WO2015030107A1 - 距離測定装置 - Google Patents

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WO2015030107A1
WO2015030107A1 PCT/JP2014/072557 JP2014072557W WO2015030107A1 WO 2015030107 A1 WO2015030107 A1 WO 2015030107A1 JP 2014072557 W JP2014072557 W JP 2014072557W WO 2015030107 A1 WO2015030107 A1 WO 2015030107A1
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WO
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period
irradiation
light
light amount
received light
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PCT/JP2014/072557
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Inventor
孝司 澤田
Original Assignee
株式会社メガチップス
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
    • G01C3/08—Use of electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out

Definitions

  • the present invention relates to a distance measuring device.
  • This distance measuring device includes an irradiation device and a light receiving device.
  • the irradiation device outputs irradiation light L1 '.
  • the intensity is modulated so that the intensity of the irradiation light L ⁇ b> 1 ′ is a rectangular wave.
  • the irradiation light L1 ' is reflected by the measurement object, and the reflected light is received by the light receiving device. Therefore, the detection value (reflected light L2 ') of the light receiving device is delayed from the irradiation light L1' irradiated by the irradiation device. More specifically, the reflected light L2 'is delayed by a time t (hereinafter referred to as a delay time) t corresponding to the distance to the measurement target.
  • the distance to the measurement object can be calculated. Therefore, in order to calculate the delay time t, received light amounts (also referred to as reflected light amounts) A1 'and A2' in periods T1 'and T2' described below are acquired using a light receiving device.
  • the period T1 ′ is, for example, a period from when the irradiation light L1 ′ rises to when it falls, and the period T2 ′ has the same length (hereinafter also referred to as period length) ⁇ T ′ as the period T1 ′. This is the period following T1 ′.
  • the reflected light amount A2 ' takes a value corresponding to the delay time t, and takes a larger value as the delay time t becomes longer. Moreover, the sum of the reflected light amounts A1 'and A2' takes a value corresponding to the period length ⁇ T '. Therefore, the ratio between the delay time t and the period length ⁇ T ′ is equal to the ratio between the reflected light amount A2 ′ and the sum of the reflected light amounts A1 ′ and A2 ′. Therefore, the delay time t can be calculated using the following equation.
  • T ⁇ T ′ ⁇ A2 ′ / (A1 ′ + A2 ′) (1)
  • Patent Documents 1 to 5 are disclosed as techniques related to the present invention.
  • the intensity of the irradiation light L1 ' is difficult to match the intensity of the irradiation light L1 'with a perfect rectangular wave.
  • the intensity of the irradiation light L1 ' gradually rises with the passage of time, takes a constant value, and gradually falls with the passage of time.
  • the degree of rising inclination and the degree of falling inclination of the irradiation light L ⁇ b> 1 ′ depend on the type of irradiation apparatus or manufacturing variation. In the illustration of FIG. 16, the rising slope and the falling slope are different from each other.
  • the rising and falling of the reflected light L2 ' are also inclined depending on the irradiation light L1'. Therefore, at this time, the sum of the reflected light amounts A1 'and A2' does not coincide with the reflected light amount of the rectangular wave reflected light L2 'corresponding to the period length ⁇ T'.
  • the periods T1 'to T3' have the same period length ⁇ T '.
  • the period T1 ' starts from the time when the irradiation light L1' starts rising, and the period T2 'starts from the time when the irradiation light L1' starts falling.
  • the period T3 ' is a period between the periods T1' and T2 '.
  • the reflected light amount A3 'in the period T3' corresponds to the reflected light amount of the reflected light L2 'corresponding to the period length ⁇ T'.
  • the delay time t can be calculated using the following formula.
  • the reflected light amount A2 'includes a first portion a21 that depends on the delay time t and a second portion a22 that does not depend on the delay time t but depends on the falling edge of the reflected light L2.
  • the second portion a22 causes an error in the delay time t calculated using the equation (2).
  • the second portion a22 is larger as the falling slope of the reflected light L2 is gentler, so that the error is larger as the slope is gentler.
  • T ⁇ T ′ ⁇ (A3′ ⁇ A1 ′) / A3 ′ (3)
  • the portion A31 ' includes a first portion a31 that depends on the delay time t and a second portion a32 that does not depend on the delay time t and depends on the rising of the reflected light L2'. Therefore, the delay time t calculated using Expression (3) includes an error caused by the rising of the reflected light L2 '. Since the second portion a32 is larger as the rising slope of the reflected light L2 'is gentler, the error is larger as the rising slope is gentler.
  • the degree of rise and fall of the reflected light L2 depends on the types of the irradiation device and the light receiving device. Moreover, these differ also by the manufacturing variation of an irradiation apparatus and a light-receiving device.
  • Equation (2) or Equation (3) when Equation (2) or Equation (3) is used, a large error is caused depending on the irradiation device and the light receiving device.
  • an object of the present invention is to provide a distance measuring device that can avoid the worst value of error.
  • a first aspect of the distance measuring device includes an irradiation device (3) that irradiates the measurement target with the irradiation light (L1) while modulating the intensity of the irradiation light, and the measurement of the irradiation light
  • the light receiving element (1) that receives the light reflected by the object as reflected light (L2) and a period having the same period length ⁇ T, with a predetermined time difference from the rising time of the irradiation light
  • T1 that starts
  • T2 that starts at the time difference with respect to the time point when the irradiation light falls, and a third period (T3) between the first period and the second period
  • ⁇ T ⁇ (a3 ⁇ a1 + a2) / (2 ⁇ a3) Calculate the time based on the expression
  • a second aspect of the distance measuring device is the distance measuring device according to the first aspect, wherein the light receiving element (1) includes the reflected light and ambient light that does not use the irradiated light as a light source.
  • the calculation unit (24) receives the first received light amount A1 to the third received light amount A3 and the received light received by the light receiving element from the first period (T1) to the third period (T3), respectively.
  • the element has the same period length ⁇ T as the third period from the first period, and uses the fourth received light amount A4 received in the fourth period (T4) in which the intensity of the reflected light is zero.
  • ⁇ T ⁇ (A3 ⁇ A1 + A2 ⁇ A4) / ⁇ 2 ⁇ (A3 ⁇ A4) ⁇ is used to calculate the time.
  • a third aspect of the distance measuring apparatus is the distance measuring apparatus according to the second aspect, wherein the time, the period length, and the length are estimated before the time is calculated.
  • the calculation unit (24) is expressed by ⁇ T ⁇ (A3 ⁇ A1 + A2 ⁇ A4) / ⁇ 2 ⁇ (A3 ⁇ A4) ⁇ when the time is estimated to be shorter than the period length.
  • the time is estimated to be longer than the period length, and is expressed by ⁇ T + ⁇ T ⁇ (A2 ⁇ A3 + A4 ⁇ A1) / ⁇ 2 ⁇ (A2 ⁇ A1) ⁇
  • the time is calculated based on the formula.
  • a fourth aspect of the distance measuring apparatus is the distance measuring apparatus according to the third aspect, wherein the estimating unit (24) is configured such that the third received light amount (A3) is the second received light amount (A3).
  • the third received light amount When it is larger than A2) or when the first received light amount (A1) is larger than the fourth received light amount (A4), it is estimated that the time is shorter than the period length, and the third received light amount When (A3) is smaller than the second received light amount (A2) or when the first received light amount (A1) is smaller than the fourth received light amount (A4), the time is shorter than the period length. Estimated to be long.
  • a fifth aspect of the distance measuring device is the distance measuring device according to the third or fourth aspect, wherein the calculation unit is configured such that the time is longer than the period length, When it is estimated that the time is shorter than twice, the time is calculated based on an expression represented by ⁇ T + ⁇ T ⁇ (A2 ⁇ A3 + A4 ⁇ A1) / ⁇ 2 ⁇ (A2 ⁇ A1) ⁇ , and the time is When it is estimated to be longer than twice the length, it is expressed by 2 ⁇ ⁇ T + ⁇ T ⁇ (A4 ⁇ A2) / (A4 ⁇ A1) or 2 ⁇ ⁇ T + ⁇ T ⁇ (A4 ⁇ A2) / (A4 ⁇ A3) The time is calculated based on the following formula.
  • a sixth aspect of the distance measuring device is the distance measuring device according to the fifth aspect, wherein the estimating unit is configured such that the fourth received light amount (A4) is greater than the second received light amount (A2). Is less than twice the period length, and when the fourth received light amount (A4) is larger than the second received light amount (A2), the time is the period. Estimated to be longer than twice the length.
  • a seventh aspect of the distance measuring device is the distance measuring device according to any one of the second to sixth aspects, wherein the first to fourth capacitors (C1 to C4) and the light receiving device are provided.
  • First to fourth switches S1 to S4 for selecting conduction / non-conduction between the element (Pk) and the first to fourth capacitors, respectively, and the first period to the fourth period
  • the first to fourth capacitors are charged with voltages corresponding to the first to fourth received light amounts from the first received light amount to the fourth capacitors by turning on the first to fourth switches, respectively. 13).
  • An eighth aspect of the distance measuring apparatus is the distance measuring apparatus according to any one of the second to sixth aspects, wherein the irradiation device (3) is configured to emit the irradiation light having a substantially rectangular wave. Irradiation is repeated at least four times, and the distance measuring device includes a capacitor (C1), the light receiving element (Pk), a switch (S1) for selecting conduction / non-conduction with the capacitor, In the first period within one irradiation cycle, the switch is turned on to charge the capacitor with a voltage corresponding to the first received light amount, and after discharging the capacitor using the discharge unit, the second irradiation cycle In the second period, the switch is turned on to charge the capacitor with a voltage corresponding to the second received light amount, and after discharging the capacitor using the discharge unit, within the third irradiation period in front In the third period, the switch is turned on to charge the capacitor with a voltage corresponding to the third received light amount, and after discharging the capacitor using the discharge unit, the fourth
  • a ninth aspect of the distance measuring device is the distance measuring device according to any one of the first to eighth aspects, wherein the irradiation device repeatedly outputs the irradiation light of a substantially rectangular wave.
  • the irradiation device In the third period for each of a plurality of irradiation cycles for the irradiation light, when the fourth reflected light amount obtained by integrating and receiving the reflected light exceeds a predetermined reference value, The fourth reflected light amount is grasped as the third reflected light amount, and the reflected light is integrated in the first period for each of the irradiation periods of the number of times when the fourth reflected light amount exceeds the reference value.
  • the first reflected light amount is acquired by receiving light
  • the second reflected light amount is acquired by integrating and receiving the reflected light in the third period for each of the irradiation cycles of the number of times.
  • the time is calculated using a relational expression that the ratio with a3 is equal to the ratio between the time to be calculated and the period length ⁇ T. Therefore, the error with respect to the time can also be an average of the error caused by the difference (a3-a1) and the error caused by the second reflected light. Thereby, the worst value of an error can be avoided.
  • the time can be calculated while suppressing the influence of the ambient light.
  • the measurement distance can be extended.
  • the estimation is performed by comparing the amount of received light, the estimation is easy.
  • the measuring distance can be further extended.
  • the estimation is performed by comparing the amount of received light, the estimation is easy.
  • the seventh aspect of the distance measuring apparatus according to the present invention contributes to the realization of the distance measuring apparatus according to the first aspect.
  • the number of capacitors and switches is reduced, and the voltage according to the first received light amount to the fourth received light amount from the first period to the fourth period is Can be charged.
  • the number of irradiations can be set appropriately.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a conceptual configuration of a distance image sensor which is an example of a distance measuring device according to the present embodiment.
  • the distance image sensor includes a light receiving device 1, a control arithmetic device 2, and an irradiation device 3.
  • the irradiation device 3 irradiates the measurement object with the irradiation light L1 while adjusting (modulating) the intensity of the irradiation light L1.
  • the irradiation device 3 is, for example, a light emitting diode (LED) that outputs near infrared light.
  • the intensity of the irradiation light L1 is controlled by the control arithmetic device 2.
  • the light receiving device 1 includes a light receiving element group 11 and a received light amount acquisition unit 10.
  • the light receiving element group 11 includes a plurality of light receiving elements P1, P2, P3,... As illustrated in FIG. Each of the light receiving elements P1, P2, P3,... Receives the light reflected by the measurement object as reflected light L2.
  • a photodiode for example, a CCD (Charge-Coupled-Device) or a CMOS sensor
  • SMPD Single-Carrier-Modulation-Photo-Detector
  • the image sensor of Patent Document 5 is used as the light receiving element group 11, for example, a photodiode (for example, a CCD (Charge-Coupled-Device) or a CMOS sensor) or an SMPD (Single-Carrier-Modulation-Photo-Detector) (the image sensor of Patent Document 5) is used. Can be adopted.
  • SMPD is suitable because it has characteristics such as high sensitivity, high speed operation, wide dynamic range, wide spectral
  • the light receiving elements P1, P2, P3,... are two-dimensionally arranged, and in the example of FIG. Hereinafter, the light receiving elements P1, P2, P3,... Are collectively referred to as a light receiving element Pk.
  • the received light amount acquisition unit 10 acquires the received light amount of each light receiving element Pk.
  • the received light amount acquisition unit 10 includes a timing control unit 12, a row decoder 13, a column decoder 14, a correlated double sampling unit 15, an amplification unit 16, and an AD conversion unit 17 (FIG. 1).
  • the timing control unit 12 receives the clock signal CLK from the control arithmetic device 2. Based on the clock signal CLK, the timing control unit 12 notifies the selection timing to the row decoder 13 and the column decoder 14 in order to appropriately select the light receiving element Pk.
  • the row decoder 13 appropriately selects the light receiving elements Pk for each row based on the selection timing
  • the column decoder 14 appropriately selects the light receiving elements Pk for each column based on the selection timing.
  • the amount of light received by the selected light receiving element Pk is output to the correlated double sampling unit 15.
  • the correlated double sampling unit 15 suppresses noise of the received light amount and outputs the received light amount to the amplifying unit 16.
  • This correlated double sampling unit 15 is also timing-controlled by the timing control unit 12.
  • the amplifying unit 16 amplifies the received amount of received light and outputs it to the AD converting unit 17.
  • the AD conversion unit 17 converts the received light reception amount from analog data to digital data and outputs it to the control arithmetic unit 2.
  • the control arithmetic device 2 has a recording unit 23, and the amount of light received by each light receiving element Pk is recorded in the recording unit 23, for example.
  • the control arithmetic device 2 controls the modulation of the irradiation light L1 of the irradiation device 3 and the acquisition timing of the received light amount of the light receiving element Pk in the light receiving device 1, and measures each light receiving element Pk based on the acquired received light amount. Calculate the distance to the target. Thereby, the control arithmetic device 2 can generate distance image data.
  • the light receiving device 1 includes a plurality of light receiving elements Pk, but is not necessarily limited thereto. You may have only one light receiving element Pk.
  • Pk light receiving elements
  • the first to third embodiments techniques for measuring a distance to a measurement object using one light receiving element Pk will be described.
  • a technique for measuring the distance to the measurement object for each of the plurality of light receiving elements Pk will be described in a fourth embodiment.
  • the control arithmetic device 2 has an irradiation control unit 22.
  • the irradiation control unit 22 modulates the intensity of the irradiation light L ⁇ b> 1 of the irradiation device 3. More specifically, the irradiation control unit 22 generates, for example, a rectangular wave voltage, converts this voltage into a current, and then outputs the current to the irradiation device 3 as a control signal.
  • the irradiation device 3 modulates the intensity of the irradiation light L1 into a substantially rectangular wave according to the rectangular wave control signal, and outputs the irradiation light L1.
  • the intensity of the irradiation light L1 is inclined at the rise and fall.
  • the degree of rising inclination and the degree of falling inclination of the irradiation light L1 depend on the type of the irradiation device 3, or even if the same type is used, individual irradiation may occur due to manufacturing variations. Depends on the device 3.
  • the rising slope of the intensity of the irradiation light L1 is gentler than the falling slope.
  • the increasing rate (> 0) of the intensity at the rising edge with respect to time is smaller than the decreasing rate (> 0) of the intensity at the falling edge with respect to time.
  • the degree of inclination is exaggerated in FIG. The same applies to other drawings referred later.
  • the light receiving device 1 receives light in each of the periods T1 to T4 synchronized with the irradiation light L1.
  • the period T1 is a period that starts with a predetermined time difference from the time when the irradiation light L1 rises. In the example of FIG. 3, the period T1 starts from the time when the irradiation light L1 starts rising.
  • the period T2 is a period that starts at the time difference with respect to the time when the irradiation light L1 falls. In the example of FIG. 3, the period T2 starts from the time when the irradiation light L1 starts to fall.
  • the period T3 is a period between the periods T1 and T2, and the period T4 is a period following the period T2.
  • the periods T1 to T4 are periods having the same length, and hereinafter, the lengths of the periods T1 to T4 are also referred to as a period length ⁇ T.
  • the periods T1 to T4 are continuous in the order of the periods T1, T3, T2, and T4. That is, the period T3 starts following the period T1, the period T2 starts following the period T3, and the period T4 starts following the period T2.
  • the control arithmetic unit 2 includes a timing adjustment unit 21 and generates a clock signal CLK synchronized with, for example, the periods T1 to T4.
  • the clock signal CLK is output to the light receiving device 1, and the received light amount acquisition unit 10 causes the light receiving element Pk to receive light in the periods T1 to T4 based on the clock signal CLK.
  • the clock signal CLK is also input to the irradiation control unit 22.
  • the irradiation control unit 22 generates a rectangular wave control voltage based on the clock signal CLK and outputs it to the irradiation device 3. Accordingly, the periods T1 to T4 are defined relative to the intensity of the irradiation light L1 based on the clock signal CLK.
  • the light L4 received by the light receiving element Pk is also shown.
  • the light L4 includes reflected light L2 that is generated when the irradiation light L1 is reflected by the measurement target, and ambient light L3 that does not use the irradiation device 3 as a light source. That is, the light L4 is the sum of the reflected light L2 and the ambient light L3. Since the ambient light L3 can be considered to be substantially constant, the offset portion of the light L4 is the ambient light L3, and the waveform portion similar to the irradiation light L1 corresponds to the reflected light L2.
  • FIG. 3 illustrates a case where the delay time t between the irradiation light L1 and the reflected light L2 is shorter than the period length ⁇ T. Therefore, the reflected light L2 rises in the middle of the period T1, and falls in the middle of the period T2. Therefore, in the period T3 between the periods T1 and T2, the reflected light L2 takes a relatively large substantially constant value, and in the period T4 following the period T2, the reflected light L2 takes almost zero.
  • the light receiving element Pk continues to receive the light L4 in the periods T1 to T4, and the received light amounts A1 to A4 obtained thereby are output from the light receiving device 1 to the control arithmetic device 2.
  • the received light amount A4 corresponds to the received light amount obtained by receiving the ambient light L3. Therefore, if the received light amount A4 is subtracted from each of the received light amounts A1 to A3, the received light amount by the ambient light L3 can be removed from the received light amounts A1 to A3. That is, the received light amounts (hereinafter referred to as reflected light amounts) a1 to a3 obtained by receiving the reflected light L2 during the periods T1 to T3 can be calculated.
  • the reflected light amount a2 increases as the delay time t increases, and reflects the delay time t. However, the reflected light amount a2 also increases or decreases depending on the degree of the falling slope of the reflected light L2. More specifically, even if the delay time t does not change, the reflected light amount a2 increases as the falling slope of the reflected light L2 becomes gentler.
  • the difference (a3 ⁇ a1) between the reflected light amount a3 and the reflected light amount a1 increases as the delay time t increases, and reflects the delay time t.
  • the difference (a3-a1) increases and decreases depending on the rising slope of the reflected light L2. More specifically, even if the delay time t does not change, the difference (a3-a1) increases as the rising slope of the reflected light L2 becomes gentler.
  • the average value of the reflected light amount a2 and the difference (a3-a1) reflecting the delay time t is calculated.
  • the delay time t is calculated on the assumption that the ratio between the average value and the amount of reflected light a3 is equal to the ratio between the delay time t and the period length ⁇ T.
  • the calculated delay time t is referred to as a delay time t ′.
  • the delay time t ′ can be expressed by the following equation.
  • T ' ⁇ T. (A3-a1 + a2) / (2.a3) (4)
  • T ' ⁇ T ⁇ (A3-A1 + A2-A4) / ⁇ 2 ⁇ (A3-A4) ⁇ (5) (5)
  • the control arithmetic device 2 has a calculation unit 24, and the calculation unit 24 calculates the delay time t 'using the formula (4) or the formula (5).
  • the delay time t ′ calculated by the equation (4) or the equation (5) is strictly different from the delay time t. This is because, as described above, the amount of reflected light a2 increases and decreases depending on the degree of the falling slope of the reflected light L2, and the difference (a3-a1) increases and decreases depending on the degree of the rising slope of the reflected light L2. This is because the delay time t does not depend on these slopes.
  • T ' 1/2 ⁇ ⁇ T ⁇ (a3-a1) / a3 + ⁇ T ⁇ a2 / a3 ⁇ .... (6)
  • the first term in the curly brackets on the right side corresponds to time t1 in FIG.
  • the time t1 is the time from the beginning of the period T1 to the central point of the rise of the reflected light L2.
  • the second term in parentheses on the right side corresponds to time t2 in FIG.
  • Time t2 is the time from the beginning of the period T2 to the central point of the fall of the reflected light L2. Therefore, Formula (6) can be transformed into the following formula.
  • the average value of the time t1 obtained using the reflected light amount a1 on the rising side of the reflected light L2 and the time t2 obtained using the reflected light amount a2 on the falling side of the reflected light L2 is calculated. It is calculating.
  • T1 ⁇ T ⁇ (a3-a1) / a3 (8)
  • Formula (8) is the same formula as Formula (3).
  • the time t1 calculated in this way increases or decreases depending on the rising slope of the reflected light L2, whereas the delay time t does not depend.
  • the time t1 takes a larger value as the rising slope of the reflected light L2 becomes gentler. That is, the error increases.
  • Formula (9) is the same formula as Formula (2).
  • the time t2 calculated in this way increases or decreases depending on the degree of the falling slope of the reflected light L2, whereas the delay time t does not depend.
  • the time t2 takes a larger value as the inclination of the falling of the reflected light L2 becomes gentler. That is, the error increases.
  • the rising slope of the reflected light L2 is gentler than the falling slope of the reflected light L2, so the time t2 calculated using the equation (9) takes a value close to the delay time t, The time t1 calculated using the equation (8) takes a value far from the delay time t. That is, the error is smaller when it is calculated using the equation (9).
  • the relationship between the rising slope and falling slope of the reflected light L2 (which is gentler) is not limited to FIG.
  • the rising slope and the falling slope of the irradiation light L1 depend on the type of the irradiation device 3, and even on the same type, depending on the individual irradiation devices 3 due to manufacturing variations. Because.
  • the degree of rising and falling inclinations of the light L4 depends not only on the irradiation light L1, but also on the type of the light receiving device 1, and even if the same type is used, individual irradiation devices due to manufacturing variations. 3 also depends. Therefore, the degree of rise and fall of the reflected light L2 depends on the irradiation device 3 and the light receiving device 1.
  • the calculated time t1 may be a value close to the delay time t depending on the irradiation device 3 and the light receiving device 1 employed, and the error may be small. May be large. The same applies when only equation (8) is used.
  • the average value of the times t1 and t2 is calculated as the time t ′. Therefore, the worst value of the error can be avoided no matter what irradiation device 3 and light receiving device 1 are used.
  • the calculation unit 24 calculates the distance R to the measurement target based on the calculated delay time t ′.
  • the delay time t ′ is a time required for the irradiation light L1 to reach the measurement target from the irradiation device 3 and to reach the light receiving device 1 from the measurement target. Therefore, for example, assuming that the distance from the measurement target to the light receiving device 1 and the distance from the measurement target to the irradiation device 3 are equal to each other, the distance R is calculated by the following equation using the speed of light c.
  • the period T1 starts from the time when the irradiation light L1 starts to rise.
  • the period T1 may start with a delay of a predetermined time difference ⁇ t from that time point.
  • the delay time t ′ may be calculated by adding the time difference ⁇ t to the time calculated on the right side of Expression (4) or Expression (5).
  • t ′ ⁇ t + ⁇ T ⁇ (a3 ⁇ a1 + a2) / (2 ⁇ a3) (11)
  • t ′ ⁇ t + ⁇ T ⁇ (A3-A1 + A2-A4) / ⁇ 2 ⁇ (A3-A4) ⁇ (12)
  • the present invention is not necessarily limited thereto.
  • the light receiving device 1 when the light receiving device 1 that can receive light while removing the ambient light L3 is adopted, the light receiving device 1 can acquire the reflected light amounts a1 to a3 in the periods T1 to T3, so that the light receiving device 1 receives light in the period T4. do not have to.
  • the delay time t ′ is longer than the period length ⁇ T, the delay time t ′ cannot be appropriately calculated even using the equation (4) or the equation (5). Therefore, when the delay time t ′ is shorter than the period length ⁇ T, the distance cannot be calculated. In other words, the measurable distance is limited to a value approximately equal to c ⁇ ⁇ T / 2, for example. Therefore, in the second embodiment, it is intended to extend the measurable distance on the premise that the light receiving amount A4 is received in the period T4.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a conceptual configuration of a distance image sensor that is a distance measuring device according to the second embodiment. This distance image sensor is different from the distance image sensor of FIG.
  • the control arithmetic device 2 further includes an estimation unit 25 as compared with the first embodiment.
  • the estimation unit 25 estimates whether or not the delay time t ′ is longer than the period length ⁇ T before calculating the delay time t ′. This estimation can be performed by judging the magnitude relationship of the amount of received light. This will be described in detail below.
  • the received light amount A3 is larger than the received light amount A2.
  • the received light amount A1 is larger than the received light amount A4.
  • the delay time t ′ is longer than the period length ⁇ T, as shown in FIG. 6, for example, the received light amount A3 is smaller than the received light amount A2, and the received light amount A1 is smaller than the received light amount A4.
  • the estimation unit 25 determines the magnitude relationship between the received light amounts A2 and A3 or the magnitude relationship between the received light amounts A1 and A4.
  • the determination of the magnitude relationship can be performed using, for example, a known comparator.
  • the estimation unit 25 determines that the received light amount A3 is greater than the received light amount A2, or the received light amount A1 is greater than the received light amount A4, the estimation unit 25 estimates that the delay time t ′ is shorter than the period length ⁇ t. .
  • the calculation unit 24 calculates the delay time t ′ using Expression (5) in the same manner as in the first embodiment.
  • the estimation unit 25 estimates that the delay time t ′ is longer than the period length ⁇ T
  • the calculation unit 24 calculates the delay time t ′ as described below.
  • the light L4 always takes a small value in the period T1, as illustrated in FIG. That is, the received light amount A1 in the period T1 does not include the received light amount by the reflected light L2, and the received light amount A1 is the received light amount by the ambient light L3. Therefore, by subtracting the received light amount A1 from each of the received light amounts A2 to A4 in each of the periods T2 to T4, it is possible to obtain the received light amount in which the influence of the ambient light L3 is removed in each of the periods T2 to T4.
  • the reflected light L2 rises in the middle of the period T3, falls in the middle of the period T4, and always takes a large value in the period T2.
  • the received light amounts A2, A3 and A4 in FIG. 6 correspond to the received light amounts A3, A1 and A2 in FIG. 3, and the received light amount A1 in FIG. 6 corresponds to the received light amount A4 in FIG.
  • T ' ⁇ T. (A2-A3 + A4-A1) / ⁇ 2. (A2-A1) ⁇ .... (13)
  • the time t ′ calculated using the equation (13) is an average value of the times t1 and t2 in FIG. That is, it is an average value of the time t1 from the start of the period T3 to the central point of the rise of the reflected light L2, and the time t2 from the start of the period T4 to the central point of the fall of the reflected light L2. Therefore, as can be understood from FIG. 6, the delay time t ′ can be calculated by adding the period length ⁇ T to the time calculated using the equation (13). When this is formulated, the following equation is derived.
  • T ' ⁇ T + ⁇ T ⁇ (A2-A3 + A4-A1) / ⁇ 2 (A2-A1) ⁇ Service name: ... (14)
  • the calculation unit 24 calculates the delay time t ′ using Expression (5), and the delay time t ′ is When the estimation unit 25 estimates that it is longer than the period length ⁇ T, the calculation unit 24 calculates the delay time t ′ using Expression (14).
  • the delay time t ′ can be appropriately calculated, and the measurable distance can be extended to c ⁇ ⁇ T, for example.
  • the delay time t ′ when the delay time t ′ is longer than twice the period length ⁇ T, the delay time t ′ cannot be calculated appropriately. Therefore, in the third embodiment, it is intended to further increase the measurable distance.
  • An example of a conceptual configuration of a distance image sensor that is a distance measuring device according to the third embodiment is the same as that of the second embodiment.
  • the estimation unit 25 also estimates whether the delay time t is longer than twice the period length ⁇ T before calculating the delay time t ′.
  • the estimation unit 25 determines the magnitude relationship between the received light amounts A2 and A4, for example. This determination of the magnitude relationship can also be realized using a known comparator.
  • the estimation unit 25 estimates that the delay time t ′ is smaller than twice the period length ⁇ T. At this time, as described in the second embodiment, the calculation unit 24 appropriately calculates the delay time t ′ using Expression (5) or Expression (14).
  • the estimation unit 25 estimates that the delay time t ′ is greater than twice the period length ⁇ T2. At this time, the calculation unit 24 calculates the delay time t ′ using one of the following equations.
  • Equation (15) and Equation (16) corresponds to time t1 in FIG.
  • the time t1 is the time from the beginning of the period T2 to the central point of the rise of the reflected light L2.
  • the delay time t ′ is longer than twice the period length ⁇ T
  • the time t1 is used as it is without using the average value of the times t1 and t2. Therefore, the effect described in the first embodiment is not invited at this time.
  • the measurable distance is extended at the expense of accuracy. At this time, the measurable distance can be extended to c ⁇ ⁇ T ⁇ 3/2, for example.
  • the delay time t ′ is zero. It becomes. Therefore, when the calculated delay time t ′ can be regarded as substantially zero, the control arithmetic device 2 may determine that the distance cannot be measured.
  • the plurality of light receiving elements Pk are arranged in a matrix as shown in FIG. Referring also to FIGS. 1 and 5, the plurality of light receiving elements Pk are selected for each row by the row decoder 13, and the received light amount of the selected light receiving elements Pk by the column decoder 14 is correlated double sampling for each column. Sent to section 15.
  • the irradiation device 3 repeatedly uses the irradiation light L1 having a substantially rectangular wave shape. Irradiate.
  • the period of the irradiation light L1 is also referred to as an irradiation period.
  • the sensitivity part accumulates an amount of electric charge corresponding to light received by applying a voltage to the corresponding gate electrode.
  • a light receiving element Pk can be manufactured using a so-called CCD.
  • FIG. 8 schematically shows an example of the irradiation light L1 and the gate voltages V1 to V4 applied to the gate electrode.
  • the row decoder 13 selects, for example, the first row of the light receiving elements Pk in the irradiation period T11, and applies the gate voltages V1 to V4 to the gate electrodes of the selected light receiving elements Pk in the periods T1 to T4, respectively.
  • charges corresponding to the received light amounts A1 to A4 are accumulated in the respective sensitivity portions of the light receiving elements Pk in the first row.
  • the stored charges are output to the correlated double sampling unit 15 by the column decoder 14, and the received light amounts A 1 to A 4 (charges) of the selected light receiving element Pk are passed through the amplifying unit 16 and the AD converting unit 17. It is output to the control arithmetic unit 2.
  • the row decoder 13 selects the light receiving elements Pk in the second column, and in the periods T1 to T4 in the irradiation period T12, the gates are respectively connected to the gate electrodes of the light receiving elements Pk in the second column. Voltages V1 to V4 are applied. As a result, charges corresponding to the received light amounts A1 to A4 are accumulated in the respective sensitivity portions of the light receiving elements Pk in the second row.
  • the stored charges are output to the correlated double sampling unit 15 by the column decoder 14, and the received light amounts A 1 to A 4 (charges) of the selected light receiving element Pk are passed through the amplifying unit 16 and the AD converting unit 17. It is output to the control arithmetic unit 2.
  • the received light amounts A1 to A4 are output to the control arithmetic unit 2 as described above while sequentially changing the rows to be selected. As a result, the received light amounts A1 to A4 of all the light receiving elements Pk are output to the control arithmetic unit 2.
  • the calculation unit 24 calculates the distance for each light receiving element Pk using the received light amounts A1 to A4 obtained for each light receiving element Pk as described in the first to third embodiments.
  • each light receiving element Pk four sensitivity units are provided for each light receiving element Pk, but the present invention is not limited to this.
  • the light receiving element Pk is, for example, an SMPD
  • four capacitors may be provided in a region different from the light receiving element group 11. These capacitors can be provided in the correlated double sampling unit 15, for example.
  • FIG. 9 shows one light receiving element Pk. When this single light receiving element Pk is selected by the row decoder 13, a current is passed to the IV converter 18 in accordance with the light received. The IV conversion unit 18 converts the input current into a voltage and outputs the voltage to the correlated double sampling unit 15.
  • the correlated double sampling unit 15 is provided with four switches S1 to S4 and four capacitors C1 to C4 for the amount of received light.
  • the switches S1 to S4 are controlled by the timing control unit 12, for example. Therefore, the timing control unit 12 can be grasped as a control unit that controls the switches S1 to S4.
  • the switch S1 and the capacitor C1 are connected in series with each other, and when the switch S1 is turned on, the voltage from the IV converter 18 is charged in the capacitor C1. The same applies to the switch S2 and the capacitor C2, the switch S3 and the capacitor C3, and the switch S4 and the capacitor C4.
  • the voltages of these four capacitors C1 to C4 are respectively input to the amplifying unit 16 via the switch S10.
  • the switch S10 is controlled by, for example, the timing control unit 12 and selectively inputs any one of the voltages of the capacitors C1 to C4 to the amplification unit 16.
  • the correlated double sampling unit 15 is provided with a switch S0 and a capacitor C0 for resetting.
  • the switch S0 is controlled by, for example, the timing control unit 12, and is turned on, for example, when the IV conversion unit 18 is in a reset state. Therefore, the reset capacitor C0 is charged with a voltage by a current that flows when the light receiving element Pk is not receiving light.
  • the voltage of the reset capacitor C0 is input to the amplifying unit 16 via the switch S10.
  • the amplifying unit 16 is a differential amplifier, and any one of the voltages of the capacitors C1 to C4 is selectively input, and the voltage of the capacitor C0 is input.
  • the amplifying unit 16 subtracts the voltage of the capacitor C0 from any one of the capacitors C1 to C4, amplifies the result, and outputs the result. Thereby, the influence by the offset variation of the IV converter 18 can be removed.
  • the output from the amplifying unit 16 is input to the AD converting unit 17.
  • the AD conversion unit 17 converts the input analog value (capacitor voltage) into a digital value and outputs it to the control arithmetic unit 2.
  • the portions corresponding to the gate electrode and the sensitivity portion described above function as the switches S1 to S4 and the capacitors C1 to C4.
  • An example of the operation according to this structure is the same as in FIG. 8, and the gate voltages V1 to V4 may be regarded as the switch signals of the switches S1 to S4.
  • control arithmetic unit 2 can receive the received light amounts A1 to A4 for each light receiving element Pk. Moreover, since it is not necessary to provide four gate electrodes for each light receiving element Pk, the manufacturing cost can be reduced.
  • FIG. 10 shows one light receiving element Pk.
  • the correlated double sampling unit 15 is provided with one switch S1 and one capacitor C1 for the amount of received light.
  • the correlated double sampling unit 15 is provided with a reset switch S0 and a capacitor C0.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a timing chart.
  • the irradiation control unit 22 controls the irradiation device 3 to repeatedly irradiate the irradiation light L1 having a substantially rectangular wave shape.
  • the capacitor C1 is charged with a voltage corresponding to any of the received light amounts A1 to A4.
  • the switch S1 is turned on in the period T1 within the first irradiation cycle T11. As a result, a voltage corresponding to the received light amount A1 is charged in the received light amount capacitor C1.
  • a switch S1 and a capacitor C1 are provided for each row of the light receiving elements Pk. Then, a voltage corresponding to the received light amount A1 of the light receiving element Pk selected by the row decoder 13 is charged in the corresponding capacitor C1.
  • the discharge unit 151 includes, for example, a discharge switch and a resistor connected in series with each other, and the series connection body is connected in parallel to the capacitor C1. By turning on this discharge switch, the capacitor can be discharged.
  • the switch S1 is turned on in the period T3.
  • the capacitor C1 is charged with a voltage corresponding to the received light amount A3.
  • This voltage is also output to the control arithmetic unit 2 as the amount of received light A3 via the amplifier 16 and the AD converter 17.
  • the received light amount A2 of the light receiving element Pk selected by the row decoder 13 can be acquired.
  • the capacitor C1 is discharged.
  • the received light amounts A2 and A4 are output to the control arithmetic unit 2, respectively. Thereby, the received light amounts A2 and A4 can be obtained for each light receiving element Pk in the selected row.
  • the light receiving elements Pk are sequentially selected for each row, and the received light amounts A1 to A4 of the respective light receiving elements Pk are output to the control arithmetic unit 2 as described above.
  • the received light amounts A1, A3, A2, and A4 of all the light receiving elements Pk can be acquired. Therefore, the distance can be calculated for each light receiving element Pk.
  • one switch and one capacitor for the amount of received light are sufficient, and therefore the number of switches and capacitors for the amount of received light can be reduced.
  • the received light amounts A1 to A4 are obtained at different irradiation periods T11 to T14, an error is likely to occur in the calculated distance if the measurement target is moving.
  • the four switches S1 to S4 and the four capacitors C1 to C4 are provided as shown in FIG. 9, the received light amounts A1 to A4 can be acquired in one irradiation cycle, so that the error can be reduced.
  • the received light amounts A1 to A4 are acquired for each row.
  • the present invention is not limited to this, and the received light amounts A1 to A4 may be obtained for each frame. That is, in the irradiation cycle T11, the received light amount A1 of the first row of light receiving elements Pk is acquired, in the irradiation cycle T12, the received light amount A1 of the second row of light receiving elements Pk is acquired,..., The Nth irradiation cycle. , The received light amount A1 of the light receiving element Pk in the Nth row is acquired. Thereby, frame data for the received light amount A1 can be obtained.
  • the received light amount A3 of the light receiving element Pk in each row is acquired, and the frame data regarding the received light amount A3 is acquired.
  • frame data for the received light amounts A2 and A4 are acquired.
  • the received light amounts A1 to A4 are acquired.
  • the time required to do this is relatively short. Therefore, the error can be made relatively small.
  • the light receiving amounts A1 to A4 of the light receiving element Pk for which the distance has been calculated can be deleted from the recording unit 23.
  • the received light amounts A1 to A4 of other light receiving elements Pk may be overwritten.
  • the received light amounts A1 to A4 are obtained by receiving light in the periods T1 to T4.
  • the received light amounts A1 to A4 cannot be sufficiently obtained by receiving light only in the periods T1 to T4.
  • the intensity of the irradiation light L1 is small, when the sensitivity of the light receiving element Pk is low, or when the reflectance of the measurement target is low, a sufficient amount of received light may not be acquired.
  • the substantially rectangular wave-shaped irradiation light L1 is repeatedly irradiated, and the light receiving element Pk continues to receive the light L4 (or the reflected light L2) in the period T1 in each of the plurality of irradiation cycles. Thereby, the received light amount A1 for a plurality of periods in the irradiation period is acquired. The same applies to the received light amounts A2 to A4.
  • FIG. 12 shows an example of a timing chart.
  • the structure of FIG. 9 will be described as an example.
  • the switches S1 to S4 are turned on, respectively.
  • the capacitors C1 to C4 are charged with voltages according to the received light amounts A1 to A4.
  • the switches S1 to S4 are also turned on during the periods T1 to T4 in the subsequent irradiation cycle T12. Since the capacitors C1 to C4 are not discharged in the irradiation cycles T11 and T12, the capacitors C1 to C4 are charged with voltages corresponding to the received light amounts A1 to A4 for two cycles in the irradiation cycle.
  • the switches S1 to S4 are turned on in the periods T1 to T4 in the subsequent irradiation cycles T13 and T14, respectively.
  • the capacitors C1 to C4 are charged with voltages corresponding to the received light amounts A1 to A4 for four cycles.
  • the voltage according to the received light amounts A1 to A4 can be improved, and the measurement accuracy can be improved.
  • the received light amount obtained when the substantially rectangular wave irradiation light L1 is irradiated four times is used.
  • the number of irradiations (hereinafter referred to as the number of measurement irradiations) is not limited to four. In short, the number of times that a sufficient amount of received light (or reflected light amount) can be obtained is sufficient.
  • a method for determining the number of irradiations will be described.
  • the received light amounts A1 and A2 (or reflected light amounts a1 and a2) depend on the delay time t, whereas the received light amount A3 (or reflected light amount a3, and so on) (see FIG. 3). ) Does not depend on the delay time t. Therefore, the number of irradiations (irradiation cycle) is determined using the received light amount A3.
  • the substantially rectangular wave irradiation light L1 is irradiated a plurality of times. And in each of the periods T3 for the plurality of irradiation cycles, the reflected light L2 is integrated and received. The amount of received light thus obtained is compared with a predetermined reference value for each irradiation cycle. When the obtained amount of received light is smaller than the reference value, the reflected light L2 is integrated and received during the period T3 for the next irradiation cycle, and the obtained amount of received light is compared with the reference value again. Then, when the obtained amount of received light exceeds the reference value, the number of irradiations is determined as the number of measurement irradiations.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a conceptual configuration of a portion corresponding to one light receiving element.
  • a comparison unit 19 is further provided as compared to FIG. 10.
  • the reference value Vref and the voltage V1 across the capacitor C1 are input to the comparison unit 19.
  • the comparison unit 19 compares the magnitude relationship between the both-end voltage V1 and the reference value Vref, and outputs the result to the control calculation unit 2.
  • FIG. 14 shows an example of a timing chart.
  • the irradiation control unit 22 repeatedly irradiates the irradiation device 3 with the irradiation light L1 having a substantially rectangular wave. Then, the switch S1 is turned on in each of the periods T3 for the irradiation periods T11 to T14. Each time the switch S1 is turned on, the voltage V1 across the capacitor C1 increases. In the illustration of FIG. 14, the both-ends voltage V1 (that is, the both-ends voltage V1 corresponding to the received light amount A3 for four times) exceeds the reference value Vref in the fourth irradiation cycle T14. Therefore, at this time, the comparison unit 19 outputs that the voltage V1 between both ends exceeds the reference value Vref.
  • the both-ends voltage V1 corresponding to the received light amount A3 for four times is output to the control calculation unit 2 via the amplifier 16 and the AD conversion unit 17.
  • the timing of this output should just be performed by the timing control part 12, for example.
  • the timing control unit 12 can obtain, for example, the above-described measurement irradiation frequency from the result of the comparison unit 19 and the clock signal CLK.
  • the voltage V1 at both ends is discharged using the discharge unit 151.
  • the reflected light L2 is integrated and received (ie, the switch S1 is turned on to charge the capacitor C1 with a voltage corresponding to the received light amount A1 for four times).
  • the obtained light reception amount A1 (both-end voltage V1) is output to the control calculation unit 2 via the amplifier 16 and the AD conversion unit 17. The same applies to the received light amounts A3 and A4.
  • the number of measurement irradiations is determined using the received light amount A3 that does not depend on the delay time t, the number of measurement irradiations is set appropriately even when the reflectance of the measurement target is small. As a result, a sufficient amount of received light can be obtained.
  • the received light amounts A1 to A4 it is not always necessary to use the received light amounts A1 to A4 in the periods T1 to T4, and when the light receiving element Pk can receive the reflected light amounts a1 to a3 in the periods T1 to T3.
  • the reflected light amounts a1 to a3 may be used.
  • the number of irradiations when the received light amount A3 for any one of the light receiving elements Pk exceeds the reference value may be determined as the number of measurement irradiations. If the number of times of irradiation when the amount of light received A3 of all the light receiving elements Pk exceeds the reference value is determined as the number of times of irradiation measurement, the amount of received light A3 of some light receiving elements Pk may exceed the upper limit value capable of receiving light. It is.

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Abstract

　照射装置は、照射光Ｌ１の強度を略矩形波で変調しながら、測定対象へと照射光Ｌ１を照射する。受光素子は、照射光Ｌ１のうち当該測定対象で反射した光を反射光として受光する。第１期間Ｔ１から第３期間Ｔ３のいずれもが同じ期間長さΔＴを有する。第１期間Ｔ１は、照射光Ｌ１の立ち上がり時点に対して所定の時間差で始まり、第２期間Ｔ２は、照射光Ｌ１が立ち下がる時点に対して当該時間差で始まり、第３期間Ｔ３は、第１期間Ｔ１と第２期間Ｔ２との間の期間である。算出部は、第１期間Ｔ１から第３期間Ｔ３のそれぞれにおいて、反射光Ｌ２を受光して得られる第１反射光量ａ１、第２反射光量ａ２、および、第３反射光量ａ３を用いて、ΔＴ・（ａ３－ａ１＋ａ２）／（２・ａ３）で表される式に基づいて時間を算出し、当該時間に基づいて、測定対象までの距離を算出する。

Description

距離測定装置
　本発明は、距離測定装置に関する。
　従来から、測定対象までの距離を測定する距離測定装置が提案されている。この距離測定装置は照射装置と受光装置とを備えている。照射装置は、例えば図１５に示すように、照射光Ｌ１’を出力する。図１５の例示では、照射光Ｌ１’の強度が矩形波となるように、その強度が変調されている。この照射光Ｌ１’は測定対象で反射し、反射した光が受光装置によって受光される。よって、この受光装置の検出値（反射光Ｌ２’）は、照射装置で照射された照射光Ｌ１’よりも遅れる。より具体的には、反射光Ｌ２’は、測定対象までの距離に応じた時間（以下、遅れ時間と呼ぶ）ｔだけ、遅れる。
　よって、この遅れ時間ｔを算出することで、測定対象までの距離を算出することができる。そこで、この遅れ時間ｔを算出すべく、次で説明する期間Ｔ１’，Ｔ２’における受光量（反射光量とも呼ぶ）Ａ１’，Ａ２’を、受光装置を用いて取得する。期間Ｔ１’は例えば照射光Ｌ１’が立ち上がる時点から立ち下がる時点までの期間であり、期間Ｔ２’は、期間Ｔ１’と同じ長さ（以下、期間長さとも呼ぶ）ΔＴ’を有し、期間Ｔ１’に続く期間である。
　図１５から理解できるように、反射光量Ａ２’は、遅れ時間ｔに応じた値を採り、遅れ時間ｔが長いほど大きな値を採る。しかも、反射光量Ａ１’，Ａ２’の和は、期間長さΔＴ’に応じた値を採る。よって、遅れ時間ｔと期間長さΔＴ’との比は、反射光量Ａ２’と、反射光量Ａ１’，Ａ２’の和との比と等しい。よって、以下の式を用いて、遅れ時間ｔを算出することができる。
　ｔ＝ΔＴ’・Ａ２’／（Ａ１’＋Ａ２’）　　　・・・（１）
　また、本発明に関連する技術として、特許文献１～５が開示されている。
特許第４２３５７２９号公報 特許第３８４０３４１号公報 特許第３７５８６１８号公報 特許第３９０６８５８号公報 米国特許２０１３００５６７０８号明細書
　しかしながら、照射光Ｌ１’の強度を完全な矩形波と一致させることは難しい。実際には、例えば図１６に示すように、照射光Ｌ１’の強度は、時間の経過と共に徐々に立ち上がり、一定値を採った後で、時間の経過と共に徐々に立ち下がる。この照射光Ｌ１’の立ち上がりの傾斜の程度、および、立ち下がりの傾斜の程度は、照射装置の種類、または、製造バラツキなどに依存する。図１６の例示では、立ち上がりの傾斜の程度と、立ち下がりの傾斜の程度とは互いに異なっている。
　図１７に示すように、反射光Ｌ２’の立ち上がり、および、立ち下がりも、照射光Ｌ１’に依存して傾斜する。よってこのとき、反射光量Ａ１’，Ａ２’の和は、期間長さΔＴ’に対応する矩形波の反射光Ｌ２’の反射光量とは一致しない。
　そこで、期間長さΔＴ’に対応する反射光Ｌ２’の反射光量を取得すべく、図１７に示すように、３つの期間Ｔ１’～Ｔ３’を設定することを考える。なおこの考えは、従来技術ではなく、本願によって開示される新しい考えである。
　期間Ｔ１’～Ｔ３’は互いに同じ期間長さΔＴ’を有する。期間Ｔ１’は、照射光Ｌ１’が立ち上がり始める時点から始まり、期間Ｔ２’は、照射光Ｌ１’が立ち下がり始める時点から始まる。期間Ｔ３’は、期間Ｔ１’，Ｔ２’の間の期間である。
　反射光Ｌ２’は期間Ｔ３’において常に高い値を採るので、期間Ｔ３’における反射光量Ａ３’は、期間長さΔＴ’に対応する反射光Ｌ２’の反射光量に相当する。
　よって、遅れ時間ｔを以下の式を用いて算出できる。
　ｔ＝ΔＴ’・Ａ２’／Ａ３’　　　・・・（２）
　しかしながら、反射光量Ａ２’には、遅れ時間ｔに依存する第１部分ａ２１と、遅れ時間ｔには依存せずに、反射光Ｌ２の立ち下がりに依存する第２部分ａ２２とが含まれる。この第２部分ａ２２は、式（２）を用いて算出した遅れ時間ｔの誤差を招く。この第２部分ａ２２は、反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜が緩やかであるほど大きいので、傾斜が緩やかであるほど、誤差は大きい。
　また反射光量Ａ３’から反射光量Ａ１’を減算した部分Ａ３１’（＝Ａ３’－Ａ１’）は、反射光量Ａ２’と同様に、遅れ時間ｔにも依存する。よって、遅れ時間ｔを以下の式を用いて算出できる。
　ｔ＝ΔＴ’・（Ａ３’－Ａ１’）／Ａ３’　　　・・・（３）
　なお、部分Ａ３１’には、遅れ時間ｔに依存する第１部分ａ３１と、遅れ時間ｔには依存せずに、反射光Ｌ２’の立ち上がりに依存する第２部分ａ３２とが含まれる。よって式（３）を用いて算出した遅れ時間ｔには、反射光Ｌ２’の立ち上がりに起因する誤差が含まれる。この第２部分ａ３２は、反射光Ｌ２’の立ち上がりの傾斜が緩やかであるほど大きいので、立ち上がりの傾斜が緩やかであるほど、誤差は大きい。
　さて、反射光Ｌ２’の立ち上がりの程度、および、立ち下がりの程度は、照射装置および受光装置の種類に依存する。また、照射装置および受光装置の製造バラツキによっても、これらは異なる。
　そして、例えば図１７に示すように、反射光Ｌ２’の立ち上がりの傾斜が反射光Ｌ２’の立ち下がりの傾斜よりも急峻である場合には、式（３）による誤差は、式（２）による誤差よりも小さい。しかしながら、その逆に、反射光Ｌ２’の立ち上がりの傾斜が反射光Ｌ２’の立ち下がりの傾斜よりも緩やかである場合には、式（３）による誤差は、式（２）による誤差よりも大きくなる。
　このように、式（２）または式（３）を用いた場合には、照射装置および受光装置によっては、大きな誤差を招くことになる。
　そこで、本発明は、誤差の最悪値を回避できる距離測定装置を提供することを目的とする。
　本発明にかかる距離測定装置の第１の態様は、照射光の強度を変調しながら、測定対象へと前記照射光（Ｌ１）を照射する照射装置（３）と、前記照射光のうち前記測定対象で反射した光を、反射光（Ｌ２）として受光する受光素子（１）と、いずれもが同じ期間長さΔＴを有する期間であって、前記照射光の立ち上がり時点に対して所定の時間差で始まる第１期間（Ｔ１）、前記照射光が立ち下がる時点に対して前記時間差で始まる第２期間（Ｔ２）、および、前記第１期間と前記第２期間との間の第３期間（Ｔ３）において、それぞれ、前記反射光を受光して得られる第１反射光量ａ１、第２反射光量ａ２、および、第３反射光量ａ３を用いて、ΔＴ・（ａ３－ａ１＋ａ２）／（２・ａ３）で表される式に基づいて時間を算出し、前記時間に基づいて、前記測定対象までの距離を算出する算出部（２４）とを備える。
　本発明にかかる距離測定装置の第２の態様は、第１の態様にかかる距離測定装置であって、前記受光素子（１）は、前記反射光と、前記照射光を光源としない周囲光とを受光し、前記算出部（２４）は、前記受光素子がそれぞれ前記第１期間（Ｔ１）から前記第３期間（Ｔ３）において受光する第１受光量Ａ１から第３受光量Ａ３と、前記受光素子が、前記第１期間から前記第３期間と同じ期間長さΔＴを有し、前記反射光の強度が零である第４期間（Ｔ４）において、受光する第４受光量Ａ４とを用いて、ΔＴ・（Ａ３－Ａ１＋Ａ２－Ａ４）／｛２・（Ａ３－Ａ４）｝で表される式に基づいて前記時間を算出する。
　本発明にかかる距離測定装置の第３の態様は、第２の態様にかかる距離測定装置であって、前記時間の算出前に、前記時間と前記期間長さと長短を推定する推定部（２５）を更に備え、前記算出部（２４）は、前記時間が前記期間長さよりも短いと推定されるときに、ΔＴ・（Ａ３－Ａ１＋Ａ２－Ａ４）／｛２・（Ａ３－Ａ４）｝で表される式に基づいて前記時間を算出し、前記時間が前記期間長さよりも長いと推定されるときに、ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２－Ａ３＋Ａ４－Ａ１）／｛２・（Ａ２－Ａ１）｝で表される式に基づいて前記時間を算出する。
　本発明にかかる距離測定装置の第４の態様は、第３の態様にかかる距離測定装置であって、前記推定部（２４）は、前記第３受光量（Ａ３）が前記第２受光量（Ａ２）よりも大きいとき、または、前記第１受光量（Ａ１）が前記第４受光量（Ａ４）よりも大きいときに、前記時間が前記期間長さよりも短いと推定し、前記第３受光量（Ａ３）が前記第２受光量（Ａ２）よりも小さいとき、または、前記第１受光量（Ａ１）が前記第４受光量（Ａ４）よりも小さいときに、前記時間が前記期間長さよりも長いと推定する。
　本発明にかかる距離測定装置の第５の態様は、第３または第４の態様にかかる距離測定装置であって、前記算出部は、前記時間が前記期間長さよりも長く、前記期間長さの２倍よりも短いと推定されるときに、ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２－Ａ３＋Ａ４－Ａ１）／｛２・（Ａ２－Ａ１）｝で表される式に基づいて前記時間を算出し、前記時間が前記期間長さの２倍よりも長いと推定されるときに、２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ４－Ａ２）／（Ａ４－Ａ１）もしくは、２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ４－Ａ２）／（Ａ４－Ａ３）で表される式に基づいて前記時間を算出する。
　本発明にかかる距離測定装置の第６の態様は、第５の態様にかかる距離測定装置であって、前記推定部は、前記第４受光量（Ａ４）が前記第２受光量（Ａ２）よりも小さいときに、前記時間が前記期間長さの２倍よりも短いと推定し、前記第４受光量（Ａ４）が前記第２受光量（Ａ２）よりも大きいときに、前記時間が前記期間長さの２倍よりも長いと推定する。
　本発明にかかる距離測定装置の第７の態様は、第２から第６のいずれか一つの態様にかかる距離測定装置であって、第１から第４のコンデンサ（Ｃ１～Ｃ４）と、前記受光素子（Ｐｋ）と、前記第１から前記第４のコンデンサとの間の導通／非導通をそれぞれ選択する第１から第４のスイッチ（Ｓ１～Ｓ４）と、前記第１期間から前記第４期間において、それぞれ前記第１から前記第４のスイッチをオンすることで、前記第１から前記第４のコンデンサにそれぞれ前記第１受光量から前記第４受光量に応じた電圧を充電させる制御部（１３）とを更に備える。
　本発明にかかる距離測定装置の第８の態様は、第２から第６のいずれか一つの態様にかかる距離測定装置であって、前記照射装置（３）は、略矩形波の前記照射光を少なくとも４回繰り返し照射し、前記距離測定装置は、コンデンサ（Ｃ１）と、前記受光素子（Ｐｋ）と、前記コンデンサとの導通／非導通を選択するスイッチ（Ｓ１）と、前記照射光についての第１照射周期内の前記第１期間において前記スイッチをオンして前記第１受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第２照射周期内の前記第２期間において前記スイッチをオンして、前記第２受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第３照射周期内の前記第３期間において前記スイッチをオンして、前記第３受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第４照射周期内の前記第４期間において前記スイッチをオンして、前記第４受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させる制御部（１３）とを更に備える。
　本発明にかかる距離測定装置の第９の態様は、第１から第８のいずれか一つの態様にかかる距離測定装置であって、前記照射装置は、略矩形波の前記照射光を繰り返して出力し、前記照射光についての複数回の照射周期のそれぞれに対する前記第３期間において、前記反射光を積算して受光することで得られる第４反射光量が、所定の基準値を超えたときに、前記第４反射光量を前記第３反射光量と把握し、前記第４反射光量が前記基準値を超えたときの回数の前記照射周期のそれぞれに対する前記第１期間において、前記反射光を積算して受光することで前記第１反射光量を取得し、前記回数の前記照射周期のそれぞれに対する前記第３期間において、前記反射光を積算して受光することで前記第２反射光量を取得する。
　本発明にかかる距離測定装置の第１の態様によれば、第３反射光量ａ３と第１反射光量ａ１との差（ａ３－ａ１）と第２反射光量との平均値と、第３反射光量ａ３との比が、算出する時間と期間長さΔＴとの比と等しいという関係式を用いて、当該時間を算出している。したがって、当該時間についての誤差も、差（ａ３－ａ１）に起因する誤差と、第２反射光に起因する誤差との平均にすることができる。これにより、誤差の最悪値を回避することができる。
　本発明にかかる距離測定装置の第２の態様によれば、受光素子が周囲光も受光する場合であっても、この周囲光の影響を抑制して時間を算出できる。
　本発明にかかる距離測定装置の第３の態様によれば、測定距離を伸ばすことができる。
　本発明にかかる距離測定装置の第４の態様によれば、受光量の比較により推定しているので、推定が容易である。
　本発明にかかる距離測定装置の第５の態様によれば、測定距離を更に伸ばすことができる。
　本発明にかかる距離測定装置の第６の態様によれば、受光量の比較により推定しているので、推定が容易である。
　本発明にかかる距離測定装置の第７の態様によれば、第１の態様にかかる距離測定装置の実現に資する。
　本発明にかかる距離測定装置の第８の態様によれば、コンデンサとスイッチの個数を低減して、第１期間から第４期間における第１受光量から第４受光量に応じた電圧を、コンデンサに充電させることができる。
　本発明にかかる距離測定装置の第９の態様によれば、照射回数を適切に設定することができる。
　この発明の目的、特徴、局面、および利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。
距離測定装置の概念的な構成の一例を示す図である。 受光素子群の概念的な構成の一例を示す図である。 照射光と、受光素子が受光する光との一例を模式的に示す図である。 照射光と、受光素子が受光する光との一例を模式的に示す図である。 距離測定装置の概念的な構成の一例を示す図である。 照射光と、受光素子が受光する光との一例を模式的に示す図である。 照射光と、受光素子が受光する光との一例を模式的に示す図である。 照射光と、受光タイミングとの一例を模式的に示す図である。 一つの受光素子に相当する部分の概念的な一例を示す図である。 一つの受光素子に相当する部分の概念的な一例を示す図である。 照射光と、受光タイミングとの一例を模式的に示す図である。 照射光と、受光タイミングとの一例を模式的に示す図である。 一つの受光素子に相当する部分の概念的な一例を示す図である。 照射光と、受光タイミングと、コンデンサの両端電圧との一例を模式的に示す図である。 照射光と、反射光との一例を模式的に示す図である。 照射光と、反射光との一例を模式的に示す図である。 照射光と、反射光との一例を模式的に示す図である。
　第１の実施の形態．
　＜１．距離測定装置の全体構成＞
　図１は、本実施の形態にかかる距離測定装置の一例たる距離画像センサの概念的な構成の一例を示す図である。本距離画像センサは、受光装置１と、制御演算装置２と、照射装置３とを備える。
　照射装置３は、照射光Ｌ１の強度を調整（変調）しながら、この照射光Ｌ１を測定対象へと照射する。照射装置３は、例えば近赤外光を出力する発光ダイオード（ＬＥＤ）である。照射光Ｌ１の強度は制御演算装置２によって制御される。
　受光装置１は受光素子群１１と受光量取得部１０とを備える。受光素子群１１は図２に例示するように複数の受光素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・を備える。受光素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・の各々は、測定対象で反射された光を反射光Ｌ２として受光する。かかる受光素子群１１としては、例えばフォトダイオード（例えばＣＣＤ（Charge-Coupled-Device）もしくはＣＭＯＳセンサ）、または、ＳＭＰＤ(Single-Carrier-Modulation-Photo-Detector)（特許文献５のイメージセンサ）などを採用することができる。特にＳＭＰＤは、高感度、高速動作、広いダイナミックレンジ、広い分光特性、製造容易性、低消費電力といった特性を有しているので、好適である。
　受光素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・は２次元に配列されており、図２の例示ではマトリックス状に配列される。以下では、受光素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・を総称して受光素子Ｐｋとも呼ぶ。
　受光量取得部１０は、各受光素子Ｐｋの受光量を取得する。例えば受光量取得部１０はタイミング制御部１２と行デコーダ１３と列デコーダ１４と相関二重サンプリング部１５と増幅部１６とＡＤ変換部１７とを備える（図１）。タイミング制御部１２は制御演算装置２からクロック信号ＣＬＫを受け取る。タイミング制御部１２はクロック信号ＣＬＫに基づいて、受光素子Ｐｋを適宜に選択すべく、行デコーダ１３および列デコーダ１４へとそれぞれ選択タイミングを通知する。行デコーダ１３は選択タイミングに基づいて受光素子Ｐｋを行ごとに適宜に選択し、列デコーダ１４は選択タイミングに基づいて受光素子Ｐｋを列ごとに適宜に選択する。
　選択された受光素子Ｐｋの受光量は相関二重サンプリング部１５に出力される。相関二重サンプリング部１５は公知のように受光量のノイズを抑えて当該受光量を増幅部１６へと出力する。この相関二重サンプリング部１５も、タイミング制御部１２によってタイミング制御される。増幅部１６は入力された受光量を増幅してＡＤ変換部１７へと出力する。ＡＤ変換部１７は入力された受光量をアナログデータからデジタルデータに変換して、制御演算装置２へと出力する。
　制御演算装置２は記録部２３を有しており、各受光素子Ｐｋの受光量は例えば記録部２３に記録される。
　制御演算装置２は、照射装置３の照射光Ｌ１の変調と、受光装置１における受光素子Ｐｋの受光量の取得タイミングとを制御するとともに、取得した受光量に基づいて、受光素子Ｐｋごとに測定対象までの距離を算出する。これにより、制御演算装置２は距離画像データを生成することができる。
　なお本実施の形態では、受光装置１は複数の受光素子Ｐｋを有しているものの、必ずしもこれに限らない。一つの受光素子Ｐｋのみを有していても良い。第１～第３の実施の形態では、一つの受光素子Ｐｋを用いて、測定対象までの距離を測定する技術について説明する。複数の受光素子Ｐｋごとに、測定対象までの距離を測定する技術については、第４の実施の形態で述べる。
　＜２．距離測定＞
　＜２－１．照射光＞
　制御演算装置２は、照射制御部２２を有している。照射制御部２２は、照射装置３の照射光Ｌ１の強度を変調する。より詳細には、照射制御部２２は例えば矩形波の電圧を生成し、この電圧を電流に変換した後に、その電流を制御信号として照射装置３へと出力する。照射装置３は、矩形波の制御信号に応じて、照射光Ｌ１の強度を略矩形波に変調して照射光Ｌ１を出力する。
　しかるに実際には、照射光Ｌ１の強度の形状を完全な矩形波と一致させることは困難であり、照射光Ｌ１の強度は、その立ち上がり、および、立ち下がりにおいて、傾斜する。この照射光Ｌ１の強度の立ち上がりの傾斜の程度、および、立ち下がりの傾斜の程度は、照射装置３の種類に依存し、或いは、同じ種類であっても製造上のばらつき等により、個々の照射装置３に依存する。
　図３の例示では、照射光Ｌ１の強度の立ち上がりの傾斜は、立ち下がりの傾斜よりも緩やかである。言い換えれば、立ち上がりにおける強度の時間に対する増大率（＞０）は、立ち下がりにおける強度の時間に対する低減率（＞０）よりも小さい。なお、傾斜を見やすくするように、図３では傾斜の程度を誇張して示している。後に参照する他の図面においても同様である。
　＜２－２．受光＞
　受光装置１は、照射光Ｌ１に同期した期間Ｔ１～Ｔ４の各々において受光する。期間Ｔ１は、照射光Ｌ１が立ち上がる時点に対して所定の時間差で始まる期間であり、図３の例示では、照射光Ｌ１が立ち上がり始める時点から始まっている。期間Ｔ２は、照射光Ｌ１が立ち下がる時点に対して当該時間差で始まる期間であり、図３の例示では、照射光Ｌ１が立ち下がり始める時点から始まっている。期間Ｔ３は期間Ｔ１，Ｔ２の間の期間であり、期間Ｔ４は期間Ｔ２に続く期間である。
　期間Ｔ１～Ｔ４は互いに同じ長さを有する期間であり、以下では、期間Ｔ１～Ｔ４の長さを期間長さΔＴとも呼ぶ。図３の例示では、期間Ｔ１～Ｔ４は、期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ２，Ｔ４の順で連続している。つまり期間Ｔ１に続いて期間Ｔ３が始まり、期間Ｔ３に続いて期間Ｔ２が始まり、期間Ｔ２に続いて期間Ｔ４が始まっている。
　制御演算装置２は、タイミング調整部２１を有しており、例えば期間Ｔ１～Ｔ４に同期するクロック信号ＣＬＫを生成する。このクロック信号ＣＬＫは受光装置１に出力され、受光量取得部１０は、クロック信号ＣＬＫに基づいて、期間Ｔ１～Ｔ４において受光素子Ｐｋに受光させる。一方で、クロック信号ＣＬＫは照射制御部２２にも入力される。照射制御部２２は、クロック信号ＣＬＫに基づいて、矩形波の制御電圧を生成し、照射装置３へと出力する。これにより、クロック信号ＣＬＫに基づいて、照射光Ｌ１の強度に対して期間Ｔ１～Ｔ４が相対的に規定されることになる。
　図３の例示では、受光素子Ｐｋが受光する光Ｌ４も示されている。この光Ｌ４は、照射光Ｌ１が測定対象で反射して生じる反射光Ｌ２と、照射装置３を光源としない周囲光Ｌ３とを含んでいる。つまり、光Ｌ４は反射光Ｌ２と周囲光Ｌ３との和となる。この周囲光Ｌ３はほぼ一定であるとみなすことができるので、光Ｌ４のうち、オフセット部分が周囲光Ｌ３であり、照射光Ｌ１と相似な波形部分が反射光Ｌ２に相当する。
　図３では、照射光Ｌ１と反射光Ｌ２との間の遅れ時間ｔが、期間長さΔＴよりも短い場合が例示されている。よって反射光Ｌ２は、期間Ｔ１の途中で立ち上がり、期間Ｔ２の途中で立ち下がる。したがって、期間Ｔ１，Ｔ２に挟まれる期間Ｔ３においては、反射光Ｌ２は比較的大きい略一定値を採り、期間Ｔ２に続く期間Ｔ４においては、反射光Ｌ２はほぼ零を採る。
　受光素子Ｐｋは、期間Ｔ１～Ｔ４において光Ｌ４をそれぞれ受光し続けて、これにより得られる受光量Ａ１～Ａ４が、受光装置１から制御演算装置２へと出力される。
　図３の例示では、期間Ｔ４において反射光Ｌ２はほぼ零であるので、受光量Ａ４は、周囲光Ｌ３を受光して得られる受光量に相当する。よって、受光量Ａ１～Ａ３の各々から受光量Ａ４を減算すれば、受光量Ａ１～Ａ３から周囲光Ｌ３による受光量を除去することができる。つまり、期間Ｔ１～Ｔ３において反射光Ｌ２を受光して得られる受光量（以下、反射光量と呼ぶ）ａ１～ａ３を、算出することができる。
　反射光量ａ２は、遅れ時間ｔが長いほど大きくなり、遅れ時間ｔを反映している。しかるに反射光量ａ２は、反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜の程度によっても増減する。より具体的には、遅れ時間ｔが変わらなくても、反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜が緩やかになるほど、反射光量ａ２は増大する。
　反射光量ａ３と反射光量ａ１との差（ａ３－ａ１）も、遅れ時間ｔが長いほど大きくなり、遅れ時間ｔを反映している。しかるに差（ａ３－ａ１）は、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜の程度によっても、増減する。より具体的には、遅れ時間ｔが変わらなくても、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜が緩やかになるほど、差（ａ３－ａ１）は増大する。
　本実施の形態では、いずれも遅れ時間ｔを反映する反射光量ａ２および差（ａ３－ａ１）の平均値を算出する。そして、この平均値と反射光量ａ３との比が、遅れ時間ｔと期間長さΔＴとの比と等しいと仮定して、遅れ時間ｔを算出する。ここでは算出する遅れ時間ｔを遅れ時間ｔ’と呼ぶ。遅れ時間ｔ’は以下の式で表すことができる。
　ｔ’＝ΔＴ・（ａ３－ａ１＋ａ２）／（２・ａ３）　　　・・・（４）
　受光量Ａ１～Ａ４を用いて式（４）を表すと、次式が導かれる。
　ｔ’＝ΔＴ・（Ａ３－Ａ１＋Ａ２－Ａ４）／｛２・（Ａ３－Ａ４）｝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（５）
　制御演算装置２は算出部２４を有しており、算出部２４は式（４）または式（５）を用いて遅れ時間ｔ’を算出する。ただし、式（４）または式（５）で算出される遅れ時間ｔ’は、厳密にいえば遅れ時間ｔとは相違する。なぜなら、上述したように、反射光量ａ２は反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜の程度によっても増減し、差（ａ３－ａ１）は反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜の程度によっても増減するのに対して、遅れ時間ｔはこれらの傾斜に依存しないからである。
　そこで遅れ時間ｔ’について更に考察する。式（４）を変形すると、次式が導かれる。
　ｔ’＝１／２・｛ΔＴ・（ａ３－ａ１）／ａ３＋ΔＴ・ａ２／ａ３｝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（６）
　右辺の中括弧内の第１項は、図３の時間ｔ１に相当する。時間ｔ１は、期間Ｔ１の始期から、反射光Ｌ２の立ち上がりの中央時点までの時間である。同様に、右辺の括弧内の第２項は図２の時間ｔ２に相当する。時間ｔ２は、期間Ｔ２の始期から、反射光Ｌ２の立ち下がりの中央時点までの時間である。よって式（６）は次式に変形できる。
　ｔ’＝（ｔ１＋ｔ２）／２　　・・・（７）
　つまり、第１の実施の形態では、反射光Ｌ２の立ち上がり側の反射光量ａ１を用いて求まる時間ｔ１と、反射光Ｌ２の立ち下がり側の反射光量ａ２を用いて求まる時間ｔ２との平均値を算出しているのである。
　＜２－３．比較例＞
　比較のために、反射光Ｌ２の立ち下がり側の反射光量ａ２を用いずに、反射光Ｌ２の立ち上がり側の反射光量ａ１のみを用いて、遅れ時間ｔを算出すべく、以下の式を用いることを想定する。
　ｔ１＝ΔＴ・（ａ３－ａ１）／ａ３　　　・・・（８）
　式（８）は式（３）と同じ式である。このように算出される時間ｔ１は、上述したように、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜の程度に依存して増減するのに対して、遅れ時間ｔは依存しない。そして、図３から理解できるように、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜がゆるやかになるほど、時間ｔ１はより大きな値を採る。つまり、誤差が大きくなる。
　また、逆に、反射光Ｌ２の立ち上がり側の反射光量ａ１を用いずに、反射光Ｌ２の立ち下がり側の反射光量ａ２のみを用いて、遅れ時間ｔを算出すべく、以下の式を用いることを想定する。
　ｔ２＝ΔＴ・ａ２／ａ３　　　・・・（９）
　式（９）は式（２）と同じ式である。このように算出される時間ｔ２は、反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜の程度に依存して増減するのに対して、遅れ時間ｔは依存しない。そして、図３から理解できるように、反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜がゆるやかになるほど、時間ｔ２はより大きな値を採る。つまり、誤差が大きくなる。
　図３の例示では、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜は反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜よりも緩やかであるので、式（９）を用いて算出した時間ｔ２は遅れ時間ｔに近い値を採り、式（８）を用いて算出した時間ｔ１は遅れ時間ｔから遠い値を採る。つまり式（９）を用いて算出するほうが、誤差は小さい。
　しかしながら、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜と立ち下がりの傾斜との関係（どちらが緩やかであるかの関係）は、図３に限らない。上述したように、照射光Ｌ１の立ち上がりの傾斜の程度および立ち下がりの傾斜の程度は、照射装置３の種類に依存し、また同じ種類であっても製造バラツキにより個々の照射装置３に依存するからである。
　しかも、光Ｌ４の立ち上がりの傾斜の程度および立ち下がりの傾斜の程度は、照射光Ｌ１のみならず、受光装置１の種類にも依存し、また同じ種類であっても製造バラツキにより個々の照射装置３にも依存する。よって、反射光Ｌ２の立ち上がりの程度および立ち下がりの程度は、照射装置３および受光装置１に依存することになる。
　したがって、例えば式（９）のみを用いれば、採用する照射装置３と受光装置１によっては、算出した時間ｔ１が遅れ時間ｔに近い値を採り、誤差が小さい場合があるものの、その逆に誤差が大きい場合もある。式（８）のみを用いた場合も同様である。
　しかるに、本第１の実施の形態では、時間ｔ１，ｔ２の平均値を時間ｔ’として算出している。したがって、どのような照射装置３と受光装置１とを採用したとしても、誤差の最悪値を回避することができるのである。
　＜２－４．距離＞
　算出部２４は、算出した遅れ時間ｔ’に基づいて測定対象までの距離Ｒを算出する。遅れ時間ｔ’は、照射光Ｌ１が、照射装置３から測定対象まで到達し、当該測定対象から受光装置１まで到達するのに要する時間である。よって、例えば測定対象から受光装置１までの距離と、測定対象から照射装置３までの距離とが互いに等しいと仮定すると、この距離Ｒは、光速ｃを用いて次式で算出される。
　Ｒ＝ｃ・ｔ’／２　　　・・・（１０）
　＜３．変形例＞
　上述の例では、期間Ｔ１は照射光Ｌ１が立ち上がり始める時点から始まっている。しかしながら、図４に示すように、期間Ｔ１は、当該時点から予め定められた時間差Δｔの分、遅れて始まっても構わない。この場合、式（４）又は式（５）の右辺で算出した時間に、時間差Δｔを加算して、遅れ時間ｔ’を算出すればよい。これを定式化すると、次式が導かれる。
　ｔ’＝Δｔ＋ΔＴ・（ａ３－ａ１＋ａ２）／（２・ａ３）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１１）
　ｔ’＝Δt+ΔT・(A3-A1+A2-A4)/{2・(A3-A4)}　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１２）
　なお、第１実施の形態では、期間Ｔ４の受光量Ａ４を用いて周囲光Ｌ３の影響を除去しているものの、必ずしもこれに限らない。例えば周囲光Ｌ３を除去しつつ受光することができる受光装置１を採用する場合には、受光装置１は期間Ｔ１～Ｔ３において反射光量ａ１～ａ３を取得できるので、受光装置１は期間Ｔ４において受光する必要はない。
　第２の実施の形態．
　図３を参照して説明したように、期間Ｔ１～Ｔ４が設定されている場合について考慮する。遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いときには、式（４）又は式（５）を用いても、適切に遅れ時間ｔ’を算出することができない。よって、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも短いときには、距離を算出できない。言い換えれば、測定可能な距離が、例えばｃ・ΔＴ／２とほぼ等しい値に制限される。そこで、第２の実施の形態では、期間Ｔ４における受光量Ａ４の受光を前提として、測定可能な距離を伸ばすことを企図する。
　図５は、第２の実施の形態にかかる距離測定装置たる距離画像センサの概念的な構成の一例を示す図である。本距離画像センサは、制御演算装置２の構成という点で、図１の距離画像センサと相違する。制御演算装置２は第１の実施の形態と比較して推定部２５を更に有している。
　推定部２５は、遅れ時間ｔ’の算出前に、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いか否かを推定する。この推定は、受光量の大小関係を判断することで行なうことができる。以下に詳細に説明する。
　遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも短い場合には、図３に示すように、例えば受光量Ａ３は受光量Ａ２よりも大きい。またこのとき、受光量Ａ１は受光量Ａ４よりも大きい。一方で、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長い場合には、図６に示すように、例えば受光量Ａ３は受光量Ａ２よりも小さく、受光量Ａ１は受光量Ａ４よりも小さい。
　したがって、受光量Ａ２，Ａ３の大小関係、もしくは、受光量Ａ１，Ａ４の大小関係に基づいて、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いかどうかを容易に推定することができる。そこで、推定部２５は、受光量Ａ２，Ａ３との大小関係もしくは受光量Ａ１，Ａ４の大小関係を判断する。この大小関係の判断は、例えば周知の比較器を用いて行なうことができる。そして推定部２５は、受光量Ａ３が受光量Ａ２よりも大きい、もしくは、受光量Ａ１が受光量Ａ４よりも大きいと判断したときに、遅れ時間ｔ’が期間長さΔｔよりも短いと推定する。このとき、算出部２４は、第１の実施の形態と同様にして、式（５）を用いて遅れ時間ｔ’を算出する。
　他方、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いと推定部２５が推定したときには、算出部２４は、以下で説明するように遅れ時間ｔ’を算出する。
　遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いときには、図６に例示するように、期間Ｔ１において光Ｌ４は常に小さな値を採っている。つまり、期間Ｔ１における受光量Ａ１には、反射光Ｌ２による受光量が含まれず、受光量Ａ１は周囲光Ｌ３による受光量である。よって、各期間Ｔ２～Ｔ４における受光量Ａ２～Ａ４の各々から受光量Ａ１を減算することで、各期間Ｔ２～Ｔ４において、周囲光Ｌ３の影響を除去した受光量を得ることができる。
　また図６に示すように、反射光Ｌ２は、期間Ｔ３の途中で立ち上がり、期間Ｔ４の途中で立ち下がり、期間Ｔ２において常に大きな値を採っている。
　したがって、図６の受光量Ａ２，Ａ３，Ａ４は図３の受光量Ａ３，Ａ１，Ａ２に相当し、また、図６の受光量Ａ１は図３の受光量Ａ４に相当する。
　このような対応関係を考慮すると、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも大きいときには、式（５）は以下のように表現できる。
　ｔ’＝ΔＴ・（Ａ２－Ａ３＋Ａ４－Ａ１）／｛２・（Ａ２－Ａ１）｝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１３）
　ただし、式（１３）を用いて算出される時間ｔ’は、図６の時間ｔ１，ｔ２の平均値である。つまり、期間Ｔ３の始期から、反射光Ｌ２の立ち上がりの中央時点までの時間ｔ１と、期間Ｔ４の始期から、反射光Ｌ２の立ち下がりの中央時点までの時間ｔ２との平均値である。よって、図６から理解できるように、式（１３）を用いて算出した時間に、期間長さΔＴを加算することで、遅れ時間ｔ’を算出することができる。これを定式化すると、次式が導かれる。
　ｔ’=ΔT+ΔT・(A2-A3+A4-A1)/{2・(A2-A1)}　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１４）
　以上のように、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも短いと推定部２５が推定したときには、算出部２４は式（５）を用いて遅れ時間ｔ’を算出し、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いと推定部２５が推定したときには、算出部２４は、式（１４）を用いて、遅れ時間ｔ’を算出する。
　これにより、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いときにも、遅れ時間ｔ’を適切に算出でき、測定可能な距離を、例えばｃ・ΔＴまで伸ばすことができる。
　第３の実施の形態．
　第２の実施の形態では、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも長いときには、適切に遅れ時間ｔ’を算出することができない。そこで、第３の実施の形態では、測定可能な距離をさらに伸ばすことを企図する。
　第３の実施の形態にかかる距離測定装置たる距離画像センサの概念的な構成の一例は、第２の実施の形態と同様である。ただし、推定部２５は、遅れ時間ｔ’の算出前に、遅れ時間ｔが期間長さΔＴの２倍よりも長いかどうかも、推定する。
　図３，６に示すように、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも短いときには、受光量Ａ４は受光量Ａ２よりも小さいのに対して、図７に例示すように、遅れ時間ｔ’が期間長さΔｔの２倍よりも長いときには、受光量Ａ４は受光量Ａ２よりも大きい。よって、受光量Ａ２，Ａ４の大小関係の比較に基づいて、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも長いかどうかを容易に推定することができる。そこで、推定部２５は、例えば受光量Ａ２，Ａ４の大小関係も判断する。この大小関係の判断も、周知の比較器を用いて実現することができる。
　そして、受光量Ａ４が受光量Ａ２よりも小さいときに、推定部２５は遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも小さいと推定する。このとき算出部２４は、第２の実施の形態で説明したように、適宜に式（５）または式（１４）を用いて遅れ時間ｔ’を算出する。
　一方で、受光量Ａ４が受光量Ａ２よりも大きいときには、推定部２５は遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴ２の２倍よりも大きいと推定する。このとき算出部２４は以下の式のいずれかを用いて遅れ時間ｔ’を算出する。
　ｔ’＝２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２－Ａ１）／（Ａ４－Ａ１）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１５）
　ｔ’＝２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２－Ａ３）／（Ａ４－Ａ３）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１６）
　式（１５）および式（１６）の右辺の第２項は、図７の時間ｔ１に相当する。時間ｔ１は、期間Ｔ２の始期から、反射光Ｌ２の立ち上がりの中央時点までの時間である。
　つまり、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも長いときには、時間ｔ１，ｔ２の平均値を用いずに、時間ｔ１をそのまま用いている。よって、このとき第１の実施の形態で説明した効果は招来しない。要するに、第３の実施の形態では、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも長いときには、精度を犠牲にして、測定可能な距離を伸ばしているのである。このとき、測定可能な距離は、例えばｃ・ΔＴ・３／２まで伸ばすことができる。
　なお、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの３倍よりも長いときには、受光量Ａ１～Ａ３は全て同じ値を採るので、式（１５）および式（１６）を用いれば遅れ時間ｔ’は零となる。よって算出した遅れ時間ｔ’がほぼ零とみなせる場合には、制御演算装置２は、距離を測定できないと判断してもよい。
　第４の実施の形態．
　第１から第３の実施の形態では、一つの受光素子Ｐｋで得られる受光量Ａ１～Ａ４を用いて、距離を算出する場合について説明した。第４の実施の形態では、第１から第３の実施の形態で説明した距離Ｒの算出方法を、複数の受光素子Ｐｋに対して適用する方法について説明する。
　ここでは、複数の受光素子Ｐｋは、図２に示すように、マトリックス状に配置されている。図１および図５も参照して、複数の受光素子Ｐｋは、行デコーダ１３によって、行毎に選択され、列デコーダ１４によって、選択された受光素子Ｐｋの受光量が列毎に相関二重サンプリング部１５へと送られる。
　さてここでは、受光素子Ｐｋごとに受光量Ａ１～Ａ４を取得する必要がある。そして、１回の略矩形波状の照射光Ｌ１を用いて、全ての受光素子Ｐｋの受光量Ａ１～Ａ４を取得することは困難であるので、照射装置３は繰り返し略矩形波状の照射光Ｌ１を照射する。以下では、照射光Ｌ１の周期を照射周期とも呼ぶ。
　そして、例えば受光素子Ｐｋの各々に対して、４つのゲート電極と、これら４つのゲート電極に対応する感度部とを設ける。この感度部は、対応するゲート電極に電圧が印加されることで、受光する光に応じた量の電荷を蓄積する。このような受光素子ＰｋはいわゆるＣＣＤを採用して製造することができる。
　図８は、照射光Ｌ１と、ゲート電極に印加されるゲート電圧Ｖ１～Ｖ４の一例を模式的に示している。行デコーダ１３は、照射周期Ｔ１１において、例えば受光素子Ｐｋの第１行を選択し、期間Ｔ１～Ｔ４において、選択された受光素子Ｐｋのゲート電極にそれぞれゲート電圧Ｖ１～Ｖ４を印加する。これにより、第１行の受光素子Ｐｋの各感度部には、受光量Ａ１～Ａ４に応じた電荷が蓄積されることとなる。
　蓄えられた電荷は、列デコーダ１４によって、相関二重サンプリング部１５へと出力され、選択された受光素子Ｐｋの受光量Ａ１～Ａ４（電荷）が、増幅部１６およびＡＤ変換部１７を介して制御演算装置２へと出力される。
　そして、次の照射周期Ｔ１２において、行デコーダ１３は、第２列の受光素子Ｐｋを選択し、照射周期Ｔ１２内の期間Ｔ１～Ｔ４において、それぞれ第２列の受光素子Ｐｋのゲート電極にそれぞれゲート電圧Ｖ１～Ｖ４を印加する。これにより、第２列の受光素子Ｐｋの各感度部には、受光量Ａ１～Ａ４に応じた電荷が蓄積されることになる。
　蓄えられた電荷は、列デコーダ１４によって、相関二重サンプリング部１５へと出力され、選択された受光素子Ｐｋの受光量Ａ１～Ａ４（電荷）が、増幅部１６およびＡＤ変換部１７を介して制御演算装置２へと出力される。
　次の照射周期Ｔ１３，Ｔ１４，・・・においても、順次に選択すべき行を異ならせながら、上述のように受光量Ａ１～Ａ４を制御演算装置２へと出力する。これにより、全ての受光素子Ｐｋの受光量Ａ１～Ａ４が制御演算装置２へと出力される。
　そして、算出部２４は、受光素子Ｐｋ毎に得られた受光量Ａ１～Ａ４を用いて、第１～第３の実施の形態で説明したように、受光素子Ｐｋ毎に距離を算出する。
　なお上述の例では、受光素子Ｐｋごとに４つの感度部を設けているものの、これに限らない。例えば受光素子Ｐｋが例えばＳＭＰＤである場合、受光素子群１１とは異なる領域に４つのコンデンサを設けても良い。これらのコンデンサは、例えば相関二重サンプリング部１５に設けることができる。図９は、一つの受光素子Ｐｋが示されている。この一つの受光素子Ｐｋが行デコーダ１３によって選択されると、受光する光に応じて、ＩＶ変換部１８へと電流を流す。ＩＶ変換部１８は、入力された電流を電圧に変換して、相関二重サンプリング部１５へと出力する。
　相関二重サンプリング部１５には、受光量用の、４つのスイッチＳ１～Ｓ４と、４つのコンデンサＣ１～Ｃ４とが設けられている。スイッチＳ１～Ｓ４は例えばタイミング制御部１２によって制御される。よってタイミング制御部１２を、スイッチＳ１～Ｓ４を制御する制御部と把握することができる。
　スイッチＳ１およびコンデンサＣ１は互いに直列に接続されており、スイッチＳ１がオンすると、ＩＶ変換部１８からの電圧がコンデンサＣ１に充電される。スイッチＳ２およびコンデンサＣ２、スイッチＳ３およびコンデンサＣ３、並びに、スイッチＳ４およびコンデンサＣ４も同様である。
　この４つのスイッチＳ１～Ｓ４のうち一つのみが、期間Ｔ１～Ｔ４の各々において、オンする。また期間Ｔ１～Ｔ４においてオンするスイッチは互いに異なる。これにより、各コンデンサＣ１～Ｃ４には、それぞれ受光量Ａ１～Ａ４に応じた電圧が充電される。
　これら４つのコンデンサＣ１～Ｃ４の電圧は、それぞれスイッチＳ１０を介して、増幅部１６に入力される。スイッチＳ１０は、例えばタイミング制御部１２によって制御され、コンデンサＣ１～Ｃ４の電圧のうちいずれか一つを、選択的に増幅部１６へと入力させる。
　また相関二重サンプリング部１５には、リセット用の、スイッチＳ０およびコンデンサＣ０が設けられている。このスイッチＳ０は例えばタイミング制御部１２によって制御され、例えばＩＶ変換部１８がリセット状態のときにオンする。よってリセット用のコンデンサＣ０には、受光素子Ｐｋが光を受光していないときに流れる電流によって、電圧が充電される。このリセット用のコンデンサＣ０の電圧は、スイッチＳ１０を介して、増幅部１６に入力される。
　増幅部１６は差動アンプであり、コンデンサＣ１～Ｃ４の電圧のうちいずれか一つの電圧が選択的に入力され、またコンデンサＣ０の電圧が入力される。増幅部１６は、各コンデンサＣ１～Ｃ４のいずれか一つの電圧から、コンデンサＣ０の電圧を減算して、その結果を増幅して出力する。これにより、ＩＶ変換部１８のオフセットバラツキによる影響を除去することができる。
　増幅部１６からの出力はＡＤ変換部１７に入力される。ＡＤ変換部１７は、入力されるアナログ値（コンデンサの電圧）をデジタル値に変換して、これを制御演算装置２へと出力する。
　かかる構造によれば、上述したゲート電極と感度部に相当する部分を、スイッチＳ１～Ｓ４およびコンデンサＣ１～Ｃ４として機能させていているのである。この構造による動作の一例は図８と同様であり、ゲート電圧Ｖ１～Ｖ４をスイッチＳ１～Ｓ４のスイッチ信号とみなせばよい。
　これによっても、制御演算装置２は、受光素子Ｐｋ毎に、受光量Ａ１～Ａ４を受け取ることができる。しかも、受光素子Ｐｋごとに４つのゲート電極を設ける必要がないので、製造コストを低減することができる。
　図９の例示では、４つのスイッチＳ１～Ｓ４と４つのコンデンサＣ１～Ｃ４が設けられているものの、一つのスイッチと一つのコンデンサとが設けられても良い。この一つのコンデンサは、例えば相関二重サンプリング部１５に設けることができる。図１０は、一つの受光素子Ｐｋが示されている。相関二重サンプリング部１５には、受光量用の、一つのスイッチＳ１と、一つのコンデンサＣ１とが設けられている。また相関二重サンプリング部１５には、図９と同様に、リセット用の、スイッチＳ０およびコンデンサＣ０が設けられている。
　図１１は、タイミングチャートの一例を示す図である。かかる構造において、照射制御部２２は、照射装置３を制御して、略矩形波状の照射光Ｌ１を繰り返し照射させる。そして、略矩形波状の照射光Ｌ１を照射するごとに、それぞれ、受光量Ａ１～Ａ４のいずれかに応じた電圧を、コンデンサＣ１に充電させる。例えば最初の照射周期Ｔ１１内の期間Ｔ１において、スイッチＳ１をオンする。これにより、受光量用のコンデンサＣ１には受光量Ａ１に応じた電圧が充電される。
　なおここでは、受光素子Ｐｋの列ごとに、スイッチＳ１とコンデンサＣ１とが設けられている。そして、行デコーダ１３によって選択された受光素子Ｐｋの受光量Ａ１に応じた電圧が、それぞれに対応するコンデンサＣ１に充電される。
　これらの電圧は、増幅部１６およびＡＤ変換部１７を介して、受光量Ａ１として制御演算装置２に出力される。これにより、行デコーダ１３によって選択された受光素子Ｐｋの受光量Ａ１をそれぞれ取得することができる。そして、この電圧が制御演算装置２に出力された後に、コンデンサＣ１に充電された電圧を、放電部１５１を用いて放電する。放電部１５１は例えば互いに直列に接続された放電用スイッチと抵抗とを有し、この直列接続体がコンデンサＣ１に並列に接続される。この放電用スイッチをオンすることで、コンデンサを放電させることができる。
　次の照射周期Ｔ１２では、例えば、期間Ｔ３においてスイッチＳ１をオンする。これにより、コンデンサＣ１には受光量Ａ３に応じた電圧が充電される。この電圧も、増幅部１６およびＡＤ変換部１７を介して、受光量Ａ３として制御演算装置２に出力される。これにより、行デコーダ１３によって選択された受光素子Ｐｋの受光量Ａ２をそれぞれ取得することができる。そして、コンデンサＣ１を放電する。
　同様にして、３番目の照射周期Ｔ１３および４番目の照射周期Ｔ１４において、それぞれ受光量Ａ２，Ａ４を制御演算装置２へと出力する。これにより、選択された行の受光素子Ｐｋごとに、受光量Ａ２，Ａ４を得ることができる。
　そして、受光素子Ｐｋを行毎に順次に選択し、上述のようにして各受光素子Ｐｋの受光量Ａ１～Ａ４を制御演算装置２へと出力する。
　このような動作により、全ての受光素子Ｐｋの受光量Ａ１，Ａ３，Ａ２，Ａ４を取得することができる。したがって、受光素子Ｐｋごとに距離を算出することができる。しかもこの方法では、受光量用のスイッチおよびコンデンサがそれぞれ１つずつで足りるので、受光量用のスイッチおよびコンデンサの個数を低減することができる。
　ただし、異なる照射周期Ｔ１１～Ｔ１４毎に受光量Ａ１～Ａ４を得ているので、測定対象が動いていれば、算出した距離に誤差が生じやすい。一方で、図９のように４つのスイッチＳ１～Ｓ４および４つのコンデンサＣ１～Ｃ４を設ける態様によれば、一つの照射周期において受光量Ａ１～Ａ４を取得できるので、当該誤差を低減できる。
　なお図１１の例示では、行毎に受光量Ａ１～Ａ４を取得している。しかるにこれに限らず、フレーム毎に受光量Ａ１～Ａ４を得ても良い。即ち、照射周期Ｔ１１において、第１行の受光素子Ｐｋの受光量Ａ１を取得し、照射周期Ｔ１２において第２行の受光素子Ｐｋの受光量Ａ１を取得し、・・・、第Ｎの照射周期において第Ｎ行の受光素子Ｐｋの受光量Ａ１を取得する。これにより、受光量Ａ１についてのフレームデータを得ることができる。そして、第（Ｎ＋１）の照射周期から第２Ｎの照射周期において、各行の受光素子Ｐｋの受光量Ａ３を取得し、受光量Ａ３についてのフレームデータを取得する。以下、同様にして、受光量Ａ２，Ａ４についてのフレームデータを取得する。
　これによっても、受光素子Ｐｋごとに受光量Ａ１～Ａ４を取得することができる。しかも、フレームデータを取得する従来の撮像装置の技術を流用できるので、簡単である。
　一方で、一つの行の受光素子Ｐｋについての受光量Ａ１～Ａ４を取得した後に、次の行の受光素子Ｐｋについての受光量Ａ１～Ａ４を取得する場合には、受光量Ａ１～Ａ４を取得するのに要する時間が比較的短くなる。よって、上記誤差を比較的小さくすることができる。
　また、４つの受光量Ａ１～Ａ４が取得された受光素子Ｐｋに対して、速やかに距離を算出すれば、距離を算出した受光素子Ｐｋの受光量Ａ１～Ａ４を記録部２３から削除してもよく、あるいは他の受光素子Ｐｋの受光量Ａ１～Ａ４を上書きしてもよい。この場合、図１１のように、行毎に受光量Ａ１～Ａ４を取得することが望ましい。なぜなら、例えば第１行の受光素子Ｐｋについて距離を算出すれば、続けて取得される他の行の受光素子Ｐｋの受光量Ａ１～Ａ４を上書きできるからである。これにより、必要な記憶容量を低減できる。なお、フレームデータ毎に受光量Ａ１～Ａ４を取得する場合、全ての受光素子Ｐｋについて、受光量Ａ１～Ａ４を記憶する必要がある。
　第５の実施の形態．
　第１から第４の実施の形態では、期間Ｔ１～Ｔ４における受光により受光量Ａ１～Ａ４の受光量を得ている。しかるに、各期間Ｔ１～Ｔ４のみにおける受光では、受光量Ａ１～Ａ４が十分に取得できない可能性がある。例えば、照射光Ｌ１の強度が小さい場合、受光素子Ｐｋの感度が低い場合、或いは、測定対象の反射率が低い場合に、十分な受光量を取得できない可能性がある。
　そこで、略矩形波状の照射光Ｌ１を繰り返し照射し、複数の照射周期の各々における期間Ｔ１において、受光素子Ｐｋが光Ｌ４（或いは反射光Ｌ２）を受光し続ける。これにより、照射周期において複数周期分の受光量Ａ１を取得する。受光量Ａ２～Ａ４についても同様である。
　図１２は、タイミングチャートの一例を示している。ここでは、図９の構造を例に挙げて説明する。照射周期Ｔ１１のうち期間Ｔ１～Ｔ４では、それぞれスイッチＳ１～Ｓ４をオンする。これにより、各コンデンサＣ１～Ｃ４には受光量Ａ１～Ａ４に応じた電圧が充電される。続く照射周期Ｔ１２のうち期間Ｔ１～Ｔ４においても、それぞれスイッチＳ１～Ｓ４をオンする。照射周期Ｔ１１，Ｔ１２においては、コンデンサＣ１～Ｃ４を放電させないので、コンデンサＣ１～Ｃ４には、照射周期において二周期分の受光量Ａ１～Ａ４に応じた電圧が充電される。
　図１２の例示では、続く照射周期Ｔ１３，Ｔ１４でも、期間Ｔ１～Ｔ４においてそれぞれ、スイッチＳ１～Ｓ４をオンする。これにより、コンデンサＣ１～Ｃ４には、４周期分の受光量Ａ１～Ａ４に応じた電圧が充電される。
　これにより、受光量Ａ１～Ａ４に応じた電圧を向上することができ、測定精度を向上することができる。
　上述の例では、略矩形波の照射光Ｌ１を４回照射したときに得られる受光量を用いている。しかしながら、照射回数（以下、測定照射回数と呼ぶ）は、４回に限らない。要するに、十分な受光量（或いは反射光量）を得ることができる回数であればよい。ここでは照射回数の決定方法について述べる。
　さて、図３を参照して、受光量Ａ１，Ａ２（或いは反射光量ａ１，ａ２）は遅れ時間ｔに依存するのに対して、受光量Ａ３（或いは反射光量ａ３、以下同様）（図３参照）は遅れ時間ｔに依存しない。そこで、この受光量Ａ３を用いて、照射回数（照射周期）を決定する。
　より詳細には、略矩形波の照射光Ｌ１を複数回照射する。そして、その複数の照射周期についての期間Ｔ３の各々において、反射光Ｌ２を積算して受光する。このようにして得られた受光量を、照射周期毎に、所定の基準値と比較する。得られた受光量が基準値よりも小さいときには、次の照射周期についての期間Ｔ３において反射光Ｌ２を積算して受光し、得られた受光量と基準値とを再び比較する。そして、得られた受光量が基準値を超えたときには、その照射回数を測定照射回数に決定する。
　以下に、より具体的な構成について説明する。図１３は、一つの受光素子に相当する部分の概念的な構成の一例を示す図である。図１３の例示では、図１０に比較して、比較部１９が更に設けられている。この比較部１９には、基準値Ｖｒｅｆと、コンデンサＣ１の両端電圧Ｖ１とが入力される。比較部１９は両端電圧Ｖ１と基準値Ｖｒｅｆとの大小関係を比較し、その結果を制御演算部２へと出力する。
　図１４は、タイミングチャートの一例を示している。照射制御部２２は照射装置３に略矩形波の照射光Ｌ１を繰り返し照射させる。そして、各照射周期Ｔ１１～Ｔ１４についての期間Ｔ３の各々においてスイッチＳ１をオンする。このスイッチＳ１のオンのたびに、コンデンサＣ１の両端電圧Ｖ１は増大する。図１４の例示では、４回目の照射周期Ｔ１４において両端電圧Ｖ１（即ち４回分の受光量Ａ３に応じた両端電圧Ｖ１）が基準値Ｖｒｅｆを超える。よってこのとき、比較部１９は両端電圧Ｖ１が基準値Ｖｒｅｆを超えた旨を出力する。
　そして、これをトリガとして、４回分の受光量Ａ３に応じた両端電圧Ｖ１を、増幅器１６およびＡＤ変換部１７を介して制御演算部２へと出力する。この出力（両端電圧Ｖ１の読出し）のタイミングは、例えばタイミング制御部１２によって実行されればよい。タイミング制御部１２は例えば上述の測定照射回数を、比較部１９の結果と、クロック信号ＣＬＫとから得ることができる。
　続いて、放電部１５１を用いて両端電圧Ｖ１を放電する。その後の４回の照射周期についての期間Ｔ１において、反射光Ｌ２を積算して受光する（即ち、スイッチＳ１をオンして４回分の受光量Ａ１に応じた電圧をコンデンサＣ１に充電させる）。得られた受光量Ａ１（両端電圧Ｖ１）は、増幅器１６およびＡＤ変換部１７を介して制御演算部２へと出力される。受光量Ａ３，Ａ４についても同様である。
　以上のように、遅れ時間ｔには依存しない受光量Ａ３を用いて、測定照射回数を決定しているので、たとえ測定対象の反射率が小さいときであっても、適切に測定照射回数を設定することができ、ひいては十分な受光量を得ることができる。
　なお第１の実施の形態で述べたように、必ずしも期間Ｔ１～Ｔ４における受光量Ａ１～Ａ４を用いる必要はなく、受光素子Ｐｋが期間Ｔ１～Ｔ３における反射光量ａ１～ａ３を受光できる場合には、反射光量ａ１～ａ３を用いればよい。
　また、受光素子Ｐｋが複数設けられている場合には、いずれかの受光素子Ｐｋについての受光量Ａ３が基準値を超えたときの照射回数を、測定照射回数に決定すればよい。全ての受光素子Ｐｋの受光量Ａ３が基準値を超えるときの照射回数を、照射測定回数に決定すると、いくつかの受光素子Ｐｋの受光量Ａ３が、受光可能な上限値を超える場合があるからである。
　この発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。
　１２　タイミング調整部
　３　照射装置
　２４　算出部
　２５　推定部
　Ｐｋ　受光素子
　ａ１～ａ３　反射光量
　Ａ１～Ａ４　受光量
　Ｔ１～Ｔ４　期間
　ΔＴ　期間長さ

Claims (15)

  1. 　照射光の強度を変調しながら、測定対象へと前記照射光を照射する照射装置と、
    　前記照射光のうち前記測定対象で反射した光を、反射光として受光する受光素子と、
    　いずれもが同じ期間長さΔＴを有する期間であって、前記照射光の立ち上がり時点に対して所定の時間差で始まる第１期間、前記照射光が立ち下がる時点に対して前記時間差で始まる第２期間、および、前記第１期間と前記第２期間との間の第３期間において、それぞれ、前記反射光を受光して得られる第１反射光量ａ１、第２反射光量ａ２、および、第３反射光量ａ３を用いて、
    　ΔＴ・（ａ３－ａ１＋ａ２）／（２・ａ３）
    で表される式に基づいて時間を算出し、前記時間に基づいて、前記測定対象までの距離を算出する算出部と
    を備える、距離測定装置。
  2. 　前記受光素子は、前記反射光と、前記照射光を光源としない周囲光とを受光し、
    　前記算出部は、前記受光素子がそれぞれ前記第１期間から前記第３期間において受光する第１受光量Ａ１から第３受光量Ａ３と、前記受光素子が、前記第１期間から前記第３期間と同じ期間長さΔＴを有し、前記反射光の強度が零である第４期間において、受光する第４受光量Ａ４とを用いて、
    　ΔＴ・（Ａ３－Ａ１＋Ａ２－Ａ４）／｛２・（Ａ３－Ａ４）｝
    で表される式に基づいて前記時間を算出する、請求項１に記載の距離測定装置。
  3. 　前記時間の算出前に、前記時間と前記期間長さと長短を推定する推定部を更に備え、
    　前記算出部は、
    　前記時間が前記期間長さよりも短いと推定されるときに、
    　ΔＴ・（Ａ３－Ａ１＋Ａ２－Ａ４）／｛２・（Ａ３－Ａ４）｝
    で表される式に基づいて前記時間を算出し、
    　前記時間が前記期間長さよりも長いと推定されるときに、
    　ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２－Ａ３＋Ａ４－Ａ１）／｛２・（Ａ２－Ａ１）｝
    で表される式に基づいて前記時間を算出する、請求項２に記載の距離測定装置。
  4. 　前記推定部は、前記第３受光量が前記第２受光量よりも大きいとき、または、前記第１受光量が前記第４受光量よりも大きいときに、前記時間が前記期間長さよりも短いと推定し、前記第３受光量が前記第２受光量よりも小さいとき、または、前記第１受光量が前記第４受光量よりも小さいときに、前記時間が前記期間長さよりも長いと推定する、請求項３に記載の距離測定装置。
  5. 　前記算出部は、
    　前記時間が前記期間長さよりも長く、前記期間長さの２倍よりも短いと推定されるときに、
    　ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２－Ａ３＋Ａ４－Ａ１）／｛２・（Ａ２－Ａ１）｝
    で表される式に基づいて前記時間を算出し、
    　前記時間が前記期間長さの２倍よりも長いと推定されるときに、
    　２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ４－Ａ２）／（Ａ４－Ａ１）
    　もしくは、
    　２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ４－Ａ２）／（Ａ４－Ａ３）
    で表される式に基づいて前記時間を算出する、請求項３に記載の距離測定装置。
  6. 　前記算出部は、
    　前記時間が前記期間長さよりも長く、前記期間長さの２倍よりも短いと推定されるときに、
    　ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２－Ａ３＋Ａ４－Ａ１）／｛２・（Ａ２－Ａ１）｝
    で表される式に基づいて前記時間を算出し、
    　前記時間が前記期間長さの２倍よりも長いと推定されるときに、
    　２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ４－Ａ２）／（Ａ４－Ａ１）
    　もしくは、
    　２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ４－Ａ２）／（Ａ４－Ａ３）
    で表される式に基づいて前記時間を算出する、請求項４に記載の距離測定装置。
  7. 　前記推定部は、前記第４受光量が前記第２受光量よりも小さいときに、前記時間が前記期間長さの２倍よりも短いと推定し、前記第４受光量が前記第２受光量よりも大きいときに、前記時間が前記期間長さの２倍よりも長いと推定する、請求項５に記載の距離測定装置。
  8. 　前記推定部は、前記第４受光量が前記第２受光量よりも小さいときに、前記時間が前記期間長さの２倍よりも短いと推定し、前記第４受光量が前記第２受光量よりも大きいときに、前記時間が前記期間長さの２倍よりも長いと推定する、請求項６に記載の距離測定装置。
  9. 　第１から第４のコンデンサと、
    　前記受光素子と、前記第１から前記第４のコンデンサとの間の導通／非導通をそれぞれ選択する第１から第４のスイッチと、
    　前記第１期間から前記第４期間において、それぞれ前記第１から前記第４のスイッチをオンすることで、前記第１から前記第４のコンデンサにそれぞれ前記第１受光量から前記第４受光量に応じた電圧を充電させる制御部と
    を更に備える、請求項２に記載の距離測定装置。
  10. 　第１から第４のコンデンサと、
    　前記受光素子と、前記第１から前記第４のコンデンサとの間の導通／非導通をそれぞれ選択する第１から第４のスイッチと、
    　前記第１期間から前記第４期間において、それぞれ前記第１から前記第４のスイッチをオンすることで、前記第１から前記第４のコンデンサにそれぞれ前記第１受光量から前記第４受光量に応じた電圧を充電させる制御部と
    を更に備える、請求項３に記載の距離測定装置。
  11. 　第１から第４のコンデンサと、
    　前記受光素子と、前記第１から前記第４のコンデンサとの間の導通／非導通をそれぞれ選択する第１から第４のスイッチと、
    　前記第１期間から前記第４期間において、それぞれ前記第１から前記第４のスイッチをオンすることで、前記第１から前記第４のコンデンサにそれぞれ前記第１受光量から前記第４受光量に応じた電圧を充電させる制御部と
    を更に備える、請求項４に記載の距離測定装置。
  12. 　前記照射装置は、略矩形波の前記照射光を少なくとも４回繰り返し照射し、
    　前記距離測定装置は、
    　コンデンサと、
    　前記受光素子と、前記コンデンサとの導通／非導通を選択するスイッチと、
    　前記コンデンサを放電する放電部と、
    　前記照射光についての第１照射周期内の前記第１期間において前記スイッチをオンして前記第１受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第２照射周期内の前記第２期間において前記スイッチをオンして、前記第２受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第３照射周期内の前記第３期間において前記スイッチをオンして、前記第３受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第４照射周期内の前記第４期間において前記スイッチをオンして、前記第４受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させる制御部と
    を更に備える、請求項２に記載の距離測定装置。
  13. 　前記照射装置は、略矩形波の前記照射光を少なくとも４回繰り返し照射し、
    　前記距離測定装置は、
    　コンデンサと、
    　前記受光素子と、前記コンデンサとの導通／非導通を選択するスイッチと、
    　前記コンデンサを放電する放電部と、
    　前記照射光についての第１照射周期内の前記第１期間において前記スイッチをオンして前記第１受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第２照射周期内の前記第２期間において前記スイッチをオンして、前記第２受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第３照射周期内の前記第３期間において前記スイッチをオンして、前記第３受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第４照射周期内の前記第４期間において前記スイッチをオンして、前記第４受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させる制御部と
    を更に備える、請求項３に記載の距離測定装置。
  14. 　前記照射装置は、略矩形波の前記照射光を少なくとも４回繰り返し照射し、
    　前記距離測定装置は、
    　コンデンサと、
    　前記受光素子と、前記コンデンサとの導通／非導通を選択するスイッチと、
    　前記コンデンサを放電する放電部と、
    　前記照射光についての第１照射周期内の前記第１期間において前記スイッチをオンして前記第１受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第２照射周期内の前記第２期間において前記スイッチをオンして、前記第２受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第３照射周期内の前記第３期間において前記スイッチをオンして、前記第３受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第４照射周期内の前記第４期間において前記スイッチをオンして、前記第４受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させる制御部と
    を更に備える、請求項４に記載の距離測定装置。
  15. 　前記照射装置は、略矩形波の前記照射光を繰り返して出力し、
    　前記照射光についての複数回の照射周期のそれぞれに対する前記第３期間において、前記反射光を積算して受光することで得られる第４反射光量が、所定の基準値を超えたときに、前記第４反射光量を前記第３反射光量と把握し、前記第４反射光量が前記基準値を超えたときの回数の前記照射周期のそれぞれに対する前記第１期間において、前記反射光を積算して受光することで前記第１反射光量を取得し、前記回数の前記照射周期のそれぞれに対する前記第３期間において、前記反射光を積算して受光することで前記第２反射光量を取得する、請求項１に記載の距離測定装置。
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