JP5190866B2 - 測距方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、変調光位相差方式（ＴＯＦ：time of flight）により被写体までの距離を測定する測距方法および装置に関するものである。

従来から被写体までの距離を測定する方法として変調光位相差方式（ＴＯＦ：time of flight）の測距装置が知られている（たとえば特許文献１、２参照）。この変調光位相差方式とは光強度を変調させた変調光を被写体に照射し、被写体か らの反射変調光を受光しときの変調光と反射変調光との位相差を検出して被写体までの距離を測定するものである。ここで、特許文献１、２においては、変調光 の位相が０°、９０°、１８０°、２７０°であるときに、それぞれ反射変調光の光量をサンプリングすることにより、位相の異なる複数の測定値を取得する。そして、４つの位相の異なる測定値に基づいて被検出物までの距離情報が演算される。
特許第３７５８６１８号 特開２００６−８４４３０号公報

ところで、変調光位相差方式において、変調光の射出から距離画像の生成までの時間を短縮することが望まれている。上述の特許文献１、２のように４つの異なる位相から取得された測定値に基づいて距離情報を演算するものであるため、４つの測定値を取得するまで距離情報の測定をすることができない。よって、変調光の射出から距離画像の生成まで時間が掛かってしまうという問題がある。

そこで、本発明は、距離画像を作成する時間の短縮を図ることができる測距方法および装置を提供することを目的とするものである。

本発明の測距方法は、一定の周期で光強度を変調させた変調光を射出し、射出した変調光が被写体に照射されたときの被写体からの反射変調光を変調光の１／２周期分受光することにより、第１検出信号と、第１検出信号よりも位相がπ／２進んだ第２検出信号と、第２検出信号よりも位相がπ／２進んだ第３検出信号とを取得し、取得した第１検出信号と第２検出信号と第３検出信号とを用いて変調光と反射変調光との位相差を検出し、検出した位相差から被写体距離を算出することを特徴とするものである。

本発明の測距装置は、一定の周期で光強度を変調させた変調光を射出する発光部と、発光部から射出された変調光が被写体に照射されたときの被写体からの反射変調光を変調光の略１／２周期分受光することにより、第１検出信号と、第１検出信号よりも位相がπ／２だけ進んだ第２検出信号と、第２検出信号よりも位相がπ／２だけ進んだ第３検出信号とを取得する受光素子と、受光素子において取得された第１検出信号と第２検出信号と第３検出信号とを用いて変調光と反射変調光との位相差を検出する位相差検出部と、位相差検出部により検出された位相差から被写体距離を算出する距離算出部とを備えたことを特徴とするものである。

ここで、受光素子は、第１検出信号と、第１検出信号よりも位相がπ／２だけ進んだ第２検出信号と、第２検出信号よりも位相がπ／２だけ進んだ第３検出信号とを取得するものであれば取得する順番は問わず、どのような順序で取得してもよい。

なお、受光素子は、第１検出信号、第２検出信号、第３検出信号を取得するものであればその構成は問わず、たとえば１つの感光部に対し１つの転送路を有する構造を有していてもよいし、反射変調光を受光することにより信号電荷を発生する感光部と、感光部において発生した信号電荷を転送する第１の転送路および第２の転送路とを備えた受光素子を有するものであり、変調光１周期分の反射変調光を受光したときに第１検出信号と第３検出信号とを第１の転送路と第２の転送路とからそれぞれ出力するものであってもよい。

このとき、受光素子は、第１の転送路に接続された第１の転送路から出力される信号を増幅して出力する第１出力アンプと、第２の転送路に接続された第２の転送路から出力される信号を増幅して出力する第２出力アンプとを備えたものであってもよい。そして、位相差検出部は、第１出力アンプと第２出力アンプとの信号増幅特性に基づく補正量を記憶したものであり、記憶した補正量に基づいて第１の転送路から出力される検出信号または第２の転送路から出力される検出信号を補正する機能を有するものであってもよい。

また、第１検出信号、第２検出信号、第３検出信号を取得する際、発光部が変調光を連続的に射出し、受光素子が所定の位相タイミングで各検出信号の取得を開始するようにしてもよい。あるいは、受光素子は一定の間隔で各検出信号の取得を繰り返すものであり、発光部は受光素子において第１検出信号と第２検出信号と第３検出信号とが取得されるように変調光の強度変調を開始する位相をずらしながら変調光を間欠的に射出するようにしてもよい。

さらに、受光素子が第１検出信号と第２検出信号と第３検出信号との取得を繰り返し行うものであってもよい。このとき、位相差検出部は、受光素子において第１検出信号、第２検出信号、第３検出信号のうちいずれか１つの検出信号を取得したとき、取得した検出信号と、取得した検出信号の直前に取得した２種類の検出信号とを用いて位相差を検出するようにしてもよい。

また、受光素子が変調光の位相π／２の期間毎の４種類の位相信号を取得するものであってもよい。このとき、位相差検出部は、４種類の位相信号の中から第１検出信号と第２検出信号と第３検出信号とを選択して位相差を検出するものであってもよい。

さらに、測距装置は、受光素子により取得された各検出信号を各検出信号毎に予め設定された設定サンプリング数だけ積算するアナログ信号処理部と、アナログ信号処理部により取得された各検出信号の積算値をＡ／Ｄ変換して位相差検出部に出力するＡ／Ｄ変換部をさらに備えたものであってもよい。このとき、積算回数はＡ／Ｄ変換部における最大ビット数を超えないように設定されていてもよい。

また、測距装置は、各検出信号の取得後に受光素子内に残留する残留電荷を排出するための予め設定された設定期間だけ排出制御パルスを印加する受光制御部をさらに有するものであってもよい。

本発明の測距方法および装置によれば、一定の周期で光強度を変調させた変調光を射出し、射出した変調光が被写体に照射されたときの被写体からの反射変調光を変調光の１／２周期分受光することにより、第１検出信号と、第１検出信号よりも位相がπ／２進んだ第２検出信号と、第２検出信号よりも位相がπ／２進んだ第３検出信号とを取得し、取得した第１検出信号と第２検出信号と第３検出信号とを用いて変調光と反射変調光との位相差を検出し、検出した位相差から被写体距離を算出することにより、３つの検出信号を取得すれば変調光と反射変調光との位相差の検出を行うことができるため、高速に被写体までの距離の算出を行うことができる。

なお、受光素子が、反射変調光を受光することにより信号電荷を発生する感光部と、感光部において発生した信号電荷を転送する第１の転送路および第２の転送路とを備えた受光素子を有するものであり、変調光１周期分の反射変調光を受光したときに第１検出信号と第３検出信号とを第１の転送路と第２の転送路とからそれぞれ出力するものであるとき、１周期分の変調光が射出したときに２つの検出信号を取得することができるため、より高速に被写体までの距離の算出を行うことができる。

また、受光素子が、第１の転送路に接続された第１の転送路から出力される信号を増幅して出力する第１出力アンプと、第２の転送路に接続された第２の転送路から出力される信号を増幅して出力する第２出力アンプとを備えたものであり、位相差検出部が、第１出力アンプと第２出力アンプとの信号増幅特性に基づく補正量を記憶したものであり、記憶した補正量に基づいて第１の転送路から出力される検出信号または第２の転送路から出力される検出信号を補正する機能を有するものであれば、第１出力アンプと第２出力アンプとの出力特性の違いにより位相差の検出に誤差が発生するのを防止し、精度良く被写体までの距離を算出することができる。

さらに、受光素子が一定の間隔で各検出信号の取得を繰り返すものであり、発光部が、受光素子において第１検出信号と第２検出信号と第３検出信号とが取得されるように変調光の強度変調を開始する位相をずらしながら変調光を間欠的に射出するものであるとき、サンプリング開始時期のずれによる被写体までの距離算出の精度の劣化を防止することができる。

また、受光素子が、受光素子が第１検出信号と第２検出信号と第３検出信号との取得を繰り返し行うものであり、位相差検出部が、受光素子において第１検出信号、第２検出信号、第３検出信号のうちいずれか１つの検出信号を取得したとき、取得した検出信号と、取得した検出信号の直前に取得した２種類の検出信号とを用いて位相差を検出するものであれば、被写体までの距離のサンプル数を増加させ距離算出の精度を高めることができる。

さらに、受光素子が変調光の位相π／２の期間毎の４種類の位相信号を取得するものであり、位相差検出部が、４種類の位相信号の中から第１検出信号と第２検出信号と第３検出信号とを選択して位相差を検出するものであるとき、１周期分の変調光からより多くの位相信号を取得し、この位相信号を検出信号として用いることができ、距離算出の精度を高めることができる。

さらに、受光素子により取得された各検出信号を各検出信号毎に予め設定された設定サンプリング数だけ積算するアナログ信号処理部と、アナログ信号処理部により取得された各検出信号の積算値をＡ／Ｄ変換して位相差検出部に出力するＡ／Ｄ変換部をさらに備え、前記設定サンプリング数がＡ／Ｄ変換部における最大ビット数を超えないように設定されているとき、Ａ／Ｄ変換により検出信号の値の精度が劣化するのを防止し、距離算出の精度を高めることができる。

また、各検出信号の取得後に受光素子内に残留する残留電荷を排出するための予め設定された設定期間だけ排出制御パルスを印加する受光制御部をさらに有するものであれば、受光素子に残留する電荷により検出信号の精度が劣化するのを防止することができる。

以下、図面を参照して本発明の測距装置の好ましい実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の測距装置の好ましい実施の形態を示す斜視図である。測距装置１はいわゆる位相差検出方式により被写体までの距離を測定するものであって、発光部１０、受光ユニット２０、位相差検出部４０、距離算出部５０、距離画像生成部６０等を備えている。なお、位相差検出部４０、距離算出部５０、距離画像生成部６０は、メモリ８等に記憶されたプログラムをメモリ制御部７を介してＣＰＵ２が実行することにより構成される。

発光部１０はたとえばＬＥＤアレイ等からなっており、図２に示すような光の強度を一定の周期Ｔ（たとえばＴ＝０．５ｍｓ、周波数２０Ｈｚ）で変調した変調光Ｌ１を被写体に連続的に射出するものである。発光部１０の動作は発光制御部１５により制御されている。

受光ユニット２０は、変調光Ｌ１が被写体に照射されたときの被写体からの反射変調光Ｌ２を受光して３種類の検出信号α、β、γを取得するものであって、結像光学系２１、絞り２２、光学バンドパスフィルタ２３、受光制御部２５、受光素子３０等を備えている。結像光学系２１は複数の光学レンズ群からなり、被写体からの反射変調光Ｌ２を受光素子３０上に結像する。絞り２２は周辺光線を遮断するものであり、光学バンドパスフィルタ２３は反射変調光Ｌ２（変調光Ｌ１）の波長帯域の光を透過する。そして、受光素子３０は絞り２２および光学バンドパスフィルタ２３を通過した反射変調光Ｌ２を受光する。受光制御部２５はレンズ駆動部２５ａ、絞り駆動部２５ｂ、撮像素子駆動部２５ｃを備えており、レンズ駆動部２５ａは結像光学系２１の動作を制御し、絞り駆動部２５ｂは絞り２２の動作を制御し、撮像素子駆動部２５ｃは受光素子３０の動作を制御する。

上述した受光素子３０はたとえばフォトダイオード、ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等からなっており、図３は受光素子がＣＣＤからなる場合の一例を示す模式図を示す。図３の受光素子３０は、感光部３１、転送電極部３２、転送路３３、排出電極部３４、排出路３５等を有している。

感光部３１は、反射変調光Ｌ２を受光して受光することにより受光量に応じた信号電荷を発生・蓄積するものである。転送電極部３２は撮像素子駆動部２５ｃから転送制御パルスＴＰが印加されたとき、感光部３１に蓄積された信号電荷を転送路３３側に出力する。転送路３３にはアンプ３６が設けられており、アンプ３６は転送路３３により転送された信号電荷を増幅してアナログ信号処理部２６に出力する（図１参照）。排出電極部３４は撮像素子駆動部２５ｃから転送制御パルスＴＰが転送電極部２２に印加されたとき、感光部３１に残留する信号電荷を排出路３５側に出力する。

ここで、図４に示すように、撮像素子駆動部２５ｃは、変調光Ｌ１の位相がそれぞれ０°、１／２π、πになったとき転送制御パルスＴＰの転送電極部２２への印加を開始する。そして、撮像素子駆動部２５ｃは、転送制御パルスＴＰは１／２周期分（＝位相π）の期間が経過したとき、転送制御パルスＴＰの転送電極部２２への印加を停止する。これにより、受光素子３０は、変調光Ｌ１の位相０°〜π／２までのＴ／２期間だけ感光部３１を露光したときの第１検出信号αと、変調光Ｌ１の位相π／２〜πまでのＴ／２期間だけ感光部３１を露光したときの第２検出信号βと、変調光Ｌ１の位相π〜３π／２までのＴ／２期間だけ感光部３１を露光したときの第３検出信号γとを取得する。

よって、第２検出信号βは第１検出信号αよりも位相π／２だけ進んだ信号になり、第３検出信号γは第２検出信号βよりも位相がπ／２だけ進んだ信号になる。そして、アナログ信号処理部２６が各検出信号α〜γに対しアナログ信号処理を施した後、Ａ／Ｄ変換部２７が各検出信号α〜γをＡ／Ｄ変換して位相差検出部４０に出力する。なお、アナログ信号処理部２６は、受光素子３０により各検出信号α〜γがサンプリングされる度にＡ／Ｄ変換部２７に各検出信号α〜γを出力するようにしてもよいし、各検出信号α〜γ毎に予め設定された設定サンプリング数Ｎだけ積算してＡ／Ｄ変換部２７に出力するようにしてもよい。

また、図４においては、変調光Ｌ１が１周期分変調する毎にそれぞれ第１検出信号α、第２検出信号β、第３検出信号γを順に取得していく。なお、転送路１１により信号電荷（各検出信号）が転送されている間、すなわち各検出信号が取得される前に撮像素子駆動部２５ｃは排出電極部にＳＵＢ制御パルスＳＰを印加し、感光部３１に残留する残留電荷を排出路３５から排出させる。

位相差検出部４０は、受光素子３０が取得した第１検出信号αと第２検出信号βと第３検出信号γとを用いて変調光Ｌ１と反射変調光Ｌ２との位相差Δφを検出するものである。つまり、反射変調光Ｌ２は変調光Ｌ１に対し被写体までの距離に応じて位相がずれた状態で検出されるものであり（図２参照）、位相差検出部４０はこの位相差Δφを検出する。なお、変調光Ｌ１と反射変調光Ｌ２との位相が２πだけずれたときには両者は同位相になるため、変調光Ｌ１の波長λが距離を測定することができる最大測定距離になる。

具体的には、変調光Ｌ１と反射変調光Ｌ２との位相がずれているとき、その位相差Δφは各検出信号α〜γの信号値の差となって表れ、位相差検出部４０は下記式（１）により位相差Δφを検出することができる。

なお、位相差検出部４０は、アナログ信号処理部２６から上記積算せずに１回のサンプリング分の各検出信号α〜γが出力されたとき、設定サンプリング数Ｎ分の各検出信号α〜γを積算した後、上記式（１）により位相差Δφを算出するようにしてもよい。

距離算出部５０は、位相差検出部４０により検出された位相差Δφから被写体までの距離ｄを算出するものであって、被写体までの距離ｄは下記式（２）に示すことができる。

ｄ＝ｃΔφ／４πｆ ・・・（２）
ここで、ｃは光速、ｆは変調光Ｌ１の周波数（ｆ＝１／Ｔ）である。距離算出部５０は、位相差検出部４０により検出された位相差Δφを式（１）に代入することにより被写体までの距離ｄを算出する。そして距離算出部５０は算出した距離ｄをメモリ制御部７を介してメモリ８に記憶させる。

距離画像生成部６０は、距離算出部５０により算出された距離ｄを用いて距離画像Ｐを生成するものである。具体的には、受光素子３０はたとえば感光部３１をマトリクス状に配列した構造を有しており、距離算出部５０において各受光素子３１に複数の距離情報ｄが算出されメモリ８に記憶されている。距離画像生成部６０は複数の距離情報ｄを用いて距離画像を生成し、生成した距離画像Ｐは表示制御部４を介して表示部５に表示される。

図５は本発明の測距方法の好ましい実施形態を示すフローチャートであり、図１から図５を参照して測距方法について説明する。まず、発光部１０から一定の周期Ｔで強度変調された変調光Ｌ１が被写体に対して射出される。そして、被写体から反射した反射変調光Ｌ２が受光ユニット２０において受光される。このとき、変調光Ｌ１が１周期分変調する毎にそれぞれ第１検出信号α、第２検出信号β、第３検出信号γが順に取得されていく（ステップＳＴ１〜ＳＴ３）。

その後、位相差検出部４０において、３つの各検出信号α〜γを用いて上記式（１）により変調光Ｌ１と反射変調光Ｌ２との位相差Δφが検出される（ステップＳＴ４）。その後、距離算出部５０により位相差Δφを用いて上記式（２）により被写体までの距離ｄが算出され（ステップＳＴ５）、距離ｄの算出が距離画像Ｐの作成終了まで続けられる（ステップＳＴ１〜ＳＴ６）。そして、距離画像生成部６０により複数の距離情報ｄを用いて距離画像Ｐが生成される。

このように、第１検出信号αと、第１検出信号αよりも位相がπ／２だけ進んだ第２検出信号βと、第２検出信号βよりも位相がπ／２だけ進んだ第３検出信号γとの３つの検出信号から距離ｄを算出することにより、距離ｄを算出するのに必要な最低限の検出信号α〜γのみを用いて距離ｄを算出することになるため、高速に距離画像の生成を行うことができる。すなわち、従来においては４つの検出信号を用いて位相差を検出する必要があるため、４つの信号を取得するための時間が掛かってしまう。一方、上述した測距装置１においては３つの検出信号を検出すれば位相差Δφを検出することができるため、データ取得時間を略３／４に短縮することができる。

図６は本発明の測距装置の第２の実施形態を示す模式図であり、図６を参照して測距装置１００について説明する。なお、図６の測距装置１００において図１の測距装置１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図６の測距装置１００が図１の測距装置１と異なる点は、受光ユニット１２０における受光素子１３０の構造および受光制御部１２５の制御方法である。具体的には図７に示すように、受光素子１３０は、感光部１３１、第１転送電極部１３２、第１転送路１３３、第２転送電極部１３４、第２転送路１３５、排出電極部１３６、排出路１３７等を有している。

感光部１３１は、反射変調光Ｌ２を受光して受光することにより受光量に応じた信号電荷を発生・蓄積するものである。第１転送電極部１３２は撮像素子駆動部２５ｃから第１転送制御パルスＴＰ１が印加されたとき、感光部３１に蓄積された信号電荷を第１転送路１３３側に出力する。同様に、第２転送電極部１３４は撮像素子駆動部２５ｃから第２転送制御パルスＴＰ２が印加されたとき、感光部３１に蓄積された信号電荷を第２転送路１３５側に出力する。第１の転送路１３３、第２の転送路１３５にはそれぞれ第１出力アンプ１３８および第２出力アンプ１３９が設けられており、各出力アンプ１３８、１３９は各転送路１３３、１３５によりそれぞれ転送された信号電荷を増幅してアナログ信号処理部２６に出力する（図６参照）。排出電極部１３６は撮像素子駆動部２５ｃから排出制御パルスＳＰが転送電極部２２に印加されたとき、感光部１３１に残留する信号電荷を排出路１３７側に出力する。なお、上記第１制御パルスＴＰ１、第２制御パルスＴＰ２、排出制御パルスＳＰは撮像素子駆動部１２５ｃから撮像素子１３０に印加される。

ここで、図８および図９に示すように、撮像素子駆動部１２５ｃは、変調光Ｌ１の位相０°〜πの期間において第１制御パルスＴＰ１を第１転送電極部１３２へ印加し第１の転送路１３３から第１検出信号αを取得する（ステップＳＴ１１）。第１検出信号αを取得した直後に、撮像素子駆動部１２５ｃは、変調光Ｌ１の位相π〜２πの期間において第２制御パルスＴＰ２を第２転送電極部１３４へ印加し第２の転送路１３５から第３検出信号γを取得する（ステップＳＴ１２）。そして、次の周期の変調光Ｌ１の位相０°〜πの期間において第１制御パルスＴＰ１を第１転送電極部１３２へ印加し第１の転送路１３３から第２検出信号βを取得する（ステップＳＴ１３）。そして、位相差検出部４０において３種類の検出信号α〜γを用いて位相差Δφが検出され（ステップＳＴ１４）、距離算出部５０において被写体までの距離ｄが算出される（ステップＳＴ１５）。その後、距離画像生成手段６０による距離画像Ｐの生成まで各検出信号α〜γの取得が行われる（ステップＳＴ１１〜ＳＴ１６）。

このように、２つの転送路１３３、１３５を有する受光素子１３０を用いることにより１周期分の変調光Ｌ１から２種類の検出信号α、γを取得し、２周期分の変調光Ｌ１から距離ｄを算出することができるため、距離画像の生成をさらに高速化することができる。

図１０は本発明の測距装置の第３の実施形態を示す模式図であり、図１０を参照して測距装置２００について説明する。なお、図１０の測距装置２００において図１の測距装置１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図１０の測距装置２００が図１の測距装置１と異なる点は、変調光Ｌ１の発光方法および反射変調光Ｌ２の受光タイミングである。

受光素子３０は、図１１に示すように、一定の間隔で反射変調光Ｌ２のサンプリングを繰り返すように受光制御部２２５により制御されている。つまり、撮像素子駆動部２２５ｃから受光素子３０に対し一定の周期で転送制御パルスＴＰが出力されている。一方、発光部１０は、受光素子３０のサンプリング開始タイミングに合わせて受光素子３０において第１検出信号α、第２検出信号β、第３検出信号γとが取得されるように変調光Ｌ１の位相をずらしながら間欠的に射出する。

具体的には、変調光Ｌ１の各周期毎に変調光Ｌ１の変調の開始する位相が０°、π／２、πというようにずらしながら発光部１０が間欠的に変調光Ｌ１を射出する。一方で、受光素子３０は変調光Ｌ１の射出の開始に同期して各検出信号α〜γのサンプリングを開始する。なお、各検出信号α〜γの取得終了後から取得開始までの期間においては排出電極部３４（図３参照）に排出制御パルスＳＰが印加され、感光部３１に残留する残留電荷が排出される。

したがって、図１２に示すように、変調光Ｌ１が位相０°から強度変調したときには第１検出信号αが取得され（ステップＳＴ２１、２２）、変調光Ｌ２が位相π／２から強度変調したときには第２検出信号βが取得され（ステップＳＴ２３、２４）、変調光Ｌ３が位相πから強度変調したときには第３検出信号γが取得される（ステップＳＴ２５、２６）。そして、位相差検出部４０において３つの検出信号α、β、γを用いて位相差Δφが検出され（ステップＳＴ２７）、距離算出部５０により被写体までの距離ｄが算出される（ステップＳＴ２８）。その後、距離画像生成手段６０による距離画像Ｐの生成まで各検出信号α〜γの取得が行われる（ステップＳＴ２１〜ＳＴ２９）。

このように、変調光Ｌ１の発光開始タイミングと反射変調光Ｌ２の受光開始タイミングとを同期させることにより、上述したように高速に距離測定を行うことができる戸と共に、各検出信号α、β、γの位相ずれを防止することができ、精度の高い距離計測を行うことができる。

図１３は本発明の測距装置の第４の実施形態を示す模式図であり、図１３を参照して測距装置３００について説明する。なお、図１３の測距装置３００において図６の測距装置１００および図１０の測距装置２００と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。

図１３の測距装置３００においては、２つの転送路を有する受光素子１３０を用いて反射変調光Ｌ２を受光するとともに（図７参照）、変調光Ｌ１が１周期毎に間欠的に射出される（図１０参照）。つまり、図１４に示すように、発光部１０が位相０°〜２πの期間からなる変調光Ｌ１を１周期分射出したとき、受光ユニット２０は反射変調光Ｌ２から第１検出信号αと第３検出信号γとを取得する。また、発光部１０が位相π／２〜３π／２の期間からなる変調光Ｌ１を１周期分射出したとき、受光ユニット２０は反射変調光Ｌ２から第２検出信号βを取得する。

したがって、図１５に示すように、位相０°〜２πから強度変調した変調光Ｌ１が１周期分射出されたとき（ステップＳＴ３１）、受光ユニット１２０において第１検出信号αが取得され、次いで第３検出信号γが取得される（ステップＳＴ３２）。その後、位相π／２から強度変調が開始した変調光Ｌ２が射出されたとき（ステップＳＴ３３）、受光ユニット１２０において第２検出信号βが取得される（ステップＳＴ３４）。そして、位相差検出部４０において３つの検出信号α、β、γを用いて位相差Δφが検出され（ステップＳＴ３５）、距離算出部５０により被写体までの距離ｄが算出される（ステップＳＴ３６）。その後、距離画像生成手段６０による距離画像Ｐの生成まで各検出信号α〜γの取得が行われる（ステップＳＴ３１〜ＳＴ３６）。

このように、変調光Ｌ１の発光開始タイミングと反射変調光Ｌ２の受光開始タイミングとを同期させることにより精度の高い距離計測を行うとともに、２つの転送路を有する受光素子を用いることにより距離算出のさらなる高速化を図ることができる。

図１６は本発明の測距装置の第５の実施形態を示す模式図であり、図１６を参照して測距装置４００について説明する。なお、図１６の測距装置４００において図１の測距装置１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図１７の測距装置４００が図１の測距装置１と異なる点は、位相差検出部４４０における位相差Δφの検出方法である。

つまり、図１７に示すように、受光ユニット２０は、第１検出信号αと第２検出信号βと第３検出信号γとの取得を繰り返し行う（図１〜図５参照）。一方、位相差検出部４４０は、受光ユニット２０において第１検出信号α、第２検出信号β、第３検出信号γのうちいずれか１つの検出信号を取得したとき、取得した検出信号と、取得した検出信号の直前に取得した２種類の検出信号とを用いて位相差Δφを検出する。

たとえば図１８に示すように、第１検出信号α１、第２検出信号β１、第３検出信号γ１の順に取得していく（ステップＳＴ４１、ＳＴ４２、図１〜図５参照）。そして、第１検出信号α２が取得されたとき（ステップＳＴ４３）、位相差検出部４４０は取得した第１検出信号α２と直前に取得された２つの検出信号β１、γ１とを用いて位相差Δφを検出し距離ｄ１を算出する（ステップＳＴ４４）。

同様に、第２検出信号β２が検出されたとき（ステップＳＴ４５）、位相差検出部４４０は第２検出信号β２と直前に取得した検出信号γ１、α２とを用いて位相差Δφを検出し距離ｄ２を算出する（ステップＳＴ４６）。その後、距離画像生成手段６０による距離画像Ｐの生成まで各検出信号α〜γの取得が行われ（ステップＳＴ４１〜４７）、たとえば、次に第３検出信号γ２が検出されたとき、位相差検出部４４０は各検出信号α２、β２、γ２を用いて位相差Δφを検出し距離ｄ３を算出する。

このように、１つの検出信号が取得されたときに、取得した検出信号と直前に取得された２つの検出信号とを用いて位相差Δφを検出することにより、距離ｄのサンプリング数を増加させることができ、距離画像の生成の時間を短縮することができる。

図１９は本発明の測距装置の第６の実施形態を示す模式図であり、図１９を参照して測距装置５００について説明する。なお、図１９の測距装置５００において図１６の測距装置４００と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図１９の測距装置２００が図１６の測距装置４００と異なる点は、２つの転送路を有する受光素子１３０を用いている点である（図７参照）。

つまり、図２０に示すように、受光素子１３０が第１検出信号α、第３検出信号γ、第２検出信号βが順に取得し、位相差検出部４４０において、第１検出信号αが取得されたとき、この第１検出信号αと直前に取得された第３検出信号γおよび第２検出信号βとを用いて位相差Δφが検出され距離ｄが算出されることになる。

このように、１周期分の変調光Ｌ１から２つの検出信号α、γを取得することにより、距離画像の生成の高速化を図るとともに、１つの検出信号が取得されたときに、この検出信号と直前に取得された２つの検出信号とを用いて位相差Δφを検出することにより、距離画像の生成の時間を短縮することができる。

図２１は本発明の測距装置の第７の実施形態を示す模式図であり、図２１を参照して測距装置６００について説明する。なお、図２１の測距装置６００において図１の測距装置１と同一の構成を有する部位には同一の符号を付してその説明を省略する。図２１の測距装置６００が図１の測距装置１と異なる点は検出信号の取得方法および位相差検出部における位相差Δφの検出方法である。

図２１の受光素子３０は変調光Ｌ１の位相π／２の期間毎の４種類の位相信号Ｓ１〜Ｓ４を取得するように受光制御部６２５により制御されている。具体的には、図２２に示すように、受光素子３０は位相０°〜πから第１位相信号Ｓ１、位相π／２〜３π／２から第２位相信号Ｓ２、位相π〜２πから第３位相信号Ｓ３、位相３π／２〜π／２から第１位相信号Ｓ４をそれぞれ取得する。

このとき位相差検出部６４０は、４種類の位相信号の中から第１検出信号と第２検出信号と第３検出信号とを選択して位相差Δφを検出する。つまり、位相差検出部６４０は、（α、β、γ）＝（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）、（Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４）（Ｓ３、Ｓ４、Ｓ１）（Ｓ４、Ｓ１、Ｓ１）のいずれかの組み合わせを用いて位相差Δφを検出する。

このように、４つの位相信号Ｓ１〜Ｓ４を取得することにより、１周期分の変調光Ｌ１からより多くの位相信号Ｓ１〜Ｓ４を取得し、この位相信号Ｓ１〜Ｓ４を検出信号として用いることで距離ｄの算出の精度を高めることができる。

なお、図２２においては、１つの転送路を有する受光素子３０（図３参照）を用いた場合について例示しているが、２つの転送路を有する受光素子１３０（図７参照）を用いて各位相信号Ｓ１〜Ｓ４を取得するようにしてもよい。このとき、たとえば第１の転送路１３３を用いて第１位相信号Ｓ１、第３位相信号Ｓ３が取得され、第２の転送路１３５を用いて第２位相信号Ｓ２、第４位相信号Ｓ４が取得されることになる。また、図２２において、変調光Ｌ１が連続的に射出される場合について例示しているが、図１に示すように、検出信号の取得開始タイミングに同期して間欠的に射出されるようにしてもよい。

以下に、上記各実施形態に適用可能な距離画像の精度を向上させるための３つの手法について説明する。まず、図２３を用いて設定サンプリング数Ｎの最適化について説明する。まず、距離ｄの算出のための本撮影の前にプリ撮影を行う（ＳＴ５１〜ＳＴ５３）。このプリ撮影においては、図２４に示すようにプリサンプリング回数Ｎｒｅｆ分の各検出信号α、β、γがそれぞれ取得される（ステップＳＴ５１）。このとき、アナログ信号処理部２６は、取得された複数個の各検出信号α、β、γ毎にそれぞれ積算し、積算した検出信号α、β、γのうち、最も大きい値の最大検出信号Ｍを検出する（ステップＳＴ５２）。その後、アナログ信号処理部２６は、Ａ／Ｄ変換部２６における最大ビット数をＢ、本撮影において設定すべきサンプリング回数をＮとしたとき、Ｎ＝ｉｎｔ（（２Ｂ−Ｍ）／（Ｍ／Ｎ）を算出する（ステップＳＴ５３）。そして、アナログ信号処理部２６は、受光素子３０により取得された各検出信号α、β、γを算出された設定回数Ｎだけ積算したものを用いて位相差Δφを算出する（ステップＳＴ５４）。

これにより、Ａ／Ｄ変換部２７によりＡ／Ｄ変換により検出信号の値の精度が劣化するのを防止し、距離算出の精度を高めることができる。なお、上述したサンプリング回数の最適化は、位相信号Ｓ１〜Ｓ４の取得にも適用することができる（図２１、図２２参照）。

次に、図２５、図２６を参照して受光素子に残留する残留電荷を除去することにより、距離画像の精度を高める方法について説明する。図２５、図２６に示すように、撮像素子制御部２５ｃからの受光素子３０において転送制御パルスＴＰの出力が終了したとき（ステップＳＴ６１）、排出制御パルスＳＰの出力が開始すると共に、リファレンスクロック数ＣＫのカウントが開始する（ステップＳＴ６２）。そして、リファレンスクロック数ＣＫが指定回数ＣＫｒｅｆに達するまで、排出制御パルスＳＰが出力され続ける（ステップＳＴ６３）。なお、この指定回数ＣＫｒｅｆは感光部３１内の残留電荷が十分に排出されるように設定される。また、リファレンスクロックは一定の周波数で出力されるものであるため、指定回数ＣＫｒｅｆは予め設定された設定期間だけ排出制御パルスＳＰを印加することと同義である。

そして、リファレンスクロック数ＣＫが指定回数ＣＫｒｅｆに達したとき、排出制御パルスＳＰの印加が停止するとともに、リファレンスクロック数ＣＫがリセットされる（ステップＳＴ６４）。この作業が各検出信号α〜γの取得終了まで行われる（ステップＳＴ６５）。これにより、受光素子に残留する電荷により検出信号の精度が劣化するのを防止することができる。

次に、図２７〜図２９を参照して２つの転送路を有する受光素子１３０を用いたときに（図７参照）、各出力アンプ１３８、１３９の特性のばらつきを補正する方法について説明する。上記２つの転送路１３３、１３５からそれぞれ検出信号α〜γを取得した場合、図２７に示すように、第１出力アンプ１３８および第２出力アンプ１３９の出力特性が一致しない場合がある。このとき、同じ信号電荷量が出力されたときであっても出力電圧が異なる。

そこで、図２８に示すように、各アンプ１３８、１３９の出力特性を調べるために、発光部１０から強度変調せずに一定強度の光が受光ユニット２０に照射される（ステップＳＴ７１）。そして、一定時間Ｔｒｅｆだけ露光することにより、第１テスト信号ＴＳ１が第１転送路１３３および第１出力アンプ１３８から出力される（ステップＳＴ７２）。同様に、そして、一定時間Ｔｒｅｆだけ露光することにより、第２テスト信号ＴＳ２が第２転送路１３５および第２出力アンプ１３９から出力される（ステップＳＴ７３）。そして、位相差検出部４０において、補正量Ｃ＝ＴＳ１／ＴＳ２が算出される（ステップＳＴ７４）。

一方、図２９に示すように、実際に測距する際には、第２出力アンプ１３９から出力された第３検出信号γがＡ／Ｄ変換された後（ステップＳＴ８１）、位相差検出部４０（４４０）において補正係数Ｃを用いて補正後の第３検出信号γ‘＝γ×Ｃが算出される（ステップＳＴ８２）。そして、補正後の第３検出信号γ’を用いて位相差Δφが検出される（ステップＳＴ８３）。これにより、第１出力アンプ１３８と第２出力アンプ１３９との出力特性の違いにより位相差Δφの検出に誤差が発生するのを防止し、精度良く被写体までの距離ｄを算出することができる。

上記各実施の形態によれば、一定の周期Ｔで光強度を変調させた変調光Ｌ１を射出し、射出した変調光Ｌ１が被写体に照射されたときの被写体からの反射変調光Ｌ２を変調光Ｌ１の略１／２周期分だけ受光することにより、第１検出信号αと、第１検出信号αよりも位相がπ／２だけ進んだ第２検出信号βと、第２検出信号βよりも位相がπ／２だけ進んだ第３検出信号γとを取得し、取得した第１検出信号αと第２検出信号βと第３検出信号γとを用いて変調光Ｌ１と反射変調光Ｌ２との位相差Δφを検出し、検出した位相差Δφから被写体距離ｄを算出することにより、３つの検出信号α、β、γを取得すれば変調光Ｌ１と反射変調光Ｌ２との位相差Δφの検出を行うことができるため、高速に被写体までの距離の算出を行うことができる。

なお、図７に示すように、受光ユニット２０が、反射変調光を受光することにより信号電荷を発生する感光部１３１と、感光部１３１において発生した信号電荷を転送する第１の転送路１３３および第２の転送路１３５とを備えるものであり、変調光１周期分の反射変調光Ｌ２を受光したとき、第１の転送路１３３から第１検出信号αを出力し、第２の転送路１３５から第３検出信号γを出力するものであるとき、１周期分の変調光Ｌ１が射出したときに２つの検出信号α、γを取得することができるため、より高速に被写体までの距離の算出を行うことができる。

また、図２７〜図２９に示すように、受光素子３０が、第１の転送路１３３に接続された第１の転送路１３３から出力される信号を増幅して出力する第１出力アンプ１３８と、第２の転送路１３５に接続された第２の転送路１３５から出力される信号を増幅して出力する第２出力アンプ１３９とを備えたものであり、位相差検出部４０（４４０）が、第１出力アンプ１３８と第２出力アンプ１３９との信号増幅特性に基づく補正量Ｃを記憶したものであり、記憶した補正量Ｃに基づいて第１の転送路１３３から出力される検出信号または第２の転送路１３５から出力される検出信号を補正する機能を有するものであれば、第１出力アンプ１３８と第２出力アンプ１３９との出力特性の違いにより位相差Δφの検出に誤差が発生するのを防止し、精度良く被写体までの距離を算出することができる。

さらに、図１０〜図１５に示すように、受光素子３０が一定の間隔で反射変調光Ｌ２のサンプリングを繰り返すものであり、発光部１０が受光ユニット２０のサンプリング開始タイミングに合わせて、受光ユニット２０において第１検出信号αと第２検出信号βと第３検出信号γとが順に取得されるように位相をずらしながら変調光Ｌ１を間欠的に射出するものであるとき、サンプリング開始時期のずれの発生を防止し、精度良く被写体までの距離を算出することができる。

また、図１６〜図２０に示すように、受光素子３０が、第１検出信号αと第２検出信号βと第３検出信号γとの取得を繰り返し行うものであり、位相差検出部４４０が、第１検出信号α、第２検出信号β、第３検出信号γのうちいずれか１つの検出信号を取得したとき、取得した検出信号と、取得した検出信号の直前に取得した２種類の検出信号とを用いて位相差を検出するものであれば、被写体までの距離ｄのサンプル数を増加させ距離算出の精度を高めることができる。

さらに、図２１、図２２に示すように受光素子３０がπ／２ずつ位相の異なる４つの位相信号Ｓ１〜Ｓ４を取得するものであり、位相差検出部６４０が、受光素子３０により取得された４つの位相信号Ｓ１〜Ｓ４のうち、第１検出信号αと第２検出信号βと第３検出信号γとを選択して位相差を検出するものであるとき、
また、図２５、図２６に示すように、受光制御部２５が、各検出信号α〜γの取得後に受光素子３０、１３０内に残留する残留電荷を排出するための排出制御パルスＳＰを設定期間分受光素子３０、１３０に印加する機能を有するものであれば、受光素子３０、１３０に残留する電荷により検出信号の精度が劣化するのを防止することができ、精度良く被写体までの距離を算出することができる。

本発明の実施形態は上記実施形態に限定されない。たとえば、上記各実施形態において、距離画像の生成する場合について例示しているが、距離画像の生成までは行わず、対象物までの距離を算出し出力する場合についても適用することができる。

また、上記各実施の形態において、変調光Ｌ１の位相０°〜πの期間を第１検出信号αとして取得し、位相π／２°〜３π／２を第２検出信号βとして取得し、位相π〜２πを第３検出信号γとして取得する場合について例示しているが、上述のように第１検出信号α、第２検出信号β、第３検出信号γの位相が順にπ／２ずつずれていれば、どのような位相の期間であってもよい。

本発明の測距装置の第１の実施形態を示すブロック図 図１の測距装置において射出される変調光および被写体からの反射変調光の一例を示すグラフ 図１の測距装置における受光素子の一例を示す模式図 図１の測距装置における各検出信号の取得の一例を示すタイミングチャート 本発明の測距方法の好ましい実施形態を示すフローチャート 本発明の測距装置の第２の実施形態を示すブロック図 図６の測距装置における受光素子の一例を示す模式図 図６の測距装置における各検出信号の取得の一例を示すタイミングチャート 図６の測距装置の動作例を示すフローチャート 本発明の測距装置の第３の実施形態を示すブロック図 図１０の測距装置における各検出信号の取得の一例を示すタイミングチャート 図１０の測距装置の動作例を示すフローチャート 本発明の測距装置の第４の実施形態を示すブロック図 図１３の測距装置における各検出信号の取得の一例を示すタイミングチャート 図１３の測距装置の動作例を示すフローチャート 本発明の測距装置の第５の実施形態を示すブロック図 図１６の測距装置における各検出信号の取得の一例を示すタイミングチャート 図１６の測距装置の動作例を示すフローチャート 本発明の測距装置の第６の実施形態を示すブロック図 図１９の測距装置における各検出信号の取得の一例を示すタイミングチャート 本発明の測距装置の第７の実施形態を示すブロック図 図２１の測距装置における各検出信号の取得の一例を示すタイミングチャート 上記各実施形態において、Ａ／Ｄ変換による検出信号の劣化を防止する工程を示すフローチャート 図２３のプリ撮影において各検出信号が取得される様子を示すタイミングチャート 上記各実施形態において、受光素子に残留する残留電荷を排出する工程を示すフローチャート 図２５の残留電荷を排出するときの各種制御パルスの出力タイミングの一例を示すタイミングチャート 図７の第１出力アンプと第２出力アンプとの出力特性の違いを示すグラフ 図２７の出力特性の違いから補正量を算出する工程を示すフローチャート 図２８のように算出された補正量を用いて検出信号を補正する工程を示すフローチャート

符号の説明

１、１００、２００、３００、４００、５００、６００ 測距装置
１０ 発光部
２０、１２０ 受光ユニット
２５ 受光制御部
３０、１３０ 受光素子
３１ 感光部
３２ 転送パルス入力部
３３ 転送路
３４ 排出パルス入力部
３５ 排出路
３６ アンプ
４０ 位相差検出部
５０ 距離算出部
６０ 距離画像生成部
ｄ 距離
Ｌ１ 変調光
Ｌ２ 反射変調光
Ｐ 距離画像
ＳＰ 排出パルス
Ｔ 周期
ＴＧ サンプリングパルス
α 第１検出信号
β 第２検出信号
γ 第３検出信号
Δφ 位相差

Claims (9)

1. 一定の周期で光強度を正弦波形状に変調させた変調光を射出し、
   射出した前記変調光が被写体に照射されたときの該被写体からの反射変調光を前記変調の１／２周期分受光することにより、正弦波形状の第１検出信号αと、該第１検出信号αよりも前記変調の位相がπ／２進んだ正弦波形状の第２検出信号βと、該第２検出信号βよりも前記変調の位相がπ／２進んだ正弦波形状の第３検出信号γとを取得し、
   取得した前記第１検出信号αと前記第２検出信号βと前記第３検出信号γとを用い下記式
   Δφ＝arctan｛（α−β）／（β−γ）｝
   に基づいて前記変調光と前記反射変調光との位相差Δφを検出し、
   検出した前記位相差Δφから被写体距離を算出する
   ことを特徴とする測距方法。
2. 一定の周期で光強度を正弦波形状に変調させた変調光を射出する発光部と、
   該発光部から射出された前記変調光が被写体に照射されたときの該被写体からの反射変調光を前記変調の略１／２周期分受光することにより、正弦波形状の第１検出信号αと、該第１検出信号αよりも前記変調の位相がπ／２だけ進んだ正弦波形状の第２検出信号βと、該第２検出信号βよりも前記変調の位相がπ／２だけ進んだ正弦波形状の第３検出信号γとを取得する受光素子と、
   該受光素子において取得された前記第１検出信号αと前記第２検出信号βと前記第３検出信号γとを用い下記式
   Δφ＝arctan｛（α−β）／（β−γ）｝
   に基づいて前記変調光と前記反射変調光との位相差Δφを検出する位相差検出部と、
   該位相差検出部により検出された前記位相差Δφから被写体距離を算出する距離算出部と
   を備えたことを特徴とする測距装置。
3. 前記受光素子が、前記反射変調光を受光することにより信号電荷を発生する感光部と、該感光部において発生した信号電荷を転送する第１の転送路および第２の転送路とを備えた受光素子を有するものであり、前記変調の１周期分の前記反射変調光を受光したときに前記第１検出信号αと前記第３検出信号γとを前記第１の転送路と前記第２の転送路とからそれぞれ出力するものであることを特徴とする請求項２記載の測距装置。
4. 前記受光素子が、前記第１の転送路に接続されて該第１の転送路から出力される信号を増幅して出力する第１出力アンプと、前記第２の転送路に接続されて該第２の転送路から出力される信号を増幅して出力する第２出力アンプとを備えたものであり、
   前記位相差検出部が、前記第１出力アンプと前記第２出力アンプとの信号増幅特性に基づく補正量を記憶したものであり、記憶した該補正量に基づいて前記第１の転送路から出力される前記検出信号または前記第２の転送路から出力される前記検出信号を補正する機能を有するものであることを特徴とする請求項３記載の測距装置。
5. 前記受光素子が一定の間隔で前記各検出信号の取得を繰り返すものであり、
   前記発光部が、前記受光素子において前記第１検出信号αと前記第２検出信号βと前記第３検出信号γとが取得されるように該変調光の強度変調を開始する位相をずらしながら該変調光を間欠的に射出するものであることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項記載の測距装置。
6. 前記受光素子が前記第１検出信号αと前記第２検出信号βと前記第３検出信号γとの取得を繰り返し行うものであり、
   前記位相差検出部が、前記受光素子において前記第１検出信号α、前記第２検出信号β、前記第３検出信号γのうちいずれか１つの検出信号を取得したとき、該取得した検出信号と、該取得した検出信号の直前に取得した２種類の検出信号とを用いて前記位相差を検出するものであることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項記載の側距装置。
7. 前記受光素子が前記変調の位相π／２の期間毎の４種類の位相信号を取得するものであり、
   前記位相差検出部が、前記４種類の位相信号の中から前記第１検出信号αと前記第２検出信号βと前記第３検出信号γとを選択して前記位相差を検出するものであることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項記載の測距装置。
8. 前記受光素子により取得された前記各検出信号を該各検出信号毎に予め設定された設定サンプリング数だけ積算するアナログ信号処理部と、
   該アナログ信号処理部により取得された前記各検出信号の積算値をＡ／Ｄ変換して前記位相差検出部に出力するＡ／Ｄ変換部をさらに備え、
   前記設定サンプリング数が前記Ａ／Ｄ変換部における最大ビット数を超えないように設定されていることを特徴とする請求項２から７のいずれか１項記載の測距装置。
9. 前記各検出信号の取得後に前記受光素子内に残留する残留電荷を排出するための排出制御パルスを予め設定された設定期間だけ印加する受光制御部をさらに有するものであることを特徴とする請求項２から８のいずれか１項記載の測距装置。

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