JP6696349B2

JP6696349B2 - 光飛行型測距装置および光飛行型測距の異常検出方法

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Publication number: JP6696349B2
Application number: JP2016157646A
Authority: JP
Inventors: 光宏清野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-08-10
Filing date: 2016-08-10
Publication date: 2020-05-20
Anticipated expiration: 2036-08-10
Also published as: JP2018025474A

Description

本発明は、位相方式を採用した光飛行型測距装置および光飛行型測距の異常検出方法に関する。

非スキャン型であるフラッシュ型の発光源を用いる、位相方式の光飛行型測距（ＴＯＦ：Time Of Flight）装置では、センサの画素で取得する位相情報から、戻り光の信号強度が妥当なものかを、コンフィデンス（信頼性）の指標として算出し、測距の成否情報を後段に伝えるものがある。

しかしながら、光飛行型測距装置が車両などに搭載され、対象物とセンサとが相対的に高速に移動している場合には、位相情報が複数の対象物や背景光強度にまたがることで正しく取得できなくなり、距離情報が正確に得られなくなるモーションブラーと呼ばれる現象が生じることがある。従来までのコンフィデンスの指標を算出する技術では、このようなモーションブラーの発生を検出することができないため、相対移動を伴う測距技術においては、検出した距離の信頼性の確保ができないという問題があった。

米国特許第７４０８６２７号明細書米国特許第８９８８６６１号明細書

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、センサと検出対象とが相対移動していても、モーションブラーによって検出距離の異常が発生していることを検知することができるようにした光飛行型測距装置および光飛行型測距の異常検出方法を提供することにある。

請求項１に記載の光飛行型測距装置は、所定周期の変調光を空間に投射する投光部と、前記投光部から投射された変調光が対象物で反射した戻り光を含む入射光を受光して受光量に相当する電荷を蓄積する複数の画素を有する受光部と、前記変調光の周期を基準として互いに１８０°異なる第１位相、第３位相、および前記第１、第３位相と異なり、且つ互いに１８０°異なる第２位相、第４位相で前記受光部の前記画素１個単位もしくは２個単位で受光動作を行わせる投受光制御部と、前記受光部における前記画素の蓄積電荷に基づいて前記変調光と前記戻り光との間の位相差を計測して前記対象物までの距離を演算するデータ処理部と、前記受光部における前記画素の蓄積電荷に基づいて前記対象物との相対的な移動に起因して発生する前記対象物の反射率の変化、前記対象物との距離の変化もしくは前記対象物の明るさの変化の発生をモーションブラーとして検出する異常検出部とを備え、前記異常検出部は、前記受光部の画素毎に有する電荷の蓄積のオフセットデータを、前記第１位相および第３位相のデータから、あるいは前記第２位相および第４位相のデータから算出し、前記オフセットデータが時間の推移と共に変化しない場合は、同じ反射率や距離や明るさであると判断し、前記オフセットデータが変化した場合には、異なる反射率や距離や明るさになったと判断し、前記モーションブラーの発生を検出する。

ここで、前記受光部においては画素の製造バラツキ等により特性に違いが生じ、画素毎に蓄積する電荷に偏りを持ってしまうオフセットの問題がある。本構成も含めた第１位相から第４位相までの４つの位相情報を取得する方式では、距離算出時は例えば第１位相と第３位相、第２位相と第４位相の差分を計算することにより、上記オフセットをキャンセルし、精度良く距離を算出することができる。そして、オフセットが同一画素で同一明るさ且つ同一の対象物距離を撮影している際には、同じ量になるということを利用し、モーションブラーの発生を検出するものである。

すなわち、上記構成により、画素１個単位の場合には第１位相から第４位相までを受光することで、また、画素２個単位の場合には一方の画素で第１位相および第３位相、他方の画素で第２位相および第４位相で受光することで、それぞれの画素が有するオフセットを検出することができる。画素１個単位の場合には、第１位相および第３位相の組と第２位相および第４位相の組の各組でその画素のオフセットが同じ値として検出できる。このとき、異常検出部により、検出されるオフセット値が異なる場合には、逆に移動に伴うモーションブラーが発生していることを検出できる。

同様に、画素２個単位の場合には、一方の画素と他方の画素のそれぞれでオフセットを検出することができる。このとき、異常検出部により、それぞれの画素が有するオフセットは、時間が経過しても同じオフセットとなるので、時間差を持って検出したオフセットを画素毎に比較することで、不一致が発生したときにモーションブラーの発生を検出することができる。

これにより、データ処理部により距離の検出を行うとともに、検出した距離の情報についてモーションブラーが発生した状況であるのか否かについても検出をすることができるので、モーションブラーの発生の有無に基いて画素の測距情報を区別して得ることができるようになり、正確な距離情報を得ることができるようになる。

第１実施形態を示す機能ブロック構成図受光部の画素の構成を示す機能ブロック構成図発光素子の発光タイミングと受光素子の受光位相の作用説明図画素の位相毎の受光量と画素出力の関係を示す図オフセットがない場合の距離を算出する作用説明図オフセットを有する場合の距離を算出する作用説明図第２実施形態を示す２シャッタで距離を算出する場合の作用説明図画素の位相毎の受光量と画素出力の関係を示す図（その１）画素の位相毎の受光量と画素出力の関係を示す図（その２）オフセットがない場合の距離を算出する作用説明図オフセットを有する場合の距離を算出する作用説明図第３実施形態を示すモーションブラー判定に基づく距離算出処理のフローチャートモーションブラー判定と距離出力の関係を説明する作用説明図第４実施形態を示す閾値設定の説明図（その１）閾値設定の説明図（その２）

（第１実施形態）
以下、車両に搭載可能な光飛行型測距装置に適用した第１の実施形態について、図１〜図６を参照して説明する。本実施形態では、光飛行型測距装置１は、例えば、車両の周辺に存在する対象物Ｐとの距離を測定するように配置される。車両が走行中に周辺との距離を検出することで安全走行が行えるようにするものである。

図１に示す光飛行型測距装置１は、制御装置２の制御により、投光部３から投光エリアに向けて変調光を投射し、投光エリア内に存在する物体などの対象物Ｐからの反射光を含む入射光を受光部４で受光し、対象物Ｐまでの距離を検出するものである。

制御装置２は、マイコンを主体としてメモリやインターフェースなどを備えた構成で、予め記憶された測距のための制御プログラムを備えている。制御装置２は、機能ブロックとして投受光制御部５、データ処理部６および異常検出部７を備えている。また、制御装置２は、外部メモリ８とデータなどの授受が可能であり、さらに、車両の速度情報を車速センサ９から取得可能に設けられている。

制御装置２においては、投受光制御部５により投光部３、受光部４を制御し、データ処理部６により受光部４からの信号に基いて距離検出の処理を行い、異常検出部７によりモーションブラーの発生を検出する。

投光部３は、発光素子１０および駆動回路１１を備えている。発光素子１０は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）やレーザ等の高速で点滅駆動することで高速変調が可能な素子が用いられる。駆動回路１１は、制御装置２の投受光制御部５からの制御信号により、発光素子１０を駆動して所定の発光周波数（例えば２０ＭＨｚ）の変調光を検出エリアに向けて投射させる。

受光部４は、光電変換機能を備えた受光素子からなる複数の画素１２がマトリクス状に配置されている。受光部４は、投光エリア内から入射する光を受光し、各画素１２は、投光エリアの位置に応じた受光信号を出力する。受光部４の各画素１２は、制御装置２の投受光制御部５により、投光部３から投射された変調光の投光タイミングに同期して設定される異なる位相の受光タイミングが制御される。

受光部４に設けられる複数の画素１２は、図２に示すように、受光した光量に応じた電荷に変換する光電変換素子１３および変換された電荷を蓄積する電荷蓄積部１４を有する。電荷蓄積部１４は、４つの単位蓄積部１４ａ〜１４ｄを備えると共に、切替部１４ｅを備えている。光電変換素子１３により変換された電荷は、変調光の変調周期（１フレームの周期）に同期して異なる位相で切替部１４ｅにより振り分けられ、それぞれの単位蓄積部１４ａ〜１４ｄに蓄積される。

制御装置２は、投光部３の発光素子１０を所定周期Ｔｓで駆動して繰り返し投光動作を行う際に、１周期Ｔｓ中において、前半のＴｓ／２の期間で発光状態に制御し、後半のＴｓ／２の期間で消灯状態に制御する。この場合、制御回路２は、発光素子１０に対する駆動信号を矩形波で与えるようにしているが、これに限らず、駆動信号を正弦波や鋸波等で与えるように制御することもできる。また、発光素子１０による投光動作では、発光状態の期間と消灯状態の期間とを設ける代わりに、強発光状態の期間と弱発光状態の期間とを設けることもできる。

上記した１周期Ｔｓの期間３６０°を位相角２πで表すと、発光状態の期間はπ（１８０°）、消灯状態の期間もπ（１８０°）となる。制御装置２は、発光素子１０の発光周期Ｔｓに同期して受光部４の画素１２に受光指令信号を出力する。各画素１２は、受光指令信号によって周期毎に変更指定された４つの位相で、光電変換素子１３が生成した電荷を対応する単位蓄積部１４ａ〜１４ｄに切替部１４ｗを介して振り分けて蓄積させる。

この装置では、自装置の位置から対象物Ｐまでの距離を演算するために必要な受光量を確保するために、例えば数ｍｓ程度の時間の電荷の蓄積が必要となる。また、発光素子１０から投射される変調光の周波数は前述のように数十ＭＨｚに設定しているので、１周期Ｔｓは数十ｎｓ程度である。このため、電荷の蓄積に必要な回数は、数千〜数十万周期に渡る露光期間が必要となる。

データ処理部６は、受光部４の各画素１２に対して読み出し指令信号を与えて内部の電荷蓄積部１４ａ〜１４ｄに蓄積された電荷量に相当する受光量の信号を入力する。データ処理部６は、受光部４の画素１２から読出した電荷の電荷量を示すデータに基づいて対象物Ｐまでの距離Ｌｘを算出する。

この場合、データ処理部６は、投光部３の投光素子１０から投光した光が対象物Ｐで反射して受光部４の各画素１２に入射するまでの時間Ｔｘを、投光タイミングからの位相差θにより検出する。この時間Ｔｘは、対象物Ｐまでの距離Ｌｘの２倍の距離２Ｌｘを光が飛行する時間である。また、位相差θは、変調波の周期に対するズレ量であるから、これによって時間Ｔｘに相当する飛行時間を算出することができる。光の速度ｃは一定であるから、時間Ｔｘから距離Ｌｘを演算により求めることができる。

なお、受光部４の各画素１２には投光部３からの投光に対する反射光以外に、背景光や外乱光なども入射光として同時に受光されるが、入射光のうち反射光による受光成分は投光部３の投光周期に同期し、距離Ｌｘに応じた位相差で受光される。これに対して、背景光はどの位相タイミングにおいても均等な受光量となるので位相に応じて変化する成分を検出することで距離を算出できる。この結果、入射光に含まれる背景光による影響をほぼ抑制した状態で測距の演算を行うことができる。

異常検出部７は、受光部４の各画素１２の単位蓄積部１４ａ〜１４ｄに蓄積されている電荷の電荷量Ｑ１〜Ｑ４の情報に基づいて、モーションブラー（motion blur）の発生の有無を検出している。モーションブラーは、車両が対象物Ｐに対して相対的に移動することで、いわゆる「被写体ぶれ」状態となることである。これは、複数回のシャッタタイミングで距離を検出するため、対象物Ｐの相対移動が速い場合には顕著に現れる。異常検出部７は、後述するようにしてモーションブラーの発生を検出している。

次に、上記構成の作用について、図３から図６も参照して説明する。
この実施形態では、受光部４の各画素１２は、投光部３による投光動作の４周期分を１サイクルとしている。受光部４の各画素１２に対して各周期で所定の位相でシャッタタイミングを設定し、４回のシャッタタイミングが１サイクルとして設定される。したがって、各画素１２は、第１から第４の各シャッタタイミングに対応して、第１位相から第４位相を割り当てて受光信号を取り込み、取り込んだ電荷をそれぞれＱ１〜Ｑ４として複数回に渡って蓄積する。

なお、この実施形態では、図３に示すように、投光部４の発光タイミングを起点として、第１位相は０°（０ラジアン）、第２位相は９０°（π／２ラジアン）、第３位相は１８０°（πラジアン）、第４位相は２７０°（３π／２ラジアン）に設定している。第１位相と第３位相とが位相１８０°（πラジアン）離間し、第２位相と第４位相とが１８０°（πラジアン）離間する条件を満たしている。また、第１位相と第２位相との位相差は９０°に設定しているが、その他の位相差に設定することもできる。

なお、一般に受光部４の複数の画素１２は、画素１２毎に異なるオフセットを有していて、電荷を振り分けて蓄積させるときに、一方にオフセット量が加算され、他方に同じオフセット量が減算されるようになる。また、位相を逆にした第１位相と第３位相ではオフセット量ＯＳが一方に加算され他方に減算された結果となる。したがって、複数の画素１２のそれぞれについて、４回のシャッタタイミングで検出する電荷から画素毎にオフセットＯＳをキャンセルする処理が必要である。

なお、各画素１２が有するオフセットＯＳの値は、経時変化を伴ったり受光条件の変化でシフトする可能性はあるが、シャッタタイミング毎に急激に変化することはないので、以下の距離算出過程あるいはモーションブラー判定では、オフセットＯＳの値は同じ値として扱うことができる。

図４は、受光部４の各画素１２から得られる各シャッタタイミングでの出力Ｑ１〜Ｑ４の受光量との関係を示している。今、オフセットＯＳが出力Ｑ１、Ｑ２に正の値で加算され、出力Ｑ３、Ｑ４で減算される場合で説明する。また、１個の画素１２で出力Ｑ１〜Ｑ４を取得するので、オフセットＯＳは同じ値である。

また、出力Ｑ１とＱ３は、オフセットＯＳが含まれない場合には原理的に同じ値となるはずであるから、オフセットＯＳなしの出力をＱＸと置くと、次式（１）、（３）のように表すことができる。同様に、出力Ｑ２とＱ４についても、オフセットＯＳが含まれない場合には原理的に同じ値となり、オフセットＯＳなしの出力をＱＹと置くと、次式（２）、（４）のように表すことができる。
Ｑ１＝ＱＸ＋ＯＳ …（１）
Ｑ２＝ＱＹ＋ＯＳ …（２）
Ｑ３＝−ＱＸ＋ＯＳ …（３）
Ｑ４＝−ＱＹ＋ＯＳ …（４）

図５、図６は、第１位相の０°をＸ軸の正方向に取り、各位相の方向を原点Ｏから回転させたときのＸＹ座標上の軸方向に対応させて各出力Ｑ１〜Ｑ４を示している。図５はオフセットＯＳがゼロの場合を示しており、図７は一般的な場合でオフセットＯＳを有する場合を示している。ここでは、オフセットＯＳＸ、ＯＳＹが含まれた状態での位相差θｏｓに対して、オフセットが含まれない正しい位相差θを検出する。また、図示のケースでは、Ｑ１、Ｑ２が正の場合すなわち、位相差θが０°から９０°の間の第１象限にあるものとして示している。

図５に示すように、対象物Ｐまでの距離Ｌｘは、投光部３から投光した光を受光部４で受光したときの位相差θとして検出する。これは、各周期で投光した光がその周期Ｔｓ中で対象物Ｐから反射して戻ることで、位相差θが発生する。この位相差θは、オフセットＯＳがない場合の受光量ＱＸとＱＹから算出できる。位相差θが第２位相に近くなると、第１位相の受光量Ｑ１が減少し、第２位相の受光量Ｑ２が増大することで現れる。図５では、位相差θの値は、それらの値を座標軸にプロットしたときのベクトルの傾きとして次式（５）で演算することができる。また、位相差θが求まると、１周期Ｔｓの時間［ｓ］から飛行時間Ｔｘが計算できるので、光速ｃ［ｍ／ｓ］を乗ずることで距離２Ｌｘを算出することができ、これによって距離Ｌｘ［ｍ］を、次式（６）のように求めることができる。
θ[ｒａｄ]＝ａｒｃｔａｎ（ＱＹ／ＱＸ） …（５）
Ｌｘ[ｍ]＝（θ／２π）・ｃ・（Ｔｓ／２） …（６）

次に、図６に示すように、図５と同じ位相差が生じている場合で、オフセットＯＳが含まれている状態について同様の値を求める。オフセットＯＳは、同じ画素１２であるから、第１位相方向および第２位相方向のいずれにおいても同じ値である。したがって、１個の画素１２の出力Ｑ１〜Ｑ４は、前述した式（１）〜（４）の式のように表されるから、これらの式を用いて、オフセットＯＳの値を求めることができ、さらに、オフセットＯＳを消去した値を求めることができる。

すなわち、出力Ｑ１とＱ３の和あるいは出力Ｑ２とＱ４の和を求めることで次式（７）、（８）のようにオフセットＯＳの値が得られる。
ＯＳ＝（Ｑ１＋Ｑ３）／２ …（７）
ＯＳ＝（Ｑ２＋Ｑ４）／２ …（８）
また、出力Ｑ１とＱ３の差を求めることで式（９）のようにオフセットなしの出力ＱＸが得られ、出力Ｑ２とＱ４の差を求めることで式（１０）のようにオフセットなしの出力ＱＹが得られる。
ＱＸ＝（Ｑ１−Ｑ３）／２ …（９）
ＱＹ＝（Ｑ２−Ｑ４）／２ …（１０）
したがって、この結果から式（５）、（６）を用いて距離Ｌｘを求めることができるようになる。

次に、上記の算出過程でオフセットＯＳの値に変動が生じている場合について説明する。これは前述のように、複数回に渡って受光部４の画素１２により受光動作を行う場合に、モーションブラーが発生するときに生ずるものである。

上記したように、１つの画素１２は同じオフセットＯＳの値であるのに対して、モーションブラーが発生すると、オフセットＯＳの値に急激な相違が発生することがある。例えば、式（７）で求めるＯＳの値をＯＳｘとし、式（８）で求めるＯＳの値をＯＳｙとしたときに、同じ値であるはずのＯＳｘとＯＳｙの値に差が出るため、次式（１１）で示す演算を行うと、ゼロにならないケースである。
ΔＯＳ＝ＯＳｘ−ＯＳｙ …（１１）

上記式（１１）のオフセットＯＳの値の差ΔＯＳの値について、次式（１２）の場合に正常であり、式（１３）の場合にモーションブラーが発生していることを判定する。
ΔＯＳ＝０ …（１２）
ΔＯＳ≠０ …（１３）

これにより、上述した式（１２）、（１３）の判定結果で、式（１２）に該当する場合には、モーションブラーが発生していないと判断でき、算出した距離の情報が正常であることがわかる。また、式（１３）に該当する場合には、モーションブラーが発生していることが判定でき、この場合には、その画素１２のデータから算出した距離の情報は正常ではない。

さらに、前述のように、距離情報を画像として示す場合に、モーションブラーが発生している画素１２については、そのことがわかるように色を変えるなどして表示することができる。これによって、視覚的に異常が発生している画素を認識できるようにすることができる。

このような本実施形態によれば、受光部４の全ての画素１２毎に、４シャッタ毎に第１位相から第４位相まで電荷を取得して距離の検出をするので、受光部４の各画素１２に対応してオフセットＯＳをキャンセルしながら距離を正確に検出することができる。そして、対象物Ｐとの間の相対移動に伴うモーションブラーの発生についてもオフセットＯＳの変化に基いて検出することができるので、画素１２毎の検出結果の信頼性を高めることができる。

また、オフセットＯＳのキャンセルをその都度行っているので、画素１２毎のオフセットＯＳが経時変化する場合でも、常に近接したタイミングで測定しているので、誤差を極力低減して距離の検出を行うことができる。

（第２実施形態）
図７から図１１は第２実施形態を示すもので、以下、第１実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、受光部４の画素１２を２個一組として用い、２シャッタで検出する方式を採用している。ここで、２個一組として選ぶ画素１２は、車両の移動方向と直交する方向に並ぶ隣接した画素１２ａ、１２ｂを選んでいる。なお、２個一組の画素１２ａ、１２ｂの選び方はこれに限らず、移動方向に隣接して並ぶ２個を設定することもできるし、その他隣接するもの以外の組み合わせもできるもので、目的や用途などに応じて様々な選択が可能である。

図７はシャッタタイミングに対応して画素１２ａ、１２ｂが読み取る位相の関係を示している。画素１２ａ、１２ｂによる検出動作は、投光部３による２周期分の投光動作を１サイクルとしている。例えば、第１回のシャッタタイミングでは、画素１２ａが第１位相、画素１２ｂが第２位相で電荷を取り込んで電荷Ｑ１、Ｑ２を蓄積する。第２回のシャッタタイミングでは、画素１２ａが第３位相、画素１２ｂが第４位相で電荷を取り込んで電荷Ｑ３、Ｑ４を蓄積する。２サイクル目では、第３回、第４回の各シャッタタイミングで第１回、第２回と同様にして電荷を取り込んで蓄積する。また、画素１２ａ、１２ｂは、それぞれオフセットＯＳＸ、ＯＳＹを有するものとする。

図８は受光部４の画素１２ａから得られる各シャッタタイミングでの出力Ｑ１、Ｑ３の受光量との関係を示し、図９は受光部４の画素１２ｂから得られる各シャッタタイミングでの出力Ｑ２、Ｑ４の受光量との関係を示している。また、第１実施形態と同様に、オフセットＯＳＸ、ＯＳＹが出力Ｑ１、Ｑ２に正の値で加算され、出力Ｑ３、Ｑ４で減算される場合で説明する。

出力Ｑ１とＱ３は、オフセットＯＳＸが含まれない場合には原理的に同じ値となるはずであるから、オフセットＯＳＸなしの出力をＱＸと置くと、次式（１４）、（１６）のように表すことができる。同様に、出力Ｑ２とＱ４についても、オフセットＯＳＹが含まれない場合には原理的に同じ値となり、オフセットＯＳＹなしの出力をＱＹと置くと、次式（１５）、（１７）のように表すことができる。
Ｑ１＝ＱＸ＋ＯＳＸ …（１４）
Ｑ２＝ＱＹ＋ＯＳＹ …（１５）
Ｑ３＝−ＱＸ＋ＯＳＸ …（１６）
Ｑ４＝−ＱＹ＋ＯＳＹ …（１７）

図１０、図１１は、第１位相から第４位相をＸＹ座標上の軸方向に対応させて各出力Ｑ１〜Ｑ４を示している。図１０はオフセットＯＳＸ、ＯＳＹがいずれもゼロの場合を示しており、図１１は一般的な場合でオフセットＯＳＸ、ＯＳＹを有する場合を示している。また、図示のケースでは、Ｑ１、Ｑ２が正の場合すなわち、位相差θが０°から９０°の間である第１象限にあるものとして示している。

図１０に示すように、対象物Ｐまでの距離Ｌｘは、投光部３から投光した光を受光部４で受光したときの位相差θとして検出する。これは、各周期で投光した光がその周期Ｔｓ中で対象物Ｐから反射して戻ることで、位相差θが発生する。この位相差θは、オフセットＯＳＸ、ＯＳＹがない場合の受光量ＱＸとＱＹから算出できる。位相差θの値は、それらの値を座標軸にプロットしたときのベクトルの傾きとして前述の式（５）で演算することができる。また、位相差θが求まると、前述同様にして式（６）から距離Ｌｘを求めることができる。

次に、図１１に示すように、図１０と同じ位相差が生じている場合で、オフセットＯＳＸ、ＯＳＹが含まれている状態について同様の値を求める。ここでは、オフセットＯＳＸ、ＯＳＹが含まれた状態での位相差θｏｓに対して、オフセットが含まれない正しい位相差θを検出する。出力Ｑ１〜Ｑ４は、前述した式（１４）〜（１７）で表されるので、オフセットＯＳＸ、ＯＳＹの値は、これらの式から、次式（１８）、（１９）のように算出できる。
ＯＳＸ＝（Ｑ１＋Ｑ３）／２ …（１８）
ＯＳＹ＝（Ｑ２＋Ｑ４）／２ …（１９）

また、出力Ｑ１とＱ３の差を求めることで前述の式（９）のようにオフセットＯＳＸなしの出力ＱＸが得られ、出力Ｑ２とＱ４の差を求めることで前述の式（１０）のようにオフセットＯＳＹなしの出力ＱＹが得られる。したがって、この結果から式（５）、（６）を用いて距離Ｌｘを求めることができるようになる。

次に、上記の算出過程でオフセットＯＳＸあるいはＯＳＹの値に変動が生じている場合について説明する。これは前述のように、複数回に渡って受光部４の画素１２により受光動作を行う場合に、モーションブラーが発生するときに生ずるものである。

上記したように、２つの画素１２ａ、１２ｂのオフセットＯＳＸ、ＯＳＹは、モーションブラーが発生すると、前回の測定結果と相違した値になることがある。第２回のシャッタタイミングをｔとし、第１回のシャッタタイミングをｔ−１とすると、式（１４）〜（１７）は次式（１４ａ）〜（１７ａ）のように書ける。
Ｑ１（ｔ−１）＝ＱＸｔ−１＋ＯＳＸ …（１４ａ）
Ｑ２（ｔ−１）＝ＱＹｔ−１＋ＯＳＹ …（１５ａ）
Ｑ３（ｔ）＝−ＱＸｔ＋ＯＳＸ …（１６ａ）
Ｑ４（ｔ）＝−ＱＹｔ＋ＯＳＹ …（１７ａ）

ここで、２個の画素１２ａ、１２ｂのオフセットＯＳＸ、ＯＳＹの値はシャッタタイミングの回数にかかわらず一定の値を有するはずであるから、（１８）、（１９）を用いて算出することができる。このときのオフセットＯＳＸは図７（ｃ）に示すようになる。図７（ｄ）では省略しているが、オフセットＯＳＹについても同様である。また、各画素１２ａ、１２ｂは、次のサイクルの第１回のシャッタタイミングでは、前回のサイクルの第２回のシャッタタイミングで得た電荷と位相が１８０°異なるので、このタイミングにおいてもオフセットＯＳＸ、ＯＳＹを算出することができる。

式（１８）、（１９）で算出されるオフセットＯＳＸ、ＯＳＹをシャッタタイミングに併せてｔ、ｔ＋１などの添字を付して示すと、これらの値が時間軸方向で変動していなければ、モーションブラーが発生しておらず、正常に検出できている状態である。また、算出したオフセットＯＳＸあるいはＯＳＹの一方あるいは両方に変動が生じている場合には、モーションブラーが発生していて異常状態であることを示している。

上記したモーションブラーの判定は次のように定義することができる。いま、画素１２ａのオフセットＯＳＸの変動値をモーションブラー判定値ＭＢＸとし、画素１２ｂのオフセットＯＳＹの変動値をモーションブラー判定値ＭＢＹとする。検出したシャッタタイミングをｔとすると、判定値ＭＢＸ、ＭＢＹは次式（２０）、（２１）のように書ける。式中「ＡＢＳ」は絶対値を示す。
ＭＢＸ＝ＡＢＳ（ＯＳＸｔ−ＯＳＸｔ−１) …（２０）
ＭＢＹ＝ＡＢＳ（ＯＳＹｔ−ＯＳＹｔ−１） …（２１）

そして、上記した判定値ＭＢＸ、ＭＢＹについて、正常判定あるいは異常判定を次の条件で判定する。
＜正常判定＞ＭＢＸ＝０且つＭＢＹ＝０である
＜異常判定＞次の（ａ）〜（ｃ）のいずれかに該当
（ａ）ＭＢＸ≠０、（ｂ）ＭＢＹ≠０、（ｃ）ＭＢＸ≠０且つＭＢＹ≠０

図７（ｃ）では、画素１２ａについて、ＯＳＸｔ−１とＯＳＸｔは変動が生じていないので正常状態である。また、ＯＳＸｔとＯＳＸｔ＋１では変動が生じているので、モーションブラーが発生する異常状態である。同様に画素１２ｂについてもＯＳＹの変動を見ることでモーションブラーの発生を検出することができる。

このような第２実施形態によっても、第１実施形態と同様にしてモーションブラーの検出を行いながら距離の検出動作を行えるので、同様の効果を得ることができる。そして、この実施形態では、２個の画素１２ａ、１２ｂを一組として２回のシャッタタイミング毎に距離の検出を行うとともに、モーションブラーの検出も行えるので、実質的な解像度が低下するものの、相対移動が速い場合でも検出頻度を低下させることなく検出動作を行うことができる。

（第３実施形態）
図１２および図１３は第３実施形態を示すもので、以下、第２実施形態と異なる部分について説明する。この実施形態では、第２実施形態におけるように、受光部４の２画素１２ａ、１２ｂを一組として２シャッタタイミングで検出する方式での更なる検出動作の効率向上の例を示している。

この方式では、１サイクルを２個の画素１２ａ、１２ｂにより２シャッタタイミングで実施しているので、それぞれの画素１２ａ、１２ｂが１８０°の位相差を持った検出を交互に実施していることになる。つまり、一度１８０°の位相差の電荷の情報が得られた後は、次々とシャッタタイミング毎に距離の情報が算出可能になる。

この場合、距離の算出は可能であるが、モーションブラーの検出については、オフセットＯＳＸ、ＯＳＹの変動が生じていないことである。したがって、モーションブラーの判定を行って正常が判定された場合には、シャッタタイミング毎に距離を検出することができる。

図１２は、上記の内容を制御装置２により行うためのフローチャートである。この処理では、制御装置２は、ステップＳ１で、そのサイクルいずれかのタイミングのシャッタ動作によって、第１回のタイミングではＱ１、Ｑ２の情報を取得し、第２回のタイミングではＱ３、Ｑ４の情報を取得する。次に、制御装置２は、ステップＳ２で、前回のシャッタ動作での位相情報がある場合にはその情報を用いてオフセットＯＳＸおよびＯＳＹを算出する。前回シャッタ動作の情報がない場合には算出不能であるから、図示はしないが、制御装置２は、ステップＳ１を繰り返し実行して位相情報を取得する。

制御装置２は、ステップＳ３に進むと、ステップＳ２で算出したオフセットＯＳＸ、ＯＳＹの値が算出済みの過去のオフセットＯＳＸ、ＯＳＹと一致するか否かを判定する。ここでも、過去の算出済みのオフセットＯＳＸ、ＯＳＹが得られていないときには判断不能であるから、図示はしないが、制御装置２は、次のオフセットＯＳＸ、ＯＳＹを算出するようにステップＳ１に戻って処理を継続する。

制御装置２は、ステップＳ３で、オフセットＯＳＸ、ＯＳＹの双方が過去の値と一致するときにはモーションブラーの発生なしと判断してステップＳ４に進み、取得した位相情報（Ｑ１、Ｑ２）または（Ｑ３、Ｑ４）から距離Ｌｘを算出して処理を終了し、次の検出処理に移行する。

また、制御装置２は、ステップＳ３で、オフセットＯＳＸ、ＯＳＹのいずれか一方もしくは双方が過去の値と一致しないときにはモーションブラーの発生ありと判断して、距離算出の処理を実施せずに、検出動作としてはステップＳ１に戻る。また、制御装置２は、モーションブラーの発生ありの場合には、別途、モーションブラー発生時の処理を行って、異常状態の画素についてマスクして距離情報を出力しないかあるいはブラーが発生しているというコンフィデンス情報を付与して距離情報を出力する処理を行う。

図１３は、上記した処理過程の一例を示している。各シャッタタイミングにおいて画素１２ａ、１２ｂにより位相情報（Ｑ１、Ｑ２）または（Ｑ３、Ｑ４）を取得している。これに対して、画素１２ａのオフセットＯＳＸは図１３（ｂ）のように推移している。図１３（ｃ）では具体的な図示は省略しているが、画素１２ｂのオフセットＯＳＹについても同様な推移が算出される。

そして、いまオフセットＯＳＹは変動が発生していないと仮定すると、オフセットＯＳＸの変動により図１３（ｄ）に示すように各オフセットＯＳＸの検出タイミングでブラー判定が行われる。オフセットＯＳＸの変動がないときには正常であり、変動が生じているときにはモーションブラーの発生がある異常状態の判定がなされる。

また、ブラー判定の結果に基づいて、距離算出処理が行われ、図１３（ｅ）に示すように、ブラー判定結果が正常時には「可」として距離出力がなされ、ブラー判定の異常時には距離出力を行わず「マスク処理」により距離情報を出力しない状態とするか、あるいはモーションブラーが発生しているというコンフィデンス情報を付与する「条件付」で距離情報を表示する処理を行う。

このような第３実施形態によれば、第２実施形態と同様の作用効果に加えて、モーションブラーが発生していない正常時には、シャッタタイミング毎に距離出力を行うことができるようになる。

（第４実施形態）
図１４および図１５は第４実施形態を示すもので、以下、上記各実施形態と異なる部分について説明する。上記各実施形態では、モーションブラーの判定について、オフセットが変化しないことをモーションブラーの発生なしの条件としていた。第１実施形態では、ＯＳの変化が「０」であることを正常である条件とし、第２実施形態では、オフセットＯＳＸ、ＯＳＹの判定値ＭＢＸ、ＭＢＹがいずれも「０」であることを正常である条件としていた。

これに対して、この実施形態では、実用上の精度を考慮して、誤差を含んだ判定値を閾値として設定するとともに、その閾値を車両の状態や走行環境に応じて変更設定することでさらに精度の向上を図るようにしている。

すなわち、第１実施形態でモーションブラーの判定に用いた式（１１）で変化量ΔＯＳを求めた。そして、変化量ΔＯＳの値が式（１２）に該当するときに正常であると判断され、式（１２）に該当しないときつまり式（１３）に該当するときには異常ありすなわちモーションブラーの発生を判定していた。

実用上では、誤差を含んだ変化量ΔＯＳが算出されると、オフセットＯＳの変動がなく、正常である場合でも式（１２）を満たさない場合が生ずる。これを避けるために、例えば、ΔＯＳの値に幅を持たせるようにする。これを閾値ΔＯＳｔｈとして「０」でない値を設定する。モーションブラーの判定では、正常状態の判定を次式（２２）を用い、異常状態の判定を式（２３）を用いる。
ΔＯＳ＜ΔＯＳｔｈ …（２２）
ΔＯＳ≧ΔＯＳｔｈ …（２３）

同様に、第２実施形態の場合には、式（２０）、（２１）で算出される判定値ＭＢＸ、ＭＢＹについて、正常判定あるいは異常判定を次の条件で判定する。
＜正常判定＞ＭＢＸ＜ＭＢＸｔｈ且つＭＢＹ＜ＭＢＹｔｈである
＜異常判定＞次の（ａ）〜（ｃ）のいずれかに該当
（ａ）ＭＢＸ≧ＭＢＸｔｈ、（ｂ）ＭＢＹ≧ＭＢＹｔｈ、
（ｃ）ＭＢＸ≧ＭＢＸｔｈ且つＭＢＹ≧ＭＢＹｔｈ
閾値ＭＢＸｔｈ、ＭＢＹｔｈは「０」でない値が設定される。

次に、上記した判定条件で設定する閾値ΔＯＳｔｈ、ＭＢＸｔｈ、ＭＢＹｔｈについて変動させる場合を説明する。
図１４は、装置を搭載した車両の速度情報を図１に示した車速センサ９により取り込み、車速に応じて変化させるものである。車速が速いとモーションブラーが発生しやすくなり、また、検出誤差も発生しやすくなる。これを考慮して、車速に起因した過剰なモーションブラーの発生の判定を抑制するために、速度が速いほど閾値を大きく設定して「鈍感」となる条件にするものである。

図１５は、走行環境によるブラーの判定の閾値を変更する例である。これは、車両のカーナビゲーション装置などから走行情報として地図上での現在位置情報や走行時間帯や走行環境の情報を取り入れて、閾値を変更するものである。

例えば、日中の時間帯では受光部４で受光する光が投光部３からの光の反射光に加えて重畳される光の量が増える。これが誤差を発生する要因となるので、場所によらず閾値を大きく設定する。また、朝や夕暮れなどの時間帯では、至近距離の対象物が多い市街地や都心部においては閾値を大きく設定し、郊外や山間部などの至近距離の対象物が少ない環境では閾値を中程度あるいは小さく設定する。さらに、夜間の時間帯では、外部の光の量が少ないので、市街地や都心部では閾値を中程度に設定し、郊外や山間部で閾値を小さく設定する。

このように閾値を場所、環境あるいは時間帯などに応じて変更設定することで、モーションブラーの発生の判定を外乱光などの影響を抑制して精度良く検出することができるようになる。

（他の実施形態）
なお、本発明は、上述した実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能であり、例えば、以下のように変形または拡張することができる。

上記各実施形態では、受光タイミングをずらす第１〜第４位相を、０°、９０°、１８０°、２７０°としているが、必ずしも等分にずらす必要はなく、互いに１８０°ずれた関係のペアが２組設定されていれば良い。

本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

図面中、１は光飛行型測距装置、２は制御装置、３は投光部、４は受光部、５は投受光制御部、６はデータ処理部、７は異常検出部、８はメモリ、９は車速センサ、１０は発光素子、１２、１２ａ、１２ｂは画素、１３は光電変換素子、１４は電荷蓄積部である。

Claims

所定周期の変調光を空間に投射する投光部（３）と、
前記投光部から投射された変調光が対象物で反射した戻り光を含む入射光を受光して受光量に相当する電荷を蓄積する複数の画素（１２）を有する受光部（４）と、
前記変調光の周期を基準として互いに１８０°異なる第１位相、第３位相、および前記第１、第３位相と異なり、且つ互いに１８０°異なる第２位相、第４位相で前記受光部の前記画素１個単位もしくは２個単位で受光動作を行わせる投受光制御部（５）と、
前記受光部における前記画素の蓄積電荷に基づいて前記変調光と前記戻り光との間の位相差を計測して前記対象物までの距離を演算するデータ処理部（６）と、
前記受光部における前記画素の蓄積電荷に基づいて前記対象物との相対的な移動に起因して発生する前記対象物の反射率の変化、前記対象物との距離の変化もしくは前記対象物の明るさの変化の発生をモーションブラーとして検出する異常検出部（７）とを備え、
前記異常検出部は、前記受光部の画素毎に有する電荷の蓄積のオフセットデータを、前記第１位相および第３位相のデータから、あるいは前記第２位相および第４位相のデータから算出し、前記オフセットデータが時間の推移と共に変化しない場合は、同じ反射率や距離や明るさであると判断し、前記オフセットデータが変化した場合には、異なる反射率や距離や明るさになったと判断し、前記モーションブラーの発生を検出する光飛行型測距装置。
前記投受光制御部（５）は、前記受光部の画素毎に前記第１から第４位相のデータを４回の投光動作で取得する請求項１に記載の光飛行型測距装置。
前記受光部の画素毎の前記第１位相から前記第４位相の受光量をそれぞれＱ１からＱ４としたときに、
前記異常検出部（７）は、前記第１位相方向のオフセット値ＯＳ１をＱ１＋Ｑ３、前記第２位相方向のオフセット値ＯＳ２をＱ２＋Ｑ４とし、これらのオフセット値ＯＳ１およびＯＳ２が等しくならないときに前記モーションブラーの発生を検出する請求項２に記載の光飛行型測距装置。
所定周期の変調光を空間に投射する発光部（３）と、
前記発光部から投射された変調光が対象物で反射した戻り光を含む入射光を受光して受光量に相当する電荷を蓄積する複数の画素（１２）を有する受光部（４）と、
前記変調光の周期を基準として互いに１８０°異なる第１位相、第３位相、および前記第１、第３位相と異なり、且つ互いに１８０°異なる第２位相、第４位相で前記受光部の前記画素１個単位もしくは２個単位で受光動作を行わせる投受光制御部（５）と、
前記受光部における前記画素の蓄積電荷に基づいて前記変調光と前記戻り光との間の位相差を計測して前記対象物までの距離を演算するデータ処理部（６）と、
前記受光部における前記画素の蓄積電荷に基づいて前記対象物との相対的な移動に起因して発生する前記対象物の反射率の変化、前記対象物との距離の変化もしくは前記対象物の明るさの変化の発生をモーションブラーとして検出する異常検出部（７）とを備え、
前記投受光制御部は、前記受光部の画素毎に前記第１から第４位相のデータを４回の投光動作で取得し、
前記受光部の画素毎の前記第１位相から前記第４位相の受光量をそれぞれＱ１からＱ４としたときに、
前記異常検出部は、前記第１位相方向のオフセット値ＯＳ１をＱ１＋Ｑ３、前記第２位相方向のオフセット値ＯＳ２をＱ２＋Ｑ４とし、これらのオフセット値ＯＳ１およびＯＳ２が等しくならないときに前記モーションブラーの発生を検出する光飛行型測距装置。
所定周期の変調光を空間に投射する発光部（３）と、
前記発光部から投射された変調光が対象物で反射した戻り光を含む入射光を受光して受光量に相当する電荷を蓄積する複数の画素（１２）を有する受光部（４）と、
前記変調光の周期を基準として互いに１８０°異なる第１位相、第３位相、および前記第１、第３位相と異なり、且つ互いに１８０°異なる第２位相、第４位相で前記受光部の前記画素１個単位もしくは２個単位で受光動作を行わせる投受光制御部（５）と、
前記受光部における前記画素の蓄積電荷に基づいて前記変調光と前記戻り光との間の位相差を計測して前記対象物までの距離を演算するデータ処理部（６）と、
前記受光部における前記画素の蓄積電荷に基づいて前記対象物との相対的な移動に起因して発生する前記対象物の反射率の変化、前記対象物との距離の変化もしくは前記対象物の明るさの変化の発生をモーションブラーとして検出する異常検出部（７）とを備え、
前記投受光制御部は、前記受光部の隣接する第１画素、第２画素について、前記第１画素により前記第１位相および第３位相のデータ、前記第２画素により前記第２位相および第４位相のデータを２回の投光動作で取得する光飛行型測距装置。
前記受光部の前記第１画素の第１位相の受光量、第３位相のそれぞれの受光量をＱ１（ｔ−１）、Ｑ３（ｔ−１）とし、前記第２画素の第２位相の受光量、第４位相の受光量をそれぞれＱ２（ｔ）、Ｑ４（ｔ）としたときに、
前記異常検出部（７）は、前記第１位相方向のオフセット値ＯＳＸをＱ１（ｔ−１）＋Ｑ３（ｔ）、前記第２位相方向のオフセット値ＯＳＹをＱ２（ｔ−１）＋Ｑ４（ｔ）とし、前記オフセット値ＯＳＸおよびＯＳＹの少なくとも一方が時間の推移と共に変化したときに前記モーションブラーの発生を検出する請求項５に記載の光飛行型測距装置。
前記異常検出部（７）は、前記オフセット値ＯＳＸおよびＯＳＹの時間の推移に伴う変化の判定を、前記２回めの投光動作から次の１回めの投光動作に移行するときにも実施し、前記モーションブラーの発生を連続して検出しないときには、前記データ処理部により取得した距離情報を有効とする請求項６に記載の光飛行型測距装置。
前記異常検出部（７）は、前記オフセット値ＯＳ１およびＯＳ２の差が予め設定された閾値を超えているときに前記モーションブラーの発生を検出する請求項３または４に記載の光飛行型測距装置。
前記異常検出部（７）は、前記オフセット値ＯＳＸおよびＯＳＹの少なくとも一方が時間の推移と共に予め設定された閾値を超えて変化したときに前記モーションブラーの発生を検出する請求項６に記載の光飛行型測距装置。
移動体に設けられ、現在の道路上の移動位置を地図情報として取得する位置情報取得部を備えており、
前記異常検出部（７）は、前記閾値として、前記位置情報取得部から得られる現在の移動位置に対応して誤差の発生度を考慮した値に変更設定する請求項８または９に記載の光飛行型測距装置。
投光部（３）から所定の投光周期で点灯および消灯を繰り返す変調光を空間に投射し、受光部において前記投光部から投射された変調光が対象物で反射した戻り光を含む入射光を複数の画素により受光して受光量に相当する電荷を蓄積し、制御装置により前記対象物までの距離を演算する光飛行型測距の異常検出方法であって、
投受光制御部により、前記変調光の周期を基準として互いに１８０°異なる第１位相、第３位相、および前記第１、第３位相と異なると共に互いに１８０°異なる第２位相、第４位相で前記受光部の前記画素１個単位もしくは２個単位で受光動作を行わせ、
データ処理部により、前記受光部における前記画素の蓄積電荷に基づいて前記変調光と前記戻り光との間の位相差を計測して前記対象物までの距離を演算し、
異常検出部により、前記受光部における前記画素の蓄積電荷に基づいて前記対象物との相対的な移動に起因して発生する前記対象物の反射率の変化、前記対象物との距離の変化もしくは前記対象物の明るさの変化の発生をモーションブラーとして検出し、
前記異常検出部により、前記受光部の画素毎に有する電荷の蓄積のオフセットデータを、前記第１位相および第３位相のデータから、あるいは前記第２位相および第４位相のデータから算出し、前記オフセットデータが時間の推移と共に変化しない場合は、同じ反射率や距離や明るさであると判断し、前記オフセットデータが変化した場合には、異なる反射率や距離や明るさになったと判断し、前記モーションブラーの発生を検出するようにした光飛行型測距の異常検出方法。