特許 5679549 距離測定方法、距離測定システム及び距離センサー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5679549

(24)【登録日】2015年1月16日

(45)【発行日】2015年3月4日

(54)【発明の名称】距離測定方法、距離測定システム及び距離センサー

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/32 20060101AFI20150212BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20150212BHJP

【ＦＩ】

   G01S17/32

   G01C3/06 120Q

【請求項の数】20

【全頁数】37

(21)【出願番号】特願2010-196004(P2010-196004)

(22)【出願日】2010年9月1日

(65)【公開番号】特開2011-53216(P2011-53216A)

(43)【公開日】2011年3月17日

【審査請求日】2013年7月8日

(31)【優先権主張番号】10-2009-0082150

(32)【優先日】2009年9月1日

(33)【優先権主張国】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】110000671

【氏名又は名称】八田国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】閔 桐 基

(72)【発明者】

【氏名】陳 暎 究

【審査官】 三田村 陽平

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０７９９８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１６４４９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８５７０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−００８７００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０４６９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−３２５９７１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ ７／４８− ７／５１

Ｇ０１Ｓ １７／００−１７／９５

Ｇ０１Ｃ ３／００− ３／３２

Ｇ０１Ｂ １１／００−１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の変調された位相オフセットのそれぞれに対する信号を積分した複数の積分信号を測定する段階と、
前記複数の変調された位相オフセットのそれぞれに対する信号のうちから他の一つの積分信号に対する受信時間を調節するために、少なくとも一つの信号に対する少なくとも一つの積分信号の位相をそれぞれ推定する段階と、
推定された前記少なくとも１つの積分信号を用いて他の一つの積分信号に対する受信時間を調節し、前記推定された少なくとも何れか一つの積分信号と受信時間が調節された他の一つの積分信号とによってターゲットと受信器との距離を決定する段階と、
を含むことを特徴とする距離測定方法。

【請求項2】

前記距離測定方法は、
狭域の電磁気エネルギーを変調された持続波として放射する段階と、
前記複数の変調された位相オフセットに対する前記ターゲットから反射された電磁気エネルギーを表わす多数の信号を受信して積分する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の距離測定方法。

【請求項3】

前記積分信号をそれぞれ推定する段階は、
第１サンプリング時点での前記少なくとも一つの積分信号と第２サンプリング時点での前記少なくとも一つの積分信号とを補間する段階を含み、
前記第１サンプリング時点は、前記複数の変調された位相オフセットのうちからまた他の一つに対する前記積分信号の受信時点よりも前であり、
前記第２サンプリング時点は、前記複数の変調された位相オフセットのうち、前記他の一つに対する前記積分信号の受信時点よりも後であることを特徴とする請求項１または２に記載の距離測定方法。

【請求項4】

前記積分信号をそれぞれ推定する段階は、
現在時点での前記少なくとも一つの積分信号から複数の以前時点での前記少なくとも一つの積分信号を推定する段階を含み、
前記現在時点は、前記複数の変調された位相オフセットのうちのまた他の一つに対する前記積分信号の受信時点であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の距離測定方法。

【請求項5】

前記積分信号をそれぞれ推定する段階は、
中間時点を得るために、第１積分信号と第２積分信号との間の時間差を分割する段階と、
前記中間時点で推定された第１積分信号を得るために、第１サンプリング時点での前記第１積分信号と第３サンプリング時点での前記第１積分信号とを補間する段階と、
前記中間時点で推定された第２積分信号を得るために、第２サンプリング時点での前記第２積分信号と第４サンプリング時点での前記第２積分信号とを補間する段階と、を含み、
前記第１サンプリング時点は、前記中間時点よりも前であり、前記第３サンプリング時点は、前記中間時点よりも後であり、前記第２サンプリング時点は、前記中間時点よりも前であり、前記第４サンプリング時点は、前記中間時点よりも後であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の距離測定方法。

【請求項6】

前記狭域の電磁気エネルギーは、８５０ｎｍと９５０ｎｍとの間の波長を有することを特徴とする請求項２に記載の距離測定方法。

【請求項7】

前記複数の変調された位相オフセットは、４つの位相オフセットを含むことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の距離測定方法。

【請求項8】

０°の位相オフセット、９０°の位相オフセット、１８０°の位相オフセット、及び２７０°の位相オフセットのそれぞれに対する第１信号、第２信号、第３信号、及び第４信号は、少なくとも一つのフォトセンサーによって受信されて積分されることを特徴とする請求項７に記載の距離測定方法。

【請求項9】

前記少なくとも一つのフォトセンサーは、複数のカラーピクセルと複数の距離ピクセルとを含み、
前記複数のカラーピクセルは、第１積分回路に配され、前記複数の距離ピクセルは、第２積分回路に配されることを特徴とする請求項８に記載の距離測定方法。

【請求項10】

前記少なくとも一つのフォトセンサーは、一つの集積回路に具現された複数のカラーピクセルと複数の距離ピクセルとを含むことを特徴とする請求項８または９に記載の距離測定方法。

【請求項11】

電磁気エネルギーを変調された連続波として放射するための狭域ソースと、
複数の変調された位相オフセットに対するターゲットから反射される電磁気エネルギーを表わす複数の信号を受信して積分するためのフォトセンサーと、
前記複数の変調された位相オフセットのそれぞれに対する信号を積分した複数の積分信号を測定し、前記複数の変調された位相オフセットのそれぞれに対する信号のうちから他の一つの積分信号に対する受信時間を調節するために、少なくとも一つの信号に対する少なくとも一つの積分信号の位相をそれぞれ推定し、前記推定された前記少なくとも１つの積分信号を用いて他の一つの積分信号に対する受信時間を調節し、前記推定された少なくとも何れか一つの積分信号と受信時間が調節された他の一つの積分信号とによってターゲットと受信器との距離を決定する制御ユニットと、
を含むことを特徴とする距離測定システム。

【請求項12】

前記複数の変調された位相オフセットは、４つの位相オフセットを含み、０°の位相オフセットと１８０°の位相オフセットのそれぞれに対する第１信号と第３信号は、前記フォトセンサーによって受信されて積分され、９０°の位相オフセットと２７０°の位相オフセットのそれぞれに対する第２信号と第４信号は、第２フォトセンサーによって受信されて積分されることを特徴とする請求項１１に記載の距離測定システム。

【請求項13】

複数の変調された位相オフセットに対するターゲットから反射される電磁気エネルギーを表わす複数の信号を受信して積分するためのフォトセンシングアレイと、
前記複数の変調された位相オフセットのそれぞれに対する信号を積分した複数の積分信号を測定し、前記複数の変調された位相オフセットのそれぞれに対する信号のうちから他の一つの積分信号に対する受信時間を調節するために、少なくとも一つの信号に対する少なくとも一つの積分信号の位相をそれぞれ推定し、前記推定された前記少なくとも１つの積分信号を用いて他の一つの積分信号に対する受信時間を調節し、前記推定された少なくとも何れか一つの積分信号と受信時間が調節された他の一つの積分信号とによってターゲットと受信器との距離を決定する制御ユニットと、
を含むことを特徴とする距離センサー。

【請求項14】

前記フォトセンシングアレイは、
前記複数の変調された位相オフセットで複数の信号サンプルを順次に獲得するための複数のピクセルを含むことを特徴とする請求項１３に記載の距離センサー。

【請求項15】

前記フォトセンシングアレイは、
複数の第１の変調された位相オフセットで複数の信号サンプルを順次に獲得するための第１センサーと、
複数の第２の変調された位相オフセットで複数の信号サンプルを順次に獲得するための第２センサーと、を含み、
前記複数の第１の変調された位相オフセットと前記複数の第２の変調された位相オフセットは、交互に順次に発生することを特徴とする請求項１３に記載の距離センサー。

【請求項16】

前記複数の変調された位相オフセットは、４つの位相オフセットを含むことを特徴とする請求項１３に記載の距離センサー。

【請求項17】

０°の位相オフセット、９０°の位相オフセット、１８０°の位相オフセット、及び２７０°の位相オフセットのそれぞれに対する第１信号、第２信号、第３信号、及び第４信号のそれぞれは、第１フォトセンシングアレイ、第２フォトセンシングアレイ、第３フォトセンシングアレイ、及び第４フォトセンシングアレイのそれぞれによって受信されて積分されることを特徴とする請求項１６に記載の距離センサー。

【請求項18】

０°の位相オフセットと１８０°の位相オフセットのそれぞれに対する第１信号と第３信号は、前記第１フォトセンシングアレイによって受信されて積分され、９０°の位相オフセットと２７０°の位相オフセットのそれぞれに対する第２信号と第４信号は、第２フォトセンシングアレイによって受信されて積分されることを特徴とする請求項１６に記載の距離センサー。

【請求項19】

前記フォトセンシングアレイは、
複数のカラーピクセルに対する複数の信号サンプルを獲得するための第１積分回路と、
複数の距離ピクセルに対する複数の信号サンプルを獲得するための第２積分回路と、
を含むことを特徴とする請求項１３から１８のいずれかに記載の距離センサー。

【請求項20】

前記フォトセンシングアレイは、
カラーピクセルと距離ピクセルに対する複数の信号サンプルを獲得するための積分回路を含むことを特徴とする請求項１３から１９のいずれかに記載の距離センサー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非接触（ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ）３Ｄ（３次元）形状測定に係るものであり、特に、変調された光ＴＯＦ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）位相推定の遅延補償を用いた距離測定方法、距離測定システム及び距離センサーに関する。

【背景技術】

【0002】

非接触３Ｄ形状測定は、圧力波または電磁波の放射を利用する。例えば、圧力波は、超音波信号であり、電磁波は、マイクロ波（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ）または光波（ｌｉｇｈｔ
ｗａｖｅ、例えば、波長ｌ＝０．５〜1．０ｕｍｍ、周波数ｆ＝３００〜６００ＴＨｚ
）であり得る。

【0003】

光波の放射を利用した非接触３Ｄ形状測定は、三角測量（ｔｒｉａｎｇｕｌａｔｉｏｎ）、干渉屈折測定（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、及びＴＯＦを含む。三角測量は、幾何学的な角度測定を用いて距離検出を行う。干渉屈折測定は、光干渉（ｏｐｔｉｃａｌ
ｃｏｈｅｒｅｎｔ）のＴＯＦ測定を用いて距離検出を行う。ＴＯＦは、パルス形態の、または変調された持続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ：ＣＷ）形態の光非干渉（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｃｏｈｅｒｅｎｔ）のＴＯＦを用いて距離検出を行う。

【0004】

パルス形態のＴＯＦ（ｐｕｌｓｅｄ ｔｙｐｅ ＴＯＦ）は、往復時間、背景照明の減少した影響、目の保護のための低い平均電力を有する高い信号対ノイズ比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ：ＳＮＲ）、レーザダイオード（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）の低い反復率（例えば、１０ｋＨｚ）、及び低いフレーム率（ｌｏｗ ｆｒａｍｅ ｒａｔｅ）の測定による範囲感知を特徴とする。しかし、これは、十分に短い上昇時間と下降時間とを有するパルスを生成しにくいことがあり、分散及び減衰においても問題になりうる。

【0005】

変調されたＣＷ形態のＴＯＦは、位相差の測定による範囲感知を特徴とする。変調されたＴＯＦは、正弦波（ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｗａｖｅ）、矩形波（ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ）、及びその他の類似する種類の多様な光源を使う。

【0006】

３次元の形状測定を行うものとしては、下記特許文献１に示すようなものがある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００８−２８６８７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明が解決しようとする技術的な課題は、変調された光ＴＯＦ位相推定の遅延補償を用いた距離測定方法、距離測定システム及び距離センサーを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の実施形態による距離測定方法は、複数の変調された位相オフセット（ｏｆｆｓｅｔｓ）のそれぞれに対する信号を積分した複数の積分信号を測定する段階と、複数の変調された位相オフセットのそれぞれに対する信号のうちから他の一つの積分信号に対する受信時間を調節するために、少なくとも一つの信号に対する少なくとも一つの積分信号の位相をそれぞれ推定する段階と、推定された少なくとも１つの積分信号を用いて他の一つの積分信号に対する受信時間を調節し、推定された少なくとも何れか一つの積分信号と受信時間が調節された他の一つの積分信号とによってターゲット（ｔａｒｇｅｔ）と受信器との距離を決定する段階と、を含む。

【0010】

距離測定方法は、狭域（ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ）の電磁気エネルギーを変調された持続波として放射する段階と、複数の変調された位相オフセットに対するターゲットから反射された電磁気エネルギーを表わす多数の信号を受信して積分する段階と、をさらに含む。

【0011】

積分信号をそれぞれ推定する段階は、第１サンプリング時点での少なくとも一つの積分信号と第２サンプリング時点での少なくとも一つの積分信号とを補間（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｎｇ）する段階を含み、第１サンプリング時点は、複数の変調された位相オフセットのうちからまた他の一つに対する積分信号の受信時点よりも前であり、第２サンプリング時点は、複数の変調された位相オフセットのうち、他の一つに対する積分信号の受信時点よりも後である。

【0012】

他の実施形態において、積分信号をそれぞれ推定する段階は、現在時点での少なくとも一つの積分信号から複数の時点での少なくとも一つの積分信号を推定する段階を含み、現在時点は、複数の変調された位相オフセットのうちからまた他の一つに対する積分信号の受信時点である。

【0013】

また、他の実施形態において、積分信号をそれぞれ推定する段階は、中間時点を得るために、第１積分信号と第２積分信号との間の時間差を分割する段階と、中間時点で推定された第１積分信号を得るために、第１サンプリング時点での第１積分信号と第３サンプリング時点での第１積分信号とを補間する段階と、中間時点で推定された第２積分信号を得るために、第２サンプリング時点での第２積分信号と第４サンプリング時点での第２積分信号とを補間する段階と、を含み、第１サンプリング時点は、中間時点よりも前であり、第３サンプリング時点は、中間時点よりも後であり、第２サンプリング時点は、中間時点よりも前であり、第４サンプリング時点は、中間時点よりも後である。

【0014】

狭域の電磁気エネルギーは、８５０ｎｍ（ｎａｎｏｍｅｔｅｒ）と９５０ｎｍとの間の波長を有する。

【0015】

複数の変調された位相オフセットは、４つの位相オフセットを含む。

【0016】

０°の位相オフセット、９０°の位相オフセット、１８０°の位相オフセット、及び２７０°の位相オフセットのそれぞれに対する第１信号、第２信号、第３信号、及び第４信号は、少なくとも一つのフォトセンサー（ｐｈｏｔｏ ｓｅｎｓｏｒ）によって受信されて積分される。

【0017】

少なくとも一つのフォトセンサーは、複数のカラーピクセルと複数の距離ピクセルとを含み、複数のカラーピクセルは、第１積分回路に配され、複数の距離ピクセルは、第２積分回路に配される。

【0018】

少なくとも一つのフォトセンサーは、積分回路である一つの集積回路に具現された複数のカラーピクセルと複数の距離ピクセルとを含む。

【0019】

本発明の実施形態による距離測定システムは、電磁気エネルギーを変調された連続波（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）として放射するための狭域ソース（ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ ｓｏｕｒｃｅ）と、複数の変調された位相オフセットに対するターゲットから反射される電磁気エネルギーを表わす複数の信号を受信して積分するためのフォトセンサーと、複数の変調された位相オフセットのそれぞれに対する信号を積分した複数の積分信号を測定し、複数の変調された位相オフセットのそれぞれに対する信号のうちから他の一つの積分信号に対する受信時間を調節するために、少なくとも一つの信号に対する少なくとも一つの積分信号の位相をそれぞれ推定し、推定された少なくとも１つの積分信号を用いて他の一つの積分信号に対する受信時間を調節し、推定された少なくとも何れか一つの積分信号と受信時間が調節された他の一つの積分信号とによってターゲットと受信器との距離を決定する制御ユニット（ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）と、を含む。

【0020】

狭域ソースは、８５０ｎｍと９５０ｎｍとの間の波長を有する狭域の電磁気エネルギーを放射する。

【0021】

複数の変調された位相オフセットは、４つの位相オフセットを含む。

【0022】

実施形態において、０°の位相オフセットと１８０°の位相オフセットのそれぞれに対する第１信号と第３信号は、フォトセンサーによって受信されて積分され、９０°の位相オフセットと２７０°の位相オフセットのそれぞれに対する第２信号と第４信号は、第２フォトセンサーによって受信されて積分される。

【0023】

他の実施形態において、０°の位相オフセット、９０°の位相オフセット、１８０°の位相オフセット、及び２７０°の位相オフセットのそれぞれに対する第１信号、第２信号、第３信号、及び第４信号は、フォトセンサーによって受信されて積分される。

【0024】

フォトセンサーは、複数のカラーピクセルと複数の距離ピクセルとを含み、複数のカラーピクセルは、第１積分回路に配され、複数の距離ピクセルは、第２積分回路に配される。

【0025】

フォトセンサーは、一つの集積回路に具現された複数のカラーピクセルと複数の距離ピクセルとを含む。

【0026】

制御ユニットは、第１サンプリング時点での少なくとも一つの積分信号と第２サンプリング時点での少なくとも一つの積分信号とを補間するための推定ユニットを含み、第１サンプリング時点は、複数の変調された位相オフセットのうちからまた他の一つに対する積分信号の受信時点よりも前であり、第２サンプリング時点は、複数の変調された位相オフセットのうち、他の一つに対する積分信号の受信時点よりも後である。

【0027】

制御ユニットは、現在時点での少なくとも一つの積分信号から複数の以前時点での少なくとも一つの積分信号を推定するための推定ユニットを含み、現在時点は、複数の変調された位相オフセットのうちからまた他の一つに対する積分信号の受信時点である。

【0028】

本発明の実施形態による距離センサーは、複数の変調された位相オフセットに対するターゲットから反射される電磁気エネルギーを表わす複数の信号を受信して積分するためのフォトセンシングアレイ（ｐｈｏｔｏ ｓｅｎｓｉｎｇ ａｒｒａｙ）と、複数の変調された位相オフセットのそれぞれに対する信号を積分した複数の積分信号を測定し、複数の変調された位相オフセットのそれぞれに対する信号のうちから他の一つの積分信号に対する受信時間を調節するために、少なくとも一つの信号に対する少なくとも一つの積分信号の位相をそれぞれ推定し、推定された少なくとも１つの積分信号を用いて他の一つの積分信号に対する受信時間を調節し、推定された少なくとも何れか一つの積分信号と受信時間が調節された他の一つの積分信号とによってターゲットと受信器との距離を決定する制御ユニットと、を含む。

【0029】

フォトセンシングアレイは、複数の変調された位相オフセットで複数の信号サンプルを順次に獲得するための複数のピクセル（ｐｉｘｅｌ）を含む。

【0030】

フォトセンシングアレイは、複数の第１変調された位相オフセットで複数の信号サンプルを順次に獲得するための第１センサー（ｓｅｎｓｏｒ）と、複数の第２変調された位相オフセットで複数の信号サンプルを順次に獲得するための第２センサーと、を含み、複数の第１変調された位相オフセットと複数の第２変調された位相オフセットは、交互に順次に発生する。複数の変調された位相オフセットは、同様に分けられた４つの位相オフセットを含む。

【0031】

実施形態において、０°の位相オフセット、９０°の位相オフセット、１８０°の位相オフセット、及び２７０°の位相オフセットのそれぞれに対する第１信号、第２信号、第３信号、及び第４信号のそれぞれは、第１フォトセンシングアレイ、第２フォトセンシングアレイ、第３フォトセンシングアレイ、及び第４フォトセンシングアレイのそれぞれによって受信されて積分される。

【0032】

他の実施形態において、０°の位相オフセットと１８０°の位相オフセットのそれぞれに対する第１信号と第３信号は、フォトセンシングアレイによって受信されて積分され、９０°の位相オフセットと２７０°の位相オフセットのそれぞれに対する第２信号と第４信号は、第２フォトセンシングアレイによって受信されて積分される。

【0033】

また他の実施形態において、０°の位相オフセット、９０°の位相オフセット、１８０°の位相オフセット、及び２７０°の位相オフセットのそれぞれに対する第１信号、第２信号、第３信号、及び第４信号は、フォトセンシングアレイによって受信されて積分される。

【0034】

フォトセンシングアレイは、複数のカラーピクセルと複数の距離ピクセルとを含み、複数のカラーピクセルは、第１積分回路に配され、複数の距離ピクセルは、第２積分回路に配される。

【0035】

フォトセンシングアレイは、一つの集積回路に具現される複数のカラーピクセルと複数の距離ピクセルとを含む。

【0036】

実施形態において、制御ユニットは、第１サンプリング時点での少なくとも一つの積分信号と第２サンプリング時点での少なくとも一つの積分信号とを補間するための推定ユニットを含み、第１サンプリング時点は、複数の変調された位相オフセットのうちからまた他の一つに対する積分信号の受信時点よりも前であり、第２サンプリング時点は、複数の変調された位相オフセットのうち、他の一つに対する積分信号の受信時点よりも後である。

【0037】

他の実施形態において、制御ユニットは、現在時点での少なくとも一つの積分信号から複数の以前時点での少なくとも一つの積分信号を推定するための推定ユニットを含み、現在時点は、複数の変調された位相オフセットのうちからまた他の一つに対する積分信号の受信時点である。

【0038】

実施形態において、フォトセンシングアレイは、複数のカラーピクセルに対する複数の信号サンプルを獲得するための第１積分回路と、複数の距離ピクセルに対する複数の信号サンプルを獲得するための第２積分回路と、を含む。他の実施形態において、フォトセンシングアレイは、カラーピクセルと距離ピクセルに対する複数の信号サンプルを獲得するための積分回路を含む。

【発明の効果】

【0039】

本発明によれば、測定時間差によって発生する位相誤差を補償することができる。したがって、正確な深さまたは距離情報を取得することができる。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】本発明の実施形態による非接触（ｃｏｎｔａｃｔｌｅｓｓ）３Ｄ形状測定システムを示すブロック図である。

【図2】本発明の実施形態による他の非接触３Ｄ形状測定システムを示すブロック図である。

【図3】本発明の一実施形態による複数の信号の波形を示す図である。

【図4】本発明の他の実施形態による複数の信号の波形を示す図である。

【図5】本発明の実施形態による非接触３Ｄ形状測定システムを示すブロック図である。

【図6】本発明の実施形態による非接触３Ｄ形状測定システムから生成された複数のイメージを示す図である。

【図7】本発明の実施形態による２タップ（ｔａｐ）非接触３Ｄ形状測定システムを示すブロック図である。

【図8】本発明の実施形態による２タップピクセルユニットを示すブロック図である。

【図9】本発明の実施形態によるピクセルセンサー回路を示す回路図である。

【図10】２タップの信号プロット（ｐｌｏｔ）と複数の赤外線（ＩＲ）信号と複数のゲート信号とを示すタイミング図である。

【図11】本発明の実施形態による２タップサンプリングポイントプロット（２−ｔａｐ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｐｏｉｎｔ ｐｌｏｔ）の一実施形態を示す図である。

【図12】本発明の実施形態による２タップサンプリングポイントプロットの他の実施形態を示す図である。

【図13】本発明の実施形態による推定時点におけるデジタルピクセル信号の推定プロセスを説明する２タップタイミング図である。

【図14】本発明の実施形態による２タップ構造のシミュレーション結果と従来の技術によるシミュレーション結果とを示すグラフの一例である。

【図15】本発明の実施形態による２タップ比較シミュレーショングラフの一実施形態を示す図である。

【図16】本発明の実施形態による２タップ比較シミュレーショングラフの他の実施形態を示す図である。

【図17】本発明の実施形態による１タップ非接触３Ｄ形状測定システムを示すブロック図である。

【図18】本発明の実施形態による１タップピクセルユニットを示すブロック図である。

【図19】本発明の実施形態による１タップサンプリングポイントプロットを示すグラフである。

【図20】本発明の実施形態による推定時点におけるデジタルピクセル信号の推定プロセスを説明する１タップタイミング図である。

【図21】本発明の実施形態による１タップシミュレーション結果を示すグラフである。

【図22】本発明の実施形態による１タップ比較シミュレーショングラフである。

【図23】本発明の実施形態による１タップ比較シミュレーショングラフである。

【図24】本発明の実施形態による深さ推定方法を説明するためのフローチャートである。

【図25】本発明の実施形態による３トランジスタ（３Ｔ）ＡＰＳ構造を示す回路図である。

【図26】本発明の実施形態による４トランジスタ（４Ｔ）ＡＰＳ構造を示す回路図である。

【図27】本発明の実施形態による５トランジスタ（５Ｔ）ＡＰＳ構造を示す回路図である。

【図28】本発明の他の実施形態による５トランジスタ（５Ｔ）ＡＰＳ構造を示す回路図である。

【図29】本発明の実施形態による２チップソリューションを利用した非接触３Ｄ形状測定システムを示すブロック図である。

【図30】本発明の実施形態による１チップソリューションを利用した非接触３Ｄ形状測定システムを示すブロック図である。

【図31】本発明の実施形態による非接触３Ｄ形状測定システムを示すブロック図である。

【図32】本発明の実施形態による非接触３Ｄ形状測定システムを示すブロック図である。

【図33】本発明の実施形態による非接触３Ｄ形状測定を行うための部分的な回路と信号図を示す。

【図34】本発明の実施形態による非接触３Ｄ形状測定を行うための部分的な回路と信号図を示す。

【図35】本発明の実施形態によるＡＰＳ構造を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0041】

本発明は、変調された光ＴＯＦ位相推定で遅延補償を用いて非接触３Ｄ形状測定を提供するものであって、詳細な説明で引用される図面をより十分に理解するために、各図面の詳細な説明が提供される。

【0042】

以下、添付した図面を参照して、本発明に係る距離測定方法、距離測定システム及び距離センサーの各実施形態を詳しく説明する。

【0043】

本発明の各実施形態で開示される非接触３Ｄ（３次元）形状測定は、変調された持続波（ＣＷ）の光非干渉ＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）を用いて深さまたは距離検出を行い、ＴＯＦ位相推定で遅延補償を行うことを特徴とする。

【0044】

【表1】

【0045】

表１を参照すると、式Ａ１、Ａ２、Ａ３、及びＡ４は、放射センサーと物体との間で物体から戻ってくる信号の振幅を表わす。ここで、４つの変調された位相オフセット（ｐｈａｓｅ ｏｆｆｓｅｔｓ）のそれぞれの振幅は、背景ノイズ要素、アルファ（ａｌｐｈａ）、及び反射信号要素、ベータ（ｂｅｔａ）で構成される。例えば、反射信号要素とベータは、ターゲットとの距離と、反射率によって変わる強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）とを表わす。

【0046】

式Ａ５は、ターゲットまでの距離とターゲットからの距離とを光速度で割った関数としてＴＯＦを定義する。式Ａ６は、間隔（ｉｎｔｅｒｖａｌ）Ｔ_ｉｎｔによって区別される各振幅の積分または合算を定義する。なお、式Ａ６で定義されたＡ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４、たとえば、Ａ１（ｋ−１）、Ａ３（ｋ−１）、Ａ１（ｋ）、Ａ３（ｋ１）などは積分信号である。式Ａ７は、位相遅延推定を定義する。式Ａ８は、深さの推定を定義する。

【0047】

【表2】

【0048】

表２を参照すると、式Ｂ１は、赤外線ソースから放射された信号の強度の比例性（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｉｔｙ）を定義する。式Ｂ２は、光源から放射された信号の強度を定義する。式Ｂ３は、受信された信号の強度を定義する。式Ｂ４は、４つの位相オフセットサンプリング時点の関数として角度を定義する。式Ｂ５は、定義した角度の関数として光度（ｌｕｍｉｎｏｓｉｔｙ）を定義する。式Ｂ６は、輝度及び振幅の関数と比例する光度の変化を定義する。

【0049】

３次元（３Ｄ）ＴＯＦを利用したイメージ化は、物体（ｓｕｂｊｅｃｔ）を照らすために非可視（ｉｎｖｉｓｉｂｌｅ）光源を利用する。センサーチップ（ｓｅｎｓｏｒ ｃｈｉｐ）は、光が前記チップ内部の各ピクセルに到逹する距離を測定することができる。内蔵されたイメージングソフトウェア（ｉｍａｇｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ）は、リアルタ
イムで物体を知覚するために、深さマップ（ｍａｐ）を使う。最終のユーザ装置は、物体認識結果に適切に反応する。

【0050】

例えば、センサーの一種は、３．４ｍ波長を有した４４ＭＨｚの変調周波数を使うことができ、３ｃｍ以下の深さ解像度を有し、約１５ｃｍから約３ｍまでの測定範囲を有する。他種のセンサーは、さらに大きいピクセルアレイを有することができ、７．５ｍ波長を有した２０Ｍｈｚの変調周波数を使い、約１．３ｃｍの深さ解像度を有し、ほぼ１５ｍの測定範囲を有する。

【0051】

正弦波形を利用する距離またはＺ測定は、レーザ（ｌａｓｅｒ）より相対的に安い光源とさらに低い帯域幅を有する増幅器とを利用できる。前記測定は、蓄積された電荷によるＺ’値を得るために反復され、Ｚは、放射された光の波長と類似している。

【0052】

Ｚ測定の光システムは、小さな光子（ｐｈｏｔｏｎｓ）の数を検出するために非線形ガイガーモード（ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｇｅｉｇｅｒ）を利用できる。ここで、前記光システムは、前記物体から検出器まで前記反射された光を効果的に伝送するために構成することができる。

【0053】

ピクセルの飽和によって誘発される差分信号（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）によって深さ情報を検出することは難しい。ピクセルの飽和は、ノイズ（ｎｏｉｓｅ）がある背景光のために起きる。したがって、背景信号による共通モード（ｍｏｄｅ）信号の除去は、助けになりうる。ピクセルの飽和を防止するために、ピクセルが飽和された時、または定期的に、ＣＡ電圧をリセットする動作が行われる。

【0054】

背景光によって発生する所望しない光子は、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を減らすことができる。信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を増加させるために、電圧は、変調光が存在しない間、背景光によって計算され、背景光に対する計算された電圧は、変調光が存在するか、放射される間、測定された電圧から除外することができる。

【0055】

高感度と低減度のそれぞれは、長い検出期間と短い検出期間のそれぞれによって得られる。信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を増加させるために、範囲イメージ（ｒａｎｇｅ ｉｍａｇｅ）で各イメージ要素に対する距離値は、任意の検出期間の間の同期化過程で得られるそれぞれの電荷に基づいて計算され、そして、前記範囲イメージは生成される。

【0056】

遅延された位相信号は、２つの要素、すなわち、ピクセル別（ｐｉｘｅｌ−ｗｉｓｅ）遅延とフレーム別（ｆｒａｍｅ−ｗｉｓｅ）遅延とを含みうる。このうち、ピクセル別遅延が特に重要である。ピクセル別遅延は、０°、９０°、１８０°、及び２７０°の要素の間の遅延である。

【0057】

【表3】

【0058】

表３を参照すると、２タップ（２−ｔａｐ）構造は、４つの測定値を得るために２回のサンプリング回数を有し、２番目のサンプリング時間は、式Ｃ１によって定義される。

【0059】

ここで、位相角度は、式Ｃ２によって定義される。４タップ構造は、４つの測定値を得るために４回のサンプリング回数を有し、各オフセットは、時間間隔によって定められる。

【0060】

ここで、位相角度は、式Ｃ３によって定義される。フレーム別遅延は、ローリングシャッター（ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｈｕｔｔｅｒ）によってキャプチャー（ｃａｐｔｕｒｅ）される最初のピクセルと最後のピクセルとの間での遅延である。

【0061】

したがって、実際のサンプリング回数でキャプチャーされる光子の数は、サイクル（ｃｙｃｌｅ）または区間の望ましい位相オフセット範囲のために複数のフォトゲート（ｐｈｏｔｏ ｇａｔｅｓ）によって活性化される複数のセンサーを使うことで、補償されるサンプリング（ｓａｍｐｌｉｎｇ）時点で補間されるか、推定（ｅｘｔｒａｐｏｌａｔｅｄ）されうる。望ましい位相オフセット範囲は、十分な光電子の数をキャプチャーするために多くのサイクルの間に合算されるか、積分されうる。また、多くのサイクルの間、そのような積分後に一つのＣＤＳ（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ）動作が行われる。典型的な２ｘ２バイヤー（Ｂａｙｅｒ）またはこれと類似したモザイク（ｍｏｓａｉｃ）パターン（ｐａｔｔｅｒｎ）の具現のためのセンサーで十分であっても、２ｘ４と３ｘ３のようなストライプ（ｓｔｒｉｐｅｄ）及び／または他のパターンを具現するためのセンサーが、他の実施形態で具現可能である。

【0062】

同様に、イエロ（ｙｅｌｌｏｗ）、シアン（ｃｙｏｎ）、及びマゼンタ（ｍａｇｅｎｔａ）のような補色は、バイヤーパターン（Ｂａｙｅｒ ｐａｔｔｅｒｎ）のグリーン（ｇｒｅｅｎ）、ブルー（ｂｌｕｅ）、及びレッド（ｒｅｄ）を代替しうる。約８５０ｎｍから約９５０ｎｍの間の波長は、室外で感知する時に選好される。なぜならば、太陽は、８
５０ｎｍで低い出力を有し、そのような波長は、近赤外線帯域で人間の視力の範囲を外れるからである。

【0063】

図１を参照すると、非接触３Ｄ形状測定システムは、参照番号１００で表わす。非接触３Ｄ形状測定システム１００は、変調光ＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｉｇｈｔ）位相推定のために深さ補償を利用するものであり、エミッター１１０、エミッター１１０からやや離れた位置にある物体または反射器１１２、物体または反射器１１２からやや離れた位置にある受信器１１４、及び受信器１１４と通信する位相測定ユニット１１６を含む。受信器１１４は、基準（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）と信号（ｓｉｇｎａｌ）とを位相測定ユニット１１６に提供する。

【0064】

図２を参照すると、他の非接触３Ｄ形状測定システムは、参照番号２００で表わす。ここで、エミッター／受信器２１０は、物体または反射器２１２から離れて存在する。ＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）は、光がエミッター２１０から物体または反射器２１２に、物体または反射器２１２から受信器２１０に移動するのにかかる時間である。

【0065】

図３を参照すると、信号プロットは、参照番号３００で表わす。信号プロット３００は、放射された信号３１０、反射されるか受信された信号３１２、０°の位相オフセット信号３１４、及び１８０°の位相オフセット信号３１６を含む。ここで、０°の位相オフセット信号３１４は、ｎ番目のサイクルの０番目のクアドラント（ｑｕａｄｒａｎｔ）積分３１８と（ｎ＋１）番目のサイクルの０番目のクアドラント積分３１９とを含む。

【0066】

同様に、１８０°の位相オフセット信号３１６は、ｎ番目のサイクルの２番目のクアドラント積分３２０と（ｎ＋１）番目のサイクルの２番目のクアドラント積分とを含む。

【0067】

図４を参照すると、他の信号プロットは、参照番号４００で表わす。他の信号プロット４００は、放射された信号４１０と検出された信号４２０とを含む。ここで、放射された信号４１０と検出された信号４２０との間の位相遅延角度は、距離情報を提供するために使われる。交流電流（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ−ｃｕｒｒｅｎｔ：ＡＣ）または検出された信号４２０の時変（ｔｉｍｅ−ｖａｒｙｉｎｇ）振幅は、正確な情報（Ａｍｅａｓ）を提供するために使われる。直流電流（ＤＣ）または検出された信号４２０の一定の振幅は、輝度情報（Ｂｍｅａｓ）を提供するために使われる。

【0068】

図５を参照すると、非接触３Ｄ形状測定システムは、参照番号５００で表わす。非接触３Ｄ形状測定システム５００は、物体５１１を照らすために非可視光源（ｉｎｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ）５１０、物体５１１と光源５１０からチップ（ｃｈｉｐ）内部の各ピクセルで光源の移動距離を測定するセンサーチップ５１２、リアルタイムで物体５１１を知覚する、距離マップを含む内蔵されたイメージユニット（ｉｍａｇｉｎｇ ｕｎｉｔ）５１３、及び知覚された物体５１１に反応するために、イメージユニット５１３と通信する最終ユーザ（ｅｎｄ−ｕｓｅｒ）装置５１４を含む。

【0069】

図６を参照すると、非接触３Ｄ形状測定システムを説明するための複数のイメージは、参照番号６００で表わす。ここで、図５のイメージユニット５１３のようなイメージユニットは、場面（ｓｃｅｎｅ）６１０を深さマップ６１２のように認識し、場面６２０を深さマップ６２２のように認識する。この場合、深さマップ６２２は、十分に基準マップ６２４とマッチングされ、これは、物体がコーヒーカップのように認識された物体を有していることが分かる。

【0070】

図７を参照すると、２タップ非接触３Ｄ形状測定システムは、参照番号７００で表わす。２タップ非接触３Ｄ形状測定システム７００は、深さセンサー７１０と物体７１１とを
含む。深さセンサー７１０は、狭域ソースである赤外線（ＩＲ）エミッター（ｅｍｉｔｔｅｒ）７１２、ＩＲパスフィルター（ＩＲ ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）７１７を通じて物体７１１から反射された光をそれぞれ受信するための複数のセンサーピクセル（ｓｅｎｓｏｒ ｐｉｘｅｌｓ）７１６を含むセンサーアレイ（ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｙ）７１４、センサーアレイ７１４から複数の振幅や光子数を受信するＣＤＳ／ＡＤＣユニット（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｕｎｉｔ）７１８、及びタイミング（ｔｉｍｉｎｇ）信号と制御信号とを発生させるタイミングコントロールユニット（ｔｉｍｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｕｎｉｔ；Ｔ／Ｃ）７２０を含む。

【0071】

Ｔ／Ｃユニット７２０は、センサーアレイ７１４のためのＸデコーダ（Ｘ−ｄｅｃｏｄｅｒ）７２２とＩＲエミッター７１２と通信する。ＣＤＳ／ＡＤＣユニット７１８は、サンプルされた複数の振幅または光子数をメモリ（ｍｅｍｏｒｙ）７２４に伝達する。メモリ７２４は、交互にサンプルされた振幅または光子数を深さ推定器７２６に提供する。深さ推定器７２６は、深さセンサー７１０のエミッター７１２とセンサーピクセル７１６から物体の深さまたは距離を示す複数の信号とを提供する。

【0072】

２タップ構造の実施形態において、深さセンサー７１０、物体７１１、一つまたはそれ以上のＩＲエミッター７１２、２タップの深さセンサーアレイ７１４、センサーピクセル７１６、ＩＲパスフィルター７１７、ＣＤＳ／ＡＤＣユニット７１８、タイミングコントローラ７２０、メモリ７２４、及び深さ推定器７２６は、効果的なシステム（ｓｙｓｔｅｍ）を形成する。

【0073】

【表4】

【0074】

表４を参照すると、式１、ｔデルタ（ｔ−ｄｅｌｔａ＝ｔ_Δ）は、放射された光ＥＬと
反射された光ＲＬとの間の時間差であり、ｄは、センサーと物体との間の距離情報、及びｃは、光速度である。反射された光ＲＬは、追加的なレンズ（ｌｅｎｓｅｓ）またはＩＲパスフィルター７１７の前に位置するレンズモジュール（ｌｅｎｓ ｍｏｄｕｌｅ）を通過することができる。ＩＲエミッター７１２は、変調された赤外線（ＩＲ）を外部に放射することができ、例えば、ＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）、ＯＬＥＤ（ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）、またはＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）として具現可能である。

【0075】

２タップのピクセル構造を有するセンサーピクセル７１６のそれぞれは、１８０°位相差を有する複数のゲート信号ＧａとＧｂに応答して、複数のピクセル信号Ａ０’／Ａ２’とＡ１’／Ａ３’を測定することができる。

【0076】

したがって、複数のセンサーピクセル７１６は、一定の積分時間の間、ＩＲパスフィルター７１７を通じて入射された光ＲＬ（物体７１１から反射され変調された赤外線（ＩＲ）によって発生した光電子を含む反射された光）を蓄積し、該蓄積によって発生した複数のピクセル信号Ａ０’／Ａ２’とＡ１’／Ａ３’を出力する。

【0077】

表３で、式Ｅ２は、複数のセンサーピクセル７１６のそれぞれによって生成されたピクセル信号Ａ０’／Ａ２’とＡ１’／Ａ３’を表わす。Ａｋ’は、ゲート（ｇａｔｅ）信号の位相差から誘導される。

【0078】

ゲート信号の位相差が０°である時、ｋは０であり、９０°である時、ｋは１であり、１８０°である時、ｋは２であり、２７０°である時、ｋは３である。ここで、ａｋ、ｎは、ｋに該当する位相差でｎ番目のゲート信号を印加する間、センサーピクセル７１６で発生した光電子の数を表わし、その数はＮ＝ｆｍ＊Ｔ_ｉｎｔである。ここで、ｆｍは、変調された赤外線（ＩＲ）または反射された光ＥＬを表わし、Ｔ_ｉｎｔは、積分時間を表わす。

【0079】

図８を参照すると、２タップピクセルユニット（ｐｉｘｅｌ ｕｎｉｔ）は、参照番号８００で表わす。２タップピクセルユニット８００は、図７の複数のセンサーピクセル７１６のうちの一つと同様のセンサーピクセル８１６を含む。センサーピクセル８１６は、第１領域８２１と第２領域８２２とを含む。第１領域８２１は、第１タップ８２３を含み、第２領域８２２は、第２タップ８２４を含む。

【0080】

図９を参照すると、ピクセルセンサー（ｐｉｘｅｌ ｓｅｎｓｏｒ）回路は、参照番号９００で表わす。ピクセルセンサー回路９００は、光子を受信するためのフォトセンサー装置（ＰＳＤ）９１０、フォトセンサー装置（ＰＳＤ）９１０に接続されたゲートトランジスタ（ｇａｔｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）９１２、ゲートトランジスタ９１２と電源電圧Ｖｄｄとの間に接続されたリセットトランジスタ（ｒｅｓｅｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）９１４、ゲートトランジスタ９１２によってゲーティング（ｇａｔｉｎｇ）され、電源電圧Ｖｄｄと選択トランジスタ９１８との間に接続された第２トランジスタ９１６、及び選択トランジスタ９１８と接地ＶＳＳとの間に接続されたロードトランジスタ（ｌｏａｄ
ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）９２０を含む。したがって、ピクセルセンサー回路９００は、図８のアクティブ領域である第１領域８２１と第２領域８２２に具現されたトランジスタ９１２、９１４、９１６、９１８、及び９２０と光電変換装置であるフォトセンサー装置（ＰＳＤ）９１０とを含む。

【0081】

図１０を参照すると、２タップの信号プロットと複数のＩＲ信号と複数のゲート信号のタイミング図は、参照番号１０００で表わす。２タップの信号プロットと複数のＩＲ信号と複数のゲート信号のタイミング図、すなわち、タイミング図１０００は、放射された光
信号１０１０、反射されたまたは受信された光信号１０１２、０°の位相オフセット信号１０１４、及び１８０°の位相オフセット信号１０１６を含む。ここで、０°の位相オフセット信号１０１４は、ｎ番目のサイクルの０番目のクアドラント積分１０１８と（ｎ＋１）番目のサイクルの０番目のクアドラント積分１０１９とを含む。同様に、１８０°の位相オフセット信号１０１６は、ｎ番目のサイクルの２番目のクアドラント積分１０２０と（ｎ＋１）番目のサイクルの２番目のクアドラント積分とを含む。

【0082】

図８、図９、及び図１０の２タップセンサー動作は、１８０°の位相差を有する複数のゲート信号ＧａとＧｂを利用する。複数のゲート信号ＧａとＧｂは、それぞれ図８のセンサーピクセル８１６の複数のタップ８２３と８２４を含む光電変換装置に供給される。

【0083】

したがって、複数の第１タップ８２３、第２タップ８２４のそれぞれは、複数のゲート信号ＧａとＧｂのそれぞれがハイレベル（ｈｉｇｈ ｌｅｖｅｌ）を有する間、図９のゲートトランジスタ９１２を通じて、反射された光ＲＬによって生成された複数の光電子をフローティングディフュージョン領域（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ：ＦＤ）に伝達する。複数の光電子に相応する複数のピクセル信号Ａ０’／Ａ２’とＡ１’／Ａ３’のそれぞれは、第２トランジスタであるソースフォロワトランジスタ（ｓｏｕｒｃｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）９１６と選択トランジスタ９１８とを通じて光電変換装置である第１タップ８２３、第２タップ８２４のそれぞれによって生成される。リセットトランジスタ９１４は、リセット（ｒｅｓｅｔ）信号ＲＳＴによってフローティングディフュージョン領域ＦＤを電源電圧Ｖｄｄにリセットする。

【0084】

ロードトランジスタ９２０は、ピクセルセンサー回路９００の出力ノードと接地ＶＳＳとの間に接続され、ロード（ｌｏａｄ）信号ＶＬＯＡＤによって動作する。図７のタイミングコントローラ７２０の信号によってデジタルＣＤＳ／ＡＤＣ回路７１８は、複数のピクセル信号Ａ０’／Ａ２’とＡ１’／Ａ３’のそれぞれのためにＣＤＳ（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ）動作とＡＤＣ（ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ）動作とを行って、複数のピクセル信号Ａ０とＡ２、及びＡ１とＡ３のそれぞれを出力する。

【0085】

図１１を参照すると、２タップサンプリングポイントプロットは、参照番号１１００で表わす。２タップサンプリングポイントプロット１１００は、２つのサンプリング時点ｔ０とｔ１を表わす。第１サンプリング時点ｔ０で、０番目の位相オフセットクアドラント（ｏｆｆｓｅｔ ｑｕａｄｒａｎｔ）光子数と２番目の位相オフセットクアドラント光子数とがサンプルされる。

【0086】

図７のメモリ７２４は、複数のバッファーとして具現され、ＣＤＳ／ＡＤＣ回路７１８から出力された複数のデジタルピクセル信号Ａ０／Ａ２とＡ１／Ａ３のそれぞれを受信して保存する。深さ推定器７２６は、複数のデジタルピクセル信号Ａ０／Ａ２とＡ１／Ａ３のそれぞれに基づいて位相差を推定する。深さ推定器７２６によって推定された位相差は、表３の式Ｅ３と定義される。

【0087】

深さ推定器７２６は、式Ｅ４によって推定された位相差に基づいて深さ情報を推定する。式Ｅ４で、ｃは、光速度を意味し、ｆｍは、反射された光ＲＬの変調された周波数を表わす。

【0088】

図１２のプロット、すなわち、タイミング図１２００は、式Ｅ５で提示されたように、２タップピクセル構造を有するセンサーピクセル７１６で発生した時間差を説明する。それぞれが、互いに約０°の位相オフセットと１８０°の位相オフセットとを有する複数のゲート信号ＧａとＧｂが、ｔ０時点でそれぞれ入力される時、２タップピクセル構造を有
する複数のセンサーピクセル７１６のそれぞれは、同時に測定された複数のピクセル信号Ａ０’とＡ２’を出力する。

【0089】

また、それぞれが、互いに約９０°の位相オフセットと２７０°の位相オフセットとを有する複数のゲート信号が、ｔ１時点でそれぞれ入力される時、２タップピクセル構造を有する複数のセンサーピクセル７１６のそれぞれは、同時に測定された複数のピクセル信号Ａ１’とＡ３’を出力する。したがって、複数のセンサーピクセル７１６のそれぞれは、各ピクセル信号Ａ１’、Ａ２’、Ａ３’、及びＡ４’を同時に測定することができないので、複数のセンサーピクセル７１６のそれぞれは、それぞれの時間間隔Ｔ_ｉｎｔごとに複数のピクセル信号のそれぞれを二回測定することができる。

【0090】

深さ推定器７２６は、式Ｅ５によって、各デジタルピクセル信号Ａ１、Ａ２、Ａ３、及びＡ４に基づいて位相差を推定する。深さ推定器７２６は、推定された位相差に基づいて深さ情報を推定し、深さ情報（ｄ−ｈａｔ）を出力する。

【0091】

図１２を参照すると、他の２タップサンプリングポイントプロットも参照番号１２００で表わす。２タップサンプリングポイントプロット１２００は、２つの実際のサンプリング時点ｔ０とｔ２と２つの補間されたサンプリング時点ｔ１とｔ３とを表わす。ここで、ｔ２またはｔ３は受信時間を示す。

【0092】

図１２に示された概念図は、複数のデジタルピクセル信号の推定を説明するために提供される。図７の実施形態で、時間差（Ｔｉｍｔ）による位相エラー（ｅｒｒｏｒ）を補償するために、他の深さ推定器７２６が使われる。例えば、深さ推定器７２６は、推定時点ｔ２で既に測定された複数のデジタルピクセル信号を用いて、推定時点ｔ２で複数のデジタル信号のそれぞれを推定することができる。ここで、２タップピクセル構造を有するセンサーピクセル７１６を含む深さセンサー７１０は、ｔ１時点でＡ’（ｋ−１）、Ａ３’（ｋ−１）、ｔ２時点でＡ０’（ｋ）とＡ２’（ｋ）、ｔ３時点でＡ１’（ｋ）とＡ３’（ｋ）を測定することができる。

【0093】

それぞれのピクセル信号Ａ’（ｋ−１）、Ａ３’（ｋ−１）、Ａ０’（ｋ）、Ａ２’（ｋ）、Ａ１’（ｋ）、及びＡ３’（ｋ）は、それぞれのデジタル信号Ａ（ｋ−１）、Ａ３（ｋ−１）、Ａ０（ｋ）、Ａ２（ｋ）、Ａ１（ｋ）、及びＡ３（ｋ）に変換してメモリ７２４に保存されうる。なお、Ａ（ｋ−１）またはＡ３（ｋ−１）は第１積分信号であり、Ａ１（ｋ）、またはＡ３（ｋ）は第２積分信号である。したがって、深さ推定器７２６は、時点ｔ２で、式Ｅ６によって２つの推定された値を推定する。なお、時点ｔ２は中間時点を示す。

【0094】

ここで、背景ノイズは、物体が時間の関数として動きの間は一定であると仮定されうる。測定された信号Ａ１とＡ３のそれぞれの現在値と過去値とを用いて、Ａ０とＡ２に対する補償された信号のそれぞれが推定されうる。例えば、簡単な補間アルゴリズムが使われる。実施形態において、推定が使われる。

【0095】

【表5】

【0096】

表５を参照すると、式Ｄ１は、２つの実際のサンプリング時点で実際の測定値の関数として補間された（ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｅｄ）測定を定義する。

【0097】

式Ｄ２は、ここで使われる例示的な簡単な補間を表わす。式Ｄ３は、補間測定と実際の測定とから位相角度（θ）を計算する。

【0098】

例えば、深さ推定器７２６が、線形補間（ｌｉｎｅａｒ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）を利用するならば、深さ推定器７２６は、式Ｅ７を使って複数の推定値を推定することができる。深さ推定器７２６は、前記式を使って残っている複数の推定値を推定することができる。そして、深さ推定器７２６は、Ａ０（ｋ）／Ａ２と式Ｅ８を用いて時点ｔ２での位相差を計算することができる。

【0099】

図１３を参照すると、推定時点で深さセンサー７１０の動作によって、デジタルピクセル信号についての推定過程を説明するための２タップタイミング図は、参照番号１３００で表わす。式Ｅ８は、式Ｅ９のように再び使われる。ここで、Ｔ_ｉｎｔは、積分時間、Ｔｒｅａｄは、ピクセル出力Ａｋ’からデジタル出力Ａｋまでのリードアウト時間（ｒｅａｄｏｕｔ ｔｉｍｅ）、及びＴｃａｌは、深さ推定器７２６が複数のデジタルピクセル信号を計算または推定するために必要となった時間である。複数のデジタルピクセル信号は、式Ｅ１０によって深さ推定器７２６によって供給される。

【0100】

図１４を参照すると、複数のシミュレーション結果を示すグラフは、参照番号１４００で表わす。ここで、シミュレーショングラフ１４１０は、物体７１１が１ｍｍ／ｓ〜１ｍ／ｓの速度で動く場合の位相差の計算誤差を表わし、シミュレーショングラフ１４２０は、物体７１１が１ｍｍ／ｓ〜１ｍ／ｓの速度で動いて線形補間によって補正された位相差の計算誤差を表わす。

【0101】

補償以前、すなわち、従来の推定アルゴリズムを使う場合、推定誤差である位相差エラーは、積分時間が増加するほど及び／または物体７１１の動きの速度が早いほど増加する。補償以後、すなわち、本発明の実施形態による推定アルゴリズムを使う場合、位相差の計算エラーは、積分時間及び／または物体の速度が増加しても相当減少する。

【0102】

図１５を参照すると、２タップ比較シミュレーショングラフは、参照番号１５００で表わす。ここで、プロットまたはグラフ１５１０は、従来の方法による位相差の計算誤差を表わし、プロットまたはグラフ１５２０は、本発明の実施形態による位相差の計算誤差を表わす。

【0103】

図１６を参照すると、２タップ比較シミュレーショングラフは、参照番号１６００で表わす。ここで、プロットまたはグラフ１６１０は、補償のない位相差の計算誤差を表わし、プロットまたはグラフ１６２０は、従来の補償がある位相差の計算誤差を表わす。プロットまたはグラフ１６３０は、本発明の実施形態による補償がある位相差の計算誤差を表わし、プロットまたはグラフ１６４０は、従来の方法１６４２と本発明の実施形態による方法１６４４とに対する平均二乗誤差を表わす。

【0104】

図１７を参照すると、１タップ非接触３Ｄ形状測定システムは、参照番号１７００で表わす。１タップ非接触３Ｄ形状測定システム１７００は、深さセンサー１７１０’と物体１７１１とを含む。深さセンサー１７１０’は、狭域ソースであるＩＲ（赤外線）エミッター（ＩＲ ｅｍｉｔｔｅｒ）１７１２、ＩＲパスフィルター１７１７を通じて物体１７１１から反射された光をそれぞれ受信する複数のセンサーピクセル１７３２を含むセンサーアレイ１７１４、センサーアレイ１７１４から複数の振幅または光子数を受信するＣＤＳ／ＡＤＣユニット１７１８、及びタイミング信号と制御信号とを出力するタイミングコ
ントロールユニット１７２０を含む。タイミングコントロールユニット１７２０は、センサーアレイ１７１４のためのＸデコーダ１７２２及びＩＲエミッター１７１２と通信する。ＣＤＳ／ＡＤＣユニット１７１８は、サンプリングされた複数の振幅または光子数をメモリ１７２４に伝達し、メモリ１７２４は、交互にサンプリングされた複数の振幅または光子数を深さ推定器１７２６に供給する。深さ推定器１７２６は、深さセンサー１７１０’のＩＲエミッター１７１２と複数のセンサーピクセル１７３２から物体の深さまたは距離を指示する複数の信号を提供する。

【0105】

深さセンサー１７１０、物体１７１１、ＩＲエミッター１７１２、センサーアレイ１７１４、複数のセンサーピクセル１７３２、ＩＲパスフィルター１７１７、ＣＤＳ／ＡＤＣユニット１７１８、タイミングコントロール（Ｔ／Ｃ）ユニット１７２０、メモリ１７２４、及び深さ推定器１７２６は、効果的なシステムを形成する。

【0106】

ここで、深さ推定器１７２６は、式Ｅ１を利用し、前記式Ｅ１で、ｔは、放射された光信号ＥＬと受信された光信号ＲＬとの間の時間差であり、ｄは、ＩＲエミッター１７１２と物体１７１１との距離に相応する深さ情報であり、及びｃは、光速度である。

【0107】

前記ＲＬは、追加されたレンズ（ｌｅｎｓ）またはＩＲパスフィルター１７１７の前に位置するレンズモジュール（ｌｅｎｓ ｍｏｄｕｌｅ）を通過することができる。ＩＲエミッター１７１２は、変調されたＩＲを外部に放射することができ、一つ以上のＬＥＤ（ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）またはＯＬＥＤ（ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）、またはＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）として具現可能である。

【0108】

したがって、１タップピクセル構造を有する深さセンサーピクセル１７３２は、それぞれが０°の位相オフセット、９０°の位相オフセット、１８０°の位相オフセット、及び２７０°の位相オフセットを有するそれぞれのゲート信号Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃ、及びＧｄに応答して、それぞれのピクセル信号Ａ０’、Ａ１’、Ａ２’、Ａ３’を測定することができる。

【0109】

複数のセンサーピクセル１７３２は、所定の時間、例えば、積分時間の間、ＩＲパスフィルター１７１７を通じて入射された反射されたＩＲまたはＲＬによって誘導された複数の光電子を蓄積し、式Ｅ２による蓄積によって生成された複数のピクセル信号Ａ０’、Ａ１’、Ａ２’、及びＡ３’を出力する。

【0110】

複数のピクセル信号Ａ０’、Ａ１’、Ａ２’、及びＡ３’は、複数のセンサーピクセル１７３２のそれぞれによって生成される。位相差またはゲート信号のオフセットが０°である時、ｋは０であり、前記位相差または前記ゲート信号の位相差が９０°である時、ｋは１であり、前記位相差または前記ゲート信号の位相差が１８０°である時、ｋは２であり、前記位相差または前記ゲート信号の位相差が２７０°である時、ｋは３である。

【0111】

ここで、ａｋ、ｎは、ｋに該当する位相差を有したｎ番目のゲート信号が印加される間、センサーピクセル１７３２に存在する光電子の数である。その数は、Ｎ＝ｆｍ＊Ｔ_ｉｎｔであり、ｆｍは、変調されたＩＲまたはＥＬであり、Ｔ_ｉｎｔは、積分時間である。

【0112】

図１８を参照すると、１タップピクセルユニットは、参照番号１８００で表わす。１タップピクセルユニット１８００は、図１７の複数のセンサーピクセル１７３２のうちの一つであるピクセル１８３２を含む。ピクセル１８３２は、第１タップ１８２２を含む第１領域１８２１を含む。

【0113】

図１９を参照すると、１タップサンプリングポイントプロットは、１９００で表わす。１タップサンプリングポイントプロット１９００は、４つのサンプリング時点ｔ０、ｔ１、ｔ２、及びｔ３を表わす。０番目のサンプリング時点ｔ０で、０番目の位相差クアドラント光子数がサンプリングされ、１番目のサンプリング時点ｔ１で、最初の位相差クアドラント光子数がサンプリングされる。２番目のサンプリング時点ｔ２で、二番目の位相差クアドラント光子数がサンプリングされる。３番目のサンプリング時点ｔ３で、三番目の位相差クアドラント光子数がサンプリングされる。

【0114】

図１７、図１８、及び図１９の１タップ構造の動作で、それぞれ０°、９０°、１８０°、及び２７０°の位相オフセットを有するそれぞれのゲート信号Ｇａ、Ｇｂ、Ｇｃ、及びＧｄは、図１８に示された光電変換素子または深さ感知のピクセル１８３２のフォトゲート１８２２に順次に印加される。したがって、フォトゲート１８２２は、反射された光信号ＲＬによって生成された光電子を伝達ゲートを通じてフローティングディフュージョン領域ＦＤに伝達される。

【0115】

タイミングコントローラ１７２０の信号によって、デジタルＣＤＳ／ＡＤＣ回路１７１８は、ｔ０時点でＡ０’、ｔ１時点でＡ１’、ｔ２時点でＡ２’、ｔ３時点でＡ３’、及びｔ４時点でＡ４’を含むそれぞれのピクセル信号に対してＣＤＳ（ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ ｄｏｕｂｌｅ ｓａｍｐｌｉｎｇ）動作とＡＤＣ（ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ）動作とを行って、それぞれのデジタルピクセル信号Ａ０、Ａ１、Ａ２、及びＡ３を出力する。複数のバッファーとして具現されたメモリ１７２４は、ＣＤＳ／ＡＤＣ回路１７１８から出力されたそれぞれのデジタルピクセル信号Ａ０、Ａ１、Ａ２、及びＡ３を受信して保存する。

【0116】

深さ推定器１７２６は、それぞれのデジタルピクセル信号Ａ０、Ａ１、Ａ２、及びＡ３に基づいて位相差を順次に計算する。深さ推定器１７２６によって推定された位相差は、表Ｆの式Ｆ４から誘導される。

【0117】

【表6】

【0118】

図２０を参照すると、推定時点におけるデジタルピクセル信号についての推定プロセスを説明する１タップタイミング図は、参照番号２０００で表わす。図１７の深さ推定器１７２６は、Ａ０’（ｋ）が測定される時点で既に測定されて保存された複数のデジタルピ
クセル信号Ａ_１（ｋ−１）及びＡ_１（ｋ）を用いて、相異なる推定時点から複数のデジタル信号を推定することができる。したがって、第１信号推定は、Ａ_２（ｋ−１）とＡ_２（ｋ）とを利用し、第２信号推定は、Ａ_３（ｋ−１）とＡ_３（ｋ）とを利用する。

【0119】

深さ推定器１７２６が線形補間を利用すれば、デジタルピクセル信号Ａ_０（ｋ）に相応するピクセル信号Ａ_０’（ｋ）が推定される時、深さ推定器１７２６は、各デジタルピクセル信号を推定することができる。

【0120】

深さ推定器１７２６によって生成された複数のデジタルピクセル信号は、表Ｆの式Ｆ５、Ｆ６、及びＦ７に提示されている。したがって、深さ推定器１７２６は、測定されたデジタルピクセル信号Ａ_０（ｋ）と式Ｆ８によって推定された複数のデジタルピクセル信号とに基づいて位相差を推定する。ここで、深さセンサー１７１０の深さ推定器１７２６は、推定された深さ情報を出力することができる。

【0121】

図２１を参照すると、１タップシミュレーション結果を表わすプロットは、参照番号２１００で表わす。ここで、プロット２１１０は、物体１７１１が１ｍｍ／ｓ〜１ｍ／ｓの速度で動く時、位相差の計算エラーを表わし、プロット２１２０は、本発明の実施形態による線形補間によって補償された場合、物体１７１１が１ｍｍ／ｓ〜１ｍ／ｓの速度で動く時、位相差の計算誤差を表わす。

【0122】

補償以前、すなわち、従来のアルゴリズムを使う場合、推定エラーである位相差エラーは、積分時間が増加するか、または物体１７１１の移動速度が増加するほど増加する。補償以後、すなわち、本発明の実施形態によるアルゴリズムを使う場合、位相差の計算エラーは、積分時間が増加するか、または物体１７１１の移動速度が増加しても、相当減少する。

【0123】

図２２を参照すると、１タップ比較シミュレーショングラフは、参照番号２２００で表わす。ここで、プロット２２１０は、従来の方法による位相差の計算誤差を表わし、プロット２２２０は、本発明の実施形態による位相差の計算誤差を表わす。

【0124】

図２３を参照すると、１タップ比較シミュレーショングラフは、参照番号２３００で表わす。ここで、プロット２３１０は、補償のない場合の位相差の計算誤差を表わす。プロット２３２０は、従来の補償アルゴリズムを使う場合の位相差の計算誤差を表わす。プロット２３３０は、本発明の実施形態による補償された位相差の計算誤差を表わす。プロット２３４０は、従来の方法２３４２と本発明の実施形態による方法２３４４とに対する平均二乗誤差を示す。

【0125】

図２４を参照すると、深さの推定方法は、参照番号２４００で表わす。深さの推定方法は、以前に測定された値と後に測定された値とを用いて、現在の値を推定する段階（ステップＳ１０）を含む。ここで、２タップピクセル構造を有する図７の深さ感知ピクセル７１６を含む深さセンサー７１０は、推定時点と近い二つの検出時点で検出された複数の値を用いて、推定地点に対する複数の値を推定する。次いで、ステップＳ２０段階で、深さセンサー７１０は、推定された複数の値と推定時点で深さ感知ピクセル７１６によって検出された二つの値とを用いて、深さ情報を推定する。深さセンサー７１０は、２つの推定された値と２つの検出された値Ａ_０（ｋ）とＡ_２（ｋ）と間の位相差を決定する。次に、ステップＳ３０段階で、深さセンサー７１０は、反射された光ＲＬの周波数ｆｍ、光速度ｃ、及び位相差に基づいて、深さ情報を推定する。

【0126】

図２５を参照すると、本発明の実施形態による３トランジスタ（３Ｔ）ＡＰＳ（ａｃｔｉｖｅ ｐｉｘｅｌ ｓｅｎｓｏｒ）構造は、参照番号２５００で表わす。３ＴＡＰＳ構
造は、フォトダイオード（ｐｈｏｔｏ ｄｉｏｄｅ）２５１０、フォトダイオード２５１０と接続されたリセットトランジスタであるＲＸトランジスタ２５２０、フォトダイオード２５１０と接続されたＤＸトランジスタ２５３０、及びＤＸトランジスタ２５３０と接続された選択トランジスタであるＳＸトランジスタ２５４０を含む。本発明の実施形態による３ＴＡＰＳ構造は、ＲＸトランジスタ２５２０とＳＸトランジスタ２５４０とを共有し、フローティングディフュージョン領域（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ）を有しているために、ＣＤＳ動作を行える。

【0127】

図２６を参照すると、本発明の実施形態による４トランジスタ（４Ｔ）ＡＰＳ構造は、参照番号２６００で表わす。４ＴＡＰＳ構造は、フォトダイオード２６１０、フォトダイオード２６１０と接続されたＴＸトランジスタ２６１２、ＴＸトランジスタ２６１２と接続されたＲＸトランジスタ２６２０、ＴＸトランジスタ２６１２と接続されたＤＸトランジスタ２６３０、及びＤＸトランジスタ２６３０と接続されたＳＸトランジスタ２６４０を含む。実施形態において、他の一般的な代替構造が考慮されうる。

【0128】

図２７を参照すると、本発明の実施形態による５トランジスタ（５Ｔ）ＡＰＳ構造は、参照番号２７００で表わす。５ＴＡＰＳ構造は、フォトダイオード２７１０、フォトダイオード２７１０と接続されたＴＸトランジスタ２７１２、ＴＸトランジスタ２７１２と接続されたＧＸトランジスタ２７１４、ＴＸトランジスタ２７１２と接続されたＲＸトランジスタ２７２０、ＴＸトランジスタ２７１２と接続されたＤＸトランジスタ２７３０、及びＤＸトランジスタ２７３０と接続されたＳＸトランジスタ２７４０を含む。実施形態において、他の一般的な代替構造が考慮されうる。

【0129】

図２８を参照すると、本発明の他の実施形態による５トランジスタ（５Ｔ）ＡＰＳ構造は、参照番号２８００で表わす。５ＴＡＰＳ構造は、フォトダイオード２８１０、フォトダイオード２８１０と接続されたＰＸトランジスタ２８１１、ＰＸトランジスタ２８１１と接続されたＴＸトランジスタ２８１２、ＴＸトランジスタ２８１２と接続されたＲＸトランジスタ２８２０、ＴＸトランジスタ２８１２と接続されたＤＸトランジスタ２８３０、及びＤＸトランジスタ２８３０と接続されたＳＸトランジスタ２８４０を含む。実施形態において、他の一般的な代替構造が考慮されうる。

【0130】

図２９を参照すると、２チップソリューション（２−ｃｈｉｐ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を利用した非接触３Ｄ形状測定システムは、参照番号２９００で表わす。２チップソリューションを利用した非接触３Ｄ形状測定システム２９００は、変調光ＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）位相推定のために深さ補償を利用し、光伝送のためのエミッター、光を反射するための物体または反射器２９１２、物体から周りの光を受信するためのカラーピクセルとしてのカラーセンサー２９１８、及び反射された光から周りの光を除いて３Ｄ情報を提供するために、距離ピクセルとしての深さセンサー２９１４とカラーセンサー２９１８と通信する信号プロセッサ２９１６とを含む。

【0131】

図３０を参照すると、１チップソリューション（１−ｃｈｉｐ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を利用した非接触３Ｄ形状測定システムは、参照番号３０００で表わす。１チップソリューションを利用した非接触３Ｄ形状測定システム３０００は、変調光ＴＯＦ（ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｈｔ）位相推定のために深さ補償を利用し、光伝送のための狭域ソースである光源３０１０、光を反射するための物体または反射器３０１２、物体から周りの光を受信するためのカラーセンサーと深さセンサー３０１４、及び反射された光から周りの光を除いて３Ｄ情報を提供するために、カラーセンサーと深さセンサー３０１４と通信する信号プロセッサ３０１６とを含む。

【0132】

図３１を参照すると、非接触３Ｄ形状測定システムは、参照番号３１００で表わす。非
接触３Ｄ形状測定システム３１００は、光を伝送するための狭域ソースである光源３１１０、光を反射するための物体３１１２、光を受信するためのピクセルアレイ（ｐｉｘｅｌ
ａｒｒａｙ）３１１４、光源３１１０を制御するための制御ユニット３１１６、ローアドレスデコーダ（ｒｏｗ ａｄｄｒｅｓｓ ｄｅｃｏｄｅｒ）３１１８、及びカラムアドレスデコーダ（ｃｏｌｕｍｎ ａｄｄｒｅｓｓ ｄｅｃｏｄｅｒ）３１２２、ローアドレスデコーダ３１１８とピクセルアレイ３１１４との間に接続されたロードライバー（ｒｏｗｄｒｉｖｅｒ）３１２０、カラムアドレスデコーダ３１２２とピクセルアレイ３１１４との間に接続されたカラムドライバー（ｃｏｌｕｍｎ ｄｒｉｖｅｒ）３１２４、カラムドライバー３１２４に接続されたサンプル／ホールドレジスタ（ｓａｍｐｌｅ／ｈｏｌｄ
ｒｅｇｉｓｔｅｒ、Ｓ／Ｈ）３１２６、及びＳ／Ｈレジスタ３１２６に接続されたアナログ／ディジタルコンバータＡＤＣ（ａｎａｌｏｇ−ｔｏ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、ＡＤＣ）３１２８、及びＡＤＣ３１２８に接続されたイメージシグナルプロセッサー（ｉｍａｇｅ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ、ＩＳＰ）３１３０を含む。

【0133】

図３２を参照すると、非接触３Ｄ形状測定システムは、参照番号３２００で表わす。非接触３Ｄ形状測定システム３２００は、システムバス３２２０と接続されたＣＰＵ３２１０、システムバス３２２０と接続されたシングルまたはマルチ−チップセンサー（ｓｉｎｇｌｅ／ｍｕｌｔｉ ｃｈｉｐ ｓｅｎｓｏｒ）３２３０、及びシステムバス３２２０と接続されたメモリ３２４０を含む。

【0134】

図３３を参照すると、非接触３Ｄ形状測定を行うための部分的な回路と信号図は、参照番号３３００で表わす。部分的な回路３３１０は、リセットトランジスタ３３１４と接続されたフォト−ダイオード３３１２と選択トランジスタ３３１８と接続されるフローティングディフュージョントランジスタ３３１６とを含む。接地トランジスタ３３２０とＡＤＣ３３２２のそれぞれは、互いに選択トランジスタ３３１８と接続される。信号図３３３０は、ＰＤ、ＲＧ、及びＲＤ信号レベルがロー（ｌｏｗ）であるリセット状態３３３２、ＰＤレベルがライジング（ｒｉｓｉｎｇ）、ＲＧレベル（ｌｅｖｅｌ）がハイ（ｈｉｇｈ）、及びＲＤレベルがローであるリセット直後の状態３３３４、ＰＤとＲＧレベルがハイであり、ＲＤレベルがローである積分状態３３３６を含む。

【0135】

図３４を参照すると、非接触３Ｄ形状測定を行うための部分的な回路と信号図は、参照番号３４００で表わす。部分的な回路３４１０は、パストランジスタ３４１３、リセットトランジスタ３４１４、及びパストランジスタ３４１４と接続されたフローティングディフュージョントランジスタ３４１６と、パストランジスタ３４１３に接続されたフォトダイオード３４１２と、フローティングディフュージョントランジスタ３４１６と接続される選択トランジスタ３４１８とを含む。

【0136】

信号図３４３０は、ＲＤレベルがローであり、ＰＤ、ＴＧ、ＦＤ、及びＲＧレベルがハイである積分状態３４３６と、ＦＤ、ＲＧ、及びＲＤレベルがローであり、ＰＤとＴＧレベルがハイであるＦＤリセット状態３４３２と、ＦＤとＲＤレベルがローであり、ＰＤ、ＴＧ、及びＲＧレベルがハイであるリセット直後の状態３４３４と、ＰＤ、ＴＧ、及びＲＤレベルがローであり、ＦＤとＲＧレベルがハイである信号伝達状態３４３５とを含む。タイミング図３４４０は、最初に活性化されるリセット信号３４４２、二番目に活性化されるＴＧ信号３４４４、及びリセット信号の出力後、段階別に減少する出力信号３４４６を含む。

【0137】

図３５を参照すると、ＡＰＳ構造は、参照番号３５００で表わす。３トランジスタ（３Ｔ）ＡＰＳ構造３５３０は、フォトダイオード３５３１、フォトダイオード３５３１と接続されたＲＸトランジスタ３５３２、フォトダイオード３５３１と接続されたＤＸトランジスタ３５３３、及びＤＸトランジスタ３５３３と接続されたＳＸトランジスタ３５３４
を含む。３Ｔ構造は、簡単なプロセス（ｐｒｏｃｅｓｓ）、ハイフィルファクター（ｈｉｇｈ ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）、ピクセルリセットノイズ（ｐｉｘｅｌ ｒｅｓｅｔ ｎｏｉｓｅ）、及び低い信号対ノイズ比（ｌｏｗ ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）を有することを特徴とする。

【0138】

４トランジスタ（４Ｔ）ＡＰＳ構造３５４０は、フォトダイオード３５４１、フォトダイオード３５４１と接続されたＴＸトランジスタ３５４５、ＴＸトランジスタ３５４５と接続されたＲＸトランジスタ３５４２、ＴＸトランジスタ３５４５と接続されたＤＸトランジスタ３５４３、ＤＸトランジスタ３５４３と接続されたＳＸトランジスタ３５４４を含む。４Ｔ構造は、浅いポテンシャル（ｓｈａｌｌｏｗ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）フォトダイオード（ｐｈｏｔｏ ｄｉｏｄｅ）、ローフィルファクター（ｌｏｗ ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）、ローダークレベル（ｌｏｗ ｄａｒｋ ｌｅｖｅｌ）、高感度（ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）、ＣＤＳ動作、及びＳＦＣＭ（ｓｉｎｇｌｅ ｆｒａｍｅ ｃａｐｔｕｒｅ ｍｏｄｅ）で動作しないことを特徴とする。

【0139】

５トランジスタ（５Ｔ）ＡＰＳ構造３５５０は、フォトダイオード３５５１、フォトダイオード３５５１と接続されたＴＸトランジスタ３５５５、ＴＸトランジスタ３５５５と接続されたＧＸトランジスタ３５５２、ＴＸトランジスタ３５５５と接続されたＲＸトランジスタ３５５３、ＴＸトランジスタ３５５５と接続されたＤＸトランジスタ３５５６、及びＤＸトランジスタ３５５６と接続されたＳＸトランジスタ３５５４を含む。５Ｔ構造は、アドレスドリードアウト（ａｄｄｒｅｓｓｅｄ ｒｅａｄｏｕｔ）、完全なランダムアクセス（ｆｕｌｌ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ）、一つのＣＤＳ、及び最も低いフィルファクター（ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）を有することを特徴とする。

【0140】

フォトゲート構造３５６０は、フォトダイオード３５６１、フォトダイオード３５６１と接続されたＰＸトランジスタ３５６７、ＰＸトランジスタ３５６７と接続されたＴＸトランジスタ３５６５、ＴＸトランジスタ３５６５と接続されたＲＸトランジスタ３５６２、ＴＸトランジスタ３５６５と接続されたＤＸトランジスタ３５６３、及びＤＸトランジスタ３５６３と接続されたＳＸトランジスタ３５６４を含む。フォトゲート構造３５６０は、簡単なプロセス、前記４Ｔのような動作、ＰＧパルス（ｐｕｌｓｅ）とＴＧパルスとによるシングルチャージシフティング（ｓｉｎｇｌｅ ｃｈａｒｇｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ）、付加的なシングルライン（ｓｉｎｇｌｅ ｌｉｎｅ）、及びローブルー応答（ｌｏｗ
ｂｌｕｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を有することを特徴とする。

【0141】

本発明は、図面に示された一実施形態を参考に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者であれば、これより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されるべきである。

【産業上の利用可能性】

【0142】

本発明は、距離測定方法、距離測定システム、及び距離センサーに使われる。

【符号の説明】

【0143】

１００：非接触３Ｄ形状測定システム、
２００：他の非接触３Ｄ形状測定システム、
３００：信号プロット、
４００：他の信号プロット、
５００：非接触３Ｄ形状測定システム、
６００：複数のイメージ、
７００：２タップ非接触３Ｄ形状測定システム、
８００：２タップピクセルユニット、
９００：ピクセルセンサー回路、
１０００：２タップの信号プロットと複数のＩＲ信号と複数のゲート信号のタイミング図、
１１００：２タップサンプリングポイントプロット、
１２００：他の２タップサンプリングポイントプロット、
１３００：２タップタイミング図、
１４００：複数のシミュレーション結果を示すグラフ、
１５００：２タップ比較シミュレーショングラフ、
１６００：２タップ比較シミュレーショングラフ、
１７００：１タップ非接触３Ｄ形状測定システム、
１８００：１タップピクセルユニット、
１９００：１タップサンプリングポイントプロット、
２０００：１タップタイミング図、
２１００：１タップシミュレーション結果を表わすプロット、
２２００：１タップ比較シミュレーショングラフ、
２３００：１タップ比較シミュレーショングラフ、
２４００：深さ推定方法を説明するためのフローチャート、
２５００：３トランジスタ（３Ｔ）ＡＰＳ構造、
２６００：４トランジスタ（４Ｔ）ＡＰＳ構造、
２７００：５トランジスタ（５Ｔ）ＡＰＳ構造、
２８００：５トランジスタ（５Ｔ）ＡＰＳ構造、
２９００：２チップソリューションを利用した非接触３Ｄ形状測定システム、
３０００：１チップソリューションを利用した非接触３Ｄ形状測定システム、
３１００：非接触３Ｄ形状測定システム、
３２００：非接触３Ｄ形状測定システム、
３３００：非接触３Ｄ形状測定を行うための部分的な回路と信号図、
３４００：非接触３Ｄ形状測定を行うための部分的な回路と信号図。

【図1】

【図2】

【図7】

【図8】

【図9】

【図11】

【図12】

【図17】

【図18】

【図19】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図10】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図35】