特許 6265346 距離計測装置

(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】6265346

(24)【登録日】2018年1月5日

(45)【発行日】2018年1月24日

(54)【発明の名称】距離計測装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/486 20060101AFI20180115BHJP

   G01S 17/10 20060101ALI20180115BHJP

   G01S 17/89 20060101ALI20180115BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20180115BHJP

   H04N 5/225 20060101ALI20180115BHJP

   H04N 5/374 20110101ALI20180115BHJP

   H01L 27/146 20060101ALI20180115BHJP

【ＦＩ】

   G01S7/486

   G01S17/10

   G01S17/89

   G01C3/06 120Q

   G01C3/06 140

   H04N5/225

   H04N5/374

   H01L27/146 A

【請求項の数】6

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2015-515821(P2015-515821)

(86)(22)【出願日】2014年4月4日

(86)【国際出願番号】JP2014059947

(87)【国際公開番号】WO2014181619

(87)【国際公開日】20141113

【審査請求日】2017年3月14日

(31)【優先権主張番号】特願2013-100657(P2013-100657)

(32)【優先日】2013年5月10日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】304023318

【氏名又は名称】国立大学法人静岡大学

(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】100124800

【弁理士】

【氏名又は名称】諏澤 勇司

(74)【代理人】

【識別番号】100183438

【弁理士】

【氏名又は名称】内藤 泰史

(72)【発明者】

【氏名】川人 祥二

(72)【発明者】

【氏名】安富 啓太

【審査官】 藤田 都志行

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２１５４８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１２１１１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−２１７０６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００８／０６９１４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０３０７９６８（ＵＳ，Ａ１）

(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

Ｈ０１Ｌ ２７／１４

Ｈ０１Ｌ ２９／７６

Ｈ０４Ｎ ５／２２２−５／２５７

Ｈ０４Ｎ ５／３０ −５／３３５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射光を電荷に変換する受光部と、電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷を排出する電荷排出部と、前記受光部から前記電荷蓄積部への電荷の転送、及び前記受光部から前記電荷排出部への電荷の転送を制御するゲート電極とを有する光電変換素子と、
対象物に向けた前記受光部の応答時間よりも十分短いパルス幅のパルス光の照射タイミングを制御し、前記照射タイミングを基準にして少なくとも２種類の位相の制御パルス電圧を生成し前記ゲート電極に印加するように制御する制御部と、
前記２種類の位相の制御パルス電圧のそれぞれの印加に伴って前記電荷蓄積部に蓄積された第１及び第２の電荷を、第１及び第２の電気信号としてそれぞれ読み出す電荷読出部と、
前記第１及び第２の電気信号を基に前記対象物までの距離を算出する算出部と、
を備える距離計測装置。

【請求項2】

前記算出部は、前記受光部のインパルス応答特性を近似することにより、前記第１及び前記第２の電気信号の比を基に前記距離を算出する、
請求項１記載の距離計測装置。

【請求項3】

前記算出部は、前記受光部のインパルス応答特性を１次関数或いは２次関数で近似する、
請求項２記載の距離計測装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記２種類の位相と異なる位相の制御パルス電圧をさらに生成するように制御し、
前記電荷読出部は、該制御パルスの印加に伴って電荷蓄積部に蓄積された第３の電荷を、第３の電気信号としてさらに読み出し、
前記算出部は、前記第３の電気信号によって補正された前記第１及び第２の電気信号を基に前記対象物までの距離を算出する、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の距離計測装置。

【請求項5】

前記光電変換素子は、前記受光部が複数配列されて構成されている、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離計測装置。

【請求項6】

前記光電変換素子は、バッファ回路をさらに有し、
前記制御パルス電圧は、前記バッファ回路を介して前記ゲート電極に印加されるように構成されている、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の距離計測装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光の飛行時間を計測することで対象物までの距離を検出する距離計測装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、光の飛行時間を計測することで距離計測が可能なＴＯＦ（Time Of Flight）法を用いたＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサ等の距離計測画像センサが実現されている。従来の距離計測画像センサの多くは数メータから数十メータまでの範囲での計測を目的とし、計測の分解能は数ミリから数センチメートルに留まっている。

【0003】

これらの距離計測画像センサにおける変調方式は、パルス変調方式（下記非特許文献１参照。）及び正弦波変調方式（下記非特許文献２参照。）に大別される。両者の方式は、光の遅れ時間に依存した信号をセンサ上でロックイン検出を行うことで検出し、複数の位相の信号から距離を算出する方式である。前者の場合では、距離分解能は、光源のパルス幅に比例し、蓄積電子数の平方根に反比例する。後者の場合では、距離分解能は、正弦波変調の周波数及び蓄積電子数の平方根に反比例する。従って、光源のパルス幅を短くし蓄積電子数を多くすること、或いは変調周波数を高くし蓄積電子数を多くすることで高分解能化を図ることができる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】S. Kawahito et al., “A CMOS time-of-flight range image sensor with gates-on-field-oxide structure”; IEEE Sensors Journal, Vol. 7, No. 12, pp.1578-1586, Dec 2007.

【非特許文献2】T. Spirig et al., “The lock-in CCD-two-dimensional synchronous detection of light”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 31, No. 9, pp.1705-1708, Sep. 1995.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記の従来のパルス変調方式において１００万個の蓄積電子数で１０μｍ以下の分解能を実現するためには１００ｐｓｅｃ以下のパルス幅が必要となり、精度の高い光源のパルス波形やセンサの応答波形を生成することは困難である。また、上記従来の正弦波変調方式においても、同様に３ＧＨｚ以上の変調周波数が必要となり、ロックイン検出時の復調のためのパルス信号の供給が困難である。その結果、従来の変調方式では分解能を高めた精度の高い距離検出が困難である。

【0006】

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、分解能を高めた精度の高い距離検出を可能にする距離計測装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決するため、本発明の一側面にかかる距離計測装置は、入射光を電荷に変換する受光部と、電荷を蓄積する電荷蓄積部と、電荷を排出する電荷排出部と、受光部から電荷蓄積部への電荷の転送、及び受光部から電荷排出部への電荷の転送を制御するゲート電極とを有する光電変換素子と、対象物に向けた受光部の応答時間よりも十分短いパルス幅のパルス光の照射タイミングを制御し、照射タイミングを基準にして少なくとも２種類の位相の制御パルス電圧を生成しゲート電極に印加するように制御する制御部と、２種類の位相の制御パルス電圧のそれぞれの印加に伴って電荷蓄積部に蓄積された第１及び第２の電荷を、第１及び第２の電気信号としてそれぞれ読み出す電荷読出部と、第１及び第２の電気信号を基に対象物までの距離を算出する算出部と、を備える。

【0008】

このような距離計測装置によれば、受光部の応答時間よりも十分短いパルス幅のパルス光の対象物に向けた照射タイミングが制御され、その照射タイミングを基準とした２種類の位相の制御パルス電圧がゲート電極に印加されることにより、受光部においてパルス光の入射に応じて変換された電荷を、電荷蓄積部に変調させて蓄積させることができる。そして、２種類の位相の制御パルス電圧によって変調された第１及び第２の電荷が電荷読出部によって第１及び第２の電気信号として読み出され、算出部によって第１及び第２の電気信号を基に対象物までの距離が算出される。このようにすれば、受光部のインパルス光の応答特性を利用して距離が算出されるので、入射光の波形の時間幅の変化に伴ったセンサ応答波形の劣化による計測精度の低下を防止することができる。その結果、分解能を高めた精度の高い距離検出を実現することができる。

【0009】

算出部は、受光部のインパルス応答特性を近似することにより、第１及び第２の電気信号の比を基に距離を算出してもよい。このような算出部を備えれば、受光部の蓄積電荷数と受光部の応答時間により計測距離の分解能が決定される。これにより、入射光の波形の時間幅の変化に伴ったセンサ応答波形の劣化による計測精度の低下を確実に防止できる。

【0010】

例えば、算出部は受光部のインパルス応答特性を１次関数或いは２次関数で近似する、ことでもよい。

【0011】

また、制御部は、２種類の位相と異なる位相の制御パルス電圧をさらに生成するように制御し、電荷読出部は、該制御パルスの印加に伴って電荷蓄積部に蓄積された第３の電荷を、第３の電気信号としてさらに読み出し、算出部は、第３の電気信号によって補正された第１及び第２の電気信号を基に対象物までの距離を算出してもよい。この場合、第１及び第２の電荷に含まれるオフセット電荷を第３の電荷としてキャンセルすることができるので、算出される距離の精度をさらに向上できる。

【0012】

さらに、光電変換素子は受光部が複数配列されて構成されていることでもよい。このような構成を採れば、受光部で変換されてから蓄積部に蓄積されるまでの電荷の走行距離を短くすることができ、受光感度と高速変調とを両立させることができる。その結果、距離計測装置の感度及び応答速度を向上させることができる。

【0013】

またさらに、光電変換素子は、バッファ回路をさらに有し、制御パルス電圧は、バッファ回路を介してゲート電極に印加されるように構成されていてもよい。かかるバッファ回路を備えれば、ゲート電極に負荷の小さいバッファ回路を介して制御パルス電圧が印加されるので、制御パルス電圧の波形の劣化が防止され、計測される距離の精度を高めることができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明の一側面によれば、分解能を高めた精度の高い距離検出を可能にする距離計測装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の一実施形態に係る距離計測装置であるカメラ装置１を含む測定システム１００の概略構成を示す図である。

【図2】図１のカメラ装置１の概略構成を示すブロック図である。

【図3】図２の画素アレイ部５内の画素Xijの構成を示す回路図である。

【図4】図３の画素Xijに設けられた半導体素子１５の積層構造を示す斜視図である。

【図5】図４の半導体素子１５において、ゲート電極３１に電圧を印加した際の垂直断面におけるポテンシャル分布を示す図である。

【図6】図２のタイミング発生回路８によって制御された発光タイミング及び画素における電荷蓄積タイミングを示すタイミングチャートである。

【図7】図１のカメラ装置１を含む測定システム２００の概略構成を示す図である。である。

【図8】図７の測定システム２００を用いて評価したカメラ装置１による計測距離の精度及び計測距離の分解能を示すグラフである。

【図9】本発明の変形例における発光タイミング及び画素における電荷蓄積タイミングを示すタイミングチャートである。

【図10】本発明の変形例における発光タイミング及び画素における電荷蓄積タイミングを示すタイミングチャートである。

【図11】従来の正弦波変調方式の距離計測画像センサにおいて対象物に照射される照射光Ｌ_ｅ及び検出される受信光Ｌ_ｒの時間波形を示すタイミングチャートである。

【図12】従来のパルス変調方式の距離計測画像センサにおいて扱われる各種信号の時間波形を示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しつつ本発明に係る距離計測装置の一実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。

【0017】

図１は、本発明の一実施形態に係る距離計測装置であるカメラ装置１を含む測定システム１００の概略構成を示す図である。この測定システム１００は、対象物Ｓａまでの距離をＴＯＦ（Time Of Flight）法を用いて測定するために用いられ、対象物Ｓａに向けて光を照射するレーザ光源３と、対象物Ｓａからの反射光を検出して距離を算出するカメラ装置１とを含んで構成されている。レーザ光源３は、後述するカメラ装置１の受光部の応答時間よりも十分短いパルス幅のパルス光を照射可能な光源装置であり、例えば、中心波長445nm、パルス幅１００ｐｓｅｃのパルス光を照射可能に構成されている。なお、レーザ光源３の照射する光の中心波長及びパルス幅は上記値には限定されず、様々な値に設定され得る。

【0018】

図２は、カメラ装置１の構成を示すブロック図である。カメラ装置１は、同図に示すように、画素アレイ部５と周辺回路部６，７，８，９，１０とが同一の半導体チップ上に集積化されて構成され、回路部１１が半導体チップの外部のカメラ装置１内部の別回路上に構成されている。なお、回路部１１が画素アレイ部５と周辺回路部６，７，８，９，１０とともに同一の半導体チップ上に集積化されていてもよい。

【0019】

画素アレイ部５には、２次元マトリクス状に多数の画素（光電変換素子）Xij（ｉは１〜ｍの整数、ｊは１〜ｎの整数）が配列されており、方形状の撮像領域を構成している。そして、この画素アレイ部５の周辺部には、複数の画素Xijの水平方向の画素行に沿って水平走査回路６が設けられるとともに、複数の画素Xijの垂直方向の画素列に沿って垂直走査回路７が設けられている。これらの水平走査回路６及び垂直走査回路７にはタイミング発生回路（制御部）８が接続されている。

【0020】

タイミング発生回路８、水平走査回路６及び垂直走査回路７によって画素アレイ部５内の画素Xijが順次走査され、画素信号の読み出しや初期化が実行される。すなわち、画素アレイ部５を垂直走査回路７によって各画素行単位で垂直方向に走査することにより、走査された画素列に含まれる各画素列の画素信号を各画素列毎に設けられた垂直信号線によって読み出す構成となっている。各画素列の画素信号の読み出しは、垂直信号線毎に設けられたノイズキャンセル回路９、及び出力バッファ回路１０を経由して出力することにより行われる。さらに、各画素列の画素信号の読み出し時には、水平走査回路６によって画素Xijの水平方向の走査が行われる。タイミング発生回路８は、上述したような画素アレイ部５の画素Xijの垂直走査及び水平走査のタイミングの制御を行うと共に、測定システム１００に設けられたレーザ光源３のパルス光の照射タイミングの制御、及びその照射タイミングを基準にした各画素Xijにおける電荷蓄積及び電荷排出のタイミングの制御を行う。

【0021】

図３は、画素アレイ部５内の画素Xijの構成を示す回路図であり、図４は、画素Xijに設けられた半導体素子１５の積層構造を示す斜視図である。これらの図に示すように、画素Xij内には画素回路として機能する半導体素子１５が複数配列されて設けられている。半導体素子１５は、第１導電型（ｐ型）の半導体領域２１と、半導体領域２１の上部の一部に埋め込まれ、光が入射される第２導電型（ｎ型）の受光用表面埋込領域（受光部）２３と、半導体領域２１の上部の一部に受光用表面埋込領域（受光部）２３に隣接して設けられ、受光用表面埋込領域（受光部）２３が生成した電荷を蓄積する第２導電型（ｎ^＋型）の電荷蓄積領域（電荷蓄積部）２５と、半導体領域２１の上部の一部に受光用表面埋込領域２３の近傍に分離して埋め込まれた第２導電型（ｎ^＋型）の排出ドレイン領域（電荷排出部）２７とが形成されている。この排出ドレイン領域２７は、受光用表面埋込領域２３で生成された電子を排出するための部位であり、受光用表面埋込領域２３の電荷蓄積領域２５と接する境界線と略垂直に交わる境界線の近傍に設けられている。これらの受光用表面埋込領域２３とその領域の直下の半導体領域２１とで、対象物Ｓａからの反射光（入射光）を電荷（電子）に変換する埋め込みフォトダイオードＤ１を構成している。なお、第１導電型の半導体領域２１の代わりに、第１導電型の半導体基板上に形成した半導体基板よりも低不純物濃度の第１導電型のエピタキシャル成長層を用いてもよい。

【0022】

また、半導体素子１５の受光用表面埋込領域２３の上部には、ｐ^＋型のピニング層２９が更に配置されている。ピニング層２９は、ダーク時の埋め込みフォトダイオードＤ１の表面での電荷の形成を抑制するための層であり、ダーク電流削減のためには設けられていてもよい。ダーク電流が問題とならない用途では、ピニング層２９が省略されてもよい。さらに、半導体領域２１上の埋め込みフォトダイオードＤ１と排出ドレイン領域２７との間には、埋め込みフォトダイオードＤ１と排出ドレイン領域２７との間に形成される転送チャネルの電位を制御して、埋め込みフォトダイオードＤ１から排出ドレイン領域２７への電荷の排出を制御するためのゲート電極３１が形成されている。

【0023】

図５（ａ）及び（ｂ）には、ゲート電極３１に電圧を印加した際の半導体素子１５の垂直断面におけるポテンシャル分布を示している。具体的には、図５（ａ）には、埋め込みフォトダイオードＤ１の領域から電荷蓄積領域２５にかけてのＸ−Ｘ’線に沿った垂直断面におけるポテンシャル分布を示しており、埋め込みフォトダイオードＤ１の領域から電荷蓄積領域２５にかけて電位勾配が形成されている。また、図５（ｂ）には、埋め込みフォトダイオードＤ１の領域から排出ドレイン領域２７にかけてのＹ−Ｙ’線に沿った垂直断面におけるポテンシャル分布を示しており、実線がゲート電圧に低電圧を印加した際の分布、点線がゲート電極３１に高電圧を印加した際の分布をそれぞれ示している。このように、ゲート電極３１に低電圧を印加した際には、埋め込みフォトダイオードＤ１の領域と排出ドレイン領域２７との間に電位障壁が形成されることにより埋め込みフォトダイオードＤ１の領域と排出ドレイン領域２７との間の転送チャネルが閉じられ、入射光Ｌ_ｉｎの入射に伴って生成される電子ｅ⁻は全てが電荷蓄積領域２５に転送される。その一方で、ゲート電極３１に高電圧を印加した際には、埋め込みフォトダイオードＤ１の領域と排出ドレイン領域２７との間の電位障壁が無くなり電位勾配が形成されることにより埋め込みフォトダイオードＤ１の領域と排出ドレイン領域２７との間の転送チャネルが開かれ、入射光Ｌ_ｉｎの入射に伴って生成される電子ｅ⁻は全てが排出ドレイン領域２７に転送される。すなわち、ゲート電極３１に高電圧を印加した際には、埋め込みフォトダイオードＤ１の領域と排出ドレイン領域２７との間の転送チャネルの電荷転送効果の方が、埋め込みフォトダイオードＤ１の領域と電荷蓄積領域２５との間の電荷転送効果よりも支配的であるため、発生する電子ｅ⁻は全てが排出ドレイン領域２７に転送される。このように、ゲート電極３１は、埋め込みフォトダイオードＤ１から電荷蓄積領域２５への電荷の転送を制御するためのバーチャルスイッチ３３としての機能も併せ持つ。

【0024】

図３に戻って、画素Xijには、タイミング発生回路８から印加される制御パルス電圧ＴＷを反転させて制御パルス電圧ＴＤとしてゲート電極３１に与えるバッファ回路３５をさらに備えている。具体的には、バッファ回路３５は、インバータ回路である。このバッファ回路３５を備えることにより、画素Xijのゲート電極３１に直接接続される負荷を小さくすることができ、制御パルス電圧ＴＷの波形の劣化を防止できる。

【0025】

さらに、画素Xijには、制御パルス電圧ＴＷの印加に伴って電荷蓄積領域２５に蓄積された電荷を電気信号として読み出す読出回路（電荷読出部）３７が設けられている。この読出回路３７は、信号読み出しトランジスタ３７ａと、スイッチングトランジスタ３７ｂと、リセットトランジスタ３７ｃとを含んで構成されている。信号読み出しトランジスタ３７ａのゲート電極は電荷蓄積領域２５に接続され、信号読み出しトランジスタ３７ａのドレイン電極はバイアス電源に接続され、信号読み出しトランジスタ３７ａのソース電極は、画素選択用のスイッチングトランジスタ３７ｂのドレイン電極に接続されている。スイッチングトランジスタ３７ｂのソース電極は垂直信号線に接続され、スイッチングトランジスタ３７ｂのゲート電極には、画素列の選択用制御信号Ｓが垂直走査回路７から与えられる。選択用制御信号Ｓをハイレベルに設定することにより、スイッチングトランジスタ３７ｂが導通され、信号読み出しトランジスタ３７ａで増幅された電荷蓄積領域２５に蓄積された電荷量に対応する電位の電気信号が垂直信号線に出力される。リセットトランジスタ３７ｃは、そのソース電極が電荷蓄積領域２５に接続され、そのドレイン電極はバイアス電源に接続され、そのゲート電極には垂直走査回路７からリセット信号Ｒが与えられる。このリセットトランジスタ３７ｃは、リセット信号Ｒがハイレベルに設定された際に、電荷蓄積領域２５に蓄積された電荷を吐き出すことにより電荷蓄積領域２５をリセットする。

【0026】

図２に示す算出回路（算出部）１１は、タイミング発生回路８によるタイミング制御により画素Xijから読み出された電気信号を基に、対象物Ｓａまでの距離を算出する。

【0027】

以下、タイミング発生回路８及び算出回路１１による距離算出動作の手順を説明する。図６は、タイミング発生回路８によって制御された発光タイミング及び電荷蓄積タイミングを示すタイミングチャートであり、図６（ａ）は、レーザ光源３から照射されるパルス光の時間波形、図６（ｂ）は、画素Xijによって受光される反射光の時間波形、図６（ｃ）は、画素Xijの反射光に対する応答特性である光電流Ｉ_ｐｈの時間波形、図６（ｄ）は、画素Xijのゲート電極３１に印加される制御パルス電圧ＴＷの時間波形である。

【0028】

まず、タイミング発生回路８により所定周波数で繰り返し発光するように発光タイミングが決定され、その発光タイミングでレーザ光源３からパルス光が照射されるように、タイミング発生回路８からトリガー信号が供給される。それに応じて、発光タイミング後に対象物Ｓａまでの距離に対応した時間差ｔ_ｄで画素Xijに反射光が入射することになる。ここで画素Xijに入射する反射光のパルス幅は、画素Xijの受光部の応答時間よりも十分短い値（例えば、パルス幅１００ｐｓｅｃ以下）に設定されている。その結果、画素Xijの受光部における入射光に対する応答波形はインパルス応答とほぼ等しくなる。すなわち、発光タイミング基準とした反射光の入射時刻ｔ_ｄから受光部の応答時間Ｔ_０で極大値Ｉ_Ｍまで立ち上がり、その後応答時間Ｔ_０で立ち下がるような単一の三角波に近い応答波形となる。

【0029】

このような画素Xijの応答波形に対応して、タイミング発生回路８により、発光タイミングを基準にして３種類の位相差を有する制御パルス電圧ＴＷ（１），ＴＷ（２），ＴＷ（３）を繰り返し生成するように制御される。具体的には、制御パルス電圧ＴＷ（１）は、発光タイミング後の所定期間だけハイレベルとなるような矩形パルス波に設定される。また、制御パルス電圧ＴＷ（２）は、発光タイミングから発光タイミング後の時刻Ｔ_１までハイレベルとなり、制御パルス電圧ＴＷ（１）とハイレベル区間が一部重複するような矩形パルス波に設定される。また、制御パルス電圧ＴＷ（３）は、制御パルス電圧ＴＷ（１）を反転させたような矩形パルス波に設定される。

【0030】

このようにして、タイミング発生回路８により、発光タイミング後に繰り返し制御パルス電圧ＴＷ（１）が印加されるように制御された後に、画素Xijから制御パルス電圧ＴＷ（１）の印加に伴って電荷蓄積領域２５に蓄積された第１の電荷を第１の電気信号として読み出すように制御される。また、タイミング発生回路８により、発光タイミング後に繰り返し制御パルス電圧ＴＷ（２）が印加されるように制御された後に、画素Xijから制御パルス電圧ＴＷ（２）の印加に伴って電荷蓄積領域２５に蓄積された第２の電荷を第２の電気信号として読み出すように制御される。同様に、タイミング発生回路８により、発光タイミング後に繰り返し制御パルス電圧ＴＷ（３）が印加されるように制御された後に、画素Xijから制御パルス電圧ＴＷ（３）の印加に伴って電荷蓄積領域２５に蓄積された第３の電荷を第３の電気信号として読み出すように制御される。

【0031】

その後、算出回路１１は、読み出された第１〜第３の電気信号の値をぞれぞれ正規化することにより蓄積電子数Ｎ_１，Ｎ_２，Ｎ_３に変換する。ここで、画素Xijの光電流のインパルス応用波形を、下記式（１）に示す１次関数により近似する。

【数1】

この１次関数によれば、理想的には各制御パルス電圧ＴＷ（１），ＴＷ（２），ＴＷ（３）の印加に応じて蓄積される電子数は、時間差ｔ_ｄがＴ_１−Ｔ_０＜ｔ_ｄ≦Ｔ_１の範囲で、下記式（２）によって計算できる。

【数2】

【0032】

そこで、算出回路１１は、上記式（２）の関係を利用することにより、光の飛行時間である時間差ｔ_ｄを、下記式（３）を用いて算出する。このとき、算出回路１１は、蓄積電子数Ｎ_１，Ｎ_２のそれぞれを蓄積電子数Ｎ_３で補正した値の比ｒを計算する。

【数3】

さらに、算出回路１１は、算出された時間差ｔ_ｄを基に対象物Ｓａまでの距離Ｌを、光の速さをｃ［ｍ／ｓ］として、下記式（４）により算出して出力する。

【数4】

なお、上記式（４）によって測定可能な距離Ｌの範囲は、下記式（５）で計算される値の範囲となり、画素Xijのインパルス応答の応答時間Ｔ_０に比例する。

【数5】

また、ショットノイズが支配的な状態において測定可能な距離Ｌの分解能σ_Ｌは、下記式（６）で計算される値となり、蓄積電子数Ｎ_１の平方根に反比例し、画素Xijのインパルス応答の応答時間Ｔ_０に比例する。例えば、蓄積電子数Ｎ_１＝１０^６、応答時間Ｔ_０＝１００ｐｓｅｃ、パラメータｒの取りうる値を０〜０．５とした場合は、測定可能な距離Ｌの範囲は１５ｍｍ、測定可能な分解能σ_Ｌは＝１０．６μｍ〜１３μｍとなる。

【数6】

【0033】

以上説明したカメラ装置１によれば、画素Xijの受光部の応答時間よりも十分短いパルス幅のパルス光の対象物Ｓａに向けた照射タイミングが制御され、その照射タイミングを基準とした２種類の位相の制御パルス電圧ＴＷ（１），ＴＷ（２）がゲート電極３１に印加されることにより、画素Xijの受光部においてパルス光の入射に応じて変換された電荷を、電荷蓄積領域２５に変調させて蓄積させることができる。そして、２種類の位相の制御パルス電圧ＴＷ（１），ＴＷ（２）によって変調された第１及び第２の電荷が読出回路３７によって第１及び第２の電気信号として読み出され、第１及び第２の電気信号を基に対象物Ｓａまでの距離が算出される。このようにすれば、画素Xijの受光部のインパルス光の応答特性を利用して距離が算出されるので、入射光の波形の時間幅の変化に伴ったセンサ応答波形の劣化による計測精度の低下を防止することができる。その結果、分解能を高めた精度の高い距離検出を実現することができる。

【0034】

カメラ装置１における計測精度の向上の効果を、従来方式と比較して具体的に説明する。図１１には、従来の正弦波変調方式の距離計測画像センサにおいて対象物に照射される照射光Ｌ_ｅ及び検出される受信光Ｌ_ｒの時間波形を示している。この従来の正弦波変調方式では、受信光Ｌ_ｒの照射光Ｌ_ｅに対する位相遅れΔφが検出され、対象物までの距離ｄが、この位相遅れΔφを基に、下記式（７）；

【数7】

により算出される（ｆ_ｍは変調周波数）。ここで、この場合の計測可能な距離ｄの範囲Ｌ及び分解能σ_Ｌは、下記式（８）により計算される。距離ｄの範囲Ｌは、変調周波数ｆ_ｍに反比例する。また、計測可能な距離ｄの分解能σ_Ｌは、変調周波数ｆ_ｍに反比例し、蓄積電子数Ｎ_Ｓの平方根に反比例する。

【数8】

例えば、蓄積電子数Ｎｓ＝１０^６の場合で、距離分解能を１０μｍ以下にしたい場合には、変調周波数ｆｍを３．７５ＧＨｚに設定する必要がある。このような変調周波数の実現は、ロックイン検出のための変調ゲートパルスの供給が困難になるために現実的ではない。

【0035】

また、図１２には、従来のパルス変調方式の距離計測画像センサにおいて扱われる各種信号の時間波形を示しており、（ａ）には対象物に照射される照射光の時間波形、（ｂ）には検出される反射光の時間波形、（ｃ）にはセンサで検出される電荷量の時間波形、（ｄ）及（ｅ）にはセンサに印加される２種類の位相の変調ゲートパルスの時間波形がそれぞれ示されている。この場合の計測可能な距離の範囲Ｌ及び分解能σ_Ｌは、下記式（９）により計算される。距離の範囲Ｌは、照射光のパルス幅Ｔ_０に比例する。また、計測可能な距離の分解能σ_Ｌは、照射光のパルス幅Ｔ_０に比例し、蓄積電子数Ｎ_Ｓの平方根に反比例する。

【数9】

例えば、蓄積電子数Ｎｓ＝１０^６の場合で、距離分解能を１０μｍ以下にしたい場合には、照射光のパルス幅Ｔ_０を６７ｐｓｅｃ以下に設定する必要がある。このような狭いパルス幅の照明光を精度よく生成することは困難である。その結果、従来方式の正弦波変調方式及びパルス変調方式では、計測の分解能を小さくしながら測定精度を保つことは困難である。

【0036】

これに対して本実施形態のカメラ装置１によれば、画素Xijの受光部の応答時間よりも十分短いパルス幅の照射光を用い、受光部のインパルス応答を利用して距離を算出するため、分解能を高めるために変調周波数を高める必要が無い。その結果、光源からの照射光の波形の歪や、受光部の応答波形の歪の影響が少なく、同時に変調ゲートパルスの供給も容易に実現できる。

【0037】

特に、カメラ装置１の算出回路１１は、画素Xijの受光部のインパルス応答特性を１次関数に近似することにより距離を算出するので、画素Xijの受光部の蓄積電子数Ｎ_１と受光部の応答時間Ｔ_０により計測距離の分解能が決定される。これにより、入射光の波形の時間幅の変化に伴ったセンサ応答波形の劣化や、変調周波数の変化に伴った応答波形の劣化による計測精度の低下を確実に防止できる。

【0038】

また、算出回路１１は、蓄積電子数Ｎ_１，Ｎ_２を蓄積電子数Ｎ_３で補正した後に距離を算出する。この場合、蓄積電子数Ｎ_１，Ｎ_２に含まれるオフセット電荷の分をキャンセルすることができるので、算出される距離の精度をさらに向上できる。

【0039】

さらに、画素Xijには、半導体素子１５が複数配列されて含まれているので、画素Xijの受光面積を変えずに電荷の走行距離を短くすることができる。その結果、受光感度と高速変調を両立することができ、距離計測の感度及び応答速度を向上させることができる。

【0040】

またさらに、画素Xijはバッファ回路３５をさらに有しているので、ゲート電極３１に負荷の小さいバッファ回路３５を介して制御パルス電圧が印加されるので、制御パルス電圧の波形の劣化が防止され、計測される距離の精度を高めることができる。

【0041】

ここで、カメラ装置１による距離計測の評価結果を示す。図７には、評価に用いた測定システム２００の構成を示している。測定システム２００には、カメラ装置１とレーザ光源３の他、デジタル遅延生成器１０１及びミラー１０２を用いた。カメラ装置１から出力されたトリガー信号を、デジタル遅延生成器１０１を介してレーザ光源３に様々な遅延時間で遅延させて入力させ、それに伴ってレーザ光源３から照射されたレーザ光を、ミラー１０２によって反射させることによってカメラ装置１によって受光させた。このような測定システム２００によって、対象物までの距離を等価的に変化させ、それに対してカメラ装置１によって算出された計測距離を評価した。図８は、測定システム２００によって評価された計測距離の精度及び計測距離の分解能を示すグラフである。この結果により、距離が０〜５０ｍｍの範囲で非線形性が５％以下の精度に保たれており、距離が０〜５０ｍｍの範囲で約４００μｍ以下の距離分解能が実現できていることが分かった。

【0042】

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

【0043】

例えば、カメラ装置１の算出回路１１は、画素Xijの受光部の応答特性を１次関数で近似して距離を算出していたが、その他の２次以上の高次関数によって近似してもよい。図９には、２次関数による近似を利用したカメラ装置１による発光タイミング及び電荷蓄積タイミングを示すタイミングチャートであり、図９（ａ）は、レーザ光源３から照射されるパルス光の時間波形、図９（ｂ）は、画素Xijによって受光される反射光の時間波形、図９（ｃ）は、画素Xijの反射光に対する応答特性として近似された光電流Ｉ_ｐｈの時間波形、図９（ｄ）は、画素Xijのゲート電極３１に印加される制御パルス電圧ＴＷの時間波形である。この場合、光電流Ｉ_ｐｈの応答波形は、下記式（１０）に示すような２次関数によって近似される。

【数10】

この２次関数によれば、理想的には各制御パルス電圧ＴＷ（１），ＴＷ（２），ＴＷ（３）の印加に応じて蓄積される電子数は、下記式（１１）によって計算できる。

【数11】

この関係を利用して、算出回路１１は、光の飛行時間である時間差ｔ_ｄを、下記式（１２）を用いて算出する。

【数12】

さらに、算出回路１１は、対象物Ｓａまでの距離Ｌを、下記式（１３）により算出して出力することができる。

【数13】

【0044】

また、カメラ装置１の算出回路１１は、画素Xijのゲート電極３１に印加される２種類の制御パルス電圧ＴＷ（１），ＴＷ（２）の遅延差ΔＴを利用して距離を算出してもよい。図１０には、遅延差ΔＴを利用したカメラ装置１による発光タイミング及び電荷蓄積タイミングを示すタイミングチャートであり、図１０（ａ）は、レーザ光源３から照射されるパルス光の時間波形、図１０（ｂ）は、画素Xijによって受光される反射光の時間波形、図１０（ｃ）は、画素Xijの反射光に対する応答特性である光電流Ｉ_ｐｈの時間波形、図１０（ｄ）は、画素Xijのゲート電極３１に印加される制御パルス電圧ＴＷの時間波形である。この場合、制御パルス電圧ＴＷ（２）が制御パルス電圧ＴＷ（１）に対して遅延差ΔＴの時間で遅れるように設定される。また、制御パルス電圧ＴＷ（３）は、反射光の応答特性がゼロとなるような区間でハイレベルとされるように設定される。このとき、光電流Ｉ_ｐｈの応答波形は、上記式（１）に示すような１次関数によって近似される。この１次関数によれば、理想的には各制御パルス電圧ＴＷ（１），ＴＷ（２），ＴＷ（３）の印加に応じて蓄積される電子数は、下記式（１４）によって計算できる。

【数14】

この関係を利用して、算出回路１１は、光の飛行時間である時間差ｔ_ｄを、下記式（１５）を用いて算出する。

【数15】

さらに、算出回路１１は、対象物Ｓａまでの距離Ｌを、下記式（１６）により算出して出力することができる。

【数16】

この場合の計測可能な距離の分解能σ_Ｌは、下記式（１７）により計算される。計測可能な距離の分解能σ_Ｌは、遅延差ΔＴに比例し、蓄積電子数Ｎ_２の平方根に反比例する。

【数17】

【0045】

上記のような応答特性として２次関数を利用して距離を算出するカメラ装置１、及び遅延差ΔＴを利用して距離を算出するカメラ装置１によっても、分解能を高めた精度の高い距離検出を実現することができる。

【符号の説明】

【0046】

Ｄ１…埋め込みフォトダイオード（受光部）、Ｓａ…対象物、１…カメラ装置（距離計測装置）、３…レーザ光源、５…画素アレイ部、６…水平走査回路、７…垂直走査回路、８…タイミング発生回路（制御部）、１０…出力バッファ回路、１１…算出回路（算出部）、１５…半導体素子、２３…受光用表面埋込領域（受光部）、２５…電荷蓄積領域（電荷蓄積部）、２７…排出ドレイン領域（電荷排出部）、３１…ゲート電極、３５…バッファ回路、３７…読出回路（電荷読出部）、１００…測定システム、Xij…画素（光電変換素子）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】