JP2008107205A

JP2008107205A - 空間情報の検出装置

Info

Publication number: JP2008107205A
Application number: JP2006290353A
Authority: JP
Inventors: Fumikazu Kurihara; 史和栗原; Mutsuhiro Yamanaka; 睦裕山中; Yuji Takada; 裕司高田; Kenichi Hagio; 健一萩尾
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2026-10-25
Also published as: JP5215547B2

Abstract

【課題】入射光の強度の広範囲に亘って適正な受光出力を用いて空間情報を求めることを可能にしながらも、各受光出力の時間差を少なくする。
【解決手段】発光源から対象空間に光を投光し、３個の光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃにより対象空間からの光を受光する。対象空間と光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃとの間の光路には光路制御要素１１が配置され、光路制御要素１１は、対象空間から入射した光を３分岐させて各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃに振り分ける。光路制御要素１１は、２個の部分透過ミラーからなる光分岐部１２ａ，１２ｂを備え、各光分岐部１２ａ，１２ｂは光の反射と透過により光を２分岐させ、それぞれ光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃに光を導く。距離演算部は、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの受光出力のうち適正範囲のものを採用して距離を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象空間に光を投光するとともに対象空間からの光を受光し、投光した光に対する受光した光の変化から対象空間に関する空間情報を検出する空間情報の検出装置に関するものである。

従来から、対象空間における物体の有無、媒質の透過率、物体の位置、物体までの距離などの空間情報を検出するために、対象空間に光を投光するとともにその反射光を受光し、対象空間に投光した光と受光した光との強度変化や位相変化を検出する技術が知られている。

この種の光の投受光を行うアクティブ型のセンサに用いる受光素子のダイナミックレンジには制限がある。したがって、近距離からの反射光や反射率の高い物体からの反射光を受光しても飽和しないように受光素子から受光出力を取り出すと、遠距離からの反射光や反射率の低い物体からの反射光に対する受光出力が微小になって、遠距離の空間情報を検出したり反射率の低い物体に関して空間情報を検出するのが困難になる。逆に、遠距離の空間情報を検出したり反射率の低い物体に関して空間情報が得やすいように受光出力を取り出すと、近距離からの反射光や反射率の高い物体からの反射光に対して光検出素子が飽和しやすくなる。

この種の問題を解決するために、光検出素子での光の検出期間の長さを複数設定しておき、各検出期間のうち得られた受光出力が許容範囲内で最大になる検出期間を求め、この検出期間の受光出力を用いて空間情報を求めることが考えられている（たとえば、特許文献１参照）。つまり、１つの光検出素子で検出期間の長さを変えて複数回受光し、複数回の受光による受光出力のうち飽和せず最大である受光出力を用いることによって、光検出素子への入射光の強度が小さければ検出期間の長い受光出力を採用し、光検出素子への入射光の強度が大きければ検出期間の短い受光出力を採用することになる。この動作によって、光検出素子への入射光の強度の広範囲に亘って適正な（つまり、ＳＮＲが十分に大きいが飽和しない）受光出力を得ることができる。
特開２００６−８４４３００号公報

しかしながら、上述の技術では同じ光検出素子で検出期間の長さを変えて複数回受光し、受光毎に受光出力を取り出すとともに、受光出力の大小を比較するために受光毎の受光出力を記憶することが必要である。したがって、検出期間ごとの受光出力には比較的大きな時間差があり、対象空間の状態が刻々と変化している場合には、正しい空間情報を検出することができないという問題が生じる。とくに、光検出素子としてイメージセンサを用いて対象空間を撮像し、イメージセンサの各画素ごとの受光出力について、検出期間を異ならせた同じ位置の受光出力を比較し、各位置ごとに上述の条件を満たす画素の受光出力を組み合わせるとすれば、１つの画像内に異なる時刻の受光出力で得られた空間情報が含まれるという問題が生じる。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、複数の受光出力から選択することにより入射光の強度の広範囲に亘って適正な受光出力を用いて空間情報を求めることを可能にしながらも、各受光出力の時間差を少なくした空間情報の検出装置を提供することにある。

請求項１の発明は、対象空間に光を投光する発光源と、対象空間の同じ空間領域からの光を受光しそれぞれ受光量に応じた受光出力が得られる複数個の光検出素子と、対象空間から各光検出素子への光路上に配置され対象空間からの入射光を各光検出素子に振り分ける光路制御要素と、各光検出素子の受光出力のうち規定の選択条件を満たす受光出力を選択し光検出素子の受光出力を用いて対象空間に関する空間情報を検出する評価部とを備え、光路制御要素は、入射光を所定の分配比率で各光検出素子に振り分けることにより各光検出素子での受光量を互いに異ならせることを特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、前記光路制御要素は、前記各光検出素子のうち、入射光の強度が大きいときに適正な受光出力が得られる光検出素子は、入射光の強度が小さいときに適正な受光出力が得られる光検出素子よりも入射光の分配比率が小さく設定されることを特徴とする。

請求項３の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記光路制御要素は、光路を２分岐する部分透過ミラーからなる光分岐部を前記光検出素子の個数より１個少なく備え、光分岐部の反射率および透過率により前記分配比率が設定されていることを特徴とする。

請求項４の発明では、請求項３の発明において、前記各光制御要素の露光時間は実質的同一であることを特徴とする。

請求項５の発明では、請求項１または請求項２の発明において、前記光路制御要素は、光を透過させる状態と反射させる状態とが選択可能であって光路を２系統に切り替える光分岐部を前記光検出素子の個数より１個少なく備え、光分岐部での各光検出素子の露光時間により前記分配比率が制御されることを特徴とする。

請求項６の発明では、請求項５の発明において、前記光路制御要素は、対象空間からの光を前記各光検出素子のいずれかに択一的に入射させ、各光検出素子に１回ずつ光を入射させる期間内において各光検出素子に光を入射させる期間を互いに連続させることを特徴とする。

請求項７の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれかの発明において、前記評価部における選択条件は、規定の飽和閾値以下の範囲で最大の受光出力を選択することであって、前記各光検出素子は、それぞれ対象空間からの光を受光して受光量に応じた電荷を生成する複数個の感光部を有し対象空間を撮像することにより感光部で生成された電荷を受光出力とするイメージセンサであり、前記評価部は、各光検出素子において対象空間の同じ位置に対応付けられた各感光部で得られる受光出力のうち前記選択条件を満たす受光出力を対象空間の各位置ごとに選択することを特徴とする。

請求項８の発明では、請求項１ないし請求項６の発明において、前記発光源は、所定周期の変調信号で強度変調された光を対象空間に照射し、前記評価部における選択条件は、規定の飽和閾値以下の範囲で最大の受光出力を選択することであって、前記各光検出素子は、それぞれ対象空間からの光を受光して受光量に応じた電荷を生成する複数個の感光部を有し対象空間を撮像することにより感光部で生成された電荷を受光出力とするイメージセンサであり、前記評価部は、各光検出素子において対象空間の同じ位置に対応付けられた各感光部で得られる受光出力のうち前記選択条件を満たす受光出力を用いて物体までの距離を求め、各感光部に対応付けた対象空間の位置ごとの距離を画素値とする距離画像を生成することを特徴とする。

請求項１の発明の構成によれば、対象空間の同じ空間領域からの光を受光する複数個の光検出素子を設け、対象空間から各光検出素子への光路上に光路制御要素を設けて各光検出素子での受光量を異ならせるから、光路制御要素による各光検出素子への光の分配比率を適宜に調節することによって、光路制御要素への入射光の強度が広範囲に変化しても、いずれかの光検出素子での受光量が適正範囲なる可能性が高くなり、結果的に入射光の強度の広範囲に亘って適正な受光出力を用いて空間情報を求めることが可能になる。しかも、光路制御要素への入射光を複数個の光検出素子に振り分けているから、各光検出素子には、同時刻または時刻がわずかにずれただけの光が入射することになり、各光検出素子の受光出力の時間差が少なくなる。

このことは、たとえば、各光検出素子が複数の感光部を備えるイメージセンサであって、対象空間の同じ位置に対応付けた感光部ごとに受光出力を比較し、各位置ごとに適正な受光出力を選択する場合であっても、各感光部から得られる受光出力の時間差をとくに考慮せずに用いることを可能にする。しかも、飽和しない範囲で最大の受光出力を空間情報の検出に用いるから、光検出素子のショットノイズの影響を低減することができ、結果的に空間情報の検出精度を高めることができる。

請求項２の発明の構成によれば、光路制御要素による各光検出素子への光の分配比率を異ならせているから、光路制御要素によって各光検出素子の感度を調節していることになり、複数段階の感度の光検出素子を配置したことと等価になる。したがって、光路制御要素に入射する光の強度が広範囲に変化したとしても、いずれかの光検出素子では適正な受光出力が得られる可能性が高くなる。

請求項３の発明の構成によれば、光路制御要素に部分透過ミラーで構成された光分岐部を設け、各光検出素子への光の分配比率を光分岐部の反射率および透過率により設定しているから、光路制御要素は各光検出素子から見れば減光率の異なる減光フィルタと同様に機能し、特段の制御を行わずに各光検出素子の感度を異ならせることができる。また、各光検出素子には対象空間の同じ領域からの光が同時に入射するから、各受光出力を時間差なく同時に得ることが可能になる。

請求項４の発明の構成によれば、各光制御要素の露光時間を実質的に同一にしているから、各光検出素子から同時刻の受光出力を得ることができ、複数の光検出素子のうちのどの受光出力を用いても実質的に同時刻の空間情報を検出することができる。

請求項５の発明の構成によれば、光路制御要素として光を透過させる状態と反射させる状態との選択が可能な光分岐部を設け、各光検出素子の露光時間を光分岐部により調節することで各光検出素子への光の分配比率を調節しているから、光路制御要素は各光検出素子から見れば露光時間の異なるシャッタと同様に機能し、各光検出素子の感度を異ならせることができる。この構成では、各光検出素子に対象空間の同じ領域からの光が必ずしも同時に入射するわけではないが、光検出素子からの受光出力は同時に取り出すことができるから、１個の光検出素子を用いて露光時間の異なる受光出力を得る場合に比較すると、複数の受光出力の時間差を小さくすることができる。

請求項６の発明の構成によれば、各光検出素子の露光時間を個々に制御することができる。この構成では、各光検出素子が対象空間の同じ領域からの光を同時に受光することはなく、各光検出素子から取り出す受光出力には時間差が生じるが、１個の光検出素子を用いて露光時間の異なる受光出力を得る場合に比較すると、複数の受光出力の時間差を小さくすることができる。また、各光検出素子に光が入射する期間は各光検出素子に１回ずつ光が入射する期間では互いに連続しているから、各光検出素子の受光出力の時間差は小さくなる。

請求項７の発明の構成によれば、光検出素子としてイメージセンサを用いることにより対象空間を撮像した情報から空間情報を検出するものであり、各光検出素子において対象空間の各位置に対応付けた感光部で得られる受光出力についてそれぞれ選択条件によって最適な受光出力を選択するから、イメージセンサで得られる画像内のどの部位においても光の強度に関して広いダイナミックレンジを確保することができる。

請求項８の発明の構成によれば、強度変調された光を用いるとともに、光検出素子としてイメージセンサを用いることにより、対象空間を撮像した情報から対象空間に関する距離画像を求めるものであり、複数個の光検出素子から得られる各感光部に対応した受光出力のうち飽和していない最大の受光出力を用いて求めた距離を画素値とするから、近距離から遠距離までの広い距離範囲に亘る距離の計測が可能になる。

以下に説明する実施形態では、空間情報として対象空間に存在する物体までの距離を求める。また、以下に説明する空間情報の検出装置は、対象空間の画像を撮像することにより対象空間の位置ごとの距離を各画素に対応付けた距離画像を生成する。

実施形態について説明する前に、まず距離を計測する原理について簡単に説明する。空間情報の検出装置は、図５に示すように、対象空間に光を投光する発光源２を備えるとともに、対象空間からの光を受光し受光量を反映した出力が得られる光検出素子１を備える。発光源２としては、単一波長のものを用いており、可視光を用いるよりは不可視である赤外線を用いるのが望ましい。対象空間に存在する物体Ｏｂまでの距離は、発光源２から対象空間に光が投光されてから物体Ｏｂでの反射光が光検出素子１に入射するまでの時間（「飛行時間」と呼ぶ）によって求める。飛行時間を求めるために、対象空間に投光する光の強度が一定周期で周期的に変化するように変調した強度変調光を発光源２から対象空間に投光し、光の強度の変調成分について投受光の位相差を求め、この位相差を飛行時間に換算する。すなわち、投受光の位相差ψの単位を［ｒａｄ］、物体Ｏｂまでの距離をＬ［ｍ］、光速をｃ［ｍ／ｓ］、強度変調光の角周波数をω［ｒａｄ／ｓ］とすれば、Ｌ＝ψ・ｃ／２ωになる。

位相差ψは、発光源２から対象空間に投光した光を変調する変調信号の波形に同期する複数のタイミングで検出した受光量を用いることにより計算することができる。いま、変調信号の位相が０〜９０度、９０〜１８０度、１８０〜２７０度、２７０〜３６０度である４つの位相区間で求めた受光量をそれぞれＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３とする。つまり、各位相区間における受光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３は、それぞれ変調信号に同期する９０度ずつの期間に光検出素子１に入射した光の強度を積分した値になる。

いま、受光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を求める間に、位相差ψが変化せず（つまり、物体Ｏｂまでの距離が変化せず）、かつ物体Ｏｂの反射率にも変化がないものとする。また、発光源２から放射する光の強度を正弦波で変調し、時刻ｔにおいて光検出素子１で受光される光の強度がＡ・ｓｉｎ（ωｔ＋δ）＋Ｂで表されるものとする。ただし、Ａは振幅、Ｂは直流成分（環境光成分と反射光成分との平均値）、ωは強度変調光の角周波数（ω＝２πｆ；ｆは変調周波数）、δは初期位相である。これらの条件を満たすとき、位相差ψは、たとえば次式で表すことができる。
ψ＝ｔａｎ^−１（Ａ２−Ａ０）／（Ａ１−Ａ３）
上式は積分する区間の取り方（たとえば、上述の例では１区間の位相幅が９０度であるが、１８０度などにしてもよい）によって符号が変化したり位相が９０度異なったりするが、位相差ψは４つの位相区間の受光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を用いて求めることができる。

発光源２には、たとえば多数個の発光ダイオードを一平面上に配列したものや半導体レーザと発散レンズとを組み合わせたものなどを用いる。発光源２を駆動する変調信号は、たとえば２０ＭＨｚの正弦波であり、タイミング制御部３から出力される。発光源２から放射される光の強度はこの変調信号により変調される。変調信号の波形は、正弦波のほかに、三角波、鋸歯状波などを用いることもできる。

光検出素子１は、フォトダイオードのような１個の光電変換素子を用いることもできるが、距離画像を得るにはＣＣＤイメージセンサのように複数個の感光部を備えたイメージセンサを用いる。ただし、イメージセンサは二次元イメージセンサに限らず、一次元イメージセンサであってもよい。感光部への光の入射経路には受光光学系５が配置され、受光光学系５によって各感光部に対象空間の各位置が対応付けられる。ここに、受光量は感光部に入射する光の強度と感光部に光が入射している時間との積（つまり、入射時間における光の強度の積分値）であり、感光部が飽和しない範囲では、各感光部は受光量に応じた電荷を生成する。また、感光部１１は、平面格子の格子点上に配置され、たとえば垂直方向（つまり、縦方向）と水平方向（つまり、横方向）とにそれぞれ等間隔で複数個ずつ並べたマトリクス状に配列される。

上述のように、物体Ｏｂまでの距離を求めるために、変調信号に同期する４つの位相区間の受光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を求めるから、目的の受光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を得るためのタイミングの制御が必要である。この動作は、ＩＴ（インターライントランスファ）型のＣＣＤイメージセンサであれば、たとえば、感光部から垂直転送部への電荷の移動とオーバーフロードレインによる電荷の廃棄のタイミングとを制御することにより実現することができる。また、ＦＴ（フレームトランスファ）型のＣＣＤイメージセンサであれば、たとえば、電荷を廃棄するためのオーバーフロードレインを用いて目的とする位相区間以外の電荷を廃棄するように廃棄のタイミングを制御することにより実現することができる。

ただし、発光源２から対象空間に投光され物体Ｏｂで反射された後に光検出素子１の感光部に入射する光の強度は小さいから、上述した各区間の受光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に相当する電荷を強度変調光の変調周期の１周期内で集積したとしても各受光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に十分な大きさの差が得られず、距離の測定精度が低くなる。したがって、実際には各区間に相当して生成される電荷を強度変調光の複数周期（たとえば、１万周期）にわたって蓄積した後に、蓄積した電荷を光検出素子１から取り出すようにタイミング制御部３の出力で光検出素子１を制御する。

光検出素子１から出力される受光出力は評価部としての距離演算部４に与えられ、距離演算部４では上述の４つの位相区間の受光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３に相当する電荷に相当する受光出力を受け取り、上述した位相差ψを求める数式に当て嵌めるか、あるいは当該数式に相当するテーブルに当て嵌めることによって位相差ψを求め、さらに位相差ψから物体Ｏｂまでの距離を求める。距離演算部４は対象空間の複数方向について距離を求めるから、対象空間についての三次元情報を得ることができるのであって、画素値に距離値を対応付けた距離画像を生成することができる。

（実施形態１）
本実施形態では、上述の動作原理によって距離画像を生成するにあたり、図１に示すように、複数個（図示例では３個）の光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃを用いている。各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃは、それぞれ複数個の感光部を有したイメージセンサであり、上述した光検出素子１と同じ構成のものである。また、各光検出素子１には同仕様のものを用いている。対象空間から各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃへの光路上には、対象空間からの入射光を各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃに振り分けて入射させる光路制御要素１１が配置されている。

図１に示す光路制御要素１１は、３個のプリズム１１ａ，１１ｂ，１１ｃを組み合わせて構成され、各プリズム１１ａ，１１ｂ，１１ｃを接合している部位の境界面には部分透過ミラーが光分岐部１２ａ，１２ｂとして配置されている。また、図示していないが、対象空間と光路制御要素１１との間には、対象空間の各位置を光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの各感光部に対応付けるための受光光学系が配置される。ここに、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃは、同位置の感光部が対象空間の同じ位置に対応するように配置される。

対象空間からの光が直接入射する第１のプリズム１１ａは断面三角形状であり、入射光の延長線上である第２のプリズム１１ｂとの境界面に配置した光分岐部１２ａで反射された光が、入射面で全反射されプリズム１１ａの残りの一面である出射面から出射して光検出素子１ａに入射するように形成されている。

第２のプリズム１１ｂおよび第３のプリズム１１ｃは、ともに断面四角形状であり、第１のプリズム１１ａの入射面に直交する一直線上に配列されている。つまり、第１のプリズム１１ａに入射した光は、第２のプリズム１１ｂおよび第３のプリズム１１ｃにも導入される。光分岐部１２ａを通して第２のプリズム１１ｂに入射した光は、第３のプリズム１１ｃとの境界面に配置された光分岐部１２ｂで反射され、第１のプリズム１１ａとの境界面および第３のプリズム１１ｃとの境界面とは異なる出射面から出射して光検出素子１ｂに入射する。

さらに、第２プリズム１１ｂと第３のプリズム１１ｃとの境界面に配置した部分透過ミラーからなる光分岐部１２ｂを通して第３のプリズム１１ｃに入射した光は、第３のプリズム１１ｃにおいて第２のプリズム１１ｂとの境界面の反対側に位置する出射面から出射して光検出素子１ｃに入射する。

上述のように、光路制御要素１１は、それぞれ光路を２分岐する部分透過ミラーからなる光分岐部１２ａ，１２ｂを２個（つまり、光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃよりも１個少ない個数）の備えることにより、光路制御要素１１に入射した光を３分岐して３個の光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃに振り分けることができる。各光分岐部１２ａ，１２ｂの反射率および透過率は、光路制御要素１１への入射光を各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃに振り分ける分配比率が互いに異なるように設定される。つまり、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃには同仕様のものを用いながらも光路制御要素１１への入射光の強度に対する感度を異ならせることができる。

このように、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの感度を互いに異ならせることができるから、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの受光量が適正範囲となるときの光路制御要素１１への入射光の強度を３つの範囲（以下、強度範囲という）に分けることが可能になる。すなわち、図２に示すように、光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの受光出力がノイズと区別できる最小値から受光出力が飽和するまでの範囲であって、受光量と受光出力とが一対一に対応する範囲を適正範囲Ｒｆとするとき、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの受光出力が適正範囲Ｒｆになる強度範囲Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを互いに異ならせることができる。ここで、各強度範囲Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃが連続するように設定すれば、光路制御要素１１への入射光が強度範囲Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを合わせた範囲Ｓｉ内の強度であるときに、いずれかの光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃから適正範囲Ｒｆの出力が得られる。

言い換えると、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃは、光路制御要素１１への入射光の強度範囲Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃにそれぞれ対応付けられていることになる。ここにおいて、強度範囲Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃのレベルが高いほど、その強度範囲Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃに対応付ける光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃを低感度に設定しなければならないから、光路制御要素１１での分配比率は、光検出素子１ａ，１ｂ，１ｂに対応付けた強度範囲Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃのレベルが高いほど小さく設定されることになる。

評価部としての距離演算部４において距離を正確に求めるには、受光出力が適正範囲Ｒｆである光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃを択一的に選択することが必要になる。そこで、距離演算部４には、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの受光出力を規定の選択条件に従って評価する出力判定部４ａと、出力判定部４ａの判定結果を用いていずれかの光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの受光出力を選択するセレクタ４ｂとが設けられる。

出力判定部４ａでの選択条件は、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの受光出力について適正範囲Ｒｆか否かを判定し、さらに受光出力が適正範囲Ｒｆになる光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃが複数存在するときには、受光出力が最大である光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃを選択するというものである。適正範囲Ｒｆか否かは、受光出力の上限としての飽和閾値と、受光出力の下限としての不感閾値とを設定し、受光出力を飽和閾値Ｔｓおよび不感閾値Ｔｉと大小比較することにより判定する。

受光出力の比較は、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃにおいて対象空間の同じ位置に対応付けられている感光部ごとに行う。つまり、対象空間の同じ位置から得られた情報について受光出力を比較し、上述の判定を行うことにより、適正な受光出力を選択する。したがって、対象空間の位置ごとに距離の演算に用いる光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃが決められることになる。

なお、不感閾値Ｔｉは設定するのが望ましいが必ずしも必要ではない。また、もっともレベルの高い強度範囲Ｓｃに対応付けた光検出素子１ｃの受光出力が飽和閾値Ｔｓを超えているときには、距離の演算を正常に行うことができないから、距離の演算を行わずに距離測定が不能である場合の処理を行う。この処理では、測定不能の報知、あるいは前の測定値によるみなしを行う。同様に、不感閾値Ｔｉを設定している場合において、もっともレベルの低い強度範囲Ｓａに対応付けた光検出素子１ａの受光出力が不感閾値Ｔｉを下回っているときにも、距離測定が不能である場合の処理を行う。

上述の構成により、３個の光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃを用いて、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃを単独で用いる場合に比較して、光路制御要素１１への入射光の強度範囲を広げることができ、光路制御要素１１に入射する光の広範囲の強度変化に対してＳＮＲの大きい受光出力を用いて距離を求めることができる。つまり、計測できる距離の範囲を大きくとることができ、また対象空間に存在する物体Ｏｂの反射率の相違に対する対応範囲も広くなる。図示例では、各強度範囲Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃを重複なしに異ならせているが、一部を重複させるのが望ましい。これは、強度範囲Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃの一部を重複させることにより、選択する光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃが切り替わる際の受光出力の変化を小さくし、結果的にＳＮＲの変化を小さくすることができるからである。

ところで、本実施形態の構成では、光路制御要素１１は静的であって光分岐部１２ａ，１２ｂの反射率および透過率が変化しないから、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃにおいて対象空間の同領域から同時に空間情報を得ることができる。つまり、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃによって得られる空間情報には時間差が生じない。本実施形態では、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの露光時間は実質的に同一であるが、各光分岐部１２ａ，１２ｂでは光の吸収が生じるから、実際には理論値通りの分配比率を得ることはできない。したがって、必要に応じて露光時間を調整する手段を設けてもよい。

一例として各光分岐部１２ａ，１２ｂが、入射光の２／３を反射し、１／３を透過させる場合を想定する。また、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの露光時間Ｐｅを１８ｍｓとし、受光出力の読み出しに要する読出時間Ｐｒを８ｍｓとする。この設定では、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの感度は、光路制御要素１１を用いない場合の感度を１とするとき、実質的に２／３、２／９、１／９に設定したことになる。また、露光時間Ｐｅが等しいから受光量は感度の比率に比例し、実際の露光時間Ｐｅに感度の割合を乗じて得られる露光時間での受光量に相当する電荷が生成されることになる。要するに、光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃでは、それぞれ１８ｍｓ×（２／３）＝１２ｍｓ，１８ｍｓ×（２／９）＝４ｍｓ，１８ｍｓ×（１／９）＝２ｍｓの露光時間に相当する受光出力が得られる。

仮に１個の光検出素子を用いて露光時間Ｐｅを１２ｍｓ、４ｍｓ、２ｍｓと変化させるとすれば、同じ露光時間Ｐｅの受光出力を得ることができるが、１回の読出時間Ｐｒは８ｍｓであるから、図３（ｂ）のように、３種類の受光出力を得るために４２ｍｓを要することになる。これに対して、本実施形態の構成では、図３（ａ）のように２６ｍｓで３種類の受光出量を得ることができるのであって、本実施形態のほうが１枚の距離画像を生成するのに要する時間を短縮することができ、結果的に単位時間内に得られる情報量が多くなる。しかも、本実施形態では３種類の受光出力に時間差がないから、３個の光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの受光出力を用いながらも同じ条件で物体Ｏｂまでの距離を計測することができる。つまり、物体Ｏｂが相対的に移動している場合でも同じ時刻における距離を求めることができる。

なお、図２に示す関係から明らかなように、各強度範囲Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃの上限値はべき乗の関係で増加する。つまり、飽和閾値Ｔｓと不感閾値Ｔｉとを用い、最小の強度範囲Ｓａの上限値をＶａとすれば、（Ｔｓ／Ｔｉ）^ｎ・Ｖａという関係で表すことができるから、１２ｍｓ、４ｍｓ、２ｍｓの露光時間Ｐｅに相当するように感度を調整する代わりに、８ｍｓ、４ｍｓ、２ｍｓの露光時間Ｐｅに相当する関係としたり、１０ｍｓ、４．４ｍｓ（＝２×５^０．５）、２ｍｓの露光時間Ｐｅに相当する関係としたりすればよい。

（実施形態２）
実施形態１では、光路制御要素１１において透過率および反射率が一定で光路を２分岐させる部分透過ミラーからなる光分岐部１２ａ，１２ｂを用いたが、本実施形態では、光を透過させる状態と反射させる状態とを選択可能であり、光路を２系統に切り替える光分岐部１２ａ，１２ｂを用いている。光分岐部１２ａ，１２ｂの配置は、図１に示した実施形態１と同様であるものとする。

本実施形態で用いる光分岐部１２ａ，１２ｂは、調光ミラー（特開昭６０−２４７２２６号公報等参照）として知られており、エレクトリッククロミック材料に印加する電圧を変化させることにより、光を反射させる状態と透過させる状態とを切り替えることができる。

本実施形態では、タイミング制御部３から各光分岐部１２ａ，１２ｂの透過と反射とを選択する信号を出力する（図示せず）。したがって、各光分岐部１２ａ，１２ｂの透過と反射とを選択することにより、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃに択一的に光を導入することが可能になる。具体的には、光分岐部１２ａを反射の状態にすれば光分岐部１２ｂの状態にかかわらず光検出素子１ａにのみ光が導入され、光分岐部１２ａを透過の状態として光分岐部１２ｂを反射の状態とすれば光検出素子１ｂにのみ光が導入され、光分岐部１２ａ，１２ｂをともに透過の状態とすれば光検出素子１ｃにのみ光が導入される。

実施形態１では各光分岐部１２ａ，１２ｂにおける反射率および透過率を調節することにより、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃに対する光の強度について分配比率を調節しているが、本実施形態における光分岐部１２ａ，１２ｂは反射と透過とを選択するのみであって、一種のシャッタとしての機能しか持たないから、光の強度について分配比率を調節することはできない。ただし、光分岐部１２ａ，１２ｂはシャッタとして機能するから、露光時間によって光の分配比率を調節することは可能である。

そこで、図４に示すように、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの露光時間が異なるように光分岐部１２ａ，１２ｂを制御することに加え、光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの露光時間Ｔｅの一部に他の光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの読出時間Ｔｒを重複させている。図示例では、実施形態１と同様に、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの実質的な露光時間Ｔｅが１２ｍｓ，４ｍｓ，２ｍｓになるように光分岐部１２ａ，１２ｂを制御している。読出時間Ｔｒは８ｍｓであって、光検出素子１ｂ，１ｃの露光時間Ｔｅの合計が６ｍｓであるから、この関係では光検出素子１ａの読出時間Ｔｅにおいて光検出素子１ｂ，１ｃの露光時間Ｔｅが終了する。つまり、光検出素子１ａの露光時間Ｔｅと読出時間Ｔｒとを合計した２０ｍｓで、光検出素子１ｂ，１ｃの露光が終了する。ただし、すべての光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの受光出力を読み出すのに要する時間は２６ｍｓになる。

本実施形態の構成では、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃには異なる時刻の光が入射するから、光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの受光出力に含まれる情報に時間差が生じるが、１個の光検出素子のみを用いて露光時間Ｔｅと読出時間Ｔｒとを交互に繰り返す場合に比較すると、各光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃの受光出力に含まれる情報の時間差は少なく、またすべての光検出素子１ａ，１ｂ，１ｃから受光出力を得るのに要する時間も短くなる。さらに、実施形態１の構成では最大感度に対応付けた光検出素子１ａであっても、入射光の強度が光路制御要素１１への入射光に対して減衰しているから、減衰分だけ露光時間を延長する必要があるのに対して、本実施形態では最大感度に対応付けた光検出素子１ａへの入射光の強度が、光路制御要素１１への入射光の強度とほぼ等しいから、露光時間の延長が不要である。

なお、光分岐部１２ａ，１２ｂの個数は２個に限らず、１個あるいは３個以上でもよい。３個以上設ける場合には、２分岐した後にさらに２分岐するように光分岐部を配置してもよい。また、上述した構成例では、光検出素子１ｂの光軸上に各光分岐部１２ａ，１２ｂを配置した例を示しているが、光分岐部はこの光軸とは異なる位置に配置してもよい。他の構成および動作は実施形態１と同様である。

実施形態を示す概略構成図である。実施形態１の動作説明図である。同上の動作説明図である。実施形態２の動作説明図である。同上の動作原理を説明するブロック図である。

符号の説明

１光検出素子
１ａ，１ｂ，１ｃ光検出素子
２発光源
３タイミング制御部
４距離演算部（評価部）
４ａ出力判定部
４ｂセレクタ
５受光光学系
１１光路制御要素
１１ａ，１１ｂ，１１ｃプリズム
１２ａ，１２ｂ光分岐部
Ｏｂ物体

Claims

対象空間に光を投光する発光源と、対象空間の同じ空間領域からの光を受光しそれぞれ受光量に応じた受光出力が得られる複数個の光検出素子と、対象空間から各光検出素子への光路上に配置され対象空間からの入射光を各光検出素子に振り分ける光路制御要素と、各光検出素子の受光出力のうち規定の選択条件を満たす受光出力を選択し光検出素子の受光出力を用いて対象空間に関する空間情報を検出する評価部とを備え、光路制御要素は、入射光を所定の分配比率で各光検出素子に振り分けることにより各光検出素子での受光量を互いに異ならせることを特徴とする空間情報の検出装置。
前記光路制御要素は、前記各光検出素子のうち、入射光の強度が大きいときに適正な受光出力が得られる光検出素子は、入射光の強度が小さいときに適正な受光出力が得られる光検出素子よりも入射光の分配比率が小さく設定されることを特徴とする請求項１記載の空間情報の検出装置。
前記光路制御要素は、光路を２分岐する部分透過ミラーからなる光分岐部を前記光検出素子の個数より１個少なく備え、光分岐部の反射率および透過率により前記分配比率が設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の空間情報の検出装置。
前記各光制御要素の露光時間は実質的同一であることを特徴とする請求項３記載の空間情報の検出装置。
前記光路制御要素は、光を透過させる状態と反射させる状態とが選択可能であって光路を２系統に切り替える光分岐部を前記光検出素子の個数より１個少なく備え、光分岐部での各光検出素子の露光時間により前記分配比率が制御されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の空間情報の検出装置。
前記光路制御要素は、対象空間からの光を前記各光検出素子のいずれかに択一的に入射させ、各光検出素子に１回ずつ光を入射させる期間内において各光検出素子に光を入射させる期間を互いに連続させることを特徴とする請求項５記載の空間情報の検出装置。
前記評価部における選択条件は、規定の飽和閾値以下の範囲で最大の受光出力を選択することであって、前記各光検出素子は、それぞれ対象空間からの光を受光して受光量に応じた電荷を生成する複数個の感光部を有し対象空間を撮像することにより感光部で生成された電荷を受光出力とするイメージセンサであり、前記評価部は、各光検出素子において対象空間の同じ位置に対応付けられた各感光部で得られる受光出力のうち前記選択条件を満たす受光出力を対象空間の各位置ごとに選択することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の空間情報の検出装置。
前記発光源は、所定周期の変調信号で強度変調された光を対象空間に照射し、前記評価部における選択条件は、規定の飽和閾値以下の範囲で最大の受光出力を選択することであって、前記各光検出素子は、それぞれ対象空間からの光を受光して受光量に応じた電荷を生成する複数個の感光部を有し対象空間を撮像することにより感光部で生成された電荷を受光出力とするイメージセンサであり、前記評価部は、各光検出素子において対象空間の同じ位置に対応付けられた各感光部で得られる受光出力のうち前記選択条件を満たす受光出力を用いて物体までの距離を求め、各感光部に対応付けた対象空間の位置ごとの距離を画素値とする距離画像を生成することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の空間情報の検出装置。