JP7762088B2 - 測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定装置に関する。

特許文献１には、パルス光を射出してから反射光を受光するまでの光の飛行時間に基づいて、反射物までの距離を測定する測距装置が記載されている。

特開２０２１－１５２５３６号公報

特許文献１記載の装置では、ミラーを回転させることによって、光を走査させている。但し、ミラーを回転させるような可動部は、故障の原因になり易い。一方、可動部を用いずに光を照射する場合、測定可能な範囲（測定エリア）が狭くなるという課題がある。

本発明は、可動部を用いずに光を照射可能な測定エリアを広げることを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一形態は、光源と、前記光源の光を測定エリアに照射する投光用光学系と、前記測定エリアからの反射光を受光する受光部と、を備え、前記光源は、第１方向に並ぶ複数の発光領域を有しており、前記投光用光学系は、前記第１方向に光軸をシフトさせた第１レンズエレメントと、前記第１レンズエレメントとは逆方向に光軸をシフトさせた第２レンズエレメントとを連結させた連結レンズを有し、前記光源の光を、前記第１レンズエレメントを介して、第１測定エリアに照射するとともに、前記光源の光を、前記第２レンズエレメントを介して、前記第１測定エリアと重複した重複エリアを含む第２測定エリアに照射し、前記複数の発光領域のうちの特定の発光領域から光を出射し、前記第１レンズエレメントを介して前記第１測定エリアの所定の領域に光を照射するとともに、前記第２レンズエレメントを介して前記第２測定エリアの所定の領域に光を照射する、測定装置である。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明を実施するための形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、可動部を用いずに光を照射可能な測定エリアを広げることができる。

図１は、測定装置１の全体構成の説明図である。 図２は、照射部１０の構成の説明図である。 図３Ａは、光源１２の説明図である。図３Ｂは、測定エリア５０の説明図である。図３Ｃは、測定装置１を車両に搭載した例の説明図である。 図４は、連結レンズ１５の斜視図である。 図５Ａ及び図５Ｂは、測定エリア５０の説明図である。 図６Ａ及び図６Ｂは、光学条件の説明図である。 図７は、受光センサ２２の説明図である。 図８は、測定方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。 図９Ａは、受光センサ２２の別の一例の説明図である。図９Ｂは、信号処理部３６２の説明図である。図９Ｃは、ヒストグラムの説明図である。 図１０Ａ及び図１０Ｂは、光源１２の発光領域と、測定エリア５０との関係を示す説明図である。 図１１は、重複エリア５３である領域Ｈの測定時の様子の説明図である。 図１２は、別の測定方法の説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明において、同一の又は類似する構成について共通の符号を付して重複した説明を省略することがある。

＜全体構成＞
図１は、測定装置１の全体構成の説明図である。

測定装置１は、対象物９０までの距離を測定する装置である。測定装置１は、いわゆるＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）としての機能を有する装置である。測定装置１は、測定光を出射し、対象物９０の表面で反射した反射光を検出し、測定光を出射してから反射光を受光するまでの時間を計測することによって、対象物９０までの距離をＴＯＦ方式（Time of flight）で測定する。測定装置１は、照射部１０と、受光部２０と、制御部３０とを有する。

照射部１０は、対象物９０に向かって測定光を照射する。照射部１０は、所定の画角で測定エリア５０（後述）に測定光を照射することになる。照射部１０は、光源１２と、投光用光学系１４とを有する。光源１２は、光を出射する。光源１２は、例えば面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）により構成される。投光用光学系１４は、光源１２から出射された光を測定エリア５０に照射する光学系である。照射部１０の詳しい構成については、後述する。

受光部２０は、対象物９０からの反射光を受光する。受光部２０は、測定エリア５０からの反射光を受光することになる。受光部２０は、受光センサ２２と、受光用光学系２４とを有する。

制御部３０は、測定装置１の制御を司る。制御部３０は、照射部１０からの光の照射を制御する。また、制御部３０は、受光部２０の出力結果に基づいて、対象物９０までの距離をＴＯＦ方式（Time of flight）で測定する。制御部３０は、不図示の演算装置及び記憶装置を有する。演算装置は、例えばＣＰＵ、ＧＰＵなどの演算処理装置である。演算装置の一部がアナログ演算回路で構成されても良い。記憶装置は、主記憶装置と補助記憶装置とにより構成され、プログラムやデータを記憶する装置である。記憶装置に記憶されているプログラムを演算装置が実行することにより、対象物９０までの距離を測定するための各種処理が実行される。図中には、各種処理の機能ブロックが示されている。

制御部３０は、設定部３２と、タイミング制御部３４と、測距部３６とを有する。設定部３２は、各種設定を行う。タイミング制御部３４は、各部の処理タイミングを制御する。例えば、タイミング制御部３４は、光源１２から光を射出させるタイミングなどを制御する。測距部３６は、対象物９０までの距離を測定する。測距部３６は、信号処理部３６２と、時間検出部３６４と、距離算出部３６６とを有する。信号処理部３６２は、受光センサ２２の出力信号を処理する。時間検出部３６４は、光の飛行時間（光を照射してから反射光が到達するまでの時間）を検出する。距離算出部３６６は、対象物９０までの距離を算出する。なお、制御部３０の処理については、後述する。

＜照射部１０について＞
図２は、照射部１０の構成の説明図である。既に説明した通り、照射部１０は、光源１２と、投光用光学系１４とを有する。

以下の説明では、投光用光学系１４の光軸に沿った方向をＺ方向とする。なお、測定装置１の測定対象となる対象物９０は、測定装置１に対してＺ方向に離れていることになる。また、Ｚ方向に垂直な方向であって、連結レンズ１５（後述）を構成する第１レンズエレメント１５１及び第２レンズエレメント１５２の並ぶ方向をＹ方向とする。また、Ｚ方向及びＹ方向に垂直な方向をＸ方向とする。

図３Ａは、光源１２の説明図である。
光源１２は、ＸＹ平面（Ｘ方向及びＹ方向に平行な面）に平行な発光面を有する。発光面は、矩形状に構成されている。光源１２から射出された光は、投光用光学系１４を介して、測定エリア５０に照射される。

投光用光学系１４は、連結レンズ１５を有する。図４は、連結レンズ１５の斜視図である。
連結レンズ１５は、第１レンズエレメント１５１と第２レンズエレメント１５２とを連結させた光学部品である。第１レンズエレメント１５１及び第２レンズエレメント１５２は、凸レンズ状の部位（光学エレメント）であり、Ｙ方向に並んで配置されている。第１レンズエレメント１５１の焦点距離と第２レンズエレメント１５２の焦点距離は同じである。また、第１レンズエレメント１５１及び第２レンズエレメント１５２は、それぞれＺ方向に沿った光軸を有する。第１レンズエレメント１５１の光軸は、投光用光学系１４（後述する投影レンズ１６）の光軸に対して＋Ｙ方向にシフトされている。一方、第２レンズエレメント１５２の光軸は、投光用光学系１４の光軸に対して－Ｙ方向にシフトされている。つまり、第２レンズエレメント１５２の光軸は、第１レンズエレメント１５１とは逆方向にシフトされている。

また、投光用光学系１４は、投影レンズ１６を有する。投影レンズ１６は、光源１２と連結レンズ１５との間に配置されたレンズである。投光用光学系１４が投影レンズ１６を有することによって、光源１２の光を広い範囲の測定エリア５０に投影できる。また、投光用光学系１４が投影レンズ１６を有することによって、光源１２の光を矩形状の配光パターンにして測定エリア５０に投影できる。投影レンズ１６と光源１２との距離は、投影レンズ１６の焦点距離よりも近い。投影レンズ１６から連結レンズ１５に向かう光線は発散するが、凸レンズ状の第１光学エレメント及び第２光学エレメントによって、連結レンズ１５から測定エリア５０に向かって照射される光の広がりは抑制される（コリメート光に近い光が投光用光学系１４から測定エリア５０に照射される）。

図３Ｂは、測定エリア５０の説明図である。図５Ａ及び図５Ｂは、測定エリア５０の説明図である。図５Ａは、光源１２の光が第１レンズエレメント１５１を介して第１測定エリア５１に照射される様子の説明図である。図５Ｂは、光源１２の光が第２レンズエレメント１５２を介して第２測定エリア５２に照射される様子の説明図である。

測定エリア５０は、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２とにより構成される。第１測定エリア５１は、第１レンズエレメント１５１を介して光源１２の光が照射されるエリアである（言い換えると、第１レンズエレメント１５１は、第１測定エリア５１に光源１２の光を照射する光学エレメントである）。第２測定エリア５２は、第２レンズエレメント１５２を介して光源１２の光が照射されるエリアである（言い換えると、第２レンズエレメント１５２は、第２測定エリア５２に光源１２の光を照射する光学エレメントである）。第１レンズエレメント１５１と第２レンズエレメント１５２がＹ方向に並んで配置されているため、第１測定エリア５１及び第２測定エリア５２はＹ方向にずれて配置されている。これにより、測定エリア５０をＹ方向に長く設定できる（言い換えると、Ｙ方向の広い範囲に光を照射できる）。

本実施形態では、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２が重複している。以下の説明では、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２とが重複した領域のことを「重複エリア５３」と呼ぶ。重複エリア５３が設けられることによって、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２との間に光を照射できない領域が形成されることを防止できる。

図３Ｂに示すように、Ｚ方向から測定エリア５０を見ると、測定エリア５０はＸ方向及びＹ方向に所定の画角を有する。本実施形態では、Ｘ方向の長さに対するＹ方向の長さの割合（いわゆるアスペクト比）は、測定エリア５０の方が光源１２よりも大きくなる。つまり、本実施形態では、光源１２の形状と比べて、測定エリア５０をＹ方向に長く設定できる（言い換えると、Ｙ方向の広い範囲に光を照射できる）。

図５Ａに示すように、光源１２の発光面のうち、第１レンズエレメント１５１を介して重複エリア５３に照射する光を出射する領域を「第１領域１２１」と呼ぶ。また、図５Ｂに示すように、光源１２の発光面のうち、第２レンズエレメント１５２を介して重複エリア５３に照射する光を出射する領域を「第２領域１２２」と呼ぶ。

重複エリア５３では、第１レンズエレメント１５１を介する光と、第２レンズエレメント１５２を介する光とをそれぞれ照射させることができる。光源１２の第１領域１２１及び第２領域１２２を同時に発光させると、重複エリア５３では、第１レンズエレメント１５１を介して照射された光と、第２レンズエレメント１５２を介して照射された光とを重畳させることができる。このため、重複エリア５３では、重複エリア５３を除く測定エリア５０と比べて、光の照射強度を高めることができる。

図３Ｂに示すように、照射強度が比較的高くなる重複エリア５３（ハッチングが施された領域）は、測定エリア５０のＹ方向の中央部に位置する。光源１２の発光面を一括発光させることによって（つまり、光源１２の第１領域１２１及び第２領域１２２を同時に発光させることによって）、図３Ｂに示すように、測定エリア５０の中央部（重複エリア５３）に照射する光の強度を高めることができる。

図３Ｃは、測定装置１を車両に搭載した例の説明図である。図に示すように、測定装置１を車両に搭載する場合、比較的近傍では、広視野で距離を測定することが望ましい。これに対し、本実施形態では、図３Ｂに示すように、測定エリア５０のアスペクト比を広げることができるので、広視野での距離の測定に有利である。
一方、図３Ｃに示すように、測定装置１を車両に搭載する場合、遠方までの距離の測定が必要とされるエリアは、比較的狭い範囲であることが許容されるが、遠方まで十分な強度の光を照射できることが望ましい。これに対し、本実施形態では、図３Ｂに示すように、測定エリア５０の重複エリア５３の光の強度を高めることができるので、遠方の距離の測定に有利である。

＜光学条件について＞
図６Ａ及び図６Ｂは、光学条件の説明図である。図６Ａは、光源１２と投影レンズ１６との関係の説明図である。図６Ｂは、光源１２の虚像１２’と連結レンズ１５との関係の説明図である。

図６Ａに示すように、投影レンズ１６の焦点距離をｆ１とする。また、投影レンズ１６の主点から光源１２までの距離をＬ１とする。また、光源１２のＹ方向の半分の長さをｙとする（投光用光学系１４の光軸から光源１２の端部までの長さをｙとする）。

本実施形態では、投影レンズ１６の主点から光源１２までの距離Ｌ１は、投影レンズ１６の焦点距離ｆ１よりも小さい（Ｌ１＜ｆ１）。光源１２が投影レンズ１６の焦点よりも近くに配置されるため、光源１２の虚像１２’（投影レンズ１６による光源１２の像）は、投影レンズ１６から見て光源１２の反対側（図中の光源１２の左側）に配置される。

投影レンズ１６の主点から虚像１２’までの距離をＬ’とすると、Ｌ１、Ｌ’及びｆ１の関係は次式（１）の通りとなる。
（１／Ｌ１）－（１／Ｌ’）＝１／ｆ１ ・・・・（１）

このため、投影レンズ１６の主点から虚像１２’までの距離Ｌ’は、次式（２）の通りとなる。
Ｌ’＝（Ｌ１×ｆ１）／（ｆ１－Ｌ１） ・・・・（２）

また、投光用光学系１４の光軸から光源１２の虚像１２’の端部までの長さをｙ’とすると、ｙ’は次式の通りとなる。
ｙ’＝ｙ×（Ｌ’／Ｌ１）
＝ｙ×ｆ１／（ｆ１－Ｌ１） ・・・・（３）

次に、図６Ｂに示すように、第１レンズエレメント１５１及び第２レンズエレメント１５２の焦点距離をｆ２とする。また、連結レンズ１５の主点（第１レンズエレメント１５１又は第２レンズエレメント１５２の主点）から虚像１２’までの距離をＬ２とする。ここで、図６Ｂに示すように、連結レンズ１５が虚像１２’の光を遠方の照射エリアに照射すると考えると、焦点距離ｆ２と距離Ｌ２との関係は次式（４）の通りとなる。
Ｌ２＝ｆ２ ・・・・（４）

なお、投影レンズ１６の主点と連結レンズ１５の主点との距離をｄとする。ここで、距離Ｌ２は、距離Ｌ’に距離ｄを加算した値に相当するため、焦点距離ｆ１，ｆ２と各距離との関係は、次式（５）の通りとなる。
（Ｌ１×ｆ１）／（ｆ１－Ｌ１）＋ｄ＝ｆ２ ・・・・（５）

また、図６Ｂに示すように、投光用光学系１４（投影レンズ１６）の光軸と第１レンズエレメント１５１（又は第２レンズエレメント１５２）の光軸との間隔をｔとし、「シフト量ｔ」と呼ぶ。ここで、重複エリア５３が形成されるためには、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２とが重なる必要がある。このため、シフト量ｔは、投光用光学系１４の光軸から光源１２の虚像１２’の端部までの長さｙ’よりも小さい必要がある（ｔ＜ｙ’）。つまり、重複エリア５３が形成されるためには、連結レンズ１５の第１レンズエレメント１５１及び第２レンズエレメント１５２のそれぞれのシフト量ｔは、次式の条件を満たす必要がある。
ｔ＜ｙ×ｆ１／（ｆ１－Ｌ１） ・・・・（６）

＜測定例１＞
図７は、受光センサ２２の説明図である。

受光センサ２２は、２次元配置された複数の画素２２１を有する。例えばＶＧＡの受光センサ２２の場合、４８０×６４０の画素２１１が２次元配置されている。各画素２２１は、受光素子を有しており、受光素子は、受光量に応じた信号を出力する。制御部３０は、画素２２１ごとの出力信号を取得することになる。

図８は、測定方法の一例を説明するためのタイミングチャートである。

制御部３０（タイミング制御部３４）は、照射部１０の光源１２に所定の周期でパルス光を出射させる。図８の上側には、光源１２がパルス光を出射するタイミング（出射タイミング）が示されている。ここでは、光源１２の発光面の全体から光を出射させるものとする。光源１２から出射された光は、投光用光学系１４を介して測定エリア５０に照射される。測定エリア５０内の対象物９０の表面で反射した光は、受光用光学系２４を介して受光センサ２２に受光される。受光センサ２２の各画素２２１は、パルス状の反射光を受光することになる。図８の中央には、パルス状の反射光が到達するタイミング（到達タイミング）が示されている。各画素２２１は、受光量に応じた信号を出力する。図８の下側には、各画素２２１の出力信号が示されている。

制御部３０の測距部３６（信号処理部３６２）は、各画素２２１の出力信号に基づいて、反射光の到達タイミングを検出する。例えば、信号処理部３６２は、各画素２２１の出力信号のピークのタイミングに基づいて、反射光の到達タイミングを検出する。なお、信号処理部３６２は、外乱光（例えば太陽光）の影響を除去するため、画素２２１の出力信号のＤＣ成分をカットした信号のピークに基づいて、反射光の到達タイミングを求めても良い。
次に、測距部３６（時間検出部３６４）は、光の出射タイミングと、光の到達タイミングとに基づいて、光を照射してから反射光が到達するまでの時間Ｔｆを検出する。時間Ｔｆは、測定装置１と対象物９０との間を光が往復する時間に相当する。そして、測距部３６（距離算出部３６６）は、時間Ｔｆに基づいて、対象物９０までの距離Ｌを算出する。なお、光を照射してから反射光が到達するまでの時間をＴｆとし、光の速度をＣとしたとき、距離Ｌは、Ｌ＝Ｃ×Ｔｆ／２となる。制御部３０は、画素２２１ごとに検出した時間Ｔｆに基づいて、画素２２１ごとに対象物９０までの距離を算出することによって、距離画像を生成する。

＜測定例２＞
図９Ａは、受光センサ２２の別の一例の説明図である。
受光センサ２２は、２次元配置された複数の画素２２１を有する。各画素２２１は、複数の受光素子２２２を有する。ここでは、各画素２２１は、受光素子２２２として、Ｘ方向に３個、Ｙ方向に３個に配列された９個のＳＰＡＤ（Single Photon Avalanche Diode）を有する。ＳＰＡＤで構成された受光素子２２２は、フォトンを検出するとパルス信号を出力する。

図９Ｂは、信号処理部３６２の説明図である。信号処理部３６２は、加算部３６２Ａと、比較部３６２Ｂと、ヒストグラム生成部３６２Ｃとを有する。ここでは、処理信号部は、受光センサ２２の各画素２２１の出力信号に基づいて、時間相関単一光子計数法（Time Correlated Single Photon Counting(TCSPC)で用いるヒストグラムを生成する。

加算部３６２Ａは、画素２２１を構成する複数の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）の出力信号を加算する。加算部３６２Ａは、受光素子２２２が出力するパルス幅を調整（整形）した上で、複数の受光素子２２２の出力信号を加算しても良い。比較部３６２Ｂは、加算部３６２Ａの出力信号と閾値とを比較し、加算部３６２Ａの出力信号が閾値以上の場合に信号を出力する。比較部３６２Ｂが信号を出力するタイミングは、受光センサ２２の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）が光を検知したタイミングであると考えられる。

ところで、外乱光のフォトンは時間的にランダムにそれぞれの受光素子２２２に入射する。これに対し、反射光のフォトンは、光を照射してから所定の遅延時間（対象物９０までの距離に応じた飛行時間）にそれぞれの受光素子２２２に入射する。このため、外乱光のフォトンが時間的にランダムに受光素子２２２に入射した場合には、加算部３６２Ａの出力信号が閾値以上になる確率は低い。一方、反射光のフォトンが受光素子２２２に入射した場合には、画素２２１を構成する複数の受光素子２２２が同時にフォトンを検出するため、加算部３６２Ａの出力信号が閾値以上になる確率は高い。このため、複数の受光素子２２２の出力信号を加算部３６２Ａで加算し、加算部３６２Ａの出力信号と閾値とを比較部３６２Ｂに比較させることによって、受光素子２２２（ＳＰＡＤ）が反射光を検知したと考えられる時間を計測する。

図９Ｃは、ヒストグラムの説明図である。図中の横軸は、時間であり、縦軸は頻度（回数）である。ヒストグラム生成部３６２Ｃは、比較部３６２Ｂの出力に基づいて、受光センサ２２の受光素子２２２（ＳＰＡＤ）が光を検知した時間を繰り返し計測するとともに、その時間に対応付けられた頻度（回数）をインクリメントすることによって、ヒストグラムを生成する。ヒストグラム生成部３６２Ｃは、頻度（回数）をインクリメントする時、数を１つ増加させる代わりに、加算部３６２Ａの出力信号（加算値）に相当する数を増加させても良い。

なお、設定部３２（図１参照）は、ヒストグラムを生成するための積算回数を予め設定する。タイミング制御部３４は、設定された積算回数に応じて、照射部１０の光源１２にパルス光を複数回出射させる。光源１２からの１回のパルス光の出射に対して、加算部３６２Ａから信号が１回又は複数回出力される。ヒストグラム生成部３６２Ｃは、設定された積算回数に達するまで、比較部３６２Ｂの出力信号に応じて、頻度（回数）をインクリメントすることによって、ヒストグラムを生成する。

ヒストグラムの生成後、測距部３６（時間検出部３６４）は、ヒストグラムに基づいて、光を照射してから反射光が到達するまでの時間Ｔｆを検出する。図９Ｃに示すように、測距部３６（時間検出部３６４）は、ヒストグラムの頻度のピークに対応する時間を検出し、その時間を時間Ｔｆとする。そして、測距部３６（距離算出部３６６）は、時間Ｔｆに基づいて、対象物９０までの距離を算出する。

通常、遠方の対象物９０の距離を測定する場合には、対象物９０に照射される光が弱まるため、対象物９０の距離を高精度に測定するためには、ヒストグラムを生成するための積算回数を増やす必要がある。但し、積算回数を増やしてしまうと、ヒストグラムが完成するまでに時間がかかってしまうため、距離の測定に時間がかかってしまう（言い換えると、距離画像のフレームレート（ＦＰＳ）が悪くなる）。これに対し、本実施形態では、測定エリア５０の重複エリア５３の光の強度を高めることができるので、重複エリア５３において遠方の対象物９０の距離を測定する際に、積算回数を増やさずに済むという利点がある。

＝＝＝第２実施形態＝＝＝
上記の第１実施形態では、光源１２は、発光面を一括発光させていた。但し、発光面の一部の領域を発光させるように、光源１２を制御しても良い。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、光源１２の発光領域と、測定エリア５０との関係を示す説明図である。図１０Ａは、第１レンズエレメント１５１を介して第１測定エリア５１に光を照射する場合の光源１２の発光領域と、測定エリア５０との関係を示す説明図である。図１０Ｂは、第２レンズエレメント１５２を介して第２測定エリア５２に光を照射する場合の光源１２の発光領域と、測定エリア５０との関係を示す説明図である。図１０Ａ及び図１０Ｂの測定エリア５０の各領域の右側には、対応する光源１２の発光領域が示されている。

光源１２は、Ｙ方向に複数の発光領域に分割されており、ここでは１２個の発光領域（発光領域＃１～＃１２）に分割されている。なお、Ｙ方向に分割された光源１２の発光領域の数は、１２に限られるものではない。また、測定エリア５０は、Ｙ方向に複数の領域（領域Ａ～領域Ｐ）に分割されており、ここでは１６個の領域に分割されている。なお、Ｙ方向に分割された測定エリア５０の領域の数は、１６に限られるものではない。

図１０Ａに示すように、第１測定エリア５１は、領域Ａ～領域Ｌに相当する。光源１２の発光領域＃１～＃１２は、第１測定エリア５１の領域Ｌ～領域Ａにそれぞれ対応する。例えば、光源１２の発光領域＃５から出射した光は、第１レンズエレメント１５１を介して、測定エリア５０の領域Ｈに照射されることになる。

図１０Ｂに示すように、第２測定エリア５２は、領域Ｅ～領域Ｐに相当する。光源１２の発光領域＃１～＃１２は、第２測定エリア５２の領域Ｐ～領域Ｅにそれぞれ対応する。例えば、光源１２の発光領域＃５から出射した光は、第２レンズエレメント１５２を介して、測定エリア５０の領域Ｌに照射されることになる。このように、光源１２の或る発光領域（例えば発光領域＃５）から出射した光は、連結レンズ１５の第１レンズエレメント１５１及び第２レンズエレメント１５２を介して、測定エリア５０の２つの領域（例えば領域Ｈと領域Ｌ）に照射される。

図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、重複エリア５３は、領域Ｅ～領域Ｌに相当する。図１０Ａに示すように、光源１２の発光領域＃８～＃１から出射した光は、第１レンズエレメント１５１を介して、重複エリア５３である領域Ｅ～領域Ｌに照射される。このため、光源１２の発光領域＃１～＃８は、前述の第１領域１２１に相当する。また、図１０Ｂに示すように、光源１２の発光領域＃１２～＃５から出射した光は、第２レンズエレメント１５２を介して、重複エリア５３である領域Ｅ～領域Ｌに照射される。このため、光源１２の発光領域＃５～＃１２は、前述の第２領域１２２に相当する。

図１１は、重複エリア５３である領域Ｈの測定時の様子の説明図である。図中の測定エリア５０の各領域の右側には、対応する光源１２の領域が示されている。また、図中の受光センサ２２の各画素２２１の左側には、対応する測定エリア５０の領域が示されている。受光センサ２２の各画素２２１は、測定エリア５０の対応する領域からの反射光を受光する（測定エリア５０の像が受光用光学系２４によって受光センサ２２の受光面で結像する）。

重複エリア５３の領域Ｈには、光源１２の発光領域＃５及び発光領域＃９が対応付けられている。図に示すように、領域Ｈを測定する場合、制御部３０は、光源１２の発光領域＃５及び発光領域＃９から同時に光を出射させる。このように、重複エリア５３の特定の領域を測定するとき、制御部３０は、その領域に対応する２つの発光領域から同時に光を出射させる。

光源１２の発光領域＃５から出射した光は、領域Ｈ（第１測定エリア５１）と、領域Ｌ（第２測定エリア５２）に照射される。また、光源１２の領域＃９から出射した光は、領域Ｄ（第１測定エリア５１）と、領域Ｈ（第２測定エリア５２）に照射される。つまり、重複エリア５３となる領域Ｈ（重複エリア５３）には、光源１２の領域＃５及び＃９から出射した光が重畳するため、照射される光の強度が高くなる。

受光センサ２２の画素＃９は、測定エリア５０の領域Ｈからの反射光を受光する。領域Ｈには光源１２の発光領域＃５及び発光領域＃９から出射した光が重畳するため、受光センサ２２の画素＃９が受光する反射光の強度を高めることができる。

なお、これまでの説明では、連結レンズ１５は、重複エリア５３の光の強度を高める目的で用いられている。但し、連結レンズ１５の用途は、重複エリア５３の光の強度を高めるものでなくても良い。

例えば、領域Ｈを測定する際に、制御部３０は、光源１２の発光領域＃５から光を出射させて受光センサ２２の画素＃９の受光結果に基づいて距離を算出することと、光源１２の発光領域＃９から光を出射させて受光センサ２２の画素＃９の受光結果に基づいて距離を算出することと、を別々に行っても良い。そして、制御部３０は、それぞれの距離の算出結果を平均化することによって、距離を算出しても良い。このように、連結レンズ１５は、光の強度を高める目的で用いられなくても良い。

図１２は、別の測定方法の説明図である。

光源１２の特定の発光領域から出射した光は、第１測定エリア５１の対応する領域と、第２測定エリア５２の対応する領域とに照射される。つまり、光源１２の特定の発光領域から出射した光は、測定エリア５０の２つの領域に照射される。例えば、図に示すように、光源１２の発光領域＃５から出射した光は、領域Ｈ（第１測定エリア５１）と、領域Ｌ（第２測定エリア５２）に照射される。

図に示すように、受光センサ２２の画素＃９は、測定エリア５０の領域Ｈに対応しており、領域Ｈからの反射光を受光する。また、受光センサ２２の画素＃５は、測定エリア５０の領域Ｌに対応しており、領域Ｌからの反射光を受光する。

この測定方法では、光源１２の或る発光領域から光を出射することによって、測定エリア５０の２つの領域における対象物９０までの距離を同時に測定することが可能である。このように、連結レンズ１５は、重複エリア５３の光の強度を高める目的で用いられなくても良い。

＝＝＝小括＝＝＝
上記の測定装置１は、光源１２と、光源１２の光を測定エリア５０に照射する投光用光学系１４と、測定エリア５０からの反射光を受光する受光部２０とを備えている。投光用光学系１４は、第１レンズエレメント１５１と第２レンズエレメント１５２とを連結させた連結レンズ１５を有する。第１レンズエレメント１５１の光軸は＋Ｙ方向（第１方向に相当）にシフトされており、第２レンズエレメント１５２の光軸は－Ｙ方向（第１レンズエレメント１５１の光軸をシフトさせた方向と逆方向）にシフトされている。光源１２の光は、第１レンズエレメント１５１を介して第１測定エリア５１に照射されるとともに、第２レンズエレメント１５２を介して重複エリア５３を含む第２測定エリア５２に照射される。このような測定装置１によれば、Ｙ方向（第１方向に相当）の広い範囲に光を照射できる。また、重複エリア５３が設けられるため、第１測定エリア５１と第２測定エリア５２との間に光を照射できない領域が形成されることを防止できる。

上記の測定装置１では、Ｘ方向（第２方向に相当）の長さに対するＹ方向（第１方向に相当）の長さの割合は、測定エリア５０の方が光源１２よりも大きくなる（図３Ａ及び図３Ｂ参照）。これにより、測定エリア５０のＹ方向の画角を広くすることができる。

また、上記の測定装置１では、光源１２の第１領域１２１及び第２領域１２２を同時に発光させることによって、光源１２の第１領域１２１の光を第１レンズエレメント１５１を介して重複エリア５３に照射するとともに、光源１２の第２領域１２２の光を第２レンズエレメント１５２を介して重複エリア５３に照射する。これにより、測定エリア５０の重複エリア５３（図３Ｂのハッチングが施された領域）に照射する光の強度を高めることができる。

上記の投光用光学系１４は、光源１２と連結レンズ１５との間に、投影レンズ１６を有する。投光用光学系１４が投影レンズ１６を有することにより、光源１２の光を広い範囲に投影することが可能になる。但し、投光用光学系１４が投影レンズ１６を有していなくても良い（この場合、図６Ｂの虚像１２’を光源１２に置き換えることになるため、光源１２や測定装置１が大型化する）。

上記の投光用光学系１４において、投影レンズ１６の焦点距離をｆ１とし、投影レンズ１６の主点から光源１２までの距離をＬ１とし、Ｙ方向（第１方向に相当）における光源１２の幅の半分の長さをｙとし、Ｙ方向における投光用光学系１４の光軸と第１レンズエレメント１５１の光軸との間隔（シフト量）をｔとしたとき、ｔ＜ｙ×ｆ１／（ｆ１－Ｌ１）であることが望ましい。これにより、測定エリア５０に重複エリア５３を設けることができる。

上記の測定装置１の制御部３０は、光源１２に光を発光させてから反射光を受光するまでの到達時間に基づいて、反射光を反射した対象物９０までの距離を算出する。但し、測定装置１は、対象物９０までの距離を測定するものに限られるものではない。例えば、測定装置１は、距離を算出しなくても、光源１２に光を発光させてから反射光を受光するまでの到達時間を測定するものでも良いし、測定エリア５０の画像（輝度画像）を測定するものでも良い。

上記の測定装置１の制御部３０は、受光部２０の受光素子２２２が光を検知した時間を繰り返し計測することによってヒストグラムを生成し、ヒストグラムのピークに基づいて光の到達時間Ｔｆを検出する。このようにヒストグラムを用いて光の到達時間Ｔｆを検出する際に、本実施形態の連結レンズ１５を用いて測定エリア５０の重複エリア５３の光の強度を高めることが特に有効となる。

以上、本発明の実施形態につき詳述したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、上記の実施形態は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、上記の実施形態の構成の一部について、他の構成に追加、削除、置換することが可能である。

１ 測定装置、１０ 照射部、
１２ 光源、１２’ 虚像、
１２１ 第１領域、１２２ 第２領域、
１４ 投光用光学系、１５ 連結レンズ、
１５１ 第１レンズエレメント、１５２ 第２レンズエレメント、
１６ 投影レンズ、
２０ 受光部、２２ 受光センサ、
２２１ 画素、２２２ 受光素子、
２４ 受光用光学系、
３０ 制御部、３２ 設定部、
３４ タイミング制御部、３６ 測距部、
３６２ 信号処理部、３６２Ａ 加算部、
３６２Ｂ 比較部、３６２Ｃ ヒストグラム生成部、
３６４ 時間検出部、３６６ 距離算出部、
５０ 測定エリア、５１ 第１測定エリア、
５２ 第２測定エリア、５３ 重複エリア、
９０ 対象物

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源の光を測定エリアに照射する投光用光学系と、
   前記測定エリアからの反射光を受光する受光部と、
   を備え、
   前記光源は、第１方向に並ぶ複数の発光領域を有しており、
   前記投光用光学系は、
   前記第１方向に光軸をシフトさせた第１レンズエレメントと、前記第１レンズエレメントとは逆方向に光軸をシフトさせた第２レンズエレメントとを連結させた連結レンズを有し、
   前記光源の光を、前記第１レンズエレメントを介して、第１測定エリアに照射するとともに、
   前記光源の光を、前記第２レンズエレメントを介して、前記第１測定エリアと重複した重複エリアを含む第２測定エリアに照射し、
   前記複数の発光領域のうちの特定の発光領域から光を出射し、前記第１レンズエレメントを介して前記第１測定エリアの所定の領域に光を照射するとともに、前記第２レンズエレメントを介して前記第２測定エリアの所定の領域に光を照射する、
   測定装置。
2. 請求項１に記載の測定装置であって、
   前記光軸及び前記第１方向に垂直な第２方向の長さに対する前記第１方向の長さの割合は、前記測定エリアの方が前記光源よりも大きい、
   測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の測定装置であって、
   前記光源の第１領域及び第２領域を同時に発光させることによって、
   前記第１領域の光を前記第１レンズエレメントを介して前記重複エリアに照射するとともに、
   前記第２領域の光を前記第２レンズエレメントを介して前記重複エリアに照射する、
   測定装置。
4. 請求項１～３のいずれかに記載の測定装置であって、
   前記投光用光学系は、前記光源と前記連結レンズとの間に投影レンズを有する、測定装置。
5. 請求項４に記載の測定装置であって、
   前記投影レンズの焦点距離をｆ１、
   前記投影レンズの主点から前記光源までの距離をＬ１、
   前記第１方向における前記光源の幅の半分の長さをｙ、
   前記第１方向における前記投光用光学系の光軸と前記第１レンズエレメントの光軸との間隔をｔ、
   としたとき、
   ｔ＜ｙ×ｆ１／（ｆ１－Ｌ１）
   である、測定装置。
6. 請求項１～５のいずれかに記載の測定装置であって、
   前記光源に光を発光させてから前記反射光を受光するまでの到達時間に基づいて、前記反射光を反射した対象物までの距離を算出する制御部を有する、
   測定装置。
7. 請求項６に記載の測定装置であって、
   前記制御部は、
   前記受光部の受光素子が光を検知した時間を繰り返し計測することによってヒストグラムを生成し、
   前記ヒストグラムのピークに基づいて前記到達時間を検出する、測定装置。