JP2018080997A - 距離測定装置及び距離測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源の発光特性に基づく測距誤差を低減すること。
【解決手段】距離測定装置は、光源と、光源の点灯タイミングを少なくとも定める点灯情報に応じて変化する第１電流と、点灯情報に応じて変化しない第２電流と、を同時に光源に出力する駆動部と、光源からの照射光が物体で反射された反射光を検出するセンサーと、反射光の検出量に基づいて物体までの距離を演算する演算部と、を備える。
【選択図】図７

Description

本発明は、距離測定装置及び距離測定方法に関する。

近年、物体までの距離を計測するための距離測定装置の開発が盛んに行われている。

例えば特許文献１および特許文献２には、変調した光を対象空間に照射し、投射した光と対象空間に存在する物体から反射してくる光との位相差に基づいて該物体までの距離を求める技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１および特許文献２に開示されている技術によれば、光源の発光特性に基づく測距誤差の低減に関して改善の余地があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、光源の発光特性に基づく測距誤差を低減した距離測定装置及び距離測定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光源と、光源の点灯タイミングを少なくとも定める点灯情報に応じて変化する第１電流と、点灯情報に応じて変化しない第２電流と、を同時に光源に出力する駆動部と、光源からの照射光が物体で反射された反射光を検出するセンサーと、反射光の検出量に基づいて物体までの距離を演算する演算部と、を備えることを特徴とする距離測定装置である。

本発明によれば、光源の発光特性に基づく測距誤差を低減するという効果を奏する。

図１は、比較例にかかる距離測定装置の構成を示す概略図である。 図２は、比較例にかかる一つの受光素子の構成を示す概略図である。 図３は、比較例にかかる距離測定装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 図４は、光源が理想的な特性を有する場合における比較例の各電荷蓄積部に蓄積される電荷量を説明するための図である。 図５は、半導体レーザの発光特性を示す図である。 図６は、光源として半導体レーザが適用された場合における、比較例の各電荷蓄積部に蓄積される電荷量を説明するための図である。 図７は、第１の実施の形態の距離測定装置の構成を示す概略図である。 図８は、第１の実施の形態の一つの受光素子の構成を示す概略図である。 図９は、第１の実施の形態の距離測定装置の動作を説明するフローチャートである。 図１０は、第１の実施の形態の距離測定装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 図１１は、いくつかの構成要素をソフトウェアで実現する場合の第１の実施の形態の距離測定装置の構成を示す概略図である。 図１２は、第２の実施の形態の距離測定装置の構成を示す概略図である。 図１３は、第２の実施の形態の距離測定装置の動作を説明するフローチャートである。 図１４は、第２の実施の形態の距離測定装置の動作を説明するためのタイムチャートである。 図１５は、第２の実施の形態の各電荷蓄積部に、第１のモードでの動作時に蓄積される電荷量を説明するための図である。 図１６は、第２の実施の形態の各電荷蓄積部に、第２のモードでの動作時に蓄積される電荷量を説明するための図である。

まず、第１の実施の形態の距離測定装置１の説明に先立って、比較例の距離測定装置１´について説明する。

（比較例）
図１は、比較例にかかる距離測定装置１´の構成を示す概略図である。距離測定装置１´は、投光部１０´と、受光センサー１１´と、タイミング制御部１２´と、距離演算部１３´と、を備えている。

投光部１０´は、光源１４´と、光源１４´に駆動電流を出力する駆動回路１５´と、を有する。

光源１４´としては、例えば半導体レーザが採用される。

駆動回路１５´は、タイミング制御部１２´から、変調信号が入力されると、該変調信号に応じた変調電流を光源１４´に出力する。この結果、光源１４´から変調電流に応じた変調光が射出され、照射光Ｌｅとして対象空間に投光される。このとき、投光部１０´の投光範囲の射程圏内に測定対象の物体２があれば、投光された光（照射光Ｌｅ）が該物体２に照射される。

受光センサー１１´は、２次元配列された複数の受光素子１６´（例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ等）を有する。

図２は、比較例にかかる一つの受光素子１６´の構成を示す概略図である。受光素子１６´は、１つの受光部１６１´と、２つの電荷蓄積部１６２Ａ´、１６２Ｂ´と、を有する。各受光素子１６´は、物体２に照射され該物体２で反射された光（反射光Ｌｒ）を受光部１６１´にて受光する。各受光部１６１´においては、受光量に応じた量の電荷が発生する。各受光素子１６´は、タイミング制御部１２´からのタイミング信号ＳＡ、ＳＢに従って、受光部１６１´にて発生する電荷の蓄積を行う。

具体的には、各受光素子１６´は、タイミング信号ＳＡが“Ｈ”のときは電荷蓄積部１６２Ａ´に、タイミング信号ＳＢが“Ｈ”のときは電荷蓄積部１６２Ｂ´に、電荷の蓄積を行う。

タイミング制御部１２´は、変調信号、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢを繰り返し出力し、これにより電荷がどんどん蓄積されていく。そして、タイミング制御部１２´は、電荷の蓄積を所定回数繰り返した後、変調信号、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢの出力をストップし、受光データ出力指示信号を受光センサー１１´に出力する。

受光センサー１１´においては、各受光素子１６´は、電荷蓄積部１６２Ａ´に蓄積された電荷量を受光データＤＡとして、電荷蓄積部１６２Ｂ´に蓄積された電荷量を受光データＤＢ、として順次出力する。

距離演算部１３´は、タイミング制御部１２´からの距離演算指示信号を受け、受光センサー１１´から送られてくる受光データＤＡ、ＤＢを用いて受光素子１６´毎に距離データを算出し、受光素子１６´毎の距離データをそれぞれ画素とする距離画像を生成する。

タイミング制御部１２´は、変調信号、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢを所定回数繰り返し生成し、駆動回路１５´、受光センサー１１´に出力し、その後、受光データ出力指示信号を受光センサー１１´に出力し、距離演算指示信号を距離演算部１３´に出力する。

図３は、比較例にかかる距離測定装置１´の動作を説明するためのタイムチャートであり、変調信号、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢ、照射光Ｌｅ、および反射光Ｌｒのタイムチャートが示されている。

図３（ａ）に示される変調信号は、パルス幅Ｔｗ（パルス時間幅）のパルス信号である。

図３（ｂ）に示される照射光Ｌｅは、投光部１０´から投光される光である。

図３（ｃ）に示される反射光Ｌｒは、照射光Ｌｅが物体２で反射され受光センサー１１´で受光される光である。この光の波形は、照射光Ｌｅの波形と略同一である。

この時間τは、投光部１０´から照射光Ｌｅが投光されてから物体２で反射され受光センサー１１´に入射するまでの時間であり、物体２までの距離によって変わる。つまり、時間τが分かれば、光の速度Ｖｃを用いて、次の（１）式によって、物体までの距離Ｄｉｓｔａｎｃｅを求めることができる。
Ｄｉｓｔａｎｃｅ＝τ×Ｖｃ／２・・・（１）

図３（ｄ）、図３（ｅ）には、タイミング制御部１２´から受光センサー１１´に出力される、電荷蓄積タイミングを示す信号であるタイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢがそれぞれ示されている。

タイミング信号ＳＡは、照射光Ｌｅと同じタイミングで“Ｈ”に遷移され、パルス幅Ｔｗ後に“Ｌ”に遷移される。そして、タイミング信号ＳＢは、タイミング信号ＳＡが“Ｌ”に遷移されると同時に“Ｈ”に遷移され、パルス幅Ｔｗ後に“Ｌ”に遷移される。

タイミング信号ＳＡが“Ｈ”の期間には電荷蓄積部１６２Ａ´へ電荷の蓄積が行われる。タイミング信号ＳＢが“Ｈ”の期間には電荷蓄積部１６２Ｂ´へ電荷の蓄積が行われる。

ここで、光源１４´が、パルス電流の立ち上がりに対して遅延なく発光する、理想的な特性を有する場合、反射光Ｌｒと各電荷蓄積部１６２Ａ´、１６２Ｂ´に蓄積される電荷量との関係は、次のようになる。

図４は、比較例において、光源１４´が理想的な特性を有する場合の各電荷蓄積部１６２Ａ´、１６２Ｂ´に蓄積される電荷量を説明するための図である。

光源１４´が上述の理想的な特定を有する場合、照射光Ｌｅのパルス幅は、入力（即ち変調電流および変調信号）のパルス幅Ｔｗと一致し、結果として、図４に示されるように、反射光Ｌｒ、タイミング信号ＳＡ、およびタイミング信号ＳＢのパルス幅が同一となる。

その場合、１回のパルスで、領域１０１の面積に応じた量の電荷が電荷蓄積部１６２Ａ´に蓄積され、領域１０２の部分の面積に応じた量の電荷が電荷蓄積部１６２Ｂ´に蓄積される。

領域１０１の面積と領域１０２の面積との比は、（Ｔｗ−τ）：τであるため、受光データＤＡ、ＤＢの比ＤＡ：ＤＢは、（Ｔｗ−τ）：τとなる。

この関係から、照射光Ｌｅと反射光Ｌｒとの位相差に相当する量τ／Ｔｗは、下記の（２）式によって表現される。ただし、時間τは、０≦τ≦Ｔｗを満たすこととする。
τ／Ｔｗ＝ＤＢ／（ＤＡ＋ＤＢ）・・・（２）

式（１）および式（２）から、距離Ｄｉｓｔａｎｃｅを求めるための次式（３）が導出できる。
Ｄｉｓｔａｎｃｅ＝ＤＢ／（ＤＡ＋ＤＢ）×Ｔｗ×Ｖｃ／２・・・（３）

距離演算部１３´は、受光データＤＡ、ＤＢを式（３）に代入することで、距離データを演算する。

ここで、半導体レーザは、図５に示されるように、駆動電流がしきい値Ｉｔｈまでは、駆動電流の増加に対する光パワーの増加が非常に小さく、駆動電流がしきい値Ｉｔｈを超えると、駆動電流の増加に対する光パワーの増加が大きくなる、という特性を有する。

光源１４´に半導体レーザが適用された場合、半導体レーザは上記のような特性を有するため、光源１４´の発光に遅延が生じる。その結果、実際に投射される照射光Ｌｅのパルス幅は変調信号のパルス幅Ｔｗより短くなってしまう。

図６は、比較例において、光源１４´として半導体レーザが適用された場合の各電荷蓄積部１６２Ａ´、１６２Ｂ´に蓄積される電荷量を説明するための図である。

光源１４´として半導体レーザが適用された場合、１回のパルスで、領域１０３の面積に応じた量の電荷が電荷蓄積部１６２Ａ´に蓄積され、領域１０４の部分の面積に応じた量の電荷が電荷蓄積部１６２Ｂ´に蓄積される。

図６の例によれば、反射光Ｌｒのパルス幅がパルス幅Ｔｗよりも小さいＴｗ´であり、その場合、領域１０３の部分の面積は、領域１０１の部分の面積と等しいが、領域１０４の部分の面積は、領域１０２の部分の面積よりも、パルス幅の減少量（Ｔｗ−Ｔｗ´）に応じた量だけ減少している。

この結果、受光データＤＡ、ＤＢの比ＤＡ：ＤＢは、（Ｔｗ−τ）：τからずれてしまうので、式（３）を用いて距離Ｄｉｓｔａｎｃｅを演算する場合に、測距誤差が生じてしまう。

そこで、発明者らは、このような誤差を低減するために、本実施形態の距離測定装置１を開発した。

（第１の実施の形態）
以下に、第１の実施の形態の距離測定装置１について説明する。図７は、第１の実施の形態の距離測定装置１の構成を示す概略図である。

距離測定装置１は、一例として、移動体としての車両の前端部のナンバープレート近傍に取り付けられている。なお、距離測定装置１が搭載される移動体としては、車両の他に、航空機、船舶、ロボット等が挙げられる。

距離測定装置１は、投光部１０と、受光センサー１１と、タイミング制御部１２と、距離演算部１３と、を有する。

投光部１０は、光源１４と、光源１４を駆動する２つの駆動回路１５−１、１５−２と、を有する。

駆動回路１５−１は、タイミング制御部１２からのバイアス信号に応じてバイアス電流を光源１４に出力する。駆動回路１５−１は、バイアス電流の大きさが光源１４のしきい値Ｉｔｈと等しくなるように、設定されている。

なお、駆動回路１５−１の出力が入力の大きさに応じて変わる場合、駆動回路１５−１がしきい値Ｉｔｈと等しい大きさのバイアス電流を光源１４に出力するように、バイアス信号の大きさが調整されてもよい。

駆動回路１５−２は、タイミング制御部１２からの変調信号に応じて変調電流を光源１４に出力する。

変調信号は、光源１４の点灯タイミングを少なくとも定める情報であり、ここでは一例としてパルス波形の信号である。変調信号が“Ｈ”であることは、光源１４を点灯状態とすることを示しており、変調信号が“Ｌ”であることは、光源１４を消灯状態とすることを示している。即ち、“Ｌ”から“Ｈ”への遷移は、点灯タイミングを示している。

なお、“Ｈ”から“Ｌ”への遷移は、消灯タイミングを示している。即ち、パルス波形の変調信号は、光源１４を点灯および消灯するタイミングを定める情報である。

光源１４は、駆動電流がしきい値Ｉｔｈまでは、駆動電流の増加に対する光パワーの増加が非常に小さく、駆動電流がしきい値Ｉｔｈを超えると、駆動電流の増加に対する光パワーの増加が大きくなる、という特性を有する。光源１４としては、例えば、半導体レーザ（端面発光レーザ（ＬＤ）もしくは面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ））、または発光ダイオードが採用され得る。

光源１４には駆動回路１５−１が出力する電流と駆動回路１５−２が出力する電流とが重畳された電流が駆動電流として供給される。その結果、光源１４から、駆動電流に応じて変調光が射出され、照射光Ｌｅとして対象空間に投光される。このとき、投光部１０の投光範囲の射程圏内に測定対象の物体２があれば、投光された光（照射光Ｌｅ）が該物体２に照射される。

なお、投光部１０は、光源１４からの光を対象空間に導く投射光学系を有していてもよい。投射光学系は、例えば、レンズ、ミラー、グラスファイバー、またはこれらの組み合わせによって構成され得る。

受光センサー１１は、例えばエリアセンサーであり、２次元配列された複数の受光素子１６を有する。受光素子１６としては、例えば、フォトダイオード、またはフォトトランジスタが採用可能である。

図８には、第１の実施の形態の一つの受光素子１６の構成が概略的に示されている。受光素子１６は、１つの受光部１６１と、２つの電荷蓄積部１６２Ａ、１６２Ｂと、を有する。

各受光素子１６は、物体２に照射され該物体２で反射された変調された光（反射光Ｌｒ）を受光部１６１にて受光する。受光部１６１は、受光量に応じた量の電荷を発生する。各受光素子１６は、タイミング制御部１２からのタイミング信号ＳＡ、ＳＢに従って、受光部１６１にて発生する電荷の蓄積を行う。

具体的には、各受光素子１６は、タイミング信号ＳＡが“Ｈ”のときは電荷蓄積部１６２Ａに、タイミング信号ＳＢが“Ｈ”のときは電荷蓄積部１６２Ｂに、電荷の蓄積を行う。

タイミング制御部１２は、変調信号、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢを繰り返し出力し、これにより電荷がどんどん蓄積されていく。そして、タイミング制御部１２は、電荷の蓄積を所定回数繰り返した後、変調信号、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢの出力をストップし、受光データ出力指示信号を受光センサー１１に出力する。

受光センサー１１においては、各受光素子１６は、電荷蓄積部１６２Ａ、１６２Ｂに蓄積された電荷量を受光データＤＡ、受光データＤＢとして順次出力する。

受光センサー１１は、上記のように構成されることにより、受光した反射光Ｌｒを検出し、反射光Ｌｒの検出量として受光データＤＡ、ＤＢを出力することができる。

なお、距離測定装置１は、受光センサー１１に反射光Ｌｒを導く受光光学系を有していてもよい。受光光学系は、例えば、レンズ、ミラー、グラスファイバー、またはこれらの組み合わせによって構成され得る。

距離演算部１３は、タイミング制御部１２からの距離演算指示信号を受け、受光センサー１１から送られてくる受光データＤＡ、ＤＢを用いて受光素子１６毎に距離データ（距離Ｄｉｓｔａｎｃｅ）を演算する。距離演算部１３は、受光データＤＡ、受光データＤＢを式（３）に代入することによって、距離データを演算する。

距離演算部１３は、受光素子１６毎の距離データを画素とする距離画像を生成し、出力する。距離画像内の各画素の位置は受光素子１６の配列内の各受光素子１６の位置に対応する。距離画像は、複数の画素それぞれのデータが物体２までの距離を表している画像を意味する。

距離画像は、車両の制御を実行するＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）などに送られて、オートブレーキ等の制動制御、またはオートステアリング等の操舵制御、に用いられる。

タイミング制御部１２は、バイアス信号、変調信号を生成し、投光部１０に出力する。また、タイミング制御部１２は、それぞれ変調信号と同じ波形のタイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢを所定回数繰り返し生成し、受光センサー１１に出力する。

そして、タイミング制御部１２は変調信号、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢを所定回数繰り返し生成したのちは、受光データ出力指示信号を受光センサー１１に、距離演算指示信号を距離演算部１３に出力する。

図９は、第１の実施の形態の距離測定装置１の動作を説明するフローチャートである。図１０は、第１の実施の形態の距離測定装置１の動作を説明するためのタイムチャートであり、バイアス信号、変調信号、バイアス電流、変調電流、駆動電流、照射光Ｌｅ、反射光Ｌｒ、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢ、受光データ出力指示信号、距離演算指示信号、および距離データの演算、のタイミングが示されている。

物体２との距離を測定するにあたって、まず、タイミング制御部１２は、バイアス信号の出力を開始する（図９のＳ１０１、図１０の（ｂ）、時刻ｔ０）。

これにより、投光部１０の駆動回路１５−１は、しきい値Ｉｔｈと等しい大きさのバイアス電流（図１０の（ｃ））を出力する。

次に、タイミング制御部１２は、変調信号の出力を開始する（図９のＳ１０２、図１０の時刻ｔ１）。

変調信号のパルス幅がＴｗであり、パルス間の時間間隔は２×Ｔｗである。パルス幅、およびパルス間の時間間隔は、例えば予め設定されている。

変調信号に応じて、駆動回路１５−２は、変調電流を出力する（図１０の（ｄ））。駆動回路１５−２は、変調信号が“Ｈ”レベルのときに所定の大きさの電流を出力し、変調信号が“Ｌ”レベルのときに電流を出力しない。

Ｓ１０１とＳ１０２との処理により、光源１４には、しきい値Ｉｔｈと等しい大きさのバイアス電流にパルス形状の変調電流が重畳された駆動電流が供給される（図１０の（e））。

光源１４は、予めしきい値レベルの電流が供給され、その後に変調電流のパルスが立ち上がるので、変調電流のパルスの立ち上がりのタイミングから光源１４が発光するまでの遅延が抑制される。その結果、光源１４は、変調電流の波形と同一の波形である、パルス幅Ｔｗのパルス波形の照射光Ｌｅを出力することができる（図１０の（ｆ））。

続いて、タイミング制御部１２は、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢの出力を開始する（図９のＳ１０３、図１０の（ｈ）、（ｇ））。

タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢは、例えば、変調信号の位相を調整することによって生成される。タイミング信号ＳＡは、照射光Ｌｅと同じタイミングで“Ｈ”に遷移され、Ｔｗ後に“Ｌ”に遷移される。タイミング信号ＳＢは、タイミング信号ＳＡが“Ｌ”に遷移されると同時に“Ｈ”に遷移され、Ｔｗ後に“Ｌ”に遷移される。

照射光Ｌｅは、物体２で反射し、物体２までの距離に応じた時間τの遅れを伴って、反射光Ｌｒとして受光センサー１１に入射する（図１０の（ｇ））。受光センサー１１においては、受光部１６１において、受光した光の量に応じた量の電荷が発生し、その電荷は、電荷蓄積部１６２Ａ、１６２Ｂのうちの“Ｈ”となっているタイミング信号に対応する電荷蓄積部に蓄積される。

タイミング制御部１２は、所定回数の変調信号を出力した後、変調信号の出力を停止する（図９のＳ１０４、図１０の時刻ｔ２）。変調信号の出力回数は、例えば予めタイミング制御部１２に設定されている。

タイミング制御部１２は、変調信号の出力を停止した後に、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢの出力を停止する（図９のＳ１０５、時刻ｔ３）。

そして、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢの出力の停止後、タイミング制御部１２は、バイアス信号の出力を停止する（図９のＳ１０６、図１０の時刻ｔ４）。

その後、タイミング制御部１２は、受光データ出力指示信号を受光センサー１１に出力する（図９のＳ１０７、図１０の（ｊ）、時刻ｔ５）。

受光データ出力指示信号に応じて、受光センサー１１においては、各受光素子１６は、電荷蓄積部１６２Ａに蓄積された電荷量を受光データＤＡとして、電荷蓄積部１６２Ｂに蓄積された電荷量を受光データＤＢとして、それぞれ距離演算部１３に出力する（図１０の（ｋ））。

タイミング制御部１２は、受光データ出力指示信号を出力するとともに、距離演算部１３に、距離演算指示信号を出力する（図９のＳ１０８、図１０の（ｌ））。

距離演算指示信号に応じて、距離演算部１３は、受光素子１６毎に距離データを演算する（図９のＳ１０９、図１０の（ｍ））。そして、距離演算部１３は、各距離データを配列することによって距離画像を生成し、出力する（図９のＳ１１０）。これにより、第１の実施の形態の距離測定装置１の動作が完了する。

以上では、距離測定装置１が車両に取り付けられている例について説明した。距離測定装置１は車両に取り付けられていなくてもよい。距離測定装置１は、例えば、持ち運び可能な測量機器等に搭載され、地形を表す３次元データの取得に使用されてもよい。または、距離測定装置１は、３Ｄプリンタ等に搭載され、物体の形状を表す３次元データの取得に使用されてもよい。または、距離測定装置１は、単独で使用されてもよい。または、距離測定装置１は、距離画像を表示する表示装置を備え、当該表示装置に距離画像を出力してもよい。

また、点灯情報としての変調信号は、パルス信号だけに限定されない。例えば、変調信号は、射出する光のパワーを定める情報を含んでいてもよい。また、例えば、変調信号は、射出する光のパワーの経時変化を定める情報を含んでいてもよい。

また、点灯情報は、信号形式の情報に限定されない。点灯情報は、点灯タイミングを少なくとも定めるデータであってよく、さらに、そのデータは、予め駆動回路１５−１に設定されていてもよい。

また、駆動回路１５−１、１５−２は、１つの回路に統合されて構成されてもよいし、３以上の回路に分割されて構成されてもよい。タイミング制御部１２は、１つの回路で構成される駆動回路１５−１、１５−２に、バイアス信号と変調信号とを重畳した信号を出力してもよい。

また、距離演算部１３は、受光データＤＡ、ＤＢを式（３）に代入することによって距離Ｄｉｓｔａｎｃｅを演算する、として説明したが、距離Ｄｉｓｔａｎｃｅの演算方法はこれに限定されない。

式（３）に所望の補正項が追加されて得られる数式が使用されてもよいし、式（３）の右辺に任意の補正係数が乗算されて得られる数式が使用されてもよい。

または、距離演算部１３は、式（３）の関係を表すルックアップテーブルを予め記憶し、受光データＤＡ、ＤＢを検索キーとして当該ルックアップテーブルを検索することによって距離Ｄｉｓｔａｎｃｅを求めてもよい。

また、受光センサー１１は、複数の受光素子１６を備える、として説明したが、受光センサー１１は、一つの受光素子１６を備えてもよい。

また、タイミング制御部１２および距離演算部１３のうちの一部または全部は、ソフトウェア（コンピュータ）によって実現可能である。

一例として、タイミング制御部１２および距離演算部１３をソフトウェアで実現する場合の構成例を説明する。図１１は、当該構成例を示す図である。

図１１に示されるように、距離測定装置１は、投光部１０、受光センサー１１、およびコンピュータ２０を備える。

コンピュータ２０は、記憶装置２１、演算装置２２、およびＩ／Ｏ装置２３を有し、記憶装置２１、演算装置２２、およびＩ／Ｏ装置２３はバス２４で接続されている。

記憶装置２１は、情報を保持し、当該情報を取り出すことができる装置である。記憶装置２１としては、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭなど、任意の種類のメモリが採用可能である。記憶装置２１は、２以上の種類のメモリの組み合わせによって構成されてもよい。

演算装置２２は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）であり、任意のプログラムを実行可能な回路である。

Ｉ／Ｏ装置２３は、コンピュータ２０がコンピュータ２０の外部と情報の入出力を行うためのインタフェース装置である。

記憶装置２１は、予め距離測定プログラム２５を記憶している。演算装置２２は、記憶装置２１に記憶されている距離測定プログラム２５を実行することによって、タイミング制御部１２、および距離演算部１３として機能する。

タイミング制御部１２および距離演算部１３、としての演算装置２２は、Ｉ／Ｏ装置２３を介してバイアス信号、変調信号、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢ、受光データ出力指示信号、および距離画像を出力することができる。

また、タイミング制御部１２および距離演算部１３、としての演算装置２２は、Ｉ／Ｏ装置２３を介して、受光データＤＡ、ＤＢを受け取ることができる。

距離測定プログラム２５は、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。

さらに、距離測定プログラム２５を、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、距離測定プログラム２５をインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。

また、コンピュータ２０は、ＥＣＵなどの、他のコンピュータと兼用され得る。

図１１では、タイミング制御部１２および距離演算部１３の両方がソフトウェアによって実現される例を説明したが、タイミング制御部１２および距離演算部１３のうちのどちらか一方のみがソフトウェアで実現されてもよい。

タイミング制御部１２および距離演算部１３の一部または全部が、ハードウェア回路（ロジック）によって実現されてもよい。

以上述べたように、第１の実施の形態によれば、距離測定装置１は、光源１４と、光源１４の点灯タイミングを少なくとも定める点灯情報としての変調信号に応じて変化する第１電流としての変調電流と、変調信号に応じて変化しない第２電流としてのバイアス電流と、を同時に光源１４に出力する、駆動部としての駆動回路１５−１、１５−２と、光源１４からの照射光Ｌｅが物体２で反射された反射光Ｌｒを検出するセンサーとしての受光センサー１１と、反射光Ｌｒの検出量に基づいて物体２までの距離を演算する演算部としての距離演算部１３と、を有する。

この場合、光源１４は、予めバイアス電流が供給された状態で変調電流が供給されるので、発光の遅延が低減されるので、照射光Ｌｅの波形の形状を所望の波形の形状に近づけることができる。

その結果、光源１４の発光特性に基づく測距誤差を低減することが可能となる。

また、光源１４は、駆動電流がしきい値Ｉｔｈよりも小さい場合よりも駆動電流がしきい値Ｉｔｈが大きい場合に駆動電流の変化に対する照射光Ｌｅのパワーの変化が大きい特性を有し、バイアス電流の大きさは、しきい値Ｉｔｈと等しい。

その結果、光源１４は、予めしきい値Ｉｔｈと等しい大きさのバイアス電流が供給された状態で変調電流が供給されるので、発光の遅延がより抑制されるので、照射光Ｌｅの波形の形状を所望の波形の形状により近づけることができる。

なお、バイアス電流の大きさは、しきい値Ｉｔｈと完全に一致していなくてもよい。

また、バイアス電流の大きさは、固定されていてもよいし、環境に応じて変更されてもよい。

例えば、しきい値Ｉｔｈが環境温度などの外部要因により変化する場合がある。その場合、駆動回路１５−１は、外部要因に応じてバイアス電流を変化させてもよい。

例えば、駆動回路１５−１は、しきい値Ｉｔｈと環境温度との関係を予め記憶し、距離の測定の前に（例えば図１０の時刻ｔ０の直前に）環境温度を測定し、測定された環境温度と当該予め記憶している関係とに基づいてバイアス電流の大きさを決定し、決定された大きさのバイアス電流を、時刻ｔ０から時刻ｔ４まで出力してもよい。

また、駆動回路１５−１によるバイアス電流の出力の開始および停止のタイミングは、変調電流の出力のタイミングとの関係によって定義されてもよい。

一例では、駆動回路１５−１は、駆動回路１５−２が変調電流の出力を開始する第１設定時間だけ前にバイアス電流の出力を開始し、駆動回路１５−２が変調電流の出力を停止してから第２設定時間が経過したときにバイアス電流の出力を停止する。

その場合、変調電流が出力されていないときにバイアス電流をできるだけ出力しないようにすることができるので、距離測定装置１の消費電力を低減することが可能となる。

なお、駆動回路１５−１は、距離測定装置１が電源オン時に、バイアス信号を常に出力してもよい。

（第２の実施の形態）
以下に、第２の実施の形態の距離測定装置について説明する。ここでは、第１の実施の形態と同じ構成要素には第１の実施の形態と同じ名称および符号を付し、重複する説明を省略する。また、第２の実施の形態の距離測定装置には、符号３を付す。

図１２は、第２の実施の形態の距離測定装置３の構成を示す概略図である。距離測定装置３は、投光部１０と、受光センサー１１、タイミング制御部１７と、距離演算部１８と、を有する。

光源１４として半導体レーザまたは発光ダイオードが採用される場合、光源１４は、駆動電流の大きさがしきい値Ｉｔｈ以下であっても、僅かながら発光する。

バイアス電流に応じて射出された光が物体２に反射して受光センサー１１に入射し、受光された量に応じた量の電荷が電荷蓄積部１６２Ａ、１６２Ｂに蓄積された場合、電荷蓄積部１６２Ａ、１６２Ｂの電荷蓄積量の比が理想的な場合から変化してしまい、結果として測距誤差が生じてしまう。

そこで、距離測定装置３は、光源１４にバイアス電流と変調電流とを重畳して供給する、第１のモードと、光源１４にバイアス電流を供給し、光源１４に変調電流を供給しない、第２のモードと、の両方のモードで反射光Ｌｒの検出を行う。そして、距離測定装置３は、第１のモードで得られる検出量から第２のモードで得られる検出量を減算する。

以降、光（照射光Ｌｅおよび反射光Ｌｒ）に含まれる変調電流に応じた成分を、変調成分と表記する。また、光（照射光Ｌｅおよび反射光Ｌｒ）から変調成分を除いた成分を、ノイズ成分と表記する。

上記の２つのモードで得られた受光データＤＡ、ＤＢを処理するために、距離演算部１８は、２モード分の受光データＤＡ、ＤＢのうちの先に得られる受光データＤＡ、ＤＢを一時的に保持するためのデータ保持部１９を有する。データ保持部１９は、例えば、レジスタまたはメモリによって構成される。

なお、距離演算部１８がソフトウェアによって実現される場合には、データ保持部１９は、記憶装置２１によって実現され得る。

タイミング制御部１７は、まず、２つのモードのうちの一のモードで投光部１０に信号の出力を行い、次に、２つのモードのうちの他のモードで投光部１０に信号の出力を行う。

タイミング制御部１７は、受光センサー１１に最初のモードで得られる受光データＤＡ、ＤＢを出力させる際に、距離演算部１８にデータ保持信号を出力する。また、タイミング制御部１７は、次のモードで得られる受光データＤＡ、ＤＢを出力させる際に、距離演算部１８に距離演算指示信号を出力する。

距離演算部１８は、タイミング制御部１７からのデータ保持信号を受け、受光センサー１１から送られてくる受光データＤＡ、ＤＢをデータ保持部１９に入力する。

また、距離演算部１８は、タイミング制御部１７からの距離演算指示信号を受け、データ保持部１９に保持されている受光データＤＡ、ＤＢと受光センサー１１から送られてくる受光データＤＡ、ＤＢとの差分を用いて距離データの演算を行う。

なお、２つのモードのうち、いずれのモードでの動作が先に実行されてもよいが、以降の説明では一例として、第１のモードでの動作が先に実行されることとして説明する。

図１３は、第２の実施の形態の距離測定装置３の動作を説明するフローチャートである。図１４は、第２の実施の形態の距離測定装置３の動作を説明するためのタイムチャートであり、バイアス信号、変調信号、駆動電流、照射光Ｌｅ、反射光Ｌｒ、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢ、受光データ出力指示信号、各受光データＤＡ、ＤＢの出力、データ保持指示信号、距離演算指示信号、および距離データの演算、のタイミングが示されている。

まず、Ｓ２０１〜Ｓ２０６において、図９のＳ１０１〜Ｓ１０６と同様の処理が実行されることで、バイアス信号、変調信号、駆動電流、タイミング信号ＳＡ、およびタイミング信号ＳＢが、時刻ｔ１０から時刻ｔ１４において、図１０の時刻ｔ０から時刻ｔ４までと同様の変化で推移する（図１４の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｆ）、（ｇ））。

ただし、照射光Ｌｅ（図１４の（ｄ））および反射光Ｌｒ（図１４の（ｅ））は、バイアス電流に応じた発光に起因するノイズ成分を含んでいる。よって、各電荷蓄積部１６２Ａ、１６２Ｂには、対応するタイミング信号が“Ｈ”であるときに、変調成分によって発生する電荷とノイズ成分によって発生する電荷とが蓄積される。

図１５は、Ｓ２０３によって出力されるタイミング信号ＳＡ、ＳＢによって各電荷蓄積部１６２Ａ、１６２Ｂに蓄積される電荷量を説明するための図である。

第２の実施の形態の場合、１回のパルスで、領域１１１の面積と領域１１２の面積との合計量に応じた量の電荷が電荷蓄積部１６２Ａに蓄積され、領域１２１の面積と領域１２２の面積との合計量に応じた量の電荷が電荷蓄積部１６２Ｂに蓄積される。

領域１１１は、変調成分に起因して蓄積される成分を示しており、領域１１２は、ノイズ成分に起因して蓄積される成分を示している。同様に、領域１２１は、変調成分に起因して蓄積される成分を示しており、領域１２２は、ノイズ成分に起因して蓄積される成分を示している。

このように、各電荷蓄積部１６２Ａ、１６２Ｂには、対応するタイミング信号が“Ｈ”である場合、ノイズ成分に起因する電荷が常時蓄積され続ける。

Ｓ２０６の処理の後、タイミング制御部１７は、受光データ出力指示信号を受光センサー１１に出力する（図１３のＳ２０７、図１４の（ｈ）、時刻ｔ１５）。

受光データ出力指示信号に応じて、受光センサー１１においては、各受光素子１６は、電荷蓄積部１６２Ａに蓄積された電荷量を受光データＤＡとして、電荷蓄積部１６２Ｂに蓄積された電荷量を受光データＤＢとして、それぞれ距離演算部１８に出力する（図１４の（ｉ））。

また、タイミング制御部１７は、受光データ出力指示信号を出力するとともに、距離演算部１８に、データ保持信号を出力する（図１３のＳ２０８、図１４の（ｊ））。

データ保持信号に応じて、距離演算部１８は、受光センサー１１から送られてくる受光素子１６毎の受光データＤＡ、ＤＢを、順次、データ保持部１９に入力する。

これにより、第１のモードでの動作が終了し、第２のモードでの動作に移行する。

まず、タイミング制御部１７は、バイアス信号の出力を再び開始する（図１３のＳ２０９、図１４の時刻ｔ１６）。

これにより、投光部１０の駆動回路１５−１は、しきい値Ｉｔｈと等しい大きさの駆動電流を出力する（図１４の（ｃ）、時刻ｔ１６）。

光源１４は、駆動電流に応じて発光する。発光のレベルは、第１のモードにおけるノイズ成分と等しい（図１４の（ｄ））。

続いて、タイミング制御部１７は、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢの出力を再び開始する（図１３のＳ２１０、図１４の（ｆ）、（ｇ）、時刻ｔ１７）。

図１６は、Ｓ２１０によって出力されるタイミング信号ＳＡ、ＳＢによって各電荷蓄積部１６２Ａ、１６２Ｂに蓄積される電荷量を説明するための図である。

１回のパルスで、領域１１３の部分の面積に応じた量の電荷が電荷蓄積部１６２Ａに蓄積され、領域１２３の部分の面積に応じた量の電荷が電荷蓄積部１６２Ｂに蓄積される。

領域１１３は、ノイズ成分に起因して蓄積される成分を示しており、領域１１３の面積は、領域１１２の面積と略等しい。同様に、領域１２３は、ノイズ成分に起因して蓄積される成分を示しており、領域１２３の面積は、領域１２２の面積と略等しい。

このように、各電荷蓄積部１６２Ａ、１６２Ｂには、対応するタイミング信号が“Ｈ”である場合、ノイズ成分に起因する電荷のみが常時蓄積され続ける。

その後、タイミング制御部１７は、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢの出力を停止する（図１３のＳ２１１、図１４の時刻ｔ１８）。

タイミング制御部１７は、一例では、第１のモードで出力した回数と同じ回数だけタイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢを出力した後、タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢの出力を停止する。電荷蓄積部１６２Ａ、１６２Ｂのそれぞれに電荷を蓄積する時間を、第１のモードと第２のモードとで等しくするためである。

タイミング信号ＳＡ、タイミング信号ＳＢの出力の停止後、タイミング制御部１７は、バイアス信号の出力を停止する（図１３のＳ２１２、図１４の時刻ｔ１９）。

その後、タイミング制御部１７は、受光データ出力指示信号を受光センサー１１に出力する（図１３のＳ２１３、図１４の（ｈ）、時刻ｔ２０）。

受光データ出力指示信号に応じて、受光センサー１１においては、各受光素子１６は、電荷蓄積部１６２Ａに蓄積された電荷量を受光データＤＡとして、電荷蓄積部１６２Ｂに蓄積された電荷量を受光データＤＢとして、それぞれ距離演算部１８に出力する（図１４の（ｉ））。

また、タイミング制御部１７は、受光データ出力指示信号を出力するとともに、距離演算部１８に、距離演算指示信号を出力する（図１３のＳ２１４、図１４の（ｋ））。

距離演算指示信号に応じて、距離演算部１８は、受光素子１６毎に距離データを演算する（図１３のＳ２１５、図１４の（ｌ））。

具体的には、距離演算部１８は、Ｓ２１４の処理に応じて送られてきた受光データＤＡからデータ保持部１９に保持されている受光データＤＡを減算する。また、距離演算部１８は、Ｓ２１４の処理に応じて送られてきた受光データＤＢからデータ保持部１９に保持されている受光データＤＢを減算する。

第１のモードで得られた受光データＤＡ、ＤＢから、第２のモードで得られた受光データＤＡ、ＤＢを減算することによって、反射光Ｌｒからノイズ成分に起因する成分を除去できるので、変調成分のみに起因して発生した電荷量を得ることができる。

即ち、図１５の領域１１１の部分の面積に応じた量が、受光データＤＡに関する減算によって得られ、図１５の領域１２１の部分の面積に応じた量が、受光データＤＢに関する減算によって得られる。

なお、反射光Ｌｒは、ノイズ成分として、バイアス電流に起因して発光した成分のほかに、太陽光などの外光による成分を含んでいてもよい。その場合であっても、上記減算によって、外光による成分が除去され、変調成分のみに起因して発生した電荷量を得ることができる。

受光データＤＡに関する減算によって得られたデータを、ＤＡ２と表記し、受光データＤＢに関する減算によって得られたデータをＤＢ２と表記する。距離演算部１８は、ＤＡ２およびＤＢ２を下記の式（４）に代入することによって、距離データ（距離Ｄｉｓｔａｎｃｅ）を演算する。
Ｄｉｓｔａｎｃｅ＝ＤＢ２／（ＤＡ２＋ＤＢ２）×Ｔｗ×Ｖｃ／２・・・（４）

距離演算部１８は、各距離データを配列することによって距離画像を生成し、出力する（図１３のＳ２１６）。これにより、第２の実施の形態の距離測定装置３の動作が完了する。

以上述べたように、第２の実施の形態によれば、駆動回路１５−１、１５−２は、第１期間内において、バイアス電流と変調電流とを同時に出力し、第１期間とは異なる第２期間内において、バイアス電流を出力し、変調電流を出力しない。受光センサー１１は、第１期間の反射光の検出量としての受光データＤＡ、ＤＢと、第２期間の反射光の検出量としての受光データＤＡ、ＤＢと、を出力する。距離演算部１８は、第１期間の反射光の検出量から第２期間の反射光の検出量を減算して得られる量としてのデータＤＡ２、ＤＢ２に基づいて物体２までの距離を演算する。

第１期間は、例えば、図１３のＳ２０２の処理の開始からＳ２０４の処理の終了までの期間が該当する。第２期間は、例えば、図１３のＳ２０９からＳ２１２までの期間が該当する。

この場合、バイアス電流によって投光された光に起因するノイズ成分を取り除くことができる。その結果、光源１４の発光特性に起因する測距誤差を第１の実施の形態よりもさらに抑制することが可能となる。

また、距離演算部１８は、記憶部としてのデータ保持部１９を備える。

この構成により、距離演算部１８は、第１期間の反射光の検出量および第２期間の反射光の検出量のうちの先に得られる検出量を保持しておくことができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１，１´，３…距離測定装置
２…物体
１０，１０´…投光部
１１，１１´…受光センサー
１２，１２´，１７…タイミング制御部
１３，１３´，１８…距離演算部
１４，１４´…光源
１５´，１５−１，１５−２…駆動回路
１６，１６´…受光素子
１９…データ保持部
２０…コンピュータ
２１…記憶装置
２２…演算装置
２３…Ｉ／Ｏ装置
２４…バス
２５…距離測定プログラム
１０１，１０２，１０３，１０４，１１１，１１２，１１３，１２１，１２２，１２３…領域
１６１，１６１´…受光部
１６２，１６２Ａ，１６２Ａ´，１６２Ｂ，１６２Ｂ´…電荷蓄積部

特開２０１０−２５９０６号公報 特開２００５−２３５８９３号公報

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源の点灯タイミングを少なくとも定める点灯情報に応じて変化する第１電流と、前記点灯情報に応じて変化しない第２電流と、を同時に前記光源に出力する駆動部と、
   前記光源からの照射光が物体で反射された反射光を検出するセンサーと、
   前記反射光の検出量に基づいて前記物体までの距離を演算する演算部と、
   を備えることを特徴とする距離測定装置。
2. 前記駆動部は、第１期間内において、前記第１電流と前記第２電流とを同時に出力し、前記第１期間と異なる第２期間内において、前記第１電流を出力しないで前記第２電流を出力し、
   前記センサーは、前記第１期間の前記反射光の検出量と、前記第２期間の前記反射光の検出量と、をそれぞれ出力し、
   前記演算部は、前記第１期間の前記反射光の検出量から前記第２期間の前記反射光の検出量を減算して得られる量に基づいて前記距離を演算する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記演算部は、前記第１期間の前記反射光の検出量および前記第２期間の前記反射光の検出量のうちの先に得られた検出量を保持する記憶部を備える、
   ことを特徴とする請求項２に記載の距離測定装置。
4. 前記点灯情報は、前記光源の点灯および消灯のタイミングを定める情報であり、
   前記第１電流は、前記点灯情報に応じたパルス電流である、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の距離測定装置。
5. 前記光源は、駆動電流がしきい値よりも小さい場合よりも前記駆動電流が前記しきい値よりも大きい場合に前記駆動電流の変化に対する前記照射光のパワーの変化が大きい特性を有し、
   前記第２電流の大きさは、前記しきい値と等しい、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の距離測定装置。
6. 前記駆動部は、前記第１電流の出力を開始するよりも第１設定時間だけ前に前記第２電流の出力を開始し、前記第１電流の出力を停止してから第２設定時間だけ経過したときに前記第２電流の出力を停止する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の距離測定装置。
7. 物体までの距離を測定する距離測定方法であって、
   光源の点灯タイミングを少なくとも定める点灯情報に応じて変化する第１電流と、前記点灯情報に応じて変化しない第２電流と、を同時に前記光源に出力する第１工程と、
   前記第１工程によって供給される駆動電流によって前記光源から照射された照射光が前記物体で反射された反射光を検出する第２工程と、
   前記反射光の検出量に基づいて前記物体までの距離を演算する第３工程と、
   を含む距離測定方法。

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