JP6975432B2 - 距離測定装置及び距離測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、距離測定装置に関し、より詳細には、複数の画素を有する受光部を備える距離測定装置、および、当該距離測定装置を用いた測定方法に関する。
測定光が、受光素子又は画素のアレイによって構成される受光区域に入射する、様々な距離測定装置が知られている。このような距離測定装置は、例えば、距離測定装置から放出され、測定対象物によって反射され、距離測定装置の受光区域で受光される光線の飛行時間を評価する距離センサとして使用されている。
これらの画素が、測定光だけでなく、周辺光又は迷光も受光するならば、距離測定装置が行う測定対象物までの距離の判定は、誤判定となるか、又は、エラーを含むことになる。
特開２０１４−７７６５８は、照射光を投射する光源と、それぞれ個別にオフ可能な複数のフォトダイオードを備え、対象物からの反射光を受光する受光手段と、複数のフォトダイオードの出力を加算する加算手段と、を備える光学距離測定装置を開示している。
本発明の一目的は、周辺光が測定結果に与える影響を軽減して、距離測定装置の精度を向上させることにある。
本発明の一態様によれば、距離測定装置は、
光を放出するように構成された発光部と、
前記発光部によって放出され測定対象物によって反射された測定光を受光するように構成された受光部であって、複数の画素を備え、各画素は、少なくとも１つの受光部を有すると共に、前記画素に入射した前記測定光に応じた受光信号を出力するように構成された受光部と、
前記画素が測定光を受光したかどうかを識別するように構成された識別部と、
前記識別部の判定結果に応じて、各画素の受光信号を個別に、選択的に出力（転送）するように構成された画素出力制御部と、
前記画素出力制御部によって出力（転送）された受光信号を受信し、前記受光信号に基づき、前記距離測定装置と前記測定対象物との間の距離を示す距離信号を出力するように構成された評価部と、を備える。
発光部は、光を、パルスとして放出し得る。この場合、測定光は、パルスの形をしていてもよい。具体的には、受光される測定光のパルスは、放出された光のパルスに対して時間的に遅延される。測定光の飛行時間は、光が距離測定装置から測定対象物に移動して戻って来るためにかかる時間に相当し、パルスの時間遅延から判定することができる。測定対象物までの距離は、測定対象物の一特徴として、飛行時間に基づいて計算されることが可能である。測定対象物までの距離に加えて、測定対象物の他の特性又は特徴、例えば、その形状、色、反射性、及び／又は、発光度が、距離測定装置によって判定可能である。
受光部によって受光された光は、一度測定対象物によって反射された光だけでなく、複数回反射された光、拡散光、散光、周囲環境からの背景光、測定対象物を透過した後に反射された、あるいは、受光部に戻ってきた光も含んでいてもよい。
ここで、「距離を示す距離信号」とは、当該距離を特定することが可能な情報を含む任意の信号を意味し得る。このような信号の例は、測定距離、又は、戻ってきた光線の飛行時間（「飛行時間」）を表すデジタル信号、及び、振幅が測定距離又は飛行時間に比例するアナログ信号である。
受光信号は、画素に入射した光量、及び／又は、画素に入射した光の光強度を示すことが可能である。画素出力制御部は、識別部により、測定光が受光されたと判定された画素の受光信号を転送するように構成されていてよい。具体的には、画素出力制御部は、受光部の他の全ての画素（例えば、周辺光又は背景雑音だけを受ける画素の、又は、単により低い信号強度）の受光信号を転送しないように構成されていてよい。これによって、信号対雑音比が高くなり、したがって、測定精度が向上する。具体的にいえば、転送されない受光信号は、測定結果に考慮されない。
距離測定装置は、画素出力制御部によって転送された受光信号を受信し、これらの受光信号に基づき、距離測定装置と測定対象物との間の距離を判定するように構成された評価部をさらに備えていてよい。この評価部は、この距離を示す信号を出力するように構成されていてよい。
この評価部は、画素出力制御部によって転送された受光信号だけに基づき、距離測定装置と測定対象物との間の距離を判定してよい。具体的には、測定光を受光する画素からの受光信号だけが、測定対象物までの距離を判定する際に考慮される。このように、周辺光に起因する信号は破棄されるため、高精度で測定を行うことが可能である。
識別部は、当該識別部に接続された画素（以下では「関連画素」とも呼ばれる）において、所定の期間における複数の第１の所定時間間隔、及び、所定の期間における複数の第２の所定時間間隔の間に、光が受光されたかどうかを検出する検出部と、例えば、所定の期間における第１の所定時間間隔、及び、第２の所定時間間隔の間に、検出部が受光を検出した回数を計数する計数部とを含んでいてよい。ここで、識別部は、計数部の計数結果に基づき、各画素が測定光を受光したかどうかを判定するように構成されている。検出部は、第１及び第２の所定時間間隔の間に、関連画素において少なくとも１つの光子又は少なくとも所定数の光子が検出された場合に、第１及び第２の所定時間間隔の間に光信号が受信されたと検出してよい。画素に到達した周辺光は、ランダムに拡散された光子の形を有していることが可能である。周辺光だけを受光する画素では、所定の期間中の任意の時間に光子を受光する確率は、ほぼ一定である。すなわち、周辺光は、時間と共に変動、又は、空間的に変化し得るが、距離検出の目的では、このような変動が距離測定に実質的に何の影響も与えない限り、周辺光は一定であると見做すことができる。換言すると、受光される周辺光の光子の分布は、測定光の分布とは、空間的及び／又は時間的に異なる。
具体的には、一定かつ均一な周辺光の場合、所定の期間中の任意の時間に光子を受光する確率は一定であり、他方、測定光は、所定の時間間隔の間だけ受光されるので、これらの時間間隔の間に光子を受光する確率は一定ではない。換言すると、受光される測定光の光子の分布は、一定ではない。所定の期間の第１又は第２の所定時間間隔の間に光信号がどれくらいの頻度で受信されるかを計数又は識別することは、ある画素において受光される光の種類を示すものであり、つまり、測定光が受光されたか、又は迷光だけが受光されたかを示すものである。
識別部は、所定の期間における第１の所定時間間隔の間に検出部が受光を検出した回数（又はその分布）が、所定の期間における第２の所定時間間隔の間に検出部が受光を検出した回数（又はその分布）と、少なくとも所定の比較閾値だけ異なる場合に、画素が測定光を受光したと判定するように構成されていてもよい。画素が測定光を受光すると、受光された光子の分布は、具体的には一定ではない（及び、周辺光だけを受光した場合と異なる）。光信号が第１の所定時間間隔の間に受信される回数（又はその分布）は、したがって、光信号が第２の所定時間間隔の間に受信される回数（又はその分布）と、大幅に異なるはずである。従って、光信号が第１の所定時間間隔の間に受信された回数（又はその分布）と光信号が第２の所定時間間隔の間に受信された回数（又はその分布）との比較は、画素において測定光が受光されたのか、又は、周辺光だけが受光されたのかについての表示を提供可能である。
幾つかの実施形態では、識別部は、検出部が所定の期間における第１の所定時間間隔の間に受光を検出した回数が、絶対閾値又は自動調整閾値よりも小さく、検出部が所定の期間における第２の所定時間間隔の間に受光を検出した回数が、絶対閾値又は自動調整閾値よりも大きい場合に（又は、その逆も可能である）、画素が測定光を受光したと判定するように構成されている。
識別部は、所定の期間における第１の所定時間間隔の間に検出部が受光を検出した回数が、所定の期間における第２の所定時間間隔の間に検出部が受光を検出した回数と、所定の比較閾値未満の値だけ異なる場合に、画素が測定光を受光していないと判定するように構成されていてよい。
第１の所定時間間隔、及び／又は、第２の所定時間間隔は、周期的であってよい。これによって、測定の精度が改善され得る。また、第１の所定時間間隔の長さは、第２の所定時間間隔の持続時間と同じであってよい。しかしながら、他のタイミングや持続時間を適用してもよく、これらは、他の実施形態の対象となっている。例えば、第１の所定時間間隔、及び／又は、第２の所定時間間隔は、疑似ランダムな時間間隔であり得る。
距離測定装置は、検出部が受光を検出する各第１の所定時間間隔の数に第１の重みを割り当て、及び／又は、検出部が受光を検出する各第２の所定時間間隔の数に第２の重みを割り当てる重み付け部をさらに備えていてよい。例えば、重み付け部は、光信号が検出された各第１の所定時間間隔に数「＋１」を割り当て、光信号が検出された各第２の所定時間間隔に数「−１」を割り当ててよい。数「０」は、全く光信号が検出されていない第１及び第２の所定時間間隔に割り当てられ得る。その後、単にこれらの重み付けされた数を合計することによって、第１の所定時間間隔の間に光信号が検出された回数と、第２の所定時間間隔の間に光信号が検出された回数との間の差を容易に算出可能である。
計数部は、さらに、第１の所定時間間隔の重み付けされた数を合計し、第２の所定時間間隔の重み付けされた数を合計するように構成されていてよい。第１の所定時間間隔の重み、及び、第２の所定時間間隔の重みを加算した結果により、検出部が第１の所定時間間隔の間に受光を検出した回数と、検出部が第２の所定時間間隔の間に受光を検出した回数との比較が容易になり、これに基づき、測定光が受光されたかどうかを判定することが可能になる。
複数の画素出力制御部が単一の評価部に接続されていてよい。また、各画素について、１つの識別部及び１つの画素出力制御部が設けられていてよい。幾つかの画素出力制御部によって転送された受光信号が、単一の評価部に供給され得る。全ての画素出力制御部が単一の評価部に接続されていることが可能である。また、これらの複数の画素出力制御部は、単一の識別部に接続されていてよい。
識別部は、複数の画素のうちの各画素の受光信号を受信し得る。より詳細には、複数の画素は、同一の識別部に接続されて、それらの受光信号を識別部に供給し得る。複数の画素のうちの各画素の受光信号を受信する識別部は、単一の評価部に接続された単一の出力制御部に接続されていてもよい。画素を構成する受光部は、単一光子アバランシェダイオードであってよい。
同一の識別部に接続された複数の画素は、互いに隣接していなくてよい。隣接していない画素とは、少なくとも１つの他の画素が間に配置された非隣接の画素であり得る。具体的には、隣接していない画素の間には、当該隣接していない画素の間にある他の画素を横切らない直接路は存在しない。
本発明の一態様に係る距離測定装置を用いて、測定を行う距離測定方法は、
発光部によって光を放出するステップと、
発光部によって放出され測定対象物によって反射された測定光を、受光部によって受光するステップであって、前記受光部は、複数の画素を備え、各画素は、少なくとも１つの受光部を有すると共に、画素に入射した測定光に応じた受光信号を出力するように構成されている、ステップと、
具体的には各画素について個別に、画素が測定光を受光したかどうかを識別するステップと、
各画素について画素が測定光を受光したかどうかを判定するステップの判定結果に応じて、各画素の受光信号を個別に、選択的に出力（転送）するステップと、
受信された受光信号に基づき、前記距離測定装置と前記測定対象物との間の距離を示す距離信号を出力するステップと、を備える。
評価部は、複数の対象物からの複数の受光信号を検出し、これらの対象物が配置されている形状を判定し、及び／又は、各対象物までの距離を判定するように構成されていてよい。
本発明のさらに可能な形態又は他の解決方法は、上述又は以下の実施形態に関する特徴の組み合わせ（ここでは詳細には説明しない）も含む。当業者は、個々の又は別々の態様及び特徴を、本発明の最も基本的な形に加えてもよい。
本発明のさらなる実施形態、特徴、及び、利点は、添付の図面を参照した以下の説明と添付の特許請求の範囲より明らかとなろう。
図１は、第１の実施形態に係る距離測定装置を有する光学系の一例を示す。 図２は、受光部の一例を示す。 図３は、第１の実施形態に係る距離測定装置を示す。 図４は、第２の実施形態に係る距離測定装置を示す。 図５は、第１の実施形態に係る、測定対象物までの距離を判定する測定方法を示すフローチャートである。 図６は、第３の実施形態に係る距離測定装置を示す。 図７Ａは、放出光強度を時間とともに示す一例である。 図７Ｂは、受光強度を時間とともに示す一例である。 図７Ｃは、受光強度を時間とともに示す他の一例である。 図７Ｄは、信号検出工程の一例を示す。 図７Ｅは、信号検出工程による結果の例を表す表を示す。 図８は、第２の実施形態に係る、測定対象物までの距離を判定する測定方法を示すフローチャートである。 図９は、測定対象物までの距離を判定するためのヒストグラムの一例を示す。 図１０Ａ〜１０Ｇは、他の実施形態に係る距離測定装置の配置の例を示す。 図１０Ａ〜１０Ｇは、他の実施形態に係る距離測定装置の配置の例を示す。 図１０Ａ〜１０Ｇは、他の実施形態に係る距離測定装置の配置の例を示す。
図面では、他に記載のない限り、同様の参照番号は、同様又は機能的に同一の要素を指定するものである。
図１は、第１の実施形態に係る距離測定装置１と測定対象物２とを含む光学系２０の一例を示す図である。本実施形態の距離測定装置１は、光電センサとして構成されており、測定対象物２までの距離を判定する距離判定装置である。測定対象物２は、以下では「対象物２」とも呼ばれる。距離測定装置１は、発光部３、受光部４、コリメータ６、及び、収束レンズ７を含む。
発光部３は、パルス光を所定の周波数及び所定の強度で放出するレーザ光源である。あるいは、パルスは、非周期で放出されてもよいし、及び／又は、パルスは、一定振幅を有していなくてもよい。例えば、パルスの振幅及び周波数は、信号対雑音比に基づき自動的に決定されてもよい。
発光部３によって放出された光は、距離測定装置１を出る時に、コリメータ６を通る。コリメータ６は、この発光部３によって放出された光を、ほぼ平行光にする。この光を、以下では放出光８と呼ぶ。
放出光８は、測定対象物２に達すると、測定対象物２によって距離測定装置１に向かって反射される。測定対象物２によって反射された放出光は、測定光５を形成する。換言すると、測定光５は、放出光８が測定対象物２に反射することによって得られる。測定光５は、距離測定装置１の入口に位置する収束レンズ７によって、受光部４の点１９上に収束する。点１９は、入射した測定光５を受ける受光部４の表面である。点１９は円形に示されているが、異なる形状、例えば楕円形であってもよいことは、当業者には明らかであろう。
対象物２が距離測定装置１からどれくらい離れているかに応じて、点１９の寸法は変動し得る。これについては、受光部４の一例を示す図２に示されている。図２に示されるように、受光部４は、アレイ状に配置された複数の画素１０を有する検出領域を形成する。このアレイは、一例として、７列×７行に配置されている。受光部４は、入射光、特に入射測定光５を検出するために使用されることが可能である。この例では、各画素１０は、正方形の受光表面９を有している。なお、図２では、説明のために、画素１０が互いに連続しているものとして示したが、画素１０は、通常、互いに連続しておらず、わずかに離間されており、隣接する画素の間に信号線などが配置され得る。また、図２では、画素１０は、幾つかの行と列とのパターンに配置されている。しかしながら、画素１０は、他の形状、例えば、円形、放出状配置、非対称配置、等に配置され得る。同じことは、以下に示す図面にも当てはまる。
図２は、図１に示される光点１９の例として、４つの光点１９ａ〜１９ｄを示している。ほぼ円形の光点１９ａ〜１９ｄは、その直径において互いに異なっている。光点１９ａ〜１９ｄの直径に応じて、異なる数の画素１０が、測定光５によって照射される。各光点１９ａ〜１９ｄの直径は、例えば、測定光５を受光した対象物２がどれくらい離れているかに応じて変動する。光点１９ａ〜１９ｄの直径が小さいほど、対象物２が距離測定装置１から離れて（又は、光学系によっては、距離測定装置１に近接して）配置されている。したがって、図２の例では、例えば光点１９ｄは、光点１９ｃを形成する対象物２よりも近い対象物２により得られる。図２に示されるように、視差効果により、対象物２の距離に応じて光点１９ａ〜１９ｄの中心もシフトする。
対象物２への距離は、測定光５の飛行時間を分析することによって判定可能である。測定光５の飛行時間は、測定光５が距離測定装置１から対象物２まで移動し、距離測定装置１に戻って来るためにかかる時間に相当する。ある光パルスが発光部３によって放出された時間と、当該光パルスが受光部４によって受光された時間との差分を測定することによって、測定光５の飛行時間を検出可能である。この飛行時間測定については、後で図７Ａ〜７Ｅを参照してより詳細に説明する。
受光部４は、発光部３によって放出され、対象物２によって反射されて戻ってきた測定光５を受光することに加えて、周辺（迷）光も受光し得る。このような周辺光は、他の光源によって生じるか、又は、放出された光線が別の反射表面において複数回反射する（エコー）ことによって生じ得る。このような周辺光の受光は、距離測定装置１によって行われる対象物２までの距離の判定が誤判定となるため、望ましくない。距離測定装置１は、測定光５を受光する画素と、測定光５を受光しないが周辺光だけを受光する画素とを識別することが可能である。これについて以下に説明する。
図３は、距離測定装置１の一部を示す図である。具体的には、図３は、識別部１１に接続された受光部４の１つの画素１０と、画素出力制御部１２と、評価部１３とを示す。識別部１１は、画素１０から受光信号ＲＳ１を連続的に受信し、画素１０が測定光５を受光したかどうかを、受光信号ＲＳ１に基づき判定する。受光信号ＲＳ１に応じて、識別部１１は、画素１０によって受光された光が測定光５を含むか、又は、周辺光だけを含むかを示す識別信号ＤＲ（識別結果）を出力する。識別信号ＤＲは、ローレベルとハイレベルとの間で変動する二値信号であってよい。例えば、ハイレベルは、画素１０によって受光された光が測定光５を含むことを示していてよく、ローレベルは、当該画素によって受光された光が測定光５ではなく周辺光だけを含むことを示していてもよい。
この識別信号ＤＲは、画素出力制御部１２に送信され、画素出力制御部１２は、受信した識別信号ＤＲに応じて、画素１０の出力を可能又は無効にする。つまり、識別信号ＤＲが、画素１０が測定光５を受光したことを示す場合、画素出力制御部１２は、画素１０の出力を可能にし、受光信号ＲＳ１を受光信号ＲＳ２として評価部１３に転送する。換言すると、画素１０が測定光５を受光すると、画素出力制御部は、画素１０からの受光信号ＲＳ１に対応する受光信号ＲＳ２を評価部に送信する。
反対に、識別信号ＤＲが、画素１０が周辺光だけを受光したことを示す場合、画素出力制御部１２は、画素１０の出力を無効にし、受光信号ＲＳ１と等しくない受光信号ＲＳ２を、評価部１３に転送する。この場合、受光信号ＲＳ２は、例えば、一定のローレベル信号であり得る。
したがって、画素１０が測定光５を受光した場合、画素出力制御部１２から評価部１３に転送される受光信号ＲＳ２は、画素１０からの受光信号ＲＳ１に対応する。他方、画素１０がいかなる測定光５も受光していないことが、識別結果ＤＲによって示される場合、受光信号ＲＳ２は一定のローレベル信号等である。
画素１０の出力を可能及び無効にするために、画素出力制御部１２は、スイッチとして実施されていてよい。例えば、画素出力制御部１２は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などのトランジスタであってよく、ＦＥＴのゲートに、識別信号ＤＲが印加される。画素出力制御部１２は、１つ又は複数の論理ゲートを含んでいてもよい。なお、画素出力制御部１２は、画素１０と評価部１３との間に位置している。また、本例では、画素出力制御部１２は、直接、画素１０に接続されている。換言すると、画素１０と画素出力制御部１２との間には、さらなる回路素子は設けられていない。
評価部１３は、距離測定装置１によって放出され、当該評価部１３に関連付けられた画素１０によって受光された光線の飛行時間に関する情報を含む信号を生成する。
本実施形態では、受光信号ＲＳは、画素１０が測定光５を受光した時のみ、評価部１３によって評価される。画素１０が周辺光だけを受光した場合、受光信号ＲＳは、破棄され、対象物２までの距離の評価には考慮されない。
受光部４の画素１０毎に、上述の機能を有する識別部１１及び画素出力制御部１２が設けられていてよい。換言すると、画素１０、識別部１１、及び、画素出力制御部１２の間には１対１対１の関係がある。図４は、このような構成を有する距離測定装置１００を示している。本距離測定装置１００では、識別部１１ａ〜１１ｃ及び画素出力制御部１２ａ〜１２ｃは、受光部４の各画素１０ａ〜１０ｃに関連付けられている。図４は、３つの画素１０ａ〜１０ｃだけを、対応する識別部１１ａ〜１１ｃ及び画素出力制御部１２ａ〜１２ｃと共に示しているが、受光部４は、より多くの画素１０ａ〜１０ｃを、それぞれの識別部１１ａ〜１１ｃ及び画素出力制御部１２ａ〜１２ｃと共に含んでいてもよいことは理解されよう。好ましい一実施形態では、距離測定装置１００は、５０行×８画素のアレイ、又は、１０行×４０画素のアレイに配置された４００個の画素を含む。
各画素に関連付けられた識別部１１ａ〜１１ｃ及び画素出力制御部１２ａ〜１２ｃの機能は、図３を参照して説明した識別部１１及び画素出力制御部１２の機能に類似しており、したがって以下では、簡潔な説明だけを行う。識別部１１ａ〜１１ｃは、集合的に、単一の識別部１１を構成するものと見なされることが可能である。画素出力制御部１２ａ〜１２ｃは、集合的に、単一の画素出力制御部１２を構成するものと見なされることが可能である。
識別部１１ａは、画素１０ａによって受信された信号ＲＳ１ａに基づいて、画素１０ａが測定光５を受光したかどうかを判定し、これに応じて、識別信号ＤＲａを画素出力制御部１２ａに送信する。画素出力制御部１２ａは、識別信号ＤＲａに応じて、つまり、画素１０ａが測定光５を受光したか、又は、周辺光だけを受光したかに応じて、画素１０ａの出力を可能又は無効にする。受光信号ＲＳ１ａは、画素出力制御部１２ａによって画素１０ａの出力が活性化された時にのみ、受光信号ＲＳ２ａとして評価部１３ａに転送される。それ以外の、画素１０ａが測定光５を受光していない場合には、受光信号ＲＳ１ａは、評価部１３ａに送信されない。
同様に、識別部１１ｂは、画素１０ｂによって受信された信号ＲＳ１ｂに基づいて、画素１０ｂが測定光５を受光したかどうかを判定し、これに応じて、識別信号ＤＲｂを画素出力制御部１２ｂに送信する。画素出力制御部１２ｂは、識別信号ＤＲｂに応じて、つまり、画素１０ｂが測定光５を受光したか、又は、周辺光だけを受光したかに応じて、画素１０ｂの出力を可能又は無効にする。受光信号ＲＳ１ｂは、画素出力制御部１２ｂによって画素１０ｂの出力が活性化された時にのみ、評価部１３ｂに受光信号ＲＳ２ｂとして転送される。それ以外の、画素１０ｂが測定光５を受光していない場合には、受光信号ＲＳ１ｂは、評価部１３ｂに転送されない。
同様に、識別部１１ｃは、画素１０ｃによって受信された信号ＲＳ１ｃに基づいて、画素１０ｃが測定光５を受光したかどうかを判定し、これに応じて、識別信号ＤＲｃを画素出力制御部１２ｃに送信する。画素出力制御部１２ｃは、識別信号ＤＲｃに応じて、つまり、画素１０ｃが測定光５を受光したか、又は、周辺光だけを受光したかに応じて、画素１０ｃの出力を可能又は無効にする。受光信号ＲＳ１ｃは、画素出力制御部１２ｃによって画素１０ｃの出力が活性化された時のみ、評価部１３ｃに受光信号ＲＳ２ｃとして転送される。それ以外の、画素１０ｃが測定光５を受光していない場合には、受光信号ＲＳ１ｃは、評価部１３ｃに転送されない。
受光信号ＲＳ２ａ、ＲＳ２ｂ、ＲＳ２ｃに基づいて、評価部１３ａ、１３ｂ、及び、１３ｃは、それぞれ、対象物２までの距離を示す距離信号を出力する。例えば、評価部１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、受光信号ＲＳ２ａ、ＲＳ２ｂ、ＲＳ２ｃから判定された飛行時間値の平均値を計算してよい。あるいは、評価部１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、後述するヒストグラムを用いて、対象物２までの距離を判定してもよい。評価部１３ａ、１３ｂ、１３ｃは、画素１０と同じ半導体チップ上で、配線で接続されていてもよいが、必要な計算を行うＣＰＵにより、評価部１３ａ、１３ｂ、１３ｃの機能を実現することも可能である。
評価結果、つまり、対象物２までの距離は、距離測定装置１００が備えるディスプレイ（図示しない）上に出力され得る。あるいは、対象物２までの距離は、コントローラ、ＣＰＵ、コンピュータ、他の電子回路等といった他の処理部に出力されるか、又は、他のプロセスを制御するために使用されることも可能である。
対象物２までの距離は、測定光５を受光した画素１０ａ〜１０ｃからの信号だけに基づいて判定される。周辺光だけが入射する画素１０ａ〜１０ｃからの信号は、対象物２までの距離を判定する際には考慮されない。したがって、対象物２までの距離は、高精度に判定される。
本実施形態に係る距離測定装置１００では、各画素１０ａ〜１０ｃは、それぞれに関連付けられた評価部１３ａ、１３ｂ、１３ｃを有している。距離測定装置１００は、いかなる結合器又はマルチプレクサも含まず、このため、距離測定装置１００の構造は簡略化される。他実施形態では、各画素出力制御部１２ａ〜１２ｃによって転送された各画素１０ａ〜１０ｃからの信号は、結合器又はマルチプレクサ（図示しない）を用いて、組み合わされてもよい。結合器又はマルチプレクサを使用することは、いくつの画素１０からの受光信号ＲＳ１を結合器又はマルチプレクサを介して単一の識別部１１に転送可能になるため、好都合である。これによって、距離測定装置１００の寸法を低減することが可能である。
図５は、測定対象物２までの距離を、距離測定装置１又は１００を用いて判定する測定方法を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、距離測定装置１、１００は、発光部３を用いて光８を放出する。ステップＳ２では、対象物２から反射された測定光５を、距離測定装置１、１００の受光部４が受光する。
ステップＳ３では、識別部１１、１１ａ〜１１ｃは、各画素１０、１０ａ〜１０ｃについて、受光した光が測定光５であるかを判定し、これに応じて、識別信号ＤＲ、ＤＲａ〜ＤＲｃを生成する。ステップＳ３において、画素１０、１０ａ〜１０ｃが受光した光は測定光５であると判定された場合、ステップＳ４において、画素出力制御部１２は、画素１０、１０ａ〜１０ｃの受光信号ＲＳ１を受光信号ＲＳ２として出力することを可能にし、当該出力を評価部１３に転送する。その後、ステップＳ５において、評価部１３、１３ａ〜１３ｃは、受光信号ＲＳ２に基づいて、対象物２までの距離を判定する。
あるいは、ステップＳ３において、画素１０、１０ａ〜１０ｃによって受光された光が測定光５でないと判定された場合（つまり、周辺光やノイズである場合）、ステップＳ６において、画素出力制御部１２は、画素１０、１０ａ〜１０ｃの出力を無効にし、受光信号ＲＳ１を受光信号ＲＳ２として転送しない。なお、「出力を可能にする」及び「出力を無効にする」という表現は、それぞれ、画素出力制御部１２のスイッチをオン又はオフすることに相当し得る。
図６は、第２の実施形態に係る距離測定装置１０１を示している。当該実施形態の距離測定装置１０１では、識別部１１は、検出部１４及び計数部１５を含む。検出部１４及び計数部１５は、関連付けられた画素１０によって受光された光が測定光５であるか、又は、周辺光であるかを判定することに貢献する。検出部１４及び計数部１５のこの機能は、以下に、図７Ａ〜図７Ｅ及び図８を参照しながらより詳細に説明する。
図７Ａは、発光部３によって放出された光の強度を時間とともに示す一例である。図７Ａに示されるように、発光部３は、光８を対象物２に向けて、一定間隔で放出する。すなわち、光の光パルス１７が、所定の期間ΔＴ内の時間ｔＡ１、ｔＡ２、ｔＡ３、ｔＡ４、ｔＡ５、及び、ｔＡ６において放出される。これらの時間ｔＡ１、ｔＡ２、ｔＡ３、ｔＡ４、ｔＡ５、及び、ｔＡ６は、時間間隔Δｔだけ互いに対して間隔が置かれている。時間間隔Δｔは、一定であってよいが、これに限定されない。
図７Ｂは、測定光５を受光する受光部４の画素１０によって受光された光の光強度を、時間に応じて示している。画素１０によって受光された光は、２つの成分を有している。これらは、すなわち、基本的に背景雑音に相当する周辺光成分１８、及び、周辺光１８に重なった測定光５である。測定光５の強度は、周辺光１８の強度よりもかなり大きい。
周辺光１８は、画素１０に到達する光子のランダム分布である。測定光５は、パルス２７として受光される。パルス２７は、放出されたパルスを離間させる同一の一定時間間隔Δｔだけ分離されている。測定光５のパルス２７は、時間ｔＢ１、ｔＢ２、ｔＢ３、ｔＢ４、ｔＢ５、及び、ｔＢ６において受光される。時間ｔＢ１、ｔＢ２、ｔＢ３、ｔＢ４、ｔＢ５、及び、ｔＢ６は、それぞれ、時間ｔＡ１、ｔＡ２、ｔＡ３、ｔＡ４、ｔＡ５、及び、ｔＡ６と比べて時間シフトΔｄだけシフトされた時間である。時間シフトΔｄは、発光部３によって放出された光８が対象物２まで移動して、距離測定装置１０１に戻って来るためにかかる時間に、例えば、電子機器や配線等による他の何らかの時間遅延を加算することによって求められる。時間シフトΔｄは、対象物２までの距離（飛行時間）に応じて変動し、対象物２までの距離を判定するために求めることが可能である。図７Ｂでは、時間シフトΔｄは、必ずしも、時間間隔Δｔと同じ縮尺で記載されていない。
図７Ｃは、測定光５を受光していない受光部４の画素１０によって受光された光の光強度を示している。このような画素１０が受信した光の信号は、単に、画素１０に到達した光子のランダム分布によって特徴付けられた周辺光１８及びノイズを含む。
図７Ｄは、計数部１５を用いて行う計数工程の一例を示している。検出部１４及び計数部１５は、関連付けられた画素１０によって受光された光が測定光５であるか、又は、周辺光１８であるかを判定することに貢献する。このために、検出部１４は、複数の第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６、及び、複数の第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６の間に、対応する画素１０において光が受光されたかどうかを判定する。
第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６は、パルス状の測定光５が距離測定装置１０１に入射した時間ｔＢ１、ｔＢ２、…を含むように設定され、第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６は、これらの時間ｔＢ１、ｔＢ２、…を含まないように設定される。例えば、第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６は、距離測定装置１０１によってパルス光８が放出された時に開始され、対象物２から反射された測定光５が当該時間間隔に含まれるような長さで終了するように設定されていてよい。第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６の長さは、第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６の長さと等しく、距離測定装置１０１の測定範囲に応じて、数ナノ秒、例えば５〜５００ナノ秒であってよい。また、この長さは、変動可能である。例えば、この間隔の長さは、ユーザによって手動で調節可能であってもよいし、又は、周辺光の輝度や望ましい測定距離範囲に応じて、自動的に調節されてもよい。こうして、検知条件を周辺光条件に調節することが可能であり、これによって、精度がより改善される。
本例では、各画素１０は、画素１０に入射した単一光子の検出が可能な単一光子検出器、例えば単一光子アバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）によって構成されている。すなわち、光子が画素１０に入射する度に、画素は、検出部１４によって検出されるＳＰＡＤ電流を生成する。
光子は、何らかの統計的分布に従った離散イベントにおいて、画素１０に入射する。したがって、ある時間間隔Ｔでは、画素１０に入射する光子の数は、０、１、又は、複数であり得る。検出部１４は、ある時間間隔Ｔにおいて、最小数ｎ個の光子が画素１０に入射した場合、当該画素が当該時間間隔Ｔにおいて光を受光したと判定するように構成されている。この最小数ｎ個は、例えば１であり得るが、これよりも大きな数であってもよい。
図７Ｅは、検出部１４の検出結果を表す表を示している。すなわち、この表は、第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６及び第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６のそれぞれについて、光が受光されたかどうか、つまり、最小数ｎ個の光子が受光されたかどうかを示している。図７Ｅでは、「＋１」は、光が画素１０において受光された第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６を示し、「−１」は、光が画素１０において受光された第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６を示し、「０」は、画素１０において信号が受信されていないことを示している。
信号が画素１０において受信された第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６に「＋１」を割り当てることは、当該第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６に第１の重み（すなわち、「＋１」）を割り当てることに相当する。信号が画素１０において受信された第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６に数「−１」を割り当てることは、当該第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６に第２の重み（すなわち、「−１」）を割り当てることに相当する。この重み付けは、重み付け部（図示しない）によって行われることが可能である。この時間間隔Ｔの間に画素１０によって光子が受光されないならば、重み「０」が割り当てられる。
図７Ｅでは、第１の行（「点の内側」）は、対応する画素１０が光点１９の内側にあり、（図７Ｂに示されるような）測定光５を含む光によって照射された時の、検出部１４からの結果の一例を含み、第２の行（「点の外側」）は、対応する画素１０が光点１９の外側にあり、（図７Ｃに示されるような）周辺光１８だけを含む光によって照射された時の、検出部１４からの結果の一例を含む。
周辺光１８だけを受光する画素１０は、光子によってランダムに照射される。したがって、検出部１４が、十分に長い時間間隔ΔＴにわたって、第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６及び第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６において光の存在を測定すると、統計的に、検出部１４が第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６において光を検出した回数は、検出部１４が第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６において光を検出した回数に、ほぼ、等しくなるはずである。
反対に、測定光５を受光する画素１０は、確実に測定信号５を受信し、全体として、識別部１１が第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６において光を検出する回数は、識別部１１が第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６において光を検出する回数よりも多くなる。なお、光が光子として画素１０に入射することは確率過程であるので、画素１０が点１９の内側にあり、したがって測定光５を受ける場合であっても、必ずしも全ての時間間隔ＴM１〜ＴM６中に光が検出されなくてもよい。この一例は、測定光５の点の内側で光が検出されない期間ＴM３の場合である。しかしながら、一般的にいえば、時間間隔ＴM１〜ＴM６の間に測定光５の点の内側において光が検出される確率は、時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６の間におけるものよりもかなり高い。
計数部１５は、検出部１４が第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６において信号を検出する回数、及び、検出部１４が第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６において信号を検出する回数を計数し、これらを比較する。この比較の結果が所定の比較閾値以上、例えば＋２以上である場合、検出部１４は、画素１０によって受信された信号は、測定光５を含むと判定する。他方、この比較の結果が所定の比較閾値よりも小さい場合、検出部１４は、画素１０によって受信された信号は、周辺光１８だけを含むと判定する。画素出力制御部１２は、これに応じて、上述のように、画素１０の出力を可能又は無効にする。この計算は、図７Ｅの表の各行について、重み付けの数を合計（積算）することに相当する。例えば、「点の内側」と記載された行の場合、合計は＋２であり、これは、比較閾値に等しく、そのため、識別部１１は、画素１０が点の内側にあると見做し、対応する識別結果信号ＤＲを画素出力制御部１２に送信する。
本実施形態の一利点は、実際の測定中に、測定光５を受光する画素１０と測定光を受光しない画素１０との識別を継続して行うことが可能な点にある。すなわち、識別部１１は、画素１０を絶えず監視し、実際に測定光５を受光する画素からの信号だけが、測定結果の計算に考慮されるように構成されていることが可能である。本実施形態では、６個の光パルスの受光が監視されているが、言うまでもなく、受光が監視される光パルスの数は、これよりも多くてもよいし、少なくてもよい。可能な一実施形態では、上述の識別を、常に、所定期間ΔＴ（例えば１マイクロ秒）の間に放出される最後のｍ（例えば６）個の光パルスに基づき行う。このような画素１０の出力を動的に転送することは、どの画素が点の内側にあるかを最初に判定し、その後、点の外側にある画素を、例えば当該画素への電圧の供給を遮断することによってオフする構成よりも有利である。
図８は、第２の実施形態に係る、測定対象物までの距離を判定する測定方法を示すフローチャートである。図８の方法は、第３の実施形態に係る距離測定装置１０１によって実施されることが可能である。
以下では、第１の実施形態に係る方法（図５）と、第２の実施形態に係る方法との違いだけを説明する。第２の実施形態では、ステップＳ３は、ステップＳ７、Ｓ８、及びＳ９を含む。ステップＳ７において、検出部１１は、第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６及び第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６で、画素１０において信号を検出する。ステップＳ８において、計数部１５は、時間ΔＴの間に、検出部１４が第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６で信号を検出した回数、及び、検出部１４が第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６において信号を検出した回数を計数する。
ステップＳ９において、時間ΔＴの間に、検出部１４が第１の所定時間間隔ＴM１〜ＴM６で信号を検出した回数、及び、検出部１４が第２の所定時間間隔ＴＰ１〜ＴＰ６において信号を検出した回数を比較し、比較結果を比較閾値と比較する。比較結果が比較閾値以上である場合、ステップＳ４において、画素１０の出力が可能にされる。そうでない場合、ステップＳ６において出力は無効にされ、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ７、Ｓ８、及び、Ｓ９は、時間ΔＴの間中、繰り返される。
ステップＳ５において、画素１０の出力が評価部１３によって評価された後、又は、ステップＳ６において、画素１０の出力が無効にされた後は、ステップＳ１に戻る。
図９は、ステップＳ５において評価部１３によって生成され、測定光５の移動時間ｔｄを判定することが可能なヒストグラムを示している。このヒストグラムは、ある飛行時間が測定される画素の数を計数することによって生成されたものであり、測定された飛行時間の分布に相当する。ヒストグラムの飛行時間の平均値は、移動時間ｔｄとして求められ、これに基づいて、対象物２までの距離が求められる。ヒストグラムを使わずに、例えば上述の平均値を用いて、距離を推定することも可能である。
図１０Ａ〜図１０Ｇは、距離測定装置１、１００、１０１の他の配置を示している。図１０Ａの配置は、図４に示される配置に相当し、各画素１０ａ〜１０ｃが、それぞれに関連付けられた識別部１１ａ〜１１ｃ、画素出力制御部１２ａ〜１２ｃ、及び、評価部１３ａ〜１３ｃを含むことが示されている。
図１０Ｂの配置は、図１０Ａの配置とは、３つの画素１０ａ〜１０ｃが、単一の識別部１１を共有している点において異なる。単一の識別部１１を使用することは、必要な構成要素の数が少ない点において有利であり、場所を取らず電力消費の少ない距離測定装置１、１００、１０１を実現可能である。
図１０Ｃの配置は、図１０Ａの配置とは、３つの画素１０ａ〜１０ｃが１つの画素出力制御部１２を共有している点において異なる。単一の画素出力制御部１２を使用することは、必要な構成要素の数が少ない点において有利であり、場所を取らず電力消費の少ない距離測定装置１、１００、１０１を実現可能である。
図１０Ｄの配置は、図１０Ａの配置とは、３つの画素１０ａ〜１０ｃが単一の評価部１３を共有している点において異なる。単一の評価部１３を使用することは、必要な構成要素の数が少ない点において有利であり、場所を取らず電力消費の少ない距離測定装置１、１００、１０１を実現可能である。
図１０Ｅの配置は、図１０Ｂの配置と図１０Ｄの配置との組み合わせに相当し、ここでは、各画素１０ａ〜１０ｃは、それぞれの画素出力制御部１２ａ〜１２ｃに接続されているが、複数（又は全て）の画素１０ａ〜１０ｃのために、単一の識別部１１及び単一の評価部１３だけが設けられている。
図１０Ｆの配置は、図１０Ｃの配置と図１０Ｄの配置との組み合わせに相当し、ここでは、各画素１０ａ〜１０ｃは、それぞれの識別部１１ａ〜１１ｃを有しているが、画素１０ａ〜１０ｃは、単一の画素出力制御部１２及び単一の評価部１３を共有している。
図１０Ｇの配置では、画素１０ａ〜１０ｃは、単一の識別部１１、単一の画素出力制御部１２、及び、単一の評価部１３を共有している。
本発明を好ましい実施形態を参照しながら説明してきたが、全ての実施形態において変形が可能であることは、当業者には明らかであろう。例えば、受光素子４の画素１０の数は、増やしてもよいし減らしてもよい。計数部は、比較結果を判定する代わりに、例えば、ＳＰＡＤや関連する検知回路の場合のような単なるデジタルパルスではなく、入射する検出光に比例する電気信号を供給する、アナログ光検出器（例えばＡＰＤ、ＣＣＤ等）の場合、時間とともに受信した光信号を積算してもよい。
１ 距離測定装置
２ 測定対象物
３ 発光部
４ 受光部
５ 測定光
６ コリメータ
７ （収束）レンズ
８ 放出光線
９ 受光表面
１０ 画素
１０ａ〜１０ｃ 画素
１１ 識別部
１１ａ〜１１ｃ 識別部
１２ 画素出力制御部
１２ａ〜１２ｃ 画素出力制御部
１３、１３’ 評価部
１４ 検出部
１５ 計数部
１７ 光パルス
１８ 周辺光
１９ 光点
１９ａ〜１９ｄ 光点
２０ 光学系
２１、２２ 四角形
２７ パルス
１００ 距離測定装置
１０１ 距離測定装置
ｔＡ１〜ｔＡ６ 時間
ｔＢ１〜ｔＢ６ 時間
ＴＭ１〜ＴＭ６ 第１の所定時間間隔
ＴＰ１〜ＴＰ６ 第２の所定時間間隔
Δｃ 計数期間
Δｄ 時間シフト
Δｔ 期間
ＤＲ 識別信号
ＤＲａ〜ＤＲｃ 識別信号
ＲＳ１〜ＲＳ２ 受光信号
ＲＳ１ａ〜ＲＳ１ｃ 受光信号
ＲＳ２ａ〜ＲＳ２ｃ 受光信号
Ｓ１〜Ｓ９ 方法ステップ

Claims (13)

  1. 距離測定装置であって、
    光を放出するように構成された発光部と、
    前記発光部によって放出され測定対象物によって反射された測定光を受光するように構成された受光部であって、複数の画素を備え、各画素は、少なくとも１つの受光部を有すると共に、前記画素に入射した前記測定光に応じた受光信号を出力するように構成された受光部と、
    前記画素が測定光を受光したかどうかを識別するように構成された識別部と、
    前記識別部の判定結果に応じて、各画素の受光信号を個別に、選択的に出力するように構成された画素出力制御部と、
    前記画素出力制御部によって出力された受光信号を受信し、前記受光信号に基づき、前記距離測定装置と前記測定対象物との間の距離を示す距離信号を出力するように構成された評価部と、を備え、
    前記識別部は、
    前記識別部に接続された画素において、所定の期間における複数の第１の所定時間間隔、及び、前記所定の期間における複数の第２の所定時間間隔の間に、光が受光されたかどうかを検出する検出部と、
    前記所定の期間における前記第１の所定時間間隔、及び、前記第２の所定時間間隔の間に、前記検出部が受光を検出した回数を計数する計数部と、を備え、
    前記識別部は、前記計数部の計数結果に基づき、前記所定の期間における前記第１の所定時間間隔の間に前記検出部が受光を検出した回数が、前記所定の期間における前記第２の所定時間間隔の間に前記検出部が受光を検出した回数と、少なくとも所定の比較閾値だけ異なる場合に、画素が測定光を受光したと判定するように構成され、
    前記複数の第１の所定時間間隔は、前記画素が測定光を受光する時間を含むように設定され、前記複数の第２の所定時間間隔は、前記画素が測定光を受光する時間を含まないように設定される、距離測定装置。
  2. 前記画素出力制御部は、前記識別部により、測定光が受光されたと判定された画素の受光信号を出力するように構成されている、請求項１に記載の距離測定装置。
  3. 前記識別部は、前記所定の期間における前記第１の所定時間間隔の間に前記検出部が受光を検出した回数が、前記所定の期間における前記第２の所定時間間隔の間に前記検出部が受光を検出した回数と、前記所定の比較閾値未満の値だけ異なる場合に、画素が測定光を受光していないと判定するように構成されている、請求項１に記載の距離測定装置。
  4. 前記第１の所定時間間隔、及び／又は、前記第２の所定時間間隔は、周期的である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の距離測定装置。
  5. 前記検出部が受光を検出する各第１の所定時間間隔の数に、第１の重みを割り当て、及び／又は、前記検出部が受光を検出する各第２の所定時間間隔の数に、第２の重みを割り当てる重み付け部をさらに含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離測定装置。
  6. 前記計数部は、前記第１の所定時間間隔の重み付けられた数を合計し、前記第２の所定時間間隔の重み付けられた数を合計するようにさらに構成されている、請求項５に記載の距離測定装置。
  7. 複数の画素出力制御部が単一の評価部に接続されている、請求項１〜６のいずれか１項に記載の距離測定装置。
  8. 前記複数の画素出力制御部は、単一の識別部に接続されている、請求項７に記載の距離測定装置。
  9. 前記複数の画素のそれぞれに、１つの識別部が設けられている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の距離測定装置。
  10. 前記識別部は、複数の画素のうちの各画素の受光信号を受信する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の距離測定装置。
  11. 同一の識別部に接続された前記複数の画素は、互いに隣接していない、請求項１０に記載の距離測定装置。
  12. 前記画素を構成する受光部は、単一光子アバランシェダイオードである、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の距離測定装置。
  13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の距離測定装置を用いて、測定を行う距離測定方法であって、
    発光部によって光を放出するステップと、
    前記発光部によって放出され測定対象物によって反射された測定光を、受光部によって受光するステップであって、前記受光部は、複数の画素を備え、各画素は、少なくとも１つの受光部を有すると共に、前記画素に入射した前記測定光に応じた受光信号を出力するように構成されている、ステップと、
    前記画素が測定光を受光したかどうかを識別するステップと、
    各画素について個別に前記画素が測定光を受光したかどうかを識別するステップの判定
    結果に応じて、各画素の受光信号を個別に、選択的に出力するステップと、
    受信された前記受光信号に基づき、前記距離測定装置と前記測定対象物との間の距離を示す距離信号を出力するステップと、を備え、
    前記識別するステップは、
    前記識別する画素において、所定の期間における複数の第１の所定時間間隔、及び、前記所定の期間における複数の第２の所定時間間隔の間に、光が受光されたかどうかを検出し、
    前記所定の期間における前記第１の所定時間間隔、及び、前記第２の所定時間間隔の間に、前記検出部が受光を検出した回数を計数し、
    前記計数部の計数結果に基づき、前記所定の期間における前記第１の所定時間間隔の間に前記検出部が受光を検出した回数が、前記所定の期間における前記第２の所定時間間隔の間に前記検出部が受光を検出した回数と、少なくとも所定の比較閾値だけ異なる場合に、画素が測定光を受光したと判定し、
    前記複数の第１の所定時間間隔は、前記画素が測定光を受光する時間を含むように設定され、前記複数の第２の所定時間間隔は、前記画素が測定光を受光する時間を含まないように設定される、距離測定方法。
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