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(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】
(24)【登録日】2022-10-07
(45)【発行日】2022-10-18
(54)【発明の名称】測距撮像装置
(51)【国際特許分類】
G01S 7/4915 20200101AFI20221011BHJP
G01S 17/10 20200101ALI20221011BHJP
G01S 17/89 20200101ALI20221011BHJP
G01S 17/88 20060101ALN20221011BHJP
【ＦＩ】
G01S7/4915
G01S17/10
G01S17/89
G01S17/88
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2018187826
(22)【出願日】2018-10-03
(65)【公開番号】P2020056698
(43)【公開日】2020-04-09
【審査請求日】2021-06-03
(73)【特許権者】
【識別番号】501009849
【氏名又は名称】株式会社日立エルジーデータストレージ
(74)【代理人】
【識別番号】110001689
【氏名又は名称】青稜弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】神定 利昌
(72)【発明者】
【氏名】増田 浩三
(72)【発明者】
【氏名】杉山 久貴
(72)【発明者】
【氏名】新谷 俊通
【審査官】安井 英己
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／０２２１５２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１４／００２４１５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００６－１７０７４４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０３２３４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１６９９２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０２１７６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０８５９１６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１５／１０７８６９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／００４９７６７（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１，
Ｇ０１Ｓ １７／００－１７／９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
対象物までの距離を光の飛行時間により測定する測距撮像装置において、光源で発光したパルス光を対象物に照射する発光部と、
対象物で反射したパルス光をイメージセンサで露光し電気信号に変換する受光部と、
前記受光部の出力信号から対象物までの距離を演算する距離演算部と、
前記発光部からパルス光を照射する発光タイミングと、前記受光部にてパルス光を露光する露光タイミングを制御する制御部とを備え、
測定動作の単位である１つのフレームは、パルス光の幅ＴＨの第１の距離測定期間と、パルス光の幅ＴＬの第２の距離測定期間より構成され（ただしＴＨ＜ＴＬ）、
前記第１の距離測定期間は、照射したパルス光に対して露光タイミングをずらした複数の露光期間に分割され、
分割された各露光期間では、１つのパルス光から次のパルス光までの間に露光ゲートを所定の間隔でｎ回（ｎは複数）開いて繰り返し露光を行い、
最後の露光ゲートを閉じてから次のパルス光を照射するまでに露光を行わない第１の非露光期間が設けられており、
前記第２の距離測定期間は、照射したパルス光に対して露光タイミングをずらした複数の露光期間に分割され、
分割された各露光期間では、１つのパルス光から次のパルス光までの間に露光ゲートを１回のみ開いて露光を行い、
露光ゲートを閉じてから次のパルス光を照射するまでに露光を行わない第２の非露光期間が設けられており、
前記第１の距離測定期間におけるパルス光の幅ＴＨと繰り返し露光の回数ｎ、及び前記第２の距離測定期間におけるパルス光の幅ＴＬとの間で、
ＴＬ／ＴＨ＝（３ｎ－１）／２
または、ＴＬ／ＴＨ＝ＲＯＵＮＤＤＯＷＮ［（３ｎ－１）／２］
（ただしＲＯＵＮＤＤＯＷＮは、小数点以下を切り捨てる関数である）
の関係を満たすことを特徴とする測距撮像装置。
【請求項2】
請求項１に記載の測距撮像装置を複数台稼動させて対象物までの距離を測定する測距システムにおいて、各測距撮像装置で照射するパルス光の間隔が装置間で互いに異なるように、前記第１の非露光期間と前記第２の非露光期間の長さを設定したことを特徴とする測距システム。
【請求項3】
請求項２に記載の測距システムにおいて、各測距撮像装置で照射するパルス光の間隔の値が、互いに素の関係になるように、前記第１の非露光期間と前記第２の非露光期間の長さを設定したことを特徴とする測距システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、対象物までの距離を光の飛行時間により測定する測距撮像装置に関する。
【背景技術】
【0002】
対象物までの距離を測定する方法として、照射光が対象物で反射して戻ってくるまでの飛行時間により距離を測定するＴＯＦ（Time Of Flight）法が知られている。具体的には、強度変調された照射光の発光タイミングに対して露光タイミングをずらした複数の露光ゲートで露光し、各露光ゲートで蓄積された露光量から照射光に対する反射光の時間の遅れを算出して距離を求めるものである。
【0003】
ＴＯＦ法では、測距精度（繰り返し測定誤差）と測距範囲（測定可能な距離範囲）は照射光のパルス幅（変調周波数）に依存し、パルス幅が短い（変調周波数が高い）ほど測距精度が高くなるが測距範囲が狭くなる。このため、短いパルス幅と長いパルス幅の２種類の照射光を用いてそれぞれ距離を測定し、測定結果を比較することで高い測距精度と広い測距範囲を両立する方法が提案されている。
【0004】
例えば特許文献１では、短いパルス幅（高い変調周波数）での測定時には、タイミングずれの異なる複数の露光ゲートを重ね合わせたときに、露光ゲートの繰り返しが隙間なく連続する連続方式(Continuous Wave)を用いている。また長いパルス幅（低い変調周波数）での測定時には、タイミングずれの異なる複数の露光ゲートを重ね合わせたときに、タイミングずれの一番大きい露光ゲートの終了から次のタイミングずれの一番小さい露光ゲートの開始までの間に、一定の非露光期間が存在するパルス方式を用いている。
【0005】
短いパルス幅での測定では、狭い測距範囲を単位として折り返して表示される距離データが得られる。一方、長いパルス幅での測定では、広い測距範囲での距離データが得られる。そして、後者の距離データを用いて前者の距離データの折り返しを解き、距離を確定する方法（ディエイリアシング）が用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】国際公開第２０１７－０２２１５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
同一エリアで複数台の測距撮像装置を稼動させたときには、自装置以外の照射光（または反射光）が干渉光となり自装置で露光されることで、測距値に誤差が生じる問題がある。その対策として、装置ごとに発光パルスの変調周波数を変えて干渉による測距誤差を低減する方法が知られている。しかしながら、この方法を特許文献１の構成に適用することは、以下の理由により困難である。
【0008】
特許文献１の構成において、複数台稼動時の干渉を低減するには変調周波数を装置ごとに変える必要がある。パルス方式では、パルス幅を変えずに非露光期間の長さを変えて照射光のパルス間隔を変える方法と、パルス幅を変えて発光パルスと露光ゲートの幅および非露光期間を相似形で変える方法の、２つの方法が選択できる、しかし、連続方式では非露光期間がないので、基本的にパルス幅を変える方法のみの選択となる。パルス幅を変えると測距範囲が変わるため、連続方式とパルス方式の両方のデータを用いてディエイリアシングを行う場合には、連続方式とパルス方式で共通してパルス幅を変えなければならない。
【0009】
なお、連続方式においても非露光期間を設けて、パルス方式と同様に非露光期間の長さを変えることも考えられるが、後述するように、露光ゲートの連続回数を増やす必要があり干渉光による測距誤差が増加してしまう課題がある。
【0010】
また、高い変調周波数と低い変調周波数の２種類の照射光を用いてそれぞれ距離を測定するので、同一エリアで複数台稼動させた場合には、他装置の２種類の周波数を持った干渉光が自装置の照射光とは同期しないで露光される。そのため、例えば高い変調周波数の露光時に低い変調周波数の干渉光が露光されたり、または低い変調周波数と高い変調周波数の両方の干渉光が同時に露光されたりする。さらにパルス幅を変える方法の場合、パルス幅の変更によって測距範囲が変わるため、パルス幅を大きく変えることができず、このため干渉光による測距誤差を低減することが難しい。
【0011】
このように、特許文献１に記載されるような高い変調周波数と低い変調周波数の２種類の照射光を用いて距離を測定する方式では、高い測距精度と広い測距範囲を得ることができるが、複数台の測距撮像装置間の干渉による測距誤差を低減することは困難であった。
【0012】
以上の課題を鑑み、本発明の目的は、高い測距精度と広い測距範囲を両立し、かつ複数台の装置間の干渉による測距誤差を低減する測距撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の測距撮像装置において、測定動作の単位である１つのフレームは、パルス光の幅ＴＨの第１の距離測定期間と、パルス光の幅ＴＬの第２の距離測定期間より構成される（ただしＴＨ＜ＴＬ）。第１の距離測定期間は、照射したパルス光に対して露光タイミングをずらした複数の露光期間に分割され、分割された各露光期間では、１つのパルス光から次のパルス光までの間に露光ゲートを所定の間隔でｎ回（ｎは複数）開いて繰り返し露光を行い、最後の露光ゲートを閉じてから次のパルス光を照射するまでに露光を行わない第１の非露光期間が設けられている。第２の距離測定期間は、照射したパルス光に対して露光タイミングをずらした複数の露光期間に分割され、分割された各露光期間では、１つのパルス光から次のパルス光までの間に露光ゲートを１回のみ開いて露光を行い、露光ゲートを閉じてから次のパルス光を照射するまでに露光を行わない第２の非露光期間が設けられている。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、高い測距精度と広い測距範囲を両立し、かつ複数台の装置間の干渉による測距誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の実施形態に係る測距撮像装置を示す構成図。
【図2】ＴＯＦ法による距離測定の原理を説明する図。
【図3】距離測定における１フレームの構成を示す図。
【図4】１フレーム内の距離測定処理のフローチャートを示す図。
【図5】実施例１における発光露光タイムチャートを示す図。
【図6】実施例１における距離計算法を示す図。
【図7】第１／第２距離測定期間の測定結果の例を示す図。
【図8】第１／第２の距離測定結果から距離を確定する方法を説明する図。
【図9】第１／第２の距離測定結果から距離を確定する方法を説明する図。
【図10A】パルス光間隔を変えることによる干渉光対策を説明する図。
【図10B】パルス光間隔を変えることによる干渉光対策を説明する図。
【図10C】パルス光間隔を変えることによる干渉光対策を説明する図。
【図10D】パルス光間隔を変えることによる干渉光対策を説明する図。
【図11】干渉光のキャンセル効果について説明する図。
【図12】連続方式に非露光期間を設けた場合のタイムチャートを示す図。
【図13】露光のアンバランスにより発生する距離誤差を示す図。
【図14】実施例２における発光露光タイムチャートを示す図。
【図15】第１／第２の距離測定結果から距離を確定する方法を説明する図。
【図16】第１／第２の距離測定結果から距離を確定する方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る測距撮像装置を示す構成図である。測距撮像装置１では、人物や物体などの測定の対象物２までの距離をＴＯＦ法で測定し、測定した対象物の各部までの距離を２次元の距離データとして出力する。装置の構成は、発光部１１、受光部１２、距離演算部１３、及び制御部１４を有する。発光部１１は、レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源で発光したパルス状の照射光２１を出射する。受光部１２は、対象物２に照射され反射して戻ってきたパルス状の反射光２２を、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの２次元状に画素を配列したイメージセンサ２３で露光し、電気信号に変換する。距離演算部１３は、受光部１２の出力信号から対象物２までの距離Ｄを演算する。制御部１４は、発光部１１と受光部１２と距離演算部１３を制御し、発光部１１での照射光２１の発光タイミングと受光部１２での反射光２２の露光タイミングを制御する。このように測距撮像装置１は、イメージセンサ２３で対象物２を撮像するデジタルカメラと類似の構成で、対象物２までの距離Ｄを２次元状のデータとして取得する。
図１は、本発明の実施形態に係る測距撮像装置を示す構成図である。測距撮像装置１では、人物や物体などの測定の対象物２までの距離をＴＯＦ法で測定し、測定した対象物の各部までの距離を２次元の距離データとして出力する。装置の構成は、発光部１１、受光部１２、距離演算部１３、及び制御部１４を有する。発光部１１は、レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光源で発光したパルス状の照射光２１を出射する。受光部１２は、対象物２に照射され反射して戻ってきたパルス状の反射光２２を、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの２次元状に画素を配列したイメージセンサ２３で露光し、電気信号に変換する。距離演算部１３は、受光部１２の出力信号から対象物２までの距離Ｄを演算する。制御部１４は、発光部１１と受光部１２と距離演算部１３を制御し、発光部１１での照射光２１の発光タイミングと受光部１２での反射光２２の露光タイミングを制御する。このように測距撮像装置１は、イメージセンサ２３で対象物２を撮像するデジタルカメラと類似の構成で、対象物２までの距離Ｄを２次元状のデータとして取得する。
【0017】
図２は、ＴＯＦ法による距離測定の原理を説明する図である。ＴＯＦ法では、照射光２１の信号と反射光２２の信号の時間差、すなわち遅延時間ｄＴに基づいて距離Ｄを測定する。対象物２までの距離Ｄと遅延時間ｄＴとの関係は、光速をｃとすると、Ｄ＝ｄＴ・ｃ／２で表される。
【0018】
ただし本実施例では、遅延時間ｄＴを直接測定せずに、受光期間を複数の露光ゲートに分割して、それぞれのゲート期間の露光量から遅延時間ｄＴを間接的に求め、距離Ｄを測定する（間接法とも呼ばれる）。
【0019】
図２では、１回の照射光２１（パルス幅Ｔ０）に対し、露光動作を例えば２つのゲートに分けて行う場合を示す。すなわち、反射光２２の露光期間を、第１の露光ゲートＳ１と第２の露光ゲートＳ２に分け、それぞれのゲート幅は照射光２１のパルス幅Ｔ０に等しくする。受光部１２は、第１の露光ゲートＳ１と第２の露光ゲートＳ２での露光量を電荷量に変換し、第１の電荷量Ｑ１と第２の電荷量Ｑ２として出力する。
【0020】
このときの第１，第２の電荷量Ｑ１，Ｑ２と遅延時間ｄＴ、および対象物２までの距離Ｄは、
ｄＴ＝Ｔ０・Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）
Ｄ＝Ｔ０・Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）・ｃ／２
すなわち、第１の電荷量Ｑ１と第２の電荷量Ｑ２とを測定することで、距離Ｄを算出できる。以上がＴＯＦ法による距離測定の原理であり、本実施例では、パルス幅Ｔ０や露光ゲートＳ１，Ｓ２が異なる２つの距離測定方式を組み合わせて距離測定を行う。
ｄＴ＝Ｔ０・Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）
Ｄ＝Ｔ０・Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）・ｃ／２
すなわち、第１の電荷量Ｑ１と第２の電荷量Ｑ２とを測定することで、距離Ｄを算出できる。以上がＴＯＦ法による距離測定の原理であり、本実施例では、パルス幅Ｔ０や露光ゲートＳ１，Ｓ２が異なる２つの距離測定方式を組み合わせて距離測定を行う。
【0021】
図３は、距離測定における1フレームの構成を示す図である。対象物までの距離測定は、撮像動作と対応させてフレーム単位に行われる。１フレームは、発光・露光タイミングの異なる第１距離測定期間と第２距離測定期間で構成され、それぞれの期間から第１距離データと第２距離データを取得する。
【0022】
まず、第１距離測定期間から説明する。発光・露光期間では、短いパルス幅（高い変調周波数）の発光・露光動作を行う。発光・露光期間はｎセットからなり、１セットの中では、発光パルスに対して露光タイミングをずらしたＡ，Ｂ，Ｃ期間を有し、露光を分割して行う。分割した各期間では、符号Ａ１，Ｂ１，Ｃ１で示すように、１つの発光パルスから次の発光パルスまでの間に、露光ゲートを所定の間隔で複数回（ここでは３回）開いて露光し、電荷を蓄積する。１セット内では発光・露光動作をｍ回繰り返し、これをｎセット繰り返して行う。
【0023】
データ出力期間では、Ａ，Ｂ，Ｃ期間でそれぞれ蓄積されたｍ×ｎ回分の電荷量を読み出して距離を計算し、第１距離測定期間での第１距離データを出力する。このように第１距離測定期間においては、１つの発光パルスに対する反射光を所定の間隔で複数回露光する構成としており、このような発光・露光方式を「拡張パルス方式」と呼ぶことにする。
【0024】
次に、第２距離測定期間について説明する。発光・露光期間では、長いパルス幅（低い変調周波数）の発光・露光を行う。第１距離測定期間と同様に、１セットとして、露光タイミングをずらしたＡ，Ｂ，Ｃ期間を有し、露光を分割して行う。ただし分割した各期間では、符号Ａ２，Ｂ２，Ｃ２で示すように、１つの発光パルスから次の発光パルスまでの間に、露光ゲートを１回のみ開いて露光し、電荷を蓄積する。１セット内で発光・露光動作をｍ回繰り返し、これをｎセット繰り返して行う。
【0025】
データ出力期間では、Ａ，Ｂ，Ｃ期間でそれぞれ蓄積されたｍ×ｎ回分の電荷量を読み出して距離を計算し、第２距離測定期間での第２距離データを出力する。以下、第２距離測定期間における発光・露光方式を「パルス方式」と呼ぶことにする。
【0026】
このように、第１距離測定期間と第２距離測定期間では、パルス光と露光ゲートの幅、および露光繰り返し回数が異なる。第１距離測定期間では短いパルス幅（高周波数）で測定することで、測距精度の高い測定結果が得られる。一方、第２距離測定期間では長いパルス幅（低周波数）で測定することで、測距範囲の広い測定結果が得られる。両者の測定結果を組み合わせて距離を確定（ディエイリアシング）することで、測距精度が高く測距範囲の広い測定が可能となる。なお、第１距離測定期間と第２距離測定期間の測定順序はいずれを先行させても良い。
【0027】
さらに本実施形態では、第１距離測定期間と第２距離測定期間において、１回の発光・露光動作とそれに続く次の発光・露光動作とを連続して行うのではなく、最後の露光ゲートを閉じてから次のパルス光を発光するまでに、それぞれ第１／第２の非露光期間を挿入したことに特徴がある。つまり、第１距離測定期間における「拡張パルス方式」は、発光・露光動作を連続して行う「連続方式」とは異なるものである。このように、第１距離測定期間と第２距離測定期間のいずれにおいても非露光期間を設けることで、後述するように、複数台の測距撮像装置を稼働させたときの装置間の干渉による測距誤差を低減させることができる。
【0028】
なお、本実施形態では、１つのセットに対する露光動作を露光タイミングをずらした３つの期間（Ａ，Ｂ，Ｃ期間）に分割して行うことで説明するが、分割数はこれに限らず任意の複数であってよい。
【0029】
図４は、１フレーム内の距離測定処理のフローチャートを示す図である。１フレーム期間では、第１距離測定（Ｓ１００～）と第２距離測定（Ｓ２００～）を行い、両者の距離データを用いて距離を確定する（Ｓ２２０）。
【0030】
まず、第１距離測定を開始すると（Ｓ１００）、カウンタｉを１とし（Ｓ１０１）、ｎセット分の発光露光を開始する（Ｓ１０２）。発光露光動作は、まずＡ期間発光露光（Ｓ１０３）では、図３のＡ１タイミングで示す発光露光をｍ１回行い、露光により発生した電荷（Ａ電荷）を蓄積する（Ｓ１０４）。次に、Ｂ期間発光露光（図３のＢ１タイミングで示す発光露光）をｍ１回行い（Ｓ１０５）、露光により発生した電荷（Ｂ電荷）を蓄積する（Ｓ１０６）。さらに、Ｃ期間発光露光（図３のＣ１タイミングで示す発光露光）をｍ１回行い（Ｓ１０７）、露光により発生した電荷（Ｃ電荷）を蓄積する（Ｓ１０８）。そして、カウンタｉに１を加算し（Ｓ１０９）、カウンタｉが規定回数ｎに達したかどうか判定する（Ｓ１１０）。
【0031】
規定回数ｎに達していない場合は（Ｓ１１０でＮｏ）、Ｓ１０３に戻りＡ期間発光露光から繰り返す。このようにして受光部１２には、ｍ１×ｎ回分のＡ電荷、Ｂ電荷、Ｃ電荷が蓄積される。カウンタｉが規定回数ｎに達した場合は（Ｓ１１０でＹｅｓ）、受光部１２から電荷量の蓄積データを読み出す（Ｓ１１１）。距離演算部１３は、読み出したＡ～Ｃ電荷量を用いて対象物２までの距離（第１距離データ）を演算する（Ｓ１１２）。
【0032】
次に、第２距離測定を開始するが（Ｓ２００）、第１距離測定（Ｓ１００）と同様の手順なので繰り返しの説明は省略する。ただし、Ａ期間発光露光（Ｓ２０３）では、図３のＡ２タイミングで示す発光露光をｍ２回行い、露光により発生した電荷（Ａ電荷）を蓄積する（Ｓ２０４）。Ｂ期間発光露光（Ｓ２０５）では、図３のＢ２タイミングで行い、Ｃ期間発光露光（Ｓ２０７）では、図３のＣ２タイミングで行う。カウンタｉが規定回数ｎに達したら（Ｓ２１０でＹｅｓ）、受光部１２から電荷量の蓄積データを読み出す（Ｓ２１１）。距離演算部１３は、読み出したＡ～Ｃ電荷量を用いて対象物２までの距離（第２距離データ）を演算する（Ｓ２１２）。
【0033】
距離演算部１３は、Ｓ１１２で求めた第１距離データと、Ｓ２１２で求めた第２距離データを用いて、距離を確定する（Ｓ２２０）。この演算の詳細は後述するが、第１距離測定では、狭い測距範囲を単位として折り返して表示される距離データが得られる。一方、第２距離測定では、広い測距範囲の距離データが得られ、これを用いて第１距離データの折り返しを解いて距離を確定（ディエイリアシング）するものである。
【0034】
なお、第１距離測定と第２距離測定における１セット内の発光露光の繰り返し回数ｍ１，ｍ２、及びセット数ｎは、１フレーム期間の長さに応じて適宜設定する。
次に、具体的な距離測定の例を実施例１と実施例２で説明する。
次に、具体的な距離測定の例を実施例１と実施例２で説明する。
【実施例1】
【0035】
図５は、実施例１における発光露光タイムチャートを示す図である。
（ａ）は第１の距離測定期間の発光・露光タイミングを示す。発光パルスは短いパルス幅１Ｔを用いて、これを同じ幅１Ｔの露光ゲートで露光する（高い変調周波数）。露光期間は、タイミングを１ＴずつずらしたＡ，Ｂ，Ｃ期間で露光するが、各期間では、１つの発光パルスから次の発光パルス（符号３５）までの間に、露光ゲートを周期３Ｔで３回開いて繰り返し露光する（符号３１，３２，３３）。これが本実施例で導入した「拡張パルス方式」である。そして、最後の露光ゲート（符号３４）を閉じてから次のパルス光（符号３５）を発光するまでに、露光しない第１の非露光期間３６（ここでは１０Ｔの幅）を設けている。これにより、パルス光間隔４０は１９Ｔの幅となる。
（ａ）は第１の距離測定期間の発光・露光タイミングを示す。発光パルスは短いパルス幅１Ｔを用いて、これを同じ幅１Ｔの露光ゲートで露光する（高い変調周波数）。露光期間は、タイミングを１ＴずつずらしたＡ，Ｂ，Ｃ期間で露光するが、各期間では、１つの発光パルスから次の発光パルス（符号３５）までの間に、露光ゲートを周期３Ｔで３回開いて繰り返し露光する（符号３１，３２，３３）。これが本実施例で導入した「拡張パルス方式」である。そして、最後の露光ゲート（符号３４）を閉じてから次のパルス光（符号３５）を発光するまでに、露光しない第１の非露光期間３６（ここでは１０Ｔの幅）を設けている。これにより、パルス光間隔４０は１９Ｔの幅となる。
【0036】
（ｂ）は第２の距離測定期間の発光・露光タイミングを示す。発光パルスは長いパルス幅４Ｔを用いて、これを同じ幅４Ｔの露光ゲートで露光する（低い変調周波数）。露光期間は、タイミングを４ＴずつずらしたＡ，Ｂ，Ｃ期間で露光するが、各期間では、１つの発光パルスに対して露光ゲートを１回のみ開いて露光する。これは従来の「パルス方式」である。そして、最後の露光ゲート（符号３７）を閉じてから次のパルス光（符号３８）を発光するまでに、露光しない第２の非露光期間３９（ここでは７Ｔの幅）を設けている。これにより、パルス光間隔４０’は１９Ｔの幅となる。
【0037】
ここでは、第１の距離測定期間でのパルス光間隔４０と第２の距離測定期間でのパルス光間隔４０’を等しくしたが、それらの比が整数倍の関係になるように第１の非露光期間３６と第２の非露光期間３９の長さを設定してもよい。
【0038】
図６は、実施例１における距離計算法を示す図である。
（ａ）は第１距離測定期間での距離計算を示す。１つの発光パルスに対する反射光は、Ａ，Ｂ，Ｃ期間の連続するいずれかの２ゲートで露光される。この例ではＡ期間とＢ期間で露光され、符号４１，４２で示す。Ａ，Ｂ，Ｃ期間で露光により発生した電荷量をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃとすると、前記図２の計算式を拡張し、照射光に対する反射光の遅延時間ｄＴは次式で表される。電荷量Ａ，Ｂ，Ｃの大小関係により、計算式が分かれる。
（ａ）は第１距離測定期間での距離計算を示す。１つの発光パルスに対する反射光は、Ａ，Ｂ，Ｃ期間の連続するいずれかの２ゲートで露光される。この例ではＡ期間とＢ期間で露光され、符号４１，４２で示す。Ａ，Ｂ，Ｃ期間で露光により発生した電荷量をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃとすると、前記図２の計算式を拡張し、照射光に対する反射光の遅延時間ｄＴは次式で表される。電荷量Ａ，Ｂ，Ｃの大小関係により、計算式が分かれる。
【0039】
ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，Ｃ）＝Ｃのとき、
ｄＴ＝｛（Ｂ－Ｃ）／（Ａ＋Ｂ－２Ｃ）｝・Ｔ＋３ｎＴ
ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，Ｃ）＝Ａのとき、
ｄＴ＝｛（Ｃ－Ａ）／（Ｂ＋Ｃ－２Ａ）｝・Ｔ＋Ｔ＋３ｎＴ
ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，Ｃ）＝Ｂのとき、
ｄＴ＝｛（Ａ－Ｂ）／（Ｃ＋Ａ－２Ｂ）｝・Ｔ＋２Ｔ＋３ｎＴ
ここでＭＩＮは最小値を求める関数である。ｎは、３回の繰り返し露光のうち何回目の周期で露光したかを表すパラメータで、繰り返し数と呼ぶことにする。ここにｎ＝０，１，２は、それぞれ１，２，３回目を表す。
ｄＴ＝｛（Ｂ－Ｃ）／（Ａ＋Ｂ－２Ｃ）｝・Ｔ＋３ｎＴ
ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，Ｃ）＝Ａのとき、
ｄＴ＝｛（Ｃ－Ａ）／（Ｂ＋Ｃ－２Ａ）｝・Ｔ＋Ｔ＋３ｎＴ
ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，Ｃ）＝Ｂのとき、
ｄＴ＝｛（Ａ－Ｂ）／（Ｃ＋Ａ－２Ｂ）｝・Ｔ＋２Ｔ＋３ｎＴ
ここでＭＩＮは最小値を求める関数である。ｎは、３回の繰り返し露光のうち何回目の周期で露光したかを表すパラメータで、繰り返し数と呼ぶことにする。ここにｎ＝０，１，２は、それぞれ１，２，３回目を表す。
【0040】
第１距離測定期間の測定では、何回目の露光で得られた信号であるか分からないので、繰り返し数ｎを特定することができない。そこで、第１距離測定期間ではｎ＝０としたときのｄＴから、第１距離データＤ１Ｔを
Ｄ１Ｔ＝ｃ・ｄＴ（ｎ＝０）／２
と算出する。
Ｄ１Ｔ＝ｃ・ｄＴ（ｎ＝０）／２
と算出する。
【0041】
ここで、測定可能な距離の範囲（測距範囲）について説明する。測距範囲ＤＲは、反射光遅延時間ｄＴＲから求められる。
ｄＴＲ＝（パルス幅）×（繰り返し露光回数×３－１）
ＤＲ＝ｃ・ｄＴＲ／２
第１距離測定期間では、パルス幅＝１Ｔ、繰り返し露光回数＝３なので、
ｄＴＲ＝１Ｔ・（３×３－１）＝８Ｔ
これに対し従来の１回の露光では
ｄＴＲ＝１Ｔ・（１×３－１）＝２Ｔ
なので、測距範囲ＤＲは４倍に拡張される。
ｄＴＲ＝（パルス幅）×（繰り返し露光回数×３－１）
ＤＲ＝ｃ・ｄＴＲ／２
第１距離測定期間では、パルス幅＝１Ｔ、繰り返し露光回数＝３なので、
ｄＴＲ＝１Ｔ・（３×３－１）＝８Ｔ
これに対し従来の１回の露光では
ｄＴＲ＝１Ｔ・（１×３－１）＝２Ｔ
なので、測距範囲ＤＲは４倍に拡張される。
【0042】
（ｂ）は第２距離測定期間での距離計算を示す。１つの発光パルスに対する反射光は、Ａ，Ｂ，Ｃ期間の連続するいずれかの２ゲートで露光され、符号４３，４４で示す。この場合も、Ａ，Ｂ，Ｃ期間で露光により発生した電荷量Ａ，Ｂ，Ｃから、照射光に対する反射光の遅延時間ｄＴは次式で表される。ただしこの計算では、第１距離測定期間での計算におけるパルス幅を４Ｔ、繰り返し数ｎ＝０に置き換えている。
Ａ≧Ｃのとき、ｄＴ＝｛（Ｂ－Ｃ）／（Ａ＋Ｂ－２Ｃ）｝・４Ｔ
Ａ＜Ｃのとき、ｄＴ＝｛（Ｃ－Ａ）／（Ｂ＋Ｃ－２Ａ）｝・４Ｔ＋４Ｔ
このｄＴから、第２距離データＤ４Ｔを
Ｄ４Ｔ＝ｃ・ｄＴ／２
と算出する。
Ａ≧Ｃのとき、ｄＴ＝｛（Ｂ－Ｃ）／（Ａ＋Ｂ－２Ｃ）｝・４Ｔ
Ａ＜Ｃのとき、ｄＴ＝｛（Ｃ－Ａ）／（Ｂ＋Ｃ－２Ａ）｝・４Ｔ＋４Ｔ
このｄＴから、第２距離データＤ４Ｔを
Ｄ４Ｔ＝ｃ・ｄＴ／２
と算出する。
【0043】
この場合の測距範囲ＤＲは、反射光遅延時間をｄＴＲとすると、
ｄＴＲ＝４Ｔ・（１×３－１）＝８Ｔ
なので、上記の第１距離測定期間での測距範囲ＤＲと一致している。
ｄＴＲ＝４Ｔ・（１×３－１）＝８Ｔ
なので、上記の第１距離測定期間での測距範囲ＤＲと一致している。
【0044】
しかしながら第２距離測定期間では、第１距離測定期間に比べて反射光のパルス幅が４倍になり、ショットノイズが２倍に増える。よって、測距範囲は広いが、第１距離測定期間よりも測定精度が悪化している。
【0045】
その後、第２距離測定期間の第２距離データＤ４Ｔを用いて第１距離測定期間の繰り返し数ｎを特定し、第１距離データＤ１Ｔから正確な距離Ｄを確定する。
【0046】
図７は、第１／第２距離測定期間の測定結果の例を示す図である。横軸は対象物までの実際の距離、縦軸は測定された距離の値である。なお、図５、図６における時間軸の単位を１Ｔ＝１０ｎｓｅｃとしている。横軸を長い距離レンジで表した場合、近い距離から得られる符号５０で示す測定結果と、遠い距離から得られる符号５１で示す測定結果が存在する。
【0047】
まず、近距離から得られる符号５０で示す結果では、第１距離測定期間（パルス幅＝１Ｔ）での第１距離データＤ１Ｔ（実線で示す）は折り返しのある直線となる。折り返し点までの距離（折り返し距離）Ｒ１Ｔは、ｎ＝０における最大測定距離であり、Ｒ１Ｔ＝３ｃＴ／２＝４．５ｍとなる。また、勾配のある直線部分が測定可能な測距範囲ＤＲであり、８ｃＴ／２＝１２ｍとなる。
【0048】
第２距離測定期間（パルス幅＝４Ｔ）での第２距離データＤ４Ｔ（破線で示す）は折り返しのない直線となる。測距範囲ＤＲ（勾配部分）は８ｃＴ／２＝１２ｍであり、第１距離データＤ１Ｔの測距範囲ＤＲと等しい。
【0049】
次に、遠距離から得られる符号５１に示す結果について説明する。対象物が遠距離にあると、その反射光は当該パルス光に対する露光ゲート期間内に戻らず、次のパルス光の露光ゲート期間に戻ってくる。つまり、符号５１で示す結果は、１つ前に照射したパルス光により測定された結果である。この例ではパルス光間隔を１９Ｔ（１９０ｎｓｅｃ）に設定しており、距離２８．５ｍを基点としてそれより遠い位置からの測定結果５１が、近距離の測定結果５０と同じパターンで繰り返して得られる。ただし、パルス光の飛行距離が長くなるので、露光される信号強度は減衰している。
【0050】
しかし、遠距離から得られる測定結果５１は本来の目的とするものではなく、これを残しておくと近距離の測定結果５０に対するノイズ成分となるので、無効にする必要がある。対策として、非露光期間を長くしてパルス光間隔を広げ、反射光が弱くて露光されない距離まで遠ざけることで、無視することができる。ただし、パルス光間隔を広げすぎると、露光期間内での繰り返し露光回数が少なくなって測距精度が低下するので、第１、第２距離測定期間ともパルス光間隔を測距範囲の２倍以上とするのが望ましい。光の飛行距離が２倍になると露光量は１／４に低下するので、露光量に閾値を設けて２倍以上の距離からの反射光を無効とすることができる。実施例１の条件では、パルス光間隔（１９Ｔ＝２８．５ｍ）は測距範囲（８Ｔ＝１２ｍ）の約２．４倍となっている。
【0051】
【0052】
図８には、図７の符号５０で示した測定結果を再度示している。ディエイリアシングでは、第２距離データＤ４Ｔを用いて、第１距離データＤ１Ｔにおける繰り返し数ｎ（何回目の周期で露光したかを表すパラメータ）を次の手順で求める。
【0053】
まず、第１、第２の距離データの差分量と、第１距離測定期間の折り返し距離Ｒ１Ｔ（＝３ｃＴ／２）との比ｎ’を求める。比ｎ’は、求めようとする繰り返し数ｎに相当する値である。
ｎ’＝（Ｄ４Ｔ－Ｄ１Ｔ）／Ｒ１Ｔ
ｎ’を点線で示すが、第１距離データＤ１Ｔおよび第２距離データＤ４Ｔには測定誤差が含まれるので、ｎ’は本来の整数値ではなく小数点以下の端数伴う。そこで、ラウンド関数（４捨５入）でｎ’の整数化を行う。
ｎ＝ＲＯＵＮＤ（ｎ’）
これで、繰り返し数の真値（整数値）ｎが求められる。
ｎ’＝（Ｄ４Ｔ－Ｄ１Ｔ）／Ｒ１Ｔ
ｎ’を点線で示すが、第１距離データＤ１Ｔおよび第２距離データＤ４Ｔには測定誤差が含まれるので、ｎ’は本来の整数値ではなく小数点以下の端数伴う。そこで、ラウンド関数（４捨５入）でｎ’の整数化を行う。
ｎ＝ＲＯＵＮＤ（ｎ’）
これで、繰り返し数の真値（整数値）ｎが求められる。
【0054】
図９には、ディエイリアシング後の距離出力を示している。上記した繰り返し数の真値ｎを用いて、次式より正確な距離Ｄを確定する。
Ｄ＝Ｄ１Ｔ＋ｎ・Ｒ１Ｔ＝Ｄ１Ｔ＋ｎ・３ｃＴ／２
この演算では、第１距離データＤ１Ｔに折り返し距離Ｒ１Ｔをｎ回加算する。ここに、第１距離データＤ１Ｔは測距精度が高く、また加算される折り返し距離Ｒ１Ｔは、単位時間Ｔと光速ｃから決まる定数（３ｃＴ／２）であるから、正確な距離Ｄを確定することができる。このようにして、高い測距精度と広い測距範囲を両立させて測定することができる。
Ｄ＝Ｄ１Ｔ＋ｎ・Ｒ１Ｔ＝Ｄ１Ｔ＋ｎ・３ｃＴ／２
この演算では、第１距離データＤ１Ｔに折り返し距離Ｒ１Ｔをｎ回加算する。ここに、第１距離データＤ１Ｔは測距精度が高く、また加算される折り返し距離Ｒ１Ｔは、単位時間Ｔと光速ｃから決まる定数（３ｃＴ／２）であるから、正確な距離Ｄを確定することができる。このようにして、高い測距精度と広い測距範囲を両立させて測定することができる。
【0055】
なお、距離が１３．５ｍ以降は測定範囲を超えているので、無効データとし距離計算を行わない。その場合は電荷量の関係が（Ａ＋Ｂ－２Ｃ）＝０となるので、これを判定条件とすればよい。
【0056】
次に、複数の測距撮像装置間の干渉光対策について説明する。
図１０Ａは、パルス光間隔を変えることによる干渉光対策を説明する図である。ここでは、同時に稼動する２台の測距撮像装置（以下、機器Ｎｏ．１と機器Ｎｏ．２と称する）を想定し、機器Ｎｏ．１が機器Ｎｏ．２から受ける干渉を考える。それぞれ第１距離測定期間において、機器Ｎｏ．１のパルス光間隔４０を１７Ｔ、機器Ｎｏ．２のパルス光間隔４０”を１９Ｔに設定し、互いに異ならせる。なお、各機器でのパルス光間隔を変更するには、第１距離測定期間に設けた非露光期間３６の長さ（図５参照）を機器ごとに変更すればよい。その際、各機器でのパルス幅（１Ｔ）は固定しているので、測距精度や測距範囲が変わることはない。
図１０Ａは、パルス光間隔を変えることによる干渉光対策を説明する図である。ここでは、同時に稼動する２台の測距撮像装置（以下、機器Ｎｏ．１と機器Ｎｏ．２と称する）を想定し、機器Ｎｏ．１が機器Ｎｏ．２から受ける干渉を考える。それぞれ第１距離測定期間において、機器Ｎｏ．１のパルス光間隔４０を１７Ｔ、機器Ｎｏ．２のパルス光間隔４０”を１９Ｔに設定し、互いに異ならせる。なお、各機器でのパルス光間隔を変更するには、第１距離測定期間に設けた非露光期間３６の長さ（図５参照）を機器ごとに変更すればよい。その際、各機器でのパルス幅（１Ｔ）は固定しているので、測距精度や測距範囲が変わることはない。
【0057】
この状態で機器間の干渉光の影響を説明する。まず、機器Ｎｏ．２のパルス光５１（照射光または反射光）が干渉光として、機器Ｎｏ．１の露光ゲート（Ａ期間）５２で露光される状態を示す。しかし、機器Ｎｏ．２の次のパルス光５３（干渉光）は機器Ｎｏ．１の露光ゲート（Ａ期間）から２Ｔだけずれるので露光されない。つまり、この後に機器Ｎｏ．１の露光ゲート（Ａ期間）で機器Ｎｏ．２からの干渉光を露光する周期は、両機器のパルス光間隔の最小公倍数の周期（１７×１９Ｔ）に拡大する。ただし、機器Ｎｏ．１の露光ゲートはＡ期間に３回繰り返して開くことを含めると、露光される干渉光量は、両機器のパルス光間隔が同じ場合（いずれも１７Ｔ）と比較し、３／１９に低減される。なお他の期間（Ｂ，Ｃ期間）でも露光ゲートのタイミングが異なるが、露光される干渉光量はＡ期間と同じ３／１９に低減される。
【0058】
図１０Ａの例では、機器Ｎｏ．１の第１距離測定期間に対する機器Ｎｏ．２の第１距離測定期間からの干渉光の露光について説明したが、干渉光の組合せはこれだけではない。機器Ｎｏ．１の第１距離測定期間に対する機器Ｎｏ．２の第２距離測定期間の干渉光の様子を図１０Ｂに、機器Ｎｏ．１の第２距離測定期間に対する機器Ｎｏ．２の第１距離測定期間の干渉光および第２距離測定期間の干渉光の様子を、それぞれ図１０Ｃおよび図１０Ｄに示す。機器Ｎｏ．１および機器Ｎｏ．２の第２距離測定期間のパルス光間隔は、それぞれの機器の第１距離測定期間と同じである。露光される干渉光量は、両機器のパルス光間隔が同じ場合（いずれも１７Ｔ）と比較し、図１０Ｂでは６／１９に、図１０Ｃと図１０Ｄでは４／１９に低減される。このように、第１距離測定期間と第２距離測定期間のパルス光間隔を同じにすることによって、どの組合せでも同等の干渉低減効果を得ることができる。さらに、第１距離測定期間と第２距離測定期間のパルス光間隔を整数倍の関係にしても良い。例えば、機器Ｎｏ．２の第１距離測定期間のパルス光間隔１９Ｔに対して第２距離測定期間のパルス光間隔を２倍の３８Ｔにした場合、第２距離測定期間での露光回数は半分に減るが、図１０Ｂと図１０Ｄで機器Ｎｏ．１が受ける干渉光量が半分に低減される効果がある。
【0059】
上記したように、複数の機器間で干渉光の影響を受ける周期は、各機器のパルス光間隔の最小公倍数に拡大する。よって、最小公倍数を大きくするため、各機器のパルス光間隔の値は「互いに素」の関係になるよう設定するのが得策である。また、パルス光間隔を変える単位は１Ｔに限らず、０．５Ｔや０．２５Ｔのように１Ｔ未満の任意の数値でもよい。１Ｔ未満の値とすることで、パルス光間隔の範囲を広げずに、多くの組合せにおいて干渉回避可能なパルス光間隔の選択が可能となる。
【0060】
図１１では、干渉光のキャンセル効果について説明する図である。図１０Ａで示したように他機器からの干渉光を露光したとしても、距離演算の過程で３つの期間（Ａ，Ｂ，Ｃ期間）での露光量の差分演算が行われるので、干渉光の成分がキャンセルされる。
【0061】
一般に、複数の機器間では１フレームの開始タイミングが異なるので、機器Ｎｏ．１と機器Ｎｏ．２の発光露光期間（１セット～１０セットで構成）はｄＦだけずれが生じる。図１１の例では、機器Ｎｏ．１と機器Ｎｏ．２の発光露光期間は約１セットずれており、機器Ｎｏ．１の２セットから１０セットの期間で重なっている。この重なり期間では、機器Ｎｏ．１は機器Ｎｏ．２からの干渉光６０を、Ａ，Ｂ，Ｃ期間の露光ゲートでほぼ同量ずつ露光する。これらの露光した干渉光成分は、距離演算の過程でキャンセルされるので距離誤差はほとんど発生しない。
【0062】
しかし先頭の１セットにおいては、Ｃ期間の露光ゲート６１のときだけ機器Ｎｏ．２からの干渉光が露光されるので、この部分で距離誤差が発生する。例えば、機器Ｎｏ．１と機器Ｎｏ．２のパルス光間隔が図１０Ａの組合せの場合には、上記したようにＣ期間露光時に３／１９の干渉光が露光される。ただし、１つの発光露光期間には干渉光がキャンセルされるこれに続く２～１０セットが含まれるので、発光露光期間内の累積では、干渉光量の距離誤差への影響は３／１９×１／１０＝３／１９０に大幅に軽減される。そのため、距離誤差は実用上問題のないレベルに抑えることができる。
【0063】
１フレームの開始タイミングのずれｄＦが変化し、重なり期間が変化した場合を説明する。例えば、１セット内でＢ，Ｃ期間の露光ゲートのときだけ干渉光が露光される場合は、Ｂ，Ｃ期間ではキャンセルされる。よってその影響は、Ａ期間で干渉光が露光されないことによるアンバランスを考えればよく、アンバランス量は上記と同様に３／１９となる。従ってこの場合も、発光露光期間内の累積では、距離誤差は３／１９０に軽減される。
【0064】
また、開始ずれｄＦが１セットの期間を超えるときは、機器Ｎｏ．２からの干渉光を受けないセットが増加する訳であるから、全体として距離誤差はより小さくなる。
【0065】
ここに説明した干渉光のキャンセル効果は、機器Ｎｏ．１と機器Ｎｏ．２のパルス光間隔の組合せに依存し、キャンセル効果が大きくなるようにパルス光間隔を設定する。また、第１距離測定期間と第２距離測定期間のどの組合せでも干渉光量が小さくなるよう、パルス光間隔の組合せを求めて適用する。
【0066】
このように本実施例では、複数台の装置を稼働させるときの干渉を回避するため、各装置のパルス光間隔が異なるように、非露光期間を設けたことに特徴がある。その際、第１距離測定期間では、パルス幅の短い発光パルスに対して複数回の露光を繰り返す「拡張パルス方式」を採用し、これに非露光期間を設けたことで、測距精度を確保することができることを説明した。しかしながら、従来の「連続方式」において非露光期間を挿入する方法では、測距精度を確保することができない。以下その理由を説明する。
【0067】
図１２は、連続方式に非露光期間を設けた場合の発光露光タイムチャートを示す図である。第１距離測定期間では、短いパルス幅（高い周波数）でパルス光を連続で照射する。ただし、照射期間において一定時間ごとに非露光期間７０を挿入する。この例では、パルス光および露光ゲートの連続期間を３回として、その後に４回分の非露光期間７０を設けた場合を示している。そして、非露光期間７０の長さを変えることで照射するパルス光間隔を変えて干渉対策を行う方法が考えられる。
【0068】
対象物からの反射光が図１２に示すタイミングで露光される場合、符号７１で示すように、Ａ期間とＣ期間で露光される。しかし符号７２で示すタイミングでは、Ｃ期間では露光されるが、Ａ期間の露光ゲートは閉じているため露光されず、Ａ期間とＣ期間で本来露光すべき量にアンバランスが生じてしまう。
【0069】
図１３は、露光のアンバランスにより発生する距離誤差を示す図である。図１２から得られる第１距離データＤ１Ｔを示している。符号７３で示す部分が直線ではなく、誤差による歪みを含んでいる。このような距離誤差を低減するためには露光ゲートの連続回数を増やせばよいが、連続回数を増やすと非露光期間７０の設定に制約を受け、干渉光への対策が不十分となる。つまり、高い測距精度を確保しつつ複数台間の干渉による測距誤差を低減することは困難である。このように、「連続方式」において単に非露光期間を挿入しただけでは、本実施例のような効果は得られない。
【実施例2】
【0070】
実施例２では、実施例１に対しパルス幅と繰り返し露光回数が異なる例について説明する。
【0071】
図１４は、実施例２における発光露光タイムチャートを示す図である。
（ａ）は第１の距離測定期間の発光・露光タイミングを示す。発光パルスは短いパルス幅１Ｔを用いる。露光期間は、タイミングを１ＴずつずらしたＡ，Ｂ，Ｃ期間で露光するが、各期間では、１つの発光パルスに対して露光ゲートを周期３Ｔで２回開いて繰り返し露光する（符号８１，８２，８３）。すなわち、この場合も「拡張パルス方式」である。そして、最後の露光ゲート（符号８４）を閉じてから次のパルス光（符号８５）を発光するまでに、露光しない第１の非露光期間８６（ここでは１３Ｔの幅）を設けている。これにより、パルス光間隔８０は１９Ｔの幅となる。
（ａ）は第１の距離測定期間の発光・露光タイミングを示す。発光パルスは短いパルス幅１Ｔを用いる。露光期間は、タイミングを１ＴずつずらしたＡ，Ｂ，Ｃ期間で露光するが、各期間では、１つの発光パルスに対して露光ゲートを周期３Ｔで２回開いて繰り返し露光する（符号８１，８２，８３）。すなわち、この場合も「拡張パルス方式」である。そして、最後の露光ゲート（符号８４）を閉じてから次のパルス光（符号８５）を発光するまでに、露光しない第１の非露光期間８６（ここでは１３Ｔの幅）を設けている。これにより、パルス光間隔８０は１９Ｔの幅となる。
【0072】
（ｂ）は第２の距離測定期間の発光・露光タイミングを示す。発光パルスは長いパルス幅２Ｔを用いる。露光期間は、タイミングを２ＴずつずらしたＡ，Ｂ，Ｃ期間で露光するが、各期間では、１つの発光パルスに対して露光ゲートを１回開いて露光する。これは従来の「パルス方式」である。そして、最後の露光ゲート（符号８７）を閉じてから次のパルス光（符号８８）を発光するまでに、露光しない第２の非露光期間８９（ここでは１３Ｔの幅）を設けている。これにより、パルス光間隔８０’は１９Ｔの幅となり、第１の距離測定期間でのパルス光間隔８０と等しい。
【0073】
次に、実施例２の距離計算法を説明する（図６に対応する図面は省略する）。実施例１と同様に、Ａ，Ｂ，Ｃ期間で露光した反射光の電荷量をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃとする。
まず、（ａ）の第１距離測定期間での距離計算を示す。照射光に対する反射光の遅延時間ｄＴは次式で表される。
まず、（ａ）の第１距離測定期間での距離計算を示す。照射光に対する反射光の遅延時間ｄＴは次式で表される。
【0074】
ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，Ｃ）＝Ｃのとき、
ｄＴ＝｛（Ｂ－Ｃ）／（Ａ＋Ｂ－２Ｃ）｝・Ｔ＋３ｎＴ
ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，Ｃ）＝Ａのとき、
ｄＴ＝｛（Ｃ－Ａ）／（Ｂ＋Ｃ－２Ａ）｝・Ｔ＋Ｔ＋３ｎＴ
ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，Ｃ）＝Ｂのとき、
ｄＴ＝｛（Ａ－Ｂ）／（Ｃ＋Ａ－２Ｂ）｝・Ｔ＋２Ｔ＋３ｎＴ
ここでｎは、２回の繰り返し露光のうち何回目の周期で露光したかを表す繰り返し数であり、ｎ＝０，１はそれぞれ１，２回目を表す。
ｄＴ＝｛（Ｂ－Ｃ）／（Ａ＋Ｂ－２Ｃ）｝・Ｔ＋３ｎＴ
ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，Ｃ）＝Ａのとき、
ｄＴ＝｛（Ｃ－Ａ）／（Ｂ＋Ｃ－２Ａ）｝・Ｔ＋Ｔ＋３ｎＴ
ＭＩＮ（Ａ，Ｂ，Ｃ）＝Ｂのとき、
ｄＴ＝｛（Ａ－Ｂ）／（Ｃ＋Ａ－２Ｂ）｝・Ｔ＋２Ｔ＋３ｎＴ
ここでｎは、２回の繰り返し露光のうち何回目の周期で露光したかを表す繰り返し数であり、ｎ＝０，１はそれぞれ１，２回目を表す。
【0075】
第１距離測定期間の測定では、繰り返し数ｎを特定することができない。そこで、第１距離測定期間ではｎ＝０としたときのｄＴから、第１距離データＤ１Ｔを
Ｄ１Ｔ＝ｃ・ｄＴ（ｎ＝０）／２
と算出する。
Ｄ１Ｔ＝ｃ・ｄＴ（ｎ＝０）／２
と算出する。
【0076】
次に、（ｂ）の第２距離測定期間での距離計算を示す。照射光に対する反射光の遅延時間ｄＴは次式で表される。
Ａ≧Ｃのとき、ｄＴ＝｛（Ｂ－Ｃ）／（Ａ＋Ｂ－２Ｃ）｝・２Ｔ
Ａ＜Ｃのとき、ｄＴ＝｛（Ｃ－Ａ）／（Ｂ＋Ｃ－２Ａ）｝・２Ｔ＋２Ｔ
このｄＴから、第２距離データＤ２Ｔを算出する。
Ｄ２Ｔ＝ｃ・ｄＴ／２
その後、第２距離測定期間の測定結果Ｄ２Ｔを用いて第１距離測定期間の繰り返し数ｎを特定し、第１距離データＤ１Ｔから正確な距離Ｄを確定する。
Ａ≧Ｃのとき、ｄＴ＝｛（Ｂ－Ｃ）／（Ａ＋Ｂ－２Ｃ）｝・２Ｔ
Ａ＜Ｃのとき、ｄＴ＝｛（Ｃ－Ａ）／（Ｂ＋Ｃ－２Ａ）｝・２Ｔ＋２Ｔ
このｄＴから、第２距離データＤ２Ｔを算出する。
Ｄ２Ｔ＝ｃ・ｄＴ／２
その後、第２距離測定期間の測定結果Ｄ２Ｔを用いて第１距離測定期間の繰り返し数ｎを特定し、第１距離データＤ１Ｔから正確な距離Ｄを確定する。
【0077】
【0078】
図１５には、第１、第２の距離測定結果を示している。第１距離測定期間（パルス幅＝１Ｔ）での第１距離データＤ１Ｔ（実線で示す）は折り返しのある直線となり、折り返し距離Ｒ１Ｔは３ｃＴ／２＝４．５ｍである。第２距離測定期間（パルス幅＝２Ｔ）での第２距離データＤ２Ｔ（破線で示す）は折り返しのない直線となる。
【0079】
実施例２では、第１、第２の距離データにおける測距範囲が異なっている。すなわち、第１距離測定期間の反射光遅延時間ｄＴＲ１と測距範囲ＤＲ１は、
ｄＴＲ１＝１Ｔ・（２×３－１）＝５Ｔ、ＤＲ１＝７．５ｍ
第２距離測定期間の反射光遅延時間ｄＴＲ２と測距範囲ＤＲ２は、
ｄＴＲ２＝２Ｔ・（１×３－１）＝４Ｔ、ＤＲ２＝６ｍ
となる。
ｄＴＲ１＝１Ｔ・（２×３－１）＝５Ｔ、ＤＲ１＝７．５ｍ
第２距離測定期間の反射光遅延時間ｄＴＲ２と測距範囲ＤＲ２は、
ｄＴＲ２＝２Ｔ・（１×３－１）＝４Ｔ、ＤＲ２＝６ｍ
となる。
【0080】
ディエイリアシングでは、第２距離データＤ２Ｔを用いて、第１距離データＤ１Ｔにおける繰り返し数ｎを次の手順で求める。まず、第１、第２の距離データの差分量と、第１距離測定期間の折り返し距離Ｒ１Ｔ（＝３ｃＴ／２）との比ｎ’を求める。
ｎ’＝（Ｄ２Ｔ－Ｄ１Ｔ）／Ｒ１Ｔ
ｎ’を点線で示すが、第１距離データＤ１Ｔおよび第２距離データＤ２Ｔには測定誤差が含まれるので、ｎ’は本来の整数値ではなく小数点以下の端数伴う。そこで、ｎ’の整数化を行う。
ｎ＝ＲＯＵＮＤ（ｎ’）
これで、繰り返し数の真値（整数値）ｎが求められる。
ｎ’＝（Ｄ２Ｔ－Ｄ１Ｔ）／Ｒ１Ｔ
ｎ’を点線で示すが、第１距離データＤ１Ｔおよび第２距離データＤ２Ｔには測定誤差が含まれるので、ｎ’は本来の整数値ではなく小数点以下の端数伴う。そこで、ｎ’の整数化を行う。
ｎ＝ＲＯＵＮＤ（ｎ’）
これで、繰り返し数の真値（整数値）ｎが求められる。
【0081】
この例では、Ｄ１ＴとＤ２Ｔの測距範囲ＤＲ１、ＤＲ２が一致していないため、距離６～７．５ｍの範囲ではｎ’が１～０．６６まで変化するが、ラウンド関数によりｎ＝１とすることで正しくディエイリアシングを行うことができる。またｎ’からｎへの整数化はラウンド関数（四捨五入）に限るものではなくｎ’の値のばらつきに応じて自由に閾値を設定して良く、この例ではｎ’≦０．４のときｎ＝０、０．４＜ｎ’のときｎ＝１としても良い。
【0082】
図１６には、ディエイリアシング後の距離出力を示している。上記した繰り返し数の真値ｎを用いて、次式より正確な距離Ｄを確定する。
Ｄ＝Ｄ１Ｔ＋ｎ・Ｒ１Ｔ＝Ｄ１Ｔ＋ｎ・３ｃＴ／２
この演算でも、第１距離データＤ１Ｔは測距精度が高く、また加算される折り返し距離Ｒ１Ｔは、単位時間Ｔと光速ｃから決まる定数（３ｃＴ／２）であるから、正確な距離Ｄを確定することができる。このようにして、高い測距精度と広い測距範囲を両立させて測定することができる。
Ｄ＝Ｄ１Ｔ＋ｎ・Ｒ１Ｔ＝Ｄ１Ｔ＋ｎ・３ｃＴ／２
この演算でも、第１距離データＤ１Ｔは測距精度が高く、また加算される折り返し距離Ｒ１Ｔは、単位時間Ｔと光速ｃから決まる定数（３ｃＴ／２）であるから、正確な距離Ｄを確定することができる。このようにして、高い測距精度と広い測距範囲を両立させて測定することができる。
【0083】
実施例２の場合、第１距離測定期間、第２距離測定期間とも露光時間が短くなるため、太陽光など外光による測距精度の低下が懸念される環境では実施例１に比べて有利となる。また、実施例２においても、第１の非露光期間８６と第２の非露光期間８９を設けたので、実施例１と同様に、高い測距精度を確保しつつ複数台間の干渉による測距誤差を低減することができる。
【0084】
＜パルス幅と繰り返し露光回数の関係＞
ここで、第１距離測定期間（高い周波数）のパルス幅と繰り返し露光回数、および第２距離測定期間（低い周波数）のパルス幅の最適な関係について説明する。
ここで、第１距離測定期間（高い周波数）のパルス幅と繰り返し露光回数、および第２距離測定期間（低い周波数）のパルス幅の最適な関係について説明する。
【0085】
実施例１では、第１、第２距離測定期間の測距範囲を一致させたが、例えば第２距離測定期間でのパルス幅をさらに広げ、第２距離測定期間の測距範囲を第１距離測定期間の測距範囲より広くした場合を考える。
【0086】
図１７は、図５の変形例として測定誤差が発生しやすい場合を示す図である。図５（ａ）の第１距離測定期間のパルス幅は１Ｔのままで、（ｂ）の第２距離測定期間のパルス幅を５Ｔに広げた場合の距離測定結果を示す。第１距離データＤ１Ｔを実線で、第２距離データＤ５Ｔを破線で示し、その差分を折り返し距離Ｒ１Ｔで除した比ｎ’を点線で示している。
【0087】
この場合、第１、第２の距離データＤ１Ｔ、Ｄ５Ｔの測距範囲ＤＲ１、ＤＲ５が一致していないため、距離１２～１３．５ｍの範囲ではｎ’が２～２．３まで変化するが、ラウンド関数によりｎ＝２とすることでディエイリアシングを行うことができる。しかし、第２距離測定期間のパルス幅を５Ｔに広げたことでショットノイズが増加して第２距離データＤ５Ｔの誤差が大きくなり、ｎ’の値のばらつきも大きくなるので、パルス幅が４Ｔの場合に比べてディエイリアシング時のエラーが発生しやすくなる。よって、第１距離測定期間の測距範囲と第２距離測定期間の測距範囲とは一致させることが望ましい。
【0088】
第１、第２距離測定期間の測距範囲が一致する条件は、第１距離測定期間のパルス幅をＴＨ、第２距離測定期間のパルス幅をＴＬとし、それぞれに対応する測距範囲をＤＲＨ、ＤＲＬとすると、
ＤＲＨ＝（ｃＴＨ／２）・（３－１）
ＤＲＬ＝（ｃＴＬ／２）・（３ｎ－１）
ここに、ｃは光速、ｎは繰り返し露光回数である。ＤＲＨ＝ＤＲＬとなる条件は、
ＴＬ／ＴＨ＝（３ｎ－１）／２
となる。
ＤＲＨ＝（ｃＴＨ／２）・（３－１）
ＤＲＬ＝（ｃＴＬ／２）・（３ｎ－１）
ここに、ｃは光速、ｎは繰り返し露光回数である。ＤＲＨ＝ＤＲＬとなる条件は、
ＴＬ／ＴＨ＝（３ｎ－１）／２
となる。
【0089】
前記実施例１（図５）は、パルス幅の比ＴＬ／ＴＨ＝４、パルス幅ＴＨ側の繰り返し露光回数ｎ＝３とした場合で、ＤＲＨ＝ＤＲＬの条件を満足している。
ただしｎが偶数の場合には、ＴＬ／ＴＨは整数にならない。例えばｎ＝２のときＴＬ／ＴＨ＝２．５で整数にならない。この場合はパルス幅の比ＴＬ／ＴＨをそのまま２．５倍とすればよい。
ただしｎが偶数の場合には、ＴＬ／ＴＨは整数にならない。例えばｎ＝２のときＴＬ／ＴＨ＝２．５で整数にならない。この場合はパルス幅の比ＴＬ／ＴＨをそのまま２．５倍とすればよい。
【0090】
しかし、ＴＬをＴＨの整数倍でしか設定できない場合もある。その場合には、小数点以下を切り捨てた整数値を用いればよい。すなわちＴＨに対して
ＴＬ／ＴＨ＝ＲＯＵＮＤＤＯＷＮ［（３ｎ－１）／２］
で求めたＴＬを用いることができる。ここにラウンドダウン関数では小数点以下を切捨てる処理をする。
ＴＬ／ＴＨ＝ＲＯＵＮＤＤＯＷＮ［（３ｎ－１）／２］
で求めたＴＬを用いることができる。ここにラウンドダウン関数では小数点以下を切捨てる処理をする。
【0091】
前記実施例２はこの場合に相当し、パルス幅の比ＴＬ／ＴＨ＝２、パルス幅ＴＨ側の繰り返し露光回数ｎ＝２とすることで、ＤＲＨ＝ＤＲＬの条件に近づけている。
【0092】
以上述べた条件によれば、第１距離測定期間の測距範囲と第２距離測定期間の測距範囲が一致、または近い値となるので、測距精度と測距範囲の性能がバランスして最も効率の良い測定が可能となる。
【符号の説明】
【0093】
１：測距撮像装置、
２：対象物、
１１：発光部、
１２：受光部、
１３：距離演算部、
１４：制御部、
２１：照射光
２２：反射光、
２３：イメージセンサ。
２：対象物、
１１：発光部、
１２：受光部、
１３：距離演算部、
１４：制御部、
２１：照射光
２２：反射光、
２３：イメージセンサ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】