CN110988902A - 测距摄像装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种测距摄像装置，同时实现高测距精度与宽测距范围，降低由多台装置间干扰引起的测距误差。在第一距离测量时段，照射短脉冲光(1T)，在曝光定时错开的多个曝光时段(A、B、C)进行曝光。在各曝光时段，在从一个脉冲光至下一脉冲光为止期间打开多次曝光门而反复进行曝光，在从关闭最后的曝光门起至照射下一脉冲光为止设置有第一非曝光时段。在第二距离测量时段，照射长脉冲光(4T)，在曝光定时错开的多个曝光时段(A、B、C)进行曝光。在各曝光时段，在从一个脉冲光至下一脉冲光为止期间仅打开一次曝光门而进行曝光，在从关闭曝光门起至照射下一脉冲光为止设置有第二非曝光时段。

Description

测距摄像装置
本申请主张2018年10月3日提交的日本专利申请JP2018-187826的优先权，其内容通过引用而结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及一种根据光的飞行时间测量到对象物的距离的测距摄像装置。
背景技术
作为测量到对象物的距离的方法，已知一种根据到照射光由对象物反射而返回为止的飞行时间来测量距离的TOF(Time Of Flight：飞行时间)法。具体地说，在使曝光定时相对于强度调制的照射光的发光定时错开的多个曝光门中进行曝光，根据蓄积在各曝光门中的曝光量来计算反射光相对于照射光的时间延迟而求出距离。
在TOF法中，测距精度(反复测量误差)与测距范围(可测量的距离范围)依赖于照射光的脉冲宽度(调制频率)，脉冲宽度越短(调制频率越高)则测距精度越高，但是测距范围变窄。因此，提出了以下方法：分别使用短脉冲宽度与长脉冲宽度这两种照射光测量距离，将测量结果进行比较，由此同时实现高测距精度与宽测距范围。
例如在国际公开第2017/022152号中使用以下连续方式(Continuous Wave)：在短脉冲宽度(高调制频率)的测量时，在叠加定时偏移不同的多个曝光门时，曝光门的反复无间隙地连续。另外，使用以下脉冲方式：在长脉冲宽度(低调制频率)的测量时，在叠加定时偏移不同的多个曝光门时，从定时偏移最大的曝光门的结束起至下一定时偏移最小的曝光门的开始的期间存在一定的非曝光时段。
在短脉冲宽度的测量中，得到以窄测距范围为单位而混叠显示(折り返して表示)的距离数据。另一方面，在长脉冲宽度的测量中，得到宽测距范围的距离数据。而且，使用以下方法(去混叠(ディエイリアシング))：使用后一距离数据求解前一距离数据的混叠(折り返し)，并确定距离。
在同一区域内使多台测距摄像装置进行运行时，本装置以外的照射光(或反射光)成为干扰光并在本装置中进行曝光，由此存在测距值产生误差的问题。作为其对策，已知以下一种方法：改变每个装置的发光脉冲的调制频率，来减小由干扰引起的测距误差。然而，根据以下的理由，难以将该方法应用于专利文献1的结构。
在国际公开第2017/022152号的结构中，为减少多台运行时的干扰需要改变每个装置的调制频率。在脉冲方式中，能够选择不改变脉冲宽度而改变非曝光时段的长度来改变照射光的脉冲间隔的方法以及改变脉冲宽度并通过相似形改变发光脉冲与曝光门的宽度和非曝光时段的方法这两种方法，但是，在连续方式中并不存在非曝光时段，因此基本上仅选择改变脉冲宽度的方法。当改变脉冲宽度时测距范围发生变化，因此在使用连续方式与脉冲方式两者的数据进行去混叠的情况下，必须在连续方式与脉冲方式中共通地改变脉冲宽度。
此外，还考虑到在连续方式中也设置非曝光时段并与脉冲方式同样地改变非曝光时段的长度，但是如后文中所述，存在以下问题：需要增加曝光门的连续次数，由干扰光引起的测距误差增加。
另外，分别使用高调制频率和低调制频率这两种照射光测量距离，因此在同一区域内使多台运行的情况下，具有其它装置的两种频率的干扰光并不与本装置的照射光同步曝光。因此，例如高调制频率的曝光时低调制频率的干扰光曝光或低调制频率与高调制频率两者的干扰光同时曝光。并且，在改变脉冲宽度的方法的情况下，由脉冲宽度的变更而测距范围发生变化，因此无法大幅改变脉冲宽度，因此难以减小由干扰光引起的测距误差。
这样，在国际公开第2017/022152号所记载的使用高调制频率与低调制频率这两种照射光来测量距离的方式中，能够得到高测距精度和宽测距范围，但是难以减小由多台测距摄像装置间的干扰引起的测距误差。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于，提供一种同时实现高测距精度与宽测距范围并且减小由多台装置间的干扰引起的测距误差的测距摄像装置。
在本发明的测距摄像装置中，作为测量动作单位的一帧由脉冲光的宽度TH的第一距离测量时段以及脉冲光的宽度TL的第二距离测量时段构成(其中TH<TL)。第一距离测量时段被分割成针对所照射的脉冲光，曝光定时错开的多个曝光时段，在分割后的各曝光时段中，在从一个脉冲光至下一脉冲光为止期间以预定间隔打开n次(n为多个)曝光门而反复进行曝光，设置有第一非曝光时段，在该第一非曝光时段中，在从关闭最后的曝光门起至照射下一脉冲光为止不进行曝光。第二距离测量时段被分割成针对所照射的脉冲光，曝光定时错开的多个曝光时段，在分割后的各曝光时段中，在从一个脉冲光至下一脉冲光为止的期间仅打开一次曝光门而进行曝光，设置有第二非曝光时段，在该第二非曝光时段中，在从关闭曝光门起至照射下一脉冲光为止不进行曝光。
根据本发明，能够同时实现高测距精度与宽测距范围并且减小由多台装置间的干扰引起的测距误差。
附图说明
通过说明与附图关联的以下的实施例，能够更加明确本发明的上述和其它特征、目的以及优点。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的测距摄像装置的结构图。
图2是说明基于TOF法的距离测量的原理的图。
图3是表示距离测量中的一帧的结构的图。
图4是表示一帧内的距离测量处理的流程图的图。
图5是表示第一实施例中的发光曝光时序图。
图6是表示第一实施例中的距离计算法的图。
图7是表示第一/第二距离测量时段的测量结果的示例的图。
图8是说明根据第一/第二距离测量结果来确定距离的方法的图。
图9是说明根据第一/第二距离测量结果来确定距离的方法的图。
图10A是说明通过改变脉冲光间隔的干扰光对策的图。
图10B是说明通过改变脉冲光间隔的干扰光对策的图。
图10C是说明通过改变脉冲光间隔的干扰光对策的图。
图10D是说明通过改变脉冲光间隔的干扰光对策的图。
图11是说明干扰光的消除效果的图。
图12是表示在连续方式中设置非曝光时段的情况下的时序图。
图13是表示由曝光失衡产生的距离误差的图。
图14是表示第二实施例中的发光曝光时序图。
图15是说明根据第一/第二距离测量结果来确定距离的方法的图。
图16是说明根据第一/第二距离测量结果来确定距离的方法的图。
图17是表示作为图5的变形例而容易产生测量误差的情况的图。
具体实施方式
以下，使用附图说明本发明的实施方式。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的测距摄像装置的结构图。在测距摄像装置1中，通过TOF法测量到人、物体等测量对象物2的距离，将到测量出的对象物的各部的距离作为二维距离数据而输出。装置结构具有发光部11、受光部12、距离运算部13以及控制部14。发光部11发射由激光二极管(LD)、发光二极管(LED)等光源发出的脉冲状的照射光21。受光部12通过CCD、CMOS等二维状地排列像素的图像传感器23对照射到对象物2并反射而返回的脉冲状的反射光22进行曝光，变换为电信号。距离运算部13根据受光部12的输出信号运算至对象物2为止的距离D。控制部14控制发光部11、受光部12以及距离运算部13，控制发光部11的照射光21的发光定时以及受光部12的反射光22的曝光定时。这样，测距摄像装置1具有与通过图像传感器23拍摄对象物2的数字摄像机类似的结构，作为二维状的数据而获取到对象物2的距离D。
图2是说明基于TOF法的距离测量的原理的图。在TOF法中，根据照射光21的信号与反射光22的信号的时间差、即延迟时间dT来测量距离D。当将光速设为c时，通过D＝dT×c/2表示到对象物2的距离D与延迟时间dT的关系。
其中，在本实施例中，并不直接测量延迟时间dT，而将受光时段分割为多个曝光门，根据每个门时段的曝光量来间接地求出延迟时间dT，并测量距离D(还被称为间接法)。
在图2中示出例如分为两个门对一次照射光21(脉冲宽度T0)进行曝光动作的情况。即，将反射光22的曝光时段分为第一曝光门S1与第二曝光门S2，每个门宽度与照射光21的脉冲宽度T0相等。受光部12将第一曝光门S1与第二曝光门S2的曝光量变换为电荷量，作为第一电荷量Q1和第二电荷量Q2而输出。
此时的第一、第二电荷量Q1、Q2与延迟时间dT以及到对象物2的距离D由下式表示：
dT＝T0×Q2/(Q1+Q2)
D＝T0×Q2/(Q1+Q2)×c/2
即，通过测量第一电荷量Q1与第二电荷量Q2，能够计算距离D。以上为基于TOF法的距离测量的原理，在本实施例中，将脉冲宽度T0、曝光门S1、S2不同的两个距离测量方式进行组合而执行距离测量。
图3是表示距离测量中的一帧的结构的图。到对象物的距离测量与摄像动作对应地以帧单位来进行。一帧由发光/曝光定时不同的第一距离测量时段以及第二距离测量时段构成，从每个时段中获取第一距离数据和第二距离数据。
首先，从第一距离测量时段进行说明。在发光/曝光时段中，进行短脉冲宽度(高调制频率)的发光/曝光动作。发光/曝光时段由n组构成，在1组中具有针对发光脉冲，曝光定时错开的A、B、C时段，分割地进行曝光。在分割后的各时段中，如附图标记A1、B1、C1所示，在从一个发光脉冲至下一发光脉冲为止期间以预定间隔打开多次(在此三次)曝光门而进行曝光，并蓄积电荷。在1组内反复m次发光/曝光动作，将其反复进行n组。
在数据输出时段，读取在A、B、C时段分别蓄积的m×n次的电荷量来计算距离，输出在第一距离测量时段中的第一距离数据。这样在第一距离测量时段中，构成为以预定间隔多次曝光对一个发光脉冲的反射光，将这种发光/曝光方式称为“扩展脉冲方式”。
接着，说明第二距离测量时段。在发光/曝光时段中，进行长脉冲宽度(低调制频率)的发光/曝光。与第一距离测量时段同样地，作为1组，具有曝光定时错开的A、B、C时段，分割地进行曝光。其中，在分割后的各时段中，如附图标记A2、B2、C2所示，在从一个发光脉冲至下一发光脉冲为止的期间仅打开一次曝光门来进行曝光，并蓄积电荷。在1组内反复m次发光/曝光动作，将其反复进行n组。
在数据输出时段中，读出在A、B、C时段中分别蓄积的m×n次的电荷量而计算距离，示出在第二距离测量时段中的第二距离数据。以下，将第二距离测量时段中的发光/曝光方式称为“脉冲方式”。
这样，在第一距离测量时段和第二距离测量时段中，脉冲光与曝光门的宽度以及曝光反复次数不同。在第一距离测量时段中以短脉冲宽度(高频率)进行测量，由此得到测距精度高的测量结果。另一方面，在第二距离测量时段中以长脉冲宽度(低频率)进行测量，由此得到测距范围大的测量结果。将两者的测量结果进行组合来确定(去混叠)距离，由此能够进行测距精度高且测距范围大的测量。此外，关于第一距离测量时段与第二距离测量时段的测量顺序，哪一个在先进行都可以。
并且，本实施方式的特征在于，在第一距离测量时段与第二距离测量时段中，并非将一次发光/曝光动作及其后续的下一发光/曝光动作连续地进行，而从关闭最后的曝光门起至发出下一脉冲光为止分别插入第一/第二非曝光时段。也就是说，第一距离测量时段中的“扩展脉冲方式”与连续地进行发光/曝光动作的“连续方式”不同。这样，通过在第一距离测量时段与第二距离测量时段中均设置非曝光时段，如后文中所述，能够减小使多台测距摄像装置进行运行时由装置间的干扰引起的测距误差。
此外，在本实施方式中，说明将对1组的曝光动作分割成曝光定时错开的三个期间(A、B、C时段)而进行这一情况，但是分割数量并不限定于此，也可以是任意的多个。
图4是表示一帧内的距离测量处理的流程图。在一帧期间进行第一距离测量(S100～)和第二距离测量(S200～)，使用两者的距离数据来确定距离(S220)。
首先，当开始进行第一距离测量时(S100)，将计数器i设为1(S101)，开始进行n组数量的发光曝光(S102)。发光曝光动作首先在A时段发光曝光(S103)中进行m1次通过图3的A1定时示出的发光曝光，蓄积通过曝光产生的电荷(A电荷)(S104)。接着，进行m1次B时段发光曝光(通过图3的B1定时示出的发光曝光)(S105)，蓄积由曝光产生的电荷(B电荷)(S106)。并且，进行m1次C时段发光曝光(通过图3的C1定时示出的发光曝光)(S107)，蓄积由曝光产生的电荷(C电荷)(S108)。然后，将计数器i加上1(S109)，判断计数器i是否达到预定次数n(S110)。
在并未达到预定次数n的情况下(S110：“否”)，返回至S103而从A时段发光曝光反复进行。这样，在受光部12中蓄积m1×n次数量的A电荷、B电荷、C电荷。在计数器i达到预定次数n的情况下(S110：“是”)，从受光部12读出电荷量的蓄积数据(S111)。距离运算部13使用读出的A～C电荷量，运算到对象物2的距离(第一距离数据)(S112)。
接着，开始进行第二距离测量(S200)，但是因为与第一距离测量(S100)过程相同，因此省略反复说明。其中，在A时段发光曝光(S203)中，进行m2次通过图3的A2定时示出的发光曝光，蓄积由曝光产生的电荷(A电荷)(S204)。在B时段发光曝光(S205)中，通过图3的B2定时进行，在C时段发光曝光(S207)中，通过图3的C2定时进行。如果计数器i达到预定次数n(S210：“是”)，则从受光部12读出电荷量的蓄积数据(S211)。距离运算部13使用读出的A～C电荷量，运算到对象物2的距离(第二距离数据)(S212)。
距离运算部13使用在S112中求出的第一距离数据以及在S212中求出的第二距离数据来确定距离(S220)。在后文中详细说明该运算，但是在第一距离测量中，得到以窄测距范围为单位进行混叠显示的距离数据。另一方面，在第二距离测量中，得到宽测距范围的距离数据，使用该距离数据求解第一距离数据的混叠而确定(去混叠)距离。
此外，第一距离测量和第二距离测量中的1组中的发光曝光的反复次数m1、m2以及组数n与一帧期间的长度相应地适当地设定。
接着，在第一实施例和第二实施例中说明具体距离测量的示例。
[第一实施例]
图5是表示第一实施例中的发光曝光时序图。
(a)示出第一距离测量时段的发光/曝光定时。发光脉冲使用短脉冲宽度1T，通过与该宽度相同的宽度1T的曝光门对其进行曝光(高调制频率)。关于曝光时段，在使定时逐一错开1T后的A、B、C时段中曝光，但是在各时段中，在从一个发光脉冲至下一发光脉冲(附图标记35)为止期间以周期3T打开三次曝光门而反复进行曝光(附图标记31、32、33)。这是在本实施例中导入的“扩展脉冲方式”。而且，在从关闭最后的曝光门(附图标记34)起至发出下一脉冲光(附图标记35)为止设置有并不曝光的第一非曝光时段36(在此为10T的宽度)。由此，脉冲光间隔40成为19T的宽度。
(b)示出第二距离测量时段的发光/曝光定时。发光脉冲使用长脉冲宽度4T，通过与该宽度相同的宽度4T的曝光门对其进行曝光(低调制频率)。关于曝光时段，在使定时逐一错开4T后的A、B、C时段中曝光，但是在各时段中，针对一个发光脉冲，仅打开一次曝光门而进行曝光。这是以往的“脉冲方式”。而且，在从关闭最后的曝光门(附图标记37)起至发出下一脉冲光(附图标记38)为止，设置有并不曝光的第二非曝光时段39(在此为7T的宽度)。由此，脉冲光间隔40’成为19T的宽度。
在此，使第一距离测量时段的脉冲光间隔40与第二距离测量时段的脉冲光间隔40’相等，但是也可以以它们之比成为整数倍的关系的方式设定第一非曝光时段36和第二非曝光时段39的长度。
图6是表示第一实施例中的距离计算法的图。
(a)示出第一距离测量时段的距离计算。对一个发光脉冲的反射光在A、B、C时段的连续的任两个门中曝光。在本例中在A时段和B时段中曝光，使用附图标记41、42示出。当将在A、B、C时段中由曝光产生的电荷量分别设为A、B、C时，扩展上述图2的计算式，用下式表示反射光相对于照射光的延迟时间dT。根据电荷量A、B、C的大小关系，划分计算式。
在MIN(A、B、C)＝C时，
dT＝{(B-C)/(A+B-2C)}×T+3nT
在MIN(A、B、C)＝A时，
dT＝{(C-A)/(B+C-2A)}×T+T+3nT
在MIN(A、B、C)＝B时，
dT＝{(A-B)/(C+A-2B)}×T+2T+3nT
在此，MIN为求出最小值的函数。N为表示三次反复曝光中在第几次的周期中进行了曝光的参数，称为反复数。在此，n＝0、1、2分别表示第1、2、3次。
在第一距离测量时段的测量中，并不得知在第几次的曝光中得到的信号，因此无法确定反复数n。因此，在第一距离测量时段中根据设为n＝0时的dT，将第一距离数据D1T计算为
D1T＝c×dT(n＝0)/2。
在此，说明可测量的距离范围(测距范围)。根据反射光延迟时间dTR求出测距范围DR。
dTR＝(脉冲宽度)×(反复曝光次数×3-1)
DR＝c×dTR/2
在第一距离测量时段中，为脉冲宽度＝1T、反复曝光次数＝3，因此
dTR＝1T×(3×3-1)＝8T
与此相对，在以往的一次曝光中为
dTR＝1T×(1×3-1)＝2T
因此测距范围DR扩展到四倍。
(b)示出第二距离测量时段的距离计算。对一个发光脉冲的反射光在A、B、C时段的连续的任两个门中曝光，使用附图标记43、44示出。在该情况下，也根据在A、B、C时段中由曝光产生的电荷量A、B、C，通过下式示出反射光相对于照射光的延迟时间dT。其中，在该计算中，将第一距离测量时段的计算中的脉冲宽度替换为4T、反复数n＝0。
在A≥C时，dT＝{(B-C)/(A+B-2C)}×4T
在A<C时，dT＝{(C-A)/(B+C-2A)}×4T+4T
根据该dT，将第二距离数据D4T计算为
D4T＝c×dT/2。
当将反射光延迟时间设为dTR时，该情况下的测距范围DR为
dTR＝4T×(1×3-1)＝8T
因此与上述第一距离测量时段的测距范围DR一致。
然而，在第二距离测量时段中，与第一距离测量时段相比反射光的脉冲宽度成为四倍，散粒噪声增加到两倍。因此，测距范围大，但是测量精度比第一距离测量时段还恶化。
之后，使用第二距离测量时段的第二距离数据D4T来确定第一距离测量时段的反复数n，根据第一距离数据D1T来确定正确距离D。
图7是表示第一/第二距离测量时段的测量结果的示例的图。横轴为到对象物的实际距离，纵轴为测量出的距离的值。此外，将图5、图6中的时间轴的单位设为1T＝10nsec。在长距离范围内表示横轴的情况下，存在根据近距离得到的使用附图标记50示出的测量结果以及根据远距离得到的使用附图标记51示出的测量结果。
首先，在根据近距离得到的使用附图标记50示出的结果中，第一距离测量时段(脉冲宽度＝1T)的第一距离数据D1T(用实线示出)成为混叠的直线。到混叠点的距离(混叠距离)R1T为n＝0中的最大测量距离，成为R1T＝3cT/2＝4.5m。另外，倾斜的直线部分为可测量的测距范围DR，成为8cT/2＝12m。
第二距离测量时段(脉冲宽度＝4T)的第二距离数据D4T(使用虚线示出)成为并不混叠的直线。测距范围DR(倾斜部分)为8cT/2＝12m，与第一距离数据D1T的测距范围DR相等。
接着，说明根据远距离得到的附图标记51示出的结果。当对象物处于远距离时，其反射光并不返回至对该脉冲光的曝光门时段内，而返回至下一脉冲光的曝光门时段。也就是说，附图标记51示出的结果为通过前一照射的脉冲光测量的结果。在本例中将脉冲光间隔设定为19T(190nsec)，以距离28.5m为基点从更远的位置起的测量结果51在与近距离的测量结果50相同的模式下被反复得到。其中，脉冲光的飞行距离变长，因此曝光的信号强度衰减。
但是，从远距离得到的测量结果51并非是原来的目的，若将其残留则变为对近距离的测量结果50的噪声成分，因此需要使其无效。作为对策，使非曝光时段延长并扩大脉冲光间隔，反射光较弱且远离至不能曝光的距离，由此能够忽略。其中，当使脉冲光间隔过大时，曝光时段内反复曝光次数减少而测距精度下降，因此期望在第一、第二距离测量时段中均将脉冲光间隔设为测距范围的两倍以上。当光的飞行距离为2倍时曝光量下降至1/4，因此对曝光量设置阈值而能够使从两倍以上的距离来的反射光无效。在第一实施例的条件下，脉冲光间隔(19T＝28.5m)大约为测距范围(8T＝12m)的2.4倍。
图8和图9是说明使用第一/第二距离测量结果来确定(去混叠)距离的方法的图。
在图8中再次示出通过图7的附图标记50示出的测量结果。在去混叠中，使用第二距离数据D4T，通过下一步骤求出第一距离数据D1T中的反复数n(表示在第几次的周期中进行了曝光的参数)。
首先，求出第一、第二距离数据的差分量与第一距离测量时段的混叠距离R1T(＝3cT/2)之比n’。比n’为相当于要求出的反复数n的值。
n’＝(D4T-D1T)/R1T
使用虚线表示n’，但是在第一距离数据D1T和第二距离数据D4T中包含测量误差，因此n’并非是原来的整数值而是小数点以下的小数。因此，以轮函数(ラウンド関数)(四舍五入)进行n’的整数化。
n＝ROUND(n’)
因此，求出反复数的真值(整数值)n。
在图9中示出去混叠后的距离输出。使用上述反复数的真值n，通过下式确定正确的距离D。
D＝D1T+n×R1T＝D1T+n×3cT/2
在该运算中，对第一距离数据D1T加上n次混叠距离R1T。在此，第一距离数据D1T的测距精度高，另外，相加的混叠距离R1T为根据单位时间T和光速c决定的常数(3cT/2)，因此能够确定正确的距离D。这样，能够同时实现高测距精度和宽测距范围来进行测量。
此外，在距离为13.5m以后超出测量范围，因此作为无效数据而不进行距离计算。在该情况下，电荷量的关系为(A+B-2C)＝0，因此将其设为判断条件即可。
接着，说明多个测距摄像装置间的干扰光对策。
图10A是说明通过改变脉冲光间隔的干扰光对策的图。在此，假设同时运行的两台测距摄像装置(以下，称为第一机器和第二机器)，考虑第一机器受到第二机器的干扰。分别在第一距离测量时段中，将第一机器的脉冲光间隔40设定为17T，将第二机器的脉冲光间隔40”设定为19T，并使相互不同。此外，在各机器中变更脉冲光间隔时，针对每个机器变更在第一距离测量时段中设置的非曝光时段36的长度(参照图5)即可。此时，各机器中的脉冲宽度(1T)固定，因此测距精度、测距范围并不改变。
说明该状态下机器间的干扰光的影响。首先，示出第二机器的脉冲光51(照射光或反射光)作为干扰光而在第一机器的曝光门(A时段)52中曝光的状态。但是，第二机器的下一脉冲光53(干扰光)从第一机器的曝光门(A时段)仅偏移2T，因此不会曝光。也就是说，之后在第一机器的曝光门(A时段)中使来自第二机器的干扰光进行曝光的周期扩大至两个机器的脉冲光间隔的最小公倍数的周期(17×19T)。其中，当包括第一机器的曝光门在A时段中反复打开三次这一情况时，与两个机器的脉冲光间隔相同的情况(均为17T)相比，曝光的干扰光量下降至3/19。此外，即使在其它时段(B、C时段)中，曝光门的定时不同，但是曝光的干扰光量与A时段同样地下降至3/19。
在图10A的示例中，说明了来自针对第一机器的第一距离测量时段的第二机器的第一距离测量时段的干扰光的曝光，但是干扰光的组合并不仅此。在图10B中示出针对第一机器的第一距离测量时段的第二机器的第二距离测量时段的干扰光的情形，在图10C和图10D中示出针对第一机器的第二距离测量时段的第二机器的第一距离测量时段的干扰光和第二距离测量时段的干扰光的情形。第一机器和第二机器的第二距离测量时段的脉冲光间隔与各机器的第一距离测量时段相同。与两个机器的脉冲光间隔相同情况(均为17T)相比，曝光的干扰光量在图10B中下降至6/19、在图10C和图10D中下降至4/19。这样，通过使第一距离测量时段与第二距离测量时段的脉冲光间隔设为相同，任意组合均能够得到相等的干扰减少效果。并且，也可以将第一距离测量时段与第二距离测量时段的脉冲光间隔设为整数倍的关系。例如在将第二距离测量时段的脉冲光间隔相对于第二机器的第一距离测量时段的脉冲光间隔19T设为两倍的38T的情况下，第二距离测量时段中的曝光次数减半，但是在图10B和图10D中存在第一机器所受到的干扰光量减半的效果。
如上所述，在多个机器间受到干扰光的影响的周期扩大到各机器的脉冲光间隔的最小公倍数。因此，为了增加最小公倍数，上策是设定为各机器的脉冲光间隔的值成为“互质(互いに素)”的关系。另外，改变脉冲光间隔的单位并不限定于1T，也可以是如0.5T、0.25T那样小于1T的任意数值。通过设为小于1T的值，并不扩大脉冲光间隔的范围，在很多组合中能够选择可避免干扰的脉冲光间隔。
图11是说明干扰光的消除效果的图。如图10A所示即使对来自其它机器的干扰光进行曝光，在距离运算过程中在三个时段(A、B、C时段)中进行曝光量的差分运算，因此消除干扰光的成分。
通常，在多个机器间一帧的开始定时有所不同，因此第一机器与第二机器的发光曝光时段(由1组～10组构成)仅产生偏移dF。在图11的示例中，第一机器与第二机器的发光曝光时段偏移大约1组，在从第一机器的2组至10组的时段中重叠。在该重叠时段中，第一机器将来自第二机器的干扰光60分别在A、B、C时段的曝光门中大致等量地曝光。在距离运算的过程中消除这些曝光的干扰光成分，因此几乎不产生距离误差。
但是在开头的1组中，仅在C时段的曝光门61时使来自第二机器的干扰光曝光，因此在该部分中产生距离误差。例如在第一机器与第二机器的脉冲光间隔为图10A的组合的情况下，如上所述在C时段曝光时使3/19的干扰光曝光。其中，在一个发光曝光时段中包含干扰光被消除的后续的2～10组，因此在发光曝光时段内的累加中，干扰光量对距离误差的影响大幅减小至3/19×1/10＝3/190。因此，距离误差能够被抑制为实际应用上不成问题的水平。
说明一帧的开始定时的偏移dF发生变化并且重叠时段发生变化的情况。例如在1组中仅在B、C时段的曝光门时使干扰光曝光的情况下，在B、C时段中消除。因此，其影响考虑由在A时段中干扰光并未曝光而引起的失衡即可，失衡量与上述同样地成为3/19。因此在该情况下，也在发光曝光时段中的累加中，距离误差减小至3/190。
另外，在开始偏移dF超出1组的时段时，并不接收来自第二机器的干扰光的组增加，因此距离误差整体地减小。
在此说明的干扰光的消除效果依赖于第一机器与第二机器的脉冲光间隔的组合，以消除效果增加的方式设定脉冲光间隔。另外，以第一距离测量时段与第二距离测量时段的任意组合干扰光量均减小的方式，求出脉冲光间隔的组合而进行应用。
这样，本实施例的特征在于，为了避免多台装置运行时的干扰，以各装置的脉冲光间隔不同的方式，设定非曝光时段。此时，说明了以下结构：在第一距离测量时段中，采用针对脉冲宽度短的发光脉冲反复进行多次曝光的“扩展脉冲方式”，对其设置非曝光时段，由此能够确保测距精度。然而，在以往的“连续方式”中插入非曝光时段的方法中，无法确保测距精度。以下，说明其理由。
图12表示在连续方式中设置非曝光时段的情况下的发光曝光时序图。在第一距离测量时段中，以短脉冲宽度(高频率)连续地照射脉冲光。其中，在照射时段中每隔一定时间插入非曝光时段70。在本例中示出将脉冲光和曝光门的连续时段设为三次而之后设置四次的非曝光时段70的情况。而且，考虑通过改变非曝光时段70的长度来改变要照射的脉冲光间隔而进行干扰对策的方法。
在来自对象物的反射光在图12示出的定时曝光的情况下，如附图标记71所示，在A时段和C时段中曝光。但是，在附图标记72示出的定时中，在C时段中曝光，但是A时段的曝光门被关闭，因此不进行曝光，在A时段与C时段中原来应该曝光的量产生失衡。
图13是表示由曝光失衡产生的距离误差的图。示出从图12得到的第一距离数据D1T。使用附图标记73示出的部分并非直线，包含由误差引起的失真。为了减小这种距离误差，增加曝光门的连续次数即可，但是当增加连续次数时非曝光时段70的设定受到约束，对干扰光的对策变得不充分。也就是说，难以确保高测距精度的同时减小由多台间的干扰引起的测距误差。这样，在“连续方式”中仅插入非曝光时段时，无法得到本实施例的效果。
[第二实施例]
在第二实施例中，说明脉冲宽度和反复曝光次数与第一实施例不同的示例。
图14表示第二实施例中的发光曝光时序图。
(a)示出第一距离测量时段的发光/曝光定时。发光脉冲使用短脉冲宽度1T。曝光时段在使定时逐一错开1T的A、B、C时段中曝光，但是在各时段中，针对一个发光脉冲将曝光门以周期3T打开两次而反复进行曝光(附图标记81、82、83)。即，在该情况下也为“扩展脉冲方式”。而且，从关闭最后的曝光门(附图标记84)起至发出下一脉冲光(附图标记85)为止，设置有并不曝光的第一非曝光时段86(在此为13T的宽度)。由此，脉冲光间隔80成为19T的宽度。
(b)示出第二距离测量时段的发光/曝光定时。发光脉冲使用长脉冲宽度2T。曝光时段在使定时逐一错开2T的A、B、C时段中曝光，但是在各时段中，针对一个发光脉冲将曝光门打开一次而曝光。这是以往的“脉冲方式”。而且，从关闭最后的曝光门(附图标记87)起至发出下一脉冲光(附图标记88)为止，设置并不曝光的第二非曝光时段89(在此为13T的宽度)。由此，脉冲光间隔80’成为19T的宽度，与第一距离测量时段的脉冲光间隔80相等。
接着，说明第二实施例的距离计算法(省略与图6对应的图)。与第一实施例同样地，将在A、B、C时段中曝光的反射光的电荷量分别设为A、B、C。
首先，示出(a)的第一距离测量时段的距离计算。使用下式示出反射光相对于照射光的延迟时间dT。
在MIN(A、B、C)＝C时，
dT＝{(B-C)/(A+B-2C)}×T+3nT
在MIN(A、B、C)＝A时，
dT＝{(C-A)/(B+C-2A)}×T+T+3nT
在MIN(A、B、C)＝B时，
dT＝{(A-B)/(C+A-2B)}×T+2T+3nT
在此，n为表示在两次反复曝光中在第几次的周期中进行了曝光的反复数，n＝0、1分别表示第1、2次。
在第一距离测量时段的测量中，无法确定反复数n。因此，在第一距离测量时段中根据设为n＝0时的dT，将第一距离数据D1T计算为：
D1T＝c×dT(n＝0)/2。
接着，示出(b)的第二距离测量时段的距离计算。使用下式表示反射光相对于照射光的延迟时间dT，
在A≥C时，dT＝{(B-C)/(A+B-2C)}×2T
在A<C时，dT＝{(C-A)/(B+C-2A)}×2T+2T
根据该dT，计算第二距离数据D2T。
D2T＝c×dT/2
之后，使用第二距离测量时段的测量结果D2T来确定第一距离测量时段的反复数n，根据第一距离数据D1T确定正确的距离D。
图15和图16是说明使用第一/第二距离测量结果来确定(去混叠)距离的方法的图。在此也是1T＝10nsec。
图15示出第一、第二距离测量结果。第一距离测量时段(脉冲宽度＝1T)中的第一距离数据D1T(使用实线示出)为混叠的直线，混叠距离R1T为3cT/2＝4.5m。第二距离测量时段(脉冲宽度＝2T)中的第二距离数据D2T(使用虚线示出)为并不混叠的直线。
在第二实施例中，第一、第二距离数据中的测距范围不同。即，第一距离测量时段的反射光延迟时间dTR1与测距范围DR1成为：
dTR1＝1T×(2×3-1)＝5T、DR1＝7.5m
第二距离测量时段的反射光延迟时间dTR2与测距范围DR2成为：
dTR2＝2T×(1×3-1)＝4T、DR2＝6m。
在去混叠中，使用第二距离数据D2T，通过以下步骤求出第一距离数据D1T中的反复数n。首先，求出第一、第二距离数据的差分量与第一距离测量时段的混叠距离R1T(＝3cT/2)之比n’。
n’＝(D2T-D1T)/R1T
使用虚线表示n’，但是在第一距离数据D1T和第二距离数据D2T中包含测量误差，因此n’并非是原来的整数值而是小数点以下的小数。因此，进行n’的整数化。
n＝ROUND(n’)
由此，求出反复数的真值(整数值)n。
在本例中，D1T与D2T的测距范围DR1、DR2并不一致，因此在距离6～7.5m的范围内n’变化为1～0.66，但是根据轮函数来设为n＝1，由此能够正确地进行去混叠。另外，从n’至n的整数化并不限定于轮函数(四舍五入)，根据n’的值的波动来自由地设定阈值即可，在本例中在n’≤0.4时设为n＝0，0.4<n’时也可以设为n＝1。
图16示出去混叠后的距离输出。使用上述反复数的真值n，通过下式确定正确的距离D。
D＝D1T+n×R1T＝D1T+n×3cT/2
在该运算中，第一距离数据D1T的测距精度高，另外，相加的混叠距离R1T为根据单位时间T和光速c决定的常数(3cT/2)，因此能够确定正确的距离D。这样，能够同时实现高测距精度和宽测距范围来进行测量。
在第二实施例的情况下，在第一距离测量时段、第二距离测量时段中均缩短了曝光时间，因此在担心由太阳光等外部光引起测距精度下降的环境中与第一实施例相比较有利。另外，在第二实施例中，也设置有第一非曝光时段86和第二非曝光时段89，因此与第一实施例同样地，能够确保高测距精度的同时减小由多台间的干扰引起的测距误差。
<脉冲宽度与反复曝光次数的关系>
在此，说明第一距离测量时段(高频率)的脉冲宽度与反复曝光次数以及第二距离测量时段(低频率)的脉冲宽度的最佳关系。
在第一实施例中，使第一、第二距离测量时段的测距范围一致，但是例如考虑使第二距离测量时段中的脉冲宽度进一步扩大并且使第二距离测量时段的测距范围大于第一距离测量时段的测距范围的情况。
图17是表示作为图5的变形例而易于产生测量误差的情况的图。示出图5的(a)的第一距离测量时段的脉冲宽度保持1T不变且使(b)的第二距离测量时段的脉冲宽度扩大到5T的情况下的距离测量结果。使用实线表示第一距离数据D1T，使用虚线表示第二距离数据D5T，使用虚线表示将其差分除以混叠距离R1T而得到的比n’。
在该情况下，第一、第二距离数据D1T、D5T的测距范围DR1、DR5并不一致，因此在距离12～13.5m的范围内n’变化为2～2.3，但是通过轮函数设为n＝2而能够进行去混叠。但是，由于使第二距离测量时段的脉冲宽度扩大到5T而散粒噪声增加并且第二距离数据D5T的误差增加，n’的值的波动也增加，因此与脉冲宽度为4T的情况相比去混叠时容易产生错误。因此，期望使第一距离测量时段的测距范围与第二距离测量时段的测距范围一致。
第一、第二距离测量时段的测距范围一致的条件为，当将第一距离测量时段的脉冲宽度设为TH、将第二距离测量时段的脉冲宽度设为TL并将与其对应的测距范围分别设为DRH、DRL时，
DRH＝(cTH/2)×(3-1)
DRL＝(cTL/2)×(3n-1)
在此，c为光速，n为反复曝光次数。成为DRH＝DRL的条件为，
TL/TH＝(3n-1)/2。
在上述第一实施例(图5)中，在脉冲宽度之比TL/TH＝4、脉冲宽度TH侧的反复曝光次数n＝3的情况下，满足DRH＝DRL的条件。
其中，在n为偶数的情况下，TL/TH并不成为整数。例如在n＝2时TL/TH＝2.5而并不成为整数。在该情况下，将脉冲宽度的比TL/TH直接设为2.5倍即可。
但是，还有时将TL仅设定为TH的整数倍。在该情况下，使用舍去小数点以下的整数值即可。即，对TH能够使用通过下式求出的TL。
TL/TH＝ROUNDDOWN[(3n-1)/2]
在此，在四舍五入函数中进行舍去小数点以下的处理。
上述第二实施例相当于该情况，通过设为脉冲宽度之比TL/TH＝2、脉冲宽度TH侧的反复曝光次数n＝2，接近DRH＝DRL的条件。
根据上述说明的条件，第一距离测量时段的测距范围与第二距离测量时段的测距范围一致或为接近的值，因此测距精度与测距范围的性能获得平衡而能够进行效率良好的测量。

Claims (5)

1.一种测距摄像装置，根据光的飞行时间测量到对象物的距离，其特征在于，具备：
发光部，其将由光源发出的脉冲光照射到对象物；
受光部，其将由对象物反射的脉冲光在图像传感器中曝光并变换为电信号；
距离运算部，其根据上述受光部的输出信号来运算到对象物的距离；以及
控制部，其控制从上述发光部照射脉冲光的发光定时以及在上述受光部中对脉冲光进行曝光的曝光定时，
作为测量动作单位的一帧由脉冲光的宽度TH的第一距离测量时段以及脉冲光的宽度TL的第二距离测量时段构成，其中TH<TL，
上述第一距离测量时段被分割成针对所照射的脉冲光，曝光定时错开的多个曝光时段，
在分割的各曝光时段中，在从一个脉冲光至下一脉冲光为止期间以预定间隔打开n次曝光门而反复进行曝光，其中，n为多个，
设置有第一非曝光时段，在该第一非曝光时段，在从关闭最后的曝光门起至照射下一脉冲光为止不进行曝光，
上述第二距离测量时段被分割成针对所照射的脉冲光，曝光定时错开的多个曝光时段，
在分割后的各曝光时段中，在从一个脉冲光至下一脉冲光为止期间仅打开一次曝光门而进行曝光，
设置有第二非曝光时段，在该第二非曝光时段中，在从关闭曝光门起至照射下一脉冲光为止不进行曝光。
2.根据权利要求1所述的测距摄像装置，其特征在于，
在上述第一距离测量时段中的脉冲光的宽度TH与反复曝光的次数n以及上述第二距离测量时段中的脉冲光的宽度TL之间满足以下关系：
TL/TH＝(3n-1)/2，
或TL/TH＝ROUNDDOWN[(3n-1)/2]，
其中，ROUNDDOWN为舍弃小数点以下的函数。
3.根据权利要求1所述的测距摄像装置，其特征在于，
以上述第一距离测量时段的脉冲光的间隔与上述第二距离测量时段的脉冲光的间隔相等或脉冲光的间隔之比为整数倍的关系的方式，设定上述第一非曝光时段和上述第二非曝光时段的长度。
4.一种测距系统，使权利要求1～3的任一项所述的测距摄像装置运行多台而测量到对象物的距离，该测距系统的特征在于，
以由各测距摄像装置照射的脉冲光的间隔在装置间相互不同的方式，设定上述第一非曝光时段和上述第二非曝光时段的长度。
5.根据权利要求4所述的测距系统，其特征在于，
以由各测距摄像装置照射的脉冲光的间隔的值成为互质关系的方式，设定上述第一非曝光时段和上述第二非曝光时段的长度。
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