JPWO2010100846A1 - 距離測定装置、距離測定方法、プログラムおよび集積回路 - Google Patents

Abstract

多重波を用いた距離測定装置において、分波回路規模を大幅に削減することにより、高解像度かつ高精度かつ長距離測定可能な距離測定装置を提供する。距離測定装置（１）は、互いに偶数倍の関係となる複数の周波数を有する多重変調光を照射する照射部（１０）と、当該多重変調光の反射光の電荷を、複数の蓄積素子部に所定のタイミングで切り替えながら蓄積する受光部（２０）と、当該電荷に基づいて距離を算出する距離算出部（３０）とを備える。

Description

本発明は、距離測定装置、距離測定方法、距離測定方法、プログラムおよび集積回路に関する。特に、多重波を用いた距離測定装置、距離測定方法、プログラムおよび集積回路に関する。

近年、所定の周波数の電磁波を被写体に照射し、被写体からの反射波に基づいて被写体までの距離を測定し、測定した距離を画素値として画像を形成することで「距離画像」を撮影する距離測定装置（距離画像センサを用いた測距装置）が開発されている。このような距離測定装置には、複数のカメラを用いるものや、レーザーを走査するものなどがあるが、小型で精度が比較的よいものにＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）方式を用いたものがある（例えば、特許文献１〜３参照）。
ＴＯＦ方式とは、距離測定の対象とする空間に強度変調した光を照射し、その反射波の位相ずれを検出することで、距離を測定するものである。なお、ＴＯＦ方式により距離測定を行うために用いる強度変調した光は、正弦波、三角波、パルス波など様々であるが、基本原理は同様である
図１は、ＴＯＦ方式の原理を説明するための説明図である。光の強度を変調した光（光強度変調光）の光強度の変調周期をＴ、角周波数をω、時刻０、Ｔ／４、Ｔ／２、３Ｔ／４における反射波の強度を、それぞれ、Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３とするとき、距離測定の対象空間に照射した光強度変調光と、その反射波（反射光）との位相ずれ量

（以下、これを「Δψ」と表記することもある。）は、（数式１）により、

と求められる。これにより、距離Ｌは、光速ｃ、往復時間Δｔ＝Δψ／ωであるので、（数式２）により、

と求められる。
しかしながら、ＴＯＦ方式による距離測定方法には、「距離精度」（測定距離の精度）と「最大検出距離」にトレードオフがある。すなわち、「距離精度」は、距離測定に用いる光強度変調光の光強度の変調周波数に比例するが、「最大検出距離」は、光強度変調光の光強度の変調周波数に反比例する。よって、距離測定に用いる光強度変調光の光強度の変調周波数が高周波であるほど距離精度は高精度になるが、最大検出距離は短くなる。逆に、距離測定に用いる光強度変調光の光強度の変調周波数が低周波であるほど長距離まで検出可能となるが距離精度は低精度となってしまう。
これは、ＴＯＦ方式による距離測定方法では、距離測定に用いる光強度変調光の光強度の変調周期の１周期以上の位相ずれを検出できないためである。

そこで、特許文献４、５に開示されている技術では、周波数多重変調光（複数の周波数により光強度変調された光強度変調光を重畳（多重）した光強度変調光、あるいは複数の周波数成分を重畳した変調信号により光強度変調された光強度変調光）を用いることで、１周期以上の位相ずれを検出することを可能にしている（以下、周波数多重変調光を用いることで、１周期以上の位相ずれを検出する方法（方式）を「多重波ＴＯＦ方式」という。）。すなわち、多重波ＴＯＦ方式による距離測定では、低周波数により光強度変調された光強度変調光（低周波）により粗く（低精度に）距離を測定し、測定しようとしている距離を大まかに把握し、さらに、高周波数により光強度変調された光強度変調光（高周波）により精密に（高精度に）距離を測定する。これにより、周波数多重変調光に含まれる高周波（高周波数により光強度変調された光強度変調光）の被写体からの反射波において、当該高周波の１周期以上の位相ずれ（高周波位相ずれ）がある場合であっても、当該高周波による精度の距離測定（高精度の距離測定）が可能となる。このようにして、多重波ＴＯＦ方式による距離測定では、上記トレードオフを解決し、高精度かつ長距離の距離測定が可能となる。

なお、特許文献６には、多重波（周波数多重変調光）ではなく、低周波（低周波数により光強度変調された光強度変調光）と高周波（高周波数により光強度変調された光強度変調光）とを交互に用いる方法が開示されているが、この距離測定は、上記のような多重波を用いる距離測定に比べて、測定距離の精度は劣る。

特許３９０６８５８号 特許３８４０３４１号 特開２００７−１２１１１６ 特開昭５８−６６８８０ 特開平５−２６４７２３ 特開平１１−１６００６５

しかしながら、多重波ＴＯＦ方式による距離測定を行う距離測定装置では、いずれも分波（周波数分離）するための回路（フィルタ回路や同期検波回路など）が必要であり、回路規模（ハードウェア規模）が大きくなるという課題がある。つまり、このような距離測定装置では、画素ごとに分波回路が必要となるため、画素ピッチサイズが大きくなり、解像度が低下してしまうという課題がある。このため、現在、距離測定装置では、１種類の周波数の波（単波）を用いて距離測定を行うのが一般的であり、多重波を用いる距離測定装置を回路規模の増大を抑えつつ、低コストで実現することは困難である。
本発明は、上記課題に鑑み、分波回路規模を大幅に削減し、取得される距離画像の解像度低下を最小限に抑えることで、取得される距離画像の高解像度化、測定距離精度の高精度化、および、測定距離の長距離化を実現することができる多重波を用いた距離測定装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、照射部と、受光素子部と、分配部と、蓄積素子部と、距離算出部と、を備える距離測定装置である。
照射部は、
ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化することで生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する。受光素子部は、照射部から照射された多重変調光の距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する。分配部は、受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する。蓄積素子部は、分配部から出力される電荷を蓄積する。距離算出部は、蓄積素子部により蓄積された電荷量から、距離測定対象までの距離を算出する。

この距離測定装置では、「互いに偶数倍」の関係（上記数式の関係）となる少なくとも２つの異なる周波数を多重化した多重変調光を用いて、距離測定を行うので、分配部により、所定のタイミングで分配制御を行うのみで、反射波において、簡単に、分波することができる（多重化された各周波数成分を抽出することができる）ので、画素ピッチサイズを小さくすることができ、距離画像の解像度が向上する。
つまり、この距離測定装置では、「互いに偶数倍」の関係となる複数の周波数を多重化することで、分配制御のみによる分波が可能となる。ＴＯＦ方式の距離測定では、通常、（数式１）のように、半周期ごとの値の減算を行うので、「互いに偶数倍」の関係であれば、半周期後に同じ値となるため、減算により打ち消しあうことを用いている。
これにより、この距離測定装置では、加減算のみで分波できるので、分波回路規模を大幅に削減することができ、かつ、多重変調光を用いた精度の高い、長距離まで測定できる距離測定を行うことが可能となる。

ここで、「距離測定装置」とは、例えば、光波測距儀、距離画像センサを含む概念である。この距離測定装置により距離画像を取得する場合、受光素子部、分配部、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部は、画素数分設ける構成にすればよい。この場合、受光素子部、分配部、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部により実行される分波処理、および、距離算出部により実行される距離算出演算は、１画素ごとに行えばよい。なお、距離算出部の演算は、比較的複雑となるので、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部から電荷を読み出し、シリアライズした後、処理を行うようにしてもよい。
「照射部」は、例えば、ＬＥＤ光源やレーザー光源を用いて実現することができる。これに光強度変調光を照射させるための光強度変調信号発生部を含むようにしてもよい。また、赤外光など、不可視光を用いると被写体が人物等である場合にも不快を与えないのでよい。また、照射部により照射される「多重変調光」は電磁波であり、赤外光、可視光以外の周波数の電磁波であってもよく、また、音波（超音波など）を用いてもよい。

「光強度変調」は、正弦波による光強度変調のみに限らず、三角波、パルス波などの周期信号を用いて光強度変調を行うものであってもよい。なお、用いる波により、近距離、遠距離における距離分解能の粗密が変わるだけであるので、どのような信号により光強度変調を行うかは、目的・用途に応じて決定すればよい。
「距離測定対象」とは、光波測距儀では、測定対象物における１点を指すが、距離画像センサでは、イメージセンサにより撮像される空間全体（以下、「対象空間」と表現することがある）のことを指す。
「受光素子部」とは、例えば、イメージセンサ（ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサ）などにより実現可能である。
また、照射部が照射する電磁波に応じて、受光素子部に光学フィルタを備えるようにしてもよい。例えば、照射部から赤外光が照射される場合、受光素子部に赤外光以外の電磁波を遮断する赤外光用の光学フィルタを備え、受光素子部の受光素子に赤外光成分以外の電磁波が入射されないようにしてもよい。

蓄積素子部は、「蓄積素子」（電荷蓄積素子）を有しており、「蓄積素子」とは、例えば、コンデンサ（キャパシタ）や、半導体の空乏層（ポテンシャル井戸）などにより実現されるが、これに限らず、電荷を保持するものであれば何でもよい。
なお、蓄積素子部は、複数の蓄積素子（電荷蓄積素子）を用いる構成にしてもよい。
「所定のタイミング」とは、例えば、多重変調光に含まれる各周波数成分の周期をＴｎとするとき、時刻ｔ＝０、Ｔｎ／４、Ｔｎ／２、３Ｔｎ／４である。なお、これは一例にすぎず、基本的には、未知パラメータは３つ（後述するΔψ、Ａ、Ｂ）であるから、反射光（反射波）から少なくとも３点サンプリング値を取得できるタイミングであれば、「所定のタイミング」をどの時刻に設定してもよい。
「切り替え」とは、分配制御などのことを指す。

「距離算出部」は、位相ずれ計算、距離計算などを行う。なお、非線形な変換はルックアップテーブル（ＬＵＴ）などで構成するとよい。距離算出部のみソフトウェア処理してもよい。
第２の発明は、第１の発明であって、蓄積素子部は、多重変調光に含まれる各周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）に対して、少なくとも１つの蓄積素子を備える。
この距離測定装置では、各周波数成分に対応する電荷量を個別に保持する蓄積素子を備えているので、各周波数成分別に設けられた蓄積素子に各周波数成分に対応する電荷量を個別に保持することができ、距離算出部において、各周波数成分の位相ずれを算出することができる。
なお、この距離測定装置では、単波のＴＯＦ方式の距離測定を用いる距離測定装置に比べて、例えば、２重波（高周波の周波数が低周波のｋ（≧２）倍とする）の場合、２倍の数の蓄積素子が必要となるが、距離測定精度はｋ（≧２）倍になる。

第３の発明は、第１または第２の発明であって、多重変調光に含まれる各周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ、周期Ｔ_n）に対して、分配部は、所定の時刻ｔ０、時刻ｔ１（≠ｔ０）、時刻ｔ２（＝ｔ０＋Ｔ_n／２）、時刻ｔ３（＝ｔ１＋Ｔ_n／２）において出力先を切り替える。蓄積素子部は、少なくとも多重変調光における最長周期Ｔ₁の間、電荷を蓄積し続ける。
この距離測定装置では、「互いに偶数倍」の関係で周波数多重されており、各周波数ｆ_nに対して、ｆ_nを超える高周波成分は、半周期（Ｔ_n／２）後に同値になるので、減算により除去することができる。また、ｆ_n未満の低周波成分の各時刻における全ての値は、最長周期Ｔ₁の間に、逆符号の同値になるペアが存在するので、積算により除去することができる（詳細は後述する）。すなわち、分配部の分配制御のみで、簡単に、分波することができるので、分波回路規模を大幅に削減することができ、かつ、多重変調光を用いた精度の高い、長距離まで測定できる距離測定を行うことが可能となる。

なお、「周期Ｔ₁の間、電荷を蓄積し続ける」とは、
（１）周期Ｔ₁の間、所定の時刻における蓄積電荷量のサンプリング値を加算（積算）し続けること、または、
（２）周期Ｔ₁の間、所定の時刻を含む所定の積分期間において取得した蓄積電荷量の積分値を加算（積算）し続けること、
を含む概念である。
第４の発明は、第３の発明であって、蓄積素子部は、時刻ｔ０および時刻ｔ２における電荷量の差分電荷量を、少なくとも最長周期Ｔ₁の間蓄積し（この蓄積により取得（生成）される信号を第１差分積算信号とする。）、蓄積した電荷量を前記距離算出部に電荷転送した後、時刻ｔ１および時刻ｔ３における電荷量の差分電荷量を、少なくとも前記最長周期Ｔ₁の間蓄積する（この蓄積により取得（生成）される信号を第２差分積算信号とする。）。

ここで、「差分電荷量を蓄積（減算）」するためには、ダイオードなどを用いて逆向きの電流で蓄積素子（コンデンサなど）に蓄積する回路構成を用いるとよい。
この距離測定装置では、差分電荷量を蓄積するので、最長周期Ｔ₁の間、定常成分（外光など）を打ち消しながら強度変調光成分のみを蓄積することができ、受光素子の飽和を抑制することができる。このため、より強く強度変調光を照射することができ、距離精度が向上する。
また、この距離測定装置では、各周波数に対して１つの蓄積素子を用いるので、第１差分積算信号蓄積中の第２差分積算信号成分は捨てることになるが（逆も同様）、蓄積素子増加による回路規模増大を最小限に抑えることができるので、解像度を優先する場合は、この距離測定装置の構成を採用することが好ましい。

第５の発明は、第３の発明であって、蓄積素子部は、第１の蓄積素子部と、第２の蓄積素子部と、を有し、少なくとも最長周期Ｔ₁の間、第１の蓄積素子部は、時刻ｔ０および時刻ｔ２における電荷量の差分電荷量を蓄積し（第１差分積算信号）、第２の蓄積素子部は、時刻ｔ１および時刻ｔ３における電荷量の差分電荷量を蓄積する（第２差分積算信号）。
この距離測定装置では、２つの蓄積素子（第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部）を用いるので、回路規模は多少増大するが、第１・第２差分積算信号を同時に保持することができる。このため、第１・第２差分積算信号に時間遅延がなく、被写体が動いた場合の動きぼけを低減することができ、高精度な距離画像を取得することができる。また、この距離測定装置では、蓄積素子数は２倍になるが、その他の回路は共通であるから、全体の回路規模は２倍以下になる。

第６の発明は、第４または第５の発明であって、多重変調光の距離測定対象からの反射波をｆ（ｔ）とし、多重変調光に含まれる第ｎ周波数成分（ｎは自然数、１≦ｎ≦Ｎ）の周期をＴ_n、最長周期Ｔ₁に含まれる波数をｋ_n（＝ｆ_n／ｆ₁）とするとき、蓄積素子部は、
第１差分積算信号として、

に相当する電荷を蓄積し、
第２差分積算信号として、

に相当する電荷を蓄積する。

第７の発明は、第３の発明であって、蓄積素子部は、時刻ｔ０〜ｔ３のうちの任意の１つの時刻において、少なくとも最長周期Ｔ₁の間電荷量を蓄積し、蓄積した電荷量を距離算出部に電荷転送する処理を、時刻ｔ０に対応する蓄積電荷量、時刻ｔ１に対する蓄積電荷量、時刻ｔ２に対する蓄積電荷量、および、時刻ｔ３に対する蓄積電荷量の全てに対して順次行うことにより、各時刻ｔ０〜ｔ３に対応した電荷量（第０〜第３積算信号）を距離算出部に電荷転送する。
ここで、「時刻ｔ０に対応する蓄積電荷量、時刻ｔ１に対する蓄積電荷量、時刻ｔ２に対する蓄積電荷量、および、時刻ｔ３に対する蓄積電荷量の全てに対して順次行う」には、４！（４の階乗）通りの順番がある。つまり、時刻ｔ０に対応する蓄積電荷量をＥ（ｔ０）とし、時刻ｔ１に対応する蓄積電荷量をＥ（ｔ１）とし、時刻ｔ２に対応する蓄積電荷量をＥ（ｔ２）とし、時刻ｔ３に対応する蓄積電荷量をＥ（ｔ３）とすると、Ｅ（ｔ０）、Ｅ（ｔ１）、Ｅ（ｔ２）、Ｅ（ｔ３）の順番に電荷転送処理をおこなってもよいし、Ｅ（ｔ３）、Ｅ（ｔ２）、Ｅ（ｔ１）、Ｅ（ｔ０）の順番に電荷転送処理を行ってもよい。転送順序は、上記の通り、４！（４の階乗）通りあり、そのいずれの順序により電荷転送処理を行ってもよい。
この距離測定装置では、電流を逆向きにする回路は不要であるので、より回路規模を小さくすることができ、距離画像の解像度が向上する。
また、この距離測定装置では、各周波数に対して１つの蓄積素子を用いるので、各積算信号取得中の、その他の積算信号成分は捨てることになるが、蓄積素子増加による回路規模増大を最小限に抑えることができるので、解像度を優先する場合は、この距離測定装置の構成を採用することが好ましい。

第８の発明は、第３の発明であって、蓄積素子部は、第１の蓄積素子部と、第２の蓄積素子部と、を有し、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部は、少なくとも最長周期Ｔ₁の間、時刻ｔ０〜ｔ３のうち任意の２つの時刻における電荷量を蓄積し、蓄積した電荷量を距離算出部に電荷転送した後、少なくとも最長周期Ｔ₁の間、残りの２つの時刻における電荷量を蓄積し、蓄積した電荷量を距離算出部に電荷転送することで、各時刻ｔ０〜ｔ３に対応した電荷量（第０〜第３積算信号）を距離算出部に電荷転送する。
ここで、「時刻ｔ０〜ｔ３のうち任意の２つの時刻」とは、例えば、時刻ｔ０および時刻ｔ２であり、「残りの２つの時刻」とは、例えば、時刻ｔ１および時刻ｔ３である。
この距離測定装置では、２つの蓄積素子を用いるので、回路規模は多少増大するが、２つの積算信号を同時に保持することができる。このため、この２つの積算信号の時間遅延がなく、被写体が動いた場合の動きぼけを低減することができ、高精度な距離画像を取得することができる。また、この距離測定装置では、蓄積素子数は２倍になるが、その他の回路は共通であるから、全体の回路規模は２倍以下になる。
第９の発明は、第３の発明であって、蓄積素子部は、第０の蓄積素子部と、第１の蓄積素子部と、第２の蓄積素子部と、第３の蓄積素子部と、を有し、少なくとも前記最長周期Ｔ₁の間、第０の蓄積素子部は、時刻ｔ０における電荷量を蓄積し（第０積算信号）、第１の蓄積素子部は、時刻ｔ１における電荷量を蓄積し（第１積算信号）、第２の蓄積素子部は、時刻ｔ２における電荷量を蓄積し（第２積算信号）、第３の蓄積素子部は、時刻ｔ３における電荷量を蓄積する（第３積算信号）。
この距離測定装置では、４つの蓄積素子を用いるので、回路規模は多少増大するが、４つの積算信号を同時に保持することができる。このため、この４つの積算信号の時間遅延がなく、被写体が動いた場合の動きぼけを低減することができ、高精度な距離画像を取得することができる。また、この距離測定装置では、蓄積素子数は４倍になるが、その他の回路は共通であるから、全体の回路規模は４倍以下になる。

第１０の発明は、第７から第９のいずれかの発明であって、多重変調光の前記距離対象からの前記反射波をｆ（ｔ）とし、前記多重変調光に含まれる第ｎ周波数（ｎは自然数、１≦ｎ≦Ｎ）の周期をＴ_n、前記最長周期Ｔ₁に含まれる波数をｋ_n（＝ｆ_n／ｆ₁）とするとき、蓄積素子部は、
第０積算信号として、

に相当する電荷を蓄積し、
第１積算信号として、

に相当する電荷を蓄積し、
第２積算信号として、

に相当する電荷を蓄積し、
第３積算信号として、

に相当する電荷を蓄積する。

第１１の発明は、第１から第１０のいずれかの発明であって、距離算出部は、多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量を算出し、算出した位相ずれ量のうち、多重変調光に含まれる各周波数成分の中の任意の周波数成分の位相ずれ量である低周波位相ずれ量、および、多重変調光に含まれる各周波数成分の中に含まれ、低周波位相ずれ量に対応する周波数成分より高い周波数成分の位相ずれ量である高周波位相ずれ量から最終位相ずれ量を算出し、算出した最終位相ずれ量から距離を算出する。
これにより、検出位相ずれ限界（π／２）以上の高周波位相ずれを検出できるので、高精度かつ長距離測定可能となる。
第１２の発明は、第１１の発明であって、低周波位相ずれ量をΔψｉ（周波数ｆｉ）とし、高周波位相ずれ量をΔψｊ（周波数ｆｊ）とし、光速をｃとするとき、距離算出部は、多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量、最終位相ずれ量、および、距離Ｌを、それぞれ、

により算出する。
この距離測定装置では、低周波位相ずれΔψｉを高周波位相ずれ量に換算した

（低精度だがπ／２以上の範囲に相当する距離測定が可能。）を算出し、これと高周波位相ずれ量Δψｊ（高精度だが±π／２の範囲のみでの相当する距離測定が可能）を組み合わせることで、π／２以上の高周波位相ずれ量である最終位相ずれ量であるΔψ（高精度かつπ／２以上の範囲に相当する距離測定が可能。）を算出することができる。
これにより、この距離測定装置では、長距離測定可能、かつ、高精度の距離測定を行うことができる。

第１３の発明は、第１２の発明であって、距離算出部は、各時刻における電荷蓄積時間τを考慮して、多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量Δψｎを、

により算出する。
この距離測定装置では、図２または図６に示すように、各時刻の電荷蓄積時間τ（＞０）を考慮して位相ずれ量Δψを求める。一般に、瞬時値（サンプリング値）ではなく、積分値を用いて位相ずれ量Δψを求めることで、ノイズの影響を受けにくくすることができるため好ましいが、位相ずれ量算出式は、上式のように変化する。
例えば、図２のように、ｔ＝０〜τ、Ｔ／４〜Ｔ／４＋τ、Ｔ／２〜Ｔ／２＋τ、３Ｔ／４〜３Ｔ／４＋τを積分期間とすると、位相ずれΔψは、（数式３）により、

と求められる。この場合、位相は、サンプル値により算出した場合に比べ、さらに、ωτ／２だけずれるので、その分の補正が必要となる。
これにより、この距離測定装置では、電荷蓄積時間τによる位相ずれ誤差を補正することができるので、電荷蓄積時間τを長くでき、さらに精度を向上させることができる。

第１４の発明は、第１１から第１３のいずれかの発明であって、距離算出部は、多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量ψ_nを添え字順（ｎ＝１、２、…）に並べ、初めてπ／２以上となる位相ずれ量の添え字をｋ（２≦ｋ≦Ｎ）とするとき、位相ずれ量ψ_k-1を、低周波位相ずれ量として、距離を算出する。
例えば、ψ₁＝４０°、ψ₂＝８０°、ψ₃＝１２０°のとき、低周波位相ずれをψ₂（＝８０°）とする。
なお、ＴＯＦ方式における位相ずれ量は、周波数に比例する。一般的に、ｆ（ｔ）のフーリエ変換をＦ（ω）とするとき、ｆ（ｔ−Δｔ）のフーリエ変換はＦ（ω）ｅｘｐ（−ωΔｔ）となり、位相ずれ量Δψ＝ωΔｔとなり、周波数に比例する（線形位相。直線位相とも呼ばれる）。
この距離測定装置では、多重変調光に含まれる各周波数成分の中で、最も精度の高い低周波成分を用いるので、さらに距離測定の精度が向上する。この距離測定装置により取得される距離画像では、これを画素ごとに行うことで、各画素における測距対象物の距離に応じて最も精度の高い低周波成分を用いることができ、これにより、各画像の距離精度が向上する。

第１５の発明は、第１１から第１４のいずれかの発明であって、第１差分積算信号の絶対値が小さいとき、または、第０積算信号と第２積算信号との差分絶対値が小さいとき、距離算出部は、最終位相ずれ量として、

を用いる。
これにより、この距離測定装置では、

において、分母の値が小さく、除算結果が発散する場合には、低周波位相ずれΔψｉを高周波位相ずれ量に換算した

（低精度だがπ／２以上の範囲に相当する距離測定が可能。）に基づいて距離を算出することによって、距離測定不能な場合が発生することを回避することができる。

第１６の発明は、第１から第１５のいずれかの発明であって、照射部は、多重変調光を、低周波成分ほど振幅を小さくして生成する。
低周波成分は、粗く測距するためのものなので、振幅を小さくしてもよく、これにより蓄積素子の飽和を低減することができる。
第１７の発明は、照射部と、受光素子部と、分配部と、蓄積素子部と、を備える距離測定装置に用いられる距離測定方法であって、分配制御ステップと、距離算出ステップと、を備える。
照射部は、
ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化することで生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する。受光素子部は、照射部から照射された多重変調光の距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する。分配部は、受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する。蓄積素子部は、分配部から出力される電荷を蓄積する。
分配制御ステップでは、分配部の出力先を、所定のタイミングで、所定の出力先に切り替えるように制御する。距離算出ステップでは、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部により蓄積された電荷量に基づいて、距離測定対象までの距離を算出する。
これにより、第１の発明と同様の効果を奏する距離測定方法を実現することができる。

第１８の発明は、照射部と、受光素子部と、分配部と、蓄積素子部と、を備える距離測定装置に用いられる距離測定方法をコンピュータに実行させるプログラムである。距離測定方法は、分配制御ステップと、距離算出ステップと、を備える。
照射部は、
ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化することで生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する。受光素子部は、照射部から照射された多重変調光の距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する。分配部は、受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する。蓄積素子部は、分配部から出力される電荷を蓄積する。
分配制御ステップでは、分配部の出力先を、所定のタイミングで、所定の出力先に切り替えるように制御する。距離算出ステップでは、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部により蓄積された電荷量に基づいて、距離測定対象までの距離を算出する。
これにより、第１の発明と同様の効果を奏する距離測定方法をコンピュータに実行させるプログラムを実現することができる。

第１９の発明は、照射部と、受光素子部と、分配部と、蓄積素子部と、距離算出部と、を備える集積回路である。
照射部は、
ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化することで生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する。受光素子部は、照射部から照射された多重変調光の距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する。分配部は、受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する。蓄積素子部は、分配部から出力される電荷を蓄積する。距離算出部は、蓄積素子部により蓄積された電荷量から、距離測定対象までの距離を算出する。
これにより、第１の発明と同様の効果を奏する集積回路を実現することができる。

本発明によれば、分波回路規模を大幅に削減し、取得される距離画像の解像度低下を最小限に抑えることで、取得される距離画像の高解像度化、測定距離精度の高精度化、および、測定距離の長距離化を実現することができる多重波を用いた距離測定装置、距離測定方法、プログラムおよび集積回路を実現することができる。

ＴＯＦ方式の距離測定の原理を説明するための説明図 ＴＯＦ方式（積分型）の距離測定の原理を説明するための説明図 第１実施形態における距離測定装置１の概略構成を示すブロック図 第１実施形態における距離測定装置１の受光素子部２０１と、分配部２０２と、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）と、の構成の一例（特許文献３図８記載）を示す図 第１実施形態における距離測定装置１の動作を説明するための説明図 第１実施形態における距離測定装置１（積分型）の動作を説明するための説明図

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態である距離測定装置１について、図３〜５を用いて説明する。
第１実施形態では、多重変調光（複数の周波数により光強度変調された光強度変調光を重畳（多重）した光強度変調光）として、３種類の周波数（低周波、中周波、高周波）により、それぞれ、光強度変調された３つの光強度変調光を重畳（多重）した３重変調光（３重波）を採用する場合について説明する。なお、重畳（多重）される光強度変調光の周波数の関係は、「互いに偶数倍」の周波数となる関係にする。ここでは、最も簡単な例として、基準周波数ｆ（周期Ｔ）を用いて、
低周波：ｆ₁＝ｆ、
中周波：ｆ₂＝２・ｆ、
高周波：ｆ₃＝４・ｆ
とする（以下では、「ｆ₁」を「ｆ１」と、「ｆ₂」を「ｆ２」と、「ｆ₃」を「ｆ３」と表記することがある）。つまり、低周波数により光強度変調された光強度変調光（低周波）の光強度変調周波数をｆ１（＝ｆ）とし、中周波数により光強度変調された光強度変調光（中周波）の光強度変調周波数をｆ２（＝２・ｆ）とし、高周波数により光強度変調された光強度変調光（高周波）の光強度変調周波数をｆ３（＝４・ｆ）とする。

なお、「互いに偶数倍」の周波数となる関係とは、重畳（多重）される光強度変調光の光強度変調周波数を、低い方から、ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_n、ｆ_n+1、・・・としたとき、
ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｆ_n+1＞ｆ_n、ｎおよびｋ_nは自然数）
が成立する関係をいう。
また、以下では、３重変調光（３重波）を用いる場合について説明するが、通常は、多重変調光として、２重波（互いに偶数倍の関係にある光強度変調光周波数により光強度変調された低周波および高周波の２つの光強度変調光を重畳（多重）した多重変調光）を用いれば十分である（２重波により本実施形態の距離測定を実現すれば、十分、取得される距離画像の高解像度化、測定距離精度の高精度化、および、測定距離の長距離化を実現することができる）。

また、本実施形態の距離測定方法（距離測定装置１により実現される距離測定方法）は、一般的な場合（Ｎ重波（Ｎは自然数）を用いる場合）においても成立する（分波できる）。これについては、以下の文中で証明する。
＜１．１：距離推定装置の構成＞
図３は、本発明の第１実施形態における距離測定装置１の概略構成を示すブロック図である。
図３に示すように、本発明の第１実施形態による距離測定装置１は、多重変調光を撮像空間に照射する照射部１０と、照射部１０から照射された多重変調光の撮像空間からの反射波である反射多重変調光を受光する受光部２０と、受光部２０の出力から距離測定装置１と撮像空間内の被写体（距離測定対象）と間の距離を算出する距離算出部３０と、照射部１０、受光部２０および距離算出部３０を制御する制御部４０と、を備える。

照射部１０は、制御部４０からの指令に基づいて、多重変調光（本実施形態では、３種類の周波数（低周波、中周波、高周波）により、それぞれ、光強度変調された３つの光強度変調光を重畳（多重）した３重変調光（３重波））を生成し、生成した多重変調光を、距離測定対象である撮像空間に照射する。
受光部２０は、複数の（画素数分の）電荷蓄積部２００（１つの電荷蓄積部２００が１つの画素に対応する。）と、電荷転送部２１０と、を備える。
電荷蓄積部２００は、画素ごとに、受光素子部２０１と、分配部２０２と、第１波成分用蓄積素子部２１１Ａ、２１１Ｂと、第２波成分用蓄積素子部２２１Ａ、２２１Ｂと、第３波成分用蓄積素子部２３１Ａ、２３１Ｂと、を備える。なお、以下では、第１波成分用蓄積素子部から第Ｎ波成分用蓄積素子部（ここでは、Ｎ＝３）をまとめて、「蓄積素子部」ということがある。

受光素子部２０１は、受光素子（例えば、フォトダイオードにより実現される受光素子）を有し、距離測定対象の撮像空間からの反射多重変調光（反射波）を受光し、光電変換により反射波を電荷（電気信号）に変換する。そして、受光素子部２０１は、光電変換により取得した電荷（電気信号）を、分配部２０２を介して、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）に出力する。
分配部２０２は、制御部４０により分配制御を行う。分配部２０２は、制御部４０により指示される所定のタイミングで、受光素子部２０１から出力される電荷（電気信号）を、第１波成分用蓄積素子部２１１Ａ、２１１Ｂ、第２波成分用蓄積素子部２２１Ａ、２２１Ｂ、第３波成分用蓄積素子部２３１Ａ、２３１Ｂ、のいずれかに出力する。
第１波成分用蓄積素子部２１１Ａは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第１波成分用蓄積素子部２１１Ａは、反射波の低周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。

第１波成分用蓄積素子部２１１Ｂは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第１波成分用蓄積素子部２１１Ｂは、反射波の低周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。
第２波成分用蓄積素子部２２１Ａは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第２波成分用蓄積素子部２２１Ａは、反射波の中周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。
第２波成分用蓄積素子部２２１Ｂは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第２波成分用蓄積素子部２２１Ｂは、反射波の中周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。
第３波成分用蓄積素子部２３１Ａは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第３波成分用蓄積素子部２３１Ａは、反射波の高周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。

第３波成分用蓄積素子部２３１Ｂは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第３波成分用蓄積素子部２３１Ｂは、反射波の高周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。
なお、電荷蓄積部２００では、多重変調光の多重度が「３」（低周波、中周波、高周波の３つの光強度変調光を重畳（多重）。）であるため、３つの成分用の蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）を備える構成となっている。多重度が「Ｎ」の場合は、電荷蓄積部２００は、Ｎ個の成分用の蓄積素子部を備える構成（例えば、Ｎ×２個の蓄積素子部を備える構成）にすればよい。
また、受光素子部２０１と、分配部２０２と、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）と、の構成の一例（特許文献３図８記載）を、図４に示す。図４に示すように、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２（受光素子部２０１の一部に相当。）に流れる電流Ｉ１およびＩ２を、分配部（一部）２０２Ａを介して、蓄積素子部（図４では第１波成分用蓄積素子部２１１Ａ）に流すことで、電荷蓄積処理を実行する。具体的には、制御部４０からの分配制御信号に基づいて、分配部２０２Ａの分配制御を切り替えることで、蓄積素子部（図４では第１波成分用蓄積素子部２１１Ａ）のコンデンサに流れる電流の向きを変え、蓄積素子部（図４では第１波成分用蓄積素子部２１１Ａ）のコンデンサに差分電荷を蓄積させる。

なお、図４に示す構成は、一例であり、この構成に限定されないことは言うまでもない。
電荷転送部２１０は、各画素に対応する電荷蓄積部２００の蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）から出力される蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）を、入力とし、制御部４０により指示される所定のタイミングで、距離算出部３０に転送する。
距離算出部３０は、受光部２０の電荷転送部２１０からの出力を入力とし、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）に基づいて各画素についての距離値を算出し、各画素が距離値となる距離画像を生成して出力する。なお、距離算出部３０は、アナログ信号のまま距離算出についての計算を行うものであってもよいし、Ａ／Ｄ変換後にディジタル処理により距離算出についての計算を行うものであってもよい。

距離算出部３０は、図３に示すように、第１波位相ずれ量算出部３１と、第２波位相ずれ量算出部３２と、第３波位相ずれ量算出部３３と、距離値取得部３４と、を備える。
第１波位相ずれ量算出部３１は、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）を入力とし、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）に基づいて、低周波位相ずれ量を算出する。そして、第１波位相ずれ量算出部３１は、算出した低周波位相ずれ量を距離値取得部３４に出力する。
第２波位相ずれ量算出部３２は、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）を入力とし、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）に基づいて、中周波位相ずれ量を算出する。そして、第２波位相ずれ量算出部３２は、算出した低周波位相ずれ量を距離値取得部３４に出力する。

第３波位相ずれ量算出部３３は、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）を入力とし、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）に基づいて、高周波位相ずれ量を算出する。そして、第３波位相ずれ量算出部３３は、算出した低周波位相ずれ量を距離値取得部３４に出力する。
距離値取得部３４は、第１波位相ずれ量算出部３１により算出された低周波位相ずれ量、第２波位相ずれ量算出部３２により算出された中周波位相ずれ量、および、第３波位相ずれ量算出部３３により算出された高周波位相ずれ量を入力として、低周波位相ずれ量、中周波位相ずれ量および高周波位相ずれ量に基づいて、各画素について、距離（距離値）を算出する。そして、距離値取得部３４は、各画素が算出した距離値となる距離画像を生成して、生成した距離画像を出力する。

＜１．２：距離推定装置の動作＞
以上のように構成された距離測定装置１の動作について、説明する。
照射部１０により、「互いに偶数倍」の関係となる周波数を有する多重変調光（例：低周波ｆ１＝ｆ、中周波ｆ２＝２・ｆ、高周波ｆ３＝４・ｆ、ｆは基準周波数）が、距離測定対象空間である撮像空間へ照射される。
受光部２０では、撮像空間からの多重変調光の反射光を受光する。つまり、撮像空間からの多重変調光の反射光は、各画素に対応する電荷蓄積部２００の受光素子部２０１で受光され、光電変換により、受光素子部２０１で受光した光量に応じた電荷を発生させる。そして、発生させた電荷（電気信号）は、分配部２０２に出力される。
分配部２０２では、受光素子部２０１により取得された電荷（電気信号）を、制御部４０からの指令に基づいて、所定のタイミングで切り替えながら、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）に出力する。

蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）では、分配部２０２から出力された電荷（電気信号）を蓄積する。
ここで、「所定のタイミング」は、図５に示すように、高周波の４分の１周期（Ｔ／１６）ごとの時刻とする。ｔ＝ｊＴ／１６（０≦ｊ＜１６、ｊは整数）における反射波ｆ（ｔ）の値Ａｊは、低周波成分Ｂｊ、中周波成分Ｃｊ、高周波成分Ｄｊ、変数α、定数βを用いて、
Ａｊ＝α（Ｂｊ＋Ｃｊ＋Ｄｊ）＋β
となる。なお、変数αは、照射部１０の強度、被写体の反射率、反射角度、反射の種類（鏡面反射、拡散反射等）、被写体までの距離などに依存する変数である。また、定数βは、環境光の強度、被写体の反射率などに依存する変数である。

第１波成分用蓄積素子部２１１Ａには、制御部４０が分配部２０２に対して、分配制御を行うことで、
Ａ８−Ａ０＝α（Ｂ８＋Ｃ８＋Ｄ８）−α（Ｂ０＋Ｃ０＋Ｄ０）
に相当する電荷を蓄積する。つまり、第１波成分用蓄積素子部２１１Ａには、時刻ｔ＝８Ｔ／１６における蓄積電荷量Ａ８（所定のサンプリング期間によりサンプル値（サンプリングは、分配部２０２による分配制御により行う。））と時刻ｔ＝０における蓄積電荷量Ａ０（所定のサンプリング期間によりサンプル値）との差分電荷を蓄積する。
上式では、定数β（定常成分）は減算により打ち消される。ここで、中周波および高周波の周波数は、低周波の偶数倍であるから、図５からも明らかなように、低周波の半周期後の時刻における中周波の値（Ｃ０、Ｃ８）および高周波の値（Ｄ０、Ｄ８）は同じ値となる。

したがって、
Ａ８−Ａ０＝α（Ｂ８−Ｂ０）
となり、これに相当する電荷が第１波成分用蓄積素子部２１１Ａに蓄積される。つまり、第１波成分用蓄積素子部２１１Ａには、低周波成分のみの電荷が蓄積される。
同様にして、第１波成分用蓄積素子部２１１Ｂには、
Ａ４−Ａ１２＝α（Ｂ４−Ｂ１２）
に相当する電荷が蓄積される。つまり、第１波成分用蓄積素子部２１１Ｂには、低周波成分のみの電荷が蓄積される。
第２波成分用蓄積素子部２２１Ａには、制御部４０が分配部２０２に対して、分配制御を行うことで、
（Ａ４−Ａ０）＋（Ａ１２−Ａ８）
に相当する電荷を蓄積する。すなわち、最低周波数ｆ１の１周期Ｔの間、蓄積し続ける。ここで、高周波の周波数は、中周波の偶数倍であるから、
Ｄ４＝Ｄ０、Ｄ１２＝Ｄ８
であり、高周波成分は減算により打ち消しあう。一方、中周波の周波数は、低周波の偶数倍であるから、
Ｂ８＝−Ｂ０、Ｂ１２＝−Ｂ４
であり、低周波成分は加算により打ち消しあう。また、
Ｃ０＝Ｃ８、Ｃ４＝Ｃ１２
である。よって、第２波成分用蓄積素子部２２１Ａには、
（Ａ４−Ａ０）＋（Ａ１２−Ａ８）＝２α（Ｃ４−Ｃ０）
が蓄積される。つまり、第２波成分用蓄積素子部２２１Ａには、中周波成分のみの電荷が蓄積される。

同様にして、第２波成分用蓄積素子部２２１Ｂには、
（Ａ２−Ａ６）＋（Ａ１０−Ａ１４）＝２α（Ｃ２−Ｃ６）
が蓄積される。つまり、第２波成分用蓄積素子部２２１Ｂには、中周波成分のみの電荷が蓄積される。
第３波成分用蓄積素子部２３１Ａには、制御部４０が分配部２０２に対して、分配制御を行うことで、
（Ａ２−Ａ０）＋（Ａ６−Ａ４）＋（Ａ１０−Ａ８）＋（Ａ１４−Ａ１２）
に相当する電荷を蓄積する。すなわち、最低周波数ｆ１の１周期Ｔの間、蓄積し続ける。同様に、図５より、
Ｃ４＝−Ｃ０、Ｃ６＝−Ｃ２、Ｃ１２＝−Ｃ８、Ｃ１４＝−Ｃ１０
Ｂ８＝−Ｂ０、Ｂ１０＝−Ｂ２、Ｂ１２＝−Ｂ４、Ｂ１４＝−Ｂ６
Ｄ０＝Ｄ４＝Ｄ８＝Ｄ１２、Ｄ２＝Ｄ６＝Ｄ１０＝Ｄ１４
より、
（Ａ２−Ａ０）＋（Ａ６−Ａ４）＋（Ａ１０−Ａ８）＋（Ａ１４−Ａ１２）＝４α（Ｄ２−Ｄ０）
となる。つまり、つまり、第３波成分用蓄積素子部２３１Ａには、高周波成分のみの電荷が蓄積される。

同様にして、第３波成分用蓄積素子部２３１Ｂには、
（Ａ１−Ａ３）＋（Ａ５−Ａ７）＋（Ａ９−Ａ１１）＋（Ａ１３−Ａ１５）＝４α（Ｄ１−Ｄ３）
が蓄積される。つまり、第３波成分用蓄積素子部２３１Ｂには、高周波成分のみの電荷が蓄積される。
距離測定装置１では、このようにして、分波処理が実行される。
≪分波原理について≫
次に、この分波原理（上記分波処理の原理）が一般的に成立することを証明する。
反射波（多重度Ｎ）を、

とし、その第ｉ周波数成分（ｉ＝１〜Ｎ）を、

とする。
反射波ｆ（ｔ）から、第ｎ周波数成分（１≦ｎ≦Ｎ）を分波するために、時刻ｔ＝０およびＴ_n／２における反射光の差分電荷を、第１周波数（＝最低周波数）の１周期の間、積算処理（サンプリング時刻における離散値の加算処理）を実行し続け（波数ｋ_n）、上記第１波成分用の蓄積素子に第１差分積算信号

を蓄積する。この際、βは減算により打ち消される。
ここで、任意のｉ＞ｎに対して、各周波数が互いに偶数倍のとき、ω_i／ω_nが偶数であることを用いて、

となるので、第ｎ周波数を超える高周波成分は全て減算により打ち消しあう。よって、

となる。ここで、上式を次のように変形しておく。

一方、任意のｉ＜ｎに対して、各周波数が互いに偶数倍のとき、ｋ_n／ｋ_iが偶数であることを用いて、

となる。同様にして、

となる。すなわち、第ｎ周波数未満の低周波成分は全て加算により打ち消しあう。
以上より、

となり、第ｎ周波数成分のみが分波される。
また、時刻ｔ＝Ｔ_n／４および３Ｔ_n／４における反射光の差分電荷を、第１周波数（＝最低周波数）の１周期の間、積算処理（サンプリング時刻における離散値の加算処理）を実行し続け（波数ｋ_n）、上記第２波成分用の蓄積素子に第２差分積算信号、

を蓄積する。同様にして、

となり、位相が９０°ずれた、第ｎ周波数成分のみが得られる。
なお、後述するが、第ｎ周波数成分の位相ずれΔψ_nは、

により算出される。
また、距離測定装置１において、図６に示すように、サンプリング値（上記の場合）ではなく積分値を用いて、位相ずれ量を算出するようにしてもよい。距離測定装置１において、積分値を用いて位相ずれ量を算出する場合、蓄積素子部に蓄積される電荷量が多くなり、Ｓ／Ｎ比を良くすることができる（距離測定に用いる電荷量に対するノイズ量の割合が低減される）ので、さらに、高精度の距離測定が可能となる。
なお、積分値を用いて、位相ずれ量を算出する場合の位相ずれ量は、ｔ＝ｊＴ_N／４〜ｊＴ_N／４＋τ（０≦ｊ＜４ω_N／ω₁、ｊは整数）における反射波ｆ（ｔ）の積分値をＡｊとし、これに含まれる低周波成分をＢｊ、中周波成分をＣｊ、高周波成分をＤｊとし、上記と同様の計算を行うことで取得することができる。なお、図６の例では、Ｎ＝３、Ｔ_N＝Ｔ₃＝Ｔ／４、ω_N／ω₁＝ω₃／ω₁＝４より、積分区間はｔ＝ｊＴ／１６〜（ｊ＋１）Ｔ／１６（０≦ｊ＜１６、ｊは整数）となる。
この場合、位相ずれ量Δψ_nは、

となり、位相ずれ量Δψ_nのオフセット項（（数式１６）の「ω_nτ／２」の部分）が生じる。なお、図６は、τ＝Ｔ_n／４の場合の一例であるが、これ以外の期間であってもよい。また、分配制御切り替え時間εを考慮して、τ＝Ｔ_n／４−εとしてもよい。
また、距離測定装置１において、積分値による位相ずれ量を算出する場合、制御部４０が、分配部２０２に対する分配制御（分配タイミングおよび分配期間）を調整することで、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）に、所定の積分期間による積分値に相当する電荷を蓄積させることができる。
次に、電荷転送部２１０以降の処理について説明する。
電荷転送部２１０では、各画素に対応する蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）の電荷を、制御部４０からの指令により、所定のタイミングで、距離算出部３０へ転送する。なお、「所定のタイミング」とは、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）の蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）が、混同（混合）されることなく、距離算出部３０に転送されるものであればよい。例えば、ＣＣＤデバイス等で用いられている蓄積電荷の転送方法に基づいた転送方式（例えば、順次転送方式）により、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）の蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）を距離算出部３０に転送するようにすればよい。

第１波位相ずれ量算出部３１では、電荷転送部２１０から転送される各画素についての蓄積電荷量に基づいて、各画素についての低周波位相ずれ量が算出される。
具体的には、第１波位相ずれ量算出部３１では、電荷転送部２１０から転送される、第１波成分用蓄積素子部２１１Ａの蓄積電荷（α（Ｂ８−Ｂ０））および第１波成分用蓄積素子部２１１Ｂの蓄積電荷（α（Ｂ４−Ｂ１２））に基づいて、低周波位相ずれΔψ１が、

により算出される。
第２波位相ずれ量算出部３２では、電荷転送部２１０から転送される各画素についての蓄積電荷量に基づいて、各画素についての中周波位相ずれ量が算出される。
具体的には、第２波位相ずれ量算出部３２では、電荷転送部２１０から転送される、第２波成分用蓄積素子部２２１Ａの蓄積電荷（２α（Ｃ４−Ｃ０））および第２波成分用蓄積素子部２２１Ｂの蓄積電荷（２α（Ｃ２−Ｃ６））に基づいて、低周波位相ずれ量Δψ２が、

により算出される。
第３波位相ずれ量算出部３３では、電荷転送部２１０から転送される各画素についての蓄積電荷量に基づいて、各画素についての高周波位相ずれ量が算出される。
具体的には、第３波位相ずれ量算出部３３では、電荷転送部２１０から転送される、第３波成分用蓄積素子部２３１Ａの蓄積電荷（４α（Ｄ２−Ｄ０））および第３波成分用蓄積素子部２３１Ｂの蓄積電荷（４α（Ｄ１−Ｄ３））に基づいて、高周波位相ずれ量Δψ３が、

により算出される。
距離値取得部３４では、第１波位相ずれ量算出部３１により算出された低周波位相ずれ量、第２波位相ずれ量算出部３２により算出された中周波位相ずれ量、および、第３波位相ずれ量算出部３３により算出された高周波位相ずれ量、の３つの位相ずれ量に基づいて、各画素について、距離（距離値）が算出される。
具体的には、距離値取得部３４は、各画素について、低周波位相ずれ量Δψ１、中周波位相ずれ量Δψ２および高周波位相ずれ量Δψ３に基づいて最終位相ずれ量Δψを決定し、これに基づき、各画素の距離値Ｌを算出する。
距離値取得部３４では、例えば、低周波位相ずれ量Δψ１および高周波位相ずれ量Δψ３を用いて、最終位相ずれ量Δψが、

により算出される。
なお、距離値取得部３４は、Δψ１≦Δψ２≦π／２の場合、最終位相ずれ量Δψを、

により算出する。すなわち、距離値取得部３４は、中周波位相ずれ量がπ／２（検出可能位相ずれ限界）以下の場合、低周波位相ずれ量よりも高精度である中周波位相ずれ量を、低周波位相ずれ量の代わりに用いて、最終位相ずれ量Δψを算出する。
また、

の分母の値が小さいときは、除算結果が発散し、高周波位相ずれ量Δψ３の信頼性が低いので、距離値取得部３４は、最終位相ずれ量を、

を用いて算出する（例えば、ｆ_i＝ｆ１、ｆ_j＝ｆ３として、最終位相ずれ量を算出する）。すなわち、距離値取得部３４では、このように低周波位相ずれ量のみに基づいて距離を算出することで、距離測定不能な場合が発生することを回避することができる。
距離値取得部３４では、以上により算出された最終位相ずれ量Δψに基づいて、各画素についての距離値Ｌを、

により算出する。ここで、ｃは光速である。
（数式２０）〜（数式２４）に基づいて分かるように、距離測定装置１では、低周波ｆ１により決定される最大測定可能距離範囲において、高周波ｆ３により決定される高精度の距離測定が可能となる。
距離値取得部３４は、画素ごとに、距離値Ｌを上記処理により取得し、取得（算出）した距離値Ｌを画素値とする距離画像を生成し、出力する。
以上のように、本実施形態に係る距離測定装置１では、「互いに偶数倍」の関係となる複数の周波数を多重化した多重変調光を用いて、分配制御のみによる分波が可能となる。また、距離測定装置１では、差分電荷を蓄積し続けるので、定常成分（環境光など）が減算により常に打ち消され、蓄積素子における蓄積電荷の飽和を抑えることができる。このため、距離測定装置１では、より強く変調光を距離測定対象である撮像空間（被写体）に照射することができ、距離測定精度を向上させることができる
したがって、本実施形態に係る距離測定装置１および距離測定方法により、分波回路規模を大幅に削減することができ、かつ、取得される距離画像の高解像度化、測定距離精度の高精度化、および、測定距離の長距離化を実現することができる。
なお、上記において、多重変調光の多重度は「３」（低周波、中周波、高周波）であるので、距離算出部３０は、位相ずれ量を算出する機能部として、第１波位相ずれ量算出部３１、第２波位相ずれ量算出部３２、および、第３波位相ずれ量算出部３３、の３つを備えているが、多重変調光の多重度は「Ｎ」の場合は、多重度に応じて、位相ずれ量を算出する機能部を設置し、上記同様の方法を、多重度「Ｎ」の場合に適用すればよい。このようにすることで、本実施形態に係る距離測定装置および距離測定方法を、多重変調光の多重度は「Ｎ」の場合においても、実現することができる。

≪変形例≫
次に、本実施形態に係る変形例について、説明する。
上記では、差分電荷を保存することで位相ずれ量を算出する場合について説明したが、蓄積素子部の電荷をそのまま（同符号のまま）蓄積した後、電荷転送部２１０を介して、位相ずれ量算出部（第１実施形態では、第１波位相ずれ量算出部３１、第２波位相ずれ量算出部３２、および、第３波位相ずれ量算出部３３に相当。）に出力し、位相ずれ量算出部において減算することで、位相ずれ量を算出するようにしてもよい。この場合、蓄積素子部において、差分電荷を取得するための電流反転回路を不要にすることができる。
すなわち、第１周波数（＝最低周波数）の１周期の間（波数ｋ_n）、時刻ｔ＝０における反射光の電荷の積算処理を行う。つまり、第１蓄積素子に、第０積算信号

に相当する電荷を蓄積し、
第２蓄積素子に、第２積算信号

に相当する電荷を蓄積する。
そして、第１蓄積素子および第２蓄積素子に蓄積した電荷を転送した後、
第１蓄積素子に、第１積算信号

を蓄積し、
第２蓄積素子に、第３積算信号

を蓄積する。
そして、位相ずれ量算出部において、

に相当する減算処理を行い、各周波数成分の位相ずれのない周波数成分を抽出する。
また、位相ずれ量算出部において、

に相当する減算処理を行い、各周波数成分の位相が９０°ずれた周波数成分を抽出する。
そして、位相ずれ量算出部は、抽出した、各周波数成分の位相ずれのない周波数成分および位相が９０°ずれた周波数成分に基づいて、各周波数成分の位相ずれ量を算出する。
そして、上記で説明したのと同様の方法により、最終位相ずれ量Δψを求め、最終位相ずれ量Δψに基づいて、画素ごとの距離値Ｌを算出する。
なお、上記処理のようにサンプリング値を用いるのでではなく、上記において、図６により説明したのと同様、積分値を用いて距離値Ｌを算出するようにしてもよい。サンプリング値の代わりに、積分値を用いて位相ずれ量Δψを求めることで、ノイズの影響を受けにくくすることができる。
以上により、本変形例では、電流反転回路を不要にできるので、距離測定装置において、画素ピッチサイズをさらに小さくすることができ、距離測定装置により取得される距離画像の解像度低下を低減できる。
したがって、本変形例に係る距離測定装置および距離測定方法により、分波回路規模を大幅に削減することができ、かつ、取得される距離画像の高解像度化、測定距離精度の高精度化、および、測定距離の長距離化を実現することができる。

［他の実施形態］
上記実施形態の距離測定装置では、多重波（多重変調光）を用いて距離測定を行う場合について説明したが、これに限定されることはなく、例えば、異なる周波数により光強度変調された、複数の光強度変調光を交互に繰り返して（時分割で）測定対象の被写体（撮像空間）に照射する構成にしてもよい。 また、チャープ信号を用いて周波数を連続的に切り替えることによって生成された光強度変調光を用いて距離測定を行うようにしてもよい。例えば、チャープ信号を用いて周波数を低周波側からスキャンし、全画素における位相ずれ量がπ／２を超えないような、最大の周波数付近に強度変調周波数を設定することで、距離測定対象空間における最遠点にあわせた強度変調周波数を設定することができる。

また、低周波と高周波を直交させた偏光（偏波）を用いて距離測定を行うようにしてもよい。例えば、受光側で、反射波をハーフミラーにより２つの経路に分け、低周波成分・高周波成分を偏光フィルタにより抽出し、各周波数の位相ずれ量を算出すればよい。
また、距離測定対象とする撮像空間において、距離測定装置から距離測定対象の被写体までの距離のばらつきが大きい場合は、遠くに存在する被写体ほど、長い波長（光強度変調周波数の低い）の光強度変調光を用いて距離測定するようにしてもよい。例えば、被写体Ａが遠くに存在し、被写体Ｂが近く存在する場合、距離測定装置において、被写体Ａに対しては、長い波長（光強度変調周波数の低い）の光強度変調光（これを「光強度変調光Ａ」、その光強度変調周波数を「ｆＡ」とする。）を用いて多重変調光（多重化される光強度変調光の光強度変調周波数の最低周波数をｆＡとする。）を生成し、被写体Ａに当該多重変調光を照射し、上記で説明した距離測定方法により、被写体Ａまでの距離を測定する。一方、被写体Ｂに対しては、光強度変調光Ａよりも波長の短い光強度変調光Ｂ（この光強度変調周波数を「ｆＢ」とする。）を用いて多重変調光（多重化される光強度変調光の光強度変調周波数の最低周波数をｆＢとする。）を生成し、被写体Ｂに当該多重変調光を照射し、上記で説明した距離測定方法により、被写体Ｂまでの距離を測定する。距離測定装置において、このようにして距離測定を行うようにしてもよい。

なお、上記実施形態で説明した距離測定装置において、各ブロックは、ＬＳＩなどの半導体装置により個別に１チップ化されてもよいし、一部または全部を含むように１チップ化されてもよい。
なお、ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサーで実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用してもよい。
さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてあり得る。

また、上記実施形態の各処理をハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェアにより実現してもよい。さらに、ソフトウェアおよびハードウェアの混在処理により実現してもよい。なお、上記実施形態に係る距離測定装置をハードウェアにより実現する場合、各処理を行うためのタイミング調整を行う必要があるのは言うまでもない。上記実施形態においては、説明便宜のために、実際のハードウェア設計で生じる各種信号のタイミング調整の詳細については省略している。
なお、本発明の具体的な構成は、前述の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更および修正が可能である。

本発明に係る距離測定装置（特に距離画像センサ）、距離測定方法、プログラムおよび集積回路によれば、高解像度かつ高精度かつ長距離測定可能となるので、画像・映像分野（３Ｄ、任意焦点画像、オブジェクト検出・認識、３次元計測）、ロボットの目、交通安全（衝突検知）、セキュリティ分野、ＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）分野、ゲームのインターフェースなど、様々な分野において有用であり、当該分野において実施することができる。

１ 距離測定装置
１０ 照射部
２０ 受光部
２００ 電荷蓄積部
２０１ 受光素子部
２０２ 分配部
２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ 蓄積素子部
２１０ 電荷転送部
３０ 距離画像取得部
３１ 第１波位相ずれ量算出部
３２ 第２波位相ずれ量算出部
３３ 第３波位相ずれ量算出部
３４ 距離値取得部
４０ 制御部

本発明は、距離測定装置、距離測定方法、プログラムおよび集積回路に関する。特に、多重波を用いた距離測定装置、距離測定方法、プログラムおよび集積回路に関する。

近年、所定の周波数の電磁波を被写体に照射し、被写体からの反射波に基づいて被写体までの距離を測定し、測定した距離を画素値として画像を形成することで「距離画像」を撮影する距離測定装置（距離画像センサを用いた測距装置）が開発されている。このような距離測定装置には、複数のカメラを用いるものや、レーザーを走査するものなどがあるが、小型で精度が比較的よいものにＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）方式を用いたものがある（例えば、特許文献１〜３参照）。
ＴＯＦ方式とは、距離測定の対象とする空間に強度変調した光を照射し、その反射波の位相ずれを検出することで、距離を測定するものである。なお、ＴＯＦ方式により距離測定を行うために用いる強度変調した光は、正弦波、三角波、パルス波など様々であるが、基本原理は同様である
図１は、ＴＯＦ方式の原理を説明するための説明図である。光の強度を変調した光（光強度変調光）の光強度の変調周期をＴ、角周波数をω、時刻０、Ｔ／４、Ｔ／２、３Ｔ／４における反射波の強度を、それぞれ、Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３とするとき、距離測定の対象空間に照射した光強度変調光と、その反射波（反射光）との位相ずれ量

（以下、これを「Δψ」と表記することもある。）は、（数式１）により、

と求められる。これにより、距離Ｌは、光速ｃ、往復時間Δｔ＝Δψ／ωであるので、（数式２）により、

と求められる。
しかしながら、ＴＯＦ方式による距離測定方法には、「距離精度」（測定距離の精度）と「最大検出距離」にトレードオフがある。すなわち、「距離精度」は、距離測定に用いる光強度変調光の光強度の変調周波数に比例するが、「最大検出距離」は、光強度変調光の光強度の変調周波数に反比例する。よって、距離測定に用いる光強度変調光の光強度の変調周波数が高周波であるほど距離精度は高精度になるが、最大検出距離は短くなる。逆に、距離測定に用いる光強度変調光の光強度の変調周波数が低周波であるほど長距離まで検出可能となるが距離精度は低精度となってしまう。
これは、ＴＯＦ方式による距離測定方法では、距離測定に用いる光強度変調光の光強度の変調周期の１周期以上の位相ずれを検出できないためである。

そこで、特許文献４、５に開示されている技術では、周波数多重変調光（複数の周波数により光強度変調された光強度変調光を重畳（多重）した光強度変調光、あるいは複数の周波数成分を重畳した変調信号により光強度変調された光強度変調光）を用いることで、１周期以上の位相ずれを検出することを可能にしている（以下、周波数多重変調光を用いることで、１周期以上の位相ずれを検出する方法（方式）を「多重波ＴＯＦ方式」という。）。すなわち、多重波ＴＯＦ方式による距離測定では、低周波数により光強度変調された光強度変調光（低周波）により粗く（低精度に）距離を測定し、測定しようとしている距離を大まかに把握し、さらに、高周波数により光強度変調された光強度変調光（高周波）により精密に（高精度に）距離を測定する。これにより、周波数多重変調光に含まれる高周波（高周波数により光強度変調された光強度変調光）の被写体からの反射波において、当該高周波の１周期以上の位相ずれ（高周波位相ずれ）がある場合であっても、当該高周波による精度の距離測定（高精度の距離測定）が可能となる。このようにして、多重波ＴＯＦ方式による距離測定では、上記トレードオフを解決し、高精度かつ長距離の距離測定が可能となる。

なお、特許文献６には、多重波（周波数多重変調光）ではなく、低周波（低周波数により光強度変調された光強度変調光）と高周波（高周波数により光強度変調された光強度変調光）とを交互に用いる方法が開示されているが、この距離測定は、上記のような多重波を用いる距離測定に比べて、測定距離の精度は劣る。

特許３９０６８５８号 特許３８４０３４１号 特開２００７−１２１１１６ 特開昭５８−６６８８０ 特開平５−２６４７２３ 特開平１１−１６００６５

しかしながら、多重波ＴＯＦ方式による距離測定を行う距離測定装置では、いずれも分波（周波数分離）するための回路（フィルタ回路や同期検波回路など）が必要であり、回路規模（ハードウェア規模）が大きくなるという課題がある。つまり、このような距離測定装置では、画素ごとに分波回路が必要となるため、画素ピッチサイズが大きくなり、解像度が低下してしまうという課題がある。このため、現在、距離測定装置では、１種類の周波数の波（単波）を用いて距離測定を行うのが一般的であり、多重波を用いる距離測定装置を回路規模の増大を抑えつつ、低コストで実現することは困難である。
本発明は、上記課題に鑑み、分波回路規模を大幅に削減し、取得される距離画像の解像度低下を最小限に抑えることで、取得される距離画像の高解像度化、測定距離精度の高精度化、および、測定距離の長距離化を実現することができる多重波を用いた距離測定装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、照射部と、受光素子部と、分配部と、蓄積素子部と、距離算出部と、を備える距離測定装置である。
照射部は、
ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化することで生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する。受光素子部は、照射部から照射された多重変調光の距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する。分配部は、受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する。蓄積素子部は、分配部から出力される電荷を蓄積する。距離算出部は、蓄積素子部により蓄積された電荷量から、距離測定対象までの距離を算出する。

この距離測定装置では、「互いに偶数倍」の関係（上記数式の関係）となる少なくとも２つの異なる周波数を多重化した多重変調光を用いて、距離測定を行うので、分配部により、所定のタイミングで分配制御を行うのみで、反射波において、簡単に、分波することができる（多重化された各周波数成分を抽出することができる）ので、画素ピッチサイズを小さくすることができ、距離画像の解像度が向上する。
つまり、この距離測定装置では、「互いに偶数倍」の関係となる複数の周波数を多重化することで、分配制御のみによる分波が可能となる。ＴＯＦ方式の距離測定では、通常、（数式１）のように、半周期ごとの値の減算を行うので、「互いに偶数倍」の関係であれば、半周期後に同じ値となるため、減算により打ち消しあうことを用いている。
これにより、この距離測定装置では、加減算のみで分波できるので、分波回路規模を大幅に削減することができ、かつ、多重変調光を用いた精度の高い、長距離まで測定できる距離測定を行うことが可能となる。

ここで、「距離測定装置」とは、例えば、光波測距儀、距離画像センサを含む概念である。この距離測定装置により距離画像を取得する場合、受光素子部、分配部、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部は、画素数分設ける構成にすればよい。この場合、受光素子部、分配部、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部により実行される分波処理、および、距離算出部により実行される距離算出演算は、１画素ごとに行えばよい。なお、距離算出部の演算は、比較的複雑となるので、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部から電荷を読み出し、シリアライズした後、処理を行うようにしてもよい。
「照射部」は、例えば、ＬＥＤ光源やレーザー光源を用いて実現することができる。これに光強度変調光を照射させるための光強度変調信号発生部を含むようにしてもよい。また、赤外光など、不可視光を用いると被写体が人物等である場合にも不快を与えないのでよい。また、照射部により照射される「多重変調光」は電磁波であり、赤外光、可視光以外の周波数の電磁波であってもよく、また、音波（超音波など）を用いてもよい。

「光強度変調」は、正弦波による光強度変調のみに限らず、三角波、パルス波などの周期信号を用いて光強度変調を行うものであってもよい。なお、用いる波により、近距離、遠距離における距離分解能の粗密が変わるだけであるので、どのような信号により光強度変調を行うかは、目的・用途に応じて決定すればよい。
「距離測定対象」とは、光波測距儀では、測定対象物における１点を指すが、距離画像センサでは、イメージセンサにより撮像される空間全体（以下、「対象空間」と表現することがある）のことを指す。
「受光素子部」とは、例えば、イメージセンサ（ＣＣＤ型イメージセンサやＣＭＯＳ型イメージセンサ）などにより実現可能である。
また、照射部が照射する電磁波に応じて、受光素子部に光学フィルタを備えるようにしてもよい。例えば、照射部から赤外光が照射される場合、受光素子部に赤外光以外の電磁波を遮断する赤外光用の光学フィルタを備え、受光素子部の受光素子に赤外光成分以外の電磁波が入射されないようにしてもよい。

蓄積素子部は、「蓄積素子」（電荷蓄積素子）を有しており、「蓄積素子」とは、例えば、コンデンサ（キャパシタ）や、半導体の空乏層（ポテンシャル井戸）などにより実現されるが、これに限らず、電荷を保持するものであれば何でもよい。
なお、蓄積素子部は、複数の蓄積素子（電荷蓄積素子）を用いる構成にしてもよい。
「所定のタイミング」とは、例えば、多重変調光に含まれる各周波数成分の周期をＴｎとするとき、時刻ｔ＝０、Ｔｎ／４、Ｔｎ／２、３Ｔｎ／４である。なお、これは一例にすぎず、基本的には、未知パラメータは３つ（後述するΔψ、Ａ、Ｂ）であるから、反射光（反射波）から少なくとも３点サンプリング値を取得できるタイミングであれば、「所定のタイミング」をどの時刻に設定してもよい。
「切り替え」とは、分配制御などのことを指す。

「距離算出部」は、位相ずれ計算、距離計算などを行う。なお、非線形な変換はルックアップテーブル（ＬＵＴ）などで構成するとよい。距離算出部のみソフトウェア処理してもよい。
第２の発明は、第１の発明であって、蓄積素子部は、多重変調光に含まれる各周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）に対して、少なくとも１つの蓄積素子を備える。
この距離測定装置では、各周波数成分に対応する電荷量を個別に保持する蓄積素子を備えているので、各周波数成分別に設けられた蓄積素子に各周波数成分に対応する電荷量を個別に保持することができ、距離算出部において、各周波数成分の位相ずれを算出することができる。
なお、この距離測定装置では、単波のＴＯＦ方式の距離測定を用いる距離測定装置に比べて、例えば、２重波（高周波の周波数が低周波のｋ（≧２）倍とする）の場合、２倍の数の蓄積素子が必要となるが、距離測定精度はｋ（≧２）倍になる。

第３の発明は、第１または第２の発明であって、多重変調光に含まれる各周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ、周期Ｔ_n）に対して、分配部は、所定の時刻ｔ０、時刻ｔ１（≠ｔ０）、時刻ｔ２（＝ｔ０＋Ｔ_n／２）、時刻ｔ３（＝ｔ１＋Ｔ_n／２）において出力先を切り替える。蓄積素子部は、少なくとも多重変調光における最長周期Ｔ₁の間、電荷を蓄積し続ける。
この距離測定装置では、「互いに偶数倍」の関係で周波数多重されており、各周波数ｆ_nに対して、ｆ_nを超える高周波成分は、半周期（Ｔ_n／２）後に同値になるので、減算により除去することができる。また、ｆ_n未満の低周波成分の各時刻における全ての値は、最長周期Ｔ₁の間に、逆符号の同値になるペアが存在するので、積算により除去することができる（詳細は後述する）。すなわち、分配部の分配制御のみで、簡単に、分波することができるので、分波回路規模を大幅に削減することができ、かつ、多重変調光を用いた精度の高い、長距離まで測定できる距離測定を行うことが可能となる。

なお、「周期Ｔ₁の間、電荷を蓄積し続ける」とは、
（１）周期Ｔ₁の間、所定の時刻における蓄積電荷量のサンプリング値を加算（積算）し続けること、または、
（２）周期Ｔ₁の間、所定の時刻を含む所定の積分期間において取得した蓄積電荷量の積分値を加算（積算）し続けること、
を含む概念である。
第４の発明は、第３の発明であって、蓄積素子部は、時刻ｔ０および時刻ｔ２における電荷量の差分電荷量を、少なくとも最長周期Ｔ₁の間蓄積し（この蓄積により取得（生成）される信号を第１差分積算信号とする。）、蓄積した電荷量を前記距離算出部に電荷転送した後、時刻ｔ１および時刻ｔ３における電荷量の差分電荷量を、少なくとも前記最長周期Ｔ₁の間蓄積する（この蓄積により取得（生成）される信号を第２差分積算信号とする。）。

ここで、「差分電荷量を蓄積（減算）」するためには、ダイオードなどを用いて逆向きの電流で蓄積素子（コンデンサなど）に蓄積する回路構成を用いるとよい。
この距離測定装置では、差分電荷量を蓄積するので、最長周期Ｔ₁の間、定常成分（外光など）を打ち消しながら強度変調光成分のみを蓄積することができ、受光素子の飽和を抑制することができる。このため、より強く強度変調光を照射することができ、距離精度が向上する。
また、この距離測定装置では、各周波数に対して１つの蓄積素子を用いるので、第１差分積算信号蓄積中の第２差分積算信号成分は捨てることになるが（逆も同様）、蓄積素子増加による回路規模増大を最小限に抑えることができるので、解像度を優先する場合は、この距離測定装置の構成を採用することが好ましい。

第５の発明は、第３の発明であって、蓄積素子部は、第１の蓄積素子部と、第２の蓄積素子部と、を有し、少なくとも最長周期Ｔ₁の間、第１の蓄積素子部は、時刻ｔ０および時刻ｔ２における電荷量の差分電荷量を蓄積し（第１差分積算信号）、第２の蓄積素子部は、時刻ｔ１および時刻ｔ３における電荷量の差分電荷量を蓄積する（第２差分積算信号）。
この距離測定装置では、２つの蓄積素子（第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部）を用いるので、回路規模は多少増大するが、第１・第２差分積算信号を同時に保持することができる。このため、第１・第２差分積算信号に時間遅延がなく、被写体が動いた場合の動きぼけを低減することができ、高精度な距離画像を取得することができる。また、この距離測定装置では、蓄積素子数は２倍になるが、その他の回路は共通であるから、全体の回路規模は２倍以下になる。

第６の発明は、第４または第５の発明であって、多重変調光の距離測定対象からの反射波をｆ（ｔ）とし、多重変調光に含まれる第ｎ周波数成分（ｎは自然数、１≦ｎ≦Ｎ）の周期をＴ_n、最長周期Ｔ₁に含まれる波数をｋ_n（＝ｆ_n／ｆ₁）とするとき、蓄積素子部は、
第１差分積算信号として、

に相当する電荷を蓄積し、
第２差分積算信号として、

に相当する電荷を蓄積する。
第７の発明は、第３の発明であって、蓄積素子部は、時刻ｔ０〜ｔ３のうちの任意の１つの時刻において、少なくとも最長周期Ｔ₁の間電荷量を蓄積し、蓄積した電荷量を距離算出部に電荷転送する処理を、時刻ｔ０に対応する蓄積電荷量、時刻ｔ１に対する蓄積電荷量、時刻ｔ２に対する蓄積電荷量、および、時刻ｔ３に対する蓄積電荷量の全てに対して順次行うことにより、各時刻ｔ０〜ｔ３に対応した電荷量（第０〜第３積算信号）を距離算出部に電荷転送する。
ここで、「時刻ｔ０に対応する蓄積電荷量、時刻ｔ１に対する蓄積電荷量、時刻ｔ２に対する蓄積電荷量、および、時刻ｔ３に対する蓄積電荷量の全てに対して順次行う」には、４！（４の階乗）通りの順番がある。つまり、時刻ｔ０に対応する蓄積電荷量をＥ（ｔ０）とし、時刻ｔ１に対応する蓄積電荷量をＥ（ｔ１）とし、時刻ｔ２に対応する蓄積電荷量をＥ（ｔ２）とし、時刻ｔ３に対応する蓄積電荷量をＥ（ｔ３）とすると、Ｅ（ｔ０）、Ｅ（ｔ１）、Ｅ（ｔ２）、Ｅ（ｔ３）の順番に電荷転送処理をおこなってもよいし、Ｅ（ｔ３）、Ｅ（ｔ２）、Ｅ（ｔ１）、Ｅ（ｔ０）の順番に電荷転送処理を行ってもよい。転送順序は、上記の通り、４！（４の階乗）通りあり、そのいずれの順序により電荷転送処理を行ってもよい。

この距離測定装置では、電流を逆向きにする回路は不要であるので、より回路規模を小さくすることができ、距離画像の解像度が向上する。
また、この距離測定装置では、各周波数に対して１つの蓄積素子を用いるので、各積算信号取得中の、その他の積算信号成分は捨てることになるが、蓄積素子増加による回路規模増大を最小限に抑えることができるので、解像度を優先する場合は、この距離測定装置の構成を採用することが好ましい。
第８の発明は、第３の発明であって、蓄積素子部は、第１の蓄積素子部と、第２の蓄積素子部と、を有し、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部は、少なくとも最長周期Ｔ₁の間、時刻ｔ０〜ｔ３のうち任意の２つの時刻における電荷量を蓄積し、蓄積した電荷量を距離算出部に電荷転送した後、少なくとも最長周期Ｔ₁の間、残りの２つの時刻における電荷量を蓄積し、蓄積した電荷量を距離算出部に電荷転送することで、各時刻ｔ０〜ｔ３に対応した電荷量（第０〜第３積算信号）を距離算出部に電荷転送する。

ここで、「時刻ｔ０〜ｔ３のうち任意の２つの時刻」とは、例えば、時刻ｔ０および時刻ｔ２であり、「残りの２つの時刻」とは、例えば、時刻ｔ１および時刻ｔ３である。
この距離測定装置では、２つの蓄積素子を用いるので、回路規模は多少増大するが、２つの積算信号を同時に保持することができる。このため、この２つの積算信号の時間遅延がなく、被写体が動いた場合の動きぼけを低減することができ、高精度な距離画像を取得することができる。また、この距離測定装置では、蓄積素子数は２倍になるが、その他の回路は共通であるから、全体の回路規模は２倍以下になる。
第９の発明は、第３の発明であって、蓄積素子部は、第０の蓄積素子部と、第１の蓄積素子部と、第２の蓄積素子部と、第３の蓄積素子部と、を有し、少なくとも前記最長周期Ｔ₁の間、第０の蓄積素子部は、時刻ｔ０における電荷量を蓄積し（第０積算信号）、第１の蓄積素子部は、時刻ｔ１における電荷量を蓄積し（第１積算信号）、第２の蓄積素子部は、時刻ｔ２における電荷量を蓄積し（第２積算信号）、第３の蓄積素子部は、時刻ｔ３における電荷量を蓄積する（第３積算信号）。

この距離測定装置では、４つの蓄積素子を用いるので、回路規模は多少増大するが、４つの積算信号を同時に保持することができる。このため、この４つの積算信号の時間遅延がなく、被写体が動いた場合の動きぼけを低減することができ、高精度な距離画像を取得することができる。また、この距離測定装置では、蓄積素子数は４倍になるが、その他の回路は共通であるから、全体の回路規模は４倍以下になる。
第１０の発明は、第７から第９のいずれかの発明であって、多重変調光の前記距離対象からの前記反射波をｆ（ｔ）とし、前記多重変調光に含まれる第ｎ周波数（ｎは自然数、１≦ｎ≦Ｎ）の周期をＴ_n、前記最長周期Ｔ₁に含まれる波数をｋ_n（＝ｆ_n／ｆ₁）とするとき、蓄積素子部は、
第０積算信号として、

に相当する電荷を蓄積し、
第１積算信号として、

に相当する電荷を蓄積し、
第２積算信号として、

に相当する電荷を蓄積し、
第３積算信号として、

に相当する電荷を蓄積する。
第１１の発明は、第１から第１０のいずれかの発明であって、距離算出部は、多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量を算出し、算出した位相ずれ量のうち、多重変調光に含まれる各周波数成分の中の任意の周波数成分の位相ずれ量である低周波位相ずれ量、および、多重変調光に含まれる各周波数成分の中に含まれ、低周波位相ずれ量に対応する周波数成分より高い周波数成分の位相ずれ量である高周波位相ずれ量から最終位相ずれ量を算出し、算出した最終位相ずれ量から距離を算出する。
これにより、検出位相ずれ限界（π／２）以上の高周波位相ずれを検出できるので、高精度かつ長距離測定可能となる。
第１２の発明は、第１１の発明であって、低周波位相ずれ量をΔψｉ（周波数ｆｉ）とし、高周波位相ずれ量をΔψｊ（周波数ｆｊ）とし、光速をｃとするとき、距離算出部は、多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量、最終位相ずれ量、および、距離Ｌを、それぞれ、

により算出する。
この距離測定装置では、低周波位相ずれΔψｉを高周波位相ずれ量に換算した

（低精度だがπ／２以上の範囲に相当する距離測定が可能。）を算出し、これと高周波位相ずれ量Δψｊ（高精度だが±π／２の範囲のみでの相当する距離測定が可能）を組み合わせることで、π／２以上の高周波位相ずれ量である最終位相ずれ量であるΔψ（高精度かつπ／２以上の範囲に相当する距離測定が可能。）を算出することができる。
これにより、この距離測定装置では、長距離測定可能、かつ、高精度の距離測定を行うことができる。
第１３の発明は、第１２の発明であって、距離算出部は、各時刻における電荷蓄積時間τを考慮して、多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量Δψｎを、

により算出する。
この距離測定装置では、図２または図６に示すように、各時刻の電荷蓄積時間τ（＞０）を考慮して位相ずれ量Δψを求める。一般に、瞬時値（サンプリング値）ではなく、積分値を用いて位相ずれ量Δψを求めることで、ノイズの影響を受けにくくすることができるため好ましいが、位相ずれ量算出式は、上式のように変化する。
例えば、図２のように、ｔ＝０〜τ、Ｔ／４〜Ｔ／４＋τ、Ｔ／２〜Ｔ／２＋τ、３Ｔ／４〜３Ｔ／４＋τを積分期間とすると、位相ずれΔψは、（数式３）により、

と求められる。この場合、位相は、サンプル値により算出した場合に比べ、さらに、ωτ／２だけずれるので、その分の補正が必要となる。
これにより、この距離測定装置では、電荷蓄積時間τによる位相ずれ誤差を補正することができるので、電荷蓄積時間τを長くでき、さらに精度を向上させることができる。
第１４の発明は、第１１から第１３のいずれかの発明であって、距離算出部は、多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量ψ_nを添え字順（ｎ＝１、２、…）に並べ、初めてπ／２以上となる位相ずれ量の添え字をｋ（２≦ｋ≦Ｎ）とするとき、位相ずれ量ψ_k-1を、低周波位相ずれ量として、距離を算出する。
例えば、ψ₁＝４０°、ψ₂＝８０°、ψ₃＝１２０°のとき、低周波位相ずれをψ₂（＝８０°）とする。

なお、ＴＯＦ方式における位相ずれ量は、周波数に比例する。一般的に、ｆ（ｔ）のフーリエ変換をＦ（ω）とするとき、ｆ（ｔ−Δｔ）のフーリエ変換はＦ（ω）ｅｘｐ（−ωΔｔ）となり、位相ずれ量Δψ＝ωΔｔとなり、周波数に比例する（線形位相。直線位相とも呼ばれる）。
この距離測定装置では、多重変調光に含まれる各周波数成分の中で、最も精度の高い低周波成分を用いるので、さらに距離測定の精度が向上する。この距離測定装置により取得される距離画像では、これを画素ごとに行うことで、各画素における測距対象物の距離に応じて最も精度の高い低周波成分を用いることができ、これにより、各画像の距離精度が向上する。
第１５の発明は、第１１から第１４のいずれかの発明であって、第１差分積算信号の絶対値が小さいとき、または、第１積算信号と第３積算信号との差分絶対値が小さいとき、距離算出部は、最終位相ずれ量として、

を用いる。
これにより、この距離測定装置では、

において、分母の値が小さく、除算結果が発散する場合には、低周波位相ずれΔψｉを高周波位相ずれ量に換算した

（低精度だがπ／２以上の範囲に相当する距離測定が可能。）に基づいて距離を算出することによって、距離測定不能な場合が発生することを回避することができる。
第１６の発明は、第１から第１５のいずれかの発明であって、照射部は、多重変調光を、低周波成分ほど振幅を小さくして生成する。
低周波成分は、粗く測距するためのものなので、振幅を小さくしてもよく、これにより蓄積素子の飽和を低減することができる。
第１７の発明は、照射部と、受光素子部と、分配部と、蓄積素子部と、を備える距離測定装置に用いられる距離測定方法であって、分配制御ステップと、距離算出ステップと、を備える。
照射部は、
ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化することで生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する。受光素子部は、照射部から照射された多重変調光の距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する。分配部は、受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する。蓄積素子部は、分配部から出力される電荷を蓄積する。

分配制御ステップでは、分配部の出力先を、所定のタイミングで、所定の出力先に切り替えるように制御する。距離算出ステップでは、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部により蓄積された電荷量に基づいて、距離測定対象までの距離を算出する。
これにより、第１の発明と同様の効果を奏する距離測定方法を実現することができる。
第１８の発明は、照射部と、受光素子部と、分配部と、蓄積素子部と、を備える距離測定装置に用いられる距離測定方法をコンピュータに実行させるプログラムである。距離測定方法は、分配制御ステップと、距離算出ステップと、を備える。
照射部は、
ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化することで生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する。受光素子部は、照射部から照射された多重変調光の距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する。分配部は、受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する。蓄積素子部は、分配部から出力される電荷を蓄積する。

分配制御ステップでは、分配部の出力先を、所定のタイミングで、所定の出力先に切り替えるように制御する。距離算出ステップでは、第１の蓄積素子部および第２の蓄積素子部により蓄積された電荷量に基づいて、距離測定対象までの距離を算出する。
これにより、第１の発明と同様の効果を奏する距離測定方法をコンピュータに実行させるプログラムを実現することができる。
第１９の発明は、照射部と、受光素子部と、分配部と、蓄積素子部と、距離算出部と、を備える集積回路である。
照射部は、
ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化することで生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する。受光素子部は、照射部から照射された多重変調光の距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する。分配部は、受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する。蓄積素子部は、分配部から出力される電荷を蓄積する。距離算出部は、蓄積素子部により蓄積された電荷量から、距離測定対象までの距離を算出する。

これにより、第１の発明と同様の効果を奏する集積回路を実現することができる。

本発明によれば、分波回路規模を大幅に削減し、取得される距離画像の解像度低下を最小限に抑えることで、取得される距離画像の高解像度化、測定距離精度の高精度化、および、測定距離の長距離化を実現することができる多重波を用いた距離測定装置、距離測定方法、プログラムおよび集積回路を実現することができる。

ＴＯＦ方式の距離測定の原理を説明するための説明図 ＴＯＦ方式（積分型）の距離測定の原理を説明するための説明図 第１実施形態における距離測定装置１の概略構成を示すブロック図 第１実施形態における距離測定装置１の受光素子部２０１と、分配部２０２と、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）と、の構成の一例（特許文献３図８記載）を示す図 第１実施形態における距離測定装置１の動作を説明するための説明図 第１実施形態における距離測定装置１（積分型）の動作を説明するための説明図

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態である距離測定装置１について、図３〜５を用いて説明する。
第１実施形態では、多重変調光（複数の周波数により光強度変調された光強度変調光を重畳（多重）した光強度変調光）として、３種類の周波数（低周波、中周波、高周波）により、それぞれ、光強度変調された３つの光強度変調光を重畳（多重）した３重変調光（３重波）を採用する場合について説明する。なお、重畳（多重）される光強度変調光の周波数の関係は、「互いに偶数倍」の周波数となる関係にする。ここでは、最も簡単な例として、基準周波数ｆ（周期Ｔ）を用いて、
低周波：ｆ₁＝ｆ、
中周波：ｆ₂＝２・ｆ、
高周波：ｆ₃＝４・ｆ
とする（以下では、「ｆ₁」を「ｆ１」と、「ｆ₂」を「ｆ２」と、「ｆ₃」を「ｆ３」と表記することがある）。つまり、低周波数により光強度変調された光強度変調光（低周波）の光強度変調周波数をｆ１（＝ｆ）とし、中周波数により光強度変調された光強度変調光（中周波）の光強度変調周波数をｆ２（＝２・ｆ）とし、高周波数により光強度変調された光強度変調光（高周波）の光強度変調周波数をｆ３（＝４・ｆ）とする。

なお、「互いに偶数倍」の周波数となる関係とは、重畳（多重）される光強度変調光の光強度変調周波数を、低い方から、ｆ₁、ｆ₂、・・・、ｆ_n、ｆ_n+1、・・・としたとき、
ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｆ_n+1＞ｆ_n、ｎおよびｋ_nは自然数）
が成立する関係をいう。
また、以下では、３重変調光（３重波）を用いる場合について説明するが、通常は、多重変調光として、２重波（互いに偶数倍の関係にある光強度変調光周波数により光強度変調された低周波および高周波の２つの光強度変調光を重畳（多重）した多重変調光）を用いれば十分である（２重波により本実施形態の距離測定を実現すれば、十分、取得される距離画像の高解像度化、測定距離精度の高精度化、および、測定距離の長距離化を実現することができる）。

また、本実施形態の距離測定方法（距離測定装置１により実現される距離測定方法）は、一般的な場合（Ｎ重波（Ｎは自然数）を用いる場合）においても成立する（分波できる）。これについては、以下の文中で証明する。
＜１．１：距離測定装置の構成＞
図３は、本発明の第１実施形態における距離測定装置１の概略構成を示すブロック図である。
図３に示すように、本発明の第１実施形態による距離測定装置１は、多重変調光を撮像空間に照射する照射部１０と、照射部１０から照射された多重変調光の撮像空間からの反射波である反射多重変調光を受光する受光部２０と、受光部２０の出力から距離測定装置１と撮像空間内の被写体（距離測定対象）と間の距離を算出する距離算出部３０と、照射部１０、受光部２０および距離算出部３０を制御する制御部４０と、を備える。

照射部１０は、制御部４０からの指令に基づいて、多重変調光（本実施形態では、３種類の周波数（低周波、中周波、高周波）により、それぞれ、光強度変調された３つの光強度変調光を重畳（多重）した３重変調光（３重波））を生成し、生成した多重変調光を、距離測定対象である撮像空間に照射する。
受光部２０は、複数の（画素数分の）電荷蓄積部２００（１つの電荷蓄積部２００が１つの画素に対応する。）と、電荷転送部２１０と、を備える。
電荷蓄積部２００は、画素ごとに、受光素子部２０１と、分配部２０２と、第１波成分用蓄積素子部２１１Ａ、２１１Ｂと、第２波成分用蓄積素子部２２１Ａ、２２１Ｂと、第３波成分用蓄積素子部２３１Ａ、２３１Ｂと、を備える。なお、以下では、第１波成分用蓄積素子部から第Ｎ波成分用蓄積素子部（ここでは、Ｎ＝３）をまとめて、「蓄積素子部」ということがある。

受光素子部２０１は、受光素子（例えば、フォトダイオードにより実現される受光素子）を有し、距離測定対象の撮像空間からの反射多重変調光（反射波）を受光し、光電変換により反射波を電荷（電気信号）に変換する。そして、受光素子部２０１は、光電変換により取得した電荷（電気信号）を、分配部２０２を介して、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）に出力する。
分配部２０２は、制御部４０により分配制御を行う。分配部２０２は、制御部４０により指示される所定のタイミングで、受光素子部２０１から出力される電荷（電気信号）を、第１波成分用蓄積素子部２１１Ａ、２１１Ｂ、第２波成分用蓄積素子部２２１Ａ、２２１Ｂ、第３波成分用蓄積素子部２３１Ａ、２３１Ｂ、のいずれかに出力する。
第１波成分用蓄積素子部２１１Ａは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第１波成分用蓄積素子部２１１Ａは、反射波の低周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。

第１波成分用蓄積素子部２１１Ｂは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第１波成分用蓄積素子部２１１Ｂは、反射波の低周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。
第２波成分用蓄積素子部２２１Ａは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第２波成分用蓄積素子部２２１Ａは、反射波の中周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。
第２波成分用蓄積素子部２２１Ｂは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第２波成分用蓄積素子部２２１Ｂは、反射波の中周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。
第３波成分用蓄積素子部２３１Ａは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第３波成分用蓄積素子部２３１Ａは、反射波の高周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。

第３波成分用蓄積素子部２３１Ｂは、電荷蓄積素子を有し、受光素子部２０１から分配部２０２を介して出力される電荷（電気信号）を蓄積する。第３波成分用蓄積素子部２３１Ｂは、反射波の高周波成分のみの電荷を蓄積する（詳細については後述）。
なお、電荷蓄積部２００では、多重変調光の多重度が「３」（低周波、中周波、高周波の３つの光強度変調光を重畳（多重）。）であるため、３つの成分用の蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）を備える構成となっている。多重度が「Ｎ」の場合は、電荷蓄積部２００は、Ｎ個の成分用の蓄積素子部を備える構成（例えば、Ｎ×２個の蓄積素子部を備える構成）にすればよい。
また、受光素子部２０１と、分配部２０２と、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）と、の構成の一例（特許文献３図８記載）を、図４に示す。図４に示すように、フォトダイオードＰＤ１およびＰＤ２（受光素子部２０１の一部に相当。）に流れる電流Ｉ１およびＩ２を、分配部（一部）２０２Ａを介して、蓄積素子部（図４では第１波成分用蓄積素子部２１１Ａ）に流すことで、電荷蓄積処理を実行する。具体的には、制御部４０からの分配制御信号に基づいて、分配部２０２Ａの分配制御を切り替えることで、蓄積素子部（図４では第１波成分用蓄積素子部２１１Ａ）のコンデンサに流れる電流の向きを変え、蓄積素子部（図４では第１波成分用蓄積素子部２１１Ａ）のコンデンサに差分電荷を蓄積させる。

なお、図４に示す構成は、一例であり、この構成に限定されないことは言うまでもない。
電荷転送部２１０は、各画素に対応する電荷蓄積部２００の蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）から出力される蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）を、入力とし、制御部４０により指示される所定のタイミングで、距離算出部３０に転送する。
距離算出部３０は、受光部２０の電荷転送部２１０からの出力を入力とし、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）に基づいて各画素についての距離値を算出し、各画素が距離値となる距離画像を生成して出力する。なお、距離算出部３０は、アナログ信号のまま距離算出についての計算を行うものであってもよいし、Ａ／Ｄ変換後にディジタル処理により距離算出についての計算を行うものであってもよい。

距離算出部３０は、図３に示すように、第１波位相ずれ量算出部３１と、第２波位相ずれ量算出部３２と、第３波位相ずれ量算出部３３と、距離値取得部３４と、を備える。
第１波位相ずれ量算出部３１は、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）を入力とし、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）に基づいて、低周波位相ずれ量を算出する。そして、第１波位相ずれ量算出部３１は、算出した低周波位相ずれ量を距離値取得部３４に出力する。
第２波位相ずれ量算出部３２は、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）を入力とし、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）に基づいて、中周波位相ずれ量を算出する。そして、第２波位相ずれ量算出部３２は、算出した低周波位相ずれ量を距離値取得部３４に出力する。

第３波位相ずれ量算出部３３は、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）を入力とし、電荷転送部２１０から出力される各画素に対応する蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）に基づいて、高周波位相ずれ量を算出する。そして、第３波位相ずれ量算出部３３は、算出した低周波位相ずれ量を距離値取得部３４に出力する。
距離値取得部３４は、第１波位相ずれ量算出部３１により算出された低周波位相ずれ量、第２波位相ずれ量算出部３２により算出された中周波位相ずれ量、および、第３波位相ずれ量算出部３３により算出された高周波位相ずれ量を入力として、低周波位相ずれ量、中周波位相ずれ量および高周波位相ずれ量に基づいて、各画素について、距離（距離値）を算出する。そして、距離値取得部３４は、各画素が算出した距離値となる距離画像を生成して、生成した距離画像を出力する。

＜１．２：距離測定装置の動作＞
以上のように構成された距離測定装置１の動作について、説明する。
照射部１０により、「互いに偶数倍」の関係となる周波数を有する多重変調光（例：低周波ｆ１＝ｆ、中周波ｆ２＝２・ｆ、高周波ｆ３＝４・ｆ、ｆは基準周波数）が、距離測定対象空間である撮像空間へ照射される。
受光部２０では、撮像空間からの多重変調光の反射光を受光する。つまり、撮像空間からの多重変調光の反射光は、各画素に対応する電荷蓄積部２００の受光素子部２０１で受光され、光電変換により、受光素子部２０１で受光した光量に応じた電荷を発生させる。そして、発生させた電荷（電気信号）は、分配部２０２に出力される。
分配部２０２では、受光素子部２０１により取得された電荷（電気信号）を、制御部４０からの指令に基づいて、所定のタイミングで切り替えながら、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）に出力する。

蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）では、分配部２０２から出力された電荷（電気信号）を蓄積する。
ここで、「所定のタイミング」は、図５に示すように、高周波の４分の１周期（Ｔ／１６）ごとの時刻とする。ｔ＝ｊＴ／１６（０≦ｊ＜１６、ｊは整数）における反射波ｆ（ｔ）の値Ａｊは、低周波成分Ｂｊ、中周波成分Ｃｊ、高周波成分Ｄｊ、変数α、定数βを用いて、
Ａｊ＝α（Ｂｊ＋Ｃｊ＋Ｄｊ）＋β
となる。なお、変数αは、照射部１０の強度、被写体の反射率、反射角度、反射の種類（鏡面反射、拡散反射等）、被写体までの距離などに依存する変数である。また、定数βは、環境光の強度、被写体の反射率などに依存する変数である。

第１波成分用蓄積素子部２１１Ａには、制御部４０が分配部２０２に対して、分配制御を行うことで、
Ａ８−Ａ０＝α（Ｂ８＋Ｃ８＋Ｄ８）−α（Ｂ０＋Ｃ０＋Ｄ０）
に相当する電荷を蓄積する。つまり、第１波成分用蓄積素子部２１１Ａには、時刻ｔ＝８Ｔ／１６における蓄積電荷量Ａ８（所定のサンプリング期間によりサンプル値（サンプリングは、分配部２０２による分配制御により行う。））と時刻ｔ＝０における蓄積電荷量Ａ０（所定のサンプリング期間によりサンプル値）との差分電荷を蓄積する。
上式では、定数β（定常成分）は減算により打ち消される。ここで、中周波および高周波の周波数は、低周波の偶数倍であるから、図５からも明らかなように、低周波の半周期後の時刻における中周波の値（Ｃ０、Ｃ８）および高周波の値（Ｄ０、Ｄ８）は同じ値となる。

したがって、
Ａ８−Ａ０＝α（Ｂ８−Ｂ０）
となり、これに相当する電荷が第１波成分用蓄積素子部２１１Ａに蓄積される。つまり、第１波成分用蓄積素子部２１１Ａには、低周波成分のみの電荷が蓄積される。
同様にして、第１波成分用蓄積素子部２１１Ｂには、
Ａ４−Ａ１２＝α（Ｂ４−Ｂ１２）
に相当する電荷が蓄積される。つまり、第１波成分用蓄積素子部２１１Ｂには、低周波成分のみの電荷が蓄積される。
第２波成分用蓄積素子部２２１Ａには、制御部４０が分配部２０２に対して、分配制御を行うことで、
（Ａ４−Ａ０）＋（Ａ１２−Ａ８）
に相当する電荷を蓄積する。すなわち、最低周波数ｆ１の１周期Ｔの間、蓄積し続ける。ここで、高周波の周波数は、中周波の偶数倍であるから、
Ｄ４＝Ｄ０、Ｄ１２＝Ｄ８
であり、高周波成分は減算により打ち消しあう。一方、中周波の周波数は、低周波の偶数倍であるから、
Ｂ８＝−Ｂ０、Ｂ１２＝−Ｂ４
であり、低周波成分は加算により打ち消しあう。また、
Ｃ０＝Ｃ８、Ｃ４＝Ｃ１２
である。よって、第２波成分用蓄積素子部２２１Ａには、
（Ａ４−Ａ０）＋（Ａ１２−Ａ８）＝２α（Ｃ４−Ｃ０）
が蓄積される。つまり、第２波成分用蓄積素子部２２１Ａには、中周波成分のみの電荷が蓄積される。

同様にして、第２波成分用蓄積素子部２２１Ｂには、
（Ａ２−Ａ６）＋（Ａ１０−Ａ１４）＝２α（Ｃ２−Ｃ６）
が蓄積される。つまり、第２波成分用蓄積素子部２２１Ｂには、中周波成分のみの電荷が蓄積される。
第３波成分用蓄積素子部２３１Ａには、制御部４０が分配部２０２に対して、分配制御を行うことで、
（Ａ２−Ａ０）＋（Ａ６−Ａ４）＋（Ａ１０−Ａ８）＋（Ａ１４−Ａ１２）
に相当する電荷を蓄積する。すなわち、最低周波数ｆ１の１周期Ｔの間、蓄積し続ける。同様に、図５より、
Ｃ４＝−Ｃ０、Ｃ６＝−Ｃ２、Ｃ１２＝−Ｃ８、Ｃ１４＝−Ｃ１０
Ｂ８＝−Ｂ０、Ｂ１０＝−Ｂ２、Ｂ１２＝−Ｂ４、Ｂ１４＝−Ｂ６
Ｄ０＝Ｄ４＝Ｄ８＝Ｄ１２、Ｄ２＝Ｄ６＝Ｄ１０＝Ｄ１４
より、
（Ａ２−Ａ０）＋（Ａ６−Ａ４）＋（Ａ１０−Ａ８）＋（Ａ１４−Ａ１２）＝４α（Ｄ２−Ｄ０）
となる。つまり、つまり、第３波成分用蓄積素子部２３１Ａには、高周波成分のみの電荷が蓄積される。

同様にして、第３波成分用蓄積素子部２３１Ｂには、
（Ａ１−Ａ３）＋（Ａ５−Ａ７）＋（Ａ９−Ａ１１）＋（Ａ１３−Ａ１５）＝４α（Ｄ１−Ｄ３）
が蓄積される。つまり、第３波成分用蓄積素子部２３１Ｂには、高周波成分のみの電荷が蓄積される。
距離測定装置１では、このようにして、分波処理が実行される。
≪分波原理について≫
次に、この分波原理（上記分波処理の原理）が一般的に成立することを証明する。
反射波（多重度Ｎ）を、

とし、その第ｉ周波数成分（ｉ＝１〜Ｎ）を、

とする。
反射波ｆ（ｔ）から、第ｎ周波数成分（１≦ｎ≦Ｎ）を分波するために、時刻ｔ＝０およびＴ_n／２における反射光の差分電荷を、第１周波数（＝最低周波数）の１周期の間、積算処理（サンプリング時刻における離散値の加算処理）を実行し続け（波数ｋ_n）、上記第１波成分用の蓄積素子に第１差分積算信号

を蓄積する。この際、βは減算により打ち消される。
ここで、任意のｉ＞ｎに対して、各周波数が互いに偶数倍のとき、ω_i／ω_nが偶数であることを用いて、

となるので、第ｎ周波数を超える高周波成分は全て減算により打ち消しあう。よって、

となる。ここで、上式を次のように変形しておく。

一方、任意のｉ＜ｎに対して、各周波数が互いに偶数倍のとき、ｋ_n／ｋ_iが偶数であることを用いて、

となる。同様にして、

となる。すなわち、第ｎ周波数未満の低周波成分は全て加算により打ち消しあう。
以上より、

となり、第ｎ周波数成分のみが分波される。
また、時刻ｔ＝Ｔ_n／４および３Ｔ_n／４における反射光の差分電荷を、第１周波数（＝最低周波数）の１周期の間、積算処理（サンプリング時刻における離散値の加算処理）を実行し続け（波数ｋ_n）、上記第２波成分用の蓄積素子に第２差分積算信号、

を蓄積する。同様にして、

となり、位相が９０°ずれた、第ｎ周波数成分のみが得られる。
なお、後述するが、第ｎ周波数成分の位相ずれΔψ_nは、

により算出される。
また、距離測定装置１において、図６に示すように、サンプリング値（上記の場合）ではなく積分値を用いて、位相ずれ量を算出するようにしてもよい。距離測定装置１において、積分値を用いて位相ずれ量を算出する場合、蓄積素子部に蓄積される電荷量が多くなり、Ｓ／Ｎ比を良くすることができる（距離測定に用いる電荷量に対するノイズ量の割合が低減される）ので、さらに、高精度の距離測定が可能となる。
なお、積分値を用いて、位相ずれ量を算出する場合の位相ずれ量は、ｔ＝ｊＴ_N／４〜ｊＴ_N／４＋τ（０≦ｊ＜４ω_N／ω₁、ｊは整数）における反射波ｆ（ｔ）の積分値をＡｊとし、これに含まれる低周波成分をＢｊ、中周波成分をＣｊ、高周波成分をＤｊとし、上記と同様の計算を行うことで取得することができる。なお、図６の例では、Ｎ＝３、Ｔ_N＝Ｔ₃＝Ｔ／４、ω_N／ω₁＝ω₃／ω₁＝４より、積分区間はｔ＝ｊＴ／１６〜（ｊ＋１）Ｔ／１６（０≦ｊ＜１６、ｊは整数）となる。

この場合、位相ずれ量Δψ_nは、

となり、位相ずれ量Δψ_nのオフセット項（（数式１６）の「ω_nτ／２」の部分）が生じる。なお、図６は、τ＝Ｔ_n／４の場合の一例であるが、これ以外の期間であってもよい。また、分配制御切り替え時間εを考慮して、τ＝Ｔ_n／４−εとしてもよい。
また、距離測定装置１において、積分値による位相ずれ量を算出する場合、制御部４０が、分配部２０２に対する分配制御（分配タイミングおよび分配期間）を調整することで、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）に、所定の積分期間による積分値に相当する電荷を蓄積させることができる。
次に、電荷転送部２１０以降の処理について説明する。
電荷転送部２１０では、各画素に対応する蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）の電荷を、制御部４０からの指令により、所定のタイミングで、距離算出部３０へ転送する。なお、「所定のタイミング」とは、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）の蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）が、混同（混合）されることなく、距離算出部３０に転送されるものであればよい。例えば、ＣＣＤデバイス等で用いられている蓄積電荷の転送方法に基づいた転送方式（例えば、順次転送方式）により、蓄積素子部（２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ）の蓄積電荷（蓄積電荷に対応する電気信号）を距離算出部３０に転送するようにすればよい。

第１波位相ずれ量算出部３１では、電荷転送部２１０から転送される各画素についての蓄積電荷量に基づいて、各画素についての低周波位相ずれ量が算出される。
具体的には、第１波位相ずれ量算出部３１では、電荷転送部２１０から転送される、第１波成分用蓄積素子部２１１Ａの蓄積電荷（α（Ｂ８−Ｂ０））および第１波成分用蓄積素子部２１１Ｂの蓄積電荷（α（Ｂ４−Ｂ１２））に基づいて、低周波位相ずれΔψ１が、

により算出される。
第２波位相ずれ量算出部３２では、電荷転送部２１０から転送される各画素についての蓄積電荷量に基づいて、各画素についての中周波位相ずれ量が算出される。
具体的には、第２波位相ずれ量算出部３２では、電荷転送部２１０から転送される、第２波成分用蓄積素子部２２１Ａの蓄積電荷（２α（Ｃ４−Ｃ０））および第２波成分用蓄積素子部２２１Ｂの蓄積電荷（２α（Ｃ２−Ｃ６））に基づいて、低周波位相ずれ量Δψ２が、

により算出される。
第３波位相ずれ量算出部３３では、電荷転送部２１０から転送される各画素についての蓄積電荷量に基づいて、各画素についての高周波位相ずれ量が算出される。
具体的には、第３波位相ずれ量算出部３３では、電荷転送部２１０から転送される、第３波成分用蓄積素子部２３１Ａの蓄積電荷（４α（Ｄ２−Ｄ０））および第３波成分用蓄積素子部２３１Ｂの蓄積電荷（４α（Ｄ１−Ｄ３））に基づいて、高周波位相ずれ量Δψ３が、

により算出される。
距離値取得部３４では、第１波位相ずれ量算出部３１により算出された低周波位相ずれ量、第２波位相ずれ量算出部３２により算出された中周波位相ずれ量、および、第３波位相ずれ量算出部３３により算出された高周波位相ずれ量、の３つの位相ずれ量に基づいて、各画素について、距離（距離値）が算出される。
具体的には、距離値取得部３４は、各画素について、低周波位相ずれ量Δψ１、中周波位相ずれ量Δψ２および高周波位相ずれ量Δψ３に基づいて最終位相ずれ量Δψを決定し、これに基づき、各画素の距離値Ｌを算出する。
距離値取得部３４では、例えば、低周波位相ずれ量Δψ１および高周波位相ずれ量Δψ３を用いて、最終位相ずれ量Δψが、

により算出される。
なお、距離値取得部３４は、Δψ１≦Δψ２≦π／２の場合、最終位相ずれ量Δψを、

により算出する。すなわち、距離値取得部３４は、中周波位相ずれ量がπ／２（検出可能位相ずれ限界）以下の場合、低周波位相ずれ量よりも高精度である中周波位相ずれ量を、低周波位相ずれ量の代わりに用いて、最終位相ずれ量Δψを算出する。
また、

の分母の値が小さいときは、除算結果が発散し、高周波位相ずれ量Δψ３の信頼性が低いので、距離値取得部３４は、最終位相ずれ量を、

を用いて算出する（例えば、ｆ_i＝ｆ１、ｆ_j＝ｆ３として、最終位相ずれ量を算出する）。すなわち、距離値取得部３４では、このように低周波位相ずれ量のみに基づいて距離を算出することで、距離測定不能な場合が発生することを回避することができる。
距離値取得部３４では、以上により算出された最終位相ずれ量Δψに基づいて、各画素についての距離値Ｌを、

により算出する。ここで、ｃは光速である。
（数式２０）〜（数式２４）に基づいて分かるように、距離測定装置１では、低周波ｆ１により決定される最大測定可能距離範囲において、高周波ｆ３により決定される高精度の距離測定が可能となる。
距離値取得部３４は、画素ごとに、距離値Ｌを上記処理により取得し、取得（算出）した距離値Ｌを画素値とする距離画像を生成し、出力する。
以上のように、本実施形態に係る距離測定装置１では、「互いに偶数倍」の関係となる複数の周波数を多重化した多重変調光を用いて、分配制御のみによる分波が可能となる。また、距離測定装置１では、差分電荷を蓄積し続けるので、定常成分（環境光など）が減算により常に打ち消され、蓄積素子における蓄積電荷の飽和を抑えることができる。このため、距離測定装置１では、より強く変調光を距離測定対象である撮像空間（被写体）に照射することができ、距離測定精度を向上させることができる
したがって、本実施形態に係る距離測定装置１および距離測定方法により、分波回路規模を大幅に削減することができ、かつ、取得される距離画像の高解像度化、測定距離精度の高精度化、および、測定距離の長距離化を実現することができる。

なお、上記において、多重変調光の多重度は「３」（低周波、中周波、高周波）であるので、距離算出部３０は、位相ずれ量を算出する機能部として、第１波位相ずれ量算出部３１、第２波位相ずれ量算出部３２、および、第３波位相ずれ量算出部３３、の３つを備えているが、多重変調光の多重度は「Ｎ」の場合は、多重度に応じて、位相ずれ量を算出する機能部を設置し、上記同様の方法を、多重度「Ｎ」の場合に適用すればよい。このようにすることで、本実施形態に係る距離測定装置および距離測定方法を、多重変調光の多重度は「Ｎ」の場合においても、実現することができる。
≪変形例≫
次に、本実施形態に係る変形例について、説明する。
上記では、差分電荷を保存することで位相ずれ量を算出する場合について説明したが、蓄積素子部の電荷をそのまま（同符号のまま）蓄積した後、電荷転送部２１０を介して、位相ずれ量算出部（第１実施形態では、第１波位相ずれ量算出部３１、第２波位相ずれ量算出部３２、および、第３波位相ずれ量算出部３３に相当。）に出力し、位相ずれ量算出部において減算することで、位相ずれ量を算出するようにしてもよい。この場合、蓄積素子部において、差分電荷を取得するための電流反転回路を不要にすることができる。

すなわち、第１周波数（＝最低周波数）の１周期の間（波数ｋ_n）、時刻ｔ＝０における反射光の電荷の積算処理を行う。つまり、第１蓄積素子に、第０積算信号

に相当する電荷を蓄積し、
第２蓄積素子に、第２積算信号

に相当する電荷を蓄積する。
そして、第１蓄積素子および第２蓄積素子に蓄積した電荷を転送した後、
第１蓄積素子に、第１積算信号

を蓄積し、
第２蓄積素子に、第３積算信号

を蓄積する。
そして、位相ずれ量算出部において、

に相当する減算処理を行い、各周波数成分の位相ずれのない周波数成分を抽出する。
また、位相ずれ量算出部において、

に相当する減算処理を行い、各周波数成分の位相が９０°ずれた周波数成分を抽出する。
そして、位相ずれ量算出部は、抽出した、各周波数成分の位相ずれのない周波数成分および位相が９０°ずれた周波数成分に基づいて、各周波数成分の位相ずれ量を算出する。
そして、上記で説明したのと同様の方法により、最終位相ずれ量Δψを求め、最終位相ずれ量Δψに基づいて、画素ごとの距離値Ｌを算出する。
なお、上記処理のようにサンプリング値を用いるのでではなく、上記において、図６により説明したのと同様、積分値を用いて距離値Ｌを算出するようにしてもよい。サンプリング値の代わりに、積分値を用いて位相ずれ量Δψを求めることで、ノイズの影響を受けにくくすることができる。
以上により、本変形例では、電流反転回路を不要にできるので、距離測定装置において、画素ピッチサイズをさらに小さくすることができ、距離測定装置により取得される距離画像の解像度低下を低減できる。

したがって、本変形例に係る距離測定装置および距離測定方法により、分波回路規模を大幅に削減することができ、かつ、取得される距離画像の高解像度化、測定距離精度の高精度化、および、測定距離の長距離化を実現することができる。
［他の実施形態］
上記実施形態の距離測定装置では、多重波（多重変調光）を用いて距離測定を行う場合について説明したが、これに限定されることはなく、例えば、異なる周波数により光強度変調された、複数の光強度変調光を交互に繰り返して（時分割で）測定対象の被写体（撮像空間）に照射する構成にしてもよい。 また、チャープ信号を用いて周波数を連続的に切り替えることによって生成された光強度変調光を用いて距離測定を行うようにしてもよい。例えば、チャープ信号を用いて周波数を低周波側からスキャンし、全画素における位相ずれ量がπ／２を超えないような、最大の周波数付近に強度変調周波数を設定することで、距離測定対象空間における最遠点にあわせた強度変調周波数を設定することができる。

また、低周波と高周波を直交させた偏光（偏波）を用いて距離測定を行うようにしてもよい。例えば、受光側で、反射波をハーフミラーにより２つの経路に分け、低周波成分・高周波成分を偏光フィルタにより抽出し、各周波数の位相ずれ量を算出すればよい。
また、距離測定対象とする撮像空間において、距離測定装置から距離測定対象の被写体までの距離のばらつきが大きい場合は、遠くに存在する被写体ほど、長い波長（光強度変調周波数の低い）の光強度変調光を用いて距離測定するようにしてもよい。例えば、被写体Ａが遠くに存在し、被写体Ｂが近く存在する場合、距離測定装置において、被写体Ａに対しては、長い波長（光強度変調周波数の低い）の光強度変調光（これを「光強度変調光Ａ」、その光強度変調周波数を「ｆＡ」とする。）を用いて多重変調光（多重化される光強度変調光の光強度変調周波数の最低周波数をｆＡとする。）を生成し、被写体Ａに当該多重変調光を照射し、上記で説明した距離測定方法により、被写体Ａまでの距離を測定する。一方、被写体Ｂに対しては、光強度変調光Ａよりも波長の短い光強度変調光Ｂ（この光強度変調周波数を「ｆＢ」とする。）を用いて多重変調光（多重化される光強度変調光の光強度変調周波数の最低周波数をｆＢとする。）を生成し、被写体Ｂに当該多重変調光を照射し、上記で説明した距離測定方法により、被写体Ｂまでの距離を測定する。距離測定装置において、このようにして距離測定を行うようにしてもよい。

なお、上記実施形態で説明した距離測定装置において、各ブロックは、ＬＳＩなどの半導体装置により個別に１チップ化されてもよいし、一部または全部を含むように１チップ化されてもよい。
なお、ここでは、ＬＳＩとしたが、集積度の違いにより、ＩＣ、システムＬＳＩ、スーパーＬＳＩ、ウルトラＬＳＩと呼称されることもある。
また、集積回路化の手法はＬＳＩに限るものではなく、専用回路または汎用プロセッサーで実現してもよい。ＬＳＩ製造後に、プログラムすることが可能なＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）や、ＬＳＩ内部の回路セルの接続や設定を再構成可能なリコンフィギュラブル・プロセッサーを利用してもよい。
さらには、半導体技術の進歩または派生する別技術によりＬＳＩに置き換わる集積回路化の技術が登場すれば、当然、その技術を用いて機能ブロックの集積化を行ってもよい。バイオ技術の適用等が可能性としてあり得る。

また、上記実施形態の各処理をハードウェアにより実現してもよいし、ソフトウェアにより実現してもよい。さらに、ソフトウェアおよびハードウェアの混在処理により実現してもよい。なお、上記実施形態に係る距離測定装置をハードウェアにより実現する場合、各処理を行うためのタイミング調整を行う必要があるのは言うまでもない。上記実施形態においては、説明便宜のために、実際のハードウェア設計で生じる各種信号のタイミング調整の詳細については省略している。
なお、本発明の具体的な構成は、前述の実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更および修正が可能である。

本発明に係る距離測定装置（特に距離画像センサ）、距離測定方法、プログラムおよび集積回路によれば、高解像度かつ高精度かつ長距離測定可能となるので、画像・映像分野（３Ｄ、任意焦点画像、オブジェクト検出・認識、３次元計測）、ロボットの目、交通安全（衝突検知）、セキュリティ分野、ＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）分野、ゲームのインターフェースなど、様々な分野において有用であり、当該分野において実施することができる。

１ 距離測定装置
１０ 照射部
２０ 受光部
２００ 電荷蓄積部
２０１ 受光素子部
２０２ 分配部
２１１Ａ、２１１Ｂ、２２１Ａ、２２１Ｂ、２３１Ａ、２３１Ｂ 蓄積素子部
２１０ 電荷転送部
３０ 距離算出部
３１ 第１波位相ずれ量算出部
３２ 第２波位相ずれ量算出部
３３ 第３波位相ずれ量算出部
３４ 距離値取得部
４０ 制御部

Claims (19)

1. ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
   なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化して生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する照射部と、
   前記照射部から照射された前記多重変調光の前記距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する受光素子部と、
   前記受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する分配部と、
   前記分配部から出力される電荷を蓄積する蓄積素子部と、
   前記蓄積素子部により蓄積された電荷量に基づいて、前記距離測定対象までの距離を算出する距離算出部と、
   を備える距離測定装置。
2. 前記蓄積素子部は、前記多重変調光に含まれる各周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）に対して、少なくとも１つの蓄積素子を備える、
   請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記多重変調光に含まれる各周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ、周期Ｔ_n）に対して、
   前記分配部は、
   所定の時刻ｔ０と、前記時刻ｔ０とは異なる時刻である時刻ｔ１（≠ｔ０）と、前記時刻ｔ０からＴ_n／２後の時刻である時刻ｔ２（＝ｔ０＋Ｔ_n／２）と、前記時刻ｔ０からＴ_n／２後の時刻である時刻ｔ３（＝ｔ１＋Ｔ_n／２）において出力先を切り替え、
   前記蓄積素子部は、
   少なくとも前記多重変調光における最長周期Ｔ₁の間、電荷を蓄積し続ける、
   請求項１または２に記載の距離測定装置。
4. 前記蓄積素子部は、
   前記時刻ｔ０および前記時刻ｔ２における電荷量の差分電荷量を、少なくとも前記最長周期Ｔ₁の間蓄積して、第１差分積算信号を生成し、
   蓄積した電荷量を前記距離算出部に電荷転送した後、
   前記時刻ｔ１および前記時刻ｔ３における電荷量の差分電荷量を、少なくとも前記最長周期Ｔ₁の間蓄積して、第２差分積算信号を生成する、
   請求項３に記載の距離測定装置。
5. 前記蓄積素子部は、第１の蓄積素子部と、第２の蓄積素子部と、を有し、
   少なくとも前記最長周期Ｔ₁の間、
   前記第１の蓄積素子部は、前記時刻ｔ０および前記時刻ｔ２における電荷量の差分電荷量を蓄積して、第１差分積算信号を生成し、
   前記第２の蓄積素子部は、前記時刻ｔ１および前記時刻ｔ３における電荷量の差分電荷量を蓄積して、第２差分積算信号を生成する、
   請求項３に記載の距離測定装置。
6. 前記多重変調光の前記距離測定対象からの前記反射波をｆ（ｔ）とし、前記多重変調光に含まれる第ｎ周波数成分（ｎは自然数、１≦ｎ≦Ｎ）の周期をＴ_n、前記最長周期Ｔ₁に含まれる波数をｋ_n（＝ｆ_n／ｆ₁）とするとき、
   前記蓄積素子部は、
   前記第１差分積算信号として、
   

   

   に相当する電荷を蓄積し、
   前記第２差分積算信号として、
   

   

   に相当する電荷を蓄積する、
   請求項４または５に記載の距離測定装置。
7. 前記蓄積素子部は、
   前記時刻ｔ０〜ｔ３のうちの任意の１つの時刻において、少なくとも前記最長周期Ｔ₁の間電荷量を蓄積し、蓄積した電荷量を前記距離算出部に電荷転送する処理を、前記時刻ｔ０に対応する蓄積電荷量、前記時刻ｔ１に対する蓄積電荷量、前記時刻ｔ２に対する蓄積電荷量、および、前記時刻ｔ３に対する蓄積電荷量の全てに対して順次行うことにより、前記各時刻ｔ０〜ｔ３に対応した電荷量を前記第０〜第３積算信号として前記距離算出部に電荷転送する、
   請求項３に記載の距離測定装置。
8. 前記蓄積素子部は、第１の蓄積素子部と、第２の蓄積素子部と、を有し、
   前記第１の蓄積素子部および前記第２の蓄積素子部は、
   少なくとも前記最長周期Ｔ₁の間、前記時刻ｔ０〜ｔ３のうち任意の２つの時刻における電荷量を蓄積し、蓄積した電荷量を前記距離算出部に電荷転送した後、
   少なくとも前記最長周期Ｔ₁の間、残りの２つの時刻における電荷量を蓄積し、
   蓄積した電荷量を前記距離算出部に電荷転送することにより、
   前記各時刻ｔ０〜ｔ３に対応した電荷量を前記第０〜第３積算信号として前記距離算出部に電荷転送する、
   請求項３に記載の距離測定装置。
9. 前記蓄積素子部は、第０の蓄積素子部と、第１の蓄積素子部と、第２の蓄積素子部と、第３の蓄積素子部と、を有し、
   少なくとも前記最長周期Ｔ₁の間、
   前記第０の蓄積素子部は、前記時刻ｔ０における電荷量を蓄積して、第０積算信号を生成し、
   前記第１の蓄積素子部は、前記時刻ｔ１における電荷量を蓄積して、第１積算信号を生成し、
   前記第２の蓄積素子部は、前記時刻ｔ２における電荷量を蓄積して、第２積算信号を生成し、
   前記第３の蓄積素子部は、前記時刻ｔ３における電荷量を蓄積して、第３積算信号を生成する、
   請求項３に記載の距離測定装置。
10. 前記多重変調光の前記距離対象からの前記反射波をｆ（ｔ）とし、前記多重変調光に含まれる第ｎ周波数（ｎは自然数、１≦ｎ≦Ｎ）の周期をＴ_n、前記最長周期Ｔ₁に含まれる波数をｋ_n（＝ｆ_n／ｆ₁）とするとき、
    前記蓄積素子部は、
    前記第０積算信号として、
    

    

    に相当する電荷を蓄積し、
    前記第１積算信号として、
    

    

    に相当する電荷を蓄積し、
    前記第２積算信号として、
    

    

    に相当する電荷を蓄積し、
    前記第３積算信号として、
    

    

    に相当する電荷を蓄積する、
    請求項７から９のいずれかに記載の距離測定装置。
11. 前記距離算出部は、
    前記多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量を算出し、算出した位相ずれ量のうち、前記多重変調光に含まれる各周波数成分の中の任意の周波数成分の位相ずれ量である低周波位相ずれ量、および、前記多重変調光に含まれる各周波数成分の中に含まれ、前記低周波位相ずれ量に対応する周波数成分より高い周波数成分の位相ずれ量である高周波位相ずれ量に基づいて最終位相ずれ量を算出し、算出した前記最終位相ずれ量に基づいて前記距離を算出する、
    請求項１から１０のいずれかに記載の距離測定装置。
12. 前記低周波位相ずれ量をΔψ_i（周波数ｆ_i）とし、前記高周波位相ずれ量をΔψ_j（周波数ｆ_j）とし、光速をｃとするとき、
    前記距離算出部は、
    前記多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量Δψ_n、前記最終位相ずれ量Δψ、および、前記距離Ｌを、それぞれ、
    

    

    

    

    により算出する、
    請求項１１に記載の距離測定装置。
13. 前記距離算出部は、前記各時刻における電荷蓄積時間τを考慮して、前記多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量Δψｎを、
    

    

    により算出する、
    請求項１２に記載の距離測定装置。
14. 前記距離算出部は、
    前記多重変調光に含まれる各周波数の位相ずれ量ψ_nを添え字順（ｎ＝１、２、…）に並べ、初めてπ／２以上となる位相ずれ量の添え字をｋ（２≦ｋ≦Ｎ）とするとき、位相ずれ量ψ_k-1を、前記低周波位相ずれ量として、距離を算出する、
    請求項１１から１３のいずれかに記載の距離測定装置。
15. 前記第１差分積算信号の絶対値が小さいとき、または、前記第１積算信号と前記第３積算信号との差分絶対値が小さいとき、
    前記距離算出部は、
    前記最終位相ずれ量として、
    

    

    を用いる、
    請求項１１から１４のいずれかに記載の距離測定装置。
16. 前記照射部は、前記多重変調光を、低周波成分ほど振幅を小さくして生成する、
    請求項１から１５のいずれかに記載の距離測定装置。
17. ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
    なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化して生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する照射部と、
    前記照射部から照射された前記多重変調光の前記距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する受光素子部と、
    前記受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する分配部と、
    前記分配部から出力される電荷を蓄積する蓄積素子部と、
    を備える距離測定装置に用いられる距離測定方法であって、
    前記分配部の出力先を、所定のタイミングで、所定の出力先に切り替えるように制御する分配制御ステップと、
    前記第１の蓄積素子部および前記第２の蓄積素子部により蓄積された電荷量に基づいて、前記距離測定対象までの距離を算出する距離算出ステップと、
    を備える距離測定方法。
18. ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
    なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化して生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する照射部と、
    前記照射部から照射された前記多重変調光の前記距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する受光素子部と、
    前記受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する分配部と、
    前記分配部から出力される電荷を蓄積する蓄積素子部と、
    を備える距離測定装置に用いられる距離測定方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
    前記分配部の出力先を、所定のタイミングで、所定の出力先に切り替えるように制御する分配制御ステップと、
    前記第１の蓄積素子部および前記第２の蓄積素子部により蓄積された電荷量に基づいて、前記距離測定対象までの距離を算出する距離算出ステップと、
    を備える距離測定方法をコンピュータに実行させるプログラム。
19. ｆ_n+1＝２ｋ_n・ｆ_n（ｎおよびｋ_nは、自然数）
    なる関係を有する、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の異なる周波数ｆ_n（１≦ｎ≦Ｎ）を多重化して生成される多重変調信号により光強度変調された多重変調光を距離測定対象に対して照射する照射部と、
    前記照射部から照射された前記多重変調光の前記距離測定対象からの反射波を受光し、受光量に相当する電荷を取得する受光素子部と、
    前記受光素子部により取得された電荷を所定のタイミングで所定の出力先に出力する分配部と、
    前記分配部から出力される電荷を蓄積する蓄積素子部と、
    前記蓄積素子部により蓄積された電荷量に基づいて、前記距離測定対象までの距離を算出する距離算出部と、
    を備える集積回路。

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