JP2023179914A - 距離画像撮像装置、及び距離画像撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドット光源を用いて撮像した距離画像の解像度が低下することを抑制する。【解決手段】被写体に光パルスを照射する光源部と、入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子及び前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部を具備する二次元マトリクス状に複数配置された画素回路と、前記光パルスの照射に同期させた蓄積タイミングで前記電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷を振り分けて蓄積させる画素駆動回路と、前記蓄積タイミングでない期間において前記電荷を排出する電荷排出手段を有する受光部と、前記電荷蓄積部の各々に蓄積される電荷量に基づいて前記被写体までの距離を算出する距離演算部と、を備え、前記光パルスは、複数のドット光により構成される構造化光であり、前記複数のドット光のうち少なくとも１つの第１ドット光は、短軸長に対する長軸長の比が閾値以上である楕円形状を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、距離画像撮像装置、及び距離画像撮像方法に関する。

光の速度が既知であることを利用し、空間（測定空間）における光の飛行時間に基づいて測定器と対象物との距離を測定する、タイム・オブ・フライト（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ、以下「ＴＯＦ」という）方式の距離画像撮像装置が実現されている（例えば、特許文献１参照）。このような距離画像撮像装置では、光パルスを照射した時点から被写体に反射した反射光が戻ってくるまでの遅延時間を、反射光を撮像素子に入射させて反射光の光量に応じた電荷を複数の電荷蓄積部に振り分けて蓄積させることによって求め、遅延時間と光速とを用いて被写体までの距離を計算する。

特許第４２３５７２９号公報

ＴＯＦ方式により撮像するシステムにおいて測定可能な最長の距離を決定する要因の一つとして測定用光源のパワー（単位面積当たりの照射強度）が挙げられる。発光素子に流す電流を増やすことで光源出力を増加させることは可能であるが、発光素子に流す電流を増やすと撮像システムの発熱や消費電力増加につながると共に、人体に対するレーザー安全性が低下する問題がある。

上記問題の対策として、通常測距光源として使われている均一拡散光源ではなくドット光源を用いる手段がある。光源素子から放出された光を周期配列したドット光に変換する拡散板を用いることにより光のパワーをドットに集中させることができ、発光素子に流す電流が同じでも、ドット光源を用いる方が、照射面を均一に照射する拡散光を用いた場合より遠距離を測定することが可能になる。

しかしながら、ドット光源を使って測距する場合、ドット光が照射された領域のみ距離を測定でき、ドット間の領域、すなわち被写体に照射光が当たらない領域については距離を測定することができない。このことから、ドット光源を用いて撮像した距離画像は均一拡散光を用いて測定した距離画像より解像度が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記の課題に基づいてなされたものであり、ドット光源を用いて撮像した距離画像の解像度が低下することを抑制することができる距離画像撮像装置、及び距離画像撮像方法を提供することを目的とする。

本発明の距離画像撮像装置は、被写体に光パルスを照射する光源部と、入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子及び前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部を具備する二次元マトリクス状に複数配置された画素回路と、前記光パルスの照射に同期させた蓄積タイミングで前記電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷を振り分けて蓄積させる画素駆動回路と、前記蓄積タイミングでない期間において前記電荷を排出する電荷排出手段を有する受光部と、前記電荷蓄積部の各々に蓄積される電荷量に基づいて前記被写体までの距離を算出する距離演算部と、を備え、前記光パルスは、複数のドット光により構成される構造化光であり、前記複数のドット光のうち少なくとも１つの第１ドット光は、短軸長に対する長軸長の比が閾値以上である楕円形状を有する。

本発明の距離画像撮像装置では、前記第１ドット光の少なくとも一部分と、前記第１ドット光の長軸方向に隣接する他のドット光の少なくとも一部分とが重複する。

本発明の距離画像撮像装置では、前記光源部は、それぞれ独立して前記光パルスを照射することが可能な複数の光源素子を有する。

本発明の距離画像撮像装置では、前記複数の光源素子のうち少なくとも２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向が互いに異なる。

本発明の距離画像撮像装置では、前記複数の光源素子のうち少なくとも２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向が互いに直交する。

本発明の距離画像撮像装置では、前記複数の光源素子のうち少なくとも２つの光源素子からなる第１光源素子群から放射される楕円形状の長軸方向が同じ方向にあるドット光における短軸方向に沿った第１間隔、及び前記第１光源素子群とは異なる少なくとも２つ光源素子からなる第２光源素子群から放射される楕円形状の長軸方向が同じ方向にあるドット光における短軸方向に沿った第２間隔について、前記第１間隔と前記第２間隔とが互いに異なる。

本発明の距離画像撮像装置では、前記複数の光源素子のうち少なくとも２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向が、撮像装置の設置面に対し、垂直方向及び水平方向でない斜め方向である。

本発明の距離画像撮像装置では、前記複数の光源素子のうち２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向のなす角度が撮像装置の設置面に対し４５度もしくは１３５度である。

本発明の距離画像撮像装置では、前記複数の光源素子のうち少なくとも１つは拡散光源である。

本発明の距離画像撮像方法は、被写体に光パルスを照射する光源部と、入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子及び前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部を具備する二次元マトリクス状に複数配置された画素回路と、前記光パルスの照射に同期させた蓄積タイミングで前記電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷を振り分けて蓄積させる画素駆動回路と、前記蓄積タイミングでない期間において前記電荷を排出する電荷排出手段を有する受光部と、前記電荷蓄積部の各々に蓄積される電荷量に基づいて前記被写体までの距離を算出する距離演算部と、を備える距離画像撮像装置が行う距離画像撮像方法であって、前記光パルスは、複数のドット光により構成される構造化光であり、前記複数のドット光のうち少なくとも１つの第１ドット光は、短軸長に対する長軸長の比が閾値以上である楕円形状を有する。

本発明によれば、ドット光源を用いて撮像した距離画像の解像度が低下することを抑制することができる。

実施形態の距離画像撮像装置１の概略構成を示すブロック図である。 実施形態の距離画像センサ３２の概略構成を示すブロック図である。 実施形態の画素３２１の構成の一例を示す回路図である。 実施形態のドット光Ｄｔが被写体ＯＢに照射された例を示す図である。 実施形態のドット光Ｄｔが被写体ＯＢに照射された例を示す図である。 実施形態のドット光Ｄｔが被写体ＯＢに照射された例を示す図である。 実施形態のドット光Ｄｔが被写体ＯＢに照射された例を示す図である。 実施形態のドット光Ｄｔが被写体ＯＢに照射された例を示す図である。

以下、実施形態の距離画像撮像装置を、図面を参照しながら説明する。

図１は、実施形態の距離画像撮像装置の概略構成を示すブロック図である。距離画像撮像装置１は、例えば、光源部２と、受光部３と、距離画像処理部４とを備える。図１には、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象物である被写体ＯＢも併せて示している。

光源部２は、距離画像処理部４からの制御に従って、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象の被写体ＯＢが存在する測定対象の空間に光パルスＰＯを照射する。光源部２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）などの面発光型の半導体レーザーモジュールである。光源部２は、光源装置２１と、拡散板２２とを備える。

光源装置２１は、被写体ＯＢに照射する光パルスＰＯとなる近赤外の波長帯域（例えば、波長が８５０ｎｍ～９４０ｎｍの波長帯域）のレーザー光を発光する光源である。光源装置２１は、例えば、半導体レーザー発光素子である。光源装置２１は、タイミング制御部４１からの制御に応じて、パルス状のレーザー光を発光する。

拡散板２２は、光源装置２１が発光した近赤外の波長帯域のレーザー光を、被写体ＯＢに照射する面の広さに拡散する光学部品である。拡散板２２が拡散したパルス状のレーザー光が、光パルスＰＯとして出射され、被写体ＯＢに照射される。

受光部３は、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象の被写体ＯＢによって反射された光パルスＰＯの反射光ＲＬを受光し、受光した反射光ＲＬに応じた画素信号を出力する。受光部３は、レンズ３１と、距離画像センサ３２とを備える。

レンズ３１は、入射した反射光ＲＬを距離画像センサ３２に導く光学レンズである。レンズ３１は、入射した反射光ＲＬを距離画像センサ３２側に出射して、距離画像センサ３２の受光領域に備えた画素に受光（入射）させる。

距離画像センサ３２は、距離画像撮像装置１に用いられる撮像素子である。距離画像センサ３２は、二次元の受光領域に複数の画素を備える。距離画像センサ３２のそれぞれの画素の中に、１つの光電変換素子と、この１つの光電変換素子に対応する複数の電荷蓄積部と、それぞれの電荷蓄積部に電荷を振り分ける構成要素とが設けられる。つまり、画素は、複数の電荷蓄積部に電荷を振り分けて蓄積させる振り分け構成の撮像素子である。

距離画像センサ３２は、タイミング制御部４１からの制御に応じて、光電変換素子が発生した電荷をそれぞれの電荷蓄積部に振り分ける。また、距離画像センサ３２は、電荷蓄積部に振り分けられた電荷量に応じた画素信号を出力する。距離画像センサ３２には、複数の画素が二次元の行列状に配置されており、それぞれの画素の対応する１フレーム分の画素信号を出力する。

距離画像処理部４は、距離画像撮像装置１を制御し、被写体ＯＢまでの距離を算出する。距離画像処理部４は、タイミング制御部４１と、距離演算部４２と、測定制御部４３とを備える。

タイミング制御部４１は、測定制御部４３の制御に応じて、測定に要する様々な制御信号を出力するタイミングを制御する。ここでの様々な制御信号とは、例えば、光パルスＰＯの照射を制御する信号、反射光ＲＬを複数の電荷蓄積部に振り分けて蓄積させる信号、１フレームあたりの蓄積回数を制御する信号などである。蓄積回数とは、電荷蓄積部ＣＳ（図３参照）に電荷を振り分けて蓄積させる処理を繰返す回数である。この蓄積回数と、電荷を振り分けて蓄積させる処理１回あたりに各電荷蓄積部に電荷を蓄積させる時間幅（蓄積時間幅）の積が露光時間となる。

距離演算部４２は、距離画像センサ３２から出力された画素信号に基づいて、被写体ＯＢまでの距離を演算した距離情報を出力する。距離演算部４２は、複数の電荷蓄積部に蓄積された電荷量に基づいて、光パルスＰＯを照射してから反射光ＲＬを受光するまでの遅延時間を算出する。距離演算部４２は、算出した遅延時間に応じて被写体ＯＢまでの距離を算出する。

測定制御部４３は、タイミング制御部４１を制御する。例えば、測定制御部４３は、１フレームの蓄積回数及び蓄積時間幅を設定し、設定した内容で撮像が行われるようにタイミング制御部４１を制御する。

このような構成によって、距離画像撮像装置１では、光源部２が被写体ＯＢに照射した近赤外の波長帯域の光パルスＰＯが被写体ＯＢによって反射された反射光ＲＬを受光部３が受光し、距離画像処理部４が、被写体ＯＢとの距離を測定した距離情報を出力する。

なお、図１においては、距離画像処理部４を距離画像撮像装置１の内部に備える構成の距離画像撮像装置１を示しているが、距離画像処理部４は、距離画像撮像装置１の外部に備える構成要素であってもよい。

ここで、図２を用いて、距離画像撮像装置１において撮像素子として用いられる距離画像センサ３２の構成について説明する。図２は、実施形態の距離画像撮像装置１に用いられる撮像素子（距離画像センサ３２）の概略構成を示すブロック図である。

図２に示すように、距離画像センサ３２は、例えば、複数の画素３２１が配置された受光領域３２０と、制御回路３２２と、振り分け動作を有した垂直走査回路３２３と、水平走査回路３２４と、画素信号処理回路３２５とを備える。

受光領域３２０は、複数の画素３２１が配置された領域であって、図２では、８行８列に二次元の行列状に配置された例を示している。画素３２１は、受光した光量に相当する電荷を蓄積する。制御回路３２２は、距離画像センサ３２を統括的に制御する。制御回路３２２は、例えば、距離画像処理部４のタイミング制御部４１からの指示に応じて、距離画像センサ３２の構成要素の動作を制御する。なお、距離画像センサ３２に備えた構成要素の制御は、タイミング制御部４１が直接行う構成であってもよく、この場合、制御回路３２２を省略することも可能である。

垂直走査回路３２３は、制御回路３２２からの制御に応じて、受光領域３２０に配置された画素３２１を行ごとに制御する回路である。垂直走査回路３２３は、画素３２１の電荷蓄積部ＣＳそれぞれに蓄積された電荷量に応じた電圧信号を画素信号処理回路３２５に出力させる。この場合、垂直走査回路３２３は、光電変換素子により変換された電荷を画素３２１の電荷蓄積部それぞれに振り分けて蓄積させる。つまり、垂直走査回路３２３は、「画素駆動回路」の一例である。

画素信号処理回路３２５は、制御回路３２２からの制御に応じて、それぞれの列の画素３２１から対応する垂直信号線に出力された電圧信号に対して、予め定めた信号処理（例えば、ノイズ抑圧処理やＡ／Ｄ変換処理など）を行う回路である。

水平走査回路３２４は、制御回路３２２からの制御に応じて、画素信号処理回路３２５から出力される信号を、水平信号線に順次出力させる回路である。これにより、１フレーム分蓄積された電荷量に相当する画素信号が、水平信号線を経由して距離画像処理部４に順次出力される。

以下では、画素信号処理回路３２５がＡ／Ｄ変換処理を行い、画素信号がデジタル信号であるものとして説明する。

ここで、図３を用いて、距離画像センサ３２に備える受光領域３２０内に配置された画素３２１の構成について説明する。図３は、実施形態の距離画像センサ３２の受光領域３２０内に配置された画素３２１の構成の一例を示す回路図である。図３には、受光領域３２０内に配置された複数の画素３２１のうち、１つの画素３２１の構成の一例を示している。画素３２１は、３個の画素信号読み出し部を備えた構成の一例である。

画素３２１は、１個の光電変換素子ＰＤと、ドレインゲートトランジスタＧＤと、対応する出力端子Ｏから電圧信号を出力する３個の画素信号読み出し部ＲＵとを備える。画素信号読み出し部ＲＵのそれぞれは、読み出しゲートトランジスタＧと、フローティングディフュージョンＦＤと、電荷蓄積容量Ｃと、リセットゲートトランジスタＲＴと、ソースフォロアゲートトランジスタＳＦと、選択ゲートトランジスタＳＬとを備える。それぞれの画素信号読み出し部ＲＵでは、フローティングディフュージョンＦＤと電荷蓄積容量Ｃとによって電荷蓄積部ＣＳが構成されている。

なお、図３においては、３個の画素信号読み出し部ＲＵの符号「ＲＵ」の後に、「１」、「２」、または「３」数字を付与することによって、それぞれの画素信号読み出し部ＲＵを区別する。また、同様に、３個の画素信号読み出し部ＲＵに備えたそれぞれの構成要素も、それぞれの画素信号読み出し部ＲＵを表す数字を符号の後に示すことによって、それぞれの構成要素が対応する画素信号読み出し部ＲＵを区別して表す。

図３に示した画素３２１において、出力端子Ｏ１から電圧信号を出力する画素信号読み出し部ＲＵ１は、読み出しゲートトランジスタＧ１と、フローティングディフュージョンＦＤ１と、電荷蓄積容量Ｃ１と、リセットゲートトランジスタＲＴ１と、ソースフォロアゲートトランジスタＳＦ１と、選択ゲートトランジスタＳＬ１とを備える。画素信号読み出し部ＲＵ１では、フローティングディフュージョンＦＤ１と電荷蓄積容量Ｃ１とによって電荷蓄積部ＣＳ１が構成されている。画素信号読み出し部ＲＵ２～ＲＵ３も同様の構成である。

なお、距離画像センサ３２に配置される画素の構成は、図３に示したような、３個の画素信号読み出し部ＲＵを備える構成に限定されるものではなく、複数の画素信号読み出し部ＲＵを備えた構成の画素であればよい。つまり、距離画像センサ３２に配置される画素に備える画素信号読み出し部ＲＵ（電荷蓄積部ＣＳ）の数は、２個であってもよいし、４個以上であってもよい。

また、図３に示した構成の画素３２１では、電荷蓄積部ＣＳを、フローティングディフュージョンＦＤと電荷蓄積容量Ｃとによって構成する一例を示した。しかし、電荷蓄積部ＣＳは、少なくともフローティングディフュージョンＦＤによって構成されればよく、画素３２１が電荷蓄積容量Ｃを備えない構成であってもよい。

また、図３に示した構成の画素３２１では、ドレインゲートトランジスタＧＤを備える構成の一例を示したが、光電変換素子ＰＤに蓄積されている（残っている）電荷を破棄する必要がない場合には、ドレインゲートトランジスタＧＤを備えない構成であってもよい。

光電変換素子ＰＤは、入射した光を光電変換して電荷を発生させ、発生させた電荷を蓄積する埋め込み型のフォトダイオードである。光電変換素子ＰＤの構造は任意であってよい。光電変換素子ＰＤは、例えば、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを接合した構造のＰＮフォトダイオードであってもよいし、Ｐ型半導体とＮ型半導体との間にＩ型半導体を挟んだ構造のＰＩＮフォトダイオードであってもよい。また、光電変換素子ＰＤは、フォトダイオードに限定されるものではなく、例えば、フォトゲート方式の光電変換素子であってもよい。

画素３２１では、光パルスＰＯを照射するタイミングに同期させた蓄積タイミングにおいて入射した光を、光電変換素子ＰＤが電荷に変換し、変換した電荷を３個の電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに振り分けて蓄積させる。また、蓄積タイミング以外のタイミングで画素３２１に入射した光については、光電変換素子ＰＤが変換した電荷をドレインゲートトランジスタＧＤから排出して、電荷蓄積部ＣＳに蓄積させないようにする。このようにして蓄積タイミングにおける電荷の蓄積と、蓄積タイミング以外のタイミングにおける電荷の破棄とが、１フレームに渡って繰り返し行われた後、読出し期間が設けられる。読み出し期間では、水平走査回路３２４により、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに蓄積された、１フレーム分の電荷量に相当する電気信号が、距離演算部４２に出力される。

距離演算部４２は、反射光ＲＬ成分に相当する電荷量が、反射光ＲＬが距離画像撮像装置１に入射されるまでの遅延時間Ｔｄに応じた比率で、２つの電荷蓄積部ＣＳに振り分けて蓄積されることを利用して、以下の（１）により、遅延時間Ｔｄを算出する。距離演算部４２は、（１）式で求めた遅延時間Ｔｄに、光速（速度）を乗算させることにより、被写体Ｓまでの往復の距離を算出する。そして、距離演算部４２は、上記で算出した往復の距離を１／２とすることにより、被写体Ｓまでの距離を求める。なお、（１）式においては、外光成分に相当する電荷量が電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積され、反射光ＲＬ成分に相当する電荷量が電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３に振り分けて蓄積されたことを前提とする。

Ｔｄ＝Ｔｏ×（Ｑ３－Ｑ１）／（Ｑ２＋Ｑ３－２×Ｑ１） …（１）
但し、Ｔｏは光パルスＰＯが照射された期間である。
Ｑ１は電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積された電荷量である。
Ｑ２は電荷蓄積部ＣＳ２に蓄積された電荷量である。
Ｑ３は電荷蓄積部ＣＳ３に蓄積された電荷量である。

本実施形態では光源部２が照射する光源に、ドット光を用いる。ドット光源は、例えば、周期的に配列された複数のドット光により構成される構造化光である。

ドット光源を用いることにより、被写体ＯＢに対し、均一でない局所的な光パルスＰＯが照射される。ドット光を用いることにより、光源出力を増加させることなく、照射する光のパワー（単位面積当たりの照射強度）を増大させることができ、照射光の到達距離を大きくして測定可能な距離を大きくすることが可能となる。一方、ドット光源を用いた場合、ドット光が照射されない領域については距離を測定することができず、解像度が小さくなるという問題があった。

この対策として、本実施形態では、光パルスＰＯとして楕円形状を有するドット光を用いるようにした。例えば、光源部２は、それぞれ独立して、光パルスＰＯ（楕円形状を有するドット光）を照射することが可能な複数の光源素子を有する。

図４は、実施形態におけるドット光の例を示す図である。図４には、距離画像撮像装置１が被写体ＯＢに光パルスＰＯとしてのドット光Ｄｔを照射した様子が模式的に示されている。図４に示すように、ドット光Ｄｔは、短軸長ＳＡに対する長軸長ＬＡの比が閾値以上である楕円形状を有する。ここでの閾値は任意に設定されてよい。例えば、ドット光源の形状は、短軸長ＳＡに対する長軸長ＬＡの比が２以上である楕円形状である。このように、本実施形態では楕円形状を有するドット光Ｄｔを用いることによって、円形状のドット光Ｄｔを用いる場合より被写体ＯＢにおいて光が照射されない領域を少なくすることができる。したがって、解像度の低下を抑制することが可能となる。

以下、ドット光Ｄｔのバリエーションについて、図５～図８を用いて説明する。図５～図８は、第１の実施形態におけるドット光の他の例を示す図である。

図５には、ドット光Ｄｔの一部を、他のドット光Ｄｔの一部と重複させた様子が示されている。このように、本実施形態においてドット光Ｄｔ１の少なくとも一部分と、ドット光Ｄｔ１の長軸方向に隣接する他のドット光Ｄｔ２の少なくとも一部分と、が重複するように構成されてもよい。これにより、被写体ＯＢにおいて光が照射されない領域をより少なくすることができる。

なお、図５では、長軸方向に沿って重複する場合を例示して説明したが、短軸方向に重複させてもよい。また、長軸及び短軸方向に対して斜め方向に設定した任意の軸方向に重複させるように構成されてもよい。ドット光Ｄｔの少なくとも一部を、他のドット光Ｄｔと重複させることにより、光が照射されない領域を少なくすることができ、上述した効果と同様の効果を奏することができる。

図５に示すように、複数のドット光Ｄｔを長軸方向に沿って重複するように光を照射させることによって、光パルスＰＯを線状の光にすることができる。以下の説明においては、このように複数のドット光Ｄｔを長軸方向に沿って重複するように照射させた光を「ライン光Ｌ」と称する。なお、本実施形態におけるドット光源に代えて、或いは、ドット光源と共に、ライン光源を用いてもよい。

図６には、複数のライン光Ｌを交差させた様子が示されている。このように、本実施形態において複数のライン光Ｌが互いに異なる方向を示すように構成されてもよい。すなわち、楕円形状のドット光Ｄｔにおける長軸方向が互いに異なるように構成されてもよい。これにより、被写体ＯＢに対し網目状に光を照射させることができ、被写体ＯＢにおいて光が照射されない領域をより少なくすることができる。

また、全てのライン光の方向を平行とした場合には何等かの原因により光が重なってしまうと被写体ＯＢに対し光を照射する領域が狭まってしまう可能性があるが、ライン光Ｌの互いの方向を異なる方向とすることにより、交差点を除き、ライン光Ｌの互いの光が重ならないようにすることができる。したがって、被写体ＯＢにおいて光が照射される領域が狭まらないようにすることができる。

図６では、ライン光Ｌ１～Ｌ６からなるグループと、ライン光Ｌ７～Ｌ１２からなるグループの各々におけるライン光の方向が互いに直交する、つまり９０度である例が示されている。このように、複数の光源素子のうち、少なくとも２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光Ｄｔにおける長軸方向が互いに直交するように構成されてもよい。

なお、二つのライン光Ｌのなす角度が９０度である構成に限定されることはなく、少なくとも二つのライン光Ｌの方向が異なっていればよい。すなわち、二つのライン光Ｌのなす角度が、０度より大きく、且つ、９０度以下であればよい。

図７には、平行なライン光Ｌにおいて、ライン光Ｌ間の距離が異なる様子が示されている。例えば、ライン光Ｌ１０１からライン光Ｌ１０２までの距離Ｋ１と、ライン光Ｌ１０３からライン光Ｌ１０４までの距離Ｋ２において、距離Ｋ１とＫ２の大きさが異なる。

このように、本実施形態において縦方向と横方向とでライン光Ｌの間隔が異なるように構成されてもよい。すなわち、複数の光源素子のうち、少なくとも２つの光源素子からなる第１光源素子群から放射される長軸方向が同じ方向にある楕円形状のドット光Ｄｔにおける短軸方向に沿った第１間隔、及び第１光源素子群とは異なる少なくとも２つ光源素子からなる第２光源素子群から放射される長軸方向が同じ方向にある楕円形状のドット光Ｄｔにおける短軸方向に沿った第２間隔について、前記第1間隔と前記第２間隔とが互いに異なるように構成されてもよい。これにより、被写体ＯＢにおいて、細かく距離を測定する領域と、粗く距離を測定する部分とを区分した測定を行うことが可能となる。

例えば、横方向に動く被写体ＯＢを測定対象とする場合、横方向については距離測定の解像度を大きくし、縦方向については解像度を小さくすることが考えられる。このような場合、縦方向に沿うライン光Ｌの間隔を狭くし、横方向に沿うライン光Ｌの間隔を広げるように光を照射する。これにより、細かい間隔で距離を測定したい領域を高い分解能で測定することが可能となる。

なお、縦方向に沿うライン光Ｌ群の間隔、或いは縦方向に沿うライン光Ｌ群の間隔を異なる間隔、つまり等間隔とならないように構成してもよい。例えば、背の低い被写体を測距する場合などにおいて、上部の解像度を低く、中央部分から下部にかけての解像度を高くして測定するようなケースに適用することができる。この場合、横方向に沿うライン光Ｌのうち、上部についてはライン光Ｌの間隔を広げ、中央部分から下部にかけてはライン光Ｌの間隔を狭めるように光を照射する。これにより、被写体ＯＢが存在する領域を高い分解能で測定することが可能となる。

図８には、距離画像撮像装置１の設置面（地面）に対して垂直方向（鉛直方向）、及び水平方向とは異なる斜め方向にライン光Ｌを照射させた様子が示されている。例えば、ライン光Ｌ２０１とｘ軸方向（水平方向）に沿う線分Ａｘとのなす角度は１３５度である。また、ライン光Ｌ２０２と線分Ａｘとのなす角度は４５度である。

このように、本実施形態において、ライン光Ｌが地面に対して斜めとなる方向を示すように構成されてもよい。すなわち、複数の光源素子のうち２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向のなす角度が撮像装置の設置面に対し４５度もしくは１３５度である。

このように、本実施形態においてライン光Ｌが地面に対して斜め方向を示すように構成されてもよい。すなわち、複数の光源素子のうち、２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光Ｄｔにおける長軸方向が、距離画像撮像装置１の設置面に対し、垂直方向及び水平方向でない斜め方向であるように構成されてもよい。

地面に対して垂直なライン光Ｌと水平なライン光Ｌとを、光源に拡散板を組み合わせて実現させようとすると、水平方向と垂直方向とでＦＯＩ（Field of Illumination、照明野）が同じでない場合には垂直用と水平用とで個別の拡散板が必要となる。これに対し、斜め方向にある２つのライン光Ｌを直交させる場合、斜め方向にライン光Ｌを照射する同じ設計の拡散板を２つ用意し、互いに上下が逆になるように実装すれば、斜め方向にある２つのライン光Ｌを直交させることができる。したがって、斜め方向に直行させることにより、水平方向及び垂直方向に直行させるよりも光源部２に係る装置コストを抑制することが可能となる。

また、本実施形態において、ドット光Ｄｔに加えて、均一拡散光源素子を併用する構成であってもよい。均一拡散光源素子とは、照射面に対し均一な光を照射させる光源素子である。均一拡散光源素子を用いることによって被写体ＯＢに均一な光を照射させることが可能となる。

これにより、本実施形態の距離画像撮像装置１では、被写体ＯＢまでの距離に応じて光源を使い分けることができる。例えば、近距離、つまり比較的近い位置に存在する被写体ＯＢまでの距離を測定する場合には均一拡散光源を用いる。これにより、近くに被写体ＯＢが存在しており、ドット光Ｄｔを用いなくとも十分な光量を被写体ＯＢに照射することが可能である場合には、わざわざドット光Ｄｔを用いて分解能を低下させることなく、均一拡散光源素子を用いて高い分解能にて距離を測定することができる。一方、遠距離、つまり比較的遠い位置に存在する被写体ＯＢまでの距離を測定する場合にはドット光源を用いる。これにより、遠くに被写体ＯＢが存在する場合であっても、ドット光Ｄｔを用いて反射光ＲＬの光量が大きくなるようにし、且つ、被写体ＯＢにおいて光が照射されない領域をなるべく少なくなるようにドット光Ｄｔの形状を楕円として、分解能の低下が抑制されるようにして距離を測定することができる。したがって、被写体ＯＢまでの距離に応じた測定状況によりドット光と拡散光源を使い分けすることができ、近距離及び遠距離の何れの場合においても、解像度の低下を抑制することができる。

以上説明したように、実施形態の距離画像撮像装置１では、光パルスＰＯは、複数のドット光Ｄｔにより構成される構造化光である。複数のドット光Ｄｔのうち少なくとも１つのドット光Ｄｔ（第１ドット光）は、短軸長に対する長軸長の比が閾値以上である楕円形状を有する。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、ドット光Ｄｔを用いて照射する光のパワーを局所的に大きくしつつ、被写体ＯＢにおいて光が照射されない領域を減少させることが可能となる。したがって、ドット光源を用いて撮像した距離画像の解像度が低下することを抑制することができる。

また、実施形態の距離画像撮像装置１では、複数のドット光Ｄｔのうち少なくとも１つのドット光Ｄｔ１（第１ドット光）の少なくとも一部分と、ドット光Ｄｔ１の長軸方向に隣接する他のドット光Ｄｔ２の少なくとも一部分とが重複する。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、被写体ＯＢにおいて光が照射されない領域をさらに減少させることが可能となる。

また、実施形態の距離画像撮像装置１では、光源部２は、それぞれ独立して光パルスＰＯを照射することが可能な複数の光源素子を有する。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、複数の光源素子のそれぞれを用いて楕円形状のドット光を照射させることができ、照射させるドット光の位置や向きを設定する自由度を高めることができる。

また、実施形態の距離画像撮像装置１では、複数の光源素子のうち、少なくとも２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向が互いに異なる。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、被写体ＯＢに対して交差するようなライン光Ｌを用いて、被写体ＯＢに網目状に光を照射させることができ、被写体ＯＢにおいて網羅的に光が照射されない領域を減少させることが可能となる。

また、実施形態の距離画像撮像装置１では、複数の光源素子のうち、少なくとも２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向が互いに直交する。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、被写体ＯＢに対して格子状に光を照射させることができ、上述した効果と同様の効果を奏する。

また、実施形態の距離画像撮像装置１では、距離Ｋ１とＫ２とが異なる。距離Ｋ１は、ライン光Ｌ１０１からライン光Ｌ１０２までの距離であり、「第１間隔」の一例である。距離Ｋ２は、ライン光Ｌ１０３からライン光Ｌ１０４までの距離であり、「第２間隔」の一例である。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、横方向或いは縦方向において異なる解像度とする測定を行うことができ、例えば、横方向に動く被写体ＯＢを測定対象とする場合において、横方向の動きに応じて変化する距離を高い分解能で測定することが可能となる。

また、実施形態の距離画像撮像装置１では、複数の光源素子のうち、少なくとも３つの光源素子から放射される長軸方向が同じ方向にある楕円形状のドット光における短軸方向に沿った間隔が互いに異なる。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、被写体が存在する領域に応じた分解能で測定を行うことができ、例えば、背の低い被写体ＯＢを測定対象とする場合において、上部の被写体ＯＢが存在しない領域を低い分解能で測定し、中央から下の被写体ＯＢが存在する領域を高い分解能で測定することが可能となる。

また、実施形態の距離画像撮像装置１では、複数の光源素子のうち、少なくとも２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向が、撮像装置の設置面に対し、垂直方向及び水平方向でない斜め方向である。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、斜め方向にライン光Ｌを照射する２つ拡散板を、互いに上下が逆になるように実装させることにより、このようなライン光を実現させることができ、垂直用と水平用とで個別の拡散板を用いる場合よりも装置コストを抑えることが可能となる。

また、実施形態の距離画像撮像装置１では、複数の光源素子のうち、少なくとも２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向のなす角度のそれぞれが撮像装置の設置面に対し４５度又は１３５度である。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、地面に対して斜め方向に、かつ左右上下対象にライン光を照射させることができ、上述した効果と同様の効果を奏する。

また、実施形態の距離画像撮像装置１では、複数の光源素子のうち、少なくとも１つは拡散光源である。これにより、実施形態の距離画像撮像装置１では、被写体ＯＢまでの距離に応じた測定状況によりドット光と拡散光源を使い分けすることができ、近距離及び遠距離の何れの場合においても、解像度の低下を抑制することができる。

上述した実施形態における距離画像撮像装置１、距離画像処理部４の全部または一部をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１…距離画像撮像装置
２…光源部
３…受光部
３２…距離画像センサ
３２１…画素
４２…距離演算部
ＣＳ…電荷蓄積部
ＰＯ…光パルス
ＲＬ…反射光
Ｄｔ…ドット光
Ｌ…ライン光

Claims (10)

1. 被写体に光パルスを照射する光源部と、
   入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子及び前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部を具備する二次元マトリクス状に複数配置された画素回路と、前記光パルスの照射に同期させた蓄積タイミングで前記電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷を振り分けて蓄積させる画素駆動回路と、前記蓄積タイミングでない期間において前記電荷を排出する電荷排出手段を有する受光部と、
   前記電荷蓄積部の各々に蓄積される電荷量に基づいて前記被写体までの距離を算出する距離演算部と、
   を備え、
   前記光パルスは、複数のドット光により構成される構造化光であり、
   前記複数のドット光のうち少なくとも１つの第１ドット光は、短軸長に対する長軸長の比が閾値以上である楕円形状を有する、
   距離画像撮像装置。
2. 前記第１ドット光の少なくとも一部分と、前記第１ドット光の長軸方向に隣接する他のドット光の少なくとも一部分とが重複する、
   請求項１に記載の距離画像撮像装置。
3. 前記光源部は、それぞれ独立して前記光パルスを照射することが可能な複数の光源素子を有する、
   請求項１に記載の距離画像撮像装置。
4. 前記複数の光源素子のうち少なくとも２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向が互いに異なる、
   請求項３に記載の距離画像撮像装置。
5. 前記複数の光源素子のうち少なくとも２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向が互いに直交する、
   請求項４に記載の距離画像撮像装置。
6. 前記複数の光源素子のうち少なくとも２つの光源素子からなる第１光源素子群から放射される楕円形状の長軸方向が同じ方向にあるドット光における短軸方向に沿った第１間隔、及び前記第１光源素子群とは異なる少なくとも２つ光源素子からなる第２光源素子群から放射される楕円形状の長軸方向が同じ方向にあるドット光における短軸方向に沿った第２間隔について、前記第１間隔と前記第２間隔とが互いに異なる、
   請求項５に記載の距離画像撮像装置。
7. 前記複数の光源素子のうち少なくとも２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向が、撮像装置の設置面に対し、垂直方向及び水平方向でない斜め方向である、
   請求項５に記載の距離画像撮像装置。
8. 前記複数の光源素子のうち２つの光源素子から放射される楕円形状のドット光における長軸方向のなす角度が撮像装置の設置面に対し４５度もしくは１３５度である、
   請求項７に記載の距離画像撮像装置。
9. 前記複数の光源素子のうち少なくとも１つは拡散光源である、
   請求項３に記載の距離画像撮像装置。
10. 被写体に光パルスを照射する光源部と、入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子及び前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部を具備する二次元マトリクス状に複数配置された画素回路と、前記光パルスの照射に同期させた蓄積タイミングで前記電荷蓄積部のそれぞれに前記電荷を振り分けて蓄積させる画素駆動回路と、前記蓄積タイミングでない期間において前記電荷を排出する電荷排出手段を有する受光部と、前記電荷蓄積部の各々に蓄積される電荷量に基づいて前記被写体までの距離を算出する距離演算部と、を備える距離画像撮像装置が行う距離画像撮像方法であって、
    前記光パルスは、複数のドット光により構成される構造化光であり、
    前記複数のドット光のうち少なくとも１つの第１ドット光は、短軸長に対する長軸長の比が閾値以上である楕円形状を有する、
    距離画像撮像方法。

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