特開 2024-30776 距離計測装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024030776

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】距離計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/89 20200101AFI20240229BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

G01S17/89

G01C3/06 120Q

G01C3/06 140

【審査請求】未請求

【請求項の数】22

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022133896

(22)【出願日】2022-08-25

(71)【出願人】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100110582

【弁理士】

【氏名又は名称】柴田 昌聰

(72)【発明者】

【氏名】内田 圭祐

(72)【発明者】

【氏名】宅見 宗則

【テーマコード（参考）】

2F112

5J084

【Ｆターム（参考）】

2F112AD01

2F112BA01

2F112CA12

2F112DA04

2F112DA25

2F112DA26

2F112DA28

2F112EA03

2F112FA12

2F112FA29

2F112GA01

5J084AA04

5J084AA05

5J084AD03

5J084BA04

5J084BA36

5J084BA40

5J084BB02

5J084BB04

5J084CA10

5J084CA65

(57)【要約】

【課題】圧縮センシング技術を利用してＴＯＦ法による距離計測を確実に行うことができる装置を提供する。
【解決手段】距離計測装置１は、光源２、受光部５、制御部６および処理部７を備える。受光部５は、フォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含む。制御部６は、光源２の光パルス出力タイミングから各々一定時間Ｔで区分されたＮ個の期間それぞれにおいて電荷蓄積部に電荷を蓄積させるか否かを指示するＭ個のフレームからなる制御パターンを受光部５に与える。制御パターンをＭ行Ｎ列の行列で表して、この行列の第ｍ行第ｎ列の要素の値を、第ｍフレームにおいて第ｎ期間に電荷蓄積を指示するときに１とし、非蓄積を指示するときに０としたときに、この行列を構成するＮ個の列ベクトルのうちの隣り合う二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離が１である等の条件を満たす。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルス幅Ｐの光パルスを対象物へ照射する光源と、
前記光源から前記対象物へ照射されて前記対象物で反射された光パルスを受光して電荷を発生させるフォトダイオードと、前記フォトダイオードで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含む受光部と、
前記光源の光パルス出力タイミングから各々一定時間Ｔで区分されたＮ個の期間それぞれにおいて前記フォトダイオードで発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送して蓄積させるか否かを指示するＭ個のフレームからなる制御パターンを前記受光部に与える制御部と、
前記電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により前記対象物までの距離を求める処理部と、
を備え、飛行時間法により前記対象物までの距離を計測する装置であって、
前記パルス幅Ｐが前記一定時間Ｔ以下であり、
前記制御部は、
前記制御パターンをＭ行Ｎ列の行列で表して、このＭ行Ｎ列の行列の第ｍ行第ｎ列の要素の値ａ_ｍ,ｎを、前記Ｍ個のフレームのうちの第ｍフレームにおいて前記Ｎ個の期間のうちの第ｎ期間に前記電荷蓄積部への電荷の蓄積を指示するときに１とし、非蓄積を指示するときに０としたときに、
前記Ｍ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルの全てにおいて何れかの要素の値が１であり、前記Ｎ個の列ベクトルの全てが互いに異なり、前記Ｎ個の列ベクトルのうちの隣り合う二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離が１である前記制御パターンを前記受光部に与える、
距離計測装置。

【請求項2】

前記制御部は、前記Ｍ個のフレームそれぞれについて第ｎ期間の電荷の蓄積の指示をｒ_ｎ回繰り返す前記制御パターンを前記受光部に与える、
請求項１に記載の距離計測装置。

【請求項3】

前記制御部は、第ｍ行第ｎ列の要素の値がｒ_ｎａ_ｍ,ｎであるＭ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列以下の列ベクトルの全ての組合せについて前記ｋ＋１列以下の列ベクトルの総和である総和列ベクトルと前記Ｎ個の列ベクトルそれぞれとの内積を当該列ベクトルの大きさで除して得られる値が最大となる列ベクトルが前記ｋ＋１列以下の列ベクトルのうちの何れかである前記制御パターンを前記受光部に与える、
請求項２に記載の距離計測装置。

【請求項4】

パルス幅Ｐの光パルスを対象物へ照射する光源と、
前記光源から前記対象物へ照射されて前記対象物で反射された光パルスを受光して電荷を発生させるフォトダイオードと、前記フォトダイオードで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含む受光部と、
前記光源の光パルス出力タイミングから各々一定時間Ｔで区分されたＮ個の期間それぞれにおいて前記フォトダイオードで発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送して蓄積させるか否かを指示するＭ個のフレームからなる制御パターンを前記受光部に与える制御部と、
前記電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により前記対象物までの距離を求める処理部と、
を備え、飛行時間法により前記対象物までの距離を計測する装置であって、
前記パルス幅Ｐが前記一定時間Ｔのｋ－１倍より大きくｋ倍以下であり（ただし、ｋは２以上の整数）、
前記制御部は、
前記制御パターンをＭ行Ｎ列の行列で表して、このＭ行Ｎ列の行列の第ｍ行第ｎ列の要素の値ａ_ｍ,ｎを、前記Ｍ個のフレームのうちの第ｍフレームにおいて前記Ｎ個の期間のうちの第ｎ期間に前記電荷蓄積部への電荷の蓄積を指示するときに１とし、非蓄積を指示するときに０としたときに、
前記Ｍ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルの全てにおいて何れかの要素の値が１であり、前記Ｎ個の列ベクトルの全てが互いに異なり、前記Ｎ個の列ベクトルのうちの隣り合う二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離が１であり、前記Ｎ個の列ベクトルのうちの互いにｋ＋１列だけ離れた二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離がｋ以上であり、前記Ｎ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列の列ベクトルの全ての組合せについて前記ｋ＋１列の列ベクトルにより構成されるＭ行ｋ＋１列の行列においてＭ個の行ベクトルのうちで何れかの要素の値が１であって互いに異なる行ベクトルがｋ＋１行以上ある前記制御パターンを前記受光部に与える、
距離計測装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記Ｍ個のフレームそれぞれについて第ｎ期間の電荷の蓄積の指示をｒ_ｎ回繰り返す前記制御パターンを前記受光部に与える、
請求項４に記載の距離計測装置。

【請求項6】

前記制御部は、第ｍ行第ｎ列の要素の値がｒ_ｎａ_ｍ,ｎであるＭ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列以下の列ベクトルの全ての組合せについて前記ｋ＋１列以下の列ベクトルの総和である総和列ベクトルと前記Ｎ個の列ベクトルそれぞれとの内積を当該列ベクトルの大きさで除して得られる値が最大となる列ベクトルが前記ｋ＋１列以下の列ベクトルのうちの何れかである前記制御パターンを前記受光部に与える、
請求項５に記載の距離計測装置。

【請求項7】

前記受光部は、１個の前記フォトダイオードおよび複数個の前記電荷蓄積部を含み、
前記制御部は、前記制御パターンの前記Ｍ個のフレームのうち同一期間に同時に電荷蓄積を指示しない複数のフレームを前記受光部に同時に与える、
請求項１～６の何れか１項に記載の距離計測装置。

【請求項8】

前記受光部は、複数組の前記フォトダイオードおよび前記電荷蓄積部を含み、
前記制御部は、前記制御パターンの前記Ｍ個のフレームのうちの複数のフレームを前記受光部に同時に与える、
請求項１～６の何れか１項に記載の距離計測装置。

【請求項9】

前記処理部は、直交マッチング追跡アルゴリズムを用いて前記対象物までの距離を求める、
請求項１～６の何れか１項に記載の距離計測装置。

【請求項10】

前記処理部は、前記対象物までの距離を求める際に、背景光の強度に基づく補正を行う、
請求項１～６の何れか１項に記載の距離計測装置。

【請求項11】

前記光源から前記対象物へ照射されて前記対象物で反射された光パルスを入力して結像する結像光学系を更に備え、
前記受光部は、前記結像光学系を経た光パルスを受光する受光面上に前記フォトダイオードおよび前記電荷蓄積部を各々含む複数の画素が２次元配列されており、
前記処理部は、前記複数の画素それぞれについて前記対象物までの距離を求めることで前記対象物の距離画像を取得する、
請求項１～６の何れか１項に記載の距離計測装置。

【請求項12】

パルス幅Ｐの光パルスを対象物へ照射する光源と、
前記光源から前記対象物へ照射されて前記対象物で反射された光パルスを受光して電荷を発生させるフォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含む受光部と、
を用いて、飛行時間法により前記対象物までの距離を計測する方法であって、
前記光源の光パルス出力タイミングから各々一定時間Ｔで区分されたＮ個の期間それぞれにおいて前記フォトダイオードで発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送して蓄積させるか否かを指示するＭ個のフレームからなる制御パターンを前記受光部に与える制御ステップと、
前記電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により前記対象物までの距離を求める処理ステップと、
を備え、
前記パルス幅Ｐが前記一定時間Ｔ以下であり、
前記制御ステップにおいて、
前記制御パターンをＭ行Ｎ列の行列で表して、このＭ行Ｎ列の行列の第ｍ行第ｎ列の要素の値ａ_ｍ,ｎを、前記Ｍ個のフレームのうちの第ｍフレームにおいて前記Ｎ個の期間のうちの第ｎ期間に前記電荷蓄積部への電荷の蓄積を指示するときに１とし、非蓄積を指示するときに０としたときに、
前記Ｍ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルの全てにおいて何れかの要素の値が１であり、前記Ｎ個の列ベクトルの全てが互いに異なり、前記Ｎ個の列ベクトルのうちの隣り合う二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離が１である前記制御パターンを前記受光部に与える、
距離計測方法。

【請求項13】

前記制御ステップにおいて、前記Ｍ個のフレームそれぞれについて第ｎ期間の電荷の蓄積の指示をｒ_ｎ回繰り返す前記制御パターンを前記受光部に与える、
請求項１２に記載の距離計測方法。

【請求項14】

前記制御ステップにおいて、第ｍ行第ｎ列の要素の値がｒ_ｎａ_ｍ,ｎであるＭ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列以下の列ベクトルの全ての組合せについて前記ｋ＋１列以下の列ベクトルの総和である総和列ベクトルと前記Ｎ個の列ベクトルそれぞれとの内積を当該列ベクトルの大きさで除して得られる値が最大となる列ベクトルが前記ｋ＋１列以下の列ベクトルのうちの何れかである前記制御パターンを前記受光部に与える、
請求項１３に記載の距離計測方法。

【請求項15】

パルス幅Ｐの光パルスを対象物へ照射する光源と、
前記光源から前記対象物へ照射されて前記対象物で反射された光パルスを受光して電荷を発生させるフォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含む受光部と、
を用いて、飛行時間法により前記対象物までの距離を計測する方法であって、
前記光源の光パルス出力タイミングから各々一定時間Ｔで区分されたＮ個の期間それぞれにおいて前記フォトダイオードで発生した電荷を前記電荷蓄積部に転送して蓄積させるか否かを指示するＭ個のフレームからなる制御パターンを前記受光部に与える制御ステップと、
前記電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により前記対象物までの距離を求める処理ステップと、
を備え、
前記パルス幅Ｐが前記一定時間Ｔのｋ－１倍より大きくｋ倍以下であり（ただし、ｋは２以上の整数）、
前記制御ステップにおいて、
前記制御パターンをＭ行Ｎ列の行列で表して、このＭ行Ｎ列の行列の第ｍ行第ｎ列の要素の値ａ_ｍ,ｎを、前記Ｍ個のフレームのうちの第ｍフレームにおいて前記Ｎ個の期間のうちの第ｎ期間に前記電荷蓄積部への電荷の蓄積を指示するときに１とし、非蓄積を指示するときに０としたときに、
前記Ｍ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルの全てにおいて何れかの要素の値が１であり、前記Ｎ個の列ベクトルの全てが互いに異なり、前記Ｎ個の列ベクトルのうちの隣り合う二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離が１であり、前記Ｎ個の列ベクトルのうちの互いにｋ＋１列だけ離れた二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離がｋ以上であり、前記Ｎ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列の列ベクトルの全ての組合せについて前記ｋ＋１列の列ベクトルにより構成されるＭ行ｋ＋１列の行列においてＭ個の行ベクトルのうちで何れかの要素の値が１であって互いに異なる行ベクトルがｋ＋１行以上ある前記制御パターンを前記受光部に与える、
距離計測方法。

【請求項16】

前記制御ステップにおいて、前記Ｍ個のフレームそれぞれについて第ｎ期間の電荷の蓄積の指示をｒ_ｎ回繰り返す前記制御パターンを前記受光部に与える、
請求項１５に記載の距離計測方法。

【請求項17】

前記制御ステップにおいて、第ｍ行第ｎ列の要素の値がｒ_ｎａ_ｍ,ｎであるＭ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列以下の列ベクトルの全ての組合せについて前記ｋ＋１列以下の列ベクトルの総和である総和列ベクトルと前記Ｎ個の列ベクトルそれぞれとの内積を当該列ベクトルの大きさで除して得られる値が最大となる列ベクトルが前記ｋ＋１列以下の列ベクトルのうちの何れかである前記制御パターンを前記受光部に与える、
請求項１６に記載の距離計測方法。

【請求項18】

１個の前記フォトダイオードおよび複数個の前記電荷蓄積部を含む前記受光部を用い、
前記制御ステップにおいて、前記制御パターンの前記Ｍ個のフレームのうち同一期間に同時に電荷蓄積を指示しない複数のフレームを前記受光部に同時に与える、
請求項１２～１７の何れか１項に記載の距離計測方法。

【請求項19】

複数組の前記フォトダイオードおよび前記電荷蓄積部を含む前記受光部を用い、
前記制御ステップにおいて、前記制御パターンの前記Ｍ個のフレームのうちの複数のフレームを前記受光部に同時に与える、
請求項１２～１７の何れか１項に記載の距離計測方法。

【請求項20】

前記処理ステップにおいて、直交マッチング追跡アルゴリズムを用いて前記対象物までの距離を求める、
請求項１２～１７の何れか１項に記載の距離計測方法。

【請求項21】

前記処理ステップにおいて、前記対象物までの距離を求める際に、背景光の強度に基づく補正を行う、
請求項１２～１７の何れか１項に記載の距離計測方法。

【請求項22】

前記光源から前記対象物へ照射されて前記対象物で反射された光パルスを入力して結像する結像光学系と、前記結像光学系を経た光パルスを受光する受光面上に前記フォトダイオードおよび前記電荷蓄積部を各々含む複数の画素が２次元配列されている前記受光部と、を用い、
前記処理ステップにおいて、前記複数の画素それぞれについて前記対象物までの距離を求めることで前記対象物の距離画像を取得する、
請求項１２～１７の何れか１項に記載の距離計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、飛行時間法により対象物までの距離を計測する装置および方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

飛行時間（Time-Of-Flight、ＴＯＦ）法を利用した距離計測技術は、光源から出力された光パルスが対象物で反射されて受光部に戻って来るまでの時間を求めることで、対象物までの距離を計測する。ＴＯＦ法による距離計測の手法として、２-Phase法や位相シフト法が知られており、また、圧縮センシング技術を利用する手法も知られている（特許文献１、非特許文献１）。何れの手法においても、距離計測装置は、光パルスを対象物へ照射する光源と、フォトダイオードおよび電荷蓄積部を含む受光部と、を備える。

【0003】

２-Phase法による距離計測技術では、光源から出力されたパルス幅Ｔの光パルスを対象物に照射して、対象物で反射された光パルスを受光したフォトダイオードで発生した電荷のうち、パルス幅と同じ時間Ｔの第１期間に発生した電荷を一つの電荷蓄積部に蓄積し、続く時間Ｔの第２期間に発生した電荷を他の電荷蓄積部に蓄積する。そして、これら二つの電荷蓄積部それぞれにより蓄積された電荷の量の比率に基づいて、光源の光パルス出力タイミングからフォトダイオードの光パルス受光タイミングまでの時間を計算し、対象物までの距離を求める。２-Phase法による距離計測技術では、計測可能な距離を長くしようとする場合、光パルスのパルス幅および電荷蓄積期間の時間を長くすることが必要となるので、計測可能距離と距離分解能とはトレードオフの関係となる。

【0004】

位相シフト法による距離計測技術では、光源から出力されたパルス幅Ｔの光パルスを対象物に照射して、対象物で反射された光パルスを受光したフォトダイオードで発生した電荷のうち、パルス幅と同じ時間Ｔの第１期間に発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する。次に、第１期間に続く時間Ｔの第２期間に同様にして電荷を蓄積する。以降、第ｎ－１期間に続く時間Ｔの第ｎ期間に同様にして電荷を蓄積する。このように電荷蓄積期間を時間Ｔずつシフトさせて、時間Ｔで区分された複数の期間それぞれにおいてフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する。そして、これら複数の期間それぞれにおいて蓄積された電荷の量に基づいて、光源の光パルス出力タイミングからフォトダイオードの光パルス受光タイミングまでの時間を計算し、対象物までの距離を求める。位相シフト法による距離計測技術では、時間Ｔで区分された期間の個数を増やすことにより、距離分解能を低下させることなく、計測可能距離を長くすることができる。しかし、時間Ｔで区分された期間の個数が増えると、測定回数も増えることになる。

【0005】

圧縮センシング技術を利用する距離計測技術は、光源の光パルス出力タイミングの後の限られた期間内に反射光パルスが現れ、他の時間帯には反射光が存在しないので、時刻の関数としての反射光強度はスパース性を有することに基づく。すなわち、光源の光パルス出力タイミングの後に、ランダムなフレームパターンに従って１又は複数の期間においてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する。そして、互いに異なる複数のフレームパターンそれぞれについて電荷蓄積部に蓄積された電荷の量に基づいて、圧縮センシング技術により対象物までの距離を求める。

【0006】

圧縮センシング技術を利用する距離計測技術は、２-Phase法と比べると、距離分解能を低下させることなく、計測可能距離を長くすることができる。また、圧縮センシング技術を利用する距離計測技術は、位相シフト法と比べると、少ない測定回数で、対象物までの距離を計測することができる。圧縮センシング技術を利用する距離計測技術は、位相シフト法による距離計測技術を高速化または高性能化したものであると言える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】国際公開第２０１６／１３３０５３号

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】Keiichiro Kagawa, et al, "ADual-Mode 303-Megaframes-per-Second Charge-Domain Time-CompressiveComputational CMOS Image Sensor," Sensors 22.5 (2022): 1953

【非特許文献2】Joel A. Tropp, et al,"Signal Recovery From Random Measurements Via Orthogonal MatchingPursuit," IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION THEORY, VOL.53, NO.12, (2007)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明者らは、圧縮センシング技術を利用する距離計測技術を研究する過程で、この技術が次のような問題点を有していることを見出した。すなわち、フォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示するパターンによっては、対象物までの距離を求めることができない場合がある。或いは、対象物までの距離を求めることが可能なパターンを見つけるのが容易でない場合がある。

【0010】

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、圧縮センシング技術を利用してＴＯＦ法による距離計測を確実に行うことができる装置および方法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】

【0011】

本発明の距離計測装置は、(1) パルス幅Ｐの光パルスを対象物へ照射する光源と、(2) 光源から対象物へ照射されて対象物で反射された光パルスを受光して電荷を発生させるフォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含む受光部と、(3) 光源の光パルス出力タイミングから各々一定時間Ｔで区分されたＮ個の期間それぞれにおいてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に転送して蓄積させるか否かを指示するＭ個のフレームからなる制御パターンを受光部に与える制御部と、(4) 電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により対象物までの距離を求める処理部と、を備え、飛行時間法により対象物までの距離を計測する装置である。

【0012】

距離計測装置の第１態様では、パルス幅Ｐが一定時間Ｔ以下であり、制御部は、制御パターンをＭ行Ｎ列の行列で表して、このＭ行Ｎ列の行列の第ｍ行第ｎ列の要素の値ａ_ｍ,ｎを、Ｍ個のフレームのうちの第ｍフレームにおいてＮ個の期間のうちの第ｎ期間に電荷蓄積部への電荷の蓄積を指示するときに１とし、非蓄積を指示するときに０としたときに、Ｍ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルの全てにおいて何れかの要素の値が１であり、Ｎ個の列ベクトルの全てが互いに異なり、Ｎ個の列ベクトルのうちの隣り合う二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離が１である制御パターンを受光部に与える。

【0013】

距離計測装置の第２態様では、第１態様に加えて、制御部は、Ｍ個のフレームそれぞれについて第ｎ期間の電荷の蓄積の指示をｒ_ｎ回繰り返す制御パターンを受光部に与える。

【0014】

距離計測装置の第３態様では、第２態様に加えて、制御部は、第ｍ行第ｎ列の要素の値がｒ_ｎａ_ｍ,ｎであるＭ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列以下の列ベクトルの全ての組合せについてｋ＋１列以下の列ベクトルの総和である総和列ベクトルとＮ個の列ベクトルそれぞれとの内積を当該列ベクトルの大きさで除して得られる値が最大となる列ベクトルがｋ＋１列以下の列ベクトルのうちの何れかである制御パターンを受光部に与える。

【0015】

距離計測装置の第４態様では、パルス幅Ｐが一定時間Ｔのｋ－１倍より大きくｋ倍以下であり（ただし、ｋは２以上の整数）、制御部は、制御パターンをＭ行Ｎ列の行列で表して、このＭ行Ｎ列の行列の第ｍ行第ｎ列の要素の値ａ_ｍ,ｎを、Ｍ個のフレームのうちの第ｍフレームにおいてＮ個の期間のうちの第ｎ期間に電荷蓄積部への電荷の蓄積を指示するときに１とし、非蓄積を指示するときに０としたときに、Ｍ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルの全てにおいて何れかの要素の値が１であり、Ｎ個の列ベクトルの全てが互いに異なり、Ｎ個の列ベクトルのうちの隣り合う二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離が１であり、Ｎ個の列ベクトルのうちの互いにｋ＋１列だけ離れた二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離がｋ以上であり、Ｎ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列の列ベクトルの全ての組合せについてｋ＋１列の列ベクトルにより構成されるＭ行ｋ＋１列の行列においてＭ個の行ベクトルのうちで何れかの要素の値が１であって互いに異なる行ベクトルがｋ＋１行以上ある制御パターンを受光部に与える。

【0016】

距離計測装置の第５態様では、第４態様に加えて、制御部は、Ｍ個のフレームそれぞれについて第ｎ期間の電荷の蓄積の指示をｒ_ｎ回繰り返す制御パターンを受光部に与える。

【0017】

距離計測装置の第６態様では、第５態様に加えて、制御部は、第ｍ行第ｎ列の要素の値がｒ_ｎａ_ｍ,ｎであるＭ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列以下の列ベクトルの全ての組合せについてｋ＋１列以下の列ベクトルの総和である総和列ベクトルとＮ個の列ベクトルそれぞれとの内積を当該列ベクトルの大きさで除して得られる値が最大となる列ベクトルがｋ＋１列以下の列ベクトルのうちの何れかである制御パターンを受光部に与える。

【0018】

距離計測装置の第７態様では、第１～第６の態様の何れかに加えて、受光部は、１個のフォトダイオードおよび複数個の電荷蓄積部を含み、制御部は、制御パターンのＭ個のフレームのうち同一期間に同時に電荷蓄積を指示しない複数のフレームを受光部に同時に与える。

【0019】

距離計測装置の第８態様では、第１～第６の態様の何れかに加えて、受光部は、複数組のフォトダイオードおよび電荷蓄積部を含み、制御部は、制御パターンのＭ個のフレームのうちの複数のフレームを受光部に同時に与える。

【0020】

距離計測装置の第９態様では、第１～第８の態様の何れかに加えて、処理部は、直交マッチング追跡アルゴリズムを用いて対象物までの距離を求める。

【0021】

距離計測装置の第１０態様では、第１～第９の態様の何れかに加えて、処理部は、対象物までの距離を求める際に、背景光の強度に基づく補正を行う。

【0022】

距離計測装置の第１１態様では、第１～第１０の態様の何れかに加えて、光源から対象物へ照射されて対象物で反射された光パルスを入力して結像する結像光学系を更に備え、受光部は、結像光学系を経た光パルスを受光する受光面上にフォトダイオードおよび電荷蓄積部を各々含む複数の画素が２次元配列されており、処理部は、複数の画素それぞれについて対象物までの距離を求めることで対象物の距離画像を取得する。

【0023】

本発明の距離計測方法は、(1) パルス幅Ｐの光パルスを対象物へ照射する光源と、(2) 光源から対象物へ照射されて対象物で反射された光パルスを受光して電荷を発生させるフォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含む受光部と、を用いて、飛行時間法により対象物までの距離を計測する方法である。本発明の距離計測方法は、(3) 光源の光パルス出力タイミングから各々一定時間Ｔで区分されたＮ個の期間それぞれにおいてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に転送して蓄積させるか否かを指示するＭ個のフレームからなる制御パターンを受光部に与える制御ステップと、(4) 電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて圧縮センシング技術により対象物までの距離を求める処理ステップと、を備える。

【0024】

距離計測方法の第１態様では、パルス幅Ｐが一定時間Ｔ以下であり、制御ステップにおいて、制御パターンをＭ行Ｎ列の行列で表して、このＭ行Ｎ列の行列の第ｍ行第ｎ列の要素の値ａ_ｍ,ｎを、Ｍ個のフレームのうちの第ｍフレームにおいてＮ個の期間のうちの第ｎ期間に電荷蓄積部への電荷の蓄積を指示するときに１とし、非蓄積を指示するときに０としたときに、Ｍ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルの全てにおいて何れかの要素の値が１であり、Ｎ個の列ベクトルの全てが互いに異なり、Ｎ個の列ベクトルのうちの隣り合う二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離が１である制御パターンを受光部に与える。

【0025】

距離計測方法の第２態様では、第１態様に加えて、制御ステップにおいて、Ｍ個のフレームそれぞれについて第ｎ期間の電荷の蓄積の指示をｒ_ｎ回繰り返す制御パターンを受光部に与える。

【0026】

距離計測方法の第３態様では、第２態様に加えて、制御ステップにおいて、第ｍ行第ｎ列の要素の値がｒ_ｎａ_ｍ,ｎであるＭ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列以下の列ベクトルの全ての組合せについてｋ＋１列以下の列ベクトルの総和である総和列ベクトルとＮ個の列ベクトルそれぞれとの内積を当該列ベクトルの大きさで除して得られる値が最大となる列ベクトルがｋ＋１列以下の列ベクトルのうちの何れかである制御パターンを受光部に与える。

【0027】

距離計測方法の第４態様では、パルス幅Ｐが一定時間Ｔのｋ－１倍より大きくｋ倍以下であり（ただし、ｋは２以上の整数）、制御ステップにおいて、制御パターンをＭ行Ｎ列の行列で表して、このＭ行Ｎ列の行列の第ｍ行第ｎ列の要素の値ａ_ｍ,ｎを、Ｍ個のフレームのうちの第ｍフレームにおいてＮ個の期間のうちの第ｎ期間に電荷蓄積部への電荷の蓄積を指示するときに１とし、非蓄積を指示するときに０としたときに、Ｍ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルの全てにおいて何れかの要素の値が１であり、Ｎ個の列ベクトルの全てが互いに異なり、Ｎ個の列ベクトルのうちの隣り合う二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離が１であり、Ｎ個の列ベクトルのうちの互いにｋ＋１列だけ離れた二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離がｋ以上であり、Ｎ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列の列ベクトルの全ての組合せについてｋ＋１列の列ベクトルにより構成されるＭ行ｋ＋１列の行列においてＭ個の行ベクトルのうちで何れかの要素の値が１であって互いに異なる行ベクトルがｋ＋１行以上ある制御パターンを受光部に与える。

【0028】

距離計測方法の第５態様では、第４態様に加えて、制御ステップにおいて、Ｍ個のフレームそれぞれについて第ｎ期間の電荷の蓄積の指示をｒ_ｎ回繰り返す制御パターンを受光部に与える。

【0029】

距離計測方法の第６態様では、第５態様に加えて、制御ステップにおいて、第ｍ行第ｎ列の要素の値がｒ_ｎａ_ｍ,ｎであるＭ行Ｎ列の行列を構成するＮ個の列ベクトルのうちの連続するｋ＋１列以下の列ベクトルの全ての組合せについてｋ＋１列以下の列ベクトルの総和である総和列ベクトルとＮ個の列ベクトルそれぞれとの内積を当該列ベクトルの大きさで除して得られる値が最大となる列ベクトルがｋ＋１列以下の列ベクトルのうちの何れかである制御パターンを受光部に与える。

【0030】

距離計測方法の第７態様では、第１～第６の態様の何れかに加えて、１個のフォトダイオードおよび複数個の電荷蓄積部を含む受光部を用い、制御ステップにおいて、制御パターンのＭ個のフレームのうち同一期間に同時に電荷蓄積を指示しない複数のフレームを受光部に同時に与える。

【0031】

距離計測方法の第８態様では、第１～第６の態様の何れかに加えて、複数組のフォトダイオードおよび電荷蓄積部を含む受光部を用い、制御ステップにおいて、制御パターンのＭ個のフレームのうちの複数のフレームを受光部に同時に与える。

【0032】

距離計測方法の第９態様では、第１～第８の態様の何れかに加えて、処理ステップにおいて、直交マッチング追跡アルゴリズムを用いて対象物までの距離を求める。

【0033】

距離計測方法の第１０態様では、第１～第９の態様の何れかに加えて、処理ステップにおいて、対象物までの距離を求める際に、背景光の強度に基づく補正を行う。

【0034】

距離計測方法の第１１態様では、第１～第１０の態様の何れかに加えて、光源から対象物へ照射されて対象物で反射された光パルスを入力して結像する結像光学系と、結像光学系を経た光パルスを受光する受光面上にフォトダイオードおよび電荷蓄積部を各々含む複数の画素が２次元配列されている受光部と、を用い、処理ステップにおいて、複数の画素それぞれについて対象物までの距離を求めることで対象物の距離画像を取得する。

【発明の効果】

【0035】

本発明によれば、圧縮センシング技術を利用してＴＯＦ法による距離計測を確実に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0036】

【図1】図１は、距離計測装置１の構成を示す図である。

【図2】図２は、距離計測装置１の受光部５の構成を模式的に示す図である。図２（ａ）は、受光部５の回路構成を示す。図２（ｂ）は、スイッチＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ４がオフ状態であって、スイッチＳＷ２がオン状態であるときに、フォトダイオードＰＤで発生した電荷がスイッチＳＷ２を経て第２電荷蓄積部Ｃ２へ転送されていく様子を模式的に示す。

【図3】図３は、比較例の制御パターンを示す図である。

【図4】図４は、Ｍ＝３、Ｎ＝７の場合の制御パターンを波形形式で示す図である。

【図5】図５は、Ｍ＝３、Ｎ＝７の場合の制御パターンを表形式で示す図である。

【図6】図６は、Ｍ＝３、Ｎ＝７の場合の制御パターンを表形式で示す図である。

【図7】図７は、Ｍ＝３、Ｎ＝７の場合の制御パターンを表形式で示す図である。

【図8】図８は、Ｍ＝４、Ｎ＝１５の場合の制御パターンを表形式で示す図である。

【図9】図９は、ｋ＝２、Ｍ＝４、Ｎ＝１１の場合の制御パターンを波形形式で示す図である。

【図10】図１０は、ｋ＝２、Ｍ＝４、Ｎ＝１１の場合の制御パターンを表形式で示す図である。

【図11】図１１は、ｋ＝２、Ｍ＝４、Ｎ＝１２の場合の制御パターンを表形式で示す図である。

【図12】図１２は、ｋ＝２、Ｍ＝５、Ｎ＝３１の場合の制御パターンを表形式で示す図である。

【図13】図１３は、ｋ＝３、Ｍ＝４、Ｎ＝７の場合の制御パターンを表形式で示す図である。

【図14】図１４は、ｋ＝３、Ｍ＝６、Ｎ＝２５の場合の制御パターンを表形式で示す図である。

【図15】図１５は、ｋ＝４、Ｍ＝６、Ｎ＝３１の場合の制御パターンを表形式で示す図である。

【図16】図１６は、電荷蓄積回数ｒ_ｎを調整した制御パターンを波形形式で示す図である。

【図17】図１７は、電荷蓄積回数ｒ_ｎを調整した制御パターンを表形式で示す図である。

【図18】図１８は、同一期間に同時に電荷蓄積を指示しない複数のフレームを受光部５に同時に与えることができる制御パターンの例を示す図である。

【図19】図１９は、ＯＭＰアルゴリズムを適用してＬ０最適化問題を解く一例について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0037】

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0038】

図１は、距離計測装置１の構成を示す図である。距離計測装置１は、飛行時間（ＴＯＦ）法により対象物までの距離を計測する装置であって、光源２、照射光学系３、集光光学系４、受光部５、制御部６および処理部７を備える。距離計測方法は、光源２、照射光学系３、集光光学系４および受光部５を用いて、制御ステップおよび処理ステップを行うものである。

【0039】

光源２は、対象物へ照射すべき光パルスを出力する。光源２は、一定のパルス幅Ｐの光パルスを、一定の繰り返し周波数で出力する。光源２は、光パルスを出力することができるものであれば任意であり、例えばレーザダイオードや発光ダイオード等である。

【0040】

照射光学系３は、光源２から出力された光を対象物へ照射する光学系である。光源２から出力される光が発散光である場合に、照射光学系３は、その光を対象物へ効率よく照射する。

【0041】

集光光学系４は、光源２から照射光学系３を経て対象物へ照射されて該対象物で反射された光パルス（反射光パルス）を入力して、その反射光パルスを集光する。

【0042】

受光部５は、集光光学系４を経て到達した反射光パルスを受光する。受光部５は、反射光パルスを受光して電荷を発生させるフォトダイオードと、このフォトダイオードで発生した電荷を蓄積する電荷蓄積部と、を含む。

【0043】

制御部６は、制御パターンを受光部５に与える（制御ステップ）。制御パターンは、光源２の光パルス出力タイミングから各々一定時間Ｔで区分されたＮ個の期間それぞれにおいて、受光部５のフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に転送して蓄積させるか否かを指示するものである。制御パターンは、Ｍ個のフレームからなり、各フレームおよび各期間における電荷の蓄積／非蓄積を指示する。Ｍ，Ｎは２以上の整数である。

【0044】

処理部７は、受光部５のフォトダイオードで発生して電荷蓄積部により蓄積された電荷の量に基づいて、圧縮センシング技術により対象物までの距離を求める（処理ステップ）。

【0045】

制御部６および処理部７はコンピュータであってよい。制御部６および処理部７は、計算処理等を行う演算部（例えばＣＰＵ等）、制御パターンや電荷蓄積量などを記憶する記憶部（例えば、ハードディスクドライブ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等）、制御パターンなどを表示する表示部（例えば液晶ディスプレイ等）、測定開始の指示や測定条件の入力などを受け付ける入力部（例えばキーボード、マウス等）等を備える。制御部６および処理部７は、コンピュータだけでなく、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）又はＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等であってもよい。

【0046】

図２は、距離計測装置１の受光部５の構成を模式的に示す図である。この図では、受光部５は２つの電荷蓄積部を有するとしている。受光部５は、受光に応じて電荷を発生するフォトダイオードＰＤと、電荷を蓄積する第１電荷蓄積部Ｃ１および第２電荷蓄積部Ｃ２と、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を第１電荷蓄積部Ｃ１へ転送するためのスイッチＳＷ１と、フォトダイオードＰＤで発生した電荷を第２電荷蓄積部Ｃ２へ転送するためのスイッチＳＷ２と、第１電荷蓄積部Ｃ１に蓄積されていた電荷を出力するためのスイッチＳＷ３と、第２電荷蓄積部Ｃ２に蓄積されていた電荷を出力するためのスイッチＳＷ４とを含む。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、制御部６から与えられる制御パターンの値ＶＴＸ１，ＶＴＸ２に応じてオン状態およびオフ状態の何れかに設定される。

【0047】

図２（ａ）は、受光部５の回路構成を示す。図２（ｂ）は、スイッチＳＷ１，ＳＷ３，ＳＷ４がオフ状態であって、スイッチＳＷ２がオン状態であるときに、フォトダイオードＰＤで発生した電荷がスイッチＳＷ２を経て第２電荷蓄積部Ｃ２へ転送されていく様子を模式的に示す。第２電荷蓄積部Ｃ２への電荷転送が終了すると、スイッチＳＷ２がオフ状態、スイッチＳＷ４がオン状態となり、第２電荷蓄積部Ｃ２に蓄積されていた電荷は、スイッチＳＷ４を経て出力される。

【0048】

電荷蓄積部の個数は、１つであってもよいし、２以上であってもよい。複数の電荷蓄積部のうち何れかを電荷廃棄部として用いてもよいし、別に電荷廃棄部が設けられてもよい。電荷廃棄部は、制御パターンにより電荷蓄積が指示されなかった期間にフォトダイオードＰＤで発生した電荷を蓄積するものであって、この電荷を出力する必要はない。また、受光部５は、電荷蓄積部および電荷廃棄部それぞれにおける電荷蓄積を初期化するためのスイッチを含む。

【0049】

受光部５は、フォトダイオードおよび電荷蓄積部を各々含む複数の画素が受光面上に２次元配列された撮像素子であってもよい。この場合、集光光学系４は、対象物からの反射光パルスを入力して結像する結像光学系であってよい。処理部７は、複数の画素それぞれについて対象物までの距離を求めることで、対象物の距離画像を取得することができる。上記のような受光部５の構成を各々有する複数の画素が２次元配列された撮像素子は、浜松ホトニクス株式会社から製品「測距エリアイメージセンサ」として販売されている。

【0050】

本実施形態の距離計測装置および距離計測方法は、以上のような光源２および受光部５を用いて圧縮センシング技術により対象物までの距離を計測するものであって、制御部６が受光部５に与える制御パターンに特徴を有し、また、処理部７による距離算出のアルゴリズムにも特徴を有している。以下では、制御ステップにおいて制御部６が受光部５に与える制御パターンについて説明し、その後に、処理ステップにおいて処理部７が行う処理の内容について説明する。

【0051】

図３は、比較例の制御パターンを示す図である。この図では、上から順に、光源から出力される照射光パルスの波形、受光部に到達する反射光パルスの波形、および、受光部においてフォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示する制御パターンのうち第１～第４のフレームのパターンが示されている。照射光パルスの波形および反射光パルスの波形は、実際にはノイズや歪みを有するが、この図（および以降の図）では模式的に矩形で示されている。また、１つの照射光パルスに対して１つの反射光パルスが受光部に到達するとする。

【0052】

光源から出力される照射光パルスおよび受光部に到達する反射光パルスそれぞれのパルス幅をＰとする。光源の光パルス出力タイミング以降の区分された複数の期間それぞれの時間をＴとする。この図では、Ｐ＝Ｔとされている。制御パターンは、各フレームおよび各期間において電荷の蓄積を指示するときに値１とし、非蓄積を指示するときに値０として、表されている。

【0053】

光源の光パルス出力タイミングに対し、受光部への反射光パルス到達タイミングは、対象物までの距離に応じた時間差Δｔがある。この時間差Δｔを検出すれば、対象物までの距離を求めることができる。光源の光パルス出力タイミング以降において８個の期間に区分する場合、位相シフト法では、制御パターンは８個のフレームが必要となる。これに対して、圧縮センシング技術を利用する場合には、図３に示されるように、制御パターンは４個のフレームでよい。

【0054】

図に示されるように、光源の光パルス出力タイミングの後の限られた時間帯に反射光パルスが現れ、他の時間帯には反射光が存在しないので、時刻の関数としての反射光強度はスパース性を有する。したがって、圧縮センシング技術を利用して、照射光パルス出力タイミングから反射光パルス到達タイミングまでの時間を求めることができ、対象物までの距離を求めることができる。また、位相シフト法の場合に必要な制御パターンの個数と比べて、圧縮センシング技術を利用する場合に必要な制御パターンの個数は少なくすることができる。

【0055】

しかし、圧縮センシング技術を利用してＴＯＦ法による距離計測を行う場合に、フォトダイオードで発生した電荷を電荷蓄積部に蓄積する期間を指示するパターンによっては、対象物までの距離を求めることができない場合がある。或いは、対象物までの距離を求めることが可能なパターンを見つけるのが容易でない場合がある。以下に説明する距離計測装置および距離計測方法は、一定の条件を満たす制御パターンを制御部６が受光部５に与えることにより、圧縮センシング技術を利用してＴＯＦ法による距離計測を確実に行うことができる。

【0056】

制御パターンが満たすべき条件を説明するために、下記（１）式のように、制御パターンをＭ行Ｎ列の行列Φで表す。Ｍは、制御パターンに含まれるフレームの個数である。Ｎは、光源の光パルス出力タイミング以降の区分された期間の個数である。行列Φの第ｍ行第ｎ列の要素の値ａ_ｍ,ｎは、Ｍ個のフレームのうちの第ｍフレームにおいてＮ個の期間のうちの第ｎ期間に電荷蓄積部への電荷の蓄積を指示するときに１とし、非蓄積を指示するときに０とする。行列Φにおいて第ｎ列の列ベクトルφ_ｎは下記（２）式で表される。行列Φは、下記（３）式で表されるようにＮ個の列ベクトルφ_１～φ_Ｎから構成される。

【0057】

【数1】

【0058】

【数2】

【0059】

【数3】

【0060】

制御パターンが満たすべき条件は、光パルスのパルス幅Ｐと各期間の時間Ｔとの比によって異なる。パルス幅Ｐが時間Ｔ以下である（Ｐ≦Ｔ）とき、制御パターンは次の第１～第３の条件を満たす必要がある。

【0061】

第１条件は、Ｎ個の列ベクトルφ_１～φ_Ｎの全てにおいて何れかの要素の値が１であることである。すなわち、行列Φには、全ての要素の値が０である列ベクトルは含まれていない。この条件は、Ｎ個の期間の全てについて情報を得るために必要とされる。全ての要素の値が０である列ベクトルが行列Φに含まれていると、その列ベクトルに対応する期間については何も情報を得ることができない。

【0062】

第２条件は、Ｎ個の列ベクトルφ_１～φ_Ｎの全てが互いに異なることである。すなわち、行列Φには、同一の列ベクトルが含まれていない。この条件は、時間Ｔと同じパルス幅Ｐを有する反射光パルスの位置を識別するために必要とされる。同一の列ベクトルが行列Φに含まれていると、時間Ｔと同じパルス幅Ｐを有する反射光パルスの位置を識別することができない。

【0063】

第３条件は、Ｎ個の列ベクトルφ_１～φ_Ｎのうちの隣り合う二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離（Hamming Distance）が１であることである。ハミング距離とは、二つの列ベクトルの間で同じ位置にある要素の値を比較したときに、値が相違する位置の個数を表すものである。例えば、下記（４）式に示された二つの列ベクトルの間では、値が相違する位置の個数は３であるので、ハミング距離は３である。この条件は、反射光パルスが二つの期間に跨がっている場合に他の位置と区別するために必要とされる。

【0064】

【数4】

【0065】

図４～図８は、パルス幅Ｐが時間Ｔ以下である（Ｐ≦Ｔ）とき第１～第３の条件を満たす制御パターンの例を示す図である。図４は、光源から出力される照射光パルスの波形とともに、Ｍ＝３、Ｎ＝７の場合の制御パターンを波形形式で示す図である。図５は、図４において波形形式で示した制御パターンを表形式で示す図である。図６，図７は、Ｍ＝３、Ｎ＝７の場合の制御パターンを表形式で示す図である。図８は、Ｍ＝４、Ｎ＝１５の場合の制御パターンを表形式で示す図である。パルス幅Ｐが時間Ｔ以下である（Ｐ≦Ｔ）とき、ＭとＮとの間には下記（５）式の関係がある。

【0066】

【数5】

【0067】

ｋが２以上の整数であって、パルス幅Ｐが時間Ｔのｋ－１倍より大きくｋ倍以下である（(ｋ－１)Ｔ＜Ｐ≦ｋＴ）とき、制御パターンは、上記の第１～第３の条件に加えて次の第４条件および第５条件を満たす必要がある。

【0068】

第４条件は、Ｎ個の列ベクトルφ_１～φ_Ｎのうちの互いにｋ＋１列だけ離れた二つの列ベクトルの全ての組合せについてハミング距離がｋ以上であることである。すなわち、列ベクトルφ_ｎおよび列ベクトルφ_{ｎ＋ｋ＋１}の全ての組合せについてハミング距離がｋ以上である。この条件は、ｋ＋１列だけ離れた二つの列ベクトルに対応する二つの期間の何れに反射光パルスが存在するのかを区別するために必要とされる。

【0069】

第５条件は、Ｎ個の列ベクトルφ_１～φ_Ｎのうちの連続するｋ＋１列の列ベクトルの全ての組合せについて、ｋ＋１列の列ベクトルにより構成されるＭ行ｋ＋１列の行列において、Ｍ個の行ベクトルのうちで何れかの要素の値が１であって互いに異なる行ベクトルがｋ＋１行以上あることである。すなわち、或る連続するｋ＋１列の列ベクトルをφ_ｎ～φ_ｎ＋ｋとすると、これらｋ＋１列の列ベクトルφ_ｎ～φ_ｎ＋ｋにより構成されるＭ行ｋ＋１列の行列は下記（６）式で表される。この行列に含まれるＭ個の行ベクトルのうち、何れかの要素の値が１であって互いに異なる行ベクトルがｋ＋１行以上ある。反射光パルスのパルス幅ＰがｋＴ以下である場合、反射光パルスは最大でｋ＋１個の期間に跨がって存在することになり、ｋ＋１個の期間それぞれの蓄積電荷量を求めるには少なくともｋ＋１個の情報が必要であることから、この条件が必要とされる。

【0070】

【数6】

【0071】

ｋが２以上の整数であって、パルス幅Ｐが時間Ｔのｋ－１倍より大きくｋ倍以下である（(ｋ－１)Ｔ＜Ｐ≦ｋＴ）とき、制御パターンは、上記の第１～第５の条件に加えて次の第６条件を満たすのが好ましい。

【0072】

第６条件は、Ｎ個の列ベクトルφ_１～φ_Ｎのうちの連続するｋ＋１列以下の列ベクトルの全ての組合せについて、これらｋ＋１列以下の列ベクトルの総和である総和列ベクトルと各列ベクトルφ_ｎとの内積を当該列ベクトルφ_ｎの大きさで除して得られる値が最大となる列ベクトルがｋ＋１列以下の列ベクトルのうちの何れかであることである。すなわち、Ｎ個の列ベクトルφ_１～φ_Ｎのうちの連続するｋ＋１列以下の列ベクトルをφ_ｎ１～φ_ｎ２とすると、これらの列ベクトルφ_ｎ１～φ_ｎ２の総和である総和列ベクトルＳ_Ａは下記（７）式で表される。この総和列ベクトルＳ_Ａと各列ベクトルφ_ｎとの内積を当該列ベクトルφ_ｎの大きさで除する計算は、下記（８）式で表される。この計算値が最大となる列ベクトルが列ベクトルφ_ｎ１～φ_ｎ２のうちの何れかである。

【0073】

【数7】

【0074】

【数8】

【0075】

この第６条件は、ｋ＝２またはｋ＝３の場合には、他の条件が満たされることにより自動的に満たされる。また、この第６条件は、後述する処理部７による距離算出の際に直交マッチング追跡アルゴリズム（非特許文献２）を用いる場合には必要であるが、他のアルゴリズム（例えば総当たり法など）を用いる場合には必要ではない。

【0076】

図９～図１５は、ｋが２以上の整数であってパルス幅Ｐが時間Ｔのｋ－１倍より大きくｋ倍以下である（(ｋ－１)Ｔ＜Ｐ≦ｋＴ）とき第１～第６の条件を満たす制御パターンの例を示す図である。図９は、照射光パルスおよび反射光パルスの波形とともに、ｋ＝２、Ｍ＝４、Ｎ＝１１の場合の制御パターンを波形形式で示す図である。図１０は、図９において波形形式で示した制御パターンを表形式で示す図である。図１１は、ｋ＝２、Ｍ＝４、Ｎ＝１２の場合の制御パターンを表形式で示す図である。図１２は、ｋ＝２、Ｍ＝５、Ｎ＝３１の場合の制御パターンを表形式で示す図である。図１３は、ｋ＝３、Ｍ＝４、Ｎ＝７の場合の制御パターンを表形式で示す図である。図１４は、ｋ＝３、Ｍ＝６、Ｎ＝２５の場合の制御パターンを表形式で示す図である。図１５は、ｋ＝４、Ｍ＝６、Ｎ＝３１の場合の制御パターンを表形式で示す図である。

【0077】

以上のような制御パターンを受光部５に与えることにより、圧縮センシング技術を利用してＴＯＦ法による距離計測を確実に行うことができる。

【0078】

ｋが２以上の整数であって、パルス幅Ｐが時間Ｔのｋ－１倍より大きくｋ倍以下である（(ｋ－１)Ｔ＜Ｐ≦ｋＴ）とき、制御パターンは、Ｍ個のフレームそれぞれについて第ｎ期間の電荷の蓄積の指示をｒ_ｎ回繰り返す制御パターンであってもよい。この場合、制御パターンは、更に次の第７条件を満たすのが好ましい。

【0079】

第７条件は、第ｍ行第ｎ列の要素の値がｒ_ｎａ_ｍ,ｎであるＭ行Ｎ列の行列について上記第６条件と同様の内容を満たすことである。すなわち、第ｍ行第ｎ列の要素の値がｒ_ｎａ_ｍ,ｎであるＭ行Ｎ列の行列Φ_ｒは下記（９）式で表される。この行列Φ_ｒを構成するＮ個の列ベクトルφ_ｒ,１～φ_ｒ,Ｎ（（１０）式）のうちの連続するｋ＋１列以下の列ベクトルをφ_ｒ,ｎ１～φ_ｒ,ｎ２とすると、これらの列ベクトルφ_ｒ,ｎ１～φ_ｒ,ｎ２の総和である総和列ベクトルＳ_ｒＡは下記（１１）式で表される。この総和列ベクトルＳ_ｒＡと各列ベクトルφ_ｒ,ｎとの内積を当該列ベクトルφ_ｒ,ｎの大きさで除して得られる値が最大となる列ベクトルが列ベクトルφ_ｒ,ｎ１～φ_ｒ,ｎ２のうちの何れかである。

【0080】

【数9】

【0081】

【数10】

【0082】

【数11】

【0083】

図１６，図１７は、Ｍ＝４、Ｎ＝８の場合の電荷蓄積回数ｒ_ｎを調整した制御パターンの例を示す図である。図１６は、電荷蓄積回数ｒ_ｎを調整した制御パターンを波形形式で示す図である。図１７は、図１６において波形形式で示した制御パターンを表形式で示す図である。図中の数字は電荷蓄積回数ｒ_ｎを示している。

【0084】

このように、Ｍ個のフレームそれぞれについて電荷蓄積の期間によって蓄積回数を異ならせることにより、対象物までの距離に依らず安定して距離計測を行うことができる。すなわち、一般に、対象物までの距離が長いほど、受光部５に到達する反射光パルスの強度は小さくなり、ＳＮが悪くなる。そこで、対象物までの距離が長いほど（すなわち、光源の光パルス出力タイミングから電荷蓄積の期間までの時間が長いほど）電荷蓄積回数ｒ_ｎを多く設定することにより、対象物までの距離に依らず安定して距離計測を行うことができる。また、或る距離の付近に反射率が小さい物体が存在することが予め分かっている場合に、その距離に対応する期間については電荷蓄積回数ｒ_ｎを大きく設定することにより、その反射率が小さい物体についても安定した距離計測を行うことができる。また、電荷蓄積の期間に依らず蓄積回数を等しく増やすこと（例えばｒ_ｎ＝１０００）で、反射光パルスの強度に応じて信号量を調整することができる。

【0085】

受光部５は、図２に示された受光部５の構成のように、１個のフォトダイオードに対して複数個の電荷蓄積部を含んでいてもよい。この場合、制御部６は、制御パターンのＭ個のフレームのうち同一期間に同時に電荷蓄積を指示しない複数のフレームを受光部５に同時に与えることができる。このようにすることで、距離計測に要する時間を短縮することができる。図１８は、このような制御パターンの例を示す図である。この例では、図２に示された受光部５の構成において、制御パターンのうち第１フレームをスイッチＳＷ１に与え、これと同時に第２フレームをスイッチＳＷ２に与えることができる。また、制御パターンのうち第３フレームをスイッチＳＷ１に与え、これと同時に第４フレームをスイッチＳＷ２に与えることができる。なお、受光部５に同時に与える複数のフレームの全てにおいて電荷蓄積を行わない期間では、フォトダイオードＰＤで発生した電荷は電荷廃棄部へ廃棄される。

【0086】

また、受光部５は、複数組のフォトダイオードおよび電荷蓄積部を含んでいてもよい。この場合、制御部６は、制御パターンのＭ個のフレームのうちの複数のフレームを受光部５に同時に与えることができる。受光部５に同時に与える複数のフレームは、同一期間に同時に電荷蓄積を指示するものであってもよい。すなわち、フォトダイオードおよび電荷蓄積部の或る組に対しては或るフレームを与え、これと同時に他の組に対しては他の任意のフレームを与える。このようにすることでも、距離計測に要する時間を短縮することができる。

【0087】

次に、処理部７の処理内容について説明する。光源の光パルス出力タイミング後のＮ個の期間のうち第ｎ期間に受光部５に到達する反射光のパワーをｘ_ｎとし、ｘ_１～ｘ_Ｎを要素とする列ベクトルをｘとする（下記（１２）式）。制御パターンのＭ個のフレームのうち第ｍフレームで受光部５の電荷蓄積部に蓄積された電荷の量をｙ_ｍとし、ｙ_１～ｙ_Ｍを要素とする列ベクトルをｙとする（下記（１３）式）。制御パターンを表すＭ行Ｎ列の行列Φ（上記（１）式）、列ベクトルｘ（（１２）式）および列ベクトルｙ（（１３）式）の間には、下記（１４）式で表される関係がある。

【0088】

【数12】

【0089】

【数13】

【0090】

【数14】

【0091】

もし、Ｍ＝Ｎであって、行列Φの逆行列Φ^－１が存在すれば、下記（１５）式によりｘを解析的に求めることができる。しかし、Ｍ＜Ｎである場合には、ｘを解析的に求めることができない。

【0092】

【数15】

【0093】

そこで、下記（１６）式で表される最適化問題を反復法により解くことにより、ｘを求めることができる。この式の第二項はＬ１ノルム（各要素の絶対値の和）である。この最適化問題を解くことにより、未知数（期間の個数Ｎ）より少ない測定回数（フレームの個数Ｍ）で上記条件を満たすｘを求めることが可能である。しかし、この最適化問題は、計算量が不定であって計算時間が長い。

【0094】

【数16】

【0095】

下記（１７）式で表される最適化問題を、直交マッチング追跡（Orthogonal Matching Pursuit、ＯＭＰ）アルゴリズムを適用して解くことにより、ｘを求めるのが好適である。この式の第二項はＬ０ノルム（値が０でない要素の個数）である。これにより、計算時間を安定化して短縮することができる。

【0096】

【数17】

【0097】

ＯＭＰアルゴリズムを適用してＬ０最適化問題（（１７）式）を解く方法は次のとおりである。先ず、行列Φを構成するＮ個の列ベクトルφ_１～φ_Ｎそれぞれについて下記（１８）式を計算し、そのうち計算値が最大となる列ベクトルφ_ｎ１を求める。この式の分子は列ベクトルｙと列ベクトルφ_ｎとの内積を表し、分母は列ベクトルφ_ｎの大きさを表す。この求めた列ベクトルφ_ｎ１のみからなる（すなわち、第ｎ１列以外の列の全ての要素の値は０である）Ｍ行Ｎ列の行列Φ_Ｓを作成する。そして、この行列Φ_Ｓを用いて下記（１９）式によりｘの最小二乗解を表す列ベクトルｘ_Ｓを計算し、下記（２０）式により残差を表す列ベクトルｒを計算する。

【0098】

【数18】

【0099】

【数19】

【0100】

【数20】

【0101】

続いて、行列Φを構成するＮ個の列ベクトルφ_１～φ_Ｎのうち既に求めた列ベクトルφ_ｎ１の隣にある列ベクトルについて下記（２１）式を計算し、そのうち計算値が最大となる列ベクトルφ_ｎ２を求める。この式の分子は列ベクトルｒと列ベクトルφ_ｎとの内積を表し、分母は列ベクトルφ_ｎの大きさを表す。これまでに求められた列ベクトルφ_ｎ１，φ_ｎ２のみからなる行列Φ_Ｓを更新する。そして、この行列Φ_Ｓを用いて上記（１９）式によりｘの最小二乗解を表す列ベクトルｘ_Ｓを計算し、上記（２０）式により残差を表す列ベクトルｒを更新する。このような処理を繰り返す。

【0102】

【数21】

【0103】

この繰り返し処理を、残差を表す列ベクトルｒの大きさが一定値以下になるまで、または、（１８）式または（２１）式の計算により求めた列ベクトルがｋ＋１個になるまで、行う。

【0104】

図１９は、ＯＭＰアルゴリズムを適用してＬ０最適化問題を解く一例について説明する図である。この図は、ｋ＝２、Ｍ＝４、Ｎ＝７の制御パターンを表形式で示し、列ベクトルｘおよび列ベクトルｙの各要素の値をも示している。

【0105】

この例において、４行７列の行列Φを構成する７個の列ベクトルφ_１～φ_７それぞれについて（１８）式を計算すると、その計算値が最大となるのは列ベクトルφ_３である。（１９）式によりｘの最小二乗解を表す列ベクトルｘ_Ｓ＝(0，0，8.3，0，0，0，0)^Ｔが得られ、（２０）式により残差を表す列ベクトルｒ＝(0，-2.3，1.7，0.7)^Ｔが得られる。

【0106】

続いて、これまでに求められた列ベクトルφ_３の隣にある二つの列ベクトルφ_２，φ_４それぞれについて（２１）式を計算すると、その計算値が最大となるのは列ベクトルφ_２である。（１９）式によりｘの最小二乗解を表す列ベクトルｘ_Ｓ＝(0，3.5，6，0，0，0，0)^Ｔが得られ、（２０）式により残差を表す列ベクトルｒ＝(0，0，0.5，-0.5)^Ｔが得られる。

【0107】

更に続いて、これまでに求められた列ベクトルφ_２，φ_３の隣にある二つの列ベクトルφ_１，φ_４それぞれについて（２１）式を計算すると、その計算値が最大となるのは列ベクトルφ_４である。（１９）式によりｘの最小二乗解を表す列ベクトルｘ_Ｓ＝(0，4，5，1，0，0，0)^Ｔが得られ、（２０）式により残差を表す列ベクトルｒ＝(0，0，0，0)^Ｔが得られる。

【0108】

繰り返し処理を３回（＝ｋ＋１回）行った後に得られたｘの最小二乗解を表す列ベクトルｘ_Ｓは、列ベクトルｘと一致している。また、このときの残差を表す列ベクトルｒの大きさは０となっている。

【0109】

このように、ＯＭＰアルゴリズムを適用してＬ０最適化問題を解くことにより、計算時間を安定化して短縮することができる。また、これにより、要求仕様から必要とする演算能力および消費電力を最小とすることができる。

【0110】

なお、受光部５へは反射光パルスだけでなく背景光も入射する。この場合には、処理部７は、対象物までの距離を求める際に、背景光の強度に基づく補正を行うのが好ましい。この背景光の影響を低減する為には、背景光のみが受光部５に入射する期間（反射光パルス測定の前もしくは後において光源から光パルスを出力させない期間、または、反射光パルス測定時であっても反射光パルスが受光部５に入射しない期間）に電荷蓄積部または電荷廃棄部に蓄積された電荷の量に基づいて、ハードウェアまたはソフトウェアにより、反射光パルス測定時に得られた信号値を補正すればよい。また、背景光強度を考慮した行列Φを作成することでも、反射光パルス測定時に得られた信号値を補正することができる。

【産業上の利用可能性】

【0111】

本実施形態の距離計測装置または距離計測方法は、３Ｄ顔認証、ＡＲ、車載用途、監視カメラ、ロボットピッキングなどの応用分野で用いられ得る。その中でも、３Ｄ顔認証やＡＲの技術は携帯端末装置に距離計測装置が搭載され、また、車載用途では自動運転技術に欠かせない対象物との距離計測として距離計測装置が用いられ得る。

【符号の説明】

【0112】

１…距離計測装置、２…光源、３…照射光学系、４…集光光学系、５…受光部、６…制御部、７…処理部。

【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】

【図18】

【図19】