光學測距裝置製造方法
2023-06-10 08:00:51 5
光學測距裝置製造方法
【專利摘要】本發明提供一種與測量對象物的反射光強度無關的高精度的TOF方式的光學測距裝置。包括：發出測距光的光源；使測距光在測量對象物上掃描的反射角度可變反射鏡；接收測距光的來自測量對象物的反射光的受光單元；檢測由受光單元獲得的受光信號的光量接收部；基於檢測到的反射光檢測受光單元的受光靈敏度的設定目標值或設定受光單元的受光靈敏度的放大率控制部；和根據檢測到的發光信號檢測測距光的飛行時間計算與測量對象物間的距離的距離計算部，放大率控制部在第一掃描期間中基於檢測到的反射光的光量檢測受光單元的設定目標值，在第二掃描期間中將受光單元的靈敏度設定為第一掃描期間的設定目標值，由距離計算部計算與測量對象物間的距離。
【專利說明】光學測距裝置
【技術領域】
[0001] 本發明涉及對測量對象物照射雷射等測距光，接收來自測量對象物的反射光進行 與對象物間的距離測量的光學測距裝置，尤其涉及受光電路結構和測距控制方法。
【背景技術】
[0002] 現有技術中，作為距離測量方法之一已知TOF (Time of Flight，飛行時間）方式 的距離測量方法，採用了對測距對象照射雷射並且接收來自對象物的雷射反射光的結構， 通過求取雷射的照射時刻與雷射反射光的受光時刻的時間差而求出與對象物間的距離（該 測距裝置與對象物間的距離)。在這樣的雷射測距裝置中，需要高靈敏度地接收反射雷射， 因此受光元件中有時採用被稱為APD (Avalanche Photo Diode，雪崩光電二極體）的高靈 敏度光電二極體。
[0003] APD是利用被稱作雪崩倍增的現象來提高受光靈敏度的光電二極體，但倍增率會 隨溫度變化而產生較大的變化，可能會出現產生距離檢測誤差的情況。專利文獻1中公開 了一種為了減小檢測誤差而對APD的受溫度變化影響的倍增率進行控制以進行溫度補償 的光學測距裝置的技術。
[0004] 現有技術文獻
[0005] 專利文獻
[0006] 專利文獻1 :日本特開2010-286448號公報
【發明內容】
[0007] 發明要解決的技術問題
[0008] 根據專利文獻1，因為對APD的受溫度變化影響的倍增率進行控制和補償，所以能 夠減小光學測距裝置的檢測誤差。但是，在測量對象物的反射率不同的情況下反射光的強 度不同，所以即使是相同距離，對於反射率不同的對象物也難以實現較高的距離測量精度。
[0009] 此外，為了將受光元件的微弱信號放大而在後端電路使用了放大器，但放大器會 導致產生偏移量（of f set，失調)。為了消除該偏移量可使用電容器等元件，但是偏移量電平 (offset level，失調電平）會因反射光的強度而變動，在比較受光信號的電壓與參考電壓 而輸出脈衝的電路結構中，存在對距離測量精度影響較大的問題。因此出現了需要在輸入 後端放大器前的階段使受光信號電平一致以抑制受光強度差這一技術問題。
[0010] 解決問題的技術手段
[0011] 為解決上述技術問題，本發明的光學測距裝置，對測量對象物照射測距光，接收來 自測量對象物的反射光來測量其與測量對象物間的距離，其包括：發出測距光的光源；使 上述測距光在測量對象物上掃描的反射角度可變反射鏡；接收上述測距光的來自測量對象 物的反射光的受光單元；檢測通過上述受光單元獲得的受光信號的光量接收部；放大率控 制部，基於由上述光量接收部檢測到的反射光的光量檢測上述受光單元的受光靈敏度的設 定目標值，或設定上述受光單元的受光靈敏度；和距離計算部，根據由上述光量接收部檢測 到的發光信號檢測測距光的飛行時間，計算與測量對象物間的距離，在第一掃描期間中，上 述放大率控制部基於由上述光量接收部檢測到的反射光的光量檢測上述受光單元的設定 目標值，在第二掃描期間中，上述放大率控制部將上述受光單元的靈敏度設定為上述第一 掃描期間中檢測到的設定目標值，由上述距離計算部計算與測量對象物間的距離。
[0012] 並且，上述光量接收部還包括放大部和/或偏移量消除部，或者上述放大率控制 部包括微分電路。
[0013] 發明效果
[0014] 根據本發明能夠提供與測量對象物的反射率無關的高精度的光學測距裝置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖la是說明本發明的距離測量原理的圖。
[0016] 圖lb是說明本發明的距離測量的動作時序的圖。
[0017] 圖2是表示本實施例的結構的圖。
[0018] 圖3是表示APD各溫度的偏置電壓（bias voltage)與倍增率的關係的圖。
[0019] 圖4是表示光量接收部6的結構的圖。
[0020] 圖5是表示光量接收部6的詳細電路結構的圖。
[0021] 圖6是表示使用放大器構成電流電壓轉換部61的結構的圖。
[0022] 圖7a是表示反射率不同的對象物的一例的圖。
[0023] 圖7b是說明來自反射率不同的對象物的受光強度的狀態的圖。
[0024] 圖8a是表示反射率不同的對象物的受光控制結構的圖。
[0025] 圖8b是表示受光單元3、光量接收部6、脈衝生成部10的輸出信號的變化的圖。
[0026] 圖9是表示從光量接收部3到放大率控制部7的結構的圖。
[0027] 圖10是表示放大率控制部的電路結構的圖。
[0028] 圖11是表示讀取期間和偏置電壓控制期間的偏置電壓Vij (η)的控制方法的圖。
[0029] 圖12是表示其他實施例的結構的圖。
[0030] 圖13是表示其他實施例的放大率控制部7的結構的圖。
[0031] 符號說明
[0032] 1 雷射光源
[0033] 2 反射角度可變反射鏡
[0034] 3 受光單元
[0035] 4 反射鏡驅動部
[0036] 5 雷射光源驅動部
[0037] 6 光量接收部
[0038] 7 放大率控制部
[0039] 8 同步信號生成部
[0040] 9 控制信號生成部
[0041] 10 脈衝生成部
[0042] 11 距離計算部
[0043] 12 雷射模塊
[0044] 13 驅動基板
[0045] 14 對象物
[0046] 61 電流電壓轉換部
[0047] 62 放大部
[0048] 63 偏移量消除部
[0049] 71 微分電路
[0050] 72 目標偏置電壓計算部
[0051] 73 偏置電壓生成部
[0052] 74 雷射強度控制部
[0053] 100反射鏡驅動部控制信號
[0054] 100雷射光源驅動部控制信號
[0055] 102偏置電壓控制信號
[0056] 103雷射脈衝出射時刻信號
[0057] 104雷射控制信號
[0058] 200 同步信號
[0059] 203雷射驅動信號
[0060] 201水平方向驅動信號
[0061] 202垂直驅動信號
【具體實施方式】
[0062] 下面對使用雷射器作為光源，使用AH)作為受光元件的本發明的光學測距裝置的 距離測量原理、結構及其驅動方法的實施例，用附圖進行說明。
[0063] (實施例1)
[0064] 圖la和圖lb是說明本發明的距離測量原理的圖。如圖所示，記載了使用雷射光源 1的光的出射時間與從對象物14反射的光被受光單元3接收的光的受光時間的差進行測 量的TOF (Time of Flight，飛行時間)方式。從雷射光源1出射的光照射到對象物14上。 照射到對象物14上的光發生散射，一部分光被受光單元3檢測到。設該時間差為t[s]，則 根據光速3. 0 X 108 [m]，距離L [m]表不為：
[0065] L[m] =光速 3. 0X108[m] Xt[s]/2 (1)。
[0066] 通過上式進行距離計算實現光學測距裝置。
[0067] 接著，用圖2說明光學測距裝置的結構及其驅動方法。
[0068] 光學測距裝置由雷射模塊12和驅動基板13構成。雷射模塊12包括雷射光源1、 反射角度可變反射鏡2和受光單元3。驅動基板13包括反射鏡驅動部4、雷射光源驅動部 5、光量接收部6、放大率控制部7、控制信號生成部9、脈衝生成部10和距離計算部11。受 光單元3被配置在雷射模塊12的殼體外側，但不限於此，也可以使用透鏡、反射鏡等將其配 置在雷射模塊12內。只要是能夠接收光的結構即可。
[0069] 接著對驅動基板13的動作進行說明。
[0070] 驅動基板13中的控制信號生成部9生成反射鏡驅動部控制信號100、雷射光源驅 動部控制信號101、偏置電壓控制信號102和同步信號200。雷射光源驅動部控制信號101 和同步信號200被輸入到雷射光源驅動部5。雷射光源驅動部5根據輸入的雷射光源驅動 部控制信號101和同步信號200相應地生成雷射驅動信號203,通過雷射驅動信號203的 信號電平及其施加時間來調整雷射光源1的光量。此外，反射鏡驅動部控制信號100和同 步信號200被輸入到反射鏡驅動部4。反射鏡驅動部4根據反射鏡驅動部控制信號100和 同步信號200相應地生成水平方向驅動信號201和垂直驅動信號202。水平方向驅動信號 201和垂直驅動信號202分別控制反射角度可變反射鏡2的水平方向、垂直方向的角度。偏 置電壓控制信號102和同步信號200被輸入到放大率控制部7。放大率控制部7根據偏置 電壓控制信號102和同步信號200相應地對受光單元3施加偏置電壓。
[0071] 通過以上的驅動基板13的電路動作，調整雷射光源1的光量和反射角度可變反射 鏡2的角度使雷射掃描。其中，圖1中只記載了一個雷射光源1，但也能夠使用多個雷射器 進行掃描。
[0072] 另一方面，在受光單元3-側，從對象物14反射並由受光單元3檢測到的信號，被 輸入到光量接收部6和放大率控制部7。光量接收部6的信號被輸入到脈衝生成部10。光 量接收部6進行微小信號的放大。在脈衝生成部10中對輸入信號與參考電壓進行比較，將 模擬信號變換為脈衝。對於脈衝生成部10中生成的脈衝，在距離計算部11中根據其與激 光光源驅動部5的雷射脈衝出射時刻信號103的時間差輸出距離數據。
[0073] 以上是本實施例的距離測量原理、結構及其驅動方法。
[0074] 以下說明APD的特性、檢測信號處理電路、因電路的處理方法而產生的問題和本 實施例的具體的驅動方法。
[0075] 首先說明APD的特性。
[0076] 圖3是表示AH)各溫度下的偏置電壓與倍增率的關係的圖。偏置電壓越高倍增率 越高，從某個偏置電壓起，倍增率急劇增加。相同的偏置電壓下溫度越低倍增率越高。現有 文獻1中為了使倍增率固定，通過偏置電壓來控制APD的因溫度引起的倍增率的變化。
[0077] 接著說明檢測信號處理電路。
[0078] 圖4是表示光量接收部6的結構的圖。
[0079] 光量接收部6包括將因受光單元3的入射光而產生的電流轉換為電壓的電流電壓 轉換部61、使微小的電壓放大的放大部62和消除放大器的偏移量成分的偏移量消除部63。 放大部62和偏移量消除部也可以例如像偏移量消除部一放大部這樣交換順序，還可以像 放大部一偏移量消除部一放大部一偏移量消除部這樣使用多個模塊。根據要求的效果相應 靈活地變更即可。
[0080] 圖5是表示光量接收部6的詳細電路結構的圖。
[0081] 上部分表示電路圖，下下部表示與各位置對應的電壓。
[0082] 該電路採用了利用電阻將從受光單元3流入的電流轉換為電壓，利用放大器62將 微小電壓放大的結構。進而用電容器消除由放大器產生的偏移量成分，最後將電壓放大，對 脈衝生成部10輸出信號。
[0083] 圖6表示了使用放大器構成電流電壓轉換部61的圖。圖5中僅由電阻構成電流 電壓轉換部61，但也可以如圖6所示使用放大器構成。只要是能將電流轉換為電壓的元件 即可。
[0084] 放大部62也可以在反饋電阻上並聯連接電容器用作濾波器。此外，偏移量消除部 63也可以不僅使用電容器，還使用電阻形成高通濾波器。電流電壓轉換部61、放大部62、偏 移量消除部63隻要是滿足各自功能的結構，則也可以附加濾波功能等提高性能的功能。
[0085] 接著對因電路處理方法產生的問題進行說明。
[0086] 圖7a和圖7b是表示因電路處理方法而產生的問題的圖。
[0087] 圖7a是在相同距離下對反射率不同的對象物14從雷射模塊12照射光的圖，圖7b 是表示受光單元3從對象物14檢測到的光（以下稱為回歸光）的受光強度的圖。
[0088] 如圖7b所示，反射率高的波形與反射率低的波形的檢測波形不同，所以在與基準 電壓進行比較而輸出脈衝時會產生時間差。除了因受光強度引起的移位（即偏差）之外，後 端使用的放大器的偏移量電平因受光強度而不同，所以會進一步產生脈衝的移位。
[0089] 接著，以下表示因後端的放大器而產生的問題。
[0090] 圖8a和圖8b是表示受光單元3、光量接收部6、脈衝生成部10的結構和各自的輸 出信號的推移(變化)的圖。圖8a的A表不受光單兀3的輸出，B表不光量接收部6的輸出， C表示脈衝生成部10的輸出。脈衝生成部10比較輸入信號與基準電壓進行脈衝變換。A、 B、C的各脈衝中，開始出射時對應於來自反射率高的面的回歸光，後半部分對應於來自反射 率低的面的回歸光。
[0091] 此處來自反射率低的面的信號會被作為受光單元3的輸出信號檢測出來，但由於 偏移量電平發生變化而不會從脈衝生成部10輸出。因此可能會出現在反射率低的區域不 能進行距離測量的情況。
[0092] 如上所述，因受光單元3的檢測波形、強度的不同，輸出脈衝會產生偏移，所以需 要在使用受光單元3檢測光的階段使受光電平（light receiving level)-致。作為示例 表示了相同距離下反射率不同的情況，但上述問題不限於該情況，在存在光量差的情況下 就會產生。例如距離不同的情況下光量也會不同因而該問題也會發生。
[0093] 接著說明本發明的具體的驅動方法。本說明中記載這樣的方法，即，對從受光單元 3導入的信號進行微分，基於信號的微分值控制偏置電壓，調整受光單元3的受光電平。
[0094] 圖9是表示偏置電壓控制流程的圖。此處以使反射角度可變反射鏡2二維地掃描， 按每一幀控制偏置電壓的情況為例進行說明。
[0095] 首先，偏置電壓控制流程由讀取期間、偏置電壓控制期間構成。在讀取期間中，根 據基於受光單元3的信號計算出的值與所施加的偏置電壓的關係計算下一幀要施加的目 標偏置電壓，將其保存為數據。在偏置電壓控制期間中，對受光單元3施加讀取期間中得到 的目標偏置電壓。
[0096] 圖10是表示放大率控制部的電路結構的圖。其中表示了放大率控制部7的結構。 放大率控制部包括微分電路71、目標偏置電壓計算部72和偏置電壓生成部73。受光單元 3的輸出被輸入到微分電路71，該微分電路71將輸入波形的微分值輸出到目標偏置電壓計 算部72。目標偏置電壓計算部72根據微分電路71的輸出信號、目標微分值和偏置電壓計 算目標偏置電壓生成信號。目標電壓生成部73在偏置電壓控制期間生成與目標偏置電壓 生成信號對應的偏置電壓。
[0097] 此處設圖10中的目標微分值為A,偏置電壓值為Vij (η),目標偏置電壓為Vij (n+1)。i,j表示解析度，i表示列編號，j表示行編號，η表示巾貞數。即Vi j (η)表示對i列 j行照射雷射時的第η幀的偏置電壓。目標偏置電壓計算部72也可以用AD轉換器將輸入 信號轉換為數字值，用該值計算目標偏置電壓生成信號，或者也可以僅使用輸入信號的最 大值進行計算。
[0098] 圖11是表示讀取期間和偏置電壓控制期間中的偏置電壓Vij (η)的控制方法的 圖。縱列表示偶數幀即讀取期間、奇數幀即偏置電壓控制期間中的偏置電壓，橫軸表示i列 的值。
[0099] 首先在第（η)幀對每一列都施加固定的偏置電壓。接著在第（n+1)幀施加基於第 (η)幀的施加電壓由放大率控制部7生成的偏置電壓。在第（n+2)幀的讀取期間，可以使用 固定電壓，也可以使用第（n+1)幀的電壓。
[0100] 在上述實施例中按每一幀進行控制，每隔一幀設置偏置電壓控制期間，能夠正確 地測定每一點的數據，解析度較高。但由於每兩幀進行一次控制，所以響應速度減半。
[0101 ] 對於要求響應速度的應用也可以按每行或每個像素進行控制。例如也可以將在第 j行(或i列）讀取的數據作為偏置電壓對第j+Ι行(或i+ι列）施加。該情況下解析度為 i*j/2 (或i/2*j)，因為按每一幀施加最佳的偏置電壓，所以適合要求響應速度的應用。
[0102] (實施例2)
[0103] 用圖12說明本發明的第二實施例。本實施例與實施例1不同，對光源1的強度進 行控制，調整受光單元3的受光電平。
[0104] 圖12是表示實施例2的結構的圖。與實施例1的不同點在於，將放大率控制部7 的輸出即雷射強度控制信號104輸入到雷射光源驅動部5中。以下用圖13說明實施例2 中的放大率控制部7的結構。
[0105] 圖13是表示實施例2中的放大率控制部7的結構的圖。與實施例1的不同點在 於追加了雷射強度控制部74這一點。雷射強度控制部74根據目標偏置電壓生成信號生成 使雷射光源驅動部5工作的信號。
[0106] 雷射強度控制部74可以對雷射光源驅動部5發送要附加的信號控制電流，也可以 控制光源1的陽極的施加電壓。此外還可以用雷射強度控制部74生成與目標偏置電壓生 成信號相應的電流。只要是能控制雷射強度的方式即可。
[0107] 此外也可以不僅控制雷射強度，同時還可以控制受光單元3的偏置電壓。只要能 調整受光單元3的受光電平，也可以使用多種措施。
[0108] 上述實施例中描述了受光單元3是APD的情況，但只要能夠從外部調整受光單元 的放大率即可，換言之，受光單元3隻要是能夠調整靈敏度的受光傳感器即可，不限於APD。
【權利要求】
1. 一種光學測距裝置，對測量對象物照射測距光，接收來自測量對象物的反射光來測 量其與測量對象物間的距離，其特徵在於，包括： 發出測距光的光源； 使所述測距光在測量對象物上掃描的反射角度可變反射鏡； 接收所述測距光的來自測量對象物的反射光的受光單元； 檢測通過所述受光單元獲得的受光信號的光量接收部； 放大率控制部，基於由所述光量接收部檢測到的反射光的光量檢測所述受光單元的受 光靈敏度的設定目標值，或設定所述受光單元的受光靈敏度；和 距離計算部，根據由所述光量接收部檢測到的發光信號檢測測距光的飛行時間，計算 與測量對象物間的距離， 在第一掃描期間中，所述放大率控制部基於由所述光量接收部檢測到的反射光的光量 檢測所述受光單元的設定目標值， 在第二掃描期間中，所述放大率控制部將所述受光單元的靈敏度設定為所述第一掃描 期間中檢測到的設定目標值，由所述距離計算部計算與測量對象物間的距離。
2. 如權利要求1所述的光學測距裝置，其特徵在於： 所述反射角度可變反射鏡使測距光二維掃描， 所述第一掃描期間和第二掃描期間按所述二維掃描的掃描幀切換。
3. 如權利要求1所述的光學測距裝置，其特徵在於： 所述反射角度可變反射鏡使測距光二維掃描， 所述第一掃描期間和第二掃描期間按所述二維掃描的掃描線切換。
4. 如權利要求1所述的光學測距裝置，其特徵在於： 所述反射角度可變反射鏡使測距光一維掃描， 所述第一掃描期間和第二掃描期間按所述一維掃描的掃描線切換。
5. 如權利要求1所述的光學測距裝置，其特徵在於： 所述反射角度可變反射鏡使測距光一維掃描， 所述第一掃描期間和第二掃描期間按所述一維掃描的掃描線的規定的解析度切換。
6. 如權利要求1?5中任一項所述的光學測距裝置，其特徵在於： 所述光量接收部包括放大部和/或偏移量消除部。
7. 如權利要求1?5中任一項所述的光學測距裝置，其特徵在於： 所述放大率控制部包括微分電路。
8. 如權利要求1?7中任一項所述的光學測距裝置，其特徵在於： 所述受光單元是雪崩光電二極體。
9. 如權利要求1?7中任一項所述的光學測距裝置，其特徵在於： 所述光源是雷射器。
10. 如權利要求9所述的光學測距裝置，其特徵在於： 所述雷射器的波長處於紅外波段。
【文檔編號】G01S17/08GK104101880SQ201410133953
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年4月3日 優先權日:2013年4月5日
【發明者】山本將史, 瀬尾欣穗 申請人:日立麥克賽爾株式會社