WO2024029486A1 - 距離計測装置 - Google Patents

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WO2024029486A1
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measurement
timing
pulse
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勇介 三谷
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Denso Wave Inc
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    • G01S7/4865—Time delay measurement, e.g. time-of-flight measurement, time of arrival measurement or determining the exact position of a peak

Definitions

  • the present disclosure relates to a distance measuring device.
  • a device that irradiates a measurement target area with light and uses reflected light received from an object within the area to measure the distance to the object.
  • the device uses, for example, the time from irradiating the object with light to detecting the reflected light, that is, the time of flight (TOF) of light traveling back and forth between the device and the object.
  • TOF time of flight
  • an optical distance measuring device As a technology related to such an optical distance measuring device, for example, an optical distance measuring sensor disclosed in Patent Document 1 listed below is known.
  • This optical ranging sensor uses a SPAD (Single Photon Avalanche Diode) as a light receiving element.
  • SPAD Single Photon Avalanche Diode
  • a detection signal is generated when a composite signal of a plurality of output signals respectively output from a plurality of SPADs exceeds a predetermined threshold. A measurement period between this generation timing and the detection start timing is measured. Then, by further considering the timing information at which the composite signal increases, a plurality of timings at which a plurality of SPADs react in one light projection/reception can be obtained.
  • the flight time is calculated using predetermined statistical processing based on the time between each of the plurality of timings and the detection start timing and the measurement time. Distance is calculated based on the calculated flight time.
  • the distance is calculated based on the flying speed of light. Since the speed of light traveling is sufficiently high, it is difficult to improve distance measurement accuracy. For example, even if the sampling interval is 1 GHz, the limit of distance measurement accuracy is about 15 cm one way. Further, in sampling with a single SPAD at the research stage, it is possible to apply a higher sampling frequency, but it is difficult to apply a similar high sampling frequency to a plurality of SPADs arranged in an array, for example. Therefore, in a TOF measurement distance sensor that employs a plurality of SPADs, the sampling frequency restriction is the main factor that determines the distance resolution. In other words, the distance resolution is approximately constant regardless of whether the measurement distance is far or near.
  • the distance resolution when the measured distance is a short distance less than a predetermined distance.
  • the influence of the distance resolution on the relative error of the measured distance is greater than in the case of a long distance, where the measured distance is a predetermined distance or more.
  • the present disclosure has been made in order to solve the above-mentioned problems, and its purpose is to maintain a predetermined measurement distance without reducing the distance resolution when the measurement distance is a predetermined distance or more. It is an object of the present invention to provide a distance measuring device capable of reducing costs while improving distance resolution in the case of short distances.
  • a distance measuring device includes a plurality of light emitting elements that each emit light emission pulses to a measurement target area, and a plurality of light emitting elements that are reflected by an object in the target area.
  • a plurality of light receiving elements that each receive the plurality of light emission pulses to be transmitted as a plurality of light reception pulses;
  • a control section that controls the plurality of light emitting elements;
  • a control unit that controls the plurality of light reception pulses received by the plurality of light reception elements;
  • a measurement unit that measures a distance within the measurement target area based on the measurement target area, and the control unit causes each of the plurality of light projecting elements to emit a first light emission pulse at a first light emission timing, and then
  • Each of the plurality of light emitting elements emits a second light emitting pulse at a second light emitting timing, the first light emitting timing is the same for all of the plurality of light emitting elements, and the second light emitting timing is the same as that of the plurality of light
  • the plurality of light emitting pulses that measure a measurement distance, and (d) emit the second light emitting pulse at the second light emitting timing where the second time difference matches the time difference between the first light emitting timing and the second light emitting timing.
  • the reference measurement distance is less than a predetermined threshold, that is, in the case of a short distance, a distance measurement result using the stereo measurement method in which the distance resolution is higher as the distance is shorter is output, and the reference measurement distance is lower than the predetermined threshold.
  • a distance measurement result using the TOF measurement method in which the distance resolution does not depend on the measured distance is output.
  • stereo measurement is performed using the timing at which the light receiving element receives the first and second light emitting pulses projected from the light projecting element.
  • TOF measurement and stereo measurement can be performed by sharing one light emitting/receiving element without separately providing a light emitting/receiving element for TOF measurement and a light emitting/receiving element for stereo measurement. Therefore, it is possible to reduce costs while not reducing the distance resolution when the measurement distance is a predetermined distance or more, and increasing the distance resolution when the measurement distance is short distances less than the predetermined distance.
  • a measurement device is provided.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a distance measuring device according to a first embodiment.
  • 2 is a diagram for explaining the schematic configuration of the VCSEL array in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining distance measurement using the TOF measurement method.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating distance measurement using a stereo measurement method.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between measurement distance and distance resolution for the TOF measurement method and the stereo measurement method.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining measurement accuracy in a stereo measurement method.
  • 5 is a timing chart showing light emission timing and light reception timing.
  • 3 is a flowchart illustrating measurement processing.
  • FIG. 3 is a hardware configuration diagram of a control unit of the distance measuring device according to the first embodiment.
  • the distance measuring device 10 measures the distance to an object within a predetermined measurement target area using a TOF measurement method and a stereo measurement method.
  • the distance measuring device 10 includes a control section 11 that controls a light projecting section 20 and a measuring section 40, and a light projecting section 20 that projects a predetermined light emission pulse toward a predetermined measurement target area.
  • a light receiving unit 30 that receives reflected light from an object in the target area as a light receiving pulse; It includes a measuring section 40 that measures the distance to the object.
  • the distance measuring device 10 includes a processor 1001 and a memory 1002 as a hardware configuration.
  • the distance measuring device 10 may include a microcomputer.
  • the microcomputer may include a CPU (Central Processing Unit), a system bus, an input/output interface, a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a nonvolatile memory, and the like.
  • the memory 1002 stores in advance a program related to control of the light projecting section 20 and the measuring section 40, and a program related to control processing using the measurement results of the measuring section 40.
  • the functions of the control section 11 and the measurement section 40 may be realized by the above hardware configuration.
  • the light projecting unit 20 includes a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) array 21 and a light source control unit 22 that controls each light projecting element of the VCSEL array 21 in response to a light emission instruction from the control unit 11.
  • the VCSEL array 21 includes a plurality of light projecting elements V11 to Vmn arranged in an array, that is, a plurality of vertical cavity surface emitting lasers.
  • the VCSEL array 21 is controlled by a light source control unit 22 so that each of the plurality of light projecting elements can project a light emission pulse at a predetermined timing.
  • the light receiving section 30 includes a SPAD array 31 and a signal processing section 32 that processes an output signal from the SPAD array 31 and outputs it to the measurement section 40.
  • the SPAD array 31 is composed of a plurality of SPADs arranged in an array like the light projecting elements of the VCSEL array 21. Each SPAD is a light receiving element that has high response characteristics and can be made small in pixel size.
  • the SPAD array 31 receives, at each SPAD, a plurality of reflected lights, which are a plurality of light emission pulses projected from the light projector 20 and reflected by an object in the target area, as a plurality of light reception pulses.
  • the signal processing unit 32 outputs light reception timing information to the measurement unit 40 based on pulse signals output from the light reception pulses of each SPAD. Note that the signal processing section 32 may process the pulse signal and output the processed pulse signal to the measurement section 40.
  • the measurement unit 40 receives from the control unit 11 information regarding the light emission timing instructed by the control unit 11 to the light projection unit 20 (hereinafter also referred to as light emission timing information). Additionally, the measuring section 40 receives light reception timing information from the signal processing section 32 of the light receiving section 30 . The measurement unit 40 performs measurement processing for measuring the distance from the distance measurement device 10 to an object within a predetermined measurement target area based on the received light emission timing information and light reception timing information.
  • the distance from the distance measurement device 10 to an object within a predetermined measurement target area is calculated based on the TOF measurement result of the TOF measurement method and the stereo measurement result of the stereo measurement method. It is used and output.
  • the time difference (hereinafter referred to as the first The distance (that is, the TOF measurement distance) is measured based on the pulse response time ⁇ T1).
  • the distance resolution related to distance measurement depends on the sampling time performance of the light receiving section 30. For example, as shown by the solid line D1 in FIG. 5, the distance resolution is constant regardless of the value of the measured distance Z.
  • a light emitting element that emits a light emission pulse corresponding to a light reception pulse received by a light reception element is specified. Based on the specified light emitting angle ⁇ of the light emitting element, the light receiving angle ⁇ of the light receiving element, and the parallax that is known from the design, the distance from the distance measuring device 10 to the object (i.e. the distance measuring point) is determined by triangulation. The distance (ie, stereo measurement distance) is measured. Specifically, a light projection angle ⁇ and a light reception angle ⁇ for each combination of a light projection element and a light receiving element are stored in a memory for each light projection pattern.
  • the light projection angle ⁇ and the light reception angle ⁇ are read out from the memory together with the parallax according to the combination of the light receiving element that received the light reception pulse and the light emitting element that emitted the light emission pulse corresponding to the light reception pulse.
  • the design parameters of the light receiving section 30 and the light projecting section 20 (number of pixels, pixel size, light emitting field of view and light receiving field of view per pixel, etc.), the measurement distance Z, and the distance resolution related to distance measurement are depends. As illustrated by the broken line D2 in FIG. 5, the shorter the distance, the higher the distance resolution becomes. Note that in FIG. 4, illustration of an optical system such as a lens is omitted for convenience.
  • the VCSEL array 21 has a light projection field of view (i.e. horizontal light projection range) of 90 degrees and the number of horizontal elements is 200
  • the SPAD array 31 has a light reception field of view (i.e. horizontal light reception range) of 90 degrees.
  • the number of horizontal elements is 200
  • the parallax which is the horizontal distance between a light emitting element in the VCSEL array 21 and a light receiving element in the SPAD array 31, is 15 cm.
  • the horizontal direction may be a direction perpendicular to the vertical direction, or may be a direction connecting the VCSEL array 21 and the SPAD array 31.
  • the distance resolution at a point with a stereo measurement distance of 1 m is calculated as follows.
  • the accuracy of the projection angle is 0.45°.
  • the light receiving field of view is 90° and the number of horizontal elements is 200, the accuracy of the light receiving angle is 0.45°.
  • the distance Zmax is calculated to be 1.05 m.
  • the distance Zmin about the lower error limit is equal to the measured distance at the projection angle ⁇ (ie, 85.7°) ⁇ (0.45°/2). Therefore, using trigonometric functions, the distance Zmin is calculated to be 0.95 m. Therefore, the distance accuracy (ie, distance Zmax ⁇ distance Zmin) is 10 cm.
  • the distance accuracy (that is, distance resolution) of the stereo measurement distance is higher than the measurement accuracy of 15 cm in the TOF measurement method with a high sampling frequency of 1 GHz. Furthermore, the distance accuracy of the stereo measurement distance becomes higher as the distance becomes shorter.
  • both the TOF measurement method and the stereo measurement method are used.
  • the control unit 11 controls the light projecting unit 20 to cause all the light projecting elements in the VCSEL array 21 to emit the first light emission pulse at the same first light emission timing, and then all the light projecting elements emit the first light emission pulse at the same first light emission timing.
  • Each element emits a second light emission pulse at a second light emission timing that differs for each group including at least one of the light projecting elements in the VCSEL array 21.
  • the first light emission pulse is a light emission pulse for TOF measurement
  • the second light emission pulse is a light emission pulse for stereo measurement.
  • the control unit 11 first emits light in the first row.
  • the elements V11, V21, V31, . . . , Vm1 are caused to emit a second light emission pulse.
  • the control unit 11 causes the second row of light projecting elements V12, V22, V32, . .
  • the control unit 11 causes the third row of light projecting elements V13, V23, V33, . In this way, the control unit 11 shifts the second light emission timing for each row of light projecting elements by a predetermined time unit, and causes all of the light projecting elements to emit the second light emission pulse.
  • FIG. 7 is a timing chart showing light emission timing and light reception timing. Specifically, FIG.
  • the seventh is a diagram for explaining the relationship between the first light emission timing and the second light emission timing, the first light reception timing and the second light reception timing, the first pulse response time and the second pulse response time.
  • the first chart in FIG. 7 shows the light emission timing at the light projecting element V11.
  • the second chart in FIG. 7 shows the light emission timing at the light projecting element V12.
  • the third chart in FIG. 7 shows the reception timing, first pulse response time, and second pulse response of the reflected light emitted by the light emitting element V11 for a distance measurement point that is closer than the distance measurement point in the fifth chart. Show time.
  • FIG. 7 shows the reception timing, first pulse response time, and second pulse response of the reflected light emitted by the light projecting element V12 for a distance measurement point that is closer than the distance measurement point in the sixth chart. Show time.
  • the fifth chart in FIG. 7 shows the reception timing, first pulse response time, and second pulse response of the reflected light emitted by the light projecting element V11 for a distance measurement point farther than the distance measurement point in the third chart. Show time.
  • the sixth chart in FIG. 7 shows the reception timing of the reflected light emitted by the light projecting element V12, the first pulse response time, and the second pulse response for a distance measurement point farther than the distance measurement point in the fourth chart. Show time.
  • the second light emission pulse P2f_11 is emitted at the second light emission timing T2f_11.
  • the predetermined time from the second light emitting timing T2f_11 starts.
  • a second light emission pulse P2f_12 is emitted at a second light emission timing T2f_12 after the lapse of time.
  • the light receiving element that receives the reflected light of the first light emission pulse P1f_11 and the second light emission pulse P2f_11 changes from the first light emission timing T1f to the measured distance Zm, as shown in the third chart of FIG.
  • the first light reception pulse P1r_11m is received as reflected light of the first light emission pulse P1f_11.
  • the time difference between the first light emission timing T1f and the first light reception timing T1r_11m is the first pulse response time ⁇ T1_11m.
  • the same light receiving element receives the second light reception pulse P2r_11m as reflected light of the second light emission pulse P2f_11 at the second light reception timing T2r_11m, as shown in the third chart in FIG. .
  • the time difference ⁇ T2_11m between the first light reception timing T1r_11m and the second light reception timing T2r_11m (hereinafter also referred to as second pulse response time for convenience) is substantially equal to the time difference between the first light emission timing T1f and the second light emission timing T2f_11.
  • the first emission timing T1f is delayed according to the measured distance Zm.
  • the first light reception pulse P1r_12m is received as reflected light of the first light emission pulse P1f_12.
  • the time difference between the first light emission timing T1f and the first light reception timing T1r_12m is the first pulse response time ⁇ T1_12m.
  • the same light receiving element receives the second light reception pulse P2r_12m as reflected light of the second light emission pulse P2f_12 at the second light reception timing T2r_12m, as shown in the fourth chart in FIG. .
  • the second pulse response time ⁇ T2_12m which is the time difference between the first light reception timing T1r_12m and the second light reception timing T2r_12m, is substantially equal to the time difference between the first light emission timing T1f and the second light emission timing T2f_12.
  • the measured distance to the distance measurement point where the light emitting pulse (first light emitting pulse P1f (12) and second light emitting pulse P2f (12)) from the light projecting element V12 is reflected is the same measured distance Zm.
  • the fifth chart and the sixth chart in FIG. 7 are timing charts for a distance measurement point with a measurement distance Zn that is farther than a distance measurement point with a measurement distance Zm. Specifically, when each light emission pulse is emitted as described above from the light projecting element V11, as shown in the fifth chart of FIG. The first light reception pulse P1r_11n is received at one light reception timing T1r_11n. Thereafter, the second light reception pulse P2r_11n is received at the second light reception timing T2r_11n.
  • the first light reception is delayed according to the measured distance Zn from the first light emission timing T1f.
  • the first light reception pulse P1r_12n is received at timing T1r_12n.
  • the second light reception pulse P2r_12n is received at the second light reception timing T2r_12n.
  • the first pulse response time ⁇ T1_11m shown in the third chart in FIG. 7 and the first pulse response time ⁇ T1_11n shown in the fifth chart in FIG. 7 are different. Further, the first pulse response time ⁇ T1_12m shown in the fourth chart in FIG. 7 is different from the first pulse response time ⁇ T1_12n shown in the sixth chart in FIG. On the other hand, the second pulse response time ⁇ T2_11m shown in the third chart in FIG. 7 and the second pulse response time ⁇ T2_11n shown in the fifth chart in FIG. Since the reflected lights of the two emitted light pulses are received, they are substantially the same.
  • the second pulse response time ⁇ T2 takes a value depending on the column of the VCSEL array 21 (that is, the predetermined light emitting group).
  • the measurement unit 40 also acquires light emission timing information including the first light emission timing T1f and the second light emission timing T2f for each light receiving element from the control unit 11.
  • the second pulse response time ⁇ T2 is substantially equal to the time difference between the first light emission timing T1f and the second light emission timing T2f. Therefore, the measurement unit 40 generates the second light emission pulse P2f for each light receiving element at the second light emission timing T2f, where the second pulse response time ⁇ T2 is substantially equal to the difference between the first light emission timing T1f and the second light emission timing T2f.
  • a light projecting element that projects light can be specified.
  • the measurement unit 40 can measure the stereo measurement distance based on the projection angle ⁇ , the reception angle ⁇ , and the parallax obtained from the association between the light projection element and the light reception element specified in this way.
  • the TOF measurement distance can be measured for each light receiving element based on the first pulse response time ⁇ T1. That is, in the measurement process performed by the measurement unit 40, the distance from the distance measurement device 10 to an object (i.e., a distance measurement point) within a predetermined measurement target area is determined for each light receiving element based on the TOF measurement distance and the stereo measurement distance. Determine the distance.
  • each light emitting element of the VCSEL array 21 of the light emitting part 20 becomes ready to emit light
  • each light receiving element of the SPAD array 31 of the light receiving part 30 becomes able to emit light. becomes ready to receive light.
  • each light emitting element emits a first light emission pulse P1f at a first light emission timing T1f, for each column of light emitting elements (that is, for each group of light emitting elements).
  • a second light emission pulse P2f is emitted at a second light emission timing T2f different from the second light emission timing T2f (step S101).
  • the first light receiving timing T1r at which the first light receiving pulse P1r is received and the second light receiving timing T2r at which the second light receiving pulse P2r is received are processed by the signal processing section 32 for each light receiving element. , is output to the measurement unit 40 (step S103).
  • the measurement unit 40 when the first light reception timing T1r and the second light reception timing T2r for each light receiving element outputted from the signal processing unit 32 of the light receiving unit 30 are acquired as described above, the light emission timing acquired from the control unit 11 is acquired. Using the information (that is, the first light emission timing T1f and the second light emission timing T2f for each light receiving element), the distance is measured for each light receiving element as follows.
  • TOF measurement processing is performed (step S105). Specifically, the TOF measurement distance is measured for each light receiving element based on the first pulse response time ⁇ T1, which is the difference between the first light emission timing T1f and the first light reception timing T1r.
  • stereo measurement is performed (step S107).
  • the second pulse response time ⁇ T2 that is, the time difference between the first light reception timing T1r and the second light reception timing T2r
  • the row of light emitting elements that emitted the light emission pulse corresponding to the received light pulse is identified.
  • the stereo measurement distance is measured based on the projection angle ⁇ , the reception angle ⁇ , and the parallax obtained from the association between the light projection element and the light reception element identified in this way.
  • a process is performed to determine whether to discard the measurement results (step S109). In other words, processing is performed to delete measured distances that are likely to be incorrectly measured distances. Specifically, if the difference between the TOF measurement distance and the stereo measurement distance is greater than a predetermined distance difference, there is a possibility that at least one of the measurement distances is incorrect due to the influence of noise during measurement. is high. Therefore, in this case, both the TOF measurement distance and the stereo measurement distance are discarded.
  • the TOF measurement distance and the stereo measurement distance are significantly different, and no measurement distance is output. This makes it possible to suppress output of erroneous distance measurement results. Note that when the measurement distance becomes long, the second light reception pulse P2r used for stereo measurement may not be received, so the stereo measurement distance may not be measured. In such a case, the TOF measured distance may be output as a distance measurement result without being discarded.
  • measurement result selection processing is performed (step S111). Specifically, for each light receiving element, either the TOF measurement distance or the stereo measurement distance is selected as the distance measurement result. As shown in FIG. 5, in the case of short distances, the stereo measurement distance is higher than the distance resolution of the TOF measurement distance, and in the case of long distances, the TOF measurement distance is higher than the distance resolution of the stereo measurement distance. A distance (that is, a boundary point) at which the distance resolution of the TOF measurement distance and the distance resolution of the stereo measurement distance are designed to be equal is used as the predetermined distance threshold Zth. Further, a TOF measurement distance whose distance resolution is substantially constant regardless of the measurement distance may be used as the reference measurement distance.
  • the TOF measurement distance is selected as the distance measurement result
  • the stereo measurement distance is selected as the distance measurement result. selected.
  • distance measurement accuracy can be improved.
  • the stereo measurement distance may be used as the reference measurement distance.
  • the distance measurement results are outputted (step S113). Specifically, the selected distance measurement result is output for each light receiving element, and the measurement process ends.
  • the control unit 11 causes all of the plurality of light emitting elements to emit the first light emission pulse P1f at the same first light emission timing T1f, and then The light projecting unit 20 is controlled to cause at least some of the light projecting elements to emit a second light emission pulse P2f at a second light emission timing T2f that is different from other light projecting elements.
  • the measurement unit 40 measures the TOF measurement distance for each light receiving element based on the first pulse response time ⁇ T1.
  • the measurement unit 40 specifies the light emitting element from the second light emission timing T2f at which the second pulse response time ⁇ T2 is equal to the time difference between the first light emission timing T1f and the second light emission timing T2f.
  • the measurement unit 40 measures the stereo measurement distance based on the projection angle ⁇ , the reception angle ⁇ , and the parallax obtained from the association between the specified light projection element and the light reception element.
  • the measurement unit 40 outputs the TOF measurement distance as a distance measurement result when the reference measurement distance is equal to or greater than a predetermined distance threshold Zth among the TOF measurement distance and the stereo measurement distance, and the measurement unit 40 outputs the TOF measurement distance as a distance measurement result, and sets the reference measurement distance to the predetermined distance threshold Zth. If the distance is less than 1, the stereo measurement distance is output as the distance measurement result.
  • the distance measuring device 10 includes a plurality of light emitting elements 21 that respectively emit light emission pulses onto a measurement target area, and a plurality of light emitting elements 21 that emit light emitted from objects within the target area.
  • a plurality of light-receiving elements 31 each of which receives the plurality of light-emitting pulses transmitted by the element 21 as a plurality of light-receiving pulses, a control section 11 that controls the plurality of light-emitting elements, and a plurality of light-receiving elements 31 that receive the plurality of light-receiving pulses.
  • a measurement unit 40 that measures a distance within the measurement target area based on the plurality of light reception pulses; After emitting one light emitting pulse P1f, each of the plurality of light emitting elements 21 is caused to emit a second light emitting pulse P2f at a second light emitting timing T2f, and the first light emitting timing T1f is set to emit a second light emitting pulse P2f at a second light emitting timing T2f.
  • the second light emission timing T2f is different between groups including at least one of the plurality of light emitting elements 21, and the measuring section 40 measures the second light emission timing T2f for each group of the plurality of light receiving elements 31.
  • a first time difference ⁇ T1 between the first light emission timing T1f and the first light reception timing T1r is measured, and at the first light reception timing T1r, the group of the plurality of light receiving elements 31 responds to the first light emission pulse P1f.
  • a corresponding first light receiving pulse P1r is received, (b) a second time difference ⁇ T2 between the first light receiving timing T1r and a second light receiving timing T2r is measured, and at the second light receiving timing T2r, the plurality of light receiving elements 31 receives the second light reception pulse P2r corresponding to the second light emission pulse P2f, (c) measures a TOF (Time Of Flight) distance based on the first time difference ⁇ T1, and (d) the second Identifying a group of the plurality of light emitting elements 21 that emit the second light emission pulse P2f at the second light emission timing T2f whose time difference ⁇ T2 matches the time difference between the first light emission timing T1f and the second light emission timing T2f.
  • TOF Time Of Flight
  • the reference measurement distance is less than the predetermined distance threshold Zth, that is, in the case of a short distance, a distance measurement result using the stereo measurement method in which the distance resolution is higher as the distance is shorter is output, and the reference measurement distance is When the distance is equal to or greater than the predetermined distance threshold Zth, that is, when the distance is long, a distance measurement result using the TOF measurement method in which the distance resolution does not depend on the measured distance is output. Furthermore, stereo measurement is performed using the timing at which the light receiving section 30 receives the first light emitting pulse P1f and the second light emitting pulse P2f projected from the light projecting section 20.
  • TOF measurement and stereo measurement can be performed by sharing one light emitting part 20 and one light receiving part 30 without separately providing a light emitting and receiving part for TOF measurement and a light emitting and receiving part for stereo measurement. I can do it. Therefore, distance measurement can reduce costs while not reducing distance resolution at long distances where the measurement distance is a predetermined distance or more, and increasing distance resolution at short distances where the measurement distance is less than a predetermined distance.
  • An apparatus 10 is provided.
  • the distance measuring device 10 can be realized by a set of a light projector 20 and a light receiver 30.
  • the light receiving element is a SPAD. Since SPAD has high response characteristics and can reduce pixel size, it is possible to further improve distance resolution regarding distance measurement. In other words, measurement accuracy can be further improved.
  • the light receiving section 30 is not limited to the SPAD array 31 in which SPADs are arranged in an array, and may include other light receiving elements. For example, various plurality of light receiving elements depending on the environment in which the distance measuring device 10 is used may be arranged to correspond to the plurality of light emitting elements of the light emitting unit 20.
  • the measurement unit 40 discards the TOF measurement distance and the stereo measurement distance when the difference between the TOF measurement distance and the stereo measurement distance is equal to or greater than a predetermined distance difference for each light receiving element, Does not output distance measurement results.
  • the measurement unit 40 may output information regarding the difference between the TOF measurement distance and the stereo measurement distance for each light receiving element as information regarding the credibility of the distance measurement result.
  • the difference between the TOF measurement distance and the stereo measurement distance is small, there is a high possibility that these measurement distances will be measured correctly and a highly reliable distance measurement result will be output.
  • the difference between the TOF measurement distance and the stereo measurement distance is large, at least one of the measurement distances may be incorrectly measured due to the influence of noise during measurement, resulting in an unreliable distance measurement result. There is a high possibility that it will be output.
  • the first pulse response time ⁇ T1 and the second pulse response time are The pulse response time ⁇ T2 ends up being measured. Therefore, incorrect measurement distances are measured in both TOF measurement and stereo measurement.
  • the second pulse response time ⁇ T2 is measured based on the timing before the second light receiving timing T2r. . Therefore, an incorrect measurement distance is measured in stereo measurement.
  • an incorrect measurement distance may be measured in at least one of TOF measurement and stereo measurement. It ends up.
  • the difference between the TOF measurement distance and the stereo measurement distance is output as information regarding the credibility of the distance measurement result.
  • a design that uses only highly reliable distance measurement results can be considered.
  • the light projector 20 includes the VCSEL array 21 in which a plurality of VCSELs are arranged in an array.
  • the light projecting unit 20 may also include other light projecting means that can control the light emission timing for each light projecting element, such as an LED array in which a plurality of LEDs (Light Emitting Diodes) are arranged in an array. good.
  • the control unit 11 changes the second light emission timing T2f in predetermined time units for each row of light projecting elements, and causes each row of light projecting elements to emit the second light emission pulse P2f. Controls the light projector 20. However, the control unit 11 changes the second light emission timing T2f in predetermined time units for each row of light projecting elements, and causes the light projecting unit 20 to emit the second light emission pulse P2f for each row of light projecting elements. may be controlled. The control unit 11 controls the light projecting unit 20 to change the second light emission timing T2f in predetermined time units for each group of predetermined light projecting elements, and to emit the second light emission pulse P2f for each group. You can. Further, the control unit 11 may control the light projecting unit 20 to change the second light emission timing T2f in predetermined time units for each light projecting element and cause each light projecting element to emit the second light emission pulse P2f. .
  • the first light receiving pulse P1r and the second light receiving pulse P2r are received by the light receiving unit 30.
  • the first light receiving pulse P1r for TOF measurement may be received by the light receiving section 30, and the second light receiving pulse P2r for stereoscopic measurement may be received by another light receiving section different from the light receiving section 30.
  • the constraints imposed by the measurement accuracy of the TOF measurement distance of the parallax between the light projecting section 20 and the above-mentioned another light receiving section are relaxed.
  • the parallax can be designed to be larger than when one light receiving section 30 receives both the first light receiving pulse P1r and the second light receiving pulse P2r, so that the measurement accuracy of the stereo measurement distance can be improved.
  • the distance from the distance measuring device 10 to an object within a predetermined measurement target area is measured.
  • the distance measuring device 10 may be installed on a moving body, a predetermined measurement target area may also move according to the movement of the moving body, and the distance to an object within the moving measurement target area may be measured. .

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Abstract

距離計測装置は、第１発光パルスの第１発光タイミングと第１受光パルスの第１受光タイミングとの第１時間差に基づいてＴＯＦ計測距離を計測し、前記第１受光タイミングと第２受光パルスの第２受光タイミングとの第２時間差が前記第１発光タイミングと第２発光パルスの第２発光タイミングとの時間差にマッチする前記第２発光タイミングで前記第２発光パルスを発光する複数の投光素子のグループを特定し、特定される前記複数の投光素子のグループの投光角及び複数の受光素子のグループの受光角に基づいてステレオ計測距離を計測し、基準計測距離が所定の閾値以上である場合に前記ＴＯＦ計測距離を出力し、そうでない場合に前記ステレオ計測距離を出力する。

Description

距離計測装置
　本開示は、距離計測装置に関する。
　従来、計測対象領域に光を照射し、当該領域内の物体から受光した反射光を利用してその物体までの距離を計測する装置がある。当該装置として、例えば、その物体への光の照射からその反射光を検出するまでの時間、すなわち、当該装置と物体との間を往復する光の飛行時間（ＴＯＦ：Time　of　Flight）を利用する光学式の距離計測装置がある。このような光学式の距離計測装置に関する技術として、例えば、下記特許文献１に開示される光学式測距センサが知られている。この光学式測距センサでは、受光素子としてＳＰＡＤ（Single　Photon　Avalanche　Diode）が採用されている。複数のＳＰＡＤからそれぞれ出力される複数の出力信号の合成信号が所定の閾値以上になると検出信号が生成される。この生成タイミングと検出開始タイミングとの間の測定期間が計測される。そして、合成信号が増加するタイミング情報をさらに考慮して、１回の投受光において複数のＳＰＡＤが反応した複数のタイミングが得られる。当該複数のタイミングの各々と検出開始タイミングとの間の時間と、上記測定時間と、に基づき、所定の統計処理を用いて、飛行時間が算出される。算出される飛行時間に基づき距離が算出される。
特開２０１９－１５８７３７号公報
　ところで、複数のＳＰＡＤを使ったＴＯＦ計測方式では、光の飛来速度に基づいて距離が計算される。光の飛来速度は十分に高速なため、距離計測精度を高めることが難しい。例えば、サンプリング間隔が１ＧＨｚであるとしたとしても、距離計測精度の限度は、片道１５ｃｍ程度である。また、研究段階におけるＳＰＡＤ単体でのサンプリングでは、より高サンプリング周波数の適用が可能であるが、例えばアレイ状に配置された複数のＳＰＡＤでは、同様の高サンプリング周波数の適用が困難である。そのため、複数のＳＰＡＤが採用されるＴＯＦ計測方式の測距センサでは、サンプリング周波数の制約が距離分解能を決定する主要因になる。換言すると、計測距離の遠近に関わらず距離分解能が略一定となる。一方で、計測距離が所定距離未満の近距離の場合の距離分解能を向上させることが困難であると言える。近距離の場合に距離分解能が計測距離の相対誤差に与える影響は、計測距離が所定距離以上の遠距離の場合よりも大きい。他方で、計測距離装置のコストの増加を回避することが望ましい。
　本開示は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、計測距離が所定の距離以上の遠距離の場合の距離分解能を低下させず、計測距離が所定の距離未満の近距離の場合の距離分解能を高めながら、コストを削減することが可能な距離計測装置を提供することにある。
　本開示の一実施形態に係る距離計測装置は、計測対象領域に対してそれぞれ発光パルスを投光する複数の投光素子と、前記対象領域内の物体で反射された前記複数の投光素子が送信する複数の前記発光パルスをそれぞれ複数の受光パルスとして受光する複数の受光素子と、前記複数の投光素子を制御する制御部と、前記複数の受光素子により受光された前記複数の受光パルスに基づいて前記計測対象領域内での距離計測を行う計測部と、を備え、前記制御部は、前記複数の投光素子の各々に第１発光タイミングで第１発光パルスを発光させた後に、前記複数の投光素子の各々に第２発光タイミングで第２発光パルスを発光させ、前記第１発光タイミングは、前記複数の投光素子の全てについて同一であり、前記第２発光タイミングは、前記複数の投光素子の少なくとも１つを含むグループの間で異なり、前記計測部は、前記複数の受光素子のグループごとに、（ａ）前記第１発光タイミングと第１受光タイミングとの第１時間差を計測し、前記第１受光タイミングでは、前記複数の受光素子のグループが前記第１発光パルスに対応する第１受光パルスを受光し、（ｂ）前記第１受光タイミングと第２受光タイミングとの第２時間差を計測し、前記第２受光タイミングでは、前記複数の受光素子のグループが前記第２発光パルスに対応する第２受光パルスを受光し、（ｃ）前記第１時間差に基づいてＴＯＦ（Time　Of　Flight）計測距離を計測し、（ｄ）前記第２時間差が前記第１発光タイミングと前記第２発光タイミングとの時間差にマッチする前記第２発光タイミングで前記第２発光パルスを発光する前記複数の投光素子のグループを特定し、（ｅ）特定される前記複数の投光素子のグループに含まれる前記投光素子の投光角及び前記複数の受光素子のグループに含まれる受光素子の受光角に基づいてステレオ計測距離を計測し、（ｆ）前記ＴＯＦ計測距離又は前記ステレオ計測距離である基準計測距離が所定の閾値以上である場合に、前記ＴＯＦ計測距離を距離計測結果として出力し、前記基準計測距離が前記所定の閾値未満である場合に、前記ステレオ計測距離を前記距離計測結果として出力する。
　これにより、基準計測距離が所定の閾値未満になる場合、すなわち、近距離の場合では、近距離ほど距離分解能が高くなるステレオ計測方式を用いた距離計測結果が出力され、基準計測距離が所定の閾値以上になる場合、すなわち、遠距離の場合では、距離分解能が計測距離に依存しないＴＯＦ計測方式を用いた距離計測結果が出力される。さらに、投光素子から投光される第１発光パルス及び第２発光パルスを受光素子が受光するタイミングを利用してステレオ計測が行われる。そのため、ＴＯＦ計測用の投受光素子とステレオ計測用の投受光素子とを別個に設けることなく、１つの投受光素子を共用してＴＯＦ計測とステレオ計測とを行うことができる。したがって、計測距離が所定の距離以上の遠距離の場合の距離分解能を低下させず、計測距離が所定の距離未満の近距離の場合の距離分解能を高めながら、コストを削減することが可能な距離計測装置が提供される。
第１実施形態に係る距離計測装置の概略構成を示すブロック図である。 図１のＶＣＳＥＬアレイの概略構成を説明するための図である。 ＴＯＦ計測方式を用いた距離計測を説明するための図である。 ステレオ計測方式を用いた距離計測を説明する説明図である。 ＴＯＦ計測方式とステレオ計測方式とについて計測距離と距離分解能との関係を説明するための図である。 ステレオ計測方式における計測精度を説明するための図である。 発光タイミング及び受光タイミングを示すタイミングチャートである。 計測処理を例示するフローチャートである。 第１実施形態に係る距離計測装置の制御部のハードウェア構成図である。
＜第１実施形態＞
　以下、本開示の第１実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態に係る距離計測装置１０は、所定の計測対象領域内の物体までの距離をＴＯＦ計測方式及びステレオ計測方式を利用して計測する。距離計測装置１０は、図１に示すように、投光部２０及び計測部４０を制御する制御部１１と、所定の計測対象領域に向けて所定の発光パルスを投光する投光部２０と、当該所定の発光パルスが対象領域内の物体で反射した反射光を受光パルスとして受光する受光部３０と、受光部３０により受光された受光パルスに基づいて距離計測装置１０から計測対象領域内の物体までの距離を計測する計測部４０と、を備える。
　距離計測装置１０は、図９に示されるように、ハードウェア構成として、プロセッサ１００１及びメモリ１００２を備える。例えば、距離計測装置１０は、マイクロコンピュータを備えてよい。マイクロコンピュータは、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、システムバス、入出力インタフェース、ＲＯＭ（Read　Only　Memory）、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、不揮発性メモリなどを備えてよい。メモリ１００２には、投光部２０及び計測部４０の制御に関するプログラム及び計測部４０の計測結果を利用した制御処理に関するプログラムが予め格納されている。上記ハードウェア構成により、制御部１１及び計測部４０の機能が実現されてよい。
　投光部２０は、ＶＣＳＥＬ（Vertical　Cavity　Surface　Emitting　Laser）アレイ２１と、制御部１１からの発光指示に応じてＶＣＳＥＬアレイ２１の各投光素子を制御する光源制御部２２とを備えている。ＶＣＳＥＬアレイ２１は、図２に示すように、アレイ状に配置される複数の投光素子Ｖ１１～Ｖｍｎ、即ち複数の垂直共振器型面発光レーザを備える。ＶＣＳＥＬアレイ２１は、光源制御部２２により制御されて複数の投光素子の各々が所定のタイミングにて発光パルスを投光可能である。
　受光部３０は、ＳＰＡＤアレイ３１と、ＳＰＡＤアレイ３１からの出力信号を処理して計測部４０に出力する信号処理部３２とを備えている。ＳＰＡＤアレイ３１は、複数のＳＰＡＤが、ＶＣＳＥＬアレイ２１の各投光素子と同様に、アレイ状に配置されて構成される。各ＳＰＡＤは、応答特性が高く画素サイズを小さくできる受光素子である。ＳＰＡＤアレイ３１は、対象領域内の物体で反射された投光部２０から投光された複数の発光パルスである複数の反射光を、複数の受光パルスとして各ＳＰＡＤにて受光する。信号処理部３２は、各ＳＰＡＤの受光パルスからそれぞれ出力されるパルス信号に基づいて、受光タイミング情報を計測部４０に出力する。なお、信号処理部３２は、上記パルス信号を処理し、処理されたパルス信号を計測部４０に出力してもよい。
　計測部４０は、制御部１１から投光部２０に指示した発光タイミングに関する情報（以下、発光タイミング情報ともいう）を制御部１１から受信する。また、計測部４０は、受光部３０の信号処理部３２から受光タイミング情報を受信する。計測部４０は、受信される発光タイミング情報及び受光タイミング情報に基づいて、距離計測装置１０から所定の計測対象領域内の物体までの距離を計測するための計測処理を行う。
　本実施形態において計測部４０にてなされる計測処理では、距離計測装置１０から所定の計測対象領域内の物体までの距離が、ＴＯＦ計測方式のＴＯＦ計測結果とステレオ計測方式のステレオ計測結果とを利用して出力される。
　ＴＯＦ計測方式では、図３に示すように、投光素子にて発光される発光パルスの発光タイミングとその発光パルスの反射光である受光パルスの受光素子における受光タイミングとの時間差（以下、第１パルス応答時間ΔＴ１ともいう）に基づいて、距離（即ちＴＯＦ計測距離）が計測される。なお、ＴＯＦ計測方式では、距離計測に関する距離分解能は、受光部３０のサンプリング時間性能に依存する。例えば、図５の実線Ｄ１にて示すように、計測距離Ｚの値に関わらず距離分解能が一定である。
　ステレオ計測方式（例えばアクティブステレオ計測方式）では、図４に示すように、受光素子にて受光される受光パルスに対応する発光パルスを発光する投光素子が特定される。特定される投光素子の投光角α及び当該受光素子の受光角βと設計的に既知である視差とに基づいて、三角測量により、距離計測装置１０から物体（即ち測距点）までの距離（即ちステレオ計測距離）が計測される。具体的には、投光素子及び受光素子の各組合せについての投光角α及び受光角βは、投光パターン毎にメモリに記憶されている。受光パルスを受光した受光素子と、当該受光パルスに対応する発光パルスを発光した発光素子と、の組合せに応じて、投光角α及び受光角βが視差とともにメモリから読み出される。ステレオ計測方式では、基本的に、受光部３０及び投光部２０の設計パラメタ（画素数、画素サイズ、１画素あたりの投光視野及び受光視野等）及び計測距離Ｚに、距離計測に関する距離分解能が依存する。図５の破線Ｄ２にて例示するように、近距離ほど距離分解能が高くなる。なお、図４では、便宜上、レンズ等の光学系の図示を省略している。
　例えば、ＶＣＳＥＬアレイ２１の投光視野（即ち、水平方向の投光範囲）が９０°で水平素子数が２００であり、ＳＰＡＤアレイ３１の受光視野（即ち、水平方向の受光範囲）が９０°で水平素子数が２００であり、ＶＣＳＥＬアレイ２１のある投光素子及びＳＰＡＤアレイ３１のある受光素子の水平方向の距離である視差が１５ｃｍであると仮定する。水平方向は、鉛直方向に垂直な方向であってもよく、ＶＣＳＥＬアレイ２１とＳＰＡＤアレイ３１とを結ぶ方向であってもよい。この場合に、ステレオ計測距離１ｍ地点での距離分解能は、以下のように計算される。
　投光視野（水平）が９０°に対して水平素子数が２００であるため、投光角の精度は、０．４５°である。また、受光視野（水平）が９０°に対して水平素子数が２００であるため、受光角の精度は、０．４５°である。図６に例示するように、投光素子及び受光素子の中点からの距離が１ｍである測距点について、視差１５ｃｍなので、三角関数を用いて、投光角αは、以下のように算出される。
　α＝ｔａｎ－１（１／０．０７５）＝８５．７°
　そうすると、誤差上限についての距離Ｚｍａｘは、投光角α（即ち８５．７°）＋（０．４５°／２）での計測距離に等しい。そのため、三角関数を用いて、距離Ｚｍａｘは、１．０５ｍと算出される。同様に、誤差下限についての距離Ｚｍｉｎは、投光角α（即ち８５．７°）－（０．４５°／２）での計測距離に等しい。そのため、三角関数を用いて、距離Ｚｍｉｎは、０．９５ｍと算出される。したがって、距離精度（即ち、距離Ｚｍａｘ－距離Ｚｍｉｎ）は、１０ｃｍである。ステレオ計測距離の距離精度（即ち距離分解能）は、上述した１ＧＨｚという高サンプリング周波数のＴＯＦ計測方式での計測精度１５ｃｍよりも高い。さらに、ステレオ計測距離の距離精度は、近距離ほど高くなる。
　このため、本実施形態では、ＴＯＦ計測方式及びステレオ計測方式の両方が利用される。具体的には、制御部１１が投光部２０を制御することで、ＶＣＳＥＬアレイ２１における全ての投光素子それぞれに同じ第１発光タイミングで第１発光パルスを発光させた後に、全ての投光素子それぞれに、ＶＣＳＥＬアレイ２１における投光素子の少なくとも１つを含むグループごとに異なる第２発光タイミングで第２発光パルスを発光させる。第１発光パルスは、ＴＯＦ計測するための発光パルスであり、第２発光パルスは、ステレオ計測するための発光パルスである。
　具体的には、制御部１１は、例えば、全ての投光素子Ｖ１１～Ｖｍｎそれぞれに同じ第１発光タイミングで第１発光パルスを発光させてから所定の時間経過後に、まず、一列目の投光素子Ｖ１１、Ｖ２１、Ｖ３１、・・・、Ｖｍ１に第２発光パルスを発光させる。制御部１１は、一列目の投光素子の発光から既定時間（例えば、１０ｎｓ）経過後に、二列目の投光素子Ｖ１２、Ｖ２２、Ｖ３２、・・・、Ｖｍ２に第２発光パルスを発光させる。制御部１１は、二列目の投光素子の発光から既定時間経過後に、三列目の投光素子Ｖ１３、Ｖ２３、Ｖ３３、・・・、Ｖｍ３に第２発光パルスを発光させる。このように、制御部１１は、投光素子の列ごとに第２発光タイミングを既定時間単位でずらして、全投光素子に第２発光パルスを発光させる。
　上述のように、ＶＣＳＥＬアレイ２１の列（即ち所定の発光グループ）ごとに第２発光タイミングをずらすことで、第２発光パルスを受光する受光部３０の信号処理部３２から計測部４０への出力信号の出力タイミングがＶＣＳＥＬアレイ２１の列に対応する。当該出力信号の出力タイミングを利用することで、受光素子にて受光した受光パルスに対応する発光パルスを発光させた投光素子を特定することができる。図７を参照して詳細に説明する。図７は、発光タイミング及び受光タイミングを示すタイミングチャートである。具体的には、図７は、第１発光タイミング及び第２発光タイミング、第１受光タイミング及び第２受光タイミング、第１パルス応答時間及び第２パルス応答時間の関係を説明するための図である。図７の１番目のチャートは、投光素子Ｖ１１での発光タイミングを示す。図７の２番目のチャートは、投光素子Ｖ１２での発光タイミングを示す。図７の３番目のチャートは、５番目のチャートの測距点よりも近い測距点についての、投光素子Ｖ１１が発する光の反射光の受光タイミング及び第１パルス応答時間及び第２パルス応答時間を示す。図７の４番目のチャートは、６番目のチャートの測距点よりも近い測距点についての、投光素子Ｖ１２の発する光の反射光の受光タイミング及び第１パルス応答時間及び第２パルス応答時間を示す。図７の５番目のチャートは、３番目のチャートの測距点よりも遠い測距点についての、投光素子Ｖ１１が発する光の反射光の受光タイミング及び第１パルス応答時間及び第２パルス応答時間を示す。図７の６番目のチャートは、４番目のチャートの測距点よりも遠い測距点についての、投光素子Ｖ１２が発する光の反射光の受光タイミング及び第１パルス応答時間及び第２パルス応答時間を示す。
　例えば、図７の１番目のチャートに例示するように、投光素子Ｖ１１から第１発光タイミングＴ１ｆで第１発光パルスＰ１ｆ＿１１が発光された後に、第２発光タイミングＴ２ｆ＿１１で第２発光パルスＰ２ｆ＿１１が発光される。図７の２番目のチャートに例示するように、投光素子Ｖ１２から投光素子Ｖ１１と同じ第１発光タイミングＴ１ｆで第１発光パルスＰ１ｆ＿１２が発光された後に、第２発光タイミングＴ２ｆ＿１１から上記既定時間経過後の第２発光タイミングＴ２ｆ＿１２で第２発光パルスＰ２ｆ＿１２が発光される。
　この場合、上記第１発光パルスＰ１ｆ＿１１及び第２発光パルスＰ２ｆ＿１１の反射光が受光される受光素子では、図７の３番目のチャートに示すように、第１発光タイミングＴ１ｆから計測距離Ｚｍに応じて遅れた受光タイミング（以下、第１受光タイミングともいう）Ｔ１ｒ＿１１ｍで、第１発光パルスＰ１ｆ＿１１の反射光として第１受光パルスＰ１ｒ＿１１ｍが受光される。第１発光タイミングＴ１ｆと第１受光タイミングＴ１ｒ＿１１ｍとの時間差が第１パルス応答時間ΔＴ１＿１１ｍとなる。
　第１受光タイミングＴ１ｒ＿１１ｍの後、同じ受光素子では、図７の３番目のチャートに示すように、第２受光タイミングＴ２ｒ＿１１ｍで、第２発光パルスＰ２ｆ＿１１の反射光として第２受光パルスＰ２ｒ＿１１ｍが受光される。第１受光タイミングＴ１ｒ＿１１ｍと第２受光タイミングＴ２ｒ＿１１ｍとの時間差（以下、便宜上、第２パルス応答時間ともいう）ΔＴ２＿１１ｍは、第１発光タイミングＴ１ｆと第２発光タイミングＴ２ｆ＿１１との時間差に実質的に等しい。
　また、第１発光パルスＰ１ｆ＿１２及び第２発光パルスＰ２ｆ＿１２の反射光が受光される受光素子では、図７の４番目のチャートに示すように、第１発光タイミングＴ１ｆから計測距離Ｚｍに応じて遅れた第１受光タイミングＴ１ｒ＿１２ｍで、第１発光パルスＰ１ｆ＿１２の反射光として第１受光パルスＰ１ｒ＿１２ｍが受光される。第１発光タイミングＴ１ｆと第１受光タイミングＴ１ｒ＿１２ｍとの時間差が第１パルス応答時間ΔＴ１＿１２ｍとなる。
　第１受光タイミングＴ１ｒ＿１２ｍの後、同じ受光素子では、図７の４番目のチャートに示すように、第２受光タイミングＴ２ｒ＿１２ｍで、第２発光パルスＰ２ｆ＿１２の反射光として第２受光パルスＰ２ｒ＿１２ｍが受光される。第１受光タイミングＴ１ｒ＿１２ｍと第２受光タイミングＴ２ｒ＿１２ｍとの時間差である第２パルス応答時間ΔＴ２＿１２ｍは、第１発光タイミングＴ１ｆと第２発光タイミングＴ２ｆ＿１２との時間差に実質的に等しい。
　図７の３番目のチャート及び図７の４番目のチャートでは、投光素子Ｖ１１からの発光パルス（即ち第１発光パルスＰ１ｆ＿１１及び第２発光パルスＰ２ｆ＿１１）が反射する測距点までの計測距離と、投光素子Ｖ１２からの発光パルス（第１発光パルスＰ１ｆ（１２）及び第２発光パルスＰ２ｆ（１２））が反射する測距点までの計測距離とが、同じ計測距離Ｚｍである。
　他方で、図７の５番目のチャート及び６番目のチャートは、計測距離Ｚｍの測距点よりも遠い計測距離Ｚｎの測距点の場合のタイミングチャートである。具体的には、投光素子Ｖ１１から上述のように発光パルスがそれぞれ発光されると、図７の５番目のチャートに示すように、第１発光タイミングＴ１ｆから計測距離Ｚｎに応じて遅れた第１受光タイミングＴ１ｒ＿１１ｎで第１受光パルスＰ１ｒ＿１１ｎが受光される。その後、第２受光タイミングＴ２ｒ＿１１ｎで第２受光パルスＰ２ｒ＿１１ｎが受光される。
　同様に、投光素子Ｖ１２から上述のように発光パルスがそれぞれ発光されると、図７の６番目のチャートに示すように、第１発光タイミングＴ１ｆから計測距離Ｚｎに応じて遅れた第１受光タイミングＴ１ｒ＿１２ｎで第１受光パルスＰ１ｒ＿１２ｎが受光される。その後、第２受光タイミングＴ２ｒ＿１２ｎで第２受光パルスＰ２ｒ＿１２ｎが受光される。
　計測距離Ｚｍと計測距離Ｚｎとの間では、図７の３番目のチャートで示される第１パルス応答時間ΔＴ１＿１１ｍと図７の５番目のチャートで示される第１パルス応答時間ΔＴ１＿１１ｎとが異なる。また、図７の４番目のチャートで示される第１パルス応答時間ΔＴ１＿１２ｍと図７の６番目のチャートで示される第１パルス応答時間ΔＴ１＿１２ｎとが異なる。その一方で、図７の３番目のチャートで示される第２パルス応答時間ΔＴ２＿１１ｍと図７の５番目のチャートで示される第２パルス応答時間ΔＴ２＿１１ｎとは、同じ投光素子Ｖ１１から同じ時間間隔で発光される２つの発光パルスの反射光が受光されるため、実質的に同一である。同様に、図７の４番目のチャートで示される第２パルス応答時間ΔＴ２＿１２ｍと図７の６番目のチャートで示される第２パルス応答時間ΔＴ２＿１２ｎとは、同じ投光素子Ｖ１２から同じ時間間隔で発光される２つの発光パルスの反射光が受光されるため、実質的に同一である。このように、第２発光タイミングＴ２ｆが同じ投光素子からの発光パルスを受光する異なる受光素子のそれぞれの第２パルス応答時間ΔＴ２は、実質的に同一である。
　すなわち、第２パルス応答時間ΔＴ２がＶＣＳＥＬアレイ２１の列（即ち所定の発光グループ）に応じた値となる。また、計測部４０は、第１発光タイミングＴ１ｆと受光素子ごとの第２発光タイミングＴ２ｆとを含む発光タイミング情報を制御部１１から取得する。ここで、上述したように、各受光素子について、第２パルス応答時間ΔＴ２は、第１発光タイミングＴ１ｆと第２発光タイミングＴ２ｆとの時間差に実質的に等しい。そのため、計測部４０は、受光素子ごとに、第２パルス応答時間ΔＴ２が第１発光タイミングＴ１ｆと第２発光タイミングＴ２ｆとの差に実質的に等しい第２発光タイミングＴ２ｆで第２発光パルスＰ２ｆを投光する投光素子を特定することができる。計測部４０は、このように特定される投光素子と受光素子との紐付けから取得される投光角α及び受光角β並びに視差に基づいてステレオ計測距離を計測することができる。
　図３を参照して説明したように、第１パルス応答時間ΔＴ１に基づいて、受光素子ごとにＴＯＦ計測距離を計測することができる。即ち、計測部４０にてなされる計測処理では、受光素子ごとに、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離とに基づいて、距離計測装置１０から所定の計測対象領域内の物体（即ち測距点）までの距離を決定する。
　以下、本実施形態において、距離計測装置１０にてなされる計測処理について、図８に示すフローチャートを参照して詳述する。まず、所定の操作等に応じて計測処理が開始されると、投光部２０のＶＣＳＥＬアレイ２１の各投光素子が発光可能な状態になるとともに、受光部３０のＳＰＡＤアレイ３１の各受光素子が受光可能な状態になる。そして、制御部１１による発光指示に応じて、各投光素子から、第１発光タイミングＴ１ｆで第１発光パルスＰ１ｆが発光された後に、投光素子の列ごと（即ち投光素子のグループごと）に異なる第２発光タイミングＴ２ｆで第２発光パルスＰ２ｆが発光される（ステップＳ１０１）。受光部３０では、受光素子ごとに、第１受光パルスＰ１ｒが受光された第１受光タイミングＴ１ｒと第２受光パルスＰ２ｒが受光された第２受光タイミングＴ２ｒとが、信号処理部３２により処理されて、計測部４０に出力される（ステップＳ１０３）。
　計測部４０では、上述のように受光部３０の信号処理部３２から出力される受光素子ごとの第１受光タイミングＴ１ｒ及び第２受光タイミングＴ２ｒが取得されると、制御部１１から取得した発光タイミング情報（即ち第１発光タイミングＴ１ｆと受光素子ごとの第２発光タイミングＴ２ｆ）を利用して、以下のように受光素子ごとに距離が計測される。
　まず、ＴＯＦ計測処理がなされる（ステップＳ１０５）。具体的には、受光素子ごとに、第１発光タイミングＴ１ｆと第１受光タイミングＴ１ｒとの差である第１パルス応答時間ΔＴ１に基づいて、ＴＯＦ計測距離が計測される。
　続いて、ステレオ計測がなされる（ステップＳ１０７）。この処理では、受光素子ごとに、第２パルス応答時間ΔＴ２（即ち第１受光タイミングＴ１ｒと第２受光タイミングＴ２ｒとの時間差）と第１発光タイミングＴ１ｆと第２発光タイミングＴ２ｆとの差とに基づいて、受光パルスに対応する発光パルスを発光した投光素子の列が特定される。このように特定される投光素子と当該受光素子との紐付けから取得される投光角α及び受光角β並びに視差に基づいて、ステレオ計測距離が計測される。
　上述のように、受光素子ごとにＴＯＦ計測距離及びステレオ計測距離が計測されると、計測結果の破棄判定処理がなされる（ステップＳ１０９）。換言すると、誤った計測距離となっている可能性が高い計測距離を消去するための処理がなされる。具体的には、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が所定の距離差以上となる場合には、少なくともいずれか一方が計測中のノイズ等の影響によって誤った計測距離となっている可能性が高い。そのため、この場合は、ＴＯＦ計測距離及びステレオ計測距離の両方が破棄される。このように、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が所定の距離差以上となる受光素子については、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離とが大きく異なっているとして、いずれの計測距離も出力しない。これにより、誤った距離計測結果の出力を抑制することができる。なお、計測距離が長くなると、ステレオ計測に用いられる第２受光パルスＰ２ｒが受光されなくなる場合があるため、ステレオ計測距離が計測されなくなる場合がある。このような場合には、ＴＯＦ計測距離が破棄されずに、距離計測結果として出力されてもよい。
　そして、計測結果の選択処理がなされる（ステップＳ１１１）。具体的には、受光素子ごとに、ＴＯＦ計測距離及びステレオ計測距離のうちのいずれか一方が、距離計測結果として選択される。図５に示されるように、近距離の場合ではＴＯＦ計測距離の距離分解能よりステレオ計測距離の方が高く、遠距離の場合ではステレオ計測距離の距離分解能よりＴＯＦ計測距離の方が高い。ＴＯＦ計測距離の距離分解能とステレオ計測距離の距離分解能とが設計的に等しくなる距離（即ち境界点）が所定の距離閾値Ｚｔｈとして用いられる。また、計測距離に関わらず距離分解能が略一定であるＴＯＦ計測距離が基準計測距離として用いられてよい。基準計測距離が所定の距離閾値Ｚｔｈ以上になる場合に、ＴＯＦ計測距離が距離計測結果として選択され、基準計測距離が上記所定の距離閾値Ｚｔｈ未満になる場合に、ステレオ計測距離が距離計測結果として選択される。これにより、距離計測精度を高めることができる。なお、ステレオ計測距離が基準計測距離として用いられてもよい。
　上述のように受光素子ごとに計測結果が選択されると、距離計測結果の出力処理がなされる（ステップＳ１１３）。具体的には、選択された距離計測結果が受光素子ごとに出力されて、計測処理が終了する。
　以上説明したように、本実施形態に係る距離計測装置１０では、制御部１１は、複数の投光素子の全てに同じ第１発光タイミングＴ１ｆで第１発光パルスＰ１ｆを発光させた後に、当該複数の投光素子の少なくとも一部に他の投光素子と異なる第２発光タイミングＴ２ｆで第２発光パルスＰ２ｆを発光させるように投光部２０を制御する。計測部４０は、受光素子ごとに、第１パルス応答時間ΔＴ１に基づいてＴＯＦ計測距離を計測する。計測部４０は、第２パルス応答時間ΔＴ２が第１発光タイミングＴ１ｆと第２発光タイミングＴ２ｆとの時間差に等しい第２発光タイミングＴ２ｆから投光素子を特定する。計測部４０は、特定される投光素子と受光素子との紐付けから取得される投光角α及び受光角β並びに視差に基づいてステレオ計測距離を計測する。計測部４０は、ＴＯＦ計測距離及びステレオ計測距離のうち、基準計測距離が所定の距離閾値Ｚｔｈ以上になる場合に、ＴＯＦ計測距離を距離計測結果として出力し、基準計測距離が所定の距離閾値Ｚｔｈ未満になる場合に、ステレオ計測距離を距離計測結果として出力する。
　換言すると、本実施形態に係る距離計測装置１０は、計測対象領域に対してそれぞれ発光パルスを投光する複数の投光素子２１と、前記対象領域内の物体で反射された前記複数の投光素子２１が送信する複数の前記発光パルスをそれぞれ複数の受光パルスとして受光する複数の受光素子３１と、前記複数の投光素子を制御する制御部１１と、前記複数の受光素子３１により受光された前記複数の受光パルスに基づいて前記計測対象領域内での距離計測を行う計測部４０と、を備え、前記制御部１１は、前記複数の投光素子２１の各々に第１発光タイミングＴ１ｆで第１発光パルスＰ１ｆを発光させた後に、前記複数の投光素子２１の各々に第２発光タイミングＴ２ｆで第２発光パルスＰ２ｆを発光させ、前記第１発光タイミングＴ１ｆは、前記複数の投光素子２１の全てについて同一であり、前記第２発光タイミングＴ２ｆは、前記複数の投光素子２１の少なくとも１つを含むグループの間で異なり、前記計測部４０は、前記複数の受光素子３１のグループごとに、（ａ）前記第１発光タイミングＴ１ｆと第１受光タイミングＴ１ｒとの第１時間差ΔＴ１を計測し、前記第１受光タイミングＴ１ｒでは、前記複数の受光素子３１のグループが前記第１発光パルスＰ１ｆに対応する第１受光パルスＰ１ｒを受光し、（ｂ）前記第１受光タイミングＴ１ｒと第２受光タイミングＴ２ｒとの第２時間差ΔＴ２を計測し、前記第２受光タイミングＴ２ｒでは、前記複数の受光素子３１のグループが前記第２発光パルスＰ２ｆに対応する第２受光パルスＰ２ｒを受光し、（ｃ）前記第１時間差ΔＴ１に基づいてＴＯＦ（Time　Of　Flight）計測距離を計測し、（ｄ）前記第２時間差ΔＴ２が前記第１発光タイミングＴ１ｆと前記第２発光タイミングＴ２ｆとの時間差にマッチする前記第２発光タイミングＴ２ｆで前記第２発光パルスＰ２ｆを発光する前記複数の投光素子２１のグループを特定し、（ｅ）特定される前記複数の投光素子２１のグループに含まれる前記投光素子の投光角α及び前記複数の受光素子３１のグループに含まれる受光素子の受光角βに基づいてステレオ計測距離を計測し、（ｆ）前記ＴＯＦ計測距離又は前記ステレオ計測距離である基準計測距離が所定の閾値Ｚｔｈ以上である場合に、前記ＴＯＦ計測距離を距離計測結果として出力し、前記基準計測距離が前記所定の閾値Ｚｔｈ未満である場合に、前記ステレオ計測距離を前記距離計測結果として出力する。
　これにより、基準計測距離が所定の距離閾値Ｚｔｈ未満になる場合、すなわち、近距離の場合では、近距離ほど距離分解能が高くなるステレオ計測方式を用いた距離計測結果が出力され、基準計測距離が所定の距離閾値Ｚｔｈ以上になる場合、すなわち、遠距離の場合では、距離分解能が計測距離に依存しないＴＯＦ計測方式を用いた距離計測結果が出力される。さらに、投光部２０から投光される第１発光パルスＰ１ｆ及び第２発光パルスＰ２ｆを受光部３０が受光するタイミングを利用してステレオ計測が行われる。そのため、ＴＯＦ計測用の投受光部とステレオ計測用の投受光部とを別個に設けることなく、１つの投光部２０及び１つの受光部３０を共用してＴＯＦ計測とステレオ計測とを行うことができる。したがって、計測距離が所定の距離以上の遠距離の場合の距離分解能を低下させず、計測距離が所定の距離未満の近距離での距離分解能を高めながら、コストを削減することが可能な距離計測装置１０が提供される。例えば、当該距離計測装置１０を、一組の投光部２０及び受光部３０で実現することができる。
　また、本実施形態では、受光素子は、ＳＰＡＤである。ＳＰＡＤは、応答特性が高く画素サイズを小さくできるので、距離計測に関する距離分解能を更に高めることができる。換言すると、計測精度をさらに向上させることができる。なお、受光部３０は、ＳＰＡＤがアレイ状に配置されるＳＰＡＤアレイ３１に限らず、他の受光素子を含んでよい。例えば、距離計測装置１０の利用環境等に応じた様々な複数の受光素子が、投光部２０の複数の投光素子に対応するように配置されてよい。
　また、本実施形態では、計測部４０は、各受光素子について、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が所定の距離差以上となる場合には、ＴＯＦ計測距離及びステレオ計測距離を破棄し、距離計測結果を出力しない。
　このように、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が所定の距離差以上となる受光素子については、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離とが大きく異なっているとして、いずれの計測距離も出力しない。これにより、誤った距離計測結果の出力を抑制することができる。
　本実施形態の変形例として、計測部４０は、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差に関する情報を、距離計測結果の信憑性に関する情報として受光素子ごとに出力してもよい。
　ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が小さい場合には、それら計測距離が正しく計測され、信憑性の高い距離計測結果が出力される可能性が高い。その一方で、ＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差が大きい場合には、それら計測距離の少なくともいずれか一方が計測中のノイズ等の影響によって誤って計測され、信憑性の低い距離計測結果が出力される可能性が高い。
　例えば、投光部２０と異なる光源からの干渉光パルスが第１受光パルスＰ１ｒの前に受光された受光素子では、第１受光タイミングＴ１ｒより前のタイミングに基づき第１パルス応答時間ΔＴ１及び第２パルス応答時間ΔＴ２が計測されてしまう。そのため、ＴＯＦ計測及びステレオ計測の両方において誤った計測距離が計測されてしまう。また、干渉光パルスが第１受光パルスＰ１ｒと第２受光パルスＰ２ｒとの間で受光された受光素子では、第２受光タイミングＴ２ｒより前のタイミングに基づき第２パルス応答時間ΔＴ２が計測されてしまう。そのため、ステレオ計測において誤った計測距離が計測されてしまう。また、複数の投光素子の各々からの発光パルスの反射光が混濁して同じ受光素子にて受光される場合にも、ＴＯＦ計測及びステレオ計測の少なくともいずれか一方において誤った計測距離が計測されてしまう。
　このため、本実施形態の変形例では、ＴＯＦ計測距離及びステレオ計測距離の差が距離計測結果の信憑性に関する情報として出力される。これにより、距離計測結果及びその信憑性に関する情報（即ちＴＯＦ計測距離とステレオ計測距離との差に関する情報）が出力される機器における、距離計測結果に基づく処理の設計の自由度を高めることができる。例えば、信憑性の高い距離計測結果のみを利用する設計が考えられる。
　なお、本開示に係る実施形態は、上記実施形態及び変形例に限定されるものではなく、例えば、以下のようであってもよい。
（１）上記実施形態では、投光部２０は、複数のＶＣＳＥＬがアレイ状に配置されるＶＣＳＥＬアレイ２１を備える。しかし、投光部２０は、例えば、複数のＬＥＤ（Light　Emitting　Diode）がアレイ状に配置されるＬＥＤアレイ等の、発光タイミングを投光素子ごとに制御可能な他の投光手段を備えてもよい。
（２）上記実施形態では、制御部１１は、投光素子の列ごとに第２発光タイミングＴ２ｆを既定時間単位で変えて、投光素子の列ごとに第２発光パルスＰ２ｆを発光させるように投光部２０を制御する。しかし、制御部１１は、例えば、投光素子の行ごとに第２発光タイミングＴ２ｆを既定時間単位で変えて、投光素子の行ごとに第２発光パルスＰ２ｆを発光させるように投光部２０を制御してもよい。制御部１１は、予め決められた投光素子のグループごとに第２発光タイミングＴ２ｆを既定時間単位で変えて、当該グループごとに第２発光パルスＰ２ｆを発光させるように投光部２０を制御してもよい。また、制御部１１は、投光素子ごとに第２発光タイミングＴ２ｆを既定時間単位で変えて、投光素子ごとに第２発光パルスＰ２ｆを発光させるように投光部２０を制御してもよい。
（３）上記実施形態では、受光部３０にて第１受光パルスＰ１ｒ及び第２受光パルスＰ２ｒが受光される。しかし、受光部３０にてＴＯＦ計測するための第１受光パルスＰ１ｒが受光され、受光部３０と異なる別の受光部にてステレオ計測するための第２受光パルスＰ２ｒが受光されてもよい。この場合には、投光部２０と上記別の受光部との視差のＴＯＦ計測距離の計測精度による制約が緩和される。これにより、１つの受光部３０が第１受光パルスＰ１ｒ及び第２受光パルスＰ２ｒの両方を受光する場合より、上記視差を大きく設計できるため、ステレオ計測距離の計測精度を向上させることができる。
（４）上記実施形態では、距離計測装置１０から所定の計測対象領域内の物体までの距離が計測される。しかし、例えば、距離計測装置１０が移動体に設置され、当該移動体の移動に応じて所定の計測対象領域も移動し、当該移動する計測対象領域内の物体までの距離が計測されてもよい。
 

Claims (4)

  1. 　計測対象領域に対してそれぞれ発光パルスを投光する複数の投光素子と、
    　前記計測対象領域内の物体で反射された前記複数の投光素子が送信する複数の前記発光パルスをそれぞれ複数の受光パルスとして受光する複数の受光素子と、
    　前記複数の投光素子を制御する制御部と、
    　前記複数の受光素子により受光された前記複数の受光パルスに基づいて前記計測対象領域内での距離計測を行う計測部と、
    　を備え、
    　前記制御部は、前記複数の投光素子の各々に第１発光タイミングで第１発光パルスを発光させた後に、前記複数の投光素子の各々に第２発光タイミングで第２発光パルスを発光させ、前記第１発光タイミングは、前記複数の投光素子の全てについて同一であり、前記第２発光タイミングは、前記複数の投光素子の少なくとも１つを含むグループの間で異なり、
    　前記計測部は、前記複数の受光素子のグループごとに、
    　（ａ）前記第１発光タイミングと第１受光タイミングとの第１時間差を計測し、前記第１受光タイミングでは、前記複数の受光素子のグループが前記第１発光パルスに対応する第１受光パルスを受光し、
    　（ｂ）前記第１受光タイミングと第２受光タイミングとの第２時間差を計測し、前記第２受光タイミングでは、前記複数の受光素子のグループが前記第２発光パルスに対応する第２受光パルスを受光し、
    　（ｃ）前記第１時間差に基づいてＴＯＦ（Time　Of　Flight）計測距離を計測し、
    　（ｄ）前記第２時間差が前記第１発光タイミングと前記第２発光タイミングとの時間差にマッチする前記第２発光タイミングで前記第２発光パルスを発光する前記複数の投光素子のグループを特定し、
    　（ｅ）特定される前記複数の投光素子のグループに含まれる前記投光素子の投光角及び前記複数の受光素子のグループに含まれる受光素子の受光角に基づいてステレオ計測距離を計測し、
    　（ｆ）前記ＴＯＦ計測距離又は前記ステレオ計測距離である基準計測距離が所定の閾値以上である場合に、前記ＴＯＦ計測距離を距離計測結果として出力し、前記基準計測距離が前記所定の閾値未満である場合に、前記ステレオ計測距離を前記距離計測結果として出力する
    　距離計測装置。
  2. 　前記複数の受光素子は、それぞれＳＰＡＤ（Single　Photon　Avalanche　Diode）である
    　請求項１に記載の距離計測装置。
  3. 　前記計測部は、前記複数の受光素子のグループのうち、前記ＴＯＦ計測距離と前記ステレオ計測距離との差が所定値以上であるグループに含まれる前記受光素子について、前記距離計測結果を出力しない
    　請求項１に記載の距離計測装置。
  4. 　前記計測部は、前記ＴＯＦ計測距離と前記ステレオ計測距離との差に関する情報を前記複数の受光素子のグループごとに出力する
    　請求項１に記載の距離計測装置。
     
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