JP6539990B2 - Optical flight type distance measuring device - Google Patents
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本発明は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の変調スイッチにより振り分けて複数の蓄積容量に蓄積し、サンプリングした値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する光飛行型測距装置に関する。 According to the present invention, modulated light modulated in a pattern having a repetitive cycle is emitted in space, charges corresponding to incident light including reflected light reflected by the modulated light are divided by a plurality of modulation switches, and stored in plural. The present invention relates to an optical flight distance measuring apparatus which calculates a distance from an own apparatus to an object by using a value stored in a capacity and sampled.
自装置から対象物までの距離を非接触で計算する測距装置として、光飛行(TOF:Time of Flight)型測距装置が供されている。光飛行型測距装置は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光(測距光)を空間に発光し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光を受光する。そして、光飛行型測距装置は、受光した入射光に応じた電荷を複数の変調スイッチにより振り分けて複数の蓄積容量に蓄積し、サンプリングした値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する(例えば特許文献1〜4参照)。
A TOF (Time of Flight) type distance measuring device is provided as a distance measuring device which calculates the distance from the own device to an object without contact. The optical flight type distance measuring apparatus emits modulated light (ranging light) modulated in a pattern having a repetitive cycle to space, and receives incident light including reflected light which is reflected by the object. Then, the optical flight type distance measuring apparatus distributes the charge corresponding to the received incident light by the plurality of modulation switches, accumulates the charge in the plurality of storage capacitors, and calculates the distance from the own apparatus to the object using the sampled values. (See, for example,
光飛行型測距装置においては、自装置から対象物までの距離が近かったり対象物が高反射率の物体であったりすると、強い強度の反射光を受光する。一方、自装置から対象物までの距離が遠かったり対象物が低反射率の物体であったりすると、弱い強度の反射光しか受光しない。そのため、光飛行型測距装置においては、大きなダイナミックレンジ(例えば80dB以上)が要求される。特に車載等の場合には、自装置及び対象物(人、車両、壁等)のうち少なくとも何れかが移動している状況で、自装置から対象物までの距離が近ければ、対象物への衝突を回避するために距離を頻繁に計算する(フレームレートを高める)ことが要求される。即ち、大きなダイナミックレンジと高いフレームレートとを両立させる必要がある。 In the optical flight type distance measuring apparatus, when the distance from the own apparatus to the object is short or the object is an object having a high reflectance, the reflected light of high intensity is received. On the other hand, when the distance from the own apparatus to the object is long or the object is an object with low reflectance, only reflected light of weak intensity is received. Therefore, a large dynamic range (for example, 80 dB or more) is required in the optical flight distance measuring apparatus. Particularly in the case of on-vehicle etc., if at least one of the own device and the object (person, vehicle, wall, etc.) is moving, if the distance from the own device to the object is short, Frequent calculations of the distance (increasing the frame rate) are required to avoid collisions. That is, it is necessary to make a large dynamic range and a high frame rate compatible.
通常の画素では80dB以上のダイナミックレンジを実現することは難しく、多重露光(多数回の露光)を行う必要がある。ところが、多重露光をシリーズで行うと、露光時間が長くなってしまい、動きのある対象物に対する追従性が劣化する問題が発生する。この点に関し、面内で複数の画素をグループ分けし、グループ毎に露光時間を変える方法が開示されている(例えば非特許文献1、2参照)。図31及び図32に示すように、受光素子101がPD(Photodiode)102と、2個の変調スイッチ103a,103bと、2個の蓄積容量104a,104bとを有する構成であり、4位相測距を行う場合を一例として説明する。この場合、図33に示すように、例えば画素Aのグループが1000回の駆動を繰り返して長時間露光を行い、画素Bのグループが100回の駆動を繰り返して短時間露光を行うことで、ダイナミックレンジを20dB拡張することができる。
It is difficult to achieve a dynamic range of 80 dB or more with ordinary pixels, and it is necessary to perform multiple exposure (multiple exposures). However, when multiple exposures are performed in series, the exposure time becomes long, which causes a problem that the followability to a moving object is deteriorated. In this regard, a method of grouping a plurality of pixels in a plane and changing the exposure time for each group is disclosed (see, for example, non-patent
しかしながら、上記した非特許文献1、2に開示されている方法は、隣接し合う画素Aと画素Bとが同じ反射光を受光していることが前提となる。そのため、受光素子に光を集めるためのレンズの設計が難しくなる。このレンズの設計が上記した前提条件を満たせない場合には、画素の配置に依存した固定パターンが発生してしまう。又、画素Aのグループと画素Bのグループとが行毎に分割されずに同じ行に配置されている(共存する)構成では、配線が複雑化するという問題がある。
However, in the methods disclosed in the above-mentioned
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、反射光の受光状況や受光光学系の設計や画素の配置の制約を受けることなく、ダイナミックレンジを適切に拡張することができる光飛行型測距装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is to appropriately expand the dynamic range without being restricted by the receiving condition of the reflected light, the design of the light receiving optical system, and the arrangement of the pixels. It is an object of the present invention to provide an optical flight type distance measuring apparatus which can
請求項1に記載した発明によれば、発光素子は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する。駆動手段は、発光素子を駆動する。受光素子は、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の変調スイッチにより振り分けて複数の蓄積容量に蓄積する。制御手段は、複数の変調スイッチの駆動を制御する。測距値取得手段は、受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する。 According to the first aspect of the present invention, the light emitting element emits the modulated light modulated in the pattern having the repetition period to the space. The driving means drives the light emitting element. The light receiving element distributes the charges according to the incident light including the reflected light obtained by the modulated light reflected by the object by the plurality of modulation switches, and accumulates the charges in the plurality of storage capacitors. The control means controls driving of the plurality of modulation switches. The distance measurement value acquisition means calculates the distance from the own device to the object using the value sampled by the light receiving element to acquire the distance measurement value.
制御手段は、基本露光期間を複数のサブ露光期間に分割するように複数の変調スイッチの駆動を制御し、複数のサブ露光期間が1巡する1巡期間内ではサブ露光期間内に蓄積された電荷をリセットせずに保持し、基本露光期間での基本露光パターンとして、前記2つの変調スイッチのうち一方を駆動する制御信号がHであり且つ他方を駆動する制御信号がLである期間を1と定義すると共に、一方を駆動する制御信号がLであり且つ他方を駆動する制御信号がHである期間を−1と定義し、サブ露光期間でのサブ露光パターンとして、1の期間と−1の期間とが180度位相がずれるように1の期間及び−1の期間をそれぞれn(nは2以上の自然数)分割し、1及び−1の何れでもない期間に0を挿入する。測距値取得手段は、1巡期間内に蓄積された電荷の電荷量から短時間露光の測距値を取得すると共に、複数回の1巡期間内に蓄積された電荷の電荷量を積算して長時間露光の測距値を取得する。
Control means controls the driving of the plurality of modulated switches the split to so that a plurality of sub-exposure periods the basic exposure period, accumulation in the sub exposure period in a plurality of sub-exposure periods in the one-
即ち、複数の画素を長時間露光のグループと短時間露光のグループとにグループ分けてそれぞれ長時間露光の測距値と短時間露光の測距値とを取得する従来とは異なり、基本露光期間を複数のサブ露光期間に分割することで、1つの画素(同じ画素)から長時間露光の測距値と短時間露光の測距値との両方を取得するようにした。これにより、反射光の受光状況や受光光学系の設計や画素の配置の制約を受けることなく、ダイナミックレンジを拡張することができる。特に自装置及び対象物のうち少なくとも何れかが移動する車載等の場合に好適となる。 That is, unlike the prior art in which a plurality of pixels are grouped into a long exposure group and a short exposure group to obtain a long distance exposure value and a short distance exposure value, respectively, the basic exposure period Is divided into a plurality of sub-exposure periods, so that both a long-distance distance measurement value and a short-time distance measurement value can be obtained from one pixel (the same pixel). As a result, the dynamic range can be expanded without being restricted by the receiving condition of the reflected light, the design of the light receiving optical system, and the arrangement of the pixels. In particular, it is suitable in the case of an on-vehicle in which at least one of the own apparatus and the target moves.
以下、本発明を、例えば車両に搭載可能な車載用の光飛行型測距装置に適用した一実施形態について図面を参照して説明する。自装置からの距離を計算する対象物は、例えば人、車両、壁等である。光飛行型測距装置1は、信号源2と、駆動回路3(駆動手段)と、発光素子4と、制御回路5(制御手段)と、受光素子6と、CM(コモンモード)成分除去回路7と、測距値取得回路8(測距値取得手段)とを有する。測距値取得回路8は、バッファ9a,9bと、差分検出回路10と、AD変換回路11と、デジタル信号処理回路12とを有する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described below with reference to the drawings in which an embodiment of the present invention is applied to, for example, an on-vehicle optical flight distance measuring apparatus that can be mounted on a vehicle. The object for which the distance from the own device is calculated is, for example, a person, a vehicle, a wall or the like. The optical flight type
信号源2は、駆動信号を駆動回路3及び制御回路5に出力することで、発光素子4と受光素子6との間で同期を確立し、発光素子4から発光される変調光に同期して受光素子6の露光を制御する。信号源2から出力される駆動信号は、発光素子4及び受光素子6を駆動する矩形パルス(通常数〜数10MHz)であっても良いし、同期パルスのみであっても良い。発光素子4は、変調光としての例えば赤外光を発光するLD(Laser Diode)やLED(Light Emitting Diode)である。受光素子6は、例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)やCCD(Charge Coupled Device)のプロセスを用いたイメージセンサである。
The
受光素子6は、図2に示すように、PD(Photodiode)13と、2個の変調スイッチ14a,14bと、2個の蓄積容量15a,15bとを有する。2個の変調スイッチ14a,14bは、例えばMOSトランジスタやトランスファゲート等のMOS型のデバイス、CCD構造のデバイス等である。2個の蓄積容量15a,15bは、例えばMOS、CCD、MIM(Metal Insulator Metal)等の容量素子、配線、PN接合の寄生容量等である。受光素子6は、変調スイッチ14a,14bを制御信号(ゲート信号)TG1,TG2により駆動し、受光した入射光により発生する電荷を蓄積容量15a,15bに振り分け、振り分けた電荷の電荷量を示す信号をCM成分除去回路7に出力する。制御信号TG1,TG2は変調光に同期した信号であるので、自装置から対象物までの距離に応じて蓄積容量15a,15bに振り分けられる電荷の電荷量が変化する。図2では、2個の蓄積容量15a,15bを例示したが、3個以上の蓄積容量を設けても良い。
As shown in FIG. 2, the
CM成分除去回路7は、発光している変調光に対して無視できない程度のレベルの背景光が存在する場合に、この背景光に起因して発生する電荷による画素の飽和を回避するものである。CM成分を除去する方法としては、先行文献で様々な技術が開示されている。例えば米国6919549B2号公報、独逸102005056774A1号公報、欧州1622200A1号公報等に開示されている。差分検出回路10は、CM成分除去回路7からバッファ9a,9bを介して入力した信号の差分を検出し、その検出した差分に応じた信号をAD変換回路11に出力する。バッファ9a,9bは、その簡素さから例えばソースフォロア回路により実現される。差分検出回路10は、例えば差動のアンプにより実現される。
The CM
AD変換回路11は、差分検出回路10から入力した信号をアナログ信号からデジタル信号に変換してデジタル信号処理回路12に出力する。デジタル信号処理回路12は、AD変換回路11から入力した信号をデジタル信号処理し、蓄積容量15a,15bに振り分けられた電荷の電荷量から自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する(測距する)。
The
図3は、発光波形のデューティーを50%として4位相測距を行う(受光素子6を4位相で駆動する)場合のシーケンス(変調周期:Tm,露光期間:Tw)である。発光素子4から発光される変調光の波形(発光波形110)は、制御信号TG1,TG2と同期した矩形波で変調している。図3では矩形波で変調した場合を例示しているが、正弦波、三角波又は疑似ランダムシーケンス等の波形で変調しても良い。変調光が対象物で反射した反射光の波形(反射波形120)は、発光波形110に対して時間差を有するので、発光波形110に対して位相差φだけ遅れた波形となる。一方、制御信号TG1,TG2は90度ずつ位相が異なる矩形波で駆動される。デジタル信号処理回路12は、制御信号TG1−1,TG2−1(駆動波形111,121)で駆動するシーケンスを数十〜数十万回程度の周期繰り返した後に、発生した電荷Q1、Q2の情報(電荷電圧変換された電圧値)を取得する。その後、デジタル信号処理回路12は、制御信号TG1−2,TG2−2(駆動波形112、122)で駆動するシーケンスを同様に数十〜数十万回程度の周期繰り返した後に、発生した電荷Q3、Q4の情報を取得する。そして、デジタル信号処理回路12は、取得したQ1〜Q4から離散フーリエ変換(DFT:Discrete Fourier Transform)を用いて位相差θを以下の演算式(1)により計算する。
FIG. 3 shows a sequence (modulation period: Tm, exposure period: Tw) in the case of performing four-phase distance measurement (driving the
θ=tan−1[(Q1−Q3)/(Q2−Q4)]…(1)
演算式(1)は上記4つのサンプリングに基づく位相差の演算式であるが、一般のN位相についても位相差θを以下の演算式(2)により計算することが可能である。
θ = tan −1 [(Q 1 -Q 3) / (Q 2 -Q 4)] (1)
Although the equation (1) is an equation for calculating the phase difference based on the four samplings, it is possible to calculate the phase difference θ according to the following equation (2) even for a general N phase.
θ=tan−1[(ΣQk*sin(2π/N*k))/(ΣQk*cos(2π/N*k))]…(2)
図4は、差動出力のシーケンスである。差分検出回路10は、制御信号TG1,TG2の組み合わせ、例えば制御信号TG1−1(駆動波形111),TG2−1(駆動波形121)を数十〜数十万回繰り返してデジタル値D1(201)を生成する。同様にして、差分検出回路10は、制御信号TG1−2(駆動波形112),TG2−2(駆動波形122)からデジタル値D2(202)を生成し、制御信号TG1−3(駆動波形113),TG2−3(駆動波形123)からデジタル値D3(203)を生成し、制御信号TG1−4(駆動波形114),TG2−4(駆動波形124)からデジタル値D4(204)を生成する。この場合、差分検出回路10は、デジタル値D1〜D4を、DC成分を除去した値として出力する。それぞれのデジタル値D1〜D4について制御信号TG1が「H」であり且つTG2が「L」であるときに「1」を割り当て、制御信号TG1が「L」であり且つTG2が「H」であるときに「−1」を割り当てて記述する。即ち、Dxの波形について値が「1」及び「−1」の何れであるかにより、制御信号TG1,TG2の状態が一意に決定される。尚、このようにDxが2つの蓄積容量15a,15bの差分を示す信号であるので、AD変換回路11は、先述した演算式(1)の分子又は分母に相当する演算が実施された信号を出力する。
θ = tan −1 [(ΣQk * sin (2π / N * k)) / (ΣQk * cos (2π / N * k))] (2)
FIG. 4 is a sequence of differential outputs. The
さて、このような位相型の光飛行型測距装置1においては、[背景技術]で記載したように車載等で使用される場合を想定すると、ダイナミックレンジの拡張が要求される。以下、本発明によるダイナミックレンジを拡張する手法について説明する。
Now, in such a phase-type optical flying
図5は、本発明の概念を示す。本発明は、従来技術の長時間蓄積の期間に相当する基本露光期間を複数のサブ露光期間に分割することで、短時間露光の測距値を取得すると共に、従来技術の露光(長時間露光)と等価な長時間露光の測距値を取得することを特徴とする。図6は、従来の4位相測距の露光を2分割のサブ露光で実現するシーケンスを示し、図7は、そのタイミングチャートを示す。サブ露光1,2をデューティーが25%の波形で駆動し、サブ露光1,2をそれぞれ数十〜数十万回程度同じ回数繰り返し、サブ露光間で電荷をリセットせずに積算することで、従来技術の露光と等価な電荷蓄積を実現する。このように分割した複数のサブ露光期間が1巡する1巡期間内に蓄積された電荷の電荷量から短時間露光の測距値を取得する(高速に更新する)ことができる。又、複数回の1巡期間内に蓄積された電荷の電荷量を積算して長時間露光の測距値を取得することができる。即ち、1つの画素(同じ画素)に蓄積されている電荷(出力値)を読み出すタイミングを工夫することで、1つの画素から短時間露光の測距値と長時間露光の測距値との両方を取得することができ、ダイナミックレンジを拡張することができる。
FIG. 5 illustrates the inventive concept. The present invention divides the basic exposure period corresponding to the long-term accumulation period of the prior art into a plurality of sub-exposure periods to obtain the distance measurement value of the short-time exposure, and to obtain the exposure of the prior art (long-time exposure Long-distance distance measurement equivalent to. FIG. 6 shows a sequence for realizing the conventional four-phase distance measurement exposure with two divisional sub-exposures, and FIG. 7 shows its timing chart. By driving the
図8は、2つのサブ露光から測距値を取得する原理を示す。前提として、前述した図31に示した2容量/4位相測距を行う従来技術とは別に、4容量/4位相測距を行う従来技術がある。従来の4位相測距の露光を2分割のサブ露光で実現する図6のシーケンスと、4容量/4位相測距を行う従来技術のシーケンスとを比較すると、図6に示したサブ露光1は4容量/4位相測距を行うシーケンスの0度−180度の露光に相当し、サブ露光2は4容量/4位相測距を行うシーケンスの90度−270度に相当する。これは、4位相測距の位相差θを計算する以下の演算式(3)の分子と分母に相当する。
FIG. 8 shows the principle of obtaining range values from two sub-exposures. As a premise, there is a prior art for performing 4 capacitance / 4 phase ranging apart from the prior art for performing 2 capacitance / 4 phase ranging shown in FIG. 31 described above. Comparing the sequence of FIG. 6 that realizes the conventional four-phase ranging exposure with two divisional sub-exposures and the sequence of the prior art that performs four-volume / four-phase ranging, sub-exposure 1 shown in FIG. The exposure corresponds to the exposure of 0 degree-180 degrees of the sequence performing 4 volumes / 4 phase ranging, and the
図8は、サブ露光が4位相に基づく場合であったが、一般的なN(Nは自然数)位相についても同様の考え方が成立する。一般的に離散フーリエ変換の演算式は以下の演算式(4)で与えられる。 FIG. 8 shows the case where the sub-exposure is based on four phases, but the same concept holds true for general N (N is a natural number) phase. In general, an arithmetic expression of discrete Fourier transform is given by the following arithmetic expression (4).
従来の4位相測距の露光を2分割のサブ露光で実現する図6のシーケンスにおいて、「0」を実現する方法としては、以下に示す例えば第1から第3の方法がある。
第1の方法では、図9に示すように、変調スイッチ14a,14bを同時にオンする期間、即ち、TG1,TG2の両方が「H」となる期間を設けて「0」を実現する。TG1,TG2の両方が「H」となる期間においてPD13に発生した電荷はQa,Qbに分かれて蓄積容量15a,15bに蓄積され、Qa,Qbは等しい値となる。そのため、この成分はCM成分除去回路7及び差分検出回路10でキャンセルされ、その結果、AD変換回路11は「0」を出力する。
In the sequence of FIG. 6 in which the conventional four-phase distance measurement exposure is realized by two sub-exposures, there are, for example, the following first to third methods as a method of realizing “0”.
In the first method, as shown in FIG. 9, “0” is realized by providing a period in which the modulation switches 14a and 14b are simultaneously turned on, ie, a period in which both TG1 and TG2 are “H”. Charges generated in the
第2の方法では、図10に示すように、変調スイッチ14a,14bとは別の変調スイッチ14cを設け、変調スイッチ14a,14bを同時にオフし且つ別の変調スイッチ14cがオンする期間、即ち、TG1,TG2の両方が「L」となり且つTG3が「H」となる期間を設けて「0」を実現する。このTG1,TG2の両方が「L」となり且つTG3が「H」となる期間においてPD13に発生した電荷は固定電位(例えばVDD)に破棄される。
In the second method, as shown in FIG. 10, a
第3の方法では、図11に示すように、Qa,Qbのうち一方を破棄し、2回分のサンプルを統合して「0」を実現する。即ち、TG2が「H」の期間に蓄積された電荷を破棄する周期と、TG1が「H」の期間に蓄積された電荷を破棄する周期とを統合する。上記した第1の方法ではTG1,TG2の両方を「H」とする期間を設ける必要があり、第2の方法ではTG1,TG2の両方を「L」とする期間を設ける必要があるが、第3の方法は、そのような期間を設ける必要はなく、TG1,TG2を互いに反転する制御を行えば良く、単純な制御で済む利点がある。
In the third method, as shown in FIG. 11, one of Qa and Qb is discarded, and two samples are integrated to realize “0”. That is, the cycle in which TG2 discards the charge accumulated in the "H" period and the cycle in which TG1 discards the charge accumulated in the "H" period are integrated. In the first method described above, it is necessary to provide a period in which both TG1 and TG2 are "H", and in the second method it is necessary to provide a period in which both TG1 and TG2 are "L". The
図12は、従来の4位相測距の露光を4分割のサブ露光で実現するシーケンスを示す。この場合は、サブ露光をデューティーが12.5%の波形で起動することで、従来の8容量/8位相測距と等価になる。図13は、従来の4位相測距の露光を4分割のサブ露光で実現する別のシーケンスを示す。この場合は、サブ露光をデューティーが37.5%の波形で起動する。図12では長時間蓄積のSNR(信号対雑音比(signal-to-noise ratio))を従来技術と同等とするには、露光時間を4倍にする必要があるが、図13では、サブ露光において信号を積分している時間を図12に示すシーケンスよりも長くすることで、露光時間を4倍にする必要がなくSNRを改善することができる。図14は、従来の4位相測距の露光を4分割のサブ露光で実現する更に別のシーケンスを示す。この場合は、サブ露光をデューティーが50%の波形で起動する。図12及び図13では「0」を挿入する制御を行う必要があるが、図14では、同じ露光時間で得られるSNRは図13に示すシーケンスよりも劣るが、「0」を挿入する制御を不要とすることができる。 FIG. 12 shows a sequence for realizing the conventional four-phase distance measurement exposure with four divided sub-exposures. In this case, activating the sub-exposure with a waveform with a duty of 12.5% is equivalent to the conventional 8 capacitance / 8 phase ranging. FIG. 13 shows another sequence for realizing the conventional four-phase ranging exposure with four-division sub-exposure. In this case, the sub-exposure is activated with a 37.5% duty waveform. In FIG. 12, in order to make the SNR (signal-to-noise ratio) of long-term accumulation equal to that of the prior art, the exposure time needs to be quadrupled, but in FIG. By making the time during which the signal is integrated longer than in the sequence shown in FIG. 12, the SNR can be improved without the need to quadruple the exposure time. FIG. 14 shows still another sequence for realizing the conventional four-phase ranging exposure with four-segment sub-exposure. In this case, the sub-exposure is started with a 50% duty waveform. In FIG. 12 and FIG. 13, although it is necessary to perform control to insert "0", in FIG. 14, although SNR obtained in the same exposure time is inferior to the sequence shown in FIG. It can be unnecessary.
図15は、受光素子6の後段である測距値取得回路8の一部を、アナログメモリを用いて構成する回路図を示し、図16は、その動作のタイミングチャートを示す。測距値取得回路8は、受光素子6(PD13、変調スイッチ14a,14b、蓄積容量15a,15b)に、バッファ9a,9b、リセット用のスイッチング素子21a,21b、セレクタ用のスイッチング素子22a,22bが接続されている。これらバッファ9a,9b、スイッチング素子21a,21b、スイッチング素子22a,22bは、例えば電界効果トランジスタ(FET:Field effect transistor)により構成されている。アナログ差動信号処理回路23は、受光素子6から電荷量を差動で読み出し、出力信号をアナログメモリ24及び差分計算回路25に出力する。アナログメモリ24は、アナログ差動信号処理回路23から出力信号を入力すると、その入力した出力信号の出力値を保持し、次の出力信号を入力すると、保持している出力値を含む出力信号を差分計算回路25に出力する。差分計算回路25は、アナログ差動信号処理回路23から入力した出力信号の出力値からアナログメモリ24から入力した出力信号の出力値を差し引いて差分を計算して出力する。即ち、測距値取得回路8は、アナログ差動信号処理回路23から直接出力する出力信号を長時間露光の測距値として出力し、差分計算回路25から出力する出力信号を短時間露光の測距値として出力する。このようなアナログ回路で差分を計算する構成では、後述するデジタル回路で差分を計算する構成と比べ、回路面積の増大やノイズの影響が問題となるが、量子化誤差の影響を抑えることができる。
FIG. 15 shows a circuit diagram of a part of the distance measurement
図17は、受光素子6の後段である測距値取得回路8の一部を、デジタルメモリを用いて構成する回路図を示し、図18は、その動作のタイミングチャートを示す。AD変換回路11は、受光素子6から電荷量を差動で読み出してAD変換し、出力信号をデジタルメモリ31及び差分計算回路32に出力する。デジタルメモリ31は、AD変換回路11から出力信号を入力すると、その入力した出力信号の出力値を保持し、次の出力信号を入力すると、保持している出力値を含む出力信号を差分計算回路32に出力する。差分計算回路32は、AD変換回路11から入力した出力信号の出力値からデジタルメモリ31から入力した出力信号の出力値を差し引いて差分を計算して出力する。即ち、測距値取得回路8は、AD変換回路11から直接出力する出力信号を長時間露光の測距値として出力し、差分計算回路32から出力する出力信号を短時間露光の測距値として出力する。このようなデジタル回路で差分を計算する構成では、前述したアナログ回路で差分を計算する構成と比べ、量子化誤差の影響が問題となるが、回路面積及びノイズの影響を抑制することができる。
FIG. 17 shows a circuit diagram in which a part of the distance measurement
次に、サブ露光の制御及び長時間露光の制御について説明する。
図19は、ローリングリセット及びローリング読み出しを行うタイミングチャートを示す。図19のタイミングチャートでは、どの行も読み出さない時間(露光時間調整用の時間)を設けているので、長時間蓄積の時間は読み出し行数の倍数である必要はない。又、画素毎の容量をもって長時間露光で得られる電荷を蓄積しているので、図15で示したアナログ差動信号処理回路23及びアナログメモリ24や図17で示したAD変換回路11やデジタルメモリ31はカラム毎に設ければ良くなる。
Next, control of sub-exposure and control of long-time exposure will be described.
FIG. 19 shows a timing chart for performing rolling reset and rolling readout. In the timing chart of FIG. 19, since a time during which no row is read (time for exposure time adjustment) is provided, the long-time storage time does not have to be a multiple of the number of read rows. Further, since the charge obtained by long time exposure is accumulated with the capacity for each pixel, the analog differential
図20は、ローリングリセット及びローリング読み出しを行う別のタイミングチャートを示す。前述した図19のタイミングチャートでは、サブ露光のシーケンスをローリングシャッタの露光時間の前後で止めてしまっていたが、周辺の画素に電荷が流れこむ等の影響が起きない場合には、露光をグローバルに同じ駆動波形で実施し、読み出しのみをローリングリセットで実現しても良い。 FIG. 20 shows another timing chart for performing rolling reset and rolling readout. In the timing chart of FIG. 19 described above, the sequence of sub-exposure is stopped before and after the exposure time of the rolling shutter, but if no influence such as charge flow to peripheral pixels occurs, the exposure is globalized. The same drive waveform may be used, and only read may be realized by rolling reset.
図21は、グローバルリセット及びローリング読み出しを行うタイミングチャートを示す。グローバルリセットでは全ての画素の値をメモリに保持する必要があるので、回路規模が増大するが、列毎に露光の同時性が担保されないことに伴う問題(所謂フォーカルプレーン歪み)を抑制することができる。 FIG. 21 shows a timing chart for performing global reset and rolling readout. In global reset, it is necessary to hold the values of all the pixels in the memory, so the circuit scale increases, but it is possible to suppress the problem (so-called focal plane distortion) associated with not being able to secure simultaneousness of exposure for each row. it can.
図22は、グローバルリセット及びローリング読み出しを行う別のタイミングチャートを示す。長時間蓄積についてはグローバルシャッタとし、短時間蓄積についてはローリングシャッタとすることで、長時間蓄積側についてはほぼフォーカルプレーン歪みのない出力を取得することができる。又、この場合も、図15で示したアナログ差動信号処理回路23及びアナログメモリ24や図17で示したAD変換回路11やデジタルメモリ31はカラム毎に設ければ良くなる。
FIG. 22 shows another timing chart for performing global reset and rolling readout. By using a global shutter for long-term accumulation and a rolling shutter for short-term accumulation, it is possible to obtain an output having almost no focal plane distortion on the long-term accumulation side. Also in this case, the analog differential
図23は、グローバルリセット及びローリング読み出しを行う更に別のタイミングチャートを示す。画素の読み出し時間により、サブ露光側のフレームレートが律則されてしまう場合は、サブ露光のローリングシャッタを間引きして読み出すことで、フレームレートを高めることができる。自装置から対象物までの距離が近かったり対象物が高反射率の物体であったりする場合には複数行に跨って計測される可能性が高いので、このように構成としても問題になり難い。 FIG. 23 shows still another timing chart for performing global reset and rolling readout. When the frame rate on the sub-exposure side is regulated by the readout time of the pixel, the frame rate can be increased by thinning out and reading the rolling shutter of the sub-exposure. If the distance from the own device to the object is short or the object is a high reflectance object, there is a high possibility of being measured across multiple lines, so this configuration is less likely to be a problem .
次に、長時間蓄積の出力の画素毎の振幅(読み出した出力値)を最適とする制御について説明する。
図24は、長時間蓄積の出力の画素毎の振幅を最適とするタイミングチャートを示す。図24の例示では、2行目を除く行の画素については、2巡目の読み出しを行った際に振幅が不十分であったので、更に露光を繰り返しているが、2行目の画素については、2巡目の読み出しを行った際に振幅が十分であったので、2巡目で露光を止めている。露光の制御線は行で共通であるので、該当する行の平均値、最大値又は最小値を用いて振幅が十分であるか否かを判定する。
Next, control for optimizing the amplitude (readout output value) for each pixel of the long-time accumulation output will be described.
FIG. 24 shows a timing chart for optimizing the amplitude for each pixel of the long-time accumulation output. In the example shown in FIG. 24, the exposure is repeated for the pixels in the rows other than the second row because the amplitude is insufficient when the second round of reading is performed. Since the amplitude was sufficient when the second round reading was performed, the exposure was stopped in the second round. Since the exposure control line is common to the rows, the average value, the maximum value or the minimum value of the corresponding row is used to determine whether the amplitude is sufficient or not.
図25は、長時間蓄積の出力の画素毎の振幅を最適とする別のタイミングチャートを示す。サブ露光の出力値が高い画素について画素毎にリセットを挿入することで、最終的な長時間露光の電荷が飽和しないように制御する。図25の例示では、2行目の画素についてリセットを挿入している。 FIG. 25 shows another timing chart for optimizing the pixel-by-pixel amplitude of the long-term accumulation output. By inserting a reset for each pixel with respect to a pixel having a high sub-exposure output value, control is performed so that the charge of the final long-time exposure is not saturated. In the example of FIG. 25, reset is inserted for the second row of pixels.
図26は、長時間蓄積の出力の画素毎の振幅を最適とする更に別のタイミングチャートを示す。前述した図25はローリングリセットを適用している場合であるが、グローバルリセットを適用している場合についても、サブ露光の出力値が高い画素について画素毎にリセットを挿入しても良い。 FIG. 26 shows still another timing chart for optimizing the pixel-by-pixel amplitude of the long-term accumulation output. Although FIG. 25 mentioned above is a case where rolling reset is applied, also in the case where global reset is applied, reset may be inserted for each pixel with respect to a pixel having a high sub-exposure output value.
図27は、画素毎にアダプティブにリセットを可能とする回路図を示し、図28は、その配線を示す。この場合、測距値取得回路8は、受光素子6に、バッファ9a,9b、リセット用のスイッチング素子21a,21b、セレクタ用のスイッチング素子22a,22bに加え、カラムリセット用のスイッチング素子23a,23b、セレクタ用のスイッチング素子24a,24bが接続されている。図25及び図26に示したシーケンスにおいて、露光制御の制御線を行内で共通とする構成を維持したままで画素毎にリセットするか否かを選択可能となる。SEL線とCRST線を共に「H」とすることで、その画素のみのリセットを行えるので、読み出し中の行のうち振幅が大の画素のみリセットすることができる。
FIG. 27 shows a circuit diagram that enables adaptive reset for each pixel, and FIG. 28 shows its wiring. In this case, in addition to the
図29は、画素毎にアダプティブにリセット可能とする別の回路図を示し、図30は、その配線を示す。図27の構成で全てのCRST線を同時に「H」とすることで行毎のリセットを行えるので、RST線は冗長となる。即ち、図29では、図27の構成におけるRST線を省いた構成としている。 FIG. 29 shows another circuit diagram that enables adaptive reset for each pixel, and FIG. 30 shows its wiring. In the configuration of FIG. 27, the reset for each row can be performed by setting all the CRST lines to "H" simultaneously, so the RST lines become redundant. That is, in FIG. 29, the RST line in the configuration of FIG. 27 is omitted.
以上に説明したように本実施形態によれば、次に示す作用効果を得ることができる。
光飛行型測距装置1において、従来の長時間蓄積に相当する基本露光期間を複数のサブ露光期間に分割し、複数のサブ露光期間が1巡する1巡期間内ではサブ露光期間内に蓄積された電荷をリセットせずに保持する。そして、1巡期間内に蓄積された電荷の電荷量から短時間露光の測距値を取得すると共に、複数回の1巡期間内に蓄積された電荷の電荷量を積算して長時間露光の測距値を取得することで、1つの画素(同じ画素)から長時間露光の測距値と短時間露光の測距値との両方を取得するようにした。これにより、反射光の受光状況や受光光学系の設計や画素の配置の制約を受けることなく、ダイナミックレンジを拡張することができる。特に自装置及び対象物のうち少なくとも何れかが移動する車載等の場合に好適となる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
In the light flight type
本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のように変形又は拡張することができる。
車載以外の用途に適用しても良い。
The present invention is not limited only to the above-described embodiment, and can be modified or expanded as follows.
It may be applied to uses other than in-vehicle use.
図面中、1は光飛行型測距装置、3は駆動回路(駆動手段)、4は発光素子、5は制御回路(制御手段)、6は受光素子、8は測距値取得回路(測距値取得手段)、11はAD変換回路、14a,14bは変調スイッチ、14cは別の変調スイッチ、15a,15bは蓄積容量、23はアナログ差動信号処理回路、24はアナログメモリ、25は差分計算回路、31はデジタルメモリ、32は差分計算回路である。
In the drawing, 1 is a light flight type distance measuring apparatus, 3 is a drive circuit (drive means), 4 is a light emitting element, 5 is a control circuit (control means), 6 is a light receiving element, 8 is a distance measurement value acquisition circuit (distance measurement) Value acquisition means), 11 AD conversion circuit, 14a, 14b modulation switch, 14c another modulation switch, 15a, 15b storage capacitance, 23 analog differential
Claims (13)
前記発光素子を駆動する駆動手段(3)と、
変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の変調スイッチ(14a,14b)により振り分けて複数の蓄積容量(15a,15b)に蓄積する受光素子(6)と、
前記複数の変調スイッチの駆動を制御する制御手段(5)と、
前記受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する測距値取得手段(8)と、を備え、
前記受光素子は、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を2つの変調スイッチにより振り分けて2つの蓄積容量に蓄積し、
前記制御手段は、基本露光期間を複数のサブ露光期間に分割するように前記複数の変調スイッチの駆動を制御し、複数のサブ露光期間が1巡する1巡期間内ではサブ露光期間内に蓄積された電荷をリセットせずに保持し、基本露光期間での基本露光パターンとして、前記2つの変調スイッチのうち一方を駆動する制御信号がHであり且つ他方を駆動する制御信号がLである期間を1と定義すると共に、一方を駆動する制御信号がLであり且つ他方を駆動する制御信号がHである期間を−1と定義し、サブ露光期間でのサブ露光パターンとして、1の期間と−1の期間とが180度位相がずれるように1の期間及び−1の期間をそれぞれn(nは2以上の自然数)分割し、1及び−1の何れでもない期間に0を挿入し、
前記測距値取得手段は、1巡期間内に蓄積された電荷の電荷量から短時間露光の測距値を取得すると共に、複数回の1巡期間内に蓄積された電荷の電荷量を積算して長時間露光の測距値を取得することを特徴とする光飛行型測距装置(1)。 A light emitting element (4) for emitting in space a modulated light modulated by a pattern having a repetitive period;
Driving means (3) for driving the light emitting element;
A light receiving element (6) for distributing charges corresponding to incident light including reflected light obtained by reflection of modulated light by an object by means of a plurality of modulation switches (14a, 14b) and accumulating them in a plurality of storage capacitors (15a, 15b);
Control means (5) for controlling the drive of the plurality of modulation switches;
And distance measurement value acquisition means (8) for calculating a distance from the own device to an object using the values sampled by the light receiving element to acquire a distance measurement value.
The light receiving element distributes the charge according to the incident light including the reflected light that the modulated light is reflected by the object by using two modulation switches, and stores the charge in two storage capacitors.
Wherein the control means controls the driving of the plurality of modulated switches basic exposure period to the split to so that a plurality of sub-exposure periods, a plurality of sub-exposure periods in the sub-exposure period in one-round periods 1 round And the control signal for driving one of the two modulation switches is H and the control signal for driving the other is L as a basic exposure pattern in the basic exposure period. A period is defined as 1 and a period in which the control signal for driving one is L and the control signal for driving the other is H is defined as -1, and the sub-exposure pattern in the sub-exposure period is 1 Divide the period of 1 and the period of -1 into n (n is a natural number of 2 or more) so that the period and the period of -1 are 180 degrees out of phase, and insert 0 in the period of neither 1 nor -1. And
The distance measuring value acquisition means may acquire a distance value of the short time exposure from the charge amount of charges accumulated in the one-round period, accumulated charge amount of the plurality of charge stored in the one-round period An optical flight distance measuring apparatus (1) characterized in that a long exposure distance measurement value is acquired.
前記制御手段は、サブ露光パターンにおいて、前記2つの変調スイッチをそれぞれ駆動する制御信号が共にHである期間を設けることで、0を挿入することを特徴とする光飛行型測距装置。 In the optical flight type distance measuring apparatus according to claim 1 ,
Before SL control means in the sub exposure pattern, by a control signal for driving the two modulation switch each provide a period both H, the light flight distance measuring apparatus characterized by inserting a 0.
前記受光素子は、2つの変調スイッチとは別の変調スイッチ(14c)を有し、
前記制御手段は、サブ露光パターンにおいて、前記2つの変調スイッチをそれぞれ駆動する制御信号が共にLであり且つ前記別の変調スイッチを駆動する制御信号がHである期間を設けることで、0を挿入することを特徴とする光飛行型測距装置。 In the optical flight type distance measuring apparatus according to claim 1,
The light receiving element has a modulation switch (14c) different from the two modulation switches.
The control means inserts 0 by providing a period in which the control signals for driving the two modulation switches are both L and the control signals for driving the other modulation switches are H in the sub-exposure pattern. An optical flying distance measuring apparatus characterized by
前記制御手段は、サブ露光パターンにおいて、前記2つの変調スイッチをそれぞれ駆動する制御信号を反転制御し、前記2つの蓄積容量のうち一方に蓄積された電荷を破棄する周期と、前記2つの蓄積容量のうち他方に蓄積された電荷を破棄する周期とを統合することで、0を挿入することを特徴とする光飛行型測距装置。 In the optical flight type distance measuring apparatus according to claim 1 ,
The control means inverts and controls a control signal for driving the two modulation switches in a sub-exposure pattern, and a cycle for discarding the charge stored in one of the two storage capacitors, and the two storage capacitors An optical flight distance measuring apparatus characterized in that 0 is inserted by integrating with the cycle of discarding the charge accumulated in the other .
前記制御手段は、サブ露光パターンにおいて、基本露光期間の周期をTとしたときに、1の期間及び−1の期間をそれぞれT/(2n)よりも長くすることを特徴とする光飛行型測距装置。 The optical flight distance measuring apparatus according to any one of claims 1 to 4 .
Before SL control means in the sub exposure pattern, the cycle of the basic exposure periods when T, the light-flight, characterized in that the first period and the duration of -1 longer than T / (2n), respectively Distance measuring device.
前記測距値取得手段は、前記受光素子から電荷量を差動で読み出すアナログ差動信号処理回路(23)と、前記アナログ差動信号処理回路の出力値を保持するアナログメモリ(24)と、前記アナログ差動信号処理回路から現在の出力タイミングで出力された現在の出力値と前記アナログ差動信号処理回路から1つ前の出力タイミングで出力されて前記アナログメモリに保持されている1つ前の出力値との差分を計算する差分計算回路(25)と、を有することを特徴とする光飛行型測距装置。 The optical flight distance measuring apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein
The distance measurement value acquisition means includes an analog differential signal processing circuit (23) for differentially reading out the charge amount from the light receiving element, and an analog memory (24) for holding an output value of the analog differential signal processing circuit. The current output value output from the analog differential signal processing circuit at the current output timing and the output signal one cycle before from the analog differential signal processing circuit are held one by one in the analog memory a difference calculation circuit for calculating a difference between the output value (25), the light-flight distance measuring apparatus characterized by having a.
前記測距値取得手段は、スイッチトキャパシタ回路により実現されていることを特徴とする光飛行型測距装置。 In the optical flight distance measuring apparatus according to claim 6 ,
The light flight type distance measuring apparatus characterized in that the distance measuring value acquiring means is realized by a switched capacitor circuit .
前記測距値取得手段は、前記受光素子から電荷量を差動で読み出してAD変換するAD変換回路(11)と、前記AD変換回路の出力値を保持するデジタルメモリ(31)と、前記AD変換回路から現在の出力タイミングで出力された現在の出力値と前記AD変換回路から1つ前の出力タイミングで出力されて前記デジタルメモリに保持されている1つ前の出力値との差分を計算する差分計算回路(32)と、を有することを特徴とする光飛行型測距装置。 The optical flight distance measuring apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein
The distance measuring value acquisition unit, an AD conversion circuit (11) for AD converting the charge amount from the light receiving element is read out differentially, a digital memory (31) for holding an output value of the AD conversion circuit, The difference between the current output value output from the AD conversion circuit at the current output timing and the previous output value output from the AD conversion circuit at the immediately preceding output timing and held in the digital memory And calculating a difference calculation circuit (32) .
前記制御手段は、サブ露光の制御及び複数回のサブ露光を繰り返す長時間露光の制御を共にローリングリセット及びローリング読み出しにより行うことを特徴とする光飛行型測距装置。 The optical flight distance measuring apparatus according to any one of claims 1 to 8 ,
The light flying distance measuring apparatus , wherein the control means performs control of sub-exposure and control of long-time exposure which repeats a plurality of sub-exposures by rolling reset and rolling readout .
前記制御手段は、サブ露光の制御及び複数回のサブ露光を繰り返す長時間露光の制御を共にグローバルリセット及びローリング読み出しにより行うことを特徴とする光飛行型測距装置。
The optical flight distance measuring apparatus according to any one of claims 1 to 8 ,
The light flying distance measuring apparatus, wherein the control means performs control of sub-exposure and control of long-time exposure which repeats a plurality of sub-exposures together by global reset and rolling readout.
前記制御手段は、行単位で読み出したサブ露光の出力値に応じてサブ露光を繰り返して行うか否かを選択することを特徴とする光飛行型測距装置。 The optical flight distance measuring apparatus according to claim 9 or 10
The light flying distance measuring apparatus is characterized in that the control means selects whether or not to repeat the sub-exposure according to the output value of the sub-exposure read in row units .
前記制御手段は、行単位で読み出したサブ露光の出力値に応じてサブ露光を繰り返して行うか否かを、その行で読み出した値の平均値、最大値及び最小値のうち何れかを用いて決定することを特徴とする光飛行型測距装置。 In the optical flight distance measuring apparatus according to claim 11 ,
The control means uses one of an average value, a maximum value, and a minimum value of the values read in the row to determine whether or not to repeat the sub-exposure depending on the output value of the sub-exposure read in row units. An optical flying distance measuring apparatus characterized in that
前記制御手段は、読み出した行のサブ露光の出力値に応じて画素毎にリセットを行うことを特徴とする光飛行型測距装置。 The optical flight distance measuring apparatus according to any one of claims 9 to 12 ,
The control signal may be reset for each pixel according to the output value of the sub-exposure of the read row .
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