(57)【要約】【解決課題】正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差や距離を精度よく計測することができるようにする。【解決手段】４つの電荷蓄積量データが、全ての受光信号が適切であると（１２０）、４つの電荷蓄積量データを用いて、検出物体までの距離を算出する（１２２）。また、電荷蓄積量データのうち３つが適切な値であると（１２４）、正常電荷量範囲外である電荷蓄積量データを補正し（１２６）、適切な値である３つの電荷蓄積量データと補正された電荷蓄積量データとから、検出物体までの距離を算出する（１２８）。また、２つの電荷蓄積量データのみが適切な値であると（１３０）、非発光時の電荷蓄積量データの取得し（１３２）、適切な値である２つの電荷蓄積量データの各々から外乱成分を除去した値に基づいて、検出物体までの２つの距離候補を算出し（１３４、１３６）、距離候補から正しい距離を選択する（１３８）。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物に対して光を発光する発光手段と、
前記発光手段から発光された光の前記計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する受光手段と、
時間的に発光強度を変化させた光を発光するように前記発光手段を制御する発光制御手段と、
電荷蓄積手段と、
前記発光手段の発光タイミングから異なる複数の位相差を有する位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、前記受光手段から出力される受光信号を、前記電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる蓄積制御手段と、
前記電荷蓄積手段に蓄積された前記複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって前記電荷蓄積量の全てが前記正常電荷量条件を満たすと判定された場合、前記複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、前記発光手段によって発光してから前記受光手段によって受光するまでの位相差、遅延時間、及び前記計測対象物までの距離の少なくとも一つを計測し、
前記判定手段によって１つの位相タイミングにおける電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記１つの位相タイミング以外の位相タイミングの各々における電荷蓄積量に基づいて、前記１つの位相タイミングにおける電荷蓄積量を補正し、前記複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する計測手段と、
を含む計測装置。
【請求項２】
前記計測手段は、前記判定手段によって２つの位相タイミングの各々における電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記２つの位相タイミング以外の位相タイミングの各々における電荷蓄積量に基づいて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する請求項１記載の計測装置。
【請求項３】
計測対象物に対して光を発光する発光手段と、
前記発光手段から発光された光の前記計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する受光手段と、
時間的に発光強度を変化させた光を発光するように前記発光手段を制御する発光制御手段と、
電荷蓄積手段と、
前記発光手段の発光タイミングから異なる複数の位相差を有する位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、前記受光手段から出力される受光信号を、前記電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる蓄積制御手段と、
前記電荷蓄積手段に蓄積された前記複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段によって前記電荷蓄積量の全てが前記正常電荷量条件を満たすと判定された場合、前記複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、前記発光手段による発光から前記受光手段による受光までの位相差、遅延時間、及び前記計測対象物までの距離の少なくとも一つを計測し、
前記判定手段によって２つの位相タイミングの各々における電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記２つの位相タイミング以外の位相タイミングの各々における電荷蓄積量に基づいて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する計測手段と、
を含む計測装置。
【請求項４】
計測対象物に対して光を発光する発光手段と、
前記発光手段から発光された光の前記計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する受光手段と、
時間的に発光強度を変化させた光を発光するように前記発光手段を制御する発光制御手段と、
電荷蓄積手段と、
前記発光手段の発光タイミングからπ／２ｎ（ｎは自然数である）だけ異なる４ｎ個の位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、前記受光手段から出力される受光信号を、前記電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる蓄積制御手段と、
前記電荷蓄積手段に蓄積された前記４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定する判定手段と、
前記電荷蓄積手段に蓄積された前記４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量のうち、π／２だけ異なる４個の位相タイミングの各々における電荷蓄積量からなるｎ個の電荷蓄積量グループの各々について、前記判定手段によって前記電荷蓄積量の全てが前記正常電荷量条件を満たすと判定された場合、前記電荷蓄積量グループの電荷蓄積量に基づいて、前記発光手段によって発光してから前記受光手段によって受光するまでの位相差、遅延時間、及び前記計測対象物までの距離の少なくとも一つを計測し、
前記判定手段によって１個の位相タイミングにおける電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記電荷蓄積量グループの前記１個の位相タイミング以外の３個の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、前記１個の位相タイミングにおける電荷蓄積量を補正し、前記３個の位相タイミングにおける電荷蓄積量及び前記補正された電荷蓄積量に基づいて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する計測手段と、
を含む計測装置。
【請求項５】
前記計測手段は、前記判定手段によって２個の位相タイミングの各々における電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記電荷蓄積量グループの前記２個の位相タイミング以外の２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の合計及び該２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の何れか一方の比に基づいて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する請求項４記載の計測装置。
【請求項６】
前記受光手段は複数であって、
前記電荷蓄積手段は、前記複数の受光手段の各々に対応して複数設けられ、
前記蓄積制御手段は、前記複数の受光手段の各々について、前記受光手段から出力される受光信号を、対応する電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させ、
前記判定手段は、前記複数の受光手段の各々について、前記正常電荷量条件を満たすか否かを判定し、
前記計測手段は、前記複数の受光手段の各々について、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測し、前記判定手段によって２個の位相タイミングの各々における電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記電荷蓄積量グループの前記２個の位相タイミング以外の２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の総和及び該２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の何れか一方の比と、他の受光手段について計測された前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つとに基づいて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する請求項４記載の計測装置。
【請求項７】
計測対象物に対して光を発光する発光手段と、
前記発光手段から発光された光の前記計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する複数の受光手段と、
時間的に発光強度を変化させた光を発光するように前記発光手段を制御する発光制御手段と、
前記複数の受光手段の各々に対応して設けられた複数の電荷蓄積手段と、
前記複数の受光手段の各々について、前記受光手段から出力される受光信号を、前記発光手段の発光タイミングからπ／２ｎ（ｎは自然数である）だけ異なる４ｎ個の位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、対応する電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる蓄積制御手段と、
前記複数の受光手段の各々について、対応する電荷蓄積手段に蓄積された前記４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定する判定手段と、
前記複数の受光手段の各々について、対応する電荷蓄積手段に蓄積された前記４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量のうち、π／２だけ異なる４個の位相タイミングにおける電荷蓄積量からなるｎ個の電荷蓄積量グループの各々について、前記判定手段によって前記電荷蓄積量の全てが前記正常電荷量条件を満たすと判定された場合、前記電荷蓄積量グループの電荷蓄積量に基づいて、前記発光手段による発光から前記受光手段による受光までの位相差、遅延時間、及び前記計測対象物までの距離の少なくとも一つを計測し、
前記判定手段によって２個の位相タイミングの各々における電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記電荷蓄積量グループの前記２個の位相タイミング以外の２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の総和及び該２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の何れか一方の比と、他の受光手段について計測された前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つとに基づいて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する計測手段と、
を含む計測装置。
【請求項８】
前記発光手段が発光を停止している状態で前記受光手段から出力される受光信号を、前記電荷蓄積手段へ蓄積させるノイズ蓄積制御手段を更に含み、
前記計測手段は、前記判定手段によって２個の位相タイミングの各々の電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記電荷蓄積量グループの前記２個の位相タイミング以外の２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々から前記ノイズ蓄積制御手段によって蓄積された電荷蓄積量を減算して補正し、前記補正された２個の電荷蓄積量を用いて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する請求項５〜請求項７の何れか１項記載の計測装置。
【請求項９】
前記所定の正常電荷量条件を、前記電荷蓄積量が所定範囲内であることとした請求項１〜請求項８の何れか１項記載の計測装置。
【請求項１０】
前記所定範囲は、前記電荷蓄積手段のアンダーフローに相当する電荷蓄積量より大きく、オーバーフローに相当する電荷蓄積量より小さい範囲である請求項９記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置に係り、特に、受光量に応じた信号を電荷として蓄積し、電荷蓄積量に基づいて、受光した光の位相差、遅延時間、又は物体との距離を計測する計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、検出範囲に光を照射し、検出範囲内に存在する物体で反射された光を２次元のイメージセンサで受光し、光を反射した物体との距離によって相違する受光光の位相を画素毎に検出することで、物体との距離を演算し、距離レンジ毎に画像を生成することが可能な距離画像センサが知られている。
【０００３】
また、物体との距離を精度よく計測するために、太陽光などの外乱光の影響を削除又は低減して、オーバーフローをなるべく防ぐ技術が知られている。例えば、特殊な素子構造で、外乱光による飽和を防止して信号光に対応する成分を抽出することができるようにし、信号光に対するダイナミックレンジを向上させた光検出素子が知られている（特許文献１）。
【０００４】
また、特殊な素子構造で、混合器の出力信号の相関信号成分を無相関信号成分から遅延なしで分離可能とし、外乱成分を削除する信号処理技術が知られている（特許文献２）。
【０００５】
また、変調信号源が信号波を生成し、伝導媒体によりその経路上で、または少なくとも一つの物体上での反射および散乱により、信号波が変更されるときに、受信媒体から分配されて出力される二つの出力信号の和と差分とを生成し、物体により散乱・反射または遅延された信号波の強度と位相位置の値とを供給する特殊な素子構造で、外乱光を削除する信号波を検出して処理するデバイスが知られている（特許文献３）。
【特許文献１】特開２００５−３０３２６８号
【特許文献２】特開２００５−３３８０６２号
【特許文献３】特表２００４−５３６７０４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１〜特許文献３には、太陽光などの外乱光の影響を削除又は低減して、オーバーフローをなるべく防ぐ技術が記載されているが、オーバーフローなどが原因となって距離の計測ができない事態となったときの対応については記載されていないため、外乱光の影響が低減できたとしても、低減量の不十分又は装置自身の変調光の強過ぎによるオーバーフローや、低照度時のアンダーフローが発生した場合には、距離を計測することができない、という問題がある。
【０００７】
また、特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、デバイス上で外乱光を抑制するための特殊なデバイスが必要であるため、コストがかかってしまう、という問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、遅延時間、又は距離を精度よく計測することができる計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために第１の発明に係る計測装置は、計測対象物に対して光を発光する発光手段と、前記発光手段から発光された光の前記計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する受光手段と、時間的に発光強度を変化させた光を発光するように前記発光手段を制御する発光制御手段と、電荷蓄積手段と、前記発光手段の発光タイミングから異なる複数の位相差を有する位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、前記受光手段から出力される受光信号を、前記電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる蓄積制御手段と、前記電荷蓄積手段に蓄積された前記複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって前記電荷蓄積量の全てが前記正常電荷量条件を満たすと判定された場合、前記複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、前記発光手段によって発光してから前記受光手段によって受光するまでの位相差、遅延時間、及び前記計測対象物までの距離の少なくとも一つを計測し、前記判定手段によって１つの位相タイミングにおける電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記１つの位相タイミング以外の位相タイミングの各々における電荷蓄積量に基づいて、前記１つの位相タイミングにおける電荷蓄積量を補正し、前記複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する計測手段とを含んで構成されている。
【００１０】
第１の発明に係る計測装置によれば、発光制御手段によって、時間的に発光強度を変化させた光を発光するように発光手段を制御し、受光手段によって、発光手段から発光された光の計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する。また、蓄積制御手段によって、発光手段の発光タイミングから異なる複数の位相差を有する位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、受光手段から出力される受光信号を、電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる。
【００１１】
そして、電荷蓄積手段に蓄積された複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定し、判定手段によって電荷蓄積量の全てが正常電荷量条件を満たすと判定された場合、計測手段によって、複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、発光手段によって発光してから受光手段によって受光するまでの位相差、遅延時間、及び計測対象物までの距離の少なくとも一つを計測する。また、判定手段によって１つの位相タイミングにおける電荷蓄積量が正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、計測手段によって、１つの位相タイミング以外の位相タイミングの各々における電荷蓄積量に基づいて、１つの位相タイミングにおける電荷蓄積量を補正し、複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つを計測する。
【００１２】
このように、１つの位相タイミングにおける電荷蓄積量が、正常電荷量条件を満たさない場合には、それ以外の位相タイミングの電荷蓄積量に基づいて補正して、位相差、遅延時間、又は距離を計測するため、正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、遅延時間、又は距離を精度よく計測することができる。
【００１３】
第１の発明に係る計測手段は、判定手段によって２つの位相タイミングの各々における電荷蓄積量が正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、２つの位相タイミング以外の位相タイミングの各々における電荷蓄積量に基づいて、位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つを計測することができる。これによって、更に正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、遅延時間、又は距離を精度よく計測することができる。
【００１４】
第２の発明に係る計測装置は、計測対象物に対して光を発光する発光手段と、前記発光手段から発光された光の前記計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する受光手段と、時間的に発光強度を変化させた光を発光するように前記発光手段を制御する発光制御手段と、電荷蓄積手段と、前記発光手段の発光タイミングから異なる複数の位相差を有する位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、前記受光手段から出力される受光信号を、前記電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる蓄積制御手段と、前記電荷蓄積手段に蓄積された前記複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって前記電荷蓄積量の全てが前記正常電荷量条件を満たすと判定された場合、前記複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、前記発光手段による発光から前記受光手段による受光までの位相差、遅延時間、及び前記計測対象物までの距離の少なくとも一つを計測し、前記判定手段によって２つの位相タイミングの各々における電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記２つの位相タイミング以外の位相タイミングの各々における電荷蓄積量に基づいて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する計測手段とを含んで構成されている。
【００１５】
第２の発明に係る計測装置によれば、発光制御手段によって、時間的に発光強度を変化させた光を発光するように発光手段を制御し、受光手段によって、発光手段から発光された光の計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する。また、蓄積制御手段によって、発光手段の発光タイミングから異なる複数の位相差を有する位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、受光手段から出力される受光信号を、電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる。
【００１６】
そして、電荷蓄積手段に蓄積された複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定し、判定手段によって電荷蓄積量の全てが正常電荷量条件を満たすと判定された場合、計測手段によって、複数の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、発光手段によって発光してから受光手段によって受光するまでの位相差、遅延時間、及び計測対象物までの距離の少なくとも一つを計測する。また、判定手段によって２つの位相タイミングの各々における電荷蓄積量が正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、計測手段によって、２つの位相タイミング以外の位相タイミングの各々における電荷蓄積量に基づいて、位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つを計測する。
【００１７】
このように、２つの位相タイミングにおける電荷蓄積量が、正常電荷量条件を満たさない場合には、それ以外の位相タイミングの電荷蓄積量に基づいて、位相差、遅延時間、又は距離を計測するため、正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、遅延時間、又は距離を精度よく計測することができる。
【００１８】
第３の発明に係る計測装置は、計測対象物に対して光を発光する発光手段と、前記発光手段から発光された光の前記計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する受光手段と、時間的に発光強度を変化させた光を発光するように前記発光手段を制御する発光制御手段と、電荷蓄積手段と、前記発光手段の発光タイミングからπ／２ｎ（ｎは自然数である）だけ異なる４ｎ個の位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、前記受光手段から出力される受光信号を、前記電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる蓄積制御手段と、前記電荷蓄積手段に蓄積された前記４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定する判定手段と、前記電荷蓄積手段に蓄積された前記４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量のうち、π／２だけ異なる４個の位相タイミングの各々における電荷蓄積量からなるｎ個の電荷蓄積量グループの各々について、前記判定手段によって前記電荷蓄積量の全てが前記正常電荷量条件を満たすと判定された場合、前記電荷蓄積量グループの電荷蓄積量に基づいて、前記発光手段によって発光してから前記受光手段によって受光するまでの位相差、遅延時間、及び前記計測対象物までの距離の少なくとも一つを計測し、前記判定手段によって１個の位相タイミングにおける電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記電荷蓄積量グループの前記１個の位相タイミング以外の３個の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、前記１個の位相タイミングにおける電荷蓄積量を補正し、前記３個の位相タイミングにおける電荷蓄積量及び前記補正された電荷蓄積量に基づいて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する計測手段とを含んで構成されている。
【００１９】
第３の発明に係る計測装置によれば、発光制御手段によって、時間的に発光強度を変化させた光を発光するように発光手段を制御し、受光手段によって、発光手段から発光された光の計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する。また、蓄積制御手段によって、発光手段の発光タイミングからπ／２ｎ（ｎは自然数である。以下同様。）だけ異なる４ｎ個の位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、受光手段から出力される受光信号を、前記電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる。
【００２０】
そして、判定手段によって、電荷蓄積手段に蓄積された４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定し、電荷蓄積手段に蓄積された４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量のうち、π／２だけ異なる４個の位相タイミングの各々における電荷蓄積量からなるｎ個の電荷蓄積量グループの各々について、判定手段によって電荷蓄積量の全てが正常電荷量条件を満たすと判定された場合、計測手段によって、電荷蓄積量グループの電荷蓄積量に基づいて、発光手段によって発光してから受光手段によって受光するまでの位相差、遅延時間、及び計測対象物までの距離の少なくとも一つを計測する。また、判定手段によって１個の位相タイミングにおける電荷蓄積量が正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、計測手段によって、電荷蓄積量グループの１個の位相タイミング以外の３個の位相タイミングにおける電荷蓄積量に基づいて、１個の位相タイミングにおける電荷蓄積量を補正し、３個の位相タイミングにおける電荷蓄積量及び補正された電荷蓄積量に基づいて、位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つを計測する。
【００２１】
このように、１個の位相タイミングにおける電荷蓄積量が、正常電荷量条件を満たさない場合には、それ以外の３個の位相タイミングの電荷蓄積量に基づいて補正して、位相差、遅延時間、又は距離を計測するため、正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、遅延時間、又は距離を精度よく計測することができる。
【００２２】
第３の発明に係る計測手段は、判定手段によって２個の位相タイミングの各々における電荷蓄積量が正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、電荷蓄積量グループの２個の位相タイミング以外の２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の合計及び該２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の何れか一方の比に基づいて、位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つを計測することができる。このように、更に正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、遅延時間、又は距離を精度よく計測することができる。
【００２３】
第３の発明に係る受光手段は複数であって、電荷蓄積手段は、複数の受光手段の各々に対応して複数設けられ、蓄積制御手段は、複数の受光手段の各々について、受光手段から出力される受光信号を、対応する電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させ、判定手段は、複数の受光手段の各々について、正常電荷量条件を満たすか否かを判定し、計測手段は、複数の受光手段の各々について、位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つを計測し、判定手段によって２個の位相タイミングの各々における電荷蓄積量が正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、電荷蓄積量グループの２個の位相タイミング以外の２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の総和及び該２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の何れか一方の比と、他の受光手段について計測された位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つとに基づいて、位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つを計測することができる。このように、更に正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、遅延時間、又は距離を精度よく計測することができる。
【００２４】
第４の発明に係る計測装置は、計測対象物に対して光を発光する発光手段と、前記発光手段から発光された光の前記計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する複数の受光手段と、時間的に発光強度を変化させた光を発光するように前記発光手段を制御する発光制御手段と、前記複数の受光手段の各々に対応して設けられた複数の電荷蓄積手段と、前記複数の受光手段の各々について、前記受光手段から出力される受光信号を、前記発光手段の発光タイミングからπ／２ｎ（ｎは自然数である）だけ異なる４ｎ個の位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、対応する電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる蓄積制御手段と、前記複数の受光手段の各々について、対応する電荷蓄積手段に蓄積された前記４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定する判定手段と、前記複数の受光手段の各々について、対応する電荷蓄積手段に蓄積された前記４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量のうち、π／２だけ異なる４個の位相タイミングにおける電荷蓄積量からなるｎ個の電荷蓄積量グループの各々について、前記判定手段によって前記電荷蓄積量の全てが前記正常電荷量条件を満たすと判定された場合、前記電荷蓄積量グループの電荷蓄積量に基づいて、前記発光手段による発光から前記受光手段による受光までの位相差、遅延時間、及び前記計測対象物までの距離の少なくとも一つを計測し、前記判定手段によって２個の位相タイミングの各々における電荷蓄積量が前記正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、前記電荷蓄積量グループの前記２個の位相タイミング以外の２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の総和及び該２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の何れか一方の比と、他の受光手段について計測された位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つとに基づいて、前記位相差、前記遅延時間、及び前記距離の少なくとも一つを計測する計測手段とを含んで構成されている。
【００２５】
第４の発明に係る計測装置によれば、発光制御手段によって、時間的に発光強度を変化させた光を発光するように発光手段を制御し、受光手段によって、発光手段から発光された光の計測対象物からの反射光を受光し、受光量に応じた受光信号を出力する。また、蓄積制御手段によって、発光手段の発光タイミングからπ／２ｎだけ異なる４ｎ個の位相タイミングの各々で、所定の蓄積期間に、受光手段から出力される受光信号を、前記電荷蓄積手段へ電荷として蓄積させる。
【００２６】
そして、判定手段によって、電荷蓄積手段に蓄積された４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々が、予め定められた正常電荷量条件を満たすか否かを判定し、電荷蓄積手段に蓄積された４ｎ個の位相タイミングにおける電荷蓄積量のうち、π／２だけ異なる４個の位相タイミングの各々における電荷蓄積量からなるｎ個の電荷蓄積量グループの各々について、判定手段によって電荷蓄積量の全てが正常電荷量条件を満たすと判定された場合、計測手段によって、電荷蓄積量グループの電荷蓄積量に基づいて、発光手段によって発光してから受光手段によって受光するまでの位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つを計測する。また、判定手段によって２個の位相タイミングの各々における電荷蓄積量が正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、計測手段によって、電荷蓄積量グループの２個の位相タイミング以外の２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の総和及び該２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の何れか一方の比と、他の受光手段について計測された位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つとに基づいて、位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つを計測する。
【００２７】
このように、２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量が、正常電荷量条件を満たさない場合には、それ以外の２個の位相タイミングの電荷蓄積量に基づいて、位相差、遅延時間、又は距離を計測するため、正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、遅延時間、又は距離を精度よく計測することができる。
【００２８】
また、第３の発明及び第４の発明に係る計測装置は、発光手段が発光を停止している状態で受光手段から出力される受光信号を、電荷蓄積手段へ蓄積させるノイズ蓄積制御手段を更に含み、計測手段は、判定手段によって２個の位相タイミングの各々の電荷蓄積量が正常電荷量条件を満たさないと判定された場合、電荷蓄積量グループの２個の位相タイミング以外の２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量の各々からノイズ蓄積制御手段によって蓄積された電荷蓄積量を減算して補正し、補正された２個の電荷蓄積量を用いて、位相差、遅延時間、及び距離の少なくとも一つを計測することができる。これにより、２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量が、正常電荷量条件を満たさない場合には、それ以外の２個の位相タイミングの電荷蓄積量からノイズの影響を除去して、位相差、遅延時間、又は距離を精度よく計測することができる。
【００２９】
また、上記の所定の正常電荷量条件を、電荷蓄積量が所定範囲内であることとすることができる。また、所定範囲を、電荷蓄積手段のアンダーフローに相当する電荷蓄積量より大きく、オーバーフローに相当する電荷蓄積量より小さい範囲とすることができる。これにより、アンダーフローやオーバーフローに相当する電荷蓄積量を破棄して、位相差又は遅延時間を精度よく計測することができる。
【００３０】
また、上記の所定の正常電荷量条件を、電荷蓄積量グループの電荷蓄積量の相対関係が、所定関係となることとすることができる。
【発明の効果】
【００３１】
以上説明したように、本発明の計測装置によれば、１個や２個の位相タイミングにおける電荷蓄積量が、正常電荷量条件を満たさない場合には、それ以外の位相タイミングの電荷蓄積量に基づいて補正して位相差、遅延時間、又は距離を計測し、または、それ以外の位相タイミングの電荷蓄積量に基づいて位相差、遅延時間、又は距離を計測するため、正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、遅延時間、又は距離を精度よく計測することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本実施の形態では、照射範囲内に存在する物体までの距離を計測する距離計測装置に本発明を適用する場合を例に説明する。
【００３３】
図１に示すように、第１の実施の形態に係る距離計測装置１０は、距離画像センサとして機能する装置であり、ＬＥＤ等の発光素子と発光素子の発光を制御する制御回路とを含んで構成され、かつ、検出物体１８に対して発光する発光手段としての発光器１２、撮像素子で構成され、かつ、発光器１２から発光された光の検出物体１８からの反射光を受光する受光器１４、及び距離計測装置１０の全体を制御するために各種処理を実行する制御部１６を備えている。発光器１２は受光器１４を介して制御部１６に接続されており、発光器１２の制御回路は、受光器１４を介して制御部１６から入力される制御信号によって発光素子の発光が指示されると、時間的に発光強度を変化させて発光させる。例えば、図２(Ａ)に示すように、発光素子を一定時間だけ発光させることを一定周期で繰り返す方形波の発光パターンとなっており、発光素子を断続的に発光させている。
【００３４】
また、発光器１２から発光された光は、ある距離に存在する検出物体１８で反射し、受光器１４に反射光として戻ってくる。受光器１４で受光される反射光には、図２（Ｂ）に示すように、検出物体１８までの距離に応じて、発光された光に対して遅延時間及び位相差が発生する。
【００３５】
発光器１２の発光素子が発光されることで発光器１２から射出された光（照射光）は、照射光の照射範囲内に存在する検出物体１８で反射されて、受光器１４に入射される。受光器１４は、図３に示すように、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサから成り、受光した光を光電変換し受光量に応じたレベルの受光信号を出力するフォトダイオード２０を内蔵した複数個の受光セルが、２次元に配列されて成る撮像素子を備えており、この撮像素子は、受光セルの配列方向が受光器１４への光の入射方向に対して交差するように配置されている。撮像素子の個々の受光セルには、信号処理回路２４が各々接続されている。また、フォトダイオード２０の一端は給電端に接続されている。なお、この信号処理回路２４は、撮像素子と別に設けられていてもよいし、撮像素子として機能する半導体チップ上に撮像素子と一体に形成されていてもよい。
【００３６】
また、受光器１４の信号処理回路２４は、蓄積部２６を備えている。蓄積部２６は一端が給電端に接続されており、他端がスイッチ２８を介して、フォトダイオード２０の他端に接続されている。スイッチ２８は給電端にも接続されており、入力される変調信号に応じて、フォトダイオード２０の他端を給電端に接続する第１の状態、又は、フォトダイオード２０の他端を蓄積部２６に接続する第２の状態に切り替わる。なお、スイッチ２８は例えばトランジスタ等の半導体スイッチング素子を組み合わせることで実現できる。フォトダイオード２０が受光量に応じたレベルの受光信号を出力し、スイッチ２８が第２の状態になっている場合、蓄積部２６には、信号線を介して入力される受光信号のレベルに応じた量の電荷が蓄積される。例えば、入力された受光信号のレベルをスイッチ２８が第２の状態になっている時間（電荷蓄積時間）で積分した値に相当する量の電荷が蓄積される。
【００３７】
また、蓄積部２６の他端は、スイッチ４０及び増幅器４２を介して、Ａ／Ｄ（アナログデジタル）変換器４４に接続されている。なお、スイッチ４０も例えばトランジスタ等の半導体スイッチング素子で構成することができる。スイッチ４０は入力される読出信号に応じてオンオフし、スイッチ４０がオンされると、蓄積部２６に蓄積されていた電荷がスイッチ４０を介して増幅器４２へ転送されて入力され、増幅器４２で増幅された後にＡ／Ｄ変換器４４で蓄積部２６の電荷蓄積量を表すデジタルデータ（電荷蓄積量データ）へ変換されて出力される。また、蓄積部２６とスイッチ４０とを接続する信号線は途中で２本に分岐されており、分岐された信号線はスイッチ４６を介して給電端に接続されている。なお、スイッチ４６も例えばトランジスタ等の半導体スイッチング素子で構成することができる。スイッチ４６は入力されるリセット信号に応じてオンオフし、スイッチ４６がオンされると、蓄積部２６に蓄積されていた電荷が排出され、蓄積部２６が初期状態（電荷蓄積量がゼロの状態）にリセットされる。
【００３８】
また受光器１４は、制御部１６から入力される制御信号に従い、信号処理回路２４の各部に各種信号（上述した変調信号、選択信号、読出信号及びリセット信号）を入力することで各部の動作を制御する制御回路も設けられている。一方、制御部１６はＣＰＵやメモリ、ＨＤＤやフラッシュメモリ等の不揮発性記憶手段を備えたマイクロコンピュータ、或いは、ＤＳＰ(Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ)で構成され、発光器１２及び受光器１４の動作を制御すると共に、受光器１４から出力された電荷蓄積量データに基づいて、後述する検出物体１８までの距離を計測する計測処理ルーチンを実行する。
【００３９】
次に、第１の実施の形態に係る距離計測装置１０の作用について説明する。制御部１６において、図４に示す計測処理ルーチンが実行される。なお、計測処理ルーチンは、繰り返し実行され、また、各受光セルについて、同様に実行される。
【００４０】
まず、ステップ１００において、変数ｉに初期値０を設定する。ステップ１０２では受光器１４を介して発光器１２へ所定の制御信号を出力することで、発光器１２の発光素子の発光を開始させる。これにより、発光器１２の発光素子は、図５(Ａ)及び図６（Ａ）に示すように一定時間の発光が一定周期で繰り返される方形波の発光パターンで発光し、発光器１２から射出された光は検出物体１８に照射され、検出物体１８で反射された後に反射光として受光器１４で受光される。また、受光器１４の撮像素子の個々の受光セル（のフォトダイオード２０）は反射光を受光する毎に受光信号を出力するが、この受光信号の出力タイミングは、図６(Ｂ)に示すように、発光器１２における発光タイミングに対し、光を反射した検出物体１８との距離に応じて遅延することになる。なお、図５(Ａ)及び図６（Ａ）の例では発光素子の発光時間を発光素子の発光周期の１／２としているが、これに限られるものではない。
【００４１】
次のステップ１０４では、変調位相を位相ｉに設定し、設定した変調位相を受光器１４へ通知する。本実施形態における位相０の変調では、図５(Ｂ)に電荷蓄積期間として示すように、発光器１２における発光素子の発光期間に対して位相差０の期間（発光素子の発光開始タイミングに対して位相差０〜πの電荷蓄積期間）にのみ、フォトダイオード２０から出力される受光信号を蓄積部２６に電荷として蓄積するように、信号処理回路２４によって、変調（変調０）が行われる。このとき、受光器１４の制御回路は、信号処理回路２４のスイッチ２８を上記蓄積期間にのみ第２の状態（フォトダイオード２０の他端を蓄積部２６に接続する状態）に切り替える変調信号を個々のスイッチ２８に入力する。
【００４２】
またステップ１０６では、受光器１４に対して信号処理回路２４の蓄積部２６のリセットを指示する。これにより、受光器１４の制御回路は、信号処理回路２４にリセット信号を入力してスイッチ４６を一定時間オンさせることで、信号処理回路２４の蓄積部２６に蓄積されていた電荷を全て排出（廃棄）させる。次のステップ１０８では蓄積部２６への電荷蓄積回数が位相ｉに対して予め設定された電荷蓄積回数Ｎi回以上になったか否か判定し、判定が肯定される迄ステップ１０８を繰り返す。
【００４３】
この間、受光セルに対応するフォトダイオード２０は、反射光を受光する毎に受光量に応じたレベルの受光信号を出力するが（図６(Ｂ)も参照）、信号処理回路２４では、図５(Ｂ)に示す電荷蓄積期間にのみスイッチ２８が第２の状態に切り替わるので、図６(Ｃ)にハッチングで示す期間にのみ、蓄積部２６に信号が入力されて電荷が蓄積される。また、蓄積部２６への電荷の蓄積はＮi回行われるため、受光器１４における反射光の受光強度に比して電荷蓄積期間が短い等の場合にも、Ｎiを比較的に大きな値に設定しておくことで、蓄積部２６の電荷蓄積量がＮi倍され、反射光量の受光強度に対する実質的な感度を増大させることができる。
【００４４】
蓄積部２６へのＮi回の電荷の蓄積が完了すると、ステップ１０８の判定が肯定されてステップ１１０へ移行し、受光器１４に対して信号処理回路２４の蓄積部２６からの電荷蓄積量の読み出しを指示する。これにより、受光器１４の制御回路は、信号処理回路２４に読出信号を入力しスイッチ４０を一定時間オンさせることで、信号処理回路２４の蓄積部２６に蓄積されていた電荷を増幅器４２へ転送させる（電荷蓄積量の読み出し）。増幅器４２へ転送された蓄積電荷は、増幅器４２で増幅されＡ／Ｄ変換器４４でデジタルの電荷蓄積量データへ変換されて制御部１６へ出力される。次のステップ１１２では、受光器１４の信号処理回路２４から入力された電荷蓄積量データを、位相ｉの電荷蓄積量データＡｉとしてメモリ又は不揮発性記憶部に記憶させる。
【００４５】
ステップ１１４では変数ｉが３であるか否か判定する。判定が否定された場合はステップ１１６で変数ｉを１だけインクリメントした後にステップ１０４に戻り、ステップ１１４の判定が肯定される迄ステップ１０４〜ステップ１１２を繰り返す。本実施形態では、変調位相として位相０〜位相３の４種類の位相が設定されており、上記のようにステップ１０４〜ステップ１１６が繰り返されることで、個々の信号処理回路２４において、フォトダイオード２０から出力される受光信号が、位相１〜位相３に対応する互いに異なる電荷蓄積期間に、電荷として蓄積部２６に蓄積される。
【００４６】
より詳しくは、個々の信号処理回路２４において、位相１の変調では、図５(Ｃ)に電荷蓄積期間として示すように、発光器１２における発光素子の発光タイミングに対して位相差π／２となる位相タイミングからの電荷蓄積期間（発光素子の発光開始タイミングに対して位相差π／２〜３π／２の期間）にのみ、受光信号を蓄積部２６に電荷として蓄積する変調（変調１）が行われ、位相２の変調では、図５(Ｄ)に電荷蓄積期間として示すように、発光器１２における発光素子の発光タイミングに対して位相差πとなる位相タイミングからの電荷蓄積期間（発光素子の発光開始タイミングに対して位相差π〜２πの期間）にのみ、受光信号を蓄積部２６に電荷として蓄積する変調（変調２）が行われる。また、位相３の変調では、図５(Ｅ)に電荷蓄積期間として示すように、発光器１２における発光素子の発光タイミングに対して位相差３／２πとなる位相タイミングの電荷蓄積期間（発光素子の発光開始タイミングに対して位相差３／２π〜５／２πの期間）にのみ、受光信号を蓄積部２６に電荷として蓄積する変調（変調３）が行われる。そして、上述した位相０〜位相３の変調（電荷の蓄積）を順次行い、各位相タイミングに対応する電荷蓄積量データが各位相の電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３としてメモリ又は不揮発性記憶部に記憶されると、ステップ１１４の判定が肯定される。
【００４７】
上記のように、受光セル（フォトダイオード２０）によって、図６(Ｂ)に示す遅延したタイミングで反射光を受光し、位相タイミングをずらして電荷を蓄積すると、図６（Ｃ）〜図６（Ｆ）に示すように、位相０〜位相３の変調の各々で、電荷蓄積期間（図６の破線部分参照）と、受光信号が出力される期間とが重なる期間だけ蓄積部２６に電荷が蓄積される。
【００４８】
また、発光器１２の発光素子の発光タイミングに対する反射光の受光タイミングの遅延時間（位相差）は、光を反射した検出物体１８との距離に応じて変化し、また、この位相差の変化に応じて、図７に示すように、各位相の変調における電荷蓄積量も変化する。なお、位相０〜位相３の各位相の変調における電荷蓄積量データをＡ0〜Ａ３とする。
【００４９】
そして、ステップ１１８で、各位相タイミングの電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３をメモリから読み出して取得し、ステップ１２０で、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３の各々が、適切な値であるかを判定し、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３の各々が正常電荷量条件としての予め定められた正常電荷量範囲内であると、全ての受光信号が適切であると判断し、ステップ１２２へ移行するが、一方、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３の少なくとも一つが、正常電荷量範囲外であると、受光信号の少なくとも1つが、オーバーフロー、アンダーフロー、又はそれらに準ずる信頼できないものであると判断し、ステップ１２４へ移行する。なお、正常電荷量範囲は、受光信号が最小値で黒つぶれしている場合（アンダーフロー）、又はその状況に極めて近い場合に相当する値より大きく、受光信号が最大値で飽和している場合(オーバーフロー)、又はその状況に極めて近い場合に相当する値より小さい範囲であり、実験的又は統計的に、アンダーフロー時の電荷蓄積量データ及びアンダーフロー時の電荷蓄積量データを予め求めておき、求められた電荷蓄積量データに基づいて、正常電荷量範囲を設定しておけばよい。
【００５０】
ステップ１２２では、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３を用いて、検出物体１８までの距離を算出し、計測処理ルーチンを終了する。ここで、上記ステップ１２２における算出方法について以下に説明する。
【００５１】
まず、発光器１２の発光素子の発光タイミングに対する反射光の受光タイミングの位相差φは、以下の（１）式で求められる。
φ＝２π・δ／８γ  ・・・（１）
ただし、
【００５２】
【数１】
2008164496.tif 000003
【００５３】
【数２】
2008164496.tif 000004
【００５４】
また、光を反射した検出物体１８との距離ｄは、発光器１２の発光素子の発光周波数をｆ、光速をｃとすると、次の(４)式で求めることができる。
ｄ＝(ｃ／２ｆ)・(φ／２π) …(４)
【００５５】
但し、上記の(４)式は、発光器１２の発光素子の発光タイミングに対する反射光の受光タイミングの実際の位相差が０〜２πの間に収まっている（発光器１２の発光素子の発光タイミングに対する反射光の受光タイミングの遅延時間が発光素子の発光周期以内に収まっている）ことが前提であり、物体との距離ｄが(ｃ／２ｆ)を越えることで上記前提が崩れると、距離ｄを正しく求めることができない。これを回避するためには、検出対象となる検出物体１８との最大距離に基づいて、上記の前提が崩れないように発光器１２の発光素子の発光周波数ｆを設定すればよい。なお、上記演算を個々の受光セル（蓄積部２６）毎に行うことで、個々の受光セルに入射された反射光を反射した物体との距離ｄを各々求めることができる。
【００５６】
また、上記では、位相差φを用いて検出物体１８との距離を求める場合を例に説明したが、位相差φを求めなくとも、以下の（５）式により、検出物体１８との距離ｄを求めることができる。この場合には、(１)式の演算が不要となるため、演算処理の高速化が可能となる。
ｄ＝(ｃ／２ｆ)・(δ／８γ) …(５)
【００５７】
以上のように、発光器１２の発光素子が、図５(Ａ)に示すように方形波状の発光パターンで発光する場合には、上記の（１）式〜（４）式、又は（２）式、（３）式、及び（５）式に基づいて、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３から、検出物体１８までの距離を算出することができる。
【００５８】
また、ステップ１２４では、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうち３つが適切な値であるか否かを判定し、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３の何れか１つのみが正常電荷量範囲外である場合には、ステップ１２６において、正常電荷量範囲内である電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうちの３つに基づいて、正常電荷量範囲外である電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３の何れかを補正する。なお、以下では、電荷蓄積量データＡ３が正常電荷量範囲外である場合を例に説明する。
【００５９】
通常は４つの電荷蓄積量データから、上述した（１）式〜（４）式によって距離を算出するが、各電荷蓄積量データのうち１つがオーバーフローやアンダーフロー、又はそれらに準ずる信頼できない値となった場合、距離を正確に算出することができない。つまり、適切な値として３つの電荷蓄積量データしか取得できないため、（１）式〜（４）式を用いることができず、距離を算出することができない。そこで、３つの電荷蓄積量データから、以下に示すように、近似的に距離を算出する。
【００６０】
まず、図７に示すように、位相差（あるいは、距離、遅延量)に応じて電荷蓄積量データの相対値は理論的に既知の情報となるため、理論電荷蓄積量から、次の（６）式が成立する。
Ａ０＋Ａ２＝Ａ１＋Ａ３・・・（６）
【００６１】
つまり、電荷蓄積量データＡ３が欠落しても、図８に示すように、次の（７）式から、理論的に電荷蓄積量データＡ３の補正データＡ３‘を求めることができる。
Ａ０＋Ａ２−Ａ１＝Ａ３‘・・・（７）
【００６２】
そして、ステップ１２８では、上記の（１）式〜（４）式、又は（２）式、（３）式、及び（５）式に基づいて、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ２、及び電荷蓄積量データＡ３の補正データＡ３‘から、検出物体１８までの距離を算出し、計測処理ルーチンを終了する。
【００６３】
なお、上述した（１）式〜（７）式では、受光信号が発光器１２の光のみを考慮しているが、受光器１４で受光する光に、太陽光などによる外乱成分Ｎが含まれていても、次の（８）式が成立するため、（９）式を用いて距離を計算することができる。
（Ａ０＋Ｎ）＋（Ａ２＋Ｎ）＝（Ａ１＋Ｎ）＋（Ａ３＋Ｎ）・・・（８）
【００６４】
【数３】
2008164496.tif 000005
【００６５】
また、上記ステップ１２４で電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうち２つ以上が正常電荷量範囲外である場合には、ステップ１３０において、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうち２つが適切な値であるか否かを判定し、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうち３つ以上が正常電荷量範囲外である場合には、検出物体１８までの距離を計測できないと判定し、計測処理ルーチンを終了するが、一方、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうち２つのみが正常電荷量範囲外である場合には、ステップ１３２において、発光器１２の発光を停止した状態で、電荷蓄積量データＡＮを取得する。上記ステップ１３２における非発光時の電荷蓄積量データＡＮの取得は、以下のように行なわれる。
【００６６】
まず、変調位相を任意の位相（例えば、位相０）に設定し、設定した変調位相を受光器１４へ通知することで、受光器１４の制御回路により、通知した変調位相に対応する電荷蓄積期間にのみ個々の信号処理回路２４のスイッチ２８を第２の状態に切り替えさせる。また、受光器１４に対して個々の信号処理回路２４の蓄積部２６のリセットを指示し、受光器１４の制御回路により、個々の信号処理回路２４の蓄積部２６に蓄積されていた電荷を全て排出（廃棄）させる。そして、蓄積部２６への電荷蓄積回数が非発光時の電荷蓄積回数Ｎx回以上になるまで、蓄積部２６への電荷蓄積を繰り返す。
【００６７】
この間、発光器１２は発光していないので、個々の受光セルに対応するフォトダイオード２０は環境光のみを受光し、環境光の受光量に応じたレベルの受光信号を出力する。そして個々の信号処理回路２４では、制御部１６から通知された変調位相に対応する電荷蓄積期間にのみスイッチ２８が第２の状態に切り替わることで、所定の電荷蓄積期間に蓄積部２６に信号が入力され、環境光に相当する電荷のみが蓄積される。なお、非発光時の電荷蓄積回数Ｎxは、上記ステップ１０８の電荷蓄積回数と同一であることが好ましい。
【００６８】
蓄積部２６へのＮx回の電荷の蓄積が完了すると、個々の信号処理回路２４の蓄積部２６から電荷蓄積量を読み出させ、受光器１４の個々の信号処理回路２４から各々入力された電荷蓄積量データを、非発光時の電荷蓄積量データＡＮとしてメモリ又は不揮発性記憶部に記憶させる。
【００６９】
そして、次のステップ１３４において、上記ステップ１３２で得られた非発光時の電荷蓄積量データＡＮを用いて、正常電荷量範囲内である電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうちの２つから外乱成分（環境光成分）を除去する補正を各々行う。
【００７０】
次のステップ１３６では、上記ステップ１３４で、正常電荷量範囲内である電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうちの２つの各々から外乱成分を除去した値に基づいて、検出物体１８までの２つの距離候補を算出する。なお、以下では、電荷蓄積量データＡ１、Ａ３が正常電荷量範囲外である場合を例に説明する。
【００７１】
ここで、外乱成分を考慮せずに、２つの電荷蓄積量データＡ０、Ａ２に基づいて、検出物体１８までの距離を算出する場合について説明する。次の（１０）式によって、２つの電荷蓄積量データＡ０、Ａ２から、検出物体１８までの距離ｄ‘を算出することができる。
【００７２】
【数４】
2008164496.tif 000006
【００７３】
上記の（１０）式により距離ｄ‘を計算すると、図９に示すように距離ｄ‘1が求まるが、距離ｄ1’と距離ｄ2‘とにおける電荷蓄積量データＡ０と電荷蓄積量データＡ２との値は同じであり、実際には上記の（１０）式から得られた距離ｄ’は，距離ｄ１‘と距離ｄ２‘のどちらなのか分からない。２つの電荷蓄積量データから距離を算出する場合には、２つの距離候補を算出することができるが、どちらの距離候補が正しいかを求めることができない。
【００７４】
そこで、距離ｄ１‘と距離ｄ２‘とをそれぞれ以下に示す（１１）式、（１２）式によって求める。
【００７５】
【数５】
2008164496.tif 000007
【００７６】
【数６】
2008164496.tif 000008
【００７７】
次に、上記ステップ１３６で行われる外乱成分を考慮した場合における算出方法について説明する。２つの電荷蓄積量データＡ０、Ａ２に基づいて、距離を算出する場合には、３つの電荷蓄積量データＡ０〜Ａ２に基づいて算出する場合と異なり、外乱成分があった場合は、次の（１３）式のように、計算過程で外乱成分Ｎが削除されないため、計算結果に影響を与えてしまう。
【００７８】
【数７】
2008164496.tif 000009
【００７９】
そこで、上記ステップ１３４で、電荷蓄積量データＡ０、Ａ２から外乱成分を削除した値を用いて、以下の（１４）式及び（１５）式により、検出物体１８までの距離候補ｄ１‘、ｄ２‘を計算する。
【００８０】
【数８】
2008164496.tif 000010
【００８１】
【数９】
2008164496.tif 000011
【００８２】
そして、ステップ１３８において、上記ステップ１３６で算出された２つの距離候補ｄ１‘、ｄ２‘について、撮像素子の周囲の受光セルにおいて正しく算出された距離と上記ステップ１３６で算出された距離候補とを比較して、正しく算出された周囲の他の受光セルにおける距離と近い距離候補ｄ１‘、ｄ２‘の何れかを、正しい距離ｄ‘として選択し、計測処理ルーチンを終了する。
【００８３】
上記のように計測処理ルーチンを実行することにより、発光タイミングに対して位相差０〜３π／２を有する位相タイミングで取得された電荷蓄積量データのうち、環境光の影響で蓄積電荷の飽和が生じた電荷蓄積量データがあったとしても、飽和が生じていない位相タイミングの電荷蓄積量データを用いて、制御部１６は、発光タイミングから受光タイミングまでの位相差φ、又は検出物体１８との距離ｄを算出することができる。
【００８４】
また、この距離の算出は、撮像素子の個々の受光セルについて各々行い、演算結果を外部へ出力し、この物体との距離ｄの演算結果を参照することで、受光器１４の撮像素子による撮像範囲内に存在する各物体との距離を認識することができる。
【００８５】
また、各受光セルにおける位相０〜位相３の電荷蓄積量データからなる画像データを生成し、そして、各画像データが表す各画素の電荷蓄積量を、対応する明度（濃度）に置き換えた各位相（に対応する検出対象の距離レンジ）毎の距離画像データを生成し、生成した距離画像データを外部へ出力して、検出物体１８を検出することができる。また、この距離画像データが表す画像をディスプレイ等に表示させることで、受光器１４の撮像素子による撮像範囲内に、各距離レンジ毎にどのような物体が存在しているのかを視覚的に認識させることができる。
【００８６】
以上説明したように、第１の実施の形態に係る計測装置によれば、発光タイミングからの位相差が異なる４位相のタイミングで取得された電荷蓄積量データの何れか１つが、正常電荷量範囲内にない場合には、それ以外の３位相の位相タイミングで取得された電荷蓄積量データに基づいて、正常電荷量範囲外の電荷蓄積量データを補正して、発光タイミングからの位相差又は検出物体までの距離を計測するため、正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、又は距離を精度よく計測することができる。
【００８７】
また、発光タイミングからの位相差が異なる４位相のタイミングで取得された電荷蓄積量データの何れか１つが、正常電荷量範囲内にない場合であっても、それ以外の２位相のタイミングで取得された電荷蓄積量データに基づいて、位相差又は距離を計測するため、更に正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、又は距離を精度よく計測することができる。
【００８８】
また、受光した光が外乱成分を含む場合であっても、電荷蓄積量データから外乱成分を除去して補正することにより、位相差又は距離を精度よく計測することができる。
【００８９】
また、アンダーフローやオーバーフローに相当する電荷蓄積量データを破棄して、それ以外の電荷蓄積量データから、位相差や距離を算出するため、位相差又は距離を精度よく計測することができる。
【００９０】
また、４位相のタイミングで取得された電荷蓄積量データのうち、全ての電荷蓄積量データが正常な値でなくとも距離を計測することが可能であるため、未計測となる回数を低減することができる。
【００９１】
また、外乱成分の影響を受けたり、適正な露光制御が出来ずに、電荷蓄積量データが正しく取得できなくても、最低限２つの電荷蓄積量データが取得できれば補正処理によって、距離計測を行うことができる。また、後処理ベースであるため、特殊なデバイスを用意するなどの必要が無く、低コストで装置を構成することができる。また、素子ごとの特性を揃えたり、画素ごとに外乱成分の削除機能を持つ必要がないため、1つの素子が大型化することを防ぐことができ、高解像度の画像データを出力することができる。
【００９２】
なお、上記の実施の形態では、撮像素子に受光セルが２次元に複数個配列されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、単一の受光手段を備え、受光手段が受光した光を反射した物体との距離を計測する距離計測装置であってもよい。この場合には、上記ステップ１３８において、周囲の受光セルにおける距離と比較するのではなく、過去にその座標で正しく計測された距離と比較して、正しい距離を選択すればよい。
【００９３】
また、正常電荷量範囲内であるか否かに基づいて、電荷蓄積量データが適切な値であるか否かを判断する場合を例に説明したが、４つの電荷蓄積量データを比較し、相対関係に基づいて、適切な値であるか否かを判断してもよい。例えば、ある電荷蓄積量データが、相対的に不自然なほど値が大きかったり、小さかった場合には、適切な値でないと判断する。ここで、上記（６）式より、以下の（１６）式を導くことが出来るが、実際は誤差が含まれるため０になることは少ない。
（Ａ０＋Ａ２）−（Ａ１＋Ａ３）＝０・・・（１６）
【００９４】
そこで、次の（１７）式や（１８）式のように、閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２を設定し、明らかに大小関係の差が大きい場合は、何らかの原因によって、電荷蓄積量データが異常値となったと判断して、異常と思われる電荷蓄積量データを使用しないで、正しく取得された３つの電荷蓄積量データ又は２つの電荷蓄積量データから位相差や距離を算出する。
（Ａ０＋Ａ２）−（Ａ１＋Ａ３）＞Ｔｈ１・・・（１７）
（Ａ０＋Ａ２）−（Ａ１＋Ａ３）＜Ｔｈ２・・・（１８）
【００９５】
また、上記では電荷蓄積量データから、発光タイミングからの位相差や検出物体までの距離を算出する場合を例に説明したが、電荷蓄積量データから遅延時間を求めるようにしてもよい。この場合には、上記（１）式から算出された位相差φから、以下の（１９）式によって、遅延時間Ｄを求めればよい。
Ｄ＝φ／（２ｆ・２π）・・・（１９）
【００９６】
次に、第２の実施の形態に係る計測装置について説明する。なお、第２の実施の形態に係る計測装置は、第１の実施の形態に係る計測装置の構成と同様であるため、同一符号を付して、計測装置の構成に関する説明を省略する。
【００９７】
第２の実施の形態では、発光器の発光素子によって発光される発光パターンが正弦波である点が第１の実施の形態と異なっている。
【００９８】
第２の実施の形態に係る計測装置では、発光器１２の発光素子によって、時間的に発光強度を変化させた正弦波の発光パターンで発光する。
【００９９】
また、発光器１２の発光素子の発光タイミングに対する反射光の受光タイミングの位相差は、光を反射した検出物体１８との距離に応じて変化し、この受光タイミングの位相差の変化に応じて、図１０に示すように、各位相の変調における電荷蓄積量も変化する。これにより、制御部１６で実行される計測処理ルーチンでは、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３の各々が、予め定められた正常電荷量範囲であって、全ての受光信号が適切であると判断されると、次の（２０）式によって、位相差φが求められる。
【０１００】
【数１０】
2008164496.tif 000012
【０１０１】
また、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうち、何れか１つが正常電荷量範囲外である場合には、第１の実施の形態と同様に、正常電荷量範囲内の電荷蓄積量データに基づいて、正常電荷量範囲外の電荷蓄積量データを補正して、上記（２０）式を用いて、位相差φ‘を求めることができる。
【０１０２】
また、受光器１４で受光する光に太陽光などによる外乱成分Ｎが含まれていても、次の（２１）式及び（２２）式のように、位相差φが求めるための計算過程で外乱成分Ｎが削除されるため、外乱成分Ｎを考慮しなくても、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３に基づいて、または、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ２及び補正された電荷蓄積量データＡ３‘に基づいて、位相差φ、φ‘を算出することができる。
【０１０３】
【数１１】
2008164496.tif 000013
【０１０４】
【数１２】
2008164496.tif 000014
【０１０５】
また、光を反射した検出物体１８との距離ｄは、発光器１２の発光素子の発光周波数をｆ、光速をｃとすると、位相差φ、φ‘を用いて、次の(２３)式及び（２４）式で求めることができる。
ｄ＝(ｃ／２ｆ)・(φ／２π) ・・・（２３）
ｄ‘＝(ｃ／２ｆ)・(φ‘／２π)・・・（２４）
【０１０６】
また、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうち、何れか２つが正常電荷量範囲外である場合には、第１の実施の形態のステップ１３２〜１３８と同様に、正常電荷量範囲内の２つの電荷蓄積量データと、周囲の受光セルについて算出された距離とに基づいて、光を反射した検出物体１８との距離ｄ‘を求めることができる。
【０１０７】
このように、発光器から正弦波の発光パターンで発光した場合でも、発光タイミングからの位相差が異なる４位相のタイミングで取得された電荷蓄積量データの何れか１つ又は２つが、正常電荷量範囲内にない場合には、それ以外の３位相又は２位相の位相タイミングで取得された電荷蓄積量データに基づいて、発光タイミングからの位相差又は検出物体までの距離を計測することができるため、正常に受光できなかった場合でも、低コストな構成で、位相差、又は距離を精度よく計測することができる。
【０１０８】
次に、第３の実施の形態に係る計測装置について説明する。なお、第３の実施の形態に係る計測装置は、第１の実施の形態に係る計測装置の構成と同様であるため、同一符号を付して、計測装置の構成に関する説明を省略する。
【０１０９】
第３の実施の形態では、発光タイミングからの位相差が異なる８つの位相タイミングについて、電荷蓄積量データを取得し、８つの電荷蓄積量データに基づいて、発光タイミングから受光タイミングまでの位相差又は検出物体までの距離を計測している点が第１の実施の形態と異なっている。
【０１１０】
第３の実施の形態に係る計測装置において、制御部１６で実行される計測処理ルーチンでは、発光タイミングから位相差がπ／４ずつ異なる８位相のタイミングで、蓄積部２６に電荷を蓄積させ、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ７を取得する。
【０１１１】
図１１に示すように、発光タイミングから位相差がπ／２ずつ異なる位相差０、π／２、π、３π／２となる４位相のタイミングで取得される電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３と、発光タイミングから、位相差がπ／２ずつ異なる位相差π／４、３π／４（＝π／２＋π／４）、５π／４（＝π＋π／４）、７π／４（＝３π／２＋π／４）となる４位相のタイミングで取得される電荷蓄積量データＡ４〜Ａ７とは、発光器１２の発光素子の発光タイミングに対する反射光の受光タイミングの位相差に応じて変化している。なお、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３の位相タイミングと、電荷蓄積量データＡ４〜Ａ７の位相タイミングとは、全体的にπ／４だけずれている。
【０１１２】
そして、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３の各々が、予め定められた正常電荷量範囲であって、全ての受光信号が適切であると判断された場合には、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３（第１の電荷蓄積量グループ）に基づいて、次の（２５）式によって、位相差φ１が求められる。
φ１＝２π・δ１／８γ１  ・・・（２５）
【０１１３】
また、電荷蓄積量データＡ４〜Ａ７の各々が、予め定められた正常電荷量範囲であって、全ての受光信号が適切であると判断された場合には、電荷蓄積量データＡ４〜Ａ７（第２の電荷蓄積量グループ）に基づいて、次の（２６）式によって、位相差φ２が求められる。
φ２＝２π・δ２／８γ２−π／４  ・・・（２６）
ただし、
【０１１４】
【数１３】
2008164496.tif 000015
【０１１５】
【数１４】
2008164496.tif 000016
【０１１６】
【数１５】
2008164496.tif 000017
【０１１７】
【数１６】
2008164496.tif 000018
【０１１８】
また、第１の電荷蓄積量グループ及び第２の電荷蓄積量グループの各々から算出された光を反射した検出物体１８との距離ｄ１、ｄ２は、発光器１２の発光素子の発光周波数をｆ、光速をｃとすると、次の(３１)式、（３２）式で求めることができる。
ｄ１＝(ｃ／２ｆ)・(φ１／２π) …(３１)
ｄ２＝(ｃ／２ｆ)・(φ２／２π) …(３２)
【０１１９】
そして、以下の（３３）式によって、距離ｄ１、ｄ２の平均を算出して、光を反射した検出物体１８との距離ｄを算出する。
ｄ＝（ｄ１＋ｄ２）／２  ・・・（３３）
【０１２０】
また、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３（第１の電荷蓄積量グループ）について、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうち、１つが正常電荷量範囲外である場合には、第１の実施の形態で説明したステップ１２６、１２８と同様に検出物体１８までの距離ｄ１‘を算出し、また、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうち、２つが正常電荷量範囲外である場合には、第１の実施の形態で説明したステップ１３２〜１３８と同様に検出物体１８までの距離ｄ１‘を算出する。
【０１２１】
また、電荷蓄積量データＡ４〜Ａ７（第２の電荷蓄積量グループ）について、電荷蓄積量データＡ４〜Ａ７のうち、１つが正常電荷量範囲外である場合には、第１の実施の形態で説明したステップ１２６、１２８と同様に検出物体１８までの距離ｄ２‘を算出し、また、電荷蓄積量データＡ４〜Ａ７のうち、２つが正常電荷量範囲外である場合には、第１の実施の形態で説明したステップ１３２〜１３８と同様に検出物体１８までの距離ｄ２‘を算出する。
【０１２２】
そして、上記（３３）式を用いて、第１の電荷蓄積量グループ及び第２の電荷蓄積量グループの各々について算出された距離ｄ１‘、ｄ２‘から、検出物体１８との距離ｄを算出する。
【０１２３】
以上説明したように、第３の実施の形態に係る計測装置によれば、電荷蓄積量グループ内の電荷蓄積量データの何れか１つ又は２つが、正常電荷量範囲内にない場合には、それ以外の３個又は２個の位相タイミングの電荷蓄積量データに基づいて、位相差、又は距離を精度よく計測することができる。
【０１２４】
また、複数の電荷蓄積量グループの各々について算出された距離を平均して、検出物体までの距離を計測するため、高精度に検出物体までの距離を計測することができる。
【０１２５】
なお、上記の実施の形態では、８位相のタイミングで電荷蓄積量データを取得する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、４ｎ（ｎは自然数）位相のタイミングで電荷蓄積量データを取得してもよい。この場合には、π／２ｎだけ異なる４ｎ個の位相タイミングの各々で取得された電荷蓄積量データを、π／２だけ異なる４個の位相タイミングで取得された電荷蓄積量データからなるｎ個の電荷蓄積量グループに分けて、各電荷蓄積量グループについて、検出物体までの距離を算出し、これらの距離の平均を算出して、検出物体までの距離を計測すればよい。
【０１２６】
また、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３に基づいて算出された距離ｄ１と電荷蓄積量データＡ４〜Ａ７に基づいて算出された距離ｄ２とを平均して、距離ｄを算出する場合を例に説明したが、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３と電荷蓄積量データＡ４〜Ａ７との一方が、正常電荷量範囲外となる２つの電荷蓄積量データを有し、他方が、正常電荷量範囲外となる１つの電荷蓄積量データを有し、または、全て正常電荷量範囲内である場合には、平均をとらずに、他方の電荷蓄積量グループに基づいて算出された距離を、そのまま計測距離として出力してもよい。例えば、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３のうち、１つが正常電荷量範囲外であって、電荷蓄積量データＡ４〜Ａ７のうち、２つが正常電荷量範囲外である場合には、電荷蓄積量データＡ４〜Ａ７で計測される距離を破棄して、電荷蓄積量データＡ０〜Ａ３に基づいて算出された距離を出力すればよい。これにより、精度の良くない値を用いないため、計測される距離の精度の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】（Ａ）照射光の発光強度を示すタイミングチャート、及び（Ｂ）反射光の発光強度を示すタイミングチャートである。
【図３】受光器の受光セルに接続された信号処理部の回路図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る計測装置の制御部における計測処理ルーチンの内容を示すフローチャートである。
【図５】発光信号及び各変調信号を示すタイミングチャートである。
【図６】各位相での電荷の蓄積と蓄積部に蓄積される電荷量を示すタイミングチャートである。
【図７】発光タイミングに対する受光タイミングの位相差と各電荷蓄積量データとの関係を示すグラフである。
【図８】発光タイミングに対する受光タイミングの位相差と３位相のタイミングで取得された電荷蓄積量データとの関係を示すグラフである。
【図９】発光タイミングに対する受光タイミングの位相差と２位相のタイミングで取得された電荷蓄積量データとの関係を示すグラフである。
【図１０】発光パターンを正弦波とした場合における発光タイミングに対する受光タイミングの位相差と各電荷蓄積量データとの関係を示すグラフである。
【図１１】発光タイミングに対する受光タイミングの位相差と８位相のタイミングで取得された各電荷蓄積量データとの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１２８】
１０   距離計測装置
１２   発光器
１４   受光器
１６   制御部
１８   検出物体
２０   フォトダイオード
２４   信号処理回路
２６   蓄積部
Ａｉ   電荷蓄積量データ
【図１】
2008164496.tif 000019
【図２】
2008164496.tif 000020
【図３】
2008164496.tif 000021
【図４】
2008164496.tif 000022
【図５】
2008164496.tif 000023
【図６】
2008164496.tif 000024
【図７】
2008164496.tif 000025
【図８】
2008164496.tif 000026
【図９】
2008164496.tif 000027
【図１０】
2008164496.tif 000028
【図１１】
2008164496.tif 000029