JP7238343B2 - 距離測定装置及び距離測定方法 - Google Patents

Description

本開示は、光源から照射された光が対象物によって反射され戻ってくるまでの遅れ時間を検出することにより、対象物との距離を測定する距離測定装置に関する。

赤外光などの光を照射し、その光が対象物によって反射されて戻ってくるまでの遅れ時間、すなわち光の飛行時間を計って対象物との距離を測定する、いわゆるＴＯＦと呼ばれる距離測定方法が知られている。なお、ＴＯＦとは、Time Of Flightの省略語である。ＴＯＦでは、パルス波形の光の飛行時間を直接測定するパルス方式の手法の他に、高周波で強度変調された連続照明の位相遅れを検出する位相差検出方式の手法が用いられる。位相差検出方式のＴＯＦにおいては、位相差の時間分解能が反射光のＳ／Ｎ比に依存するため、精密な測距を実現するには、高いＳ／Ｎ比が要求される。また、パルス方式のＴＯＦにおいては、受光素子の飽和により反射光のピークが曖昧になり測距の精度が落ちたり、反射光のＳ／Ｎ比が不足することにより測距が行えない場合がある。

例えば、車載用途で屋外においてＴＯＦを用いる場合、強い外乱光により相対的に信号光が弱くなり、Ｓ／Ｎ比が不足するシーンが多く存在する。また、車載用途では、光の反射率の高低や距離の長短が著しく異なる様々な物体が混在するシーンでＴＯＦが用いられることが想定される。そのようなシーンにおいては、戻り光が弱すぎてＳ／Ｎ比が不足したり、逆に戻り光が強すぎて受光素子が飽和することにより、距離を正確に測定できない可能性があった。

一方、特許文献１には、光源からの光が集約された光照射領域と、その光照射領域の間を埋める光非照射領域とを有する投影パターンを対象物に照射し、光照射領域による戻り光を利用して対象物との距離を測定する技術が記載されている。

特開２０１６－１６６８１４号公報

特許文献１に記載の技術においては、光照射領域に光を集約することによってＳ／Ｎ比を高めた状態で測距を行うことができる。しかしながら、発明者による検討の結果、特許文献１に記載の技術においては、次のような問題が見出された。例えば、光照射領域以外の領域はで距離情報を取得できないため、距離情報の二次元の分布を表す距離画像の解像度が劣るという問題がある。また、光照射領域における単一種類の光のみで距離情報を取得するため、光の反射率や距離が著しく異なる様々な物体が混在するようなシーンにおいて、あらゆる物体に対して適切な強度の光を照射できるとは限らない。その結果、いくつかの物体からの戻り光においてＳ／Ｎ比の不足や受光素子の飽和を来たし、距離を正確に測定できないおそれがある。

そこで、本開示の一局面は、光の反射率や距離が著しく異なる様々な物体が混在するようなシーンにおいて、的確に距離情報を取得するための技術を提供することが好ましい。

本開示の一態様に係る距離測定装置（１）は、照射部（１０）と、受光センサ（１７）と、測定部（１８）とを備える。なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

照射部は、強度変調された光による所定の照射パターンが形成されたパターン光を、測距対象の空間に照射するように構成されている。また、照射部は、強度が相対的に強い光で構成される領域である強発光領域に対応する光を照射する少なくとも１つの第１光源（１１）と、強度が相対的に弱い光で構成される領域である弱発光領域に対応する光を照射する少なくとも１つの第２光源（１２）との異なる複数種類の光源を備える。そして、照射部は、パターン光として、強発光領域と弱発光領域とからなる部分を複数有し、かつ強発光領域及び弱発光領域が同時に光る照射パターンが形成されたパターン光を照射するように構成されている。受光センサは、複数の画素に対応する複数の受光素子を有し、照射部によって照射されたパターン光が対象物によって反射された戻り光を画素ごとに受光するように構成されている。

測定部は、照射部から照射されたパターン光と受光センサにより受光された戻り光に基づいて、対象物との距離を表す距離情報を画素ごとに取得するように構成されている。この測定部は、受光センサにより受光された複数の画素の戻り光について、受光強度が所定の条件を満たす画素に対応する距離の値を、有効な距離情報として出力するように構成されている。

上述のような構成によれば、距離や光の反射率が著しく異なる様々な対象物が混在するようなシーンにおいて、的確に距離情報を取得することができる。例えば、光の反射率が低かったり遠方に存在する対象物に対しては、たとえ弱発光領域からの戻り光では距離情報を取得するのに十分なＳ／Ｎ比を確保できなかったとしても、強発光領域からの戻り光により十分なＳ／Ｎ比を確保して正確な距離情報を取得できる。一方、光の反射率が高かったり近方に存在する対象物に対しては、たとえ強発光領域からの戻り光が強すぎたとしても、弱発光領域の光により受光素子が飽和しない程度の戻り光を受光して正確な距離情報を取得できる。

したがって、さまざまな状況の対象物が混在するシーンであっても、強発光領域及び弱発光領域それぞれの光に適した対象物に対して、一度の受光で距離を的確に測定することができる。また、強発光領域及び弱発光領域の何れからの戻り光でも距離情報を取得できることから、良好な解像度の距離画像を得ることができる。

一方、本開示の他の態様に係る距離測定装置（３）は、照射部（４０）と、受光センサ（１７）と、測定部（１８）とを備える。照射部は、複数のドット光が配列したパターン光を発生するように構成された光源（４１）と、光源から発生するパターン光を測距対象の空間に照射するように構成された光学系（４２）とを有する。そして、照射部は、複数のドット光同士の隙間の間隔を異ならせた複数種類のパターン光を照射するように構成されている。

受光センサ（１７）は、複数の画素に対応する複数の受光素子を有し、照射部によって照射されたパターン光が対象物によって反射された戻り光を画素ごとに受光するように構成されている。測定部（１８）は、照射部から照射されたパターン光と受光センサにより受光された戻り光に基づいて、対象物との距離を表す距離情報を画素ごとに取得するように構成されている。この測定部は、照射部によって照射された複数種類のパターン光が受光センサにより受光された複数の画素の戻り光について、受光強度が所定の条件を満たす画素に対応する距離の値を、有効な距離情報として出力するように構成されている。

上述のような構成によれば、照射部は、単一の光源からでも複数種類のパターン光を照射することができる。例えば、照射部は、各ドット光の広がり角を拡大してドット光間の隙間を埋めた均一光からなるパターン光や、各ドット光の広がり角を縮小して、個々のドット光による強発光領域を有するパターン光を照射することができる。そのような複数種類のパターン光を用いることで、距離や光の反射率が著しく異なる様々な対象物が混在するようなシーンにおいて、的確に距離情報を取得することができる。

例えば、光の反射率が低かったり遠方に存在する対象物に対しては、各ドット光の広がり角を縮小した強発光領域からの戻り光により十分なＳ／Ｎ比を確保して正確な距離情報を取得できる。一方、光の反射率が高かったり近方に存在する対象物に対しては、各ドット光の広がり角を拡大した均一光により受光素子が飽和しない程度の戻り光を受光して正確な距離情報を取得できる。

一方、本開示の他の態様に係る距離測定装置（３）は、照射部（４０）と、受光センサ（１７）と、測定部（１８）とを備える。照射部は、複数のドット光が配列したパターン光を発生するように構成された光源（４１）と、光源から発生するパターン光を測距対象の空間に照射するように構成された光学系（４２）とを有する。そして、照射部は、光学系の焦点距離を変化させることにより、複数のドット光同士の間隔を異ならせた複数種類のパターン光を照射するように構成されている。

受光センサは、複数の画素に対応する複数の受光素子を有し、照射部によって照射されたパターン光が対象物によって反射された戻り光を画素ごとに受光するように構成されている。測定部は、照射部から照射されたパターン光と受光センサにより受光された戻り光に基づいて、対象物との距離を表す距離情報を画素ごとに取得するように構成されている。この測定部は、照射部によって照射された複数種類のパターン光が受光センサにより受光された複数の画素の戻り光について、受光強度が所定の条件を満たす画素に対応する距離の値を、有効な距離情報として出力するように構成されている。

上述のような構成によれば、照射部は、光学系の焦点距離を変化させることで、単一の光源からでも複数種類のパターン光を照射することができる。例えば、照射部は、焦点距離を伸ばしてドット光同士の間隔が狭いパターン光や、焦点距離を縮めてドット光同士の間隔が広いパターン光を照射することができる。そのような複数種類のパターン光を用いることで、様々なシーンにおいて的確に距離情報を取得することができる。

ドット光同士の間隔が狭いパターン光を用いることで、パターン光が照射される領域において高解像度の距離情報を取得することができる。また、光学系の焦点距離を変化させてもドットパターンが維持されるため、常に強度の高いドット光を照射することができ、光の反射率が低かったり遠方に存在する対象物に対して、ドット光からの戻り光により十分なＳ／Ｎ比を確保して正確な距離情報を取得できる。

一方、本開示の他の態様に係る距離測定装置（３）は、照射部（４０）と、受光センサ（１７）と、測定部（１８）とを備える。照射部は、複数のドット光が配列したパターン光を発生するように構成された光源（４１）と、光源から発生するパターン光を測距対象の空間に照射するように構成された光学系（４２）とを備える。更に、照射部には、光源と光学系との間の光路においてパターン光の一部領域に重なるように配置され、透過する光を屈折又は拡散させる作用を有する平板（４４）が設けられている。

受光センサは、複数の画素に対応する複数の受光素子を有し、照射部によって照射されたパターン光が対象物によって反射された戻り光を画素ごとに受光するように構成されている。測定部は、照射部から照射されたパターン光と受光センサにより受光された戻り光に基づいて、対象物との距離を表す距離情報を画素ごとに取得するように構成されている。この測定部は、照射部によって照射されたパターン光が受光センサにより受光された複数の画素の戻り光について、受光強度が所定の条件を満たす画素に対応する距離の値を、有効な距離情報として出力するように構成されている。

上述のような構成によれば、１つの光源から発生するパターン光の一部領域を、平板により屈折又は拡散させることで、平板を透過した部分のパターン光におけるドット光の性状を他の部分のドット光と異ならせることができる。このようにすることで、１つのパターン光の中に複数種類のドット光のパターンが形成される。そのような複数種類のパターン光を用いることで、距離や光の反射率が異なる様々な対象物が混在するようなシーンにおいて、的確に距離情報を取得することができる。

第１実施形態における距離測定装置の全体構成を表すブロック図である。 照射パターンの複数の例を表す説明図である。 複数のシーン別の受光状況の例を表す説明図である。 複数のシーン別の受光状況の例を表す説明図である。 複数のシーン別の受光状況の例を表す説明図である。 自車両の移動に伴う受光状況の変化の例を表す説明図である。 測定処理の手順を表すフローチャートである。 測定処理の変形例の手順を表すフローチャートである。 モード選択処理の手順を表すフローチャートである。 測定される距離のばらつきの例を表す説明図である。 距離情報に基づいて認識された対象物の形状の一例を表す説明図である。 測定処理の変形例の手順を表すフローチャートである。 第２実施形態における距離測定装置の全体構成を表すブロック図である。 照射パターンの変化の例を表す説明図である。 照射パターンの制御の一例を表すタイミングチャートである。 照射パターンの制御の一例を表すタイミングチャートである。 照射パターンの制御の一例を表すタイミングチャートである。 照射パターンの制御の一例を表すタイミングチャートである。 照射パターンの制御の一例を表すフローチャートである。 第２実施形態の変形例を表す説明図である。 第２実施形態の変形例を表す説明図である。

以下、本開示の例示的な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本開示は下記の実施形態に限定されるものではなく様々な態様にて実施することが可能である。
〈第１実施形態〉
［距離測定装置の構成の説明］
第１実施形態の距離測定装置１の構成について、図１を参照しながら説明する。本実施形態において、距離測定装置１は車両２に搭載されている。車両２は、例えば自動車である。図１に例示されるとおり、距離測定装置１は、照射部１０と、受光部１５と、制御部１８と、車両・環境情報入力部１９と、認識部２０とを備える。この距離測定装置１は、車両２の周囲における測定対象の空間に、例えばレーザ光等の光を照射し、その光が対象物によって反射された戻り光に基づいて距離を測定する機能を有する。

照射部１０は、所定の照射パターンが形成されたパターン光を、測距対象の空間に照射するように構成されている。照射部１０が照射するパターン光は、強度が相対的に強い光で構成される強発光領域と、強度が相対的に弱い光で構成される弱発光領域とからなる部分を複数有し、かつ強発光領域及び弱発光領域が同時に光る照射パターンを形成する。

照射部１０は、強発光領域を構成する光を照射するための構成として、第１光源１１と集光レンズ１３とを備える。第１光源１１は、例えば、不可視光を発するレーザダイオード等により具現化される。集光レンズ１３は、第１光源１１から発せられる光を、所定の空間領域に分布する強発光領域の照射パターンに変換する光学素子である。この集光レンズ１３は、例えば、通過する光を回折させることにより、所定のパターンに光を集中させるように構成された回折光学素子等により具現化される。あるいは、集光レンズ１３は、第１光源１１上に設置される組レンズであってもよく、光源面のパターンを遠方へ投影することにより具現化される。この場合光源はＶＣＳＥＬのような面発光光源が好まれる。またこの組レンズは例えば受光レンズ１６と同一スペックのレンズであっても良い。集光レンズ１３により変換される強発光領域は、複数のドットやストライプ状に集約された光からなる。

また、照射部１０は、弱発光領域を構成する光を照射するための構成として、第２光源１２と拡散レンズ１４とを備える。第２光源１２は、例えば、不可視光を発するレーザダイオード等により具現化される。拡散レンズ１４は、第２光源１２から発せられる光を、所定の空間領域に分布する弱発光領域の照射パターンに変換する光学素子である。この拡散レンズ１４は、通過する光を拡散させることにより、所定の空間領域にほぼ均一な強度で分布する均一光を形成するように構成されたレンズ等により具現化される。拡散レンズ１４により変換される弱発光領域は、強発光領域よりも広い範囲に広がるほぼ均一な光からなる。照射部１０は、強発光領域と弱発光領域とが重なるように車両２の周囲の測定対象の空間に向けて配置される。

距離測定装置１を車両２に搭載する用途においては、強発光領域の弱発光領域に対する放射強度の倍率は、例えば、２倍から２５０倍までの範囲であるとよい。例えば、対象物からの戻り光を受光する受光センサのダイナミックレンジを６０ｄBと想定した場合、正常に受光可能な放射強度の強度比の範囲は１～１０００程度である。このような条件下において、強発光領域と弱発光領域との強度比を２倍にした場合、例えば、距離が１ｍで反射率９０パーセントの対象物による弱発光領域からの戻り光と、距離が１５ｍで反射率１０パーセントの対象物による強発光領域からの戻り光とを、同時に観測可能になる。あるいは、強発光領域と弱発光領域との強度比を２５０倍にした場合、距離が０．３ｍで反射率９０パーセントの対象物による弱発光領域からの戻り光と、距離が５０ｍで反射率１０パーセントの対象物による強発光領域からの戻り光とを、同時に観測可能になる。

強発光領域及び弱発光領域からなる照射パターンの複数の具体例を図２に示す。図２の事例において、符合２１は、複数のドット状の光が水平及び垂直方向に一定間隔で配列したパターンを有する強発光領域と、ドット状の強発光領域の間を埋めるように分布する弱発光領域からなる照射パターンを示す。また、符合２２は、水平方向に延びる複数の縞状の光が一定間隔で配列したパターンを有する強発光領域と、縞状の強発光領域の間を埋めるように分布する弱発光領域からなる照射パターンを示す。また、符合２３は、垂直方向に伸びる複数の縞状の光が一定間隔で配列したパターンを有する強発光領域と、縞状の強発光領域の間を埋めるように分布する弱発光領域からなる照射パターンを示す。

図１のブロック図の説明に戻る。受光部１５は、受光レンズ１６と受光センサ１７とを備える。受光レンズ１６は、測距対象の空間から入射する光を、受光センサ１７の受光面に集光するように構成されている。受光センサ１７は、受光レンズ１６を介して入射する光を受け、その光の強度に応じた電気信号に変換して受光データとして出力する撮像素子である。受光センサ１７が受光レンズ１６を介して受光する光には、照射部１０により照射されたパターン光が対象物に反射された戻り光が含まれる。受光センサ１７は、二次元に配列する複数の画素に対応する複数の受光素子を有し、画素ごとに光を受光して電気信号に変換することで１フレーム分の画像に相当する領域を一度に観測可能に構成されている。

制御部１８は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、入出力インタフェース等を中心に構成された情報処理装置である。制御部１８は、例えば、コンピュータシステムとしての機能が集約されたマイクロコントローラ等により具現化される。制御部１８の機能は、ＣＰＵがＲＯＭや、半導体メモリ等の実体的な記憶媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。なお、制御部１８を構成するマイクロコントローラの数は１つでも複数でもよい。

制御部１８は、距離測定装置１の各部を制御して車両２の周囲に存在する対象物との距離を測定し、その測定結果を表す距離情報を出力する機能を有する。具体的には、制御部１８は、照射部１０の第１光源１１及び第２光源１２を制御し、それぞれの光源から所定の周期で強度変調された光による強発光領域及び弱発光領域からなるパターン光を照射する。また、制御部１８は、第１光源１１及び第２光源１２を同時に発光させる動作態様の他、第１光源１１又は第２光源１２のどちらか一方のみを発光させる動作態様を選択的に実行可能に構成されている。

また、制御部１８は、照射部１０からパターン光が照射されたタイミングに合わせて、受光部１５において受光された戻り光の受光データを取得する。そして、制御部１８は、照射部１０から照射した光と、受光部１５において受光した戻り光に基づいて、対象物との距離を表す距離情報を画素ごとに取得する。受光センサ１７による１度の受光によって得られる１フレーム分の距離情報は、受光センサ１７における画像座標に対応する距離値の集合である。

なお、本実施形態では、距離を測定する手法として、位相差検出方式のＴＯＦ及びパルス方式のＴＯＦの何れも適用可能である。位相差検出方式のＴＯＦを用いる場合、制御部１８は、所定の周期に強度変調された光によるパターン光を照射部１０から照射し、照射されたパターン光と戻り光との位相差を求めて、その位相差を距離に換算して対象物との距離を測定する。

位相差検出方式のＴＯＦでは、一例として、次のようなメリットがある。受光センサのアレイ化が容易であり、高解像度の距離画像を得ることができる。受光センサがイメージセンサのように電荷を蓄積することで、露光時間の調節によりＳ／Ｎ比を高めることができる。受光素子が飽和しない限り、背景光のオフセット成分を除去して距離演算を行うことができる。

あるいは、パルス方式のＴＯＦを用いる場合、制御部１８は、パルス波形の光によるパターン光を照射部１０から照射し、パターン光が照射されたタイミングから戻り光を受光したタイミングまでの時間を計測し、その時間を距離に換算して対象物との距離を測定する。

パルス方式のＴＯＦでは、一例として、次のようなメリットがある。遠距離の物体に対して、位相回りによる偽距離が発生しない。複数の戻り光のパルスを時間的に分離可能であることから、マルチパスの影響を除去できる。照射するパルス光のデューティが低いため、光源の発熱を抑制できる。

さらに、制御部１８は、受光部１５において観測された戻り光の画素ごとの受光強度に応じて、有効な距離情報を選別して出力する機能を有する。この機能における一連の処理手順については後述する。なお、制御部１８の機能を実現する手法はソフトウェアに限るものではなく、その一部又は全部の要素を論理回路やアナログ回路等を組合せたハードウェアを用いて実現してもよい。なお、制御部１８が、本開示における測定部、切換制御部、観測制御部、補完部、及び補正部に相当する。

車両・環境情報入力部１９は、車両２の走行の状態を表す車両情報、及び車両２の周辺環境の状態を表す環境情報を制御部１８に入力する。本実施形態では、車両情報として、車速や方向指示器の動作状況等を表す情報を想定している。また、環境情報として、道路の状況や、距離情報に基づいて認識された対象物の種類や分布等を表す情報を想定している。なお、車両・環境情報入力部１９が、本開示における情報取得部に相当する。

認識部２０は、制御部１８から出力された距離情報に基づいて、車両２の周辺に存在する特定の対象物を認識する。認識部２０が認識する対象物としては、例えば、人物や他の交通移動体、あるいは動物等が含まれ得る。距離画像から特定の対象物を認識する手法については、周知の画像認識技術を用いることができる。

［シーン別の受光状況の説明］
状況が異なる複数の対象物が混在する状況下において、強発光領域及び弱発光領域を含むパターン光を照射し、その戻り光を受光した状況を想定した複数の事例について、図３～６を参照しながら説明する。

図３の事例では、車両２から同程度の距離に反射率が比較的低い対象物と、反射率が比較的高い対象物とが混在するシーンにおいてパターン光を照射し、その戻り光を受光した状況を想定している。図３に例示されるとおり、反射率が低い対象物については、強発光領域及び弱発光領域を含むパターン光のうち、弱発光領域からの戻り光は、Ｓ／Ｎ比の不足により距離を的確に取得できない可能性がある。その一方で、強発光領域からの戻り光は適切な受光強度を確保でき、距離を的確に取得できる。

一方、反射率が高い対象物については、強発光領域及び弱発光領域を含むパターン光のうち、強発光領域からの戻り光は、受光強度の過大により受光センサ１７が飽和して距離を的確に取得できない可能性がある。その一方で、弱発光領域からの戻り光は適切な受光強度を確保でき、距離を的確に取得できる。したがって、図３の事例のように、強発光領域及び弱発光領域を含むパターン光を用いることで、反射率が低い対象物と反射率が高い対象物とが混在するシーンであっても、何れの対象物についても距離を的確に取得することができる。

図４の事例では、車両２からの距離が比較的遠い対象物と、車両２からの距離が比較的近い対象物とが混在するシーンにおいてパターン光を照射し、その戻り光を受光した状況を想定している。図４に例示されるとおり、遠距離の対象物については、強発光領域及び弱発光領域を含むパターン光のうち、弱発光領域からの戻り光は、Ｓ／Ｎ比の不足により距離を的確に取得できない可能性がある。その一方で、強発光領域からの戻り光は適切な受光強度を確保でき、距離を的確に取得できる。

一方、近距離の対象物については、強発光領域及び弱発光領域を含むパターン光のうち、強発光領域からの戻り光は、受光強度の過大により受光センサ１７の受光素子が飽和して距離を的確に取得できない可能性がある。その一方で、弱発光領域からの戻り光は適切な受光強度を確保でき、距離を的確に取得できる。したがって、図４の事例のように、強発光領域及び弱発光領域を含むパターン光を用いることで、遠距離の対象物と近距離の対象物とが混在するシーンであっても、何れの対象物についても距離を的確に取得することができる。

図５は、例えば日光等の環境光が強い状況下でパターン光を照射し、その戻り光を受光した状況と、例えば曇天により環境光が弱い状況下でパターン光を照射し、その戻り光を受光した状況との対比を表している。図５に例示されるとおり、環境光が強い状況下では、強発光領域及び弱発光領域を含むパターン光のうち、弱発光領域からの戻り光は、Ｓ／Ｎ比の不足により距離を的確に取得できない可能性がある。その一方で、強発光領域からの戻り光は適切な受光強度を確保でき、距離を的確に取得できる。

一方、環境光が弱い状況下では、強発光領域及び弱発光領域何れの戻り光についても適切な受光強度を確保でき、距離を的確に取得できる。したがって、図５の事例のように、強発光領域及び弱発光領域を含むパターン光を用いることで、環境光が強い又は弱い何れの状況下であっても、距離を的確に取得することができる。

図６の事例では、遠距離に反射率の低い壁状の対象物３１と、近距離に反射率の高いポール状の対象物３２とが混在するシーンおいてパターン光を照射し、その戻り光を受光した状況を想定している。図６の左側に例示されるように、先の観測のタイミングでは、遠距離の反射率の低い対象物３１の一部に強発光領域の集中光が照射されることで、その部分の距離を取得できる。同時に、近距離の反射率の高いポール状の対象物３２には、強発光領域の集中光のみが照射されるが、戻り光の受光強度が過大になり受光センサ１７の受光素子が飽和して距離を的確に取得できない。

そのような状況下において、図６の右側に例示されるように、その後の観測タイミングにおいて車両２の進行に伴い対象物３２との相対的位置が変化すると、対象物３２に弱発光領域の均一光が照射されることで、戻り光を適切な受光強度で受光でき、距離を的確に取得できる。

［測定処理の説明］
制御部１８が実行する測定処理の手順について、図７のフローチャートを参照しながら説明する。この測定処理は、１フレーム分の測定タイミングに対応する所定の制御周期ごとに繰返し実行される。

Ｓ１００では、制御部１８は、１フレーム分の距離情報を取得する。具体的には、制御部１８は、照射部１０から強発光領域及び弱発光領域からなるパターン光を照射させ、受光部１５において受光された戻り光の受光データを取得する。そして、制御部１８は、照射部１０から照射した光と、受光部１５において受光した戻り光に基づいて、画素ごとに対象物との距離を表す距離情報を取得する。

Ｓ１０２～Ｓ１０６の処理は、ループ処理であり、Ｓ１００で取得された１フレーム分の距離情報を構成する全ての画素についてについて順次処理が完了するまで繰返される。Ｓ１０２では、制御部１８は、処理の対象である１つの画素（以下、対象画素という）について、受光センサ１７で観測された受光強度を取得する。Ｓ１０４では、制御部１８は、Ｓ１０２で取得された受光強度が、所定の測定条件を満たすか否かを判定する。本実施形態では、測定条件として、対象画素の受光強度が、有効な距離値を導出し得る最小の受光強度から、受光センサ１７の受光素子が飽和する受光強度までの範囲内に含まれるか否かを判定する。対象画素の受光強度が測定条件を満たす場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、制御部１８はループ処理の終端に処理を移す。一方、対象画素の受光強度が測定条件を満たさない場合（Ｓ１０４：ＮＯ）、制御部１８はＳ１０６に処理を移す。

Ｓ１０６では、制御部１８は、Ｓ１００で取得された１フレーム分の距離情報の中から、対象画素に関する距離情報を破棄する。Ｓ１０６の後、未処理の画素が残っている場合、制御部１８はループ処理の始めに処理を移す。一方、全ての画素について処理が完了した場合、制御部１８は処理をＳ１０８に移す。Ｓ１０８では、制御部１８は、ループ処理において破棄されずに残った各画素の距離情報を、１フレーム分の有効な距離情報として出力する。

［フレーム間で補正を行う測定処理の説明］
図７に例示される測定処理に更なる工夫を加えた構成として、連続する複数のフレーム間で距離情報の補正を行う測定処理の手順について、図８を参照しながら説明する。

Ｓ２００では、制御部１８は、第１フレームに対応する１フレーム分の距離情報を取得する。具体的には、制御部１８は、図７に例示される測定処理のＳ１００と同様の手順で、第１フレームの距離情報を取得する。

Ｓ２０２では、制御部１８は、Ｓ２００で取得された第１フレームの距離情報の中から、画素ごとの受光強度が測定条件を満たさない画素に関する距離値を破棄する。具体的には、制御部１８は、図７に例示される測定処理におけるＳ１０２～Ｓ１０６のループ処理と同様の手順で、第１フレームの距離情報を処理する。

Ｓ２０４では、制御部１８は、第１フレームの測定タイミングから所定時間後の次の測定タイミングにおいて、第２フレームに対応する１フレーム分の距離情報を取得する。具体的には、制御部１８は、図７に例示される測定処理のＳ１００と同様の手順で、第２フレームの距離情報を取得する。

Ｓ２０６では、制御部１８は、第１フレームの測定タイミングから第２フレームの測定タイミングまでの時間間隔における車両２の走行距離が所定の閾値以下であるか否かを判定する。なお、制御部１８は、車両・環境情報入力部１９を介して取得した車速に基づいて、車両２の走行距離を導出する。第１フレームの測定タイミングから第２フレームの測定タイミングまでの時間間隔における車両２の走行距離が所定の閾値以下である場合（Ｓ２０６：ＹＥＳ）、制御部１８は処理をＳ２０８に移す。

Ｓ２０８では、制御部１８は、Ｓ２０４で取得された第２フレームの距離情報の中から、画素ごとの受光強度が測定条件を満たさない画素に関する距離値を破棄する。具体的には、制御部１８は、図７に例示される測定処理におけるＳ１０２～Ｓ１０６のループ処理と同様の手順で、第２フレームの距離情報を処理する。なお、Ｓ２０８では、制御部１８は、第２フレームの距離情報を構成する画素群のうち、Ｓ２０２で第１フレームにおいて距離情報が破棄された画素位置に対応する画素のみを処理の対象とする。

Ｓ２１０では、制御部１８は、Ｓ２０２及びＳ２０８において第１フレーム及び第２フレームそれぞれから得られた有効な距離データを用いて、１フレーム分の距離情報を補完する。具体的には、制御部１８は、第１フレームにおいて破棄された画素位置に対応する距離値を、当該画素位置に対応する第２フレームの距離値を用いて補完する。Ｓ２１２では、制御部１８は、Ｓ２１０において補完された距離情報を１フレーム分の有効な距離情報として出力する。

一方、Ｓ２０６において否定判定がなされた場合（Ｓ２０６：ＮＯ）、制御部１８は処理をＳ２１４に移す。Ｓ２１４では、制御部１８は、Ｓ２０２の処理において破棄されずに残った第１フレームの各画素の距離情報を、１フレーム分の有効な距離情報として出力する。

上述したフレーム間で補正を行う測定処理には、次のような利点がある。車両２が移動することより、第１フレームと第２フレームとの間において、ある箇所に照射される強発光領域と弱発光領域とが入れ替わる。強発光領域と弱発光領域とが入れ替わることにより、たとえ第１フレームで対象物について受光素子の飽和やＳ／Ｎの不足が発生したとしても、第２フレームで当該対象物について正常に距離情報を取得することができる。

［モード選択処理の説明］
実施形態の距離測定装置１に適用可能な更なる工夫として、制御部１８は、照射部１０の第１光源１１及び第２光源１２を同時に発光させる動作態様の他、第１光源１１又は第２光源１２のどちらか一方のみを発光させる動作態様を、状況に応じて実行してもよい。制御部１８が実行するモード選択処理の手順について、図９のフローチャートを参照しながら説明する。

Ｓ３００では、制御部１８は、車両・環境情報入力部１９を介して、車両２の走行の状態を表す車両情報、及び車両２の周辺環境の状態を表す環境情報を取得する。具体的には、制御部１８は、車両情報として、例えば、車速や方向指示器の動作状況等を表す情報を取得する。また、制御部１８は、環境情報として、例えば、道路の状況や、距離情報に基づいて認識された対象物の種類や分布等を表す情報を取得する。

Ｓ３０２では、制御部１８は、Ｓ３００で取得された車両情報及び環境情報に基づいて、実行すべき照射モードを選択する。具体的には、制御部１８は、強発光領域及び弱発光領域を両方照射して距離を測定する全照射モード、強発光領域のみを照射して距離を測定する遠距離モード、又は弱発光領域のみを照射して距離を測定する近距離モードの何れか１つを、状況に応じて選択する。

全照射モードは、図３～６に例示されるようなあらゆるシーンに対応可能な照射モードである。遠距離モードは、遠距離の対象物を対象に大まかに距離を測定するのに適した照射モードである。近距離モードは、近距離に限定して距離を明確に測定するのに適した照射モードである。遠距離モード及び近距離モードは、対応可能なシーンが限定される反面、エネルギー消費及び装置の発熱を低減して効率よく測定を行うことができるという利点がある。

例えば、低速走行時、停車時、交差点での右左折時、又は車両２の近方において障害物が検出された時といった、車両２の近方において警戒を要する特定の条件が成立する場合、制御部１８は、近距離モードを選択する。また、高速走行時、又は車両２の近方において障害物が検出されていない時といった、車両２の近方において警戒を必要とせず、遠方に対する警戒を要する特定の条件が成立する場合、制御部１８は、遠距離モードを選択する。また、近距離モード及び遠距離モードの何れにも該当しない状況下では、制御部１８は、全照射モードを選択する。

Ｓ３０２において全照射モードが選択された場合、制御部１８は処理をＳ３０４に移す。Ｓ３０４では、制御部１８は、照射部１０から強発光領域及び弱発光領域からなるパターン光を照射させる動作態様にて、測定処理を実行する。Ｓ３０２において遠距離モードが選択された場合、制御部１８は処理をＳ３０６に移す。Ｓ３０６では、制御部１８は、照射部１０から強発光領域のみのパターン光を照射させる動作態様にて、測定処理を実行する。Ｓ３０２において近距離モードが選択された場合、制御部１８は処理をＳ３０８に移す。Ｓ３０８では、制御部１８は、照射部１０から弱発光領域のみのパターン光を照射させる動作態様にて、測定処理を実行する。

［効果］
実施形態の距離測定装置１によれば、以下の効果を奏する。遠距離と近距離の対象物や、高反射率と低反射率の対象物が混在するようなシーンであっても、強発光領域及び弱発光領域それぞれの光に適した対象物に対して１度の受光で距離を的確に測定することができる。特に、動いている対象物に対して、照射する光の条件や受光センサ１７の感度を変えながら複数回距離を測定する場合と比較して、モーションブラーによる測定誤差を抑制できる。また、強発光領域及び弱発光領域の何れからの戻り光でも距離情報を取得し得ることから、良好な解像度の距離画像を得ることができる。

［その他の工夫］
（１）実施形態の距離測定装置１に適用可能な更なる工夫として、制御部１８が、１フレーム分の距離情報を構成する画素間で距離値を補正する手法について、図１０を参照しながら説明する。図１０に例示されるように、強発光領域及び弱発光領域からなるパターン光により距離を測定する場合、強発光領域の集中光が当たる部分は距離の測定結果のばらつきが比較的小さい（すなわち、コンフィデンスが強い）傾向がある。一方、弱発光領域の均一光が当たる部分は距離の測定結果のばらつきが比較的大きい（すなわち、コンフィデンスが弱い）傾向がある。特に、対象物との距離が遠いほど、強発光領域と弱発光領域との測定結果のばらつきの度合の差が顕著となる。

そこで、制御部１８は、１フレーム分の距離情報について、次のような補正処理を行うように構成されているとよい。すなわち、制御部１８は、強発光領域からの戻り光に相当する受光強度を示す画素と、弱発光領域からの戻り光に相当する受光強度を示す画素とが隣接する箇所において、隣接する画素同士の間で距離値が近似するか否かを判定する。そして、隣接する画素同士の間で距離値が近似する場合、制御部１８は、強発光領域からの戻り光に相当する受光強度を示す画素において取得された距離の値を用いて、弱発光領域からの戻り光に相当する受光強度を示す画素において取得された距離の値を置き換える。このようにすることで、コンフィデンスが弱い部分の距離情報を、コンフィデンスが強い部分の距離情報に置き換えることができる。この補正処理により、距離情報の高解像度を維持しつつ、距離のばらつきが小さく精度の高い距離画像を得ることができる。

（２）実施形態の距離測定装置１に適用可能な更なる工夫として、距離情報に基づいて認識された対象物を認識部２０が追跡する手法について、図１１を参照しながら説明する。認識部２０が距離情報に基づく画像認識を行ったことで、図１１に例示される人物の形状が認識されたとする。

図１１に例示される人物の形状は、弱発光領域の均一光が照射された部分と、強発光領域の集中光が照射された部分とを含んでいる。この人物が遠距離に存在する場合、弱発光領域の均一光が照射された部分で測定される距離はコンフィデンスが弱く、１フレーム分の距離情報だけでは当該人物の形状を正確に得られない可能性がある。そこで、認識部２０は、複数フレームの距離情報を積算して画像認識を行うことで、弱発光領域の均一光が照射された部分について人物の形状を得る。

一方、この人物に強発光領域の集中光が照射された部分で測定される距離は、コンフィデンスが強く、１フレーム分の距離情報だけで当該人物の距離を正確に得ることができる。そこで、認識部２０は、距離情報に基づいて認識された人物の形状のうち、強発光領域の集中光が照射された部分を追跡する。このようにすることで、人物との認識が確定した対象物を複数のフレームわたって同一の対象物として追跡することが可能になる。つまり、認識された人物の大部分はコンフィデンスの弱い情報であったとしても、強発光領域の集中光が照射された部分ではコンフィデンスが保証されるので、複数フレームにわたって同一の歩行者と確定して追跡することができる。

（３）実施形態の距離測定装置１に適用可能な更なる工夫として、グレースケール画像を利用して距離情報を構成する画素間で距離値を補正する手法について、図１２のフローチャートを参照しながら説明する。

Ｓ４００では、制御部１８は、距離情報を取得する。具体的には、制御部１８は、図７に例示される測定処理のＳ１００～Ｓ１０８と同様の手順で、有効な距離情報を取得する。Ｓ４０２では、制御部１８は、Ｓ４００で取得された距離情報の各画素について、戻り光の受光強度に応じてコンフィデンスの強弱の度合を判別する。具体的には、制御部１８は、強発光領域からの戻り光に相当する受光強度を示す画素をコンフィデンスが強いと判別し、弱発光領域からの戻り光に相当する受光強度を示す画素をコンフィデンスが弱いと判別する。

Ｓ４０４では、制御部１８は、測定対象の空間の二次元のグレースケール画像を取得する。グレースケール画像は、画素の値に光度以外の情報を含まない画像である。具体的には、制御部１８は、第１光源１１及び第２光源１２による強発光領域及び弱発光領域を消灯した状態で、受光部１５により環境光を受光し、それにより得られた受光データに基づいて二次元のグレースケール画像を取得する。あるいは、夜間等で環境光の光量が不足する状況下では、制御部１８は、例えば弱発光領域のみを強度変調を行わない一定強度で連続的に照射させた状態で、受光部１５により環境光を受光し、得られた受光データに基づいて二次元のグレースケール画像を取得してもよい。なお、Ｓ４０４において、グレースケール画像を取得するために第１光源１１及び第２光源１２を通常の測距時とは異なる態様で動作させて受光を行う処理が、本開示における観測制御部としての処理に相当する。

Ｓ４０６では、制御部１８は、Ｓ４０４で取得されたグレースケール画像に含まれる対象物の境界線を特定する。具体的には、制御部１８は、画素の明暗の差に基づいて画像のエッジを検出するための周知の画像処理手法を用いて、グレースケール画像を検出し、その検出されたエッジに基づいて対象物の境界線を特定する。

Ｓ４０８では、制御部１８は、Ｓ４０２で判別された距離情報のコンフィデンスと、Ｓ４０６で特定された対象物の境界線とに基づき、Ｓ４００で取得された距離情報を補正する。具体的には、制御部１８は、特定された境界線による区分けに基づいて同一の対象物とみなせる画素群について、コンフィデンスの強い画素と、その画素の周囲に近接するコンフィデンスの弱い画素との距離値が近似するかを判定する。そして、距離値が近似する場合、制御部１８は、コンフィデンスの強い画素において取得された距離の値を用いて、コンフィデンスの弱い画素において取得された距離の値を置き換える。

Ｓ４１０では、制御部１８は、Ｓ４０８において補正された距離情報を有効な距離情報として出力する。上記（３）において説明した一連の処理により、距離情報の高解像度を維持しつつ、距離のばらつきが小さく精度の高い距離画像を得ることができる。

［第１実施形態の変形例］
第１実施形態では、照射部１０に第１光源１１及び第２光源１２を含む複数の光源を用いて、強発光領域及び弱発光領域からなる照射パターンを形成する事例について説明した。この事例に限らず、単一のチップに集積された光源からの光を光学的な変換手段を用いて、強発光領域及び弱発光領域からなる照射パターンを形成するように構成されていてもよい。また、受光センサ１７と制御部１８とが同一のチップに集積された電子回路として構成されていてもよい。

〈第２実施形態〉
［距離測定装置の構成の説明］
第２実施形態の距離測定装置３の構成について、図１３を参照しながら説明する。なお、図１３において、図１に例示される第１実施形態と共通する構成については、第１実施形態の構成と同じ符号を付している。第１実施形態と共通する構成に関する説明は、上述の第１実施形態に関する説明を適宜援用するものとし、以下では第１実施形態と相違する構成について主に説明する。

距離測定装置３は、第１実施形態の距離測定装置１の照射部１０に代えて照射部４０を備える。また、距離測定装置３は、第１実施形態の距離測定装置１と共通の構成として、受光部１５と、制御部１８と、車両・環境情報入力部１９と、認識部２０とを備える。距離測定装置３は、第１実施形態の距離測定装置１と同様に、車両２の周囲における測定対象の空間に光を照射し、その光が対象物によって反射された戻り光に基づいて距離を測定する機能を有する。

照射部４０は、ドット状の光が配列してなる照射パターンが形成されたパターン光を、測距対象の空間に照射するように構成されている。照射部４０は、光源４１と光学系４２と駆動部４３とを備える。光源４１は、例えば、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）の二次元アレイで構成される単一の面発光光源により具現化される。光源４１は、複数のドット状の光が二次元に配列したパターン光を発生する。光学系４２は、光源４１から発せられる光を、所定の空間領域に分布する照射パターンに変換して投影する光学素子である。光学系４２は、１又は複数のレンズ及びピント調節機構を含む機械要素で構成される。

駆動部４３は、照射部４０が照射する光の照射パターンを変化させるための機械要素である。具体的には、駆動部４３は、光源４１と光学系４２との相対的な位置を変化させることで、空間領域に投影されるパターン光におけるドット光同士の隙間の間隔を変化させるように構成されている。駆動部４３の要素には、ボイスコイルモータやステッピングモータ、ピエゾ素子等を用いることが考えられる。

より具体的には、ドット光同士の隙間の間隔を変化させる手法の一例として、ドット光の広がり角を変化させることが挙げられる。図１４の上段に例示されるように、照射されるドット光の広がり角を小さくすることで個々のドット光が収束し、空間領域に投影されるパターン光におけるドット光同士の隙間が広がる。この場合、個々のドット光が収束することで、強度が相対的に強い光で構成される強発光領域が局所的に形成される。なお、受光センサ１７にＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche diode）アレイを用いる場合、１つの画素に複数のＳＰＡＤ素子を配置し、その各ＳＰＡＤ素子の出力をヒストグラム処理し、１画素とみなして距離情報を出力させることがある。その場合、ヒストグラムの出力を安定させるために、収束したドットのサイズが１画素程度となることが好ましい。

一方、図１４の下段に例示されるように、照射されるドット光の広がり角を大きくすることで個々のドット光が拡散し、空間領域に投影されるパターン光におけるドット光同士の隙間が狭まり、最終的にはこの隙間が埋まる。この場合、個々のドット光が拡散して他のドット光と結合することにより、強度が相対的に弱い光で構成される弱発光領域が全体的に形成される。あるいは、ドット光同士の隙間の間隔を変化させる手法として、すりガラスのような拡散板を光路に介在させたり、液晶素子を用いて照射パターンを変化させたり、空間光変調器を用いることが挙げられる。

駆動部４３は、例えば、光源４１側を固定とし、光学系４２を光軸方向に前後に移動させる機能を有するものとして構成することが考えられる。このような構成の場合、例えば、光学系４２を光軸方向に０．１ｍｍ～１ｍｍ程度ずらすことで、収束したドット状の光が配列したパターン光から、複数のドット光が結合した均一光からなるパターン光まで十分に変化させることができる。

あるいは、駆動部４３は、光学系４２側を固定とし、光源４１を光軸方向に前後に移動させる機能を有するものとして構成してもよい。このような構成の場合、例えば、光源４１を光軸方向に１ｍｍ程度ずらすことで、収束したドット状の光が配列したパターン光から、複数のドット光が結合した均一光からなるパターン光まで十分に変化させることができる。また、光学系４２によって装置内の防水性を担保する構造のために光学系４２の移動が容易でない場合であっても、光源４１の基板であれば比較的容易に移動させることができるという利点がある。

あるいは、光学系４２にピント調節機構が備わっている場合、駆動部４３は、ピント調節用のレンズのみを動かす構成であってもよい。ピント調節用のレンズのみを動かす構成であれば、動かす対象が軽量で動作及び制御も容易である。また、光学系４２にピントリングがあれば、駆動部４３はピントリングを回せばよい。

図１３ブロック図の説明に戻る。制御部１８は、距離測定装置３の各部を制御して車両２の周囲に存在する対象物との距離を測定し、その測定結果を表す距離情報を出力する機能を有する。具体的には、制御部１８は、照射部４０の光源４１を制御し、所定の周期で強度変調された光によるパターン光を照射する。また、制御部１８は、駆動部４３を制御して、所定の制御様式に応じたタイミングで光学系４２から照射されるドット光の広がり角を変化させることにより、複数種類のパターン光を照射する制御（以下、照射パターン制御と称する）を実行可能に構成されている。照射パターン制御に関する詳細な説明については後述する。

また、制御部１８は、照射部４０からパターン光が照射されたタイミングに合わせて、受光部１５において受光された戻り光の受光データを取得する。そして、制御部１８は、照射部４０から照射した光と、受光部１５において受光した戻り光に基づいて、対象物との距離を表す距離情報を画素ごとに取得する。受光センサ１７による１度の受光によって得られる１フレーム分の距離情報は、受光センサ１７における画像座標に対応する距離値の集合である。

なお、本実施形態では、距離を測定する手法として、位相差検出方式のＴＯＦ及びパルス方式のＴＯＦの何れも適用可能である。位相差検出方式のＴＯＦを用いる場合、制御部１８は、所定の周期に強度変調された光によるパターン光を照射部４０から照射し、照射されたパターン光と戻り光との位相差を求めて、その位相差を距離に換算して対象物との距離を測定する。あるいは、パルス方式のＴＯＦを用いる場合、制御部１８は、パルス波形の光によるパターン光を照射部４０から照射し、パターン光が照射されたタイミングから戻り光を受光したタイミングまでの時間を計測し、その時間を距離に換算して対象物との距離を測定する。

さらに、制御部１８は、受光部１５において観測された戻り光の画素ごとの受光強度に応じて、有効な距離情報を選別して出力する機能を有する。この機能における一連の処理手順は、第１実施形態における図７のフローチャートで示されるものと同様である。

［照射パターン制御の説明］
（１）制御部１８が実行する照射パターン制御の第１の具体例について、図１５を参照しながら説明する。なお、図１５の事例では、位相差検出方式のＴＯＦを用いて距離を測定する構成を前提とする。この場合、制御部１８は、所定の周期に強度変調された光を光源４１に出力させる。その際、制御部１８は、光源４１を発光させるタイミングに合せて、強度変調の１周期における０°、９０°、１８０°及び２７０°の位相に対応するタイミングごとに、受光センサ１７を一定期間露光させて戻り光を受光する。そのときの受光センサ１７における露光タイミングを、図１５の上段のタイミングチャートに示す。

それと共に、制御部１８は、１周期内で４回行われる１区切りの露光期間中に駆動部４３を制御してドット光の広がり角を連続的に変化させる制御を繰返す。具体的には、図１５の下段のタイミングチャートに例示されるとおり、制御部１８は、露光期間の開始時点でドット光の広がり角を小さくしてドット光同士の隙間の間隔が広いパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。それから、制御部１８は、ドット光の広がり角を連続的に大きくし、露光期間の開始時点でドット光同士の隙間を埋めた均一光からなるパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。

１区切りの露光区間の中でドット光の広がり角を変化させることにより、１回の測距動作で収束したドット光による強発光領域から拡散した均一光による弱発光領域まで連続的に変化する複数種類のパターン光による広いダイナミックレンジによる測距を行うことができる。このようにすることで、測距の対象物が移動している場合であっても、モーションブラーの影響を低減できる。

（２）制御部１８が実行する照射パターン制御の第２の具体例について、図１６を参照しながら説明する。なお、図１６の事例では、位相差検出方式のＴＯＦを用いて距離を測定する構成を前提とする。この場合、制御部１８は、所定の周期に強度変調された光を光源４１に出力させる。その際、制御部１８は、光源４１を発光させるタイミングに合せて、強度変調の１周期における０°、９０°、１８０°及び２７０°の位相に対応するタイミングごとに、受光センサ１７を一定期間露光させて戻り光を受光する。そのときの受光センサ１７における露光タイミングを、図１６の上段のタイミングチャートに示す。

それと共に、制御部１８は、図１６の下段のタイミングチャートに例示されるとおり、０°の位相に対応する露光期間の開始時から９０°の位相に対応する露光期間の終了時まで、ドット光の広がり角を小さくしてドット光同士の隙間の間隔が広いパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。それから、制御部１８は、９０°の位相に対応する露光期間が終わってから１８０°の位相に対応する露光期間が始まるまでの間にドット光の広がり角を拡大する。そして、制御部１８は、１８０°の位相に対応する露光期間の開始時から２７０°の位相に対応する露光期間の終了時まで、ドット光同士の隙間を埋めた均一光からなるパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。２７０°の位相に対応する露光期間の後、制御部１８は、再びドット光の広がり角を小さくしてドット光同士の隙間の間隔が広いパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。

光の強度変調の周期における９０°及び２７０°の位相に対応する露光期間の後の露光していない期間中にドット光の広がり角を変化させることにより、広いダイナミックレンジによる測距を行いつつ、１周期における照射パターンの変更回数を２回に抑えることができる。また、露光期間外で照射パターンを変更することで、照射パターンの変更に要する時間が変動しても、測距結果に与える影響を低減できる。

（３）制御部１８が実行する照射パターン制御の第３の具体例について、図１７を参照しながら説明する。図１７の事例では、制御部１８は、上段のタイミングチャートに例示されるとおり、受光センサ１７における露光期間を段階的に長くしながら複数回の露光を行う。

それと共に、制御部１８は、露光時間長が異なる個々の露光期間ごとに駆動部４３を制御してドット光の広がり角を変化させる制御を行う。具体的には、図１７の下段のタイミングチャートに例示されるとおり、制御部１８は、露光時間長が最も短い１回目の露光期間では、ドット光の広がり角を大きくしてドット光同士の隙間を埋めた均一光からなるパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。

つぎに、制御部１８は、１回目の露光期間の終了後から次の露光期間が始まるまでの間に、ドット光の広がり角を中程度に縮小する。そして、制御部１８は、露光時間長が中程度の２回目の露光期間では、ドット光同士の隙間の間隔が中程度パターン光を照射するように駆動部４３を制御する。

つぎに、制御部１８は、２回目の露光期間の終了後から次の露光期間が始まるまでの間に、ドット光の広がり角を更に縮小する。制御部１８は、露光時間長が最も長い３回目の露光期間では、ドット光同士の隙間の間隔が広いパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。３回目の露光期間の後、制御部１８は、再びドット光の広がり角を大きくしてドット光同士の隙間を埋めた均一光からなるパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。

短時間の露光による測距は、近距離や光の反射率が高い対象物からの強い戻り光により受光素子が飽和しやすい状況に対して有効である。そこで、短時間の露光期間においては、ドット光同士の隙間を埋めた均一光からなるパターン光を照射することで高解像度の測距を行うことができる。一方、長時間の露光による測距は、遠距離や光の反射率が低い対象物からの弱い戻り光を観測するのに有効である。そこで、長時間の露光期間においては、ドット光同士の隙間の間隔が広いパターン光を照射することで、低解像度ながらも遠距離の対象物に対して有効な測距が可能となる。

（４）制御部１８が実行する照射パターン制御の第４の具体例について、図１８を参照しながら説明する。図１８の事例では、パルス方式のＴＯＦを用いて距離を測定する構成を前提とする。この場合、制御部１８は、パルス波形の光によるパターン光を受光センサ１７のフレームレートに合わせたタイミングで繰返し光源４１に出力させる。その際、制御部１８は、光源４１を発光させるタイミングに合せて、受光センサ１７を一定期間露光させて戻り光を受光する。そのときの受光センサ１７における露光タイミングを、図１８の上段のタイミングチャートに示す。

それと共に、制御部１８は、１区切りの露光期間ごとに駆動部４３を制御してドット光の広がり角を交互に変化させる制御を繰返す。具体的には、図１８の下段のタイミングチャートに例示されるとおり、制御部１８は、１回目の露光期間では、ドット光の広がり角を小さくしてドット光同士の隙間の間隔が広いパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。

つぎに、制御部１８は、１回目の露光期間の終了後から次の露光期間が始まるまでの間に、ドット光の広がり角を拡大する。そして、制御部１８は、２回目の露光期間では、ドット光同士の隙間を埋めた均一光からなるパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。つぎに、制御部１８は、２回目の露光期間の終了後から次の露光期間が始まるまでの間に、ドット光の広がり角を縮小する。以降、制御部１８は、１回目及び２回目の露光期間と同様に、ドット光の広がり角を交互に変化させる制御を繰返す。

パルス方式のＴＯＦによる測距を行う場合において、１回の露光期間による測距動作が行った後で照射パターンを変更するように制御することで、ドット光の径が変化する過程において距離データ化けが起きる懸念をなくすことができる。また、１回の露光期間により得られた距離情報の信頼度に応じて、受光素子が飽和した場合には均一光の照射による距離情報を再取得し、反射光のＳ／Ｎ比が不足する場合には収束したドット光の照射による距離情報を再取得するといった制御を行うことが可能である。このように距離情報の信頼度に応じて照射パターンを制御する場合において実行される処理の手順について、図１９のフローチャートを参照しながら説明する。

Ｓ５００では、制御部１８は、ドット光の広がり角を大に設定する。具体的には、制御部１８は、ドット光の広がり角を拡大してドット光同士の隙間を埋めた均一光からなるパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。

Ｓ５０２では、設定されたパターン光を用いて１フレーム分の距離情報を取得する。具体的には、制御部１８は、設定されたパターン光をパルス状に照射させ、受光部１５において受光された戻り光の受光データを取得する。そして、制御部１８は、照射部１０から照射した光と、受光部１５において受光した戻り光に基づいて、画素ごとに対象物との距離を表す距離情報を取得する。

Ｓ５０４では、制御部１８は、Ｓ５０２で取得された距離情報の中から、画素ごとの受光強度が測定条件を満たす画素に距離値を保存する。ここでいう測定条件とは、例えば、画素の受光強度が、有効な距離値を導出し得る最小の受光強度から、受光センサ１７の受光素子が飽和する受光強度までの範囲内に含まれることを想定している。

Ｓ５０６では、制御部１８は、Ｓ５０２で取得された距離情報の中に、受光強度が上述の測定条件を満たさない画素が含まれるか否かを判定する。測定条件を満たさない画素が含まれる場合（Ｓ５０６：ＹＥＳ）、制御部１８は処理をＳ５０８に移す。Ｓ５０８では、制御部１８は、ドット光の広がり角を現在の設定から一定量縮小し、ドット光同士の隙間を広げたパターン光を照射するように駆動部４３を制御する。Ｓ５０８の後、制御部１８は処理をＳ５０２に戻し、ドット光の広がり角を縮小したパターン光を用いて１フレーム分の距離情報を取得する。

［第２実施形態の効果］
制御部１８が光学系４２及び駆動部４３を制御することにより、光源４１から発生するドット光の広がり角を変化させることができる。それにより、単一の光源であっても複数種類のパターン光を照射することができる。具体的には、各ドット光の広がり角を拡大してドット光間の隙間を埋めた均一光からなるパターン光や、各ドット光の広がり角を縮小して、個々のドット光による強発光領域を有するパターン光を照射することができる。そのような複数種類のパターン光を用いることで、距離や光の反射率が著しく異なる様々な対象物が混在するようなシーンにおいて、的確に距離情報を取得することができる。

［第２実施形態の変形例］
（１）上述の第２実施形態では、複数のドット光が配列したパターン光に対して、光学系４２のピントをずらすことで個々のドット光の広がり角を変化させてドット光同士の隙間の間隔を広げたり埋めたりする態様にて照射パターンを変化させる事例について説明した。それとは別に、図２０に例示されるように、光学系４２の焦点距離を変えることにより、複数のドット光同士の間隔を変化させる構成を適用してもよい。

具体的には、光学系４２を周知のズームレンズやバリフォーカルレンズ等の焦点距離可変型のレンズユニットを適用し、制御部１８が状況に応じて駆動部４３を制御することにより、光学系４２の焦点距離を変化させるように構成することが考えられる。図２０に例示されるように、光学系４２の焦点距離を小さくした場合、パターン光の照射角が広角になり、ドット光同士の間隔が大きいパターン光が測距対象の空間に投影される。また、光学系４２の焦点距離を大きくした場合、パターン光の照射角が狭角になり、ドット光同士の間隔が小さいパターン光が測距対象の空間に投影される。

焦点距離を変化させて照射パターンを変化させる構成では、広角時及び狭角時の何れにおいても照射されるパターン光においてドット状の強い光が維持されるため、遠距離や光の反射率が低い対象物に対して十分に測距が可能である。また、狭角時においてドット光同士の間隔が十分に小さければ、解像度の高い測距を実現できる。

なお、光学系４２の焦点距離を変化させる範囲としては、広角時の焦点距離に対して狭角時の焦点距離を２倍以内とすることが考えられる。広角時の焦点距離に対して２倍程度の焦点距離であれば、ドット間の距離を十分に小さくして隙間のない照射パターンを実現できると考えられる。

（２）上述の第２実施形態では、照射部４０から照射されるパターン光全体において、照射パターンを一様に変化させる事例について説明した。それとは別に、照射部４０から照射されるパターン光全体において、照射パターンを部分的に変化させる構成を適用してもよい。

具体的には、図２１に例示されるように、光源４１と光学系４２との間の光路の一部に、光源４１の光を十分に透過し得る透明又は半透明の平板４４を挿入し、この平板４４による光学的作用により照射パターンを部分的に変化させることが考えられる。光源４１から出た光が平板４４を透過すると、その部分だけ焦点距離がずれるのと同様効果によりドット光の広がりが変化する。そのため、平板４４を透過しない光とは異なる照射パターンを呈する。また、平板４４としてすりガラス状の半透明の板を用いることで、透過する光を拡散させる効果が生じ、ドット光の境界がぼやけた均一的な照射パターンが得られる。

図２１の事例では、光源４１と光学系４２との間の光路の上部に平板４４を挿入することで、光学系４２から前方空間に投射されるパターン光の下側を構成する光を拡散させている。その結果、光学系４２から前方空間に投射されるパターン光の上側は、ドット光同士の間隔が空いたドット光領域が形成され、下側はドット光同士の間隔が埋められた均一光領域が形成される。このようなパターン光によれば、地面側に照射される均一光により地面上の小さな段差や輪止め等の細かい対象物を高解像度で検出できる。そして、正面から上方の範囲に照射されるドット状のパターン光により、遠方の車両等を早期に検出できる。

さらに、光源４１と光学系４２との間の光路に平板４４を挿抜自在に構成してもよい。その場合、制御部１８による制御に応じて駆動部４３が平板４４を移動させる機能を担うことが考えられる。そして、制御部１８は、平板４４を光路に挿入した状態で距離情報の取得を行う第１の照射モードと、平板４４を光路から抜いた状態で距離情報の取得を行う第２の照射モードとを、状況に応じて切り換える制御を行う。

（３）上述の第２実施形態に適用可能な更なる工夫として、制御部１８は、取得された車両・周辺環境情報に応じて、照射部４０から複数種類のパターン光を選択的に照射させる制御を実行してもよい。

具体的には、第１実施形態において説明した図９のフローチャートで示される手順と同様に、Ｓ３００において、制御部１８は、車両・環境情報入力部１９を介して、車両２の走行の状態を表す車両情報、及び車両２の周辺環境の状態を表す環境情報を取得する。Ｓ３０２では、制御部１８は、Ｓ３００で取得された車両情報及び環境情報に基づいて、実行すべき照射モードを選択する。具体的には、制御部１８は、ドット光の広がり角を小さくしたパターン光を照射して距離を測定する遠距離モード、ドット光の広がり角を大きくした均一光からなるパターン光を照射して距離を測定する近距離モードの何れか１つを、状況に応じて選択する。そして、制御部１８は、Ｓ３０２において選択した照射モードに応じて光源４１及び駆動部４３を制御し、測距を行う。

［その他の変形例］
上記第１・第２実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記各実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記各実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。なお、特許請求の範囲に記載の文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が、本開示の実施形態である。

上述した第１及び第２実施形態の距離測定装置を構成要件とするシステム、制御部としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した記録媒体、距離測定方法等の種々の形態で本開示を実現することもできる。

１…距離測定装置、２…車両、１０…照射部、１１…第１光源、１２…第２光源、１３…集光レンズ、１４…拡散レンズ、１５…受光部、１６…受光レンズ、１７…受光センサ、１８…制御部、１９…車両・環境情報入力部、２０…認識部、４０…照射部、４１…光源、４２…光学系、４３…駆動部、４４…平板。

Claims (12)

1. 所定の照射パターンが形成されたパターン光を、測距対象の空間に照射するように構成された照射部（１０）と、
   複数の画素に対応する複数の受光素子を有し、前記照射部によって照射されたパターン光が対象物によって反射された戻り光を前記画素ごとに受光するように構成された受光センサ（１７）と、
   前記照射部から照射されたパターン光と、前記受光センサの前記複数の受光素子にて受光された前記戻り光の受光強度とに基づいて、前記対象物との距離を表す距離情報を前記画素ごとに取得するように構成された測定部（１８）とを備え、
   前記照射部は、強度が相対的に強い光を照射する少なくとも１つの第１光源（１１）と、強度が相対的に弱い光を照射する少なくとも１つの第２光源（１２）との異なる複数種類の光源を備え、前記第１光源と前記第２光源とは個別に照射可能に構成されており、前記パターン光として、強度が相対的に強い光で構成される強発光領域と強度が相対的に弱い光で構成される弱発光領域の両方を有する第１のパターン光と、何れかの前記領域のみを有する第２のパターン光とを切り換えて照射可能に構成され、
   前記測定部は、前記受光センサの前記画素ごとに得られる、前記パターン光の前記戻り光の受光強度が、有効な距離値を導出し得る最小の受光強度から、前記画素の前記受光素子が飽和する受光強度までの範囲に含まれていることを条件として、該条件を満たす前記画素にて取得された前記距離情報を、有効な距離情報として出力するように構成された、距離測定装置であって、
   更に、前記距離測定装置の動作モードを、距離測定時の状況に応じて、前記照射部により前記第１のパターン光を照射させる第１の照射モードと、前記照射部により前記第２のパターン光を照射させる第２の照射モードと、の何れかに切換可能に構成された切換制御部（１８）、を備えている距離測定装置。
2. 前記距離測定装置は移動体に搭載されるものであって、
   前記移動体の状態又は周辺環境の状態の少なくとも何れかに関する情報を取得する情報取得部（１９）を更に備え、
   前記切換制御部は、前記情報取得部により取得された情報で表される状態に応じて、当該距離測定装置の動作モードを、前記第１の照射モードと前記第２の照射モードとの何れかに切り換えるように構成されている、
   請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記照射部は、
   前記第１光源から発せられる光を、前記強発光領域の照射パターンに変換する集光レンズ（１３）と、
   前記第２光源から発せられる光を、前記弱発光領域の照射パターンに変換する拡散レンズ（１４）と、
   を備え、前記拡散レンズにより変換される前記弱発光領域の照射パターンは、前記集光レンズにより変換される前記強発光領域の照射パターンよりも広く、前記強発光領域は前記弱発光領域に包含されている、請求項１又は請求項２に記載の距離測定装置。
4. 前記照射部において、前記第１光源及び前記第２光源が同一のチップで構成されている、
   請求項１～請求項３の何れか１項に記載の距離測定装置。
5. 前記照射部による前記強発光領域及び前記弱発光領域の照射を行わない状態、又は、少なくとも前記弱発光領域を強度変調しない連続発光により照射した状態で、前記受光センサによる受光を行う観測モードを実行可能に構成された観測制御部を更に備え、
   前記測定部は、前記観測モードにおいて取得された受光結果に基づいて、測距対象の空間を表すグレースケール画像を取得するように構成されている、
   請求項１～請求項４の何れか１項に記載の距離測定装置。
6. 前記照射部は、強度変調された光による前記パターン光を測距対象の空間に照射するように構成されており、
   前記測定部は、前記照射部から照射されたパターン光と前記受光センサにより受光された戻り光との位相差に基づいて、前記対象物との距離を表す距離情報を前記画素ごとに取得するように構成されている、
   請求項１～請求項５の何れか１項に記載の距離測定装置。
7. 前記測定部は、前記照射部から前記パターン光が照射されたタイミングから、前記受光センサにより戻り光が受光されたタイミングまでの時間を測定することにより、前記対象物との距離を表す距離情報を前記画素ごとに取得するように構成されている、
   請求項１～請求項６の何れか１項に記載の距離測定装置。
8. 前記測定部は、所定のタイミングごとに前記複数の画素に対応する１フレーム分の距離情報を取得するように構成されており、
   更に、異なる複数のタイミングにおいて取得された複数フレームの前記距離情報について、それぞれのフレームにおいて受光強度が所定の条件を満たす画素に対応する距離情報を、前記複数のフレームの間で補完することにより、補正された１フレーム分の距離情報を生成する補完部（１８）を備える、
   請求項１～請求項７の何れか１項に記載の距離測定装置。
9. 更に、前記複数の画素に対応する１フレーム分の距離情報について、前記強発光領域からの戻り光に相当する受光強度を示す画素と、前記弱発光領域からの戻り光に相当する受光強度を示す画素とが隣接する箇所において、隣接する画素同士の間で距離が近似する場合、前記強発光領域からの戻り光に相当する受光強度を示す画素において取得された距離の値を用いて、前記弱発光領域からの戻り光に相当する受光強度を示す画素において取得された距離の値を置き換えるように構成された補正部（１８）を備える、
   請求項１～請求項８の何れか１項に記載の距離測定装置。
10. 前記強発光領域の前記弱発光領域に対する放射強度の倍率は、２倍以上かつ２５０倍以内である、
    請求項１～請求項９の何れか１項に記載の距離測定装置。
11. 前記測定部により出力された距離情報に基づいて、特定の対象物を認識するように構成された認識部（２０）を更に備え、
    前記認識部は、異なる複数のタイミングにおいて取得された複数フレームの前記距離情報について、認識された特定の対象物を構成する距離情報のうち前記強発光領域に該当する部分を追跡することにより、前記複数のフレーム間において同一物と見なし得る特定の対象物を追跡するように構成されている、
    請求項１～請求項１０の何れか１項に記載の距離測定装置。
12. 所定の照射パターンが形成されたパターン光を、測距対象の空間に対して照射部に照射させる照射工程と、
    複数の画素に対応する複数の受光素子により、前記照射工程によって照射されたパターン光が対象物によって反射された戻り光を前記画素ごとに受光させる受光工程と、
    前記照射工程により照射されたパターン光と、前記受光センサの前記複数の受光素子にて受光された前記戻り光の受光強度とに基づいて、前記対象物との距離を表す距離情報を前記画素ごとに取得する測定工程とを含む距離測定方法であって、
    前記照射工程では、強度が相対的に強い光を照射する少なくとも１つの第１光源と、強度が相対的に弱い光を照射する少なくとも１つの第２光源とを個別に照射制御可能であり、前記パターン光として、強度が相対的に強い光で構成される強発光領域と強度が相対的に弱い光で構成される弱発光領域の両方を有する第１のパターン光と、何れかの前記領域のみを有する第２のパターン光とを切り換えて照射可能であり、
    前記測定工程では、前記受光センサの前記画素ごとに得られる、前記パターン光の前記戻り光の受光強度が、有効な距離値を導出し得る最小の受光強度から、前記画素の前記受光素子が飽和する受光強度までの範囲に含まれていることを条件として、該条件を満たす前記画素にて取得された前記距離情報を有効な情報とし、
    更に、距離測定時の状況に応じて、前記照射工程により前記第１のパターン光を照射させる第１の照射モードと、前記照射工程により前記第２のパターン光を照射させる第２の照射モードと、の何れかに切り換える切換工程を備えている距離測定方法。

Images