JP2018021764A - 光飛行型測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エイリアシングの影響を回避可能にしつつ、多数のセンサが存在したとしても当該センサ間の干渉を防ぐことができるようにした光飛行型測距装置を提供する。【解決手段】デジタル信号処理回路１１は、第１変調周波数ｆ１、及び、第１変調周波数ｆ１をｆmaxとしたときの距離レンジ１／２×ｃ／ｆmax×Ｎより大きな距離レンジを測定可能にすると共に第１変調周波数より低い第２変調周波数ｆ２を含む複数の変調周波数に応じて距離を計測する。デジタル信号処理回路１１は、第１変調周波数に応じて距離を計測するときには、発光制御回路３により位相の極性がサブシーケンスの度に制御されたタイミングに応じて受光素子６の蓄積容量が電荷を蓄積／放電し、この蓄積容量に蓄積された電荷に応じて距離を計測するように構成される。そして、デジタル信号処理回路１１は、第１変調周波数ｆ１による計測結果と第２変調周波数ｆ２による計測結果とに基づいて距離測定結果を補正する。【選択図】図１

Description

本発明は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光を受光して電荷を複数の蓄積容量に振り分けて蓄積し、サンプリングした値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する光飛行型測距装置に関する。

自装置から対象物までの距離を非接触で計算する装置として、光飛行（ＴＯＦ：Time of Flight）型測距装置が供されている（例えば、特許文献１参照）。光飛行型測距装置は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光（測距光）を空間に発光し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光を受光する。そして光飛行型測距装置は、受光した入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量に振り分けて蓄積し、サンプリングした値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する。

光飛行型測距装置においては、距離誤差を低減することが求められている。距離誤差を低減する方法としては、位相角誤差を抑える、即ち信号対雑音比（ＳＮＲ：Signal-to-Noise Ratio）を高める方法や、変調周波数を高める方法がある。ＳＮＲを高める方法では、信号成分を増やすために発光パワーを高めたり、ノイズ成分を減らすために光学フィルタを用いたり、積分回数を増やしたりすることでＳＮＲを高めたりすることが考えられる。

米国公開２０１２／００９８９６４号明細書 米国特許７７９１７１５号明細書 国際公開２０１０／０９８４５４号公報

しかしながら、変調周波数を高める方法では、当該変調周波数を高くするほどエイリアシングが発生する距離が短くなり、近距離の物標と遠距離の物標とを区別することが困難となる。

また、多数のセンサが発光した信号を受信すると、この受信信号間で干渉することになる。これに対し、特許文献１は、露光のシーケンスを時間単位で細分化し、その時間を単位としてランダム又は疑似ランダムな位相遅延を挿入して位相を変更し、これによりカメラ間の干渉耐性を向上する手法を提案している。この手法は、強い背景光、すなわちコモンモード成分が存在しないときには有効であるが、コモンモード成分が存在するときには、挿入した位相遅延の最中に差動の片側の容量にのみ電荷の蓄積が起こるため不具合を生じる。

またＰＮ変調のスペクトラム拡散技術を用いて１パルス毎に遅延時間を設定した場合、ランダムパターンを入れない変調で露光を実施した場合と同様のＳＮＲを得るために必要な露光時間が長くなってしまう。すなわち、エイリアシングの問題とこの干渉の問題を十分な精度、速度で同時に解決できるようにすることが望まれている。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、エイリアシングの影響を回避可能にしつつ、多数のセンサが存在したとしても当該センサ間の干渉を防ぐことができるようにした光飛行型測距装置を提供することにある。

請求項１に記載した発明によれば、発光制御部は、第１変調周波数及び第２変調周波数を含む少なくとも２以上の互いに異なる複数の変調周波数で変調された変調光を空間に発光させる。そして受光制御部は、変調光が物標に反射した反射光を含む光を入射しこの入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量に振り分けて電荷を蓄積する受光素子の蓄積電荷をサンプリングし、測距部は自装置から物標までの距離を計測する。

発光制御部は、複数の変調周波数のうち最も高い第１変調周波数によるパルスパターンをＮ回（但しＮは２以上の自然数）繰り返す変調光のパターンをサブシーケンスとしたときに、当該サブシーケンスの度に確率１／２でランダムに位相極性を正転／反転して制御して発光素子に発光させる。測距部は、第１変調周波数、及び、第１変調周波数より低い第２変調周波数を含む複数の変調周波数に応じて距離を計測する。第２変調周波数で測定可能な距離レンジは、第１変調周波数をｆmaxとしたときの距離レンジに対応する１／２×ｃ／ｆmax×Ｎの値以上の大きな距離レンジとなる。

測距部が、第１変調周波数に応じて距離を計測するときには、発光制御部により位相極性がサブシーケンスの度に制御されたタイミングに応じて受光制御部により受光素子の蓄積電荷をサンプリングし、測距部が距離を計測する。そして、第１変調周波数による計測結果と第２変調周波数による計測結果とに基づいて距離測定結果を補正する。

発光制御部は、サブシーケンスの度に確率１／２でランダムに位相極性を正転／反転して制御し、この正転／反転した位相極性に応じて距離を計測している。このため、サブシーケンスの度に、電荷分配が確率１／２でランダムに変更されることになり、さらに電荷の蓄積処理が多数繰り返されることになるため、この電荷は正側／負側に平均的に配分されることになる。したがって、他のセンサからの影響を生じる虞があったとしても、この影響を極力排除できる。

また、第２変調周波数による測定結果は、少なくとも第１変調周波数のパルスパターンのＮ周期に対応する範囲内から反射される信号についてエイリアシングの影響を生じることはない。このため、第２変調周波数の距離測定処理に応じて距離を測定することで、エイリアシングの影響を極力排除できる。

第１実施形態を示す機能ブロック図 受光素子の一部構成を示す図 ４位相の基本的なシーケンスを示す図 シーケンスを示す図 電荷蓄積の時間変化のシーケンスを示す図 第２実施形態のシーケンスを示す図 第３実施形態のシーケンスを示す図 第４実施形態のシーケンスを示す図 第５実施形態の受光素子の一部構成を示す図 シーケンスを示す図 位相変化に対するゲイン特性を示す図 第６実施形態のシーケンスを示す図 第７実施形態における処理を概略的に示すフローチャート

以下、本発明を、例えば車両に搭載可能な光飛行型測距装置に適用した幾つかの実施形態について図面を参照して説明する。以下の実施形態中では、各実施形態間で同一機能または類似機能を備えた部分に同一符号を付して説明を行い、同一又は類似機能を備えた構成及びその作用、連携動作説明等を必要に応じて省略する。

（第１実施形態）
図１〜図５は第１実施形態の説明図を示している。光飛行型測距装置（以下、測距装置と略す）１は、信号源２と、発光制御部としての発光制御回路３と、発光素子４と、受光制御部としての受光制御回路５と、受光素子６と、ＣＭ（コモンモード）成分除去回路７と、バッファ８ａ，８ｂと、差分検出回路９と、ＡＤ変換回路１０と、デジタル信号処理回路１１と、を備える。デジタル信号処理回路１１は、測距部、信号処理部、放電制御部、延長設定部、比較部に相当するように機能する。この測距装置１は、自装置から物標１２までの距離を計算するように構成され、その物標１２は、例えば、人、物、先行車両等の他車両や路上の障害物、路側物となる壁等、である。

信号源２は駆動信号を発光制御回路３及び受光制御回路５に出力する。この駆動信号としては所定周波数（ｆ１／２、ｆ１、ｆ２）のパルス信号が用いられる。発光制御回路３は、信号源２から受信した駆動信号に応じて変調光を発光素子４に発光させる。このため、発光素子４は複数の変調周波数に応じた変調光を物標１２に向けて発光できる。

受光制御回路５は、信号源２から受信した駆動信号に応じて受光素子６の露光を制御する。このとき発光制御回路３及び受光制御回路５は同一の駆動信号を受信しているため、当該発光制御回路３及び受光制御回路５は互いに同期を確立でき、発光制御回路３が発光素子４により発光させる変調光に同期して受光制御回路５が受光素子６の露光期間を調整制御できる。

このとき、信号源２が出力する駆動信号は、発光素子４及び受光素子６を駆動する矩形パルス（通常数〜数１０ＭＨｚ）であっても良いし、同期パルスであっても良い。
発光素子４は、変調光としての例えば赤外光を発光するＬＤ（Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。受光素子６は、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）のプロセスを用いたイメージセンサである。受光素子６は、図２に示すように、ＰＤ（Photodiode）１３と、２個の変調スイッチ１４ａ、１４ｂと、電荷を蓄積／放電可能な２個の蓄積容量１５ａ、１５ｂとを備えた画素１６を多数備える。

２個の変調スイッチ１４ａ、１４ｂは、例えばＭＯＳトランジスタやトランスファゲート等のＭＯＳ型のデバイス等により構成できる。２個の蓄積容量１５ａ、１５ｂは、例えばＭＯＳ、ＣＣＤ、ＭＩＭ（Metal-Insulator-Metal）等の容量素子、配線、ＰＮ接合の寄生容量等により構成できる。

受光制御回路５は、変調スイッチ１４ａ、１４ｂを制御信号ＴＧ１，ＴＧ２によりオン／オフ駆動すると、受光素子６は、受光した入射光により発生する光電子を蓄積容量１５ａ，１５ｂに振り分け、振り分けた光電子の電荷量を示す信号をＣＭ成分除去回路７に出力する。制御信号ＴＧ１，ＴＧ２は変調光に同期した信号であり、蓄積容量１５ａ，１５ｂに振り分けられる光電子の電荷量が、光飛行型測距装置１から物標１２までの距離に応じて変化する。図２では、２個の蓄積容量１５ａ，１５ｂを例示したが、３個以上の蓄積容量を設けても良い。

ＣＭ成分除去回路７は、受光する変調光に対して無視できない程度のレベルの背景光が存在する場合に、コモンモード成分を除去することで背景光の影響を極力抑制する。また、このＣＭ成分除去回路７は、ランダム位相反転した場合に生じるコモンモード成分を除去するために設けられる。なお、ＣＭ成分を除去する方法としては、先行文献において様々な技術が開示されている。例えば米国６９１９５４９Ｂ２号公報、独逸１０２００５０５６７７４Ａ１号公報、欧州１６２２２００Ａ１号公報等に開示されている。さらに、ここでは、明示的にＣＭ成分除去回路７を設けたケースを示すが、信号経路において飽和を生じないレンジを十分確保できる場合については、同様の機能は、差分検出回路９や差動入力形式のＡＤ変換回路１０を通じて実現できる。

差分検出回路９は、ＣＭ成分除去回路７からバッファ８ａ，８ｂを介して入力した信号の差分を検出し、その検出した差分に応じた信号をＡＤ変換回路１０に出力する。バッファ８ａ、８ｂは、例えばソースフォロワ回路により構成される。差分検出回路９は、例えば差動アンプにより構成される。

ＡＤ変換回路１０は、差分検出回路９から入力した信号をアナログ信号からデジタル信号に変換しデジタル信号処理回路１１に出力する。デジタル信号処理回路１１は、ＡＤ変換回路１０から入力した信号をデジタル信号処理することで、蓄積容量１５ａ，１５ｂに振り分けられた光電子の電荷量を演算し、自装置から物標１２までの距離を計測、すなわち測距する。

図３は変調周波数を一定とすると共に発光波形のデューティを５０％とし、受光素子６を４位相で駆動した場合の基本的なシーケンス（変調周期：Ｔｍ，露光期間：Ｔｗ）の説明図を示している。

発光素子４により発光される変調光の波形（発光波形１１０）は、制御信号ＴＧ１，ＴＧ２と同期した矩形波により変調している。図３では矩形波を用いて変調した場合を例示しているが、正弦波、三角波等により変調しても良い。変調光が物標１２により反射した反射光の波形（反射波形１２０）は、発光波形１１０に対して時間差を有する。このため反射波形１２０は、発光波形１１０に対して位相差φだけ遅れた波形となる。制御信号ＴＧ１，ＴＧ２は９０度ずつ位相が異なる矩形波により駆動される。

発光制御回路３、受光制御回路５、及び、デジタル信号処理回路１１は、制御信号ＴＧ１−１，ＴＧ２−１（駆動波形１１１，１２１）で駆動するシーケンスを数千〜数十万回程度繰り返し、デジタル信号処理回路１１は、発生した光電荷Ｑ１、Ｑ２の情報について電荷電圧変換された電圧値としてＡＤ変換回路１０を通じて取得する。以下、発光波形Ｅのタイミングと同期して制御信号ＴＧ１を「Ｈ」とする露光周期を「０度露光」と称す。

その後、発光制御回路３、受光制御回路５及びデジタル信号処理回路１１は、制御信号ＴＧ１−２，ＴＧ２−２（駆動波形１１２、１２２）で駆動するシーケンスを数千〜数十万回程度繰り返し、デジタル信号処理回路１１は、発生した光電荷Ｑ３、Ｑ４の情報について電荷電圧変換された電圧値としてＡＤ変換回路１０を通じて取得する。以下、発光波形Ｅのタイミングと９０度位相を遅延したタイミングと同期して制御信号ＴＧ１を「Ｈ」とする露光周期を「９０度露光」と称す。そして、デジタル信号処理回路１１は、取得した光電荷Ｑ１〜Ｑ４から離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Discrete Fourier Transform）を用いて位相差θを以下の演算式（１）により計算する。

θ＝ｔａｎ^−１［（Ｑ１−Ｑ３）／（Ｑ２−Ｑ４）］…（１）
演算式（１）は上記４つのサンプリングに基づく位相差の演算式であるが、一般のＨ位相についても位相差θを以下の演算式（２）により計算することができる。

θ＝ｔａｎ^−１［（ΣＱｋ×ｓｉｎ（２π／Ｈ×ｋ））／（ΣＱｋ×ｃｏｓ（２π／Ｈ×ｋ））］…（２）
このような基本的な処理を行うことで位相差θを求めることができ、位相差θに基づいて測距装置１から物標１２までの距離ｄを求めることができる。このような基本的な処理を行うときに、距離誤差σｄは下記の（３）式を用いて計算できる。

σｄ ∝ （１／ＳＮＲ）・（ｃ／ｆmod） …（３）
この（３）式において、ＳＮＲはＳ／Ｎ比を示し、ｃは光速、ｆmodは変調周波数を示している。このためＳ／Ｎ比を上げるか、もしくは変調周波数ｆmodを上げることで距離誤差σｄを低減できる。このため、変調周波数ｆmodを極力上げることが望ましいが、所謂エイリアシングの影響により測定距離レンジを短くしてしまうことになるため、測定可能距離と精度の間に原理的なトレードオフを生じる。

そこで、本実施形態では前述の基本原理を応用し、図４に示すシーケンスにより処理を実行する。本実施形態では、２つの変調周波数ｆ１、ｆ２を用いて発光素子４に発光させると共に受光素子６の側では受光シーケンスＳＱ、サブシーケンスＳＵＳを実行するようにしている。以下では、例えば変調周波数を、第１変調周波数ｆ１（＝ｆmax）、第２変調周波数ｆ２（＜ｆ１）として２回シーケンス処理を行う例を示す。本実施形態では、変調周波数ｆ２の周期を、変調周波数ｆ１のサブシーケンスＳＵＳの周期に一致させるようにした形態を示し、変調周波数ｆ２が変調周波数ｆ１の１／４（１／Ｎ相当）に設定されている形態を示す。

まず、発光制御回路３は、制御信号ＴＧ１−１，ＴＧ２−１（駆動波形１１１，１２１）で駆動するパルスを第２変調周波数ｆ２に応じて固定周期で変調して発光させるシーケンスＳＱを実行する。受光素子６は発光波形Ｅに遅れて受光するが、受光制御回路５が反射波形Ｒを０度露光し、デジタル信号処理回路１１は発生した光電荷Ｑ１、Ｑ２の情報についてＡＤ変換回路１０を通じて電荷電圧変換された電圧値を取得する。

このような処理を９０度露光について繰り返し、発光制御回路３は、制御信号ＴＧ１−２，ＴＧ２−２（駆動波形１１２，１２２）で駆動するパルスを第２変調周波数ｆ２の固定周期で変調して発光させるシーケンスＳＱを実行する。受光素子６は、発光波形Ｅに遅れて受光するが、受光制御回路５が反射波形Ｒを９０度露光し、デジタル信号処理回路１１は発生した光電荷Ｑ３、Ｑ４の情報を取得する。そしてデジタル信号処理回路１１は、取得した光電荷Ｑ１〜Ｑ４から離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Discrete Fourier Transform）を用いて位相差θ２を前述の（１）式に基づいて計算する。

また発光制御回路３は、変調周波数ｆ１において、制御信号ＴＧ１−１，ＴＧ２−１（駆動波形１１１、１２１）で駆動するパルスをＮ回繰り返すサブシーケンスＳＵＳを用い、このサブシーケンスＳＵＳの度に確率１／２でランダムに位相極性を正転／反転し、このサブシーケンスＳＵＳを数十〜数十万回程度繰り返す。ここで「Ｎ回」としては、２の累乗又は２〜１０回（例えば３、４、８、１６回など）など、サブシーケンスＳＵＳの繰り返し回数に対して大幅に少ない２以上の自然数の回数に設定することが望ましく、この中でも特に２の累乗＝４、８、１６、３２に設定することで例えばハードウェアやソフトウェアでロジック構成しやすくなり、より望ましい構成となる。図４、図５には、正転するタイミングＴａを実線によって示し、反転するタイミングＴｂを破線により示している。

このとき使用される変調周波数ｆ１は、変調周波数ｆ２より高い周波数であり、例えばｆ１×４（すなわちＮ回）に設定されている。また確率１／２のランダム位相極性反転の判定方法は、例えばＭ系列を用いてランダム系列を作成し、このランダム系列に沿って位相極性を正転／反転する方法が一例として挙げられる。

受光素子６は発光波形Ｅに遅れて受光するが、受光制御回路５が反射波形Ｒを０度露光し、デジタル信号処理回路１１は発生した光電荷Ｑ１、Ｑ２の情報を取得する。また、この処理を９０度露光について繰り返す。このとき、発光制御回路３は、変調周波数ｆ１において制御信号ＴＧ１−２，ＴＧ２−２（駆動波形１１２，１２２）で駆動するパルスをＮ回繰り返すサブシーケンスＳＵＳを用い、このサブシーケンスＳＵＳの度に確率１／２でランダムに位相極性を正転／反転し、このサブシーケンスを数千〜数十万回程度繰り返す。この９０度露光処理におけるランダム位相極性反転タイミングは、前述した０度露光処理におけるランダム位相極性正転／反転タイミングと同一となっている。したがって、前述したように作成されたランダム系列に沿って位相極性を正転／反転することになり、０度露光と９０度露光とでは互いに同期したタイミングで露光される。

受光素子６は、発光波形Ｅに遅れて受光するが、受光制御回路５が反射波形Ｒを９０度露光し、デジタル信号処理回路１１は発生した光電荷Ｑ３、Ｑ４の情報を取得する。そして、デジタル信号処理回路１１は、取得した光電荷Ｑ１〜Ｑ４から離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Discrete Fourier Transform）を用いて、位相差θ１を（１）式に基づいて計算する。

そして、デジタル信号処理回路１１は、変調周波数ｆ２による測定結果と変調周波数ｆ１による測定結果とに基づいて距離測定処理について補正処理する。
変調周波数ｆ１に基づく測定処理では１／２×ｃ／ｆ1の距離レンジを測定可能となる。本形態ではこのｆ１を最大周波数ｆmaxとしている。変調周波数ｆ２は変調周波数ｆ１より低い。この変調周波数ｆ２は、１／２×ｃ／ｆ1×Ｎ（＝１／２×ｃ／ｆmax×Ｎ相当）と等しい値以上の大きな距離レンジを測定できるような条件を満たす周波数に設定される。これらの２つの周波数ｆ１、ｆ２を用いて距離測定処理することで他のセンサからの影響及びエイリアシングの影響を排除した距離測定処理が可能となる。

前述構成の作用を説明する。本実施形態では、この変調周波数ｆ１に基づく処理シーケンスを短い固定周期のパルスパターンを備えたサブシーケンスＳＵＳに区切っており、このサブシーケンスＳＵＳの度に、確率１／２のランダム数列に従って発光／受光の極性を正転／反転している。空間に多数のセンサがあると相互に干渉を生じる。例えば、測距装置１の各回路２〜１１が、変調周波数ｆ２に基づいて発光／受光処理しているときに、例えば他のセンサの発光素子が発光し、測距装置１の受光素子６が受光すると、サブシーケンスＳＵＳの度に正側又は負側の受光電荷Ｑ１〜Ｑ２、Ｑ３〜Ｑ４へ電荷分配される。

したがって、測距装置１の各回路２〜１１が、サブシーケンスＳＵＳの度に確率１／２で発光／受光の極性を正転／反転することで、これらの電荷Ｑ１〜Ｑ２、Ｑ３〜Ｑ４の分配が均等化されることになる。したがって、他のセンサの発光による影響は、均等配分された電荷Ｑ１〜Ｑ２、Ｑ３〜Ｑ４に基づいて、ＣＭ成分除去回路７により背景光と共に除去されることになる。

図５は、反射波形Ｒが発光波形Ｅから１周期以上遅れたときのタイミングチャートを示す。このような場合、あるサブシーケンスＳＵＳにおいて発光された発光波形Ｅが、次回のサブシーケンスＳＵＳにおいて受光する受光タイミングと合致することがあり、所謂エイリアシングの影響を生じる虞がある。

しかし、本実施形態においては、時間的に連続するサブシーケンスＳＵＳの間においてランダムに発光／受光の極性を正転／反転している。このため、図５のハッチング部分に示すように、電荷Ｑ１〜Ｑ２、Ｑ３〜Ｑ４の分配が、確率１／２でランダムに変更されることになり、さらに、電荷の蓄積処理が多数（例えば数十万回程度）繰り返されることになるため、この電荷は正側／負側に均等に配分されることになる。

このため、変調周波数ｆ１のパルスパターンのＮ周期まではエイリアシングを生じるものの、その位相を超えて対応する範囲から反射される信号については、ＣＭ成分除去回路７により除去されることになり、エイリアシングの影響を生じる虞があったとしても、この影響を極力排除できる。

また、変調周波数ｆ２＝ｆ１／Ｎの測定処理結果は、少なくとも変調周波数ｆ１のパルスパターンのＮ周期に対応する範囲内から反射される信号についてエイリアシングの影響を生じることはない。このときには、変調周波数ｆ２の距離測定処理の位相差θ２に応じて距離を測定することで、サブシーケンスＳＵＳのパルスパターンのＮ個のパルスのうちの何れのパルスに対応した距離からの反射であるかを特定できる。このため、変調周波数ｆ２＝ｆ１／Ｎの条件を満たす変調周波数ｆ２のシーケンスＳＱを用いた測距結果は、変調周波数ｆ１のパルスパターンのＮ周期に対応した距離レンジまでエイリアシングの影響を排除できる。このため、これらの２つの距離測定結果を用いることでエイリアシングの影響を排除した距離測定結果を得ることができる。

図５には１周期程度の遅れを生じたときのタイミングチャートを示しているが、エイリアシングの影響を生じることになったとしても、変調周波数ｆ１の４周期（Ｎ周期）に相当する距離レンジまでこの影響を極力排除できる。これにより測距結果についてエイリアシングの影響を極力排除できる。

本実施形態では、変調周波数ｆ２を用いた測距結果は、ランダム数列に沿って正転／反転しているシーケンスを採用していないため、他のセンサからの干渉やエイリアシングに対する耐性は後述実施形態に比較して低くなる。しかしながら、変調周波数ｆ２による測距の目的は、本実施形態において変調周波数ｆ１により測定した結果がＮ周期のいずれの周期の結果であったかを判定することであり、最終的な精度には直接影響しない。かつこのような場合に要求される精度は一般に正確に距離を測定するために必要とされる精度（すなわち変調周波数ｆ１による測定に求められる精度）に比べて低い。したがって、干渉が生じたとしても、その程度が著しくない場合においては、実用上問題なく使用することが可能で、この変調周波数ｆ２を用いた測距結果は、より広い測定レンジに適用できる。

本実施形態においては、ランダムに極性反転しない変調周波数ｆ２の測距結果とランダムに極性反転する変調周波数ｆ１の測距結果とを組み合わせることで測定レンジをより広めながら測距精度をより高精度化できる。

ここで図２で示した画素１６は、後述実施形態に示す放電スイッチ１４ｃを用いないように構成しているため、簡素な構成となる。本実施形態は、後述実施形態に示すスイッチ１４ｃを設けたとしてもその実施を妨げるものではない。このため、様々な種類の画素を用いたセンサに適用することが可能である。

（第２実施形態）
図６は第２実施形態の追加説明図を示す。第１実施形態では、シーケンスＳＱの一周期の長さをサブシーケンスＳＵＳの長さに合致させる形態について図示しているが、第２実施形態では、サブシーケンスＳＵＳの長さを、シーケンスＳＱの一周期の長さから変更した形態を示している。

サブシーケンスＳＵＳの長さ（＝（変調周波数ｆ１の周期）×（パルスパターンの個数Ｎ）） ＜ シーケンスＳＱの一周期の長さ（＝変調周波数ｆ２の周期）、の関係性を満たすようにパルスパターンの周期やサブシーケンスＳＵＳの長さを設定すれば良い。図６には、正転するタイミングＴａを実線によって示し、反転するタイミングＴｂを破線により示している。図６に示すように、前述の条件を満たすように設定すれば、サブシーケンスＳＵＳの長さ、変調周波数ｆ１、ｆ２の間の関係はどのような関係で設定しても良い。

第２実施形態においては、このように設定することで、第１実施形態に比較して変調周波数ｆ２による測定精度を高精度に必要となるものの、変調周波数ｆ２による測定でより広い範囲を検出できるので、変調周波数ｆ１による測定がオフセットを有していたとしても、後段の処理のみで吸収することが可能となる。

（第３実施形態）
図７は第３実施形態の追加説明図を示す。第１実施形態は、変調周波数ｆ２を用いた距離測定処理については他のセンサの干渉誤差を許容可能であることを条件として、変調周波数ｆ２を用いた距離測定処理に対して基本的なシーケンスＳＱを適用したが、第１実施形態の変調周波数ｆ１における距離測定処理と同様に、パルスパターンを複数回繰り返すサブシーケンスＳＵＳ（ｆ２）を用い、サブシーケンスＳＵＳ（ｆ２）の度に確率１／２でランダムに極性を正転／反転するようにしても良い。この図７に示す例では、正転するタイミングＴａ１、Ｔａ２を実線により示し、反転するタイミングＴｂ１、Ｔｂ２を破線により示している。

発光制御回路３が、パルスパターンをＭ回繰り返すサブシーケンスＳＵＳ（ｆ２）を用い、このサブシーケンスＳＵＳ（ｆ２）の度に確率１／２でランダムに位相極性を正転／反転し、このサブシーケンスＳＵＳ（ｆ２）を数千〜数十万回程度繰り返す。このサブシーケンスＳＵＳ（ｆ２）が第２サブシーケンスに相当する。「Ｍ回」も「Ｎ回」と同様に、２の累乗又は２〜１０回（例えば３、４、８、１６回など）サブシーケンスＳＵＳの繰り返し回数に対して大幅に少ない２以上の自然数の回数に設定することが望ましい。またこの中でも特に２の累乗＝４、８、１６、３２に設定することで例えばハードウェアやソフトウェアでロジック構成しやすくなる。また、このとき使用される変調周波数ｆ２もまた、変調周波数ｆ１より低い周波数である。

この場合、第１実施形態に比較すれば変調周波数ｆ２における露光時間を長くすることが望ましい。変調周波数ｆ２のサブシーケンスＳＵＳ（ｆ２）の周期Ｍ×２π以上に対応した距離から反射する反射光は、変調周波数ｆ１、ｆ２の何れにおいても観測されることはない。この点は、サブシーケンスＳＵＳ（ｆ２）の周期を長期化することで緩和できる。

（第４実施形態）
図８は第４実施形態の追加説明図を示す。第４実施形態は第３実施形態の別の適用例となる。図８には、正転するタイミングＴａ１、Ｔａ２を実線により示し、反転するタイミングＴｂ１を破線により示している。この第４実施形態においては、変調周波数ｆ２のサブシーケンスＳＵＳ（ｆ２）の周期を、変調周波数ｆ１のサブシーケンスＳＵＳ（ｆ１）の周期の３周期としている。このようにすることで同様の作用効果を奏することになる。

（第５実施形態）
図９〜図１１は第５実施形態の追加説明図を示す。背景光がノイズを概ね支配する環境下となり、Ｓ／Ｎ比の特性をより改善する必要があるものと考慮される場合には、画素で信号を積分する時間を意図的に短くすることで、これを改善することができる。

このような場合、画素１１６の構成を図９のように変更し、変調周波数ｆ１については図１０に示すシーケンス制御を実行することが望ましい。この図９に示すように、画素１１６は、変調スイッチ１４ａ、１４ｂと、これらの変調スイッチ１４ａ、１４ｂとは異なる放電スイッチ１４ｃとを備える。

図１０に示すように、変調スイッチ１４ａ、１４ｂが同時にオフし且つ別の放電スイッチ１４ｃがオンする期間、即ち、制御信号ＴＧ１、ＴＧ２の双方が「Ｌ」となり、且つ、制御信号ＴＧ３が「Ｈ」となる期間を設ける。この期間中にＰＤ１３に生じた電荷は、蓄積容量１５ａ、１５ｂに蓄積されることはなく放電され、電源（例えばＶＤＤ）に回収される。

図１０に示すように、サブシーケンスＳＵＳａの中のパルスパターンの１周期分だけ遅延したタイミングで受光することを例に挙げて説明する。この図１０に示すように、サブシーケンスＳＵＳａの一周期において、発光制御回路３が発光制御し始めたタイミングからＮ回のパルスパターンのうち最後の１回を無発光としている。そして、発光制御回路３は、サブシーケンスＳＵＳａ毎に発光の位相を反転／無反転している。また、発光制御回路３は、サブシーケンスＳＵＳａのパルスパターンのうち最後側の１回（Ｎ１回相当）の発光を停止させている。

受光制御回路５は、制御信号ＴＧ１、ＴＧ２を「Ｈ」とするタイミングをサブシーケンスのうち最初から２回目のパルスパターンに対応したタイミングから開始するようにしている。すなわち受光制御回路５は、サブシーケンスＳＵＳａのうちパルスパターンの最初側の１回（Ｎ２回相当）の受光素子６の露光期間を無効化した非露光期間としている。

前述したように、発光制御回路３は、サブシーケンスＳＵＳａのパルスパターンのうち最後側の１回（Ｎ１回相当）の発光を停止させているが、これに合わせて、受光制御回路５は、制御信号ＴＧ１、ＴＧ２を「Ｈ」とするタイミングを、例えば同じサブシーケンスＳＵＳａの内にて完結するように制御し、これにより４回目（Ｎ回目）の露光期間を無効化している。

また図１０中において、１回のサブシーケンスＳＵＳａ毎に制御信号ＴＧ３を「Ｈ」とする期間を設けている。制御信号ＴＧ３が「Ｈ」のときには、反射波形Ｒに基づく電荷は蓄積容量１５ａ、１５ｂに蓄積されることはなく破棄される。受光制御回路５は、制御信号ＴＧ３を「Ｈ」とするタイミングを前述の非露光期間としている。このため、制御信号ＴＧ３が「Ｈ」とされている間、背景光や他のセンサからの光の影響を排除することで、遅延して受光する信号の感度を増加するように調整することができ、Ｓ／Ｎ比の改善を図ることができる。

また図１１に示すように、第１実施形態の技術を適用した場合には、距離に応じてゲインが小さくなり、センサの最近傍でゲインが最大となる。これは、１周期以上位相遅れを生じた反射光が、他のセンサからの干渉と同様に正側、負側の容量に均等に配分されキャンセルされてしまうからである。しかしながら、一般に反射光の強度は、同じ反射率の物体に対して距離の２乗に反比例するため、センサの近傍ではもともと強度が強いことが予想される。従って、第１実施形態のように近傍にゲインのピークをもつのは、ダイナミックレンジを確保する観点から好ましくない。このゲイン特性の改善を図るため本実施形態によれば、図１１の第５実施形態の特性に示すように、１周期目、すなわち、位相２πだけ遅れを生じた振幅レベルをピークとするように調整している。このため、近距離に対応したゲインと遠距離に対応したゲインとを極力フラットな特性とすることができ、適切なゲイン調整を行うことで、より広範囲に渡りＳ／Ｎ比を改善できるようになる。図１１に示すように、１周期遅れた波形に対するゲインは、第１の実施形態と同等であるが、図１０に示すように、この実施形態については背景光を積分しない時間を設けているため、本実施形態のＳ／Ｎ比は、第１実施形態よりも改善できる。

本実施形態においては、発光制御回路３が、Ｎ回のパルスパターンのサブシーケンスＳＵＳａのうち最後側の１回（Ｎ１相当）の発光素子による発光を停止し、受光制御回路５が、当該サブシーケンスＳＵＳａのうち最初側の１回（Ｎ２回相当）の受光素子６の非露光期間を備えている。そして受光制御回路５が、遅延して受光する信号の感度を増加するように調整している。これによりＳ／Ｎ比を改善できる。
前述のＮ１は１とした形態を示したが、１〜Ｎ−１のうち何れかに設定すれば良い。同様にＮ２は１とした形態を示したが、１〜Ｎ−１のうち何れかであれば良い。

（第６実施形態）
図１２は第６実施形態の追加説明図を示す。例えば、第１実施形態においては、変調周波数ｆ１を最大周波数ｆmaxとしたとき、受光制御回路５は、４位相シーケンスＳＵＳｂの９０度露光の制御信号ＴＧ１、ＴＧ２を図４や図８に示すように変調スイッチ１４ａ、１４ｂに印加する。しかし、図４又は図８に示すように、４位相シーケンスＳＵＳｂの９０度露光の制御信号ＴＧ１、ＴＧ２は、第１変調周波数ｆ１に対応した周期１／ｆ１の１／２の周期のパルスとなっている。このような細いパルスパターンは、一般に回路の高周波応答特性への要求を厳しくするため、実装上の困難を生じる可能性がある。

本実施形態では、実装を簡単化するため、受光制御回路５は、複数繰り返されるサブシーケンスＳＵＳｂにおける０度露光の第１制御信号ＴＧ１、ＴＧ２のパルスパターンを変調周波数ｆ１で生成し、この第１制御信号ＴＧ１、ＴＧ２を９０度シフトすることで９０度露光の第２制御信号ＴＧ１、ＴＧ２のパルスパターンを生成している。この方が望ましい。

これにより、第１変調周波数ｆ１より高い周波数に対応した細いパルスパターンの出力を回避でき、変調周波数ｆ１よりも高い周波数のパルスを生成する必要がなくなり、実装を容易にできる。

（第７実施形態）
図１３は第７実施形態の追加説明図を示す。第７実施形態は、信号振幅の比に応じて距離レンジ外から反射された参考データとするか、距離演算処理するために有効なデータを得られたかを判定する形態を示す。

例えば第１実施形態の変調周波数ｆ１による測距結果は、サブシーケンスＳＵＳの長さ／サブシーケンスＳＵＳの基本周期×２π以上の位相（距離に対応）について原則的に感度はない。このため、変調周波数ｆ１を用いて撮像された画素１６が観測することはなく、しかし、変調周波数ｆ２を用いて撮像された画素１６が観測したときには、その画素１６は、１／２×サブシーケンスＳＵＳの長さ／サブシーケンスＳＵＳの基本周期×ｃ／ｆｍの範囲（有効な測定レンジ相当）より外側の反射光の影響を受けていることになる。このため、この反射光の影響を受けている画素１６は距離値を参考データとし、当該参考データに該当しない画素１６について距離演算を実施すると良い。

そこで図１３に一例を示すように判定処理を設け、測距装置１のデジタル信号処理回路１１が図１３に示す処理を行うことで、参考データとするか有効データとするかを判定すると良い。図１３に示すように、測距装置１のデジタル信号処理回路１１は、Ｓ１において変調周波数ｆ１を用いて得られた電荷Ｑ１〜Ｑ４に基づいて位相差φを算出し距離を測定する。

その後、測距装置１のデジタル信号処理回路１１は、Ｓ２において変調周波数ｆ２を用いて得られた電荷Ｑ１〜Ｑ４に基づいて位相差φを算出し距離を測定する。そして、測距装置１のデジタル信号処理回路１１は、変調周波数ｆ１における反射波形Ｒの振幅を振幅Ａ１とし、変調周波数ｆ２における反射波形Ｒの振幅を振幅Ａ２としたときに、信号振幅比Ａ１／Ａ２＜閾値ＴＨとなる条件を満たしたときには、変調周波数ｆ１の反射波形Ｒの振幅Ａ１が小さいため、有効な測定レンジ外からの反射であると見做し、Ｓ４においてこのデータを参考データとする。

逆に、Ｓ３における条件を満たさないと判定したときには、有効な測定レンジ内からの反射であると見做し、Ｓ５において有効データであると見做す。このとき距離演算処理を行った結果の有効性を判断し、変調周波数ｆ１を用いた計測結果に応じて変調周波数ｆ２による距離演算結果の補正処理（位相解き処理）を実施する。これによりエイリアシングの影響を排除できる。

これにより、有効な測定レンジ外からの反射である参考データであるか、測定レンジ内からの反射となる有効なデータであるかを画素１６毎に判定できるようになり、無効データと考えられる画素１６の測距精度向上処理を省くことができる。これにより、有効データに基づいて極力正確な距離を測定できる。

（他の実施形態）
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、以下のように変形又は拡張することができる。
車両以外の用途に適用しても良い。パルスパターンとしては、正弦波状のパルスパターン、矩形波状のパルスパターンなど様々なパルスパターンを含む。
第１変調周波数ｆ１、第２変調周波数ｆ２を用いた形態を示したが、これに限定されるものではなく、第１変調周波数ｆ１よりも低い第３変調周波数を第２変調周波数と合わせて複合的に用いて測距する形態に適用しても良い。

前述した複数の実施形態を組み合わせて構成しても良い。例えば、一つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分散させたり、複数の構成要素が有する機能を一つの構成要素に統合させたりしてもよい。また前述の実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、前述の２以上の実施形態の構成の一部又は全部を互いに組み合わせて付加しても置換しても良い。また、特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、本発明の一つの態様として前述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図面中、１は光飛行型測距装置、３は発光制御回路（発光制御部）、４は発光素子、５は受光制御回路（受光制御部、放電制御部）、６は受光素子、１１はデジタル信号処理回路（測距部、信号処理部）、ｆ１は第１変調周波数、ｆ２は第２変調周波数、１４ａ，１４ｂは変調スイッチ、１４ｃは放電スイッチ、１５ａ，１５ｂは蓄積容量、である。

Claims (9)

1. 第１変調周波数（ｆ１）及び第２変調周波数（ｆ２）を含む少なくとも２以上の互いに異なる複数の変調周波数で変調された変調光を発光素子（４）に発光させて空間に変調光を出力させる発光制御部（３）と、
   前記変調光が物標（１２）に反射した反射光を含む光を入射しこの入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量（１５ａ、１５ｂ）に振り分けて電荷を蓄積する受光素子に蓄積された電荷をサンプリングする受光制御部（５）と、
   前記受光制御部による受光素子によるサンプリングされた電荷に応じて自装置から物標までの距離を計測する測距部（１１）と、を備え、
   前記発光制御部は、前記複数の変調周波数のうち最も高い第１変調周波数によるパルスパターンをＮ回（但しＮは２以上の自然数）繰り返す変調光のパターンをサブシーケンス（ＳＵＳ、ＳＵＳａ、ＳＵＳｂ）としたときに、当該サブシーケンスの度に確率１／２でランダムに位相極性を正転／反転して制御して複数のサブシーケンス繰り返し前記発光素子に発光させ、
   前記測距部は、前記第１変調周波数、及び、前記第１変調周波数をｆmaxとしたときの距離レンジに対応する１／２×ｃ／ｆmax×Ｎと等しい値以上の距離レンジを測定可能にすると共に前記第１変調周波数より低い第２変調周波数（ｆ２）を含む前記複数の変調周波数に応じて距離を計測するものであって、
   前記第１変調周波数に応じて距離を計測するときには、前記発光制御部により前記位相の極性がサブシーケンスの度に制御されたタイミングに応じて前記受光素子の蓄積容量が電荷を蓄積／放電し、この蓄積容量に蓄積された電荷に応じて距離を計測するように構成され、
   前記第１変調周波数による計測結果と第２変調周波数による計測結果とに基づいて距離測定結果を補正する信号処理部（１１）を備える光飛行型測距装置。
2. 請求項１記載の光飛行型測距装置において、
   前記第２変調周波数は、前記第１変調周波数の１／Ｎの周波数に設定される光飛行型測距装置。
3. 請求項１または２記載の光飛行型測距装置において、
   前記発光制御部は、前記第２変調周波数による変調光として、パルスパターンをＭ回（但しＭは２以上の自然数）繰り返す変調光のパターンを第２サブシーケンスとし、当該第２サブシーケンスの度に確率１／２でランダムに位相を正転／反転して前記発光素子に発光させ、
   前記測距部は、前記第２変調周波数に応じて距離を計測するときには、前記発光制御部により前記位相の極性が第２サブシーケンスの度に制御されたタイミングに応じて前記受光素子の蓄積容量が電荷を蓄積／放電し、この蓄積容量に蓄積された電荷に応じて距離を計測するように構成される光飛行型測距装置。
4. 請求項１から３の何れか一項に記載の光飛行型測距装置において、
   前記発光制御部は、前記第１変調周波数によるＮ回のパルスパターンのサブシーケンスのうち最後側のＮ１回（Ｎ１＝１〜Ｎ−１のうち何れか）の前記発光素子による発光を停止し、
   前記受光制御部は、前記サブシーケンスのうち最初側のＮ２回（Ｎ２＝１〜Ｎ−１のうち何れか）の前記受光素子を非露光期間とすることで、遅延して受光する信号の感度を増加するように調整する光飛行型測距装置。
5. 請求項４記載の光飛行型測距装置において、
   前記受光素子は、蓄積された電荷を放電するために設けられた放電スイッチ（１４ｃ）を備えた画素（１１６）を備えて構成され、
   前記受光制御部により前記受光素子を非露光期間としているときに前記放電スイッチを用いて背景光で発生した電荷を放電する放電制御部（５）と、をさらに備える光飛行型測距装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の光飛行型測距装置において、
   前記第１変調周波数による反射波形の振幅Ａ１と、前記第２変調周波数による反射波形の振幅Ａ２と、を比較する比較部（１１、Ｓ３）と、
   前記比較部により信号振幅比Ａ１／Ａ２がある閾値（ＴＨ）よりも大きいと判定された場合、有効な前記測定レンジ内からの反射であると見做し、距離を測定する光飛行型測距装置。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載に光飛行型測距装置において、
   ０度露光及び９０度露光の４位相のシーケンスを適用したときに、
   前記受光制御部（５）は、前記複数繰り返されるサブシーケンスにおける０度露光の第１制御信号（ＴＧ１、ＴＧ２）のパルスパターンを前記第１変調周波数で生成し、前記第１制御信号を９０度シフトすることで前記９０度露光の第２制御信号（ＴＧ１、ＴＧ２）のパルスパターンを生成する光飛行型測距装置。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の光飛行型測距装置において、
   前記Ｎは２の累乗であり、２、４、８、１６、３２の何れか、又は、２〜１０の間の自然数により構成されている光飛行型測距装置。
9. 請求項３記載の光飛行型測距装置において、
   前記Ｍは２の累乗であり、２、４、８、１６、３２の何れか、又は、２〜１０の間の自然数により構成されている光飛行型測距装置。

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