(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する発光素子（２４）と、
変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量（３３ａ、３３ｂ）に振り分けて蓄積する受光素子（２６）と、
前記受光素子を駆動する制御手段（２５）と、
前記受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する信号処理手段（２９）と、を備え、
前記受光素子は、それぞれ２個ずつの変調スイッチ（３２ａ、３２ｂ）及び前記蓄積容量を有し、
前記制御手段は、変調周期を位相数ｎ（ｎは自然数）で除算した期間を単位期間とし、位相数ｎ個のシーケンスで前記受光素子を駆動し、シーケンスのそれぞれ単位期間毎に、制御信号がＨであるときに１を割り当て、制御信号がＬであるときに０を割り当て、各シーケンスの「０」及び「１」の配列を横方向の配列とし、この横方向の配列を位相数ｎ個のシーケンスについて縦方向に並べたときに、ｎ×ｎの行列となるように前記受光素子を駆動することで、位相数ｎの行列を持つシーケンスにより前記受光素子を駆動し、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた値を線形演算し、１つのシーケンスにおいて一単位期間は制御信号をＨとし、残りの期間は制御信号をＬとし、そのシーケンスを、制御信号をＨとする単位期間を互いに異ならせて位相数ｎ回行うことでサンプリングされた波形である１／ｎステップでサンプリングされた波形と等価な波形を検出することを特徴とする光飛行型測距装置（２１）。
【請求項２】
請求項１に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、ｎ個の種類のパルスを用い、変調周期の半周期分ずれたパルス同士のペア毎に前記変調スイッチを駆動することで、前記受光素子を駆動することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項３】
請求項２に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、変調周期に対して単位期間ずつずらしたｎ個のシーケンスを用い、（ｎ／２）−１区間の単位期間をＨとし、（ｎ／２）＋１区間の単位期間をＬとするように前記受光素子を駆動することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項４】
請求項２に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、変調周期に対して単位期間ずつずらしたｎ個のシーケンスを用い、（ｎ／２）−１区間の単位期間をＬとし、（ｎ／２）＋１区間の単位期間をＨとするように前記受光素子を駆動することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項５】
請求項２から４の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、位相数ｎを４の倍数とし、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた４個ずつの値を用いて自装置から対象物までの距離を計算することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項６】
繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する発光素子（４４）と、
変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量（３３ａ、３３ｂ）に振り分けて蓄積する受光素子（４６）と、
前記受光素子を駆動する制御手段（４５）と、
前記受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する信号処理手段（５１）と、を備え、
前記受光素子は、それぞれ２個ずつの変調スイッチ（３２ａ、３２ｂ）及び前記蓄積容量を有すると共に、差動出力の構成であり、
前記制御手段は、変調周期を位相数ｎ（ｎは自然数）で除算した期間を単位期間とし、位相数ｎ個のシーケンスで前記受光素子を駆動し、シーケンスのそれぞれ単位期間毎に、第１の変調スイッチの制御信号がオンで且つ第２の変調スイッチの制御信号がオフであるときに１を割り当て、前記第１の変調スイッチの制御信号がオフで且つ前記第２の変調スイッチの制御信号がオンであるときに−１を割り当て、各シーケンスの「１」及び「−１」の配列を横方向の配列とし、この横方向の配列を位相数ｎ個のシーケンスについて縦方向に並べたときに、ｎ×ｎの行列となるように前記受光素子を駆動することで、位相数ｎの行列を持つシーケンスにより前記受光素子を駆動し、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた値を線形演算し、１つのシーケンスにおいて一単位期間は制御信号をＨとし、残りの期間は制御信号をＬとし、そのシーケンスを、制御信号をＨとする単位期間を互いに異ならせて位相数ｎ回行うことでサンプリングされた波形である１／ｎステップでサンプリングされた波形と等価な波形を検出することを特徴とする光飛行型測距装置（４１）。
【請求項７】
請求項６に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、（ｎ／２）−１区間の単位期間を１とし、（ｎ／２）＋１区間の単位期間を−１とするように前記受光素子を駆動することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項８】
請求項６又は７に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、位相数ｎを４の倍数とし、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた４個ずつの値を用いて自装置から対象物までの距離を計算することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項９】
請求項６から８の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
コモンモード成分を除去するコモンモード成分除去手段（４７）を備えたことを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項１０】
繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する発光素子（４４）と、
変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量（３３ａ、３３ｂ）に振り分けて蓄積する受光素子（４６）と、
前記受光素子を駆動する制御手段（４５）と、
前記受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する信号処理手段（５１）と、を備え、
前記受光素子は、それぞれ２個ずつの変調スイッチ（３２ａ、３２ｂ）及び前記蓄積容量を有すると共に、差動出力の構成であり、
前記制御手段は、変調周期を位相数ｎ（ｎは自然数）で除算した期間を単位期間とし、位相数ｎ個のシーケンスで前記受光素子を駆動し、シーケンスのそれぞれ単位期間毎に、第１の変調スイッチの制御信号がオンで且つ第２の変調スイッチの制御信号がオフであるときに１を割り当て、前記第１の変調スイッチの制御信号がオフで且つ前記第２の変調スイッチの制御信号がオンであるときに−１を割り当て、前記第１の変調スイッチの制御信号がオンで且つ前記第２の変調スイッチの制御信号がオンであるときに０を割り当て、各シーケンスの「１」、「−１」及び「０」の配列を横方向の配列とし、この横方向の配列を位相数ｎ個のシーケンスについて縦方向に並べたときに、ｎ×ｎの行列となるように前記受光素子を駆動することで、位相数ｎの行列を持つシーケンスにより前記受光素子を駆動し、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた値を線形演算し、１つのシーケンスにおいて一単位期間は制御信号をＨとし、残りの期間は制御信号をＬとし、そのシーケンスを、制御信号をＨとする単位期間を互いに異ならせて位相数ｎ回行うことでサンプリングされた波形である１／ｎステップでサンプリングされた波形と等価な波形を検出することを特徴とする光飛行型測距装置（４１）。
【請求項１１】
繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する発光素子（４４）と、
変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量（３３ａ、３３ｂ）に振り分けて蓄積する受光素子（４６）と、
前記受光素子を駆動する制御手段（４５）と、
前記受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する信号処理手段（５１）と、を備え、
前記受光素子は、それぞれ２個ずつの変調スイッチ（３２ａ、３２ｂ）及び前記蓄積容量と、前記変調スイッチとは別のスイッチ（３２ｃ）とを有すると共に、差動出力の構成であり、
前記制御手段は、変調周期を位相数ｎ（ｎは自然数）で除算した期間を単位期間とし、位相数ｎ個のシーケンスで前記受光素子を駆動し、シーケンスのそれぞれ単位期間毎に、第１の変調スイッチの制御信号がオンで且つ第２の変調スイッチの制御信号がオフで且つ別の変調スイッチの制御信号がオフであるときに１を割り当て、前記第１の変調スイッチの制御信号がオフで且つ前記第２の変調スイッチの制御信号がオンで且つ前記別の変調スイッチの制御信号がオフであるときに−１を割り当て、前記第１の変調スイッチの制御信号がオフで且つ前記第２の変調スイッチの制御信号がオフで且つ前記別の変調スイッチの制御信号がオンであるときに０を割り当て、各シーケンスの「１」、「−１」及び「０」の配列を横方向の配列とし、この横方向の配列を位相数ｎ個のシーケンスについて縦方向に並べたときに、ｎ×ｎの行列となるように前記受光素子を駆動することで、位相数ｎの行列を持つシーケンスにより前記受光素子を駆動し、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた値を線形演算し、１つのシーケンスにおいて一単位期間は制御信号をＨとし、残りの期間は制御信号をＬとし、そのシーケンスを、制御信号をＨとする単位期間を互いに異ならせて位相数ｎ回行うことでサンプリングされた波形である１／ｎステップでサンプリングされた波形と等価な波形を検出することを特徴とする光飛行型測距装置（４１）。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、位相数ｎを４の倍数とし、ｎ−４個のシーケンスを、（ｎ／２）−１区間の単位期間を１とし、２区間の単位期間を０とし、（ｎ／２）−１区間の単位期間を−１とし、残りの４個のシーケンスを、（ｎ／２）−１区間の単位期間を１とし、１区間の単位期間を０とし、（ｎ／２）の単位期間を−１とするように前記受光素子を駆動することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項１３】
請求項１０又は１１に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、位相数ｎを４の倍数とし、ｎ−４個のシーケンスを、（ｎ／２）−１区間の単位期間を１とし、２区間の単位期間を０とし、（ｎ／２）−１区間の単位期間を−１とし、残りの４個のシーケンスを、（ｎ／２）−１区間の単位期間を１とし、（ｎ／２）＋１区間の単位期間を−１とするように前記受光素子を駆動することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項１４】
請求項１０から１３の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
コモンモード成分を除去するコモンモード成分除去手段（４７）を備えたことを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項１５】
請求項１から１４の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、反射光の振幅が所定値以上の画素が存在する場合に、位相数ｎの階数の行列に基づくシーケンスにより前記受光素子を駆動することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項１６】
繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する発光素子（４４）と、
変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量（３３ａ、３３ｂ）に振り分けて蓄積する受光素子（４６）と、
前記受光素子を駆動する制御手段（４５）と、
前記受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する信号処理手段（５１）と、を備え、
前記受光素子は、それぞれ２個ずつの変調スイッチ（３２ａ、３２ｂ）及び前記蓄積容量を有すると共に、差動出力の構成であり、
前記制御手段は、変調周期を位相数ｎ（ｎは自然数）で除算した期間を単位期間とし、位相数ｎ個のシーケンスで前記受光素子を駆動し、シーケンスのそれぞれ単位期間毎に、第１の変調スイッチの制御信号がＨで且つ第２の変調スイッチの制御信号がＬの単位期間を１とし、前記第１の変調スイッチの制御信号がＬで且つ前記第２の変調スイッチの制御信号がＨの単位期間を−１とし、各シーケンスの「−１」及び「１」の配列を横方向の配列とし、この横方向の配列を位相数ｎ個のシーケンスについて縦方向に並べたときに、ｎ×ｎの行列となるように前記受光素子を駆動することで、位相数ｎの行列を持つシーケンスにより前記受光素子を駆動し、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた値を線形演算し、ｎ×ｎの行列の階数が（ｎ−１）であり、「−１」と「１」とを隣合わせて配置したシーケンスを変調周期に対して（１／ｎ）×３６０度ずらして配置することでサンプリングされた波形である１／ｎステップでサンプリングされた微分波形と等価な波形を検出することを特徴とする光飛行型測距装置（４１）。
【請求項１７】
繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する発光素子（４４）と、
変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量（３３ａ、３３ｂ）に振り分けて蓄積する受光素子（４６）と、
前記受光素子を駆動する制御手段（４５）と、
前記受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する信号処理手段（５１）と、を備え、
前記受光素子は、それぞれ２個ずつの変調スイッチ（３２ａ、３２ｂ）及び前記蓄積容量を有すると共に、差動出力の構成であり、
前記制御手段は、変調周期を位相数ｎ（ｎは自然数）で除算した期間を単位期間とし、位相数ｎ個のシーケンスで前記受光素子を駆動し、シーケンスのそれぞれ単位期間毎に、第１の変調スイッチの制御信号がオンで且つ第２の変調スイッチの制御信号がオフであるときに１を割り当て、前記第１の変調スイッチの制御信号がオフで且つ前記第２の変調スイッチの制御信号がオンであるときに−１を割り当て、前記第１の変調スイッチの制御信号がオンで且つ前記第２の変調スイッチの制御信号がオンであるときに０を割り当て、各シーケンスの「１」、「−１」及び「０」の配列を横方向の配列とし、この横方向の配列を位相数ｎ個のシーケンスについて縦方向に並べたときに、ｎ×ｎの行列となるように前記受光素子を駆動することで、位相数ｎの行列を持つシーケンスにより前記受光素子を駆動し、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた値を線形演算し、ｎ×ｎの行列の階数が（ｎ−１）であり、「−１」と「１」とを隣合わせて配置したシーケンスを変調周期に対して（１／ｎ）×３６０度ずらして配置することでサンプリングされた波形である１／ｎステップでサンプリングされた微分波形と等価な波形を検出することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項１８】
繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する発光素子（４４）と、
変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量（３３ａ、３３ｂ）に振り分けて蓄積する受光素子（４６）と、
前記受光素子を駆動する制御手段（４５）と、
前記受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する信号処理手段（５１）と、を備え、
前記受光素子は、それぞれ２個ずつの変調スイッチ（３２ａ、３２ｂ）及び前記蓄積容量と前記変調スイッチとは別のスイッチ（３２ｃ）とを有すると共に、差動出力の構成であり、
前記制御手段は、変調周期を位相数ｎ（ｎは自然数）で除算した期間を単位期間とし、位相数ｎ個のシーケンスで前記受光素子を駆動し、シーケンスのそれぞれ単位期間毎に、第１の変調スイッチの制御信号がオンで且つ第２の変調スイッチの制御信号がオフで且つ別の変調スイッチの制御信号がオフであるときに１を割り当て、前記第１の変調スイッチの制御信号がオフで且つ前記第２の変調スイッチの制御信号がオンで且つ前記別の変調スイッチの制御信号がオフであるときに−１を割り当て、前記第１の変調スイッチの制御信号がオフで且つ前記第２の変調スイッチの制御信号がオフで且つ前記別の変調スイッチの制御信号がオンであるときに０を割り当て、各シーケンスの「１」、「−１」及び「０」の配列を横方向の配列とし、この横方向の配列を位相数ｎ個のシーケンスについて縦方向に並べたときに、ｎ×ｎの行列となるように前記受光素子を駆動することで、位相数ｎの行列を持つシーケンスにより前記受光素子を駆動し、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた値を線形演算し、ｎ×ｎの行列の階数が（ｎ−１）であり、「−１」と「１」とを隣合わせて配置したシーケンスを変調周期に対して（１／ｎ）×３６０度ずらして配置することでサンプリングされた波形である１／ｎステップでサンプリングされた微分波形と等価な波形を検出することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項１９】
請求項１６から１８の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、位相数ｎを４の倍数とし、
前記信号処理手段は、前記受光素子によりサンプリングされた４個ずつの値を用いて自装置から対象物までの距離を計算することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項２０】
請求項１６から１９の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
コモンモード成分を除去するコモンモード成分除去手段（４７）を備えたことを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項２１】
請求項１６から２０の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、反射光の振幅が所定値以上の画素が存在する場合に、位相数ｎ−１の階数の行列を持つシーケンスにより前記受光素子を駆動することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項２２】
請求項１から２１の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、反射光の波形をモニタした結果に応じて、発光素子から発光される変調光の波形を補正することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、発光素子から発光される変調光の波形を補正不可能である場合に、アラームを出力することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項２４】
請求項２２に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、発光素子から発光される変調光の波形を補正した後の反射光の波形が正常でない場合に、アラームを出力することを特徴とする光飛行型測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変調光を空間に発光し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光を受光して電荷を複数の蓄積容量に振り分けて蓄積し、サンプリングした値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する光飛行型測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自装置から対象物までの距離を非接触で計算する装置として、光飛行（ＴＯＦ：Time of Flight）型測距装置が供されている。光飛行型測距装置は、変調光（測距光）を空間に発光し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光を受光する。そして、光飛行型測距装置は、受光した入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量に振り分けて蓄積し、サンプリングした値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する（例えば特許文献１、２参照）。光飛行型測距装置の基本的な構成を図２６に示す。光飛行型測距装置１は、信号源２と、駆動回路３と、発光素子４と、制御回路５と、受光素子６と、バッファ７ａ、７ｂと、ＡＤ変換回路８ａ、８ｂと、デジタル信号処理回路９とを有する。発光素子４は、変調光としての例えば赤外光を発光するＬＤ（Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。受光素子６は、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）やＣＣＤ（Charge Coupled Device）のプロセスを用いたイメージセンサである。
【０００３】
光飛行型測距装置１では、発光素子４から発光される変調光に同期し、受光素子６の露光を制御する必要があるので、同一の信号源２により駆動回路３と制御回路５とを駆動する。信号源２は、発光素子４と受光素子６との同期を確立する信号を出力する。信号源２から出力される信号は、発光素子４を駆動する矩形パルス（通常数〜数１０ＭＨｚ）であっても良いし、同期パルスのみであっても良い。
【０００４】
受光素子６は、図２７に示すように、ＰＤ（Photodiode）１１と、２個の変調スイッチ１２ａ、１２ｂと、２個の蓄積容量１３ａ、１３ｂとを有する。２個の変調スイッチ１２ａ、１２ｂは、例えばＭＯＳトランジスタやトランスファゲート等のＭＯＳ型のデバイス、ＣＣＤ構造のデバイス等である。２個の蓄積容量１３ａ、１３ｂは、例えばＭＯＳ、ＣＣＤ、ＭＩＭ（Metal Insulator Metal）等の容量素子、配線、ＰＮ接合の寄生容量等である。
【０００５】
受光素子６は、変調スイッチ１２ａ、１２ｂを制御信号ＴＧ１、ＴＧ２で駆動し、受光した入射光により発生する光電子を蓄積容量１３ａ、１３ｂに振り分ける。制御信号ＴＧ１、ＴＧ２は変調光に同期した信号であるので、自装置から対象物までの距離に応じて蓄積容量１３ａ、１３ｂに振り分けられる光電子の電荷量が変化する。デジタル信号処理回路９は、蓄積容量１３ａ、１３ｂに振り分けられる光電子の電荷量を演算し、自装置から対象物までの距離を計算する（測距する）。図２７では、２個の蓄積容量１３ａ、１３ｂを例示したが、３個以上の蓄積容量を設けても良い。
【０００６】
受光素子６を４つの異なるタイミングで駆動した場合のシーケンスを図２８に示す。発光素子４から発光される変調光の波形（発光波形１１０）は、制御信号ＴＧ１、ＴＧ２と同期した矩形波で変調している。図２８では矩形波で変調した場合を例示しているが、正弦波、三角波又は擬似ランダムシーケンス等の波形で変調しても良い。変調光が対象物で反射した反射光の波形（反射波形１２０）は、発光波形１１０に対して時間差を有するので、発光波形１１０に対して位相差φだけ遅れた波形となる。一方、制御信号ＴＧ１、ＴＧ２は９０度ずつ位相が異なる矩形波で駆動される。デジタル信号処理回路９は、制御信号ＴＧ１−１、ＴＧ２−１（駆動波形１１１、１２１）で駆動するシーケンスを数千〜数十万回程度の周期繰り返した後に、発生した光電荷Ｑ１、Ｑ２の情報（電荷電圧変換された電圧値）を取得する。その後、デジタル信号処理回路９は、制御信号ＴＧ１−２、ＴＧ２−２（駆動波形１１２、１２２）で駆動するシーケンスを同様に数千〜数十万回程度の周期繰り返した後に、発生した光電荷Ｑ３、Ｑ４の情報を取得する。そして、デジタル信号処理回路９は、取得したＱ１〜Ｑ４から離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Discrete Fourier Transform）を用いて位相差θを以下の演算式（１）により計算する。
【０００７】
θ＝ｔａｎ-1［（Ｑ１−Ｑ３）／（Ｑ２−Ｑ４）］…（１）
演算式（１）は上記４つのサンプリングに基づく位相差の演算式であるが、一般のＮ位相についても以下の演算式（２）から計算が可能である。
【０００８】
θ＝ｔａｎ-1［（ΣＱｋ＊ｓｉｎ（２π／Ｎ＊ｋ））／（ΣＱｋ＊ｃｏｓ（２π／Ｎ＊ｋ））］…（２）
ここで、反射波形１２０が理想的な正弦波であれば、θはφと等しいが、高調波成分を含む場合には、θはφに対して誤差を持つ（例えば理想的な矩形波、４位相の場合であれば±４度）。一方、駆動回路３の実現の容易性や変調コントラストの観点から正弦波で変調することよりも、矩形波で変調することの方が好まれる。そのため、上記した誤差については、理想的な矩形波と正弦波の誤差、又は実際に測定したデータ等から補正する方法が先行技術として開示されている。
【０００９】
理想的な矩形波と正弦波の誤差を用いて補正する方法と、その問題点について説明する。図２９（ａ）は、この場合のθとφの関係を位相誤差２０１として示す。この関係は解析的に求めることができ、例えば理想的な矩形波に対しては±４度程度の誤差を持つことが知られている。仮に発光波形１１０が矩形波に近いときは、この方法で十分な補正が得られるが、反射波形１２０が理想的な矩形波に対して誤差を持つときは、十分な補正ができない。図２９（ｂ）に、理想的な波形２００に対して実際の波形２１０が有限の立ち上がり及び立ち下がりを持つ場合を示す。この場合、θとφの関係は２１１のように理想的な波形２００と異なる値となり、誤差を補正することができない（又は誤差を拡大してしまう）。ここでは、立ち上がり及び立ち下がりの時間が非理想的である場合を示したが、これ以外にも回路の時定数や波形のデューティーといったものも同様に誤差に寄与する。
【００１０】
このような問題に対して、距離が機知である対象物に対して実際に測距を行い、その結果を元にルックアップテーブル（ＬＵＴ：Look Up Table）を作成することで、補正を行う技術が開示されている（例えば特許文献３、４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−８４４３０号公報
【特許文献２】米国６８２５４５５Ｂ１号公報
【特許文献３】米国７７１９６６２Ｂ２号公報
【特許文献４】特表２０１３−５３４６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
光飛行型測距装置１では、先述した通り、発光波形の形状に依存して距離の計算結果に誤差を生じるという課題があった。この課題に対して、既存技術でとられている方法として、主に以下に示す３つの方法がある。第１の方法は、蓄積容量の個数を増やし、波形を細かくサンプリングする方法である。第２の方法は、発生する誤差をなんらかの手段で計算し、後段の回路で誤差を補正する方法である。第３の方法は、波形の差異による計算値への感度を低減する方法である。以下、これらの３つの方法について説明する。
【００１３】
最初に第１の方法について説明する。図３０において、受光素子６は、ＰＤ１１と、８個の変調スイッチ１２ａ〜１２ｈと、８個の蓄積容量１３ａ〜１３ｈとを有する。この構成では、シーケンスは、図３１に示すようになる。制御信号ＴＧ１（駆動波形３０１）〜ＴＧ８（駆動波形３０８）により変調スイッチ１２ａ〜１２ｈを駆動することで、サンプリングの時間分解能を高めることができる。例えば発光波形３１０が、破線で示す理想的な矩形波に対して実線で示すように応答遅延による差異を持ったとき、反射波形３２０も、同様の応答遅延による差異を持つ。この差異について、図３０に示す構成では、蓄積容量１３ａ〜１３ｈの個数が図２７に示した構成よりも多いので、サンプル値に図示したように時間軸上より細かい情報を取得することができる。このため、理想的な矩形波のサンプル値３３０に対して応答遅延を持ったサンプル値３４０を取得することができる。発光波形３１０と制御信号ＴＧ１〜ＴＧ８の動作は同期しているので、上記したサンプリングの動作は先述した数千〜数十万回程度の周期を繰り返す動作と矛盾しない。
【００１４】
しかしながら、この技術を用いるためには、時間分解能に応じた個数の蓄積容量を配置する必要がある。蓄積容量の大きさは蓄積可能な電荷と比例関係にあるので、同じ面積に多くの蓄積容量を配置するほど、１つの蓄積容量当りの蓄積可能な電荷量が減ってしまう。その結果、信号経路が飽和する問題を起こし易くなる。このため、露光時間が短くなるように制御しなければならず、ランダムノイズが十分に平均化されないので、ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）の低下を招く。更に、例えば８個の蓄積容量１３ａ〜１３ｈを配置する構成では、それぞれの制御信号ＴＧの積分期間が変調周期Ｔｍの１／８といった小さな値になってしまう。このため、制御回路５、受光素子６、及び両者を接続する信号経路に高速な応答が要求される。
【００１５】
次に、第２の方法について説明する。既知の距離にある対象物を用いて実際に測距を行い、このデータに基づいて補正する技術（特許文献２に開示）について説明する。この技術はある距離においた対象物（ターゲット）で実際に測距を行い、この距離又はゲートを駆動する信号の位相シフトをスイープしてＬＵＴに補正値を書き込むものである。このような手法は、距離や大きさが管理された対象物が必要となるので、ユーザが実際に使用する環境では適用できない。即ち、出荷前の調整やユーザが故障を訴えた場合等にのみ適用可能である。このため、例えば温度といった使用環境の変化や経時劣化等により発光波形が変わってしまった場合に対応することができない。
【００１６】
次に、第３の方法について説明する。上記した手法を改良した技術（特許文献４に開示）について説明する。この技術は取得数Ｎを切り替えることにより、課題の誤差に対する感度を減らすものである。又、取得数Ｎの切り替えが可能であるので、誤差の量を検出することができる。この技術では、取得数Ｎを高次高調波に対して感度が小さく設定（特に奇数）することにより、距離の測定値について反射波形の違いによる誤差を低減することができる。しかしながら、この場合、反射波形の高次高調波による感度を低減してしまっているので、反射波形の変化をモニタすることができない。例えば波形のデューティーは偶数時高調波(特に２次)と高い相関を持ち、波形のなまりは奇数次の高調波(特に３次、５次)と高い相関を持つが、Ｎ＝５やＮ＝７において、計算結果はこれらの高調波に感度を持たない。このため、この技術で波形をモニタするためには、取得数Ｎを切り替えて複数回の測距を行う必要がある。例えば波形のデューティーと波形のなまりの２つの情報を得ようとした場合、デューティー（２次高調波と相関）に感度のあるＮ＝３、波形なまり（奇数次高調波と相関）に感度のあるＮ＝４、これらに感度のないＮ（例えばＮ＝５）の計３回の測定が必要となる。このため、モニタに要する測定時間が長くなる。又、Ｎ＝３、Ｎ＝４での測距結果は高次高調波の影響により誤差を持つ。これらは感度のないＮとの差分から補正することが可能であるが、Ｎに応じて補正テーブルを切り替える必要があり、回路規模の増大を招く。
【００１７】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、測距を中断することなく発光波形の形状をモニタすることができ、その結果に応じて適切な対処を可能とする光飛行型測距装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１に記載した発明によれば、発光素子は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する。受光素子は、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量に振り分けて蓄積する。制御手段は、受光素子を駆動する。信号処理手段は、受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する。受光素子は、それぞれ２個ずつの変調スイッチ（３２ａ、３２ｂ）及び蓄積容量を有する。この場合、制御手段は、変調周期を位相数ｎ（ｎは自然数）で除算した期間を単位期間とし、位相数ｎ個のシーケンスで受光素子を駆動し、シーケンスのそれぞれ単位期間毎に、制御信号がＨであるときに１を割り当て、制御信号がＬであるときに０を割り当て、各シーケンスの「０」及び「１」の配列を横方向の配列とし、この横方向の配列を位相数ｎ個のシーケンスについて縦方向に並べたときに、ｎ×ｎの行列となるように受光素子を駆動することで、位相数ｎの行列を持つシーケンスにより受光素子を駆動する。信号処理手段は、受光素子によりサンプリングされた値を線形演算し、１つのシーケンスにおいて一単位期間は制御信号をＨとし、残りの期間は制御信号をＬとし、そのシーケンスを、制御信号をＨとする単位期間を互いに異ならせて位相数ｎ回行うことでサンプリングされた波形である１／ｎステップでサンプリングされた波形と等価な波形を検出する。
【００１９】
これにより、位相数ｎに対して階数ｎの行列に基づいてサンプリングした値を線形演算することで、１／ｎステップでサンプリングされた波形と等価な波形を復元することができ、発光波形の形状が正常であるか否かを判定することができる。そして、例えば発光波形の形状が異常であると判定したときにアラームを出力する等することで、発光波形の形状をモニタした結果に応じて適切に対処することができる。又、デューティー、立ち上がり時間といった誤差に影響を与える値を検出することができる。
【００２０】
請求項１６に記載した発明によれば、発光素子は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する。受光素子は、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の蓄積容量に振り分けて蓄積する。制御手段は、変調周期を位相数ｎ（ｎは自然数）で除算した期間を単位期間とし、位相数ｎ個のシーケンスで前記受光素子を駆動し、シーケンスのそれぞれ単位期間毎に、第１の変調スイッチの制御信号がＨで且つ第２の変調スイッチの制御信号がＬの単位期間を１とし、第１の変調スイッチの制御信号がＬで且つ第２の変調スイッチの制御信号がＨの単位期間を−１とし、各シーケンスの「−１」及び「１」の配列を横方向の配列とし、この横方向の配列を位相数ｎ個のシーケンスについて縦方向に並べたときに、ｎ×ｎの行列となるように受光素子を駆動することで、位相数ｎの行列を持つシーケンスにより受光素子を駆動する。信号処理手段は、受光素子によりサンプリングされた値を線形演算し、ｎ×ｎの行列の階数が（ｎ−１）であり、「−１」と「１」とを隣合わせて配置したシーケンスを変調周期に対して（１／ｎ）×３６０度ずらして配置することでサンプリングされた波形である１／ｎステップでサンプリングされた微分波形と等価な波形を検出する。
【００２１】
これにより、位相数ｎに対して階数ｎ−１の行列に基づいてサンプリングした値を線形演算することで、１／ｎステップでサンプリングされた微分波形と等価な波形を復元することができ、請求項１に記載した発明と同様に、発光波形の形状が正常であるか否かを判定することができる。又、デューティー、立ち上がり時間といった誤差に影響を与える値を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す機能ブロック図
【図２】受光素子（２容量構成）の構成を示す図
【図３】８位相のシーケンスを示す図
【図４】等価的なシーケンスの行列表現を示す図
【図５】本発明の第１の実施形態における８位相のシーケンスを示す図
【図６】本発明の第１の実施形態における１２位相のシーケンスを示す図
【図７】本発明の第１の実施形態における１６位相のシーケンスを示す図
【図８】本発明の第２の実施形態を示す機能ブロック図
【図９】差動のシーケンスを示す図
【図１０】本発明の第２の実施形態における階数ｎの行列に基づく８位相のシーケンスを示す図
【図１１】背景光成分の影響を除去する構成を示す図
【図１２】本発明の第２の実施形態における階数ｎの行列に基づく１２位相のシーケンスを示す図
【図１３】本発明の第２の実施形態における階数ｎの行列に基づく１６位相のシーケンスを示す図
【図１４】画素からの電荷の廃棄を実現する第１の構成を示す図
【図１５】本発明の第２の実施形態における階数ｎの行列に基づく別の８位相のシーケンスを示す図
【図１６】本発明の第２の実施形態における階数ｎの行列に基づく別の１２位相のシーケンスを示す図
【図１７】本発明の第２の実施形態における階数ｎの行列に基づく別の１６位相のシーケンスを示す図
【図１８】画素からの電荷の廃棄を実現する第２の構成を示す図
【図１９】本発明の第２の実施形態における階数ｎの行列に基づく更に別の８位相のシーケンスを示す図
【図２０】本発明の第３の実施形態を示し、微分値を取得するシーケンスを示す図
【図２１】本発明の第３の実施形態における階数ｎ−１の行列に基づく８位相のシーケンスを示す図
【図２２】本発明の第３の実施形態における階数ｎ−１の行列に基づく１２位相のシーケンスを示す図
【図２３】本発明の第３の実施形態における階数ｎ−１の行列に基づく１６位相のシーケンスを示す図
【図２４】フローチャートを示す図
【図２５】フローチャートを示す図
【図２６】光飛行型測距装置の構成を示す機能ブロック図
【図２７】受光素子の構成（２容量構成）を示す図
【図２８】従来技術における４位相のシーケンスを示す図
【図２９】理想的な波形と実際の波形との乖離を示す図
【図３０】受光素子の構成（８容量構成）を示す図
【図３１】波形をモニタするために実現したいシーケンスを示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
以下、本発明を、例えば車両に搭載可能な車載用の光飛行型測距装置に適用した第１の実施形態について図１から図７を参照して説明する。この場合、自装置からの距離を計算する対象物は、例えば人、車両、壁等である。光飛行型測距装置２１は、信号源２２と、駆動回路２３と、発光素子２４と、制御回路２５（制御手段）と、受光素子２６と、バッファ２７ａ、２７ｂと、ＡＤ変換回路２８ａ、２８ｂと、デジタル信号処理回路２９（信号処理手段）とを有する。光飛行型測距装置２１は、［背景技術］で説明した光飛行型測距装置１と同等の構成である。
【００２４】
受光素子２６は、図２に示すように、ＰＤ３１と、２個の変調スイッチ３２ａ、３２ｂと、２個の蓄積容量３３ａ、３３ｂとを有する。受光素子２６は、変調スイッチ３２ａ、３２ｂを制御信号ＴＧ１、ＴＧ２で駆動し、受光した入射光により発生する光電子を蓄積容量３３ａ、３３ｂに振り分ける。受光素子２６は、［背景技術］で説明した受光素子６に対して、制御信号ＴＧ１−ｘ、ＴＧ２−ｘのシーケンスが増大しており、この点を除く基本的な構成は受光素子６と同等である。即ち、本発明と従来技術とでは、受光素子自体の構成は同等である。
【００２５】
変調スイッチ３２ａ、３２ｂを４以上の位相を用いて駆動した場合には、図３に示すシーケンスで駆動する。デジタル信号処理回路２９は、制御信号ＴＧ１−１〜４（駆動波形４１１〜４１４）、制御信号ＴＧ２−１〜４（駆動波形４２１〜４２４）で駆動するシーケンスを数千〜数十万回程度の周期繰り返した後に、発生した光電荷の情報を取得する。そして、デジタル信号処理回路９は、離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Discrete Fourier Transform）を用いて位相差θを上記した演算式（２）を用いて計算する。
【００２６】
デジタル信号処理回路２９は、シーケンスのそれぞれ変調周期Ｔｍの（１／８）倍の区切り（単位期間）毎に、ＴＧｘ−ｘが「Ｈ（オン）」であるときに「１」を割り当て、ＴＧｘ−ｘが「Ｌ（オフ）」であるときに「０」を割り当て、８×８の単位行列として取り扱う。図４は、同じような考え方を先述した従来技術で説明した図３１のシーケンスに適用して書き直した図である。図４に示したシーケンスは８×８の単位行列を表すので、階数（クラス）は８（一般的には位相数ｎに対してｎ）である。これに対し、図３に示した８×８の単位行列の階数は５（一般的には位相数ｎに対して（ｎ／２）＋１）である。したがって、図３のシーケンスで得られたサンプリング値をどのように線形演算しても、図４のシーケンスと等価な結果を得ることができない。
【００２７】
これに対して、本発明では、制御回路５は、図５に示すように、駆動波形６１１〜６１４、６２１〜６２４のシーケンスで受光素子６を駆動する。その結果、図５のシーケンスで得られたサンプリング値を線形演算することで、図４のシーケンスと等価な結果を得ることができる。即ち、１／ｎステップでサンプリングされた波形と等価な波形を復元することができる。しかも、都合の良いことに、これらのサンプリングについて、４つ毎に従来技術の４位相の測距と同じ計算を実施することができ、これらのグループ毎に距離の計算値を取得することができる。
【００２８】
即ち、従来技術では、ＴＧｘ−ｘのデューティーを５０％とし、変調周期Ｔｍの半周期ずつを「Ｈ」、「Ｌ」としていたが、本発明では、ＴＧｘ−ｘのデューティーを５０％から変更する。このような階数ｎの行列の作り方は無数に存在するが、図５に示すように、変調周期Ｔｍに対して［（ｎ／２）−１］の期間（ｎが８であれば３の期間）を「Ｈ」とし、［（１／２）ｎ＋１］の期間（ｎが８であれば５の期間）を「Ｌ」とすることで階数ｎの行列の条件を満たすシーケンスを実現することができる。
【００２９】
図５のシーケンスを適用することで、信号成分を積分する時間が減ってしまうが、これについては位相数を増やすほど緩和することができる。又、後述するように、本発明のシーケンスと従来技術のシーケンスと切り替えて使用することで、この影響を緩和することもできる。これは、受光素子自体の構成要素を従来技術から変更していないことによる。
【００３０】
図５は８位相の場合を例示しているが、８以上の位相にも拡張することができる。１２位相の場合には、図６に示すように、駆動波形７１１〜７１６、７２１〜７２６のシーケンスで駆動する。又、１６位相の場合には、図７に示すように、駆動波形８１１〜８１８、８２１〜８２８のシーケンスで駆動する。更に、これらよりも多い位相や、その間の位相についても、本発明を適用することができる。
【００３１】
以上に説明したように第１の実施形態によれば、次に示す作用効果を得ることができる。光飛行型測距装置２１において、位相数ｎの行列を持つシーケンスにより受光素子２６を駆動し、位相数ｎに対して階数ｎの行列に基づいてサンプリングされた値を線形演算し、１／ｎステップでサンプリングされた波形と等価な波形を検出するようにした。これにより、位相数ｎに対して階数ｎの行列に基づいてサンプリングされた値を線形演算することで、１／ｎステップでサンプリングされた波形と等価な波形を復元することができ、発光波形の形状が正常であるか否かを判定することができる。又、デューティー、立ち上がり時間といった誤差に影響を与える値を検出することができる。そして、その判定した結果を用いることで、自装置から対象物までの距離の計算結果を補正したり、アラームを出力して故障の可能性をユーザに通知したりすることができる。
【００３２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図８から図１９を参照して説明する。第１の実施形態は、シングルエンドの構成であるが、第２の実施形態は、差動出力の構成である。光飛行型測距装置４１は、信号源４２と、駆動回路４３と、発光素子４４と、制御回路４５（制御手段）と、受光素子４６と、ＣＭ（コモンモード）成分除去回路４７（コモンモード除去手段）と、バッファ４８ａ、４８ｂと、差分検出回路４９と、ＡＤ変換回路５０と、デジタル信号処理回路５１（信号処理手段）とを有する。受光素子４６は、第１の実施形態で説明した受光素子２６と同等の構成である。即ち、受光素子４６は、ＰＤ３１と、２個の変調スイッチ３２ａ、３２ｂと、２個の蓄積容量３３ａ、３３ｂとを有し、変調スイッチ３２ａ、３２ｂを制御信号ＴＧ１、ＴＧ２で駆動し、受光した入射光により発生する光電子を蓄積容量３３ａ、３３ｂに振り分ける。
【００３３】
ＣＭ成分除去回路４７は、発光している変調光に対して無視できない程度のレベルの背景光が存在する場合に、このような画素の構成を用いることで飽和を回避するためのものである。ＣＭ成分を除去する方法としては、先行文献で様々な技術が開示されている。例えば米国６９１９５４９Ｂ２号公報、独逸１０２００５０５６７７４Ａ１号公報、欧州１６２２２００Ａ１号公報等に開示されている。何れの場合も共通するのは、差分のみを保持し、同相成分を減ずる動作をする構造を受光素子の内部に搭載する構成を用いていることである。差分検出回路４９は、バッファ４８ａ、４８ｂから入力した信号の差分を検出し、その差分に応じた信号をＡＤ変換回路５０に出力する。ＡＤ変換回路５０は、差分検出回路４９から入力した信号をアナログ信号からデジタル信号に変換してデジタル信号処理回路５１に出力する。バッファ４８ａ、４８ｂは、その簡素さから例えばソースフォロア回路で実現されることが多い。差分検出回路４９は、差動のアンプが用いられるが、バッファ４８ａ、４８ｂにＡＤ変換回路５０が直接接続される構成であっても良い。
【００３４】
このような差動出力の構成では、受光素子４６が受光する入射光のうち背景光の成分（ＤＣ成分）を除去して出力する。しかしながら、発光素子４４から発光されている変調光について、ＤＣ成分は距離の計算に特に寄与するものではないので、モニタすることができなくとも、本発明が解決しようとする課題に対して矛盾を生じない。更に言えば、背景光を除去するので、周囲の環境によらず本発明の目的とする反射光の波形のモニタ動作が可能となる。即ち、差動出力の構成は本発明を適用する上で好適である。
【００３５】
図９は、差動出力の構成を４位相で駆動するシーケンスを示す。この場合は、制御信号ＴＧ１、ＴＧ２の組み合わせ、例えば制御信号ＴＧ１−１（駆動波形９１１）、ＴＧ２−１（駆動波形９１２）を数千回から数十万回繰り返して一つのデジタル値Ｄ１（９０１）を取得する。同様にして、デジタル値Ｄ２（９０２）、Ｄ３（９０３）、Ｄ４（９０４）を取得する。この場合、デジタル値Ｄ１〜Ｄ４はＤＣ成分を除去した値として出力される。それぞれについて、これ以降の行列解析を行う都合から、ＴＧ１が「Ｈ」であり且つＴＧ２が「Ｌ」であるときに「１」を割り当て、ＴＧ１が「Ｌ」であり且つＴＧ２が「Ｈ」であるときに「−１」を割り当てて記述する。即ち、Ｄｘの波形について値が「１」であるか「−１」であるかにより、ＴＧ１、ＴＧ２の状態が一意に決定される。尚、このようにＤｘが２つの蓄積容量３３ａ、３３ｂの差分を示す信号であるので、ＡＤ変換回路５０は、先述した演算式（１）の分子又は分母に相当する演算が実施された信号を出力する。このため、例えばＤ１とＤ２といった２つのサンプル値のみを使用しても、シングルエンドの構成の４位相による測距と同等の動作が可能である。但し、実際には変調スイッチ３２ａ、３２ｂのペアの間や蓄積容量３３ａ、３３ｂのペアの間にミスマッチがあるので、２つのサンプル値のみを使用した場合については、このミスマッチに起因する誤差を受けることになる。これについて、デジタル値Ｄ１〜Ｄ４を用いて先述した演算式（１）と同様の演算を行うことでミスマッチを補正する技術が米国７４６２８０８Ｂ２号公報に開示されている。本発明は、このような構成に対しても適用可能である。
【００３６】
図１０は、第１の実施形態で説明した図５と同様に位相数ｎが８である場合を示している。この場合も、階数が８となる行列は無数に存在するが、ここでは、変調周期Ｔｍに対して［（ｎ／２）−１］の期間を「１」とし、［（１／２）ｎ＋１］の期間を「−１」とすることで階数ｎの行列の条件を満たすシーケンスを実現することができる。この場合も、２サンプル毎、又は４サンプル毎に距離の計算が可能である。特に４サンプル毎に計算を実施した場合は、先述のミスマッチの影響を低減することができる。
【００３７】
図１０のシーケンスでは、各シーケンスにおいて「＋１」と「−１」の数がバランスしていない（異なっている）ので、ＡＤ変換回路５０が、１／８程度の背景光や信号源４２のＤＣ成分を出力してしまうという問題がある。距離演算については、４サンプルを使用して計算した場合は、２つのＤｘのペア同士の引き算（図１０の例では例えばＤ１−Ｄ４）でキャンセルされる。しかしながら、線形演算で図４に示したシーケンスと同等の出力を復元する場合には、この背景光やＤＣ成分が誤差となる。図１１は、この影響をＡＤ変換回路５０の後段で低減するための回路の構成例を示す。図１１の構成では、平均値演算回路６１ａ、６１ｂは、それぞれ４つのサンプル値（Ｄ１、Ｄ３、Ｄ５、Ｄ７の組、Ｄ２、Ｄ４、Ｄ６、Ｄ８の組）の平均値を計算する。減算回路６２ａ、６２ｂは、それぞれのサンプル値から平均値を減算し、その減算した値を距離計算回路６３ａ、６３ｂ及び波形復元回路６４に出力する。このようにしてサンプル値から平均値を減算することで、先述した誤差を回避することができる。
【００３８】
このような差動出力の構成についても、８以上の位相にも拡張することができる。１２位相の場合には、図１２に示すように、駆動波形１１０１〜１１１２のシーケンスで駆動する。１６位相の場合には、図１３に示すように駆動波形１２０１〜１２１６のシーケンスで駆動する。更に、これらよりも多い位相や、その間の位相についても、本発明を適用することができる。
【００３９】
但し、これら場合について、仮に先述した図１１に示したような誤差を補正する回路を追加したとしても、依然として、受光素子４６からＡＤ変換回路５０までの一連の信号の経路が、変調光に加えて、背景光の２／ｎ（図１０では１／４、図１２では１／６、図１３では１／８）程度の信号を扱わなければならない。この点に関し、背景光が強くない環境では特に問題とならないが、背景光が非常に強い環境では、信号経路が飽和してしまい、図１１に示したような誤差を補正する回路を設けても正しい結果を得られない可能性がある。この問題を低減する構成として、以下に示す構成がある。
【００４０】
即ち、信号経路の飽和の問題を防ぐ手段として、図１４のような動作を新たに追加して、「１」、「−１」に加えて第３の状態を定義する。図１４では、変調スイッチ３２ａ、３２ｂが同時に閉じる、即ち、ＴＧ１とＴＧ２の両方が「Ｈ」となる期間を設けて第３の状態を実現している。このＴＧ１とＴＧ２の両方が「Ｈ」となる期間においてＰＤ３１に発生した電荷はＱａとＱｂに分かれて蓄積容量３３ａ、３３ｂに蓄積される。先述したミスマッチを考慮しなければ、ＱａとＱｂは等しい値となる。このため、この成分はＣＭ成分除去回路４７及び差分検出回路４９でキャンセルされ、その結果、ＡＤ変換回路５０は「０」を出力する。これ以降、この状態を「０」と表記する。仮に先述したミスマッチがあった場合でも、米国７４６２８０８Ｂ２号公報に記載されているのと同様に、反転したＴＧで露光したＤｘと引き算を行うことで、この影響を回避することができる。
【００４１】
このように新たに定義した「０」の状態を用いることで、背景光の影響を低減したシーケンスとすることができる。図１５に示すシーケンスでは、変調周期Ｔｍに対して［（ｎ／２）−１］の期間を「１」とし、２の期間を「０」とし、［（１／２）ｎ−１］の期間を「−１」とするｎ−４回のシーケンスと、［（ｎ／２）−１］の期間を「１」とし、１の期間を「０」とし、（１／２）ｎの期間を「−１」とする４回のシーケンスとからなる。このようにシーケンスを変形することで、最後の４サイクル以外は背景光をＣＭ成分除去回路４７にて大幅に除去することができる。したがって、背景光が非常に強い環境であっても、最後の１回の測距及び波形のモニタ情報以外は飽和の影響を受けることなく距離の計算が可能である。又、最後の１回の距離を計算する際に影響する背景光の成分についても、図１０の場合に対して半分に影響が低減されている。
【００４２】
この場合も、８以上の位相にも拡張することができる。１２位相の場合には、図１６に示すように、駆動波形１４０１〜１４１２のシーケンスで駆動する。１６位相の場合には、図１７に示すように駆動波形１５０１〜１５１６のシーケンスで駆動する。更に、これらよりも多い位相や、その間の位相についても、本発明を適用することができる。又、ＡＤ変換回路５０が「０」を出力する構成を、図１４とは別の構成としても良い。即ち、図１４ではＴＧ、ＴＧ２が同時に閉じることでＡＤ変換回路５０が「０」を出力する構成を実現していたが、図１８に示すように、変調スイッチ３２ａ、３２ｂとは別の第３のスイッチ３２ｃ（別のスイッチ）を設け、使用しない電荷を固定電位（例えばＶＤＤ）に破棄する構成としても良い。又、図１５では階数ｎの行列を得るのに、後半の４個のシーケンスについて、「０」を１つだけ設けた構成としたが、この後半の４個のシーケンスに対して図１０と同様のものを適用することができる。即ち、図１９に示すシーケンスとしても良い。又、この場合も、８以上の位相にも拡張することができ、１２位相や１６位相にも拡張することができる。更に、これらよりも多い位相や、その間の位相についても、本発明を適用することができる。
【００４３】
以上に説明したように第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同等の作用効果を得ることができる。又、差動出力の構成とし、信号経路の飽和の問題を防ぐ構成を追加することで、背景光の影響を除去することができる。
【００４４】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。本発明の第１及び第２の実施形態は、位相数ｎに対して階数ｎの行列に基づくシーケンスを適用する構成であるが、第３の実施形態は、等価的に実現するシーケンスを、変調周期Ｔｍに対して１／ｎ間隔でのサンプリングではなく、微分（差分）値とすることで、階数ｎ−１の行列を適用する構成である。
【００４５】
図２０に８位相の場合の微分値を取得するシーケンスを示す。「−１」と「１」とを隣り合わせて配置したシーケンスを変調周期Ｔｍに対して（１／８）×３６０度（一般的に（１／ｎ）×３６０度）ずらして配置することで、微分値のサンプリングを実現する。反射波形３２０に対して理想矩形波の場合のサンプリング値を波形１７３０として、波形が遅延を持つ場合のサンプリング値を波形１７４０として示す。反射波の波形を反映して異なるサンプリングの値を取得することができ、波形をモニタすることができる。このとき、取得しているのが微分値であるので、ＤＣ成分を取得することができないが、先述したように差動出力の構成ではＤＣ成分を取得できなくとも実用上問題になることは少ない。
【００４６】
このシーケンスについて、第１及び第２の実施形態と同様の考え方を適用して、ｎ×ｎ行列の階数を求めると、階数ｎ−１となる。即ち、適用するシーケンスの階数が第１及び第２の実施形態よりも「１」少ない状態であっても、図２０のシーケンスで得られる値を線形演算から求めることができる。
【００４７】
階数ｎ−１の行列に基づくシーケンスは無数に考えられるが、８位相の場合における一例を図２１に示す。このシーケンスは［（ｎ／２）−１］の期間の「１」、２の期間の「０」、［（ｎ／２）−１］の期間の「−１」を１周期とするシーケンスを１／ｎ位相ずつずらしたｎ組のシーケンスから構成される。「０」については、先述した図１４や図１８の構成が考えられる。この場合、各シーケンスの「１」と「−１」が完全にバランスしているので、ＣＭ成分除去回路４７により背景光の成分はほぼ完全にキャンセルされ、後段の回路に入力されることはなくなる。よって、第２の実施形態で説明した飽和の問題を回避することができる。又、この場合も、２サンプル毎、又は４サンプル毎に距離の計算が可能であり、更に、８以上の位相にも拡張することができる。
【００４８】
以上に説明したように第３の実施形態によれば、光飛行型測距装置４１において、位相数ｎの行列を持つシーケンスにより受光素子４６を駆動し、位相数ｎに対して階数ｎ−１の行列に基づいてサンプリングされた値を線形演算し、１／ｎステップでサンプリングされた微分波形と等価な波形を検出するようにした。これにより、位相数ｎに対して階数ｎ−１の行列に基づいてサンプリングされた値を線形演算することで、第１及び第２の実施形態と同様に、１／ｎステップでサンプリングされた微分波形と等価な波形を復元することができ、発光波形の形状が正常であるか否かを判定することができる。
【００４９】
これまで述べてきた第１から第３の実施形態について、実際の測距中にモニタ動作を実現する場合の制御ついて図２３及び図２４を参照して説明する。
光飛行型測距装置１は、最初に通常のシーケンス（従来技術と同様の例えば図９に示す）シーケンスで１〜数回の測距を行う（フレーム群１）（Ｓ１）。光飛行型測距装置１は、測距を行った結果により、反射光の振幅が所定値以上の画素が存在するか否かを判定する（Ｓ２）。光飛行型測距装置１は、反射光の振幅が所定値以上の画素が存在しないと判定すると（Ｓ２：ＮＯ）、モニタ動作を終了する。
【００５０】
一方、光飛行型測距装置１は、反射光の振幅が所定値以上の画素が存在すると判定すると（Ｓ２：ＹＥＳ）、通常のシーケンスから本発明のシーケンスに切り替え、本発明のシーケンスで１〜数回の測距を行う（フレーム群２）（Ｓ３）。ここでも、光飛行型測距装置１は、測距を行った結果により、反射光の振幅が所定値以上の画素が存在するか否かを判定する（Ｓ４）。光飛行型測距装置１は、反射光の振幅が所定値以上の画素が存在しないと判定すると（Ｓ４：ＮＯ）、モニタ動作を終了する。
【００５１】
一方、光飛行型測距装置１は、反射光の振幅が所定値以上の画素が存在すると判定すると（Ｓ４：ＹＥＳ）、４つ毎のグループ間で計算値が近い（計算値の差が所定値未満）か否かを判定し、対象物又は自装置が移動しているか否かを判定する（Ｓ５）。光飛行型測距装置１は、４つ毎のグループ間で計算値が近くない、即ち、対象物又は自装置が移動していると判定すると（Ｓ５：ＮＯ）、モニタ動作を終了する。光飛行型測距装置１は、４つ毎のグループ間で計算値が近い、即ち、対象物又は自装置が移動していない（静止している）と判定すると（Ｓ５：ＹＥＳ）、反射波形を抽出し（Ｓ６）、発光波形起因の誤差推定処理に移行する（Ｓ７）。
【００５２】
このように通常のフレーム（フレーム群１）と本発明の（モニタ用の）フレーム（フレーム群２）とでシーケンスを分けることで、ＳＮＲの低下を回避することができる。但し、位相数ｎが多い場合や反射光の強度が十分に大きい場合等でＳＮＲの低下が特に問題にならない場合については、フレーム群１に本発明のシーケンスを適用する、即ち、最初から本発明のシーケンスで１〜数回の測距を行っても良い。尚、光飛行型測距装置１は、抽出した反射波形について誤差の推定を行うが、推定して得られた誤差は先行技術と同様にＬＵＴに格納しておくことで、その誤差を用いて４つ毎のサンプル毎に行う距離の値を補正することができる。
【００５３】
光飛行型測距装置１は、発光波形起因の誤差推定処理を開始すると、取得した値の微分値の最小値を計算し（Ｓ１１）、値の差が閾値を超えているか否かを判定する（Ｓ１２）。この微分値は第１及び第２の実施形態の場合であれば、隣り合う２つのサンプリング値から得られる値であり、第３の実施形態では計算される値そのものである。光飛行型測距装置１は、値の差が閾値を超えていると判定すると（Ｓ１２：ＹＥＳ）、波形を十分にセトリングできていないと判断し（Ｓ１３）、アラームを出力して故障の可能性をユーザに通知し（Ｓ１４）、発光波形起因の誤差推定処理を終了する。このように故障の可能性をユーザに通知することで、点検や部品の交換を促すことができる。又、この情報を用い、このようなセトリングのエラーに対して駆動回路４３が補正する機構を有している構成では、その結果を当該機構にフィードバックすることにより、反射波形の改善を試みることができる。
【００５４】
一方、光飛行型測距装置１は、値の差が閾値を超えていないと判定すると（Ｓ１２：ＮＯ）、波形の正の期間の値を合算してデューティーを計算する（Ｓ１５）。この場合、光飛行型測距装置１は、第１及び第２の実施形態では、波形の積分値を直接求めてデューティーを計算し、第３の実施形態では、２回の積分を行ってデューティーを計算する。この場合、入射光のＤＣ成分は検出できないが、必要なのは発光素子４４から発光されている変調光のデューティーであるので、特に問題にはならない。光飛行型測距装置１は、デューティーが所定範囲内であるか否かを判定し（Ｓ１６）、デューティーが所定範囲内でないと判定すると（Ｓ１６：ＮＯ）、デューティーが崩れていると判断する（Ｓ１７）。光飛行型測距装置１は、発光素子４４を駆動する駆動回路４３の補正機能で対応可能な範囲であるか否かを判定し（Ｓ１８）、駆動回路４３の補正機能で対応可能な範囲であると判定すると（Ｓ１８：ＹＥＳ）、発光波形を補正し（Ｓ１９）、波形モニタ動作を行い（Ｓ２０）、先述したステップＳ１１に戻り、ステップＳ１１以降を再度行う。
【００５５】
一方、光飛行型測距装置１は、駆動回路４３の補正機能で対応可能な範囲でないと判定すると（Ｓ１８：ＮＯ）、この場合も、アラームを出力して故障の可能性をユーザに通知し（Ｓ２１）、発光波形起因の誤差推定処理を終了する。
【００５６】
光飛行型測距装置１は、このようにしてセトリング、デューティーといった波形の特性を検査し、取得した値が正常と判断できる場合について、高調波と波形なまりを離散フーリエ変換と積分値から計算することができる。即ち、光飛行型測距装置１は、デューティーが所定範囲内であると判定すると（Ｓ１６：ＹＥＳ）、発光波形は正常であると判断し（Ｓ２２）、離散フーリエ変換を行って高調波成分を計算し（Ｓ２３）、波形なまり起因の誤差成分を積分値から計算する（Ｓ２４）。
【００５７】
光飛行型測距装置１は、高調波成分となまりから補正係数を決定し（Ｓ２５）、先行技術と同様にＬＵＴの補正値を更新し、発光波形起因の誤差推定処理を終了する。これにより、光飛行型測距装置１は、発光波形の変化に起因する測定距離の誤差を低減することができる。尚、発光波形を補正する技術については、例えば特開２０１２−２０９３８０号公報に先行技術の記載があり、本発明と先行技術とを矛盾なく組み合わせて使用することができる。
【００５８】
本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のように変形又は拡張することができる。
車両以外の用途に適用しても良い。
【符号の説明】
【００５９】
図面中、２１、４１は光飛行型測距装置、２４、４４は発光素子、２５、４５は制御回路（制御手段）、２６、４６は受光素子、２９、５１はデジタル信号処理回路（信号処理手段）、４７はコモンモード成分除去回路（コモンモード成分除去手段）、３２ａ、３２ｂは変調スイッチ、３２ｃは別のスイッチ、３３ａ、３３ｂは蓄積容量である。
【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】
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