測距装置、測距方法及び測距システム
【課題】パルス光を使用して測距する際に、外光成分を除去できるようにして、測距の精度を向上させる。
【解決手段】測距システム１０は、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光２８を出射する発光手段１４と、パルス光２８により照射された物体からの反射光３４を受光し、基準時からパルス幅に相当する期間にわたる第１区間で蓄積した第１電荷量と、第１区間経過時点からパルス幅に相当する期間にわたる第２区間で蓄積した第２電荷量と、第２区間経過時点からパルス幅に相当する期間にわたる第３区間で蓄積した第３電荷量とを得る受光手段１６と、受光手段１６で得られた第１電荷量、第２電荷量及び第３電荷量に基づいて、物体までの距離を算出する演算手段１８とを有する。
【解決手段】測距システム１０は、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光２８を出射する発光手段１４と、パルス光２８により照射された物体からの反射光３４を受光し、基準時からパルス幅に相当する期間にわたる第１区間で蓄積した第１電荷量と、第１区間経過時点からパルス幅に相当する期間にわたる第２区間で蓄積した第２電荷量と、第２区間経過時点からパルス幅に相当する期間にわたる第３区間で蓄積した第３電荷量とを得る受光手段１６と、受光手段１６で得られた第１電荷量、第２電荷量及び第３電荷量に基づいて、物体までの距離を算出する演算手段１８とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測距装置、測距方法及び測距システムに関するものであり、例えば出射された光により照射された物体からの反射光を撮像素子の各画素ごとに受光して物体の立体構造を検出する場合に好適な測距装置、測距方法及び測距システムに関する。
【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）方式の光波測距方法が知られている。
【０００３】
この方式による装置は、図１５に示すように、例えばＬＥＤアレイで構成され、強度変調された光（変調光）を出射する光源２００と、該光源２００から出射された変調光によって照射された物体２０２からの反射光を受光する撮像素子２０４と、反射光を撮像素子２０４に結像させる光学系２０６とを有する。
【０００４】
光源２００から物体２０２に照射される変調光が例えば２０ＭＨｚの高周波で強度変調されている場合、その波長は１５ｍとなるから、光が７．５ｍの距離を往復すれば１周期の位相の遅れが生じることになる。
【０００５】
ここで、変調光に対する反射光の位相の遅れについて図１６を参照しながら説明する。
【０００６】
図１６に示すように、変調光Ｗに対して、反射光Ｒはφだけ位相遅れが生じている。この位相遅れφを検出するために、変調光Ｗの１周期に例えば４回だけ等間隔に反射光Ｒをサンプリングする。例えば変調光Ｗの位相が０°、９０°、１８０°、２７０°であるときの反射光Ｒのサンプリング値をそれぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３とすると、位相の遅れφは次式で与えられる。
φ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）｝
【０００７】
物体２０２からの反射光は、光学系２０６を介して撮像素子２０４の受光面に結像される。撮像素子２０４の受光面には複数の画素（フォトダイオード）が２次元的に配列されており、各画素について上式による位相遅れφを求めることにより、物体２０２の立体的な構造を検出できる。
【０００８】
そして、上述の原理を利用した測距装置として、例えば特許文献１及び２が提案されている。
【０００９】
この特許文献１に係る測距装置は、物体からの反射光を、撮像素子の電荷掃き出しゲート（オーバーフロードレインゲート：ＯＦＤＧ）あるいは読出しゲートの開閉の位相をずらすことによって、複数のパターンの露光期間にて受光することで測距を行う、というものである。
【００１０】
特許文献２に係る測距装置は、特許文献１と同様の原理であるが、濃淡画像と距離画像をほぼ同時刻に得られるようにしたものである。
【００１１】
また、特許文献３には、物体にパルス光を照射して、パルス光の飛行時間（ＴＯＦ）に比例するクロックパルス数を計数する、あるいは、２つの電荷蓄積部を交互に使用して電荷を蓄積し、その比から被物体までの距離を求める技術が開示されている。
【００１２】
【特許文献１】特許第３７５８６１８号公報
【特許文献２】特開２００６−４６９５９号公報
【特許文献３】特表２００３−５１０５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述した特許文献３は、外光成分を除去する機能がなく、外光下では、正確な測距ができないという問題がある。
【００１４】
特許文献１及び２の測距方法は、照射光として変調光を使用することにより、外光成分を除去することが可能であるが、照射光の変調が不正確（正弦波変調で照射光の強度変化がサインカーブからずれている）場合には、測距演算における誤差となる。従って、精密な光源の変調が必要であるが、このような制御は困難が伴うという問題がある。
【００１５】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、パルス光を使用して測距する際に、外光成分を除去することができ、測距の精度を向上させることができる測距装置及び測距方法を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明は、測距によって得られた距離画像と同時に物体の濃淡画像も取得可能で、距離データから得られる三次元ポリゴン画像や、該三次元ポリゴン画像に濃淡画像による輝度データをマッピングした三次元モデル画像を表示することが可能となり、様々なアプリケーションに適用させることができる測距システムを提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
第１の本発明に係る測距装置は、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光手段と、前記パルス光により照射された物体からの反射光を受光し、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で蓄積した第１電荷量と、前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で蓄積した第２電荷量と、前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で蓄積した第３電荷量とを得る受光手段と、前記受光手段で得られた前記第１電荷量、前記第２電荷量及び前記第３電荷量に基づいて、前記物体までの距離を算出する演算手段とを有することを特徴とする。
【００１８】
これにより、パルス光を使用して測距する際に、外光成分を除去することができ、測距の精度を向上させることができる。
【００１９】
そして、第１の本発明において、前記演算手段は、前記第１区間、前記第２区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間を除いた２つの区間の各電荷量に基づいて前記物体までの距離を算出するようにしてもよい。
【００２０】
また、第１の本発明において、前記演算手段は、前記２つの区間の各電荷量から前記最も電荷量の少ない区間の電荷量を差し引いてから、前記物体までの距離を算出するようにしてもよい。
【００２１】
また、第１の本発明において、前記演算手段は、前記第１電荷量、前記第２電荷量及び前記第３電荷量を比較する比較部と、第１変数、第２変数及び第３変数に基づいて、前記第１区間又は前記第２区間に基づいた距離を演算する距離演算部と、前記第１区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間に応じて前記第１変数、第２変数及び第３変数と、前記第１電荷量、前記第２電荷量及び第３電荷量との対応関係を選択する選択部とを有し、前記距離演算部は、前記パルス幅で決まる設定距離をＬ、前記第１変数をＸａ、前記第２変数をＸｂ、前記第３変数をＸｃとしたとき、
｛（Ｘｂ−Ｘｃ）／（Ｘａ＋Ｘｂ−Ｘｃ×２）｝×Ｌ
を演算して前記距離を求めるようにしてもよい。
【００２２】
この場合、最も電荷量の少ない区間が前記第３区間の場合に、前記選択部は、前記第１変数に前記第１電荷量、前記第２変数に前記第２電荷量、前記第３変数に前記第３電荷量を選択するようにしてもよい。また、最も電荷量の少ない区間が前記第３区間の場合に、前記距離演算部で得られた前記距離に０を加算し、最も電荷量の少ない区間が前記第１区間の場合に、前記距離演算部で得られた前記距離に前記設定距離Ｌを加算する加算部を有するようにしてもよい。
【００２３】
これらの構成においては、演算手段を構成する比較部、距離演算部、選択部等をハードウェアとして１つのブロックにて構成することができ、ソフトウエアの簡略化、演算処理の高速化を図ることができる。
【００２４】
次に、第２の本発明に係る測距方法は、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光ステップと、前記パルス光により照射された物体からの反射光を前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で受光する第１受光ステップと、前記反射光を前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で受光する第２受光ステップと、前記反射光を前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で受光する第３受光ステップと、前記第１受光ステップ、前記第２受光ステップ及び前記第３受光ステップでの各受光積分強度を比較する比較ステップと、前記比較ステップにおいて検出された最も強度の小さい受光積分強度を基準強度とし、他の２つの受光積分強度からそれぞれ前記基準強度を減算して２つの補正積分強度を得るステップと、前記２つの補正積分強度に基づいて、前記物体までの距離を算出するステップとを有することを特徴とする。
【００２５】
これにより、パルス光を使用して測距する際に、外光成分を除去することができ、測距の精度を向上させることができる。
【００２６】
そして、第２の本発明において、前記第２受光ステップで受光した受光積分強度が前記基準強度とみなされた場合に、測定エラーとするようにしてもよい。
【００２７】
次に、第３の本発明に係る測距方法は、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光ステップと、前記パルス光により照射された物体からの反射光を、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間毎に順番に配置されたｎ個の区間においてそれぞれ受光するｎ個の受光ステップと、前記ｎ個の受光ステップでの各受光積分強度を比較して、強度の大きい２つの受光積分強度と、強度の小さい（ｎ−２）個の受光積分強度を検出する比較ステップと、前記比較ステップにおいて検出された強度の小さい（ｎ−２）個の受光積分強度をそれぞれ基準強度とし、（ｎ−２）個の基準強度の時間変化を関数化するステップと、前記関数化された基準強度の分布から、前記比較ステップで検出された前記強度の大きい２つの受光積分強度に対応する２つの区間における基準強度を求めるステップと、前記強度の大きい２つの受光積分強度からそれぞれ対応する基準強度を減算して補正積分強度を得るステップと、前記２つの補正積分強度に基づいて、前記物体までの距離を算出するステップとを有することを特徴とする。
【００２８】
パルス光を使用して測距する際に、時間的に変化する外光成分をも除去することができ、測距の精度をさらに向上させることができる。
【００２９】
そして、第３の本発明において、前記基準強度よりも強度の大きい前記２つの受光積分強度に対応する前記２つの区間が時間的に連続していない場合に、測距エラーとするようにしてもよい。
【００３０】
また、第３の本発明において、前記比較ステップは、区間毎の受光積分強度の差分を求め、差分が０よりも大きく最大である区間が反射光の受光開始区間と判定し、差分が０よりも小さく絶対値が最大である区間が反射光の受光終了区間と判定するようにしてもよい。この場合、反射光が到来した区間を確実に検出することが可能となる。
【００３１】
次に、第４の本発明に係る測距システムは、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光手段と、複数の受光部を有する撮像素子を有し、各受光部において、前記パルス光により照射された物体からの反射光を受光し、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で蓄積した第１電荷量と、前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で蓄積した第２電荷量と、前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で蓄積した第３電荷量とを得る受光手段と、前記各受光部に対応して演算され、前記第１区間、前記第２区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間を除いた２つの区間の各電荷量に基づいて前記物体までの前記各受光部に対応した距離を算出して距離画像を得る距離画像取得手段と、前記各受光部に対応して検出された前記最も電荷量の少ない区間の電荷量に基づいて前記各受光部に対応した濃淡画像を得る濃淡画像取得手段とを有することを特徴とする。
【００３２】
これにより、測距によって得られた距離画像と同時に物体の濃淡画像も取得可能で、距離データから得られる三次元ポリゴン画像や、該三次元ポリゴン画像に濃淡画像による輝度データをマッピングした三次元モデル画像を表示することが可能となり、様々なアプリケーションに適用させることができる。
【００３３】
そして、第４の本発明において、前記距離画像と前記濃淡画像とを関連付けて記録媒体に記録する画像記録手段を有するようにしてもよい。
【００３４】
また、第４の本発明において、前記距離画像における各受光部に対応した距離データと、前記濃淡画像における各受光部に対応した濃淡データとを、それぞれ各受光部に関連付けて記録媒体に記録するデータ記録手段を有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明に係る測距装置及び測距方法によれば、パルス光を使用して測距する際に、外光成分を除去することができ、測距の精度を向上させることができる。
【００３６】
また、本発明に係る測距システムによれば、測距によって得られた距離画像と同時に物体の濃淡画像も取得可能で、距離データから得られる三次元ポリゴン画像や、該三次元ポリゴン画像に濃淡画像による輝度データをマッピングした三次元モデル画像を表示することが可能となり、様々なアプリケーションに適用させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明に係る測距装置、測距方法及び測距システムの実施の形態例を図１〜図１４を参照しながら説明する。
【００３８】
本実施の形態に係る測距システム１０は、図１に示すように、ほぼ直方体あるいは立方体の形状を有する筐体１２と、該筐体１２に設けられ、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光手段１４（図２参照）と、パルス光により照射された物体からの反射光を受光する受光手段１６（図２参照）と、受光手段１６で得られたデータに基づいて物体までの距離を算出する演算手段１８（図２参照）とを有する。
【００３９】
筐体１２の前面１２ａには、照射光源２０と撮影用の光学レンズ２２が設けられている。光学レンズ２２は筐体１２の前面１２ａのほぼ中央部に設けられ、照射光源２０は、筐体１２の前面１２ａのうち、光学レンズ２２の周囲に多数配置された赤外ＬＥＤ２４を有する。
【００４０】
筐体１２の内部には、図２に模式的に示すように、ＣＰＵ２６と、該ＣＰＵ２６によって制御され、各赤外ＬＥＤ２４からそれぞれ所定のパルス幅を有するパルス光２８を出射するように制御する発光制御部３０と、撮像素子３２と、反射光３４を撮像素子３２の受光面に結像させる光学系３６（光学レンズ２２を含む）と、撮像素子３２を駆動するための撮像素子制御部３８と、撮像素子３２からの撮像信号Ｓｂをアナログの画像信号Ｓｃに信号処理するアナログ信号処理部４０と、画像信号Ｓｃをデジタル変換して画像データＤｃにするＡ／Ｄ変換部４２と、画像データＤｃが保存されるバッファメモリ４４と、バッファメモリ４４に格納された画像データＤｃに対してデータ整形やフォーマット変換（ＹＣ画像データ（Ｙ：輝度信号、Ｃ：色差信号）に変換する等）を行うデータ処理回路４６とを有する。
【００４１】
筐体１２の内部には、さらに、バッファメモリ４４に格納された画像データＤｃあるいはフォーマット変換後の画像データＤｃを記憶装置４８に記録するための保存部５０と、前記画像データＤｃを二次元画像として第１表示器５２に表示させたり、三次元画像として第２表示器５４に表示させるための表示部５６と、測距システム１０内の各種パラメータや前記画像データＤｃ等を通信ポート５８を介して送信したり、外部からの各種データを受信するための通信部６０とを有する。
【００４２】
筐体１２の外面には操作パネル６２が設置されている。操作パネル６２は、少なくとも操作ガイダンス用の液晶表示部６４と、光学系３６を制御するための操作部６６と、モードダイヤルや十字キー、電源スイッチ等の各種スイッチ６８とを有する。これら液晶表示部６４、操作部６６、各種スイッチ６８とＣＰＵ２６との信号のやりとりは入出力インターフェース７０（Ｉ／Ｆ）を介して行われる。
【００４３】
そして、発光手段１４は、上述した発光制御部３０と、照射光源２０（多数の赤外ＬＥＤ２４）とを有し、受光手段１６は、上述した撮像素子３２と、光学系３６と、撮像素子制御部３８と、アナログ信号処理部４０と、Ａ／Ｄ変換部４２と、バッファメモリ４４とを有する。
【００４４】
発光手段１４は、発光制御部３０の制御によって、例えば図３に示すように、パルス幅Ｗが基準時ｔ０から所定期間とされたパルス光２８を出射するように構成されている。所定期間は、使用者が設定した測定可能な最大距離Ｌに基づいて設定されている。例えば物体が最大距離Ｌの地点に存在していると仮定したとき、パルス光２８が出射されて物体に照射し、その反射光３４が戻ってくるまでに光は距離２Ｌだけ進むことになる。従って、パルス光２８が出射された時点から反射光３４が戻るまでの時間は、光の速度をｃ（ｍ／ｓｅｃ）とすると、２Ｌ／ｃ（ｓｅｃ）となる。この時間をパルス光２８のパルス幅Ｗに割り当てることによって、最大距離Ｌまでに存在する物体の距離を測定することができる。上述した基準時ｔ０は、使用者が操作パネル６２にあるスイッチ６８（例えば測距開始スイッチ）を操作した時点等に設定することができる。
【００４５】
一方、受光手段１６の撮像素子３２は、図４に示すように、例えばマトリクス状に配列された多数の受光部７２を有する。受光部７２は、入射光量に応じた量の電荷に光電変換する光電変換部７４（フォトダイオード）と、光電変換部７４に対応して配列された２つの蓄積部（第１蓄積部７６ａ及び第２蓄積部７６ｂ）とを有する。また、撮像素子３２には、列方向に配列された多数の第１蓄積部７６ａに対して共通とされた第１垂直転送路７８ａが多数本、行方向に配列され、列方向に配列された多数の第２蓄積部７６ｂに対して共通とされた第２垂直転送路７８ｂが多数本、行方向に配列されている。各第１垂直転送路７８ａ並びに各第２垂直転送路７８ｂの最終段にはそれぞれ出力部８０が配置され、第１垂直転送路７８ａ及び第２垂直転送路７８ｂを転送してきた電荷がこれら出力部８０を通じてそれぞれ電圧信号に変換されて出力されることになる。電圧変換された電荷はリセット信号の印加に伴ってそれぞれドレイン領域に掃き出される。
【００４６】
また、受光部は、図５に示すように、各光電変換部７４の中央部分に対応して開口８２が設けられ、それ以外の部分は遮光膜８４が形成されて光が進入しないようになっている。光電変換部７４上のうち、開口８２に対応した部分に例えば透明電極による中央電極８６が形成され、第１蓄積部７６ａ上に第１蓄積電極８８ａが形成され、第２蓄積部７６ｂ上に第２蓄積電極８８ｂが形成され、中央電極８６と第１蓄積電極８８ａ間並びに中央電極８６と第２蓄積電極８８ｂ間に、光電変換部７４のポテンシャルを傾斜させるための第１調整電極９０ａ及び第２調整電極９０ｂが形成されている。さらに、第１蓄積部７６ａと第１垂直転送路７８ａとの間には、第１蓄積部７６ａに蓄積された電荷を第１垂直転送路７８ａに転送するための第１転送電極９２ａが形成されている。同様に、第２蓄積部７６ｂと第２垂直転送路７８ｂとの間にも、第２蓄積部７６ｂに蓄積された電荷を第２垂直転送路７８ｂに転送するための第２転送電極９２ｂが形成されている。
【００４７】
第１垂直転送路７８ａ上及び第２垂直転送路７８ｂ上に形成される電極群については、例えばインターライン方式のＣＣＤ撮像素子と同様の構成を採用することができるため、ここではその詳細説明を省略する。
【００４８】
ここで、１つの受光部７２の動作について説明する。先ず、図５の実線Ａで示すように、中央電極８６、第１調整電極９０ａ及び第２調整電極９０ｂの各電圧を調整して、光電変換部７４のポテンシャルを第１蓄積部７６ａに向かって下り傾斜にさせる。そして、光が受光部７２に入射することによって、入射光量に応じた量の電荷が光電変換部７４で発生すると共に、発生した電荷は、光電変換部７４でのポテンシャル傾斜に沿って第１蓄積部７６ａに転送蓄積される（蓄積動作）。
【００４９】
ある一定の期間が経過した時点で、中央電極８６、第１調整電極９０ａ及び第２調整電極９０ｂの各電圧を調整して、光電変換部７４のポテンシャルを今度は第２蓄積部７６ｂに向かって下り傾斜にさせる。これによって、入射光量に応じた量の電荷が光電変換部７４で発生すると共に、発生した電荷は、光電変換部７４でのポテンシャル傾斜に沿って第２蓄積部７６ｂに転送蓄積される（蓄積動作）。この第２蓄積部７６ｂへの電荷の転送蓄積の期間において、第１転送電極９２ａに印加される電圧を調整して第１蓄積部７６ａと第１垂直転送路７８ａ間のポテンシャル障壁９４ａを下げて、第１蓄積部７６ａの電荷を第１垂直転送路７８ａに転送する（読出し動作）。
【００５０】
ある一定の期間が経過した時点で、中央電極８６、第１調整電極９０ａ及び第２調整電極９０ｂの各電圧を調整して、光電変換部７４のポテンシャルを再び第１蓄積部に向かって下り傾斜にさせる。これによって、入射光量に応じた量の電荷が光電変換部７４で発生すると共に、発生した電荷は、光電変換部でのポテンシャル傾斜に沿って第１蓄積部７６ａに転送蓄積される（蓄積動作）。この第１蓄積部７６ａへの電荷の転送蓄積の期間において、第２転送電極９２ｂに印加される電圧を調整して第２蓄積部７６ｂと第２垂直転送路７８ｂ間のポテンシャル障壁９４ｂを下げて、第２蓄積部７６ｂの電荷を第２垂直転送路７８ｂに転送する（読出し動作）。この読出し動作の期間において、第１垂直転送路７８ａの電荷が順番に出力部８０に転送されて出力部８０から電圧信号が出力され、電圧信号に変換された電荷は順次ドレイン領域に掃き出されてリセットされることになる（リセット動作）。これらの動作が順次繰り返されることになる。
【００５１】
次に、この測距システム１０に対応した撮像素子３２の動作について図３を参照しながら説明する。
【００５２】
先ず、基準時ｔ０からパルス幅Ｗに相当する期間にわたる第１区間Ｔ１において、各光電変換部７４は、入射光量に応じた電荷を発生し、第１蓄積部７６ａに蓄積していく（蓄積動作）。
【００５３】
第１区間Ｔ１の経過時点からパルス幅Ｗに相当する期間にわたる第２区間Ｔ２において、第１蓄積部７６ａでの蓄積電荷を第１垂直転送路７８ａに読み出す（読出し動作）。また、この第２区間Ｔ２において、各光電変換部７４は、入射光量に応じた電荷を発生し、今度は第２蓄積部７６ｂに蓄積していく（蓄積動作）。
【００５４】
第２区間Ｔ２の経過時点からパルス幅Ｗに相当する期間にわたる第３区間Ｔ３において、第２蓄積部７６ｂでの蓄積電荷を第２垂直転送路７８ｂに読み出す（読出し動作）。また、この第３区間Ｔ３において、各光電変換部７４は、入射光量に応じた電荷を発生し、再び第１蓄積部７６ａに蓄積していく（蓄積動作）。さらに、この第３区間Ｔ３においては、第１垂直転送路７８ａに読み出されている電荷を出力部８０に向けて転送し、出力部８０においてそれぞれ電荷量に応じた電圧信号に変換すると共に、電圧信号に変換された電荷をリセットする（リセット動作）。複数の第１垂直転送路７８ａの出力部８０から出力された電圧信号は、後段のアナログ処理回路４０にて各受光部７２における第１区間Ｔ１の撮像信号Ｓｂとして変換する。第１区間Ｔ１の撮像信号Ｓｃは、Ａ／Ｄ変換部４２にてデジタル信号に変換されて第１区間Ｔ１の画像データ（各受光部７２に対応した撮像データＤｃが配列されたデータ：第１画像データＤｃ１）としてバッファメモリ４４に記録される。
【００５５】
第３区間Ｔ３の経過時点からパルス幅Ｗに相当する期間にわたる第４区間Ｔ４において、第１蓄積部７６ａでの蓄積電荷を第１垂直転送路７８ａに読み出す（読出し動作）。また、この第４区間Ｔ４においては、第２垂直転送路７８ｂに読み出されている電荷を出力部８０に向けて転送し、出力部８０においてそれぞれ電荷量に応じた電圧信号に変換すると共に、電圧信号に変換された電荷をリセットする（リセット動作）。複数の第２垂直転送路７８ｂの出力部８０から出力された電圧信号は、上述と同様の処理が施されて、第２区間Ｔ２の画像データ（第２画像データＤｃ２）としてバッファメモリ４４に記録される。
【００５６】
そして、第４区間Ｔ４の経過時点からパルス幅Ｗに相当する期間にわたる第５区間Ｔ５においては、第１垂直転送路７８ａに読み出されている電荷を出力部８０に向けて転送し、出力部８０においてそれぞれ電荷量に応じた電圧信号に変換すると共に、電圧信号に変換された電荷をリセットする（リセット動作）。複数の第１垂直転送路７８ａの出力部８０から出力された電圧信号は、上述と同様の処理が施されて、第３区間Ｔ３の画像データ（第３画像データＤｃ３）としてメモリバッファ４４に記録される。
【００５７】
一方、演算手段１８は、図２に示すように、第１画像データＤｃ１〜第３画像データＤｃ３に基づいて、各受光部７２に対応した物体までの距離を算出する距離演算部９６を有する。
【００５８】
この距離演算部９６での演算アルゴリズム、特に、１つの受光部７２における距離の演算手法（第１演算手法）について図６及び図７を参照しながら説明する。
【００５９】
先ず、外光を考慮しない場合について図６を参照しながら説明する。
【００６０】
基準時ｔ０からパルス幅Ｗ（＝２Ｌ／ｃ）のパルス光２８を出射し、該パルス光２８により照射された物体からの反射光３４が、第１区間Ｔ１と第２区間Ｔ２の間に到来した場合を想定する。なお、Ｌは、上述したように、設定した最大距離を示す。
【００６１】
この場合、反射光強度をＩ、光電変換部７４での光電変換効率をε、物体までの距離をｋとしたとき、第１区間Ｔ１、第２区間Ｔ２及び第３区間Ｔ３に蓄積された第１電荷量ｄ１（受光積分強度）、第２電荷量ｄ２（受光積分強度）及び第３電荷量ｄ３（受光積分強度）は、以下の関係を有する。
ｄ１＝εＩ（２Ｌ／ｃ−２ｋ／ｃ）
ｄ２＝εＩ（２ｋ／ｃ）
ｄ３＝０
このとき、物体までの距離ｋは、次の演算式によって求められる。
距離ｋ＝｛ｄ２／（ｄ１＋ｄ２）｝×Ｌ
＝｛（２ｋ／ｃ）／（２Ｌ／ｃ）｝×Ｌ
＝（２ｋ／ｃ）／（２／ｃ）
＝ｋ
【００６２】
次に、外光を考慮した場合について図７を参照しながら説明する。このとき、外光成分がない場合の反射光強度をＩ、外光成分をＩｏとする。
【００６３】
外光成分Ｉｏがある場合、蓄積電荷と演算により求められる距離ｋは、次のように書き換えることができる。
ｄ１’＝ε｛Ｉ（２Ｌ／ｃ−２ｋ／ｃ）＋Ｉｏ（２Ｌ／ｃ）｝
ｄ２’＝ε｛Ｉ（２ｋ／ｃ）＋Ｉｏ（２Ｌ／ｃ）｝
ｄ３’＝ε｛Ｉｏ（２Ｌ／ｃ）｝
距離ｋ＝｛ｄ２’／（ｄ１’＋ｄ２’）｝×Ｌ
＝｛ｋ＋Ｌ（Ｉｏ／Ｉ）｝／｛１＋２（Ｉｏ／Ｉ）｝
【００６４】
これは、反射光強度Ｉに対し、外光強度Ｉｏが大きいほど、演算で求めた距離ｋと、実測による距離ｋとのずれが大きくなり、Ｉｏ＞＞Ｉのとき、演算で求めた距離ｋはＬ／２となる。
【００６５】
これを防ぐために、反射光成分を受光していない第３区間Ｔ３の第３電荷量ｄ３（受光積分強度）を利用する。具体的には、以下の関係式を用いる。
ｄ１’＝ｄ１−ｄ３
ｄ２’＝ｄ２−ｄ３
距離ｋ＝｛ｄ２’／（ｄ１’＋ｄ２’）｝×Ｌ ……（１）
【００６６】
上述の演算手法は、反射光３４が第１区間Ｔ１と第２区間Ｔ２の間に到来した場合を想定しているが、反射光３４が第２区間Ｔ１と第３区間Ｔ３の間に到来した場合も同様の方法で距離ｋを求めることができる。この場合、外光成分Ｉｏのみが存在しているのは第１区間Ｔ１であることと、第１区間Ｔ１に相当する距離Ｌを加算する必要から、以下の演算式にて求めることができる。
ｄ２’＝ｄ２−ｄ１
ｄ３’＝ｄ３−ｄ１
距離ｋ＝｛ｄ３’／（ｄ２’＋ｄ３’）｝×Ｌ＋Ｌ ……（２）
【００６７】
上述の演算方法を使った演算手段での処理方法を図８のフローチャートを参照しながら説明する。
【００６８】
先ず、図８のステップＳ１において、受光部７２を特定するためのカウンタｎに初期値１を格納する。
【００６９】
その後、ステップＳ２において、バッファメモリ４４からｎ番目の受光部７２に対応した第１電荷量ｄ１〜第３電荷量ｄ３を示すデータを取り込む。
【００７０】
その後、ステップＳ３において、取り込んだ第１電荷量ｄ１〜第３電荷量ｄ３から最低の電荷量を探索する。つまり、第１区間Ｔ１〜第３区間Ｔ３のうち、外光成分だけの区間を探索する。
【００７１】
ステップＳ４において、最低の電荷量が第３電荷量ｄ３であるか否かが判別される。最低の電荷量が第３電荷量ｄ３であれば、次のステップＳ５に進み、第３区間Ｔ３が外光成分のみの区間と認定し、他の区間の電荷量、すなわち、第１電荷量ｄ１及び第２電荷量ｄ２を以下のように補正する。
ｄ１’＝ｄ１−ｄ３
ｄ２’＝ｄ２−ｄ３
【００７２】
その後、ステップＳ６において、以下の式によって当該受光部７２における物体までの距離ｋを演算する。
距離ｋ＝｛ｄ２’／（ｄ１’＋ｄ２’）｝×Ｌ
【００７３】
一方、上述のステップＳ４において、最低の電荷量が第３電荷量ｄ３でないと判別された場合は、ステップＳ７に進み、最低の電荷量が第１電荷量ｄ１であるか否かが判別される。最低の電荷量が第１電荷量ｄ１であれば、次のステップＳ８に進み、第１区間Ｔ１が外光成分のみの区間と認定し、他の区間の電荷量、すなわち、第２電荷量ｄ２及び第３電荷量ｄ３を以下のように補正する。
ｄ２’＝ｄ２−ｄ２
ｄ３’＝ｄ３−ｄ２
【００７４】
その後、ステップＳ９において、以下の式によって当該受光部７２における物体までの距離ｋを演算する。
距離ｋ＝｛ｄ３’／（ｄ２’＋ｄ３’）｝×Ｌ＋Ｌ
【００７５】
上述のステップＳ７において、最低の電荷量が第１電荷量ｄ１でないと判別された場合は、ステップＳ１０に進み、距離演算をエラーと判定する。具体的には距離ｋを、エラーを示す例えば「−１」とする。
【００７６】
上述したステップＳ６、ステップＳ９又はステップＳ１０での処理が省略した段階で、ステップＳ１１に進み、距離ｋの値と最低の電荷量の値を出力する。
【００７７】
出力された距離ｋの値は、バッファメモリ４４における距離画像を作成するための第１記録領域のうち、ｎ番目の受光部７２に対応したアドレスに記録される。出力された最低の電荷量の値はバッファメモリ４４における濃淡画像を作成するための第２記録領域のうち、ｎ番目の受光部７２に対応したアドレスに記録される。
【００７８】
次のステップＳ１２において、カウンタｎの値を＋１更新する。その後、ステップＳ１３において、全ての受光部７２について処理を行ったか否かが判別される。この判別は、カウンタｎの値が受光部７２の全数を超えたか否かで行われる。
【００７９】
全ての受光部７２について処理が終了していなければ、ステップＳ２に戻り、次の受光部７２に関する最低の電荷量を探索すると共に、物体までの距離を演算し、これらの値を第１記録領域及び第２記録領域に格納する。
【００８０】
そして、ステップＳ１３において、全ての受光部７２について処理が完了したと判別された段階で、この演算処理が終了する。
【００８１】
このように、測距システム１０は、基準時ｔ０から所定のパルス幅Ｗを有するパルス光２８を出射し、パルス光２８により照射された物体からの反射光３４を受光することによって、第１区間Ｔ１で蓄積した第１電荷量ｄ１と、第２区間Ｔ２で蓄積した第２電荷量ｄ２と、第３区間Ｔ３で蓄積した第３電荷量ｄ３とを取得し、さらに、これら第１電荷量ｄ１〜第３電荷量ｄ３から最も電荷量の少ない区間の電荷量（最低の電荷量）を差し引いてから、物体までの距離ｋを算出するようにしたので、パルス光２８を使用して測距する際に、外光成分を除去することができ、測距の精度を向上させることができる。
【００８２】
しかも、受光部７２単位に距離を求めて受光部７２全体に対応した距離画像を得ると共に、受光部７２単位に取得した最低の電荷量に基づいて受光部７２全体に対応した濃淡画像を得るようにしたので、距離データから得られる三次元ポリゴン画像や、該三次元ポリゴン画像に濃淡画像による輝度データをマッピングした三次元モデル画像を表示することが可能となり、様々なアプリケーションに適用させることができる。
【００８３】
上述の例では、演算手段１８、特に距離演算部９６の構成をアルゴリズムにて示したが、図９に示す測距演算回路９８のように、上述のアルゴリズムをハードウェアを主体に構成するようにしてもよい。
【００８４】
この測距演算回路９８は、図９に示すように、データ読出回路部１００と、外光区間決定回路部１０２と、測距演算回路部１０４と、オフセット量決定回路部１０６と、オフセット量加算回路部１０８とを有する。
【００８５】
データ読出回路部１００は、バッファメモリ４４の第１画像データＤｃ１から各受光部７２に対応した第１電荷量ｄ１の値を順番に読み出す第１読出回路１１０ａと、バッファメモリ４４の第２画像データＤｃ２から各受光部７２に対応した第２電荷量ｄ２の値を順番に読み出す第２読出回路１１０ｂと、バッファメモリ４４の第３画像データＤｃ３から各受光部７２に対応した第３電荷量ｄ３の値を順番に読み出す第３読出回路１１０ｃとを有する。
【００８６】
外光区間決定回路部１０２は、比較回路部１１２と、外光区間指示部１１４とを有する。
【００８７】
比較回路部１１２は、第１読出回路１１０ａからの第１電荷量ｄ１と第２読出回路１１０ｂからの第２電荷量ｄ２とを比較して、第１電荷量ｄ１≧第２電荷量ｄ２のとき、高レベル信号（論理「１」）を出力し、それ以外のとき低レベル信号（論理「０」）を出力する第１比較器１１６ａと、第２読出回路１１０ｂからの第２電荷量ｄ２と第３読出回路１１０ｃからの第３電荷量ｄ３とを比較して、第２電荷量ｄ２＞第３電荷量ｄ３のとき、高レベル信号（論理「１」）を出力し、それ以外のとき低レベル信号（論理「０」）を出力する第２比較器１１６ｂと、第３読出回路１１０ｃからの第３電荷量ｄ３と第１読出回路１１０ａからの第１電荷量ｄ１とを比較して、第３電荷量ｄ３＞第１電荷量ｄ１のとき、高レベル信号（論理「１」）を出力し、それ以外のとき低レベル信号（論理「０」）を出力する第３比較器１１６ｃとを有する。
【００８８】
外光区間指示部１１４は、第１比較器１１６ａの出力の反転と第３比較器１１６ｃの出力との論理積を出力する第１ＡＮＤ回路１１８ａと、第３比較器１１６ｃの出力の反転と第２比較器１１６ｂの出力との論理積を出力する第２ＡＮＤ回路１１８ｂとを有する。
【００８９】
すなわち、第１区間Ｔ１が外光成分のみである場合、第３比較器１１６ｃの出力が高レベルとなり、第１比較器１１６ａの出力が低レベルとなるため、第１ＡＮＤ回路１１８ａの出力が高レベルとなり、外光区間が第１区間Ｔ１であることを示すことになる。また、第３区間Ｔ３が外光成分のみである場合、第２比較器１１６ｂの出力が高レベルとなり、第３比較器１１６ｃの出力が低レベルとなるため、第２ＡＮＤ回路１１８ｂの出力が高レベルとなり、外光区間が第３区間Ｔ３であることを示すことになる。
【００９０】
測距演算回路部１０４は、第１選択回路１２０ａと、第２選択回路１２０ｂと、第３選択回路１２０ｃと、上述した（１）式の演算を行う演算回路１２２とを有する。
【００９１】
第１選択回路１２０ａ〜第３選択回路１２０ｃは、それぞれ５つの入力端子（第１端子φ１〜第５端子φ５）と１つの出力端子φ０とを有し、各第１端子φ１に第１読出回路１１０ａの出力が接続され、各第２端子φ２に第２読出回路１１０ｂの出力が接続され、各第３端子φ３に第３読出回路１１０ｃの出力が接続されている。
【００９２】
第１選択回路１２０ａの第５端子φ５及び、第２選択回路１２０ｂの第５端子φ５及び第３選択回路１２０ｃの第４端子φ４には、それぞれ第１ＡＮＤ回路１１８ａの出力が接続され、第１選択回路１２０ａの第４端子φ４、第２選択回路１２０ｂの第４端子φ４及び第３選択回路１２０ｃの第５端子φ５には、それぞれ第２ＡＮＤ回路１１８ｂの出力が接続されている。
【００９３】
そして、第１選択回路１２０ａは、第４端子φ４に高レベル信号が入力されると、第１端子φ１に入力されている第１電荷量ｄ１を選択して出力端子φ０を通じて出力し、第５端子φ５に高レベル信号が入力されると、第２端子φ２に入力されている第２電荷量ｄ２を選択して出力するようになっている。
【００９４】
第２選択回路１２０ｂは、第４端子φ４に高レベル信号が入力されると、第２電荷量ｄ２を選択して出力し、第５端子φ５に高レベル信号が入力されると、第３電荷量ｄ３を出力するようになっている。
【００９５】
第３選択回路１２０ｃは、第４端子φ４に高レベル信号が入力されると、第１電荷量ｄ１を選択して出力し、第５端子φ５に高レベル信号が入力されると、第３電荷量ｄ３を出力するようになっている。
【００９６】
一方、演算回路１２２は、第１選択回路１２０ａの出力が入力される第１入力端子φａと、第２選択回路１２０ｂの出力が入力される第２入力端子φｂと、第３選択回路１２０ｃの出力が入力される第３入力端子φｃと、１つの出力端子φ０とを有する。
【００９７】
この演算回路１２２は、第１入力端子φａに入力された値をＸａ、第２入力端子φｂに入力された値をＸｂ、第３入力端子φｃに入力された値をＸｃとしたとき、以下の演算式を演算し、その演算結果を出力端子φ０から出力するようになっている。
｛（Ｘｂ−Ｘｃ）／（Ｘａ＋Ｘｂ−Ｘｃ×２）｝×Ｌ
【００９８】
次に、オフセット量決定回路部１０６は、第１定数（＝０）が格納された第１レジスタ１２４ａと、第２定数（＝Ｌ）が格納された第２レジスタ１２４ｂと、選択回路１２６とを有する。
【００９９】
選択回路１２６は、４つの入力端子（第１端子φ１〜第４端子φ４）と１つの出力端子φ０とを有し、第１端子φ１に第１レジスタ１２４ａの出力が接続され、第２端子φ２に第２レジスタ１２４ｂの出力が接続され、第３端子φ３に第２ＡＮＤ回路１１８ｂの出力が接続され、第４端子φ４に第１ＡＮＤ回路１１８ａの出力が接続されている。
【０１００】
そして、第３端子φ３に高レベル信号が入力されると、第１端子φ１に入力されている第１レジスタ１２４ａの値（第１定数＝０）を出力し、第４端子φ４に高レベル信号が入力されると、第２端子φ２に入力されている第２レジスタ１２４ｂの値（第２定数＝Ｌ）を出力するようになっている。
【０１０１】
オフセット量加算回路部１０８は、加算回路１２８を有する。この加算回路１２８は、２つの入力端子（第１入力端子φ１及び第２入力端子φ２）と１つの出力端子φ０とを有し、第１入力端子φ１に入力された値と第２入力端子φ２に入力された値とを加算して、その加算値を出力端子φ０を介して出力する。
【０１０２】
第１入力端子φ１に演算回路１２２の出力が接続され、第２入力端子φ２に選択回路１２６の出力が接続されている。
【０１０３】
従って、この測距演算回路９８は、第１ＡＮＤ回路１１８ａの出力が高レベル（外光区間が第１区間Ｔ１）のとき、演算回路１２２の第１入力端子φａに第２電荷量ｄ２、第２入力端子φｂに第３電荷量ｄ３、第３入力端子φｃに第１電荷量ｄ１が入力されることから、上述した（２）式が演算されてその結果が加算回路１２８から出力されることになる。
【０１０４】
同様に、第２ＡＮＤ回路１１８ｂの出力が高レベル（外光区間が第３区間Ｔ３）のとき、第１入力端子φａに第１電荷量ｄ１、第２入力端子φ２に第２電荷量ｄ２、第３入力端子φ３に第３電荷量ｄ３が入力されることから、上述した（１）式が演算されてその結果が加算回路１２８から出力されることになる。
【０１０５】
この測距演算回路９８を用いれば、演算手段１８を構成するデータ読出回路部１００と、外光区間決定回路部１０２と、測距演算回路部１０４と、オフセット量決定回路部１０６と、オフセット量加算回路部１０８をハードウェアとして１つのブロックにて構成することができ、測距システム１０のソフトウエアの簡略化、演算処理の高速化を図ることができる。
【０１０６】
次に、測距システム１０における演算手段１８の他の演算手法（第２演算手法）について図１０Ａ〜図１１を参照しながら説明する。
【０１０７】
第２演算手法は、上述した第１演算手法と同様の手法を用いるが、予め設定したサイクル数だけ、図３に示す一連の動作を行って、時間的に変化する外光成分を取得して、より精度よく反射光強度を検出する点で異なる。
【０１０８】
この第２演算手法では、サイクル数をＮとしたとき、バッファメモリ４４の記憶容量を、３Ｎ個分の画像データが記録できる程度の容量とする。説明を簡単にするために、サイクル数Ｎを３として説明する。
【０１０９】
第１サイクルＣ１〜第３サイクルＣ３の各第１区間Ｔ１で蓄積した第１電荷量ｄ１をそれぞれ対応する第１画像データＤｃ１、第４画像データＤｃ４及び第７画像データＤｃ７としてバッファメモリ４４に記憶する。
【０１１０】
また、第１サイクルＣ１〜第３サイクルＣ３の各第２区間Ｔ２で蓄積した第２電荷量ｄ２をそれぞれ対応する第２画像データＤｃ２、第５画像データＤｃ５及び第８画像データＤｃ８としてバッファメモリ４４に記憶する。
【０１１１】
同様に、第１サイクルＣ１〜第３サイクルＣ３の各第３区間Ｔ３で蓄積した第３電荷量ｄ３をそれぞれ対応する第３画像データＤｃ３、第６画像データＤｃ６及び第９画像データＤｃ９としてバッファメモリ４４に記憶する。
【０１１２】
そして、１つの受光部７２に関する処理を主体に説明すると、先ず、物体までの距離が３Ｌより遠いが、４Ｌよりは近い距離にあって、外光が徐々に明るくなっている場合を想定したとき、撮像した１つの受光部７２での電荷量の変化は、図１０Ａに示すように、反射光３４が第４区間Ｔ４と第５区間Ｔ６の間で到来し、その他の区間が外光成分のみであって、且つ、これら各区間の外光成分が例えば右上がりに増加した特性が得られる。各区間の電荷量をそれぞれ受光量の積分強度として見た場合、図１０Ｂに示すような特性となる。
【０１１３】
そこで、この第２演算手法では、図１１に示す処理を行う。ここでは、１つに受光部７２を主体に説明する。
【０１１４】
先ず、ステップＳ１０１において、９個の画像データの対応する受光部７２の電荷量を比較して、反射光３４が到来した２つの区間（反射光区間）と、その他の区間（外光区間）を検出する。これは、強度の大きい２つの受光積分強度と、強度の小さい７個の受光積分強度を検出することと等価である。
【０１１５】
その後、ステップＳ１０２において、７個の外光区間における各受光積分強度をそれぞれ基準強度とし、これら７個の基準強度の時間変化を関数化する。図１０Ａの例では、外光区間の電荷量が時間の経過に伴って徐々に増加していることから、直線（一点鎖線）ｐに示すように、１つの一次関数として関数化することができる。
【０１１６】
その後、ステップＳ１０３において、関数化された基準強度の分布から、強度の大きい２つの受光積分強度に対応する２つの区間（反射光区間）における基準強度を求める。
【０１１７】
その後、ステップＳ１０４において、強度の大きい２つの受光積分強度からそれぞれ対応する基準強度を減算して補正積分強度を得る。
【０１１８】
そして、ステップＳ１０５において、上述した２つの補正積分強度に基づいて、物体までの距離ｋを算出する。つまり、図１０Ａ及び図１０Ｂの例では、反射光３４が第２サイクルＣ２の第１区間Ｔ１と第２区間Ｔ２の間に到来していることから、上述した測距演算の方法を利用して、
距離ｋ＝｛ｄ２／（ｄ１＋ｄ２）｝×Ｌ＋３Ｌ
にて求めることができる。
【０１１９】
なお、ステップＳ１０１において検出した受光積分強度の大きい２つの区間が時間的に連続していない場合は、反射光３４の到来ではないとして、測距エラーとする。
【０１２０】
また、ステップＳ１０１において、受光積分強度の大きい２つの区間を検出する手法としては、例えば隣接する区間毎の受光積分強度の差分を求め、差分が０よりも大きく最大である区間が反射光３４の受光開始区間と判定し、差分が０よりも小さく絶対値が最大である区間が反射光３４の受光終了区間と判定する。このようにすれば、反射光３４が到来した期間を早期に検出することが可能となる。
【０１２１】
ところで、本実施の形態に係る測距システム１０は、図８のステップＳ１１にも示すように、バッファメモリ４４の第１記憶領域に距離画像を記憶し、第２記憶領域に濃淡画像を記憶するようにしている。
【０１２２】
そこで、この測距システム１０は、これら距離画像と濃淡画像を保存部５０によって記憶装置４８に保存させる場合、距離画像と濃淡画像とを関連付けて保存するようにしている。
【０１２３】
関連付けの方法としては、図１２に示すように、ＣＰＵ２６で動作するＯＳ（オペレーションシステム）がデータをファイル管理する機能を有する場合、距離画像が記録されたファイルのファイル名と、濃淡画像が記録されたファイルのファイル名を連名にして管理する。これにより、例えばある距離画像のファイルへのアクセスが行われた場合に、その距離画像のファイルに関連する濃淡画像のファイルへも容易にアクセスでき、煩雑な画像ファイルの管理を容易に行うことができる。
【０１２４】
その他の関連付けの方法としては、距離画像と濃淡画像とをそれぞれ受光部単位に管理する方法がある。この方法は、図１３に示すように、１つのファイルに受光部７２単位の濃淡値と距離値を対応付けて登録するものである。
【０１２５】
そして、図１４に示すように、測距システム１０に接続される第１表示器５２（二次元画像対応）に切替スイッチ１３０を設けて、切替スイッチ１３０を操作するたびに、距離画像の表示／濃淡画像の表示／ＯＦＦに切り替えられるようにしてもよい。この場合、上述のように距離画像と濃淡画像とが関連付けられて保存されているため、容易に画像表示を切り替えることができ、要求から応答までの処理時間を大幅に短縮させることができる。
【０１２６】
また、測距システム１０に第２表示器５４（三次元画像対応）を接続することによって、距離画像を三次元画像として表示することも可能である。この場合、三次元画像は、距離データのみから得られる三次元ポリゴン画像や、この三次元ポリゴン画像に濃淡画像による輝度データをマッピングした三次元モデル画像等から選択することができる。この場合も、上述のように距離画像と濃淡画像とが関連付けられて保存されているため、容易に三次元画像を切り替えることができ、要求から応答までの処理時間を大幅に短縮させることができる。
【０１２７】
なお、本発明に係る測距装置、測距方法及び測距システムは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本実施の形態に係る測距システムの外形を示す斜視図である。
【図２】本実施の形態に係る測距システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本実施の形態に係る測距システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図４】撮像素子の概略構成を示す説明図である。
【図５】受光部のポテンシャルを主体にした構成を示す説明図である。
【図６】外光を考慮しない場合の第１演算手法を説明するためのタイミングチャートである。
【図７】外光を考慮した場合の第１演算手法を説明するためのタイミングチャートである。
【図８】第１演算手法のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図９】第１演算手法のアルゴリズムに基づいて構成された測距演算回路を示す回路図である。
【図１０】図１０Ａは第２演算手法を説明するためのタイミングチャートであり、図１０Ｂは各区間の電荷量をそれぞれ受光量の積分強度として見た場合の特性図である。
【図１１】第２演算手法による処理動作を示すフローチャートである。
【図１２】距離画像と濃淡画像をファイル名で関連付けて管理する場合の一例を示す説明図である。
【図１３】１つのファイルに受光部単位の濃淡値と距離値を対応付けて登録する場合の一例を示す説明図である。
【図１４】第１表示器（二次元画像対応）に距離画像と濃淡画像の切替スイッチを設けた例を示す説明図である。
【図１５】ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式の光波測距方法を示す説明図である。
【図１６】変調光に対する反射光の位相の遅れを示す波形図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１０…測距システム １４…発光手段
１６…受光手段 １８…演算手段
２０…照射光源 ２８…パルス光
３２…撮像素子 ３４…反射光
４８…記憶装置 ５０…保存部
５２…第１表示器 ５４…第２表示器
５６…表示部 ７２…受光部
７４…光電変換部 ７６ａ…第１蓄積部
７６ｂ…第２蓄積部 ７８ａ…第１垂直転送路
７８ｂ…第２垂直転送路 ９６…距離演算部
９８…測距演算回路 １００…データ読出回路部
１０２…外光区間決定回路部 １０４…測距演算回路部
１０６…オフセット量決定回路部 １０８…オフセット量加算回路部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測距装置、測距方法及び測距システムに関するものであり、例えば出射された光により照射された物体からの反射光を撮像素子の各画素ごとに受光して物体の立体構造を検出する場合に好適な測距装置、測距方法及び測距システムに関する。
【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）方式の光波測距方法が知られている。
【０００３】
この方式による装置は、図１５に示すように、例えばＬＥＤアレイで構成され、強度変調された光（変調光）を出射する光源２００と、該光源２００から出射された変調光によって照射された物体２０２からの反射光を受光する撮像素子２０４と、反射光を撮像素子２０４に結像させる光学系２０６とを有する。
【０００４】
光源２００から物体２０２に照射される変調光が例えば２０ＭＨｚの高周波で強度変調されている場合、その波長は１５ｍとなるから、光が７．５ｍの距離を往復すれば１周期の位相の遅れが生じることになる。
【０００５】
ここで、変調光に対する反射光の位相の遅れについて図１６を参照しながら説明する。
【０００６】
図１６に示すように、変調光Ｗに対して、反射光Ｒはφだけ位相遅れが生じている。この位相遅れφを検出するために、変調光Ｗの１周期に例えば４回だけ等間隔に反射光Ｒをサンプリングする。例えば変調光Ｗの位相が０°、９０°、１８０°、２７０°であるときの反射光Ｒのサンプリング値をそれぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３とすると、位相の遅れφは次式で与えられる。
φ＝ａｒｃｔａｎ｛（Ａ３−Ａ１）／（Ａ０−Ａ２）｝
【０００７】
物体２０２からの反射光は、光学系２０６を介して撮像素子２０４の受光面に結像される。撮像素子２０４の受光面には複数の画素（フォトダイオード）が２次元的に配列されており、各画素について上式による位相遅れφを求めることにより、物体２０２の立体的な構造を検出できる。
【０００８】
そして、上述の原理を利用した測距装置として、例えば特許文献１及び２が提案されている。
【０００９】
この特許文献１に係る測距装置は、物体からの反射光を、撮像素子の電荷掃き出しゲート（オーバーフロードレインゲート：ＯＦＤＧ）あるいは読出しゲートの開閉の位相をずらすことによって、複数のパターンの露光期間にて受光することで測距を行う、というものである。
【００１０】
特許文献２に係る測距装置は、特許文献１と同様の原理であるが、濃淡画像と距離画像をほぼ同時刻に得られるようにしたものである。
【００１１】
また、特許文献３には、物体にパルス光を照射して、パルス光の飛行時間（ＴＯＦ）に比例するクロックパルス数を計数する、あるいは、２つの電荷蓄積部を交互に使用して電荷を蓄積し、その比から被物体までの距離を求める技術が開示されている。
【００１２】
【特許文献１】特許第３７５８６１８号公報
【特許文献２】特開２００６−４６９５９号公報
【特許文献３】特表２００３−５１０５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述した特許文献３は、外光成分を除去する機能がなく、外光下では、正確な測距ができないという問題がある。
【００１４】
特許文献１及び２の測距方法は、照射光として変調光を使用することにより、外光成分を除去することが可能であるが、照射光の変調が不正確（正弦波変調で照射光の強度変化がサインカーブからずれている）場合には、測距演算における誤差となる。従って、精密な光源の変調が必要であるが、このような制御は困難が伴うという問題がある。
【００１５】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、パルス光を使用して測距する際に、外光成分を除去することができ、測距の精度を向上させることができる測距装置及び測距方法を提供することを目的とする。
【００１６】
また、本発明は、測距によって得られた距離画像と同時に物体の濃淡画像も取得可能で、距離データから得られる三次元ポリゴン画像や、該三次元ポリゴン画像に濃淡画像による輝度データをマッピングした三次元モデル画像を表示することが可能となり、様々なアプリケーションに適用させることができる測距システムを提供することを目的する。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
第１の本発明に係る測距装置は、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光手段と、前記パルス光により照射された物体からの反射光を受光し、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で蓄積した第１電荷量と、前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で蓄積した第２電荷量と、前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で蓄積した第３電荷量とを得る受光手段と、前記受光手段で得られた前記第１電荷量、前記第２電荷量及び前記第３電荷量に基づいて、前記物体までの距離を算出する演算手段とを有することを特徴とする。
【００１８】
これにより、パルス光を使用して測距する際に、外光成分を除去することができ、測距の精度を向上させることができる。
【００１９】
そして、第１の本発明において、前記演算手段は、前記第１区間、前記第２区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間を除いた２つの区間の各電荷量に基づいて前記物体までの距離を算出するようにしてもよい。
【００２０】
また、第１の本発明において、前記演算手段は、前記２つの区間の各電荷量から前記最も電荷量の少ない区間の電荷量を差し引いてから、前記物体までの距離を算出するようにしてもよい。
【００２１】
また、第１の本発明において、前記演算手段は、前記第１電荷量、前記第２電荷量及び前記第３電荷量を比較する比較部と、第１変数、第２変数及び第３変数に基づいて、前記第１区間又は前記第２区間に基づいた距離を演算する距離演算部と、前記第１区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間に応じて前記第１変数、第２変数及び第３変数と、前記第１電荷量、前記第２電荷量及び第３電荷量との対応関係を選択する選択部とを有し、前記距離演算部は、前記パルス幅で決まる設定距離をＬ、前記第１変数をＸａ、前記第２変数をＸｂ、前記第３変数をＸｃとしたとき、
｛（Ｘｂ−Ｘｃ）／（Ｘａ＋Ｘｂ−Ｘｃ×２）｝×Ｌ
を演算して前記距離を求めるようにしてもよい。
【００２２】
この場合、最も電荷量の少ない区間が前記第３区間の場合に、前記選択部は、前記第１変数に前記第１電荷量、前記第２変数に前記第２電荷量、前記第３変数に前記第３電荷量を選択するようにしてもよい。また、最も電荷量の少ない区間が前記第３区間の場合に、前記距離演算部で得られた前記距離に０を加算し、最も電荷量の少ない区間が前記第１区間の場合に、前記距離演算部で得られた前記距離に前記設定距離Ｌを加算する加算部を有するようにしてもよい。
【００２３】
これらの構成においては、演算手段を構成する比較部、距離演算部、選択部等をハードウェアとして１つのブロックにて構成することができ、ソフトウエアの簡略化、演算処理の高速化を図ることができる。
【００２４】
次に、第２の本発明に係る測距方法は、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光ステップと、前記パルス光により照射された物体からの反射光を前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で受光する第１受光ステップと、前記反射光を前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で受光する第２受光ステップと、前記反射光を前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で受光する第３受光ステップと、前記第１受光ステップ、前記第２受光ステップ及び前記第３受光ステップでの各受光積分強度を比較する比較ステップと、前記比較ステップにおいて検出された最も強度の小さい受光積分強度を基準強度とし、他の２つの受光積分強度からそれぞれ前記基準強度を減算して２つの補正積分強度を得るステップと、前記２つの補正積分強度に基づいて、前記物体までの距離を算出するステップとを有することを特徴とする。
【００２５】
これにより、パルス光を使用して測距する際に、外光成分を除去することができ、測距の精度を向上させることができる。
【００２６】
そして、第２の本発明において、前記第２受光ステップで受光した受光積分強度が前記基準強度とみなされた場合に、測定エラーとするようにしてもよい。
【００２７】
次に、第３の本発明に係る測距方法は、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光ステップと、前記パルス光により照射された物体からの反射光を、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間毎に順番に配置されたｎ個の区間においてそれぞれ受光するｎ個の受光ステップと、前記ｎ個の受光ステップでの各受光積分強度を比較して、強度の大きい２つの受光積分強度と、強度の小さい（ｎ−２）個の受光積分強度を検出する比較ステップと、前記比較ステップにおいて検出された強度の小さい（ｎ−２）個の受光積分強度をそれぞれ基準強度とし、（ｎ−２）個の基準強度の時間変化を関数化するステップと、前記関数化された基準強度の分布から、前記比較ステップで検出された前記強度の大きい２つの受光積分強度に対応する２つの区間における基準強度を求めるステップと、前記強度の大きい２つの受光積分強度からそれぞれ対応する基準強度を減算して補正積分強度を得るステップと、前記２つの補正積分強度に基づいて、前記物体までの距離を算出するステップとを有することを特徴とする。
【００２８】
パルス光を使用して測距する際に、時間的に変化する外光成分をも除去することができ、測距の精度をさらに向上させることができる。
【００２９】
そして、第３の本発明において、前記基準強度よりも強度の大きい前記２つの受光積分強度に対応する前記２つの区間が時間的に連続していない場合に、測距エラーとするようにしてもよい。
【００３０】
また、第３の本発明において、前記比較ステップは、区間毎の受光積分強度の差分を求め、差分が０よりも大きく最大である区間が反射光の受光開始区間と判定し、差分が０よりも小さく絶対値が最大である区間が反射光の受光終了区間と判定するようにしてもよい。この場合、反射光が到来した区間を確実に検出することが可能となる。
【００３１】
次に、第４の本発明に係る測距システムは、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光手段と、複数の受光部を有する撮像素子を有し、各受光部において、前記パルス光により照射された物体からの反射光を受光し、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で蓄積した第１電荷量と、前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で蓄積した第２電荷量と、前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で蓄積した第３電荷量とを得る受光手段と、前記各受光部に対応して演算され、前記第１区間、前記第２区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間を除いた２つの区間の各電荷量に基づいて前記物体までの前記各受光部に対応した距離を算出して距離画像を得る距離画像取得手段と、前記各受光部に対応して検出された前記最も電荷量の少ない区間の電荷量に基づいて前記各受光部に対応した濃淡画像を得る濃淡画像取得手段とを有することを特徴とする。
【００３２】
これにより、測距によって得られた距離画像と同時に物体の濃淡画像も取得可能で、距離データから得られる三次元ポリゴン画像や、該三次元ポリゴン画像に濃淡画像による輝度データをマッピングした三次元モデル画像を表示することが可能となり、様々なアプリケーションに適用させることができる。
【００３３】
そして、第４の本発明において、前記距離画像と前記濃淡画像とを関連付けて記録媒体に記録する画像記録手段を有するようにしてもよい。
【００３４】
また、第４の本発明において、前記距離画像における各受光部に対応した距離データと、前記濃淡画像における各受光部に対応した濃淡データとを、それぞれ各受光部に関連付けて記録媒体に記録するデータ記録手段を有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３５】
以上説明したように、本発明に係る測距装置及び測距方法によれば、パルス光を使用して測距する際に、外光成分を除去することができ、測距の精度を向上させることができる。
【００３６】
また、本発明に係る測距システムによれば、測距によって得られた距離画像と同時に物体の濃淡画像も取得可能で、距離データから得られる三次元ポリゴン画像や、該三次元ポリゴン画像に濃淡画像による輝度データをマッピングした三次元モデル画像を表示することが可能となり、様々なアプリケーションに適用させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明に係る測距装置、測距方法及び測距システムの実施の形態例を図１〜図１４を参照しながら説明する。
【００３８】
本実施の形態に係る測距システム１０は、図１に示すように、ほぼ直方体あるいは立方体の形状を有する筐体１２と、該筐体１２に設けられ、基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光手段１４（図２参照）と、パルス光により照射された物体からの反射光を受光する受光手段１６（図２参照）と、受光手段１６で得られたデータに基づいて物体までの距離を算出する演算手段１８（図２参照）とを有する。
【００３９】
筐体１２の前面１２ａには、照射光源２０と撮影用の光学レンズ２２が設けられている。光学レンズ２２は筐体１２の前面１２ａのほぼ中央部に設けられ、照射光源２０は、筐体１２の前面１２ａのうち、光学レンズ２２の周囲に多数配置された赤外ＬＥＤ２４を有する。
【００４０】
筐体１２の内部には、図２に模式的に示すように、ＣＰＵ２６と、該ＣＰＵ２６によって制御され、各赤外ＬＥＤ２４からそれぞれ所定のパルス幅を有するパルス光２８を出射するように制御する発光制御部３０と、撮像素子３２と、反射光３４を撮像素子３２の受光面に結像させる光学系３６（光学レンズ２２を含む）と、撮像素子３２を駆動するための撮像素子制御部３８と、撮像素子３２からの撮像信号Ｓｂをアナログの画像信号Ｓｃに信号処理するアナログ信号処理部４０と、画像信号Ｓｃをデジタル変換して画像データＤｃにするＡ／Ｄ変換部４２と、画像データＤｃが保存されるバッファメモリ４４と、バッファメモリ４４に格納された画像データＤｃに対してデータ整形やフォーマット変換（ＹＣ画像データ（Ｙ：輝度信号、Ｃ：色差信号）に変換する等）を行うデータ処理回路４６とを有する。
【００４１】
筐体１２の内部には、さらに、バッファメモリ４４に格納された画像データＤｃあるいはフォーマット変換後の画像データＤｃを記憶装置４８に記録するための保存部５０と、前記画像データＤｃを二次元画像として第１表示器５２に表示させたり、三次元画像として第２表示器５４に表示させるための表示部５６と、測距システム１０内の各種パラメータや前記画像データＤｃ等を通信ポート５８を介して送信したり、外部からの各種データを受信するための通信部６０とを有する。
【００４２】
筐体１２の外面には操作パネル６２が設置されている。操作パネル６２は、少なくとも操作ガイダンス用の液晶表示部６４と、光学系３６を制御するための操作部６６と、モードダイヤルや十字キー、電源スイッチ等の各種スイッチ６８とを有する。これら液晶表示部６４、操作部６６、各種スイッチ６８とＣＰＵ２６との信号のやりとりは入出力インターフェース７０（Ｉ／Ｆ）を介して行われる。
【００４３】
そして、発光手段１４は、上述した発光制御部３０と、照射光源２０（多数の赤外ＬＥＤ２４）とを有し、受光手段１６は、上述した撮像素子３２と、光学系３６と、撮像素子制御部３８と、アナログ信号処理部４０と、Ａ／Ｄ変換部４２と、バッファメモリ４４とを有する。
【００４４】
発光手段１４は、発光制御部３０の制御によって、例えば図３に示すように、パルス幅Ｗが基準時ｔ０から所定期間とされたパルス光２８を出射するように構成されている。所定期間は、使用者が設定した測定可能な最大距離Ｌに基づいて設定されている。例えば物体が最大距離Ｌの地点に存在していると仮定したとき、パルス光２８が出射されて物体に照射し、その反射光３４が戻ってくるまでに光は距離２Ｌだけ進むことになる。従って、パルス光２８が出射された時点から反射光３４が戻るまでの時間は、光の速度をｃ（ｍ／ｓｅｃ）とすると、２Ｌ／ｃ（ｓｅｃ）となる。この時間をパルス光２８のパルス幅Ｗに割り当てることによって、最大距離Ｌまでに存在する物体の距離を測定することができる。上述した基準時ｔ０は、使用者が操作パネル６２にあるスイッチ６８（例えば測距開始スイッチ）を操作した時点等に設定することができる。
【００４５】
一方、受光手段１６の撮像素子３２は、図４に示すように、例えばマトリクス状に配列された多数の受光部７２を有する。受光部７２は、入射光量に応じた量の電荷に光電変換する光電変換部７４（フォトダイオード）と、光電変換部７４に対応して配列された２つの蓄積部（第１蓄積部７６ａ及び第２蓄積部７６ｂ）とを有する。また、撮像素子３２には、列方向に配列された多数の第１蓄積部７６ａに対して共通とされた第１垂直転送路７８ａが多数本、行方向に配列され、列方向に配列された多数の第２蓄積部７６ｂに対して共通とされた第２垂直転送路７８ｂが多数本、行方向に配列されている。各第１垂直転送路７８ａ並びに各第２垂直転送路７８ｂの最終段にはそれぞれ出力部８０が配置され、第１垂直転送路７８ａ及び第２垂直転送路７８ｂを転送してきた電荷がこれら出力部８０を通じてそれぞれ電圧信号に変換されて出力されることになる。電圧変換された電荷はリセット信号の印加に伴ってそれぞれドレイン領域に掃き出される。
【００４６】
また、受光部は、図５に示すように、各光電変換部７４の中央部分に対応して開口８２が設けられ、それ以外の部分は遮光膜８４が形成されて光が進入しないようになっている。光電変換部７４上のうち、開口８２に対応した部分に例えば透明電極による中央電極８６が形成され、第１蓄積部７６ａ上に第１蓄積電極８８ａが形成され、第２蓄積部７６ｂ上に第２蓄積電極８８ｂが形成され、中央電極８６と第１蓄積電極８８ａ間並びに中央電極８６と第２蓄積電極８８ｂ間に、光電変換部７４のポテンシャルを傾斜させるための第１調整電極９０ａ及び第２調整電極９０ｂが形成されている。さらに、第１蓄積部７６ａと第１垂直転送路７８ａとの間には、第１蓄積部７６ａに蓄積された電荷を第１垂直転送路７８ａに転送するための第１転送電極９２ａが形成されている。同様に、第２蓄積部７６ｂと第２垂直転送路７８ｂとの間にも、第２蓄積部７６ｂに蓄積された電荷を第２垂直転送路７８ｂに転送するための第２転送電極９２ｂが形成されている。
【００４７】
第１垂直転送路７８ａ上及び第２垂直転送路７８ｂ上に形成される電極群については、例えばインターライン方式のＣＣＤ撮像素子と同様の構成を採用することができるため、ここではその詳細説明を省略する。
【００４８】
ここで、１つの受光部７２の動作について説明する。先ず、図５の実線Ａで示すように、中央電極８６、第１調整電極９０ａ及び第２調整電極９０ｂの各電圧を調整して、光電変換部７４のポテンシャルを第１蓄積部７６ａに向かって下り傾斜にさせる。そして、光が受光部７２に入射することによって、入射光量に応じた量の電荷が光電変換部７４で発生すると共に、発生した電荷は、光電変換部７４でのポテンシャル傾斜に沿って第１蓄積部７６ａに転送蓄積される（蓄積動作）。
【００４９】
ある一定の期間が経過した時点で、中央電極８６、第１調整電極９０ａ及び第２調整電極９０ｂの各電圧を調整して、光電変換部７４のポテンシャルを今度は第２蓄積部７６ｂに向かって下り傾斜にさせる。これによって、入射光量に応じた量の電荷が光電変換部７４で発生すると共に、発生した電荷は、光電変換部７４でのポテンシャル傾斜に沿って第２蓄積部７６ｂに転送蓄積される（蓄積動作）。この第２蓄積部７６ｂへの電荷の転送蓄積の期間において、第１転送電極９２ａに印加される電圧を調整して第１蓄積部７６ａと第１垂直転送路７８ａ間のポテンシャル障壁９４ａを下げて、第１蓄積部７６ａの電荷を第１垂直転送路７８ａに転送する（読出し動作）。
【００５０】
ある一定の期間が経過した時点で、中央電極８６、第１調整電極９０ａ及び第２調整電極９０ｂの各電圧を調整して、光電変換部７４のポテンシャルを再び第１蓄積部に向かって下り傾斜にさせる。これによって、入射光量に応じた量の電荷が光電変換部７４で発生すると共に、発生した電荷は、光電変換部でのポテンシャル傾斜に沿って第１蓄積部７６ａに転送蓄積される（蓄積動作）。この第１蓄積部７６ａへの電荷の転送蓄積の期間において、第２転送電極９２ｂに印加される電圧を調整して第２蓄積部７６ｂと第２垂直転送路７８ｂ間のポテンシャル障壁９４ｂを下げて、第２蓄積部７６ｂの電荷を第２垂直転送路７８ｂに転送する（読出し動作）。この読出し動作の期間において、第１垂直転送路７８ａの電荷が順番に出力部８０に転送されて出力部８０から電圧信号が出力され、電圧信号に変換された電荷は順次ドレイン領域に掃き出されてリセットされることになる（リセット動作）。これらの動作が順次繰り返されることになる。
【００５１】
次に、この測距システム１０に対応した撮像素子３２の動作について図３を参照しながら説明する。
【００５２】
先ず、基準時ｔ０からパルス幅Ｗに相当する期間にわたる第１区間Ｔ１において、各光電変換部７４は、入射光量に応じた電荷を発生し、第１蓄積部７６ａに蓄積していく（蓄積動作）。
【００５３】
第１区間Ｔ１の経過時点からパルス幅Ｗに相当する期間にわたる第２区間Ｔ２において、第１蓄積部７６ａでの蓄積電荷を第１垂直転送路７８ａに読み出す（読出し動作）。また、この第２区間Ｔ２において、各光電変換部７４は、入射光量に応じた電荷を発生し、今度は第２蓄積部７６ｂに蓄積していく（蓄積動作）。
【００５４】
第２区間Ｔ２の経過時点からパルス幅Ｗに相当する期間にわたる第３区間Ｔ３において、第２蓄積部７６ｂでの蓄積電荷を第２垂直転送路７８ｂに読み出す（読出し動作）。また、この第３区間Ｔ３において、各光電変換部７４は、入射光量に応じた電荷を発生し、再び第１蓄積部７６ａに蓄積していく（蓄積動作）。さらに、この第３区間Ｔ３においては、第１垂直転送路７８ａに読み出されている電荷を出力部８０に向けて転送し、出力部８０においてそれぞれ電荷量に応じた電圧信号に変換すると共に、電圧信号に変換された電荷をリセットする（リセット動作）。複数の第１垂直転送路７８ａの出力部８０から出力された電圧信号は、後段のアナログ処理回路４０にて各受光部７２における第１区間Ｔ１の撮像信号Ｓｂとして変換する。第１区間Ｔ１の撮像信号Ｓｃは、Ａ／Ｄ変換部４２にてデジタル信号に変換されて第１区間Ｔ１の画像データ（各受光部７２に対応した撮像データＤｃが配列されたデータ：第１画像データＤｃ１）としてバッファメモリ４４に記録される。
【００５５】
第３区間Ｔ３の経過時点からパルス幅Ｗに相当する期間にわたる第４区間Ｔ４において、第１蓄積部７６ａでの蓄積電荷を第１垂直転送路７８ａに読み出す（読出し動作）。また、この第４区間Ｔ４においては、第２垂直転送路７８ｂに読み出されている電荷を出力部８０に向けて転送し、出力部８０においてそれぞれ電荷量に応じた電圧信号に変換すると共に、電圧信号に変換された電荷をリセットする（リセット動作）。複数の第２垂直転送路７８ｂの出力部８０から出力された電圧信号は、上述と同様の処理が施されて、第２区間Ｔ２の画像データ（第２画像データＤｃ２）としてバッファメモリ４４に記録される。
【００５６】
そして、第４区間Ｔ４の経過時点からパルス幅Ｗに相当する期間にわたる第５区間Ｔ５においては、第１垂直転送路７８ａに読み出されている電荷を出力部８０に向けて転送し、出力部８０においてそれぞれ電荷量に応じた電圧信号に変換すると共に、電圧信号に変換された電荷をリセットする（リセット動作）。複数の第１垂直転送路７８ａの出力部８０から出力された電圧信号は、上述と同様の処理が施されて、第３区間Ｔ３の画像データ（第３画像データＤｃ３）としてメモリバッファ４４に記録される。
【００５７】
一方、演算手段１８は、図２に示すように、第１画像データＤｃ１〜第３画像データＤｃ３に基づいて、各受光部７２に対応した物体までの距離を算出する距離演算部９６を有する。
【００５８】
この距離演算部９６での演算アルゴリズム、特に、１つの受光部７２における距離の演算手法（第１演算手法）について図６及び図７を参照しながら説明する。
【００５９】
先ず、外光を考慮しない場合について図６を参照しながら説明する。
【００６０】
基準時ｔ０からパルス幅Ｗ（＝２Ｌ／ｃ）のパルス光２８を出射し、該パルス光２８により照射された物体からの反射光３４が、第１区間Ｔ１と第２区間Ｔ２の間に到来した場合を想定する。なお、Ｌは、上述したように、設定した最大距離を示す。
【００６１】
この場合、反射光強度をＩ、光電変換部７４での光電変換効率をε、物体までの距離をｋとしたとき、第１区間Ｔ１、第２区間Ｔ２及び第３区間Ｔ３に蓄積された第１電荷量ｄ１（受光積分強度）、第２電荷量ｄ２（受光積分強度）及び第３電荷量ｄ３（受光積分強度）は、以下の関係を有する。
ｄ１＝εＩ（２Ｌ／ｃ−２ｋ／ｃ）
ｄ２＝εＩ（２ｋ／ｃ）
ｄ３＝０
このとき、物体までの距離ｋは、次の演算式によって求められる。
距離ｋ＝｛ｄ２／（ｄ１＋ｄ２）｝×Ｌ
＝｛（２ｋ／ｃ）／（２Ｌ／ｃ）｝×Ｌ
＝（２ｋ／ｃ）／（２／ｃ）
＝ｋ
【００６２】
次に、外光を考慮した場合について図７を参照しながら説明する。このとき、外光成分がない場合の反射光強度をＩ、外光成分をＩｏとする。
【００６３】
外光成分Ｉｏがある場合、蓄積電荷と演算により求められる距離ｋは、次のように書き換えることができる。
ｄ１’＝ε｛Ｉ（２Ｌ／ｃ−２ｋ／ｃ）＋Ｉｏ（２Ｌ／ｃ）｝
ｄ２’＝ε｛Ｉ（２ｋ／ｃ）＋Ｉｏ（２Ｌ／ｃ）｝
ｄ３’＝ε｛Ｉｏ（２Ｌ／ｃ）｝
距離ｋ＝｛ｄ２’／（ｄ１’＋ｄ２’）｝×Ｌ
＝｛ｋ＋Ｌ（Ｉｏ／Ｉ）｝／｛１＋２（Ｉｏ／Ｉ）｝
【００６４】
これは、反射光強度Ｉに対し、外光強度Ｉｏが大きいほど、演算で求めた距離ｋと、実測による距離ｋとのずれが大きくなり、Ｉｏ＞＞Ｉのとき、演算で求めた距離ｋはＬ／２となる。
【００６５】
これを防ぐために、反射光成分を受光していない第３区間Ｔ３の第３電荷量ｄ３（受光積分強度）を利用する。具体的には、以下の関係式を用いる。
ｄ１’＝ｄ１−ｄ３
ｄ２’＝ｄ２−ｄ３
距離ｋ＝｛ｄ２’／（ｄ１’＋ｄ２’）｝×Ｌ ……（１）
【００６６】
上述の演算手法は、反射光３４が第１区間Ｔ１と第２区間Ｔ２の間に到来した場合を想定しているが、反射光３４が第２区間Ｔ１と第３区間Ｔ３の間に到来した場合も同様の方法で距離ｋを求めることができる。この場合、外光成分Ｉｏのみが存在しているのは第１区間Ｔ１であることと、第１区間Ｔ１に相当する距離Ｌを加算する必要から、以下の演算式にて求めることができる。
ｄ２’＝ｄ２−ｄ１
ｄ３’＝ｄ３−ｄ１
距離ｋ＝｛ｄ３’／（ｄ２’＋ｄ３’）｝×Ｌ＋Ｌ ……（２）
【００６７】
上述の演算方法を使った演算手段での処理方法を図８のフローチャートを参照しながら説明する。
【００６８】
先ず、図８のステップＳ１において、受光部７２を特定するためのカウンタｎに初期値１を格納する。
【００６９】
その後、ステップＳ２において、バッファメモリ４４からｎ番目の受光部７２に対応した第１電荷量ｄ１〜第３電荷量ｄ３を示すデータを取り込む。
【００７０】
その後、ステップＳ３において、取り込んだ第１電荷量ｄ１〜第３電荷量ｄ３から最低の電荷量を探索する。つまり、第１区間Ｔ１〜第３区間Ｔ３のうち、外光成分だけの区間を探索する。
【００７１】
ステップＳ４において、最低の電荷量が第３電荷量ｄ３であるか否かが判別される。最低の電荷量が第３電荷量ｄ３であれば、次のステップＳ５に進み、第３区間Ｔ３が外光成分のみの区間と認定し、他の区間の電荷量、すなわち、第１電荷量ｄ１及び第２電荷量ｄ２を以下のように補正する。
ｄ１’＝ｄ１−ｄ３
ｄ２’＝ｄ２−ｄ３
【００７２】
その後、ステップＳ６において、以下の式によって当該受光部７２における物体までの距離ｋを演算する。
距離ｋ＝｛ｄ２’／（ｄ１’＋ｄ２’）｝×Ｌ
【００７３】
一方、上述のステップＳ４において、最低の電荷量が第３電荷量ｄ３でないと判別された場合は、ステップＳ７に進み、最低の電荷量が第１電荷量ｄ１であるか否かが判別される。最低の電荷量が第１電荷量ｄ１であれば、次のステップＳ８に進み、第１区間Ｔ１が外光成分のみの区間と認定し、他の区間の電荷量、すなわち、第２電荷量ｄ２及び第３電荷量ｄ３を以下のように補正する。
ｄ２’＝ｄ２−ｄ２
ｄ３’＝ｄ３−ｄ２
【００７４】
その後、ステップＳ９において、以下の式によって当該受光部７２における物体までの距離ｋを演算する。
距離ｋ＝｛ｄ３’／（ｄ２’＋ｄ３’）｝×Ｌ＋Ｌ
【００７５】
上述のステップＳ７において、最低の電荷量が第１電荷量ｄ１でないと判別された場合は、ステップＳ１０に進み、距離演算をエラーと判定する。具体的には距離ｋを、エラーを示す例えば「−１」とする。
【００７６】
上述したステップＳ６、ステップＳ９又はステップＳ１０での処理が省略した段階で、ステップＳ１１に進み、距離ｋの値と最低の電荷量の値を出力する。
【００７７】
出力された距離ｋの値は、バッファメモリ４４における距離画像を作成するための第１記録領域のうち、ｎ番目の受光部７２に対応したアドレスに記録される。出力された最低の電荷量の値はバッファメモリ４４における濃淡画像を作成するための第２記録領域のうち、ｎ番目の受光部７２に対応したアドレスに記録される。
【００７８】
次のステップＳ１２において、カウンタｎの値を＋１更新する。その後、ステップＳ１３において、全ての受光部７２について処理を行ったか否かが判別される。この判別は、カウンタｎの値が受光部７２の全数を超えたか否かで行われる。
【００７９】
全ての受光部７２について処理が終了していなければ、ステップＳ２に戻り、次の受光部７２に関する最低の電荷量を探索すると共に、物体までの距離を演算し、これらの値を第１記録領域及び第２記録領域に格納する。
【００８０】
そして、ステップＳ１３において、全ての受光部７２について処理が完了したと判別された段階で、この演算処理が終了する。
【００８１】
このように、測距システム１０は、基準時ｔ０から所定のパルス幅Ｗを有するパルス光２８を出射し、パルス光２８により照射された物体からの反射光３４を受光することによって、第１区間Ｔ１で蓄積した第１電荷量ｄ１と、第２区間Ｔ２で蓄積した第２電荷量ｄ２と、第３区間Ｔ３で蓄積した第３電荷量ｄ３とを取得し、さらに、これら第１電荷量ｄ１〜第３電荷量ｄ３から最も電荷量の少ない区間の電荷量（最低の電荷量）を差し引いてから、物体までの距離ｋを算出するようにしたので、パルス光２８を使用して測距する際に、外光成分を除去することができ、測距の精度を向上させることができる。
【００８２】
しかも、受光部７２単位に距離を求めて受光部７２全体に対応した距離画像を得ると共に、受光部７２単位に取得した最低の電荷量に基づいて受光部７２全体に対応した濃淡画像を得るようにしたので、距離データから得られる三次元ポリゴン画像や、該三次元ポリゴン画像に濃淡画像による輝度データをマッピングした三次元モデル画像を表示することが可能となり、様々なアプリケーションに適用させることができる。
【００８３】
上述の例では、演算手段１８、特に距離演算部９６の構成をアルゴリズムにて示したが、図９に示す測距演算回路９８のように、上述のアルゴリズムをハードウェアを主体に構成するようにしてもよい。
【００８４】
この測距演算回路９８は、図９に示すように、データ読出回路部１００と、外光区間決定回路部１０２と、測距演算回路部１０４と、オフセット量決定回路部１０６と、オフセット量加算回路部１０８とを有する。
【００８５】
データ読出回路部１００は、バッファメモリ４４の第１画像データＤｃ１から各受光部７２に対応した第１電荷量ｄ１の値を順番に読み出す第１読出回路１１０ａと、バッファメモリ４４の第２画像データＤｃ２から各受光部７２に対応した第２電荷量ｄ２の値を順番に読み出す第２読出回路１１０ｂと、バッファメモリ４４の第３画像データＤｃ３から各受光部７２に対応した第３電荷量ｄ３の値を順番に読み出す第３読出回路１１０ｃとを有する。
【００８６】
外光区間決定回路部１０２は、比較回路部１１２と、外光区間指示部１１４とを有する。
【００８７】
比較回路部１１２は、第１読出回路１１０ａからの第１電荷量ｄ１と第２読出回路１１０ｂからの第２電荷量ｄ２とを比較して、第１電荷量ｄ１≧第２電荷量ｄ２のとき、高レベル信号（論理「１」）を出力し、それ以外のとき低レベル信号（論理「０」）を出力する第１比較器１１６ａと、第２読出回路１１０ｂからの第２電荷量ｄ２と第３読出回路１１０ｃからの第３電荷量ｄ３とを比較して、第２電荷量ｄ２＞第３電荷量ｄ３のとき、高レベル信号（論理「１」）を出力し、それ以外のとき低レベル信号（論理「０」）を出力する第２比較器１１６ｂと、第３読出回路１１０ｃからの第３電荷量ｄ３と第１読出回路１１０ａからの第１電荷量ｄ１とを比較して、第３電荷量ｄ３＞第１電荷量ｄ１のとき、高レベル信号（論理「１」）を出力し、それ以外のとき低レベル信号（論理「０」）を出力する第３比較器１１６ｃとを有する。
【００８８】
外光区間指示部１１４は、第１比較器１１６ａの出力の反転と第３比較器１１６ｃの出力との論理積を出力する第１ＡＮＤ回路１１８ａと、第３比較器１１６ｃの出力の反転と第２比較器１１６ｂの出力との論理積を出力する第２ＡＮＤ回路１１８ｂとを有する。
【００８９】
すなわち、第１区間Ｔ１が外光成分のみである場合、第３比較器１１６ｃの出力が高レベルとなり、第１比較器１１６ａの出力が低レベルとなるため、第１ＡＮＤ回路１１８ａの出力が高レベルとなり、外光区間が第１区間Ｔ１であることを示すことになる。また、第３区間Ｔ３が外光成分のみである場合、第２比較器１１６ｂの出力が高レベルとなり、第３比較器１１６ｃの出力が低レベルとなるため、第２ＡＮＤ回路１１８ｂの出力が高レベルとなり、外光区間が第３区間Ｔ３であることを示すことになる。
【００９０】
測距演算回路部１０４は、第１選択回路１２０ａと、第２選択回路１２０ｂと、第３選択回路１２０ｃと、上述した（１）式の演算を行う演算回路１２２とを有する。
【００９１】
第１選択回路１２０ａ〜第３選択回路１２０ｃは、それぞれ５つの入力端子（第１端子φ１〜第５端子φ５）と１つの出力端子φ０とを有し、各第１端子φ１に第１読出回路１１０ａの出力が接続され、各第２端子φ２に第２読出回路１１０ｂの出力が接続され、各第３端子φ３に第３読出回路１１０ｃの出力が接続されている。
【００９２】
第１選択回路１２０ａの第５端子φ５及び、第２選択回路１２０ｂの第５端子φ５及び第３選択回路１２０ｃの第４端子φ４には、それぞれ第１ＡＮＤ回路１１８ａの出力が接続され、第１選択回路１２０ａの第４端子φ４、第２選択回路１２０ｂの第４端子φ４及び第３選択回路１２０ｃの第５端子φ５には、それぞれ第２ＡＮＤ回路１１８ｂの出力が接続されている。
【００９３】
そして、第１選択回路１２０ａは、第４端子φ４に高レベル信号が入力されると、第１端子φ１に入力されている第１電荷量ｄ１を選択して出力端子φ０を通じて出力し、第５端子φ５に高レベル信号が入力されると、第２端子φ２に入力されている第２電荷量ｄ２を選択して出力するようになっている。
【００９４】
第２選択回路１２０ｂは、第４端子φ４に高レベル信号が入力されると、第２電荷量ｄ２を選択して出力し、第５端子φ５に高レベル信号が入力されると、第３電荷量ｄ３を出力するようになっている。
【００９５】
第３選択回路１２０ｃは、第４端子φ４に高レベル信号が入力されると、第１電荷量ｄ１を選択して出力し、第５端子φ５に高レベル信号が入力されると、第３電荷量ｄ３を出力するようになっている。
【００９６】
一方、演算回路１２２は、第１選択回路１２０ａの出力が入力される第１入力端子φａと、第２選択回路１２０ｂの出力が入力される第２入力端子φｂと、第３選択回路１２０ｃの出力が入力される第３入力端子φｃと、１つの出力端子φ０とを有する。
【００９７】
この演算回路１２２は、第１入力端子φａに入力された値をＸａ、第２入力端子φｂに入力された値をＸｂ、第３入力端子φｃに入力された値をＸｃとしたとき、以下の演算式を演算し、その演算結果を出力端子φ０から出力するようになっている。
｛（Ｘｂ−Ｘｃ）／（Ｘａ＋Ｘｂ−Ｘｃ×２）｝×Ｌ
【００９８】
次に、オフセット量決定回路部１０６は、第１定数（＝０）が格納された第１レジスタ１２４ａと、第２定数（＝Ｌ）が格納された第２レジスタ１２４ｂと、選択回路１２６とを有する。
【００９９】
選択回路１２６は、４つの入力端子（第１端子φ１〜第４端子φ４）と１つの出力端子φ０とを有し、第１端子φ１に第１レジスタ１２４ａの出力が接続され、第２端子φ２に第２レジスタ１２４ｂの出力が接続され、第３端子φ３に第２ＡＮＤ回路１１８ｂの出力が接続され、第４端子φ４に第１ＡＮＤ回路１１８ａの出力が接続されている。
【０１００】
そして、第３端子φ３に高レベル信号が入力されると、第１端子φ１に入力されている第１レジスタ１２４ａの値（第１定数＝０）を出力し、第４端子φ４に高レベル信号が入力されると、第２端子φ２に入力されている第２レジスタ１２４ｂの値（第２定数＝Ｌ）を出力するようになっている。
【０１０１】
オフセット量加算回路部１０８は、加算回路１２８を有する。この加算回路１２８は、２つの入力端子（第１入力端子φ１及び第２入力端子φ２）と１つの出力端子φ０とを有し、第１入力端子φ１に入力された値と第２入力端子φ２に入力された値とを加算して、その加算値を出力端子φ０を介して出力する。
【０１０２】
第１入力端子φ１に演算回路１２２の出力が接続され、第２入力端子φ２に選択回路１２６の出力が接続されている。
【０１０３】
従って、この測距演算回路９８は、第１ＡＮＤ回路１１８ａの出力が高レベル（外光区間が第１区間Ｔ１）のとき、演算回路１２２の第１入力端子φａに第２電荷量ｄ２、第２入力端子φｂに第３電荷量ｄ３、第３入力端子φｃに第１電荷量ｄ１が入力されることから、上述した（２）式が演算されてその結果が加算回路１２８から出力されることになる。
【０１０４】
同様に、第２ＡＮＤ回路１１８ｂの出力が高レベル（外光区間が第３区間Ｔ３）のとき、第１入力端子φａに第１電荷量ｄ１、第２入力端子φ２に第２電荷量ｄ２、第３入力端子φ３に第３電荷量ｄ３が入力されることから、上述した（１）式が演算されてその結果が加算回路１２８から出力されることになる。
【０１０５】
この測距演算回路９８を用いれば、演算手段１８を構成するデータ読出回路部１００と、外光区間決定回路部１０２と、測距演算回路部１０４と、オフセット量決定回路部１０６と、オフセット量加算回路部１０８をハードウェアとして１つのブロックにて構成することができ、測距システム１０のソフトウエアの簡略化、演算処理の高速化を図ることができる。
【０１０６】
次に、測距システム１０における演算手段１８の他の演算手法（第２演算手法）について図１０Ａ〜図１１を参照しながら説明する。
【０１０７】
第２演算手法は、上述した第１演算手法と同様の手法を用いるが、予め設定したサイクル数だけ、図３に示す一連の動作を行って、時間的に変化する外光成分を取得して、より精度よく反射光強度を検出する点で異なる。
【０１０８】
この第２演算手法では、サイクル数をＮとしたとき、バッファメモリ４４の記憶容量を、３Ｎ個分の画像データが記録できる程度の容量とする。説明を簡単にするために、サイクル数Ｎを３として説明する。
【０１０９】
第１サイクルＣ１〜第３サイクルＣ３の各第１区間Ｔ１で蓄積した第１電荷量ｄ１をそれぞれ対応する第１画像データＤｃ１、第４画像データＤｃ４及び第７画像データＤｃ７としてバッファメモリ４４に記憶する。
【０１１０】
また、第１サイクルＣ１〜第３サイクルＣ３の各第２区間Ｔ２で蓄積した第２電荷量ｄ２をそれぞれ対応する第２画像データＤｃ２、第５画像データＤｃ５及び第８画像データＤｃ８としてバッファメモリ４４に記憶する。
【０１１１】
同様に、第１サイクルＣ１〜第３サイクルＣ３の各第３区間Ｔ３で蓄積した第３電荷量ｄ３をそれぞれ対応する第３画像データＤｃ３、第６画像データＤｃ６及び第９画像データＤｃ９としてバッファメモリ４４に記憶する。
【０１１２】
そして、１つの受光部７２に関する処理を主体に説明すると、先ず、物体までの距離が３Ｌより遠いが、４Ｌよりは近い距離にあって、外光が徐々に明るくなっている場合を想定したとき、撮像した１つの受光部７２での電荷量の変化は、図１０Ａに示すように、反射光３４が第４区間Ｔ４と第５区間Ｔ６の間で到来し、その他の区間が外光成分のみであって、且つ、これら各区間の外光成分が例えば右上がりに増加した特性が得られる。各区間の電荷量をそれぞれ受光量の積分強度として見た場合、図１０Ｂに示すような特性となる。
【０１１３】
そこで、この第２演算手法では、図１１に示す処理を行う。ここでは、１つに受光部７２を主体に説明する。
【０１１４】
先ず、ステップＳ１０１において、９個の画像データの対応する受光部７２の電荷量を比較して、反射光３４が到来した２つの区間（反射光区間）と、その他の区間（外光区間）を検出する。これは、強度の大きい２つの受光積分強度と、強度の小さい７個の受光積分強度を検出することと等価である。
【０１１５】
その後、ステップＳ１０２において、７個の外光区間における各受光積分強度をそれぞれ基準強度とし、これら７個の基準強度の時間変化を関数化する。図１０Ａの例では、外光区間の電荷量が時間の経過に伴って徐々に増加していることから、直線（一点鎖線）ｐに示すように、１つの一次関数として関数化することができる。
【０１１６】
その後、ステップＳ１０３において、関数化された基準強度の分布から、強度の大きい２つの受光積分強度に対応する２つの区間（反射光区間）における基準強度を求める。
【０１１７】
その後、ステップＳ１０４において、強度の大きい２つの受光積分強度からそれぞれ対応する基準強度を減算して補正積分強度を得る。
【０１１８】
そして、ステップＳ１０５において、上述した２つの補正積分強度に基づいて、物体までの距離ｋを算出する。つまり、図１０Ａ及び図１０Ｂの例では、反射光３４が第２サイクルＣ２の第１区間Ｔ１と第２区間Ｔ２の間に到来していることから、上述した測距演算の方法を利用して、
距離ｋ＝｛ｄ２／（ｄ１＋ｄ２）｝×Ｌ＋３Ｌ
にて求めることができる。
【０１１９】
なお、ステップＳ１０１において検出した受光積分強度の大きい２つの区間が時間的に連続していない場合は、反射光３４の到来ではないとして、測距エラーとする。
【０１２０】
また、ステップＳ１０１において、受光積分強度の大きい２つの区間を検出する手法としては、例えば隣接する区間毎の受光積分強度の差分を求め、差分が０よりも大きく最大である区間が反射光３４の受光開始区間と判定し、差分が０よりも小さく絶対値が最大である区間が反射光３４の受光終了区間と判定する。このようにすれば、反射光３４が到来した期間を早期に検出することが可能となる。
【０１２１】
ところで、本実施の形態に係る測距システム１０は、図８のステップＳ１１にも示すように、バッファメモリ４４の第１記憶領域に距離画像を記憶し、第２記憶領域に濃淡画像を記憶するようにしている。
【０１２２】
そこで、この測距システム１０は、これら距離画像と濃淡画像を保存部５０によって記憶装置４８に保存させる場合、距離画像と濃淡画像とを関連付けて保存するようにしている。
【０１２３】
関連付けの方法としては、図１２に示すように、ＣＰＵ２６で動作するＯＳ（オペレーションシステム）がデータをファイル管理する機能を有する場合、距離画像が記録されたファイルのファイル名と、濃淡画像が記録されたファイルのファイル名を連名にして管理する。これにより、例えばある距離画像のファイルへのアクセスが行われた場合に、その距離画像のファイルに関連する濃淡画像のファイルへも容易にアクセスでき、煩雑な画像ファイルの管理を容易に行うことができる。
【０１２４】
その他の関連付けの方法としては、距離画像と濃淡画像とをそれぞれ受光部単位に管理する方法がある。この方法は、図１３に示すように、１つのファイルに受光部７２単位の濃淡値と距離値を対応付けて登録するものである。
【０１２５】
そして、図１４に示すように、測距システム１０に接続される第１表示器５２（二次元画像対応）に切替スイッチ１３０を設けて、切替スイッチ１３０を操作するたびに、距離画像の表示／濃淡画像の表示／ＯＦＦに切り替えられるようにしてもよい。この場合、上述のように距離画像と濃淡画像とが関連付けられて保存されているため、容易に画像表示を切り替えることができ、要求から応答までの処理時間を大幅に短縮させることができる。
【０１２６】
また、測距システム１０に第２表示器５４（三次元画像対応）を接続することによって、距離画像を三次元画像として表示することも可能である。この場合、三次元画像は、距離データのみから得られる三次元ポリゴン画像や、この三次元ポリゴン画像に濃淡画像による輝度データをマッピングした三次元モデル画像等から選択することができる。この場合も、上述のように距離画像と濃淡画像とが関連付けられて保存されているため、容易に三次元画像を切り替えることができ、要求から応答までの処理時間を大幅に短縮させることができる。
【０１２７】
なお、本発明に係る測距装置、測距方法及び測距システムは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本実施の形態に係る測距システムの外形を示す斜視図である。
【図２】本実施の形態に係る測距システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本実施の形態に係る測距システムの動作を示すタイミングチャートである。
【図４】撮像素子の概略構成を示す説明図である。
【図５】受光部のポテンシャルを主体にした構成を示す説明図である。
【図６】外光を考慮しない場合の第１演算手法を説明するためのタイミングチャートである。
【図７】外光を考慮した場合の第１演算手法を説明するためのタイミングチャートである。
【図８】第１演算手法のアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図９】第１演算手法のアルゴリズムに基づいて構成された測距演算回路を示す回路図である。
【図１０】図１０Ａは第２演算手法を説明するためのタイミングチャートであり、図１０Ｂは各区間の電荷量をそれぞれ受光量の積分強度として見た場合の特性図である。
【図１１】第２演算手法による処理動作を示すフローチャートである。
【図１２】距離画像と濃淡画像をファイル名で関連付けて管理する場合の一例を示す説明図である。
【図１３】１つのファイルに受光部単位の濃淡値と距離値を対応付けて登録する場合の一例を示す説明図である。
【図１４】第１表示器（二次元画像対応）に距離画像と濃淡画像の切替スイッチを設けた例を示す説明図である。
【図１５】ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式の光波測距方法を示す説明図である。
【図１６】変調光に対する反射光の位相の遅れを示す波形図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１０…測距システム １４…発光手段
１６…受光手段 １８…演算手段
２０…照射光源 ２８…パルス光
３２…撮像素子 ３４…反射光
４８…記憶装置 ５０…保存部
５２…第１表示器 ５４…第２表示器
５６…表示部 ７２…受光部
７４…光電変換部 ７６ａ…第１蓄積部
７６ｂ…第２蓄積部 ７８ａ…第１垂直転送路
７８ｂ…第２垂直転送路 ９６…距離演算部
９８…測距演算回路 １００…データ読出回路部
１０２…外光区間決定回路部 １０４…測距演算回路部
１０６…オフセット量決定回路部 １０８…オフセット量加算回路部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光手段と、
前記パルス光により照射された物体からの反射光を受光し、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で蓄積した第１電荷量と、前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で蓄積した第２電荷量と、前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で蓄積した第３電荷量とを得る受光手段と、
前記受光手段で得られた前記第１電荷量、前記第２電荷量及び前記第３電荷量に基づいて、前記物体までの距離を算出する演算手段とを有することを特徴とする測距装置。
【請求項２】
請求項１記載の測距装置において、
前記演算手段は、前記第１区間、前記第２区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間を除いた２つの区間の各電荷量に基づいて前記物体までの距離を算出することを特徴とする測距装置。
【請求項３】
請求項２記載の測距装置において、
前記演算手段は、前記２つの区間の各電荷量から前記最も電荷量の少ない区間の電荷量を差し引いてから、前記物体までの距離を算出することを特徴とする測距装置。
【請求項４】
請求項１記載の測定装置において、
前記演算手段は、前記第１電荷量、前記第２電荷量及び前記第３電荷量を比較する比較部と、
第１変数、第２変数及び第３変数に基づいて、前記第１区間又は前記第２区間に基づいた距離を演算する距離演算部と、
前記第１区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間に応じて前記第１変数、第２変数及び第３変数と、前記第１電荷量、前記第２電荷量及び第３電荷量との対応関係を選択する選択部とを有し、
前記距離演算部は、前記パルス幅で決まる設定距離をＬ、前記第１変数をＸａ、前記第２変数をＸｂ、前記第３変数をＸｃとしたとき、
｛（Ｘｂ−Ｘｃ）／（Ｘａ＋Ｘｂ−Ｘｃ×２）｝×Ｌ
を演算して前記距離を求めることを特徴とする測距装置。
【請求項５】
請求項４記載の測距装置において、
最も電荷量の少ない区間が前記第３区間の場合に、
前記選択部は、前記第１変数に前記第１電荷量、前記第２変数に前記第２電荷量、前記第３変数に前記第３電荷量を選択することを特徴とする測距装置。
【請求項６】
請求項４記載の測距装置において、
最も電荷量の少ない区間が前記第３区間の場合に、前記距離演算部で得られた前記距離に０を加算し、
最も電荷量の少ない区間が前記第１区間の場合に、前記距離演算部で得られた前記距離に前記設定距離Ｌを加算する加算部を有することを特徴とす測距装置。
【請求項７】
基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光ステップと、
前記パルス光により照射された物体からの反射光を前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で受光する第１受光ステップと、
前記反射光を前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で受光する第２受光ステップと、
前記反射光を前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で受光する第３受光ステップと、
前記第１受光ステップ、前記第２受光ステップ及び前記第３受光ステップでの各受光積分強度を比較する比較ステップと、
前記比較ステップにおいて検出された最も強度の小さい受光積分強度を基準強度とし、他の２つの受光積分強度からそれぞれ前記基準強度を減算して２つの補正積分強度を得るステップと、
前記２つの補正積分強度に基づいて、前記物体までの距離を算出するステップとを有することを特徴とする測距方法。
【請求項８】
請求項７記載の測距方法において、
前記第２受光ステップで受光した受光積分強度が前記基準強度とみなされた場合に、測定エラーとすることを特徴とする測距方法。
【請求項９】
基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光ステップと、
前記パルス光により照射された物体からの反射光を、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間毎に順番に配置されたｎ個の区間においてそれぞれ受光するｎ個の受光ステップと、
前記ｎ個の受光ステップでの各受光積分強度を比較して、強度の大きい２つの受光積分強度と、強度の小さい（ｎ−２）個の受光積分強度を検出する比較ステップと、
前記比較ステップにおいて検出された強度の小さい（ｎ−２）個の受光積分強度をそれぞれ基準強度とし、（ｎ−２）個の基準強度の時間変化を関数化するステップと、
前記関数化された基準強度の分布から、前記比較ステップで検出された前記強度の大きい２つの受光積分強度に対応する２つの区間における基準強度を求めるステップと、
前記強度の大きい２つの受光積分強度からそれぞれ対応する基準強度を減算して補正積分強度を得るステップと、
前記２つの補正積分強度に基づいて、前記物体までの距離を算出するステップとを有することを特徴とする測距方法。
【請求項１０】
請求項９記載の測距方法において、
前記基準強度よりも強度の大きい前記２つの受光積分強度に対応する前記２つの区間が時間的に連続していない場合に、測距エラーとすることを特徴とする測距方法。
【請求項１１】
請求項９記載の測距方法において、
前記比較ステップは、
区間毎の受光積分強度の差分を求め、差分が０よりも大きく最大である区間が反射光の受光開始区間と判定し、差分が０よりも小さく絶対値が最大である区間が反射光の受光終了区間と判定することを特徴とする測距方法。
【請求項１２】
基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光手段と、
複数の受光部を有する撮像素子を有し、各受光部において、前記パルス光により照射された物体からの反射光を受光し、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で蓄積した第１電荷量と、前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で蓄積した第２電荷量と、前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で蓄積した第３電荷量とを得る受光手段と、
前記各受光部に対応して演算され、前記第１区間、前記第２区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間を除いた２つの区間の各電荷量に基づいて前記物体までの前記各受光部に対応した距離を算出して距離画像を得る距離画像取得手段と、
前記各受光部に対応して検出された前記最も電荷量の少ない区間の電荷量に基づいて前記各受光部に対応した濃淡画像を得る濃淡画像取得手段とを有することを特徴とする測距システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の測距システムにおいて、
前記距離画像と前記濃淡画像とを関連付けて記録媒体に記録する画像記録手段を有することを測距システム。
【請求項１４】
請求項１２記載の測距システムにおいて、
前記距離画像における各受光部に対応した距離データと、前記濃淡画像における各受光部に対応した濃淡データとを、それぞれ各受光部に関連付けて記録媒体に記録するデータ記録手段を有することを測距システム。
【請求項１】
基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光手段と、
前記パルス光により照射された物体からの反射光を受光し、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で蓄積した第１電荷量と、前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で蓄積した第２電荷量と、前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で蓄積した第３電荷量とを得る受光手段と、
前記受光手段で得られた前記第１電荷量、前記第２電荷量及び前記第３電荷量に基づいて、前記物体までの距離を算出する演算手段とを有することを特徴とする測距装置。
【請求項２】
請求項１記載の測距装置において、
前記演算手段は、前記第１区間、前記第２区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間を除いた２つの区間の各電荷量に基づいて前記物体までの距離を算出することを特徴とする測距装置。
【請求項３】
請求項２記載の測距装置において、
前記演算手段は、前記２つの区間の各電荷量から前記最も電荷量の少ない区間の電荷量を差し引いてから、前記物体までの距離を算出することを特徴とする測距装置。
【請求項４】
請求項１記載の測定装置において、
前記演算手段は、前記第１電荷量、前記第２電荷量及び前記第３電荷量を比較する比較部と、
第１変数、第２変数及び第３変数に基づいて、前記第１区間又は前記第２区間に基づいた距離を演算する距離演算部と、
前記第１区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間に応じて前記第１変数、第２変数及び第３変数と、前記第１電荷量、前記第２電荷量及び第３電荷量との対応関係を選択する選択部とを有し、
前記距離演算部は、前記パルス幅で決まる設定距離をＬ、前記第１変数をＸａ、前記第２変数をＸｂ、前記第３変数をＸｃとしたとき、
｛（Ｘｂ−Ｘｃ）／（Ｘａ＋Ｘｂ−Ｘｃ×２）｝×Ｌ
を演算して前記距離を求めることを特徴とする測距装置。
【請求項５】
請求項４記載の測距装置において、
最も電荷量の少ない区間が前記第３区間の場合に、
前記選択部は、前記第１変数に前記第１電荷量、前記第２変数に前記第２電荷量、前記第３変数に前記第３電荷量を選択することを特徴とする測距装置。
【請求項６】
請求項４記載の測距装置において、
最も電荷量の少ない区間が前記第３区間の場合に、前記距離演算部で得られた前記距離に０を加算し、
最も電荷量の少ない区間が前記第１区間の場合に、前記距離演算部で得られた前記距離に前記設定距離Ｌを加算する加算部を有することを特徴とす測距装置。
【請求項７】
基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光ステップと、
前記パルス光により照射された物体からの反射光を前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で受光する第１受光ステップと、
前記反射光を前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で受光する第２受光ステップと、
前記反射光を前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で受光する第３受光ステップと、
前記第１受光ステップ、前記第２受光ステップ及び前記第３受光ステップでの各受光積分強度を比較する比較ステップと、
前記比較ステップにおいて検出された最も強度の小さい受光積分強度を基準強度とし、他の２つの受光積分強度からそれぞれ前記基準強度を減算して２つの補正積分強度を得るステップと、
前記２つの補正積分強度に基づいて、前記物体までの距離を算出するステップとを有することを特徴とする測距方法。
【請求項８】
請求項７記載の測距方法において、
前記第２受光ステップで受光した受光積分強度が前記基準強度とみなされた場合に、測定エラーとすることを特徴とする測距方法。
【請求項９】
基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光ステップと、
前記パルス光により照射された物体からの反射光を、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間毎に順番に配置されたｎ個の区間においてそれぞれ受光するｎ個の受光ステップと、
前記ｎ個の受光ステップでの各受光積分強度を比較して、強度の大きい２つの受光積分強度と、強度の小さい（ｎ−２）個の受光積分強度を検出する比較ステップと、
前記比較ステップにおいて検出された強度の小さい（ｎ−２）個の受光積分強度をそれぞれ基準強度とし、（ｎ−２）個の基準強度の時間変化を関数化するステップと、
前記関数化された基準強度の分布から、前記比較ステップで検出された前記強度の大きい２つの受光積分強度に対応する２つの区間における基準強度を求めるステップと、
前記強度の大きい２つの受光積分強度からそれぞれ対応する基準強度を減算して補正積分強度を得るステップと、
前記２つの補正積分強度に基づいて、前記物体までの距離を算出するステップとを有することを特徴とする測距方法。
【請求項１０】
請求項９記載の測距方法において、
前記基準強度よりも強度の大きい前記２つの受光積分強度に対応する前記２つの区間が時間的に連続していない場合に、測距エラーとすることを特徴とする測距方法。
【請求項１１】
請求項９記載の測距方法において、
前記比較ステップは、
区間毎の受光積分強度の差分を求め、差分が０よりも大きく最大である区間が反射光の受光開始区間と判定し、差分が０よりも小さく絶対値が最大である区間が反射光の受光終了区間と判定することを特徴とする測距方法。
【請求項１２】
基準時から所定のパルス幅を有するパルス光を出射する発光手段と、
複数の受光部を有する撮像素子を有し、各受光部において、前記パルス光により照射された物体からの反射光を受光し、前記基準時から前記パルス幅に相当する期間にわたる第１区間で蓄積した第１電荷量と、前記第１区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第２区間で蓄積した第２電荷量と、前記第２区間経過時点から前記パルス幅に相当する期間にわたる第３区間で蓄積した第３電荷量とを得る受光手段と、
前記各受光部に対応して演算され、前記第１区間、前記第２区間及び前記第３区間のうち、最も電荷量の少ない区間を除いた２つの区間の各電荷量に基づいて前記物体までの前記各受光部に対応した距離を算出して距離画像を得る距離画像取得手段と、
前記各受光部に対応して検出された前記最も電荷量の少ない区間の電荷量に基づいて前記各受光部に対応した濃淡画像を得る濃淡画像取得手段とを有することを特徴とする測距システム。
【請求項１３】
請求項１２記載の測距システムにおいて、
前記距離画像と前記濃淡画像とを関連付けて記録媒体に記録する画像記録手段を有することを測距システム。
【請求項１４】
請求項１２記載の測距システムにおいて、
前記距離画像における各受光部に対応した距離データと、前記濃淡画像における各受光部に対応した濃淡データとを、それぞれ各受光部に関連付けて記録媒体に記録するデータ記録手段を有することを測距システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−２４９６７３（Ｐ２００８−２４９６７３Ａ）
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９５０８３（Ｐ２００７−９５０８３）
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月１６日（２００８．１０．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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