JP2023116245A - 測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動部を用いずに光を受光可能な測定エリアを広げること。【解決手段】本開示に係る測定装置は、光を測定エリアに照射する照射部と、受光センサと、前記測定エリアからの反射光を前記受光センサに受光させる受光用光学系とを備える。前記受光用光学系は、第１方向に光軸をシフトさせた第１レンズエレメントと、前記第１レンズエレメントとは逆方向に光軸をシフトさせた第２レンズエレメントとを連結させた連結レンズを有し、第１測定エリアからの前記反射光を、前記第１レンズエレメントを介して、前記受光センサの受光素子に受光させるとともに、前記第１測定エリアと重複した重複エリアを含む第２測定エリアからの前記反射光を、前記第２レンズエレメントを介して、前記受光素子に受光させる。【選択図】図２

Description

本発明は、測定装置に関する。

特許文献１には、パルス光を射出してから反射光を受光するまでの光の飛行時間に基づいて、反射物までの距離を測定する測距装置が記載されている。

特開２０２１－１５２５３６号公報

特許文献１記載の装置では、ミラーを回転させることによって光を走査させるとともに、ミラーに戻ってきた反射光を受光部に受光させている。但し、ミラーを回転させるような可動部は、故障の原因になり易い。一方、可動部を用いずに光を受光する場合、測定可能な範囲（測定エリア）が狭くなるという課題がある。

本発明は、可動部を用いずに光を受光可能な測定エリアを広げることを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一形態は、光を測定エリアに照射する照射部と、受光センサと、前記測定エリアからの反射光を前記受光センサに受光させる受光用光学系とを備え、前記受光用光学系は、第１方向に光軸をシフトさせた第１レンズエレメントと、前記第１レンズエレメントとは逆方向に光軸をシフトさせた第２レンズエレメントとを連結させた連結レンズを有し、第１測定エリアからの前記反射光を、前記第１レンズエレメントを介して、前記受光センサの受光素子に受光させるとともに、前記第１測定エリアと重複した重複エリアを含む第２測定エリアからの前記反射光を、前記第２レンズエレメントを介して、前記受光素子に受光させる、測定装置である。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、可動部を用いずに光を受光可能な測定エリアを広げることができる。

図１は、測定装置１の全体構成の説明図である。 図２は、受光部２０の説明図である。 図３Ａは、受光センサ２２の説明図である。図３Ｂは、測定エリア５０の説明図である。図３Ｃは、測定装置１を車両に搭載した例の説明図である。 図４は、受光センサ２２の画素２２１の配置の説明図である。 図５は、連結レンズ２５の斜視図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、測定エリア５０の説明図である。 図７Ａ及び図７Ｂは、受光センサ２２の画素２２１（受光領域）と、測定エリア５０との関係を示す説明図である。 図８Ａ及び図８Ｂは、光学条件の説明図である。 図９Ａは、測定方法の一例の説明図である。 図９Ｂは、測定方法の一例の説明図である。 図９Ｃは、測定方法の一例の説明図である。 図１０は、測定方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。 図１１Ａは、受光センサ２２の別の一例の説明図である。図１１Ｂは、信号処理部３６２の説明図である。図１１Ｃは、ヒストグラムの説明図である。 図１２は、重複エリア５３を測定する場合における信号処理部３６２の説明図である。 図１３は、重複エリア５３を測定する場合における別の信号処理部３６２の説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。

＜全体構成＞
図１は、測定装置１の全体構成の説明図である。

測定装置１は、対象物９０までの距離を測定する装置である。測定装置１は、いわゆるＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）としての機能を有する装置である。測定装置１は、測定光を出射し、対象物９０の表面で反射した反射光を検出し、測定光を出射してから反射光を受光するまでの時間を計測することによって、対象物９０までの距離をＴＯＦ方式（Time of flight）で測定する。測定装置１は、照射部１０と、受光部２０と、制御部３０とを有する。

照射部１０は、対象物９０に向かって測定光を照射する。照射部１０は、所定の画角で測定エリア５０（後述）に測定光を照射することになる。照射部１０は、光源１２と、投光用光学系１４とを有する。光源１２は、光を出射する。光源１２は、例えば面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）により構成される。投光用光学系１４は、光源１２から出射された光を測定エリア５０に照射する光学系である。

受光部２０は、対象物９０からの反射光を受光する。受光部２０は、測定エリア５０からの反射光を受光することになる。受光部２０は、受光センサ２２と、受光用光学系２４とを有する。受光部２０の詳しい構成については、後述する。

制御部３０は、測定装置１の制御を司る。制御部３０は、照射部１０からの光の照射を制御する。また、制御部３０は、受光部２０の出力結果に基づいて、対象物９０までの距離をＴＯＦ方式（Time of flight）で測定する。制御部３０は、不図示の演算装置及び記憶装置を有する。演算装置は、例えばＣＰＵ、ＧＰＵなどの演算処理装置である。演算装置の一部がアナログ演算回路で構成されても良い。記憶装置は、主記憶装置と補助記憶装置とにより構成され、プログラムやデータを記憶する装置である。記憶装置に記憶されているプログラムを演算装置が実行することにより、対象物９０までの距離を測定するための各種処理が実行される。図中には、各種処理の機能ブロックが示されている。

制御部３０は、設定部３２と、タイミング制御部３４と、測距部３６とを有する。設定部３２は、各種設定を行う。タイミング制御部３４は、各部の処理タイミングを制御する。例えば、タイミング制御部３４は、光源１２から光を射出させるタイミングなどを制御する。測距部３６は、対象物９０までの距離を測定する。測距部３６は、信号処理部３６２と、時間検出部３６４と、距離算出部３６６とを有する。信号処理部３６２は、受光センサ２２の出力信号を処理する。時間検出部３６４は、光の飛行時間（光を照射してから反射光が到達するまでの時間）を検出する。距離算出部３６６は、対象物９０までの距離を算出する。なお、制御部３０の処理については、後述する。

＜受光部２０について＞
図２は、受光部２０の説明図である。既に説明した通り、受光部２０は、受光センサ２２と、受光用光学系２４とを有する。

以下の説明では、受光用光学系２４の光軸に沿った方向をＺ方向とする。なお、測定装置１の測定対象となる対象物９０は、測定装置１に対してＺ方向に離れていることになる。また、Ｚ方向に垂直な方向であって、連結レンズ２５（後述）を構成する第１レンズエレメント２５１及び第２レンズエレメント２５２の並ぶ方向をＹ方向とする。また、Ｚ方向及びＹ方向に垂直な方向をＸ方向とする。

図３Ａは、受光センサ２２の説明図である。図４は、受光センサ２２の画素２２１の配置の説明図である。
受光センサ２２は、ＸＹ平面（Ｘ方向及びＹ方向に平行な面）に平行な受光面を有する。受光面は、矩形状に構成されている。測定エリアから届く反射光は、受光用光学系２４を介して、受光センサ２２の受光面に照射される（測定エリア５０の像が受光用光学系２４によって受光センサ２２の受光面で結像する）。

受光センサ２２は、２次元配置された複数の画素２２１を有する。例えばＶＧＡの受光センサ２２の場合、４８０×６４０の画素２１１が２次元配置されている。各画素２２１は、受光素子を有しており、受光素子は、受光量に応じた信号を出力する。制御部３０は、画素２２１ごとの出力信号を取得することになる。

受光用光学系は、連結レンズ２５を有する。図５は、連結レンズ２５の斜視図である。
連結レンズ２５は、第１レンズエレメント２５１と第２レンズエレメント２５２とを連結させた光学部品である。第１レンズエレメント２５１及び第２レンズエレメント２５２は、凸レンズ状の部位（光学エレメント）であり、Ｙ方向に並んで配置されている。第１レンズエレメント２５１の焦点距離と第２レンズエレメント２５２の焦点距離は同じである。また、第１レンズエレメント２５１及び第２レンズエレメント２５２は、それぞれＺ方向に沿った光軸を有する。第１レンズエレメント２５１の光軸は、受光用光学系２４（後述する集光レンズ２６）の光軸に対して＋Ｙ方向にシフトされている。一方、第２レンズエレメント２５２の光軸は、受光用光学系２４の光軸に対して－Ｙ方向にシフトされている。つまり、第２レンズエレメント２５２の光軸は、第１レンズエレメント２５１とは逆方向にシフトされている。

また、受光用光学系２４は、集光レンズ２６を有する。集光レンズ２６は、受光センサ２２と連結レンズ２５との間に配置されたレンズである。受光用光学系２４が集光レンズ２６を有することによって、広い範囲の測定エリア５０からの反射光を受光センサ２２に受光させることができる。また、受光用光学系２４が集光レンズ２６を有することによって、受光センサ２２の矩形状の受光面に、矩形状の測定エリア５０の像を結像できる。集光レンズ２６と受光センサ２２との距離は、集光レンズ２６の焦点距離よりも近い。

図３Ｂは、測定エリア５０の説明図である。図６Ａ及び図６Ｂは、測定エリア５０の説明図である。図６Ａは、受光センサ２２が第１レンズエレメント２５１を介して第１測定エリア５１からの反射光を受光する様子の説明図である。図６Ｂは、受光センサ２２が第２レンズエレメント２５２を介して第２測定エリア５２からの反射光を受光する様子の説明図である。

測定エリア５０は、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２とにより構成される。第１測定エリア５１は、第１レンズエレメント２５１を介して受光センサ２２が反射光を受光するエリアである（言い換えると、第１レンズエレメント２５１は、第１測定エリア５１からの反射光を受光センサ２２に受光させる光学エレメントである）。第２測定エリア５２は、第２レンズエレメント２５２を介して受光センサ２２が反射光を受光するエリアである（言い換えると、第２レンズエレメント２５２は、第２測定エリア５２からの反射光を受光センサ２２に受光させる光学エレメントである）。第１レンズエレメント２５１と第２レンズエレメント２５２がＹ方向に並んで配置されているため、第１測定エリア５１及び第２測定エリア５２はＹ方向にずれて配置されている。これにより、測定エリア５０をＹ方向に長く設定できる（言い換えると、Ｙ方向の広い範囲の反射光を受光できる）。

本実施形態では、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２が重複している。以下の説明では、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２とが重複した領域のことを「重複エリア５３」と呼ぶ。重複エリア５３が設けられることによって、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２との間に反射光を受光できない領域が形成されることを防止できる。

図７Ａ及び図７Ｂは、受光センサ２２の画素２２１（受光領域）と、測定エリア５０との関係を示す説明図である。図７Ａは、第１レンズエレメント２５１を介して第１測定エリア５１からの反射光を受光する場合の受光センサ２２の画素２２１と、測定エリア５０との関係を示す説明図である。図７Ｂは、第２レンズエレメント２５２を介して第２測定エリア５２からの反射光を受光する場合の受光センサ２２の画素２２１と、測定エリア５０との関係を示す説明図である。図中の受光センサ２２の各画素２２１の左側には、対応する測定エリア５０の領域が示されている。受光センサ２２の各画素２２１は、測定エリア５０の対応する領域からの反射光を受光する。

受光センサ２２は、Ｙ方向に並ぶ複数の画素２２１（受光領域）を有しており、ここでは１２個の画素（画素＃１～＃１２）がＹ方向に並んでいる。なお、Ｙ方向に並ぶ画素２２１の数は、１２に限られるものではない（例えばＶＧＡの受光センサ２２の場合、６４０個の画素がＹ方向に並ぶ）。また、測定エリア５０は、Ｙ方向に複数の領域（領域Ａ～領域Ｐ）に分割されており、ここでは１６個の領域に分割されている。なお、Ｙ方向に分割された測定エリア５０の領域の数は、１６に限られるものではない。

図７Ａに示すように、第１測定エリア５１は、領域Ａ～領域Ｌに相当する。受光センサ２２の画素＃１～＃１２は、第１測定エリア５１の領域Ｌ～領域Ａにそれぞれ対応する。例えば、受光センサ２２の画素＃５は、第１レンズエレメント２５１を介して、測定エリア５０の領域Ｈからの反射光を受光することになる。

図７Ｂに示すように、第２測定エリア５２は、領域Ｅ～領域Ｐに相当する。受光センサ２２の画素＃１～＃１２は、第２測定エリア５２の領域Ｐ～領域Ｅにそれぞれ対応する。例えば、受光センサ２２の画素＃５は、第２レンズエレメント２５２を介して、測定エリア５０の領域Ｌからの反射光を受光することになる。このように、受光センサ２２の或る画素（例えば画素＃５）は、連結レンズ２５の第１レンズエレメント２５１及び第２レンズエレメント２５２を介して、測定エリア５０の２つの領域（例えば領域Ｈと領域Ｌ）からの反射光を受光可能である。以下の説明では、受光センサ２２の或る画素（例えば画素＃５）が測定エリア５０の２つの位置（例えば領域Ｈと領域Ｌ）の反射光を受光可能である場合において、その２つの位置（例えば領域Ｈと領域Ｌ）のうち、第１レンズエレメント２５１を介して反射光を受光する位置（例えば領域Ｈ）を「第１位置」と呼び、第２レンズエレメント２５２を介して反射光を受光する領域（例えば領域Ｌ）を「第２位置」と呼ぶことがある。

ところで、受光センサ２２の或る画素が測定エリア５０の２つの領域（第１位置、第２位置）からの反射光を受光可能である場合、その画素の受光素子が反射光を受光した時に、第１位置及び第２位置のうちのどちらからの反射光を受光したのかを判別できるようにする必要がある。そこで、本実施形態では、制御部３０は、照射部１０を制御することによって光を照射する測定エリア５０上の位置を制御可能に構成されている。そして、制御部３０は、第１位置及び第２位置に同時に光を照射しないように照射部１０を制御する。これにより、例えば測定エリア５０の領域Ｈに光が照射された時に受光センサ２２の画素＃５の受光素子が反射光を受光した場合には、制御部３０は、受光した光が領域Ｌからの反射光ではなく、領域Ｈからの反射光であるものとし、画素＃５の受光素子の信号に基づいて領域Ｈ内の対象物９０の距離を算出することが可能である。

図７Ａ及び図７Ｂに示すように、重複エリア５３は、領域Ｅ～領域Ｌに相当する。図７Ａに示すように、受光センサ２２の画素＃８～＃１は、第１レンズエレメント２５１を介して、重複エリア５３である領域Ｅ～領域Ｌからの反射光を受光する。また、図７Ｂに示すように、受光センサ２２の画素＃１２～＃５は、第２レンズエレメント２５２を介して、重複エリア５３である領域Ｅ～領域Ｌからの反射光を受光する。重複エリア５３の或る領域（例えば領域Ｈ）からの反射光は、連結レンズ２５の第１レンズエレメント２５１及び第２レンズエレメント２５２を介して、受光センサ２２の２つの画素（例えば画素＃５と画素＃９）で受光可能である。

図３Ｂに示すように、Ｚ方向から測定エリア５０を見ると、測定エリア５０はＸ方向及びＹ方向に所定の画角を有する。本実施形態では、Ｘ方向の長さに対するＹ方向の長さの割合（いわゆるアスペクト比）は、測定エリア５０の方が受光センサ２２よりも大きくなる。つまり、本実施形態では、受光センサ２２の形状と比べて、測定エリア５０をＹ方向に長く設定できる（言い換えると、Ｙ方向の広い範囲の反射光を受光できる）。

図６Ａに示すように、受光センサ２２の受光面のうち、第１レンズエレメント２５１を介して重複エリア５３からの反射光を受光する領域を「第１領域２２Ａ」と呼ぶ。また、図６Ｂに示すように、受光センサ２２の受光面のうち、第２レンズエレメント２５２を介して重複エリア５３からの反射光を受光する領域を「第２領域２２Ｂ」と呼ぶ。重複エリア５３上の或る点からの反射光は、受光センサ２２の第１領域２２Ａ上の画素２２１と、第２領域２２Ｂ上の画素２２１とでそれぞれ受光することができる。

図３Ｂに示すように、重複エリア５３（ハッチングが施された領域）は、測定エリア５０のＹ方向の中央部に位置する。つまり、図３Ｂに示すように、測定エリア５０の中央部（重複エリア５３）からの反射光は、第１レンズエレメント２５１を介して受光センサ２２の第１領域２２Ａ上の画素２２１で受光することができるとともに、第２レンズエレメント２５２を介して受光センサ２２の第２領域２２Ｂ上の画素２２１で受光することができる。

図３Ｃは、測定装置１を車両に搭載した例の説明図である。図に示すように、測定装置１を車両に搭載する場合、比較的近傍では、広視野で距離を測定することが望ましい。これに対し、本実施形態では、図３Ｂに示すように、測定エリア５０のアスペクト比を広げることができるので、広視野での距離の測定に有利である。
一方、図３Ｃに示すように、測定装置１を車両に搭載する場合、遠方までの距離の測定が必要とされるエリアは、比較的狭い範囲であることが許容されるが、遠方から届く反射光の強度は弱くなることが想定される。これに対し、本実施形態では、図３Ｂに示すように、測定エリア５０の重複エリア５３からの反射光を受光センサ２２の２つの画素（第１領域２２Ａ及び第２領域２２Ｂのそれぞれの画素２２１）で受光できるので、遠方の距離の測定に有利である。

＜光学条件について＞
図８Ａ及び図８Ｂは、光学条件の説明図である。図８Ａは、受光センサ２２と集光レンズ２６との関係の説明図である。図８Ｂは、受光センサ２２の虚像２２’と連結レンズ２５との関係の説明図である。

図８Ａに示すように、集光レンズ２６の焦点距離をｆ１とする。また、集光レンズ２６の主点から受光センサ２２までの距離をＬ１とする。また、受光センサ２２のＹ方向の半分の長さをｙとする（受光用光学系２４の光軸から受光センサ２２の端部までの長さをｙとする）。

本実施形態では、集光レンズ２６の主点から受光センサ２２までの距離Ｌ１は、集光レンズ２６の焦点距離ｆ１よりも小さい（Ｌ１＜ｆ１）。受光センサ２２が集光レンズ２６の焦点よりも近くに配置されるため、受光センサ２２の虚像２２’（集光レンズ２６による受光センサ２２の像）は、集光レンズ２６から見て受光センサ２２の反対側（図中の受光センサ２２の左側）に配置される。

集光レンズ２６の主点から虚像２２’までの距離をＬ’とすると、Ｌ１、Ｌ’及びｆ１の関係は次式（１）の通りとなる。
（１／Ｌ１）－（１／Ｌ’）＝１／ｆ１ ・・・・（１）

このため、集光レンズ２６の主点から虚像２２’までの距離Ｌ’は、次式（２）の通りとなる。
Ｌ’＝（Ｌ１×ｆ１）／（ｆ１－Ｌ１） ・・・・（２）

また、受光用光学系２４の光軸から受光センサ２２の虚像２２’の端部までの長さをｙ’とすると、ｙ’は次式の通りとなる。
ｙ’＝ｙ×（Ｌ’／Ｌ１）
＝ｙ×ｆ１／（ｆ１－Ｌ１） ・・・・（３）

次に、図８Ｂに示すように、第１レンズエレメント２５１及び第２レンズエレメント２５２の焦点距離をｆ２とする。また、連結レンズ２５の主点（第１レンズエレメント２５１又は第２レンズエレメント２５２の主点）から虚像２２’までの距離をＬ２とする。ここで、図８Ｂに示すように、連結レンズ２５が遠方の照射エリアからの反射光を虚像２２’の位置に結像させると考えると、焦点距離ｆ２と距離Ｌ２との関係は次式（４）の通りとなる。
Ｌ２＝ｆ２ ・・・・（４）

なお、集光レンズ２６の主点と連結レンズ２５の主点との距離をｄとする。ここで、距離Ｌ２は、距離Ｌ’に距離ｄを加算した値に相当するため、焦点距離ｆ１，ｆ２と各距離との関係は、次式（５）の通りとなる。
（Ｌ１×ｆ１）／（ｆ１－Ｌ１）＋ｄ＝ｆ２ ・・・・（５）

また、図８Ｂに示すように、受光用光学系２４（集光レンズ２６）の光軸と第１レンズエレメント２５１（又は第２レンズエレメント２５２）の光軸との間隔をｔとし、「シフト量ｔ」と呼ぶ。ここで、重複エリア５３が形成されるためには、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２とが重なる必要がある。このため、シフト量ｔは、受光用光学系２４の光軸から受光センサ２２の虚像２２’の端部までの長さｙ’よりも小さい必要がある（ｔ＜ｙ’）。つまり、重複エリア５３が形成されるためには、連結レンズ２５の第１レンズエレメント２５１及び第２レンズエレメント２５２のそれぞれのシフト量ｔは、次式の条件を満たす必要がある。
ｔ＜ｙ×ｆ１／（ｆ１－Ｌ１） ・・・・（６）

＜測定例１＞
図９Ａ～図９Ｃは、測定方法の一例の説明図である。図中の測定エリア５０の各領域の右側には、対応する光源１２の発光領域が示されている。また、図中の受光センサ２２の各画素２２１の左側には、対応する測定エリア５０の領域が示されている。

光源１２は、Ｙ方向に複数の発光領域に分割されており、ここでは１６個の発光領域（発光領域＃１～＃１６）に分割されている。なお、Ｙ方向に分割された光源１２の発光領域の数は、１６に限られるものではない。光源１２の各発光領域（発光領域＃１～＃１６）は、測定エリア５０の各領域（領域Ｐ～領域Ａ）に対応している。
制御部３０は、光源１２の複数の発光領域の中から特定の発光領域を発光させることによって、光を照射する測定エリア５０上の位置を制御する。ここでは、制御部３０は、図中の一番下の発光領域＃１６から順に発光するように、光源１２を制御する。これにより、測定エリア５０の領域Ａ～領域Ｐに光が走査するように照射される。測定エリア５０に照射する光をＹ方向に走査させることによって、受光センサ２２の或る画素が測定エリア５０の２つの位置（第１位置、第２位置）からの反射光を受光可能である場合に、その２つの位置（第１位置及び第２位置）に同時に光を照射しないようにすることができる。なお、制御部３０は、Ｙ方向に並ぶ発光領域を順に発光させなくても良い。例えば、制御部３０は、ランダムな順に発光領域を発光させることによって、光を照射する測定エリア５０上の位置を制御しても良い。また、受光センサ２２の或る画素が受光可能な２つの位置（第１位置、第２位置）に同時に光を照射しなければ、測定エリア５０の複数の領域に同時に光を照射しても良い。また、ミラーを回転させることによって、測定エリア５０の領域Ａ～領域Ｐに光を走査させても良い。

図１０は、測定方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。図１０の上側には、光源１２の発光領域がパルス光を出射するタイミング（出射タイミング）が示されている。図１０の中央には、パルス状の反射光が到達するタイミング（到達タイミング）が示されている。図１０の下側には、画素２２１（受光素子）の出力信号が示されている。

制御部３０（タイミング制御部３４）は、光源１２に所定の周期でパルス光を出射させる。パルス光の出射後、制御部３０の測距部３６（信号処理部３６２）は、画素２２１（受光素子）の出力信号に基づいて、反射光の到達タイミングを検出する。例えば、信号処理部３６２は、各画素２２１の出力信号のピークのタイミングに基づいて、反射光の到達タイミングを検出する。制御部３０の測距部３６（時間検出部３６４）は、光の出射タイミングと、光の到達タイミングとに基づいて、光を照射してから反射光が到達するまでの時間Ｔｆを検出する。時間Ｔｆは、測定装置１と対象物９０との間を光が往復する時間に相当する。そして、測距部３６（距離算出部３６６）は、時間Ｔｆに基づいて、対象物９０までの距離Ｌを算出する。なお、光を照射してから反射光が到達するまでの時間をＴｆとし、光の速度をＣとしたとき、距離Ｌは、Ｌ＝Ｃ×Ｔｆ／２となる。

図９Ａに示すように、光源１２の発光領域＃１６から出射した光は、投光用光学系１４を介して、測定エリア５０（第１測定エリア５１）の領域Ａに照射される。受光センサ２２の画素＃１２は、受光用光学系２４（第１レンズエレメント２５１）を介して、領域Ａからの反射光を受光する。制御部３０は、受光センサ２２の画素＃１２の出力信号に基づいて、領域Ａ内の対象物９０までの距離を算出する。
なお、制御部３０は、発光領域＃１６の発光後（言い換えると、領域Ａの測定後）、発光領域＃１５～＃１３を順に発光させ、第１測定エリア５１の領域Ｂ～Ｄに光を順に照射させ、受光センサ２２の画素＃１１～＃９の出力信号に基づいて、領域Ｂ～領域Ｄ内の対象物９０までの距離を順に算出する。

図９Ｂに示すように、光源１２の発光領域＃１２から出射した光は、投光用光学系１４を介して、測定エリア５０の領域Ｅに照射される。領域Ｅは重複エリア５３に属するため、領域Ｅからの反射光は、連結レンズ２５の第１レンズエレメント２５１及び第２レンズエレメント２５２を介して、受光センサ２２の画素＃８と画素＃１２で受光可能である。
制御部３０は、受光センサ２２の画素＃８の出力信号に基づいて距離を算出するとともに、受光センサ２２の画素＃１２の出力信号に基づいて距離を算出し、算出した２つの距離の平均を求めることによって、領域Ｅ内の対象物９０までの距離を算出する。これにより、距離の算出精度を高めたり、ロバスト性を高めたりすることができる。また、制御部３０は、受光センサ２２の画素＃８の出力信号に基づいて距離を算出するとともに、受光センサ２２の画素＃１２の出力信号に基づいて距離を算出し、算出した２つの距離の差が所定値よりも大きいときに、異常を検出しても良い。なお、制御部３０は、受光センサ２２の画素＃８と画素＃１２の一方の出力信号に基づいて、領域Ｅ内の対象物９０までの距離を算出しても良い。
制御部３０は、発光領域＃１２の発光後（言い換えると、領域Ｅの測定後）、発光領域＃１１～＃５を順に発光させ、重複エリア５３の領域Ｆ～Ｌに光を順に照射させ、反射光を受光した２つの画素の出力信号に基づいて領域Ｆ～領域Ｌ内の対象物９０までの距離を順に算出する。

図９Ｃに示すように、光源１２の発光領域＃４から出射した光は、投光用光学系１４を介して、測定エリア５０（第２測定エリア５２）の領域Ｍに照射される。受光センサ２２の画素＃４は、受光用光学系２４（第２レンズエレメント２５２）を介して、領域Ｍからの反射光を受光する。制御部３０は、受光センサ２２の画素＃４の出力信号に基づいて、領域Ｍ内の対象物９０までの距離を算出する。制御部３０は、発光領域＃４の発光後（言い換えると、領域Ｍの測定後）、発光領域＃３～＃１を順に発光させ、第２測定エリア５２の領域Ｎ～Ｐに光を順に照射させ、受光センサ２２の画素＃３～＃１の出力信号に基づいて、領域Ｎ～領域Ｐ内の対象物９０までの距離を順に算出する。

上記の測定方法によれば、１２個の画素２２１（画素＃１～＃１２）がＹ方向に並ぶ受光センサ２２の出力結果に基づいて、１６個に分割された測定エリア５０のそれぞれの領域（領域Ａ～領域Ｐ）内の対象物９０までの距離を算出することができる。このように、受光センサ２２は、Ｙ方向の広い範囲の反射光を受光できる。例えばＹ方向に６４０個の画素が並ぶＶＧＡ（６４０×４８０画素）の受光センサ２２を用いて、Ｙ方向に８４０画素の解像度で測定エリア５０の画像（距離画像）を取得することが可能になる。

＜測定例２＞
図１１Ａは、受光センサ２２の別の一例の説明図である。
受光センサ２２は、２次元配置された複数の画素２２１を有する。各画素２２１は、複数の受光素子２２２を有する。ここでは、各画素２２１は、受光素子２２２として、Ｘ方向に３個、Ｙ方向に３個に配列された９個のＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）を有する。ＳＰＡＤで構成された受光素子２２２は、フォトンを検出するとパルス信号を出力する。

この測定方法においても、図９Ａ～図９Ｃに示すように、制御部は、図中の一番下の発光領域＃１６から順に発光するように、光源１２を制御する。これにより、測定エリア５０の領域Ａ～領域Ｐに光が走査するように照射される。

まず、図９Ａに示すように、光源１２の発光領域＃１６から出射した光が、投光用光学系１４を介して、測定エリア５０（第１測定エリア５１）の領域Ａに照射されるとともに、領域Ａからの反射光を受光用光学系２４（第１レンズエレメント２５１）を介して受光センサ２２の画素＃１２が受光する場合について説明する。

図１１Ｂは、信号処理部３６２の説明図である。信号処理部３６２は、加算部３６２Ａと、比較部３６２Ｂと、ヒストグラム生成部３６２Ｃとを有する。ここでは、処理信号部は、受光センサ２２の各画素２２１の出力信号に基づいて、時間相関単一光子計数法（Time Correlated Single Photon Counting(TCSPC)で用いるヒストグラムを生成する。

加算部３６２Ａは、画素２２１（ここでは画素＃１２）を構成する複数の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）の出力信号を加算する。加算部３６２Ａは、受光素子２２２が出力するパルス幅を調整（整形）した上で、複数の受光素子２２２の出力信号を加算しても良い。比較部３６２Ｂは、加算部３６２Ａの出力信号と閾値とを比較し、加算部３６２Ａの出力信号が閾値以上の場合に信号を出力する。比較部３６２Ｂが信号を出力するタイミングは、受光センサ２２の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）が光を検知したタイミングであると考えられる。

ところで、外乱光のフォトンは時間的にランダムにそれぞれの受光素子２２２に入射する。これに対し、反射光のフォトンは、光を照射してから所定の遅延時間（対象物９０までの距離に応じた飛行時間）にそれぞれの受光素子２２２に入射する。このため、外乱光のフォトンが時間的にランダムに受光素子２２２に入射した場合には、加算部３６２Ａの出力信号が閾値以上になる確率は低い。一方、反射光のフォトンが受光素子２２２に入射した場合には、画素２２１を構成する複数の受光素子２２２が同時にフォトンを検出するため、加算部３６２Ａの出力信号が閾値以上になる確率は高い。このため、複数の受光素子２２２の出力信号を加算部３６２Ａで加算し、加算部３６２Ａの出力信号と閾値とを比較部３６２Ｂに比較させることによって、受光素子２２２（ＳＰＡＤ）が反射光を検知したと考えられる時間を計測する。

図１１Ｃは、ヒストグラムの説明図である。図中の横軸は、時間であり、縦軸は頻度（回数）である。ヒストグラム生成部３６２Ｃは、比較部３６２Ｂの出力に基づいて、受光センサ２２の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）が光を検知した時間を繰り返し計測するとともに、その時間に対応付けられた頻度（回数）をインクリメントすることによって、ヒストグラムを生成する。ヒストグラム生成部３６２Ｃは、頻度（回数）をインクリメントする時、数を１つ増加させる代わりに、加算部３６２Ａの出力信号（加算値）に相当する数を増加させても良い。

なお、設定部３２（図１参照）は、ヒストグラムを生成するための積算回数を予め設定する。タイミング制御部３４は、設定された積算回数に応じて、照射部１０の光源１２にパルス光を複数回出射させる。光源１２からの１回のパルス光の出射に対して、加算部３６２Ａから信号が１回又は複数回出力される。ヒストグラム生成部３６２Ｃは、設定された積算回数に達するまで、比較部３６２Ｂの出力信号に応じて、頻度（回数）をインクリメントすることによって、ヒストグラムを生成する。

ヒストグラムの生成後、測距部３６（時間検出部３６４）は、ヒストグラムに基づいて、光を照射してから反射光が到達するまでの時間Ｔｆを検出する。図１１Ｃに示すように、測距部３６（時間検出部３６４）は、ヒストグラムの頻度のピークに対応する時間を検出し、その時間を時間Ｔｆとする。そして、測距部３６（距離算出部３６６）は、時間Ｔｆに基づいて、対象物９０までの距離を算出する。

次に、図９Ｂに示すように、光源１２の発光領域＃１２から出射した光が、投光用光学系１４を介して、重複エリア５３の領域Ｅに照射されるとともに、領域Ｅからの反射光を受光用光学系２４の第１レンズエレメント２５１及び第２レンズエレメント２５２を介して受光センサ２２の画素＃８と画素＃１２が受光する場合について説明する。

図１２は、重複エリア５３を測定する場合における信号処理部３６２の説明図である。信号処理部３６２は、加算部３６２Ａと、比較部３６２Ｂと、ヒストグラム生成部３６２Ｃと、ヒストグラム合成部３６２Ｄとを有する。加算部３６２Ａ、比較部３６２Ｂ及びヒストグラム生成部３６２Ｃについては、既に説明したため説明を省略する。

ヒストグラム合成部３６２Ｄは、２つのヒストグラム生成部３６２Ｃによって生成された２つのヒストグラム（単独ヒストグラム）を１つのヒストグラム（合成ヒストグラム）に合成する。ヒストグラム合成部３６２Ｄは、重複エリア５３の領域に対応付けられた２つの画素に基づくそれぞれのヒストグラム（単独ヒストグラム）を合成することによって、合成ヒストグラムを生成する。ここでは、ヒストグラム合成部３６２Ｄは、領域Ｅに対応する受光センサ２２の画素＃８と画素＃１２に基づく２つの単独ヒストグラムを合成することによって、合成ヒストグラムを生成する。２つの単独ヒストグラムを合成して合成ヒストグラムが生成されるため、単独ヒストグラムの積算回数が所定数の半分であっても、所定の積算回数のヒストグラムを生成することができる。このため、重複エリア５３の測定では、設定された積算回数のヒストグラムを高速に生成できるため、距離の測定を高速で行うことができる。また、図３Ｃに示すように重複エリア５３からの反射光の強度は弱くなることが想定されるが、重複エリア５３からの反射光を受光センサ２２の２つの画素に基づくそれぞれのヒストグラム（単独ヒストグラム）を合成し、合成ヒストグラムに基づいて対象物９０までの距離を測定することによって、反射光の強度が弱くても距離の測定精度の低下を抑制できる。

図１３は、重複エリア５３を測定する場合における別の信号処理部３６２の説明図である。
信号処理部３６２は、加算部３６２Ａと、比較部３６２Ｂと、ヒストグラム生成部３６２Ｃとを有する。加算部３６２Ａは、重複エリア５３の領域に対応付けられた２つの画素２２１（ここでは画素＃８と画素＃１２）を構成する複数の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）の出力信号を加算する。つまり、加算部３６２Ａは、重複エリア５３の領域に対応付けられた２つの画素２２１（ここでは画素＃８と画素＃１２）を実質的に１つの画素とみなし、その画素を構成する複数の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）の出力信号を加算する。図１１Ｂに示す加算部３６２Ａと比べると、図１３に示す加算部３６２Ａは、２倍の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）の出力信号を加算することになる。比較部３６２Ｂは、加算部３６２Ａの出力信号と閾値とを比較し、加算部３６２Ａの出力信号が閾値以上の場合に信号を出力する。

なお、設定部３２（図１参照）は、重複エリア５３以外の測定エリア５０を測定する場合の比較部３６２Ｂ（図１１Ｂ参照）の閾値と比べて、重複エリア５３の測定を行う場合の比較部３６２Ｂ（図１３参照）の閾値を大きい値に設定する。これにより、加算部３６２Ａの出力信号が閾値以上になる場合に、受光センサ２２の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）が反射光を検知した確率が高くなる。なお、加算部３６２Ａが加算する受光素子２２２（ＳＰＡＤ）の出力信号の数が多いため、閾値が大きい値に設定されていても、比較部３６２Ｂがヒストグラム生成部３６２Ｃに信号を出力する頻度は低減しない（所定の積算回数のヒストグラムの生成が遅くならずに済む）。このため、図１３に示す比較部３６２Ｂの閾値を大きい値に設定することが許容されている。

ヒストグラム生成部３６２Ｃは、比較部３６２Ｂの出力に基づいて、受光センサ２２の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）が光を検知した時間を繰り返し計測するとともに、その時間に対応付けられた頻度（回数）をインクリメントすることによって、ヒストグラムを生成する。なお、図１２に示す信号処理部３６２と比べて、図１３に示す信号処理部３６２は、ヒストグラムを生成するためのデータを記憶させるメモリの容量を削減できるとともに、ヒストグラムを生成するための演算量を削減できる。また、図３Ｃに示すように重複エリア５３からの反射光の強度は弱くなることが想定されるが、重複エリア５３からの反射光を受光センサ２２の２つの画素の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）で受光するため、反射光の強度が弱くても距離の測定精度の低下を抑制できる。

＝＝＝小括＝＝＝
上記の測定装置１は、光を測定エリア５０に照射する照射部１０と、受光センサ２２と、測定エリア５０からの反射光を受光センサ２２に受光させる受光用光学系２４とを備えている。受光用光学系２４は、第１レンズエレメント２５１と第２レンズエレメント２５２とを連結させた連結レンズ２５を有する。第１レンズエレメント２５１の光軸は＋Ｙ方向（第１方向に相当）にシフトされており、第２レンズエレメント２５２の光軸は－Ｙ方向（第１レンズエレメント２５１の光軸をシフトさせた方向と逆方向）にシフトされている。測定エリア５０の第１測定エリア５１からの反射光は、第１レンズエレメント２５１を介して、受光センサ２２の受光素子に受光される。また、重複エリア５３を含む第２測定エリア５２からの反射光は、第２レンズエレメント２５２を介して、受光センサ２２の受光素子に受光される。このような測定装置１によれば、Ｙ方向（第１方向に相当）の広い範囲からの反射光を受光できる。また、重複エリア５３が設けられるため、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２との間に反射光を受光できない領域が形成されることを防止できる。

上記の制御部３０は、光を照射する測定エリア５０上の位置を制御する。これにより、測定エリア５０上の所定の位置に光を照射したり、測定エリア５０上の所定の位置に光を照射しないようにしたりすることが可能になる。

上記の受光センサ２２の或る画素（例えば図７Ａ及び図７Ｂに示す画素＃５）は、測定エリア５０の２つの位置（第１位置と第２位置；例えば領域Ｈと領域Ｌ）からの反射光を受光可能である。このような場合、制御部３０は、その画素（例えば画素＃５）が受光可能な第１測定エリア５１の第１位置（例えば領域Ｈ）及び第２測定エリア５２の第２位置（例えば領域Ｌ）の両方の領域に同時に光を照射しないように照射部１０を制御する。これにより、その画素の受光素子が反射光を受光した時に、測定エリア５０上の２つの位置のどちらからの反射光を受光したのかを判別可能となる。

図９Ｂに示すように、重複エリア５３の領域Ｅ（所定位置）からの反射光は、第１レンズエレメント２５１を介して受光センサ２２の画素＃８の受光素子（第１受光素子）によって受光可能であるとともに、第２レンズエレメント２５２を介して受光センサ２２の画素＃１２の受光素子（第２受光素子）によって受光可能である。このように、同じ位置からの反射光を２つの受光素子で受光可能にすることによって、ロバスト性を高めることができる。

また、制御部３０は、重複エリア５３の領域Ｅ（所定位置）に光を照射した時に、受光センサ２２の画素＃８の受光素子の出力信号（第１受光結果）と、画素＃１２の受光素子の出力信号（第２受光結果）とを取得する。このように、同じ位置からの反射光を受光する２つの受光素子の出力信号（受光結果）を取得することによって、ロバスト性を高めることができる。

また、制御部３０は、受光センサ２２の画素＃８の受光素子の出力信号（第１受光結果）に基づいて領域Ｅ内の対象物９０までの距離を算出するとともに、画素＃１２の受光素子の出力信号（第２受光結果）に基づいて同じ領域Ｅ内の対象物９０までの距離を算出する。このように、同じ位置からの反射光を受光した２つの受光素子の出力信号（受光結果）に基づいてそれぞれ距離を算出することによって、ロバスト性を高めることができる。

また、制御部３０は、受光センサ２２の画素＃８の出力信号（第１受光結果）に基づいて算出された距離と、画素＃１２の出力信号（第２受光結果）に基づいて算出された距離とに基づいて、異常を検出しても良い。これにより、測定装置１の何らかの不具合を判定可能である。

図１２に示すように、制御部３０は、受光センサ２２の画素＃８の受光素子（第１受光素子）が光を検知した時間を繰り返し計測することによって単独ヒストグラム（第１ヒストグラム）を生成し、画素＃１２の受光素子（第２受光素子）が光を検知した時間を繰り返し計測することによって単独ヒストグラム（第２ヒストグラム）を生成し、２つの単独ヒストグラムを合成した合成ヒストグラム（第３ヒストグラム）を生成しても良い。この場合、制御部３０は、合成ヒストグラム（第３ヒストグラム）のピークに基づいて光の到達時間Ｔｆ（図１１Ｃ参照）を検出することができ、検出した到達時間Ｔｆに基づいて対象物までの距離を算出する。これにより、単独ヒストグラム（第１ヒストグラム及び第２ヒストグラム）の積算回数が所定数の半分であっても、所定の積算回数の合成ヒストグラム（第３ヒストグラム）を生成することができるので、距離の測定を高速で行うことができる。

図１３に示すように、制御部３０は、受光センサ２２の画素＃８の受光素子（第１受光素子）が光を検知した時間と、画素＃１２（第２受光素子）が光を検知した時間とを繰り返し計測することによってヒストグラムを生成しても良い。これにより、ヒストグラムを生成するためのデータを記憶させるメモリの容量を削減できるとともに、ヒストグラムを生成するための演算量を削減できる。なお、この場合においても、制御部３０は、ヒストグラムのピークに基づいて光の到達時間Ｔｆ（図１１Ｃ参照）を検出することができ、検出した到達時間Ｔｆに基づいて対象物までの距離を算出することになる。

上記の受光用光学系２４は、受光センサ２２と連結レンズ２５との間に、集光レンズ２６を有する。受光用光学系２４が集光レンズ２６を有することにより、広い範囲からの反射光を受光センサ２２に受光させることが可能になる。但し、受光用光学系２４が集光レンズ２６を有していなくても良い（この場合、図８Ｂの虚像２２’の大きさの受光面を持つ受光センサ２２に置き換えることになるため、受光センサ２２や測定装置１が大型化する）。

上記の受光用光学系２４において、集光レンズ２６の焦点距離をｆ１とし、集光レンズ２６の主点から受光センサ２２までの距離をＬ１とし、Ｙ方向（第１方向に相当）における受光センサ２２の幅の半分の長さをｙとし、Ｙ方向における受光用光学系２４の光軸と第１レンズエレメント２５１の光軸との間隔（シフト量）をｔとしたとき、ｔ＜ｙ×ｆ１／（ｆ１－Ｌ１）であることが望ましい。これにより、測定エリア５０に重複エリア５３を設けることができる。

以上、本発明の実施形態につき詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の実施形態の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。

１ 測定装置、１０ 照射部、
１２ 光源、１４ 投光用光学系、
２０ 受光部、２２ 受光センサ、
２２１ 画素、２２２ 受光素子、
２２Ａ 第１領域、２２Ｂ 第２領域、
２４ 受光用光学系、
２５ 連結レンズ、
２５１ 第１レンズエレメント、２５２ 第２レンズエレメント、
２６ 集光レンズ、
３０ 制御部、３２ 設定部、
３４ タイミング制御部、３６ 測距部、
３６２ 信号処理部、３６２Ａ 加算部、
３６２Ｂ 比較部、３６２Ｃ ヒストグラム生成部、
３６２Ｄ ヒストグラム合成部、
３６４ 時間検出部、３６６ 距離算出部、
５０ 測定エリア、５１ 第１測定エリア、
５２ 第２測定エリア、５３ 重複エリア、
９０ 対象物

Claims (11)

1. 光を測定エリアに照射する照射部と、
   受光センサと、
   前記測定エリアからの反射光を前記受光センサに受光させる受光用光学系と
   を備え、
   前記受光用光学系は、
   第１方向に光軸をシフトさせた第１レンズエレメントと、前記第１レンズエレメントとは逆方向に光軸をシフトさせた第２レンズエレメントとを連結させた連結レンズを有し、
   第１測定エリアからの前記反射光を、前記第１レンズエレメントを介して、前記受光センサの受光素子に受光させるとともに、
   前記第１測定エリアと重複した重複エリアを含む第２測定エリアからの前記反射光を、前記第２レンズエレメントを介して、前記受光素子に受光させる、
   測定装置。
2. 請求項１に記載の測定装置であって、
   前記照射部が前記光を照射する前記測定エリア上の位置を制御する制御部を有する、
   測定装置。
3. 請求項２に記載の測定装置であって、
   前記制御部は、前記受光センサの受光素子が前記第１測定エリアの第１位置と前記第２測定エリアの第２位置の光とを受光可能であるとき、前記第１位置及び前記第２位置に同時に光が照射されないように、前記照射部を制御する、
   測定装置。
4. 請求項１～３のいずれかに記載の測定装置であって、
   前記受光センサは、第１受光素子と、第２受光素子とを有し、
   前記第１受光素子は、前記第１レンズエレメントを介して、前記測定エリア上の所定位置の光を受光可能であり、
   前記第２受光素子は、前記第２レンズエレメントを介して、前記測定エリア上の前記所定位置の光を受光可能である、
   測定装置。
5. 請求項４に記載の測定装置であって、
   前記第１受光素子の第１受光結果と、前記第２受光素子の第２受光結果とを取得する制御部を有する、測定装置。
6. 請求項５に記載の測定装置であって、
   前記制御部は、
   前記第１受光結果に基づいて、前記所定位置における対象物までの距離を算出するとともに、
   前記第２受光結果に基づいて、前記所定位置における対象物までの距離を算出する、測定装置。
7. 請求項６に記載の測定装置であって、
   前記制御部は、前記第１受光結果に基づいて算出された前記距離と、前記第２受光結果に基づいて算出された前記距離とに基づいて、異常を検出する、
   測定装置。
8. 請求項５に記載の測定装置であって、
   前記制御部は、
   前記第１受光素子が光を検知した時間を繰り返し計測することによって第１ヒストグラムを生成し、
   前記第２受光素子が光を検知した時間を繰り返し計測することによって第２ヒストグラムを生成し、
   前記第１ヒストグラムと前記第２ヒストグラムとを合わせた第３ヒストグラムを生成し、
   前記第３ヒストグラムのピークに基づいて、光を発光させてから前記反射光を受光するまでの到達時間を検出することによって、前記所定位置における対象物までの距離を算出する、
   測定装置。
9. 請求項５に記載の測定装置であって、
   前記制御部は、
   前記第１受光素子が光を検知した時間と、前記第２受光素子が光を検知した時間とを繰り返し計測することによってヒストグラムを生成し、
   前記ヒストグラムのピークに基づいて、光を発光させてから前記反射光を受光するまでの到達時間を検出することによって、前記所定位置における対象物までの距離を算出する、
   測定装置。
10. 請求項１～９のいずれかに記載の測定装置であって、
    前記受光用光学系は、前記受光センサと前記連結レンズとの間に集光レンズを有する、測定装置。
11. 請求項１０に記載の測定装置であって、
    前記集光レンズの焦点距離をｆ１、
    前記集光レンズの主点から前記受光センサまでの距離をＬ１、
    前記第１方向における前記受光センサの幅の半分の長さをｙ、
    前記第１方向における前記受光用光学系の光軸と前記第１レンズエレメントの光軸との間隔をｔ、
    としたとき、
    ｔ＜ｙ×ｆ１／（ｆ１－Ｌ１）
    である、測定装置。
    
    

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