JP2019203741A - Ｔｏｆ方式測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない発光電力で大きな反射光の入射強度を確保し、かつ逆正接と位相差との線形関係の線形性を改善するＴＯＦ方式測距装置を提供する。【解決手段】ＴＯＦ方式測距装置１は、変調した出射光Ｌａを出射する光源２、光源２を駆動する光源制御部５１、変調反射光を検出する撮像素子１０、及び出射光Ｌａと反射光の位相差に基づいて被測距対象７までの距離を算出する距離算出部５３を備える。変調光は、奇数倍波を一つの周波数成分のみ含み、かつ偶数倍波を少なくとも一つの周波数成分を含む周期波形の変調光とされる。【選択図】図１

Description

本発明は、ＴＯＦ（Time Of Flight：光飛行時間）方式で測距を行うＴＯＦ方式測距装置に関する。

測距装置におけるＴＯＦ方式には、直接式と間接式とがある。間接式のＴＯＦ方式では、所定の周波数の変調光を光源から所定の撮像範囲に向けて出射し、被測距対象で反射して戻って来る反射光の入射強度を固体撮像装置で画素ごとに検出する。次に、出射変調光と反射変調光との位相差を、撮像素子に蓄積された電荷量に基づいて検出する。そして、検出した位相差に基づいて画素ごとに被測距対象までの距離を算出している（例：特許文献１）。

位相差の検出方法は、例えば出射光の周期で１／４（位相で９０°）ずつずれた４つの位相情報を取得し、逆正接の式により位相差（位相遅れ）を導出することで実現できる。４つの位相情報は、撮像素子に蓄積された電荷を１／４（位相で９０°）ずつずれたタイミングで積分することにより求めることができる。

４つの位相情報をそれぞれＳ０，Ｓ９０，Ｓ１８０，Ｓ２７０とおくと、位相遅れφは、後述の本発明の実施の形態の項で詳説する式（１．２）で表される。また、４つの位相情報のうち、位相遅れの計算に寄与する入射強度Ｉは、これも、後述の本発明の実施の形態で詳説する式（１．６）で表される。入射強度Ｉは、撮像素子に入射した光のうち、出射光が被写体対象で反射して戻ってきた光の成分量を表す。以後、単に入射強度という場合は、式（１．６）で計算した値をいう。

特許文献１のＴＯＦ方式測距装置は、撮像範囲に向けて光源から出射する変調光を、パルス幅が半周期の矩形パルスにしている。

特開２０１７−１７３１５８号公報

本発明者は、ＴＯＦ方式測距装置の光源の出射光の強度の波形を分析した。そして、少ない発光電力で大きな反射光の入射強度を確保し、かつ式（１．２）で計算した位相遅れφと被写体対象までの距離とを線形関係に保持することができる出射光の強度波形を見い出した。

本発明の目的は、少ない発光電力で大きな反射光の入射強度を確保し、かつ式（１．２）で計算した位相遅れφと被写体対象までの距離との線形関係の線形性を改善するＴＯＦ方式測距装置を提供することである。

本発明のＴＯＦ方式測距装置は、
所定の撮像範囲の被測距対象に向けて強度が周期波形となる変調光を出射する光源と、
複数の画素を有し、前記撮像範囲から入射する入射光の入射強度を画素ごとに検出する撮像素子と、
前記光源から出射した出射変調光と前記撮像素子の撮像範囲の被測距対象に反射して前記撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を、前記撮像素子に蓄積された電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、
前記位相差検出部が画素ごとに検出した前記位相差に基づいて前記被測距対象までの距離を算出する距離算出部とを備え、
前記周期波形は、基本波、又は奇数倍波を一つの周波数成分のみ含んでおり、かつ偶数倍波を少なくとも一つの周波数成分を含んでいることを特徴とする。

本発明によれば、周期波形の変調光が、奇数倍波を一つの周波数成分のみ含み、かつ偶数倍波を少なくとも一つの周波数成分を含んでいることにより、少ない発光電力で大きな反射光の入射強度を確保し、かつ式（１．２）で計算した位相遅れφと被写体対象までの距離との線形関係の線形性を改善することができる。

本発明のＴＯＦ方式測距装置は、その他として、
所定の撮像範囲の被測距対象に向けて強度が半波整流波形に基づく周期波形となる変調光を出射する光源と、
複数の画素を有し、前記撮像範囲から入射する入射光の入射強度を画素ごとに検出する撮像素子と、
前記光源から出射した出射変調光と前記撮像素子の撮像範囲の被測距対象に反射して前記撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を、前記撮像素子に蓄積された電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、
前記位相差検出部が画素ごとに検出した前記位相差に基づいて前記被測距対象までの距離を算出する距離算出部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、周期波形の変調光が、半波整流波形に基づく周期波形とされることにより、少ない発光電力で大きな反射光の入射強度を確保し、かつ式（１．２）で計算した位相遅れφと被写体対象までの距離との線形関係の線形性を改善することができる。また、半波整流波形を基本とすることを条件とすることにより、多様な変調光を生成することができる。

本発明のＴＯＦ方式測距装置は、その他として、
所定の撮像範囲の被測距対象に向けて強度が周期波形となる変調光を出射する光源と、
複数の画素を有し、前記撮像範囲から入射する入射光の入射強度を画素ごとに検出する撮像素子と、
前記光源から出射した出射変調光と前記撮像素子の撮像範囲の被測距対象に反射して前記撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を、前記撮像素子に蓄積された電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、
前記位相差検出部が画素ごとに検出した前記位相差に基づいて前記被測距対象までの距離を算出する距離算出部とを備え、
前記周期波形は、基本波と、該基本波の大きさと比較して１／３より大きく１より小さい少なくとも一つの偶数倍波とを含んでいることを特徴とする。

本発明によれば、周期波形の変調光が、基本波の他に、基本波の大きさと比較して１／３より大きく１より小さい少なくとも一つの偶数倍波を含むことにより式（１．２）で計算した位相遅れφと被写体対象までの距離との線形関係の線形性を改善しつつ、使用環境に応じて変調光の強度を変更することができる。

本発明のＴＯＦ方式測距装置において、好ましくは、前記周期波形は、前記基本波の大きさと比較して１／３より小さい奇数倍波を少なくとも１つ含んでいる。

この構成によれば、周期波形の変調光が、基本波の大きさと比較して１／３より小さい奇数倍波を含むことにより、変調光の波形を使用環境に応じて変更することが可能になる。

本発明のＴＯＦ方式測距装置において、好ましくは、前記光源は、ＬＥＤ又はレーザ光源である。

この構成によれば、光源としてＬＥＤ又はレーザ光源が使用される。半波整流波形自体は、接線が不連続に変化する点を含み、光源からの出射光を半波整流波形とすることは困難であるが、現実に存在する光源を用いて、出射光の強度が、半波整流波形の接線の不連続点を解消することができる。これにより、出射光の強度を、正弦波の半波整流波形に適切に代替した周期波形にすることができる。

本発明のＴＯＦ方式測距装置において、好ましくは、前記周期波形は、前記半波整流波形において接線の不連続点を含む波形部分を、接線が連続的に変化する波形部分に置き換えた波形となっている。

この構成によれば、光源の出射光の強度を滑らかに変化させることができる。

本発明のＴＯＦ方式測距装置において、好ましくは、
前記周期波形は、次のＤ（ｔ）に対応する波形であり、
ただし、上式において、Ａは定数であり、ｔは位相角である。

この構成によれば、出射光の強度波形を、目標波形の半波整流波形又は（１．２）のＤ（ｔ）に基づいた波形に制御することができる。

本発明のＴＯＦ方式測距装置において、
前記撮像素子は、画素ごとに、前記入射光の入射強度を検出する２つの光検出器と、該２つの光検出器の出力を、異なる２つの位相で積分することで計４つの位相情報を導出する積分素子とを備え、
前記位相差検出部は、前記画素ごとの前記位相差を、各画素の積分素子の積分量に基づいて検出することが好ましい。

この構成によれば、入射強度を大きな量にすることができる。

本発明のＴＯＦ方式測距装置において、
前記位相差検出部は、前記２つの積分素子の積分量の差分に基づいて前記位相差を検出することが好ましい。

この構成によれば、背景光の影響を排除して、位相差を検出することができる。

ＴＯＦ方式測距装置の全体構成図。 カメラが備える撮像素子の構成図。 画素の詳細な構成図。 ＴＯＦ方式測距装置の各部における信号についてのタイミングチャート。 反射光の周期波形を、振幅が１である正弦波としたときのΔφと撮像素子に入射する反射光の入射強度｜Ｉ｜（輝度）との関係を示すグラフ。 周期が２・πで１周期当たりの光量の積分が１である正弦波の反射光の分析に関し、図６Ａは反射光のグラフ、図６Ｂは反射光輝度グラフ。 パルス幅が前半の半周期に一致し、１周期当たりの光量の積分が１である矩形波の反射光の分析に関し、図７Ａは反射光のグラフ、図７Ｂは反射光輝度グラフ。 式（２．２）で定義されるＤ（ｔ）及び積分（Ｓ０）等のタイミングチャート。 式（２．３）で定義されるＤ（ｔ）の波形図。 式（２．４）で定義されるＤ（ｔ）に関し、図１０Ａは周期波形を示す図、図１０Ｂは反射光輝度グラフ。 式（２．１）において、Ｄ０＝０，Ｄ１＝Ａ，Ｄｎ＝０（ただし、ｎ＞１の整数）とし、さらに、Ｃ（ｔ）を付加したときの出射光Ｌａの周期波形図。 Ｄ（ｔ）と種々のＣ（ｔ）とを対比して示した波形図に関し、図１２Ａは、Ｄ（ｔ）と式（３．３）及び（３．４）で定義したＣ１（ｔ）とを対比した図、図１２Ｂは式（３．５）で定義したＣ２（ｔ）を採用したときのＤ（ｔ）の周期波形図。 式（５．１）で定義されるＤ（ｔ）の波形図。 １周期当りの光量の積分値が１であるＤ（ｔ）に関し、図１４Ａは反射光のグラフ、図１４Ｂは反射光輝度グラフ。 種々のＤ（ｔ）の対比に関し、図１５Ａは種々のＤ（ｔ）の周期波形図、図１５Ｂは種々のＤ（ｔ）の反射光輝度グラフ。 種々のＤ（ｔ）の対比に関し、図１５Ａは種々のＤ（ｔ）の周期波形図、図１５Ｂは種々のＤ（ｔ）の反射光輝度グラフ。 光源の信号光の強度が図１５の正弦波の半波整流波形となるように、制御装置の光源制御部が駆動部を介して光源を駆動した時に光源の信号光の現実の波形を示す図。 光源の出射光の強度の周期波形として正弦波の半波整流波形に代替する周期波形を示す図。図１８は、図１９の２つの周期波形を合成した周期波形を示している。 図１８の周期波形を合成する前の２つの周期波形を示す図。 半波整流波と改善案波形との対比に関し、図２０Ａは反射光のグラフ、図２０Ｂは反射光輝度グラフ。

図１は、ＴＯＦ方式測距装置１の全体構成図である。ＴＯＦ方式測距装置１は、光源２、カメラ（撮像装置）４及び制御装置５を備える。光源２は、被測距対象７が存在する撮像範囲６に向けて出射光Ｌａ（変調光）を出射する。撮像範囲６は、カメラ４の画角と同一の範囲であり、被測距対象７の存在する所定の範囲を含むように、設定される。なお、出射光Ｌａの照射範囲は、撮像範囲６より広く設定される。

撮像範囲６には、通常、被測距対象７が１以上存在するが、一つも存在しないときもある。被測距対象７は、典型的には撮像範囲６内を移動する移動体であるが、静止物であることもある。被測距対象７が人であるときを考慮して、出射光Ｌａは、人への影響を回避するために、典型的には赤外光が用いられる。

制御装置５は、光源制御部５１、位相差検出部５２及び距離算出部５３を備える。光源制御部５１は、駆動部５７に駆動制御信号を出力し、駆動部５７を介して光源２の出射光の強度（輝度）を制御する。位相差検出部５２は、４からの入力データに基づいて位相差Δφ（詳細は、後述の式（１．２）等）を検出する。距離算出部５３は、位相差検出部５２が検出した位相差Δφに基づいて各被測距対象７までの距離Ｄｌを算出する（後で式（１．４）等を参照して詳説する）。

レンズ２ａは、光源２の光出射部に装着され、光源２の出射光Ｌａの配光を調整する。出射光Ｌａは、撮像範囲６の全体を一度に照射する。レンズ４ａは、カメラ４の入射部に装着されて、撮像範囲６から入射する入射光Ｌｂを集めて、撮像画像光としてカメラ４内の撮像素子１０（図２）に入射させる。入射光Ｌｂには、出射光Ｌａ（出射変調光）が被測距対象７に反射して戻ってくる反射光（反射変調光）の他に、背景光が含まれる。反射光は、それが由来する被測距対象７が撮像範囲６で占める位置に応じて、撮像素子１０における対応の画素Ｇ（図２）に入射する。なお、出射光Ｌａの変調は、入射光Ｌｂから出射光Ｌａの反射光としての反射変調光を抽出し易くする。

図２は、カメラ４が備える撮像素子１０の構成図である。撮像素子１０は、主要構成要素として、画素配列部１１、行制御部１５、列制御部１６及び画素読出し制御部１７を備えている。なお、この撮像素子１０は、ＣＭＯＳ型であるが、ＣＣＤ等、その他の撮像素子であってもよい。

図２の画素配列部１１は、正面視で図示されており、列方向（縦方向）及び行方向（横方向）に整列した格子配列で平面上に分布した複数の画素Ｇ（ｎ，ｍ）を有している。

なお、画素配列部１１における各画素Ｇを特定するために、行番号ｎと列番号ｍとを用いて、画素Ｇ（ｎ，ｍ）と表す。画素Ｇ（ｎ，ｍ）とは、画素配列部１１の正面視において上からｎ番目の行で、左からｍ番目の列の画素Ｇを指すものとする。画素配列部１１は、例えば１２６（行数）×１２６（列数）個の画素Ｇから成る。

個々の画素を特に区別する必要がないときは、画素Ｇ（ｎ，ｍ）を「画素Ｇ」で総称する。各画素Ｇは２つの副画素Ｐｏ，Ｐｅを有する。副画素Ｐｏ，Ｐｅを区別しないときは、「副画素Ｐ」で総称する。なお、副画素Ｐの添え字「ｏ」及び「ｅ」は、奇数（odd）及び偶数（even）の頭文字を使用した。

行制御部１５は、行制御ライン２０に制御信号を供給し、画素配列部１１の画素Ｇを行ごとに制御できるようになっている。列制御部１６は、列制御ライン２１に制御信号を印加し、画素配列部１１の画素Ｇを列ごとに制御できるようになっている。画素読出し制御部１７は、制御装置５（図１）からの制御信号に基づいて行制御部１５及び列制御部１６を制御する。

図３は、画素Ｇの構成図である。画素Ｇにおいて、正面視で、副画素Ｐｏは左に配置され、副画素Ｐｅは右に配置されている。副画素Ｐｏは、ＰＤ１、Ｍ１，Ｍ３、Ｆｄ１，Ｆｄ３を備える。副画素Ｐｅは、ＰＤ２、Ｍ２，Ｍ４、Ｆｄ２，Ｆｄ４を備える。

ＰＤはフォトダイオード（光検出器）を意味する。Ｍは振分けスイッチを意味し、Ｆｄはフローティングディフュージョン（積分素子）を意味する。Ｍ１〜Ｍ４は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）から成る。ただし、ＦＥＴの制御信号線は省略した。なお、Ｆｄ１〜Ｆｄ４を個々に区別する必要のないときは、「Ｆｄ」と総称する。

副画素Ｐｏと副画素Ｐｅとは、それらに装備されるゲート（Ｍ１〜Ｍ４のこと）の作動タイミングが異なるのみで、全体の作動は同一である。したがって、副画素Ｐｏの作動のみを説明する。

ＰＤは、画素Ｇに入射する入射光の強度が大きいほど、多数の電子を生成する。なお、電子の数の増大に連れて、電荷量（絶対値）は増大する。Ｍ１とＭ３とは制御信号線による印加電圧でオンオフされる。各オンオフサイクルにおいて、Ｍ１のオン期間の長さとＭ３のオン期間の長さは等しい。ただし、Ｍ１とＭ３が同時にオンとなる期間は無い。なお、該オンオフサイクルの周期は、出射光Ｌａの周期に設定され、オン期間は出射光Ｌａの半周期（出射光Ｌａの周期の半時間）に設定されることが望ましい。

Ｍ１〜Ｍ４のオン期間にＦｄ１〜Ｆｄ４に蓄積される電子の量は、式（１．２）で示したＳ０，Ｓ９０，Ｓ１８０，Ｓ２７０に相当し、オンの開始期間が、入射光Ｌｂの入射位相で９０°ずつ相違する。換言すると、Ｓ０〜Ｓ２７０は、Ｍ１〜Ｍ４のオン期間に副画素Ｐｏ又はＰｅに入射光Ｌｂが入射した入射光Ｌｂの入射強度の積分量である。

詳細には、Ｍ１のオン期間では、副画素ＰｏのＰＤ１が生成した電子が、ＦＤ１に供給され、Ｓ０として蓄積される。Ｍ３のオン期間では、副画素ＰｏのＰＤ１が生成した電子が、ＦＤ３に供給され、Ｓ１８０として蓄積される。同様に、Ｍ２のオン期間では、副画素ＰｅのＰＤ２が生成した電子が、ＦＤ２に供給され、Ｓ９０として蓄積される。Ｍ４のオン期間では、副画素ＰｅのＰＤ２が生成した電子が、ＦＤ４に供給され、Ｓ２７０として蓄積される。

ＴＯＦ方式測距装置１において、光源２からの出射光Ｌａの出射時刻及び撮像素子１０の画素Ｇへの入射光Ｌｂの入射時刻等の時刻及び期間は、出射光Ｌａの周期波形の周期位相（１周期が３６０°又は２・πに相当する。）で定義する。

Ｍ１は、各サイクル（周期）を０°〜３６０°とすると、各サイクルにおいて位相０°〜１８０°においてオンとなり、位相１８０°〜３６０°においてオフになる。Ｍ３は、Ｍ１とはオンオフが逆の関係にあり、位相０°〜１８０°においてオフとなり、位相１８０°〜３６０°においてオンになる。

Ｍ２は、各サイクル（周期）を９０°〜４５０°とすると、各サイクルにおいて位相９０°〜２７０°においてオンとなり、位相２７０°〜４５０°においてオフになる。Ｍ４は、Ｍ２とはオンオフが逆の関係にあり、位相９０°〜２７０°においてオフとなり、位相２７０°〜４５０°においてオンになる。

図４は、ＴＯＦ方式測距装置１の各部における信号についてのタイミングチャートである。出射光Ｌａは、図４では信号光になっている。

次の式を定義する。
（１．１ａ）： Ｓ（ｃｏｓ）＝Ｓ０−Ｓ１８０
（１．１ｂ）： Ｓ（ｓｉｎ）＝Ｓ９０−Ｓ２７０
（１．２）： Δφ＝ａｒｃｔａｎ｛Ｓ（ｓｉｎ）／Ｓ（ｃｏｓ）｝
（１．３）： ｔc＝（Δφ／２・π）×（１／ｆ）
（１．４）： Ｄｌ＝ｔc×ｃ×（１／２）＝Δφ・｛ｃ／（４・π・ｆ）｝

ただし、各符号の定義は次のとおりである。
Δφ：信号光の出射時に対する信号光が被測距対象７に当たって反射した反射光が撮像素子１０の画素Ｇに入射する入射時の位相差
ｔc：信号光が光源２から出射して被測距対象７に反射して撮像素子１０に戻って来るまでの所要時間
ｆ：出射光Ｌａの強度の周期波形の周波数
ｃ：光速
Ｄｌ：ＴＯＦ方式測距装置１から被測距対象７までの距離

さらに、次の式を定義する。
（１．５）： Ｄｌmax＝｛ｃ／（２・π・ｆ）｝（単位：ｍ）
（１．６）： Ｉ＝√｛（Ｓ（ｓｉｎ））＾２＋（Ｓ（ｃｏｓ））＾２｝
なお、（１．６）の「＾２」は、二乗を意味する。また、（１．６）の右辺の√｛（Ｓ（ｓｉｎ））＾２＋（Ｓ（ｃｏｓ））＾２｝は、√の中に｛（Ｓ（ｓｉｎ））＾２＋（Ｓ（ｃｏｓ））＾２｝が入ることを意味する。

ただし、各符号の定義は次のとおりである。
Ｄｌmax：ＴＯＦ方式測距装置１で測距可能な最大距離
Ｉ：撮像素子１０に入射する反射光の入射強度（輝度）
なお、（１．６）の右辺において、｛（Ｓ（ｓｉｎ））＾２＋（Ｓ（ｃｏｓ））＾２｝は√の中に入ることを意味している。また、（１．６）からＩ≧０となるので、Ｉについては、図５等において、適宜、絶対値の符号を付けて、適宜｜Ｉ｜で表している。

図５は、反射光の周期波形を、振幅が１の正弦波としたときのΔφと撮像素子１０に入射する反射光の入射強度｜Ｉ｜（輝度）との関係を示すグラフである。図５において、横軸及び縦軸はそれぞれＳ（ｃｏｓ）及びＳ（ｓｉｎ）を示している。以下、図５のように、Δφと撮像素子１０に入射する反射光の入射強度｜Ｉ｜（輝度）との関係を示すグラフを「反射光輝度グラフ」と呼ぶことにする。

なお、以降、反射光について検討しているが、反射光の検討は、光源２が出射する出射光Ｌａの検討にもつながる。光源２から出射した出射光Ｌａが被測距対象７で反射して撮像素子１０の各画素Ｇに入射するとき、反射光は、ＴＯＦ方式測距装置１と被測距対象７との距離Ｄｌに応じて減衰するが、減衰を無視すれば、出射光Ｌａの出射強度∝反射光の入射強度となるからである。したがって、効率の良い反射光を見い出せば、その見い出した反射光と同一の周期波形の出射光Ｌａを光源２で出射することが望ましいことになる。

図６は、周期が２・πで、１周期当たりの光量の積分が１である正弦波を反射光としたときの分析に関し、図６Ａは反射光の波形図であり、図６Ｂは反射光輝度グラフである。なお、撮像素子１０の各画素Ｇに入射する入射光Ｌｂには、光源２が出射した出射光Ｌａが撮像範囲６で反射してＴＯＦ方式測距装置１に戻ってきた反射光の他に、背景光が含まれる。しかしながら、Ｓ０とＳ１８０との差分としてのＳ０−Ｓ１８０及びＳ９０とＳ２７０との差分としてのＳ９０−Ｓ２７０は、入射光Ｌｂから反射光のみが抽出され、背景光は除去されたものなっている。そして、制御装置５の位相差検出部５２では、入射光Ｌｂそのものではなく、Ｓ０−Ｓ１８０及びＳ９０−Ｓ２７０を用いて、位相差Δφが検出されている。

したがって、以降は、光源制御部５１及び位相差検出部５２の処理対象となっている入射光は、入射光Ｌｂそのものではなく、入射光Ｌｂから背景光を除去した光としての反射光であるとして説明する。

図６Ｂの反射光輝度グラフにおける入射強度｜Ｉ｜は、Δφに関係なく、２／πを維持する。図６の場合には、出射光Ｌａの生成のため発光電力の割に入射強度｜Ｉ｜が低いという問題がある。

図７は、反射光の波形を、パルス幅が前半の半周期に一致し、１周期当たりの光量の積分が１である矩形波をとしたときの分析に関し、図７Ａは反射光の波形図であり、図７Ｂは反射光輝度グラフである。

図７では、反射光輝度グラフにおける入射強度｜Ｉ｜は、４つの頂点が横軸又は縦軸に存在する正方形になる。この結果、Ｓ（ｓｉｎ）／Ｓ（ｃｏｓ）の逆正接と、位相差Δφとの関係は、線形関係にならず、非線形関係となる。したがって、単純に、Δφ＝ａｒｃｔａｎ（Ｓ（ｓｉｎ）／Ｓ（ｃｏｓ））とすることができない。さらに、図７の場合には、Δφ＝π／２の整数倍のときには、十分に入射強度｜Ｉ｜が得られるものの、その他のΔφでは入射強度｜Ｉ｜が低下するという問題がある。なお、以降、線形性とは、例えば、Ｓ（ｓｉｎ）／Ｓ（ｃｏｓ）の逆正接と、位相差Δφとの線形関係のように、二者間の線形関係の性質、又は正確度と定義する。そして、線形性が改善されるとは、二者間の関係が、線形関係に近付くことをいうものとする。

ここで、ＴＯＦ方式測距装置１で撮像範囲６までの距離Ｄｌとして測距可能な最大距離Ｄｌmaxは、前述の（１．４）でΔφ＝２πと置いて、次の式で定義される。
（２．０）： Ｄｌmax＝２・π×｛ｃ／（４・π・ｆ）｝

出射光Ｌａの周期波形Ｄ（ｔ）は、フーリエ級数展開式で表すと、次のとおりである。
（２．１）： Ｄ（ｔ）＝Ｄ０＋Ｄ１・ｓｉｎ（ｔ）＋Ｄ２・ｓｉｎ（２・ｔ）＋Ｄ３・ｓｉｎ（３・ｔ）＋・・・＋Ｄ１’・ｃｏｓ（ｔ）＋Ｄ２’・ｃｏｓ（２・ｔ）＋Ｄ３’・ｃｏｓ（３・ｔ）＋・・・
ただし、ｔは、角周波数ω×時間としての位相角である（すなわち、ｔ＝２・π×周波数ｆ）。

図８は、Ｄ（ｔ）を次の式で定義したときのＤ（ｔ）及び積分（Ｓ０）等のタイミングチャートである。
（２．２）： Ｄ（ｔ）＝１＋｛ｓｉｎ（２・ｔ）／（２・π）｝

図８からは、Ｓ０＝Ｓ１８０かつＳ９０＝Ｓ２７０が成立していることが分かる。このことは、Ｄ（ｔ）に位相遅れが発生しても、常に成立する。

図９は、次の式で定義されるＤ（ｔ）の波形図である。
（２．３）： Ｄ（ｔ）＝［１＋｛ｓｉｎ（３・ｔ）｝］／（２・π）

図９からは、出射光Ｌａの周期波形が前述の式（１．４）を満たすものの、Δφの周期が（２・π）／３となってしまう。したがって、基本波と比べて（２．０）のＤｌmaxが１／３倍になってしまい、ＴＯＦ方式測距装置１の性能低下につながる。

図１０は、次の式で定義されるＤ（ｔ）に関し、図１０Ａは反射光の周期波形を示す図、図１０Ｂは反射光輝度グラフである。
（２．４）： Ｄ（ｔ）＝２＋ｓｉｎ（ｔ）＋ｓｉｎ（３・ｔ）

図１０からは、前述の式（１．２）が満たされないことが分かる。

図９及び図１０の検討から次のことが分かる。Δφを正しく計算できるのは、Ｄ（ｔ）が一つの基本波、又は一つの奇数倍波のみ含んでいるときのみである。これは、偶数倍波をいくら付加してもＳ０＝Ｓ１８０かつＳ９０＝Ｓ２７０の関係は成立するため、奇数倍波のみがΔφの計算に影響を与えるためである。ここで言う奇数倍波又は偶数倍波とは、装備されるゲートの駆動周波数（オンオフサイクル）を基本波とし、それに対して周波数が奇数倍（３倍、５倍、７倍・・・）又は偶数倍の波（２倍、４倍、６倍・・・）をいう。なお、奇数倍波及び偶数倍波は、共に基本波に対して奇数倍周波数及び偶数倍周波数の周波数成分の高調波としてそれぞれ複数存在する。奇数倍波又は偶数倍波を一つの周波数成分のみ含むとは、複数の奇数倍波又は偶数倍波のうち、１つの奇数倍波又は偶数倍波しか含まないという意味である。

図１１は、前述の式（２．１）において、Ｄ０＝０，Ｄ１＝Ａ，Ｄｎ＝０（ただし、ｎ＞１の整数）とし、さらに、Ｃ（ｔ）を付加したときの出射光Ｌａの周期波形図である。なお、Ａは定数である。
（３．１）： Ｄ（ｔ）＝Ａ・ｓｉｎ（ｔ）＋Ｃ（ｔ）
（３．２）： Ｃ（ｔ）＝０

図１１から次のことが分かる。Ｄ（ｔ）≧０の条件が満たされないため、Ｃ（ｔ）≠０以外のＣ（ｔ）を付加して、当該条件を満たすようにする必要がある。なお、前述の式（１．２）が満たされるためには、Ｃ（ｔ）は、ｓｉｎ（ｔ）又はｃｏｓ（ｔ）の偶数倍波しか付加することができない。また、エネルギー効率（光源２の節電）の観点からは、付加する奇数倍波の振幅は、なるべく小さくする必要がある。また、単純に前述の式（１．２）が満たされないが、奇数倍波を含むことも可能である。この場合において、エネルギー効率の観点から、奇数倍波は、基本波の大きさと比較して１／３より小さく、かつ偶数倍波を少なくとも一つ含んでいることが好ましい。なぜならば、矩形波をフーリエ級数展開すると、３次の奇数倍波は基本波の１／３であり、それよりも小さい奇数倍波を含むことで、よりエネルギー効率の改善することができるからである。

図１２は、Ｄ（ｔ）と種々のＣ（ｔ）とを対比して示した波形図に関する。ここで、Ｃ１（ｔ）、Ｃ２（ｔ）は、Ｃ（ｔ）の具体的な関数の例にあたる。

図１２Ａは、Ｄ（ｔ）と次の式（３．３）及び（３．４）で定義したＣ１（ｔ）とを対比している。図１２Ａにおいて、実線がＤ（ｔ）を示し、波線がＣ１（ｔ）を示している。
（３．３）： Ｃ１（ｔ）＝０ ただし、２・π・ｎ≦ｔ＜π＋２・π・ｎ
（３．４）： Ｃ１（ｔ）＝｜Ａ・ｓｉｎ（ｔ）｜ ただし、π＋２・π・ｎ≦ｔ＜２・π・（ｎ＋１）

図１２Ｂは次の式（３．５）で定義したＣ２（ｔ）を採用したときのＤ（ｔ）の周期波形図である。図１２Ｂにおいて、実線がＤ（ｔ）を示し、波線がＣ２（ｔ）を示している。
（３．５）： Ｃ２（ｔ）＝｜Ａ・ｓｉｎ（ｔ）｜ ただし、２・π・ｎ≦ｔ＜２・π・（ｎ＋１）

図１２から次のことが理解される。図１２ＡのＣ１（ｔ）は、周期がπではないので、奇数倍波が含まれる。したがって、前述の式（１．２）の制約に反する。図１２ＢのＣ２（ｔ）は、偶数倍波のみを含み、光源２の発光電力を最小にしている。さらに、Ｄ（ｔ）＋Ｃ２（ｔ）は、ｔに関係なく、光源２の発光電力が０以上という正値条件を満たす。

以上の検討から、反射光の強度の周期波形として最も電力効率の良い周期波形は、次の式で定義される。
（５．１）： Ｄ（ｔ）＝Ａ・ｓｉｎ（ｔ）＋｜Ａ・ｓｉｎ（ｔ）｜

図１３は、式（５．１）で定義されるＤ（ｔ）の波形図である。

図１４は、１周期当りの反射光の光量の積分値が１であるＤ（ｔ）に関する。図１４Ａは反射光のグラフであり、図１４Ｂは反射光輝度グラフである。

図１５は種々のＤ（ｔ）の対比に関する。図１５Ａは種々のＤ（ｔ）の周期波形図である。図１５Ｂは種々のＤ（ｔ）の反射光輝度グラフである。いずれのＤ（ｔ）も、１周期当たりの光量の積分が１に揃えられている。

図１５には、種々のＤ（ｔ）として、正弦波、矩形波及び正弦波の半波整流波形の３つが示されている。本発明において、「半波整流波形」とは、有限個の正弦波成分を含む周期関数のうちある一定の期間においてフラットな部分（Ｄ（ｔ）＝０）を有する周期波形をいう。

図１５における正弦波の定義式は、次のとおりである。
（５．２）： Ｄ（ｔ）＝｛１＋ｓｉｎ（ｔ）｝／（２・π）

図１５における矩形波の定義式は、次のとおりである。
（５．３）： Ｄ（ｔ）＝１／π ※ただし、２・π・ｎ≦ｔ＜π＋２・π・ｎ
（５．４）： Ｄ（ｔ）＝０ ※ただし、π＋２・π・ｎ≦ｔ＜２・π・（ｎ＋１）

図１５における正弦波の半波整流波形の定義式は、次のとおりである。
（５．５）： Ｄ（ｔ）＝ｓｉｎ（ｔ）／２ ※ただし、２・π・ｎ≦ｔ＜π＋２・π・ｎ
（５．６）： Ｄ（ｔ）＝０ ※ただし、π＋２・π・ｎ≦ｔ＜２・π・（ｎ＋１）

図１５自体は、画素Ｇに入射した反射光のグラフである。反射光及び出射光Ｌａのそれぞれにとって少ない発光電力で大きな反射光の入射強度を確保し、かつ逆正接とΔφとを線形関係に保持することができる周期波形は、同一であると言える。この結果、図１５から、出射光Ｌａの強度の周期波形として、半波整流波を採用することが、発光電力の効率及び線形関係に関して理想であることが結論できる。

図１５Ｂについて補足する。図１５Ｂは、出射光Ｌａの発光電力の効率、及び逆正接とΔφとの線形関係の線形性を示している。相互に対比している正弦波、矩形波及び半波整流波は、１周期当たりの光量の積分が同一であるので、反射光の輝度は、外のものほど、大きい。したがって、図１５Ｂから、発光電力の効率は、正弦波、矩形波及び半波整流波の順に高くなる。

一方、逆正接とΔφとは、図１５Ｂの特性線が真円で表現されるときに、線形になる。したがって、特性線は、真円に接近するほど、線形性の正確度が上昇し、線形性が改善されることを意味する。

したがって、半波整流波を採用することが、発光電力の効率及び線形関係に関して最も理想であることが結論できるが、半波整流波に近い波形についても少ない発光電力で大きな反射光の入射強度を確保しつつ、かつ式（１．２）で計算した位相遅れφと被写体対象までの距離との線形関係の線形性を改善することができる。半波整流波に近い波形について以下検討をした。

ここで、前述の式（５．１）で定義した半波整流波Ｄ（ｔ）をフーリエ級数展開すると、次の通りである。

図１６は、前述の式（５．１）で定義している半波整流波をＡ＝１で各項までフーリエ級数展開したときのグラフである。第２項、第３項、・・・、第１０項、・・・、第２０項、・・・と、展開される項数が増えるほど理想的な半波整流波に近づくことがわかる。

そして、半波整流波は、発光電力の効率及び線形関係に関して最も理想であることから、できる限り半波整流波に近づけることが望ましい。ここで、基本波の大きさと比較して１／３より大きく１より小さい偶数倍波を少なくとも一つ含むことが好ましい。なぜならば、半波整流波をフーリエ級数展開すると、２次の偶数倍波は基本波の４／３・πであり、１／３より大きく１より小さい偶数倍波を少なくとも一つ含むことで、半波整流波に近づけることができるからである。

さらには、単純に前述の式（１．２）が満たされないが、奇数倍波を含むことも可能である。この場合において、エネルギー効率の観点から、基本波の大きさと比較して１／３より小さい奇数倍波であれば含むこともできる。なぜならば、半波整流波をフーリエ級数展開すると、３次の奇数倍波は０であり、また、矩形波をフーリエ級数展開すると、３次の奇数倍波は基本波の１／３であることがわかる。つまり、基本波の大きさと比較して１／３より小さい奇数倍波であれば含むことができ、その条件において、半波整流波に近づけることができるからである。

図１７は、光源２の信号光（＝出射光Ｌａ）の強度が図１５の正弦波の半波整流波形となるように、制御装置５の光源制御部５１が駆動部５７を介して光源２を駆動した時の光源２の信号光の現実の波形を示している。

図１７では、光源２としてＬＥＤやレーザ光源等が選択されている。また、駆動部５７は、ＬＥＤやレーザ光源への駆動電流を、ＦＰＧＡパルスや、ＦＥＴ、又はＲＬＣで生成している。

図１５の半波整流波形は、接線の不連続点を各周期内に２つ含んでいる。すなわち、図１５の半波整流波形は、前半の半周期が正弦波の上半部の半波であり、後半の半周期は、フラットとなる。したがって、正弦波の上半部の半波とフラットとの境界点において、接線が不連続になる。

しかしながら、現実の光源２及び駆動部５７では、光源２における出射光Ｌａの強度波形を、接線が不連続の箇所を含む波形とすることは困難である。光源２を、出射光Ｌａが図１５の半波整流波形の強度となるように、駆動部５７から駆動信号を出力しても、光源２の出射光Ｌａの強度は、図１７のように、接線が連続的に変化する周期波形になってしまう。しかしながら、出射光Ｌａの現実の強度が図１７のようになったとしても、光源２を少ない発光電力にして、被測距対象７からの反射光の各画素Ｇへの入射強度を大きく確保しつつ、反射光の入射強度を、位相差に関係なくほぼ一様にすることができる。

図１８は、光源２の出射光Ｌａの強度の周期波形として半波整流波形に代替する周期波形を示している。図１８は、前述の数１で示したＤ（ｔ）（以下、「改善案波形」という。）に等しい。改善案波形では、半波整流波形における接線の不連続点を含む波形部分が、接線が連続的に変化する波形部分に置き換えられている。

図１８は、図１９の２つの周期波形を合成した周期波形を示している。

図１９の２つの周期波形のうち一方（実線）は、Ａ＝１とした場合の正弦波である。他方（破線）は、Ａ＝１とした場合の次の式で定義されるＣ（ｔ）である。
（６．１）： Ｃ（ｔ）＝√（２）−｜ｃｏｓ（ｔ）｜ ※ただし、２・π・ｎ≦ｔ＜π／４＋２・π・ｎ，（３・π）／４＋２・π・ｎ≦ｔ＜（５・π）／４＋２・π・ｎ，（７・π）／４＋２・π・ｎ≦ｔ＜（２・π）・（ｎ＋１）
（６．２）： Ｃ（ｔ）＝｜ｓｉｎ（ｔ）｜ ※ただし、π／４＋２・π・ｎ≦ｔ＜（３・π）／４＋２・π・ｎ，（５・π）／４＋２・π・ｎ≦ｔ＜（７・π）／４＋２・π・ｎ
なお、（６．１）の√（２）は、（２）が√の中に入ることを意味している。

図２０は、半波整流波と改善案波形との対比に関する。図２０Ａは反射光のグラフであり、図２０Ｂは反射光輝度グラフである。なお、図２０において、「半波整流波」とは、図１５の半波整流波のことである。「改善案波形」とは、図１８の波形の反射光を意味する。図２０では、半波整流波及び改善案波形共に、１周期当りの光量（反射光の入射強度）の積分値は１にしている。

図２０Ｂの反射光輝度グラフにおいて、半波整流波の反射光輝度グラフは、半径１の円となる。これに対し、改善案波形の反射光輝度グラフは、約半径０．９の円となる。したがって、改善案波形の発光電力効率は、半波整流波のものより劣るもののその差はわずかである。

このように、ＴＯＦ方式測距装置１では、駆動部５７が光源２を、半波整流波形又は改善案波形に基づいた入射光Ｌｂを生成するように、駆動する。この結果、光源２の発光電力を節約して、大きな反射光の入射強度を確保することができる。また、Ｓ（ｓｉｎ）／Ｓ（ｃｏｓ）の逆正接と、位相差Δφとを線形関係に保持することができる。

１・・・ＴＯＦ方式測距装置、２・・・光源、６・・・撮像範囲、７・・・被測距対象、１０・・・撮像素子、５１・・・光源制御部、５２・・・位相差検出部、５３・・・距離算出部、５７・・・駆動部。

Claims (9)

1. 所定の撮像範囲の被測距対象に向けて強度が周期波形となる変調光を出射する光源と、
   複数の画素を有し、前記撮像範囲から入射する入射光の入射強度を画素ごとに検出する撮像素子と、
   前記光源から出射した出射変調光と前記撮像素子の撮像範囲の被測距対象に反射して前記撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を、前記撮像素子に蓄積された電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、
   前記位相差検出部が画素ごとに検出した前記位相差に基づいて前記被測距対象までの距離を算出する距離算出部とを備え、
   前記周期波形は、基本波、又は奇数倍波を一つの周波数成分のみ含んでおり、かつ偶数倍波を少なくとも一つの周波数成分を含んでいることを特徴とするＴＯＦ方式測距装置。
2. 所定の撮像範囲の被測距対象に向けて強度が半波整流波形に基づく周期波形となる変調光を出射する光源と、
   複数の画素を有し、前記撮像範囲から入射する入射光の入射強度を画素ごとに検出する撮像素子と、
   前記光源から出射した出射変調光と前記撮像素子の撮像範囲の被測距対象に反射して前記撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を、前記撮像素子に蓄積された電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、
   前記位相差検出部が画素ごとに検出した前記位相差に基づいて前記被測距対象までの距離を算出する距離算出部とを備えることを特徴とするＴＯＦ方式測距装置。
3. 所定の撮像範囲の被測距対象に向けて強度が周期波形となる変調光を出射する光源と、
   複数の画素を有し、前記撮像範囲から入射する入射光の入射強度を画素ごとに検出する撮像素子と、
   前記光源から出射した出射変調光と前記撮像素子の撮像範囲の被測距対象に反射して前記撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を、前記撮像素子に蓄積された電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、
   前記位相差検出部が画素ごとに検出した前記位相差に基づいて前記被測距対象までの距離を算出する距離算出部とを備え、
   前記周期波形は、基本波と、該基本波の大きさと比較して１／３より大きく１より小さい少なくとも一つの偶数倍波とを含んでいることを特徴とするＴＯＦ方式測距装置。
4. 請求項３記載のＴＯＦ方式測距装置において、
   前記周期波形は、前記基本波の大きさと比較して１／３より小さい奇数倍波を少なくとも１つ含んでいることを特徴とするＴＯＦ方式測距装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のＴＯＦ方式測距装置において、
   前記光源は、ＬＥＤ又はレーザ光源であることを特徴とするＴＯＦ方式測距装置。
6. 請求項２に記載のＴＯＦ方式測距装置において、
   前記周期波形は、前記半波整流波形において接線の不連続点を含む波形部分を、接線が連続的に変化する波形部分に置き換えた波形となっていることを特徴とするＴＯＦ方式測距装置。
7. 請求項６に記載のＴＯＦ方式測距装置において、
   前記周期波形は、次のＤ（ｔ）に対応する波形であり、
   ただし、上式において、Ａは定数であり、ｔは位相角であることを特徴とするＴＯＦ方式測距装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のＴＯＦ方式測距装置において、
   前記撮像素子は、画素ごとに、前記入射光の入射強度を検出する２つの光検出器と、該２つの光検出器の出力を、入射位相が９０°相違している２つの入射位相で積分する積分素子とを備え、
   前記位相差検出部は、前記画素ごとの前記位相差を、各画素の積分素子の積分量に基づいて検出することを特徴とするＴＯＦ方式測距装置。
9. 請求項８に記載のＴＯＦ方式測距装置において、
   前記撮像素子は、各画素の光検出器ごとに、前記周期波形の周期に相当する時間の前半の半時間及び後半の半時間の各光検出器の出力を積分する２つの積分素子を備え、
   前記位相差検出部は、前記２つの積分素子の積分量の差分に基づいて前記位相差を検出することを特徴とするＴＯＦ方式測距装置。