JPWO2014208018A1 - 測距システム、及び撮像センサ - Google Patents

Abstract

ＴＯＦ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）方式の高精度の測距システムを実現する。発光信号が示すタイミングに従って光を照射する光源部と、露光信号が示すタイミングに従って対象物からの反射光を撮像センサに露光させることで撮像センサから画素毎のＲＡＷデータを得る受光部と、ＲＡＷデータをもとに算出した対象物までの画素毎の距離を表すＴＯＦ信号を供給するＴＯＦ演算部と、撮像センサ上の基準画素についてのＴＯＦ信号と基準値との差分を検出し、当該差分に応じて位相制御信号と微調信号とを生成する検出部と、微調信号をもとにＴＯＦ信号を補正し、その結果を画素毎の距離情報として出力する補正部と、位相制御信号をもとに発光信号と露光信号とのうち少なくとも一方の位相シフトを制御する制御部とを設ける。

Description

本発明は、光を照射して反射光を受光することによって対象物の位置情報を得る測距システムに関するものである。本願では距離測定を縮めて「測距」という。

光のパルスを送信し、対象物で反射して戻ってきたパルスの受信までの飛行時間（ＴＯＦ：ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）が対象物までの距離に依存することを利用して測距を行うことができる。このＴＯＦ方式で測距を行う場合、測定条件及び測定環境の変化によって測距結果に誤差が発生し、測距精度が低下するという課題があった。

特許文献１では、測距精度の低下を抑制するため、２つの異なる位相の露光パルスで各々得られた露光量に基づいて測距値を算出する。

特開２０１２−２１５４８０号公報

図１は、従来の測距システムにて発光パルスの位相と露光パルスの位相とが揃っている状態のタイミング図である。図１によれば、時刻ｔ０に立ち上がり、かつパルス幅Ｔ０を持つ発光パルスが対象物に照射され、対象物からの反射光が時間Ｔｄの後に測距システムに入射する。入射光は、撮像センサにより信号電荷に変換される。

ここで、測距システムから対象物までの距離をＬとするとき、時間Ｔｄは長さ２Ｌにおける速度ｃの光の飛行時間に対応する。第１露光パルスＰ０は、発光パルスの立ち上がりと同時刻に立ち下がり、発光パルスのパルス幅Ｔ０よりも長い第１露光期間を実現する。第２露光パルスＰ１は、発光パルスの立ち下がりと同時刻に立ち下がり、第１露光時間と同じ長さの第２露光期間を実現する。また、背景光によるオフセット成分を検出するため、発光パルスを停止させて第１及び第２露光パルスＰ０，Ｐ１と同じ条件の露光を行う（図２参照）。ここで、第１露光パルスＰ０による第１露光期間の露光量をＳ０とし、第２露光パルスＰ１による第２露光期間の露光量をＳ１とし、背景光による露光量をＢＧとすると、Ｓ０−ＢＧが期間Ｔ０に蓄積される（反射光に対する）信号電荷に、Ｓ１−ＢＧが期間Ｔｄに蓄積される（反射光に対する）信号電荷にそれぞれ対応するから、式（１）により距離Ｌを算出できる。

図３は、従来の測距システムにて第１露光パルスＰ０の立ち下がりに対して発光パルスの立ち上がりが１ｎｓだけ遅れた場合のタイミング図である。この場合には、第２露光パルスＰ１による第２露光期間の露光量Ｓ１が図１の場合に比べて１ｎｓ分だけ増加する。この結果、式（１）による距離Ｌの算出結果は、図１の場合よりも大きくなることが予想される。

図４は、従来の測距システムにて第１露光パルスＰ０の立ち下がりに対して発光パルスの立ち上がりが１ｎｓだけ早くなった場合のタイミング図である。この場合には、第２露光パルスＰ１による第２露光期間の露光量Ｓ１が図１の場合に比べて１ｎｓ分だけ減少する。この結果、式（１）による距離Ｌの算出結果は、図１の場合よりも小さくなることが予想される。

図５は、従来の測距システムにて発光パルスと露光パルスとの間の位相ズレが原因で測距誤差が生じることを示す図である。図１のように発光パルスの位相と露光パルスの位相とが揃っている場合には、測距システムから対象物までの実距離と測定距離との関係は直線Ｌ１で表される。このとき、実距離が５００ｍｍであるものとすると、測定距離も５００ｍｍとなり、誤差は０である。これに対して、図５中の直線Ｌ２は、図３の位相ズレの場合の実距離と測定距離との関係を示している。すなわち、実距離５００ｍｍに対して測定距離が６５０ｍｍとなり、＋１５０ｍｍの誤差が生じる。また、図５中の直線Ｌ３は、図４の位相ズレの場合の実距離と測定距離との関係を示している。すなわち、実距離５００ｍｍに対して測定距離が３５０ｍｍとなり、−１５０ｍｍの誤差が生じる。

測距システムの動作当初の発光パルスと露光パルスとの位相関係が想定通りであったとしても、温度ドリフト、電圧ドリフト等の影響を受けて発光パルスと露光パルスとの位相関係が時間によって変化することでも、測距結果に誤差が発生する。

図６は、従来の測距システムにて発光パルスに波形歪みが生じた状態を示す波形図である。実際の発光パルス波形は、図６中に破線で示すような理想的な矩形波でない場合が多く、図６中に実線で示すように歪んでいる。図６は、発光パルスの減少が開始するタイミング（２）で第２露光パルスＰ１が立ち下がる状態を示している。

図７は、図６に示した発光パルスの波形歪みが原因で測距バラツキの変動が生じることを示す図である。第２露光パルスＰ１による第２露光期間の開始タイミングが図６中の（１）→（２）→（３）→（４）のように変化するにつれて、測距バラツキσは図７中の（１）→（２）→（３）→（４）のように変動する。この例では、第２露光パルスＰ１がタイミング（２）で立ち下がるときに測距バラツキσが最小となる。すなわち、発光パルスに波形歪みがある場合には発光パルスと露光パルスとの間に最適位相が存在し、この最適位相から位相ズレが生じると測距性能が劣化することが判る。

本発明の目的は、ＴＯＦ方式の測距システムにおいて、発光パルスと露光パルスとの間の位相ズレの影響を位相調整で補正し、更に位相調整では補正し得ない測距誤差についても補正可能な、高精度の測距システムを実現することにある。

上記目的を達成するため、本発明は、ＴＯＦ方式の測距システムにおいて、発光信号が示すタイミングに従って光を照射する光源部と、露光信号が示すタイミングに従って対象物からの反射光を撮像センサに露光させることで前記撮像センサから画素毎のＲＡＷデータを得る受光部と、前記ＲＡＷデータをもとに算出した前記対象物までの画素毎の距離を表すＴＯＦ信号を供給するＴＯＦ演算部と、前記撮像センサ上の基準画素についての前記ＴＯＦ信号と基準値との差分を検出し、当該差分に応じて位相制御信号と微調信号とのうち少なくとも一方を生成する検出部と、前記微調信号が生成された場合には、前記微調信号をもとに前記ＴＯＦ信号を補正し、その結果を画素毎の距離情報として出力する補正部として機能し、前記位相制御信号が生成された場合には、前記位相制御信号をもとに前記発光信号と前記露光信号とのうち少なくとも一方の位相シフトを制御する制御部として機能する補正制御部とを備えた構成を採用したものである。

本発明によれば、測距システムの部品の個体差バラツキや、温度・電圧ドリフトによる発光パルスと露光パルスとの間の位相ズレから発生する測距誤差を正確に補正することが可能である。また、発光パルスと露光パルスとの間の最適位相を維持できるため、高精度の測距結果を得ることが可能である。

従来の測距システムにて発光パルスの位相と露光パルスの位相とが揃っている状態のタイミング図である。 図１中の第１露光パルスＰ０による露光量Ｓ０の期間と、第２露光パルスＰ１による露光量Ｓ１の期間と、背景光による露光量ＢＧの期間とのシーケンス例を示すタイミング図である。 従来の測距システムにて露光パルスに対して発光パルスの位相が遅れた場合のタイミング図である。 従来の測距システムにて露光パルスに対して発光パルスの位相が進んだ場合のタイミング図である。 従来の測距システムにて発光パルスと露光パルスとの間の位相ズレが原因で測距誤差が生じることを示す図である。 従来の測距システムにて発光パルスに波形歪みが生じた状態を示す波形図である。 図６に示した発光パルスの波形歪みが原因で測距バラツキの変動が生じることを示す図である。 本発明の第１実施形態に係る測距システムの構成を示すブロック図である。 図８の測距システムにて検出部からの位相制御信号によりＴＯＦ信号が補正されることを示す図である。 図８の測距システムにて検出部からの微調信号によりＴＯＦ信号が補正されることを示す図である。 図８の測距システムの第１変形例を示すブロック図である。 図８の測距システムの第２変形例を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る測距システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

《第１実施形態》
図８は、本発明の第１実施形態に係る測距システムの構成を示すブロック図である。図８の測距システム１００は、光源部１と、受光部２と、ＴＯＦ演算部３と、検出部４と、補正部５と、制御部６と、透明板７と、マーカー８とより構成される。透明板７は例えばガラスからなる。

制御部６は、発光信号と露光信号とを出力する。光源部１は、発光信号がＨのときに例えば赤外光を照射する。受光部２は、対象物からの反射光を露光信号がＬの期間のみ撮像エリアセンサに露光させ、そのＬ期間における各画素の露光により得た電荷量をＲＡＷ（生）データとして出力する。ＴＯＦ演算部３は、ＲＡＷデータから前述の式（１）によって各画素の距離を算出して、測距値をＴＯＦ信号として出力する。検出部４は、マーカー８に対応する基準画素のＴＯＦ信号と基準値Ｒとの差分Ｄを検出し、差分Ｄが１５０ｍｍより大きければ、発光パルスの位相を制御する位相制御信号としてＨパルスを１回出力し、差分Ｄが−１５０ｍｍ未満であれば、位相制御信号としてＨパルスを２回出力し、差分Ｄが−１５０ｍｍ以上かつ＋１５０ｍｍ以下であれば、位相制御信号としてのＨパルスは出力せず、位相ズレで発生するＴＯＦ信号の誤差を補正する微調信号として差分Ｄを出力する。制御部６は、位相制御信号のＨパルスが１回入力されたときには、発光信号の位相を１ｎｓだけ進め、Ｈパルスが２回入力されたときには、発光パルスの位相を１ｎｓだけ遅らせる。補正部５は、ＴＯＦ信号から微調信号を減算した結果を、画素毎の補正済みの測距値を含む距離情報として出力する。

マーカー８は、受光部２から距離Ａの定位置に固定された透明板７の表面上にて、受光部２の画角内に配置される。検出部４が使用する基準画素は、受光部２の撮像エリアセンサ上のマーカー８に該当する画素である。検出部４が使用する基準値Ｒは、受光部２からマーカー８までの光路距離Ｓに基づいて算出された値である。

図９は、図８の測距システム１００にて検出部４からの位相制御信号によりＴＯＦ信号が補正されることを示す図である。発光パルスと第１露光パルスＰ０との間に位相ズレがなく、図１のように発光パルスの立ち上がりタイミングと第１露光パルスＰ０の立ち下がりタイミングとが揃っている状態では、実距離とＴＯＦ信号との間の測距関係が直線Ｌ１１で表される。すなわち、マーカー８の基準値Ｒに対応する実距離を５００ｍｍとすると、基準画素のＴＯＦ信号の値が５００ｍｍとして得られる。これに対して、図３のように第１露光パルスＰ０の立ち下がりに対して発光パルスの立ち上がりが１ｎｓだけ遅れた場合には、実距離とＴＯＦ信号との間の測距関係が直線Ｌ１２で表されることになり、マーカー８の実距離５００ｍｍに対して＋１５０ｍｍの誤差がＴＯＦ信号に生じる。そこで、検出部４は、基準画素のＴＯＦ信号が６５０ｍｍより大きいときは、発光信号の位相を１ｎｓだけ進めることで、直線Ｌ１２の測距関係を補正して直線Ｌ１１の測距関係に戻す。一方、図４のように第１露光パルスＰ０の立ち下がりに対して発光パルスの立ち上がりが１ｎｓだけ早くなった場合には、実距離とＴＯＦ信号との間の測距関係が直線Ｌ１３で表されることになり、マーカー８の実距離５００ｍｍに対して−１５０ｍｍの誤差がＴＯＦ信号に生じる。そこで、検出部４は、基準画素のＴＯＦ信号が３５０ｍｍ未満のときは、発光信号の位相を１ｎｓだけ遅らせることで、直線Ｌ１３の測距関係を補正して直線Ｌ１１の測距関係に戻す。

図１０は、図８の測距システム１００にて検出部４からの微調信号によりＴＯＦ信号が補正されることを示す図である。検出部４は、図１０に示すように基準画素のＴＯＦ信号が６５０ｍｍ未満かつ３５０ｍｍより大きいときは、ＴＯＦ信号（図１０の例では４５０ｍｍ）から基準値Ｒ（５００ｍｍ）を減算した結果を微調信号（図１０の例では−５０）として出力する。このとき、補正部５は、直線Ｌ１４の測距関係で算出されたＴＯＦ信号から、検出部４で算出した微調信号（−５０）を減算することで、直線Ｌ１１の測距関係に補正して距離情報を出力する。

以上のように、本発明の第１実施形態によれば、測距システム１００の部品の個体差バラツキや、温度・電圧ドリフトによる発光パルスと露光パルスとの間の位相ズレから発生する測距誤差を正確に補正して出力することが可能である。また、発光パルスと露光パルスとの間の最適位相を維持できるため、高精度の測距結果を得ることが可能となる。

なお、基準画素と基準値Ｒとは外部から制御可能としてもよい。これによって、マーカー８の位置が変わっても、設定値の変更のみでの対応が可能となる。

マーカー８は、図１１のように受光部２の画角内にて透明板７の低反射枠の中に配置してもよい。これによって、部品点数を削減し、かつ透明板７や筐体内部の反射光による迷光の影響を低減できる。

図１２のように参照光源部１０を設けて、参照光を基準画素に対応する画角内の領域に照射するようにして、参照光の反射光を受光した画素数に応じて基準値Ｒを決定してもよい。ここでは、受光部２から透明板７までの距離がＡ、Ｂ、Ｃと変化するにつれて、参照光パターンを構成する画素数が変化することを利用している。これにより、実際のマーカー８を使わずに高精度の測距が実現可能となる。

また、温度計の測定結果を検出部４に入力し、温度の変化によって位相制御信号を制御してもよい。

マーカー８に対応する基準画素と基準値Ｒとは、それぞれ複数持ってもよい。この場合、複数の基準画素の各々における差分の平均又は多数決判定によって位相調整を行うことができる。

距離の異なる２つのマーカーを持ち、それぞれのＴＯＦ信号の差分ＤＤを検出し、１つの基準画素に対応するＴＯＦ信号の標準偏差σを検出し、σ／ＤＤが最小となる位相になるように、発光パルスと露光パルスとの間の位相ズレを制御してもよい。また、σ／ＤＤが最小となる基準画素のＴＯＦ信号を、対応する基準画素の基準値Ｒとしてもよい。これによって、発光波形の変化に依存しない、常に高精度の測距が実現可能となる。

検出部４は基準画素のＲＡＷデータと設定した閾値Ｂとの差分が所定値よりも大きいときには、その基準画素で補正を行わないようにしてもよい。これによって、マーカー８が所定の位置から大きく移動したとき等の誤動作を防ぐことが可能となる。

制御部６は、基準画素のＲＡＷデータと設定した閾値Ｂとの差分に基づいて、発光信号と露光信号との回数を制御するようにしてもよい。これによって、光源部１の発光強度や受光部２の感度に個体差バラツキがあっても、最適な光量で測距を実行することが可能となる。

制御部６は、発光信号の位相シフトに代えて露光信号の位相シフトを制御するようにしてもよい。制御部６が発光信号及び露光信号の双方の位相シフトを制御してもよい。

なお、透明板７は受光部２に対して平行に置く必要はない。

《第２実施形態》
図１３は、本発明の第２実施形態に係る測距システムの構成を示すブロック図である。図１３の測距システム１０１の構成は、第１実施形態の測距システム１００と同じ構成に対して、ＴＯＦ演算部３をＴＯＦ演算部３２に変更し、検出部４を検出部４２に変更し、透明板７の内側の受光部２の周辺を低反射板９で覆った一部にマーカーの実体８２を設置したものであり、特に受光部２の画角外にマーカーの実体８２を設置したものである。

ＴＯＦ演算部３２は、受光部２の画角内に測定対象物が何もない状態において、基準画素の露光量Ｓ０，Ｓ１の測定値をＳ０Ａ，Ｓ１Ａとして保持する。また、ＴＯＦ演算部３２は、ＲＡＷデータから、基準画素以外は式（１）によって各画素の距離を算出してＴＯＦ信号を出力し、基準画素は露光量測定値Ｓ０Ａ，Ｓ１Ａに基づいて式（２）によって画素の距離を算出してＴＯＦ信号を出力する。

検出部４２が使用する基準画素は、マーカーの虚像８３に該当する画素である。また、検出部４２が使用する基準値Ｒは、受光部２からマーカーの実体８２までの光路距離Ｚ、あるいは受光部２からマーカーの虚像８３までの光路距離Ｚに基づいて算出された値である。

検出部４２は、基準画素のＳ０−Ｓ０Ａが設定値より小さいときは、差分Ｄを差分Ｄ０として保存し、位相制御信号及び微調信号を第１実施形態の検出部４と同じ条件で出力する。また、検出部４２は、基準画素のＳ０−Ｓ０Ａが設定値より大きいときは、位相制御信号はＬ固定で出力し、差分Ｄ０を微調信号として出力する。

以上のように、本発明の第２実施形態によれば、第１実施形態と同等の効果を持ちつつ、画角内の全ての画素で測距を行うことが可能となる。

なお、本発明は、第１実施形態又は第２実施形態の構成に限定するものではない。例えば、受光部２の撮像エリアセンサは、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサのいずれを用いても構わない。

以上説明してきたとおり、本発明に係る測距システムは、発光パルスと露光パルスとの間の位相ズレから発生する測距誤差を正確に補正することが可能であり、対象物の位置情報を得るシステムとして有用である。

１ 光源部
２ 受光部
３，３２ ＴＯＦ演算部
４，４２ 検出部
５ 補正部
６ 制御部
７ 透明板
８ マーカー
９ 低反射板
８２ マーカーの実体
８３ マーカーの虚像
１００，１０１ 測距システム

Claims (11)

1. ＴＯＦ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）方式の測距システムであって、
   発光信号が示すタイミングに従って光を照射する光源部と、
   露光信号が示すタイミングに従って対象物からの反射光を撮像センサに露光させることで前記撮像センサから画素毎のＲＡＷデータを得る受光部と、
   前記ＲＡＷデータをもとに算出した前記対象物までの画素毎の距離を表すＴＯＦ信号を供給するＴＯＦ演算部と、
   前記撮像センサ上の基準画素についての前記ＴＯＦ信号と基準値との差分を検出し、当該差分に応じて位相制御信号と微調信号とのうち少なくとも一方を生成する検出部と、
   前記微調信号が生成された場合には、前記微調信号をもとに前記ＴＯＦ信号を補正し、その結果を画素毎の距離情報として出力する補正部として機能し、前記位相制御信号が生成された場合には、前記位相制御信号をもとに前記発光信号と前記露光信号とのうち少なくとも一方の位相シフトを制御する制御部として機能する補正制御部とを備えたことを特徴とする測距システム。
2. 請求項１記載の測距システムにおいて、
   前記光源部及び前記受光部に対して定位置に配置されたマーカーを更に備え、
   前記基準画素は、前記マーカーからの光を受光する画素であり、かつ、
   前記基準値は、前記受光部から前記マーカーまでの既知の光路距離より算出された値であることを特徴とする測距システム。
3. 請求項２記載の測距システムにおいて、
   前記マーカーは、前記光源部及び前記受光部に対して定位置に固定されていることを特徴とする測距システム。
4. 請求項２記載の測距システムにおいて、
   前記光源部及び前記受光部に対して定位置に固定された透明板を更に備え、
   前記マーカーは、前記透明板の表面上に配置されたことを特徴とする測距システム。
5. 請求項２記載の測距システムにおいて、
   前記光源部及び前記受光部に対して定位置に固定された透明板を更に備え、
   前記マーカーは、前記透明板の表面における反射により前記マーカーの虚像が前記受光部の画角内に生じるように、前記受光部の画角外に配置されたことを特徴とする測距システム。
6. 請求項１記載の測距システムにおいて、
   前記ＴＯＦ演算部は、前記対象物が存在しない状態で前記受光部から前記基準画素について受けたＲＡＷデータを予め基準ＲＡＷデータとして保持し、前記対象物が存在する通常動作においては前記受光部から受けたＲＡＷデータから前記基準ＲＡＷデータを減算した結果をもとに前記基準画素についての前記対象物までの距離を算出することを特徴とする測距システム。
7. 請求項２記載の測距システムにおいて、
   前記マーカーにそれぞれ対応する複数の基準画素を前記撮像センサ上に備え、
   前記複数の基準画素の各々に対して前記基準値が設定されたことを特徴とする測距システム。
8. 請求項１記載の測距システムにおいて、
   前記基準画素と前記基準値とのうち少なくとも一方は、外部より変更可能であることを
   特徴とする測距システム。
9. 請求項１記載の測距システムにおいて、
   前記受光部から互いに異なる距離に配置された複数のマーカーを更に備え、
   前記検出部は、前記複数のマーカーに対応する前記撮像センサ上の複数の基準画素の各々についての前記ＴＯＦ信号と各基準値との差分と、前記複数の基準画素のうちの１つの基準画素についての前記ＴＯＦ信号のバラツキ量とに応じて、前記位相制御信号を生成することを特徴とする測距システム。
10. 請求項１記載の測距システムにおいて、
    前記光源部及び前記受光部に対して定位置に固定された透明板と、
    前記透明板上の所定の範囲へ参照光を照射する参照光源部とを更に備え、
    前記基準値は、前記参照光が前記透明板の表面で反射して前記撮像センサ上に得られる像の画素数をもとに決定されることを特徴とする測距システム。
11. 請求項１記載の測距システムにおいて、
    前記検出部は、前記基準画素のＲＡＷデータと所定の閾値との差分が所定値よりも大きいときは、当該基準画素での前記位相制御信号と前記微調信号との生成を行わないことを特徴とする測距システム。

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