JP2014522979A5 - - Google Patents

Description

従って上記の目的は、タイム・オブ・フライトセンサ又はタイム・オブ・フライトカメラなどの測距装置を用いてシーンの距離情報を提供する方法によって達成される。この方法は、一連の光パルスのような周期的光信号をシーンに向かって放射し、そのシーンからの周期的光信号の反射を受信し、その周期的光信号の受信した反射に対してタイム・オブ・フライト情報を求め、受信した反射に対するタイム・オブ・フライト情報から距離情報を導き出す、ステップを含む。ここで、周期的光信号は、周波数変調として変調信号の基準周波数に摂動が掛けられた、基準周波数の変調信号に従って放射される。この周波数に摂動が掛けられた変調信号は、次に周期的光信号の発生に利用され、かつ反射光を受信してタイム・オブ・フライト情報を判定する検出器の参照信号としても利用される。これはピクセルごとに行うことが可能である。この距離情報並びにシーン画像から、３Ｄ画像を生成することが可能である。

従って本発明の一態様において、シーンの距離情報を提供する方法が、ある摂動周波数と摂動周期をもつ周期的摂動によって拡散された基準周波数を有するクロックタイミングに従ってシーンに向けて周期的光信号を放射し、そのシーンから周期的光信号の反射を受信し、参照信号として周期的摂動によって拡散されたクロックタイミングに従って複数の測定継続時間のセットに亘る周期的光信号の受信した反射に対するタイム・オブ・フライト情報を求め、その受信した反射に対するタイム・オブ・フライト情報から距離情報を導き出す、ステップを含んで構成される。ここで、セットの中の各測定継続時間は、摂動周期の整数倍又は半整数倍であり、かつ測定継続時間のセットの全体に亘って平均の基準周波数が一定に保たれる。

従って本発明の別の態様において、シーンへ向けて周期的光信号を放射する光源とともに使用されるタイム・オブ・フライトセンサが提供される。このセンサはシーンからの距離情報を提供するためのものであって、ある摂動周波数と摂動周期とを有する周期的摂動によって基準周波数を拡散させたクロックタイミングに基づいて光源に対して変調信号を与える変調ユニットと、受信ユニットと求値ユニットと処理ユニットとを有し変調信号を受信するために変調ユニットに接続された受信グループと、参照信号として周期的摂動により拡散されたクロックタイミングに従って複数の測定継続時間からなるセットに亘りシーンから受信した反射からタイム・オブ・フライト情報を求めるように適合された求値ユニットと、求値ユニットにより提供されるタイム・オブ・フライト情報から距離情報を導き出すように適合された演算ユニットと、を含む。ここで、セットの中の各測定継続時間は、摂動周期の整数倍又は半整数倍であり、かつ測定継続時間のセットの全体に亘って基準周波数の平均が一定に保たれる。

本発明の一態様は、光の変調の基準周波数に対して周期的周波数摂動を与え、この摂動を考慮して反射に対するタイム・オブ・フライト情報を求めることである。これにより、一位相差の値の決定に必要な測定継続時間のセットの中の各測定継続時間は、摂動周期の整数倍又は半整数倍である。更に一位相差の値の決定に必要な平均基準周波数は摂動に拘わらず、全測定継続時間の内の各測定継続時間に亘って一定に保たれる。同じ平均周波数を与えたとしても同一のスペクトル成分とはならないような、周波数のランダムな摂動は、周期的摂動には含まれない。摂動は、基準周波数の連続的な振動変化であっても、又は基準周波数を中心とする一連の異なる周波数であってもよい。

周期的光信号の基準周波数の摂動が、何らかの影響を及ぼすジッタを導入するにもかかわらず、反射に対するタイム・オブ・フライト情報の求値は高精度で行うことが可能である。シーン中の物体は信頼性良く検出され、これらの物体に対して好適な距離情報を提供することが可能である。印加される周波数摂動がＴＯＦセンサ又はＴＯＦカメラなどの測距装置の電磁コンプライアンスを改善する。これは、スペクトラム中には急峻に画定された周波数における高エネルギの基本波又は高調波ピークがもはや存在しない効果を持っている。ピークのエネルギはより広いスペクトル領域に拡散され、スペクトルエネルギ密度を低下させてＥＭＣを改善する。この手法は、周期的光信号に適用される“スペクトラム拡散”をもたらすのみならず、一位相差の値の決定に必要な測定継続時間のセットの全体に亘ってスペクトル成分を一定に維持する。周期的なクロックタイミングの摂動を有するスペクトラム拡散クロックは、容易に入手可能であるが、何らかのジッタも導入される。これらは、本発明による新規の変更された実施形態のＴＯＦセンサ又はＴＯＦカメラへ組み込まれ得る。

受信した反射のタイム・オブ・フライト情報は、いずれも同一の摂動を受けた、受信した周期的光信号と参照光との間の遅延時間又は位相変化を測定することによって決定される。このホモダイン測定原理により、摂動はタイム・オブ・フライト測定に何ら影響を及ぼさない。受信した反射は、放射パルスと受信パルスとの重なりによって相互に関連しあい、あるいは混合しているが、タイム・オブ・フライト情報に関しては容易に求値可能であり、タイム・オブ・フライト情報から距離情報を容易に導き出すことが可能である。ＴＯＦセンサ又はＴＯＦカメラの一実施形態においては、好ましくはスペクトラム拡散クロック又は単一摂動クロックを持つ単一システムクロックが、周期的光信号の生成のための変調信号生成とタイム・オブ・フライト情報の求値とに利用される。摂動は周期信号であり、例えば、変調の基準周波数に比べて低周波の信号である。

本発明の好適な実施形態においては、シーンのタイム・オブ・フライト情報は取得された順序で測定される。これらの別々に取得したものを組み合わせることで、周辺光の影響の除去と、物体の反射率及びタイム・オブ・フライト測定を阻害するその他の要因の除去を可能にする。この取得の結果、放射光と受信光との間の遅延時間又は位相差が決定される。その取得のステップとしては、周期的な光信号をシーンに向けて放射するステップと、そのシーンからの周期的光信号の反射を所与の順序で少なくとも２回受信するステップと、シーンからの周期的光信号の反射を受信するステップの全動作に亘って受信した周期的光信号の反射を積分することを含む周期的光信号の受信した反射に対するタイム・オブ・フライト情報を求めるステップ、とを含む。反射した周期的光信号の持続時間全体に亘って受信した反射を積分することで、タイム・オブ・フライトをより正確に求めることができる。遠隔にある物体からの反射は、物体からの周期的光信号の反射が低い強度しか持たない場合であっても、容易に検出可能である。従って、遠くの物体と近接する物体とがある、“奥行きのある”シーンにも適用することができる。また、積分して求めることで、受信した反射を持続時間で平均化することができ、それによって孤立した誤差を回避できる。好ましくは、周期的光信号を放射し、シーンからの反射を受信するステップを少なくとも３回行って、その反射全体に対して積分を行う。１回のフライト距離決定の測定期間中に周期的光信号のスペクトル成分が変化した場合には、問題が生じ得る。このため、本発明の方法及び装置は、１つの距離決定に必要な全測定期間に亘って、スペクトル成分が一定となるように適合されている。

タイム・オブ・フライトカメラ１は更に、受信ユニット７と求値ユニット８と処理ユニット９とを有する受信グループ６を備えている。受信グループ６は任意選択により、摂動クロック５に接続され、摂動信号を受信する。受信グループ６はまた参照信号として変調ユニット３の出力に接続されている。本発明のこの例示的実施形態においては、受信ユニット７と求値ユニット８と処理ユニット９が一体となって受信グループ６を形成するように提供されているが、本発明の変形実施形態においては、より小さい機能グループの個別機能ユニットとして提供されてもよい。

求値ユニット８は、変調ユニットの出力、及び／又は摂動クロック５から与えられた摂動信号を考慮して、受信ユニット７の各ピクセルに対して個別に受信した反射のタイム・オブ・フライトを求める。

演算ユニット９は、各ピクセル又はピクセル群に対して求値ユニット８が与えたタイム・オブ・フライト情報から距離情報を導き出し、この距離情報を、図４には示されていないインタフェースを介してユーザ又は更なる処理装置へ提供する。

変調パルスなどのような周期的光信号を放射し、シーンからの反射を受信するステップは、繰り返されて、受信した反射が求値ユニット８によって積分される。図２の下側の部分で示されるように、変調光パルスからの反射の受信はｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４と記された時点で開始される。図２からわかるように、例えば変調光パルスなどの周期的光信号の反射の受信は、この実施例においては常に、摂動周波数変調信号のピークにおいて、従って摂動周波数変調信号の同一位置において開始される。本発明のこの実施例において受信は、摂動変調信号の一周期の整数回、例えば６回の期間に亘る測定時間の間行われ、その最初が“測定”としてマークされる。従って、シーンからの変調光パルスなどの周期的光信号の反射を受信するステップは、各測定が摂動周期の同じ数の期間に亘って行われ、図２からわかるように、摂動周期の長さは光パルスの各受信測定時間よりも短い。更に、この操作は、変調光パルスなどの周期的光信号をシーンに向けて放射するその実行のすべてにおいて、光源２に提供される変調信号の平均周波数が本質的に同じであるようにする。

本発明のこの例示的実施形態において、“測定”と記した４つの積分区間が逐次的に求値される。代替の実施形態においては、受信された反射を、受信ユニット７によってすべて同時に積分することが可能である。

求値ユニット８は、周期的光信号の基準周波数に摂動が与えられていることを考慮して、受信した変調光パルスなどの周期的光信号の反射に対するタイム・オブ・フライト情報を全ピクセルに対して求め、そのタイム・オブ・フライト情報を演算ユニット９へ提供する。演算ユニット９は与えられたタイム・オブ・フライト情報から全ピクセル又はピクセル群に対して距離情報を導き出し、この情報をシーンの距離情報として更なる処理に提供する。このシーンの距離情報は従って４つの積分区間の平均として提供される。“読み出し”と記された時間を使って受信グループ６が受信した反射を処理する。

Claims (10)

1. タイム・オブ・フライトセンサ又はタイム・オブ・フライトカメラ（１）を用いてシーンの距離情報を提供する方法であって、
   ある摂動周波数と摂動周期をもつ周期的摂動によって拡散された基準周波数を有するクロックタイミングに基づく変調信号に従って、前記シーンに向けて周期的光信号を放射することと、
   前記シーンからの前記周期的光信号の反射を受信することと、
   前記変調信号を参照信号として、複数の測定継続時間からなるセットに亘って、前記周期的光信号の前記受信した反射を前記セットの中の前記複数の測定継続時間のそれぞれで積分し、その結果の平均であるタイム・オブ・フライト情報を求めることと、
   前記受信した反射に対する前記タイム・オブ・フライト情報から距離情報を導き出すことと、
   を含み、
   前記セットの中の測定継続時間は、前記摂動周期の整数倍又は半整数倍であり、かつ前記測定継続時間のセットの全体に亘って前記基準周波数の平均が一定に保たれる、方法。
2. 前記セットの中の１つの測定継続時間において取り込まれる前記変調信号は、前記セットの中の他の任意の１つの測定継続時間において取り込まれる前記変調信号と同一のスペクトル成分を有する、請求項１に記載の方法。
3. 不連続摂動が適用される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記摂動周波数を動的に増加又は減少させることを更に含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記周期的光信号の強度を低下させ、かつ前記摂動周波数を減少させることを更に含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記周期的光信号は、パルス信号又は正弦波信号である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記摂動周波数は、前記基準周波数の±５％の範囲内である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. シーンへ向けて周期的光信号を放射する光源とともに使用され、シーンからの距離情報を提供するための測距装置であって、前記測距装置は、
   ある摂動周波数と摂動周期とを有する周期的摂動によって拡散された基準周波数を持つクロックタイミングに基づいて、前記光源に対して変調信号を与える変調ユニット（３）と、
   受信ユニット（７）と求値ユニット（８）と処理ユニット（９）とを有し、前記変調信号を受信するために前記変調ユニットに接続された、受信グループ（６）と、
   前記周期的摂動により拡散されたクロックタイミングを参照信号として、複数の測定継続時間からなるセットに亘って、前記シーンから受信した反射を前記セットの中の前記複数の測定継続時間のそれぞれで積分し、その結果の平均であるタイム・オブ・フライト情報を求めるように適合された求値ユニット（８）と、
   前記求値ユニット（８）により提供される前記タイム・オブ・フライト情報から距離を導き出すように適合された処理ユニット（９）と、
   を備え、
   前記セットの中の各測定継続時間は、前記摂動周期の整数倍又は半整数倍であり、かつ前記測定継続時間のセットの全体に亘って前記基準周波数の平均が一定に保たれる、測距装置。
9. 請求項２〜７のいずれか一項に従ってシーンからの前記距離情報を提供するように更に構成された、請求項８に記載の測距装置。
10. シーンへ向けて周期的光信号を放射する光源とともに使用され、シーンからの距離情報を提供するためのタイム・オブ・フライトセンサのためのタイミングモジュールであって、前記タイミングモジュールは、
    ある摂動周波数と摂動周期とを有する周期的摂動によって拡散された基準周波数のクロックタイミングを有する変調信号を前記光源に対して提供する変調ユニット（３）を備え、
    前記変調ユニットは、前記シーンからの前記周期的光信号の反射を検出する前記タイム・オブ・フライトセンサの検出器に、前記周期的摂動によって拡散された前記クロックタイミングに従って、複数の測定継続時間からなるセット全体に前記変調信号を提供するように適合されており、ここで、前記タイム・オブ・フライトセンサは、前記シーンからの前記周期的光信号の前記反射を前記セットの中の前記複数の測定継続時間のそれぞれで積分し、その結果の平均であるタイム・オブ・フライト情報を求め、
    前記セットの中の各測定継続時間は、前記摂動周期の整数倍又は半整数倍であり、かつ前記測定継続時間のセットの全体に亘って前記基準周波数の平均が一定に保たれる、タイミングモジュール。