CN111936885A - 光测距装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光测距装置(10)，具备：光源(20)，其向对象物照射第一脉冲宽度的光；受光单元(31)，其输出宽度为第一脉冲宽度以上的第二脉冲宽度的脉冲信号，该脉冲信号表示射入了从对象物反射的光这一情形；直方图生成部(50)，其按预先决定的每一时间间隔，记录与从受光单元输出的脉冲信号的数量对应的频数而生成直方图；峰值检测部(60)，其根据直方图来检测峰值形状的结束点；以及距离计算部(70)，其使用从与峰值形状的结束点对应的时刻减去相当于第二脉冲宽度的时间后的时刻来计算到对象物为止的距离。

Description

光测距装置

相关申请的交叉引用

本申请主张于2018年4月4日申请的日本申请号2018－72108的优先权，并在此引用其全部内容。

技术领域

本公开涉及光测距装置。

背景技术

专利文献1所记载的光测距装置通过在加法器将根据从对象物的反射光的射入而从SPAD(单光子雪崩二极管)阵列输出的脉冲信号相加，并按预先决定的每一时间间隔记录该加法值来生成直方图。然后，根据该直方图检测频数的最大值亦即峰值，并使用该峰值的产生时刻来计算到对象物为止的距离。

专利文献1：日本特开2016－176750号公报；

专利文献2：日本专利第5644294号公报。

本申请的发明人们为了提高光测距装置的测定精度而进行了鋭意研究，结果得到了在直方图上出现的峰值的产生时刻根据光的射入强度而变动这样的认识。基于该认识，本申请的发明人们发现了若使用峰值的产生时刻来计算到对象物为止的距离，则随着光的射入强度的变动，距离的计算结果也变动，会有测定精度降低这样的课题。

发明内容

本公开能够作为以下的方式实现。

根据本公开的一方式，提供一种光测距装置。该光测距装置的特征在于，具备：光源，其向对象物照射第一脉冲宽度的光；受光单元，其输出宽度在上述第一脉冲宽度以上的第二脉冲宽度的脉冲信号，该脉冲信号表示射入了从上述对象物反射的光这一情况下；直方图生成部，其按预先决定的每一时间间隔，记录与从上述受光单元输出的脉冲信号的数量对应的频数而生成直方图；峰值检测部，其根据上述直方图来检测峰值形状的结束点；以及距离计算部，其使用从与上述峰值形状的结束点对应的时刻减去相当于上述第二脉冲宽度的时间后的时刻来计算到上述对象物为止的距离。

根据该方式的控制装置，由于从受光单元输出的脉冲信号的第二脉冲宽度是从光源照射的光的第一脉冲宽度以上的宽度，所以若以峰值形状的结束点为基准，从该结束点减去相当于第二脉冲宽度的时间，则能够准确地求出对受光单元的光的射入时刻。因此，通过使用该射入时刻来计算距离，不管射入受光单元的光的强度如何都能够准确地测定到对象物为止的距离。

本公开也能够以光测距装置以外的各种方式实现。例如，能够以光测距方法、安装光测距装置的车辆、控制光测距装置的控制方法等方式实现。

附图说明

通过参照附图而进行的下述详细记述，本公开的上述目的以及其它目的、特征、优点变得更加明确。附图为：

图1是表示光测距装置的概略构成的图，

图2是表示受光单元的概略构成的图，

图3是表示直方图的例子的图，

图4是表示与光的射入强度对应的直方图的图，

图5是表示第二实施方式中的直方图的图，

图6是表示第三实施方式中的峰值检测方法的图，

图7是表示第四实施方式中的调整部的第一方式方式的图，

图8是表示第四实施方式中的第二脉冲宽度的调整方法的图，

图9是表示第四实施方式中的调整部的第二方式的图，

图10是表示第四实施方式中的调整部的第三方式的图，

图11是表示受光单元的其它的构成的图，

图12是表示从图11的受光单元输出的脉冲信号的图。

具体实施方式

A.第一实施方式：

如图1所示，作为本公开中的第一实施方式的光测距装置10具备光源20、受光单元阵列30、加法部40、直方图生成部50、峰值检测部60以及距离计算部70。其中，加法部40、直方图生成部50、峰值检测部60以及距离计算部70既可以通过电路构成，也可以通过由未图示的CPU执行程序以软件的方式实现。光测距装置10例如安装于车辆，使用于障碍物的检测、车辆的驾驶辅助。

光源20是对距离的测定对象亦即对象物OB照射光的装置。在本实施方式中，光源20具备激光二极管元件21。激光二极管元件21照射具有第一脉冲宽度PW1的脉冲宽度并以规定周期反复闪烁的脉冲激光作为照射光。此外，本实施方式中的光源20构成为具备激光二极管元件21的光源，但也可以构成为具备固体激光器等其它发光装置的光源。

受光单元阵列30具有多个能够根据来自对象物OB的反射光的射入而输出脉冲信号的受光单元31。如图2所示，本实施方式中的受光单元31由包含作为受光元件的雪崩光电二极管32、猝熄电阻器33、逆变器电路(NOT电路)34等公知的电路构成。更具体而言，通过在电源与接地线之间串联连接猝熄电阻器33和雪崩光电二极管32，并在其连接点连接逆变器电路34的输入侧来构成各受光单元31。猝熄电阻器33与电源侧连接，雪崩光电二极管32与接地线侧连接以成为反偏压。也将受光单元31称为SPAD(single photon avalanchediode：单光子雪崩二极管)。受光单元阵列30构成为将这样的受光单元31配置为阵列状的硅光电倍增器(SiPM：Silicon Photo Multipliers)。各受光单元31以盖革模式进行动作，若输入从对象物OB反射的光(光子)，则以恒定的概率将表示射入了该光这一情形的脉冲信号输出给加法部40。在本实施方式中，预先设定为受光单元31输出的脉冲信号的第二脉冲宽度PW2是光源20照射的光的脉冲宽度亦即第一脉冲宽度PW1以上的宽度。

加法部40将从受光单元阵列30所包含的多个受光单元31大致同时输出的脉冲信号的数量相加求出加法值。加法部40将求出的加法值输出给直方图生成部50。

直方图生成部50基于从加法部40输出的加法值而生成直方图。在图3中示出直方图的例子。直方图的等级(横轴)表示从照射光到接收反射光为止的光的飞行时间。也将该时间称为TOF(TOF：Time Of Flight)。直方图的频数(纵轴)是通过加法部40计算出的加法值，表示从对象物OB反射的光的强度。直方图生成部50通过根据与从光源20照射的脉冲激光的周期同步的记录定时，按预先决定的每一时间间隔记录从加法部40输出的加法值来生成直方图。若在通过光源20照射光的范围存在对象物OB，则与射入来自该对象物OB的反射光的时刻对应的等级的频数较大。换句话说，若在直方图中存在具有较大的频数的等级，则能够基于与该等级对应的时刻，计算到对象物OB的距离。此外，也可以在生成一个直方图时，多次照射光并对频数进行累计。由此，能够使SN比提高。

峰值检测部60(图1)根据直方图检测峰值形状的结束点tpk(图3)。在本实施方式中，峰值是指具有超过预先决定的阈值的频数的等级。峰值形状是指大致抛物线的形状，是相邻的峰值的集合。如图3所示，在峰值形状中，峰值形状的结束点tpk是随着时间经过而增加的频数马上降低之前的等级的位置。

距离计算部70使用从与峰值形状的结束点tpk对应的时刻减去相当于第二脉冲宽度PW2的时间后的时刻tin，计算到对象物OB为止的距离。具体而言，将从时刻tin减去照射光的时刻t0后的时间设为“Δt”，若将光速设为“c”，并将到对象物OB为止的距离设为“D”，则距离计算部70通过以下的式(1)，计算到对象物OB为止的距离D。距离计算部70将计算出的距离D例如输出给车辆的ECU。车辆的ECU基于该距离，进行障碍物的检测、车辆的驾驶辅助。

D＝(Δt×c)/2···式(1)

在图4示出使对受光单元阵列30的光的射入强度变化为三个阶段而生成直方图的例子。如图4所示，在直方图中，光的射入强度越大，从光的射入定时tin紧后频数越增大。这是因为若光的射入强度增大则从受光单元阵列30中的各受光单元31大致同时输出脉冲信号的可能性提高，加法值增大。与此相对，在光的射入强度较小的情况下，从受光单元阵列30大致同时输出脉冲信号的概率降低，因此直方图整体的频数变小。在各受光单元31射入光的定时tin相同的情况下，最初从各受光单元31输出的脉冲信号的下降的定时也一致，所以不管光的射入强度如何峰值的结束点tpk的位置都一致。

在本实施方式中，如图3所示，基于从峰值形状的结束点tpk减去相当于第二脉冲宽度PW2的时间后的时刻tin，计算距离D。如上述那样，从受光单元31输出的脉冲信号的第二脉冲宽度PW2是从光源20照射的光的第一脉冲宽度PW1以上的宽度(PW2≥PW1)。因此，随着射入光的射入从受光单元31输出的脉冲信号的脉冲宽度(第二脉冲宽度PW2)总是与从对象物OB反射并射入受光单元31的射入光的脉冲宽度(第一脉冲宽度PW1)相等或更长。其结果为，若从与峰值形状的结束点tpk对应的时刻减去相当于第二脉冲宽度PW2的时间，则该时刻必定成为光的射入定时tin。如图4所示，该光的射入定时tin与峰值形状的结束点tpk同样地，不会根据光的射入强度而变动。因此，根据本实施方式，能够准确地求出对受光单元31的光的射入时刻tin。其结果为，即使对象物OB的反射率、干扰光对光射入光测距装置10的强度给予影响，也能够使用光的射入时刻tin准确地测定到对象物OB为止的距离D。

B.第二实施方式：

在上述实施方式中，如图3以及图4所示，对在直方图出现一个峰值形状的例子进行了说明。但是，如图5所示，有在直方图中由于干扰光等的影响而出现多个峰值形状的情况。因此，在第二实施方式中，峰值检测部60根据通过直方图生成部50生成的直方图，检测多个峰值形状，并分别根据这些峰值形状，检测峰值形状的结束点tpk。然后，距离计算部70使用多个峰值形状中的峰值形状的宽度也就是峰值形状所包含的等级的数量比其它的峰值形状大的峰值形状的结束点，计算到对象物OB为止的距离。例如，距离计算部70也可以使用多个峰值形状中的具有最大的宽度的峰值形状的结束点来计算到对象物OB为止的距离。这样一来，通过使用比其它峰值形状的宽度大的宽度的峰值形状的结束点tpk来计算距离，能够抑制基于由于干扰光等的影响而产生的峰值来计算距离这一情形。此外，距离计算部70也可以根据多个峰值形状分别求出距离，并将各个距离输出给车辆的ECU。该情况下，ECU基于规定的基准从被输入的多个距离中判断真正的距离。例如，ECU也可以将最接近上一次输入的距离的距离判断为真正的距离。

C.第三实施方式：

在上述实施方式中，峰值检测部60通过对预先决定的阈值与直方图的频数进行比较检测峰值形状。与此相对，在第三实施方式中，峰值检测部60通过对直方图的形状与预先决定的形状进行对比来进行峰值形状的检测。具体而言，如图6所示，峰值检测部60预先在存储器存储预先决定的呈现典型的峰值形状的模板数据，并使用该模板数据，通过公知的模板匹配法，检测直方图中与模板数据相似的部分，并将该部分判断为峰值形状。由此，能够抑制基于由于干扰光等的影响而产生的峰值来计算距离。

D.第四实施方式：

第四实施方式的光测距装置10具备调整部80(图7、9、10)以使第一脉冲宽度PW1与第二脉冲宽度PW2总是成为PW2≥PW1的关系。调整部80具有以下述方式进行调整的功能：根据从受光单元31输出的脉冲信号测定第二脉冲宽度PW2，并基于该测定结果，变更第一脉冲宽度PW1以及第二脉冲宽度PW2的至少一者，以便第二脉冲宽度PW2在第一脉冲宽度PW1以上。调整部80既可以通过电路构成，也可以通过软件构成。

在图7示出调整部80的第一方式。图7所示的调整部80a通过变更与受光单元31所包含的受光元件(雪崩光电二极管32)连接的猝熄电阻的电阻值Rq，来进行第二脉冲宽度PW2的调整。具体而言，调整部80a具备脉冲宽度测定器81，并且，代替猝熄电阻器33而具备由晶体管(FET)等构成的猝熄电阻电路82。如公知的那样，晶体管具有漏极电流与施加给栅极的栅极电压Vg成比例地可变的线性区域。因此，通过调整施加给晶体管的栅极电压Vg，能够将猝熄电阻电路82作为电压控制可变电阻元件进行处理。脉冲宽度测定器81以规定的取样周期检测从受光单元31输出的脉冲信号的上升的定时和下降的定时，并计算它们之间的经过时间作为第二脉冲宽度PW2。脉冲宽度测定器81以计算出的第二脉冲宽度PW2在从光源20照射的光的第一脉冲宽度PW1以上的方式，变更施加给猝熄电阻电路82的栅极电压Vg，变更猝熄电阻电路82的电阻值Rq。

图8示出构成受光单元31的逆变器电路34的输入电压与输出电压的关系。在图8的上部示出逆变器电路34的输入电压V1的时间变化，在下部示出逆变器电路34的输出电压V1out的时间变化。若光射入至以盖革模式进行动作的雪崩光电二极管32，则逆变器电路34的输入电压V1从施加给受光单元31的偏置电压Vb急剧下降至击穿电压Vbd。这样一来，逆变器电路34的输出电压V1out从低电平上升至高电平。其后，逆变器电路34的输入电压V1逐渐恢复至偏置电压Vb。在该恢复中，若逆变器电路34的输入电压V1超过逆变器电路34的阈值电压THinv，则来自逆变器电路34的输出电压V1out从高电平下降至低电平。在这样动作的受光单元31中，若通过图7所示的调整部80a变更猝熄电阻Rq，则变更逆变器电路34的输入电压V1从击穿电压Vbd恢复的速度，随之变更逆变器电路34的输出电压V1out的脉冲宽度(第二脉冲宽度PW2)。调整部80a通过像这样调整第二脉冲宽度PW2，即使在由于激光二极管元件21、受光单元31的温度依赖特性而第一脉冲宽度PW1或者第二脉冲宽度PW2变动的情况下，也能够自动地进行控制以使这些脉冲宽度保持恒定的关系(PW2≥PW1)。

在图9示出调整部80的第二方式。图9所示的调整部80b通过变更受光单元31为了生成脉冲信号而与从受光单元31所包含的受光元件(雪崩光电二极管32)输出的信号进行比较的阈值，来进行脉冲宽度的调整。具体而言，调整部80b具备脉冲宽度测定器81，并且，代替逆变器电路34而具备比较器电路83。在比较器电路83输入有从雪崩光电二极管32输出的电压V1，更具体而言是猝熄电阻器33与雪崩光电二极管32的连接点的电压V1。然后，比较器电路83对该电压V1与从脉冲宽度测定器81输出的基准电压Vth进行比较，若比较的结果是电压V1比基准电压Vth低，则使来自比较器电路83的输出电压Vout为高电平，若电压V1比基准电压Vth高，则使来自比较器电路83的输出电压Vout为低电平。调整部80b通过像这样通过脉冲宽度测定器81使输入到比较器电路83的基准电压Vth可变，即使在由于激光二极管元件21、受光单元31的温度依赖特性而第一脉冲宽度PW1和第二脉冲宽度PW2变动的情况下，也能够自动地进行控制以使这些脉冲宽度保持恒定的关系(PW2≥PW1)。

在图10示出调整部80的第三方式。图10所示的调整部80c具备脉冲宽度测定器81，脉冲宽度测定器81与驱动激光二极管元件21的驱动电路84连接。驱动电路84是设置于光源20并生成第一脉冲宽度PW1的光的电路。脉冲宽度测定器81若测定出第二脉冲宽度PW2，则以第二脉冲宽度PW2在第一脉冲宽度PW1以上的方式控制驱动电路84以调整第一脉冲宽度PW1，更具体而言调整第一脉冲信号的下降的定时。通过这样的调整部80c，在由于激光二极管元件21、受光单元31的温度依赖特性而第一脉冲宽度PW1和第二脉冲宽度PW2变动的情况下，也能够自动地进行控制以使这些脉冲宽度保持恒定的关系(PW2≥PW1)。

在本实施方式中，也可以通过组合第一调整部80a、第二调整部80b、第三调整部80c中的两个以上来构成调整部80。换句话说，调整部80也可以通过调整受光单元31的猝熄电阻、比较器电路83的基准阈值以及基于驱动电路84的第一脉冲信号的下降定时中的两个以上，来进行控制以使第二脉冲宽度PW2在第一脉冲宽度PW1以上。

E.其它的实施方式：

(E－1)在图11示出受光单元31的其它的构成。在上述实施方式中，如图2所示，雪崩光电二极管32与接地线侧连接，猝熄电阻器33与电源侧连接。与此相对，图11所示的受光单元31b的雪崩光电二极管32与电源侧连接以成为反偏压，猝熄电阻器33与接地线侧连接。而且，在雪崩光电二极管32与猝熄电阻器33的连接点连接有缓冲电路36。

在图12示出构成受光单元31b的缓冲电路36的输入电压V2与输出电压V2out的关系。如图12所示，与图2所示的受光单元31相同，也能够通过图11所示的受光单元31b，生成脉冲信号。另外，若使用晶体管等使猝熄电阻器33构成为可变电阻，则与使用上述的图7、8说明的第四实施方式同样地，能够调整第二脉冲宽度PW2。

(E－2)在上述实施方式中，光测距装置10具备多个受光单元31。但是，光测距装置10也可以仅具备一个受光单元31。该情况下，为了在直方图产生良好的峰值形状，优选在生成一个直方图时，多次照射光并累计频数。

(E－3)在上述实施方式中，各图所示的第二脉冲信号是高态有效信号(正脉冲)，但第二脉冲信号也可以是低态有效信号(负脉冲)。

本公开并不限定于上述的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种构成实现。例如，为了解决上述的课题的一部分或者全部，或者，为了实现上述的效果的一部分或者全部，实施方式中的技术特征能够适当地进行替换、组合。另外，若该技术特征在本说明书中未作为必需的特征进行说明，则能够适当地删除。

Claims (8)

1.一种光测距装置，其中，

该光测距装置(10)具备：

光源(20)，其向对象物照射第一脉冲宽度的光；

受光单元(31)，其输出宽度为上述第一脉冲宽度以上的第二脉冲宽度的脉冲信号，其中，该第二脉冲宽度的脉冲信号是表示射入了从上述对象物反射的光这一情形的脉冲信号；

直方图生成部(50)，其按预先决定的每一时间间隔，记录与从上述受光单元输出的脉冲信号的数量对应的频数而生成直方图；

峰值检测部(60)，其根据上述直方图检测峰值形状的结束点；以及

距离计算部(70)，其使用从与上述峰值形状的结束点对应的时刻减去相当于上述第二脉冲宽度的时间后的时刻，来计算到上述对象物为止的距离。

2.根据权利要求1所述的光测距装置，其中，

上述光测距装置具备多个上述受光单元，

上述光测距装置具备加法部(40)，上述加法部将从多个上述受光单元大致同时输出的上述脉冲信号的数量相加来求出加法值，

上述直方图生成部记录上述加法值作为上述频数并生成上述直方图。

3.根据权利要求1或者权利要求2所述的光测距装置，其中，

上述峰值检测部能够根据上述直方图检测出多个峰值形状，

上述距离计算部使用结束点来计算到上述对象物为止的距离，该结束点是上述多个峰值形状中的峰值形状的宽度比其它峰值形状的宽度大的峰值形状的点。

4.根据权利要求1～权利要求3中任意一项所述的光测距装置，其中，

具备调整部(80)，所述调整部按照如下方式进行调整，测定从上述受光单元输出的脉冲信号的第二脉冲宽度，并基于上述第二脉冲宽度的测定结果，来变更上述第一脉冲宽度以及上述第二脉冲宽度的至少一者的脉冲宽度，以便上述第二脉冲宽度在上述第一脉冲宽度以上。

5.根据权利要求4所述的光测距装置，其中，

上述调整部通过变更与上述受光单元所包含的受光元件连接的猝熄电阻电路的电阻值来进行上述调整。

6.根据权利要求4所述的光测距装置，其中，

上述调整部通过变更阈值来进行上述调整，上述阈值是与为了上述受光单元生成上述脉冲信号而从上述受光单元所包含的受光元件输出的电压进行比较的数值。

7.根据权利要求4所述的光测距装置，其中，

上述调整部通过控制上述光源所具备的驱动电路来进行上述调整，上述驱动电路生成上述第一脉冲宽度的光。

8.根据权利要求1～权利要求7中任意一项所述的光测距装置，其中，

上述峰值检测部对上述直方图的形状与预先决定的形状进行对比来检测上述峰值形状。

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