WO2006112431A1 - 空間情報検出システム - Google Patents

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WO2006112431A1
WO2006112431A1 PCT/JP2006/308024 JP2006308024W WO2006112431A1 WO 2006112431 A1 WO2006112431 A1 WO 2006112431A1 JP 2006308024 W JP2006308024 W JP 2006308024W WO 2006112431 A1 WO2006112431 A1 WO 2006112431A1
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WO
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light
period
detection device
detection
unit
Prior art date
Application number
PCT/JP2006/308024
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English (en)
French (fr)
Inventor
Fumikazu Kurihara
Yuji Takada
Yusuke Hashimoto
Fumi Tsunesada
Original Assignee
Matsushita Electric Works, Ltd.
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Publication date
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Priority to EP06731953A priority patent/EP1873555A4/en
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    • G01V8/20—Detecting, e.g. by using light barriers using multiple transmitters or receivers
    • G—PHYSICS
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    • G01S17/32—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/36—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal

Definitions

  • the present invention relates to a spatial information detection system that receives light from a target space irradiated with intensity-modulated light and detects information about the target space.
  • a technology that obtains spatial information such as the distance to an existing object is used.
  • This technology is introduced in, for example, the pamphlet of International Publication No. W096Z15626 and the pamphlet of International Publication No. WO2004Z008175, and a light source that projects light intensity-modulated at a predetermined modulation period into the target space, A light detection element having a photoelectric conversion unit that receives light and generates a charge corresponding to the amount of light received, and a change force between the light emitted from the light source and the light received by the light detection element.
  • a detection device having a basic configuration of an evaluation unit for detection is used.
  • this type of detection device projects intensity-modulated light into the target space. Therefore, when detecting spatial information with a plurality of detection devices for a common target space, each detection device forces light into the target space. When the light is projected, it becomes impossible to distinguish which detection device emits light from the target space. In other words, each detection device cannot separate and detect only the light emitted from its own light emission source power, and this causes a problem if the detection accuracy of the spatial information decreases.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and its main purpose is to detect a common target spatial force spatial information by a plurality of spatial information detection devices. Another object of the present invention is to provide a spatial information detection system capable of detecting spatial information with high accuracy by each detection device.
  • the spatial information detection system of the present invention requires the use of a plurality of detection devices.
  • Each detection device emits light whose intensity is modulated at a predetermined modulation period to a target space, and receives light from the target space to generate a charge corresponding to the amount of received light.
  • a light detection element having a photosensitive part, and an evaluation part for detecting the spatial information of the target space with a changing force between the light projected from the light emitting source and the light received by the light detection element.
  • the spatial information detection system according to the present invention provides the plurality of detections so that a light projection period of one light source of the plurality of detection devices does not overlap with a light projection period of another light source of the detection device.
  • the light receiving unit In addition to controlling the light projection timing of the light emitting source of the apparatus, the light receiving unit generates light by receiving light from the target space during the light projecting period, and the light from the light source projects into the target space. Do not! Is set within the range of at least one of the pause period and the floodlighting period.
  • a timing control unit for controlling the light detection elements of each of the plurality of detection devices so as to have a readout period for extracting charges generated by the photosensitive unit.
  • the timing control unit for controlling the light projection timing of the light source of the detection device so that the light projection periods do not overlap with each other, the light is projected into the target space of the detection device force.
  • the spatial information of the target space can be detected by each of the detection devices that do not interfere with each other.
  • the readout period may be set within the projection period, or may be set across the projection period and the suspension period so as to include at least a part of the suspension period.
  • the timing control unit controls the light detection elements of each of the plurality of detection devices such that the readout period is set within the pause period.
  • the light receiving period and the reading period are independent. Otherwise, electrical noise generated by switching may be mixed into the charge read during the readout period. Therefore, by setting the readout period within the pause period, the light receiving period and the readout period can be separated independently to prevent the noise associated with switching from entering the charge during readout, resulting in detection accuracy. Reliability can be improved.
  • the timing control unit is provided in each of the plurality of detection devices, and one timing control unit of the detection device synchronizes with a sync signal at the end of the light emission period of the light emission source. It is preferable that the timing control unit that outputs the signal to another timing control unit of the detection device and that receives the sync signal starts the light projection period of the light emission source of the corresponding detection device. According to this configuration, it is possible to shift the light projection period of each detection device only by sequentially transferring the sync signal between the detection devices. That is, it is possible to prevent the light projection periods of the detection devices from being overlapped by a sophisticated configuration that only forms a path for transferring the synchronization signal between the timing control units of the detection devices.
  • the timing control unit that has received the synchro signal waits for the start of the light projecting period of the light emitting source until the reading period of the corresponding detection device ends. In this case, it is possible to stably secure a certain readout period in which the light projection period does not start in the middle of the charge readout period in the light detection element in each detection device.
  • each of the timing control units receives a force that functions as a master that the light source of the corresponding detection device spontaneously emits light, and a timing control unit force of the other detection device, and receives the synchronization signal. It is preferable to have a mode switching part for setting either to function as a slave to project.
  • a central control unit that outputs a synchronization signal at different timings to the timing control unit provided in each of the detection devices is provided, and the synchronization signal is provided. It is also preferable that the timing control unit that receives the signal starts the light projection period of the light source of the corresponding detection device.
  • the timing control unit controls the length of the light projection period in each of the plurality of detection devices according to the amount of light received by the photosensitive unit.
  • the detection device with a smaller amount of received light is set longer.
  • a plurality of detection devices may be longer than the light projection period of a short distance detection device in which a short light projection period is set, a long distance detection device in which a long light projection period is set, and a short distance detection device. It can be configured to include at least a medium distance detection device in which a light projection period shorter than the light projection period of the distance detection device is set.
  • the received light intensity of the reflected light of the object force decreases as the distance increases.
  • the amount of light received by the light detection element can be secured. Also, when there are objects with different reflectivities at equidistant positions in the target space Since the received light intensity decreases as the reflectance decreases, the amount of received light can be secured by increasing the light projection period for an object with a lower reflectance. In this way, the dynamic range of the entire system can be widened by adjusting the projection period according to the received light intensity.
  • Each detection device includes a setting unit for setting a plurality of light projection periods having different lengths, and a light reception amount of each of the plurality of light projection periods is equal to or less than a preset threshold value. It is preferable that the evaluation unit further detects the spatial information of the target space using a maximum received light amount equal to or less than the threshold value. In this case, since the desired spatial information is detected by using as much received light quantity as possible within the range allowed for the light detection element, the detection accuracy of the spatial information can be further improved. In addition, since the amount of received light is changed by changing the length of the light projection period, the dynamic range of each detector can be widened.
  • a setting unit for setting a unit period including a predetermined number of light projection periods and one of the plurality of detection devices according to the environment of the target space are set. It is also preferable to provide a time adjustment unit that reduces the number of light projection periods in the unit period and adds a time corresponding to the light projection period of the reduced number of times to the light projection period of another detection device and extends it. . Further, as a particularly preferable form of the time adjustment unit, a detection device in which the amount of received light reaches a predetermined value less than the number of light projection periods set within the unit period among the plurality of detection devices will be described later.
  • the excess light projection period in the detection device that has reached the specified light intensity range less than the number of light projection periods set within the unit period can be efficiently used for a detection device with a small amount of received light.
  • each detection device can be operated in a light amount range in which the light detection element is not saturated.
  • an appropriate light projection period can be allocated to each detector according to the difference in received light intensity.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a detection device used in a preferred embodiment of a spatial information detection system of the present invention.
  • FIG. 2 is an operation explanatory diagram of the detection device.
  • FIG. 3 is a plan view showing an example of a light detection element of the detection apparatus.
  • FIG. 4 is a block diagram of a spatial information detection system that works on the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 (A) to (C) are operation explanatory diagrams of the spatial information detection system of FIG.
  • FIG. 6 is a block diagram of a spatial information detection system that works on the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an operation explanatory diagram of a spatial information detection system that works on the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a modification of the third embodiment.
  • FIG. 9 is a block diagram of a spatial information detection system that works on the fourth embodiment of the present invention.
  • FIGS. 10A and 10B are operation explanatory diagrams of the spatial information detection system of FIG.
  • the spatial information includes information obtained by removing environmental light components such as the reflectance of an object existing in the target space.
  • the distance measuring device described below generates a distance image in which the distance to each position in the target space is associated with the pixel by capturing an image of the target space.
  • the distance measuring device used in the present embodiment provides a light source 2 that projects light into a target space, and an output that reflects light received by receiving light from the target space.
  • Photodetection element 1 is provided.
  • the distance to the object Ob existing in the target space is the time from the light source 2 to the time when the light is projected into the target space and the reflected light from the force object Ob is incident on the light detection element 1 (“flight time”). Call).
  • intensity-modulated light which is modulated so that the intensity of light projected into the target space changes periodically at a fixed period, is projected from the light source 2 into the target space, and the light intensity A technique is used in which the phase difference of light transmission / reception is obtained for the modulation component and the phase difference is converted into time of flight. That is, as shown in FIG. 2, the intensity of the light radiated from the light source 2 into the space is modulated so as to have a sine waveform as shown by the curve X, and the amount of light received by the light detection element 1 is If the curve changes as shown in curve Y, the phase difference ⁇ corresponds to the time of flight, so the distance to the object Ob can be obtained by obtaining the phase difference ⁇ .
  • the unit of phase difference ⁇ is [rad
  • the phase difference ⁇ can be calculated using the received light quantity of the curve ⁇ obtained at a plurality of timings of the curve X.
  • the received light intensity of curve ⁇ obtained at the timing of curve X at 0 to 90 degrees, 90 to 180 degrees, 180-2 70 degrees, and 270 to 360 degrees respectively A0, Al, A
  • the received light intensity A0, Al, A2, and A3 are indicated by hatching).
  • the amount of received light A0, Al, A2, and A3 in each phase is an integral value of the period Tw of 90 degrees.
  • the phase difference ⁇ does not change (that is, the distance to the object Ob does not change), and the reflectance of the object Ob does not change.
  • the intensity of the light emitted from the light source 2 is modulated with a sine wave, and the intensity of the light received by the light detection element 1 at time t is expressed as A 'sin (co t + ⁇ ) + ⁇ .
  • phase difference ⁇ is the amplitude
  • B is the DC component (average value of the ambient light component and the reflected light component)
  • ⁇ is the initial phase is there. From these conditions, the phase difference ⁇ can be expressed by the following equation, for example.
  • the above formula is a force whose sign changes or the phase differs by 90 degrees depending on how to take the interval to integrate (for example, in the above example, the force may be 180 degrees, where the phase width of one section is 90 degrees).
  • the phase difference ⁇ can be obtained by using the received light intensity A0, Al, A2, A3 in 4 sections.
  • a light source with a fast response speed is used as the light emission source 2.
  • a light emitting source 2 can be formed by arranging a large number of light emitting diodes on one plane or a combination of a semiconductor laser and a diverging lens.
  • the modulation signal for driving the light source 2 is output from a timing control unit 3 to be described later, and the intensity of light emitted from the light source 2 depends on the modulation signal. Is modulated.
  • the timing control unit 3 outputs, for example, a 10 MHz sine wave as a modulation signal.
  • the modulation signal waveform may be a triangular wave or a sawtooth wave.
  • the photodetecting element 1 includes a plurality of photosensitive portions 11 that are regularly arranged.
  • a light receiving optical system 5 is disposed in the light incident path to the photosensitive portion 11. Therefore, light from the target space enters the photosensitive portion 11 via the light receiving optical system 5, and an amount of electric charge corresponding to the amount of received light is generated.
  • the photosensitive portions 11 are arranged on the lattice points of the planar lattice, and are arranged in a matrix, for example, in the vertical direction (that is, the vertical direction) and in the horizontal direction (that is, the horizontal direction) at equal intervals. Is done.
  • the light receiving optical system 5 associates the line-of-sight direction when viewing the target space from the light detection element 1 with each photosensitive portion 11. That is, the range in which light enters each photosensitive portion 11 through the light receiving optical system 5 can be regarded as a conical field of view with a small apex angle set for each photosensitive portion 11 with the center of the light receiving optical system 5 as the apex. . Therefore, if the reflected light irradiated from the light source 2 and reflected by the object Ob existing in the target space is incident on the photosensitive part 11, the light of the light receiving optical system 5 depends on the position of the photosensitive part 11 that has received the reflected light. It is possible to know the direction in which the object Ob exists with the axis as the reference direction.
  • the light receiving optical system 5 is generally arranged so that the optical axis is orthogonal to the plane on which the photosensitive portion 11 is arranged, the center of the light receiving optical system 5 is the origin, and the vertical direction of the plane on which the photosensitive portion 11 is arranged And the horizontal direction and the optical axis of the light receiving optical system 5 are set in a three-axis direction, the angle when the position of the object Ob existing in the target space is expressed in spherical coordinates (so-called azimuth angle and Elevation angle) corresponds to each photosensitive area 11.
  • the light receiving optical system 5 may be arranged such that the optical axis intersects the plane on which the photosensitive portions 11 are arranged at an angle other than 90 degrees! /.
  • the received light amounts A0, Al, 4 sections synchronized with the intensity change of the light projected from the light source 2 to the target space. Seeking A2, A3. Therefore, it is necessary to control the timing to obtain the desired received light intensity A0, Al, A2, A3. Further, since the amount of charge generated in the photosensitive portion 11 is small in one cycle of the intensity change of light projected from the light source 2 to the target space, it is desirable to accumulate the charges over a plurality of cycles. . Therefore, as shown in Fig.
  • the charge generated in each photosensitive area 11 is In addition to providing a plurality of charge accumulating units 13 for accumulating, a sensitivity control unit 12 for controlling the timing of accumulating charges generated in the photosensitive unit 11 in the charge accumulating unit 13 is provided. This timing is controlled by the timing control unit 3.
  • the light detection element 1 used in the present embodiment is a single semiconductor substrate in which a plurality of (for example, 100 ⁇ 100) photosensitive portions 11 are arranged in a matrix. Formed above. Each column in the vertical direction of the photosensitive portion 11 shares a continuous semiconductor layer, and the semiconductor layer is used as a transfer path for charges in the vertical direction (using electrons in this embodiment). Further, the semiconductor substrate is provided with a horizontal transfer portion Th which is a CCD that receives the electric charge and transfers the electric charge in the horizontal direction also by the one-end force of the semiconductor layer of each column. In other words, the semiconductor layer is also used as the charge transfer path with the photosensitive portion 11.
  • the photodetecting element 1 includes a storage area Db shielded adjacent to the imaging area Da in which the photosensitive portions 11 are arranged, like a frame transfer (FT) type CCD image sensor.
  • the charge transferred from Da to the storage area Db can be taken out via the horizontal transfer section Th.
  • the transfer of charge from the imaging area Da to the storage area Db is performed at once in the vertical blanking period, and the horizontal transfer unit Th transfers the charge for one horizontal line in one horizontal period.
  • the charge extraction section 14 shown in FIG. 1 represents a function including a horizontal transfer section Th as well as a function as a charge transfer path in the vertical direction in the semiconductor layer.
  • the charge accumulating unit 13 represents a function of accumulating charges in the imaging region Da, which does not mean the storage region Db.
  • the storage region Db is included in the charge extraction unit 14.
  • the sensitivity control unit 12 is controlled by the timing control unit 3 so as to increase the sensitivity in the four sections corresponding to the above-described received light amounts AO, Al, A2, A3, and the received light amounts AO, Al, A2, A charge corresponding to A3 is accumulated in the charge accumulation unit 13.
  • the function of the sensitivity control unit 12 is provided by providing a disposable electrode.
  • the voltage applied to the waste electrode is controlled so that the charges are discarded except for the sections corresponding to the desired received light amounts AO, Al, A2, and A3, the charges in only the desired section can be captured. Accumulated with Da Then, the accumulated charge is transferred to the accumulation region Db.
  • the voltage applied to the waste electrode is the amount of light received A
  • the light detecting element 1 repeats switching by turning on and off the discard voltage to the light detecting element 1.
  • a period in which charges are accumulated in the charge accumulating unit 13 (that is, a period in which charges in a target section are generated in the photosensitive unit 11) is referred to as a light receiving period, and is accumulated in the charge accumulating unit 13.
  • a period in which the extracted charges are taken out by the charge extraction unit 14 is called a readout period.
  • the charge in each of the four sections described above in the four photosensitive portions 11 included in the set is stored in the charge integration portion. 13 can be accumulated.
  • the sensitivity control unit 12 corresponding to the four photosensitive units 11 in a set is controlled in association with the periods corresponding to the received light amounts A0, Al, A2, and A3, four charge integrations are performed.
  • the unit 13 can accumulate charges corresponding to the received light amounts A0, Al, A2, and A3, respectively. With this kind of operation, it is possible to extract the received light intensity A0, Al, A2, A3 in four sections with only one light receiving period and one readout period, and use information within a relatively short time.
  • the distance of the object Ob can be obtained.
  • the four photosensitive portions 11 correspond to one direction of the target space, the resolution is reduced to a quarter compared to the case where one photosensitive portion 11 corresponds to one direction of the target space.
  • the photosensitive portions 11 at different positions are associated with one direction of the target space, each photosensitive portion 11 is more likely to receive reflected light from a different object Ob, and erroneous measurement with respect to distance is likely to occur. Become.
  • the light reception output output from the above-described light detection element 1 is sent to the distance calculation unit 4 as the evaluation unit, and the distance calculation unit 4 corresponds to the above-described four received light amounts A0, Al, A2, and A3.
  • the phase difference ⁇ is obtained by receiving the received light output corresponding to the charge to be received and applying it to the above-described formula for obtaining the phase difference ⁇ , or by applying it to the table corresponding to the formula, and further, the distance from the phase difference ⁇ to the object Ob Ask for. Since the distance calculation unit 4 obtains distances in a plurality of directions of the target space, three-dimensional information can be obtained for the target space, and a distance image in which distance values are associated with pixel values. Can be generated.
  • the spatial information detection system useful in the present embodiment has three kitchens of distance measuring devices 10 a to 10 c configured as described above as detection devices. That is, each of the detection devices 10a to: LOc includes a light emission source 2, a light detection element 1, and a distance calculation unit 4, respectively.
  • each of the detection devices 10a to 10c includes the timing control unit 3 that gives a modulation signal to the light source 2 and projects intensity-modulated light to the target space as described above.
  • the timing control unit 3 of the present embodiment emits light so as to have a light projection period in which light is emitted from the light source 2 to the target space and a pause period in which light emission from the light source 2 to the target space is suspended. It has the function of controlling source 2. That is, each of the detection devices 10a to 10c intermittently projects intensity-modulated light onto the target space.
  • the timing control units 3 provided in the detection devices 10a to 10c cooperate with each other.
  • one of the detection devices 10a to 10c is a master that spontaneously emits light
  • the other detection device is a slave that receives a sync signal of master power and performs projection in a driven manner. That is, in the example shown in FIG. 4, the detection device 10a becomes a master, and the detection devices 10b and 10c each function as a slave. Therefore, the master detection device 10a sends a sync signal.
  • the slave detection device 10b receives the synchronization signal of the detection device 10a and sends the synchronization signal to the slave detection device 10c at the end.
  • the slave detection device 10c has a function of receiving the sync signal of the detection device 10b.
  • the detection devices 10a to 10c are connected via a signal line Ls in order to exchange sync signals between the detection devices 10a to 10c.
  • a signal line Ls it is not always necessary to use a wired transmission line, and a wireless transmission line may be used.
  • the detection devices 10a to 10c used in the present embodiment have the same configuration and operation, and the timing control unit 3 provided in the detection devices 10a to 10c is a mode switching unit that sets the master and the slave, respectively. 3a is provided.
  • the master is selected in the mode switching unit 3a of the detection device 10a among the three detection devices 10a to LOc:
  • the projection period T11 of a predetermined period is automatically repeated at a constant projection period T1. That is, the master detection device 10a is self-running, and projects light from the light source 2 to the target space in the light projection period Tl1 every light projection period T1.
  • the period excluding the light projection period T11 in the light projection period T1 is a pause period T12 in which light is not projected from the light source 2 into the target space.
  • the light detection element during the pause period T12 The readout period for extracting charges from 1 to the distance calculator 4 is set.
  • the readout period for extracting charges from the light detection element 1 to the distance calculation unit 4 is a period necessary to read out charges for one screen as in the case of a general CCD image sensor. It is determined by the period of the clock signal that drives the extraction section 14. In other words, the readout period may be set longer than the readout period in the light detection element 1 in the pause period T12 that is not related to the light projection period T11.
  • the readout period is set to be included in the pause period T12, in order to accumulate the charges corresponding to the received light amounts A0, Al, A2, and A3 in the specific section synchronized with the modulation signal, Even if switching of the sensitivity control unit 12 of the light detection element 1 is repeated, noise due to switching can be prevented from being mixed into the charge being read.
  • the rest period T12 is substantially coincident with the reading period.
  • the readout period is provided within the range of the pause period T12, but a configuration in which the readout period overlaps with a part of the light projection period T11 may be adopted. Is possible.
  • the master detection device 10a When the light projection period Ti 1 ends, the master detection device 10a outputs a synchronization signal to the slave detection device 10b. That is, as shown in FIG. 5 (B), when the light projection period T11 of the detection device 10a ends, the light projection period T21 of the detection device 10b is started in response to the synchronization signal.
  • the delay time Td there is a delay time Td until the light projection period T11 of the detection device 10a ends and the force also starts the light projection period T21 of the detection device 10b.
  • a sync signal is output to the slave detection device 10c and the light projection period T31 of the detection device 10c starts as shown in FIG. .
  • a delay time Td also occurs between the end of the light projection period T21 and the start of the light projection period T31.
  • the light projection periods T21 and T31 of the slave detection devices 10b and 10c are terminated during the pause period T12 in which the master detection device 10a is in a self-running operation.
  • the master detection device 10a is in a self-running operation.
  • the suspension period T12 of the detection device 10a that becomes the force master using the three detection devices 10a to 10c is the time obtained by adding the light projection periods of the other detection devices (actually the number of units It is possible to use more than four detectors as long as the relationship that the delay time Td of the minute is longer than the sum of the delay time Td) is satisfied.
  • each of the detection devices 10a to 10c is longer than the readout period, the rest period is substantially coincident with the readout period.
  • the detection devices 10a to 10c emit light.
  • a light projection period in another detection device may be provided after the light projection period and the readout period are finished in each detection device.
  • the slave detection device 10c at the end uses only the function of receiving the sync signal, but as shown by the dotted arrow in FIG. 4, the slave at the end is shown.
  • a configuration may be adopted in which a sync signal is sent from the detection device 10c and the sync signal is received by the master detection device 10a.
  • the master detection device 10a receives the sync signal from the slave detection device 10c, which is not the only terminal, by simply instructing the slave detection device 10b of the timing of the light projection period. If this configuration is adopted, the master detection device 10a can detect the end of the light projection period in all the slave detection devices 10b and 10c, and set the timing of the next light projection period appropriately. It becomes possible to do. That is, it is possible to reliably prevent duplication of the light projection period in each of the detection devices 10a to 10c.
  • the timing control unit 3 is provided in each of the detection devices 10a to 10c and the components operate in cooperation with each other.
  • Central control unit 6 provided separately from LOc gives instructions to each timing control unit 3, and centrally controls the light emission period and pause period of all detection devices 10a to 10c by the central control unit 6 It is characterized by doing. In other words, the central control unit 6 controls the light emission period and the pause period of each of the detection devices 10a to 10c collectively, and each detection device 10a to: each detection is performed so that the light emission periods of the LOc do not overlap. It is not necessary to link the devices 10a to 10c to each other.
  • the case where the configurations and operations of the detection devices 10a to 10c are the same is shown.
  • the case where the light projection periods of the detection devices 10 are set to different lengths will be described. . That is, in the first embodiment, the light projection periods Tl 1, T21, and T31 of the detection devices 10a to 10c are set equal, and the rest periods ⁇ 12, ⁇ 22, and ⁇ 32 are set equal.
  • the light emission period and the rest period are set so that ⁇ 11> ⁇ 21> ⁇ 31, ⁇ 12 ⁇ 22 ⁇ 32.
  • the projection periods Tl, ⁇ 2, and ⁇ 3 are equal.
  • the following relationship holds.
  • the intensity of the light projected from the light source 2 to the target space is the same and the reflectance of the object Ob is constant, the reflected light from the object Ob received by the light detection element 1 is reflected by the object.
  • the closer the distance to Ob the lower the received light intensity. Therefore, if a predetermined amount of received light (time product of received light intensity) is to be secured by the photodetecting element 1, it is desirable to increase the light receiving time as the distance to the object Ob increases.
  • the light reception time is increased, the intensity of the reflected light from the near object Ob increases, and the light detection element 1 is likely to be saturated.Therefore, the shorter the light reception time, the shorter the light reception time. It is desirable to do.
  • the measurement range of the distance is different for each detection device.
  • the detection device 10a since the detection device 10a is used for a long distance, the detection device 10b is used for a medium distance, and the detection device 10c is used for a short distance, the light projection period T11 of the detection device 10a is maximized, and the object Ob from a distance is The amount of reflected light is secured, the light projection period T31 of the detection device 10c is minimized, and the amount of reflected light received from the object Ob existing at a short distance is reduced to prevent the light detection element 1 from being saturated.
  • the light receiving period is generally short-range to prevent saturation of the light detection element. Considering the amount of light received, it must be set short. However, with this setting, it is unavoidable that the amount of light received from medium and long distances is relatively reduced. As a result, spatial information of objects far away in the target space and low reflectance are low. It becomes difficult to detect spatial information of objects. Therefore, in the present embodiment, the three detection devices are used for long distance, medium distance, and short distance, respectively, and a light reception period in which a sufficient amount of received light is obtained within a range in which each light detection element is not saturated.
  • the light reception time is lengthened, and the light reception time is shortened as the detection device for short distances, so that the dynamic range of the light detection element can be effectively utilized in each detection device.
  • the dynamic range of the light detection element can be effectively utilized in each detection device.
  • the time required for detection becomes long.
  • the light receiving periods for long distance, medium distance, and short distance force are 8 ms, 4 ms, and 2 ms, respectively, and each readout period is 15 ms
  • the operation of the three detection devices is controlled by the timing control unit, so that, for example, as shown in FIG.
  • the light projection period of the detection devices 10a to 10c Two periods of Tl are used as the unit period PI.
  • the unit period P1 can be set by a setting unit (not shown). Alternatively, it is also preferable that the unit period P1 can be set by the timing control unit 3.
  • the distance calculation unit 4 of each of the detection devices 10a to 10c is provided with a holding unit 41 that holds the light reception output from the light detection element 1 for two periods of the light projection period T1.
  • the calculation unit 43 is configured to calculate the distance using the integrated value of the received light amount corresponding to the light projection periods Tl1, T21, T31 in the unit period P1. As is clear from FIG.
  • the two periods of the projection period T1 include the projection periods Tl l, T21, and T31 of each detector 10a to 10c twice (not necessarily including the readout period). ), Light projection period Tl l, T21, T31 each time, the received light quantity is compared with the specified light quantity range, and the judgment unit 42 determines whether the received light quantity is within the light quantity range. Is provided.
  • the holding unit 41 performs two projection periods. The result of adding the received light quantity corresponding to the intervals Tl l, T21, and T31 is used for the distance calculation.
  • the determination unit 42 determines that the received light amount of the first half of the light projection period Tl l, T21, T31 within the unit period P1 is within the light amount range, the latter half of the unit period P1 The timing controller 3 is instructed to delete the light emission periods Tl l, T21, and T31.
  • a configuration may be adopted in which the measurement is repeated.
  • the light projection is performed.
  • Timing control unit 3 so as to extend the light projection periods Tl l and T21 of the detection devices 10a and 10b having the measurement range on the far side of the periods T21 and T31 by the surplus time generated by the omitted light projection periods T21 and T31.
  • An instruction is given from the time adjustment unit (not shown) to the detection devices 10a and 10b.
  • the illustrated example shows the case where the received light amount reaches the predetermined light amount range in the first light projection period T11 of the short distance detection device 10c, and the short distance detection device 10c.
  • the latter half of the projection period T31 is omitted, and the latter half of the projection period T21 in the detection device 10b for medium distance is extended by the surplus time generated by the reduction of the projection period T31.
  • the second light projection period T21 in the medium distance detection device 10b is set to Omitted, the latter half of the light projection period T11 in the long-distance detection device 10a can be extended by the surplus time generated by the omission of the light projection period T21.
  • the light projection periods Tl l and T21 are not extended when the received light quantity is already within the predetermined light quantity range.
  • the received light amount satisfies the predetermined light intensity range, and the first half of the long distance detection device 10a.
  • the second half of the light projection period T11 in the long-distance detection device 10a is replaced with the extra time generated by reducing the light projection periods T21 and T31. May be extended by the sum of
  • the latter projection period T21 in the detection apparatus 10b for medium distance is omitted
  • the latter projection period T31 in the detection apparatus 10c for short distance is generated by omitting the projection period T21 as necessary. It may be extended depending on excess time.
  • the light projection periods Tl1, T21, and T31 are provided twice each in the unit period P1, but may be provided three or more times. Further, in the above description, the light projection period is provided twice in the unit period P1, and the received light quantity ⁇ , ⁇ ⁇ 2 in two sections is extracted in each light projection period, so in the first light projection period in the first half. If the amount of received light satisfies the specified light amount range, the amount of received light ⁇ and ⁇ 2 can be extracted, so there is no problem even if the latter projection period is omitted.
  • the received light quantity ⁇ , ⁇ 2 in two sections is extracted in the first one of the light projection period, and the received light quantities Al and A3 in the other two sections are extracted in the next one cycle of the light projection period.
  • the light projection period T31 is required twice in the unit period P1 for the short-range detection device 10c.
  • the first half for extracting the received light intensity AO, A2 of the two sections Even if the received light amount satisfies the predetermined light amount range during the light projection period, the latter light projection period cannot be omitted to extract the received light amounts Al and A3 of the other two sections.
  • four light projection periods are provided in the unit period P1
  • four types of received light amounts AO to A3 can be obtained in two light projection periods, so the remaining two light projection periods. May be omitted.
  • the detection devices 10a to 10c may be provided according to the reflectance range for the object Ob existing in the almost same distance range.
  • a configuration is employed in which the number of light projection periods in the unit period P1 is dynamically changed according to the amount of light received during the light projection period.
  • the number of light projection periods in the unit period P1 is set in advance, and the light projection period of other detection devices is extended by the surplus time obtained by setting the number of light projection periods small in one detection device. You may employ
  • the present embodiment is characterized in that the distance calculation unit 4 obtains the distance by providing two types of light projection periods, long and short, and selecting a light projection period in which the charge accumulating unit 13 is not saturated.
  • the longer projection period is referred to as the long projection period
  • the shorter projection period is referred to as the short projection period.
  • the light projection periods having different lengths can be set by a setting unit (not shown).
  • the distance calculation unit 4 includes two holding units 41a and 41b in order to temporarily hold an image signal for a long light projection period and a light reception output for a short light projection period.
  • the selection unit 44 that evaluates the light reception output held in the holding units 41a and 4 lb, selects the light reception output held in one of the holding units, and sends the light reception output to the calculation unit 43. Have. In short, the selection unit 44 selects one of the long projection period and the short projection period.
  • the calculation unit 43 calculates the distance for each pixel using the light reception output selected by the selection unit 44.
  • the received light output held in the holding unit 41a is compared with a predetermined saturation threshold. If the received light output exceeds the saturation threshold, the holding unit 41 corresponding to the long light projection period is used. Select a. Further, when the light reception output held in the holding unit 41a corresponding to the long light projection period exceeds the saturation threshold, the holding unit 41b corresponding to the short light projection period is selected. If the light reception output held in the holding unit 41b also exceeds the saturation threshold, it is necessary to perform another process such as reducing the sensitivity.
  • a memory for storing the digital data is held by the holding unit 41a. 41b, and the selection unit 44 may select the digital data stored in the memory.
  • the timing control unit 3 accumulates charges corresponding to the received light amounts AO and A2 in the charge accumulating unit 13 with the light projecting period of the light detecting element 1 as the long light projecting period Tl la, and this charge is accumulated in the rest period Tl 2a.
  • the data is read out and held in the holding unit 41a.
  • charges corresponding to the received light amounts AO and A2 are accumulated in the charge accumulating unit 13 with the light projecting period as the short light projecting period Tl lb, and this charge is read out in the rest period Tl 2b and stored in the holding unit 4 lb. Hold.
  • each holding unit 4 la, 41b holds it respectively.
  • each holding unit stores charges corresponding to received light amounts Al and A3, with the next long light projection period Tl la, short light projection period Tl lb, and pause periods T12a and T12b as one unit period PI. 41a and 41b, respectively.
  • each of the holding units 41a and 41b holds charges corresponding to four types of received light amounts AO, Al, A2 and A3, and the calculation unit 43 can calculate the distance.
  • the light reception output corresponding to the long light projection period Tl la is held in the holding unit 41a
  • the light reception output corresponding to the short light projection period Tl lb is held in the holding unit 41b.
  • the light receiving output is the maximum.
  • the saturation threshold is a threshold for determining the saturation of the light detection element 1, and is the maximum value of the received light output held by the holding unit 41a (in the example shown in FIG. 2, the received light output corresponding to the received light amount A 1 is If (maximum) is less than the saturation threshold, the distance can be obtained using the larger received light output, and the distance measurement accuracy increases.
  • the maximum light reception output held in the holding unit 41b is saturated. Compare with threshold.
  • the short light projection period Tl lb is set so that the light reception output held in the holding part 41b does not exceed the saturation threshold, and the holding part 41b is selected in most cases. Is configured so that the distance can be calculated.
  • the light reception output is small, and the distance measurement accuracy can be slightly reduced, but the distance measurement can be performed. Note that the comparison between the saturation threshold value and the light reception output is performed for each pixel, and the light reception output held in one of the holding units 41a and 41b can be used for a pixel that can calculate the distance V. Find the distance.
  • the detection device 10a serving as a master and the detection device 10b serving as a slave.
  • the sync signal from the master detection device 10a is sent to the slave detection device 10b, as shown in Fig. 10 (A) and Fig. 10 (B).
  • Overlapping of Tl la and the short projection period Tl lb with the long projection period T21a and the short projection period T21b of the detection apparatus 10b is prevented.
  • the readout period in each of the detection devices 10a and 10b is shorter than the pause period, but here it is assumed that they are almost the same.
  • the long projection period T21a of the detection apparatus 10b starts after the end of the long projection period Tl la of the detection apparatus 10a
  • the short projection period of the detection apparatus 10b starts after the end of the short projection period Tl lb.
  • the long projection period T21a or the short projection period T21b of the detection apparatus 10b to be the slave is included in the pause periods T1 2a and T12b of the detection apparatus 10a to be the master Therefore, neither the long light emission periods Tl la and T21a nor the short light emission periods Tl lb and T21b overlap.
  • the detection device 10b has a pause period T22a corresponding to the long light projection period T21a.
  • the short flooding period T21b will start before the expiration. Therefore, in the detection device 10b that becomes the slave, the timing control unit 3 manages the pause periods T22a and T22b, and waits until the pause periods T22a and T22b expire after receiving the sync signal from the detection device 10a that becomes the master.
  • the force is also configured to start the long flooding period T21a or the short flooding period T21b.
  • the detection device 10a which is the previous one in the connection order:
  • the detection device 10a When receiving the sync signal from the LOc, confirm that the pause period of the device has ended, You can start the period.
  • the detection device 10a may be in a self-running operation.
  • the central control unit 6 should be managed so that there is no overlapping of the projection period!
  • the received light amounts A0, Al, A2, and A3 include the ambient light component in addition to the light emitted from the light source 2, and if the time is short enough that the fluctuation of the ambient light component can be ignored.
  • the average value of received light intensity A0, Al, A2, and 83 in 4 sections (8 0 + 8 1 + 8 2 + 8 3) 4 is the reflected light emitted from the light source 2 and reflected by the object Ob Component amplitude (A in Figure 2) and ambient light Corresponds to the sum of the components (B—A in Figure 2) (ie, B in Figure 2).
  • the distance calculation unit 4 compares the average charge amount corresponding to the received light amounts AO, Al, A2, and A3 of the four sections to be paired with an appropriately set saturation threshold, the light detection element 1 is saturated. It is possible to judge whether or not Based on this determination result, it may be determined which of the charge amounts of the long light projection period Tl la, T21 a and the short light projection period Tl lb, T21b is adopted.
  • the maximum value of the received light amounts AO, Al, A2, and A3 in the four sections is compared with the saturation threshold.
  • the maximum and average values may exceed the saturation threshold even though the proportion of the reflected light component contained in the received light is small. In such a case, the accuracy of ranging may be lowered. Therefore, it is desirable to extract the charge accumulated in the light receiving period that does not cause saturation in the light detecting element 1 as the light receiving output from the light detecting element 1, and obtain the distance using a plurality of light receiving outputs.
  • the number of reflected light components can be evaluated by the amplitude of the light received by the light detection element 1.
  • the amplitude can be calculated by the following equation using the received light amounts AO, Al, A2, and A3 obtained within the time that the ambient light component can be regarded as unchanged.
  • the same configuration as the FT type CCD image sensor is adopted, but the same configuration as the interline 'transfer (IT) method and the frame' interline 'transfer (FIT) method is adopted. It is also possible to adopt.
  • the sensitivity control unit 12 discards the charge and controls the gate unit that transfers the charge from the photosensitive unit 11 to the charge extraction unit (vertical transfer unit). It is possible to adopt a configuration that does this.
  • the spatial information detection system of the present invention is based on the basic idea of controlling the light projection timing in each of the plurality of detection devices by the timing control unit. Detects spatial information of objects that are different, but the irradiation area on them partially overlaps V, or objects at different distances from a common target space (or spatial information of objects with different reflectivities) Show its effectiveness when The In other words, when detecting spatial information from a plurality of target spaces that do not overlap the projection path and target space, even if detection is performed at a free timing by each detection device, it is called mixed Z interference between the projected lights Since no problem occurs, control of the light projection timing by the timing control unit of the present invention is not essential. It goes without saying that the spatial information detection system of the present invention can also be used when detecting spatial information for a plurality of target spatial forces that do not overlap such projection paths and target spaces.
  • the present invention pays attention to a new problem assumed when a plurality of detection devices have a common target space, and as a means for effectively solving this problem, Spatial information that allows accurate detection of spatial information by each detection device without causing interference between the detection devices. Its use is expected as a detection system.

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Abstract

　複数台の検出装置により共通の対象空間から空間情報を検出する場合であっても、装置同士の間に干渉を生じることなく正確な検出を行える空間情報検出システムを提供する。各検出装置は、変調周期で強度変調された光を対象空間に投光する発光源と、対象空間からの光を受光する光検出素子と、発光源から投光した光と光検出素子で受光した光の間の変化から対象空間の空間情報を検出する評価部とで構成され、空間情報検出システムは、検出装置の一つの発光源の投光期間が別の検出装置の発光源の投光期間と重複しないように各検出装置の発光源の投光タイミングを制御するタイミング制御部を備える。

Description

明 細 書
空間情報検出システム
技術分野
[0001] 本発明は、強度変調した光が照射されている対象空間からの光を受光して対象空 間に関する情報を検出する空間情報検出システムに関するものである。
背景技術
[0002] 従来から、強度変調した光が投光されて!ヽる対象空間からの光を受光し、投光した 光と受光した光との変調成分の位相差を求めることによって、対象空間に存在する物 体までの距離等の空間情報を求める技術が利用されている。この技術は、例えば、 国際公開 W096Z15626号パンフレットや、国際公開 WO2004Z008175号パン フレットに紹介されており、所定の変調周期で強度変調された光を対象空間に投光 する発光源と、対象空間からの光を受光して受光光量に応じた電荷を生成する光電 変換部を有する光検出素子と、発光源から投光した光と光検出素子で受光した光の 間の変化力 対象空間の空間情報を検出する評価部とを基本構成とする検出装置 が使用されている。
[0003] ところで、この種の検出装置は対象空間に強度変調した光を投光するため、共通の 対象空間について複数台の検出装置により空間情報を検出する場合、各検出装置 力 対象空間に光が投光されると、どの検出装置の発光源力 対象空間に投光され た光であるかを区別することができなくなる。つまり、各検出装置はそれ自身の発光 源力 投光した光のみを分離して検出することができないので、空間情報の検出精 度が低下すると 、う問題を生じる。
発明の開示
[0004] そこで、本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その主たる目的は、複 数台の空間情報検出装置により共通の対象空間力 空間情報を検出する場合であ つても、それぞれの検出装置によって空間情報を精度よく検出することのできる空間 情報検出システムを提供することにある。
[0005] すなわち、本発明の空間情報検出システムは、複数の検出装置の使用を必須とす るものであって、各検出装置は、所定の変調周期で強度変調された光を対象空間に 投光する発光源と、対象空間からの光を受光して受光光量に応じた電荷を生成する 感光部を有する光検出素子と、発光源から投光した光と光検出素子で受光した光の 間の変化力も対象空間の空間情報を検出する評価部とを具備する。そして、本発明 の空間情報検出システムは、前記複数の検出装置の一つの発光源の投光期間が前 記検出装置の別の一つの発光源の投光期間と重複しないように前記複数の検出装 置の発光源の投光タイミングを制御するとともに、前記投光期間において感光部が 対象空間からの光を受光して電荷を生成する受光期間と、前記発光源の光が対象 空間に投光されな!、休止期間と前記投光期間の少なくとも一方の範囲内に設定され
、前記感光部で生成された電荷を取り出す読出期間とを有するように前記複数の検 出装置の各々の光検出素子を制御するタイミング制御部を有することを特徴とする。
[0006] 本発明によれば、投光期間同士が重複しな 、ように検出装置の発光源の投光タイ ミングを制御するタイミング制御部を設けたことにより、検出装置力 対象空間に投光 した光同士が干渉することなぐ検出装置のそれぞれによって対象空間の空間情報 を検出することができる。
[0007] 上記空間情報検出システムにおいて、読出期間を前記投光期間内に設定したり、 あるいは休止期間の少なくとも一部を含むように投光期間と休止期間にまたがって設 定したりすることも可能である力 以下の理由から、タイミング制御部は、前記読出期 間が前記休止期間内に設定されるように前記複数の検出装置の各々の光検出素子 を制御することが特に好ましい。例えば、光検出素子として CCDイメージセンサのよう に特定の期間の電荷を蓄積するために受光期間にお 、てスイッチングを繰り返す構 成のものを採用する場合は、受光期間と読出期間とが独立していないとスイッチング により発生する電気的なノイズが読出期間に読み出される電荷に混入する恐れがあ る。そこで、読出期間を休止期間内に設定することにより、受光期間と読出期間とを 独立分離してスイッチングに伴うノイズの読出中の電荷への混入を防止することがで き、結果的に検出精度の信頼性を向上することができる。
[0008] また、前記タイミング制御部は前記複数の検出装置の各々に設けられ、前記検出 装置の一つのタイミング制御部は、その発光源の投光期間の終了時点でシンクロ信 号を前記検出装置の別の一つのタイミング制御部に出力し、前記シンクロ信号を受 信したタイミング制御部が、対応する検出装置の発光源の投光期間を開始させること が好ましい。この構成によれば、各検出装置の間でシンクロ信号を順に転送するだけ で、各検出装置の投光期間をずらすことができる。すなわち、検出装置のタイミング 制御部間でシンクロ信号を転送する経路を形成するだけの洗練された構成によって 各検出装置の投光期間の重複を防止することができる。また、前記シンクロ信号を受 信したタイミング制御部は、対応する検出装置における前記読出期間が終了するま で発光源の投光期間の開始を待機させることが好ましい。この場合は、各検出装置 において光検出素子での電荷の読出期間の途中で投光期間が開始されることがな ぐ一定の読出期間を安定して確保することができる。
[0009] さらに、タイミング制御部の各々は、対応する検出装置の発光源が自発的に投光す るマスタとして機能する力、他の検出装置のタイミング制御部力 シンクロ信号を受け て従動的に投光するスレーブとして機能するかのいずれかを設定するためのモード 切換部を有することが好まし 、。
[0010] また、複数のタイミング制御部を連携させる上記構成に代えて、検出装置の各々に 設けられる前記タイミング制御部に対して異なるタイミングでシンクロ信号を出力する 中央制御部を設け、前記シンクロ信号を受信したタイミング制御部が、対応する検出 装置の発光源の投光期間を開始させるようにすることも好ま 、。
[0011] また、タイミング制御部は、感光部の受光光量に応じて前記複数の検出装置の各 々における投光期間の長さを制御することが好ましぐこの場合、投光期間は、感光 部の受光光量が少ない検出装置ほど長く設定される。例えば、複数の検出装置を、 短い投光期間が設定される短距離用検出装置、長い投光期間が設定される長距離 用検出装置、および短距離用検出装置の投光期間より長ぐ長距離用検出装置の 投光期間よりも短い投光期間が設定される中距離用検出装置を少なくとも含むように 構成することができる。この構成によれば、たとえば、対象空間に存在する物体の反 射率が変化しなければ、物体力 の反射光の受光強度は遠方ほど小さくなるから、 遠方の物体ほど投光期間を長くして光検出素子での受光光量を確保することができ る。また、対象空間において等距離の位置に反射率の異なる物体が存在する場合に は、反射率が小さいほど受光強度が小さくなるから、反射率の小さい物体ほど投光期 間を長くすることで受光光量を確保することができる。このように、受光強度に応じて 投光期間を調節することにより、システム全体としてのダイナミックレンジを広くするこ とがでさる。
[0012] また、各検出装置は、長さの異なる複数の投光期間を設定するための設定部と、前 記複数の投光期間の各々の受光光量が、予め設定されたしきい値以下であるか否 かを判定する判定部とをさらに含み、前記評価部は、前記しきい値以下の最大の受 光光量を用いて対象空間の空間情報を検出することが好ましい。この場合は、光検 出素子に許容された範囲内においてできるだけ多い受光光量を用いて所望の空間 情報を検出するから、空間情報の検出精度のさらなる向上を図れる。また、投光期間 の長さを変えて受光光量を変化させるから、各検出装置のダイナミックレンジを広くで きる。
[0013] さらに、各検出装置に関して、所定回数の投光期間を含んでなる単位期間を設定 するための設定部と、対象空間の環境に応じて前記複数の検出装置の一つにおい て設定された単位期間中の投光期間の回数を削減し、削減した回数の投光期間に 相当する時間を別の検出装置の投光期間に付加して延長する時間調整部とを設け ることも好ましい。また、時間調整部の特に好ましい形態として、前記複数の検出装 置のうち、単位期間内に設定された投光期間の回数より少ない回数で受光光量が所 定値に達した検出装置については、以後の投光期間を削減するとともに、削減した 回数の投光期間に相当する時間を受光光量が前記所定値に達していない他の検出 装置の投光期間に付加して延長することが好ましい。この構成によれば、単位期間 内に設定された投光期間の回数より少ない回数で規定の光量範囲に達した検出装 置において余った投光期間を、受光光量が少ない検出装置のために効率よく利用 できるとともに、各検出装置を光検出素子が飽和しない光量範囲で動作させることが できるという効果が得られる。要するに、受光強度の相違に応じて各検出装置に適切 な投光期間を割振ることができるのである。
[0014] 本発明のさらなる特徴およびその効果は、以下の発明を実施するための最良の形 態力 より明確に理解されるだろう。 図面の簡単な説明
[0015] [図 1]本発明の空間情報検出システムの好ましい実施形態に使用される検出装置の 基本構成を示すブロック図である。
[図 2]同検出装置の動作説明図である。
[図 3]同検出装置の光検出素子の一例を示す平面図である。
[図 4]本発明の第 1実施形態に力かる空間情報検出システムのブロック図である。
[図 5] (A)〜 (C)は、図 4の空間情報検出システムの動作説明図である。
[図 6]本発明の第 2実施形態に力かる空間情報検出システムのブロック図である。
[図 7]本発明の第 3実施形態に力かる空間情報検出システムの動作説明図である。
[図 8]第 3実施形態の変更例を示すブロック図である。
[図 9]本発明の第 4実施形態に力かる空間情報検出システムのブロック図である。
[図 10] (A)および (B)は、図 9の空間情報検出システムの動作説明図である。
発明を実施するための最良の形態
[0016] 以下に説明する実施形態では、本発明の空間情報検出システムに使用される検出 装置として、対象空間に存在する物体までの距離を計測する測距装置を例示するが 、本発明における空間情報は距離に限定されない。例えば、空間情報には、対象空 間に存在する物体の反射率のように環境光成分を除去することにより得られる情報も 含まれる。また、以下に説明する測距装置は、対象空間の画像を撮像することにより 対象空間の各位置までの距離を画素に対応付けた距離画像を生成する。
(検出装置の基本構成）
本実施形態に使用される測距装置は、図 1に示すように、対象空間に光を投光する 発光源 2と、対象空間からの光を受光して受光光量を反映した出力を提供する光検 出素子 1とを備える。対象空間に存在する物体 Obまでの距離は、発光源 2から対象 空間に光が投光されて力 物体 Obでの反射光が光検出素子 1に入射するまでの時 間（「飛行時間」と呼ぶ）によって求める。ただし、飛行時間は非常に短いので、対象 空間に投光する光の強度が一定周期で周期的に変化するように変調した強度変調 光を発光源 2から対象空間に投光し、光の強度の変調成分について投受光の位相 差を求め、この位相差を飛行時間に換算する技術が用いられる。 [0017] すなわち、図 2に示すように、発光源 2から空間に放射する光の強度が曲線 Xのよう に正弦波形になるように変調されており、光検出素子 1で受光した受光光量が曲線 Y のように変化するとすれば、位相差 φは飛行時間に相当するから、位相差 φを求め ることにより物体 Obまでの距離を求めることができる。つまり、位相差 φの単位を [rad
1、物体 Obまでの距離を L[m]、光速を c [mZs]、強度変調光の角周波数を ω [rad Zs]とすれば、 L= φ ·。Ζ2ωになる。
[0018] 位相差 φは、曲線 Xの複数のタイミングで求めた曲線 Υの受光光量を用いて計算 することができる。たとえば、曲線 Xにおける位相が 0〜90度、 90〜180度、 180-2 70度、 270〜360度のタイミングで求めた曲線 Υの受光光量をそれぞれ A0、 Al、 A
2、 A3とする（図 2中、受光光量 A0、 Al、 A2、 A3を斜線部で示す)。つまり、各位相 における受光光量 A0、 Al、 A2、 A3は、それぞれ 90度ずつの期間 Twの積分値に なる。ここに、受光光量 A0、 Al、 A2、 A3を求める間に、位相差 φが変化せず（つま り、物体 Obまでの距離が変化せず）、かつ物体 Obの反射率にも変化がないものとす る。また、発光源 2から放射する光の強度を正弦波で変調し、時刻 tにおいて光検出 素子 1で受光される光の強度が A' sin ( co t+ δ ) +Βで表されるものとする。ただし、 Αは振幅、 Bは直流成分 (環境光成分と反射光成分との平均値)、 ωは強度変調光 の角周波数（ω = 2 π ί;ίは変調周波数）、 δは初期位相である。これらの条件から、 位相差 Φを、たとえば次式で表すことができる。
φ =tan_1 (A2- AO) / (Al - A3)
上式は積分する区間の取り方 (たとえば、上述の例では 1区間の位相幅が 90度であ る力 180度などにしてもよい）によって符号が変化したり位相が 90度異なったりする 力 いずれにしても、位相差 φは 4区間の受光光量 A0、 Al、 A2、 A3を用いて求め ることがでさる。
[0019] 対象空間に投光する光の強度を比較的高い変調周波数の変調信号で変調する必 要があるため、発光源 2として、応答速度の速い光源が使用される。たとえば、多数 個の発光ダイオードを一平面上に配列したものや半導体レーザと発散レンズとを組 み合わせたものを発光源 2として使用できる。発光源 2を駆動する変調信号は後述す るタイミング制御部 3から出力され、発光源 2から放射される光の強度が変調信号によ つて変調される。タイミング制御部 3では、たとえば 10MHzの正弦波を変調信号とし て出力する。なお、変調信号の波形は、正弦波のほかに、三角波、鋸歯状波などで ちょい。
[0020] 光検出素子 1は、規則的に配列された複数個の感光部 11を備える。また、感光部 1 1への光の入射経路には受光光学系 5が配置される。したがって、感光部 11には対 象空間からの光が受光光学系 5を介して入射し、受光光量に応じた量の電荷が生成 される。また、感光部 11は、平面格子の格子点上に配置され、たとえば垂直方向（つ まり、縦方向）と水平方向（つまり、横方向）とにそれぞれ等間隔で複数個ずつマトリク ス状に配列される。
[0021] 受光光学系 5は、光検出素子 1から対象空間を見るときの視線方向と各感光部 11 とを対応付ける。すなわち、受光光学系 5を通して各感光部 11に光が入射する範囲 を、受光光学系 5の中心を頂点とし、感光部 11ごとに設定された頂角の小さい円錐 状の視野とみなすことができる。したがって、発光源 2から照射され、対象空間に存在 する物体 Obで反射された反射光が感光部 11に入射すれば、反射光を受光した感 光部 11の位置により、受光光学系 5の光軸を基準方向として物体 Obの存在する方 向を知ることができる。
[0022] 受光光学系 5は、一般に感光部 11を配列した平面に光軸を直交させるように配置 されるので、受光光学系 5の中心を原点とし、感光部 11を配列した平面の垂直方向 と水平方向と受光光学系 5の光軸とを 3軸の方向とする直交座標系を設定すれば、 対象空間に存在する物体 Obの位置を球座標で表したときの角度 (いわゆる方位角と 仰角）が各感光部 11に対応する。尚、受光光学系 5は、感光部 11を配列した平面に 対して光軸が 90度以外の角度で交差するように配置してもよ!/、。
[0023] 本実施形態では、上述のように、物体 Obまでの距離を求めるために、発光源 2から 対象空間に投光される光の強度変化に同期する 4区間の受光光量 A0、 Al、 A2、 A 3を求めている。したがって、目的の受光光量 A0、 Al、 A2、 A3を得るためのタイミン グの制御が必要である。また、発光源 2から対象空間に投光される光の強度変化の 1 周期にお 、て感光部 11で発生する電荷の量は少な 、から、複数周期に亘つて電荷 を集積することが望ましい。そこで、図 1のように各感光部 11で発生した電荷をそれ ぞれ集積する複数個の電荷集積部 13を設けるとともに、感光部 11で生成した電荷 を電荷集積部 13に集積するタイミングを制御する感度制御部 12を設けて 、る。この タイミングはタイミング制御部 3が制御する。
[0024] 本実施形態で用いる光検出素子 1は、図 3に示すように、複数個（たとえば、 100 X 100個）の感光部 11をマトリクス状に配列したものであって 1枚の半導体基板上に形 成される。感光部 11のうち垂直方向の各列では一体に連続する半導体層を共用し、 半導体層は垂直方向への電荷 (本実施形態では、電子を用いる）の転送経路として 用いられる。さらに、各列の半導体層の一端力も電荷を受け取って水平方向に電荷 を転送する CCDである水平転送部 Thが半導体基板に設けられて 、る。すなわち、 半導体層が感光部 11と電荷の転送経路に兼用されて 、る。
[0025] この光検出素子 1は、フレーム 'トランスファー（FT)方式の CCDイメージセンサと同 様に、感光部 11を配列した撮像領域 Daに隣接して遮光された蓄積領域 Dbを備え、 撮像領域 Daから蓄積領域 Dbに転送された電荷は水平転送部 Thを介して外部に取 り出される構成になって ヽる。撮像領域 Daから蓄積領域 Dbへの電荷の転送は垂直 ブランキング期間に一気に行 、、水平転送部 Thでは 1水平期間に 1水平ライン分の 電荷を転送する。図 1に示した電荷取出部 14は、半導体層における垂直方向への 電荷の転送経路としての機能とともに水平転送部 Thを含む機能を表して 、る。ただ し、電荷集積部 13は蓄積領域 Dbを意味するのではなぐ撮像領域 Daにおいて電荷 を集積する機能を表している。言い換えると、蓄積領域 Dbは電荷取出部 14に含まれ る。
[0026] ところで、感度制御部 12は、上述した受光光量 AO、 Al、 A2、 A3にそれぞれ対応 する 4区間において感度を高めるようにタイミング制御部 3で制御され、受光光量 AO 、 Al、 A2、 A3に相当する電荷を電荷集積部 13に集積する。ここで、 FT方式の CC Dイメージセンサに類似した構成を採用しているから、電荷^^積するタイミングを制 御する方法は限られるが、ここでは感光部 11ごとに電荷を廃棄することができる廃棄 電極を設けることにより感度制御部 12の機能を持たせている。すなわち、所望の受 光光量 AO、 Al、 A2、 A3に対応する区間を除いては電荷を廃棄するように廃棄電 極への印加電圧を制御することで、所望の区間のみの電荷を撮像領域 Daで集積し 、集積した電荷を蓄積領域 Dbに転送する。廃棄電極への電圧の印加は受光光量 A
0、 Al、 A2、 A3に対応する区間に合わせることが必要であるから、光検出素子 1へ の廃棄電圧のオンオフにより光検出素子 1はスイッチングを繰り返す。
[0027] ただし、発光源 2から対象空間に投光され物体 Obで反射された後に光検出素子 1 の感光部 11に入射する光の強度は小さいので、上述した各区間の受光光量 A0、 A
1、 A2、 A3に相当する電荷を強度変調光の変調周期の 1周期内で電荷集積部 13 に集積したとしても各受光光量 A0、 Al、 A2、 A3に十分な大きさの差が得られず、 距離の測定精度が低くなる。したがって、実際には各区間に相当して生成される電 荷を強度変調光の複数周期 (たとえば、 1万周期）にわたつて電荷集積部 13に集積 した後に、電荷取出部 14を通して光検出素子 1から取り出す。電荷取出部 14を通し て電荷を取り出すタイミングはタイミング制御部 3によって制御される。
[0028] 以下では、電荷集積部 13に電荷を集積している期間（つまり、感光部 11において 目的の区間の電荷を生成している期間)を受光期間と呼び、電荷集積部 13に集積さ れた電荷を電荷取出部 14により取り出す期間を読出期間と呼ぶ。
[0029] ところで、上記構成において、隣接する感光部 11を 4個ずつ一組にして用いると、 一組に含まれる 4個の感光部 11で上述した 4区間の区間別の電荷を電荷集積部 13 に集積することができる。つまり、一組にした 4個の感光部 11に対応する感度制御部 12を、それぞれ受光光量 A0、 Al、 A2、 A3に対応した各期間に対応付けて制御す れば、 4個の電荷集積部 13にはそれぞれ受光光量 A0、 Al、 A2、 A3に対応した電 荷を集積できる。このような動作とすれば、受光期間と読出期間とを 1回ずつ設けるだ けで 4区間の受光光量 A0、 Al、 A2、 A3を取り出すことができ、比較的短い時間内 の情報を用いて物体 Obの距離を求めることができる。ただし、 4個の感光部 11が対 象空間の一つの方向に対応するから、 1個の感光部 11を対象空間の一つの方向に 対応付ける場合に比較して分解能は 4分の 1に低下する。また、異なる位置の感光部 11を対象空間の一方向に対応付けて 、るから、各感光部 11が異なる物体 Obからの 反射光を受光する可能性が高くなり、距離に関して誤測定を生じやすくなる。
[0030] 一方、 1つの感光部 11を対象空間の一方向に対応付けるようにすれば、分解能が 高くなるから静止している物体 Obに対する距離の誤測定を低減できるが、受光期間 と読出期間とが 4回ずつ必要になるので、相対的に移動する物体 Obについては距 離の誤測定が生じやすくなる。そこで、本実施形態では、 2個の感光部 11を一組に 用い、受光期間と読出期間とを 2回ずつ用いて 4区間の受光光量 A0、 Al、 A2、 A3 に相当する電荷を取り出す方法を採用している。つまり、 2回の受光期間のうちの 1回 目は受光光量 A0、 A2に相当する電荷を取り出し、 2回目は受光光量 Al、 A3に相 当する電荷を取り出す。
[0031] 上述した光検出素子 1から出力される受光出力は、評価部としての距離演算部 4に 送られ、距離演算部 4では上述の 4区間の受光光量 A0、 Al、 A2、 A3に相当する電 荷に相当する受光出力を受け取り、上述した位相差 φを求める数式に当てはめるか 、あるいは当該数式に相当するテーブルに当てはめることによって位相差 φを求め、 さらに位相差 Φから物体 Obまでの距離を求める。距離演算部 4は対象空間の複数 方向につ 、て距離を求めるから、対象空間につ 、ての三次元情報を得ることができ るのであって、画素値に距離値を対応付けた距離画像を生成することができるのであ る。
(第 1実施形態）
本実施形態に力かる空間情報検出システムは、図 4に示すように、検出装置として 上述した構成の測距装置 10a〜10cを 3台所有する。つまり、各検出装置 10a〜： LOc は、それぞれ発光源 2と光検出素子 1と距離演算部 4とを備える。また、各検出装置 1 0a〜10cは、上述のように発光源 2に変調信号を与えて強度変調光を対象空間に投 光させるタイミング制御部 3を備える。本実施形態のタイミング制御部 3は、発光源 2 から対象空間に光を投光する投光期間と、発光源 2による対象空間への光の投光を 休止する休止期間とを有するように発光源 2を制御する機能を有している。つまり、各 検出装置 10a〜10cでは強度変調光を対象空間に対して間欠的に投光する。
[0032] 各検出装置 10a〜10cに設けたタイミング制御部 3は互いに連携する。本実施形態 では、検出装置 10a〜10cのうちの 1台が自発的に投光するマスタになり、他の検出 装置はマスタ力ものシンクロ信号を受けて従動的に投光するスレーブとなる。すなわ ち、図 4に示す例では、検出装置 10aがマスタになり、検出装置 10b、 10cがそれぞ れスレーブとして機能する。したがって、マスタの検出装置 10aはシンクロ信号を送り 出す機能を有し、スレーブの検出装置 10bは、検出装置 10aのシンクロ信号を受け 取るとともに、末端のスレーブの検出装置 10cにシンクロ信号を送出する。スレーブの 検出装置 10cは、検出装置 10bのシンクロ信号を受け取る機能を有する。各検出装 置 10a〜10cの間でのシンクロ信号の受け渡しのため、検出装置 10a〜10cの間は 信号線 Lsを介して接続される。ただし、必ずしも有線伝送路を用いる必要はなぐ無 線伝送路を用いてもよい。
[0033] 以下、タイミング制御部 3により投光期間と休止期間とを設ける基本的な動作につ いて説明する。本実施形態に用いる各検出装置 10a〜10cは構成と動作が同じもの であって、検出装置 10a〜10cに設けたタイミング制御部 3は、それぞれマスタとスレ ーブとの設定を行うモード切換部 3aを備える。いま、 3台の各検出装置 10a〜： LOcの うち検出装置 10aのモード切換部 3aにおいてマスタが選択されているとすると、マス タの検出装置 10aでは、図 5 (A)に示すように、一定の投光周期 T1で所定期間の投 光期間 T11を自動的に繰り返す。つまり、マスタの検出装置 10aは自走動作し、投光 周期 T1ごとに投光期間 Tl 1にお 、て発光源 2から対象空間に光を投光する。
[0034] 投光周期 T1のうち投光期間 T11を除く期間は、発光源 2から対象空間に光を投光 しない休止期間 T12であって、本実施形態では、休止期間 T12中に光検出素子 1か ら距離演算部 4に電荷を取り出す読出期間が設定される。光検出素子 1から距離演 算部 4に電荷を取り出す読出期間は、一般的な CCDイメージセンサと同様に 1画面 分の電荷を読み出すのに必要な期間であり、電荷集積部 13の個数と電荷取出部 14 を駆動するクロック信号の周期とによって決定される。つまり、読出期間は投光期間 T 11には関係がなぐ休止期間 T12は光検出素子 1における読出期間よりも長く設定 してあればよい。このように、読出期間が休止期間 T12に含まれるように設定している から、変調信号に同期した特定区間の受光光量 A0、 Al、 A2、 A3に対応する電荷 を蓄積するために受光期間において光検出素子 1の感度制御部 12のスイッチングを 繰り返しても、スイッチングによるノイズが読出中の電荷に混入するのを防止すること ができる。本実施形態では、休止期間 T12を読出期間にほぼ一致させている。また、 本実施形態を含め、以下に説明する実施形態では、読出期間を休止期間 T12の範 囲内に設けるが、投光期間 T11の一部に読出期間が重複する構成を採用することも 可能である。
[0035] マスタの検出装置 10aでは投光期間 Ti lが終了すると、スレーブの検出装置 10b に対してシンクロ信号を出力する。つまり、図 5 (B)に示すように、検出装置 10aの投 光期間 T11が終了すると、シンクロ信号を受けて検出装置 10bの投光期間 T21が開 始される。ここに、検出装置 10aの投光期間 T11が終了して力も検出装置 10bの投 光期間 T21が開始されるまでには遅れ時間 Tdが生じる。さらに、検出装置 10bの投 光期間 T21が終了すると、図 5 (C)に示すように、スレーブの検出装置 10cに対して シンクロ信号が出力され、検出装置 10cの投光期間 T31が開始される。投光期間 T2 1の終了力も投光期間 T31の開始までの間にも遅れ時間 Tdが生じる。上述したよう に、各検出装置 10a〜10cは構成および動作が同じであるから、検出装置 10b、 10c の投光周期 T2、 Τ3は検出装置 10aの投光周期 T1に等しく Τ1 =Τ2=Τ3であり、投 光期間に関しては Τ11 =Τ21 =Τ31、さらに検出装置 10b、 10cの休止期間をそれ ぞれ T22、 Τ32とすれば、 Τ12=Τ22=Τ32である。また、以下の関係が成立する。 Τ1 =Τ11 +Τ12
Τ2=Τ21 +Τ22
Τ3=Τ31 +Τ32
T12≥T21 +T31 + 2Td
T22≥T31 +Tl l + 2Td
T32≥Tl l +T21 + 2Td
上述の関係が成立することにより、マスタの検出装置 10aが自走動作している休止 期間 T12の間に、スレーブの検出装置 10b、 10cの投光期間 T21、 T31が終了する 。この動作により、マスタの検出装置 10aの投光周期 T1の間にすベての検出装置 10 a〜10cから互いに光を重複させることなく対象空間に投光することができる。つまり、 各検出装置 10a〜10cは独立して距離を計測できることになり、結果的に対象空間 に複数の光を投光することにより生じる各検出装置 10a〜10cの誤測定を防止するこ とがでさる。
[0036] 上述の例では、 3台の検出装置 10a〜10cを用いている力 マスタになる検出装置 10aの休止期間 T12が、他の検出装置の投光期間を加算した時間（実際には台数 分の遅れ時間 Tdも加算した時間）よりも長くなるという関係を満たしていれば、 4台以 上の検出装置を用いることが可能である。
[0037] なお、各検出装置 10a〜10cの休止期間は読出期間よりも長いが、休止期間を読 出期間にほぼ一致させているから、一つの検出装置 10a〜10cの読出期間中に他 の検出装置 10a〜10cが投光することになる。これに対して、各検出装置においてそ れぞれ投光期間および読出期間が終了した後に、他の検出装置における投光期間 を設けるようにしてもよい。
[0038] さらに、上述した構成例では、末端になるスレーブの検出装置 10cではシンクロ信 号を受け取る機能しか用いていないが、図 4中、点線の矢印で示されるように、末端 になるスレーブの検出装置 10cからのシンクロ信号を送り出し、そのシンクロ信号をマ スタの検出装置 10aに受け取らせるようにする構成を採用してもよい。つまり、マスタ の検出装置 10aが、スレーブの検出装置 10bに対して投光期間のタイミングを指示 するだけではなぐ末端になるスレーブの検出装置 10cからのシンクロ信号を受け取 るようにする。この構成を採用すれば、マスタの検出装置 10aでは、スレーブのすべ ての検出装置 10b、 10cにおいて投光期間が終了したことを検出することができ、次 の投光期間のタイミングを適正に設定することが可能になる。つまり、各検出装置 10 a〜 10cにおける投光期間の重複を確実に防止することができるのである。
(第 2実施形態）
実施形態 1では各検出装置 10a〜10cにそれぞれタイミング制御部 3を設け、それ らが互いに連携して動作する構成について説明したが、本実施形態は、図 6に示す ように、検出装置 10a〜： LOcとは別に設けた中央制御部 6から各タイミング制御部 3に 指示を与え、すべての検出装置 10a〜10cの投光期間と休止期間とを中央制御部 6 力もの指示により集中的に制御することを特徴とする。つまり、中央制御部 6は各検 出装置 10a〜10cの投光期間と休止期間とをまとめて制御しており、各検出装置 10a 〜： LOcの投光期間が重複しな 、ように各検出装置 10a〜 10cを互 、に連携させること を必要としない。この構成では、 1つの中央制御部 6で複数台の検出装置 10a〜10c の動作タイミングを制御できるので、中央制御部 6に接続できる検出装置 10a〜10c の台数の範囲内であれば、投光期間と休止期間とを自由にかつ容易に設定すること ができる。その他の構成および動作は実施形態 1と同様であるので、重複する説明を 省略する。
(第 3実施形態）
実施形態 1では、各検出装置 10a〜10cの構成および動作が同じである場合を示 したが、本実施形態では、各検出装置 10の投光期間を異なる長さに設定した場合に ついて説明する。すなわち、実施形態 1では検出装置 10a〜10cの投光期間 Tl l、 T21、 T31を等しく設定し、かつ休止期間 Τ12、 Τ22、 Τ32を等しく設定した力 本 実施形態では、図 7に示すように、 Τ11 >Τ21 >Τ31、Τ12<Τ22<Τ32の関係と なるように投光期間および休止期間を設定している。ただし、 Τ11 +Τ12=Τ21 +Τ 22=Τ31 +Τ32であって、投光周期 Tl、 Τ2、 Τ3は等しくしてある。さらに、実施形 態 1と同様に以下の関係が成立する。
T12≥T21 +T31 + 2Td
T22≥T31 +Tl l + 2Td
T32≥Tl l +T21 + 2Td
ところで、発光源 2から対象空間に投光する光の強度が同じであって、物体 Obの反 射率が一定であれば、光検出素子 1において受光する物体 Obからの反射光は、物 体 Obまでの距離が遠距離であるほど受光強度が小さくなる。したがって、光検出素 子 1で所定の受光光量 (受光強度の時間積)を確保しょうとすれば、物体 Obまでの 距離が遠距離であるほど受光時間を長くすることが望ましい。一方、受光時間を長く すれば近距離の物体 Obからの反射光の強度が大きくなり、光検出素子 1が飽和しや すくなるから、物体 Obまでの距離が近距離であるほど受光時間を短くすることが望ま しい。
そこで、本実施形態では、検出装置ごとに距離の測定範囲が異なるようにしてある 。つまり、検出装置 10aを遠距離用、検出装置 10bを中距離用、検出装置 10cを近 距離用として用いるため、検出装置 10aの投光期間 T11を最長にし、遠方に存在す る物体 Obからの反射光量を確保し、検出装置 10cの投光期間 T31を最短にし、近 距離に存在する物体 Obから受ける反射光量を減らして光検出素子 1が飽和するの を防いでいる。 [0040] 例えば、 1つの検出装置で遠距離にある空間情報、中距離にある空間情報および 近距離にある空間情報を検出しょうとすると、受光期間は光検出素子の飽和を防ぐ ため一般に近距離力 の受光量を考慮して短く設定せざるを得な 、。しかしながら、 このような設定とすると、中距離や遠距離からの受光量が相対的に減少することは避 けられず、結果的に対象空間内の遠くにある物体の空間情報や、反射率の低い物 体の空間情報の検出が困難になる。そこで、本実施形態においては、 3台の検出装 置をそれぞれ遠距離用、中距離用および近距離用として用い、各光検出素子が飽 和しない範囲で十分量の受光量が得られる受光期間を個別に設定することができる 。例えば、遠距離用の検出装置においては受光時間を長くし、近距離用の検出装置 になるほど受光時間を短くすることで、光検出素子のダイナミックレンジを各検出装置 において有効に活用でき、結果的として複数の光検出素子を有効に活用して異なる 距離にある空間情報をほぼ等しい精度で検出することができるである。
[0041] さらに、 1台の検出装置を用いて遠距離にある空間情報、中距離にある空間情報 および近距離にある空間情報を検出する場合は、検出にかかる時間が長くなるという 問題がある。例えば、遠距離、中距離および近距離力もの受光期間をそれぞれ、 8m s、 4msおよび 2msとし、それぞれの読出期間を 15msとすると、これらの距離にある 空間情報を取得するのに必要な最小時間は 59ms (= (8 + 15) + (4+ 15) + (2 + 15) )となる。これに対して、本実施形態においては、 3台の検出装置の動作をタイミ ング制御部により制御することで、例えば、図 7に示すように、遠距離からの受光期間 が完了した後、遠距離力 受光した光量に対応する電荷の読取期間中に中距離か らの受光期間を開始することができ、同様に、中距離力もの受光期間が完了した後、 中距離力 受光した光量に対応する電荷の読取期間中に近距離力 の受光期間を 開始することができるので、上記と同じ受光期間と読出期間の条件下において、これ らの距離にある空間情報を得るために必要な最小時間は約 29ms ( = 8(T11) +4(T2 1) + 2(Τ31)+ 15(Τ32)、ここでは遅れ時間 (Td)を無視している）となる。このように、本 発明によれば、異なる距離にある空間情報の検出効率の改善、すなわちフレームレ ートの向上を達成することができる。
[0042] また、本実施形態においては、図 7に示すように、検出装置 10a〜10cの投光周期 Tlの 2周期分を単位期間 PIとしている。単位期間 P1は、設定部（図示せず）により 設定することができる。あるいは、単位期間 P1をタイミング制御部 3で設定できるよう にすることも好ましい。また、図 8に示すように、各検出装置 10a〜10cの距離演算部 4に、光検出素子 1からの受光出力を投光周期 T1の 2周期分にわたって保持する保 持部 41を設けてあり、演算部 43において単位期間 P1における投光期間 Tl l、 T21 、 T31に対応した受光光量の積算値を用いて距離を演算するように構成してある。図 7から明らかなように、投光周期 T1の 2周期の期間には、各検出装置 10a〜10cの投 光期間 Tl l、 T21、 T31が 2回ずつ含まれ (必ずしも読出期間は含まれない）、投光 期間 Tl l、 T21、 T31の 1回毎に受光光量を規定の光量範囲と比較し、受光光量が 光量範囲内であるか否かを判断する判定部 42が距離演算部 4に設けられている。
[0043] 判定部 42では単位期間 P1の前半の 1回の投光期間 Tl l、 T21、 T31における受 光光量が光量範囲よりも小さいと判断したときには、保持部 41において 2回の投光期 間 Tl l、 T21、 T31に対応する受光光量を加算した結果を距離の演算に用いる。一 方、単位期間 P1内における前半の 1回の投光期間 Tl l、 T21、 T31の受光光量が 光量範囲内であると判定部 42が判断したときには、単位期間 P1内における後半の 1 回の投光期間 Tl l、 T21、 T31を削除するようにタイミング制御部 3に指示を与える。 なお、単位期間 P1の前半の 1回の投光期間 Tl l、 T21、 T31における受光光量が 光量範囲よりも大きいと判断したときには、単位期間 P1の後半の 1回の投光期間 T1 1、 T21、 T31を通常よりも短縮することにより受光光量が光量範囲に収まるようにす るか、または当該単位期間 P1における距離の測定を無効にし、より短い投光期間で なる別の単位期間を採用して測定をやり直すような構成を採用してもよい。
[0044] さらに、近距離用または中距離用の検出装置 10b、 10cにおいて、単位期間 PI内 の 2回ずつの投光期間 T21、 T31のうちの後半の 1回を削除したときには、当該投光 期間 T21、 T31の遠方側の測定範囲を有する検出装置 10a、 10bの投光期間 Tl l、 T21を、省略した投光期間 T21、 T31により生じた余剰の時間によって延長するよう にタイミング制御部 3内の時間調整部（図示せず)から検出装置 10a、 10bに対して 指示を与える。図示例は、近距離用の検出装置 10cの前半の投光期間 T11におい て受光光量が所定光量範囲に達した場合を示しており、近距離用の検出装置 10c の後半の投光期間 T31を省略し、中距離用の検出装置 10bにおける後半の投光期 間 T21を投光期間 T31の削減により生じた余剰の時間によって延長した場合が示さ れている。
[0045] 同様にして、中距離用の検出装置 10bの前半の投光期間 T21において受光光量 が所定光量範囲に達した場合には、中距離用の検出装置 10bにおける後半の投光 期間 T21を省略し、遠距離用の検出装置 10aにおける後半の投光期間 T11を投光 期間 T21の省略により生じた余剰の時間によって延長することができる。尚、投光期 間 Tl l、 T21を延長しょうとする検出装置 10a、 10bにおいて受光光量がすでに所 定光量範囲内であるときには、投光期間 Tl l、 T21の延長は行われない。さらに、近 距離用と中距離用との検出装置 10b、 10cの前半の 1回の投光期間 T21、 T31で受 光光量がともに所定光量範囲を満たし、かつ遠距離用の検出装置 10aの前半の 1回 の投光期間 T11で受光光量が所定光量範囲を満たしていないときには、遠距離用 の検出装置 10aにおける後半の投光期間 T11を投光期間 T21、T31の削減により 生じた余剰の時間の合計によって延長してもよい。また、中距離用の検出装置 10b における後半の投光期間 T21を省略する場合は、必要に応じて、近距離用の検出 装置 10cにおける後半の投光期間 T31を投光期間 T21の省略により生じた余剰の 時間によって延長してもよい。
[0046] その他の構成および動作は実施形態 1と同様であるので重複する説明を省略する 。尚、上述した構成では単位期間 P1において投光期間 Tl l、 T21、 T31を 2回ずつ 設けているが、 3回以上の複数回ずつ設けるようにしてもよい。また、上記説明では、 単位期間 P1において投光期間が 2回設けられ、それぞれの投光期間において 2区 間の受光光量 ΑΟ、 Α2を抽出しているので、前半の 1回の投光期間で受光光量が所 定光量範囲を満たせば、受光光量 ΑΟ、 Α2を抽出することができ、従って後半の投 光期間を省略しても問題はない。しかしながら、投光周期の最初の 1周期で 2区間の 受光光量 ΑΟ、 Α2を抽出し、投光周期の次の 1周期で別の 2区間の受光光量を Al、 A3を抽出し、結果として単位期間 P1において 4種類の受光光量 ΑΟ〜Α3を得る場 合には、近距離用の検出装置 10cについても単位期間 P1において 2回の投光期間 T31が必要である。要するに、 2区間の受光光量 AO、 A2を抽出するための前半の 投光期間で受光光量が所定光量範囲を満たしていても、後半の投光期間は別の 2 区間の受光光量 Al、 A3を抽出するために省略することができないのである。尚、単 位期間 P1に例えば 4回の投光期間を設ければ、 2回の投光期間で 4種類の受光光 量 AO〜A3を得ることができるので、残りの 2回の投光期間を省略できる場合がある。
[0047] 本実施形態では、物体 Obまでの距離に応じて光検出素子 1での受光強度が変化 する場合を例示したが、物体 Obの反射率の相違によって受光強度が変化する場合 も同様の構成を採用することができる。つまり、ほぼ同じ距離範囲に存在する物体 Ob につ 、て反射率の範囲に応じて検出装置 10a〜 10cを設けるようにしてもょ 、。
[0048] また、上述の例では投光期間の受光光量に応じて、単位期間 P1における投光期 間の回数を動的に変化させる構成を採用しているが、検出装置 10a〜10cごとに単 位期間 P1における投光期間の回数をあらかじめ設定しておき、ある検出装置におい て投光期間の回数を少なく設定したことで得られた余剰の時間により他の検出装置 の投光期間を延長する構成を採用してもよい。要するに、投光期間の回数と長さをあ らカじめ固定的に設定してお！、てもよ!/、。
[0049] (第 4実施形態）
本実施形態は、投光期間を長短 2種類設け、電荷集積部 13が飽和しない投光期 間を選択することによって距離演算部 4で距離を求めることを特徴としている。以下、 長いほうの投光期間を長投光期間と呼び、短いほうの投光期間を短投光期間と呼ぶ 。尚、ここでは説明を簡単にするため、投光期間を 2種類のみ設けているが、長さの 異なる 3種類以上の投光期間を設定することも可能である。また、長さの異なる投光 期間は、設定部（図示せず）により設定することができる。あるいは、タイミング制御部 3で各投光期間の長さを設定 Z変更できるようにすることも好まし 、。
[0050] 本実施形態の距離演算部 4では、投光期間毎に光検出素子 1から受光出力が与え られ、長投光期間と短投光期間とでそれぞれ得られた受光出力から適切な出力を選 択して距離を求める。例えば、図 9に示すように、距離演算部 4には長投光期間の画 像信号と短投光期間の受光出力とを一時的に保持するために、 2個の保持部 41a、 41bが設けられる。また、保持部 41a、 4 lbに保持された受光出力を評価していずれ か一方の保持部に保持されている受光出力を選択して演算部 43に送る選択部 44を 有する。要するに、選択部 44は長投光期間と短投光期間の一方の投光期間を選択 する。演算部 43は、選択部 44で選択された受光出力を用いて画素ごとの距離を演 算する。
[0051] 選択部 44では、保持部 41aに保持された受光出力を規定の飽和閾値と比較し、受 光出力が飽和閾値を越えて ヽな 、場合、長投光期間に対応する保持部 41 aを選択 する。また、長投光期間に対応する保持部 41aに保持された受光出力が飽和閾値を 越えている場合、短投光期間に対応する保持部 41bを選択する。なお、保持部 41b に保持された受光出力も飽和閾値を越えている場合は、例えば感度を低下させる等 の別処理を行う必要がある。
[0052] また、距離演算部 4において光検出素子 1から入力された画像信号をアナログ—デ ジタル変換によってデジタルデータに変換する構成を採用する場合には、デジタル データを記憶するメモリを保持部 41a、 41bとして設け、選択部 44ではメモリに格納さ れたデジタルデータを選択する構成を採用してもょ 、。
[0053] 本実施形態に力かる空間情報検出システムを図 10 (A)に示す動作例に基づいて より具体的に説明する。まず、タイミング制御部 3では光検出素子 1における投光期 間を長投光期間 Tl laとして受光光量 AO、 A2に相当する電荷を電荷集積部 13に 集積させ、この電荷を休止期間 Tl 2aにお 、て読み出して保持部 41 aに保持する。 次に、投光期間を短投光期間 Tl lbとして受光光量 AO、 A2に相当する電荷を電荷 集積部 13に集積させ、この電荷を休止期間 Tl 2bにお 、て読み出して保持部 4 lbに 保持する。このように、長投光期間 Tl laと短投光期間 Tl lbと休止期間 T12a、 T12 bとの合計を単位期間 P 1として受光光量 AO、 A2に相当する受光出力を各保持部 4 la、 41bにそれぞれ保持する。
[0054] 同様にして、次の長投光期間 Tl laと短投光期間 Tl lbと休止期間 T12a、 T12bと を 1回の単位期間 PIとして受光光量 Al、 A3に相当する電荷を各保持部 41a、 41b にそれぞれ保持する。こうして 2回の単位期間 P1で各保持部 41a、 41bには 4種類の 受光光量 AO、 Al、 A2、 A3に対応する電荷がそれぞれ保持され、演算部 43での距 離の演算が可能になる。ここに、長投光期間 Tl laに対応する受光出力を保持部 41 aに保持し、短投光期間 Tl lbに対応する受光出力を保持部 41bに保持する。 [0055] 距離を求めるのに必要な 4区間の受光光量 A0、 Al、 A2、 A3に対応する受光出 力について長投光期間 Tl laと短投光期間 Tl lbとのすベての受光出力が保持部 4 la、 41bに保持された後、選択部 44では長投光期間 Tl laに対応する受光出力を 保持している保持部 41aに保持された受光出力のうち受光出力が最大であるものを 飽和閾値と比較する。飽和閾値は光検出素子 1の飽和を判断するための閾値であり 、保持部 41aに保持された受光出力のうちの最大値（図 2に示した例では受光光量 A 1に対応する受光出力が最大になる）が飽和閾値以下であれば、大きい方の受光出 力を用いて距離を求めることができ、距離の測定精度が高くなる。
[0056] また、保持部 41aに保持された 4区間の受光出力のうちの 1個でも飽和閾値を越え ている場合は、保持部 41bに保持されている受光出力のうち最大であるものを飽和 閾値と比較する。想定している使用環境では保持部 41bに保持された受光出力が飽 和閾値を越えないように短投光期間 Tl lbを設定してあり、保持部 41bが選択された 場合は、ほとんどの場合には距離の演算が可能になるように構成してある。この場合 、保持部 41aを選択した場合に比較すると、受光出力が小さくなるため距離の測定精 度がやや低下するものの距離測定を行うことが可能である。尚、飽和閾値と受光出力 との比較は画素毎に行い、保持部 41a、 41bのいずれかに保持された受光出力を用 V、て距離の演算が可能な画素にっ 、ては、当該画素の距離を求める。
[0057] ところで、実施形態 1において説明したように、複数台（ここでは 2台で説明する）の 検出装置 10a、 10bを用いる場合に、マスタになる検出装置 10aとスレーブになる検 出装置 10bとは、マスタになる検出装置 10aからのシンクロ信号をスレーブになる検 出装置 10bに送ることにより、図 10 (A)および図 10 (B)に示すように、検出装置 10a の長投光期間 Tl laおよび短投光期間 Tl lbと、検出装置 10bの長投光期間 T21a および短投光期間 T21bとの重複を防止している。ここに、 Tl la=T21a、 Tl lb=T 21bであって、 Tl la, Tl lb, T21a、 T21b<T12a (=T12b=T22a=T22b,ここ では遅れ時間を無視している）に設定してある。すなわち、検出装置 10bの休止期間 T22a、 T22bは、検出装置 10aの休止期間 T12a, T12bと等しく設定されている。各 検出装置 10a、 10bにおける読出期間は休止期間よりも短いが、ここではほぼ一致 する場合を想定している。 [0058] さて、検出装置 10aの長投光期間 Tl laの終了後に検出装置 10bの長投光期間 T 21aを開始する場合と、短投光期間 Tl lbの終了後に検出装置 10bの短投光期間 T 21bを開始する場合のいずれにおいても、マスタになる検出装置 10aの休止期間 T1 2a, T12b内に、スレーブになる検出装置 10bの長投光期間 T21aまたは短投光期 間 T21bが含まれるから、長投光期間 Tl la、 T21aと短投光期間 Tl lb、 T21bとの いずれも重複することがない。し力しながら、検出装置 10aの短投光期間 Tl lbの終 了後に検出装置 10bの短投光期間 T21bを開始するとすれば、検出装置 10bでは 長投光期間 T21aに対応する休止期間 T22aの満了前に短投光期間 T21bが開始さ れることになる。そこで、スレーブになる検出装置 10bでは、タイミング制御部 3が休止 期間 T22a, T22bを管理しており、マスタになる検出装置 10aからシンクロ信号を受 けた後に休止期間 T22a, T22bが満了するまで待って力も長投光期間 T21aまたは 短投光期間 T21bを開始するように構成してある。このような構成を採用することによ り、長投光期間 Tl la、 T21aと短投光期間 T21a、 T21bとのいずれもが重なることを 防止しながらも、所定の読出期間（休止期間 T12a、 T12b、 T22a、 T22bよりも短い 力 本実施形態ではほぼ一致する場合を想定する）を確保することができる。その他 の構成および動作は他の実施形態と同様であるので、重複する説明を省略する。
[0059] なお、上述の例では 2台の検出装置 10a、 10bを用いる場合について説明したが、 実施形態 1のように 3台以上の検出装置 10a〜10cを順に接続して用いる場合であつ ても、上述の例と同様に、接続順で一つ前になる検出装置 10a〜： LOcからのシンクロ 信号を受けたときに、自身の休止期間が終了していることを確認して力 投光期間を 開始することができる。ここに、マスタになる検出装置 10aの休止期間 T12a、 T12b に対して、他の検出装置の投光期間の合計が短ければ、検出装置 10aは自走動作 でよい。また、複数台の検出装置を中央制御部 6で集中的に制御する場合は、中央 制御部 6で投光期間の重複がな 、ように管理すればよ!、。
[0060] ところで、受光光量 A0、 Al、 A2、 A3には発光源 2から放射された光のほか環境 光成分が含まれており、環境光成分の変動を無視できる程度の短時間であれば、組 になる 4区間の受光光量 A0、 Al、 A2、八3の平均値(八0+八1 +八2+八3) 4は、 発光源 2から放射され物体 Obで反射された反射光成分の振幅（図 2の A)と環境光 成分 (図 2の B— A)との合計に相当する (すなわち、図 2の B)。したがって、距離演算 部 4において、組になる 4区間の受光光量 AO、 Al、 A2、 A3に対応する電荷の平均 の電荷量を適宜に設定した飽和閾値と比較すれば、光検出素子 1が飽和しているか 否かを判断することが可能になる。この判断結果に基づいて長投光期間 Tl la, T21 aと短投光期間 Tl lb、T21bとのどちらの電荷量を採用するかを決定してもよい。
[0061] また、平均値を用いる代わりに 4区間の受光光量 AO、 Al、 A2、 A3のうちの最大値 と飽和閾値とを比較する構成を採用してもよい。ただし、環境光成分が多い環境では 受光した光に含まれる反射光成分の割合が少ないにもかかわらず最大値や平均値 は飽和閾値を越えることがある。このような場合には測距の精度が低くなる可能性が ある。そこで、光検出素子 1に飽和が生じない程度の受光期間で集積した電荷を光 検出素子 1から受光出力として取り出し、複数回分の受光出力を用いて距離を求め るのが望ましい。ここで、反射光成分の多寡は、光検出素子 1で受光した光の振幅に より評価することができる。振幅については、飽和閾値ではなく測定の信頼性を評価 する閾値と比較する。尚、振幅は環境光成分が変化しないとみなせる時間内で得ら れた受光光量 AO、 Al、 A2、 A3を用いることにより、次式の演算で求めることができ る。
{ (A0-A2) 2+ (A1 A3) 2}°· 5/2
上述した各実施形態では、 FT方式の CCDイメージセンサと同様の構成を採用して V、るが、インターライン'トランスファ（IT)方式、フレーム 'インターライン'トランスファ（ FIT)方式と同様の構成を採用することも可能である。また、電荷の転送に IT方式の 構成を採用する場合には、感度制御部 12として電荷を廃棄する構成のほか、感光 部 11から電荷取出部 (垂直転送部）に電荷を引き渡すゲート部を制御する構成等を 採用することができる。
[0062] このように、本発明の空間情報検出システムは、複数の検出装置それぞれにおける 投光タイミングをタイミング制御部により制御することを基本思想として 、るから、空間 情報を検出すべき対象空間が異なるが、それらへの照射領域が部分的に重複して V、る場合や、共通の対象空間から異なる距離にある対象物の空間情報 (あるいは、 反射率の異なる対象物の空間情報)を検出する場合においてその有効性を発揮す る。換言すれば、投光経路や対象空間が重複しない複数の対象空間から空間情報 を検出する場合は、それぞれの検出装置によって自由なタイミングで検出を行っても 投光した光同士の混合 Z干渉という問題が生じないので、本発明のタイミング制御部 による投光タイミングの制御は必須とされない。尚、このような投光経路や対象空間が 重複しない複数の対象空間力も空間情報を検出する場合にも本発明の空間情報検 出システムが利用可能であることは言うまでもない。
産業上の利用可能性
このように、本発明は、複数の検出装置が共通の対象空間を有するような場合に想 定される新たな問題点に注目し、これを効果的に解消する手段として、上記第 1〜第 4実施形態に代表されるタイミング制御部を設けたことを特徴とするものであり、これ により、検出装置同士間で干渉を生じることなぐそれぞれの検出装置により正確な 空間情報の検出を行える空間情報検出システムとしてその利用が期待される。

Claims

請求の範囲
[1] 各々が、所定の変調周期で強度変調された光を対象空間に投光する発光源と、対 象空間からの光を受光して受光光量に応じた電荷を生成する感光部を有する光検 出素子と、発光源力 投光した光と光検出素子で受光した光の間の変化力 対象空 間の空間情報を検出する評価部とを有する複数の検出装置;および
前記複数の検出装置の一つの発光源の投光期間が前記検出装置の別の一つの発 光源の投光期間と重複しないように前記複数の検出装置の発光源の投光タイミング を制御するとともに、前記投光期間において感光部が対象空間からの光を受光して 電荷を生成する受光期間と、前記発光源の光が対象空間に投光されない休止期間 と前記投光期間の少なくとも一方の範囲内に設定され、前記感光部で生成された電 荷を取り出す読出期間とを有するように前記複数の検出装置の各々の光検出素子を 制御するタイミング制御部を含むことを特徴とする空間情報検出システム。
[2] 前記タイミング制御部は、前記読出期間が前記休止期間内に設定されるように前記 複数の検出装置の各々の光検出素子を制御することを特徴とする請求項 1に記載の 空間情報検出システム。
[3] 前記タイミング制御部は前記複数の検出装置の各々に設けられ、前記検出装置の 一つのタイミング制御部は、その発光源の投光期間の終了時点でシンクロ信号を前 記検出装置の別の一つのタイミング制御部に出力し、前記シンクロ信号を受信したタ イミング制御部が、対応する検出装置の発光源の投光期間を開始させることを特徴と する請求項 1に記載の空間情報検出システム。
[4] 前記シンクロ信号を受信したタイミング制御部は、対応する検出装置における前記読 出期間が終了するまで発光源の投光期間の開始を待機させることを特徴とする請求 項 3に記載の空間情報検出システム。
[5] 前記タイミング制御部の各々は、対応する検出装置の発光源が自発的に投光するマ スタとして機能する力、他の検出装置のタイミング制御部力 シンクロ信号を受けて従 動的に投光するスレーブとして機能するかのいずれかを設定するためのモード切換 部を有することを特徴とする請求項 3に記載の空間情報検出システム。
[6] 前記検出装置の各々に設けられる前記タイミング制御部に対して異なるタイミングで シンクロ信号を出力する中央制御部をさらに含み、前記シンクロ信号を受信したタイミ ング制御部が、対応する検出装置の発光源の投光期間を開始させることを特徴とす る請求項 1に記載の空間情報検出システム。
[7] 前記タイミング制御部は、感光部の受光光量に基づいて前記複数の検出装置の各 々における投光期間の長さを制御することを特徴とする請求項 1に記載の空間情報 検出システム。
[8] 前記投光期間は、感光部の受光光量が少ない検出装置ほど長く設定されることを特 徴とする請求項 7に記載の空間情報検出システム。
[9] 前記複数の検出装置は、短い投光期間が設定される短距離用検出装置、長い投光 期間が設定される長距離用検出装置、および短距離用検出装置の投光期間より長く 、長距離用検出装置の投光期間よりも短い投光期間が設定される中距離用検出装 置とを少なくとも含むことを請求項 7に記載の空間情報検出システム。
[10] 各検出装置において長さの異なる複数の投光期間を設定するための設定部と、前 記複数の投光期間の各々の受光光量が、予め設定されたしきい値以下であるか否 かを判定する判定部とをさらに含み、前記評価部は、前記しきい値以下の最大の受 光光量を用いて対象空間の空間情報を検出することを特徴とする請求項 1に記載の 空間情報検出システム。
[11] 各検出装置に関して、所定回数の投光期間を含む単位期間を設定する設定部と、 対象空間の環境に応じて前記複数の検出装置の一つにおいて設定された単位期間 中の投光期間の回数を削減し、削減した回数の投光期間に相当する時間を別の検 出装置の投光期間に付加して延長する時間調整部とをさらに含むことを特徴とする 請求項 1に記載の空間情報検出システム。
投光期間
[12] 前記時間調整部は、前記複数の検出装置のうち、単位期間内に設定された投光期 間の回数より少ない回数で受光光量が所定値に達した検出装置については、以後 の投光期間を削減するとともに、削減した回数の投光期間に相当する時間を受光光 量が前記所定値に達していない別の検出装置の投光期間に付加して延長すること を特徴とする請求項 11に記載の空間情報検出システム。
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