JP6020547B2 - Image acquisition apparatus and method - Google Patents

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本発明は、画像取得装置及び方法に関し、特には、対象物へパルス光を繰り返し照射し、対象物からの光を受光することにより対象物の画像を取得する画像取得装置及び方法に関する。   The present invention relates to an image acquisition apparatus and method, and more particularly to an image acquisition apparatus and method for acquiring an image of an object by repeatedly irradiating the object with pulsed light and receiving light from the object.

従来、対象物へパルス光を繰り返し照射し、対象物からの光を受光することにより対象物の画像を取得する装置が提案されている。例えば、特許文献1には、SPAD(Single Photon Avalanche Diode)のアレイで構成され、パルス光で照明された対象物の画像を取得する集積回路であって、対象物の画像を取得するために対象物で反射されたパルス光の強度を求める2D読み出し回路に接続された第1のSPAD群と、対象物までの距離を測定するために対象物に照射したパルス光が対象物上で反射して戻ってくるまでの時間(TOF:time of flight)を求める3D読み出し回路に接続された第2のSPAD群とを備えた集積回路が開示されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, an apparatus for acquiring an image of an object by repeatedly irradiating the object with pulsed light and receiving light from the object has been proposed. For example, Patent Document 1 discloses an integrated circuit that includes an array of SPADs (Single Photon Avalanche Diodes) and acquires an image of an object illuminated with pulsed light. The first SPAD group connected to the 2D readout circuit for obtaining the intensity of the pulsed light reflected by the object, and the pulsed light irradiated on the object to measure the distance to the object is reflected on the object. An integrated circuit is disclosed that includes a second SPAD group connected to a 3D readout circuit that determines a time of flight (TOF).

米国特許第7262402号明細書US Pat. No. 7,262,402

しかしながら、上記のような技術では、近くの対象物の画像は強度が大きく、遠くの対象物の画像は強度が小さくなる問題がある。すなわち、照射するパルス光のパワー密度は距離の二乗に反比例して減衰する。上記特許文献1の技術では、対象物で反射されたパルス光によって対象物の画像を取得するため、対象物の画像の強度は対象物との距離に依存する問題がある。   However, the above-described technique has a problem that an image of a nearby object has a high intensity, and an image of a distant object has a low intensity. That is, the power density of the irradiated pulsed light is attenuated in inverse proportion to the square of the distance. In the technique of the above-mentioned patent document 1, since the image of the object is acquired by the pulsed light reflected by the object, there is a problem that the intensity of the image of the object depends on the distance from the object.

本発明は、このような実情に鑑みなされたものであり、その目的は、対象物との距離に依存しない対象物の画像を取得することが可能な画像取得装置及び方法を提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide an image acquisition apparatus and method capable of acquiring an image of an object independent of the distance to the object. .

本発明は、投光期間に対象物へパルス光を繰り返し照射し、投光休止期間に対象物へのパルス光の照射を休止する投光手段と、対象物からの光を受光する受光手段と、を備え、受光手段は、投光休止期間に対象物から受光した光の強度を求めるための2D読み出し回路に接続された第1の受光素子群と、投光期間に対象物から投光手段が照射したパルス光の反射パルス光を繰り返し受光して、投光手段がパルス光を照射した時刻と反射パルス光を受光した時刻との時間差に基づいて対象物までの距離を算出するための3D読み出し回路に接続された第2の受光素子群と、を有する画像取得装置である。   The present invention includes a light projecting unit that repeatedly irradiates a target object with pulsed light during a light projection period, and pauses the irradiation of the pulsed light onto the target object during a light projection pause period, and a light receiving unit that receives light from the target object. The light receiving means includes a first light receiving element group connected to a 2D readout circuit for obtaining the intensity of light received from the object during the light projection pause period, and light projecting means from the object during the light projection period. 3D for calculating the distance to the object based on the time difference between the time when the light projecting means irradiated the pulsed light and the time when the reflected light was received. And a second light receiving element group connected to the readout circuit.

この構成によれば、投光手段は、投光期間に対象物へパルス光を繰り返し照射し、投光休止期間に対象物へのパルス光の照射を休止して、受光手段は、投光休止期間に対象物から受光した光の強度を求めるための2D読み出し回路に接続された第1の受光素子群と、投光手段がパルス光を照射した時刻と反射パルス光を受光した時刻との時間差に基づいて対象物までの距離を算出するための3D読み出し回路に接続された第2の受光素子群とを備えるため、2D読み出し回路に接続された第1の受光素子群は、投光休止期間において受光する光の強度に投光手段が照射したパルス光の反射光の成分が含まれないことになり、対象物との距離に依存しない対象物の画像を取得することが可能となる。   According to this configuration, the light projecting unit repeatedly irradiates the object with the pulsed light during the light projecting period, pauses the irradiation of the pulsed light onto the object during the light projection period, and the light receiving unit performs the light projecting pause. Time difference between the first light receiving element group connected to the 2D readout circuit for obtaining the intensity of light received from the object during the period, and the time when the light projecting means radiates the pulsed light and the time when the reflected pulsed light is received And a second light receiving element group connected to a 3D readout circuit for calculating a distance to the object based on the first light receiving element group connected to the 2D read circuit In this case, the intensity of the received light does not include the reflected light component of the pulsed light emitted by the light projecting means, and an image of the object that does not depend on the distance to the object can be acquired.

この場合、第1の受光素子群は、投光休止期間と投光期間との両方を含む期間において受光した光の強度を求めるための2D読み出し回路に接続されていることが好適である。   In this case, it is preferable that the first light receiving element group is connected to a 2D readout circuit for obtaining the intensity of light received during a period including both the light projection pause period and the light projection period.

この構成によれば、2D読み出し回路に接続された第1の受光素子群は、投光期間を含む期間に受光した光の強度を求めるため、対象物の明るさが不足する状況においても感度が不足することがなく、対象物の画像を取得することが可能となる。   According to this configuration, the first light receiving element group connected to the 2D readout circuit obtains the intensity of the light received in the period including the light projecting period, and thus the sensitivity is high even in a situation where the brightness of the object is insufficient. It is possible to acquire an image of the object without being insufficient.

また、第1の受光素子群は、投光休止期間の全期間中において対象物から受光した光の強度を求めるための2D読み出し回路に接続されていることが好適である。   In addition, it is preferable that the first light receiving element group is connected to a 2D readout circuit for obtaining the intensity of light received from the object during the entire light emission suspension period.

この構成によれば、第1の受光素子群は、投光休止期間の全期間中において対象物から受光した光の強度を求めるための2D読み出し回路に接続されているため、受光強度を求める2D読み出し回路と、距離を求める3D読み出し回路とで、使用する測定データの区分がし易くなり、ヒストグラム等の測定データを共用し易くなる。   According to this configuration, the first light receiving element group is connected to the 2D readout circuit for obtaining the intensity of the light received from the object during the entire projection suspension period. The readout circuit and the 3D readout circuit for obtaining the distance make it easy to classify the measurement data to be used, and it becomes easy to share measurement data such as a histogram.

また、本発明は、対象物へパルス光を繰り返し照射する投光手段と、対象物から投光手段が照射したパルス光の反射パルス光を繰り返し受光する受光手段と、投光手段がパルス光を照射した時刻と受光手段が反射パルス光を受光した時刻との時間差に基づいて対象物までの距離を算出する距離算出手段と、受光手段が受光するパルス光の強度を、距離算出手段が算出した対象物までの距離に応じて変換する変換手段と、を備えた画像取得装置である。   The present invention also provides a light projecting unit that repeatedly irradiates a target with pulsed light, a light receiving unit that repeatedly receives reflected pulsed light of the pulsed light emitted from the target by the light projecting unit, and a light projecting unit that emits pulsed light. The distance calculating means calculates the distance to the object based on the time difference between the irradiation time and the time when the light receiving means receives the reflected pulse light, and the distance calculating means calculates the intensity of the pulsed light received by the light receiving means. An image acquisition device comprising: conversion means for converting according to the distance to the object.

この構成によれば、距離算出手段は、投光手段がパルス光を照射した時刻と受光手段が反射パルス光を受光した時刻との時間差に基づいて対象物までの距離を算出し、変換手段は、受光手段が受光するパルス光の強度を、距離算出手段が算出した対象物までの距離に応じて変換するため、受光手段が受光するパルス光の強度は対象物までの距離に応じて補正されることになり、対象物との距離に依存しない対象物の画像を取得することが可能となる。   According to this configuration, the distance calculating means calculates the distance to the object based on the time difference between the time when the light projecting means radiates the pulsed light and the time when the light receiving means receives the reflected pulsed light, and the converting means Since the intensity of the pulsed light received by the light receiving means is converted according to the distance to the object calculated by the distance calculating means, the intensity of the pulsed light received by the light receiving means is corrected according to the distance to the object. Thus, an image of the object that does not depend on the distance to the object can be acquired.

この場合、変換手段は、距離算出手段が算出した対象物までの距離が大きいほど、受光手段が受光するパルス光の強度を強める補正量が大きくなるように変換することが好適である。   In this case, it is preferable that the conversion unit performs conversion so that the correction amount that increases the intensity of the pulsed light received by the light receiving unit increases as the distance to the object calculated by the distance calculating unit increases.

この構成によれば、変換手段は、距離算出手段が算出した対象物までの距離が大きいほど、受光手段が受光するパルス光の強度を強める補正量が大きくなるように変換するため、対象物との距離が遠くとも、変換手段による補正により強い強度のパルス光として受光することができ、対象物との距離に依存しない対象物の画像を取得することが一層容易となる。   According to this configuration, the conversion unit converts the correction amount to increase the intensity of the pulsed light received by the light receiving unit as the distance to the target calculated by the distance calculation unit increases. Even if the distance is long, it can be received as pulsed light having a high intensity by correction by the conversion means, and it becomes easier to obtain an image of the object independent of the distance to the object.

一方、本発明は、対象物へパルス光を繰り返し照射する投光手段と、対象物からの光を受光する受光手段と、投光手段がパルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、投光手段がパルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、受光手段が対象物から投光手段が照射したパルス光の反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、時間差のヒストグラムを作成するヒストグラム作成手段と、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する距離算出手段と、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの総和から、ヒストグラムの極大値を減算した値に基づいて濃度を算出する濃度算出手段と、を備えた画像取得装置である。   On the other hand, the present invention relates to a light projecting unit that repeatedly irradiates a target with pulsed light, a light receiving unit that receives light from the target, and a pulsed light projecting time that is a time when the light projecting unit radiates pulsed light. , A pulsed light projecting time that is the time when the light projecting unit irradiates the pulsed light, and a pulsed light receiving time that is the time when the light receiving unit receives the reflected pulsed light of the pulsed light irradiated by the projecting unit from the object Histogram creation means for repeatedly measuring the time difference and creating a histogram of the time difference, distance calculation means for calculating the distance to the object based on the maximum value of the histogram created by the histogram creation means, and histogram creation means An image acquisition apparatus comprising: density calculation means for calculating density based on a value obtained by subtracting the maximum value of the histogram from the total sum of the histogram.

この構成によれば、ヒストグラム作成手段は、投光手段がパルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と受光手段が反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して時間差のヒストグラムを作成し、距離算出手段は、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムが極大値を示す時間に基づいて対象物までの距離を算出して、濃度算出手段は、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの総和からヒストグラムの極大値を減算した値に基づいて濃度を算出する、受光手段が受光する反射パルス光の強度となるヒストグラムの総和を、投光手段からの反射光の成分と背景光の成分とに分離することができる。   According to this configuration, the histogram creating means repeats the time difference between the pulse light projecting time that is the time when the light projecting means radiates the pulse light and the pulse light receiving time that is the time when the light receiving means receives the reflected pulse light. The distance calculation means calculates the distance to the object based on the time when the histogram created by the histogram creation means shows the maximum value, and the density calculation means The density is calculated based on the value obtained by subtracting the maximum value of the histogram from the total sum of the histograms created. The sum of the histograms representing the intensity of the reflected pulse light received by the light receiving means is calculated based on the reflected light component from the light projecting means and the background. It can be separated into light components.

反射光の成分はヒストグラム上で極大値(ピーク)を形成するため、ヒストグラムの総和から極大値(あるいは極大値近傍)の値を減算することにより背景光の成分を特定することができる。反射光の成分は距離の二乗に反比例して減衰するが、背景光の成分は距離に依存しない。濃度算出手段は、この背景光の成分を濃度値として出力することにより、距離に依存しない対象物の画像を取得することが可能となる。また、この構成によれば、距離の測定と濃度の測定とを同時に行なうため、測定時間を短縮することができる。   Since the component of the reflected light forms a maximum value (peak) on the histogram, the background light component can be specified by subtracting the value of the maximum value (or the vicinity of the maximum value) from the sum total of the histogram. The reflected light component attenuates in inverse proportion to the square of the distance, but the background light component does not depend on the distance. The density calculating means outputs the background light component as a density value, thereby obtaining an image of the object independent of the distance. Further, according to this configuration, since the distance measurement and the concentration measurement are simultaneously performed, the measurement time can be shortened.

濃度算出手段は、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの総和から、ヒストグラムの極大値を減算した値について、極大値を示すビンを補間した値に基づいて濃度を算出することが好適である。   The density calculation means preferably calculates the density based on a value obtained by interpolating a bin indicating the maximum value for a value obtained by subtracting the maximum value of the histogram from the total sum of the histograms created by the histogram creation means.

この構成によれば、濃度算出手段は、ヒストグラム作成手段が作成したヒストグラムの総和から、ヒストグラムの極大値を減算した値について、極大値を示すビンを補間した値に基づいて濃度を算出するため、背景光の成分が反射光の成分より大きい場合であっても、パルス光の時間幅が大きく極大値を示すビンの個数が多い場合であっても、反射光の成分を正確に除去して、背景光の成分を求めることができる。   According to this configuration, the density calculating unit calculates the density based on the value obtained by interpolating the bin indicating the maximum value for the value obtained by subtracting the maximum value of the histogram from the total sum of the histograms generated by the histogram generating unit. Even when the background light component is larger than the reflected light component, or even when the time width of the pulsed light is large and the number of bins showing the maximum value is large, the reflected light component is accurately removed, The background light component can be obtained.

一方、本発明は、投光期間に対象物へパルス光を繰り返し照射し、投光休止期間に対象物へのパルス光の照射を休止する工程と、対象物からの光を受光する工程と、を備え、投光休止期間に対象物から受光した光の強度を求める工程と、投光期間に対象物から照射したパルス光の反射パルス光を繰り返し受光して、パルス光を照射した時刻と反射パルス光を受光した時刻との時間差に基づいて対象物までの距離を算出する工程と、を有する画像取得方法である。   On the other hand, the present invention repeatedly irradiates the object with pulsed light during the light projection period, stops the irradiation of the pulsed light onto the object during the light emission pause period, and receives the light from the object, A step of obtaining the intensity of light received from the object during the light projection pause period, and by repeatedly receiving the reflected pulse light of the pulse light emitted from the object during the light projection period, and the time and reflection of the pulse light irradiation. And a step of calculating a distance to the object based on a time difference from the time when the pulsed light is received.

この場合、投光休止期間と投光期間との両方を含む期間において受光した光の強度を求めることが好適である。   In this case, it is preferable to obtain the intensity of the light received in the period including both the light projection suspension period and the light projection period.

また、投光休止期間の全期間中において対象物から受光した光の強度を求めることが好適である。   In addition, it is preferable to obtain the intensity of light received from the object during the entire period of the light projection suspension period.

また、本発明は、対象物へパルス光を繰り返し照射する工程と、対象物から照射したパルス光の反射パルス光を繰り返し受光する工程と、パルス光を照射した時刻と反射パルス光を受光した時刻との時間差に基づいて対象物までの距離を算出する工程と、受光するパルス光の強度を、算出した対象物までの距離に応じて変換する工程と、を備えた画像取得方法である。   The present invention also includes a step of repeatedly irradiating an object with pulsed light, a step of repeatedly receiving reflected pulsed light of the pulsed light emitted from the object, a time of irradiating the pulsed light, and a time of receiving the reflected pulsed light. An image acquisition method comprising a step of calculating a distance to an object based on a time difference between and a step of converting the intensity of received pulsed light according to the calculated distance to the object.

この場合、算出した対象物までの距離が大きいほど、受光するパルス光の強度を強める補正量が大きくなるように変換することが好適である。   In this case, it is preferable to perform conversion so that the greater the calculated distance to the object, the greater the correction amount that increases the intensity of the received pulsed light.

さらに、本発明は、対象物へパルス光を繰り返し照射する工程と、対象物からの光を受光する工程と、パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、対象物から照射したパルス光の反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、時間差のヒストグラムを作成する工程と、作成したヒストグラムの極大値に基づいて対象物までの距離を算出する工程と、作成したヒストグラムの総和から、ヒストグラムの極大値を減算した値に基づいて濃度を算出する工程と、を備えた画像取得方法である。   Furthermore, the present invention includes a step of repeatedly irradiating an object with pulsed light, a step of receiving light from the object, a pulsed light projecting time that is a time when the pulsed light is irradiated, and a pulse irradiated from the object. Repeatedly measures the time difference from the pulsed light reception time, which is the time when the reflected reflected light of the light is received, and creates a histogram of the time difference, and calculates the distance to the object based on the maximum value of the created histogram An image acquisition method comprising: a step; and a step of calculating a density based on a value obtained by subtracting a maximum value of the histogram from the total sum of the created histograms.

この場合、作成したヒストグラムの総和から、ヒストグラムの極大値を減算した値について、極大値を示すビンを補間した値に基づいて濃度を算出することが好適である。   In this case, for the value obtained by subtracting the maximum value of the histogram from the total sum of the created histograms, it is preferable to calculate the density based on the value obtained by interpolating the bin indicating the maximum value.

本発明の画像取得装置及び方法によれば、対象物との距離に依存しない対象物の画像を取得することが可能となる。   According to the image acquisition apparatus and method of the present invention, it is possible to acquire an image of an object that does not depend on the distance to the object.

第1実施形態に係る3Dカメラの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the 3D camera which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る2次元受光素子アレイの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the two-dimensional light receiving element array which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態における2次元受光素子アレイの各画素の回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the circuit of each pixel of the two-dimensional light receiving element array in 1st Embodiment. 第1実施形態に係るヒストグラム処理によるTOF検出の原理を示す図である。It is a figure which shows the principle of TOF detection by the histogram process which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態におけるヒストグラムの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the histogram in 1st Embodiment. 第1実施形態におけるヒストグラムの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the histogram in 1st Embodiment. (a)(b)は、パルス発光タイミングと強度取得タイミングとを示すタイミングチャートである。(A) and (b) are timing charts showing pulse emission timing and intensity acquisition timing. 第3実施形態に係る3Dカメラの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the 3D camera which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態に係る2次元受光素子アレイの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the two-dimensional light receiving element array which concerns on 3rd Embodiment. 第3実施形態における2次元受光素子アレイの各画素の回路の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the circuit of each pixel of the two-dimensional light receiving element array in 3rd Embodiment. 第3実施形態におけるヒストグラムの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the histogram in 3rd Embodiment. 第3実施形態におけるヒストグラムの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the histogram in 3rd Embodiment.

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。まず、本発明に係る画像取得装置及び光学式測距装置の種別について説明する。レーザ光線により対象物との距離を測定するレーザレンジファインダ(レーザ測距装置)には、スキャン型と非スキャン型とがある。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. First, the types of the image acquisition device and the optical distance measuring device according to the present invention will be described. Laser range finders (laser ranging devices) that measure the distance to an object with a laser beam include a scan type and a non-scan type.

スキャン型は、レーザビームをスキャンしつつ対象物に繰返し照射して、その反射光を一つの受光素子で受光する。スキャン型は、コリメートした光を照射するので、対象物上でのパワー密度は比較的大きくなり、光学的SN比を大きくすることができる。しかしながら、スキャン型は、距離の空間分布を高解像度で得るためには、高密度スキャンが必要となり、スキャン時間が増大する。そこで、スキャン型は、即時性が要求される自動車における用途では、スキャン時間を短縮するため、水平方向は高密度でスキャンして、鉛直方向は数ラインのみスキャンすることが一般的である。   The scan type repeatedly irradiates an object while scanning a laser beam, and the reflected light is received by one light receiving element. Since the scan type emits collimated light, the power density on the object is relatively large, and the optical SN ratio can be increased. However, in order to obtain the spatial distribution of distance with high resolution, the scan type requires high-density scanning, and the scanning time increases. Therefore, in an automobile application where immediacy is required, the scan type generally scans with a high density in the horizontal direction and only a few lines in the vertical direction in order to shorten the scan time.

一方、非スキャン型は、測定対象をカバーする広がりのある光を照射して、その反射光を2次元アレイ化した受光素子に結像させて受光する。非スキャン型では、一度の光照射で多点の距離を同時に測定することができるので、高解像度の空間分布を高速に得ることができるメリットがある。その反面、非スキャン型では、照射光等のノイズ成分の除去が重要となる。   On the other hand, the non-scan type irradiates light having a spread covering the measurement object, forms an image of the reflected light on a two-dimensional array of light receiving elements, and receives the light. The non-scan type has an advantage that a high-resolution spatial distribution can be obtained at a high speed because the distances of multiple points can be measured simultaneously with a single light irradiation. On the other hand, in the non-scan type, it is important to remove noise components such as irradiation light.

図1は、実施形態に係る非スキャン型のレーザレンジファインダである3Dカメラ10aの構成を示すブロック図である。上述した非スキャン型レーザレンジファインダは3Dカメラとも呼ばれ、図1に示すように、対象物Oに照射光L1を照射する投光部20aと対象物Oからの反射光L2を受光する受光部30aとで構成される。   FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a 3D camera 10a that is a non-scan type laser range finder according to the embodiment. The non-scanning laser range finder described above is also called a 3D camera, and as shown in FIG. 1, a light projecting unit 20a that irradiates the object O with irradiation light L1 and a light receiving unit that receives the reflected light L2 from the object O. 30a.

投光部20aは、クロック発生回路21a、回路基板22、駆動回路23、複数のレーザダイオード24からなるレーザダイオードアレイ、フレネルレンズ25、及び拡散板26を備えている。クロック発生回路21aは、投光部20a及び受光部30aを動作させるためのクロック信号CLK1,CLK2,CLK3を発生させる。各レーザダイオード24は回路基板22上に配列され、駆動回路23及びフレネルレンズ25を備えている。各レーザダイオード24が発生させたレーザ光は拡散板26で拡散され、対象物Oに照射される。   The light projecting unit 20a includes a clock generation circuit 21a, a circuit board 22, a drive circuit 23, a laser diode array including a plurality of laser diodes 24, a Fresnel lens 25, and a diffusion plate 26. The clock generation circuit 21a generates clock signals CLK1, CLK2, and CLK3 for operating the light projecting unit 20a and the light receiving unit 30a. Each laser diode 24 is arranged on a circuit board 22 and includes a drive circuit 23 and a Fresnel lens 25. The laser light generated by each laser diode 24 is diffused by the diffusion plate 26 and applied to the object O.

受光部30aは、干渉フィルタ31、レンズ32、及び2次元受光素子アレイ33aにより構成される。図2に示すように、2次元受光素子アレイ33aは、受光部331を有するアバランシェフォトダイオード332とその周辺回路333aとを備えた各画素330aが格子状に配置されたものである。図3に各画素330aの回路構成の一例を示す。図3に示すように、周辺回路333aは、抵抗334、バッファ335、TDC(時間デジタル変換器)336、ヒストグラム回路337及び信号処理回路338aで構成される。   The light receiving unit 30a includes an interference filter 31, a lens 32, and a two-dimensional light receiving element array 33a. As shown in FIG. 2, the two-dimensional light receiving element array 33a is configured such that each pixel 330a including an avalanche photodiode 332 having a light receiving portion 331 and its peripheral circuit 333a is arranged in a grid pattern. FIG. 3 shows an example of the circuit configuration of each pixel 330a. As shown in FIG. 3, the peripheral circuit 333a includes a resistor 334, a buffer 335, a TDC (time digital converter) 336, a histogram circuit 337, and a signal processing circuit 338a.

投光部20aのクロック発生回路21aは、周期Tのクロック信号CLK1と、周期MTのクロック信号CLK2と(Mは1以上の任意の自然数)、濃度値を取得するタイミングを示すクロック信号CLK3を生成する。クロック信号CLK1は投光部20aのレーザダイオード24のパルス発光のタイミングを規定するクロック信号であり、クロック信号CLK2はレーザダイオード24がM回発光した後に、受光部30aの信号処理回路338aが距離を算出するタイミングを規定するクロック信号である。投光部20aのレーザダイオードアレイにはクロック信号CLK1が、受光部30aの2次元受光素子アレイ33aにはクロック信号CLK1とクロック信号CLK2とクロック信号CLK3とが入力される。   The clock generation circuit 21a of the light projecting unit 20a generates a clock signal CLK1 having a period T, a clock signal CLK2 having a period MT (M is an arbitrary natural number equal to or greater than 1), and a clock signal CLK3 indicating timing for acquiring a density value. To do. The clock signal CLK1 is a clock signal that defines the pulse emission timing of the laser diode 24 of the light projecting unit 20a. The clock signal CLK2 is the distance of the signal processing circuit 338a of the light receiving unit 30a after the laser diode 24 has emitted M times. It is a clock signal that defines the timing for calculation. The clock signal CLK1 is input to the laser diode array of the light projecting unit 20a, and the clock signal CLK1, the clock signal CLK2, and the clock signal CLK3 are input to the two-dimensional light receiving element array 33a of the light receiving unit 30a.

レーザダイオードアレイに入力されたクロック信号CLK1は各駆動回路23に分配され、各レーザダイオード24を同期して駆動するための電流信号を生成する。レーザダイオード24は駆動回路23で生成された電流信号により駆動され、クロック信号CLK1に同期してパルス発光する。発光素子としてレーザダイオード24を用いる利点は高速な応答性と単波長性のためであるが、レーザダイオード24はLED等の他の発光素子に置き換えることも可能である。レーザダイオード24からの出力光はフレネルレンズ25により平行光とされ、拡散板26にて拡散されて対象物Oに向けて照射される。拡散板26は、発光素子固有の配光特性を持ち、この配光特性により、ビームの広がり角度が決まる。各レーザダイオード24からの出力光は拡散板26にて拡散されて足し合わされ、1つの円錐状のビームが形成される。   The clock signal CLK1 input to the laser diode array is distributed to each drive circuit 23 and generates a current signal for driving each laser diode 24 in synchronization. The laser diode 24 is driven by the current signal generated by the drive circuit 23, and emits pulses in synchronization with the clock signal CLK1. The advantage of using the laser diode 24 as a light-emitting element is due to high-speed response and single wavelength, but the laser diode 24 can be replaced with other light-emitting elements such as LEDs. The output light from the laser diode 24 is converted into parallel light by the Fresnel lens 25, is diffused by the diffusion plate 26, and is irradiated toward the object O. The diffusion plate 26 has a light distribution characteristic unique to the light emitting element, and the beam spreading angle is determined by the light distribution characteristic. The output light from each laser diode 24 is diffused by the diffusion plate 26 and added together to form one conical beam.

このように本実施形態では、円錐状に広がるビームである照射光L1で測定したい対象物O全体を一度に照明して、反射光L2を受光部30aの2次元受光素子アレイ33aで同時に受光するため、距離データを高い空間的解像度で取得することが可能である。その反面、本実施形態では、照射光L1の照射範囲が広いために照射光L1のパワー密度は低下するので、光学的SN比は小さくなる。   As described above, in the present embodiment, the entire object O to be measured is illuminated at once with the irradiation light L1, which is a conical beam, and the reflected light L2 is simultaneously received by the two-dimensional light receiving element array 33a of the light receiving unit 30a. Therefore, it is possible to acquire distance data with high spatial resolution. On the other hand, in this embodiment, since the irradiation range of the irradiation light L1 is wide, the power density of the irradiation light L1 is reduced, so the optical SN ratio is reduced.

拡散板26を用いる他の利点は、アパーレント光源のサイズを大きくすることができることである。「アパーレント光源」は、JIS(日本工業規格)のレーザ安全基準で定義された用語で、最も小さな網膜像を結ぶ実物体又は仮想物体であり、出力が一定であるなら、アパーレント光源のサイズが大きい方が目に対してより安全である。本実施形態では、拡散板26で見かけの光源サイズを大きくすることにより、目の安全性をより確実なものにすることができる。   Another advantage of using the diffuser 26 is that the size of the apparent light source can be increased. “Aperent light source” is a term defined by the laser safety standard of JIS (Japanese Industrial Standards). It is a real or virtual object that connects the smallest retinal images. If the output is constant, the size of the apparent light source is large. Is safer for the eyes. In the present embodiment, by increasing the apparent light source size with the diffusion plate 26, the safety of the eyes can be made more reliable.

対象物O上で反射した反射光L2は、受光部30aの干渉フィルタ31を透過してレンズ32により2次元受光素子アレイ33a上に結像される。結像された光は、2次元受光素子アレイ33a上の各アバランシェフォトダイオード332で受光される。干渉フィルタ31は、特定の狭い波長域の光のみを透過させるフィルタであり、レーザ光の中心波長と干渉フィルタ31の中心波長とを等しくすることにより、太陽光等の外乱光の大部分を除去することができる。レーザ光の帯域幅は数nmが一般的であるが、中心波長は温度により変動する。広い温度範囲での動作を保証するために、干渉フィルタ31の帯域幅は数十〜百nm程度に設定される。このため、全ての外乱光を干渉フィルタ31で除去することはできず、信号処理によるノイズ除去が必要となる。   The reflected light L2 reflected on the object O passes through the interference filter 31 of the light receiving unit 30a and is imaged on the two-dimensional light receiving element array 33a by the lens 32. The imaged light is received by each avalanche photodiode 332 on the two-dimensional light receiving element array 33a. The interference filter 31 is a filter that transmits only light in a specific narrow wavelength range. By making the center wavelength of the laser light equal to the center wavelength of the interference filter 31, most of disturbance light such as sunlight is removed. can do. The bandwidth of laser light is generally several nm, but the center wavelength varies with temperature. In order to guarantee operation in a wide temperature range, the bandwidth of the interference filter 31 is set to about several tens to one hundred nm. For this reason, all the disturbance light cannot be removed by the interference filter 31, and noise removal by signal processing is required.

アバランシェフォトダイオードは、フォトダイオードの一種で高電界の印加に関する機能を有するものである。アバランシェフォトダイオードには、逆バイアス電圧を降伏電圧以下で動作させるリニアモードと、降伏電圧以上で動作させるガイガーモードとがある。アバランシェフォトダイオードは、フォトンが入射すると電子正孔対が生成され、電子と正孔とが各々高電界で加速されて次々と雪崩のように新たな電子正孔対を生成することからアバランシェ(雪崩)と呼ばれる。   The avalanche photodiode is a kind of photodiode and has a function related to application of a high electric field. Avalanche photodiodes include a linear mode in which a reverse bias voltage is operated at a breakdown voltage or lower and a Geiger mode in which the reverse bias voltage is operated at a breakdown voltage or higher. An avalanche photodiode generates an electron-hole pair when a photon is incident, and each electron and hole is accelerated by a high electric field to generate new electron-hole pairs one after another like an avalanche. ).

リニアモードでは、生成される電子正孔対の割合よりも消滅する(高電界域から出る)電子正孔対の割合が大きく、アバランシェ現象は自然に止まる。出力電流は入射光量にほぼ比例するため入射光量の測定に用いることができる。後述するガイガーモードによるフォトンカウントがデジタル的であるのに対し、リニアモードでの光量計測はアナログ的であるのでアナログ計測と呼ばれることもある。   In the linear mode, the proportion of electron-hole pairs that disappear (exit from a high electric field region) is larger than the proportion of generated electron-hole pairs, and the avalanche phenomenon stops naturally. Since the output current is substantially proportional to the amount of incident light, it can be used to measure the amount of incident light. While the photon count in the Geiger mode to be described later is digital, the light amount measurement in the linear mode is analog and is sometimes referred to as analog measurement.

ガイガーモードでは、単一フォトンの入射でもアバランシェ現象を起こすことができ、印加電圧を降伏電圧まで下げることによりアバランシェ現象を止めることができる。印加電圧を下げてアバランシェ現象を止めることは、クエンチングと呼ばれる。最も単純なクエンチング回路は、図3に示すようにアバランシェフォトダイオード332と直列に抵抗334を接続することで実現することができ、アバランシェ電流による抵抗334の端子間の電圧上昇によってバイアス電圧が降下してアバランシェ電流が止まる。このクエンチング回路により、周辺回路333aは、フォトンの入射を電圧パルスとして取り出し計数することが可能となる。このため、ガイガーモードはフォトンカウントモードとも呼ばれる。   In the Geiger mode, an avalanche phenomenon can be caused even by the incidence of a single photon, and the avalanche phenomenon can be stopped by lowering the applied voltage to the breakdown voltage. Stopping the avalanche phenomenon by lowering the applied voltage is called quenching. The simplest quenching circuit can be realized by connecting a resistor 334 in series with an avalanche photodiode 332 as shown in FIG. 3, and the bias voltage decreases due to the voltage increase between the terminals of the resistor 334 due to the avalanche current. Then the avalanche current stops. With this quenching circuit, the peripheral circuit 333a can take out and count the incidence of photons as a voltage pulse. For this reason, Geiger mode is also called photon count mode.

アナログ計測の受光素子の感度は一般に量子効率と暗電流とで表される。量子効率とは、入射フォトン1個あたりに生成される電子の個数の割合である。暗電流とは光が入射しない状態において、熱で励起された電子によって流れる電流であり熱ノイズの最も低いレベルである。ノイズレベル(暗電流)の出力を得るのに必要な最小入力は量子効率から算出することができる。暗電流を100nA、量子効率を50%とすると、電子1個の電荷が1.6×10−19Cであることから、ノイズレベルの出力を得るのに必要な最小入力は、(100〔nA〕/1.6×10−19〔C〕)/0.5=1.25×1012〔フォトン/秒〕となる。 The sensitivity of a light receiving element for analog measurement is generally expressed by quantum efficiency and dark current. Quantum efficiency is the ratio of the number of electrons generated per incident photon. The dark current is a current that flows due to electrons excited by heat in a state where no light is incident, and is the lowest level of thermal noise. The minimum input required to obtain an output of noise level (dark current) can be calculated from the quantum efficiency. If the dark current is 100 nA and the quantum efficiency is 50%, the charge of one electron is 1.6 × 10 −19 C. Therefore, the minimum input required to obtain a noise level output is (100 [nA ] /1.6×10 −19 [C]) / 0.5 = 1.25 × 10 12 [photons / second].

一方、フォトンカウンタの感度は、検出効率と暗計数率とで表される。ガイガーモードでのアバランシェフォトダイオードでは、クエンチング回路でアバランシェ電流を止めない限り、次々と電子正孔対が生成され続けるため、量子効率は無限大となる。フォトンの入射に対するアバランシェ電流の発生は確率的現象であり、この確率は検出効率と呼ばれる。リニアモードにおける暗電流と同様に、ガイガーモードにおいても電子の熱運動によってアバランシェ電流が発生することがあり、この熱ノイズ量は時間当たりのアバランシェ発生数(暗計数率)で表される。   On the other hand, the sensitivity of the photon counter is expressed by detection efficiency and dark count rate. In an avalanche photodiode in the Geiger mode, electron-hole pairs continue to be generated one after another unless the avalanche current is stopped by a quenching circuit, so that the quantum efficiency becomes infinite. The generation of an avalanche current with respect to the incidence of photons is a stochastic phenomenon, and this probability is called detection efficiency. Similar to the dark current in the linear mode, an avalanche current may be generated due to the thermal motion of electrons in the Geiger mode, and the amount of thermal noise is expressed by the number of avalanche generation (dark count rate) per hour.

本実施形態では、ガイガーモードで動作するアバランシェフォトダイオード332を用いる。C.Niclass, A.Rochas, P.A.Besse, and E.Charbon, “Design and Characterization of a CMOS 3-D Image Sensor Based on Single Photon Avalanche Diodes”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.40,n.9,Sep.2005.にあるように、近年、ガイガーモードのアバランシェフォトダイオードを標準CMOSプロセスで実現する技術が開発され、これにより低コストでアバランシェフォトダイオードを2次元アレイ化することが可能となった。   In this embodiment, an avalanche photodiode 332 that operates in Geiger mode is used. C. Niclass, A. Rochas, PABesse, and E. Charbon, “Design and Characterization of a CMOS 3-D Image Sensor Based on Single Photon Avalanche Diodes”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol.40, n. 9, Sep. 2005. In recent years, a technology to realize Geiger mode avalanche photodiodes using a standard CMOS process has been developed, which makes it possible to form a two-dimensional array of avalanche photodiodes at low cost. It was.

本実施形態では、各画素330aが備えるTDC336、ヒストグラム回路337及び信号処理回路338aは、全てCMOSプロセスで同一LSI上に実装することができる。図3に示すように、このLSI上に実装された2次元受光素子アレイに入力されるクロック信号CLK1,CLK2,CLK3の内で、クロック信号CLK1は各画素330aのTDC336へ分配され、クロック信号CLK2,CLK3は、各画素330aの信号処理回路338aへとそれぞれ分配される。   In this embodiment, the TDC 336, the histogram circuit 337, and the signal processing circuit 338a included in each pixel 330a can all be mounted on the same LSI by a CMOS process. As shown in FIG. 3, among the clock signals CLK1, CLK2, and CLK3 input to the two-dimensional light receiving element array mounted on the LSI, the clock signal CLK1 is distributed to the TDC 336 of each pixel 330a, and the clock signal CLK2 , CLK3 are distributed to the signal processing circuit 338a of each pixel 330a.

以下、図3を用いて、アバランシェフォトダイオードに光即ちフォトンが入射したときの各画素の動作を説明する。フォトンがアバランシェフォトダイオード332に入射するとアバランシェ電流が流れ、端子Aの電圧が上昇する。その電圧上昇によりバッファ335を介してパルスPLSが生成され、TDC336へと入力される。TDC336は、クロック信号CLK1の入力時点からパルスPLSの入力時点までの時間をデジタル値に変換してヒストグラム回路337に出力する。パルスPLSが入力されないときは、TDC336は所定の最大値を出力する。   Hereinafter, the operation of each pixel when light, that is, photons are incident on the avalanche photodiode will be described with reference to FIG. When photons enter the avalanche photodiode 332, an avalanche current flows, and the voltage at the terminal A increases. Due to the voltage rise, a pulse PLS is generated via the buffer 335 and input to the TDC 336. The TDC 336 converts the time from the input time point of the clock signal CLK1 to the input time point of the pulse PLS into a digital value and outputs the digital value to the histogram circuit 337. When the pulse PLS is not input, the TDC 336 outputs a predetermined maximum value.

ヒストグラム回路337は、クロック信号CLK1のタイミングでTDC336の出力値に対応するアドレスのメモリ値を1インクリメントする。ヒストグラム回路337は、TDC336の値が、パルスPLSが入力されなかったことを表す値のときは、メモリ値のインクリメントはしない。このクロックCLK1の発生からヒストグラムメモリのインクリメントまでの一連の動作がM回繰り返された後に、クロックCLK2のタイミングで、信号処理回路338aはヒストグラムメモリの値を読み出し、最大値が保存されたアドレスに対応する時間と光速とから距離を算出して出力する。各画素で算出された距離値は読み出し回路を介して2次元受光素子アレイ33aの外に逐次読み出される。   The histogram circuit 337 increments the memory value of the address corresponding to the output value of the TDC 336 by 1 at the timing of the clock signal CLK1. The histogram circuit 337 does not increment the memory value when the value of the TDC 336 is a value indicating that the pulse PLS has not been input. After a series of operations from the generation of the clock CLK1 to the increment of the histogram memory is repeated M times, the signal processing circuit 338a reads the value of the histogram memory at the timing of the clock CLK2, and corresponds to the address where the maximum value is stored. The distance is calculated and output from the time to light and the speed of light. The distance value calculated in each pixel is sequentially read out of the two-dimensional light receiving element array 33a through the reading circuit.

前述したように、干渉フィルタ31により外乱光を全て除去することはできないため、アバランシェフォトダイオード332が受光する光は、投光部20aのレーザダイオード24からの照射光L1と外乱光とが含まれる。以下、図4を用いて、外乱光が受光する光に含まれる場合であっても、正しくTOFを検出することができることを説明する。   As described above, since all the disturbance light cannot be removed by the interference filter 31, the light received by the avalanche photodiode 332 includes the irradiation light L1 from the laser diode 24 of the light projecting unit 20a and the disturbance light. . Hereinafter, it will be described with reference to FIG. 4 that TOF can be detected correctly even when disturbance light is included in the received light.

アバランシェフォトダイオード332から出力されるパルスPLSには反射光L2のフォトンに反応したものと外乱光のフォトンに反応したものとが含まれる。計測中に対象物Oと3Dカメラ10とが相対的に動かないと仮定すると照射光L1による反射光L2の受光タイミングは一定であるため、パルスPLSの検出タイミングを繰返し多数回計測して最大頻度の計測値を選択することにより、反射光L2のTOFを求めることができる。ヒストグラム回路337が、多数回(M回)のパルス発光に対して繰返しパルスPLSの検出タイミングを計測してヒストグラムを作成すると、反射光L2に対応する計測はヒストグラムにピーク(極大値)を形成する。   The pulse PLS output from the avalanche photodiode 332 includes one that reacts to photons of the reflected light L2 and one that reacts to photons of disturbance light. If it is assumed that the object O and the 3D camera 10 do not move relative to each other during the measurement, the light reception timing of the reflected light L2 by the irradiation light L1 is constant. Therefore, the detection timing of the pulse PLS is repeatedly measured many times to obtain the maximum frequency. By selecting the measured value, the TOF of the reflected light L2 can be obtained. When the histogram circuit 337 measures the detection timing of the repetitive pulse PLS with respect to many (M) times of pulse emission and creates a histogram, the measurement corresponding to the reflected light L2 forms a peak (maximum value) in the histogram. .

一方、太陽光等の外乱光の受光タイミングは、照射光L1のパルス発光タイミングであるクロック信号CLK1のタイミングとは無相関であるため、ヒストグラム上に一様に分布する。信号処理回路338aによりヒストグラムのピーク位置を検出することにより、外乱光の影響を除去して正しいTOF即ち距離を検出することができる。図4のヒストグラムは光学的SN比が0.01の場合の実測例であり、外乱光成分が大きい場合でも正しくピークを抽出することができることが判る。2次元受光素子アレイ33aでは、各画素330aに対応する対象物Oまでの距離が異なるため、照射光L1に対応した反射光L2の受光タイミングは画素330aごとに異なる。本実施形態では、画素330aごとに独立にヒストグラムを作成してピークを抽出するため、画素330aごとに異なる距離の分布を求めることができる。   On the other hand, the light reception timing of disturbance light such as sunlight is uncorrelated with the timing of the clock signal CLK1, which is the pulse emission timing of the irradiation light L1, and is therefore uniformly distributed on the histogram. By detecting the peak position of the histogram by the signal processing circuit 338a, it is possible to remove the influence of disturbance light and detect the correct TOF, that is, the distance. The histogram of FIG. 4 is an actual measurement example when the optical SN ratio is 0.01, and it can be seen that a peak can be correctly extracted even when the disturbance light component is large. In the two-dimensional light receiving element array 33a, since the distance to the object O corresponding to each pixel 330a is different, the light receiving timing of the reflected light L2 corresponding to the irradiation light L1 is different for each pixel 330a. In this embodiment, since a histogram is created independently for each pixel 330a and a peak is extracted, a distribution of different distances for each pixel 330a can be obtained.

本実施形態ではヒストグラムのピーク位置を検出する最も単純な例を示したが、ピーク位置の検出方法は様々な変形が可能である。例えば、ヒストグラムの各ビンの値を平滑化した後にそれらの最大値を求めることにより、ピーク位置を検出することができる。各ビン時間間隔が短いとき、各ビンの値の相対的変動量が大きくなるが、平滑化によりその変動に対してロバストにピーク位置を検出することができる。ピーク位置を求めた後、ピーク位置の近傍で重心位置を求めることにより、更に高精度にTOFを求めることができる。このTOF検出は、ヒストグラム上でのTOF近傍にて受光頻度が高くなることに基づくものであり、ピーク形状を考慮したその他のヒストグラム処理方法によってもTOFを検出することができる。   In the present embodiment, the simplest example of detecting the peak position of the histogram has been shown, but various modifications can be made to the method of detecting the peak position. For example, the peak position can be detected by obtaining the maximum value after smoothing the bin values of the histogram. When each bin time interval is short, the relative fluctuation amount of each bin value increases, but the peak position can be detected robustly against the fluctuation by smoothing. After obtaining the peak position, the TOF can be obtained with higher accuracy by obtaining the position of the center of gravity in the vicinity of the peak position. This TOF detection is based on the fact that the frequency of light reception increases in the vicinity of the TOF on the histogram, and the TOF can also be detected by other histogram processing methods that take into account the peak shape.

次に図5及び6のヒストグラムを用いて本実施形態における濃度値の出力について説明する。図5及び6のヒストグラムにおいて、破線の曲線グラフは真の受光時間の分布を示しており、実線の棒グラフは検出されるヒストグラムを示している。図5は投光部20aのパルス発光期間中に生成されるヒストグラムの例であり、図6は投光部20aのパルス発光休止期間中に生成されるヒストグラムの例である。   Next, output of density values in the present embodiment will be described using the histograms of FIGS. In the histograms of FIGS. 5 and 6, the dashed curve graph indicates the distribution of the true light reception time, and the solid bar graph indicates the detected histogram. FIG. 5 is an example of a histogram generated during the pulse emission period of the light projecting unit 20a, and FIG. 6 is an example of a histogram generated during the pulse emission pause period of the light projecting unit 20a.

濃度値は、信号処理回路338aがヒストグラムの総和即ち受光強度を算出することによって得られる。パルス発光期間中に生成されるヒストグラムには、パルス光の反射光L2の成分に相当するピークが形成される。広がりのある照射光L1の場合、反射光L2のパワー密度は距離の2乗に反比例するため、近くの対象物Oのピークは大きくなり、遠くの対象物Oのピークは小さくなる。したがって、ヒストグラムの総和即ち受光強度は距離に依存し、近くの対象物Oについての受光強度は大きくなり、遠くの対象物Oについての受光強度は小さくなるという課題がある。一方、パルス発光休止期間中に生成されるヒストグラムはパルス光の成分を含まないため、受光強度は距離に依存しない。   The density value is obtained by the signal processing circuit 338a calculating the sum of the histograms, that is, the received light intensity. In the histogram generated during the pulse emission period, a peak corresponding to the component of the reflected light L2 of the pulse light is formed. In the case of the spread irradiation light L1, since the power density of the reflected light L2 is inversely proportional to the square of the distance, the peak of the near object O is large and the peak of the distant object O is small. Therefore, the sum of the histograms, that is, the received light intensity depends on the distance, and there is a problem that the received light intensity for the nearby object O increases and the received light intensity for the distant object O decreases. On the other hand, since the histogram generated during the pulse light emission suspension period does not include the pulse light component, the received light intensity does not depend on the distance.

本実施形態では、図7のタイミングチャートに示すように、パルス発光休止期間中に濃度値を取得するため、図6に示すようなピークを形成しないヒストグラムが得られ、受光強度は距離に依存しない。   In the present embodiment, as shown in the timing chart of FIG. 7, since the density value is acquired during the pulse emission suspension period, a histogram that does not form a peak as shown in FIG. 6 is obtained, and the received light intensity does not depend on the distance. .

本実施形態では、休止期間はクロック信号CLK3がハイレベルになった状態として設定される。図7(a)の例では、クロック信号CLK2のタイミングであるM回のパルス発光後に所定の休止期間を設けている。図7(b)の例では、パルス発光周期を2倍の2Tにし、各周期の後半時間Tを休止期間として設定している。図7(a)の例では、TOF検出用のヒストグラムと濃度検出用のヒストグラムとを共用することができ、図7(b)の例では、TOF検出用のヒストグラムと濃度検出用のヒストグラムとを別個に用意する必要がある。図7(a)(b)のいずれの例においても、クロック信号CLK3がハイレベルの状態即ちパルス発光休止期間にヒストグラムが作成され、その総和を算出するので距離に依存しない濃度値を取得することができる。   In the present embodiment, the idle period is set as a state in which the clock signal CLK3 is at a high level. In the example of FIG. 7A, a predetermined pause period is provided after M pulses of light that are the timing of the clock signal CLK2. In the example of FIG. 7B, the pulse emission cycle is doubled to 2T, and the latter half time T of each cycle is set as a pause period. In the example of FIG. 7A, the histogram for detecting TOF and the histogram for detecting density can be shared, and in the example of FIG. 7B, the histogram for detecting TOF and the histogram for detecting density are used. It is necessary to prepare it separately. 7A and 7B, a histogram is created in a state where the clock signal CLK3 is at a high level, that is, a pulse emission pause period, and the sum is calculated, so that a density value independent of distance is acquired. Can do.

なお、反射光L2の受光強度が所定の閾値以下であって低い場合は、クロック信号CLK1のパルス発光期間とクロック信号CLK3の強度検出期間とを一部重複させて、投光休止期間と投光期間との両方を含む期間において受光した光の強度を求めるようにしても良い。このようにすることで、対象物Oの明るさが不足する状況においても感度が不足することがなく、対象物Oの画像を取得することが可能となる。   When the received light intensity of the reflected light L2 is below a predetermined threshold and is low, the light emission pause period and the light emission period are partially overlapped with the pulse light emission period of the clock signal CLK1 and the intensity detection period of the clock signal CLK3. You may make it obtain | require the intensity | strength of the light received in the period including both a period. By doing in this way, even in a situation where the brightness of the object O is insufficient, the sensitivity is not insufficient, and an image of the object O can be acquired.

また、2次元受光素子アレイ33aの各画素330bのアバランシェフォトダイオード332は、上記のようにすべての画素330bのアバランシェフォトダイオード332が距離の測定及び画像の取得の両方を行なう物としても良いし、上記第1特許文献のように、各画素330bのアバランシェフォトダイオード332ごとに、距離値の読み出しを行なう3D読み出し回路に接続されたものと、濃度値の読み出しを行なう2D読み出し回路に接続されたものとに区別されていても良い。   Further, the avalanche photodiode 332 of each pixel 330b of the two-dimensional light receiving element array 33a may be configured such that the avalanche photodiode 332 of all the pixels 330b performs both distance measurement and image acquisition as described above. As in the first patent document, each avalanche photodiode 332 of each pixel 330b is connected to a 3D readout circuit that reads a distance value, and is connected to a 2D readout circuit that reads a density value. And may be distinguished.

以下、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態の装置構成は上記第1実施形態と同様の装置構成を有するが、信号処理回路338aは算出した距離値に基づいて、アバランシェフォトダイオード332の受光強度に補正を加え、算出した距離値が遠いほど受光強度を強める補正量が大きくなるように補正し、算出した距離値が近いほど受光強度を強める補正量が小さくなるように補正する。円錐状に広がるビームでは、距離の2乗に比例してパワー密度が低下する。信号処理回路338aは、受光強度に距離の2乗を乗じることにより、補正する。   Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described. The apparatus configuration of the present embodiment has the same apparatus configuration as that of the first embodiment, but the signal processing circuit 338a corrects the received light intensity of the avalanche photodiode 332 based on the calculated distance value, and calculates the calculated distance value. Is corrected so that the correction amount for increasing the received light intensity increases as the distance increases, and the correction amount for increasing the received light intensity decreases as the calculated distance value decreases. In a conical beam, the power density decreases in proportion to the square of the distance. The signal processing circuit 338a performs correction by multiplying the received light intensity by the square of the distance.

本実施形態によれば、信号処理回路338aは、投光部20がパルス光を照射した時刻とアバランシェフォトダイオード332が反射パルス光を受光した時刻との時間差に基づいて対象物Oまでの距離を算出し、アバランシェフォトダイオード332が受光するパルス光の強度を、算出した対象物Oまでの距離に応じて変換するため、アバランシェフォトダイオード332が受光するパルス光の強度は対象物Oにおける照射光のパワー密度に応じて補正されることになり、対象物Oとの距離に依存しない対象物の画像を取得することが可能となる。   According to the present embodiment, the signal processing circuit 338a determines the distance to the object O based on the time difference between the time when the light projecting unit 20 emits the pulsed light and the time when the avalanche photodiode 332 receives the reflected pulsed light. In order to calculate and convert the intensity of the pulsed light received by the avalanche photodiode 332 according to the calculated distance to the object O, the intensity of the pulsed light received by the avalanche photodiode 332 is the intensity of the irradiation light on the object O. The correction is made according to the power density, and an image of the object that does not depend on the distance to the object O can be acquired.

以下、本発明の第3実施形態について説明する。図8は第3実施形態に係る3Dカメラ10bの構成を示すブロック図であり、図9は2次元受光素子アレイ33bの構成を示す図であり、図10は2次元受光素子アレイ33bの各画素330bの回路の構成を示す図である。   Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the 3D camera 10b according to the third embodiment, FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the two-dimensional light receiving element array 33b, and FIG. 10 shows each pixel of the two-dimensional light receiving element array 33b. It is a figure which shows the structure of the circuit of 330b.

図8に示すように、本実施形態に係る3Dカメラ10bは上記第1実施形態と同様の構成を有するが、投光部20bのクロック発生回路21bは、周期Tのクロック信号CLK1と、周期MTのクロック信号CLK2とのみを生成する(Mは1以上の任意の自然数)。クロック信号CLK1は投光部20bのレーザダイオード24のパルス発光のタイミングを規定するクロック信号であり、クロック信号CLK2はレーザダイオード24がM回発光した後に、受光部30bの信号処理回路338bが距離を算出するタイミングを規定するクロック信号である。投光部20bのレーザダイオードアレイにはクロック信号CLK1が、受光部30bの2次元受光素子アレイ33bにはクロック信号CLK1とクロック信号CLK2とが入力される。   As shown in FIG. 8, the 3D camera 10b according to the present embodiment has the same configuration as that of the first embodiment. However, the clock generation circuit 21b of the light projecting unit 20b includes a clock signal CLK1 having a cycle T and a cycle MT. Only the clock signal CLK2 is generated (M is an arbitrary natural number equal to or greater than 1). The clock signal CLK1 is a clock signal that defines the timing of pulse emission of the laser diode 24 of the light projecting unit 20b, and the clock signal CLK2 is the distance of the signal processing circuit 338b of the light receiving unit 30b after the laser diode 24 has emitted M times. It is a clock signal that defines the timing for calculation. The clock signal CLK1 is input to the laser diode array of the light projecting unit 20b, and the clock signal CLK1 and the clock signal CLK2 are input to the two-dimensional light receiving element array 33b of the light receiving unit 30b.

図7に示すように、上記第1実施形態と同様に、本実施形態の2次元受光素子アレイ33bは、受光部331を有するアバランシェフォトダイオード332とその周辺回路333bとを備えた各画素330bが格子状に配置されたものである。図8に示すように、LSI上に実装された2次元受光素子アレイに入力されるクロック信号CLK1,CLK2の内で、クロック信号CLK1は各画素330bのTDC336へ分配され、クロック信号CLK2は、各画素330bの信号処理回路338bへとそれぞれ分配される。   As shown in FIG. 7, as in the first embodiment, the two-dimensional light receiving element array 33b of the present embodiment includes each pixel 330b including an avalanche photodiode 332 having a light receiving portion 331 and its peripheral circuit 333b. They are arranged in a grid pattern. As shown in FIG. 8, among the clock signals CLK1 and CLK2 input to the two-dimensional light receiving element array mounted on the LSI, the clock signal CLK1 is distributed to the TDC 336 of each pixel 330b, and the clock signal CLK2 is The signal is distributed to the signal processing circuit 338b of the pixel 330b.

次に図11及び12のヒストグラムを用いて本実施形態における濃度値の出力について説明する。図11及び12のヒストグラムにおいて、破線の曲線グラフは真の受光時間の分布を示しており、実線の棒グラフは検出されるヒストグラムを示している。本実施形態では、信号処理回路338bが、ヒストグラムの総和として得られる受光強度を対象物Oで反射したパルス光Pの成分と背景光Bの成分とに分離し、背景光Bの成分を濃度値として出力する。図11と図12とは受光強度を2つの成分に分離する2通りの方法をそれぞれ示している。いずれの方法においても、信号処理回路338bは、濃度値算出前にTOF検出を行ない、TOF検出時に極大値のビン番号iが得られている。   Next, output of density values in the present embodiment will be described using the histograms of FIGS. In the histograms of FIGS. 11 and 12, the dashed curve graph indicates the true light reception time distribution, and the solid bar graph indicates the detected histogram. In the present embodiment, the signal processing circuit 338b separates the received light intensity obtained as the sum of the histograms into a component of the pulsed light P reflected from the object O and a component of the background light B, and the component of the background light B is a density value. Output as. 11 and 12 show two methods for separating the received light intensity into two components, respectively. In either method, the signal processing circuit 338b performs TOF detection before calculating the concentration value, and the bin number i having the maximum value is obtained when the TOF is detected.

図11の方法では、信号処理回路338bは、i番目のビンの近傍、例えば±1〜5番目のビンを除いた図中に斜線で示すビンの値の総和を求めることにより、背景光Bの成分を抽出する。図12の方法では、信号処理回路338bは、i番目のビンの近傍、例えば±1〜5番目のビンを除き、さらに除いたビンの値を補間して図中に斜線で示すビンの値の総和を求めることにより、背景光Bの成分を抽出する。図12の方法では、除いたビンの値を補間することにより、背景光の成分が反射光の成分よりも大きい場合であっても、パルス光Pの時間幅が大きい場合であっても、より正確に背景光Bの成分を求めることができる。   In the method of FIG. 11, the signal processing circuit 338 b obtains the sum of the bin values indicated by hatching in the drawing excluding the vicinity of the i-th bin, for example, ± 1 to 5 bins, Extract ingredients. In the method of FIG. 12, the signal processing circuit 338b excludes the bin values near the i-th bin, for example, ± 1 to 5th bins, and further interpolates the excluded bin values to obtain the bin values indicated by diagonal lines in the figure. The component of the background light B is extracted by obtaining the sum. In the method of FIG. 12, even if the background light component is larger than the reflected light component or the time width of the pulsed light P is larger by interpolating the excluded bin values, The component of the background light B can be obtained accurately.

本実施形態では、パルス光Pの成分を含まない背景光Bの成分のみを求めるため、距離に依存しない濃度値が得られる。さらに、TOF検出と濃度値検出とを同一ヒストグラムで行なうため、測定時間を短縮することができる。逆に、距離に応じた濃度値を得たい用途において、背景光成分を除去して、反射光成分のみを得ることもできる。本実施形態では、ヒストグラムのピークが1つである例を示したが、2つ以上のピークが存在する場合にも、上記と同様に、ピークの近傍のビンを除外し、必要な場合は除いたビンの値を補間して、ヒストグラムの総和を求めることで濃度値が得られる。2つ以上のピークが存在する例として、測定中に物体が動く場合、多重反射により複数の物体の反射光が同一画素で受光される場合が考えられる。   In the present embodiment, since only the background light B component not including the pulse light P component is obtained, a density value independent of the distance is obtained. Furthermore, since the TOF detection and the density value detection are performed with the same histogram, the measurement time can be shortened. Conversely, in applications where it is desired to obtain a density value corresponding to the distance, it is also possible to remove the background light component and obtain only the reflected light component. In the present embodiment, an example in which there is one peak in the histogram has been shown, but even when there are two or more peaks, the bins near the peaks are excluded and excluded when necessary, as described above. The density value is obtained by interpolating the bin values and calculating the sum of the histograms. As an example in which two or more peaks exist, when an object moves during measurement, a case where reflected light of a plurality of objects is received by the same pixel due to multiple reflection can be considered.

尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

10a,10b…3Dカメラ、20a,20b…投光部、21a,21b…クロック発生回路、22…回路基板、23…駆動回路、24…レーザダイオード、25…フレネルレンズ、26…拡散板、30a,30b…受光部、31…干渉フィルタ、32…レンズ、33a,33b…2次元受光素子アレイ、330a,330b…画素、331…受光部、332…アバランシェフォトダイオード、333a,333b…周辺回路、334…抵抗、335…バッファ、336…TDC、337…ヒストグラム回路、338a,338b…信号処理回路。 10a, 10b ... 3D camera, 20a, 20b ... projector, 21a, 21b ... clock generation circuit, 22 ... circuit board, 23 ... drive circuit, 24 ... laser diode, 25 ... Fresnel lens, 26 ... diffuser plate, 30a, 30b ... light receiving unit, 31 ... interference filter, 32 ... lens, 33a, 33b ... two-dimensional light receiving element array, 330a, 330b ... pixel, 331 ... light receiving unit, 332 ... avalanche photodiode, 333a, 333b ... peripheral circuit, 334 ... Resistance, 335... Buffer, 336... TDC, 337... Histogram circuit, 338 a, 338 b.

Claims (4)

対象物へパルス光を繰り返し照射する投光手段と、
前記対象物からの光を受光する受光手段と、
前記投光手段が前記パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、前記受光手段が前記対象物から前記投光手段が照射した前記パルス光の反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、前記時間差に対する頻度の分布を示すヒストグラムを作成するヒストグラム作成手段と、
前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムの前記頻度が極大となる前記時間差に基づいて前記対象物までの距離を算出する距離算出手段と、
前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムから、前記ヒストグラムの前記頻度が極大となる前記時間差のビンを除いた前記ヒストグラムにより、前記時間差に対する前記受光手段が外乱光を受光した前記頻度の分布を算出する算出手段と、
を備えた画像取得装置。
A light projecting means for repeatedly irradiating an object with pulsed light;
A light receiving means for receiving light from the object;
A pulse light projecting time that is a time when the light projecting unit irradiates the pulse light, and a pulse that is a time when the light receiving unit receives the reflected pulse light of the pulse light emitted by the light projecting unit from the object. Histogram creation means for repeatedly measuring the time difference with the light reception time and creating a histogram showing the frequency distribution with respect to the time difference;
Distance calculating means for calculating a distance to the object based on the time difference at which the frequency of the histogram created by the histogram creating means is maximized ;
The distribution of the frequency at which the light receiving unit receives disturbance light with respect to the time difference is calculated from the histogram created by the histogram creating unit by removing the bin of the time difference at which the frequency of the histogram is maximized. A calculation means ;
An image acquisition apparatus comprising:
前記算出手段は、前記ヒストグラム作成手段が作成した前記ヒストグラムから、前記ヒストグラムの前記頻度が極大となる前記時間差のビンを除いた前記ヒストグラムについて、除いた前記頻度が極大となる前記時間差の前記ビンの前記頻度を補間することにより、前記時間差に対する前記受光手段が外乱光を受光した前記頻度の分布を算出する、請求項1に記載の画像取得装置。 Said calculation means, from said histogram the histogram producing means, for the histogram excluding the bin of said time difference the frequency of the histogram is maximized, the frequency of the bin of the time difference becomes maximum, except The image acquisition apparatus according to claim 1, wherein the distribution of the frequency at which the light receiving unit with respect to the time difference receives disturbance light is calculated by interpolating the frequency . 対象物へパルス光を繰り返し照射する工程と、
前記対象物からの光を受光する工程と、
前記パルス光を照射した時刻であるパルス光投光時間と、前記対象物から照射した前記パルス光の反射パルス光を受光した時刻であるパルス光受光時間との時間差を繰り返し計測して、前記時間差に対する頻度の分布を示すヒストグラムを作成する工程と、
作成した前記ヒストグラムの前記頻度が極大となる前記時間差に基づいて前記対象物までの距離を算出する工程と、
作成した前記ヒストグラムから、前記ヒストグラムの前記頻度が極大となる前記時間差のビンを除いた前記ヒストグラムにより、前記時間差に対する外乱光を受光した前記頻度の分布を算出する工程と、
を備えた画像取得方法。
A step of repeatedly irradiating an object with pulsed light;
Receiving light from the object;
The time difference is measured repeatedly by measuring the time difference between the pulsed light projecting time, which is the time when the pulsed light is irradiated, and the pulsed light receiving time, which is the time when the reflected pulsed light of the pulsed light irradiated from the object is received. Creating a histogram showing the frequency distribution for
Calculating a distance to the object based on the time difference at which the frequency of the created histogram is maximized ;
Calculating the distribution of the frequency at which the disturbance light with respect to the time difference is received by the histogram excluding the bin of the time difference from which the frequency of the histogram is maximized from the created histogram;
An image acquisition method comprising:
作成した前記ヒストグラムから、前記ヒストグラムの前記頻度が極大となる前記時間差のビンを除いた前記ヒストグラムについて、除いた前記頻度が極大となる前記時間差の前記ビンの前記頻度を補間することにより、前記時間差に対する外乱光を受光した前記頻度の分布を算出する、請求項3に記載の画像取得方法。 The time difference is obtained by interpolating the frequency of the bin of the time difference at which the removed frequency is maximized from the created histogram, except for the bin of the time difference at which the frequency of the histogram is maximized. The image acquisition method according to claim 3, wherein a distribution of the frequency at which disturbance light is received is calculated.
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