(57)【要約】【課題】  クロストークの影響を回避し、より高精度な距離画像を取得すること。【解決手段】  本発明は、第１の距離計測装置および第２の距離計測装置を備える距離計測システムであって、前記第１の距離計測装置の前記変調光の第１の変調周波数をｆ１、周期をＴ１、前記第２の距離計測装置の前記変調光の第２の変調周波数をｆ２、周期をＴ２としたときに、ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１≠ｎ２を満たし、前記第１、第２の距離計測装置は、発光周期を３または４分割する複数タイミングの各々において、他方の装置の変調周波数との相対位相状態がそれぞれ互いに異なる位相状態を所定時間幅で受光検出する。【選択図】  図３
2018036144.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調光を照射する照射手段と、該照射手段が照射した変調光の反射光を受光する受光手段と、受光手段による反射光の受光を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて光の飛行時間を計測し、対象物までの距離を算出する算出手段とを有する第１の距離計測装置および第２の距離計測装置を備える距離計測システムであって、
前記第１の距離計測装置の前記変調光の第１の変調周波数をｆ１、周期をＴ１、前記第２の距離計測装置の前記変調光の第２の変調周波数をｆ２、周期をＴ２としたときに、ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１≠ｎ２を満たし、
前記第１の距離計測装置は、
発光周期のＴ１を３または４分割する複数タイミングの各々において、第２の変調周波数ｆ２との相対位相状態がそれぞれ異なるｎ２個の位相状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ２個の受光検出をｋ１回（ただしｋ１は自然数）行う第１の検出手段と、
９０°位相差信号の算出値に基づき第１の距離計測装置の対象物までの距離を算出する第１の算出手段と、を備え、
第２の距離計測装置は、
発光周期のＴ２を３または４分割する複数タイミングの各々において、前記第１の変調周波数ｆ１との相対位相状態がそれぞれ異なるｎ１個の位相状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ１個の受光検出をｋ２回（ただしｋ２は自然数）行う第２の検出処理手段と、
９０°位相差信号の算出値に基づき第２の距離計測装置の対象物までの距離を算出する第２の算出手段と、を備える
ことを特徴とする距離計測システム。
【請求項２】
前記ｎ２／ｎ１が奇数値以外の場合に、前記第１の検出手段および第２の検出手段で検出する複数のタイミング位相が４等分割位相であることを特徴とする請求項１に記載の距離計測システム。
【請求項３】
前記ｎ２／ｎ１が奇数値かつｆ２＜ｆ１の場合に、前記第２の変調周波数ｆ２の距離計測装置の検出位相のタイミングが４分割であり、該４分割検出のタイミングにおいて９０°位相差信号それぞれと対をなす検出信号の検出のタイミングが
【数１】
2018036144.tif 000041
であることを特徴とする請求項１に記載の距離計測システム。
【請求項４】
前記ｎ２／ｎ１が自然数でない、または３の倍数の場合に、第１の検出手段および第２の検出手段で検出する複数のタイミング位相が３等分割の位相であることを特徴とする請求項１に記載の距離計測システム。
【請求項５】
前記ｎ２／ｎ１が自然数かつ３の倍数以外の場合に、前記第２の検出手段の検出のタイミング位相が３等分割位相であり、
ＩＮＴ（ｘ）はｘの小数部を切り捨てた整数値を返す関数、ｍは自然数であるとしたときに、受光時間幅のＷｆ２を
【数２】
2018036144.tif 000042
とすることを特徴とする請求項１に記載の距離計測システム。
【請求項６】
前記距離計測システムは３つ以上の距離計測装置を有し、当該３つ以上の距離計測装置の２つを前記第１距離計測装置、第２の距離計測としたときに、何れの前記ｎ２／ｎ１が全て自然数であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の距離計測システム。
【請求項７】
前記受光手段が複数の受光素子の２次元配列からなり、該受光素子それぞれに対して検出処理手段および算出処理手段を備え、２次元距離画像を生成する生成手段を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の距離計測システム。
【請求項８】
前記第１の距離計測装置および第２の距離計測装置において、前記照射手段は複数の波長を照射し、前記受光手段の検出波長フィルタを該発光波長に対応させることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の距離計測システム。
【請求項９】
前記第１の距離計測装置および第２の距離計測装置は、ヘッドマウントディスプレイ装置であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の距離計測システム。
【請求項１０】
変調光を照射する照射手段と、該照射手段が照射した変調光の反射光を受光する受光手段と、受光手段による反射光の受光を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて光の飛行時間を計測し、対象物までの距離を算出する算出手段とを有する第１の距離計測装置および第２の距離計測装置を備える距離計測システムにおける距離計測方法であって、
前記第１距離計測装置の前記変調光の第１の変調周波数をｆ１、周期をＴ１、前記第２の距離計測装置の前記変調光の第２の変調周波数をｆ２、周期をＴ２としたときに、ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１≠ｎ２を満たし、
前記第１の距離計測装置は、
発光周期のＴ１を３または４分割する複数タイミングの各々において、第２の変調周波数ｆ２との相対位相状態がそれぞれ異なるｎ２個の位相状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ２個の受光検出をｋ１回（ただしｋ１は自然数）行い、
９０°位相差信号の算出値に基づき第１の距離計測装置の対象物までの距離を算出し、
第２の距離計測装置は、
発光周期のＴ２を３または４分割する複数タイミングの各々において、前記第１の変調周波数ｆ１との相対位相状態がそれぞれ異なるｎ１個の位相状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ１個の受光検出をｋ２回（ただしｋ２は自然数）行い、
９０°位相差信号の算出値に基づき第２の距離計測装置の対象物までの距離を算出する
ことを特徴とする距離計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物までの距離を計測する光飛行型距離計測の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
距離検出装置には、複数のカメラを用いるステレオ方式や、パターン投影する方式などがあるが、比較的小型で精度が良く処理速度が速い手法として光飛行型距離計測（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）方式を用いたものがある。ＴＯＦ方式とは、距離計測の対象とする空間に強度変調した光を照射し、その反射光が受光器に到達するまでの時間計測を行う方式であり、遅延時間を直接検出する直接法、遅延時間を変調周波数の位相ズレとして検出する間接法等が知られている。
【０００３】
変調光を利用するＴＯＦ方式の距離計測装置で、特に所定範囲の２次元距離画像を取得する装置系において、複数の装置を使用する場合、別の距離計測装置から照射した強度変調光の反射光が自ら照射した強度変調光と同時に受光器で検出される。したがって、受光変調光にクロストークが発生し、距離計測値の検出値に誤差が発生するという問題がある。
【０００４】
その対応策として、特許文献１には、装置内で照射領域別に時分割発光を行い他装置との光学クロストークを低減する手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−２２７７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に開示されるような時分割発光の技術では、十分な効果を得る為に同期性を確保した場合、連続する距離画像を得るために要する時間が多くなり、距離画像更新速度の低下を招かざるを得ない状態になる。そこで、本発明は、複数装置の使用によるクロストークの影響を回避し、より高精度な距離画像の取得を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、変調光を照射する照射手段と、該照射手段が照射した変調光の反射光を受光する受光手段と、受光手段による反射光の受光を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて光の飛行時間を計測し、対象物までの距離を算出する算出手段とを有する第１の距離計測装置および第２の距離計測装置を備える距離計測システムであって、前記第１の距離計測装置の前記変調光の第１の変調周波数をｆ１、周期をＴ１、前記第２の距離計測装置の前記変調光の第２の変調周波数をｆ２、周期をＴ２としたときに、ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１≠ｎ２を満たし、前記第１の距離計測装置は、発光周期Ｔ１を３または４分割する複数タイミングの各々において、第２の変調周波数ｆ２との相対位相状態がそれぞれ異なるｎ２個の位相状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ２個の受光検出をｋ１回（ただしｋ１は自然数）行う第１の検出手段と、９０°位相差信号の算出値に基づき第１の距離計測装置の対象物までの距離を算出する第１の算出手段と、を備え、第２の距離計測装置は、発光周期Ｔ２を３または４分割する複数タイミングの各々において、前記第１の変調周波数ｆ１との相対位相状態がそれぞれ異なるｎ１個の位相状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ１個の受光検出をｋ２回（ただしｋ２は自然数）行う第２の検出処理手段と、９０°位相差信号の算出値に基づき第２の距離計測装置の対象物までの距離を算出する第２の算出手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
以上の構成によれば、本発明では、複数装置の使用によるクロストークの影響を回避し、より高精度な距離画像の取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る光飛行型距離計測システムの概略図。
【図２】実施形態に係る光飛行型距離計測装置の光飛行位相遅れ検出処理方法を説明する図。
【図３】実施例１に係る第１の距離計測装置における４相サンプリング検出タイミング図。
【図４】実施例１に係る第２の距離計測装置における４相サンプリング検出タイミング図。
【図５】実施例２に係る第１の距離計測装置における４相サンプリング検出タイミング図。
【図６】実施例２に係る第２の距離計測装置における４相サンプリング検出タイミング図。
【図７】実施例３に係る第１の距離計測装置における３相サンプリング検出タイミング図。
【図８】実施例３に係る第２の距離計測装置における３相サンプリング検出タイミング図。
【図９】実施例４に係る第１の距離計測装置における３相サンプリング検出タイミング図。
【図１０】実施例４に係る第２の距離計測装置における３相サンプリング検出タイミング図。
【図１１】実施例５に係る第１、第２、第３の距離計測装置における１つのサンプリング位相検出タイミング図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本実施形態に係る光飛行型距離計測システムの構成を示す概略図である。図１に示すように、光飛行型距離計測システムは、第１の光飛行型距離計測装置、及び第２の光飛行型距離計測装置により構成され、それぞれの光飛行型距離計測装置は同様の構成を有している。
【００１１】
光照射部１０は、ＬＥＤやレーザー等の光源１１、レンズ或いは拡散板等光照射領域を制定する光学部材１２を備え、光源変調部１３をコントローラ１４で制御することにより、対象体（対象物）１５の領域に変調光を照射する構成をとる。また、対象体で反射された散乱反射光は、集光する集光レンズ１７を介し、所定領域からの反射光を受光素子アレイ１８上に集光する受光部１６を備える。前記受光部は、照射された光の発光波長に検出波長フィルタが対応されている。そして、受光、光電変換された電気信号処理を行う受光検出処理部（検出手段）１９、受光検出処理部１９の検出信号より対象体までの距離を算出する距離算出処理部（算出手段）２０を備える。
【００１２】
次に、図２を用いて、各光飛行型距離計測装置における、光飛行による遅延時間を変調周波数の位相遅れとして検出する間接法検出原理の基本的な概念を説明する。ここでは、位相遅れ検出として最も理想的な変調波形である正弦波状の変調光を例に挙げ説明する。図２（Ａ）において、ａ）変調制御信号、ｂ）照射変調光、ｃ）受光変調光＋環境光の時間変化を示すタイミングチャートである。変調周波数は対象となる計測距離範囲、対象反射率等により適用値を変更することが望ましいが、通常、５ｍ前後を測定対象とする場合は、３０ＭＨｚ前後となる。ｃ）受光変調光＋環境光では、変調周波数に対して、ＤＣ光、或いは変化の遅いＤＣ光的外部環境光も併せて検出される。ｂ）照射変調光、ｃ）受光変調光＋環境光は、理想的には、下記の数式１、数式２のように表現される。
【００１３】
ｂ（ｔ）＝α［１＋ｓｉｎ（２πｆｔ）］      （数式１）
ここで、ｆは変調周波数、αは中心光強度である。
【００１４】
ｃ（ｔ）＝ＢＧ（ｔ）＋αβ［１＋ｓｉｎ（２πｆｔ−θ）］      （数式２）
ここで、ＢＧ（ｔ）は環境光、βは反射光効率、θは飛行時間位相遅れである。
【００１５】
図２（Ａ）において、Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０は、１つの受光素子において照射変調光の所定基準に対して４等分割した検出位相タイミングを示しており、これらの変調位相タイミングで４相の反射光を検出する。各反射光の検出タイミングにおいて反射光の検出時間幅は特に規定されるものではなく、所定時間幅を設定すればよい。しかし、検出光量の振幅値を考慮すると変調周期の１／２とすることが一般的である。変調周期の１／２の受光検出時間とし、１／ｆ＝Ｔとすると、Ａ０は以下の数式３のように表現できる。なお、受光検出時間となる積分期間は照射変調光との相対的な位相状態を示している。
【００１６】
【数１】
2018036144.tif 000003
【００１７】
Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０に関しても、以下の数式３，４，５のように同様に表現できる。
【００１８】
【数２】
2018036144.tif 000004
【００１９】
【数３】
2018036144.tif 000005
【００２０】
【数４】
2018036144.tif 000006
【００２１】
実際の計測処理においては、Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０それぞれ複数の区間に亘り検出し、対象物の移動等の動的変化との兼ね合いも考慮し、加算、平均等のＳＮ特性を向上させる処理を実施する。さらに、検出信号Ａ０とＡ１８０、Ａ９０とＡ２７０は被信号成分が逆相になり、かつ、外部環境光等は、変調周波数に対して変化が緩やかなため、ＤＣ成分光として扱うことが可能となる。したがって、Ａ０とＡ１８０の差動（Ａ０−Ａ１８０）、Ａ９０とＡ２７０の差動（Ａ９０−Ａ２７０）を取ることで、環境光等ＤＣ成分を除去した受光変調光成分のみの抽出が可能となり、差動検出によりＳＮ向上にも寄与する。そして、差動信号（Ａ０−Ａ１８０）、（Ａ９０−Ａ２７０）は光飛行時間（位相遅れ）に対応して、図２（Ｂ）に示すような９０°位相差の２相信号となる。
【００２２】
また、光飛行時間（位相遅れ）に対応する差動信号（Ａ０−Ａ１８０）、（Ａ９０−Ａ２７０）のリサージュ波形は、図２（Ｃ）のようになる。そのため、差動信号（Ａ０−Ａ１８０）と（Ａ９０−Ａ２７０）との逆正接演算を行うことで、照射変調光に対する受光変調光の光飛行時間（位相遅れ）に相当する位相状態θを算出することができる。したがって、位相遅れθは以下の数式７のように表記できる。
θ＝ＡＴＡＮ２［（Ａ９０−Ａ２７０），（Ａ０−Ａ１８０）］      （数式７）
【００２３】
ここで、ＡＴＡＮ２［ｙ，ｘ］は、象限を判別して±π位相に変換する逆正接演算関数である。これにより、照射変調光と受光変調光との光飛行時間に相当する位相遅れが検出され、この位相遅れθと光速ｃとから、反射対象物までの距離は、以下の数式８により算出することができ、図２（Ｄ）に示す関係になる。
【００２４】
【数５】
2018036144.tif 000007
【００２５】
以降説明する実施例においては、上述した検出処理を処理アルゴリズムの基本として説明を行う。ただし、前述したように、光強度変調光の種別は上述した正弦波に限定されるものではない。例えば、パルス光、三角波光等も考えられ、検出処理原理も照射光に対すると反射検出光の各検出位相タイミングでの光量比、象限判別より位相遅れを算出すれば、上述の説明と同様に反射対象物の距離算出が可能となる。また、上記受光検出時間に相当する積分期間も１／２Ｔに限定されるものではなく、一部の条件下を除けば、任意の積分期間に対して上記説明が成立する。
【００２６】
以降の実施例では、本実施形態の特徴となる、第１の光飛行型距離計測装置の第１の変調周波数ｆ１（発光周期：Ｔ１）と、第２の光飛行型距離計測装置の第２の変調周波数ｆ２（発光周期：Ｔ２）との関係が、
ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１≠ｎ２
である条件において、さらに以下に示す幾つかのｎ２／ｎ１条件、サンプリング位相条件を例にとり説明を行う。
【００２７】
「実施例１」では、ｎ２／ｎ１が奇数値以外であり、検出する複数のタイミング位相を４等分割位相とする実施例に関して説明する。
【００２８】
「実施例２」では、ｎ２／ｎ１が奇数値であり、検出する複数のタイミング位相を４分割位相とする実施例に関して説明する。（「実施例１」以外の４分割検出）
「実施例３」では、ｎ２／ｎ１が自然数でない、或いは３の倍数であり、検出する複数のタイミング位相を３等分割位相とする実施例に関して説明する。
【００２９】
「実施例４」では、ｎ２／ｎ１が自然数かつ３の倍数以外であり、検出する複数のタイミング位相を３等分割位相とする実施例に関して説明する。（「実施例３」以外の３分割検出）
【００３０】
「実施例５」では、光飛行型距離計測装置を同一空間で３つ使用する場合、内２つのｎ２／ｎ１が全て自然数である実施例に関して説明する。
【００３１】
（実施例１）
実施例１では、第１の光飛行型距離計測装置の第１の変調周波数：ｆ１（周期：Ｔ１）と、第２の光飛行型距離計測装置の第２の変調周波数：ｆ２（周期：Ｔ２）との関係が、
ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１≠ｎ２
である条件下において、ｎ２／ｎ１が奇数値以外のｎ１＝２、ｎ２＝３であり、検出する複数のタイミング位相が４等分割位相（０°、９０°、１８０°、２７０°）である例について図３、図４を用いて説明する。図３は、本実施例における第１の距離計測装置におけるタイミング図、図４は第２の距離計測装置におけるタイミング図である。
【００３２】
図３、図４において、Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０は各光飛行型距離計測装置における反射光の時間変化のタイミング図を示している。図中、点線は第１の光飛行型距離計測装置のみ存在する場合の受光変調波形を、破線は第２の光飛行型距離計測装置のみ存在する場合の受光変調波形を示している。また、実線は第１、第２の光飛行型距離計測装置が共存する場合で第１、第２の変調周波数が重畳された受光変調波形を示している。したがって、各装置においては、実線で示すような第１、第２の変調周波数が重畳された強度変調光を受光検出する。
【００３３】
この状態において、図３を用いて、第１の装置における検出処理方法に関して説明する。図中、第１の装置での０°、９０°、１８０°、２７０°の検出サンプリングのタイミングを、それぞれｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０と示している。また、図中、グレイで示す部分は各サンプリング位相における検出時間領域を示している。すなわち、ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０において、検出タイミング位相が９０°ずつずれた形態となる。
【００３４】
本実施例では、ｎ１＝２、ｎ２＝３であるため、第１の装置では第２の装置の変調周波数と相対位相関係がそれぞれ異なるｎ２：３個のサンプリングの検出範囲（ｎ１．１）を最小検出単位に設定する。さらに、ＳＮ比の改善の為、自然数ｋ１セット（ｎ２．１、ｎ２．２〜ｎ２．ｋ１）のサンプリング検出をｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８、ｆ１＿Ａ２７０に対して実施する。この検出処理方法において、被検出信号の周波数ｆ１成分のみを抽出する原理に関して説明を加える。先に説明した方法で第１の受光変調光＋環境光は、数式９のように表現できる。
ｃ１（ｔ）＝ＢＧ１（ｔ）＋α１β１［１＋ｓｉｎ（２πｆ１ｔ−θ１）］＋
α２β１２［１＋ｓｉｎ（２πｆ２ｔ−θ１２）］      （数式９）
【００３５】
ここで、ｆ１は第１装置の変調周波数、α１は第１装置の変調中心光強度、ＢＧ１（ｔ）は第１装置の環境光、β１は第１装置の反射光効率、θ１は第１装置の飛行時間位相遅れ、ｆ２は第２装置の変調周波数である。また、α２は第２装置の変調中心光強度、β１２は第１の装置での第２装置照射光の反射光効率、θ１２は第１の装置での第２装置照射光／反射光の飛行時間位相遅れである。
【００３６】
これら表記の下、本例でのｆ１＿Ａ０の受光検出時間における、第２の装置のｆ２と相対位相が異なるｎ２個（３個）の検出位相はｆ１＿の連続する相対位相０、Ｔ１、２Ｔ１として数式１０のように表現できる。
【００３７】
【数６】
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【００３８】
ここで、数式１０の各積分項内の第２の装置からの照射光の反射検出光である第３項目は、第１、第２の周波数の関係がｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２、ｎ１＝２、ｎ２＝３であり、Ｔ１＝ｎ１／ｎ２Ｔ２＝２／３Ｔ２の関係にある。そのため、数式１１のように変換できる。
【００３９】
【数７】
2018036144.tif 000009
【００４０】
さらに式１１において、第２項の積分項に注目すると下記数式１２となり、数式１１の第２項の積分項は「０」になる。また、積分期間にも依存しないことが判る。
【００４１】
【数８】
2018036144.tif 000010
【００４２】
したがって、数式１１に示した第２の装置からの受光の積分項は、第２の装置の変調中心光強度α２と第１の装置での第２装置照射光の反射光効率β１２との積である受光平均光量α２β１２であるＤＣ光の積分値となる。そのため、第２の装置からのからの照射／反射光の位相遅れ状態θ１２に依存せず、積分期間のみ依存するにＤＣ値の形態となる。ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０に関しても同様に、第２の装置からの光飛行時間に相当するθ１２に依存せず、積分期間のみに依存する積分ＤＣ値の形態となる。
【００４３】
その結果、逆正接演算に適用する（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１８０）、（ｆ１＿Ａ９０−ｆ１＿Ａ２７０）に関して、第２の装置からの積分ＤＣ値も差動キャンセルされ、図３（Ｂ）に示すような、検出値が飛行時間に依存する２相正弦波となる。したがって、逆正接演算結果は第１の装置からの反射光のみを反映し、第２の装置からのクロストークを回避した位相差検出結果となり、第１の装置での対象物からの光飛行時間の算出が可能となり、光速ｃとの関係より対象物間距離を計測することが可能となる。
【００４４】
さらに、ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０の積分期間は同じである。そのため、積分期間中の環境光の変化が十分小さい検出領域では、積分期間に依存することなく（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１８０）、（ｆ１＿Ａ９０−ｆ１＿Ａ２７０）のＤＣ成分はキャンセルされる。また、ＡＴＡＮ２［（ｆ１＿Ａ９０−ｆ１＿Ａ２７０）／（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１８０）］も積分期間に依存することなく基本的には同一の値となる。
【００４５】
加えて、これら検出をｋ１回繰り返すことで検出信号のＳＮ比を向上させることができる。ｋ１の繰返しシーケンスは特に規定されるものではなく、ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０をそれぞれｋ１回の検出を順次行ってもよい。或いは、（ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０）の一連の検出をｋ１回繰り返す等、他のシステム制約等と併せたシーケンスで検出を行えばよい。
【００４６】
次に、図４を用いて、第２の装置における検出処理方法に関して説明する。図４において、第２の装置での０°、９０°、１８０°、２７０°の検出サンプリングのタイミングを、それぞれｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ９０、ｆ２＿Ａ１８０、ｆ２＿Ａ２７０と示している。図中、グレイ色の部分は各サンプリング位相における受光検出時間領域を示している。すなわち、ｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ９０、ｆ２＿Ａ１８０、ｆ２＿Ａ２７０において、検出タイミングが９０°ずつずれた形態となる。本例では、ｎ１＝２、ｎ２＝３であるため、本実施形態の特徴として、第２の装置では第１の装置の変調周波数と相対位相関係がそれぞれ異なるｎ１個（２個）のサンプリングの検出範囲（ｎ２．１）を最小検出単位に設定する。さらに、ＳＮ比の改善の為、自然数ｋ２セット（ｎ１．１、ｎ１．２〜ｎ１．ｋ２）のサンプリング検出をｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ９０、ｆ２＿Ａ１８０、ｆ２＿Ａ２７０に対して実施する。
【００４７】
この検出処理方法において、被検出信号の周波数ｆ２成分のみを抽出する原理に関して説明を加える。第１の装置における受光検出に関して上述した内容と同様に、第２の受光変調光＋環境光も、数式９と同様に、数式１３のように表現できる。
ｃ２（ｔ）＝ＢＧ２（ｔ）＋α１β２１［１＋ｓｉｎ（２πｆ１ｔ−θ２１）］＋
α２β２［１＋ｓｉｎ（２πｆ２ｔ−θ２）］      （数式１３）
【００４８】
ここで、ｆ１は第１装置の変調周波数、α１は第１装置の変調中心光強度、β２１は第２の装置での第１装置照射光の反射光効率、θ２１は第２の装置での第１装置照射光／反射光の位相遅れ、ｆ２は第２装置の変調周波数である。また、α２は第２装置の変調中心光強度、ＢＧ２（ｔ）は第２装置の環境光、β２は第２装置の反射光効率、θ２は第２装置の飛行時間位相遅れである。
【００４９】
これら表記の下、本実施例でのｆ２＿Ａ０の受光検出時間における、第１の装置のｆ１と相対位相が異なるｎ１：２個の検出位相はｆ２＿の連続する相対位相０、Ｔ２として数式１４のように表現できる。
【００５０】
【数９】
2018036144.tif 000011
【００５１】
ここでも、第１の装置での説明と同様に、数式１４の各積分項内の第１の装置からの照射光の反射検出光である第２項目は、第１、第２の周波数の関係がｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２、ｎ１＝２、ｎ２＝３でＴ２＝ｎ２／ｎ１Ｔ１＝３／２Ｔ１の関係にある。そのため、数式１５のように変換できる。
【００５２】
【数１０】
2018036144.tif 000012
【００５３】
さらに、数式１５において第２項の積分項に注目すると、以下の数式１６となり、式１５の第２項の積分項は半周期遅れの加算で「０」になり、また、積分期間にも依存しないことが判る。
【００５４】
【数１１】
2018036144.tif 000013
【００５５】
したがって、数式１５に示した第１の装置からの受光の積分項は、第１の装置の変調中心光強度α１と第１の装置での第１装置照射光の反射光効率β２１との積である受光平均光量α１β２１のＤＣ光積分値となる。これは、第１の装置からの照射／反射光の位相状態θ２１に依存せず、積分期間のみ依存するにＤＣ値の形態となる。
【００５６】
その結果、逆正接演算に適用する（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１８０）、（ｆ２＿Ａ９０−ｆ２＿Ａ２７０）に関して、第１の装置からの積分ＤＣ値も差動キャンセルされ、図４（Ｂ）に示すような、検出値が飛行時間に依存する２相正弦波となる。したがって、逆正接演算結果は第２の装置からの反射光のみを反映し、第１の装置からのクロストークを回避した位相差検出結果となり、第２の装置での対象物からの光飛行時間の算出が可能となり、光速ｃとの関係より対象物間距離を計測することが可能となる。
【００５７】
さらに、ｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ９０、ｆ２＿Ａ１８０、ｆ２＿Ａ２７０の積分期間は同じである。そのため、積分期間中の環境光の変化が十分小さい検出領域では、積分期間に依存することなく（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１８０）、（ｆ２＿Ａ９０−ｆ２＿Ａ２７０）のＤＣ成分はキャンセルされる。また、ＡＴＡＮ２［（ｆ２＿Ａ９０−ｆ２＿Ａ２７０）／（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１８０）］も積分期間に依存することなく基本的には同一の値となる。
【００５８】
加えて、これら検出をｋ２回繰り返すことで検出信号のＳＮ比を向上させることができることは、上記第１の装置での説明の通りである。
【００５９】
本実施例によれば、伝送系のＬＰＦやＨＰＦで分離できないような比較的近い変調周波数を採用する２つの光飛行型距離計測装置を同一空間、同一対象物に対して使用する場合においても、光学的なクロストークを回避した精度の高い距離計測が可能となる。
【００６０】
なお、本例ではｎ１／ｎ２が奇数値以外であるｎ１＝２、ｎ２＝３を例にとり説明したが、ｎ１＝２、ｎ２＝３に限定されることはない。ｎ１≠ｎ２であり、ｎ１／ｎ２が奇数値以外である場合には上述した説明原理により、対象とする検出周波数の反射変調光のみの光飛行時間の計測が可能となり、２つの光飛行型距離計測装置を同一空間、同一対象物に対して使用する利用形態の提供が可能となる。
【００６１】
（実施例２）
実施例２では、第１の光飛行型距離計測装置の第１の変調周波数ｆ１（周期：Ｔ１）と、第２の光飛行型距離計測装置の第２の変調周波数ｆ２（周期：Ｔ２）との関係が、
ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１≠ｎ２
である条件下において、ｎ２／ｎ１が奇数値となるｎ１：１、ｎ２：３であり、検出する複数のタイミング位相を４分割位相とする例に関して、図５、図６を用いて説明する。図５は第１の装置でのタイミング図、図６は第２の装置でのタイミング図である。
【００６２】
図５、図６において、Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０’、Ａ２７０’は各光飛行型距離計測装置における反射光の時間変化のタイミング図を示している。図中、点線は第１の光飛行型距離計測装置のみ存在する場合の受光変調波形を、破線は第２の光飛行型距離計測装置のみ存在する場合の受光変調波形を示している。また、実線は第１、第２の光飛行型距離計測装置が共存する場合で第１、第２の変調周波数が重畳された受光変調波形を示している。したがって、各装置においては、実線で示す第１、第２の変調周波数が重畳された強度変調光を受光する。
【００６３】
この状態において、図５を用いて、第１の装置における検出処理方法に関して説明する。図中、第１の装置での０°、９０°、１８０°、２７０°の検出サンプリングのタイミングを、それぞれｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０と示している。図中、グレイ色の部分は各サンプリング位相における受光検出時間領域を示している。すなわち、ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０において、検出タイミングが９０°ずつずれた形態となる。本例では、ｎ１＝１、ｎ２＝３であるため、本実施形態の特徴として、第１の装置では第２の装置の変調周波数と相対位相関係がそれぞれ異なるｎ２：３個のサンプリングの検出範囲（ｎ２．１）を最小検出単位に設定する。さらに、ＳＮ比の改善の為、自然数ｋ２セット（ｎ１．１、ｎ１．２〜ｎ１．ｋ２）のサンプリング検出をｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０に対して実施する。
【００６４】
この検出処理方法において、被検出信号の周波数ｆ１成分のみを抽出する原理に関して説明を加える。実施例１で説明したように、第１の受光変調光＋環境光は、数式９のように表現できる。また、本例でのｆ１＿Ａ０の受光検出時間における、第２の装置のｆ２と相対位相が異なるｎ２：３個の検出位相はｆ１＿の連続する相対位相０、Ｔ１、２Ｔ１として数式１０のように表現できる。
【００６５】
ここで、さらに数式１０の各積分項内の第２の装置からの照射光の反射検出光である第３項目は、第１、第２の周波数の関係がｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２、ｎ１＝１、ｎ２＝３でＴ１＝ｎ１／ｎ２Ｔ２＝１／３Ｔ２の関係にあるため、数式１７のように変換できる。本例において変調周波数が相対的に高い第１の装置に関しては実施例１と同じ検出を行い、数式１７、数式１８の結果を得る。
【００６６】
【数１２】
2018036144.tif 000014
【００６７】
さらに、数式１７において、第２項の積分項に注目すると、以下の数式１８となり、式−１７の第２項の積分項はゼロになり、また、積分期間にも依存しないことがわかる。
【００６８】
【数１３】
2018036144.tif 000015
【００６９】
したがって、数式１７に示した第２の装置からの受光の積分項は、第２の装置の変調中心光強度α２と第１の装置での第２装置照射光の反射光効率β１２との積である受光平均光量α２β１２、のＤＣ光積分値となる。これは、第２の装置からのからの照射／反射光の位相状態θ１２に依存せず、積分期間のみにＤＣ値が依存する形態となる。ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０に関しても同様に、第２の装置からの光飛行時間に相当するθ１２に依存せず、積分期間のみに依存する積分ＤＣ値の形態となる。
【００７０】
その結果、逆正接演算に適用する（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１８０）、（ｆ１＿Ａ９０−ｆ１＿Ａ２７０）に関して、第２の装置からの積分ＤＣ値も差動キャンセルされ、図５（Ｂ）に示すような、検出値が飛行時間に依存する２相正弦波となる。したがって、逆正接演算結果は第１の装置からの反射光のみを反映し、第２の装置からのクロストークを回避した位相差検出結果となる。そのため、第１の装置での対象物からの光飛行時間の算出が可能となり、光速ｃとの関係より対象物間距離を計測することが可能となる。
【００７１】
さらに、ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０の積分期間は同じである。そのため、積分期間中の環境光の変化が十分小さい検出領域では、積分期間に依存することなく（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１８０）、（ｆ１＿Ａ９０−ｆ１＿Ａ２７０）のＤＣ成分はキャンセルされる。また、ＡＴＡＮ２［（ｆ１＿Ａ９０−ｆ１＿Ａ２７０）／（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１８０）］も積分期間に依存することなく基本的には同一の値となる。
【００７２】
加えて、これら検出をｋ１回繰り返すことで検出信号のＳＮ比を向上させることができることは、前述したとおりである。
【００７３】
次に、図６を用いて、第２の装置における検出処理方法に関して説明する。図中、第２の装置での４相検出サンプリングのタイミングを、それぞれｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ９０、ｆ２＿Ａ１８０’、ｆ２＿Ａ２７０’と示している。図中、グレイ色の部分は各サンプリング位相における累積電荷検出領域を示している。本例のｎ１／ｎ２が奇数値である場合に実施例１と同様な処理を行うと、第２の装置検出において第１の周波数成分がキャンセルできず、クロストーク成分が残ってしまう。
【００７４】
本例のｎ２／ｎ１が奇数値である場合は、第１の装置に対して変調周波数が低くなる第２の装置の処理が、第１の実施例と異なる。実施例１で示した１８０°の位相差で対をなす信号検出の片方の検出位相（図中、ｆ２＿Ａ１８０’、ｆ２＿Ａ２７０’）を、変調周波数が高い第１の装置の変調周波数の１／２周期分シフトさせて検出を行う。換言すると、第２の装置における検出位相をｎ１／（２ｎ２）周期シフトさせて検出を行うことになる。本例では、図中示すように、ｆ２＿Ａ１８０’、ｆ２＿Ａ２７０’を対象として、検出位相を両者同方向の前方にシフトさせている。ただし、検出位相のシフトの極性に限定はなく、最終の９０°位相状態を崩さないよう、ｆ２＿Ａ１８０’、ｆ２＿Ａ２７０’を同一方向にシフトを前提に後方にシフトさせてもよい。また、検出位相シフトを行う対象がｆ２＿Ａ０’、ｆ２＿Ａ９０’であっても同様な効果が得られる。
【００７５】
この検出処理方法について、さらに説明を加える。第２の受光変調光＋環境光も、実施例１と同様に式１３のように表現できる。これら表記の下、第２の装置の第１の装置のｆ１と相対位相が異なるｎ１：１個の検出位相ｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ１８０’は、上述したように第２の装置における検出位相をｎ１／（２ｎ２）周期シフトさせて、数式１９、数式２０のように表現できる。
【００７６】
【数１４】
2018036144.tif 000016
【００７７】
【数１５】
2018036144.tif 000017
【００７８】
ここでも、第１の装置で説明したのと同様に、数式１９、数式２０の第１の装置からの照射光の反射検出光である第２項目は、第１、第２の周波数の関係が、ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２、ｎ１：１、ｎ２：３でＴ２＝ｎ２／ｎ１Ｔ１＝３Ｔ１の関係にある。そのため、式２１、式２２のように変換できる。
【００７９】
【数１６】
2018036144.tif 000018
【００８０】
【数１７】
2018036144.tif 000019
【００８１】
ここで、数式２１と数式２２には、それぞれ第１の装置からの照射／反射光の成分が残っているが、その成分は同相成分となる。その時の検出値の飛行時間依存性をそれぞれ図６（Ｂ）、図６（Ｃ）に示す。図に示されるように、０°位相として最終表現されるｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１８０’は、以下の数式２３になる。
【００８２】
【数１８】
2018036144.tif 000020
【００８３】
数式２３によれば、第１の装置からの照射／反射光の成分は相殺され「０」になる。また、検出期間における環境光成分ＢＧ２の時間変化が十分小さいことを前提にすれば、第１項も「０」になる。また、実施例１に比べ、第２の装置の受光検出値が、ここではｓｉｎ（π／３）、すなわち、ｓｉｎ（πｎ１／ｎ２）に低下する。そのため、ｆ２＿Ａ９０、ｆ２＿Ａ２７０’も同様に表現でき、数式２４のようになる。
【００８４】
【数１９】
2018036144.tif 000021
【００８５】
したがって、ｆ２＿Ａ９０、ｆ２＿Ａ２７０’でも第１の装置からの照射／反射光の成分は相殺され「０」になる。
【００８６】
以上、説明したようにｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ１８０’、ｆ２＿Ａ９０、ｆ２＿Ａ２７０’は図６−（ｄ）に示す結果となる。検出位相をシフトさせることにより、検出値の振幅低下ｓｉｎ（πｎ１／ｎ２）が生じるものの、第１の装置からのクロストークを回避した第２の装置の反射光検出のみの９０°位相差２相正弦波を得ることができる。したがって、第１の装置からのクロストークを回避した、第２の装置での対象物からの光飛行時間の算出が可能となり、光速ｃとの関係より対象物間距離を計測することが可能となる。
【００８７】
さらに、ｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ９０、ｆ２＿Ａ１８０’、ｆ２＿Ａ２７０’の積分期間は同じである。そのため、積分期間中の環境光の変化が十分小さい検出領域では、積分期間に依存することなく（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１８０‘）、（ｆ２＿Ａ９０−ｆ２＿Ａ２７０‘）のＤＣ成分はキャンセルされる。また、ＡＴＡＮ２［（ｆ２＿Ａ９０−ｆ２＿Ａ２７０‘）／（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１８０‘）］も積分検出期間に依存することなく基本的には同一の値となる。なお、ｆ２＿Ａ９０−ｆ２＿Ａ２７０‘、ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１８０‘は位相シフト演算により照射光に対して、位相がπｎ１／ｎ２／２ずれた結果になるため、光飛行時間に相当する位相遅れはその分を配慮して、距離を算出する必要がある。
【００８８】
加えて、これら検出をｋ２回繰り返すことで検出信号のＳＮ比を向上させることができることは、実施例１で説明したとおりである。
【００８９】
以上説明したように、本実施例によれば、２つの光飛行型距離計測装置を同一空間、同一対象物に対して使用する場合においても、光学的なクロストークを回避した精度の距離計測が可能となる。特に、伝送系のＬＰＦやＨＰＦで分離できないような比較的近い変調周波数を採用する２つの光飛行型距離計測装置を使用する場合においても、サンプリング位相と加算或いは平均化の回数を工夫することで周波数分離検出が可能となる。
【００９０】
なお、本例ではｎ２／ｎ１が奇数値であるｎ１＝１、ｎ２＝３を例にとり説明したが、ｎ１＝１、ｎ２＝３に限定されることはない。ｎ１≠ｎ２であり、ｎ２／ｎ１が奇数値である場合には上述した説明原理により、対象とする検出周波数の反射変調光のみの光飛行時間の計測が可能となり、２つの光飛行型距離計測装置を同一空間、同一対象物に対して使用する利用形態の提供が可能となる。
【００９１】
（実施例３）
実施例３では、第１の光飛行型距離計測装置の第１の変調周波数：ｆ１（周期：Ｔ１）と、第２の光飛行型距離計測装置の第２の変調周波数：ｆ２（周期：Ｔ２）との関係が、
ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１≠ｎ２
である条件下において、ｎ２／ｎ１が自然数でなく（或いは３の倍数であり）、検出する複数のタイミング位相を３等分割検出位相とする例に関して、図７、図８を用いて説明する。図７は第１の装置におけるタイミング図、図８は第２の装置におけるタイミング図である。
【００９２】
図７、図８において、Ａ０、Ａ１２０、Ａ２４０は各光飛行型距離計測装置における反射光の時間変化のタイミング図を示している。図中、点線は第１の光飛行型距離計測装置のみ存在する場合の受光変調波形を、破線は第２の光飛行型距離計測装置のみ存在する場合の受光変調波形を示している。実線は第１、第２の光飛行型距離計測装置が共存する場合で第１、第２の変調周波数が重畳された受光変調波形を示している。したがって、各装置においては、実線で示す第１、第２の変調周波数が重畳された強度変調光を受光する。本例における変調波形は実施例１と同じであるが、本例では検出位相が３相である場合に関して説明する。
【００９３】
この状態において、図７を用いて、第１の装置における検出処理方法に関して説明する。図中、第１の装置での０°、１２０°、２４０°の検出サンプリングのタイミングを、それぞれｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ１２０、ｆ１＿Ａ２４０と示している。図中、グレイ色の部分は各サンプリング位相における累積電荷検出領域を示している。すなわち、ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ１２０、ｆ１＿Ａ２４０において、検出タイミングが１２０°ずつずれた形態となる。
【００９４】
本例では、ｎ１＝２、ｎ２＝３であるため、本実施形態の特徴として、第１の装置では第２の装置の変調周波数と相対位相関係がそれぞれ異なるｎ２：３個のサンプリングの検出範囲（ｎ２．１）を最小検出単位に設定する。さらに、ＳＮ比の改善の為、自然数ｋ１セット（ｎ２．１、ｎ２．２〜ｎ２．ｋ１）のサンプリング検出をｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ１２０、ｆ１＿Ａ２４０に対して実施する。
【００９５】
この検出処理方法において、被検出信号の周波数ｆ１成分のみを抽出する原理に関して説明を加える。先に説明した方法で第１の受光変調光＋環境光は、実施例１と同様に、数式９のように表現できる。
【００９６】
本例でのｆ１＿Ａ０の受光検出時間における、第２の装置のｆ２と相対位相が異なるｎ２：３個の検出位相はｆ１＿の連続する相対位相として、０、Ｔ１、２Ｔ１として実施例１と同様に式１０で表わされる。なお、受光検出期間はＴ１／２としたが、この限りではない。
【００９７】
この結果、実施例１でも示したように、第２の装置からのからの照射／反射光の位相状態θ１２に依存せず、積分期間のみに積分ＤＣ値が依存する形態となる。ｆ１＿Ａ１２０、ｆ１＿Ａ２４０に関しても同様に、第２の装置からの光飛行時間に相当するθ２に依存せず、積分期間のみに積分ＤＣ値が依存する形態となり、第１の装置からの光飛行時間に相当するθ１に依存する検出値となる。
【００９８】
ここで、ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ１２０、ｆ１＿Ａ２４０の１２０°位相差信号は、以下の三角関数処理によりにより９０°位相差への変換が可能である。
２ｃｏｓ（α）ｓｉｎ（β）＝ｓｉｎ（α−β）−ｓｉｎ（α＋β）、２ｓｉｎ（α）ｓｉｎ（β）＝ｃｏｓ（α−β）−ｃｏｓ（α＋β）、２ｃｏｓ（α）ｃｏｓ（β）＝ｃｏｓ（α−β）＋ｃｏｓ（α＋β）
【００９９】
ここでｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ１２０、ｆ１＿Ａ２４０にそれぞれ環境光検出のＤＣ成分が含まれているため、９０°位相差信号への変換ではこれを考慮し、一旦差動処理を行う変換とする。
【０１００】
具体的には、ｆ１＿Ａ０とｆ１＿Ａ１２０、ｆ１＿Ａ１２０とｆ１＿Ａ２４０をそれぞれ±６０°差として差動をとりＣｏｓ関数を生成する。さらに、これらＣｏｓ関数の差動、加算処理を行い、それぞれＳｉｎ、Ｃｏｓ関数を得る処理を行う。数式２５、数式２６にこれら処理の９０°位相差信号の算出値を算出する算出式を示す。ただし、定数となる係数は省略した。
Ｓｉｎ系：（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１２０）−（ｆ１＿Ａ１２０−ｆ１＿Ａ２４０）
（数式２５）
Ｃｏｓ系：（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１２０）＋（ｆ１＿Ａ１２０−ｆ１＿Ａ２４０）
（数式２６）
【０１０１】
したがって、以下の数式２７により、１２０°位相差３相検出を９０°位相差に変換し、その位相遅れを逆正接演算により求めることが可能となる。
θ１＝ＡＴＡＮ２［（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１２０）＋（ｆ１＿Ａ１２０−ｆ１＿Ａ２４０），
ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１２０）−（ｆ１＿Ａ１２０−ｆ１＿Ａ２４０）］  （数式２７）
【０１０２】
さらに図８を用いて、第２の装置における検出処理方法に関して説明する。図中、第２の装置での０°、１２０°、２４０°の検出サンプリングのタイミングを、それぞれｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ１２０、ｆ２＿Ａ２４０と示している。図中、グレイ色の部分は各サンプリング位相における累積電荷検出領域を示している。すなわち、ｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ１２０、ｆ２＿Ａ２４０において、検出タイミングが１２０°ずつずれた形態となる。本例では、ｎ１＝２、ｎ２＝３であるため、本実施形態の特徴として、第１の装置では第２の装置の変調周波数と相対位相関係がそれぞれ異なるｎ１：２個のサンプリングの検出範囲（ｎ１．１）を最小検出単位に設定する。さらに、ＳＮ比の改善の為、自然数ｋ２セット（ｎ１．１、ｎ１．２〜ｎ１．ｋ２）のサンプリング検出をｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ１２０、ｆ２＿Ａ２４０に対して実施する。
【０１０３】
この検出処理方法において、被検出信号の周波数ｆ２成分のみを抽出する原理に関して説明を加える。先に説明した方法で第１の受光変調光＋環境光は、実施例１と同様に、数式１３のように表現できる。
【０１０４】
本例でのｆ２＿Ａ０の受光検出時間における、第１の装置のｆ１と相対位相が異なるｎ１＝２個の検出位相はｆ２＿の連続する相対位相として、０、Ｔ２として実施例１と同様に数式１４のように表現できる。なお、検出電荷積分期間はＴ１／２としたが、この限りではない。
【０１０５】
この結果、実施例１でも示したように数式１５、数式１６から、数式１４の第２項は「０」になる。すなわち、第１の装置からの変調照射／反射光の位相状態θ２１に依存せず、積分期間のみの依存するＤＣ値となる。
【０１０６】
ｆ２＿Ａ１２０、ｆ２＿Ａ２４０に関しても同様に、第１の装置からの光飛行時間に相当する位相遅れθ２１に依存せず、積分期間のみに依存するＤＣ値となり、第２の装置からの光飛行時間に相当する位相遅れθ２に依存する検出値となる。
【０１０７】
したがって、ｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ１２０、ｆ２＿Ａ２４０の１２０°位相差信号は、本例の第１の装置と同様に、数式２８、数式２９の９０°位相差信号変換できる（ただし、定数となる係数は省略する）。
Ｓｉｎ系：（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１２０）−（ｆ２＿Ａ１２０−ｆ２＿Ａ２４０）
（数式２８）
Ｃｏｓ系：（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１２０）＋（ｆ２＿Ａ１２０−ｆ２＿Ａ２４０）
（数式２９）
【０１０８】
したがって、以下の数式３０により、１２０°位相差３相検出を９０°位相差に変換し、その位相遅れを逆正接演算により求めることが可能となる。
θ２＝ＡＴＡＮ２［（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１２０）＋（ｆ２＿Ａ１２０−ｆ２＿Ａ２４０），
ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１２０）−（ｆ２＿Ａ１２０−ｆ２＿Ａ２４０）］  （数式３０）
【０１０９】
以上、説明した検出手法をそれぞれ第１、第２の装置においてｋ１回、ｋ２回繰り返すことで検出信号のＳＮ比を向上させることができることは前述したとおりである。
【０１１０】
（実施例４）
本実施例では、第１の光飛行型距離計測装置の第１の変調周波数：ｆ１（周期：Ｔ１）と、第２の光飛行型距離計測装置の第２の変調周波数：ｆ２（周期：Ｔ２）との関係が、
ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１≠ｎ２
である条件下において、ｎ１／ｎ２が自然数かつ３の倍数以外において、第２の周波数の光飛行型距離計測装置での検出複数タイミング位相が３等分割位相である場合に関して説明する。本例では、ｎ１／ｎ２＝２の場合を例にとり、図９、図１０を用いて説明を行う。図９は第１の装置におけるタイミング図、図１０は第２の装置におけるタイミング図である。
【０１１１】
図９、図１０において、Ａ０、Ａ１２０、Ａ２４０は各光飛行型距離計測装置における反射光の時間変化のタイミング図を示している。図中、点線は第１の光飛行型距離計測装置のみ存在する場合の受光変調波形を、破線は第２の光飛行型距離計測装置のみ存在する場合の受光変調波形を示している。実線は第１、第２の光飛行型距離計測装置が共存する場合で第１、第２の変調周波数が重畳された受光変調波形を示している。
【０１１２】
図９では、第１の装置での０°、１２０°、２４０°の検出サンプリングのタイミングを、それぞれｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ１２０、ｆ１＿Ａ２４０と示している。図中、グレイ色の部分は各サンプリング位相における累積電荷検出領域を示している。このサンプリング条件に関しての処理方法は、第２の装置の変調周波数は異なるものの実施例３で説明した数式２５〜２７に係る内容と同様であるため、本例での説明は割愛する。数式２７により、１２０°位相差３相検出を９０°位相差に変換し、その位相差を逆正接演算により求めることが可能となり、距離計測が可能となる。
【０１１３】
図１０は、第２の装置での０°、１２０°、２４０°の検出サンプリングのタイミングを、それぞれｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ１２０、ｆ２＿Ａ２４０と示している。図中、グレイ色の部分は各サンプリング位相における累積電荷検出領域を示している。ここで、ｎ１／ｎ２が自然数かつ３の倍数以外における３相検出では、第２の装置での積分電荷検出に関しては、実施例３に対して制約が発生する。その制約はｆ２の受光積分幅であり、受光積分幅Ｗ＿ｆ２は以下の数式３１のように表わされる。
【０１１４】
【数２０】
2018036144.tif 000022
【０１１５】
ここで、ＩＮＴ（ｘ）はｘの小数部を切り捨てた整数値を返す関数、ｍは自然数、但し、ｋ２≧２の連続測定時：Ｗ＿ｆ２＜Ｔ２である。例えば、ｎ２／ｎ１＝２、４、５、７、８…においてｍを仮に「１」とすると、受光時間幅のＷｆ２は１／２Ｔ２、１／２Ｔ２、２／５Ｔ２、３／７Ｔ２、３／８Ｔ２となる。さらに、これらをＴ１で表現すると、それぞれＴ１、２Ｔ１、２Ｔ１、３Ｔ１、３Ｔ１となり、基本的に、Ｔ１の整数倍周期の検出幅となる。すなわち、第２の装置における積分電荷検出幅が、第１の装置における光源照射／反射変調周波数の整数倍となり、電荷検出値はＤＣ成分となる。
【０１１６】
したがって、数式２８、数式２９を用いて、第２の装置でも第１の装置と同様な電荷検出値の処理を行う。数式２８、数式２９の（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１２０）、（ｆ２＿Ａ１２０−ｆ２＿Ａ２４０）の値において、上述したように、第１の装置からの照射／反射光の検出値はＤＣ成分なる。そのため、差動演算により、環境光の検出と同様にキャンセルされる。したがって、数式２８、数式２９の検出成分は第２の装置での照射／反射光のみの検出値となり、第１の装置の影響を排除が可能となる。そこで、上述の検出期間を採用し、数式２８、数式２９に示すように１２０°位相差３相検出を、上述の数式３０のようにして、９０°位相差に変換し、その位相差を逆正接演算により求めることで第２の装置での距離計測が可能となる。また、以上説明した検出手法をそれぞれ第１、第２の装置においてｋ１回、ｋ２回繰り返すことで検出信号のＳＮ比を向上させることができることは、前述の実施例と同様である。
【０１１７】
（実施例５）
実施例５では、光飛行型距離計測装置を同一空間で３つ使用し、内２つのｎ１／ｎ２が全て自然数である例に関して説明する。第１の変調周波数：ｆ１（周期：Ｔ１）と、第２の変調周波数：ｆ２（周期：Ｔ２）と、第３の光飛行型距離計測装置の第３の変調周波数：ｆ３（周期：Ｔ３）において、内２の周波数の関係が、
ｎ１２×ｆ１＝ｎ２１×ｆ２、ｎ１３×ｆ１＝ｎ３１×ｆ３、ｎ２３×ｆ２＝ｎ３２×ｆ３、
ｎ１２，ｎ１３，ｎ２１，ｎ２３，ｎ３１，ｎ３２：自然数、かつ、ｎ１２＝ｋｎ２１、ｎ２３＝ｋｎ３２、ｎ１３＝ｋ＾２ｎ３１
である条件下において、検出する複数のタイミング位相が４等分割位相（０°、９０°、１８０°、２７０°）である実施例に関して説明する。まず、先に説明した方法で各装置の受光変調光＋環境光は、数式３２のように表現できる。
ｃ１（ｔ）＝ＢＧ１（ｔ）＋α１β１［１＋ｓｉｎ（２πｆ１ｔ−θ１）］＋
α２β１２［１＋ｓｉｎ（２πｆ２ｔ−θ１２）］＋
α３β１３［１＋ｓｉｎ（２πｆ３ｔ−θ１３）］
ｃ２（ｔ）＝ＢＧ２（ｔ）＋α２β２［１＋ｓｉｎ（２πｆ２ｔ−θ２）］＋
α１β２１［１＋ｓｉｎ（２πｆ１ｔ−θ２１）］＋
α３β２３［１＋ｓｉｎ（２πｆ３ｔ−θ２３）］
ｃ３（ｔ）＝ＢＧ３（ｔ）＋α３β３［１＋ｓｉｎ（２πｆ３ｔ−θ３）］＋
α１β３１［１＋ｓｉｎ（２πｆ１ｔ−θ３１）］＋
α２β３２［１＋ｓｉｎ（２πｆ２ｔ−θ３２）］
（数式３２）
【０１１８】
本例では、ｋ＝２の偶数倍の場合を例にとる。図１１に、第１、第２、第３の装置における４等分割、０°位相検出の積分検出タイミング図を示す。本例ではｋ＾２＝４となるため、第１の装置では、第２の装置と相対位相状態の異なる２サンプル×２セット、第３の装置と相対位相状態の異なる４サンプル×１セット、すなわち計４サンプルが最小の検出位相タイミング数となる。同様に第２の装置では、第１の装置と相対位相状態の異なる１サンプル×２セット、第３の装置と相対位相状態の異なる２サンプル×１セット、すなわち計２サンプルが最小の検出位相タイミング数となる。同様に、第３の装置では、第１の装置と相対位相状態の異なる１サンプル、第２の装置と相対位相状態の異なる１サンプルが最小の検出タイミングとなる。したがって、第１の装置での検出値は以下の数式３３ように表わされる。
【０１１９】
【数２１】
2018036144.tif 000023
【０１２０】
ここで、前述の実施例と同様に、第１の装置以外からの照射による検出光の項は、それぞれ以下のように表わされる。第２の装置の照射／反射光の第１の装置での検出は数式３４、第３の装置の照射／反射光の第１の装置での検出は数式３５として表わされる。
【０１２１】
【数２２】
2018036144.tif 000024
【０１２２】
【数２３】
2018036144.tif 000025
【０１２３】
さらに上記第２、第３の装置の照射／反射光の検出周期をそれぞれの周波数の周期表現（Ｔ１＝Ｔ２／２、Ｔ１＝Ｔ３／４）に変換すると、第２の装置の照射／反射光の第１の装置での検出は数式３６として表現できる。また、第３の装置の照射／反射光の第１の装置での検出は数式３７として表現できる。
【０１２４】
【数２４】
2018036144.tif 000026
【０１２５】
【数２５】
2018036144.tif 000027
【０１２６】
したがって、第２、第３の装置からの照射光／反射光は光飛行時間に影響なくＤＣ成分化される。その他の４等分割の各相９０°、１８０°、２７０°においても同様な結果となり、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０における第２、第３の装置からの照射光／反射光は光飛行時間に影響なくＤＣ成分化される。さらに（ｆ１＿Ａ９０−ｆ１＿Ａ２７０）、（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１８０）と差動を取ることでＤＣ成分もキャンセルされる。したがって、ＡＴＡＮ２［（ｆ１＿Ａ９０−ｆ２＿Ａ２７０）／（ｆ１＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１８０）］から他装置の影響を排した第１の装置の光飛行時間による位相遅れが算出され、数式８により反射対象物までの距離を算出することができる。
【０１２７】
また、第２の装置の検出値でも同様に、数式３８のように表わすことができる。
【０１２８】
【数２６】
2018036144.tif 000028
【０１２９】
ここで、数式３８における第２の装置以外からの照射による検出光の項は、それぞれ以下のように表わされる。つまり、第１の装置の照射／反射光の第２の装置での検出は、数式３９、第３の装置の照射／反射光の第２の装置での検出は数式４０として表現される。
【０１３０】
【数２７】
2018036144.tif 000029
【０１３１】
【数２８】
2018036144.tif 000030
【０１３２】
上記の第１、第３の装置の照射光の検出周期をそれぞれの周波数の周期表現（Ｔ２＝２Ｔ１、Ｔ２＝Ｔ３／２）に変換すると、第１の装置の照射／反射光の第２の装置での検出は数式４１として表現できる。また、第３の装置の照射／反射光の第２の装置での検出は数式４２として表現できる。
【０１３３】
【数２９】
2018036144.tif 000031
【０１３４】
【数３０】
2018036144.tif 000032
【０１３５】
したがって、数式４２に示される第３の装置からの照射光／反射光は光飛行時間に影響なくＤＣ成分化される。
【０１３６】
さらに、第１の装置の照射／反射光の第２の装置での検出に関して、説明を加える。第１の装置の照射／反射光の第２の装置での検出では、ＤＣ成分化されず、第１の装置の照射／反射光の変調成分が残る。ここで、第１の装置の照射／反射光の第２の装置での１８０°位相差の検出をみると以下の数式４３ようになる。
【０１３７】
【数３１】
2018036144.tif 000033
【０１３８】
０°位相検出の数式４１と１８０°位相検出の数式４３とは、第１の装置の変調成分に対して同じ波形成分をもつ関係になる。したがって、第１の装置からの照射光／反射光も（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１８０）の差動を取ることによりキャンセルされる。９０°、２７０°の位相検出においても同様な結果となり、（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１８０）、（ｆ２＿Ａ９０−ｆ２＿Ａ２７０）と差動を取ることでＤＣ成分かつ同相変調成分もキャンセルされる。したがって、ＡＴＡＮ２［（ｆ２＿Ａ９０−ｆ２＿Ａ２７０）／（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１８０）］から他装置の影響を排した第２の装置の光飛行時間による位相遅れが算出され、数式８により反射対象物までの距離を算出することができる。
【０１３９】
また、第３の装置の検出値でも同様に、数式４４のように表わすことができる。
【０１４０】
【数３２】
2018036144.tif 000034
【０１４１】
ここで、第３の装置以外からの照射による検出光の項は、それぞれ以下のように表わされる。第１の装置の照射／反射光の第３の装置での検出は数式４５、第２の装置の照射／反射光の第３の装置での検出は数式４６として表わされる。
【０１４２】
【数３３】
2018036144.tif 000035
【０１４３】
【数３４】
2018036144.tif 000036
【０１４４】
上記の第１、第３の装置の照射光の検出周期をそれぞれの周波数の周期表現（Ｔ３＝４Ｔ１、Ｔ３＝２Ｔ２）に変換すると、第１の装置の照射／反射光の第３の装置での検出は数式４７として表現できる。また、第２の装置の照射／反射光の第３の装置での検出は数式４８として表現できる。
【０１４５】
【数３５】
2018036144.tif 000037
【０１４６】
【数３６】
2018036144.tif 000038
【０１４７】
したがって、検出積分期間をＴ３／２に設定する場合は、積分期間が第１、第２の変調周期の整数倍になるため、検出値はＤＣ成分化される。しかしながら、上記式４７、式４８のＤＣ成分化は積分期間に依存する結果となるため、拡張性に関してさらに説明を加える。ここで、前述した第２の装置における説明と同様に、１８０°位相差の検出タイミングでの検出状態をみると、第１の装置の照射／反射光の第３の装置での検出は数式４９、第２の装置の照射／反射光の第３の装置での検出は数式５０となる。
【０１４８】
【数３７】
2018036144.tif 000039
【０１４９】
【数３８】
2018036144.tif 000040
【０１５０】
０°位相検出の数式４７，４８と１８０°位相検出の数式４９、５０とは、第１、第２の装置の変調成分に対して同じ波形成分をもつ関係になる。したがって、第１、第２の装置からの照射光／反射光も（ｆ３＿Ａ０−ｆ３＿Ａ１８０）の差動を取ることでキャンセルされる。９０°、２７０°位相検出においても同様な結果となり、（ｆ３＿Ａ０−ｆ３＿Ａ１８０）、（ｆ３＿Ａ９０−ｆ３＿Ａ２７０）と差動を取ることでＤＣ成分かつ同相変調成分もキャンセルされる。したがって、ＡＴＡＮ２［（ｆ３＿Ａ９０−ｆ３＿Ａ２７０）／（ｆ３＿Ａ０−ｆ３＿Ａ１８０）］から検出積分期間に関係なく、他装置の影響を排した第３の装置の光飛行時間による位相遅れが算出される。そして、数式８により反射対象物までの距離を算出することができる。
【０１５１】
図１１（Ｂ）に、以上説明した処理で得られる（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１８０）と（ｆ１＿Ａ９０−ｆ１＿Ａ２７０）の位相遅れ依存性を示す。また、ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１８０）と（ｆ２＿Ａ９０−ｆ２＿Ａ２７０）、ｆ３＿Ａ０−ｆ３＿Ａ１８０）と（ｆ３＿Ａ９０−ｆ３＿Ａ２７０）のそれぞれの位相遅れ依存性も示す。
【０１５２】
上記説明ではｋ＝２、すなわち第１、第２、第３の装置の光源変調周波数比が２倍、４倍の偶数倍時を例にとり説明したが、複数の内２の周波数の関係が、
ｎ１２×ｆ１＝ｎ２１×ｆ２、ｎ１３×ｆ１＝ｎ３１×ｆ３、ｎ２３×ｆ２＝ｎ３２×ｆ３、
ｎ１２，ｎ１３，ｎ２１，ｎ２３，ｎ３１，ｎ３２：自然数、かつ、ｎ１２＝ｋｎ２１、ｎ２３＝ｋｎ３２、ｎ１３＝ｋ＾２ｎ３１
である条件として、ｋが３であり周波数比が奇数である場合も同様な処理で対応が可能である。また、上記実施例では３つの装置としたが、３つまでに限定されるものではなくｉ個の装置に対して、偶数時、奇数時ともに（ｉ−１）のべき乗数までの周波数比の対応を取れば、上述した処理の適用が可能である。
【０１５３】
（その他の実施例）
以上、実施例１〜５において、複数の光飛行型距離計測装置を使用する場合、光学的クロストークを回避する検出手段方法の説明を行った。上述の実施例においては光源変調波形に正弦波を例にとり説明したが、正弦波に限らず、パルス矩形波、三角波であっても、周期性及びデューティ５０％の観点で正弦波と同等にすれば、これらの変調波形でも同様な原理により、本発明は適用可能である。
【０１５４】
また、上記実施例では単一画素での処理に対して説明した。実際の装置系において、１受光素子を採用する場合は、光源からの変調照射光を小ビームスポット化し、そのスポットを２次元スキャンし集光反射光の検出に本発明を適用することでスキャン領域ｘｙ面における距離情報、いわゆる距離画像を得ることができる。さらに１次元、２次元配列の形態を取る受光素子に適用することも可能である。そして、複数のＬＥＤ光源や、拡散透過板を透過されたレーザー光等、により光源光を放射状に照射し、集光レンズを用いて反射光をアレイ受光素子に集光し、これによりｘｙ領域における距離画像を得ることも可能である。
【０１５５】
また、複数の光飛行型距離計測装置を使用する場合の本発明の処理に加え、光源波長／検出波長を装置間で変更することも可能である。或いは、切り換える手段を適用する、いわゆる波長分離を併用することで、光源波長数×変調周波数数の装置を同一空間で光学的クロストークを回避して使用することが可能となる、より多くの装置対応も可能である。
【０１５６】
前述の実施例において、複数の光飛行型距離計測装置を使用する場合の検出方法／手段に関して説明した。複数の光飛行型距離計測装置を使用する実施例の対象として、例えば、オーグメンテッドリアリティ（ＡＲ）、バーチャルリアリティ（ＶＲ）、ミクスドリアリティ（ＭＲ）等分野が挙げられる。これらの分野では、空間情報を３次元空間として認識し、リアリティを高めるために、距離計測装置が積極的に活用されている。さらに、視野や光照射を利用する３次元空間認識において、手前の物体の影になり背後にある物体の距離認識ができない、いわゆるオクルージョンと言われる現象が起こってしまう。これらの状況において、一つの計測装置では、３次元画像の視野角には限界あり、視野角の拡大や、オクルージョンを回避する方向で距離計測装置を複数台、空間に配置することが考えられる。この場合、装置間の光学クロストークによる精度悪化が課題として発生するが、本実施形態の距離計測装置を適用することにより、クロストークを回避できる。これにより、広範囲に亘る３次元空間認識が可能となり、ＡＲ、ＶＲ、ＭＲ等のシステムでの空間情報量が増加し、リアリティ精度向上につながる。
【０１５７】
上記実施例は空間に距離計測装置を固定配置する例であったが、さらに、ＡＲ、ＶＲ、ＭＲ等で特徴的となる、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）に搭載し、前方向の距離画像取得による空間特徴認識や物体認識に適用することも考えられる。ＨＭＤに計測装置を搭載するケースにおいて、複数人のＨＭＤ装着者が同一空間において、ＡＲ、ＶＲ、ＭＲ等を体験する場合に、ＨＭＤ装着者は移動や近接状態と様々な位置・状態変化を起こし、クロストーク回避の空間分離は極めて困難な状況となる。そして光学クロストークにより検出精度が悪化し、正確な空間情報が得られなくなる。そこに上述した装置間クロストークを回避する距離計測装置／方法を複数のＨＭＤに対して実施すれば、複数装置間の光学的クロストークを回避し、各ＨＭＤにおいてより正確距離情報を得ることが可能となり、体験リアリティ精度向上につながる。
【０１５８】
本発明は、上記実施例の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。また、本発明は、複数の機器から構成されるシステムに適用しても、１つの機器からなる装置に適用してもよい。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形（各実施例の有機的な組合せを含む）が可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。即ち、上述した各実施例及びその変形例を組み合わせた構成も全て本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【０１５９】
１０  光照射部
１１  光源
１３  光源変調部
１４  コントローラ
１５  対象体
１６  集光受光部
１９  受光検出部、
２０  距離算出処理部
【図１】
2018036144.tif 000043
【図２】
2018036144.tif 000044
【図３】
2018036144.tif 000045
【図４】
2018036144.tif 000046
【図５】
2018036144.tif 000047
【図６】
2018036144.tif 000048
【図７】
2018036144.tif 000049
【図８】
2018036144.tif 000050
【図９】
2018036144.tif 000051
【図１０】
2018036144.tif 000052
【図１１】
2018036144.tif 000053