特許 6245901 距離測定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6245901

(24)【登録日】2017年11月24日

(45)【発行日】2017年12月13日

(54)【発明の名称】距離測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/10 20060101AFI20171204BHJP

【ＦＩ】

   G01S17/10

【請求項の数】9

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2013-181152(P2013-181152)

(22)【出願日】2013年9月2日

(65)【公開番号】特開2015-49148(P2015-49148A)

(43)【公開日】2015年3月16日

【審査請求日】2016年8月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】591128453

【氏名又は名称】株式会社メガチップス

(74)【代理人】

【識別番号】100088672

【弁理士】

【氏名又は名称】吉竹 英俊

(74)【代理人】

【識別番号】100088845

【弁理士】

【氏名又は名称】有田 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】澤田 孝司

【審査官】 中村 説志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−１２１１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０２２０８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１２２９１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−００８５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３３２７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−４９１４６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／４８− ７／５１

Ｇ０１Ｓ１７／００−１７／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

照射光の強度を変調しながら、測定対象へと前記照射光を照射する照射装置と、
前記照射光のうち前記測定対象で反射した光を、反射光として受光する受光素子と、
いずれもが同じ期間長さΔＴを有する期間であって、前記照射光が立ち上がり始める時点に対して所定の時間差で始まる第１期間、前記照射光が立ち下がり始める時点に対して前記時間差で始まる第２期間、および、前記第１期間と前記第２期間との間の第３期間において、それぞれ、前記反射光を受光して得られる第１反射光量ａ１、第２反射光量ａ２、および、第３反射光量ａ３を用いて、
ΔＴ・（ａ３−ａ１＋ａ２）／（２・ａ３）
で表される式に基づいて時間を算出し、前記時間に基づいて、前記測定対象までの距離を算出する算出部と
を備える、距離測定装置。

【請求項2】

前記受光素子は、前記反射光と、前記照射光を光源としない周囲光とを受光し、
前記算出部は、前記受光素子がそれぞれ前記第１期間から前記第３期間において受光する第１受光量Ａ１から第３受光量Ａ３と、前記受光素子が、前記第１期間から前記第３期間と同じ期間長さΔＴを有し、前記反射光の強度が零である第４期間において、受光する第４受光量Ａ４とを用いて、
ΔＴ・（Ａ３−Ａ１＋Ａ２−Ａ４）／｛２・（Ａ３−Ａ４）｝
で表される式に基づいて前記時間を算出する、請求項１に記載の距離測定装置。

【請求項3】

前記時間の算出前に、前記時間と前記期間長さとの長短を推定する推定部を更に備え、
前記受光素子は、前記反射光と、前記照射光を光源としない周囲光とを受光し、
前記算出部は、前記受光素子がそれぞれ前記第１期間から前記第３期間において受光する第１受光量Ａ１から第３受光量Ａ３と、前記受光素子が、前記第１期間から前記第３期間と同じ期間長さΔＴを有し、前記第２期間の後の第４期間において、受光する第４受光量Ａ４とを用いて、
前記時間が前記期間長さよりも短いと推定されるときに、
ΔＴ・（Ａ３−Ａ１＋Ａ２−Ａ４）／｛２・（Ａ３−Ａ４）｝
で表される式に基づいて前記時間を算出し、
前記時間が前記期間長さよりも長く、前記期間長さの２倍よりも短いと推定されるときに、
ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２−Ａ３＋Ａ４−Ａ１）／｛２・（Ａ２−Ａ１）｝
で表される式に基づいて前記時間を算出する、請求項１に記載の距離測定装置。

【請求項4】

前記推定部は、前記第３受光量が前記第２受光量よりも大きいとき、または、前記第１受光量が前記第４受光量よりも大きいときに、前記時間が前記期間長さよりも短いと推定し、前記第３受光量が前記第２受光量よりも小さいとき、または、前記第１受光量が前記第４受光量よりも小さいときに、前記時間が前記期間長さよりも長いと推定する、請求項３に記載の距離測定装置。

【請求項5】

前記算出部は、
前記時間が前記期間長さよりも長く、前記期間長さの２倍よりも短いと推定されるときに、
ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２−Ａ３＋Ａ４−Ａ１）／｛２・（Ａ２−Ａ１）｝
で表される式に基づいて前記時間を算出し、
前記時間が前記期間長さの２倍よりも長いと推定されるときに、
２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ４−Ａ２）／（Ａ４−Ａ１）
もしくは、
２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ４−Ａ２）／（Ａ４−Ａ３）
で表される式に基づいて前記時間を算出する、請求項３または４に記載の距離測定装置。

【請求項6】

前記推定部は、前記第４受光量が前記第２受光量よりも小さいときに、前記時間が前記期間長さの２倍よりも短いと推定し、前記第４受光量が前記第２受光量よりも大きいときに、前記時間が前記期間長さの２倍よりも長いと推定する、請求項５に記載の距離測定装置。

【請求項7】

第１から第４のコンデンサと、
前記受光素子と、前記第１から前記第４のコンデンサとの間の導通／非導通をそれぞれ選択する第１から第４のスイッチと、
前記第１期間から前記第４期間において、それぞれ前記第１から前記第４のスイッチをオンすることで、前記第１から前記第４のコンデンサにそれぞれ前記第１受光量から前記第４受光量に応じた電圧を充電させる制御部と
を更に備える、請求項２から６のいずれか一つに記載の距離測定装置。

【請求項8】

前記照射装置は、略矩形波の前記照射光を少なくとも４回繰り返し照射し、
前記距離測定装置は、
コンデンサと、
前記受光素子と、前記コンデンサとの導通／非導通を選択するスイッチと、
前記コンデンサを放電する放電部と、
前記照射光についての第１照射周期内の前記第１期間において前記スイッチをオンして前記第１受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第２照射周期内の前記第２期間において前記スイッチをオンして、前記第２受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第３照射周期内の前記第３期間において前記スイッチをオンして、前記第３受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第４照射周期内の前記第４期間において前記スイッチをオンして、前記第４受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させる制御部と
を更に備える、請求項２から６のいずれか一つに記載の距離測定装置。

【請求項9】

前記照射装置は、略矩形波の前記照射光を繰り返して出力し、
前記照射光についての複数回の照射周期のそれぞれに対する前記第３期間において、前記反射光を積算して受光することで得られる第４反射光量が、所定の基準値を超えたときに、前記第４反射光量を前記第３反射光量と把握し、前記第４反射光量が前記基準値を超えたときの回数の前記照射周期のそれぞれに対する前記第１期間において、前記反射光を積算して受光することで前記第１反射光量を取得し、前記回数の前記照射周期のそれぞれに対する前記第２期間において、前記反射光を積算して受光することで前記第２反射光量を取得する、請求項１に記載の距離測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、距離測定装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、測定対象までの距離を測定する距離測定装置が提案されている。この距離測定装置は照射装置と受光装置とを備えている。照射装置は、例えば図１５に示すように、照射光Ｌ１’を出力する。図１５の例示では、照射光Ｌ１’の強度が矩形波となるように、その強度が変調されている。この照射光Ｌ１’は測定対象で反射し、反射した光が受光装置によって受光される。よって、この受光装置の検出値（反射光Ｌ２’）は、照射装置で照射された照射光Ｌ１’よりも遅れる。より具体的には、反射光Ｌ２’は、測定対象までの距離に応じた時間（以下、遅れ時間と呼ぶ）ｔだけ、遅れる。

【0003】

よって、この遅れ時間ｔを算出することで、測定対象までの距離を算出することができる。そこで、この遅れ時間ｔを算出すべく、次で説明する期間Ｔ１’，Ｔ２’における受光量（反射光量とも呼ぶ）Ａ１’，Ａ２’を、受光装置を用いて取得する。期間Ｔ１’は例えば照射光Ｌ１’が立ち上がる時点から立ち下がる時点までの期間であり、期間Ｔ２’は、期間Ｔ１’と同じ長さ（以下、期間長さとも呼ぶ）ΔＴ’を有し、期間Ｔ１’に続く期間である。

【0004】

図１５から理解できるように、反射光量Ａ２’は、遅れ時間ｔに応じた値を採り、遅れ時間ｔが長いほど大きな値を採る。しかも、反射光量Ａ１’，Ａ２’の和は、期間長さΔＴ’に応じた値を採る。よって、遅れ時間ｔと期間長さΔＴ’との比は、反射光量Ａ２’と、反射光量Ａ１’，Ａ２’の和との比と等しい。よって、以下の式を用いて、遅れ時間ｔを算出することができる。

【0005】

ｔ＝ΔＴ’・Ａ２’／（Ａ１’＋Ａ２’） ・・・（１）

【0006】

また、本発明に関連する技術として、特許文献１〜５が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第４２３５７２９号公報

【特許文献2】特許第３８４０３４１号公報

【特許文献3】特許第３７５８６１８号公報

【特許文献4】特許第３９０６８５８号公報

【特許文献5】米国特許２０１３００５６７０８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、照射光Ｌ１’の強度を完全な矩形波と一致させることは難しい。実際には、例えば図１６に示すように、照射光Ｌ１’の強度は、時間の経過と共に徐々に立ち上がり、一定値を採った後で、時間の経過と共に徐々に立ち下がる。この照射光Ｌ１’の立ち上がりの傾斜の程度、および、立ち下がりの傾斜の程度は、照射装置の種類、または、製造バラツキなどに依存する。図１６の例示では、立ち上がりの傾斜の程度と、立ち下がりの傾斜の程度とは互いに異なっている。

【0009】

図１７に示すように、反射光Ｌ２’の立ち上がり、および、立ち下がりも、照射光Ｌ１’に依存して傾斜する。よってこのとき、反射光量Ａ１’，Ａ２’の和は、期間長さΔＴ’に対応する矩形波の反射光Ｌ２’の反射光量とは一致しない。

【0010】

そこで、期間長さΔＴ’に対応する反射光Ｌ２’の反射光量を取得すべく、図１７に示すように、３つの期間Ｔ１’〜Ｔ３’を設定することを考える。なおこの考えは、従来技術ではなく、本願によって開示される新しい考えである。

【0011】

期間Ｔ１’〜Ｔ３’は互いに同じ期間長さΔＴ’を有する。期間Ｔ１’は、照射光Ｌ１’が立ち上がり始める時点から始まり、期間Ｔ２’は、照射光Ｌ１’が立ち下がり始める時点から始まる。期間Ｔ３’は、期間Ｔ１’，Ｔ２’の間の期間である。

【0012】

反射光Ｌ２’は期間Ｔ３’において常に高い値を採るので、期間Ｔ３’における反射光量Ａ３’は、期間長さΔＴ’に対応する反射光Ｌ２’の反射光量に相当する。

【0013】

よって、遅れ時間ｔを以下の式を用いて算出できる。

【0014】

ｔ＝ΔＴ’・Ａ２’／Ａ３’ ・・・（２）

【0015】

しかしながら、反射光量Ａ２’には、遅れ時間ｔに依存する第１部分ａ２１と、遅れ時間ｔには依存せずに、反射光Ｌ２の立ち下がりに依存する第２部分ａ２２とが含まれる。この第２部分ａ２２は、式（２）を用いて算出した遅れ時間ｔの誤差を招く。この第２部分ａ２２は、反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜が緩やかであるほど大きいので、傾斜が緩やかであるほど、誤差は大きい。

【0016】

また反射光量Ａ３’から反射光量Ａ１’を減算した部分Ａ３１’（＝Ａ３’−Ａ１’）は、反射光量Ａ２’と同様に、遅れ時間ｔにも依存する。よって、遅れ時間ｔを以下の式を用いて算出できる。

【0017】

ｔ＝ΔＴ’・（Ａ３’−Ａ１’）／Ａ３’ ・・・（３）

【0018】

なお、部分Ａ３１’には、遅れ時間ｔに依存する第１部分ａ３１と、遅れ時間ｔには依存せずに、反射光Ｌ２’の立ち上がりに依存する第２部分ａ３２とが含まれる。よって式（３）を用いて算出した遅れ時間ｔには、反射光Ｌ２’の立ち上がりに起因する誤差が含まれる。この第２部分ａ３２は、反射光Ｌ２’の立ち上がりの傾斜が緩やかであるほど大きいので、立ち上がりの傾斜が緩やかであるほど、誤差は大きい。

【0019】

さて、反射光Ｌ２’の立ち上がりの程度、および、立ち下がりの程度は、照射装置および受光装置の種類に依存する。また、照射装置および受光装置の製造バラツキによっても、これらは異なる。

【0020】

そして、例えば図１７に示すように、反射光Ｌ２’の立ち上がりの傾斜が反射光Ｌ２’の立ち下がりの傾斜よりも急峻である場合には、式（３）による誤差は、式（２）による誤差よりも小さい。しかしながら、その逆に、反射光Ｌ２’の立ち上がりの傾斜が反射光Ｌ２’の立ち下がりの傾斜よりも緩やかである場合には、式（３）による誤差は、式（２）による誤差よりも大きくなる。

【0021】

このように、式（２）または式（３）を用いた場合には、照射装置および受光装置によっては、大きな誤差を招くことになる。

【0022】

そこで、本発明は、誤差の最悪値を回避できる距離測定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】

【0023】

本発明にかかる距離測定装置の第１の態様は、照射光の強度を変調しながら、測定対象へと前記照射光（Ｌ１）を照射する照射装置（３）と、前記照射光のうち前記測定対象で反射した光を、反射光（Ｌ２）として受光する受光素子（１）と、いずれもが同じ期間長さΔＴを有する期間であって、前記照射光が立ち上がり始める時点に対して所定の時間差で始まる第１期間（Ｔ１）、前記照射光が立ち下がり始める時点に対して前記時間差で始まる第２期間（Ｔ２）、および、前記第１期間と前記第２期間との間の第３期間（Ｔ３）において、それぞれ、前記反射光を受光して得られる第１反射光量ａ１、第２反射光量ａ２、および、第３反射光量ａ３を用いて、ΔＴ・（ａ３−ａ１＋ａ２）／（２・ａ３）で表される式に基づいて時間を算出し、前記時間に基づいて、前記測定対象までの距離を算出する算出部（２４）とを備える。

【0024】

本発明にかかる距離測定装置の第２の態様は、第１の態様にかかる距離測定装置であって、前記受光素子（１）は、前記反射光と、前記照射光を光源としない周囲光とを受光し、前記算出部（２４）は、前記受光素子がそれぞれ前記第１期間（Ｔ１）から前記第３期間（Ｔ３）において受光する第１受光量Ａ１から第３受光量Ａ３と、前記受光素子が、前記第１期間から前記第３期間と同じ期間長さΔＴを有し、前記反射光の強度が零である第４期間（Ｔ４）において、受光する第４受光量Ａ４とを用いて、ΔＴ・（Ａ３−Ａ１＋Ａ２−Ａ４）／｛２・（Ａ３−Ａ４）｝で表される式に基づいて前記時間を算出する。

【0025】

本発明にかかる距離測定装置の第３の態様は、第２の態様にかかる距離測定装置であって、前記時間の算出前に、前記時間と前記期間長さとの長短を推定する推定部（２５）を更に備え、前記受光素子は、前記反射光と、前記照射光を光源としない周囲光とを受光し、前記算出部は、前記受光素子がそれぞれ前記第１期間から前記第３期間において受光する第１受光量Ａ１から第３受光量Ａ３と、前記受光素子が、前記第１期間から前記第３期間と同じ期間長さΔＴを有し、前記第２期間の後の第４期間において、受光する第４受光量Ａ４とを用いて、前記時間が前記期間長さよりも短いと推定されるときに、ΔＴ・（Ａ３−Ａ１＋Ａ２−Ａ４）／｛２・（Ａ３−Ａ４）｝で表される式に基づいて前記時間を算出し、前記時間が前記期間長さよりも長く、前記期間長さの２倍よりも短いと推定されるときに、ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２−Ａ３＋Ａ４−Ａ１）／｛２・（Ａ２−Ａ１）｝で表される式に基づいて前記時間を算出する。

【0026】

本発明にかかる距離測定装置の第４の態様は、第３の態様にかかる距離測定装置であって、前記推定部（２４）は、前記第３受光量（Ａ３）が前記第２受光量（Ａ２）よりも大きいとき、または、前記第１受光量（Ａ１）が前記第４受光量（Ａ４）よりも大きいときに、前記時間が前記期間長さよりも短いと推定し、前記第３受光量（Ａ３）が前記第２受光量（Ａ２）よりも小さいとき、または、前記第１受光量（Ａ１）が前記第４受光量（Ａ４）よりも小さいときに、前記時間が前記期間長さよりも長いと推定する。

【0027】

本発明にかかる距離測定装置の第５の態様は、第３または第４の態様にかかる距離測定装置であって、前記算出部は、前記時間が前記期間長さよりも長く、前記期間長さの２倍よりも短いと推定されるときに、ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２−Ａ３＋Ａ４−Ａ１）／｛２・（Ａ２−Ａ１）｝で表される式に基づいて前記時間を算出し、前記時間が前記期間長さの２倍よりも長いと推定されるときに、２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ４−Ａ２）／（Ａ４−Ａ１）もしくは、２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ４−Ａ２）／（Ａ４−Ａ３）で表される式に基づいて前記時間を算出する。

【0028】

本発明にかかる距離測定装置の第６の態様は、第５の態様にかかる距離測定装置であって、前記推定部は、前記第４受光量（Ａ４）が前記第２受光量（Ａ２）よりも小さいときに、前記時間が前記期間長さの２倍よりも短いと推定し、前記第４受光量（Ａ４）が前記第２受光量（Ａ２）よりも大きいときに、前記時間が前記期間長さの２倍よりも長いと推定する。

【0029】

本発明にかかる距離測定装置の第７の態様は、第２から第６のいずれか一つの態様にかかる距離測定装置であって、第１から第４のコンデンサ（Ｃ１〜Ｃ４）と、前記受光素子（Ｐｋ）と、前記第１から前記第４のコンデンサとの間の導通／非導通をそれぞれ選択する第１から第４のスイッチ（Ｓ１〜Ｓ４）と、前記第１期間から前記第４期間において、それぞれ前記第１から前記第４のスイッチをオンすることで、前記第１から前記第４のコンデンサにそれぞれ前記第１受光量から前記第４受光量に応じた電圧を充電させる制御部（１３）とを更に備える。

【0030】

本発明にかかる距離測定装置の第８の態様は、第２から第６のいずれか一つの態様にかかる距離測定装置であって、前記照射装置（３）は、略矩形波の前記照射光を少なくとも４回繰り返し照射し、前記距離測定装置は、コンデンサ（Ｃ１）と、前記受光素子（Ｐｋ）と、前記コンデンサとの導通／非導通を選択するスイッチ（Ｓ１）と、前記照射光についての第１照射周期内の前記第１期間において前記スイッチをオンして前記第１受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第２照射周期内の前記第２期間において前記スイッチをオンして、前記第２受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第３照射周期内の前記第３期間において前記スイッチをオンして、前記第３受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させ、前記放電部を用いて前記コンデンサを放電した後で、第４照射周期内の前記第４期間において前記スイッチをオンして、前記第４受光量に応じた電圧を前記コンデンサに充電させる制御部（１３）とを更に備える。

【0031】

本発明にかかる距離測定装置の第９の態様は、第１の態様にかかる距離測定装置であって、前記照射装置は、略矩形波の前記照射光を繰り返して出力し、前記照射光についての複数回の照射周期のそれぞれに対する前記第３期間において、前記反射光を積算して受光することで得られる第４反射光量が、所定の基準値を超えたときに、前記第４反射光量を前記第３反射光量と把握し、前記第４反射光量が前記基準値を超えたときの回数の前記照射周期のそれぞれに対する前記第１期間において、前記反射光を積算して受光することで前記第１反射光量を取得し、前記回数の前記照射周期のそれぞれに対する前記第２期間において、前記反射光を積算して受光することで前記第２反射光量を取得する。

【発明の効果】

【0032】

本発明にかかる距離測定装置の第１の態様によれば、第３反射光量ａ３と第１反射光量ａ１との差（ａ３−ａ１）と第２反射光量との平均値と、第３反射光量ａ３との比が、算出する時間と期間長さΔＴとの比と等しいという関係式を用いて、当該時間を算出している。したがって、当該時間についての誤差も、差（ａ３−ａ１）に起因する誤差と、第２反射光に起因する誤差との平均にすることができる。これにより、誤差の最悪値を回避することができる。

【0033】

本発明にかかる距離測定装置の第２の態様によれば、受光素子が周囲光も受光する場合であっても、この周囲光の影響を抑制して時間を算出できる。

【0034】

本発明にかかる距離測定装置の第３の態様によれば、測定距離を伸ばすことができる。

【0035】

本発明にかかる距離測定装置の第４の態様によれば、受光量の比較により推定しているので、推定が容易である。

【0036】

本発明にかかる距離測定装置の第５の態様によれば、測定距離を更に伸ばすことができる。

【0037】

本発明にかかる距離測定装置の第６の態様によれば、受光量の比較により推定しているので、推定が容易である。

【0038】

本発明にかかる距離測定装置の第７の態様によれば、第１の態様にかかる距離測定装置の実現に資する。

【0039】

本発明にかかる距離測定装置の第８の態様によれば、コンデンサとスイッチの個数を低減して、第１期間から第４期間における第１受光量から第４受光量に応じた電圧を、コンデンサに充電させることができる。

【0040】

本発明にかかる距離測定装置の第９の態様によれば、照射回数を適切に設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0041】

【図1】距離測定装置の概念的な構成の一例を示す図である。

【図2】受光素子群の概念的な構成の一例を示す図である。

【図3】照射光と、受光素子が受光する光との一例を模式的に示す図である。

【図4】照射光と、受光素子が受光する光との一例を模式的に示す図である。

【図5】距離測定装置の概念的な構成の一例を示す図である。

【図6】照射光と、受光素子が受光する光との一例を模式的に示す図である。

【図7】照射光と、受光素子が受光する光との一例を模式的に示す図である。

【図8】照射光と、受光タイミングとの一例を模式的に示す図である。

【図9】一つの受光素子に相当する部分の概念的な一例を示す図である。

【図10】一つの受光素子に相当する部分の概念的な一例を示す図である。

【図11】照射光と、受光タイミングとの一例を模式的に示す図である。

【図12】照射光と、受光タイミングとの一例を模式的に示す図である。

【図13】一つの受光素子に相当する部分の概念的な一例を示す図である。

【図14】照射光と、受光タイミングと、コンデンサの両端電圧との一例を模式的に示す図である。

【図15】照射光と、反射光との一例を模式的に示す図である。

【図16】照射光と、反射光との一例を模式的に示す図である。

【図17】照射光と、反射光との一例を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0042】

第１の実施の形態．
＜１．距離測定装置の全体構成＞
図１は、本実施の形態にかかる距離測定装置の一例たる距離画像センサの概念的な構成の一例を示す図である。本距離画像センサは、受光装置１と、制御演算装置２と、照射装置３とを備える。

【0043】

照射装置３は、照射光Ｌ１の強度を調整（変調）しながら、この照射光Ｌ１を測定対象へと照射する。照射装置３は、例えば近赤外光を出力する発光ダイオード（ＬＥＤ）である。照射光Ｌ１の強度は制御演算装置２によって制御される。

【0044】

受光装置１は受光素子群１１と受光量取得部１０とを備える。受光素子群１１は図２に例示するように複数の受光素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・を備える。受光素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・の各々は、測定対象で反射された光を反射光Ｌ２として受光する。かかる受光素子群１１としては、例えばフォトダイオード（例えばＣＣＤ（Charge-Coupled-Device）もしくはＣＭＯＳセンサ）、または、ＳＭＰＤ(Single-Carrier-Modulation-Photo-Detector)（特許文献５のイメージセンサ）などを採用することができる。特にＳＭＰＤは、高感度、高速動作、広いダイナミックレンジ、広い分光特性、製造容易性、低消費電力といった特性を有しているので、好適である。

【0045】

受光素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・は２次元に配列されており、図２の例示ではマトリックス状に配列される。以下では、受光素子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，・・・を総称して受光素子Ｐｋとも呼ぶ。

【0046】

受光量取得部１０は、各受光素子Ｐｋの受光量を取得する。例えば受光量取得部１０はタイミング制御部１２と行デコーダ１３と列デコーダ１４と相関二重サンプリング部１５と増幅部１６とＡＤ変換部１７とを備える（図１）。タイミング制御部１２は制御演算装置２からクロック信号ＣＬＫを受け取る。タイミング制御部１２はクロック信号ＣＬＫに基づいて、受光素子Ｐｋを適宜に選択すべく、行デコーダ１３および列デコーダ１４へとそれぞれ選択タイミングを通知する。行デコーダ１３は選択タイミングに基づいて受光素子Ｐｋを行ごとに適宜に選択し、列デコーダ１４は選択タイミングに基づいて受光素子Ｐｋを列ごとに適宜に選択する。

【0047】

選択された受光素子Ｐｋの受光量は相関二重サンプリング部１５に出力される。相関二重サンプリング部１５は公知のように受光量のノイズを抑えて当該受光量を増幅部１６へと出力する。この相関二重サンプリング部１５も、タイミング制御部１２によってタイミング制御される。増幅部１６は入力された受光量を増幅してＡＤ変換部１７へと出力する。ＡＤ変換部１７は入力された受光量をアナログデータからデジタルデータに変換して、制御演算装置２へと出力する。

【0048】

制御演算装置２は記録部２３を有しており、各受光素子Ｐｋの受光量は例えば記録部２３に記録される。

【0049】

制御演算装置２は、照射装置３の照射光Ｌ１の変調と、受光装置１における受光素子Ｐｋの受光量の取得タイミングとを制御するとともに、取得した受光量に基づいて、受光素子Ｐｋごとに測定対象までの距離を算出する。これにより、制御演算装置２は距離画像データを生成することができる。

【0050】

なお本実施の形態では、受光装置１は複数の受光素子Ｐｋを有しているものの、必ずしもこれに限らない。一つの受光素子Ｐｋのみを有していても良い。第１〜第３の実施の形態では、一つの受光素子Ｐｋを用いて、測定対象までの距離を測定する技術について説明する。複数の受光素子Ｐｋごとに、測定対象までの距離を測定する技術については、第４の実施の形態で述べる。

【0051】

＜２．距離測定＞
＜２−１．照射光＞
制御演算装置２は、照射制御部２２を有している。照射制御部２２は、照射装置３の照射光Ｌ１の強度を変調する。より詳細には、照射制御部２２は例えば矩形波の電圧を生成し、この電圧を電流に変換した後に、その電流を制御信号として照射装置３へと出力する。照射装置３は、矩形波の制御信号に応じて、照射光Ｌ１の強度を略矩形波に変調して照射光Ｌ１を出力する。

【0052】

しかるに実際には、照射光Ｌ１の強度の形状を完全な矩形波と一致させることは困難であり、照射光Ｌ１の強度は、その立ち上がり、および、立ち下がりにおいて、傾斜する。この照射光Ｌ１の強度の立ち上がりの傾斜の程度、および、立ち下がりの傾斜の程度は、照射装置３の種類に依存し、或いは、同じ種類であっても製造上のばらつき等により、個々の照射装置３に依存する。

【0053】

図３の例示では、照射光Ｌ１の強度の立ち上がりの傾斜は、立ち下がりの傾斜よりも緩やかである。言い換えれば、立ち上がりにおける強度の時間に対する増大率（＞０）は、立ち下がりにおける強度の時間に対する低減率（＞０）よりも小さい。なお、傾斜を見やすくするように、図３では傾斜の程度を誇張して示している。後に参照する他の図面においても同様である。

【0054】

＜２−２．受光＞
受光装置１は、照射光Ｌ１に同期した期間Ｔ１〜Ｔ４の各々において受光する。期間Ｔ１は、照射光Ｌ１が立ち上がる時点に対して所定の時間差で始まる期間であり、図３の例示では、照射光Ｌ１が立ち上がり始める時点から始まっている。期間Ｔ２は、照射光Ｌ１が立ち下がる時点に対して当該時間差で始まる期間であり、図３の例示では、照射光Ｌ１が立ち下がり始める時点から始まっている。期間Ｔ３は期間Ｔ１，Ｔ２の間の期間であり、期間Ｔ４は期間Ｔ２に続く期間である。

【0055】

期間Ｔ１〜Ｔ４は互いに同じ長さを有する期間であり、以下では、期間Ｔ１〜Ｔ４の長さを期間長さΔＴとも呼ぶ。図３の例示では、期間Ｔ１〜Ｔ４は、期間Ｔ１，Ｔ３，Ｔ２，Ｔ４の順で連続している。つまり期間Ｔ１に続いて期間Ｔ３が始まり、期間Ｔ３に続いて期間Ｔ２が始まり、期間Ｔ２に続いて期間Ｔ４が始まっている。

【0056】

制御演算装置２は、タイミング調整部２１を有しており、例えば期間Ｔ１〜Ｔ４に同期するクロック信号ＣＬＫを生成する。このクロック信号ＣＬＫは受光装置１に出力され、受光量取得部１０は、クロック信号ＣＬＫに基づいて、期間Ｔ１〜Ｔ４において受光素子Ｐｋに受光させる。一方で、クロック信号ＣＬＫは照射制御部２２にも入力される。照射制御部２２は、クロック信号ＣＬＫに基づいて、矩形波の制御電圧を生成し、照射装置３へと出力する。これにより、クロック信号ＣＬＫに基づいて、照射光Ｌ１の強度に対して期間Ｔ１〜Ｔ４が相対的に規定されることになる。

【0057】

図３の例示では、受光素子Ｐｋが受光する光Ｌ４も示されている。この光Ｌ４は、照射光Ｌ１が測定対象で反射して生じる反射光Ｌ２と、照射装置３を光源としない周囲光Ｌ３とを含んでいる。つまり、光Ｌ４は反射光Ｌ２と周囲光Ｌ３との和となる。この周囲光Ｌ３はほぼ一定であるとみなすことができるので、光Ｌ４のうち、オフセット部分が周囲光Ｌ３であり、照射光Ｌ１と相似な波形部分が反射光Ｌ２に相当する。

【0058】

図３では、照射光Ｌ１と反射光Ｌ２との間の遅れ時間ｔが、期間長さΔＴよりも短い場合が例示されている。よって反射光Ｌ２は、期間Ｔ１の途中で立ち上がり、期間Ｔ２の途中で立ち下がる。したがって、期間Ｔ１，Ｔ２に挟まれる期間Ｔ３においては、反射光Ｌ２は比較的大きい略一定値を採り、期間Ｔ２に続く期間Ｔ４においては、反射光Ｌ２はほぼ零を採る。

【0059】

受光素子Ｐｋは、期間Ｔ１〜Ｔ４において光Ｌ４をそれぞれ受光し続けて、これにより得られる受光量Ａ１〜Ａ４が、受光装置１から制御演算装置２へと出力される。

【0060】

図３の例示では、期間Ｔ４において反射光Ｌ２はほぼ零であるので、受光量Ａ４は、周囲光Ｌ３を受光して得られる受光量に相当する。よって、受光量Ａ１〜Ａ３の各々から受光量Ａ４を減算すれば、受光量Ａ１〜Ａ３から周囲光Ｌ３による受光量を除去することができる。つまり、期間Ｔ１〜Ｔ３において反射光Ｌ２を受光して得られる受光量（以下、反射光量と呼ぶ）ａ１〜ａ３を、算出することができる。

【0061】

反射光量ａ２は、遅れ時間ｔが長いほど大きくなり、遅れ時間ｔを反映している。しかるに反射光量ａ２は、反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜の程度によっても増減する。より具体的には、遅れ時間ｔが変わらなくても、反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜が緩やかになるほど、反射光量ａ２は増大する。

【0062】

反射光量ａ３と反射光量ａ１との差（ａ３−ａ１）も、遅れ時間ｔが長いほど大きくなり、遅れ時間ｔを反映している。しかるに差（ａ３−ａ１）は、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜の程度によっても、増減する。より具体的には、遅れ時間ｔが変わらなくても、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜が緩やかになるほど、差（ａ３−ａ１）は増大する。

【0063】

本実施の形態では、いずれも遅れ時間ｔを反映する反射光量ａ２および差（ａ３−ａ１）の平均値を算出する。そして、この平均値と反射光量ａ３との比が、遅れ時間ｔと期間長さΔＴとの比と等しいと仮定して、遅れ時間ｔを算出する。ここでは算出する遅れ時間ｔを遅れ時間ｔ’と呼ぶ。遅れ時間ｔ’は以下の式で表すことができる。

【0064】

ｔ’＝ΔＴ・（ａ３−ａ１＋ａ２）／（２・ａ３） ・・・（４）

【0065】

受光量Ａ１〜Ａ４を用いて式（４）を表すと、次式が導かれる。

【0066】

ｔ’＝ΔＴ・（Ａ３−Ａ１＋Ａ２−Ａ４）／｛２・（Ａ３−Ａ４）｝ ・・・（５）

【0067】

制御演算装置２は算出部２４を有しており、算出部２４は式（４）または式（５）を用いて遅れ時間ｔ’を算出する。ただし、式（４）または式（５）で算出される遅れ時間ｔ’は、厳密にいえば遅れ時間ｔとは相違する。なぜなら、上述したように、反射光量ａ２は反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜の程度によっても増減し、差（ａ３−ａ１）は反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜の程度によっても増減するのに対して、遅れ時間ｔはこれらの傾斜に依存しないからである。

【0068】

そこで遅れ時間ｔ’について更に考察する。式（４）を変形すると、次式が導かれる。

【0069】

ｔ’＝１／２・｛ΔＴ・（ａ３−ａ１）／ａ３＋ΔＴ・ａ２／ａ３｝・・・（６）

【0070】

右辺の中括弧内の第１項は、図３の時間ｔ１に相当する。時間ｔ１は、期間Ｔ１の始期から、反射光Ｌ２の立ち上がりの中央時点までの時間である。同様に、右辺の括弧内の第２項は図２の時間ｔ２に相当する。時間ｔ２は、期間Ｔ２の始期から、反射光Ｌ２の立ち下がりの中央時点までの時間である。よって式（６）は次式に変形できる。

【0071】

ｔ’＝（ｔ１＋ｔ２）／２ ・・・（７）

【0072】

つまり、第１の実施の形態では、反射光Ｌ２の立ち上がり側の反射光量ａ１を用いて求まる時間ｔ１と、反射光Ｌ２の立ち下がり側の反射光量ａ２を用いて求まる時間ｔ２との平均値を算出しているのである。

【0073】

＜２−３．比較例＞
比較のために、反射光Ｌ２の立ち下がり側の反射光量ａ２を用いずに、反射光Ｌ２の立ち上がり側の反射光量ａ１のみを用いて、遅れ時間ｔを算出すべく、以下の式を用いることを想定する。

【0074】

ｔ１＝ΔＴ・（ａ３−ａ１）／ａ３ ・・・（８）

【0075】

式（８）は式（３）と同じ式である。このように算出される時間ｔ１は、上述したように、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜の程度に依存して増減するのに対して、遅れ時間ｔは依存しない。そして、図３から理解できるように、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜がゆるやかになるほど、時間ｔ１はより大きな値を採る。つまり、誤差が大きくなる。

【0076】

また、逆に、反射光Ｌ２の立ち上がり側の反射光量ａ１を用いずに、反射光Ｌ２の立ち下がり側の反射光量ａ２のみを用いて、遅れ時間ｔを算出すべく、以下の式を用いることを想定する。

【0077】

ｔ２＝ΔＴ・ａ２／ａ３ ・・・（９）

【0078】

式（９）は式（２）と同じ式である。このように算出される時間ｔ２は、反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜の程度に依存して増減するのに対して、遅れ時間ｔは依存しない。そして、図３から理解できるように、反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜がゆるやかになるほど、時間ｔ２はより大きな値を採る。つまり、誤差が大きくなる。

【0079】

図３の例示では、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜は反射光Ｌ２の立ち下がりの傾斜よりも緩やかであるので、式（９）を用いて算出した時間ｔ２は遅れ時間ｔに近い値を採り、式（８）を用いて算出した時間ｔ１は遅れ時間ｔから遠い値を採る。つまり式（９）を用いて算出するほうが、誤差は小さい。

【0080】

しかしながら、反射光Ｌ２の立ち上がりの傾斜と立ち下がりの傾斜との関係（どちらが緩やかであるかの関係）は、図３に限らない。上述したように、照射光Ｌ１の立ち上がりの傾斜の程度および立ち下がりの傾斜の程度は、照射装置３の種類に依存し、また同じ種類であっても製造バラツキにより個々の照射装置３に依存するからである。

【0081】

しかも、光Ｌ４の立ち上がりの傾斜の程度および立ち下がりの傾斜の程度は、照射光Ｌ１のみならず、受光装置１の種類にも依存し、また同じ種類であっても製造バラツキにより個々の照射装置３にも依存する。よって、反射光Ｌ２の立ち上がりの程度および立ち下がりの程度は、照射装置３および受光装置１に依存することになる。

【0082】

したがって、例えば式（９）のみを用いれば、採用する照射装置３と受光装置１によっては、算出した時間ｔ１が遅れ時間ｔに近い値を採り、誤差が小さい場合があるものの、その逆に誤差が大きい場合もある。式（８）のみを用いた場合も同様である。

【0083】

しかるに、本第１の実施の形態では、時間ｔ１，ｔ２の平均値を時間ｔ’として算出している。したがって、どのような照射装置３と受光装置１とを採用したとしても、誤差の最悪値を回避することができるのである。

【0084】

＜２−４．距離＞
算出部２４は、算出した遅れ時間ｔ’に基づいて測定対象までの距離Ｒを算出する。遅れ時間ｔ’は、照射光Ｌ１が、照射装置３から測定対象まで到達し、当該測定対象から受光装置１まで到達するのに要する時間である。よって、例えば測定対象から受光装置１までの距離と、測定対象から照射装置３までの距離とが互いに等しいと仮定すると、この距離Ｒは、光速ｃを用いて次式で算出される。

【0085】

Ｒ＝ｃ・ｔ’／２ ・・・（１０）

【0086】

＜３．変形例＞
上述の例では、期間Ｔ１は照射光Ｌ１が立ち上がり始める時点から始まっている。しかしながら、図４に示すように、期間Ｔ１は、当該時点から予め定められた時間差Δｔの分、遅れて始まっても構わない。この場合、式（４）又は式（５）の右辺で算出した時間に、時間差Δｔを加算して、遅れ時間ｔ’を算出すればよい。これを定式化すると、次式が導かれる。

【0087】

ｔ’＝Δｔ＋ΔＴ・（ａ３−ａ１＋ａ２）／（２・ａ３） ・・・（１１）
ｔ’＝Δt+ΔT・(A3-A1+A2-A4)/{2・(A3-A4)} ・・・（１２）

【0088】

なお、第１実施の形態では、期間Ｔ４の受光量Ａ４を用いて周囲光Ｌ３の影響を除去しているものの、必ずしもこれに限らない。例えば周囲光Ｌ３を除去しつつ受光することができる受光装置１を採用する場合には、受光装置１は期間Ｔ１〜Ｔ３において反射光量ａ１〜ａ３を取得できるので、受光装置１は期間Ｔ４において受光する必要はない。

【0089】

第２の実施の形態．
図３を参照して説明したように、期間Ｔ１〜Ｔ４が設定されている場合について考慮する。遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いときには、式（４）又は式（５）を用いても、適切に遅れ時間ｔ’を算出することができない。よって、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも短いときには、距離を算出できない。言い換えれば、測定可能な距離が、例えばｃ・ΔＴ／２とほぼ等しい値に制限される。そこで、第２の実施の形態では、期間Ｔ４における受光量Ａ４の受光を前提として、測定可能な距離を伸ばすことを企図する。

【0090】

図５は、第２の実施の形態にかかる距離測定装置たる距離画像センサの概念的な構成の一例を示す図である。本距離画像センサは、制御演算装置２の構成という点で、図１の距離画像センサと相違する。制御演算装置２は第１の実施の形態と比較して推定部２５を更に有している。

【0091】

推定部２５は、遅れ時間ｔ’の算出前に、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いか否かを推定する。この推定は、受光量の大小関係を判断することで行なうことができる。以下に詳細に説明する。

【0092】

遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも短い場合には、図３に示すように、例えば受光量Ａ３は受光量Ａ２よりも大きい。またこのとき、受光量Ａ１は受光量Ａ４よりも大きい。一方で、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長い場合には、図６に示すように、例えば受光量Ａ３は受光量Ａ２よりも小さく、受光量Ａ１は受光量Ａ４よりも小さい。

【0093】

したがって、受光量Ａ２，Ａ３の大小関係、もしくは、受光量Ａ１，Ａ４の大小関係に基づいて、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いかどうかを容易に推定することができる。そこで、推定部２５は、受光量Ａ２，Ａ３との大小関係もしくは受光量Ａ１，Ａ４の大小関係を判断する。この大小関係の判断は、例えば周知の比較器を用いて行なうことができる。そして推定部２５は、受光量Ａ３が受光量Ａ２よりも大きい、もしくは、受光量Ａ１が受光量Ａ４よりも大きいと判断したときに、遅れ時間ｔ’が期間長さΔｔよりも短いと推定する。このとき、算出部２４は、第１の実施の形態と同様にして、式（５）を用いて遅れ時間ｔ’を算出する。

【0094】

他方、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いと推定部２５が推定したときには、算出部２４は、以下で説明するように遅れ時間ｔ’を算出する。

【0095】

遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いときには、図６に例示するように、期間Ｔ１において光Ｌ４は常に小さな値を採っている。つまり、期間Ｔ１における受光量Ａ１には、反射光Ｌ２による受光量が含まれず、受光量Ａ１は周囲光Ｌ３による受光量である。よって、各期間Ｔ２〜Ｔ４における受光量Ａ２〜Ａ４の各々から受光量Ａ１を減算することで、各期間Ｔ２〜Ｔ４において、周囲光Ｌ３の影響を除去した受光量を得ることができる。

【0096】

また図６に示すように、反射光Ｌ２は、期間Ｔ３の途中で立ち上がり、期間Ｔ４の途中で立ち下がり、期間Ｔ２において常に大きな値を採っている。

【0097】

したがって、図６の受光量Ａ２，Ａ３，Ａ４は図３の受光量Ａ３，Ａ１，Ａ２に相当し、また、図６の受光量Ａ１は図３の受光量Ａ４に相当する。

【0098】

このような対応関係を考慮すると、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも大きいときには、式（５）は以下のように表現できる。

【0099】

ｔ’＝ΔＴ・（Ａ２−Ａ３＋Ａ４−Ａ１）／｛２・（Ａ２−Ａ１）｝ ・・・（１３）

【0100】

ただし、式（１３）を用いて算出される時間ｔ’は、図６の時間ｔ１，ｔ２の平均値である。つまり、期間Ｔ３の始期から、反射光Ｌ２の立ち上がりの中央時点までの時間ｔ１と、期間Ｔ４の始期から、反射光Ｌ２の立ち下がりの中央時点までの時間ｔ２との平均値である。よって、図６から理解できるように、式（１３）を用いて算出した時間に、期間長さΔＴを加算することで、遅れ時間ｔ’を算出することができる。これを定式化すると、次式が導かれる。

【0101】

ｔ’=ΔT+ΔT・(A2-A3+A4-A1)/{2・(A2-A1)} ・・・（１４）

【0102】

以上のように、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも短いと推定部２５が推定したときには、算出部２４は式（５）を用いて遅れ時間ｔ’を算出し、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いと推定部２５が推定したときには、算出部２４は、式（１４）を用いて、遅れ時間ｔ’を算出する。

【0103】

これにより、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴよりも長いときにも、遅れ時間ｔ’を適切に算出でき、測定可能な距離を、例えばｃ・ΔＴまで伸ばすことができる。

【0104】

第３の実施の形態．
第２の実施の形態では、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも長いときには、適切に遅れ時間ｔ’を算出することができない。そこで、第３の実施の形態では、測定可能な距離をさらに伸ばすことを企図する。

【0105】

第３の実施の形態にかかる距離測定装置たる距離画像センサの概念的な構成の一例は、第２の実施の形態と同様である。ただし、推定部２５は、遅れ時間ｔ’の算出前に、遅れ時間ｔが期間長さΔＴの２倍よりも長いかどうかも、推定する。

【0106】

図３，６に示すように、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも短いときには、受光量Ａ４は受光量Ａ２よりも小さいのに対して、図７に例示すように、遅れ時間ｔ’が期間長さΔｔの２倍よりも長いときには、受光量Ａ４は受光量Ａ２よりも大きい。よって、受光量Ａ２，Ａ４の大小関係の比較に基づいて、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも長いかどうかを容易に推定することができる。そこで、推定部２５は、例えば受光量Ａ２，Ａ４の大小関係も判断する。この大小関係の判断も、周知の比較器を用いて実現することができる。

【0107】

そして、受光量Ａ４が受光量Ａ２よりも小さいときに、推定部２５は遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも小さいと推定する。このとき算出部２４は、第２の実施の形態で説明したように、適宜に式（５）または式（１４）を用いて遅れ時間ｔ’を算出する。

【0108】

一方で、受光量Ａ４が受光量Ａ２よりも大きいときには、推定部２５は遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴ２の２倍よりも大きいと推定する。このとき算出部２４は以下の式のいずれかを用いて遅れ時間ｔ’を算出する。

【0109】

ｔ’＝２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２−Ａ１）／（Ａ４−Ａ１） ・・・（１５）
ｔ’＝２・ΔＴ＋ΔＴ・（Ａ２−Ａ３）／（Ａ４−Ａ３） ・・・（１６）

【0110】

式（１５）および式（１６）の右辺の第２項は、図７の時間ｔ１に相当する。時間ｔ１は、期間Ｔ２の始期から、反射光Ｌ２の立ち上がりの中央時点までの時間である。

【0111】

つまり、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも長いときには、時間ｔ１，ｔ２の平均値を用いずに、時間ｔ１をそのまま用いている。よって、このとき第１の実施の形態で説明した効果は招来しない。要するに、第３の実施の形態では、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの２倍よりも長いときには、精度を犠牲にして、測定可能な距離を伸ばしているのである。このとき、測定可能な距離は、例えばｃ・ΔＴ・３／２まで伸ばすことができる。

【0112】

なお、遅れ時間ｔ’が期間長さΔＴの３倍よりも長いときには、受光量Ａ１〜Ａ３は全て同じ値を採るので、式（１５）および式（１６）を用いれば遅れ時間ｔ’は零となる。よって算出した遅れ時間ｔ’がほぼ零とみなせる場合には、制御演算装置２は、距離を測定できないと判断してもよい。

【0113】

第４の実施の形態．
第１から第３の実施の形態では、一つの受光素子Ｐｋで得られる受光量Ａ１〜Ａ４を用いて、距離を算出する場合について説明した。第４の実施の形態では、第１から第３の実施の形態で説明した距離Ｒの算出方法を、複数の受光素子Ｐｋに対して適用する方法について説明する。

【0114】

ここでは、複数の受光素子Ｐｋは、図２に示すように、マトリックス状に配置されている。図１および図５も参照して、複数の受光素子Ｐｋは、行デコーダ１３によって、行毎に選択され、列デコーダ１４によって、選択された受光素子Ｐｋの受光量が列毎に相関二重サンプリング部１５へと送られる。

【0115】

さてここでは、受光素子Ｐｋごとに受光量Ａ１〜Ａ４を取得する必要がある。そして、１回の略矩形波状の照射光Ｌ１を用いて、全ての受光素子Ｐｋの受光量Ａ１〜Ａ４を取得することは困難であるので、照射装置３は繰り返し略矩形波状の照射光Ｌ１を照射する。以下では、照射光Ｌ１の周期を照射周期とも呼ぶ。

【0116】

そして、例えば受光素子Ｐｋの各々に対して、４つのゲート電極と、これら４つのゲート電極に対応する感度部とを設ける。この感度部は、対応するゲート電極に電圧が印加されることで、受光する光に応じた量の電荷を蓄積する。このような受光素子ＰｋはいわゆるＣＣＤを採用して製造することができる。

【0117】

図８は、照射光Ｌ１と、ゲート電極に印加されるゲート電圧Ｖ１〜Ｖ４の一例を模式的に示している。行デコーダ１３は、照射周期Ｔ１１において、例えば受光素子Ｐｋの第１行を選択し、期間Ｔ１〜Ｔ４において、選択された受光素子Ｐｋのゲート電極にそれぞれゲート電圧Ｖ１〜Ｖ４を印加する。これにより、第１行の受光素子Ｐｋの各感度部には、受光量Ａ１〜Ａ４に応じた電荷が蓄積されることとなる。

【0118】

蓄えられた電荷は、列デコーダ１４によって、相関二重サンプリング部１５へと出力され、選択された受光素子Ｐｋの受光量Ａ１〜Ａ４（電荷）が、増幅部１６およびＡＤ変換部１７を介して制御演算装置２へと出力される。

【0119】

そして、次の照射周期Ｔ１２において、行デコーダ１３は、第２列の受光素子Ｐｋを選択し、照射周期Ｔ１２内の期間Ｔ１〜Ｔ４において、それぞれ第２列の受光素子Ｐｋのゲート電極にそれぞれゲート電圧Ｖ１〜Ｖ４を印加する。これにより、第２列の受光素子Ｐｋの各感度部には、受光量Ａ１〜Ａ４に応じた電荷が蓄積されることになる。

【0120】

蓄えられた電荷は、列デコーダ１４によって、相関二重サンプリング部１５へと出力され、選択された受光素子Ｐｋの受光量Ａ１〜Ａ４（電荷）が、増幅部１６およびＡＤ変換部１７を介して制御演算装置２へと出力される。

【0121】

次の照射周期Ｔ１３，Ｔ１４，・・・においても、順次に選択すべき行を異ならせながら、上述のように受光量Ａ１〜Ａ４を制御演算装置２へと出力する。これにより、全ての受光素子Ｐｋの受光量Ａ１〜Ａ４が制御演算装置２へと出力される。

【0122】

そして、算出部２４は、受光素子Ｐｋ毎に得られた受光量Ａ１〜Ａ４を用いて、第１〜第３の実施の形態で説明したように、受光素子Ｐｋ毎に距離を算出する。

【0123】

なお上述の例では、受光素子Ｐｋごとに４つの感度部を設けているものの、これに限らない。例えば受光素子Ｐｋが例えばＳＭＰＤである場合、受光素子群１１とは異なる領域に４つのコンデンサを設けても良い。これらのコンデンサは、例えば相関二重サンプリング部１５に設けることができる。図９は、一つの受光素子Ｐｋが示されている。この一つの受光素子Ｐｋが行デコーダ１３によって選択されると、受光する光に応じて、ＩＶ変換部１８へと電流を流す。ＩＶ変換部１８は、入力された電流を電圧に変換して、相関二重サンプリング部１５へと出力する。

【0124】

相関二重サンプリング部１５には、受光量用の、４つのスイッチＳ１〜Ｓ４と、４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４とが設けられている。スイッチＳ１〜Ｓ４は例えばタイミング制御部１２によって制御される。よってタイミング制御部１２を、スイッチＳ１〜Ｓ４を制御する制御部と把握することができる。

【0125】

スイッチＳ１およびコンデンサＣ１は互いに直列に接続されており、スイッチＳ１がオンすると、ＩＶ変換部１８からの電圧がコンデンサＣ１に充電される。スイッチＳ２およびコンデンサＣ２、スイッチＳ３およびコンデンサＣ３、並びに、スイッチＳ４およびコンデンサＣ４も同様である。

【0126】

この４つのスイッチＳ１〜Ｓ４のうち一つのみが、期間Ｔ１〜Ｔ４の各々において、オンする。また期間Ｔ１〜Ｔ４においてオンするスイッチは互いに異なる。これにより、各コンデンサＣ１〜Ｃ４には、それぞれ受光量Ａ１〜Ａ４に応じた電圧が充電される。

【0127】

これら４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧は、それぞれスイッチＳ１０を介して、増幅部１６に入力される。スイッチＳ１０は、例えばタイミング制御部１２によって制御され、コンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧のうちいずれか一つを、選択的に増幅部１６へと入力させる。

【0128】

また相関二重サンプリング部１５には、リセット用の、スイッチＳ０およびコンデンサＣ０が設けられている。このスイッチＳ０は例えばタイミング制御部１２によって制御され、例えばＩＶ変換部１８がリセット状態のときにオンする。よってリセット用のコンデンサＣ０には、受光素子Ｐｋが光を受光していないときに流れる電流によって、電圧が充電される。このリセット用のコンデンサＣ０の電圧は、スイッチＳ１０を介して、増幅部１６に入力される。

【0129】

増幅部１６は差動アンプであり、コンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧のうちいずれか一つの電圧が選択的に入力され、またコンデンサＣ０の電圧が入力される。増幅部１６は、各コンデンサＣ１〜Ｃ４のいずれか一つの電圧から、コンデンサＣ０の電圧を減算して、その結果を増幅して出力する。これにより、ＩＶ変換部１８のオフセットバラツキによる影響を除去することができる。

【0130】

増幅部１６からの出力はＡＤ変換部１７に入力される。ＡＤ変換部１７は、入力されるアナログ値（コンデンサの電圧）をデジタル値に変換して、これを制御演算装置２へと出力する。

【0131】

かかる構造によれば、上述したゲート電極と感度部に相当する部分を、スイッチＳ１〜Ｓ４およびコンデンサＣ１〜Ｃ４として機能させていているのである。この構造による動作の一例は図８と同様であり、ゲート電圧Ｖ１〜Ｖ４をスイッチＳ１〜Ｓ４のスイッチ信号とみなせばよい。

【0132】

これによっても、制御演算装置２は、受光素子Ｐｋ毎に、受光量Ａ１〜Ａ４を受け取ることができる。しかも、受光素子Ｐｋごとに４つのゲート電極を設ける必要がないので、製造コストを低減することができる。

【0133】

図９の例示では、４つのスイッチＳ１〜Ｓ４と４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４が設けられているものの、一つのスイッチと一つのコンデンサとが設けられても良い。この一つのコンデンサは、例えば相関二重サンプリング部１５に設けることができる。図１０は、一つの受光素子Ｐｋが示されている。相関二重サンプリング部１５には、受光量用の、一つのスイッチＳ１と、一つのコンデンサＣ１とが設けられている。また相関二重サンプリング部１５には、図９と同様に、リセット用の、スイッチＳ０およびコンデンサＣ０が設けられている。

【0134】

図１１は、タイミングチャートの一例を示す図である。かかる構造において、照射制御部２２は、照射装置３を制御して、略矩形波状の照射光Ｌ１を繰り返し照射させる。そして、略矩形波状の照射光Ｌ１を照射するごとに、それぞれ、受光量Ａ１〜Ａ４のいずれかに応じた電圧を、コンデンサＣ１に充電させる。例えば最初の照射周期Ｔ１１内の期間Ｔ１において、スイッチＳ１をオンする。これにより、受光量用のコンデンサＣ１には受光量Ａ１に応じた電圧が充電される。

【0135】

なおここでは、受光素子Ｐｋの列ごとに、スイッチＳ１とコンデンサＣ１とが設けられている。そして、行デコーダ１３によって選択された受光素子Ｐｋの受光量Ａ１に応じた電圧が、それぞれに対応するコンデンサＣ１に充電される。

【0136】

これらの電圧は、増幅部１６およびＡＤ変換部１７を介して、受光量Ａ１として制御演算装置２に出力される。これにより、行デコーダ１３によって選択された受光素子Ｐｋの受光量Ａ１をそれぞれ取得することができる。そして、この電圧が制御演算装置２に出力された後に、コンデンサＣ１に充電された電圧を、放電部１５１を用いて放電する。放電部１５１は例えば互いに直列に接続された放電用スイッチと抵抗とを有し、この直列接続体がコンデンサＣ１に並列に接続される。この放電用スイッチをオンすることで、コンデンサを放電させることができる。

【0137】

次の照射周期Ｔ１２では、例えば、期間Ｔ３においてスイッチＳ１をオンする。これにより、コンデンサＣ１には受光量Ａ３に応じた電圧が充電される。この電圧も、増幅部１６およびＡＤ変換部１７を介して、受光量Ａ３として制御演算装置２に出力される。これにより、行デコーダ１３によって選択された受光素子Ｐｋの受光量Ａ２をそれぞれ取得することができる。そして、コンデンサＣ１を放電する。

【0138】

同様にして、３番目の照射周期Ｔ１３および４番目の照射周期Ｔ１４において、それぞれ受光量Ａ２，Ａ４を制御演算装置２へと出力する。これにより、選択された行の受光素子Ｐｋごとに、受光量Ａ２，Ａ４を得ることができる。

【0139】

そして、受光素子Ｐｋを行毎に順次に選択し、上述のようにして各受光素子Ｐｋの受光量Ａ１〜Ａ４を制御演算装置２へと出力する。

【0140】

このような動作により、全ての受光素子Ｐｋの受光量Ａ１，Ａ３，Ａ２，Ａ４を取得することができる。したがって、受光素子Ｐｋごとに距離を算出することができる。しかもこの方法では、受光量用のスイッチおよびコンデンサがそれぞれ１つずつで足りるので、受光量用のスイッチおよびコンデンサの個数を低減することができる。

【0141】

ただし、異なる照射周期Ｔ１１〜Ｔ１４毎に受光量Ａ１〜Ａ４を得ているので、測定対象が動いていれば、算出した距離に誤差が生じやすい。一方で、図９のように４つのスイッチＳ１〜Ｓ４および４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４を設ける態様によれば、一つの照射周期において受光量Ａ１〜Ａ４を取得できるので、当該誤差を低減できる。

【0142】

なお図１１の例示では、行毎に受光量Ａ１〜Ａ４を取得している。しかるにこれに限らず、フレーム毎に受光量Ａ１〜Ａ４を得ても良い。即ち、照射周期Ｔ１１において、第１行の受光素子Ｐｋの受光量Ａ１を取得し、照射周期Ｔ１２において第２行の受光素子Ｐｋの受光量Ａ１を取得し、・・・、第Ｎの照射周期において第Ｎ行の受光素子Ｐｋの受光量Ａ１を取得する。これにより、受光量Ａ１についてのフレームデータを得ることができる。そして、第（Ｎ＋１）の照射周期から第２Ｎの照射周期において、各行の受光素子Ｐｋの受光量Ａ３を取得し、受光量Ａ３についてのフレームデータを取得する。以下、同様にして、受光量Ａ２，Ａ４についてのフレームデータを取得する。

【0143】

これによっても、受光素子Ｐｋごとに受光量Ａ１〜Ａ４を取得することができる。しかも、フレームデータを取得する従来の撮像装置の技術を流用できるので、簡単である。

【0144】

一方で、一つの行の受光素子Ｐｋについての受光量Ａ１〜Ａ４を取得した後に、次の行の受光素子Ｐｋについての受光量Ａ１〜Ａ４を取得する場合には、受光量Ａ１〜Ａ４を取得するのに要する時間が比較的短くなる。よって、上記誤差を比較的小さくすることができる。

【0145】

また、４つの受光量Ａ１〜Ａ４が取得された受光素子Ｐｋに対して、速やかに距離を算出すれば、距離を算出した受光素子Ｐｋの受光量Ａ１〜Ａ４を記録部２３から削除してもよく、あるいは他の受光素子Ｐｋの受光量Ａ１〜Ａ４を上書きしてもよい。この場合、図１１のように、行毎に受光量Ａ１〜Ａ４を取得することが望ましい。なぜなら、例えば第１行の受光素子Ｐｋについて距離を算出すれば、続けて取得される他の行の受光素子Ｐｋの受光量Ａ１〜Ａ４を上書きできるからである。これにより、必要な記憶容量を低減できる。なお、フレームデータ毎に受光量Ａ１〜Ａ４を取得する場合、全ての受光素子Ｐｋについて、受光量Ａ１〜Ａ４を記憶する必要がある。

【0146】

第５の実施の形態．
第１から第４の実施の形態では、期間Ｔ１〜Ｔ４における受光により受光量Ａ１〜Ａ４の受光量を得ている。しかるに、各期間Ｔ１〜Ｔ４のみにおける受光では、受光量Ａ１〜Ａ４が十分に取得できない可能性がある。例えば、照射光Ｌ１の強度が小さい場合、受光素子Ｐｋの感度が低い場合、或いは、測定対象の反射率が低い場合に、十分な受光量を取得できない可能性がある。

【0147】

そこで、略矩形波状の照射光Ｌ１を繰り返し照射し、複数の照射周期の各々における期間Ｔ１において、受光素子Ｐｋが光Ｌ４（或いは反射光Ｌ２）を受光し続ける。これにより、照射周期において複数周期分の受光量Ａ１を取得する。受光量Ａ２〜Ａ４についても同様である。

【0148】

図１２は、タイミングチャートの一例を示している。ここでは、図９の構造を例に挙げて説明する。照射周期Ｔ１１のうち期間Ｔ１〜Ｔ４では、それぞれスイッチＳ１〜Ｓ４をオンする。これにより、各コンデンサＣ１〜Ｃ４には受光量Ａ１〜Ａ４に応じた電圧が充電される。続く照射周期Ｔ１２のうち期間Ｔ１〜Ｔ４においても、それぞれスイッチＳ１〜Ｓ４をオンする。照射周期Ｔ１１，Ｔ１２においては、コンデンサＣ１〜Ｃ４を放電させないので、コンデンサＣ１〜Ｃ４には、照射周期において二周期分の受光量Ａ１〜Ａ４に応じた電圧が充電される。

【0149】

図１２の例示では、続く照射周期Ｔ１３，Ｔ１４でも、期間Ｔ１〜Ｔ４においてそれぞれ、スイッチＳ１〜Ｓ４をオンする。これにより、コンデンサＣ１〜Ｃ４には、４周期分の受光量Ａ１〜Ａ４に応じた電圧が充電される。

【0150】

これにより、受光量Ａ１〜Ａ４に応じた電圧を向上することができ、測定精度を向上することができる。

【0151】

上述の例では、略矩形波の照射光Ｌ１を４回照射したときに得られる受光量を用いている。しかしながら、照射回数（以下、測定照射回数と呼ぶ）は、４回に限らない。要するに、十分な受光量（或いは反射光量）を得ることができる回数であればよい。ここでは照射回数の決定方法について述べる。

【0152】

さて、図３を参照して、受光量Ａ１，Ａ２（或いは反射光量ａ１，ａ２）は遅れ時間ｔに依存するのに対して、受光量Ａ３（或いは反射光量ａ３、以下同様）（図３参照）は遅れ時間ｔに依存しない。そこで、この受光量Ａ３を用いて、照射回数（照射周期）を決定する。

【0153】

より詳細には、略矩形波の照射光Ｌ１を複数回照射する。そして、その複数の照射周期についての期間Ｔ３の各々において、反射光Ｌ２を積算して受光する。このようにして得られた受光量を、照射周期毎に、所定の基準値と比較する。得られた受光量が基準値よりも小さいときには、次の照射周期についての期間Ｔ３において反射光Ｌ２を積算して受光し、得られた受光量と基準値とを再び比較する。そして、得られた受光量が基準値を超えたときには、その照射回数を測定照射回数に決定する。

【0154】

以下に、より具体的な構成について説明する。図１３は、一つの受光素子に相当する部分の概念的な構成の一例を示す図である。図１３の例示では、図１０に比較して、比較部１９が更に設けられている。この比較部１９には、基準値Ｖｒｅｆと、コンデンサＣ１の両端電圧Ｖ１とが入力される。比較部１９は両端電圧Ｖ１と基準値Ｖｒｅｆとの大小関係を比較し、その結果を制御演算部２へと出力する。

【0155】

図１４は、タイミングチャートの一例を示している。照射制御部２２は照射装置３に略矩形波の照射光Ｌ１を繰り返し照射させる。そして、各照射周期Ｔ１１〜Ｔ１４についての期間Ｔ３の各々においてスイッチＳ１をオンする。このスイッチＳ１のオンのたびに、コンデンサＣ１の両端電圧Ｖ１は増大する。図１４の例示では、４回目の照射周期Ｔ１４において両端電圧Ｖ１（即ち４回分の受光量Ａ３に応じた両端電圧Ｖ１）が基準値Ｖｒｅｆを超える。よってこのとき、比較部１９は両端電圧Ｖ１が基準値Ｖｒｅｆを超えた旨を出力する。

【0156】

そして、これをトリガとして、４回分の受光量Ａ３に応じた両端電圧Ｖ１を、増幅器１６およびＡＤ変換部１７を介して制御演算部２へと出力する。この出力（両端電圧Ｖ１の読出し）のタイミングは、例えばタイミング制御部１２によって実行されればよい。タイミング制御部１２は例えば上述の測定照射回数を、比較部１９の結果と、クロック信号ＣＬＫとから得ることができる。

【0157】

続いて、放電部１５１を用いて両端電圧Ｖ１を放電する。その後の４回の照射周期についての期間Ｔ１において、反射光Ｌ２を積算して受光する（即ち、スイッチＳ１をオンして４回分の受光量Ａ１に応じた電圧をコンデンサＣ１に充電させる）。得られた受光量Ａ１（両端電圧Ｖ１）は、増幅器１６およびＡＤ変換部１７を介して制御演算部２へと出力される。受光量Ａ３，Ａ４についても同様である。

【0158】

以上のように、遅れ時間ｔには依存しない受光量Ａ３を用いて、測定照射回数を決定しているので、たとえ測定対象の反射率が小さいときであっても、適切に測定照射回数を設定することができ、ひいては十分な受光量を得ることができる。

【0159】

なお第１の実施の形態で述べたように、必ずしも期間Ｔ１〜Ｔ４における受光量Ａ１〜Ａ４を用いる必要はなく、受光素子Ｐｋが期間Ｔ１〜Ｔ３における反射光量ａ１〜ａ３を受光できる場合には、反射光量ａ１〜ａ３を用いればよい。

【0160】

また、受光素子Ｐｋが複数設けられている場合には、いずれかの受光素子Ｐｋについての受光量Ａ３が基準値を超えたときの照射回数を、測定照射回数に決定すればよい。全ての受光素子Ｐｋの受光量Ａ３が基準値を超えるときの照射回数を、照射測定回数に決定すると、いくつかの受光素子Ｐｋの受光量Ａ３が、受光可能な上限値を超える場合があるからである。

【符号の説明】

【0161】

１２ タイミング調整部
３ 照射装置
２４ 算出部
２５ 推定部
Ｐｋ 受光素子
ａ１〜ａ３ 反射光量
Ａ１〜Ａ４ 受光量
Ｔ１〜Ｔ４ 期間
ΔＴ 期間長さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】