(57)【要約】【課題】  構成や制御の煩雑化を抑制しつつ、測距レンジを広くすること又は測距精度を高めることができる測距装置を提供する。【解決手段】  距離センサ２０Ａは、光源２１と、該光源２１から射出され物体で反射された光を受光して光電変換し、その電気信号を複数の位相信号に分けて取得するイメージセンサ２９（撮像素子）と、複数の位相信号に基づいて物体までの距離を算出するＴＯＦ演算部（演算部）と、を備え、イメージセンサ２９が位相信号を取得する時間は、光源２１の発光時間よりも長く設定される。この場合、構成や制御の煩雑化を抑制しつつ測距レンジを広くすることが可能な測距装置を提供できる。【選択図】図１８
2018077143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から射出され物体で反射された光を受光して光電変換し、その電気信号を複数の位相信号に分けて取得する撮像素子と、
前記複数の位相信号に基づいて前記物体までの距離を算出する演算部と、を備え、
前記撮像素子が前記位相信号を取得する時間と前記光源の発光時間は、長さが異なることを特徴とする測距装置。
【請求項２】
前記取得する時間は、前記発光時間よりも長く設定されることを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記光源及び前記撮像素子を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、前記取得する時間を制御するための制御信号のパルス幅を、前記発光時間を決める、前記光源を駆動するための駆動信号のパルス幅を基準に調整可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の測距装置。
【請求項４】
光源と、
前記光源から射出され物体で反射された光を受光して光電変換し、その電気信号を複数の位相信号に分けて取得する撮像素子と、
前記光源及び前記撮像素子を制御する制御部と、
前記複数の位相信号に基づいて前記物体までの距離を算出する演算部と、を備え、
前記制御部は、前記撮像素子が前記位相信号を取得する時間を制御するための制御信号のパルス幅を、前記光源を駆動するための駆動信号のパルス幅を基準に調整可能であることを特徴とする測距装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記制御信号のパルス幅を前記駆動信号のパルス幅よりも長くすることを特徴とする請求項４に記載の測距装置。
【請求項６】
前記駆動信号のパルス幅、前記制御信号のパルス幅及び前記演算部での演算結果に基づいて、エイリアシングの有無を判定するエイリアシング判定部を更に備えることを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の測距装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記エイリアシング判定部で一のフレームにおいてエイリアシングありと判定された場合に、前記一のフレームより時間的に後のフレームにおける前記制御信号のパルス幅を前記一のフレームにおける前記制御信号のパルス幅よりも長くすることを特徴とする請求項６に記載の測距装置。
【請求項８】
前記制御部は、前記エイリアシング判定部で一のフレームにおいてエイリアシングなしと判定された場合に、前記一のフレームより時間的に後のフレームにおける前記制御信号のパルス幅を前記一のフレームにおける前記制御信号のパルス幅から変更しないことを特徴とする請求項６に記載の測距装置。
【請求項９】
前記制御部は、前記エイリアシング判定部で一のフレームにおいてエイリアシングなしと判定された場合に、前記一のフレームより時間的に後のフレームにおける前記駆動信号のパルス幅及び前記制御信号のパルス幅の少なくとも一方を前記一のフレームにおける前記少なくとも一方から変更することを特徴とする請求項６に記載の測距装置。
【請求項１０】
前記撮像素子は、複数の受光部を有し、
前記制御部は、前記受光部毎の前記演算部での演算結果のうち最大値について、前記エイリアシング判定部でエイリアシングなしと判定されるように前記駆動信号のパルス幅及び前記制御信号のパルス幅の少なくとも一方を調整することを特徴とする請求項６に記載の測距装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記位相信号と、前記光源が発光していないときの前記撮像素子の出力であるオフセット成分の比に基づいて、前記光源の発光強度を調整すること特徴とする請求項３〜１０のいずれか一項に記載の測距装置。
【請求項１２】
前記演算部は、前記位相信号から、前記光源が発光していないときの前記撮像素子の出力であるオフセット成分を減算した結果を用いて、前記距離を算出することを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の測距装置。
【請求項１３】
前記複数の位相信号の信号量を比較し、前記複数の位相信号のうち信号量が最大の位相信号を決定する位相信号判定部を更に備え、
前記演算部は、前記位相信号判定部での決定結果に基づいて前記距離を算出することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の測距装置。
【請求項１４】
前記複数の位相信号の信号量を比較し、前記複数の位相信号の信号量の順位を決定する位相信号判定部を更に備え、
前記演算部は、前記位相信号判定部での決定結果に基づいて前記距離を算出することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の測距装置。
【請求項１５】
前記位相信号判定部の動作と前記演算部の動作が並行して行われることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の測距装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の測距装置を有する移動体。
【請求項１７】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の測距装置を有するロボット。
【請求項１８】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の測距装置を有する３次元計測装置。
【請求項１９】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の測距装置を有する監視カメラ。
【請求項２０】
光源を発光させる工程と、
前記光源から射出され物体で反射された光を受光して光電変換し、その電気信号を複数の位相信号に分けて取得する工程と、
前記複数の位相信号に基づいて前記物体までの距離を算出する工程と、
前記光源の発光時間、前記位相信号を取得する時間及び前記算出する工程での算出結果に基づいて、エイリアシングの有無を判定する工程と、
前記判定する工程での判定結果に応じて、前記発光時間を基準に前記取得する時間を調整する工程と、を含む測距方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測距装置、移動体、ロボット、３次元計測装置、監視カメラ及び測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）法を用いて物体までの距離を測定する測距装置の開発が盛んに行われている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、光を投光してから、その光が物体で反射して戻ってくるまでの時間に基づいて物体までの距離を求める、いわゆるＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）演算方式を用いた測距装置が開示されている。
【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、特許文献１に開示されている測距装置では、構成や制御の煩雑化を抑制しつつ、測距レンジを広くすること又は測距精度を高めることに関して改善の余地があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、光源と、前記光源から射出され物体で反射された光を受光して光電変換し、その電気信号を複数の位相信号に分けて取得する撮像素子と、前記複数の位相信号に基づいて前記物体までの距離を算出する演算部と、を備え、前記撮像素子が前記位相信号を取得する時間と前記光源の発光時間は、長さが異なることを特徴とする測距装置である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、構成や制御の煩雑化を抑制しつつ、測距レンジを広くすること又は測距精度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施形態に係る距離センサを搭載した走行体の外観図である。
【図２】走行管理装置の構成を説明するためのブロック図である。
【図３】距離センサの構成を説明するための図である。
【図４】投光系を説明するための図である。
【図５】発光制御信号を説明するための図である。
【図６】光源駆動信号を説明するための図である。
【図７】受光系を説明するための図である。
【図８】制御系とイメージセンサとの間の信号を説明するための図である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、それぞれ一般的なＴＯＦセンサの構成例を示す図である。
【図１０】１つの受光部に対して電荷を２箇所に振り分ける構造の一例を示す図である。
【図１１】正弦波変調方式（四相式）の１フレームを示すタイミング図である。
【図１２】矩形波変調方式（二相式）の１フレームを示すタイミング図である。
【図１３】図１３（ａ）は位相信号と位相差角φｄの関係を示す図であり、図１３（ｂ）は出力距離と実距離の関係を示す図である。
【図１４】一般的な四相式のＴＯＦセンサが受信光を受光したときの照射光、受信光、各位相信号、各取得時間制御信号の関係を示すタイミング図である。
【図１５】一実施形態の四相式の距離センサが受信光を受光したときの照射光、受信光、各位相信号、各取得時間制御信号の関係を示すタイミング図である。
【図１６】一実施形態の六相式の距離センサが受信光を受光したときの照射光、受信光、各位相信号、各取得時間制御信号の関係を示すタイミング図である。
【図１７】取得時間制御信号のパルス幅のみが互いに異なる一般的なＴＯＦセンサと一実施形態の距離センサを用いてそれぞれ測距を行った場合の出力距離と実距離の関係を示す図である。
【図１８】一実施形態の実施例１の距離センサを説明するための図である。
【図１９】一実施形態の実施例２の距離センサを説明するための図である。
【図２０】図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、それぞれ一実施形態の距離センサの動作フロー１、２を説明するためのフローチャートである。
【図２１】図２１（ａ）及び図２１（ｂ）は、それぞれ一般的な四相式のＴＯＦセンサ及び一実施形態の距離センサ（四相式）のフレーム構成例を示す図である。
【図２２】一実施形態の距離センサの１フレームに発光フレームと非発光フレームが含まれる場合のフレーム構成例を示す図である。
【図２３】図２３（ａ）は測距精度を高めるためのフレーム構成例を示す図であり、図２３（ｂ）は測距を高速化するためのフレーム構成例を示す図である。
【図２４】一実施形態の距離センサの動作フロー３を説明するためのフローチャートである。
【図２５】一実施形態の実施例３の距離センサを説明するための図である。
【図２６】一実施形態の実施例４の距離センサを説明するための図である。
【図２７】一実施形態の実施例５の距離センサを説明するための図である。
【図２８】一実施形態の実施例６の距離センサを説明するための図である。
【図２９】一実施形態の実施例７の距離センサを説明するための図である。
【図３０】一実施形態の実施例８の距離センサを説明するための図である。
【図３１】一実施形態の距離センサの動作フロー４を説明するためのフローチャートである。
【図３２】一実施形態の距離センサの使用の有無を判定するためのフローチャートである。
【図３３】取得時間制御信号のパルス幅を光源駆動信号のパルス幅よりも短くする例について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［導入］
３次元情報を計測する３次元センサ（距離センサ）の１つに、強度変調した照射光を投射してから該照射光が測定対象で反射して戻るまでの飛行時間を検出して測定対象までの距離を求める、Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ（ＴＯＦ）法を用いる“ＴＯＦセンサ”が既に知られており、種々ある３次元センシング方式の中でも、その高速性の原理的優位性から、昨今さまざまな用途への開発が進められている。例えばジェスチャー認識や、ロボットや自動車などの移動体の位置制御などへの応用が期待されている。
【０００９】
ＴＯＦ法には、直接ＴＯＦ法と間接ＴＯＦ法があり、一般的に間接ＴＯＦ法の方が近距離測定に有利であると言われている。本発明は、間接ＴＯＦ法を用いる発明であるため、以降、明記しない限り、「ＴＯＦ法」とは間接ＴＯＦ法のことであり、「ＴＯＦセンサ」とは間接ＴＯＦ法を用いた距離センサのことである。
【００１０】
［実施形態］
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１には、一実施形態の測距装置としての距離センサ２０（ＴＯＦセンサ）を搭載した走行体１の外観が示されている。この走行体１は、荷物を目的地に無人搬送するものである。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、路面に直交する方向をＺ軸方向、走行体１の前進方向を＋Ｘ方向として説明する。
【００１１】
ここでは、距離センサ２０は、一例として、走行体１の前部に取り付けられ、走行体１の＋Ｘ側（前方）の３次元情報を求める。なお、距離センサ２０による測定可能な領域を測定領域ともいう。距離センサ２０の出力によって、走行体１の進行方向の障害物の有無及び位置情報を検出することができる。
【００１２】
走行体１の内部には、一例として図２に示されるように、表示装置３０、位置制御装置４０、メモリ５０、及び音声・警報発生装置６０などが備えられている。これらは、データの伝送が可能なバス７０を介して電気的に接続されている。
【００１３】
ここでは、距離センサ２０と、表示装置３０と、位置制御装置４０と、メモリ５０と、音声・警報発生装置６０とによって、走行管理装置１０が構成されている。すなわち、走行管理装置１０は、走行体１に搭載されている。また、走行管理装置１０は、走行体１のメインコントローラ８０と電気的に接続されている。
【００１４】
距離センサ２０は、一例として図３に示されるように、投光系２０１、受光系２０２、及び制御系２０３などを有している。そして、これらは、筐体内に収納されている。この筐体は、投光系２０１から投光される光、及び測距対象の物体（以下では「対象物」とも呼ぶ）で反射され、受光系２０２に向かう光が通過するための窓を有し、該窓にはガラスが取り付けられている。
【００１５】
音声・警報発生装置は、一例として、距離センサ２０が取得した３次元情報から、障害物の回避の可否を判定し、回避不可と判断された場合に周囲の人員に通知する。
【００１６】
このような用途では、走行体１の速度と障害物を判定する処理速度によって、距離センサ２０に必要な測距レンジ（測距可能な距離範囲）が決まる。走行体１の速度が速くなるほど、予め障害物を判定するための測距レンジを長くする必要がある。
【００１７】
投光系２０１は、受光系２０２の−Ｚ側に配置されている。この投光系２０１は、一例として図４に示されるように、光源２１及び光源駆動部２５などを有している。
【００１８】
光源２１は、光源駆動部２５によって点灯及び消灯される。ここでは、光源２１としてＬＥＤ（発光ダイオード）が用いられているが、これに限らず、例えば半導体レーザ（端面発光レーザや面発光レーザ）等の他の光源を用いても良い。光源２１は、＋Ｘ方向に光を射出するように配置されている。なお、以下では、光源駆動部２５で生成され、光源２１を駆動するための信号を「光源駆動信号」と呼ぶ。
【００１９】
光源駆動部２５は、制御系２０３からの発光制御信号（図５参照）に基づいて、光源駆動信号（図６参照）を生成する。この光源駆動信号は、光源２１及び制御系２０３に送出される。
【００２０】
これにより、光源２１からは、制御系２０３から指示されたパルス幅のパルス光が射出される。なお、光源２１から射出されるパルス光は、デューティ（ｄｕｔｙ）が５０％以下となるように、制御系２０３において設定されている。また、以下では、光源２１から射出される光を「照射光」とも呼ぶ。さらに「照射光」の１パルスを「照射光パルス」とも呼ぶ。
【００２１】
走行体１のメインコントローラ８０は、走行体１を走行させる際に、位置制御の開始要求を位置制御装置４０に送出する。そして、走行体１のメインコントローラ８０は、走行体１が目的位置に到達すると、位置制御の終了要求を位置制御装置４０に送出する。
【００２２】
位置制御装置４０は、位置制御の開始要求、及び位置制御の終了要求を受け取ると、制御系２０３に送出する。
【００２３】
距離センサ２０から射出され物体（対象物）で反射された光の一部は、距離センサ２０に戻ってくる。以下では、便宜上、物体で反射され距離センサ２０に戻ってきた光を「物体からの反射光」や「受信光」とも呼ぶ。さらに「物体からの反射光」の１パルスを「受信光パルス」や「反射光パルス」とも呼ぶ。
【００２４】
受光系２０２は、物体からの反射光を検出する。受光系２０２は、一例として図７に示されるように、結像光学系２８及びイメージセンサ２９（撮像素子）などを有している。
【００２５】
結像光学系２８は、物体からの反射光の光路上に配置され、該光を集光する。ここでは、結像光学系２８は１枚のレンズで構成されているが、２枚のレンズで構成されても良いし、３枚以上のレンズで構成されても良いし、ミラー光学系を用いても良い。
【００２６】
イメージセンサ２９は、結像光学系２８を介した物体からの反射光を受光する。イメージセンサ２９の出力信号（アナログ信号）は、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）でデジタル信号に変換され、制御系２０３に送られる。ここでは、イメージセンサ２９として、複数の受光部が２次元配列されたエリアイメージセンサ（例えばＣＣＤやＣＭＯＳ）が用いられている。イメージセンサ２９の各受光部は「画素」とも呼ばれる。
【００２７】
イメージセンサ２９は、受光した光を画素毎に光電変換し、その電気信号を時間毎の複数の位相信号に分けて順次取得する。
【００２８】
詳述すると、イメージセンサ２９は、各受光部（例えばフォトダイオードやフォトトランジスタ）に対して２つの電荷蓄積部を有しており、Ｖｔｘ１信号がハイレベルのときは、該受光部で光電変換された信号電荷を一方の電荷蓄積部に蓄積し、Ｖｔｘ２信号がハイレベルのときは、該受光部で光電変換された信号電荷を他方の電荷蓄積部に蓄積する。また、イメージセンサ２９は、Ｖｔｘｄ信号がハイレベルのときは、電荷の蓄積を行わず、リセット信号がハイレベルになると、２つの電荷蓄積部に蓄積されている電荷量を０にする。
【００２９】
すなわち、Ｖｔｘ１信号、Ｖｔｘ２信号は、イメージセンサ２９が位相信号を取得する時間を制御するための信号（以下では「取得時間制御信号」とも呼ぶ）である。
【００３０】
イメージセンサ２９は、制御系２０３から読み出し信号を受信すると、出力信号（各位相信号の信号量）を制御系２０３に送信する。
【００３１】
制御系２０３は、一例として図８に示されるように、Ｖｔｘ１信号、Ｖｔｘ２信号、Ｖｔｘｄ信号、リセット信号及び読み出し信号をイメージセンサ２９に選択的に出力する。
【００３２】
また、制御系２０３は、光源駆動部２５に発光制御信号を出力して光源２１をパルス発光させ、対象物からの反射光パルスを受光したイメージセンサ２９からの出力信号に基づいて光源２１の発光タイミングとイメージセンサ２９の受光タイミングの時間差を算出し、該時間差から対象物までの距離を求める。
【００３３】
ところで、一般的なＴＯＦセンサは典型的に、多位相シフトを用いて対象物までの距離を取得する。例えば、四相式ＴＯＦセンサは、信号光である照射光の変調周波数（照射光のパルス周期の逆数）に対して、４つの位相信号（位相シフト量：０°、９０°、１８０°、２７０°）を用いて距離を取得する。
【００３４】
ＴＯＦセンサの理論的な測定可能距離範囲（測距レンジ）には制限がある。この測距レンジは、照射光の変調周波数で決まり、例えば四相式ＴＯＦセンサでは、照射光の飛行時間が照射光のパルス幅の２倍よりも大きい範囲を測定することは不可能であり、エイリアシングと呼ばれる現象により、測定距離に対して出力距離は周期的になる。つまり、照射光のパルス幅（光源駆動信号のパルス幅）が長く、変調周波数が低いほど、ＴＯＦセンサで測定可能な最大距離はより長くなり、測距レンジはより広くなる。
【００３５】
ＴＯＦセンサの測距精度（距離測定精度）も照射光の変調周波数で決まるが、該変調周波数が高くパルス幅が短いほど、高精度になる。ＴＯＦセンサに期待される、多くのアプリケーションにおいて、測距レンジを広くすることと、測距精度を高くすることは同時に求められることが多く、その際、エイリアシング現象への対策（ディエイリアシング技術）が必要とされる。
【００３６】
従来のディエイリアシング技術の多くは、複数の変調周波数の照射光を用いて取得した位相信号をＴＯＦ演算に用いる。その場合、まず、複数の周波数で光源及び撮像素子を駆動する必要があるため、ＴＯＦセンサのメカ系と制御系のどちらか、もしくはその両方が複雑化する。さらに、距離値を出力する１フレームの間で取得しなければならない位相信号数も多くなるために、フレーム構成が複雑化することが懸念される。
【００３７】
図９（ａ）及び図９（ｂ）には、それぞれ本実施形態の距離センサ２０のベースとなる一般的なＴＯＦセンサ１、２の構成が示されている。
【００３８】
図９（ａ）に示されるように、ＴＯＦセンサ１は、光源及び光源駆動部を含む投光系と、撮像素子及びＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）を含む受光系と、制御部、ＴＯＦ演算部及び出力部を含む制御系と、を備えている。
【００３９】
ＴＯＦセンサ１の各構成要素は、データの伝送が可能なパスを介して電気的に接続され、パッケージに収容されている。
【００４０】
制御部は、ＴＯＦセンサ１による測距（距離測定）の際に、投光系の光源駆動部と受光系の撮像素子を制御し、光源駆動信号のパルス幅及びデューティ比を設定する信号（発光制御信号）を光源駆動部に送出し、該パルス幅に合わせた取得時間制御信号を撮像素子に送出する。
【００４１】
投光系では、制御部から指示された通りに（発光制御信号に基づいて）、光源駆動部が光源をパルス発光させる。光源には一般的に、ＬＤ（端面発光レーザ）、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）などが用いられる。
【００４２】
受光系では、撮像素子が、対象物からの反射光の一部を受光して生成したアナログ信号を、ＡＤＣでデジタル信号に変換し、ＴＯＦ演算部に送る。撮像素子にはＣＭＯＳやＣＣＤが用いられる。一般的なＴＯＦセンサでは専用の撮像素子が用いられる。
【００４３】
一例として、ＴＯＦセンサ専用のＣＭＯＳであるＴＯＦ−ＣＭＯＳについて説明する。ＴＯＦ−ＣＭＯＳは、１つの受光部に対して電荷を２箇所に振り分ける構造になっているものが主流である。このような１つの受光部に対して２箇所の電荷振分け先を持つ構造のＴＯＦセンサでは、最低２回の露光が必要になる。
【００４４】
このような構造の一例が図１０に示されている。図１０に示されるように、受光部１００の両側に第１及び第２電荷蓄積部２０ａ、２０ｂが配置されている。受光部１００と第１電荷蓄積部２０ａとの間には第１電荷転送部３０ａが配置されている。受光部１００と第２電荷蓄積部２０ｂとの間には第２電荷転送部３０ｂが配置されている。
受光部１００は受光した光を信号電荷に変換する。この信号電荷の一部は第１電荷転送部３０ａを介して第１電荷蓄積部２０ａに送られ、他の一部は第２電荷転送部３０ｂを介して第２電荷蓄積部２０ｂに送られる。
【００４５】
このような構造では、例えば１度の受光で得られた信号（受光信号）を０°の位相成分と１８０°の位相成分に振り分けることが可能である。
【００４６】
原理的には、１つの受光部に対して３箇所以上に振り分ける構造にして、１度の受光で得られた信号（受光信号）を３つ以上の位相成分に振り分けることも可能ではあるが、振り分け箇所を増やすと画素領域内、電荷蓄積領域、またはそれに付属する構造体が占める割合が大きくなることで受光部面積が小さくなり、十分な感度が得られなくなる問題が生じるため、振り分け箇所の数を徒に増やすことは好ましくない。
【００４７】
そのため、四相式ＴＯＦセンサなど、より多位相の位相信号を取得するＴＯＦセンサでは、しばしば、演算に必要な位相信号の数が撮像素子の各画素の電荷の振り分け先の数（電荷蓄積部の数）よりも多くなる。
【００４８】
このような場合、１フレームにおける信号の取得を、サブフレームと呼ばれる位相信号取得フレームに分けて行なうことで、必要な位相情報の全てを取得する方法が一般的である。
【００４９】
ＴＯＦ演算部では、照射光の変調周波数の値と、撮像素子から送られる各位相信号の信号量を用いてＴＯＦ演算を行なう。ＴＯＦ演算の詳細は後述する。
【００５０】
ＴＯＦ演算部で計算された距離値は出力部から所定の形式で出力される。
【００５１】
図９（ａ）に示されるＴＯＦセンサ１は、構成要素が全て１つのパッケージに収容されているが、図９（ｂ）に示されるＴＯＦセンサ２のように、投光系及び受光系のみをパッケージに収容し、制御系を例えばＰＣ（パーソナルコンピュータ）などの他のハードウェアで構成しても良い。つまり、「ＴＯＦセンサ」は、投光系、受光系及び制御系が一体的に構成されるもののみならず、投光系、受光系及び制御系の少なくとも１つが別体であるものも含む。
【００５２】
まず、代表的なＴＯＦ法の測距原理の１つである正弦波変調方式について、図１１を用いて説明する。
【００５３】
正弦波変調方式とは、受信光を時間的に３つ以上に分割して検出した各位相信号を用いて、照射光の射出タイミングに対する受信光の受光タイミングの遅延時間Ｔｄを位相差角の演算で取得する方法である。図１１には、４相式の正弦波変調方式の測定の１フレームの構成内容が示されている。
【００５４】
図１１に示されるように、１フレームは、２つのサブフレーム、すなわち０°、１８０°の位相信号取得フレームと、９０°、２７０°の位相信号取得フレームに分けられる。各サブフレームは、共にｒｅｓｅｔ動作から始まり、読み出し動作で終わる点は共通である。
【００５５】
ｒｅｓｅｔ動作では１度読み出し部（電荷蓄積部）にある信号を電気的に吸い上げて、リセットする。２つのサブフレーム間で、照射光のパルス幅Ｔ０とパルス周期Ｔと遅延時間Ｔｄは、変化しない。
【００５６】
ここで、パルス周期Ｔは、パルス幅とデューティ比で決まり、図１１には一例としてデューティ比が５０％の場合が示されている。２つのサブフレーム間で大きく異なるのは、Ｖｔｘ１信号とＶｔｘ２信号のタイミングである。
【００５７】
Ｖｔｘ１信号、Ｖｔｘ２信号は、それぞれ前述のＴＯＦ−ＣＭＯＳの構造内の電荷の振り分け先である２つの電荷蓄積部を電荷蓄積部１、２とした場合に、Ｖｔｘ１信号がハイレベルのときに電荷蓄積部１に電荷が振り分けられ、Ｔｔｘ２信号がハイレベルのときに電荷蓄積部２に電荷が振り分けられる。
【００５８】
制御部は、０°、１８０°位相信号取得フレームではＶｔｘ１信号を照射光と同じタイミングで立ち上げ、Ｖｔｘ２信号を照射光の立ち上りから照射光のパルス幅Ｔ０だけ遅れたタイミングで立ち上げ、撮像素子に繰り返し送っている。
【００５９】
これに対して、制御部は、９０°、２７０°位相信号取得フレームではＶＴＸ１信号を照射光の立ち上りからＴ０／２だけ遅れたタイミングで立ち上げ、ＴＸ２信号を照射光の立ち上りよりＴ０／２だけ早いタイミングで立ち上げ、撮像素子に繰り返し送っている。
【００６０】
各サブフレームには、最後に、２箇所に振り分けられた位相信号を読み出す期間があり、２つのサブフレームで合わせて４つの位相信号が制御部により読み出され、ＴＯＦ演算部に送られる。２つのサブフレームは１フレーム内の異なる時間帯であるが、１フレーム内の十分に短い間隔で実行されるため、両者の差はほとんど無いものとしてよい。
【００６１】
そのため、各サブフレームにおいて受信光に対してＴＯＦセンサの取得する信号量は等しくなる。つまり、位相信号同士は次の（１）式で関連付けることができる。
Ａ０＋Ａ１８０＝Ａ９０＋Ａ２７０  …（１）
【００６２】
例えば、図１１に示される遅延時間Ｔｄが小さくなる、ＴＯＦセンサと対象物の距離が短い場合を考えると、４つの位相信号Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０は、それぞれ照射光のパルス周期に対して、時間的に０°、９０°、１８０°、２７０°の４つの位相に分割された位相信号であるため、次の（２）式を用いて位相差角φを求めることができる。
φ＝Ａｒｃｔａｎ｛（Ａ９０−Ａ２７０）／（Ａ０−Ａ１８０）｝  …（２）
【００６３】
位相差角φを用いて、遅延時間Ｔｄは、次の（３）式から求めることができる。
Ｔｄ＝φ／２π×Ｔ（Ｔ＝２Ｔ０、Ｔ０：照射光のパルス幅)  …（３）
【００６４】
遅延時間Ｔｄを用いて対象物までの距離値ｄは、次の式（４）より求めることができる。
ｄ＝Ｔｄ×ｃ÷２（ｃ：光速）  …（４）
【００６５】
以上のような位相差の演算方法から、正弦波変調方式において測定性能を高める理想的な照射光波形はｓｉｎ波形である。正弦波変調方式のＴＯＦ演算では、照射光のパルス幅Ｔ０によって、測定可能な最大距離（測距レンジ）が決まる。正弦波変調方式の場合、測距レンジは遅延時間Ｔｄが、照射光のパルス幅Ｔ０の２倍以下の範囲を測定可能であり、例えば照射光のパルス幅Ｔ０が３０ｎｓの場合、測距レンジは０〜９ｍになる。
【００６６】
次に、もう１つの代表的なＴＯＦ法の測距原理である矩形波変調方式について、図１２を用いて説明する。矩形波変調方式とは、受光信号を時間的に分割した複数の位相信号を用いて、照射光の立ち上りに対する受信光の立ち上りの遅延時間Ｔｄ´を求める方法である。
【００６７】
ここでは、一例として２相式の矩形波変調方式について図１２を用いて説明する。図１２に示されるフレーム構成によって、時間的に０°、１８０°の２つの位相に分割された位相信号(Ａ０´、Ａ１８０´)を取得し、次の（５）式を用いて受信光の遅延時間Ｔｄ´を求めることができる。
Ｔｄ´＝{Ａ１８０´／(Ａ０´＋Ａ１８０´)}×Ｔ０´(Ｔ０´：照射光のパルス幅)…（５）
【００６８】
遅延時間Ｔｄ´を用いて対象物までの距離値ｄ´は上記（５）式と同様に次の（６）式より求めることができる。
ｄ´＝Ｔｄ´×ｃ÷２（ｃ：光速）…（６）
【００６９】
これまで、デューティ比が５０％の例で説明を進めてきており、結果として照射光の変調周波数を用いて説明しているが、ＴＯＦ法の原理によれば、重要なのは照射光のパルス幅（Ｔ０、Ｔ０´）であり、ディーティ比＜５０％での実施を含めると、照射光の変調周波数ではなくパルス幅で規定する方が好ましい。
【００７０】
以上のような位相差の演算方法から、矩形波変調方式において測距性能を高める理想的な照射光波形は矩形波形である。
【００７１】
矩形波変調方式のＴＯＦ演算でも、照射光のパルス幅によって、測定可能な最大距離範囲（測距レンジ）が決まる。矩形波変調方式の場合、測距レンジは遅延時間Ｔｄが、照射光のパルス幅Ｔ０以下の範囲を測定可能であり、例えば発光パルス幅が３０ｎｓの場合、測距レンジは０〜４．５ｍになる。
【００７２】
正弦波変調方式と矩形波変調法式を比較すると、同じパルス幅の照射光を使用した場合の測距レンジは、正弦波変調方式が２倍広いことが分かる。そのため測距レンジを広くしたい場合には正弦波変調方式の方が好ましい。
【００７３】
前述の如く、ＴＯＦセンサでは、測距レンジは照射光の変調周波数によって決まり、測距レンジを広くしたい場合には、該変調周波数を低くしなければならない。これは、対象物までの距離が測距レンジよりも遠くなると、位相の折り返し（エイリアシング）が起こるためである。
【００７４】
エイリアシングは図１３（ａ）に示される、各位相信号で決まる位相差角φｄが２πを超えた場合に起こり、エイリアシングによりＴＯＦセンサは、同じ距離値を周期的に出力する。
【００７５】
図１３（ｂ）には、四相式ＴＯＦセンサを照射光のパルス幅が１５ｎｓで使用した場合の、実際のエイリアシングの例であり、測距レンジ４．５ｍを越える範囲では出力距離が繰り返しになることが分かる。
【００７６】
測距レンジは、ＴＯＦセンサの応用を考える上で非常に重要であるため、ＴＯＦ演算方式、照射光の変調周波数を選定し、所望の範囲に設定することが必要となる。
【００７７】
照射光のパルス幅が長く、変調周波数が低いほど、ＴＯＦセンサで測定可能な最大距離はより長くなり、測距レンジはより広くなる。
【００７８】
以下で、エイリアシングについて、より詳細に説明する。四相式ＴＯＦセンサを例に挙げる。四相式ＴＯＦでは図１３（ａ）に示されるように、時間的に０°、９０°、１８０°、２７０°の４つの位相に分割した位相信号Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０と位相差角φｄを関係付けることができる。位相差角φdは常に０〜２πの間で変化するので、図１３（ｂ）に示されるように、出力距離はφｄが０〜２πの範囲に対応する測距レンジで周期的な距離値を出力する。この周期的な出力距離の折り返しがエイリアシングである。このエイリアシング対策技術（ディエイリアシング）として、従来、複数の変調周波数の照射光を使い分けることで測距精度と測距レンジの両立を実現するための技術が知られている。
【００７９】
これに対して、本実施形態では、以下に詳細に説明するように、複数の変調周波数の照射光を必要とせずに、測距レンジを広げることできる。
【００８０】
図１４は、一般的な四相式ＴＯＦセンサにおける照射光、受信光、取得時間制御信号（Ｖｔｘ１、Ｖｔｘ２）、各位相信号の関係を示すタイミング図である。図１４において、ＡｐｕｌｓｅはＴＯＦセンサの受信光パルス全ての信号量を示し、Ａ０〜Ａ２７０は各位相信号の信号量を示す。
【００８１】
Ａｐｕｌｓｅは、照射光強度Ｆと、対象物の反射率、撮像素子の受光感度等を含んだ係数Ｐとを用いて次の（７）式で表される。
Ｆ×Ｐ＝Ａｐｕｌｓｅ  …（７）
【００８２】
以降、各位相信号、例えば四相式におけるＡ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０とＡｐｕｌｓｅは、１つの照射光パルスに対して定義する場合と、測定フレーム間で取得する全量を定義する場合を区別しない。測定フレーム間で取得する全量の場合は、１つの照射光パルスの場合の、光源の発光回数η倍の信号量になる。
【００８３】
四相式ＴＯＦセンサの場合、Ａｐｕｌｓｅは次の（８）式で表される。
Ａ０＋Ａ１８０＝Ａ９０＋Ａ２７０＝Ａｐｕｌｓｅ  …（８）
【００８４】
図１５には、本実施形態の距離センサ２０（ここでは四相式ＴＯＦセンサ）における、照射光、受信光、取得時間制御信号（Ｖｔｘ１、Ｖｔｘ２）、各位相信号の関係を示す。
【００８５】
図１４の一般的な四相式ＴＯＦセンサでは、取得時間制御信号のパルス幅が照射光のパルス幅（光源駆動信号のパルス幅）と同じに設定されているのに対して、本実施形態の距離センサ２０では、図１５に示されるように、取得時間制御信号のパルス幅Ｔｖが照射光のパルス幅Ｔｐの２倍に設定されている。
【００８６】
表１は、本実施形態の距離センサ２０における、ＴＯＦ演算の一例を示した表である。距離センサ２０では、各位相信号の信号量の条件によってＴＯＦ演算式が変わる。距離センサ２０では、図１５に示されるように、照射光のパルス幅Ｔｐに対して遅延時間Ｔｄ≦４Ｔｐの範囲の距離が測定可能である。
【００８７】
つまり、本実施形態の距離センサ２０は、一般的な四相式ＴＯＦセンサを、同じ照射光のパルス幅で使用する場合と比べて、測距レンジは２倍になる。また、距離センサ２０は、該距離センサ２０と測距レンジが等しくなるように照射光のパルス幅を長くした一般的な四相式ＴＯＦセンサと比較した場合、デューティ比が小さく照射光のパルス幅が短いため受光輝度が低くなるものの、一般的に使用する輝度十分の条件では、輝度よりもパルス幅の方が測距精度への影響が大きい。そのため、照射光のパルス幅を長くしていない本実施形態の距離センサ２０は、照射光のパルス幅を長くした一般的な四相式ＴＯＦセンサよりも測距精度で有利になる。
【００８８】
【表１】
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【００８９】
図１５や表１は、本実施形態の距離センサ２０によるＴＯＦ演算の一例であり、本発明の使用を四相式ＴＯＦ演算に限定するものではない。
【００９０】
図１６には、本実施形態の距離センサ２０において六相式ＴＯＦ演算を行う場合の、照射光、受信光、各取得時間制御信号（Ｖｔｘ１、Ｖｔｘ２）、各位相信号の関係が示されている。
【００９１】
図１６に示されるように、距離センサ２０において六相式ＴＯＦ演算を行う場合、照射光のパルス幅Ｔｐに対して取得時間制御信号のパルス幅Ｔｖは２倍に設定され、測距レンジは一般的な六相式のＴＯＦセンサの場合の２倍になる。
【００９２】
以下に、本実施形態の距離センサ２０におけるＴＯＦ演算の詳細を説明する。距離センサ２０の測距レンジＲ´の、一般的なＴＯＦセンサの測距レンジＲに対する倍率Ｍは、最も簡易な方法で距離センサ２０を使用する場合、距離センサ２０が取得する位相信号数Ｎで決まり、次の（９）式、（１０）式のようになる。
Ｎ／（Ｎ−２）≦Ｍ≦Ｎ／２  …（９）
Ｒ´＝Ｍ×Ｒ  …（１０）
【００９３】
この場合に、照射光パルスのパルス幅Ｔｐと、取得時間制御信号のパルス幅Ｔｖは、次の（１１）式のように設定される。
Ｍ＝Ｔｖ／Ｔｐ  …（１１）
【００９４】
上記（９）式〜（１１）式の条件では、常に、複数の位相信号のうち少なくとも１つの位相信号は物体からの反射光を受光しないタイミングで取得されるため、ＴＯＦ演算において外乱光や暗電流などによる信号のオフセット成分を取り除くことが可能である。そのため、本実施形態の距離センサ２０は外乱光耐性が強い。
【００９５】
本実施形態の距離センサ２０においてＮ相式ＴＯＦ演算を行う場合は、信号量が最大の位相信号の信号量をＡ（ｉ）、ｉを照射光パルスに対するＡ（ｉ）の位相シフト量(°)、位相シフト量の刻み幅(°)である３６０／Ｎをｑとした場合に、対象物までの距離値ｄは、次の（１２）式で表される。
ｄ＝(Ｔｏ＋（Ａ（ｉ＋ｑ）−Ａ（ｉ＋１８０））/（Ａ（ｉ）−Ａ（ｉ＋１８０））×Ｔｐ)）×ｃ／２  …(１２)
【００９６】
ここで、Ａ（ｉ）の位相シフト量ｉは０≦ｉ＜３６０である。また、取得する位相信号の位相シフト量(°)をｘ、取得する位相信号をＡｘとした場合に、次の（１３）式が成立する。
Ａｘ＝Ａ（ｘ±３６０）  …（１３）
【００９７】
上記（１２）式におけるＴｏはＡ（ｉ）で決まる遅延時間のオフセット成分であり、次の（１４）式で表される。
Ｔｏ＝ｈ×Ｔｐ  …（１４）
上記（１４）式におけるｈは、次の（１５）式で表される変数である。
ｈ＝｛Ｍ（ｉ＋ｑ）／１８０｝−１  …（１５）
【００９８】
取得した位相信号の中で信号量がＡ（ｉ）に相当する位相信号が複数存在する場合でも、任意の位相信号を選択しても上記（１２）式は成立する。計算に用いるＡ（ｉ）によっては上記（１２）式が負の値になる場合がある。これは、上記（１０）式に示されるように、距離センサ２０で取得された位相信号Ａｘ、Ａ（ｘ＋３６０）を区別できないためである。そのため出力する位相信号は、次の（１６）式、（１７）式のように、ｄの値によって正しい距離値ｄｃに直す必要がある。
ｄ≦０の場合、ｄｃ＝ｄ＋Ｒ´  …（１６）
ｄ＞０の場合、ｄｃ＝ｄ  …（１７）
【００９９】
また、上記(１２)式において分母を、次の（１８）式のように置き換えても良い。
Ａ（ｉ）−Ａ（ｉ＋１８０）＝Ａ（ｉ−ｑ）＋Ａ（ｉ−ｑ＋１８０）−２×Ａ（ｉ＋１８０）  …（１８）
【０１００】
つまり、ＴＯＦ演算の基本的な形は、遅延時間分ずれた信号量をＡｄ、反射光パルスが入らないタイミングで取得された位相信号の信号量をＤＣとした場合、距離値ｄは次の（１９）式のように表され、Ａｄ、Ａｐｕｌｓｅ、ＤＣ、Ｔｏの決め方は制限されない。
ｄ＝（Ｔｏ＋（Ａｄ−ＤＣ）／（Ａｐｕｌｓｅ−ＤＣ）×Ｔｐ)×ｃ／２  …（１９）
【０１０１】
測距レンジの倍率ＭをＮ／（Ｎ−２）未満、すなわち次の（２０）式の条件で使用する場合、反射光パルス全てを受光した場合の位相信号の信号量Ａｐｕｌｓｅや、反射光パルスの入らない場合の信号量ＤＣの位相信号は、距離条件によっては存在しない。その場合は上記（１２）式ではない演算式が必要となる。しかし、基本的な考え方は上記（１９）式のままである。
１≦Ｍ＜Ｎ／（Ｎ−２）  …（２０）
【０１０２】
この場合、ＡｐｕｌｓｅとＤＣは、位相信号の演算で求める必要がある。図１６には、六相式ＴＯＦ演算で測距レンジの倍率Ｍが２の場合が一例として示されている。この条件では、位相信号の信号量が最大の位相信号だけでなく、全ての位相信号の大きさの順位を決定する必要がある。Ｎ相式ＴＯＦ演算で取得される位相信号はＮ個である。信号量が最大の位相信号の信号量を同様にＡ（ｉ）として、信号量が２番目、３番目に大きい位相信号の信号量をそれぞれＡ（ｊ）、Ａ（ｋ）とする。ここで、ｊ、ｋはｉと同様に位相信号の位相シフト量（°）を示す。この条件でのＡｐｕｌｓｅとＤＣをそれぞれＡｐｕｌｓｅ´、ＤＣ´とすると、次の（２１）式、（２２）式が成立する。
Ａｐｕｌｓｅ´＝Ｎ／２Ｍ×（Ａ（ｊ）−Ａ（ｋ＋１８０）)  …（２１）
ＤＣ´＝Ａ（ｉ）＋Ａ（ｉ＋１８０）−Ｎ／２Ｍ×(Ａ（ｊ）−Ａ（ｋ＋１８０）)  …（２２）
【０１０３】
また、上記（２０）式の条件でもＡｄ、Ｔｏについては上記（１２）式と共通である。よって、上記（２０）式の条件で本実施形態の距離センサ２０を使用する場合は、上記（２１）式、（２２）式を上記（１２）式に代入すれば良く、その結果、次の（２３）式が得られる。
ｄ＝(Ｔｏ＋（Ａ（ｉ＋ｑ）−ＤＣ´)／Ａｐｕｌｓｅ´)×Ｔｐ))×ｃ／２  …(２３)
【０１０４】
上記（２１）式〜（２３）式は、六相式ＴＯＦ演算を行う場合の例である。Ｎ相式ＴＯＦ演算を行う場合、上記（２１）式、（２２）式中のＡ（ｊ）、Ａ（ｋ＋１８０）は位相信号の信号量の大きさの順序で定義する必要があり、Ａ（ｊ）はＮ／２番目に信号量の大きな位相信号、Ａ（Ｋ＋１８０）はＮ／（２−１）番目に信号量の小さな位相信号である必要がある。Ｎが奇数の場合、小数点以下は切り捨てる。また、信号量が等しい位相信号が複数存在する場合でも、任意の方法で順位を決める必要がある。
【０１０５】
このように、上記（９）式の条件のみならず、上記（２０）式の条件でも本実施形態の距離センサ２０は使用可能である。どちらの条件でＴＯＦ演算を行うかは、光源駆動信号のパルス幅（照射光のパルス幅）と取得時間制御信号のパルス幅（位相信号の取得時間）で決めることができる。
【０１０６】
図１７には、一般的なＴＯＦセンサによる四相式のＴＯＦ演算と、本実施形態の距離センサ２０による四相式ＴＯＦ演算で距離測定を行なった場合のそれぞれの測定結果が示されている。これらの四相式ＴＯＦ演算において、照射光のパルス幅は１０ｎｓであり、光源の発光回数や発光強度で決まる受光輝度を同等にしている。
【０１０７】
一般的なＴＯＦセンサによってＴＯＦ演算を行う場合は、信号取得動作に用いられる取得時間制御信号のパルス幅も１０ｎｓであり、デューティ比（パルス幅／パルス周期）は５０％である。
これに対して、本実施形態の距離センサ２０によってＴＯＦ演算を行う場合は、信号取得動作に用いられる取得時間制御信号のパルス幅は２０ｎｓであり、ディーティ比は２５％である。
【０１０８】
図１７のグラフにおいて、横軸が測定した対象物までの実距離［ｍ］、縦軸がセンサで測定した結果の出力距離［ｍ］である。図１７のグラフ中、一般的なＴＯＦセンサによる測定結果が破線で示され、本実施形態の距離センサ２０の測定結果が実線で示されている。
【０１０９】
一般的なＴＯＦセンサの測距レンジは、光源駆動信号のパルス幅で決まり、ここでは３．０ｍである。そのため測定結果も３．０ｍより長距離側でエイリアシングが起きるために出力距離が繰り返しになっている。
これに対して本実施形態の距離センサ２０では、測距レンジを一般的なＴＯＦセンサの２倍に拡張できるため、３．０ｍより長距離側でも距離測定が可能である。
【０１１０】
図１８には、本実施形態の距離センサ２０の一構成例である実施例１の距離センサ２０Ａの構成が示されている。
【０１１１】
実施例１の距離センサ２０Ａは、図１８に示されるように、前述した一般的なＴＯＦセンサ１、２と同様の光源２１、光源駆動部２５、イメージセンサ２９（撮像素子）、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）、制御部、ＴＯＦ演算部及び出力部に加えて、位相信号判定部を有している。これらの各構成要素はデータの伝送が可能なパスを介して電気的に接続されている。距離センサ２０Ａにおいて、光源２１、光源駆動部２５、イメージセンサ２９、ＡＤＣ、制御部、ＴＯＦ演算部及び出力部の動作は一般的なＴＯＦセンサと大きく変わらないが、イメージセンサ２９で取得された各位相信号は、ＡＤＣを介して位相信号判定部に送られる。位相信号判定部では、位相信号の判定を行なう。「位相信号の判定」とは、複数の位相信号の信号量の大小関係を判定すること、すなわち複数の位相信号の信号量の大きさを比較しその比較結果を出力することである。
【０１１２】
図１９には、本実施形態の距離センサ２０の一構成例である実施例２の距離センサ２０Ｂの構成が示されている。
【０１１３】
実施例２の距離センサ２０Ｂでは、図１９に示されるように、位相信号の判定を、撮像素子から出力されＡＤ変換（アナログデジタル変換）される前の出力信号（アナログ信号）に対して行なう点が、実施例１の距離センサ２０Ａとは異なる。
【０１１４】
そのため、距離センサ２０では、位相信号判定部は、図１９に示されるように受光系内における撮像素子とＡＤＣとの間に接続されている。
【０１１５】
図９に示される一般的なＴＯＦセンサ１、２と同様に、実施例１、２の距離センサ２０Ａ、２０Ｂの各構成要素が一体か否か、また外部のハードウェアを含めたシステムであるかは制限されない。
【０１１６】
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）には、本実施形態の距離センサ２０（実施例１、２の距離センサ２０Ａ、２０Ｂ）の動作フロー１、２が示されている。
【０１１７】
図２０（ａ）は上記（９）式の条件のみでＭを定義する場合を示し、図２０（ｂ）は上記（９）式の条件に加えて上記（２０）式の条件も合わせてＭを定義する場合を示す。
【０１１８】
先ず、図２０（ａ）に示される動作フロー１について説明する。
【０１１９】
最初のステップＳ１では、距離測定に必要な複数の位相信号を取得する。この動作は図１８、１９中のイメージセンサ２９で行なわれる。取得された複数の位相信号は、図１８、１９中の位相信号判定部に送られる。
【０１２０】
次のステップＳ２では、位相信号判定部が、取得された複数の位相信号の信号量の大きさを比較する。
【０１２１】
次のステップＳ３では、位相信号判定部が、ステップＳ２での比較結果に基づいて、取得された複数の位相信号のうち信号量が最大の位相信号を決定する。
【０１２２】
次のステップＳ４では、ＴＯＦ演算方法を選択する。具体的には、予め設定された照射光パルスのパルス幅Ｔｐを基準に取得時間制御信号のパルス幅Ｔｖを設定し、上記（１１）式から得られるＭ（＝Ｔｖ／Ｔｐ）の値によって、上記（９）式の条件によるＴＯＦ演算及び上記（２０）式の条件によるＴＯＦ演算のいずれかを選択する。例えば、取得された複数の位相信号の信号量から受光光量が十分でありエイリアシングが発生する可能性が低いと判定される場合にはＭの値を小さくして上記（２０）式の条件によるＴＯＦ演算を行っても良い。一方、取得された複数の位相信号の信号量から受光光量が不十分でありエイリアシングが発生する可能性が高いと判定される場合にはＭの値を大きくして上記（９）式の条件によるＴＯＦ演算を行っても良い。なお、Ｍの値を小さくすると演算を高速化でき、Ｍの値を大きくすると測距レンジを広範囲化できる。
【０１２３】
次のステップＳ５では、取得された複数の位相信号を用いた独自のＴＯＦ演算（ステップＳ４で選択されたＴＯＦ演算）を行う。この動作は、図１８、図１９中のＴＯＦ演算部で行なわれる。
【０１２４】
最後のステップＳ６では、ＴＯＦ演算部からＴＯＦ演算結果が図１８、１９中の出力部に送られ、出力形式に合わせた形式で出力される。
【０１２５】
図２０（ａ）に示される動作フロー１と図２０（ｂ）に示される動作フロー２は、ステップＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５とステップＴ１、Ｔ２、Ｔ４、Ｔ５が同じであり、位相信号判定部での動作であるステップＳ３とステップＴ３が異なる。
【０１２６】
そこで、図２０（ｂ）に示される動作フロー２を簡単に説明する。
先ず、イメージセンサ２９で距離測定に必要な複数の位相信号を取得する（ステップＴ１）。取得された複数の位相信号は位相信号判定部に送られる。位相信号判定部では、取得された複数の位相信号の信号量の大きさを比較して（ステップＴ２）、該複数の位相信号の信号量の大きさの順位付けを行なう（ステップＴ３）。ＴＯＦ演算方法が選択された（ステップＴ４）の後、取得された複数の位相信号と位相信号の信号量の大きさの順位がＴＯＦ演算部に送られ、両者を用いた独自のＴＯＦ演算が行なわれる（ステップＴ５）。最後に、ＴＯＦ演算結果が図１８、図１９に示される出力部に送られ、出力形式に合わせた形式で出力される（ステップＴ６）。
【０１２７】
なお、図２０（ａ）のステップＳ４や、図２０（ｂ）のステップＴ４を省略しても良い。すなわち、ＴＯＦ演算方法を予め１つの演算方法に設定しても良い。例えば、演算の高速化をより重視する場合にはＭの値を小さく設定して上記（２０）式の条件によるＴＯＦ演算を行い、測距レンジの広範囲化をより重視する場合にはＭの値を大きく設定して上記（９）式の条件によるＴＯＦ演算を行っても良い。
【０１２８】
図２１は、一般的なＴＯＦセンサのフレーム構成例と、本実施形態の距離センサ２０のフレーム構成例の比較図である。
【０１２９】
図２１（ａ）は、一般的なＴＯＦセンサ（ここでは四相式）のフレーム構成例である。一般的なＴＯＦセンサでは、図２１（ａ）に示されるように、受光を開始してから距離値を出力するまでの１フレームあたりの時間は、撮像素子が位相信号を取得する期間（信号取得期間）とデータの転送期間で決まる。
【０１３０】
図２１（ｂ）は、本実施形態の距離センサ２０（ここでは四相式）のフレーム構成例である。距離センサ２０では、図２１（ｂ）に示されるように、信号取得期間と転送期間の長さは一般的なＴＯＦセンサと変わらない。
【０１３１】
本実施形態の距離センサ２０において、一般的なＴＯＦセンサと異なる点は、図２１（ｂ）に示されるように、転送期間の後に、次の信号取得期間と並行して、位相信号の大小関係の判定を行ない、その結果に応じたＴＯＦ演算を行なう点である。
【０１３２】
本実施形態の距離センサ２０は、基本的なフレーム構成が、一般的なＴＯＦセンサと変わらないため、フレームレートを落とさずにＴＯＦ法の特長である高速性を保ったまま使用することができる。一般的なＴＯＦセンサと距離センサ２０のフレーム期間を等しくする場合、距離センサ２０の発光時間は一般的なものの半分になるが、光量が十分な場合には、測距精度に対する影響は光量よりも変調周波数の方が大きくなるため、距離センサ２０の方が優位である。
【０１３３】
図２２には、本実施形態の距離センサ２０の１フレームを、光源２１を発光させる発光フレームと、信号のオフセット成分を取得するための、光源２１を発光させない非発光フレームとで構成したフレーム構成例が示されている。
【０１３４】
非発光フレームで信号のオフセット成分を取得できれば、上記（２０）式の条件で距離センサ２０を使用する場合でも、ＤＣ´を取得信号から得ることができるので、次の（２４）式のようにＴＯＦ演算はより簡単になる。
ｄ＝(Ｔｏ＋(Ａ（ｉ＋ｑ）−ＤＣ´)／（Ａ（ｉ）＋Ａ（ｉ＋１８０）−２ＤＣ´)×Ｔｐ))×ｃ／２  …(２４)
【０１３５】
上記（２４）式は、上記（９）式と上記（２０）式のどちらの条件でも共通の式なので、ＴＯＦ演算が、設定されたＭで変化しない。そのため、距離センサ２０のＩＣ（集積回路）への負担が小さくなる。また、上記（２０）式の条件でも、常に信号のオフセット成分を取得できるので耐外乱光性が高くなる。
【０１３６】
ところで、エイリアシングの起こらない近距離側を測定する場合は、本実施形態の距離センサ２０ではデューティ比を２５％以下にする必要があるため、一般的なＴＯＦセンサの方が光量もしくは高速性の点で有利になる。
【０１３７】
そのため、本実施形態のＴＯＦセンサを使用する際に、ある任意のフレームでのＴＯＦ演算結果が、照射光のパルス幅から計算される一般的なＴＯＦセンサの測距レンジよりも小さければ、以降のフレームでは取得時間制御信号のパルス幅を照射光のパルス幅に合わせて、デューティ比を５０％にすることが可能である。
【０１３８】
図２３（ａ）は、その場合の測距精度を高めるためのフレーム構成例であり、図２３（ｂ）は、その場合の測距を高速化するためのフレーム構成例である。
【０１３９】
図２４は、距離センサ２０の、エイリアシング判定を含む動作フロー３である。図２４に示される動作フロー３のステップＵ１、Ｕ２、Ｕ３は、それぞれ図２０（ａ）に示される動作フロー１のステップＳ１、Ｓ２、Ｓ５と同じなので、以下では、動作フロー３特有のステップを中心に説明する。動作フロー３を実施するためには、図１８、１９にそれぞれ示される実施例１、２の距離センサ２０Ａ、２０Ｂの構成に加えて、図２５、２６にそれぞれ示される、本実施形態の距離センサ２０の構成例である実施例３、４の距離センサ２０Ｃ、２０Ｄのようにエイリアシング判定部を設ける必要がある。
【０１４０】
ここで、動作フロー３の実施に先立って、照射光のパルス幅Ｔｐと取得時間制御信号のパルス幅Ｔｖが、Ｍ（Ｔｖ／Ｔｐ）≧１となるように初期設定されている。動作フロー３は、距離センサ２０がメインコントローラ８０からの測定開始要求を受信したときに開始される。
【０１４１】
エイリアシング判定部では、制御部から照射光のパルス幅Ｔｐと取得時間制御信号のパルス幅Ｔｖ、ＴＯＦ演算部からＴＯＦ演算結果である距離値ｄを受け取ることで、距離センサ２０の測距レンジＲ´と距離値ｄの大小関係が分かる。
【０１４２】
そこで、ステップＵ４では、測距レンジＲ´と距離値ｄ（ＴＯＦ演算結果）との大小関係を判定する。すなわち、エイリアシング判定部がエイリアシングの有無を判定する。ｄがＲ´よりも小さい場合（ステップＵ４でＹＥＳ）には、エイリアシング判定部が「エイリアシングなし」と判定し、出力部が距離値ｄを出力形式に合わせた形式で出力する（ステップＵ５）。
【０１４３】
一方、ｄがＲ´以上である場合（ステップＵ４でＮＯ）には、エイリアシング判定部が「エイリアシングあり」と判定し、制御部がＴｖを長くして、次フレームにおけるＲ´を大きくする（ステップＵ６）。この際、Ｔｖを次フレームにおけるＲ´が少なくとも現フレームにおける距離値ｄよりも大きくなる値に変更することが好ましい。
【０１４４】
測定を終了する場合（距離センサ２０がメインコントローラ８０からの測定終了要求を受信したとき）にはフローは終了し（ステップＵ７でＹＥＳ）、測定を継続する場合にはステップＵ１に戻り（ステップＵ７でＮＯ）、次フレームにおいて位相信号取得を行う。
【０１４５】
なお、ステップＵ６において、Ｔｖを長くするのに代えて又は加えて、次フレームにおけるＲ´が大きくなるよう（好ましくは次フレームにおけるＲ´が少なくとも現フレームにおける距離値ｄよりも大きくなるよう）Ｔｐを長くして良い。
【０１４６】
また、エイリアシング判定部があれば、エイリアシングの有無をリアルタイムに（例えばフレーム毎に）判定することが可能であるため、本実施形態の距離センサ２０の測距レンジＲ´に余裕がある場合（ステップＵ４でＹＥＳ）、ＴＯＦ演算結果である距離値ｄに合うようにＴｐやＴｖを調整し、測距レンジの倍率Ｍ（Ｔｖ／Ｔｐ）をフレーム間で調整することも可能である。
【０１４７】
本実施形態の距離センサ２０では、任意のフレームで取得された複数の位相信号の位相信号判定部での比較結果から、光源２１の発光回数の最適化が可能である。例えば、取得された信号量が最大の位相信号の信号量に対して、電荷蓄積部の蓄積容量及び受光部の受光感度から決まる画素毎の信号容量を比較して、該信号容量に余裕があれば光源２１の発光回数を増やすことができる。
【０１４８】
また、本実施形態の距離センサ２０において、１フレームを発光フレームと非発光フレームで構成し、反射光パルス全てを受光した場合の位相信号の信号量Ａｐｕｌｓｅと、反射パルスの入らない場合の位相信号の信号量ＤＣを取得すれば、ＡｐｕｌｓｅとＤＣから測定のＳＮ比が分かる。そのため、ＳＮ比を基に光源２１の発光回数を変更することも可能である。
【０１４９】
つまり、本実施形態の距離センサ２０では、任意のフレームで取得された複数の位相信号の信号量から、以後のフレームにおける光源２１の発光回数を画素毎の信号容量とＳＮ比の少なくとも一方の情報を基に、最適化することができる。この場合、図２７〜図３０にそれぞれ示される、本実施形態の距離センサ２０の構成例である実施例５〜８の距離センサ２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈのように、位相信号判定部内に、位相信号の信号量の閾値を保存するための記憶部（例えばメモリやハードディスク）を設ける必要がある。
【０１５０】
図３１には、本実施形態の距離センサ２０において、ＳＮ比に応じて光源２１の発光強度の調整を行なう場合の動作フロー４が示されている。動作フロー４が実施されるのに先立って、光源２１の発光強度（照射光のパルス振幅）、１パルス毎の発光時間（照射光のパルス幅）及びフレーム毎の発光回数（照射光パルスの数）が初期設定されている。
【０１５１】
図３１に示される動作フロー４において、ステップＶ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４は、それぞれ図２０（ａ）のステップＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ５と同じである。そこで、動作フロー４特有のステップを中心に説明する。
【０１５２】
ステップＶ５では、発光フレーム及び非発光フレームでそれぞれ取得されたＡｐｕｌｓｅ及びＤＣから、ＳＮ比を算出する。
【０１５３】
次のステップＶ６では、ＳＮ比が、予め設定され記憶部に保存された閾値より大きいか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとステップＶ７に移行し、否定されるとステップＶ８に移行する。
【０１５４】
ステップＶ７では、ＴＯＦ演算結果である距離値ｄを出力形式に合わせた形式で出力する。ステップＶ７が実行されると、ステップＶ９に移行する。
【０１５５】
ステップＶ９では、光源２１の発光強度を下げる。例えばイメージセンサ２９に入射する環境光（例えば太陽光や照明光）の強度が大きい場合には、電荷蓄積部において信号量（電荷量）が飽和することが懸念されるためである。但し、測距精度の観点から、少なくともステップＶ６の条件を満たす（ＹＥＳとなる）程度まで発光強度を下げることが好ましい。ステップＶ９が実行されると、ステップＶ１０に移行する。
【０１５６】
ステップＶ１０では、測定を終了するか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとフローは終了し、否定されるとステップＶ１に戻り次フレームにおける位相信号取得が行われる。
【０１５７】
ステップＶ８では、光源２１のフレーム毎の発光回数が、光源２１の発光強度、１パルス毎の発光時間、受光部の受光感度及び電荷蓄積部の蓄積容量で決まる画素毎の信号容量（所定の上限）よりも少ないか否かを判断する。ここでの判断が肯定されるとステップＶ１１に移行し、否定されるとステップＶ１２に移行する。
【０１５８】
ステップＶ１１では、発光強度を上げて、次フレームにおけるＳＮ比を向上させる。この際、少なくともステップＶ６の条件を満たす（ＹＥＳとなる）程度まで発光強度を上げることが好ましい。ステップＶ１１が実行されると、ステップＶ１０に移行する。
【０１５９】
ステップＶ１２では、メインコントローラ８０に対してエラー通知（エラー情報の通知）を行う。ステップＶ１２が実行されるとフローは終了する。なお、エラー通知を受信したメインコントローラ８０は、そのエラー情報を基に光源２１の発光強度、発光時間及びフレーム毎の発光回数の初期設定値をステップＶ６もしくはステップＶ８の条件を満たすよう（ＹＥＳとなるよう）変更した後、動作フロー４を再開させる。
【０１６０】
なお、距離センサ２０が、主に屋内での使用等、環境光の強度が小さく電荷蓄積部で電荷量の飽和が発生し難い環境下で用いられる場合には、図３１においてステップＶ９を省略しても良い。
【０１６１】
図３２は、本実施形態の距離センサ２０の使用の有無を判定するためのフローチャートである。
【０１６２】
最初のステップＷ１では、判定対象のＴＯＦセンサにおいて、照射光のパルス幅が単一か否かを判断する。距離センサ２０では、照明光のパルス幅が単一とされているためである。ここでの判断が否定されるとステップＷ２に移行し、肯定されるとステップＷ３に移行する。
【０１６３】
ステップＷ２では、距離センサ２０を不使用と判定する。この判定がなされるとフローは終了する。
【０１６４】
ステップＷ３では、測距レンジが照射光のパルス幅から計算される測距レンジよりも広いか否かを判断する。本実施形態の距離センサ２０では、測距レンジがディエイリアシングにより、照射光のパルス幅で決まる理論的な測距レンジに比べて広くなるためである。ここでの判断が否定されるとステップＷ２に移行し、肯定されるとステップＷ４に移行する。
【０１６５】
ステップＷ４では、照射光のパルス幅と取得時間制御信号のパルス幅が異なるか否かを判断する。一般的なＴＯＦセンサでは照射光のパルス幅と取得時間制御信号のパルス幅は等しいが、本実施形態の距離センサ２０では任意の測距レンジの倍数に対応して照射光のパルス幅が取得時間制御信号のパルス幅よりも短くなるからである。ここでの判断が否定されるとステップＷ２に移行し、肯定されるとステップＷ５に移行する。
【０１６６】
ステップＷ５では、距離センサ２０を使用と判定する。この判定がなされるとフローは終了する。以上のような手順で、距離センサ２０の使用の有無を判定できる。
【０１６７】
以上説明した本実施形態の距離センサ２０（実施例１〜８の距離センサ２０Ａ〜２０Ｈ）は、第１の観点からすると、光源２１と、該光源２１から射出され物体で反射された光を受光して光電変換し、その電気信号を複数の位相信号に分けて取得するイメージセンサ２９（撮像素子）と、複数の位相信号に基づいて物体までの距離を算出するＴＯＦ演算部（演算部）と、を備え、イメージセンサ２９が位相信号を取得する時間は、光源２１の発光時間よりも長く設定される測距装置である。
【０１６８】
この場合、イメージセンサ２９が位相信号を取得する時間が光源２１の発光時間よりも長く設定されるため、光源２１の発光時間を単一としても、光源の発光時間によって決まる従来の測距装置の測距レンジよりも測距レンジを広くすることができる。この結果、構成や制御の煩雑化を抑制しつつ測距レンジを広くすることができる。
【０１６９】
また、距離センサ２０は、光源２１及びイメージセンサ２９を制御する制御部を更に備え、該制御部は、位相信号を取得する時間を制御するための制御信号である取得時間制御信号のパルス幅を、光源２１の発光時間を決める、光源２１を駆動するための駆動信号である光源駆動信号のパルス幅を基準に調整可能であることが好ましい。
【０１７０】
この場合、例えばＴＯＦ演算部での演算結果に応じて、後のフレーム（例えば次フレーム）における測距レンジを調整できるため、後のフレームにおけるエイリアシングの発生を抑制することができる。
【０１７１】
また、本実施形態の距離センサ２０（実施例１〜８の距離センサ２０Ａ〜２０Ｈ）は、第２の観点からすると、光源２１と、該光源２１から射出され物体で反射された光を受光して光電変換し、その電気信号を複数の位相信号に分けて取得するイメージセンサ２９（撮像素子）と、光源２１及びイメージセンサ２９を制御する制御部と、複数の位相信号に基づいて物体までの距離を算出するＴＯＦ演算部（演算部）と、を備え、制御部は、イメージセンサ２９が位相信号を取得する時間を制御する制御信号である取得時間制御信号のパルス幅を、光源２１を駆動するための駆動信号である光源駆動信号のパルス幅を基準に調整可能な測距装置である。
【０１７２】
この場合、例えば取得時間制御信号のパルス幅を光源駆動信号のパルス幅よりも長くすることで、光源駆動信号のパルス幅を単一としても、光源駆動信号のパルス幅によって決まる従来の測距装置の測距レンジよりも測距レンジを広くすることができる。この結果、構成や制御の煩雑化を抑制しつつ測距レンジを広くすることができる。
【０１７３】
また、第２の観点からの距離センサ２０では、例えばＴＯＦ演算部での演算結果に応じて、後のフレーム（例えば次フレーム）における測距レンジを調整できるため、後のフレームにおけるエイリアシングの発生を抑制することができる。
【０１７４】
また、第２の観点からの距離センサ２０では、制御部は、取得時間制御信号のパルス幅を光源駆動信号のパルス幅よりも長くすることが好ましい。
【０１７５】
この場合、光源駆動信号のパルス幅によって決まる従来の測距装置よりも測距レンジを広げることができる。
【０１７６】
また、距離センサ２０では、光源駆動信号のパルス幅を従来の測距装置と同じに又は短く設定しても、従来の測距装置よりも広い測距レンジを確保することが可能である。すなわち、距離センサ２０によれば、測距精度を維持もしくは高めつつ、測距レンジを広くすることができる。
【０１７７】
また、距離センサ２０は、光源駆動信号のパルス幅、取得時間制御信号及びＴＯＦ演算部での演算結果に基づいて、エイリアシングの有無を判定するエイリアシング判定部を更に備えることが好ましい。
【０１７８】
そして、制御部は、エイリアシング判定部で一のフレームにおいてエイリアシングありと判定された場合に、一のフレームより時間的に後のフレーム（例えば次フレーム）における取得時間制御信号のパルス幅を一のフレームにおける取得時間制御信号のパルス幅よりも長くすることが好ましい。
【０１７９】
また、制御部は、エイリアシング判定部で一のフレームにおいてエイリアシングなしと判定された場合に、一のフレームより時間的に後のフレーム（例えば次フレーム）における取得時間制御信号のパルス幅を一のフレームにおける取得時間制御信号のパルス幅から変更しなくても良い。
【０１８０】
また、制御部は、エイリアシング判定部で一のフレームにおいてエイリアシングなしと判定された場合に、一のフレームより時間的に後のフレーム（例えば次フレーム）における光源駆動信号のパルス幅及び取得時間制御信号のパルス幅の少なくとも一方を一のフレームにおける該少なくとも一方から変更しても良い。すなわち、エイリアシングが起きない条件では、例えば、測距精度を高めるために光源駆動信号のパルス幅を短くしたり、演算を高速化するために取得時間制御信号のパルス幅を短くしても良い。
【０１８１】
また、イメージセンサ２９は、複数の受光部を有し、制御部は、受光部毎の演算部での演算結果のうち最大値について、エイリアシング判定部でエイリアシングなしと判定されるように光源駆動信号のパルス幅及び取得時間制御信号のパルス幅の少なくとも一方を調整しても良い。すなわち、次フレームにおける測距レンジがこの最大値を超えるように光源駆動信号のパルス幅及び取得時間制御信号のパルス幅の少なくとも一方を調整しても良い。この場合、測定領域の経時的な条件の変化に対応できる。
【０１８２】
また、距離センサ２０は、複数の位相信号の信号量を比較し、複数の位相信号のうち信号量が最大の位相信号を決定する位相信号判定部を更に備え、演算部は、位相信号判定部での決定結果に基づいて距離を算出しても良い。
【０１８３】
また、距離センサ２０は、複数の位相信号の信号量を比較し、複数の位相信号の信号量の順位を決定する位相信号判定部を更に備え、演算部は、位相信号判定部での決定結果に基づいて距離を算出しても良い。
【０１８４】
また、位相信号判定部の動作と演算部の動作が並行して行われることが好ましい。この場合、測定領域の経時的な条件の変化に対応できる。
【０１８５】
また、演算部は、位相信号から、光源２１が発光していないときのイメージセンサ２９の出力であるオフセット成分を減算した結果を用いて、距離を算出することが好ましい。
【０１８６】
また、制御部は、位相信号と、光源２１が発光していないときのイメージセンサ２９の出力であるオフセット成分の比に基づいて、光源２１の発光強度を調整することが好ましい。この際、制御部は、光源２１のフレーム毎の発光回数に基づいて、光源２１の発光強度を調整することがより好ましい。
【０１８７】
また、光源駆動信号のパルス周期と取得時間制御信号のパルス周期は、等しいことが好ましい。
【０１８８】
また、距離センサ２０を有する移動体によれば、位置制御性（例えば衝突安全性）に優れた移動体を提供できる。
【０１８９】
また、本実施形態の測距方法は、光源２１をパルス発光させる工程と、光源２１から射出され物体で反射された光を受光して光電変換し、その電気信号を複数の位相信号に分けて取得する工程と、複数の位相信号に基づいて物体までの距離を算出する工程と、光源の１パルス毎の発光時間（光源駆動信号のパルス幅）、位相信号を取得する時間（取得時間制御信号のパルス幅）及び算出する工程での算出結果に基づいて、エイリアシングの有無を判定する工程と、該判定する工程でエイリアシングありと判定された場合に、位相信号を取得する時間を光源の１パルス毎の発光時間を基準に調整する工程と、を含む。
【０１９０】
この場合、例えば、判定する工程でエイリアシングありと判定された場合に、調整する工程で取得時間制御信号のパルス幅を長くすることで、後フレームにおいて測距レンジを広くすることができ、エイリアシングの発生を抑制できる。
【０１９１】
また、本実施形態の測距方法では、光源駆動信号のパルス幅を従来の測距方法と同じにもしくは短く設定しても、従来の測距方法よりも広い測距レンジを確保することが可能である。すなわち、本実施形態の測距方法によれば、測距精度を維持もしくは高めつつ、測距レンジを広くすることができる。
【０１９２】
なお、上記実施形態では、取得時間制御信号のパルス幅Ｔｖを光源駆動信号のパルス幅Ｔｐ以上にしているが、例えば図３３に示される変形例のようにＴｖをＴｐよりも短くしても良い。この場合、遅延時間ＴｄとＴｖに関して、Ｔｄ＝Ｔｖ×（Ａ１８０／Ａ９０−１／２）が成立する。この関係式では、測距値（距離値）のばらつきに係る演算の比例定数がＴｖ（一般的な四相式ＴＯＦセンサではＴｐ）である。このため、図３３の変形例では、一般的な四相式ＴＯＦセンサに比べて、測距レンジは狭くなるものの測距値のばらつきが小さくなる（測距精度が高くなる）。そこで、図３３の変形例は、測距レンジに余裕がある場合に測距精度を高めることができる点で有効である。例えば、予めＴｖをＴｐ以上に設定しておき、エイリアシング判定部で測距レンジＲ´と測距値に基づいてエイリアシングなしと判定された場合に、該測距値を測距レンジＲ´が下回らない程度にＴｖをＴｐよりも短くすることにより、エイリアシングの発生を抑制しつつ測距精度を高めることができる。
【０１９３】
また、逆に、予めＴｖをＴｐよりも短く設定しておき、エイリアシング判定部で測距レンジＲ´と測距値に基づいてエイリアシングありと判定された場合に、該測距値を測距レンジＲ´が幾分上回る程度にＴｖをＴｐよりも長くすることにより、測距精度の低下を抑制しつつエイリアシングの発生を抑制することができる。
【０１９４】
また、上記実施形態では、投光系が非走査型であるが、光偏向器（例えばポリゴンミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等）を含む走査型であっても良い。この場合、例えば、一方向に配列された複数の発光部（ライン光源）からそれぞれ射出された複数の光を、発光部の配列方向に非平行な方向（例えば垂直な方向）に走査して、複数の発光部に対応して該配列方向に平行に配列された複数の受光部（ラインイメージセンサ）で受光し、距離画像を生成しても良い。また、単一の発光部からの光を光偏向手段で２次元走査して、物体からの反射光をエリアイメージセンサで受光し、距離画像を生成しても良い。
【０１９５】
また、上記実施形態では、本発明の測距装置の一例である距離センサ２０を走行体１に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、距離センサ２０を、走行体１以外の移動体（例えば乗用車、船舶、航空機等）、監視カメラ、物体の３次元形状を計測する３次元計測装置、距離センサ２０が自身の位置を確認しながら自律的に移動するロボット等に用いても良い。
【０１９６】
距離センサ２０を有する監視カメラによれば、監視対象物の高品質なモニタ画像を得ることができる。
【０１９７】
距離センサ２０を有する３次元計測装置によれば、計測対象物の３次元情報を精度良く計測することができる。
【０１９８】
距離センサ２０を有するロボットによれば、周囲の物体に対する適切な自律移動（接近動作や離間動作や平行移動）を可能とすることができる。
【０１９９】
上記実施形態では、単一のＬＥＤ（発光部）をパルス発光させ、物体からの反射光をエリアイメージセンサで受光する場合について説明したが、これに限定されるものではない。
【０２００】
例えば、２次元配列された複数の発光部を順次パルス点灯させ、各発光部から射出され物体で反射された光を単一の受光部で順次受光して距離画像を生成しても良い。
【０２０１】
例えば、２次元配列された複数の発光部を同時にパルス発光させ、複数の発光部から射出され物体で反射された複数の光を２次元配列された複数の受光部でそれぞれ同時に受光して距離画像を生成しても良い。
【０２０２】
また、例えば、物体の３次元情報（距離画像）ではなく、単にある物体までの距離を測定する場合には、投光系の発光部及び受光系の受光部は、いずれも単数であっても良い。
【０２０３】
また、上記実施形態において、制御系２０３での処理の一部を位置制御装置４０が行っても良いし、位置制御装置４０での処理の一部を制御系２０３が行っても良い。
【０２０４】
また、上記実施形態では、走行管理装置１０が１つの距離センサ２０を備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。走行体の大きさ、測定領域などに応じて、複数の距離センサ２０を備えても良い。
【０２０５】
また、上記実施形態では、距離センサ２０が走行体の進行方向を監視する走行管理装置１０に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、走行体の後方や側面を監視する装置に用いられても良い。
【０２０６】
以上の説明から分かるように、本発明の測距装置及び測距方法は、ＴＯＦ（タイム  オブ  フライト）を利用した測距技術全般に広く適用することが可能である。
【０２０７】
すなわち、本発明の測距装置及び測距方法は、物体の２次元情報の取得や、物体の有無の検出にも用いることができる。
【０２０８】
また、上記実施形態の説明で用いた数値、形状等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【０２０９】
以下に、発明者らが上記実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。
【０２１０】
３次元センサの１つに、強度変調した参照光を投射して、投射した参照光が、測定対象に反射してセンサに戻るまでの飛行時間を検出して対象までの距離を求める、Time of Flight（TOF）法を用いた“TOFセンサ”が既に知られており、種々ある３次元センシング方式の中でも、その高速性の原理的優位性から、昨今さまざまな用途への開発が進められている。例えば、ジェスチャー認識や、ロボットや自動車などの移動体の位置制御などへの応用が期待されている。
【０２１１】
TOF法には、直接法と間接法があり、一般的に間接TOF法の方が近距離測定に有利であると言われている。
【０２１２】
TOFセンサは、一般に、参照光を射出する光源と撮像素子を含んで構成される。測定では、まず、光源から参照光を射出し、対象物で反射した光を撮像素子で電気信号に変換し、該電気信号を複数の位相信号に振り分け、該複数の位相信号を用いた演算（TOF演算）により、対象物までの距離を取得する。一般的なTOFセンサは典型的に、多位相シフトを用いて対象までの距離を取得する。例えば、四相式TOFセンサは、参照光の変調周波数に対して、4つの位相信号（位相シフト量：0°，90°，180°，270°）を用いて距離を取得する。
【０２１３】
また、TOFセンサが測定可能な距離範囲（測距レンジ）には制限がある。この測距レンジは、参照光の変調周波数で決まり、例えば四相式TOFセンサでは、参照光の飛行時間が参照光のパルス幅の２倍以上の距離を測定することは不可能であり、エイリアシングと呼ばれる現象により、測定距離に対して出力距離は周期的になる。つまり、参照光パルス幅が長く、変調周波数が小さいほど、TOFセンサで測定可能な最大距離はより長く、測距レンジはより広くなる。
【０２１４】
これに対して、TOFセンサの測定精度（測距精度）も参照光の変調周波数で決まり、変調周波数が高くパルス幅が短いほど、高精度になる。TOFセンサに期待される、多くのアプリケーションにおいて、測距レンジと測定精度は同時に求められることが多く、その際にエイリアシング現象への対策（ディエイリアシング技術）が必要とされる。
【０２１５】
従来のディエイリアシング技術の多くは、複数の変調周波数（パルス幅）の参照光を用いて取得した位相信号をTOF演算に用いる。その場合、まず、複数の変調周波数で光源部・受光部を駆動する必要があるため、TOFセンサのメカ系と制御系のどちらか、もしくはその両方に工夫を必要とする。さらに、距離値を出力する１フレームの間で取得しなければならない位相信号数も多くなるために、フレーム構成が複雑化する。
【０２１６】
特許文献１（特表２０１３−５３８３４２号公報）には、距離画像センサの１度の撮像において異なる複数の変調周波数の参照光を用いて、それらの周波数及び差周波、中間周波数を用いてエイリアシングを回避して距離演算を行なう方法が開示されている。
【０２１７】
しかし、光源に複数の変調周波数の参照光を使用する必要があるため、光源部、受光部、フレーム構成が複雑になるという点で改善の余地がある。
【０２１８】
すなわち、従来の測距装置や測距方法では、構成や制御の煩雑化を抑制しつつ測距レンジを広くすることに関して改善の余地があった。
【０２１９】
そこで、発明者らは、構成や制御の煩雑化を抑制しつつ測距レンジを広くすべく、上記実施形態を発案するに至った。
【０２２０】
具体的には、上記実施形態では、照射光に複数の変調周波数を用いずにディエイリアシングを実現することができる。
【０２２１】
また、上記実施形態では、フレーム構成を複雑化せずに測距レンジを広げることができる。
【符号の説明】
【０２２２】
１…走行体（移動体）、２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｇ、２０Ｈ…距離センサ（測距装置）、２１…光源、２９…イメージセンサ（撮像素子）、２０３…制御系。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０２２３】
【特許文献１】特表２０１３−５３８３４２号公報
【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６】
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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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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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２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
2018077143.tif 000034
【図３２】
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【図３３】
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