JP6834211B2 - 測距装置、移動体、ロボット、３次元計測装置及び測距方法 - Google Patents

Description

本発明は、測距装置、移動体、ロボット、３次元計測装置及び測距方法に関する。

近年、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法を用いて物体までの距離を測定する測距装置の開発が盛んに行われている。

例えば、特許文献１に開示されている測距装置では、近距離物体に対して測距するときの信号の飽和による測距精度の低下と遠距離物体に対して測距するときの信号の不足による測距精度の低下を抑制するために、出力距離に上下２つの閾値を持たせ、閾値を超えたとき又は下回ったときに照射光強度を変えている。

しかしながら、特許文献１に開示されている測距装置では、近距離物体や高反射物体に対して高精度な測距をより安定して行うことに関して改善の余地があった。

本発明は、光源と、前記光源から射出され物体で反射された光を受光する撮像素子と、前記光源の発光タイミングと前記撮像素子の受光タイミングの時間差を算出し、該時間差から前記物体までの距離を求める制御系と、を備え、前記撮像素子は、受光した光を電気信号に変換する複数の受光部と、前記受光部毎に設けられ、前記電気信号が時間的に分割された複数の位相信号をそれぞれ一時的に蓄積する複数の蓄積部と、を有し、前記制御系は、前記位相信号の信号量が前記蓄積部で飽和しているか否かを判定する判定手段と、前記判定手段での判定結果に基づいて、前記時間差の算出に用いる前記位相信号を選択する選択手段と、を含み、前記判定手段は、前記複数の位相信号を取得する取得部を含み、前記取得部は、前記複数の位相信号を取得する時間帯を１フレームとしたときに、前記複数の位相信号の少なくとも２つの位相信号からそれぞれが成る複数の位相信号群を前記１フレーム内の異なる時間帯である複数のサブフレームで取得し、前記選択手段は、信号量が飽和している前記位相信号がある場合に該位相信号が取得されたサブフレームとは異なるサブフレームで取得された前記位相信号群を選択する測距装置である。

本発明によれば、遠距離物体や低反射物体に対する測距精度の低下を抑制しつつ、近距離物体や高反射物体に対して高精度な測距をより安定して行うことができる。

本発明の一実施形態に係る距離センサを搭載した走行体の外観図である。 走行管理装置の構成を説明するためのブロック図である。 距離センサの構成を説明するための図である。 投光系を説明するための図である。 パルス制御信号を説明するための図である。 光源駆動信号を説明するための図である。 受光系を説明するための図である。 制御系とイメージセンサとの間の信号を説明するための図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、それぞれ一般的なＴＯＦセンサの構成例（その１及びその２）を示す図である。 正弦波変調方式（四相式）の１フレームを示すタイミング図である。 矩形波変調方式（二相式）の１フレームを示すタイミング図である。 受光輝度と各位相信号の信号量の関係を模式的に示すグラフである。 四相式の距離センサが受信光を受光したときの照射光、受信光、各位相信号の関係を示すタイミング図である。 四相式の距離センサにおける照射光、受信光、９０°、２７０°の位相信号の関係を示すタイミング図である。 ０°、９０°、１８０°の３つの位相信号を取得する三相式の距離センサにおける照射光、受信光、各位相信号の関係を示すタイミング図である。 六相式の距離センサにおける照射光、受信光、各位相信号の関係を示すタイミング図である。 測距レンジ内の領域を位相差角φで定義した場合の、最も飽和する可能性の高い位相信号と、その位相信号が飽和した場合の距離センサによる二相式ＴＯＦ演算を示す図である。 四相式以上の多相式ＴＯＦ演算において、飽和する位相信号の中で最も位相シフト量が大きい位相信号と、距離センサによる２相式ＴＯＦ演算を示す図である。 三相式の距離センサにおいて、飽和する位相信号と二相式ＴＯＦ演算を示す図である。 パルス幅が３０ｎｓの照射光、変調周波数が１６．７ＭＨｚの、市販の四相式距離センサを用いて、受光輝度に対する各位相信号量を実測した結果を示すグラフである。 一実施形態の距離センサを説明するための図である。 変形例１の距離センサを説明するための図である。 一実施形態及び変形例１の距離センサの動作を説明するためのフローチャートである。 変形例２の距離センサを説明するための図である。 変形例３の距離センサを説明するための図である。 変形例２、３の距離センサの動作を説明するためのフローチャートである。 図２３のフローチャートに信号のオフセット量を減算するステップを加えたフローチャートである。 図２６のフローチャートに信号のオフセット量を減算するステップを加えたフローチャートである。 距離センサにおける非発光フレームと発光フレームを含むフレーム構成例を示す図である。 図３０（ａ）及び図３０（ｂ）は、それぞれ一般的な四相式の距離センサ及び一実施形態の四相式の距離センサのフレーム構成例を示す図である。 図３１（ａ）〜図３１（ｃ）は、それぞれ一実施形態の距離センサを用いて出力の高精度化を行う場合のフレーム構成例（その１〜その３）を示す図である。 本発明の実施を確認するためのフレーム構成例を示す図である。 位相信号判定部とＴＯＦ演算部の構成例１を示すブロック図である。 位相信号判定部とＴＯＦ演算部の構成例２を示すブロック図である。 １つの受光部に対して電荷を２箇所に振り分ける構造の一例を示す図である。

［導入］
３次元情報を計測する３次元センサ（距離センサ）の１つに、強度変調した照射光を投射してから該照射光が測定対象で反射して戻るまでの飛行時間を検出して測定対象までの距離を求める、Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）法を用いる“ＴＯＦセンサ”が既に知られており、種々ある３次元センシング方式の中でも、その高速性の原理的優位性から、昨今さまざまな用途への開発が進められている。例えばジェスチャー認識や、ロボットや自動車などの移動体の位置制御などへの応用が期待されている。

ＴＯＦ法には、直接ＴＯＦ法と間接ＴＯＦ法があり、一般的に間接ＴＯＦ法の方が近距離測定に有利であると言われている。本発明は、間接ＴＯＦ法を用いる発明であるため、以降、明記しない限り、「ＴＯＦ法」とは間接ＴＯＦ法のことであり、「ＴＯＦセンサ」とは間接ＴＯＦ法を用いた距離センサのことである。間接ＴＯＦ法の原理については、例えば特表２０１３−５３８３４２号公報、特表２０１５−５０１５９２７号公報等で説明されている。

［実施形態］
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１には、一実施形態の測距装置としての距離センサ２０（ＴＯＦセンサ）を搭載した走行体１の外観が示されている。この走行体１は、荷物を目的地に無人搬送するものである。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、路面に直交する方向をＺ軸方向、走行体１の前進方向を＋Ｘ方向として説明する。

ここでは、距離センサ２０は、一例として、走行体１の前部に取り付けられ、走行体１の＋Ｘ側（前方）の３次元情報を求める。なお、距離センサ２０による測定可能な領域を測定領域ともいう。距離センサ２０の出力によって、走行体の進行方向の障害物の有無及び位置情報を検出することができる。

走行体１の内部には、一例として図２に示されるように、表示装置３０、位置制御装置４０、メモリ５０、及び音声・警報発生装置６０などが備えられている。これらは、データの伝送が可能なバス７０を介して電気的に接続されている。

ここでは、距離センサ２０と、表示装置３０と、位置制御装置４０と、メモリ５０と、音声・警報発生装置６０とによって、走行管理装置１０が構成されている。すなわち、走行管理装置１０は、走行体１に搭載されている。また、走行管理装置１０は、走行体１のメインコントローラ８０と電気的に接続されている。

距離センサ２０は、一例として図３に示されるように、投光系２０１、受光系２０２、及び制御系２０３などを有している。そして、これらは、筐体内に収納されている。この筐体は、投光系２０１から投光される光、及び測距対象の物体（以下では「対象物」とも呼ぶ）で反射され、受光系２０２に向かう光が通過するための窓を有し、該窓にはガラスが取り付けられている。

音声・警報発生装置は，一例として，距離センサ２０が取得した３次元情報から、障害物の回避の可否を判定し、回避不可と判断された場合に周囲の人員に通知する。

投光系２０１は、受光系２０２の−Ｚ側に配置されている。この投光系２０１は、一例として図４に示されるように、光源２１及び光源駆動部２５などを有している。

光源２１は、光源駆動部２５によって点灯及び消灯される。ここでは、光源２１としてＬＥＤが用いられているが、これに限らず、例えば半導体レーザ（端面発光レーザや面発光レーザ）等の他の光源を用いても良い。光源２１は、＋Ｘ方向に光を射出するように配置されている。なお、以下では、光源駆動部２５で生成され、光源２１を駆動するための信号を「光源駆動信号」と呼ぶ。

光源駆動部２５は、制御系２０３からのパルス制御信号（図５参照）に基づいて、光源駆動信号（図６参照）を生成する。この光源駆動信号は、光源２１及び制御系２０３に送出される。

これにより、光源２１からは、制御系２０３から指示されたパルス幅のパルス光が射出される。なお、光源２１から射出されるパルス光は、デューティ（ｄｕｔｙ）が５０％以下となるように、制御系２０３において設定されている。また、以下では、光源２１から射出される光を「照射光」とも呼ぶ。

走行体１のメインコントローラ８０は、走行体１を走行させる際に、位置制御の開始要求を位置制御装置４０に送出する。そして、走行体１のメインコントローラ８０は、走行体１が目的位置に到達すると、位置制御の終了要求を位置制御装置４０に送出する。

位置制御装置４０は、位置制御の開始要求、及び位置制御の終了要求を受け取ると、制御系２０３に送出する。

距離センサ２０から射出され物体（対象物）で反射された光の一部は、距離センサ２０に戻ってくる。以下では、便宜上、物体で反射され距離センサ２０に戻ってきた光を「物体からの反射光」や「対象物からの反射光」や「受信光」とも呼ぶ。

受光系２０２は、物体からの反射光を検出する。受光系２０２は、一例として図７に示されるように、結像光学系２８及びイメージセンサ２９（撮像素子）などを有している。

結像光学系２８は、物体からの反射光の光路上に配置され、該光を集光する。ここでは、結像光学系２８は１枚のレンズで構成されているが、２枚のレンズで構成されても良いし、３枚以上のレンズで構成されても良いし、ミラー光学系を用いても良い。

イメージセンサ２９は、結像光学系２８を介した物体からの反射光を受光する。イメージセンサ２９の出力信号（アナログ信号）は、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）でデジタル信号に変換され、制御系２０３に送られる。ここでは、イメージセンサ２９として、画素毎の受光部が２次元配列されたエリアイメージセンサ（例えばＣＣＤやＣＭＯＳ）が用いられている。

イメージセンサ２９は、各受光部（例えばフォトダイオードやフォトトランジスタ）に対して２つの電荷蓄積部を有しており、ＴＸ１信号がハイレベルのときは、該受光部で光電変換された電荷を一方の電荷蓄積部に蓄積し、ＴＸ２信号がハイレベルのときは、該受光部で光電変換された電荷を他方の電荷蓄積部に蓄積する。また、イメージセンサ２９は、ＴＸＤ信号がハイレベルのときは、電荷の蓄積を行わず、リセット信号がハイレベルになると、２つの電荷蓄積部に蓄積されている電荷量を０にする。

制御系２０３は、一例として図８に示されるように、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸＤ信号及びリセット信号をイメージセンサ２９に出力する。

また、制御系２０３は、光源２１から照射光（パルス光）を射出させ、対象物からの反射光をイメージセンサ２９で電気信号（受光信号）に変換し、該電気信号を使った演算（ＴＯＦ演算）によって対象物までの距離を取得する。

ところで、一般的なＴＯＦセンサは典型的に、多位相シフトを用いて対象物までの距離を取得する。例えば、四相式ＴＯＦセンサは、照射光の変調周波数に対して、４つの位相信号（位相シフト量：０°、９０°、１８０°、２７０°）を用いて距離を取得する。ＴＯＦセンサの理論的な測定可能距離範囲（測距レンジ）は照射光の変調周波数で決まる。

ＴＯＦセンサなどの距離センサを使用する上で、測距精度は非常に重要になる。一般に、ＴＯＦセンサは、取得する各位相信号の信号量、上記四相式ＴＯＦセンサであれば、０°、９０°、１８０°、２７０°の４つの位相信号の信号量が大きいほど、高精度に測距できる。これは、信号量とショットノイズや回路起因ノイズなどの測定ノイズの比（ＳＮ比）が測定に影響するためである。つまり、照射光の強度が大きいほど高精度に測距できるといえる。位相信号の信号量は、特に対象物までの距離が長い場合や、対象物の反射率が低い場合に小さくなるため、アイセーフに配慮しながら、所望の測距精度に足る照射光の強度で測定する必要がある。

しかし、照射光の強度を大きくすると、撮像素子において信号量の飽和という問題が起こる。撮像素子が画素毎に蓄積可能な信号量の上限は、該画素に対応する電荷蓄積部の容量で決まり、該電荷蓄積部にその容量を超える信号量が入ると、信号量が飽和し、正確な距離を出力できなくなる。

信号量の飽和は、物体からの反射光が強くなる、該物体までの距離が短い場合や、該物体の反射率が高い場合に起こりやすい。つまり、ＴＯＦセンサで高精度に測距しようとした場合、信号量の飽和の問題が起きやすくなるため、両者はトレードオフの関係にある。

図９（ａ）及び図９（ｂ）には、それぞれ本実施形態の距離センサ２０のベースとなる一般的なＴＯＦセンサ１、２の構成が示されている。

図９（ａ）に示されるように、ＴＯＦセンサ１は、光源及び光源駆動部を含む投光系と、撮像素子及びＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）を含む受光系と、変調周波数制御部、ＴＯＦ演算部及び出力部を含む制御系と、を備えている。

ＴＯＦセンサ１の各構成要素は、データの伝送が可能なパスを介して電気的に接続され、パッケージに収容されている。

変調周波数制御部は、ＴＯＦセンサによる測距（距離測定）の際に、投光系の光源駆動部と受光系の撮像素子を制御し、光源駆動信号のパルス幅及びデューティ比を設定する信号（パルス制御信号）を光源駆動部に送出し、該パルス幅に合わせた読み出し期間を設定する信号を撮像素子に送出する。

また、変調周波数制御部は、光源の発光と撮像素子の信号取得のタイミングの同期を行なう。

投光系では、変調周波数制御部から指示された通りに（パルス制御信号に基づいて）、光源駆動部が光源をパルス発光させる。光源には一般的に、ＬＤ（端面発光レーザ）、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）などが用いられる。

受光系では、撮像素子が、対象物からの反射光の一部を受光して生成したアナログ信号を、ＡＤＣでデジタル信号に変換し、ＴＯＦ演算部に送る。撮像素子にはＣＭＯＳやＣＣＤが用いられる。一般的なＴＯＦセンサでは専用の撮像素子が用いられる。

一例として、ＴＯＦセンサ専用のＣＭＯＳであるＴＯＦ−ＣＭＯＳについて説明する。ＴＯＦ−ＣＭＯＳは、１つの受光部に対して電荷を２箇所に振り分ける構造になっているものが主流である。

このような構造の一例が図３５に示されている。図３５に示されるように、受光部１０の両側に第１及び第２電荷蓄積部２０ａ、２０ｂが配置されている。受光部１０と第１電荷蓄積部２０ａとの間には第１電荷転送部３０ａが配置されている。受光部１０と第２電荷蓄積部２０ｂとの間には第２電荷転送部３０ｂが配置されている。
受光部１０は受光した光を信号電荷に変換する。この信号電荷の一部は第１電荷転送部３０ａを介して第１電荷蓄積部２０ａに送られ、他の一部は第２電荷転送部３０ｂを介して第２電荷蓄積部２０ｂに送られる。
このような構造では、例えば１度の受光で得られた信号（受光信号）を０°の位相成分と１８０°の位相成分に振り分けることが可能である。

原理的には、１つの受光部に対して３箇所以上に振り分ける構造にして、１度の受光で得られた信号（受光信号）を３つ以上の位相成分に振り分けることも可能ではある。しかしながら、振り分け箇所を増やすと画素領域内、電荷蓄積領域、またはそれに付属する構造体が占める割合が大きくなることで受光部面積が小さくなり、十分な感度が得られなくなる問題が生じるため、振り分け箇所の数を徒に増やすことは好ましくない。

そのため、四相式ＴＯＦセンサなど、より多位相の位相信号を取得するＴＯＦセンサでは、しばしば、演算に必要な位相信号の数が撮像素子の各画素の電荷の振り分け先の数（電荷蓄積部の数）よりも多くなる。

このような場合、１フレームにおける信号の取得を、サブフレームと呼ばれる位相信号取得フレームに分けて行なうことで、必要な位相情報の全てを取得する方法が一般的である。

ＴＯＦ演算部では、変調周波数制御部が決定した変調周波数の値と、受光部から送られる各位相信号の信号量を用いてＴＯＦ演算を行なう。ＴＯＦ演算の詳細は後述する。

ＴＯＦ演算部で計算された距離値は出力部から所定の形式で出力される。

図９（ａ）に示されるＴＯＦセンサ１は、構成要素が全て１つのパッケージに収容されているが、図９（ｂ）に示されるＴＯＦセンサ２のように、投光系及び受光系のみをパッケージに収容し、制御系を例えばＰＣ（パーソナルコンピュータ）などの他のハードウェアで構成しても良い。つまり、「ＴＯＦセンサ」は、投光系、受光系及び制御系が一体的に構成されるもののみならず、投光系、受光系及び制御系の少なくとも１つが別体であるものも含む。

まず、代表的なＴＯＦ法の測距原理の１つである正弦波変調方式について、図１０を用いて説明する。

正弦波変調方式とは、受信光を時間的に３つ以上に分割して検出した各位相信号を用いて、照射光の射出タイミングに対する受信光の受光タイミングの遅延時間Ｔｄを位相差角の演算で取得する方法である。図１０には、ＴＯＦセンサによる測定の１フレームの構成内容が示されている。

図１０に示されるように、１フレームは、２つのサブフレーム、すなわち０°、１８０°の位相信号取得フレームと、９０°、２７０°の位相信号取得フレームに分けられる。各サブフレームは、共にｒｅｓｅｔ動作から始まり、読み出し動作で終わる点は共通である。

ｒｅｓｅｔ動作では１度読み出し部（電荷蓄積部）にある信号を電気的に吸い上げて、リセットする。２つのサブフレーム間で、照射光のパルス幅Ｔ０とパルス周期Ｔと遅延時間Ｔｄは、変化しない。

ここで、パルス周期Ｔは、パルス幅とデューティ比で決まり、図１０には一例としてデューティ比が５０％の場合が示されている。２つのサブフレーム間で大きく異なるのは、ＴＸ１信号とＴＸ２信号のタイミングである。

ＴＸ１信号、ＴＸ２信号は、それぞれ前述のＴＯＦ−ＣＭＯＳ内の電荷の振り分け先である２つの電荷蓄積部を電荷蓄積部１、２とした場合に、ＴＸ１信号がハイレベルのときに電荷蓄積部１に電荷が振り分けられ、ＴＸ２がハイレベルのときに電荷蓄積部２に電荷が振り分けられる。

変調周波数制御部は、０°、１８０°位相信号取得フレームではＴＸ１信号を照射光と同じタイミングで立ち上げ、ＴＸ２を照射光の立ち上りから照射光のパルス幅Ｔ０だけ遅れたタイミングで立ち上げ、受光部に繰り返し送っている。

これに対して、変調周波数制御部は、９０°、２７０°位相信号取得フレームではＴＸ１信号を照射光の立ち上りからＴ０／２だけ遅れたタイミングで立ち上げ、ＴＸ２信号を照射光の立ち上りよりＴ０／２だけ早いタイミングで立ち上げ、受光部に繰り返し送っている。

各サブフレームには、最後に、２箇所に振り分けられた位相信号を読み出す期間があり、２つのサブフレームで合わせて４つの位相信号が取得される。２つのサブフレームは１フレーム内の異なる時間帯であるが、１フレーム内の十分に短い間隔で実行されるため，両者の差はほとんど無いものとしてよい。

そのため、各サブフレームにおいて受信光に対してＴＯＦセンサの取得する信号量は等しくなる。つまり、位相信号同士は次の（１）式で関連付けることができる。
Ａ０＋Ａ１８０＝Ａ９０＋Ａ２７０…（１）

例えば、図１０に示される遅延時間Ｔｄが小さくなる、ＴＯＦセンサと対象物の距離が短い場合に、Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０の４つの位相信号は、次の（２）式を満たす。
Ａ０＞Ａ９０＞Ａ２７０＞Ａ１８０…（２）

これら４つの位相信号Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０は、それぞれ照射光のパルス周期に対して，時間的に０°、９０°、１８０°、２７０°の４つの位相に分割された位相信号であるため、次の（３）式を用いて位相差角φを求めることができる。
φ＝Ａｒｃｔａｎ｛（Ａ９０−Ａ２７０）／（Ａ０−Ａ１８０）｝…（３）

位相差角φを用いて、遅延時間Ｔｄは、次の（４）式から求めることができる。
Ｔｄ＝φ／２π×Ｔ（Ｔ＝２Ｔ０、Ｔ０：照射光のパルス幅)…（４）

遅延時間Ｔｄを用いて対象物までの距離ｄは、次の（５）式より求めることができる。
ｄ＝Ｔｄ×ｃ÷２（ｃ：光速）…（５）

以上のような位相差の演算方法から、正弦波変調方式において測定性能を高める理想的な照射光波形はｓｉｎ波形である。

次に、もう１つの代表的なＴＯＦ法の測距原理である矩形波変調方式について、図１１を用いて説明する。矩形波変調方式とは、受光信号を時間的に分割した複数の位相信号を用いて、照射光の立ち上りに対する受信光の立ち上りの遅延時間を求める方法である。

ここでは、一例として二位相式の矩形波変調方式について図１１を用いて説明する。図１１に示されるフレーム構成によって、時間的に０°、１８０°の２つの位相に分割された位相信号(Ａ０´、Ａ１８０´)を取得し、次の（６）式を用いて受信光の遅延時間Ｔｄ´を求めることができる。
Ｔｄ´＝{Ａ１８０´／(Ａ０´＋Ａ１８０´)}×Ｔ０´(Ｔ０´：照射光のパルス幅)…（６）

遅延時間Ｔｄ´を用いて対象物までの距離ｄ´は上記（５）式と同様に次の（７）式より求めることができる。
ｄ´＝Ｔｄ´×ｃ÷２（ｃ：光速）…（７）

これまで、デューティ比が５０％の例で説明を進めてきており、結果として変調周波数を用いて説明しているが、ＴＯＦ法の原理によれば、重要なのは照射光のパルス幅（Ｔ０、Ｔ０´）であり、ディーティ比＜５０％での実施を含めると、照射光の変調周波数ではなくパルス幅で規定する方が好ましい。

以上のような位相差の演算方法から、矩形波変調方式において測距性能を高める理想的な照射光波形は矩形波形である。

図１２には、Ｔｄ＜Ｔ０／２の比較的近距離な条件における、受光輝度と各位相信号の信号量の関係が模式的に示されている。受光輝度は、露出（露光時間、絞り）や照射光強度などによって変化する値である。

ところで、ＴＯＦセンサでは、位相信号の信号量（電荷量）が測距において非常に重要になる。一般に、ＴＯＦセンサでは、取得する各位相信号の信号量が大きいほど測距精度が高くなる。これに対して、ＴＯＦセンサにおいて位相信号として蓄積可能な信号量の上限は、撮像素子の電荷蓄積部の容量で決まり、位相信号の信号量が電荷蓄積部の容量の上限（Ａｍａｘ）を超えると、電荷蓄積部で信号量が飽和し、距離値が正しくなくなる。

つまり、ＴＯＦセンサによる測距において、所望の測距精度を達成でき、かつ撮像素子で信号量が飽和しないように、照射光の強度を調整する必要がある。

しかし、対象物までの距離が長い場合や、対象物の反射率が低い場合に、測距精度が悪くなりやすく、逆に、対象物までの距離が短い場合や、対象物の反射率が高い場合は、信号量の飽和が起きやすいため、両者はトレードオフの関係にあり、測距精度の向上と画素の飽和抑制を両立するのは容易でない。

つまり、ＴＯＦセンサは近距離側と遠距離側の両方に測距レンジを制限する問題を抱えており、実測の測距レンジは理想よりも狭まる。ＴＯＦセンサをより広い距離範囲で使用しようとする場合、この両者のトレードオフの関係は、大きな課題である。

以下に、電荷蓄積部における信号量の飽和について、四相式ＴＯＦセンサを例に挙げて、より詳細に説明する。前述の通り、ＴＯＦ法専用の撮像素子の多くは、１つの受光部に対して、電荷を２箇所に振り分ける構造になっているため、四相式ＴＯＦセンサの場合、０°、１８０°、９０°、２７０°の位相信号が２つのサブフレームに分けて取得される（図１０参照）。

このとき、どの位相信号の信号量が多くなるかは、照射光に対する受信光の遅延時間、すなわち対象物までの距離によって決まる。受信光が強い近距離（四相式ＴＯＦにおいて位相差角φ：０＜φ＜π／４）では、遅延時間が短いため、０°の位相信号Ａ０の信号量が特に大きくなる。加えて、照射光の強度が強いと、位相信号Ａ０の信号量が飽和する。

図１２には、ＴＯＦセンサと対象物を短距離の位置に配置した場合の、受光輝度と四相式ＴＯＦの各位相信号の信号量の関係が模式的に示されている。

先ず、一のサブフレームで取得された位相信号Ａ０、Ａ１８０の信号量に注目する。図１２において、位相信号Ａ０は、破線Ａより左側では受光輝度に比例して信号量が大きくなるのに対し、破線Ａより右側では信号量が一定になる。つまり、破線Ａの位置で位相信号Ａ０は飽和している。

また、位相信号Ａ１８０は、破線Ａを境に信号の入り方（傾き）に変化がみられる。

つまり、２つの電荷の振り分け先（２つの電荷蓄積部）のうち、一方に振り分けられた位相信号の信号量が飽和すると、他方に振り分けられた位相信号にも影響するため、信号量が飽和した位相信号Ａ０に加えて、同じサブフレームで取得された位相信号も信頼性が無くなる。

次に、別のサブフレームで取得された位相信号Ａ９０、Ａ２７０に注目する。Ａ０、Ａ１８０に変化が見られた破線Ａを境に、位相信号Ａ９０、Ａ２７０は信号の入り方（傾き）に変化は無い。つまり、位相信号Ａ０が飽和しても、位相信号Ａ０が取得されたサブフレームとは異なるサブフレームで取得された位相信号Ａ９０、Ａ２７０には影響がないことがわかる。つまり、位相信号Ａ０の信号量が飽和した以降も、位相信号Ａ９０の信号量が飽和する破線Ｂまでは、位相信号Ａ９０、Ａ２７０は継続して信頼性のある信号として取得できる。

図１３には、１つの受信光（１パルス）を四相式ＴＯＦセンサが受光したときの照射光、受信光、各位相信号の関係が示されている。

図１３においてＡｐｕｌｓｅはＴＯＦセンサの受信光の全信号量、Ａ０〜Ａ２７０は各位相信号の信号量を示す。Ａｐｕｌｓｅは、照射光強度Ｆと、対象物の反射率、撮像素子の受光感度等のパラメータを含む係数Ｐとを用いて次の（８）式によって求めることができる。
Ｆ×Ｐ＝Ａｐｕｌｓｅ…（８）

以下では、各位相信号、例えば四相式におけるＡ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０とＡｐｕｌｓｅは、１つの受信光（１パルス）の全信号量として定義する場合と、１フレームで取得される、全ての受信光の全信号量を定義する場合を区別しない。

１フレームで取得される、全ての照射光による全ての受信光の全信号量の場合は、１つの照射光（１パルス）の場合の信号量の、光源の発光回数η倍の信号量になる。

四相式ＴＯＦセンサの場合、各位相信号の間には、上記（１）式が成立する。Ａｐｕｌｓｅを定義すると、上記（１）式は、次の（９）式になる。
Ａ０＋Ａ１８０＝Ａ９０＋Ａ２７０＝Ａｐｕｌｓｅ…（９）

上記（９）式の最も左の項Ａ０＋Ａ１８０がＡｐｕｌｓｅと等しいということは、二相式ＴＯＦセンサのＡ０´、Ａ１８０´でも成り立つ。二相式ＴＯＦセンサでは、信号量の合計に対する、Ａ１８０´の割合から遅延時間を求め、距離に換算する。四相式ＴＯＦセンサでは、二相式ＴＯＦ演算を、Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０の２つの組み合わせで行なうこともできる。

この組み合わせに対して、信号量の飽和の影響を考える。飽和の影響で信頼性を失うのは、同じサブフレームで取得された位相信号であるから、Ａ０とＡ１８０の組み合わせ又はＡ９０とＡ２７０の組み合わせを採用すれば良い。つまり、近距離側でＡ０が飽和しても、Ａ０、Ａ１８０のみの問題であるため、四相式ＴＯＦ演算ではなく、Ａ９０、Ａ２７０を用いる二相式ＴＯＦ演算を行なえば、正確な距離を出力することができる。

そこで、本実施形態の距離センサ２０は、多相式ＴＯＦセンサのいずれかのサブフレームで位相信号の信号量が飽和した際に、信号量が飽和した位相信号が取得されたサブフレームとは別のサブフレームで取得された位相信号を用いてＴＯＦ演算を行なう。

図１４には、四相式ＴＯＦセンサの位相信号Ａ９０、Ａ２７０のみに注目した場合の関係性が示されている。

まず、距離センサ２０の第１のメリットである、最も飽和の起きやすい近距離側に注目して、四相式ＴＯＦセンサの位相信号Ａ０の信号量が飽和した場合の二相式ＴＯＦ演算を説明する。

ここでは、近距離を、位相信号Ａ０の信号量が多くなる距離、すなわち四相式ＴＯＦセンサにおいて位相差角φが０〜π／４の範囲となる距離と定義する。位相信号Ａ０が飽和すると、位相信号Ａ０、Ａ１８０の信頼性がなくなるが、位相信号Ａ９０、Ａ２７０を用いて二相式ＴＯＦ演算を行うことができる。

位相信号Ａ０の信号量が多くなる近距離では、位相差角φが大きくなるほど位相信号Ａ９０が大きくなる。つまり、図１４に示されるように、位相信号Ａ９０の信号量は、Ａｐｕｌｓｅよりも（Ｔ０／２−Ｔｄ）分だけ少ない信号量となる。一方、位相信号Ａ２７０は、Ａｐｕｌｓｅよりも（Ｔ０／２＋Ｔｄ）分だけ少ない信号量となる。

位相信号Ａ９０、Ａ２７０は、照射光のパルスと、半分（Ｔ０／２）重なっているため、距離０の場合のオフセットを考慮する必要がある。

位相信号Ａ９０、Ａ２７０を用いる二相式ＴＯＦ演算において遅延時間は、例えば次の（１０）式、（１１）式で求めることができる。
Ｔｄ＝｛Ａ９０／（Ａ９０＋Ａ２７０）−０．５}×Ｔ０(Ｔ０：照射光のパルス幅)…（１０）
Ｔｄ＝｛（１／２×（Ａ９０−Ａ２７０））／（Ａ９０＋Ａ２７０）｝×Ｔ０(Ｔ０：照射光のパルス幅)…（１１）

なお、本発明を用いた場合の細かい計算内容は上記（１０）式、（１１）式に制限されない。

例えば上記（１０）式において、右辺の−０．５を−１／２×（Ａ９０＋Ａ２７０）／（Ａ９０＋Ａ２７０）に置き換えることもできる。

また、Ａｐｕｌｓｅ−Ａ９０＝Ａ２７０の関係式を用いて上記（１０）式を次の（１２）式のようにすることもできる。
Ｔｄ＝０．５−｛Ａ２７０／（Ａ９０＋Ａ２７０）｝×Ｔ０(Ｔ０：照射光のパルス幅)…（１２）

本発明における二相式ＴＯＦ演算に用いる式は任意に選択されることを想定している。

本発明は、３位相以上の多位相信号を取得してＴＯＦ演算するＴＯＦセンサに適用可能である。本発明を前述した四相式の例のように適用するための条件は、以下の通りである。
条件１：ＴＯＦ演算に使用する位相信号のうち、２つ以上の位相信号が飽和の影響を受けていない。
条件２：飽和を受けていない位相信号のみの演算からＡｐｕｌｓｅを求めることができる。
上記条件１、２を満たせば、本発明を適用可能である。

図１５には、０°、９０°、１８０°の位相信号を取得する三相式ＴＯＦセンサの、照射光、受信光、各位相信号の関係が示されている。

図１５では、Ｔｄ＜Ｔ０／２の比較的近距離な条件を想定している。位相信号Ａ０が飽和したとする。その場合でも、位相信号Ａ９０、Ａ１８０を別のサブフレームで取得していれば、位相信号Ａ９０、Ａ１８０から、次の（１３）式を用いてＡｐｕｌｓｅを求めることができるため、本発明を適用可能である。
Ａ９０−Ａ１８０＝Ａｐｕｌｓｅ／２…（１３）

Ａ９０、Ａ１８０の位相信号を用いる二相式ＴＯＦ演算は、次の（１４）式のようになる。
Ｔｄ＝｛Ａ１８０／２（Ａ９０−Ａ１８０）｝×Ｔ０（Ｔ０：照射光のパルス幅）…（１４）

以上のように、上記条件１、２を満たせば、信号量の飽和が起きても、二相式ＴＯＦ演算を用いて代わりの測距を行なうことが可能である。なお、前述の通り、演算内容は上記（１４）式に制限されない。

例えば、Ａ９０−Ａｐｕｌｓｅ／２＝Ａ１８０の関係式を用いて上記（１４）式を次の（１５）式のようにすることもできる。
Ｔｄ＝｛Ａ９０／２（Ａ９０−Ａ１８０）−０．５}×Ｔ０(Ｔ０：照射パルスのパルス幅)…（１５）

図１６には、一般的な六相式ＴＯＦセンサの照射光、受信光、各位相信号の関係が示されている。取得する位相信号の数が多いと、位相信号を取得する時間間隔が小さくなるため、距離やＴＯＦセンサの測定条件によっては、複数の位相信号が同時に飽和する場合が考えられる。そのような場合でも、取得する位相信号数が増えるため、本発明を使用できる。

例えば六相式ＴＯＦセンサの場合、近距離では、図１６に示されるように、位相信号は信号量が大きい順にＡ０、Ａ６０、Ａ３００、Ａ１２０、Ａ２４０、Ａ１８０となる。２つの位相信号Ａ０、Ａ６０が同時に飽和したとすると、同じサブフレームで取得されるＡ１８０、Ａ２４０も信頼性が無くなる。しかし、Ａ１２０、Ａ３００の位相信号は、飽和の影響を受けない。また、次の（１６）式より、位相信号Ａ１２０、Ａ３００からＡｐｕｌｓｅを求めることができる。つまり、前述の条件１、２を満たすので本発明を適用することができる。
Ａ１２０＋Ａ３００＝Ａｐｕｌｓｅ…（１６）

位相信号Ａ０、Ａ６０が飽和する近距離側で、位相差角φと共に増加するのは位相信号Ａ１２０である。位相信号Ａ１２０と照射光のパルスとの重なりを考慮し、位相信号Ａ１２０、Ａ３００による遅延時間を求める二相式ＴＯＦ演算は、次の（１７）式のようになる。
Ｔｄ＝｛Ａ１２０／（Ａ１２０＋Ａ３００）−１／３}×Ｔ０（Ｔ０：照射光のパルス幅）…（１７）

なお、前述の通り、ＴＯＦ演算の内容は、上記（１７）式に制限されない。つまり，前述の条件を満たせば、信号量が飽和する位相信号の数によらず、本発明を適用できる。近距離での位相信号の信号量の飽和を回避する本発明のＴＯＦ演算の最も簡単な方式は、四相式以上のＴＯＦセンサの場合、次の（１８）式のような二相式ＴＯＦ演算になる。
Ｔｄ＝｛（Ａ（ｉ）／Ａｐｕｌｓｅ）−ｉ／１８０}×Ｔ０…（１８）

ここでは、近距離のため飽和は位相シフト量の小さい位相信号から起こる。上記（１８）式中のＡ（ｉ）は、飽和の影響を受けない位相信号のうち最も位相シフト量の少ない位相信号であり、ｉは照射光のパルスに対して位相信号を取得した位相シフト量(°)であり、 Ａｐｕｌｓｅは、前述と同じ、ＴＯＦセンサが受信光１つを受光した場合の信号量に相当する信号量である。一般的なＴＯＦセンサでは、次の条件に従う。
０≦ｉ＜１８０、Ａ（ｉ）＋Ａ（ｉ＋１８０）＝Ａｐｕｌｓｅ

また、上記（１８）式は、次の（１９）式や（２０）式のように変形することも可能である。
Ｔｄ＝｛（（１８０−ｉ）／１８０）−（Ａ（ｉ＋１８０）／Ａｐｕｌｓｅ）｝×Ｔ０…（１９）
Ｔｄ＝｛（（１−ｉ／１８０）×Ａ（ｉ））− （ｉ／１８０×Ａ（ｉ＋１８０））｝ ／Ａｐｕｌｓｅ×Ｔ０…（２０）

上記（１８）式〜（２０）式は一例である。本発明を適用したことは演算内容に制限されない。

同様に、三相式ＴＯＦセンサに本発明を用いる場合の二相式ＴＯＦ演算が、次の（２１）式である。（２１）式はあくまで一例であって、本発明は演算内容による制限を受けない。
Ｔｄ＝｛（Ａ（ｉ）／Ａｐｕｌｓｅ）−（（１８０−ｉ）／１８０）｝×Ｔ０…（２１）

三相式ＴＯＦセンサの場合、二相式ＴＯＦ演算に用いる位相信号同士の位相シフト量の差を決めることができない。そのため、四相式以上のＴＯＦセンサの場合と同様にＡ（ｉ）を飽和の影響を受けない位相信号のうち最も位相シフト量の少ない位相信号量とし、ｉを取得された位相信号の照射光のパルスに対する任意の位相シフト量(°)とし、 ＡｐｕｌｓｅをＴＯＦセンサが受信光１つを受光した場合の信号量に相当する信号量とするのに加えて、演算に用いる位相信号同士の位相シフト量の差をｑとすると、次の条件に従う。
０≦ｉ＜１８０、０＜ｑ≦１８０、（Ａ（ｉ）−Ａ（ｉ＋ｑ））×（１８０／ｑ）＝Ａｐｕｌｓｅ

以上より、遅延時間Ｔｄが求まる。上記（５）式を用いて上記遅延時間Ｔｄから距離ｄを求めることができる。

図１７には、測距レンジ内の領域を位相差角φで定義した場合の、信号量が最も飽和する可能性の高い位相信号と、その信号量が飽和した場合の本発明のＴＯＦ演算が示されている。

ここまでは、位相信号Ａ０の信号量が多くなる近距離での飽和を考えたが、対象物の反射率が高い場合などでも、飽和は起きると考えられる。この場合、信号量が飽和する位相信号はランダムなため、ＴＯＦ演算に工夫が必要である。四相式を例にとって説明する。

四相式ＴＯＦセンサでは、対象物までの距離によって信号量が飽和する可能性の高い位相信号が変わり、位相差角φに対して、０＜φ＜π／４：Ａ０、π／４＜φ＜３π／４：Ａ９０、３π/４＜φ＜５π／４：Ａ１８０、５π／４＜φ＜７π／４：Ａ２７０、７π／４＜φ＜２π：Ａ０のように決まる。

φ＝π／４などの定義した位相差角の間では、２つの位相信号が等しくなるため、本発明を使用できない。各位相信号の飽和に本発明を用いるには、各条件で異なる二相式ＴＯＦ演算を用いれば良い。φに合わせて増加する位相信号は、飽和する位相に９０°加えた位相であるから、Ａ０が飽和した場合Ａ９０、Ａ９０が飽和した場合Ａ１８０、Ａ１８０が飽和した場合Ａ２７０、Ａ２７０が飽和した場合Ａ０（Ａ３６０＝Ａ０）と決まる。

さらに二相式ＴＯＦ演算に必要なＡｐｕｌｓｅは近距離の場合と同様に考えれば、計算できる。最後に、二相式ＴＯＦ演算の演算結果は距離値のオフセットを持つため、そのオフセット量を考慮する。このオフセット量は、二相式ＴＯＦ演算に用いる位相信号の位相シフト量と、受信光の始点に当たる１８０°との差分で求まる。

以上より、各位相信号の信号量の飽和に対応する本発明のＴＯＦ演算は、図１７に示す通りになる。図１７に遅延時間Ｔｄを求める方法が示されているので、あとは上記（５）式を用いて距離ｄを求めればよい。なお、図１７には、飽和する位相信号と領域の関係が示されているが、その特性や照射光のパルス波形によって、実際には理想的な場合から多少変化することが想定される。

図１８には、四相式以上の多相式ＴＯＦ演算において、以下で定義する定数ｔが変化した場合の、信号量が飽和する位相信号のうち最も位相シフト量の大きい位相信号Ａｘｔと、本発明の二相式ＴＯＦ演算が示されている。本発明は、四相式以上の多相式ＴＯＦセンサであれば同様にどの位相信号が飽和しても、適用できる。取得する位相信号の数がＮ（Ｎは４以上の整数）であるＮ相式ＴＯＦセンサを考える。

取得する位相信号を、Ａｘ０、Ａｘ１、…、ＡｘＮ−１、ＡｘＮとする。ｘは各位相信号の位相シフト量であり、ｘ０＝０、ｘ１＝３６０／Ｎ、…、ｘＮ−１＝３６０（Ｎ−１）／Ｎ、ｘＮ＝３６０（Ｎ/Ｎ）＝０）となる。信号量が飽和する位相信号のうち最も位相シフト量の大きな位相信号をＡｘｔ（ｔ＝０…Ｎ）とすると、その位相シフト量ｘｔは、ｘｔ＝３６０ｔ／Ｎ（ｘｔ＝３６０のときＡｘｔ＝Ａ０）となる。位相信号Ａｘｔに対して、Ａｘｔの信号量が飽和した場合に二相式ＴＯＦ演算に使用する位相信号Ａｙｔの位相シフト量ｙｔはｙｔ＝３６０（ｔ＋１）／Ｎ（ｙｔ≧３６０のときＡｙｔ＝Ａ（ｙｔ−３６０））となる。信号量が飽和する位相信号Ａｘｔがｔ＝０〜Ｎで変化した場合がまとめて図１８に示されている。図１８に遅延時間Ｔｄを求める方法が示されているので、あとは上記（５）式を用いて距離ｄを求めることができる。信号量が飽和する位相信号の数は１つでなくても本発明を適用可能である。

図１９には、三相式ＴＯＦセンサにおいて、本発明を用いる場合の、信号量が飽和する位相信号と本発明の二相式ＴＯＦ演算が示されている。三相式ＴＯＦセンサでは、パルス周期２πを３つの位相に分ける場合は、図１８の例においてＮ＝３として、適用できる。

しかし、他の条件で三相式ＴＯＦセンサを用いる場合、図１８を適用できない。取得する位相信号を位相シフト量の少ない順に、Ａｗ１、Ａｗ２、Ａｗ３とする。ｗ１、ｗ２、ｗ３は位相シフト量である。３つの位相信号がランダムに飽和した場合のＴＯＦ演算を式（２１）の近距離に限定した場合を参考に考える。

四相以上のＴＯＦセンサの場合と同様に、信号量が飽和する位相信号をＡｗｎ（ｎ＝１、２、３）すると、信号量が飽和した場合の二相式ＴＯＦ演算は図１９の通りになる。図１９に遅延時間Ｔｄを求める方法が示されているので、あとは上記（５）式を用いて距離ｄを求めることができる。

本発明の適用の可否は、信号量が飽和する位相信号がランダムの場合でも、前述の条件１、２を満たすか否かで判断できる。本発明で使用する演算は、これまでの例に示したものに制限されず、あくまで信号量が飽和する位相信号が取得されたサブフレームとは別のサブフレームで取得された位相信号を用いるＴＯＦ演算であれば良い。０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°を取得する八相式ＴＯＦセンサでは、位相信号Ａ０のみの信号量が飽和した場合など条件によっては、四相式ＴＯＦ演算を行なうことも可能である。

図２０には、照射光のパルス幅：３０ｎｓ、変調周波数：１６．７ＭＨｚの、市販の四相式ＴＯＦセンサを用いて、受光輝度に対する各位相信号Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０の信号量を実測した結果が示されている。Ｔｄ＜Ｔ０／２の比較的近距離な条件で測定を行なった。前述の通り、遅延時間Ｔｄが短いため、位相信号Ａ０の信号量が特に大きくなる。加えて、照射光強度が大きいと、位相信号Ａ０は飽和する。

図２０は、四相式ＴＯＦセンサから近距離に対象物を固定して、徐々に照射光強度を強くした場合の、各位相信号の信号量の任意の測定例である。位相信号Ａ０は破線Ａより左側では、照射光強度に比例して大きくなるのに対し、破線Ａより右側では一定になる。つまり、破線Ａの位置で位相信号Ａ０は飽和している。

位相信号Ａ１８０は、破線Ａを境に信号の入り方に変化が見られる。つまり、画素毎の複数の電荷の振り分け先のうち、１つでも飽和すると、入りきらない分の信号が、他の位相信号の増え方にも影響するため、信号量が飽和する位相信号と同じサブフレームで取得された位相信号も同様に、信頼性が無くなる。

これに対して、位相信号Ａ０、Ａ１８０に変化が見られた破線Ａを境に、位相信号Ａ９０、Ａ２７０の信号の入り方に変化は無い。つまり、位相信号Ａ０が飽和しても、位相信号Ａ０が取得されたサブフレームとは別のサブフレームで取得された位相信号には、影響がないことがわかる。

つまり、位相信号Ａ０の信号量が飽和した以降も、破線Ｂで示される位相信号Ａ９０の信号量が飽和するまでは、位相信号Ａ９０、Ａ２７０は継続して信頼性のある位相信号であることが実測でも確認された。

よって、本発明では破線Ａから破線Ｂまで測距可能な受光輝度を拡大できる。実際に、Ａ０が飽和し、Ａ９０、Ａ２７０の位相信号が信頼できる上限の受光輝度で本発明を実施した。その場合、Ａ０＝２８８３４、Ａ９０＝２８７２２、Ａ１８０＝９０２８、Ａ２７０＝１８８１９であり、本発明の二相式ＴＯＦ演算での出力距離は０．４６８ｍであった。この条件で、通常のＴＯＦ演算での出力距離は０．６５０ｍであり、本発明を適用した場合の方が、破線Ａより左の測定条件Ａ０＝２５３７５、Ａ９０＝１７７１４、Ａ１８０＝３６０５、Ａ２７０＝９９７６の場合の四相式ＴＯＦ演算で得られる距離０．４７７ｍとの誤差が小さいことがわかる。つまり、信号量の飽和が起きるタイミングで本発明の二相式ＴＯＦ演算に切り替えることで飽和の影響を回避することができる。

図２１には、本発明の一実施形態に係る距離センサ２０の構成が示されている。距離センサ２０は、一例として図９に示されるような、一般的なＴＯＦセンサと同様に光源及び光源駆動部を含む投光系と、撮像素子（イメージセンサ２９）及びＡＤＣを含む受光系と、変調周波数制御部、ＴＯＦ演算部及び出力部を含む制御系を備えているのに加えて、制御系がＡＤＣの後段に位相信号判定部を含む。

距離センサ２０の各構成要素は、データの伝送が可能なパスを介して電気的に接続されている。距離センサ２０において、投光系、受光系、変調周波数制御部、ＴＯＦ演算部及び出力部の動作は一般的なＴＯＦセンサと大きく変わらないが、受光系で取得された各位相信号が位相信号判定部に送られる。位相信号判定部では、各位相信号の判定を行なう。

位相信号の判定とは、該位相信号の信号量が飽和しているか否かを判定することである。ＴＯＦセンサの画素の電荷の振り分け先である電荷蓄積部の容量ＱｍａｘとＡＤＣの変換係数などで決まる係数αを用いて、容量に達した場合の位相信号の信号量Ａｍａｘを次の（２２）式で求めることができる。
Ａｍａｘ＝Ｑｍａｘ×α…（２２）

Ａｍａｘを基準として飽和判定用の閾値Ｍを、次の（２３）式で決めることができる。
Ｍ＝Ａｍａｘ×β…（２３）
上記（２３）式のβは任意の数値であり、例えば０．９などに自由に設定できる。閾値Ｍは、位相信号判定部が有する記憶部（例えばメモリやハードディスク）に記憶される。位相信号判定部は、位相信号の信号量が閾値Ｍ以上である場合に「飽和している」と判定する。

図２２には、図２１に示される距離センサ２０の変形例１の距離センサ２０Ａの構成が示されている。飽和判定はデジタル信号ではなく、位相信号をアナログデジタル変換する前のイメージセンサ２９の出力（アナログ信号）に対して行なうことも考えられる。そこで、図２２に示される変形例では、位相信号判定部がＡＤＣの前段に設けられている。すなわち、位相信号判定部は受光系内に配置される。

この場合、閾値Ｍは、上記（２２）式のＱｍａｘを基準にして次の（２４）式で求められる。
Ｍ＝Ｑｍａｘ×γ…（２４）
上記（２４）式のγはβ同様に任意の数値であり、自由に設定できる。

図９に示される一般的なＴＯＦセンサと同様に、距離センサ２０や距離センサ２０Ａも投光系、受光系及び制御系が一体であっても良いし、投光系、受光系及び制御系の少なくとも１つが別体であっても良い。例えば、制御系は、パーソナルコンピュータ等の外部機器とすることもできる。

図２３には、一実施形態及び変形例の距離センサ２０、２０Ａの動作フローの一例が示されている。四相式の場合を例にとって、ＳＴＡＲＴから順を追って説明する。

最初のステップＳ１では、距離センサは、測距に必要な位相信号を取得する。この信号取得は図２１、図２２に示される受光系で行なわれる。

次のステップＳ２では、位相信号の信号量が、予め設定された閾値より小さいか否かを判断する。すなわち、飽和判定が行なわれる。この判断は、図２１、図２２に示される位相信号判定部で行なわれる。ここでの判断が肯定されると（信号量が閾値より小さい場合、飽和なしと判定され）ステップＳ３に移行し、否定されると（信号量が閾値以上の場合、飽和ありと判定され）ステップＳ４に移行する。

ステップＳ３では、図２１、図２２に示されるＴＯＦ演算部で通常通りの四相式（多相式）ＴＯＦ演算が行なわれ、その演算結果が図２１、図２２に示される出力部に送られ、出力形式に合った形で出力される。

ステップＳ４では、飽和のないサブフレームが存在するか否かを判断する。信号量が閾値より小さい位相信号のみのサブフレームがあり、飽和の影響を受けていない位相信号が２つ以上あれば、ここでの判断が肯定され、ステップＳ６に移行する。全ての信号が飽和の影響を受けている場合は、ここでの判断が否定され、ステップＳ７に移行する。

ステップＳ６では、飽和の影響を受けていない２つ以上の位相信号を用いて、図２１、図２２に示されるＴＯＦ演算部で、飽和の影響を回避した二相式ＴＯＦ演算を行なう。すなわち、飽和と判定されなかった位相信号がＴＯＦ演算部に送られ、本発明特有の二相式ＴＯＦ演算が行なわれる。

ここで、閾値との比較とＴＯＦ演算で重要なのは、同じサブフレームで取得される位相信号の１つでも信号量が飽和している場合、該サブフレームの全ての位相信号をＴＯＦ演算に使用しないことである。ステップ６が実行されるとステップＳ８に移行する。

ステップＳ７で測定エラーを出力部に伝送し、ステップＳ９で出力部から任意の方法（例えばモニタ表示等）で測定エラーを使用者に通知する。

ステップＳ８では、二相式ＴＯＦ演算結果が図２１、図２２に示される出力部に送られ、出力形式に合った形で出力される。

図２４、図２５には、それぞれ本実施形態の距離センサ２０の変形例２、３の距離センサ２０Ｂ、２０Ｃの構成が示されている。距離センサ２０Ｂ、２０Ｃは、飽和判定用の閾値が記憶される記憶部を有していない点を除いて、それぞれ距離センサ２０、２０Ａと同様の構成を有している。

図２６には、実施例２、３の距離センサ２０Ｂ、２０Ｃの動作フローが示されている。四相式ＴＯＦセンサを例にとってＳＴＡＲＴから順を追って説明する。

最初のステップＳ１１では、距離センサ２０は、測距に必要な位相信号を取得する。この信号取得は図２４、図２５に示される受光系で行なわれる。

次のステップＳ１２では、取得した位相信号の信号量の比較を行う。この動作は、図２４、図２５に示される位相信号判定部で行なわれる。図１２の飽和が起きた場合を参考に考える。

次に、サブフレームの数が最大の信号量になる位相信号の数より多いか否かを判断し（ステップＳ１３）、その判断結果が肯定的である場合に、二相式ＴＯＦ演算を行い（ステップＳ１４）、算出した距離を出力する（ステップＳ１５）。なお、ステップＳ１３での判断結果が否定的である場合には、ステップＳ１６に移行する。

具体的には、まず、取得した位相信号の信号量の大きさの順序を決める。このとき、信号量が最大になる位相信号が１つである場合は、信号量が最大になる位相信号が取得されたサブフレームとは別のサブフレームで取得された位相信号を用いて、二相式ＴＯＦ演算を行なう。また、信号量が最大になる位相信号が２つ以上ある場合も、信号量が最大になる位相信号が取得されたサブフレームとは別のサブフレームで取得された位相信号があれば、その別のサブフレームで取得された位相信号を用いてＴＯＦ演算を行なう。

また、信号量が最大になる位相信号が２つ以上ある場合は、別のサブフレームで取得された位相信号がない場合（第１の場合）と、距離条件で信号量が等しい場合（第２の場合）と、同時に飽和する場合（第３の場合）が考えられる。第１〜第３の場合のいずれであるかを判定するためには、同じサブフレームで取得された２つの位相信号の信号量の差分を比較すればよい。

そこで、ステップＳ１６では、同じサブフレームで取得された２つの位相信号の信号量の差分の絶対値が０になるか否かを判断する。ここでの判断が肯定的である場合、測定エラーを出力部に伝送し（ステップＳ１７）、任意の形（例えばモニタ表示等）で出力部から使用者にエラーを通知する（ステップＳ１８）。この場合、２つの位相信号で信号量が飽和しているため、本発明以外での対応を要する。ステップＳ１６での判断が否定的である場合には、ステップＳ１９に移行する。

ステップＳ１９では、同じサブフレームで取得された位相信号の信号量の差分の絶対値がサブフレーム間で等しいか否かを判断する。ここでの判断が否定された場合、信号量の飽和ではなく距離条件によるものと判定されるため、任意の位相信号を選択して多相式もしくは二相式のＴＯＦ演算を行ない（ステップＳ２０）、演算結果を出力形式に合った形で出力する（ステップＳ２１）。ステップＳ１９での判断が肯定された場合、測定エラーを出力部に伝送し（ステップＳ１７）、任意の形で出力部から使用者にエラー通知する（ステップＳ１８）。この場合、信号量の飽和によるものと判断されるため、本発明以外での対応を要する。

前述の図２３の動作フローでは閾値との比較を必要としたが、図２６の動作フローでは閾値との比較を動作フロー中に含まないため、位相信号判定部（ＩＣ回路）にかかる負荷を小さくできる。

図２７には、図２３の動作フローに信号のオフセット量を減算するステップを加えた動作フローが示されている。図２８には、図２６の動作フローに信号のオフセット量を減算するステップを加えた動作フローが示されている。

ＴＯＦセンサを屋外で使用する場合、信号量の飽和は信号由来ではなく、太陽光などの外乱光の影響によって起こる。本発明のいずれの二相式ＴＯＦ演算においても、演算には、信号のオフセット量が含まれる。信号由来で飽和が起こる場合、ＳＮ比が大きいため、このオフセット量は測距精度に影響しない。

しかし、外乱光由来で飽和が起きる場合は、信号のオフセット量の測距精度に対する影響が大きくなる。屋外のように明らかに信号のオフセット量が大きくなる条件で、本発明の距離センサを使用する場合、ＴＯＦ演算部に画素ごとのオフセット量を記憶する記憶部（例えばメモリやハードディスク）を持たせ、取得した位相信号から予めオフセット量を減算してから二相式ＴＯＦ演算を行なうことにより、測距精度の低下を抑制することができる。

図２７、図２８の動作フローにおいて、オフセット量の減算は取得された位相信号を位相信号判定部に送った後で行なわれる。除算に用いるオフセット量は、実測値である場合と、計算値である場合など、特に制限されない。計算値の場合、記憶部に計算式を記憶させてもよい。

オフセット量の計算の一例を以下に示す。例えば四相式ＴＯＦにおいて、位相信号Ａ０が飽和した場合を考える。位相信号Ａ０が飽和した場合、上記（９）式に示される各位相信号の合計の関係は、次の（２５）式のようになる。
Ａ０＋Ａ１８０≠Ａ９０＋Ａ２７０＝Ａｐｕｌｓｅ …（２５）

つまり、信号量が飽和する位相信号Ａ０の影響でＡ０＋Ａ１８０はＡｐｕｌｓｅに一致しなくなる。図１２より、位相信号Ａ０の信号量が飽和後の位相信号Ａ１８０の信号の入り方を見ると、傾きは変わっているが、飽和後も照射光の受光輝度には比例することが分かる。つまり、飽和前の理想的な信号の入り方に対して、係数Ｃ倍の信号が入るとみなせる。この係数Ｃは位相差角φに依存して変化すると考えられＣ（φ）として、位相差角の条件によって変化する値を用いても良いし、Ｃの変化量が十分に小さい場合は、定数Ｃとしても良い。以下では、定数Ｃを用いる。

以上より、位相信号Ａ０が信号量の上限を超えて入ったと仮定して、上記（９）式を用いて逆算すると、次の（２６）式が得られる。
Ａ０´＝Ａ９０＋Ａ２７０−１／Ｃ×Ａ１８０…（２６）

ここでＡ０´はＡ０が容量Ｑｍａｘに関係なく入り続けた場合の推定量である。１／Ｃ×Ａ１８０をＡ１８０´として、再度各位相信号の合計量を考えると、次の（２７）式のようになる。
Ａ０´＋Ａ１８０´＝Ａ９０＋Ａ２７０＝Ａｐｕｌｓｅ…(２７)。

以上のような位相信号の関係を踏まえて、オフセット量の計算を行う。各位相信号の信号量は、オフセット量を含んだ状態である。これを信号量Ｓとオフセット量Ｎに分けて考えると、次の（２８）式のようになる。
Ａ０´＋Ａ１８０´＝Ａ９０＋Ａ２７０＝Ｓ０´＋Ｓ１８０´＋２Ｎ＝Ｓ９０＋Ｓ２７０＋２Ｎ…（２８）

ここで、各位相信号の信号量に対するオフセット量は一定としている。上記（２８）式の中の、Ｓ０´＋Ｓ１８０´とＳ９０＋Ｓ２７０は位相信号のうちで、対象物からの反射光のみに由来する信号量である。

距離センサの信号で表した場合の受光輝度をＱとすると、Ｑ＝Ｓ０´＋Ｓ１８０´＝Ｓ９０＋Ｓ２７０である。照射光のパルス波形がｓｉｎ波と一致する場合、Ｑは別の方法でも求めることができる。その場合のＱをＱ´とすると、以下の（２９）式を用いてＱ´を求めることができる。
Ｑ´＝√{（Ａ０−Ａ１８０）^２＋（Ａ９０−Ａ２７０）^２}＝√{（Ｓ０−Ｓ１８０）^２+（Ｓ９０−Ｓ２７０）^２}…（２９）

つまり、上記（２８）式と（２９）式より、次の（３０）式のようにオフセット量が計算できる。
｛Ａ０´＋Ａ１８０´−Ｑ´｝／２＝｛Ａ９０＋Ａ２７０−Ｑ´｝／２＝Ｎ…（３０）

照射光のパルス波形がｓｉｎ波と異なる場合にはＱ´は、Ｑに、ある相関関数Ｈを掛けた値になる。相関関数Ｈは位相差角φの関数Ｈ（φ）である。ＴＯＦセンサの製造過程にこの関数Ｈ（φ）を求める工程を組み込むことも考えられる。この工程で発光フレームと非発光フレームを取得することで、直接的にＳを取得することができるので関数Ｈ（φ）を取得できる。上記（３０）式は、関数Ｈ（φ）を用いて次の（３０）´式のようになる。
｛Ａ０´＋Ａ１８０´−Ｑ´／Ｈ（φ）｝／２＝｛Ａ９０＋Ａ２７０−Ｑ´／Ｈ（φ）｝／２＝Ｎ…（３０）´

以上より、オフセット量Ｎの概算が可能である。以上のオフセット量に関する式は一例であって、オフセット量の決め方を制限するものではない。

図２９には、一例として四相式の距離センサのフレーム構成に、信号のオフセット量取得用の非発光フレームを加えたフレーム構成が示されている。

周囲の温度変化が大きい場合など、測距中に経時的に信号のオフセット量が変化することもあり得る。このオフセット量の経時変化に対応するには、測距と平行して、オフセット量の取得も行なえばよい。そこで、測定フレーム（発光フレーム）の前に非発光フレームを用意する。

図２９に示されるように、非発光フレームは、光源を発光させずに、信号の読み出しを行なう。その場合、取得する信号は、各位相での信号のオフセット量であるので、測定フレームごとに位相信号からオフセット量を減算すれば、距離センサは測定環境が変わりやすい条件でも対応可能になる。

図３０には、一般的な四相式のＴＯＦセンサのフレーム構成例と、本発明の四相式の距離センサのフレーム構成例が示されている。

図３０（ａ）は一般的な四相式ＴＯＦセンサのフレーム構成である。ＴＯＦ演算を行い、距離値を出力するまでの１フレームあたりの時間は、信号の取得期間とデータの転送期間で決まる。

本発明の四相式距離センサのフレーム構成が図３０（ｂ）に示されている。本発明の距離センサでも、位相信号取得期間と転送期間の長さは一般的なＴＯＦセンサと変わらない。本発明の大きな特徴は、転送期間の後に、次の位相信号取得期間と並行して、既に取得した位相信号の飽和判定を行なう点である。Ａ０、Ａ１８０に飽和が確認された場合、Ａ９０、Ａ２７０の位相信号の転送期間の後に行なわれるＴＯＦ演算を、本発明の飽和を回避したＴＯＦ演算に変更する。本発明のＴＯＦセンサはフレーム構成が、一般的なＴＯＦセンサと変わらないため、フレームレートを落とさずにＴＯＦ法の特長である高速性を保ったまま使用することができる。

図３１には、本発明の距離センサを用いて、出力の高精度化を行なうための、フレーム構成例が示されている。

本発明の距離センサでは、飽和の影響を回避したＴＯＦ演算が複数の組み合わせでできる場合、それら全てでＴＯＦ演算を行なうことができる。この場合、距離センサのＴＯＦ演算部内に演算結果を一時的に記憶する、記憶部（例えばメモリやハードディスク）を持たせる構成にすれば、演算結果同士の演算や比較を行ない、より距離センサの目的に合う結果になる演算結果を選択し、出力することもできる。

例えば、図３１（ａ）に示されるように画素ごとの複数の二相式ＴＯＦ演算の結果の平均を出力することや、図２３（ｂ）に示されるように画素ごとの複数の二相式ＴＯＦ演算の結果の中央値を出力することや、図２３（ｃ）に示されるように任意の測定フレーム間で信号量の標準偏差や差分を取り、最も信号量の標準偏差や差分の小さい二相式ＴＯＦ演算の組み合わせの演算結果を出力することが可能になる。標準偏差を取るフレーム数は任意に変えることができる。

図３２には、本発明の使用を確認するために実施される測定フレームが示されている。本発明の使用を確認するための方法を以下に示す。一例として簡単のために、四相式ＴＯＦセンサに加えて、照射光波形を矩形波、位相差角がπ／８進んだ距離で測定すると仮定する。この場合、位相信号量は受信光の信号量を１．０として、理想的にはＡ０＝０．８７５、Ａ９０＝０．６２５、Ａ１８０＝０．１２５、Ａ２７０＝０．３７５になり、信号量の比は、次の（３１）式のようになる。
Ａ０：Ａ９０：Ａ１８０：Ａ２７０＝７：５:１:３…（３１）

実測では様々な測定ノイズの影響を受けるが、この関係から大きく外れることは無い。この距離条件で徐々に照射光を強めると、まず位相信号Ａ０が飽和する。一般のＴＯＦセンサで飽和して距離値にエラーが生じるまでの光量の大きさを決めているのは位相信号Ａ０の信号量である。

これに対して、本発明を使用した場合、位相信号Ａ０が飽和した後も正確な距離値が出力される。本発明の距離センサにおいて信号量の飽和により距離値にエラーを生じるのは次に大きな位相信号Ａ９０が入り、その信号量が飽和した場合である。つまり、本発明を使用したかどうかを確認するには、距離センサの受光量を徐々に大きくしていった場合に、どの位相信号の飽和が距離の出力に影響するかを確認すればよい。

この確認方法の一例として考えられるのは，サブフレームごとに照射光強度を変えて測定する方法である。例えば、上記（３１）式の距離条件のまま、位相信号Ａ９０、Ａ２７０のサブフレームのみ、照射光強度を１．２倍にする。

図３２には、一例として四相式ＴＯＦセンサの２つのサブフレームの照射光強度を、９０°、２７０°の位相信号取得フレームの照射光強度Ｑが０°、１８０°の位相信号取得フレームの照射光強度Ｑ（０）の１．２倍になるように変えた場合が示されている。その場合、各位相信号の比は、次の（３２）式のようになる。
Ａ０：Ａ９０：Ａ１８０：Ａ２７０＝７:６:１:3.6…（３２）

ここで重要なのは、距離条件で決まる最も信号が大きくなる位相信号を取得するサブフレームとは別のサブフレームの照射光強度を変えることと、照射光を強くした場合にも、その最も信号が大きくなる位相信号は変わらないことである。強度の倍率は１．２倍に限定されない。本発明を使用しない場合、照射光強度を変える前後を比較しても、信号量の飽和の影響が出る強度は、位相信号Ａ０が飽和する強度であるから変化はない。しかし、本発明を用いていると、照射光強度を変えると位相信号Ａ９０の飽和が早まるので、距離値に飽和の影響が出るのが早まる。つまり、信号量が飽和するまでの照射光強度が１／（フレーム間の照射光強度の倍率）になるので、本発明の使用の有無を確認できる。

以上の説明から分かるように、本発明を使用しない距離センサは、対象物の反射率が高い場合や物体までの距離が近い場合等、信号量が大きく飽和が起きる場合、誤測距することが懸念される。

これに対して本発明の距離センサでは、信号量の飽和が起きた際にも、正確な測距を継続できる可能性（確率）が非常に高く、対象物までの距離を安定して得ることができる。

以上説明した一実施形態及び変形例１〜３の距離センサ２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、光源２１と、該光源２１から射出され物体で反射された光を受光するイメージセンサ２９（撮像素子）と、光源２１の発光タイミングとイメージセンサ２９の受光タイミングの時間差を算出し、該時間差から物体までの距離を求める制御系と、を備え、イメージセンサ２９は、受光した光を電気信号に変換する複数の受光部と、受光部毎に設けられ、電気信号が時間的に分割された複数の位相信号をそれぞれ一時的に蓄積する複数の電荷蓄積部（蓄積部）と、を有し、制御系は、位相信号の信号量が蓄積部で飽和しているか否かを判定する位相信号判定部（判定手段）と、該位相信号判定部での判定結果に基づいて、時間差の算出に用いる位相信号を選択する位相信号選択部（選択手段）を有するＴＯＦ演算部（図３３、図３４参照）と、を含む。なお、図３３、図３４には、それぞれ位相信号判定部とＴＯＦ演算部の構成例１、２がブロック図で示されている。

この場合、遠距離物体や低反射物体の測距精度が低下しない程度の比較的大きな光量の光を光源から射出したときに近距離物体や高反射物体の測距で位相信号の信号量が飽和しても、その飽和の影響を受けない位相信号を用いて時間差、さらには距離を算出できる。

この結果、遠距離物体や低反射物体に対する測距精度の低下を抑制しつつ、近距離物体や高反射物体に対して高精度な測距をより安定して行うことができる。

また、位相信号選択部は、信号量が飽和している位相信号がある場合に、信号量が飽和していない少なくとも２つの位相信号を選択することが好ましい。この場合、信号量の飽和の影響を回避して物体までの距離を求めることができる。

また、位相信号判定部は、複数の位相信号を取得する位相信号取得部（図３４参照）と、位相信号の信号量の閾値が保存された記憶部（図３４参照）と、位相信号の信号量と閾値を比較し、その比較結果を位相信号選択部に出力する位相信号比較部（図３４参照）と、を含み、位相信号取得部は、複数の位相信号を取得する時間帯を１フレームとしたときに、複数の位相信号の少なくとも２つの位相信号からそれぞれが成る複数の位相信号群を１フレーム内の異なる時間帯である複数のサブフレームで取得し、位相信号選択部は、信号量が閾値以上の位相信号がある場合に該位相信号が取得されたサブフレームとは異なるサブフレームで取得された位相信号群を選択しても良い。

また、位相信号判定部は、複数の位相信号を取得する位相信号取得部（図３３参照）と、複数の位相信号の信号量を比較し、その比較結果を位相信号選択部に出力する位相信号比較部（図３３参照）と、を含み、位相信号取得部は、複数の位相信号を取得する時間帯を１フレームとしたときに、複数の位相信号の少なくとも２つの位相信号からそれぞれが成る複数の位相信号群を１フレーム内の異なる時間帯である複数のサブフレームで取得し、位相信号選択部は、最大の信号量になる位相信号の数が１フレーム内のサブフレームの数より少ない場合に、最大の信号量になる位相信号とは別のサブフレームで取得された位相信号群を選択しても良い。この場合、閾値を記憶するための記憶部が必要ない。

また、一実施形態及び変形例１〜３の距離センサは、位相信号選択部により選択された位相信号を用いて時間差を算出し、該時間差から距離を求める演算部（図３３、図３４参照）を更に備えることが好ましい。

また、位相信号判定部は、複数の位相信号を取得する位相信号取得部を含み、複数の位相信号を位相信号取得部が取得する時間帯を１フレームとしたときに、該１フレームには光源を発光しない時間帯である非発光サブフレームが含まれ、演算部は、位相信号選択部で選択された位相信号から、非発光サブフレームで取得したオフセット量を減算することが好ましい。この場合、外乱による測距精度の低下を抑制できる。

また、演算部は、演算に必要な最少の位相信号の数が２である二相式ＴＯＦ演算により時間差を算出する。この場合、飽和発生時のロバスト性が高い。

また、演算部は、位相信号選択部により選択された位相信号群が複数ある場合に、複数の位相信号群をそれぞれ用いて複数の距離を求め、該複数の距離の平均値を出力しても良い。この場合、測距精度の時間的なばらつきを抑制できる。

また、演算部は、位相信号選択部により選択された位相信号群が複数ある場合に、複数の位相信号群をそれぞれ用いて複数の距離を求め、該複数の距離の中央値を出力しても良い。この場合、測距精度の時間的なばらつきを抑制できる。

また、演算部は、位相信号選択部により選択された位相信号群が複数ある場合に、複数の位相信号群をそれぞれ用いて複数の距離を求め、複数の距離の差分もしくは標準偏差が最も小さくなる距離を選択して出力しても良い。この場合、測距精度の時間的なばらつきを抑制できる。

また、一実施形態及び変形例１〜３の距離センサは、受光部毎に位相信号のオフセット量が保存される記憶部（記憶媒体）を更に備え、演算部は、記憶部に保存されたオフセット量から、位相信号選択部により選択された位相信号のオフセット量を決定し、該位相信号から該オフセット量の減算を行ない、該減算後の位相信号を用いて時間差を算出することが好ましい。この場合、測距精度を向上できる。

また、位相信号判定部による判定と位相信号選択部による選択と演算部による演算の少なくとも２つが並行して行われることが好ましい。この場合、経時的な測定条件の変化に対応することができる。

また、一実施形態及び変形例１〜３の距離センサのいずれかを有する移動体によれば、衝突安全性に優れた移動体を提供できる。

また、一実施形態及び各変形例の測距方法は、光を射出する工程と、該射出する工程で射出され物体で反射された光を受光し、受光した光を電気信号に変換し、該電気信号を時間的に分割し複数の位相信号に振り分けてそれぞれ一時的に蓄積する工程と、光の射出タイミングと受光タイミングの時間差を算出し、該時間差から物体までの距離を求める工程と、を含み、求める工程は、位相信号の信号量が飽和しているか否かを判定するサブ工程と、判定するサブ工程での判定結果に基づいて、時間差の算出に用いる位相信号を選択するサブ工程と、を含む。

この場合、遠距離物体や低反射物体の測距精度が低下しない程度の比較的大きさ光量の光を光源から射出したときに近距離物体や高反射物体の測距で位相信号の信号量が飽和しても、その飽和の影響を受けない位相信号を用いて時間差、さらには距離を算出できる。

この結果、遠距離物体や低反射物体に対する測距精度の低下を抑制しつつ、近距離物体や高反射物体に対して高精度な測距をより安定して行うことができる。

また、求める工程は、選択された位相信号を用いて時間差を算出するサブ工程と、時間差から距離を算出するサブ工程と、を含むことが好ましい。

また、選択するサブ工程では、信号量が飽和している位相信号がある場合に、信号量が飽和していない少なくとも２つの位相信号を選択することが好ましい。この場合、信号量の飽和の影響を回避して物体までの距離を求めることができる。

なお、上記実施形態及び各変形例では、投光系が非走査型であるが、光偏向器（例えばポリゴンミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等）を含む走査型であっても良い。この場合、例えば、一方向に配列された複数の発光部（ライン光源）からそれぞれ射出された複数の光を、発光部の配列方向に非平行な方向（例えば垂直な方向）に走査して、複数の発光部に対応して該配列方向に平行に配列された複数の受光部（ラインイメージセンサ）で受光しても良い。また、単一の発光部からの光を光偏向手段で２次元走査して、物体からの反射光をエリアイメージセンサで受光しても良い。

また、上記実施形態及び各変形例では、単一のＬＥＤ（発光部）をパルス発光させ、物体からの反射光をエリアイメージセンサで受光する場合について説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、２次元配列された複数の発光部を順次パルス点灯させ、各発光パルスの物体からの反射光を単一の受光部で順次受光しても良い。

また、例えば、物体の３次元情報ではなく、単にある物体までの距離を測定する場合には、投光系の光源及び受光系の受光部は、いずれも単数であっても良い。

また、上記実施形態及び各変形例において、制御系２０３での処理の一部を位置制御装置４０が行っても良いし、位置制御装置４０での処理の一部を制御系２０３が行っても良い。

また、上記実施形態及び各変形例では、走行管理装置１０が１つの距離センサを備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。走行体の大きさ、測定領域などに応じて、複数の距離センサを備えても良い。

また、上記実施形態及び各変形例では、距離センサが走行体の進行方向を監視する走行管理装置１０に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、走行体の後方や側面を監視する装置に用いられても良い。

また、上記実施形態及び各変形例では、距離センサが走行体（移動体）に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、距離センサは、有人航空機、無人航空機（例えばドローン）、船舶等の移動体や、自身の位置を確認しながら自律的に移動するロボットや、物体の３次元形状を測定する３次元計測装置に用いられても良い。

以上の説明から分かるように、本発明の測距装置及び測距方法は、間接ＴＯＦ法を利用した測距技術全般に広く適用することが可能である。

すなわち、本発明の測距装置及び測距方法は、物体の２次元情報の取得や、物体の有無の検出にも用いることができる。

また、上記実施形態及び各変形例の説明で用いた数値、形状等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

以下に、発明者らが上記実施形態及び各変形例を発案するに至った思考プロセスを説明する。

３次元センサの１つに、強度変調した照射光を投射し測定対象で反射されて戻ってくるまでの飛行時間を検出して測定対象までの距離を求める、Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）法を用いた“ＴＯＦセンサ”が既に知られており、種々ある３次元センシング方式の中でも、その高速性の原理的優位性から、昨今さまざまな用途への開発が進められている。例えば、ジェスチャー認識や、ロボットや自動車などの移動体の位置制御などへの応用が期待されている。

ＴＯＦ法には、直接ＴＯＦ法と間接ＴＯＦ法があり、一般的に間接ＴＯＦ法の方が近距離測定に有利であると言われている。

間接ＴＯＦ法を用いるＴＯＦセンサは、高精度に測定するためには照射光強度を大きくする必要がある。しかし、遠距離にある物体や反射率の低い物体と、近距離にある物体や反射率の高い物体とを同時に測定する場合、遠距離にある物体や反射率の低い物体を高精度に測定をするために照射光強度を大きくすると、近距離にある物体や反射率の高い物体からの反射光の強度が大きくなりすぎるために、信号量の飽和が起こるという課題があった。

そこで、特許文献１（特許５７４３３９０号公報）には、近距離側での信号の飽和と遠距離側での信号の不足による測距精度の悪化を抑制する目的で、出力距離に上下２つの閾値を持たせ、閾値を超えるもしくは下回ったときに照射光強度を変えて近距離でも測定可能かつ遠距離で測定精度を保つ測距装置が開示されている。

しかし、特許文献１では、調整前後で対象物が動いた場合や、調整後に反射率の高い物体が新しく測定面内に侵入した場合など、調整後の環境の変化による信号の飽和について改善の余地がある。またレンズの絞りの駆動機構など、ハードウェアに工夫が必要であり、信号の飽和に対応する前に１度所定の条件での測定を行なうことを必要とするのでリアルタイム性という観点で改善の余地がある。すなわち、特許文献１では、特に近距離側で高精度な測距を安定して行うという観点で改善の余地がある。

そこで、発明者らは、近距離側で高精度な測距を安定して行うという課題を解決すべく、上記実施形態及び各変形例を発案するに至った。

１…走行体（移動体）、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…距離センサ（測距装置）、２１…光源、２９…イメージセンサ（撮像素子）、２０３…制御系。

特許５７４３３９０号公報

Claims (17)

1. 光源と、
   前記光源から射出され物体で反射された光を受光する撮像素子と、
   前記光源の発光タイミングと前記撮像素子の受光タイミングの時間差を算出し、該時間差から前記物体までの距離を求める制御系と、を備え、
   前記撮像素子は、
   受光した光を電気信号に変換する複数の受光部と、
   前記受光部毎に設けられ、前記電気信号が時間的に分割された複数の位相信号をそれぞれ一時的に蓄積する複数の蓄積部と、を有し、
   前記制御系は、
   前記位相信号の信号量が前記蓄積部で飽和しているか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段での判定結果に基づいて、前記時間差の算出に用いる前記位相信号を選択する選択手段と、を含み、
   前記判定手段は、
   前記複数の位相信号を取得する取得部を含み、
   前記取得部は、前記複数の位相信号を取得する時間帯を１フレームとしたときに、前記複数の位相信号の少なくとも２つの位相信号からそれぞれが成る複数の位相信号群を前記１フレーム内の異なる時間帯である複数のサブフレームで取得し、
   前記選択手段は、信号量が飽和している前記位相信号がある場合に該位相信号が取得されたサブフレームとは異なるサブフレームで取得された前記位相信号群を選択することを特徴とする測距装置。
2. 前記判定手段は、
   前記位相信号の信号量の閾値が保存された記憶部を含み、前記位相信号の信号量と前記閾値を比較し、
   前記信号量が前記閾値以上の前記位相信号がある場合に該位相信号が飽和していると判定することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
3. 前記判定手段は、
   前記取得部によって前記受光部毎に前記１フレームの時間帯で取得された前記複数の位相信号の信号量を比較し、その比較結果を前記選択手段に出力する比較部と、を含み、前記選択手段は、
   前記比較結果に基づいて、前記複数の位相信号のうち、信号量が最大となる位相信号の数を求め、
   前記信号量が最大となる位相信号の数が前記１フレーム内のサブフレームの数より少ない場合に、前記信号量が最大となる位相信号が取得されたサブフレームとは別のサブフレームで取得された前記位相信号群を選択することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
4. 前記選択手段により選択された前記位相信号を用いて前記時間差を算出し、該時間差から前記距離を求める演算手段を更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の測距装置。
5. 前記１フレームは前記光源を発光しない時間帯である非発光サブフレームを含み、
   前記演算手段は、前記選択手段で選択された前記位相信号から、前記非発光サブフレームで取得したオフセット量を減算することを特徴とする請求項４に記載の測距装置。
6. 前記演算手段は、演算に必要な最少の位相信号の数が２である二相式ＴＯＦ演算により前記時間差を算出することを特徴とする請求項４又は５に記載の測距装置。
7. 前記演算手段は、前記選択手段により選択された前記位相信号群が複数ある場合に、該複数の位相信号群をそれぞれ用いて複数の前記距離を求め、該複数の距離の平均値を出力することを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の測距装置。
8. 前記演算手段は、前記選択手段により選択された前記位相信号群が複数ある場合に、該複数の位相信号群をそれぞれ用いて複数の前記距離を求め、該複数の距離の中央値を出力することを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の測距装置。
9. 前記演算手段は、前記選択手段により選択された前記位相信号群が複数ある場合に、該複数の位相信号群のそれぞれの前記位相信号群を用いて前記位相信号群ごとの前記距離を複数のフレームで求め、前記位相信号群ごとの距離の前複数のフレーム間における差分もしくは標準偏差が最も小さくなる前記位相信号群ごとの前記距離を選択して出力することを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の測距装置。
10. 前記位相信号のオフセット量が保存される記憶媒体を更に備え、
    前記演算手段は、前記記憶媒体に保存された前記オフセット量から、前記選択手段により選択された前記位相信号のオフセット量を決定し、該位相信号から該オフセット量の減算を行ない、該減算後の前記位相信号を用いて前記時間差を算出することを特徴とする請求項４〜９のいずれか一項に記載の測距装置。
11. 前記判定手段による判定と前記選択手段による選択と前記演算手段による演算の少なくとも２つが並行して行われることを特徴とする請求項４〜１０のいずれか一項に記載の測距装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の測距装置を有する移動体。
13. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の測距装置を有するロボット。
14. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の測距装置を有する３次元計測装置。
15. 光を射出する工程と、
    前記射出する工程で射出され物体で反射された光を受光し、受光した光を電気信号に変換し、該電気信号を時間的に分割し複数の位相信号に振り分けてそれぞれ一時的に蓄積する工程と、
    前記光の射出タイミングと受光タイミングの時間差を算出し、該時間差から前記物体までの距離を求める工程と、を含み、
    前記求める工程は、
    前記複数の位相信号を取得する時間帯を１フレームとしたときに、前記複数の位相信号の少なくとも２つの位相信号からそれぞれが成る複数の位相信号群を前記１フレーム内の異なる時間帯である複数のサブフレームで取得するサブ工程と、
    前記取得するサブ工程で取得された前記位相信号の信号量が飽和しているか否かを判定するサブ工程と、
    前記判定するサブ工程での判定結果に基づいて、信号量が飽和している前記位相信号がある場合に該位相信号が取得されたサブフレームとは異なるサブフレームで取得された前記位相信号群を選択することによって、前記時間差の算出に用いる前記位相信号を選択するサブ工程と、を含む測距方法。
16. 前記求める工程は、
    選択された前記位相信号を用いて前記時間差を算出するサブ工程と、
    前記時間差から前記距離を算出するサブ工程と、を含むことを特徴とする請求項１５に記載の測距方法。
17. 前記選択するサブ工程では、信号量が飽和している前記位相信号がある場合に、信号量が飽和していない少なくとも２つの前記位相信号を選択することを特徴とする請求項１５又は１６に記載の測距方法。

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