(57)【要約】  距離測定装置（１０）は、制御部（１０３）と距離算出部（１０５）とを備える。制御部（１０３）は、第１の期間中において、第１の測定距離範囲に対応する時間範囲である第１の測定時間範囲を設定し、第１の測定時間範囲において、発光部（１０１）に出射光を発せさせ、受光部（１０２）を露光中にし、さらに、第２の期間中において、第２の測定距離範囲に対応する時間範囲である第２の測定時間範囲を設定し、第２の測定時間範囲において、発光部（１０１）に出射光を発せさせ、受光部（１０２）を露光中にする。ここで、第１の期間と第２の期間は、少なくとも一つの測定条件が異なっており、距離算出部（１０５）は、第１の期間または第２の期間の少なくとも一方の期間における発光部（１０１）の出射光を発する時刻から受光部（１０２）が反射光を受光した時刻までの時間に基づいて、距離測定装置（１０）から測定対象物（６０）までの距離を算出する。
2017141957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
距離測定装置であって、
出射光を発する発光部と、
前記出射光が測定対象物で反射した反射光を露光中に受光可能な受光部と、
前記発光部および前記受光部の制御を行う制御部と、
前記発光部が出射光を発してから前記受光部が反射光を受光するまでの時間に基づいて、前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、
算出された前記距離を出力する出力部とを備え、
前記制御部は、
第１の期間中において、第１の測定距離範囲に対応する時間範囲である第１の測定時間範囲を設定し、
前記第１の測定時間範囲において、前記発光部に出射光を発せさせ、前記受光部を露光中にし、
さらに前記制御部は、第２の期間中において、第２の測定距離範囲に対応する時間範囲である第２の測定時間範囲を設定し、
前記第２の測定時間範囲において、前記発光部に出射光を発せさせ、前記受光部を露光中にし、
前記第１の期間と前記第２の期間では、少なくとも一つの測定条件が異なっており、
前記距離算出部は、前記第１の期間または前記第２の期間の少なくとも一方の期間における前記発光部の出射光を発する時刻から前記受光部が前記反射光を受光した時刻までの時間に基づいて、前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離を算出する、
距離測定装置。
【請求項２】
前記測定条件は、測定距離範囲に対応する時間範囲、測定距離範囲に対応する時間範囲を複数の区間に分割するときの分割数、前記出射光であるパルス光のパルス幅、前記パルス光のパルス数、前記パルス光の強度、露光時間、露光周期、露光回数、前記受光部の画像読み出し範囲、および、前記受光部の駆動回路の制御のうちの少なくともいずれか一つである、
請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記第１の期間と前記第２の期間とでは、前記出射光であるパルス光の発光強度、発光回数および光パルス幅のうちの少なくとも一つの測定条件が異なっており、
前記第１の測定距離範囲および第２の測定距離範囲の中点の位置のうち遠い方の測定距離範囲において、近い方の測定距離範囲と比べて、前記光パルスの発光強度、発光回数および光パルス幅の積の値が大きくなるように設定する、
請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項４】
距離測定装置であって、
出射光を発する発光部と、
前記出射光が測定対象物で反射した反射光を露光中に受光可能な受光部と、
前記発光部および前記受光部の制御を行う制御部と、
発光部の出射光を発してから前記受光部が反射光を受光するまでの時間に基づいて、前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、
算出された前記距離を出力する出力部とを備え、
前記制御部は、
第１の期間中において、第１の測定距離範囲に対応する時間範囲である第１の測定時間範囲を設定し、
前記第１の測定時間範囲において、前記発光部から出射光を発せさせ、前記受光部を露光中にさせ、
さらに、前記制御部は、
第２の期間中において、第２の測定距離範囲に対応する時間範囲である第２の測定時間範囲をＫ’個（Ｋ’：２以上の自然数）の区間に分割し、
前記発光部の出射光を発する時間および前記第２の測定時間範囲を含む繰り返し期間を繰り返し、かつ、少なくとも一つの前記繰り返し期間において、前記Ｋ’個の区間の少なくとも一の区間に前記受光部を露光状態とし、
前記距離算出部は、前記第１の期間または前記第２の期間の少なくとも一方の期間における前記発光部の出射光を発する時刻から前記受光部が前記反射光を受光した時刻までの時間に基づいて、前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離を算出する、
距離測定装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記第１の期間中において、前記第１の測定時間範囲をＫ個（Ｋ：２以上の自然数）の区間に分割し、
前記発光部の出射光を発する時間および前記第１の測定時間範囲を含む繰り返し期間をＫ回繰り返し、かつ、前記繰り返し期間ごとに前記発光部に出射光を発せさせ、前記繰り返し期間ごとに前記Ｋ個の区間の少なくとも一の区間に前記受光部を露光中にさせ、
前記第１の期間と前記第２の期間とは、測定条件を異ならせる制御を行い、
前記距離算出部は、前記第１の期間および前記第２の期間における前記発光部の出射光を発する時刻から前記受光部が受光した時刻までの時間に基づいて、前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離を算出する、
請求項４に記載の距離測定装置。
【請求項６】
前記制御部は、さらに、
前記第１の期間において算出された前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離に基づいて、前記第２の期間における測定条件を決定する、
請求項４に記載の距離測定装置。
【請求項７】
前記制御部は、
前記第１の期間において、前記受光部が前記反射光を受光せず前記測定対象物が第１の測定距離範囲に存在しないことを確認した場合、前記第２の期間における前記第２の測定距離範囲を変更する、
請求項６に記載の距離測定装置。
【請求項８】
前記制御部は、
前記第１の期間において、
前記受光部が前記反射光を受光し前記測定対象物が前記Ｋ個の区間のうち第Ｌ区間（Ｌ：Ｋ以下の自然数）に存在することを確認したとき、
前記第２の期間において、
前記第Ｌ区間を含み且つ前記第１の期間で用いた前記第１の測定時間範囲よりも短い前記第２の測定時間範囲をＫ’個（Ｋ’：２以上の自然数）の区間に分割し、前記発光部の出射光を発する時間および前記第２の測定時間範囲を含む第２繰り返し期間をＫ’回繰り返し、かつ、前記第２繰り返し期間ごとに前記Ｋ’個の区間の少なくとも一の区間に前記受光部を露光中にさせる制御を行い、
前記距離算出部は、前記第２の期間における前記発光部の出射光を発する時刻から前記受光部が受光した時刻までの時間に基づいて、前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離を算出する、
請求項６に記載の距離測定装置。
【請求項９】
前記制御部は、
前記第２の期間において、
前記受光部が前記反射光を受光し前記測定対象物が前記Ｋ’個の区間のうち第Ｎ区間（Ｎ：Ｋ’以下の自然数）に存在することを確認した場合に、
さらに、前記第２の期間に続く第３の期間において、
前記第Ｎ区間を含み且つ前記第２の期間で用いた前記第２の測定時間範囲以下の第３の測定時間範囲をＯ個（Ｏ：２以上の自然数）の区間に分割し、前記発光部の出射光を発する時間および前記第３の測定時間範囲を含む第３繰り返し期間をＯ回繰り返し、かつ、前記第３繰り返し期間ごとに前記Ｏ個の区間の少なくとも一の区間に前記受光部を露光中にさせる制御を行い、
前記距離算出部は、前記第３の期間における前記発光部の出射光を発する時刻から前記受光部が受光した時刻までの時間に基づいて、前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離を算出する、
請求項８に記載の距離測定装置。
【請求項１０】
前記距離算出部は、
前記制御部により、前記受光部が前記反射光を受光し前記測定対象物が前記Ｏ個の区間のうち第Ｐ区間（Ｐ：Ｏ以下の自然数）に存在することを確認されたとき、
前記第３の期間において算出した距離と前記第２の期間において算出した距離との差分である差分距離を求め、
前記差分距離と、前記第２の期間の前記第Ｎ区間の開始時刻から前記第３の期間の前記第Ｐ区間の開始時刻までの時間との比を計算することで、前記距離測定装置の前記出射光の進行方向における速度を求める、
請求項９に記載の距離測定装置。
【請求項１１】
前記制御部は、さらに、
前記第３の期間の開始時刻から前記第３の期間に続く第４の期間の開始時刻までの時間と前記速度とを乗算した値を、前記第３の期間において算出した距離に足すことで、前記第４の期間における前記測定対象物が存在する距離範囲を予測し、
前記第４の期間において、
予測した前記距離範囲に対応する時間範囲を含み、且つ、前記第３の測定時間範囲よりも短い第４の測定時間範囲を複数の区間に分割し、前記発光部の出射光を発する時間および前記第４の測定時間範囲を含む第４繰り返し期間を前記複数回繰り返し、かつ、前記第４繰り返し期間ごとに前記複数の区間の少なくとも一の区間に前記受光部を露光中にさせる制御を行う、
請求項１０に記載の距離測定装置。
【請求項１２】
前記受光部は、それぞれ受光可能である二次元的に配列された複数の画素を有し、
前記受光部は、複数の領域に分割され、前記複数の画素は、前記複数の領域のいずれかに属しており、
前記制御部は、
前記第１の期間および前記第２の期間のうち少なくとも前記第１の期間において、
前記第１の測定時間範囲をＫ個（Ｋ：２以上の自然数）の区間に分割し、前記発光部の出射光を発する時間および前記第１の測定時間範囲を含む繰り返し期間をＫ回繰り返し、
前記繰り返し期間の開始時刻ごとに、前記区間の半分より短い時間である狭パルス幅で出射光を前記発光部に発せさせ、
前記繰り返し期間の前記Ｋ個の区間それぞれにおいて、前記複数の領域の一を露光中にさせる制御を行う、
請求項４に記載の距離測定装置。
【請求項１３】
前記制御部は、
前記複数の領域のそれぞれについて異なる領域を、前記繰り返し期間の前記Ｋ個の区間のうちの異なる区間において露光中にさせる制御を行う、
請求項１２に記載の距離測定装置。
【請求項１４】
前記制御部は、前記第１の期間において、前記受光部が前記反射光を複数受光することにより前記測定対象物が複数あり、かつ、前記Ｋ個の区間のうちの異なる区間に存在することを確認した場合、
前記第２の期間において、前記複数の領域のそれぞれについて異なる測定距離範囲を設定し、設定した前記異なる測定距離範囲に応じて前記第２の測定時間範囲を前記Ｋ’個の区間に分割する、
請求項１２に記載の距離測定装置。
【請求項１５】
前記複数の領域の行および列それぞれには、対応する露光用ゲートドライバが設けられており、前記露光用ゲートドライバのそれぞれは、独立に動作する、
請求項１２に記載の距離測定装置。
【請求項１６】
前記制御部は、
前記第１の測定時間範囲と前記第２の測定時間範囲とにおいて、前記発光部の出射光を発する周期を異ならせる、
請求項４に記載の距離測定装置。
【請求項１７】
前記受光部は、それぞれ受光可能である二次元的に配列された複数の画素を有し、
前記制御部は、さらに、
前記第１の期間および前記第２の期間のうちの少なくとも前記第１の期間において前記複数の画素が受光した反射光から前記測定対象物の距離に関する画像である距離画像を得、
前記第２の期間において前記複数の画素が受光した反射光の輝度を取得して前記測定対象物に関する輝度の画像である輝度画像を得、
前記距離画像と前記輝度画像とに基づいて前記測定対象物を認識する、
請求項４に記載の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、距離測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
距離測定装置から測定対象の物体（以下、測定対象物）までの距離測定方法として、光を距離測定装置付近から測定対象物に向けて照射されてから、物体により反射し距離測定装置に帰還するまでの時間を測定するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）法がある。ＴＯＦ法は、複眼方式などの他の距離測定方法と比較すれば、距離測定装置の他に光源が必要になる点が短所である一方、光源を強くすれば、遠方にある物体の距離測定を高分解能で行うことができる点が長所である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３３７１６６号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０１３７７９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＴＯＦ法では、測定範囲を遠方に設定すると、それに伴って、測定時間が長くなるという課題がある。【０００５】
より具体的には、ＴＯＦ法では、測定対象物に光パルスを発光し、測定対象物からの反射光を、発光タイミングに同期した複数遅延量の露光タイミングで露光し、各露光での出力に基づいて対象物までの距離を算出する。そのため、測定対象物が遠方にあるほど、強い強度の光パルスを必要とするため、発光と露光とのペアのズレを防止するための待ち時間が長くなり、一組の発光と露光とに必要な時間が長くなる。また、測定対象物が遠方にある場合、高い距離分解能で距離測定を行うために、発光と露光のペアを数多く実行する必要があり、測定時間が長くなる。【０００６】
本開示は、上記のような事情を鑑みてなされたものであり、その主な目的は、効率的に距離測定をすることができる距離測定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】
上記目的を達成するために、本開示の一形態に係る距離測定装置は、出射光を発する発光部と、前記出射光が測定対象物で反射した反射光を露光中に受光可能な受光部と、前記発光部および前記受光部の制御を行う制御部と、前記発光部が出射光を発してから前記受光部が反射光を受光するまでの時間に基づいて、前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、算出された前記距離を出力する出力部とを備え、前記制御部は、第１の期間中において、第１の測定距離範囲に対応する時間範囲である第１の測定時間範囲を設定し、前記第１の測定時間範囲において、前記発光部に出射光を発せさせ、前記受光部を露光中にし、さらに前記制御部は、第２の期間中において、第２の測定距離範囲に対応する時間範囲である第２の測定時間範囲を設定し、前記第２の測定時間範囲において、前記発光部に出射光を発せさせ、前記受光部を露光中にし、前記第１の期間と前記第２の期間では、少なくとも一つの測定条件が異なっており、前記距離算出部は、前記第１の期間または前記第２の期間の少なくとも一方の期間における前記発光部の出射光を発する時刻から前記受光部が前記反射光を受光した時刻までの時間に基づいて、前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離を算出する。【０００８】
また、上記目的を達成するために、本開示の一形態に係る距離測定装置は、出射光を発する発光部と、前記出射光が測定対象物で反射した反射光を露光中に受光可能な受光部と、前記発光部および前記受光部の制御を行う制御部と、発光部の出射光を発してから前記受光部が反射光を受光するまでの時間に基づいて、前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部と、算出された前記距離を出力する出力部とを備え、前記制御部は、第１の期間中において、第１の測定距離範囲に対応する時間範囲である第１の測定時間範囲を設定し、前記第１の測定時間範囲において、前記発光部から出射光を発せさせ、前記受光部を露光中にさせ、さらに、前記制御部は、第２の期間中において、第２の測定距離範囲に対応する時間範囲である第２の測定時間範囲をＫ’個（Ｋ’：２以上の自然数）の区間に分割し、前記発光部の出射光を発する時間および前記第２の測定時間範囲を含む繰り返し期間を繰り返し、かつ、少なくとも一つの前記繰り返し期間において、前記Ｋ’個の区間の少なくとも一の区間に前記受光部を露光状態とし、前記距離算出部は、前記第１の期間または前記第２の期間の少なくとも一方の期間における前記発光部の出射光を発する時刻から前記受光部が前記反射光を受光した時刻までの時間に基づいて、前記距離測定装置から前記測定対象物までの距離を算出する。【０００９】
なお、これらの全般的または具体的な態様は、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムまたは記録媒体で実現されてもよく、システム、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本明細書において開示される発明によって得られる主な効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。即ち、本開示によれば、効率的な距離測定が可能な距離測定装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施の形態１に係る距離測定装置の機能構成の一例を示すブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る距離測定装置の測定シーケンスの一例を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態２に係る距離測定装置の測定シーケンスの一例を示す図である。
【図４】図４は、実施の形態２に係る距離測定装置の測定シーケンスの別の一例を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態２に係る距離測定装置の測距動作シーケンスの別の一例を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、実施の形態２に係る距離測定装置の測距動作シーケンスの別の一例を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、実施の形態２に係る距離測定装置の測距動作シーケンスの別の一例を示す図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、実施の形態２に係る距離測定装置の測距動作シーケンスの別の一例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態３に係る距離測定装置の測距動作シーケンス一例を示す図である。
【図８】図８は、実施の形態４に係る距離測定装置の測距動作シーケンスの一例を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態４に係る距離測定装置の測距動作シーケンスの一例を示す図である。
【図１０】図１０は、実施の形態５に係る距離測定装置の測距動作シーケンスの一例を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態６の実施例１に係る画素回路の回路構成の一例を示す図である。
【図１２】図１２は、実施の形態６の実施例２に係るイメージセンサと対象物との距離とイメージセンサ内の像との関係を説明するための図である。
【図１３】図１３は、実施の形態６の実施例２に係る距離測定装置が測定する距離画像の一例である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、実施の形態６の実施例３に係る距離測定装置の露光シーケンスを説明するための模式図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、実施の形態６の実施例３に係る距離測定装置の露光シーケンスを説明するための模式図である。
【図１５】図１５は、実施の形態６の実施例３に係る受光部の構成するイメージセンサの一例を示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態６の実施例３に係る受光部の構成するイメージセンサの一例を示す図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは、実施の形態６の実施例３に係る受光部の構成するイメージセンサの一例を示す図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは、図１６のイメージセンサの制御回路の一例を示す図である。
【図１８】図１８は、実施の形態６の実施例３に係る受光部の構成するイメージセンサの別の一例を示す図である。
【図１９】図１９は、実施の形態６の実施例３に係る読み出し時刻を制御する場合の一例を説明するための図である。
【図２０】図２０は、実施の形態１に係る画素回路の回路構成の一例を示す図である。
【図２１】図２１は、実施の形態４に係る全画素同一の露光シーケンスで、測定対象の距離に応じた異なる結果を得ることができることを説明するための図である。
【図２２】図２２は、実施の形態５に係る画素回路構成と露光シーケンスを示す図である。
【図２３Ａ】図２３Ａは、実施の形態７の実施例２に係るシャッターアレイとイメージセンサの駆動について説明するための図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、実施の形態７の実施例２に係るシャッターアレイとイメージセンサの駆動について説明するための図である。
【図２４】図２４は、実施の形態１の変形例に係る距離測定装置の測距動作シーケンスの一例を示す図である。
【図２５】図２５は、測定距離範囲の分割距離区間と、分割距離区間ごとの光源パラメータの変動を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示に係る実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より好ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る距離測定装置１０の機能構成の一例を示すブロック図である。
【００１５】
図１に示す距離測定装置１０は、発光部１０１と、受光部１０２と、制御部１０３と、出力部１０４と、距離算出部１０５とを備える。なお、図１には、一例として測定対象物６０が示されている。
【００１６】
発光部１０１は、制御部１０３に制御され、出射光を発する。発光部１０１は、例えばレーザ光源などの光源を有し、所定の光パルス幅で発光させることで、光パルス（出射光）を射出する。なお、発光部１０１に用いられる光パルスの強度は、例えばクラス１またはクラス２の程度であり、予め定められた安全基準で危険なものとみなされない程度である。
【００１７】
光源は、単一波長、短パルス、高強度のものが距離測定に適しており、パルスレーザーを用いるとよい。また、光源には、発光ダイオード（ＬＥＤ）や、ハロゲンランプ等の異なる光源を用いることも可能である。また、光源の波長は、市街地等での利用を鑑みて赤外光の波長を用いるとよいが、特に限定するものではない。
【００１８】
受光部１０２は、制御部１０３に制御され、出射光が測定対象物６０で反射した反射光を受光する。受光部１０２は、制御部１０３により露光中に制御された間に反射光を受光可能となる。受光部１０２は、例えばフォトダイオードを用いて構成される。また、受光部１０２は、アバランシェフォトダイオードや光電子増倍管を用いるとしてもよいし、受光素子を二次元的に配列したイメージセンサを用いるとしてもよい。この場合、受光部１０２には、必要に応じて、レンズ等の光学系を含めるとよい。特に、イメージセンサを受光部に用いる場合の、独立した受光素子一つを画素と呼ぶ。さらに、受光部１０２にイメージセンサを用いる場合には、後段で画像処理や認識処理等のデータ解析を行うことができる。
【００１９】
また、受光部１０２に、特定の周波数の光を遮断あるいは透過するフィルターを設けるなどすることで、周波数の情報を得ることもできる。つまり、受光部１０２の構成によっては、本開示の権利は限定されない。
【００２０】
制御部１０３は、発光部１０１および受光部１０２の制御を行う。制御部１０３は、第１の期間中に所定の測定条件の下で発光部１０１および受光部１０２の制御を行い、距離算出部１０５に、距離測定装置１０から測定対象物６０までの距離を算出させる。より具体的には、制御部１０３は、第１の期間中において、第１の測定時間範囲をＫ個（Ｋ：２以上の自然数）の区間に分割し、発光部１０１の出射光を発する時間および第１の測定時間範囲を含む繰り返し期間をＫ回繰り返す。そして、制御部１０３は、繰り返し期間ごとに発光部１０１に出射光を発せさせ、繰り返し期間ごとにＫ個の区間の少なくとも一の区間に受光部１０２を露光中にさせる。なお、制御部１０３は、第１の期間と第２の期間とは、測定条件を異ならせる制御を行う。
【００２１】
本実施の形態では、制御部１０３は、第１の期間中において、所定位置を起点とする測定距離範囲に対応する時間範囲である測定時間範囲をＫ個（Ｋ：１以上の自然数）の区間（分割区間）に分割し、発光部１０１の出射光を発する時間および測定時間範囲を含む繰り返し期間をＫ回繰り返す。そして、制御部１０３は、繰り返し期間ごとに発光部１０１に出射光を発せさせ、繰り返し期間ごとにＫ個の区間の少なくとも一の区間に受光部１０２を露光中にさせる。ここで、制御部１０３は、第１の期間と前記第１の期間に続く第２の期間とは、少なくとも測定距離範囲を含む測定条件を異ならせる制御を行う。
【００２２】
距離算出部１０５は、第１の期間および第２の期間における発光部１０１の出射光を発する時刻から受光部１０２が受光した時刻までの時間に基づいて、距離測定装置１０から測定対象物６０までの距離を算出する。
【００２３】
出力部１０４は、算出された距離測定装置１０から測定対象物６０までの距離を出力する。
【００２４】
次に、以上のように構成された距離測定装置１０の距離測定動作（測距動作）について説明する。
【００２５】
図２は、本実施の形態に係る距離測定装置１０の測距動作シーケンスの一例を示す図である。
【００２６】
図２の（ａ）は、距離測定のシーケンスを示しており、縦線で区切られた各期間において距離データの測定を行う。本開示では、１以上の期間で距離データの測定を行い、少なくとも１つの期間では、他の期間と異なる測定条件で距離測定を実施する。ここでの測定条件とは、出射光のパルス周期、パルス強度、パルス幅、パルス列の符号化の方法、受光部１０２の露光時間幅、露光周期、露光回数、受光部１０２の駆動回路の制御方法、および、受光部の画像読み出し範囲などのデータ処理の方法のうちの少なくともいずれか一つを含む。なお、測定条件は、上記に挙げた例に限らない。
【００２７】
なお、全ての期間で距離データの取得を行う必要は無く、輝度データの測定を含んでもよい。また、全ての期間での測定を完了した後にデータを出力してもよいし、一期間の測定が完了するごとにデータを出力してもよい。１つの期間内で測定条件を異ならせながら測定を行う方法も、本開示の範囲に含まれる。
【００２８】
図２の（ｂ）では、各測定期間内での出射光、反射光、露光のシーケンスの一例が示されている。なお、本開示の権利範囲は図２を用いて説明する本距離測定方式には限定されない。
【００２９】
制御部１０３は、まず、距離測定を実施する距離範囲ｌを決定し、時間軸上で、この距離に対応する時間範囲である、測定時間範囲２ｌ／ｃを決定する。次に、決定した測定時間範囲を一つあるいは複数の区間に分割する。１区間の測定時間範囲の上限は光源の強度、受光部１０２の感度で決定し、測定対象で反射したパルス光が受光部１０２で検出できることが条件となる。測定時間範囲２ｌ／ｃの開始に同期して、あるいは、一定時間の遅延・先行して少なくとも一回のパルス光の出射を行い、分割した区間の内、少なくとも１の区間で露光を行う。当然、露光を行わない区間を設けてもよい。この動作を上記の分割した区間の数だけ繰り返し、各動作では、露光を行う区間を異ならせて測定を行う。露光中に反射光が帰還した場合のみ、光信号を検出できるため、分割した区間に対応して、測定対象の距離を決定できる。なお、露光を行う区間を限定するなど、分割した区間数と繰り返しの回数とが異なる場合も、本開示の権利範囲である。この際、繰り返し時間の下限は、出射したパルス光強度と受光部１０２の感度で決定し、パルス光強度が十分減衰し、次回の測定で光の誤検出が起こらないことを必要とする。
【００３０】
測定時間範囲と、分割区間と、測定距離範囲と、距離分解能とは下記のとおり対応する。
【００３１】
すなわち、光源から発された光が距離ｄにある測定対象物６０に反射して戻ってくる場合、その時間ｔは、下記の（式１）で表される。ここで、ｃは光速であり、数値「２」は光源から発された光の行きと帰りとの分を考慮している。
【００３２】
【数１】
2017141957.tif 000003
【００３３】
前記測定距離範囲をｌとすると、この測定距離範囲ｌに対応する測定時間範囲ｔａは、（式１）を参考に、（式２）で表される。
【００３４】
【数２】
2017141957.tif 000004
【００３５】
測定時間範囲ｔａをＮ区間に等分割し、発光時刻から順に１，２，３，・・・と番号を振る。（式３）で表されるｉ区間の時間範囲に反射光が距離測定装置１０に戻る場合、測定対象物は、距離範囲ｄｉ（式４）に存在すると分かる。
【００３６】
【数３】
2017141957.tif 000005
【００３７】
【数４】
2017141957.tif 000006
【００３８】
ここで、ｄｉの幅はｃｔａ／２Ｎであり、この分解能で測定対象と自装置との距離を測定することができる。
【００３９】
なお、測定時間範囲の区間分割は、測定時間範囲と等分でなくてもよく、距離測定装置１０中にアルゴリズムを構築してもよいし、使用者が任意に設定してもよい。
【００４０】
次に、一つの分割区間ｉでの、発光部１０１及び受光部１０２の駆動について詳細に説明する。
【００４１】
まず、制御部１０３は、発光部１０１に光パルス（出射光）を射出させる。射出された光パルスは距離ｄの測定対象物６０に到達した後反射し、その反射光がパルス光の射出時（発光時）から時間ｔ後に距離測定装置１０に戻ってくる。この反射光を検出するために、制御部１０３は、当該一つの分割区間ｉに合わせて発光時から（式３）だけ遅れた時間範囲ｔｉにおいて受光部１０２を露光中にさせる制御を行う。そして、制御部１０３は、この時間範囲ｔｉ内（露光中）にあらかじめ設定した信号強度以上の光（反射光）を受光部１０２が受光した場合に、その時間範囲ｔｉに対応する距離範囲を示す距離（最小値や平均値などで示される距離）を測定対象物６０までの距離として不図示のメモリなどに保存したり、出力部１０４に出力させたりする。
【００４２】
なお、図２の（ｂ）の第１の期間では、区間数Ｎが３の場合の例を示しており、発光部１０１は、繰り返し期間ごとに光パルス（Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３）を発光し、受光部１０２は、繰り返し期間ごとに分割区間（区間１１、区間１２、区間１３）の少なくとも一の区間が露光中（露光時間Ｅ１１、Ｅ１２およびＥ１３）となる例が示されている。図２の（ｂ）では、区間１３に反射光が帰還するため、露光期間である露光時間Ｅ１３を露光中とする第３の繰り返し期間に反射光を検出することとなる。
【００４３】
この例では、１つの期間中に全ての区間を露光しているが、その必要はない。例えば、第１の期間に区間１１のみを露光し、第２の期間に区間１２、区間１３を露光するといった方法でもよい。
【００４４】
反射光検出の有無の判断は、下記のような２つの方法が考えられる。一つ目は、背景光強度を測定し、露光時の受光部１０２の信号強度と有意差が認められる場合に、その区間を測定対象物を検出したと判断する第１の方法である。二つ目は、各区間での信号強度を記録し、信号強度最大の区間で測定対象物を検出したと判断する第２の方法である。
【００４５】
第１の方法の場合、信号の有無のみを確認し、信号強度の大きさを記録する必要は無いので、例えば、アバランシェフォトダイオードや、光電子増倍管など、１光子程度の微弱光の検出が可能な素子を用いて、検出効率を高める方法が有効である。また、第２の方法の場合、フォトダイオードを用いて、信号量を求める方法が考えられるが、アバランシェフォトダイオードや、光電子増倍管などを用いて、光子数を計数してもよい。また、第２の方法の場合、図２の（ｂ）における、露光時間Ｅ１１〜Ｅ１３の時間幅と区間１１〜区間１３の時間幅を必ずしも一致させなくてもよい。図２（ｂ）では、パルス光の発光（出射）と露光の組を１つの区間につき１つで記載しているが、１つの区間の測定に対し、任意の回数のパルス列を発生させ、それぞれに対し、露光を行い積算することで、その和や平均値を距離データ算出の基準としてもよい。この際、光パルスの発光は完全な周期性を持つ必要は無く、ランダムに発光しない回を設ける、長い発光周期を用いる測定と短い発光周期を用いる測定を組み合わせてもよい。さらに、発光タイミングに遅延を与えるなどの方法で、符号化を行い、誤検知防止を行ってもよい。発光パルス幅は露光幅より短いことが望ましいが、必ずしもその必要は無い。
【００４６】
以上のような測距動作を行うことで測定対象物６０と距離測定装置１０との間の距離を算出することができる。
【００４７】
図２の（ｃ）は、第１の期間とは異なる第２の期間における測定シーケンスの一例である。図２（ａ）では、第１の期間と第２の期間が隣り合っているが、必ずしもその必要は無く、２つの期間の間に背景光強度の測定など、その他の測定を導入してもよい。
【００４８】
制御部１０３は、第２の期間における所定の測定距離範囲を決定し、決定した測定距離範囲を一つあるいは複数の区間（分割区間）に分割し、分割区間ごとに測距動作を行う。
【００４９】
より具体的には、図２の（ｃ）で示される第２の期間では、測定距離範囲ｌ’は、第１の期間の測定距離範囲ｌと異なっている。図２の（ｃ）では、Ｎが３の場合の例を示しており、発光部１０１は、繰り返し期間ごとに光パルス（Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３）を発光し、受光部１０２は、繰り返し期間ごとに分割区間（区間２１、区間２２、区間２３）の少なくとも一の区間が露光中（露光時間Ｅ２１、Ｅ２２およびＥ２３）となる例が示されている。図２の（ｃ）では、区間２３に反射光が帰還するため、露光時間Ｅ２３を露光中とする第３の繰り返し期間に反射光を検出することとなる。
【００５０】
つまり、図２の（ｂ）に示す第１の期間では、距離測定装置１０は、測定距離範囲ｌ、分割区間の分割数３、出射光の光パルス幅ｔｐで測距動作を行う。一方、図２の（ｃ）に示す第２の期間では、距離測定装置１０は、測定距離範囲ｌ’、分割の分割数３、出射光の光パルス幅ｔｐ’に、測定条件を変化させて測距動作を行う。
【００５１】
なお、測定条件は、上記に挙げたものの他、分割数、発光の強度、光源の繰り返し周期などを変化させてもよい。一例としては、第１の期間と第２の期間とで、直接方式以外の測定方式、輝度、色などの測定対象の物理量を変化させるとしてもよい。これらは、距離測定装置１０が光強度と任意に設定した閾値とを比較し大小を判断する機能と、光強度の測定を行う機能を併せ持つ回路構成を備えれば実現可能である。
【００５２】
以上のように、本実施の形態に係る距離測定装置１０では、第１の期間と第２の期間とで異なる測定条件下で適応的に発光と露光のペアを実行することができるので、発光と露光のペアの実行の数を少なくしても高い距離分解能（高い測距精度）で測距動作を行える。
【００５３】
なお、上記において、距離測定の前後や、距離測定中に、背景光強度の測定を行うなどの距離測定装置１０の較正を、適宜行ってよい。
【００５４】
以下、本実施の形態の画素回路の回路構成の一例について図を用いて説明する。図２０は、本実施の形態に係る画素回路の回路構成の一例を示す図である。
【００５５】
本実施の形態の画素回路は、図２０に示すように、受光回路２０１、カウンタ回路２０２、比較回路２０３、記憶回路２０４、受光素子２０５、トランスファトランジスタ２０６、リセットトランジスタ２０７、電荷蓄積コンデンサ２０８、カウンタトランジスタ２０９、カウンタ容量２１０、直流カットコンデンサ２１１、クランプトランジスタ２１２、インバータ２１３、入力トランジスタ２１４、記憶コンデンサ２１５、記憶ノードリセットトランジスタ２１６、増幅トランジスタ２１７および選択トランジスタ２１８で構成される。ここで、２３０は出力許可信号である。
【００５６】
まずは光強度と閾値との比較により距離測定を行う回路の動作について説明する。距離測定には、背景光を検知し閾値を設定する期間と、距離測定をする期間が含まれる。
【００５７】
背景光検出の動作は、光源からの信号光をオフして動作を行う。このとき、距離測定装置１０への入射光は、背景光によるものだけである。まずリセットトランジスタ２０７をＯＮしてから、トランスファトランジスタ２０６をＯＮし、受光素子２０５をリセットする。その後、トランスファトランジスタ２０６、リセットトランジスタ２０７を共にＯＦＦしてから、ｔａ秒間だけトランスファトランジスタ２０６をＯＮする。このｔａ秒間に光が入射すれば、それに対応する電荷がトランスファトランジスタ２０６を介して電荷蓄積コンデンサ２０８に蓄積される。ｔａ秒後、トランスファトランジスタ２０６をＯＦＦし、カウンタトランジスタ２０９のゲートに電圧を印加（カウンタトリガ）し、カウンタトランジスタ２０９をＯＮすることで、その電荷をカウンタ容量２１０に転送する。その後、カウンタトリガをＯＦＦ、すなわち、カウンタトランジスタ２０９をＯＦＦした後、リセットトランジスタ２０７をＯＮし、電荷蓄積コンデンサ２０８の電荷をリセットする。この行程をｂ回繰り返す。その後、比較回路２０３の閾値設定信号をＯＮし、この信号をクランプトランジスタ２１２に印加することで、背景光に対応するカウンタ容量２１０の電圧を直流カットコンデンサ２１１の両端の電圧として記憶しておく。この間、出力許可信号は任意の電圧Ｅに設定する。
【００５８】
距離測定の動作は、光源の発光をＯＮにして実施する。下記の動作は、１つの繰り返し期間内での動作に相当する。下記では、ｉ番目の分割区間の測定に対応する繰り返し期間での動作について説明する。まず背景光検出期間と同様、予めリセットトランジスタ２０７をＯＮし、電荷蓄積コンデンサ２０８の電荷をリセットしておく。その後、信号光パルスを射出する。その光パルスに対し、（式３）で表される期間にトランスファゲートをＯＮする。ｔａ秒間だけＯＮしたあと、カウンタトリガをＯＮし、受光素子２０５で生成した電荷をカウンタ容量２１０に転送する。この行程をｂ回繰り返す。そのあと、出力許可信号の電圧を０に変化させる。このとき、背景光検出期間で設定した比較回路２０３の閾値と任意に設定した電圧の閾値Ｅの和の絶対値よりもカウンタ容量２１０で記憶しているカウンタ値の絶対値が大きければ、比較回路内のインバータ２１３の状態が変わり、入力トランジスタ２１４をＯＮする。この閾値は、カウンタ容量２１０の下端の電圧Ｅを変化することによって調節することができるので、使用環境に応じて適切な値に設定できる。また、ここでは出力許可信号の電圧値は背景光検出期間でＥ、距離測定期間で０としているが、これに限られることはなく、例えば、背景光検出期間で０、距離測定期間で−Ｅなどとしてもよく、背景光検出期間における設定値と距離測定期間での設定値に差があるように設定すればよい。
【００５９】
入力トランジスタ２１４のドレインには距離信号に相当する時間信号（電圧）が印加される。例えば、（１＋ｉ／Ｒ）ボルト（Ｒは任意の整数）などとすればよい。比較回路２０３によって入力トランジスタ２１４のゲートがＯＮされたとき、距離信号に相当する電圧が記憶コンデンサ２１５に記憶される。
【００６０】
全期間が終了した後、各画素の記憶コンデンサ２１５には、測定対象物までの距離に相当する電圧が記憶されている。この信号を、距離信号出力期間中に出力する。まず、選択トランジスタ２１８がＯＮされる。このとき、増幅トランジスタ２１７によって、記憶コンデンサ２１５に記憶された電圧が出力される。この電圧には増幅トランジスタ２１７固有のオフセット電圧が実際には重畳する。そのあと、記憶ノードリセットトランジスタ２１６をＯＮして、記憶コンデンサ２１５の電圧をリセットする。記憶ノードリセットトランジスタ２１６をＯＦＦしたあとの増幅トランジスタ２１７からの出力電圧を読み出す。読み出し線の後段には相関二重サンプリング（ＣＤＳ）回路などを備えておき、上記オフセット電圧を除去して距離データを得る。
【００６１】
ここで、図２０に示す画素回路の動作と上述した測距動作シーケンスとの関係について説明する。
【００６２】
図２０に示す画素回路では、露光前にトランスファトランジスタ２０６、リセットトランジスタ２０７、カウンタトランジスタ２０９をＯＮして、フォトダイオード２０１と電荷蓄積容量２０８とカウンタ容量２１０をリセット電圧に設定する。
【００６３】
次に、カウンタトランジスタ２０９をＯＦＦした後に、リセットトランジスタ２０７をＯＦＦする。
【００６４】
これ以降、フォトダイオード２０１で光電変換された電子は、フォトダイオード２０１の寄生容量及び電荷蓄積容量２０８に蓄積されるので、これが露光開始に対応し、図２（ｂ）における露光時間Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３の開始時刻に相当する。
【００６５】
リセットトランジスタ２０７をＯＦＦする時刻を変えることで、露光開始時刻を任意に変化できるため、図２（ｂ）の第１の繰り返し期間では、露光時間Ｅ１１の開始時刻にリセットトランジスタ２０７をＯＦＦすればよく、図２（ｂ）の第２の繰り返し期間では、露光時間Ｅ１２の開始に同期してリセットトランジスタ２０７をＯＦＦすればよく、図２（ｂ）の第３の繰り返し期間では、露光時間Ｅ１３の開始に同期してリセットトランジスタ２０７をＯＦＦすればよい。
【００６６】
次に、リセットトランジスタ２０７のＯＦＦ時刻から、一定時間ｔａだけ待った後に、トランスファトランジスタ２０６をＯＦＦする。これ以降、受光素子２０５で光電変換された電子は電荷蓄積容量２０８に移動しないので、この時刻が露光終了の時刻となる。即ち、図２（ｂ）における露光時間Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３の終了時刻に相当する。
【００６７】
分割区間の数をｎとする場合、露光開始から露光終了までの時間ａを２ｌ／ｎｃとすればよい。つまり、リセットトランジスタ２０７をＯＦＦしてからトランスファトランジスタ２０６をＯＦＦするまでの時間を２ｌ／ｎｃとすればよい。
【００６８】
分割区間における露光時間Ｅ１１，Ｅ１２，Ｅ１３の開始時刻と終了時刻は、パルス発光に対する遅れ時間を計測することで決定する。発光と露光の間の同期方法の例としては、クロック回路を用いる方法が考えられる。光パルス発光からのクロック数をカウントして、露光開始時刻および露光終了時刻を決定できる。なお、発光と露光の同期方法は上記に限定しない。
【００６９】
なお、上述した距離測定装置１０では、第１の期間と第２の期間とは、測定条件を異ならせながら、第１の期間または第２の期間とで距離測定を行うとしたが、第１の期間および第２の期間の少なくとも一方の期間において、距離測定を行うとしてもよい。すなわち、制御部１０３は、第１の期間中において、第１の測定距離範囲に対応する時間範囲である第１の測定時間範囲を設定し、第１の測定時間範囲において、発光部１０１に出射光を発せさせ、受光部１０２を露光中にする。さらに制御部１０３は、第２の期間中において、第２の測定距離範囲に対応する時間範囲である第２の測定時間範囲を設定し、第２の測定時間範囲において、発光部１０１に出射光を発せさせ、受光部１０２を露光中にする。制御部１０３は、第１の期間と第２の期間では、少なくとも一つの測定条件が異ならせる。そして、距離算出部１０５は、第１の期間または第２の期間の少なくとも一方の期間における発光部１０１の出射光を発する時刻から受光部１０２が反射光を受光した時刻までの時間に基づいて、距離測定装置１０から測定対象物６０までの距離を算出すればよい。
【００７０】
また、距離測定装置１０は、距離測定を複数回行い、うち１回において測定区間を分割して距離測定を行うとしてもよい。この場合の測距動作シーケンスの一例を図２４に示す。
【００７１】
図２４は、実施の形態１の変形例に係る距離測定装置１０の測距動作シーケンスの一例を示す図である。図２と同様の要素には同一の名称を付しているため、詳細な説明は省略する。
【００７２】
すなわち、図２４に示す例のように、実施の形態１の変形例に係る距離測定装置１０の制御部１０３は、第１の期間中において、第１の測定距離範囲に対応する時間範囲である第１の測定時間範囲を設定し、第１の測定時間範囲において、発光部１０１から出射光を発せさせ、受光部１０２を露光中にさせる。さらに、この制御部１０３は、第２の期間中において、第２の測定距離範囲に対応する時間範囲である第２の測定時間範囲をＫ’個（Ｋ’：２以上の自然数）の区間に分割し、発光部１０１の出射光を発する時間および第２の測定時間範囲を含む繰り返し期間を繰り返し、かつ、少なくとも一つの前記繰り返し期間において、前記Ｋ’個の区間の少なくとも一の区間に前記受光部を露光状態としてもよい。この場合、距離算出部１０５は、第１の期間または第２の期間の少なくとも一方の期間における発光部１０１の出射光を発する時刻から受光部１０２が反射光を受光した時刻までの時間に基づいて、距離測定装置１０から測定対象物６０までの距離を算出すればよい。
【００７３】
（実施の形態２）
実施の形態１では、第１の期間と第２の期間の測定条件決定方法に限定がない場合を説明したが、下記のとおり、第１の期間における距離データの測定結果に応じて、第２の期間での測定条件を決定してもよい。つまり、制御部１０３は、第１の期間において算出された距離測定装置１０から測定対象物６０までの距離に基づいて、第２の期間における測定条件を決定してもよい。以下、この場合について、実施の形態１と異なる点について実施の形態２として説明する。
【００７４】
本実施の形態に係る距離測定装置１０は、実施の形態１における距離測定装置１０に対して、制御部１０３および距離算出部１０５の動作内容が異なることになる。
【００７５】
すなわち、制御部１０３は、第１の期間において、第１測定時間範囲をＫ個（Ｋ：１以上の自然数）の区間に分割し、発光部１０１の出射光を発する時間および第１測定時間範囲を含む第１繰り返し期間をＫ回繰り返し、かつ、第１繰り返し期間ごとに発光部１０１に出射光を発せさせ、第１繰り返し期間ごとにＫ個の区間の少なくとも一の区間に受光部１０２を露光中にさせる制御を行う。
【００７６】
制御部１０３は、第１の期間において、受光部１０２が反射光を受光せず測定対象物６０が第１測定距離範囲に存在しないことを確認した場合、第２の期間における第２測定距離範囲を変更する。そして、この第２測定距離範囲を用いて、受光部１０２の制御を行う。より具体的には、制御部１０３は、この場合、第２の期間において、第１の期間で用いた測定距離範囲に含まれない領域を含む第２測定距離範囲に対応する第２の測定時間範囲を用いて、受光部１０２の制御を行う。
【００７７】
また、制御部１０３は、受光部１０２が反射光を受光し測定対象物６０がＫ個の区間のうち第Ｌ区間（Ｌ：Ｋ以下の自然数）に存在することを確認したとする。このとき、制御部１０３は、第２の期間において、第Ｌ区間を含み且つ第１の期間で用いた第１の測定時間範囲よりも短い第２の測定時間範囲をＫ’個（Ｋ’：２以上の自然数）の区間に分割し、発光部１０１の出射光を発する時間および第２の測定時間範囲を含む第２繰り返し期間をＫ’回繰り返し、かつ、第２繰り返し期間ごとに前記Ｋ’個の区間の少なくとも一の区間に受光部１０２を露光中にさせる制御を行う。
【００７８】
そして、距離算出部１０５は、第２の期間における発光部１０１の出射光を発する時刻から受光部１０２が受光した時刻までの時間に基づいて、距離測定装置１０から測定対象物６０までの距離を算出すればよい。
【００７９】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る距離測定装置１０の距離測定動作（測距動作）について説明する。
【００８０】
図３は、本実施の形態に係る距離測定装置１０の測距動作シーケンスの一例を示す図である。図２と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【００８１】
図３の（ａ）では、実施の形態１の図２の（ａ）と比較すると、第１の期間と第２の期間とでは異なる測定条件で測距動作を行う点で同様であるが、第２の期間では第１の期間の測距動作の結果に応じて測定条件が決定する点で異なる。
【００８２】
図３の（ｂ）では、第１の期間において測定対象物６０が検出できなかった場合について示されている。その他の動作については図２の（ｂ）で説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
【００８３】
図３の（ｃ）に示される第２の期間では、図３の（ｂ）に示される第１の期間の第１測定距離範囲の上限値よりも遠方の上限値の距離範囲を有する第２測定距離範囲を用いて測距動作を行う場合の例が示されている。より具体的には、第２の期間では、Ｎが３の場合の３つの分割区間（区間３１、区間３２、区間３３）と発光部１０１がパルス光を発する時間とを含む繰り返し期間を３回繰り返す例が示されている。そして、発光部１０１は、繰り返し期間ごとにパルス光（Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３）を発光し、受光部１０２は、繰り返し期間ごとに分割区間（区間３１、区間３２、区間３３）の少なくとも一の区間が露光中となっている。
【００８４】
なお、図３の（ｃ）では、第１の期間で測距動作を行った第１測定時間範囲（区間１１〜１３の時間範囲）を含まない第２測定時間範囲（区間３１〜３３の時間範囲）としているが、第１の期間で測距動作を行った第１測定時間範囲を含め測定時間範囲てもよい。また、第２の期間の測定時間範囲時間範囲は、任意に決定してよい。特に、第１の期間と第２の期間のみに限らず、第３、第４、・・・と期間数を任意の複数回にしてもよい。この場合、逐次的に測定距離範囲を増大する方法が考えられる。
【００８５】
図４は、本実施の形態に係る距離測定装置１０の測距動作シーケンスの別の一例を示す図である。図２および図３と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【００８６】
図４の（ｂ）では、第１の期間において測定対象物６０が検出された場合について示されている。その他の動作については図２の（ｂ）で説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
【００８７】
図４の（ｃ）に示される第２の期間では、図４の（ｂ）に示される第１の期間で測定対象物６０を検出した分割区間（区間１３）内あるいは当該分割区間の近傍に限定した第２測定時間範囲を用いて測距動作を行う場合の例が示されている。より具体的には、第２の期間では、Ｎが３の場合の３つの分割区間（区間４１、区間４２、区間４３）と発光部１０１がパルス光を発する時間とを含む繰り返し期間を３回繰り返さす例が示されている。そして、発光部１０１は、繰り返し期間ごとにパルス光（Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３）を発光し、受光部１０２は、繰り返し期間ごとに分割区間（区間４１、区間４２、区間４３）の少なくとも一の区間で露光中となる例が示されている。
【００８８】
すなわち、本実施の形態では、制御部１０３は、第１の期間における測距動作の結果に応じて第２測定時間範囲を決定する。そして、制御部１０３は第２測定時間範囲を複数の区間（分割区間）に分割し、繰り返し期間を複数回繰り返すことでそれぞれの分割区間ごとの測距動作を行う。
【００８９】
ここで、制御部１０３は、受光部１０２が、第１の期間でパルス光を発光した時刻の分割区間から数えてｉ番目の分割区間で反射光を検出した場合、第２の期間で測距動作を行う第２測定時間範囲を第１の期間で測定対象物６０を検出した分割区間ｉに一致させる。
【００９０】
この場合、第１測定時間範囲をｔａ、第２測定時間範囲ｔｂとすると、第２測定時間範囲の幅はｔｂ＝ｔａ／Ｎと表現できる。第２測定時間範囲をＭ分割し、時系列順に１、２、・・・と番号を振ったとするとそのうちのｊ区間目は、（式５）で表すことができる。
【００９１】
【数５】
2017141957.tif 000007
【００９２】
（式５）から、第２測定時間範囲ｔｂをＭ区間に等分割した場合の測定分解能はｔａ／ＭＮとなり、第１の期間での距離分解能である第１測定時間範囲ｔａ／Ｎと比較しても１／Ｍ倍となり距離分解能が向上する。
【００９３】
なお、本実施の形態についても、第１測定時間範囲および第２測定時間範囲を分割する方法は、等間隔に限らず、任意である。また、図５に示したように、第３の期間以降でも、同様に、前の期間の結果を参照して測定時間範囲を逐次的に狭め、測定分解能を向上させてもよい。ここで、図５は、本実施の形態に係る距離測定装置１０の測距動作シーケンスの別の一例を示す図である。図４と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【００９４】
なお、測定時間範囲は、前の期間で測定対象物を検出した区間と同一にすることが望ましいが、当該分割区間より広い時間範囲を選択してもよい。
【００９５】
また、測定時間範囲は、必ずしも、逐次的に狭め続ける必要は無く、例えば、測定時間範囲の狭い測定の間に、測定時間範囲の広い低分解能の期間測定を行う期間を追加してもよい。この方法の利点は、距離測定装置１０の当該測定時間範囲外に物体が急に侵入した場合にも、測定時間範囲の広い測定により、測定対象物の距離測定ができることである。
【００９６】
この実施の形態の特殊な例として、Ｋ＝１の場合がある。この場合、第一の期間では測定対象の有無のみを確認し、測定対象物を発見した場合にのみ、第２の期間で距離測定を行うというものである。
【００９７】
特に光パルス幅より高い測定分解能で測距動作を行いたい場合には、露光時間幅を光パルス幅と同程度以下にし、露光開始の時刻を光パルス幅より小さい刻み幅で変化させて、検出した反射光の強度が最大となる露光開始時刻をもって測定対象物６０の距離とする方法も考えられる。この場合、距離および輝度の両方の測定が必要であるので、後述する図１０に記載の回路を用いるとよい。
【００９８】
また、受光部１０２がイメージセンサを用いて構成される場合、二次元の距離データ群を構成することができ、距離画像を得ることができる。この場合、一度の距離測定で複数個の測定対象（測定対象物６０）を検出する可能性がある。この場合には、第２の期間で複数の測定時間範囲を選択する必要がある。つまり、この場合には、測定対象１が存在する測定時間範囲１、測定対象２が存在する測定時間範囲２、・・・の測定を一度に全て行ってもよいが、測定対象が多い場合には、測定時間が長引く可能性がある。これを防ぐために、例えば、測定対象１が存在する測定時間範囲１の測定と、測定対象２が存在する測定時間範囲２の測定の間に、第１の期間での測定条件と同じ条件の測定を行うとしてもよい。また、距離測定の分解能を高める測定を行う対象を、アルゴリズムで決定する、使用者が任意に定める、などの方法で限定してもよい。例えば、人、動物は距離分解能の高い測定を実施するが、家や壁、標識などに対しては実施しないなどである。限定の方法は上記に限らない。
【００９９】
なお、受光部１０２が、二次元的に配列された複数の距離測定装置を有し、距離画像を出力可能である場合には、複数の距離測定装置の測定結果を統合し、入射フォトン数の和、平均、分散等を計数し、背景光との有意差が認められた場合に、光子を検出したと判定する方法を用いることも可能である。この場合についての測定の流れを、以下、図を用いて説明する。
【０１００】
図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは、本実施の形態に係る距離測定装置１０の測距動作シーケンスの別の一例を示す図である。
【０１０１】
例えば図６Ａには、第１の期間で低測定分解能での測距動作を行った後、第１の期間より測定分解能の高い第２の期間をｎ回行う場合が示されている。より具体的には、距離測定装置１０は、第１の期間で低測定分解能での測距動作を行い、物体１，２，３，・・・，ｎが距離ｚ１，ｚ２，ｚ３，…，ｚｎにあることを算出したとする。この場合、距離測定装置１０は、距離ｚ１，ｚ２，ｚ３，…，ｚｎにある物体１，２，３，・・・，ｎのそれぞれに対して、第１の期間より測定分解能の高い第２−１の期間、第２−１の期間、…、第２−ｎフレームで測距動作を行う。
【０１０２】
なお、期間の進行は、図６Ａに示す場合に限らず、図６Ｂに示すように、第１の期間、第２−１の期間、第１の期間、第２−２の期間…などと、測定分解能の低い第１の期間と、測定分解能の高い第２の期間とを交互に進行させて測距動作を行ってもよい。
【０１０３】
また、図６Ｂに示すように、測定分解能の高い第１の期間と測定分解能の低い第２の期間の比率を１：１としての期間を進行させるだけでなく、１：２など任意の比率としての期間を進行させてもよい。
【０１０４】
また、図６Ｃに示すように、期間Ｔ１では、測定分解能の高い第２の期間を繰り返し行うなど、複数の第２の期間を行う時間をあらかじめ設定してもよい。なお、の期間の進行はこれらの例に限定されないのはいうまでもない。
【０１０５】
（実施の形態３）
実施の形態１および２では、距離測定装置１０および測定対象物６０が移動等の運動する場合について言及しなかったので、本実施の形態では、距離測定装置１０あるいは測定対象物６０が移動している場合について、実施の形態１および２と異なる点を中心に説明する。
【０１０６】
本実施の形態に係る距離測定装置１０は、実施の形態１、２における距離測定装置１０に対して、制御部１０３および距離算出部１０５の動作内容が異なることになる。
【０１０７】
すなわち、制御部１０３は、第２の期間において、受光部１０２が反射光を受光し測定対象物６０がＫ’（Ｍ）個の区間のうち第Ｎ区間（Ｎ：Ｋ’（Ｍ）以下の自然数）に存在することを確認したとする。この場合、制御部１０３は、第２の期間に続く第３の期間において、第Ｎ区間を含み且つ第２の期間で用いた第２測定時間範囲以下の第３測定時間範囲をＯ個（Ｏ：２以上の自然数）の区間に分割し、発光部１０１の出射光を発する時間および第３測定時間範囲を含む第３繰り返し期間をＯ回繰り返し、かつ、第３繰り返し期間ごとに前記Ｏ個の区間の少なくとも一の区間に受光部１０２を露光中にさせる制御を行う。
【０１０８】
そして、距離算出部１０５は、第３の期間における発光部１０１の出射光を発する時刻から受光部１０２が受光した時刻までの時間に基づいて、距離測定装置１０から測定対象物６０までの距離を算出すればよい。
【０１０９】
さらに、制御部１０３により、受光部１０２が反射光を受光し測定対象物６０がＯ個の区間のうち第Ｐ区間（Ｐ：Ｏ以下の自然数）に存在することが確認されたときには、距離算出部１０５は、第３の期間において算出させた距離と第２の期間において算出させた距離との差分である距離差分を求めてもよい。そして、距離算出部１０５は、求めた距離差分と、第２の期間の第Ｎ区間の開始時刻から第３の期間の第Ｐ区間の開始時刻までの時間との比を計算することで、距離測定装置１０の出射光の進行方向における速度を求めてもよい。ここで、第Ｎ区間の開始時刻と第Ｐ区間の開始時刻を用いているが、第Ｎ区間と第Ｐ区間の特徴的な時刻を用いればよく、例えば、第Ｎ区間の終了時刻と第Ｐ区間の終了時刻でもよい。
【０１１０】
ここで、制御部１０３は、第３の期間の開始時刻からの期間第４の期間の開始時刻までの時間と前記速度とを乗算した距離値を、第３の期間において算出した距離に足すことで、第４の期間における測定対象物６０の距離範囲を予測できる。そのため、制御部１０３は、第４の期間において、予測した距離範囲に対応する測定時間範囲を含み、且つ、第３測定時間範囲よりも短い第４測定時間範囲を決定し、前記の距離測定と同様、複数の区間に分割し、発光部１０１の出射光を発する時間および第４測定時間範囲を含む第４繰り返し期間を複数回繰り返し、かつ、第４繰り返し期間ごとに当該複数の区間の少なくとも一の区間に受光部１０２を露光中にさせる制御を行う。
【０１１１】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る距離測定装置１０の距離測定動作（測距動作）について説明する。
【０１１２】
図７は、本実施の形態に係る距離測定装置１０の測距動作シーケンスの一例を示す図である。図４と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１１３】
本実施の形態では、図７の（ａ）に示すように、第１の期間、第２の期間、第３の期間、第４の期間での４回の測距動作を一つの組として行う。図７の（ｂ）、（ｃ）は、図４の（ｂ）、（ｃ）と同じのため説明を省略する。
【０１１４】
図７の（ｃ）に示される第３の期間では、第２の期間と同等の距離分解能あるいは第２の期間よりも高い距離分解能の距離測定を行う。動作詳細は図４の（ｃ）で説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
【０１１５】
制御部１０３が第２の期間で得た測定対象物６０までの距離をｚ１、第３の期間で得た測定対象物６０までの距離をｚ２とする。また、第２の期間において測定対象物６０を検出した時刻から第３の期間において測定対象物を６０検出した時刻までの時間を△ｔ１とする。この場合、制御部１０３は、測定対象物６０の距離方向の速度ｖ１を、（式６）を用いて算出することができる。
【０１１６】
【数６】
2017141957.tif 000008
【０１１７】
なお、制御部１０３は、同様に、第４の期間において、第３の期間から第４の期間までの測定対象物６０の距離方向の速度ｖ２を求めてもよく、制御部１０３は、第３の期間において測定対象物６０を検出した時刻から第４の期間で測定対象物６０を検出した時刻までの時間△ｔ２および、速度ｖ１，ｖ２を用い、測定対象物６０の加速度ａ１を（式７）より算出してもよい。
【０１１８】
【数７】
2017141957.tif 000009
【０１１９】
図７の（ｅ）に示される第４の期間では、制御部１０３は、図７の（ｄ）に示される第３の期間において得た測定対象物６０の速度ｖ１を用いて第４の期間における測定対象物６０の距離（位置）を予測し、予測した距離（位置）を含む第４測定距離範囲を決定する。これにより、距離測定装置１０は、第４の期間に測定対象物６０が存在する距離（位置）を含む第４測定距離範囲を分割して測定分解能を高めることができるので、測定精度をさらに向上することができる。
【０１２０】
以下、より詳細に説明する。第３の期間において得た測定対象物６０の距離ｚ２、速度ｖ１、第３の期間を代表する時刻から第４の期間を代表する時刻までの時間を△ｔ２とする。この場合、制御部１０３は、第４の期間に存在する測定対象物６０の位置を、（式８）で予測することができる。
【０１２１】
【数８】
2017141957.tif 000010
【０１２２】
このため、制御部１０３は、第４の期間において測定対象物６０が存在すると予測される距離の近傍に限定して測距動作を行うことができ、より高分解能、より少ない測定回数で測定対象物６０までの距離を算出することができる。この方法を以降の期間において繰り返し行うことによって、逐次的に距離測定の精度を向上することもできる。
【０１２３】
たとえば、受光部１０２に受光素子を二次元アレイ状に並べた素子であるイメージセンサを用い、必要であれば、光学系を搭載することで、二次元状の距離データ、即ち、距離画像を測定して、人や動物を認識する用途も考えられる。この用途を、時速６０ｋｍで一般道路を走る車に距離測定装置１０を搭載し、人や動物を認識したい場合に適用する場合、下記のような性能が要求される。一般的な動画のフレームレートである３０ｆｐｓの動画撮像時には、１フレーム間に人と装置の距離が、６０×（１０００／３６００）×（１／３０）＝０．６ｍだけ変化する。
【０１２４】
人や動物の厚みはおよそ０．２ｍ程度であるので、人や動物を認識したい場合、測定分解能は、その厚みの半分の０．１ｍ程度を要する。一つの分割区間に対応する距離範囲を０．１ｍとする場合、距離測定装置１０が測定対象物６０を見失わずに測距動作を行うためには、測定時間範囲の分割区間数は、距離変動分の０．６ｍを含むよう、少なくとも６以上にする必要がある。６０ｋｍ／ｈの車の停止距離は約３５ｍなので、人を認識し余裕をもって停止するためには、この三倍程度の１００ｍ程度前方の距離画像を撮像する必要がある。ここで、発光部１０１に用いられるレーザ光源は、クラス１相当のものを考え、強度を１ｍＷ程度とし、照射角１０°とする。人を認識するにはイメージセンサの水平垂直方向の分解能が０．１ｍ程度必要であるので、この分解能になるようレンズの焦点距離を設計し、レンズ半径は１ｃｍ程度とする。また、測定対象物６０の反射率は０．１とする。レーザ光源が発する光パルスの波長が８６０ｎｍである場合、光パルスの光子数は１秒間に４×１０１５個程度であり、測定対象物６０に反射して戻ってくる反射光は１秒間におよそ１×１０３個と計算される。そのため、イメージセンサの量子効率を６０％としても、１つの光子がセンサに帰還したのを検出するのに２ｍｓ程度の時間がかかるので、６度の測定を実施するならば、１２ｍｓの測定時間がかかる。一般的な動画のフレームレートはおよそ３０ｆｐｓなので、１フレームは３０ｍｓ以下である必要があり、上記に示した従来の測距動作では３以上の人や動物を認識し、画像として出力することは不可能である。
【０１２５】
このような場合でも、本実施の形態の測定方法を用いることで、各期間の分割区間数の下限は実質的に存在しなくなり、１回の測定で、運動している測定対象物を確実に捉えることも可能となる。これにより、上記の例では、測定時間は最大１／６倍となるので、１０程度の測定対象物を高い距離分解能で捉えることも可能となる。そのため、例えば、車載用途での遠方物体認識などの用途で効果を見込むことができる。
【０１２６】
本実施の形態では、受光部１０２に距離測定装置を二次元アレイ状に配列し、必要があれば、レンズ等を用いて光学系を構築することで、距離測定データの二次元画像を測定可能な構成とした、距離測定装置を用いてもよい。この時、光学系を含めない、受光素子をイメージセンサと呼び、独立に測定結果を出力できる各々の素子を画素と呼ぶ。この場合には、距離データを二次元に配列した距離画像、輝度データを二次元に配列した輝度画像のそれぞれを得ることもできる。また、後段で距離画像を認識処理するなどの方法で、測定対象物６０を認識することができる構成としてもよい。
【０１２７】
図１２は、本実施の形態に係るイメージセンサ３１と対象物３３との距離に対し、イメージセンサ３１内で測定対象物中の点Ｐが結像する位置の関係を説明するための図である。
【０１２８】
ある時刻において、イメージセンサ３１から距離ｄにある対象物３３上の点で、レンズ３２の光軸から距離ｒだけ離れた点Ｐにおいて反射した光が、イメージセンサ３１上の点で、レンズ光軸から距離Ｒだけ離れた点Ｑに入射するとする。次の距離測定期間で、イメージセンサ３１と対象物３３との距離がｄ’に変化した場合の、点Ｐで反射した光が入射するイメージセンサ上の点と、レンズ光軸との距離Ｒ’は、（式９）に変化する。
【０１２９】
【数９】
2017141957.tif 000011
【０１３０】
（式９）を用いて、次のフレームで測定対象が現れるイメージセンサ中の領域を予測することができる。
【０１３１】
この場合、画像認識処理を行うイメージセンサ上の領域を測定対象の近傍に限定することができ、画像認識処理にかかる時間を短縮できる。
【０１３２】
また、画像中での測定対象物６０の垂直・水平方向位置（ｘ，ｙ）の差分（△ｘ，△ｙ）をとり、差分を取った二つの測定の特徴的な時刻の差分△ｔで除算することにより、画面内での測定対象物６０の速度（ｖｘ，ｖｙ）＝（△ｘ／△ｔ，△ｙ／△ｔ）が求められるので、次の距離測定時に測定対象物６０が存在する領域を予測し、画像認識処理を行う領域を決定してもよい。
【０１３３】
また、距離測定装置１０が移動している場合、本実施の形態で示した速度の測定により、距離測定装置１０の速度を求めることができる。カメラシステムにあらかじめ静止物を登録しておく。静止物の例としては壁や建造物、道路標識などがあり、これに限定されない。
【０１３４】
静止物の速度ｖｓｔを求めれば、この速度ｖｓｔは静止物と距離測定装置１０の相対速度であり、静止物の絶対速度は０ｍ／ｓなので、（式１０）に示されるように相対速度ｖｓｔに−１を乗算した速度が距離測定装置の移動速度Ｖとなる。
【０１３５】
【数１０】
2017141957.tif 000012
【０１３６】
図１３は、距離測定装置１０が測定する距離画像の一例である。図１３には、例えば人である物体４１と、例えば車である物体４２と、例えば標識である物体４３が示されている。イメージセンサ３１を備える距離測定装置１０は、図１２に示される人（物体４１）、車（物体４２）、標識（物体４３）の三つの測定対象物６０の中から止まっている標識（物体４３）を認識し、その相対速度から距離測定装置１０の速度を求めることができる。
【０１３７】
たとえば、車載用途で本実施例における距離測定装置１０を用いる場合、車速によって測定条件を変更する必要がある。例えば、車の速度が大きい場合には遠方の距離測定を実施したいが、速度が小さい場合には近方のみの距離測定を行いたい。そのため、距離測定装置１０自体が自らの速度を認識することで、測定結果をフィードバックし、測定条件を変更しながら、距離測定を逐次的に行うことができる。
【０１３８】
車載用途の場合は、スピードメータと距離測定装置１０の通信を行うこともできるが、通信の急な遅延・切断が起きた場合にも、距離測定装置１０単独で距離測定動作を継続できるロバストなシステムを構築することができる。
【０１３９】
また、当該カメラシステムがスピードメータとの通信が正常に動作している場合でも、スリップ・空転時など、スピードメータが正しく動作しない場合には、距離測定装置１０が求めた速度をスピードメータに提供し、正しい車速を表示することができる。
【０１４０】
（実施の形態４）
実施の形態２、３では、第１の期間における測距動作の結果に応じて第２の期間の測定条件を決定する場合について説明したが、それに限らない。第１の期間の結果を参照せずに、第２の期間の測定を行い、２つの期間の測定結果をデータ処理することで、距離データを得る方法を用いてもよい。以下、この場合について、実施の形態１と異なる点について実施の形態４として説明する。
【０１４１】
本実施の形態に係る距離測定装置１０は、実施の形態１における距離測定装置１０に対して、制御部１０３の動作内容が異なることになる。
【０１４２】
すなわち、制御部１０３は、第２の期間では、第１測定時間範囲より短く、当該Ｋ個の区間のうち、測定対象物６０が検出される区間の時間幅と同じ第２繰り返し期間を設ける。第２繰り返し期間と同じ周期で発光部１０１に出射光を発せさせ、第２繰り返し期間をＭ個（Ｍ：２以上の自然数）の区間に分割した分割区間のうちの一の区間に受光部１０２を露光中にさせる制御を行う。特に、実施の形態１〜３では、繰り返し期間の時間幅の下限は、ある繰り返し期間の反射光が、他の繰り返し期間に誤検出されないように、十分減衰する時間として規定しているが、本実施の形態では本規定を行わない。
【０１４３】
制御部１０３は、第１の期間および第２の期間それぞれの結果をＡＮＤ処理することで、距離算出部１０５に測定対象物６０の距離を測定（算出）させる。
【０１４４】
下記に、本実施の形態の原理を示す。まず、第１の期間では、（式４）で示される分解能で距離を決定する。第２の期間では、露光時間幅を、第１の期間の分割区間幅の１／Ｍとするので、距離分解能も１／Ｍとなる。第２の期間では、光パルスの減衰時間よりも短い発光周期で発光を行うことを想定しているため、発光パルスと受光パルスの対応を１：１で決定できず、発光周期Ｔｄの整数倍で周期的な折り返しを考慮する必要がある。すなわち、Ｍ個の区間のうち、ｊ番目の区間でパルス光を検出した場合、繰り返し期間の時間幅をＴｄとして、距離データは、下記の（式１１）のようになる。
【０１４５】
ｔ＝（ｊ−１）Ｔｄ／Ｍ＋ｋＴｄ〜ｊＴｄ／Ｍ＋ｋＴｄ          （式１１）
【０１４６】
ここで、ｋは未知の０以上の整数で、ｋＴｄが前記折り返し成分に対応する。（式４）はＴｄの分解能で、一意に距離を決定できるので、（式１１）の結果における、未知の整数ｋを一意に決定することができ、分解能Ｔｄ／Ｍで測定対象の位置を決定できる。
【０１４７】
以上のように構成された本実施の形態に係る距離測定装置１０の距離測定における発光及び露光の駆動方法（測距動作）について説明する。
【０１４８】
図８および図９は、本実施の形態に係る距離測定装置１０の測距動作シーケンスの一例を示す図である。図２と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１４９】
図８の（ｂ）では、第１の期間において測定対象物６０が区間１２で検出した場合について示されている。このとき、反射光の帰還タイミングは、ｔ＝Ｔｄ〜２Ｔｄの範囲に限られる。その他の動作については図２の（ｂ）で説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
【０１５０】
図８の（ｃ）に示される第２の期間では、制御部１０３は、第１測定時間範囲の第１分割区間（区間１２、あるいは区間１３、区間１４）と同一の時間Ｔｄの周期で発光部１０１に光パルスを発光させる。また、第２の期間では、制御部１０３は、当該周期を３分割させた区間（第２分割区間）の一の区間で受光部１０２を露光中にする制御を行う。なお、図８の（ｃ）では、積算を行う駆動の例を示しており、図中のａｖｅｒａｇｉｎｇが一度の積算に対応する。当然、積算を行わず、１つの区間に対して、１つの光パルスのみを出射してもよい。積算を行う場合には、その平均値や和などを用いて距離を算出する。図８（ｃ）では、第２の期間において、２番目の区間に反射光が帰還する例を示している。（式１２）に従うと、この場合、パルス光帰還のタイミングはｔ＝Ｔｄ／３＋ｋＴｄ〜２Ｔｄ／３＋ｋＴｄと分かる。前述のとおり、第１の期間での測定から、反射光の帰還タイミングは、ｔ＝Ｔｄ〜２Ｔｄなので、ｋ＝１が分かり、ｔ＝４Ｔｄ／３〜５Ｔｄ／３と一意に決定することができる。
【０１５１】
特に、本駆動方法は、第１の期間での距離データを参照することなく、第２の期間での測定を実施し、後段での演算処理によって、距離データを決定することができる利点がある。測定対象の検出の有無の判断や、認識処理の時間が不要であるので、測定時間の短縮を図ることができる。特に、受光部１０２に一般的なイメージセンサのように、１０６個程度の高集積な距離測定装置アレイを使用する場合には、認識処理の時間が数ｍｓ程度かかるため、フレームレートに対する律速となりうるが、本測定方法では認識処理の時間を取らなくてすむ分、測定時間を短縮できる。本実施の形態で説明した測定方法は下記の２つの利点が存在する。１．長距離の距離測定の効率化と、２．距離画像測定における複数物体の高精度測定である。以下、例を挙げて説明する。
【０１５２】
１．長距離の距離測定の効率化について説明する。すなわち、遠方の測定時には、測定対象で反射して帰還するフォトン数が低下するため、積算回数が多くなる。そのため、発光パルスの周期を短くし、積算回数を増加することが重要である。１例として、距離画像装置を用いて、２５０ｍ遠方までの距離測定を行う状況を考える。例えば、パルス強度２０Ｗ、光パルス幅１００ｎｓ、射出角１０度程度の光パルス源、量子効率６０％、受光部面積１０μｍの受光部、Ｆ＝２のレンズを用いて２５０ｍ以上遠方の測定対象の距離を測定する場合、１つの光パルスに起因した光子一個が受光部に帰還し、光電変換される確率は２０００分の１以下なので、２０００回程度の積算が最低でも必要となる。実施の形態１〜３の場合では、２５０ｍ遠方の測定対象で光パルスが反射し、受光部まで帰還するのにかかる時間はおよそ１．６μｓなので、繰り返し時間の下限は１．６μｓで規定され、光パルスの出射を２０００回としても、一つの区間の測定に４ｍｓの時間が必要である。
【０１５３】
一方、本実施の形態の距離測定装置１０による測定手法を用いた場合、第１の期間で測定距離範囲の刻み幅を１０ｍにしたとすれば、第２の期間で光パルスを発光する周期は１／２５倍でおよそ０．０６μｓになるため、２０００回のパルス発光を行ったとしても、０．１２ｍｓとなる。これは、動画の一般的なフレームレート３０ｆｐｓの場合の１フレームの時間３０ｍｓに比べて１／４００倍と無視できる程度の時間となる。
【０１５４】
２．距離画像測定における複数物体の高精度測定について、下記で説明する。ここでの距離画像とは、２次元アレイ状に並んだ距離測定装置、及び必要であれば、レンズ等の光学系を有する測定装置系より出力される、二次元状の距離データ群を指す。実施の形態２で、測定対象が複数存在する場合、各測定対象の距離に応じて、対応する画素で反射光を検出するタイミングが異なるため、全ての測定対象について、別途距離分解能の高い測定を実施する必要がある。しかし、本実施の形態では、全画素同一の露光シーケンスで、測定対象の距離に応じた、異なる結果を得ることができる。これについて図２１を用いて説明する。測定対象Ａを検出する画素Ａと測定対象Ｂを検出する画素Ｂについて、出射光、反射光、露光のシーケンスを示した。出射光は同一で、露光のタイミングは画素Ａも画素Ｂも同一である。第１の期間に、画素Ａは３番目の区間、画素Ｂは２番目の区間で光を検出し、第２の期間に、画素Ａは２番目の区間、画素Ｂは１番目の区間で光を検出する。これにより、測定対象Ａからの反射光はｔ＝７Ｔｄ／３〜８Ｔｄ／３の間に帰還し、測定対象Ｂからの反射光はｔ＝４Ｔｄ／３〜５Ｔｄ／３の間に帰還することが１度の測定で分かる。
【０１５５】
ここで、第１の期間、第２の期間は、順不同に行ってよい。また、当然、第３の期間、第４の期間、・・・を追加し、逐次的に分解能を高める操作を行ってもよい。
【０１５６】
また、光パルスの発光から反射光が戻ってくるまでに時間がかかるため、第２の期間での最初の露光は、最初のパルス光が確実に帰還していることが期待される時刻から開始することが望ましい。たとえば、図９の（ａ）に示される第２の期間では、一回目の露光時間Ｅ３１では一発目の光パルスＰ３１の反射光Ｒ３１が帰還しておらず、この露光時間Ｅ３１は無駄な露光になっており、また、本来４回の積算の内、４回とも光検出されるべきところ、３回しか光検出されないため、検出漏れの可能性が高くなる。
【０１５７】
そこで、図９の（ｂ）に示すように、第２の期間の第一番目の露光開始時刻を、第１の期間での第一の測定時間範囲の最終区間の開始時刻以降とすれば、検出漏れを防止できる。つまり、第２の期間の第一番目の露光を露光時間Ｅ３３から開始すればよい。なお、図９の（ｂ）に示される第２の期間のように、パルス発光回数が露光回数よりも多くなるため、消費電力の上昇、測定時間の長大という欠点がある。しかし、遠方の距離測定、例えば、２５０ｍ遠方の距離測定を行う場合、１０００回以上のパルス発光が必要であり、これに対して、パルス発光回数の増加は、第１の測定の区間分割数と同程度で高々１０回であるから、１％の増加でしかない。
【０１５８】
（実施の形態５）
実施の形態１〜４では、測定対象物６０までの距離の決定方式は同一であったが、異なる方式を変更してもよく、以下の実施の形態５でこの場合について説明する。
【０１５９】
本実施の形態に係る距離測定装置１０は、実施の形態１〜４における距離測定装置１０に対して、制御部１０３の動作内容が異なることになる。以下、実施の形態１〜４と異なる点を中心に説明する。
【０１６０】
すなわち、制御部１０３は、第１の期間および前記第２の期間において、測定時間範囲をＫ個（Ｋ：１以上の自然数）の区間に分割し、発光部１０１の出射光を発する時間および当該測定時間範囲を含む繰り返し期間をＫ回繰り返す。
【０１６１】
制御部１０３は、第１の期間において、繰り返し期間の開始時刻ごとに、当該区間の半分より短い時間である狭パルス幅で出射光を発光部１０１に発せさせ、繰り返し期間ごとにＫ個の区間の少なくとも一の区間に受光部１０２を露光中にさせる制御を行う。
【０１６２】
また、制御部１０３は、第２の期間において、繰り返し期間のＫ個の区間それぞれの開始時刻ごとに、当該区間の半分の時間である広パルス幅で出射光を発光部１０１に発せさせる。そして、制御部１０３は、繰り返し期間のＫ個の区間それぞれにおいて、当該区間の開始時刻ごとに、当該区間の半分の時間である第１時間だけ受光部１０２を露光中にさせる第１露光期間制御と、当該区間の開始時刻から第１時間経過した時刻から第１時間だけ受光部１０２を露光中にさせる第２露光期間制御とを行う。なお、第１露光期間は、以下のＡ露光期間に対応し、第２露光期間は、以下のＢ露光期間に対応する。
【０１６３】
次に、以上のように構成された本実施の形態に係る距離測定装置１０の距離測定動作（測距動作）について説明する。
【０１６４】
図１０は、本実施の形態に係る距離測定装置１０の測距動作シーケンスの一例を示す図である。図２と同様の要素には同一の符号を付しており、詳細な説明は省略する。
【０１６５】
図１０の（ｂ）では、実施の形態１の図２の（ａ）と同様の測距方法を用いて測定対象物６０の距離を測定する。反射光が戻ってくるのが区間１２である点と、繰り返し期間の間に待ち時間がない点を除いて、図２の（ａ）と同様であるため、ここでの詳細な説明は省略する。なお、第１の期間で繰り返し期間の間に待ち時間があってもよい。
【０１６６】
図１０の（ｃ）に示される第２の期間では、発光部１０１は、発光・消光を同じ時間幅（第１時間）で交互に繰り返し、受光部１０２は発光部１０１の発光・消光にそれぞれ同期する２つの異なる露光シーケンスで受光を行う。そして、制御部１０３は、これらの露光シーケンスでそれぞれ得た反射光の強度の比から測定対象物６０と距離測定装置１０との距離を算出する。
【０１６７】
下記では、図１０の（ｃ）を参照し、より詳細に測定原理について述べる。本実施の形態では、発光部１０１は、第１時間Ｔ０だけ発光した後、第１時間Ｔ０だけ消光してこれを繰り返す。ここで、第１時間Ｔ０は、第１測定時間範囲の分割区間の半分の時間である。制御部１０３は、受光部１０２を制御して、発光部１０１の発光に同期して行うＡ露光（第１露光シーケンス）と消光に同期して行うＢ露光（第２露光シーケンス）をそれぞれ行う。また、制御部１０３は、Ａ露光中に受光部１０２が検出した反射光の光強度ＳＡとＢ露光中に受光部１０２が検出した反射光の光強度ＳＢとをそれぞれ不図示のメモリに保存する。
【０１６８】
なお、受光部１０２において、Ａ露光とＢ露光とは異なる画素で行っても、同一の画素で行ってもよい。
【０１６９】
ここで、測定対象物６０までの距離をｚ４、反射光が距離測定装置１０に帰還する時刻を発光からτとし、まず反射光が帰還する時刻τ＝（２ｚ４／ｃ）＜第１時間Ｔ０の場合を考える。この場合、Ａ露光期間に受光する反射光の時間幅はＴ０−τで、Ｂ露光期間に受光する反射光の時間幅はＴ０−（Ｔ０−τ）＝τとなることから、Ａ露光中に受光部１０２が検出した反射光の光強度ＳＡとＢ露光中に受光部１０２が検出した反射光の光強度ＳＢとの比（強度比）は（式１２）で表すことができる。そして、測定対象物６０と距離測定装置１０との距離は（式１３）で表すことができる。
【０１７０】
【数１１】
2017141957.tif 000013
【０１７１】
【数１２】
2017141957.tif 000014
【０１７２】
したがって、図１０の（ｃ）に示される第２の期間において位相差方式で測距動作を行う場合には、反射光の信号強度比（ＳＡ−ＳＢ）／（ＳＡ＋ＳＢ）を用いると距離測定装置１０から測定対象物６０までの距離を連続値で求めることができる。このような第２の期間は、分割区間の時間幅で定められる分解能でしか距離を求められない第１の期間に対して利点がある。
【０１７３】
なお、測定対象物６０までの距離が遠い（τ＞Ｔ０）の場合には、第１番目の発光（光パルス）の反射光が第２番目の発光時刻以降で検出されるため、光パルスの帰還する時刻がパルス帰還時刻τ＋２ｎＴ０（ｎ：整数）のいずれも（式１２）の値が同じになり区別ができない。
【０１７４】
しかし、本実施の形態では、第１の期間において２Ｔ０の分解能で測定対象の距離が分かっているので、τ＋２ｎＴ０におけるｎを決定できる。
【０１７５】
これを式で表すと、第１の期間で、ｉ番目の区間にパルス光が帰還した場合、τ＋２ｎＴ０は、（式１４）で表すことができるので、ｎが一意に決定する。  
【０１７６】
【数１３】
2017141957.tif 000015
【０１７７】
このように求めたτ＋２ｎＴ０を（式１３）中のτに代入して得られる（式１５）がτ＞Ｔ０の場合の解となる。
【０１７８】
ｚ５＝ｃ（τ＋２ｎＴ０）／２＝ｃＴ０／２（１−（ＳＡ−ＳＢ）／（ＳＡ＋ＳＢ））＋ｃｎＴ０      （式１５）
【０１７９】
このように、２回の測定で、測定対象の距離を連続値として得ることができる。
【０１８０】
本実施の形態の測定方法では、第１の期間の結果をフィードバックせずとも、第１の期間の結果と第２の期間の結果とをＡＮＤ処理（論理積演算処理）を施すことによって、距離測定装置１０から測定対象物６０までの距離を一意に決定できるという利点がある。受光部１０２をイメージセンサとして画像処理を行う場合、認識処理の時間が数ｍｓ程度かかり、フレームレートに対する律速となりうるが、本測定方法では認識処理の時間がない分測定時間を短縮できる。
【０１８１】
なお、第１の期間の結果をフィードバックして第２の期間の測定を行うとしてもよい。この場合、図１０の（ｃ）に示されるような、光パルスの発光・消光の繰り返しは行わなくてよい。第１の期間で反射光を検出した分割区間の開始時刻からＴ０だけ露光を行うＡ露光とＡ露光終了時からＴ０だけ露光を行うＢ露光を一度限り行えばよい。これにより、露光回数を少なくし、背景光によるパルス的なノイズや熱ノイズ発生を防ぐことができるので、反射光の誤検知を防ぐことができる。
【０１８２】
また、受光部１０２には、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いてもよい。
【０１８３】
ＡＰＤでは、ブレークダウン電圧以上の電圧をかけた状態である、ガイガーモードでは、単一のフォトンからの光信号を飽和値まで増倍することも可能であり、受光部１０２の感度を単一光子検出可能なレベルまで高めることができる。ガイガーモードは、フォトダイオードが飽和しやすく、またノイズも増幅されるため、光の有無を検出する用途には向いているが、光量の絶対値を求める用途には向いていない。ブレークダウン電圧以下の電圧をかけた状態である、ノーマルモードでは、通常のフォトダイオードとして用いることができ、信号強度の絶対値を得る用途にも用いることができる。
【０１８４】
したがって、本実施の形態では、第１の期間は露光期間中に光が帰還するか否か判定できればよいので、ガイガーモードで測定を行えばよい。これにより、帰還する光量が少ない遠方の測定も少ない積算回数で行うことができる。一方、第２の期間では、ノーマルモードで測定を行えばよい。このように、ＡＰＤは印加電圧を変更するだけで光の検出特性を切り替え可能であるので、第１の期間および第２の期間それぞれの測定方式に適した駆動方法を単一の装置で実現でき、低強度光を高感度で検出しつつ、測定対象物６０の距離を連続値として得ることが可能となる。
【０１８５】
なお、この場合の画素回路は特許文献２を用いればよい。特に、特許文献２では、本回路を第２の期間の測定と同様の測定に用いているのみであるが、本回路を用いることで、第１の期間の測定をも効率的に実施することができるようになる。図２２に画素回路構成と露光シーケンスを示す。図２２の（ａ）に示すとおり、画素回路は二つの浮遊拡散領域（ＦＤ１、ＦＤ２）を有することを特徴とする。上記の第２の期間では、（式１２）、（式１３）、（式９）に示されるＳＡの信号値を一方（例えばＦＤ１）に、ＳＢの信号値をもう一方（例えばＦＤ２）に保存し、後段で和、差分を取ることで、（式１３）、（式９）の距離値を測定することができる。第１の期間では、図２２の（ｂ）に示すとおり、ＦＤ１とＦＤ２とで露光のタイミングを異ならせることで、同一の繰り返し期間中に、異なる二つの分割区間の測定を行うことができる。更に、後段で信号の差分処理を行えば、信号の正負を見るだけで、どちらの浮遊拡散容量に電荷が入ったかを容易に判定できる。例えば、後段に、ＦＤ１の信号量−ＦＤ２の信号量を計算する処理を設ければ、信号の符号が正であれば、ＦＤ１で露光を行った区間に反射光が帰還したと分かり、信号の符号が負であれば、ＦＤ１で露光を行った区間に反射光が帰還したと分かる。本方式を用いることにより、パルス発光の回数を半分に低減することができ、第１の期間の測定時間が半減する。
【０１８６】
（実施の形態６）
本実施の形態では、距離データだけでなく、輝度データの測定も行う方法について説明する。
【０１８７】
本実施の形態の距離測定装置１０は、第１の期間において距離データを取得し、第２の期間において輝度データを取得することができる画素回路を備える。つまり、本実施の形態の画素回路は、距離データを取得する距離測定回路と輝度データを取得する輝度測定回路との両方を備えている。
【０１８８】
本実施の形態の画素回路の一例は、図１１に示すような構成からなり、距離画像データと輝度画像データとの両方を同一の回路構成で測定することができる。また、距離測定と輝度測定とを同時に行うことも可能である。
【０１８９】
以下、本実施の形態の画素回路の回路構成の一例について図を用いて説明する。図１１は、本実施の形態に係る画素回路の回路構成の一例を示す図である。
【０１９０】
本実施の形態の画素回路は、図１１に示すように、受光回路２０１、カウンタ回路２０２、比較回路２０３、記憶回路２０４、受光素子２０５、トランスファトランジスタ２０６、リセットトランジスタ２０７、電荷蓄積コンデンサ２０８、カウンタトランジスタ２０９、カウンタ容量２１０、直流カットコンデンサ２１１、クランプトランジスタ２１２、インバータ２１３、入力トランジスタ２１４、記憶コンデンサ２１５、記憶ノードリセットトランジスタ２１６、増幅トランジスタ２１７、選択トランジスタ２１８、輝度画像用増幅トランジスタ２１９、輝度画像用選択トランジスタ２２０および輝度画像用回路２２１で構成される。ここで、２３０は出力許可信号である。
【０１９１】
距離測定を行う回路部分については、図２０と全く同じなので、ここでの詳細は省略する。
【０１９２】
以下では、光強度を測定する回路について説明する。輝度画像用回路２２１と受光回路２０１部分を合わせると、通常のイメージセンサの画素回路と同じ構成である。まずリセットトランジスタ２０７をＯＮしてから、トランスファゲート電圧をＯＮし、受光素子２０５をリセットした後に、リセットトランジスタ２０７をＯＦＦし、ｔａの間、受光を行うと、それに対応した電荷がトランスファトランジスタ２０６を介して電荷蓄積コンデンサ２０８に蓄積される。ｔａ秒後、トランスファトランジスタ２０６をＯＦＦし、輝度画像用選択トランジスタ２２０をＯＮすると、輝度画像用増幅トランジスタ２１９からの出力電圧を読み出し、信号を得る。このとき、後段にＣＤＳ回路を設け、オフセット電圧を除去して輝度信号を得ることが望ましい。このような回路構成では、単一の回路構成で距離と輝度の両方を得ることができる。
【０１９３】
本実施の形態では、受光部１０２に距離測定装置を二次元アレイ状に配列したイメージセンサと、必要があれば、レンズ等を用いて光学系を構築することで、距離測定データの二次元画像を測定可能な構成とした、固体撮像装置を用いてもよい。この場合には、複数の画素が出力した距離データを処理し、二次元状に配列、画像化して出力した距離画像、および、複数の画素が出力した輝度データを処理し、二次元状に配列、画像化して出力した輝度画像などの画像を得ることができる。
【０１９４】
ここで、取得する画像データの種類は、距離と輝度に限定するものではなく、この他にも、例えば、受光部１０２の前面に特定の周波数の光を遮断あるいは透過するフィルターを設けるなどの方法で、周波数情報を得てもよい。
【０１９５】
また、輝度画像と距離画像の取得の順番は本願の権利の範囲を限定せず、例えば、輝度画像測定と距離画像測定を交互に繰り返す方法、すなわち、例えば、実施の形態１における、第１の期間の距離測定の後に、輝度測定を行い、その後に、第２の期間の測定を行い、さらにその後に輝度測定を行う、という流れを繰り返す方法や、距離測定実施の前あるいは後に、輝度測定を行う方法などが考えられる。また、距離測定と輝度測定の実施回数の比についても、任意の比で行ってよい。
【０１９６】
また、後段で距離画像および輝度画像を認識処理するなどの方法で、測定対象物６０を認識することができる構成としてもよい。この場合、距離画像と輝度画像を組み合わせることで、認識処理の効率化を図ることができる。本実施の形態の距離測定装置１０は、まず、距離画像に認識処理を施し、測定対象物６０の境界を絞り込む。次に、本実施例の距離測定装置１０は、輝度画像の認識処理を行うが、距離画像により絞り込まれた測定対象物６０の境界内部に相当する領域で、て再度認識処理を行う。この方法により、本実施例の距離測定装置１０は、より効率的に画像認識を行うことができる。
【０１９７】
また、距離画像と輝度画像で相補的に認識処理を行うことができる。測定対象物６０が複数存在し、それらの距離が近く、距離の差分が、距離測定装置の分解能以下となる場合、距離画像では、二つの測定対象物６０それぞれの形状を分けて認識できない。人と地面との境界や、壁と壁の近くにいる動物などがその例である。この場合、本実施例のように輝度画像を用いて、２つの測定対象物６０間の反射率の違いを識別し、２つの測定対象物６０を分けて認識できる。一方、輝度画像のみを用いて認識する場合には、離れた二つの測定対象物６０の輝度がたまたま同程度になった場合に、輝度画像からは二つの測定対象物６０を見分けることは不可能だが、距離画像を用いれば、２つの測定対象物６０を別々に認識できる。
【０１９８】
（実施の形態７）
本実施の形態では、受光部１０２に、イメージセンサおよび、必要であれば、レンズ等の光学系を構築することで、距離測定データの二次元画像を測定可能とした、固体撮像装置を用いる。距離データを二次元に配列した距離画像、輝度データを二次元に配列した輝度画像のそれぞれを得ることもできる。また、後段で距離画像および輝度画像を認識処理するなどの方法で、測定対象物６０を認識することができる構成としてもよい。
【０１９９】
実施の形態１〜６では、受光部が複数の距離測定装置で構成されている場合にも、露光タイミングは全ての画素で同じく設定していたが、それぞれの画素で異なるタイミングでの露光を行ってもよい。
【０２００】
（実施例１）
図１４Ａおよび図１４Ｂは、本実施例に係る距離測定装置１０の露光シーケンスを説明するための模式図である。図１４Ａの（ａ）は、距離測定装置１０が撮像した測定対象物６０を含む画像の一例を示す模式図であり、距離ｚ１の物体４１，距離ｚ２の物体４２，距離ｚ３の物体４３が示されている。
【０２０１】
ここで、本願の実施の形態２で説明したように、測定対象の３つの物体４１，４２，４３を第１の期間に検出し、第２の期間に、測定対象の各物体４１，４２，４３の近傍に測定範囲を限定して、距離測定を行う場合の駆動を図１４Ａの（ｂ）及び、図１４Ｂの（ｃ）に示している。
【０２０２】
測定対象の物体４１，４２，４３は、距離画像内で異なる位置に存在しており、測定対象の物体４１を検出する距離測定装置を画素１と呼び、露光シーケンスはＥｘｐｏｓｕｒｅ１とし、測定対象の物体４２を検出する距離測定装置を画素２と呼び、露光シーケンスはＥｘｐｏｓｕｒｅ２とし、測定対象の物体４３を検出する距離測定装置を画素３と呼び、露光シーケンスはＥｘｐｏｓｕｒｅ３として示されている。
【０２０３】
図１４Ａの（ｂ）では、測定対象物６０が複数個存在し、距離ｚ１の物体４１，距離ｚ２の物体４２，距離ｚ３の物体４３のそれぞれに対応し、物体４１からの反射光がτ１（＝２ｚ１／ｃ）、物体４２からの反射光がτ２（＝２ｚ２／ｃ）、物体４３からの反射光がτ３（＝２ｚ３／ｃ）、に帰ってくる。露光動作は実施の形態２の図２の（ｂ）と同様、全画素一斉に行う。ここでの詳細な説明は省略する。
【０２０４】
図１４Ｂの（ｃ）では、実施の形態２の図４の（ｃ）および、図６Ａ〜図６Ｃで説明したとおり、検出した測定対象の近傍に測定範囲を限定して距離測定を行う動作を、測定対象物である物体４１，４２，４３全てについて繰り返す。
【０２０５】
図１４Ｂの（ｃ）の場合には、距離ｚ１の測定対象の物体４１，距離ｚ２の測定対象の物体４２，距離ｚ３の測定対象の物体４３それぞれの近傍で更に細かい区間の距離測定を行うため、第１測定時間範囲の分割区間１１をさらに分割した分割区間２１、分割区間２２、分割区間２３、及び、分割区間１２をさらに分割した分割区間２４、分割区間２５、分割区間２６、及び、分割区間１３をさらに分割した分割区間２７、分割区間２８、分割区間２９の９つすべてに対して測定を行う必要があるため、測定時間が長大化する。
【０２０６】
そこで、図１４Ｂの（ｄ）に示したとおり、画素１では、測定対象の物体４１の存在する距離ｚ１の近傍を、画素２では、測定対象の物体４２の存在する距離ｚ２の近傍を、画素３では、測定対象の物体４３の存在する距離ｚ３の近傍を、それぞれ測定する構成とすればよく、測定時間の短縮が可能となる。特に、本実施例で示した駆動により、各画素の露光回数が減少するので、背景光強度・熱ノイズの低減が見込まれ、誤検出防止の効果がある。
【０２０７】
ここで、図１４Ｂの（ｄ）のシーケンスを詳しく説明する。第１測定時間範囲の内、距離ｚ１に対応する時刻であるτ１（＝２ｚ１／ｃ）を含む分割区間（図では区間１１）を更に分割した分割区間２１，２２，２３では、第１の期間で測定対象物である物体４１を検出した画素１を露光中にさせ、第１測定時間範囲の内、距離ｚ２に対応する時刻であるτ２（＝２ｚ２／ｃ）を含む分割区間（図では区間１２）を更に分割した分割区間２４，２５，２６では、第１の期間で測定対象の物体４２を検出した画素２を露光中にさせ、第１測定時間範囲の内、距離ｚ３に対応する時刻であるτ３（＝２ｚ３／ｃ）を含む分割区間（図では区間１３）を更に分割した分割区間２７，２８，２９では、第１の期間で測定対象の物体４３を検出した画素３を露光中にさせる。より具体的には、本実施例の距離測定装置１０では、受光部１０２は、それぞれ受光可能である二次元的に配列された複数の画素を有し、受光部１０２は、複数の領域に分割されている。ここで、各画素は、複数の領域のいずれかに属している。制御部１０３は、第１の期間において、第１の測定時間範囲をＫ個（Ｋ：１以上の自然数）の区間に分割し（第１分割期間）、発光部１０１の出射光を発する時間および第１の測定時間範囲を含む繰り返し期間をＫ回繰り返す（第１繰り返し期間）。制御部１０３は、当該繰り返し期間の開始時刻ごとに、出射光を発光部１０１に発せさせ、繰り返し期間のＫ個の区間それぞれにおいて、前記複数の領域の内、全ての領域について、その領域に含まれる全ての画素を露光中にさせる制御を行う。第２の期間においては、上記の第１分割期間のうち、測定対象物６０を検出した区間の近傍のみを測定時間範囲（第２測定時間範囲）と規定して測定を行う。第２測定時間範囲をＬ個（Ｌ：１以上の自然数）の区間に分割し、発光部１０１の出射光を発する時間および測定時間範囲を含む繰り返し期間をＬ回繰り返す。制御部１０３は、当該繰り返し期間の開始時刻ごとに、出射光を発光部１０１に発せさせ、繰り返し期間のＬ個の区間それぞれにおいて、複数の領域の一を露光中にさせる制御を行う。特に、制御部１０３は、複数の領域のそれぞれについて、異なる前記領域を、異なる前記第２分割区間において露光中にさせる制御を行う。換言すると、制御部１０３は、複数の領域のそれぞれについて異なる領域を、繰り返し期間のＫ個の区間のうちの異なる区間において露光中にさせる制御を行う。
【０２０８】
なお、制御部１０３は、第１の期間において、受光部１０２が反射光を複数受光することにより複数の測定対象物である物体４１、４２、４３があり、かつ、Ｋ個の区間のうちの異なる区間に存在することを確認したとする。この場合、制御部１０３は、第２の期間において、複数の領域のそれぞれについて異なる測定距離範囲を設定し、設定した異なる測定距離範囲に応じて第２の測定時間範囲をＫ’個の区間に分割すればよい。これにより、複数の画素（領域）それぞれに対する測定範囲を決めて距離測定することができる。
【０２０９】
以下では、実際の画素及び画素回路の構成を具体的に説明する。
【０２１０】
一般的なイメージセンサでは、受光部１０２に露光をさせる駆動回路は全ての画素で共通であるが、本実施例では、複数の駆動回路により、画素ごとに露光のタイミングを異ならせる。図１５、図１６および図１７Ａは、本実施例に係る受光部１０２の構成するイメージセンサの一例を示す図である。図１７Ｂは、図１７Ａのイメージセンサの制御回路の一例を示す図である。
【０２１１】
図１５のように、イメージセンサの画素アレイ１０２ａを縦Ｎ行、横Ｍ列（Ｎ，Ｍは自然数）の小領域に分割する方法が考えられる。この小区画領域それぞれには一つまたは複数の画素が含まれている。小区画領域の行および列それぞれには、対応する露光用ゲートドライバが設けられており、独立に動作する。換言すると、小区画領域における縦のＮ行、横のＭ列それぞれに対応して、露光用の行パルス電源をＮ個、列パルス電源をＭ個接続し、それぞれ独立に動作できるようにする。行パルス電源がＯＮになると行選択トランジスタ１３０１がＯＮとなり、列パルス電源がＯＮになると列選択トランジスタ１３０２がＯＮになるので、行選択トランジスタ１３０１、列選択トランジスタ１３０２の両方がＯＮになった小領域のみ、行選択トランジスタ１３０１、列選択トランジスタ１３０２を介して電源電圧１３０３が画素回路に印加される。
【０２１２】
ここで、前記小領域に含まれる画素の回路は例えば図２０や、図１１に示す構成が考えられる。この場合、リセットトランジスタ２０７のトリガ電源として電源電圧１３０３を用いる回路構成とすることで、露光を行う画素回路を図１５の方式で決定することができ、イメージセンサの前記小領域ごとに露光を独立化できる。
【０２１３】
画素アレイの内、独立に露光を行う領域の決め方として、たとえば、図１６のように、画素アレイ１０２ｂの中央部と外周部の二区画に分割する、同心円状に分割する、など分割の方法は問わない。当然、全画素独立に露光を行ってもよい。また、分割した小領域各々で、測定条件を変えてもよい。例えば、図１６の場合、外周部では画面外からの物体（測定対象物６０）の侵入を早く捉えることができるよう、測定距離範囲を広く、低分解能で測定するよう、露光時間幅を長く取り、中央部では画面内の測定対象物６０を高い分解能で距離測定を行うよう、露光時間幅を狭く取ってもよい。
【０２１４】
また、図１７Ａに示すように、受光部１０２は、異なる２以上の露光用電源に接続された画素を交互に配列してもよい。
【０２１５】
この場合、画素Ａのみ、あるいは画素Ｂのみで、もとの画像と同じ撮像範囲の距離画像を出画することができる利点がある。当然、画素Ａ、画素Ｂで得た距離画像を合成してから、最終的な画像を出力してもよい。
【０２１６】
ここで、図１７Ａに示す画素アレイ１０２ｃを制御する制御回路は、例えば図１７Ｂのように構成される。図１７Ｂに示す制御回路では、パルス電源ＡがＯＮすると、画素回路Ａにのみ接続されているトランジスタがＯＮし、画素Ａにのみ電源電圧１７０１が印加され、画素Ａのみ露光が行われる。また、パルス電源ＢがＯＮすると、画素回路Ｂに接続したトランジスタがＯＮし、画素Ｂにのみ電源電圧１７０１が印加され、画素Ｂのみ露光が行われる。
【０２１７】
図１５に示す画素アレイ１０２ａと比較すると、図１７Ａに示す画素アレイ１０２ｃでは、用意する電源が２つで、トランジスタ数も各画素１つでよいため、回路構成が容易で、小型化しやすい利点がある。また、図１５に示す画素アレイ１０２ａでは、画面内での測定対象物６０の位置によって、各画素領域の露光タイミングを選択する必要があるが、図１７Ａの方法では選択の必要は無い。
【０２１８】
また、解像度を犠牲にしても、測定時間を短くしたい場合には、図１４Ａ（ｂ）に示した第１の期間において、１番目の繰り返し期間中に、例えば、画素Ａで区間１１の露光を行い、画素Ｂで区間１２の露光を行うなどの方法を用いることで、１つの繰り返し期間中に、二つの分割区間の測定を実施でき、測定時間を最大半減できる。
【０２１９】
３以上の露光用電源を用いる場合には、測定時間を露光用電源数分の１倍にまで短縮できる。
【０２２０】
なお、図１７Ａでは、露光用電源Ａに接続された画素Ａと露光用電源Ｂに接続された画素Ｂを市松模様状に配列しているが、配列の種類はこれに限らない。例えば、露光用電源を３つ用意し、露光用電源Ａに接続された画素Ａ、露光用電源Ｂに接続された画素Ｂ、露光用電源Ｃに接続された画素Ｃを交互に繰り返してもよいし、露光用電源を更に増やし、繰り返し数を増やしてもよい。また、繰り返しの様式として、市松模様以外にも、行ごとに画素Ａ、画素Ｂ、・・・を繰り返す配列、列ごとに画素Ａ、画素Ｂ、・・・を繰り返す配列、ランダムな配列、など、どのような配列でも、露光用電源をいくつ用いてもよい。
【０２２１】
（実施例２）
実施例１のように、受光部１０２の露光回路の電源を複数設ける方法のほかに、外部的に露光可能な領域を制御する素子を導入してもよい。
【０２２２】
具体的には、受光部１０２は受光素子の前面に、反射光の透過、遮断を制御できるシャッター機構を内蔵してもよい。より具体的には、距離測定装置１０は、前記受光部１０２としてシャッター機構を備え、前記シャッターは、機械的、あるいは電気的などの方法で、光を透過できる開状態と、光を遮断できる閉状態を切り替え可能である。
【０２２３】
この場合について、図１８を用いて説明する。図１８は、本実施例に係る受光部１０２を構成するイメージセンサ１０２ｄおよびシャッターアレイ１０２ｅの一例を示す図である。
【０２２４】
すなわち、本実施例では、イメージセンサ１０２ｄの上面に部分的な開閉を自由に行うことができるシャッターアレイ１０２ｅを導入する。図１８の例では、シャッターアレイ１０２ｅの独立に開閉可能な領域は、アレイ状に配列され、イメージセンサの画素ごとにシャッターの開状態および閉状態を独立に制御できる構成としている。開状態と閉状態の制御が独立なシャッターの配列方法は、上記のアレイ状配列に限定されるものではなく、自由な配列を用いてよい。例えば、行ごとに独立に制御可能な配列、行ごとに独立に制御可能な配列などが挙げられる。
【０２２５】
シャッターアレイ１０２ｅは、１０ｎｓから１μｓ程度の高速な動作が必要とされるので、電子的な駆動が望ましく、液晶シャッターがその１例として挙げられる。ただし、用いるシャッターの種類に限定はなく、その他の例として、遮光体を物理的に移動させるような機構的シャッターなどが挙げられる。
【０２２６】
本実施例では、シャッターの内、開状態と閉状態を独立に制御できる領域を、イメージセンサ１０２ｄの１つの画素、あるいは複数の画素に対応させて、二次元に配列する。液晶シャッターの例では、例えば、電圧印加時のみ液晶体が光を透過する構成とすれば、電圧印加時がシャッターの開状態となる。
【０２２７】
下記では、シャッターアレイ１０２ｅとイメージセンサ１０２ｄの駆動について、図２３Ａおよび図２３Ｂを用いて説明する。図２３Ａ，図２３Ｂでは、距離ｚ１，ｚ２，ｚ３に測定対象である物体４１，４２，４３がある場合を示しており、この時、発光から反射光が戻ってくるまでの時間はτ１，τ２，τ３（τｉ＝２ｚｉ／ｃ）となる。また、測定対象の物体４１を検出する画素を画素１、測定対象の物体４２を検出する画素を画素２、測定対象の物体４３を検出する画素を画素３とする。
【０２２８】
図２３Ａ，図２３Ｂでは、物体対象の物体４１からの反射光の帰還タイミングをＲｅｆｌｅｃｔｅｄ  ｌｉｇｈｔ１、物体対象の物体４２からの反射光の帰還タイミングをＲｅｆｌｅｃｔｅｄ  ｌｉｇｈｔ２、物体対象の物体４３からの反射光の帰還タイミングをＲｅｆｌｅｃｔｅｄ  ｌｉｇｈｔ３、画素１の露光タイミングをＥｘｐｏｓｕｒｅ１、画素２の露光タイミングをＥｘｐｏｓｕｒｅ２、画素３の露光タイミングをＥｘｐｏｓｕｒｅ３、画素１全面のシャッターの開閉をＳｈｕｔｔｅｒ１、画素２全面のシャッターの開閉をＳｈｕｔｔｅｒ２、画素３全面のシャッターの開閉をＳｈｕｔｔｅｒ３で示している。
【０２２９】
本実施例の制御部１０３は、第１の期間において、常にシャッターアレイ１０２ｅの全領域を開状態にする。イメージセンサ１０２ｄは図２（ｂ）と同じ露光を行うので、詳細は省略する。第２の期間においては、時刻τｉを含む期間には、シャッターｉのみを開状態とし、その他の期間では、シャッターは閉状態とする。露光について、第１の期間でＫ個に分割した区間を更に、Ｌ個に分割する。図２３Ａに示す例の場合は、Ｋ＝３、Ｌ＝３なので、区間は区間２１，区間２２，区間２３，区間２４，区間２５，区間２６，区間２７，区間２８，区間２９の９つに分割される。
【０２３０】
第２の繰り返し期間１では、Ｌ個に分割した区間の内、最初の区間を全て露光する、つまり、図２３Ｂでの区間２１、区間２４、区間２７を露光中にする。第２の繰り返し期間２では、Ｌ個に分割した区間の内、２番目の区間を全て露光する、つまり、図２３Ｂでの区間２２、区間２５、区間２８を露光中にする。第２の繰り返し期間３では、Ｌ個に分割した区間の内、３番目の区間を全て露光する、つまり、図２３Ｂでの区間２３、区間２６、区間２９を露光中にする。この操作をＬ回繰り返し、全ての区間が少なくとも一回露光中になるようにする。
【０２３１】
上記の動作の内、反射光を検出できるのは、シャッターが開状態かつ画素が露光中の場合に限られるので、第２の繰り返し期間中に複数回の露光が行われていても、光検出のタイミングは一意に決定できる。
【０２３２】
（実施例３）
上記の実施例では、露光のタイミングを制御したが、読み出しの範囲を制御する方法も考えられる。例えば、前記受光部１０２にイメージセンサを用い、前記第１の期間に距離画像の測定を行い、測定対象物を認識し、第２の期間では、認識した測定対象の近傍のみ読出しを行うとしてもよい。また、当然、認識した測定対象の近傍のみの読出しを行う期間を複数回繰り返した、第３の期間、第４の期間、・・・・を追加してもよいし、測定対象物を認識せずにあらかじめ規定した領域のみを読み出すとしてもよい。
【０２３３】
この場合について、図１９を用いて説明する。図１９は、上記の読み出し範囲を制御する方法を用いて、画像を出力した際の画像シーケンスの一例である。まず、第１の期間に画面全体を読み出す。その後、第２の期間、第３の期間、・・・、第Ｎの期間（Ｎ：２以上の整数）には、画面内の一部の領域のみを読み出す。図１９の例では、測定対象１９０１の周囲のみを読み出している。読出し領域の決定の仕方は、使用者が任意に決定してもよいし、アルゴリズムで規定してもよく、この際には、画像の認識処理等を含めてもよい。
【０２３４】
信号を読み出す領域を限定することで、信号読み出し、および出画にかかる時間を短縮できる。これにより、例えば、測定対象の運動を高いフレームレートで動画撮影することができる。
【０２３５】
特に、実施の形態３に記載の、次の画像を予測しながら距離測定を行う方法と組み合わせることで、効果が期待できる。
【０２３６】
実施の形態３での、第Ｑの期間での測定（Ｑ：４以上の整数）では、対象の距離をあらかじめ予測するが、この時、予測される結果と異なる結果が得られる場合がある。その時、予測外の結果が得られた画素のみで読出しを行う距離測定を設けることで、急なデータの変化に高速に対応できる。例えば、人や動物などの画面内への急な侵入を高速に検出でき、例えば、車載用途の事故防止対策に利用できる。
【０２３７】
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。
【０２３８】
したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【０２３９】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【０２４０】
例えば、上記の実施の形態では、測距動作の測定条件を、フレーム期間ごとに変更するとして説明したが、それに限らない。測定距離時間範囲の分割区間すなわち測定距離範囲の分割距離区間ごとに、発光部の光源パラメータの条件などの測定条件を変更するとしてもよい。たとえば、距離測定装置は、当該距離測定装置を起点とする測定距離範囲を距離範囲の異なる複数の区間である分割距離区間に分割してもよい。そして、当該距離測定装置は、分割距離区間の距離範囲に応じて、発光部の光源パラメータである光パルスの発光強度、発光回数およびパルス幅の積が、当該分割距離区間の最大測定距離の二乗に比例するように、光源パラメータを異ならせて、発光部に分割距離区間ごとに少なくとも１回発光させる制御を行い、分割距離区間ごとに測距動作を行ってもよい。
【０２４１】
つまり、当該距離測定装置では、ユーザーにより設定された測定距離範囲を、１つ以上の区間（分割距離区間）に分割し、分割した分割距離区間（に対応する測定距離）に応じた測距動作を行う。分割数及び分割幅は、ユーザーにより都度決定されても良いし、事前に設定しておいても良い。
【０２４２】
図２５は、測定距離範囲の分割距離区間と、分割距離区間ごとの光源パラメータの変動を説明するための図である。ここで、図２５を用いて、測定距離範囲を、対応する測定距離が０〜２のrange 1と，対応する測定距離２〜４のrange 2，対応する測定距離が４〜８のrange 3の各区間（分割距離区間）に分割する場合について説明する。なお、分割距離区間の数Ｋは自然数の中で自由にとることが出来る。また、分割距離区間の幅は均等でも良いし、図２５に示すように分割距離区間に対応する測定距離に比例させても良い。また、ユーザーが特に着目する測定距離に対応する分割距離区間ではその幅を細かくしても良いし、測定距離と分割距離区間幅とが予め設定されているテーブルに従って定めても良い。
【０２４３】
図２５に示される一点鎖線の曲線Ｐは、各分割距離区間における発光部の光源パラメータである光パルスの発光強度Ｉ、発光回数Ｎおよびパルス幅Ｗの積Ｐが従う条件（測定条件）を示している。制御回路１０３Ａは、各分割距離区間においてこの曲線に従う測定条件の下、発光部のレーザ光源を制御する。図２５では、発光部の光源パラメータである光パルスの発光強度Ｉ、発光回数Ｎ、およびパルス幅Ｗの積Ｐが各分割距離区間の最大測定距離の二乗に比例するように制御されることが示されている。ここで、比例定数をＡ（Ａは正の数）とすると、積Ｐの値は、各分割距離区間の最大測定距離の二乗に比例定数Ａ掛けた値より大きい値に設定にしても良い。
【０２４４】
したがって、例えば図２５に示すように、例えばrange 1の第１の期間と例えばrange2の第２の期間とでは、出射光であるパルス光の発光強度、発光回数および光パルス幅のうちの少なくとも一つの測定条件が異なっていてもよい。この場合、第１の測定距離範囲および第２の測定距離範囲の中点の位置のうち遠い方の測定距離範囲において、近い方の測定距離範囲と比べて、光パルスの発光強度、発光回数および光パルス幅の積の値が大きくなるように設定すればよい。
【０２４５】
また、上述の実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の測距撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【０２４６】
なお、本発明は、上述した特徴的な構成を備える距離測定装置として実現することができるだけでなく、当該距離測定装置の測距方法として実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２４７】
本開示は、距離測定装置に利用でき、特には、衝突防止または自動運転のための自動車用機器、距離測定装置又はその測定方法を用いる機器に適用可能である。
【符号の説明】
【０２４８】
１０  距離測定装置
３１、１０２ｄ  イメージセンサ
３２  レンズ
３３  対象物
４１、４２、４３  物体
６０  測定対象物
１０１  発光部
１０２  受光部
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ  画素アレイ
１０２ｅ  シャッターアレイ
１０３  制御部
１０４  出力部
１０５  距離算出部
２０１  受光回路（フォトダイオード）
２０２  カウンタ回路
２０３  比較回路
２０４  記憶回路
２０５  受光素子
２０６  トランスファトランジスタ
２０７  リセットトランジスタ
２０８  電荷蓄積コンデンサ（電荷蓄積容量）
２０９  カウンタトランジスタ
２１０  カウンタ容量
２１１  直流カットコンデンサ
２１２  クランプトランジスタ
２１３  インバータ
２１４  入力トランジスタ
２１５  記憶コンデンサ
２１６  記憶ノードリセットトランジスタ
２１７  増幅トランジスタ
２１８  選択トランジスタ
２１９  輝度画像用増幅トランジスタ
２２０  輝度画像用選択トランジスタ
２２１  輝度画像用回路
１３０１  行選択トランジスタ
１３０２  列選択トランジスタ
１３０３、１７０１  電源電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【国際調査報告】
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