JP-2026076818-A - 測距装置、測距方法およびプログラム

JP2026076818AJP 2026076818 AJP2026076818 AJP 2026076818AJP-2026076818-A

Abstract

【課題】フレームレートを低下させることなく、測距精度を向上させる。【解決手段】測距装置は、複数の発光素子を有する発光部と、複数の受光素子を有する受光部と、前記複数の発光素子を個別に発光させて所定の走査範囲に光を投光する測距動作を行う制御手段と、前記測距動作において前記発光部で発光された光が物体に投光され、当該物体から反射した光を前記受光部が受光するまでの時間に基づいて前記物体までの距離を求める計測手段と、を有し、前記計測手段は、所定のフレームレートで前記物体までの距離情報を含む測距結果を作成し、前記制御手段は、１フレームにおける前記測距動作の回数が増加しないように、前のフレームでの測距動作において前記計測手段により得られた測距結果に基づいて、次のフレームでの測距動作の回数を決定する。【選択図】図１

Inventors

花坂剛史
福田浩一
岡本康平
若嶋駿一

Assignees

キヤノン株式会社

Dates

Publication Date: 20260512
Application Date: 20241024

Claims (20)

複数の発光素子を有する発光部と、複数の受光素子を有する受光部と、前記複数の発光素子を個別に発光させて所定の走査範囲に光を投光する測距動作を行う制御手段と、前記測距動作において前記発光部で発光された光が物体に投光され、当該物体から反射した光を前記受光部が受光するまでの時間に基づいて前記物体までの距離を求める計測手段と、を有し、前記計測手段は、所定のフレームレートで前記物体までの距離情報を含む測距結果を作成し、前記制御手段は、１フレームにおける前記測距動作の回数が増加しないように、前のフレームでの測距動作において前記計測手段により得られた測距結果に基づいて、次のフレームでの測距動作の回数を決定することを特徴とする測距装置。
前記制御手段は、前記前のフレームにおいて前記測距動作を複数回行って前記計測手段により得られた測距結果に基づいて、前記次のフレームでの測距動作の回数を決定し、前記次のフレームでの測距動作の回数はゼロを含むことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
前記制御手段は、前記前のフレームでの測距動作において前記計測手段により得られた測距結果に基づいて前記所定の走査範囲に含まれる物体の状態を判定し、前記物体の状態に応じて前記次のフレームでの測距動作の回数を決定することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
前記物体の状態は、前記物体の反射率および／または前記物体までの距離であり、前記制御手段は、第１の反射率および／または第１の距離の物体に対する前記測距動作の回数を増加し、前記第１の反射率の物体に対する前記測距動作の回数を増加した分だけ前記第１の反射率より高い第２の反射率および／または前記第１の距離より近い第２の距離の物体に対する前記測距動作の回数を減少させることを特徴とする請求項３に記載の測距装置。
前記計測手段は、１フレームの測距結果として、前記受光素子が前記物体からの反射光を受光するまでの光の飛行時間と、前記受光素子が前記物体からの反射光を受光した頻度であるカウント値との関係を示すヒストグラムを作成し、前記受光素子ごとのヒストグラムに基づいて、１フレームにおける前記複数の受光素子の前記カウント値であるカウントマップと、前記物体までの距離に対応する距離マップとを作成することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
前記制御手段は、前記前のフレームで得られた前記距離マップおよび／または前記カウントマップに基づいて、前記次のフレームでの前記測距動作の回数を決定することを特徴とする請求項５に記載の測距装置。
前記発光部は、前記複数の発光素子が互いに直交する行方向と列方向に二次元状に配列され、前記測距動作は、１行の発光素子を同時に発光させると共に、前記１行の発光素子を前記列方向に順次に発光させる動作を含むことを特徴とする請求項６に記載の測距装置。
前記制御手段は、前記次のフレームでの前記１行あたりの発光素子の発光回数を、前記前のフレームでの前記１行あたりの発光素子の発光回数とカウント値とに基づいて決定することを特徴とする請求項７に記載の測距装置。
前記制御手段は、前記前のフレームでのｉ行目（ｉは自然数）の発光素子の発光回数と、前記前のフレームでのｉ行目の発光素子のカウント値の合計とからｉ行目の発光素子の１回の発光における推定受光確率を算出し、前記推定受光確率に基づいて前記次のフレームでのｉ行目の発光素子の発光回数を決定することを特徴とする請求項８に記載の測距装置。
前記制御手段は、前記前のフレームでのｉ行目の発光素子の発光回数に比例し、前記前のフレームでのｉ行目の発光素子のカウント値の合計に反比例するように、前記次のフレームでのｉ行目の発光素子の発光回数を決定することを特徴とする請求項９に記載の測距装置。
前記制御手段は、前記次のフレームでのｉ行目の発光素子の発光回数を、前記前のフレームでのｉ行目の測距結果の平均値の二乗に比例するように決定することを特徴とする請求項７に記載の測距装置。
前記制御手段は、前記発光素子が発光する行を順不同に制御することを特徴とする請求項７に記載の測距装置。
前記発光素子の発光回数は、下限値および／または上限値が設けられることを特徴とする請求項７に記載の測距装置。
前記所定の走査範囲を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により生成された画像から所定の物体を検出する検出手段と、を有し、前記制御手段は、前記測距動作において、前記発光素子で発光された光が前記所定の物体に投光されるように前記発光部を制御することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
前記制御手段は、前記発光素子の発光回数に代えて前記発光素子を発光させるパルス幅を制御することを特徴とする請求項７に記載の測距装置。
前記発光部で発光された光は、像側テレセントリックレンズを介して前記物体に投光され、前記受光部は、前記物体から反射した光を前記像側テレセントリックレンズを介して受光することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
前記発光部で発光された光を前記像側テレセントリックレンズに導くと共に、前記物体から反射した光を前記受光部に導くビームスプリッタを有することを特徴とする請求項１６に記載の測距装置。
前記発光部は前記像側テレセントリックレンズに平行光を入射し、前記像側テレセントリックレンズは、前記像側テレセントリックレンズに入射する平行光を平行光として出射することを特徴とする請求項１６に記載の測距装置。
複数の発光素子を有する発光部と、複数の受光素子を有する受光部と、を備える測距装置によって実行される測距方法であって、前記複数の発光素子を個別に発光させて所定の走査範囲に光を投光する測距動作を行う制御ステップと、前記測距動作において前記発光部で発光された光が物体に投光され、当該物体から反射した光を前記受光部が受光するまでの時間に基づいて前記物体までの距離を求める計測ステップと、を有し、前記計測ステップでは、所定のフレームレートで前記物体までの距離情報を含む測距結果を作成し、前記制御ステップでは、１フレームにおける前記測距動作の回数が増加しないように、前のフレームでの測距動作において前記計測ステップで得られた測距結果に基づいて、次のフレームでの測距動作の回数を決定することを特徴とする測距方法。
コンピュータを、請求項１から１８のいずれか１項に記載された測距装置として機能させるためのプログラム。

Description

本発明は、距離を計測する技術に関する。光を投光して物体からの反射光を受光するまでの光の飛行時間ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ－Ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ）を計測することで、物体までの距離を計測する、ＴＯＦ方式の測距方法が知られている。ＴＯＦ方式では、受光素子が反射光を受光した頻度と飛行時間ＴＯＦに関するヒストグラムを作成し、ヒストグラムから求められた尤もらしい飛行時間ＴＯＦから距離を算出する。測距結果はヒストグラムの形状に依存するので、物体からの反射光のうち光源由来の反射光が多いほど測距精度が向上する一方、物体の反射率が低い場合や物体までの距離が遠い場合のように物体からの反射光が少ない場合は測距精度が低下する可能性がある。特許文献１には、受光量が閾値を下回る場合、光走査速度を低下させて受光量を増加させ、測距精度を向上させる方法が記載されている。特開２０１２－６３２３６号公報実施形態１に係る測距装置の構成を例示するブロック図。実施形態１～３に係る光源ユニットの構成を例示する模式図。実施形態１～３に係る受光素子アレイの構成を例示する模式図。実施形態１～３に係る投光光の状態を例示する図。実施形態１～３に係る物体に投光光が投光された状態を例示する図。実施形態１の変形例に係る測距動作を説明する図。実施形態２に係る測距装置の構成を例示するブロック図。実施形態３に係る測距動作を説明する図。以下、添付図面を参照して実施形態を詳しく説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。実施形態には複数の特徴が記載されているが、これらの複数の特徴の全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。以下では、本実施形態の測距装置が、所定の走査範囲に光を投光してから所定の走査範囲に含まれる１つまたは複数の物体で反射した光を受光するまでの光の飛行時間ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ－Ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ）に基づいて物体までの距離情報を求める例を説明する。なお、本実施形態の測距装置および測距方法は、例えば、ＬｉＤＡＲ（ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎＡｎｄＲａｎｇｉｎｇ）、デジタルカメラなどの撮像装置、カメラ機能を有する電子機器（スマートフォン、ゲーム機、タブレット端末、医療機器など）、自動車などの車両、ロボットなどの移動体に適用可能である。［実施形態１］まず、第１の実施形態について説明する。＜装置構成＞図１は、本実施形態に係る測距装置の構成を例示するブロック図である。本実施形態の測距装置１００は、投光ユニット１１０、計測ユニット１２０、像側テレセントリックレンズ１３０、メイン制御部１４０およびビームスプリッタ１５０を含む。投光ユニット１１０は、発光部１１１と光学素子１１２を含む光源ユニット１１３と、光源制御部１１４と、を含む。発光部１１１は、図２で後述する複数の発光素子２１１が二次元状に配列された発光素子アレイ２１０を含む。光学素子１１２は、図２で後述するコリメータレンズアレイ２２０とマイクロレンズアレイ２３０とを含む。光源制御部１１４は、発光素子アレイ２１０の駆動を制御する。光源制御部１１４は、複数の発光素子２１１を個別に駆動したり、特定のエリアごとに駆動したりする。光源制御部１１４は、プロセッサおよびメモリを含んでもよく、メモリに格納されているプログラムを光源制御部１１４のプロセッサが実行することにより発光素子アレイ２１０の駆動を制御してもよい。また、光源制御部１１４は、メイン制御部１４０の指示に応じて発光素子アレイ２１０の駆動を制御してもよい。計測ユニット１２０は、受光部１２１、ＴＤＣ（Ｔｉｍｅ－ｔｏ－ＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｖｅｒｔｏｒ）アレイ部１２２、信号処理部１２３および計測制御部１２４を含む。受光部１２１は、図３で後述する受光素子アレイ３１０を含む。受光素子アレイ３１０は、二次元状に配列された複数の受光素子３１１を含み、各受光素子３１１は、複数のサブ受光素子３１２を含む。ＴＤＣアレイ部１２２は、サブ受光素子３１２の受光検出信号に基づいて光の飛行時間ＴＯＦを計測する。信号処理部１２３は、ＴＤＣアレイ部１２２で計測される飛行時間ＴＯＦの計測結果に基づいて受光素子ごとのヒストグラムを作成する。また、信号処理部１２３は、ヒストグラムに基づいて、１フレームにおける複数の受光素子のカウント値であるカウントマップと、物体までの距離に対応する距離マップとを含む測距結果を作成する。このように、信号処理部１２３は、所定のフレームレート（例えば、１０～３０ｆｐｓ）で測距結果を作成する。計測制御部１２４は、受光部１２１、ＴＤＣアレイ部１２２および信号処理部１２３の動作を制御する。また、計測制御部１２４は、プロセッサおよびメモリを含んでもよく、メモリに格納されているプログラムを計測制御部１２４のプロセッサが実行することにより受光部１２１、ＴＤＣアレイ部１２２および信号処理部１２３の動作を制御してもよい。また、信号処理部１２３の処理を、信号処理部１２３に代えて計測制御部１２４のプロセッサがプログラムを実行することにより実現してもよい。メイン制御部１４０は、例えばＣＰＵなどのプロセッサと、ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリとを含み、例えば、メモリに格納されているプログラムをプロセッサで実行することにより測距装置１００の全体の動作を制御する。また、本実施形態の光源制御部１１４、信号処理部１２３あるいは計測制御部１２４による処理を、メイン制御部１４０がメモリに格納されているプログラムをプロセッサで実行することにより実現してもよい。本実施形態の測距装置１００の動作の概要は以下の通りである。光源ユニット１１３は、複数の発光素子２１１が一定の周期で光を瞬時に発するパルス発光を行う。パルス発光されたパルス光は、像側テレセントリックレンズ１３０を通過して前方の空間に向けて投光される。複数の発光素子２１１のそれぞれから発光されたパルス光は、所定の走査範囲（以下、画角）における異なる領域に投光される。投光された光のうち、所定の走査範囲内に存在する物体から反射した光の一部が、像側テレセントリックレンズ１３０を通過して受光部１２１により受光される。そして、発光素子２１１により発光されたパルス光が受光部１２１により受光されるまでの時間が飛行時間ＴＯＦであり、飛行時間ＴＯＦをＴＤＣアレイ部１２２により計測する。ただし、１回の計測では、環境光等のノイズ光やダークカウントによるノイズ成分を除外できないこと、並びに、ＴＤＣアレイ部１２２の計測回路がノイズの影響等を受けることにより測距結果に大きな誤差が発生する可能性がある。そのため、発光から受光までの時間の計測（測距動作）を繰り返し行い、信号処理部１２３により飛行時間ＴＯＦの計測結果に基づいてヒストグラムを作成し、ノイズ成分の除去や計測結果の平均化等を行う。このようにして求められ飛行時間ＴＯＦを以下の式１に代入することにより、物体までの距離Ｌを高精度に求めることができる。（式１）Ｌ＝ＴＯＦ×ｃ／２式１において、ｃは光速度である。＜光源ユニットの構成＞図２は、本実施形態に係る投光ユニット１１０に含まれる光源ユニット１１３の構成を例示する模式図である。発光素子アレイ２１０は、発光素子２１１として垂直共振器面発光レーザ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬＡＳＥＲ（ＶＣＳＥＬ））が基板上に二次元状に配列されている。発光素子２１１は、垂直共振器面発光レーザに限定にする意図ではないが、一次元状または二次元状に集積可能であることが望ましい。発光素子２１１としては、例えば、端面発光型レーザ、ＬＥＤ（発光ダイオード）が適用できる。発光素子アレイ２１０は、発光素子２１１として端面発光型レーザを用いる場合は、基板上で一次元状に配列したレーザーバー、あるいは、レーザーバーを積層して二次元状に配列したレーザーバースタックを用いることもできる。また、発光素子アレイ２１０は、発光素子２１１として発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いる場合には、基板上に発光ダイオードを二次元状に配列した構成で用いることができる。本実施形態の測距装置１００は、環境光の影響を抑制するために、発光素子２１１が発する光の波長を近赤外帯域とすることが望ましいが、これに限定される意図ではなく、環境光の影響を抑制できれば、他の帯域の光であってもよい。垂直共振器面発光レーザは、端面発光型レーザや面発光レーザに使用されている材料を用いて半導体プロセスにより作成される。近赤外帯域の波長の光を放出する構成にする場合の主な材料は、ＧａＡｓ系の半導体材料を用いることができる。この場合、垂直共振器面発光レーザを構成するＤＢＲ（分布反射型）反射鏡をなす誘電体多層膜は、屈折率の異なる材料からなる２つの薄膜を交互に周期的に積層して（ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）構成することができる。発光させる光の波長を、化合物半導体の元素組み合わせや、組成を調整することで変更することができる。垂直共振器面発光レーザには、活性層に電流とホールを注入するための電極が設けられており、光源制御部１１４により注入タイミングを制御することで、任意のパルス光や、変調光を放出することが可能である。光源制御部１１４は、例えば、発光素子２１１としての垂直共振器面発光レーザを個別に駆動したり、垂直共振器面発光レーザが二次元状に配列されたＶＣＳＥＬアレイの行方向や列方向、特定のエリアごとに駆動したりすることが可能である。発光素子２１１としての垂直共振器面発光レーザから放出される光は、垂直共振器面発光レーザの開口部における回折現象により発散光となる。このため、発散光の発散角を制御したり、平行光へ変化させたりするために、コリメータレンズ２２１が二次元状に配列されたコリメータレンズアレイ２２０が（発光素子アレイ２１０と後述のマイクロレンズアレイ２３０との間に）配置される。本実施形態では、コリメータレンズアレイ２２０を構成するコリメータレンズ２２１は、発光素子２１１とそれぞれ１対１に対応するように配置される。コリメータレンズアレイ２２０によりコリメートされたＶＣＳＥＬアレイからの出射光は例えば、ＶＣＳＥＬアレイ基板に垂直な方向の平行光として変換される。なお、開口径などにより、垂直共振器面発光レーザからの放射角が小さい場合などには、コリメータレンズ２２１は省略した構成としてもよい。マイクロレンズアレイ２３０は、二次元状に配列された複数のマイクロレンズ２３１を含む。発光素子２１１が発した光は、マイクロレンズ２３１で所定の発光径となって像側テレセントリックレンズ１３０を介して投光される。＜受光素子の構成＞図３は、本実施形態に係る受光素子アレイ３１０の構成を例示する模式図である。受光素子アレイ３１０は、二次元状に配列された複数の受光素子３１１を含む。また、各受光素子３１１は、二次元状に配列された複数のサブ受光素子３１２を含む。複数のサブ受光素子はそれぞれ個別に駆動可能である。なお、図３の例では、受光素子３１１は互いに直交する水平方向（行方向）および垂直方向（列方向）にそれぞれ３個ずつの３×３のサブ受光素子が配列されているが、水平方向および垂直方向に任意の数のｍ×ｎ（ｍ、ｎは自然数）のサブ受光素子３１２が配列されていてもよい。＜投光と受光の関係＞図４は、発光素子２１１により発光された光が像側テレセントリックレンズ１３０を通過した後の投光光の状態を例示する図である。マイクロレンズ２３１と像側テレセントリックレンズ１３０は、レンズに入射する平行光が平行光としてレンズから出射するアフォーカル系の光学系である。アフォーカル系では、物体と像