特開 2024-171646 測距装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024171646

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】測距装置

(51)【国際特許分類】

   G01S 17/10 20200101AFI20241205BHJP

   G01C 3/06 20060101ALI20241205BHJP

   G01S 7/486 20200101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

G01S17/10

G01C3/06 120Q

G01S7/486

G01C3/06 140

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023088771

(22)【出願日】2023-05-30

(71)【出願人】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094112

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 讓

(74)【代理人】

【識別番号】100101498

【弁理士】

【氏名又は名称】越智 隆夫

(74)【代理人】

【識別番号】100106183

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 弘司

(74)【代理人】

【識別番号】100136799

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 亜希

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 真弥

(72)【発明者】

【氏名】山崎 翔悟

【テーマコード（参考）】

2F112

5J084

【Ｆターム（参考）】

2F112AD01

2F112BA05

2F112CA04

2F112CA05

2F112DA02

2F112DA25

2F112EA05

2F112FA14

2F112FA41

2F112GA01

5J084AA05

5J084AB01

5J084AC02

5J084AC03

5J084AC04

5J084AC05

5J084AC07

5J084AD01

5J084BA03

5J084BA05

5J084BA36

5J084BA40

5J084CA03

5J084CA32

5J084CA53

5J084CA65

5J084EA05

5J084EA22

(57)【要約】

【課題】フレームレートを向上し得る測距装置を提供する。
【解決手段】複数の発光領域に区分された発光装置における発光タイミングと時間カウントの開始タイミングとを制御する制御部と、前記複数の発光領域に１対１対応するように複数の受光領域に区分された受光部と、前記時間カウント値と複数の受光信号とに基づいて、前記時間カウントが開始してから前記複数の受光領域のいずれかに前記入射光が入射するまでの経過時間を示す受光時間値を生成する時間ラッチ部と、前記受光時間値に基づいて光の飛行時間を算出する算出部と、を有し、前記複数の発光領域の各々の発光タイミングは互いに異なっており、前記複数の発光領域のうちの２つの発光タイミングの時間差はいずれも前記複数の受光領域の各々における計測期間の長さよりも短く、前記算出部は、前記受光時間値と、前記時間差とに基づいて、前記飛行時間を算出する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

時間カウントが開始してからの経過時間を示す時間カウント値を出力する時間カウント部と、
複数の発光領域に区分された発光装置における発光タイミングと前記時間カウント部における前記時間カウントの開始タイミングとを制御する制御部と、
前記複数の発光領域に１対１対応するように複数の受光領域に区分された複数の画素を有し、対応する発光領域及び受光領域における発光タイミングから計測が終了するまでの計測期間において前記複数の画素の各々が入射光に基づいて受光信号を生成する受光部と、
前記時間カウント値と前記複数の受光領域の画素からそれぞれ出力された複数の前記受光信号とに基づいて、前記時間カウントが開始してから前記複数の受光領域のいずれかに前記入射光が入射するまでの経過時間を示す受光時間値を生成する時間ラッチ部と、
前記受光時間値に基づいて前記発光装置から射出された光の飛行時間を算出する算出部と、
を有し、
前記複数の発光領域の各々の発光タイミングは互いに異なっており、前記複数の発光領域のうちの２つの発光タイミングの時間差はいずれも前記複数の受光領域の各々における計測期間の長さよりも短く、
前記算出部は、前記受光時間値と、前記時間差とに基づいて、前記複数の受光領域の各々に対応する前記飛行時間を算出する
ことを特徴とする測距装置。

【請求項2】

前記制御部は、複数の発光領域のうち、最も早い時刻に発光する発光領域である基準発光領域の発光タイミングと、前記時間カウントの開始タイミングとが同期するように制御を行い、
前記時間差は、前記基準発光領域の発光タイミングと他の発光領域の発光タイミングとに基づく
ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。

【請求項3】

前記複数の受光領域のすべてが第１計測周期における計測を終了した後、前記第１計測周期の次の第２計測周期における前記基準発光領域の発光が行われる
ことを特徴とする請求項２に記載の測距装置。

【請求項4】

前記算出部は、前記受光時間値から前記時間差を減算することにより、前記基準発光領域以外の受光領域に対応する前記飛行時間を算出する
ことを特徴とする請求項３に記載の測距装置。

【請求項5】

前記複数の受光領域のすべてが第１計測周期における計測を終了する前に、前記第１計測周期の次の第２計測周期における前記基準発光領域の発光が行われる
ことを特徴とする請求項２に記載の測距装置。

【請求項6】

前記算出部は、前記受光時間値が前記時間差以上である場合に、前記受光時間値から前記時間差を減算することにより、前記基準発光領域以外の受光領域に対応する前記飛行時間を算出する
ことを特徴とする請求項５に記載の測距装置。

【請求項7】

前記算出部は、前記受光時間値が前記時間差よりも小さい場合に、前記受光時間値から前記時間差を減算し、更に前記時間カウント値の上限値を加算することにより、前記基準発光領域以外の受光領域に対応する前記飛行時間を算出する
ことを特徴とする請求項５に記載の測距装置。

【請求項8】

前記算出部は、前記基準発光領域に対応する前記飛行時間として前記受光時間値を出力する
ことを特徴とする請求項３に記載の測距装置。

【請求項9】

前記発光タイミングを示す発光時間信号と、前記時間カウント値とに基づいて前記時間差を生成する時間差生成部を更に有する
ことを特徴とする請求項２に記載の測距装置。

【請求項10】

前記時間差生成部は、前記発光時間信号が入力された時刻における前記時間カウント値を保持することにより前記時間差を生成する
ことを特徴とする請求項９に記載の測距装置。

【請求項11】

前記複数の発光領域は、発光タイミングが連続する２つの発光領域が互いに隣接しないように配列されている
ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。

【請求項12】

前記複数の発光領域における発光タイミングの順序はランダムである
ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。

【請求項13】

前記複数の受光領域のうちの少なくとも２つの計測期間の一部が互いに重複している
ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。

【請求項14】

前記複数の受光領域の画素からそれぞれ出力された複数の前記受光信号の論理和を前記時間ラッチ部に出力する論理回路を更に有する
ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。

【請求項15】

前記複数の受光領域の画素からそれぞれ出力された複数の前記受光信号に基づいて、前記算出部の出力信号を前記複数の受光領域にそれぞれ対応する複数の出力信号として分配する選択回路を更に有する
ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。

【請求項16】

前記複数の画素は複数の行及び複数の列をなすように配されており、
前記複数の受光領域のうちの１つは、１つの行に配された複数の画素を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。

【請求項17】

前記複数の画素は複数の行及び複数の列をなすように配されており、
前記時間ラッチ部及び前記算出部は、１つの列に配された前記複数の受光領域の画素からの受光信号を共通に処理する
ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。

【請求項18】

複数の前記時間ラッチ部が、前記複数の列にそれぞれ対応して配されており、
共通の前記時間カウント値が複数の前記時間ラッチ部に入力される
ことを特徴とする請求項１７に記載の測距装置。

【請求項19】

請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の測距装置と、
前記測距装置により取得される距離情報を処理する処理装置と、
を備えることを特徴とする機器。

【請求項20】

移動体であって、
請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の測距装置と、
前記測距装置により取得される距離情報に基づいて前記移動体を制御する移動体制御部と、
を備えることを特徴とする移動体。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、測距装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、光が照射された時刻と反射光を受けた時刻の時間差に基づいて対象物までの距離を計測する測距装置が開示されている。特許文献１の測距装置は複数の発光素子を含む発光素子アレイを備えており、複数の発光素子は発光タイミングが互いに異なる複数の領域に区分されている。この手法では、所定期間内に射出される光の平均エネルギーを低減することができるため、アイセーフティ規格を満足しつつ発光素子から射出される光の強度を高くすることができる。これにより、反射光の強度が高くなり、計測の繰り返し回数を低減することができるため、測距レンジの拡大及びフレームレートの向上の効果が得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－１２０６３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示されているような測距装置において、各領域に対応する計測期間は時間的に重複していない。したがって、各領域に対応する計測が時間的にシリアルに実行されるため、フレームレートが十分に確保できない場合があり得る。

【0005】

本発明は、フレームレートを向上し得る測距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】

【0006】

本明細書の一開示によれば、時間カウントが開始してからの経過時間を示す時間カウント値を出力する時間カウント部と、複数の発光領域に区分された発光装置における発光タイミングと前記時間カウント部における前記時間カウントの開始タイミングとを制御する制御部と、前記複数の発光領域に１対１対応するように複数の受光領域に区分された複数の画素を有し、対応する発光領域及び受光領域における発光タイミングから計測が終了するまでの計測期間において前記複数の画素の各々が入射光に基づいて受光信号を生成する受光部と、前記時間カウント値と前記複数の受光領域の画素からそれぞれ出力された複数の前記受光信号とに基づいて、前記時間カウントが開始してから前記複数の受光領域のいずれかに前記入射光が入射するまでの経過時間を示す受光時間値を生成する時間ラッチ部と、前記受光時間値に基づいて前記発光装置から射出された光の飛行時間を算出する算出部と、を有し、前記複数の発光領域の各々の発光タイミングは互いに異なっており、前記複数の発光領域のうちの２つの発光タイミングの時間差はいずれも前記複数の受光領域の各々における計測期間の長さよりも短く、前記算出部は、前記受光時間値と、前記時間差とに基づいて、前記複数の受光領域の各々に対応する前記飛行時間を算出することを特徴とする測距装置が提供される。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、フレームレートを向上し得る測距装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る測距装置の概略構成例を示すハードウェアブロック図である。

【図2】第１実施形態に係る測距装置の概略構成例を示す機能ブロック図である。

【図3】第１実施形態に係る測距装置の１測距期間における動作の概略を示す図である。

【図4】第１実施形態に係るパルスカウント値の度数分布を視覚的に示すヒストグラムである。

【図5】第１実施形態に係る受光部、時間カウント部及びＴＯＦ値生成部の構成例を示すブロック図である。

【図6】第１実施形態に係る列処理部の構成例を示すブロック図である。

【図7】第１実施形態に係る測距装置の動作例を示すタイミングチャートである。

【図8】第２実施形態に係る測距装置の動作例を示すタイミングチャートである。

【図9】第３実施形態に係る光電変換装置の全体構成を示す概略図である。

【図10】第３実施形態に係るセンサ基板の構成例を示す概略ブロック図である。

【図11】第３実施形態に係る回路基板の構成例を示す概略ブロック図である。

【図12】第３実施形態に係る光電変換部及び画素信号処理部の１画素分の構成例を示す概略ブロック図である。

【図13】第３実施形態に係るアバランシェフォトダイオードの動作を説明する図である。

【図14】第４実施形態に係る機器の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。複数の図面にわたって同一の要素又は対応する要素には共通の符号が付されており、その説明は省略又は簡略化されることがある。

【0010】

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る測距装置１の概略構成例を示すハードウェアブロック図である。測距装置１は、信号処理回路３、発光装置４及び受光装置５を有している。なお、本実施形態において示す測距装置１の構成は一例であり、図示された構成に限定されるものではない。

【0011】

測距装置１は、ＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）等の技術を用いて測距の対象物２までの距離を測定する装置である。測距装置１は、発光装置４から射出された光が対象物２で反射され、受光装置５で受光されるまでの時間差、すなわち光の飛行時間（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）に基づいて、測距装置１から対象物２までの距離を計測する。また、測距装置１は、対象物２を含む所定の測距範囲にレーザー光を射出し、反射光を画素アレイにより受光することにより、距離を二次元状に複数点測定することができる。これにより、測距装置１は、距離画像を生成して出力することができる。このような方式は、Ｆｌａｓｈ ＬｉＤＡＲと呼ばれることもある。

【0012】

受光装置５が受ける光は、対象物２からの反射光以外に太陽光等の環境光を含む。そのため、測距装置１は、複数の期間（ビン期間）の各々において入射した光の計測を行い、光量がピークとなる期間に反射光が入射したものと判定するという手法を用いて環境光の影響を低減した測距を行う。

【0013】

発光装置４は、測距装置１の外部にレーザー光等の光を射出する半導体レーザー等の装置である。信号処理回路３は、制御回路、カウンタ回路、デジタル信号の演算処理を行うプロセッサ、デジタル信号を記憶するメモリ等を含み得る。当該メモリは、例えば、半導体メモリであり得る。

【0014】

受光装置５は、入射した光に基づくパルスを含むパルス信号を生成する。受光装置５は、例えば、アバランシェフォトダイオードを光電変換素子として含む光電変換装置である。この場合、１つの光子がアバランシェフォトダイオードに入射して電荷が生成されると、アバランシェ増倍により１つのパルスが生成される。しかしながら、受光装置５は、例えば、他のフォトダイオードを用いた光電変換素子を用いたものであってもよい。また、受光装置５は、複数の光電変換素子を含み、光子が入射した光電変換素子のアドレスを示す信号を出力し得る。

【0015】

図２は、本実施形態に係る測距装置１の概略構成例を示す機能ブロック図である。測距装置１は、制御部３１、発光部３２、受光部３３、時間カウント部３４、ＴＯＦ値生成部３５、度数分布生成部３６、距離算出部３７及び出力部３８を有している。発光部３２及び受光部３３は、図１における発光装置４及び受光装置５にそれぞれ対応する。制御部３１、時間カウント部３４、ＴＯＦ値生成部３５、度数分布生成部３６、距離算出部３７及び出力部３８は、図１における信号処理回路３に対応する。

【0016】

発光部３２は、複数の発光素子を有する。発光部３２は、所定の測距範囲内にレーザー光等の光を射出する。発光部３２は、複数の発光領域に区分されており、各発光領域は独立して動作可能である。

【0017】

制御部３１は、発光を指示する制御信号を発光部３２に出力することにより、発光部３２の複数の発光領域の各々の発光タイミングを制御する。複数の発光領域の各々の発光タイミングは、互いに異なるように制御され得る。また、制御部３１は、時間カウントの開始タイミングを指示する制御信号を時間カウント部３４に出力する。これにより、時間カウント部３４は時間カウントを開始する。制御部３１は、測距フレーム期間における測距装置１全体の同期制御を行う。これにより、制御部３１は、時間カウントの開始と１フレーム期間に複数回行われる発光部３２の発光とを同期制御する。また、制御部３１は、各発光領域の発光タイミングに応じた発光時間ラッチ信号ＬＴを生成して、ＴＯＦ値生成部３５に出力する。

【0018】

時間カウント部３４は、制御部３１の制御に基づいて時間カウントを行うことにより、カウントを開始した時刻からの経過時間を示す時間カウント値ＴＣを生成する。時間カウント部３４は、時間カウント値ＴＣをＴＯＦ値生成部３５に出力する。時間カウント部３４は、例えば、リングオシレータ、カウンタ等の回路を含み、高速かつ一定の周期で振動するクロックパルスをカウントすることにより、時間カウントを行う。

【0019】

発光部３２から射出された光は測距対象物である対象物２において反射する。受光部３３は、対象物２からの反射光を含む光を受光する。受光部３３は、入射光に基づく電気信号のパルスを生成して、受光パルスＰＬ（受光信号）としてＴＯＦ値生成部３５に出力する。受光部３３は、各々が光電変換素子を含む複数の画素を有する。複数の画素は、複数の受光領域に区分されている。受光部３３の複数の受光領域は、発光部３２の複数の発光領域に１対１対応するように区分されている。

【0020】

ＴＯＦ値生成部３５は、入力された時間カウント値ＴＣ、発光時間ラッチ信号ＬＴ及び受光パルスＰＬに基づいてＴＯＦ値を生成して度数分布生成部３６に出力する。ここで、ＴＯＦ値とは、発光から受光までの光の飛行時間を示す値である。なお、ＴＯＦ値生成部３５の構成及び動作については後述する。

【0021】

生成されたＴＯＦ値は度数分布生成部３６において度数分布の形式で蓄積される。度数分布は、所定の時間間隔で設定された階級と、各階級に対応する期間内における入射光に基づく受光パルスＰＬの度数とが対応付けられた情報である。度数分布生成部３６は、度数分布を記憶するメモリを含む。度数分布生成部３６に１測距フレーム分の度数分布が蓄積されると、距離算出部３７は、度数分布から距離情報を算出する。出力部３８は算出された距離情報を外部に出力する。

【0022】

図３は、本実施形態に係る測距装置１の１測距期間における動作の概略を示す図である。図３の「測距期間」には、１測距期間に含まれる複数のフレーム期間ＦＬ１、ＦＬ２、・・・ＦＬ３が示されている。フレーム期間ＦＬ１は１測距期間における第１フレーム期間を示しており、フレーム期間ＦＬ２は１測距期間における第２フレーム期間を示しており、フレーム期間ＦＬ３は１測距期間における最終フレーム期間を示している。フレーム期間とは、測距装置１が１回の測距を行い、測距装置１から対象物２までの距離（測距結果）を示す信号を１回外部に出力する期間である。

【0023】

図３の「フレーム期間」には、フレーム期間ＦＬ１に含まれる複数のショットＳＨ１、ＳＨ２、・・・ＳＨ３及びピーク出力ＯＵＴが示されている。ショットとは、発光部３２が発光を行い、この発光に基づく受光パルスＰＬにより度数分布が更新される一期間である。ショットＳＨ１は、フレーム期間ＦＬ１における第１ショットを示している。ショットＳＨ２は、フレーム期間ＦＬ１における第２ショットを示している。ショットＳＨ３は、フレーム期間ＦＬ１における最終ショットを示している。ピーク出力ＯＵＴは、複数のショットの信号を累積して得られたピークに基づいて、測距結果を出力する期間を示している。

【0024】

図３の「ショット」には、ショットＳＨ１に含まれる複数のビンＢＮ１、ＢＮ２、・・・ＢＮ３が示されている。「ビン（ｂｉｎ）」は、一連のパルスカウントが行われ、パルスカウントが行われる１つの時間間隔（ビン期間）を示している。ビンＢＮ１は、ショットＳＨ１における１番目のビンを示している。ビンＢＮ２は、ショットＳＨ１における２番目のビンを示している。ビンＢＮ３は、ショットＳＨ１における最後のビンを示している。

【0025】

図３の「時間カウント」は、時間カウント部３４において生成される時間カウント値の時間変化を模式的に示している。図３に示されるように、時間カウント部３４は、時間の経過に応じてカウント値をカウントアップする。したがって、時間カウント値は、ビンの番号を決めるパラメータである。

【0026】

図３の「パルスカウント」は、ビンＢＮ１における、入射光に基づくパルスと、ビンＢＮ１のパルスカウント値の変化を模式的に示している。図３に示されているように、受光パルスＰＬが立ち上がると、パルスカウント値が１だけカウントアップする。これにより、当該ビン期間内に検出された光子数がパルスカウント値として取得される。１つのビン期間が経過し、次のビン期間に移行すると、パルスカウント値はゼロにリセットされる。

【0027】

図４（ａ）から図４（ｄ）は、度数分布生成部３６において生成される度数分布を視覚的に示すヒストグラムである。本明細書において、度数分布とは、所定の階級幅に対応した頻度情報であって、必ずしも可視的に表示される必要はない。図４（ａ）、図４（ｂ）及び図４（ｃ）は、それぞれ、第１ショット、第２ショット及び第３ショットにおける光子数（パルスカウント値に相当）のヒストグラムの例である。図４（ｄ）は、全ショットの光子数を積算したヒストグラムの例である。横軸は、発光からの経過時間を示している。ヒストグラムの一区間が光子の検出が行われる１つのビンの期間に対応する。縦軸は、各ビン期間において検出された光子数を示している。このように、ヒストグラムは、時間に関する第１情報（横軸）と、パルス数に関する第２情報（縦軸）とを有する。具体的には、第１情報には、例えば、ビンの時間間隔の開始時刻、ビンの時間間隔の終了時刻、ビンの時間間隔の幅（分解能）等が含まれる。他方、第２情報は、例えば、各ビンの時間間隔内において検出されたパルス数である。また、同様に、度数分布も時間に関する第１情報と、パルス数に関する第２情報とを有する。

【0028】

図４（ａ）に示されているように、第１ショットにおいては、５つのビン期間に光子が入射している。図４（ｂ）に示されているように、第２ショットにおいては、４つのビン期間に光子が入射している。図４（ｃ）に示されているように、第３ショットにおいても、４つのビン期間に光子が入射している。このように、各ショットにおいて光子の入射数及び入射時刻が異なっている。これらの度数分布は、対象物２からの反射光だけでなく、反射光以外の環境光によるパルスカウント値に起因する度数を含み得る。

【0029】

図４（ｄ）に示されているように、全ショットの光子数を積算したヒストグラムにおいては、６番目のビンＢＮ１１がピークである。図３のピーク出力ＯＵＴにおいては積算後の度数分布のピークに対応するビンの時間情報が出力される。この時間情報は、対象物２からの反射光の飛行時間を示しており、測距装置１と対象物２の間の距離の算出に用いられ得る。

【0030】

複数のショットのパルスカウント値を積算することにより、環境光によるパルスカウント値が含まれ得る場合であっても、より精度良く対象物２からの反射光に起因するパルスカウント値を含む可能性が高いビンを検出することができる。したがって、発光部３２から射出される光が弱い場合であっても複数のショットが繰り返され、これらを積算する処理を採用することにより高精度に測距を行うことができる。

【0031】

次に、図５を参照しつつ、受光部３３、時間カウント部３４及びＴＯＦ値生成部３５の構成をより詳細に説明する。図５は、本実施形態に係る受光部３３、時間カウント部３４及びＴＯＦ値生成部３５の構成例を示すブロック図である。

【0032】

図５に示されているように、受光部３３は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素ＰＸを含む。上述のように受光部３３は、複数の受光領域に区分されている。図５の例では、受光部３３は受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の４つに区分されている。受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の各々には、複数の画素ＰＸが含まれる。同一の受光領域に属する複数の画素ＰＸは一括して制御され、異なる受光領域に属する複数の画素ＰＸは個別に制御される。すなわち、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４は、受光部３３の制御単位を示している。なお、上述のように、受光部３３の複数の受光領域は、発光部３２の複数の発光領域に１対１対応するように区分されている。そのため、発光部３２も、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の４つにそれぞれ対応する４つの発光領域に区分されているものとする。

【0033】

なお、図５では、受光部３３内の１行目、２行目、３行目及び４行目がそれぞれ、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４である例が示されており、受光部３３の１つの行が１つの受光領域に対応している。しかしながら、この構成は一例に過ぎず、本実施形態に適用可能な受光領域の設定方法はこれに限られない。また、図５では、１６個の画素ＰＸが４行及び４列に配されている例が示されているがこれも一例に過ぎず、行数、列数及び画素数は図示したものに限られない。

【0034】

ＴＯＦ値生成部３５は、時間差生成部３５Ａ及び複数の列処理部３５Ｂを含む。時間差生成部３５Ａには、時間カウント部３４から時間カウント値ＴＣが入力され、制御部３１から発光時間ラッチ信号ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４が入力される。ここで、発光時間ラッチ信号ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４（発光時間信号）は、受光領域Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４にそれぞれ対応する３つの発光領域（基準発光領域以外の発光領域）における発光時刻を示す信号である。後述するように時間カウント値ＴＣの基準時刻は受光領域Ｒ１に対応する発光領域（基準発光領域）の発光時間と一致している。そのため、受光領域Ｒ１にそれぞれ対応する発光領域における発光時間を示す発光時間ラッチ信号は、時間差生成部３５Ａにおける処理に要しないため、処理が簡略化されている。

【0035】

時間差生成部３５Ａは、発光時間ラッチ信号ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４が入力された時刻に時間カウント値ＴＣをラッチすることにより時間差値ＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４を生成して、複数の列処理部３５Ｂに出力する。ここで、時間差値ＴＤ２は、受光領域Ｒ２に対応する発光領域における発光時刻と、受光領域Ｒ１に対応する発光領域における発光時刻との時間差を示す値である。時間差値ＴＤ３は、受光領域Ｒ３に対応する発光領域における発光時刻と、受光領域Ｒ１に対応する発光領域における発光時刻との時間差を示す値である。時間差値ＴＤ４は、受光領域Ｒ４に対応する発光領域における発光時刻と、受光領域Ｒ１に対応する発光領域における発光時刻との時間差を示す値である。

【0036】

列処理部３５Ｂは、複数の画素ＰＸの各列に対応するように配されている。列処理部３５Ｂには、時間カウント値ＴＣと、時間差値ＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４と、受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４とが入力される。受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４は、それぞれ、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の対応する列に配された画素ＰＸから出力される受光パルスである。列処理部３５Ｂは、これらの入力信号に基づいて、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４におけるＴＯＦ値ＴＦ１、ＴＦ２、ＴＦ３、ＴＦ４をそれぞれ生成する。ＴＯＦ値ＴＦ１、ＴＦ２、ＴＦ３、ＴＦ４は、度数分布生成部３６に出力される。

【0037】

度数分布生成部３６は、入射光が検出されると、ＴＯＦ値の大きさに応じたビン番号のビンの度数を積算する処理をショットごとに繰り返すことにより度数分布を生成する。

【0038】

上述のように、時間差生成部３５Ａと複数の列処理部３５Ｂは、いずれも同じ時間カウント部３４から出力された同じ時間カウント値ＴＣを参照して処理を行う。また、列処理部３５Ｂは、１つの列の受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の画素ＰＸに共有されている。このように本実施形態では、時間カウント部３４及びＴＯＦ値生成部３５が受光部３３の複数の受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４に共有される。したがって、回路規模が低減され得る。

【0039】

次に、図６を参照しつつ、列処理部３５Ｂの構成をより詳細に説明する。図６は、本実施形態に係る列処理部３５Ｂの構成例を示すブロック図である。図６には、図５における複数の列処理部３５Ｂのうちの１列分の構成が示されている。

【0040】

列処理部３５Ｂは、時間ラッチ部３５１、ＯＲ回路３５２、ＴＯＦ値算出部３５３及び選択回路３５４を有している。画素ＰＸから出力された受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４は、ＯＲ回路３５２、ＴＯＦ値算出部３５３及び選択回路３５４に入力される。時間カウント部３４から出力された時間カウント値ＴＣは、時間ラッチ部３５１に入力される。時間差生成部３５Ａから出力された時間差値ＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４は、ＴＯＦ値算出部３５３に入力される。

【0041】

ＯＲ回路３５２は、受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４の論理和をラッチ信号として時間ラッチ部３５１に出力する論理回路である。時間ラッチ部３５１は、受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４のいずれかから受光を示すハイレベルのパルスが入力された時点における時間カウント値ＴＣの値をラッチする。そして、時間ラッチ部３５１は、ラッチした時間カウント値ＴＣを受光時間値ＴＲとしてＴＯＦ値算出部３５３に出力する。受光時間値ＴＲは、時間カウントの開始から複数の受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のいずれかに光が入射するまでの経過時間を示す。

【0042】

ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ＴＲ、時間差値ＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４及び受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４に基づいて、選択前のＴＯＦ値ＴＦＸを算出する。ＴＯＦ値ＴＦＸは、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のうちの、受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４に対応して選択された１つに対応するＴＯＦ値である。ＴＯＦ値ＴＦＸは、選択回路３５４に入力される。

【0043】

選択回路３５４は、ＴＯＦ値ＴＦＸを、受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４に基づいて選択された出力端子に、ＴＯＦ値ＴＦ１、ＴＦ２、ＴＦ３、ＴＦ４として出力する。これにより、選択回路３５４は、ＴＯＦ値ＴＦＸを受光が発生した受光領域に対応する適切な端子に分配して出力することができる。ただし、選択回路３５４は、複数の受光領域において同時に受光が発生した場合にいずれの出力端子にもＴＯＦ値を出力しない等の例外処理を行ってもよい。

【0044】

ＴＯＦ値算出部３５３は、入力された受光パルスが受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４のいずれかであるかを判定して異なる処理を行う。ＴＯＦ値算出部３５３は、受光パルスＰＬ２が入力された場合には、受光時間値ＴＲから対応する時間差値ＴＤ２を減算してＴＯＦ値ＴＦＸとして出力する。ＴＯＦ値算出部３５３は、受光パルスＰＬ３又は受光パルスＰＬ４が入力された場合も同様に、受光時間値ＴＲから対応する時間差値ＴＤ３又は時間差値ＴＤ４を減算してＴＯＦ値ＴＦＸとして出力する。一方、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光パルスＰＬ１が入力された場合には、受光時間値ＴＲをそのままＴＯＦ値ＴＦＸとして出力する。時間カウント値ＴＣのカウントの開始時刻は受光パルスＰＬ１に対応する発光時刻と一致しているため、受光パルスＰＬ１に対応する受光時間値ＴＲに対する減算処理は不要である。

【0045】

以上のように、列処理部３５Ｂは、発光タイミングが発光領域ごとに異なる場合においても１つの時間カウント部３４から出力された時間カウント値ＴＣを参照してＴＯＦ値を算出することができる。したがって、入力信号の個数が削減され、回路が簡略化されている。しかしながら、列処理部３５Ｂの構成は図６に示されているものに限定されない。

【0046】

次に、図７を参照しつつ、測距装置１の動作をより詳細に説明する。図７は、本実施形態に係る測距装置の動作例を示すタイミングチャートである。図７には、１列分の画素ＰＸからの信号取得に関する動作が示されている。

【0047】

図７には、時間カウント開始指示のタイミング、発光時間ラッチ信号ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４のタイミング、受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４のタイミング、及び時間カウント値ＴＣの時間変化の例が示されている。また、図７には、時間差値ＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４、受光時間値ＴＲ、ＴＯＦ値ＴＦＸ、ＴＦ１、ＴＦ２、ＴＦ３、ＴＦ４の時間変化の例が示されている。図７の横軸は経過時間を示しており、時間カウント開始指示の間隔である期間Ｔが図３における１ショットの期間に相当する。

【0048】

第１ショット（第１計測周期）の処理が開始する時刻ｔ１において、受光領域Ｒ１に対応する発光領域が発光し、これとともに、時間カウント開始指示の制御信号が出力される。これにより、時間カウント部３４が時間カウントを開始し、時間カウント値ＴＣが増加を開始する。時刻ｔ１に発光する発光領域は、複数の発光領域のうち、最も早い時刻に発光する発光領域である。

【0049】

時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４において、受光領域Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４に対応する発光領域がそれぞれ発光する。これに伴い、時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４において、制御部３１は、発光時間ラッチ信号ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４をそれぞれ出力する。また、時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４において、時間差生成部３５Ａは、対応する時刻の時間カウント値ＴＣを参照することにより、時間差値ＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４を生成する。これらの時間差値をそれぞれｔｔ２、ｔｔ３、ｔｔ４とする。時間差値ｔｔ２は、時刻ｔ２と時刻１の間の時間差に相当する。時間差値ｔｔ３は、時刻ｔ３と時刻１の間の時間差に相当する。時間差値ｔｔ４は、時刻ｔ４と時刻１の間の時間差に相当する。

【0050】

なお、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の各々において計測が可能な計測期間は、対応する発光領域の発光時刻から計測終了時までである。したがって、受光領域Ｒ１の計測期間は期間Ｔ全体である。また、受光領域Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の計測期間は、それぞれ、時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４以降の期間ｔｍ２、ｔｍ３、ｔｍ４である。このように、本実施形態では、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の計測期間の一部が互いに重複している。発光時刻である時刻ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４のうちの２つの時間差が受光領域のＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の１つの計測期間よりも短いため、このような計測期間の重複が生じる。

【0051】

時刻ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４は、それぞれ、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の画素ＰＸにおいて光子が検出される時刻であるものとする。時刻ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４において、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の画素ＰＸは、それぞれ、受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４を出力する。時間ラッチ部３５１は、これらの時刻に時間カウント値を参照して、受光時間値ＴＲを更新する。受光時間値ＴＲは、時刻ｔ１から時刻ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４のいずれかまでの時間差に相当する。これらの受光時間値をそれぞれｐｔ１、ｐｔ２、ｐｔ３、ｐｔ４とする。

【0052】

時刻ｐ１において、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ｐｔ１に相当する値ｐｔ１を有するＴＯＦ値ＴＦＸを選択回路３５４に出力する。選択回路３５４は、値ｐｔ１を有するＴＯＦ値ＴＦ１を度数分布生成部３６に出力する。

【0053】

時刻ｐ３において、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ｐｔ３から時間差値ｔｔ３を減算した値ｐｔ３－ｔｔ３を有するＴＯＦ値ＴＦＸを選択回路３５４に出力する。選択回路３５４は、値ｐｔ３－ｔｔ３を有するＴＯＦ値ＴＦ３を度数分布生成部３６に出力する。

【0054】

時刻ｐ２において、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ｐｔ２から時間差値ｔｔ２を減算した値ｐｔ２－ｔｔ２を有するＴＯＦ値ＴＦＸを選択回路３５４に出力する。選択回路３５４は、値ｐｔ２－ｔｔ２を有するＴＯＦ値ＴＦ２を度数分布生成部３６に出力する。

【0055】

時刻ｐ４において、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ｐｔ４から時間差値ｔｔ４を減算した値ｐｔ４－ｔｔ４を有するＴＯＦ値ＴＦＸを選択回路３５４に出力する。選択回路３５４は、値ｐｔ４－ｔｔ４を有するＴＯＦ値ＴＦ４を度数分布生成部３６に出力する。

【0056】

時刻ｔ１’は、第１ショットの次のショットである第２ショット（第２計測周期）に対応する時間カウント開始指示の制御信号が出力される時刻である。時刻ｔ１’においても、時刻ｔ１と同様に、受光領域Ｒ１に対応する発光領域が発光する。図７において、第１のショットとの区別のため、第２ショットに関連する符号には「’」が付されている。また、第２ショットの次のショットである第３ショットに関連する符号には「’’」が付されている。第２ショット以降の動作は第１ショットの動作と概ね同様であるため説明を省略する。なお、時刻ｔ１’と最後の発光時刻である時刻ｔ４との間の間隔は、時刻ｔ４に対応する受光領域Ｒ４の画素ＰＸにおいて測定に必要な時間が確保されるように設定される。言い換えると、複数の受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４のすべてが第１ショットにおける計測を終了したあと、第２ショットにおける最初の発光が行われる。

【0057】

本実施形態によれば、複数の発光領域に区分された発光装置と、複数の発光領域に１対１対応する複数の受光領域を有する測距装置１において、複数の受光領域の計測期間の一部が互いに重複している。これにより、複数の受光領域の計測期間が重複していない場合と比べて処理時間が短縮し、フレームレートを向上することができる。したがって、本実施形態によれば、フレームレートを向上し得る測距装置１が提供される。

【0058】

また、複数の発光領域の発光タイミングが互いに異なっているため、同時に複数の発光領域が発光する場合に比べて発光強度の瞬間的な最大値が低減される。これにより、アイセーフティ規格を満足しつつ各発光領域の発光強度を高くすることができ、測距品質が向上し得る。

【0059】

また、時間カウント部３４及びＴＯＦ値生成部３５が受光部３３の複数の受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４に共有される。したがって、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の各々に対して個別にこれらを配する場合と比べて、回路規模が低減され得る。

【0060】

また、ＴＯＦ値生成部３５は、発光時間ラッチ信号ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４と受光パルスＰＬ１、ＰＬ２、ＰＬ３、ＰＬ４に基づいて、各受光領域の発光間隔に相当する時間差値ｔｔ２、ｔｔ３、ｔｔ４を計測する。これにより、例えば、発光タイミングを変更する制御が短時間に行われる等の要因によりＴＯＦ値生成部３５が発光間隔の情報を直接取得できない場合であっても発光間隔の情報を計測して取得することができ、ＴＯＦ値の生成に用いることができる。しかしながら、事前にＴＯＦ値生成部３５に発光タイミング制御の設定値が保持されていてもよく、この場合には、時間差値ｔｔ２、ｔｔ３、ｔｔ４の計測を省略して設定値をそのままＴＯＦ値の計算に使用してもよい。

【0061】

また、発光部３２の複数の発光領域において、連続して発光を行う２つの発光領域は、平面視で隣接しない位置関係であってもよい。この場合、隣接する２つの発光領域の射出光が両方とも人間の１つの目に入射し得る位置関係であったとしても、短い時間間隔で目に複数の射出光が入射する可能性を低減することができ、アイセーフティの効果が向上し得る。

【0062】

また、発光部３２の複数の発光領域において、各発光領域の発光順序はランダムであってもよい。この場合、各受光領域における計測期間がランダムになる。２つの測距装置１が対向するように配されているというような利用形態を想定する。この場合において、一方の測距装置１の射出光が他方の測距装置１に入射することにより、偽のＴＯＦ値が検出されることがあり得る。各発光領域の発光順序をランダムにすることにより、他の測距装置１から射出された光による偽のＴＯＦ値がばらつき、度数分布上の同じビンに偽のＴＯＦ値が蓄積されにくくなる。したがって、上述のような偽のＴＯＦ値による測距結果の誤判定の可能性が低減され得る。

【0063】

［第２実施形態］
第２実施形態に係る測距装置１について、図６及び図８を参照して説明する。本実施形態の説明において、第１実施形態と共通する要素については説明を省略又は簡略化することがある。第１実施形態では全受光領域の計測が完了してから次の計測のための発光が行われているが、本実施形態では全受光領域の計測の完了を待たずに次の計測のための発光が行われる。なお、以下に示されている構成は一例に過ぎず、測距装置１により行われる処理は以下の構成に限定されるものではない。

【0064】

まず、図６を再度参照して、ＴＯＦ値生成部３５の動作に関して第１実施形態と異なる点を説明する。本実施形態では、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ＴＲと時間差値ＴＤ２、ＴＤ３、ＴＤ４の各々との大小関係を比較する。そして、受光時間値ＴＲがこれらの時間差以上であるか否かに応じて異なる算出処理を行う。

【0065】

まず、受光パルスＰＬ２が入力された場合について説明する。受光時間値ＴＲが時間差値ＴＤ２以上である場合には、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ＴＲから対応する時間差値ＴＤ２を減算してＴＯＦ値ＴＦＸとして出力する。これは第１実施形態と同じ算出処理である。受光時間値ＴＲが時間差値ＴＤ２よりも小さい場合には、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ＴＲから対応する時間差値ＴＤ２を減算し、更に時間カウント値の上限値（時間カウント値のリセット直前の値）を加算してＴＯＦ値ＴＦＸとして出力する。

【0066】

受光パルスＰＬ３が入力された場合について説明する。受光時間値ＴＲが時間差値ＴＤ３以上である場合には、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ＴＲから対応する時間差値ＴＤ３を減算してＴＯＦ値ＴＦＸとして出力する。受光時間値ＴＲが時間差値ＴＤ３よりも小さい場合には、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ＴＲから対応する時間差値ＴＤ３を減算し、更に時間カウント値の上限値（時間カウント値がリセットされる直前の値）を加算してＴＯＦ値ＴＦＸとして出力する。

【0067】

受光パルスＰＬ４が入力された場合について説明する。受光時間値ＴＲが時間差値ＴＤ４以上である場合には、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ＴＲから対応する時間差値ＴＤ４を減算してＴＯＦ値ＴＦＸとして出力する。受光時間値ＴＲが時間差値ＴＤ４よりも小さい場合には、ＴＯＦ値算出部３５３は、更に受光時間値ＴＲから対応する時間差値ＴＤ４を減算し、時間カウント値の上限値（時間カウント値がリセットされる直前の値）を加算し、ＴＯＦ値ＴＦＸとして出力する。

【0068】

なお、受光パルスＰＬ１が入力された場合の処理は第１実施形態と同様である。すなわち、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ＴＲをそのままＴＯＦ値ＴＦＸとして出力する。

【0069】

なお、ＴＯＦ値算出部３５３は、時間カウント値のリセットを検出し、その直前の値を記憶することにより時間カウント値の上限値を取得することができる。また、時間カウント部３４からＴＯＦ値算出部３５３に時間カウント値の上限値が入力されてもよい。

【0070】

次に、図８を参照しつつ、測距装置１の動作をより詳細に説明する。図８は、本実施形態に係る測距装置の動作例を示すタイミングチャートである。図８には、１列分の画素ＰＸからの信号取得に関する動作が示されている。

【0071】

本実施形態では、第２ショットの発光タイミングである時刻ｔ１’、ｔ２’、ｔ３’、ｔ４’と、第３ショットの発光タイミングである時刻ｔ１’’、ｔ２’’、ｔ３’’、ｔ４’’とが、第１実施形態のそれらと比べて早い時刻に変更されている。また、本実施形態においては、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の各々において計測が可能な計測期間は、対応する発光領域の発光時刻から、次の発光時刻までである。すなわち、受光領域Ｒ１の計測期間は期間Ｔ全体である。また、受光領域Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の計測期間は、それぞれ、時刻ｔ２、ｔ３、ｔ４以降の期間ｔｍ２、ｔｍ３、ｔｍ４である。第１実施形態では、発光時刻が速い発光領域に対応する受光領域ほど計測期間（図７における期間Ｔ、ｔｍ２、ｔｍ３、ｔｍ４）が長くなるような制御が行われている。これに対し、本実施形態では、受光領域Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の計測期間（図８における期間Ｔ、ｔｍ２、ｔｍ３、ｔｍ４）の長さをほぼ同じにすることができるため、全体の計測期間が短縮される。

【0072】

なお、本実施形態においては計測期間の一部が次のショットの発光後の期間に重複しているため、カウント値のリセット後に受光が検出される場合がある。図８の時刻ｐ４はそのような場合の例を示している。すなわち、図８においては、時刻ｔ４に発せられた光の反射光が、カウント値がリセットする時刻ｔ１’よりも後の時刻ｐ４に受光されている。

【0073】

時刻ｐ４において、ＴＯＦ値算出部３５３は、受光時間値ｐｔ４から時間差値ｔｔ４を減算し、更に、期間Ｔの長さに相当するリセット直前の時間カウント値ＴＣの値Ｔを加算する。ＴＯＦ値算出部３５３は、この算出処理により得られた値ｐｔ４－ｔｔ４＋Ｔを有するＴＯＦ値ＴＦＸを選択回路３５４に出力する。選択回路３５４は、値ｐｔ４－ｔｔ４＋Ｔを有するＴＯＦ値ＴＦ４を度数分布生成部３６に出力する。この算出処理により、得られる値ｐｔ４－ｔｔ４＋Ｔは時刻ｔ４から時刻ｐ４の間の経過時間に相当する値であるため、本処理により適正なＴＯＦ値が出力される。

【0074】

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる測距装置１が提供される。また、本実施形態の測距装置１は、全受光領域の計測完了を待たずに次の計測のための発光を行うことができるため、第１実施形態の測距装置１に比べてフレームレートが向上し得る。

【0075】

［第３実施形態］
本実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態に係る測距装置１に適用され得る、アバランシェフォトダイオードを含む光電変換装置の具体的な構成例について述べる。本実施形態の構成例は一例であり、測距装置１に適用可能な光電変換装置はこれに限られない。

【0076】

図９は、本実施形態に係る光電変換装置１００の全体構成を示す概略図である。光電変換装置１００は、互いに積層されたセンサ基板１１（第１基板）と、回路基板２１（第２基板）とを有する。センサ基板１１と回路基板２１とは、電気的に相互に接続されている。センサ基板１１は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素１０１が配された画素領域１２を有している。回路基板２１は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素信号処理部１０３が配された第１回路領域２２と、第１回路領域２２の外周に配された第２回路領域２３とを有している。第２回路領域２３は、複数の画素信号処理部１０３を制御する回路等を含み得る。センサ基板１１は、入射光を受ける光入射面と、光入射面に対向する接続面とを有している。センサ基板１１は、接続面側において回路基板２１と接続されている。すなわち、光電変換装置１００は、いわゆる裏面照射型である。

【0077】

本明細書において、「平面視」とは、光入射面とは反対側の面に対して垂直な方向から視ることを指す。また、断面とは、センサ基板１１の光入射面とは反対側の面に対して垂直な方向における面を指す。なお、微視的に見て光入射面が粗面である場合もあり得るが、その場合には巨視的に見たときの光入射面を基準として平面視を定義する。

【0078】

以下では、センサ基板１１と回路基板２１とは、ダイシングされたチップであるものとして説明するが、センサ基板１１と回路基板２１とは、チップに限定されるものではない。例えば、センサ基板１１と回路基板２１とは、ウエハであってもよい。また、センサ基板１１と回路基板２１とがダイシング済みのチップである場合には、光電変換装置１００は、ウエハ状態で積層した後にダイシングされることにより製造されてもよく、ダイシングされた後に積層されることにより製造されてもよい。

【0079】

図１０は、センサ基板１１の配置例を示す概略ブロック図である。画素領域１２には、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素１０１が配されている。複数の画素１０１の各々は、光電変換素子としてアバランシェフォトダイオード（以下、ＡＰＤと呼ぶ）を含む光電変換部１０２を基板内に有している。

【0080】

ＡＰＤで生じる電荷対のうち信号電荷として用いられる電荷の導電型を第１導電型と呼ぶ。第１導電型とは、信号電荷と同じ極性の電荷を多数キャリアとする導電型を指す。また、第１導電型と反対の導電型、すなわち、信号電荷と異なる極性の電荷を多数キャリアとする導電型を第２導電型と呼ぶ。以下の説明のＡＰＤにおいては、ＡＰＤのアノードは固定電位とされており、ＡＰＤのカソードから信号が取り出される。したがって、第１導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域であり、第２導電型の半導体領域とはＰ型半導体領域である。なお、ＡＰＤのカソードが固定電位とされ、ＡＰＤのアノードから信号が取り出される構成であってもよい。この場合は、第１導電型の半導体領域とはＰ型半導体領域であり、第２導電型の半導体領域とはＮ型半導体領域である。また、以下では、ＡＰＤの一方のノードを固定電位とする場合について説明するが、両方のノードの電位が変動する構成であってもよい。

【0081】

図１１は、回路基板２１の構成例を示す概略ブロック図である。回路基板２１は、複数の行及び複数の列をなすように配された複数の画素信号処理部１０３が配された第１回路領域２２を有している。

【0082】

また、回路基板２１には、垂直走査回路１１０、水平走査回路１１１、読み出し回路１１２、画素出力信号線１１３、出力回路１１４及び制御信号生成部１１５が配されている。図１０に示されている複数の光電変換部１０２と、図１１に示されている複数の画素信号処理部１０３は、それぞれ、画素１０１ごとに設けられた接続配線を介して電気的に接続されている。

【0083】

制御信号生成部１１５は、垂直走査回路１１０、水平走査回路１１１及び読み出し回路１１２を駆動する制御信号を生成し、これらの各部に供給する制御回路である。これにより、制御信号生成部１１５は、各部の駆動タイミング等の制御を行う。

【0084】

垂直走査回路１１０は、制御信号生成部１１５から供給された制御信号に基づいて、複数の画素信号処理部１０３の各々に制御信号を供給する。垂直走査回路１１０は、第１回路領域２２の行ごとに設けられている駆動線を介して各画素信号処理部１０３に対して行ごとに制御信号を供給する。なお、後述するように、この駆動線は各行について複数本であり得る。垂直走査回路１１０にはシフトレジスタ、アドレスデコーダ等の論理回路が用いられ得る。これにより、垂直走査回路１１０は、画素信号処理部１０３から信号を出力させる行の選択を行う。

【0085】

画素１０１の光電変換部１０２から出力された信号は、画素信号処理部１０３で処理される。画素信号処理部１０３は、光電変換部１０２に含まれるＡＰＤから出力されるパルスの数をカウントすることによりデジタル信号を取得して保持する。

【0086】

画素信号処理部１０３は、必ずしもすべての画素１０１に１つずつ設けられていなくてもよい。例えば、複数の画素１０１によって１つの画素信号処理部１０３が共有されていてもよい。この場合、画素信号処理部１０３は、各光電変換部１０２から出力された信号を順次処理することにより、各画素１０１に対して信号処理の機能を提供する。

【0087】

水平走査回路１１１は、制御信号生成部１１５から供給された制御信号に基づいて、読み出し回路１１２に制御信号を供給する。画素信号処理部１０３は、第１回路領域２２の列ごとに設けられている画素出力信号線１１３を介して読み出し回路１１２に接続されている。１つの列の画素出力信号線１１３は、対応する列の複数の画素信号処理部１０３に共有されている。画素出力信号線１１３は、複数の配線を含んでおり、少なくとも、各画素信号処理部１０３からデジタル信号を読み出し回路１１２に出力する機能と、信号を出力させる列を選択するための制御信号を画素信号処理部１０３に供給する機能とを有している。読み出し回路１１２は、制御信号生成部１１５から供給された制御信号に基づいて、出力回路１１４を介して光電変換装置１００の外部の記憶部又は信号処理部に信号を出力する。

【0088】

画素領域１２における光電変換部１０２の配列は１次元状に配されていてもよい。また、画素信号処理部１０３の機能は、必ずしもすべての画素１０１に１つずつ設けられていなくてもよい。例えば、複数の画素１０１によって１つの画素信号処理部１０３が共有されていてもよい。この場合、画素信号処理部１０３は、各光電変換部１０２から出力された信号を順次処理することにより、各画素１０１に対して信号処理の機能を提供する。

【0089】

図１０及び図１１に示されているように、平面視で画素領域１２に重なる領域に、複数の画素信号処理部１０３が配された第１回路領域２２が配される。そして、平面視において、センサ基板１１の端と画素領域１２の端との間に重なるように、垂直走査回路１１０、水平走査回路１１１、読み出し回路１１２、出力回路１１４、制御信号生成部１１５が配される。言い換えると、センサ基板１１は、画素領域１２と画素領域１２の周りに配された非画素領域とを有する。そして、回路基板２１において、平面視で非画素領域に重なる領域に、垂直走査回路１１０、水平走査回路１１１、読み出し回路１１２、出力回路１１４及び制御信号生成部１１５が配された第２回路領域２３が配されている。

【0090】

なお、画素出力信号線１１３の配置、読み出し回路１１２の配置及び出力回路１１４の配置は図１１に示されているものに限定されない。例えば、画素出力信号線１１３が行方向に延びて配されており、対応する行の複数の画素信号処理部１０３に共有される配置であってもよい。そして、各行の画素出力信号線１１３が接続されるように読み出し回路１１２が配されていてもよい。

【0091】

図１２は、本実施形態に係る光電変換部１０２及び画素信号処理部１０３の１画素分の構成例を示す概略ブロック図である。図１２には、センサ基板１１に配された光電変換部１０２と回路基板２１に配された画素信号処理部１０３との接続関係を含むより具体的な構成例が模式的に示されている。なお、図１２においては図１１における垂直走査回路１１０と画素信号処理部１０３との間の駆動線を駆動線２１３、２１４として示している。

【0092】

光電変換部１０２は、ＡＰＤ２０１を有している。画素信号処理部１０３は、クエンチ素子２０２、波形整形部２１０、カウンタ回路２１１及び選択回路２１２を有している。なお、画素信号処理部１０３は、波形整形部２１０、カウンタ回路２１１及び選択回路２１２の少なくとも１つを有していればよい。

【0093】

ＡＰＤ２０１は、光電変換により入射光に応じた電荷対を生成する。ＡＰＤ２０１のアノードには、電圧ＶＬ（第１電圧）が供給される。また、ＡＰＤ２０１のカソードは、クエンチ素子２０２の第１端子及び波形整形部２１０の入力端子に接続されている。ＡＰＤ２０１のカソードには、アノードに供給される電圧ＶＬよりも高い電圧ＶＨ（第２電圧）が供給される。これにより、ＡＰＤ２０１のアノードとカソードには、ＡＰＤ２０１がアバランシェ増倍動作をするような逆バイアス電圧が供給される。逆バイアス電圧が供給されているＡＰＤ２０１において、入射光により電荷が生じると、この電荷がアバランシェ増倍を起こし、アバランシェ電流が発生する。

【0094】

なお、ＡＰＤ２０１に逆バイアスの電圧が供給される場合の動作モードには、ガイガーモードとリニアモードとがある。ガイガーモードはアノード及びカソードの電位差が降伏電圧より大きい電位差で動作させるモードであり、リニアモードはアノード及びカソードの電位差が降伏電圧近傍又はそれ以下で動作させるモードである。

【0095】

ガイガーモードで動作させるＡＰＤをＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）と呼ぶ。このとき、例えば、電圧ＶＬ（第１電圧）が－３０Ｖであり、電圧ＶＨ（第２電圧）が１Ｖである。ＡＰＤ２０１は、リニアモードで動作させてもよく、ガイガーモードで動作させてもよい。ＳＰＡＤの場合はリニアモードのＡＰＤに比べて電位差が大きくなりアバランシェ増倍の効果が顕著となるため、ＳＰＡＤであることが好ましい。

【0096】

クエンチ素子２０２は、アバランシェ増倍による信号増倍時に負荷回路（クエンチ回路）として機能する。クエンチ素子２０２は、ＡＰＤ２０１に供給する電圧を抑制して、アバランシェ増倍を抑制する（クエンチ動作）。また、クエンチ素子２０２は、クエンチ動作による電圧降下に応じた電流を流すことにより、ＡＰＤ２０１に供給する電圧を電圧ＶＨへと戻す（リチャージ動作）。クエンチ素子２０２は、例えば、抵抗素子であり得る。

【0097】

波形整形部２１０は、光子検出時に得られるＡＰＤ２０１のカソードの電位変化を整形して、パルス信号を出力する。波形整形部２１０としては、例えば、インバータ回路が用いられる。図１２には、波形整形部２１０としてインバータを１つ用いた例が示されているが、波形整形部２１０は、複数のインバータを直列接続した回路を用いてもよく、波形整形効果を有するその他の回路であってもよい。

【0098】

カウンタ回路２１１は、波形整形部２１０から出力されたパルス信号をカウントしてデジタル信号を保持する。また、駆動線２１３を介して垂直走査回路１１０から制御信号が供給されたとき、カウンタ回路２１１は保持している信号をリセットする。

【0099】

選択回路２１２には、図１１に示されている垂直走査回路１１０から、図１２に示されている駆動線２１４を介して制御信号が供給される。この制御信号に応じて、選択回路２１２は、カウンタ回路２１１と画素出力信号線１１３との電気的な接続、非接続を切り替える。選択回路２１２は、例えば、カウンタ回路２１１に保持されている値に応じた信号を出力するためのバッファ回路等を含む。

【0100】

なお、図１２の例では、選択回路２１２においてカウンタ回路２１１と画素出力信号線１１３との電気的な接続、非接続の切り替えが行われているが、画素出力信号線１１３への信号出力を制御する手法はこれに限定されない。例えば、クエンチ素子２０２とＡＰＤ２０１との間、光電変換部１０２と画素信号処理部１０３との間等のノードにトランジスタ等のスイッチを配し、電気的な接続、非接続を切り替えることにより、画素出力信号線１１３への信号出力を制御してもよい。また、光電変換部１０２に供給される電圧ＶＨ又は電圧ＶＬの値をトランジスタ等のスイッチを用いて変えることにより画素出力信号線１１３への信号出力を制御してもよい。

【0101】

図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１３（ｃ）は、本実施形態に係るＡＰＤ２０１の動作を説明する図である。図１３（ａ）は、図２０におけるＡＰＤ２０１、クエンチ素子２０２、波形整形部２１０を抜き出して示した図である。図１３（ａ）に示されるように、ＡＰＤ２０１、クエンチ素子２０２及び波形整形部２１０の入力端子の接続ノードをｎｏｄｅＡとする。また、図１３（ａ）に示されるように、波形整形部２１０の出力側をｎｏｄｅＢとする。

【0102】

図１３（ｂ）は、図１３（ａ）におけるｎｏｄｅＡの電位の時間変化を示すグラフである。図１３（ｃ）は、図１３（ａ）におけるｎｏｄｅＢの電位の時間変化を示すグラフである。時刻ｔ１０から時刻ｔ１１の期間において、図１３（ａ）のＡＰＤ２０１には、ＶＨ－ＶＬの電圧が印加されている。時刻ｔ１１において光子がＡＰＤ２０１に入射すると、ＡＰＤ２０１においてアバランシェ増倍が生じる。これにより、クエンチ素子２０２にアバランシェ電流が流れ、ｎｏｄｅＡの電位は降下する。その後、電位降下量が更に大きくなり、ＡＰＤ２０１に印加される電圧が徐々に小さくなる。そして、時刻ｔ１２においてＡＰＤ２０１におけるアバランシェ増倍が停止する。これにより、ｎｏｄｅＡの電圧レベルはある一定値よりも降下しなくなる。その後、時刻ｔ１２から時刻ｔ１３の期間において、ｎｏｄｅＡには電圧ＶＨのノードから電圧降下分を補う電流が流れ、時刻ｔ１３においてｎｏｄｅＡは元の電位に整定する。

【0103】

上述の過程において、ｎｏｄｅＡの電位がある閾値よりも低い期間においてｎｏｄｅＢの電位はハイレベルになる。このようにして、光子の入射によって生じたｎｏｄｅＡの電位の降下の波形は、波形整形部２１０によって整形され、ｎｏｄｅＢにパルスとして出力される。

【0104】

本実施形態によれば、第１実施形態及び第２実施形態の測距装置１に適用され得る、アバランシェフォトダイオードを用いた光電変換装置が提供される。

【0105】

［第４実施形態］
図１４（ａ）、図１４（ｂ）は、本実施形態における車載測距装置に関する機器のブロック図である。機器８０は、上述した実施形態の測距装置１の一例である距離計測部８０３と、距離計測部８０３からの信号を処理する信号処理装置（処理装置）を有する。機器８０は、対象物までの距離を計測する距離計測部８０３と、計測された距離に基づいて衝突可能性があるか否かを判定する衝突判定部８０４とを有する。ここで、距離計測部８０３は、対象物までの距離情報を取得する距離情報取得手段の一例である。すなわち、距離情報とは、対象物までの距離等に関する情報である。衝突判定部８０４は距離情報を用いて、衝突可能性を判定してもよい。

【0106】

機器８０は車両情報取得装置８１０と接続されており、車速、ヨーレート、舵角などの車両情報を取得することができる。また、機器８０には、衝突判定部８０４での判定結果に基づいて、車両に対して制動力を発生させる制御信号を出力する制御装置である制御ＥＣＵ８２０が接続されている。また、機器８０は、衝突判定部８０４での判定結果に基づいて、ドライバーへ警報を発する警報装置８３０とも接続されている。例えば、衝突判定部８０４の判定結果として衝突可能性が高い場合、制御ＥＣＵ８２０はブレーキをかける、アクセルを戻す、エンジン出力を抑制するなどして衝突を回避、被害を軽減する車両制御を行う。警報装置８３０は音等の警報を鳴らす、カーナビゲーションシステム等の画面に警報情報を表示する、シートベルトやステアリングに振動を与えるなどしてユーザに警告を行う。機器８０のこれらの装置は上述のように車両を制御する動作の制御を行う移動体制御部として機能する。

【0107】

本実施形態では車両の周囲、例えば前方又は後方を機器８０で測距する。図１４（ｂ）は、車両前方（測距範囲８５０）を測距する場合の機器を示している。測距制御手段としての車両情報取得装置８１０が、測距動作を行うように機器８０又は距離計測部８０３に指示を送る。このような構成により、測距の精度をより向上させることができる。

【0108】

上述では、他の車両と衝突しないように制御する例を説明したが、他の車両に追従して自動運転する制御、車線からはみ出さないように自動運転する制御等にも適用可能である。更に、機器は、自動車等の車両に限らず、例えば、船舶、航空機、人工衛星、産業用ロボット及び民生用ロボット等の移動体（移動装置）に適用することができる。加えて、移動体に限らず、高度道路交通システム（ＩＴＳ）、監視システム等、広く物体認識又は生体認識を利用する機器に適用することができる。

【0109】

［変形実施形態］
本発明は、上述の実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態に追加した例や、いずれかの実施形態の一部の構成を他の実施形態の一部の構成と置換した例も、本発明の実施形態である。

【0110】

本明細書の開示内容は、本明細書に記載した概念の補集合を含んでいる。すなわち、本明細書に例えば「ＡはＢである」旨（Ａ＝Ｂ）の記載があれば、「ＡはＢではない」旨（Ａ≠Ｂ）の記載を省略しても、本明細書は「ＡはＢではない」旨を開示又は示唆しているものとする。なぜなら、「ＡはＢである」旨を記載している場合には、「ＡはＢではない」場合を考慮していることが前提だからである。

【0111】

本明細書の開示内容は、以下の構成を含む。
（構成１）
時間カウントが開始してからの経過時間を示す時間カウント値を出力する時間カウント部と、
複数の発光領域に区分された発光装置における発光タイミングと前記時間カウント部における前記時間カウントの開始タイミングとを制御する制御部と、
前記複数の発光領域に１対１対応するように複数の受光領域に区分された複数の画素を有し、対応する発光領域及び受光領域における発光タイミングから計測が終了するまでの計測期間において前記複数の画素の各々が入射光に基づいて受光信号を生成する受光部と、
前記時間カウント値と前記複数の受光領域の画素からそれぞれ出力された複数の前記受光信号とに基づいて、前記時間カウントが開始してから前記複数の受光領域のいずれかに前記入射光が入射するまでの経過時間を示す受光時間値を生成する時間ラッチ部と、
前記受光時間値に基づいて前記発光装置から射出された光の飛行時間を算出する算出部と、
を有し、
前記複数の発光領域の各々の発光タイミングは互いに異なっており、前記複数の発光領域のうちの２つの発光タイミングの時間差はいずれも前記複数の受光領域の各々における計測期間の長さよりも短く、
前記算出部は、前記受光時間値と、前記時間差とに基づいて、前記複数の受光領域の各々に対応する前記飛行時間を算出する
ことを特徴とする測距装置。
（構成２）
前記制御部は、複数の発光領域のうち、最も早い時刻に発光する発光領域である基準発光領域の発光タイミングと、前記時間カウントの開始タイミングとが同期するように制御を行い、
前記時間差は、前記基準発光領域の発光タイミングと他の発光領域の発光タイミングとに基づく
ことを特徴とする構成１に記載の測距装置。
（構成３）
前記複数の受光領域のすべてが第１計測周期における計測を終了した後、前記第１計測周期の次の第２計測周期における前記基準発光領域の発光が行われる
ことを特徴とする構成２に記載の測距装置。
（構成４）
前記算出部は、前記受光時間値から前記時間差を減算することにより、前記基準発光領域以外の受光領域に対応する前記飛行時間を算出する
ことを特徴とする構成３に記載の測距装置。
（構成５）
前記複数の受光領域のすべてが第１計測周期における計測を終了する前に、前記第１計測周期の次の第２計測周期における前記基準発光領域の発光が行われる
ことを特徴とする構成２に記載の測距装置。
（構成６）
前記算出部は、前記受光時間値が前記時間差以上である場合に、前記受光時間値から前記時間差を減算することにより、前記基準発光領域以外の受光領域に対応する前記飛行時間を算出する
ことを特徴とする構成５に記載の測距装置。
（構成７）
前記算出部は、前記受光時間値が前記時間差よりも小さい場合に、前記受光時間値から前記時間差を減算し、更に前記時間カウント値の上限値を加算することにより、前記基準発光領域以外の受光領域に対応する前記飛行時間を算出する
ことを特徴とする構成５又は６に記載の測距装置。
（構成８）
前記算出部は、前記基準発光領域に対応する前記飛行時間として前記受光時間値を出力する
ことを特徴とする構成３乃至７のいずれか１項に記載の測距装置。
（構成９）
前記発光タイミングを示す発光時間信号と、前記時間カウント値とに基づいて前記時間差を生成する時間差生成部を更に有する
ことを特徴とする構成２乃至８のいずれか１項に記載の測距装置。
（構成１０）
前記時間差生成部は、前記発光時間信号が入力された時刻における前記時間カウント値を保持することにより前記時間差を生成する
ことを特徴とする構成９に記載の測距装置。
（構成１１）
前記複数の発光領域は、発光タイミングが連続する２つの発光領域が互いに隣接しないように配列されている
ことを特徴とする構成１乃至１０のいずれか１項に記載の測距装置。
（構成１２）
前記複数の発光領域における発光タイミングの順序はランダムである
ことを特徴とする構成１乃至１１のいずれか１項に記載の測距装置。
（構成１３）
前記複数の受光領域のうちの少なくとも２つの計測期間の一部が互いに重複している
ことを特徴とする構成１乃至１２のいずれか１項に記載の測距装置。
（構成１４）
前記複数の受光領域の画素からそれぞれ出力された複数の前記受光信号の論理和を前記時間ラッチ部に出力する論理回路を更に有する
ことを特徴とする構成１乃至１３のいずれか１項に記載の測距装置。
（構成１５）
前記複数の受光領域の画素からそれぞれ出力された複数の前記受光信号に基づいて、前記算出部の出力信号を前記複数の受光領域にそれぞれ対応する複数の出力信号として分配する選択回路を更に有する
ことを特徴とする構成１乃至１４のいずれか１項に記載の測距装置。
（構成１６）
前記複数の画素は複数の行及び複数の列をなすように配されており、
前記複数の受光領域のうちの１つは、１つの行に配された複数の画素を含む
ことを特徴とする構成１乃至１５のいずれか１項に記載の測距装置。
（構成１７）
前記複数の画素は複数の行及び複数の列をなすように配されており、
前記時間ラッチ部及び前記算出部は、１つの列に配された前記複数の受光領域の画素からの受光信号を共通に処理する
ことを特徴とする構成１乃至１６のいずれか１項に記載の測距装置。
（構成１８）
複数の前記時間ラッチ部が、前記複数の列にそれぞれ対応して配されており、
共通の前記時間カウント値が複数の前記時間ラッチ部に入力される
ことを特徴とする構成１７に記載の測距装置。
（構成１９）
構成１乃至１８のいずれか１項に記載の測距装置と、
前記測距装置により取得される距離情報を処理する処理装置と、
を備えることを特徴とする機器。
（構成２０）
移動体であって、
構成１乃至１８のいずれか１項に記載の測距装置と、
前記測距装置により取得される距離情報に基づいて前記移動体を制御する移動体制御部と、
を備えることを特徴とする移動体。

【0112】

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

【0113】

なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

【符号の説明】

【0114】

１ 測距装置
４ 発光装置
３１ 制御部
３２ 発光部
３３ 受光部
３４ 時間カウント部
３５１ 時間ラッチ部
３５３ ＴＯＦ値算出部
ＰＸ 画素

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】