(57)【要約】【課題】従来よりも高い分解能を実現することが可能な測距センサを提供する。【解決手段】測距センサ１０は、投光素子１１、受光素子１２、二値化部１５、制御部１３、受光時点算出部１８、距離算出部１９を備えている。制御部１３は、投光素子１１からの投光ごとに、受光信号の値と閾値が互いに相対的に変化するように少なくとも一方を変化させることにより、受光信号が閾値を上方または下方に超える時点を変動させる。受光時点算出部１８は、制御部１３において生じさせる変動によって変化する、変動に関連する量を統計的処理に処理することによって、受光素子１２において反射光を受光した受光時点を決定する。距離算出部１９は、投光素子１１が光を照射した投光時点から受光時点算出部１８において決定された受光時点までの時間に基づいて、対象物までの距離を算出する。【選択図】図１
2018017534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に対して複数回光を照射する投光部と、
前記投光部から照射された光の前記対象物からの反射光を受光する受光部と、
前記受光部から出力され時間に応じて変化する受光信号を、閾値を用いて二値化する二値化部と、
前記投光部からの投光ごとに、前記受光信号の値および前記閾値が互いに相対的に変化するように少なくとも一方を変化させることにより、前記受光信号が前記閾値を上方または下方に超える時点を変動させる制御部と、
前記制御部において生じさせる前記変動によって変化する、前記変動に関連する量を統計的処理によって処理することによって、前記受光部において前記反射光を受光した受光時点を決定する受光時点算出部と、
前記投光部が光を照射した投光時点から前記受光時点算出部において決定された前記受光時点までの時間に基づいて、前記対象物までの距離を算出する距離算出部と、
を備えている測距センサ。
【請求項２】
前記変動に関連する量は、前記受光信号を前記閾値により二値化した信号における値の変化時点であり、
前記統計的処理は、当該変化時点のヒストグラムの重心にあたる時点を求めることであり、
前記受光時点算出部は、前記統計的処理によって求められた当該時点を前記受光時点とする、
請求項１に記載の測距センサ。
【請求項３】
前記変動に関連する量は、前記受光信号を閾値により二値化した信号の波形を構成する各信号値であり、
前記統計的処理は、当該二値化波形を積算し、積算後の波形を構成する時間的離散値を補間した波形が所定の基準値を上方または下方に超える時点を求めることであり、
前記受光時点算出部は、前記統計的処理によって求められた当該時点を前記受光時点とする、
請求項１に記載の測距センサ。
【請求項４】
前記受光時点算出部は、前記統計的処理として、回帰直線の推定あるいは関数フィッティングによって前記補間を行う、
請求項３に記載の測距センサ。
【請求項５】
前記制御部は、対称性を有する分布に従って、前記受光信号の値と前記閾値を相対的に変化させる、
請求項１から４のいずれか１項に記載の測距センサ。
【請求項６】
前記対称性を有する分布は、正規分布、一様分布、放物関数で定義される分布、三角分布のいずれかである、
請求項５に記載の測距センサ。
【請求項７】
前記制御部は、前記閾値の値を変化させて、前記受光信号の値と前記閾値を相対的に変化させる、
請求項１から６のいずれか１項に記載の測距センサ。
【請求項８】
前記制御部は、オフセット制御によって前記受光信号の値を変化させて、前記受光信号の値と前記閾値を相対的に変化させる、
請求項１から６のいずれか１項に記載の測距センサ。
【請求項９】
前記制御部によって制御され、オフセット制御された信号によって前記受光信号の波形を整形する波形整形部を、さらに備えている、
請求項８に記載の測距センサ。
【請求項１０】
前記受光部において受光した信号に含まれるノイズを、フィルタを用いて除去するアナログ処理部を、さらに備えている、
請求項１から９のいずれか１項に記載の測距センサ。
【請求項１１】
前記二値化部において二値化処理された信号を一定時間間隔で取得して標本化するサンプリング部をさらに備え、
前記受光時点算出部は、前記サンプリング部で標本化されたデータを用いて、前記変動に関する量を統計的に処理する、
請求項１から１０のいずれか１項に記載の測距センサ。
【請求項１２】
投光部から対象物に対して複数回光を照射する投光ステップと、
前記投光部から照射された光の前記対象物からの反射光を受光部において受光する受光ステップと、
前記受光部から出力され時間に応じて変化する受光信号を、閾値を用いて二値化する二値化ステップと、
前記投光部からの投光ごとに、前記受光信号の値および前記閾値が互いに相対的に変化するように少なくとも一方を変化させることにより、前記受光信号が前記閾値を上方または下方に超える時点を変動させる制御ステップと、
前記制御ステップにおいて生じさせる前記変動によって変化する、前記変動に関連する量を統計的処理によって処理することによって、前記受光部において前記反射光を受光した受光時点を決定する受光時点算出ステップと、
前記投光部が光を照射した投光時点から前記受光時点算出ステップにおいて決定された前記受光時点までの時間に基づいて、前記対象物までの距離を算出する距離算出ステップと、
を備えている測距方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物までの距離を測定する測距センサおよび測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、投光素子から照射された光の反射光を受光して、投光時点と受光時点とから飛行時間を算出し、測定対象物までの距離を測定するＴＯＦ（Time Of Flight）方式の測距センサが用いられている。
例えば、特許文献１には、投光素子の投光タイミングを少しずつ遅延させながらパルスの受光信号を積算してヒストグラムに傾斜を作り、関数フィッティングによる補完によって、サンプリング周期よりも小さい分解能を実現した測距センサについて開示されている。
【０００３】
しかしながら、上記従来の測距センサでは、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測距センサでは、より小さな分解能を実現するためには投光タイミングをより短い単位時間でずらす必要がある。しかしながら、投光タイミングをずらす単位時間は、発信時点調節装置（制御回路）に供給されるクロックに依存し、現実的に回路で使用できるクロックには上限がある。このため、この測距センサでは、充分な分解能が得られるとは言い難い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−８９９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、サンプリング周期よりも細かい任意の受光時点を算出して、従来よりも高い分解能を実現することが可能な測距センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明に係る測距センサは、投光部と、受光部と、二値化部と、制御部と、受光時点算出部と、距離算出部と、を備えている。投光部は、対象物に対して複数回光を照射する。受光部は、投光部から照射された光の対象物からの反射光を受光する。二値化部は、受光部から出力され時間に応じて変化する受光信号を、閾値を用いて二値化する。制御部は、投光部からの投光ごとに、受光信号の値および閾値が互いに相対的に変化するように少なくとも一方を変化させることにより、受光信号が閾値を上方または下方に超える時点を変動させる。受光時点算出部は、制御部において生じさせる変動によって変化する、変動に関連する量を統計的処理によって処理することによって、受光部において反射光を受光した受光時点を決定する。距離算出部は、投光部が光を照射した投光時点から受光時点算出部において決定された受光時点までの時間に基づいて、対象物までの距離を算出する。
【０００７】
ここでは、投光部から照射された光が対象物において反射して受光部において受光されるまでの時間と光の速度とを用いて対象物までの距離を計測するＴＯＦ方式の測距センサにおいて、受光信号を二値化処理する際に用いられる閾値を投光ごとに変化させる。そして、本測距センサでは、投光ごとに閾値を変化させることにより、投光部からの投光ごとに、受光信号の値および閾値が互いに相対的に変化するように少なくとも一方を変化させることにより、受光信号が閾値を上方または下方に超える時点を変動させる。そして、制御部において生じさせる変動によって変化する、変動に関連する量を統計的処理することによって、受光部において反射光を受光した受光時点を決定し、投光時点から受光時点までの時間に基づいて、対象物までの距離を算出する。
【０００８】
ここで、制御部は、投光部からの投光ごとに変化させる閾値について、閾値の値を直接変化させてもよいし、受光信号の値を変化させて受光信号に対する閾値を相対的に変化させてもよい。
また、制御部による閾値の変化は、例えば、正規分布や一様分布等のように基準閾値に対して対称性を有する分布に従って行うことができる。
【０００９】
また、受光時点算出部における受光時点の決定には、制御部において生じさせる変動によって変化する、変動に関連する量の統計的処理として、例えば、受光信号を閾値により二値化した信号における値の変化時点のヒストグラムの重心、あるいは回帰直線を用いて算出することができる。また、回帰直線の代わりに、関数フィッティングにより得られる関数を用いて算出することもできる。
【００１０】
これにより、投光素子からの投光タイミングを少しずつ遅延させて受光素子において受光された信号を積算して生成されたヒストグラムを用いて光の飛行時間を算出する従来の測距センサと比較して、高い分解能を持つ測距センサを得ることができる。
すなわち、本測距センサでは、二値化処理に用いられる閾値の値を受光信号に対して相対的に変化させながら複数回の計測を行うことにより、統計的な確からしさに基づいた計測を行う。
【００１１】
このため、遅延させる時間には限界があるため遅延時間の間隔によって律速された離散的な分解能しか得られなかった従来の測距センサよりも、連続的で高い時間分解能を得ることができる。
この結果、従来よりも連続的で高い分解能を持つ測距センサを実現することができる。
第２の発明に係る測距センサは、第１の発明に係る測距センサであって、変動に関連する量は、受光信号を閾値により二値化した信号における値の変化時点である。統計的処理は、当該変化時点のヒストグラムの重心にあたる時点を求めることである。受光時点算出部は、統計的処理によって求められた当該時点を受光時点とする。
【００１２】
ここでは、上述した変動に関連する量として、受光信号を閾値によって二値化した信号における値の変化時点を用いる。また、上述した統計的処理として、当該変化時点のヒストグラムの重心にあたる時点を求める。そして、受光時点算出部は、統計的処理によって求められた当該時点を受光時点とする。
これにより、上述したように、従来よりも連続的で高い分解能を持つ測距センサを実現することができるという効果を得ることができる。
【００１３】
第３の発明に係る測距センサは、第１の発明に係る測距センサであって、変動に関連する量は、受光信号を閾値により二値化した信号の波形を構成する各信号値である。統計的処理は、当該二値化波形を積算し、積算後の波形を構成する時間的離散値を補間した波形が所定の基準値を上方または下方に超える時点を求めることである。受光時点算出部は、統計的処理によって求められた当該時点を受光時点とする。
【００１４】
ここでは、上述した変動に関連する量として、受光信号を閾値により二値化した信号の波形を構成する各信号値を用いる。また、上述した統計的処理として、当該二値化波形を積算し、積算後の波形を構成する時間的離散値を補間した波形が所定の基準値を上方または下方に超える時点を求める。そして、受光時点算出部は、統計的処理によって求められた当該時点を受光時点とする。
【００１５】
これにより、上述したように、従来よりも連続的で高い分解能を持つ測距センサを実現することができるという効果を得ることができる。
第４の発明に係る測距センサは、第３の発明に係る測距センサであって、受光時点算出部は、統計的処理として、回帰直線の推定あるいは関数フィッティングによって、補間を行う。
【００１６】
ここでは、上述した統計的処理として、回帰直線の推定あるいは関数フィッティングによって補間を行う。
これにより、上述したように、従来よりも連続的で高い分解能を持つ測距センサを実現することができるという効果を得ることができる。
第５の発明に係る測距センサは、第１から第４の発明のいずれか１つに係る測距センサであって、制御部は、対称性を有する分布に従って、受光信号の値と閾値を相対的に変化させる。
【００１７】
ここでは、受光信号の値と閾値を相対的に変化させるために、例えば、正規分布等の対称性を有する分布を用いる。
これにより、容易に、受光信号に対する閾値の値を相対的に変化させることができる。
第６の発明に係る測距センサは、第５の発明に係る測距センサであって、対称性を有する分布は、正規分布、一様分布、放物関数で定義される分布、三角分布のいずれかである。
【００１８】
ここでは、受光信号の値と閾値を相対的に変化させるため用いられる対称性を有する分布として、正規分布、一様分布、放物関数で定義される分布、三角分布のうちのいずれか１つを用いる。
これにより、容易に、受光信号に対する閾値の値を相対的に変化させることができる。
第７の発明に係る測距センサは、第１から第６の発明のいずれか１つに係る測距センサであって、制御部は、閾値の値を変化させて、受光信号の値と閾値を相対的に変化させる。
【００１９】
ここでは、制御部が、二値化処理に用いられる閾値の値を直接変化させることで、受光信号に対する閾値を相対的に変化させる。
これにより、閾値を直接変化させながら二値化処理して得られた信号を用いて、受光時点を決定することができる。
第８の発明に係る測距センサは、第１から第６の発明のいずれか１つに係る測距センサであって、制御部は、信号をオフセット制御によって受光信号の値を変化させて、受光信号の値と閾値を相対的に変化させる。
【００２０】
ここでは、制御部が、二値化処理に用いられる閾値の値を直接変化させるのではなく、受光信号側をオフセット制御することで、受光信号に対する閾値を相対的に変化させる。
これにより、受光信号をオフセット制御によって受光信号の値を変化させることにより閾値を相対的に変化させながら二値化処理して得られた信号を用いて、受光時点を決定することができる。
【００２１】
第９の発明に係る測距センサは、第８の発明に係る測距センサであって、制御部によって制御され、オフセット制御された信号によって受光信号の波形を整形する波形整形部を、さらに備えている。
ここでは、受光信号をオフセット制御することにより閾値を相対的に変化させながら二値化処理する構成において、オフセット制御された信号によって波形整形部が受光信号の波形を整形する。
【００２２】
これにより、二値化部は、固定された閾値と、波形整形部においてオフセット制御された信号とを用いて二値化処理を行うことができる。
第１０の発明に係る測距センサは、第１から第９の発明のいずれか１つに係る測距センサであって、受光部において受光した信号に含まれるノイズを、フィルタを用いて除去するアナログ処理部を、さらに備えている。
【００２３】
ここでは、アナログ処理部において、フィルタを用いて受光部において受光した信号からノイズを除去する。
これにより、二値化部では、ノイズが除去された信号について、閾値を用いて二値化処理することができる。
この結果、ノイズを含まない受光信号を用いて二値化処理された信号における値の変化時点のヒストグラムを高精度に生成することができる。
【００２４】
第１１の発明に係る測距センサは、第１から第１０の発明のいずれか１つに係る測距センサであって、二値化部において二値化処理された信号を一定時間間隔で取得して標本化するサンプリング部をさらに備えている。受光時点算出部は、サンプリング部で標本化されたデータを用いて、変動に関する量を統計的に処理する。
ここでは、二値化処理された信号を一定時間間隔で取得して標本化するサンプリング部において標本化されたデータを用いて、変動に関する量を統計的に処理する。
【００２５】
これにより、上述したように、従来よりも連続的で高い分解能を持つ測距センサを実現することができるという効果を得ることができる。
第１２の発明に係る測距方法は、投光ステップと、受光ステップと、二値化ステップと、制御ステップと、受光時点算出ステップと、距離算出ステップと、を備えている。投光ステップは、投光部から対象物に対して複数回光を照射する。受光ステップは、投光部から照射された光の対象物からの反射光を受光部において受光する。二値化ステップは、受光部から出力され時間に応じて変化する受光信号を、閾値を用いて二値化する。制御ステップは、投光部からの投光ごとに、受光信号の値および閾値が互いに相対的に変化するように少なくとも一方を変化させることにより、受光信号が閾値を上方または下方に超える時点を変動させる。受光時点算出ステップは、制御部において生じさせる変動によって変化する、変動に関連する量を統計的処理によって処理することによって、受光部において反射光を受光した受光時点を決定する。距離算出ステップは、投光部が光を照射した投光時点から受光時点算出ステップにおいて決定された受光時点までの時間に基づいて、対象物までの距離を算出する。
【００２６】
ここでは、投光部から照射された光が対象物において反射して受光部において受光されるまでの時間と光の速度とを用いて対象物までの距離を計測するＴＯＦ方式の測距センサにおいて、受光信号を二値化処理する際に用いられる閾値を投光ごとに変化させる。そして、本測距センサでは、投光部からの投光ごとに、受光信号の値および閾値が互いに相対的に変化するように少なくとも一方を変化させることにより、受光信号が閾値を上方または下方に超える時点を変動させる。そして、制御部において生じさせる変動によって変化する、変動に関連する量を統計的処理することによって、受光部において反射光を受光した受光時点を決定し、投光時点から受光時点までの時間に基づいて、対象物までの距離を算出する。
【００２７】
ここで、制御ステップでは、投光部からの投光ごとに変化させる閾値について、閾値の値を直接変化させてもよいし、受光信号の値を変化させて受光信号に対する閾値を相対的に変化させてもよい。
また、制御ステップにおける閾値の変化は、例えば、正規分布や一様分布等のように基準閾値に対して対称性を有する分布に従って行うことができる。
【００２８】
また、受光時点算出部における受光時点の決定には、制御部において生じさせる変動によって変化する、変動に関連する量の統計的処理として、例えば、受光信号を閾値により二値化した信号における値の変化時点のヒストグラムの重心、あるいは回帰直線を用いて算出することができる。また、回帰直線の代わりに、関数フィッティングにより得られる関数を用いて算出することもできる。
【００２９】
これにより、投光素子からの投光タイミングを少しずつ遅延させて受光素子において受光された信号を積算して生成されたヒストグラムを用いて光の飛行時間を算出する従来の測距センサによる測距方法と比較して、高い分解能を持つ測距方法を得ることができる。
すなわち、本測距センサでは、二値化処理に用いられる閾値の値を受光信号に対して相対的に変化させながら複数回の計測を行うことにより、統計的な確からしさに基づいた計測を行う。
【００３０】
このため、遅延させる時間には限界があるため遅延時間の間隔によって律速された離散的な分解能しか得られなかった従来の測距センサによる測距方法よりも、連続的で高い時間分解能を得ることができる。
この結果、従来よりも連続的で高い分解能を持つ測距方法を実現することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明に係る測距センサによれば、従来よりも連続的かつ高い分解能を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る測距センサの構成を示すブロック図。
【図２】（ａ）は、図１の測距センサに含まれる二値化部の構成を示す回路図。（ｂ）は、二値化部の他の構成を示す回路図。
【図３】図１の投光素子による投光ごとに正規分布に従って閾値を変化させる制御を示すグラフ。
【図４】図３に示す複数の閾値によって二値化処理されたデータを用いて生成されたヒストグラムを用いて受光時点を決定する制御を示すグラフ。
【図５】図１の測距センサによる対象物までの距離の測定方法の流れを示すフローチャート。
【図６】本発明の他の実施形態に係る測距センサにおいて、図１の投光素子による投光ごとに一様分布に従って閾値を変化させる制御を示すグラフ。
【図７】図６に示す複数の閾値によって二値化処理されたデータを用いて生成されたヒストグラムを用いて受光時点を決定する制御を示すグラフ。
【図８】本発明の他の実施形態に係る測距方法の流れを示すフローチャート。
【図９】本発明のさらに他の実施形態に係る測距センサの構成を示すブロック図。
【図１０】（ａ）は、図９の測距センサに含まれる波形整形部の構成を示す回路図。（ｂ）は、波形整形部の他の構成を示す回路図。
【図１１】図９の構成において、閾値固定で信号をオフセット制御した場合の立ち下がりエッジの位置の変動を示すグラフ。
【図１２】本発明のさらに他の実施形態に係る測距方法の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
（実施形態１）
本発明の一実施形態に係る測距センサ１０および測距方法について、図１〜図５を用いて説明すれば以下の通りである。
本実施形態に係る測距センサ１０は、投光素子（投光部）１１から対象物に対して発せられた光の反射光を受光素子（受光部）１２において受光して、投光時点と受光時点とから算出される飛行時間に基づいて対象物までの距離を計測するＴＯＦ方式の測距方法を採用している。そして、測距センサ１０は、図１に示すように、投光素子１１、受光素子１２、制御部１３、アナログ処理部１４、二値化部１５、サンプリング部１６、ヒストグラム生成部１７、受光時点算出部１８、および距離算出部１９を備えている。
【００３４】
なお、本実施形態では、測距センサ１０から対象物までの距離１．０ｍ、投光素子１１からの投光周期１．０μｓ、サンプリング周期２００ｐｓｅｃ（３０ｍｍ）、積算回数５０００回、基準閾値０Ｖ、閾値の範囲±０．３Ｖと設定されている。
投光素子１１は、発光ダイオードや半導体レーザ素子等であって、制御部１３から投光指令信号を受信することで、図示しない投光レンズを介して、対象物に対して光を出射する。なお、本実施形態では、上述したように、投光素子１１からの投光周期は、１．０μｓに設定されている。
【００３５】
受光素子１２は、投光素子１１から出射された光が対象物の表面において反射した反射光を受光する。
制御部１３は、投光素子１１からの投光ごとに、受光信号の値と閾値を相対的に変化させることにより、受光信号が閾値を上方または下方に超える時点になるように受光信号を変動させる。具体的には、制御部１３は、投光素子１１の投光制御を行うとともに、二値化部１５における二値化処理に用いられる閾値を変化させる閾値制御を行う。より詳細には、制御部１３は、予め設定された正規分布（図３参照）に従って、投光素子１１からの投光ごとに閾値を変化させる。また、制御部１３は、サンプリング部１６における二値信号のサンプリング制御を行う。
【００３６】
アナログ処理部１４は、受光素子１２において受光した信号に対してフィルタ処理することで、受光信号に含まれるノイズを除去する。なお、アナログ処理部１４において用いられるフィルタとしては、ローパスフィルタやバンドパスフィルタが好適である。そして、アナログ処理部１４は、処理した信号（アナログ処理信号）を二値化部１５へ出力する。
【００３７】
二値化部１５は、アナログ処理部１４から入力されたアナログ処理信号を、制御部１３によって所定の正規分布に沿って変化させられる閾値を用いて二値化処理を行う。具体的には、二値化部１５は、入力されたアナログ処理信号と、制御部１３によって変化させた閾値とを比較して、閾値より大きいか小さいかによって二値化処理し、二値信号を出力する。
【００３８】
なお、二値化部１５の構成としては、図２（ａ）に示すように、入力されたアナログ処理信号と予め段階的に設定された閾値とを比較するコンパレータ２０を用いることができる。
また、二値化部１５の構成として、図２（ｂ）に示すように、入力されたアナログ処理信号とＤＡＣ（Digital Analog Converter）５１によって任意に設定された閾値とを比較するコンパレータ２０を用いてもよい。
【００３９】
ここで、二値化部１５における二値化処理は、図３に示すように、投光ごとに二値化処理用の閾値の値を変化させながら実施される。すなわち、図３に示す例では、制御部１３によって、投光素子１１からの投光ごとに、正規分布に沿って変化させられる複数の閾値Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２，Ｖｔｈ３，・・・，ＶｔｈＮが設定される。
なお、本実施形態では、制御部１３は、図４に示すように、基準閾値（０Ｖ）に対して左右対称性を有する正規分布に沿って、閾値の値を変化させる。閾値の変化の幅（範囲）としては、上述したように、±０．３Ｖに設定されている。
【００４０】
具体的には、制御部１３は、基準閾値である０Ｖを中心に、正規分布に沿って、例えば、基準閾値０Ｖで２０００回の閾値設定が行われるとすると、±０．１Ｖで１２５０回、±０．２Ｖで２２５回、±０．３Ｖ付近で２５回の設定が行われる。正規分布となるデータ列は、正規分布に従うデータ列を記憶装置に記憶させておきそれらを読み出す方法や、ボックス＝ミュラー法を用いて一様分布に従うデータ列から生成する方法によって生成することができる。
【００４１】
サンプリング部１６は、二値化部１５から出力された二値信号を一定時間間隔で取得して標本化するように、制御部１３によってサンプリング制御される。なお、本実施形態では、上述したように、サンプリング周期２００ｐｓｅｃに設定されている。
ヒストグラム生成部１７は、サンプリング部１６において取得された二値信号のデータの立ち下がり（または立ち上がり）のエッジを抽出する。そして、ヒストグラム生成部１７は、図４に示すように、抽出したエッジ部分のデータを積算して、ヒストグラムを生成する。
【００４２】
なお、ヒストグラム生成部１７は、制御部１３において設定された所定回数Ｎ回分のデータを用いて繰り返しエッジ部分のデータを積算する。本実施形態では、積算回数として、５０００回が設定されている。
受光時点算出部１８は、制御部１３において生じさせる変動によって変化する、変動に関連する量を統計的処理によって処理することによって、受光素子１２において反射光を受光した受光時点を決定する。具体的には、受光時点算出部１８は、図４に示すように、ヒストグラム生成部１７において生成されたヒストグラムの中で最大値を含む塊を抽出し、塊の重心を受光時点として決定する。または、受光時点算出部１８は、ヒストグラム生成部１７において生成されたヒストグラムの重心位置を求めて受光時点として決定してもよい。
【００４３】
なお、受光時点算出部１８は、ヒストグラムの中で、予め設定されたピーク判定閾値以上の値を含む塊を抽出して、受光時点を決定してもよい。
距離算出部１９は、受光時点算出部１８において決定された受光時点と、投光素子１１から光が出射された投光時点とを用いて、投光素子１１から出射された光の飛行時間を算出する。そして、距離算出部１９は、飛行時間に基づいて、対象物までの距離を算出する。
【００４４】
本実施形態の測距センサ１０は、以上のような構成により、投光素子１１から対象物に対して出射された光の反射光を受光素子１２において受光する。そして、制御部１３が、受光信号を二値化処理する際に用いられる閾値を、予め設定された分布（正規分布）に沿って変化させる。
これにより、受光時点を変動させながら取得した二値信号のデータを積算して生成されるヒストグラムを用いて受光時点を決定することで、サンプリング周期（周波数）以上の連続的な時間分解能を持つ測距センサ１０を得ることができる。
【００４５】
＜測距センサ１０を用いた測距方法１＞
本実施形態の測距センサ１０では、上述した構成により、図５に示すフローチャートに従って、測距方法を実施する。
すなわち、ステップＳ１１では、制御部１３が、二値化部１５における二値化処理に用いられる閾値を設定する。
【００４６】
次に、ステップＳ１２では、制御部１３が、正規分布に従って二値化処理用の閾値の値を変更する。
次に、ステップＳ１３では、制御部１３から出力された投光指令信号を受信した投光素子１１が、対象物に対して光を出射する。
次に、ステップＳ１４では、受光素子１２が、投光素子１１から対象物に対して出射された光の反射光を受光する。
【００４７】
次に、ステップＳ１５では、アナログ処理部１４が、受光素子１２から出力された受光信号に含まれるノイズを、フィルタを用いて除去する。
次に、ステップＳ１６では、二値化部１５が、アナログ処理部１４から出力された信号を、制御部１３によって設定された閾値を用いて二値化する。
次に、ステップＳ１７では、サンプリング部１６が、二値化部１５において二値化処理された信号を、一定の時間間隔でサンプリングしながらデータを取得するように、制御部１３によってサンプリング制御される。
【００４８】
次に、ステップＳ１８では、ヒストグラム生成部１７が、サンプリング部１６においてサンプリングされた二値信号のデータの立ち下がりエッジを抽出する。
次に、ステップＳ１９では、ヒストグラム生成部１７が、抽出されたエッジ部分のデータを積算してヒストグラムを生成する。
次に、ステップＳ２０では、データの積算回数が予め設定された所定回数Ｎ回目であるか否かを判定する。つまり、ステップＳ２０では、所定回数Ｎ回目の積算まで、ステップＳ１２からステップＳ１９までの処理を繰り返し行い、ヒストグラムを生成する。
【００４９】
次に、ステップＳ２１では、受光時点算出部１８が、ヒストグラム生成部１７において生成されたヒストグラムの中の最大値を含む塊を抽出する。
次に、ステップＳ２２では、受光時点算出部１８が、抽出された塊の重心を、受光時点として決定する（図４参照）。
次に、ステップＳ２３では、距離算出部１９が、ステップＳ２２において決定された受光時点と、その光の投光素子１１からの投光時点とを用いて飛行時間を算出する。
【００５０】
次に、ステップＳ２４では、距離算出部１９が、ステップＳ２３において算出された飛行時間と、光の速度とに基づいて、対象物までの距離を算出する。
本実施形態の測距方法では、以上のようなステップにより、投光素子１１から対象物に対して出射された光の反射光を受光素子１２において受光する。そして、制御部１３が、受光信号を二値化処理する際に用いられる閾値を、予め設定された分布（正規分布）に沿って変化させる。
【００５１】
これにより、受光時点を変動させながら取得した二値信号のデータを積算して生成されるヒストグラムを用いて受光時点を決定することで、サンプリング周期（周波数）以上の連続的な時間分解能を持つ測距センサ１０を得ることができる。
（実施形態２）
本発明の他の実施形態に係る測距センサ１０および測距方法について、図６〜図８を用いて説明すれば以下の通りである。
【００５２】
本実施形態に係る測距センサ１０は、制御部１３が、二値化部１５における二値化処理に用いられる閾値を、図６に示すように、投光ごとに、一様分布に沿って変化させる点で、上記実施形態１とは異なっている。
すなわち、上記実施形態１では、二値化処理に用いられる閾値を、正規分布に沿って変化させている一方、本実施形態では、一様分布に沿って変化させている。すなわち、図６に示す例では、制御部１３によって、投光素子１１からの投光ごとに、一様分布に沿って変化させられる複数の閾値Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２，Ｖｔｈ３，・・・，ＶｔｈＮが設定される。
【００５３】
なお、本実施形態では、上記実施形態１と同様に、制御部１３は、図７に示すように、基準閾値（０Ｖ）に対して左右対称性を有する一様分布に沿って、閾値の値を変化させる。閾値の変化の幅（範囲）としては、上記実施形態１と同様に、±０．３Ｖに設定されている。
また、本実施形態の測距センサ１０は、閾値を変化させる際の変化の分布の種類が上記実施形態１と異なるものの、図１および図２に示す構成と同様の構成を備えているものとする。
【００５４】
本実施形態の測距センサ１０では、図７に示すように、制御部１３が一様分布に沿って閾値を変化させながら、二値化部１５において、ノイズが除去されたアナログ処理信号に対して二値化処理を行う。
ここで、本実施形態では、サンプリング部１６が、二値化処理後に一定の時間間隔でサンプリングしながら二値信号のデータを取得する。そして、ヒストグラム生成部１７が、二値信号のデータを積算してヒストグラムを生成する。
【００５５】
さらに、本実施形態では、図７に示すように、受光時点算出部１８が、ヒストグラム生成部１７が生成したヒストグラムの最大値を抽出し、この最大値の後の受光時点判定基準以下となる第１時点を検出する。なお、本実施形態では、受光時点判定基準として、積算回数／２が設定されているが、他の値に設定されていてもよい。
そして、受光時点算出部１８は、図７に示すように、上記第１時点を挟む前後数点によって求められる回帰直線を形成し、この回帰直線と受光時点判定基準とが交差する点を受光時点として決定する。
【００５６】
距離算出部１９は、受光時点算出部１８において決定された受光時点と、投光素子１１からの投光時点とを用いて光の飛行時間を算出する。そして、距離算出部１９は、この飛行時間に基づいて、対象物までの距離を算出する。
本実施形態の測距センサ１０は、以上のような構成により、投光素子１１から対象物に対して出射された光の反射光を受光素子１２において受光する。そして、制御部１３が、受光信号を二値化処理する際に用いられる閾値を、予め設定された分布（一様分布）に沿って変化させる。
【００５７】
これにより、上記実施形態１と同様に、受光時点を変動させながら取得した二値信号のデータを積算して生成されるヒストグラムを用いて受光時点を決定することで、サンプリング周期（周波数）以上の連続的な時間分解能を持つ測距センサ１０を得ることができる。
＜測距センサ１０を用いた測距方法２＞
本実施形態の測距センサ１０では、上述した構成により、図８に示すフローチャートに従って、測距方法を実施する。
【００５８】
なお、図８に示すように、ステップＳ１１〜ステップＳ１７については、上記実施形態１の測距方法のステップＳ１１〜ステップＳ１７と同様であることから、ここではその説明を省略する。
次に、ステップＳ３１では、ヒストグラム生成部１７が、サンプリング部１６においてサンプリングされた二値信号のデータを積算してヒストグラムを生成する。
【００５９】
次に、ステップＳ３２では、データの積算回数が予め設定された所定回数Ｎ回目であるか否かを判定する。つまり、ステップＳ３２では、所定回数Ｎ回目の積算まで、ステップＳ１２からステップＳ１７、ステップＳ３１までの処理を繰り返し行い、ヒストグラムを生成する。
次に、ステップＳ３３では、受光時点算出部１８が、ヒストグラム生成部１７において生成されたヒストグラムの中の最大値を抽出する。
【００６０】
次に、ステップＳ３４では、受光時点算出部１８が、抽出された最大値の後の受光時点判定基準以下となる時点を検出し、これを挟む前後数点から求めた回帰直線と受光時点判定基準との交点を受光時点として決定する（図７参照）。
次に、ステップＳ３５では、距離算出部１９が、ステップＳ３４において決定された受光時点と、その光の投光素子１１からの投光時点とを用いて飛行時間を算出する。
【００６１】
次に、ステップＳ３６では、距離算出部１９が、ステップＳ３５において算出された飛行時間と、光の速度とに基づいて、対象物までの距離を算出する。
本実施形態の測距方法では、以上のようなステップにより、投光素子１１から対象物に対して出射された光の反射光を受光素子１２において受光する。そして、制御部１３が、受光信号を二値化処理する際に用いられる閾値を、予め設定された分布（一様分布）に沿って変化させる。
【００６２】
これにより、上記実施形態１の測距方法と同様に、受光時点を変動させながら取得した二値信号のデータを積算して生成されるヒストグラムを用いて受光時点を決定することができる。よって、サンプリング周期（周波数）以上の連続的な時間分解能を持つ測距センサ１０を得ることができる。
（実施形態３）
本発明のさらに他の実施形態に係る測距センサ１００および測距方法について、図９〜図１２を用いて説明すれば以下の通りである。
【００６３】
本実施形態に係る測距センサ１００は、図９に示すように、上記実施形態１の測距センサ１０の構成に加えて、波形整形部１１０を備えている点で、上記実施形態１とは異なっている。
そして、本実施形態の測距センサ１００では、制御部１３が二値化部１５における二値化処理に用いられる閾値の値を直接変化させる閾値制御を実施する代わりに、固定値として設定された閾値を受光信号（アナログ処理信号）に対して相対的に変化させている。
【００６４】
すなわち、本実施形態では、制御部１３が、アナログ処理部１４から入力されるアナログ処理信号をオフセット制御するように波形整形部１１０を制御することで、閾値を受光信号に対して相対的に変化させる。
波形整形部１１０の構成としては、図１０（ａ）に示すように、入力されたアナログ処理信号と予め段階的に設定されたオフセット値Ｖｒｅｆ１、Ｖｒｅｆ２、Ｖｒｅｆ３、・・・、ＶｒｅｆＮとが入力されるリミットアンプ１２０を用いることができる。
【００６５】
リミットアンプ１２０は、段階的に設定されたオフセット値に応じてオフセットされたアナログ処理信号を、整形信号として出力する。
なお、波形整形部１１０の構成として、図１０（ｂ）に示すように、入力されたアナログ処理信号と、ＤＡＣ（Digital Analog Converter）１５１によって任意に設定されたオフセット値とが入力されるリミットアンプ１２０を用いてもよい。
【００６６】
本実施形態では、波形整形部１１０は、図１１に示すように、アナログ処理信号がオフセット値に応じてオフセットされた整形信号を出力する。
これにより、オフセットされた複数の整形信号の波形における立ち下がりエッジ部の位置を、図１１に示すように変化させることができる。
よって、固定値として設定された閾値を用いた場合でも、受光信号（アナログ処理信号）側をオフセット制御することで、閾値が受光信号に対して相対的に変化した状態を形成することができる。
【００６７】
この結果、受光信号に対して相対的に変化する閾値を用いることで、上記実施形態１，２と同様に、サンプリング周期（周波数）以上の連続的な時間分解能を持つ測距センサ１０を得ることができる。
＜測距センサ１００を用いた測距方法２＞
本実施形態の測距センサ１００では、上述した構成により、図１２に示すフローチャートに従って、測距方法を実施する。
【００６８】
すなわち、ステップＳ４１では、二値化部１５における二値化処理に用いられる閾値（固定値）が設定される。
次に、ステップＳ４２では、制御部１３が、波形整形部１１０においてオフセット制御を行う際のオフセット値を設定する。なお、このオフセット値は、投光ごとに変化するように、制御部１３によってオフセット制御される。
【００６９】
次に、ステップＳ４３では、制御部１３から出力された投光指令信号を受信した投光素子１１が、対象物に対して光を出射する。
次に、ステップＳ４４では、受光素子１２が、投光素子１１から対象物に対して出射された光の反射光を受光する。
次に、ステップＳ４５では、アナログ処理部１４が、受光素子１２から出力された受光信号に含まれるノイズを、フィルタを用いて除去する。
【００７０】
次に、ステップＳ４６では、波形整形部１１０が、アナログ処理部１４から出力された信号を、ステップＳ４２において設定されたオフセット値を用いてオフセットさせる。
なお、波形整形部１１０におけるオフセット制御は、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すリミットアンプ１２０の特性を利用して行われる。
次に、ステップＳ４７では、二値化部１５が、波形整形部１１０においてオフセットされた信号を、制御部１３によって設定された閾値を用いて二値化する。
【００７１】
次に、ステップＳ４８では、サンプリング部１６が、二値化部１５において二値化処理された信号を、一定の時間間隔でサンプリングしながらデータを取得するように、制御部１３によってサンプリング制御される。
次に、ステップＳ４９では、ヒストグラム生成部１７が、サンプリング部１６においてサンプリングされた二値信号のデータを積算してヒストグラムを生成する。
【００７２】
次に、ステップＳ５０では、データの積算回数が予め設定された所定回数Ｎ回目であるか否かを判定する。つまり、ステップＳ５０では、所定回数Ｎ回目の積算まで、ステップＳ４２からステップＳ４９までの処理を繰り返し行い、ヒストグラムを生成する。
次に、ステップＳ５１では、受光時点算出部１８が、ヒストグラム生成部１７において生成されたヒストグラムの中の最大値を抽出する。
【００７３】
次に、ステップＳ５２では、受光時点算出部１８が、抽出された最大値の後の受光時点判定基準以下となる時点を検出し、これを挟む前後数点から求めた回帰直線と受光時点判定基準との交点を受光時点として決定する。
次に、ステップＳ５３では、距離算出部１９が、ステップＳ５２において決定された受光時点と、その光の投光素子１１からの投光時点とを用いて飛行時間を算出する。
【００７４】
次に、ステップＳ５４では、距離算出部１９が、ステップＳ５３において算出された飛行時間と、光の速度とに基づいて、対象物までの距離を算出する。
本実施形態の測距方法では、以上のようなステップにより、投光素子１１から対象物に対して出射された光の反射光を受光素子１２において受光する。そして、制御部１３が、受光信号を二値化処理する際に用いられる閾値が受光信号（アナログ処理信号）に対して相対的に変化するように、受光信号のオフセット制御を行う。
【００７５】
これにより、上記実施形態１，２の測距方法と同様に、受光時点を変動させながら取得した二値信号のデータを積算して生成されるヒストグラムを用いて受光時点を決定することができる。よって、サンプリング周期（周波数）以上の連続的な時間分解能を持つ測距センサ１００を得ることができる。
［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。
【００７６】
（Ａ）
上記実施形態では、図４に示すように、受光信号（アナログ処理信号）を二値化処理した二値信号のデータの立ち下がりエッジ部分を検出し、立ち下がりエッジ部分におけるデータを積算してヒストグラムを生成す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。
【００７７】
例えば、受光信号（アナログ処理信号）を二値化処理した二値信号のデータの立ち上がりエッジ部分を検出し、立ち上がりエッジ部分におけるデータを積算してヒストグラムを生成してもよい。
この場合でも、例えば、立ち上がりエッジ部分のデータを積算して生成されたヒストグラムの最大値を含む塊の重心を検出して、この重心位置を受光時点として決定することで算出された飛行時間に基づいて、対象物までの距離を算出することができる。
【００７８】
（Ｂ）
上記実施形態１，２では、投光素子１１からの投光ごとに閾値を変化させる際には、図３および図６に示すように、正規分布あるいは一様分布に沿って、徐々に閾値の値を大きく変化させていく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、投光ごとに、ランダムに設定された大きさの閾値になるように、閾値を変化させてもよい。
【００７９】
（Ｃ）
上記実施形態３では、受光時点算出部１８における受光時点の決定に際して、実施形態２と同様に、回帰直線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。
【００８０】
例えば、実施形態３の構成において、受光時点算出部１８における受光時点の決定は、実施形態１と同様に、ヒストグラムの最大値を含む塊を抽出し、その塊の重心位置を受光時点として決定してもよい。
また、回帰直線の代わりに関数フィッティングにより得られる関数を用いて受光時点を決定してもよい。
【００８１】
（Ｄ）
上記実施形態１，２では、図３および図６に示すように、正規分布あるいは一様分布という基準閾値に対して対称性を有する分布に沿って、閾値を変化させ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、正規分布および一様分布以外にも、放物線を分布関数とする分布や三角分布のように、基準閾値に対して対称性を有する分布に沿って、閾値を変化させる閾値制御を実施してもよい。
【００８２】
（Ｅ）
上記実施形態では、図４および図７に示すように、制御部１３が、基準閾値（０Ｖ）に対して、±０．３Ｖの幅で、閾値を変化させ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、基準閾値に対する変化の幅は、０．３Ｖに限定されることなく、他の値に設定されていてもよい。
【００８３】
（Ｆ）
上記実施形態では、二値化部を一つの処理によって行っているが、データ取得時間を短縮するために、二値化部をプラス側とマイナス側の２つに分けて複数の処理によって行ってもよい。
（Ｇ）
上記実施形態では、対象物の動きについて特に論じていないが、サンプリング周期を十分に短くするか、測距領域内で距離を繰り返し計測するかにより、静止している対象物以外にも、動きのある対象物に対しても適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
本発明の測距センサは、サンプリング周期よりも細かい任意の受光時点を算出して、従来よりも連続的かつ高い分解能を実現することができるという効果を奏することから、ＴＯＦ方式を採用した測距装置に対して広く適用可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１０      測距センサ
１１      投光素子（投光部）
１２      受光素子（受光部）
１３      制御部
１４      アナログ処理部
１５      二値化部
１６      サンプリング部
１７      ヒストグラム生成部
１８      受光時点算出部
１９      距離算出部
２０      コンパレータ
５１      ＤＡＣ（Digital Analog Converter）
５５      二値化部
１００    測距センサ
１１０    波形整形部
１２０    リミットアンプ
１５１    ＤＡＣ（Digital Analog Converter）
【図１】
2018017534.tif 000003
【図２】
2018017534.tif 000004
【図３】
2018017534.tif 000005
【図４】
2018017534.tif 000006
【図５】
2018017534.tif 000007
【図６】
2018017534.tif 000008
【図７】
2018017534.tif 000009
【図８】
2018017534.tif 000010
【図９】
2018017534.tif 000011
【図１０】
2018017534.tif 000012
【図１１】
2018017534.tif 000013
【図１２】
2018017534.tif 000014