JP4810763B2

JP4810763B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JP4810763B2
Application number: JP2001186530A
Authority: JP
Inventors: 直樹佐野; 恵美子磯貝; 菅原　　良一
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-06-20
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2021-06-20
Also published as: US6657705B2; US20020196424A1; JP2003004850A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離測定装置に関し、特にレーザ光を掃引照射して反射物体による反射光を検出し、レーザ光を照射したタイミングと反射光を検出したタイミングとの時間差に基づいて、反射物体までの距離または距離を表す物理量を算出する距離測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、自動車などに取り付けられ、車両周囲の所定角度に渡り、レーザ光を断続的に照射して反射物体により反射された反射光を検出し、そのレーザ光を照射したタイミングと、反射光を検出したタイミングとの時間差を測定して、その時間差に基づいて反射物体までの距離を算出する距離測定装置が知られている。このような距離測定装置においては、広い検知エリアを確保するために、掃引照射範囲（スキャンエリア）を広げることが基本的には望ましい。
【０００３】
但し、スキャンエリアを広げると、反射光を検出する部分における受光素子部の面積を大きくする必要があり、例えば対向車線を走行している自動車に搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光を受光してしまったり、あるいは隣接レーンを走行している自動車に搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光の反射物体による反射光を受光してしまったりして、適切な距離測定が妨害されてしまうおそれがある。
【０００４】
そのため、例えば特開平７−９８３８１号公報においては、外乱光ノイズの影響を極力小さくする目的で次のような構成を採用している。つまり、受光する部分には複数の受光素子が配列されており、レーザ光の照射方向に応じて、複数の受光素子の内の一部のみを機能させることによって、実質的に受光する面積を小さくするのである。
【０００５】
また、例えば特開２０００−５６０１８号公報においては、スキャン方式は１次元のままでありながら、２次元の位置情報を得ることのできる距離測定装置が開示されている。これは、例えば上述の特開平７−９８３８１号公報記載の手法においては、距離測定対象の２次元的な位置情報を得るために、受光素子をマトリックス状に配置することはもちろん、レーザ光の照射についても、２次元的に照射方向を変えていく必要がある点を鑑みたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、いずれにしても、レーザ光の照射方向に応じて複数の受光素子の内の一部のみを機能させることを前提としているため、受光素子の分割度合いが大きくなると、受光系と発光系の位置及び角度の不一致によって、反射光がその反射光を受光できるであろうと想定している受光素子に到達しなくなり、検出ができなくなるという不都合が生じる。つまり、受光系と発光系の位置及び角度が一致していれば、ある照射方向へ照射したレーザ光の反射光が予め想定している通りの受光素子にて受光されるため、その受光素子にて受光することで、物体の存在や物体までの距離を測定できる。これに対し、両者の位置・角度の関係が一致していなければ反射光を想定通りの受光素子にて受光できないため、その位置に物体が存在しないと誤判断してしまう。そして逆に、違う位置からの反射光を受光できるよう想定している受光素子にて受光してしまうため、その（実際とは違う）位置に存在すると誤判断してしまうこととなる。このような不都合を防止するためには、発光系の光軸と受光系の光軸の位置と角度を正確に調整しておく必要があるが、この調整は、少なくとも分割受光素子の画素寸法以下の精度を要することとなり、距離測定装置の組付け工程と生産コストを増大させる要因となっていた。
【０００７】
そこで、本発明は、組付け工程と生産コストの増大を防止できる距離測定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達するためになされた請求項１記載の距離測定装置によれば、行列状に配置された受光素子を備え、レーザ光も、その照射方向を行列状に変更可能であり、少なくとも２つの照射方向へ照射したレーザ光の反射光を受光する受光素子を特定することによって、レーザ光の照射方向とそのレーザ光の反射光を受光可能な受光素子との現実の対応関係を把握する。この把握した対応関係は不揮発性のメモリなどに記憶しておき、その後の距離測定に際して、その対応関係に基づいて切替選択手段は受光素子の切替選択を行う。
【０００９】
したがって、例えば発光系の光軸と受光系の光軸の位置と角度を正確に調整していなくても、このようにして把握した対応関係に基づけば、適切な受光素子を切替選択できる。上述したように光学系のハード的な調整は、少なくとも分割された受光素子の画素寸法以下の精度を要することとなり、距離測定装置の組付け工程と生産コストを増大させる要因となっていたが、本発明のようにすれば、最終的な調整はソフト的に行えばよく、ハード的な調整はある程度のレベルに達していればよくなる。そのため、組付け工程と生産コストの増大を防止できる。
【００１０】
なお、現実の対応関係を把握する際には、全ての照射方向に実際にレーザ光を照射して対応する受光素子を特定することも考えられる。このようにすれば確実に対応関係を把握することはできるが、対応関係を全て実際に特定するには時間を要する。したがって、少なくとも２つの照射方向へ照射をして対応する受光素子を特定し、それら実際に得た対応関係を基にして、それ以外の照射方向と受光素子との対応関係を推定するようにしてもよい。つまり、受光素子同士の相対的な位置関係が予め分かっているのであれば、一部の対応関係が分かれば、他の対応関係も類推することができるからである。但し、少なくとも２つの対応関係は実際に特定する必要がある。
【００１１】
このように最低２つの対応関係を特定することを考えた場合には、請求項３に示すように、その２つの照射方向として、照射角度の差が最大のものを採用することが好ましい。例えば１方向にのみ掃引するのであれば、その両端の照射方向ということである。このように照射角度の差が最大のものを採用すれば、対応する受光素子間の距離も相対的に最大となる。したがって、その距離を基準にして他の対応関係を推定する際の誤差が相対的に最も小さくなると考えられる
また、請求項１記載の距離測定装置によれば、行列状に配置された受光素子を備え、レーザ光も、その照射方向を行列状に変更可能であるため、２つの照射方向として、行列の対角頂点に存在するものを採用することが好ましい。受光素子が行列状の配置の場合、対角頂点となる受光素子が特定されると、その全体形状の規則性から他の対応関係も推定し易いからである。また、このような行列状の照射方向を有することを前提としているため、請求項４に示すように、少なくとも４つの照射方向へレーザ光を照射するようにし、その４つの照射方向として、行列の４角の頂点に存在するものを採用することが好ましい。
【００１２】
ところで、現実的には、この対応関係として理想的なものを想定しながら設計及び組み付けを行うことが多い。つまり、上述した組み付け誤差などが生じないとした場合には、その照射方向のレーザ光はどの受光素子で受光するかを予め想定して設定・組み付けを行うのである。したがって、請求項２に示すように、少なくとも２つの照射方向へレーザ光を照射して、その反射光を受光する受光素子を特定し、その特定された受光素子が理想的な対応関係を満たす場合には、理想的な対応関係になっていると判断すればよい。このようにすれば、その後の処理を実行しなくても良いため、処理負荷が軽減される。もちろん、特定された受光素子が理想的な対応関係を満たしていない場合には、その後の処理を続行すればよい。
【００１３】
なお、このように理想的な対応関係になっているか否かを確かめるために少なくとも２つの照射方向へレーザ光を照射する場合、やはり請求項３、４に示すような方向へ照射することが好ましい。照射角度の差が大きい方が対応する受光素子間の距離も大きくなり、より正確に「理想的な対応関係か否か」を判断できるからである。また、ずれの発生の仕方は種々考えられるため、請求項４にて説明したように行列状の４角の頂点についての対応関係を確認すれば、より確実に判断できる。
【００１４】
一方、レーザ光の反射光を受光する受光素子の特定に際しては、各受光素子の反射光強度に基づいて行ったり（請求項５）、受光した全受光素子の形状の重心位置に基づいて行う（請求項６）ことなどが考えられる。重心位置に基づく場合には、計算の結果が受光素子の境界上にあることも考えられる。この場合、どちらの受光素子を選択しても装置の性能としては変わらないので、便宜上いずれかを対応させるように所定の規則を決めておけばよい。例えばより左上にある受光素子を選択する、といったことである。
【００１７】
なお、この距離測定装置は、例えば請求項７に示すように車両に搭載されて用いられることを前提とし、前記レーザ光の掃引方向が車幅方向あるいは車高方向であることが考えられる。このように設定すると、距離測定に際して、測定対象物の位置が、車幅方向及び車高方向の２次元位置として得られるため、処理が容易となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、実施の形態の距離測定装置１を表す概略構成図である。なお、本実施の形態の距離測定装置１は、自動車に搭載されて前方の車両や障害物等の反射物体を検出するためのものである。
【００１９】
本距離測定装置１は、送受信部３１と演算部３３とを主要部として次のように構成されている。図１に示すように、送受信部３１は、パルス状のレーザ光を、スキャン機構部３５を介して放射する半導体レーザダイオード（以下、単にレーザダイオードと称する。）３９と、図示しない反射物体としての障害物に反射されたレーザ光を受光レンズ４１を介して受光し、そのパルス状の強度変化に対応する電流変化を出力する受光素子部４３とを備えている。
【００２０】
レーザダイオード３９はＬＤ駆動部４０を介して演算部３３に接続され、演算部３３からのトリガー信号としての駆動信号によりレーザ光を放射（発光）する。また、スキャン機構部３５は、絞り４５、投光レンズ４６、ミラー４７及びスキャナ４９を備えており、レーザダイオード３９から放射されたレーザ光は絞り４５によって断面が略長方形状の光ビームとされ、投光レンズ４６によって光ビームの断面がさらに細長くされる。そして、そのレーザ光は、スキャナ４９によって揺動されるミラー４７を介して掃引照射される。本実施形態においては、このレーザ光は、車両の前方において、車幅方向の水平面内の所定角度に渡り掃引照射される。本実施形態のスキャン機構部３５によるスキャンエリアは、縦方向（車高方向）が４ｄｅｇ、横方向（車幅方向）が１５ｄｅｇの矩形領域であり、スキャナ４９は、横方向（車幅方向）の１５ｄｅｇ分が確保できるようにミラー４７を横方向へ揺動してレーザ光を横方向に掃引照射する。また、縦方向（車高方向）にも４ｄｅｇ分が確保できるようにミラー４７を縦方向に揺動してレーザ光を縦方向に掃引照射する。
【００２１】
なお、このように２次元的に照射方向を変える場合、ミラー４７としてガルバノミラーを用いる場合には、そのガルバノミラーを縦方向の軸回りに揺動（つまり横方向への揺動）可能な構成を採用すると共に、その構成自体を横方向の軸回りに揺動（つまり縦方向への揺動）可能に構成することが考えられる。また、ガルバノミラーではなくポリゴンミラーを用いてもよい。この場合には、ポリゴンミラーの各面の倒れ角が異なるため、ポリゴンミラーを所定の軸回りに揺動（あるいは回転）させるだけで、２次元的にスキャンできる。
【００２２】
一方、受光素子部４３は、受光レンズ４１を介して受光したレーザ光のパルス状の強度変化に対応する電流変化を出力するフォトダイオード（ＰＤ）の画素が行列状に配置されている。本実施形態においては、上述したスキャンエリア（縦方向（車高方向）４ｄｅｇ、横方向（車幅方向）１４ｄｅｇ）よりも広く縦方向（車高方向）５ｄｅｇ、横方向（車幅方向）１６ｄｅｇに所定数ずつ配置されたＰＤマトリックスとして構成されている。
【００２３】
そして、図２に示すように、そのＰＤマトリックスの行単位で各ＰＤ画素の機能の発揮の有無を切り替える垂直方向選択部５１と、列単位で各ＰＤ画素の機能の発揮の有無を切り替える水平方向選択部５２とを備えている。そして、これら垂直方向選択部５１及び水平方向選択部５２が両方とも機能発揮側になっている場合にのみ、該当するＰＤ画素の機能が発揮されるよう構成されている。したがって、これら垂直方向選択部５１及び水平方向選択部５２が画素選択部５０を構成する。
【００２４】
なお、図２には、画素選択部５０と、受光素子部４３を構成するＰＤマトリックスの一部を示した。図２中に破線で囲った部分が１画素を構成しており、各画素の内部には、受光領域を構成するフォトダイオード（ＰＤ）、スイッチ１が形成されている。縦横に配列された画素マトリックスの内、縦方向に配列された画素群については、共通の縦方向出力線Ｌ11と接続されている。この縦方向出力線Ｌ11には、フォトダイオードがスイッチ１を介して接続されており、スイッチ１が接続（ＳＷ１＝ＯＮ）されている場合には、フォトダイオードで光電変換された受光信号が縦方向出力線Ｌ11を介して出力される。このスイッチ１は制御線１によって制御されるのであるが、横方向の画素群については、共通の制御線１にて接続されている。つまり、制御線１によってスイッチ１を接続（ＯＮ）させる制御をした場合には、横方向の画素群については全てスイッチ１が接続されることとなる。
【００２５】
一方、上述した縦方向出力線Ｌ11は、最終的には１本の出力線Ｌ12にまとめられてアンプ（図１参照）５３を介して時間計測回路６１へ出力されることとなる。ここで、縦方向の画素群毎に設けられた縦方向出力線Ｌ11が出力線Ｌ12にまとめられる部分において、各縦方向出力線Ｌ11にスイッチ２が設けられている。スイッチ２は、縦方向出力線Ｌ11と出力線Ｌ12とを接続または切断するためのスイッチである。そして、これらスイッチ２は制御線２によって制御される。これら制御線１及び２は画素選択部５０（図１参照）とつながっており、画素選択部５０は、制御線１及び２を介して任意の画素を選択する。任意画素の選択は次のようになされる。なお、各スイッチ１及び２は、それぞれ制御線１及び２の電位が高い（Ｈｉｇｈレベル）場合には接続（ＯＮ）状態となり、電位が低い（Ｌｏｗレベル）の場合には切断（ＯＦＦ）状態となる。
【００２６】
まず、第１の選択動作として制御線１をＨｉｇｈとすると、スイッチ１がＯＮとなり、画素マトリックス中の横方向の画素群が選択される。一方、第２の選択動作として制御線２をＨｉｇｈとすると、スイッチ２がＯＮとなり、画素マトリックス中の縦方向の画素群が選択される。これによって、第１の選択動作にて選択された横方向の画素群と、第２の選択動作にて選択された縦方向の画素群とが重複する画素のみが選択されることとなる。このような動作によって、任意の画素を１つ以上選択できる。当然複数の画素を同時に選択することもできる。選択画素のフォトダイオードからの受光信号は、スイッチ１を介して縦方向出力線Ｌ11へ出力され、スイッチ２を介して出力線Ｌ12へ出力され、アンプ５３を介して時間計測回路６１へ入力される。なお、アンプ５３に入力させる前に、例えばＳＴＣ回路を介して所定レベルに増幅してもよい。受信信号強度は目標物までの距離の４乗に反比例するため、近距離にリフレクタ等の反射率の高いものがあり受光強度がきわめて強くなった場合を補償する点でこのＳＴＣ回路は好ましい。
【００２７】
時間計測回路６１には、演算部３３からＬＤ駆動部４０へ出力される駆動信号も入力され、上記駆動信号をスタートパルスＰＡ、上記受光信号をストップパルスＰＢとし、２つのパルスＰＡ，ＰＢ間の位相差（すなわち入力時間差）を２進デジタル信号に符号化して、その値を演算部３３へ入力する。この時間計測回路６１は、微小時間を数値化することができ、放射されたレーザ光１発に対して複数の受光信号があってもそれぞれの信号についての時間差を検出することができるものである。なお、このことを「マルチラップが可能である」と表現し、またこのようにして得たデータをマルチラップデータと表現している。
【００２８】
演算部３３は、時間計測回路６１からの時間差データと、そのときのミラー４７の揺動角に基づき、障害物までの距離および方向を算出する。なお、演算部３３には図示しない車速センサからの車速信号も入力している。
次に、このように構成された距離測定装置１の作動について説明する。
【００２９】
まず、距離測定の概略について説明する。演算部３３がＬＤ駆動部４０に対して、レーザダイオード３９を発光させるために発光トリガーとしての駆動信号を出力し、レーザダイオード３９を発光させる。この発光に対応し、図示しない障害物に反射されたレーザ光を受光レンズ４１を介して受光する。そしてこの受光したレーザ光は、受光素子部４３でその強度に対応する電流に変換され、アンプ５３を介して時間計測回路６１へ入力する。そして、時間計測回路６１は、放射されたレーザ光１発に対して複数の反射信号があってもそれぞれの信号についての時間差を検出して、マルチラップ距離データとして演算部３３に入力する。この時間計測回路６１から入力された距離データは、演算部３３の図示しないＲＡＭに記憶される。演算部３３により時間差から求められた距離データは、受光素子部４３における検出の遅延時間やアンプ５３における検出の遅延時間を考慮して、距離に対応した正確な時間差に変換した後、その時間差と光速とから、正確な距離データとして求められている。なお、直接、距離のデータでなくても、距離を表す物理量ならば良く、例えば前記正確な時間差そのものでも良い。遅延時間が考慮された時間差は距離に比例しているので、距離そのものの代りに用いることができる。このような、正確な距離データあるいは正確な時間差は、時間計測回路６１から演算部３３が受け取った際に算出しておけば良い。
【００３０】
これが距離測定の概略であるが、本実施の形態においては、上述したようにレーザ光を２次元的に走査する。その走査パターンは、測定エリアの中心方向をＺ軸としたとき、これに垂直なＸＹ平面内の所定エリアを順次走査する。本実施の形態では、図３に示すように、高さ方向であるＹ軸を基準方向、車幅方向であるＸ軸を走査方向とし、まずＹ軸方向に見た最下部に位置する第１走査ラインについてＸ軸方向にスキャンする。つまり、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ→Ｇの順番に照射していく。これで１走査ライン分の検出がなされるので、次に、Ｙ軸方向に見た次の位置にある第２走査ラインにおいても同様にＸ軸方向にスキャンする。つまり、Ｈ→Ｉ→Ｊ→Ｋ→Ｌ→Ｍ→Ｎの順番に照射していく。このようにして第４走査ラインまで同様のスキャンを繰り返す。したがって右下のＡ方向から左上のＡＢ方向に向かって順に走査がされる。
【００３１】
一方、受光素子部４３においては、このようにレーザ光を２次元的に走査した場合、各照射方向へ照射したレーザ光の反射光が戻ってくると予想される位置に、フォトダイオードの画素がそれぞれ配置されるようなＰＤマトリックスが準備されている。そのため、レーザ光の照射方向に応じて、その照射方向であれば、ＰＤマトリックス中のこの部分に受光するであろうと予測される受光素子（画素）だけを機能発揮させる。例えば、図４（ａ）に示す車両Ａを測距対象としている場合は、その車両Ａからの反射光は受光レンズ４１を介して受光素子部４３中の相対的に右部側に受光すると予測される。したがって、その受光が予測される受光素子（画素）を特定し、該当する受光素子のみが機能発揮されるようにする。
【００３２】
このようにレーザ光の照射方向に応じて機能を発揮させる受光素子を切替選択するようにすれば、外乱光ノイズの影響を極力小さくできる。例えば図４（ａ）中の車両Ｂが対向車線を走行している自動車であったとすると、その車両Ｂに搭載された距離測定装置から照射されたレーザ光は、受光レンズ４１を介して受光素子部４３中の相対的に左部側に受光すると予測されるが、その部分の受光素子は機能発揮されない状態とされている。そのため、その車両Ｂからのレーザ光による悪影響は生じない。
【００３３】
このような利点はあるが、次のような問題も内在している。つまり、レーザ光の照射方向に応じて受光素子部４３中の一部の受光素子のみを機能させるため、受光系と発光系の位置及び角度の不一致によって、反射光が、その反射光を受光できるであろうと想定している受光素子に到達しなくなり、検出ができなくなるという不都合が生じる。例えば、本実施の形態では、図４に示すように、基板４４上にレーザダイオード３９及び受光素子部４３を配置している。この場合、例えば図４（ｂ）に示すように、受光素子部４３が破線で示す理想的な位置から実線で示すずれた位置に組み付けられる可能性がある。もちろん、受光素子部４３だけでなく、受光側で言えば受光レンズ４１、側発光系で言えばレーザダイオード３９、投光レンズ４６、絞り４５、ミラー４７及びスキャナ４９などの全ての構成要素の位置と角度が要求値以内に精度良く組み付けられる必要があり、いずれもずれの原因となり得る。これら受光系と発光系の位置及び角度が一致していれば、ある照射方向へ照射したレーザ光の反射光が予め想定している通りの画素にて受光されるため、その（想定している）受光素子のみを機能発揮させることで上述の利点が得られるが、両者の位置・角度の関係が一致していなければ反射光を想定通りの画素にて受光できないため、その位置に物体が存在しないと誤判断してしまう。そして逆に、違う位置からの反射光を受光できるよう想定している受光素子にて受光してしまうため、その（実際とは違う）位置に存在すると誤判断してしまうこととなる。このような不都合を防止するためには、発光系の光軸と受光系の光軸の位置と角度を正確に調整しておく必要があるが、この調整は、少なくとも受光素子部４３の１画素寸法以下の精度を要する。そのため、組付け工程と生産コストを増大させてしまう。
【００３４】
そこで、本実施の形態では、組み付け後に、下記に示すようないわばソフト的な調整を行うことによって、上述のような組み付け時におけるハード的な高精度の調整を不要にした。
本調整は、簡単に言えば、所定の２方向へ照射したレーザ光の反射光を受光する受光素子を特定し、それに基づいて「現実の対応関係」を把握するというものである。図５のフローチャートはその調整処理の手順を示している。図３及び図５を参照しながら詳しく説明する。
【００３５】
発光部及び受光部を組み付ける。なお、本実施の形態では、図３に示すように、レーザ光の照射方向が横方向（Ｘ方向）に７ライン、縦方向（Ｙ方向）に４ラインの計２８ラインにて２次元的に（行列状に）なされる。一方、受光素子部４３のＰＤマトリックスは、この各照射方向にそれぞれ一の受光素子（画素）が対応するように準備されている。但し、図３に示すように、横方向（Ｘ方向）に８個、縦方向（Ｙ方向）に５個の計４０個が行列状に配置されており、１行分及び１列分それぞれ余分に準備されている。そして、各受光素子には、左上から右下にかけて１〜４０までの番号が順番に付されている。ここで、理想的な組付けがなされた場合には、照射方向Ａ〜Ｇはそれぞれ番号１〜７の受光素子によって受光され、以下同様に、照射方向Ｈ〜Ｎはそれぞれ番号９〜１５の受光素子、照射方向Ｏ〜Ｕはそれぞれ番号１７〜２３の受光素子、照射方向Ｖ〜ＡＢはそれぞれ番号２５〜３１の受光素子にて受光される。したがって、このような標準の対応関係が、演算部３３内あるいはその他の場所に準備された不揮発性メモリに格納されている。
【００３６】
このような状態で、まず、図３にて示した発光の照射範囲の角の部分であるＡ方向及びＡ方向とは対角に位置するＡＢ方向に反射物体を設置する。そして、まずＡ方向にレーザ光を照射し（Ｓ１０）、受光素子の中でその反射光が返ってくる可能性のあるものを順番に機能発揮させ、受光強度を検出する（Ｓ２０）。なお、「反射光が返ってくる可能性のある受光素子」としては、例えばＡ方向に発光する場合であれば、標準の対応関係であれば番号１の受光素子及びその周囲の番号２，９，１０辺りの受光素子を採用すればよい。そして、Ｓ２０にて得た受光強度が最も大きな受光素子の番号を「Ａ方向に対応する受光素子番号」として記憶する（Ｓ３０）。次に、ＡＢ方向にレーザ光を照射し（Ｓ４０）、受光素子の中でその反射光が返ってくる可能性のあるものを順番に機能発揮させて受光強度を検出し（Ｓ５０）、受光強度が最も大きな受光素子の番号を「ＡＢ方向に対応する受光素子番号」として記憶する（Ｓ６０）。
【００３７】
このようにＡ方向及びＡＢ方向の２方向に対応する受光素子番号が得られたら、それが標準値と一致するか否か判断する（Ｓ７０）。上述のように、理想的な組付けがなされた場合には、照射方向Ａには受光素子番号１が対応し、照射方向ＡＢには受光素子番号３１が対応することが分かっている。したがって、これらが両方とも一致していれば（Ｓ７０：ＹＥＳ）、理想的な組み付けがなされていると判断し、予め記憶されている標準の対応関係を採用することを決定して（Ｓ８０）、本調整処理を終了する。
【００３８】
これに対して、Ａ方向及びＡＢ方向の２方向に対応する受光素子番号のいずれか一方でも標準値と違っている場合には（Ｓ７０：ＮＯ）、ずれが生じていて標準の対応関係をそのまま採用できず、現実の対応関係を把握する必要があるため、Ｓ９０〜Ｓ１２０の処理を行う。
【００３９】
ここでは、Ａ方向に対応する受光素子番号が１０、ＡＢ方向に対応する受光素子番号が３２として得られた場合を例にとって説明する。
Ｓ９０では、これら２組の対応関係に基づいて、発光光学系での角度と受光光学系での距離の換算を行う。発光光学系におけるＡ方向とＡＢ方向との照射角度差について考える。両者は、横方向（Ｘ方向）には６画素分離れ、縦方向（Ｙ方向）には３画素分離れている。本実施の形態では、横方向の１画素は２ｄｅｇに対応し、縦方向の１画素は１ｄｅｇに対応している。ここで角度が比較的小さい領域であるため、Ａ方向とＡＢ方向との照射角度差について考える際、次のように近似して計算して良い。
【００４０】
√｛（６×２deg）²＋（３×１deg）²｝＝１２．３７deg
一方、受光光学系における番号１０の受光素子と番号３２の受光素子との距離について考える。両者は、横方向（Ｘ方向）には６画素離れ、縦方向（Ｙ方向）には２画素離れている。本実施の形態では、横方向の１画素は１ｍｍに対応し、縦方向の１画素は０．５ｍｍに対応している。よって、番号１０の受光素子と番号３２の受光素子との距離は、次のようになる。
【００４１】
√｛（６×１mm）²＋（２×０．５mm）²｝＝６．０８mm
これらから、発光の照射方向差１２．３７ｄｅｇが受光素子部４３上では６．０８ｍｍに対応していることが分かる。
次のＳ１００では、発光光学系と受光光学系の角度の誤差を計算する。図３に示すように、発光光学系では、照射面上におけるＡ方向からＡＢ方向への角度と横方向（Ｘ方向）とのなす角度αは、次のように計算できる。
【００４２】
α＝ｔａｎ^-1（３／１２）＝１４．０４deg
一方、受光光学系における番号１０の受光素子から番号３２への角度と横方向（Ｘ方向）とのなす角度βは、次のように計算できる。
β＝ｔａｎ^-1（１／６）＝９．４６deg
これら角度αと角度βの差γは４．５８ｄｅｇであり、これが、発光光学系と受光光学系の角度の誤差となる。つまり、本来は番号１の受光素子にて受光するはずのものが番号１０の受光素子にて受光するような平行移動的なずれが生じていると共に、角度γ＝４．５８ｄｅｇの回転移動的なずれも生じている。
【００４３】
このようにして得たＳ９０及びＳ１００での結果を用いて、発光の照射方向と受光素子との対応関係を全て計算する（Ｓ１１０）。本実施の形態では、Ａ方向を基準にして横にｍ画素、縦にｎ画素離れた方向に照射する場合は、照射角度として横にｍ×２ｄｅｇ、縦にｎ×１ｄｅｇだけ差があることとなる。これは、受光素子部４３上における距離に換算すると、横にｍ×２×０．４９２ｍｍ、縦にｎ×１×０．４９２ｍｍとなる。上述の回転に動的なずれによる角度差γを考慮すると、受光素子部４３上において、以下のような横変位・縦変位となる。
【００４４】
横変位：ｍ×２×０．４９２×cosγ＋ｎ×１×０．４９２×sinγ[mm]
縦変位：ｎ×１×０．４９２×cosγ−ｍ×２×０．４９２×sinγ[mm]
したがって、このような変位によって定まる位置に該当する受光素子を選択して対応づければよい。
【００４５】
図３に示す例で、各発光照射方向について、発光の照射方向記号、Ａからの横変位、Ａからの縦変位、番号１０の受光素子からの横変位、番号１０の受光素子からの縦変位、該当する受光素子番号を順番に示すと、下記表のようになる。
【００４６】
【表１】

【００４７】
このようにして得た対応関係を、演算部３３内あるいはその他の場所に準備された不揮発性メモリに記憶し（Ｓ１２０）、本調整処理を終了する。
なお、以上説明した測定及び計算を実行するためのプログラムは演算部３３内のＲＯＭに格納しておく。そして、組み付け後にそのプログラムの実行を指示すれば、上述の調整処理が自動的に実行されて、現実のずれの有無あるいはずれ度合いに応じた対応関係が得られる。
【００４８】
以上のように、本実施の形態の距離測定装置１によれば、発光系の光軸と受光系の光軸の位置と角度を正確に調整していなくても、組み付け後にソフト的な調整をするため、組付け工程と生産コストの増大を防止できる。
なお、本実施の形態において、レーザダイオード３９、ＬＤ駆動部４０及びスキャン機構部３５が掃引照射手段に相当し、受光レンズ４１、受光素子部４３が反射光検出手段に相当する。また、時間計測回路６１が時間差計測手段に相当し、演算部３３が距離算出手段に相当する。また、演算部３３及び画素選択部５０が切替選択手段に相当し、演算部３３などが対応関係把握手段に相当する。なお、図５に示す処理の実行が対応関係把握手段としての処理の実行に相当する。
【００４９】
本発明の距離測定装置１は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の態様で構成することができる。以下、そのいくつかについて説明する。
（１）上記実施の形態においては、図５に示すように、Ａ方向及びＡＢ方向の２方向に対応する受光素子番号のいずれか一方でも標準値と違っている場合には（Ｓ７０：ＮＯ）、他の照射方向と受光素子との対応関係を計算を用いて把握した。しかし、計算ではなく、実際に発光及び受光を行って全ての対応関係を把握するようにしてもよい。その場合には、図５のＳ９０〜Ｓ１２０の処理に代えて、図６のＳ１９０〜Ｓ２４０の処理を行う。つまり、既に対応関係が分かっているＡ方向及びＡＢ方向以外の方向へレーザ光を照射し（Ｓ１９０）、受光素子の中でその反射光が返ってくる可能性のあるものを順番に機能発揮させ、受光強度を検出する（Ｓ２００）。そして、Ｓ２００にて得た受光強度が最も大きな受光素子の番号を「対応する受光素子番号」として記憶する（Ｓ２１０）。そして、次の発光の照射方向にし（Ｓ２２０）、全ての方向での検出が終わっているか否か判断する（Ｓ２３０）。終わっていなければ（Ｓ２３０：ＮＯ）、Ｓ１９０〜Ｓ２２０の処理を繰り返す。一方、全ての方向での検出が終わっていれば（Ｓ２３０：ＹＥＳ）、Ａ方向及びＡＢ方向も含め、全ての照射方向と受光素子番号との対応関係を、演算部３３内あるいはその他の場所に準備された不揮発性メモリに記憶する（Ｓ２４０）。
【００５０】
なお、このように全ての対応関係を実際に把握する場合であっても、図５の場合と同様に、Ａ方向及びＡＢ方向に対応する受光素子番号が標準値と一致していれば、図６に示す処理は実行せずに、予め記憶されている標準の対応関係を採用する。
【００５１】
（２）上記実施の形態においては、レーザ光の照射方向に対応する受光素子として、「受光強度が最も大きい」ものを採用したが、それ以外の手法も考えられる。例えば、受光した全受光素子の形状の重心位置に基づいて行ってもよい。この場合、計算の結果が受光素子の境界上にあることも考えられるが、例えばより左上にある受光素子を選択するようにすることが考えられる。図３の例で言えば、番号１と２の境界、番号１と９の境界にあれば、それぞれ番号１の受光素子を採用する。もちろん、それ以外の規則に基づいても構わない。
【００５２】
（３）上記実施の形態では、Ａ方向及びＡＢ方向に対応する受光素子番号が標準値と一致しているかどうかを判断した。これは、照射角度の差が最大のものを採用した結果であるが、必ずしも最大でなくてもよいので、例えば図３の例で言えば、Ａ方向とＧ方向であってもよい。
【００５３】
また、２方向の場合には、照射角度の差がなるべく大きなものが好ましいが、それ以上、例えば４方向について実際に対応する受光素子を検出するのであれば、４角を採用すればよい。図３の例で言えば、Ａ，Ｇ，Ｖ，ＡＢの４方向である。これらを採用すれば、対応する受光素子の範囲の４角が特定されるため、それ以外の対応関係を計算する際の精度が高くなる。
【００５４】
（４）上記実施の形態では、標準的な対応関係が予め分かっていることを前提としたが、そのような標準的な対応関係が存在しない場合であっても、本発明の手法は適用できる。つまり、図５で言えばＳ７０及びＳ８０の処理を除いた内容の処理を実行すればよい。また、全照射方向について発光及び受光を行うのであれば、それでも同様にできる。
【００５５】
（５）レーザ光のビーム形状に関連して次のようなバリエーションも考えられる。例えば照射方向がＡ方向といった場合に、実際には、Ａ１〜Ａ５の５分割して照射することも考えられる。図３の例で言えば、１画素分が２ｄｅｇに相当するので、光ビームの断面が０．４ｄｅｇの横幅を持つレーザ光を０．４ｄｅｇずつずらしながら５回発光させると、２ｄｅｇ分となる。このような形式を取る場合に図５のＳ１０のＡ方向の発光としては、例えば中央のＡ３方向の照射方向のみを代表として照射してもよい。あるいは、Ａ１、Ａ５の２つ、Ａ１，Ａ３，Ａ５の３つ、あるいはＡ１〜Ａ５の全ての照射方向への発光を行っても良い。このように、Ａ方向に対応する受光素子を定めるために複数の方向へ照射する場合には、各照射方向に対応する受光素子番号の内の最も多いものを採用したり、形状の重心位置に対応するものを採用する、といったことが考えられる。
【００５６】
（６）上記実施の形態では、受光素子部４３が行列状に配置された受光素子で構成された場合を例にとったが、例えば１方向にのみ複数の受光素子が配列されているだけのものであってもよい。
また、受光素子部４３は行列状に配置された受光素子で構成されていたとしても、レーザ光の掃引照射方向は１次元であってもよい。例えば、絞り４５及び投光レンズ４６によって光ビームの断面が略長方形状とされたレーザ光を、図７（ａ）に示すように、その光ビームの断面形状自体が縦方向（車高方向）の４ｄｅｇ分を確保できるような縦長形状に形成する。そして、同一のスキャン角度において複数回レーザ光を照射し、照射毎に機能発揮させるＰＤ画素を切り替えながら、受光及び測距を行う。この点を、例えば図７（ｂ）に示したＰＤマトリックスのイメージ図を参照して説明すれば、縦方向に４つの画素があるが、最初は図７（ｃ）に示すように最上部の画素だけを機能発揮させ、２回目は２番目の画素、３回目は３番目の画素、そして最後は図７（ｄ）に示すように最下部の画素だけ、というように順番に機能発揮させる画素を切り替えていく。縦方向４ｄｅｇ、横方向１５ｄｅｇのスキャンエリア中における上側に近いほど、受光素子部４３のＰＤマトリックス中では下側に近い画素に受光することとなり、逆にスキャンエリア中における下側に近いほど、受光素子部４３のＰＤマトリックス中では上側に近い画素に受光することとなる。したがって、同一のスキャン角度においてレーザ光を照射したとしても、例えば図７（ｃ）に示すように最上部の画素だけを機能発揮させれば、スキャンエリア中の下部に存在する対象物を測距することができ、図７（ｄ）に示すように最下部の画素だけ機能発揮させれば、スキャンエリア中の上部に存在する対象物を測距することができる。
【００５７】
つまり、横方向（車幅方向）にスキャンしているが、そのスキャン方向に垂直な方向（車高方向）での検出対象位置に基づいて、機能を発揮させる受光素子を切替選択できるようにしたため、レーザ光は１次元的にスキャンしていながら、その方向に垂直な方向についての位置情報も得ることができる。したがって、スキャン操作に基づき、横方向（車幅方向）についての位置情報も得れば、測定対象物の２次元的な位置情報を得ることができるのである。これにより、スキャン方式は１次元のままでありながら、２次元の位置情報を得られる距離測定装置１を実現することができる。
【００５８】
（７）上記実施の形態では、１の照射方向に対応する受光素子を１つに限定したが、もともと１の照射方向に対して複数の受光素子にて受光することを前提とした構成とすることも可能である。例えば１の照射方向に４つの受光素子が対応するのであれば、図５のＳ３０、Ｓ６０において、受光強度の強い上位４つの受光素子を選択すればよい。
【００５９】
（８）上記実施の形態では、図３に示すように、横方向（Ｘ方向）に８個、縦方向（Ｙ方向）に５個の計４０個を行列状に配置し、１行分及び１列分それぞれ余分に準備した。しかし、さらに余分に配置してもよい。例えば横方向（Ｘ方向）に９個、縦方向（Ｙ方向）に６個の計５４個を行列状に配置し、左右上下それぞれ１個分ずつ余分に配置してもよいし、さらに余分に配置してもよい。これは、どの程度のずれが生じることが予想されるかによって、余分に確保しておくエリアを適宜決定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の距離測定装置を表す概略構成図である。
【図２】受光素子部と画素選択部の構成説明図である。
【図３】発光光学系と受光光学系のイメージを示す説明図である。
【図４】（ａ）は検知対象からの反射光を受光する画素のみ機能発揮させることの説明図、（ｂ）は発光光学系と受光光学系のずれの例を示す説明図である。
【図５】ずれがあった場合、２つの照射方向に対応する受光素子の位置を基準として他の対応関係を計算にて把握する場合の調整処理を示すフローチャートである。
【図６】ずれがあった場合、全ての照射方向について対応する受光素子の位置を検出して対応関係を把握する場合の調整処理を示すフローチャートである。
【図７】別実施形態としてのレーザ光の光ビーム断面のイメージや画素マトリックスのイメージを示す説明図である。
【符号の説明】
１…距離測定装置、３１…送受信部、３３…演算部、３５…スキャン機構部、３９…レーザダイオード、４０…ＬＤ駆動部、４１…受光レンズ、４３…受光素子部、４４…基板、４５…絞り、４６…投光レンズ、４７…ミラー、４９…スキャナ、５０…画素選択部、５１…垂直方向選択部、５２…水平方向選択部、５３…アンプ、６１…時間計測回路

Claims

レーザ光を掃引照射する掃引照射手段と、
前記掃引照射手段にて掃引照射されたレーザ光が反射物から反射されて来た反射光を検出するために前記掃引方向及び前記掃引方向に垂直な方向に行列状に受光素子が配置された受光素子部を有し、且つ前記受光素子の機能の発揮の有無を個別に制御可能な反射光検出手段と、
前記レーザ光の照射方向に応じて、機能を発揮させる受光素子を切替選択する切替選択手段と、
前記掃引照射手段がレーザ光を照射してから前記反射光検出手段が反射光を検出するまでの時間差を計測する時間差計測手段と、
前記時間差計測手段にて計測された時間差に基づいて前記反射物までの距離または距離を表す物理量を算出する距離算出手段と、を備えた距離測定装置であって、
前記掃引照射手段は、前記レーザ光を前記掃引方向及び当該掃引方向に垂直な方向の両方向に掃引照射して、その照射方向を行列状に変更可能であり、
前記受光素子部の視野を前記レーザ光の掃引照射範囲に対応する大きさよりも大きくしておき、少なくとも２つの照射方向へ照射したレーザ光の反射光を受光する受光素子を特定することによって、前記レーザ光の照射方向と当該レーザ光の反射光を受光する受光素子との現実の対応関係を把握する対応関係把握手段を備え、
前記切替選択手段は、対応関係把握手段によって把握した対応関係に基づいて前記受光素子の切替選択を行うこと
を特徴とする距離測定装置。
請求項１記載の距離測定装置において、
前記対応関係把握手段は、
前記レーザ光の照射方向が想定通りであり、当該レーザ光の反射光を受光する受光素子が想定通りに配置された場合の理想的な対応関係を記憶しており、
少なくとも２つの照射方向へレーザ光を照射して、その反射光を受光する受光素子を特定し、その特定された受光素子が前記理想的な対応関係を満たす場合には、その後の処理をすることなく、前記理想的な対応関係を前記現実の対応関係として記憶し、一方、前記特定された受光素子が前記理想的な対応関係を満たさない場合には、その後の処理を続行して前記現実の対応関係を記憶すること
を特徴とする距離測定装置。
請求項２記載の距離測定装置において、
前記２つの照射方向として、照射角度の差が最大のものを採用すること
を特徴とする距離測定装置。
請求項１記載の距離測定装置において、
少なくとも４つの照射方向へレーザ光を照射するようにし、その４つの照射方向として、行列の４角の頂点に存在するものを採用すること
を特徴とする距離測定装置。
請求項１〜４のいずれか記載の距離測定装置において、
前記対応関係把握手段は、
前記レーザ光の反射光を受光する受光素子の特定を、各受光素子の反射光強度に基づいて行うこと
を特徴とする距離測定装置。
請求項１〜４のいずれか記載の距離測定装置において、
前記対応関係把握手段は、
前記レーザ光の反射光を受光する受光素子を特定する際、受光した全受光素子の形状の重心位置に基づいて行うこと
を特徴とする距離測定装置。
請求項１〜６のいずれか記載の距離測定装置において、
車両に搭載されて用いられることを前提とし、
前記レーザ光の掃引方向は車幅方向あるいは車高方向であること、
を特徴とする距離測定装置。