JP7434128B2 - 距離計測装置 - Google Patents
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Description
第1実施形態に係る距離計測装置1は、例えば当該距離計測装置1と対象物TGと間の距離を計測することが可能なLiDAR(Light Detection and Ranging)の一種である。以下に、第1実施形態に係る距離計測装置1について説明する。
[1-1-1]距離計測装置1の全体構成
図1は、第1実施形態に係る距離計測装置1の全体構成の一例を示す概略図である。図1に示すように、本例では、距離計測装置1の前方に、測距の対象物TGとして車両が配置されている。そして、第1実施形態に係る距離計測装置1は、例えば、制御部10、出射部20、受光部30、及び計測部40を備えている。
図3は、第1実施形態に係る距離計測装置1の備える出射部20及び受光部30の構成の一例を示す概略図である。図3に示すように、第1実施形態における出射部20は、例えば、駆動回路21及び22、光源23、光学系24、及びミラー25を含む。
引き続き図3を参照して、第1実施形態における受光部30の構成について説明する。図3に示すように、第1実施形態における受光部30は、例えば、光学系31、光検出器32、及び出力回路33を含む。
図4は、第1実施形態に係る距離計測装置1における光検出器32の平面レイアウトの一例を示す平面図である。図4に示すように、第1実施形態における光検出器32は、2Dセンサであり、受光領域DAを含む。尚、光検出器32として、1Dセンサが使用されても良い。
図5は、第1実施形態に係る距離計測装置1におけるSPADユニットSUの回路構成の一例を示す回路図である。図5に示すように、第1実施形態におけるSPADユニットSUは、少なくとも1つのアバランシェフォトダイオードAPD及びクエンチ抵抗Rqの組と、高電圧ノードNhvと、低電圧ノードNlvと、P型トランジスタToutとを含む。アバランシェフォトダイオードAPD及びクエンチ抵抗Rqの組の数は、SPADユニットSUが含むSPADの数に対応している。
図6は、第1実施形態に係る距離計測装置1におけるアバランシェフォトダイオードAPDの構造の一例と単一光子アバランシェダイオードSPADの動作原理とを示す概略図である。図6に示すように、第1実施形態におけるアバランシェフォトダイオードAPDは、例えば、基板50、P型半導体層51及び52、及びN型半導体層53を含む。
第1実施形態に係る距離計測装置1に入射する反射光L2は、例えば、出射光L1のスキャン位置と光学系31の設計とに基づいて、受光領域DAの一部に照射される。そして、制御部10は、各画素PXに含まれたSPADユニットSUを、反射光L2の照射位置に基づいて、アクティブ状態又は非アクティブ状態にする。
図8は、第1実施形態に係る距離計測装置1における出力回路33の構成の一例を示すブロック図である。図8に示すように、第1実施形態における出力回路33は、例えば、スイッチ部SW及び信号処理部SPを含む。
図9は、第1実施形態に係る距離計測装置1における計測部40の構成の一例を示すブロック図である。図9に示すように、第1実施形態における計測部40は、例えば、単純積算部41、記憶部42、解析部43、積算部44、及び距離計測部45を含む。
[1-2-1]スキャン方法
図10は、第1実施形態に係る距離計測装置1における距離計測装置1のスキャン方法の一例を示すテーブルである。図10に示されたテーブルは、スキャン方法の名称とスキャン方法の具体例との3種類の組み合わせを示している。図10において、符号“L1”は、関連付けられたスキャン方法における出射光L1の形状及び出射タイミングを示している。“スキャン位置”の矢印は、スキャン領域SA内で、複数の出射光L1が順に照射される経路を模式的に示している。“左方向”及び“右方向”は、紙面上の左方向及び右方向をそれぞれ示している。
図11は、第1実施形態に係る距離計測装置1における光検出器32の受光結果の一例を示すタイムチャートである。図11のタイムチャートの縦軸は、画素PXの出力信号に基づく輝度を示している。図11に示すように、距離計測装置1が出射光L1毎に実行する計測動作の各々は、例えば、サンプリング期間及びブランキング期間を含む。
図12は、第1実施形態に係る距離計測装置1における計測部40の単純積算処理の一例を示すタイムチャートである。図12に示された2つのタイムチャートの縦軸は、受光結果に基づいたアナログ信号の輝度を示している。図12(1)は、アクティブ領域AA内の各画素PXの出力(受光結果)の一例を示している。図12(2)は、アクティブ領域AA内の複数の画素PXの出力の積算結果の一例を示している。
図13は、第1実施形態に係る距離計測装置1のスキャン領域SA内でターゲットの測定点の測距に使用される領域の一例を示す概略図である。図13に示すように、スキャン領域SAは、領域AR~IRを含んでいる。領域AR~IRのそれぞれは、出射光L1が照射される領域に対応している。以下では、出射光L1が照射されることにより1つの測距結果が得られる領域のことを、“測定点”とも呼ぶ。
図15は、第1実施形態に係る距離計測装置1の計測動作の一例を示すフローチャートである。図15に示すように、計測動作が開始すると(開始)、距離計測装置1が、平均化に必要な領域のスキャンを実行して、各測定点の積算データを記憶部42に記憶させる(S10)。そして、記憶部42が、ターゲットの測定点の積算データSDcと、ターゲットの周辺の測定点の積算データSDpとを解析部43に転送する(S11)。それから、解析部43が、積算データSDc及びSDpの類似性に基づいて、積算データSDpの重み値を計算する(S12)。その後、解析部43が、算出した重み値を関連付けた積算データSDpと積算データSDcとを積算部44に転送する。
以上で説明されたように、第1実施形態に係る距離計測装置1は、積算データSDwの突出部の位置を検出する前に、積算データSDwからフロアノイズ値(環境光の強さ)を差し引いている。すなわち、第1実施形態に係る距離計測装置1は、重み値を用いた積算データSDwの算出後に、当該積算データSDwに含まれたノイズ成分を除去する。これにより、前述した通り、S/N比が向上する。その結果、第1実施形態に係る距離計測装置1の測距成功率および測距精度が改善する。
第1実施形態に係る距離計測装置1は、種々の変形が可能である。以下に、第1実施形態の変形例について、第1実施形態と異なる点を説明する。
第2実施形態に係る距離計測装置2は、第1実施形態に係る距離計測装置1と同様の構成を備える。第2実施形態は、第1実施形態で説明されたステップS123~S125の処理の詳細に関する。以下に、第2実施形態に係る距離計測装置2について、第1実施形態と異なる点を説明する。
図21は、第2実施形態に係る距離計測装置1における分割平均を用いたフロアノイズ値の算出方法を説明するためのタイムチャートである。図21に示すように、フロアノイズ値の算出には、分割平均が使用されても良い。フロアノイズ値の算出に分割平均が使用される場合、サンプリング期間内の所定の期間が、複数の領域に分割される。本例では、説明を簡潔にするために、当該所定の期間が領域RG1~RG5に分割された場合について説明する。本実施形態では、第1実施形態の変形例と同じく、図19の信号処理部を有する、ACカップリングの構成を採用しても、採用しなくてもよい。
以上で説明されたように、第2実施形態に係る距離計測装置2は、間欠的にレーザ光(出射光L1)を出射しつつ所定の領域のスキャンを実行する出射部20と、出射光L1毎に反射光L2を受ける受光部30と、受光部30の受光結果に基づいて対象物TGとの距離を算出する計測部40とを含む。計測部40は、同じフレーム内で、光源23から第1方向に照射された出射光L1に対応する第1デジタル信号(積算データSDc)と、第1方向の近傍に照射された複数の出射光L1に対応する複数の第2デジタル信号(積算データSDp)から正しくフロアノイズの影響を除去し、その除去された結果の類似性に基づいて、複数の第2デジタル信号の重み値を生成する。そして、計測部40が、重み値に基づいて各第2デジタル信号を第1デジタル信号に累積する。
第3実施形態に係る距離計測装置3は、第1実施形態に係る距離計測装置1と同様の構成を備える。そして、第3実施形態に係る距離計測装置3は、環境光の強さに応じて、フロアノイズ値の算出に用いるアルゴリズムを変更する。以下に、第3実施形態に係る距離計測装置2について、第1及び第2実施形態と異なる点を説明する。
[3-1-1]環境光の感度
図24は、第3実施形態に係る距離計測装置3における環境光起因の励起フォトン数に対する環境光の受光結果の変化の一例を示すグラフである。図24に示されたグラフにおいて、横軸は環境光起因の励起フォトン数/nsを示し、縦軸は測定結果に対応する信号の強度を示している。図24に示すように、受光結果に対応する信号の強度は、環境光が強くなるほど単調増加で高くなる傾向がある。
図26は、第3実施形態に係る距離計測装置3の計測動作におけるフロアノイズ値の計算に使用されるアルゴリズムの選択方法の一例を示すフローチャートである。図26に示すように、計測動作が開始して、記憶部42に積算データSDが蓄積されると(開始)、底部算出部431が、フロアノイズの大きさVNを確認する(S20)。
距離計測装置において、例えば角度分解能を向上させるためには、画素PXを小さくすることが好ましい。しかしながら、画素PXが小さくなる、すなわち各画素PXが含むSPADの数が少なくなると、環境光の影響が大きくなる。特に2Dセンサでは、環境光によるS/N比の悪化や信号の飽和によって、測距精度が低下するおそれがある。また、環境光の大きさの値(フロアノイズ値)は、例えば第1実施形態で説明された距離値の算出に使用される。このため、環境光の測定精度は、高められることが好ましい。
第4実施形態に係る距離計測装置4は、第1実施形態に係る距離計測装置1と同様の構成を備える。そして、第4実施形態に係る距離計測装置4は、積算データSDwの解析結果に基づいて積算データSDcを参照することにより、ターゲットの測定点の距離値を算出する。以下に、第4実施形態に係る距離計測装置4について、第1~第3実施形態と異なる点を説明する。
図27は、第4実施形態に係る距離計測装置4の計測動作の一例を示すフローチャートである。図27に示すように、第4実施形態における計測動作のフローチャートは、第1実施形態における計測動作のフローチャートのステップS14がステップS30及びS31に置き換えられた構成を有する。
以上で説明されたように、第4実施形態に係る距離計測装置4は、積算データSDwの突出部の位置を検出した後に、当該位置に基づいて、累積前の積算データSDcから受光時刻T2を算出する。これにより、第4実施形態に係る距離計測装置4は、累積前の積算データSDcにおける受光時刻T2の算出においても、ランダムなノイズ成分の影響を抑制することが出来る。第4実施形態に係る距離計測装置4は、周囲の積算データSDpの影響を含まない、積算データSDcを用いて距離を計測することが出来るため、対象が細かい凹凸を有す場合に、測距結果は、その凹凸を表す様な、細かい距離の違いを反映することが出来る。その結果、第1実施形態よりも立体的で、解像感の高い測距結果を得ることが出来る。
第5実施形態に係る距離計測装置5は、積算データSDc及びSDpに基づいて信頼度を算出し、算出した信頼度に基づいて測距結果を確定させる。以下に、第5実施形態に係る距離計測装置2について、第1~第4実施形態と異なる点を説明する。
図29は、第5実施形態に係る距離計測装置5における計測部40の構成の一例を示すブロック図である。図29に示すように、第5実施形態における計測部40は、第1実施形態における計測部40の解析部43に信頼度生成部434が追加された構成を有する。
第5実施形態に係る距離計測装置5は、信頼度に基づいて測距結果を確定させる。簡潔に述べると、距離計測部45が、積算データSDwから抽出された複数のピークから、信頼度が最も高いピークを採用する。そして、距離計測部45が、採用したピークに対応する突出部分に基づいて受光時刻T2を計測し、測距結果を確定させる。以下に、信頼度に関する第1及び第2平均化アルゴリズムについて順に説明する。
1平均化アルゴリズムは、信号の強度と環境光情報とを使用してターゲットの反射データを認識することによって、積算データを選択的に蓄積する。以下に、第1平均化アルゴリズムに基づく平均化と、その後の信頼度の算出フローの一例について説明する。
フレーム間平均化アルゴリズムは、前のフレームで測定された距離と動きに応じて検索ウィンドウを定義して、現在のフレームのウィンドウ内で検出された戻り値(ピーク)から追加の出力候補を選択する。そして、フレーム間平均化アルゴリズムでは、前のフレームからの情報を含めるように拡張された信頼度R3に従ってピークが選択される。以下に、フレーム間平均化アルゴリズムに基づく信頼度の算出フローの一例について説明する。
以上で説明されたように、信頼度が使用されることによって、ターゲットからの反射データが、積算データSDwにおいて抽出される。つまり、ターゲットからの反射光L2を含む可能性が高い突出部分が、積算データSDwにおいて抽出される。その結果、第5実施形態に係る距離計測装置5は、反射光L2の検出精度を向上させることが出来、距離の計測精度を向上させることが出来る。
第1実施形態では、制御部10が、出射光L1の出射時刻T1を計測部40に通知する場合について例示したが、これに限定されない。出射時刻T1は、出射光L1が出射部20内で分光され、分光された出射光L1が受光部30に設けられたセンサによって検出された時刻に基づいて設定されても良い。この場合、出射時刻T1は、受光部30から計測部40に通知される。また、距離計測装置1は、出射部20と受光部30との間で同軸の光学系を使用しても良い。この場合、反射光L2は、出射部20のミラー25及び光学系24を介して、光検出器32に入射する。
Claims (9)
- 光信号を出射する光源を含む投光部と、
光検出器と、前記投光部から出射された前記光信号を外部の物体が反射した反射光を前記光検出器に導く光学系と、を含む受光部と、
前記光源が前記光信号を出射した第1時刻と、前記光検出器が前記反射光を検出した第2時刻とを用いて、前記物体との距離値を算出する計測部と、
前記光源に前記光信号を間欠的に出射させ、間欠的に出射された光信号毎に、前記計測部に距離値を算出させる制御部と、を備え、
前記計測部が、
第1方向に出射された第1光信号の反射光の受光結果を含む第1デジタル信号と、第1方向と異なる第2方向に出射された第2光信号の反射光の受光結果を含む第2デジタル信号とを前記受光部から受け取り、
前記第1デジタル信号と前記第2デジタル信号との間の、底部から突出している部分の値の類似性、又は底部の値の類似性の強さに基づいて重み値を生成し、
前記重み値に基づいて前記第1デジタル信号に前記第2デジタル信号を積算した第3デジタル信号を生成し、
前記第3デジタル信号のうち、底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第1光信号に関連付けられた第2時刻を算出することによって、前記第1方向に存在する物体との距離値を算出し、
前記計測部が、底部の値として、前記第1デジタル信号及び前記第2デジタル信号のそれぞれの平均値を用いる、
距離計測装置。 - 光信号を出射する光源を含む投光部と、
光検出器と、前記投光部から出射された前記光信号を外部の物体が反射した反射光を前記光検出器に導く光学系と、を含む受光部と、
前記光源が前記光信号を出射した第1時刻と、前記光検出器が前記反射光を検出した第2時刻とを用いて、前記物体との距離値を算出する計測部と、
前記光源に前記光信号を間欠的に出射させ、間欠的に出射された光信号毎に、前記計測部に距離値を算出させる制御部と、を備え、
前記計測部が、
第1方向に出射された第1光信号の反射光の受光結果を含む第1デジタル信号と、第1方向と異なる第2方向に出射された第2光信号の反射光の受光結果を含む第2デジタル信号とを前記受光部から受け取り、
前記第1デジタル信号と前記第2デジタル信号との間の、底部から突出している部分の値の類似性、又は底部の値の類似性の強さに基づいて重み値を生成し、
前記重み値に基づいて前記第1デジタル信号に前記第2デジタル信号を積算した第3デジタル信号を生成し、
前記第3デジタル信号のうち、底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第1光信号に関連付けられた第2時刻を算出することによって、前記第1方向に存在する物体との距離値を算出し、
前記計測部が、前記第1デジタル信号及び前記第2デジタル信号のそれぞれを複数の期間に分割し、前記複数の期間の各々で、最大の値と最小の値との差を算出し、前記複数の期間の各々で算出された前記差の平均値を、底部の値として使用する、
距離計測装置。 - 光信号を出射する光源を含む投光部と、
光検出器と、前記投光部から出射された前記光信号を外部の物体が反射した反射光を前記光検出器に導く光学系と、を含む受光部と、
前記光源が前記光信号を出射した第1時刻と、前記光検出器が前記反射光を検出した第2時刻とを用いて、前記物体との距離値を算出する計測部と、
前記光源に前記光信号を間欠的に出射させ、間欠的に出射された光信号毎に、前記計測部に距離値を算出させる制御部と、を備え、
前記計測部が、
第1方向に出射された第1光信号の反射光の受光結果を含む第1デジタル信号と、第1方向と異なる第2方向に出射された第2光信号の反射光の受光結果を含む第2デジタル信号とを前記受光部から受け取り、
前記第1デジタル信号と前記第2デジタル信号との間の、底部から突出している部分の値の類似性、又は底部の値の類似性の強さに基づいて重み値を生成し、
前記重み値に基づいて前記第1デジタル信号に前記第2デジタル信号を積算した第3デジタル信号を生成し、
前記第3デジタル信号のうち、底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第1光信号に関連付けられた第2時刻を算出することによって、前記第1方向に存在する物体との距離値を算出し、
前記計測部が、
第1の底部の値として、前記第1デジタル信号及び前記第2デジタル信号のそれぞれの平均値を使用し、
第2の底部の値として、前記第1デジタル信号及び前記第2デジタル信号のそれぞれを複数の期間に分割し、前記複数の期間の各々で、最大の値と最小の値との差を算出し、前記複数の期間の各々で算出された前記差の平均値を使用し、
前記第1デジタル信号又は前記第2デジタル信号の光量が第1の値である場合に、前記底部の値として前記第2の底部の値を使用し、
前記第1デジタル信号又は前記第2デジタル信号の光量が前記第1の値よりも大きい第2の値である場合に、前記底部の値として前記第1の底部の値を使用する、
距離計測装置。 - 前記計測部が、前記第1デジタル信号又は前記第2デジタル信号の光量が前記第2の値よりも大きい第3の値である場合に、前記底部の値として前記第2の底部の値を使用する、
請求項3に記載の距離計測装置。 - 光信号を出射する光源を含む投光部と、
光検出器と、前記投光部から出射された前記光信号を外部の物体が反射した反射光を前記光検出器に導く光学系と、を含む受光部と、
前記光源が前記光信号を出射した第1時刻と、前記光検出器が前記反射光を検出した第2時刻とを用いて、前記物体との距離値を算出する計測部と、
前記光源に前記光信号を間欠的に出射させ、間欠的に出射された光信号毎に、前記計測部に距離値を算出させる制御部と、を備え、
前記計測部が、
第1方向に出射された第1光信号の反射光の受光結果を含む第1デジタル信号と、第1方向と異なる第2方向に出射された第2光信号の反射光の受光結果を含む第2デジタル信号とを前記受光部から受け取り、
前記第1デジタル信号と前記第2デジタル信号との間の、底部から突出している部分の値の類似性、又は底部の値の類似性の強さに基づいて重み値を生成し、
前記重み値に基づいて前記第1デジタル信号に前記第2デジタル信号を積算した第3デジタル信号を生成し、
前記第3デジタル信号のうち、底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第1光信号に関連付けられた第2時刻を算出することによって、前記第1方向に存在する物体との距離値を算出し、
前記重み値は、前記第1デジタル信号の底部の値と前記第2デジタル信号の底部の値との比率に基づいて算出され、類似性が強いほど大きく設定される、
距離計測装置。 - 前記重み値は、前記第1デジタル信号の突出している部分のピークの値と前記第2デジタル信号の突出している部分のピークの値との比率に基づいて算出され、類似性が強いほど大きく設定される、
請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の距離計測装置。 - 前記計測部が、前記第3デジタル信号から突出している部分を含む期間を抽出し、前記第1デジタル信号の前記期間内で底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第1光信号に関連付けられた前記第2時刻を算出する、
請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の距離計測装置。 - 底部の値は、1回の計測時間における輝度の時間平均値である、
請求項1に記載の距離計測装置。 - 光信号を出射する光源を含む投光部と、
光検出器と、前記投光部から出射された前記光信号を外部の物体が反射した反射光を前記光検出器に導く光学系と、を含む受光部と、
前記光源が前記光信号を出射した第1時刻と、前記光検出器が前記反射光を検出した第2時刻とを用いて、前記物体との距離値を算出する計測部と、
前記光源に前記光信号を間欠的に出射させ、間欠的に出射された光信号毎に、前記計測部に距離値を算出させる制御部と、を備え、
前記計測部が、
第1方向に出射された第1光信号の反射光の受光結果を含む第1デジタル信号と、第1方向と異なる第2方向に出射された第2光信号の反射光の受光結果を含む第2デジタル信号とを前記受光部から受け取り、
前記第1デジタル信号と前記第2デジタル信号との間の、底部から突出している部分の値の類似性、又は底部の値の類似性の強さに基づいて重み値を生成し、
前記重み値に基づいて前記第1デジタル信号に前記第2デジタル信号を積算した第3デジタル信号を生成し、
前記第3デジタル信号のうち、底部から突出している部分の位置に基づいて、前記第1光信号に関連付けられた第2時刻を算出することによって、前記第1方向に存在する物体との距離値を算出し、
前記光検出器が、基板上に2次元に配置された複数のセンサを含み、
前記複数のセンサの各々が、アノードが第1電源ノードに接続されたアバランシェフォトダイオードと、一端が第2電源ノードに接続され、他端が前記アバランシェフォトダイオードのカソードに接続されたクエンチ素子とを含み、
前記制御部が、前記センサをオンさせている時に、前記第1電源ノードに第1電圧を印加し、前記第2電源ノードに前記第1電圧よりも高い第2電圧を印加する、
距離計測装置。
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