JP6981997B2 - 距離測定装置 - Google Patents

Description

本開示は、距離画像を生成する距離測定装置に関する。特に、照射光源とそれを受光する固体撮像素子で光の往復による遅延を用いて距離を測定する距離測定装置に関する。

近年、距離画像を生成するための被写体の測距手法の一例として、赤外光またはレーザー光を被写体に向けて照射してから、被写体で反射した光を固体撮像装置で受光するまでの計測時間に基づいて被写体までの距離を算出（測距）するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式が知られている。

昨今のＴＯＦ方式は、被写体で反射した光を画素アレイを有する固体撮像素子により露光し、信号量を２次元面上に距離分布を示す距離画像として生成することで距離測定を行っている（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開２０１２−２２５８０７号公報 特開２００６−２５３８７６号公報 特開２０１１−６４４９８号公報

しかしながら、従来の距離測定装置は、フレーム単位で時系列毎に異なる露光条件で距離画像を取得するため、距離測定可能な範囲が狭い装置では対象物の距離が変化した際に距離測定の精度が低下するという課題がある。また、従来の測距測定装置では、露出の異なる複数枚の距離画像を合成して距離を計測するため、距離画像に背景光などの照射光以外の外乱が含まれる場合、距離画像の露出にばらつきがあり、計測精度が安定しないという課題がある。

このような課題に鑑み、本開示は、対象物の距離変化に影響されない距離測定範囲で、良好な精度で距離測定を行うことができる距離測定装置を提供することを目的とする。

本開示の距離測定装置は、光の往復時間を利用して物体までの距離を測定する距離測定装置であって、光源から測定対象範囲に向けて光を照射する発光部と、前記発光部による照射光の画角内の前記物体の反射光を、行列状に配置された複数の画素において光電変換するとともに、前記画素の露光を独立して実施可能な複数の画素群を有する固体撮像素子と、前記発光部に対し前記光源の発光タイミングおよび発光期間を指示し、前記固体撮像素子の前記画素群ごとに光の往復時間に起因する照射光と反射光の時間差に対応する複数種類の画素信号を得るための露光タイミングと露光期間を指示し、前記露光タイミングと前記露光期間の指示を、前記画素群ごとの画素信号の露光を異なる露光時間で実施し、各前記画素群の照射光と反射光の時間差に対応する各画素信号の露光を周期的な少なくとも２つ以上の露光期間で実施することで、前記画素の露光を間欠的に行う発光露光制御部と、前記固体撮像素子の画素群ごとに異なる露光時間で露光を実施された２つ以上の近隣の画素の、照射光と反射光の時間差に対応した画素信号に基づいて、前記固体撮像素子に結像される物体の距離値を算出する信号処理部と、を備える。

本開示の距離測定装置によれば、対象物の距離変化に影響されない距離測定範囲で、良好な精度で距離測定を行うことができる。

図１は、距離測定装置の概略構成図である。 図２は、ＴＯＦ方式の一例を示す図である。 図３は、ＴＯＦ方式の他の例を示す図である。 図４は、第１の実施形態に係る測距測定装置における固体撮像素子の概略構成図である。 図５は、第１の実施形態に係る測距測定装置における固体撮像素子の画素セルの構成図である。 図６Ａは、第１の実施形態に係る測距測定装置における発光露光制御タイミング図である。 図６Ｂは、図６Ａの一部の区間を拡大した発光露光制御タイミング図である。 図７は、第１の実施形態に係る測距測定装置における発光露光制御タイミング図である。 図８は、第１の実施形態に係る測距測定装置における合成部の構成図である。 図９は、第１の実施形態に係る測距測定装置における合成部で参照する画素図である。 図１０は、第１の実施形態に係る測距測定装置における合成演算処理の手順を示すフローチャートである。 図１１Ａは、第１の実施形態に係る測距測定装置における合成演算１で得られる信号量と入力信号の関係を示す図である。 図１１Ｂは、第１の実施形態に係る測距測定装置における合成演算２で得られる信号量と入力信号の関係を示す図である。 図１２は、第１の実施形態に係る測距測定装置における合成部で参照する画素図である。 図１３Ａは、第１の実施形態に係る測距測定装置における合成演算１で得られる信号量と入力信号の関係を示す図である。 図１３Ｂは、第１の実施形態に係る測距測定装置における合成演算２で得られる信号量と入力信号の関係を示す図である。 図１４は、第２の実施形態に係る測距測定装置における固体撮像素子の画素配置と合成部で参照する画素図である。 図１５は、第２の実施形態に係る測距測定装置における発光露光制御タイミング図である。 図１６は、第２の実施形態に係る測距測定装置における合成部の構成図である。 図１７は、第２の実施形態に係る測距測定装置における合成演算処理の手順を示すフローチャートである。

（本発明の基礎となった知見）
被写体の測距情報を有する画像（以下、距離画像）を生成する装置や手法は、近年、ゲームやアミューズメント分野だけでなく、車載カメラまたは監視カメラなどの２次元イメージセンサーが使用されてきた分野にも応用されている。

距離画像を生成するための被写体の測距手法には、複数のカメラを用いて撮像した画像の視差に基づいて距離画像を生成する方法、既知のランダムドットパターンを被写体に照射しドットパターンを受光する視差に基づいて距離画像を生成する方法などが存在する。それらの方法の一例であるＴＯＦ方式は、赤外光やレーザー光を被写体に向けて照射してから、被写体で反射した光を固体撮像装置で受光するまでの計測時間に基づいて被写体までの距離を算出（測距）する方式である。

昨今のＴＯＦ方式は、被写体で反射した光を、画素アレイを有する固体撮像素子により露光し、得られた信号量より、固体撮像素子の画素毎に距離情報を取得することが可能であり２次元面上に距離分布を示す距離画像を生成することが可能である。

当該技術では、固体撮像素子から被写体までの距離や被写体の表面反射率に応じて、受光する反射光の強度は大きく変動する。そこで、照射光源の強度や固体撮像素子の受光感度や露光量を一律にする。しかし、固体撮像素子の受光面に距離の異なる複数の対象物が存在する場合には、距離画像全体にわたって良好な測距性能を得ることが難しい。

固体撮像素子で受光する反射光強度は、光源から被写体までの距離の二乗に反比例して減衰する光の特性または被写体表面の光反射率に依存する。例えば、反射光の露出調整を実施し露光量を増やすと、近距離にある物体や表面反射率の高い物体からの反射光は光強度が高くなり、固体撮像素子の受光可能な露光量を超えて飽和状態となる。この場合、正しい受光量信号を取得できなくなる。逆に、露光量を減らすと、遠距離にある物体または表面反射率の低い物体からの反射光量は微小となる。この場合には、安定した距離測定が困難になる。

上述のような技術的課題に対する解決手段として、特許文献１、特許文献２および特許文献３が開示されている。

特許文献１および特許文献３では、露出の異なる複数枚の距離画像を取得し、それら複数画像から距離画像の合成を行い距離測定範囲の拡大と距離測定精度の向上を実施している。

特許文献２では、固体撮像素子において、偶数画素行と奇数画素行とで、それぞれ信号電荷の蓄積時間を個別に設定することにより異なる感度の信号を取り出し、これら感度の異なる信号を後段の信号処理系で合成する。具体的には、例えば、偶数行の各画素については蓄積時間を長く設定し高感度の画素信号を得て、奇数行の各画素については蓄積時間を短く設定し低感度の画素信号を得る。合成処理においては、偶数行の画素信号（高感度の画素信号）が飽和していない画素については高感度の画素信号を選択して利用し、飽和した画素については近傍の奇数行の画素信号（低感度の画素信号）を選択するといった合成処理が一般的である。

しかしながら、特許文献１または特許文献３の距離測定装置は、フレーム単位で時系列に異なる露光条件で距離画像を取得するため、対象物の距離が変化した際に距離測定の精度が低下する課題がある。さらに、当該測距測定装置では、露出の異なる複数枚の距離画像を記憶するため、固体撮像素子の画素毎の距離値を記憶するフレームメモリが必要となる。したがって、固体撮像素子の多画素化に伴い、より大容量のフレームメモリを必要とし、距離測定装置が大型かつ高価になるという問題がある。

また、特許文献２の合成処理では、高感度の画素信号が飽和していない場合は高感度の画素信号のみを利用するため、低感度の画素信号の画素情報は、有効であっても利用されないことになる。

以下に説明する距離測定装置では、対象物体の距離による光の減衰または表面反射率の影響による反射光強度の低下により制約を受ける固体撮像素子の１フレーム内の距離測定範囲を拡大することで、時系列に沿った対象物の距離変化に強い距離画像を取得することができる。また、当該距離測定装置では、照射光以外の背景光による外乱の影響を除去することで、良好な精度の距離画像を取得することができる。これにより、フレームメモリ等を必要としない小型で低価格な距離測定装置の提供が可能となる。

以下、本開示に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（各実施形態における共通説明）
以下に説明する各実施形態では、被写体に対してＬＥＤ光やレーザー光を照射して発生する反射光の往復時間を求めることで測距するＴＯＦ方式を用いる場合を例として説明する。

図１は、本実施形態１または２に係る距離測定装置１００の構成を示す構成図である。図１に示す距離測定装置１００は、発光露光制御部１０１、固体撮像素子１０２、信号処理部１０３および発光部１０４を備えている。

固体撮像素子１０２としては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサーや、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ―Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサー等が挙げられる。

発光部１０４は、光源駆動部１１４と光源１１５から構成されている。光源１１５は、例えばＬＥＤやレーザーダイオード等が挙げられる。

信号処理部１０３は、ラインメモリ１１１、合成部１１２および距離演算部１１３から構成される。

発光露光制御部１０１は、後述の所定の条件に従って、発光タイミング信号ＬＴ１と露光タイミング信号ＥＴ１とシャッタータイミング信号ＳＨ１とを生成し出力する。発光タイミング信号ＬＴ１により発光部１０４内の光源駆動部１１４がＯＮ／ＯＦＦ制御され、光源１１５が対象物ＯＢＪに向かって光Ｌ１を照射する。照射光Ｌ１は、所定の発光幅を持つパルス波形の光である。

照射光Ｌ１は、対象物ＯＢＪで反射する。この反射光Ｌ２は、図示しないレンズ光学系を介して固体撮像素子１０２で受光される。固体撮像素子１０２は、行列状に配置された複数の画素を有している。固体撮像素子１０２において、露光タイミング信号ＥＴ１とシャッタータイミング信号ＳＨ１に従って各画素での露光が制御される。各画素で光電変換され蓄積された信号電荷に応じた画素信号は、信号処理部１０３へ出力される。

図２は、ＴＯＦ方式の一例を示す図である。図２を用いてＴＯＦ方式の距離測定法の一例を説明する。ＴＯＦ方式では、光源からパルス状に照射される光の反射光を全て受光するＳ０露光、光源から照射されるパルス光が反射した物体の距離に起因して時間遅延した反射光のうちで遅延時間分に相当する反射光の一部を受光するＳ１露光、および、光源を発光させずに背景光のみを受光するＢＧ露光を行う。また、Ｓ０露光及びＳ１露光においては、背景光も同時に受光する。これらの３種類の露光を複数回ずつ繰り返して電荷を蓄積し、その蓄積した電荷量に応じた画素信号Ｓ０、Ｓ１、ＢＧを得る。光源から対象物ＯＢＪまでの距離Ｌは、発光パルス幅（照射パルス時間幅）をＴ０、光の速度をｃとすると、数式１で得られる。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 数式１

図３は、ＴＯＦ方式の他の例を示す図である。図２の方式に対して固体撮像素子の露光期間の長さが発光パルス幅と概同一となり、対象物から反射し遅延して戻ってきた反射光に対して、照射光のパルス発光タイミングと概同一の露光期間で受光するＳ０露光と、照射光のパルス発光完了より後に戻ってきた反射光の一部を受光するＳ１露光を得る。この場合の対象物ＯＢＪまでの距離Ｌは、数式２で得ることができる。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 数式２

なお、露光信号のタイミングおよび距離計算式はこれだけに限定されるものではない。例えば、照射光をサイン波状に発光させて、照射光のサイン波の位相に対して０度の位相、９０度の位相、１８０度の位相および２７０度の位相に相当するタイミングで反射光を露光して４つの画素信号を画素群ごとに取得する。そして、０度の位相の画素信号と１８０度の位相の画素信号の差分信号と９０度の位相の画素信号と２７０度の位相の画素信号の差分信号との比から照射光に対する反射光の時間差を算出し、距離に換算する方法を取ることもできる。

信号処理部１０３に入力された画素信号群（Ｓ０、Ｓ１、ＢＧ）は、固体撮像素子１０２の画素に対応してライン単位で、ラインメモリ１１１に保持される。合成部１１２は、ラインメモリ１１１から必要な参照画素の画素信号を入力して合成処理を行う。合成部１１２で行われた合成処理の結果は距離演算部１１３に入力され、距離演算部１１３で合成後の画素信号を用いて数式１もしくは数式２の計算を行い、計算の結果得られた距離値Ｄ０を出力する。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について説明する。本実施形態では、発光露光制御部１０１から出力される露光タイミング信号ＥＴ１は、詳細には前述のＳ０露光用、Ｓ１露光用、およびＢＧ露光用の３つの露光用信号を１組とした２組の信号ＥＴ１０ａ、ＥＴ１１ａ、ＥＴ１２ａおよびＥＴ１０ｂ、ＥＴ１１ｂ、ＥＴ１２ｂから構成されている。発光露光制御部１０１は、当該信号群を固体撮像素子１０２へ出力する。

図４は、本実施形態に係る測距測定装置における固体撮像素子の概略構成図である。図４に固体撮像素子１０２の画素セルの配置と露光タイミング信号群の接続関係の一例を示す。図４中のＰ０１、Ｐ０２、Ｐ０３・・・は、フォトダイオード領域を含む各画素セルを示している。

各画素セルは、ライン単位で奇数ラインと偶数ラインとにおいて画素位置が水平方向に半画素ピッチずらして配置されている。奇数ラインの画素セルには露光タイミング信号ＥＴ１０ａ、ＥＴ１１ａ、ＥＴ１２ａの３つの信号が接続され、偶数ラインの画素セルにはＥＴ１０ｂ、ＥＴ１１ｂ、ＥＴ１２ｂの３つの信号が接続されている。なお、図示していないが、シャッタータイミング信号ＳＨ１を供給するラインは、すべての画素セルに共通して接続されている。

図５に、本実施形態に係る測距測定装置における固体撮像素子の画素セルの概略構成図を一例として示す。

光電変換を行うフォトダイオード５０１にはリセットトランジスタ５０２が接続され、シャッタータイミング信号ＳＨ１がオンされるとフォトダイオードで光電変換された電荷は破棄される。

さらに、フォトダイオード５０１にはアナログスイッチ５１０、５１１、５１２を介してアナログメモリー５２０、５２１、５２２がそれぞれ接続される。奇数ラインの画素セルでは、アナログスイッチ５１０のＯＮ／ＯＦＦの制御のために露光タイミング信号ＥＴ１０ａが供給され、アナログスイッチ５１１ＯＮ／ＯＦＦの制御のために露光タイミング信号ＥＴ１１ａが供給され、アナログスイッチ５１２のＯＮ／ＯＦＦの制御のために露光タイミング信号ＥＴ１２ａが供給される。同様に、偶数ラインの画素セルでは、アナログスイッチ５１０のＯＮ／ＯＦＦ制御に露光タイミング信号ＥＴ１０ｂが接続され、アナログスイッチ５１１ＯＮ／ＯＦＦの制御のために露光タイミング信号ＥＴ１１ｂが供給され、アナログスイッチ５１２のＯＮ／ＯＦＦの制御のために露光タイミング信号ＥＴ１２ｂが供給される。

アナログメモリー５２０、５２１、５２２は、それぞれ接続されるアナログスイッチ５１０、５１１、５１２がＯＮ状態の期間かつリセットトランジスタ５０２がＯＦＦ状態の非リセット期間に、フォトダイオード５０１で光電変換された電荷を蓄積する。また、アナログメモリー５２０、５２１、５２２は、アナログスイッチ５１０、５１１、５１２がＯＮ状態の期間かつリセットトランジスタ５０２がＯＮ状態の期間またはアナログスイッチ５１０、５１１、５１２がＯＦＦ状態の期間には電荷蓄積しない。

上記の構成を取ることにより、固体撮像素子１０２は奇数ラインと偶数ラインの行毎に独立して露光制御が可能となる。

図６Ａ及び図６Ｂに、発光露光制御の第１の例として、発光露光制御部１０１が出力する露光タイミング信号と照射光及びシャッタータイミング信号ＳＨ１との関係の一例を示す。図６Ａは、本実施形態に係る測距測定装置における発光露光制御タイミング図である。

発光露光制御部１０１が生成し出力する発光タイミング信号ＬＴ１によって生じるパルス状の照射光と、発光露光制御部１０１が生成し出力する露光タイミング信号ＥＴ１およびシャッタータイミング信号ＳＨ１は、図６Ａに示すように、同一のパターンを１サイクルとして、複数サイクル繰り返し出力される。当該１サイクルの時間（露光期間の周期Ｔｃｙｃ）は、例えば、距離測定装置１００の使用される環境下で商用交流電源を電力源とする照明光の光量変動周期（光源の周期時間Ｔｂｇ）の１／ｎ（ｎは２以上の整数）とする。サイクル数Ｎｃｙｃは、ｎ×ｍ（ｍは１以上の整数）に概ね設定する。なお、図６Ａでは、例としてｎ＝３、ｍ＝２として総数６サイクルとしているが、これに限定するものではない。

図６Ｂに、上述した図６Ａの１サイクル期間を拡大したものを示す。

１サイクル期間は、前述の図２および数式１で示したＴＯＦ方式その１に基づいて、発光露光制御部１０１がＯＮ状態となるタイミングを生成したシャッタータイミング信号ＳＨ１により形成されるＳ０露光を行う期間と、Ｓ１露光を行う期間と、ＢＧ露光を行う期間とから構成されている。

Ｓ０露光の期間では、露光タイミング信号ＥＴ１０ａおよびＥＴ１０ｂが供給され、Ｓ１露光の期間では、露光タイミング信号ＥＴ１１ａおよびＥＴ１１ｂが供給され、ＢＧ露光の期間では、露光タイミング信号ＥＴ１２ａおよびＥＴ１２ｂが供給される。

加えて、例えばＳ０露光ではＥＴ１０ａ信号が発光タイミング信号ＬＴ１によって発生するパルス状の照射光の８パルス分の期間に供給されるのに対し、ＥＴ１１ｂ信号は２パルス分の期間に供給されるのみとし、前述の説明の通り固体撮像素子１０２の奇数ラインの画素で光電変換されアナログメモリー５２０に信号蓄積される時間（第１の条件）と、偶数ラインの画素のアナログメモリー５２０に信号蓄積される時間（第２の条件）は、露光時間に相当する信号蓄積時間の比率が４：１の関係となる。

Ｓ１露光の期間、ＢＧ露光の期間についても同様である。

なお、本実施形態では、露光時間の比率が４：１となる制御例を示したが、これに限定するものではなく、上述のタイミング制御の変形をすることで容易に異なる露光時間の比を形成することができる。

上述のような発光と露光のタイミング制御で、Ｓ０露光によって固体撮像素子１０２の奇数ラインのひとつの画素セルのアナログメモリー５２０に蓄積された信号をＳ０ｏｄｄとすると、Ｓ０ｏｄｄは数式３で表せる。

Ｓ０ｏｄｄ＝Ａ０ｏｄｄ＋Ｂ０ｏｄｄ ・・・・ 数式３

数式３において、Ａ０ｏｄｄは照射光による信号成分、Ｂ０ｏｄｄは背景光による信号成分を示す。

Ｓ１露光によって固体撮像素子１０２の奇数ラインのひとつの画素セルのアナログメモリー５２１に蓄積された信号をＳ１ｏｄｄとすると、Ｓ１ｏｄｄは数式４で表せる。

Ｓ１ｏｄｄ＝Ａ１ｏｄｄ＋Ｂ１ｏｄｄ ・・・・ 数式４

数式４において、Ａ１ｏｄｄは照射光による信号成分、Ｂ１ｏｄｄは背景光による信号成分を示す。

ＢＧ露光によって固体撮像素子１０２の奇数ラインのひとつの画素セルのアナログメモリー５２１に蓄積された信号をＢＧｏｄｄとする。

同様に、Ｓ０露光によって固体撮像素子１０２の偶数ラインのひとつの画素セルであって、上述の奇数ラインのひとつの画素の近傍にある画素セルのアナログメモリー５２０に蓄積された信号をＳ０ｅｖｎとすると、Ｓ０ｅｖｎは数式５で表せる。

Ｓ０ｅｖｎ＝Ａ０ｅｖｎ＋Ｂ０ｅｖｎ ・・・・ 数式５

数式５において、Ａ０ｅｖｎは照射光による信号成分、Ｂ０ｅｖｎは背景光による信号成分を示す。

Ｓ１露光によって固体撮像素子１０２の偶数ラインの他方の画素のアナログメモリー５２１に蓄積された信号をＳ１ｅｖｎとすると、Ｓ１ｅｖｎは数式６で表せる。

Ｓ１ｅｖｎ＝Ａ１ｅｖｎ＋Ｂ１ｅｖｎ ・・・・ 数式６

数式６において、Ａ１ｅｖｎは照射光による信号成分、Ｂ１ｅｖｎは背景光による信号成分を示す。

固体撮像素子１０２の偶数ラインの他方の画素にＢＧ露光によってアナログメモリー５２１に蓄積された信号をＢＧｅｖｎとする。

前述のように固体撮像素子１０２の奇数ラインと偶数ラインは露光時間で４：１の関係であるため、固体撮像素子１０２内のＳ０ｏｄｄが信号飽和しない受光強度である場合には、近傍の奇数ラインの画素と偶数ラインの画素間では、数式７が成立する。

Ａ０ｏｄｄ＝４×Ａ０ｅｖｎ
Ａ１ｏｄｄ＝４×Ａ１ｅｖｎ
・・・・ 数式７

さらに、商用交流電源を電力源とする照明光が周期性を持って変動する背景光として存在する環境下であっても、固体撮像素子１０２の奇数ラインと偶数ラインそれぞれのＳ０露光、Ｓ１露光およぶＢＧ露光の各画素信号を、本実施形態では６回の周期的な露光期間で行う。また、各露光期間の周期は、商用交流電源を電力源とする照明光の光量変動の１周期に対して１／３周期であり、間欠的な露光が行われる。これにより、背景光の大小を偏りなく各露光期間にて固体撮像素子１０２で光電変換された電荷を各アナログメモリー５２０、５２１、５２２へ逐次電荷蓄積して露光するので、Ｓ０信号、Ｓ１信号、ＢＧ信号それぞれの画素信号の背景光成分は平均化される。したがって、背景光の変動によらず、数式８が成立する。

ＢＧｏｄｄ＝Ｂ０ｏｄｄ＝Ｂ１ｏｄｄ
ＢＧｅｖｎ＝Ｂ０ｅｖｎ＝Ｂ１ｅｖｎ
・・・・ 数式８

さらに、数式９が成立し、背景光成分が除去された照明光による信号成分のみが正確に抽出することができる。

Ａ０ｏｄｄ＝Ｓ０ｏｄｄ−ＢＧｏｄｄ
Ａ１ｏｄｄ＝Ｓ１ｏｄｄ−ＢＧｏｄｄ
Ａ０ｅｖｎ＝Ｓ０ｅｖｎ−ＢＧｅｖｎ
Ａ１ｅｖｎ＝Ｓ１ｅｖｎ−ＢＧｅｖｎ
・・・・ 数式９

上述の数式７と数式８から、商用交流電源等により強度が変動する照明光下であっても、その外乱を受けず数式１０が成立する。

Ｓ０ｏｄｄ−ＢＧｏｄｄ＝４×（Ｓ０ｅｖｎ−ＢＧｅｖｎ）
Ｓ１ｏｄｄ−ＢＧｏｄｄ＝４×（Ｓ１ｅｖｎ−ＢＧｅｖｎ）
・・・・ 数式１０

発光露光制御の第１の例の発光露光制御部１０１の動作により、商用交流電源を電力源とする照明光が雑音となる環境下で、露光時間の異なる露光制御を固体撮像素子の同一フレーム内で実施しても、照明光強度の変動を受ける背景光成分の信号を平均化できる。これにより、固体撮像素子１０２の奇数ラインと偶数ラインそれぞれのＳ０露光とＳ１露光とＢＧ露光間の背景光成分の信号量の偏りを排除することができる。

特に、商用交流電源を電力源とする照明光の光量変動の１周期に対して相対的に短い露光時間となる画素は、変動する背景光の局所的な大小の偏りの影響を画素信号の背景光成分に大きく受けるが、本実施形態に示すように短い露光時間となる第２の条件の画素群では、背景光の局所的な大小を平均して、Ｓ０信号とＳ１信号の背景光成分がＢＧ信号と等しくなることから、Ｓ０露光およびＳ１露光の照明光成分の信号を精度よく抽出することができる。

さらに、発光露光制御の第１の例では、第１の条件の長い露光時間となる画素を露光するための光源の発光を、部分的に第２の条件の短い露光時間となる画素を露光するための発光と兼用しているため、照明光光源の電力を最小にする効果がある。以上が発光露光制御の第１の例の説明である。

続いて、図７に発光露光制御の第２の例を示す。図７に示す発光制御タイミングの制御方法は、図６Ａで示した発光露光タイミングの制御方法とは別の制御方法である。図７に示す発光制御タイミングの制御方法は、第１の条件となる奇数ラインを露光するための照明光の発光と、第２の条件となる偶数ラインを露光するための照明光の発光を時間的に分離している。

当発光露光タイミング制御では、奇数ラインと偶数ラインの露光タイミングと露光期間が時間的に分離されている。これにより、例えば第２の条件の露光期間の対象でない照射光が固体撮像素子１０２前面に配置されたレンズの内面で反射した迷光、または、照射光の照射範囲にある高い光反射率の物体から対象物へ飛行した反射光が対象物で２次反射して発生する迷光が、その長い飛行距離に起因する時間遅延で、第２条件の露光期間に到達することにより発生する第２の条件の画素信号へ及ぼす光学的な影響を避けることができる。以上が発光露光制御の第２の例の説明である。

固体撮像素子１０２は、図示しない内蔵のタイミングジェネレータ等により、上述の図６Ａ又は図７に示す露光が行われた後に、画素毎のＳ０信号、Ｓ１信号、ＢＧ信号が逐次画素配列上でラスタースキャン順に読み出しされる。読み出しされた画素毎のＳ０信号、Ｓ１信号、ＢＧ信号は、信号処理部１０３へ出力される。

固体撮像素子１０２から入力された画素信号は、信号処理部１０３内のラインメモリ１１１にて奇数ラインの所定のライン数のＳ０ｏｄｄ信号とＳ１ｏｄｄ信号とＢＧｏｄｄ信号、および偶数ラインの所定のライン数のＳ０ｅｖｎ信号とＳ１ｅｖｎ信号とＢＧｅｖｎ信号を逐次記憶保持し、順次参照対象となる画素信号を合成部１１２へ出力する。

ここで、合成部１１２の構成例を示す。図８は、第１の実施形態に係る測距測定装置における合成部の構成図である。

合成部１１２は、図８に示すように、合成演算処理部８０１と、第１の条件の背景光除去部８０２と、第１の条件の飽和判定部８０３と、第２の条件の背景光除去部８０４と、第２の条件の飽和判定部８０５とを有している。

また、合成部１１２の第１の例として、合成時に参照する画素群の関係を示す。図９は、本実施形態に係る測距測定装置における合成部１１２で参照する画素図である。

合成部１１２は、ラインメモリ１１１から、図９に示すように、奇数ラインのひとつの画素とこれに上下で隣接する偶数ラインの４つの画素を処理対象とする画素群として、各画素のＳ０信号、Ｓ１信号およびＢＧ信号をラインメモリ１１１から入力する。

例えば、図９におけるＰ０１、Ｐ０２、Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ２２の画素群が一組の処理対象画素であり、例えばＰ０２、Ｐ０３、Ｐ１２、Ｐ２２、Ｐ２３の一組や、Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ３１、Ｐ４１、Ｐ４２の一組が順次合成部１１２へ入力されて合成処理される。後述する説明では、図９中の対象画素群ＡであるＰ０１、Ｐ０２、Ｐ１１、Ｐ２１、Ｐ２２を例にする。

合成部１１２では、図８に示すように、奇数ラインのひとつの画素の入力信号Ｓ０ｏｄｄ（Ｐ１１）、Ｓ１ｏｄｄ（Ｐ１１）、ＢＧｏｄｄ（Ｐ１１）は、第１の条件の背景光除去部８０２および第１の条件の飽和判定部８０３へ入力される。Ｓ０ｏｄｄ（Ｐ１１）は画素Ｐ１１のＳ０ｏｄｄ信号、Ｓ１ｏｄｄ（Ｐ１１）は画素Ｐ１１のＳ１ｏｄｄ信号、ＢＧｏｄｄ（Ｐ１１）は画素Ｐ１１のＢＧｏｄｄ信号を示す。

第１の条件の背景光除去部８０２では、数式１１が演算実行され、Ａ０ｏｄｄ（Ｐ１１）およびＡ１ｏｄｄ（Ｐ１１）が合成演算処理部８０１へ出力される。

Ａ０ｏｄｄ（Ｐ１１）＝Ｓ０ｏｄｄ（Ｐ１１）−ＢＧｏｄｄ（Ｐ１１）
Ａ１ｏｄｄ（Ｐ１１）＝Ｓ１ｏｄｄ（Ｐ１１）−ＢＧｏｄｄ（Ｐ１１）
・・・・ 数式１１

第１の条件の飽和判定部８０３では、固体撮像素子１０２の出力信号レンジに対応して予め設定されている飽和判定用閾値Ｓｍａｘに対して、数式１２の条件判定が実施される。第１の条件の飽和判定部８０３は、数式１２のいずれかの条件が満たされる場合には、飽和信号有りを合成演算処理部８０１へ通知する。

Ｓ０ｏｄｄ（Ｐ１１） ＞ Ｓｍａｘ
Ｓ１ｏｄｄ（Ｐ１１） ＞ Ｓｍａｘ
ＢＧｏｄｄ（Ｐ１１） ＞ Ｓｍａｘ
・・・・ 数式１２

偶数ラインの４つの画素の入力信号Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ０１）、Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ０１）、ＢＧｅｖｎ（Ｐ０１）と、Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ０２）、Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ０２）、ＢＧｅｖｎ（Ｐ０２）と、Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ２１）、Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ２１）、ＢＧｅｖｎ（Ｐ２１）と、Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ２２）、Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ２２）、ＢＧｅｖｎ（Ｐ２２）は、第２の条件の背景光除去部８０４および第２の条件の飽和判定部８０５へ入力される。

第２の条件の背景光除去部８０４では、数式１３が演算実行され、Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０１）、Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０１）、Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０２）、Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０２）、Ａ０ｅｖｎ（Ｐ２１）、Ａ１ｅｖｎ（Ｐ２１）、Ａ０ｅｖｎ（Ｐ２２）、Ａ１ｅｖｎ（Ｐ２２）が合成演算処理部８０１へ出力される。

Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０１）＝Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ０１）−ＢＧｅｖｎ（Ｐ０１）
Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０１）＝Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ０１）−ＢＧｅｖｎ（Ｐ０１）
Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０２）＝Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ０２）−ＢＧｅｖｎ（Ｐ０２）
Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０２）＝Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ０２）−ＢＧｅｖｎ（Ｐ０２）
Ａ０ｅｖｎ（Ｐ２１）＝Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ２１）−ＢＧｅｖｎ（Ｐ２１）
Ａ１ｅｖｎ（Ｐ２１）＝Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ２１）−ＢＧｅｖｎ（Ｐ２１）
Ａ０ｅｖｎ（Ｐ２２）＝Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ２２）−ＢＧｅｖｎ（Ｐ２２）
Ａ１ｅｖｎ（Ｐ２２）＝Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ２２）−ＢＧｅｖｎ（Ｐ２２）
・・・・ 数式１３

第２の条件の飽和判定部８０５では、前述の閾値Ｓｍａｘに対して数式１４の条件判定が実施される。第２の条件の飽和判定部８０５は、いずれかの条件が満たされる場合には、飽和信号有りを合成演算処理部８０１へ通知する。

Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ０１） ＞ Ｓｍａｘ
Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ０１） ＞ Ｓｍａｘ
ＢＧｅｖｎ（Ｐ０１） ＞ Ｓｍａｘ
Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ０２） ＞ Ｓｍａｘ
Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ０２） ＞ Ｓｍａｘ
ＢＧｅｖｎ（Ｐ０２） ＞ Ｓｍａｘ
Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ２１） ＞ Ｓｍａｘ
Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ２１） ＞ Ｓｍａｘ
ＢＧｅｖｎ（Ｐ２１） ＞ Ｓｍａｘ
Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ２２） ＞ Ｓｍａｘ
Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ２２） ＞ Ｓｍａｘ
ＢＧｅｖｎ（Ｐ２２） ＞ Ｓｍａｘ
・・・・ 数式１４

次に、合成演算処理部８０１で実行される処理を例として示す。図１０は、本実施形態に係る測距測定装置１００における合成演算処理の手順を示すフローチャートである。

合成処理が開始されると、第２の条件の飽和判定部８０５は、上述したように、飽和信号があるか否かを判定する（ステップＳ１００１）。飽和信号が有る場合は（ステップＳ１００１においてＹ）、第２の条件の飽和判定部８０５から合成演算処理部８０１に飽和信号有りの通知がされる。この場合、合成演算処理部８０１は、測距不能処理を行う（ステップＳ１００５）。

測距不能処理では、短い露光時間である第２の条件であっても光入力が固体撮像素子１０２の信号レンジを越えているため、処理対象画素では正しい距離測定が不能である。したがって、合成演算処理部８０１は、測距不能状態を距離演算部１１３へ出力する。

飽和信号が無しの場合は（ステップＳ１００１においてＮ）、第１の条件の飽和判定部８０３は、飽和信号があるか否かを判定する（ステップＳ１００２）。飽和信号がある場合は（ステップＳ１００２においてＹ）、第１の条件の飽和判定部８０３から合成演算処理部８０１に飽和信号有りの通知がされる。この場合、合成演算処理部８０１は、合成演算２を行う（ステップＳ１００４）。また、飽和信号が無い場合は、合成演算処理部８０１は、合成演算１を行う（ステップＳ１００３）。

合成演算１では、処理対象画素すべてが非飽和状態の正常な信号レンジ内で固体撮像素子１０２から入力されているので、合成演算処理部８０１は、数式１５の演算を実行し、Ａ０ｍｉｘ、Ａ１ｍｉｘを距離演算部１１３へ出力する。

Ａ０ｍｉｘ＝Ａ０ｏｄｄ（Ｐ１１）＋Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０１）＋Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０２）＋Ａ０ｅｖｎ（Ｐ２１）＋Ａ０ｅｖｎ（Ｐ２２）
Ａ１ｍｉｘ＝Ａ１ｏｄｄ（Ｐ１１）＋Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０１）＋Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０２）＋Ａ１ｅｖｎ（Ｐ２１）＋Ａ１ｅｖｎ（Ｐ２２）
・・・・ 数式１５

ここで、合成部１１２の第１の例として、合成演算１で得られる信号量と入力信号の関係を示す。図１１Ａは、第１の実施形態に係る測距測定装置における合成演算１で得られる信号量と入力信号の関係を示す図である。

本実施形態では、第１の条件と第２の条件では露光時間の比が４：１であるため、第２の条件で画素から得られる信号量の８倍の信号量が合成演算１で得られることになる。したがって、合成演算１により、高Ｓ／Ｎ化が実現できる。これに合わせて、水平方向で画素ピッチの半分の周期で１：３：３：１、垂直方向で画素ピッチの周期で１：２：１の水平および垂直方向が対称的な特性のローパスフィルターを形成しているため、空間的なサンプリング点の偏りがない。

合成演算２では、第２の条件よりも相対的に長い露光時間である第１の条件では光入力が固体撮像素子１０２の信号レンジを越えている。したがって、合成演算処理部８０１は、第２の条件で得られる画素信号のみで数式１６の演算を実行し、Ａ０ｍｉｘ、Ａ１ｍｉｘを距離演算部１１３へ出力する。

Ａ０ｍｉｘ＝｛Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０１）＋Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０２）＋Ａ０ｅｖｎ（Ｐ２１）＋Ａ０ｅｖｎ（Ｐ２２）｝×Ｋ
Ａ１ｍｉｘ＝｛Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０１）＋Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０２）＋Ａ１ｅｖｎ（Ｐ２１）＋Ａ１ｅｖｎ（Ｐ２２）｝×Ｋ
・・・・ 数式１６

なお、数式１６中の係数Ｋは、第１の条件の露光時間の１画素分と、第２の条件の露光時間で４画素分の合計値の比率から予め決定されたものである。ここで、第２の条件の露光時間をａとすると、本実施形態では下記から算出された値である２となる。

Ｋ＝（４ａ＋４×１ａ）／（４×１ａ）＝２

図１１Ｂに、合成演算２で得られる信号量と入力信号の関係図を示す。係数Ｋを乗算して合成演算１で得られる信号量とスケールを統一することにより、例えば信号ノイズの更なる低減のために空間的なローパスフィルターやバイラテラルフィルターを合成部１１２と距離演算部１１３の間に配置する際に、当空間フィルターの参照画素群の中で第１の条件で露光した画素信号の飽和有り無しが混在しても、信号量の連続性が保たれるため正常にフィルター処理を実行することができる。以上が合成部１１２の第１の例についての説明である。

次に、合成部１１２の第２の例として、合成演算２で得られる信号量と入力信号の関係を示す。図１１Ｂは、本実施形態に係る測距測定装置１００における合成演算２で得られる信号量と入力信号の関係を示す図である。また、図１２は、合成部１１２で参照する画素図である。

合成部１１２は、ラインメモリ１１１から、図１２に示すように、奇数ラインのひとつの画素と、当画素に上側または下側で隣接する偶数ラインのひとつの画素を、処理対象とする画素群として、各画素のＳ０信号、Ｓ１信号およびＢＧ信号をラインメモリ１１１から入力する。

例えば、図１２におけるＰ０１、Ｐ１１の画素群が一組の処理対象画素であり、Ｐ０２とＰ１１の一組、または、Ｐ１１とＰ２１の一組が順次合成部へ入力されて信号処理される。後の説明では、図１２中の対象画素群ＢであるＰ０１とＰ１１を例にして説明する。

なお、合成演算２を行う合成部１１２の内部構成は、図８と同じである。

奇数ラインのひとつの画素の入力信号Ｓ０ｏｄｄ（Ｐ１１）、Ｓ１ｏｄｄ（Ｐ１１）、ＢＧｏｄｄ（Ｐ１１）は、第１の条件の背景光除去部８０２および第１の条件の飽和判定部８０３へ入力される。

第１の条件の背景光除去部８０２では、前述の数式１１と同一の演算が実行され、Ａ０ｏｄｄ（Ｐ１１）およびＡ１ｏｄｄ（Ｐ１１）が合成演算処理部８０１へ出力される。

第１の条件の飽和判定部８０３では、前述の数式１２と同一の条件判定を実施し、予め設定された前述の閾値ＳｍａｘとＳ０ｏｄｄ（Ｐ１１）、Ｓ１ｏｄｄ（Ｐ１１）、ＢＧｏｄｄ（Ｐ１１）をそれぞれ比較する。いずれかの入力信号が大なる条件を満たす場合には、第１の条件の飽和判定部８０３は、飽和信号有りを合成演算処理部８０１へ通知する。

偶数ラインのひとつの画素の入力信号Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ０１）、Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ０１）、ＢＧｅｖｎ（Ｐ０１）は、第２の条件の背景光除去部８０４および第２の条件の飽和判定部８０５へ入力される。

第２の条件の背景光除去部８０４では、数式１７が演算実行され、Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０１）、Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０１）、Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０２）が合成演算処理部８０１へ出力される。

Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０１）＝Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ０１）−ＢＧｅｖｎ（Ｐ０１）
Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０１）＝Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ０１）−ＢＧｅｖｎ（Ｐ０１）
・・・・ 数式１７

第２の条件の飽和判定部８０５では、前述の閾値Ｓｍａｘに対して数式１８の条件判定を実施する。いずれかの条件を満たす場合には、第２の条件の飽和判定部８０５は、飽信号和有りを合成演算処理部８０１へ通知する。

Ｓ０ｅｖｎ（Ｐ０１） ＞ Ｓｍａｘ
Ｓ１ｅｖｎ（Ｐ０１） ＞ Ｓｍａｘ
ＢＧｅｖｎ（Ｐ０１） ＞ Ｓｍａｘ
・・・・ 数式１８

このときの、合成演算処理部８０１の処理手順は、図１０に示したものと同じであるが、合成演算１および合成演算２の計算方式が異なる。

合成演算１では、処理対象画素すべてが正常な信号レンジ内で入力されているので合成演算処理部８０１は、数式１９の演算を実行し、Ａ０ｍｉｘ、Ａ１ｍｉｘを距離演算部１１３へ出力する。

Ａ０ｍｉｘ＝Ａ０ｏｄｄ（Ｐ１１）＋Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０１）×Ｋ２
Ａ１ｍｉｘ＝Ａ１ｏｄｄ（Ｐ１１）＋Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０１）×Ｋ２
・・・・ 数式１９

なお、数式１９中の係数Ｋ２は、第１の条件の露光時間と、第２の条件の露光時間の比率から予め決定されたもので、第２の条件の露光時間をａとすると本実施形態では下記から算出された値である４となる。

Ｋ２＝４ａ／１ａ＝４

ここで、合成演算１で得られる信号量と入力信号の関係図を示す。図１３Ａは、合成演算１で得られる信号量と入力信号の関係を示す図である。係数Ｋ２を乗算して合成演算１を実行することで、第１の条件と第２の条件の露光時間の差を吸収することができる。これにより、合成された画素の仮想的な重心位置が画素配列上で行方向および列方向で均一に保つことができる。

合成演算２では、合成演算処理部８０１は、第２の条件で得られる画素信号のみで数式２０の演算を実行し、Ａ０ｍｉｘ、Ａ１ｍｉｘを距離演算部１１３へ出力する。

Ａ０ｍｉｘ＝Ａ０ｅｖｎ（Ｐ０１）×Ｋ３
Ａ１ｍｉｘ＝Ａ１ｅｖｎ（Ｐ０１）×Ｋ３
・・・・ 数式２０

なお、数式２０中の係数Ｋ３は、第１の条件の露光時間の１画素分と第２の条件の露光時間の４倍の値の合計値と、第２の条件の露光時間の比率から予め決定されたもので、第２の条件の露光時間をａとすると本実施形態では下記から算出された値である８となる。

Ｋ＝（４ａ＋４×１ａ）／１ａ＝８

ここで、合成演算２で得られる信号量と入力信号の関係図を示す。図１３Ｂは、合成演算２で得られる信号量と入力信号の関係を示す図である。係数Ｋ３を乗算して合成演算１で得られる信号量とスケールを統一することによる効果は、合成部１１２の第１の例で述べた通りである。

合成部１１２の第２の例によれば、固体撮像素子１０２の奇数ラインと偶数ラインで露光時間を異ならせて広い測定可能範囲を確保しているにも関わらず、合成処理後の画素信号は高い空間分解能を有している。以上が合成部１１２の第２の例についての説明である。

合成演算処理部８０１から出力された合成処理後のＡ０ｍｉｘ、Ａ１ｍｉｘは、合成部１１２の出力として距離演算部１１３へ入力される。

距離演算部１１３では、合成演算処理部８０１から前述の測距不能状態が通知された場合は、出力信号ＤＯを予め決められた測定不能状態を示す値で出力する。測距不能状態が通知されていない場合は、合成演算処理部８０１は、数式２１により出力信号ＤＯを算出する。

ＤＯ＝Ａ１ｍｉｘ／Ａ０ｍｉｘ ・・・・ 数式２１

数式２１は、図２で説明したＴＯＦ方式その１に対応する数式２と等価な式であるため、出力信号ＤＯは対象物までの距離に相当する値である。

併せて、前述同様に図３で述べたＴＯＦ方式その２に対応することも可能であり、発光露光制御部１０１から出力するシャッタータイミング信号ＳＨ１のパルス上のＯＦＦ期間を照射光のパルス発光期間と概同一とし、距離演算部１１３で実施する演算を数式２２とすればよい。

ＤＯ＝Ａ１ｍｉｘ／（Ａ０ｍｉｘ＋Ａ１ｍｉｘ） ・・・・ 数式２２

（第２の実施形態）
第１の実施形態の説明では、固体撮像素子１０２が独立して露光制御可能な画素群を奇数ラインと偶数ラインの２つの画素群で構成した例を示したが、本技術の応用として、図１４から図１７に示すような４つの画素群で構成することも可能である。以下、第２の実施形態について、図１４〜図１７を用いて説明する。

図１４は、本実施形態に係る測距測定装置１００における固体撮像素子１０２の画素配置と合成部１１２で参照する画素図である。図１４では、固体撮像素子１０２の画素セルの配置と各画素群の構成、合成部１１２で参照する画素の組合せを示している。以降では、主に第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

固体撮像素子１０２は、偶数ラインかつ偶数列の画素と（以降、第１の画素群）、偶数ラインかつ奇数列の画素と（以降、第２の画素群）、奇数ラインかつ偶数列の画素と（以降、第３の画素群）、奇数ラインかつ奇数列の画素（以降、第４の画素群）、の４つの画素群ごとにそれぞれ独立の露光制御を可能としている。

例えば、画素Ｐ０１が第１の画素群であり、画素Ｐ０２が第２の画素群であり、画素Ｐ１１が第３の画素群であり、画素Ｐ１２が第４の画素群である。以降はこれらの画素を例にして説明する。

本実施形態に係る距離測定装置１００では、発光露光制御部１０１から出力される露光タイミング信号ＥＴ１は、前述と同様にＳ０露光用、Ｓ１露光用、およびＢＧ露光用の３つの露光用信号を１組とした４組の信号から構成されている。ＥＴ１０ａ信号、ＥＴ１１ａ信号、ＥＴ１２ａ信号は、画素Ｐ０１を含む第１の画素群に供給される。ＥＴ１０ｂ信号、ＥＴ１１ｂ信号、ＥＴ１２ｂ信号は、画素Ｐ０２を含む第２の画素群に供給される。ＥＴ１０ｃ信号、ＥＴ１１ｃ信号、ＥＴ１２ｃ信号は、画素Ｐ１１を含む第３の画素群に供給される。ＥＴ１０ｄ信号、ＥＴ１１ｄ信号、ＥＴ１２ｄ信号は、画素Ｐ１２を含む第４の画素群に供給される。

ここで、発光露光制御部１０１が出力する露光タイミング信号の関係を示す。図１５は、本実施形態に係る測距測定装置１００における発光露光制御タイミング図である。

本実施形態では、一例として、発光露光制御部１０１が生成し出力する発光タイミング信号ＬＴ１によって生じるパルス状の照射光と、発光露光制御部１０１が生成し出力する露光タイミング信号は固体撮像素子１０２の４つの画素群ごとの露光時間で、Ｓ０露光とＳ１露光とＢＧ露光のそれぞれに対する露光時間の比が、第１の画素群：第２の画素群：第３の画素群：第４の画素群＝８：４：２：１となるよう構成されている。

第１実施形態と同様に、本実施形態の発光露光制御部１０１の動作により、商用交流電源を電力源とする照明光が雑音となる環境下で、４つの画素群ごとに露光時間の異なる露光制御を固体撮像素子の同一フレーム内で実施しても、照明光強度の変動を受ける背景光成分の信号を平均化できる。これにより、固体撮像素子１０２の第１の画素群から第４の画素群までのそれぞれのＳ０露光とＳ１露光とＢＧ露光との間で背景光成分の信号量の偏りを排除することができる。特に、相対的に短い露光時間となる第３の画素群または第４の画素群の各画素のＳ０露光およびＳ１露光の照明光成分の信号を、精度よく抽出することが可能となる。

図１４には、本実施形態として、信号処理部１０３内の合成部１１２が合成時に参照する画素群の関係を合わせて示している。

合成部１１２は、ラインメモリ１１１から、図１４に示すように、隣接する第１の画素群のひとつの画素と第２の画素群のひとつの画素と第３の画素群のひとつの画素と第４の画素群のひとつの画素の４つの画素とを処理対象とする画素群として、各画素のＳ０信号、Ｓ１信号およびＢＧ信号をラインメモリ１１１から入力する。

例えば、図１４におけるＰ０１、Ｐ０２、Ｐ１１、Ｐ１２が一組の処理対象画素群であり、その他の組合せとしてＰ０３、Ｐ０４、Ｐ１３、Ｐ１４の一組、または、Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ３１、Ｐ３２の一組が、順次合成部１１２へ入力されて合成処理される。後述の説明では、図１４中の対象画素群ＣであるＰ０１、Ｐ０２、Ｐ１１、Ｐ１２を例に説明する。

図１６は、本実施形態に係る距離測定装置１００における合成部１１２の構成図である。図１６に示すように、本実施形態において、合成部１１２は、合成演算処理部１６０１と、第１の画素群の背景光除去部１６０２と、第１の画素群の飽和判定部１６０３と、第２の画素群の背景光除去部１６０４と、第２の画素群の飽和判定部１６０５と、第３の画素群の背景光除去部１６０６と、第３の画素群の飽和判定部１６０７と、第４の画素群の背景光除去部１６０８と、第４の画素群の飽和判定部１６０９とを有している。

第１の画素群のひとつの画素Ｐ０１の画素信号の入力として、Ｓ０信号であるＳ０ｇ１（Ｐ０１）、Ｓ１信号であるＳ１ｇ１（Ｐ０１）、ＢＧ信号であるＢＧｇ１（Ｐ０１）は、第１の画素群の背景光除去部１６０２および第１の画素群の飽和判定部１６０３へ入力される。

第１の画素群の背景光除去部１６０２では、数式２３が演算実行され、Ａ０ｇ１（Ｐ０１）およびＡ１ｇ１（Ｐ０１）が合成演算部１６０１へ出力される。

Ａ０ｇ１（Ｐ０１）＝Ｓ０ｇ１（Ｐ０１）−ＢＧｇ１（Ｐ０１）
Ａ１ｇ１（Ｐ０１）＝Ｓ１ｇ１（Ｐ０１）−ＢＧｇ１（Ｐ０１）
・・・・ 数式２３

第１の画素群の飽和判定部１６０３は、第１の実施形態と同様に、飽和検出用閾値Ｓｍａｘに対して数式２４の条件判定を実施し、いずれかの条件を満たす場合には、第１の画素群の飽和判定部１６０３は、飽和信号有りを合成演算処理部１６０１へ通知する。

Ｓ０ｇ１（Ｐ０１） ＞ Ｓｍａｘ
Ｓ１ｇ１（Ｐ０１） ＞ Ｓｍａｘ
ＢＧｇ１（Ｐ０１） ＞ Ｓｍａｘ
・・・・ 数式２４

第２の画素群の画素Ｐ０２の入力信号Ｓ０ｇ２（Ｐ０２）、Ｓ１ｇ２（Ｐ０２）、ＢＧｇ２（Ｐ０２）についても、画素Ｐ０１と同様である。第２の画素群の背景光除去部１６０４は、Ａ０ｇ２（Ｐ０２）とＡ１ｇ２（Ｐ０２）を算出し、合成演算処理部１６０１へ出力する。第２の画素群の飽和判定部１６０５は、Ｓ０ｇ２（Ｐ０２）、Ｓ１ｇ２（Ｐ０２）、ＢＧｇ２（Ｐ０２）の内のいずれかの飽和信号有無を合成演算処理部１６０１へ通知する。

第３の画素群の画素Ｐ１１の入力信号Ｓ０ｇ３（Ｐ１１）、Ｓ１ｇ３（Ｐ１１）、ＢＧｇ３（Ｐ１１）についても、画素Ｐ０１と同様である。第３の画素群の背景光除去部１６０６は、Ａ０ｇ３（Ｐ１１）とＡ１ｇ３（Ｐ１１）を算出し、合成演算処理部１６０１へ出力する。第３の画素群の飽和判定部１６０７は、Ｓ０ｇ３（Ｐ１１）、Ｓ１ｇ３（Ｐ１１）、ＢＧｇ３（Ｐ１１）の内のいずれかの飽和信号有無を合成演算処理部１６０１へ通知する。

第４の画素群の画素Ｐ１２の入力信号Ｓ０ｇ４（Ｐ１２）、Ｓ１ｇ４（Ｐ１２）、ＢＧｇ４（Ｐ１２）についても、画素Ｐ０１と同様である。第４の画素群の背景光除去部１６０８は、Ａ０ｇ４（Ｐ１２）とＡ１ｇ４（Ｐ１２）を算出し、合成演算処理部１６０１へ出力する。第４の画素群の飽和判定部１６０９は、Ｓ０ｇ４（Ｐ１２）、Ｓ１ｇ４（Ｐ１２）、ＢＧｇ４（Ｐ１２）の内のいずれかの飽和信号有無を合成演算処理部１６０１へ通知する。

次に、合成演算処理部１６０１で実行される処理を例として示す。図１７は、本実施形態に係る測距測定装置１００における合成演算処理の手順を示すフローチャートである。

合成処理が開始されると、第４の画素群の飽和判定部１６０９は、飽和信号があるか否かを判定する（ステップＳ１７０１）。飽和信号がある場合は（ステップＳ１７０１においてＹ）、第４の画素群の飽和判定部１６０９から合成演算処理部１６０１に飽和信号有りの通知がされる。この場合、合成演算処理部１６０１は、測距不能処理を行う（ステップＳ１７０５）。

測距不能処理では、最も短い露光時間である第４の画素群の画素であっても光入力が固体撮像素子１０２の信号レンジを越えているため、処理対象画素では正しい距離測定が不能である。したがって、合成演算処理部１６０１は、測距不能状態を距離演算部１１３へ出力する。

飽和信号が無しの場合は（ステップＳ１７０１においてＮ）、第３の画素群の飽和判定部１６０７は、飽和信号があるか否かを判定する（ステップＳ１７０２）。飽和信号がある場合は（ステップＳ１７０２においてＹ）、第３の画素群の飽和判定部１６０７から合成演算処理部１６０１に飽和信号有りの通知がされる。この場合、合成演算処理部１６０１は、の合成演算４を行う（ステップＳ１７０６）。

飽和信号が無しの場合は（ステップＳ１７０２においてＮ）、第２の画素群の飽和判定部は、飽和信号があるか否かを判定する（ステップＳ１７０３）。飽和信号がある場合は（ステップＳ１７０３においてＹ）、第２の画素群の飽和判定部１６０５から合成演算処理部１６０１に飽和信号有りの通知がされる。この場合、合成演算処理部１６０１は、合成演算３を行う（ステップＳ１７０７）。

飽和信号が無しの場合は（ステップＳ１７０３においてＮ）、第１の画素群の飽和判定部１６０３は、飽和信号があるか否かを判定する（ステップＳ１７０４）。飽和信号がある場合は（ステップＳ１７０４においてＹ）、第１の画素群の飽和判定部１６０３から合成演算処理部１６０１に飽和信号有りの通知がされる。この場合、合成演算処理部１６０１は、合成演算２を行う（ステップＳ１７０８）。

飽和信号が無しの場合は（ステップＳ１７０４においてＮ）、合成演算処理部１６０１は、合成演算１を行う。合成演算１では、処理対象画素すべてが非飽和状態の正常な信号レンジ内で固体撮像素子１０２から出力されているので、合成演算処理部１６０１は、数式２５の演算を実行し、Ａ０ｍｉｘ、Ａ１ｍｉｘを距離演算部１１３へ出力する。

Ａ０ｍｉｘ＝Ａ０ｇ１（Ｐ０１）＋Ａ０ｇ２（Ｐ０２）＋Ａ０ｇ３（Ｐ１１）＋Ａ０ｇ４（Ｐ１２）
Ａ１ｍｉｘ＝Ａ１ｇ１（Ｐ０１）＋Ａ１ｇ２（Ｐ０２）＋Ａ１ｇ３（Ｐ１１）＋Ａ１ｇ４（Ｐ１２）
・・・・ 数式２５

前述の第１の画素群から第４の画素群までの露光時間の比が８：４：２：１であることから、もっとも短い露光時間のＰ１２のＡ０ｇ４信号に対し、出力信号Ａ０ｍｉｘは１５倍の信号量を有する。また、Ｐ１２のＡ１ｇ４信号に対し、出力信号Ａ１ｍｉｘは同じく１５倍の信号量を有する。

合成演算２では、処理対象画素の中で第１の画素群であるＰ０１のみが飽和している状態である。したがって、合成演算処理部１６０１は、Ｐ０１の画素信号を排除して数式２６の演算を実行し、Ａ０ｍｉｘ、Ａ１ｍｉｘを距離演算部１１３へ出力する。

Ａ０ｍｉｘ＝Ａ０ｇ２（Ｐ０２）＋Ａ０ｇ３（Ｐ１１）＋Ａ０ｇ４（Ｐ１２）
Ａ１ｍｉｘ＝Ａ１ｇ２（Ｐ０２）＋Ａ１ｇ３（Ｐ１１）＋Ａ１ｇ４（Ｐ１２）
・・・・ 数式２６

合成演算３では、処理対象画素の中で第１の画素群であるＰ０１と第２の画素群であるＰ０２が飽和している状態である。したがって、合成演算処理部１６０１は、Ｐ０１とＰ０２の画素信号を排除して数式２７の演算を実行し、Ａ０ｍｉｘ、Ａ１ｍｉｘを距離演算部１１３へ出力する。

Ａ０ｍｉｘ＝Ａ０ｇ３（Ｐ１１）＋Ａ０ｇ４（Ｐ１２）
Ａ１ｍｉｘ＝Ａ１ｇ３（Ｐ１１）＋Ａ１ｇ４（Ｐ１２）
・・・・ 数式２７

合成演算４では、処理対象画素の中で第４の画素群であるＰ１２のみが非飽和状態の正常な信号レンジ内で固体撮像素子１０２から出力されている。したがって、合成演算処理部１６０１は、数式２８の演算を実行し、Ａ０ｍｉｘ、Ａ１ｍｉｘを距離演算部１１３へ出力する。

Ａ０ｍｉｘ＝Ａ０ｇ４（Ｐ１２）
Ａ１ｍｉｘ＝Ａ１ｇ４（Ｐ１２）
・・・・ 数式２８

なお、距離演算部１１３の動作は、第１および第２の実施形態と同様である。

上述のような第２の実施形態によると、４つの画素群の独立な露光制御により、固体撮像素子１０２の信号レンジに対して、信号レンジを８倍に拡大することが可能である。つまり、本実施形態に係る距離測定装置１００は、第１の実施形態に示した距離測定装置１００と比較して、距離に換算して３倍弱の距離測定範囲の拡大を行うことができる。

なお、４つの画素群の露光時間比は、第２の実施形態に記載した比率に限定されるものではなく、発光露光制御部１０１で生成する露光タイミング信号のタイミング変更で容易に変更可能である。

また、第２の実施形態に係る距離測定装置１００では、独立に露光時間の制御を行う画素群を４つとしたが、発光露光制御部１０１で生成する露光タイミング信号の本数を増やし、当信号の固体撮像素子１０２内の各画素セルへの分割配線を増やすことで、独立な露光制御を行う画素群の数をさらに増やすことは容易に実施できる。

以上のような実施形態により、対象物体の距離による光の減衰や表面反射率の影響による反射光強度の低下により制約を受ける固体撮像素子の１フレーム内の距離測定範囲を拡大することで、時間方向の対象物の距離変化に強く、さらには照射光以外の背景光による外乱の影響を除去可能な、良好な精度の距離画像を取得可能な距離測定装置を実現することができる。また、フレームメモリ等を必要としない、小型で低価格な距離測定装置を実現することができる。

本開示は、例えば、人物の有無を検知する機器として、車載の乗員検知装置、産業ＦＡ用途向けの監視システム装置、人の腕や指の動きを３次元的に検出して人物のジェスチャー動作を認識しＰＣなどの特定機器のユーザーインターフェース入力を行う入力装置等に適用できる。

１００ 距離測定装置
１０１ 発光露光制御部
１０２ 固体撮像素子
１０３ 信号処理部
１０４ 発光部
１１１ ラインメモリ
１１２ 合成部
１１３ 距離演算部
１１４ 光源駆動部
１１５ 光源
５０１ フォトダイオード
５０２ リセットトランジスタ
５１０ アナログスイッチ
５１１ アナログスイッチ
５１２ アナログスイッチ
５２０ アナログメモリー
５２１ アナログメモリー
５２２ アナログメモリー
５３０ アンプ
５３１ アンプ
５３２ アンプ
８０１ 合成演算処理部
８０２ 第１の条件の背景光除去部
８０３ 第１の条件の飽和判定部
８０４ 第２の条件の背景光除去部
８０５ 第２の条件の飽和判定部
１６０１ 合成演算処理部
１６０２ 第１の画素群の背景光除去部
１６０３ 第１の画素群の飽和判定部
１６０４ 第２の画素群の背景光除去部
１６０５ 第２の画素群の飽和判定部
１６０６ 第３の画素群の背景光除去部
１６０７ 第３の画素群の飽和判定部
１６０８ 第４の画素群の背景光除去部
１６０９ 第４の画素群の飽和判定部

Claims (9)

1. 光の往復時間を利用して物体までの距離を測定する距離測定装置であって、
   光源から測定対象範囲に向けて光を照射する発光部と、
   前記発光部による照射光の画角内の前記物体の反射光を、行列状に配置された複数の画素において光電変換するとともに、前記画素の露光を独立して実施可能な複数の画素群を有する固体撮像素子と、
   前記発光部に対し前記光源の発光タイミングおよび発光期間を指示し、前記固体撮像素子の前記画素群ごとに光の往復時間に起因する照射光と反射光の時間差に対応する複数種類の画素信号を得るための露光タイミングと露光期間を指示し、前記露光タイミングと前記露光期間の指示を、前記画素群ごとの画素信号の露光を異なる露光時間で実施し、各前記画素群の照射光と反射光の時間差に対応する各画素信号の露光を背景光の光量変動周期内において、周期的な少なくとも２つ以上の露光期間で実施することで、前記画素の露光を間欠的に行う発光露光制御部と、
   前記固体撮像素子の画素群ごとに異なる露光時間で露光を実施された２つ以上の近隣の画素の、照射光と反射光の時間差に対応した画素信号に基づいて、前記固体撮像素子に結像される物体の距離値を算出する信号処理部と、を備える
   距離測定装置。
2. 前記信号処理部は、
   前記固体撮像素子の前記画素群で異なる時間で露光された２つ以上の近隣の前記画素に対して、照射光と反射光の時間差に対応した前記画素信号ごとに合成して、照射光と反射光の時間差に対応する合成画素信号を得る合成部と、
   前記合成画素信号から照射光と反射光の時間差に基づいて、前記固体撮像素子に結像される前記物体の距離値を算出する距離演算部と、を有する
   請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記固体撮像素子において、露光を独立して実施可能な２つ以上の前記複数の画素群は、
   前記固体撮像素子内の前記複数の画素のうち、奇数行に配置された画素を第１の画素群
   とし、偶数行に配置された画素を第２の画素群とし、前記第１の画素群と前記第２の画素群とは、それぞれ露光を独立して実施可能な２つの画素群である
   請求項１または２に記載の距離測定装置。
4. 前記固体撮像素子において、露光を独立して実施可能な２つ以上の前記複数の画素群は、
   前記固体撮像素子内の前記複数の画素のうち、偶数行かつ偶数列に配置された画素を第１の画素群とし、偶数行かつ奇数列に配置された画素を第２の画素群とし、奇数行かつ偶数列に配置された画素を第３の画素群とし、奇数行かつ奇数列に配置された画素を第４の画素群とし、前記第１の画素群と前記第２の画素群と前記第３の画素群と前記第４の画素群とは、それぞれ露光を独立して実施可能な４つの画素群である
   請求項１または２に記載の距離測定装置。
5. 前記合成部は、
   前記固体撮像素子の前記画素群で異なる時間で露光された２つ以上の近隣の前記画素のそれぞれから出力された複数の前記画素信号の中で、各前記画素信号が飽和しているか否かの判断を行い、飽和している前記画素信号がある場合はこれを排除して、照射光と反射光の時間差に対応する前記合成画素信号を取得する
   請求項２に記載の距離測定装置。
6. 前記合成部は、
   前記固体撮像素子の前記画素群で異なる時間で露光された２つ以上の近隣の前記画素のそれぞれから出力された複数の前記画素信号の中で、飽和している前記画素信号がある場合は、飽和していない前記画素の露光時間に対する飽和している前記画素の露光時間の倍率を、飽和していない近隣の前記画素の各前記画素信号に乗じて、飽和している前記画素信号を補間した後に合成する
   請求項５に記載の距離測定装置。
7. 前記発光露光制御部において、
   前記固体撮像素子の各前記画素群における照射光と反射光の時間差に対応する各前記画素信号の露光期間の周期をＴｃｙｃとし、１フレーム内の露光期間の回数をＮｃｙｃとしたときに、商用交流電源を供給源とする照明光の光量変動周期時間Ｔｂｇに対してＴｃｙｃを約１／ｎとし（ｎは２以上の自然数）、休止期間を含む露光に要する時間Ｔｃｙｃ×Ｎｃｙｃを、前記光量変動周期時間Ｔｂｇの約ｍ倍（ｍは１以上の自然数）とする
   請求項１または２に記載の距離測定装置。
8. 前記発光露光制御部において、
   前記固体撮像素子の各前記画素群における照射光と反射光の時間差に対応する前記画素信号の間欠的な露光期間のうちで、一方の前記画素群で実施される露光期間と、前記一方の画素群で実施される露光期間よりも相対的に短い他方の画素群で実施される露光期間が、時間的に重なるよう制御する
   請求項１または２に記載の距離測定装置。
9. 前記発光露光制御部において、
   前記固体撮像素子の前記画素群における照射光と反射光の時間差に対応する各画素信号の間欠的な露光期間のうちで、各前記画素群で少なくとも１つの前記画素信号の露光期間は、物体の反射光が前記固体撮像素子に入射しない露光タイミングに設定して前記背景光のみが光電変換された画素信号となるよう制御し、
   前記合成部は、背景光成分のみの前記画素信号を用いて、照射光成分と前記背景光
   成分の両方を含む前記画素信号から前記背景光成分を除去する
   請求項２に記載の距離測定装置。

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