JP5308088B2 - 距離画像センサ - Google Patents

Description

本発明は、対象空間に存在する対象物での光の反射を利用して前記対象物までの距離値を画素値とした距離画像を生成する距離画像センサに関するものである。

従来からこの種の距離画像センサとして、対象空間に向けて光を投光してから当該光が対象空間内の対象物で反射されて戻ってくるまでの時間差（以下、飛行時間という）に基づいて前記対象物までの距離を算出するＴＯＦ（Time Of Flight）法を用いて、三次元情報（距離画像）を取得するものが知られている（たとえば特許文献１参照）。

この距離画像センサ１は、たとえば図１９に示すように、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の発光素子を具備する投光部２と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子を具備する受光部３と、投光部２および受光部３の駆動タイミングを制御する制御部４と、飛行時間より対象空間内に存在する対象物までの距離値を求めて前記距離画像を生成する信号処理部５とを備えている。ここで、距離画像センサ１と対象物との間の空間を光が往復するのに要した時間をΔｔとし、光速をｃとすれば、距離画像センサ１と対象物との間の距離Ｌは、Ｌ＝ｃ・Δｔ／２で求めることができる。なお、検出結果（距離画像）は検出結果出力部６から外部に出力される。

このようにＴＯＦ法を用いた距離画像センサ１は、２台のカメラで対象物を観測して三角測量の原理によって測距を行うステレオ視法や、スリット状の光を対象物に照射したときに生じる対象物の形状に対応した反射光の変化を観測して三角測量の原理で対象物の形状を捉え測距を行う光切断法などを採用する場合に比べて、構成が簡単であって小型化が容易という利点がある。

ところで、ＴＯＦ法を用いた距離画像センサ１では、たとえ投光部２から投光される光量が一定であっても、受光部３での受光光量は距離画像センサ１から対象物までの距離によって変化する（対象物までの距離が近くなるほど受光光量は大きくなる）。ここにおいて、受光部３は、受光光量が大きすぎると撮像素子が飽和し、逆に受光光量が小さすぎると感度不足で光を検知できなくなるから、距離画像センサ１にて検出可能な距離範囲（以下、検出距離範囲という）は、受光部（撮像素子）３の性能に大きく左右され、特定の範囲（飽和あるいは感度不足が生じない範囲）に限定されることとなる。
特開２００６−１５３７７３号公報

しかし、距離画像センサ１の出力を用いるアプリケーションによっては検出対象となる対象物までの距離が異なる場合があるので、限られた検出距離範囲では多種多様なアプリケーションに対応できないという問題がある。なお、撮像素子の蓄積電荷容量を大きくするなどして、撮像素子が飽和するときの受光光量を大きくすることも考えられるが、この方法で広げられる検出距離範囲には限界があるため、依然として多種多様なアプリケーションには対応できない。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであって、多種多様なアプリケーションに対して、それぞれ適切な検出距離範囲を実現することができる距離画像センサを提供することを目的とする。

請求項１の発明は、対象空間を撮像することにより対象空間に存在する対象物までの距離値を画素値とした距離画像を生成する距離画像センサであって、複数個の発光素子を有し前記対象空間に光を投光する投光部と、各々が前記距離画像の各画素に対応する複数の感光要素を有し各感光要素で前記対象空間からの光をそれぞれ受光する受光部と、前記投光部および前記受光部の駆動タイミングを制御する制御部と、前記投光部が光を投光してから当該光が前記対象空間内の対象物で反射されて前記受光部で受光されるまでの時間差を画素ごとに距離値に換算して前記距離画像を生成する信号処理部と、前記投光部から投光されて前記受光部で受光される光の光量を調節する光量調節部と、前記光量調節部で調節される光量を前記信号処理部の出力に応じて自動的に設定する自動設定部とを備え、前記光量調節部は、前記投光部から前記対象空間に投光される光と前記対象空間から前記受光部に入射する光との両方の光量を調節し、前記投光部から投光される光については、前記投光部を構成する複数個の前記発光素子のうち点灯させる前記発光素子の個数を切り替えることにより光量を調節し、前記信号処理部は、前記距離画像の画素ごとの前記受光部での受光光量を濃淡値として求め、前記自動設定部は、濃淡値が大きくなるほど光量を減少させるように、信号処理部で求まる濃淡値から導出される特徴量に応じて光量を設定することを特徴とする。

この構成によれば、投光部から投光されて受光部で受光される光の光量を調節する光量調節部を設けたので、受光部において飽和あるいは感度不足が生じないように前記光量を調節することにより、検出可能な距離範囲を変化させることができる。すなわち、検出距離範囲を近距離側にシフトする場合には、受光部の飽和を回避するように前記光量を減少させればよく、また、検出距離範囲を遠距離側にシフトする場合には、受光部の感度不足を回避するように前記光量を増加させればよい。その結果、多種多様なアプリケーションに対してそれぞれ適切な検出距離範囲を容易に実現することができる。

また、この構成によれば、投光部から投光される光と受光部に入射する光とのいずれか一方のみの光量を調節する構成に比べて、受光部での受光光量の調節幅を大きくとることができ、検出距離範囲の調節幅を広げることができる。しかも、投光部から投光される光の光量を調節すれば、受光部で受光される光における投光部から投光された信号成分と外乱光などの雑音成分との比（ＳＮ比）を変化させることができる。したがって、検出距離範囲を遠距離側にシフトする場合でも、前記光量を増加させることによりＳＮ比を向上させ、測距性能を確保したまま検出距離範囲を変化させることができるという利点がある。

さらに、この構成によれば、点灯させる発光素子の個数を切り替えるだけの比較的簡単な構成で、投光部からの投光光量を調節することができる。
また、この構成によれば、光量調節部で調節される光量が信号処理部の出力に応じて自動的に設定されるので、ユーザにおいては前記光量を調節する手間が省け、また、最適な光量に自動的に設定されることで多様なアプリケーションに柔軟に対応することができる。
しかも、この構成によれば、濃淡値から導出される特徴量に応じて適切な光量が設定されるので、検出距離範囲を近距離側にシフトする場合には、前記光量が減少して受光部の飽和が回避され、また、検出距離範囲を遠距離側にシフトする場合には、前記光量が増加して受光部の感度不足を回避することができる。また、距離値の変動が大きい場合でも、安定している濃淡値を用いて光量を設定できるという利点もある。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記光量調節部が、前記受光部に入射する光については、前記受光部と前記対象空間との間に設けられているレンズの絞りを変化させることで光量を調節することを特徴とする。

この構成によれば、レンズの絞りを変化させるだけの比較的簡単な構成で、受光部への入射光量を調節することができる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記光量調節部が、前記受光部に入射する光については、前記受光部の露光時間を変化させることで光量を調節することを特徴とする。

この構成によれば、光量調節部は受光部の露光時間を変化させることにより光量を調節するものであるから、光量調節部のない従来構成に対して、構成部品を追加することなく制御内容を変更するだけで光量調節部の機能を付加することができ、部品点数の増加を抑えることができる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記自動設定部が、前記距離画像の少なくとも一部の画素についての前記濃淡値の平均値に応じて光量を設定することを特徴とする。

この構成によれば、距離画像の少なくとも一部の画素についての濃淡値の平均値に応じて光量が設定されるので、たとえば運用中に頻繁に検出対象となる対象物までの距離が変更されるアプリケーションであっても、濃淡値の最小値を求めるという簡単な処理を基に、検出対象となる対象物までの距離が変更される都度、適切な検出距離範囲に設定することができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかの発明において、前記自動設定部が、前記距離画像の少なくとも一部の画素についての前記濃淡値の最大値に応じて光量を設定することを特徴とする。

この構成によれば、距離画像の少なくとも一部の画素についての濃淡値の最大値に応じて光量が設定されるので、たとえば運用中に頻繁に検出対象となる対象物までの距離が変更されるアプリケーションであっても、濃淡値の最大値を求めるという簡単な処理を基に、検出対象となる対象物までの距離が変更される都度、適切な検出距離範囲に設定することができる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかの発明において、前記自動設定部が、前記特徴量を一定時間に亘り平均化した値を用いて光量を設定することを特徴とする。

この構成によれば、特徴量を一定時間に亘り平均化した値を用いて光量が設定されるので、検出対象が動きの激しい対象物である場合や、ノイズ等で距離値や濃淡値の変動が大きい場合でも、安定して適切な光量を設定できるという利点がある。

本発明は、投光部から投光されて受光部で受光される光の光量を調節する光量調節部を備えるので、受光部において飽和あるいは感度不足が生じないように前記光量を調節することにより、検出可能な距離範囲を変化させることができ、多種多様なアプリケーションに対して、それぞれ適切な検出距離範囲を実現することができるという利点がある。

（実施形態１）
本実施形態の距離画像センサ１は、図１に示すようにＬＥＤ（発光ダイオード）からなる発光素子Ｌ（図２参照）を具備した投光部２と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）からなる撮像素子を具備した受光部３と、投光部２および受光部３の駆動タイミングを制御する制御部４と、対象空間内の対象物（図示せず）までの距離値を画素値とする距離画像を生成する信号処理部５と、ＵＳＢ等の汎用インタフェースを用いて外部に距離画像を出力する検出結果出力部６と、後述する光量調節部７および手動設定部８とを備えている。

この距離画像センサ１の基本構成および基本的な動作は、図１９に示した従来構成と同様である。すなわち、信号処理部５では、投光部２から対象空間に向けて光を投光してから当該光が対象空間内の対象物で反射されて受光部３で受光されるまでの時間差（以下、飛行時間という）に基づいて前記対象物までの距離を算出するＴＯＦ（Time Of Flight）法を用いて、三次元情報（距離画像）を取得する。

さらに詳しく説明すると、受光部３は、各々が距離画像の各画素に対応する複数の感光要素（図示せず）を半導体基板（図示せず）上に２次元配列（たとえばマトリクス状に配列）した撮像素子（ＣＣＤ）を具備し、レンズ９（図１１参照）を通して対象空間からの光を各感光要素で受光する。ここで、レンズ９は受光部３から対象空間を見るときの視線方向と各感光要素とを一対一に対応付けるものであって、これにより、レンズ９を通して各感光要素に光が入射する範囲を、レンズ９の中心を頂点とし各感光要素ごとに設定された頂角の小さい円錐状の視野とみなすことができる。したがって、投光部２から投光され対象空間に存在する対象物で反射された反射光が感光要素に入射すれば、当該反射光を受光した感光要素の位置により、レンズ９の光軸を基準として前記対象物の存在する方向を特定できる。

しかして、信号処理部５においては、対象空間に存在する対象物までの距離を画素ごとに求めて距離画像を生成することが可能となる。さらに、信号処理部５は、画素ごとに受光部３での受光光量を濃淡値として求め、当該濃淡値を画素値とする濃淡画像を生成する機能も有している。このように生成される濃淡画像もまた、距離画像と同様に検出結果出力部６から外部に出力される。

なお、発光素子Ｌとして赤外線を出力する赤外線ＬＥＤを用い、受光部３へは赤外線透過フィルタを通して対象空間からの光を入射させる構成としてもよい。この構成では、受光部３に可視光領域の光が入射するのを抑制し、投光部２からの光を可視光領域の外乱光と区別しやすくなる。

ここにおいて、上述した飛行時間は非常に短いので、本実施形態では、対象空間に投光する光に強度が一定周期で周期的に変化するように変調した強度変調光を用い、投光部２から出力される光と受光部３で受光される光との間の位相差により飛行時間を求めている。そのため、投光部２は、一定強度の出力光を連続的に出力するのではなく、発光素子Ｌを点灯させる点灯期間と消灯させる消灯期間とを周期的に繰り返している（図４参照）。発光素子Ｌの点灯・消灯の切替は、後述するマイコン（マイクロコンピュータ）１０の制御用ポート出力によって制御される。

すなわち、所定の変調周波数（たとえば１０ＭＨｚ）の矩形波で投光部２から出力させる光強度（投光強度）を変調したとき、投光強度と受光部３で受光される光強度（受光強度）との間の位相差φは、投光部２を駆動する変調信号と受光部３（の各感光要素）への入射光との位相差とみなすことができる。そこで、受光部３への入射光の受光強度を変調信号の複数の異なる位相について求め、求めた位相の関係および受光強度から入射光と変調信号との位相差φを求めることが考えられている。具体的には、受光部３において所定の位相幅（時間幅）を有する位相区間ごとの受光光量を検出し、この受光光量を位相差φの演算に用いる。

たとえば、投光部２からの強度変調光の位相の０〜１８０度（０〜π）、９０〜２７０度（π／２〜３π／２）、１８０〜３６０度（π〜２π）、２７０〜９０度（３π／２〜π／２）の各区間での受光光量をそれぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３とし（図８参照）、受光光量Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３を求める間に位相差φが変化せず（つまり、対象物までの距離が変化せず）且つ対象物の反射率にも変化がないものとすれば、位相差φは、φ＝ｔａｎ^−１｛（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）｝と表すことができる。なお、各位相区間の位相幅は１８０度に限らず、適宜に設定することができる。

このように求まる位相差φ〔ｄｅｇ〕と強度変調光の変調周波数ｆ〔Ｈｚ〕とを用いれば、飛行時間Δｔ〔ｓ〕は、Δｔ＝φ／（３６０・ｆ）〔ｓ〕と表すことができる。そして、この飛行時間Δｔ〔ｓ〕と光速ｃ〔ｍ／ｓ〕とを用いることで、距離画像センサ１から対象物までの距離値ＬはＬ＝ｃ・Δｔ／２〔ｍ〕と表すことができる。

ところで、本実施形態の距離画像センサ１は、光量調節部７を備えることにより、投光部２から投光され対象空間内の対象物で反射されて受光部３で受光される光の光量を調節可能としてある。本実施形態では、以下に説明するように、投光部２から対象空間に投光される光の光量を調節する構成の光量調節部７を採用する。

すなわち、投光部２は、図２に示すようにＬＥＤからなる発光素子Ｌをそれぞれ複数個（ここでは４個）ずつ直列接続した第１および第２の発光素子群を有し、各発光素子群からの光を対象空間に向けて照射するように構成されている。ここで、第１および第２の各発光素子群は、それぞれ電流制限用の抵抗Ｒ１，Ｒ２および駆動用トランジスタＴＲ１，ＴＲ２と共に直列回路を形成し、各直列回路にはそれぞれ定電圧Ｖｃｃが印加される。

光量調節部７は、各駆動用トランジスタＴＲ１，ＴＲ２をオンオフ制御する機能を有するものであって、ここでは第１および第２の制御用ポートがそれぞれ駆動用トランジスタＴＲ１，ＴＲ２の制御端子（ベース）に接続されたマイコン１０からなる。したがって、光量調節部７は、両方の制御用ポートからＨレベルの電圧信号を出力して両方の駆動用トランジスタＴＲ１，ＴＲ２をオンすることで、第１および第２の両発光素子群を全点灯させて投光部２から投光される光の強度を高めた状態（以下、高出力モードという）と、一方の制御用ポートの出力をＬレベルとして一方の駆動用トランジスタＴＲ１（あるいはＴＲ２）をオフすることで、いずれか一方の発光素子群のみを全点灯させ投光部２から投光される光の強度を低く抑えた状態（以下、低出力モードという）とを切り替えることができる。要するに光量調節部７は、駆動用トランジスタＴＲ１，ＴＲ２のオンオフ制御によって、投光部２を構成する複数個の発光素子Ｌのうちで実際に点灯させる発光素子Ｌの個数を切り替え、投光部２から投光される光量を調節する。

さらに、本実施形態の距離画像センサ１はディップスイッチからなる手動設定部８を備えており、上述した光量調節部７で調節される光量はこの手動設定部８の操作に応じて設定される。すなわち、ユーザは、高出力モードと低出力モードとのいずれかを選択するように手動設定部８を操作することにより、光量調節部７の制御用ポートの出力を切り替えて投光部２から投光される光量を調節することができる。

以上説明した本実施形態の距離画像センサ１では、光量調節部７を設けたことにより、投光部２から投光される光量を調節し、結果的に受光部３で受光される光量を調節することができる。したがって、受光部３において撮像素子の飽和や感度不足が生じないように、手動設定部８にて投光部２から投光される光量を設定することにより、距離画像センサ１で検出可能な距離範囲（以下、検出距離範囲という）を変化させることができる。すなわち、検出距離範囲を近距離側にシフトする場合には、受光部３の飽和を回避するように投光部２からの光量を減少（つまり第１および第２の一方の発光素子群のみを全点灯）させればよく、また、検出距離範囲を遠距離側にシフトする場合には、受光部３の感度不足を回避するように投光部２からの光量を増加（つまり第１および第２の両発光素子群を全点灯）させればよい。結果的に、それぞれ検出対象となる対象物までの距離が異なる多種多様なアプリケーションに対応させる場合、各アプリケーションに対してそれぞれ適切な検出距離範囲を実現することができる。

ここにおいて、受光部３で受光する光には、投光部２から照射され対象物で反射された所望の信号成分に加えて、太陽光や照明光等の外乱光による雑音成分も含まれているが、上記距離画像センサ１は、投光部２から照射される光の強度を制御するものであるから、投光部２から照射される光量を増加させることにより、受光部３で受光される光において信号成分の占める比率（ＳＮ比）を向上させることができる。すなわち、投光部２から照射される光の強度が一定である場合、検出する対象物までの距離が遠くなると光の拡散などにより受光部３で受光される信号成分は低下するが、雑音成分は対象物までの距離に依存しないので、結果的に、検出する対象物までの距離が遠くなるほどＳＮ比が低下する。これに対し、本実施形態では、投光部２から照射される光量を増加させることでＳＮ比を向上させることができるから、検出する対象物までの距離が遠くなってもＳＮ比の低下を抑制することができる。したがって、検出距離範囲を遠距離側にシフトする場合でも、十分な測距性能（ＳＮ比）を確保することができるという利点がある。

また、本実施形態では、投光部２から投光される光量を調節するために、点灯させる発光素子Ｌの個数を切り替えるという比較的単純な構成を採用し、さらに、光量を設定するためにディップスイッチからなる手動設定部８を採用しているから、比較手簡単な構成で上述した発明を実現することができる。なお、この構成では、投光部２から光を投光して実際に距離を計測する前に予め手動設定部８を操作して検出距離範囲を設定しておく必要があるので、上記構成の距離画像センサ１は、運用中に頻繁に検出対象となる対象物までの距離を変更する必要のないアプリケーション等に対して特に有用である。

上記実施形態では、光量調節部７は、投光部２からの光量を２段階（高出力モード、低出力モード）で切り替えるようにしているが、制御用ポートで制御可能な発光素子群の組数を増やすことで、光量の切替段数を増やしてもよい。この場合、光量の切替段数に応じて手動設定部８の操作により選択可能なモード数も増やすことになる。

（実施形態２）
本実施形態の距離画像センサ１は、図３に示すように第１および第２の各発光素子群と直列に接続された電流制限用の抵抗をそれぞれ可変抵抗（抵抗素子）ＶＲ１，ＶＲ２とし、当該可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２を光量調節部７として用いる点が実施形態１の距離画像センサ１と相違する。また、本実施形態では、両駆動用トランジスタＴＲ１，ＴＲ２の制御端子がマイコン１０の１つの制御用ポートに接続されている。

この構成により、図４（ａ）に示す状態を基準として、可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２の抵抗値を大きくすることで図４（ｂ）に示すように発光素子Ｌに流れる電流を小さくすれば、投光部２から投光される光の強度が低下して光量が減少する。逆に、可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２の抵抗値を小さくすることで発光素子Ｌに流れる電流を大きくすれば、投光部２から投光される光の強度が上昇して光量が増加する。なお、図４は、横軸を時間軸として投光部２への供給電流を表している。

また、実施形態１の構成では、光量調節部７は点灯させる発光素子Ｌの個数を変化することで光量を離散的に調節するのに対し、本実施形態の構成では、可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２の抵抗値を連続的に変化させることで光量を連続的に調節することができる。したがって、可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２を採用するというだけの比較的単純な構成で、各アプリケーションに対してそれぞれ適切な検出距離範囲をより細かく設定することができる。

なお、本実施形態では、光量調節部７としての可変抵抗ＶＲ１，ＶＲ２が手動設定部８としての機能も兼ねるので、実施形態１のように別途ディップスイッチ等を設ける必要がない。

その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態３）
本実施形態の距離画像センサ１は、図５に示すように両駆動用トランジスタＴＲ１，ＴＲ２の制御端子を光量調節部７としてのマイコン１０の１つの制御用ポートに接続されている点が実施形態１の距離画像センサ１と相違する。ここに、図５に示す構成自体は従来構成と同様であって、マイコン１０の制御用ポートの出力によって第１および第２の一方の発光素子群のみを点灯させることはできないので、実施形態１のように点灯させる発光素子Ｌの個数を切り替えることはできない。

本実施形態では、光量調節部７は、図６に示すように投光部２の点灯期間と消灯期間との比率を調節することによって投光部２から投光される光の光量を調節する。なお、図６は、横軸を時間軸として投光部２への供給電流を表している。

具体的に説明すると、マイコン１０の制御用ポートからＨレベルの電圧信号が出力されている期間には、駆動用トランジスタＴＲ１，ＴＲ２がオンして点灯期間となり、制御用ポートからＬレベルの電圧信号が出力されている期間には、駆動用トランジスタＴＲ１，ＴＲ２がオフして消灯期間となるので、光量調節部７は、制御用ポートから出力される矩形波状の電圧信号のデューティ比を変化させることにより、点灯期間と消灯期間との比率を調節する。

この構成により、図６（ａ）に示す状態（点灯期間：消灯期間＝１：１）を基準として、図６（ｂ）に示すように点灯期間の比率を下げれば、投光部２から投光される光の光量が減少する。逆に、点灯期間の比率を高くすれば、投光部２から投光される光の光量が増加する。

要するに、本実施形態の構成は、図５のように従来構成に対してハードウェア面での変更を加えることなく、ソフトウェア面での変更（マイコン１０の制御内容の変更）を行うだけで、各アプリケーションに対してそれぞれ適切な検出距離範囲を実現することができる。なお、投光部２から投光される光の光量は、点灯期間の比率を下げることで限りなく小さくすることができるので、この構成は、検出距離範囲を近距離側にシフトする場合に特に有用である。

ところで、本実施形態の他の構成例として、図７に示すように前記点灯期間において投光部２に間欠的に電流を流すとともに当該間欠電流のデューティ比を調節することによって光量を調節することも考えられる。なお、図７は、横軸を時間軸として投光部２への供給電流を表している。すなわち、この構成例では、点灯期間と消灯期間との比率は変えることなく（点灯期間：消灯期間＝１：１）、点灯期間・消灯期間の繰返し周期に比べて十分短い周期でマイコン１０の制御用ポートから出力される矩形波状の電圧信号のデューティ比を変化させることで、投光部２から投光される光量を調節する。この場合、信号処理部５においては受光部３の出力に積分処理を施すようにする。

具体的には、図７（ａ）に示すように前記デューティ比が５０％の状態を基準として、図７（ｂ）に示すように前記デューティ比を小さくすれば、投光部２から投光される光の光量が減少し、逆に、図７（ｃ）に示すように前記デューティ比を大きくすれば、投光部２から投光される光の光量が増加する。

この構成によれば、あたかも高周波の搬送波に低周波の信号で振幅変調を施すが如く短い周期で発光素子Ｌを点滅させながらも、受光後に積分処理を施すことにより発光素子Ｌを点滅させない場合と同様の受光波形を得ることが可能である。つまり、積分処理にて復元される波形の歪みは小さく、測距性能の劣化を抑制できるという利点がある。

ところで、本実施形態の構成では、投光部２からの強度変調光の波形が変化するため、受光部３への入射光と変調信号との位相差φが一定であるとしても、図８に示すようにφ＝ｔａｎ^−１｛（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）｝の演算式で求まる位相差φがばらつくことがある。すなわち、たとえば位相差φ＝４５度とした場合に、上記演算式より、図８（ａ）のように点灯期間：消灯期間＝１：１とした場合（実施形態１と同様）には位相差φは「４５度」と求まるのに対し、図８（ｂ）のように点灯期間を消灯期間に比べて短くした（ここでは、図８（ａ）に比べて点灯期間を１／８波長分だけ短くしている）場合、位相差φは「１８度」と求まり、図８（ｃ）のように前記間欠電流のデューティ比を５０％とした場合、位相差φは「０度」と求まる。なお、図８は、横軸を時間軸として投光強度および受光強度を表している。

そこで、本実施形態では、信号処理部５は、上記演算式で求まった位相差φ（以下、演算値という）を所定の方法で換算したものを位相差φの真値として、当該真値から距離値を算出するものとする。ここに、位相差φの演算値と真値との対応関係を示す換算式あるいはデータテーブルが予め設定されており、演算値を真値に換算するに当たっては前記換算式あるいは前記データテーブルを用いる。位相差φの演算値と真値との対応関係は、図９に示すグラフのようになる。図９では、横軸を真値、縦軸を演算値とし、図８（ａ）に対応するものを「イ」で表し、図８（ｂ）に対応するものを「ロ」で表し、図８（ｃ）に対応するものを「ハ」で表している。

なお、その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態４）
本実施形態の距離画像センサ１は、図１０に示すように光量調節部７が受光部３に入射する光量を調節するように構成されている点が実施形態１の距離画像センサ１と相違する。

具体的に説明すると、図１１に示すように受光部３と対象空間との間に配設されたレンズ９に絞り部１１を設け、この絞り部１１の操作によって受光部３への入射光量を調節できるようにしてある。絞り部１１は、レンズ９の受光部３側に付設され、レンズ９から受光部３に入射する光の一部を遮ることにより光量を絞る装置であって、中央に設けた開口部の大きさを変えることにより絞り量を調節するものである。ここに、絞り部１１は光量調節部７並びに手動設定部８として機能する。

この構成によれば、図１１（ａ）に示す状態を基準として、図１１（ｂ）に示すように絞り部１１により受光部３への入射光量を絞ることによって、受光部３での受光光量が減少し、撮像素子の飽和を防止することができる。逆に、絞り部１１を開ければ、受光部３での受光光量が増加し、撮像素子の感度不足を解消することができる。

以上説明した構成では、光量調節部７が検出空間から受光部３に入射する光量を調節するので、前記光量を変化させても、受光部３で受光される光においては信号成分と雑音成分とが同じ割合で増減することとなり、ＳＮ比（信号成分と雑音成分との比）を一定に保つことができる。すなわち、撮像素子の飽和を回避するために光量調節部７で光量を減少させると、受光部３で受光される光においては信号成分だけでなく雑音成分も減少する。したがって、検出距離範囲を近距離側にシフトする場合でも、十分な測距性能（ＳＮ比）を確保したまま、撮像素子の飽和を回避することができるという利点がある。

また、本実施形態では、受光部３へ入射する光量を調節するために絞り部１１を設けるという比較的単純な構成を採用しているから、比較的簡単な構成で上記発明を実現することができる。

なお、その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態５）
本実施形態の距離画像センサ１は、光量調節部７が、図１２に示すように受光部３の露光時間の長さを調節することによって受光部３に入射する光量を調節する点が実施形態４の距離画像センサ１と相違する。ここで、受光部３の露光時間は制御部４により制御可能に構成されている。なお、図１２では、横軸を時間軸として、（ａ）に投光部２の制御タイミングを示し、（ｂ）、（ｃ）に受光部３の制御タイミングを示す。

すなわち、本実施形態では、図１２（ｂ）に示すように投光部２の点灯期間に亘り受光部３を駆動することで、撮像素子の受光量を増やして感度不足を解消したり、図１２（ｃ）に示すように投光部２の点灯期間に比べて受光部３を駆動する時間（露光時間）を短くすることで、撮像素子の受光量を少なくして撮像素子の飽和を防止したりすることができる。

要するに、本実施形態の構成は、従来構成に対してハードウェア面での変更を加えることなく、ソフトウェア面での変更（マイコンの制御内容の変更）を行うだけで、各アプリケーションに対してそれぞれ適切な検出距離範囲を実現することができる。

なお、その他の構成および機能は実施形態４と同様である。

（実施形態６）
本実施形態の距離画像センサ１は、光量調節部７が投光部２から対象空間に投光される光と、対象空間から受光部３に入射する光との両方について光量を調節するように構成されている点が上記各実施形態の距離画像センサ１と相違する。

すなわち、本実施形態では、光量調節部７は、図１３に示すように投光部２から投光される光量を調節する投光側調節部７ａと、受光部３へ入射する光量を調節する受光側調節部７ｂとを有している。ここで、投光側調節部７ａの具体構成は、実施形態１ないし実施形態３のいずれかに示した光量調節部７と同様の構成とし、受光側調節部７ｂの具体構成は、実施形態４または実施形態５に示した光量調節部７と同様の構成とする。

この構成によれば、投光部２から投光される光量と受光部３へ入射する光量との両方を調節できるので、投光部２から投光される光量と受光部３へ入射する光量とのいずれか一方のみを調節する場合に比べて、受光部３での受光光量の調節範囲が広くなり、受光部３において撮像素子の飽和や感度不足を防ぐことができる検出距離範囲を幅広く調節することができるという利点がある。

なお、その他の構成および機能は実施形態１と同様である。

（実施形態７）
本実施形態の距離画像センサ１は、図１４に示すように手動設定部８に代えて、光量調節部７で調節される光量を自動的に設定する自動設定部１２を採用した点が実施形態６の距離画像センサ１と相違する。

自動設定部１２は、信号処理部５の出力に応じて前記光量を設定するものであって、本実施形態では、信号処理部５で求まる対象物までの距離値から導出される特徴量に応じて光量を設定するものとする。

以下、本実施形態の信号処理部５および自動設定部１２の動作について、図１５に示すフローチャートを参照して説明する。

信号処理部５は、飛行時間を入力として対象物までの距離値を演算し（Ｓ１０，Ｓ１１）、その演算結果を検出結果出力部６より出力する（Ｓ１２）。自動設定部１２では、ステップＳ１２の処理に並行して、距離値の演算結果を基にした特徴量を導出し（Ｓ１３）、当該特徴量を用いて対象物までの距離が近距離と遠距離とのいずれの傾向にあるかを判定する（Ｓ１４，Ｓ１５）。ここで、近距離の傾向にあると判定されれば（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、検出距離範囲が近距離側にシフトするように光量調節部７で調節される光量を設定し（Ｓ１６）、逆に、遠距離の傾向にあると判定されれば（Ｓ１５：Ｙｅｓ）、検出距離範囲が遠距離側にシフトするように光量調節部７で調節される光量を設定する（Ｓ１７）。要するに、実際に検出した対象物までの距離が近ければ光量を減少させて検出距離範囲を近距離側にシフトさせ、対象物までの距離が遠ければ光量を増加させて検出距離範囲を遠距離側にシフトさせるので、前記対象物の距離値が検出距離範囲から外れることを防止することができる。

ここでは、距離値から導出される特徴量として、距離画像のフレーム全体（全画素）あるいは一部の画素についての距離値（画素値）の平均値を用いるものとする。この場合、対象物までの距離は、特徴量（平均値）が所定の閾値以上であれば遠距離、閾値未満であれば近距離の傾向にあると判定される。すなわち、距離画像の少なくとも一部の画素についての距離値の平均値に応じて光量が設定されるので、たとえば運用中に頻繁に検出対象となる対象物までの距離が変更されるアプリケーションであっても、距離値の平均値を求めるという簡単な処理を基に、対象物までの距離が変更される都度、適切な検出距離範囲に設定することができる。また、たとえば距離画像の１画素でのみ異常値が生じたとしても、この異常値に合わせて光量が設定されてしまうことを回避できるという利点もある。

以上説明した構成によれば、光量調節部７で調節される光量が、信号処理部５で求まる距離値の特徴量に応じて自動的に設定されるから、ユーザにおいては検出対象となる対象物までの距離に合わせて光量を調節する手間が省ける。また、対象物までの距離に応じた最適な光量が自動的に設定されるから、たとえば運用中に頻繁に検出対象となる対象物までの距離を変更する必要があるアプリケーション等であっても、対象物までの距離が変更される都度、検出距離範囲を調節することにより、受光部３において撮像素子の飽和や感度不足が生じることを回避することができる。

また、距離値から導出される特徴量は、上述した平均値に限るものではなく、たとえば距離画像のフレーム全体（全画素）あるいは一部の画素についての距離値の最小値（最近値）であってもよい。この場合、特徴量（平均値）が所定の閾値以上であれば遠距離、閾値未満であれば近距離の傾向にあると判定される。この例では、距離値のソート処理を行うだけで前記特徴量を導出することができるので、運用中に頻繁に検出対象となる対象物までの距離が変更されるアプリケーションであっても、簡単なソート処理を基に、対象物までの距離が変更される都度、適切な検出距離範囲に設定することができる。さらにまた、前記特徴量は、たとえば距離値の最大値（最遠値）や、距離値がある閾値を超えた画素数、距離値が閾値を下回った画素数などであってもよい。

なお、その他の構成および機能は実施形態６と同様である。

（実施形態８）
本実施形態の距離画像センサ１は、自動設定部１２が、信号処理部５で求まる濃淡値（つまり、画素ごとの受光部３での受光光量）から導出される特徴量に応じて光量を設定する点が、実施形態７の距離画像センサ１と相違する。

以下、本実施形態の信号処理部５および自動設定部１２の動作について、図１６に示すフローチャートを参照して説明する。

信号処理部５は、飛行時間を入力として対象物までの距離値を演算し（Ｓ２０，Ｓ２１）、その演算結果を検出結果出力部６より出力する（Ｓ２２）。自動設定部１２では、ステップＳ２０〜Ｓ２２の処理と並行して、受光部３より得られる濃淡値（濃淡情報）を入力として（Ｓ２３）、当該濃淡値をもとにした特徴量を導出し（Ｓ２４）、当該特徴量を用いて対象物までの距離が近距離と遠距離とのいずれの傾向にあるかを判定する（Ｓ２５，Ｓ２６）。ここで、近距離の傾向にあると判定されれば（Ｓ２５：Ｙｅｓ）、検出距離範囲が近距離側にシフトするように光量調節部７で調節される光量を設定し（Ｓ２７）、逆に、遠距離の傾向にあると判定されれば（Ｓ２６：Ｙｅｓ）、検出距離範囲が遠距離側にシフトするように光量調節部７で調節される光量を設定する（Ｓ２８）。要するに、受光部３での受光光量が飽和傾向にあれば対象物までの距離が近いものと判断し、光量を減少させて検出距離範囲を近距離側にシフトさせ、逆に、受光部３での受光光量が感度不足の傾向にあれば対象物までの距離が遠いものと判断し、光量を増加させて検出距離範囲を遠距離側にシフトさせるので、前記対象物の距離値が検出距離範囲から外れることを防止することができる。

ここでは、濃淡値から導出される特徴量として、濃淡画像のフレーム全体（全画素）あるいは一部の画素についての濃淡値の平均値を用いるものとする。この場合、特徴量（平均値）が所定の閾値以上であれば飽和、閾値未満であれば感度不足の傾向にあると判定される。すなわち、濃淡画像の少なくとも一部の画素についての濃淡値の平均値に応じて光量が設定されるので、たとえば運用中に頻繁に検出対象となる対象物までの距離が変更されるアプリケーションであっても、濃淡値の平均値を求めるという簡単な処理を基に、対象物までの距離が変更される都度、適切な検出距離範囲に設定することができる。また、たとえば濃淡画像の１画素でのみ異常値が生じたとしても、この異常値に合わせて光量が設定されてしまうことを回避できるという利点もある。

以上説明した構成によれば、光量調節部７で調節される光量が、信号処理部５で求まる濃淡値の特徴量に応じて自動的に設定されるから、ユーザにおいては検出対象となる対象物までの距離に合わせて光量を調節する手間が省ける。また、受光部３での受光光量に応じた最適な光量が自動的に設定されるから、たとえば運用中に頻繁に検出対象となる対象物までの距離を変更する必要があるアプリケーション等であっても、対象物までの距離が変更される都度、検出距離範囲を調節することにより、受光部３において撮像素子の飽和や感度不足が生じることを回避することができる。

また、濃淡値から導出される特徴量は、上述した平均値に限るものではなく、たとえば濃淡画像のフレーム全体（全画素）あるいは一部の画素についての濃淡値の最大値であってもよい。この場合、特徴量（最大値）が所定の閾値以上であれば飽和、閾値未満であれば感度不足の傾向にあると判定される。この例では、濃淡値のソート処理を行うだけで前記特徴量を導出することができるので、運用中に頻繁に検出対象となる対象物までの距離が変更されるアプリケーションであっても、簡単なソート処理を基に、対象物までの距離が変更される都度、適切な検出距離範囲に設定することができる。さらにまた、前記特徴量は、たとえば濃淡値の最小値や、濃淡値がある閾値を超えた画素数、距離値が閾値を下回った画素数などであってもよい。

ところで、本実施形態の他の例として、自動設定部１２が、信号処理部５で求まる距離値と濃淡値（つまり、画素ごとの受光部３での受光光量）との両方から導出される特徴量に応じて光量を設定する構成としてもよい。この場合の信号処理部５および自動設定部１２の動作について、図１７に示すフローチャートを参照して以下に説明する。

信号処理部５は、飛行時間を入力として対象物までの距離値を演算し（Ｓ３０，Ｓ３１）、その演算結果を検出結果出力部６より出力する（Ｓ３２）。自動設定部１２では、ステップＳ３０〜Ｓ３１の処理に並行して、受光部より得られる濃淡値（濃淡情報）を入力し（Ｓ３３）、当該濃淡値と前記距離値とをもとにした特徴量を導出し（Ｓ３４）、当該特徴量を用いて対象物までの距離が近距離と遠距離とのいずれの傾向にあるかを判定する（Ｓ３５，Ｓ３６）。ここで、近距離の傾向にあると判定されれば（Ｓ３５：Ｙｅｓ）、検出距離範囲が近距離側にシフトするように光量調節部７で調節される光量を設定し（Ｓ３７）、逆に、遠距離の傾向にあると判定されれば（Ｓ３６：Ｙｅｓ）、検出距離範囲が遠距離側にシフトするように光量調節部７で調節される光量を設定する（Ｓ３８）。要するに、対象物までの距離が近いものと判断されれば、光量を減少させて検出距離範囲を近距離側にシフトさせ、逆に、対象物までの距離が遠いものと判断されれば、光量を増加させて検出距離範囲を遠距離側にシフトさせるので、前記対象物の距離値が検出距離範囲から外れることを防止することができる。

この構成によれば、距離値と濃淡値との一方が欠落している場合でも、他方から導出される特徴量に応じて光量が設定されるから、距離値と濃淡値とのいずれか一方を用いる場合に比べて、より確実に、適切な検出距離範囲を設定することができるという利点がある。

なお、その他の構成および機能は実施形態７と同様である。

（実施形態９）
本実施形態の距離画像センサ１は、自動設定部１２が、距離値から導出される特徴量を一定時間に亘って平均化し、当該平均化後の値を用いて光量を設定する点が実施形態７の距離画像センサ１と相違する。

以下、本実施形態における信号処理部５および自動設定部１２の動作について、図１８に示すフローチャートを参照して説明する。

信号処理部５は、飛行時間を入力として対象物までの距離値を演算し（Ｓ４０，Ｓ４１）、その演算結果を検出結果出力部６より出力する（Ｓ４２）。自動設定部１２では、ステップＳ４２の処理と並行して、距離値の演算結果をもとにした特徴量を導出する（Ｓ４３）。その後、ステップＳ４０〜Ｓ４３と同様の処理（Ｓ４４〜Ｓ４７、Ｓ４８〜Ｓ５１）を複数回（ここでは２回）繰り返し、自動設定部１２は、ステップＳ４３，Ｓ４７，Ｓ５１でそれぞれ導出された特徴量の平均値をとり（Ｓ５２）、当該平均値を用いて対象物までの距離が近距離と遠距離とのいずれの傾向にあるかを判定する（Ｓ５３，Ｓ５４）。ここで、近距離の傾向にあると判定されれば（Ｓ５３：Ｙｅｓ）、検出距離範囲が近距離側にシフトするように光量調節部７で調節される光量を設定し（Ｓ５５）、逆に、遠距離の傾向にあると判定されれば（Ｓ５４：Ｙｅｓ）、検出距離範囲が遠距離側にシフトするように光量調節部７で調節される光量を設定する（Ｓ５６）。要するに、対象物までの距離が近いものと判断されれば、光量を減少させて検出距離範囲を近距離側にシフトさせ、逆に、対象物までの距離が遠いものと判断されれば、光量を増加させて検出距離範囲を遠距離側にシフトさせるので、前記対象物の距離値が検出距離範囲から外れることを防止することができる。

この構成によれば、特徴量を一定時間に亘り平均化した値を用いて光量が設定されるので、対象物が激しく移動して距離値が変動する場合や、ノイズ等の影響で距離値が激しく変動するような場合であっても、光量の設定値が著しく変動することを防止でき、結果的に、安定した検出距離範囲の切り替えが可能となる。

なお、本実施形態では、光量を設定するために、実施形態７と同様に距離値から導出される特徴量を用いる例を示したが、実施形態８で説明したように濃淡値あるいは濃淡値と距離値との両方から導出される特徴量を用いるようにしてもよい。

その他の構成および機能は実施形態７と同様である。

本発明の実施形態１を示す概略ブロック図である。 同上の要部を示す概略回路図である。 本発明の実施形態２の要部を示す概略回路図である。 同上の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態３の要部を示す概略回路図である。 同上の動作を示すタイムチャートである。 同上の他の動作例を示すタイムチャートである。 同上の動作例を示すタイムチャートである。 同上の位相差の真値と演算値との対応関係を示すグラフである。 本発明の実施形態４を示す概略ブロック図である。 同上の要部を示す概略平面図である。 本発明の実施形態５の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施形態６を示す概略ブロック図である。 本発明の実施形態７を示す概略ブロック図である。 同上の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態８の動作を示すフローチャートである。 同上の他の動作例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態９の動作を示すフローチャートである。 従来例を示す概略ブロック図である。

符号の説明

１ 距離画像センサ
２ 投光部
３ 受光部
４ 制御部
５ 信号処理部
７ 光量調節部
８ 手動設定部
９ レンズ
１１ 絞り部
１２ 自動設定部
Ｌ 発光素子
ＶＲ１，ＶＲ２ 可変抵抗（抵抗素子）

Claims (6)

1. 対象空間を撮像することにより対象空間に存在する対象物までの距離値を画素値とした距離画像を生成する距離画像センサであって、
   複数個の発光素子を有し前記対象空間に光を投光する投光部と、
   各々が前記距離画像の各画素に対応する複数の感光要素を有し各感光要素で前記対象空間からの光をそれぞれ受光する受光部と、
   前記投光部および前記受光部の駆動タイミングを制御する制御部と、
   前記投光部が光を投光してから当該光が前記対象空間内の対象物で反射されて前記受光部で受光されるまでの時間差を画素ごとに距離値に換算して前記距離画像を生成する信号処理部と、
   前記投光部から投光されて前記受光部で受光される光の光量を調節する光量調節部と、
   前記光量調節部で調節される光量を前記信号処理部の出力に応じて自動的に設定する自動設定部とを備え、
   前記光量調節部は、前記投光部から前記対象空間に投光される光と前記対象空間から前記受光部に入射する光との両方の光量を調節し、前記投光部から投光される光については、前記投光部を構成する複数個の前記発光素子のうち点灯させる前記発光素子の個数を切り替えることにより光量を調節し、
   前記信号処理部は、前記距離画像の画素ごとの前記受光部での受光光量を濃淡値として求め、
   前記自動設定部は、濃淡値が大きくなるほど光量を減少させるように、信号処理部で求まる濃淡値から導出される特徴量に応じて光量を設定する
   ことを特徴とする距離画像センサ。
2. 前記光量調節部は、前記受光部に入射する光については、前記受光部と前記対象空間との間に設けられているレンズの絞りを変化させることで光量を調節することを特徴とする請求項１記載の距離画像センサ。
3. 前記光量調節部は、前記受光部に入射する光については、前記受光部の露光時間を変化させることで光量を調節することを特徴とする請求項１記載の距離画像センサ。
4. 前記自動設定部は、前記距離画像の少なくとも一部の画素についての前記濃淡値の平均値に応じて光量を設定することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の距離画像センサ。
5. 前記自動設定部は、前記距離画像の少なくとも一部の画素についての前記濃淡値の最大値に応じて光量を設定することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の距離画像センサ。
6. 前記自動設定部は、前記特徴量を一定時間に亘り平均化した値を用いて光量を設定することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の距離画像センサ。

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