特許 5781918 距離測定装置

(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】5781918

(24)【登録日】2015年7月24日

(45)【発行日】2015年9月24日

(54)【発明の名称】距離測定装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/10 20060101AFI20150907BHJP

   G01S 17/89 20060101ALI20150907BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20150907BHJP

【ＦＩ】

   G01S17/10

   G01S17/89

   G01C3/06 120Q

   G01C3/06 140

【請求項の数】5

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2011-288393(P2011-288393)

(22)【出願日】2011年12月28日

(65)【公開番号】特開2013-137242(P2013-137242A)

(43)【公開日】2013年7月11日

【審査請求日】2014年8月8日

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124291

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100122507

【弁理士】

【氏名又は名称】柏岡 潤二

(72)【発明者】

【氏名】中村 重幸

(72)【発明者】

【氏名】嶋野 弘己

(72)【発明者】

【氏名】平柳 通人

(72)【発明者】

【氏名】松本 拓也

(72)【発明者】

【氏名】櫻井 直人

【審査官】 小川 亮

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１３７２３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４１９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００２−５００３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２９４４２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１３２８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２６４４３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０７１８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６４４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０１９２９３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２００１／００２４２７１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０７３７９１００（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特表２００６−５２３０７４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｓ １７／１０

Ｇ０１Ｃ ３／０６

Ｇ０１Ｓ １７／８９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

飛行時間法により対象物に対する距離を求める距離測定装置であって、
変調光を放出する光源部と、
入射光に応じて電荷を発生する光感応領域、前記光感応領域で発生した電荷を蓄積する第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域、前記光感応領域と前記第１の蓄積領域との間に設けられた第１の転送電極、前記光感応領域と前記第２の蓄積領域との間に設けられた第２の転送電極、前記第１の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第１のリセットスイッチ、並びに、前記第２の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第２のリセットスイッチを有するセンサ部と、
前記変調光の放出タイミング及び前記センサ部を制御して、距離を算出する処理部と、
を備え、
前記処理部は、
前記第１のリセットスイッチ及び前記第２のリセットスイッチを制御して前記第１の蓄積領域及び前記第２の蓄積領域を前記リセット電位に接続してから該第１の蓄積領域及び該第２の蓄積領域を次に前記リセット電位に接続するまでの非発光フレーム期間内の複数の第１の電荷転送サイクルにおいて、前記光源部に変調光を放出させず、第１の転送期間内に前記第１の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第１の蓄積領域に蓄積させ、前記第１の転送期間と位相反転した第２の転送期間内に前記第２の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第２の蓄積領域に蓄積させ、
複数の第１の読出しサイクルにおいて、前記複数の第１の電荷転送サイクルと交互の時点に前記第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第１の読出し値Ｄ１及び該時点に前記第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第２の読出し値Ｄ２を前記センサ部から取得し、
前記第１のリセットスイッチ及び前記第２のリセットスイッチを制御して前記第１の蓄積領域及び前記第２の蓄積領域を前記リセット電位に接続してから該第１の蓄積領域及び該第２の蓄積領域を次に前記リセット電位に接続するまでの発光フレーム期間内の複数の第２の電荷転送サイクルにおいて、前記光源部に変調光を放出させ、第１の転送期間内に前記第１の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第１の蓄積領域に蓄積させ、前記第１の転送期間と位相反転した第２の転送期間内に前記第２の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第２の蓄積領域に蓄積させ、
複数の第２の読出しサイクルにおいて、前記複数の第２の電荷転送サイクルと交互の時点に前記第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第１の読出し値Ｑ１及び該時点に前記第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第２の読出し値Ｑ２を前記センサ部から取得し、
前記複数の第１の読出し値Ｑ１の各々と該複数の第１の読出し値Ｑ１の各々が取得された第２の読出しサイクルの順番とを近似する第１の近似式を作成し、前記複数の第２の読出しサイクルのうち所定番目の第２の読出しサイクルの第１の読出し値の補正値である第１の補正値を該第１の近似式を用いて算出し、
前記複数の第２の読出し値Ｑ２の各々と該複数の第２の読出し値Ｑ２の各々が取得された第２の読出しサイクルの順番とを近似する第２の近似式を作成し、前記複数の第２の読出しサイクルのうち前記所定番目の第２の読出しサイクルの第２の読出し値の補正値である第２の補正値を前記第２の近似式を用いて算出し、
前記複数の第２の読出しサイクルのうち初回の第２の読出しサイクルであって前記複数の第２の電荷転送サイクルのうち初回の第２の電荷転送サイクルよりも前の時点の該初回の第２の読出しサイクルにおいて取得された第１の読出し値と前記第１の補正値との和から、前記複数の第１の読出し値Ｄ１のうち前記所定番目の第１の読出し値を減算することにより、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔを算出し、
前記初回の第２の読出しサイクルにおいて取得された第２の読出し値と前記第２の補正値との和から、前記複数の第２の読出し値Ｄ２のうち前記所定番目の第２の読出し値を減算することにより、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを算出し、
距離Ｌを
Ｌ＝（１／２）×ｃ×Ｔ０×｛Ｑ２ｅｓｔ×α／（Ｑ１ｅｓｔ＋Ｑ２ｅｓｔ×α）｝
により算出し、ここで、ｃは光速であり、Ｔ０は前記複数の第２の電荷転送サイクルの各々において前記光源部に変調光を放出させた時間長であり、αは同量の入射光が前記第１の転送期間及び前記第２の転送期間に前記光感応領域に入射する場合の前記第１の読出し値と前記第２の読出し値の比である、
距離測定装置。

【請求項2】

飛行時間法により対象物に対する距離を求める距離測定装置であって、
変調光を放出する光源部と、
入射光に応じて電荷を発生する光感応領域、前記光感応領域で発生した電荷を蓄積する第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域、前記光感応領域と前記第１の蓄積領域との間に設けられた第１の転送電極、前記光感応領域と前記第２の蓄積領域との間に設けられた第２の転送電極、前記第１の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第１のリセットスイッチ、並びに、前記第２の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第２のリセットスイッチを有するセンサ部と、
前記変調光の放出タイミング及び前記センサ部を制御して、距離を算出する処理部と、
を備え、
前記処理部は、
前記第１のリセットスイッチ及び前記第２のリセットスイッチを制御して前記第１の蓄積領域及び前記第２の蓄積領域を前記リセット電位に接続してから該第１の蓄積領域及び該第２の蓄積領域を次に前記リセット電位に接続するまでの非発光フレーム期間内の複数の第１の電荷転送サイクルにおいて、前記光源部に変調光を放出させず、第１の転送期間内に前記第１の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第１の蓄積領域に蓄積させ、前記第１の転送期間と位相反転した第２の転送期間内に前記第２の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第２の蓄積領域に蓄積させ、
複数の第１の読出しサイクルにおいて、前記複数の第１の電荷転送サイクルと交互の時点に前記第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第１の読出し値Ｄ１及び該時点に前記第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第２の読出し値Ｄ２を前記センサ部から取得し、
前記第１のリセットスイッチ及び前記第２のリセットスイッチを制御して前記第１の蓄積領域及び前記第２の蓄積領域を前記リセット電位に接続してから該第１の蓄積領域及び該第２の蓄積領域を次に前記リセット電位に接続するまでの発光フレーム期間内の複数の第２の電荷転送サイクルにおいて、前記光源部に変調光を放出させ、第１の転送期間内に前記第１の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第１の蓄積領域に蓄積させ、前記第１の転送期間と位相反転した第２の転送期間内に前記第２の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第２の蓄積領域に蓄積させ、
複数の第２の読出しサイクルにおいて、前記複数の第２の電荷転送サイクルと交互の時点に前記第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第１の読出し値Ｑ１及び該時点に前記第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第２の読出し値Ｑ２を前記センサ部から取得し、
前記複数の第１の読出し値Ｑ１の各々と該複数の第１の読出し値Ｑ１の各々が取得された第２の読出しサイクルの順番とを近似する第１の近似式を作成し、前記複数の第２の読出しサイクルのうち所定番目の第２の読出しサイクルの第１の読出し値の補正値である第１の補正値を該第１の近似式を用いて算出し、
前記複数の第２の読出し値Ｑ２の各々と該複数の第２の読出し値Ｑ２の各々が取得された第２の読出しサイクルの順番とを近似する第２の近似式を作成し、前記複数の第２の読出しサイクルのうち前記所定番目の第２の読出しサイクルの第２の読出し値の補正値である第２の補正値を前記第２の近似式を用いて算出し、
前記複数の第１の読出し値Ｄ１の各々と該複数の第１の読出し値Ｄ１の各々が取得された第１の読出しサイクルの順番とを近似する第３の近似式を作成し、前記複数の第１の読出しサイクルのうち前記所定番目の第１の読出しサイクルの第１の読出し値の補正値である第３の補正値を該第３の近似式を用いて算出し、
前記複数の第２の読出し値Ｄ２の各々と該複数の第２の読出し値Ｄ２の各々が取得された第１の読出しサイクルの順番とを近似する第４の近似式を作成し、前記複数の第１の読出しサイクルのうち前記所定番目の第１の読出しサイクルの第２の読出し値の補正値である第４の補正値を前記第４の近似式を用いて算出し、
前記複数の第２の読出しサイクルのうち初回の第２の読出しサイクルであって前記複数の第２の電荷転送サイクルのうち初回の第２の電荷転送サイクルよりも前の時点の該初回の第２の読出しサイクルにおいて取得された第１の読出し値と前記第１の補正値との和から、前記第３の補正値を減算することにより、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔを算出し、
前記初回の第２の読出しサイクルにおいて取得された第２の読出し値と前記第２の補正値との和から、前記第４の補正値を減算することにより、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを算出し、
距離Ｌを
Ｌ＝（１／２）×ｃ×Ｔ０×｛Ｑ２ｅｓｔ×α／（Ｑ１ｅｓｔ＋Ｑ２ｅｓｔ×α）｝
により算出し、ここで、ｃは光速であり、Ｔ０は前記複数の第２の電荷転送サイクルの各々において前記光源部に変調光を放出させた時間長であり、αは同量の入射光が前記第１の転送期間及び前記第２の転送期間に前記光感応領域に入射する場合の前記第１の読出し値と前記第２の読出し値の比である、
距離測定装置。

【請求項3】

前記処理部は、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記第１の読出し値Ｑ１（ｎ）とｎ−１回目の前記第２の読出しサイクルの前記第１の読出し値Ｑ１（ｎ−１）との間の第１の差分値と、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記第１の読出し値Ｑ１（ｎ）との和、又は、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記第２の読出し値Ｑ２（ｎ）とｎ−１回目の前記第２の読出しサイクルの前記第２の読出し値Ｑ２（ｎ−１）との間の第２の差分値と、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記第２の読出し値Ｑ２（ｎ）との和が所定の閾値よりも小さい場合に、ｎ＋１回目以降の前記第２の読出しサイクルを停止し、ここでｎは前記複数の第２の読出しサイクルの順番を示す、請求項１又は２に記載の距離測定装置。

【請求項4】

前記所定の閾値は、前記第１の蓄積領域の飽和蓄積容量に対応する前記第１の読出し値以上、且つ、前記第２の蓄積領域の飽和蓄積容量に対応する前記第２の読出し値以上であるよう、予め定められている、請求項３に記載の距離測定装置。

【請求項5】

前記センサ部は、一以上の画素ユニットを有しており、
該一以上の画素ユニットの各々が、
前記光感応領域、前記第１の蓄積領域、前記第２の蓄積領域、前記第１の転送電極、前記第２の転送電極、前記第１のリセットスイッチ、及び、前記第２のリセットスイッチと、
前記第１の蓄積領域の電荷量を電圧に変換する第１の変換部と、
前記第２の蓄積領域の電荷量を電圧に変換する第２の変換部と、
を有し、
前記一以上の画素ユニットに対応して設けられた一以上の第１のサンプルホールド回路であり、各々が対応する画素ユニットの前記第１の変換部によって生成される電圧を受けて、該電圧を保持する、該一以上の第１のサンプルホールド回路と、
前記一以上の画素ユニットに対応して設けられた一以上の第２のサンプルホールド回路であり、各々が対応する画素ユニットの前記第２の変換部によって生成される電圧を受けて、該電圧を保持する、該一以上の第２のサンプルホールド回路と、
を更に備え、
前記処理部は、前記一以上の第１のサンプルホールド回路の各々の出力に基づくデジタル値を有する前記第１の読出し値を取得し、前記一以上の第２のサンプルホールド回路の各々の出力に基づくデジタル値を有する前記第２の読出し値を取得する、
請求項１〜４の何れか一項に記載の距離測定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、距離測定装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

光源からパルス光を放出させ、対象物からの反射光を距離センサで受けることにより、対象物から距離センサまでの距離を測定する飛行時間（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）法が知られている。

【0003】

下記の特許文献１〜２にはＴＯＦ法に基づく距離測定装置が記載されている。特許文献１に記載された装置は、光源からパルス光を放出させ、一つのフレーム期間内の異なる長さのサブ期間のそれぞれにおいて距離センサのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の信号を当該距離センサから取得し、取得した複数の信号のうち最良の信号に基づいて距離を算出する。

【0004】

特許文献２に記載された装置は、距離センサの実効ダイナミックレンジを広げるための構成を有している。具体的には、この装置は、光源からパルス光を放出させ、距離センサのフォトダイオードで発生した電荷をキャパシタに蓄積し、キャパシタに生じる電圧が飽和電圧に達するときに当該電圧をリセットし、リセットの回数とキャパシタに生じた最終の電圧とに基づいて、距離を算出する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許７，３７９，１００号明細書

【特許文献2】特表２００６−５２３０７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した距離測定装置は、基本的に、距離センサが生成した一時点での信号に基づいて距離を算出するものである。このような距離測定装置では、例えば、光の揺らぎ、暗電流の変化、ショットノイズ等の影響により、距離の測定精度が低くなることがある。

【0007】

したがって、当技術分野においては、距離の測定精度を向上させた距離測定装置が求められている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一側面に係る距離測定装置は、飛行時間法により対象物に対する距離を求める距離測定装置である。この距離測定装置は、光源部、センサ部、及び処理部を備えている。光源部は、変調光を放出する。センサ部は、入射光に応じて電荷を発生する光感応領域、光感応領域で発生した電荷を蓄積する第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域、光感応領域と第１の蓄積領域との間に設けられた第１の転送電極、光感応領域と第２の蓄積領域との間に設けられた第２の転送電極、第１の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第１のリセットスイッチ、並びに、第２の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第２のリセットスイッチを有する。処理部は、変調光の放出タイミング及びセンサ部を制御し、距離を算出する。

【0009】

処理部は、フレーム期間、即ち、第１のリセットスイッチ及び第２のリセットスイッチを制御して第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域をリセット電位に接続してから第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域を次にリセット電位に接続するまでの期間内の複数の電荷転送サイクルにおいて、（ａ１）光源部に変調光を放出させ、（ａ２）第１の転送期間内に第１の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第１の蓄積領域に蓄積させ、（ａ３）第１の転送期間と位相反転した第２の転送期間内に第２の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第２の蓄積領域に蓄積させる。

【0010】

処理部は、複数の読出しサイクルにおいて、複数の電荷転送サイクルと交互の時点に第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた第１の読出し値及び当該時点に第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた第２の読出し値をそれぞれセンサ部から取得する。

【0011】

処理部は、複数の第１の読出し値に基づく近似式を用いて第１の推定値を算出し、複数の第２の読出し値に基づく近似式を用いて第２の推定値を算出する。処理部は、第１の推定値及び第２の推定値に基づいて、距離を算出する。一実施形態においては、第１の推定値は、何れかの読出しサイクルの第１の読出し値に対応する推定値であり、第２の推定値は、何れかの読出しサイクルの第２の読出し値に対応する推定値であり得る。一実施形態においては、第１の推定値は、最終の読出しサイクルの第１の読出し値に対応する推定値であり、第２の推定値は、最終の読出しサイクルの第２の読出し値に対応する推定値であり得る。

【0012】

この距離測定装置では、距離の算出に用いられる第１の推定値及び第２の推定値がそれぞれ、最終の読出しサイクルまでに得られた第１の読出し値に基づく近似式及び第２の読出し値に基づく近似式を用いて算出される。したがって、複数の読出しサイクルで取得される第１の読出し値及び第２の読出し値の一部が外乱等により変動しても、第１の推定値及び第２の推定値では、変動を含む読出し値の影響が低減される。故に、この距離測定装置によれば、距離の測定精度が向上され得る。

【0013】

一実施形態においては、処理部は、ｎ回目の読出しサイクルの第１の読出し値と、ｎ回目の読出しサイクルの第１の読出し値とｎ−１回目の読出しサイクルの第１の読出し値との間の第１の差分値との和、又は、ｎ回目の読出しサイクルの第２の読出し値と、ｎ回目の読出しサイクルの第２の読出し値とｎ−１回目の読出しサイクルの第２の読出し値との間の第２の差分値との和が所定の閾値を超える場合に、ｎ＋１回目以降の読出しサイクルを停止してもよい。ここでｎは読出しサイクルの順板を示している。この実施形態では、最終のｎ回目の読出しサイクルまでに得られた第１の読出し値に基づく近似式を用いて算出される第１の推定値、及び最終のｎ回目の読出しサイクルまでに得られた第２の読出し値に基づく近似式を用いて算出される第２の推定値を用いて、距離が算出される。この実施形態によれば、所定の閾値を用いることにより、第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域が飽和するまでに取得した第１の読出し値及び第２の読出し値を利用することができる。したがって、この実施形態によれば、測定距離のダイナミックレンジが向上され得る。また、距離の測定精度がより向上され得る。さらに、上述した和が所定の閾値を超える場合に、読出し値のセンサ部からの取得を停止することができるので、距離の算出を早期に開始することも可能である。

【0014】

一実施形態においては、前記閾値は、第１の蓄積領域の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値以上、且つ、第２の蓄積領域の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値以上であるよう、予め定められていてもよい。閾値が飽和蓄積容量に対応する読出し値と同値であれば、上述した和が第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域の飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲で、第１の読出し値及び第２の読出し値がそれぞれセンサ部から取得される。閾値が第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域の飽和蓄積容量に対応する読出し値より大きい場合には、入射光量と蓄積電荷量との関係の線形性がより優れた範囲でセンサ部を利用することができる。したがって、距離の測定精度がより向上され得る。

【0015】

一実施形態においては、センサ部は、一以上の画素ユニットを有していてもよい。一以上の画素ユニットの各々は、光感応領域、第１の蓄積領域、第２の蓄積領域、第１の転送電極、第２の転送電極、第１のリセットスイッチ、及び、第２のリセットスイッチと、第１の蓄積領域の電荷量を電圧に変換する第１の変換部と、第２の蓄積領域の電荷量を電圧に変換する第２の変換部と、を有していてもよい。この実施形態では、距離測定装置は、一以上の画素ユニットに対応して設けられた一以上の第１のサンプルホールド回路及び一以上の第２のサンプルホールド回路を備え得る。一以上の第１のサンプルホールド回路の各々は、対応する画素ユニットの第１の変換部によって生成される電圧を受けて、該電圧を保持する。一以上の第２のサンプルホールド回路の各々は、対応する画素ユニットの第２の変換部によって生成される電圧を受けて、該電圧を保持する。また、この実施形態では、処理部は、一以上の第１のサンプルホールド回路の各々の出力に基づくデジタル値を有する第１の読出し値を取得し、一以上の第２のサンプルホールド回路の各々の出力に基づくデジタル値を有する第２の読出し値を取得する。

【発明の効果】

【0016】

以上説明したように、本発明の一側面及び実施形態によれば、距離の測定精度を向上させた距離測定装置が提供され得る。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、一実施形態に係る距離測定装置を概略的に示す図である。

【図2】一実施形態に係るセンサの一例を概略的に示す図である。

【図3】一実施形態に係るセンサにおける一つの画素ユニットの一例を示す平面図である。

【図4】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿って取った断面図である。

【図5】図３のＶ−Ｖ線に沿って取った断面図である。

【図6】一実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニットと当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。

【図7】一実施形態に係る処理部の制御及び演算を示すフローチャートである。

【図8】一実施形態に係る距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。

【図9】別の実施形態のセンサの一例を概略的に示す図である。

【図10】別の実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニットと当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

【0019】

図１は、一実施形態に係る距離測定装置を概略的に示す図である。図１に示す距離測定装置１０は、飛行時間法（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｔ）法により、対象物と当該距離測定装置１０との距離を求める装置である。距離測定装置１０は、光源部１２、センサ部１４、及び処理部１６を備えている。

【0020】

光源部１２は、変調光を放出する。一実施形態においては、光源部１２は、レーザダイオード１２ａ及びドライバ回路１２ｂを有し得る。ドライバ回路１２ｂは、処理部１６からの駆動パルス信号に同期した変調電流を、レーザダイオード１２ａに供給する。レーザダイオード１２ａは、変調電流に応じて変調光を放出する。変調光は、例えば、一以上のパルス光を含み得る。

【0021】

センサ部１４は、一実施形態においては、センサ１８、デジタル−アナログ変換部（ＤＡＣ）２０、及び、アナログ−デジタル変換部（ＡＤＣ）２２、を有し得る。ＤＡＣ ２０は、処理部１６の信号処理部１６ａからのデジタル信号をアナログ信号に変換して、当該アナログ信号をセンサ１８に供給する。ＡＤＣ ２２は、センサ１８からのアナログ信号をデジタル信号に変換して、当該デジタル信号を処理部１６に供給する。

【0022】

処理部１６は、光源部１２の変調光の放出タイミング及びセンサ部１４を制御して、距離を算出する。一実施形態においては、処理部１６は、信号処理部１６ａ及びメモリ１６ｂを含み得る。信号処理部１６ａは、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）といった演算回路であり、メモリ１６ｂは、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）である。

【0023】

図２は、一実施形態に係るセンサの一例を概略的に示す図である。センサ１８は、撮像領域ＩＲ、サンプルホールド回路群ＳＨＧ、スイッチ群ＳＷＧ、水平シフトレジスタ群ＨＳＧ、信号ラインＨ１及びＨ２、並びに、出力アンプＯＡＰ１及びＯＡＰ２を含んでいる。

【0024】

一実施形態においては、図２に示すように、センサ１８は、一行の画像を取得するラインセンサとして構成されていてもよい。この実施形態においては、撮像領域ＩＲは、水平方向に配列された複数の画素ユニットＰ（ｊ）を含んでいる。ここで、ｊは、１〜Ｊの整数であり、Ｊは、２以上の整数であり、画素ユニットの個数を示している。

【0025】

図３は、一実施形態に係るセンサにおける一つの画素ユニットの一例を示す平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿って取った断面図であり、図５は、図３のＶ−Ｖ線に沿って取った断面図である。画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）は、図３〜図５に示す同一の構造を有している。

【0026】

図４及び図５に示すように、一実施形態においては、画素ユニットＰ（ｊ）は、半導体基板ＳＢを含んでいる。半導体基板ＳＢは、例えばシリコン基板である。半導体基板ＳＢは、第１の半導体領域ＳＲ１及び第２の半導体領域ＳＲ２を含んでいる。第１の半導体領域ＳＲ１は、半導体基板ＳＢの一方の主面ＳＢＦ１を提供するｐ型の半導体領域である。第２の半導体領域ＳＲ２は、第１の半導体領域ＳＲ１上に設けられたｐ−型の半導体領域である。第２の半導体領域ＳＲ２の不純物濃度は、第１の半導体領域ＳＲ１の不純物濃度以下である。半導体基板ＳＢは、ｐ型の半導体基板上に、ｐ−型の半導体領域をエピタキシャル成長法により堆積させることにより、形成され得る。

【0027】

半導体基板ＳＢの他方の主面ＳＢＦ２上には、絶縁膜ＩＳＬが形成されている。絶縁膜ＩＳＬは、例えば、ＳｉＯ_２製である。絶縁膜ＩＳＬ上には、フォトゲート電極ＰＧが設けられている。フォトゲート電極ＰＧは、例えば、ポリシリコンによって構成される。図３に示すように、一実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、略矩形の平面形状を有し得る。画素ユニットＰ（ｊ）では、このフォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域が、入射光に感応して電荷を発生する光感応領域として機能する。

【0028】

図４及び図５に示すように、絶縁膜ＩＳＬ上には、第１の転送電極ＴＸ１、第２の転送電極ＴＸ２、及び第３の転送電極ＴＸ３が設けられている。これら転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３は、例えば、ポリシリコンによって構成される。図３〜図５に示すように、第１の転送電極ＴＸ１及び第２の転送電極ＴＸ２は、それらの間にフォトゲート電極ＰＧが存在するように、配置されている。

【0029】

一実施形態では、図３に示すように、四つの第３の転送電極ＴＸ３が絶縁膜ＩＳＬ上に設けられている。二つの第３の転送電極ＴＸ３は、第１の転送電極ＴＸ１と第２の転送電極ＴＸ２が配列されている方向（以下、「Ｘ方向」という）に交差する方向（以下、「Ｙ方向」という）において、第１の転送電極ＴＸ１がそれらの間に介在するように、配置されている。また、別の二つの第３の転送電極ＴＸ３は、Ｙ方向において第２の転送電極ＴＸ２がそれらの間に介在するように、配置されている。

【0030】

図４に示すように、第２の半導体領域ＳＲ２には、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２が形成されている。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、光感応領域から転送される電荷を蓄積する。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、それらの間に光感応領域が介在するように配置されている。一実施形態では、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、ｎ型の不純物が高濃度にドープされたｎ＋型の半導体領域である。絶縁膜ＩＳＬは、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２の上方において開口を画成している。これら開口内には、電極１３が設けられている。電極１３は、例えば、Ｔｉ／ＴｉＮ膜を介して設けられたタングステンから構成される。

【0031】

Ｘ方向においては、第１の転送電極ＴＸ１は、第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間に存在しており、第２の転送電極ＴＸ２は、第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。第１の蓄積領域ｆｄ１に光感応領域から電荷を転送するときには、第１の転送電極ＴＸ１の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させる電圧ＶＴＸ１が第１の転送電極ＴＸ１に与えられる。この電圧ＶＴＸ１は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ ２０から与えられる。また、第２の蓄積領域ｆｄ２に光感応領域から電荷を転送するときには、第２の転送電極ＴＸ２の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させる電圧ＶＴＸ２が、第２の転送電極ＴＸ２に与えられる。この電圧ＶＴＸ２は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ ２０から与えられる。

【0032】

また、図５に示すように、第２の半導体領域ＳＲ２には、ｎ＋型の半導体領域ＳＲ３が形成されている。一実施形態では、四つの半導体領域ＳＲ３が設けられている。一対の半導体領域ＳＲ３及び別の一対の半導体領域ＳＲ３は、それらの間に光感応領域が介在するように設けられている。これら半導体領域ＳＲ３の上方において、絶縁膜ＩＳＬは、開口を画成しており、これら開口内には、電極１３が設けられている。電極１３は、例えば、Ｔｉ／ＴｉＮ膜を介して設けられたタングステンから構成される。Ｘ方向において、一つの半導体領域ＳＲ３上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間には、対応の第３の転送電極ＴＸ３が介在している。半導体領域ＳＲ３には、第３の転送電極ＴＸ３に電圧ＶＴＸ３を与えて当該第３の転送電極ＴＸ３の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させることにより、光感応領域から電荷が転送される。この電圧ＶＴＸ３は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ ２０から与えられる。半導体領域ＳＲ３の電極１３は、所定の電位Ｖｄｄにも接続されている（図６参照）。この電位Ｖｄｄは、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ ２０によって設定される。電圧ＶＴＸ３を与えて該第３の転送電極ＴＸ３の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させると、光感応領域の電荷はリセットされる。

【0033】

以下、図２と共に図６を参照する。図６は、一実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニット及び当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。図２及び図６に示すように、センサ１８のサンプルホールド回路群ＳＨＧは、Ｊ個の第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＪ個の第２のサンプルホールド回路ＳＨ２を含んでいる。各第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及び各第２のサンプルホールド回路ＳＨ２は、対応の画素ユニットＰ（ｊ）（画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）のうち対応の画素ユニット）に接続されている。即ち、サンプルホールド回路群ＳＨＧは、各々が一つの第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及び一つの第２のサンプルホールド回路を含むＪ個のサンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）を含んでいる。Ｊ個のサンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）はそれぞれ、画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）に対応付けられている。

【0034】

画素ユニットＰ（ｊ）は、第１のリセットスイッチＲＳ１、第２のリセットスイッチＲＳ２、並びに、電荷−電圧変換回路Ａ１及びＡ２を更に含んでいる。第１のリセットスイッチＲＳ１は、リセット電位Ｖｒと第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３との間に設けられている。第２のリセットスイッチＲＳ２は、リセット電位Ｖｒと第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３との間に設けられている。リセット電位Ｖｒは、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ ２０によって設定される。

【0035】

第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のリセットスイッチＲＳ２には、信号処理部１６ａからリセットパルス信号Ｓｒｅｓが与えられる。リセットパルス信号Ｓｒｅｓが第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のリセットスイッチＲＳ２に与えられると、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、リセット電位Ｖｒに接続される。これにより、第１の蓄積領域ｆｄ１の電荷及び第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷がリセットされる。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷がリセットされるタイミングから次ぎにリセットされるタイミングまでの間の期間は、フレーム期間Ｔｆ（図８参照）となる。

【0036】

回路Ａ１の入力は、第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３に接続されており、回路Ａ１の出力は、サンプルホールド回路ＳＨ１のスイッチＳＷ１０に接続されている。回路Ａ１は、第１の蓄積領域ｆｄ１の電荷量を電圧に変換し、当該電圧をサンプルホールド回路ＳＨ１に提供する。回路Ａ２の入力は、第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３に接続されており、回路Ａ２の出力は、サンプルホールド回路ＳＨ２のスイッチＳＷ１２に接続されている。回路Ａ２は、第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷量を電圧に変換し、当該電圧をサンプルホールド回路ＳＨ２に提供する。

【0037】

サンプルホールド回路ＳＨ１は、スイッチＳＷ１０及びキャパシタＣＰ１０を含んでいる。また、サンプルホールド回路ＳＨ２は、スイッチＳＷ１２及びキャパシタＣＰ１２を含んでいる。スイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２には、信号処理部１６ａからサンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐが与えられる。サンプリングパルス信号ＳｓａｍｐがスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与えられると、回路Ａ１の出力とキャパシタＣＰ１０とが接続され、回路Ａ２の出力とキャパシタＣＰ１２が接続される。これにより、回路Ａ１の出力電圧がキャパシタＣＰ１０の両端間に保持され、回路Ａ２の出力電圧がキャパシタＣＰ１２の両端間に保持される。

【0038】

センサ１８のスイッチ群ＳＷＧは、Ｊ個のスイッチＳＷ１及びＪ個のスイッチＳＷ２を含んでいる。各スイッチＳＷ１及び各スイッチＳＷ２はそれぞれ、画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）のうち対応の画素ユニット用のサンプルホールド回路ＳＨ１のキャパシタＣＰ１０、及びサンプルホールド回路ＳＨ２のキャパシタＣＰ１２に、接続されている。即ち、スイッチ群ＳＷＧは、各々が一つのスイッチＳＷ１及び一つのスイッチＳＷ２を含むＪ個のスイッチ対ＳＷＰ（１）〜ＳＷＰ（Ｊ）を含んでいる。Ｊ個のスイッチ対ＳＷＰ（１）〜ＳＷＰ（Ｊ）はそれぞれ、サンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）に対応付けられている。

【0039】

スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２には、読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄが与えられる。読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄは、水平シフトレジスタ群ＨＳＧから供給される。水平シフトレジスタ群ＨＳＧは、Ｊ個の水平シフトレジスタを有している。水平シフトレジスタは、例えば、フリップフロップを含み得る。これら水平シフトレジスタは、画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）の配列方向に配列されている。水平シフトレジスタ群ＨＳＧ内の一端に設けられた水平シフトレジスタには、信号処理部１６ａからスタート信号が与えられる。また、全ての水平シフトレジスタには、信号処理部１６ａからクロック信号が与えられる。これらスタート信号及びクロック信号に応じて、Ｊ個の水平シフトレジスタはそれぞれ、読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄをスイッチ対ＳＷＰ（１）〜ＳＷＰ（Ｊ）に順次与える。
このように読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄが与えられることにより、サンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）のサンプルホールド回路ＳＨ１及びサンプルホールド回路ＳＨ２が、信号ラインＨ１及び信号ラインＨ２に順次接続される。

【0040】

より具体的には、読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられると、サンプルホールド回路ＳＨ１のキャパシタＣＰ１０及びサンプルホールド回路ＳＨ２のキャパシタＣＰ１２はそれぞれ、信号ラインＨ１及び信号ラインＨ２に接続される。これにより、サンプルホールド回路ＳＨ１に保持された電圧が信号ラインＨ１を介して出力アンプＯＡＰ１に入力される。また、サンプルホールド回路ＳＨ２に保持された電圧が信号ラインＨ２を介して出力アンプＯＡＰ２に入力される。出力アンプＯＡＰ１及び出力アンプＯＡＰ２はそれぞれ、入力された電圧を増幅して、増幅した電圧をＡＤＣ ２２に出力する。

【0041】

ＡＤＣ２２は、入力された電圧信号を当該電圧信号の大きさに応じた値を有するデジタル値に変換する。ＡＤＣ２２によって出力されるデジタル値は、処理部１６のメモリ１６ｂに記憶される。本実施形態では、出力アンプＯＡＰ１からの電圧信号に基づくデジタル値は、後述する第１の読出し値として、メモリ１６ｂに記憶される。第１の読出し値は、第１の蓄積領域ｆｄ１の蓄積電荷量が多いほど小さい値となる。また、出力アンプＯＡＰ２からの電圧信号に基づくデジタル値は、後述する第２の読出し値として、メモリ１６ｂに記憶される。第２の読出し値は、第２の蓄積領域ｆｄ２の蓄積電荷量が多いほど小さい値となる。

【0042】

以下、処理部１６の制御及び演算について説明する。図７は、一実施形態に係る処理部１６の制御及び演算を示すフローチャートである。また、図８は、一実施形態に係る距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。処理部１６は、各画素ユニットについて、図７及び図８を参照して以下に説明する制御及び演算を行う。

【0043】

一実施形態では、処理部１６は、まず、光源部１２から変調光を放出させない非発光フレーム期間において、Ｎ個の第１の読出し値Ｄ１（０，．．．，Ｎ）及び第２の読出し値Ｄ２（０，．．．，Ｎ）をセンサ部１４から取得する（ステップＳ１１）。

【0044】

具体的に、信号処理部１６ａは、初回の電荷転送サイクルの開始前にサンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与える。これにより、初回の電荷転送サイクルより前の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。

【0045】

次いで、信号処理部１６ａは、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を送出する。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｄ１（０）及び第２の読出し値Ｄ２（０）をセンサ部１４から取得する。

【0046】

次いで、信号処理部１６ａは、１回目〜Ｎ回目の電荷転送サイクル及び１回目〜Ｎ回の読出しサイクルを以下に説明するように実行する。ここで、Ｎは、予め定められた最大の電荷転送サイクルの順番を示す数値である。以下、読出しサイクルの順番を示すインデックスとして、記号「ｎ」を用いる。

【0047】

信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルの第１の転送期間Ｔ１において第１の転送電極ＴＸ１にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ１が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。これにより、第１の転送期間Ｔ１においては、第１の転送電極ＴＸ１の下方の半導体領域、即ち、光感応領域と第１の蓄積領域ｆｄ１との間の半導体領域のポテンシャルが下がり、光感応領域から第１の蓄積領域ｆｄ１に電荷が転送される。また、信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルの第２の転送期間Ｔ２内に第２の転送電極ＴＸ２にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ２が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。これにより、第２の転送期間Ｔ２においては、第２の転送電極ＴＸ２の下方の半導体領域、即ち、光感応領域と第２の蓄積領域ｆｄ２との間の半導体領域のポテンシャルが下がり、光感応領域から第２の蓄積領域ｆｄ２に電荷が転送される。なお、非発光フレーム期間の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２は、後述する発光フレーム期間の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２と同様に、設定されている。

【0048】

また、一実施形態においては、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２の間、信号処理部１６ａは、第３の転送電極ＴＸ３にＬｏｗレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。したがって、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２の間には、光感応領域と半導体領域ＳＲ３との間の半導体領域のポテンシャルは高いままで維持され、光感応領域に発生した電荷は、半導体領域ＳＲ３には転送されない。一方、第３の転送電極ＴＸ３には、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間に、Ｈｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられる。したがって、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間では、光感応領域に発生した電荷は半導体領域ＳＲ３に転送され、除去される。

【0049】

次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルの終了時点とｎ＋１回目の電荷転送サイクルの開始時点との間の時点にサンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与える。これにより、複数の電荷転送サイクルと交互の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の読出しサイクルにおいて、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を与える。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｄ１（ｎ）及び第２の読出し値Ｄ２（ｎ）をセンサ部１４から取得する。

【0050】

処理部１６は、第１の読出し値Ｄ１（０，．．．，Ｎ）及び第２の読出し値Ｄ２（０，．．．，Ｎ）をセンサ部１４から取得して、これら読出し値をメモリ１６ｂに記憶する。非発光フレーム期間の電荷転送サイクルにおいては、処理部１６は光源部１２に変調光を放出させない。したがって、非発光フレーム期間において得られる第１の読出し値Ｄ１（０，．．．，Ｎ）及び第２の読出し値Ｄ２（０，．．．，Ｎ）は、背景光等のノイズ成分のみを反映している。これら、第１の読出し値Ｄ１（０，．．．，Ｎ）及び第２の読出し値Ｄ２（１，．．．，Ｎ）は、後に発光フレーム期間に取得される第１の読出し値Ｑ１（０，．．．，Ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２０１，．．．，Ｎ）から、背景光等のノイズ成分を除去するために、減算される。

【0051】

次に、処理部１６の信号処理部１６ａは、第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のＲＳ２にリセットパルス信号Ｓｒｅｓを与えて、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２をリセット電位Ｖｒに接続する。これにより、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積された電荷及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積された電荷がリセットされ（ステップＳ１２）、次のフレーム期間Ｔｆである発光フレーム期間が開始される。発光フレーム期間の電荷転送サイクルにおいては、光源部１２に信号処理部１６ａから駆動パルス信号が与えられ、光源部１２が所定のタイミングで変調光を放出する。

【0052】

発光フレーム期間においては、処理部１６は、第１の読出し値Ｑ１（０）及び第２の読出し値Ｑ２（０）をセンサ部１４から取得して、当該第１の読出し値Ｑ１（０）及び第２の読出し値Ｑ２（０）を、第１の読出し値及び第２の読出し値の初期値として、メモリ１６ｂに記憶する（ステップＳ１３）。具体的に、信号処理部１６ａは、初回の電荷転送サイクルＣｙの開始前にサンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与える。これにより、初回の電荷転送サイクルより前の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。

【0053】

次いで、信号処理部１６ａは、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を送出する。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｑ１（０）及び第２の読出し値Ｑ２（０）をセンサ部１４から取得する。第１の読出し値Ｑ１（０）及び第２の読出し値Ｑ２（０）は、最初のサンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐの出力時点、即ち、初回の電荷転送サイクルの前の時点に、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量にそれぞれ対応している。したがって、第１の読出し値Ｑ１（０）及び第２の読出し値Ｑ２（０）は、光源部１２からの変調光が対象物から反射することにより発生する信号光成分を反映していない。

【0054】

次いで、信号処理部１６ａは、ｎを１にセットして（ステップＳ１４）、１回目〜Ｎ回目の電荷転送サイクル及び１回目〜Ｎ回目の読出しサイクルを以下に説明するように試みる。

【0055】

まず、信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙにおいて、光源部１２に駆動パルス信号ＳＬを与えて、光源部１２から変調光を放出させる（ステップＳ１５）。光源部１２からの変調光の放出期間の時間長は、Ｔ０である。なお、信号処理部１６ａは、駆動パルス信号ＳＬとして、期間Ｔ０内に複数のパルス信号を光源部１２に与えて、当該光源部１２に複数のパルス光を放出させてもよい。

【0056】

信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルの第１の転送期間Ｔ１内に第１の転送電極ＴＸ１にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ１が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。また、信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルの第２の転送期間Ｔ２内に第２の転送電極ＴＸ２にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ２が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。

【0057】

第１の転送期間Ｔ１は、駆動パルス信号ＳＬと同期している。即ち、駆動パルス信号ＳＬの立ち上がりタイミングと電圧信号ＶＴＸ１の立ち上がりのタイミングは略同期しており、駆動パルス信号ＳＬの持続時間Ｔ０と第１の転送期間Ｔ１は、略同一の時間長である。

【0058】

また、第２の転送期間Ｔ２は、第１の転送期間Ｔ１と位相反転している。即ち、各電荷転送サイクルにおいて、第２の転送期間Ｔ２の位相は、第１の転送期間Ｔ１の位相から１８０度遅れている。より具体的には、電圧信号ＶＴＸ１の立ち下がりタイミングと電圧信号ＶＴＸ２の立ち上がりタイミングは略同期しており、第１の転送期間Ｔ１と第２の転送期間Ｔ２は、略同一の時間長である。

【0059】

また、一実施形態においては、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２の間、信号処理部１６ａは、第３の転送電極ＴＸ３にＬｏｗレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。第３の転送電極ＴＸ３には、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間に、Ｈｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられる。したがって、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２においては、光感応領域への入射光に応じた電荷は半導体領域ＳＲ３に転送されないが、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間では、光感応領域に発生した電荷は半導体領域ＳＲ３に転送されて、除去される。

【0060】

次いで、信号処理部１６ａは、第１の読出し値Ｑ１（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２（ｎ）をセンサ部１４から取得して、当該第１の読出し値Ｑ１（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２（ｎ）をメモリ１６ｂに記憶する（ステップＳ１６）。

【0061】

具体的に、信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルの終了時点とｎ＋１回目の電荷転送サイクルの開始時点との間に、サンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与える。これにより、複数の電荷転送サイクルと交互の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。

【0062】

次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の読出しサイクルにおいて、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を与える。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｑ１（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２（ｎ）をセンサ部１４から取得する。第１の読出し値Ｑ１（ｎ）は、ｎ回目の電荷転送サイクルの終了時とｎ＋１回目の電荷転送サイクルの開始時との間の時点に、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応した値であり、第２の読出し値Ｑ２（ｎ）は、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応した値である。

【0063】

次いで、信号処理部１６ａは、第１の差分値ｋ１（ｎ）及び第２の差分値ｋ２（ｎ）を求める（ステップＳ１７）。第１の差分値ｋ１（ｎ）は、ｎ回目の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１（ｎ）からｎ−１回目の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１（ｎ−１）を減算することにより求められる。また、第２の差分値ｋ２（ｎ）は、ｎ回目の読出しサイクルの第２の読出し値Ｑ２（ｎ）からｎ−１回目の読出しサイクルの第２の読出し値Ｑ２（ｎ−１）を減算することにより求められる。

【0064】

次いで、信号処理部１６ａは、予測値Ｑ１（ｎ＋１）及び予測値Ｑ２（ｎ＋１）を求める（ステップＳ１８）。予測値Ｑ１（ｎ＋１）は、ｎ回目の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１（ｎ）に第１の差分値ｋ１（ｎ）を加算することにより、求められる。また、予測値Ｑ２（ｎ＋１）は、ｎ回目の読出しサイクルの第２の読出し値Ｑ２（ｎ）に第２の差分値ｋ２（ｎ）を加算することにより、求められる。予測値Ｑ１（ｎ＋１）は、ｎ＋１回目の読出しサイクルの第１の読出し値の予測値であり、予測値Ｑ２（ｎ＋１）は、ｎ＋１回目の読出しサイクルの第２の読出し値の予測値である。

【0065】

次いで、信号処理部１６ａは、第１の予測値Ｑ１（ｎ＋１）及び第２の予測値Ｑ２（ｎ＋１）を所定の閾値Ｑｔｈと比較する（ステップＳ１９）。一実施形態においては、閾値Ｑｔｈは、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値以上、且つ、第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値以上の値であるよう設定されている。第１の予測値Ｑ１（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈ以上であり、且つ、第２の予測値Ｑ２（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈ以上である場合には、ステップＳ１９の判定結果は「Ｎｏ」となり、信号処理部１６ａの処理はステップＳ２０に進む。ステップＳ２０では、ｎがＮ以上であるか否かがテストされる。ステップＳ２０においてｎがＮより小さい場合には、信号処理部１６ａは、ｎの値を１だけ増分し（ステップＳ２１）、ステップＳ１５からの処理を繰り返す。一方、ステップＳ２０においてｎがＮ以上である場合には、信号処理部１６ａの処理はステップＳ２２に進む。

【0066】

また、ステップＳ１９の比較の結果、第１の予測値Ｑ１（ｎ＋１）又は第２の予測値Ｑ２（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈを超える、即ち、閾値よりも小さい場合には、信号処理部１６ａの処理はステップＳ２２に進む。したがって、処理部１６は、第１の予測値Ｑ１（ｎ＋１）又は第２の予測値Ｑ２（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈを超える場合には、ｎ＋１回目以降の読出しサイクルを停止する。即ち、信号処理部１６ａは、ｎ＋１回目以降の読出しサイクルにおける第１の読出し値及び第２の読出し値のセンサ部１４からの取得、及びｎ＋１回目以降の読出しサイクルにおける第１の読出し値及び第２の読出し値のメモリ１６ｂへの記憶を停止する。

【0067】

閾値Ｑｔｈが、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値及び第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値のうち大きい方の読出し値と同値である場合には、処理部１６は、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の第１の読出し値Ｑ１（ｎ）を取得することができ、第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の第２の読出し値Ｑ２（ｎ）を取得することができる。その結果、測定距離のダイナミックレンジが向上され得る。また、距離の測定精度が向上される。さらに、信号処理部１６ａのステップＳ２２以後の演算を早期に開始することも可能である。

【0068】

一実施形態においては、閾値Ｑｔｈは、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値及び第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値のうち大きい方の読出し値よりも大きな値に設定されていてもよい。この実施形態によれば、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２それぞれの蓄積電荷量と入射光量との関係の線形性が優れた範囲で、センサ部１４を利用することができる。したがって、距離の測定精度がより向上され得る。

【0069】

次に、信号処理部１６ａは、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを求める（ステップＳ２２）。具体的には、信号処理部１６ａは、最終の読出しサイクルであるｎ回目の読出しサイクルまでの第１の読出し値Ｑ１（０）〜Ｑ１（ｎ）に基づく近似式を作成し、当該近似式を用いて第１の読出し値Ｑ１の補正値Ｑ１ｃｏｒｒを算出する。そして、信号処理部１６ａは、式（１）に示すように、第１の読出し値Ｑ１の補正値Ｑ１ｃｏｒｒと第１の読出し値Ｑ１（０）との和から読出し値Ｄ１（ｎ）を減算することにより、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔを算出する。
＜式（１）＞
Ｑ１ｅｓｔ＝Ｑ１ｃｏｒｒ＋Ｑ１（０）−Ｄ１（ｎ）

【0070】

同様に、信号処理部１６ａは、最終の読出しサイクルであるｎ回目の読出しサイクルまでの第２の読出し値Ｑ２（０）〜Ｑ２（ｎ）に基づく近似式を作成し、当該近似式を用いて第２の読出し値Ｑ２の補正値Ｑ２ｃｏｒｒを算出する。そして、信号処理部１６ａは、式（２）に示すように、第２の読出し値Ｑ２の補正値Ｑ２ｃｏｒｒと第２の読出し値Ｑ２（０）との和から読出し値Ｄ２（ｎ）を減算することにより、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを算出する。
＜式（２）＞
Ｑ２ｅｓｔ＝Ｑ２ｃｏｒｒ＋Ｑ２（０）−Ｄ２（ｎ）

【0071】

一実施形態においては、第１の読出し値Ｑ１の補正値Ｑ１ｃｏｒｒは、ｎ回目の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１（ｎ）の補正値であり、第２の読出し値Ｑ２の補正値Ｑ２ｃｏｒｒは、ｎ回目のサイクルの第２の読出し値Ｑ２（ｎ）の補正値であり得る。なお、補正値Ｑ１ｃｏｒｒ及びＱ２Ｃｏｒｒは、近似式の出力として得られる補正値であれば、対応する読出しサイクルの番号は限定されるものではない。

【0072】

なお、近似式は、最小自乗法に基づいて作成され得る。また、その他の公知の近似式の作成方法が用いられてもよい。また、信号処理部１６ａは、読出し値Ｄ１（０）〜Ｄ１（ｎ）に基づく近似式を用いて、読出し値Ｄ１の補正値を算出し、当該読出し値Ｄ１の補正値を第１の読出し値Ｑ１の補正値Ｑ１ｃｏｒｒと第１の読出し値Ｑ１（０）との和から減算して、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔを算出してもよい。ここで、読出し値Ｄ１の補正値及び読出し値Ｑ１の補正値Ｑ１ｃｏｒｒは、同じ順番の読出しサイクルの読出し値Ｄ１の補正値及び読出し値Ｑ１の補正値である。同様に、信号処理部１６ａは、読出し値Ｄ２（０）〜Ｄ２（ｎ）に基づく近似式を用いて読出し値Ｄ２の補正値を算出し、当該読出し値Ｄ２の補正値を第２の読出し値Ｑ２の補正値Ｑ２ｃｏｒｒと第２の読出し値Ｑ２（０）との和から減算して、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを算出してもよい。ここで、読出し値Ｄ２の補正値及び読出し値Ｑ２の補正値Ｑ２ｃｏｒｒは、同じ順番の読出しサイクルの読出し値Ｄ２の補正値及び読出し値Ｑ２の補正値である。

【0073】

第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、近似式を用いて算出した第１の読出し値の補正値と第１の読出し値Ｑ１（０）との和から別のフレーム期間において求めた背景光等のノイズ成分に対応する第１の読出し値を減算したものである。また、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは、近似式を用いて算出した第２の読出し値の補正値と第２の読出し値Ｑ２（０）との和から別のフレーム期間において求めた背景光等のノイズ成分に対応する第２の読出し値を減算したものである。したがって、最終の読出しサイクルまでに取得される第１の読出し値及び第２の読出し値の一部が外乱等により変動しても、近似式に基づく第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔでは、変動を含む読出し値の影響が低減され得る。また、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔでは、背景光等のノイズの影響が低減され得る。

【0074】

次いで、信号処理部１６ａは、距離を算出する（ステップＳ２３）。具体的には、信号処理部１６ａは、下記の式（３）の演算により、距離Ｌを算出する。
＜式（３）＞
Ｌ＝（１／２）×ｃ×Ｔ０×｛Ｑ２ｅｓｔ×α／（Ｑ１ｅｓｔ＋Ｑ２ｅｓｔ×α）｝
ここで、ｃは光速であり、αは同量の入射光が第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２に光感応領域に入射したときの第１の読出し値と第２の読出し値の比である。このように、信号処理部１６ａは、第１の蓄積領域ｆｄ１の蓄積電荷量に基づく第１の推定値Ｑ１ｅｓｔと第２の蓄積領域ｆｄ２の蓄積電荷量に基づく第２の推定値Ｑ２ｅｓｔの比により、対象物に対する距離を高精度に算出することができる。一実施形態においては、信号処理部１６ａは、各画素について算出した距離に応じた濃淡値を有する１行の距離画像を出力する。また、一実施形態においては、信号処理部１６ａはフレーム期間ごとに距離画像を更新するよう、図７及び図８を用いて説明した制御及び演算を繰り返してもよい。

【0075】

以下、別の実施形態について説明する。図９は、別の実施形態に係るセンサの一例を示す図である。図１０は、別の実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニットと当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。距離測定装置１０は、センサ１８に代えて、図９に示すセンサ１８Ａを有していてもよい。センサ１８Ａは、Ｉ×Ｊ個の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）を有する撮像領域ＩＲを有している。ここで、ｉは１〜Ｉの整数であり、ｊは１〜Ｊの整数であり、Ｉ及びＪは２以上の整数である。Ｉ×Ｊ個の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）は、Ｉ行Ｊ列に配列されている。撮像領域ＩＲには、画素ユニットの各列用の二つの垂直信号ラインＶ１（ｊ）及びＶ２（ｊ）が設けられている。

【0076】

図１０に示すように、センサ１８Ａの画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の回路Ａ１の出力にはスイッチＳＷ２０が接続されており、当該スイッチＳＷ２０は対応の垂直信号ラインＶ１（ｊ）を介して対応のサンプルホールド回路ＳＨ１のスイッチＳＷ１０に接続されている。また、画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の回路Ａ２の出力にはスイッチＳＷ２２が接続されており、当該スイッチＳＷ２２は対応の垂直信号ラインＶ２（ｊ）を介して対応のサンプルホールド回路ＳＨ２のスイッチＳＷ１２に接続されている。

【0077】

センサ１８Ａは、更に垂直シフトレジスタ群ＶＳＧを更に有している。垂直シフトレジスタ群ＶＳＧは、垂直方向に配列された複数の垂直シフトレジスタを含んでいる。各垂直シフトレジスタは例えばフリップフロップを含んでいる。配列方向において一端に設けられた垂直シフトレジスタには、信号処理部１６ａからスタート信号が与えられる。また、全ての垂直シフトレジスタには、信号処理部１６ａからクロック信号が与えられる。垂直シフトレジスタ群ＶＳＧは、スタート信号及びクロック信号を受けると、複数の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）のスイッチＳＷ２０及びスイッチＳＷ２２に、行選択信号を行順に順次与える。これにより、各列の複数の画素ユニット（ｉ，ｊ）の回路Ａ１及びＡ２の出力は、対応の垂直信号ラインＶ１（ｊ）及びＶ２（ｊ）に順次接続されて、複数の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の出力電圧が、対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に、行順に順次保持される。また、各行内の複数の画素ユニット（ｊ，ｉ）の出力電圧が対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に保持されると、サンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に保持された電圧は、水平シフトレジスタ群ＨＳＧから与えられる読み出しパルス信号により、信号ラインＨ１及びＨ２に列順に順次結合される。そして、図７で説明した演算を各画素ユニットについて行うことにより、信号処理部１６ａは二次元の距離画像を形成することができる。

【0078】

なお、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、図９に示した実施形態では、画素ユニットの列ごとに対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２が設けられているが、画素ユニットごとに対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２が設けられていてもよい。また、撮像領域ＩＲの画素ユニットの個数は、一つであってもよい。

【符号の説明】

【0079】

１０…距離測定装置、１２…光源部、１２ａ…レーザダイオード、１２ｂ…ドライバ回路、１４…センサ部、１６…処理部、１６ａ…信号処理部、１６ｂ…メモリ、１８…センサ、２０…ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換部）、２２…ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換部）、ｆｄ１…第１の蓄積領域、ｆｄ２…第２の蓄積領域、ＴＸ１…第１の転送電極、ＴＸ２…第２の転送電極、Ａ１…電荷−電圧変換回路（第１の変換部）、Ａ２…電荷−電圧変換回路（第２の変換部）、ＳＨ１…第１のサンプルホールド回路、ＳＨ２…第２のサンプルホールド回路。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】