JP2024021708A - 距離計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】距離計測に関して、遠距離での距離分解能を低下させることなく、近距離での距離分解能を高め得る。【解決手段】制御部は、全ての投光素子からそれぞれ同じ第１発光タイミングＴ１ｆで第１発光パルスＰ１ｆを発光させた後に、投光素子を特定可能に少なくとも一部の他の投光素子と異なる第２発光タイミングＴ２ｆで第２発光パルスＰ２ｆを発光させるように投光部を制御し、受光素子ごとに、第１パルス応答時間ΔＴ１に基づいてＴＯＦ計測したＴＯＦ計測距離と、第２パルス応答時間ΔＴ２が第１発光タイミングＴ１ｆとの時間差に等しくなる第２発光タイミングＴ２ｆから特定される投光素子と受光素子との紐付けによりステレオ計測したステレオ計測距離とのうち、計測距離が所定の距離閾値以上になる場合に、ＴＯＦ計測距離を計測距離結果として出力し、計測距離が所定の距離閾値未満になる場合に、ステレオ計測距離を計測距離結果として出力する。【選択図】図７

Description

本発明は、計測対象から受光した反射光を利用して計測対象までの距離を計測する距離計測装置に関するものである。

従来、計測対象領域内の物体から受光した反射光を利用してその物体までの距離を計測する装置として、その物体に照射した光の反射光を検出したタイミング、すなわち、物体までを往復する光の飛行時間（ＴＯＦ：Time of Flight）を利用する光学式の距離計測装置が採用されている。このような光学式の距離計測装置に関する技術として、例えば、下記特許文献１に開示される光学式測距センサが知られている。この光学式測距センサでは、受光素子としてＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）が採用されており、複数のＳＰＡＤからそれぞれ出力される出力信号を合計した合成信号が所定の閾値以上になるタイミングで検出信号が生成されて、この生成タイミングと検出開始タイミングとの間の測定期間が計測される。そして、合成信号が増加するタイミング情報をさらに考慮して、１回の投受光において複数のＳＰＡＤが反応した複数のタイミングを得ることで、光学式測距センサにおける光検出精度の向上を図っている。

特開２０１９－１５８７３７号公報

ところで、複数のＳＰＡＤを使ったＴＯＦ計測方式では、光の飛来速度に基づいて距離を計算する必要があるが、その光の飛来速度は十分に高速なため、例えば、サンプリング間隔を１ＧＨｚとしたとしても、片道１５ｃｍ程度の距離計測精度が原理的に限度となる。また、研究レベルにおけるＳＰＡＤ単体でのサンプリングでは、より高速なサンプリング周波数の適用が可能（カスタム）であっても、例えば、アレイ状に配置した複数のＳＰＡＤでは、同様の高サンプリング周波数化が困難になる。そのため、複数のＳＰＡＤが採用されるＴＯＦ計測方式の測距センサでは、サンプリング周波数制約が距離分解能を決定する主要因になり、計測距離の遠近に関わらず距離分解能が一定となる一方で、近距離での距離分解能を向上させることが困難という問題がある。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、距離計測に関して遠距離での距離分解能を低下させることなく近距離での距離分解能を高め得る構成を提供することにある。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、
所定の計測対象領域に対して個別に所定の発光パルスを投光可能な投光素子が複数配置される投光部（２０，２１）と、
複数の受光素子を備えて、複数の前記発光パルスが前記対象領域内の物体で反射した反射光をそれぞれ受光パルスとして受光する受光部（３０，３１）と、
前記投光部を制御する制御部（１１）と、
前記受光部により受光された複数の受光パルスに基づいて前記計測対象領域内での距離計測を行う計測部（４０）と、
を備える距離計測装置（１０）であって、
前記制御部は、全ての前記投光素子からそれぞれ同じ第１発光タイミングで第１発光パルスを発光させた後に、当該投光素子を特定可能に少なくとも一部の他の投光素子と異なる第２発光タイミングで第２発光パルスを発光させるように前記投光部を制御し、
前記第１発光タイミングと前記第１発光パルスに応じて生じた受光パルスを受光した第１受光タイミングとの時間差を第１パルス応答時間（ΔＴ１）、前記第１受光タイミングと前記第２発光パルスに応じて生じた受光パルスを受光した第２受光タイミングとの時間差を第２パルス応答時間（ΔＴ２）とするとき、
前記計測部は、前記受光素子ごとに、前記第１パルス応答時間に基づいてＴＯＦ計測したＴＯＦ計測距離と、前記第２パルス応答時間が前記第１発光タイミングとの時間差に等しくなる前記第２発光タイミングから特定される前記投光素子と当該受光素子との紐付けにより算出される投光角（α）及び受光角（β）に基づいてステレオ計測したステレオ計測距離とのうち、計測距離が所定の距離閾値（Ｚｔｈ）以上になる場合に、前記ＴＯＦ計測距離を計測距離結果として出力し、計測距離が前記所定の距離閾値未満になる場合に、前記ステレオ計測距離を計測距離結果として出力することを特徴とする。
なお、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

請求項１の発明では、制御部は、全ての投光素子からそれぞれ同じ第１発光タイミングで第１発光パルスを発光させた後に、当該投光素子を特定可能に少なくとも一部の他の投光素子と異なる第２発光タイミングで第２発光パルスを発光させるように投光部を制御する。計測部は、受光素子ごとに、第１パルス応答時間に基づいてＴＯＦ計測したＴＯＦ計測距離と、第２パルス応答時間が第１発光タイミングとの時間差に等しくなる第２発光タイミングから特定される投光素子と当該受光素子との紐付けにより算出される投光角及び受光角に基づいてステレオ計測したステレオ計測距離とのうち、計測距離が所定の距離閾値以上になる場合に、ＴＯＦ計測距離を計測距離結果として出力し、計測距離が所定の距離閾値未満になる場合に、ステレオ計測距離を計測距離結果として出力する。

これにより、計測距離が所定の距離閾値未満になる場合、すなわち、近距離では、近距離ほど距離分解能が高くなるステレオ計測での計測距離結果が出力され、計測距離が所定の距離閾値以上になる場合、すなわち、遠距離では、遠距離でも距離分解能が低下しないＴＯＦ計測での計測距離結果が出力される。特に、投光部から投光される第１発光パルス及び第２発光パルスの受光部での受光タイミングを利用するため、ＴＯＦ計測用の投受光部とステレオ計測用の投受光部とを個別に設けることなく、１つの投光部と１つの受光部とでＴＯＦ計測とステレオ計測とを実施することができる。したがって、距離計測に関して遠距離での距離分解能を低下させることなく近距離での距離分解能を高め得る距離計測装置を、一組の投光部及び受光部で実現することができる。

請求項２の発明では、受光素子は、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）であり、ＳＰＡＤは、応答特性が高く画素サイズを小さくできるので、距離計測に関する距離分解能を更に高めてその計測精度を向上させることができる。

請求項３の発明では、計測部は、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が所定の距離差以上となる受光素子について計測結果を出力しない。

ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離とが大きく異なる場合、少なくともいずれか一方が計測中のノイズ等の影響によって誤った計測距離となっている可能性が高い。このため、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が所定の距離差以上となる受光素子については、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離とが大きく異なっているとして、いずれの計測距離も出力しないことで、誤った計測距離結果の出力を抑制することができる。

請求項４の発明では、計測部は、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差に関する情報を計測距離結果の信憑性に関する情報として受光素子ごとに出力する。

ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が小さい場合には、それぞれ正しく計測が行われており、信憑性の高い計測距離結果が出力されている可能性が高く、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が大きい場合には、少なくともいずれか一方が計測中のノイズ等の影響によって誤った計測距離となっているために、信憑性の低い計測距離結果が出力されている可能性が高い。すなわち、両者の差をその両者の一方である計測距離結果の信憑性として利用することができる。このため、計測距離結果をその信憑性に関する情報（ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差に関する情報）とともに取得した出力先では、例えば、信憑性の高い計測距離結果のみを利用できるなど、計測距離結果の利用価値を高めることができる。

第１実施形態に係る距離計測装置の概略構成を示すブロック図である。 図１のＶＣＳＥＬアレイの概略構成を説明する説明図である。 ＴＯＦ計測方式による距離計測を説明する説明図である。 ステレオ計測方式による距離計測を説明する説明図である。 ＴＯＦ計測方式とステレオ計測方式とについて計測距離と距離分解能との関係を説明する説明図である。 ステレオ計測方式における近距離での計測精度を説明する説明図である。 第１発光タイミング及び第２発光タイミングと第１受光タイミング及び第２受光タイミングと第１パルス応答時間及び第２パルス応答時間との関係を説明する説明図であり、図７（Ａ）は、投光素子Ｖ１１での発光タイミングを示し、図７（Ｂ）は、投光素子Ｖ１２での発光タイミングを示し、図７（Ｃ）は、投光素子Ｖ１１の発光による反射光を受光した受光タイミング等を示し、図７（Ｄ）は、投光素子Ｖ１２の発光による反射光を受光した受光タイミング等を示し、図７（Ｅ）は、図７（Ｃ）よりも遠距離の測距点について投光素子Ｖ１１の発光による反射光を受光した受光タイミング等を示し、図７（Ｆ）は、図７（Ｄ）よりも遠距離の測距点について投光素子Ｖ１２の発光による反射光を受光した受光タイミング等を示す。 計測部によりなされる計測処理等の流れを例示するフローチャートである。

［第１実施形態］
以下、本発明の距離計測装置を具現化した第１実施形態について、図面を参照して説明する。
本実施形態に係る距離計測装置１０は、所定の計測対象領域内での物体までの距離をＴＯＦ計測方式によるＴＯＦ計測距離結果及びステレオ計測方式によるステレオ計測距離結果を利用して計測する装置である。この距離計測装置１０は、図１に示すように、全体制御を司る制御部１１と、所定の計測対象領域に対して所定の発光パルスを投光する投光部２０と、対象領域内の物体で反射した反射光を受光する受光部３０と、受光部３０により受光された受光パルスに基づいて計測対象領域内での物体までの距離計測を行う計測部４０と、を備えるように構成されている。

制御部１１は、マイコンを主体として構成されるものであり、ＣＰＵ、システムバス、入出力インタフェース等を有し、ＲＯＭ，ＲＡＭ、不揮発性メモリなどからなる記憶部とともに情報処理装置を構成している。記憶部には、投光部２０及び計測部４０の制御に関するプログラムや計測部４０による計測結果を利用した制御処理を実行するためのプログラム等が制御部１１により実行可能に予め格納されている。

投光部２０は、ＶＣＳＥＬアレイ２１と、制御部１１からの発光指示に応じてＶＣＳＥＬアレイ２１の各投光素子を制御する光源制御部２２とを備えている。ＶＣＳＥＬアレイ２１は、図２に示すように、投光素子（Ｖ１１～Ｖｍｎ）である複数の垂直共振器型面発光レーザがアレイ状に配置されてなるもので、光源制御部２２により制御されて投光素子ごとに所定のタイミングにて発光パルスを投光可能に構成されている。

受光部３０は、ＳＰＡＤアレイ３１と、ＳＰＡＤアレイ３１からの出力信号を処理して計測部４０に出力する信号処理部３２とを備えている。ＳＰＡＤアレイ３１は、応答特性が高く画素サイズを小さくできる受光素子として採用される複数のＳＰＡＤが、ＶＣＳＥＬアレイ２１の各投光素子と同様に、アレイ状に配置されて構成される。このように構成されるＳＰＡＤアレイ３１は、投光部２０から投光された発光パルスが対象領域内の物体で反射した反射光を受光パルスとして各ＳＰＡＤにて受光するように配置されている。信号処理部３２は、各ＳＰＡＤが受光パルスを受光したタイミングでそれぞれ出力されるパルス信号を処理して計測部４０に出力するように構成されている。

計測部４０は、制御部１１から投光部２０に対して指示した発光指示のタイミングに関する情報（以下、発光タイミング情報ともいう）を制御部１１から受信するとともに、受光部３０の信号処理部３２からＳＰＡＤごとのパルス信号を受信することで、所定の計測対象領域内での物体までの距離を計測するための計測処理を行う。

本実施形態において計測部４０にてなされる計測処理では、所定の計測対象領域内での物体までの距離が、ＴＯＦ計測方式によるＴＯＦ計測距離結果とステレオ計測方式によるステレオ計測距離結果とを利用して計測される。

ＴＯＦ計測方式では、図３に示すように、投光素子にて発光パルスを発光させた発光タイミングとその発光パルスに応じて生じた反射光である受光パルスを受光素子にて受光した受光タイミングとの時間差（以下、第１パルス応答時間ΔＴ１ともいう）に応じて、受光素子ごとに距離（ＴＯＦ計測距離）が計測される。なお、ＴＯＦ計測方式では、距離計測に関する距離分解能は、受光部３０のサンプリング時間性能に依存することになり、図５の実線Ｄ１にて示すように、計測距離Ｚの遠近に関わらず距離分解能が一定となる。

ステレオ計測方式（アクティブステレオ計測方式）では、図４に示すように、受光素子にて受光した受光パルスに対応する発光パルスを発光させた投光素子を特定して紐付けることで投光角α及び受光角βを算出し、これら投光角α及び受光角βと設計的に既知である視差とに基づいて三角測量により、物体（測距点）までの距離（ステレオ計測距離）が計測される。そのため、ステレオ計測方式では、基本的に、受光部３０や投光部２０の設計パラメタ（画素数や画素サイズ、１画素あたりの投影視野・受光視野等）や計測距離Ｚにより、距離計測に関する距離分解能が規定され、図５の破線Ｄ２にて例示するように、近距離ほど距離分解能が高くなる。なお、図４では、便宜上、レンズ等の光学系の図示を省略している。

例えば、投光視野（水平）が９０°で水平素子数が２００のＶＣＳＥＬアレイ２１と、受光視野（水平）が９０°で水平素子数が２００のＳＰＡＤアレイ３１とで、水平方向の視差が１５ｃｍである場合に、ステレオ計測方式について距離１ｍ地点での距離分解能は、以下のように計算される。

投光視野（水平）が９０°に対して水平素子数が２００であるため、投光光線の精度は、０．４５°となる。また、受光視野（水平）が９０°に対して水平素子数が２００であるため、受光光線の精度は、０．４５°となる。そして、図６に例示するように、投光素子と受光素子との上記水平方向での中央に相当する測距点１ｍを考えると、視差１５ｃｍなので、三平方の定理より、投光角αは、以下のように算出される。
α＝ｔａｎ^－１（１／０．０７５）＝８５．７°
そうすると、距離Ｚｍａｘは、投光角α＝８５．７°＋（０．４５°／２）での距離になるので、三平方の定理より、距離Ｚｍａｘ＝１．０５ｍとして算出される。同様に、距離Ｚｍｉｎは、投光角α＝８５．７°－（０．４５°／２）での距離になるので、三平方の定理より、距離Ｚｍｉｎ＝０．９５ｍとして算出される。そうすると、距離精度（距離Ｚｍａｘ－距離Ｚｍｉｎ）は、１０ｃｍ程度となり、上述した１ＧＨｚで高速サンプリングしたＴＯＦ計測方式での計測精度１５ｃｍ程度よりも高い計測精度になり、近距離ほどさらに高い計測精度になることがわかる。

このため、本実施形態では、制御部１１により投光部２０を制御することで、ＶＣＳＥＬアレイ２１における全ての投光素子からそれぞれ同じ第１発光タイミングで第１発光パルスを発光させた後に、全ての投光素子について当該投光素子を特定可能に少なくとも一部の他の投光素子と異なる第２発光タイミングで第２発光パルスを発光させる。第１発光パルスは、ＴＯＦ計測するための発光パルスであり、第２発光パルスは、ステレオ計測するための発光パルスである。

具体的には、例えば、全投光素子（Ｖ１１～Ｖｍｎ）からそれぞれ同じ第１発光タイミングで第１発光パルスを発光させてから所定の時間経過後に、まず、一列目の投光素子（Ｖ１１、Ｖ２１、Ｖ３１・・・Ｖｍ１）で第２発光パルスを発光させる。この一列目の投光素子の発光から既定時間（例えば、１０ｎｓ）経過後に、二列目の投光素子（Ｖ１２、Ｖ２２、Ｖ３２・・・Ｖｍ２）で第２発光パルスを発光させる。続いて、二列目の投光素子の発光から上記既定時間経過後に、三列目の投光素子（Ｖ１３、Ｖ２３、Ｖ３３・・・Ｖｍ３）で第２発光パルスを発光させる。このように、列ごとに発光タイミング（第２発光タイミング）を既定時間単位でずらすようにして、全投光素子について第２発光パルスを発光させる。

上述のように、ＶＣＳＥＬアレイ２１の列単位（所定の発光グループ単位）で第２発光タイミングをずらすことで、受光部３０の信号処理部３２から計測部４０に出力される出力信号のタイミングを利用して、受光素子にて受光した受光パルスに対応する発光パルスを発光させた投光素子を特定することができる。

例えば、図７（Ａ）に例示するように、投光素子Ｖ１１から第１発光タイミングＴ１ｆで第１発光パルスＰ１ｆ（１１）が発光された後に第２発光タイミングＴ２ｆ（１）で第２発光パルスＰ２ｆ（１１）が発光され、図７（Ｂ）に例示するように、投光素子Ｖ１２から投光素子Ｖ１１と同じ第１発光タイミングＴ１ｆで第１発光パルスＰ１ｆ（１２）が発光された後であって上記第２発光タイミングＴ２ｆ（１）から上記既定時間経過後の第２発光タイミングＴ２ｆ（２）で第２発光パルスＰ２ｆ（１２）が発光される場合を想定する。

この場合、上記第１発光パルスＰ１ｆ（１１）及び第２発光パルスＰ２ｆ（１１）の反射光が受光される受光素子では、図７（Ｃ）に示すように、第１発光タイミングＴ１ｆから計測距離に応じて遅れた受光タイミング（以下、第１受光タイミングともいう）Ｔ１ｒ（１）で、第１発光パルスＰ１ｆ（１１）の反射光として第１受光パルスＰ１ｒ（１１）が受光される。第１発光タイミングＴ１ｆと第１受光タイミングＴ１ｒ（１）との時間差が第１パルス応答時間ΔＴ１（１）となる。

その後、同じ受光素子では、図７（Ｃ）に示すように、第１受光タイミングＴ１ｒ（１）の後に第２受光タイミングＴ２ｒ（１）で、第２発光パルスＰ２ｆ（１１）の反射光として第２受光パルスＰ２ｒ（１１）が受光される。第１受光タイミングＴ１ｒ（１）と第２受光タイミングＴ２ｒ（１）との時間差（以下、第２パルス応答時間ΔＴ２ともいう）は、第１発光タイミングＴ１ｆ（１）と第２発光タイミングＴ２ｆ（１）との時間差に等しくなる。

また、上記第１発光パルスＰ１ｆ（１２）及び第２発光パルスＰ２ｆ（１２）の反射光が受光される受光素子では、図７（Ｄ）に示すように、第１発光タイミングＴ１ｆから計測距離に応じて遅れた第１受光タイミングＴ１ｒ（２）で、第１発光パルスＰ１ｆ（１２）の反射光として第１受光パルスＰ１ｒ（１２）が受光される。第１発光タイミングＴ１ｆと第１受光タイミングＴ１ｒ（２）との時間差が第１パルス応答時間ΔＴ１（２）となる。

その後、同じ受光素子では、図７（Ｄ）に示すように、第１受光タイミングＴ１ｒ（２）の後に第２受光タイミングＴ２ｒ（２）で、第２発光パルスＰ２ｆ（１２）の反射光として第２受光パルスＰ２ｒ（１２）が受光される。第１受光タイミングＴ１ｒ（２）と第２受光タイミングＴ２ｒ（２）との時間差である第２パルス応答時間ΔＴ２（２）は、第１発光タイミングＴ１ｆ（２）と第２発光タイミングＴ２ｆ（２）との時間差に等しくなる。

なお、図７（Ｃ）及び図７（Ｄ）では、投光素子Ｖ１１からの発光パルス（第１発光パルスＰ１ｆ（１１）及び第２発光パルスＰ２ｆ（１１））が反射する測距点までの計測距離と、投光素子Ｖ１２からの発光パルス（第１発光パルスＰ１ｆ（１２）及び第２発光パルスＰ２ｆ（１２））が反射する測距点までの計測距離とが、同じ計測距離Ｚｍの場合を想定している。

このため、計測距離Ｚｍよりも遠くにある計測距離Ｚｎの測距点に対して、投光素子Ｖ１１から上述のように発光パルスがそれぞれ発光される場合、図７（Ｅ）に示すように、第１発光タイミングＴ１ｆから計測距離Ｚｎに応じて遅れた第１受光タイミングＴ１ｒ（１）で第１受光パルスＰ１ｒ（１１）が受光され、その後の第２受光タイミングＴ２ｒ（１）で第２受光パルスＰ２ｒ（１１）が受光される。

同様に、計測距離Ｚｎの測距点に対して、投光素子Ｖ１２から上述のように発光パルスがそれぞれ発光される場合、図７（Ｆ）に示すように、第１発光タイミングＴ１ｆから計測距離Ｚｎに応じて遅れた第１受光タイミングＴ１ｒ（２）で第１受光パルスＰ１ｒ（１２）が受光され、その後の第２受光タイミングＴ２ｒ（２）で第２受光パルスＰ２ｒ（１２）が受光される。

計測距離Ｚｍと計測距離Ｚｎとで異なるため、図７（Ｃ）での第１パルス応答時間ΔＴ１（１）と図７（Ｅ）での第１パルス応答時間ΔＴ１（１）とが異なり、図７（Ｄ）での第１パルス応答時間ΔＴ１（２）と図７（Ｆ）での第１パルス応答時間ΔＴ１（２）とが異なる。その一方で、計測距離Ｚｍと計測距離Ｚｎとが異なっても、図７（Ｃ）での第２パルス応答時間ΔＴ２（１）と図７（Ｅ）での第２パルス応答時間ΔＴ２（１）とは、同じ投光素子Ｖ１１からの２つの発光パルスの反射光を順次受光しているため、同一の値となる。同様に、図７（Ｄ）での第２パルス応答時間ΔＴ２（２）と図７（Ｆ）での第２パルス応答時間ΔＴ２（２）とは、同じ投光素子Ｖ１２からの２つの発光パルスの反射光を順次受光しているため、同一の値となる。このように、第２発光タイミングＴ２ｆが同じ投光素子からのパルス光を受光する受光素子では、それぞれ第２パルス応答時間ΔＴ２が同一の値となる。

すなわち、ＶＣＳＥＬアレイ２１の列単位（所定の発光グループ単位）で第２パルス応答時間ΔＴ２が同じ値となるため、第２パルス応答時間ΔＴ２からその受光素子が受光した受光パルスに対応する発光パルスを発光させた投光素子が属するＶＣＳＥＬアレイ２１の列を特定することができる。このため、第１受光タイミングＴ１ｒと受光素子ごとの第２受光タイミングＴ２ｒとを含めた発光タイミング情報を制御部１１から取得した計測部４０では、受光素子ごとに、第２パルス応答時間ΔＴ２が第１発光タイミングＴ１ｆとの差に等しくなる第２発光タイミングＴ２ｆから投光素子を特定することができる。そして、このように特定される投光素子と当該受光素子との紐付けにより算出される投光角α及び受光角βに基づいてステレオ計測距離を計測することができる（図４参照）。

そして、第１パルス応答時間ΔＴ１に応じて、受光素子ごとにＴＯＦ計測距離を計測することができるので（図３参照）、計測部４０にてなされる計測処理では、受光素子ごとに計測されるＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離とに基づいて、所定の計測対象領域内での物体（各測距点）までの距離を計測する。

以下、本実施形態において、計測部４０にてなされる計測処理等について、図８に示すフローチャートを参照して詳述する。
所定の操作等に応じて計測部４０にて計測処理が開始されると、投光部２０のＶＣＳＥＬアレイ２１の各投光素子が発光可能な状態になるとともに受光部３０のＳＰＡＤアレイ３１の各受光素子が受光可能な状態になる。そして、制御部１１による発光指示に応じて、各投光素子から、第１発光タイミングＴ１ｆで第１発光パルスＰ１ｆが発光された後に、列ごと（グループごと）に異なる第２発光タイミングＴ２ｆで第２発光パルスＰ２ｆが発光される（図８のＳ１０１）。これにより、受光部３０では、受光素子ごとに、第１受光パルスＰ１ｒが受光された第１受光タイミングＴ１ｒと第２受光パルスＰ２ｒが受光された第２受光タイミングＴ２ｒとが、信号処理部３２により処理されて、計測部４０に出力される（Ｓ１０３）。

計測部４０では、上述のように受光部３０の信号処理部３２から出力される受光素子ごとの第１受光タイミングＴ１ｒ及び第２受光タイミングＴ２ｒが取得されると、制御部１１から取得した発光タイミング情報（第１発光タイミングＴ１ｆと受光素子ごとの第２発光タイミングＴ２ｆ）を利用して、受光素子ごとに計測距離が計測される。

まず、ステップＳ１０５に示すＴＯＦ計測処理がなされ、受光素子ごとに、第１発光タイミングＴ１ｆと第１受光タイミングＴ１ｒとの差である第１パルス応答時間ΔＴ１に基づいて、ＴＯＦ計測距離が計測される。

続いて、ステップＳ１０７に示すステレオ計測がなされる。この処理では、受光素子ごとに、第２パルス応答時間ΔＴ２（第１受光タイミングＴ１ｒと第２受光タイミングＴ２ｒとの時間差）に基づいて、その受光素子が受光した受光パルスに対応する発光パルスを発光させた投光素子の列が特定される。そして、このように特定される投光素子と当該受光素子との紐付けにより算出される投光角α及び受光角βに基づいて、ステレオ計測距離が計測される。

上述のように、受光素子ごとにＴＯＦ計測距離及びステレオ計測距離が計測されると、ステップＳ１０９に示す計測結果消去検討処理がなされ、誤った計測距離となっている可能性が高い計測距離を消去するための処理がなされる。具体的には、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が所定の距離差以上となる場合には、少なくともいずれか一方が計測中のノイズ等の影響によって誤った計測距離となっている可能性が高いとして、それらＴＯＦ計測距離及びステレオ計測距離が消去される。このように、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が所定の距離差以上となる受光素子については、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離とが大きく異なっているとして、いずれの計測距離も出力しないことで、誤った計測距離結果の出力を抑制することができる。なお、計測距離が長くなると、第２受光パルスＰ２ｒが受光されなくなるためにステレオ計測距離が計測されなくなる場合がある。このような場合には、消去せずに、ＴＯＦ計測距離を計測距離結果とするようにしてもよい。

そして、ステップＳ１１１に示す計測結果選択検討処理がなされ、受光素子ごとに、ＴＯＦ計測距離及びステレオ計測距離のうちのいずれか一方が、正しい計測結果として選択される。図５からわかるように、距離分解能は、近距離ではステレオ計測距離の方が高くなり、遠距離ではＴＯＦ計測距離の方が高くなる。このため、ＴＯＦ計測距離の距離分解能とステレオ計測距離の距離分解能とが設計的に等しくなる距離（境界点）を所定の距離閾値Ｚｔｈとして、計測距離が所定の距離閾値Ｚｔｈ以上になる場合に、ＴＯＦ計測距離を計測距離結果として選択し、計測距離が上記所定の距離閾値Ｚｔｈ未満になる場合に、ステレオ計測距離を計測距離結果として選択することで、距離計測精度を高めることができる。

上述のように受光素子ごとに出力すべき計測結果が選択されると、ステップＳ１１３に示す計測結果出力にて、その選択された計測結果が受光素子ごとに出力されて、本計測処理が終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る距離計測装置１０では、制御部１１は、全ての投光素子からそれぞれ同じ第１発光タイミングＴ１ｆで第１発光パルスＰ１ｆを発光させた後に、当該投光素子を特定可能に少なくとも一部の他の投光素子と異なる第２発光タイミングＴ２ｆで第２発光パルスＰ２ｆを発光させるように投光部２０を制御する。計測部４０は、受光素子ごとに、第１パルス応答時間ΔＴ１に基づいてＴＯＦ計測したＴＯＦ計測距離と、第２パルス応答時間ΔＴ２が第１発光タイミングＴ１ｆとの時間差に等しくなる第２発光タイミングＴ２ｆから特定される投光素子と当該受光素子との紐付けにより算出される投光角α及び受光角βに基づいてステレオ計測したステレオ計測距離とのうち、計測距離が所定の距離閾値Ｚｔｈ以上になる場合に、ＴＯＦ計測距離を計測距離結果として出力し、計測距離が所定の距離閾値Ｚｔｈ未満になる場合に、ステレオ計測距離を計測距離結果として出力する。

これにより、計測距離が所定の距離閾値Ｚｔｈ未満になる場合、すなわち、近距離では、近距離ほど距離分解能が高くなるステレオ計測での計測距離結果が出力され、計測距離が所定の距離閾値Ｚｔｈ以上になる場合、すなわち、遠距離では、遠距離でも距離分解能が低下しないＴＯＦ計測での計測距離結果が出力される。特に、投光部２０から投光される第１発光パルスＰ１ｆ及び第２発光パルスＰ２ｆの受光部３０での受光タイミングを利用するため、ＴＯＦ計測用の投受光部とステレオ計測用の投受光部とを個別に設けることなく、１つの投光部２０と１つの受光部３０とでＴＯＦ計測とステレオ計測とを実施することができる。したがって、距離計測に関して遠距離での距離分解能を低下させることなく近距離での距離分解能を高め得る距離計測装置１０を、一組の投光部２０及び受光部３０で実現することができる。

また、本実施形態では、受光素子は、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）であり、ＳＰＡＤは、応答特性が高く画素サイズを小さくできるので、距離計測に関する距離分解能を更に高めてその計測精度を向上させることができる。なお、受光部３０は、ＳＰＡＤがアレイ状に配置されるＳＰＡＤアレイ３１を備えるように構成されることに限らず、距離計測装置１０の利用環境等に応じて、他の受光素子が投光部の各投光素子と同様にして複数配置されるように構成されてもよい。

特に、本実施形態では、計測部４０は、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が所定の距離差以上となる場合には、それらＴＯＦ計測距離及びステレオ計測距離を消去して（Ｓ１０９）、その受光素子について計測結果を出力しない。

このように、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が所定の距離差以上となる受光素子については、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離とが大きく異なっているとして、いずれの計測距離も出力しないことで、誤った計測距離結果の出力を抑制することができる。

本実施形態の変形例として、計測部４０は、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差に関する情報を、計測距離結果の信憑性に関する情報として受光素子ごとに出力してもよい。

ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が小さい場合には、それぞれ正しく計測が行われており、信憑性の高い計測距離結果が出力されている可能性が高い。その一方で、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が大きい場合には、少なくともいずれか一方が計測中のノイズ等の影響によって誤った計測距離となっているために、信憑性の低い計測距離結果が出力されている可能性が高い。

例えば、投光部２０と異なる光源等からの干渉光パルスが第１受光パルスＰ１ｒの前に受光された受光素子では、第１パルス応答時間ΔＴ１及び第２パルス応答時間ΔＴ２が正しく計測されないために、両計測法とも誤った計測距離となってしまう。また、干渉光パルスが第１受光パルスＰ１ｒと第２受光パルスＰ２ｒとの間で受光された受光素子では、第２パルス応答時間ΔＴ２が正しく計測されないために、ステレオ計測法で誤った計測距離となってしまう。また、異なる投光素子からの投光パルスが反射後に混濁して同じ受光素子にて受光される場合にも、少なくともいずれか一方の計測法で誤った計測距離となってしまう。

このため、本実施形態の変形例では、両者の差をその両者の一方である計測距離結果の信憑性として利用する。これにより、計測距離結果をその信憑性に関する情報（ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差に関する情報）とともに取得した出力先では、例えば、信憑性の高い計測距離結果のみを利用できるなど、計測距離結果の利用価値を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、例えば、以下のように具体化してもよい。
（１）投光部２０は、複数の垂直共振器型面発光レーザがアレイ状に配置されるＶＣＳＥＬアレイ２１を備えるように構成されることに限らず、例えば、複数のＬＥＤがアレイ状に配置されるＬＥＤアレイ等、発光タイミングを投光素子ごとに制御可能な他の投光手段を備えるように構成されてもよい。

（２）制御部１１は、列ごとに第２発光タイミングＴ２ｆを既定時間単位で変えて第２発光パルスＰ２ｆを順次発光させるように投光部２０を制御することに限らず、例えば、行ごとに第２発光タイミングＴ２ｆを既定時間単位で変えて第２発光パルスＰ２ｆを順次発光させるように投光部２０を制御してもよいし、予め決められたグループごとに第２発光タイミングＴ２ｆを既定時間単位で変えて第２発光パルスＰ２ｆを順次発光させるように投光部２０を制御してもよい。また、制御部１１は、投光素子ごとに第２発光タイミングＴ２ｆを既定時間単位で変えて第２発光パルスＰ２ｆを順次発光させるように投光部２０を制御してもよい。

（３）１つの受光部３０にて第１受光パルスＰ１ｒ及び第２受光パルスＰ２ｒを受光するように構成されることに限らず、受光部３０にてＴＯＦ計測するための第１受光パルスＰ１ｒを受光し、受光部３０と異なる別の受光部にてステレオ計測するための第２受光パルスＰ２ｒを受光するように構成されてもよい。この場合には、投光部２０と別の受光部との視差をＴＯＦ計測距離の計測精度に制約されることなく大きくできるため、ステレオ計測距離の計測精度を向上させることができる。

（４）本発明は、所定の監視エリア内での物体までの距離を計測する装置に適用することができるが、これに限らず、例えば、移動体に設置されることで相対的に移動することになる物体までの距離を計測する装置に適用されてもよい。

１０…距離計測装置
１１…制御部
２０…投光部
２１…ＶＣＳＥＬアレイ（複数の投光素子）
３０…受光部
３１…ＳＰＡＤアレイ（複数の受光素子）
４０…計測部
Ｔ１ｆ…第１発光タイミング
Ｔ２ｆ…第２発光タイミング
Ｔ１ｒ…第１受光タイミング
Ｔ２ｒ…第２受光タイミング
Ｐ１ｆ…第１発光パルス
Ｐ２ｆ…第２発光パルス
Ｐ１ｒ…第１受光パルス
Ｐ２ｒ…第２受光パルス
Ｚｔｈ…距離閾値
ΔＴ１…第１パルス応答時間
ΔＴ２…第２パルス応答時間

Claims (4)

1. 所定の計測対象領域に対して個別に所定の発光パルスを投光可能な投光素子が複数配置される投光部と、
   複数の受光素子を備えて、複数の前記発光パルスが前記対象領域内の物体で反射した反射光をそれぞれ受光パルスとして受光する受光部と、
   前記投光部を制御する制御部と、
   前記受光部により受光された複数の受光パルスに基づいて前記計測対象領域内での距離計測を行う計測部と、
   を備える距離計測装置であって、
   前記制御部は、全ての前記投光素子からそれぞれ同じ第１発光タイミングで第１発光パルスを発光させた後に、当該投光素子を特定可能に少なくとも一部の他の投光素子と異なる第２発光タイミングで第２発光パルスを発光させるように前記投光部を制御し、
   前記第１発光タイミングと前記第１発光パルスに応じて生じた受光パルスを受光した第１受光タイミングとの時間差を第１パルス応答時間、前記第１受光タイミングと前記第２発光パルスに応じて生じた受光パルスを受光した第２受光タイミングとの時間差を第２パルス応答時間とするとき、
   前記計測部は、前記受光素子ごとに、前記第１パルス応答時間に基づいてＴＯＦ計測したＴＯＦ計測距離と、前記第２パルス応答時間が前記第１発光タイミングとの時間差に等しくなる前記第２発光タイミングから特定される前記投光素子と当該受光素子との紐付けにより算出される投光角及び受光角に基づいてステレオ計測したステレオ計測距離とのうち、計測距離が所定の距離閾値以上になる場合に、前記ＴＯＦ計測距離を計測距離結果として出力し、計測距離が前記所定の距離閾値未満になる場合に、前記ステレオ計測距離を計測距離結果として出力することを特徴とする距離計測装置。
2. 前記受光素子は、ＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）であることを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。
3. 前記計測部は、前記ＴＯＦ計測距離と前記ステレオ計測距離との差が所定の距離差以上となる前記受光素子について計測結果を出力しないことを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。
4. 前記計測部は、前記ＴＯＦ計測距離と前記ステレオ計測距離との差に関する情報を前記計測距離結果の信憑性に関する情報として前記受光素子ごとに出力することを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。

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