JP2017167120A - 距離測定装置、移動体、ロボット、装置及び３次元計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い距離分解能を得ることと広い範囲について距離測定することを高次元で両立することができる距離測定装置を提供する。【解決手段】 距離センサは、光源と、パルス幅が互いに異なる第１及び第２の駆動パルスを含む複数（例えば２つ）の駆動パルスを光源に異なる時間帯に供給する光源駆動部とを含む投光系と、該投光系から投光され物体で反射された光を受光する受光系と、光源の発光タイミングと受光系の受光タイミングの時間差に基づいて物体までの距離を算出する制御系と、を備え、第１及び第２の駆動パルスのうちパルス幅が小さい方が正弦波状であり、パルス幅が大きい方が矩形波状である。この場合、高い距離分解能を得ることと広い範囲について距離測定することを高次元で両立することができる。【選択図】図１２

Description

本発明は、距離測定装置、移動体、ロボット、装置及び３次元計測方法に関する。

近年、物体までの距離を測定するための測距技術の開発が盛んに行われている。

例えば、特許文献１及び２には、パルス光を投光してから、該パルス光が物体で反射して戻ってくるまでの時間に基づいて物体までの距離を求める、いわゆるＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）演算方式を用いた測距技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１及び２に開示されている測距技術では、高い距離分解能を得ること（測定精度を向上させること）と広い範囲について距離測定すること（測定できる距離の範囲が広いこと）を高次元で両立することに関して改善の余地があった。

本発明は、光源と、パルス幅が互いに異なる第１及び第２の駆動パルスを含む複数の駆動パルスを前記光源に異なる時間帯に供給する光源駆動部とを含む投光系と、前記投光系から投光され物体で反射された光を受光する受光系と、前記光源の発光タイミングと前記受光系の受光タイミングの時間差に基づいて前記物体までの距離を算出する制御系と、を備え、前記第１及び第２の駆動パルスのうちパルス幅が小さい方が正弦波状であり、パルス幅が大きい方が矩形波状であることを特徴とする距離測定装置である。

本発明によれば、高い距離分解能を得ることと広い範囲について距離測定することを高次元で両立することができる。

本発明の一実施形態に係る距離センサを搭載した走行体の外観図である。 走行管理装置の構成を説明するためのブロック図である。 距離センサの構成を説明するための図である。 投光系を説明するための図である。 パルス制御信号を説明するための図である。 光源駆動信号を説明するための図である。 受光系を説明するための図である。 ３次元情報取得部とイメージセンサとの間の信号を説明するための図である。 距離センサにおける１フレームの概略図である。 正弦波変調方式（４位相式）の１フレームを説明するためのタイミングチャートである。 矩形波変調方式（２位相式）の１フレームを説明するためのタイミングチャートである。 距離センサにおける１フレームの構成例を示す図である。 距離センサにおける１フレームの他の構成例を示す図である。 特許文献１の１フレームの構成及び本実施形態の１フレームの構成を示す図である。 ディエイリアシング方法を説明するためのタイミングチャートである。 外乱光がある場合のディエイリアシング方法を説明するためのタイミングチャートである。 音声・警報発生装置の構成を説明するためのブロック図である。 ３次元情報取得部の構成の一例を示す図である。 １つの受光部に対して電荷を２箇所に振り分ける構造の一例を示す図である。 位置制御装置の構成の一例を示す図である。 音声合成装置の構成の一例を示す図である。 警報信号生成装置の構成の一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１には、一実施形態の距離測定装置としての距離センサ２０を搭載した走行体１の外観が示されている。この走行体１は、荷物を目的地に無人搬送するものである。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、路面に直交する方向をＺ軸方向、走行体１の前進方向を＋Ｘ方向として説明する。

ここでは、距離センサ２０は、一例として、走行体１の前部に取り付けられ、走行体１の＋Ｘ側（前方）の３次元情報を求める。なお、距離センサ２０による測定可能な領域を測定領域ともいう。

走行体１の内部には、一例として図２に示されるように、表示装置３０、位置制御装置４０、メモリ５０、及び音声・警報発生装置６０などが備えられている。これらは、データの伝送が可能なバス７０を介して電気的に接続されている。

ここでは、距離センサ２０と、表示装置３０と、位置制御装置４０と、メモリ５０と、音声・警報発生装置６０とによって、走行管理装置１０が構成されている。すなわち、走行管理装置１０は、走行体１に搭載されている。また、走行管理装置１０は、走行体１のメインコントローラ８０と電気的に接続されている。
メインコントローラ８０は、走行体１全般を制御するプログラムを実行するための演算装置である。
位置制御装置４０は、メインコントローラ８０からの指示に基づき３次元情報取得部２０３を制御し、３次元情報取得部２０３からの情報に基づき、走行体１の位置情報を演算し、その演算結果をメインコントローラ８０へ伝える装置である。
位置制御装置４０は、上記動作を実行するためのプログラムが格納されたメモリ、このプログラムを実行するための演算装置、プログラム実行時に使用するメモリ等で構成されている（図２０参照）。

距離センサ２０は、一例として図３に示されるように、投光系２０１、受光系２０２、及び３次元情報取得部２０３などを有している。そして、これらは、筐体内に収納されている。この筐体は、投光系２０１から投光される光、及び物体で反射され、受光系２０２に向かう光が通過するための窓を有し、該窓にはガラスが取り付けられている。
３次元情報取得部２０３は、投光系２０１や受光系２０２の制御や受光系２０２からの信号に基づき、３次元情報（距離情報）を演算して求めるための装置であり、距離センサ２０を制御する制御系として機能する。
３次元情報取得部２０３は、上記動作を実行するためのプログラムが格納されたメモリ、このプログラムを実行するための演算装置、プログラム実行時に使用するメモリ等で構成されている（図１８参照）。

投光系２０１は、受光系２０２の−Ｚ側に配置されている。この投光系２０１は、一例として図４に示されるように、光源２１及び光源駆動部２５などを有している。

光源２１は、光源駆動部２５によって点灯及び消灯される。ここでは、光源２１としてＬＥＤが用いられているが、これに限らず、例えば半導体レーザ（端面発光レーザや面発光レーザ）等の他の光源を用いても良い。光源２１は、＋Ｘ方向に光を射出するように配置されている。なお、以下では、光源駆動部２５で生成され、光源２１を駆動するための信号を「光源駆動信号」と呼ぶ。

光源駆動部２５は、３次元情報取得部２０３からのパルス制御信号（図５参照）に基づいて、光源駆動信号（図６参照）を生成する。この光源駆動信号は、光源２１及び３次元情報取得部２０３に送出される。光源２１へ出力される光源駆動信号は、３次元情報取得部２０３からのパルス制御信号を光源２１が光を射出できるように増幅したものである。すなわち、光源駆動部２５はアンプ（増幅器）として機能する。なお、以下では、光源駆動信号を「駆動パルス」とも呼ぶ。

これにより、光源２１からは、３次元情報取得部２０３から指示されたパルス幅のパルス光が射出される。なお、光源２１から射出されるパルス光は、デューティ（ｄｕｔｙ）が５０％以下となるように、３次元情報取得部２０３において設定されている。また、以下では、光源２１から射出される光を「投光波」や「投光パルス」とも呼ぶ。

走行体１のメインコントローラ８０は、走行体１を走行させる際に、位置制御の開始要求を位置制御装置４０に送出する。そして、走行体１のメインコントローラ８０は、走行体１が目的位置に到達すると、位置制御の終了要求を位置制御装置４０に送出する。

位置制御装置４０は、位置制御の開始要求、及び位置制御の終了要求を受け取ると、３次元情報取得部２０３に送出する。

距離センサ２０から射出され物体で反射された光の一部は、距離センサ２０に戻ってくる。以下では、便宜上、物体で反射され距離センサ２０に戻ってくる光を「物体からの反射光」ともいう。

受光系２０２は、物体からの反射光を検出する。受光系２０２は、一例として図７に示されるように、結像光学系２８及びイメージセンサ２９などを有している。

結像光学系２８は、物体からの反射光の光路上に配置され、該光を集光する。ここでは、結像光学系２８は１枚のレンズで構成されているが、２枚のレンズで構成されても良いし、３枚以上のレンズで構成されても良いし、ミラー光学系を用いても良い。

イメージセンサ２９は、結像光学系２８を介した物体からの反射光を受光する。イメージセンサ２９の出力信号（アナログ信号）は、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）でデジタル信号に変換され、３次元情報取得部２０３に送られる。ここでは、イメージセンサ２９として、画素毎の受光部が２次元配列されたエリアイメージセンサが用いられている。以下では、イメージセンサ２９で受光される物体からの反射光を「受光波」や「受光パルス」とも呼ぶ。

イメージセンサ２９は、各受光部（例えばフォトダイオードやフォトトランジスタ）に対して２つの電荷蓄積部を有しており、ＴＸ１信号がハイレベルのときは、該受光部で光電変換された電荷を一方の電荷蓄積部に蓄積し、ＴＸ２信号がハイレベルのときは、該受光部で光電変換された電荷を他方の電荷蓄積部に蓄積する。また、イメージセンサ２９は、ＴＸＤ信号がハイレベルのときは、電荷の蓄積を行わず、リセット信号がハイレベルになると、２つの電荷蓄積部に蓄積されている電荷量を０にする。

３次元情報取得部２０３は、光源２１に印加される駆動パルスの周波数である変調周波数を制御する変調周波数制御部と、光源２１の射出タイミングとイメージセンサ２９の受光タイミングの時間差に基づいて物体までの距離を算出して物体の３次元情報である距離画像を生成する距離画像生成部とを含む。

３次元情報取得部２０３は、一例として図８に示されるように、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸＤ信号及びリセット信号をイメージセンサ２９に出力する。

図９には、距離センサ２０における１フレームの概略図が示されている。基本的には、変調周波数が異なる２つ以上のＴＯＦ検出（ＴＯＦ演算方式を用いる検出）を行い、高周波数側のＴＯＦ検出で高い距離分解能の距離情報を取得し、低周波数側のＴＯＦ検出で高周波数側のＴＯＦ検出情報に含まれるエイリアシング成分を判定してディエイリアシングを行う。この内容は、例えば特許文献１（特表２０１５−５０１９２７号公報）に開示されている。

ここでは、異なる変調周波数を用いる２つのサブフレームで１フレームを構成する例について説明を行う。一方のサブフレームにおける変調周波数（一の駆動パルスの周波数）を第一の周波数ｆ１とし、他方のサブフレームにおける変調周波数（他の駆動パルスの周波数）を第二の周波数ｆ２とする。

３次元情報取得部２０３では、第一の周波数ｆ１によるＴＯＦ検出を行い、距離画像生成部内のメモリにその位相情報を格納する。次に、変調周波数制御部で第一の周波数ｆ１から第二の周波数ｆ２に切り替えて、第二の周波数ｆ２によるＴＯＦ検出を行う。ここで、第一の周波数ｆ１＞第二の周波数ｆ２の関係とする。なお、上記とは逆に、第二の周波数ｆ２によるＴＯＦ検出を行った後、第一の周波数ｆ１によるＴＯＦ検出を行っても良い。

ここで、「正弦波変調方式」と「矩形波変調方式」と呼ばれる２つのＴＯＦ法について説明する。

まず、正弦波変調方式では、受光波を時間的に３つ以上に分割して検出し、得られた各信号を用いて、投光波の出力タイミングに対する受光波の入力タイミングの遅延時間Ｔｄを位相差角の演算で取得する。

一例として４位相式の正弦波変調方式の位相差演算方法について図１０を用いて説明する。図１０に示される１フレーム構成によって、受光パルスを０°、９０°、１８０°、２７０°の４つの位相に分割した信号（Ａ０、Ａ９０、Ａ１８０、Ａ２７０）を取得し、次の（１）式を使って位相差角Φを求める。
Φ=ａｒｃｔａｎ｛（Ａ９０−Ａ２７０）／（Ａ０−Ａ１８０）｝ ・・・（１）

遅延時間Ｔｄは、位相差角Φを用いて、式（２）から求めることができる。
Ｔｄ＝Φ／２π×Ｔ(Ｔ＝２Ｔ０、Ｔ０：駆動パルスのパルス幅) ・・・（２）

このような位相差の演算方法に対して測距性能を高めるための理想的な投光波形は正弦波形である。そこで、正弦波変調方式では、その名のとおり、光源を正弦波の変調信号（駆動パルス）を用いて駆動する。

一方、「矩形波変調方式」では、受光波を時間的に２つ以上に分割して検出し、得られた各信号を用いて、投光波の出力タイミングに対する受光波の入力タイミングの遅延時間Ｔｄ´を求める。

一例として２位相式の矩形波変調方式について図１１を用いて説明する。図１１に示される１フレーム構成によって、受光波を０°、１８０°の２つの位相に分割した信号（Ｂ０、Ｂ１８０）を取得し、次の（３）式を用いて遅延時間Ｔｄ´を求めることができる。
Ｔｄ´＝｛Ｂ１８０／（Ｂ０＋Ｂ１８０）｝×Ｔ１(Ｔ１：駆動パルスのパルス幅)・・・（３）

このような位相差の演算方法に対して測距性能を高めるための理想的な投光波形は矩形である。そこで、矩形波変調方式では、その名のとおり、光源を矩形波の変調信号（駆動パルス）を用いて駆動する。

なお、特許文献１では、第一の周波数、第二の周波数いずれに対しても正弦波変調方式のＴＯＦ検出を行っており、Ｉ＝（Ａ０−Ａ１８０）、Ｑ＝（Ａ９０−Ａ２７０）のＩ値とＱ値の符号を用いてディエイリアシング（エイリアシング成分の除去）を行うことが主眼となっている。

図１２には、本実施形態の距離センサ２０における１フレームの構成図が示されている。

距離センサ２０では、第一の周波数ｆ１に対しては正弦波変調方式によるＴＯＦ検出を行い、第１の周波数ｆ１よりも低い第二の周波数ｆ２に対しては矩形波変調方式によるＴＯＦ検出を行う。その理由を以下に説明する。

光源に種類によって異なるが、例えば光源にレーザダイオード（ＬＤ）を使用した場合、変調信号（駆動パルス）のパルス幅が１０ｎｓ未満（例えば変調周波数が高域側）であると、立ち上がりや立ち下がりにおける波形鈍りの影響が大きくなり、発光パルス（パルス光）は正弦波形に近い形状になる。一方、変調信号のパルス幅が１０ｎｓ以上（例えば変調周波数が低域側）であれば、発光パルスは矩形に近い形状になる。

ここで、高い距離分解能を得るためには高域側変調周波数によるＴＯＦ検出（例えばパルス幅が比較的短い駆動パルスを用いるＴＯＦ検出）を行うことが有効であり、高域側変調周波数による発光パルスが正弦波形に近いことから、正弦波変調方式のＴＯＦ検出との相性が良い。

一方、ディエイリアシングのための低域側変調周波数によるＴＯＦ検出時（例えばパルス幅が比較的長い駆動パルスを用いるＴＯＦ検出時）は、その発光パルスは矩形波形に近いことから、矩形波変調方式との相性が良い。

そこで、本実施形態のようなフレーム構成（図１２参照）にすることで、高域側変調周波数によるＴＯＦ検出、低域側変調周波数によるＴＯＦ検出のいずれにおいても検出精度を向上することが可能となる。

次に、本実施形態の距離センサ２０における更に有効なフレーム構成例について説明する。

ここで、一般的なＴＯＦ検出に用いられるイメージセンサの構造として、前述したように１つの受光部において電荷を２か所に振り分ける構造になっているものが主流であり（例えば特許５１１０５２０号公報参照）、そのようなイメージセンサを使用することを想定している。
１つの受光部において電荷を２か所に振り分ける構造の一例を図１９に示す。図１９に示されるように、受光部１００の両側に第１及び第２電荷蓄積部２０ａ、２０ｂが配置されている。受光部１００と第１電荷蓄積部２０ａとの間には第１電荷転送部３０ａが配置されている。受光部１００と第２電荷蓄積部２０ｂとの間には第２電荷転送部３０ｂが配置されている。
受光部１００は受光した光を信号電荷に変換する。この信号電荷の一部は第１電荷転送部３０ａを介して第１電荷蓄積部２０ａに送られ、他の一部は第２電荷転送部３０ｂを介して第２電荷蓄積部２０ｂに送られる。

この場合に、図１３に示されるフレーム構成にすることで、ディエイリアシングに必要な第二の周波数ｆ２によるＴＯＦ検出に要する時間を削減することが可能である。すなわち、画素の電荷振分け先が２つであるのに対し、第二の周波数ｆ２によるＴＯＦ検出に必要な位相情報も２つであるので、サブフレーム期間内で、０°と１８０°の信号を取得する１度の露光期間で済む。この効果を、図１４を用いて、従来技術（特許文献１）のフレーム構成と比較して説明する。

本実施形態では、従来技術（特許文献１）に対し、図１４に示されるようなフレーム構成の余剰を生み出すことができる。この時間は、そのままフレームレートの向上に利用したり、信号蓄積時間を延長してＳ／Ｎの向上に利用することなどが可能であり、距離センサの性能を向上することができる。

次に、図１５を用いて本実施形態におけるディエイリアシング方法の概要を説明する。

図１５の上段に示されるｄ（ｏｂｊ）の距離に測定したい物体があるとする。このとき、第一の周波数ｆ１による４位相正弦波変調方式ＴＯＦによる位相差検出動作によってＴｄ１（ｏｂｊ）の位相差が検出される。このとき、Ｔｄ１（ｏｂｊ）には第一の周波数ｆ１の周期以上の遅れが含まれているため、距離がｄＡと誤判定されてしまう。

ここで、図１５の下段の第二の周波数ｆ２による２位相矩形波変調方式ＴＯＦによる位相差検出に注目すると、Ｔｄ２（ｏｂｊ）が検出される。このとき、Ｔｄ２（ｏｂｊ）には第二の周波数ｆ２の周期以上の遅れは含まれていないので、距離ｄ（ｏｂｊ）を検知可能である。よって、このＴｄ１（ｏｂｊ）とＴｄ２（ｏｂｊ）を結びつけることで、第一の周波数ｆ１の距離分解能の測距情報のまま、距離を誤検出することなく（ｄＡと誤判定することなく）、物体までの距離ｄ（ｏｂｊ）を検出することが可能になる。

ここで、第二の周波数ｆ２によるＴＯＦ検出では周波数が低いため、第一の周波数ｆ１の測距性能に対してばらつきが大きくなるが、距離分解能としてはたかだか距離ｄ１分の判定ができればよいのでこのばらつきは許容できる。

また、図１５に示されるｄ１、ｄ２（各変調周波数のＴＯＦ方式における最大レンジ)は、
ｄ１＝２Ｔ０×ｃ／２
ｄ２＝Ｔ１×ｃ／２
となる。

図１５に示される例は、外乱光が無い場合についての例である。そこで、図１６を用いて外乱光がある環境での実施方法について説明する。

図１６に示されるように外乱光がある場合、蓄積信号量には受信光成分と外乱光成分が含まれることになる。

第一の周波数ｆ１における正弦波変調方式によるＴＯＦ検出の場合、Ｔｄ１の導出の際に各信号の差分を計算しているので、以下のように外乱光成分（Ｎａ）はＴＯＦ演算の中で自然にキャンセルできる。
上記（１）式の｛｝内の分子：Ａ９０−Ａ２７０＝（Ｓａ９０＋Ｎａ）−Ｓａ２７０＋Ｎａ）＝Ｓａ９０−Ｓａ２７０
上記（１）式の｛｝内の分母：Ａ０−Ａ１８０＝（Ｓａ０＋Ｎａ）−（Ｓａ１８０＋Ｎａ）＝Ｓａ０−Ｓａ１８０

一方、第二の周波数ｆ２における２位相矩形波変調方式によるＴＯＦ検出の場合、以下のように、正弦波変調方式とは異なり、外乱光成分が自然にキャンセルできない。
Ｂ１８０／（Ｂ０＋Ｂ１８０）＝（Ｓｂ１８０＋Ｎｂ）／（Ｓｂ０＋Ｓｂ１８０＋２Ｎｂ）

そこで、２位相パルス変調方式の場合、別途非発光のフレームを撮影して外乱光成分（Ｎｂ）を抽出する方法がある。しかし、取得フレーム数を増やしては、本発明の利点であるフレーム構成の簡素化が図れない。

本発明の利点を生かすため、取得フレーム数は増やさずに外乱光強度（ｘ）を判定すればよいので、以下のような方法で外乱光強度（ｘ）を求める。
（１）外乱光が全く入らないキャリブレーション工程で、第一の周波数ｆ１における受光輝度値（Ｙａ０）と第二の周波数ｆ２における受光輝度値（Ｙｂ０）を測定し記憶する。第一の周波数ｆ１における発光強度をＰａ０、第二の周波数ｆ２における発光強度をＰｂ０とし、被写体反射率や被写体との距離、その他光学系のロス分をＲ０とすると、受光輝度値（Ｙａ０）、受光輝度値（Ｙｂ０）は、以下のように表すことができる。
Ｙａ０＝Ｐａ０×Ｒ０
Ｙｂ０＝Ｐｂ０×Ｒ０

最終的に本キャリブレーション工程では、Ｙａ０／Ｙｂ０＝Ｐａ０／Ｐｂ０の値を記憶すればよい（第一及び第二の周波数ｆ１、ｆ２による発光強度比を記憶する）。

次に、外乱光がある実使用環境下での処理について述べる。まず、第一の周波数ｆ１における正弦波変調方式の取得データから、受光輝度値（Ｙａ）を導出する。この受光輝度値は例えば、
Ｙａ＝√{（Ａ０−Ａ１８０）^２＋（Ａ９０−Ａ２７０）^２}・・・（４）
として求めることができる。

上記（４）式からわかるように、Ｙａからは自動的に外乱光成分（Ｎａ）は除去されている。次に、第二の周波数ｆ２における２位相矩形波変調方式の取得データから、受光輝度値（Ｙｂ´）を導出する。ここで、外乱光を含まない２位相矩形波変調方式の受光輝度値をＹｂとすると、例えば、
Ｙｂ´＝Ｂ０＋Ｂ１８０＝Ｙｂ＋２Ｎｂ・・・（５）
として求めることができる。
ここで、Ｙａ／Ｙｂ＝Ｙａ０／Ｙｂ０であるので、上記（５）式を変形して、
２Ｎｂ＝Ｙｂ´−（ＹａＹｂ０／Ｙａ０）の計算から、Ｎｂを導出することができる。
よって、本手法を用いることで、２位相矩形波変調方式のＴＯＦ検出時に、非発光フレームを用いることなく外乱光を除去することが可能になる。

図２に戻り、位置制御装置４０は、３次元情報取得部２０３から３次元情報を受け取ると、該３次元情報を表示装置３０に表示する。また、位置制御装置４０は、３次元情報に基づいて、走行体１の位置が所定の位置となるように、位置制御を行う。

音声・警報発生装置６０は、一例として図１７に示されるように、音声合成装置６１、警報信号生成装置６２及びスピーカ６３などを有している。

音声合成装置６１は、複数の音声データを有しており、位置制御装置４０から危険有りの情報を受け取ると、対応する音声データを選択し、スピーカ６３に出力する。
音声合成装置６１は、音声データの選択やスピーカ６３への出力を行うためのプログラムが格納されたメモリ、このプログラムを実行するための演算装置、プログラム実行時に使用するメモリ等で構成された装置である（図２１参照）。

警報信号生成装置６２は、位置制御装置４０から危険有りの情報を受け取ると、対応する警報信号を生成し、スピーカ６３に出力する。
警報信号生成装置６２は、警報信号の作成やスピーカ６３への出力を行うためのプログラムが格納されたメモリ、このプログラムを実行するための演算装置、プログラム実行時に使用するメモリ等で構成された装置である（図２２参照）。

以上説明した本実施形態の距離センサ２０は、光源２１と、パルス幅が互いに異なる第１及び第２の駆動パルスを含む複数（例えば２つ）の駆動パルスを光源２１に異なる時間帯に供給する光源駆動部２５とを含む投光系２０１と、該投光系２０１から投光され物体で反射された光を受光する受光系２０２と、光源２１の発光タイミングと受光系２０２の受光タイミングの時間差に基づいて物体までの距離を算出する制御系と、を備えている。

そして、第１及び第２の駆動パルスのうちパルス幅が小さい方が正弦波状であり、パルス幅が大きい方が矩形波状であることが好ましい。なお、「正弦波状」は、正弦波及び正弦波に近似する波形を含む。「矩形波状」は、矩形波及び矩形波に近似する波形を含む。

この場合、投光波形の立ち上がり、立ち下りの波形鈍りが大きくなるパルス幅が小さい方の駆動パルスが正弦波状であり、該波形鈍りが小さくなるパルス幅が大きい方の駆動パルスが矩形波状であるため、各駆動パルスと対応する投光パルスが近似する。このため、各駆動パルスのパルス幅と対応する投光パルスのパルス幅も近似する。

このため、各駆動パルスの光源２１への入力タイミングに対する受光系２０２の受光パルス（反射光パルス）の受光タイミングの遅延時間から物体までの距離を算出する場合の測定誤差を低減できる。すなわち、第１及び第２の駆動パルスのいずれを用いる場合も検出精度を向上できる。

この結果、高い距離分解能を得ることと広い範囲について距離測定することを高次元で両立できる。

また、受光系２０２は、物体で反射された光を受光して電気信号に変換し、該電気信号を時間的に分割して複数の時間毎の信号に振り分けるイメージセンサ２９（撮像素子）を含み、制御系は、該信号を用いて光源２１の発光タイミングとイメージセンサ２９の受光タイミングの時間差を求め、該時間差から物体までの距離を算出して該物体の３次元情報を取得する３次元情報取得部２０３を含み、３次元情報取得部２０３は、第１の駆動パルスが光源２１に供給されている第１の時間帯に求めた上記時間差から算出した物体までの距離と、第２の駆動パルスが光源２１に供給されている第２の時間帯に求めた上記時間差から算出した物体までの距離を用いて３次元情報を求める。

この場合には、撮影時間もしくは露光時間の低下を抑制できる。

また、第１の時間帯において、上記電気信号の時間的な分割数をＮａ（Ｎａ≧３）、 分割された各信号をＣｉ（１≦i≦Ｎａ）、Ｉ＝Σ[Ｃｉ×ｓｉｎ｛（２π／Ｎａ)×（ｉ−１））｝(１≦ｉ≦Ｎａ)、Ｑ＝Σ[Ｃｉ×ｃｏｓ{（２π／Ｎａ）×（ｉ−１）}](１≦ｉ≦Ｎａ)、φ＝ａｒｃｔａｎ(Ｉ／Ｑ)、第１の駆動パルスのパルス幅をＴ０、上記時間差をＴｄとしたときに、Ｔｄ＝φ／２π×２Ｔ０が成立する。

この場合には、より確実に高い距離分解能を得ることができる。

また、第２の時間帯において、上記電気信号の時間的な分割数をＮｂ（Ｎｂ≧２）、 分割された各信号をＤｉ（１≦ｉ≦Ｎｂ）、上記時間差をＴｄ´とし、第２の駆動パルスのパルス幅Ｔ１が、上記電気信号が時間的に相前後するＤｉとＤｉ＋１に分割されるように設定されたとき、Ｔｄ´＝Ｄｉ＋１／（Ｄｉ＋Ｄｉ＋１）×Ｔ１が成立することを特徴とする。

この場合には、より確実に広い範囲について距離測定することができる。

また、イメージセンサ２９は、１つの受光部に対してＮ箇所（例えばＮ≧２）に電荷を振り分けることが好ましい。

また、第２の時間帯において、上記電気信号の時間的な分割数がＮ以下であることが好ましい。

また、Ｎ＝２であり、３次元情報取得部２０３は、第１の時間帯においてイメージセンサ２９から得られた輝度情報を用いて外乱光強度を検出し、第２の時間帯においてイメージセンサ２９から得られた輝度情報から外乱光成分を除去することが好ましい。

また、複数の駆動パルスが光源２１にそれぞれ供給される複数の時間帯の長さは、同じでも良いし、異なっていても良い。

また、上記実施形態では、複数の駆動パルスの周波数（変調周波数）が異なっているが、同じでも良く、要は、複数の駆動パルスのパルス幅が異なれば良い。

そして、走行体１は、距離センサ２０を有しているため、信頼性に優れた走行ができる。

また、本実施形態の３次元計測方法は、第１の駆動パルスを光源２１に供給して発光させる第１の発光工程と、該第１の発光工程で光源２１から射出され物体で反射された光を受光する第１の受光工程と、第１の駆動パルスとはパルス幅が異なる第２の駆動パルスを光源２１に供給して発光させる第２の発光工程と、該第２の発光工程で光源２１から射出され該物体で反射された光を受光する第２の受光工程と、第１及び第２の受光工程での受光結果に基づいて該物体の３次元情報を求める工程と、を含む。

そして、第１及び第２の駆動パルスのうちパルス幅が小さい方が正弦波状であり、パルス幅が大きい方が矩形波状であることが好ましい。

この場合、投光波形の立ち上がり、立ち下りの波形鈍りが大きくなるパルス幅が小さい方の駆動パルスが正弦波状であり、該波形鈍りが小さくなるパルス幅が大きい方の駆動パルスが矩形波であるため、各駆動パルスと、対応する投光パルスが近似する。このため、各駆動パルスのパルス幅と対応する投光パルスのパルス幅も近似する。

このため、各駆動パルスの光源２１への入力タイミングに対する受光パルスの受光タイミングの遅延時間から物体までの距離を算出する場合の測定誤差を低減できる。すなわち、第１及び第２の駆動パルスのいずれを用いる場合も検出精度を向上できる。

この結果、高い距離分解能を得ることと広い範囲について距離測定することを高次元で両立でき、ひいては物体３次元情報を精度良く計測することができる。

なお、上記実施形態では、１フレームを複数のサブフレームに分割する場合について説明したがこれに限定されるものではない。例えば、一のフレームで高周波数・正弦波変調方式のＴＯＦ検出を行い、別のフレームで低周波数・矩形波変調方式のＴＯＦ検出を行っても良い。

なお、上記実施形態において、パルス幅が異なる３つ以上の駆動パルスを異なる時間帯に光源に供給しても良い。この場合、パルス幅が異なる３つ以上の駆動パルスをパルス幅が大きい側と小さい側に分け、パルス幅が小さい側の駆動パルスを正弦波状とし、パルス幅が大きい側の駆動パルスを矩形波状とすることが好ましい。

また、上記実施形態では、投光系が非走査型であるが、光偏向器（例えばポリゴンミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等）を含む走査型であっても良い。この場合、例えば、一方向に配列された複数の発光部（ライン光源）からそれぞれ射出された複数の光を、発光部の配列方向に非平行な方向（例えば垂直な方向）に走査して、複数の発光部に対応して該配列方向に平行に配列された複数の受光部（ラインイメージセンサ）で受光し、距離画像を生成しても良い。また、単一の発光部からの光を光偏向手段で２次元走査して、物体からの反射光をエリアイメージセンサで受光し、距離画像を生成しても良い。

また、上記実施形態では、単一のＬＥＤ（発光部）をパルス発光させ、物体からの反射光をエリアイメージセンサで受光する場合について説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、２次元配列された複数の発光部を順次パルス点灯させ、各発光パルスの物体からの反射光を単一の受光部で順次受光して距離画像を生成しても良い。

また、例えば、物体の３次元情報（距離画像）ではなく、単にある物体までの距離を測定する場合には、投光系の発光部及び受光系の受光部は、いずれも単数であっても良い。

また、上記実施形態において、３次元情報取得部２０３での処理の一部を位置制御装置４０が行っても良いし、位置制御装置４０での処理の一部を３次元情報取得部２０３が行っても良い。

また、上記実施形態では、走行管理装置１０が１つの距離センサ２０を備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。走行体の大きさ、測定領域などに応じて、複数の距離センサ２０を備えても良い。

また、上記実施形態では、距離センサ２０が走行体の進行方向を監視する走行管理装置１０に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、走行体の後方や側面を監視する装置に用いられても良い。

また、上記実施形態では、距離センサ２０が走行体（移動体）に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、航空機、船舶等の移動体や、距離センサ２０が自身の位置を確認しながら自律的に移動するロボットや、物体の３次元形状を測定する３次元測定装置に用いられても良い。

以上の説明から分かるように、本発明の距離測定装置及び距離測定方法は、ＴＯＦ（タイム オブ フライト）を利用した距離測定技術全般に広く適用することが可能である。

すなわち、本発明の距離測定装置及び距離測定方法は、物体の２次元情報の取得や、物体の有無の検出にも用いることができる。

また、上記実施形態の説明で用いた数値、形状等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

以下に、発明者らが上記実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。

３次元センサの一つに、変調した参照光を射出し、該参照光が被写体で反射され戻ってくるまでの時間を検出して距離を求める、いわゆる“ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）センサ”が既に知られており、種々ある３次元センシング方式の中でもそのレスポンス性の原理的優位性から、昨今さまざま用途への開発が進められている。

例えば、ジェスチャー認識であったり、ロボットや自動車などの移動体の位置制御などへの応用が期待されている。

ＴＯＦ法には、参照光の発光タイミングと受光タイミングの時間差を直接検出する直接ＴＯＦ法と、受光信号を使った演算から該時間差を検出する間接ＴＯＦ法があり、一般的に間接ＴＯＦ法の方が近距離測定に有利であると言われている。

間接ＴＯＦ法においては、参照光の変調周波数が高いほど測定距離分解能が向上することがわかっているが、一方で、反射光が参照光の１周期以上分遅れてセンサに戻ってきた場合、それが何周期分遅れて来たのかを判別することができず、一般的に１周期の遅延内に収まる距離が測定可能距離となる。

また、測定距離分解能向上を狙って変調周波数を高くすると、測定可能な距離範囲が短く限定されてしまう課題があった。

特許文献１及び２には、この課題を回避するために２種の変調周波数を用いたディエイリアシング方法が開示されている。

特許文献１では、２つの周波数によって、被写体から反射光の位相ずれを検出し、エイリアシング（１周期以上の遅れ）を判定する。いずれの周波数に対しても、０°、９０°、１８０°、２７０°の位相信号を取得し、各信号量の差：I=０°−１８０°、Ｑ=９０°−２７０°のＩ値、Ｑ値の符号情報を使ってエイリアシングの判定を行う。

特許文献２では、３つ以上の周波数を使って、それらの中間周波数を使った演算処理によってＴＯＦ検出することで、距離分解能が高くの且つ広測距レンジのＴＯＦセンサを実現する。例として、ｆ１、ｆ２、ｆ３の周波数を使った場合に、例えば距離分解能に寄与する高周波数な中間周波数はこれら３つの周波数の平均値とし、広い測距レンジに寄与する低周波数な中間周波数はｆ１−ｆ２で与えられる。

しかしながら、２種の変調周波数それぞれにおけるＴＯＦ検出動作を要するために犠牲となる撮影速度または露光時間に対する対策については述べられていない。

そこで、この対策として、高い距離分解能を得ることと広い範囲について距離測定することを高次元で両立すべく、発明者らは、上記実施形態を発案した。

１…走行体（移動体）、２０…距離センサ（距離測定装置）、２１…光源（投光系の一部）、２５…光源駆動部（投光系の一部）、２８…結像光学系（受光系の一部）、２９…イメージセンサ（受光系の一部）、２０１…投光系、２０２…受光系（受光手段）、２０３…３次元情報取得部。

特表２０１５−５０１９２７号公報 特表２０１３−５３８３４２号公報

Claims (14)

1. 光源と、パルス幅が互いに異なる第１及び第２の駆動パルスを含む複数の駆動パルスを前記光源に異なる時間帯に供給する光源駆動部とを含む投光系と、
   前記投光系から投光され物体で反射された光を受光する受光系と、
   前記光源の発光タイミングと前記受光系の受光タイミングの時間差に基づいて前記物体までの距離を算出する制御系と、を備え、
   前記第１及び第２の駆動パルスのうちパルス幅が小さい方が正弦波状であり、パルス幅が大きい方が矩形波状であることを特徴とする距離測定装置。
2. 前記受光系は、前記物体で反射され受光した光を電気信号に変換し、該電気信号を時間的に分割して複数の時間毎の信号に振り分ける撮像素子を含み、
   前記制御系は、前記信号を用いて前記時間差を求め、該時間差から前記距離を算出して該物体の３次元情報を取得し、
   前記制御系は、前記第１の駆動パルスが前記光源に供給されている第１の時間帯に求めた前記時間差から算出した前記物体までの距離と、前記第２の駆動パルスが前記光源に供給されている第２の時間帯に求めた前記時間差から算出した前記物体までの距離を用いて前記３次元情報を求めることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記第１の時間帯において、
   前記電気信号の時間的な分割数をＮａ（Ｎａ≧３）、
   分割された各信号をＣｉ（１≦i≦Ｎａ）、
   Ｉ＝Σ[Ｃｉ×ｓｉｎ｛（２π／Ｎａ)×（ｉ−１））｝](１≦ｉ≦Ｎａ)、
   Ｑ＝Σ[Ｃｉ×ｃｏｓ{（２π／Ｎａ）×（ｉ−１）}](１≦ｉ≦Ｎａ)、
   φ＝ａｒｃｔａｎ(Ｉ／Ｑ)、
   前記第１の駆動パルスのパルス幅をＴ０、
   前記時間差をＴｄとしたときに、
   Ｔｄ＝φ／２π×２Ｔ０が成立することを特徴とする請求項２に記載の距離測定装置。
4. 前記第２の時間帯において、
   前記電気信号の時間的な分割数をＮｂ（Ｎｂ≧２）、
   分割された各信号をＤｉ（１≦ｉ≦Ｎｂ）、
   前記時間差をＴｄ´とし、
   前記第２の駆動パルスのパルス幅Ｔ１が、前記電気信号が相前後するＤｉとＤｉ＋１に分割されるように設定されたとき、
   Ｔｄ´＝{Ｄｉ＋１／（Ｄｉ＋Ｄｉ＋１）}×Ｔ１が成立することを特徴とする請求項２又は３に記載の距離測定装置。
5. 前記撮像素子は、１つの受光部に対してＮ箇所に電荷の振分けが可能なことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の距離測定装置。
6. 前記第２の時間帯において、前記電気信号の時間的な分割数がＮ以下であることを特徴とする請求項５に記載の距離測定装置。
7. Ｎ＝２であり、
   前記制御系は、前記第１の時間帯において前記撮像素子から得られた輝度情報を用いて外乱光強度を検出し、前記第２の時間帯において前記撮像素子から得られた輝度情報から外乱光成分を除去することを特徴とする請求項５又は６に記載の距離測定装置。
8. 前記複数の駆動パルスが前記光源にそれぞれ供給される複数の時間帯の長さが異なることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の距離測定装置。
9. 前記複数の駆動パルスの周波数は異なることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の距離測定装置。
10. 前記複数の駆動パルスの周波数は同じであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の距離測定装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の距離測定装置を有する移動体。
12. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の距離測定装置を用いて自立的に移動するロボット。
13. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の距離測定装置を用いて３次元計測する装置。
14. 第１の駆動パルスを光源に供給して発光させる第１の発光工程と、
    前記第１の発光工程で前記光源から射出され物体で反射された光を受光する第１の受光工程と、
    前記第１の駆動パルスとはパルス幅が異なる第２の駆動パルスを前記光源に供給して発光させる第２の発光工程と、
    前記第２の発光工程で前記光源から射出され前記物体で反射された光を受光する第２の受光工程と、
    前記第１及び第２の受光工程での受光結果に基づいて前記物体の３次元情報を求める工程と、を含み、
    前記第１及び第２の駆動パルスのうちパルス幅が小さい方が正弦波状であり、パルス幅が大きい方が矩形波状であることを特徴とする３次元計測方法。
    

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