JP4955507B2 - 測距装置および測距方法並びにプログラム - Google Patents

Description

本発明は、被写体の立体形状を表す距離画像を生成するための測距装置および方法並びに測距方法をコンピュータに実行させるためのプログラムに関するものである。

光の反射を用いて被写体までの距離の測定（測距）を行うＴＯＦ（Time Of Flight）方式の測距方法を用いて、撮影装置から被写体までの距離を測定して、被写体の立体形状を表す距離画像を生成することが行われている（特許文献１参照）。ＴＯＦ方式を用いた測距は、具体的には強度変調された測距光を被写体に向けて照射し、この変調周期における０、π／２、π、３π／２の４つの位相において反射光を受光して受光光量に応じた受光信号を得、受光信号に基づいて測距光と反射光との位相の遅れ（位相差）を、撮影装置に設けられた撮像素子の受光素子毎に検出して距離情報を算出し、この距離情報を各画素の画素値とする被写体の立体形状を表す距離画像を生成するものである。

また、ＴＯＦ方式により測距を行う際に、強度が時間的に変化する正弦波、三角波あるいは鋸波状に強度変調された第１の測距光と、強度が一定のパルス状に強度変調された第２の測距光を使用して測距精度を向上させる手法も提案されている（特許文献２参照）。特許文献２に記載された手法は、第１の測距光により得られる第１の受光信号を第２の測距光により得られる第２の受光信号により除算することにより、距離情報を算出するものである。
特開２００６−８４４２９号公報 特開２００１−３１３９５８号公報

ところで、強度が時間的に変化するように強度変調された測距光を使用する場合、その変調周期の長さを最大値とする位相差を算出することができるため、比較的長いレンジにより測距を行うことができるが、測距光の変調の位相によっては、反射光の強度が小さくなる。このため、外光の影響により得られる受光信号のＳ／Ｎが低下してしまうことから、測距の精度はそれほど高いものではない。一方、パルス状に強度変調された測距光を使用する場合、反射光の強度は一定となるためＳ／Ｎの低下が少なく、精度良く測距を行うことができる。しかしながら、パルス光を使用する場合、パルス光が発光している期間を最大値とする位相差しか算出することができないため、測距を行うことができるレンジが狭く、ある限られた範囲のみしか測距を行うことができない。

ここで、上記特許文献２に記載された手法においては、第１の測距光により得られる受光信号を第２の測距光により得られる受光信号により除算して距離情報を算出しているため、強度が時間的に変化するように強度変調された第１の測距光による第１の受光信号により測距が行われることとなる。このため、特許文献２に記載された手法では測距の精度はそれほど高いものではない。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、精度良く測距を行うことができるようにすることを目的とする。

本発明による測距装置は、所定周期にて強度が時間的に変化するように変調された第１の測距光、および前記所定周期にて強度が一定のパルス波状に変調された第２の測距光を切換可能に発光する測距光発光手段と、
受光光量に応じた受光信号を出力する複数の受光素子を有する撮像手段と、
前記撮像手段の受光期間を制御する受光制御手段と、
前記受光信号に基づいて、被写体までの距離を表す距離情報を前記受光素子毎に算出する距離情報算出手段と、
前記第１の測距光を発光し、該第１の測距光の変調周期における位相が異なる複数の受光期間において複数の第１の受光信号を取得し、次いで、前記第２の測距光を発光し、該第２の測距光の変調周期における前記複数の受光期間において複数の第２の受光信号を取得し、前記複数の第１の受光信号に基づいて、前記距離情報の算出に使用する第２の受光信号を選択するよう、前記測距光発光手段、前記撮像手段および前記距離情報算出手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするものである。

「強度が時間的に変化するように強度変調」するとは、時間の経過とともに強度が連続して変化するように第１の測距光を変調することを意味する。具体的には、正弦波状、三角波状、鋸波状に強度を変調することにより、強度が時間的に変化するように強度変調することができる。

ここで、強度が時間的に変化するように変調された第１の測距光を使用する場合、比較的長いレンジにより測距を行うことができるが、変調の位相によっては反射光の強度が小さくなる。このため、外光の影響により得られる受光信号のＳ／Ｎが低下してしまうことから、測距の精度はそれほど高いものではない。一方、強度が一定のパルス状に強度変調された第２の測距光を使用する場合、反射光の強度は一定となるためＳ／Ｎの低下が少なく、精度良く測距を行うことができる。しかしながら、測距を行うことができるレンジが狭いため、ある限られた範囲のみしか測距を行うことができない。

本発明によれば、第１の測距光の反射光から得られる複数の第１の受光信号に基づいて、第２の測距光の反射光から得られる複数の第２の受光信号のうち、距離情報の算出に使用する受光信号を選択するようにしたものである。ここで、複数の第１の受光信号により第１の測距光と第１の測距光の反射光との位相差を算出でき、この位相差により被写体までの大まかな距離情報を算出できるものである。このため、第１の受光信号に基づいて選択した第２の受光信号により、第１の受光信号を用いて算出できる距離情報と同一の距離レンジにおいて、より正確に位相差を算出できるため、より正確な距離を表す距離情報を算出することができることとなる。したがって、本発明によれば、被写体までの距離に拘わらず正確に測距を行うことができる。

なお、本発明による測距装置においては、前記距離情報算出手段を、前記複数の第１の受光信号に基づいて、前記第１の測距光と該第１の測距光の反射光との位相差を前記受光素子毎に算出し、該位相差に基づいて前記複数の第２の受光信号のうち、前記距離情報の算出に使用する第２の受光信号を選択する手段としてもよい。

このように、位相差を用いることにより複数の第２の受光信号の選択を容易に行うことができる。

また、本発明による測距装置においては、前記測距光発光手段を、前記第２の測距光を前記第１の測距光の変調周期と同一周期にて、該第１の測距光の変調周期よりもよりも短い期間発光する手段としてもよい。

これにより、第１および第２の測距光の発光の制御を容易に行うことができる。

また、本発明による測距装置においては、前記受光制御手段を、前記撮像手段の受光期間を前記第２の測距光の発光期間と同一となるように制御する手段としてもよい。

これにより、第１および第２の測距光の反射光の受光の制御を容易に行うことができる。

また、本発明による測距装置においては、前記測距光発光手段を、前記第２の測距光を前記第１の測距光の変調周期の１／４の期間発光する手段とし、
前記受光制御手段を、前記撮像手段の受光期間を、前記第１の測距光の変調周期の１／４期間となるように制御する手段としてもよい。

これにより、第１および第２の測距光の発光の制御、並びに第１および第２の測距光の反射光の受光の制御をより容易に行うことができる。

また、本発明による測距装置においては、前記距離情報算出手段を、前記選択した前記第２の受光信号が複数の受光期間に跨る場合、信号レベルが大きい受光期間側の第２の受光信号を前記距離情報の算出に使用する手段としてもよい。

ここで、信号レベルが大きいということは外光によるノイズの影響が小さいことを意味する。したがって、信号レベルが大きい側の第２の受光信号を距離情報の算出に使用することにより、より正確に距離情報を算出することができる。

また、本発明による測距装置においては、前記距離情報算出手段を、前記複数の第２の受光信号のうち、前記第２の測距光を受光していない期間の受光信号により、前記選択した第２の受光信号を補正する手段としてもよい。

ここで、第２の測距光を受光していない期間の受光信号は、外光成分を表すものとなる。このため、第２の測距光を受光していない期間の受光信号により選択された第２の受光信号を補正することにより、より正確に距離情報を算出することができる。

本発明による測距方法は、所定周期にて強度が時間的に変化するように変調された第１の測距光、および前記所定周期にて強度が一定のパルス波状に変調された第２の測距光を切換可能に発光する測距光発光手段と、
受光光量に応じた受光信号を出力する複数の受光素子を有する撮像手段と、
前記撮像手段の受光期間を制御する受光制御手段と、
前記受光信号に基づいて、被写体までの距離を表す距離情報を前記受光素子毎に算出する距離情報算出手段とを備えた測距装置における測距方法であって、
前記第１の測距光を発光し、
該第１の測距光の変調周期における位相が異なる複数の受光期間において複数の第１の受光信号を取得し、
次いで、前記第２の測距光を発光し、
該第２の測距光の変調周期における前記複数の受光期間において複数の第２の受光信号を取得し、
前記複数の第１の受光信号に基づいて、前記距離情報の算出に使用する第２の受光信号を選択することを特徴とするものである。

なお、本発明による測距方法をコンピュータに実行させるためのプログラムとして提供してもよい。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の第１の実施形態による測距装置の構成を示す概略ブロック図である。図１に示すように第１の実施形態による測距装置１は撮像部２を備える。

撮像部２は、レンズ１０、絞り１１、シャッタ１２、ＣＣＤ１３、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）１４およびＡ／Ｄ変換部１５を備える。

レンズ１０は、被写体にピントを合わせるためのフォーカスレンズ、ズーム機能を実現するためのズームレンズ等の複数の機能別レンズにより構成され、不図示のレンズ駆動部によりその位置が調整される。

絞り１１は、不図示の絞り駆動部により、予め定められた絞り値データに基づいて絞り径の調整が行われる。

シャッタ１２はメカニカルシャッタであり、予め定められたシャッタスピードに応じて駆動される。

ＣＣＤ１３は、多数の受光素子を２次元的に配列した光電面を有する撮像素子であり、被写体光がこの光電面に結像して光電変換されてアナログ撮像信号である受光信号が取得される。なお、ＣＣＤ１３は、後述する撮像制御部１９から与えられる電子シャッタ駆動信号によって受光期間が制御される。また、ＣＣＤ１３の前面には、後述する測距光の波長域の光を透過するフィルタ１３Ａが配設されているため、ＣＣＤ１３の受光素子は測距光の反射光のみを受光することができる。ここで、本実施形態においては、測距光として赤外光を用いるものとする。

ＡＦＥ１４は、ＣＣＤ１３から出力される受光信号に対して、受光信号のノイズを除去する処理、および受光信号のゲインを調節する処理（以下アナログ処理とする）を施す。

Ａ／Ｄ変換部１５は、ＡＦＥ１４によりアナログ処理が施された受光信号をデジタル信号に変換する。

また、撮像部２は、被写体に向けて赤外光からなる測距光を照射するための測距光源１６を備える。

図２は測距光源の構成を示す概略ブロック図である。図２に示すように測距光源１６は、赤外光からなる測距光を発光するＬＥＤが２次元状に複数配設された面光源１６Ａ、面光源１６Ａから発せられる測距光を強度変調する変調部１６Ｂ、測距光を変調するための波形データを記憶するメモリ１６Ｃ、およびメモリ１６Ｃから波形データを読み出し、波形データをＤ／Ａ変換して変調部１６Ｂに入力するメモリ制御部１６Ｄを備える。

メモリ制御部１６Ｄは、後述する撮像制御部１９からの指示により、所定の波形データを読み出してＤ／Ａ変換して変調部１６Ｂに入力する。変調部１６Ｂは入力された波形データにより表される波形と一致するように面光源１６Ａから発光される測距光の強度を変調する。

ここで、本実施形態においては、メモリ１６Ｃには測距光を正弦波状に強度変調するための正弦波データ、および測距光をパルス波状に強度変調するためのパルス波データが記憶されている。なお、正弦波データおよびパルス波データは周期が同一であり、パルスの期間は正弦波の周期の１／４の期間であるものとする。また、正弦波データにより強度変調される測距光を第１の測距光、パルス波データにより強度変調される測距光を第２の測距光と称するものとする。

また、撮像部２は、ＣＣＤ１３、ＡＦＥ１４および測距光源１６の駆動を制御するための撮像制御部１９を備える。具体的には、撮像制御部１９は、ＣＰＵ３２からの指示により、変調部１８に変調の指示を行って測距光照射部３から第１および第２の測距光を発光させ、これとタイミングを合わせて被写体による測距光の反射光を受光し、受光光量に応じた受光信号を出力するよう撮像部２の各部を制御する。なお、第１および第２の測距光の発光、並びにＣＣＤ１３の各受光素子からの受光信号の取得の制御については後述する。

また、測距装置１は、撮影条件設定部２２、画像処理部２３、圧縮／伸長処理部２４、フレームメモリ２５、メディア制御部２６、内部メモリ２７、および表示制御部２８を備える。

撮影条件設定部２２は、予め定められた焦点距離、絞り値およびシャッタ速度を記憶しており、撮影を行う際に、焦点距離、絞り値およびシャッタ速度を撮像部２に出力する。

画像処理部２３は、後述するように生成された距離画像の画像データに対して、階調補正、シャープネス補正等の画像処理を施す。

圧縮／伸長処理部２４は、画像処理部２３によって画像処理が施された距離画像の画像データに対して、例えば、ＪＰＥＧ等の圧縮形式で圧縮処理を行い、画像ファイルを生成する。この画像ファイルには、Ｅｘｉｆフォーマット等に基づいて、撮影日時等の付帯情報が格納されたタグが付加される。

フレームメモリ２５は、撮像部２が取得した受光信号に対して、前述の画像処理を含む各種処理を行う際に使用する作業用メモリである。

メディア制御部２６は、記録メディア２９にアクセスして距離画像の画像ファイルの書き込みと読み込みの制御を行う。

内部メモリ２７は、測距装置１において設定される各種定数、およびＣＰＵ３２が実行するプログラム等を記憶する。

表示制御部２８は、フレームメモリ２５に格納された画像データをモニタ３０に表示させたり、記録メディア２９に記録されている画像をモニタ３０に表示させたりするためのものである。

また、測距装置１は、距離画像生成部３１およびＣＰＵ３２を備える。

距離画像生成部３１は、撮像部２が取得した受光信号を用いて被写体上の各点の測距装置１からの距離情報Ｄ１を、ＣＣＤ１３上における受光素子毎に算出する。以下、距離情報Ｄ１の算出について説明する。

距離画像生成部３１は、強度変調された第１の測距光が発光されてから被写体により反射された反射光を受光するまでの時間（すなわち光の飛行時間）に基づいて、距離情報Ｄ１を算出する。

図３は距離情報を算出するための位相差の算出を説明するための図である。図３に示すように、測距光源１６から発光される第１の測距光の強度は曲線Ｋ１に示すように正弦波状に変化するため、ＣＣＤ１３のある受光素子により受光した反射光の受光光量も曲線Ｋ２のように正弦波状に変化するが、光の飛行時間に相当する位相差ｔｄａが発生する。

位相差ｔｄａは、第１の測距光の複数のタイミングで求めた反射光の受光光量を用いて計算することができる。本実施形態においては、第１の測距光における０、π／２、π、３π／２の位相において、第１の測距光の１／４周期に相当する受光期間Ｔｗ、パルス状に受光した反射光の受光光量を用いて位相差ｔｄａを算出する。

ここで、第１の測距光における連続した０、π／２、π、３π／２の位相において受光した反射光の受光光量がそれぞれＦ１ａ、Ｆ２ａ、Ｆ３ａ、Ｆ４ａであるとする。なお、受光光量Ｆ１ａ、Ｆ２ａ、Ｆ３ａ、Ｆ４ａを求める間に位相差ｔｄａは変化せず、かつ被写体の反射率にも変化がないものとし、時刻ｔにおいてＣＣＤ１３の各受光素子で受光される光の強度がＡ・ｓｉｎ（ωｔ＋δ）＋Ｂで表されるものとする。ここで、Ａは振幅、Ｂは外光成分、ωは角振動数、δは位相である。これにより、受光素子で受光する受光光量Ｆ１ａ、Ｆ２ａ、Ｆ３ａ、Ｆ４ａは、次のように表すことができる。なお、受光光量は測距光における０、π／２、π、３π／２の位相において各受光素子から出力される受光信号に相当する。また、位相差ｔｄａの算出には、上述した４つの受光光量すなわち４つの受光信号Ｆ１ａ、Ｆ２ａ、Ｆ３ａ、Ｆ４ａをＣＣＤ１３から取得することが必要であるため、すべての受光素子が４つの受光信号Ｆ１ａ、Ｆ２ａ、Ｆ３ａ、Ｆ４ａを取得するまで、第１の測距光の発光およびＣＣＤ１３による反射光の受光が行われる。

Ｆ１ａ＝Ａ・ｓｉｎ（δ）＋Ｂ
Ｆ２ａ＝Ａ・ｓｉｎ（π／２＋δ）＋Ｂ
Ｆ３ａ＝Ａ・ｓｉｎ（π＋δ）＋Ｂ
Ｆ４ａ＝Ａ・ｓｉｎ（３π／２＋δ）＋Ｂ
ここで、δ＝−ｔｄａであるから、Ｆ１ａ＝−Ａ・ｓｉｎ（ｔｄａ）＋Ｂ、Ｆ２ａ＝Ａ・ｃｏｓ（ｔｄａ）＋Ｂ、Ｆ３ａ＝Ａ・ｓｉｎ（ｔｄａ）＋Ｂ、Ｆ４ａ＝−Ａ・ｃｏｓ（ｔｄａ）＋Ｂであるため、各受光光量（受光信号）Ｆ１ａ、Ｆ２ａ、Ｆ３ａ、Ｆ４ａと位相差ｔｄａとの関係は、次式のようになる。

ｔｄａ＝ｔａｎ^-1｛（Ｆ３ａ−Ｆ１ａ）／（Ｆ２ａ−Ｆ４ａ）｝ （１）
なお、位相差ｔｄａを使用することにより、距離情報Ｄを下記の式（２）により算出することができる。

Ｄ＝ｃ・ｔｄａ／（４πＦ） （２）
ｃは光速、Ｆは周波数（＝ω／２π）である。

ここで、４つの受光信号Ｆ１ａ、Ｆ２ａ、Ｆ３ａ、Ｆ４ａは各受光素子において、第１の測距光における０、π／２、π、３π／２の位相にてそれぞれ受光期間を区切って取得すればよいが、ＣＣＤ１３の各受光素子に４つの電荷蓄積部を設け、第１の測距光の１周期に相当する１つの受光期間において、４つの電荷蓄積部のそれぞれにより４つの受光信号を取得するようにしてもよい。

また、第１の実施形態においては、距離画像生成部３１は、位相差ｔｄａを算出した後、第１の測距光に代えて第２の測距光を発光し、第２の測距光の発光の１周期において、第１の測距光の反射光と同一の受光期間（すなわち第１の測距光の変調周期の０、π／２、π、３π／２の位相に相当する期間Ｔｗ）、ＣＣＤ１３において受光信号Ｆ１ｂ、Ｆ２ｂ、Ｆ３ｂ、Ｆ４ｂを取得する。ここで、第２の測距光は第１の測距光と周期が同一であり、発光期間は第１の測距光の１／４、すなわちＴｗであるため、反射光も期間Ｔｗのパルス状の光となる。なお、第２の測距光の反射光についても、図３に示すように位相差ｔｄｂが発生している。

距離画像生成部３１は、位相差ｔｄａに基づいて、受光信号Ｆ１ｂ、Ｆ２ｂ、Ｆ３ｂ、Ｆ４ｂのうち、位相差ｔｄｂの算出に使用する受光信号を選択する。すなわち、位相差ｔｄａがＴｗ以内であれば、第２の測距光の反射光は第１の測距光の０〜πの位相の間に存在することから、受光信号Ｆ１ｂ、Ｆ２ｂを選択する。そして下記の式（３）により位相差ｔｄｂを算出する。

ｔｄｂ＝Ｔｗ×Ｆ２ｂ／（Ｆ１ｂ＋Ｆ２ｂ） （３）
位相差ｔｄａがＴｗより大きく２Ｔｗ以内であれば、第２の測距光の反射光は第１の測距光のπ／２〜３π／２の位相の間に存在することから、受光信号Ｆ２ｂ、Ｆ３ｂを選択する。そして下記の式（４）により位相差ｔｄｂを算出する。

ｔｄｂ＝Ｔｗ＋Ｔｗ×Ｆ３ｂ／（Ｆ２ｂ＋Ｆ３ｂ） （４）
位相差ｔｄａが２Ｔｗより大きく３Ｔｗ以内であれば、第２の測距光の反射光は第１の測距光のπ〜２π（すなわち０）の位相の間に存在することから、受光信号Ｆ３ｂ、Ｆ４ｂを選択する。そして下記の式（５）により位相差ｔｄｂを算出する。

ｔｄｂ＝２Ｔｗ＋Ｔｗ×Ｆ４ｂ／（Ｆ３ｂ＋Ｆ４ｂ） （５）
さらに、位相差ｔｄａが３Ｔｗより大きく４Ｔｗ以内であれば、第２の測距光の反射光は第１の測距光の３π／２〜π／２（次の周期）の位相の間に存在することから、受光信号Ｆ４ｂ、Ｆ１ｂを選択する。そして下記の式（６）により位相差ｔｄｂを算出する。

ｔｄｂ＝３Ｔｗ＋Ｔｗ×Ｆ１ｂ／（Ｆ４ｂ＋Ｆ１ｂ） （６）
そして、位相差ｔｄｂを用いて下記の式（７）により受光素子毎に被写体までの距離を表す距離情報Ｄ１を算出する。

Ｄ１＝ｃ×ｔｄｂ／２ （７）
なお、ｃは光速である。

さらに、距離画像生成部３１は、上述したように受光素子単位で算出した距離情報Ｄ１を各画素の画素値とする距離画像Ｓ１を生成する。

ＣＰＵ３２は、入出力部３３からの信号に応じて測距装置１の各部を制御する。

データバス３４は、測距装置１を構成する各部およびＣＰＵ３２に接続されており、測距装置１における各種データおよび各種情報のやり取りを行う。

次いで、第１の実施形態において行われる処理について説明する。図４は第１の実施形態において行われる処理を示すフローチャートである。

撮影指示が行われることによりＣＰＵ３２が処理を開始し、撮像部２がＣＰＵ３２からの指示により、測距光源１６から第１の測距光を被写体に向けて発光し（ステップＳＴ１）、さらに第１の測距光の被写体による反射光を第１の測距光における連続した０、π／２、π、３π／２の位相において受光して、４つの受光信号Ｆ１ａ、Ｆ２ａ、Ｆ３ａ、Ｆ４ａを取得する（ステップＳＴ２）。次いで、距離画像生成部３１が、４つの受光信号Ｆ１ａ、Ｆ２ａ、Ｆ３ａ、Ｆ４ａから上記式（１）により、位相差ｔｄａを受光素子単位で算出する（ステップＳＴ３）。

次いで、撮像部２がＣＰＵ３２からの指示により、測距光源１６から第２の測距光を被写体に向けて発光し（ステップＳＴ４）、さらに第２の測距光の被写体による反射光を、第１の測距光の反射光を受光した場合と同一の０、π／２、π、３π／２の位相において受光して、４つの受光信号Ｆ１ｂ、Ｆ２ｂ、Ｆ３ｂ、Ｆ４ｂを取得する（ステップＳＴ５）。

続いて、距離画像生成部３１が、位相差ｔｄａの範囲を判定する（ステップＳＴ６）。

ｔｄａ≦Ｔｗの場合は上記式（３）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ７）。Ｔｗ＜ｔｄａ≦２Ｔｗの場合は上記式（４）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ８）。２Ｔｗ＜ｔｄａ≦３Ｔｗの場合は上記式（５）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ９）。そして、３Ｔｗ＜ｔｄａ≦４Ｔｗの場合は上記式（６）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ１０）。

次いで、距離画像生成部３１は上記式（７）により距離情報Ｄ１を算出し（ステップＳＴ１１）、距離情報Ｄ１を各画素の画素値とする距離画像Ｓ１を生成する（ステップＳＴ１２）。そして、メディア制御部２６が距離画像Ｓ１の画像データを記録メディア２９に記録し（ステップＳＴ１３）、処理を終了する。

ここで、正弦波のように強度が時間的に変化するように変調された第１の測距光を使用する場合、比較的長いレンジにより測距を行うことができるが、変調の位相によっては反射光の強度が小さくなる。例えば図３に示すπ／２の位相においては、反射光の強度は非常に小さくなる。このため、第１の測距光を使用する場合、外光の影響により得られる受光信号のＳ／Ｎが低下してしまうことから、測距の精度はそれほど高いものではない。

一方、強度が一定のパルス状に強度変調された第２の測距光を使用する場合、反射光の強度は一定となるためＳ／Ｎの低下が少なく、精度良く測距を行うことができる。しかしながら、測距を行うことができるレンジがパルス幅により制限されてしまうため、ある限られた範囲のみしか測距を行うことができない。

第１の実施形態によれば、第１の測距光の反射光から得られる複数の受光信号Ｆ１ａ、Ｆ２ａ、Ｆ３ａ、Ｆ４ａに基づいて、第２の測距光の反射光から得られる複数の第２の受光信号Ｆ１ｂ、Ｆ２ｂ、Ｆ３ｂ、Ｆ４ｂのうち、距離情報Ｄ１の算出に使用する受光信号を選択するようにしたものである。ここで、複数の第１の受光信号Ｆ１ａ、Ｆ２ａ、Ｆ３ａ、Ｆ４ａにより第１の測距光と第１の測距光の反射光との位相差ｔｄａが分かることとなる。位相差ｔｄａは被写体までの大まかな距離情報を算出できるものであり、位相差ｔｄａにより距離情報Ｄ１の算出に使用する第２の受光信号Ｆ１ｂ、Ｆ２ｂ、Ｆ３ｂ、Ｆ４ｂを選択することにより、位相差ｔｄａにより求められる距離情報と同様の距離レンジにおいて、より正確に距離情報を算出することができる。したがって、第１の実施形態によれば、被写体までの距離に拘わらず正確に測距を行うことができる。

次いで、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、第２の実施形態においては、第１の実施形態と行われる処理のみが異なり、装置の構成は第１の実施形態と同一であるため、構成についての詳細な説明は省略する。ここで、第２の測距光の反射光から得られる受光信号Ｆ１ｂ、Ｆ２ｂ、Ｆ３ｂ、Ｆ４ｂは、２つの受光期間に跨るものであるが、反射光はパルス光であるため各受光期間における信号のレベルが異なるものとなる。例えば、図５に示すように、受光信号Ｆ１ｂ、Ｆ２ｂが２つの受光期間に跨る場合、受光信号Ｆ１ｂの方が信号レベルが大きくなる。第２の実施形態においては、信号レベルが大きい側の受光期間の受光信号を用いて位相差ｔｄｂを算出するようにした点が第１の実施形態と異なる。

図６は第２の実施形態において行われる処理を示すフローチャートである。なお、第２の実施形態においては、第１の実施形態におけるステップＳＴ５以降の処理のみが異なるため、ここでは第１の実施形態におけるステップＳＴ５以降の処理についてのみ説明する。ステップＳＴ５に続いて、距離画像生成部３１が位相差ｔｄａの範囲を判定する（ステップＳＴ２１）。

ｔｄａ≦Ｔｗの場合、さらにＦ１ｂ≦Ｆ２ｂであるか否かを判定し（ステップＳＴ２２）、ステップＳＴ２２が肯定されると上記式（３）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ２３）。ステップＳＴ２２が否定されると、下記の式（８）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ２４）。

ｔｄｂ＝Ｔｗ×｛１−Ｆ１ｂ／（Ｆ１ｂ＋Ｆ２ｂ）｝ （８）
Ｔｗ＜ｔｄａ≦２Ｔｗの場合、さらにＦ２ｂ≦Ｆ３ｂであるか否かを判定し（ステップＳＴ２５）、ステップＳＴ２５が肯定されると上記式（４）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ２６）。ステップＳＴ２５が否定されると、下記の式（９）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ２７）。

ｔｄｂ＝Ｔｗ＋Ｔｗ×｛１−Ｆ２ｂ／（Ｆ２ｂ＋Ｆ３ｂ）｝ （９）
２Ｔｗ＜ｔｄａ≦３Ｔｗの場合、さらにＦ３ｂ≦Ｆ４ｂであるか否かを判定し（ステップＳＴ２８）、ステップＳＴ２８が肯定されると上記式（５）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ２９）。ステップＳＴ２８が否定されると、下記の式（１０）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ３０）。

ｔｄｂ＝２Ｔｗ＋Ｔｗ×｛１−Ｆ３ｂ／（Ｆ３ｂ＋Ｆ４ｂ）｝ （１０）
そして、３Ｔｗ＜ｔｄａ≦４Ｔｗの場合、さらにＦ４ｂ≦Ｆ１ｂであるか否かを判定し（ステップＳＴ３１）、ステップＳＴ３１が肯定されると上記式（６）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ３２）。ステップＳＴ３２が否定されると、下記の式（１１）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ３３）。

ｔｄｂ＝３Ｔｗ＋Ｔｗ×｛１−Ｆ４ｂ／（Ｆ４ｂ＋Ｆ１ｂ）｝ （１１）
次いで、距離画像生成部３１は第１の実施形態におけるステップＳＴ１１以降の処理を行い、処理を終了する。

ここで、信号レベルが大きいということは外光によるノイズの影響が小さいことを意味する。したがって、信号レベルが大きい側の第２の受光信号を距離情報Ｄ１の算出に使用することにより、より正確に距離情報Ｄ１を算出することができる。

次いで、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、第３の実施形態においては、第１の実施形態と行われる処理のみが異なり、装置の構成は第１の実施形態と同一であるため、構成についての詳細な説明は省略する。ここで、第１および第２の測距光の反射光には外光成分が含まれる。外光成分は図７（ａ），（ｂ）の斜線に示すように反射光に重畳されるため、受光信号は外光成分をも含むものとなっている。

第１の測距光の反射光の受光信号からの位相差ｔｄａの算出は、上記式（１）により行われるため、外光成分の影響は除去される。しかしながら、第２の測距光の反射光の受光信号からの位相差ｔｄｂの算出は、上記式（３）〜（６）により行われるため、外光成分の影響が含まれたものとなっている。第３の実施形態は外光成分の影響を除去して位相差ｔｄｂを算出するようにしたものである。

距離画像生成部３１は、４つの受光信号Ｆ１ｂ、Ｆ２ｂ、Ｆ３ｂ、Ｆ４ｂのうち、第２の測距光の反射光を含まない位相の受光信号を用いて外光成分を算出する。例えば、反射光が図７（ｂ）に示すものの場合、第２の測距光のパルス状の反射光はπ／２〜３π／２の位相の間に含まれる。このため、外光成分は、０〜π／２および３π／２〜２πの位相において取得される受光信号Ｆ１ｂ，Ｆ４ｂに相当するものとなる。したがって、図７（ｂ）に示す場合、外光成分ｋは、ｋ＝Ｆ１ｂ＋Ｆ４ｂにより算出する。

次いで、第３の実施形態において行われる処理について説明する。図８は第３の実施形態において行われる処理を示すフローチャートである。なお、第３の実施形態においては、第１の実施形態におけるステップＳＴ５以降の処理のみが異なるため、ここでは第１の実施形態におけるステップＳＴ５以降の処理についてのみ説明する。ステップＳＴ５に続いて、距離画像生成部３１が、位相差ｔｄａの範囲を判定する（ステップＳＴ４１）。

ｔｄａ≦Ｔｗの場合は、外光成分ｋをｋ＝Ｆ３ｂ＋Ｆ４ｂにより算出し（ステップＳＴ４２）、下記の式（１２）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ４３）。

ｔｄｂ＝Ｔｗ×（Ｆ２ｂ−ｋ／２）／（Ｆ１ｂ＋Ｆ２ｂ−ｋ） （１２）
Ｔｗ＜ｔｄａ≦２Ｔｗの場合は、外光成分ｋをｋ＝Ｆ１ｂ＋Ｆ４ｂにより算出し（ステップＳＴ４４）、下記の式（１３）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ４５）。

ｔｄｂ＝Ｔｗ＋Ｔｗ×（Ｆ３ｂ−ｋ／２）／（Ｆ２ｂ＋Ｆ３ｂ−ｋ） （１３）
２Ｔｗ＜ｔｄａ≦３Ｔｗの場合は、外光成分ｋをｋ＝Ｆ１ｂ＋Ｆ２ｂにより算出し（ステップＳＴ４６）、下記の式（１４）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ４７）。

ｔｄｂ＝２Ｔｗ＋Ｔｗ×（Ｆ４ｂ−ｋ／２）／（Ｆ３ｂ＋Ｆ４ｂ−ｋ） （１４）
そして、３Ｔｗ＜ｔｄａ≦４Ｔｗの場合は、外光成分ｋをｋ＝Ｆ２ｂ＋Ｆ３ｂにより算出し（ステップＳＴ４８）、下記の式（１５）により位相差ｔｄｂを算出する（ステップＳＴ４９）。

ｔｄｂ＝３Ｔｗ＋Ｔｗ×（Ｆ１ｂ−ｋ／２）／（Ｆ４ｂ＋Ｆ１ｂ−ｋ） （１５）
次いで、距離画像生成部３１は第１の実施形態におけるステップＳＴ１１以降の処理を行い、処理を終了する。

これにより、外光成分の影響を除去して、より精度良く距離画像を生成することができる。

なお、上記第３の実施形態においては、第１の実施形態において外光成分を除去しているが、第２の実施形態においても同様に外光成分を除去することができることはもちろんである。

また、上記第１から第３の実施形態においては、第１の測距光の変調周期における０の位相を基準としているが、０でない位相を基準として基準位相、基準位相からπ／２ずれた位相、基準位相からπずれた位相および基準位相から３π／２ずれた位相において反射光をそれぞれ受光するようにしてもよい。また、受光信号を取得する位相のずれは、π／２に限定されるものではない。

また、上記各実施形態においては、第１の測距光を正弦波により変調しているが、三角波、パルス波等、一定の周期で変調するものであれば、どのように変調を行ってもよい。

また、上記各実施形態においては、測距装置１内において距離画像を生成しているが、距離画像生成部３１を装置１外に設け、入出力部３３から受光信号を外部の距離画像生成部３１に出力して距離画像を生成するようにしてもよい。

以上、本発明の実施形態に係る測距装置について説明したが、コンピュータを、上記の距離画像生成部３１に対応する手段として機能させ、図４，６，８に示すような処理を行わせるプログラムも、本発明の実施形態の１つである。また、そのようなプログラムを記録したコンピュータ読取り可能な記録媒体も、本発明の実施形態の１つである。

第１の実施形態による測距装置の構成を示す概略ブロック図 測距光源の構成の構成を示す概略ブロック図 位相差の算出を説明するための図 第１の実施形態において行われる処理を示すフローチャート ２つの受光期間に跨る受光信号を示す図 第２の実施形態において行われる処理を示すフローチャート 外光成分を説明するための図 第３の実施形態において行われる処理を示すフローチャート

符号の説明

１ 測距装置
２ 撮像部
１３ ＣＣＤ
１６ 測距光源
１９ 撮像制御部
３１ 距離画像生成部
３２ ＣＰＵ

Claims (9)

1. 所定周期にて強度が時間的に変化するように変調された第１の測距光、および前記所定周期にて強度が一定のパルス波状に変調された第２の測距光を切換可能に発光する測距光発光手段と、
   受光光量に応じた受光信号を出力する複数の受光素子を有する撮像手段と、
   前記撮像手段の受光期間を制御する受光制御手段と、
   前記受光信号に基づいて、被写体までの距離を表す距離情報を前記受光素子毎に算出する距離情報算出手段と、
   前記第１の測距光を発光し、該第１の測距光の変調周期における位相が異なる複数の受光期間において複数の第１の受光信号を取得し、次いで、前記第２の測距光を発光し、該第２の測距光の変調周期における前記複数の受光期間において複数の第２の受光信号を取得し、前記複数の第１の受光信号に基づいて、前記距離情報の算出に使用する第２の受光信号を選択するよう、前記測距光発光手段、前記撮像手段および前記距離情報算出手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする測距装置。
2. 前記距離情報算出手段は、前記複数の第１の受光信号に基づいて、前記第１の測距光と該第１の測距光の反射光との位相差を前記受光素子毎に算出し、該位相差に基づいて前記複数の第２の受光信号のうち、前記距離情報の算出に使用する第２の受光信号を選択する手段であることを特徴とする請求項１記載の測距装置。
3. 前記測距光発光手段は、前記第２の測距光を、前記第１の測距光の変調周期と同一周期にて、該第１の測距光の変調周期よりもよりも短い期間発光する手段であることを特徴とする請求項１または２記載の測距装置。
4. 前記受光制御手段は、前記撮像手段の受光期間を、前記第２の測距光の発光期間と同一となるように制御する手段であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の測距装置。
5. 前記測距光発光手段は、前記第２の測距光を、前記第１の測距光の変調周期の１／４の期間発光する手段であり、
   前記受光制御手段は、前記撮像手段の受光期間を、前記第１の測距光の変調周期の１／４期間となるように制御する手段であることを特徴とする請求項４記載の測距装置。
6. 前記距離情報算出手段は、前記選択した第２の受光信号が複数の受光期間に跨る場合、信号レベルが大きい受光期間側の第２の受光信号を前記距離情報の算出に使用する手段であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の測距装置。
7. 前記距離情報算出手段は、前記複数の第２の受光信号のうち、前記第２の測距光を受光していない期間の受光信号により、前記選択した第２の受光信号を補正する手段であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の測距装置。
8. 所定周期にて強度が時間的に変化するように変調された第１の測距光、および前記所定周期にて強度が一定のパルス波状に変調された第２の測距光を切換可能に発光する測距光発光手段と、
   受光光量に応じた受光信号を出力する複数の受光素子を有する撮像手段と、
   前記撮像手段の受光期間を制御する受光制御手段と、
   前記受光信号に基づいて、被写体までの距離を表す距離情報を前記受光素子毎に算出する距離情報算出手段とを備えた測距装置における測距方法であって、
   前記第１の測距光を発光し、
   該第１の測距光の変調周期における位相が異なる複数の受光期間において複数の第１の受光信号を取得し、
   次いで、前記第２の測距光を発光し、
   該第２の測距光の変調周期における前記複数の受光期間において複数の第２の受光信号を取得し、
   前記複数の第１の受光信号に基づいて、前記距離情報の算出に使用する第２の受光信号を選択することを特徴とする測距方法。
9. 所定周期にて強度が時間的に変化するように変調された第１の測距光、および前記所定周期にて強度が一定のパルス波状に変調された第２の測距光を切換可能に発光する測距光発光手段と、
   受光光量に応じた受光信号を出力する複数の受光素子を有する撮像手段と、
   前記撮像手段の受光期間を制御する受光制御手段と、
   前記受光信号に基づいて、被写体までの距離を表す距離情報を前記受光素子毎に算出する距離情報算出手段とを備えた測距装置における測距方法をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
   前記第１の測距光を発光する手順と、
   該第１の測距光の変調周期における位相が異なる複数の受光期間において複数の第１の受光信号を取得する手順と、
   次いで、前記第２の測距光を発光する手順と、
   該第２の測距光の変調周期における前記複数の受光期間において複数の第２の受光信号を取得する手順と、
   前記複数の第１の受光信号に基づいて、前記距離情報の算出に使用する第２の受光信号を選択する手順とを有することを特徴とするプログラム。

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