2022-012317

本願は、平成３１年（２０１９年）３月１５日を出願日とする特許出願であって、その手続の経緯の概略は、次のとおりである。

同年 ５月２３日付け：補正の却下の決定

（同月３１日 ：原査定の謄本の送達）

同年 ８月 ８日 ：審判請求書、手続補正書の提出

同年 ７月２１日 ：意見書の提出

ア 引用文献７の記載事項

引用文献７には、次の事項が記載されている（下線は合議体が付した。以下同様である。）。

(ア) 【０００１】－【０００３】

「【技術分野】

【０００１】

本発明は、強度を変調した変調光を対象空間に投光し、その反射光を受光して対象空間の物体について距離画像を生成する距離画像センサに関するものである。

【背景技術】

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【０００２】

従来から、強度を正弦波状などに変調した変調光を対象空間に投光し、その反射光を受光することにより対象空間に存在する物体までの距離を画素値とした距離画像を生成する距離画像センサが知られている（たとえば、特許文献１参照）。この種の距離画像センサは、変調光の投光から受光までの位相差を検出し、位相差を投光から受光までの時間差に換算している。

【０００３】

いま、強度が正弦波状に変化する変調光を用いる場合を想定する。変調光の周波数がｆ［Ｈｚ］、光束がｃ［ｍ／ｓｅｃ］、変調光の投光から受光までの位相差がφ［ｒａｄ］であるとすれば、物体までの距離ｄ［ｍ］は、以下の関係で求められる。

ｄ＝ｃ・φ／４π・ｆ

ところで、変調光の投光から受光までの位相差は、反射光を受光した時点における変調光の位相と受光強度との関係から求めることができる。ただし、受光強度は、物体までの距離により変化し、また対象空間の透過率および物体の反射率の影響も受けるから、実際に位相差を求めるには、３回以上の異なるタイミングでの受光強度を用いる必要がある。たとえば、変調光を生成する駆動信号の１周期において９０度ずつ異なる位相でタイミングを規定し、各タイミングに対応する受光強度を、それぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３とするときに、位相差φ〔ｒａｄ〕は下式で表される。

φ＝ｔａｎ-１｛（Ａ０－Ａ２）／（Ａ１－Ａ３）｝

ここで、上式から明らかなように、位相差φが２πの正の整数倍だけ異なっていても位相差φを区別することができない。すなわち、上式ではアークタンジェントの主値を位相差φに用いるから、φとφ＋２πとφ＋４πとは区別することができない。たとえば、ｆ＝２０ＭＨｚとすれば、距離画像の画素に与えることができる最大距離は、３×１０８×２π／４π・２０×１０６＝７．５［ｍ］であり、７．５［ｍ］を超える距離は７．５［ｍ］以下の距離と区別することができない。一例を示すと、３［ｍ］と１０．５［ｍ］とは区別することができない。このように動作原理によって決定される最大距離を、以下では、「限界距離」と呼ぶ。」

(イ) 【００１８】－【００３２】、【図１】、【図２】

「【発明を実施するための形態】

【００１８】

本実施形態において説明する距離画像センサは、対象空間に投光するとともに、対象空間に存在する物体（人間や動物を含む）からの反射光を受光し、投光から受光までの時間差に相当する情報を用いて物体までの距離を検出する構成を備える。この種の技術は、飛行時間法（Time Of Flight）と呼ばれている。

【００１９】

距離画像センサは、図１に示すように、発光源１１から対象空間に投光し、対象空間における物体からの反射光をＣＣＤイメージセンサのような撮像素子１２で受光するアクティブ型に構成されている。発光源１１からは時間とともに強度が変化する変調光が出射され、物体で反射され撮像素子１２で受光された変調光と投光した変調光との位相差を、投光から受光までの時間差に相当する情報として用いる。変調光の変調波形は、正弦波、三角波、鋸歯状波、方形波などから選択する。また、変調光の周期は一定とする。

」

「【図１】

［図：0001405342000001.jpg］

」

「【００２０】

撮像素子１２は、複数個の受光領域（画素）が二次元配列されたＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサとして周知の構成のものを用いることができる。ただし、撮像素子１２は、距離画像センサに適する特別な構造を有するように設計されていてもよい。この種の撮像素子１２は、基本的な構造については、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサと類似しているが、１画素について複数個の受光領域を有し、受光領域ごとの受光感度が電気信号により制御可能になっている。

【００２１】

撮像素子１２の各受光領域では受光強度（実際には、受光量）に応じた量の電荷を生成する。受光領域の受光感度を制御するのは、変調光を受光するタイミングを制御することによって投光と受光との位相差を含む情報を検出するためである。また、この撮像素子は、各受光領域で生成された電荷を変調光の変調周期の整数倍の期間に亘って蓄積する蓄積領域を有し、さらに、受光領域で生成した電荷のうち変調光ではない環境光ないし周囲光の成分を低減させる機能を備える場合もある。

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【００２２】

以下では、距離画像センサの一構成例として下記構成を想定して説明する。ただし、変調光の変調波形、撮像素子の構成、撮像素子の制御などに関して、周知の種々の距離画像センサに提供された構成に置換することが可能である。

【００２３】

距離画像センサは、図１に示すように、画像生成部１０とフィルタ処理部２０とを備える。画像生成部１０は、発光源１１から対象空間に変調光を投光し、その反射光を撮像素子１２で受光することにより、撮像素子１２の視野内に設定された対象空間に存在する物体について距離画像と濃淡画像とを生成する。一方、フィルタ処理部２０は、画像生成部１０で生成された距離画像において、濃淡画像の光量が所定の閾値以下の画素に規定値を付与する。さらに、フィルタ処理部２０は、規定値の画素に隣接する規定値以外の画素に対して隣接する画素の画素値を付与する。

【００２４】

画像生成部１０は、光を出射する発光源１１と、対象空間からの光を受光する撮像素子１２とを備える。発光源１１には、発光ダイオードやレーザダイオードのように入力の瞬時値に比例した光出力が得られる発光素子を用いる。また、発光源１１から出射する光量を確保するために、発光源１１は適数個の発光素子を用いて構成される。発光源１１から出射された変調光は投光光学系１３を通して対象空間に投光される。一方、撮像素子１２は、受光光学系１４を通して対象空間からの光を受光する。投光光学系１３と受光光学系１４とは、投受光の方向を平行にして互いに近接して配置してある。

【００２５】

画像生成部１０は、発光源１１と撮像素子１２とに与える駆動信号を出力するタイミング制御部１５と、発光源１１に与える駆動信号と撮像素子１２の各受光領域の受光量との関係により濃淡画像および距離画像を出力する画像出力部１６とを備える。

【００２６】

タイミング制御部１５は、図２（ａ）のように、発光源１１に対して駆動信号を間欠的に与える。駆動信号は、［当審注：ここに「図２(ａ)」の脱字があると考えられる。］に示すように、電圧が一定周波数（たとえば、２０ＭＨｚ）の正弦波形で変化し、図２（ｂ）に示すように、光出力（光の強度）が正弦波状に変化する変調光を発光源１１から対象空間に投光させる。発光源１１に駆動信号を与えることにより、強度が変調された変調光が投光されるから、この駆動信号を以下では、「変調信号」と呼ぶ。変調信号を発光源１１に与えている期間Ｔ１は対象空間に変調光を投光する投光期間に対応し、変調信号を発光源１１に与えていない期間（休止期間）Ｔ２は変調光を投光しない非投光期間に対応する。発光源１１が発光ダイオードである場合には、電流制限抵抗を介して発光ダイオードに変調信号の電圧を印加することにより、発光ダイオードの通電電流を変化させ変調光を出射させる。

【００２７】

撮像素子１２は、電子シャッタの技術を用いることで、駆動信号に同期する期間にのみ各受光領域において受光強度に応じた電荷を生成する。また、撮像素子１２は、受光領域で生成された電荷を、遮光された蓄積領域に転送し、蓄積領域において変調信号の複数周期（たとえば、１００００周期）に相当する蓄積期間に蓄積した後に、受光出力として外部に取り出す。

【００２８】

撮像素子１２を駆動する駆動信号は、発光源１１に与える変調信号（駆動信号）に同期するように生成される。ここでは、変調信号の１周期における異なる４位相を規定し、これらの位相ごとに一定時間幅の受光期間を設定する４種類の駆動信号を生成する。また、撮像素子１２の駆動に際しては蓄積期間が設定され、蓄積期間ごとに４種類の駆動信号のうちの各１種類の駆動信号を撮像素子１２に与える。この駆動信号は、撮像素子１２の各受光領域での受光期間を規定する。以下では、この駆動信号を「受光タイミング信号」と呼ぶ。

【００２９】

１種類の受光タイミング信号で規定される受光期間において受光領域で生成された電荷は１回の蓄積期間において蓄積され、蓄積後の電荷が受光出力として撮像素子１２の外部に取り出される。ここでは、撮像素子１２の１画素に１個の受光領域を対応付けている場合を想定している。したがって、受光領域で生成された電荷を蓄積期間に蓄積する処理を４回繰り返すことにより、４回の蓄積期間で４種類の受光タイミング信号に対応する受光出力が撮像素子１２の外部に取り出される。

【００３０】

いま、図２（ｃ）のように、変調信号の１周期において９０度ずつ異なる４位相を規定し、各位相ごとに受光タイミング信号を規定する。この場合、各受光タイミング信号に対応する受光出力（電荷量）を、それぞれＡ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３とするときに、位相差φ〔ｒａｄ〕は下式で表される。

φ＝ｔａｎ-１｛（Ａ０－Ａ２）／（Ａ１－Ａ３）｝

変調信号の周波数をｆ〔Ｈｚ〕とすれば、投光から受光までの時間差Δｔは位相差φを用いて、Δｔ＝φ／２π・ｆと表されるから、光速をｃ〔ｍ／ｓ〕とすると、物体までの距離は、ｃ・φ／４π・ｆと表すことができる。

」

「【図２】

［図：0001405342000002.jpg］

」

「【００３１】

すなわち、４種類の受光出力（電荷量）Ａ０～Ａ３により物体までの距離を求めることができる。なお、受光タイミング信号で規定される受光期間の時間幅は、受光領域において適正な受光量が得られるように、適宜に設定することができる（たとえば、変調信号の４分の１周期に相当する時間幅とすることができる）。ただし、各受光期間の時間幅は互いに等しくする必要がある。

【００３２】

画像出力部１６は、上述のように、受光出力（電荷量）Ａ０～Ａ３に基づいて投光から受光までの時間差に相当する情報としての位相差φを求め、対象空間の物体までの距離に換算する。したがって、画像出力部１６は、受光領域（すなわち、画素）に物体までの距離を対応付けた距離画像を出力する距離画像出力部１７を備える。さらに、画像出力部１６は、投光期間と非投光期間との受光量の差を求めることにより、変調光の反射光成分に相当する濃淡値を各受光領域に対応付けた濃淡画像を出力する濃淡画像出力部１８も備える。画像出力部１６は、マイコンを用いて構成され、上述した処理は、マイコンにより実行されるプログラムで実現される。」

イ 引用文献７の記載から読み取れる事項の認定

(ア)ａ 前記アで摘記した段落【００２６】には、次の記載がある。

「発光源１１が発光ダイオードである場合には、電流制限抵抗を介して発光ダイオードに変調信号の電圧を印加することにより、発光ダイオードの通電電流を変化させ変調光を出射させる。」

ｂ ここで、距離画像センサの画像生成部１０において、「発光源１１」の「発光ダイオード」は、「変調信号の電圧」が「印加」され、これにより「通電電流」が「変化」して「変調光」を生ずるものであるから、「発光源１１」の「発光ダイオード」に電力を供給する構成が距離画像センサの画像生成部１０に備わっていることは、明らかである。

ｃ したがって、引用文献７の記載から次の事項（以下「認定事項１」という。）を認定することができる。

［認定事項１］

「画像生成部１０は、発光源１１に電力を供給する構成を備えること。」

(イ) 前記アで摘記した【図２】(b)を次に再掲する。

［図：0001405342000003.jpg］

段落【００２６】の「図２（ｂ）に示すように、光出力（光の強度）が正弦波状に変化する変調光を発光源１１から対象空間に投光させる。」との記載を参酌しつつ【図２】(b)を参照すると、【図２】(b)の横軸は時間である。そうすると、【図２】(b)から、次の事項（以下「認定事項２」という。）が見て取れる。

［認定事項２］

「投光強度の時間波形は、投光強度の時間平均値に相当する直流成分と正弦波成分からなること。」

ウ 引用発明の認定

前記アで示した摘記事項及び前記イで示した引用文献７の記載から読み取れる事項を総合すると、引用文献７には、次に示す発明（以下「引用発明」という。）が記載されていると認められる。

［引用発明］

「対象空間に投光するとともに、対象空間に存在する物体からの反射光を受光し、投光から受光までの時間差に相当する情報を用いて物体までの距離を検出する、飛行時間法（Time Of Flight）による距離画像センサであって、（【００１８】）

距離画像センサは、画像生成部１０を備え、（【００２３】）

画像生成部１０は、光を出射する発光源１１と、対象空間からの光を受光する撮像素子１２とを備え、（【００２４】）

発光源１１には、発光ダイオードのように入力の瞬時値に比例した光出力が得られる発光素子を用い、

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発光源１１から出射された変調光は投光光学系１３を通して対象空間に投光され、（【００２４】）

画像生成部１０は、発光源１１と撮像素子１２とに与える駆動信号を出力するタイミング制御部１５と、発光源１１に与える駆動信号と撮像素子１２の各受光領域の受光量との関係により距離画像を出力する画像出力部１６とを備え、（【００２５】）

距画像生成部１０は、発光源１１に電力を供給する構成を備え、（前記認定事項１）

タイミング制御部１５は、発光源１１に対して駆動信号を与え、駆動信号は、電圧が一定周波数（たとえば、２０ＭＨｚ）の正弦波形で変化し、光出力（光の強度）が正弦波状に変化する変調光を発光源１１から対象空間に投光させるものであって、発光源１１が発光ダイオードである場合には、電流制限抵抗を介して発光ダイオードに変調信号の電圧を印加することにより、発光ダイオードの通電電流を変化させ変調光を出射させるものであり、（【００２６】）

投光強度の時間波形は、投光強度の時間平均値に相当する直流成分と正弦波成分とからなり、（前記認定事項２）

画像出力部１６は、受光出力（電荷量）Ａ０～Ａ３に基づいて投光から受光までの時間差に相当する情報としての位相差φを求め、対象空間の物体までの距離に換算するものであり、（【００３２】）

位相差φ〔ｒａｄ〕は、次に示す（式Ａ）で表わされ、

（式Ａ）φ＝ｔａｎ-１｛（Ａ０－Ａ２）／（Ａ１－Ａ３）｝

物体までの距離は、変調信号の周波数をｆ〔Ｈｚ〕とし、光速をｃ〔ｍ／ｓ〕として、次に示す（式Ｂ）で表わされる、

（式Ｂ）ｃ・φ／４π・ｆ（【００３０】）

距離画像センサ。」

ア 引用文献８の記載事項

引用文献８の１頁左欄１３行－同項右欄１４行及び第１図には、次の事項が記載されている。

「発光ダイオード（以下ＬＥＤと略す）を用いた光のＩＭ変調（強度変調）を行う場合、ＬＥＤの電流対光出力の非線形特性のため、出力信号に歪が生じることが知られている。第１図に示すのはＬＥＤの駆動電流対出力光パワーの関係を示す一例である。図において駆動電流Ｉを増加していけばＬＥＤの光出力パワーＰは次第に増加するがその関係は非線形となつている。

領域Ａの非線形部分はダイオードの電圧対電流特性の非線形に起因するもので、又領域Ｂの非線形部分は駆動電流による温度上昇の為発光効率が低下することに起因している。以下に述べる本発明は領域Ｂの非線形を問題にしており、Ａ領域は対象としていない。このＡとＢの領域の間は、はは直線領域となっており、従来ＬＥＤをアナログ変調する場合歪の小さい信号を送るためにはこの直線領域のほぼ中間に固定バイアス電流をとつて、この領域内で振幅変調をしなければならず変調度を大きくすることができなかった。逆に変調度を大きくすると振幅は非線形領域に入り込み、歪率特性の劣化をもたらす。」

「

［図：0001405342000004.jpg］

」

イ 技術常識の認定

前記アで示した引用文献８の記載に例示されるように、次に示す技術事項は技術常識であると認められる（以下「技術常識」という。）。

［技術常識］

「ＬＥＤの駆動電流が小さくＬＥＤの光出力パワーがゼロとなる付近においては、ＬＥＤの駆動電流とＬＥＤの光出力パワーの関係が非線形となるため、歪の小さい光出力の信号とするために、ＬＥＤの駆動電流とＬＥＤの光出力パワーの関係が線形領域となる部分のほぼ中間に固定バイアス電流をとって、この領域内で振幅変調をすること。」

ア 「前記測定部における前記測定対象物までの距離計算では、前記駆動電流のオフセット処理は、引き算されることでキャンセルされる」点は、引用文献７にこのような直接の表現の記載がないとしても、前記２(１)オにおいて検討したとおり、引用発明も備えているものであるから、請求人の主張は採用できない。

イ なお、前記２(１)オにおける検討を数式で表現したものとして特開２００６－１５３７７３号公報を挙げる。

当該文献には、次の事項が記載されているところ、段落【００１８】を参照すると、「直流成分（外光成分と反射光成分との平均値）」である「Ｂ」が、「（Ａ２－Ａ０）」等の差分の演算によって相殺されることが理解できる。

「【０００６】

本発明は、強度変調した光の投光時と受光時との位相差を用いて対象物までの距離を測定する構成を採用しながらも、移動する対象物について三次元空間における存在範囲を特定できるようにした距離画像センサを提供することを目的とする。」

「【００１８】

図２（ａ）に示すように、発光源２から空間に放射する光の強度が曲線イのように変化し、光検出素子１で受光した受光光量が曲線ロのように変化するとすれば、位相差ψは飛行時間に相当するから、位相差ψを求めることにより対象物Ｏｂまでの距離を求めることができる。また、位相差ψは、曲線イの複数のタイミングで求めた曲線ロの受光光量を用いて計算することができる。たとえば、曲線イにおける位相が０度、９０度、１８０度、２７０度の位相で求めた曲線ロの受光光量がそれぞれＡ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３であるとする（受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を斜線部で示している）。ただし、各位相における受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３は、瞬時値ではなく所定の受光期間Ｔｗで積算した受光光量を用いる。いま、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を求める間に、位相差ψが変化せず（つまり、対象物Ｏｂまでの距離が変化せず）、かつ対象物Ｏｂの反射率にも変化がないものとする。また、発光源２から放射する光の強度を正弦波で変調し、時刻ｔにおいて光検出素子１で受光される光の強度がＡ・ｓｉｎ（ωｔ＋δ）＋Ｂで表されるものとする。ここに、Ａは振幅、Ｂは直流成分（外光成分と反射光成分との平均値）、ωは角振動数、δは初期位相である。光検出素子１で受光する受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３を受光期間Ｔｗの積算値ではなく瞬時値とし、変調の周期に同期した時刻ｔ＝ｎ／ｆ（ｎ＝０、１、２、…、ｆは変調の周波数）における受光光量を、Ａ０＝Ａ・ｓｉｎ（δ）＋Ｂとすれば、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３は、次のように表すことができる。なお、反射光成分とは、発光源２から放射され対象物Ｏｂにより反射された後に光検出素子１に入射する光の成分を意味する。

Ａ０＝Ａ・ｓｉｎ（δ）＋Ｂ

Ａ１＝Ａ・ｓｉｎ（π／２＋δ）＋Ｂ

Ａ２＝Ａ・ｓｉｎ（π＋δ）＋Ｂ

Ａ３＝Ａ・ｓｉｎ（３π／２＋δ）＋Ｂ

図２では位相差がψであるから、光検出素子１で受光する光の強度変化の波形における初期位相δ（時刻ｔ＝０の位相）は－ψになる。つまり、δ＝－ψであるから、Ａ０＝－Ａ・ｓｉｎ（ψ）＋Ｂ、Ａ１＝Ａ・ｃｏｓ（ψ）＋Ｂ、Ａ２＝Ａ・ｓｉｎ（ψ）＋Ｂ、Ａ３＝－Ａ・ｃｏｓ（ψ）＋Ｂであり、結果的に、各受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３と位相差ψとの関係は、次式のようになる。

ψ＝ｔａｎ-１｛（Ａ２－Ａ０）／（Ａ１－Ａ３）｝・・・（１）

（１）式では受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３の瞬時値を用いているが、受光光量Ａ０、Ａ１、Ａ２、Ａ３として受光期間Ｔｗにおける積算値を用いても（１）式で位相差ψを求めることができる。」

「【図２】

［図：0001405342000005.jpg］

」