(57)【要約】  光を用いたＴＯＦ方式の測距において、大きなコストアップを招くことなく、距離測定の精度を向上させる。光源は発光期間（０〜Ｔ０）において対象に光を照射し、センサは受けた反射光（遅延時間τ）を複数の信号蓄積期間において電気信号に変換し、蓄積する。信号蓄積期間は、蓄積信号量（Ｓ１）が対象までの距離に伴って変化するように、設定されている。蓄積信号量（Ｓ１）と対象までの距離との関係が非線形になるように、発光期間（０〜Ｔ０）において、光源の発光強度を変化させる。
2014119241.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の照射を行う光源と、前記光源と同期して動作し、受けた反射光を電気信号に変換して蓄積するセンサと、演算装置とを有する、ＴＯＦ（Time of Flight）方式の測距システムにおいて、対象までの距離を求める測距方法であって、
前記光源が、所定の発光期間において、前記対象に光を照射し、
前記センサが、開始時刻または終了時刻の少なくともいずれかが異なる複数の信号蓄積期間において、それぞれ、信号量を蓄積し、
前記演算装置が、前記複数の信号蓄積期間においてそれぞれ蓄積された信号量を用いて演算を行い、前記対象までの距離を求めるものであり、
前記複数の信号蓄積期間のうちの少なくとも１つである第１信号蓄積期間は、当該第１信号蓄積期間に蓄積された信号量である第１蓄積信号量が、前記対象までの距離に伴って変化するように設定されており、
測距レンジ内において、前記第１蓄積信号量と前記対象までの距離との関係が非線形となるように、前記発光期間において、前記光源の発光強度を変化させる
ことを特徴とする測距方法。
【請求項２】
請求項１記載の測距方法において、
前記第１蓄積信号量の変化に対する前記対象までの距離の変化の割合が、前記測距レンジにおける上限近傍において、他の範囲よりも相対的に小さくなるように、前記光源の発光強度を、前記発光期間の始期において、他の期間よりも相対的に強くする
ことを特徴とする測距方法。
【請求項３】
請求項２記載の測距方法において、
前記対象が前記測距レンジにおける上限近傍にあるとき、前記第１蓄積信号量が最大になるように、前記第１信号蓄積期間を設定している
ことを特徴とする測距方法。
【請求項４】
請求項１記載の測距方法において、
前記第１蓄積信号量の変化に対する前記対象までの距離の変化の割合が、前記測距レンジにおける下限近傍において、他の範囲よりも相対的に小さくなるように、前記光源の発光強度を、前記発光期間の終期において、他の期間よりも相対的に強くする
ことを特徴とする測距方法。
【請求項５】
請求項４記載の測距方法において、
前記対象が前記測距レンジにおける下限近傍にあるとき、前記第１蓄積信号量が最大になるように、前記第１信号蓄積期間を設定している
ことを特徴とする測距方法。
【請求項６】
請求項１記載の測距方法において、
前記第１蓄積信号量の変化に対する前記対象までの距離の変化の割合が、前記測距レンジにおける中央近傍において、他の範囲よりも相対的に小さくなるように、前記光源の発光強度を、前記発光期間の中間期において、他の期間よりも相対的に強くする
ことを特徴とする測距方法。
【請求項７】
請求項６記載の測距方法において、
前記対象が前記測距レンジにおける中央近傍にあるとき、前記第１蓄積信号量が最大になるように、前記第１信号蓄積期間を設定している
ことを特徴とする測距方法。
【請求項８】
請求項１記載の測距方法において、
前記第１蓄積信号量の変化に対する前記対象までの距離の変化の割合が、前記測距レンジにおける所定の距離において、他の範囲よりも相対的に小さくなるように、前記光源の発光強度を他の期間よりも相対的に強くする時期を、前記所定の距離に応じて調整する
こと特徴とする測距方法。
【請求項９】
請求項８記載の測距方法において、
前記対象が前記測距レンジにおける前記所定の距離にあるとき、前記第１蓄積信号量が最大になるように、前記第１信号蓄積期間を、前記所定の距離に応じて調整する
ことを特徴とする測距方法。
【請求項１０】
請求項８記載の測距方法において、
前記所定の距離を初期値に設定して第１の測距を実行し、前記対象までの距離Ｄ１を求め、
前記第１蓄積信号量の変化に対する前記対象までの距離の変化の割合が、求めた距離Ｄ１において、他の範囲よりも相対的に小さくなるように、前記光源の発光強度を他の期間よりも相対的に強くする時期を、前記距離Ｄ１に応じて調整し、
調整した発光強度を用いて、第２の測距を実行し、前記対象までの距離Ｄ２を求める
こと特徴とする測距方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の測距方法において、
前記第２の測距を実行する前に、前記測距レンジにおける前記距離Ｄ１において、前記第１信号蓄積量が最大になるように、前記第１信号蓄積期間を、前記距離Ｄ１に応じて調整する
ことを特徴とする測距方法。
【請求項１２】
請求項１記載の測距方法において、
前記測距システムはカメラを有しており、あるいは、前記センサはカメラ機能を有しており、
前記演算装置が、前記カメラまたはセンサの撮像画像から、主たる測距対象を特定する
ことを特徴とする測距方法。
【請求項１３】
ＴＯＦ（Timeof Flight）方式の測距システムであって、
発光素子と、前記発光素子を駆動する発光素子駆動回路とを有し、所定の発光期間において光の照射を行う光源と、
受けた反射光を電気信号に変換して蓄積するセンサと、
前記センサを、開始時刻または終了時刻の少なくともいずれかが異なる複数の信号蓄積期間において、それぞれ、信号量を蓄積するように動作させるセンサ駆動回路と、
前記発光素子駆動回路と前記センサ駆動回路とに駆動タイミング信号を送ることによって、前記光源の発光動作と前記センサの信号蓄積動作とを同期させるタイミング発生回路と、
前記センサによる、前記複数の信号蓄積期間においてそれぞれ蓄積された信号量を用いて演算を行い、対象までの距離を求める演算装置とを備え、
前記複数の信号蓄積期間のうちの少なくとも１つである第１信号蓄積期間は、当該第１信号蓄積期間に蓄積された信号量である第１蓄積信号量が、前記対象までの距離に伴って変化するように設定されており、
前記発光素子駆動回路は、前記発光期間において、前記光源の発光強度を変化させるものであり、
前記演算装置は、測距レンジ内における、前記第１蓄積信号量と前記対象までの距離との非線形な関係に基づいて、前記対象までの距離を求める
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１４】
請求項１３記載の測距システムにおいて、
前記演算装置は、前記第１蓄積信号量と前記対象までの距離との非線形な関係を表す演算式を記憶しており、この演算式を用いて、前記対象までの距離を求める
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１５】
請求項１３記載の測距システムにおいて、
前記第１蓄積信号量と前記対象までの距離との非線形な関係を表す対照表を記憶している記憶装置を備え、
前記演算装置は、前記記憶装置に記憶された前記対照表を参照して、演算を行う
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１６】
請求項１３記載の測距システムにおいて、
前記演算装置から出力された距離情報に基づいて、前記光源の発光波形を制御するための信号を前記発光素子駆動回路に送るフィードバック回路を備えている
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１７】
請求項１６記載の測距システムにおいて、
前記フィードバック回路は、前記演算装置から出力された距離情報に基づいて、前記第１信号蓄積期間を調整するための信号を前記タイミング発生回路に送る
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１８】
請求項１３記載の測距システムにおいて、
カメラを備えており、または、前記センサがカメラ機能を有しており、
前記演算装置が、前記カメラまたはセンサの撮像画像から、主たる測距対象を特定する
ことを特徴とする測距システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ＴＯＦ（Time Of Flight）方式の測距システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
対象までの距離を測定する方法には、大別して二つの方法がある。第一の方法は、直接方式とも呼べる方法であり、物差しや巻き尺などを用いて行う方法である。物差しとなるものの目盛りの精度がそのまま測距の精度となる反面、対象に物差しが届く必要がある。第二の方法は、間接方式とも呼べるものであり、三角法を用いた測距がよく知られている。対象に触れることなく測距が可能なことが直接方式と大きく異なる。近年、ゲーム機への応用がされているレーザーのパターン照射とイメージセンサを用いた方式や、カメラを２台用いたステレオ画像方式も、後者の三角法を用いた間接方式の一種と考えることができる。【０００３】
一方、ＴＯＦ（Time Of Flight）方式は、音波や光を対象に向かって放射して、その反射信号の音源や光源との位相ずれを音源や光源に同期して動作するセンサで検知することによって、音波や光の速度から対象までの距離を測定する方法である。ＴＯＦ方式は、上の第一の方法すなわち直接方式の一種と考えることができるが、離れた対象の距離を物理的に触れることなく測定できるという間接方式の良さも併せ持っている。【０００４】
特許文献１は、光源とイメージセンサを組み合わせたＴＯＦ方式の測距方法を示している。光によるＴＯＦ方式の測距システムは、光源と、これと同期して動作するセンサとにより構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１２１１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図２６は特許文献１における、光源の発光波形、反射光波形、およびセンサの信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャートである。特許文献１では、光の照射波形が矩形波である。図２６において、光源は発光期間０〜Ｔ０において光を照射し、センサはその反射光を受け、受けた反射光を電気信号に変換して蓄積する。反射光波形は、発光波形に対して時間τだけ遅延している。【０００７】
発光波形は、次のように表すことができる。ここで、発光波形の振幅は、簡単のため１に規格化している。
【数１】
2014119241.tif 000003
【０００８】
反射光波形は、次のように表すことができる。ここで、ｒは光の反射や拡散による減衰率を表している。
【数２】
2014119241.tif 000004
【０００９】
センサは、終了時刻が異なる蓄積期間において、反射光を電気信号に変換して得た信号量Ｓ０，Ｓ１をそれぞれ蓄積する。信号量Ｓ０，Ｓ１の蓄積期間は、それぞれ次のように表される。
【数３】
2014119241.tif 000005
このとき、センサによって蓄積される信号量Ｓ０，Ｓ１は、次のようになる。
【数４】
2014119241.tif 000006
これらの量を観測することにより、対象による照射光の反射による遅延τは、次のように求めることができる。
【数５】
2014119241.tif 000007
【００１０】
したがって、光源とセンサが近似的に同じ位置にある場合には、対象までの距離Ｄは、発光パルス幅Ｔ０、検出した信号量Ｓ０，Ｓ１および光速ｃを用いて、次のように求められる。
【数６】
2014119241.tif 000008
【００１１】
ここで、遅延τがパルス幅Ｔ０に対し、
【数７】
2014119241.tif 000009
となる場合には常に、
【数８】
2014119241.tif 000010
となるため、対象までの距離Ｄを求めることができない。すなわち、パルス幅Ｔ０の発光による測距の限界Ｄ０（以後、測距レンジとも呼ぶ）は、
【数９】
2014119241.tif 000011
である。測距レンジＤ０を用いると、対象物の距離Ｄは、
【数１０】
2014119241.tif 000012
と表すことができる。【００１２】
検出にエリアイメージセンサを用いる場合には、各画素の座標（ｘ，ｙ）に対応する信号量Ｓ０（ｘ，ｙ），Ｓ１（ｘ，ｙ）を計測し、各画素に対応した対象までの距離Ｄ（ｘ，ｙ）を下記のように求めることができる。
【数１１】
2014119241.tif 000013
【００１３】
ここで、式１に示した発光波形と式３に示した信号蓄積タイミングから、測距対象の距離に依らずＳ０が一定であることは明らかである。すなわち、Ｓ１／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係が、測距対象の距離と蓄積信号量との関係を表している。【００１４】
図２７は式１０を基にして、Ｓ１／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係をプロットしたグラフである。図２７から分かるように、Ｓ１／Ｓ０の変化に対するＤ／Ｄ０の変化の割合は、測距対象の距離によらず、常に−１である。【００１５】
ところで、光を用いたＴＯＦ方式の測距を行う場合には、実際には、蓄積信号量の誤差に起因した測定誤差が避けられない。ここで、信号量Ｓ１の誤差をｅ（Ｓ１）、距離Ｄの誤差をｅ（Ｄ）と表すと、ＤとＳ１の関係より、
【数１２】
2014119241.tif 000014
となる。すなわち、信号量Ｓ１に対する誤差の比率が１／１００のときは、測定された距離Ｄもその１／１００の誤差を持つことになる。信号量Ｓ１の誤差の要因は、信号量の測定ばらつきや、測定値の分解能などによる。測定値の分解能は、信号量をデジタル変換する際の分解能が主要因である。【００１６】
また、光を用いたＴＯＦ方式の測距では、センサで反射光の光量を測定するが、光は量子であるためショットノイズが回避できない。ショットノイズは信号量の平方根である。すなわち、信号に対するショットノイズの比率は、
【数１３】
2014119241.tif 000015
である。すなわち、式１２と式１３より、信号量Ｓ１が大きいほど、測距のばらつきを小さくすることができる。表１は信号量（信号電子数）に対するショットノイズの比率を計算したデータである。【００１７】
【表１】
2014119241.tif 000016
【００１８】
通常のイメージセンサで扱える信号量は電子数で表すと１００００〜２００００程度であるので、比率０．０１程度の誤差を有することがわかる。一方、よく用いられる１０ｂｉｔのデジタル変換では、分解能は１／１０２４なので約０．００１の比率である。したがって、通常の高々数万〜数十万の信号量の領域では、ショットノイズによる測定ばらつきが誤差の主要因だと考えることができる。【００１９】
このショットノイズを低減する方法は、原理的に、光の信号量を増やすこと以外にはない。例えばショットノイズの信号に対する比率を１／２にするためには、信号量を４倍にする必要がある。しかし、イメージセンサでこれを実現するためには、セル性能がセル面積に比例するため、画素数を１／４にしてセル面積を４倍にしたり、画素数を維持する代わりにセルサイズとチップサイズを縦横各２倍にするなど、大きな犠牲が必要となる。光源を強力にすることでも信号量を増大させることが可能である。ただし、信号量を４倍にするためには、４倍の電力が必要であり現実的には困難であり、たとえ可能であっても大幅なコストの増加などが避けられない。【００２０】
本開示では、光を用いたＴＯＦ方式の測距方法および測距システムにおいて、大きなコストアップを招くことなく、距離測定の精度を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本開示の一態様では、光の照射を行う光源と、光源と同期して動作し、受けた反射光を電気信号に変換して蓄積するセンサと、演算装置とを有するＴＯＦ（Time of Flight）方式の測距システムにおいて、対象までの距離を求める測距方法は、光源が所定の発光期間において対象に光を照射し、センサが開始時刻または終了時刻の少なくともいずれかが異なる複数の信号蓄積期間においてそれぞれ信号量を蓄積し、演算装置が複数の信号蓄積期間においてそれぞれ蓄積された信号量を用いて演算を行い対象までの距離を求めるものであり、複数の信号蓄積期間のうちの少なくとも１つである第１信号蓄積期間は、当該第１信号蓄積期間に蓄積された信号量である第１蓄積信号量が対象までの距離に伴って変化するように設定されており、測距レンジ内において、第１蓄積信号量と対象までの距離との関係が非線形となるように、発光期間において光源の発光強度を変化させるものである。【００２２】
この態様によると、第１信号蓄積期間に蓄積された第１蓄積信号量が、対象までの距離に伴って変化する。そして、発光期間において光源の発光強度を変化させることによって、第１蓄積信号量と対象までの距離との関係が非線形になっている。このため、測距レンジにおける所定距離近傍において、蓄積信号量の変化に対する対象までの距離の変化の割合を、他の範囲よりも相対的に小さくすることができる。したがって、当該所定距離近傍において、距離測定の精度が向上する。
【発明の効果】
【００２３】
本開示では、所定距離近傍において、距離の測定精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１〜第３の実施形態に係るＴＯＦ方式の測距システムの構成例を示すブロック図
【図２】第１〜第３の実施形態に係るＴＯＦ方式の測距システムの他の構成例を示すブロック図
【図３】第１の実施形態における光源の発光波形、反射光波形、およびセンサの信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャート
【図４】図３に対応した、測距対象の距離と信号量との関係を示すグラフ
【図５】第１の実施形態における光源の発光波形、反射光波形、およびセンサの信号蓄積タイミングの他の例を示すタイミングチャート
【図６】図５に対応した、測距対象の距離と信号量との関係を示すグラフ
【図７】第１の実施形態における光源の発光波形の他の例を示す図
【図８】第２の実施形態における光源の発光波形、反射光波形、およびセンサの信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャート
【図９】図８に対応した、測距対象の距離と信号量との関係を示すグラフ
【図１０】第２の実施形態における光源の発光波形、反射光波形、およびセンサの信号蓄積タイミングの他の例を示すタイミングチャート
【図１１】図１０に対応した、測距対象の距離と信号量との関係を示すグラフ
【図１２】第２の実施形態における光源の発光波形の他の例を示す図
【図１３】第３の実施形態における光源の発光波形、反射光波形、およびセンサの信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャート
【図１４】図１３に対応した、測距対象の距離と信号量との関係を示すグラフ
【図１５】第３の実施形態における光源の発光波形、反射光波形、およびセンサの信号蓄積タイミングの他の例を示すタイミングチャート
【図１６】図１５に対応した、測距対象の距離と信号量との関係を示すグラフ
【図１７】第３の実施形態における光源の発光波形の他の例を示す図
【図１８】第４の実施形態に係るＴＯＦ方式の測距システムの構成例を示すブロック図
【図１９】第４の実施形態に係るＴＯＦ方式の測距システムの他の構成例を示すブロック図
【図２０】第４の実施形態における光源の発光波形、反射光波形、およびセンサの信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャート
【図２１】図２０に対応した、測距対象の距離と信号量との関係を示すグラフ
【図２２】第４の実施形態における測距アルゴリズムの例
【図２３】第４の実施形態に係るＴＯＦ方式の測距システムの他の構成例を示すブロック図
【図２４】第４の実施形態における光源の発光波形、反射光波形、およびセンサの信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャート
【図２５】第４の実施形態における光源の発光波形、反射光波形、およびセンサの信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャート
【図２６】従来技術における光源の発光波形、反射光波形、およびセンサの信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャート
【図２７】図２６に対応した、測距対象の距離と信号量との関係を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、実施形態に係るＴＯＦ方式の測距方法および測距システムについて、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）：遠距離の精度向上
図１および図２は第１の実施形態に係るＴＯＦ方式の測距システムの構成例を示すブロック図である。図１および図２において、光の照射を行う光源１０は、発光素子１と、発光素子１を駆動し発光させる発光素子駆動回路２とを有している。光源１０は、単発的に、あるいは、断続的に、発光を行う。センサ４は、受けた反射光を電気信号に変換して蓄積する。センサ駆動回路５は、センサ４を駆動し、信号量を蓄積するように動作させる。タイミング発生回路６は、発光素子駆動回路２とセンサ駆動回路５とに駆動タイミング信号を送ることによって、光源１０の発光動作とセンサ４の信号蓄積動作とを同期させる。
【００２７】
ＡＦＥ（Analog Front End）７は、センサ４の出力をデジタル信号に変換する。演算装置９は、ＡＦＥ７の出力を用いて演算を行い、対象までの距離を求める。ここで、センサ４がＡＤ変換装置を内蔵している場合はＡＦＥ７は不要である。調整回路８は、演算装置９の出力情報から、発光素子１とセンサ４の駆動タイミングのずれや、センサ４の出力のゲイン等を調整する。なお、調整回路８はシステムを最適に保つ目的のために設けているため、必須ではない。また、電源装置は別途必要であるが、自明であるから図示は省略している。なお、発光素子駆動回路２、センサ駆動回路５、タイミング発生回路６、ＡＦＥ７、調整回路８および演算装置９は、少数のＩＣに機能をまとめたり、これらの一部または全てをセンサ４と同じチップ上に搭載することも可能である。
【００２８】
図１の構成では、演算装置９は、対象までの距離とセンサ出力との関係を表す演算式または対照表を記憶しており、この演算式を用いて、センサ４の出力から距離を算出する。また、図２の構成では、対象までの距離とセンサ出力との関係を表す対照表を記憶する記憶装置１１を設けており、演算装置９は、記憶装置１１に記憶された対照表を参照して演算を行い、距離を算出する。
【００２９】
本実施形態では、測距レンジの上限に近い遠距離での測距精度を向上させるために、光の照射波形として、矩形波パルスではなく、強度のピークが発光初期に偏った波形を用いる。すなわち、光源１０の発光強度を、発光期間の始期において、他の期間よりも相対的に強くする。
【００３０】
ここでは一例として、発光強度の変化が１次関数で表される発光波形を用いるものとして、説明を行う。
【００３１】
図３は本実施形態における光源１０の発光波形、反射光波形、およびセンサ４の信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャートである。図３において、光源１０は発光期間０〜Ｔ０において光を照射し、センサ４はその反射光を受ける。反射光波形ＩＲ１は、発光波形ＩＥ１に対して時間τだけ遅延している。
【００３２】
発光波形ＩＥ１は、次のように表すことができる。ここで、発光波形ＩＥ１の振幅は、簡単のため１に規格化している。
【数１４】
2014119241.tif 000017
【００３３】
反射光波形ＩＲ１は、次のように表すことができる。ここで、ｒは光の反射や拡散による減衰率を表している。
【数１５】
2014119241.tif 000018
【００３４】
センサ４は、開始時刻または終了時刻の少なくともいずれかが異なる複数の蓄積期間において、反射光を電気信号に変換して得た信号量をそれぞれ蓄積する。図３の例では、信号量Ｓ０，Ｓ１の蓄積期間は、それぞれ次のように表される。
【数１６】
2014119241.tif 000019
このとき、センサ４によって蓄積される信号量Ｓ０，Ｓ１は、次のようになる。
【数１７】
2014119241.tif 000020
これらより、照射光の反射による遅延τは、次のように求めることができる。
【数１８】
2014119241.tif 000021
【００３５】
したがって、光源１０とセンサ４が近似的に同じ位置にある場合には、対象までの距離Ｄは、発光パルス幅Ｔ０、検出した信号量Ｓ０，Ｓ１および光速ｃを用いて、次のように求められる。
【数１９】
2014119241.tif 000022
上式では、距離Ｄと信号量Ｓ１／Ｓ０とが非線形な関係になっている。信号蓄積期間を式１６のように定めているので、
【数２０】
2014119241.tif 000023
であるから、パルス幅Ｔ０の発光による測距レンジＤ０は、
【数２１】
2014119241.tif 000024
である。したがって、式１９は、
【数２２】
2014119241.tif 000025
と表すこともできる。
【００３６】
検出にイメージセンサを用いる場合には、各画素の座標（ｘ，ｙ）に対応する信号量Ｓ０（ｘ，ｙ），Ｓ１（ｘ，ｙ）を計測し、各画素に対応した対象までの距離Ｄ（ｘ，ｙ）を、式１９と同様に次のように求めることができる。
【数２３】
2014119241.tif 000026
【００３７】
ここで、式１４に示した発光波形と式１６に示した信号蓄積タイミングから、測距対象の距離に依らず、信号量Ｓ０が一定であることは明らかである。すなわち、Ｓ１／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係が、測距対象の距離と蓄積信号量との関係を表している。
【００３８】
図４は式２２を基にして、Ｓ１／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係をプロットしたグラフである。図４において、Ｓ１／Ｓ０＝０近傍は、Ｄ／Ｄ０＝１近傍、すなわち測距レンジ上限近傍の遠距離に対応している。さらにＤ／Ｄ０＝１近傍において、Ｓ１／Ｓ０の変化に対するＤ／Ｄ０の変化の割合は−１／２であり、従来の変化の割合−１に対して絶対値が１／２になっている。これは、観測量であるセンサの信号量Ｓ１の測定精度が従来と同じであっても、測距精度が従来の２倍に良化していることを意味している。
【００３９】
すなわち、信号量Ｓ１の変化に対する距離Ｄの変化の割合が、測距レンジにおける上限近傍において、他の範囲よりも相対的に小さくなっている。これにより、測距レンジの上限近傍における測距精度が向上する。
【００４０】
さらに、信号量の測定精度について考察する。上述したとおり、信号量の測定精度に対しては信号量のショットノイズが支配的である。そして、信号量が大きいほど、ショットノイズの影響を受けにくくなる。しかしながら、図４では、信号量Ｓ１の誤差に起因する距離Ｄの変動が最も小さくなるのが、信号量Ｓ１が０近傍のとき、すなわち信号量Ｓ１のショットノイズが最大になるときである。したがって、信号量の測定精度の観点から見ると、図４の関係は必ずしも好ましくない。
【００４１】
図５は本実施形態における光源１０の発光波形、反射光波形、およびセンサ４の信号蓄積タイミングの他の例を示すタイミングチャートである。図５では、信号量Ｓ１に代えて、蓄積期間が次のように設定された信号量Ｓ２を取得する。
【数２４】
2014119241.tif 000027
明らかに、先ほどの信号量Ｓ１との関係は、
【数２５】
2014119241.tif 000028
であるから、式２２に相当する信号量Ｓ２と距離Ｄとの関係は、
【数２６】
2014119241.tif 000029
となる。
【００４２】
図６は式２６を基にして、Ｓ２／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係をプロットしたグラフである。図６において、Ｓ２／Ｓ０＝１近傍は、Ｄ／Ｄ０＝１近傍、すなわち測距レンジ上限近傍の遠距離に対応している。さらにＤ／Ｄ０＝１近傍において、Ｓ２／Ｓ０の変化に対するＤ／Ｄ０の変化の割合は１／２であり、従来の変化の割合−１に対してその絶対値が１／２になっている。これは、観測量であるセンサの信号量Ｓ２の測定精度が従来と同じであっても、測距精度が従来の２倍に良化している。この点は、先の信号量Ｓ１の場合と同様である。
【００４３】
さらに、図６では、信号量Ｓ２の誤差に起因する距離Ｄの変動が最も小さくなるのが、信号量Ｓ２が最大値近傍（Ｓ２／Ｓ０が１近傍）のとき、すなわち信号量Ｓ２のショットノイズが最小になるときである。このため、信号量の測定精度の観点から見ても測距精度が改善するため、測距精度の改善効果がさらに大きくなる。
【００４４】
すなわち、本実施形態のように遠距離における測距精度を重視する場合には、図５に示した信号量Ｓ２のように、反射波による遅延τが大きい場合により大きな信号量を蓄積するように、信号蓄積期間を設定することが好ましいといえる。
【００４５】
以上のように本実施形態によると、光源１０の発光強度を、発光期間の始期において、他の期間よりも相対的に強く設定することによって、センサ４による蓄積信号量の変化に対する測距対象の距離の変化の割合が、測距レンジの上限近傍において、他の範囲よりも相対的に小さくなる。これにより、測距レンジの上限近傍における測距精度を向上させることができる。また、測距対象が測距レンジの上限近傍にあるとき、蓄積信号量が最大になるように信号蓄積期間を設定することによって、測距レンジの上限近傍においてショットノイズを低減することができる。これにより、測距レンジの上限近傍における測距精度をさらに向上させることができる。
【００４６】
なお、上の説明では、センサ４における信号蓄積期間は、図３および式１６、または、図５および式２４に示されたものとしたが、これに限られるものではない。例えば、信号量Ｓ０の蓄積期間は２Ｔ０より長くても短くてもかまわない。また、信号量Ｓ１の蓄積期間は、Ｔ０より長くても短くてもかまわないし、開始時刻が信号量Ｓ０の蓄積期間と同じでなくてもよい。また、信号量Ｓ２の蓄積期間は、Ｔ０より長くても短くてもかまわないし、終了時刻が信号量Ｓ０の蓄積期間と同じでなくてもよい。さらに例えば、信号量Ｓ１，Ｓ２を測定するようにして、式２５から信号量Ｓ０を求めてもかまわない。すなわち、開始時刻または終了時刻の少なくともいずれか一方が異なる複数の信号蓄積期間を設定し、これら信号蓄積期間においてそれぞれ蓄積された複数の蓄積信号量を用いて、対象までの距離を求めればよい。
【００４７】
また、上の説明では、信号蓄積期間以外の期間は光源１０の発光強度が０であるとしたが、これに限られるものではない。光源１０の発光波形とセンサ４の信号蓄積との相対的な関係が、本質的に重要である。例えば、式１４のような発光波形を作ることが実際上困難であれば、図７のように信号蓄積開始前に緩やかに立ち上がる発光波形を用いても、同様の効果が得られることは明らかである。
【００４８】
また、上の説明では、計算上簡単のために、発光強度の変化が１次関数で表される発光波形を例として示した。発光強度のピークが信号蓄積開始近傍にあり、信号蓄積期間中に減衰してゆく波形であれば、更に高次の多項式や無理関数、指数関数などで近似される発光波形であっても、同様の効果が得られる。一例として、発光波形が次のような２次関数であるとする。
【数２７】
2014119241.tif 000030
センサ４は、図５および式２４と同じ信号蓄積期間で信号量Ｓ０，Ｓ２を取得するとする。このとき、対象までの距離Ｄと信号量Ｓ２との間には、次のような非線形な関係が得られる。
【数２８】
2014119241.tif 000031
この場合、Ｄ／Ｄ０＝１近傍において、Ｓ２／Ｓ０の変化に対するＤ／Ｄ０の変化の割合は１／３であり、従来の変化の割合−１に対してその絶対値が１／３になっている。すなわち、信号量変化の割合を考慮した測距精度改善効果は、図６の場合よりも大きい。また、Ｄ／Ｄ０＝１近傍において、信号量Ｓ２が最大であり、ショットノイズが最小となるため、測距精度がさらに向上する。この点は、図６の場合と同様である。
【００４９】
このように、式１４の発光波形と式２４の信号蓄積期間に対しては、式２６に示すような信号量と距離との非線形な関係式が得られる。また、式２７の発光波形と式２４の信号蓄積期間に対しては、式２８に示すような信号量と距離との非線形な関係式が得られる。すなわち、発光波形に応じた信号量と距離との関係を演算式として演算装置９に内蔵することによって、本実施形態の測距方法を実現する測距システムを作ることができる。
【００５０】
また、発光波形から信号量と距離との関係を解析的に求めることが技術的に困難であったり、発光波形を関数で近似するのが困難であるような場合には、図４または図６のような相関を実測により得ることは可能である。このようにして得た信号量と距離との対照表を記憶装置１１に記録し、その記憶装置１１を内蔵させることによって、本実施形態の測距方法を実現する測距システムを作ることができる。
【００５１】
（第２の実施形態）：近距離の精度向上
第２の実施形態に係るＴＯＦ方式の測距システムの構成は、第１の実施形態とほぼ同様であり、ここでは図示を省略する。
【００５２】
本実施形態では、光源１０やセンサ４に近い、測距レンジの下限近傍の近距離での測距精度を向上させるために、光の照射波形として、矩形波パルスではなく、強度のピークが発光終了前に偏った波形を用いる。すなわち、光源１０の発光強度を、発光期間の終期において、他の期間よりも相対的に強くする。
【００５３】
ここでは一例として、発光強度の変化が１次関数で表される発光波形を用いるものとして、説明を行う。
【００５４】
図８は本実施形態における光源１０の発光波形、反射光波形、およびセンサ４の信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャートである。図８において、光源１０は発光期間０〜Ｔ０において光を照射し、センサ４はその反射光を受ける。反射光波形ＩＲ２は、発光波形ＩＥ２に対して時間τだけ遅延している。
【００５５】
発光波形ＩＥ２は、次のように表すことができる。ここで、発光波形ＩＥ２の振幅は、簡単のため１に規格化している。
【数２９】
2014119241.tif 000032
【００５６】
反射光波形ＩＲ２は、次のように表すことができる。ここで、ｒは光の反射や拡散による減衰率を表している。
【数３０】
2014119241.tif 000033
【００５７】
センサ４は、開始時刻または終了時刻の少なくともいずれかが異なる複数の蓄積期間において、反射光を電気信号に変換して得た信号量をそれぞれ蓄積する。図８の例では、信号量Ｓ０，Ｓ１の蓄積期間は、それぞれ次のように表される。
【数３１】
2014119241.tif 000034
このとき、センサ４によって蓄積される信号量Ｓ０，Ｓ１は、次のようになる。
【数３２】
2014119241.tif 000035
これらより、照射光の反射による遅延τは、次のように求めることができる。
【数３３】
2014119241.tif 000036
【００５８】
したがって、光源１０とセンサ４が近似的に同じ位置にある場合には、対象までの距離Ｄは、発光パルス幅Ｔ０、検出した信号量Ｓ０，Ｓ１および光速ｃを用いて、次のように求められる。
【数３４】
2014119241.tif 000037
上式では、距離Ｄと信号量Ｓ１／Ｓ０とが非線形な関係になっている。信号蓄積期間を式３１のように定めているので、
【数３５】
2014119241.tif 000038
であるから、パルス幅Ｔ０の発光による測距レンジＤ０は、
【数３６】
2014119241.tif 000039
である。したがって、式３４は
【数３７】
2014119241.tif 000040
と表すこともできる。
【００５９】
検出にイメージセンサを用いる場合には、各画素の座標（ｘ，ｙ）に対応する信号量Ｓ０（ｘ，ｙ），Ｓ１（ｘ，ｙ）を計測し、各画素に対応した対象までの距離Ｄ（ｘ，ｙ）を、式３４と同様に下記のように求めることができる。
【数３８】
2014119241.tif 000041
【００６０】
ここで、式２９に示した発光波形と式３１に示した信号蓄積タイミングから、測距対象の距離に依らず、信号量Ｓ０が一定であることは明らかである。すなわち、Ｓ１／Ｓ０とのＤ／Ｄ０との関係が、測距対象の距離と蓄積信号量との関係を表している。
【００６１】
図９は式３７を基にして、Ｓ１／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係をプロットしたグラフである。図９において、Ｓ１／Ｓ０＝１近傍は、Ｄ／Ｄ０＝０近傍、すなわちセンサ４や光源１０に近い近距離に対応している。さらにＤ／Ｄ０＝０近傍において、Ｓ１／Ｓ０の変化に対するＤ／Ｄ０の変化の割合は−１／２であり、従来の変化の割合−１に対してその絶対値が１／２になっている。これは、観測量であるセンサ４の信号量Ｓ１の測定精度が従来と同じであっても、測距精度が従来の２倍に良化していることを意味している。
【００６２】
すなわち、信号量Ｓ１の変化に対する距離Ｄの変化の割合が、測距レンジにおける下限近傍において、他の範囲よりも相対的に小さくなっている。これにより、測距レンジの下限近傍における測距精度が向上する。
【００６３】
さらに、信号量の測定精度について考察する。上述したとおり、信号量の測定精度に対しては信号量のショットノイズが支配的である。そして、信号量が大きいほど、ショットノイズの影響を受けにくくなる。そして図９では、信号量Ｓ１の誤差に起因する距離Ｄの変動が最も小さいのが、信号量Ｓ１が最大値近傍（Ｓ１／Ｓ０が１近傍）のとき、すなわち信号量Ｓ１のショットノイズが最小になるところと一致している。したがって、信号量の測定精度の観点から見ても測距精度が改善するため、測距精度の改善効果がさらに大きくなる。
【００６４】
図１０は本実施形態における光源１０の発光波形、反射光波形、およびセンサ４の信号蓄積タイミングの他の例を示すタイミングチャートである。図１０では、信号量Ｓ１に代えて、蓄積期間が次のように設定された信号量Ｓ２を取得する。
【数３９】
2014119241.tif 000042
明らかに、先ほどの信号量Ｓ１との関係は、
【数４０】
2014119241.tif 000043
であるから、式３７に相当する信号量Ｓ２と距離Ｄとの関係は、
【数４１】
2014119241.tif 000044
となる。
【００６５】
図１１は式４１を基にして、Ｓ２／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係をプロットしたグラフである。図１１において、Ｄ／Ｄ０＝０近傍、すなわちセンサ４や光源１０に近い近距離において、Ｓ２／Ｓ０の変化に対するＤ／Ｄ０の変化の割合は１／２であり、従来の変化の割合−１に対してその絶対値が１／２になっている。しかしながら、図１１では、信号量Ｓ２の誤差に起因する距離Ｄの変動が最も小さくなるのが、信号量Ｓ２が０近傍のとき、すなわち信号量Ｓ２のショットノイズが最大になるときである。したがって、信号量の測定精度の観点から見ると、図９の関係の方が、図１１の関係より好ましいといえる。
【００６６】
すなわち、本実施形態のように近距離における測距精度を重視する場合には、図８に示した信号量Ｓ１のように、反射波による遅延τが小さい場合により大きな信号量を蓄積するように、信号蓄積期間を設定することが好ましいといえる。
【００６７】
以上のように本実施形態によると、光源１０の発光強度を、発光期間の終期において、他の期間よりも相対的に強く設定することによって、センサ４による蓄積信号量の変化に対する測距対象の距離の変化の割合が、測距レンジの上限下限において、他の範囲よりも相対的に小さくなる。これにより、測距レンジの下限近傍における測距精度を向上させることができる。また、測距対象が測距レンジの下限近傍にあるとき、蓄積信号量が最大になるように信号蓄積期間を設定することによって、測距レンジの下限近傍においてショットノイズを低減することができる。これにより、測距レンジの下限近傍における測距精度をさらに向上させることができる。
【００６８】
なお、上の説明では、センサ４による信号蓄積期間は、図８および式３１、または図１０および式３９に示されたものとしたが、これらに限られるものではない。例えば、信号量Ｓ０の蓄積期間は２Ｔ０より長くても短くてもかまわない。また、信号量Ｓ１の蓄積期間は、Ｔ０より長くても短くてもかまわないし、開始時刻が信号量Ｓ０の蓄積期間と同じでなくてもよい。また、信号量Ｓ２の蓄積期間は、Ｔ０より長くても短くてもかまわないし、終了時刻が信号量Ｓ０の蓄積期間と同じでなくてもよい。さらに例えば、信号量Ｓ１，Ｓ２を測定するようにして、式４０により信号量Ｓ０を求めてもかまわない。すなわち、開始時刻または終了時刻の少なくともいずれか一方が異なる複数の信号蓄積期間を設定し、これら信号蓄積期間においてそれぞれ蓄積された複数の蓄積信号量を用いて、対象までの距離を求めればよい。
【００６９】
また、上の説明では、信号蓄積期間以外の期間は光源１０の発光強度が０であるとしたが、これに限られるものではない。光源１０の発光波形とセンサの信号蓄積との相対的な関係が、本質的に重要である。例えば、式２９のような発光波形を作ることが実際上困難であれば、図１２のように時刻Ｔ０以降に緩やかに立ち下がる波形を用いても、同様の効果が得られることは明らかである。同様に、信号蓄積開始前に発光が始まってもかまわない。
【００７０】
また、上の説明では、計算上簡単のために、発光強度の変化が１次関数で表される発光波形を例として示した。発光強度のピークが発光完了時刻Ｔ０の近傍にあり、信号蓄積期間中に発光強度が増大してゆく波形であれば、更に高次の多項式や無理関数、指数関数などで近似される発光波形であっても、同様の効果が得られる。一例として、発光波形が次のような２次関数であるとする。
【数４２】
2014119241.tif 000045
センサ４は、図８および式３１と同じ信号蓄積期間で信号量Ｓ０，Ｓ１を取得するとする。このとき、対象までの距離Ｄと信号量Ｓ１との間には、次のような非線形な関係が得られる。
【数４３】
2014119241.tif 000046
この場合、Ｄ／Ｄ０＝０近傍において、Ｓ１／Ｓ０の変化に対するＤ／Ｄ０の変化の割合は−１／３であり、従来の変化の割合−１に対してその絶対値が１／３になっている。すなわち、信号量変化の割合を考慮した測距精度改善効果は、図９の場合よりも大きい。また、Ｄ／Ｄ０＝０近傍において、信号量Ｓ１が最大であり、ショットノイズが最小となるため、測距精度がさらに向上する。この点は、図９の場合と同様である。
【００７１】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、発光波形に応じた信号量と距離との関係を演算式として演算装置９に内蔵することによって、本実施形態の測距方法を実現する測距システムを作ることができる。
【００７２】
また、発光波形から信号量と距離との関係を解析的に求めることが技術的に困難であったり、発光波形を関数で近似するのが困難であるような場合には、図９または図１１のような相関を実測により得ることは可能である。このようにして得た信号量と距離との対照表を記憶装置１１に記録し、その記憶装置１１を内蔵させることによって、本実施形態の測距方法を実現する測距システムを作ることができる。
【００７３】
（第３の実施形態）：中距離の精度向上
第３の実施形態に係るＴＯＦ方式の測距システムの構成は、第１の実施形態とほぼ同様であり、ここでは図示を省略する。
【００７４】
本実施形態では、測距レンジの中央近傍での測距精度を向上させるために、光の照射波形として、矩形波パルスではなく、強度のピークが発光期間のほぼ半ばにある波形を用いる。すなわち、光源１０の発光強度を、発光期間の中間期において、他の期間よりも相対的に強くする。
【００７５】
ここでは一例として、発光強度の変化が１次関数で表される発光波形を用いるものとして、説明を行う。
【００７６】
図１３は本実施形態における光源１０の発光波形、反射光波形、およびセンサ４の信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャートである。図１３において、光源１０は発光期間０〜Ｔ０において光を照射し、センサ４はその反射光を受ける。反射光波形ＩＲ３は、発光波形ＩＥ３に対して時間τだけ遅延している。
【００７７】
発光波形ＩＥ３は、次のように表すことができる。ここで、発光波形ＩＥ３の振幅は、簡単のため１に規格化している。
【数４４】
2014119241.tif 000047
【００７８】
反射光波形ＩＲ３は、次のように表すことができる。ここで、ｒは光の反射や拡散による減衰率を表している。
【数４５】
2014119241.tif 000048
【００７９】
センサ４は、開始時刻または終了時刻の少なくともいずれかが異なる複数の蓄積期間において、反射光を電気信号に変換して得た信号量をそれぞれ蓄積する。図１３の例では、信号量Ｓ０，Ｓ１の蓄積期間は、それぞれ次のように表される。
【数４６】
2014119241.tif 000049
このとき、センサ４によって蓄積される信号量Ｓ０，Ｓ１は、次のようになる。
【数４７】
2014119241.tif 000050
【数４８】
2014119241.tif 000051
【００８０】
これらより、照射光の反射による遅延τは、次のように求めることができる。
【数４９】
2014119241.tif 000052
【数５０】
2014119241.tif 000053
【００８１】
したがって、光源１０とセンサ４が近似的に同じ位置にある場合には、対象までの距離Ｄは、発光パルス幅Ｔ０、検出した信号量Ｓ０，Ｓ１および光速ｃを用いて、次のように求められる。
【数５１】
2014119241.tif 000054
【数５２】
2014119241.tif 000055
上式では、距離Ｄと信号量Ｓ１／Ｓ０とが非線形な関係になっている。信号蓄積期間を式４６のように定めているので、
【数５３】
2014119241.tif 000056
であるから、パルス幅Ｔ０の発光による測距レンジＤ０は、
【数５４】
2014119241.tif 000057
である。したがって、式５１と式５２は、
【数５５】
2014119241.tif 000058
【数５６】
2014119241.tif 000059
と表すこともできる。
【００８２】
検出にイメージセンサを用いる場合には、各画素の座標（ｘ，ｙ）に対応する信号量Ｓ０（ｘ，ｙ），Ｓ１（ｘ，ｙ）を計測し、各画素に対応した対象までの距離Ｄ（ｘ，ｙ）を、式５１、式５２と同様に下記のように求めることができる。
【数５７】
2014119241.tif 000060
【数５８】
2014119241.tif 000061
【００８３】
ここで、式４４に示した発光波形と式４６に示した信号蓄積タイミングから、測距対象の距離に依らず、信号量Ｓ０が一定であることは明らかである。すなわち、Ｓ１／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係が、測距対象の距離と蓄積信号量との関係を表している。
【００８４】
図１４は式５５，式５６を基にして、Ｓ１／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係をプロットしたグラフである。図１４において、Ｓ１／Ｓ０＝０近傍は、Ｄ／Ｄ０＝１近傍、すなわちセンサ４や光源１０から最も遠い測距レンジ上限近傍に対応している。Ｓ１／Ｓ０＝１近傍は、Ｄ／Ｄ０＝０近傍、すなわちセンサ４や光源１０に近い近距離に対応している。さらに、Ｄ／Ｄ０＝１／２近傍において、Ｓ１／Ｓ０の変化に対するＤ／Ｄ０の変化の割合は−１／２であり、従来の変化の割合−１に対してその絶対値が１／２になっている。これは、観測量であるセンサの信号量Ｓ１の測定精度が従来と同じであっても、測距精度が従来の２倍に良化していることを意味している。
【００８５】
すなわち、信号量Ｓ１の変化に対する距離Ｄの変化の割合が、測距レンジにおける中央近傍において、他の範囲よりも相対的に小さくなっている。これにより、測距レンジの中央近傍における測距精度が向上する。
【００８６】
さらに信号量の測定精度について考察する。上述したとおり、信号量の測定精度に対しては信号量のショットノイズが支配的である。そして、信号量が大きいほど、ショットノイズの影響を受けにくくなる。ところが図１４では、信号量Ｓ１の誤差に起因する距離Ｄの変動が最も小さいのが、信号量Ｓ１が半値近傍（Ｓ１／Ｓ０が１／２近傍）のときである。すなわち、信号量Ｓ１が最大となるＤ＝０近傍と比べると、Ｄ／Ｄ０＝１／２近傍では、ショットノイズの影響が大きい。したがって、信号量の測定精度の観点から見たとき、測距精度をさらに改善する余地があると言える。
【００８７】
図１５は本実施形態における光源１０の発光波形、反射光波形、およびセンサ４の信号蓄積タイミングの他の例を示すタイミングチャートである。図１５では、測距精度をさらに向上させるために、蓄積期間が次のように設定された信号量Ｓ３を取得する。
【数５９】
2014119241.tif 000062
すなわち、信号量Ｓ３の蓄積期間は時刻Ｔ０／２から始まっている。このとき、式５５，式５６に相当する信号量Ｓ３と距離Ｄとの関係は
【数６０】
2014119241.tif 000063
【数６１】
2014119241.tif 000064
となる。すなわち、信号量Ｓ３を用いても、対象までの距離Ｄを求めることができる。
【００８８】
図１６は式６０，６１を基にして、Ｓ３／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係をプロットしたグラフである。図１６において、距離Ｄ／Ｄ０＝１／２のとき、Ｓ３／Ｓ０の変化に対するＤ／Ｄ０の変化の割合は±１／２であり、かつ、Ｓ３／Ｓ０＝１となっている。すなわち、Ｓ３／Ｓ０の変化に対してＤ／Ｄ０の変化が最小になる範囲と、信号量Ｓ３が最大値を持ちショットノイズの比率が最小になる範囲とが一致しているため、測距精度がさらに改善されている。
【００８９】
ただし、Ｄ／Ｄ０＝１／２±ｄ（ｄは任意）のとき、信号量Ｓ３／Ｓ０は同一の値を持つ。このため、測距レンジＤ０内の距離Ｄを求めるためには、上述した信号量Ｓ１やＳ２等を併用することが好ましい。
【００９０】
すなわち、本実施形態のように中距離における測距精度を重視する場合には、図１５に示した信号量Ｓ３のように、反射波による遅延τが発光期間の半分程度の場合により大きな信号量を蓄積するように、信号蓄積期間を設定することが好ましいといえる。
【００９１】
以上のように本実施形態によると、光源１０の発光強度を、発光期間の中間期において、他の期間よりも相対的に強く設定することによって、センサ４による蓄積信号量の変化に対する測距対象の距離の変化の割合が、測距レンジの中央近傍において、他の範囲よりも相対的に小さくなる。これにより、測距レンジの中央近傍における測距精度を向上させることができる。また、測距対象が測距レンジの中央近傍にあるとき、蓄積信号量が最大になるように信号蓄積期間を設定することによって、測距レンジの中央近傍においてショットノイズを低減することができる。これにより、測距レンジの中央近傍における測距精度をさらに向上させることができる。
【００９２】
なお、上の説明では、センサ４による信号蓄積期間は、図１３および式４６、または図１５および式５９に示されたものとしたが、これらに限られるものではない。例えば、信号量Ｓ０の蓄積期間は２Ｔ０より長くても短くてもかまわない。また、信号量Ｓ１の蓄積期間は、Ｔ０より長くても短くてもかまわないし、開始時刻が信号量Ｓ０の蓄積期間と同じでなくてもよい。また、信号量Ｓ３の蓄積期間は、Ｔ０より長くても短くてもかまわないし、開始時刻が時刻Ｔ０／２と同じでなくてもよい。すなわち、開始時刻または終了時刻の少なくともいずれか一方が異なる複数の信号蓄積期間を設定し、これら信号蓄積期間においてそれぞれ蓄積された複数の蓄積信号量を用いて、対象までの距離を求めればよい。
【００９３】
また、上の説明では、信号蓄積期間以外の期間は光源１０の発光強度が０であるとしたが、これに限られるものではない。光源１０の発光波形とセンサ４の信号蓄積との相対的な関係が、本質的に重要である。例えば、実際に式４４のような発光波形を作ることが実際上困難であれば、図１７のように時刻０以前に緩やかに立ちあがったり、時刻Ｔ０以降に緩やかに立ち下がる波形を用いても、同様の効果が得られることは明らかである。
【００９４】
また、上の説明では、計算上簡単のために、発光強度の変化が１次関数で表される発光波形を例として示した。発光強度のピークが発光期間の中間近傍にある波形であれば、更に高次の多項式や無理関数、指数関数などで近似される発光波形であっても、同様の効果が得られる。また、立ち上がりと立ち下がりとが対称ではない異なる関数型であってもかまわない。
【００９５】
本実施形態においても、第１および第２の実施形態と同様に、発光波形に応じた信号量と距離との関係を演算式として演算装置９に内蔵することによって、本実施形態の測距方法を実現する測距システムを作ることができる。
【００９６】
また、発光波形から距離と信号量の関係を解析的に求めることが技術的に困難であったり、発光波形を関数で近似するのが困難であるような場合には、図１４または図１６のような相関を実測により得ることは可能である。このようにして得た信号量と距離との対照表を記憶装置１１に記録し、その記憶装置１１を内蔵させることによって、本実施形態の測距方法を実現する測距システムを作ることができる。
【００９７】
（第４の実施形態）：精度向上させる距離を調整可能
図１８および図１９は第４の実施形態に係るＴＯＦ方式の測距システムの構成例を示すブロック図である。図１８および図１９において、光の照射を行う光源４０は、発光素子１と、発光素子１を駆動し発光させる発光素子駆動回路４４とを有している。光源４０は、単発的に、あるいは、断続的に、発光を行う。センサ４は、受けた反射光を電気信号に変換して蓄積する。センサ駆動回路５は、センサ４を駆動し、信号量を蓄積するように動作させる。タイミング発生回路４１は、発光素子駆動回路４４とセンサ駆動回路５とに駆動タイミング信号を送ることによって、光源４０の発光動作とセンサ４の信号蓄積動作とを同期させる。
【００９８】
ＡＦＥ７は、センサ４の出力をデジタル信号に変換する。演算装置４２は、ＡＦＥ７の出力を用いて演算を行い、対象までの距離を求める。ここで、センサ４がＡＤ変換装置を内蔵している場合はＡＦＥ７は不要である。調整回路８は、演算装置４２の出力情報から、発光素子１とセンサ４の駆動タイミングのずれや、センサ４の出力のゲイン等を調整する。なお、調整回路８はシステムを最適に保つ目的のために設けているため、必ずしも必須ではない。また、電源装置は別途必要であるが、自明であるから図示は省略している。
【００９９】
また、フィードバック回路４３は、演算装置４２から得られた距離情報を基にして、光源４０およびセンサ４の駆動タイミングを変更する。フィードバック回路４３は、距離情報に基づいて、光源４０の発光波形を制御するための信号を発光素子駆動回路４４に送り、また、センサ４における信号蓄積期間を調整するための信号をタイミング発生回路４１に送る。
【０１００】
図１８の構成では、演算装置４２は、対象までの距離とセンサ出力との関係を表す演算式を記憶しており、この演算式を用いて、センサ４の出力から距離を算出する。また、図１９の構成では、対象までの距離とセンサ出力との関係を表す対照表を記憶する記憶装置１１を設けており、演算装置９は、記憶装置１１に記憶された対照表を参照して演算を行い、距離を算出する。
【０１０１】
本実施形態では、測距レンジにおいて測距精度を向上させる距離の範囲を調整可能にするために、光の照射波形として、矩形波パルスではなく、強度のピークを持ち、かつ、このピークのタイミングが調整可能な波形を用いる。すなわち、光源４０の発光強度を、指定されたタイミングにおいて、他の期間よりも相対的に強くするものであり、光源４０の発光強度を他の期間よりも相対的に強くする時期を、測距精度を向上させる所定の距離に応じて調整する。
【０１０２】
ここでは一例として、発光強度の変化が１次関数で表される発光波形を用いるものとして、説明を行う。
【０１０３】
図２０は本実施形態における光源４０の発光波形、反射光波形、およびセンサ４の信号蓄積タイミングの例を示すタイミングチャートである。図２０において、光源４０は発光期間０〜Ｔ０において光を照射し、センサ４はその反射光を受ける。反射光波形ＩＲ４は、発光波形ＩＥ４に対して時間τだけ遅延している。
【数６２】
2014119241.tif 000065
なる定数αを用いて、発光波形ＩＥ４は、次のように表すことができる。ここで、発光波形ＩＥ４の振幅は、簡単のため１に規格化している。
【数６３】
2014119241.tif 000066
【０１０４】
反射光波形ＩＲ４は、次のように表すことができる。ここで、ｒは光の反射や拡散による減衰率を表している。
【数６４】
2014119241.tif 000067
【０１０５】
センサ４は、開始時刻または終了時刻の少なくともいずれかが異なる複数の蓄積期間において、反射光を電気信号に変換して得た信号量をそれぞれ蓄積する。図２０の例では、信号量Ｓ０，Ｓ１の蓄積期間は、それぞれ次のように表される。
【数６５】
2014119241.tif 000068
このとき、センサ４によって蓄積される信号量Ｓ０，Ｓ１から、照射光の反射による遅延τは、次のように求めることができる。
【数６６】
2014119241.tif 000069
【数６７】
2014119241.tif 000070
したがって、光源４０とセンサ４が近似的に同じ位置にある場合には、対象までの距離Ｄは、発光パルス幅Ｔ０、検出した信号量Ｓ０，Ｓ１および光速ｃを用いて、次のように求められる。
【数６８】
2014119241.tif 000071
【数６９】
2014119241.tif 000072
信号蓄積期間を式６５のように定めているので、
【数７０】
2014119241.tif 000073
であるから、パルス幅Ｔ０の発光による測距レンジＤ０は、
【数７１】
2014119241.tif 000074
である。したがって、式６８と式６９は、
【数７２】
2014119241.tif 000075
【数７３】
2014119241.tif 000076
と表すこともできる。
【０１０６】
検出にイメージセンサを用いる場合には、各画素の座標（ｘ，ｙ）に対応する信号量Ｓ０（ｘ，ｙ），Ｓ１（ｘ，ｙ）を計測し、各画素に対応した対象までの距離Ｄ（ｘ，ｙ）を、式６８、式６９と同様に次のように求めることができる。
【数７４】
2014119241.tif 000077
【数７５】
2014119241.tif 000078
【０１０７】
ここで、式６３に示した発光波形と式６５に示した信号蓄積タイミングから、測距対象の距離に依らず、信号量Ｓ０が一定であることは明らかである。すなわち、Ｓ１／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係が、測距対象の距離と蓄積信号量との関係を表している。
【０１０８】
図２１は式７２，式７３を基にして、Ｓ１／Ｓ０とＤ／Ｄ０との関係をプロットしたグラフである。図２１において、Ｓ１／Ｓ０＝１近傍は、Ｄ／Ｄ０＝０近傍、すなわちセンサ４や光源４０に近い至近距離に対応している。Ｓ１／Ｓ０＝０近傍は、Ｄ／Ｄ０＝１近傍、すなわちセンサ４や光源４０から最も遠い測距レンジ上限近傍に対応している。さらに、Ｄ／Ｄ０＝１−α近傍は、Ｓ１／Ｓ０＝αに対応しており、Ｓ１／Ｓ０の変化に対するＤ／Ｄ０の変化の割合は−１／２である。すなわち、従来の変化の割合−１に対して絶対値が１／２になっている。これは、観測量であるセンサ４の信号量Ｓ１の測定精度が従来と同じであっても、測距精度が従来の２倍に良化していることを意味している。
【０１０９】
すなわち、信号量Ｓ１の変化に対する距離Ｄの変化の割合が、測距レンジにおいてパラメータαで指定された所定の距離において、他の範囲よりも相対的に小さくなっている。これにより、測距レンジにおける所定の距離近傍の測距精度が向上する。
【０１１０】
ここで説明した本実施形態の内容は、α＝０のときは第１の実施形態と同等である。また、α＝１のときは第２の実施形態と、α＝１／２のときは第３の実施形態と同等である。すなわち、本実施形態では、光源４０の発光波形をパラメータαを用いて変化させることによって、至近距離から測距レンジ上限までの任意の距離において、測距精度を向上させることが可能である。言い換えると、主たる測距対象が、Ｄ／Ｄ０＝１−αとなる距離Ｄ近傍にあるとき、光源４０の発光波形を、このαに対応したピークを有する波形にすることによって、主たる測距対象までの距離を最も精度良く測定することが可能になる。
【０１１１】
さらに、上述の実施形態で説明したように、信号量の測定精度の観点から、さらに測距精度を向上させることができる。例えば図２０の信号量Ｓ３に示すように、パラメータαに合わせて、すなわち、測距レンジにおいて測距精度を向上させたい所定の距離に合わせて、信号蓄積期間を変化させてもよい。これにより、所定の距離において、ショットノイズの影響を最小に抑えることが可能となり、測距精度をさらに向上させることができる。
【０１１２】
図２２は本実施形態における測距アルゴリズムの一例である。このアルゴリズムでは、２回の測距を行うことによって、主たる測距対象の距離Ｄの測定精度を高めている。
【０１１３】
まず、パラメータαを任意の初期値α１に設定し（Ｓ４１）、上述した方法によって第１の測距を行う（Ｓ４２）。この結果、測距対象の距離Ｄ１が得られたとする（Ｓ４３）。次に、パラメータαをα２（＝１−Ｄ１／Ｄ０）に設定し（Ｓ４４）、上述した方法によって第２の測距を行う（Ｓ４５）。この結果、測距対象の距離Ｄ２を得る（Ｓ４６）。
【０１１４】
このように、主たる測距対象の距離Ｄが未知であっても、発光波形と信号蓄積期間のいずれか、または両方をパラメータαによって変化させながら複数回の測距を繰り返すことにより、距離Ｄ近傍で測距精度が最も高い測距を行うことができる。なお、図２２では２回の測距を行う場合を示したが、３回以上行うことにより、さらに対象までの距離の測距精度を高めることが可能である。例えば、Ｓ４６の後に、パラメータαをα３（＝１−Ｄ２／Ｄ０）に設定し、第３の測距を行ってもかまわない。
【０１１５】
図２３は本実施形態に係るＴＯＦ方式の測距システムの他の構成例を示すブロック図である。センサ４が１次元または２次元のイメージセンサである場合には、式７４および式７５によって、各座標（ｘ，ｙ）に対応した複数の距離データが距離画像として測定される。このため図２３では、距離画像中の主たる測距対象を特定するために、カメラ４９が設けられている。演算装置４２Ａは、カメラ４９の出力画像から、距離画像中の主たる測距対象の座標を特定し、この測距対象の距離Ｄに適した発光波形に調整する。なお、図２３では、カメラ４９をセンサ４と別個に設けるものとしたが、センサ４が測距と通常撮像との両方の機能を兼ね備えていてもかまわない。
【０１１６】
なお、上の説明では、パラメータαを用いて、光源４０の発光波形の立ち上がりと立ち下がりの傾斜を変化させるものとした。このような発光波形の調整が実際上困難であれば、例えば図２４および図２５に示すように、光源４０の発光波形は一定にしながら、センサ４の信号蓄積期間の開始時刻を前後させるようにしてもよい。この場合にも、光源４０の発光強度がピークに達する時刻を信号蓄積タイミングに対して相対的に前後させることができるので、同様の効果が得られる。
【０１１７】
また、上の説明では、計算上簡単のために、発光強度の変化が１次関数で表される発光波形を例として示した。発光強度のピークが時刻αＴ０近傍にある波形であれば、更に高次の多項式や無理関数、指数関数などで近似される発光波形であっても、同様の効果が得られることは言うまでもない。また、立ち上がりと立ち下がりが異なる関数型であってもかまわない。
【０１１８】
本実施形態では、上述の実施形態と同様に、発光波形に応じた信号量と距離の関係を演算式として演算装置４２に内蔵することによって、本実施形態に係る測距方法を実現する測距システムを作ることができる。ただし、測距結果に適した発光波形に調整するためのフィードバック回路４３を有する点が異なる。センサが１次元または２次元のイメージセンサである場合には、演算装置４２が、測距画像中の主たる対象を判断して、この主たる対象の距離をフィードバック回路４３に出力するようにしてもよい。
【０１１９】
また、発光波形から距離と信号量との関係を解析的に求めることが技術的に困難であったり、発光波形を関数で近似するのが困難であるような場合にも、図２１のような相関を実測により得ることは可能である。このようにして得た信号量と距離との対照表を記憶装置１１に記録し、その記憶装置１１を内蔵させることによって、本実施形態の測距方法を実現する測距システムを作ることができる。すなわち、演算装置４２が、センサ４から得た信号量から、記憶装置１１に記録された対照表を参照して距離情報を出力し、この距離情報を基にしてフィードバック回路４３が発光波形を変化させ、再び測距を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本開示では、ＴＯＦ方式の測距システムについて、大きなコストアップを招くことなく、距離の測定精度を向上させることができるので、例えば、測距センサの高精度化、低コスト化に有効である。
【符号の説明】
【０１２１】
１  発光素子
２  発光素子駆動回路
４  センサ
５  センサ駆動回路
９  演算装置
１０  光源
１１  記憶装置
４０  光源
４１  タイミング発生回路
４２，４２Ａ  演算装置
４３  フィードバック回路
４４  発光素子駆動回路
４９  カメラ
【図１】
2014119241.tif 000079
【図２】
2014119241.tif 000080
【図３】
2014119241.tif 000081
【図４】
2014119241.tif 000082
【図５】
2014119241.tif 000083
【図６】
2014119241.tif 000084
【図７】
2014119241.tif 000085
【図８】
2014119241.tif 000086
【図９】
2014119241.tif 000087
【図１０】
2014119241.tif 000088
【図１１】
2014119241.tif 000089
【図１２】
2014119241.tif 000090
【図１３】
2014119241.tif 000091
【図１４】
2014119241.tif 000092
【図１５】
2014119241.tif 000093
【図１６】
2014119241.tif 000094
【図１７】
2014119241.tif 000095
【図１８】
2014119241.tif 000096
【図１９】
2014119241.tif 000097
【図２０】
2014119241.tif 000098
【図２１】
2014119241.tif 000099
【図２２】
2014119241.tif 000100
【図２３】
2014119241.tif 000101
【図２４】
2014119241.tif 000102
【図２５】
2014119241.tif 000103
【図２６】
2014119241.tif 000104
【図２７】
2014119241.tif 000105
【手続補正書】
【提出日】平成27年6月2日(2015.6.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
以上のように本実施形態によると、光源１０の発光強度を、発光期間の終期において、他の期間よりも相対的に強く設定することによって、センサ４による蓄積信号量の変化に対する測距対象の距離の変化の割合が、測距レンジの下限において、他の範囲よりも相対的に小さくなる。これにより、測距レンジの下限近傍における測距精度を向上させることができる。また、測距対象が測距レンジの下限近傍にあるとき、蓄積信号量が最大になるように信号蓄積期間を設定することによって、測距レンジの下限近傍においてショットノイズを低減することができる。これにより、測距レンジの下限近傍における測距精度をさらに向上させることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１００
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１００】
図１８の構成では、演算装置４２は、対象までの距離とセンサ出力との関係を表す演算式を記憶しており、この演算式を用いて、センサ４の出力から距離を算出する。また、図１９の構成では、対象までの距離とセンサ出力との関係を表す対照表を記憶する記憶装置１１を設けており、演算装置４２は、記憶装置１１に記憶された対照表を参照して演算を行い、距離を算出する。
【国際調査報告】
2014119241.tif 000106
2014119241.tif 000107
2014119241.tif 000108
2014119241.tif 000109