JP6739746B2 - 物体検出装置、センシング装置、及び物体検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、物体検出装置、センシング装置、及び物体検出方法に関する。

従来、投光系と受光系を有し、物体の有無、物体までの距離等の物体に関する情報を検出する装置が知られている（例えば特許文献１〜４参照）。

しかしながら、特許文献１〜４に開示されている装置では、物体に関する情報を精度良く検出することに関して改善の余地があった。

本発明は、光源を含む投光系と、前記投光系から投光され、最大検出距離以内にある物体で反射された光を受光する受光素子と、前記受光素子の出力電流に基づく電圧信号に、オフセット量が時間的に変化するオフセット信号を加算する信号処理回路と、前記オフセット信号が加算された前記電圧信号を閾値で二値化し、前記物体の検出信号を出力する二値化回路と、を備え、前記物体が前記最大検出距離の位置にあるときに、該物体から反射された光を前記受光素子が受光するまでの時間を最大検出時間とすると、前記オフセット信号は、前記投光系から投光された後に単調増加で立ち上がり、前記最大検出時間より後に立ち下がる信号である物体検出装置である。

本発明によれば、物体に関する情報を精度良く検出することができる。

一実施形態に係る物体検出装置の概略構成を示す図である。 図２（Ａ）は、投光光学系、同期系を説明するための図であり、図２（Ｂ）は、受光光学系を説明するための図であり、図２（Ｃ）は、ＬＤから反射ミラーまでの光の光路、及び反射ミラーから時間計測用ＰＤまでの光の光路を概略的に示す図である。 同期信号とＬＤ駆動信号を示すタイミング図である。 図４（Ａ）は、射出光パルスと反射光パルスを示すタイミング図であり、図４（Ｂ）は、２値化後の射出光パルスと反射光パルスを示すタイミング図である。 ＴＯＦ法を説明するための図である。 ＰＤ出力検出部の構成例を示す図である。 雨と物体が検出される受光信号波形の模式図である。 ウィンドウからのゴーストと物体が検出される受光信号波形の模式図である。 図９（Ａ）〜図９（Ｄ）は、それぞれ太陽光が入らないとき又は入るときの受光信号波形を示す図である。 図１０（Ａ）は物体からの反射光による信号を示す図であり、図１０（Ｂ）はオフセット信号を示す図であり、図１０（Ｃ）は物体からの反射光による信号にオフセット信号が加算された状態を示す図である。 図１１（Ａ）はヒステリシスコンパレータの回路図であり、図１１（Ｂ）は検出閾値の模式図である。 ＰＤ出力検出部の二値化回路の回路図である。 図１３（Ａ）はオフセット付与回路の回路図であり、図１３（Ｂ）はオフセット付与回路への入力電圧のタイミング図であり、図１３（Ｃ）はオフセット信号のタイミング図である。 オフセット付与回路と二値化回路（ヒステリシスコンパレータ）が接続された状態を示す回路図である。 図１５（Ａ）〜図１５（Ｃ）は、それぞれＬＤ駆動信号、オフセット付与回路への入力電圧、オフセット信号のタイミング図（その１）である。 図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）は、それぞれＬＤ駆動信号、オフセット付与回路への入力電圧、オフセット信号のタイミング図（その２）である。 図１７（Ａ）〜図１７（Ｅ）は、それぞれＬＤ駆動信号、投光波形、受光波形（電流電圧変換前）、オフセット付与回路への入力電圧、オフセット信号のタイミング図である。 図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）は、それぞれ低反射物体及び高反射物体を検出したときのオフセット付与後の受光波形を示す図である。 センシング装置について説明するための図である。 図２０（Ａ）は物体からの反射光による信号を示す図であり、図２０（Ｂ）はオフセット信号を示す図であり、図２０（Ｃ）は物体からの反射光による信号にオフセット信号が加算された状態を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態の物体検出装置１００について、図面を参照して説明する。

図１には、物体検出装置１００の概略的構成がブロック図にて示されている。

物体検出装置１００は、一例として、移動体としての車両に搭載され、投光し、物体（例えば先行車両、停車車両、障害物、歩行者等）で反射（散乱）された光を受光して該物体の有無や、該物体までの距離等の物体に関する情報（以下では「物体情報」とも呼ぶ）を検出する走査型レーザレーダである。物体検出装置１００は、例えば車両のバッテリ（蓄電池）から電力の供給を受ける。

物体検出装置１００は、図１に示されるように、投光系１０、受光光学系３０、検出系４０、時間計測部４５、同期系５０、測定制御部４６、物体認識部４７などを備えている。

投光系１０は、光源としてのＬＤ（レーザダイオード）、ＬＤ駆動部１２、投光光学系２０を含む。

ＬＤは、端面発光レーザとも呼ばれ、ＬＤ駆動部１２により駆動され、レーザ光を射出する。ＬＤ駆動部１２は、測定制御部４６から出力されるＬＤ駆動信号（矩形パルス信号）を用いてＬＤを点灯（発光）させる。ＬＤ駆動部１２は、一例として、ＬＤに電流を供給可能に接続されたコンデンサ、該コンデンサとＬＤとの間の導通／非導通を切り替えるためのトランジスタ、該コンデンサを充電可能な充電手段等を含む。測定制御部４６は、自動車のＥＣＵ（エレクトロニックコントロールユニット）からの測定制御信号（測定開始信号や測定停止信号）を受けて測定開始や測定停止を行う。

図２（Ａ）には、投光光学系２０、同期系５０が模式的に示されている。図２（Ｂ）には、受光光学系３０が模式的に示されている。以下では、図２（Ａ）等に示されるＺ軸方向を鉛直方向とするＸＹＺ３次元直交座標系を適宜用いて説明する。

投光光学系２０は、図２（Ａ）に示されるように、ＬＤからの光の光路上に配置されたカップリングレンズ２２と、該カップリングレンズ２２を介した光の光路上に配置された反射ミラー２４と、該反射ミラー２４で反射された光の光路上に配置された偏向器としての回転ミラー２６と、を含む。ここでは、装置を小型化するために、カップリングレンズ２２と回転ミラー２６との間の光路上に反射ミラー２４を設けて光路を折り返している。

そこで、ＬＤから出射された光は、カップリングレンズ２２により所定のビームプロファイルの光に整形された後、反射ミラー２４で反射され、回転ミラー２６でＺ軸周りに偏向される。

回転ミラー２６でＺ軸周りの所定の偏向範囲に偏向された光が投光光学系２０から投射された光、すなわち物体検出装置１００から射出された光である。

回転ミラー２６は、回転軸（Ｚ軸）周りに複数の反射面を有し、反射ミラー２４からの光を回転軸周りに回転しながら反射（偏向）することで該光により上記偏向範囲に対応する有効走査領域を水平な１軸方向（ここではＹ軸方向）に１次元走査する。ここでは、偏向範囲、有効走査領域は、物体検出装置１００の＋Ｘ側である。以下では、回転ミラー２６の回転方向を「ミラー回転方向」とも呼ぶ。

回転ミラー２６は、図２（Ａ）から分かるように、反射面を２面（対向する２つの面）有しているが、これに限らず、１面でも３面以上でも良い。また、少なくとも２つの反射面を設け、回転ミラーの回転軸に対して異なった角度で傾けて配置して、走査・検出する領域をＺ軸方向に切り替えることも可能である。

受光光学系３０は、図２（Ｂ）に示されるように、投光光学系２０から投射され有効走査領域内にある物体で反射された光を反射する回転ミラー２６と、該回転ミラー２６からの光を反射する反射ミラー２４と、該反射ミラー２４からの光の光路上に配置され、該光を後述する時間計測用ＰＤ４２に結像させる結像光学系と、を含む。

ここで、投光光学系２０と受光光学系３０は同一筐体内に設置されている。この筐体は、投光光学系２０からの射出光の光路上及び受光光学系３０への入射光の光路上に開口部を有し、該開口部がウィンドウ（光透過窓部材）で塞がれている。ウィンドウは例えばガラス製、樹脂製とすることができる。

図２（Ｃ）には、ＬＤから反射ミラー２４までの光路と、反射ミラー２４から時間計測用ＰＤ４２までの光路が示されている。

図２（Ｃ）から分かるように、投光光学系２０と受光光学系３０は、Ｚ軸方向に重なるように配置されており、回転ミラー２６と反射ミラー２４は、投光光学系２０と受光光学系３０で共通となっている。これにより、物体上におけるＬＤの照射範囲と時間計測用ＰＤ４２の受光可能範囲の相対的な位置ずれを小さくでき、安定した物体検出を実現できる。

検出系４０は、図２（Ｂ）及び図１に示されるように、投光光学系２０から投射され有効走査領域内にある物体で反射された光を受光光学系３０を介して受光する時間計測用ＰＤ４２（フォトダイオード）と、該時間計測用ＰＤ４２の出力電流（光電流）に基づく電圧信号（受光信号）を検出するＰＤ出力検出部４４と、を含む。

そこで、投光光学系２０から投射され物体で反射された光は、回転ミラー２６、反射ミラー２４を介して結像光学系に導かれ、該結像光学系により時間計測ＰＤ４２に集光する（図２（Ｂ）参照）。図２（Ｂ）では、装置を小型化するために、回転ミラー２６と結像光学系との間に反射ミラー２４を設けて光路を折り返している。ここでは、結像光学系は２枚のレンズ（結像レンズ）で構成されているが、１枚のレンズとしても良いし、３枚以上のレンズとしても良いし、ミラー光学系を用いても良い。

同期系５０は、図２（Ａ）及び図１に示されるように、ＬＤから出射されカップリングレンズ２２を介して反射ミラー２４で反射された光であって回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で再び反射された光の光路上に配置された同期レンズ５２と、該同期レンズ５２を介した光の光路上に配置された同期検知用ＰＤ５４と、該同期検知用ＰＤ５４の出力電流（光電流）に基づく電圧信号（受光信号）を検出するＰＤ出力検出部５６と、を含む。

詳述すると、反射ミラー２４は、上記偏向範囲に対して回転ミラー２６の回転方向上流側に配置され、回転ミラー２６で上記偏向範囲の上流側に偏向された光が入射される。そして、回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で反射された光が同期レンズ５２を介して同期検知用ＰＤ５４に入射される。

なお、反射ミラー２４は、上記偏向範囲に対して回転ミラー２６の回転方向下流側に配置されても良い。そして、回転ミラー２６で偏向され反射ミラー２４で反射された光の光路上に同期系５０が配置されても良い。

回転する回転ミラー２６の反射面で反射された光が同期検知用ＰＤ５４で受光される度に同期検知用ＰＤ５４からＰＤ出力検出部５６に光電流が出力される。この結果、ＰＤ出力検出部５６からは定期的に信号（同期信号）が出力される（図３参照）。

このように回転ミラー２６からの光を同期検知用ＰＤ５４に照射するための同期点灯を行うことで、同期検知用ＰＤ５４での受光タイミングから、回転ミラー２６の回転タイミングを得ることが可能となる。

そこで、ＬＤを同期点灯してから所定時間経過後にＬＤをパルス点灯することで有効走査領域を光走査することができる。すなわち、同期検知用ＰＤ５４に光が照射されるタイミングの前後期間にＬＤをパルス点灯することで有効走査領域を光走査することができる。

ここで、時間計測や同期検知に用いる受光素子としては、上述したＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）の他、ＡＰＤ（Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）、ガイガーモードＡＰＤであるＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）等を用いることが可能である。ＡＰＤやＳＰＡＤは、ＰＤに対して感度が高いため、検出精度や検出距離の点で有利である。

ＰＤ出力検出部５６は、同期検知用ＰＤ５４の出力電流に基づく電圧信号（受光信号）を検出すると同期信号を測定制御部４６に出力する。

ＰＤ出力検出部５６は、同期検知用ＰＤ５４からの出力電流を電流電圧変換器で電圧信号に変換し、該電圧信号を信号増幅器で増幅し、増幅された電圧信号をコンパレータなどの比較器を用いて閾値で二値化し、その二値化信号を同期信号として測定制御部４６に出力する。

測定制御部４６は、ＰＤ出力検出部５６からの同期信号に基づいてＬＤ駆動信号を生成し、該ＬＤ駆動信号をＬＤ駆動部１２及び時間計測部４５に出力する。

すなわち、ＬＤ駆動信号は、同期信号に対して遅延したパルス点灯信号（周期的なパルス信号）である（図３参照）。

ＰＤ出力検出部４４は、時間計測用ＰＤ４２の受光信号を検出すると検出信号を時間計測部４５に出力する。

時間計測部４５は、ＰＤ出力検出部４４からの検出信号（ＰＤ出力検出部４４での受光信号の検出タイミング）に基づいて時間計測用ＰＤ４２での受光タイミングを求め、該受光タイミングとＬＤ駆動信号の立ち上がりタイミングに基づいて該物体までの往復時間を計測し、時間計測結果として測定制御部４６に出力する。

測定制御部４６は、時間計測部４５からの時間計測結果を距離に変換することで物体までの往復距離を算出し、該往復距離の１／２を距離データとして物体認識部４７に出力する。

物体認識部４７は、測定制御部４６からの１走査もしくは複数の走査で取得した複数の距離データに基づいて、どこに物体があるかを認識し、その物体認識結果を測定制御部４６に出力する。測定制御部４６は、該物体認識結果をＥＣＵに転送する。

ＥＣＵは、転送された物体認識結果に基づいて、例えば自動車の操舵制御（例えばオートステアリング）、速度制御（例えばオートブレーキ）等を行う。

ここで、ＬＤ駆動部１２は、回転ミラー２６によって有効走査領域が走査されるとき、ＬＤを駆動して、図４（Ａ）に示されるようなパルス光（以下では「射出光パルス」とも称する）を射出させる。そして、ＬＤから射出され物体で反射（散乱）されたパルス光（以下では「反射光パルス」とも称する）が時間計測用ＰＤ４２（図４（Ａ）では受光素子としてＰＤの代わりにＡＰＤを用いている）で検出される。

ＬＤが射出光パルスを射出してから、ＡＰＤで反射光パルスを検出するまでの時間ｔを計測することで、物体までの距離を算出することが可能である。時間計測に関しては、例えば、図４（Ｂ）に示されるように、射出光パルスをＰＤ等の受光素子で受光し２値化した矩形パルスとし、反射光パルスをＰＤ出力検出部で２値化した矩形パルスとし、両矩形パルスの立ち上がりタイミングの時間差ｔを時間計測回路で計測しても良いし、射出光パルス、反射光パルスの波形をＡ／Ｄ変換してデジタルデータに変換し、ＬＤの出力信号とＡＰＤの出力信号を相関演算することで、時間ｔを計測することも可能である。

以上の説明から分かるように、本実施形態では、時間計測の手法としていわゆるＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法を用いている（図５参照）。すなわち、本実施形態では、先ず、光源としてのＬＤをパルス発光させる。このパルス光のパルス幅は、例えば数ｎｓ〜数１０ｎｓである。このパルス光が投光光学系２０を介して投光され、物体で反射されて戻ってきて、受光光学系３０を介して時間計測用ＰＤ４２に入射される。このとき、時間計測用ＰＤ４２からＰＤ出力検出部４４に光電流が出力される。

図５に示されるように、一般に、投光波形ではノイズが小さいが、物体からの反射光や散乱光は通常弱いため、増幅器で大きく増幅すると、受光波形ではノイズも大きくなる。

図６には、検出系４０のＰＤ出力検出部４４の構成がブロック図にて示されている。

ＰＤ出力検出部４４は、図６に示されるように、電流電圧変換器４４ａ、信号増幅器４４ｂ、オフセット付与回路４４ｃ、二値化回路４４ｄを含む。

電流電圧変換器４４ａは、時間計測用ＰＤ４２からの出力電流を電圧信号（受光信号）に変換し、信号増幅器４４ｂに出力する。

信号増幅器４４ｂは、入力された受光信号を増幅し、オフセット付与回路７０に出力する。

オフセット付与回路７０は、入力された受光信号にオフセット信号を加算し、二値化回路４４ｄに出力する。

二値化回路４４ｄは、入力された受光信号を閾値で二値化し、その二値化信号を検出信号として、時間計測部４５に出力する。

以下に、ＰＤ出力検出部４４にオフセット付与回路７０を組み込んだ理由を説明する。

図７には、雨と物体が検出される受光信号波形が模式図で示されている。時間０でパルス発光したとして、図７では、３つの雨１〜３と１つの物体が検出される。受光信号を検出するための検出閾値を図７の破線レベルに設定したとすると、雨１〜３と物体を併せた４つが検出される。雨を危険情報とは認識せずに物体を危険情報と認識したいが、検出結果を見ても、通常は、どれが雨でどれが物体か判別できない。そのため、危険情報である物体の位置がどこか分からない。なお、本明細書では、この状態についても、便宜上「誤検出」と呼ぶ。

図８には、ウィンドウからのゴーストと物体が検出される受光信号波形が模式図で示されている。ウィンドウからのゴーストが発生すると、例えばウィンドウの近くに物体があったとしても、ウィンドウからのゴーストのパルス光とその物体からのパルス光が混合してしまい分離できず、結果としてウィンドウに近い物体を検出できないこととなる。これを回避するため、検出閾値を上げると、遠距離の検出距離が低下してしまうため、好ましくない。

図９には、太陽光が入るときと入らないときの受光信号波形の模式図が示されている。太陽光が入らない場合（図９（Ａ）参照）に比べて、太陽光が入る場合には、ＤＣ成分が増大するだけでなく、ランダムノイズ（ショットノイズ）も増大する（図９（Ｂ）参照）。ＤＣ成分については、ハイパスフィルタ等で除去できるが、ハイパスフィルタ等ではランダムノイズは除去できない（図９（Ｃ）参照）。

車両の実際の走行環境において、車両の窓ガラスやボンネット等の高反射物体で太陽光が反射し、強い太陽光が受光素子に入ると、図９（Ｄ）に示されるように、ショットノイズが増大し、ノイズが検出閾値を超えてしまう。この場合、信号とノイズを判別できず、誤検出となってしまう。

さらに、高反射物体が近距離にあるときの方が、レーザレーダの受光素子に入る太陽光が強くなるため、ショットノイズも大きくなり、ノイズが検出閾値を超える現象が発生しやすくなり、誤検出も多くなることが懸念される。

すなわち、例えば、雨、雪、霧等の外乱がある場合や、高反射物体が近距離にある場合には誤検出が頻繁に発生することが懸念される。以下では、レーザレーダから近距離にある高反射物体を「近距離高反射物体」とも呼ぶ。レーザレーダから遠距離にある物体を「遠距離物体」とも呼ぶ。

そこで、発明者は、このような誤検出の発生を抑制するために、ＰＤ出力検出部４４にオフセット付与回路４４ｃを組み込んでいる。

図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）には、物体からの反射光による受光信号（以下では便宜上「物体からの信号」とも呼ぶ）、オフセット信号、オフセット信号が加算された物体からの信号がそれぞれタイミング図で示されている。

オフセット付与回路４４ｃで生成されるオフセット信号は、一例として図６（Ｂ）に示されるように、０からスタートして単調増加し、一定値に漸近し、単調減少して０に戻る信号である。

図１０（Ａ）に示される物体からの信号と、図１０（Ｂ）に示されるオフセット信号を重畳すると、図１０（Ｃ）のようになり、図１０（Ｃ）に示す位置に検出閾値を設定し、時間０でパルス発光すると、検出タイミングが比較的早く信号が大きくなる近距離高反射物体については、ベースレベル（物体からの光がないときときの信号レベル）と検出閾値の差が大きくなるため、雨等からの信号や、近距離高反射物体からの太陽光によるショットノイズ増大があっても、検出閾値を超えにくく、誤検出が発生しにくい。

一方、検出タイミングが比較的遅く信号が小さくなる遠距離物体については、物体からの信号にオフセット信号が加算されて見かけ上、ベースレベルが底上げされた状態となり該ベースレベルと閾値との差が小さくなるので（図６（Ｃ）の横ばい部分参照）、検出精度が低下するのを抑制できる。

以上では、ＰＤ出力検出部４４（受光回路）が、信号がベースラインから上がるように構成される場合について説明したが、図２０に示されるように、同様の原理で同様の作用、効果が得られるようにＰＤ出力検出部４４を、信号がベースラインから下がるように構成することも可能である。

図２０（Ａ）〜図２０（Ｃ）には、物体からの信号、オフセット信号、オフセット信号が加算された物体からの信号がそれぞれタイミング図で示されている。

オフセット付与回路４４ｃで生成されるオフセット信号は、一例として図２０（Ｂ）に示されるように、０からスタートして単調減少し、一定値に漸近し、単調増加して０に戻る信号である。

以上のように、物体からの信号にオフセット信号を加算することで、遠距離物体の検出精度の低下を抑制しつつ、雨、雪、霧等の外乱や、近距離高反射物体があることによる誤検出を抑制することができる。

なお、このような信号を用いて、閾値を変化させることも考えられる（例えば特開平０８−３０４５３５号公報、実開昭６３−１０１８８０号公報参照）。このことについて検討する。

図１１（Ａ）には、ヒステリシスコンパレータの回路図が示されている。このヒステリシスコンパレータでは、電源電圧（Ｖｃｃ）を抵抗分圧して所望の閾値電圧を生成し、オペアンプの−端子に入力する。オペアンプは、＋端子に信号が入力され、入力信号（Ｖｉｎ）と閾値電圧を比較し、入力信号（Ｖｉｎ）が閾値電圧を超えると、コンパレータの出力がスイッチする。ヒステリシスコンパレータは、閾値を下から上に横切るときと、上から下に横切るときで、電圧レベルを異ならせることができる回路、すなわち閾値が可変な回路であり、ノイズによってコンパレータがスイッチするのを抑制できる。このヒステリシスコンパレータは、レーザレーダに導入することで、回路ノイズによってコンパレータがスイッチし、誤検出が発生するのを抑制できる。なお、図１１（Ａ）において、抵抗器Ｒ１、Ｒ２は必須であるが、抵抗器Ｒ３は必須ではない。

ここで、閾値を時間的に変化させるためには、電源電圧（Ｖｃｃ）を時間的に変化させれば良いが、そうすると、ヒステリシス量が時間的に変化してしまう（図１１（Ｂ）参照）。つまり、閾値の時間変化と、ヒステリシス量が独立に制御できなくなり、その結果、雨、雪、霧等の外乱や、近距離高反射物体があることによる誤検出の抑制（前者）と、回路ノイズによる誤検出の抑制（後者）とを両立することが難しくなる。

そこで、前者と後者を両立するために、二値化回路４４ｄを、図１２に示されるように、入力信号（Ｖｉｎ）にオフセット信号（Ｖｏｆｆｓｅｔ）が加算されるヒステリシスコンパレータを含む回路構成とし図１０（Ｃ）に示される信号を生成している。この場合、オフセット信号（Ｖｏｆｆｓｅｔ）の時間変化と、電源電圧（Ｖｃｃ）の時間変化により時間変化するヒステリシス量を独立に制御できるため、雨、雪、霧等の外乱や、近距離高反射物体があることによる誤検出の抑制と、回路ノイズによる誤検出の抑制が両立できる。

図１０（Ｂ）に示されるオフセット信号を生成するオフセット付与回路４４ｃは、図１３（Ａ）に示される回路構成で実現できる。

図１３（Ａ）におけるＶａは、振幅Ｖ１の矩形信号であり（図１３（Ｂ）参照）、それを抵抗器Ｒ４及びコンデンサＣから成るローパスフィルタＬＰＦに入力し、さらに抵抗分圧で所望の電圧レベル（Ｖ２）にしてオフセット信号（Ｖｏｆｆｓｅｔ）を得る（図１３（Ｃ）参照）。このように図１０（Ｂ）に示されるオフセット信号は非常に簡素な回路で実現でき、大きさ、コスト的に非常に好ましい。なお、図１３（Ａ）において、抵抗器Ｒ５、Ｒ６は必須ではない。すなわち、オフセット付与回路は、少なくともローパスフィルタを含んで構成されることが好ましい。また、ローパスフィルタＬＰＦの構成は、適宜変更可能である。例えばオペアンプを用いてアクティブローパスフィルタを構成しても良い。

図１４には、オフセット付与回路４４ｃと二値化回路４４ｄ（ヒステリシスコンパレータ）が組み合された回路構成が示されている。この回路構成によれば、大きさ、コストにほとんど影響なく、雨、雪、霧等の外乱や、近距離高反射物体があることによる誤検出の抑制と、回路ノイズによる誤検出の抑制が両立できる。

ここで、図１５（Ｂ）に示されるように、Ｖａは、ＬＤ駆動信号に立ち上がりを同期させた信号であることが好ましい。この場合、ＬＤの発光タイミングとオフセット信号の時間関係を正確に維持できるため、高精度な測距が可能となる。

なお、レーザレーダにおけるパルス光は、レーザの安全面を考えてなるべくパルス幅が細い（例えば数ｎｓ〜数１０ｎｓ）が好適であり、ＬＤ駆動信号としても同等レベルの幅の矩形波とするのがよい。これに対し、Ｖａは測距レンジに対応させることが好ましく、例えば最大検出距離を２００ｍとすると、Ｖａのパルス幅は１．３３ｕｓｅｃ以上が好適である。

図１０（Ｂ）に示されるオフセット信号を生成する別の方法として、図１６（Ｂ）に示されるように、オフセット信号（図１６（Ｃ）参照）の元となる信号Ｖａをデューティが時間的に変化する複数のパルス信号を含むパルス信号群で構成し、その先頭のパルス信号をＬＤ駆動信号に同期させても良い。この場合、ローパスフィルタを通すことにより、デューティを高くすれば電圧レベルは高くなり、デューティを低くすれば、電圧レベルは低くなる。さらに、抵抗分圧で任意の信号レベルに変換できる。図１６（Ｂ）では、デューティを時間変化させるために、パルス幅を一定にしパルス周期を時間変化させているが、パルス周期を一定にしパルス幅を時間変化させても良いし、パルス幅及びパルス周期を時間変化させても良い。

なお、上記では、オフセット信号もしくはオフセット信号の元となる信号は、ＬＤ駆動信号と立ち上がり開始タイミングが一致するものとして説明しているが、これに限らず、オフセット信号もしくはオフセット信号の元となる信号が予め決められた時間だけ進むもしくは遅れることがあっても良く、そのような状態でも上記の説明と同様の効果が得られる。

ところで、オフセット信号の立ち上がりは、回路定数のばらつき等の影響により、ばらつきが発生する。そのため、オフセット信号のタイミングに対して、受光信号（受光波形）を時間的に遅延させ、その遅延させた信号にオフセット信号を重畳させることが好ましい。

図１７は、受光信号をディレイさせる例を説明するためのＬＤ駆動信号、投光波形、受光波形（電流電圧変換後）、Ｖａ、Ｖｏｆｆｓｅｔを示すタイミング図であり、説明を簡単にするために、物体検出装置１００の至近距離に物体がある場合を示している。このように、物体検出装置１００の至近距離に物体があったとしても、受光信号をディレイさせているので、オフセット信号（Ｖｏｆｆｓｅｔ）の不安定な立ち上がり部分を使わなくて済む。そのため、オフセット信号を重畳させた受光信号を安定化することができ、安定した測定が可能となる。なお、受光信号のディレイはオペアンプを用いて実現できる。

なお、受光信号をディレイさせることに代えて、Ｖａに対してＬＤ駆動信号をディレイさせることでも、同様の効果が得られる。

図１８には、同一位置にある、高反射物体（反射率の高い物体）と低反射物体（反射率の低い物体）からの反射光もしくは散乱光による受光信号の模式図が示されている。

例えば、受光信号が立ち上がりにおいて検出閾値を下から上に横切るタイミングを物体の検出タイミングとすると、図１８から、同じ位置にある物体でも、反射率の違いによって検出タイミングが異なってしまう。すなわち、高反射物体では受光信号が検出閾値を超えている時間幅が広く検出タイミングが早くなり、低反射物体では受光信号が検出閾値を超えている時間幅が狭く検出タイミングが遅くなる。そこで、受光信号が検出閾値を超えている時間幅によって検出タイミングを補正することが好ましい。具体的には、パルス幅が広いときには検出タイミングの補正量（負）を小さく、パルス幅が狭いときには検出タイミングの補正量（負）を大きくすることで、反射率によって物体の検出タイミングが変化するのを抑制できる。

なお、上記では、受光信号が検出閾値を下から上に横切るタイミングを物体の検出タイミングとしているが、これに限られない。例えば、受光信号が検出閾値を下から上に横切るタイミングと受光信号が検出閾値を上から下に横切るタイミングの２つタイミングに基づいて検出タイミングを求めても良い。この場合、受光信号が検出閾値を超えている時間幅によって、２つのタイミングの少なくとも一方を補正することで検出タイミングを補正することができる。この場合、例えば補正後の２つのタイミング間の所定タイミング（例えば中間タイミング）を検出タイミングとしても良い。

図１９には、物体検出装置１００を備えるセンシング装置１０００が示されている。センシング装置１０００は、移動体に搭載され、物体検出装置１００に加えて、該物体検出装置１００に電気的に接続された監視制御装置３００を備えている。物体検出装置１００は、車両のバンパー付近やバックミラーの近傍に取り付けられる。監視制御装置３００は、物体検出装置１００での検出結果に基づいて、物体の形状や大きさの推定、物体の位置情報の算出、移動情報の算出、物体の種類の認識等の処理を行って、危険の有無を判断する。そして、危険有りと判断した場合には、アラーム等の警報を発して移動体の操縦者に注意を促したり、ハンドルを切って危険を回避する指令を移動体の操舵制御部に出したり、制動をかけるための指令を移動体のＥＣＵに出す。なお、センシング装置１０００は、例えば車両のバッテリから電力の供給を受ける。

なお、監視制御装置３００は、物体検出装置１００と一体的に設けられても良いし、物体検出装置１００とは別体に設けられても良い。また、監視制御装置３００は、ＥＣＵが行う制御の少なくとも一部を行っても良い。

以上説明した本実施形態の物体検出装置１００は、光源（ＬＤ）を含む投光系１０と、該投光系１０から投光され物体で反射された光を受光する受光素子（時間計測用ＰＤ４２）と、該受光素子の出力電流に基づく電圧信号（受光信号）に、オフセット量が時間的に変化するオフセット信号を加算する信号処理回路（オフセット付与回路４４ｃ）と、を備えている。

ところで、投光系１０から投光され物体で反射された光は、投光されてから受光されるまでの時間（光の往復時間）によって、すなわち物体までの距離によって強度が異なる。一般的には、物体までの距離が短いほど該物体からの光の強度は大きくなる。

物体検出装置１００では、オフセット信号の加算によって受光信号のレベルが引き上げられ、かつオフセット信号のオフセット量が時間的に変化するため、物体までの距離（受光される光の強度）によらず、受光信号の検出精度を向上させることができる。

すなわち、物体検出装置１００によれば、物体に関する情報を精度良く検出することができる。

また、物体検出装置１００は、オフセット信号が加算された電圧信号を閾値（検出閾値）で二値化する二値化回路４４ｄを更に備えている。

この場合、受光信号を精度良く検出できる。

また、オフセット信号は、最初に立ち上がる場合にその立ち上がりが単調増加であることが好まく（図１０（Ｂ）参照）、最初に立ち下がる場合にその立ち下がりが単調減少であることが好ましい（図２０（Ｂ））。

この場合、光の往復時間が短く反射光量が大きい近距離物体の検出時に、閾値と信号のベースレベルの差を大きくできる。この結果、例えば物体検出装置１００のウィンドウのゴーストの影響や、近距離の車両の窓ガラスやボンネット等での太陽の反射光等の影響による誤検知を効果的に抑制することができる。

なお、オフセット信号は、立ち上がりや立ち下がりに極値を持っても良い。

また、オフセット信号は、立ち上がりと立ち下がりの間で一定値に漸近することが好ましい。

この場合、光の往復時間が長く反射光量が小さい遠距離物体の検出時に、閾値と信号のベースレベルの差が小さくなるようにすることができ、検出精度の低下を抑制できる。

なお、オフセット信号は、立ち上がりと立ち下がりの間で一定値に漸近しなくても良い。

また、オフセット信号は、最初に立ち上がる場合に立ち上がりから立ち下がりにかけて増加しながら一定値に漸近することが好ましく、最初に立ち下がる場合に立ち下がりから立ち上がりにかけて減少しながら一定値に漸近することが好ましい。

この場合、遠距離レンジにある反射光量が低い物体の検出精度の低下を安定して抑制できる。

なお、オフセット信号は、最初に立ち上がる場合に立ち上がりから立ち下がりにかけて減少しながら一定値に漸近しても良いし、最初に立ち下がる場合に立ち下がりから立ち上がりにかけて増加しながら一定値に漸近しても良いし、最初に立ち上がる場合に立ち上がりから立ち下がりにかけて一定値を維持しても良いし、最初に立ち下がる場合に立ち下がりから立ち上がりにかけて一定値を維持しても良い。

また、オフセット信号は、最初に立ち上がる場合に上記一定値は上記閾値未満であることが好ましく、最初に立ち下がる場合に上記一定値は上記閾値よりも大きいことが好ましい。

この場合、ノイズが検出されるのを抑制できる。

また、信号処理回路は、オフセット信号のタイミングに対して電圧信号（受光信号）を時間的に遅延させ、その遅延させた信号に前記オフセット信号を加算することが好ましい。

すなわち、オフセット信号が少し立ち上がってから、測定を開始することが好ましい。この場合、オフセット信号の不安定な立ち上がりを使わなくて済むので、受光信号の検出精度の低下を抑制できる。

また、物体検出装置１００は、オフセット信号が加算された電圧信号が閾値を横切る時間幅に基づいて、二値化回路４４ｄの出力を補正する補正回路を更に備えることが好ましい。

この場合、物体の反射率によって、計測時間（光の往復時間）ひいては測定距離が変化しないようにすることができる。

また、二値化回路４４ｄは、電圧信号（受光信号）が閾値を下から上に横切るときと、閾値を上から下に横切るときとで、閾値の大きさが異なるヒステリシスコンパレータを含むことが好ましい。

回路ノイズによる影響を軽減するためにヒステリシスコンパレータを用いるのが有効であるが、これを物体検出装置１００に用いると、ヒステリシス量は、オフセット信号とは別に設定でき、それぞれ独立して設定できるため、上記効果と回路ノイズの影響低減の両立ができる。

また、オフセット信号は、光源（ＬＤ）を駆動するための光源駆動信号（ＬＤ駆動信号）と同期して出力されローパスフィルタを介した信号であることが好ましい。

また、光源駆動信号と同期して出力される信号は、光源駆動信号よりもパルス幅が長い単一のパルス信号であっても良い。

また、光源駆動信号と同期して出力される信号は、デューティが時間的に変化する複数のパルス信号を含むパルス信号群の先頭のパルス信号であっても良い。

また、投光系１０は、光源からの光を偏向する偏向器（回転ミラー２６）を含むことが好ましい。

また、光源は、ＬＤを含むため、安定した出力のパルス光を投光することができる。

また、物体検出装置１００と、該物体検出装置１００の出力に基づいて、物体情報（物体の有無、物体の位置、物体の移動方向及び物体の移動速度の少なくとも１つ）を求める監視制御装置３００と、を備えるセンシング装置１０００によれば、物体情報を安定して取得することができる。

また、センシング装置１０００は移動体に搭載され、監視制御装置３００は物体の位置情報及び移動情報の少なくとも一方に基づいて危険の有無を判断するため、例えば移動体の操縦制御系、速度制御系等に危険回避のための有効な情報を提供することができる。

また、センシング装置１０００と、該センシング装置１０００が搭載される移動体と、を備える移動体装置は、衝突安全性に優れる。

また、本実施形態の物体検出方法は、光源（ＬＤ）を発光させて光を投光する工程と、投光され物体で反射された光を受光素子（時間計測用ＰＤ４２）で受光する工程と、該受光素子の出力電流を電圧信号に変換する工程と、該電圧信号にオフセット信号を加算する工程と、オフセット信号が加算された電圧信号を二値化する工程と、を含む。

この場合、物体に関する情報を精度良く検出することができる。

また、本実施形態の物体検出方法は、二値化したタイミングに基づいて受光素子での受光タイミングを求める工程と、光源での発光タイミングと前記受光タイミングとに基づいて物体までの距離を算出する工程と、を更に含むことが好ましい。

この場合、物体までの距離の検出精度を向上させることができる。

なお、上記実施形態の物体検出装置の構成は、適宜変更可能である。

例えばＰＤ出力検出部４４は、信号増幅器を有していなくても良い。

また、信号処理回路は、信号増幅器及びローパスフィルタを含んで構成されても良い。

また、ＰＤ出力検出部４４の二値化回路は、ヒステリシスコンパレータ以外のコンパレータを含んでも良い。

また、ＰＤ出力検出部５６も、ＰＤ出力検出部４４と同様の構成としても良い。この場合には、同期検知用ＰＤ５４の出力電流に基づく電圧信号（受光信号）を精度良く検出でき、走査タイミングの検出精度を向上できる。

また、投光系１０は、偏向器を用いる走査型であるが、偏向器を用いない非走査型であっても良い。すなわち、投光系は、少なくとも光源を有していれば良く、投光範囲の調整のためのレンズを光源の後段に有していても良い。

また、上記実施形態では、光源として、単一のＬＤ（端面発光レーザ）を用いているが、これに限られない。例えば、複数のＬＤが１次元又は２次元に配列されたＬＤアレイ、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）、ＶＣＳＥＬが１次元又は２次元に配列されたＶＣＳＥＬアレイ、半導体レーザ以外のレーザ、レーザ以外の光源などを用いても良い。複数のＬＤが１次元配列されたＬＤアレイとしては、複数のＬＤが積層されたスタック型のＬＤアレイや複数のＬＤが横に並べられたＬＤアレイが挙げられる。例えば、半導体レーザとして、ＬＤをＶＣＳＥＬに代えれば、アレイ内の発光点の数をより多く設定することができる。

また、投光光学系は、カップリングレンズを有していなくても良いし、他のレンズを有していても良い。

また、投光光学系、受光光学系は、反射ミラーを有していなくても良い。すなわち、ＬＤからの光を、光路を折り返さずに回転ミラーに入射させても良い。

また、受光光学系は、受光レンズを有していなくも良いし、他の光学素子（例えば集光ミラー）を有していても良い。

また、偏向器として、回転ミラーに代えて、例えば、ポリゴンミラー（回転多面鏡）、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等の他のミラーを用いても良い。

また、同期系は、同期レンズを有していなくも良いし、他の光学素子（例えば集光ミラー）を有していても良い。

また、上記実施形態では、物体検出装置が搭載される移動体として車両を例にとって説明したが、該移動体は、例えば航空機、船舶、ロボット等であっても良い。

また、以上の説明で用いた具体的な数値、形状などは、一例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なことは言うまでもない。

以上の説明から明らかなように、上記実施形態の物体検出装置１００、センシング装置１０００、移動体装置、物体検出方法は、物体までの距離を測定する所謂Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）法を用いた技術であり、移動体におけるセンシングの他、モーションキャプチャ技術、測距計、３次元形状計測技術などの産業分野などで幅広く用いることができる。すなわち、本発明の物体検出装置、センシング装置、移動体装置は、必ずしも移動体に搭載されなくても良い。

以下に、発明者が上記実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。

従来、物体までの距離を計測する装置としてレーザレーダが知られている。レーザレーダにおける距離計測には、いわゆるＴＯＦ法が用いられている。ＴＯＦ法では、数ｎｓ〜数１０ｎｓのパルス光を物体に照射し、戻ってくるまでの時間を計測することで、物体までの距離を求めている。このレーザレーダは、例えば車両に搭載され、車両や人の有無や距離、速度を検出することができる。

レーザレーダにおける距離計測において、雨、雪、霧等の外乱や、近距離高反射物体、例えば近距離の車両の窓ガラスやボンネットで太陽光が反射してレーザレーダに入射されることにより、誤検出が発生するという問題があった。それに対して、従来は、例えば以下のように対応していた。

（１）閾値を２つ設ける（特許文献１：特開２００４−１８４３３３号公報）
（２）感度を時間的に変化させる（特許文献２：特開平１１−０３８１３７号公報）
（３）閾値を時間経過とともに変化させる（特許文献３：特開平０８−３０４５３５号公報、特許文献４：実開昭６３−１０１８８０号公報）

しかし、上記（１）〜（３）では以下のような問題がある。まず（１）では、コンパレータ、時間計測回路が少なくとも２つずつ必要となり、コストアップを招くほか、回路の大型化を招く恐れがある。次に（２）では、このようなことを実現する回路として、例えばダブル・バランスト・ミキサ等が用いられるが、このような回路は複雑で、回路規模の増大を招き、装置の大型化を招く恐れがある。さらに（３）の方式では、回路ノイズの影響による誤検出、検出誤差を軽減するためにヒステリシスコンパレータを用いるとき、ヒステリシス量が閾値電圧に依存して変化してしまうため、回路ノイズの影響低減と外乱や近距離高反射物体の影響による誤検出の抑制の両立が困難となっていた。

そこで、発明者は、以上のような問題を解決すべく、ノイズの影響を受けにくく、雨、雪、霧等の外乱や、近距離高反射物体による誤検出を抑制し、ひいては物体情報を精度良く検出可能な物体検出装置を実現すべく、上記実施形態を発案した。

１０…投光系、２６…回転ミラー（偏向器）、４０…検出系、４２…時間計測用ＰＤ（受光素子、検出系の一部）、４４ｃ…オフセット付与回路（信号処理回路、検出系の一部）、４４ｄ…二値化回路（検出系の一部）、１００…物体検出装置、３００…監視制御装置、１０００…センシング装置。

特開２００４−１８４３３３号公報 特開平１１−０３８１３７号公報 特開平０８−３０４５３５号公報 実開昭６３−１０１８８０号公報

Claims (17)

1. 光源を含む投光系と、
   前記投光系から投光され、最大検出距離以内にある物体で反射された光を受光する受光素子と、
   前記受光素子の出力電流に基づく電圧信号に、オフセット量が時間的に変化するオフセット信号を加算する信号処理回路と、
   前記オフセット信号が加算された前記電圧信号を閾値で二値化し、前記物体の検出信号を出力する二値化回路と、を備え、
   前記物体が前記最大検出距離の位置にあるときに、該物体から反射された光を前記受光素子が受光するまでの時間を最大検出時間とすると、
   前記オフセット信号は、前記投光系から投光された後に単調増加で立ち上がり、前記最大検出時間より後に立ち下がる信号である物体検出装置。
2. 前記オフセット信号は、立ち上がりから立ち下がりにかけて増加しながら一定値に漸近することを特徴とする請求項１に記載の物体検出装置。
3. 前記一定値は、前記閾値未満であることを特徴とする請求項２に記載の物体検出装置。
4. 光源を含む投光系と、
   前記投光系から投光され、最大検出距離以内にある物体で反射された光を受光する受光素子と、
   前記受光素子の出力電流に基づく電圧信号に、オフセット量が時間的に変化するオフセット信号を加算する信号処理回路と、
   前記オフセット信号が加算された前記電圧信号を閾値で二値化し、前記物体の検出信号を出力する二値化回路と、を備え、
   前記物体が前記最大検出距離の位置にあるときに、該物体から反射された光を前記受光素子が受光するまでの時間を最大検出時間とすると、
   前記オフセット信号は、前記投光系から投光された後に単調減少で立ち下がり、前記最大検出時間より後に立ち上がる信号である物体検出装置。
5. 前記オフセット信号は、立ち下がりから立ち上がりにかけて減少しながら一定値に漸近することを特徴とする請求項４に記載の物体検出装置。
6. 前記一定値は、前記閾値よりも大きいことを特徴とする請求項５に記載の物体検出装置。
7. 前記信号処理回路は、前記オフセット信号のタイミングに対して前記電圧信号を時間的に遅延させ、その遅延させた信号に前記オフセット信号を加算することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の物体検出装置。
8. 前記オフセット信号が加算された前記電圧信号が前記閾値を横切る時間幅に基づいて、前記二値化回路の出力を補正する補正回路を更に備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の物体検出装置。
9. 前記二値化回路は、前記電圧信号が前記閾値を下から上に横切るときと、前記閾値を上から下に横切るときとで、前記閾値の大きさが異なるヒステリシスコンパレータを含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の物体検出装置。
10. 前記信号処理回路は、ローパスフィルタを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の物体検出装置。
11. 前記オフセット信号は、前記光源を駆動するための光源駆動信号と同期して出力され前記ローパスフィルタを介した信号であることを特徴とする請求項１０に記載の物体検出装置。
12. 前記光源駆動信号と同期して出力される信号は、前記光源駆動信号よりもパルス幅が長い単一のパルス信号であることを特徴とする請求項１１に記載の物体検出装置。
13. 前記光源駆動信号と同期して出力される信号は、デューティが時間的に変化する複数のパルス信号を含むパルス信号群の先頭のパルス信号であることを特徴とする請求項１１に記載の物体検出装置。
14. 前記投光系は、前記光源からの光を偏向する偏向器を含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の物体検出装置。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の物体検出装置と、
    前記物体検出装置の出力に基づいて、物体の有無や、物体の移動方向及び移動速度の少なくとも１つを含む移動情報を求める監視制御装置と、を備えるセンシング装置。
16. 光源を発光させて光を投光する工程と、
    投光され、最大検出距離内にある物体で反射された光を受光素子で受光する工程と、
    前記受光素子の出力電流を電圧信号に変換する工程と、
    前記電圧信号にオフセット信号を加算する工程と、
    前記オフセット信号が加算された前記電圧信号を二値化する工程と、を含み、
    前記物体が前記最大検出距離の位置にあるときに、該物体から反射された光を前記受光素子が受光するまでの時間を最大検出時間とすると、
    前記オフセット信号は、前記投光する工程で投光された後に単調増加で立ち上がり、前記最大検出時間より後に立ち下がる信号である物体検出方法。
17. 光源を発光させて光を投光する工程と、
    投光され、最大検出距離内にある物体で反射された光を受光素子で受光する工程と、
    前記受光素子の出力電流を電圧信号に変換する工程と、
    前記電圧信号にオフセット信号を加算する工程と、
    前記オフセット信号が加算された前記電圧信号を二値化する工程と、を含み、
    前記物体が前記最大検出距離の位置にあるときに、該物体から反射された光を前記受光素子が受光するまでの時間を最大検出時間とすると、
    前記オフセット信号は、前記投光する工程で投光された後に単調減少で立ち下がり、前記最大検出時間より後に立ち上がる信号である物体検出方法。
    

Images