JP2017015611A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高解像度の距離画像を短時間で取得でき、距離の測定精度も向上させる距離測定装置を提供する。
【解決手段】変調した光を対象空間に照射する光源部１０と、対象空間に存在する測定対象１００が変調した光を反射した反射光を受光して受光信号を出力する受光部２０と、受光信号に基づく距離画像を生成する距離画像生成部４０と、各部の動作を制御する制御部３０と、を有する距離測定装置１。受光部は、反射光を受光する複数の受光素子と、受光素子のそれぞれに受光面に対して反射光を所定の時間間隔をもって導光する光学素子を有し、受光素子は、それぞれの受光面も反射光による像の結像位置を画素ピッチよりも小さい量だけずれ、距離画像生成部は、一方の受光素子が反射光を受光して電荷の蓄積動作中に、他方の受光素子はすでに蓄積されている電荷を読み出して受光信号を出力して画像データを合成し、距離画像を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、距離測定装置に関するものである。

２次元の距離画像を生成する距離画像センサーを用いて、対象までの距離を測定する距離測定装置が知られている。距離画像センサーは、距離測定対象に向けて照射された照射光と当該対象によって反射した反射光との位相差に基づいて、距離画像を出力する。距離画像は、各画素値が対応する距離測定対象の各部までの距離に関する情報を備える画像である。

また、低画素のエリアセンサーを用いて、当該エリアセンサーの解像度よりも高い解像度の画像を取得する技術が知られている。その一つとして、低解像度のエリアセンサーをシフトさせながら取得した２つの画像を組み合わせることで、高解像度の画像を得る技術が知られている。また、撮像レンズをシフトさせることで１つのエリアセンサーにおいて２つの低解像度画像を取得し、これら２つの画像を合成することで高解像度の画像を生成する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

従来の距離画像センサーは画素数が少なく、高い解像度からなる距離画像を得ることができなかった。高い解像度からなる距離画像を得ることができれば、距離測定対象の形状などを細部まで取得することができたり、距離測定対象の動きをより細かく捉えることができたりするので望ましい。

そこで、上に示したエリアセンサーのように、１つの距離画像センサーをシフトさせながら２つの距離画像を合成する方法を採用した場合、１つの距離画像センサーをシフトさせて２つの距離画像を得ることになる。この場合、１つの距離画像を取得した後に、もう１つの距離画像を取得することになるので、合成した距離画像を得るまでに時間が掛かっていた。

本発明は、距離画像センサーが備える解像度よりも高い解像度からなる距離画像を短時間で得ることができる距離測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、変調した光を対象空間に照射する光源部と、前記対象空間に存在する測定対象が前記変調した光を反射した反射光を受光して受光信号を出力する受光部と、前記受光信号に基づく距離画像を生成する距離画像生成部と、各部の動作を制御する制御部と、を有する距離測定装置であって、前記受光部は、前記反射光を受光する複数の受光素子と、 前記受光素子のそれぞれに受光面に対して前記反射光を所定の時間間隔をもって導光する光学素子と、を有し、前記受光素子は、それぞれの受光面も前記反射光による像の結像位置を画素ピッチよりも小さい量だけずれるように配置されていて、前記距離画像生成部は、一方の前記受光素子が前記反射光を受光して電荷の蓄積動作中に、他方の前記受光素子はすでに蓄積されている電荷を読み出して前記受光信号を出力し、すでに読みだしてある一方の前記受光素子からの前記受光信号と他方の前記受光素子からの前記受光信号のそれぞれから生成した画像データを合成して前記距離画像を生成する、ことを特徴とする。

本発明によれば、距離画像センサーが備える解像度よりも高い解像度からなる距離画像を短時間で得ることができる。

本発明に係る距離測定装置の実施形態の例を示す機能構成図である。 上記距離測定装置が備える受光部の実施形態の例を示す機能構成図である。 上記距離測定装置における照明光と反射光の位相差の例を示す波形図である。 上記距離測定装置が備える２つの受光素子のそれぞれにおける像の結像状態の例であって、（ａ）第１の受光素子における結像状態、（ｂ）第２の受光素子における結像状態、を例示する図である。 上記距離測定装置が出力する距離画像の例を示す図である。 上記距離測定装置が備える構成の動作タイミングを例示するタイミングチャートである。 上記距離測定装置が生成する画像データの記憶態様の例を示す図である。 上記距離測定装置が備える受光部の別の実施形態の例を示す機能構成図である。 上記距離測定装置が備える受光部のさらに別の実施形態の例を示す機能構成図である。

●距離測定装置の第１実施形態●
以下、本発明に係る距離測定装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示す測距装置１は、光源部１０と、受光部２０と、制御部３０と、距離画像生成部４０と、を有してなる。測距装置１は、測定対象１００の距離画像を出力する。なお、距離画像とは、後述する受光素子から出力される画像を構成する画素のそれぞれにおいて、当該各画素のデータが対象までの距離を表している画像のことである。

光源部１０は、光源と、制御部３０からの変調信号３１０に応じて光源を点灯させる光源駆動回路と、を有してなる。光源は、変調信号３１０によって変調された照射光１１０を出力するものであればよく、その種類を限定するものではない。例えば、発光ダイオードや半導体レーザーなどを光源として用いることができる。なお、変調信号３１０には、種々のものを用いることができ例えば、矩形波や正弦波などを用いる。本実施形態における変調信号３１０は、矩形波を例としている。。

測定対象１２が存在する対象空間へ光源部１０から照射光１１０が出力され、これが測定対象１００に当たって反射して反射光２１０になり、反射光２１０が受光部２０において受光される。反射光２１０は、照射光１１０に対して位相がずれる。受光部２０は、照射光１１０の照射時と反射光２１０の受光時の位相差情報を示す複数の受光信号３３０を出力する。なお、照射光１１０に対する反射光２１０の位相のずれは、光源部１０から測定対象１００までの距離に応じて変化する。受光部２０の詳細な構成については後述する。

制御部３０は、測距装置１の全体的な動作を制御する。例えば、制御部３０は測距装置１の動作開始タイミングを制御する。なお、動作開始タイミングのトリガーとして、測距装置１の内部の信号を用いてもよいし、測距装置１に接続する外部装置からの制御信号を用いてもよい。図１において測距装置１は、外部装置から制御部３０に対して動作開始タイミングを示すｓｔａｒｔ信号３００をトリガーとする例である。制御部３０は、ｓｔａｒｔ信号３００が入力されると光源部１０へ変調信号３１０の出力を開始する。

また、制御部３０は、受光部２０に対して受光信号生成命令３２０を出力する。受光部２０は、受光信号生成命令３２０に応じて、受光した反射光２１０に基づく受光信号３３０を出力する。さらに、制御部３０は、距離画像生成部４０に対して距離画像生成命令３４０を出力する。距離画像生成部４０は、距離画像生成命令３４０に応じて、受光部２０からの受光信号３３０に基づく距離画像４００を生成する。

距離画像生成部４０は、受光部２０から出力される複数の受光信号３３０に基づいて、測定対象１００までの距離情報を含む距離画像４００を生成して出力する。なお、距離画像４００の詳細な説明は後述する。

●受光部の構成
次に、受光部２０の詳細について図２を用いて説明する。受光部２０は複数の受光素子を備える受光手段である。受光部２０は、受光素子である第１距離画像センサー２０１および第２距離画像センサー２０２と、偏向器２０３と、結像レンズ２０４と、を有してなる。

第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２は、いずれも同じ仕様の距離画像センサーである。第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２は、反射光２１０を受光して、照射光１１０と反射光２１０の位相差情報を含む受光信号３３０を生成して出力する。以下の説明において、第１距離画像センサー２０１が出力する受光信号３３０を第１受光信号３３１とする。また、第２距離画像センサー２０２が出力する受光信号３３０を第２受光信号３３２とする。

偏向器２０３は、結像レンズ２０４を通過した反射光２１０の進行方向を変更する光学素子である。言い換えると、偏向器２０３は、結像レンズ２０４を通過した反射光２１０の進行方向を、結像レンズ２０４への反射光２１０の入射方向とは異なる方向へと導光する光学素子である。

偏向器２０３は、両面に反射面を備える板状の部材に回転軸を備えた回転体であって、制御部３０からの偏向器制御信号２０３１に応じて回転し反射面の向きを変化させて、反射光２１０の反射面への入射角度を変化させる。偏向器制御信号２０３１は、所定の時間間隔をもって制御部３０から出力される制御信号である。偏向器２０３は、制御部３０による時間制御に応じて、結像レンズ２０４を通過した反射光２１０の反射角度を変更する。

結像レンズ２０４は、反射光２１０を第１距離画像センサー２０１または第２距離画像センサー２０２の受光面に結像させるレンズである。

次に、受光部２０の動作状態について説明する。偏向器２０３は制御部３０の制御に応じて、２つの状態に変化する。すなわち、結像レンズ２０４を通過した反射光２１０を、図２（ａ）に示すように第１距離画像センサー２０１に向けて反射する状態と、図２（ｂ）に示すように第２距離画像センサー２０２に向けて反射する状態である。

図２（ａ）に示すような状態を第１状態という。図２（ｂ）に示すような状態を第２状態という。なお、第１状態と第２状態では、偏向器２０３が反射光２１０を反射する反射面が異なる。

なお、偏向器２０３の状態が第１状態もしくは第２状態のいずれの状態であっても、結像レンズ２０４の中心を通過して偏向器２０３に入射する反射光２１０は、偏向器２０３の反射面の中心部分に至る。また、結像レンズ２０４の端を通過して偏向器２０３の入射する反射光２１０は、偏向器２０３の反射面の周縁部分に至る。受光部２０は、結像レンズ２０４と、偏向器２０３と、第１距離画像センサー２０１および第２距離画像センサー２０２が、上に示したように反射光２１０を導光する光学的配置からなる。

●受光素子の配置
図２に示すように、偏向器２０３の回転軸をＺ軸とし、Ｚ軸に直交し結像レンズ２０４に入射した反射光２１０の光軸Ｌｘに平行する軸をＸ軸とし、Ｚ軸とＸ軸に直交する軸をＹ軸とする。偏向器２０３が有する反射面は、Ｘ−Ｙ平面に直交する面であり、Ｘ−Ｚ平面とＹ−Ｚ平面に対しては所定の角度を形成しながら傾斜する面である。

偏向器２０３は、Ｘ−Ｚ平面とＹ−Ｚ平面に対して反射面の傾斜状態を変更する。偏向器２０３の回転軸を上の示したＹ軸の原点として、図２の紙面上部方向を＋Ｙ方向とし、紙面下部方向を−Ｙ方向とする。第１距離画像センサー２０１は、＋Ｙ側に配置されていて、第２距離画像センサー２０２は、−Ｙ側に配置されている。偏向器２０３の反射面を第１状態にすると、反射光２１０の進行方向はＸ軸方向から＋Ｙ方向に変わる。同様に、偏向器２０３の反射面を第２状態にすると、反射光２１０の進行方向はＸ軸方向から−Ｙ方向に変わる。

第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２は、図２に示すように、Ｘ−Ｙ平面上において、二次元状に配列されている。すなわち、受光部２０は複数の受光素子が二次元状に配列されているものである。

受光部２０のように、二次元状に複数のエリアセンサーを配置することで、受光部２０の反射光進入方向の寸法Ｗを小さくすることができる。すなわち、受光部２０を小型化することができ、これによって測距装置１の小型化を図ることもできる。

●位相差情報と距離の関係
第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２の受光面は複数の画素を備えている。この各画素のそれぞれにおいて、反射光２１０に基づく電荷を蓄積する。蓄積された電荷は、制御部３０からの受光信号生成命令３２０に応じて、それぞれ第１受光信号３３１および第２受光信号３３２として出力される。

ここで、第１距離画像センサー２０１および第２距離画像センサー２０２が生成する位相差情報について説明する。図３は、光源部１０から照射された照射光１１０の波形と、受光部２０において受光された反射光２１０の波形を例示する波形図である。すでに説明したとおり、照射光１１０は変調信号３１０に応じて変調されている。図３では変調信号３１０が矩形波である場合を例示している。この照射光１１０が所定の距離だけ離れたところにある測定対象１００によって反射されて反射光２１０になり、第１距離画像センサー２０１および第２距離画像センサー２０２において受光される。この反射光２１０の位相は照射光１１０の位相に対して、測定対象１００までの距離に応じてずれる。この位相のずれの量を位相差Φとする。第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２は、位相差Φを画素ごとに求める。求められた位相差Φを以下の式１に当てはめると測定対象１００までの距離Ｌを算出することができる。なお、式１に含まれているＴｐは図３に示すパルス幅時間［ｓ］、Ｃは光速（３×１０^８［ｍ／ｓ］）である。
（式１）
Ｌ［ｍ］＝Φ/(2π)×Ｔｐ［ｓ］×Ｃ[ｍ／ｓ]

図１の距離画像生成部４０では式１に基づいて、第１距離画像センサー２０１の画素ごとに距離Ｌを求めて第１距離画像を生成し、また、第２距離画像センサー２０２の画素ごとに距離Ｌを求めて第２距離画像を生成する。また、距離画像生成部４０は、第１距離画像と第２距離画像を用いて距離画像４００を生成して出力する。距離画像４００の詳細については後述する。

次に、第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２の配置関係について詳細に説明する。図２に示すように、第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２は、結像レンズ２０４と偏向器２０３とを結ぶ反射光２１０の光軸Ｌｘを挟んで線対称となる位置関係から、相対的にＸ軸方向へ若干ずれた位置に配置されている。具体的には、第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２の受光面に結像する像の位置が、互いの画素ピッチｐに対してｐ／２に相当する分のずれを有するように相対的に配置される。

図４は、第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２の受光面において、同じ測定対象１００の像の様子を例示している。例えば、図４（ａ）は第１距離画像センサー２０１に結像した測定対象１００の像の例を示している。また、第４（ｂ）は第２距離画像センサー２０２に結像した測定対象１００の像の例を示している。図４（ａ）と図４（ｂ）に示すように、第１距離画像センサー２０１の画素配列と、第２距離画像センサー２０２の画素配列は同じであって、それぞれの画素ピッチｐも同じである。第１距離画像センサー２０１における測定対象１００の結像位置と第２距離画像センサー２０２における測定対象１００の結像位置は、第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２の相対的な位置関係によって、ｐ／２だけズレるようになっている。

このように第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２を配置することで、相対的にｐ／２ずれた第１距離画像と第２距離画像を生成することができる。この第１距離画像と第２距離画像の画素データを交互に並べて合成すると、高解像度の距離画像４００を得ることが可能となる。

次に、距離画像生成部４０において生成される距離画像４００について、図５を用いて詳細に説明する。図５に示すように距離画像４００は、第１受光信号３３１から生成された第１距離画像データ４０１と第２受光信号３３２から生成された第２距離画像データ４０２を交互に並べて合成し生成される。第１距離画像データ４０１は奇数番目の列に配置され、第２距離画像データ４０２は偶数番目の列に配置されている。

すでに説明のとおり、第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２は、画素のピッチｐの半分（ｐ／２）だけずれた画像データを生成する。この２つの画像データを交互に並べて合成することで、第１距離画像センサー２０１または第２距離画像センサー２０２が生成する低解像度距離画像よりも高い解像度を有する距離画像４００を得ることができる。

●距離測定装置の動作
次に、測距装置１の動作について図６を用いて説明する。図６は、制御部３０が、光源部１０と受光部２０と距離画像生成部４０のそれぞれに対して動作を指示するタイミングと、上記の各構成部が動作するタイミングの関係を示している。図６に表記したＳ１、Ｓ２、Ｓ３・・・は、制御部３０が各構成部に動作を指示するタイミングを示している。以下、制御部３０からの指示のタイミングごとに、各構成部の動作を詳細に説明する。制御部３０が動作指示を開始する前の初期状態における受光部２０の状態は、第１状態であるものとする。

また、すでに説明したとおり、受光素子である第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２の動作は２段階に分かれる。第１の段階は、反射光２１０が当たった各画素が反射光２１０を電荷に変換して蓄積する蓄積動作である。第２の段階は、蓄積した電荷を読み出して受光信号３３０として出力する読み出し動作である。

●タイミングＳ１
まず、タイミングＳ１において、制御部３０に対してｓｔａｒｔ信号３００が入力されることで、測距装置１の動作が始まる（図１参照）。このｓｔａｒｔ信号３００をトリガーとして、制御部３０は変調信号３１０の出力を開始する。出力された変調信号３１０は、光源部１０に入力される。光源部１０は変調信号３１０に応じて光源をパルス点灯させる。すなわち、タイミングＳ１以降は光源部１０から照射光１１０が出力される。照射光１１０が単位時間当たりに進む距離に比べて、測定対象１００と測距装置１との距離は非常に短いので、光源部１０から照射光１１０が出力されるとほぼ同時に、第１距離画像センサー２０１の蓄積動作が始まる。

●タイミングＳ２
タイミングＳ１から所定の蓄積時間を経過してタイミングＳ２になると、制御部３０は、光源部１０への変調信号３１０の出力を停止する。また制御部３０は、タイミングＳ２において、第１距離画像センサー２０１に対して読み出し動作の開始を指示する受光信号生成命令３２０を出力する。これによって第１距離画像センサー２０１は、それまで蓄積した電荷を第１受光信号３３１として出力する。

また、制御部３０はタイミングＳ２において、距離画像生成部４０に対して第１距離画像センサー２０１からの第１受光信号３３１に基づく第１距離画像生成処理を実行するように指示する。距離画像生成部４０は、当該指示に応じて、受光部２０から出力される第１受光信号３３１をデジタルデータに変換して位相差データを生成し、この位相差データと上に示した式１を用いて各画素の距離データ演算を実行して第１距離画像を生成する。距離画像生成部４０は、生成した第１距離画像を所定の記憶手段に記憶する。第１距離画像を記憶する記憶手段は、測距装置１の内部に搭載する半導体メモリでもよいし、測距装置１に接続される外部装置でもよい。

ここで、第１距離画像を構成する各画素データが記憶手段に記憶される状態の例について図７を用いて説明する。図７に示すように、記憶手段であるメモリ４１０は、各記憶アドレスにおいて１画素に相当するデータを記憶する構造からなるものである。図７（ａ）に示すように、第１距離画像に係る第１距離画像データ４０１を構成する第１画素データ４０１１は記憶アドレスの０番地に記憶され、同じく第２画素データ４０１２は記憶アドレスの２番地に記憶される。同様に、第３画素データ４０１３は記憶アドレスの４番地、第４画素データ４０１４は記憶アドレスの６番地、のように、隣接する記憶アドレスを一つ飛ばしにして記憶される。

図６に戻る。タイミングＳ２において、制御部３０は偏向器２０３に対し、回転動作の指示をする偏向器制御信号２０３１を出力する（図２参照）。偏向器２０３は偏向器制御信号２０３１に応じて、時計回りに９０度回転する。偏向器２０３の回転によって、第１状態から第２状態へと遷移する。

●タイミングＳ３
制御部３０は、タイミングＳ２から経過時間をカウントし、偏向器２０３が第１状態から第２状態に遷移するために要する時間の経過を判断する。所定の時間を経過してタイミングＳ３になると、制御部３０は光源部１０に対する変調信号３１０の出力を再開する。すでに説明したとおり、制御部３０が変調信号３１０を出力すると照射光１１０が測定対象１００に向けて照射され、ほぼ同時に第２距離画像センサー２０２の蓄積動作が開始される。

ここで、距離画像生成部４０におけるデータ取得動作は、タイミングＳ３を経過しても継続している。すなわち、タイミングＳ２以降はタイミングＳ３における制御部３０による各部への動作指示とは独立して、距離画像生成部４０における第１距離画像データ４０１の生成と記憶処理は実行されている。言い換えると、一方の受光素子（例えば第２距離画像センサー２０２）が電荷の蓄積動作をしているときに、他方の受光素子（例えば第１距離画像センサー２０１）は、すでに蓄積した電荷を受光信号３３０として出力する。これによって、一方の受光素子の蓄積動作中に距離画像データの生成処理を平行して実行することができる。

●タイミングＳ４
タイミングＳ３から所定の蓄積時間を経過してタイミングＳ４になると、制御部３０は、光源部１０への変調信号３１０の出力を再度停止する。また、制御部３０はタイミングＳ４において、第２距離画像センサー２０２に対して読み出し動作の開始を指示する受光信号生成命令３２０を出力する。これによって第２距離画像センサー２０２は、それまで蓄積した電荷を第２受光信号３３２として出力する。

さらに、制御部３０はタイミングＳ４において、距離画像生成部４０に対して第２距離画像センサー２０２からの第２受光信号３３２に基づく第２距離画像生成処理を実行するように指示する。距離画像生成部４０は、当該指示に応じて、受光部２０から出力される第２受光信号３３２をデジタルデータに変換して位相差データを生成し、この位相差データと上に示した式１を用いて各画素の距離データ演算を実行して第２距離画像を生成する。距離画像生成部４０は、生成した第２距離画像をメモリ４１０に記憶する。

ここで、第２距離画像を構成する各画素データがメモリ４１０に記憶される状態の例について図７を用いて説明する。図７（ｂ）に示すように、すでに第１距離画像データ４０１を構成する第１画素データ４０１１，第２画素データ４０１２が記憶されている間の記憶アドレスの１番地に、第２距離画像データ４０２を構成する第１画素データ４０２１が記憶される。以降、第２画素データ４０２２は記憶アドレスの３番地、第３画素データ４０２３は記憶アドレスの５番地、第４画素データ４０２４は記憶アドレスの７番地、のように、隣接する記憶アドレスを一つ飛ばしにして記憶される。

以上のように、タイミングＳ４において生成された第２距離画像データ４０２がメモリ４１０に記憶されると、事前に保持されている第１距離画像データ４０１の間に第２距離画像データ４０２が並んで、図５に示したような高解像度の距離画像４００が生成される。

図６に戻る。タイミングＳ４において、制御部３０は偏向器２０３に対し、回転動作の指示をする偏向器制御信号２０３１を出力する（図２参照）。偏向器２０３は偏向器制御信号２０３１に応じて、反時計周りで９０度回転し、第２状態から第１状態へと遷移する。

●タイミングＳ５
制御部３０は、タイミングＳ４から経過時間をカウントして、偏向器２０３が第２状態から第１状態に遷移するために要する時間の経過を判断する。所定の時間を経過してタイミングＳ５になると、制御部３０は光源部１０に対する変調信号３１０を再開する。これによって、照射光１１０が測定対象１００に向けて照射されて、ほぼ同時に第１距離画像センサー２０１の蓄積動作が開始される。

タイミングＳ４から開始した距離画像生成部４０における距離画像４００の生成動作は、タイミングＳ５においても継続している。すなわち、タイミングＳ４以降はタイミングＳ５における制御部３０による各部への動作指示とは独立して、距離画像生成部４０における第２距離画像データ４０２の生成と記憶処理すなわち合成画像生成処理は実行されている。言い換えると、一方の受光素子（例えば第１距離画像センサー２０１）が電荷の蓄積動作をしているときに、すでに２つの受光信号３３０に基づく距離画像４００を生成できる状態であれば、それを平行して実行する。

●タイミングＳ６、Ｓ７、Ｓ８
続いて、タイミングＳ５からカウントして、所定の蓄積時間を経過するタイミングＳ６において、上に示したタイミングＳ２と同様の動作をする。その後、タイミングＳ７としてタイミングＳ３と同様の動作をし、また、タイミングＳ８としてタイミングＳ４と同様の動作をする。以降、距離測定動作を終了するまで、上記の動作を繰り返す。

以上のように動作する測距装置１によれば、第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２と偏向器２０３を用いることで、複数の受光素子のそれぞれの動作の一部を並行して実行し、高解像度の距離画像４００の生成処理時間を短縮することができる。

●距離測定装置の第２実施形態
次に、本発明に係る距離測定装置の別の実施形態について図８を用いて説明する。図８は、測距装置１が備える受光部２０の別の例を示している。図８に示す受光部２０ａは、すでに説明した受光部２０と同様の構成を一部に備える。すでに説明をした構成については、同じ符号を用いて表すこととし、詳細な説明を省略する。

受光部２０ａは、第１距離画像センサー２０１と、第２距離画像センサー２０２と、偏向器２１３と、結像レンズ２０４と、を有してなる。

図８において、偏向器２１３の回転軸をＺ軸、Ｚ軸に直交し結像レンズ２０４に入射する反射光２１０の光軸Ｌｘに平行する軸をＸ軸、Ｚ軸とＸ軸に直交する軸をＹ軸とする。偏向器２１３の反射面は、Ｘ−Ｙ平面に直交する面であって、Ｘ−Ｚ平面とＹ−Ｚ平面に対して傾斜している面である。

受光部２０ａにおいて第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２は、ともに、偏向器２１３に対して＋Ｙ方向に配置されている。第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２は、それぞれの受光面がＸ−Ｚ平面と平行するように配置されていて、偏向器２１３の回転軸からのＹ方向の距離は同じ位置にある。第１距離画像センサー２０１は、第２距離画像センサー２０２よりもＸ方向において結像レンズ２０４側に配置されている。

受光部２０ａは、２つの受光素子を備えているが、これらは、結像レンズ２０４を介して入射してくる反射光２１０の光軸Ｌｘで分割されるＸＹ平面上の領域において、同じ側の領域に配置されている。また、第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２は、結像レンズ２０４と偏向器２１３を介して反射光２１０を受光したときに、その像の結像位置が、図４に示したようにお互いに画素ピッチｐのｐ／２だけずれるように配置されている。

図８（ａ）は受光部２０ａの第１状態を示している。図８（ｂ）は受光部２０ａの第２状態を示している。図８（ａ）に示すように第１状態では、光軸Ｌｘと偏向器２１３の反射面によって形成されるＸ−Ｙ平面上の角度が小さい。一方、図８（ｂ）に示すように第２状態では、光軸Ｌｘと偏向器２１３の反射面によって形成されるＸ−Ｙ平面上の角度が大きい。第１状態では偏向器２１３によって反射された反射光２１０は、Ｘ−Ｙ平面上において偏向器２１３よりも結像レンズ２０４に近い側に配置されている第１距離画像センサー２０１に入射する。第２状態では偏向器２１３によって反射された反射光２１０は、Ｘ−Ｙ平面上において偏向器２１３よりも結像レンズ２０４に遠い側に配置されている第２距離画像センサー２０２に入射する。

図８に示すように、光軸Ｌｘを境界線として分割した一方の領域に複数の受光素子をまとめて配置することで、偏向器２１３による反射光２１０の反射方向の寸法Ｈを小さくすることができる。これによって、受光部２０を小型化することがき、測距装置１の小型化を図ることができる。

●距離測定装置の第３実施形態
次に、本発明に係る距離測定装置のさらに別の実施形態について図９を用いて説明する。図９は、測距装置１が備える受光部２０のさらに別の例である。図９に示す受光部２０ｂは、すでに説明した受光部２０と同様の構成を一部に備える。すでに説明をした構成については、同じ符号を用いて表すこととし、詳細な説明を省略する。

受光部２０ｂは、結像レンズ２０４と、調光ミラー２２３と、第１距離画像センサー２０１と、第２距離画像センサー２０２と、を有してなる。

図９において、調光ミラー２２３は、制御部３０からの調光ミラー制御信号２０３２によって、反射状態と透過状態を電気的に切り換えることができる光学素子である。調光ミラー２２３は、すでに説明をした偏光器２０３の代わりに用いることができる。したがって、反射状態と透過状態の切り替えは、制御部３０の時間制御によるものである。受光部２０ｂは、結像レンズ２０４を通過した反射光２１０が調光ミラー２２３で反射された先と、調光ミラー２２３を透過した先に、それぞれ受光素子を配置している。調光ミラー２２３によって反射した光の進行方向に第１距離画像センサー２０１が配置されている。調光ミラー２２３を透過した光の進行方向に第２距離画像センサー２０２が配置されている。

調光ミラー２２３によって反射光２１０を反射し、第１距離画像センサー２０１に反射光２１０を入射する状態を第１状態とする。調光ミラー２２３を透過状態にし、反射光２１０を透過させて、第２距離画像センサー２０２に反射光２１０を入射する状態を第２状態とする。

なお、第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２は、結像レンズ２０４と調光ミラー２２３を介して反射光２１０を受光したときに、その像の結像位置が、図４に示したようにお互いに画素のピッチｐの１／２だけずれるように配置されている。

調光ミラー２２３を用いることで、測距装置１は、ミラーを回転させる機構を用いる必要がなくなり、構成を簡素化できる。また、調光ミラー２２３は固定することができるので、機械的な回転で方向を変えるより、第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２の受光面に、より精度良く画素ピッチｐのｐ／２だけずらした像を形成することができる。

受光部２０ｂを備える測距装置１によれば、すでに説明をした第１実施形態と同様に、制御部３０において変調信号３２０の出力と停止を制御し、合わせて、調光ミラー２２３の状態切り替え制御、及び、第１距離画像センサー２０１と第２距離画像センサー２０２からの受光信号に基づいて距離画像４００を生成することができる。

以上説明した測距装置１は、高解像度の距離画像を短時間で得ることができる。これによって、距離の測定時間を短縮することもできる。

１ 測距装置
１０ 光源部
２０ 受光部
３０ 制御部
４０ 距離画像生成部
１００ 測定対象
１１０ 照射光
２０１ 第１距離画像センサー
２０２ 第２距離画像センサー
２０３ 偏向器
２０４ 結像レンズ
２１０ 反射光
４００ 距離画像

特開平１０−２８８８０３号公報

Claims (5)

1. 変調した光を対象空間に照射する光源部と、
   前記対象空間に存在する測定対象が前記変調した光を反射した反射光を受光して受光信号を出力する受光部と、
   前記受光信号に基づく距離画像を生成する距離画像生成部と、
   各部の動作を制御する制御部と、
   を有する距離測定装置であって、
   前記受光部は、
   前記反射光を受光する複数の受光素子と、
   前記受光素子のそれぞれに受光面に対して前記反射光を所定の時間間隔をもって導光する光学素子と、
   を有し、
   前記受光素子は、
   それぞれの受光面も前記反射光による像の結像位置を画素ピッチよりも小さい量だけずれるように配置されていて、
   前記距離画像生成部は、一方の前記受光素子が前記反射光を受光して電荷の蓄積動作中に、他方の前記受光素子はすでに蓄積されている電荷を読み出して前記受光信号を出力し、すでに読みだしてある一方の前記受光素子からの前記受光信号と他方の前記受光素子からの前記受光信号のそれぞれから生成した画像データを合成して前記距離画像を生成する、
   ことを特徴とする距離測定装置。
2. 前記受光素子は、前記レンズを通過して前記光学素子に至る前記反射光の光軸を境界とする２つの領域において、それぞれ異なる側の領域に配置されている、
   請求項１記載の距離測定装置。
3. 前記受光素子は、前記レンズを通過して前記光学素子に至る前記反射光の光軸を境界とする２つの領域のうち、一方の領域に配置されている、
   請求項１記載の距離測定装置。
4. 前記光学素子は、前記レンズを通過した前記反射光を反射する反射面を有し、
   前記反射面は、前記反射光の入射角度を変更するように回転する、
   請求項１乃至３のいずれかに記載の距離測定装置。
5. 前記光学素子は、電気的に反射状態と透過状態を可変する調光ミラーである、
   請求項１記載の距離測定装置。