JP6510381B2 - 測距装置 - Google Patents

Description

本発明は、測距装置に関する。

現在、レーザ光などの光を物体に向けて投光した後、物体からの戻り光を検出し、物体への透光から戻り光の検出までの時間に基づいて物体までの距離を計測するＴＯＦ（Time of Flight）方式の測距装置の開発が進められている。かかる測距装置は、例えば自動車などの車両に自動運転支援システムとして搭載されることが想定されている。自動運転支援システムでは、走行中の車両と物体（人体なども含む）との距離を測距装置で計測し、計測結果に基づいて車両速度などを制御することで、車両と物体との衝突回避が期待されている。

従来の測距装置として、例えば特許文献１に記載のビーム光投受光装置がある。この装置は、光源から出射する投光ビームを反射走査するスキャンミラーと、物体で反射した後スキャンミラーで反射した戻り光を受光する受光素子とを備えている。投光ビーム及び戻り光の光路には、単体のプリズムで形成された投受光分離部材が配置されている。投受光分離部材の外側表面には、投光ビームを反射する領域及び戻り光を透過する領域と、戻り光を反射する領域とが設けられている。

また、特許文献２に記載のレーダ装置は、光源と、画素と、光検出制御部とを備えている。この装置では、物体からの戻り光を検出する画素としてＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）が用いられている。光検出部は、光源から出射した光による装置内部の散乱光がＳＰＡＤに入射するタイミングよりも後にＳＰＡＤを動作させることで、散乱光の影響を排除するようになっている。

特許第５６６３２５１号公報 特開２０１５−１１７９７０号公報

上述した特許文献１では、戻り光の受光素子として一般的なＰＤ（Photo Diode）やＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）を用いられると考えられる。これらの受光素子を用いる場合、測距可能距離を拡大するためには十分な光量の戻り光を検出する光学系が必要となる。そのため、特許文献１の装置では、戻り光の光路幅を透光ビームの光路幅よりも広くし、更に集光レンズで受光素子に向けて戻り光を集光する光学系が採用されている（特許文献１の図６等参照）。

一方、特許文献２の装置のように、受光素子としてＳＰＡＤを用いる場合、ＳＰＡＤの受光感度が一般的なＰＤやＡＰＤに比べて高いため、原理的には戻り光の光量が小さくても同等の測距可能距離を実現できる。しかしながら、特許文献１の装置の受光素子を単純にＳＰＡＤに置き換えた場合、戻り光の光路幅が広くなっているために外乱光が増加して信号のＳ／Ｎ比が低下し、結果として測距可能距離及び測距精度が十分に向上しないおそれがある。また、戻り光の光路幅が広いということは、受光側の視野が広いことを意味する。したがって、受光素子の１画素当たりが検出する範囲が拡大し、解像度が低下してしまうという問題もある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、解像度を十分に確保できると共に、測距可能距離及び測距精度を向上できる測距装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る測距装置は、物体までの距離を計測する測距装置であって、物体への透光ビームを出射する光源と、光源から出射した透光ビームの一部を反射させる反射領域、及び透光ビームの残部を透過させる透過領域を有する光学面と、反射領域で反射した透光ビームを物体に向けて反射させると共に、物体からの戻り光を光学面に向けて反射させる走査ミラーと、光学面の透過領域を透過した戻り光を検出する検出用受光素子と、を備え、検出用受光素子は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードであり、光学面において、透過領域の面積が反射領域の面積よりも大きくなっている。

この測距装置では、光源から出射した透光ビームの一部を反射させる反射領域、及び透光ビームの残部を透過させる透過領域を有する光学面が設けられている。また、光学面において、透過領域の面積が反射領域の面積よりも小さくなっている。したがって、物体からの戻り光を検出用受光素子で検出する際の外乱光の影響を低減できる。この測距装置では、検出用受光素子として、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードが用いられている。これにより、透過領域の面積が反射領域の面積よりも小さいことで物体からの戻り光の光量が微弱となっていても、戻り光を高感度で検出できる。したがって、信号のＳ／Ｎ比を高いレベルで確保でき、測距可能距離及び測距精度を十分に向上させることができる。さらに、光学面において、透過領域の面積が反射領域の面積よりも小さくなっていることで、受光素子の１画素当たりが検出する範囲が絞られるため、解像度も十分に確保できる。

また、光学面において、反射領域が透過領域を囲うように設けられていてもよい。これにより、物体からの戻り光を検出用受光素子で検出する際の外乱光の影響を一層確実に低減できる。

また、光学面において、透過領域の中心が反射領域の中心に対して偏心していてもよい。例えば透光ビームがガウシアンビームである場合、透光ビームの光量は周縁に比べて中心付近で高くなる。したがって、透過領域の中心を反射領域の中心に対して偏心させることで、物体に向かう透光ビームの光量を十分に確保でき、信号のＳ／Ｎ比の更なる向上が図られる。

また、光学面の透過領域を透過した戻り光を検出用受光素子に向けて反射させる反射面を光学面と検出用受光素子との間に更に備えていてもよい。これにより、光学面から検出用受光素子までの戻り光の光路長を長くすることが可能となり、解像度を更に高めることができる。

また、光学面の透過領域を透過した透光ビームの残部を検出するモニタ用受光素子を更に備えていてもよい。透光ビームの出力状態などをモニタすることで、光源の異常の有無を把握できる。

また、光学面、及び光学面の透過領域を透過した戻り光の光路を含んで一体化された光学ブロックを更に備えていてもよい。光学ブロックを用いて光学面及び光路を構成することにより、装置の小型化が図られる。また、光学部品の組み立てが容易となる。

また、走査ミラーがＭＥＭＳミラーによって構成されていてもよい。これにより、透光ビームの走査を精度良く実施できる。この測距装置では、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを検出用受光素子として用いているので、物体からの戻り光の光量は微弱でよい。したがって、ＭＥＭＳミラーの面積は、透光ビームの径に基づいて設定すればよく、大型のミラーを配置する必要はない。

この測距装置によれば、解像度を十分に確保できると共に、測距可能距離及び測距精度を向上できる。

測距装置の一実施形態を示す斜視図である。 光学ブロックの平面図である。 光学ブロックに設けられた光学面の正面図である。 測距装置の変形例を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、光学面の変形例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係る測距装置の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、測距装置の一実施形態を示す斜視図である。この測距装置１は、例えば自動車などの車両に自動運転支援システムとして搭載される装置である。自動運転支援システムでは、走行中の車両と物体Ｋとの距離を測距装置１でリアルタイム計測し、計測結果に基づいて車両速度などを制御することで、車両と物体Ｋとの衝突を回避する制御が実行される。物体Ｋは、例えば他車両、壁などの障害物、歩行者などである。本実施形態では、例えば０．１ｍ〜１００ｍ程度離れた位置にある物体Ｋとの間の距離を計測することが想定されている。

図１に示すように、測距装置１は、光源２と、コリメータ３と、アパーチャ４と、光学ブロック５と、走査ミラー６と、モニタ用受光素子７と、検出用受光素子８とを含んで構成されている。これらの構成要素は、いずれも略板状のステージ９上に組み立てられている。

光源２は、物体Ｋへの透光ビームＬ１を出射する部分である。光源２としては、例えば赤外又は紫外のパルスレーザを出射するレーザダイオードが用いられる。赤外光である場合の波長は例えば８００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度、紫外光である場合の波長は例えば３５０ｎｍ〜４００ｎｍ程度である。光源２から出射した透光ビームＬ１は、コリメータ３によって平行光化され、アパーチャ４によって例えばφ１０ｍｍ以下のビーム径に絞られた状態で光学ブロック５側に導光される。

光学ブロック５は、図２に示すように、光学面１１と、反射面１２と、光学面１１からモニタ用受光素子７までの光路と、光学面１１から検出用受光素子８までの光路とを一体化した光学素子である。光学ブロック５は、光源２から物体Ｋに向かう透光ビームＬ１と、物体Ｋから反射した戻り光Ｌ２とを分離する機能を有している。光学ブロック５は、ガラスなどを切削・研磨することにより、平面視で五角形状をなすブロック状に形成されている。

光学ブロック５の側面は、光学面１１が設けられた第１面５ａと、第１面５ａの一方側に第１面５ａと鈍角をなして連続する第２面５ｂと、反射面１２が設けられると共に第２面５ｂの一方側に第２面５ｂと鈍角をなして連続する第３面５ｃと、第３面５ｃの一方側に第３面５ｃと鈍角をなして連続する第４面５ｄと、第４面５ｄの一方側に第４面５ｄ及び第１面５ａと鈍角をなして連続する第５面５ｅとによって構成されている。

光学面１１は、図３に示すように、透光ビームＬ１の一部を反射させる反射領域２１と、透光ビームＬ１の残部を透過させる透過領域２２とを有している。反射領域２１は、例えばアルミニウム、銀などの金属膜を第１面５ａに円環状に蒸着することによって形成されている。反射領域２１は、誘電体多層膜などによって形成されていてもよい。

透過領域２２は、反射領域２１の内側の領域で第１面５ａを露出させることによって円形に形成されている。すなわち、反射領域２１は、透過領域２２の周囲全体を囲うように形成されている。透過領域２２の中心と反射領域２１の中心とは一致している。また、透過領域２２の面積は、反射領域２１の面積に比べて小さくなっている。かかる構成により、光学面１１は、検出用受光素子８に対する戻り光Ｌ２の入射範囲を制限するアパーチャとして機能する。本実施形態では、反射領域２１は、例えばアパーチャ４を通った透光ビームＬ１と略同径（φ１０ｍｍ）程度となっている。これに対し、透過領域２２は、例えばφ０．５ｍｍ程度となっている。

光学面１１は、図１に示すように、アパーチャ４を通った透光ビームＬ１の光軸に対して鋭角に傾斜して配置されている。光学面１１に入射した透光ビームＬ１の中央部は、透過領域２２から光学ブロック５内に導光され、第４面５ｄの外側に配置されたモニタ用受光素子７によって検出される。モニタ用受光素子７は、光学面１１の透過領域２２を透過した透光ビームＬ１の残部を検出する部分である。モニタ用受光素子７としては、一般的なフォトダイオードが用いられる。光源２による透光ビームＬ１の出力状態（例えば光源２の温度特性による光量の揺らぎなど）は、モニタ用受光素子７からの検出信号に基づいて、不図示の監視部によって随時モニタリングされる。

一方、光学面１１に入射した透光ビームＬ１の周縁部は、反射領域２１で反射し、走査ミラー６に導光される。走査ミラー６は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーである。走査ミラー６は、不図示の制御部による制御に基づいてステージ９の面内方向に揺動し、物体Ｋに向かう透光ビームＬ１の向きを走査する。走査ミラー６のミラー部分の径は、例えば反射領域２１の径（φ１０ｍｍ）と同等程度になっている。走査ミラー６の揺動角度は、例えば±３０°程度である。また、走査ミラー６の走査速度は、例えば１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度である。

また、走査ミラー６は、透光ビームＬ１が物体Ｋで反射した戻り光Ｌ２を光学面１１に向けて反射させる。走査ミラー６で反射した戻り光Ｌ２は、透過領域２２を通って光学ブロック５内に導光され、第３面５ｃに設けられた反射面１２で反射される。そして、戻り光Ｌ２は、光学ブロック５内で折り返されて第５面５ｅの外側に配置された検出用受光素子８によって検出される。反射面１２は、例えばアルミニウム、銀などの金属膜を第３面５ｃの全体に蒸着することによって形成されている。また、反射面１２は、誘電体多層膜などによって形成されていてもよい。

検出用受光素子８は、光学面１１の透過領域２２を透過した戻り光Ｌ２を検出する部分である。検出用受光素子８としては、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードが用いられる。ガイガーモードとは、アバランシェフォトダイオードの逆電圧を降伏電圧以上にして動作させるモードである。ガイガーモードの高電界では、微弱な光の入射に対しても放電現象（ガイガー放電）が発生し、電子の増倍率は１０^５〜１０^６程度となる。

ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードとしては、例えばＳＰＡＤ（Single-Photon Avalanche Diode）、ＭＰＰＣ（Multi-Pixel Photon Counter／Silicon Photomultiplier）などが挙げられる。例えばＭＰＰＣにおいては、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードの各画素が２次元に並列接続されている。各画素にはクエンチング抵抗が接続され、各クエンチング抵抗は、１つの読み出しチャンネルに接続されている。したがって、各画素からの信号が重ねられたパルスの高さ（イベント数）若しくはパルスの電荷量を測定することで、ＭＰＰＣが検出した光子の数を検出できる。

検出用受光素子８からの出力信号は、不図示の演算部に出力される。演算部では、ＴＯＦ（Time of Flight）法に基づいて、物体Ｋまでの距離が演算される。すなわち、演算部では、光源２から透光ビームＬ１のパルスが出射した時刻と、検出用受光素子８で戻り光Ｌ２を検出した時刻との差分に基づいて物体Ｋまでの距離が演算される。

なお、反射面１２は、検出用受光素子８に向かう戻り光Ｌ２の光量を減衰させる機能を有していてもよい。これにより、検出用受光素子８が飽和しないように、戻り光Ｌ２の光量を調節することができる。同様の観点で、透過領域２２の径が入射する透光ビームＬ１の径に比べて小さくなっていてもよく、検出用受光素子８の手前側に戻り光Ｌ２の径に比べて小径のピンホールを配置してもよい。

以上説明したように、測距装置１では、光源２から出射した透光ビームＬ１の一部を反射させる反射領域２１、及び透光ビームＬ１の残部を透過させる透過領域２２を有する光学面１１が設けられている。また、光学面１１において、透過領域２２の面積が反射領域２１の面積よりも小さくなっており、検出用受光素子８に向かう光の光量が制限されている。したがって、物体Ｋからの戻り光Ｌ２を検出用受光素子８で検出する際の外乱光の影響を低減できる。

ここで、測距装置１では、検出用受光素子８として、ＭＰＰＣなどのガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードが用いられている。これにより、透過領域２２の面積が反射領域２１の面積よりも小さいことで物体Ｋからの戻り光Ｌ２の光量が微弱となっていても、戻り光Ｌ２を高感度で検出できる。したがって、信号のＳ／Ｎ比を高いレベルで確保でき、ＴｏＦ法による測距可能距離及び測距精度を十分に向上させることができる。さらに、光学面１１において、透過領域２２の面積が反射領域２１の面積よりも小さくなっていることで、検出用受光素子８の１画素当たりが検出する範囲が絞られるため、解像度も十分に確保できる。広範囲の戻り光Ｌ２を検出用受光素子８に集光させるレンズなども不要であり、装置の小型化も実現できる。

また、測距装置１では、光学面１１において、反射領域２１が円形の透過領域２２を囲うように円環状に設けられている。これにより、透過領域２２の面積が反射領域２１の面積に対して十分に小さくなり、物体Ｋからの戻り光Ｌ２を検出用受光素子８で検出する際の外乱光の影響を一層確実に低減できる。

また、測距装置１では、光学面と検出用受光素子との間の光路に光学面１１の透過領域２２を透過した戻り光Ｌ２を検出用受光素子に向けて反射させる反射面１２が設けられている。この反射面１２によって光学面１１の透過領域２２を通った戻り光Ｌ２が検出用受光素子８に向けて折り返される分、装置を大型化させることなく、光学面１１から検出用受光素子８までの戻り光Ｌ２の光路長を長くすることができる。本実施形態では、測距装置１の解像度は、光学面１１における透過領域２２の開口径と、検出用受光素子８の受光面サイズとに依存する。このため、光学面１１から検出用受光素子８までの戻り光Ｌ２の光路長を長くすることで、解像度を更に高めることが可能となる。

また、測距装置１では、光学面１１の透過領域２２を透過した透光ビームＬ１の残部を検出するモニタ用受光素子７が設けられている。モニタ用受光素子７によって透光ビームＬ１の出力状態などをモニタすることで、光源２の温度特性による透光ビームＬ１の光量の揺らぎや、光源２の異常の有無などを把握できる。

また、測距装置１では、光学面１１、反射面１２、光学面１１の透過領域を透過した透光ビームＬ１の残部の光路、及び光学面１１の透過領域２２を透過した戻り光Ｌ２の光路が一体化された光学ブロック５が設けられている。光学ブロック５を用いて光学面１１、反射面１２、透光ビームＬ１の光路、及び戻り光Ｌ２の光路を構成することにより、装置の小型化が図られる。また、キャリブレーションが不要となるので、光学部品の組み立てが容易となる。

また、測距装置１では、走査ミラー６がＭＥＭＳミラーによって構成されている。これにより、透光ビームＬ１の走査を精度良く実施できる。この測距装置１では、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードを検出用受光素子８として用いているので、物体Ｋからの戻り光Ｌ２の光量は微弱でよい。したがって、ＭＥＭＳミラーの面積は、透光ビームＬ１の径に基づいて設定すればよく、大型のミラーを配置する必要はない。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、光学ブロック５を用いて、光学面１１、反射面１２、及び光路を一体化しているが、これらの光学要素は必ずしも光学ブロック５で一体化されていなくてもよい。この場合、例えば図４に示すように、光学面１１に相当するアパーチャミラー３１を光学ブロック５の第１面５ａに対応する位置に配置し、反射面１２に相当する反射ミラー３２を光学ブロック５の第３面５ｃに対応する位置に配置すればよい。

また、モニタ用受光素子７は必ずしも配置する必要はなく、配置を省略して測距装置１を更に小型化してもよい。同様に、反射面１２或いは反射ミラー３２の配置を省略してもよい。この場合、例えば反射面１２或いは反射ミラー３２の位置に検出用受光素子８を配置することで測距装置１の小型化が図られる。

また、上記実施形態では、走査ミラー６がステージ９の面内方向に揺動するが、走査ミラー６がステージ９の面内方向及びステージ９の法線方向に二次元に揺動してもよい。この場合、例えば水平方向・垂直方向にそれぞれ解像度を持った物体Ｋの２次元位置情報の取得が可能となる。

また、上記実施形態では、コリメータ３によって透光ビームＬ１の平行光化を行っているが、これに代えて、例えば、一方向のみに曲面が形成されたレンズ（シリンドリカルレンズ等）を用いて、透光ビームＬ１の断面形状をステージ９の法線方向に長い略長方形状に整形してもよい。この場合、検出用受光素子８として、例えばステージ９の法線方向に多チャンネル化したＭＰＰＣアレイを用いることで、垂直方向に解像度を持った物体Ｋの位置情報の取得が可能となる。走査ミラー６がステージ９の面内方向に揺動することで水平方向に解像度を持った物体Ｋの位置情報の取得が可能であるため、結果として、水平方向・垂直方向にそれぞれ解像度を持った物体Ｋの２次元位置情報の取得が可能となる。

また、上記実施形態では、図３に示したように、光学面１１において、円環状の反射領域２１の中心に円状の透過領域２２が設けられているが、反射領域２１及び透過領域２２の構成は種々の変形を採り得る。例えば図５（ａ）に示すように、矩形の透過領域２２としてもよい。透過領域２２は、矩形のほか、楕円形、三角形、その他の多角形であってもよい。

反射領域２１の中心と透過領域２２の中心とは必ずしも一致していなくてもよい。例えば図５（ｂ）に示すように、透過領域２２の中心が反射領域２１の中心に対して偏心していてもよい。図５（ｂ）では、反射領域２１の中心が透過領域２２内に位置しているが、反射領域２１の中心が透過領域２２外となる程度に透過領域２２の中心が反射領域２１の中心に対して偏心していてもよい。例えば光源２としてレーザダイオードを用いる場合、透光ビームＬ１はガウシアンビームとなる。ガウシアンビームの強度プロファイルは、光軸を中心としたガウシアン分布となるため、透光ビームＬ１の光量は周縁に比べて光軸の中心付近で高くなる。したがって、透過領域２２の中心を反射領域２１の中心に対して偏心させることで、透光ビームＬ１のうちの光量の高い部分を反射領域２１で反射させることができる。したがって、物体Ｋに向かう透光ビームＬ１の光量を十分に確保でき、信号のＳ／Ｎ比の更なる向上が図られる。

また、例えば図５（ｃ）に示すように、反射領域２１に対して偏心した透過領域２２を複数設けてもよい。図５（ｃ）では、反射領域２１の縁部に反射領域２１の中心周りに９０°の位相角をもって４箇所に円形の透過領域２２が配置されている。この場合、複数箇所に配置された透過領域２２を、透光ビームＬ１及び戻り光Ｌ２を透過させる領域として選択的に用いることができる。

１…測距装置、２…光源、５…光学ブロック、６…走査ミラー、７…モニタ用受光素子、８…検出用受光素子、１１…光学面、１２…反射面、２１…反射領域、２２…透過領域、３１…アパーチャミラー（光学面）、３２…反射ミラー（反射面）、Ｌ１…透光ビーム、Ｌ２…戻り光、Ｋ…物体。

Claims (7)

1. 物体までの距離を計測する測距装置であって、
   前記物体への透光ビームを出射する光源と、
   前記光源から出射した前記透光ビームの一部を反射させる反射領域、及び前記透光ビームの残部を透過させる透過領域を有する光学面と、
   前記反射領域で反射した前記透光ビームを前記物体に向けて反射させると共に、前記物体からの戻り光を前記光学面に向けて反射させる走査ミラーと、
   前記光学面の前記透過領域を透過した前記戻り光を検出する検出用受光素子と、を備え、
   前記検出用受光素子は、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオードであり、
   前記光学面において、前記透過領域の面積が前記反射領域の面積よりも小さくなっている測距装置。
2. 前記光学面において、前記反射領域が前記透過領域を囲うように設けられている請求項１記載の測距装置。
3. 前記光学面において、前記透過領域の中心が前記反射領域の中心に対して偏心している請求項２記載の測距装置。
4. 前記光学面の前記透過領域を透過した前記戻り光を前記検出用受光素子に向けて反射させる反射面を前記光学面と前記検出用受光素子との間に更に備える請求項１〜３のいずれか一項記載の測距装置。
5. 前記光学面の前記透過領域を透過した前記透光ビームの残部を検出するモニタ用受光素子を更に備える請求項１〜４のいずれか一項記載の測距装置。
6. 前記光学面、及び前記光学面の前記透過領域を透過した前記戻り光の光路を含んで一体化された光学ブロックを更に備える請求項１〜５のいずれか一項記載の測距装置。
7. 前記走査ミラーがＭＥＭＳミラーによって構成されている請求項１〜６のいずれか一項記載の測距装置。

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