(57)【要約】【課題】  異なる周波数で重畳された変調照射光による１回の計測により各周波数の周期以上の光飛行時間の検出を行い、より長距離に対応する距離計測を行うこと。【解決手段】  本発明は、変調光が、第１の周波数ｆ１で第１の周期Ｔ１と、第２の周波数ｆ２で第２の周期Ｔ２との重畳変調光であり、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との関係が、ｎ２ｆ２＝ｎ１ｆ１（ただし、ｎ１，ｎ２は自然数、ｎ１／ｎ２，ｎ２／ｎ１は自然数でない）を満たし、検出した第１、第２、第３の遅れ位相情報と光速に基づき、対象物までの距離を算出する。【選択図】  図３
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【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距離計測装置であって、
前記変調光が、第１の周波数ｆ１で第１の周期Ｔ１と、第２の周波数ｆ２で第２の周期Ｔ２との重畳変調光であり、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との関係が、ｎ２ｆ２＝ｎ１ｆ１（ただし、ｎ１，ｎ２は自然数、ｎ１／ｎ２およびｎ２／ｎ１は自然数でない）を満たし、
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の周波数ｆ２との相対位相がそれぞれ異なるｎ２個の位相の状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ２個の検出をｋ１回（ただしｋ１は自然数）行う第１の検出手段と、該第１の検出手段の検出の結果に基づき第１の遅れ位相情報を算出する第１の算出手段と、
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、第１の周波数ｆ１との相対位相がそれぞれ異なるｎ１個の位相の状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ１個の検出をｋ２回（ただしｋ２は自然数）行う第２の検出手段と、該第２の検出手段の検出の結果に基づき第２の遅れ位相情報を算出する第２の算出手段と、
前記第１、第２の位相遅れ情報と、第３の周期（ただし、Ｔ３＞Ｔ１  Ｔ３＞Ｔ２）の位相遅れ情報を算出する第３の位相算出手段と、を更に備え、
前記算出手段は、前記第１、第２、第３の遅れ位相情報と光速に基づき、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装置。
【請求項２】
前記第３の位相遅れの周期は、前記第１、第２の周期の最小公倍数の周期であることを特徴とする請求項１に記載の距離計測装置。
【請求項３】
前記ｎ１＝２、ｎ２＝３であり、前記第１の周波数の複数の検出タイミング位相が４分割であり、第２の周波数の複数の検出タイミング位相が３分割であることを特徴とする請求項第１または２に記載の距離計測装置。
【請求項４】
前記照射手段は、第１の周期Ｔ１と第２の周期Ｔ２とのうち、周期に対する電荷積分期間が相対的に小さい方の変調光の振幅を相対的に大きくすることを特徴とする請求項３に記載の距離計測装置。
【請求項５】
前記照射手段は、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２とに対して、個別の照射手段を備えることを特徴とする請求項第１から４のいずれか１項に記載の距離計測装置。
【請求項６】
前記算出手段は、前記第３の位相遅れが、前記第１の周波数の周期の遅れを検出し、前記検出した周期に基づく飛行の距離と、前記第１、第２の遅れ位相で算出した距離との加算値から距離を算出す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装置。
【請求項７】
前記算出手段は、前記第３の位相遅れが、前記第２の周波数の周期の遅れを検出し、前記検出した周期に基づく飛行の距離と、前記第１、第２の遅れ位相で算出した距離との加算値から距離を算出す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装置。
【請求項８】
前記算出手段は、前記第１の周波数で算出した距離と第２の周波数で算出した距離の平均値であることを特徴とする請求項６または７に記載の距離計測装置。
【請求項９】
前記距離計測装置は、ヘッドマウントディスプレイ装置に備えられてい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装置。
【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距離計測装置の距離計測方法であって、
前記変調光が、第１の周波数ｆ１で第１の周期Ｔ１と、第２の周波数ｆ２で第２の周期Ｔ２との重畳変調光であり、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との関係が、ｎ２ｆ２＝ｎ１ｆ１（ただし、ｎ１，ｎ２は自然数、ｎ１／ｎ２  ｎ２／ｎ１は自然数でない）を満たし、
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の周波数ｆ２との相対位相がそれぞれ異なるｎ２個の位相の状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ２個の検出をｋ１回（ただしｋ１は自然数）行い、
前記検出の結果に基づき第１の遅れ位相情報を算出し、
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、第１の周波数ｆ１との相対位相がそれぞれ異なるｎ１個の位相の状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ１個の検出をｋ２回（ただしｋ２は自然数）行い、
前記検出の結果に基づき第２の遅れ位相情報を算出する第２の算出手段と、
前記第１、第２の位相遅れ情報と、第３の周期（ただし、Ｔ３＞Ｔ１  Ｔ３＞Ｔ２）の位相遅れ情報を算出し、
前記第１、第２、第３の遅れ位相情報と光速に基づき、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】
ＴＯＦ方式による距離測定方法では、距離測定に用いる光強度変調光の変調周期の１周期以上の位相ずれが発生するような場合、遅れ量の１周期未満と以上の判断ができず虚像が発生する、所謂エリアシングが発生ため、距離計測に支障が発生する。この問題を解決するためには、変調周波数を変更して複数変調周波数で同様な距離計測を行い、複数の周波数で一方のみに存在する距離計測値を虚像として排除し、同一の距離計測値で最小値となる値を採用する方法が一般的である。
【０００４】
特許文献１には、偶数倍となる周波数の多重変調光を採用し、異なる変調周波数で複数回測定することなく、１度の測定で複数回の測定結果と同様な結果が得られるような距離計測方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】特許５５８４１９６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に開示される技術では、偶数倍となる重畳変調周波数を用いており、計測は１回で終了するものの、計測可能な距離は重畳周波数の内の最も低い周波数での周期相当の光飛行時間による距離計測が計測限界となる。そこで、本発明は、異なる周波数で重畳された変調照射光による１回の計測により各周波数の周期以上の光飛行時間の検出を行い、より長距離に対応する距離計測を行うことを目的とする。
【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距離計測装置であって、前記変調光が、第１の周波数ｆ１で第１の周期Ｔ１と、第２の周波数ｆ２で第２の周期Ｔ２との重畳変調光であり、第１の周波数ｆ１と第２の周波数ｆ２との関係が、ｎ２ｆ２＝ｎ１ｆ１（ただし、ｎ１，ｎ２は自然数、ｎ１／ｎ２，ｎ２／ｎ１は自然数でない）を満たし、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の周波数ｆ２との相対位相がそれぞれ異なるｎ２個の位相の状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ２個の検出をｋ１回（ただしｋ１は自然数）行う第１の検出手段と、該第１の検出手段の検出の結果に基づき第１の遅れ位相情報を算出する第１の算出手段と、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、第１の周波数ｆ１との相対位相がそれぞれ異なるｎ１個の位相の状態を所定時間幅で受光検出し、該ｎ１個の検出をｋ２回（ただしｋ２は自然数）行う第２の検出手段と、該第２の検出手段の検出の結果に基づき第２の遅れ位相情報を算出する第２の算出手段と、前記第１、第２の位相遅れ情報と、第３の周期（ただし、Ｔ３＞Ｔ１，Ｔ３＞Ｔ２）の位相遅れ情報を算出する第３の位相算出手段と、を更に備え、前記算出手段は、前記第１、第２、第３の遅れ位相情報と光速に基づき、対象物までの距離を算出す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、異なる周波数で重畳された変調照射光による１回の計測により各周波数の周期以上の光飛行時間の検出を行い、より長距離に対応する距離計測を行うことができる。
【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の周波数検出を対象とした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の周波数検出を対象とした４相サンプリング検出タイミング図。
【図５】実施例１に係る第１、第２、第３の検出位相遅れの関係を示す図。
【図６】実施例２に係る第１、第２の周波数の４相及び３相の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の周波数検出を対象とした４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の周波数検出を対象とした４相サンプリング検出タイミング図。
【図９】実施例３に係る第１、第２、第３の検出位相遅れの関係を示す図。
【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において、距離計測対象物１５に対して、光飛行型距離計測装置は以下の構成から成っている。本例では光照射手段１０は、２つの光源１１や光学部材１２を備え、光源１１はＬＥＤやレーザー等、光学部材１２はレンズ或いは拡散板等光照射領域を制定する機能を備えている。さらに、第１の光源変調手段、第２の光源変調手段の２つの光源変調手段１３を備え、それぞれで異なる周波数変調が可能な機能を備え、コントローラ１４で制御する。これにより、対象体（対象物）１５の領域に異なる周波数の重畳変調光を照射する構成をとる。対象体で反射された散乱反射光を、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上に集光し光電変換する受光手段１６を有する。また、受光・光電変換された電気信号処理を行う２つの受光検出処理手段（検出手段）１９、受光検出処理手段１９の検出信号より、位相遅れを算出する３つの位相算出手段を有する。そして、これら３つの位相情報から対象体までの距離を算出する距離算出処理手段（算出手段）２０を備える。なお、本例では光照射手段は、２つの個別手段構成としたが、これに限定されるものではなく、１つの光照射手段とし、１つの光源変調手段で重畳変調をコントロールして重畳変調光を照射する手段で構成しても良い。すなわち、結果的に重畳変調光の照射が実現できれば手段を限定するものではない。
【００１１】
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。
【００１２】
ｂ（ｔ）＝α［１＋ｓｉｎ（２πｆｔ）］      （数式１）
ここで、ｆは変調周波数、αは中心光の強度である。
【００１３】
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。
【００１４】
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、所定時間幅としてよい。ただし、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。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
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。
【００１７】
【数２】
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【００１８】
【数３】
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【００１９】
【数４】
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【００２０】
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。
【００２１】
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）
【００２２】
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。
【００２３】
【数５】
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【００２４】
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。
【００２５】
以降の実施例では、本実施形態の特徴となる、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）との関係が、
ｎ１ｆ１＝ｎ２ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１／ｎ２は自然数でない
である条件を前提とする。その上で、第１、第２の変調周波数を分離検出し、各周波数の対応する位相遅れを算出する方法、第１、第２の位相遅れ特性から第３の周期の位相遅れを算出する方法を説明する。また、第３の位相遅れ特性から、第１、第２の「周期遅れ＋位相遅れ」を算出する方法を、以下に示すサンプリング位相条件、（ｎ１、ｎ２）条件を例にとり説明を行う。
【００２６】
「実施例１」では、ｎ１：２、ｎ２：３において、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。
【００２７】
「実施例２」では、ｎ１：２、ｎ２：３において、検出する複数のタイミング位相に４分割位相と、３分割位相を採用する実施例に関して説明する。
【００２８】
「実施例３」では、ｎ１：３、ｎ２：５において、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。特にここで第１と第２の周波数における遅れ位相から、第１と第２の周波数周期の最小公倍数周期の遅れ位相の算出方法に関して説明する。
【００２９】
（実施例１）
実施例１では、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の変調周波数：ｆ２（周期：Ｔ２）との関係が、ｎ１：２、ｎ２：３である条件を前提とする。その上で、複数の検出タイミング位相が４等分割位相（０°、９０°、１８０°、２７０°）である実施例に関して説明する。
【００３０】
図３は第１の周波数に対する検出タイミング図、図４は第２の周波数に対する検出タイミング図である。ここでは、第１、第２の周波数検出に対して個別に説明を行うが、両周波数に対する検出を順次時系列に処理する他、両者の検出を時系列に入り交えて検出することも考えられる。
【００３１】
図３、図４において、Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０は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の変調周波数のみ存在する場合の受光変調波形を、破線は第２の変調周波数のみ存在する場合の受光変調波形を、実線は第１、及び第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、実際の装置では、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。
【００３２】
この状態において、図３を用いて、第１の周波数に対する検出処理方法に関して説明する。図３において、第１の周波数を対象とした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電荷積分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。本実施例では、ｎ１：２、ｎ２：３であるため、本実施形態の特徴である第１の周波数検出では第２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＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０に対して実施する。
【００３３】
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。先に説明した検出方法で第１、第２の重畳変調周波数の受光変調光＋環境光は、数式９のように表現できる。
ｃ（ｔ）＝ＢＧ（ｔ）＋α１β［１＋ｓｉｎ（２πｆ１ｔ−θ１）］＋
α２β［１＋ｓｉｎ（２πｆ２ｔ−θ２）］      （数式９）
【００３４】
ここで、ｆ１は第１の変調周波数、α１は第１の変調中心光強度、ＢＧ（ｔ）は受光環境光、βは反射光効率、θ１は第１の変調周波数の飛行時間位相遅れである。また、ｆ２は第２の変調周波数、α２は第２の変調中心光強度、θ２は第２の変調周波数の飛行時間位相遅れである。これら表記の下、まず第１の周波数成分のみの検出に関して説明する。本実施例でのｆ１＿Ａ０の受光検出時間における、第２の変調周波数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。
【００３５】
【数６】
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【００３６】
さらに、数式１０の各積分項内の第２の周波数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、以下の数式１１のように変換できる。
【００３７】
【数７】
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【００３８】
さらに、数式１１において、第２項の積分項に注目すると、以下の数式１２のようになる。
【００３９】
【数８】
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【００４０】
以上のとおり、数式１１の第２項の積分項は「０」になり、また、積分期間にも依存しないことが判る。したがって、数式１１に示した第２の変調周波数の受光の積分項は、第２の変調中心光強度：α２と反射光効率：βとの積である受光平均光量：α２βであるＤＣ光の積分値となる。そのため、第２の周波数の位相遅れ状態θ２に依存せず、積分期間のみに依存するにＤＣ値の形態となる。ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０に関しても同様に、第２の周波数の光飛行時間に相当するθ２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。
【００４１】
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、積分期間中の環境光の変化が十分小さい検出領域では、第２の周波数の積分ＤＣ値も差動キャンセルされる。そして、図３（ｂ）に示すような、検出値が第１の変調周波数の飛行時間にのみ依存する２相正弦波となる。したがって、逆正接演算結果は第１の変調周波数の反射光のみを反映し、第２の変調周波数を除去した第１の変調周波数のみの位相遅れを反映した位相差検出結果となる。そのため、第１の変調周波数のみ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。以上のように、ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０の積分期間は同じであるため、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がない。そのため、（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１８０）、（ｆ１＿Ａ９０−ｆ１＿Ａ２７０）のＤＣ成分はキャンセルさ、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。
【００４２】
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回の検出を順次行うようにしてもよい。或いは（ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０）の一連の検出をｋ１回繰り返すようにしてもよい。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く、対象体との相対位置関係の動的変化に対して許容できる範囲で平均化処理を行えばよい。
【００４３】
次に、図４を用いて、第２の周波数に対する検出処理方法に関して説明する。図中、第２変調周波数、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。本実施例では、ｎ１：２、ｎ２：３であるため、本実施形態の特徴として、第２の周波数検出では第１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。
【００４４】
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。上述したように、第１、第２の重畳変調周波数の受光変調光＋環境光は、数式９のように表現できる。
【００４５】
この表記の下、本実施例でのｆ２＿Ａ０の受光検出時間における、第１の変調周波数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１３のように表現できる。
【００４６】
【数９】
2018036145.tif 000011
【００４７】
ここでも、第１の周波数検出の説明と同様に、数式１３の各積分項内の第１の変調周波数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、以下の数式１４のように変換できる。
【００４８】
【数１０】
2018036145.tif 000012
【００４９】
さらに数式１４において、第２項の積分項に注目すると、以下の数式１５のようになる。
【００５０】
【数１１】
2018036145.tif 000013
【００５１】
以上のように、数式１４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。したがって、数式１４に示した第１の変調周波数での受光の積分項は、第１の変調中心光強度：α１と反射光効率：βとの積である受光平均光量：α１β、のＤＣ光積分値となる。そのため、第１の変調周波数成分反射光の位相状態θ１に依存せず、積分期間のみに依存するにＤＣ値の形態となる。
【００５２】
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の周波数の積分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の変調周波数の反射光のみを反映した位相差検出結果となり、第２の変調周波数のみの対象物からの光飛行時間の算出が可能となる。そして、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。
【００５３】
以上のように、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。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の周波数検出で説明した通りである。
【００５４】
以上説明したように、本実施例によれば、
ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１／ｎ２は自然数でない
条件下において、それぞれの変調周波数を分離検出することが可能となる。
【００５５】
引き続き、本実施形態の特徴となる変調周波数ｆ１、ｆ２のそれぞれの検出周期以上の位相遅れの処理方法に関して図５を用いて説明する。
【００５６】
図５（ａ）は、上述した第１、第２の重畳変調周波数をそれぞれ分離検出した場合の飛行時間と位相遅れの関係を示している。同図において、横軸：飛行時間、縦軸位相遅れ：０−２πである。ここで、ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２、ｎ１：２、ｎ２：３のため、第１の周波数の３周期目、第２の周波数の２周期目で、共に遅れ位相が「０」で一致する。さらに、本実施形態の特徴となる変調周波数ｆ１、ｆ２のそれぞれの検出周期以上の位相遅れを算出するために、第１の変調周波数での位相遅れと第２の変調周波数での位相遅れと差分演算を行うと、図５（ｂ）に示すような結果となる。ここで、第１の位相遅れ＜第２の位相遅れとなり、差分値がマイナスとなる領域では、＋２πの折り返し処理を施し、位相遅れが０〜２πなる処理を行っている。図に示すように、第１の変調周波数周期Ｔ１と第２の変調周波数周期Ｔ２との最小公倍数を周期とする第３の変調周期Ｔ３に対応した位相遅れを算出できる。
【００５７】
例えば、図５（ａ）の矢印で示す位相遅れが検出された場合、最小公倍数周期での算出遅れ位相は第５図（ｂ）の矢印で示す値になる。図５（ａ）に示す第１、第２周波数共に、２周期目まで光飛行時間が発生している状況であり、１つの周波数を使用する検出方法では光飛行時間を一意に決定できない状況となる。しかし、本実施例では、図５（ｂ）に示す最小公倍数周期検出により、一意に光飛行時間を検出可能となる。
【００５８】
また、図５（ｂ）に示す最小公倍数周期関係より、直接対象体までの距離算出が可能であるが、本実施例では、さらに精度を向上させる処理を行う。第１、第２の周波数の位相遅れはそれぞれに無相関のノイズを含んでいる。そのため、図５（ｂ）に示す差動演算を行った位相遅れ情報は、ノイズ成分が同じと仮定して√２倍になる等のノイズ増加を起こす。さらに、０−２π相当の検出距離が最小公倍数倍されるため、同ノイズ成分であっても距離検出精度が悪化する。
【００５９】
この２つの理由により、図５（ｂ）の検出結果はあくまで、第１、第２の変調周期の何番目の周期に存在するかの判定に利用する。第１の周波数の周期をＴ１、第１と第２の最小公倍数周期をＴ３とすると、図５（ｂ）の位相遅れ値（θ３）をＴ３／Ｔ１：３倍し、その値から第１の周波数の位相遅れ（θ１）を減算し整数化することで、いずれの周期遅れかを算出する。そして、その周期遅れ時間に第１の周波数の遅れ検出時間を加算値として算出することで、総飛行時間（Ｔ＿ｄｅｌａｙ）を算出できる。この算出式は数式１６で表わされる。
Ｔ＿ｄｅｌａｙ（ｉ）＝ＲＯＵＮＤ［（Ｔ３／Ｔｉｘθ３−θｉ）／（２π）］ｘＴｉ＋
θｉＴｉ／（２π）      （数式１６）
【００６０】
ここで、ＲＯＵＮＤ［ｘ］はｘに最も近い整数に変換する関数、Ｔ３：第３の周期、θ３：第３周期での遅れ位相、Ｔｉ＝Ｔ１、Ｔ２のいずれかの値、θｉ：第１、第２のいずれかの遅れ位相である。また、数式１６の第１項は、本実施例において、図５（ｃ）に示す結果になり、図中、点線はｆ１に対する周期数、破線はｆ２に対する周期数を表わしている。ここで、ＳＮ比と０−２π相当の検出距離が短くなる観点より、周波数の高い第１の位相遅れを用いて算出することが考えられる。さらに、第１の周波数と第２の周波数との周波数比に依存する部分もあるが、数式１６での第１の周波数での結果と第２の周波数での結果の平均値を最終算出距離とすることも考えられる。
【００６１】
以上説明したように、本実施例の処理により、より高精度に長時間遅延の算出が可能となる。なお、上述の説明ではｎ１：２、ｎ２：３として説明したが、ｎ１、ｎ２値はこの限りではない。
【００６２】
（実施例２）
実施例２では、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の変調周波数：ｆ２（周期：Ｔ２）との関係が以下の場合について説明する。すなわち、ｎ１：２、ｎ２：３であるが、複数タイミングにおける検出タイミング位相が４等分割位相（０°、９０°、１８０°、２７０°）及び３相等分割（０°、１２０°、２４０°）である実施例に関して説明する。
【００６３】
図６は、第１、第２の周波数に対する検出タイミング図である。本実施例では、ｎ１：２、ｎ２：３であり、本実施形態の特徴となる第１の周波数検出では第２の変調周波数と相対位相関係がそれぞれ異なるｎ２個（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。また、第２の周波数検出では第１の変調周波数と相対位相関係がそれぞれ異なるｎ２：２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。これらの条件から、両者の光検出の積分範囲を同じ時間に設定することで、一つの周波数を対象とした検出処理時間と同じ処理時間で２つの周波数を対象とした検出が可能となる。
【００６４】
図６（ａ）、（ｂ）は、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の変調周波数のみ存在する場合の受光変調波形を、破線は第２の変調周波数のみ存在する場合の受光変調波形を、実線は第１及び第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、実際の装置では、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。
【００６５】
図６（ａ）は、ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０、ｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ１２０、ｆ２＿Ａ２４０は、それぞれの変調周波数に対するサンプリングタイミング、及び検出積分区間をグレイ色で示している。また、各検出位相に対して、ｎ２１、ｎ１１は本発明における検出対象の最小範囲となる。図６（ｂ）は、図６（ａ）で記載しきれないｆ２＿Ａ６０、ｆ２＿Ａ１８０、ｆ２＿Ａ３００に関して追加説明を行う図である。
【００６６】
まず、図６（ａ）を用いて第１の周波数の検出処理方法に関して説明する。本実施例は、実施例１と同じくｎ１：２、ｎ２：３であるため、本実施形態の特徴である第１の周波数検出では第２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。本実施例では、最小単位（ｎ２．１）を検出位相毎に実施する形態が実施例１と異なるが、検出順が異なるのみで基本的処理に違いはない。
【００６７】
実施例１で説明したように、上記サンプリング条件の設定により、第１の周波数成分のみの検出が可能となり、（ｆ１＿Ａ０−ｆ１＿Ａ１８０）、（ｆ１＿Ａ９０−ｆ１＿Ａ２７０）は図６（ｃ）に示す２相正弦波信号となる。
【００６８】
次に、第２の周波数の検出処理方法に関して説明する。第２の周波数検出処理も第１の周波数のサンプリング時刻、積分検出時間ともに同一とし、検出の処理対象を変更して処理を行う。したがって、本実施例において、第２の周波数に対するサンプリング周期は、０°、１２０°、２４０°の３相検出となり、また、積分検出時間は１２０°分と第１の周波数の１８０°の２／３となる。
【００６９】
このサンプリング条件において、第１の周波数成分を除去し、最終的に９０°位相差２相信号に変換する処理に関して以下に説明する。
【００７０】
図６（ａ）に示すように、ｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ１２０、ｆ２＿Ａ２４０は矢印（⇔）で結ぶ２つを最小単位ｎ１．１として構成する。これら２つは、本実施形態の特徴である第２の周波数では同相で、第１の周波数とは異なる位相関係となっている。本実施例では、ｎ１、ｎ２の関係式のｎ１個：２個に相当する。
【００７１】
なお、図６（ｂ）は、第１の周波数検出領域の最小領域に対して、上述の第２の周波数検出において余剰となる領域を上述と同様の処理により検出活用する状態を表わしている。また、図６（ａ）に対して、第２の周波数サンプリング位相が６０°シフトした関係になっている（６０°、１８０°、３００°）。図６（ｂ）での処理結果は必ずしも必要ではないが、相対位相差が６０°であることを考慮し、図６（ａ）の処理結果と併せて平均化処理等によりＳＮ比を向上させることが可能となる。
【００７２】
以下、図６（ａ）に対して説明を加える。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。また、本実施例では、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＿の相対位相５周期離れている。以上から、数式９は、０、５Ｔ２として実施例１と同様に数式１７のように表現できる。検出電荷積分期間は２Ｔ２／３となる。
【００７３】
【数１２】
2018036145.tif 000014
【００７４】
ここで、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の関係と環境光時間変化が十分に小さいとする。この条件下では、第１の周波数検出の説明と同様に、数式１７の各積分項内の第１の変調周波数の反射検出光である第２項目は、数式１８のように変換できる。
【００７５】
【数１３】
2018036145.tif 000015
【００７６】
さらに、数式１８において、第２項の積分項に注目すると、以下の数式１９となる。
【００７７】
【数１４】
2018036145.tif 000016
【００７８】
このように、数式１９の第２項は半周期遅れとなり、第１項との加算で「０」になり、また、積分期間にも依存しないことが判る。この結果、数式１８の第２項は「０」になる。すなわち、第１の周波数の変調照射／反射光の位相状態θ１に依存せず、積分期間のみに依存するＤＣ値となる。
【００７９】
ｆ２＿Ａ１２０、ｆ２＿Ａ２４０に関しても同様に、第１の周波数の光飛行時間に相当する位相遅れθ１に依存せず、積分期間のみに依存するＤＣ値となり、第２の周波数で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。
【００８０】
さらに、ｆ２＿Ａ０、ｆ２＿Ａ１２０、ｆ２＿Ａ２４０の１２０°位相差信号は、以下の数式２０、数式２１の９０°位相差信号変換でき、その結果は図６（ｄ）に示す結果となる（但し、定数となる係数は省略する）。
Ｓｉｎ系：（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１２０）−（ｆ２＿Ａ１２０−ｆ２＿Ａ２４０）
（数式２０）
Ｃｏｓ系：（ｆ２＿Ａ０−ｆ２＿Ａ１２０）＋（ｆ２＿Ａ１２０−ｆ２＿Ａ２４０）
（数式２１）
【００８１】
したがって、数式２２を用いて、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２２）
【００８２】
以上、図６（ａ）のサンプリング条件に関して説明したが、図６（ｂ）に示す、検出位相が６０°シフトした条件でも同様な処理が可能である。その結果は、以下の数式２３として表わされる。そして、数式２２、２３を平均化処理することで、検出精度を向上させることができる。
θ２＝ＡＴＡＮ２［（ｆ２＿Ａ６０−ｆ２＿Ａ１８０）＋（ｆ２＿Ａ１８０−ｆ２＿Ａ３００），
ｆ２＿Ａ６０−ｆ２＿Ａ１８０）−（ｆ２＿Ａ１８０−ｆ２＿Ａ３００）］−π／３
（数式２３）
【００８３】
以上、説明した実施例２の検出手法をさらに、第１の周波数でｋ１回、第２の周波数で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通りである。また、本実施例において、第２の周波数検出では、実施例１に対して電荷積分検出区間を短く設定することになるため、第２の変調光の検出値が低下している。そのため、第２の変調光の光量を増加させ、検出値低下を補い検出精度を上げる対応も可能である。
【００８４】
なお、本実施形態の特徴となる変調周波数ｆ１、ｆ２のそれぞれの検出周期以上の位相遅れの処理方法に関しては、実施例１と同一あるため説明は割愛する。本実施例における結果として、総飛行時間（Ｔ＿ｄｅｌａｙ）を実施例１で示した数式１６で算出できる。最終距離の算出に関しても実施例１と同様である。
【００８５】
以上説明したように、本実施例では実施例１に対して検出時間の短縮が可能となる。なお、実施例１では第１、第２の周波数共に４分割サンプリングに関して、本実施例では、４分割、３分割サンプリングが混在するケースに関して説明した。しかし、本実施例の第２の周波数検出で説明した３分割サンプリング処理を、第１の周波数検出にも適用し、第１、第２の周波数共に３分割サンプリング処理を適用することも可能である。
【００８６】
（実施例３）
実施例３では、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の変調周波数：ｆ２（周期：Ｔ２）との関係が、以下を満たす場合について説明する。すなわち、ｎ１：２、ｎ２：５である条件下において、複数の検出タイミング位相が４等分割位相（０°、９０°、１８０°、２７０°）である実施例に関して説明する。
【００８７】
図７は第１の周波数に対するタイミング図、図８は第２の周波数に対するタイミング図である。ここでは、第１、第２の周波数検出に対して個別に説明を行うが、基本的処理は実施例１と同様となる。ここでも両周波数に対する検出を順次時系列に処理する他、両者の検出を時系列に入り交えて検出することも考えられる。
【００８８】
図７、図８中、Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０は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の変調周波数のみ存在する場合の受光変調波形を、破線は第２の変調周波数のみ存在する場合の受光変調波形を、実線は第１、及び第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、実際の装置においては、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。
【００８９】
この状態において、図７を用いて、第１の周波数に対する検出処理方法に関して説明する。図中、第１の周波数を対象とした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。本実施例では、ｎ１：２、ｎ２：５であるため、本実施形態の特徴である、第１の周波数検出では第２の変調周波数と相対位相関係がそれぞれ異なるｎ２：５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＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０に対して実施する。
【００９０】
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は、基本的に実施例１と同様である。したがって、実施例１と同様に、第１、第２の重畳変調周波数の受光変調光＋環境光は数式９のように表現できる。この表記の下、実施例１と同様の処理を行った場合、第２の周波数に対する電荷積分項は以下の数式２４のように表現できる。
【００９１】
【数１５】
2018036145.tif 000017
【００９２】
さらに、数式２４において、第２項の積分項に注目すると、以下の数式２５のようになる。
【００９３】
【数１６】
2018036145.tif 000018
【００９４】
このように、数式２４の第２項の積分項は「０」になり、また、積分期間にも依存しないことが判る。したがって、数式２４に示した第２の変調周波数の受光の積分項は、第２の変調中心光強度：α２と反射光効率：βとの積である受光平均光量：α２βであるＤＣ光の積分値となる。これは、第２の周波数の位相遅れ状態θ２に依存せず、積分期間のみに依存するにＤＣ値の形態となる。ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０に関しても同様に、第２の周波数の光飛行時間に相当するθ２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。
【００９５】
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の周波数の積分ＤＣ値も差動キャンセルされる。これにより、図７（ｂ）に示すような、検出値が第１の変調周波数の飛行時間にのみ依存する２相正弦波となる。したがって、逆正接演算結果は第１の変調周波数の反射光のみを反映し、第２の変調周波数を除去した第１の変調周波数のみの位相遅れを反映した位相差検出結果となる。これにより、第１の変調周波数のみ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。
【００９６】
以上のように、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。
【００９７】
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回の検出を順次行うようにしてもよい。或いは、（ｆ１＿Ａ０、ｆ１＿Ａ９０、ｆ１＿Ａ１８０、ｆ１＿Ａ２７０）の一連の検出をｋ１回繰り返すようにしてもよい。いずれに限定されるものではなく、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。
【００９８】
さらに、図８における、第２の周波数に対する検出処理方法に関しても、上記説明、または実施例１と同様である。つまり、ｎ１：２、ｎ２：５であるため、本実施形態の特徴として、第２の周波数検出では第１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（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。
【００９９】
ここでも、上述と同様に、第１の周波数に対する電荷積分項は以下の数式２６のように表現できる。
【０１００】
【数１７】
2018036145.tif 000019
【０１０１】
さらに、数式２６において、第２項の積分項に注目すると、以下の数式２７のようになる。
【０１０２】
【数１８】
2018036145.tif 000020
【０１０３】
このように、数式２７の第２項は第１項の半周期遅れとなり、第１項との加算で「０」になり、また、積分期間にも依存しないことが判る。したがって、数式２６に示した第１の変調周波数での受光の積分項は、第１の変調中心光強度：α１と反射光効率：βとの積である受光平均光量：α１β、のＤＣ光積分値となる。これは、第１の変調周波数成分反射光の位相状態θ１に依存せず、積分期間のみに依存するにＤＣ値の形態となる。
【０１０４】
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の周波数の積分ＤＣ値も差動キャンセルされ、図８（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の変調周波数の反射光のみを反映した位相差検出結果となり、第２の変調周波数のみ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。
【０１０５】
以上のように、積分期間中の環境光の変化が十分小さい検出領域では、（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。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の周波数検出での説明の通りである。
【０１０６】
以上のように、本実施例によれば、まず、ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２    ｎ１，ｎ２：自然数、かつ、ｎ１／ｎ２は自然数でない条件下において、それぞれの変調周波数を分離検出することが可能となる。
【０１０７】
次に、本実施例の特徴となる変調周波数ｆ１、ｆ２のそれぞれの検出周期以上の位相遅れの処理方法に関して図９を用いて説明を加える。
【０１０８】
図９（ａ）は、上述した第１、第２の重畳変調周波数をそれぞれ分離検出した場合の、飛行時間と位相遅れの関係を示している。ここで、横軸：飛行時間、縦軸位相遅れ：０−２πである。同図に示すように、ｎ１×ｆ１＝ｎ２×ｆ２、ｎ１：２、ｎ２：５のため、第１の周波数の５周期目、第２の周波数の２周期目で、共に遅れ位相が「０」で一致する。さらに、本実施形態の特徴となる変調周波数ｆ１、ｆ２のそれぞれの検出周期以上の位相遅れを算出するために、第１の変調周波数での位相遅れと第２の変調周波数での位相遅れと差分演算を行う。
【０１０９】
ただし、本実施例では、実施例１、２の｜ｎ１−ｎ２｜＝１と異なり、｜ｎ１−ｎ２｜＝３となり、｜ｎ１−ｎ２｜＞２の状態となる。このように、｜ｎ１−ｎ２｜＞２の場合には、第１の第２の遅れ位相の差分と０−２πの折り返し処理では、ｎ１とｎ２との最小公倍数周期を算出することができず、図９（ｂ）に示すような｜ｎ１−ｎ２｜周期となる、３周期位相変化結果となる。したがって、条件によっては第１、第２のいずれよりも小さい周期となってしまい、本実施形態の目的を達成できない。ここでは、遅れ位相差分が第１、第２の最小公倍数周期となる処理に関して説明を加える。
【０１１０】
基本的な処理の考え方は、差分を取る遅れ位相の周期差が「１」となるように差分処理を繰り返す。この時、差分処理毎に０−２πの折り返し処理を行う。本実施例では、ｎ１：２、ｎ２：５であるため、まずθ１−θ２で、図９（ｂ）に示すように、最小公倍数周期の３分割周期信号を算出する。さらに、最小公倍数周期信号を算出するには、この算出された３周期信号と差分前の２周期信号との差分処理を実施する。結果、３−２＝１となり、この処理により、図９（ｃ）に示す最小公倍数周期の遅れ位相関係を算出できる。
【０１１１】
この処理は、換言すれば、図９（ｄ）に示すように、（θ１−θ２）−θ２＝θ１−２θ２となる。最小公倍数周期に対してθ１は５周期信号、θ２は２周期信号、θ１−θ２は３周期信号、（θ１−θ２）−θ２＝θ１−２θ２は１周期信号となる。この時、図９（ｅ）に示すように−２πを越える差分演算結果になる。そのため、０−２πの折り返し処理は、＜０、２π＞に対して±２πの条件のみならず、＜−２π（ｉ−１）、２π（ｉ）＞（ｉ：自然数）の差分結果に対して±２π（ｉ）の折り返し処理が必要となる。その結果は、上記の順次処理と同一の図９（ｃ）に示す結果となる。
【０１１２】
さらに、図９（ｃ）の結果に対して、そのままＴＯＦ時間を算出することも可能であるが、前述したように、第１、第２の各遅れ位相に対して、複数の差分演算、或いは整数の積算及び減算処理を行っているため、ノイズ成分が演算により増加している。したがって、先の実施例でも説明したように、図９（ｆ）に示すような周波数のｎ番目の処理と、その周期遅れ時間に遅れ検出時間を加算した数式１６で表わされる。
【０１１３】
また、式１６の第１項は、本実施例においては図９（ｆ）に示す結果になり、図中、点線はｆ１に対する周期数、破線はｆ２に対する周期数を表わしている。ここでＳＮ比と０−２π相当の検出距離が短くなる観点より、周波数の高い第１の位相遅れを用いて算出することが考えられる。さらに、第１の周波数と第２の周波数との周波数比に依存する部分もあるが、式１７での第１の周波数での結果と第２の周波数での結果の平均値を最終算出距離とすることも検出距離の精度を向上させる手段として考えられる。
【０１１４】
本実施例では、以上説明した処理により、より高精度に長時間飛行時間の算出が可能となる。
【０１１５】
（その他の実施例）
以上、実施例１〜３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。
【０１１６】
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。また、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。
【０１１７】
また、複数の光飛行型距離計測装置を使用する場合の処理に加え、光源波長／検出波長を装置間で変更するようにしてもよい。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。
【０１１８】
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し、より広範囲に亘る３次元空間認識が可能となる。そのため、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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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】
【０１２１】
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】
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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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