(57)【要約】【課題】反射率の低い測距対象に対する測距精度を改善した距離計測装置を提供する。【解決手段】距離計測装置１は、各画素Ｇの強度に関係する電荷を蓄積するＦｄを有する画素配列部４０１と、撮像範囲６に向けて出射変調光Ｌａ出射する変調光出射部１０６と、出射変調光Ｌａと測距対象７に反射して画素Ｇに入射した反射変調光Ｌｂとの位相差φに基づいて測距対象７までの距離Ｄを測定する測距部１０２と、画素Ｇに反射変調光Ｌｂの入射強度が基準値以上となるように、出射変調光Ｌａの出射強度を制御する変調光制御部１０３とを備える。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上に分布した複数の画素と各画素への入射光の強度に関係する電荷量で電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有する撮像素子と、
強度変調した変調光を前記撮像素子の撮像範囲に向けて出射する変調光出射部と、
前記変調光出射部が出射した出射変調光と該出射変調光が前記撮像範囲の測距対象に反射して前記撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を前記電荷蓄積部の電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、
前記位相差検出部が検出した位相差に基づいて前記測距対象までの距離を測定する測距部と、
前記画素における前記反射変調光の入射強度が基準値以上となるように、前記変調光出射部からの前記出射変調光の出射強度を制御する変調光制御部とを備えることを特徴とする距離計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の距離計測装置において、
前記変調光制御部は、前記画素における反射変調光の入射強度を検出し、該検出した入射強度に基づいて前記画素における反射変調光の入射強度が基準値以上となる出射強度を算出し、該算出した出射強度に制御した出射強度で前記変調光出射部から前記出射変調光を出射する制御処理を繰り返し、
各回の制御処理では、前記画素における入射強度の検出対象とする反射変調光は、前回の制御処理において出射した出射変調光由来の反射変調光であることを特徴とする距離計測装置。
【請求項３】
請求項２に記載の距離計測装置において、
前記変調光制御部は、前記画素に入射した反射変調光の入射強度を前記電荷蓄積部の電荷量に基づいて検出することを特徴とする距離計測装置。
【請求項４】
請求項２に記載の距離計測装置において、
前記変調光出射部は、強度変調された変調光を発生する光源と、該光源から入射した入射光を偏向して、前記出射変調光として前記撮像範囲に向けて出射する光偏向器とを有し、
前記変調光制御部は、各制御処理において前記変調光出射部からの出射変調光が前記撮像範囲を一定の走査パターンで走査する走査サイクルで出射されるように、前記光偏向器を制御し、
前記変調光出射部は、前回の走査サイクルにおいて各出射位相時に前記変調光出射部から出射された出射変調光の出射位相と該出射変調光由来の反射変調光が入射する画素との対応関係を検出し、次の走査サイクルでは、前記画素ごとに出射強度を算出した出射変調光の出射位相を前記対応関係に基づいて制御することを特徴とする距離計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＴＯＦ（Time Of Flight：光飛行時間） 方式で測距を行う距離計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＴＯＦ方式で測距を行う距離計測装置が知られている（例：特許文献１）。
【０００３】
このような距離計測装置は、例えば、平面上に分布した複数の画素と各画素への入射光の強度に関係する電荷量で電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有する撮像素子と、強度変調した変調光を撮像素子の撮像範囲に向けて出射する変調光出射部と、変調光出射部が出射した出射変調光と該出射変調光が撮像範囲の測距対象に反射して撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を電荷蓄積部の電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、該位相差検出部が検出した位相差に基づいて測距対象までの距離を測定する測距部とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８９３４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
撮像素子では、各画素に装備される電子素子（例えば電荷蓄積部としてのフローティングディフュージョンや、該フローティングディフュージョンに電荷を振り分けたり、該フローティングディフュージョンから電荷量を読み取るゲート等の素子）には、作動等のばらつきがある。したがって、同一の入射強度の反射光に対して電荷蓄積部の電荷量の読出し値にはばらつきが生じる。このばらつきは、入射強度の高いときと低いときとで差があまりなく、入射強度に関係なくほぼ一定の範囲となる。
【０００６】
反射光の入射強度の低いときは、撮像素子の出力値が減少するので、その分、出力値に占めるばらつきの割合が増大することになる。したがって、反射率の低い測距対象の測距精度は、反射率の高い測距対象の測距精度より低下する。
【０００７】
本発明の目的は、反射率の低い測距対象に対する測距精度を改善した距離計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の距離計測装置は、
平面上に分布した複数の画素と各画素への入射光の強度に関係する電荷量で電荷を蓄積する電荷蓄積部とを有する撮像素子と、
強度変調した変調光を前記撮像素子の撮像範囲に向けて出射する変調光出射部と、
前記変調光出射部が出射した出射変調光と該出射変調光が前記撮像範囲の測距対象に反射して前記撮像素子の画素に入射した反射変調光との位相差を前記電荷蓄積部の電荷量に基づいて検出する位相差検出部と、
前記位相差検出部が検出した位相差に基づいて前記測距対象までの距離を測定する測距部と、
前記画素における前記反射変調光の入射強度が基準値以上となるように、前記変調光出射部からの前記出射変調光の出射強度を制御する変調光制御部とを備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、画素における反射変調光の入射強度が基準値以上となる出射強度で変調光出射部から出射変調光が出射される。これにより、反射率の低い測距対象からの反射変調光も、十分な入射強度が確保され、測距精度を改善することができる。
【００１０】
本発明の距離計測装置において、前記変調光制御部は、前記画素における反射変調光の入射強度を検出し、該検出した入射強度に基づいて前記画素における反射変調光の入射強度が基準値以上となる出射強度を算出し、該算出した出射強度に制御した出射強度で前記変調光出射部から前記出射変調光を出射する制御処理を繰り返し、各回の制御処理では、前記画素における入射強度の検出対象とする反射変調光は、前回の制御処理において出射した出射変調光由来の反射変調光であることが好ましい。
【００１１】
この構成によれば、各制御処理で出射する出射変調光の出射強度は、前回の制御処理において出射した出射変調光由来の反射変調光の入射強度に基づいて算出される。したがって、各制御処理において、入射強度検出用の出射変調光を専用に出射する必要がなく、各回の制御処理の所要時間を短縮することができる。
【００１２】
本発明の距離計測装置において、前記変調光制御部は、前記画素に入射した反射変調光の入射強度を前記電荷蓄積部の電荷量に基づいて検出することが好ましい。
【００１３】
この構成よれば、電荷蓄積部の電荷量は、位相差検出部による位相差検出と、画素に入射した反射変調光の入射強度検出とに共用される。したがって、入射強度検出用の出射変調光を位相差検出用の出射変調光とは別個に出射する必要がなく、各回の制御処理の所要時間を短縮することができる。
【００１４】
本発明の距離計測装置において、前記変調光出射部は、強度変調された変調光を発生する光源と、該光源から入射した入射光を偏向して、前記出射変調光として前記撮像範囲に向けて出射する光偏向器とを有し、前記変調光制御部は、各制御処理において前記変調光出射部からの出射変調光が前記撮像範囲を一定の走査パターンで走査する走査サイクルで出射されるように、前記光偏向器を制御し、前記変調光出射部は、前回の走査サイクルにおいて各出射位相時に前記変調光出射部から出射された出射変調光の出射位相と該出射変調光由来の反射変調光が入射する画素との対応関係を検出し、次の走査サイクルでは、前記画素ごとに出射強度を算出した出射変調光の出射位相を前記対応関係に基づいて制御することが好ましい。
【００１５】
この構成によれば、次の走査サイクルでは、画素ごとに出射強度を算出した出射変調光の出射位相を、前回の走査サイクルに基づいて検出した対応関係に基づいて制御する。これにより、各回の制御処理で算出した出射強度の出射変調光を撮像範囲の対応の測距対象に正確に出射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】距離計測装置の全体構成図。
【図２】カメラが備える撮像素子の構成図。
【図３】画素の詳細な構成図。
【図４】出射変調光及び反射変調光のタイミングチャート。
【図５】カメラの素子のばらつきが反射変調光の入射強度に関係して距離計測装置の測距精度に与える影響についての説明図。
【図６】距離計測装置が出射強度制御を行わなかったときに測距値が測距対象の反射率から受ける影響を調べた実験の結果を示すグラフ。
【図７】距離計測装置のブロック図。
【図８】距離計測装置が実施する測距方法のフローチャート。
【図９】反射変調光の強度区分と距離計測装置による測距のばらつきとの関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は距離計測装置１の全体構成図である。距離計測装置１は、レーザ光源２、光偏向器３、カメラ４及び制御装置５を備え、距離計測装置１−測距対象７間の距離ＤをＴＯＦ方式で計測する。距離計測装置１は、所定の走査パターンでカメラ４の撮像範囲６に向けて、強度変調した変調光としての出射変調光Ｌａを出射する。撮像範囲６に測距対象７が存在するときは、出射変調光Ｌａは、測距対象７に照射されると、距離計測装置１の方へ反射し、その反射光が、出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂとなって、距離計測装置１に入射する。制御装置５は、出射変調光Ｌａと反射変調光Ｌｂとの位相差に基づいて距離計測装置１−測距対象７間の距離Ｄを計測する。
【００１８】
測距対象７は、撮像範囲６に１つだけでなく、複数、存在することがある。測距対象７には、白っぽいものや、黒っぽいもの等、種々の反射率のものがある。距離計測装置１からの出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏが同一であるときは、反射率の低い測距対象７ほど、また、距離計測装置１から遠い測距対象７ほど、距離計測装置１に入射する時の反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉは低くなる。なお、測距対象７に当たらなかった出射変調光Ｌａに対しては、該出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂは当然に生成されない。
【００１９】
制御装置５は、光偏向器３及びカメラ４からの入力信号に基づいて、レーザ光源２、光偏向器３及びカメラ４を制御するとともに、距離Ｄの算出等の演算を行う。
【００２０】
レーザ光源２は、制御装置５からの制御信号により点灯及び消灯を制御され、例えば１０ＭＨｚで点滅して、強度を変調されたレーザ光を生成する。レーザ光源２は、また、制御装置５からの制御信号により点灯時に出射するレーザ光の出射強度も制御される。
【００２１】
光偏向器３は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスの一種であり、構造自体は公知のものである。光偏向器３の詳細な構造については、例えば、本出願人が特許出願人になっている特開２０１６−９０５０号公報、特開２０１６−４１５５号公報、特開２０１５−２３０３２６号公報、及び特開２０１５−２１９５１６号公報等を参照することができる。
【００２２】
概略的に説明すると、光偏向器３は、ほぼ直交する第１及び第２回転軸線の回りにミラー部（図示せず）を第１及び第２周波数でそれぞれ往復回動させる。なお、後述のラスタースキャンを実現するために、第１周波数＞第２周波数の関係が設定される。
【００２３】
レーザ光源２から出射されかつ強度変調されたレーザ光は、第１及び第２回転軸線の回りに第１及び第２周波数で往復回動するミラー部に当たって、第１及び第２回転軸線の回りのミラー部の回転角に応じた方向に向きを転換される。そして、強度変調された出射変調光Ｌａとなって、光偏向器３から撮像範囲６に向けて出射される。
【００２４】
光偏向器３からの出射変調光Ｌａは、光偏向器３におけるミラー部の第１及び第２回転軸線の回りの往復回動の結果、例えばラスタースキャン等の所定の走査パターンの走査サイクルで撮像範囲６を繰り返し走査する。典型的には、出射変調光Ｌａは、第１回転軸線回りのミラー部の往復回動により撮像範囲６をその横方向としての水平方向に往復する。また、第２回転軸線回りのミラー部の往復回動により撮像範囲６をその縦方向としての垂直方向に往復する。
【００２５】
光偏向器３において、第１及び第２回転軸線の回りのミラー部の往復回動は、ミラー部を第１及び第２回転軸線の回りに往復回動させる第１及び第２圧電アクチュエータにより行われる。制御装置５は、第１及び第２圧電アクチュエータの駆動電圧を制御して、出射変調光Ｌａの走査サイクルを制御する。
【００２６】
撮像範囲６内に測距対象７が存在するときは、出射変調光Ｌａは、測距対象７に反射し、反射後は、出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂとなって、距離計測装置１へ戻る。戻って来た反射変調光Ｌｂは、カメラ４の撮像素子（イメージセンサー）４００（図２）の対応画素Ｇに入射する。
【００２７】
図２は、カメラ４が備える撮像素子４００の構成図である。撮像素子４００は、主要構成要素として、画素配列部４０１、行制御部４０６、列制御部４０７及び画像プロセッサ４０８を備えている。
【００２８】
図２の画素配列部４０１は、正面視で図示されており、平面上に格子配列で縦横に均一な密度で分布した複数の画素Ｇ（ｎ，ｍ）を有している。
【００２９】
なお、画素配列部４０１における画素Ｇを行番号ｎと列番号ｍとで表現する。画素Ｇ（ｎ，ｍ）とは、画素配列部４０１の正面視において上からｎ番目で、左からｍ番目の画素Ｇを指すものとする。画素配列部４０１は、例えば１２６×１２６個の画素Ｇから成る。以降、個々の画素を特に区別する必要がないときは、画素Ｇ（ｎ，ｍ）を画素Ｇと総称し、（ｎ，ｍ）は省略する。
【００３０】
各画素Ｇは、正面視で左側の副画素Ｐｏ（添え字「ｏ」は、奇数を意味し、副画素Ｐｏは、副画素を含めて格子配列の列番号を定義したときに列番号が奇数になることを意味する）と右側の副画素Ｐｅ（添え字「ｅ」は偶数を意味する）とを有している。
【００３１】
行制御部４０６は、行制御ライン４０９に制御信号を印加し、画素配列部４０１の画素Ｇを行ごとに制御できるようになっている。列制御部４０７は、列制御ライン４１０に制御信号を印加し、画素配列部４０１の画素Ｇを列ごとに制御できるようになっている。画像プロセッサ４０８は、制御装置５（図１）からの制御信号に基づいて行制御部４０６及び列制御部４０７を制御する。
【００３２】
図３は、画素Ｇの詳細な構成図である。画素Ｇは、副画素Ｐｏと副画素Ｐｅとの２つの副画素の対から成る。
【００３３】
副画素Ｐｏは、ＰＤ、Ｍ１，Ｍ３、Ｆｄ１，Ｆｄ３、及び２つのＢＭを備える。副画素Ｐｅは、ＰＤ、Ｍ２，Ｍ４、Ｆｄ２，Ｆｄ４、及び２つのＢＭを備える。なお、ＰＤはフォトダイオードを意味し、Ｍは振分けスイッチを意味し、Ｆｄは、電荷蓄積部としてのフローティングディフュージョンを意味し、ＢＭは転送スイッチを意味するものとする。Ｍ１〜Ｍ４及びＢＭは、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）から成る。
【００３４】
Ｔｘ１〜Ｔｘ４には、Ｍ１〜Ｍ４のオンオフを制御する制御信号が行制御部４０６から供給される。Ｂｉには、ＢＭのオンオフを制御する制御信号が行制御部４０６から供給される。Ｔｘ１〜Ｔｘ４及びＢｉのラインの組は、各行制御ライン４０９（図２）に含まれる。
【００３５】
Ｒｏは、対応列（該対応列ではＦｄ１〜Ｆｄ４の各列は区別される）の全部のＢＭのドレンに接続されている。列制御部４０７は、Ｒｏを介して各画素ＧのＦｄ１〜Ｆｄ４に蓄積されている電荷の電荷量の読出し値としてのＣ１〜Ｃ４を読出す。Ｒｏは、各列制御ライン４１０（図２）に含まれる。
【００３６】
副画素Ｐｏと副画素Ｐｅとは、副画素内のゲートとしてのＭ１〜Ｍ４及びＢＭの作動タイミングが異なるのみで、全体の作動は同一である。したがって、副画素Ｐｏの作動のみを説明する。
【００３７】
ＰＤは、画素Ｇに入射する入射光（この入射光には背景光と反射変調光Ｌｂとを含む）の強度が大きいほど、多数の電子を生成する。なお、電子の数の増大に連れて、電荷量は増大する。Ｍ１とＭ３とはＴｘ１，Ｔｘ３の印加電圧により逆位相でオンオフされる。すなわち、オン、オフの１回ずつを１回のオンオフサイクルとして、各オンオフサイクルにおいて、Ｍ１のオン期間はＭ３のオフ期間とされ、Ｍ１のオフ期間はＭ３のオン期間とされる。レーザ光源２の点滅の周期は、反射変調光Ｌｂが後述の走査サイクルで１つの画素Ｇを通過する時間よりも十分に短い。したがって、各画素Ｇは、反射変調光Ｌｂの通過中、反射変調光Ｌｂの入射を複数回、繰り返されて、該反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉに関係した電荷の蓄積量を増大することができる。
【００３８】
Ｍ１，Ｍ３のオン期間では、ＰＤが生成した電子が、Ｆｄ１，Ｆｄ３に供給され、蓄積される。Ｆｄ１，Ｆｄ３には、画素Ｇ（厳密には副画素Ｐｏ又はＰｅ）に入射した入射光の強さに関係する電荷量の電荷が蓄積される。Ｒｏは、所定の読出しタイミングで列制御部４０７内のスイッチの作動により通電状態になり、この時にオンになっているＢＭが属する副画素ＰｏのＦｄ１，Ｆｄ３の電荷量が列制御部４０７を介して画像プロセッサ４０８により読出し値Ｃ１，Ｃ３として読出される。Ｃ１，Ｃ３は、さらに、画像プロセッサ４０８から制御装置５（図１）に送られる。
【００３９】
図４は出射変調光Ｌａ及び反射変調光Ｌｂのタイミングチャートである。横軸の目盛は、時間経過を出射変調光Ｌａの位相で表現した値となっている。出射変調光Ｌａは、レーザ光源２が出射するレーザ光由来の光であり、出射変調光Ｌａのレベルは、レーザ光源２の消灯時ではＬｏｗ（ロー）、レーザ光源２の点灯時はＨｉｇｈ（ハイ）となっている。点灯時のＨｉｇｈレベルに対応する光強度は、レーザ光源２の給電電流の増減により増減される。
【００４０】
出射変調光Ｌａは、周期パルス波形の光であり、周期＝１００ｎｓ（周波数＝１０ＭＨｚ）で、デューティ比＝５０％の矩形波となっている。図４では、出射変調光Ｌａの立ち上がり時刻を位相＝０°で表わしている。反射変調光Ｌｂは、距離計測装置１から出射した出射変調光Ｌａが測距対象７（図１）に到達し、測距対象７に反射して距離計測装置１に戻る。この結果、反射変調光Ｌｂの位相は、測距対象７までの距離Ｄの２倍の長さを飛行する時間分だけ、出射変調光Ｌａより位相が遅れ、出射変調光Ｌａと反射変調光Ｌｂとの間に位相差φが生じる。位相差φより、距離計測装置１−測距対象７間の距離Ｄを計測することができる。
【００４１】
前述したように、画像プロセッサ４０８（図２）は、Ｂｉ及びＲｏを介して画素ＧごとのＦｄ１〜Ｆｄ４の電荷量を読出すことができるようになっている。画像プロセッサ４０８は、各画素ＧのＦｄ１〜Ｆｄ４から該画素Ｇに入射した反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉに関係する蓄積電荷量を読出すことができる。図４において、Ｔ１〜Ｔ４は、画像プロセッサ４０８が各画素ＧにおいてＦｄ１〜Ｆｄ４からそれぞれ読出す電荷量の蓄積期間を示している。
【００４２】
Ｔ１〜Ｔ４の期間は、開始位相が異なるものの、期間の長さは、出射変調光Ｌａの周期の１／２（＝半周期）に等しく設定されている。Ｔ１は位相０°〜１８０°の期間に設定される。Ｔ２は位相９０°〜２７０°の期間に設定される。Ｔ３は位相１８０°〜３６０°の期間に設定される。Ｔ４は位相２７０°〜３６０°とその次の周期の位相０°〜９０°との期間、換言すれば位相２７０°〜４５０°に設定される。この結果、Ｆｄ１〜Ｆｄ４には、Ｔ１〜Ｔ４に対応副画素に入射した反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉに対応する電荷量で電荷が蓄積される。画像プロセッサ４０８は、各画素ＧにおいてＴ１〜Ｔ４に蓄積された電荷の電荷量を読出し値Ｃ１〜Ｃ４として読出す。
【００４３】
制御装置５は、位相差φを次の式（１）により算出する。
式（１）：位相差φ＝ｔａｎ−１｛（Ｃ１−Ｃ３）／（Ｃ２−Ｃ４）｝
上式において、「ｔａｎ」は正接（タンジェント）を意味し、「ｔａｎ−１」とは逆正接（アークタンジェント）を意味する。Ｃ１〜Ｃ４の個々には、背景光由来の入射光に因る蓄積電荷量が含まれるが、差分Ｃ１−Ｃ３、及び差分Ｃ２−Ｃ４からは、背景光由来の入射光に因る影響が除去されている。
【００４４】
ここで、距離計測装置１の測距精度について説明する。カメラ４における反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉは、Ｃ１〜Ｃ４に基づいて検出されるが、測距対象７の反射率の影響を受ける。すなわち、出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏが等しく、かつ測距対象７までの距離Ｄが等しくても、反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉは、測距対象７の反射率が低いほど低下する。
【００４５】
また、カメラ４の撮像素子４００内のゲートの作動等のばらつきのために、反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉが等しくても、制御装置５が、カメラ４の画像プロセッサ４０８を介して各画素Ｇから読出すＣ１〜Ｃ４には、ばらつきが生じる。これらのばらつきは、反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉに関係なく一定であるために、反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉが低くなるほど、誤差率（＝（誤差／真値）×１００％）が増大する傾向がある。
【００４６】
図５は、撮像素子４００内のゲートの作動等のばらつきが反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉに関係して距離計測装置１の測距精度に与える影響についての説明図である。図５に示す特性の抽出では、距離計測装置１は、出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏの制御を実施しないで、出射強度Ｉｏを標準値としてのＩｓｏに固定している（Ｉｏ＝Ｉｓｏ）。
【００４７】
図５において、横軸は、Ｃ１，Ｃ３の差分としてのＣ１−Ｃ３を示し、縦軸は、Ｃ２，Ｃ４の差分としてのＣ２−Ｃ４を示している。図５において、Ｗ１，Ｗ２は、反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉがそれぞれ低いとき及び高いときのばらつき範囲を示している。Ｃ１〜Ｃ４のばらつきは、カメラ４の撮像素子内の各ゲートの作動等のばらつきからの影響を受け、これらばらつきは反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉに関係しないので、ばらつき範囲Ｗ１，Ｗ２は、共に等しくなっている。
【００４８】
この結果、制御装置５が前述の式（１）から算出する位相差φは、反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉの低いＷ１の方が算出精度が低下する。このことは、測距対象７の反射率が低いときほど、及び測距対象７までの距離Ｄが遠いときほど、測距精度が低下することを意味する。
【００４９】
図６は、距離計測装置１が出射強度制御を実施しないで出射強度を一律の標準強度にして測距したときに測距値が測距対象７の反射率から受ける影響を調べた実験の結果を示すグラフである。図６において、横軸は、測距対象７の場所までの実際の距離を示し、縦軸は距離計測装置１が計測した距離を示している。
【００５０】
この実験では、各走査サイクルにおける出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏは、標準値としてのＩｓｏに固定している（Ｉｏ＝Ｉｓｏ）。また、測距対象７として周知のマンセルシートを使用した。距離計測装置１による測距値のばらつきを、反射率＝１２％のマンセルシートのときはＷｂ（「ｂ」は黒を意味する）で表し、反射率＝９５％のマンセルシートのときはＷｈ（「ｈ」は白を意味する）に表して、両者を対比している。
【００５１】
実際の距離として、０．５m、１．０m、２．０m、３，０m、４．０mの５つを選択した。各選択距離において、いずれの距離において、Ｗｂ＞Ｗｈとなっている。また、Ｗｂ及びＷｈ共に、選択距離が大きいときほど、増大している。これは、測距対象７までの距離Ｄが遠い程、反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉが低下するからである。すなわち、測距対象７までの距離Ｄが遠いことは、反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉについては測距対象７の反射率が低いことと等価である。
【００５２】
距離計測装置１は、これから説明する出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏの制御の実施により、反射率の低い測距対象７に対する測距精度と、遠い測距対象７に対する測距精度との両方を改善することができる。
【００５３】
図７は、距離計測装置１のブロック図である。制御装置５は、位相差検出部１０１、測距部１０２及び変調光制御部１０３を備える。レーザ光源２及び光偏向器３は、変調光出射部１０６を構成する。制御装置５は、カメラ４からのＣ１〜Ｃ４に基づいて変調光出射部１０６からの出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏを制御する。なお、出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏは、レーザ光源２のレーザ光の出力強度に等しいので、制御装置５が実際に制御しているのはレーザ光源２のレーザ光の出力強度である。
【００５４】
制御装置５は、プログラム（ソフトウェア）を汎用的に実施する通常の制御装置として、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、不揮発性半導体メモリ、及びＩ／Ｏポートを備える。制御装置５は、さらに、制御装置５の制御対象であって距離計測装置１が装備するアナログセンサやアナログアクチュエータに応じてＡ／Ｄ変換器及びＤ／Ａ変換器も備えている。位相差検出部１０１、測距部１０２及び変調光制御部１０３は、制御装置５のＣＰＵが測距方法に係るソフトウェアを実行することに伴って生成される。
【００５５】
図８は距離計測装置１が実施する測距方法のフローチャートである。該測距方法は、制御装置５が、ＲＯＭに実装しているソフトウェアを実行することにより、実施される。
【００５６】
ＳＴＥＰ１１０では、変調光制御部１０３は、標準強度走査サイクルを実施する。標準強度走査サイクルとは、距離計測装置１からの出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏを標準値としてのＩｓｏに固定して（Ｉｏ＝Ｉｓｏ）、出射変調光Ｌａを撮像範囲６にラスタースキャン等の一定の走査パターンで１回、走査する走査サイクルである。
【００５７】
出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏの強度は、レーザ光源２の給電電力の増減により制御される。撮像範囲６における出射変調光Ｌａの走査は、制御装置５が光偏向器３の圧電アクチュエータの印加電圧を制御することにより行われる。
【００５８】
ＳＴＥＰ１１１では、制御装置５は、画素Ｇ（ｎ，ｍ）ごとに、（ａ）反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉの検出、（ｂ）測距対象７の測距、及び（ｃ）次の走査サイクルでの出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏの算出を行う。（ｂ）の「測距対象７の測距」の処理は、位相差検出部１０１と測距部１０２とが行う。（ａ）の「反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉの検出」と、（ｃ）の「次の走査サイクルでの出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏの算出」との処理は、変調光制御部１０３が行う。
【００５９】
なお、（ａ）〜（ｃ）の処理のうち（ｂ）の「測距対象７の測距」の処理は、１回目のＳＴＥＰ１１１の実施時は中止され、２回目以降のＳＴＥＰ１１１の実施時から実施される。すなわち、１回目のＳＴＥＰ１１１の実施時では、全部の画素Ｇ（ｎ，ｍ）における反射変調光Ｌｂの由来元の出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏは、標準値のＩｓｏに固定されているので、所望の測距精度を得られない可能性があるからである。
【００６０】
（ｂ）の「測距対象７の測距」の処理の具体的内容を説明する。位相差検出部１０１は、画素Ｇ（ｎ，ｍ）ごとにＣ１〜Ｃ４を読出し、読出したＣ１〜Ｃ４を前述の式（１）に適用して、画素Ｇ（ｎ，ｍ）ごとに位相差φ（ｎ，ｍ）を算出する。
【００６１】
測距部１０２は、位相差検出部１０１が算出した位相差φ（ｎ，ｍ）に基づいて測距対象７までの距離Ｄを測定する。これにより、画素Ｇ（ｎ，ｍ）ごとに測距対象までの距離Ｄが測定される。距離Ｄの測定は次の式（２）による算出に基づく。
式（２）：距離Ｄ＝（光速×１００ｎｓ×位相差φ（ｎ，ｍ））／（３６０°×２）
ただし、位相差φの単位は「°」とする。
【００６２】
次に、（ａ）の「反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉの検出」の処理の具体的内容を説明する。変調光制御部１０３は、各画素Ｇ（ｎ，ｍ）ごとの反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉの検出を、各画素Ｇ（ｎ，ｍ）ごとに読出したＣ１〜Ｃ４に基づいて行う。この時に入射強度Ｉｉの検出対象とする反射変調光Ｌｂは、前回の走査サイクルで出射した出射変調光Ｌａに由来する反射変調光Ｌｂである。なお、ここで、前回の走査サイクルとは、直前の１回の走査サイクルに限定しない。前回の走査サイクルは、所定回数前の走査サイクルであってもよいし、現時点以前に行った複数回の走査サイクルをまとめて前回の走査サイクルとすることができる。
【００６３】
各画素Ｇ（ｎ，ｍ）への入射光には、反射変調光Ｌｂの他に、背景光も含まれる。したがって、Ｃ１〜Ｃ４の各々は、反射変調光Ｌｂ＋背景光の入射強度になる。反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉを単独で検出するために、例えば、Ｃ１−Ｃ３、Ｃ２−Ｃ４、又は（Ｃ１＋Ｃ２）−（Ｃ３＋Ｃ４）等の差分を使用して、入射強度Ｉｉを検出する。
【００６４】
（ａ）の処理では、対応関係の検出処理も併せて行う。対応関係とは、具体的には、走査サイクルにおける各出射位相Ｏｉと、該各出射位相Ｏｉで出射された出射変調光Ｌａに由来する反射変調光Ｌｂが入射した画素Ｇ（ｎ，ｍ）との対応関係である。以降、該対応関係を、「Ｏｉ−Ｇ関係」という。
【００６５】
（ｃ）の「次の走査サイクルでの出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏの算出」の処理の具体的内容を説明する。
【００６６】
最初に、反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉの基準値としてのＩｂｉについて説明する。図９は、反射変調光Ｌｂの強度区分と距離計測装置１による測距のばらつきとの関係を示している。制御装置５は、Ｃ１〜Ｃ４を８ビットの０〜２５５の離散値で処理する。図９の横軸の反射変調光Ｌｂの強度区分１〜４は、０〜２５５の値に基づいて入射強度Ｉｉを区分化したものとなっている。入射強度Ｉｉの最大値は該離散値では２５５であり、入射強度Ｉｉの最小値は該離散値では０である。
【００６７】
強度区分１〜４は、入射強度Ｉｉの大きい順に番号付けされており、入射強度Ｉｉは強度区分１，２，３，４の順に低下する。すなわち、強度区分１は入射強度Ｉｉの最大強度区分として定義され、強度区分４は入射強度Ｉｉの最小強度区分として定義される。
【００６８】
強度区分１〜４は、前述の数値範囲の０〜２５５を６４ずつ均等に区分化したものではない。出射強度Ｉｏの制御を適切に実行できるように強度区分１〜４の区分範囲が決定される。実施形態では、強度区分１〜４の区分番号順に数値範囲０〜２５５に占める区分量を増大させていて、区分量は、強度区分１が最小で、強度区分４が最大となるように設定している。
【００６９】
なお、Ｃ１〜Ｃ４の各々は、反射変調光Ｌｂと共に背景光を含む入射光が各画素Ｇ（ｎ，ｍ）に入射した入射強度になっているが、区分１〜４の各々は、反射変調光Ｌｂ単独の入射強度Ｉｉの強度区分となっている。すなわち、区分１〜４は、背景光の入射強度を排除するために、例えば差分Ｃ１−Ｃ３等に基づいて区分化されている。
【００７０】
距離計測装置１における測距のばらつきの許容値は、ユーザ等が距離計測装置１に要求する測距精度等に応じて相違する値に設定されている。この距離計測装置１に対しては、測距のばらつきの許容値として０．２ｍが設定されていると、想定する。図９は、反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉが強度区分２であれば、測距のばらつきが２ｍ未満の０．１８ｍであることを示している。したがって、反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉの基準値としてのＩｂｉは、強度区分２に対応する強度に設定する。そして、各画素Ｇに入射する反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉについて、Ｉｉ≧Ｉｂｉとなるように、出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏが制御される。こうして、該許容値を満足する測距精度を得ることができる。
【００７１】
換言すると、ＳＴＥＰ１１０の標準強度走査サイクルのように、出射強度Ｉｏ＝Ｉｓｏで出射変調光Ｌａを出射したときに、該出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂが強度区分３，４となるような反射率の低い測距対象７や遠方の測距対象７が存在する。このような測距対象７に対しては、次の出射変調光Ｌａの出射時では、出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏは、出射強度Ｉｏを適当な量、増大した調整値としてのＩｔｏに変更して出射されることになる。この結果、該次の出射変調光Ｌａが該測距対象７に反射して入射する反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉは、強度区分２に対応するＩｂｉ以上を確保される。
【００７２】
なお、前回の走査サイクルで、前々回の走査サイクルでの出射強度Ｉｏより強めた調整値としてのＩｔｏにしたにもかかわらず、なお、出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂが強度区分３，４となる場合には、次の出射変調光Ｌａの出射時では、出射強度Ｉｏをさらに増大した再調整値としてのＩｔｏに変更して、出射変調光Ｌａを出射する。
【００７３】
また、出射強度Ｉｏ＝Ｉｓｏ又はＩｔｏ（このＩｔｏは、前回の走査サイクルにおけるＩｔｏ）で出射変調光Ｌａを出射したときに、該出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂが強度区分１，２となるような反射率の高い測距対象７や近傍の測距対象７があるとする。このような測距対象７に対しては、次の出射変調光Ｌａの出射時では、出射強度Ｉｏを前回の走査サイクルと同一の値（出射強度Ｉｏを前回の値と同一にしたものも「調整値」と呼ぶ）にして出射変調光Ｌａを出射する。この結果、前回の走査サイクルと同一の値にした調整値の出射強度Ｉｏで出射された出射変調光Ｌａに由来する反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉは、次の走査サイクルにおいてもそれぞれ強度区分１，２に収まるようになる。
【００７４】
なお、出射強度Ｉｏ＝Ｉｓｏ又はＩｔｏ（このＩｔｏは、前回の走査サイクルにおけるＩｔｏ）で出射変調光Ｌａを出射したときに、該出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂが強度区分１となるような反射率の高い測距対象７や近傍の測距対象７に対しては、次の出射変調光Ｌａの出射時では、該出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉが強度区分１から強度区分２になるように、次の走査サイクルにおける出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏを標準値としてのＩｓｏ又は前回のＩｔｏから下げることもできる。この場合、レーザ光源２の発熱量を抑えたり、Ｆｄ１〜Ｆｄ４における電荷量の飽和を抑制する利点がある。
【００７５】
以上を踏まえて、（ｃ）の処理では、次の走査サイクル（ＳＴＥＰ１１２の調整強度走査サイクル）で変調光出射部１０６から出射する出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏに由来する反射変調光Ｌｂが、対応画素Ｇ（ｎ，ｍ）に、基準値としてのＩｂｉ以上が確保される強度区分２の入射強度Ｉｉで入射するように、該出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏの調整値としてのＩｔｏ（ｎ，ｍ）を算出する。こうして、Ｏｉ−Ｇ（ｎ，ｍ）を基にしてさらなる対応関係としてのＯｉ−Ｉｔｏ（ｎ，ｍ）が作成される。
【００７６】
ＳＴＥＰ１１２では、変調光制御部１０３は、調整強度走査サイクルを実施する。ＳＴＥＰ１１２の調整強度走査サイクルは、ＳＴＥＰ１１１の処理（ｃ）における次の走査サイクルに相当する。ＳＴＥＰ１１２において、変調光制御部１０３は、ＳＴＥＰ１１１の処理（ｃ）で作成したＯｉ−Ｉｔｏ（ｎ，ｍ）の対応関係を使って、該調整強度走査サイクルの各出射位相Ｏｉ時に、該出射位相Ｏｉに対するＩｔｏ（ｎ，ｍ）を求め、求めたＩｔｏ（ｎ，ｍ）で出射変調光Ｌａを変調光出射部１０６から出射させる。該調整強度走査サイクルにおいても、ＳＴＥＰ１１０の標準走査サイクルと同様に、出射変調光Ｌａは撮像範囲６をラスタースキャン等の走査パターンで１回、走査する。
【００７７】
ＳＴＥＰ１１３では、制御装置５は、測距終了の指示の有無を調べ、指示有りのときは、測距処理を終了し、無しのときは処理をＳＴＥＰ１１１に戻す。測距終了の指示は、例えば使用者が距離計測装置１の所定の操作部を操作することにより生じる。制御装置５は、測距処理の終了指示があるまで、ＳＴＥＰ１１１，１１２（以下、ＳＴＥＰ１１１，１１２の処理をまとめて「制御処理」という）を繰り返す。
【００７８】
制御処理の繰り返しでは、各回の制御処理において今回の制御処理で出射する出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏを、前回の制御処理において出射した出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉに基づいて制御することになる。これにより、変調光制御部１０３が用いる入射強度Ｉｉの検出用の出射変調光Ｌａを、位相差検出部１０１及び測距部１０２が用いる測距用の出射変調光Ｌａとは別途、出射する手間が省略され、全体の測距処理を簡略化することができる。
【００７９】
制御処理の繰り返しにおいて、前回の制御処理では、撮像範囲６に存在しなかった測距対象７が、今回の制御処理で出現したり、前回の制御処理では、撮像範囲６に存在していた測距対象７が、今回の制御処理で消滅したりする場合がある。ＳＴＥＰ１１１，１１２は、測距期間中、繰り返し実施されるとともに、各制御処理において画素Ｇ（ｎ，ｍ）ごとに適切なＩｔｏ（ｎ，ｍ）を決めている。これにより、測距期間中の測距対象７の出現及び消滅に対して撮像範囲６内の測距対象７の測距を所定の精度で支障なく実施することができる。
【００８０】
さらに、測距対象７が撮像範囲６を移動するために、該測距対象７からの反射変調光Ｌｂが前回の制御処理で入射した画素Ｇと、今回の制御処理で入射した画素Ｇとが相違する場合がある。また、測距対象７までの距離が変化し、測距対象７が遠くなると、該測距対象７からの反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉは、反射率の低い測距対象７からの反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉと同様に低下する。ＳＴＥＰ１１１，１１２は、測距期間中、繰り返し実施されるとともに、各制御処理において画素Ｇ（ｎ，ｍ）ごとに適切なＩｔｏ（ｎ，ｍ）を決めている。これにより、測距期間中の測距対象７の移動や反射率の変化に対して撮像範囲６内の測距対象７の測距を所定の精度で支障なく実施することができる。
【００８１】
本発明の実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されることなく、実施形態以外の種々の態様を包含する。
【００８２】
実施形態では、フローティングディフュージョンで電荷蓄積部が形成されているが、その他の容量素子で電荷蓄積部を構成することができる。
【００８３】
実施形態では、１つの画素Ｇが２つの副画素Ｐｏ，Ｐｅを含んでいるが、副画素無しの画素Ｇ単独であってもよい。その場合は、Ｆｄ１〜Ｆｄ４は、１つのＰＤから電荷を振り分けられて、それぞれ０〜９０°、９０°〜１８０°、１８０°〜２７０°、２７０°〜３６０°の各位相期間に蓄積した電荷の電荷量をＣ１〜Ｃ４として読出される。
【００８４】
実施形態では、出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉが基準値としてのＩｂｉが属する強度区分２になるように、次の走査サイクルにおける出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏを制御している。本発明では、画素における反射変調光の入射強度が基準値以上となればよい。したがって、出射変調光Ｌａ由来の反射変調光Ｌｂの入射強度Ｉｉが、強度区分２より強度の高い区分としての強度区分１に属するように、次の走査サイクルにおける出射変調光Ｌａの出射強度Ｉｏを制御することもできる。
【符号の説明】
【００８５】
１・・・距離計測装置、２・・・レーザ光源、３・・・光偏向器、５・・・制御装置、６・・・撮像範囲、７・・・測距対象、１０１・・・位相差検出部、１０２・・・測距部、１０３・・・変調光制御部、１０６・・・変調光出射部、４００・・・撮像素子。
【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】
2017173187.tif 000009
【図８】
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【図９】
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