JP2005214743A - 距離画像データ生成装置及び生成方法，プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 測定範囲が広く、距離精度の高い距離画像データを得ることが可能な距離画像データ生成装置及び生成方法，プログラムを提供する。
【解決手段】 露光のみを行うことで背景光の強度に応じた画素値Ｖ１を有する第１画像データを取得し、照射パルス光の平坦部に対応する部分の反射光あるいは散乱光（以下「反射光等」）が、露光の全期間に渡って受光されるよう発光及び露光を制御することで、反射光等の強度に応じた画素値Ｖ２を有する第２画像データを取得し、照射パルス光の平坦部に対応する部分の反射光等が、パルス光を反射あるいは散乱した被測定物までの距離に応じた長さで受光されるよう発光及び露光を制御することで、その距離に応じた画素値Ｖ３を有する第３画像データを取得する。画素値Ｖ２，Ｖ３から画素値Ｖ１をそれぞれ減じることで背景光の影響を除去し、両減算結果の比をとることで反射光等の強度を変動させる各種要因の影響を相殺する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、パルス光を用いて距離画像データを生成する距離画像データ生成装置及び生成方法、プログラムに関する。

従来より、パルス光を照射し、予め設定された測定範囲内に存在する被測定物からの反射光あるいは散乱光を複数の画素を有する光電センサにより受光し、光電センサの出力から距離画像を生成する装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

なお、距離画像とは、撮像された被測定物までの距離を、画像の濃淡（画素値）にて表したものであり、距離画像を用いることで、広い範囲に位置する複数の被測定物までの距離を一度に測定することが可能となる。

そして、この特許文献１に記載された装置では、図１４（ａ）に示すように、パルス光のパルス幅をΔＬ、光電センサの露光期間の長さ（露光時間）をΔＡ（≦ΔＬ）に設定し、パルス光の照射と光電センサの露光とを同時に開始することにより、光電センサの各画素に、被測定物までの距離Ｄに応じた電荷が蓄積されるように構成されている。

即ち、パルス光を反射あるいは散乱した被測定物からの反射光あるいは散乱光は、照射したパルス光より、被測定物までの距離Ｒに応じた時間τ（＝２Ｄ／ＶＣ：但し、ＶＣは光速）だけ遅延して受光される。このため、露光期間の間に、光電センサの各画素が反射光あるいは散乱光を受光する期間（電荷の蓄積時間）はΔＡ−τとなる。つまり、光電センサの各画素の蓄積電荷Ｑは、被測定物までの距離Ｒに応じた大きさ（距離Ｒが大きいほど蓄積電荷Ｑは少）となる。

但し、蓄積電荷Ｑは、蓄積時間が同じであっても、反射光あるいは散乱光の強度が強いほど大きくなり、また、反射光あるいは散乱光の強度は、被測定物までの距離が同じであっても、被測定物の表面における光の反射係数あるいは散乱係数等によって様々に変化する。このため、各画素の蓄積電荷Ｑから、被測定物までの距離を正しく表した距離画像の画素値を得るためには、蓄積電荷Ｑを正規化する必要がある。

この正規化を行うために、特許文献１に記載された装置では、反射光あるいは散乱光の全体を確実に受光できるように光電センサの露光時間ΔＢを設定し、被測定物からの反射光あるいは散乱光による単位時間（ここではパルス幅ΔＬ）当たりの電荷Ｑｃを、上述の距離Ｒに応じた蓄積電荷Ｑとは別に測定するように構成されている。

そして、この単位時間当たりの蓄積電荷Ｑｃと先の測定で得られた距離Ｒに応じた蓄積電荷Ｑとの比（＝Ｑ／Ｑｃ）を取ることにより、反射光あるいは散乱光の強度によらず、被測定物までの距離Ｒのみに応じた大きさを有するように正規化された画素値を得るようにされている。
特表２００２−５００３６７号公報

ところで、測定範囲内に向けて照射されたパルス光は、飛行中に拡散されるだけでなく、被測定物の表面にて吸収，散乱される。このため、光電センサが受光する反射光あるいは散乱光の強度、ひいては光電センサから得られる出力は、非常に小さなものとなる。従って、装置から離れた場所に位置し、しかも、反射係数の低い物体（例えば黒色の物体）の検出を可能とするためには、パルス光の発光強度を高める必要がある。

しかし、パルス光の光源として用いられる発光ダイオードやレーザーダイオード等の発光素子は、寄生素子の影響や、発光素子を駆動するためのパワーＭＯＳＦＥＴの電流能力等の制約により、高速性を犠牲にすることなく出力パワーを増大させることは困難である。実際に、数Ｗ程度の発光を行う発光素子では、パルス光の立ち上がり時間が数百ｎｓｅｃのオーダとなる。特に、パルス光を照射する発光素子のドライバが、ＣＭＯＳインバータを用いて構成されている場合、ＰＭＯＳＦＥＴはＮＭＯＳＦＥＴと比較して電流駆動能力が低いため、ＰＭＯＳＦＥＴを介して電荷が供給されるパルス光の立ち上がり時間は更に長くなる。

そして、被測定物が比較的近距離、例えば１０ｍ以内にある場合、照射したパルス光に対する反射光あるいは散乱光の遅延時間（光の飛行時間）τは、６７ｎｓ以下となり、パルス光の立ち上がり時間より短いことがわかる。つまり、上述の従来装置では、図１２（ｂ）に示すように、光の強度が一定しない立ち上がり期間を用いて測定が行われることになるため、精度の良い測定を行うことができないという問題があった。

また、上述の従来装置では、単位時間当たりの蓄積電荷Ｑｃを得る際に、露光時間ΔＢがパルス光のパルス幅ΔＬより長く設定されるため、露光期間内でノイズとなる背景光のみを受光する期間が長く、蓄積電荷ＱｃのＳＮ比を必要以上に低下させ、その結果、更に測定精度を劣化させているという問題もあった。

更に、上述の従来装置では、距離Ｄに応じた蓄積電荷Ｑを得る際における電荷の蓄積時間が、受光強度が強い近距離からの反射光あるいは散乱光を受光する時ほど長くなるため、光電センサの出力（蓄積電荷）の飽和が起こりやすく、この飽和が起こらないように発光強度を抑えると、測定範囲（被測定物を検出可能な最大距離）が制限されてしまうという問題もあった。

本発明は、上記問題点を解決するために、測定範囲が広く、距離精度の高い距離画像データを得ることが可能な距離画像データ生成装置及び生成方法，プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明の距離画像データ生成装置は、予め設定された測定範囲内にパルス光を照射する発光手段と、二次元的に配列された複数の電荷積分型の光電変換素子からなる光電センサを有し、この光電センサに対する露光の調整が可能な撮像手段とを備える。

そして、画像データ取得手段が、前記発光手段での発光及び前記撮像手段での露光の期間あるいは開始タイミングを制御して、光電センサを構成する各光電変換素子の出力を各画素の画素値とする画像データを取得し、その取得した画像データに基づいて、距離画像データ生成手段が、各画素が撮像手段にて撮像された被測定物までの距離に応じた画素値を有する距離画像データを生成する。

なお、画像データ取得手段では、第１画像データ取得手段が、発光手段にパルス光の照射を行わせることなく撮像手段に露光を行わせることで、撮像手段から第１画像データを取得する。また、第２画像データ取得手段が、予め設定された測定範囲内に存在する被測定物からの反射光あるいは散乱光のうち、発光手段が発光するパルス光の立ち上がり期間と立下り期間を除いた平坦部に対応する部分が、露光期間の全期間に渡って受光されるように、発光及び露光の期間あるいは開始タイミングを設定することで、撮像手段から第２画像データを取得する。更に、第３画像データ取得手段が、測定範囲内に存在する被測定物からの反射光あるいは散乱光のうち、発光手段が発光するパルス光の立ち上がり期間を除いた期間に対応する部分が、被測定物までの往復時間に応じた長さで受光されるように発光及び露光の期間あるいは開始タイミングを設定することで、撮像手段から第３画像データを取得する。

即ち、第１画像データを構成する各画素の画素値は、反射光あるいは散乱光以外の入射光（背景光）の受光レベルと各画素の動作によるノイズから成る、いわゆるオフセットレベルを示し、第２画像データを構成する各画素の画素値は、被測定物からの反射光あるいは散乱光の基準レベルを示し、第３画像データを構成する各画素の画素値は、被測定物までの距離に応じた強度を示したものとなる。

しかも、第２画像データはパルス光の平坦部のみを受光し、第３画像データはパルス光の平坦部及び立ち下がり期間のみを受光することで得られ、第１〜第３画像データのいずれも、パルス光の立ち上がり期間の影響を受けることがないようにされている。

そして、距離画像データ生成手段では、第１演算手段が、第２画像データから第１画像データを減じることで基準画像データを求め、第２演算手段が、第３画像データから第１画像データを減じることで強度画像データを求め、更に、第３演算手段が、基準画像データと強度画像データとの比を取ることで距離画像データを求める。

このように本発明の距離画像データ生成装置においては、パルス光の強度が安定しない立ち上がり期間を用いることなく、第１〜第３画像データを得るようにされていると共に、第２画像データを取得する際には、露光を行った全期間に渡って反射光あるいは散乱光を受光し、ノイズとなる背景光のみを受光する期間がないようにすることで、第２画像データのＳＮ比を必要以上に劣化させてしまうことがないようにされている。

しかも、基準画像データ及び強度画像データを求めることで、オフセット成分が除去され、更に、その基準画像データと強度画像データとの比を取ることで、その時々の状況によって反射光あるいは散乱光の受光レベルを変動させる各種要因（パルス光を反射光あるいは散乱した被測定物表面の反射係数や、光電変換素子の暗電流、露光のための動作に伴う動作雑音、各素子の熱雑音など）の影響が相殺されるようにされている。

従って、本発明の距離画像データ生成装置によれば、被測定物までの距離のみに応じた画素値を有する精度の高い距離画像データを得ることができる。
ところで、第２画像データ取得手段は、具体的には、例えば図４（ｂ）に示すように、露光期間（露光信号ＳＨのパルス幅Ｔsh2 ）を、任意の長さに設定すると共に、発光期間（発光信号ＦＬのパルス幅Ｔf2）を、パルス光の立ち上がり期間の長さ（Ｔup）と、パルス光が測定範囲の境界までの距離を往復するのに要する上限往復時間（Ｔmax ）と、露光期間の長さ（Ｔsh2 ）とを加算した長さに設定し、更に、露光開始より、少なくとも立ち上がり期間の長さに上限往復時間を加算した時間（Ｔup＋Ｔmax ）以上前に発光が開始されるように構成すればよい。

また、第３画像データ取得手段は、具体的には、例えば図４（ｃ）に示すように、発光期間（発光信号ＦＬのパルス幅Ｔf3）を、平坦部（Ｔｃ）の長さが上限往復時間（Ｔmax ）に等しくなるように設定すると共に、露光期間（露光信号ＳＨのパルス幅Ｔsh3 ）を、平坦部（Ｔｃ＝Ｔmax ）以上の長さに設定し、更に、露光開始より、立ち上がり期間の長さに上限往復時間を加算した時間（Ｔup＋Ｔmax ）だけ前に発光が開始されるように構成すればよい。

この場合、被測定物までの距離（０〜Ｔmax ）が近いほど、露光期間（Ｔsh3 ）内で反射光あるいは散乱光を受光する期間が短くなるため、比較的大きな受光レベルが得られる近い距離に存在する被測定物からの反射光あるいは散乱光を受光する場合でも、光電変換素子の出力が飽和し難く、光電変換素子の能力を最大限に活用することができる。

また、被測定物までの距離が遠いほど、露光期間内で反射光あるいは散乱光を受光する期間が長くなるため、小さな受光レベルしか得られない遠い距離に存在する被測定物からの反射光あるいは散乱光を受光する場合でも、光電変換素子からは、従来装置と比較して大きな出力を得ることができる。その結果、本発明の距離画像データ生成装置によれば、パルス光の発光強度が同じであれば、同じ距離にある被測定物からの反射光あるいは散乱光を受光した場合に、従来装置と比較してより大きな出力（画素値）を得ることができ、測定能力を向上（測定範囲を拡張）させることができる。

なお、本発明において、第１〜第３画像データ取得手段にて設定される露光期間は、いずれも同じ長さであることが望ましい。
但し、第１及び第２画像データ取得手段のうち少なくとも一方にて、露光期間が第３画像データ取得手段とは異なる長さに設定されている場合、第１及び第２演算手段では、第１〜第３画像データの各画素値を、予め設定された単位時間当たりの値に規格化して、基準画像データ及び強度画像データを求めるようにすればよい。

つまり、露光期間をいずれも同じ長さに設定した場合には、第１及び第２演算手段において、第１〜第３画像データの各画素値を、単位時間当たりの値に規格化する演算を省略することができる。

また、本発明において、第１〜第３画像データ取得手段にて設定される露光期間のうち少なくとも一つは、複数に分割されていてもよい。このように露光期間を複数に分割した場合、突発的に発生する外部光（ノイズ）が光電変換手段に入射された場合に、その影響を小さく抑えることができる。

更に、本発明において、第１及び第２演算手段を、基準画像データ及び強度画像データの各画素毎に画素値を累積するように構成し、第３演算手段を、累積された画素値を有する基準画像データ及び強度画像データに基づいて距離画像データを生成するように構成してもよい。

この場合も、突発的に発生する外部光（ノイズ）の影響を小さく抑えることができる。
また、本発明の距離画像データ生成装置は、第３演算手段が生成する距離画像データに基づいて、被測定物までの絶対距離を求める距離算出手段を備えていてもよい。

この場合、距離算出手段は、例えば、距離画像データの各画素の画素値に、予め設定された定数を乗じることにより被測定物までの絶対距離を求めるように構成してもよい。
また、例えば、画素値と絶対距離との対応を示す換算テーブルを予め用意しておき、距離算出手段は、この換算テーブルを用いて被測定物までの絶対距離を求めるように構成してもよい。

また、本発明の距離画像データ生成装置では、光電センサを構成する光電変換素子のうち、少なくとも一つの画素を基準画素とし、該基準画素では該基準画素との距離が既知である物体からの反射光あるいは散乱光を受光するように設定し、距離算出手段は、基準画素について得られた絶対距離の算出値に基づいて、各画素毎の被測定物までの絶対距離を補正するように構成してもよい。

このように構成された本発明の距離画像データ生成装置によれば、当該装置が経年変化などにより特性が変化した場合でも、基準画素での測定値に基づいて、その変化を補正することができ、長期間に渡って精度の高い距離画像データを得ることができる。

また、本発明の距離画像データ生成装置では、飽和時間測定手段が、発光手段に発光、撮像手段に露光を行わせて、光電変換素子の出力（各画素の画素値）が飽和するまでに要する飽和時間を測定し、第２画像データ生成手段は、飽和時間を上限として露光期間の長さを設定するように構成してもよい。

このように構成された本発明の距離画像データ生成装置によれば、光電センサを構成する光電変換素子の能力を最大限に有効利用することができる。
ところで、測定に用いる光は、近赤外（例えば波長８５０ｎｍ）など、人間の目で感知できない波長であることが望ましい。
このような波長の光を使用する場合、製造コストや感度の点で、光電変換素子としては、Ｐ型領域とＮ型領域の間に不純物濃度の低いＩ層を挟んだＰＩＮ構造を持つフォトダイオードを使用することが望ましい。

ＰＩＮ構造のフォトダイオードは、一般的なＣＭＯＳプロセスで製造でき、安価であるというメリットがある他、受光領域に当たるＩ層が厚いため感度が高いという点で好適である。

また、一般的なイメージセンサでは、フォトダイオードの接合容量を利用して電荷を蓄積するが、接合容量は電圧によって変化してしまうため、電荷蓄積量と出力電圧がリニアな特性にならず、誤差が生じてしまう。

そこで、光電変換素子が発生させた電荷を蓄積するためのコンデンサを、光電変換素子とは別に設けることが望ましい。つまり、電圧依存性を持たないコンデンサに電荷を蓄積することで、電荷蓄積量と出力電圧との関係をリニアな特性に近づけることができ、この特性が非線形であることに基づく誤差を抑えることができる。

次に、第二の発明は、二次元的に配列された複数の電荷積分型の光電変換素子からなる光電センサの出力を、各画素の画素値とする画像データに基づいて距離画像データを生成する距離画像データ生成方法であって、パルス光の照射を行うことなく前記光電センサを露光することで、該光電センサから第１画像データを取得する第１のステップと、パルス光を照射し、予め設定された測定範囲内に存在する被測定物からの反射光あるいは散乱光のうち、パルス光の立ち上がり期間と立ち下がり期間とを除いた平坦部に対応する部分が前記光電センサにて受光されるように該光電センサを露光することで、該光電センサから第２画像データを取得する第２のステップと、パルス光を照射し、前記測定範囲内に存在する被測定物からの反射光あるいは散乱光のうち、パルス光の立ち上がり期間の除いた期間に対応する部分が、前記被測定物までの往復時間に応じた長さで前記光電センサにて受光されるように該光電センサを露光することで、該光電センサから第３画像データを取得する第３のステップと、前記第２画像データから前記第１画像データを減じることで基準画像データを求める第４のステップと、前記第３画像データから前記第１画像データを減じることで強度画像データを求める第５のステップと、前記基準画像データと前記強度画像データとの比を取ることで前記距離画像データを求める第６のステップとを備えることを特徴とする。

この距離画像データ生成方法は、上記距離画像データ生成装置にて実行される生成方法であり、当該方法を実行することで、上記距離画像データ生成装置と同様の効果を得ることができる。

ところで、上記距離画像データ生成方法を構成する各ステップは、コンピュータを機能させるためのプログラムにより実現してもよい。
この場合、そのプログラムを、コンピュータが読み取り可能な記録媒体に記憶させ、その記憶させたプログラムを必要に応じてコンピュータシステムにロードして起動することにより用いることができる。なお、記録媒体は、持ち運び可能なものであってもよいし、コンピュータシステムに組み込まれたものであってもよい。また、プログラムは、ネットワークを介してコンピュータシステムにロードするものであってもよい。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の距離画像データ生成装置１の全体構成を示すブロック図である。

図１に示すように、距離画像データ生成装置１は、発光信号ＦＬに従ってパルス光を発生させる発光部２と、露光信号ＳＨに従って予め設定された測定エリア内を撮像する撮像部３と、発光信号ＦＬ及び露光信号ＳＨを生成する制御信号生成部４、制御信号生成部４を制御することで、撮像部３から得られる画像データに基づいて距離画像データを生成する演算部５とを備えている。

このうち、発光部２は、近赤外光を発生させる発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザダイオード（ＬＤ）からなり、発光信号ＦＬに従って駆動される発光素子６と、発光素子６の放射光を拡散して測定エリア全体に照射する拡散レンズ７とを備えている。なお、発光素子６を駆動する駆動回路の出力段にＣＭＯＳインバータ回路が用いられており、ＰＭＯＳで駆動される立ち上がり期間より、ＮＭＯＳで駆動される立ち下がり期間の方が、短くなるようにされている。

また、撮像部３は、入射された光を電気信号に変換する光電センサ８と、測定エリア内から到来する光を集光して光電センサ８に入射する集光レンズ９とを備えている。
そして、光電センサ８は、図２に示すように、後述する光電変換素子８１の受光面がアレイ状に配置されるように設けられた複数の単位回路８０と、各単位回路８０の出力を順番に読み出して、演算部５に供給する読出制御回路８６とからなる。なお、各単位回路８０に露光信号ＳＨ等の制御信号を供給する信号線の配線パターンは、制御信号の伝送遅延が均等となるように等長配線（ここではツリー状の配線）されている。

ここで、図３は、単位回路８０の構成を示す回路図である。図３に示すように、単位回路８０は、受光強度に応じた電荷を発生させる光電変換素子８１と、光電変換素子８１が発生させた電荷（以下「発生電荷」と称する。）を蓄積するためのコンデンサ８４と、コンデンサ８４の両端電圧を増幅して読出制御回路８６に供給する増幅回路８５と、発生電荷をコンデンサ８４に供給する経路に設けられたＮＭＯＳ電界効果トランジスタからなるシャッタスイッチ８３と、光電変換素子８１を接地する経路に設けられたＮＭＯＳ電界効果トランジスタからなる電荷リセットスイッチ８２とを備えている。

このうち、光電変換素子８１は、ＰＩＮ構造のフォトダイオード（ここでは、Ｉ層が３０μｍ程度のものを用いる）からなる。このようなＰＩＮ構造のフォトダイオードは、ウエル−拡散層で構成される通常のフォトダイオードと比較して、受光領域に当たるＩ層が厚いため感度が高く、特にＩ層に深く侵入する近赤外光の受光に好適である。また、Ｉ層が広く単位面積当たりの容量が小さい（通常のフォトダイオードの１５〜２０分の１）ため、応答性に優れている。

また、コンデンサ８４は、光電変換素子８１が持つ接合容量とは別に形成されるものであり、半導体材料または金属材料を用いて半導体基板上に形成された平行平板からなる。つまり、光電変換素子（フォトダイオード）８１で発生した電荷は、その接合容量だけでなく、コンデンサ８４にも蓄積されるように構成されている。しかも、コンデンサ８４の容量は、電圧依存性を有する光電変換素子８１の接合容量より十分に大きな値、即ち、コンデンサ８４及び接合容量に蓄積される蓄積電荷と、単位回路８０の出力電圧（画素値）とがリニアな特性を有すると見なせる程度に大きな値に設定されている。

また、増幅回路８５は、構造が単純で入力インピーダンスが高いソースフォロア回路が用いられている。
このように構成された単位回路８０では、露光信号ＳＨが非アクティブレベル（露光禁止期間）の時には、シャッタスイッチ８３がオフ、電荷リセットスイッチ８２がオンされる。これにより、光電変換素子８１にて発生した電荷は、コンデンサ８４に蓄積されることなく、そのまま放電される。一方、露光信号ＳＨがアクティブレベル（露光期間）の時には、シャッタスイッチ８３がオン、電荷リセットスイッチ８２がオフされる。これにより、光電変換素子８１にて発生した電荷がコンデンサ８４に蓄積されることになる。

但し、露光（コンデンサ８４への電荷の蓄積）を開始する前には、コンデンサ８４の蓄積電荷が全て放電されるように、電荷リセットスイッチ８２及びシャッタスイッチ８３がいずれもオンされる。

つまり、露光期間の終了時には、コンデンサ８４に、露光期間中の受光量に応じた電荷が蓄積されることになる。そして、その蓄積電荷に応じたコンデンサ８４の両端電圧を増幅回路８５にて増幅したものが、読出制御回路８６により読み出され、画素値として演算部５に供給されることになる。

次に、制御信号生成部４は、演算部５から受ける第１〜第３指令に従って、次のような発光信号ＦＬ，露光信号ＳＨを生成する。なお、以下では、発光部２が発生させるパルス光の立ち上がり時間（立ち上がり期間の長さ）をＴup、立ち下がり時間（立ち下がり期間の長さ）をＴdw、信号レベルが一定強度となる時間（平坦部の長さ）をＴｃとする。また、当該装置１にて測定可能な最大距離をＬmax 、光の速度をＶＣ、最大距離Ｌmax を光が往復するのに要する時間を上限往復時間Ｔmax （＝２×Ｌmax ／ＶＣ）とする。

まず、第１指令を受けた制御信号生成部４は、図４（ａ）に示すように、一定のパルス幅（露光時間）Ｔsh1 を有する露光信号ＳＨのみを発生させる。
また、第２指令を受けた制御信号生成部４は、図４（ｂ）に示すように、一定パルス幅（発光時間）Ｔf2を有する発光信号ＦＬを発生させた後、立ち上がり時間Ｔupと上限往復時間Ｔmax とを加算した時間だけ遅延させたタイミングで、一定パルス幅Ｔsh2 を有する露光信号ＳＨを発生させる。

また、第３指令を受けた制御信号生成部４は、図４（ｃ）に示すように、一定パルス幅Ｔf3を有する発光信号ＦＬを発生させた後、立ち上がり時間Ｔupと上限往復時間Ｔmax とを加算した時間だけ遅延させたタイミングで、一定パルス幅Ｔsh3 を有する露光信号ＳＨを発生させる。

なお、露光信号ＳＨのパルス幅Ｔsh1 ，Ｔsh2 は、任意の長さ設定することができ、また、パルス幅Ｔsh3 は、上限往復時間Ｔmax 以上の長さに設定すればよい。但し、本実施形態では、いずれのパルス幅Ｔsh1〜Ｔsh3も、パルス幅Ｔsh3 での必要最小限の長さ（即ち上限往復時間Ｔmax ）と等しくなるように設定（Ｔsh1＝Ｔsh2＝Ｔsh3＝Ｔmax）されている。

一方、発光信号ＦＬのパルス幅Ｔf2は、一定強度時間Ｔｃが上限往復時間Ｔmax と露光時間Ｔsh2 とを加算した時間以上となるような長さ（Ｔf2＝Ｔup＋Ｔmax＋Ｔsh2）に設定されている。つまり、測定エリア内の物体からの反射光あるいは散乱光であれば、露光期間中は、常に、平坦部に対応する部分の光が受光されるように設定されている。

また、発光信号ＦＬのパルス幅Ｔf3は、一定強度時間Ｔｃが上限往復時間Ｔmax に等しくなるような長さ（Ｔf3＝Ｔup＋Ｔmax ）に設定されている。つまり、測定エリア内の物体からの反射光あるいは散乱光であれば、露光期間中に、平坦部に対応する部分の光が、物体までの距離に比例した長さで（距離が遠いほど長く）受光されるように設定されている。

次に、演算部５は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭからなる周知のマイクロコンピュータを衷心に構成され、以下で説明する距離画像データ生成処理を実行する。
ここで、図５は、距離画像データ生成処理の内容を示すフローチャート、図６は、発光部２から照射されるパルス光（照射光）、撮像部３にて受光されるパルス光（反射光あるいは散乱光）、各画素の画素値（各単位回路８０の出力）の関係を示すタイミング図である。

図５に示すように、距離画像データ生成処理が起動すると、まず、制御信号生成部４に対して第１指令を出力することで撮像部３に露光を行わせ、露光終了後に撮像部３から画像データ（以下「第１画像データ」と称する。）を取得する（Ｓ１１０）。このとき、発光部２によるパルス光の照射は行われないため、第１画像データを構成する各画素の画素値（各単位回路８０の出力）Ｖ１は、背景光の強度に応じた大きさとなる（図６中の第１のステップの部分を参照）。

続けて、制御信号生成部４に対して第２指令を出力することで、発光部２に発光、撮像部３に露光を行わせ、発光及び露光の終了後に撮像部３から画像データ（以下「第２画像データ」と称する。）を取得する（Ｓ１２０）。このとき、上述したように、照射したパルス光の平坦部に対応する部分の反射光あるいは散乱光が、露光期間の全期間に渡って受光される。従って、第２画像データを構成する各画素の画素値Ｖ２は、反射光あるいは散乱光の強度に応じた大きさとなる（図６中の第２のステップの部分を参照）。

更に、制御信号生成部４に対して第３指令を出力することで、発光部２に発光、撮像部３に露光を行わせ、発光及び露光の終了後に撮像部３から画像データ（以下「第３画像データ」と称する。）を取得する（Ｓ１３０）。このとき、上述したように、照射したパルス光の平坦部に対応する部分の反射光あるいは散乱光が、パルス光を反射光あるいは散乱した物体（被測定物）までの距離に応じた長さで受光される。従って、第３画像データを構成する各画素の画素値Ｖ３は、被測定物までの距離に応じた大きさとなる（図６中の第３のステップの部分を参照）。

次に、Ｓ１２０にて得られた第２画像データの画素値Ｖ２からＳ１１０にて得られた第１画像データの画素値Ｖ１を減算することで、基準画像データの画素値Ｖ４（＝Ｖ２−Ｖ１）を算出し（Ｓ１４０）、同様に、Ｓ１３０にて得られた第３画像データの画素値Ｖ３からＳ１１０にて得られた第１画像データの画素値Ｖ１を減算することで、強度画像データの画素値Ｖ５（＝Ｖ３−Ｖ１）を算出する（Ｓ１５０）。

これにより、基準画像データの画素値Ｖ４は、露光時間当たりの被測定物からの反射光あるいは散乱光の強度に応じた大きさとなり、強度画像データの画素値Ｖ５は、その強度の反射光あるいは散乱光を、パルス光が被測定物までの距離を往復するのに要する時間の間だけ蓄積した大きさとなる。

最後に、Ｓ１４０にて得られた画素値Ｖ４と、Ｓ１５０にて得られた画素値Ｖ５との比を取ることで、距離画像データの画素値Ｖ６（＝Ｖ５／Ｖ４）を算出して（Ｓ１６０）、本処理を終了する。

つまり、光電変換素子８１での受光強度をＰｒ［Ｗ］、光電変換素子の変換効率をＫｐ［Ａ／Ｗ］、光電変換素子８１の出力電流Ｉpd［Ａ］は、（１）式で表すことができる。
Ｉpd＝Ｋp・Ｐr （１）
露光時間をＴsh［ｓｅｃ］とすると、露光期間中に出力電流Ｉpdによってコンデンサ８４に蓄積される電荷量Ｑint ［Ｃ］（但し、１［Ａ］＝１［Ｃ／ｓｅｃ］）は、（２）式で表すことができる。

Ｑint ＝Ｉpd・Ｔsh （２）
蓄積電荷Ｑint により、容量がＣint ［Ｆ］であるコンデンサ８４の両端に現れる電圧（画素値）Ｖint ［Ｖ］は、（３）式で表すことができる。

Ｖint ＝Ｑint ／Ｃint （３）
なお、光電変換素子８１にて受光される光は、主に太陽光や周囲の照明の光からなる背景光と、発光部２から照射されたパルス光の反射光あるいは散乱光とを含む。この背景光の受光強度をＰback、反射光あるいは散乱光の受光強度をＰsignal、被測定物までの距離Ｌｔ（０≦Ｌｔ≦Ｌmax ）を光が往復する時間をＴsignal（＝２×Ｌｔ／ＶＣ）とすると、第１〜第３画像データの画素値Ｖ１〜Ｖ３は、それぞれ、次の（４）〜（５）式にて表すことができる。但し、Ｔdw≒０であるとする。

Ｖ１＝Ｋｐ・Ｐback・Ｔsh1 ／Ｃint （４）
Ｖ２＝Ｋｐ・(Ｐsignal＋Ｐback)・Ｔsh2 ／Ｃint （５）
Ｖ３＝Ｋｐ・(Ｐsignal・Ｔsignal＋Ｐback・Ｔsh3 )／Ｃint （６）
そして、上述したように、Ｔsh1＝Ｔsh2＝Ｔsh3＝Ｔmaxであることを考慮すれば、基準画像データの画素値Ｖ４、及び強度画像データの画素値Ｖ５は、それぞれ、次の（６）（７）式にて表すことができる。

Ｖ４＝Ｖ２−Ｖ１＝Ｋｐ・Ｐsignal・Ｔmax ／Ｃint （７）
Ｖ５＝Ｖ３−Ｖ１＝Ｋｐ・Ｐsignal・Ｔsignal／Ｃint （８）
更に、距離画像データの画素値Ｖ６は、次の（９）式にて表すことができる。

Ｖ６＝Ｖ５／Ｖ４＝Ｔsignal／Ｔmax ＝Ｌｔ／Ｌmax （９）
つまり、Ｓ１１０〜Ｓ１３０にて得られる第１〜第３画像データに対して、Ｓ１４０〜Ｓ１６０の処理を施すことにより、背景光や反射光あるいは散乱光の強度に依存せず、被測定物までの距離Ｌｔのみに依存して変化する画素値Ｖ６を有した距離画像データが得られることになる。更に、（９）式から明らかなように、この距離画像データの画素値Ｖ６に、測定可能な最大距離Ｌmax を乗じるだけで、被測定物までの距離Ｌｔが得られることになる。

なお、背景光の強度Ｐbackや反射光あるいは散乱光の強度Ｐsignalは、周囲の環境や被測定物の種類や状態によって様々に変動し、第１〜第３画像データの取得は、異なるタイミングで行われるため、（４）〜（５）式におけるＰback，Ｐsignalは、厳密には一致しない。しかし、露光期間や露光期間同士の間隔が十分に短ければ、その間のＰback，Ｐsignalを一定の値と見なすことが可能であるため、（７）〜（９）式が成立するのである。

以上説明したように、本実施形態の距離画像データ生成装置１においては、パルス光の強度が安定しない立ち上がり期間（即ち、時間当たりの電荷蓄積量が一定とはならない期間）を用いることなく、第１〜第３画像データ（画素値Ｖ１〜Ｖ３）を得るようにされていると共に、第２画像データを取得する際には、露光時間の全期間に渡って反射光あるいは散乱光を受光し、ノイズとなる背景光のみを受光する期間がないようにすることで、第２画像データのＳＮ比が必要以上に劣化することがないようにされている。

しかも、第２及び第３画像データ（画素値Ｖ２，Ｖ３）から第１画像データ（画素値Ｖ１）をそれぞれ減算して基準画像データ（画素値Ｖ４）及び強度画像データ（画素値Ｖ５）を求めることにより、背景光の影響を除去し、更に、求めた両画像データの比を距離画像データの画素値Ｖ６とすることで、反射光あるいは散乱光の強度Ｐsignalを変動させる各種要因の影響を除去するようにされている。

従って、本実施形態の距離画像データ生成装置１によれば、被測定物までの距離のみに依存した画素値を有する精度の高い距離画像データを得ることができる。
また、本実施形態の距離画像データ生成装置１では、第３画像データを取得する際に、被測定物までの距離が近く、大きな受光強度が得られる可能性が高いときほど、露光期間内で反射光あるいは散乱光を受光する時間Ｔsignalが短くなる。このため、従来装置と比較して、光電変換素子８１の出力が飽和し難く、その結果、光電変換素子８１の能力を最大限に有効利用することができる。また、被測定物までの距離が遠く、小さな受光強度しか得られないときほど、露光期間内で反射光あるいは散乱光を受光する時間Ｔsignalが長くなる。このため、遠い位置にある被測定物からの反射光あるいは散乱光を受光した時には、従来装置と比較して、より大きな出力（画素値）を得ることができるため、測定範囲をより遠くまで広げることが可能となる。

更に、本実施形態では、各単位回路８０に、制御信号を供給する信号線の配線パターンが等長配線とされているため、各画素での露光タイミングのばらつきを抑えることができ、全画素において均一な感度を保証することができる。

即ち、当該装置１において、近距離（例えば数ｍ）にある被測定物からの反射光あるいは散乱光を受光した場合の受光時間Ｔsignalは、十〜数十［ｎｓ］程度であり、これに対して、チップ面積の大きい高解像度の光電変換素子等を用いると、配線パターンでの伝送遅延が、数〜１０［ｎｓ］程度に達する場合がある。従って、例えば、露光信号ＳＨを供給する信号線の配線長にばらつきがあると、単位回路８０毎に露光期間の開始タイミングがばらつくことになり、正確な出力（画素値）を得ることができないのである。

ところで、本実施形態の距離画像データ生成装置１は、例えば、車両の運転支援システムに適用することができる。
この場合、図７に示すように、距離画像データ生成装置１は、車両の前方を撮影可能な位置に配置されると共に、車内ＬＡＮ又は専用の信号線を介して（或いは無線通信により）、距離画像データを処理する処理装置１０１に接続される。

そして、処理装置１０１は、距離画像データ生成装置１から供給される距離画像データに基づいて運転支援にて認識すべきオブジェクト（障害物，先行車，歩行者等）を抽出するオブジェクト抽出処理を実行する。

このオブジェクト抽出処理では、距離画像データの画素値Ｖ６、或いは画素値Ｖ６から求めた距離（以下ではこれらを「距離情報」と総称する。）Ｄを用いて、距離画像の切り分け（グループ化）を行い、そのグループ化された領域の形状や大きさ等から、オブジェクトの種類を特定する。

このように、本実施形態の距離画像データ生成装置１を適用した運転支援システムによれば、個々のオブジェクト（被測定物）の抽出を、距離画像データから得られる距離情報を用いて行っている。このため、同じような色をしたオブジェクトが重なり合って存在しているような場合でも、確実に個々のオブジェクトを抽出することができる。

また、本実施形態の距離画像データ生成装置１は、例えば、車載用侵入検知システムに適用してもよい。
この場合、図８に示すように、距離画像データ生成装置１は、車室内の天井位置に取り付けられ、乗員及び車室内が撮影可能となるよう調整されると共に、車内ＬＡＮ又は専用の信号線を介して（或いは無線通信により）、距離画像データを処理する処理装置１０２に接続される。

そして、処理装置１０２は、距離画像データに基づいて車両外部からの侵入者や侵入物体を検知する侵入検知処理を実行する。
この侵入検知処理では、まず、距離画像データ生成装置１から供給される距離画像データを、予め設定された基準距離画像データと比較する。比較の結果、両画像データに差異があれば、差異のあった部分を抽出し、その抽出された部分についての情報（形状，大きさ、当該装置１との距離等）から、その抽出された部分が車両外部からの侵入者や侵入物体を示すものであるか否かの判別を行う。そして、判別の結果、車両外部からの侵入者や侵入物体を示すものであれば、図示しないスピーカー，照明，通信装置等を用いて、警報や通報等を行う。

なお、基準距離画像データとしては、例えば、エンジン停止状態で外部からロックが行われた状態（即ち、乗員なしと推定される状態）の時に取得した距離画像データ、或いは直前に取得した距離画像データを用いればよい。また、距離画像データ生成装置１側で、車両外部からの侵入を判別する処理までを実行し、処理装置１０２側では、警報や通報等の処理のみを実行するように構成してもよい。

このように、本実施形態の距離画像データ生成装置１を適用した侵入検知システムによれば、車両外部から投影された影や、ガラス越し見える物体を、侵入者や侵入物体として誤検出してしまうことを確実に防止でき、検出の信頼性を向上させることができる。

即ち、一般に用いられている画素の色や画素の濃淡値をベースとした画像処理手法では、その物体までの距離を特定できないため、抽出されたオブジェクトが、車室外から投影された影であるか車室内に存在する実体であるかを判別したり、ガラス越しに見える物体の位置が車室内に存在するか車室外に存在するかを判別することが困難であったが、距離画像データに基づく距離情報を用いることで、車室内／車室外の判別を容易かつ確実に行うことができるのである。

また、本実施形態の距離画像データ生成装置１は、例えば、エアバッグの展開制御に用いる情報を収集するために用いてもよい。この場合、上述した侵入検知システムの場合と同様のシステム（図８参照）を用いることができる。

そして、処理装置１０２では、距離画像データ生成装置１からが生成する距離画像データに基づいて、乗員の有無、頭部位置及び形状、姿勢等の情報を検出し、その検出結果に基づいて、エアバッグを展開させる部位や、エアバッグの展開速度等を制御する。

即ち、距離画像データに基づく距離情報を用いて画像処理を行うことにより、画素の色やがその濃淡値を用いて画像処理を行う手法と比較して、画像中のオブジェクトの切り分けを高速かつ確実に行うことができるため、高い信頼性と高い応答性とが必要とされるエアバッグの展開制御への適用が可能となるのである。

なお、本実施形態の距離画像データ生成装置１は、上述の応用例に限らず、オブジェクト（被測定物）の３次元的な位置情報を利用するシステムであれば、どのようなシステムに適用してもよい。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。

本実施形態では、制御信号生成部４の動作、及び演算部５が実行する処理の一部が、第１実施形態とは異なるだけであるため、この相違する部分を中心に説明する。
本実施形態において、制御信号生成部４は、演算部５から第１指令を受けた場合に、一定のパルス幅（露光時間）Ｔsh1 ＝Ｔmax ×Ｎ（Ｎ＞１の整数）を有する露光信号ＳＨを発生させる（図９中の第１のステップの部分を参照）。また、第２，第３指令を受けた場合には、第１実施形態の場合と全く同様に動作する（図９中の第２及び第３のステップの部分を参照）。但し、Ｔsh1＝Ｔsh2＝Ｔsh3＝Ｔmaxである。また、図９は、発光部２から照射されるパルス光（照射光）、撮像部３にて受光されるパルス光（反射光あるいは散乱光）、各画素の画素値（各単位回路８０の出力）の関係を示すタイミング図である。

そして、距離画像データ生成処理のＳ１４０では、Ｓ１１０にて得られる第１画像データの画素値Ｖ１をＮで割ることにより単位時間Ｔmax 当たりの大きさに規格化し、この規格化された画素値Ｖ１／Ｎを、Ｓ１２０にて得られた第２画像データの画素値Ｖ２から減算することで、基準画像データの画素値Ｖ４（＝Ｖ２−Ｖ１／Ｎ）を算出する。同様に、Ｓ１５０では、規格化された画素値Ｖ１／Ｎを、Ｓ１３０にて得られた第３画像データの画素値Ｖ３から減算することで、強度画像データの画素値Ｖ５（＝Ｖ３−Ｖ１／Ｎ）を算出する。なお、これらＳ１４０，Ｓ１５０以外の処理は第１実施形態の場合と全く同様である。

このように構成された本実施形態の距離画像データ生成装置１によれば、第１実施形態の場合と同様に、精度の高い距離画像データを得ることができると共に、第１画像データ取得時の露光時間の合計を十分に確保すれば、この第１画像データを通常の画像データして扱うことができる。つまり、本実施形態の距離画像データ生成装置１を備えていれば、別途、新たな装置を設けることなく、通常の画像データも取得することが可能となる。

また、このように露光時間を長く設定することにより、露光時間に比例した大きさの信号が得られるため、反射光あるいは散乱光の強度がより微弱な場合でも、その検出が可能となる。その結果、発光部２での発光パワーが同じであれば、感度向上による検知範囲の拡大を図ることができ、検知範囲が同じにするのであれば、発光パワーを低減できるため、発光素子の長寿命化、発光部２で生じるノイズの低減を図ることができる。

さらに、露光時間を長く設定することにより、背景光の平均化が行われるため、平均化の効果により露光タイミングのジッタ等の影響が低減し、距離の分解能の向上を図ることができる。

なお、本実施形態では、第１画像データを取得する際の露光信号ＳＨのパルス幅がＴsh1 ＝Ｔmax ×Ｎとなるように制御信号生成部４を構成したが、図１０に示すように、パルス幅がＴmax の露光信号ＳＨを、断続的にＮ回発生させ、第１画像データを取得する際の合計露光時間がＴsh1 ＝Ｔmax ×Ｎとなるように制御信号生成部４を構成する（図１０中の第１のステップの部分を参照）と共に、距離画像データ生成処理のＳ１１０では、Ｎ回の露光の終了後に、撮像部３から画像データ（第１画像データ）を取得するように構成してもよい。この場合、第１画像データを取得する際に、Ｎ回の多重露光が行われる以外は、上述した距離画像データ生成装置１と全く同様の作用効果を得ることができる。

また、本実施形態では、第１画像データを取得する際の露光について、露光時間Ｔsh1 を他の露光時間Ｔsh2，Ｔsh3とは異なる長さに設定したり、多重露光を行うように構成したが、第２又は第３画像データを取得する際の露光について、同様の手法を適用してもよい。
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。

本実施形態では、距離画像データ生成処理の一部が、第１実施形態とは異なるだけであるため、この相違する部分を中心に説明する。
即ち、本実施形態における距離画像データ生成処理では、Ｓ１１０〜Ｓ１５０をｍ回繰り返す毎に、Ｓ１６０を実行する。但し、Ｓ１６０では、Ｓ１４０にて逐次算出される基準画像データの画素値Ｖ４のｍ回分の累積値をＶＲ４、Ｓ１５０にて逐次算出される強度画像データの画素値Ｖ５のｍ回分の累積値をＶＲ５とし、これら累積値の比を取ることで距離画像データの画素値ＶＲ（＝ＶＲ５／ＶＲ４）を求める。

このように構成された本実施形態の距離画像データ生成装置１によれば、背景光及びセンサ動作に伴う雑音成分Ｖ１を除去して累積を行うため、感度の向上と共に、雑音成分Ｖ１による出力値の飽和を起こり難くすることが可能となる。
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。

本実施形態では、演算部５に、距離画像データの画素値を補正するための補正値Ｈを求める補正値算出処理が追加されると共に、距離画像データ生成処理の一部が第１実施形態とは異なるだけであるため、これらの点を中心に説明する。

まず、本実施形態における距離画像データ生成処理のＳ１６０では、後述する補正値算出処理にて算出される補正値Ｈを用い、次の（１０）式により距離画像データの画素値Ｖ６を算出する。なお、このＳ１６０以外の処理は第１実施形態の場合と全く同様である。

Ｖ６＝Ｖ５／Ｖ４−Ｈ （１０）
次に、補正値算出処理を、図１０に示すフローチャートに沿って説明する。
但し、距離画像データ生成装置１が撮像する距離画像の中に、当該装置１との距離が既知である物体（例えば、車室内を撮影する場合にはセンターピラー等）が必ず存在するものとし、その物体とその物体が撮像された画素（以下「基準画素」と称する。）の画素値Ｖとの距離（既知距離）をＤｆとする。

まず、距離画像データ生成処理のＳ１６０にて算出された距離画像データの中から、基準画素の画素値Ｖ6fを取得し（Ｓ２１０）、その画素値Ｖ6fに測定可能な最大距離Ｌmax を乗じることで距離に換算する（Ｓ２２０）。その換算距離Ｄｋと既知距離Ｄｆとが等しいか否かを判断し（Ｓ２３０）、等しければそのまま本処理を終了し、等しくなければ、次の（１１）式により、補正値Ｈを算出して（Ｓ２４０）、本処理を終了する。

Ｈ＝Ｖ6f−Ｄｆ／Ｌmax （１１）
このように構成された本実施形態の距離画像データ生成装置１によれば、電源電圧、温度等の環境条件が変化することにより当該装置１の特性が変化したとしても、距離画像データに基づいて、精度の高い距離情報を常に得ることができる。

なお、本実施形態では、距離画像データの画素値Ｖ６を算出する際に、補正を実行するように構成したが、距離画像データの画素値Ｖ６から距離を算出する際に、補正を実行するように構成してもよい。

この場合、（１２）式により距離補正値Ｈｄを求め、（１３）式により距離Ｄを求めるようにすればよい。
Ｈｄ＝Ｖ6f・Ｌmax −Ｄf （１２）
Ｄ＝Ｖ６・Ｌmax −Ｈｄ （１３）
［他の実施形態］
上記実施形態では、露光時間Ｔsh1〜Ｔsh3や発光時間Ｔf1〜Ｔf3が固定値とされているが、その時々の場合に応じて可変設定してもよい。

具体的には、図４（ｂ）の場合で、露光時間Ｔsh2を十分に長く設定し、撮像部１０の出力（画素値）が飽和するまでに要する時間を測定する。そして、その測定結果である飽和時間に基づき、露光時間Ｔsh2,3を、飽和時間未満で可能な限り長い時間に設定する。

このような設定を行うことにより、光電センサ８の持つ電荷蓄積能力を最大限に利用することができる。
また、上記実施形態では、シャッタスイッチ８３、電荷リセットスイッチ８２として、ＮＭＯＳ電界効果トランジスタを用いたが、ＰＭＯＳ電界効果トランジスタや、ＮＭＯＳ，ＰＭＯＳ両トランジスタを組み合わせたアナログスイッチ等を用いてもよい。また、ここでは、単位回路８０を、光電変換素子８１からの光電流でコンデンサ８４に電荷を蓄積するように構成したが、コンデンサ８４をプリチャージしておき、光電変換素子８１の光電流でディスチャージするように構成してもよい。

また、上記実施形態では、撮像部３の出力を、デジタル値に変換して演算部５に取り込み、演算により、距離画像データを求めるように構成されているが、撮像部３の出力を、アナログ値のまま処理するように構成してもよい。

また、上記実施形態では、Ｓ１１０〜Ｓ１３０にて、第１画像データ、第２画像データ、第３画像データの順に、各画像データを取得するようにされているが、これら第１〜第３画像データを取得する順番は任意に変更してもよい。また、第１画像データの取得（Ｓ１１０）は、距離画像データ生成処理を起動する毎に実行するのではなく、装置の起動時に一度だけ実行したり、距離画像データ生成処理の起動周期より長い周期で実行したり、外部から指令が入力された時に実行したりするように構成してもよい。

また、上記実施形態では、距離画像データを構成する画素値Ｖ６から絶対距離Ｄへの換算を、画素値Ｖ６に測定可能な最大距離Ｌmax を乗じる演算を実行することで実現しているが、予め画素値Ｖ６と絶対距離Ｄとの関係を示した換算テーブルを用意しておき、この換算テーブルを用いて絶対距離Ｄへの換算を実現するように構成してもよい。

この最大距離Ｌmax を乗じることによる換算は、画素値Ｖ６と絶対距離Ｄとの関係が線形性を有することを前提としたものであるが、実際には、第３画像データの画素値Ｖ６がパルス光の立ち下がり部分の影響を受けるため、その影響が大きいと両者の関係が非線形になる。つまり、この非線形性に基づく誤差が無視できない場合には、この換算テーブルを用いた換算方法が極めて有効である。

なお、換算テーブルを用いた場合、換算テーブルに記録されていない画素値Ｖ６を絶対距離Ｄに換算する際には、周知の補間計算を利用することが望ましい。また、換算テーブルは、例えば、システムの出荷時に、画素値Ｖ６と絶対距離Ｄとの関係を測定し、その測定結果を演算部５の持つメモリ（たとえばＥＰＲＯＭ等）に書き込むことで用意すればよい。

第１実施形態の距離画像データ生成装置の構成を示すブロック図である。 センサ部の概略構成を示す説明図である。 単位回路の構成を示す回路図である。 制御信号生成部の動作等を示すタイミング図である。 演算部が実行する距離画像データ生成処理の内容を示すフローチャートである。 距離画像データ生成処理実行時の各部の動作を示すタイミング図である。 距離画像データ生成装置を適用した運転支援システムの概略構成を示す説明図である。 距離画像データ生成装置を適用した車両用侵入検知システムの概略構成を示す説明図である。 第２実施形態において、距離画像データ生成処理実行時の各部の動作を示すタイミング図である。 第２実施形態の変形例において、距離画像データ生成処理実行時の各部の動作を示すタイミング図である。 第４実施形態において、演算部が実行する補正値算出処理の内容を示すフローチャートである。 従来装置の動作、及び問題点を示すための説明図である。

符号の説明

１…距離画像データ生成装置、２…発光部、３…撮像部、４…制御信号生成部、５…演算部、６…発光素子、７…拡散レンズ、８…光電センサ、９…集光レンズ、１０…撮像部、８０…単位回路、８１…光電変換素子、８２…電荷リセットスイッチ、８３…シャッタスイッチ、８４…コンデンサ、８５…増幅回路、８６…読出制御回路、１０１…処理装置、１０２…処理装置。

Claims (16)

1. 予め設定された測定範囲内にパルス光を照射する発光手段と、
   二次元的に配列された複数の電荷積分型の光電変換素子からなる光電センサを有し、該光電センサに対する露光の調整が可能な撮像手段と、
   前記発光手段での発光及び前記撮像手段での露光の期間あるいは開始タイミングを制御して、前記光電センサを構成する各光電変換素子の出力を各画素の画素値とした画像データを取得する画像データ取得手段と、
   該画像データ取得手段が取得した画像データに基づいて、各画素が前記撮像手段にて撮像された被測定物までの距離に応じた画素値を有する距離画像データを生成する距離画像データ生成手段と、
   を備えた距離画像データ生成装置において、
   前記画像データ取得手段は、
   前記発光手段にパルス光の照射を行わせることなく前記撮像手段に露光を行わせることで、該撮像手段から第１画像データを取得する第１画像データ取得手段と、
   前記測定範囲内に存在する被測定物からの反射光あるいは散乱光のうち、前記発光手段が発光するパルス光の立ち上がり期間と立下り期間を除いた平坦部が、前記露光期間の全期間に渡って受光されるように発光及び露光の期間あるいは開始タイミングを設定することで、前記撮像手段から第２画像データを取得する第２画像データ取得手段と、
   前記測定範囲内に存在する被測定物からの反射光あるいは散乱光のうち、前記発光手段が発光するパルス光の前記平坦部が、前記被測定物までの往復時間に応じた長さで受光されるように発光及び露光の期間あるいは開始タイミングを設定することで、前記撮像手段から第３画像データを取得する第３画像データ取得手段と、
   を備え、
   前記距離画像データ生成手段は、
   前記第２画像データから前記第１画像データを減じることで基準画像データを求める第１演算手段と、
   前記第３画像データから前記第１画像データを減じることで強度画像データを求める第２演算手段と、
   前記基準画像データと前記強度画像データとの比を取ることで前記距離画像データを求める第３演算手段と、
   を備えることを特徴とする距離画像データ生成装置。
2. 前記第２画像データ取得手段では、
   前記露光期間を、任意の長さに設定すると共に、
   前記発光期間を、パルス光の立ち上がり期間の長さと、パルス光が測定範囲の境界までの距離を往復するのに要する上限往復時間と、前記露光期間の長さとを加算した長さ以上の時間に設定し、
   露光開始より、少なくとも前記立ち上がり期間の長さに前記上限往復時間を加算した時間以上前に発光が開始されることを特徴とする請求項１に記載の距離画像データ生成装置。
3. 前記第３画像データ取得手段では、
   前記発光期間を、前記平坦部の長さが前記上限往復時間に等しくなるように設定すると共に、
   前記露光期間を、前記平坦部以上の長さに設定し、
   露光開始より、前記立ち上がり期間の長さに前記上限往復時間を加算した時間だけ前に発光が開始されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の距離画像データ生成装置。
4. 前記第１〜第３画像データ取得手段にて設定される前記露光期間が、いずれも同じ長さであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の距離画像データ生成装置。
5. 前記第１及び第２画像データ取得手段のうち少なくとも一方は、前記露光期間を前記第３画像データ取得手段とは異なる長さに設定し、
   前記第１及び第２演算手段は、前記第１〜第３画像データの各画素値を、予め設定された単位時間当たりの値に規格化して、前記基準画像データ及び前記強度画像データを求めること
   を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の距離画像データ生成装置。
6. 前記第１〜第３画像データ取得手段にて設定される前記露光期間のうち少なくとも一つは、複数に分割されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の距離画像データ生成装置。
7. 前記第１及び第２演算手段は、前記基準画像データ及び前記強度画像データの各画素毎に画素値を累積し、
   前記第３演算手段は、累積された画素値を有する前記基準画像データ及び前記強度画像データに基づいて前記距離画像データを生成すること
   を特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の距離画像データ生成装置。
8. 前記第３演算手段が生成する距離画像データに基づいて、被測定物までの絶対距離を求める距離算出手段を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の距離画像データ生成装置。
9. 前記距離算出手段は、前記距離画像データの各画素の画素値に、予め設定された定数を乗じることにより被測定物までの絶対距離を求めることを特徴とする請求項８に記載の距離画像データ生成装置。
10. 前記距離算出手段は、画素値と絶対距離との対応を示す換算テーブルを用いて、被測定物までの絶対距離を求めることを特徴とする請求項８に記載の距離画像データ生成装置。
11. 前記光電センサを構成する光電変換素子のうち、少なくとも一つの画素を基準画素とし、該基準画素では該基準画素との距離が既知である物体からの反射光あるいは散乱光を受光するように設定し、
    前記距離算出手段は、前記基準画素について得られた絶対距離の算出値に基づいて、各画素毎の被測定物までの絶対距離を補正することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の距離画像データ生成装置。
12. 前記発光手段に発光、前記撮像手段に露光を行わせ、前記光電変換素子の出力が飽和するまでに要する飽和時間を測定する飽和時間測定手段を備え、
    前記第２画像データ生成手段は、前記飽和時間を上限として前記露光期間の長さを設定する
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の距離画像データ生成装置。
13. 前記光電変換素子として、Ｐ型領域とＮ型領域の間に不純物濃度の低いＩ層を挟んだＰＩＮ型構造を持つフォトダイオードを使用することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の距離画像データ生成装置。
14. 前記光電変換素子が発生させた電荷を、該光電変化素子とは別途形成されたコンデンサに蓄積することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の距離画像データ生成装置。
15. 二次元的に配列された複数の電荷積分型の光電変換素子からなる光電センサの出力を、各画素の画素値とする画像データに基づいて距離画像データを生成する距離画像データ生成方法であって、
    被測定物に対するパルス光の照射を行うことなく前記光電センサを露光することで、該光電センサから第１画像データを取得する第１のステップと、
    パルス光を照射し、予め設定された測定範囲内に存在する被測定物からの反射光あるいは散乱光のうち、パルス光の立ち上がり期間と立ち下がり期間とを除いた平坦部に対応する部分が受光されるように該光電センサを露光することで、該光電センサから第２画像データを取得する第２のステップと、
    パルス光を照射し、前記測定範囲内に存在する被測定物からの反射光あるいは散乱光のうち、パルス光の立ち上がり期間を除いた期間に対応する部分が、前記被測定物までの往復時間に応じた長さで受光されるように該光電センサを露光することで、該光電センサから第３画像データを取得する第３のステップと、
    前記第２画像データから前記第１画像データを減じることで基準画像データを求める第４のステップと、
    前記第３画像データから前記第１画像データを減じることで強度画像データを求める第５のステップと、
    前記基準画像データと前記強度画像データとの比を取ることで前記距離画像データを求める第６のステップと、
    を備えることを特徴とする距離画像データ生成方法。
16. 請求項１５に記載の各ステップを、コンピュータに実行させるためのプログラム。

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