/N比の改善を図ることができるとされている。 In the receiving circuit disclosed in Patent Document 4, the amplitude of each of a plurality of amplifiers is compared with a predetermined threshold, and when the amplitude of the signal output from the amplifier is equal to or greater than the threshold, the amplifier and the adding circuit Are electrically connected, and when the amplitude of the signal output from the amplifier is less than the threshold, the amplifier and the adding circuit are electrically separated. In Patent Document 4, if the amplitude of a signal output from an amplifier is less than a threshold value, noise included in the signal is not subjected to addition processing by an addition circuit, thereby preventing a decrease in S / N ratio caused by the addition processing. It is said that the S / N ratio can be improved more appropriately.
一般に、点群から路面を検出する場合は、特許文献1に開示された路面を検出する方法のように、多数の測定点の連続性や直線性を考慮して統計的に推定する。そのため、より正確に路面を推定するためには、より遠方まで多数の測定点を得ることが好ましい。しかしながら、距離が遠くなるほどレーザ光のパワー密度が低下する。さらに、上述したように、遠方ほど路面への入射角度が小さくなって反射パルスのパルス幅が広がるので、反射パルスのピークパワーが下がる。このため、遠方ほど路面の距離測定が困難になる。 In general, when a road surface is detected from a point group, statistical estimation is performed in consideration of continuity and linearity of a large number of measurement points, as in the method of detecting a road surface disclosed in Patent Document 1. Therefore, in order to estimate the road surface more accurately, it is preferable to obtain a large number of measurement points farther away. However, the laser beam power density decreases as the distance increases. Furthermore, as described above, since the incident angle to the road surface decreases as the distance increases, the pulse width of the reflected pulse increases, so that the peak power of the reflected pulse decreases. For this reason, it becomes difficult to measure the distance of the road surface as the distance increases.
特許文献2では、近距離の測定点のうち反射強度が小さい測定点を路面の候補としている。しかしながら、特許文献2に開示された方法は、近距離の路面の検出には有効であるが、遠方の路面の検出性能を高めることは困難である。 In Patent Document 2, a measurement point with a low reflection intensity among the measurement points at a short distance is used as a road surface candidate. However, although the method disclosed in Patent Document 2 is effective for detecting a road surface at a short distance, it is difficult to improve the detection performance of a road surface at a far distance.
また、特許文献3では、反射パルスのパルス幅が広い、したがって強度が小さい点を路面の候補としている。しかしながら、壁面のように路面と垂直な面であっても、その位置と向きによっては照射光の測定対象物への入射角度が小さくなることもあり、障害物を路面と誤検出する虞がある。したがって、特許文献3のものもやはり遠方の路面の検出性能を高めることは困難である。 Further, in Patent Document 3, a road surface candidate is a point where the pulse width of the reflected pulse is wide and therefore the intensity is small. However, even if the surface is perpendicular to the road surface, such as a wall surface, the incident angle of the irradiated light to the measurement object may be reduced depending on the position and orientation, and there is a risk that an obstacle will be erroneously detected as a road surface. . Therefore, it is difficult to improve the detection performance of a distant road surface in the case of Patent Document 3 as well.
一方、受信回路のS/N比に関しては、特許文献4の方法では、受信部の出力が閾値以上であるときにスイッチをオンにして、受信部の出力が加算回路で加算される。すなわち、受信部の出力が閾値以上であるときに信号成分であるという仮定に基づいている。そのため、閾値を大きく定めると、大きなピーク値、つまりS/N比の改善の必要がない信号しか加算されない。逆に閾値を小さく定めると、小さなピーク値も加算される反面、ノイズ成分も加算されてS/N比が低下して誤検出を生じる可能性がある。 On the other hand, regarding the S / N ratio of the receiving circuit, in the method of Patent Document 4, when the output of the receiving unit is equal to or greater than the threshold value, the switch is turned on and the output of the receiving unit is added by the adding circuit. That is, it is based on the assumption that the signal component is a signal component when the output of the receiver is equal to or greater than a threshold value. Therefore, if the threshold value is set large, only a large peak value, that is, a signal that does not require improvement of the S / N ratio is added. On the other hand, if the threshold value is set small, a small peak value is added, but a noise component is also added, and the S / N ratio is lowered, which may cause erroneous detection.
換言すれば、閾値処理により、容易かつ明確に信号成分とノイズ成分とを分離できる場合には、容易にTOFを求めることができるためS/N比の改善の必要はない。閾値処理により容易に信号成分とノイズ成分を分離できない場合にS/N比の改善が必要になるが、信号成分とノイズ成分の大きさは近い値になるため、閾値の設定が容易ではない。したがって、特許文献4に開示された受信回路のS/N比改善方法では、ノイズのレベルに応じてS/N比を改善するということはできず、光学的測距装置の検出性能を向上させる観点から改善の余地がある。 In other words, if the signal component and the noise component can be easily and clearly separated by the threshold processing, the TOF can be easily obtained, so there is no need to improve the S / N ratio. When the signal component and the noise component cannot be easily separated by the threshold processing, the S / N ratio needs to be improved. However, since the magnitudes of the signal component and the noise component are close to each other, it is not easy to set the threshold. Therefore, in the S / N ratio improvement method of the receiving circuit disclosed in Patent Document 4, the S / N ratio cannot be improved according to the noise level, and the detection performance of the optical distance measuring device is improved. There is room for improvement from the viewpoint.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、測定対象物、特に遠方に位置する測定対象物や反射率の低い測定対象物の検出性能が高められた光学的測距装置を実現することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and realizes an optical distance measuring device with improved detection performance of a measurement object, particularly a measurement object located far away or a measurement object with low reflectance. For the purpose.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の光学的測距装置は、測定対象物に対し照射光パルスを投光する投光部と、前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の1つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を含み、前記合成部は、前記受光画素の観測方向が異なることによる前記反射光パルスの受光時刻の差を補正して前記複数の個別受光信号を加算し、前記合成受光信号を出力する。 In order to achieve the above object, the optical distance measuring device according to claim 1 includes a light projecting unit that projects an irradiation light pulse on a measurement object, and a reflected light pulse reflected by the measurement object. A light receiving unit that is disposed on the imaged imaging surface and has a plurality of light receiving pixels that receive the reflected light pulse; and a pixel of interest among a plurality of light receiving signals output from each of the plurality of light receiving pixels; A selection unit that selects a light reception signal output from one or a plurality of pixels in the vicinity of the target pixel and outputs it as a plurality of individual light reception signals, and a synthesis unit that outputs a combined light reception signal obtained by adding the plurality of individual light reception signals And calculating a flight time that is a difference between a projection time of the irradiation light pulse corresponding to the target pixel and a reception time of the reflected light pulse using the combined light reception signal, and the measurement based on the flight time. The distance to the object Seen including a distance calculating unit for output, wherein the combining unit is configured to correct the difference between the light receiving time of the reflected light pulse by the observation direction of the light receiving pixels are different by adding the plurality of individual light signals, wherein Outputs the combined light reception signal .
また、請求項2に記載の発明は、測定対象物に対し照射光パルスを投光する投光部と、前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の1つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、信号と雑音との比率に基づいて前記個別受光信号のピーク値検出の信頼度である個別信頼度を算出し、信号と雑音との比率に基づいて前記合成受光信号のピーク値検出の信頼度である合成信頼度を算出する信頼度算出部と、を含み、前記合成部は、前記合成信頼度が前記個別信頼度より大きい場合に前記合成受光信号を出力するとともに、前記合成信頼度が前記個別信頼度以下の場合には、前記注目画素に対応する前記個別受光信号を前記合成受光信号として出力する。 According to a second aspect of the present invention , the light projecting unit that projects the irradiation light pulse onto the measurement object and the imaging surface on which the reflected light pulse reflected by the measurement object is formed are arranged. And a light receiving unit having a plurality of light receiving pixels that receive the reflected light pulse, and one or more of the target pixel and the vicinity of the target pixel among the plurality of light receiving signals output from each of the plurality of light receiving pixels. A selection unit that selects a light reception signal output from each pixel and outputs it as a plurality of individual light reception signals, a combination unit that outputs a combined light reception signal obtained by adding the plurality of individual light reception signals, and the combined light reception signal Distance calculation that calculates a flight time that is a difference between a projection time of the irradiation light pulse corresponding to the target pixel and a reception time of the reflected light pulse, and calculates a distance to the measurement object based on the flight time and parts, signal and miscellaneous The individual reliability, which is the reliability of the peak value detection of the individual light reception signal, is calculated based on the ratio of the received light signal. A reliability calculating unit that calculates a degree , and the combining unit outputs the combined light reception signal when the combined reliability is greater than the individual reliability, and the combined reliability is equal to or less than the individual reliability. In this case, the individual light reception signal corresponding to the target pixel is output as the combined light reception signal.
また、請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、信号と雑音との比率に基づいて前記個別受光信号のピーク値検出の信頼度である個別信頼度を算出し、信号と雑音との比率に基づいて前記合成受光信号のピーク値検出の信頼度である合成信頼度を算出する信頼度算出部をさらに含み、前記合成部は、前記合成信頼度が前記個別信頼度より大きい場合に前記合成受光信号を出力するとともに、前記合成信頼度が前記個別信頼度以下の場合には、前記注目画素に対応する前記個別受光信号を前記合成受光信号として出力する。 According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, an individual reliability that is a reliability of peak value detection of the individual received light signal is calculated based on a ratio between a signal and noise, And a reliability calculating unit that calculates a combined reliability that is a reliability of peak value detection of the combined light reception signal based on a ratio of noise to noise, and the combining unit includes the combined reliability that is higher than the individual reliability. When it is larger, the combined light reception signal is output, and when the combined reliability is equal to or less than the individual reliability, the individual light reception signal corresponding to the target pixel is output as the combined light reception signal.
また、請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記合成信頼度が前記個別信頼度より大きい場合には前記測定対象物が路面であると判定するとともに、前記合成信頼度が前記個別信頼度以下の場合には前記測定対象物が非路面であると判定する判定部をさらに含む。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the present invention, when the composite reliability is greater than the individual reliability, the measurement object is determined to be a road surface, and the composite reliability is determined. When the degree is equal to or less than the individual reliability, the apparatus further includes a determination unit that determines that the measurement object is a non-road surface.
また、請求項5に記載の発明は、請求項2〜請求項4のいずれか1項に記載の発明において、前記受光部は、前記反射光パルスを含まない外乱光のみを受光する受光画素を備えた外乱光受光部を有し、前記信頼度算出部は、前記受光信号のピーク値を前記信号とし、前記外乱光受光部の出力を雑音として前記個別信頼度を算出する。
また、請求項6に記載の発明は、測定対象物に対し照射光パルスを投光する投光部と、前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の1つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を含み、前記投光部は、予め定められた計測時間に亘って前記測定対象物に繰り返し前記照射光パルスを投光し、前記選択部は、注目画素と前記注目画素の近傍の1つまたは複数の画素の各々から出力される、繰り返し投光された前記照射光パルスの受光信号を時間軸に沿って累積した個別ヒストグラムを前記個別受光信号として出力し、前記合成部は前記個別ヒストグラムを加算した合成ヒストグラムを前記合成受光信号として出力し、前記距離算出部は、前記合成ヒストグラムのピーク値に対応する時刻を前記受光時刻として前記測定対象物までの距離を算出する。
According to a fifth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the second to fourth aspects, the light receiving unit includes a light receiving pixel that receives only disturbance light that does not include the reflected light pulse. The disturbance light receiving unit is provided, and the reliability calculation unit calculates the individual reliability using the peak value of the light reception signal as the signal and the output of the disturbance light reception unit as noise.
According to a sixth aspect of the present invention, the light projecting unit for projecting the irradiation light pulse onto the measurement object and the imaging surface on which the reflected light pulse reflected by the measurement object is imaged are arranged. And a light receiving unit having a plurality of light receiving pixels that receive the reflected light pulse, and one or more of the target pixel and the vicinity of the target pixel among the plurality of light receiving signals output from each of the plurality of light receiving pixels. A selection unit that selects a light reception signal output from each pixel and outputs it as a plurality of individual light reception signals, a combination unit that outputs a combined light reception signal obtained by adding the plurality of individual light reception signals, and the combined light reception signal Distance calculation that calculates a flight time that is a difference between a projection time of the irradiation light pulse corresponding to the target pixel and a reception time of the reflected light pulse, and calculates a distance to the measurement object based on the flight time And The light projecting unit repeatedly projects the irradiation light pulse on the measurement object over a predetermined measurement time, and the selection unit is configured to focus the target pixel and one or more pixels in the vicinity of the target pixel. Each of which is output as an individual histogram obtained by accumulating the received light signal of the irradiation light pulse repeatedly projected along the time axis, and the combining unit adds the individual histogram. Is output as the combined light reception signal, and the distance calculation unit calculates the distance to the measurement object using the time corresponding to the peak value of the combined histogram as the light reception time.
また、請求項7に記載の発明は、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の発明において、前記投光部は、予め定められた計測時間に亘って前記測定対象物に繰り返し前記照射光パルスを投光し、前記選択部は、注目画素と前記注目画素の近傍の1つまたは複数の画素の各々から出力される、繰り返し投光された前記照射光パルスの受光信号を時間軸に沿って累積した個別ヒストグラムを前記個別受光信号として出力し、前記合成部は前記個別ヒストグラムを加算した合成ヒストグラムを前記合成受光信号として出力し、前記距離算出部は、前記合成ヒストグラムのピーク値に対応する時刻を前記受光時刻として前記測定対象物までの距離を算出する。 The invention according to claim 7 is the invention according to any one of claims 1 to 5 , wherein the light projecting unit is repeatedly applied to the measurement object over a predetermined measurement time. and projecting the irradiation light pulse, the selection unit is output from each of the one or more neighboring pixels of the target pixel as a target pixel, a light reception signal of the irradiated light pulses repeatedly projected time The individual histogram accumulated along the axis is output as the individual light receiving signal, the combining unit outputs a combined histogram obtained by adding the individual histograms as the combined light receiving signal, and the distance calculating unit is a peak value of the combined histogram The distance to the measurement object is calculated using the time corresponding to 1 as the light reception time.
本発明によれば、測定対象物、特に遠方に位置する測定対象物や反射率の低い測定対象物の検出性能が高められた光学的測距装置を実現することができる、という効果を奏する。 According to the present invention, there is an effect that it is possible to realize an optical distance measuring device in which detection performance of a measurement object, particularly a measurement object located far away or a measurement object having a low reflectance, is enhanced.
[第1の実施の形態]
以下、図1ないし図6を参照して本実施の形態について詳細に説明するが、まず、図1を参照して、本実施の形態に係る光学的測距装置10の基本的な構成について説明する。
光学的測距装置10は、投光部30、受光部32、双曲面ミラー20、ポリゴンミラー22、および筐体26を備えている。
[First Embodiment]
Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6. First, the basic configuration of the optical distance measuring device 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. To do.
The optical distance measuring device 10 includes a light projecting unit 30, a light receiving unit 32, a hyperboloid mirror 20, a polygon mirror 22, and a housing 26.
投光部30は、測定対象空間に照射する照射光となる投光光Ltを生成する部位であり、光源としてのLD(Laser Diode)素子18を搭載した投光基板16を含んで構成されている。本実施の形態においては、投光光Ltは連続して投光されるパルス状の波形とされ、投光基板16は、LD素子18から出射する連続光を光パルス(パルスレーザ光)とするLD素子駆動回路(図示省略)を含んでいる。なお、本実施の形態では、光源としてLD素子を用いた形態を例示して説明するが、固体レーザ等他の光源を用いた形態としてもよい。また、一例として、パルスレーザ光の周期は4μs(microsecond)、パルス幅は数ns(nanosecond)程度とすることができる。 The light projecting unit 30 is a part that generates the light projecting light Lt that is the irradiation light that irradiates the measurement target space. The light projecting unit 30 includes a light projecting substrate 16 that includes an LD (Laser Diode) element 18 as a light source. Yes. In the present embodiment, the light projecting light Lt has a pulse-like waveform that is continuously projected, and the light projecting substrate 16 uses the continuous light emitted from the LD element 18 as a light pulse (pulse laser light). An LD element driving circuit (not shown) is included. In the present embodiment, an example in which an LD element is used as a light source will be described. However, another light source such as a solid-state laser may be used. As an example, the period of the pulse laser beam can be 4 μs (microsecond), and the pulse width can be about several ns (nanosecond).
受光部32は、測定対象物で反射した反射光を受光光Lrとして受光する部位であり、受光LSI(Large Scale Integrated Circuits)12を搭載した受光基板14を含んで構成されている。 The light receiving unit 32 is a part that receives reflected light reflected by the measurement object as received light Lr, and includes a light receiving substrate 14 on which a light receiving LSI (Large Scale Integrated Circuits) 12 is mounted.
ポリゴンミラー22は6面のミラー面を有する回転多角形ミラーであり、投光光Ltを走査し照射光として測定対象空間に向け照射するとともに、測定対象物からの反射光を走査して双曲面ミラー20へ導く部位である。 The polygon mirror 22 is a rotating polygon mirror having six mirror surfaces. The polygon mirror 22 scans the projection light Lt to irradiate the measurement target space as irradiation light, and scans the reflected light from the measurement target to scan the hyperboloid. This is the part that leads to the mirror 20.
ポリゴンミラー22の各ミラー面は回転軸Aに対して傾けて設けられており、ポリゴンミラー22は回転軸Aを中心として所定の回転速度で回転される。本実施の形態に係るポリゴンミラー22の各ミラー面と回転軸Aとのなす角度は各々異なるように配置されているので、ポリゴンミラー22の回転に伴って照射光と反射光の俯角が変化する。 Each mirror surface of the polygon mirror 22 is inclined with respect to the rotation axis A, and the polygon mirror 22 is rotated about the rotation axis A at a predetermined rotation speed. Since the angles formed by the mirror surfaces of the polygon mirror 22 and the rotation axis A according to the present embodiment are different from each other, the depression angles of the irradiation light and the reflected light change as the polygon mirror 22 rotates. .
したがって、ポリゴンミラー22を回転させることにより、LD素子18からの投光光Ltは、水平方向の走査(スキャン)のみならず、異なる俯角で垂直方向にも走査され、つまり面状に走査され、測定対象空間に向け照射される。なお、本実施の形態では6面を有するポリゴンミラー22を用いた形態を例示して説明するが、これに限られず、具体的設計条件等に応じて他の面数のポリゴンミラーを用いた形態としてもよい。 Therefore, by rotating the polygon mirror 22, the light projection Lt from the LD element 18 is scanned not only in the horizontal direction (scanning) but also in the vertical direction at different depression angles, that is, scanned in a planar shape, Irradiated toward the space to be measured. In the present embodiment, an example using a polygon mirror 22 having six surfaces will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and a configuration using polygon mirrors having other numbers of surfaces according to specific design conditions and the like. It is good.
双曲面ミラー20は、測定対象物で反射した反射光を集光し受光光Lrとして受光LSI12に導く部位である。 The hyperboloid mirror 20 is a part that collects the reflected light reflected by the measurement object and guides it to the light receiving LSI 12 as the received light Lr.
筐体26は、上記の各構成を支持する支持構造とともに、電源基板24および制御基板27を含んで構成され、電源基板24には、投光基板16および受光基板14が接続されている。電源基板24は、外部から供給される電力を用いて、投光基板16、受光基板14、および制御基板27に供給する電圧を生成する回路を含んでいる。また、制御基板27には、光学的測距装置10の全体を統括制御する制御部(図示省略)が設けられており、当該制御部は、投光基板16および受光基板14の制御等を実行する。当該制御部は、図示しないCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、およびRAM(Random Access Memory)等を備えて構成されている。 The housing 26 includes a power supply board 24 and a control board 27 together with a support structure that supports each of the above-described structures, and the light projecting board 16 and the light receiving board 14 are connected to the power supply board 24. The power supply board 24 includes a circuit that generates a voltage to be supplied to the light projecting board 16, the light receiving board 14, and the control board 27 using power supplied from the outside. In addition, the control board 27 is provided with a control unit (not shown) that performs overall control of the entire optical distance measuring device 10, and the control unit executes control of the light projecting board 16 and the light receiving board 14. To do. The control unit includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), and the like (not shown).
つぎに、上記構成を有する光学的測距装置10の動作について説明する。 Next, the operation of the optical distance measuring device 10 having the above configuration will be described.
LD素子18から出射されるパルスレーザ光は、図示しないコリメートレンズでコリメートされ(平行光とされ)、双曲面ミラー20に設けられた開口Kからポリゴンミラー22に導かれる。ポリゴンミラー22で反射した投光光Ltは測定対象空間に向けて投光され、測定対象空間内の測定対象物に照射され、測定対象物で反射された反射光は光学的測距装置10へと再び戻る。なお、上記コリメートレンズは投光空間を規定するものであり、必要に応じて用いればよい。 The pulsed laser light emitted from the LD element 18 is collimated by a collimator lens (not shown) (made parallel light) and guided to the polygon mirror 22 from the opening K provided in the hyperboloid mirror 20. The projection light Lt reflected by the polygon mirror 22 is projected toward the measurement target space, irradiated to the measurement target in the measurement target space, and the reflected light reflected by the measurement target is directed to the optical distance measuring device 10. And return again. The collimating lens defines a light projection space and may be used as necessary.
光学的測距装置10に戻った反射光は、再びポリゴンミラー22によって反射され、さらに双曲面ミラー20で反射され、受光光Lrとして受光LSI12へ入射する。双曲面ミラー20はレンズと同様の作用を奏し、受光光Lrを受光LSI12の受光面(後述)に結像させる。 The reflected light that has returned to the optical distance measuring device 10 is reflected again by the polygon mirror 22, further reflected by the hyperboloid mirror 20, and enters the light receiving LSI 12 as the received light Lr. The hyperboloid mirror 20 has an effect similar to that of a lens, and forms an image of the received light Lr on a light receiving surface (described later) of the light receiving LSI 12.
以上の説明からも明らかなように、本実施の形態に係る光学的測距装置10の光学系は、投光における光軸と受光における光軸とを一致させた同軸型の光学系である。 As is clear from the above description, the optical system of the optical distance measuring device 10 according to the present embodiment is a coaxial optical system in which the optical axis in light projection coincides with the optical axis in light reception.
つぎに、図2を参照して、本実施の形態に係る受光LSI12について説明する。受光LSI12は、受光光Lrを受光して光電変換する光検出部と、該光検出部からの信号を処理する信号処理部とが集積化された半導体集積回路である。本実施の形態では、光検出部としてシリコンフォトマルチプライヤ(SiPM:Silicon Photo Multipliers)を用いた形態を例示して説明する。SiPMとは、複数のSPADをアレイ状に行列配置し、全体として大きな光検出器、すなわち画素を構成したものである。 Next, the light receiving LSI 12 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The light receiving LSI 12 is a semiconductor integrated circuit in which a light detection unit that receives and photoelectrically converts the received light Lr and a signal processing unit that processes a signal from the light detection unit are integrated. In the present embodiment, an example in which a silicon photomultiplier (SiPM) is used as the light detection unit will be described. The SiPM is a configuration in which a plurality of SPADs are arranged in a matrix and a large photodetector, that is, a pixel as a whole.
ところで、図8(d)に示す、フォトンの入射時間を繰り返し測定したヒストグラムから、そのピーク値を高精度に抽出するためには、多数回の測定が必要となり、その結果TOFを求めるための測定時間が長くなる。測定時間が長くなると、測定対象物が移動した場合に測定誤差を生ずる。その点、SiPMを用いた光検出器は、短い測定時間で外乱光の影響を排除しつつ正しいTOFを求めることができる方法である(たとえば、特開2012−060012号公報、C.Niclass, M.Soga, H.Matsubara, S.Kato, “A 100m-range 10-frame/s 340×96-pixel time-of flight depth sensor in 0.18μm CMOS”, Proceeding of ESSCIRC, pp.107-110, September, 2011.等参照)。 By the way, in order to extract the peak value with high accuracy from the histogram in which the incident time of the photon is repeatedly measured as shown in FIG. 8D, many measurements are required, and as a result, measurement for obtaining the TOF. The time will be longer. When the measurement time becomes long, a measurement error occurs when the measurement object moves. On the other hand, the photodetector using SiPM is a method that can obtain the correct TOF while eliminating the influence of disturbance light in a short measurement time (for example, JP 2012-06001 A, C. Niclass, M .Soga, H. Matsubara, S. Kato, “A 100m-range 10-frame / s 340 × 96-pixel time-of flight depth sensor in 0.18μm CMOS”, Proceeding of ESSCIRC, pp.107-110, September, See 2011.).
図2に示すように、本実施の形態に係る受光LSI12の光検出部50は、信号光検出部130および参照光検出部230を含んで構成されている。信号光検出部130は、距離を計測するための受光光Lrを検出する光検出部であり、参照光検出部230は、外乱光の強度を検出する光検出部である。 As shown in FIG. 2, the light detection unit 50 of the light receiving LSI 12 according to the present embodiment includes a signal light detection unit 130 and a reference light detection unit 230. The signal light detection unit 130 is a light detection unit that detects the received light Lr for measuring the distance, and the reference light detection unit 230 is a light detection unit that detects the intensity of disturbance light.
本実施の形態に係る信号光検出部130は、受光光Lrを検出する、1次元に配列された16個のTOF画素GT1〜GT16(以下、総称する場合は「TOF画素GT」という)を含んで構成されている。また、TOF画素GTの各々は、SPAD120が4行×6列のアレイ状に配置されて構成されている。 The signal light detection unit 130 according to the present embodiment includes 16 TOF pixels GT1 to GT16 (hereinafter, collectively referred to as “TOF pixels GT”) arranged in a one-dimensional manner for detecting the received light Lr. It consists of Each of the TOF pixels GT is configured by SPAD 120 being arranged in an array of 4 rows × 6 columns.
一方、本実施の形態に係る参照光検出部230は、外乱光を検出する、1次元に配列された16個の参照画素GR1〜GR16(以下、総称する場合は「参照画素GR」という)を含んで構成されている。また、参照画素GRの各々は、SPAD220が4行×6列のアレイ状に配置されて構成されている。本実施の形態では、参照光検出部230として信号光検出部130と同じ構造の素子を用いている。 On the other hand, the reference light detection unit 230 according to the present embodiment detects 16 reference pixels GR1 to GR16 (hereinafter, collectively referred to as “reference pixels GR”) arranged in a one-dimensional manner to detect disturbance light. It is configured to include. Each of the reference pixels GR is configured by SPADs 220 arranged in an array of 4 rows × 6 columns. In the present embodiment, an element having the same structure as that of the signal light detection unit 130 is used as the reference light detection unit 230.
本実施の形態に係る投光部30から出射されるパルスレーザ光のビーム形状は、鉛直方向(図1のZ方向)に縦長のビーム形状とされている。また、信号光検出部130のTOF画素GT、および参照光検出部230の参照画素GRも鉛直方向(図2のZ方向)に配列されている。反射光も縦長のビーム形状のまま光学的測距装置10に戻るので、縦長のビーム形状を有する受光光Lrが、TOF画素GTの配列方向に沿って信号光検出部130に入射する。つまり、1つのパルスレーザ光に対応する反射光パルスを、信号光検出部130が一括して受光する。 The beam shape of the pulse laser beam emitted from the light projecting unit 30 according to the present embodiment is a vertically long beam shape in the vertical direction (Z direction in FIG. 1). The TOF pixel GT of the signal light detection unit 130 and the reference pixel GR of the reference light detection unit 230 are also arranged in the vertical direction (Z direction in FIG. 2). Since the reflected light also returns to the optical distance measuring device 10 with the vertically long beam shape, the received light Lr having the vertically long beam shape enters the signal light detection unit 130 along the arrangement direction of the TOF pixels GT. That is, the reflected light pulse corresponding to one pulse laser beam is collectively received by the signal light detection unit 130.
さらに、本実施の形態では、信号光検出部130の受光領域と、信号光検出部130の受光面に結像する反射光パルスのビームスポットとが重なるように受光LSI12が配置されている。このように配置することにより、信号光検出部130が反射光と外乱光とを検出するのに対し、参照光検出部230は反射光を検出せず外乱光のみ検出する。 Furthermore, in the present embodiment, the light receiving LSI 12 is arranged so that the light receiving region of the signal light detecting unit 130 and the beam spot of the reflected light pulse imaged on the light receiving surface of the signal light detecting unit 130 overlap. With this arrangement, the signal light detection unit 130 detects reflected light and disturbance light, whereas the reference light detection unit 230 detects only disturbance light without detecting reflected light.
先述したように、本実施の形態では、ポリゴンミラー22が回転することにより、投光光Ltの光ビーム(投光ビーム)と、受光光Lrのビーム(受光ビーム)とが同時に水平方向に走査される。本実施の形態に係るポリゴンミラー22は6面で構成されるとともに、各面は俯角が異なるように形成されているので、垂直方向の6方向についても走査される。ポリゴンミラー22の各面の俯角の差を投光ビームのビーム広がり角度と略一致させることにより、垂直方向に隙間なく走査することができる。したがって、光学的測距装置10の垂直方向の走査線数は、信号光検出部130におけるTOF画素GTの数16と、ポリゴンミラー22の面の数6との積である96ラインとなる。 As described above, in the present embodiment, when the polygon mirror 22 rotates, the light beam of the projection light Lt (projection beam) and the beam of the reception light Lr (light reception beam) are simultaneously scanned in the horizontal direction. Is done. The polygon mirror 22 according to the present embodiment is composed of six surfaces, and each surface is formed so as to have a different depression angle, so that scanning is also performed in six vertical directions. By making the difference in depression angle of each surface of the polygon mirror 22 substantially coincide with the beam divergence angle of the projection beam, scanning can be performed in the vertical direction without any gap. Therefore, the number of scanning lines in the vertical direction of the optical distance measuring device 10 is 96 lines, which is the product of the number 16 of TOF pixels GT and the number 6 of surfaces of the polygon mirror 22 in the signal light detector 130.
つぎに、図3を参照して、信号光検出部130と、参照光検出部230の観測方向について説明する。図3に示すように、本実施の形態では、信号光検出部130の観測方向DTと、参照光検出部230の観測方向DRとが常に異なる方向を観測するように構成されている。なお、図3に示す矢印Sは投光部30の走査方向を示している。 Next, the observation directions of the signal light detection unit 130 and the reference light detection unit 230 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, in this embodiment, the observation direction DT of the signal light detection unit 130 and the observation direction DR of the reference light detection unit 230 are configured to always observe different directions. An arrow S shown in FIG. 3 indicates the scanning direction of the light projecting unit 30.
この観測方向の角度差φは、受光LSI12上での信号光検出部130と参照光検出部230との水平方向の間隔d(図2参照)、および双曲面ミラー20の焦点距離によって決まる。信号光検出部130の現在の観測方向と次回の観測方向の角度は、ポリゴンミラー22の回転速度、パルス光の発光時間間隔等によって決まる。いま、角度差φと双曲面ミラー20の焦点距離とを固定して考えると、信号光検出部130と参照光検出部230との間隔dを調節することにより、参照光検出部230の観測方向を信号光検出部130の次回の観測方向に一致させることができる。本実施の形態では、以上のように構成することにより、信号光検出部130の観測方向DTと、参照光検出部230の観測方向DRとが常に異なる方向となるように構成されている。 The angle difference φ in the observation direction is determined by the horizontal distance d (see FIG. 2) between the signal light detection unit 130 and the reference light detection unit 230 on the light receiving LSI 12 and the focal length of the hyperboloid mirror 20. The angle between the current observation direction and the next observation direction of the signal light detection unit 130 is determined by the rotation speed of the polygon mirror 22, the light emission time interval of the pulsed light, and the like. If the angle difference φ and the focal length of the hyperboloid mirror 20 are fixed, the observation direction of the reference light detection unit 230 is adjusted by adjusting the distance d between the signal light detection unit 130 and the reference light detection unit 230. Can be matched with the next observation direction of the signal light detection unit 130. In the present embodiment, by configuring as described above, the observation direction DT of the signal light detection unit 130 and the observation direction DR of the reference light detection unit 230 are always different directions.
つぎに、図4を参照して、本実施の形態に係る信号処理部について説明する。本実施の形態に係る信号処理部は、光検出部50からの受光信号を処理する部位であり、信号光検出部130から出力される受光信号を用いてTOFを求めるTOF信号処理部100と、参照光検出部230から出力される受光信号を用いて外乱光の大きさを求める参照信号処理部200とを備えている。 Next, the signal processing unit according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The signal processing unit according to the present embodiment is a part that processes a light reception signal from the light detection unit 50, and a TOF signal processing unit 100 that obtains TOF using the light reception signal output from the signal light detection unit 130; And a reference signal processing unit 200 that obtains the magnitude of disturbance light using a light reception signal output from the reference light detection unit 230.
図4(a)に示すように、TOF信号処理部100は、フロントエンド部102(フロントエンド部102−1〜102−24)、パルス整形回路104(パルス整形回路104−1〜104−24)、加算器106、コンパレータ108、TDC(Time to Digital Converter)110、およびヒストグラム処理部112を備えている。 As shown in FIG. 4A, the TOF signal processing unit 100 includes a front end unit 102 (front end units 102-1 to 102-24) and a pulse shaping circuit 104 (pulse shaping circuits 104-1 to 104-24). , An adder 106, a comparator 108, a TDC (Time to Digital Converter) 110, and a histogram processing unit 112.
フロントエンド部102は、SPAD120、SPAD120に直列に接続された抵抗122、SPAD120と抵抗122の接続点を入力とするプリアンプ124を含んで構成されている。SPAD120の各々には降伏電圧以上の逆バイアス電圧が印加されており、SPAD120の各々は、フォトンの入射に対してアバランシェ効果を引き起こし、電圧パルス(受光パルス)を出力する。抵抗122は上述したクエンチング抵抗であり、SPAD120のアバランシェ効果を停止させる機能を有している。プリアンプ124は、SPAD120と抵抗122との接続点の電位の変化を取り出すバッファである。 The front end unit 102 includes a SPAD 120, a resistor 122 connected in series to the SPAD 120, and a preamplifier 124 that inputs a connection point between the SPAD 120 and the resistor 122. A reverse bias voltage higher than the breakdown voltage is applied to each of the SPADs 120, and each of the SPADs 120 causes an avalanche effect with respect to the incidence of photons and outputs a voltage pulse (light reception pulse). The resistor 122 is the quenching resistor described above, and has a function of stopping the avalanche effect of the SPAD 120. The preamplifier 124 is a buffer that extracts a change in potential at a connection point between the SPAD 120 and the resistor 122.
図4(a)に示すSPAD120は、図2(a)に示すSPAD120の各々に対応しており、24個のフロントエンド部102−1〜102−24の各々は、TOF画素GTに含まれる24個のSPAD120に対応させて設けられている。また、24個のフロントエンド部102の組が、TOF画素GTの各々に対応させてさらに16個設けられ、信号光検出部130に対応するフロントエンド部が構成される。なお、本実施の形態に係るフロントエンド部102では、プリアンプ124の後段に、次段のパルス整形回路104と信号レベルを合わせるための増幅器等、他の回路が設けられる場合もある。 The SPAD 120 illustrated in FIG. 4A corresponds to each of the SPAD 120 illustrated in FIG. 2A, and each of the 24 front end units 102-1 to 102-24 is included in the TOF pixel GT. It is provided corresponding to each SPAD 120. Further, 16 sets of 24 front end portions 102 are provided corresponding to each of the TOF pixels GT, and a front end portion corresponding to the signal light detection portion 130 is configured. In the front end unit 102 according to the present embodiment, other circuits such as an amplifier for matching the signal level with the pulse shaping circuit 104 in the next stage may be provided in the subsequent stage of the preamplifier 124.
パルス整形回路104(パルス整形回路104−1〜104−24)は、24個のフロントエンド部102の各々に接続され、フロントエンド部102から出力される受光パルスの波形を整形する。フロントエンド部102から出力される受光パルスのパルス幅は、SPAD120の寄生容量とクエンチング抵抗122によって決まる時定数に相当する(一例として、数10ns〜数100ns)。パルス整形回路104では、この受光パルスのパルス幅を、投光部30から出力されるパルスレーザ光のパルス幅程度(一例として、数ns程度)まで狭める整形を行う。 The pulse shaping circuit 104 (pulse shaping circuits 104-1 to 104-24) is connected to each of the 24 front end units 102 and shapes the waveform of the received light pulse output from the front end unit 102. The pulse width of the received light pulse output from the front end unit 102 corresponds to a time constant determined by the parasitic capacitance of the SPAD 120 and the quenching resistor 122 (as an example, several tens to several hundred ns). The pulse shaping circuit 104 performs shaping to narrow the pulse width of the received light pulse to about the pulse width of the pulse laser beam output from the light projecting unit 30 (as an example, about several ns).
加算器106は、24個のパルス整形回路104からの出力を加算(合成)して、加算結果をコンパレータ108に出力する回路である。加算器106により、複数のSPAD120から同じタイミングで出力された受光パルスが加算される。本実施の形態では、加算結果はデジタル信号として出力される。たとえば、複数のSPAD120のうち2つから同時に受光パルスが出力されれば、加算器106からの出力信号はデジタル信号の”2”(10進数)となる。 The adder 106 is a circuit that adds (synthesizes) the outputs from the 24 pulse shaping circuits 104 and outputs the addition result to the comparator 108. The adder 106 adds the received light pulses output from the plurality of SPADs 120 at the same timing. In the present embodiment, the addition result is output as a digital signal. For example, if a light reception pulse is simultaneously output from two of the plurality of SPADs 120, the output signal from the adder 106 is a digital signal “2” (decimal number).
コンパレータ108は、加算器106から出力された加算値を所定の閾値と比較し、加算値が閾値以上の場合に、投光光Ltのパルスレーザ光に対応する受光光Lrの光パルス(反射光パルス)が到来したことを示す判定結果を出力する。本実施の形態では当該閾値を2としており、加算器106から出力された加算値が2以上の場合に、コンパレータ108は、パルス信号を出力する。 The comparator 108 compares the added value output from the adder 106 with a predetermined threshold, and when the added value is equal to or greater than the threshold, the light pulse of the received light Lr (reflected light) corresponding to the pulsed laser light of the light projection light Lt. The determination result indicating that the (pulse) has arrived is output. In this embodiment, the threshold is set to 2, and when the added value output from the adder 106 is 2 or more, the comparator 108 outputs a pulse signal.
なお、本実施の形態では上記閾値を一例として2としているが、当該閾値は所定数以上のSPADが同時に受光パルスを出力した場合、すなわち同時に多数のフォトンが到来した場合を判別するものであるから、上記閾値は2である必要はなく、具体的設計条件等を考慮して最適な値を設定すればよい。コンパレータ108の出力は次段のTDC110をトリガリングするトリガパルスとなる。 In the present embodiment, the threshold value is 2 as an example, but the threshold value is used to determine when a predetermined number or more of SPADs simultaneously output light reception pulses, that is, when a large number of photons have arrived at the same time. The threshold value need not be 2, and an optimal value may be set in consideration of specific design conditions and the like. The output of the comparator 108 becomes a trigger pulse for triggering the TDC 110 at the next stage.
TDCとは、一般に、パルス信号とパルス信号との間の時間差を計測し、その時間差をデジタル数値に変換して出力する回路である。本実施の形態に係るTDC110は、コンパレータ108から出力されたトリガパルスにより、反射光パルスの到達時間を計測する。すなわち、TDC110は、投光部30からパルスレーザ光が投光された投光時刻から、コンパレータ108で反射光パルスが検出された受光時刻までの時間を、TOFの測定結果として出力する。 The TDC is a circuit that generally measures a time difference between pulse signals and converts the time difference into a digital numerical value and outputs the digital value. The TDC 110 according to the present embodiment measures the arrival time of the reflected light pulse using the trigger pulse output from the comparator 108. That is, the TDC 110 outputs the time from the light projecting time when the pulse laser beam is projected from the light projecting unit 30 to the light receiving time when the reflected light pulse is detected by the comparator 108 as a TOF measurement result.
ヒストグラム処理部112は、TDC110で得られたTOFの測定結果をさらに所定の計測時間に亘って蓄積し、ヒストグラムHを生成する(図6参照)。ヒストグラムHは、投光部30からTOF測定用のパルスレーザ光を所定の計測時間に亘って繰り返し照射し、各々のパルスレーザ光に対応して得られたTOFの測定結果を累積することにより生成される。すなわち、投光部30からのパルスレーザ光の投光時刻ttから受光部32における反射光パルスの受光時刻trまでの時間tr−tt(=TOF)について、所定の計測時間においてコンパレータ108がパルス信号を検出した回数(度数)を示している。本実施の形態では、TOFが計測される毎に、ヒストグラムHの対応するビンの値に加算器106の出力が加算される。これにより、同時にパルスを出力するSPAD数、すなわち入射光量がヒストグラムHの度数により正確に反映される。 The histogram processing unit 112 further accumulates the TOF measurement results obtained by the TDC 110 over a predetermined measurement time, and generates a histogram H (see FIG. 6). The histogram H is generated by repeatedly irradiating a pulse laser beam for measuring TOF from the light projecting unit 30 over a predetermined measurement time and accumulating the measurement results of TOF obtained corresponding to each pulse laser beam. Is done. That is, for the time t r -t t from the light projecting time t t of the pulsed laser beam from the light projecting unit 30 to the light receiving time t r of the reflected light pulse in the light receiving portion 32 (= TOF), a comparator in a given measurement time Reference numeral 108 denotes the number of times (frequency) at which the pulse signal is detected. In the present embodiment, every time the TOF is measured, the output of the adder 106 is added to the corresponding bin value of the histogram H. Thereby, the number of SPADs that simultaneously output pulses, that is, the amount of incident light is accurately reflected by the frequency of the histogram H.
所定の計測時間に亘る上記計測により生成されたヒストグラムHは、統計的に累積処理されることになるので、より遠方の路面からの弱い反射光パルスであっても捉えることができる。このように、反射光パルスの到来時刻を繰り返し測定してヒストグラムHを生成し、生成されたヒストグラムHのピーク値を抽出することによって、外乱光の存在下でも正しいTOFの計測を行うことができる。 Since the histogram H generated by the above measurement over a predetermined measurement time is statistically accumulated, even a weak reflected light pulse from a distant road surface can be captured. Thus, by correctly measuring the arrival time of the reflected light pulse to generate the histogram H and extracting the peak value of the generated histogram H, it is possible to perform correct TOF measurement even in the presence of disturbance light. .
上記のヒストグラムHによるTOFの算出処理は、投光部30から投光されるパルスレーザ光に対する反射光パルスが信号光検出部130に入射した場合には、多数のフォトンが同時に到来して複数のSPAD120で受光されるのに対し、外乱光が信号光検出部130に入射した場合には、フォトンがランダムなタイミングで到来するので、複数のSPAD120で同時に受光する確率は低いという性質に基づいた処理である。 In the TOF calculation process using the histogram H described above, when a reflected light pulse with respect to the pulse laser light projected from the light projecting unit 30 enters the signal light detecting unit 130, a large number of photons arrive at the same time, When the disturbance light is incident on the signal light detection unit 130 while being received by the SPAD 120, since the photons arrive at random timing, processing based on the property that the probability of simultaneous reception by the plurality of SPADs 120 is low. It is.
以上のように構成されたTOF信号処理部100によれば、外乱光に起因するフォトンに対する応答を低減できるので、少ない測定回数でTOFを正しく計測することができる。 According to the TOF signal processing unit 100 configured as described above, since the response to photons caused by ambient light can be reduced, the TOF can be correctly measured with a small number of measurements.
つづけて、本実施の形態に係る参照信号処理部200について説明する。図4(b)に示すように、参照信号処理部200は、フロントエンド部202(フロントエンド部202−1〜202−24)、パルス整形回路204(パルス整形回路204−1〜204−24)、加算器206、コンパレータ208、およびカウンタ210を備えている。 Next, reference signal processing section 200 according to the present embodiment will be described. As shown in FIG. 4B, the reference signal processing unit 200 includes a front end unit 202 (front end units 202-1 to 202-24) and a pulse shaping circuit 204 (pulse shaping circuits 204-1 to 204-24). , An adder 206, a comparator 208, and a counter 210.
参照信号処理部200は、TOF信号処理部100におけるTDC110とヒストグラム処理部112を、カウンタ210に置き換えたものである。したがって、フロントエンド部202、パルス整形回路204、加算器206、およびコンパレータ208の動作は、各々フロントエンド部102、パルス整形回路104、加算器106、およびコンパレータ108の動作と同様なので説明を省略する。 The reference signal processing unit 200 is obtained by replacing the TDC 110 and the histogram processing unit 112 in the TOF signal processing unit 100 with a counter 210. Accordingly, the operations of the front end unit 202, the pulse shaping circuit 204, the adder 206, and the comparator 208 are the same as the operations of the front end unit 102, the pulse shaping circuit 104, the adder 106, and the comparator 108, respectively, and thus description thereof is omitted. .
上述したように、参照信号処理部200には外乱光のみが入射するように構成されているので、コンパレータ208の出力パルスの数を所定の時間に亘って計測することにより、外乱光(背景光)の光量を測定することができる。TOF信号処理部100における処理で得られた反射光パルスの情報には、正味のTOF信号成分と外乱光による背景光成分とが含まれる。したがって、ヒストグラムHのピーク値を抽出するときに、参照信号処理部200で処理された情報を用いることにより、適切に閾値を定めることができる。 As described above, since only the disturbance light is incident on the reference signal processing unit 200, the disturbance light (background light) is measured by measuring the number of output pulses of the comparator 208 over a predetermined time. ) Can be measured. The reflected light pulse information obtained by the processing in the TOF signal processing unit 100 includes a net TOF signal component and a background light component due to disturbance light. Therefore, when extracting the peak value of the histogram H, the threshold value can be appropriately determined by using the information processed by the reference signal processing unit 200.
つぎに、図5を参照して、車両に搭載した光学的測距装置10によって路面を計測する場合の、TOF画素間の光学的測距装置10と路面上の点との間の距離の違い、つまり俯角の違いと、路面の検出の難易度との関係について説明する。 Next, referring to FIG. 5, the difference in distance between the optical distance measuring device 10 between the TOF pixels and a point on the road surface when the road surface is measured by the optical distance measuring device 10 mounted on the vehicle. That is, the relationship between the depression angle and the difficulty of detecting the road surface will be described.
図5に示すように、車両1の前方上部の、路面Rからの高さがHの位置に、本実施の形態に係る光学的測距装置10が搭載されている。光学的測距装置10の投光部30からは、ポリゴンミラー22によって連続して走査される投光光Ltのなかで、i番目のTOF画素GTによって受光される部分をLtiとすると、投光光Ltiは、光学的測距装置10との水平距離がXiである路面R上の点Siに投光されている。投光光Ltiの光軸と、路面Rとのなす角度をθiとし、該角度θiを俯角と定義する。先述したように、本実施の形態では、信号光検出部130および参照光検出部230が路面Rに対し垂直方向(すなわち、鉛直方向)に配置されていることから、俯角θiを、i番目のTOF画素GTあるいは参照画素GRの観測方向の俯角とも称することにする。 As shown in FIG. 5, the optical distance measuring device 10 according to the present embodiment is mounted on the front upper portion of the vehicle 1 at a position where the height from the road surface R is H. From the light projecting unit 30 of the optical distance measuring device 10, assuming that the portion received by the i-th TOF pixel GT in the light Lt continuously scanned by the polygon mirror 22 is Lt i. The light beam Lt i is projected to a point S i on the road surface R where the horizontal distance to the optical distance measuring device 10 is X i . The optical axis of the projected light Lt i, an angle between a road surface R and theta i, is defined as depression of the angle theta i. As described above, in the present embodiment, since the signal light detection unit 130 and the reference light detection unit 230 are arranged in the vertical direction (that is, the vertical direction) with respect to the road surface R, the depression angle θ i is set to the i th This is also referred to as the depression angle in the observation direction of the TOF pixel GT or the reference pixel GR.
路面Rを水平平面と仮定した場合の、光学的測距装置10から路面R上の点Siまでの距離DiとTOFτiとの関係は、図5に示す幾何学的な関係から以下に示す(式1)によって表される。
ここで、cは光速であり、c=3×108m/sec(second)である。
When the road surface R is assumed to be a horizontal plane, the relationship between the distance D i from the optical distance measuring device 10 to the point S i on the road surface R and TOFτ i is as follows from the geometric relationship shown in FIG. It is represented by (Equation 1) shown.
Here, c is the speed of light, and c = 3 × 10 8 m / sec (second).
俯角θiと路面R上の点Siの検出の難易度との関係について、俯角θiに対するTOFτiの変化率dτi/dθiを用いて説明する。(式1)および(式2)から、dτi/dθiは以下に示す(式3)で与えられる。
Relationship between the degree of difficulty of detecting the point S i on the depression angle theta i and the road surface R, will be described with reference to the rate of change dτ i / dθ i of TOFtau i for depression theta i. From (Expression 1) and (Expression 2), dτ i / dθ i is given by (Expression 3) shown below.
一例として、H=1.4mとし、5m前方の路面R(すなわち、水平距離Xi=5m)を計測する場合の俯角θiは、θi=15.6度である。(式3)にθi=15.6度、H=1.4m、c=3×108m/secを代入すると、TOFτiの俯角θiに対する変化率dτi/dθiは、dτi/dθi=1.23×10−7(sec/度)となる。ひとつのTOF画素GTの垂直画角が0.1度であるとすると、ひとつのTOF画素GT内でのTOFτiの変化率Δτiは、Δτi=0.22nsec(nanosecond)となる。 As an example, when H = 1.4 m and the road surface R 5 m ahead (that is, the horizontal distance X i = 5 m) is measured, the depression angle θ i is θ i = 15.6 degrees. Substituting θi = 15.6 degrees, H = 1.4 m, and c = 3 × 10 8 m / sec into (Equation 3), the rate of change dτ i / dθ i with respect to the depression angle θ i of TOFτi is dτ i / dθ i = 1.23 × 10 −7 (sec / degree). If the vertical field angle of one TOF pixel GT is 0.1 degree, the change rate Δτ i of TOFτ i in one TOF pixel GT is Δτ i = 0.22 nsec (nanosecond).
一方、H=1.4mとし、30m前方の路面R(すなわち、水平距離Xi=30m)を計測する場合の俯角θiは、θi=2.67度であり、この場合のΔτiは、Δτi=7.5nsecとなる。さらに、H=1.4mとし、50m前方の路面R(すなわち、水平距離Xi=50m)を計測する場合の俯角θiは、θi=1.60度であり、この場合のΔτiは、Δτi=20nsecとなる。 On the other hand, when H = 1.4 m and the road surface R 30 m ahead (that is, the horizontal distance X i = 30 m) is measured, the depression angle θ i is θ i = 2.67 degrees, and Δτ i in this case is , Δτ i = 7.5 nsec. Further, when H = 1.4 m and the road surface R 50 m ahead (that is, the horizontal distance X i = 50 m) is measured, the depression angle θ i is θ i = 1.60 degrees, and Δτ i in this case is , Δτ i = 20 nsec.
つまり、0.1度という比較的狭い画素画角であっても、より遠方の路面Rの観測においては、ひとつのTOF画素GT内におけるTOFτiの変化率Δτiが大きくなることがわかる。ひとつのTOF画素GT内におけるTOFτiの変化率Δτiが大きくなると、反射光パルスのパルス幅が広がりピーク値が減少するので、TOFτiの計測が困難になるという問題がある。 That is, it can be seen that even when the pixel angle of view is relatively narrow, such as 0.1 degrees, the rate of change Δτ i of TOFτ i within one TOF pixel GT increases in the observation of a distant road surface R. When the rate of change Δτ i of TOFτ i in one TOF pixel GT increases, the pulse width of the reflected light pulse widens and the peak value decreases, which makes it difficult to measure TOFτ i .
つぎに、図6を参照して、上記問題点を解決するための、本実施の形態における、より遠方の路面まで検出性能を高める方法について説明する。上記の説明で明らかなように、投光光Ltiの俯角によって、各TOF画素GTで受光される反射光パルスに基づくTOFは、TOF画素GTごとに異なる。したがって、TOF画素GTごとの受光信号、すなわちヒストグラムを用いた場合には、ピーク値には一定の制限があり、遠方路面の検出性能にも自ずと限界がある。 Next, with reference to FIG. 6, a method for improving the detection performance up to a far road surface in the present embodiment for solving the above problem will be described. As is apparent from the above description, the TOF based on the reflected light pulse received by each TOF pixel GT varies depending on the angle of depression of the projection light Lt i for each TOF pixel GT. Therefore, when a light reception signal for each TOF pixel GT, that is, a histogram is used, the peak value has a certain limit, and the far road surface detection performance naturally has a limit.
そこで、本実施の形態では、近傍に配置されたTOF画素GTの間のTOFのずれ量を補正し、複数のTOF画素GTからの受光信号を合成する手法を採用している。このことにより、測定対象物が路面の場合には、受光信号のピーク値同士が加算され、受光信号がさらに増大されるので、受光信号のS/N比をさらに高めることができる。一方、測定対象物が障害物等の非路面の場合には、ピーク値同士が加算されないので、S/N比が高まることはない。 Therefore, in the present embodiment, a technique is adopted in which the amount of TOF shift between the TOF pixels GT arranged in the vicinity is corrected and the light reception signals from the plurality of TOF pixels GT are combined. As a result, when the object to be measured is a road surface, the peak values of the received light signals are added and the received light signal is further increased, so that the S / N ratio of the received light signal can be further increased. On the other hand, when the measurement object is a non-road surface such as an obstacle, the peak values are not added to each other, so that the S / N ratio does not increase.
上記補正の具体的な方法として、本実施の形態では、注目画素のヒストグラムおよび該注目画素の近傍における1つまたは複数の画素のヒストグラム(以下、「個別ヒストグラム」という)を加算、統合して合成ヒストグラムを得、この合成ヒストグラムのピーク値に対応する時刻を用いてTOFを算出することにより、より遠方までの路面の検出性能を高めている。 As a specific method for the above correction, in this embodiment, a histogram of a target pixel and a histogram of one or a plurality of pixels in the vicinity of the target pixel (hereinafter referred to as “individual histogram”) are added, integrated, and combined. By obtaining the histogram and calculating the TOF using the time corresponding to the peak value of the combined histogram, the detection performance of the road surface farther away is enhanced.
図6(a)は、信号光検出部130において注目するTOF画素GTi(以下、「画素i」という)の個別ヒストグラムHi、および画素iの近傍の画素、すなわち前後に2つずつの画素、画素i−2、画素i−1、画素i+1、および画素i+2の個別ヒストグラムHi−2、Hi−1、Hi+1、およびHi+2を示している。各画素に対する俯角が異なるので、異なる時刻、ti−2、ti−1、ti、ti+1、ti+2において、反射光パルスによるピークPKが形成される。 FIG. 6A shows an individual histogram H i of a TOF pixel GT i (hereinafter referred to as “pixel i ”) of interest in the signal light detection unit 130, and pixels in the vicinity of the pixel i , that is, two pixels before and after the pixel i. , Pixel i-2 , pixel i-1 , pixel i + 1 , and pixel i + 2 are shown as individual histograms H i-2 , H i-1 , H i + 1 , and H i + 2 . Since depression for each pixel is different, different times, t i-2, t i -1, t i, in t i + 1, t i + 2, the peak PK are formed by the reflected light pulse.
光学的測距装置10の車両1における設置位置および姿勢は既知であり、各画素iの俯角θiも既知であるから、路面Rの形状を仮定すれば、時刻ti−2、ti−1、ti、ti+1、およびti+2の算出は可能である。本実施の形態では、各画素、画素i−2、画素i−1、画素i、画素i+1、および画素i+2のピーク値形成時刻を、画素iのピーク値形成時刻を基準として、ti−2−ti、ti−1−ti、0、ti+1−ti、ti+2−tiだけシフトさせて加算、統合し、図6(b)に示すような合成ヒストグラムHTを得る。各画素の観測対象が上記の仮定した路面Rであれば、各画素に対応する個別ヒストグラムHiのピーク値を与える時刻が重なって加算、統合されるので、合成ヒストグラムHTはより大きなピーク値を形成する。その結果、路面Rの検出性能が高められる。 Since the installation position and orientation of the optical distance measuring device 10 in the vehicle 1 are known and the depression angle θ i of each pixel i is also known, assuming the shape of the road surface R, the times t i−2 and t i− Calculations of 1 , t i , t i + 1 , and t i + 2 are possible. In this embodiment, each pixel, pixel i-2, pixel i-1, pixel i, pixel i + 1, and the peak value formation time of the pixel i + 2, based on the peak value formation time of the pixel i, t i-2 -t i, t i-1 -t i, 0, t i + 1 -t i, summed shifted by t i + 2 -t i, integrates obtain a combined histogram H T as shown in Figure 6 (b). If the observation target of each pixel is the above-described assumed road surface R, the time when the peak value of the individual histogram H i corresponding to each pixel is overlapped is added and integrated, so that the combined histogram H T has a larger peak value. Form. As a result, the road surface R detection performance is enhanced.
以上詳述したように、本実施の形態に係る光学的測距装置によれば、測定対象物、特に遠方に位置する測定対象物の検出性能を高めることができる。より遠方までの測定対象物の検出が可能になると、測定可能な測定点をより増加させることができる。より多数の測定点が得られると、連続性や直線性を考慮した測定対象物の統計的な推定がより正確で、よりロバストなものとなる。 As described above in detail, according to the optical distance measuring device according to the present embodiment, it is possible to improve the detection performance of a measurement object, particularly a measurement object located far away. When the object to be measured farther can be detected, the measurable measurement points can be increased. When a larger number of measurement points are obtained, statistical estimation of the measurement object in consideration of continuity and linearity becomes more accurate and more robust.
[第2の実施の形態]
本実施の形態は、上述した方法を用いてあるヒストグラムについてなされたピーク値の検出、すなわちTOFの計測が、信頼に足るものであるか否かを判断するために「信頼度」という指標を導入し、さらに路面の検出性能を高めた形態である。上記実施の形態による補正を行った場合でも、補正後の受光信号により誤ったTOFを計測する場合が皆無とはいえない。本実施の形態は、この誤計測の回避を目的とする形態である。
[Second Embodiment]
In the present embodiment, an index called “reliability” is introduced in order to determine whether or not the peak value detection performed on a histogram using the above-described method, that is, the measurement of TOF is reliable. In addition, the road surface detection performance is further enhanced. Even when the correction according to the above-described embodiment is performed, it cannot be said that there is no case where an erroneous TOF is measured by the corrected received light signal. This embodiment is a mode for the purpose of avoiding this erroneous measurement.
図7を参照して、TOF信号処理部100および参照信号処理部200の出力を用いて計測されたTOFについての、上記信頼度を算出する方法について説明する。図7は、TOF信号処理部100で作成されるヒストグラムの一例であり、横軸は時間、縦軸は度数(カウント値)を示している。図7において、Pは反射光パルスの強度のピーク値(図7では、「P:ピークレベル」と表記)を示し、Nは外乱光の強度の平均値(図7では、「N:ノイズレベル」と表記)を示している。 With reference to FIG. 7, a method of calculating the reliability of the TOF measured using the outputs of the TOF signal processing unit 100 and the reference signal processing unit 200 will be described. FIG. 7 is an example of a histogram created by the TOF signal processing unit 100, where the horizontal axis indicates time and the vertical axis indicates frequency (count value). In FIG. 7, P represents a peak value of the intensity of the reflected light pulse (indicated as “P: peak level” in FIG. 7), and N represents an average value of the intensity of disturbance light (“N: noise level in FIG. 7). ”).
図7に示すように、TOFを算出するヒストグラムでは、TOFを示す時間t0(受光時刻trに相当する時刻)にピーク値Pが形成される。このピーク値は反射光パルスの強度を示している。ただし、このピーク値Pには外乱光成分がオフセットとして含まれている。したがって、ピーク値Pからオフセットの外乱光成分の平均値Nを減算したP−Nが、ピーク値で見た場合の正味のTOF信号成分となる。 As shown in FIG. 7, the histogram calculating the TOF, peak value P is formed at the time indicated the TOF t 0 (time corresponding to the light receiving time t r). This peak value indicates the intensity of the reflected light pulse. However, this peak value P includes a disturbance light component as an offset. Therefore, PN obtained by subtracting the average value N of the disturbance disturbance light component from the peak value P becomes a net TOF signal component when viewed from the peak value.
本実施の形態では、図7に示すヒストグラムの信頼度を、図7に示すヒストグラムのS/N比を用いて定義する。外乱光成分のゆらぎ量をノイズ成分とみなせば、図7に示すヒストグラムのノイズ成分は、外乱光成分の平均値Nの平方根で表すことができる。したがって、図7に示すヒストグラムのS/N比は、正味のTOF信号成分P−Nをノイズ成分の平均値Nの平方根で除したものとなるので、信頼度Cは以下に示す(式4)で定義することができる。
なお、信頼度Cは、個別ヒストグラムHi、合成ヒストグラムHTの区別なく算出することが可能である。
In the present embodiment, the reliability of the histogram shown in FIG. 7 is defined using the S / N ratio of the histogram shown in FIG. If the fluctuation amount of the disturbance light component is regarded as a noise component, the noise component of the histogram shown in FIG. 7 can be expressed by the square root of the average value N of the disturbance light component. Therefore, since the S / N ratio of the histogram shown in FIG. 7 is obtained by dividing the net TOF signal component PN by the square root of the average value N of the noise components, the reliability C is shown below (Formula 4). Can be defined in
The reliability C can be calculated without distinction between the individual histogram H i and the combined histogram H T.
ここで、以下においては、合成ヒストグラムHTを算出することを「補正する」ということにする。したがって、合成する前の個別ヒストグラムHiは補正がなされていない。本実施の形態では、この補正ありの場合の信頼度と、補正なしの場合の信頼度とを比較することにより、測定対象物が路面であるか否か(障害物等であるか否か)について、より確実に判定することを可能としている。 Here, in the following, calculating the composite histogram H T is referred to as “correction”. Thus, the individual histograms H i of before combining the correction is not performed. In the present embodiment, by comparing the reliability with correction and the reliability without correction, whether or not the measurement object is a road surface (whether it is an obstacle or the like). This makes it possible to determine more reliably.
補正後、すなわち合成後の外乱光成分は、合成の対象であるTOF画素GTに対応する参照画素GRの出力の和を算出することにより得られる。合成後のTOF信号成分は合成ヒストグラムHTのピーク値から求めることができる。 The disturbance light component after correction, that is, after synthesis is obtained by calculating the sum of the outputs of the reference pixels GR corresponding to the TOF pixels GT to be synthesized. TOF signal component after synthesis can be obtained from the peak value of the combined histogram H T.
一例として、合成前のTOF信号成分のピーク値がP、外乱光成分の平均値がN、外乱光に起因するノイズ成分がNの平方根である2つの画素の受光信号について考える。この場合、合成後の外乱光成分の平均値は2・Nであるから、ノイズ成分は2・Nの平方根である。画素の観測対象が路面である場合、合成後のTOF信号成分のピーク値は2・Pとなる。したがって、合成後の、つまり補正後の信頼度C*は、以下に示す(式5)のように表せる。
As an example, consider a light reception signal of two pixels in which the peak value of the TOF signal component before synthesis is P, the average value of the disturbance light component is N, and the noise component due to the disturbance light is the square root of N. In this case, since the average value of the disturbance light component after synthesis is 2 · N, the noise component is the square root of 2 · N. When the observation target of the pixel is the road surface, the peak value of the combined TOF signal component is 2 · P. Therefore, the reliability C * after synthesis, that is, after correction, can be expressed as (Equation 5) shown below.
(式5)は以下に示す(式6)にように変形できるので、合成後すなわち補正後の信頼度C*は、合成前すなわち補正前の信頼度Cの2の平方根倍となることがわかる。
Since (Equation 5) can be transformed as shown in (Equation 6) below, it can be seen that the reliability C * after synthesis, that is, after correction, is a square root of 2 times the reliability C before synthesis, that is, before correction. .
観測対象が路面ではないもの、たとえば、路面に垂直な面を有する立体物について、上記同様2つの画素の合成を考えると、補正後の外乱光成分を含むTOF信号成分のピーク値はP+Nであり、補正後の正味のTOF信号成分のピーク値は補正前と同じP−Nである。一方、補正後のノイズ成分は2・Nの平方根であるから、この場合の信頼度C’は、以下に示す(式7)で与えられる。
For a three-dimensional object whose observation target is not a road surface, for example, a three-dimensional object having a surface perpendicular to the road surface, when considering the synthesis of two pixels as described above, the peak value of the TOF signal component including the disturbance light component after correction is P + N. The peak value of the net TOF signal component after correction is the same PN as before correction. On the other hand, since the corrected noise component is the square root of 2 · N, the reliability C ′ in this case is given by (Equation 7) shown below.
(式7)は以下に示す(式8)のように変形できるので、補正後の信頼度C’は補正前の信頼度Cを2の平方根で除したものとなる。
Since (Expression 7) can be transformed as shown in (Expression 8) below, the reliability C ′ after correction is obtained by dividing the reliability C before correction by the square root of 2.
以上の検討結果から、本実施の形態では、補正後の信頼度が補正前の信頼度より大きくなる場合には観測対象が路面であると判定し、補正後の信頼度が補正前の信頼度以下となる場合には観測対象が非路面(障害物)であると判定する。そして、路面と判定された場合には補正された合成ヒストグラムを採用してピーク値を検出し、非路面と判定された場合には補正なしのヒストグラムを採用してピーク値を検出する。 From the above examination results, in the present embodiment, when the reliability after correction becomes larger than the reliability before correction, it is determined that the observation target is a road surface, and the reliability after correction is the reliability before correction. In the following cases, it is determined that the observation target is a non-road surface (obstacle). When the road surface is determined, the corrected composite histogram is used to detect the peak value, and when the road surface is determined to be a non-road surface, the uncorrected histogram is used to detect the peak value.
以上、詳述したように、本実施の形態によれば、補正の有無による信頼度を比較し、観測対象が路面か非路面かでピーク値を検出する対象を異ならせているので、TOFの誤検出を防止することができる。その結果、路面Rの検出性能が高められ、また、受光時刻trの測定もより正確なものとなるので、より遠方に位置する路面までの距離を、より正確に測定することができる。 As described above in detail, according to the present embodiment, the reliability based on the presence or absence of correction is compared, and the object whose peak value is detected differs depending on whether the observation target is a road surface or a non-road surface. False detection can be prevented. As a result, detection performance is enhanced road R, also, because becomes more accurate than the measurement of the light receiving time t r, the distance to the road surface located more distant, it is possible to more accurately measure.
[第3の実施の形態]
上記の実施の形態では、ヒストグラムのS/N比によるヒストグラムのピーク値検出の信頼度Cを用い、主として路面Rの検出性能を高める形態を示した。本実施の形態は、ヒストグラムのS/N比を用い、ノイズのレベルに応じて受信回路(具体的には、TOF信号処理部100)のS/N比の改善を図る形態である。
[Third Embodiment]
In the above-described embodiment, the configuration in which the detection performance of the road surface R is mainly enhanced by using the reliability C of the histogram peak value detection based on the S / N ratio of the histogram is shown. In the present embodiment, the S / N ratio of the histogram is used to improve the S / N ratio of the receiving circuit (specifically, the TOF signal processing unit 100) according to the noise level.
ここでは、説明の便宜上、上記個別ヒストグラムHiの信頼度を「個別信頼度Ci」、合成ヒストグラムHTの信頼度を「合成信頼度CT」と称する。また、上記の実施の形態は、路面Rの検出が主目的であったので、画素iごとに俯角が異なり、異なる時刻において反射光パルスによるピークPKが形成される形態(異なる距離に観測対象が存在する形態)を例示して説明した。それに対し、本実施の形態は、観測対象が異なる距離に存在するか、同一の距離に存在するかに関わらず、受信回路のS/N比の改善を図る形態である。したがって、以下では、観測対象が同一の距離に存在する場合を例示して説明する。観測対象が同一の距離に存在する場合とは、たとえば、路面Rに対しほぼ垂直な面を有する障害物を観測するような場合である。 Here, for convenience of explanation, the reliability of the individual histogram H i is referred to as “individual reliability C i ”, and the reliability of the combined histogram H T is referred to as “composite reliability C T ”. In the above embodiment, the main purpose is to detect the road surface R. Therefore, the depression angle is different for each pixel i , and the peak PK is formed by the reflected light pulse at different times (the observation target is at a different distance). The existing form) has been described as an example. On the other hand, this embodiment is a mode in which the S / N ratio of the receiving circuit is improved regardless of whether the observation target is at a different distance or the same distance. Therefore, in the following, a case where the observation target exists at the same distance will be described as an example. The case where the observation target exists at the same distance is, for example, a case where an obstacle having a plane substantially perpendicular to the road surface R is observed.
上述したように、個別信頼度Ciは個別ヒストグラムHiのS/N比であり、合成信頼度CTは合成ヒストグラムHTのS/N比である。そこで、本実施の形態では、上述した方法によって、個別ヒストグラムHiおよび合成ヒストグラムHTを取得したのち、個別信頼度Ciおよび合成信頼度CTを算出する。そして、算出された個別信頼度Ciと合成信頼度CTとを比較し、合成ヒストグラムHTおよび個別ヒストグラムHiのいずれをTOF信号処理部100の出力とするかを判定する。 As described above, the individual reliability C i is the S / N ratio of the individual histogram H i , and the combined reliability C T is the S / N ratio of the combined histogram H T. Therefore, in the present embodiment, after obtaining the individual histogram H i and the combined histogram H T by the above-described method, the individual reliability C i and the combined reliability C T are calculated. Then, the calculated individual reliability C i and the combined reliability C T are compared, and it is determined which of the combined histogram H T and the individual histogram H i is used as the output of the TOF signal processing unit 100.
以下、本実施の形態に係る受信回路のS/N比改善方法について、より具体的に説明する。まず、個別信頼度Ciおよび合成信頼度CTは、上記実施の形態と同様にして算出することができる。すなわち、信号光検出部130において注目するTOF画素GTiである画素iの個別ヒストグラムHi、および画素iの近傍の画素、画素i−2、画素i−1、画素i+1、および画素i+2の個別ヒストグラムHi−2、Hi−1、Hi+1、およびHi+2は、図6(a)のように求めることができる。ただし、本実施の形態では、観測対象が同一の距離に存在するので、Hi−2、Hi−1、Hi、Hi+1、およびHi+2は、同一の時刻に観測される。 Hereinafter, the method for improving the S / N ratio of the receiving circuit according to the present embodiment will be described more specifically. First, the individual reliability C i and the combined reliability C T can be calculated in the same manner as in the above embodiment. That is, pixels near the individual histograms H i, and pixel i of the pixel i is a TOF pixel GT i of interest in the signal light detection unit 130, the pixel i-2, pixel i-1, pixel i + 1, and pixel i + 2 separate The histograms H i-2 , H i−1 , H i + 1 , and H i + 2 can be obtained as shown in FIG. However, in the present embodiment, since the observation objects exist at the same distance, H i−2 , H i−1 , H i , H i + 1 , and H i + 2 are observed at the same time.
合成ヒストグラムHTは、個別ヒストグラムHi−2、Hi−1、Hi、Hi+1、およびHi+2を、時間差を補正することなく加算、統合して、図6(b)のように求めることができる。各画素の観測対象が上記の仮定した障害物等であれば、各画素に対応する個別ヒストグラムHiのピーク値を与える時刻が重なって加算、統合されるので、合成ヒストグラムHTはより大きなピーク値を形成する。 The combined histogram H T is obtained by adding and integrating the individual histograms H i−2 , H i−1 , H i , H i + 1 , and H i + 2 without correcting the time difference as shown in FIG. 6B. be able to. If the observation target of each pixel is the above-mentioned obstacle or the like, the time at which the peak value of the individual histogram H i corresponding to each pixel is added is added and integrated, so the combined histogram H T has a larger peak. Form a value.
いま、上記実施の形態と同様に、注目画素を画素iとし、該画素iに、画素iの近傍の画素i+1を合成する場合を考える。合成後の外乱光成分は画素iおよび画素i+1のヒストグラム出力の和から、上記実施の形態と同様の方法で求めることができる。合成後の信号成分は画素iおよび画素i+1のヒストグラム出力の和のピーク値から求めることができる。一例として、画素iおよび画素i+1の個別ヒストグラムのピーク値がP、外乱光成分がN、ノイズ成分がNの平方根である場合を考える。この場合の個別信頼度Ciは、(式4)を用いて各々以下に示す(式9)で与えられる。
Now, as in the above embodiment, the pixel of interest as a pixel i, the pixel i, consider the case of synthesizing the pixel i + 1 in the vicinity of the pixel i. The disturbance light component after the synthesis can be obtained from the sum of the histogram outputs of the pixel i and the pixel i + 1 by the same method as in the above embodiment. The combined signal component can be obtained from the peak value of the sum of the histogram outputs of pixel i and pixel i + 1 . As an example, consider a case where the peak value of the individual histogram of pixel i and pixel i + 1 is P, the disturbance light component is N, and the noise component is the square root of N. The individual reliability C i in this case is given by (Equation 9) shown below using (Equation 4).
一方、個別ヒストグラムHiの合成後の外乱光成分は2N、ノイズ成分は2Nの平方根となる。画素iおよび画素i+1が同じ距離の対象を観測するとき、上述のように合成前の個別ヒストグラムHiのピークは同じ時刻に形成されるので、合成後のピーク値は加算されて2Pとなる。したがって、観測対象が同一距離に存在する場合の合成信頼度CTOは、式(5)を用いて以下に示す(式10)で与えられる。
すなわち、観測対象が同一の距離に存在する場合の合成信頼度CTOは、個別信頼度Ciの2の平方根倍となる。
On the other hand, the disturbance light component after the synthesis of the individual histograms H i is 2N, the noise component is the square root of 2N. When the pixel i and the pixel i + 1 observes an object of the same distance, since the peak of the individual histograms H i before combining as described above are formed at the same time, the peak value after synthesis becomes 2P is added. Therefore, synthetic reliability C TO when the observation target is present in the same distance is given by the following with reference to Equation (5) (Equation 10).
That is, synthetic reliability C TO when the observation target are in the same distance, the square root of two times the individual reliability C i.
一方、画素iおよび画素i+1が異なる距離の対象を観測するとき、合成前の個別ヒストグラムHiのピークは異なる時間に形成されるので、合成後のピーク値は加算されずに、大きさP+Nの2つのピークが異なる時間に形成される。しかしながら、この場合も外乱光成分は加算されて2Nとなり、ノイズ成分は2Nの平方根となる。信号成分はピーク値P+Nから外乱光成分2Nを減じたP−Nであり、個別ヒストグラムHiと同じである。
したがって、観測対象が異なる距離に存在する場合の合成信頼度CTRは、以下に示す(式11)で与えられる。
すなわち、観測対象が異なる距離に存在する場合の合成信頼度CTRは、個別信頼度Ciを2の平方根で除した値となる。
On the other hand, when the pixel i and the pixel i + 1 observe objects of different distances, the peaks of the individual histograms H i before synthesis are formed at different times, so that the peak values after synthesis are not added, but the magnitude P + N Two peaks are formed at different times. However, in this case as well, the disturbance light component is added to 2N, and the noise component is the square root of 2N. Signal component is a P-N obtained by subtracting the disturbance light component 2N from the peak value P + N, the same as the individual histogram H i.
Therefore, the combined reliability CTR when the observation target exists at different distances is given by (Equation 11) shown below.
That is, the combined reliability CTR when the observation target is present at different distances is a value obtained by dividing the individual reliability C i by the square root of 2.
以上のように、本実施の形態では、観測対象の距離に応じて、個別信頼度Ciに対する合成信頼度CTの値、すなわちS/N比の値が異なることを利用する。つまり、観測対象が同一距離にある場合の合成信頼度CTOは個別信頼度Ciより大きくなり、観測対象が異なる距離にある場合の合成信頼度CTRは個別信頼度Ciより小さくなることを利用する。 As described above, the present embodiment uses the fact that the value of the combined reliability C T with respect to the individual reliability C i , that is, the value of the S / N ratio, differs according to the distance of the observation target. That is, synthetic reliability C TO when the observation target is in the same distance is larger than the individual reliability C i, synthetic reliability C TR when the observation target is in a different distance be less than the individual reliability C i Is used.
本実施の形態では、観測対象が同一距離に存在する場合において、同一時刻における個別ヒストグラムHiを合成する場合を例示して説明したが、上記の個別信頼度Ciと合成信頼度CTとの大小関係は、観測対象が異なる距離に存在する場合において、俯角の違いに基づく時間差を補正して個別ヒストグラムHiを合成する場合でも同様に成り立つ。ただし、先述したように、この場合の合成信頼度CTOおよびCTRと、個別信頼度Ciとの大小関係は逆になる。 In the present embodiment, the case where the individual histograms H i at the same time are combined when the observation target is present at the same distance has been described as an example. However, the individual reliability C i and the combined reliability C T are described above. The same relationship holds true even when the individual histograms Hi are synthesized by correcting the time difference based on the difference in depression angle when the observation objects exist at different distances. However, as described above, the magnitude relationship between the combined reliability CTO and CTR in this case and the individual reliability C i is reversed.
そして、本実施の形態では、合成信頼度CTが個別信頼度Ci以下の場合には、個別ヒストグラムHiを出力する。このような判定処理を行うことにより、受信回路から出力される信号のS/N比は少なくとも個別信頼度Ciより小さくなることがない。一方、合成信頼度CTが個別信頼度Ciより大きい場合には、合成ヒストグラムHTを出力する。このような判定処理を行うことによりさらに大きなS/N比が見込める場合を判別し、よりS/N比を向上させることが可能となる。 In the present embodiment, when the synthetic reliability C T is less than the individual reliability C i outputs the individual histograms H i. By performing such determination processing, the S / N ratio of the signal output from the receiving circuit does not become at least smaller than the individual reliability C i . On the other hand, when the composite reliability C T is larger than the individual reliability C i , the composite histogram H T is output. By performing such a determination process, it is possible to determine a case where a larger S / N ratio can be expected, and to further improve the S / N ratio.
以上詳述したように、本実施の形態に係る受信回路のS/N比の改善方法によれば、個別ヒストグラムを合成する場合としない場合とでピーク値検出の信頼度、すなわち、S/N比を比較することにより、個別ヒストグラムHiの合成の適否を適切に判定できるので、常に最適なS/N比の受光信号が得られる。 As described above in detail, according to the method for improving the S / N ratio of the receiving circuit according to the present embodiment, the reliability of peak value detection, that is, the S / N ratio, when the individual histograms are combined or not. by comparing the ratio, it is possible to properly determine the appropriateness of synthesis of individual histograms H i, received signal always optimum S / N ratio can be obtained.
ここで、本実施の形態では、注目画素とその近傍の1画素を合成する形態を例示して説明たが、これに限られず、合成される近傍画素は複数であってもよい。この場合、注目画素と近傍の画素の1対ずつで、個別ヒストグラムHiの合成の適否を判断してもよく、また、注目画素とすべての近傍画素との合成の適否を同時に判断することもできる。 Here, in the present embodiment, the mode of synthesizing the target pixel and one neighboring pixel has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and a plurality of neighboring pixels may be synthesized. In this case, in pairs of the pixel of interest and neighboring pixels, it may be determined the appropriateness of synthesis of individual histograms H i, also possible to determine the suitability of the synthesis of the target pixel and all the neighboring pixels at the same time it can.
また、本実施の形態では、受光LSI12上の異なる複数の画素を合成する形態を例示して説明したが、これに限られず、受光LSI12上の同一画素の異なる時刻の出力を合成することもできる。受光LSI12上の画素は、観測対象空間において鉛直方向に列をなして並んでいるのに対し、水平方向に走査中の連続する異なる時刻の出力は、水平方向に並ぶ。したがって、上記合成は、水平方向の隣接画素の出力を合成していることに相当する。 Further, in the present embodiment, an example in which a plurality of different pixels on the light receiving LSI 12 are combined has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and outputs of the same pixel on the light receiving LSI 12 at different times can be combined. . The pixels on the light receiving LSI 12 are arranged in a row in the vertical direction in the observation target space, whereas outputs at successive different times during scanning in the horizontal direction are arranged in the horizontal direction. Therefore, the above synthesis corresponds to the synthesis of outputs of adjacent pixels in the horizontal direction.
なお、上記各実施の形態では、路面として水平の平面路面を仮定し、俯角が時間的に変動しない場合について本発明を適用した形態を例示して説明したが、これに限られず、勾配や曲率が異なる複数の路面パターンを仮定し、俯角が時間的に変動する場合について本発明を適用した形態としてもよい。この場合、仮定した複数の路面パターンごとに求めたピーク値形成時刻tiに基づいて、注目画素の個別ヒストグラムおよび該注目画素の近傍画素の個別ヒストグラムを加算、統合して合成ヒストグラムを生成する。その複数の路面パターンに対応する複数の加算、統合された合成ヒストグラムの信頼度を比較し、最も信頼度が大きくなる路面パターンを採用する。このことにより、さまざまな形状の路面に対して柔軟に対応した路面の検出が可能となる。 In each of the above-described embodiments, a horizontal plane road surface is assumed as the road surface, and the embodiment in which the present invention is applied is described for the case where the depression angle does not vary with time. However, the present invention is not limited to this, and the gradient and curvature are not limited thereto. Assuming a plurality of road surface patterns having different angles, the present invention may be applied to a case where the depression angle varies with time. In this case, based on the peak value formation time t i obtained for each of the plurality of road patterns assumed, summing the individual histogram of neighboring pixels of the individual histograms and target pixel of the target pixel, integrating to generate a composite histogram. A plurality of additions corresponding to the plurality of road surface patterns are compared with the reliability of the integrated composite histogram, and the road surface pattern having the highest reliability is adopted. As a result, it is possible to detect road surfaces flexibly corresponding to road surfaces of various shapes.
さらに、上記各実施の形態に係る光学的測距装置が搭載された移動体(車両等)の上下運動に伴う俯角の変動について考慮した、本発明の実施の形態とすることも可能である。
この場合、俯角θiに正負の複数のオフセット値を加算した複数の俯角ごとに求めたピーク値形成時刻tiに基づいて、上記同様最も信頼度が大きくなる俯角条件を採用すればよい。
Furthermore, it is possible to adopt an embodiment of the present invention that takes into consideration the change in depression angle associated with the vertical movement of a moving body (vehicle or the like) on which the optical distance measuring device according to each of the above embodiments is mounted.
In this case, based on the peak value formation time t i obtained for each of the plurality of depression angle obtained by adding the plurality of offset values for positive and negative to depression theta i, may be employed depression conditions the same highest reliability is increased.
また、上記各実施の形態では、24個のSPADからなるSiPMを用いた画素(TOF画素GT、参照画素GR)により光検出部を構成する形態を例示して説明したが、これに限られず、SPADの数を他の適宜な数としたSiPMを用いた画素により光検出部を構成する形態としてもよい。さらに、1個のSPADでも画素を構成することが可能であり、この場合でも個別ヒストグラムの生成、および合成ヒストグラムの生成(すなわち、補正)が可能である。 Further, in each of the above-described embodiments, the configuration in which the light detection unit is configured by the pixels (TOF pixel GT, reference pixel GR) using SiPM composed of 24 SPADs has been described, but the present invention is not limited thereto. The light detection unit may be configured by pixels using SiPM in which the number of SPADs is another appropriate number. Furthermore, a single SPAD can constitute a pixel, and even in this case, generation of an individual histogram and generation (that is, correction) of a combined histogram are possible.
また、上記各実施の形態では、ガイガーモードのSPADにより受光部を構成する形態を例示して説明したが、これに限られず、リニアモードのAPDにより受光部を構成し、受光信号として該受光部から得られる時系列信号を用いる形態としてもよい。 Further, in each of the above-described embodiments, the configuration in which the light receiving unit is configured by the Geiger mode SPAD has been described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and the light receiving unit is configured by a linear mode APD, The time series signal obtained from the above may be used.
また、上記各実施の形態では、信号光検出部と参照光検出部とを同じ素子構造で形成する形態を例示して説明したが、これに限られず、各々の光検出部に要求される特性等を考慮して、信号光検出部と参照光検出部とを異なる素子構造とした形態としてもよい。また、信号光検出部と参照光検出部とで受光モード(ガイガーモード、リニアモード)を異ならせてもよい。さらに、参照光検出部を用いないで、信号光検出部だけを用いて光検出部を構成することも可能である。この場合、照射光を投光しない休止期間における信号光検出部からの受光信号から、外乱光レベルを求めることができる。 In each of the above embodiments, the signal light detection unit and the reference light detection unit have been described by way of example with the same element structure. However, the present invention is not limited to this, and the characteristics required for each light detection unit. For example, the signal light detection unit and the reference light detection unit may have different element structures. Further, the light receiving mode (Geiger mode or linear mode) may be made different between the signal light detection unit and the reference light detection unit. Furthermore, it is possible to configure the light detection unit using only the signal light detection unit without using the reference light detection unit. In this case, the disturbance light level can be obtained from the light reception signal from the signal light detection unit in the idle period when the irradiation light is not projected.
また、上記各実施の形態では、光検出部と信号処理部とを集積化した形態を例示して説明したが、これに限られず、光検出部と信号処理部とを別々の半導体集積回路で形成してもよい。 Further, in each of the above embodiments, the configuration in which the light detection unit and the signal processing unit are integrated has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the light detection unit and the signal processing unit are configured as separate semiconductor integrated circuits. It may be formed.
また、上記各実施の形態では、参照光検出部の観測方向を次回の信号光検出部の観測方向とする形態を例示して説明したが、これに限られず複数回先の観測方向とする形態としてもよい。さらに、参照光検出部の観測方向を前回の信号光検出部の観測方向とする形態としてもよい。 In each of the above-described embodiments, the mode in which the observation direction of the reference light detection unit is set as the observation direction of the next signal light detection unit has been described as an example. It is good. Furthermore, the observation direction of the reference light detection unit may be the observation direction of the previous signal light detection unit.
また、上記各実施の形態では、受光信号の信号処理を、TOF信号処理部100および参照信号処理部200が実行する形態を例示して説明したが、これに限られず、各信号処理部の機能、あるいはその一部をソフトウエアによりプログラムとして記述し、該プログラムを図示しない制御部のCPUが実行する形態としてもよい。この場合、当該プログラムを図示しないROMに格納しておき、CPUが図示しないRAMに展開して実行するようにしてもよい。 Further, in each of the above embodiments, the signal processing of the received light signal has been described by exemplifying the form executed by the TOF signal processing unit 100 and the reference signal processing unit 200. However, the present invention is not limited to this, and the function of each signal processing unit Alternatively, a part of the program may be described as a program by software, and the program may be executed by a CPU of a control unit (not shown). In this case, the program may be stored in a ROM (not shown), and the CPU may be loaded into a RAM (not shown) and executed.
1 車両
6 走行路
7 路傍
8 建造物
10 光学的測距装置
12 受光LSI
13 レーザスキャナ
14 受光基板
16 投光基板
18 LD素子
20 双曲面ミラー
22 ポリゴンミラー
23 照射パルス
24 電源基板
27 制御基板
25 反射パルス
26 筐体
29 照射ビーム
30 投光部
32 受光部
35 反射面
50 光検出部
100 TOF信号処理部
102 フロントエンド部
104 パルス整形回路
106 加算器
108 コンパレータ
110 TDC
112 ヒストグラム処理部
120 SPAD
122 抵抗
124 プリアンプ
130 信号光検出部
200 参照信号処理部
202 フロントエンド部
204 パルス整形回路
206 加算器
208 コンパレータ
210 カウンタ
220 SPAD
230 参照光検出部
A 回転軸
DT、DR 観測方向
GT TOF画素
GR 参照画素
K 開口
Lt 投光光
Lr 受光光
Pt 照射光パルス
Pr 反射光パルス
PK ピーク
Si 点
Xi 水平距離
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vehicle 6 Road 7 Roadside 8 Building 10 Optical distance measuring device 12 Light receiving LSI
13 laser scanner 14 light receiving substrate 16 light projecting substrate 18 LD element 20 hyperboloid mirror 22 polygon mirror 23 irradiation pulse 24 power supply substrate 27 control substrate 25 reflection pulse 26 housing 29 irradiation beam 30 light projecting unit 32 light receiving unit 35 reflecting surface 50 light Detection unit 100 TOF signal processing unit 102 Front end unit 104 Pulse shaping circuit 106 Adder 108 Comparator 110 TDC
112 Histogram processor 120 SPAD
122 resistor 124 preamplifier 130 signal light detection unit 200 reference signal processing unit 202 front end unit 204 pulse shaping circuit 206 adder 208 comparator 210 counter 220 SPAD
230 Reference light detector A Rotating axis DT, DR Observation direction GT TOF pixel GR Reference pixel K Aperture Lt Light projection light Lr Light reception light Pt Irradiation light pulse Pr Reflection light pulse PK Peak Si point Xi Horizontal distance
Claims (7)
前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、
前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の1つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、
前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、
前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を含み、
前記合成部は、前記受光画素の観測方向が異なることによる前記反射光パルスの受光時刻の差を補正して前記複数の個別受光信号を加算し、前記合成受光信号を出力する
光学的測距装置。 A light projecting unit that projects an irradiation light pulse on the measurement object;
A light receiving unit that is disposed on an imaging surface on which the reflected light pulse reflected by the measurement object is imaged, and that has a plurality of light receiving pixels that receive the reflected light pulse;
Selection of outputting as a plurality of discrete light receiving signals of a plurality of selected light receiving signal output from one or more neighboring pixels of the pixel of interest and the target pixel of the light receiving signal outputted from each of the plurality of light receiving pixels And
A combining unit that outputs a combined light receiving signal obtained by adding the plurality of individual light receiving signals;
Using the synthesized light reception signal, a flight time that is a difference between a projection time of the irradiation light pulse corresponding to the target pixel and a light reception time of the reflected light pulse is calculated, and the measurement object is calculated based on the flight time. a distance calculation unit for calculating the distance to, only including,
The synthesizing unit corrects a difference in light reception time of the reflected light pulse due to different observation directions of the light receiving pixels, adds the plurality of individual light reception signals, and outputs the composite light reception signal .
前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、
前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の1つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、
前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、
前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、
信号と雑音との比率に基づいて前記個別受光信号のピーク値検出の信頼度である個別信頼度を算出し、信号と雑音との比率に基づいて前記合成受光信号のピーク値検出の信頼度である合成信頼度を算出する信頼度算出部と、を含み、
前記合成部は、前記合成信頼度が前記個別信頼度より大きい場合に前記合成受光信号を出力するとともに、前記合成信頼度が前記個別信頼度以下の場合には、前記注目画素に対応する前記個別受光信号を前記合成受光信号として出力する
光学的測距装置。 A light projecting unit that projects an irradiation light pulse on the measurement object;
A light receiving unit that is disposed on an imaging surface on which the reflected light pulse reflected by the measurement object is imaged, and that has a plurality of light receiving pixels that receive the reflected light pulse;
Selection of a light reception signal output from one or a plurality of pixels in the vicinity of the target pixel and a plurality of light reception signals output from each of the plurality of light reception pixels, and output as a plurality of individual light reception signals And
A combining unit that outputs a combined light receiving signal obtained by adding the plurality of individual light receiving signals;
Using the synthesized light reception signal, a flight time that is a difference between a projection time of the irradiation light pulse corresponding to the target pixel and a light reception time of the reflected light pulse is calculated, and the measurement object is calculated based on the flight time. A distance calculation unit for calculating the distance to
Based on the ratio between the signal and the noise, the individual reliability that is the reliability of the peak detection of the individual received light signal is calculated, and based on the ratio between the signal and the noise, the reliability of the peak detection of the combined received light signal is calculated. includes a reliability calculation unit which calculates a certain synthetic reliability and,
The combining unit outputs the combined light reception signal when the combined reliability is greater than the individual reliability, and when the combined reliability is equal to or less than the individual reliability, the individual corresponding to the target pixel. An optical distance measuring device that outputs a light reception signal as the combined light reception signal.
前記合成部は、前記合成信頼度が前記個別信頼度より大きい場合に前記合成受光信号を出力するとともに、前記合成信頼度が前記個別信頼度以下の場合には、前記注目画素に対応する前記個別受光信号を前記合成受光信号として出力する
請求項1に記載の光学的測距装置。 Based on the ratio between the signal and the noise, the individual reliability that is the reliability of the peak detection of the individual received light signal is calculated, and based on the ratio between the signal and the noise, the reliability of the peak detection of the combined received light signal is calculated. A reliability calculation unit for calculating a certain composite reliability;
The combining unit outputs the combined light reception signal when the combined reliability is greater than the individual reliability, and when the combined reliability is equal to or less than the individual reliability, the individual corresponding to the target pixel. The optical distance measuring device according to claim 1 , wherein a light reception signal is output as the combined light reception signal.
請求項3に記載の光学的測距装置。 When the composite reliability is greater than the individual reliability, it is determined that the measurement object is a road surface, and when the composite reliability is equal to or less than the individual reliability, the measurement object is a non-road surface. The optical distance measuring device according to claim 3 , further comprising: a determination unit that determines that.
前記信頼度算出部は、前記受光信号のピーク値を前記信号とし、前記外乱光受光部の出力を雑音として前記個別信頼度を算出する
請求項2〜請求項4のいずれか1項に記載の光学的測距装置。 The light receiving unit includes a disturbance light receiving unit including a light receiving pixel that receives only disturbance light not including the reflected light pulse,
The reliability calculation unit is configured and the signal peak value of the photodetection signal, as claimed in any one of claims 2 to 4 for calculating the individual reliability the output of the disturbance light receiving section as noise Optical distance measuring device.
前記測定対象物で反射された反射光パルスが結像した結像面上に配置されるとともに、前記反射光パルスを受光する複数の受光画素を有する受光部と、 A light receiving unit that is disposed on an imaging surface on which the reflected light pulse reflected by the measurement object is imaged, and that has a plurality of light receiving pixels that receive the reflected light pulse;
前記複数の受光画素の各々から出力される複数の受光信号のうち注目画素と前記注目画素の近傍の1つまたは複数の画素から出力される受光信号を選択し複数の個別受光信号として出力する選択部と、 Selection of a light reception signal output from one or a plurality of pixels in the vicinity of the target pixel and a plurality of light reception signals output from each of the plurality of light reception pixels, and output as a plurality of individual light reception signals And
前記複数の個別受光信号を加算した合成受光信号を出力する合成部と、 A combining unit that outputs a combined light receiving signal obtained by adding the plurality of individual light receiving signals;
前記合成受光信号を用いて前記注目画素に対応する前記照射光パルスの投光時刻と前記反射光パルスの受光時刻との差である飛行時間を算出し、前記飛行時間に基づいて前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、を含み、 Using the synthesized light reception signal, a flight time that is a difference between a projection time of the irradiation light pulse corresponding to the target pixel and a light reception time of the reflected light pulse is calculated, and the measurement object is calculated based on the flight time. A distance calculation unit that calculates the distance to
前記投光部は、予め定められた計測時間に亘って前記測定対象物に繰り返し前記照射光パルスを投光し、 The light projecting unit repeatedly projects the irradiation light pulse on the measurement object over a predetermined measurement time,
前記選択部は、注目画素と前記注目画素の近傍の1つまたは複数の画素の各々から出力される、繰り返し投光された前記照射光パルスの受光信号を時間軸に沿って累積した個別ヒストグラムを前記個別受光信号として出力し、 The selection unit outputs an individual histogram obtained by accumulating light reception signals of the irradiation light pulse repeatedly projected along a time axis, which are output from the pixel of interest and each of one or a plurality of pixels in the vicinity of the pixel of interest. Output as the individual light reception signal,
前記合成部は前記個別ヒストグラムを加算した合成ヒストグラムを前記合成受光信号として出力し、 The combining unit outputs a combined histogram obtained by adding the individual histograms as the combined received light signal,
前記距離算出部は、前記合成ヒストグラムのピーク値に対応する時刻を前記受光時刻として前記測定対象物までの距離を算出する The distance calculation unit calculates the distance to the measurement object using the time corresponding to the peak value of the combined histogram as the light reception time.
光学的測距装置。 Optical distance measuring device.
前記選択部は、注目画素と前記注目画素の近傍の1つまたは複数の画素の各々から出力される、繰り返し投光された前記照射光パルスの受光信号を時間軸に沿って累積した個別ヒストグラムを前記個別受光信号として出力し、
前記合成部は前記個別ヒストグラムを加算した合成ヒストグラムを前記合成受光信号として出力し、
前記距離算出部は、前記合成ヒストグラムのピーク値に対応する時刻を前記受光時刻として前記測定対象物までの距離を算出する
請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の光学的測距装置。 The light projecting unit repeatedly projects the irradiation light pulse on the measurement object over a predetermined measurement time,
The selection unit outputs an individual histogram obtained by accumulating light reception signals of the irradiation light pulse repeatedly projected along a time axis, which are output from the pixel of interest and each of one or a plurality of pixels in the vicinity of the pixel of interest. Output as the individual light reception signal,
The combining unit outputs a combined histogram obtained by adding the individual histograms as the combined received light signal,
The optical distance measurement according to any one of claims 1 to 5 , wherein the distance calculation unit calculates a distance to the measurement object using a time corresponding to a peak value of the combined histogram as the light reception time. apparatus.
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