JP2020003250A - 距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クロックのジッターの影響を低減して距離分解能が高められた距離計測を可能にする。【解決手段】測定システム１００は、レーザ光源３と、対象物Ｓａからの入射光を露光する画素群Ｘ（ｉ，ｊ）が二次元的に配置された第１受光面１１ａと、画素群Ｙ（ｉ，ｊ）が二次元的に配置された第２受光面１１ｂと、レーザ光源３から照射されたパルス光Ｌ０を対象物Ｓａに入射するパルス光ＬＳと第２受光面１１ｂに入射するパルス光ＬＲとに分割するビームスプリッタ５と、パルス光Ｌ０の照射タイミングを決定するトリガー信号及び露光タイミングを決定するクロック信号を生成する信号生成回路１５，１７と、画素群Ｘ（ｉ，ｊ）毎の距離演算値を計算し、画素群Ｙ（ｉ，ｊ）毎の基準距離演算値を計算し、画素群Ｘ（ｉ，ｊ）毎の距離演算値と基準距離演算値との差分を求め補正距離演算値を計算する演算回路７と、を備える。【選択図】図３

Description

本発明の一側面は、光の飛行時間を計測することで対象物までの距離を二次元的に検出する距離計測装置に関する。

従来から、光の飛行時間を計測することで距離計測が可能なＴＯＦ（Time Of Flight）法を用いた測距システムの開発が進められている。例えば、下記特許文献１には、光を照射する光源部と、対象物からの反射光を露光して画素毎のＲＡＷデータを得る受光部と、ＲＡＷデータを基に画素毎の距離を表すＴＯＦ信号を供給するＴＯＦ演算部とを備える測距システムが開示されている。この測距システムでは、画像センサ上の基準画素についてのＴＯＦ信号と基準値との差分を検出し、その差分をもとに微調信号を生成し、微調信号を基にＴＯＦ信号を補正して画素毎の距離情報を出力している。

国際公開第２０１４／２０８０１８号公報

しかしながら、上記の従来の測距システムにおいては、光源部から対象物に照射する光から生じる反射光を基に、基準画素を用いて微調信号を生成しているために、対象物の一部の形状が既知のもの、あるいはマーカを付加できるものに限定される。その結果、光源部又は受光部を制御するクロックのジッターの影響を十分に除去することができない傾向がある。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、クロックのジッターの影響を低減して距離分解能が高められた距離計測を可能にする距離計測装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一側面にかかる距離計測装置は、光を照射する光源と、対象物からの入射光を露光する第１の画素群が二次元的に配置され、第１の画素群のそれぞれから露光量に対応する第１の電気信号を出力する第１の受光面と、入射光を露光する第２の画素群が二次元的に配置され、第２の画素群のそれぞれから露光量に対応する第２の電気信号を出力する第２の受光面と、光源から照射された光を、対象物に入射する第１の光と、第２の受光面に入射する第２の光とに分割する光分割部と、外部クロックを基に、光源の光の照射タイミングを決定するトリガー信号、及び、第１の受光面及び第２の受光面における露光タイミングを決定するクロック信号を生成する信号生成部と、第１の画素群毎の第１の電気信号を基に第１の画素群毎の距離演算値を所定の計算方法を用いて計算し、第２の画素群毎の第２の電気信号を基に基準距離演算値を所定の計算方法を用いて計算し、第１の画素群毎の距離演算値と基準距離演算値との差分を求め、差分から第１の画素群毎の補正距離演算値を計算する計算部と、を備える。

このような距離計測装置によれば、光源から照射された光が光分割部によって第１の光と第２の光とに分割され、第１の光が対象物に入射することによって反射光が生じ、その反射光が第１の受光面上の第１の画素群によって露光される。一方、光分割部によって分割された第２の光が第２の受光面上の第２の画素群によって露光される。そして、計算部により、第１の画素群のそれぞれの画素からの第１の電気信号を基に距離演算値が計算され、第２の画素群からの第２の電気信号を基に基準距離演算値が計算され、それらの差分から第１の画素群毎の補正距離演算値が計算される。これにより、信号生成部から光源あるいは受光面に与える制御信号において生じるジッターによる距離演算値のゆらぎを除去することができる。このとき、第２の受光面には光源からの光から分割された第２の光が入射するので、第２の電気信号には安定した光路を経由した光の強度が反映される結果、様々な対象物の形状に対応して距離演算値のゆらぎを安定して除去できる。その結果、距離分解能が高められた距離計測を可能にする。

ここで、光分割部は、光源から照射される光の光路上に配置され、光を第１の光と第２の光とに分割するビームスプリッタである、ことが好ましい。この場合、第２の受光面に入射する第２の光の光路をより安定化することができ、距離演算値のゆらぎをより安定して除去できる。

また、第２の光の成分のうち第２の受光面への入射光に対応する成分以外の成分をカットするマスクをさらに備える、ことが好ましい。この場合、第１の受光面によって第２の光が露光されることを防止することができ、距離演算値の誤差を低減できる。

さらに、第１の光の成分のうち第１の受光面への入射光に対応する成分以外の成分をカットするマスクをさらに備える、ことも好ましい。この場合、第２の受光面によって第１の光によって生じる反射光が露光されることを防止することができ、距離演算値のゆらぎをより安定して除去できる。

さらに、計算部は、第２の画素群毎の第２の電気信号を基に所定の計算方法を用いて距離演算値を計算し、距離演算値の平均値を基準距離演算値として計算する、ことも好ましい。このような計算部の構成により、第２の受光面において生じるショットノイズの影響を低減することができ、距離演算値のゆらぎをより一層低減することができる。

またさらに、第１の受光面と第２の受光面とは、同一の撮像素子の受光面が分割されたものである、ことが好ましい。このような構成によれば、装置全体の小型化が容易となる。

さらにまた、第１の受光面と第２の受光面とは、同一の撮像素子の受光面が行方向に沿って分割されたものであり、信号生成部は、第１の受光面と第２の受光面とにおける同一列の画素毎にクロック信号を供給し、計算部は、第２の画素群毎の第２の電気信号を基に所定の計算方法を用いて距離演算値を計算し、第２の画素群の列毎の距離演算値の平均値を基準距離演算値として計算し、第１の画素群毎の距離演算値と当該第１の画素群と同一列に対応する基準距離演算値との差分を求める、ことが好ましい。このような構成によれば、信号生成部から第１の受光面に対して列毎に供給されるクロック信号において生じるジッターによる距離演算値のゆらぎを安定して除去することができる。

また、第１の受光面と第２の受光面とは、同一の撮像素子の受光面が列方向に沿って分割されたものであり、信号生成部は、第１の受光面と第２の受光面とにおける同一行の画素毎にクロック信号を供給し、計算部は、第２の画素群毎の第２の電気信号を基に所定の計算方法を用いて距離演算値を計算し、第２の画素群の行毎の距離演算値の平均値を基準距離演算値として計算し、第１の画素群毎の距離演算値と当該第１の画素群と同一行に対応する基準距離演算値との差分を求める、ことも好ましい。このような構成によっても、信号生成部から第１の受光面に対して行毎に供給されるクロック信号において生じるジッターによる距離演算値のゆらぎを安定して除去することができる。

また、第１の受光面と第２の受光面とは、別々の撮像素子の受光面である、ことも好適である。かかる構成を採れば、第２の電気信号にはさらに安定した光路を経由した光の強度が反映される結果、距離演算値のゆらぎをより安定して除去できる。

また、信号生成部によって第１の受光面あるいは第２の受光面に供給されるクロック信号の遅延時間を調整する遅延調整回路をさらに備える、ことも好適である。この場合、第１の受光面を利用した距離演算値の測距範囲と、第２の受光面を利用した距離演算値の測距範囲を独立して調整可能となり、装置における光学設計の自由度を向上させることができる。

本発明によれば、クロックのジッターの影響を低減して距離分解能が高められた距離計測を可能にする。

本発明の第１実施形態に係る距離計測装置である測定システム１００の概略構成を示す図である。 図１のトリガー生成回路１７及びクロック生成回路１５によって生成される信号の波形を示すタイミングチャートである。 図１の測定システム１００の光学系の構成を示す図である。 様々な距離に配置された対象物Ｓａを対象に検出された距離演算値の分解能の値を示すグラフである。 （ａ）は、本実施形態において球を対象に生成された三次元点群データを示す図であり、（ｂ）は、比較例において球を対象に生成された三次元点群データを示す図である。 本発明の変形例にかかる光学系の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる測定システム１００Ａの概略構成を示す図である。 本発明の第３実施形態にかかる測定システム１００Ｂの概略構成を示す図である。 本発明の第４実施形態にかかる測定システム１００Ｃの光学系の構成を示す図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る距離計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。

図１は、本発明の第１実施形態に係る距離計測装置である測定システム１００の概略構成を示す図である。測定システム１００は、対象物Ｓａまでの距離をＴＯＦ（Time Of Flight）法を用いて二次元的に検出するものであり、その検出結果を用いて二次元距離画像、あるいは三次元ＣＡＤデータを生成するために用いられる。この測定システム１００は、イメージセンサ（撮像素子）１と、光を照射するレーザ光源３と、ビームスプリッタ（光分割部）５と、演算回路（計算部）７と、遅延調整回路９とを含んで構成されている。

レーザ光源３は、イメージセンサ１の画素の応答時間よりも十分短いパルス幅のパルス光を照射可能な光源装置であり、例えば、パルス幅１００ｐｓｅｃのパルス光を照射可能に構成されている。なお、レーザ光源３の照射する光のパルス幅は上記値には限定されず、様々な値に設定され得る。

イメージセンサ１は、受光面１１と、インバータツリー回路１３と、クロック生成回路（信号生成部）１５と、トリガー生成回路（信号生成部）１７と、受光面１１の画素からの信号を読み出す読み出し回路（図示せず）を含んで構成され、これらは同一の半導体チップ上に集積化されて構成される。なお、演算回路７及び遅延調整回路９は、イメージセンサ１の外部の回路上に構成されているが、インバータツリー回路１３、クロック生成回路１５、及びトリガー生成回路１７とともに同一の半導体チップ上に集積化されていてもよい。また、クロック発生回路１５とインバータツリー回路１３の順序を逆にし、クロック生成回路による信号生成後に、インバータツリー回路１３でそれらを分配してもよい。

受光面１１は、第１受光面１１ａと第２受光面１１ｂとを含み、それぞれの受光面１１ａ，１１ｂは二次元的に配置された画素群を有する。これらの受光面１１ａ，１１ｂは、同一のイメージセンサの受光面が論理的に分割されたものである。詳細には、第１受光面１１ａには、Ｎ_Ｖ行Ｎ_Ｈ列で２次元マトリクス状に複数の画素（光電変換素子、第１の画素群）Ｘ（ｉ，ｊ）（ｉは１〜Ｎ_Ｈの整数、ｊは１〜Ｎ_Ｖの整数）が配列されており、方形状の撮像領域を構成している。また、第２受光面１１ｂには、第１受光面１１ａに隣接して、Ｎ_Ｖ行Ｎ_ＨＲ列で２次元マトリクス状に複数の画素（第２の画素群）Ｙ（ｉ，ｊ）（ｉは１〜Ｎ_ＨＲの整数、ｊは１〜Ｎ_Ｖの整数）が配列されており、方形状の撮像領域を構成している。すなわち、画素Ｘ（ｉ，ｊ）が、複数の列毎に一次元的に垂直方向に沿ってＮ_Ｖ個配列されるとともに、複数の行毎に一次元的に水平方向に沿ってＮ_Ｈ個配列される。また、画素Ｙ（ｉ，ｊ）は、画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対して水平方向に隣接しており、複数の列毎に一次元的に垂直方向に沿ってＮ_Ｖ個配列されるとともに、複数の行毎に一次元的に水平方向に沿ってＮ_ＨＲ個配列される。例えば、Ｎ_Ｖ＝８、Ｎ_Ｈ＝５１２、Ｎ_ＨＲ＝３２に設定されている。ただし、これらの画素数は適宜変更されてよい。

そして、この受光面１１の周辺部に、インバータツリー回路１３、クロック生成回路１５、及びトリガー生成回路１７が設けられる。インバータツリー回路１３は、イメージセンサ１の外部から入力されたクロック信号を、列毎あるいは複数列毎に分配する回路部である。クロック生成回路１５は、インバータツリー回路１３によって信号変換されたクロック信号を参照して、第１受光面１１ａの各画素Ｘ（ｉ，ｊ）、及び第２受光面１１ｂの各画素Ｙ（ｉ，ｊ）を対象に、各画素における露光のタイミングを決定するためのクロック信号を生成および出力する。クロック生成回路１５は、クロック信号を第１受光面１１ａ及び第２受光面１１ｂの各列の画素毎に供給する。トリガー生成回路１７は、外部から入力されたクロック信号を参照して、レーザ光源３によるパルス光の照射タイミングを決定するトリガー信号を生成し、そのトリガー信号をレーザ光源３に供給する。

図２において、（ａ）はトリガー生成回路１７によって生成されるトリガー信号ＴＬの波形を示すタイミングチャート、（ｂ）および（ｃ）はクロック生成回路１５によって生成されるクロック信号ＴＷ１，ＴＷ２の波形を示すタイミングチャートである。このようなクロック信号ＴＷ１，ＴＷ２及びトリガー信号ＴＬは、所定の周期で繰り返されるフレーム期間において繰り返し生成され、矩形パルス状のトリガー信号ＴＬが発生した後であって、フレーム期間内の互いに重複しない異なるタイミングで、矩形パルス状の２つのクロック信号ＴＷ１，ＴＷ２が発生する。トリガー信号ＴＬは各フレーム期間において繰り返し発生し、２つのクロック信号ＴＷ１，ＴＷ２は異なるフレーム期間において発生する。ただし、各画素Ｘ（ｉ，ｊ），Ｙ（ｉ，ｊ）において同一のフレーム期間内の複数の期間で変調（露光）が可能とされている場合は、２つのクロック信号ＴＷ１，ＴＷ２を同一のフレーム期間において発生するようにしてもよい。

このようなトリガー信号ＴＬを受けて、レーザ光源３は、トリガー信号ＴＬに同期したパルス光を繰り返し照射する。一方、クロック信号ＴＷ１を受けて、第１受光面１１ａの各画素Ｘ（ｉ，ｊ）及び第２受光面１１ｂの各画素Ｙ（ｉ，ｊ）は、クロック信号ＴＷ１に同期したタイミングで、各画素Ｘ（ｉ，ｊ），Ｙ（ｉ，ｊ）に入射する入射光を露光することによって入射光の強度に対応した電荷を蓄積する。そして、各画素Ｘ（ｉ，ｊ）からは、複数のフレーム期間での露光後の別途制御された読出タイミングで、画素Ｘ（ｉ，ｊ）の各行ごとに、蓄積された電荷量（露光量）に対応する強度の電気信号（第１の電気信号）が、演算回路７に向けて出力される。同様に、各画素Ｙ（ｉ，ｊ）からは、複数のフレーム期間での露光後の別途制御された読出タイミングで、画素Ｙ（ｉ，ｊ）の各行ごとに、蓄積された電荷量に対応する強度の電気信号（第２の電気信号）が、演算回路７に向けて出力される。

さらに、クロック信号ＴＷ２を受けて、第１受光面１１ａの各画素Ｘ（ｉ，ｊ）及び第２受光面１１ｂの各画素Ｙ（ｉ，ｊ）は、クロック信号ＴＷ２に同期したタイミングで、各画素Ｘ（ｉ，ｊ），Ｙ（ｉ，ｊ）に入射する入射光を露光することによって入射光の強度に対応した電荷を蓄積する。そして、各画素Ｘ（ｉ，ｊ）からは、複数のフレーム期間での露光後の別途制御された読出タイミングで、画素Ｘ（ｉ，ｊ）の各行ごとに、蓄積された電荷量に対応する強度の電気信号（第１の電気信号）が、演算回路７に向けて出力される。同様に、各画素Ｙ（ｉ，ｊ）からは、複数のフレーム期間での露光後の別途制御された読出タイミングで、画素Ｙ（ｉ，ｊ）の各行ごとに、蓄積された電荷量に対応する強度の電気信号（第２の電気信号）が、演算回路７に向けて出力される。

このようにして各画素Ｘ（ｉ，ｊ），Ｙ（ｉ，ｊ）から出力される電気信号においては、露光期間ＴＷ１に対応するものと露光期間ＴＷ２に対応するものとの間での強度（電荷量）の比が、パルス光によって生じる戻り光のタイミングによって異なってくる。すなわち、戻り光のタイミングが早い場合には、露光期間ＴＷ２に対応する電気信号の強度Ｎ_２に対する露光期間ＴＷ１に対応する電気信号の強度Ｎ_１の割合が高くなり、戻り光のタイミングが遅い場合には、露光期間ＴＷ２に対応する強度Ｎ_２に対する露光期間ＴＷ１に対応する強度Ｎ_１の割合が低くなる。本実施形態では、このような性質を利用してパルス光を反射する対象物Ｓａの距離を二次元的に検出する。

図１に戻って、遅延調整回路９は、イメージセンサ１とレーザ光源３との間に電気的に接続されている。この遅延調整回路９は、イメージセンサ１から出力されるトリガー信号ＴＬに遅延を生じさせ、この遅延の時間幅を可変に調整する。遅延調整回路９は、イメージセンサ１内で生じる信号遅延に対応してパルス光の発光タイミングを調整するため、あるいは、対象物Ｓａの位置に対応して検出する距離レンジを調整するために設けられる。すなわち、比較的遠くに位置する対象物Ｓａを検出する際には戻り光のタイミングが遅くなるため、遅延調整回路９によってフレーム期間内でのトリガー信号ＴＬの発生タイミングが早くなるように（図２（ａ）の点線に示すように）調整される。

図３を参照して、測定システム１００の光学系の構成について説明する。

測定システム１００は、イメージセンサ１及びレーザ光源３に対して固定された光学系として、撮像レンズであるレンズ１９、ビームスプリッタ（光分割部）５、マスク２３，２５、ミラー２７、及び光反射面である基準面２９を含んでいる。ミラー２７は、レーザ光源３から照射されたパルス光Ｌ_０をビームスプリッタ５に向けて反射する。ビームスプリッタ５は、パルス光Ｌ_０の光路上に配置され、パルス光Ｌ_０を、対象物Ｓａに入射するパルス光（第１の光）Ｌ_Ｓと、基準面２９に入射するパルス光（第２の光）Ｌ_Ｒとに分割する。ビームスプリッタ５は、例えば、入射光の一部を透過し、入射光の他部を反射するハーフミラーである。このビームスプリッタ５は、イメージセンサの受光面１１の前面にレンズ１９を挟んで配置され、対象物Ｓａで反射したパルス光Ｌ_Ｓを、イメージセンサ１の受光面１１に集光されるように透過すると同時に、基準面２９で反射したパルス光Ｌ_Ｒを、イメージセンサ１の受光面１１に集光するように反射する。また、マスク２３は、基準面２９とビームスプリッタ５との間に配置され、パルス光Ｌ_Ｒの成分のうち第２受光面１１ｂに入射する成分以外の成分、すなわち、第１受光面１１ａに入射する成分をカットする光遮蔽部材である。また、マスク２５は、対象物Ｓａとビームスプリッタ５との間に配置され、パルス光Ｌ_Ｓの成分のうち第１受光面１１ａに入射する成分以外の成分、すなわち、第２受光面１１ｂに入射する成分をカットする光遮蔽部材である。

再び図１に戻って、演算回路７は、第１受光面１１ａの各列の画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応する距離計算部３１（１）〜３１（Ｎ_Ｈ）と、第２受光面１１ｂの各列の画素Ｙ（ｉ，ｊ）に対応する距離計算部３３（１）〜３３（Ｎ_ＨＲ）と、平均化部３５と、減算器３７とを含んで構成される。

距離計算部３１（１）〜３１（Ｎ_Ｈ）は、各列の画素Ｘ（ｉ，ｊ）から出力された、露光期間ＴＷ１に対応する電気信号及び露光期間ＴＷ２に対応する電気信号とを用いて、対象物Ｓａまでの距離を、所定の計算方法を用いて、各列毎に計算する。さらに、距離計算部３１（１）〜３１（Ｎ_Ｈ）は、各列毎の距離を行をシフトして繰り返し計算することにより、第１受光面１１ａ上の全ての画素Ｘ（ｉ，ｊ）について、対象物Ｓａまでの距離を計算する。そして、距離計算部３１（１）〜３１（Ｎ_Ｈ）は、計算した各画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応する距離を、減算器３７に出力する。

例えば、距離計算部３１（１）〜３１（Ｎ_Ｈ）は、所定の計算方法として次の方法を用いる。すなわち、距離計算部３１（１）〜３１（Ｎ_Ｈ）は、露光期間ＴＷ１に対応する電気信号の強度がＮ_１であり、露光期間ＴＷ２に対応する電気信号の強度がＮ_２である場合は、下記式：
Ｄ_Ｓ＝｛Ｎ_２／（Ｎ_１＋Ｎ_２）｝×（ｃ／２）×ｔ_１
によって、距離演算値Ｄ_Ｓを計算する。上記式中、ｃは光速であり、ｔ_１は、パルス光のパルス幅に対応する時間である。なお、所定の計算方法は、上記に限定されるものではなく、国際公開2014/181619号公報に記載されたように、受光面１１の応答特性を一次関数あるいは二次関数で近似するように他の計算式を用いるものであってもよい。また、距離演算値Ｄ_Ｓと比率｛Ｎ_２／（Ｎ_１＋Ｎ_２）｝との間の関係を予めルックアップテーブルに記憶しておいて、計算した比率｛Ｎ_２／（Ｎ_１＋Ｎ_２）｝を基にルックアップテーブルを参照することによって距離演算値Ｄ_Ｓを決定してもよい。また、距離演算値Ｄ_Ｓと比率｛Ｎ_２／（Ｎ_１＋Ｎ_２）｝との間の関係を予め三次関数等の近似関数として記憶しておいて、計算した比率｛Ｎ_２／（Ｎ_１＋Ｎ_２）｝を基に近似関数を用いて距離演算値Ｄ_Ｓを計算してもよい。なお、上記の所定の計算方法は、各画素から出力された２つの電気信号を用いた距離演算値の計算方法であるが、各画素から出力された３つ以上の電気信号を用いた距離演算値の計算方法であってもよい。

距離計算部３３（１）〜３３（Ｎ_ＨＲ）は、各列の画素Ｙ（ｉ，ｊ）から出力された、露光期間ＴＷ１に対応する電気信号及び露光期間ＴＷ２に対応する電気信号とを用いて、基準面２９までの距離を、所定の計算方法を用いて、各列毎に計算する。さらに、距離計算部３３（１）〜３３（Ｎ_ＨＲ）は、各列毎の距離を行をシフトしながら繰り返し計算することにより、第２受光面１１ｂ上の全ての画素Ｙ（ｉ，ｊ）について、基準面２９までの距離を基準距離演算値Ｄ_Ｒとして計算する。この基準距離演算値Ｄ_Ｒの計算方法としては、距離計算部３１（１）〜３１（Ｎ_Ｈ）と同様の計算方法が用いられる。

平均化部３５は、距離計算部３３（１）〜３３（Ｎ_ＨＲ）によって計算された第２受光面１１ｂ上の全画素Ｙ（ｉ，ｊ）毎の基準距離演算値Ｄ_Ｒを基に、それらの基準距離演算値Ｄ_Ｒの平均値を計算する。さらに、平均化部３５は、計算した平均値を減算器３７に出力する。

減算器３７は、距離計算部３１（１）〜３１（Ｎ_Ｈ）から出力された各画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応する距離演算値Ｄ_Ｓと、平均化部３５から出力された平均値との差分を求め、その差分に基準面２９までの距離である参照距離Ｒを加算した加算値を求め、各画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応して求めた加算値を、補正距離演算値ｔ_{ＴＯＦ，ｏｕｔ}（ｉ，ｊ）として出力する。この補正距離演算値ｔ_{ＴＯＦ，ｏｕｔ}（ｉ，ｊ）は、対象物Ｓａまでの距離を二次元的に表すものであり、二次元距離画像あるいは三次元ＣＡＤデータを生成するために用いられる。ここでは、演算回路７は、二次元距離画像あるいは三次元ＣＡＤデータに加工後にそれらを出力してもよいし、各画素Ｘ（ｉ，ｊ）毎の補正距離演算値ｔ_{ＴＯＦ，ｏｕｔ}（ｉ，ｊ）をそのまま出力してもよい。

以上説明した測定システム１００によれば、レーザ光源３から照射されたパルス光Ｌ_０がビームスプリッタ５によってパルス光Ｌ_Ｓとパルス光Ｌ_Ｒとに分割され、パルス光Ｌ_Ｓが対象物Ｓａに入射することによって反射光が生じ、その反射光が第１受光面１１ａ上の画素群Ｘ（ｉ，ｊ）によって露光される。一方、ビームスプリッタ５によって分割されたパルス光Ｌ_Ｒが対象物Ｓａに入射することによって反射光が生じ、その反射光が第２受光面１１ｂ上の画素群Ｙ（ｉ，ｊ）によって露光される。そして、演算回路７により、画素群Ｘ（ｉ、ｊ）のそれぞれからの電気信号を基に距離演算値Ｄ_Ｓが計算され、画素群Ｙ（ｉ，ｊ）からの電気信号を基に基準距離演算値Ｄ_Ｒが計算され、それらの差分から画素群Ｘ（ｉ，ｊ）毎の補正距離演算値ｔ_{ＴＯＦ，ｏｕｔ}が計算される。

このような構成により、クロック生成回路１５及びトリガー生成回路１７からレーザ光源３あるいは受光面１１に与える制御信号において生じるクロックジッターによる距離演算値のゆらぎを除去することができ、距離分解能を向上できる。すなわち、クロックジッターは、レーザ光源３内のトリガー受信回路及びレーザダイオード等の発光素子の駆動回路において生じるゆらぎδ_ＬＭと、遅延調整回路９におけるゆらぎδ_ＤＬＣと、イメージセンサ１内のトリガー生成回路１７におけるゆらぎδ_ＴＲＩＧと、イメージセンサ１内の変調素子を駆動するクロック生成回路１５におけるゆらぎδ_ＣＯＬが主な原因となる。特に、１／ｆゆらぎをもつクロックジッターは複数のフレーム間で露光量を平均して距離を求めるフレーム平均を用いても低減ができないため、従来の距離計測装置における計測精度はクロックジッターで律速されてしまう傾向にあった。本実施形態においては、受光面１１ｂを用いて計算される距離演算値Ｄ_Ｒにおける変化は、基準面２９が固定されているために、受光面１１ｂに十分な信号電荷が蓄積されていれば、クロックジッターを要因とするゆらぎの成分と一致する。そのため、距離演算値Ｄ_Ｓと距離演算値Ｄ_Ｒとの差分をとれば、共通部分のクロックジッターの成分を除去することができ、距離分解能を画素におけるショットノイズのみで決まる理論限界までに向上できる。

特に、本実施形態では、第２受光面１１ｂにはレーザ光源３からのパルス光Ｌ_０から分割されたパルス光Ｌ_Ｒが入射するので、第２受光面１１ｂから読み出される電気信号には、基準面２９及びビームスプリッタ５を含んだ安定した光路長の光路を経由したパルス光Ｌ_Ｒの強度が反映される。そのため、様々な対象物Ｓａの形状に対応して距離演算値のゆらぎを安定して除去できる。その結果、距離分解能がより高められた距離計測を可能にする。

また、パルス光Ｌ_Ｒの成分のうち第２受光面１１ｂへの入射光に対応する成分以外の成分をカットするマスク２３を備えている。これにより、第１受光面１１ａによってパルス光Ｌ_Ｒが露光されることを防止することができ、距離演算値の誤差を低減できる。

さらに、パルス光Ｌ_Ｓの成分のうち第１受光面１１ａへの入射光に対応する成分以外の成分をカットするマスク２５をさらに備えている。この場合、第２受光面１１ｂによってパルス光Ｌ_Ｓによって生じる反射光が露光されることを防止することができ、距離演算値のゆらぎをより一層安定して除去できる。

ここで、演算回路７においては、第２受光面１１ａの画素Ｙ（ｉ，ｊ）毎の距離演算値の平均値を基準距離演算値Ｄ_Ｒとして計算している。これにより、画素Ｙ（ｉ，ｊ）において生じるショットノイズの影響を低減することができ、距離演算値のゆらぎをより一層低減することができる。

また、第１受光面１１ａと第２受光面１１ｂとは、同一のイメージセンサの受光面が論理的に分割されたものであるので、装置全体の小型化が容易となる。特に、第１受光面１１ａと第２受光面１１ｂとは列方向に隣接しているので、入射光のロスが少なく測距調整範囲も広くとることが可能となる。

ここで、本実施形態における検出結果を比較例と比較しつつ例示する。図４は、様々な距離に配置された対象物Ｓａを対象に検出された距離演算値の分解能の値を、比較例と比較しつつ示す。比較例においては、距離演算値Ｄ_Ｓと距離演算値Ｄ_Ｒとの差分をとることなく、距離演算値Ｄ_Ｓをそのまま最終的な検出結果として求めている。このように、本実施形態では、差分処理を行うことにより、距離が135mm〜160mmの範囲において、分解能が１桁ほど改善されている。例えば、約300μmから約80μmに改善されている。また、図５（ａ）は、本実施形態において直径20mmの球を対象に生成された三次元点群データのイメージを示し、図５（ｂ）は、比較例において直径20mmの球を対象に生成された三次元点群データのイメージを示している。このように、比較例においてはドリフトの影響を受けて正確な球形状の点群データが得られていないが、本実施形態においては正確な球形状の点群データが得られている。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、測定システム１００は、パルス光Ｌ_Ｒを固定した光路長で第２受光面１１ｂに入射させる構成を有していれば、必ずしも基準面２９を含んでいなくてもよい。図６には、本発明の変形例における光学系の構成を示している。この光学系は、ビームスプリッタ５の近傍に入射端１２９ａが固定され、受光面１１の前面に出射端１２９ｂが固定された光ファイバ１２９と、マスク１２５とを含む。光ファイバ１２９は、ビームスプリッタ５によってパルス光Ｌ_０から分割されたパルス光Ｌ_Ｒを導光して、レンズ１９を介さずに直接パルス光Ｌ_Ｒを第２受光面１１ｂに入射させるように構成される。マスク１２５は、レンズ１９と受光面１１との間に配置され、対象物Ｓａによって受光面１１に向けて反射されたパルス光Ｌ_Ｓの成分のうち第１受光面１１ａに入射する成分以外の成分、すなわち、第２受光面１１ｂに入射する成分をカットする光遮蔽部材である。このような変形例によれば、装置の小型化が容易になる。

また、図７には、本発明の第２実施形態にかかる測定システム１００Ａの構成を示している。測定システム１００Ａの構成の測定システム１００との相違点は、イメージセンサ１において、クロック生成回路が第１受光面１１ａ及び第２受光面１１ｂに対応して２つ設けられている点と、遅延調整回路１０９が追加されている点である。基準面２９を経由する光路の長さと対象物Ｓａを経由する光路の長さとは必ずしも等しくはならないため、第２実施形態では、パルス光Ｌ_Ｒの測距範囲を独立して調整可能な構成を採用している。

すなわち、測定システム１００Ａのイメージセンサ１内には、２つのクロック生成回路１１５ａ，１１５ｂと、遅延調整回路１０９とが設けられる。クロック生成回路１１５ａは、第１受光面１１ａに供給するクロック信号ＴＷ１，ＴＷ２を生成し、クロック生成回路１１５ｂは、第２受光面１１ｂに供給するクロック信号ＴＷ１，ＴＷ２を生成する。遅延調整回路１０９は、クロック生成回路１１５ｂに外部から入力されるクロック信号の遅延時間を可変に調整する。これにより、クロック生成回路１１５ｂによって供給されるクロック信号ＴＷ１，ＴＷ２の遅延時間を調整することができ、第１受光面１１ａに供給するクロック信号ＴＷ１，ＴＷ２のタイミングと、第２受光面１１ｂに供給するクロック信号ＴＷ１，ＴＷ２のタイミングとの間のずれを調整することができる。なお、遅延調整回路１０９は、クロック生成回路１１５ａに外部から入力されるクロック信号の遅延時間を可変に調整するように構成されてもよい。

第２実施形態に係る測定システム１００Ａによれば、基準面２９を経由する光路の長さと対象物Ｓａを経由する光路の長さとが異なっていても、第１受光面１１ａを利用した距離演算値の測距範囲と、第２受光面１１ｂを利用した距離演算値の測距範囲を独立して調整可能となり、装置における光学設計の自由度を向上させることができる。

また、図８には、本発明の第３実施形態にかかる測定システム１００Ｂの構成を示している。測定システム１００Ｂの構成は、イメージセンサ１の受光面１１における第１受光面２１１ａと第２受光面２１１ｂとの分割形態に関して、測定システム１００と異なる。すなわち、測定システム１００Ｂにおいては、イメージセンサ１の受光面１１が行方向に沿って２つに分割されて第１受光面２１１ａ及び第２受光面２１１ｂが構成される。

第１受光面２１１ａは、Ｎ_Ｖ行Ｎ_Ｈ列で２次元マトリクス状に複数の画素Ｘ（ｉ，ｊ）（ｉは１〜Ｎ_Ｈの整数、ｊは１〜Ｎ_Ｖの整数）が配列されており、方形状の撮像領域を構成している。また、第２受光面２１１ｂには、第１受光面２１１ａに隣接して、Ｎ_ＶＲ行Ｎ_Ｈ列で２次元マトリクス状に複数の画素Ｙ（ｉ，ｊ）（ｉは１〜Ｎ_Ｈの整数、ｊは１〜Ｎ_ＶＲの整数）が配列されており、方形状の撮像領域を構成している。すなわち、画素Ｘ（ｉ，ｊ）が、複数の列毎に一次元的に垂直方向に沿ってＮ_Ｖ個配列されるとともに、複数の行毎に一次元的に水平方向に沿ってＮ_Ｈ個配列される。また、画素Ｙ（ｉ，ｊ）は、画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対して垂直方向に隣接しており、複数の列毎に一次元的に垂直方向に沿ってＮ_ＶＲ個配列されるとともに、複数の行毎に一次元的に水平方向に沿ってＮ_Ｈ個配列される。従って、画素Ｘ（ｉ，ｊ）及び画素Ｙ（ｉ，ｊ）のうち同一列に属する画素はクロック生成回路１５における同一のクロック生成源からクロック信号が供給される。

測定システム１００Ｂの演算回路７は、第１受光面２１１ａの各列の画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応する距離計算部２３１（ｉ）（ｉ＝１〜Ｎ_Ｈ）と、第２受光面２１１ｂの各列の画素Ｙ（ｉ，ｊ）に対応する距離計算部２３３（ｉ）（ｉ＝１〜Ｎ_Ｈ）と、平均化部２３５と、減算器２３７とを含んで構成される。

距離計算部２３１（ｉ）は、各列の画素Ｘ（ｉ，ｊ）から出力された電気信号を用いて、第１実施形態と同様にして、各列の画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応する距離演算値Ｄ_Ｓを計算し、計算した各列の画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応する距離演算値Ｄ_Ｓを減算器２３７に出力する。また、距離計算部２３３（ｉ）は、各列の画素Ｙ（ｉ，ｊ）から出力された電気信号を用いて、第１実施形態と同様にして、各列の画素Ｙ（ｉ，ｊ）に対応する基準距離演算値Ｄ_Ｒを計算し、計算した各列の画素Ｙ（ｉ，ｊ）に対応する基準距離演算値Ｄ_Ｒを、平均化部２３５に出力する。平均化部２３５は、画素Ｙ（ｉ，ｊ）に対応する基準距離演算値Ｄ_Ｒを対象に、各列毎に平均値を計算し、各列毎の平均値を減算器２３７に出力する。減算器２３７は、距離計算部２３１（ｉ）から出力された各画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応する距離演算値Ｄ_Ｓと、画素Ｘ（ｉ，ｊ）と同一列の画素Ｙ（ｉ，ｊ）に対応する基準距離演算値Ｄ_Ｒの平均値との差分を求め、各画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応して求めた差分を、補正距離演算値ｔ_{ＴＯＦ，ｏｕｔ}（ｉ，ｊ）として出力する。

上記構成の測定システム１００Ｂによれば、クロック生成回路１５から第１受光面２１１ａに対して列毎に供給されるクロック信号において生じるジッターによる距離演算値のゆらぎを安定して除去することができる。つまり、クロック生成回路１５における列毎のクロック生成源のジッターによるゆらぎδ_ＣＯＬ（ｉ）を、共通のゆらぎ成分として除去できる。

ここで、上記第３実施形態においては、イメージセンサの受光面が列方向に沿って２つに分割されて第１受光面２１１ａ及び第２受光面２１１ｂが構成されていてもよい。この場合は、画素Ｘ（ｉ，ｊ）及び画素Ｙ（ｉ，ｊ）のうち同一行に属する画素はクロック生成回路１５における同一のクロック生成源からクロック信号が供給されるように構成される。そして、 距離計算部２３１（ｊ）は、各行の画素Ｘ（ｉ，ｊ）から出力された電気信号を用いて、各行の画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応する距離演算値Ｄ_Ｓを計算する。また、距離計算部２３３（ｊ）は、各行の画素Ｙ（ｉ，ｊ）から出力された電気信号を用いて、各行の画素Ｙ（ｉ，ｊ）に対応する基準距離演算値Ｄ_Ｒを計算する。平均化部２３５は、画素Ｙ（ｉ，ｊ）に対応する基準距離演算値Ｄ_Ｒを対象に、各行毎に平均値を計算する。減算器２３７は、各画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応する距離演算値Ｄ_Ｓと、画素Ｘ（ｉ，ｊ）と同一行の画素Ｙ（ｉ，ｊ）に対応する基準距離演算値Ｄ_Ｒの平均値との差分を求め、各画素Ｘ（ｉ，ｊ）に対応して求めた差分に基づいて、補正距離演算値ｔ_{ＴＯＦ，ｏｕｔ}（ｉ，ｊ）を計算する。

さらに、図９には、本発明の第４実施形態にかかる測定システム１００Ｃの構成を示している。測定システム１００Ｃの構成は、２つのイメージセンサ１ａ，１ｂを備える点で、測定システム１００と異なる。

すなわち、測定システム１００Ｃにおいては、イメージセンサ１ａに第１受光面３１１ａが備えられ、イメージセンサ１ｂに第２受光面３１１ｂが備えられ、第１受光面３１１ａと第２受光面３１１ｂとが、別々のイメージセンサ１ａ，１ｂ内に設けられる。２つのイメージセンサ１ａ，１ｂには同一のクロック信号が入力されることにより、露光動作が同期化される。あるいは、イメージセンサ１ａからイメージセンサ１ｂにトリガー信号が入力されることにより、露光動作が同期化される。ビームスプリッタ５は、イメージセンサ１ａの第１受光面３１１ａの前面にレンズ１９を挟んで配置され、対象物Ｓａで反射したパルス光Ｌ_Ｓを、イメージセンサ１ａの第１受光面３１１ａに集光されるように透過すると同時に、パルス光Ｌ_０から分割したパルス光Ｌ_Ｒを、イメージセンサ１ｂの受光面３１１ｂに入射させる。イメージセンサ１ａ，１ｂから出力された電気信号を基にした補正距離演算値ｔ_{ＴＯＦ，ｏｕｔ}（ｉ，ｊ）の算出形態は、第１実施形態と同様である。

このような測定システム１００Ｃによれば、トリガー生成回路１７からレーザ光源３に与える制御信号において生じるクロックジッターによる距離演算値のゆらぎを除去することができ、距離分解能を向上できる。すなわち、レーザ光源３内のトリガー受信回路及びレーザダイオード等の発光素子の駆動回路において生じるゆらぎδ_ＬＭと、遅延調整回路９におけるゆらぎδ_ＤＬＣと、イメージセンサ１ａ内のトリガー生成回路１７におけるゆらぎδ_ＴＲＩＧが原因となるクロックジッターによる距離演算値のゆらぎを除去することができる。また、第１受光面３１１ａと第２受光面３１１ｂとは別々のイメージセンサ１ａ，１ｂに設けられているので、第２受光面３１１ｂからの電気信号にはさらに安定した長さの光路を経由したパルス光Ｌ_Ｒのみの強度が反映される結果、距離演算値のゆらぎをより安定して除去できる。

１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…測定システム、１，１ａ，１ｂ…イメージセンサ（撮像素子）、３…レーザ光源、５…ビームスプリッタ（光分割部）、７…演算回路（計算部）、１１ａ，２１１ａ，３１１ａ…第１受光面、１１ｂ，２１１ｂ，３１１ｂ…第２受光面、１５，１１５ａ，１１５ｂ…クロック生成回路（信号生成部）、１７…トリガー生成回路（信号生成部）、２３，２５，１２５…マスク、２９…基準面、１０９…遅延調整回路、Ｌ_０…パルス光、Ｌ_Ｒ…パルス光（第２の光）、Ｌ_Ｓ…パルス光（第１の光）、Ｓａ…対象物、Ｘ…画素群（第１の画素群）、Ｙ…画素群（第２の画素群）。

Claims (10)

1. 光を照射する光源と、
   対象物からの入射光を露光する第１の画素群が二次元的に配置され、前記第１の画素群のそれぞれから露光量に対応する第１の電気信号を出力する第１の受光面と、
   入射光を露光する第２の画素群が二次元的に配置され、前記第２の画素群のそれぞれから露光量に対応する第２の電気信号を出力する第２の受光面と、
   前記光源から照射された前記光を、対象物に入射する第１の光と、前記第２の受光面に入射する第２の光とに分割する光分割部と、
   外部クロックを基に、前記光源の光の照射タイミングを決定するトリガー信号、及び、前記第１の受光面及び前記第２の受光面における露光タイミングを決定するクロック信号を生成する信号生成部と、
   前記第１の画素群毎の前記第１の電気信号を基に前記第１の画素群毎の距離演算値を所定の計算方法を用いて計算し、前記第２の画素群毎の前記第２の電気信号を基に基準距離演算値を前記所定の計算方法を用いて計算し、前記第１の画素群毎の前記距離演算値と前記基準距離演算値との差分を求め、前記差分から前記第１の画素群毎の補正距離演算値を計算する計算部と、
   を備えることを特徴とする距離計測装置。
2. 前記光分割部は、前記光源から照射される光の光路上に配置され、前記光を前記第１の光と前記第２の光とに分割するビームスプリッタである、
   請求項１記載の距離計測装置。
3. 前記第２の光の成分のうち前記第２の受光面への入射光に対応する成分以外の成分をカットするマスクをさらに備える、
   請求項１又は２記載の距離計測装置。
4. 前記第１の光の成分のうち前記第１の受光面への入射光に対応する成分以外の成分をカットするマスクをさらに備える、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の距離計測装置。
5. 前記計算部は、前記第２の画素群毎の前記第２の電気信号を基に前記所定の計算方法を用いて距離演算値を計算し、前記距離演算値の平均値を前記基準距離演算値として計算する、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離計測装置。
6. 前記第１の受光面と前記第２の受光面とは、同一の撮像素子の受光面が分割されたものである、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の距離計測装置。
7. 前記第１の受光面と第２の受光面とは、同一の撮像素子の受光面が行方向に沿って分割されたものであり、
   前記信号生成部は、第１の受光面と第２の受光面とにおける同一列の画素毎に前記クロック信号を供給し、
   前記計算部は、前記第２の画素群毎の前記第２の電気信号を基に前記所定の計算方法を用いて距離演算値を計算し、前記第２の画素群の列毎の前記距離演算値の平均値を前記基準距離演算値として計算し、前記第１の画素群毎の前記距離演算値と当該第１の画素群と同一列に対応する前記基準距離演算値との差分を求める、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離計測装置。
8. 前記第１の受光面と第２の受光面とは、同一の撮像素子の受光面が列方向に沿って分割されたものであり、
   前記信号生成部は、第１の受光面と第２の受光面とにおける同一行の画素毎に前記クロック信号を供給し、
   前記計算部は、前記第２の画素群毎の前記第２の電気信号を基に前記所定の計算方法を用いて距離演算値を計算し、前記第２の画素群の行毎の前記距離演算値の平均値を前記基準距離演算値として計算し、前記第１の画素群毎の前記距離演算値と当該第１の画素群と同一行に対応する前記基準距離演算値との差分を求める、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離計測装置。
9. 前記第１の受光面と前記第２の受光面とは、別々の撮像素子の受光面である、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の距離計測装置。
10. 前記信号生成部によって前記第１の受光面あるいは前記第２の受光面に供給される前記クロック信号の遅延時間を調整する遅延調整回路をさらに備える、
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の距離計測装置。