JP2022133012A - 距離画像取得装置および距離画像取得方法 - Google Patents

距離画像取得装置および距離画像取得方法 Download PDF

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Abstract

【課題】圧縮センシング技術により空間的分解能が高い距離画像の取得を容易に行うことができる装置を提供する。【解決手段】距離画像取得装置１は、光源２、照射光学系３、結像光学系４、撮像素子５および処理部６を備える。撮像素子５は、光源２から出力され対象物で反射されて結像光学系４を経た光パルスを受光面上に受光する。撮像素子５の受光面上の複数の画素それぞれは、受光に応じて電荷を発生するフォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有する。処理部６は、撮像素子５の複数の画素それぞれへ共通の制御パターンを与える。制御パターンは、複数の画素それぞれにおいてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示する。処理部６は、複数の画素それぞれのフォトダイオードで発生して電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に基づいて、対象物の距離画像を求める。【選択図】図１

Description

本発明は、飛行時間法により対象物の距離画像を取得する装置および方法に関するものである。
飛行時間（Time-Of-Flight、ＴＯＦ）法を利用した距離画像取得装置は、対象物へ照射されて該対象物で反射された光パルスを受光して該対象物の像を撮像素子の受光面に結像し、光源から出力された光パルスが該対象物で反射されて撮像素子まで戻って来るまでの時間を受光面上の複数の画素それぞれについて求めることで、該対象物の距離画像を取得することができる。
特許文献１に開示された発明の距離画像取得装置は、ＴＯＦ法により対象物の距離画像を取得する際に、圧縮センシング技術を利用する。この装置では、各々フォトダイオードを含む複数の画素が撮像素子の受光面上に２次元配列されており、これらの複数の画素が複数の群に区分され、群によって異なる制御パターンが画素に与えられる。各画素では、与えられた制御パターンにより指示された期間にフォトダイオードで発生した電荷が電荷蓄積部に蓄積される。そして、各画素に与えられた制御パターンと、各画素において電荷蓄積部に蓄積された電荷の量とに基づいて、圧縮センシング技術による解析が行われて、対象物の距離画像が得られる。
特許文献１に開示された発明では、撮像素子の受光面上の複数の画素が複数の群に区分され、群によって異なる制御パターンが画素に与えられることから、圧縮センシング技術による解析を行う上で必要なデータが短時間に得られる。したがって、この発明では、時間的分解能が高い距離画像が得られる。
特許第６６６６６２０号公報 特開２０１１－１３３４６４号公報
測距エリアイメージセンサＳ１１９６３－０１ＣＲのカタログ、浜松ホトニクス株式会社、２０２０年８月
特許文献１に開示された発明では、時間的分解能が高い距離画像が得られるものの、次のような問題点を有している。特許文献１に開示された発明では、撮像素子の受光面上の複数の画素が複数の群に区分されることから、各群に含まれる画素の個数が少なくなり、空間的分解能が低下する。撮像素子の受光面上の各群に含まれる画素の配置関係によっては、群毎に結像の為のレンズを設ける必要があることからコスト増になり、群間で異なる視差を補正する必要があることから処理が複雑になる。また、群によって異なる制御パターンを画素に与えることから、制御パターンを群の個数だけ用意する必要があり、その為の構成が複雑になる。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、圧縮センシング技術により空間的分解能が高い距離画像の取得を容易に行うことができる装置および方法を提供することを目的とする。
本発明の距離画像取得装置は、飛行時間法により対象物の距離画像を取得する装置であって、(1)対象物へ光パルスを照射する光源と、(2) 光源から対象物へ照射されて対象物で反射された光パルスを入力して結像する結像光学系と、(3) 結像光学系を経た光パルスを受光する受光面上に配列され各々フォトダイオードを含む複数の画素を有する撮像素子と、(4) 光源の光パルス出力タイミングから第１論理値と第２論理値とが時間的に交互に登場する制御パターンを複数の画素へ共通に与えるとともに、複数の画素それぞれのフォトダイオードで発生した電荷に基づいて対象物の距離画像を求める処理部と、を備える。本発明の距離画像取得装置において、複数の画素それぞれは、制御パターンが第１論理値である期間にフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する第１電荷蓄積部を有し、処理部は、複数の画素それぞれについて、複数の制御パターンそれぞれとした場合に第１電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により対象物までの距離を求める。
本発明の距離画像取得装置の一態様として、複数の画素それぞれは、制御パターンが第２論理値である期間にフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する第２電荷蓄積部を有し、処理部は、複数の画素それぞれについて、複数の制御パターンそれぞれとした場合に第１電荷蓄積部により蓄積された電荷の量および第２電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により対象物までの距離を求めるのが好適である。
本発明の距離画像取得装置の一態様として、処理部は、第１論理値および第２論理値それぞれの期間の長さが単位時間の整数倍である制御パターンを複数の画素へ共通に与えるのが好適である。処理部は、光源の光パルス出力タイミングからの一定期間における単位時間より一定期間経過後における単位時間が長い制御パターンを複数の画素へ共通に与えるのが好適である。光源は、単位時間より長いパルス幅を有する光パルスを対象物へ照射するのが好適である。また、処理部は、複数の画素それぞれについて圧縮センシング技術により対象物までの距離を求める際に、背景光の強度に基づく補正を行うのが好適である。
本発明の距離画像取得方法は、飛行時間法により対象物の距離画像を取得する方法であって、(1)対象物へ光パルスを照射する光源と、(2) 光源から対象物へ照射されて対象物で反射された光パルスを入力して結像する結像光学系と、(3) 結像光学系を経た光パルスを受光する受光面上に配列され各々フォトダイオードを含む複数の画素を有する撮像素子と、を用いる。本発明の距離画像取得方法は、光源の光パルス出力タイミングから第１論理値と第２論理値とが時間的に交互に登場する制御パターンを複数の画素へ共通に与え、複数の画素それぞれにおいて、制御パターンが第１論理値である期間にフォトダイオードで発生した電荷を第１電荷蓄積部に蓄積させ、複数の画素それぞれについて、複数の制御パターンそれぞれとした場合に第１電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により対象物までの距離を求めて、対象物の距離画像を求める。
本発明の距離画像取得方法の一態様として、複数の画素それぞれにおいて、制御パターンが第２論理値である期間にフォトダイオードで発生した電荷を第２電荷蓄積部に蓄積させ、複数の画素それぞれについて、複数の制御パターンそれぞれとした場合に第１電荷蓄積部により蓄積された電荷の量および第２電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により対象物までの距離を求めて、対象物の距離画像を求めるのが好適である。
本発明の距離画像取得方法の一態様として、第１論理値および第２論理値それぞれの期間の長さが単位時間の整数倍である制御パターンを複数の画素へ共通に与えるのが好適である。光源の光パルス出力タイミングからの一定期間における単位時間より一定期間経過後における単位時間が長い制御パターンを複数の画素へ共通に与えるのが好適である。光源から、単位時間より長いパルス幅を有する光パルスを対象物へ照射するのが好適である。また、複数の画素それぞれについて圧縮センシング技術により対象物までの距離を求める際に、背景光の強度に基づく補正を行うのが好適である。
本発明によれば、圧縮センシング技術により空間的分解能が高い距離画像の取得を容易に行うことができる。
図１は、距離画像取得装置１の構成を示す図である。 図２は、撮像素子５の構成を示す図である。 図３は、撮像素子５の各画素の構成を模式的に示す図である。図３（ａ）は、画素の回路構成を示す。図３（ｂ）は、スイッチＳＷ１がオフ状態であって、スイッチＳＷ２がオン状態であるときに、フォトダイオードＰＤで発生した電荷が第２電荷蓄積部Ｃ２へ転送されていく様子を模式的に示す。 図４は、比較例の制御パターンを示す図である。 図５は、本実施形態における制御パターンの例を示す図である。 図６は、本実施形態における制御パターンの他の例を示す図である。 図７は、本実施形態における制御パターンの他の例を示す図である。 図８は、本実施形態における制御パターンの他の例を示す図である。 図９は、本実施形態における制御パターンの他の例を示す図である。 図１０は、本実施形態における制御パターンの他の例を示す図である。 図１１は、シミュレーション結果を示すグラフである。 図１２は、シミュレーション結果を示すグラフである。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図１は、距離画像取得装置１の構成を示す図である。距離画像取得装置１は、ＴＯＦ法により対象物の距離画像を取得するものであって、光源２、照射光学系３、結像光学系４、撮像素子５および処理部６を備える。
光源２は、対象物へ照射すべき光パルスを出力する。光源２は、一定のパルス幅の光パルスを、一定の繰り返し周波数で出力する。光源２は、光パルスを出力することができるものであれば任意であり、例えばレーザ光源や発光ダイオード等である。
照射光学系３は、光源２から出力された光を対象物へ照射する光学系である。光源２から出力される光が発散光である場合に、照射光学系３は、その光を対象物へ効率よく照射する。
結像光学系４は、光源２から照射光学系３を経て対象物へ照射されて該対象物で反射された光パルスを入力して、その入力した光パルスにより対象物の像を撮像素子５の受光面上に結像する。
撮像素子５は、対象物で反射されて結像光学系４を経た光パルスを受光面上に受光する。撮像素子５の受光面上には複数の画素が配列されている。複数の画素それぞれは、受光に応じて電荷を発生するフォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有する。
処理部６は、撮像素子５の複数の画素それぞれへ制御パターンを与える。制御パターンは、複数の画素それぞれにおいてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示するものである。処理部６は、複数の画素それぞれのフォトダイオードで発生して電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に基づいて、対象物の距離画像を求める。
処理部６はコンピュータであってよい。処理部６は、制御パターンや距離画像などを記憶する記憶部（例えば、ハードディスクドライブ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等）、制御パターンや距離画像などを表示する表示部（例えば液晶ディスプレイ等）、測定開始の指示や測定条件の入力などを受け付ける入力部（例えばキーボード、マウス等）、装置全体の動作を制御する制御部（例えばＣＰＵ，ＦＰＧＡ等）を備える。
図２は、撮像素子５の構成を示す図である。撮像素子５は、画素アレイ部１０、行制御部２１，列制御部３１および列読出部３２を備える。
画素アレイ部１０は、Ｍ行Ｎ列に２次元配列されたＭＮ個の画素Ｐ1,1～ＰM,Nを含む。ＭＮ個の画素Ｐ1,1～ＰM,Nは共通の構成を有する。画素Ｐm,nは第ｍ行第ｎ列に位置する。画素Ｐm,nは、受光に応じて電荷を発生するフォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する１または複数の電荷蓄積部とを含む。ここで、Ｍ，Ｎは２以上の整数である。ｍは１以上Ｍ以下の各整数である。ｎは１以上Ｎ以下の各整数である。
行制御部２１は、第ｍ行のＮ個の画素Ｐm,1～Ｐm,Nと第ｍ行制御線２３ｍにより接続されている。行制御部２１は、この第ｍ行制御線２３ｍを介して第ｍ行制御信号を第ｍ行のＮ個の画素Ｐm,1～Ｐm,Nへ与える。行制御部２１は、第１～第Ｍの行制御信号により、電荷蓄積部に蓄積されていた電荷を出力すべき行を指定する。
列読出部３２は、第ｎ列のＭ個の画素Ｐ1,n～ＰＭ,nと第ｎ列出力線３４ｎにより接続されている。列読出部３２は、この第ｎ列出力線３４ｎを介して、第ｎ列のＭ個の画素Ｐ1,n～ＰＭ,nのうちの何れかの画素の電荷蓄積部に蓄積されていた電荷を入力する。列読出部３２は、入力した電荷量に応じた電圧値を出力するチャージアンプと、このチャージアンプから出力された電圧値に応じたデジタル値を出力するＡＤ変換器とを含んでいてもよい。
列制御部３１は、第ｎ列出力線３４ｎを介して列読出部３２に入力された電荷の量に応じた信号を、順次に列読出部３２から出力させる。
この撮像素子５では、行制御部２１から出力される第１～第Ｍの行制御線２３１～２３Ｍにより第１行～第Ｍ行が順次に選択されて、その選択された行のＮ個の画素Ｐm,1～Ｐm,Nそれぞれにおいて電荷蓄積部に蓄積されていた電荷が第１～第Ｎの列出力線３４１～３４Ｎへ出力されて列読出部３２に入力される。そして、列制御部３１により、第１～第Ｎの列出力線３４１～３４Ｎを介して列読出部３２に入力された電荷の量に応じた信号が、順次に列読出部３２から出力される。
また、撮像素子５では、ＭＮ個の画素Ｐ1,1～ＰM,Nに対し制御パターンが与えられる。制御パターンを与えるのは、行制御部２１であってもよいし、他の回路であってもよい。
図３は、撮像素子５の各画素の構成を模式的に示す図である。この図では、各画素は２つの電荷蓄積部を有するとしている。各画素は、受光に応じて電荷を発生するフォトダイオードＰＤと、電荷を蓄積する第１電荷蓄積部Ｃ１および第２電荷蓄積部Ｃ２と、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を第１電荷蓄積部Ｃ１へ転送するためのスイッチＳＷ１と、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を第２電荷蓄積部Ｃ２へ転送するためのスイッチＳＷ２と、第１電荷蓄積部Ｃ１に蓄積されていた電荷を列出力線へ出力するためのスイッチＳＷ３と、第２電荷蓄積部Ｃ２に蓄積されていた電荷を列出力線へ出力するためのスイッチＳＷ４とを含む。
図３（ａ）は、画素の回路構成を示す。図３（ｂ）は、スイッチＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ４がオフ状態であって、スイッチＳＷ２がオン状態であるときに、フォトダイオードＰＤで発生した電荷がスイッチＳＷ２を経て第２電荷蓄積部Ｃ２へ転送されていく様子を模式的に示す。第２電荷蓄積部Ｃ２への電荷転送が終了すると、スイッチＳＷ２がオフ状態、スイッチＳＷ４がオン状態となり、第２電荷蓄積部Ｃ２に蓄積されていた電荷は、スイッチＳＷ４を経て列出力線へ出力され、列読出部３２に入力される。
電荷蓄積部の個数は、１つであってもよいし、２以上であってもよい。複数の電荷蓄積部のうち何れかを電荷廃棄部として用いてもよいし、別に電荷廃棄部が設けられてもよい。電荷廃棄部は、制御パターンにより電荷蓄積が指示されなかった期間にフォトダイオードで発生した電荷を蓄積するものであって、この電荷を列出力線へ出力する必要はない。また、各画素は、電荷蓄積部および電荷廃棄部それぞれにおける電荷蓄積を初期化するためのスイッチを含む。
図２および図３を用いて説明した撮像素子は、特許文献２に記載されており、また、非特許文献１に記載されているとおり製品として販売されている。本実施形態の距離画像取得装置１および距離画像取得方法は、以上のような光源、光学系および撮像素子を用いた上で、制御パターンに特徴の一つを有しており、圧縮センシング技術により対象物の距離画像を取得するものである。
図４は、比較例の制御パターンを示す図である。この図では、上から順に、光源から出力される照射光パルスの波形、撮像素子に到達する反射光パルスの波形、および、各画素においてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示する制御パターンＶＴＸ(１)～ＶＴＸ(８)が示されている。照射光パルスの波形および反射光パルスの波形は、実際にはノイズや歪みを有するが、この図（および以降の図）では模式的に矩形で示されている。
光源の光パルス出力タイミングに対し、撮像素子の各画素への反射光パルス到達タイミングは、対象物中の該画素に対応する位置までの距離に依存する時間差がある。この時間差を検出すれば、対象物中の該画素に対応する位置までの距離を求めることができる。この時間差を検出するために、位相シフト法が用いられる。
位相シフト法では、複数（図では８つ）の制御パターンＶＴＸ(１)～ＶＴＸ(８)が用意される。光源の光パルス出力タイミングを基準の時刻０とし、照射光パルスのパルス幅をＴとすると、制御パターンＶＴＸ(ｋ)は、時刻(ｋ－１)Ｔから時刻ｋＴまでの期間に論理値Ｈとなり、その他の期間に論理値Ｌとなる。ｋは１以上８以下の各整数である。制御パターンＶＴＸ(ｋ)が与えられた画素では、論理値Ｈである時刻(ｋ－１)Ｔから時刻ｋＴまでの期間にフォトダイオードで発生した電荷が選択的に電荷蓄積部に蓄積され、その後、電荷蓄積部に蓄積されていた電荷が該画素から出力される。
制御パターンＶＴＸ(１)～ＶＴＸ(８)それぞれが画素に与えられたときに該画素の電荷蓄積部に蓄積される電荷の量に基づいて、照射光パルス出力タイミングに対する反射光パルス到達タイミングの時間差を求めることができる。図に示される例では、制御パターンＶＴＸ(４)および制御パターンＶＴＸ(５)それぞれが画素に与えられたときに該画素の電荷蓄積部に電荷が蓄積されるので、照射光パルス出力タイミングに対する反射光パルス到達タイミングの時間差は３Ｔ～５Ｔの範囲にあることが分かる。
また、制御パターンＶＴＸ(４)および制御パターンＶＴＸ(５)それぞれが画素に与えられたときに該画素の電荷蓄積部に蓄積された電荷の量の比に基づいて、照射光パルス出力タイミングに対する反射光パルス到達タイミングの時間差は、より詳細に検出される。この時間差に基づいて、対象物中の該画素に対応する位置までの距離を求めることができる。
図５は、本実施形態における制御パターンの例を示す図である。この図では、上から順に、光源から出力される照射光パルスの波形、撮像素子に到達する反射光パルスの波形、および、各画素においてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示する制御パターンＶＴＸが示されている。
制御パターンＶＴＸは、光源２の光パルス出力タイミングから第１論理値と第２論理値とが時間的に交互に登場するパターンであり、撮像素子５の複数の画素に対し共通に与えられる。第１論理値および第２論理値のうち一方は論理値Ｈであり、他方は論理値Ｌである。
比較例（図４）では、各制御パターンにおいてフォトダイオードから電荷蓄積部への電荷転送の期間を表す論理値Ｈの期間は１つのみであり、その論理値Ｈの期間が時間Ｔずつ順にシフトした複数の制御パターンが用いられる。これに対して、本実施形態では、各制御パターンにおいてフォトダイオードから電荷蓄積部への電荷転送の期間を表す論理値Ｈの期間は１つであってもよいし複数であってもよく、その論理値Ｈの期間が互いに異なる複数の制御パターンが用いられる。本実施形態で用いられる複数の制御パターンは、ランダムに設定されたものであってもよいし、アダマール行列等に基づいて設定されたものであってもよい。
図に示されるように、光源の光パルス出力タイミングの後の限られた期間内に反射光パルスが現れ、他の時間帯には反射光が存在しないので、時刻の関数としての反射光強度はスパース性を有する。したがって、圧縮センシング技術を利用して、照射光パルス出力タイミングから反射光パルス到達タイミングまでの時間を求めることができ、対象物までの距離を求めることができる。また、比較例で必要な制御パターンの個数と比べて、本実施形態で必要な制御パターンの個数は少なくすることができる。
本実施形態の距離画像取得装置１では、処理部６は、撮像素子５の複数の画素それぞれについて、複数の制御パターンそれぞれとした場合に電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により対象物までの距離を求める。各制御パターンは、論理値Ｈおよび論理値Ｌそれぞれの期間の長さが単位時間の整数倍であるのが好適である。単位時間は、各制御パターンにおける論理値Ｈおよび論理値Ｌそれぞれの期間の最小単位である。ここで、単位時間は、照射光パルスのパルス幅Ｔと同じであってもよい。
以下では、用いた制御パターンの個数をＭとし、画素に蓄積された電荷の量に応じて列読出部３２から出力された信号値のベクトルをｙとし、Ｍ個の制御パターンを表す行列をΦとし、復元したい反射光強度（画素に到達した反射光の強度）の時間変化のベクトルをｘとする。このとき、これらの間に次の（１）式の関係が成り立つ。（２）式は、（１）式中の列ベクトルｙの各要素ｙｍ、行列Φの各要素φm,nおよび列ベクトルｘの各要素ｘｎを用いて表したものである。ｙｍは、Ｍ個の制御パターンのうち第ｍの制御パターンを用いた測定で得られた信号値である。ｘｎは、照射光パルス出力タイミング後において区分したＮ個の期間のうち第ｎ期間の反射光強度である。φm,nは、第ｍの制御パターンにおける第ｎ期間に電荷蓄積を指示する論理値である。ｍは１以上Ｍ以下の整数である。ｎは１以上Ｎ以下の整数である。
Figure 2022133012000002
Figure 2022133012000003
Ｍ＝Ｎであって、行列Φの逆行列が存在すれば、反射光強度の時間変化ｘは一意的に求められる。これに対し、Ｍ＜Ｎである場合、上記の式は劣決定系となり、反射光強度の時間変化ｘは数学的に解くことができない。しかし、Ｍ＜Ｎの場合であっても、反射光強度の時間変化ｘがスパースであれば（または、フーリエ変換などの線形変換によりスパースとなれば）、圧縮センシング技術により、反射光強度の時間変化ｘを復元することができる。具体的には、次の式で表される最適化問題を解くことにより、反射光強度の時間変化ｘを復元することができる。λは、誤差の許容値を表すパラメータである。
Figure 2022133012000004
本実施形態によれば、比較例の場合と比べて少ない個数の制御パターンを用いて圧縮センシング技術により距離画像を取得することができる。本実施形態では、撮像素子の複数の画素に対して共通の制御パターンが与えられるので、特許文献１に開示された発明と比較すると、空間的分解能が高い距離画像の取得が可能であり、光学系の構成が簡易となってコストの低減が可能であり、視差補正の為の処理が不要であり、また、制御パターンを用意するための構成も簡易なものとすることが可能である。
撮像素子の各画素へは反射光パルスだけでなく背景光も入射する。この背景光の影響を低減する為には、背景光のみが撮像素子に入射する期間（反射光パルス測定の前もしくは後において光源から光パルスを出力させない期間、または、反射光パルス測定時であっても反射光パルスが撮像素子に入射しない期間）に電荷蓄積部または電荷廃棄部に蓄積された電荷の量に基づいて、ハードウェアまたはソフトウェアにより、反射光パルス測定時に得られた信号値を補正すればよい。また、背景光強度を考慮した行列Φを作成することでも、反射光パルス離測定時に得られた信号値を補正することができる。
図６は、本実施形態における制御パターンの他の例を示す図である。この図でも、上から順に、光源から出力される照射光パルスの波形、撮像素子に到達する反射光パルスの波形、および、各画素においてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示する制御パターンＶＴＸが示されている。
図５に示された例と比較すると、この図６に示された例では、照射光パルス出力タイミングから反射光パルス到達タイミングまでの時間が、図５中の制御パターンＶＴＸの長さを超えている。このような場合、図４に示された比較例の場合には、時間的分解能を低下させない為には、制御パターンの個数を増やす必要がある。これに対して、本実施形態では、各制御パターンを長くすればよいので、制御パターンの個数を増やすことなく、或いは、制御パターンの個数の増加を抑制して、時間的分解能が高い距離画像の取得が可能である。
図７は、本実施形態における制御パターンの他の例を示す図である。この図では、上から順に、光源から出力される照射光パルスの波形、撮像素子に到達する反射光パルスの波形、ならびに、各画素においてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示する制御パターンＶＴＸ１および制御パターンＶＴＸ２が示されている。制御パターンＶＴＸ２は制御パターンＶＴＸ１を論理反転したものである。
図３に示されるように各画素が複数の電荷蓄積部を有する場合、そのうちの第１電荷蓄積部は、制御パターンＶＴＸ１が論理値Ｈである期間にフォトダイオードで発生した電荷を蓄積し、第２電荷蓄積部は、制御パターンＶＴＸ２が論理値Ｈである期間（制御パターンＶＴＸ１が論理値Ｌである期間）にフォトダイオードで発生した電荷を蓄積することができる。そして、処理部は、複数の画素それぞれについて、複数の制御パターンそれぞれとした場合に第１電荷蓄積部により蓄積された電荷の量および第２電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により対象物までの距離を求めることができる。
この例では、制御パターンＶＴＸ２が制御パターンＶＴＸ１を論理反転したものであり、制御パターンＶＴＸ１および制御パターンＶＴＸ２の双方を用いた反射光パルス測定を実質的に同時に行うことができる。したがって、用意すべき制御パターンの個数を１／２にすることができ、全体の測定に要する時間を１／２にすることができる。なお、第１電荷蓄積部および第２電荷蓄積部それぞれへの電荷蓄積について感度が相違していても、その感度の相違は補正可能である。
図８は、本実施形態における制御パターンの他の例を示す図である。この図では、上から順に、光源から出力される照射光パルスの波形、撮像素子に到達する反射光パルスの波形、および、各画素においてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示する制御パターンＶＴＸが示されている。
この例では、制御パターンは、論理値Ｈおよび論理値Ｌそれぞれの期間の長さが単位時間の整数倍であるとされた上で、光源の光パルス出力タイミングからの一定期間における単位時間より一定期間経過後における単位時間が長いものとされている。光源の光パルス出力タイミングからの一定期間（例えば１００ｎｓの期間）における単位時間は照射光パルスのパルス幅Ｔ（例えば１０ｎｓ）と同じとし、一定期間経過後における単位時間は２Ｔとしてもよい。単位時間の変化は多段階であってもよい。
一般に、対象物までの距離が長いほど、撮像素子に入射する反射光パルスの強度は小さくなる傾向にあり、また、距離測定の時間的分解能は低くても許容される。この例では、距離が短い場合には、単位時間を短くすることで、距離測定の時間的分解能を高くすることができる。一方で、距離が長い場合には、単位時間を長くすることで、単位時間の期間における反射光パルスの受光量を多くすることができる。また、測定回数を増やすことなく、距離測定の範囲の拡大を図ることができる。
図９は、本実施形態における制御パターンの他の例を示す図である。この図でも、上から順に、光源から出力される照射光パルスの波形、撮像素子に到達する反射光パルスの波形、および、各画素においてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示する制御パターンＶＴＸが示されている。
この例では、光源の光パルス出力タイミングの後に、複数の反射光パルスが撮像素子へ到達する場合が示されている。このように１つの照射光パルスに対して複数の反射光パルスが撮像素子へ到達する場合の例としては、対象物が、ガラスのような半透明物体と、この半透明物体の背後にある物体と、を含むものである場合が挙げられる。この場合、半透明物体で反射した光パルスと、半透明物体を透過して背後の物体で反射した光パルスとが、撮像素子に到達し得る。
このような場合であっても、反射光強度の時間変化ｘがスパースであれば（または、フーリエ変換などの線形変換によりスパースとなれば）、少ない制御パターンを用いた圧縮センシング技術により、反射光強度の時間変化ｘを復元することができる。
図１０は、本実施形態における制御パターンの他の例を示す図である。この図でも、上から順に、光源から出力される照射光パルスの波形、撮像素子に到達する反射光パルスの波形、および、各画素においてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示する制御パターンＶＴＸが示されている。
この例では、光源から出力される光パルスは、制御パターンＶＴＸにおける単位時間より長いパルス幅を有する。出力光パルスのパルス幅は、制御パターンＶＴＸにおける単位時間の整数倍であってもよい。このような場合でも、反射光強度の時間変化ｘはスパースであり、或いは、反射光強度の時間変化ｘの時間微分はスパースであるので、圧縮センシング技術を適用することができ、空間的分解能が高い距離画像を取得することができる。また、各制御パターンを用いた測定の際に電荷蓄積部に蓄積される電荷の量が増えるので、ＳＮ比がよい距離画像を取得することができる。
次に、図１１および図１２を用いてシミュレーション結果について説明する。図１１に示されるシミュレーション結果のグラフは、図４に示された制御パターンを用いた比較例、および、図５に示された制御パターンを用いた実施例それぞれの結果を示す。このグラフにおいて、横軸は、光源の光パルス出力タイミングを基準の時刻０としたときの時刻を表し、縦軸は、制御パターンにおける単位時間毎の反射光パルスの強度を表す。照射光パルスおよび反射光パルスそれぞれのパルス幅を１ｎｓとし、撮像素子に反射光パルスが到達する期間が時刻４.８ｎｓ～５.８ｎｓであるとした。各制御パターンにおける論理値Ｈおよび論理値Ｌそれぞれの期間の最小単位である単位時間を光パルスのパルス幅と同じ１ｎｓとした。比較例では、論理値Ｈの期間が１ｎｓずつ順にシフトした２０個の制御パターンが用いられた。実施例では、ランダムに設定された８個の制御パターンが用いられた。この図に示されるように、圧縮センシング技術を適用した実施例では、用いた制御パターンの個数（８個）が比較例の制御パターンの個数（２０個）より少ないにも拘わらず、求められた距離は比較例と同じであった。
図１２に示されるシミュレーション結果のグラフは、図４に示された制御パターンを用いた比較例、および、図８に示された制御パターンを用いた実施例それぞれの結果を示す。このグラフにおいても、横軸は、光源の光パルス出力タイミングを基準の時刻０としたときの時刻を表し、縦軸は、制御パターンにおける単位時間毎の反射光パルスの強度を表す。照射光パルスおよび反射光パルスそれぞれのパルス幅を１ｎｓとし、撮像素子に反射光パルスが到達する期間が時刻２５.８ｎｓ～２６.８ｎｓであるとした。比較例では、各制御パターンにおける単位時間を光パルスのパルス幅と同じ１ｎｓとし、論理値Ｈの期間が１ｎｓずつ順にシフトした３０個の制御パターンが用いられた。実施例では、各制御パターンにおける単位時間を、時刻０から時刻１０ｎｓまでの期間では１ｎｓとし、時刻１０ｎｓから時刻３０ｎｓの期間では２ｎｓとして、ランダムに設定された８個の制御パターンが用いられた。この図に示されるように、圧縮センシング技術を適用した実施例では、用いた制御パターンの個数（８個）が比較例の制御パターンの個数（３０個）より大幅に少ないにも拘わらず、求められた距離は比較例と略同じであった。
以上のとおり、本実施形態では、撮像素子の受光面上の全画素に対して共通の制御パターンを与えて、ＴＯＦ法および圧縮センシング技術により距離画像を取得する。したがって、少ない個数の制御パターンを用いて時間的分解能が高い距離画像を取得することができる。また、本実施形態では、光学系の構成が簡易となってコストの低減が可能であり、視差補正の為の処理が不要であり、また、制御パターンを用意するための構成も簡易なものとすることが可能である。
１…距離画像取得装置、２…光源、３…照射光学系、４…結像光学系、５…撮像素子、６…処理部、１０…画素アレイ部、２１…行制御部、２３…行制御線、３１…列制御部、３２…列読出部、３４…列出力線、Ｐ1,1～ＰM,N…画素。

Claims (12)

  1. 飛行時間法により対象物の距離画像を取得する装置であって、
    前記対象物へ光パルスを照射する光源と、
    前記光源から前記対象物へ照射されて前記対象物で反射された光パルスを入力して結像する結像光学系と、
    前記結像光学系を経た光パルスを受光する受光面上に配列され各々フォトダイオードを含む複数の画素を有する撮像素子と、
    前記光源の光パルス出力タイミングから第１論理値と第２論理値とが時間的に交互に登場する制御パターンを前記複数の画素へ共通に与えるとともに、前記複数の画素それぞれのフォトダイオードで発生した電荷に基づいて前記対象物の距離画像を求める処理部と、
    を備え、
    前記複数の画素それぞれは、前記制御パターンが前記第１論理値である期間に前記フォトダイオードで発生した電荷を蓄積する第１電荷蓄積部を有し、
    前記処理部は、前記複数の画素それぞれについて、複数の前記制御パターンそれぞれとした場合に前記第１電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により前記対象物までの距離を求める、
    距離画像取得装置。
  2. 前記複数の画素それぞれは、前記制御パターンが前記第２論理値である期間に前記フォトダイオードで発生した電荷を蓄積する第２電荷蓄積部を有し、
    前記処理部は、前記複数の画素それぞれについて、複数の前記制御パターンそれぞれとした場合に前記第１電荷蓄積部により蓄積された電荷の量および前記第２電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により前記対象物までの距離を求める、
    請求項１に記載の距離画像取得装置。
  3. 前記処理部は、第１論理値および第２論理値それぞれの期間の長さが単位時間の整数倍である前記制御パターンを前記複数の画素へ共通に与える、
    請求項１または２に記載の距離画像取得装置。
  4. 前記処理部は、前記光源の光パルス出力タイミングからの一定期間における前記単位時間より前記一定期間経過後における前記単位時間が長い前記制御パターンを前記複数の画素へ共通に与える、
    請求項３に記載の距離画像取得装置。
  5. 前記光源は、前記単位時間より長いパルス幅を有する光パルスを前記対象物へ照射する、
    請求項３または４に記載の距離画像取得装置。
  6. 前記処理部は、前記複数の画素それぞれについて圧縮センシング技術により前記対象物までの距離を求める際に、背景光の強度に基づく補正を行う、
    請求項１～５の何れか１項に記載の距離画像取得装置。
  7. 飛行時間法により対象物の距離画像を取得する方法であって、
    前記対象物へ光パルスを照射する光源と、
    前記光源から前記対象物へ照射されて前記対象物で反射された光パルスを入力して結像する結像光学系と、
    前記結像光学系を経た光パルスを受光する受光面上に配列され各々フォトダイオードを含む複数の画素を有する撮像素子と、
    を用い、
    前記光源の光パルス出力タイミングから第１論理値と第２論理値とが時間的に交互に登場する制御パターンを前記複数の画素へ共通に与え、
    前記複数の画素それぞれにおいて、前記制御パターンが前記第１論理値である期間に前記フォトダイオードで発生した電荷を第１電荷蓄積部に蓄積させ、
    前記複数の画素それぞれについて、複数の前記制御パターンそれぞれとした場合に前記第１電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により前記対象物までの距離を求めて、前記対象物の距離画像を求める、
    距離画像取得方法。
  8. 前記複数の画素それぞれにおいて、前記制御パターンが前記第２論理値である期間に前記フォトダイオードで発生した電荷を第２電荷蓄積部に蓄積させ、
    前記複数の画素それぞれについて、複数の前記制御パターンそれぞれとした場合に前記第１電荷蓄積部により蓄積された電荷の量および前記第２電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により前記対象物までの距離を求めて、前記対象物の距離画像を求める、
    請求項７に記載の距離画像取得方法。
  9. 第１論理値および第２論理値それぞれの期間の長さが単位時間の整数倍である前記制御パターンを前記複数の画素へ共通に与える、
    請求項７または８に記載の距離画像取得方法。
  10. 前記光源の光パルス出力タイミングからの一定期間における前記単位時間より前記一定期間経過後における前記単位時間が長い前記制御パターンを前記複数の画素へ共通に与える、
    請求項９に記載の距離画像取得方法。
  11. 前記光源から、前記単位時間より長いパルス幅を有する光パルスを前記対象物へ照射する、
    請求項９または１０に記載の距離画像取得方法。
  12. 前記複数の画素それぞれについて圧縮センシング技術により前記対象物までの距離を求める際に、背景光の強度に基づく補正を行う、
    請求項７～１１の何れか１項に記載の距離画像取得方法。
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