JP2022071897A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フレームレートを向上させることができ、かつ、マルチパスの影響を軽減可能な測距装置を提供する。【解決手段】測距装置は、発光を指示する発光パルスに従って照射光を発する発光部１００と、露光を指示する露光パルスに従って露光し、受光信号を出力する固体撮像素子１０１と、発光パルスと露光パルスとからなる複数の組であって、発光パルスと露光パルスとの時間差が互いに異なる複数の組を生成する発光露光制御部１０２と、複数の組に対応する複数の受光信号に基づいて距離信号を生成する信号処理部１０３とを備え、信号処理部１０３は、マルチパスによる距離エラーに対応する補正係数を示す補正係数テーブルを予め保持し、複数の受光信号に対応する補正係数を補正係数テーブルから読み出し、複数の受光信号および読み出された補正係数に基づいて距離エラーが補正された距離信号を出力する。【選択図】図１

Description

本開示は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式により距離を測定する測距装置、および測距方法に関する。

特許文献１は、オブジェクトからの反射光の飛行時間に基づいて距離を測定するＴＯＦ方式の測距装置を提案している。一般に、ＴＯＦ方式の測距装置は、反射光が直接反射光および間接反射光の両者を含むマルチパスが発生する条件下において測定精度が劣化する。これに対して、例えば特許文献２および特許文献３は、マルチパスの影響を軽減する測距装置を提案している。

国際公開第２０１４／００２４１５号 国際公開第２０１５／１８９３１１号 国際公開第２０１９／１８８３４８号

しかしながら、マルチパスの影響を軽減する従来技術では、フレームレートを向上させることが困難であるという課題を有する。例えば、特許文献３の測距装置では、マルチパスの影響を正しく軽減するために、事前のリファレンス測定（マルチパスのない条件下での受光量の測定）のみならず、距離測定時においても数百から数千のタイミングにおける露光を必要するので、フレームレートの高速化ができないという課題を有する。

上記課題に鑑み、本開示は、フレームレートを向上させることができ、かつ、マルチパスの影響を軽減可能な測距装置、および測距方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る測距装置は、発光を指示する発光パルスに従って照射光を発する発光部と、露光を指示する露光パルスに従って露光し、受光信号を出力する固体撮像素子と、前記発光パルスと前記露光パルスとの組であって、前記発光パルスと前記露光パルスとの時間差が互いに異なる複数の組を生成する発光露光制御部と、前記複数の組に対応する複数の受光信号に基づいて距離信号を生成する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、マルチパスによる距離エラーに対応する補正係数を示す補正係数テーブルを予め保持する補正係数保持部と、前記複数の受光信号に基づいて前記補正係数を前記補正係数テーブルから読み出す読出部と、前記複数の受光信号および読み出された前記補正係数に基づいて補正された距離信号を出力する距離演算部とを有する。

また、本開示の一態様に係る測距方法は、発光を指示する発光パルスに従って照射光を発する発光部と、露光を指示する露光パルスに従って露光し、受光信号を出力する固体撮像素子と、前記発光パルスと前記露光パルスとの組であって、前記発光パルスと前記露光パルスとの時間差が互いに異なる複数の組を生成する発光露光制御部と、前記複数の組に対応する複数の受光信号に基づいて距離信号を生成する信号処理部とを備える測距装置における測距方法であって、マルチパスによる距離エラーに対応する補正係数を示す補正係数テーブルを予め保持し、前記複数の受光信号に基づいて前記補正係数を前記補正係数テーブルから読み出し、前記複数の受光信号および読み出された前記補正係数に基づいて補正された距離信号を出力する。

本開示に係る測距装置および測距方法によれば、フレームレートを向上させることができ、かつ、マルチパスの影響を軽減することができる。

図１は、第１の実施形態におけるＴＯＦ方式の測距装置の構成例を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態におけるマルチパス検出部の構成例を示すブロック図である。 図３は、第１の実施形態における測距装置の別構成例を示すブロック図である。 図４は、第１の実施形態における露光動作を示すタイムチャートである。 図５は、第１の実施形態における背景光を考慮した露光動作を示すタイムチャートである。 図６Ａは、マルチパス発生条件下で検出された距離エラーを説明するための図である。 図６Ｂは、第１の実施形態における補正係数テーブルの構成例を示す図である。 図７Ａは、第１の実施形態における測距装置の動作例を示すフローチャートである。 図７Ｂは、第１の実施形態における補正係数テーブルのテーブル作成処理を示すフローチャートである。 図８は、第１の実施形態におけるマルチパス発生条件下での露光動作を示すタイムチャートである。 図９は、第２の実施形態における露光動作を示すタイムチャートである。 図１０Ａは、マルチパス発生条件下で検出された距離エラーを説明するための図である。 図１０Ｂは、第２の実施形態における補正係数テーブルの構成例を示す図である。

以下、本開示の実施の形態に係る測距装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定するものではない。

（第１の実施形態）
［１．１ 装置の構成］
図１は、本実施形態におけるＴＯＦ方式の測距装置の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態における測距装置は、発光部１００、固体撮像素子１０１、発光露光制御部１０２、および信号処理部１０３を備える。また、図１には，ブロック間で伝達される信号または情報として、発光パルス１１０、露光パルス１１１、受光信号列１１２、正規化受光信号列１１３、補正係数１１４、距離信号１１５を図示している。

発光部１００は、発光露光制御部１０２からの発光を指示する発光パルス１１０に従って照射光を発する。発光部１００は、例えば、発光素子と、拡散板と、ドライバ回路とで構成される。発光素子は、中心波長が９４０ｎｍ付近の近赤外光を発するＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting ＬＡＳＥＲ）などで構成され、発光パルス１１０がハイレベルのとき、ドライバ回路を介して電圧が印加され、拡散板を通して測距装置外部に照射光を発する。

固体撮像素子１０１は、発光露光制御部１０２からの露光を指示する露光パルスに従って露光し、受光信号を出力する。そのため、固体撮像素子１０１は、二次元格子状に配置された画素を備え、露光パルス１１１がローレベルのとき、測距装置外部から入射する光を各画素において露光し、信号電荷に変換する。また、固体撮像素子１０１は、画素毎に複数種類の信号電荷を蓄積し、さらに複数種類の信号電荷を受光信号列１１２に変換し出力してもよい。

発光露光制御部１０２は、発光部１００に対して発光パルス１１０を出力し、固体撮像素子１０１に対して露光パルス１１１を出力する。具体的には、発光露光制御部１０２は、発光パルスと露光パルスとからなる組であって、発光パルスと露光パルスとの時間差が互いに異なる複数の組を生成する。

信号処理部１０３のハードウェア構成は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）あるいはＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などで構成される。また、信号処理部１０３は、ハードウェアおよびソフトウェアによる構成として、マルチパス検出部１０４と、距離演算部１０５とをさらに備える。

マルチパス検出部１０４は、補正係数保持部１０６を備える。補正係数保持部１０６は、マルチパスによる距離エラーに対応する補正係数を示す補正係数テーブルを予め保持する。マルチパス検出部１０４は、受光信号列１１２を入力とし、正規化受光信号列１１３と、当該正規化受光信号列１１３に基づいて補正係数保持部１０６から読み出された補正係数１１４とを出力とする。ここで、受光信号列１１２は、上記の複数の組に対応する複数の受光信号をいう。より詳しく言えば、受光信号列１１２は、発光パルスと露光パルスとの時間差が互いに異なる複数の組により露光されて生じた信号電荷量を示す複数の受光信号をいう。また、正規化受光信号列１１３は、測定対象が高反射率であるほど大きい値をもつ受光信号列１１２を、反射率に依存しないように正規化したものである。

距離演算部１０５は、正規化受光信号列１１３と、正規化受光信号列１１３に基づいて補正係数保持部１０６から読み出された補正係数１１４とを入力とし、正規化受光信号列１１３および補正係数１１４を用いて補正された距離信号１１５を出力とする。

次に、マルチパス検出部１０４のより具体的な構成例について説明する。

図２は、マルチパス検出部１０４の構成例を示すブロック図である。図２に示すように、マルチパス検出部１０４は、正規化部２０１、補正係数保持部１０６、読出部２０３、補間部２０４、および作成部２０５を備える。

正規化部２０１は受光信号列１１２を入力とし、正規化受光信号列１１３を出力とする。

補正係数保持部１０６は、補正係数が格納された補正係数テーブル２０２を保持し、正規化受光信号列１１３を入力とし、補正係数１１４を出力とする。

読出部２０３は、正規化受光信号列１１３を構成する複数の正規化受光信号をインデックスとして、補正係数テーブル２０２から補正係数を読み出す。なお、補正係数テーブル２０２のインデックスが離散的なインデックス値に対応する場合、読出部２０３は、複数の正規化受光信号のそれぞれを、対応する直近の２つのインデックス値に変換し、変換したインデックス値から得られる複数の補正係数を読み出してもよい。

補間部２０４は、読出部２０３により読み出された複数の補正係数が読み出された場合に、当該複数の補正係数に補間処理を施すことによって補正用の補正係数を算出する。

作成部２０５は、測距動作よりも前の段階で補正係数テーブル２０２を作成して補正係数保持部１０６に保持させる。例えば、作成部２０５は、マルチパスが発生しない条件およびマルチパスが発生する複数の条件のそれぞれにおいて測距動作または測距シミュレーションを行って、発生する距離エラーを検出することによって補正係数テーブル２０２を作成する。

なお、図３に示すように、信号処理部１０３は、正規化部２０１をマルチパス検出部１０４の外部に備える構成であってもよい。また、信号処理部１０３はＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサ上で動作するソフトウェアによって図１および図２の機能を実現してもよい。

［１．２ 露光動作］
次に、本実施形態における測距装置の露光動作を説明する。

図４は、本実施形態における測距装置の露光動作を示すタイムチャートである。同図の照射光４０１は、発光を指示する発光パルス１１０に従って発光部１００が発するパルス光を示す。照射光４０１の開始タイミング、パルス幅および終了タイミングは発光パルス１１０と同じであるものとする。反射光４０２は、照射光４０１が対象物に反射されて帰還して固体撮像素子１０１に入射される光を示す。同図では、照射光４０１の開始から時間ｔだけ遅れて反射光４０２が固体撮像素子１０１に到着する例を示す。第１の露光パルス４０３、第２の露光パルス４０４および第３の露光パルス４０５のそれぞれは、露光パルス１１１の具体例である。

図４に示すように、時間０において発光部１００から照射光４０１をパルス幅Ｔで照射し、測定対象の距離に応じた時間ｔにおいて固体撮像素子１０１に入射する反射光４０２を露光パルス１１１により露光する。露光パルス１１１は、第１から第３の露光パルス４０３～４０５の３種類を示している。図４では、発光パルス１１０と露光パルス１１１との時間差が互いに異なる複数の組として、発光パルス１１０と露光パルス１１１との組を３つ示している。照射光４０１を基準とした露光タイミングがΔＴ＝Ｔ／２ずつシフトするように発光露光制御部１０２によって制御される。なお、実際には３つの組は時間的に排他であるが、便宜上併記してある。また、便宜上、照射光波形を矩形波で図示しているが、矩形波以外であってもよい。

ここで、図中のａ［０］からａ［２］は、それぞれ第１から第３の露光パルス４０３～４０５と反射光４０２により、固体撮像素子１０１上の各画素に対して得られる信号電荷の量を示す受光信号である。受光信号［０］から受光信号ａ［２］は受光信号列１１２を構成する。ａ［０］からａ［２］それぞれの信号量は図中網掛け部分の面積に比例し、ａ［０］とａ［２］の合計は反射光全体に対応する信号量を示す。ただし、照射光のパルス幅Ｔは非常に短いため（例えば最大測定距離が３ｍの場合、約２０ｎｓ）、距離測定に耐え得るだけの信号量を確保するべく、これらの露光動作を1フレーム期間中に繰返し行った後、受光信号列１１２を全画素に渡って順次読み出す。

なお、第１から第３の露光パルス４０３～４０５による露光タイミングのシフト量は構成簡略化のため均等にしているが、非均等にしてもよい。また、照射光４０１以外の外乱光（背景光）が入射する場合を考慮し、図５に示すように第４の露光パルス５０１を追加してもよい。この場合、第４の露光パルス５０１を反射光４０２が無視できるレベルに減衰する距離に相当する時間ＸＴだけ照射光４０１からの露光パルス５０１のタイミングを遅らせる（あるいは、第４の露光パルス５０１付近で照射光４０１を照射しない）ことで背景光の信号電荷量ｂｇを取得する。そして、第１から第３の露光パルス４０３～４０５により得られる受光信号列１１２からｂｇを減算することで、背景光の影響がキャンセルされた受光信号列ａ［０］からａ［２］を算出する。

［１．３ 正規化部および距離演算部の構成］
次に、露光動作により得られた受光信号列ａ［０］からａ［２］を正規化する正規化部２０１の詳細な具体例について説明する。

正規化部２０１は、受光信号列ａ［０］からａ［２］に基づいて、数式１－３－１により正規化受光信号列１１３であるＡ［１］からＡ［２］を算出する。ここで、Ａ_ＭＡＸは正規化受光信号列１１３の最大値を決める定数である。

受光信号列１１２であるａ［１］からａ［２］は測定対象の反射率が高いほど大きい値をもつ。これに対して、正規化受光信号列１１３であるＡ［１］からＡ［２］は、反射率に依存しないように正規化したものである。

次に、正規化受光信号列１１３に基づいて、マルチパスによる距離エラーの補正および距離信号の算出の動作を説明する。

マルチパス環境で生じる間接反射光は直接反射光よりも遅れて観測されるため、数式０－１に示すように測定距離Ｚobservedは距離真値Ｚtruthに対して遠距離側に距離エラーＺerrorだけシフトする。したがって、距離測定におけるマルチパスの影響の軽減とは、距離エラーに対する補正をして、測定距離を距離真値に近づけることである。

距離演算部１０５は、距離信号１１５であるＺを数式１－３－２により求める。ｃは補正係数テーブル２０２から読み出された補正係数１１４または補間処理により得られた補正係数１１４である。ここで、Ｚobservedはマルチパスの影響を含んだ測定距離であり、数式１－３－３により求める。Ｚ_MAXは距離の最大値を決める定数である。数式１－３－３では、正規化受光信号列１１３のうちのＡ［２］が距離信号１１５を求める基準として用いられている。

なお、マルチパスの影響を含まない距離真値Ｚtruthは数式１－３－４で表されるが、通常は時間ｔが未知であるため算出できない。

［１．４ 補正係数保持部］
ここで、補正係数保持部１０６の具体例について詳細に説明する。

まず、図６Ａを用いてマルチパス条件下で生じる距離エラーについて説明する。図６Ａは、マルチパス発生条件下で検出された距離エラーを説明するための図である。具体的には、図６Ａは、マルチパスが発生しない条件およびマルチパスが発生する複数の条件の下で測距動作または測距シミュレーションによって検出された距離エラーを説明する図である。図６Ａの縦軸は、測距シミュレーションで得られた正規化受光信号列１１３のうちの正規化受光信号Ａ［２］を示す。横軸は、測距シミュレーションで得られた正規化受光信号列１１３のうちの正規化受光信号Ａ［１］を示す。

正規化受光信号Ａ［１］およびＡ［２］は、図４に示した受光信号ａ［１］およびａ［２］を正規化した信号である。図６Ａにおいて、曲線Ｌ２１は、マルチパスが発生しない条件下で得られたＡ［１］とＡ［２］との対応付けを示している。言い換えれば、曲線Ｌ２１は、間接反射光が存在せず直接反射光だけで測定されたＡ［１］とＡ［２］とを組み合わせた座標の集合を示す。よって、測距動作で得たＡ［１］とＡ［２］を組み合わせた座標が曲線Ｌ２１に乗る場合は、正しい距離信号１１５が得られ、距離エラーが０である。

これに対して、マルチパスが発生する条件下で得られたＡ［１］とＡ［２］の座標は、曲線Ｌ２１から外れてしまう。具体的には、Ａ［１］とＡ［２］の座標は、間接反射光の影響が大きいほど同図の矢線ｄに示すように曲線Ｌ２１からのズレが大きくなる。このズレが大きいほど距離エラーも大きくなる。Ａ［１］とＡ［２］とを組み合わせた座標は、マルチパス発生条件下では最大で図中の破線までズレる。

このように、Ａ［１］とＡ［２］との座標は、マルチパスが発生する条件下で、同図の曲線Ｌ２１と破線とに囲まれた領域に存在し得るが、領域外には存在し得ない。図６Ａの領域内の座標毎の距離エラーの値は、マルチパスが発生しない条件およびマルチパスが発生する複数の条件の下での測距シミュレーションに基づいて算出することができる。座標毎の距離エラーを補正係数６０１としてテーブル化したものが補正係数テーブル２０２である。

次に、補正係数保持部１０６の補正係数テーブル２０２の例について詳細に説明する。

図６Ｂは、補正係数保持部１０６が保持する補正係数テーブル２０２を示す図である。図６Ｂに示すように、補正係数テーブル２０２は、補正係数（図中６０１を代表として記載）を２次元に配列したものであり、横軸と縦軸の２軸をインデックスとする。横軸は、スケーリングされた正規化受光信号ｓ［１］、縦軸は、ケーリングされた正規化受光信号ｓ［２］である。具体的には、横軸ｓ［１］および縦軸ｓ［２］はそれぞれ、正規化受光信号Ａ［１］およびＡ［２］をスケーリングしたもので、数式１－４－１により求める。ただし、ｐ＝１，２である。ここで、ＩＮＴ（ｘ）は実数ｘの小数部を切捨て、整数に丸める関数である。また、Ｄは１以上のスケーリング係数であり、ユースケースに応じて補正係数テーブル２０２の分解能とメモリ使用量を最適化するために用いる。さらに、補正係数テーブル２０２の横軸および縦軸の小数部をｆ［１］、ｆ［２］とし、数式１－４－２により求める。なお、ｓ_ＭＡＸは数式１－４－３により求める。

補正係数テーブル２０２の２軸のインデックスとなるｓ［１］およびｓ［２］は、離散的なインデックス値であり、数式１－４－１の計算例では整数化されている。補正係数も離散的になるが、信号処理部１０３は、次のような補間処理をすることによって補正係数６０１の精度を向上させることができる。

信号処理部１０３は、２つの正規化受光信号Ａ［１］およびＡ［２］のそれぞれを、対応する軸における直近の２つのインデックス値ｓ［１］およびｓ［２］に変換し、変換されたインデックス値の組から得られる複数の前記補正係数を読み出し、読み出された複数の補正係数を用いた補間処理によって補正用の補正係数を算出する。

さらに、補間処理の具体例を以下に説明する。信号処理部１０３は、補正係数１１４であるｃを数式１－４－４により求める。ここで、ＬＵＴ（ｘ，ｙ）は補正係数テーブル２０２のアドレス（ｘ，ｙ）に対する参照であり、ｃは補正係数４つの双一次補間となる。なお、双一次補間を行わず、数式１－４－５に示すように単純化してもよい。

このような補間処理により補正の精度を向上させることができる。または、補正の精度を低下させずに補正係数テーブル２０２のサイズを小さくすることができる。

なお、信号処理部１０３は、距離信号に要求される精度に依存するけれども、補間処理を省略し、補正係数テーブル２０２から読み出した補間係数を用いて補正してもよい。

［１．５ 測距動作およびテーブル作成処理］
次に、測距装置における測距動作とテーブル作成処理について説明する。

図７Ａは、測距装置の動作例を示すフローチャートである。図７Ａに示すように、測距装置は、手順７０のテーブル作成処理を実行した後に、手順７１の測距動作を実行する。例えば、テーブル作成処理は、測距装置の工場出荷時に実行してもよいし、測距装置の設置時に実行してもよいし、動作環境が変化する毎に実行してもよいし、測距装置を起動する毎に実行してもよい。

次に、補正係数テーブル２０２のテーブル作成処理を説明する。図７Ｂは、テーブル作成処理を示すフローチャートである。同図は、信号処理部１０３の作成部２０５によって実行される。

図７Ｂに示すように、まず、手順７０１において補正係数を初期化する。ここでは、補正係数テーブル２０２の全アドレスつまり全インデックスについて、無効値として－１を設定する。なお、無効値は後の処理において識別可能であれば、－１以外でもよい。

次に、手順７０２においてマルチパスが発生しない条件下における、反射光の到達時間がｔ（ｔ＝０～Ｔ）のときの正規化受光信号Ａ［ｐ］（ｐ＝０～Ｐ、Ｐ＝２）をＲ［ｐ，ｔ］と定義し、数式１－５－１により求める。ここで、ｗは光プローブなどを用いて測定された照射光波形であり、ｗ［ｉ］は離散時間ｉにおける照射光の強度を示す。つまり、Ｒ［ｐ，ｔ］は照射光波形の区間積分を正規化したものである。なお、Ｒ［ｐ，ｔ］は、測定対象の距離、発光パルス１１０、露光パルス１１１をスイープさせ、測定により求めてもよい。

つづいて、手順７０３においてマルチパスの発生条件［ｇ_DP，ｔ_DP，ｇ_ＭＰ，ｔ_ＭＰ］を、式１－５－２から数式１－５－６により決定する。ここで、ｇ_DP、ｔ_DPは直接反射光の強度および到達時間、ｇ_ＭＰ、ｔ_ＭＰは間接反射光の強度および到達時間である。また、ｇ_ＭＰ、ｔ_ＭＰは間接反射光の経路数Ｎ_ＭＰ分の情報を保持する一次元配列であり、ｇ_ＭＰ［ｊ］、ｔ_ＭＰ［ｊ］はｊ番目の経路（０≦ｊ＜N_MP）における間接反射光の強度および到達時間である。Ｎ_{ＭＰＭａｘ}は間接反射光の最大経路数、ｇ_DPＭｉｎ、ｇ_DPＭａｘは直接反射光の強度の最小値および最大値、ｇ_MPＭｉｎ、ｇ_MPＭａｘは間接反射光の強度の最小値および最大値であり、ＲＡＮＤ（Ｍｉｎ，Ｍａｘ）はＭｉｎ～Ｍａｘの乱数を返す関数である。

つづいて、手順７０４では手順７０３で決定したマルチパス発生条件における、受光信号ａ［ｐ，ｇ_DP，ｔ_DP，ｇ_ＭＰ，ｔ_ＭＰ］を、数式１－５－７により求める。つまり、ａ［ｐ，ｇ_DP，ｔ_DP，ｇ_ＭＰ，ｔ_ＭＰ］は、直接反射光と複数経路分の間接反射光の受光信号の総和である。

ここで、Ｎ_ＭＰ＝１の場合における反射光と、ａ［ｐ，ｇ_DP，ｔ_DP，ｇ_ＭＰ，ｔ_ＭＰ］の関係の一例を図８に示す。図８に示すように、間接反射光８０１により、反射光形状が図４に示す形状と異なり、ａ［ｐ，ｇ_DP，ｔ_DP，ｇ_ＭＰ，ｔ_ＭＰ］（図中ではａ［０］からａ［２］と記載）も図４に示す信号量と異なっている。同様に、Ｎ_ＭＰ≧２の場合においても、反射光の形状、およびａ［ｐ，ｇ_DP，ｔ_DP，ｇ_ＭＰ，ｔ_ＭＰ］に変化が起こる。

つづいて、手順７０５においてａ［ｐ，ｇ_DP，ｔ_DP，ｇ_ＭＰ，ｔ_ＭＰ］を正規化したＡ［ｐ，ｇ_DP，ｔ_DP，ｇ_ＭＰ，ｔ_ＭＰ］を求める。Ａ［ｐ，ｇ_DP，ｔ_DP，ｇ_ＭＰ，ｔ_ＭＰ］は、ａ［ｐ，ｇ_DP，ｔ_DP，ｇ_ＭＰ，ｔ_ＭＰ］をａ［ｐ］と読み替え、数式１－３－１により求める。

つづいて、手順７０６において距離エラーＺ_{ｅｒｒｏｒ}を求める。Ｚ_{ｅｒｒｏｒ}は、数式０－１、数式１－３－３、および数式１－３－４より得られる数式１－５－８を用いて求める。

つづいて、手順７０７において補正係数を、数式１－５－９により更新する。ここで、ＬＵＴ^（ｎ）（ｘ，ｙ）、ＬＵＴ^{（ｎ－１）}（ｘ，ｙ）はｎ回目、およびｎ－１回目の更新時における補正係数であり、ｓ［１］、ｓ［２］はＡ［ｐ，ｇ_DP，ｔ_DP，ｇ_ＭＰ，ｔ_ＭＰ］をＡ［ｐ］と読み替え、数式１－４－１により求める。また、ＭＩＮ（ｖ０，ｖ１）は、ｖ０とｖ１の小さい方を返す（ただし、無効値－１は例外として選択しない）関数である。

上記手順７０３から手順７０７をＭ回繰り返すことで、複数のマルチパス発生条件下において、補正係数テーブル２０２にｓ［１］とｓ［２］の組合せ毎の距離エラーの最小値を補正係数として格納する。なお、最小値を選択するのは、数式１－３－２において過剰な補正が行われないようにするためであるが、平均値など別の基準で選択を行ってもよい。

最後に、手順７０８において補正係数テーブル２０２の全アドレスを走査し、無効値であれば０（距離エラーなし）に置換する。なお、無効値の置換は補正係数テーブル２０２の参照時に行ってもよい。また、上記補正係数の算出は、測距装置を用いて距離を測定する前の調整工程において行う。

［１．６ 効果等］
本実施形態は、発光パルスと露光パルスの組であって、発光パルスと露光パルスとの時間差が互いに異なる３つの組を用いる、３種類のタイミングの露光動作と、事前に算出した補正係数テーブル２０２の参照のみでマルチパスによる距離エラーを補正可能であり、マルチパスの影響が軽減された距離測定を、安価かつ実用的で高速なフレームレートで実現することができる。

以上説明してきたように、第１の実施形態における測距装置は、発光を指示する発光パルスに従って照射光を発する発光部１００と、露光を指示する露光パルスに従って露光し、受光信号を出力する固体撮像素子１０１と、発光パルスと露光パルスとの組であって、発光パルスと露光パルスとの時間差が互いに異なる複数の組を生成する発光露光制御部１０２と、複数の組に対応する複数の受光信号に基づいて距離信号を生成する信号処理部１０３とを備え、信号処理部１０３は、マルチパスによる距離エラーを示す補正係数を含む補正係数テーブルを予め保持する補正係数保持部１０６と、複数の受光信号に対応する補正係数を補正係数テーブルから読み出す読出部２０３と、複数の受光信号および読み出された補正係数に基づいて補正された距離信号を出力する距離演算部１０５とを有する。

これによれば、フレームレートを向上させることができ、かつ、マルチパスの影響を軽減することができる。言い換えれば、測距装置は、前記補正係数テーブルを読み出して補正するという負荷の小さい動作により。マルチパスの影響を軽減できる。つまり、測距装置は、測距動作においてマルチパスの影響を軽減するために数百から数千のタイミングにおける露光動作をする必要がないので，フレームレートを向上させることができる。

例えば、補正係数テーブル２０２は、複数の受光信号のうちの２つの受光信号に対応する２軸をインデックスとし、当該インデックスに対応付けられた補正係数を保持し、読出部２０３は、２つの受光信号に基づいて、補正係数テーブル２０２から補正係数を読み出してもよい。

これによれば、発光パルスに対する露光タイミングが異なる２つの受光信号は、補正係数テーブルの２軸に対応する。こうすれば、マルチパスの影響による距離エラーと、インデックスとしての２軸とを精度良く対応付けることができる。

例えば、補正係数テーブル２０２の２軸のインデックスは、離散的なインデックス値に対応し、読出部２０３は、２つの受光信号のそれぞれを、対応する軸における直近の２つのインデックス値に変換し、変換されたインデックス値の組から得られる複数の補正係数を読み出し、信号処理部１０３は、さらに、読み出された複数の補正係数を用いた補間処理によって補正用の補正係数を算出する補間部２０４を備えてもよい。

これによれば、補間により補正の精度を向上させることができる。また、補正の精度を低下させずに補正係数テーブルのサイズを小さくすることができる。

例えば、信号処理部１０３は、さらに、複数のマルチパス発生条件下のそれぞれにおける測距動作または測距シミュレーションに基づいて距離エラーを検出することにより補正係数テーブルを作成する作成部２０５を備えてもよい。

これによれば、補形成数テーブルは測距動作に先立って予め作成されるので、測距動作ではフレームレートを容易に向上させることができる。

例えば、作成部２０５は、複数のマルチパス発生条件下において同じインデックス値の組に対して異なる複数の距離エラーが検出された場合に、複数の距離エラーの最小値を補正係数としてもよい。

これによれば、補正係数テーブルの作成時に、補正係数が異常な値になることを排除して過剰な補正を抑制し、距離エラーの精度を高めることができる。

また、第１の実施形態における測距方法は、発光を指示する発光パルスに従って照射光を発する発光部と、露光を指示する露光パルスに従って露光し、受光信号を出力する固体撮像素子と、発光パルスと露光パルスとの組であって、発光パルスと露光パルスとの時間差が互いに異なる複数の組を生成する発光露光制御部と、複数の組に対応する複数の受光信号に基づいて距離信号を生成する信号処理部とを備える測距装置における測距方法であって、マルチパスによる距離エラーに対応する補正係数を示す補正係数テーブルを予め保持し、複数の受光信号に基づいて補正係数を補正係数テーブルから読み出し、複数の受光信号および読み出された補正係数に基づいて補正された距離信号を出力する。

これによれば、フレームレートを向上させることができ、かつ、マルチパスの影響を軽減することができる。言い換えれば、測距装置は、前記補正係数テーブルを読み出して補正する動作により。マルチパスの影響を軽減できる。つまり、測距装置は、測距動作においてマルチパスの影響を軽減するために多数のタイミングにおける露光動作をする必要がないので，フレームレートを向上させることができる。

例えば、補正係数テーブルは、複数の受光信号のうちの少なくとも２つの受光信号に対応する少なくとも２つの軸をインデックスとし、当該インデックスに対応付けられた補正係数を保持し、補正係数テーブルの読み出しにおいて、複数の受光信号のうちの少なくとも２つの受光信号に基づいて、補正係数テーブルから補正係数を読み出してもよい。

これによれば、発光パルスに対する露光タイミングが異なる少なくとも２つの受光信号は、補正係数テーブルの少なくとも２つの軸に対応する。こうすれば、マルチパスの影響による距離エラーと、インデックスとしての少なくとも２つの軸とを精度良く対応付けることができる。

例えば、測距方法は、さらに、複数のマルチパス発生条件のそれぞれにおける測距動作または測距シミュレーションに基づいて距離エラーを検出することにより補正係数テーブルを作成してもよい。
としてもよい。

これによれば、補形成数テーブルは測距動作に先立って予め作成されるので、測距動作ではフレームレートを容易に向上させることができる。

（第２の実施形態）
［２．１ 装置の構成］
本実施形態におけるＴＯＦ方式の測距装置は、第１の実施形態と同様に図１に示す構成となる。ただし、第１の実施形態と比べて露光タイミングが異なっており、これに伴い補正係数保持部１０６が保持する補正係数テーブル２０２の構成も異なる。以下、異なる点を中心に説明する。

［２．２ 露光動作］
まず、本実施形態における測距装置の露光動作を説明する。図９は、本実施形態における測距装置の露光動作を示すタイムチャートである。図９に示すように、時間０において発光部１００から照射光４０１をパルス幅Ｔで照射し、測定対象の距離に応じた時間ｔにおいて固体撮像素子１０１に入射する反射光４０２を露光パルス１１１により露光する。露光パルス１１１は、第１から第５の露光パルス９０１～９０５からなり、照射光４０１を基準とした露光タイミングがΔＴ＝T／４ずつシフトするように発光露光制御部１０２によって制御される。なお、実際には第１から第５の露光パルス９０１～９０５は時間的に排他であるが、便宜上併記してある。また、便宜上、照射光波形を矩形波で図示しているが、矩形波以外であってもよい。

ここで、図中ａ［０］からａ［４］は、それぞれ第１から第５の露光パルス９０１～９０５と反射光４０２により、固体撮像素子１０１上の各画素に対して得られる信号電荷に基づく受光信号であり、受光信号列１１２を構成する。ａ［０］からａ［４］それぞれの信号量は図中網掛け部分の面積に比例し、ａ［０］とａ［４］の合計は反射光全体に対応する受光信号を示す。ただし、照射光のパルス幅Ｔは非常に短いため（例えば最大測定距離が３ｍの場合、約２０ｎｓ）、距離測定に耐え得るだけの信号量を確保するべく、これらの露光動作を1フレーム期間中に繰返し行った後、受光信号列１１２を全画素に渡って順次読み出す。

なお、第１の実施形態において図５で示したのと同様に、背景光受光信号ｂｇを取得するための第６の露光パルスを追加してもよい。

［２．３ 正規化部および距離演算部の動作］
次に、正規化部２０１の動作を説明する。正規化部２０１は、受光信号列ａ［０］からａ［４］に基づいて、数式２－３－１により正規化受光信号列１１３であるＡ［１］からＡ［４］を算出する。

さらに、距離演算部１０５の動作を説明する。距離演算部１０５は、第１の実施形態と同様に距離信号１１５であるＺを数式１－３－２により求める。ただし、Ｚobservedは数式２－３－２により求める。

［２．４ 補正係数保持部］
ここで、補正係数保持部１０６の具体例について詳細に説明する。

図１０Ａは、マルチパス発生条件下で検出された距離エラーを説明するための図である。また、図１０Ｂは、補正係数保持部１０６が保持する複数の補正係数テーブルを示す図である。

図１０Ａの（ａ）から（ｃ）のそれぞれは、図６Ａと同様の意義を有するが、縦軸と横軸の組み合わせが異なっている。以下異なる点を中心に説明する。

図１０Ａの（ａ）において、縦軸は、測距シミュレーションで得られた正規化受光信号列１１３のうちの正規化受光信号Ａ［４］を示す。横軸は、測距シミュレーションで得られた正規化受光信号列１１３のうちの正規化受光信号Ａ［１］を示す。曲線Ｌ４１は、間接反射光が存在せず直接反射光だけで測定されたＡ［１］とＡ［４］とを組み合わせた座標の集合を示す。座標毎の距離エラーを補正係数１００４してテーブル化したものが図１０Ｂの補正係数テーブル１００１である。

図１０Ａの（ｂ）において、縦軸は、測距シミュレーションで得られた正規化受光信号列１１３のうちの正規化受光信号Ａ［４］を示す。横軸は、測距シミュレーションで得られた正規化受光信号列１１３のうちの正規化受光信号Ａ［２］を示す。曲線Ｌ４２は、間接反射光が存在せず直接反射光だけで測定されたＡ［２］とＡ［４］とを組み合わせた座標の集合を示す。座標毎の距離エラーを補正係数１００５してテーブル化したものが図１０Ｂの補正係数テーブル１００２である。

図１０Ａの（ｃ）において、縦軸は、測距シミュレーションで得られた正規化受光信号列１１３のうちの正規化受光信号Ａ［４］を示す。横軸は、測距シミュレーションで得られた正規化受光信号列１１３のうちの正規化受光信号Ａ［３］を示す。曲線Ｌ４３は、間接反射光が存在せず直接反射光だけで測定されたＡ［３］とＡ［４］とを組み合わせた座標の集合を示す。座標毎の距離エラーを補正係数１００６してテーブル化したものが図１０Ｂの補正係数テーブル１００３である。

次に、図１０Ｂの補正係数テーブル１００１～１００３について説明する。

図１０Ｂに示すように、補正係数保持部１０６は、３つの補正係数テーブル１００１～１００３を有する。補正係数テーブル１００１～１００３は、縦軸をｓ［４］、横軸をそれぞれｓ［１］、ｓ［２］、およびｓ［３］とし、それぞれが補正係数１００４、１００５、および１００６を保持する。ここで、ｓ［１］からｓ［４］は第１の実施形態と同様に数式１－４－１により求め、横軸および縦軸の小数部をｆ［１］からｆ［４］とし、第１の実施形態と同様に数式１－４－２により求める。

さらに、補正係数保持部１０６は、補正係数１１４であるｃを数式２－４－１により求める。ここで、ＭＡＸ（ｃ１，ｃ２，ｃ３）はｃ１、ｃ２およびｃ３の中から最大値を返す関数であり、ｃ１、ｃ２およびｃ３は、それぞれ数式２－４－２、数式２－４－３、および数式２－４－４により求める。なお、ＬＵＴ１（ｘ，ｙ）、ＬＵＴ２（ｘ，ｙ）、およびＬＵＴ３（ｘ，ｙ）は、それぞれ補正係数テーブル１００１、１００２、および１００３のアドレス（ｘ，ｙ）に対する参照である。なお、マルチパスの発生条件によって異なる露光タイミングに受光量変化が特徴的に表れるため、各テーブルの参照値の最大値を選択しているが、平均値など他の基準で選択してもよい。

なお、図１０Ｂでは、補正係数テーブル１００１～１００３の各インデックスが２軸に対応する例を示した。言い換えれば、スケーリングされた５つの正規化受光信号ｓ［０］～ｓ［４］のうちから選択された２つが、補正係数テーブル１００１～１００３のそれぞれの２軸に対応する例を示した。各補正係数テーブルの軸の数は２つに限らず、３軸以上でもよい。また、補正係数保持部１０６内の補正係数テーブルの数は１つでもよいし、複数でもよい。例えば、図９の露光動作例では、スケーリングされた５つの正規化受光信号ｓ［０］からｓ［４］を、１つの補正係数テーブルの５軸に対応付けたインデックスとしてもよい。

［２．５ 補正係数の算出方法］
以下、補正係数テーブルに格納する補正係数の算出方法を説明する。補正係数の算出は、第１の実施形態と同様に図７Ｂに示す手順で行う。ただし、P＝４として手順７０２から手順７０７を行い、手順７０６におけるＺ_{ｅｒｒｏｒ}の算出は数式２－５－１を、手順７０７における補正係数の算出は数式２－５－２から数式２－５－４を用いて行う。

上記手順７０３から手順７０７をＭ回繰り返すことで、複数のマルチパス発生条件下において、補正係数テーブル２０２にｓ［１］とｓ［４］、ｓ［２］とｓ［４］、およびｓ［３］とｓ［４］の組合せ毎の距離エラーの最小値を補正係数として格納する。

最後に、手順７０８において補正係数テーブル２０２の全アドレスを走査し、無効値であれば０（距離エラーなし）に置換する。なお、無効値の置換は補正係数テーブル２０２の参照時に行ってもよい。また、上記補正係数の算出は、測距装置を用いて距離を測定する前の調整工程において行う。

［２．６ 効果等］
本実施形態は、５種類のタイミングの露光動作と、事前に算出した補正係数テーブル２０２の参照のみでマルチパスによる距離エラーを補正可能である。さらに、３つの補正係数テーブルを用いることで、第１の実施形態と比べて距離エラーの補正精度が向上する。よって、マルチパスの影響が軽減された距離測定を、安価かつ実用的なフレームレートで実現することができる。

なお、第１、第２の実施形態では、補正係数は距離エラーを示し、数式１－３－２のように観測した測定距離Ｚobservedから補正係数を減算することによって補正しているが、これに限らない。例えば、補正係数は、距離Ｚobservedと、距離真値との比率を示すものでもよい。この場合、補正では、観測した測定距離Ｚobservedに補正係数を乗算することによる。

以上説明してきたように第２の実施形態における測距装置は、補正係数テーブル２０２は、複数の受光信号のうちの少なくとも２つの受光信号に対応する少なくとも２つの軸をインデックスとし、当該インデックスに対応付けられた補正係数を保持し、読出部２０３は、複数の受光信号のうちの少なくとも２つの受光信号に基づいて、補正係数テーブルから補正係数を読み出す。

これによれば、発光パルスに対する露光タイミングが異なる少なくとも２つの受光信号は、補正係数テーブルの少なくとも２つの軸に対応する。こうすれば、マルチパスの影響による距離エラーと、インデックスとしての少なくとも２つの軸とを精度良く対応付けることができる。

例えば，補正係数保持部１０６は、２つ以上の補正係数テーブル２０２を保持し、２つ以上の補正係数テーブル２０２は、複数の受光信号のうちの２つの受光信号の互いに異なる組に対応し、読出部２０３は、２つ以上の補正係数テーブル２０２を参照して得られる２つ以上の補正係数に基づいて補正用の補正係数を決定してもよい。

これによれば，複数の補正係数テーブルを利用することにより、補正の精度を向上させることができる。

例えば、読出部２０３は、２つ以上の補正係数のうちの最大値を補正用の補正係数と決定してもよい。

これによれば，複数の補正係数テーブルを利用することにより、補正の精度をさらに向上させることができる。

本開示に係る測距装置は、マルチパスの影響が軽減された距離測定を高フレームレートで行えるため、例えば、屋内における搬送ロボット等における３次元測定に有用である。

１００ 発光部
１０１ 固体撮像素子
１０２ 発光露光制御部
１０３ 信号処理部
１０４ マルチパス検出部
１０５ 距離演算部
１０６ 補正係数保持部
１１０ 発光パルス
１１１ 露光パルス
１１２ 受光信号列
１１３ 正規化受光信号列
１１４ 補正係数
１１５ 距離信号
２０１ 正規化部
２０２ 補正係数テーブル
２０３ 読出部
２０４ 補間部
２０５ 作成部

Claims (11)

1. 発光を指示する発光パルスに従って照射光を発する発光部と、
   露光を指示する露光パルスに従って露光し、受光信号を出力する固体撮像素子と、
   前記発光パルスと前記露光パルスとの組であって、前記発光パルスと前記露光パルスとの時間差が互いに異なる複数の組を生成する発光露光制御部と、
   前記複数の組に対応する複数の受光信号に基づいて距離信号を生成する信号処理部とを備え、
   前記信号処理部は、
   マルチパスによる距離エラーを示す補正係数を含む補正係数テーブルを予め保持する補正係数保持部と、
   前記複数の受光信号に対応する前記補正係数を前記補正係数テーブルから読み出す読出部と、
   前記複数の受光信号および読み出された前記補正係数に基づいて補正された距離信号を出力する距離演算部とを有する
   測距装置。
2. 前記補正係数テーブルは、前記複数の受光信号のうちの少なくとも２つの受光信号に対応する少なくとも２つの軸をインデックスとし、当該インデックスに対応付けられた前記補正係数を保持し、
   前記読出部は、前記複数の受光信号のうちの前記少なくとも２つの受光信号に基づいて、前記補正係数テーブルから前記補正係数を読み出す
   請求項１に記載の測距装置。
3. 前記補正係数テーブルは、前記複数の受光信号のうちの２つの受光信号に対応する２軸をインデックスとし、当該インデックスに対応付けられた前記補正係数を保持し、
   前記読出部は、前記２つの受光信号に基づいて、前記補正係数テーブルから前記補正係数を読み出す
   請求項１に記載の測距装置。
4. 前記補正係数保持部は、２つ以上の前記補正係数テーブルを保持し、
   前記２つ以上の前記補正係数テーブルは、前記複数の受光信号のうちの２つの受光信号の互いに異なる組に対応し、
   前記読出部は、２つ以上の前記補正係数テーブルを参照して得られる２つ以上の補正係数に基づいて補正用の補正係数を決定する
   請求項３に記載の測距装置。
5. 前記読出部は、前記２つ以上の補正係数のうちの最大値を補正用の前記補正係数と決定する
   請求項４に記載の測距装置。
6. 前記補正係数テーブルの２軸のインデックスは、離散的なインデックス値に対応し、
   前記読出部は、前記２つの受光信号のそれぞれを、対応する軸における直近の２つのインデックス値に変換し、変換されたインデックス値の組から得られる複数の前記補正係数を読み出し、
   前記信号処理部は、さらに、読み出された複数の前記補正係数を用いた補間処理によって補正用の補正係数を算出する補間部を備える
   請求項２から５のいずれか１項に記載の測距装置。
7. 前記信号処理部は、さらに、
   複数のマルチパス発生条件下のそれぞれにおける測距動作または測距シミュレーションに基づいて前記距離エラーを検出することにより前記補正係数テーブルを作成する作成部を備える
   請求項１から６のいずれか１項に記載の測距装置。
8. 前記作成部は、複数のマルチパス発生条件下において同じインデックス値の組に対して異なる複数の距離エラーが検出された場合に、前記複数の距離エラーの最小値を補正係数とする
   請求項７に記載の測距装置。
9. 発光を指示する発光パルスに従って照射光を発する発光部と、露光を指示する露光パルスに従って露光し、受光信号を出力する固体撮像素子と、前記発光パルスと前記露光パルスとの組であって、前記発光パルスと前記露光パルスとの時間差が互いに異なる複数の組を生成する発光露光制御部と、前記複数の組に対応する複数の受光信号に基づいて距離信号を生成する信号処理部とを備える測距装置における測距方法であって、
   マルチパスによる距離エラーに対応する補正係数を示す補正係数テーブルを予め保持し、
   前記複数の受光信号に基づいて前記補正係数を前記補正係数テーブルから読み出し、
   前記複数の受光信号および読み出された前記補正係数に基づいて補正された距離信号を出力する
   測距方法。
10. 前記補正係数テーブルは、前記複数の受光信号のうちの少なくとも２つの受光信号に対応する少なくとも２つの軸をインデックスとし、当該インデックスに対応付けられた前記補正係数を保持し、
    前記補正係数テーブルの読み出しにおいて、前記複数の受光信号のうちの前記少なくとも２つの受光信号に基づいて、前記補正係数テーブルから前記補正係数を読み出す
    請求項９記載の測距方法。
11. さらに、複数のマルチパス発生条件のそれぞれにおける測距動作または測距シミュレーションに基づいて前記距離エラーを検出することにより前記補正係数テーブルを作成する
    請求項９または１０記載の測距方法。

Images