(57)【要約】【課題】投光される光の歪みを効果的に抑制することが可能な投光装置およびこれを備えたＴＯＦセンサ、距離画像生成装置を提供する。【解決手段】投光装置１０は、ＬＥＤ１５と、ＬＥＤ電源１６と、駆動回路１０ａとを備えている。ＬＥＤ１５は、所定の方向へ光を照射する。ＬＥＤ電源１６は、ＬＥＤ１５へ電力を供給する。駆動回路１０ａは、所定の周波数で変調された駆動電流の波形を、ＤＣオフセットさせてＬＥＤ１５に入力させる。【選択図】図３
2020148706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の方向へ光を照射するＬＥＤと、
前記ＬＥＤへ電力を供給する電源部と、
所定の周波数で変調された駆動電流の波形を、ＤＣオフセットさせて前記ＬＥＤに入力させる駆動回路と、
を備えている投光装置。
【請求項２】
前記駆動回路は、前記駆動電流をＤＣオフセットさせるオフセット生成回路を有している、
請求項１に記載の投光装置。
【請求項３】
前記駆動回路は、前記ＬＥＤに対して、４ＭＨｚ以上の周波数によって変調された前記駆動電流を入力する、
請求項１または２に記載の投光装置。
【請求項４】
前記駆動回路は、前記ＬＥＤに対して、正弦波の前記駆動電流を入力する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の投光装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の投光装置と、
前記投光装置から測定対象物に向かって照射された光の反射光を受光する受光部と、
前記投光装置から光が照射されてから前記受光部において前記反射光を受光するまでの光の飛行時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定する測定部と、
を備えたＴＯＦセンサ。
【請求項６】
請求項５に記載のＴＯＦセンサを、
備え、
前記受光部は、複数の画素を有する受光素子であって、
前記測定部は、前記受光素子に含まれる前記複数の画素のそれぞれにおいて、前記反射光を受光するまでの光の飛行時間に基づいて、前記測定対象物までの距離を測定し、
前記複数の画素のそれぞれにおいて測定された前記測定対象物までの距離を用いて、距離画像を生成する画像生成部をさらに備えた、
距離画像生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ＴＯＦ（Time of Flight）センサの光源として使用される投光装置およびこれを備えたＴＯＦセンサ、距離画像生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光源としてのＬＥＤ（Light emitting diode）から測定対象物に向かって照射された光の反射光を受光して、測定対象物までの距離を測定するＴＯＦセンサが使用されている。
このようなＴＯＦセンサは、所定の周波数で変調された光をＬＥＤから測定対象物に向かって照射し、測定対象物に反射して戻ってきた反射光を受信するまでの光の飛行時間を測定することで、測定対象物までの距離を測定する。
【０００３】
例えば、特許文献１には、対象物までの距離を測定する際に、温度変化に対する距離の測定精度の低下を抑制する距離センサについて開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−５３７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の測距装置では、以下に示すような問題点を有している。
すなわち、上記公報に開示された距離センサでは、ゼロ点を含む発光制御信号が発光素子（ＬＥＤ等）に入力されている。
この場合、所定の周波数で変調された駆動電流には、高周波歪みが発生し易いため、ＬＥＤへ入力される駆動電流に対して照射される光の輝度が非線形に変動し、照射される光の波形に歪みが生じるおそれがある。
【０００６】
本発明の課題は、照射される光の歪みを効果的に抑制することが可能な投光装置およびこれを備えたＴＯＦセンサ、距離画像生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明に係る投光装置は、ＬＥＤと、電源部と、駆動回路と、を備えている。ＬＥＤは、所定の方向へ光を照射する。電源部は、ＬＥＤへ電力を供給する。駆動回路は、所定の周波数で変調された駆動電流の波形を、ＤＣオフセットさせてＬＥＤに入力させる。
ここでは、駆動回路が、ＬＥＤに対して入力される駆動電流の波形を、ＤＣオフセットさせるように制御する。
【０００８】
ここで、駆動電流は、所定の変調周波数で処理されてＬＥＤに入力される。このとき、変調周波数で処理された駆動電流に対する光量が、特に、ゼロ点付近に非線形領域が発生し、ＬＥＤから照射される光の波形に歪みが生じるおそれがある。
このため、例えば、投光装置をＴＯＦセンサの光源として用いた場合には、ＬＥＤから照射される光の波形に歪みが生じると、ＴＯＦセンサを用いて測定される測定対象物までの距離に誤差が生じてしまうおそれがある。
【０００９】
そこで、本発明の投光装置では、非線形領域が生じやすい駆動電流に対する光量の波形のゼロ点付近を避けるように、駆動回路が、駆動電流の波形をＤＣオフセットさせて、ＬＥＤに入力する。
これにより、ＤＣオフセットによってゼロ点付近を避けて入力された駆動電流に対する光量の波形には、非線形領域が発生しにくいため、ＬＥＤから照射される光の波形に歪みが生じることを効果的に抑制することができる。
この結果、例えば、ＴＯＦセンサ等の光源として使用された場合でも、歪みの発生が抑制された波形を持つ光をＬＥＤから照射することで、距離測定の精度を向上させることができる。
【００１０】
第２の発明に係る投光装置は、第１の発明に係る投光装置であって、駆動回路は、駆動電流をＤＣオフセットさせるオフセット生成回路を有している。
ここでは、駆動回路に設けられたオフセット生成回路が、ＬＥＤに入力される駆動電流をＤＣオフセットさせる信号を生成する。
これにより、オフセット生成回路において生成されたオフセット信号に基づいて、駆動電流をＤＣオフセットすることができる。
【００１１】
第３の発明に係る投光装置は、第１または第２の発明に係る投光装置であって、駆動回路は、ＬＥＤに対して、４ＭＨｚ以上の周波数によって変調された駆動電流を入力する。
【００１２】
ここでは、ＬＥＤに入力される駆動電流の変調周波数として、４ＭＨｚ以上の周波数を用いる。
これにより、４ＭＨｚ以上の変調周波数によって処理された駆動電流と光量との関係には、主に、ゼロ点付近に非線形領域が発生しやすくなるものの、上述したＤＣオフセットすることにより、駆動電流に対する光量の波形に非線形領域が発生することを抑制することができる。
よって、４ＭＨｚ以上の変調周波数で処理された駆動電流によって駆動されたＬＥＤから照射される光の波形に、歪みが生じることを効果的に抑制することができる。
【００１３】
第４の発明に係る投光装置は、第１から第３の発明のいずれか１つに係る投光装置であって、駆動回路は、ＬＥＤに対して、正弦波の駆動電流を入力する。
ここでは、ＬＥＤに入力される駆動電流を、例えば、ローパスフィルタを介して正弦波で入力する。
これにより、駆動電流に対する光量の正弦波のゼロ点付近における非線形領域の発生を抑制するために、ＤＣオフセットされているため、ＬＥＤから照射される光の波形に歪みが含まれることを効果的に抑制することができる。
【００１４】
第５の発明に係るＴＯＦセンサは、第１から第４の発明のいずれか１つに係る投光装置と、受光部と、測定部とを備えている。受光部は、投光装置から測定対象物に向かって照射された光の反射光を受光する。測定部は、投光装置から光が照射されてから受光部において反射光を受光するまでの光の飛行時間に基づいて、測定対象物までの距離を測定する。
【００１５】
ここでは、上述した投光装置から照射された光の反射光を受光部において受光し、測定部が、照射から受光までの光の飛行時間に基づいて、測定対象物までの距離を測定するＴＯＦ（Time of Flight）センサを構成する。
これにより、上述した投光装置をＴＯＦセンサの光源として使用した場合でも、歪みの発生が抑制された波形を持つ光がＬＥＤから照射されるため、ＴＯＦセンサによって測定される距離の測定精度を向上させることができる。
【００１６】
第６の発明に係る距離画像生成装置は、第５の発明に係るＴＯＦセンサを備え、受光部は、複数の画素を有する受光素子であって、測定部は、受光素子に含まれる複数の画素のそれぞれにおいて、反射光を受光するまでの光の飛行時間に基づいて、測定対象物までの距離を測定する。そして、複数の画素のそれぞれにおいて測定された測定対象物までの距離を用いて、距離画像を生成する画像生成部をさらに備えている。
【００１７】
ここでは、上述したＴＯＦセンサを含む距離画像生成装置を構成する。
これにより、上述した投光装置を含むＴＯＦセンサを用いて距離画像生成装置を構成した場合でも、歪みの発生が抑制された波形を持つ光が投光装置（ＬＥＤ）から照射されるため、ＴＯＦセンサによって測定される距離の測定精度を向上させることができる。
よって、ＴＯＦセンサにおいて測定された距離データを用いて生成される距離画像の精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る投光装置によれば、投光される光の歪みを効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る投光装置を備えたＴＯＦセンサを含む距離画像生成装置の構成を示す制御ブロック図。
【図２】図１の距離画像生成装置に含まれるＴＯＦセンサによって測定対象物までの距離の測定原理について説明する図。
【図３】図１のＴＯＦセンサに含まれる投光装置の制御ブロック図。
【図４】ＬＥＤの駆動電流と光量との関係に生じた非線形部分を示すグラフ。
【図５】（ａ）は、図４の駆動電流に対応する電流波形とＬＥＤから照射される光波形とを示すグラフ。（ｂ）は、その電流波形と光波形とを重ねて表示したグラフ。
【図６】（ａ）は、図４の駆動電流をＤＣオフセットした電流波形に対応する電流波形とＬＥＤから照射される光波形とを示すグラフ。（ｂ）は、その電流波形と光波形とを重ねて表示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の一実施形態に係る投光装置１０を備えたＴＯＦセンサ２０を含む距離画像生成装置３０について、図１〜図６（ｂ）を用いて説明すれば以下の通りである。
（１）距離画像生成装置３０の構成
本実施形態に係る距離画像生成装置３０は、ＴＯＦセンサ２０に含まれる投光装置１０から測定対象物４０に向かって照射された光の反射光を撮像素子２２において受光して、光が照射されてから受光されるまでの光の飛行時間（ＴＯＦ）に応じて、測定対象物４０までの距離を表示する距離画像を生成する。そして、距離画像生成装置３０は、図１に示すように、ＴＯＦセンサ２０と、距離画像生成部３１とを備えている。
【００２１】
距離画像生成部３１は、ＴＯＦセンサ２０に含まれる撮像素子２２の各画素において測定対象物４０からの反射光を受光したタイミングと、その反射光に対応する光がＬＥＤ１５から照射されてタイミングとの時間差（飛行時間）に基づいて、撮像素子２２の複数の画素ごとに測定された距離情報を含む距離画像を生成する。
（２）ＴＯＦセンサ２０の構成
ＴＯＦセンサ２０は、投光装置１０から測定対象物４０に向かって照射された光の反射光を受光して、光が照射されてから受光されるまでの光の飛行時間（ＴＯＦ）に応じて、測定対象物４０までの距離を表示する。そして、ＴＯＦセンサ２０は、図１に示すように、投光装置１０と、受光レンズ２１と、撮像素子（受光素子）２２と、制御部（測定部）２３と、記憶部２４とを備えている。
【００２２】
投光装置１０は、ＬＥＤ１５（図３参照）を有しており、測定対象物４０に対して、例えば、１２ＭＨｚの変調周波数で処理された所望の光を照射する。なお、投光装置１０には、ＬＥＤ１５から照射された光を集光して測定対象物４０の方向へ導く投光レンズ（図示せず）が設けられている。また、投光装置１０の詳細な構成については、後段にて詳述する。
【００２３】
受光レンズ２１は、投光装置１０から測定対象物４０に対して照射され、測定対象物４０において反射した反射光を受光して、撮像素子２２へと導くために設けられている。
撮像素子（受光素子）２２は、複数の画素を有しており、図１に示すように、受光レンズ２１において受光された反射光を、複数の画素のそれぞれにおいて受光して、光電変換した電気信号を制御部２３へと送信する。
【００２４】
制御部２３は、図１に示すように、投光装置１０、撮像素子２２、記憶部２４および距離画像生成部３１と接続されている。そして、制御部２３は、記憶部２４に保存された各種プログラムを読み込んで、投光装置１０による光の照射を制御する。さらに、制御部２３は、撮像素子２２に含まれる複数の画素において受光したタイミング等のデータを受信して、投光装置１０から測定対象物４０に向かって光が照射されてから、撮像素子２２においてその反射光を受信するまでの光の飛行時間に基づいて、測定対象物４０までの距離を測定する。測定結果は、制御部２３から距離画像生成部３１へ送信され、距離画像生成部３１において、撮像素子２２の各画素に対応する距離データを用いて距離画像が生成される。
【００２５】
本実施形態のＴＯＦセンサ２０では、図２に示すように、投光装置１０から照射された投光波と、撮像素子２２において受光した受光波との位相差Φに基づいて、制御部２３が、ＴＯＦセンサ２０から測定対象物４０までの距離を演算する。
ここで、位相差Φは、以下の関係式（１）によって示される。
Φ＝ａｔａｎ（ｙ／ｘ）  ・・・・・（１）
（ｘ＝ａ２−ａ０，ｙ＝ａ３−ａ１、ａ０〜ａ３は、受光波を９０度間隔で４回サンプリングしたポイントにおける振幅）
そして、位相差Φから距離Ｄへの変換式は、以下の関係式（２）によって示される。
【００２６】
Ｄ＝（ｃ／（２×ｆＬＥＤ））×（Φ／２π）＋ＤＯＦＦＳＥＴ      ・・・・・（２）
（ｃは、光速（≒３×１０８ｍ／ｓ）、ｆＬＥＤは、ＬＥＤの投光波の周波数、ＤＯＦＦＳＥＴは、距離オフセット。）
記憶部２４は、図１に示すように、制御部２３と接続されており、投光装置１０および撮像素子２２を制御するための制御プログラム、撮像素子２２において検出された反射光の光量、受光タイミング等のデータを保存している。
（３）投光装置１０の構成
本実施形態の投光装置１０は、ＬＥＤ１５から照射された光を、測定対象物４０に対して投光する装置であって、できるだけ歪みの少ない光を照射するために、以下のような構成を備えている。具体的には、投光装置１０は、図３に示すように、ＬＥＤ１５と、ＬＥＤ電源（電源部）１６と、ＬＥＤ駆動回路（駆動回路）１０ａとを備えている。
【００２７】
ＬＥＤ駆動回路１０ａは、図３に示すように、オフセット生成回路１１と、ローパスフィルタ１２と、オペアンプ１３と、電流センス抵抗１４と、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）１７と、を有し、ＬＥＤ電源１６からＬＥＤ１５に入力される駆動電流をＤＣオフセットするように制御を行う。
オフセット生成回路１１は、例えば、１２ＭＨｚで０．３Ｖのパルス信号からなるクロック信号を受信して、ＬＥＤ１５に対して入力される駆動電流をＤＣオフセットするためのオフセット処理を行った後、ローパスフィルタ１２へ送信する。
【００２８】
ローパスフィルタ１２は、オフセット生成回路１１から受信したオフセット処理されたパルス信号から所定の遮断周波数を超える高周波成分を除去し、低周波成分のみを通過させて生成される正弦波の信号波形を、オペアンプ１３の非反転入力端子（＋）に対して出力する。
オペアンプ１３は、ＦＥＴ１７を制御するために設けられており、非反転入力端子（＋）にローパスフィルタ１２からの出力（ＤＣオフセットされた信号）が入力され、反転入力端子（−）に電流センス抵抗１４に発生する帰還電圧が入力される。
【００２９】
電流センス抵抗１４は、ＬＥＤ１５とＦＥＴ１７とに直接接続されており、ＬＥＤ１５に流れる電流を検出するために設けられている。
ＬＥＤ１５は、ｎ個のＬＥＤが直列接続されて構成されており、ＬＥＤ電源１６からｎ個のＬＥＤの合計順方向電圧ｎ・Ｖｆよりも高い電圧が印加されて発光する。
なお、図３では、図示を省略しているが、ＬＥＤ１５から照射された光を集光して測定対象物４０へ投光する投光レンズが、ＬＥＤ１５の近傍に設けられているものとする。
【００３０】
ＬＥＤ電源１６は、ＬＥＤ１５に対して直列接続されており、上記電圧ｎ・Ｖｆを印加する。
ＦＥＴ１７は、電流センス抵抗１４に発生する電圧が、ローパスフィルタ１２から入力される電圧と一致する電圧になるように、オペアンプ１３によって制御される。これにより、ＬＥＤ１５には、ローパスフィルタ１２から入力される信号に合わせたタイミングで、ローパスフィルタ１２から入力される電圧に相当する駆動電流が流れる。
【００３１】
本実施形態の投光装置１０では、以上のように、オペアンプ１３を用いて電流センス抵抗１４から電圧をフィードバックすることにより、高精度な定電流駆動を実施するとともに、オフセット生成回路１１を用いてＬＥＤ１５に対して駆動電流をＤＣオフセットした状態で入力することができる。
＜ＬＥＤ１５に入力される電流波形のオフセット処理＞
本実施形態の投光装置１０では、以上のような構成により、ＬＥＤ１５から投光レンズ（図示せず）を介して、測定対象物４０に対して投光する。そして、本実施形態の投光装置１０には、上述したように、ＬＥＤ１５に入力される駆動電流をＤＣオフセットさせるために、オフセット生成回路１１が設けられている。
【００３２】
ここで、ＬＥＤ１５から投光される光は、図４に示すように、特に、入力される駆動電流が低いゼロ点付近の領域（例えば、４００ｍＡ未満）に、光量（輝度）が非線形になる部分が含まれる。
このように、入力電流に対する光量が非線形になる部分が含まれると、ＬＥＤ１５から照射される変調された光に歪みが生じ、この光を用いて距離演算を行うＴＯＦセンサ２０による距離測定の精度が低下してしまうおそれがある。
【００３３】
一方、駆動電流が４００ｍＡ以上になると、図４に示すように、電流波形は、ほぼ線形となり、駆動電流の値が大きくなるほど線形に近づいていく。
図５（ａ）には、図４に示すグラフの駆動電流に対応する電流波形とＬＥＤから照射される光波形とを示すグラフ、図５（ｂ）には、その電流波形と光波形とを重ねて表示したグラフが示されている。すなわち、図５（ａ）および図５（ｂ）には、駆動電流に対する光量の波形が非線形領域を含む場合にＬＥＤ１５を駆動した際に歪みが発生した光波形が示されている。
【００３４】
つまり、駆動電流と光量との関係において非線形の部分がゼロ点付近に含まれるため、図５（ｂ）に示すように、駆動電流を正弦波駆動しても、ＬＥＤ１５から出力される光波形（光量）に歪みが生じてしまう。
本実施形態の投光装置１０では、ＬＥＤ１５に入力される駆動電流とＬＥＤ１５から照射される光の輝度（光量）との非線形性に着目し、それを改善することで、ＬＥＤ１５から照射される光に歪みが発生することを抑制する。
【００３５】
具体的には、オフセット生成回路１１が、図６（ａ）に示すように、ＬＥＤ１５に入力される駆動電流と光量との関係を示す波形を、非線形領域を含むゼロ点付近を避けて、線形となっている領域のみを使用するために、４００ｍＡ以上、ＤＣオフセットするようにオフセット処理を行う。
これにより、図６（ｂ）に示すように、ＤＣオフセットされた駆動電流の電流波形に対応する光波形は、図５（ｂ）に示す光波形と比較して、歪みがほとんどない光波形にすることができる。
【００３６】
この結果、ＬＥＤ１５から歪みが抑制された光を測定対象物４０に対して照射することができるため、ＴＯＦセンサ２０において演算される距離の測定誤差を排除して、測定精度を向上させることができる。
ここで、オフセット生成回路１１において設定される駆動電流のオフセット量は、４００ｍＡ以上であれば、オフセット量が大きくなるほど、駆動電流に対する光量の波形の非線形領域の影響を排除して光波形の歪みを解消することができる。ただし、オフセット量が大きくなるほど、ＬＥＤ１５の消費電力が増えてしまうことから、光波形の歪み解消と消費電力とのバランスを考慮して、オフセット量が設定されることが好ましい。
【００３７】
なお、このような駆動電流のオフセット処理は、ＴＯＦセンサ２０における測定対象物４０までの距離計算において引き算されることでキャンセルされるため、距離測定に影響を及ぼすことはない。
［他の実施形態］
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３８】
（Ａ）
上記実施形態では、ローパスフィルタ１２を介して生成された正弦波の駆動電流がＬＥＤ１５に入力される構成を例として挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、矩形波の駆動電流がＬＥＤに入力される構成に対しても、本発明の適用は可能である。
この場合でも、駆動電流に対する光量のゼロ点付近における矩形波に非線形領域が含まれることを抑制して、この駆動電流によって駆動されるＬＥＤから照射される光の波形に歪みが含まれることを効果的に抑制することができるという。上記と同様の効果を奏することができる。
【００３９】
（Ｂ）
上記実施形態では、ＬＥＤ１５に入力される駆動電流の変調周波数として、１２ＭＨｚの周波数を用いた例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、変調周波数としては、２４ＭＨｚ等、１２ＭＨｚよりも大きい周波数を用いてもよいし、１２ＭＨｚよりも小さい、例えば、４ＭＨｚ以上の周波数を用いてもよい。
【００４０】
（Ｃ）
上記実施形態では、ＬＥＤ１５に入力される駆動電流のＤＣオフセット量として、４００ｍＡ以上が設定される例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、要求される光の歪みの抑制の程度に応じて、４００ｍＡ未満のＤＣオフセット量が設定されていてもよい。
【００４１】
（Ｄ）
上記実施形態では、ＴＯＦセンサ２０の制御部２３が、距離画像生成装置３０の制御部も兼ねるように構成された例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、距離画像生成装置側にも、ＴＯＦセンサ側の制御部とは別に、制御部が設けられた構成であってもよい。
【００４２】
（Ｅ）
上記実施形態では、本投光装置１０を、ＴＯＦセンサ２０を含む距離画像生成装置３０の光源として用いた例を挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４３】
例えば、本投光装置は、距離画像生成装置ではなく、測定対象物までの距離を測定する単眼の距離センサの光源として使用されてもよい。この場合には、撮像素子の代わりに、受光素子が用いられる。
あるいは、本投光装置は、歪みの少ない光の照射が要求される装置であれば、ＴＯＦセンサ以外の各種装置の光源として使用されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の投光装置は、投光される光の歪みを効果的に抑制することができるという効果を奏することから、例えば、ＴＯＦセンサ等の各種センサの光源として広く適用可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１０      投光装置
１０ａ    ＬＥＤ駆動回路（駆動回路）
１１      オフセット生成回路
１２      ローパスフィルタ
１３      オペアンプ
１４      電流センス抵抗
１５      ＬＥＤ
１６      ＬＥＤ電源（電源部）
１７      ＦＥＴ
２０      ＴＯＦセンサ
２１      受光レンズ
２２      撮像素子
２３      制御部
２４      記憶部
３０      距離画像生成装置
３１      距離画像生成部
４０      測定対象物
【図１】
2020148706.tif 000003
【図２】
2020148706.tif 000004
【図３】
2020148706.tif 000005
【図４】
2020148706.tif 000006
【図５】
2020148706.tif 000007
【図６】
2020148706.tif 000008