特許 7468033 距離測定装置、移動体、歩行ロボット、３次元計測装置、距離画像カメラ、及び距離測定方法

(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】2024-04-08

(45)【発行日】2024-04-16

(54)【発明の名称】距離測定装置、移動体、歩行ロボット、３次元計測装置、距離画像カメラ、及び距離測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/497 20060101AFI20240409BHJP

   G01S 17/894 20200101ALI20240409BHJP

   G01S 17/87 20200101ALI20240409BHJP

【ＦＩ】

G01S7/497

G01S17/894

G01S17/87

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020050240

(22)【出願日】2020-03-19

(65)【公開番号】P2021148669

(43)【公開日】2021-09-27

【審査請求日】2023-01-16

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(72)【発明者】

【氏名】二瓶 靖厚

【審査官】山下 雅人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－００８４８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０５９８２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０３０４０４２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０２０／００７７０７４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８－ ７／５１

Ｇ０１Ｓ１７／００－１７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／０６－ ３／０８

Ｇ０１Ｂ１１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の遅れ量を有する第１の距離イメージセンサであって、測定開始信号が入力され、前記測定開始信号をトリガーにして前記第１の遅れ量に応じたタイミングでパルス変調された第１の発光変調信号と前記第１の発光変調信号に対して同相である第１の蓄積タイミング信号と前記第１の発光変調信号に対して逆相である第２の蓄積タイミング信号とを出力する第１のタイミング制御手段と、測定対象物からの反射光を受光し、前記第１の蓄積タイミング信号に同期して第１の電荷量を蓄積し、前記第２の蓄積タイミング信号に同期して第２の電荷量を蓄積する第１の受光手段とを含む第１の距離イメージセンサと、
第２の遅れ量を有する第２の距離イメージセンサであって、前記第１の距離イメージセンサと同じタイミングの前記測定開始信号をトリガーにして前記第２の遅れ量に応じたタイミングでパルス変調された第２の発光変調信号と前記第２の発光変調信号に対して同相である第３の蓄積タイミング信号と前記第２の発光変調信号に対して逆相である第４の蓄積タイミング信号とを出力する第２のタイミング制御手段と、前記測定対象物からの反射光を受光し、前記第３の蓄積タイミング信号に同期して第３の電荷量を蓄積し、前記第４の蓄積タイミング信号に同期して第４の電荷量を蓄積する第２の受光手段とを含む第２の距離イメージセンサと、
前記第１の発光変調信号又は前記第２の発光変調信号に応じて変調された光を前記測定対象物に照射する投光手段と、
前記第１の発光変調信号と前記第２の発光変調信号のタイミングのずれを計測する計測手段と、
前記第１の電荷量及び前記第２の電荷量を用いて前記測定対象物までの第１の距離を求め、前記第３の電荷量及び前記第４の電荷量を用いて前記測定対象物までの第２の距離を求め、前記計測手段で計測されたずれから換算される補正量を用いて前記第２の距離を補正する演算手段と、
を有する距離測定装置。

【請求項2】

前記投光手段が前記第１の発光変調信号又は前記第２の発光変調信号に応じて変調された光を測定対象物に照射し前記計測手段が前記第１の発光変調信号と前記第２の発光変調信号のタイミングのずれを計測する処理が複数回繰り返される場合、前記計測手段は、前記ずれを複数回計測して平均した値を前記ずれの計測値として出力する
請求項１に記載の距離測定装置。

【請求項3】

前記計測手段は、前記測定開始信号から前記第１の発光変調信号までの第１の時間と、前記測定開始信号から前記第２の発光変調信号までの第２の時間とを測定し、前記第１の時間と前記第２の時間に基づいて前記ずれを求める
請求項１に記載の距離測定装置。

【請求項4】

前記第１の受光手段と前記第２の受光手段の少なくとも１つは、複数の画素が２次元的に配列されており、画素ごとに電荷を蓄積可能である
請求項１から３のいずれか１項に記載の距離測定装置。

【請求項5】

前記演算手段は、前記第１の距離に応じた第１の距離画像を求め、前記補正された第２の距離に応じた第２の距離画像を求め、前記第１の距離画像と前記第２の距離画像とが合成された距離画像を生成して出力する
請求項４に記載の距離測定装置。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の距離測定装置を備えた移動体。

【請求項7】

請求項１から５のいずれか１項に記載の距離測定装置を備えた歩行ロボット。

【請求項8】

請求項１から５のいずれか１項に記載の距離測定装置を備えた３次元計測装置。

【請求項9】

請求項１から５のいずれか１項に記載の距離測定装置を備えた距離画像カメラ。

【請求項10】

測定開始信号が入力され、前記測定開始信号をトリガーにして第１の距離イメージセンサの第１の遅れ量に応じたタイミングでパルス変調された第１の発光変調信号と前記第１の距離イメージセンサと同じタイミングの前記測定開始信号をトリガーにして第２の距離イメージセンサの第２の遅れ量に応じたタイミングでパルス変調された第２の発光変調信号とを出力する変調ステップと、
前記第１の発光変調信号または前記第２の発光変調信号に応じて変調された光を測定対象物に照射する投光ステップと、
前記測定対象物からの反射光を第１の受光手段で受光し、前記第１の発光変調信号に対して同相である第１の蓄積タイミング信号に同期して前記第１の受光手段で第１の電荷量を蓄積し、前記第１の発光変調信号に対して逆相である第２の蓄積タイミング信号に同期して前記第１の受光手段で第２の電荷量を蓄積する第１の受光ステップと、
前記測定対象物からの反射光を第２の受光手段で受光し、前記第２の発光変調信号に対して同相である第３の蓄積タイミング信号に同期して前記第２の受光手段で第３の電荷量を蓄積し、前記第２の発光変調信号に対して逆相である第４の蓄積タイミング信号に同期して前記第２の受光手段で第４の電荷量を蓄積する第２の受光ステップと、
前記第１の発光変調信号と前記第２の発光変調信号のタイミングのずれを計測する計測ステップと、
前記第１の電荷量及び前記第２の電荷量を用いて前記測定対象物までの第１の距離を求め、前記第３の電荷量及び前記第４の電荷量を用いて前記測定対象物までの第２の距離を求め、前記計測ステップで計測されたずれから換算される補正量を用いて前記第２の距離を補正する演算ステップと、
を含む距離測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、距離測定装置、移動体、歩行ロボット、３次元計測装置、距離画像カメラ、及び距離測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

物体までの距離を測定する方法として、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）と呼ばれる光の飛行時間を利用した測距方法が知られている。この方法では、物体に強度変調された照射光を照射し、物体からの反射光を距離イメージセンサーで受光して、照射光と反射光の位相差を画素ごとに検出し、画素ごとに物体までの距離を求める。このとき、高解像度の距離画像を得るために、複数の距離イメージセンサーを用いて測距をすることがある。

【0003】

特許文献１には、撮像装置において、マスタの制御回路が発光部に発光タイミング信号を送信して発光部を発光させ、第１の撮像部及びスレーブの制御回路に撮像タイミング信号を送信し、スレーブの制御回路が第２の撮像部にその撮像タイミング信号を転送することが記載されている。これにより、特許文献１によれば、複数の撮像部が同時に撮像を行うため、複数の撮像部間の撮像タイミングの差異への配慮が不要になるとされている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術では、マスタの制御回路から第１の撮像部へ撮像タイミング信号を送信するトリガーとなる条件とスレーブの制御回路から第２の撮像部へ撮像タイミング信号を送信するトリガーとなる条件とが異なるため、第１の撮像部と第２の撮像部とで撮像タイミングがずれやすく、正確な測距が困難になる可能性がある。

【0005】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高解像度且つ高精度の距離画像を得ることできる距離測定装置、移動体、歩行ロボット、３次元計測装置、距離画像カメラ、及び距離測定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】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の１つの側面にかかる距離測定装置は、第１の遅れ量を有する第１の距離イメージセンサであって、測定開始信号が入力され、前記測定開始信号をトリガーにして前記第１の遅れ量に応じたタイミングでパルス変調された第１の発光変調信号と前記第１の発光変調信号に対して同相である第１の蓄積タイミング信号と前記第１の発光変調信号に対して逆相である第２の蓄積タイミング信号とを出力する第１のタイミング制御手段と、測定対象物からの反射光を受光し、前記第１の蓄積タイミング信号に同期して第１の電荷量を蓄積し、前記第２の蓄積タイミング信号に同期して第２の電荷量を蓄積する第１の受光手段とを含む第１の距離イメージセンサと、第２の遅れ量を有する第２の距離イメージセンサであって、前記第１の距離イメージセンサと同じタイミングの前記測定開始信号をトリガーにして前記第２の遅れ量に応じたタイミングでパルス変調された第２の発光変調信号と前記第２の発光変調信号に対して同相である第３の蓄積タイミング信号と前記第２の発光変調信号に対して逆相である第４の蓄積タイミング信号とを出力する第２のタイミング制御手段と、前記測定対象物からの反射光を受光し、前記第３の蓄積タイミング信号に同期して第３の電荷量を蓄積し、前記第４の蓄積タイミング信号に同期して第４の電荷量を蓄積する第２の受光手段とを含む第２の距離イメージセンサと、前記第１の発光変調信号又は前記第２の発光変調信号に応じて変調された光を前記測定対象物に照射する投光手段と、前記第１の発光変調信号と前記第２の発光変調信号のタイミングのずれを計測する計測手段と、前記第１の電荷量及び前記第２の電荷量を用いて前記測定対象物までの第１の距離を求め、前記第３の電荷量及び前記第４の電荷量を用いて前記測定対象物までの第２の距離を求め、前記計測手段で計測されたずれから換算される補正量を用いて前記第２の距離を補正する演算手段とを有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、高解像度且つ高精度の距離画像を得ることできるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、距離測定装置の基本構成を示す図である。

【図2】図２は、距離測定装置の基本動作を示す波形図である。

【図3】図３は、実施形態にかかる距離測定装置の構成を示す図である。

【図4】図４は、実施形態における距離測定装置の動作を示す波形図である。

【図5】図５は、実施形態における時間計測部の構成を示す回路図である。

【図6】図６は、実施形態におけるずれ時間の計測を示す波形図である。

【図7】図７は、実施形態にかかる距離測定装置の動作を示す波形図である。

【図8】図８は、実施形態の変形例にかかる距離測定装置の構成を示す図である。

【図9】図９は、実施形態の変形例における時間差の計測を示す波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（実施形態）
実施形態にかかる距離測定装置は、物体までの距離を測定する方法として、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）と呼ばれる光の飛行時間を利用した測距方法を用いる。この方法では、物体に強度変調された照射光を照射し、物体からの反射光を距離イメージセンサーで受光して、照射光と反射光の位相差を画素ごとに検出し、画素ごとに物体までの距離を求める。

【0010】

例えば、距離測定装置１は、基本的に、図１に示すように構成される。図１は、距離測定装置の基本構成を示す図である。図１では、距離イメージセンサーが１つ、投光部が１つの距離測定装置の構成を示す。

【0011】

距離測定装置１は、投光部１０、距離イメージセンサーＳ、及び距離演算部３０を有する。距離イメージセンサーＳは、タイミング制御部２１及び受光部２２を有する。

【0012】

投光部１０には、光源１０ａ及び駆動回路１０ｂを有している。光源１０ａは、例えば、ＬＥＤ、ＬＤ、ＶＣＳＥＬなどである。駆動回路１０ｂは、光源１０ａを駆動する。タイミング制御部２１から発光変調信号が入力されると、駆動回路１０ｂは、発光変調信号に応じた電流を光源１０ａに流す。これに応じて、変調された光が光源１０ａから測定対象物２に向けて照射される。

【0013】

距離イメージセンサーＳは、小型化のために１つのチップとして構成され得る。受光部２２は、複数の画素を有する。受光部２２は、複数の画素が２次元的に配列されたエリアセンサーであってもよい。各画素は、蓄積部Ａ及び蓄積部Ｂを有している。蓄積部Ａ及び蓄積部Ｂは、互いに独立して電荷蓄積動作を行うように構成されている。蓄積部Ａ及び蓄積部Ｂは、それぞれ、受光した光に応じて光電変換で発生した電荷を蓄積する。各画素は、測定対象物２から反射された変調光を受光する。各画素において、蓄積部Ａは、タイミング制御部２１からの露光タイミング信号Ａに従って電荷蓄積動作を行い、蓄積部Ｂは、露光タイミング信号Ｂに従って電荷蓄積動作を行う。

【0014】

具体的には、受光部２２は、露光タイミング信号Ａがアクティブレベル（例えば、Ｈレベル）の期間において、各画素の蓄積部Ａに電荷を蓄積させ、露光タイミング信号Ｂがアクティブレベル（例えば、Ｈレベル）の期間において、各画素の蓄積部Ｂに電荷を蓄積させる（図２参照）。

【0015】

タイミング制御部２１は、外部からトリガー信号（測定開始信号）が入力されると、発光変調信号のパルスを繰り返し生成して投光部１０へ出力する。それとともに、タイミング制御部２１は、露光タイミング信号Ａのパルスを繰り返し生成して受光部２２の蓄積部Ａへ出力し、露光タイミング信号Ｂのパルスを繰り返し生成して受光部２２の蓄積部Ｂへ出力する。これにより、各画素の蓄積部Ａ及び蓄積部Ｂに、それぞれ、電荷が出力されたパルス数に応じて蓄積されていく。所定の回数（所定のパルス数）で蓄積部Ａ及び蓄積部Ｂの各電荷蓄積動作が繰り返された後、タイミング制御部２１は、発光変調信号、露光タイミング信号Ａ、露光タイミング信号Ｂの出力をストップさせ、受光データ出力指示信号を受光部２２へ出力する。

【0016】

受光部２２は、タイミング制御部２１から受光データ出力指示信号が入力されると、各画素の蓄積部Ａ、蓄積部Ｂに蓄積された電荷量を電圧に変換し受光信号Ａ、受光信号Ｂを生成し、受光信号Ａ、受光信号ＢをＡＤ変換して受光データＡ、受光データＢを生成する。受光部２２は、受光データＡ、受光データＢを順次にタイミング制御部２１へ出力する。タイミング制御部２１は、受光データＡ、受光データＢをそのまま、あるいは所定のフォーマットに変換して距離演算部３０へ出力する。

【0017】

距離演算部３０は、距離イメージセンサーＳから送られてくる受光データＡ、受光データＢの情報を含んだセンサデータから、各画素における距離データを算出し、距離画像を生成する。

【0018】

距離測定装置１は、基本的に、図２に示すように動作する。図２は、距離測定装置１の基本動作を示す波形図である。図２に示す発光変調信号がタイミング制御部２１から投光部１０へ供給されると、投光部１０は、照射光Ｌｅを測定対象物２に向けて照射する。図２では、照射光Ｌｅの光波形の位相は、発光変調信号波形の位相からの遅れはないものとして示している。

【0019】

照射光Ｌｅが測定対象物２で反射されると、反射光Ｌｒが受光部２２で受光される。図２に示す反射光Ｌｒの光波形の形は、照射光Ｌｅの光波形の形とほぼ同じであり、波形の周期及びデューティ比が略均等である。デューティ比は、例えば、略５０％である。反射光Ｌｒの光波形は、照射光Ｌｅの光波形より位相が時間τに相当する分遅れた波形になっている。反射光Ｌｒの光波形は、照射光Ｌｅの照射タイミングから時間τ遅れて受光部２２に反射光Ｌｒが入射されることを示している。この時間τは、光が投光部１０から出射され、測定対象物２に当たって反射し受光部２２に戻ってくるまでの時間であり、測定対象物２までの距離によって変わる。つまり、時間τが分かれば、光の速度Ｃを用いて次の数式１によって測定対象物２までの距離Ｄを求めることができる。
Ｄ＝τ×Ｃ／２・・・数式１

【0020】

このとき、露光タイミング信号ＡがＨレベルの期間に受光部２２の各画素の蓄積部Ａが電荷蓄積動作を行い、露光タイミング信号ＢがＨレベルの期間に受光部２２の各画素の蓄積部Ｂが電荷蓄積動作を行う。露光タイミング信号Ａは、照射光Ｌｅとほぼ同じタイミングでＨレベルを維持し、パルス時間幅Ｔｗ後にＨレベルからＬレベルに遷移する。露光タイミング信号Ｂは、タイミング信号ＡがＬレベルになるのとほぼ同時にＬレベルからＨレベルに遷移し、その遷移タイミングからパルス時間幅Ｔｗ経過後にＨレベルからＬレベルに遷移する。

【0021】

露光タイミング信号ＡがＨレベルを維持する期間が蓄積部Ａの電荷蓄積期間なので、図２に示すハッチングで示す期間において蓄積部Ａが反射光Ｌｒに応じた電荷量Ａを蓄積する。同様に、タイミング信号ＢがＨレベルを維持する期間が蓄積部Ｂの電荷蓄積期間なので、図２にハッチングで示す期間において蓄積部Ｂが反射光Ｌｒに応じた電荷量Ｂを蓄積する。ここで、時間τが０≦τ≦Ｔｗの範囲であれば次の数式２に示す関係が成り立つ。
τ／Ｔｗ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）・・・数式２

【0022】

数式１及び数式２により、測定対象物２までの距離Ｄは、蓄積部Ａによる反射光Ｌｒの蓄積電荷量Ａ、蓄積部Ｂによる反射光Ｌｒの蓄積電荷量Ｂから次の数式３によって求めることができる。
Ｄ＝Ｂ／（Ａ＋Ｂ）×Ｔｗ×Ｃ／２・・・数式３

【0023】

図１及び図２では、距離イメージセンサーが１つの距離測定装置１の構成及び動作が例示されている。

【0024】

一方、距離測定のエリアを広げるために、この距離測定装置１に広角のレンズを取り付けることが考えられるが、一般に距離測定装置１に用いられる距離イメージセンサーの画素数は少ないため、広角のレンズを付けて得られる距離画像の空間分解能が十分なものでなくなり画像品質が低下してしまう可能性がある。そのため、空間分解能を上げ、より高解像度の距離画像を得るために、距離測定装置に複数の距離イメージセンサーを設け、複数の距離イメージセンサーを用いて測距をすることが考えられる。

【0025】

この場合、距離イメージセンサーが、光を照射するための発光変調信号と反射光を受光するための露光タイミング信号とを生成するが、正確な距離を測定するには、複数の距離イメージセンサーの間で、発光変調信号と露光タイミング信号とは、同位相、または常に一定の位相関係であることが望まれる。

【0026】

複数の距離イメージセンサーを用いて測距を行う場合、発光信号としていずれか１つの距離イメージセンサーが生成する信号を用いると、各距離イメージセンサーはそれぞれ別の露光タイミング信号で動作しているため、選択した発光変調信号と他の距離イメージセンサーが生成する露光タイミング信号とは一定の関係でなくなってしまう。そのため、複数の距離イメージセンサーを用いた測距において正確な距離測定が出来なくなる可能性がある。

【0027】

そこで、本実施形態では、距離測定装置において、測定開始信号をトリガーに各距離イメージセンサーが出力する発光変調信号のうちいずれか１つを用いて光源を発光させ、各距離イメージセンサーが出力する発光変調信号の時間差を測定し、各距離イメージセンサーから算出された距離値を測定された時間差により補正することで、簡易な構成で高解像度且つ高精度の距離画像を得ることを目指す。

【0028】

具体的には、距離測定装置１０１は、図３に示すように、距離測定装置１と次の点で異なる構成を有する。図３は、実施形態にかかる距離測定装置１０１の構成を示す図である。

【0029】

距離測定装置１０１は、距離イメージセンサーＳ、距離演算部３０（図１参照）に代えて複数の距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２、距離演算部３１を有し、発光信号選択部４０及び時間計測部５０をさらに有する。各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２は、その撮像面に沿ってシフトした位置に配されており、測定対象物、測定シーンの異なる場所を撮影可能である。また、トリガー信号は、距離イメージセンサーＳ１と距離イメージセンサーＳ２との両方に入力される。

【0030】

各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２内の構成は、距離イメージセンサーＳ内の構成と同様であり、同様の信号が扱われる。以下では、距離イメージセンサーＳ１と距離イメージセンサーＳ２とのいずれで扱われる信号かを区別するために、便宜的に、図１と同様の信号名の前にＳ１，Ｓ２をつけたものを新たに信号名とする。

【0031】

発光信号選択部４０は、Ｓ１発光変調信号を距離イメージセンサーＳ１のタイミング制御部２１から受け、Ｓ２発光変調信号を距離イメージセンサーＳ２のタイミング制御部２１から受ける。発光信号選択部４０は、Ｓ１発光変調信号及びＳ２発光変調信号のいずれかを選択して発光変調信号として投光部１０へ出力する。

【0032】

時間計測部５０は、Ｓ１発光変調信号を距離イメージセンサーＳ１のタイミング制御部２１から受け、Ｓ２発光変調信号を距離イメージセンサーＳ２のタイミング制御部２１から受ける。時間計測部５０は、Ｓ１発光変調信号とＳ２発光変調信号とのずれ時間を測定し、測定結果に応じたずれ補正値を距離演算部３１へ出力する。

【0033】

距離演算部３１は、Ｓ１センサデータを距離イメージセンサーＳ１から受け、Ｓ２センサデータを距離イメージセンサーＳ２から受ける。距離演算部３１は、Ｓ１センサデータ、Ｓ２センサデータ、及びずれ補正値を用いて、各画素における距離データを算出し、Ｓ１距離画像、Ｓ２距離画像を生成する。距離演算部３１は、Ｓ１距離画像及びＳ２距離画像を合成して距離画像を生成し、距離画像を出力する。

【0034】

具体的には、距離測定装置１０１は、図４に示すような動作を行う。図４は、距離測定装置１０１の動作を示す波形図である。図４では、図３に示す各信号、及び照射光、反射光の波形が示されている。図４では、発光信号選択部４０でＳ１発光変調信号が選択されて発光変調信号として投光部１０へ出力され、距離イメージセンサーＳ１に反射光を返す物体の箇所までの距離と距離イメージセンサーＳ２に反射光を返す物体の箇所までの距離とが同じ場合を例示している。

【0035】

タイミングｔ１において、トリガー信号（測定開始信号）が各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２に入力されると、トリガー信号を合図に、各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２は、発光変調信号、露光タイミング信号Ａ、露光タイミング信号Ｂの出力を開始しようとする。

【0036】

しかしながら、トリガー信号を伝送する配線の各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２までの配線長が異なることがある。また、デバイスの製造ばらつきにより各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２のタイミング制御部２１で露光タイミング信号を生成する際の基準となるクロックのタイミングが、距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２間で揃っていないことがある。これにより、距離イメージセンサーＳ１から出力されるＳ１発光変調信号、Ｓ１露光タイミング信号Ａ、Ｓ１露光タイミング信号Ｂと、距離イメージセンサーＳ２から出力されるＳ２発光変調信号、Ｓ２露光タイミング信号Ａ、Ｓ２露光タイミング信号Ｂとの出力タイミングも揃わなくなることがある。

【0037】

図４では、Ｓ１発光変調信号及びＳ１露光タイミング信号Ａの波形のエッジタイミングｔ２に対して、Ｓ２発光変調信号及びＳ２露光タイミング信号Ａの波形のエッジタイミングｔ３が時間Δｔずれている場合が例示されている。

【0038】

発光信号選択部４０が発光変調信号としてＳ１発光変調信号を選択しているので、照射光Ｌｅは、Ｓ１発光変調信号のエッジタイミングｔ２で照射を開始する。この照射光Ｌｅが測定対象物２で反射して各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２側へ戻ってきた光が反射光Ｌｒ１、反射光Ｌｒ２である。各反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２は、どちらも同じ距離の箇所からの反射光なので、図４に示すように、エッジタイミングがｔ４で同じである。

【0039】

各反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２のエッジタイミングｔ４は、照射光Ｌｅのエッジタイミングｔ２に対して時間τで遅れている。すなわち、各反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２は、照射光Ｌｅが照射されてから時間τ遅れて各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２へ入射される。距離イメージセンサーＳ１では、Ｓ１露光タイミング信号Ａに応じて蓄積部Ａが電荷蓄積動作を行い、Ｓ１露光タイミング信号Ｂに応じて蓄積部Ｂが電荷蓄積動作を行う。距離イメージセンサーＳ２では、Ｓ２露光タイミング信号Ａに応じて蓄積部Ａが電荷蓄積動作を行い、Ｓ２露光タイミング信号Ｂに応じて蓄積部Ｂが電荷蓄積動作を行う。

【0040】

このとき、Ｓ１露光タイミング信号Ａのエッジタイミングｔ２とＳ２露光タイミング信号Ａのエッジタイミングｔ３とが互いにずれており、Ｓ１露光タイミング信号Ｂのエッジタイミングｔ５とＳ２露光タイミング信号Ａのエッジタイミングｔ６とが互いにずれている。これにより、同じ距離からの反射光を受光しても、距離イメージセンサーＳ１と距離イメージセンサーＳ２とで、蓄積部Ａに蓄積される電荷量が異なり、蓄積部Ｂに蓄積される電荷量が異なる。よって、距離イメージセンサーＳ１で蓄積された電荷量から算出される距離値と、距離イメージセンサーＳ２で蓄積した電荷量から算出される距離値とには、相対的に誤差が発生し得る。

【0041】

そこで、距離イメージセンサーＳ１の値を基準として、距離イメージセンサーＳ２の値のずれを求める。Ｓ１発光変調信号のエッジタイミングとＳ２発光変調信号のエッジタイミングとのずれ時間を図３に示す時間計測部５０で計測し、計測されたずれ時間に応じたずれ補正値で、距離イメージセンサーＳ２の距離値の補正を行う。

【0042】

例えば、距離演算部３１は、距離イメージセンサーＳ１について、蓄積部Ａによる反射光Ｌｒ１の蓄積電荷量Ａ_１、蓄積部Ｂによる反射光Ｌｒ１の蓄積電荷量Ｂ_１から、次の数式４によって距離値Ｄ_１を求める。
Ｄ_１＝Ｂ_１／（Ａ_１＋Ｂ_１）×Ｔｗ×Ｃ／２・・・数式４

【0043】

同様に、距離演算部３１は、距離イメージセンサーＳ２について、蓄積部Ａによる反射光Ｌｒ２の蓄積電荷量Ａ_２、蓄積部Ｂによる反射光Ｌｒ２の蓄積電荷量Ｂ_２から、次の数式５によって距離値Ｄ_２を求める。
Ｄ_２＝Ｂ_２／（Ａ_２＋Ｂ_２）×Ｔｗ×Ｃ／２・・・数式５

【0044】

時間計測部５０は、Ｓ１発光変調信号のエッジタイミングｔ２に対するＳ２発光変調信号のエッジタイミングｔ３のずれ時間を計測し、図４に示すΔｔを得る。時間計測部５０は、ずれ時間Δｔを次の数式６で距離のずれΔＤに換算して、ずれ補正値ΔＤを求める。例えば、Δｔ＝１００［ｐｓ］であれば、ΔＤ＝１５［ｍｍ］が求まる。

【0045】

ΔＤ＝Δｔ×Ｃ／２・・・数式６

【0046】

時間計測部５０は、次の数式７に示すように、ずれ補正値ΔＤを距離演算部３１へ供給する。距離演算部３１は、距離イメージセンサーＳ２について距離値Ｄ_２にずれ補正値ΔＤを加算することで、補正された距離値Ｄ_２’を得る。

【0047】

Ｄ_２’＝Ｄ_２＋ΔＤ・・・数式７

【0048】

距離演算部３１は、数式４に示す距離値Ｄ_１を用いてＳ１距離画像を生成し、数式７に示す距離値Ｄ_２’を用いてＳ２距離画像を生成する。そして、距離演算部３１は、Ｓ１距離画像とＳ２距離画像とを合成して、合成結果を距離画像として出力する。

【0049】

ずれ時間を計測するための時間計測部５０は、例えば、図５に示すように構成され得る。図５は、時間計測部５０の構成を示す回路図である。

【0050】

時間計測部５０は、複数の遅延素子５１－１～５１－ｎ、複数のフリップフロップ５２－１～５２－ｎ、及びずれ時間算出部５３を有する。ｎは、任意の２以上の整数である。複数の遅延素子５１－１～５１－ｎは、チェーン状にｎ段で接続されている。１段目の遅延素子５１－１の入力ノードには、ｓｔａｒｔ信号が入力されている。複数の遅延素子５１－１～５１－ｎは、複数のフリップフロップ５２－１～５２－ｎに対応している。各遅延素子５１－１～５１－ｎの出力ノードは、対応するフィリップフロップ５２のデータ入力ノードに接続されている。各フリップフロップ５２－１～５２－ｎのクロック入力ノードには、ｓｔｏｐ信号が入力されている。ずれ時間算出部５３は、複数の入力ノード５３１－１～５３１－ｎ及び出力ノード５３２を有する。複数のフリップフロップ５２－１～５２－ｎは、複数の入力ノード５３１－１～５３１－ｎに対応している。各フリップフロップ５２－１～５２－ｎの出力ノードは、ずれ時間算出部５３における対応する入力ノード５３１に接続されている。

【0051】

各遅延素子５１は、互いに均等な遅延時間を有していてもよい。１段目の遅延素子５１－１に入力されたｓｔａｒｔ信号は、各遅延素子５１の出力ノードからその段数に応じた遅延量でフリップフロップ５２のデータ入力ノードへ入力される。各フリップフロップ５２は、ｓｔｏｐ信号の立上りエッジのタイミングに同期して、遅延素子５１の出力ノードから入力された信号をラッチする。各フリップフロップ５２は、ｓｔｏｐ信号の次の立上りエッジのタイミングに同期して、ラッチされたデータＱ０～Ｑｎをずれ時間算出部５３へ出力する。ずれ時間算出部５３は、データＱ０～Ｑｎのうち、“１”のデータ数をカウントし、そのカウント値と遅延素子１個の遅延時間とを積算することでずれ時間を算出する。図３に示す時間計測部５０では、ｓｔａｒｔ信号にＳ１発光変調信号が、ｓｔｏｐ信号にＳ２発光変調信号が入力されて、Ｓ１発光変調信号とＳ２発光変調信号のずれ時間を計測している。

【0052】

例えば、時間計測部５０は、図６に示すように、ずれ時間を計測してもよい。図６は、ずれ時間の計測を示す波形図である。

【0053】

時間計測部５０は、Ｓ１発光変調信号のエッジタイミングとＳ２発光変調信号のエッジタイミングとのずれをｋ回計測して、時間ｔｄ１～ｔｄｋを得ると、次の数式８に示すように、ずれ時間ｔｄ１～ｔｄｋをｋ回について平均した値ｔｄ＿ａｖを求める。
ｔｄ＿ａｖ＝（ｔｄ１＋ｔｄ２＋・・・＋ｔｄｋ）／ｋ・・・数式８

【0054】

これにより、ずれ時間をより精度よく測定できるので、より正確な距離値を測定できるようになる。

【0055】

また、距離測定装置１０１の動作について図７を用いて説明する。図７は、距離測定装置１０１の動作を示す波形図である。

【0056】

外部（例えば、上位のコントローラ）から発光信号選択部４０においてどちらの発光変調信号を選択するかを設定しておく。あるいは、予めどちらかの発光変調信号を選択するように、発光信号選択部４０を構成しておいてもよい。

【0057】

タイミングｔ１１において、外部から各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２にトリガー信号が入力される。

【0058】

トリガー信号の入力を受けて、タイミングｔ１２において、距離イメージセンサーＳ１が発光変調信号、露光タイミング信号Ａ、露光タイミング信号Ｂの出力を開始し、タイミングｔ１３において、距離イメージセンサーＳ２が発光変調信号、露光タイミング信号Ａ、露光タイミング信号Ｂの出力を開始する。また、時間計測部５０がＳ１発光変調信号とＳ２発光変調信号とのタイミングのずれ時間の計測を開始する。

【0059】

このとき、発光信号選択部４０で選択された発光変調信号に従って変調された照射光Ｌｅが測定対象物２に照射され、その反射光Ｌｒ１，Ｌｒ２が距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２でそれぞれ受光される。各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２は、露光タイミング信号Ａ、露光タイミング信号Ｂに従って、電荷蓄積動作を行う。

【0060】

所定の回数（所定のパルス数）で蓄積部Ａ及び蓄積部Ｂの各電荷蓄積動作が繰り返された後、タイミングｔ１４において、各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２のタイミング制御部２１は、発光変調信号、露光タイミング信号Ａ、露光タイミング信号Ｂの出力をストップさせる。また、時間計測部５０は、ずれ時間の計測結果に応じてずれ補正値を求めて距離演算部３１へ出力する。

【0061】

タイミングｔ１５において、各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２のタイミング制御部２１は、受光データ出力指示信号を受光部２２へ出力する。これに応じて、各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２の受光部２２は、蓄積された電荷量に対応する受光データＡ、受光データＢを１画素ずつ出力し始める。

【0062】

タイミングｔ１６において、距離演算部３１は、受光データＡ、受光データＢ、及びずれ補正値を用いて、距離値（距離データ）を求める。距離演算部３１は、全画素について距離値（距離データ）を求めると、距離値を受光データＡ、受光データＢの画素座標に応じて２次元的に構成し、各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２について、それぞれ、Ｓ１距離画像、Ｓ２距離画像を生成する。距離演算部３１は、Ｓ１距離画像及びＳ２距離画像を合成して、合成結果を距離画像として出力する。

【0063】

以上のように、本実施形態では、距離測定装置１０１において、測定開始信号をトリガーに各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２が出力する発光変調信号のうちいずれか１つを用いて光源を発光させ、各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２が出力する発光変調信号のタイミングのずれ時間を測定し、各距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２の出力から算出された距離値をずれ時間により補正する。これにより、高解像度且つ高精度の距離画像を得ることができる。

【0064】

なお、距離測定装置２０１は、トリガー信号を基準にしてＳ１発光変調信号とＳ２発光変調信号のタイミングのずれ時間を計測してもよい。この場合、距離測定装置２０１は、図８に示すように構成され得る。図８は、実施形態の変形例にかかる距離測定装置２０１の構成を示す図である。

【0065】

距離測定装置２０１は、時間計測部５０（図３参照）に代えて時間計測部２５０を有する。時間計測部２５０には、外部（例えば、上位のコントローラ）からトリガー信号が入力される構成となっている。これにより、時間計測部２５０は、図９に示すように、トリガー信号の立上りからのＳ１発光変調信号までの時間ｔｄ＿ｓ１と、Ｓ２発光変調信号までの時間ｔｄ＿ｓ２を計測し、その差（ｔｄ＿ｓ２－ｔｄ＿ｓ１）をずれ時間として求め、ずれ時間を距離に換算することなどによりずれ補正値を求めて距離演算部３１へ出力する。

【0066】

このようにしても、ずれ時間を得ることができるので、複数の距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２を用いた距離測定装置２０１において、正確に距離を計測することができる。また、この場合、Ｓ２発光変調信号の方が早く出力されても容易に、正しい時間差を算出できる。

【0067】

また、実施形態及びその変形例にかかる距離測定装置は、移動体に用いてもよい。実施形態及びその変形例にかかる距離測定装置を備えた移動体によれば、複数の距離イメージセンサーＳ１，Ｓ２により広範囲の距離計測が可能になることから高解像度の距離画像を得ることができ、また、本実施形態の技術により高精度の距離画像を得ることができる。これにより、走行又は進行経路上の障害物等を広範囲かつ高精度に検出でき、走行又は進行の安全性を高めることができる。

【0068】

また、実施形態及びその変形例にかかる距離測定装置は、ロボットに用いてもよい。実施形態及びその変形例にかかる距離測定装置を備えたロボットによれば、高解像度且つ高精度の距離画像を得ることができるため、歩行経路上の障害物等を広範囲かつ高精度に検出でき、歩行の安全性を高めることができる。

【0069】

また、実施形態及びその変形例にかかる距離測定装置は、３次元計測装置に用いてもよい。実施形態及びその変形例にかかる距離測定装置を備えた３次元計測装置によれば、高解像度且つ高精度の距離画像を得ることができるため、計測対象物の３次元情報を高解像度且つ高精度に得ることができる。

【0070】

また、実施形態及びその変形例にかかる距離測定装置は、監視カメラに用いてもよい。実施形態及びその変形例にかかる距離測定装置を備えた監視カメラによれば、高解像度且つ高精度の距離画像を得ることができるため、監視対象物について高解像度且つ高精度の画像情報を得ることができる。

【符号の説明】

【0071】

１，１０１，２０１ 距離測定装置
１０ 投光部
３０，３１ 距離演算部
４０ 発光信号選択部
５０，２５０ 時間計測部
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２ 距離イメージセンサー

【先行技術文献】

【特許文献】

【0072】

【文献】特許第６３３３９２１号公報

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】