JP2018185179A - 測距装置、監視装置、３次元計測装置、移動体、ロボット及び測距方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 フレームレートの低下を抑制しつつ所望の距離範囲において距離分解能を向上させることができる測距装置を提供する。
【解決手段】 距離センサ２０（測距装置）は、光源２１と、該光源２１から射出され物体で反射された光を受光して光電変換するイメージセンサ２９（撮像素子）と、光源２１の発光開始タイミングに対するイメージセンサ２９の露光期間を制御し、イメージセンサ２９に露光期間に光電変換により生じた電気信号（受光信号）を複数の位相信号に振り分けて取得させる同期制御部２０４と、複数の位相信号に基づいて、露光期間に対応する距離範囲に存在する物体までの距離を算出する画像処理部２０３と、を備える測距装置である。
【選択図】図８

Description

本発明は、測距装置、監視装置、３次元計測装置、移動体、ロボット及び測距方法に関する。

近年、物体までの距離を測定するための測距技術の開発が盛んに行われている。

例えば、特許文献１及び非特許文献１には、光源から射出され物体で反射された光を撮像素子で受光し、光源の発光タイミングと撮像素子の受光タイミングとの時間差に基づいて物体までの距離を求める、いわゆるＴＯＦ（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）演算方式を用いた測距技術が開示されている。

しかしながら、特許文献１及び非特許文献１に開示されている測距技術では、フレームレートの低下を抑制しつつ所望の距離範囲において距離分解能を向上させることに関して改善の余地があった。

本発明は、光源と、前記光源から射出され物体で反射された光を受光して光電変換する受光領域と、前記光電変換により生じた電荷を蓄積するための複数の電荷蓄積領域から成る電荷蓄積領域群と、前記電荷を排出するための電荷排出領域とを有する撮像素子と、前記電荷の送り先を前記電荷排出領域と前記電荷蓄積領域群との間で切り替えることにより、前記光源の発光開始タイミングに対して前記電荷蓄積領域群へ前記電荷を送る期間を制御し、前記期間内の異なる複数の時間帯それぞれに生じた前記電荷を前記複数の電荷蓄積領域のいずれかへ送る制御部と、前記複数の電荷蓄積領域の電荷蓄積量に基づいて、前記期間に対応する距離範囲に存在する前記物体までの距離を算出する演算部と、を備える測距装置である。

本発明によれば、フレームレートの低下を抑制しつつ所望の距離範囲において距離分解能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る距離センサを搭載した走行体の外観図である。 走行管理装置の構成を説明するためのブロック図である。 距離センサの構成を説明するための図である。 投光系を説明するための図である。 発光制御信号を説明するための図である。 光源駆動信号を説明するための図である。 受光系を説明するための図である。 距離センサにおける信号の流れを示す図である。 音声・警報発生装置の構成を説明するためのブロック図である。 イメージセンサの画素構造の一例を示す図である。 光源の発光期間と撮像素子の露光期間（電荷蓄積期間）を示すタイミング図である。 露光期間に対応する距離範囲のイメージ図である。 Ｔｄの算出方法を説明するための図である。 複数の距離範囲に対応する複数のスライス画像を取得するフレーム構成例を示す図である。 複数のスライス画像を取得する際の発光制御信号、ＴＸＤ信号を示すタイミング図（その１）である。 複数のスライス画像と複数の露光期間の対応関係を示す図である。 複数のスライス画像を取得する際の発光制御信号、ＴＸＤ信号を示すタイミング図（その２）である。 複数のスライス画像を取得する際の発光制御信号、ＴＸＤ信号を示すタイミング図（その３）である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１には、一実施形態の測距装置としての距離センサ２０を搭載した走行体１の外観が示されている。この走行体１は、荷物を目的地に無人搬送するものである。なお、本明細書では、ＸＹＺ３次元直交座標系において、路面に直交する方向をＺ軸方向、走行体１の前進方向を＋Ｘ方向として説明する。

ここでは、距離センサ２０は、一例として、走行体１の前部に取り付けられ、走行体１の＋Ｘ側（前方）の３次元情報を求める。なお、距離センサ２０による測定可能な領域を測定領域ともいう。

走行体１の内部には、一例として図２に示されるように、表示装置３０、位置制御装置４０、メモリ５０、及び音声・警報発生装置６０などが備えられている。これらは、データの伝送が可能なバス７０を介して電気的に接続されている。

ここでは、距離センサ２０と、表示装置３０と、位置制御装置４０と、メモリ５０と、音声・警報発生装置６０とによって、走行管理装置１０が構成されている。すなわち、走行管理装置１０は、走行体１に搭載されている。また、走行管理装置１０は、走行体１のメインコントローラ８０と電気的に接続されている。

距離センサ２０は、一例として図３に示されるように、投光系２０１、受光系２０２、画像処理部２０３、同期制御部２０４などを有している。そして、これらは、筐体内に収納されている。この筐体は、投光系２０１から投光される光、及び物体で反射され、受光系２０２に向かう光が通過するための窓を有し、該窓にはガラスが取り付けられている。

投光系２０１は、受光系２０２の−Ｚ側に配置されている。この投光系２０１は、一例として図４に示されるように、光源２１及び光源駆動部２５などを有している。

光源２１は、光源駆動部２５によって点灯及び消灯される。ここでは、光源２１としてＬＥＤ（発光ダイオード）が用いられているが、これに限らず、例えば半導体レーザ（端面発光レーザや面発光レーザ）等の他の光源を用いても良い。光源２１は、＋Ｘ方向に光を射出するように配置されている。なお、以下では、光源駆動部２５で生成され、光源２１を駆動するための信号を「光源駆動信号」と呼ぶ。

光源駆動部２５は、同期制御部２０４からの発光制御信号（例えばパルス幅Ｔ_０、パルス周期Ｔ_１のパルス信号、図５参照）に基づいて、光源駆動信号（図６参照）を生成する。この光源駆動信号は、光源２１に送出される。

これにより、光源２１からは、同期制御部２０４から指示されたパルス幅、パルス周期のパルス光が射出される。なお、光源２１から射出されるパルス光は、デューティ（ｄｕｔｙ）が５０％以下となるように、同期制御部２０４において設定されている。また、以下では、光源２１から射出されるパルス光を「投光波」や「投光パルス」とも呼ぶ。

走行体１のメインコントローラ８０は、走行体１を走行させる際に、位置制御の開始要求を位置制御装置４０に送出する。そして、走行体１のメインコントローラ８０は、走行体１が目的位置に到達すると、位置制御の終了要求を位置制御装置４０に送出する。

位置制御装置４０は、位置制御の開始要求、及び位置制御の終了要求を受け取ると、画像処理部２０３に送出する。

距離センサ２０から射出され物体で反射された光の一部は、距離センサ２０に戻ってくる。以下では、便宜上、物体で反射され距離センサ２０に戻ってくる光を「物体からの反射光」もしくは「反射光」ともいう。

受光系２０２は、物体からの反射光を検出する。受光系２０２は、一例として図７に示されるように、結像光学系２８及びイメージセンサ２９などを有している。

結像光学系２８は、物体からの反射光の光路上に配置され、該光を集光する。ここでは、結像光学系２８は１枚のレンズで構成されているが、２枚のレンズで構成されても良いし、３枚以上のレンズで構成されても良いし、ミラー光学系を用いても良い。

イメージセンサ２９は、結像光学系２８を介して物体からの反射光を受光する。ここでは、イメージセンサ２９として、複数の受光部（例えばＰＤ：フォトダイオード）が２次元配列されたエリアイメージセンサが用いられている。以下では、イメージセンサ２９で受光される物体からの反射光を「受光波」や「受光パルス」とも呼ぶ。イメージセンサ２９の「受光部」は「画素」とも呼ばれる。

イメージセンサ２９は、複数の画素で受光した光を画素毎に光電変換し、その電気信号（受光信号）を時間的に分割し、時間毎の複数の信号（位相信号）に振り分ける。

詳述すると、イメージセンサ２９は、受光部毎に電荷蓄積領域としてのＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３（図１０参照）を有しており、図８に示されるＴＸＤ信号がハイ（ｈｉｇｈ）のときは電荷の蓄積を行わず、ＴＸＤ信号がロー（ｌｏｗ）のときに電荷の蓄積を行う。「ＦＤ」は、フローティングディフュージョンの略語である。
より詳細には、ＴＸＤ信号がハイからローになったときにＴＸ１信号がローからハイになり、ＴＸ１信号がハイからローになったときにＴＸ２信号がローからハイになり、ＴＸ２信号がハイからローになったときにＴＸ３信号がローからハイになり、ＴＸ３信号がハイからローになったときにＴＸＤ信号がローからハイになる（図１１参照）。
ＴＸ１信号がハイの期間中、受光部で光電変換により生じた信号電荷がＦＤ１に蓄積される。
ＴＸ２信号がハイの期間中、受光部で光電変換により生じた信号電荷がＦＤ２に蓄積される。
ＴＸ３信号がハイの期間中、受光部で光電変換により生じた信号電荷がＦＤ３に蓄積される。
ＴＸＤ信号がローからハイになったときに、ＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３に蓄積された信号電荷の読み出し、リセットが行われる。
以上の説明から分かるように、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸ３信号は、受光信号を時間的に３つに分割して取得するための信号である。

同期制御部２０４は、図８に示されるように、画像処理部２０３から測定開始信号を受信すると、各回の測定毎に、発光制御信号を光源駆動部２５に出力するとともにＴＸＤ信号、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸ３信号をイメージセンサ２９に順次出力する。また、同期制御部２０４は、画像処理部２０３から測定終了信号を受信すると、上記各信号の出力を停止する。

画像処理部２０３は、イメージセンサ２９で読み出された画素毎の複数の位相信号に基づいて（後に説明する関係式を用いて）、光源２１の発光タイミング（投光波の出力タイミング）とイメージセンサ２９の当該画素の受光タイミング（受光波の入力タイミング）との時間差を求め、該時間差から物体までの距離を算出して物体の３次元情報を示す距離画像（デプスマップ）を生成し、位置制御装置４０に出力する。

詳述すると、画像処理部２０３は、後述するように測距レンジを分割して得られる複数の距離範囲に対応する複数の距離画像を統合して測距レンジ全域の距離画像を生成する。

なお、ここでは、画像処理部２０３が距離センサ２０の構成要素とされているが、これに代えて、例えばＰＣ等の外部機器に画像処理部２０３の機能を担わせても良い。

図２に戻り、位置制御装置４０は、画像処理部２０３から距離画像を受け取ると、該距離画像を表示装置３０に表示する。また、位置制御装置４０は、距離画像に基づいて、走行体１の位置が所定の位置となるように、位置制御を行う。

音声・警報発生装置６０は、一例として図９に示されるように、音声合成装置６１、警報信号生成装置６２及びスピーカ６３などを有している。

音声合成装置６１は、複数の音声データを有しており、位置制御装置４０から危険有りの情報を受け取ると、対応する音声データを選択し、スピーカ６３に出力する。

警報信号生成装置６２は、位置制御装置４０から危険有りの情報を受け取ると、対応する警報信号を生成し、スピーカ６３に出力する。

次に、イメージセンサ２９の画素構造の一例について説明する。図１０は、イメージセンサ２９の１画素を平面視したときの断面図である。イメージセンサ２９は、図１０に示されるように、画素毎に、受光信号を時間的に振り分けるための３つのゲート構造と受光信号の振り分け期間（電荷蓄積期間）を制御するための１つのゲート構造を有している。
なお、ここでは、電荷蓄積領域としてＦＤを用いた画素構造とされているが、電荷蓄積領域としてコンデンサを用いた画素構造とすることも可能である。

詳述すると、イメージセンサ２９の各画素において、受光領域を形成し光電変換を行うＰＤ（フォトダイオード）は、転送ゲートＴＧ１、ＴＧ２、ＴＧ３をそれぞれ介して電荷蓄積領域としてのＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３に接続されているとともに、ドレインゲートＤＧを介してドレイン領域ＤＲ（電荷排出領域）に接続されている。

ＦＤ１は、ドレインゲートＤＧ１を介してドレイン領域ＤＲ１に接続されている。ＦＤ２は、ドレインゲートＤＧ２を介してドレイン領域ＤＲ２に接続されている。ＦＤ３は、ドレインゲートＤＧ３を介してドレイン領域ＤＲ３に接続されている。

ここで、ＴＸＤ信号は、ドレインゲートＤＧ、ＤＧ１、ＤＧ２、ＤＧ３をオンオフ（開閉）する信号である。ＴＸ１信号は、転送ゲートＴＧ１をオンオフ（開閉）する信号である。ＴＸ２信号は、転送ゲートＴＧ２をオンオフ（開閉）する信号である。ＴＸ３信号は、転送ゲートＴＧ３をオンオフ（開閉）する信号である。なお、各ゲートにおいて「オン」は「開」を意味し、「オフ」は「閉」を意味する。
ＴＸＤ信号がハイの期間（各ドレインゲートがオンの期間）かつＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸ３信号がローの期間において、ＰＤで光電変換により生じた電荷は、ドレインゲートＤＧを介してドレイン領域ＤＲに排出される。
ＴＸＤ信号がローの期間（各ドレインゲートがオフの期間）において、ＴＸ１信号がハイの期間（転送ゲートＴＧ１がオンの期間）にＰＤで光電変換により生じた電荷は、転送ゲートＴＧ１を介してＦＤ１に転送、蓄積され、ＴＸ２信号がハイの期間（転送ゲートＴＧ２がオンの期間）にＰＤで光源変換により生じた電荷は、転送ゲートＴＧ２を介してＦＤ２に転送、蓄積され、ＴＸ３信号がハイの期間（転送ゲートＴＧ３がオンの期間）にＰＤで光電変換により生じた電荷は、転送ゲートＴＧ３を介してＦＤ３に転送、蓄積される。

そして、ＴＸＤ信号がローからハイになったとき（各ドレインゲートがオフからオンになったとき）、ＦＤ１の電圧が読み出された後ＦＤ１に蓄積された電荷がドレインゲートＤＧ１を介してドレイン領域ＤＲ１に排出され、ＦＤ２の電圧が読み出された後ＦＤ２に蓄積された電荷がドレインゲートＤＧ２を介してドレイン領域ＤＲ２に排出され、ＦＤ３の電圧が読み出された後ＦＤ３に蓄積された電荷がドレインゲートＤＧ３を介してドレイン領域ＤＲ３に排出される。すなわち、各ＦＤの電圧が読み出された後、該ＦＤの蓄積電荷量がリセットされる。

図１１には、光源の発光期間とイメージセンサ２９の露光期間（電荷蓄積期間）の関係を示すタイミング図が示されている。なお、実際には回路的な遅延があるため、ＴＸＤ信号に対して回路的な遅延分の調整を行う必要があるが、ここでは回路的遅延がないものとして説明する。

イメージセンサ２９は、受光部（画素）の受光領域上以外に遮光層が形成されており、受光領域にのみに光が入射するようになっている。上述したように、受光部に入射した光は、光電変換によって電荷（信号電荷）に変換され、その電荷はドレインゲートＤＧや転送ゲートＴＧ１〜ＴＧ３におけるバイアス制御によって、ドレイン領域ＤＲに排出されたり、ＦＤ１〜ＦＤ３に振り分けられる。

ここで、図１１に示されるタイミング図は、イメージセンサ２９の全画素に対して同時に印加されるバイアス（ＴＸＤ信号、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸ３信号）のタイミングを示している。

ＴＸＤ信号は、いわゆるグローバルシャッタの機能を有しており、光源２１の発光開始タイミング（発光制御信号の立ち上りタイミング）に対する露光期間（電荷蓄積期間）を制御するための制御信号である。以下では、発光制御信号の立ち上りタイミングからＴＸＤ信号の立ち下がりタイミングまでの時間を「遅延時間Ｔｄｅｌａｙ」と呼ぶ（図１１参照）。

ＴＸＤ信号がハイの期間は、受光信号の電荷が常にドレイン領域ＤＲに掃き出されている状態であり、リセットが継続されている状態である。つまり、ＴＸＤ信号がハイの期間は、イメージセンサ２９における非露光期間である。

そして、ＴＸＤ信号がハイからローになった瞬間から受光部に（もしくはＴＸ１信号〜ＴＸ３信号の条件によってはＦＤ１〜ＦＤ３に）電荷の蓄積が開始される。つまり、ＴＸＤ信号がローの期間がイメージセンサ２９における露光期間（電荷蓄積期間）となる。

以上の説明からわかるように、イメージセンサ２９の全画素は、グローバルシャッタにより、露光期間が一致する（露光が同時に開始され、同時に終了される）。
換言すると、イメージセンサ２９の全画素は、グローバルシャッタにより、電荷蓄積期間が一致する（電荷蓄積を同時に開始し、同時に終了する）。

次に、ＴＸＤ信号がローで、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸ３信号がそれぞれハイになる期間について説明する。

ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸ３信号それぞれのハイの期間の長さは、発光制御信号のパルス幅Ｔｗに等しく設定されている。このとき、イメージセンサ２９の各画素（各受光部）の露光期間は、３Ｔｗとなる。露光期間中に各受光部で発生した電荷は、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸ３信号がそれぞれハイの期間に、対応するＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３へ転送される。

ここで、以上の動作（発光・受光）を所定回数繰り返し行った後のＦＤ１、ＦＤ２、ＦＤ３の蓄積電荷量をそれぞれＡ１、Ａ２、Ａ３とする。

以下では、背景光成分が全く無い状態を仮定して説明する。この仮定においてＡ１、Ａ２、Ａ３を混合して得られる輝度情報には、発光タイミングからの遅れ時間をｔとしたときに、次の（１）式で表される範囲の反射光だけが反映される。
Ｔｄｅｌａｙ−Ｔｗ＜ｔ＜Ｔｄｅｌａｙ＋３Ｔｗ・・・（１）

遅れ時間ｔは、距離センサ２０から物体までの距離に依存するＴＯＦ（タイム・オブ・フライト）によって決まる量であり、光速ｃを用いて距離ｄに換算すると、次の（２）式のように表される（光の往復を考慮）。
（Ｔｄｅｌａｙ−Ｔｗ）×ｃ／２＜ｄ＜（Ｔｄｅｌａｙ＋３Ｔｗ）×ｃ／２・・・（２）
これによって、距離ｄ１（＝（Ｔｄｅｌａｙ−Ｔｗ）×ｃ／２）より近い距離範囲にある物体及び距離ｄ２（＝（Ｔｄｅｌａｙ＋３Ｔｗ）×ｃ／２）より遠い距離範囲にある物体がイメージセンサ２９の撮影画像に写りこまないため、例えば霧が発生しているようなシーンにおいて、通常は手前の霧によって見えない奥側の状態をクリアに（鮮明に）観測することが可能になる。
この原理が、非特許文献１で述べられているＧａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇの基本原理である。

上記（２）式のようにＴｄｅｌａｙとＴｗで制御可能な露光期間に対応する距離範囲にのみ存在するものだけを撮影して得られる距離画像を「スライス画像」と呼ぶこととする。

ここで、従来のＧａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇによれば、距離ｄ１と距離ｄ２の差を判別することはできないが、本実施形態では、蓄積電荷量Ａ１、Ａ２、Ａ３を用いて、以下のようにして、距離分解能がより細かい距離情報を得ることを可能にしている。

Ｃａｓｅ１：Ａ１＞Ａ３の場合、ｔａは次の（３）式により求められる。
ｔａ＝Ｔｄｅｌａｙ＋Ａ２／（Ａ１＋Ａ２）×Ｔｗ・・・（３）
このとき、Ｔｄｅｌａｙが下限値となる。
Ｃａｓｅ２：Ａ１＜Ａ３の場合、ｔａは次の（４）式により求められる。
ｔａ＝Ｔｄｅｌａｙ＋｛１＋Ａ３／（Ａ２＋Ａ３）｝×Ｔｗ・・・（４）
ここで、ｔａが距離センサ２０を用いて計測されるＴＯＦであり、ｔａと光速ｃを用いて被写体までの距離を求めることができる。

ただし、Ｃａｓｅ１における下限値はＴｄｅｌａｙであり、計測誤差の無い理想条件で考えた場合に、Ｇａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇの範囲であるＴｄｅｌａｙ−Ｔｗ＜ｔ＜Ｔｄｅｌａｙに相当する距離範囲に存在する物体は全てＴｄｅｌａｙに相当する距離となるか、または十分なＳ／Ｎが得られずに正確な計測ができていない状態になる。
同様に、Ｃａｓｅ２における上限値はＴｄｅｌａｙ＋２Ｔｗであり、計測誤差の無い理想条件で考えた場合に、Ｔｄｅｌａｙ＋２Ｔｗ＜ｔ＜Ｔｄｅｌａｙ＋３Ｔｗの範囲に相当する距離に存在する物体は全てＴｄｅｌａｙ＋２Ｔｗの距離となるか、または十分なＳ／Ｎが得られずに正確な計測ができていない状態になる。

このような距離範囲については、Ｔｄｅｌａｙ以下またはＴｄｅｌａｙ＋２Ｔｗ以上の判定がなされるだけでも有意義であり、また回避策としては複数のＧａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇ範囲で撮像した情報を合成することにより回避することが可能である。

また、以上では理想的に背景光成分が全く存在しないケースについて説明してきたが、上記Ｃａｓｅ１、２において、Ｃａｓｅ１では蓄積電荷量Ａ３が、Ｃａｓｅ２では蓄積電荷量Ａ１が背景光による電荷量に一致するので、これらを差し引くことにより、背景光が存在する環境下においても、その影響を除去した撮影、演算が可能である。

以下に具体例を示す。
図１１のタイミング図において、Ｔｄｅｌａｙ＝１５０ｎｓ、Ｔｗ＝５０ｎｓとしたとき、撮影されるスライス画像に写る最短距離は（Ｔｄｅｌａｙ−Ｔｗ）／２×ｃ＝１５ｍとなり、最長距離は（Ｔｄｅｌａｙ＋３Ｔｗ）／２×ｃ＝４５ｍとなる。
従来のＧａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇであれば、１５ｍ〜４５ｍの距離範囲にある物体を撮影しているということしか分からない。
これに対して本実施形態によれば、更にＴｄｅｌａｙ／２×ｃ〜（Ｔｄｅｌａｙ＋２Ｔｗ）／２×ｃの距離範囲にある物体までの距離を測定することができる。この例においては、２２．５ｍ〜３７．５ｍの距離範囲にある物体までの距離を測定可能となる。また、１５ｍ〜２２．５ｍの距離範囲にある物体については、２２．５ｍより近い距離にある物体であること、３７．５ｍ〜４５ｍｍの距離範囲にある物体については、３７．５ｍより遠い距離にある物体であることとして検出する（図１２参照）。
図１２は、この例（Ｔｄｅｌａｙ＝１５０ｎｓ、Ｔｗ＝５０ｎｓ）のスライス画像に含まれる距離範囲のイメージ図である。

以下に、距離センサ２０によってスライス画像内の物体の距離が測定可能になる理由を、図１３を参照して説明する。図１３は、上記Ｃａｓｅ１に該当する場合を示している。
図１３では、ｔａ＝Ｔｄｅｌａｙ＋Ｔｄ[ｓｅｃ]になっている。
Ｔｄｅｌａｙは、Ｇａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇの設定によって決まる値である。
Ｔｄは、投光系２０１から光が投光されてから、Ｇａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇの距離範囲にある物体で反射された光が受光系２０２に戻ってくるまでの時間ｔａと、Ｔｄｅｌａｙとの差分である。

従来のＧａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇ技術では、このＴｄを検出することができなかった。

これに対し、本実施形態では、反射光の信号をＴＸ１信号、ＴＸ２信号、ＴＸ３信号によって時間的に分割して検出することで、Ｔｄを導出することが可能になっている。ここでは、上述のＣａｓｅ１（Ａ１＞Ａ３の場合）を例にとって説明する。
Ｔｄは、図１３に示されるように、反射光の信号のパルス（パルス幅がＴｗ）と、ＴＸ２信号のパルスが重なる時間に等しい。よって、Ｔｄを、ＴＸ１信号、ＴＸ２信号の蓄積電荷量Ａ１、Ａ２の比から導出することが可能であり、次の（５）式により算出することができる。
Ｔｄ＝Ａ２／（Ａ１＋Ａ２）×Ｔｗ（＝Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）×Ｔｗ）・・・（５）
こうすることで、従来のＧａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇでは測定できていない、１枚のスライス画像内に写る物体毎の距離を測定することを可能にし、視界不良な条件下において遠方まで（例えば数百ｍまで）をクリアに（鮮明に）、かつ高速撮像(例えば３０ｆｐｓ以上)で距離分解能が細かい距離画像を得ることを可能にしている。

一方、従来のＧａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇ手法の場合、距離分解能の細かい距離画像を取得するには多数回の撮影により得られた距離画像を合成処理する必要があり、高速撮像ができない。

ところで、測距レンジを複数の距離範囲に分割して、該複数の距離範囲に対応する複数のスライス画像を取得すれば、同一の測距レンジをカバーするのに１つのスライス画像を取得する場合よりも各スライス画像の距離範囲を狭くすることができる。各スライス画像の距離範囲が狭いほど該距離範囲により適した条件で撮影することができる。

図１４には、複数の距離範囲に対応する複数のスライス画像を取得する場合の概念図が示されている。図１５には、複数のスライス画像を取得する際の発光制御信号、ＴＸＤ信号のタイミング図（図１４においてＸ＝Ｙ＝Ｚ＝１の場合）が示されている。図１６には、複数のスライス画像と複数の露光期間の対応関係が示されている。

ここでは、複数のスライス画像として、近距離範囲のスライス画像である近距離側スライス画像、中距離範囲のスライス画像である中距離側スライス画像、遠距離範囲のスライス画像である遠距離側スライス画像の３段階のＧａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇを行う場合を例に挙げている。

図１４〜図１６に示されるように、近距離側スライス画像取得フレーム、中距離側スライス画像取得フレーム、遠距離側スライス画像取得フレームが連続的に設定されており、これら３つのフレームから成るフレーム群が繰り返し実行される。このフレーム群における３つのフレームの順序は適宜変更可能である。

近距離側スライス画像取得フレームでは、発光期間Ｔｗ１の開始時から遅延時間Ｔｄｅｌａｙ１後に露光期間Ｔａ１が設定され、露光期間Ｔａ１後にブランク期間Ｔｂ１が設定されている。
中距離側スライス画像取得フレームでは、発光期間Ｔｗ２の開始時から遅延時間Ｔｄｅｌａｙ２後に露光期間Ｔａ２が設定され、露光期間Ｔａ２後にブランク期間Ｔｂ２が設定されている。
遠距離側スライス画像取得フレームでは、発光期間Ｔｗ３の開始時から遅延時間Ｔｄｅｌａｙ３後に露光期間Ｔａ３が設定され、露光期間Ｔａ３後にブランク期間Ｔｂ３が設定されている。
ここでは、一例として、Ｔｗ１＝Ｔｗ２＝Ｔｗ３、Ｔａ１＝Ｔａ２＝Ｔａ３であり、発光制御信号のパルス周期も一定である。
なお、露光期間をフレーム間で異ならせることで、露光期間に対応する距離範囲の長さをフレーム間で異ならせることもできる。

ここで、図１５及び図１６に示されるように、Ｔｄｅｌａｙ１＜Ｔｄｅｌａｙ２＜Ｔｄｅｌａｙ３とするのが好適である。この場合、距離センサ２０の測距レンジを大きくすることができる。

測距レンジを複数の距離範囲に分割して測定する場合（複数のスライス画像を取得する場合）、遅延時間Ｔｄｅｌａｙと露光期間により距離範囲が決まるため、遅延時間と露光期間を所望の値に設定した後、これらの設定値に応じてブランク期間を設定することが好ましい。
なお、各ＦＤの電圧を読み出す期間や該ＦＤをリセットする期間は、図１４に示されるように各距離範囲の最後のフレーム（Ｘ回目のフレーム、Ｙ回目のフレーム、Ｚ回目のフレーム）の後に設けられても良いし、図１５に示されるように各距離範囲のブランク期間内に設けられても良い。

さらに、取得した複数のスライス画像を合成することで、距離範囲毎に適した条件で撮影した距離画像を統合した測距レンジ全域の距離画像が得られ、近距離側で信号量（電荷量）の飽和が発生せず、かつ遠距離側でも十分な明るさの距離画像を得ることが可能となる。

各スライス画像の距離範囲は、時刻Ｔｄｅｌａｙ〜時刻（Ｔｄｅｌａｙ＋露光期間）のＴＯＦに相当する距離範囲となる。
特に、中距離撮影時や遠距離撮影時に、投光波を１パルスのみ受光するだけでは信号量（電荷量）が小さくなる場合には、発光・受光を複数回行って位相信号を蓄積した後、位相信号の読み出し、リセットを行うことが好ましい。
すなわち、距離センサ２０からの距離の２乗に反比例して信号光強度が低下するため、例えば図１７に示されるように、遠距離側を撮影するときほど発光・受光の回数を増やすこと（図１４においてＸ≦Ｙ≦Ｚの関係）が望ましい。
なお、近距離撮影時に、発光・受光を複数回行っても良い。

図１７では、一例として、近距離側スライス画像取得フレームで発光、受光が１回ずつとされ、中距離側スライス画像取得フレームで発光・受光の繰り返し回数が２回とされ、遠距離側スライス画像取得フレームで発光・受光の繰り返し回数が３回とされている。
そして、図１７において、近距離側スライス画像取得フレームでは、１回の発光・受光の後のブランク期間Ｔｂ１に複数の位相信号の読み出し、リセットが行われる。
中距離側スライス画像取得フレームでは、２回の発光・受光の後のブランク期間Ｔｂ２に複数の位相信号の読み出し、リセットが行われる。
遠距離側スライス画像取得フレームでは、３回の発光・受光の後のブランク期間Ｔｂ３に複数の位相信号の読み出し、リセットが行われる。
図１７の例は、図１４においてＸ＝１、Ｙ＝２、Ｚ＝３の場合の例である。図１７では、Ｔｗ１＜Ｔｗ２＜Ｔｗ３、Ｔｄｅｌａｙ１＜Ｔｄｅｌａｙ２＜Ｔｄｅｌａｙ３、Ｔａ１＝Ｔａ２＝Ｔａ３である。
なお、露光期間をフレーム間で異ならせることで、露光期間に対応する距離範囲の長さをフレーム間で異ならせることもできる。
ここでも、近距離側スライス画像取得フレーム、中距離側スライス画像取得フレーム、遠距離側スライス画像取得フレームから成るフレーム群が繰り返し実行されるが、該フレーム群における３つのフレームの順序は適宜変更可能である。発光制御信号のパルス周期は、フレーム間で、同じにしても良いし異ならせても良い。

また、ここで、ＴＸ１信号〜ＴＸＮ信号によって時間的にＮ個に分割して取得された位相信号を用いて距離演算を行うにあたって、原理的に光源の発光時間（発光制御信号のパルス幅）が短いほど距離分解能が高くなることが知られている。
しかし、光源の発光時間を短くしていくと、光波形の立ち上がり／立ち下がりが追いつかず、投光パルスの出力値が低下したり、イメージセンサの振分けのコントラストが低下する影響が生じて、実質的にＳ／Ｎが低下することが知られている。
また、上記の通りＳ／Ｎは遠距離撮像時ほど厳しい条件となるため、近距離撮影時はパルス幅を短くし、遠距離撮影時はパルス幅を長くすることが好ましい。そこで、例えば図１８に示されるように、Ｔｗ１＜Ｔｗ２＜Ｔｗ３とすることが好ましい。

図１８の例は、図１４においてＸ＝Ｙ＝Ｚ＝１の場合の例である。図１８では、Ｔｄｅｌａｙ１＜Ｔｄｅｌａｙ２＜Ｔｄｅｌａｙ３、Ｔａ１＝Ｔａ２＝Ｔａ３であり、発光制御信号のパルス周期は一定である。
なお、露光期間をフレーム間で異ならせることで、露光期間に対応する距離範囲の長さをフレーム間で異ならせることもできる。

ここで、図１６には、近距離側スライス画像と中距離側スライス画像の距離範囲が一部重複し、中距離側スライス画像と遠距離側スライス画像の距離範囲が一部重複する例が示されているが、必ずしも重複させる必要はない。
ただし、重複範囲が生じるように撮影することで、例えば近距離側スライス画像のみに写っている物体、近距離側スライス画像及び中距離側スライス画像の両方に写っている物体、中距離側スライス画像のみに写っている物体として、近距離側スライス画像及び中距離側スライス画像に対してＧａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇの情報だけを使って、物体までの距離情報を３つの距離レベルに分割することが可能になる。なお、重複範囲を設定しない場合は、スライス画像が２枚であれば２つの距離レベルにしか分割できない。
なお、距離範囲の近距離側の端は遅延時間Ｔｄｅｌａｙで決まり、距離範囲の長さ（距離範囲の近距離側の端から遠距離側の端までの距離）は露光期間で決まる。そこで、各距離範囲に対応する遅延時間と露光期間により、隣接する２つの距離範囲の重複範囲（０を含む）を調整することができる。

ところで、非特許文献１で述べられている「Ａｃｔｉｖｅ Ｇａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇ技術」によって、雨雪や霧などの視界不良時でも遠方までクリアな撮像が可能になってきている。
すなわち、従来のＧａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇにより、測距レンジを複数の距離範囲にスライスして（分割して）複数のスライス画像を取得することで、複数の距離範囲の距離情報を得ることができる。
しかし、各距離範囲の距離情報は、あくまで距離範囲毎の距離情報であって、距離範囲内の任意の位置の距離情報ではない。
そこで、測距レンジのスライス数（スライス画像の数）を増やせば、距離分解能を高めることが可能である。
しかし、スライス数を増やすことは撮影回数を増やすことにつながるため、全体の画像（全てのスライス画像）を取得するのに要する撮影時間が長くなる。
つまり、従来のＧａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇでは、距離分解能とフレームレートがトレードオフの関係にある。

以上説明した本実施形態の距離センサ２０（測距装置）は、第１の観点からすると、光源２１と、該光源２１から射出され物体で反射された光を受光して光電変換するイメージセンサ２９（撮像素子）と、光源２１の発光開始タイミングに対するイメージセンサ２９の露光期間を制御し、イメージセンサ２９に露光期間に光電変換により生じた電気信号（受光信号）を複数の位相信号に振り分けて取得させる同期制御部２０４（制御部）と、複数の位相信号に基づいて、露光期間に対応する距離範囲に存在する物体までの距離を算出する画像処理部２０３（演算部）と、を備える測距装置である。

また、本実施形態の距離センサ２０（測距装置）は、第２の観点からすると、光源２１と該光源２１から射出され物体で反射された光を受光して光電変換する受光領域と、光電変換により生じた電荷を蓄積するための複数の電荷蓄積領域（例えばＦＤ）から成る電荷蓄積領域群と、電荷を排出するための電荷排出領域（例えばドレイン領域）とを有するイメージセンサ２９（撮像素子）と、電荷の送り先を電荷排出領域と電荷蓄積領域群との間で切り替えることにより、光源２１の発光開始タイミングに対して電荷蓄積領域群へ電荷を送る露光期間（期間）を制御し、露光期間内の異なる複数の時間帯それぞれに生じた電荷を複数の電荷蓄積領域のいずれかへ送る同期制御部２０４（制御部）と、複数の電荷蓄積領域の電荷蓄積量に基づいて、露光期間に対応する距離範囲に存在する物体までの距離を算出する距離演算部２０３と、を備える測距装置である。

本実施形態の距離センサ２０では、露光期間に得られた受光信号の電荷を複数の時間成分に分割して検出するので、露光期間に対応する距離範囲に存在する物体までの距離を測定することができる。
すなわち、所望の距離範囲に存在する（スライス画像に写る）物体毎の距離を測定することができる。

結果として、本実施形態の距離センサ２０によれば、フレームレートの低下を抑制しつつ所望の距離範囲において距離分解能を向上させることができる。

一方、特許文献１では、一般的な間接ＴＯＦ法において、背景光除去のためのドレイン構造を設けた画素構造及びその駆動タイミングに関するものであって、Ｇａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇのように距離毎のスライス画像を取得するものではなく、近距離ほど高輝度で遠方ほど低輝度な画像しか得られない。

また、非特許文献１では、Ｇａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇによって距離範囲毎に適した露光タイミングで撮影されたスライス画像が得られるので、近距離側から遠距離側までのクリアな画像を取得できるが、各スライス画像については、所定の距離範囲に存在するという距離情報のみしか得ることができず、１つのスライス画像内に写っている物体毎の距離情報は得られない。例えば、Ｇａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇ条件が５ｍ〜１５ｍのスライス画像を取得したときに、その画像に写っている、５ｍの距離の物体と１５ｍの距離の物体とで距離の区別がつかない。そこで、所望の距離範囲における距離分解能を向上させるために該距離範囲をスライスして（分割して）複数のスライス画像を取得すると、撮影回数が増加しフレームレートの低下を抑制することができない。

すなわち、特許文献１や非特許文献１では、フレームレートの低下を抑制しつつ所望の距離範囲において距離分解能を向上させることに関して改善の余地があった。

また、同期制御部２０４は、制御信号（ＴＸＤ信号）を用いて発光開始タイミングから露光期間の開始タイミングまでの時間である遅延時間Ｔｄｅｌａｙを制御し、画像処理部２０３は、遅延時間と各位相信号の取得期間（上記各時間帯）の長さＴｗと各位相信号の信号量（各電荷蓄積領域の電荷蓄積量）を用いて距離を算出することが好ましい。この場合、所望の距離範囲において高精度な測距を確実に行うことができる。

また、同期制御部２０４は、制御信号を用いて複数（ｎ個）の位相信号の取得期間（上記時間帯）を制御し、露光期間の長さは、複数の位相信号の取得期間（上記時間帯）の長さＴｗを合算した長さであることが好ましい。この場合、限られた露光期間において複数の位相信号を効率良く取得することができる。

また、光源２１の発光期間Ｔｗと該発光期間に対応する露光期間の組をそれぞれが少なくとも１組含む、時間的に隣接する２つのフレーム間で、発光開始タイミングから露光期間の開始タイミングまでの時間（遅延時間）を異ならせても良い。この場合、時間的に隣接する２つのフレームにおいて異なる２つの距離範囲に存在する物体までの距離を測定することができる。さらに、この場合、距離範囲毎に適した条件で測定を行うことができるので、各距離範囲に存在する物体までの距離を精度良く算出することができる。
具体的には、視界良好な条件下のみならず視界不良な条件下においても遠方まで（例えば数百ｍまで）をクリアに、かつ高速撮像（例えば３０ｆｐｓ以上）で距離分解能が細かい距離画像を得ることが可能である。

また、時間的に隣接する２つのフレームの露光期間に対応する距離範囲は、一部重複していても良い。

また、上記組の数が、時間的に隣接する２つのフレーム間で異なっていても良い。この場合、距離範囲毎に好適な条件で測定を行うことができる。

また、時間的に隣接する２つのフレームのうち遅延時間が短い方のフレームは、遅延時間が長い方のフレームよりも上記組の数が少ないことが好ましい。
換言すると、物体までの距離を距離範囲毎に測定する際、同期制御部２０４は、複数の距離範囲のうち近距離側の距離範囲ほど光源２１の発光及びイメージセンサ２９の受光の繰り返し回数を少なくすることが好ましい。
この場合、近距離側での電荷の飽和を抑制し、かつ遠距離側での測距精度の向上を図ることができる。

また、時間的に隣接する２つのフレームのうち遅延時間が短い方のフレームは、遅延時間が長い方のフレームよりも光源２１の発光期間の長さ（発光時間）が短いことが好ましい。
換言すると、物体までの距離を距離範囲毎に測定する際、同期制御部２０４は、複数の距離範囲のうち近距離側の距離範囲ほど光源２１の発光時間（発光制御信号のパルス幅）を短くすることが好ましい。この場合、近距離側での電荷の飽和を抑制し、かつ遠距離側での測距精度の向上を図ることができる。

また、イメージセンサ２９は、２次元アレイ状に配置された複数の受光部を含むことが好ましい。この場合、２次元の距離画像を生成することができる。

なお、イメージセンサ２９は、単一の受光部を含んでいても良いし、１次元アレイ状に配置された複数の受光部を含んでいても良い。

また、距離センサ２０を有する走行体１（移動体）によれば、所望の距離範囲の任意の位置に存在する物体に対して走行体１を安全に走行させることができる。

また、本実施形態の測距方法は、第１の観点からすると、光源２１から射出され物体で反射された光をイメージセンサ２９（撮像素子）で受光して光電変換し、物体までの距離を測定する測距方法であって、光源２１の発光開始タイミングに対するイメージセンサ２９の露光期間を制御し、イメージセンサ２９に露光期間に光電変換により生じた電気信号を複数の位相信号に分けて取得させる工程と、複数の位相信号に基づいて、露光期間に対応する距離範囲に存在する物体までの距離を算出する工程と、を含む測距方法である。

また、本実施形態の測距方法は、第２の観点からすると、光源２１と、複数の電荷蓄積領域（例えばＦＤ）から成る電荷蓄積領域群及び電荷排出領域（例えばドレイン領域）を有するイメージセンサ２９（撮像素子）とを用いる測距方法であって、光源２１から射出され物体で反射された光をイメージセンサ２９で受光し光電変換により生じた電荷を電荷排出領域に送る工程と、該電荷を電荷蓄積領域群に送る工程と、を含み、電荷蓄積領域群に送る工程では、露光期間（所定期間）内の異なる複数の時間帯それぞれに生じた電荷を複数の電荷蓄積領域のいずれかへ送り、複数の電荷蓄積領域の電荷蓄積量に基づいて、露光期間に対応する距離範囲に存在する物体までの距離を算出する工程を更に含む測距方法である。

この場合、フレームレートの低下を抑制しつつ所望の距離範囲において距離分解能を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、投光系が非走査型であるが、光偏向器（例えばポリゴンミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等）を含む走査型であっても良い。この場合、例えば、一方向に配列された複数の発光部（ライン光源）からそれぞれ射出された複数の光を、発光部の配列方向に非平行な方向（例えば垂直な方向）に走査して、複数の発光部に対応して該配列方向に平行に配列された複数の受光部（ラインイメージセンサ）で受光し、距離画像を生成しても良い。また、単一の発光部からの光を光偏向手段で２次元走査して、物体からの反射光をエリアイメージセンサで受光し、距離画像を生成しても良い。

また、上記実施形態では、本発明の測距装置の一例である距離センサ２０を走行体１に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、距離センサ２０を、走行体１以外の移動体（例えば乗用車、船舶、航空機等）、監視装置、物体の３次元形状を計測する３次元計測装置、距離センサ２０が自身の位置を確認しながら自律的に移動するロボット等に用いても良い。

そこで、距離センサ２０を有する監視装置によれば、所望の距離範囲の任意の位置に存在する物体の高品質なモニタ画像を得ることができる。

また、距離センサ２０を有する３次元計測装置によれば、所望の距離範囲の任意の位置に存在する物体の３次元情報を精度良く計測することができる。

また、距離センサ２０を有するロボットによれば、所望の距離範囲の任意の位置に存在する物体に対する適切な自律移動（接近動作や離間動作や平行移動）を可能とすることができる。

また、受光部として、ＰＤの代わりに、例えばＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）、フォトトランジスタ等を用いても良い。

また、受光信号の時間的な分割数は、上記実施形態で説明した数に限らず、要は、複数であれば良い。

また、イメージセンサが画素毎に有する、受光信号を時間的に振り分けるためのゲート構造の数（電荷蓄積領域の数）や、受光信号の振り分け期間（電荷蓄積期間）を制御するためのゲート構造の数（電荷排出領域の数）は、上記実施形態で説明した数に限らず、適宜変更可能である。

また、上記実施形態では、単一のＬＥＤ（発光部）をパルス発光させ、物体からの反射光をエリアイメージセンサで受光する場合について説明したが、これに限定されるものではない。

例えば、２次元配列された複数の発光部を順次パルス点灯させ、各発光部から射出され物体で反射された光を単一の受光部で順次受光しても良い。

例えば、２次元配列された複数の発光部を同時にパルス発光させ、複数の発光部から射出され物体で反射された複数の光を２次元配列された複数の受光部でそれぞれ同時に受光しても良い。

また、例えば、物体の３次元情報（距離画像）ではなく、単にある物体までの距離を測定する場合には、投光系の発光部及び受光系の受光部は、いずれも単数であっても良い。

また、上記実施形態において、画像処理部２０３での処理の一部を位置制御装置４０が行っても良いし、位置制御装置４０での処理の一部を画像処理部２０３が行っても良い。

また、上記実施形態では、走行管理装置１０が１つの距離センサ２０を備える場合について説明したが、これに限定されるものではない。走行体の大きさ、測定領域などに応じて、複数の距離センサ２０を備えても良い。

また、上記実施形態では、距離センサ２０が走行体の進行方向を監視する走行管理装置１０に用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、走行体の後方や側面を監視する装置に用いられても良い。

以上の説明から分かるように、本発明の測距装置及び測距方法は、ＴＯＦ（タイム オブ フライト）を利用した測距技術全般に広く適用することが可能である。

すなわち、本発明の測距装置及び測距方法は、物体の２次元情報の取得や、物体の有無の検出にも用いることができる。

また、上記実施形態の説明で用いた数値、形状等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

以下に、発明者が上記実施形態を発案するに至った思考プロセスについて説明する。
ＴＯＦセンシングにおいて、背景光の蓄積量が多いと、そのショットノイズによるＳ／Ｎの劣化と、ダイナミックレンジが低下する（電荷蓄積部の容量に上限があるのでそこに背景光成分が溜まると信号成分を溜められる容量が低下する）悪影響が生じる。そこで、画素毎のドレイン構造によって背景光を除去可能なＴＯＦセンサ構造と駆動タイミングを提供する必要がある。

非特許文献１は、Ｇａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇの概略と効果確認結果が記載された論文である。Ｇａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇを用いることによって、測距レンジにおける所望の距離範囲に対して適正な露光条件で撮影が可能になり、近距離側から遠距離側まで鮮明な画像センシングが可能になる。また、霧などが発生している場合においても、所望の距離範囲にある物体だけを撮影することが可能になるので、手前の霧が画像に写り込むことがなく、遠方までのクリアな画像センシングが可能になる。

しかし、Ｇａｔｅｄ Ｉｍａｇｉｎｇを用いる場合に、距離分解能を向上させるために測距レンジの分割数（距離範囲の数）を徒に増やすと、撮影回数の増加（フレームレートの低下）を招くことが懸念される。

また、従来のアクティブ型センサは、近距離側の物体ほど高輝度になるため、遠距離側の物体を撮影しようとすると近距離側の物体の露光がオーバーになり、飽和やブルーミングが生じやすく、クリアな画像センシングができないケースが生じる。

そこで、発明者は、近距離側から遠距離側までをクリアに（鮮明に）高速で撮影可能であり、かつ高距離分解能を実現できる画像センシングを実現すべく、上記実施形態を発案した。

１…走行体（移動体）、２０…距離センサ（測距装置）、２１…光源、２９…イメージセンサ（撮像素子）、２０３…画像処理部（演算部）、２０４…同期制御部（制御部）。

特許５１１０５２０号公報 論文『Active Gated Imaging for Automotive Safety Applications』 BrightWay Vision社(SPIE IS&T /Vol.9407 94070F-18)

Claims (15)

1. 光源と、
   前記光源から射出され物体で反射された光を受光して光電変換する受光領域と、前記光電変換により生じた電荷を蓄積するための複数の電荷蓄積領域から成る電荷蓄積領域群と、前記電荷を排出するための電荷排出領域とを有する撮像素子と、
   前記電荷の送り先を前記電荷排出領域と前記電荷蓄積領域群との間で切り替えることにより、前記光源の発光開始タイミングに対して前記電荷蓄積領域群へ前記電荷を送る期間を制御し、前記期間内の異なる複数の時間帯それぞれに生じた前記電荷を前記複数の電荷蓄積領域のいずれかへ送る制御部と、
   前記複数の電荷蓄積領域の電荷蓄積量に基づいて、前記期間に対応する距離範囲に存在する前記物体までの距離を算出する演算部と、を備える測距装置。
2. 前記制御部は、制御信号を用いて前記発光開始タイミングから前記期間の開始タイミングまでの時間である遅延時間を制御し、
   前記演算部は、前記遅延時間と、前記時間帯の長さと、前記電荷蓄積量とを用いて前記距離を算出することを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
3. 前記制御部は、複数の制御信号を用いて前記複数の時間帯を制御し、
   前記期間の長さは、前記複数の時間帯の長さを合算した長さであることを特徴とする請求項１又は２に記載の測距装置。
4. 前記光源の発光期間と該発光期間に対応する前記期間の組をそれぞれが少なくとも１組含む、時間的に隣接する２つのフレーム間で、前記発光開始タイミングから前記期間の開始タイミングまでの時間が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の測距装置。
5. 前記２つのフレームの前記期間に対応する前記距離範囲は、一部重複していることを特徴とする請求項４に記載の測距装置。
6. 前記２つのフレーム間で前記組の数が異なることを特徴とする請求項４又は５に記載の測距装置。
7. 前記２つのフレームのうち前記時間が短い方のフレームは、前記時間が長い方のフレームよりも前記組の数が少ないことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一項に記載の測距装置。
8. 前記２つのフレームのうち前記時間が短い方のフレームは、前記時間が長い方のフレームよりも前記発光期間の長さが短いことを特徴とする請求項４〜７のいずれか一項に記載の測距装置。
9. 前記撮像素子は、２次元アレイ状に配置された複数の受光部を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の測距装置。
10. 前記撮像素子は、単一の受光部を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の測距装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の測距装置を有する監視装置。
12. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の測距装置を有する３次元計測装置。
13. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の測距装置を有する移動体。
14. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の測距装置を有するロボット。
15. 光源と、複数の電荷蓄積領域から成る電荷蓄積領域群及び電荷排出領域を有する撮像素子とを用いる測距方法であって、
    前記光源から射出され物体で反射された光を前記撮像素子で受光し光電変換により生じた電荷を前記電荷排出領域に送る工程と、
    前記電荷を前記電荷蓄積領域群に送る工程と、を含み、
    前記電荷蓄積領域群に送る工程では、所定期間内の異なる複数の時間帯それぞれに生じた前記電荷を前記複数の電荷蓄積領域のいずれかへ送り、
    前記複数の電荷蓄積領域の電荷蓄積量に基づいて、前記所定期間に対応する距離範囲に存在する前記物体までの距離を算出する工程を更に含む測距方法。
    

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