(57)【要約】  第１〜３のパルス光を出射する発光素子（１１）と、各パルス光の対象物（９０）による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間に亘って蓄積するセンサと、第１〜３の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第１〜３の蓄積量を用いて、対象物（９０）までの距離を導出する演算部（５１）とを含み、演算部（５１）は、第１、２の蓄積量を用いて導出される第１の導出量と、第２、３の蓄積量を用いて導出される第２の導出量とに基づいて、対象物（９０）までの距離を導出し、第１のパルス光の出射開始時から第１の時点までの遅延時間は、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間より大きく、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間は、第３のパルス光の出射開始時から第３の時点までの遅延時間より大きい。
2015128915.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定時間内に、同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射する光源と、
前記光源と同期しながら、前記光源からの前記各パルス光の対象物による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間に亘って蓄積するセンサをアレイ状に複数配列した受光素子と、
前記第１のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第１の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第１の蓄積量、前記第２のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第２の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第２の蓄積量、及び、前記第３のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第３の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第３の蓄積量を用いて、前記対象物までの距離を導出する演算部とを含み、
前記演算部は、前記第１の蓄積量及び前記第２の蓄積量を用いて導出される第１の導出量と、前記第３の蓄積量及び前記第２の蓄積量を用いて導出される第２の導出量とを導出し、前記センサの各々に対応する前記第１の導出量及び前記第２の導出量に基づいて、前記センサの各々に対応する前記距離を導出し、
前記第１のパルス光の出射開始時から前記第１の時点までの遅延時間は、前記第２のパルス光の出射開始時から前記第２の時点までの遅延時間より大きく、
前記第２のパルス光の出射開始時から前記第２の時点までの遅延時間は、前記第３のパルス光の出射開始時から前記第３の時点までの遅延時間より大きい
測距装置。
【請求項２】
前記第１の導出量は、前記第１の蓄積量の前記第２の蓄積量に対する比であって、前記距離が大きいほど増大し、
前記第２の導出量は、前記第３の蓄積量の前記第２の蓄積量に対する比であって、前記距離が小さいほど増大する
請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記演算部は、同一の前記センサに対応する前記第１の導出量と前記第２の導出量との差が予め定められた範囲内である場合に、前記第１の導出量又は前記第２の導出量から前記所定の露光時間を求め、前記所定の露光時間と、前記第１の導出量又は前記第２の導出量とに基づいて前記距離を導出する
請求項１又は２に記載の測距装置。
【請求項４】
前記演算部は、同一の前記センサに対応する前記第１の導出量と前記第２の導出量との差が予め定められた範囲内である場合に、前記第１の導出量又は前記第２の導出量から周囲光量を求め、前記周囲光量と、前記第１の導出量又は前記第２の導出量とに基づいて前記距離を導出する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項５】
前記所定の露光時間と、前記第１の導出量又は前記第２の導出量との関係が対照表として記録されている記憶部を備え、
前記演算部は、前記対照表に基づいて前記所定の露光時間を求める
請求項３に記載の測距装置。
【請求項６】
前記周囲光量と、前記第１の導出量又は前記第２の導出量との関係が対照表として記録されている記憶部を備え、
前記演算部は、前記対照表に基づいて前記周囲光量を求める
請求項４に記載の測距装置。
【請求項７】
前記演算部は、
前記第１の導出量が前記第２の導出量より大きい場合には、前記第１の導出量に基づいて前記距離を導出し、
前記第１の導出量が前記第２の導出量より小さい場合には、前記第２の導出量に基づいて前記距離を導出する
請求項２に記載の測距装置。
【請求項８】
前記光源の発光強度が発光期間内において経時変化し、前記距離の変化に対する前記第１の導出量及び前記第２の導出量の増減が非線形関係である
請求項１〜７のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項９】
所定時間内に、光源から同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射するステップと、
前記光源と同期しながら、アレイ状に複数配列したセンサによって、前記光源からの前記各パルス光の対象物による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間に亘って蓄積するステップと、
前記第１のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第１の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第１の蓄積量、前記第２のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第２の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第２の蓄積量、及び、前記第３のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第３の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第３の蓄積量を用いて、前記対象物までの距離を導出するステップと、
前記第１の蓄積量及び前記第２の蓄積量を用いて導出される第１の導出量と、前記第３の蓄積量及び前記第２の蓄積量を用いて導出される第２の導出量とを導出し、前記センサの各々に対応する前記第１の導出量及び前記第２の導出量に基づいて、前記センサの各々に対応する前記距離を導出するステップとを含み、
前記第１のパルス光の出射開始時から前記第１の時点までの遅延時間は、前記第２のパルス光の出射開始時から前記第２の時点までの遅延時間より大きく、
前記第２のパルス光の出射開始時から前記第２の時点までの遅延時間は、前記第３のパルス光の出射開始時から前記第３の時点までの遅延時間より大きい
測距方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、対象物を撮影するとともに、対象物までの距離を測定するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）方式の測距装置及び測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、ＴＯＦ方式の測距装置を開示している。この測距装置は、対象物に所定のパルス幅を有する光（プローブ光）を照射し、その反射光を受光素子で取り込むことによって対象物までの距離を求める方式である。つまり、プローブ光を対象物に向けて繰り返し出射し、プローブ光の出射時刻から戻り時刻までの期間、すなわち、プローブ光の飛行時間を計測することで対象物までの距離を測定している。そして、受光素子の各画素における測距結果を二次元的に配列したデータ、いわゆる距離画像を生成している。距離画像を用いることで、広い範囲に存在する複数の対象物までの距離を画像の濃淡（画素値）として一度に認識することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００４−５３８４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、距離演算結果の誤差が小さい距離画像を得ることができる測距装置及び測距方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示における測距装置は、所定時間内に、同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射する光源と、光源と同期しながら、光源からの各パルス光の対象物による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間に亘って蓄積するセンサをアレイ状に複数配列した受光素子と、第１のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第１の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第１の蓄積量、第２のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第２の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第２の蓄積量、及び、第３のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第３の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第３の蓄積量を用いて、対象物までの距離を導出する演算部とを含み、演算部は、第１の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第１の導出量と、第３の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第２の導出量とを導出し、センサの各々に対応する第１の導出量及び第２の導出量に基づいて、センサの各々に対応する距離を導出し、第１のパルス光の出射開始時から第１の時点までの遅延時間は、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間より大きく、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間は、第３のパルス光の出射開始時から第３の時点までの遅延時間より大きい。【０００６】
また、本開示における測距方法は、所定時間内に、光源から同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射するステップと、光源と同期しながら、アレイ状に複数配列したセンサによって、光源からの各パルス光の対象物による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間に亘って蓄積するステップと、第１のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第１の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第１の蓄積量、第２のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第２の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第２の蓄積量、及び、第３のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第３の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第３の蓄積量を用いて、対象物までの距離を導出するステップと、第１の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第１の導出量と、第３の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第２の導出量とを導出し、センサの各々に対応する第１の導出量及び第２の導出量に基づいて、センサの各々に対応する距離を導出するステップとを含み、第１のパルス光の出射開始時から第１の時点までの遅延時間は、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間より大きく、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間は、第３のパルス光の出射開始時から第３の時点までの遅延時間より大きい。
【発明の効果】
【０００７】
本開示における測距装置及び測距方法は、距離演算結果の誤差が小さい距離画像を得るのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態１に係る測距装置の主要な構成要素を示すブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る測距装置の各時間波形の一例を示すタイミングチャートである。
【図３】図３は、実施の形態１に係る測距装置における、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢとの関係を示すグラフである。
【図４】図４は、実施の形態１に係る測距装置における、距離Ｌと導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示すグラフである。
【図５】図５は、実施の形態１に係る測距装置における、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示すグラフである。
【図６】図６は、実施の形態１に係る測距装置の動作手順を示すフローチャートである。
【図７】図７は、実施の形態２に係る測距装置における、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示すグラフである。
【図８】図８は、実施の形態２に係る測距装置において露光時間を調査する動作手順を示すフローチャートである。
【図９】図９は、測距装置の光源から出射されるプローブ光の時間波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本願発明者は、従来の測距装置に関し、以下の問題が生じることを見出した。
【００１０】
上記特許文献１に記載の従来のＴＯＦ方式を用いた装置では、例えば、距離分解能を数十ｃｍ、測定範囲を数ｍ程度とした場合、飛行時間の変化幅が数ｎｓオーダ、測定の繰り返し回数は、数千〜数万回オーダとなる。つまり、従来装置では、数ｎｓオーダで積分窓を制御する非常に高精度な制御回路が必要であり、かつ、パルス状のプローブ光に関しても同様に数十ｎｓオーダで発光／消灯が切り替わるような高速な応答が必要となる。
【００１１】
したがって、特許文献１に記載のように、プローブ光を矩形波として取り扱うことは困難であり、プローブ光の立ち上がり／立ち下がりを加味して、対象物までの距離を求める計算を行う必要がある。以下、図９を参照しながらその計算過程を示す。
【００１２】
図９は、測距装置の光源から出射されるプローブ光の発光強度の時間波形を示すグラフである。
【００１３】
図９に示されるように、時刻ｔにおけるプローブ光の発光強度Ｐは、プローブ光の発光開始時をｔ＝０とすると、下式で表される。
【００１４】
【数１】
2015128915.tif 000003
【００１５】
【数２】
2015128915.tif 000004
【００１６】
ここでτＲは発光立ち上がりの時定数、τＦは発光立ち下がりの時定数、Ｔ０は発光立ち上がり開始から立ち下がり開始までの時間、Ｉは発光が完全に立ち上がったときの発光強度、ｉは発光立ち下がり開始時における発光強度である。
【００１７】
このプローブ光の対象物による反射光を、一定の露光時間を設定して受光素子により取り込む。ここで、受光素子は、アレイ状に複数配列したセンサからなる。プローブ光の発光開始時をｔ＝０として、ｔ＝Ｔｕ＋ｔ１からｔ＝Ｔｕ＋ｔ２までを露光期間とする。Ｔｕは露光時間開始トリガー信号の発信時刻、ｔ１は露光時間開始トリガー信号が発信されてから受光素子において露光が実際に開始されるまでの遅延時間（タイムラグ）、ｔ２は露光時間開始トリガー信号が発信されてから受光素子において露光が完全に終了するまでの時間である。プローブ光の飛行時間（反射光の遅延時間）をｔｆとした場合、各センサ（ｊ，ｋ）が取り込んだ反射光の蓄積量Ｇｊ，ｋ（Ｔｕ，ｔｆ）は、飛行時間ｔｆの範囲に応じて下式で表される。
【００１８】
ｉ）ｔｆ≦ｔ１＋Ｔｕ−Ｔ０のとき
【数３】
2015128915.tif 000005
【００１９】
ｉｉ）ｔ１＋Ｔｕ−Ｔ０＜ｔｆ≦ｔ１＋Ｔｕのとき
【数４】
2015128915.tif 000006
【００２０】
ｉｉｉ）ｔ１＋Ｔｕ＜ｔｆ≦ｔ２−Ｔ０＋Ｔｕのとき
【数５】
2015128915.tif 000007
【００２１】
ｉｖ）ｔ２−Ｔ０＋Ｔｕ＜ｔｆ≦ｔ２＋Ｔｕのとき
【数６】
2015128915.tif 000008
【００２２】
ここで各式に使用される変数のうち、τＲ、τＦ、Ｔ０、Ｔｕ、ｔ１、ｔ２、Ｉ及びｉは装置固有の値であり、測距装置を設計・製造する側が自ら設定することができるが、Ｑは対象物の反射率や、対象物までの距離などに依存したプローブ光・反射光自体の減衰から決定される値であり、測定者は撮影前にその値を得ることはできない。したがって、蓄積量Ｓ＝Ｇ（Ｔｕ，ｔｆ）を１回測定しただけでは、飛行時間ｔｆを算出することができない。そこで、異なる露光期間での２回目の蓄積量Ｓ’＝Ｇ’（Ｔｕ’，ｔｆ）を行い、その除算結果の導出量Ｓ／Ｓ’＝Ｇ（Ｔｕ，ｔｆ）／Ｇ’（Ｔｕ’，ｔｆ）を導出することで、上式におけるＱを相殺し、飛行時間ｔｆを求める。飛行時間ｔｆが求まると、下式により対象物までの距離Ｌが求まる。ここでｃは光速２９９７９２４５８ｍ／ｓである。
【００２３】
【数７】
2015128915.tif 000009
【００２４】
導出量Ｓ／Ｓ’の値はＴｕ及びＴｕ’の値によって二つのタイプに大別される。一方は、対象物までの距離が大きいほど導出量Ｓ／Ｓ’の値が大きくなるタイプである。このとき、プローブ光の出射開始時から露光開始までの遅延時間について、Ｔｕ＋ｔ１＞Ｔｕ’＋ｔ１、すなわち、Ｔｕ＞Ｔｕ’が成り立つ。他方は、対象物までの距離が小さいほど導出量Ｓ／Ｓ’の値が大きくなるタイプである。この時、Ｔｕ＋ｔ１＜Ｔｕ’＋ｔ１、すなわち、Ｔｕ＜Ｔｕ’が成り立つ。なお、ここで、上記遅延時間は、正又は負の値をとり得る時間であり、正の場合は、プローブ光の出射開始時より後に、露光が開始されることを意味し、負の場合は、プローブ光の出射開始時より前に、露光が開始されることを意味する。
【００２５】
Ｔｕ＞Ｔｕ’の場合、受光素子からの距離が近い位置にあるほど、対象物の位置が変化したときの導出量Ｓ／Ｓ’の値の変化量が小さくなる。したがって、受光素子からの距離が比較的小さい場合には、蓄積量Ｓ及び蓄積量Ｓ’を受光素子から取得する際に重畳される外乱成分により、蓄積量Ｓ及び蓄積量Ｓ’の値が少しでも変動すると、それらから算出される距離演算結果に誤差が生じやすくなる。すなわち、Ｔｕ＞Ｔｕ’の場合、近い位置にある対象物の測定には不向きである。
【００２６】
一方、Ｔｕ＜Ｔｕ’の場合、受光素子からの距離が遠い位置にあるほど、対象物の位置が変化したときの導出量Ｓ／Ｓ’の値の変化量が小さくなり、距離演算結果に誤差が生じやすくなり、遠い位置にある対象物の測定には不向きである。
【００２７】
本開示は、このような知見に基づいてなされたものであり、本願発明者が鋭意検討した結果、受光素子から対象物までの距離に関わらず、距離演算結果の誤差を低減する測距装置についての着想を得た。
【００２８】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００２９】
なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００３０】
（実施の形態１）
以下、図１〜６を用いて、実施の形態１に係る測距装置１を説明する。
【００３１】
［１−１．構成］
まず、本実施の形態に係る測距装置の構成について説明する。
【００３２】
図１は、本実施の形態に係る測距装置の主要構成を示すブロック図である。
【００３３】
図１に示す測距装置１は、デジタルスチルカメラ等に備えられるものであり、発光部１０、受光部２０、アナログ信号処理部（ＡＦＥ：Ａｎａｌｏｇ  Ｆｒｏｎｔ  Ｅｎｄ）３０、Ａ／Ｄ変換部４０、中央処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）５０及びタイミング発生回路６０を備える。
【００３４】
図１に示す発光部１０は、測距の対象物９０に対してプローブ光を発光（投光）する光源であり、発光素子１１及びドライバ１２を備える。
【００３５】
発光部１０の発光素子１１は、赤外光のパルス光を発光する素子である。発光素子１１は、特に限定されず、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）などから構成される。なお、発光素子１１は、測距専用のものを設けてもよいし、測距装置１が撮影装置等に搭載される場合にはストロボ発光手段（例えば、放電管又はＬＥＤ）と兼用し、測距時には赤外光を発光するようにしてもよい。
【００３６】
発光部１０のドライバ１２は、タイミング発生回路６０からのトリガー信号に基づいて発光素子１１の発光タイミングを制御し、ＣＰＵ５０からの信号に基づいて、発光素子１１の発光時間及び発光強度を制御する回路である。
【００３７】
図１に示す受光部２０は、測距の対象物９０によって反射されたプローブ光を含む光を受光する検出部であり、受光素子２１と受光素子駆動回路２３とを備える。
【００３８】
受光部２０の受光素子２１は、光を検出して電気信号に変換し、所定の露光時間に亘って蓄積するセンサを備える。受光素子２１のセンサは、アレイ状に複数配列され、受光素子２１の画素を構成する。受光素子２１のセンサは、特に限定されず、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの固体撮像素子により構成される。また、受光素子２１は、露光タイミング及び露光時間を制御するためのシャッタ２２を備える。受光素子２１は、シャッタ２２の開放時に、レンズ（不図示）を介して入射した光を受光する。なお、シャッタ２２の方式は、メカニカルシャッタ、電気光学シャッタなどの外部シャッタでもよいし、外部シャッタを設けずに、受光素子２１が有する電子シャッタ機能を用いてもよい。なお、受光素子２１は、測距専用のものを設けてもよいし、測距装置がデジタルスチルカメラ等の撮影装置に搭載される場合には、画像撮影用の撮像素子と兼用してもよい。また、受光素子２１は、測距時に周囲光の影響を低減するためのフィルタを備えていてもよい。
【００３９】
受光部２０の受光素子駆動回路２３は、タイミング発生回路６０からのトリガー信号に基づいて受光素子２１の駆動を制御する駆動回路である。
【００４０】
図１に示すＡＦＥ３０は、受光素子２１から出力されたアナログ信号を処理する処理部である。ＡＦＥ３０は、受光素子２１から出力されたアナログ信号に対して、ノイズ除去、ゲインコントロールなどの処理を施した信号を、Ａ／Ｄ変換部４０に出力する。
【００４１】
図１に示すＡ／Ｄ変換部４０は、ＡＦＥ３０から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する処理部である。
【００４２】
図１に示すＣＰＵ５０は、測距装置１全体の動作を統括制御する処理部であり、所定のプログラムに従って測距装置１を制御する。ＣＰＵ５０は、タイミング発生回路６０及び発光部１０のドライバ１２の制御も行う。また、ＣＰＵ５０は、演算部５１、画像生成部５２及び記憶部５３を備える。
【００４３】
ＣＰＵ５０の演算部５１は、Ａ／Ｄ変換部４０が出力したデジタル信号に基づいて、測距装置１から対象物９０までの距離を演算する処理部である。算出された画素毎の距離データは、画像生成部５２に入力される。
【００４４】
ＣＰＵ５０の画像生成部５２は、演算部５１が出力した画素毎の距離データに基づいて、距離画像を生成する処理部である。
【００４５】
ＣＰＵ５０の記憶部５３は、ＣＰＵ５０が処理するプログラム及び制御に必要な各種データ等を記録するＲＯＭ、ＣＰＵ５０が各種の演算処理等を行うための作業用領域を有するＲＡＭ等を含むメモリである。
【００４６】
図１に示すタイミング発生回路６０は、発光素子１１の発光タイミングを決定するためのトリガー信号をドライバ１２に入力し、受光素子２１の露光タイミングを決定するためのトリガー信号を受光素子駆動回路２３に入力する回路である。タイミング発生回路６０は、ＣＰＵ５０の画像生成部５２によって制御される。
【００４７】
［１−２．測距原理］
次に、本実施の形態に係る測距装置１の測距原理について説明する。
【００４８】
測距装置１における対象物９０までの距離Ｌの算出方法の基本原理は、ＴＯＦ方式である。ＴＯＦ方式とは、対象物９０に対して光を照射して、受光素子で受け取るまでの時間を測定することによって対象物９０までの距離Ｌを求める方式である。具体的には、上記式（３）〜（７）を用いて、距離Ｌを求める。
【００４９】
ここで、上述したように、式（３）〜（７）を用いて距離を求める方法によると、Ｔｕ＞Ｔｕ’の場合には、近い位置にある対象物９０の測距には不向きとなり、Ｔｕ＜Ｔｕ’の場合には、遠い位置にある対象物の測距には不向きとなる。そこで、本実施の形態においては、Ｔｕ＞Ｔｕ’の場合とＴｕ＜Ｔｕ’の場合とを組み合わせて用いる方法を採用する。当該方法を採用するための受光素子２１における信号蓄積タイミングについて、図２を用いて説明する。
【００５０】
図２は、プローブ光の発光強度、対象物９０からの反射光の受光素子２１への入射強度、受光素子２１のシャッタ２２を駆動するトリガー信号強度及び受光素子２１のセンサに蓄積される電気信号の蓄積量の一例を示すタイミングチャートである。なお、図２の最下段に示される時間波形のハッチング部面積が蓄積量（ＳＡ、ＳＢ及びＳＣ）を示す。図２に示すように、本実施の形態に係る測距装置１においては、プローブ光の発光開始時に対する受光素子２１のシャッタ２２を開放するタイミングとして、相異なる三通りのタイミングを採用している。すなわち、プローブ光の発光開始時をｔ＝０として、タイミング発生回路６０から受光素子駆動回路２３にトリガー信号が出力されるタイミングをｔ＝Ｔｕとすると、三通りのＴｕを採用している。
【００５１】
図２に示される例では、発光素子１１から、所定時間内に、第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３からなるプローブ光が出射される。ここで、所定時間とは、当該所定時間内における周囲光等の環境の変化が無視できる程度に十分短い時間としてよい。当該所定時間は、測距を行う環境などによって異なるが、例えば、１秒以下としてよい。また、上記各パルス光は、同一の、発光立ち上がり開始から立ち下がり開始までの時間Ｔ０及び発光立ち下がり開始時における発光強度ｉを有する。すなわち、上記各パルス光は、いずれも同一のパルス波形を有する。なお、ここで、上記各パルス光が同一のパルス波形を有する場合には、実質的に同一のパルス波形を有する場合が含まれ、例えば、上記各パルス光の波形の間に、発光素子１１の出力制御精度程度の差異がある場合が含まれる。
【００５２】
また、本実施の形態においては、第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３に対応するトリガー信号の出力タイミングの一例として、それぞれ、Ｔｕ＝ＴＡ＝Ｔ０（＞０）、Ｔｕ＝ＴＢ（＝０）及びＴｕ＝ＴＣ＝−Ｔ０（＜０）を採用している。したがって、第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３に対応する受光素子２１のセンサにおける蓄積量は、それぞれＳＡ＝Ｇｊ，ｋ（ＴＡ，ｔｆ）、ＳＢ＝Ｇｊ，ｋ（ＴＢ，ｔｆ）及びＳＣ＝Ｇｊ，ｋ（ＴＣ，ｔｆ）となる。なお、図２に示されるｔ１は、トリガー信号がタイミング発生回路６０から出力されてから、実際にシャッタ２２が開放されるまでに要する時間である。また、図２に示されるｔ２は、トリガー信号がタイミング発生回路６０から出力されてから、実際にシャッタ２２が閉成されるまでに要する時間である。
【００５３】
本実施の形態においては、Ｔｕ＞Ｔｕ’となる場合として、Ｔｕ＝ＴＡ、Ｔｕ’＝ＴＢ（＝０）を選択して、導出量ＳＡ／ＳＢを導出し、Ｔｕ＜Ｔｕ’となる場合として、Ｔｕ＝ＴＣ（＜０）、Ｔｕ’＝ＴＢ（＝０）を選択して、導出量ＳＣ／ＳＢを導出する。
【００５４】
ここで、上記両導出量について図３及び図４を用いて説明する。
【００５５】
図３は、測距装置１の周囲光量をパラメータとして、対象物９０までの距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢとの関係を示すグラフである。ここで、τＲ＝１８ｎｓ、τＦ＝８ｎｓ、Ｔ０＝２２．２ｎｓ、ｔ１＝１４．２ｎｓ、ｔ２＝４８．３ｎｓ、ｉ＝０．７１５＊Ｉとしている。図３に示す太い実線、破線、一点鎖線、二点鎖線及び細い実線が、それぞれ、周囲光量がゼロ、１０００ｌｘ、３０００ｌｘ、５０００ｌｘ及び１００００ｌｘの場合の、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢとの関係を示す。また、図３には、プローブ光が矩形のパルス光であると仮定した場合の、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢとの関係も、点線によって示される。図３に示すように、いずれの周囲光量の場合にも、対象物９０までの距離Ｌが大きいほど導出量ＳＡ／ＳＢが増大する。また、発光部１０から出射されるプローブ光の発光強度が発光期間内において経時変化するため、図３に示されるように、距離Ｌの変化に対する導出量ＳＡ／ＳＢの増減が非線形関係となる。
【００５６】
図４は、測距装置１の周囲光量をパラメータとして、対象物９０までの距離Ｌと導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示すグラフである。図４に示す太い実線、破線、一点鎖線、二点鎖線及び細い実線が、それぞれ、周囲光量がゼロ、１０００ｌｘ、３０００ｌｘ、５０００ｌｘ及び１００００ｌｘの場合の、距離Ｌと導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示す。また、図４には、プローブ光が矩形のパルス光であると仮定した場合の、距離Ｌと導出量ＳＣ／ＳＢとの関係も、点線によって示される。図４に示すように、いずれの周囲光量の場合にも、対象物９０までの距離Ｌが小さいほど導出量ＳＣ／ＳＢが増大する。また、発光部１０から出射されるプローブ光の発光強度が発光期間内において経時変化するため、図４に示されるように、距離Ｌの変化に対する導出量ＳＣ／ＳＢの増減が非線形関係となる。
【００５７】
図３に示すように、導出量ＳＡ／ＳＢを用いる場合、受光素子２１からの距離が近い位置にあるほど、対象物９０の距離位置が変化したときの導出量ＳＡ／ＳＢの値の変化量が相対的に小さくなる。したがって、蓄積量ＳＡ及び蓄積量ＳＢを受光素子２１から取得する際に外乱成分が重畳され蓄積量ＳＡ及び蓄積量ＳＢの値が変動すると、受光素子２１から近い位置にある対象物９０ほど距離演算結果に大きな誤差が生じる。よって、導出量ＳＡ／ＳＢを用いる場合は、遠い位置にある対象物９０までの距離Ｌを測定することに適している。
【００５８】
一方、図４に示すように、導出量ＳＣ／ＳＢを用いる場合は、受光素子２１からの距離が遠い位置にあるほど、対象物９０の位置が変化したときの導出量ＳＣ／ＳＢの変化量が相対的に小さくなる。したがって、導出量ＳＣ／ＳＢを用いる場合は、近い位置にある対象物９０までの距離Ｌを測定することに適している。
【００５９】
つまり、本実施の形態においては、プローブ光に対する露光期間をそれぞれＴＡ＋ｔ１〜ＴＡ＋ｔ２、ＴＢ＋ｔ１〜ＴＢ＋ｔ２及びＴＣ＋ｔ１〜ＴＣ＋ｔ２と設定した場合に、ＴＡ＞ＴＢ＞ＴＣの関係が成り立つようにＴＡ、ＴＢ及びＴＣを設定する。そして、蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣを検出して、導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢを算出する。ここで、遠い位置にある対象物９０までの距離Ｌについては導出量ＳＡ／ＳＢから導き出される距離データを採用し、近い位置にある対象物９０までの距離Ｌについては導出量ＳＣ／ＳＢから導き出される距離データを採用することで、距離レンジ全体に亘って制度の良い距離画像を取得することができる。導出量ＳＡ／ＳＢ又は導出量ＳＣ／ＳＢを使用する距離の境界値は、特に限定されないが、たとえば、ＳＡ／ＳＢ＝ＳＣ／ＳＢとなる距離を境界値としてもよい。このように境界値を定めることにより、距離演算に用いる導出量として、演算誤差が小さくなる方の導出量を選択することができる。
【００６０】
なお、上記ＴＡ、ＴＢ及びＴＣの値、並びに、所定の露光時間（ｔ２−ｔ１）は、測距装置１に要求される測定距離レンジに応じて決定される。すなわち、当該測定距離範囲内にある対象物９０による第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光の各反射光の少なくとも一部が、受光素子２１によって検出されるように、上記ＴＡ、ＴＢ及びＴＣの値、並びに、所定の露光時間（ｔ２−ｔ１）が決定される。
【００６１】
以上、本実施の形態の測距原理について説明したが、実際には、受光素子２１のセンサが検出する反射光に周囲光が重畳されて、距離演算の際に誤差の原因となり得る。そこで、距離演算の精度をさらに向上させるために、距離演算における周囲光の影響を抑制する処理について説明する。
【００６２】
この周囲光の影響を抑制する処理は、まず、各センサによって検出される蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣをもって、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとを算出する。次に両導出量を比較し、両者の差が予め定められた範囲内に収まっている場合は、その導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢの値から周囲光量を推定する。この推定方法について、図５を用いて説明する。
【００６３】
図５は、測距装置１の周囲光量をパラメータとして、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢとの関係を示すグラフ（図３）と、距離Ｌと導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示すグラフ（図４）とを、重ね合わせて表示したものである。特定の周囲光量に対して、両導出量のグラフはある一点で交差する。その交点における導出量の値は周囲光量の大きさに応じて変化するが、その交点における距離Ｌは周囲光量に関わらず変化しない。すなわち、いかなる周囲光量の場合でも、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとは、その交点における距離Ｌの位置に存在する対象物９０からの反射光による蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣに関しては、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとは同じ値となる。たとえば、図５に示す例では、距離Ｌが１．８ｍの場合に両導出量が同じ値となる。
【００６４】
したがって、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差が予め定められた範囲内に収まっていれば、距離演算処理を実行するまでもなく、即座に対象物９０までの距離Ｌを導出することができる。ここで、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差が、“ゼロである”ことではなく、“予め定められた範囲内に収まっている”ことを判定基準としている。その理由は、各蓄積量には外乱成分が重畳されるため、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとが完全に一致することが稀であるため、ある程度の許容範囲をもって、上記両導出量が同じ値であると判定することが、現実的であるからである。
【００６５】
周囲光を推定するために、例えば、様々な周囲光量について、図５のグラフの交点における導出量ＳＡ／ＳＢ又は導出量ＳＣ／ＳＢと周囲光量との対照表（ルックアップテーブル）を予め計算などにより求めてＣＰＵ５０の記憶部５３内に記録しておく。そして、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差が予め定められた範囲内に収まっている場合は、当該対照表を参照して周囲光量を推定することができる。これにより、測距装置１は、別途周囲光量を測定することなく、周囲光量を推定することができる。
【００６６】
［１−３．動作］
次に上述した原理に基づいて本実施の形態に係る測距装置１を動作させて、対象物９０までの距離を計測する手順について図６を用いて説明する。
【００６７】
図６は、本実施の形態に係る測距装置１の動作手順を示すフローチャートである。
【００６８】
まず、発光部１０の動作手順について説明する。タイミング発生回路６０が、ＣＰＵ５０の画像生成部５２からの指令を受けて、図２に示すようなトリガー信号をドライバ１２に出力する（Ｓ１）。トリガー信号を受けたドライバ１２は、発光素子１１にパルス光を出射させるための信号を入力する。ドライバ１２から信号を受けた発光素子１１は、図２に示すような、第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３からなるプローブ光を断続的に順次出射する（Ｓ２）。
【００６９】
次に、受光部２０等の動作手順について説明する。ＣＰＵ５０の画像生成部５２からの指令を受けたタイミング発生回路６０は、ドライバ１２にトリガー信号を出力するタイミングに同期させて、受光素子駆動回路２３にトリガー信号を出力する（Ｓ３）。なお、ここで、“トリガー信号を出力するタイミングに同期”させるとは、“トリガー信号を出力するタイミングと同時”とする場合だけでなく、“トリガー信号を出力するタイミングに対して予め定められた時間差”とする場合をも含む。
【００７０】
トリガー信号を受けた受光素子駆動回路２３は、トリガー信号がＯＮ状態の間、受光素子２１のシャッタ２２を所定の露光時間に亘って開放して、受光素子２１の各センサが光を検出できる状態にする。受光素子２１の各センサは、上記各パルス光の対象物９０による反射光を含む光を検出して、電気信号に変換し、シャッタ２２が開放状態の間、当該電気信号を蓄積する。そして、受光素子２１の各センサは、第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３のそれぞれに対応する蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣを検出する（Ｓ４）。
【００７１】
受光素子２１の各センサにおいて蓄積されたアナログ信号である蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣは、ＡＦＥ３０に入力される。ＡＦＥ３０で、ノイズ除去などの処理を施されたアナログ信号である蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣは、Ａ／Ｄ変換部４０でデジタル信号に変換される。上記第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３に対応する蓄積量がＡ／Ｄ変換部４０でデジタル信号に変換された蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣは、ＣＰＵ５０の演算部５１に入力される。
【００７２】
ここで、測距装置１の周囲光量が判明していない場合（Ｓ５でＮｏ）には、演算部５１は、受光素子２１の各センサに対応する画素の導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差をとり、予め定められた範囲内の値となる画素を探す。導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差をとり、予め定められた範囲内の値となる画素が見つかれば、演算部５１は、その画素に対応する導出量ＳＡ／ＳＢ又は導出量ＳＣ／ＳＢの値と、記憶部５３内に記録された導出量と周囲光量との関係を示す対照表における導出量とを比較して、当該導出量に対応する周囲光量を求める（Ｓ６）。上記の周囲光量を求めるステップを経る前に周囲光量が判明している場合（Ｓ５でＹｅｓ）には、演算部５１は、上記の周囲光量を求める演算を行わず、以下の演算を行う。
【００７３】
次に、演算部５１は、Ａ／Ｄ変換部４０から入力された蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣから周囲光成分を除去した蓄積量を新たな導出量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣとする（Ｓ７）。そして、演算部５１は、それらの新たな導出量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣから導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢを導出する（Ｓ８）。そして、演算部５１は、導出量ＳＡ／ＳＢが導出量ＳＣ／ＳＢ以上である場合（Ｓ９でＹｅｓ）には、導出量ＳＡ／ＳＢを用いて距離Ｌを求め（Ｓ１１）、導出量ＳＡ／ＳＢが導出量ＳＣ／ＳＢ未満である場合（Ｓ９でＮｏ）には、導出量ＳＣ／ＳＢを用いて距離Ｌを求める（Ｓ１０）。
【００７４】
演算部５１によって各画素における測定距離が求められると、それらの測定距離値を示す信号が画像生成部５２に入力される。画像生成部５２は、当該信号を受けて、距離画像を生成する（Ｓ１２）。ここで、距離画像とは、距離に応じて色や、特定の色の濃淡を変えて距離情報を表示する画像である。
【００７５】
［１−４．効果など］
以上に述べたように、本実施の形態に係る測距装置１は、所定時間内に、同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射する光源である発光素子１１と、発光素子１１と同期しながら、発光素子１１からの各パルス光の対象物９０による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間（ｔ２−ｔ１）に亘って蓄積するセンサをアレイ状に複数配列した受光素子２１と、第１のパルス光の対象物９０による反射光が含まれる光を第１の時点から露光時間（ｔ２−ｔ１）に亘って検出したセンサが出力する第１の蓄積量ＳＡ、第２のパルス光の対象物９０による反射光が含まれる光を第２の時点から露光時間（ｔ２−ｔ１）に亘って検出したセンサが出力する第２の蓄積量ＳＢ、及び、第３のパルス光の対象物９０による反射光が含まれる光を第３の時点から露光時間（ｔ２−ｔ１）に亘って検出したセンサが出力する第３の蓄積量ＳＣを用いて対象物９０までの距離Ｌを導出する演算部５１を含む。そして、演算部５１は、第１の蓄積量ＳＡ及び第２の蓄積量ＳＢを用いて導出される第１の導出量と、第３の蓄積量ＳＣ及び第２の蓄積量ＳＢを用いて導出される第２の導出量とを導出し、センサの各々に対応する第１の導出量及び第２の導出量に基づいて、センサの各々に対応する距離Ｌを導出する。また、第１のパルス光の出射開始時から第１の時点までの遅延時間（ＴＡ＋ｔ１）は、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間（ＴＢ＋ｔ１）より大きく、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間（ＴＢ＋ｔ１）は、第３のパルス光の出射開始時から第３の時点までの遅延時間（ＴＣ＋ｔ１）より大きい。なお、ここで、上記遅延時間は、正又は負の値をとり得る時間であり、正の場合は、第１〜３のパルス光の出射開始時より後に、露光が開始されることを意味し、負の場合は、第１〜３のパルス光の出射開始時より前に、露光が開始されることを意味する。
【００７６】
これにより、本実施の形態に係る測距装置１においては、比較的遠い位置に対象物９０がある場合は、第１の導出量を用いて測距し、比較的近い位置に対象物９０がある場合には、第２の導出量を用いて測距することで、距離演算誤差を小さくすることができる。
【００７７】
また、本実施の形態に係る測距装置１においては、さらに、演算部５１は、同一のセンサに対応する第１の導出量と第２の導出量との差が予め定められた範囲内の場合に、第１の導出量又は第２の導出量から周囲光量を求め、当該周囲光量と、第１の導出量又は第２の導出量とに基づいて距離Ｌを導出する。
【００７８】
これにより、本実施の形態に係る測距装置１においては、別途周囲光量を測定することなく、周囲光量を求めることができるため、周囲光量による測距誤差を抑制することができる。
【００７９】
また、本実施の形態に係る測距装置１は、さらに、周囲光量と、第１の導出量又は第２の導出量との関係が対照表として記録されている記憶部５３を備え、演算部５１は、当該対照表に基づいて周囲光量を求める。
【００８０】
これにより、本実施の形態に係る測距装置１においては、記憶部５３に記録された対照表を用いることによって、周囲光量を求めることができるため、周囲光量を別途測定又は算出するなどの手段が不要となり、迅速かつ簡単に周囲光量を求めることができる。
【００８１】
（実施の形態２）
以下、図７及び図８を用いて実施の形態２に係る測距装置を説明する。
【００８２】
上記実施の形態１に係る測距装置１において、露光期間は、Ｔｕ＋ｔ１からＴｕ＋ｔ２までである。この露光期間を決定するパラメータのうち、トリガー信号をＯＮ状態にするタイミングを決定するＴｕは測距装置１を操作する者が所望の値に任意に設定できるものである。しかしながら、正味の露光時間（ｔ２−ｔ１）は、所望の値には設定できず、受光素子の製造上のばらつき、設計者の意図とは無関係に受光素子に寄生する容量成分又は抵抗成分などの、受光素子の個体毎に固有な数値に依存する。したがって、測距装置１において、測距の精度を向上させるためには、測距装置１毎に、露光時間を調査してキャリブレーションを行う必要がある。また、測距装置１を長期間使用した場合には、受光素子内のトランジスタの閾値変動などが原因となり露光時間に経時変化が発生する。したがって、測距装置１の精度における経時変化を抑制するためには、定期的に測距装置１の正味の露光時間を調査してキャリブレーションを行う必要がある。
【００８３】
そこで、本実施の形態においては、対象物の距離演算の前準備として露光時間の調査を行うことのできる測距装置を説明する。
【００８４】
［２−１．構成］
本実施の形態に係る測距装置の主要構成は、図１と同様のブロック図で表されるため、説明を割愛する。本実施の形態においては、演算部５１が行う処理が上記実施の形態１と異なる。当該処理については、本実施の形態の動作と合わせて後で詳述する。
【００８５】
［２−２．測距原理］
本実施の形態に係る測距装置の測距原理は、上記露光時間を調査する点を除いて上記実施の形態１に係る測距装置１と同じであるため、以下、露光時間を調査する点について説明する。
【００８６】
図７は、横軸に導出量ＳＡ／ＳＢを取り、縦軸に対象物９０までの距離Ｌを取ったグラフと、横軸に導出量ＳＣ／ＳＢを取り、縦軸に対象物９０までの距離Ｌを取ったグラフとを、複数の露光時間（ｔ２−ｔ１）の場合について計算し、重ね合わせて表示したものである。ここで、τＲ＝１８ｎｓ、τＦ＝８ｎｓ、Ｔ０＝２２．２ｎｓ、ｉ＝０．７１５＊Ｉとしている。図７には、ｔ１＝６．７ｎｓ、ｔ２＝５２．６ｎｓすなわち露光時間が４５．９ｎｓの場合のグラフを破線で、ｔ１＝１４．２ｎｓ、ｔ２＝４８．３ｎｓすなわち露光時間が３４．１ｎｓの場合のグラフを太い実線で示す。また、露光時間は４５．９ｎｓであるが、ｔ１が１４．２ｎｓである場合のグラフを細い実線で示す。なお、図７に示す各導出量は、周囲光ゼロの状態で取得された値である。
【００８７】
図７に示すように、ある露光時間における導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢのグラフはある一点で交差する。その交点における導出量の値は、露光時間（ｔ２−ｔ１）の長さに応じて変化し、ｔ１及びｔ２の値そのものには依存しない。このことは、図７において破線と細い実線のグラフの交点の横軸の値が等しいことからも理解できる。したがって、露光時間を調査するには、まず、複数の露光時間について、図７の導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢのグラフの交点における導出量ＳＡ／ＳＢ又は導出量ＳＣ／ＳＢと露光時間との対照表（ルックアップテーブル）をＣＰＵ５０の記憶部５３内に記録しておく。そして、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差が予め定められた範囲内に収まっている場合は、対照表を参照して導出量に対応する露光時間を求める。ここで、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差が、“ゼロである”ことではなく、“予め定められた範囲内に収まっている”ことを判定基準としている。その理由は、各蓄積量には外乱成分が重畳されるため、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとが完全に一致することが稀であるため、ある程度の許容範囲をもって、上記両導出量が同じ値であると判定することが、現実的であるからである。測定者は、予め測定空間内の様々な距離に対象物９０を多数配置しておくと、範囲内に収まる導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢが多数検出されるため、露光時間の判定を多数回実施することができる。そして、それらの判定結果の平均値を採用することでより高い精度で露光時間の値を求めることができる。
【００８８】
なお、露光時間を求めるために導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢを導出する際には、周囲光の影響を受けることを防止するために、周囲光のない環境で両導出量を導出してもよい。
【００８９】
以上に述べた原理によって露光時間を求められた時点で、求められた露光時間に基づいて、上記実施の形態１と同様に、距離画像生成処理を実行してよい。具体的には、演算部５１はｔ１について暫定値もしくはキャリブレーション前の値を使用して、上記原理によって求められた露光時間（ｔ２−ｔ１）の値とｔ１とからｔ２を求め、ｔ１及びｔ２並びにその他のパラメータを上記式（３）〜（６）に代入し、蓄積量及び導出量と飛行時間との関係を算出し、検出された蓄積量から導出された導出量と、上記算出された導出量と飛行時間との関係から、対象物９０までの距離Ｌを導出する。この場合、ｔ１及びｔ２の絶対値については正確な値を使用していないため、対象物までの絶対的距離の正確性には乏しい距離画像を生成することになるが、距離画像内の対象物間の相対的距離に関してはほぼ正確な距離を測定することができる。このことは、図７において細い実線のグラフが、破線のグラフを縦軸方向に平行移動させたものにほとんど等しいことからも理解できる。
【００９０】
［２−３．動作］
次に上述した原理に基づいて本実施の形態に係る測距装置を動作させて露光時間（ｔ２−ｔ１）を調査する手順について、図８を用いて説明する。
【００９１】
図８は、本実施の形態に係る測距装置において露光時間を調査する動作手順を示すフローチャートである。
【００９２】
まず、本実施の形態に係る測距装置の測定空間内の様々な距離に対象物９０を多数配置し、周囲光をゼロとした状態において、上記実施の形態１と同様に、受光素子２１の各センサに対応する画素の導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢが演算部５１において求められる（Ｓ２１）。
【００９３】
次に、演算部５１は、受光素子２１の各センサに対応する画素の導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差をとり、予め定められた範囲内の値となる画素を探す（Ｓ２２）。演算部５１は、当該差が、予め定められた範囲内（当該差の絶対値が予め定められた値Δ以下）の値となる画素を見つけ、当該画素に対応する導出量ＳＡ／ＳＢ又は導出量ＳＣ／ＳＢの値と、記憶部５３内に記録された露光時間と導出量との関係を示す対照表における導出量とを比較して、当該導出量に対応する露光時間を求める（Ｓ２３）。演算部５１は、求められた露光時間を記憶部５３に記録し（Ｓ２４）、以後の測距演算において用いる。以後の測距演算の動作は、図６などを用いて上述したとおりである。
【００９４】
［２−４．効果など］
以上に述べたように、本実施の形態に係る測距装置においては、演算部５１は、同一のセンサから出力される第１の導出量と第２の導出量との差が予め定められた範囲内の場合に、第１の導出量又は第２の導出量から露光時間を求め、当該露光時間と、第１の導出量又は第２の導出量とに基づいて距離を導出する。
【００９５】
これにより、本実施の形態に係る測距装置においては、正味の露光時間を求めることができるため、正確かつ簡単に測距装置のキャリブレーションを行うことが可能となる。ここで、従来の測距装置では、露光時間を決定するには、測定者は測定空間内の予め距離位置が正確にわかっている位置に対象物を配置し、その位置が受光素子のどの画素に写像されているか確認する作業をしたうえで測距を行い、その測距結果が実際の距離の値と等しくなるまで、距離演算において用いるパラメータを変えながら測距を繰り返す必要がある。一方、本実施の形態では、露光時間を調査するために予め距離位置が正確にわかっている対象物を準備する必要がなく、測定者は測距装置の測定空間内の様々な距離に対象物９０を配置するだけでよい。したがって、対象物９０に複雑な形状を有する物体を採用することが可能である。また、受光素子のどの画素に写像されているか確認する必要はなく、どの画素を用いて露光時間を決定するかを判断する作業は、測距装置が導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差をとり、予め定められた範囲内の値となる画素を探すことで代用される。このため、簡単な作業で露光時間を調査することができる。したがって、本実施の形態の測距装置によれば、測距装置毎に、かつ、定期的に露光時間の調査を行うことが容易となる。
【００９６】
また、本実施の形態に係る測距装置においては、露光時間と、第１の導出量又は第２の導出量との関係が対照表として記録されている記憶部５３をさらに備え、演算部５１は、当該対照表に基づいて露光時間を求める。
【００９７】
これにより、本実施の形態に係る測距装置においては、記憶部５３に記録された対照表を用いることによって、露光時間を求めることができるため、迅速かつ簡単にキャリブレーションを行うことができる。
【００９８】
（変形例など）
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。
【００９９】
したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【０１００】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【０１０１】
また、上述の実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の測距撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【０１０２】
なお、本発明は、上述した特徴的な構成を備える測距装置として実現することができるだけでなく、当該測距装置の測距方法として実現することができる。
【０１０３】
つまり、本発明に係る測距装置の測距方法は、所定時間内に、光源から同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射するステップと、光源と同期しながら、アレイ状に複数配列したセンサによって、光源からの各パルス光の対象物による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間に亘って蓄積するステップと、第１のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第１の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第１の蓄積量、第２のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第２の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第２の蓄積量、及び、第３のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第３の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第３の蓄積量を用いて、対象物までの距離を導出するステップと、第１の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第１の導出量と、第３の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第２の導出量とを導出し、センサの各々に対応する第１の導出量及び第２の導出量に基づいて、センサの各々に対応する距離を導出するステップとを含み、第１のパルス光の出射開始時から第１の時点までの遅延時間は、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間より大きく、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間は、第３のパルス光の出射開始時から第３の時点までの遅延時間より大きい。
【０１０４】
これにより、比較的遠い位置に対象物がある場合は、第１の導出量を用いて測距し、比較的遠い位置に対象物がある場合には、第２の導出量を用いて測距することで、距離演算誤差を小さくすることができる。
【０１０５】
また、上記実施の形態においては、導出量として、ＳＡ／ＳＢ及びＳＣ／ＳＢを用いたが、導出量はこれに限定されるものではない。導出量は、ＳＡ（ＳＣ）及びＳＢから式（３）〜（６）に示されるＱを相殺できるような態様であればよい。例えば、導出量として、ＳＢ／ＳＡ及びＳＢ／ＳＣを用いてもよい。
【０１０６】
また、上記実施の形態においては、第１〜３のパルス光に対する露光時間は、すべて同一とする例を示したが、各露光時間は、必ずしも同一でなくてもよい。
【０１０７】
また、上記実施の形態においては、周囲光量又は露光時間を求めるために、記憶部５３に記録された対照表を用いる例を示したが、周囲光量などを求めるための構成はこれに限定されない。例えば、記憶部５３に、導出量に対する周囲光量などの関数を記録して、当該関数を用いて周囲光量などを求めてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本開示は、測距装置又は測距方法を用いる機器に適用可能である。具体的には、デジタルスチルカメラ、ムービー、カメラ機能付き携帯電話機、スマートフォンなどに、本開示は適用可能である。
【符号の説明】
【０１０９】
１  測距装置
１０  発光部
１１  発光素子（光源）
１２  ドライバ
２０  受光部
２１  受光素子
２２  シャッタ
２３  受光素子駆動回路
３０  アナログ信号処理部（ＡＦＥ）
４０  Ａ／Ｄ変換部
５０  中央処理装置（ＣＰＵ）
５１  演算部
５２  画像生成部
５３  記憶部
６０  タイミング発生回路
９０  対象物
【図１】
2015128915.tif 000010
【図２】
2015128915.tif 000011
【図３】
2015128915.tif 000012
【図４】
2015128915.tif 000013
【図５】
2015128915.tif 000014
【図６】
2015128915.tif 000015
【図７】
2015128915.tif 000016
【図８】
2015128915.tif 000017
【図９】
2015128915.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月6日(2015.8.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、対象物を撮影するとともに、対象物までの距離を測定するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）方式の測距装置及び測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、ＴＯＦ方式の測距装置を開示している。この測距装置は、対象物に所定のパルス幅を有する光（プローブ光）を照射し、その反射光を受光素子で取り込むことによって対象物までの距離を求める方式である。つまり、プローブ光を対象物に向けて繰り返し出射し、プローブ光の出射時刻から戻り時刻までの期間、すなわち、プローブ光の飛行時間を計測することで対象物までの距離を測定している。そして、受光素子の各画素における測距結果を二次元的に配列したデータ、いわゆる距離画像を生成している。距離画像を用いることで、広い範囲に存在する複数の対象物までの距離を画像の濃淡（画素値）として一度に認識することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００４−５３８４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本開示は、距離演算結果の誤差が小さい距離画像を得ることができる測距装置及び測距方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示における測距装置は、所定時間内に、同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射する光源と、光源と同期しながら、光源からの各パルス光の対象物による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間に亘って蓄積するセンサをアレイ状に複数配列した受光素子と、第１のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第１の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第１の蓄積量、第２のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第２の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第２の蓄積量、及び、第３のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第３の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第３の蓄積量を用いて、対象物までの距離を導出する演算部とを含み、演算部は、第１の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第１の導出量と、第３の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第２の導出量とを導出し、センサの各々に対応する第１の導出量及び第２の導出量に基づいて、センサの各々に対応する距離を導出し、第１のパルス光の出射開始時から第１の時点までの遅延時間は、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間より大きく、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間は、第３のパルス光の出射開始時から第３の時点までの遅延時間より大きい。
【０００６】
また、本開示における測距方法は、所定時間内に、光源から同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射するステップと、光源と同期しながら、アレイ状に複数配列したセンサによって、光源からの各パルス光の対象物による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間に亘って蓄積するステップと、第１のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第１の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第１の蓄積量、第２のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第２の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第２の蓄積量、及び、第３のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第３の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第３の蓄積量を用いて、対象物までの距離を導出するステップと、第１の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第１の導出量と、第３の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第２の導出量とを導出し、センサの各々に対応する第１の導出量及び第２の導出量に基づいて、センサの各々に対応する距離を導出するステップとを含み、第１のパルス光の出射開始時から第１の時点までの遅延時間は、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間より大きく、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間は、第３のパルス光の出射開始時から第３の時点までの遅延時間より大きい。
【発明の効果】
【０００７】
本開示における測距装置及び測距方法は、距離演算結果の誤差が小さい距離画像を得るのに有効である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、実施の形態１に係る測距装置の主要な構成要素を示すブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る測距装置の各時間波形の一例を示すタイミングチャートである。
【図３】図３は、実施の形態１に係る測距装置における、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢとの関係を示すグラフである。
【図４】図４は、実施の形態１に係る測距装置における、距離Ｌと導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示すグラフである。
【図５】図５は、実施の形態１に係る測距装置における、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示すグラフである。
【図６】図６は、実施の形態１に係る測距装置の動作手順を示すフローチャートである。
【図７】図７は、実施の形態２に係る測距装置における、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示すグラフである。
【図８】図８は、実施の形態２に係る測距装置において露光時間を調査する動作手順を示すフローチャートである。
【図９】図９は、測距装置の光源から出射されるプローブ光の時間波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本願発明者は、従来の測距装置に関し、以下の問題が生じることを見出した。
【００１０】
上記特許文献１に記載の従来のＴＯＦ方式を用いた装置では、例えば、距離分解能を数十ｃｍ、測定範囲を数ｍ程度とした場合、飛行時間の変化幅が数ｎｓオーダ、測定の繰り返し回数は、数千〜数万回オーダとなる。つまり、従来装置では、数ｎｓオーダで積分窓を制御する非常に高精度な制御回路が必要であり、かつ、パルス状のプローブ光に関しても同様に数十ｎｓオーダで発光／消灯が切り替わるような高速な応答が必要となる。
【００１１】
したがって、特許文献１に記載のように、プローブ光を矩形波として取り扱うことは困難であり、プローブ光の立ち上がり／立ち下がりを加味して、対象物までの距離を求める計算を行う必要がある。以下、図９を参照しながらその計算過程を示す。
【００１２】
図９は、測距装置の光源から出射されるプローブ光の発光強度の時間波形を示すグラフである。
【００１３】
図９に示されるように、時刻ｔにおけるプローブ光の発光強度Ｐは、プローブ光の発光開始時をｔ＝０とすると、下式で表される。
【００１４】
【数１】
2015128915.tif 000019
【００１５】
【数２】
2015128915.tif 000020
【００１６】
ここでτＲは発光立ち上がりの時定数、τＦは発光立ち下がりの時定数、Ｔ０は発光立ち上がり開始から立ち下がり開始までの時間、Ｉは発光が完全に立ち上がったときの発光強度、ｉは発光立ち下がり開始時における発光強度である。
【００１７】
このプローブ光の対象物による反射光を、一定の露光時間を設定して受光素子により取り込む。ここで、受光素子は、アレイ状に複数配列したセンサからなる。プローブ光の発光開始時をｔ＝０として、ｔ＝Ｔｕ＋ｔ１からｔ＝Ｔｕ＋ｔ２までを露光期間とする。Ｔｕは露光時間開始トリガー信号の発信時刻、ｔ１は露光時間開始トリガー信号が発信されてから受光素子において露光が実際に開始されるまでの遅延時間（タイムラグ）、ｔ２は露光時間開始トリガー信号が発信されてから受光素子において露光が完全に終了するまでの時間である。プローブ光の飛行時間（反射光の遅延時間）をｔｆとした場合、各センサ（ｊ，ｋ）が取り込んだ反射光の蓄積量Ｇｊ，ｋ（Ｔｕ，ｔｆ）は、飛行時間ｔｆの範囲に応じて下式で表される。
【００１８】
ｉ）ｔｆ≦ｔ１＋Ｔｕ−Ｔ０のとき
【数３】
2015128915.tif 000021
【００１９】
ｉｉ）ｔ１＋Ｔｕ−Ｔ０＜ｔｆ≦ｔ１＋Ｔｕのとき
【数４】
2015128915.tif 000022
【００２０】
ｉｉｉ）ｔ１＋Ｔｕ＜ｔｆ≦ｔ２−Ｔ０＋Ｔｕのとき
【数５】
2015128915.tif 000023
【００２１】
ｉｖ）ｔ２−Ｔ０＋Ｔｕ＜ｔｆ≦ｔ２＋Ｔｕのとき
【数６】
2015128915.tif 000024
【００２２】
ここで各式に使用される変数のうち、τＲ、τＦ、Ｔ０、Ｔｕ、ｔ１、ｔ２、Ｉ及びｉは装置固有の値であり、測距装置を設計・製造する側が自ら設定することができるが、Ｑは対象物の反射率や、対象物までの距離などに依存したプローブ光・反射光自体の減衰から決定される値であり、測定者は撮影前にその値を得ることはできない。したがって、蓄積量Ｓ＝Ｇ（Ｔｕ，ｔｆ）を１回測定しただけでは、飛行時間ｔｆを算出することができない。そこで、異なる露光期間での２回目の蓄積量Ｓ’＝Ｇ’（Ｔｕ’，ｔｆ）を行い、その除算結果の導出量Ｓ／Ｓ’＝Ｇ（Ｔｕ，ｔｆ）／Ｇ’（Ｔｕ’，ｔｆ）を導出することで、上式におけるＱを相殺し、飛行時間ｔｆを求める。飛行時間ｔｆが求まると、下式により対象物までの距離Ｌが求まる。ここでｃは光速２９９７９２４５８ｍ／ｓである。
【００２３】
【数７】
2015128915.tif 000025
【００２４】
導出量Ｓ／Ｓ’の値はＴｕ及びＴｕ’の値によって二つのタイプに大別される。一方は、対象物までの距離が大きいほど導出量Ｓ／Ｓ’の値が大きくなるタイプである。このとき、プローブ光の出射開始時から露光開始までの遅延時間について、Ｔｕ＋ｔ１＞Ｔｕ’＋ｔ１、すなわち、Ｔｕ＞Ｔｕ’が成り立つ。他方は、対象物までの距離が小さいほど導出量Ｓ／Ｓ’の値が大きくなるタイプである。この時、Ｔｕ＋ｔ１＜Ｔｕ’＋ｔ１、すなわち、Ｔｕ＜Ｔｕ’が成り立つ。なお、ここで、上記遅延時間は、正又は負の値をとり得る時間であり、正の場合は、プローブ光の出射開始時より後に、露光が開始されることを意味し、負の場合は、プローブ光の出射開始時より前に、露光が開始されることを意味する。
【００２５】
Ｔｕ＞Ｔｕ’の場合、受光素子からの距離が近い位置にあるほど、対象物の位置が変化したときの導出量Ｓ／Ｓ’の値の変化量が小さくなる。したがって、受光素子からの距離が比較的小さい場合には、蓄積量Ｓ及び蓄積量Ｓ’を受光素子から取得する際に重畳される外乱成分により、蓄積量Ｓ及び蓄積量Ｓ’の値が少しでも変動すると、それらから算出される距離演算結果に誤差が生じやすくなる。すなわち、Ｔｕ＞Ｔｕ’の場合、近い位置にある対象物の測定には不向きである。
【００２６】
一方、Ｔｕ＜Ｔｕ’の場合、受光素子からの距離が遠い位置にあるほど、対象物の位置が変化したときの導出量Ｓ／Ｓ’の値の変化量が小さくなり、距離演算結果に誤差が生じやすくなり、遠い位置にある対象物の測定には不向きである。
【００２７】
本開示は、このような知見に基づいてなされたものであり、本願発明者が鋭意検討した結果、受光素子から対象物までの距離に関わらず、距離演算結果の誤差を低減する測距装置についての着想を得た。
【００２８】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００２９】
なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面及び以下の説明を提供するのであって、これらによって請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。
【００３０】
（実施の形態１）
以下、図１〜６を用いて、実施の形態１に係る測距装置１を説明する。
【００３１】
［１−１．構成］
まず、本実施の形態に係る測距装置の構成について説明する。
【００３２】
図１は、本実施の形態に係る測距装置の主要構成を示すブロック図である。
【００３３】
図１に示す測距装置１は、デジタルスチルカメラ等に備えられるものであり、発光部１０、受光部２０、アナログ信号処理部（ＡＦＥ：Ａｎａｌｏｇ  Ｆｒｏｎｔ  Ｅｎｄ）３０、Ａ／Ｄ変換部４０、中央処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）５０及びタイミング発生回路６０を備える。
【００３４】
図１に示す発光部１０は、測距の対象物９０に対してプローブ光を発光（投光）する光源であり、発光素子１１及びドライバ１２を備える。
【００３５】
発光部１０の発光素子１１は、赤外光のパルス光を発光する素子である。発光素子１１は、特に限定されず、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）などから構成される。なお、発光素子１１は、測距専用のものを設けてもよいし、測距装置１が撮影装置等に搭載される場合にはストロボ発光手段（例えば、放電管又はＬＥＤ）と兼用し、測距時には赤外光を発光するようにしてもよい。
【００３６】
発光部１０のドライバ１２は、タイミング発生回路６０からのトリガー信号に基づいて発光素子１１の発光タイミングを制御し、ＣＰＵ５０からの信号に基づいて、発光素子１１の発光時間及び発光強度を制御する回路である。
【００３７】
図１に示す受光部２０は、測距の対象物９０によって反射されたプローブ光を含む光を受光する検出部であり、受光素子２１と受光素子駆動回路２３とを備える。
【００３８】
受光部２０の受光素子２１は、光を検出して電気信号に変換し、所定の露光時間に亘って蓄積するセンサを備える。受光素子２１のセンサは、アレイ状に複数配列され、受光素子２１の画素を構成する。受光素子２１のセンサは、特に限定されず、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）などの固体撮像素子により構成される。また、受光素子２１は、露光タイミング及び露光時間を制御するためのシャッタ２２を備える。受光素子２１は、シャッタ２２の開放時に、レンズ（不図示）を介して入射した光を受光する。なお、シャッタ２２の方式は、メカニカルシャッタ、電気光学シャッタなどの外部シャッタでもよいし、外部シャッタを設けずに、受光素子２１が有する電子シャッタ機能を用いてもよい。なお、受光素子２１は、測距専用のものを設けてもよいし、測距装置がデジタルスチルカメラ等の撮影装置に搭載される場合には、画像撮影用の撮像素子と兼用してもよい。また、受光素子２１は、測距時に周囲光の影響を低減するためのフィルタを備えていてもよい。
【００３９】
受光部２０の受光素子駆動回路２３は、タイミング発生回路６０からのトリガー信号に基づいて受光素子２１の駆動を制御する駆動回路である。
【００４０】
図１に示すＡＦＥ３０は、受光素子２１から出力されたアナログ信号を処理する処理部である。ＡＦＥ３０は、受光素子２１から出力されたアナログ信号に対して、ノイズ除去、ゲインコントロールなどの処理を施した信号を、Ａ／Ｄ変換部４０に出力する。
【００４１】
図１に示すＡ／Ｄ変換部４０は、ＡＦＥ３０から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する処理部である。
【００４２】
図１に示すＣＰＵ５０は、測距装置１全体の動作を統括制御する処理部であり、所定のプログラムに従って測距装置１を制御する。ＣＰＵ５０は、タイミング発生回路６０及び発光部１０のドライバ１２の制御も行う。また、ＣＰＵ５０は、演算部５１、画像生成部５２及び記憶部５３を備える。
【００４３】
ＣＰＵ５０の演算部５１は、Ａ／Ｄ変換部４０が出力したデジタル信号に基づいて、測距装置１から対象物９０までの距離を演算する処理部である。算出された画素毎の距離データは、画像生成部５２に入力される。
【００４４】
ＣＰＵ５０の画像生成部５２は、演算部５１が出力した画素毎の距離データに基づいて、距離画像を生成する処理部である。
【００４５】
ＣＰＵ５０の記憶部５３は、ＣＰＵ５０が処理するプログラム及び制御に必要な各種データ等を記録するＲＯＭ、ＣＰＵ５０が各種の演算処理等を行うための作業用領域を有するＲＡＭ等を含むメモリである。
【００４６】
図１に示すタイミング発生回路６０は、発光素子１１の発光タイミングを決定するためのトリガー信号をドライバ１２に入力し、受光素子２１の露光タイミングを決定するためのトリガー信号を受光素子駆動回路２３に入力する回路である。タイミング発生回路６０は、ＣＰＵ５０の画像生成部５２によって制御される。
【００４７】
［１−２．測距原理］
次に、本実施の形態に係る測距装置１の測距原理について説明する。
【００４８】
測距装置１における対象物９０までの距離Ｌの算出方法の基本原理は、ＴＯＦ方式である。ＴＯＦ方式とは、対象物９０に対して光を照射して、受光素子で受け取るまでの時間を測定することによって対象物９０までの距離Ｌを求める方式である。具体的には、上記式（３）〜（７）を用いて、距離Ｌを求める。
【００４９】
ここで、上述したように、式（３）〜（７）を用いて距離を求める方法によると、Ｔｕ＞Ｔｕ’の場合には、近い位置にある対象物９０の測距には不向きとなり、Ｔｕ＜Ｔｕ’の場合には、遠い位置にある対象物の測距には不向きとなる。そこで、本実施の形態においては、Ｔｕ＞Ｔｕ’の場合とＴｕ＜Ｔｕ’の場合とを組み合わせて用いる方法を採用する。当該方法を採用するための受光素子２１における信号蓄積タイミングについて、図２を用いて説明する。
【００５０】
図２は、プローブ光の発光強度、対象物９０からの反射光の受光素子２１への入射強度、受光素子２１のシャッタ２２を駆動するトリガー信号強度及び受光素子２１のセンサに蓄積される電気信号の蓄積量の一例を示すタイミングチャートである。なお、図２の最下段に示される時間波形のハッチング部面積が蓄積量（ＳＡ、ＳＢ及びＳＣ）を示す。図２に示すように、本実施の形態に係る測距装置１においては、プローブ光の発光開始時に対する受光素子２１のシャッタ２２を開放するタイミングとして、相異なる三通りのタイミングを採用している。すなわち、プローブ光の発光開始時をｔ＝０として、タイミング発生回路６０から受光素子駆動回路２３にトリガー信号が出力されるタイミングをｔ＝Ｔｕとすると、三通りのＴｕを採用している。
【００５１】
図２に示される例では、発光素子１１から、所定時間内に、第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３からなるプローブ光が出射される。ここで、所定時間とは、当該所定時間内における周囲光等の環境の変化が無視できる程度に十分短い時間としてよい。当該所定時間は、測距を行う環境などによって異なるが、例えば、１秒以下としてよい。また、上記各パルス光は、同一の、発光立ち上がり開始から立ち下がり開始までの時間Ｔ０及び発光立ち下がり開始時における発光強度ｉを有する。すなわち、上記各パルス光は、いずれも同一のパルス波形を有する。なお、ここで、上記各パルス光が同一のパルス波形を有する場合には、実質的に同一のパルス波形を有する場合が含まれ、例えば、上記各パルス光の波形の間に、発光素子１１の出力制御精度程度の差異がある場合が含まれる。
【００５２】
また、本実施の形態においては、第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３に対応するトリガー信号の出力タイミングの一例として、それぞれ、Ｔｕ＝ＴＡ＝Ｔ０（＞０）、Ｔｕ＝ＴＢ（＝０）及びＴｕ＝ＴＣ＝−Ｔ０（＜０）を採用している。したがって、第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３に対応する受光素子２１のセンサにおける蓄積量は、それぞれＳＡ＝Ｇｊ，ｋ（ＴＡ，ｔｆ）、ＳＢ＝Ｇｊ，ｋ（ＴＢ，ｔｆ）及びＳＣ＝Ｇｊ，ｋ（ＴＣ，ｔｆ）となる。なお、図２に示されるｔ１は、トリガー信号がタイミング発生回路６０から出力されてから、実際にシャッタ２２が開放されるまでに要する時間である。また、図２に示されるｔ２は、トリガー信号がタイミング発生回路６０から出力されてから、実際にシャッタ２２が閉成されるまでに要する時間である。
【００５３】
本実施の形態においては、Ｔｕ＞Ｔｕ’となる場合として、Ｔｕ＝ＴＡ、Ｔｕ’＝ＴＢ（＝０）を選択して、導出量ＳＡ／ＳＢを導出し、Ｔｕ＜Ｔｕ’となる場合として、Ｔｕ＝ＴＣ（＜０）、Ｔｕ’＝ＴＢ（＝０）を選択して、導出量ＳＣ／ＳＢを導出する。
【００５４】
ここで、上記両導出量について図３及び図４を用いて説明する。
【００５５】
図３は、測距装置１の周囲光量をパラメータとして、対象物９０までの距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢとの関係を示すグラフである。ここで、τＲ＝１８ｎｓ、τＦ＝８ｎｓ、Ｔ０＝２２．２ｎｓ、ｔ１＝１４．２ｎｓ、ｔ２＝４８．３ｎｓ、ｉ＝０．７１５＊Ｉとしている。図３に示す太い実線、破線、一点鎖線、二点鎖線及び細い実線が、それぞれ、周囲光量がゼロ、１０００ｌｘ、３０００ｌｘ、５０００ｌｘ及び１００００ｌｘの場合の、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢとの関係を示す。また、図３には、プローブ光が矩形のパルス光であると仮定した場合の、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢとの関係も、点線によって示される。図３に示すように、いずれの周囲光量の場合にも、対象物９０までの距離Ｌが大きいほど導出量ＳＡ／ＳＢが増大する。また、発光部１０から出射されるプローブ光の発光強度が発光期間内において経時変化するため、図３に示されるように、距離Ｌの変化に対する導出量ＳＡ／ＳＢの増減が非線形関係となる。
【００５６】
図４は、測距装置１の周囲光量をパラメータとして、対象物９０までの距離Ｌと導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示すグラフである。図４に示す太い実線、破線、一点鎖線、二点鎖線及び細い実線が、それぞれ、周囲光量がゼロ、１０００ｌｘ、３０００ｌｘ、５０００ｌｘ及び１００００ｌｘの場合の、距離Ｌと導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示す。また、図４には、プローブ光が矩形のパルス光であると仮定した場合の、距離Ｌと導出量ＳＣ／ＳＢとの関係も、点線によって示される。図４に示すように、いずれの周囲光量の場合にも、対象物９０までの距離Ｌが小さいほど導出量ＳＣ／ＳＢが増大する。また、発光部１０から出射されるプローブ光の発光強度が発光期間内において経時変化するため、図４に示されるように、距離Ｌの変化に対する導出量ＳＣ／ＳＢの増減が非線形関係となる。
【００５７】
図３に示すように、導出量ＳＡ／ＳＢを用いる場合、受光素子２１からの距離が近い位置にあるほど、対象物９０の距離位置が変化したときの導出量ＳＡ／ＳＢの値の変化量が相対的に小さくなる。したがって、蓄積量ＳＡ及び蓄積量ＳＢを受光素子２１から取得する際に外乱成分が重畳され蓄積量ＳＡ及び蓄積量ＳＢの値が変動すると、受光素子２１から近い位置にある対象物９０ほど距離演算結果に大きな誤差が生じる。よって、導出量ＳＡ／ＳＢを用いる場合は、遠い位置にある対象物９０までの距離Ｌを測定することに適している。
【００５８】
一方、図４に示すように、導出量ＳＣ／ＳＢを用いる場合は、受光素子２１からの距離が遠い位置にあるほど、対象物９０の位置が変化したときの導出量ＳＣ／ＳＢの変化量が相対的に小さくなる。したがって、導出量ＳＣ／ＳＢを用いる場合は、近い位置にある対象物９０までの距離Ｌを測定することに適している。
【００５９】
つまり、本実施の形態においては、プローブ光に対する露光期間をそれぞれＴＡ＋ｔ１〜ＴＡ＋ｔ２、ＴＢ＋ｔ１〜ＴＢ＋ｔ２及びＴＣ＋ｔ１〜ＴＣ＋ｔ２と設定した場合に、ＴＡ＞ＴＢ＞ＴＣの関係が成り立つようにＴＡ、ＴＢ及びＴＣを設定する。そして、蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣを検出して、導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢを算出する。ここで、遠い位置にある対象物９０までの距離Ｌについては導出量ＳＡ／ＳＢから導き出される距離データを採用し、近い位置にある対象物９０までの距離Ｌについては導出量ＳＣ／ＳＢから導き出される距離データを採用することで、距離レンジ全体に亘って制度の良い距離画像を取得することができる。導出量ＳＡ／ＳＢ又は導出量ＳＣ／ＳＢを使用する距離の境界値は、特に限定されないが、たとえば、ＳＡ／ＳＢ＝ＳＣ／ＳＢとなる距離を境界値としてもよい。このように境界値を定めることにより、距離演算に用いる導出量として、演算誤差が小さくなる方の導出量を選択することができる。
【００６０】
なお、上記ＴＡ、ＴＢ及びＴＣの値、並びに、所定の露光時間（ｔ２−ｔ１）は、測距装置１に要求される測定距離レンジに応じて決定される。すなわち、当該測定距離範囲内にある対象物９０による第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光の各反射光の少なくとも一部が、受光素子２１によって検出されるように、上記ＴＡ、ＴＢ及びＴＣの値、並びに、所定の露光時間（ｔ２−ｔ１）が決定される。
【００６１】
以上、本実施の形態の測距原理について説明したが、実際には、受光素子２１のセンサが検出する反射光に周囲光が重畳されて、距離演算の際に誤差の原因となり得る。そこで、距離演算の精度をさらに向上させるために、距離演算における周囲光の影響を抑制する処理について説明する。
【００６２】
この周囲光の影響を抑制する処理は、まず、各センサによって検出される蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣをもって、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとを算出する。次に両導出量を比較し、両者の差が予め定められた範囲内に収まっている場合は、その導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢの値から周囲光量を推定する。この推定方法について、図５を用いて説明する。
【００６３】
図５は、測距装置１の周囲光量をパラメータとして、距離Ｌと導出量ＳＡ／ＳＢとの関係を示すグラフ（図３）と、距離Ｌと導出量ＳＣ／ＳＢとの関係を示すグラフ（図４）とを、重ね合わせて表示したものである。特定の周囲光量に対して、両導出量のグラフはある一点で交差する。その交点における導出量の値は周囲光量の大きさに応じて変化するが、その交点における距離Ｌは周囲光量に関わらず変化しない。すなわち、いかなる周囲光量の場合でも、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとは、その交点における距離Ｌの位置に存在する対象物９０からの反射光による蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣに関しては、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとは同じ値となる。たとえば、図５に示す例では、距離Ｌが１．８ｍの場合に両導出量が同じ値となる。
【００６４】
したがって、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差が予め定められた範囲内に収まっていれば、距離演算処理を実行するまでもなく、即座に対象物９０までの距離Ｌを導出することができる。ここで、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差が、“ゼロである”ことではなく、“予め定められた範囲内に収まっている”ことを判定基準としている。その理由は、各蓄積量には外乱成分が重畳されるため、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとが完全に一致することが稀であるため、ある程度の許容範囲をもって、上記両導出量が同じ値であると判定することが、現実的であるからである。
【００６５】
周囲光を推定するために、例えば、様々な周囲光量について、図５のグラフの交点における導出量ＳＡ／ＳＢ又は導出量ＳＣ／ＳＢと周囲光量との対照表（ルックアップテーブル）を予め計算などにより求めてＣＰＵ５０の記憶部５３内に記録しておく。そして、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差が予め定められた範囲内に収まっている場合は、当該対照表を参照して周囲光量を推定することができる。これにより、測距装置１は、別途周囲光量を測定することなく、周囲光量を推定することができる。
【００６６】
［１−３．動作］
次に上述した原理に基づいて本実施の形態に係る測距装置１を動作させて、対象物９０までの距離を計測する手順について図６を用いて説明する。
【００６７】
図６は、本実施の形態に係る測距装置１の動作手順を示すフローチャートである。
【００６８】
まず、発光部１０の動作手順について説明する。タイミング発生回路６０が、ＣＰＵ５０の画像生成部５２からの指令を受けて、図２に示すようなトリガー信号をドライバ１２に出力する（Ｓ１）。トリガー信号を受けたドライバ１２は、発光素子１１にパルス光を出射させるための信号を入力する。ドライバ１２から信号を受けた発光素子１１は、図２に示すような、第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３からなるプローブ光を断続的に順次出射する（Ｓ２）。
【００６９】
次に、受光部２０等の動作手順について説明する。ＣＰＵ５０の画像生成部５２からの指令を受けたタイミング発生回路６０は、ドライバ１２にトリガー信号を出力するタイミングに同期させて、受光素子駆動回路２３にトリガー信号を出力する（Ｓ３）。なお、ここで、“トリガー信号を出力するタイミングに同期”させるとは、“トリガー信号を出力するタイミングと同時”とする場合だけでなく、“トリガー信号を出力するタイミングに対して予め定められた時間差”とする場合をも含む。
【００７０】
トリガー信号を受けた受光素子駆動回路２３は、トリガー信号がＯＮ状態の間、受光素子２１のシャッタ２２を所定の露光時間に亘って開放して、受光素子２１の各センサが光を検出できる状態にする。受光素子２１の各センサは、上記各パルス光の対象物９０による反射光を含む光を検出して、電気信号に変換し、シャッタ２２が開放状態の間、当該電気信号を蓄積する。そして、受光素子２１の各センサは、第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３のそれぞれに対応する蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣを検出する（Ｓ４）。
【００７１】
受光素子２１の各センサにおいて蓄積されたアナログ信号である蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣは、ＡＦＥ３０に入力される。ＡＦＥ３０で、ノイズ除去などの処理を施されたアナログ信号である蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣは、Ａ／Ｄ変換部４０でデジタル信号に変換される。上記第１のパルス光Ｐ１、第２のパルス光Ｐ２及び第３のパルス光Ｐ３に対応する蓄積量がＡ／Ｄ変換部４０でデジタル信号に変換された蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣは、ＣＰＵ５０の演算部５１に入力される。
【００７２】
ここで、測距装置１の周囲光量が判明していない場合（Ｓ５でＮｏ）には、演算部５１は、受光素子２１の各センサに対応する画素の導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差をとり、予め定められた範囲内の値となる画素を探す。導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差をとり、予め定められた範囲内の値となる画素が見つかれば、演算部５１は、その画素に対応する導出量ＳＡ／ＳＢ又は導出量ＳＣ／ＳＢの値と、記憶部５３内に記録された導出量と周囲光量との関係を示す対照表における導出量とを比較して、当該導出量に対応する周囲光量を求める（Ｓ６）。上記の周囲光量を求めるステップを経る前に周囲光量が判明している場合（Ｓ５でＹｅｓ）には、演算部５１は、上記の周囲光量を求める演算を行わず、以下の演算を行う。
【００７３】
次に、演算部５１は、Ａ／Ｄ変換部４０から入力された蓄積量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣから周囲光成分を除去した蓄積量を新たな導出量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣとする（Ｓ７）。そして、演算部５１は、それらの新たな導出量ＳＡ、ＳＢ及びＳＣから導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢを導出する（Ｓ８）。そして、演算部５１は、導出量ＳＡ／ＳＢが導出量ＳＣ／ＳＢ以上である場合（Ｓ９でＹｅｓ）には、導出量ＳＡ／ＳＢを用いて距離Ｌを求め（Ｓ１１）、導出量ＳＡ／ＳＢが導出量ＳＣ／ＳＢ未満である場合（Ｓ９でＮｏ）には、導出量ＳＣ／ＳＢを用いて距離Ｌを求める（Ｓ１０）。
【００７４】
演算部５１によって各画素における測定距離が求められると、それらの測定距離値を示す信号が画像生成部５２に入力される。画像生成部５２は、当該信号を受けて、距離画像を生成する（Ｓ１２）。ここで、距離画像とは、距離に応じて色や、特定の色の濃淡を変えて距離情報を表示する画像である。
【００７５】
［１−４．効果など］
以上に述べたように、本実施の形態に係る測距装置１は、所定時間内に、同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射する光源である発光素子１１と、発光素子１１と同期しながら、発光素子１１からの各パルス光の対象物９０による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間（ｔ２−ｔ１）に亘って蓄積するセンサをアレイ状に複数配列した受光素子２１と、第１のパルス光の対象物９０による反射光が含まれる光を第１の時点から露光時間（ｔ２−ｔ１）に亘って検出したセンサが出力する第１の蓄積量ＳＡ、第２のパルス光の対象物９０による反射光が含まれる光を第２の時点から露光時間（ｔ２−ｔ１）に亘って検出したセンサが出力する第２の蓄積量ＳＢ、及び、第３のパルス光の対象物９０による反射光が含まれる光を第３の時点から露光時間（ｔ２−ｔ１）に亘って検出したセンサが出力する第３の蓄積量ＳＣを用いて対象物９０までの距離Ｌを導出する演算部５１を含む。そして、演算部５１は、第１の蓄積量ＳＡ及び第２の蓄積量ＳＢを用いて導出される第１の導出量と、第３の蓄積量ＳＣ及び第２の蓄積量ＳＢを用いて導出される第２の導出量とを導出し、センサの各々に対応する第１の導出量及び第２の導出量に基づいて、センサの各々に対応する距離Ｌを導出する。また、第１のパルス光の出射開始時から第１の時点までの遅延時間（ＴＡ＋ｔ１）は、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間（ＴＢ＋ｔ１）より大きく、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間（ＴＢ＋ｔ１）は、第３のパルス光の出射開始時から第３の時点までの遅延時間（ＴＣ＋ｔ１）より大きい。なお、ここで、上記遅延時間は、正又は負の値をとり得る時間であり、正の場合は、第１〜３のパルス光の出射開始時より後に、露光が開始されることを意味し、負の場合は、第１〜３のパルス光の出射開始時より前に、露光が開始されることを意味する。
【００７６】
これにより、本実施の形態に係る測距装置１においては、比較的遠い位置に対象物９０がある場合は、第１の導出量を用いて測距し、比較的近い位置に対象物９０がある場合には、第２の導出量を用いて測距することで、距離演算誤差を小さくすることができる。
【００７７】
また、本実施の形態に係る測距装置１においては、さらに、演算部５１は、同一のセンサに対応する第１の導出量と第２の導出量との差が予め定められた範囲内の場合に、第１の導出量又は第２の導出量から周囲光量を求め、当該周囲光量と、第１の導出量又は第２の導出量とに基づいて距離Ｌを導出する。
【００７８】
これにより、本実施の形態に係る測距装置１においては、別途周囲光量を測定することなく、周囲光量を求めることができるため、周囲光量による測距誤差を抑制することができる。
【００７９】
また、本実施の形態に係る測距装置１は、さらに、周囲光量と、第１の導出量又は第２の導出量との関係が対照表として記録されている記憶部５３を備え、演算部５１は、当該対照表に基づいて周囲光量を求める。
【００８０】
これにより、本実施の形態に係る測距装置１においては、記憶部５３に記録された対照表を用いることによって、周囲光量を求めることができるため、周囲光量を別途測定又は算出するなどの手段が不要となり、迅速かつ簡単に周囲光量を求めることができる。
【００８１】
（実施の形態２）
以下、図７及び図８を用いて実施の形態２に係る測距装置を説明する。
【００８２】
上記実施の形態１に係る測距装置１において、露光期間は、Ｔｕ＋ｔ１からＴｕ＋ｔ２までである。この露光期間を決定するパラメータのうち、トリガー信号をＯＮ状態にするタイミングを決定するＴｕは測距装置１を操作する者が所望の値に任意に設定できるものである。しかしながら、正味の露光時間（ｔ２−ｔ１）は、所望の値には設定できず、受光素子の製造上のばらつき、設計者の意図とは無関係に受光素子に寄生する容量成分又は抵抗成分などの、受光素子の個体毎に固有な数値に依存する。したがって、測距装置１において、測距の精度を向上させるためには、測距装置１毎に、露光時間を調査してキャリブレーションを行う必要がある。また、測距装置１を長期間使用した場合には、受光素子内のトランジスタの閾値変動などが原因となり露光時間に経時変化が発生する。したがって、測距装置１の精度における経時変化を抑制するためには、定期的に測距装置１の正味の露光時間を調査してキャリブレーションを行う必要がある。
【００８３】
そこで、本実施の形態においては、対象物の距離演算の前準備として露光時間の調査を行うことのできる測距装置を説明する。
【００８４】
［２−１．構成］
本実施の形態に係る測距装置の主要構成は、図１と同様のブロック図で表されるため、説明を割愛する。本実施の形態においては、演算部５１が行う処理が上記実施の形態１と異なる。当該処理については、本実施の形態の動作と合わせて後で詳述する。
【００８５】
［２−２．測距原理］
本実施の形態に係る測距装置の測距原理は、上記露光時間を調査する点を除いて上記実施の形態１に係る測距装置１と同じであるため、以下、露光時間を調査する点について説明する。
【００８６】
図７は、横軸に導出量ＳＡ／ＳＢを取り、縦軸に対象物９０までの距離Ｌを取ったグラフと、横軸に導出量ＳＣ／ＳＢを取り、縦軸に対象物９０までの距離Ｌを取ったグラフとを、複数の露光時間（ｔ２−ｔ１）の場合について計算し、重ね合わせて表示したものである。ここで、τＲ＝１８ｎｓ、τＦ＝８ｎｓ、Ｔ０＝２２．２ｎｓ、ｉ＝０．７１５＊Ｉとしている。図７には、ｔ１＝６．７ｎｓ、ｔ２＝５２．６ｎｓすなわち露光時間が４５．９ｎｓの場合のグラフを破線で、ｔ１＝１４．２ｎｓ、ｔ２＝４８．３ｎｓすなわち露光時間が３４．１ｎｓの場合のグラフを太い実線で示す。また、露光時間は４５．９ｎｓであるが、ｔ１が１４．２ｎｓである場合のグラフを細い実線で示す。なお、図７に示す各導出量は、周囲光ゼロの状態で取得された値である。
【００８７】
図７に示すように、ある露光時間における導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢのグラフはある一点で交差する。その交点における導出量の値は、露光時間（ｔ２−ｔ１）の長さに応じて変化し、ｔ１及びｔ２の値そのものには依存しない。このことは、図７において破線と細い実線のグラフの交点の横軸の値が等しいことからも理解できる。したがって、露光時間を調査するには、まず、複数の露光時間について、図７の導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢのグラフの交点における導出量ＳＡ／ＳＢ又は導出量ＳＣ／ＳＢと露光時間との対照表（ルックアップテーブル）をＣＰＵ５０の記憶部５３内に記録しておく。そして、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差が予め定められた範囲内に収まっている場合は、対照表を参照して導出量に対応する露光時間を求める。ここで、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差が、“ゼロである”ことではなく、“予め定められた範囲内に収まっている”ことを判定基準としている。その理由は、各蓄積量には外乱成分が重畳されるため、導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとが完全に一致することが稀であるため、ある程度の許容範囲をもって、上記両導出量が同じ値であると判定することが、現実的であるからである。測定者は、予め測定空間内の様々な距離に対象物９０を多数配置しておくと、範囲内に収まる導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢが多数検出されるため、露光時間の判定を多数回実施することができる。そして、それらの判定結果の平均値を採用することでより高い精度で露光時間の値を求めることができる。
【００８８】
なお、露光時間を求めるために導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢを導出する際には、周囲光の影響を受けることを防止するために、周囲光のない環境で両導出量を導出してもよい。
【００８９】
以上に述べた原理によって露光時間を求められた時点で、求められた露光時間に基づいて、上記実施の形態１と同様に、距離画像生成処理を実行してよい。具体的には、演算部５１はｔ１について暫定値もしくはキャリブレーション前の値を使用して、上記原理によって求められた露光時間（ｔ２−ｔ１）の値とｔ１とからｔ２を求め、ｔ１及びｔ２並びにその他のパラメータを上記式（３）〜（６）に代入し、蓄積量及び導出量と飛行時間との関係を算出し、検出された蓄積量から導出された導出量と、上記算出された導出量と飛行時間との関係から、対象物９０までの距離Ｌを導出する。この場合、ｔ１及びｔ２の絶対値については正確な値を使用していないため、対象物までの絶対的距離の正確性には乏しい距離画像を生成することになるが、距離画像内の対象物間の相対的距離に関してはほぼ正確な距離を測定することができる。このことは、図７において細い実線のグラフが、破線のグラフを縦軸方向に平行移動させたものにほとんど等しいことからも理解できる。
【００９０】
［２−３．動作］
次に上述した原理に基づいて本実施の形態に係る測距装置を動作させて露光時間（ｔ２−ｔ１）を調査する手順について、図８を用いて説明する。
【００９１】
図８は、本実施の形態に係る測距装置において露光時間を調査する動作手順を示すフローチャートである。
【００９２】
まず、本実施の形態に係る測距装置の測定空間内の様々な距離に対象物９０を多数配置し、周囲光をゼロとした状態において、上記実施の形態１と同様に、受光素子２１の各センサに対応する画素の導出量ＳＡ／ＳＢ及び導出量ＳＣ／ＳＢが演算部５１において求められる（Ｓ２１）。
【００９３】
次に、演算部５１は、受光素子２１の各センサに対応する画素の導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差をとり、予め定められた範囲内の値となる画素を探す（Ｓ２２）。演算部５１は、当該差が、予め定められた範囲内（当該差の絶対値が予め定められた値Δ以下）の値となる画素を見つけ、当該画素に対応する導出量ＳＡ／ＳＢ又は導出量ＳＣ／ＳＢの値と、記憶部５３内に記録された露光時間と導出量との関係を示す対照表における導出量とを比較して、当該導出量に対応する露光時間を求める（Ｓ２３）。演算部５１は、求められた露光時間を記憶部５３に記録し（Ｓ２４）、以後の測距演算において用いる。以後の測距演算の動作は、図６などを用いて上述したとおりである。
【００９４】
［２−４．効果など］
以上に述べたように、本実施の形態に係る測距装置においては、演算部５１は、同一のセンサから出力される第１の導出量と第２の導出量との差が予め定められた範囲内の場合に、第１の導出量又は第２の導出量から露光時間を求め、当該露光時間と、第１の導出量又は第２の導出量とに基づいて距離を導出する。
【００９５】
これにより、本実施の形態に係る測距装置においては、正味の露光時間を求めることができるため、正確かつ簡単に測距装置のキャリブレーションを行うことが可能となる。ここで、従来の測距装置では、露光時間を決定するには、測定者は測定空間内の予め距離位置が正確にわかっている位置に対象物を配置し、その位置が受光素子のどの画素に写像されているか確認する作業をしたうえで測距を行い、その測距結果が実際の距離の値と等しくなるまで、距離演算において用いるパラメータを変えながら測距を繰り返す必要がある。一方、本実施の形態では、露光時間を調査するために予め距離位置が正確にわかっている対象物を準備する必要がなく、測定者は測距装置の測定空間内の様々な距離に対象物９０を配置するだけでよい。したがって、対象物９０に複雑な形状を有する物体を採用することが可能である。また、受光素子のどの画素に写像されているか確認する必要はなく、どの画素を用いて露光時間を決定するかを判断する作業は、測距装置が導出量ＳＡ／ＳＢと導出量ＳＣ／ＳＢとの差をとり、予め定められた範囲内の値となる画素を探すことで代用される。このため、簡単な作業で露光時間を調査することができる。したがって、本実施の形態の測距装置によれば、測距装置毎に、かつ、定期的に露光時間の調査を行うことが容易となる。
【００９６】
また、本実施の形態に係る測距装置においては、露光時間と、第１の導出量又は第２の導出量との関係が対照表として記録されている記憶部５３をさらに備え、演算部５１は、当該対照表に基づいて露光時間を求める。
【００９７】
これにより、本実施の形態に係る測距装置においては、記憶部５３に記録された対照表を用いることによって、露光時間を求めることができるため、迅速かつ簡単にキャリブレーションを行うことができる。
【００９８】
（変形例など）
以上のように、本開示における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。
【００９９】
したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
【０１００】
また、上述の実施の形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。
【０１０１】
また、上述の実施の形態における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の測距撮像装置を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【０１０２】
なお、本発明は、上述した特徴的な構成を備える測距装置として実現することができるだけでなく、当該測距装置の測距方法として実現することができる。
【０１０３】
つまり、本発明に係る測距装置の測距方法は、所定時間内に、光源から同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射するステップと、光源と同期しながら、アレイ状に複数配列したセンサによって、光源からの各パルス光の対象物による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間に亘って蓄積するステップと、第１のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第１の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第１の蓄積量、第２のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第２の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第２の蓄積量、及び、第３のパルス光の対象物による反射光が含まれる光を第３の時点から所定の露光時間に亘って検出したセンサが出力する第３の蓄積量を用いて、対象物までの距離を導出するステップと、第１の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第１の導出量と、第３の蓄積量及び第２の蓄積量を用いて導出される第２の導出量とを導出し、センサの各々に対応する第１の導出量及び第２の導出量に基づいて、センサの各々に対応する距離を導出するステップとを含み、第１のパルス光の出射開始時から第１の時点までの遅延時間は、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間より大きく、第２のパルス光の出射開始時から第２の時点までの遅延時間は、第３のパルス光の出射開始時から第３の時点までの遅延時間より大きい。
【０１０４】
これにより、比較的遠い位置に対象物がある場合は、第１の導出量を用いて測距し、比較的遠い位置に対象物がある場合には、第２の導出量を用いて測距することで、距離演算誤差を小さくすることができる。
【０１０５】
また、上記実施の形態においては、導出量として、ＳＡ／ＳＢ及びＳＣ／ＳＢを用いたが、導出量はこれに限定されるものではない。導出量は、ＳＡ（ＳＣ）及びＳＢから式（３）〜（６）に示されるＱを相殺できるような態様であればよい。例えば、導出量として、ＳＢ／ＳＡ及びＳＢ／ＳＣを用いてもよい。
【０１０６】
また、上記実施の形態においては、第１〜３のパルス光に対する露光時間は、すべて同一とする例を示したが、各露光時間は、必ずしも同一でなくてもよい。
【０１０７】
また、上記実施の形態においては、周囲光量又は露光時間を求めるために、記憶部５３に記録された対照表を用いる例を示したが、周囲光量などを求めるための構成はこれに限定されない。例えば、記憶部５３に、導出量に対する周囲光量などの関数を記録して、当該関数を用いて周囲光量などを求めてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１０８】
本開示は、測距装置又は測距方法を用いる機器に適用可能である。具体的には、デジタルスチルカメラ、ムービー、カメラ機能付き携帯電話機、スマートフォンなどに、本開示は適用可能である。
【符号の説明】
【０１０９】
１  測距装置
１０  発光部
１１  発光素子（光源）
１２  ドライバ
２０  受光部
２１  受光素子
２２  シャッタ
２３  受光素子駆動回路
３０  アナログ信号処理部（ＡＦＥ）
４０  Ａ／Ｄ変換部
５０  中央処理装置（ＣＰＵ）
５１  演算部
５２  画像生成部
５３  記憶部
６０  タイミング発生回路
９０  対象物
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定時間内に、同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射する光源と、
前記光源と同期しながら、前記光源からの前記各パルス光の対象物による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間に亘って蓄積するセンサをアレイ状に複数配列した受光素子と、
前記第１のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第１の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第１の蓄積量、前記第２のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第２の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第２の蓄積量、及び、前記第３のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第３の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第３の蓄積量を用いて、前記対象物までの距離を導出する演算部とを含み、
前記演算部は、前記第１の蓄積量及び前記第２の蓄積量を用いて導出される第１の導出量と、前記第３の蓄積量及び前記第２の蓄積量を用いて導出される第２の導出量とを導出し、前記センサの各々に対応する前記第１の導出量及び前記第２の導出量に基づいて、前記センサの各々に対応する前記距離を導出し、
前記第１のパルス光の出射開始時から前記第１の時点までの遅延時間は、前記第２のパルス光の出射開始時から前記第２の時点までの遅延時間より大きく、
前記第２のパルス光の出射開始時から前記第２の時点までの遅延時間は、前記第３のパルス光の出射開始時から前記第３の時点までの遅延時間より大きい
測距装置。
【請求項２】
前記第１の導出量は、前記第１の蓄積量の前記第２の蓄積量に対する比であって、前記距離が大きいほど増大し、
前記第２の導出量は、前記第３の蓄積量の前記第２の蓄積量に対する比であって、前記距離が小さいほど増大する
請求項１に記載の測距装置。
【請求項３】
前記演算部は、同一の前記センサに対応する前記第１の導出量と前記第２の導出量との差が予め定められた範囲内である場合に、前記第１の導出量又は前記第２の導出量から前記所定の露光時間を求め、前記所定の露光時間と、前記第１の導出量又は前記第２の導出量とに基づいて前記距離を導出する
請求項１又は２に記載の測距装置。
【請求項４】
前記演算部は、同一の前記センサに対応する前記第１の導出量と前記第２の導出量との差が予め定められた範囲内である場合に、前記第１の導出量又は前記第２の導出量から周囲光量を求め、前記周囲光量と、前記第１の導出量又は前記第２の導出量とに基づいて前記距離を導出する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項５】
前記所定の露光時間と、前記第１の導出量又は前記第２の導出量との関係が対照表として記録されている記憶部を備え、
前記演算部は、前記対照表に基づいて前記所定の露光時間を求める
請求項３に記載の測距装置。
【請求項６】
前記周囲光量と、前記第１の導出量又は前記第２の導出量との関係が対照表として記録されている記憶部を備え、
前記演算部は、前記対照表に基づいて前記周囲光量を求める
請求項４に記載の測距装置。
【請求項７】
前記演算部は、
前記第１の導出量が前記第２の導出量より大きい場合には、前記第１の導出量に基づいて前記距離を導出し、
前記第１の導出量が前記第２の導出量より小さい場合には、前記第２の導出量に基づいて前記距離を導出する
請求項２に記載の測距装置。
【請求項８】
前記光源の発光強度が発光期間内において経時変化し、前記距離の変化に対する前記第１の導出量及び前記第２の導出量の増減が非線形関係である
請求項１〜７のいずれか１項に記載の測距装置。
【請求項９】
所定時間内に、光源から同一のパルス波形を有する第１のパルス光、第２のパルス光及び第３のパルス光を出射するステップと、
前記光源と同期しながら、アレイ状に複数配列したセンサによって、前記光源からの前記各パルス光の対象物による反射光を検出し電気信号に変換して所定の露光時間に亘って蓄積するステップと、
前記第１のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第１の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第１の蓄積量、前記第２のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第２の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第２の蓄積量、及び、前記第３のパルス光の前記対象物による反射光が含まれる光を第３の時点から前記所定の露光時間に亘って検出した前記センサが出力する第３の蓄積量を用いて、前記対象物までの距離を導出するステップと、
前記第１の蓄積量及び前記第２の蓄積量を用いて導出される第１の導出量と、前記第３の蓄積量及び前記第２の蓄積量を用いて導出される第２の導出量とを導出し、前記センサの各々に対応する前記第１の導出量及び前記第２の導出量に基づいて、前記センサの各々に対応する前記距離を導出するステップとを含み、
前記第１のパルス光の出射開始時から前記第１の時点までの遅延時間は、前記第２のパルス光の出射開始時から前記第２の時点までの遅延時間より大きく、
前記第２のパルス光の出射開始時から前記第２の時点までの遅延時間は、前記第３のパルス光の出射開始時から前記第３の時点までの遅延時間より大きい
測距方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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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【国際調査報告】
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