測距裝置以及測距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在對目標(biāo)物進(jìn)行拍攝的同時，測量到目標(biāo)物的距離的 T0F(Time-0f-Flight :飛行時差）方式的測距裝置以及測距方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 專利文獻(xiàn)1公開了 TOF方式的測距裝置。該測距裝置所采用的方式是，向目標(biāo)物照 射具有規(guī)定的脈沖寬度的光（探測光），并通過受光元件接受其反射光，來求出到目標(biāo)物的 距離。即，通過向目標(biāo)物反復(fù)射出探測光，來測量從探測光的射出時刻到返回時刻的期間， 也就是說通過計測探測光的飛行時間來測量到目標(biāo)物的距離。并且，生成距離圖像，該距離 圖像是指，受光元件的各個像素中的測距結(jié)果被排列成二維的數(shù)據(jù)。通過利用距離圖像，從 而能夠以圖像的濃淡（像素值），對到多個目標(biāo)物的距離進(jìn)行一并識別。
[0003] (現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)）
[0004] (專利文獻(xiàn)）
[0005] 專利文獻(xiàn)1日本特表2004-538491號公報

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供一種能夠得到距離運算結(jié)果誤差小的距離圖像的測距裝置以及測距 方法。
[0007] 本發(fā)明中的測距裝置包括：光源，在規(guī)定的時間內(nèi)，射出具有相同的脈沖波形的第 一脈沖光、第二脈沖光以及第三脈沖光；受光元件，在該受光元件中，多個傳感器排列成陣 列狀，所述多個傳感器與所述光源同步地，檢測從所述光源射出的各個脈沖光照射目標(biāo)物 而產(chǎn)生的反射光，并轉(zhuǎn)換為電信號，并在規(guī)定的曝光時間內(nèi)進(jìn)行蓄積；以及運算部，利用第 一蓄積量、第二蓄積量、以及第三蓄積量，導(dǎo)出到所述目標(biāo)物的距離，所述第一蓄積量是由 從第一時刻開始在所述規(guī)定的曝光時間內(nèi)檢測到包含有所述第一脈沖光照射所述目標(biāo)物 而產(chǎn)生的反射光的光的所述傳感器輸出的，所述第二蓄積量是由從第二時刻開始在所述規(guī) 定的曝光時間內(nèi)檢測到包含有所述第二脈沖光照射所述目標(biāo)物而產(chǎn)生的反射光的光的所 述傳感器輸出的，所述第三蓄積量是由從第三時刻開始在所述規(guī)定的曝光時間內(nèi)檢測到包 含有所述第三脈沖光照射所述目標(biāo)物而產(chǎn)生的反射光的光的所述傳感器輸出的，所述運算 部導(dǎo)出第一導(dǎo)出量以及第二導(dǎo)出量，并根據(jù)與所述傳感器分別對應(yīng)的所述第一導(dǎo)出量以及 所述第二導(dǎo)出量，來導(dǎo)出與所述傳感器的每一個對應(yīng)的所述距離，所述第一導(dǎo)出量是利用 所述第一蓄積量以及所述第二蓄積量而被導(dǎo)出的，所述第二導(dǎo)出量是利用所述第三蓄積量 以及所述第二蓄積量而被導(dǎo)出的，從所述第一脈沖光的開始射出時刻到所述第一時刻為止 的延遲時間，比從所述第二脈沖光的開始射出時刻到所述第二時刻為止的延遲時間大，從 所述第二脈沖光的開始射出時刻到所述第二時刻為止的延遲時間，比從所述第三脈沖光的 開始射出時刻到所述第三時刻為止的延遲時間大。
[0008] 并且，本發(fā)明中的測距方法包括如下的步驟，在規(guī)定的時間內(nèi)，從光源射出具有相 同的脈沖波形的第一脈沖光、第二脈沖光以及第三脈沖光；與所述光源同步地，由被排列成 陣列狀的多個傳感器，檢測從所述光源射出的各個脈沖光照射目標(biāo)物而產(chǎn)生的反射光，并 轉(zhuǎn)換為電信號，并在規(guī)定的曝光時間內(nèi)進(jìn)行蓄積；利用第一蓄積量、第二蓄積量、以及第三 蓄積量，導(dǎo)出到所述目標(biāo)物的距離，所述第一蓄積量是由從第一時刻開始在所述規(guī)定的曝 光時間內(nèi)檢測到包含有所述第一脈沖光照射所述目標(biāo)物而產(chǎn)生的反射光的光的所述傳感 器輸出的，所述第二蓄積量是由從第二時刻開始在所述規(guī)定的曝光時間內(nèi)檢測到包含有所 述第二脈沖光照射所述目標(biāo)物而產(chǎn)生的反射光的光的所述傳感器輸出的，所述第三蓄積量 是由從第三時刻開始在所述規(guī)定的曝光時間內(nèi)檢測到包含有所述第三脈沖光照射所述目 標(biāo)物而產(chǎn)生的反射光的光的所述傳感器輸出的；導(dǎo)出第一導(dǎo)出量以及第二導(dǎo)出量，并根據(jù) 與所述傳感器分別對應(yīng)的所述第一導(dǎo)出量以及所述第二導(dǎo)出量，來導(dǎo)出與所述傳感器的每 一個對應(yīng)的所述距離，所述第一導(dǎo)出量是利用所述第一蓄積量以及所述第二蓄積量而被導(dǎo) 出的，所述第二導(dǎo)出量是利用所述第三蓄積量以及所述第二蓄積量而被導(dǎo)出的，從所述第 一脈沖光的開始射出時刻到所述第一時刻為止的延遲時間，比從所述第二脈沖光的開始射 出時刻到所述第二時刻為止的延遲時間大，從所述第二脈沖光的開始射出時刻到所述第二 時刻為止的延遲時間，比從所述第三脈沖光的開始射出時刻到所述第三時刻為止的延遲時 間大。
[0009] 本發(fā)明中的測距裝置以及測距方法能夠有效地得到距離運算結(jié)果誤差小的距離 圖像。
【附圖說明】
[0010] 圖1是示出實施方式1所涉及的測距裝置的主要構(gòu)成要素的方框圖。
[0011] 圖2是示出實施方式1所涉及的測距裝置的每個時間波形的一個例子的時序圖。
[0012] 圖3是示出實施方式1所涉及的測距裝置中的距離L與導(dǎo)出量SA/SB的關(guān)系的圖 表。
[0013] 圖4是示出實施方式1所涉及的測距裝置中的距離L與導(dǎo)出量SC/SB的關(guān)系的圖 表。
[0014] 圖5是示出實施方式1所涉及的測距裝置中的距離L與導(dǎo)出量SA/SB以及導(dǎo)出量 SC/SB的關(guān)系的圖表。
[0015] 圖6是示出實施方式1所涉及的測距裝置的工作順序的流程圖。
[0016] 圖7是示出實施方式2所涉及的測距裝置中的距離L與導(dǎo)出量SA/SB以及導(dǎo)出量 SC/SB的關(guān)系的圖表。
[0017] 圖8是示出在實施方式2所涉及的測距裝置中，對曝光時間進(jìn)行調(diào)查的工作順序 的流程圖。
[0018] 圖9是示出從測距裝置的光源射出的探測光的時間波形的圖表。
【具體實施方式】
[0019] 本申請的發(fā)明人員發(fā)現(xiàn)以往的測距裝置存在以下的問題。
[0020] 在采用了上述專利文獻(xiàn)1所記載的以往的TOF方式的裝置中，例如將距離分辯力 設(shè)為幾十cm、將測量范圍設(shè)為幾 m左右的情況下，飛行時間的變化幅度為幾 ns量級、反復(fù)測 量的次數(shù)為幾千~幾萬次左右。即，在以往的裝置中，需要能夠以幾 ns量級的非常高的精 確度來控制積分窗口的控制電路，并且需要快速的應(yīng)答，以便能夠針對脈沖狀的探測光以 幾十ns量級來進(jìn)行發(fā)光/滅燈的切換。
[0021] 因此，如專利文獻(xiàn)1的記載所示，難于將探測光以矩形波來進(jìn)行處理，在進(jìn)行求出 到目標(biāo)物的距離的計算時，需要考慮到探測光波形的上升和下降。以下，參照圖9所示的計 算過程。
[0022] 圖9是示出從測距裝置的光源射出的探測光的發(fā)光強度的時間波形的圖表。
[0023] 如圖9所示，關(guān)于時刻t中的探測光的發(fā)光強度P，在將探測光的發(fā)光開始時刻設(shè) 為t = 0時，由下式來表示。
[0024] [數(shù) 1]
[0028] 在此，"為發(fā)光波形上升的時間常數(shù)、τ ,為發(fā)光波形下降的時間常數(shù)、T。為從發(fā) 光波形開始上升到開始下降的時間、I為發(fā)光波形完全上升時的發(fā)光強度、i為發(fā)光波形下 降開始時刻中的發(fā)光強度。
[0029] 由探測光照射目標(biāo)物而產(chǎn)生的反射光，在設(shè)定了一定的曝光時間后由受光元件吸 收。在此，受光元件由排列成陣列狀的多個傳感器構(gòu)成。將探測光的發(fā)光開始時刻設(shè)為t =0、則從t = Tu+tglj t = Tu+t2為曝光期間。Tu為曝光時間開始觸發(fā)信號的發(fā)送時刻，t i 為從曝光時間開始觸發(fā)信號被發(fā)送到在受光元件實際開始曝光為止的延遲時間（時間延 遲），t2為從曝光時間開始觸發(fā)信號被發(fā)送到在受光元件的曝光完全結(jié)束為止的時間。在 將探測光的飛行時間（反射光的延遲時間）設(shè)為t f的情況下，各個傳感器（j，k)所吸收的 反射光的蓄積量Gj,k(T u，tf)按照飛行時間tf的范圍由下式來表示。
[0030] i)在 tf< t !+Tu-T0時，
[0031] [數(shù) 3]
[0037][數(shù) 5]
?
[0042] 在此，在各個式所使用的變量中的τκ、Tpmt2U以及i為裝置固有的值， 設(shè)計并制造測距裝置一方能夠自行進(jìn)行設(shè)定，Q為目標(biāo)物的反射率、或依存于到目標(biāo)物的距 離等的探測光或反射光自身衰減所決定的值，測量者在拍攝前不能得到該值。因此，針對蓄 積量S = G(Tu，tf)僅進(jìn)行一次的測量是不能算出飛行時間tf的。因此，以不同的曝光期間 進(jìn)行第二次的蓄積量S' =G'（Tu'，tf)的測量，從而能夠?qū)С龀ㄟ\算結(jié)果的導(dǎo)出量S/S' = G(Tu，tf)/G'（Tu'，tf)，與上式中的Q相抵消，從而求出飛行時間t f。在求出飛行時間tf 時，則能夠通過下式求出到目標(biāo)物的距離L。在此，c為光速299792458m/s。
[0043] [數(shù) 7]
[0045] 導(dǎo)出量S/S'的值根據(jù)Tu以及T u'的值而被大致分為兩種。一種是，到目標(biāo)物的距 離越大，則導(dǎo)出量S/S'的值就越大。此時，關(guān)于從探測光的開始射出時刻到開始曝光為止 的延遲時間，TJt 1XC+ti、即、TU>TU'成立。另一種是，到目標(biāo)物的距離越小，而導(dǎo)出量S/S' 的值就越大。此時，!；+^17+七 1、即1；〈17成立。并且，在此的上述延遲時間可以取正值的 時間或負(fù)值的時間，在正的情況下，意味著在探測光的開始射出時刻之后開始曝光，在負(fù)的 情況下，意味著在探測光的開始射出時刻之前開始曝光。
[0046] 在TU>TU'的情況下，目標(biāo)物越位于與受光元件的距離近的位置，則目標(biāo)物的位置 發(fā)生變化時的導(dǎo)出量S/S'的值的變化量就越小。因此，在與受光元件的距離比較小的情況 下，由于在從受光元件獲得蓄積量S以及蓄積量S'時而被疊加的干擾成分，而蓄積量S以 及蓄積量s'的值即使很小的變動，也容易在這些被算出的距離運算結(jié)果中產(chǎn)生誤差。艮口， 在T U>TU'的情況下，不適于進(jìn)行位于近的位置的目標(biāo)物的測量。
[0047] 另外，在TU〈TU'的情況下，目標(biāo)物越位于與受光元件的距離遠(yuǎn)的位置，則目標(biāo)物的 位置發(fā)生變化時的導(dǎo)出量S/S'的值的變化量就越小，距離運算結(jié)果中容易產(chǎn)生誤差，不適 于位于遠(yuǎn)的位置的目標(biāo)物的測量。
[0048] 本發(fā)明基于上述的見解，通過本申請發(fā)明人員的銳意探討，想到了一種無論從受 光元件到目標(biāo)物的距離如何，都能夠降低距離運算結(jié)果的誤差的測距裝置。