WO2023149242A1 - 測定装置 - Google Patents

Abstract

測定装置（１）は、対象物（９０）に向けて光を発光する発光素子（１２３）を有する発光部（１２）と、前記対象物（１）に反射された前記発光部（１２）の光を受光する受光素子（２２２）と、を備え、前記発光素子（１２３）の第１方向における瞬時画角は、前記受光素子（２２２）の前記第１方向における瞬時画角より小さい。

Description

測定装置

　本発明は、測定装置に関する。

　特許文献１には、パルス光を射出してから反射光を受光するまでの光の飛行時間に基づいて、反射物までの距離を測定する測距装置が記載されている。

日本国特開２０２１－１５２５３６号公報

　ＬｉＤＡＲなどの測定装置を使用する際には、取得する画像の解像度をなるべく向上させることが好ましい。

　また、ＬｉＤＡＲなどの測定装置を使用する際には、測定性能をなるべく向上させることが好ましい。

　本発明は、上記点に鑑み、解像度を向上できる測定装置を提供することを目的とする。

　また、本発明は、上記点に鑑み、測定性能を向上できる測定装置を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明は一態様として、対象物に向けて光を発光する発光素子を有する発光部と、前記対象物に反射された前記発光部の光を受光する受光素子と、を備え、前記発光素子の第１方向における瞬時画角は、前記受光素子の前記第１方向における瞬時画角より小さい、測定装置を提供する。

　また、上記目的を達成するため、本発明は他の一態様として、対象物に向けて光を発光する発光素子と、前記対象物に反射された光を受光する、第１方向に配列された複数の受光素子と、制御部と、を備え、前記制御部は、前記複数の受光素子のうち、前記第１方向に２以上の所定個数分並んだ受光素子を包含する第１受光領域内の受光素子に受光させる第１受光処理と、前記所定個数より少ない第１個数分、前記受光領域を前記第１方向に移動する第1移動処理と、前記複数の受光素子のうち、前記第１移動処理後の前記第１受光領域内の受光素子に受光させる第２受光処理と、を実行する測定装置を提供する。

　その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

　本発明によれば、解像度を向上できる測定装置が提供される。

　また、本発明によれば、測定性能を向上できる測定装置が提供される。

第１実施形態における、測定装置の構成を示す図である。 第１実施形態における、測定装置の機能構成の説明図である。 図１における光源の構成を示す図である。なお、理解を容易にするため、図３Ａは、裏面（－Ｚ側）からの透視図としている。 図１における受光センサの構成を示す図である。なお、理解を容易にするため、図３Ｂは、裏面（－Ｚ側）からの透視図としている。 図３Ａに示す発光素子、図３Ｂに示す受光素子、及び図２に示す対称物における照射領域の関係を示す図である。 第１実施形態における、図４に示す範囲Ｒ及び領域Ｓでの発光位置及び照射位置の時刻歴を示す図である。 図２に示す対象物までの距離の測定方法の一例の説明するためのタイミングチャートである。 第２実施形態における測定装置の構成を示す図である。 第２実施形態における光源の図である。理解を容易にするため、図８Ａは、裏面（－Ｚ側）からの透視図としている。 第２実施形態における受光センサの図である。理解を容易にするため、図８Ｂは、裏面（－Ｚ側）からの透視図としている。 第２実施形態における、図８Ａに示す光源からの照射位置の時刻歴を示す図である。 第１及び第２実施形態の変形例における発光素子及び受光素子の１次元配列の例を示す図である。 第１及び第２実施形態の変形例における発光素子及び受光素子の１次元配列及び１次元走査の例を示す図である。 第１及び第２実施形態の変形例における発光素子及び受光素子の組み合わせ構成例を示す図である。 第３実施形態における、測定装置の構成を示す図である。 第３実施形態における、測定装置の機能構成の説明図である。 図１１における光源の構成を示す図である。なお、理解を容易にするため、図１３Ａは、裏面（－Ｚ側）からの透視図としている。 図１１における受光センサの一部の構成を示す図である。なお、理解を容易にするため、図１３Ｂは、裏面（－Ｚ側）からの透視図としている。 図１３Ａに示す発光素子、図１３Ｂに示す受光素子、及び図１２に示す対称物における照射領域の関係を示す図である。 第３実施形態の測定例１における、光源の発光と走査を説明する図である。 第３実施形態の測定例１における、受光センサの受光と走査を説明する図である。 第３実施形態の測定例２における、光源の発光と走査を説明する図である。 第３実施形態の測定例２における、受光センサの受光と走査を説明する図である。 図１２における制御部による発光、受光、及び走査に関するフローチャートである。 図１２における信号処理部の説明図である。 図１２における信号処理部によって生成されるヒストグラムの説明図である。 第３実施形態の測定例３における受光センサの構成を示す図である。 第３実施形態の測定例３における区画５２２Ａでの受光と走査の一例を示す図である。 第３実施形態の測定例３における区画５２２Ｂでの受光と走査の一例を示す図である。 第４実施形態における、測定装置の構成を示す図である。 第４実施形態における光源の一部を示す図である。

　以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。

　（第１実施形態）
　（概要）
　図１は、第１実施形態における測定装置１の全体構成の説明図である。図２では、測定装置１における各機能部に関する機能ブロックが示されている。

　測定装置１は、対象物９０までの距離を測定する装置である。測定装置１は、測定光を出射し、対象物９０の表面で反射した反射光を検出し、測定光を出射してから反射光を受光するまでの時間を計測することによって、対象物９０までの距離をＴＯＦ方式（Time of flight）で測定する。測定装置１は、照射部１０と、受光部２０と、制御部３０と、記憶部５０とを有する。

　照射部１０は、対象物９０に向かって測定光を照射する。すなわち、照射部１０は、所定の画角で測定光を照射する。照射部１０は、光源１２と、投光用光学系１４とを有する。光源１２は、光を出射する。光源１２は、例えば面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）により構成される。投光用光学系１４は、光源１２から出射された光を対象物９０に照射する光学系である。

　以下の説明では、投光用光学系１４の光軸（図１において一点鎖線で示す）に沿った方向をＺ方向とする。なお、測定装置１の測定対象となる対象物９０は、測定装置１に対してＺ方向に離れている。また、図１に示すように、Ｚ方向に垂直な方向であって、投光用光学系１４と受光用光学系２４の並ぶ方向をＹ方向とする。また、Ｚ方向及びＹ方向に垂直な方向をＸ方向とする。

　投光用光学系１４は、光源１２から出射される光を対象物９０に向かって照射するための光学系である。投光用光学系１４の焦点面内に光源１２が配置されている。投光用光学系１４は、光源１２の発光素子１２３（後述）から射出された光をコリメート光として対象物９０に照射する。投光用光学系１４は、複数枚（例えば５～７枚）のレンズで構成されたレンズ群によってそれぞれ構成される。図１では、投光用光学系１４のレンズ群が簡易的に示されている。

　受光部２０は、対象物９０からの反射光を受光する。受光部２０は、対象物９０からの反射光を受光する。受光部２０は、受光センサ２２と、受光用光学系２４とを有する。

　受光用光学系２４は、対象物９０からの反射光を受光センサ２２に受光させるための光学系である。受光用光学系２４の焦点面内に受光センサ２２が配置されている。受光用光学系２４は、対象物９０の反射光を受光センサ２２の受光素子２２２（後述）に集光する。受光用光学系２４も、投光用光学系１４と同様に、複数枚（例えば５～７枚）のレンズで構成されたレンズ群によってそれぞれ構成されている。図１では、受光用光学系２４のレンズ群が簡易的に示されている。

　光源１２及び受光センサ２２の詳しい構成については、後述する。

　制御部３０は、測定装置１の制御を司る（図２）。制御部３０は、照射部１０からの光の照射を制御する。また、制御部３０は、受光部２０の出力結果に基づいて、対象物９０までの距離をＴＯＦ方式（Time of flight）で測定する。制御部３０は、不図示の演算装置及び記憶装置を有する。演算装置は、例えばＣＰＵ、ＧＰＵなどの演算処理装置である。演算装置の一部がアナログ演算回路で構成されても良い。

　記憶部５０は、主記憶装置と補助記憶装置とにより構成され、プログラムやデータを記憶する装置である。記憶部５０に記憶されているプログラムを演算装置が実行することにより、対象物９０までの距離を測定するための各種処理が実行される。

　記憶部５０は、制御部３０が取得したデータを記憶することができる。例えば、受光部２０が反射光を受光して得られたデータが記憶部５０に保存され、その後の解析処理等に利用される。

　制御部３０は、設定部３２と、タイミング制御部３４と、測距部３６とを有する。設定部３２は、各種設定を行う。タイミング制御部３４は、各部の処理タイミングを制御する。例えば、タイミング制御部３４は、光源１２から光を射出させるタイミングなどを制御する。測距部３６は、対象物９０までの距離を測定する。測距部３６は、信号処理部３６２と、時間検出部３６４と、距離算出部３６６とを有する。信号処理部３６２は、受光センサ２２の出力信号を処理する。時間検出部３６４は、光の飛行時間（光を照射してから反射光が到達するまでの時間）を検出する。距離算出部３６６は、対象物９０までの距離を算出する。

　（光源及び受光センサ）
　光源１２は、図３Ａに示すように、ＸＹ平面（Ｘ方向及びＹ方向に平行な面）に平行な発光面を有する。発光面は、矩形状に構成されている。光源１２から射出された光は、投光用光学系１４を介して、図２に示す対象物９０に照射される。

　光源１２は、２次元配置された複数の発光素子１２３を有している。第１実施形態では、それぞれの発光素子１２３は、制御部３０によって生成される画像の１画素に対応する。

　受光センサ２２は、図３Ｂに示すように、２次元配置された複数の受光素子２２２を有している。受光素子２２２は、受光量に応じた信号を出力する。受光素子２２２の具体例としては様々な種類の素子が考えられるが、一例としてＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）である。ＳＰＡＤで構成された受光素子２２２は、フォトンを検出するとパルス信号を出力する。発光素子１２３は投光用光学系１４を介して対象物９０に光を照射する。

　ある発光素子１２３によって発せられた光を受光する受光素子２２２の対応関係は予め決められている。詳細に述べると、１つの発光素子１２３に対して複数の受光素子２２２が反射光を受光可能に対応付けられており、或る受光素子２２２の検出位置は、対応する発光素子１２３の発光位置と共役である。

　本実施形態では、図３Ａ、図３Ｂ及び図４に示すように、４つの発光素子１２３が１つの受光素子２２２に対応付けられている。図３Ａ及び図３Ｂでは、対応関係にある４つの発光素子１２３及び受光素子２２２の範囲を範囲Ｒとして太線にて示している。範囲Ｒは、ａ、ｂ、ｃ…の各行、及び、１、２、３…の各列に形成される。

　換言すれば、受光素子２２２は、対応する範囲Ｒ内に有る４つの発光素子１２３の反射光を受光することができる。例えば、ａ行１列の受光素子２２２は、ａ行１列の範囲Ｒにある４つの発光素子１２３の発光を受光及び検知できる。このとき、発光素子１２３から出射された測定光は、対象物９０上の領域Ｓで反射し、対応する受光素子２２２によって受光される（図４）。

　受光素子２２２の瞬時画角、すなわち、あるタイミングにおいて受光素子２２２が受光する画角は、発光素子１２３の瞬時画角、すなわち、あるタイミングにおいて発光素子１２３が発光する画角の２倍以上であり、受光素子２２２は、対応する４つの発光素子１２３が発した光を受光可能である。瞬時画角は、一例として発光素子１２３において０．１度と設定され、受光素子２２２において０．２度と設定される。受光素子２２２の瞬時画角が発光素子１２３の２倍以上であるため、受光素子２２２は、対応する範囲Ｒ内にある４つの発光素子１２３の光を受光できる。

　なお、発光素子１２３や受光素子２２２の数、配列または瞬時画角は、上記のものに限られない。例えば、９つの発光素子１２３に対して、１個の受光素子２２２が受光可能に対応付けられていてもよい。また、光源１２及び受光センサ２２が一次元（つまり直線状）に配列されていてもよい。いずれの構成においても、発光素子１２３の瞬時画角よりも受光素子２２２の瞬時画角は大きい。

　（測定時の処理）
　対象物９０までの距離の測定時における、制御部３０（タイミング制御部３４）による発光素子１２３の制御は図５に示すように、各範囲Ｒにおいて実行される。制御部３０（タイミング制御部３４）は、照射部１０の光源１２に所定の周期でパルス光を出射させても良い。

　詳細に述べると、制御部３０は各範囲Ｒ内にある４つの発光素子１２３を、定められた順番、かつ、一定の周期で順次発光させる。図３Ａ、図３Ｂ及び図５の例では、各範囲Ｒにおいて＋Ｘ－Ｙ側、＋Ｘ＋Ｙ側、－Ｘ－Ｙ側、－Ｘ＋Ｙ側の発光素子１２３の発光が、一定時間間隔で順次行われ、繰り返される。これに伴い、各領域Ｓ内においても、＋Ｘ－Ｙ側、＋Ｘ＋Ｙ側、－Ｘ－Ｙ側、－Ｘ＋Ｙ側の４つの異なる位置に順次測定光が照射される。対応する受光素子２２２は、図４に示すように、４つの発光素子１２３に対応するパルス状の反射光を順次受光する。

　受光部２０による反射光の受光により得られたデータは、記憶部５０に保存されるとともに、以下のように処理される。

　図６は、対象物９０までの距離の測定方法の一例の説明するためのタイミングチャートである。図６の上側には、光源１２がパルス光を出射するタイミング（出射タイミング）が示されている。図６の中央には、パルス状の反射光が到達するタイミング（到達タイミング）が示されている。受光素子２２２は、受光量に応じた信号を出力する。図６の下側には、受光素子２２２の出力信号が示されている。

　制御部３０の測距部３６（信号処理部３６２）は、受光素子２２２の出力信号に基づいて、反射光の到達タイミングを検出する。例えば、信号処理部３６２は、受光素子２２２の出力信号のピークのタイミングに基づいて、反射光の到達タイミングを検出する。なお、信号処理部３６２は、外乱光（例えば太陽光）の影響を除去するため、受光素子２２２の出力信号のＤＣ成分をカットした信号のピークに基づいて、反射光の到達タイミングを求めても良い。

　次に、測距部３６（時間検出部３６４）は、光の出射タイミングと、光の到達タイミングとに基づいて、光が照射されてから反射光が到達するまでの時間Ｔｆを検出する。時間Ｔｆは、測定装置１と対象物９０との間を光が往復する時間に相当する。そして、測距部３６（距離算出部３６６）は、時間Ｔｆに基づいて、対象物９０までの距離を算出する。

　上記のような処理により、制御部３０は、各発光素子１２３に対応した画素を持つ画像を生成するとともに、画素毎に対象物９０までの距離を算出し、距離画像を生成することができる。

　（第２実施形態）
　第２実施形態による測定装置１００について、図７から図９を用いて以下に説明する。

　測定装置１００の照射部１１０は、光源１２とは構成の異なる光源１１２を備える。また、測定装置１００は、走査部４０をさらに備える（図７）。測定装置１００における、その他の構成は、測定装置１と同様である。以下では、第１実施形態の測定装置１と同様の構成または部品等に対しては同じ参照番号を付し、説明を省略する。

　走査部４０は、測定光の照射される角度を変化させることにより、測定光を走査させる機能を有する。走査方法は、フォトニック結晶、液晶などさまざまなものが採用され得る。例えば、走査部４０がガルバノスキャナやＭＥＭＳミラー等のように、回転または移動する鏡を備え、この鏡にレーザー光を反射させてレーザー光を走査させる構成とすることができる。鏡は、１以上の平面鏡でもよいし、多面体形状に形成されてもよい。あるいは、走査部４０がモータ等の駆動装置を備え、投光用光学系１４をＸＹ方向に移動させることによって測定光を走査させてもよい。

　光源１１２は発光素子１２３を備えるが、発光素子１２３の数は第１実施形態と異なり、受光素子２２２の数と同じである。図８Ａに示すように、発光素子１２３は範囲Ｒ内に１つずつ配列され、受光素子２２２は対応する１つの発光素子１２３の光を受光可能である。

　受光センサ２２は、図８Ｂに示すように、２次元配置された複数の受光素子２２２を有している。この構成は第１実施形態と同じである。受光素子２２２は発光素子１２３と同じ行数及び同じ列数で配列される。

　測定時における制御部３０（タイミング制御部３４）による制御は図９に示すように実行される。制御部３０は、各範囲Ｒにおいて発光素子１２３を一定周期で発光させる。同時に制御部３０は、走査部４０を制御して、走査光の方向を発光素子１２３の発光の度に変更する。具体的には、図９に示すように、領域Ｓ内の４つの異なる位置（＋Ｘ－Ｙ側、＋Ｘ＋Ｙ側、－Ｘ－Ｙ側、－Ｘ＋Ｙ側）に順次測定光が照射され、これが繰り返される。

　このように測定光の出射方向を変えることにより、１つの領域Ｓに対して４つの測定箇所に測定光を照射させ、測定を実行できる。各測定箇所は、取得される画像における画素に相当する。

　信号処理部３６２の制御、及び距離画像の生成方法は、第１実施形態と同じである。

　このような処理を行うことにより、制御部３０は、発光素子１２３の数の４倍の画素数を持つ距離画像を生成し、画素毎に対象物９０までの距離を算出することができる。

　（変形例）
　上記第１及び第２実施形態では、発光素子１２３及び受光素子２２２はＸ方向及びＹ方向に２次元配列されていたが、１次元配列されてもよい。具体的には、図１０Ａの光源３１２及び受光センサ３２２に示すように、Ｘ方向またはＹ方向だけに発光素子１２３または受光素子２２２を並べてもよい。また、１つの素子（単素子）だけの構成とすることも可能である。

　また、上記第２実施形態において、走査部４０は、Ｘ方向及びＹ方向に測定光を走査させていたが、１方向（１次元）に走査を実行してもよい。例えば、図１０Ｂの光源４１２及び受光センサ４２２に示すように、発光素子１２３をＸ方向に１次元配列し、走査部４０によって測定光をＸ方向に走査させることで、取得する画像の画素数を増加させることが可能である。

　その他変形例として、図１０Ｃには発光素子１２３及び受光素子２２２の配列、並びに走査部４０の走査方法の組み合わせを列挙している。これらは例示であり、それ以外の配列、走査方法も考えられる。

　（小括）
　上記第１及び第２実施形態及び変形例では、測定装置１、１００は、対象物９０に向けて光を発光する発光素子１２３を有する光源１２（発光部に相当する）と、対象物９０に反射された光源１２、１１２の光を受光する受光素子２２２と、を備え、発光素子１２３のＸ方向またはＹ方向（第１方向に相当）における瞬時画角は、受光素子２２２の第１方向における瞬時画角より小さい。

　上記構成により、受光素子２２２の数よりも多くの画素及び測定点を有する、すなわち高い解像度を有する画像を生成することが可能となる。換言すれば、画像の画素数に比較して、少ない受光素子２２２の数とし、簡易な構成で測定装置１、１００を構成することができる。

　光源１２、１１２は、第１方向に並んだ複数の発光素子１２３（第１発光素子に相当）を有し、受光素子２２２は、第１方向に並ぶ複数の発光素子１２３の反射光を受光可能である。また、発光素子１２３の第１方向における瞬時画角は、受光素子２２２の第１方向における瞬時画角よりも小さい。

　上記構成では、受光素子２２２が複数の発光素子１２３から受光するため、受光素子２２２の数よりも多くの画素及び測定点を有する、すなわち高い解像度を有する画像を生成することが可能となる。

　光源１２は、第１方向に交差する第２方向に並ぶ複数の発光素子１２３（第２発光素子に相当）を有し、受光素子２２２は、第２方向に並ぶ複数の発光素子１２３の反射光を受光可能である。

　上記構成では、２次元配列された複数の発光素子１２３の光を受光素子２２２が受光可能であるから、受光素子２２２は、２次元に配列された画素を取得することが可能である。これにより、高い解像度を有する画像を生成することが可能となる。

　光源１２は、発光を行う度に、発光させる発光素子１２３を切り替える。

　上記構成により、受光素子２２２の数よりも多くの画素及び測定点を有する、すなわち高い解像度を有する画像を生成することが可能となる。

　測定装置１００は、発光素子１２３から出射した光を第１方向及び第１方向に交差する第２方向の少なくとも１つの方向に走査する走査部４０をさらに備える。

　上記構成では走査部４０を用いて測定光を走査するため、発光素子１２３の数をさらに減少させることが可能である。

　光源１２、１１２は、第１方向において異なる位置に光を走査可能であり、受光素子２２２は、異なる位置に照射された光の反射光を受光可能である。

　上記構成とすることにより、各位置の受光結果を画素とした画像を生成することが可能となる。また、測定光を走査するため、発光素子１２３の数よりも画素数を増やし、解像度の高い画像を生成することが可能となる。

　測定装置１、１００は、第１位置に光源１２が光を照射したときに受光素子２２２が受光した受光結果と、第１位置とは第１方向の位置が異なる第２位置に光源１２が光を照射したときに受光素子２２２が受光した受光結果と、をそれぞれ記憶する記憶部５０を更に有する。

　上記構成では、異なる位置における受光結果が記憶されることにより、位置毎の受光結果を解析し、各位置の受光結果を画素とした画像を生成することが可能となる。

　（第３実施形態）
　第３実施形態による測定装置５００について、以下に説明する。図１１に示すように、測定装置５００の照射部５１０は、図１に示す光源１２の代わりに、光源５１２を備える。また、照射部５１０は、図１に示す受光センサ２２の代わりに、受光センサ５２２を備える。

　また、図１２に示すように、測定装置５００の制御部５３０は、設定部５３２と、タイミング制御部５３４と、測距部５３６とを備える。測距部５３６は、信号処理部８６２と、時間検出部８６４と、距離算出部８６６とを有する。信号処理部８６２は、受光センサ５２２の出力信号を処理する。時間検出部８６４は、光の飛行時間を検出する。距離算出部８６６は、対象物９０までの距離を算出する。

　以下では、第１実施形態の測定装置１と同様の構成または部品等に対しては同じ参照番号を付し、説明を省略する。

　（光源及び受光センサ）
　光源５１２は、図１３Ａに示すように、ＸＹ平面（Ｘ方向及びＹ方向に平行な面）に平行な発光面を有する。発光面は、矩形状に構成されている。光源５１２から射出された光は、投光用光学系１４を介して、図１２に示す対象物９０に照射される。

　光源５１２は、２次元配置された複数の発光素子６２３を有している。発光素子６２３は、図１３Ａに示すように、Ａ、Ｂ、Ｃ…の各行、及び、１、２、３…の各列に形成される。

　受光センサ５２２は、図１３Ｂに示すように、２次元配置された複数の受光素子７２２を有している。受光素子７２２の数および配列は、発光素子６２３の数および配列と同じである。受光素子７２２は、Ａ、Ｂ、Ｃ…の各行、及び、１、２、３…の各列に形成される。

　受光素子７２２は、受光量に応じた信号を出力する。受光素子７２２の具体例としては様々な種類の素子が考えられるが、一例としてＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）である。ＳＰＡＤで構成された受光素子７２２は、フォトンを検出するとパルス信号を出力する。発光素子６２３は投光用光学系１４を介して対象物９０に光を照射する。

　ある発光素子６２３によって発せられた光を受光する受光素子７２２の対応関係は予め決められている。詳細に述べると、１つの発光素子６２３に対して１つの受光素子７２２が反射光を受光可能に対応付けられており、或る受光素子７２２の検出位置は、対応する発光素子６２３の発光位置と共役である。

　本実施形態では、同行同列にある発光素子６２３と受光素子７２２が共役となるように対応付けられている。例えば、図１３ＢにおけるＡ行１列の受光素子７２２は、図１３ＡにおけるＡ行１列の発光素子６２３の発光を受光及び検知できる。なお、以下では、位置または範囲が光源５１２及び受光センサ５２２において同行同列にあることを、簡単に「同じ位置」、「同じ範囲」であると説明する場合がある。

　図１３Ｂにおける範囲Ｒの受光素子７２２は、光源５１２において同じ範囲Ｒにある発光素子６２３の発光を受光及び検知できる。このとき、発光素子６２３から出射された測定光は、対象物９０上の領域Ｓで反射し、対応する受光素子７２２によって受光される（図１４）。

　範囲Ｒのように３行３列の矩形状に配列された受光素子７２２の群は、制御部５３０によって取得される画像における画素に対応する。なお、画素を形成する受光素子７２２の個数及び配列の形状は、条件に応じて適宜設定可能である。

　（測定時の処理：測定例１）
　測定時における、制御部５３０（タイミング制御部５３４）による発光素子６２３の制御について説明する。制御部５３０は、図１７のフローチャートに従い、以下のように受光及び発光を所定の方向に走査させながら、対象物９０までの距離の測定を行う。

　まずステップＳ１において、制御部５３０（タイミング制御部５３４）は、光源５１２の－Ｙ方向端部において、Ｘ方向の長さが光源５１２のＸ方向全長に等しく、かつ、Ｙ方向に３列分延びる発光範囲を定める。

　次に制御部５３０は、発光範囲内にある発光素子６２３を同時に発光させ、パルス光を出射させる（Ｓ３）。なお、図１５Ａでは、発光範囲をハッチングで示している。

　光源５１２の発光に伴い、対応する受光素子７２２が反射光を受光する。図１５Ｂでは、受光している受光素子７２２の範囲（受光範囲）をハッチングで示し、画素を構成する素子群を太線で示している。

　上述の通り、１つの発光素子６２３に対して１つの受光素子７２２が反射光を受光可能に対応付けられているため、受光センサ５２２における受光範囲は、光源５１２における発光範囲と同じである。すなわち、図１５Ｂに示すように、受光範囲は、受光センサ５２２のＸ方向全長に延び、かつＹ方向に３列並んだ範囲である。

　発光範囲及び受光範囲が光源５１２及び受光センサ５２２の＋Ｙ側端部まで移動していない場合（Ｓ５：ＮＯ）、ステップＳ７において制御部５３０は、図１５Ａに示すように、発光範囲及び受光範囲を＋Ｙ方向に１列分、すなわち１素子分移動させ、発光範囲内の発光素子６２３を発光させる。これに伴い、受光範囲も１素子分＋Ｙ方向に移動される（図１５Ｂ）。

　制御部５３０は、ステップＳ１～Ｓ７の処理を一定周期で繰り返す。制御部５３０は、このように光源５１２における発光範囲、対象物９０上での照射範囲、及び受光センサ５２２における受光範囲をそれぞれ＋Ｙ方向へ走査させる。

　制御部５３０は、上記のような処理を光源５１２及び受光センサ５２２の全域にわたって行う。詳細に述べると、制御部５３０は、発光範囲及び受光範囲が光源５１２及び受光センサ５２２の＋Ｙ側端部まで移動すると（Ｓ５：ＹＥＳ）、処理をステップＳ１に戻し、再び－Ｙ側端部から発光範囲及び受光範囲の走査を開始する。なお、走査の終点が、光源５１２及び受光センサ５２２の＋Ｙ側端部以外の位置で定められていてもよい。

　受光部５２０による反射光の受光により得られたデータは、記憶部５０に保存されるとともに、以下のように処理される。

　図１８Ａは、図１２に示す信号処理部８６２の説明図である。信号処理部８６２は、加算部８６２Ａと、比較部８６２Ｂと、ヒストグラム生成部８６２Ｃとを有する。ここでは、信号処理部８６２は、各受光素子７２２の出力信号に基づいて、時間相関単一光子計数法（Time Correlated Single Photon Counting(TCSPC)で用いるヒストグラムを生成する。

　加算部８６２Ａは、画素を構成する受光素子７２２（ＳＰＡＤ）群の出力信号を加算する。加算部８６２Ａは、受光素子７２２が出力するパルス幅を調整（整形）した上で、複数の受光素子７２２の出力信号を加算しても良い。比較部８６２Ｂは、加算部８６２Ａの出力信号と閾値とを比較し、加算部８６２Ａの出力信号が閾値以上の場合に信号を出力する。比較部８６２Ｂが信号を出力するタイミングは、受光センサ５２２の受光素子７２２（ＳＰＡＤ）が光を検知したタイミングであると考えられる。

　ところで、外乱光のフォトンは時間的にランダムにそれぞれの受光素子７２２に入射する。これに対し、反射光のフォトンは、光を照射してから所定の遅延時間（対象物９０までの距離に応じた飛行時間）にそれぞれの受光素子７２２に入射する。このため、外乱光のフォトンが時間的にランダムに受光素子７２２に入射した場合には、加算部８６２Ａの出力信号が閾値以上になる確率は低い。一方、反射光のフォトンが受光素子７２２に入射した場合には、画素を構成する受光素子７２２の群が同時にフォトンを検出するため、加算部８６２Ａの出力信号が閾値以上になる確率は高い。このため、複数の受光素子７２２の出力信号を加算部８６２Ａで加算し、加算部８６２Ａの出力信号と閾値とを比較部８６２Ｂに比較させることによって、受光素子７２２（ＳＰＡＤ）が反射光を検知したと考えられる時間を計測する。

　図１８Ｂは、信号処理部８６２によって生成されるヒストグラムの説明図である。図１８Ｂ中の横軸は、時間であり、縦軸は頻度（回数）である。ヒストグラム生成部８６２Ｃは、比較部８６２Ｂの出力に基づいて、受光センサ５２２の受光素子７２２（ＳＰＡＤ）が光を検知した時間を繰り返し計測するとともに、その時間に対応付けられた頻度（回数）をインクリメントすることによって、ヒストグラムを生成する。ヒストグラム生成部８６２Ｃは、頻度（回数）をインクリメントする時、数を１つ増加させる代わりに、加算部８６２Ａの出力信号（加算値）に相当する数を増加させても良い。

　なお、設定部５３２（図１２参照）は、ヒストグラムを生成するための積算回数を予め設定する。タイミング制御部５３４は、設定された積算回数に応じて、照射部５１０の光源５１２にパルス光を複数回出射させる。光源５１２からの１回のパルス光の出射に対して、加算部８６２Ａから信号が１回又は複数回出力される。ヒストグラム生成部８６２Ｃは、設定された積算回数に達するまで、比較部８６２Ｂの出力信号に応じて、頻度（回数）をインクリメントすることによって、ヒストグラムを生成する。

　ヒストグラムの生成後、測距部５３６（時間検出部８６４）は、ヒストグラムに基づいて、光を照射してから反射光が到達するまでの時間Ｔｆを検出する。図１８Ｂに示すように、測距部５３６（時間検出部８６４）は、ヒストグラムの頻度のピークに対応する時間を検出し、その時間を時間Ｔｆとする。そして、測距部５３６（距離算出部８６６）は、時間Ｔｆに基づいて、対象物９０までの距離を算出する。

　上記のような処理により、制御部５３０は、各発光素子６２３に対応した画素を持つ画像を生成するとともに、画素毎に対象物９０までの距離を算出することができる。受光センサ５２２の辺縁部を除き、受光素子７２２は、一度の画像生成において複数回受光するとともに、画素の中心となることができる。そのため、解像度の高い画像生成が可能となる。

　(測定例２)
　なお、上記の説明では、発光範囲および受光範囲をＹ方向３列分の範囲としたが、Ｘ方向３行分の発光範囲及び受光範囲としてもよい。この場合、発光範囲及び受光範囲のＹ方向長さは、それぞれ光源５１２及び受光センサ５２２のＹ方向全長と同じである。

　この場合の走査方向は、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すように－Ｘ方向である。すなわち、発光範囲及び受光範囲は、制御部５３０によって一定周期で－Ｘ方向に走査される。

　発光範囲及び受光範囲に関し、Ｘ方向の走査とＹ方向の走査を交互に繰り返すことも可能である。例えば、制御部が画像を１枚生成する度に測定例１と測定例２とを切り替えて実行し、走査方向を変えることも可能である。

　受光センサ５２２の辺縁部を除き、各受光素子７２２は複数回の受光ができるとともに、画素の中心となることができる。そのため、解像度の高い画像生成が可能となる。

　（測定例３）
　受光センサ５２２を２以上の区画に分割し、各区画において走査方法を変えてもよい。例えば、画像の中央部において画像の解像度を高くしたい場合、図１９に示すように受光センサ５２２を中央部の区画５２２Ａと区画５２２Ｂとに分割することが考えられる。区画５２２Ａにおいては測定例１に基づく走査を行い（図２０Ａ）、区画５２２Ｂにおいては他の走査方法が適用され得る。例えば、区画５２２Ｂにおいては従来と同様に画素ごとの走査、すなわち、受光範囲を３列ずつ＋Ｙ方向に移動させる走査が行われる（図２０Ｂ）。

　なお、区画５２２Ａにおいて測定例２と同様の走査が実行されてもよい。

　上記のような走査を行うと、受光センサ５２２の中央部の区画５２２Ａにおいて解像度の高い画像が生成できる。また、区画５２２Ｂにおいては走査速度を上げ、画像生成に掛かる時間を早めることができる。そのため、迅速に、または効率よく画像生成が可能となる。

　区画５２２Ａ及び区画５２２Ｂは、画像生成毎に形状を変えることも可能である。例えば、高解像度の画像が必要な領域の移動に応じて、区画５２２Ａの大きさ、形状を適宜変更することが一例として考えられる。

　（第４実施形態）
　第４実施形態による測定装置９００について、図２１から図２２を用いて以下に説明する。

　測定装置９００は、図１１に示す第３実施形態の測定装置５００と同様構成に加えて走査部９４０をさらに備える。また、測定装置９００の照射部９１０は、光源５１２の代わりに光源１０１２を備える（図２１）。以下では、第３実施形態の測定装置５００と同様の構成、部品等に対しては同じ参照番号を付し、説明を省略する。

　走査部９４０は、測定光の照射される角度を変化させることにより、測定光を走査させる機能を有する。走査方法は、フォトニック結晶、液晶などさまざまなものが採用され得る。例えば、走査部９４０がガルバノスキャナやＭＥＭＳミラー等のように、回転または移動する鏡を備え、この鏡にレーザー光を反射させてレーザー光を走査させる構成とすることができる。鏡は、１以上の平面鏡でもよいし、多面体形状に形成されてもよい。あるいは、走査部９４０がモータ等の駆動装置を備え、投光用光学系１４をＸＹ方向に移動させることによって測定光を走査させてもよい。

　光源１０１２は発光素子１０２３を備えるが、発光素子１０２３の数は第３実施形態と異なり、Ｙ方向３列分だけ配列される（図２２）。受光センサ５２２の構成は第３実施形態と同じである。

　測定時における制御部５３０（タイミング制御部５３４）による制御は以下のように実行される。制御部５３０は、光源１０１２の全発光素子１０２３を一定周期で発光させる。並行して、制御部５３０は走査部９４０を制御し、走査光の方向を発光素子１０２３の発光の度に＋Ｙ方向に変更する。このようにして制御部５３０は、図１５Ｂと同様に、受光センサ５２２の受光範囲を１列（１素子）ずつ＋Ｙ方向に走査させ、第３実施形態と同様の画像形成を実行する。

　このような処理を行うことにより、測定例１と同様、解像度の高い画像の生成が可能となる。また、光源１０１２を発光素子数の少ない簡易な構成とすることができる。

　光源１０１２は、発光素子１０２３をＹ方向１列だけ備えるものとしてもよい。この場合、図１３Ｂに示す受光素子７２２を３列分受光させるのに必要なＹ方向長さを、発光素子１０２３が持っていればよい。

　光源１０１２において発光素子１０２３をＸ方向３行に配列し、Ｘ方向に走査する構成としてもよい。この場合は、受光センサ５２２において測定例２と同様の走査、測定が実行される

　（変形例）
　上記第３及び第４実施形態では、走査時における受光範囲の移動量は１素子分であったが、１素子以上の大きさで受光範囲が移動されてもよい。すなわち、例えば受光範囲が素子３列（３行）分である場合、受光範囲を光源５１２，１０１２の発光毎に２列（２行）分移動させる構成としてもよい。つまり、走査方向における受光範囲長さよりも小さいという条件を満たしつつ、受光範囲の移動量は適宜設定可能である。

　光源５１２，１０１２における発光素子６２３，１０２３、または受光センサ５２２における受光素子７２２の配列は、２次元配列ではなく１次元配列であってもよい。

　（小括）
　測定装置５００，９００は、対象物９０に向けて光を発光する発光素子６２３，１０２３と、対象物９０に反射された光を受光する、第１方向に配列された複数の受光素子７２２と、制御部５３０と、を備える。制御部５３０は、複数の受光素子７２２のうち、第１方向（例えばＹ方向）に２以上の所定個数分並んだ受光素子７２２を包含する受光範囲（第１受光領域に相当）内の受光素子７２２に受光させる第１受光処理と、所定個数より少ない第１個数分、受光範囲を第１方向に移動する第１移動処理と、複数の受光素子７２２のうち、第１移動処理後の第１受光領域内の受光素子７２２に受光させる第２受光処理と、を実行する。

　上記構成により、画素単位で走査する場合に起こる解像度の低下を抑制し、解像度の高い画像の生成が可能となる。すなわち測定性能の高い、測定装置５００，９００を実現できる。光源５１２，１０１２の視野全体を一度に照射するのではなく、部分的に照射してスキャンしていくことにより、エネルギ密度を高めることが可能となる。

　受光範囲内は、第１受光処理及び第２受光処理の各々において制御部５３０が取得する画像の１画素に対応する受光素子７２２の群を含む。

　上記構成では、受光素子７２２としてＳＰＡＤを用いての走査、計測を実行できる。また、解像度の高い画像が生成できる。詳細に述べると、複数画素をまとめて１画素とする場合は、１つの受光素子７２２を１画素とした場合と比較して、ダイナミックレンジの拡大や、測距のための積算回数低減が可能となる。そのため、測定性能の高い測定装置５００，９００を実現できる。

　制御部５３０は、複数の受光素子７２２の受光によって取得される複数の画像において、一定の画像間隔ごとに第１受光処理、移動処理及び第２受光処理を実行する。

　上記構成では、第１受光処理、移動処理及び第２受光処理による測定方法と、例えば画素単位での走査を行う測定方法とを、画像１枚ごとに切り替えることが可能となる。解像度の高い画像生成を、一定の画像間隔毎に処理を実行することで、複数の画像生成に掛かる時間を短くし、処理を迅速に実行することができる。また、高解像度の画像生成を、必要な数量に抑制することができる。

　複数の受光素子７２２は、第１方向に交差する第２方向（例えばＸ方向）においても配列される。

　上記構成により解像度の高い、２次元画像取得が可能となる。

　制御部５３０は、第１受光処理、移動処理及び第２受光処理を実行することによって画像を取得した後、複数の受光素子７２２のうち、第２方向に２以上の規定個数分並んだ受光素子７２２を包含する第２受光領域内の受光素子７２２に受光させる第３受光処理と、規定個数より少ない第２個数分、第２受光領域を第２方向に移動する第２移動処理と、複数の受光素子７２２のうち、第２移動処理後の第２受光領域内の受光素子７２２に受光させる第４受光処理と、を実行することによって別の画像を取得する。

　上記の構成により、例えば、Ｙ方向への走査による測定（測定例１）と、Ｘ方向への走査による測定（測定例２）とを、交互に実行することができる。走査方向を変えることにより、受光センサ５２２の辺縁部以外の受光素子７２２に均等に受光させ、高解像度の画像を生成できる。

　制御部５３０は、複数の受光素子７２２を包含する包含領域の一部である区画５２２Ｂ（第１領域に相当）において、第１受光処理と、所定個数分、受光範囲を前記第１方向に移動する第３移動処理と、第２受光処理と、を実行し、包含領域から第１領域を除外した区画５２２Ａ（第２領域に相当）において、第１受光処理と、第１移動処理と、第２受光処理と、を実行する。

　上記構成により、例えば測定例３の処理を実行することができる。受光センサ５２２において、高解像度の画像が必要な区画だけに対して測定例１、２等による処理を実行し、それ以外の区画における走査方法と異なる処理とすることにより、画像を迅速に生成できる。

　以上、本発明の実施形態につき詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の実施形態の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。

　本出願は、２０２２年２月９日出願の日本特許出願２０２２－０１８７３３号及び２０２２年２月３日出願の日本特許出願２０２２－０１５４６２号に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

Claims (15)

1. 　対象物に向けて光を発光する発光素子を有する発光部と、
   　前記対象物に反射された前記発光部の光を受光する受光素子と、を備え、
   　前記発光素子の第１方向における瞬時画角は、前記受光素子の前記第１方向における瞬時画角より小さい、測定装置。
2. 　前記発光部は、前記発光素子として、前記第１方向に並んだ複数の第１発光素子を有し、
   　前記受光素子は、前記第１方向に並ぶ前記複数の第１発光素子の反射光を受光可能である、請求項１に記載の測定装置。
3. 　前記発光部は、前記発光素子として、前記第１方向に交差する第２方向に並ぶ複数の第２発光素子を有し、
   　前記受光素子は、前記第２方向に並ぶ前記複数の第２発光素子の反射光を受光可能である、請求項２に記載の測定装置。
4. 　前記発光部は、発光を行う度に、発光させる前記発光素子を切り替える、請求項２または３に記載の測定装置。
5. 　前記発光素子から出射した光を前記第１方向及び前記第１方向に交差する第２方向の少なくとも１つの方向に走査する走査部をさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の測定装置。
6. 　前記発光部は、前記第１方向の位置が異なる第１位置及び第２位置に光を走査可能であり、
   　前記受光素子は、前記第１位置及び前記第２位置に照射された光の反射光を受光可能である、請求項１から５のいずれか１項に記載の測定装置。
7. 　第１位置に前記発光部が光を照射したときに前記受光素子が受光した受光結果と、前記第１位置とは前記第１方向の位置が異なる第２位置に前記発光部が光を照射したときに前記受光素子が受光した受光結果と、をそれぞれ記憶する記憶部を更に有する、請求項１から６のいずれか１項に記載の測定装置。
8. 　対象物に向けて光を発光する発光素子と、
   　前記対象物に反射された光を受光する、第１方向に配列された複数の受光素子と、
   　制御部と、を備え、
   　前記制御部は、
   　前記複数の受光素子のうち、前記第１方向に２以上の所定個数分並んだ受光素子を包含する第１受光領域内の受光素子に受光させる第１受光処理と、
   　前記所定個数より少ない第１個数分、前記第１受光領域を前記第１方向に移動する第１移動処理と、
   　前記複数の受光素子のうち、前記第１移動処理後の前記第１受光領域内の受光素子に受光させる第２受光処理と、を実行する測定装置。
9. 　前記第１受光領域は、前記第１受光処理及び前記第２受光処理の各々において前記制御部が取得する画像の１画素に対応する受光素子群を含む、請求項８に記載の測定装置。
10. 　前記制御部は、
    　前記複数の受光素子の受光によって取得される複数の画像において、一定の画像間隔ごとに前記第１受光処理、前記第１移動処理及び前記第２受光処理を実行する、請求項８または９に記載の測定装置。
11. 　前記複数の受光素子は、前記第１方向に交差する第２方向においても配列される、請求項８または９に記載の測定装置。
12. 　前記制御部は、
    　前記第１受光処理、前記第１移動処理及び前記第２受光処理を実行することによって画像を取得した後、
    　前記複数の受光素子のうち、前記第２方向に２以上の規定個数分並んだ受光素子を包含する第２受光領域内の受光素子に受光させる第３受光処理と、
    　前記規定個数より少ない第２個数分、前記第２受光領域を前記第２方向に移動する第２移動処理と、
    　前記複数の受光素子のうち、前記第２移動処理後の前記第２受光領域内の受光素子に受光させる第４受光処理と、
    　を実行することによって別の画像を取得する、請求項１１に記載の測定装置。
13. 　前記制御部は、
    　前記複数の受光素子を包含する包含領域の一部である第１領域において、
    　前記第１受光処理と、
    　前記所定個数分、前記第１受光領域を前記第１方向に移動する第３移動処理と、
    　前記第２受光処理と、を実行し、
    　前記包含領域から前記第１領域を除外した第２領域において、
    　前記第１受光処理と、前記第１移動処理と、前記第２受光処理と、を実行する、請求項８から１２のいずれか１項に記載の測定装置。
14. 　前記所定個数は３である、請求項８から１３のいずれか１項に記載の測定装置。
15. 　前記第１個数は１である、請求項８から１４のいずれか１項に記載の測定装置。

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