特許 7194443 距離画像測定装置及び距離画像測定方法

(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】

(24)【登録日】2022-12-14

(45)【発行日】2022-12-22

(54)【発明の名称】距離画像測定装置及び距離画像測定方法

(51)【国際特許分類】

   H04N 5/341 20110101AFI20221215BHJP

   H04N 5/378 20110101ALI20221215BHJP

   G01S 7/4863 20200101ALI20221215BHJP

   G01S 17/894 20200101ALI20221215BHJP

   H04N 5/225 20060101ALI20221215BHJP

【ＦＩ】

H04N5/341

H04N5/378

G01S7/4863

G01S17/894

H04N5/225 300

H04N5/225 600

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2019548835

(86)(22)【出願日】2018-10-19

(86)【国際出願番号】 JP2018039080

(87)【国際公開番号】W WO2019078366

(87)【国際公開日】2019-04-25

【審査請求日】2021-09-07

(31)【優先権主張番号】P 2017203855

(32)【優先日】2017-10-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】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

(72)【発明者】

【氏名】川人 祥二

【審査官】橘 高志

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／１４１９５７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－０６４６４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０３２４２５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｎ ５／３４１

Ｈ０４Ｎ ５／３７８

Ｇ０１Ｓ ７／４８６３

Ｇ０１Ｓ １７／８９４

Ｈ０４Ｎ ５／２２５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パルス光を発生させる光源と、
第１の持続時間を有する前記パルス光を１フレーム期間内に含まれる第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のサブフレーム期間内で定期的に繰り返し発生させるように前記光源を制御する光源制御手段と、
光を電荷に変換する光電変換領域、前記光電変換領域に近接して互いに離間して設けられた第１～第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の電荷読出領域、前記電荷を排出するための電荷排出領域、及び前記光電変換領域と前記第１～第Ｍの電荷読出領域および前記電荷排出領域とに対応してそれぞれ設けられ、前記光電変換領域と前記第１～第Ｍの電荷読出領域および前記電荷排出領域との間における電荷転送のための第１～第Ｍ＋１の制御パルスを印加するための第１～第Ｍ＋１の制御電極を有する画素回路部と、
前記光源制御手段による前記パルス光の発生に対応して、前記第１の持続時間以上である第２の持続時間の間だけ前記第１～第Ｍの制御電極に前記第１～第Ｍの制御パルスを順次印加し、前記第１～第Ｍの制御パルスの印加期間以外の期間に前記第Ｍ＋１の制御電極に前記第Ｍ＋１の制御パルスを印加する電荷転送制御手段と、
前記電荷転送制御手段による前記第１～第Ｍの制御パルスの印加後に、前記画素回路部の前記第１～第Ｍの電荷読出領域の電圧を第１～第Ｍの検出信号として読み出す電圧検出手段と、
前記第１～第Ｍの検出信号を基に距離を繰り返し計算する距離計算手段とを備え、
前記電荷転送制御手段は、１フレーム期間内の第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のサブフレーム期間ごとに、前記パルス光の発生タイミングに対する前記第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間を異なる時間にシフトさせるように、前記第１～第Ｍの制御パルスのタイミングを設定し、
前記電圧検出手段は、重み付けされて設定された期間のサブフレーム期間ごとに、前記第１～第Ｍの制御パルスの印加に応じて発生したそれぞれの前記第１～第Ｍの電荷読出領域の電圧を前記第１～第Ｍの検出信号として読み出す、
距離画像測定装置。

【請求項2】

前記距離計算手段は、前記第１～第Ｎのサブフレーム期間内のそれぞれにおいて前記第１～第Ｍの制御パルスの印加に応じて検出された前記第１～第Ｍの検出信号を用いて、前記距離を計算する、
請求項１記載の距離画像測定装置。

【請求項3】

前記距離計算手段は、前記第１～第Ｎのサブフレーム期間内のうちの２つのサブフレーム期間内において前記第１～第Ｍの制御パルスの印加に応じて検出された前記第１～第Ｍの検出信号を用いて、前記距離を計算する、
請求項１又は２記載の距離画像測定装置。

【請求項4】

１フレーム期間内のそれぞれの第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のサブフレーム期間内における前記パルス光の繰り返し回数は、前記パルス光の発生タイミングに対する前記第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間が長くなるほど多くなるように、重み付けされる、
請求項１～３のいずれか１項に記載の距離画像測定装置。

【請求項6】

前記電荷転送制御手段は、第１～第Ｎのサブフレーム期間の間で、前記パルス光の発生タイミングに対する前記第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間が短くなるほど、順次印加される前記第１～第Ｍの制御パルスのうちの少なくとも前記第１の制御パルスの印加回数のレートを下げるように設定する、
請求項１～４のいずれか１項に記載の距離画像測定装置。

【請求項7】

前記電荷転送制御手段は、第１～第Ｎのサブフレーム期間の間で、前記パルス光の発生タイミングに対する前記第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間が短くなるほど、順次印加される前記第１～第Ｍの制御パルスのうちの少なくとも前記第１の制御パルスの印加回数を間引くように設定する、
請求項６に記載の距離画像測定装置。

【請求項9】

前記１フレーム期間内のそれぞれの前記第１～第Ｎのサブフレーム期間内において、前記パルス光の発生タイミングに対する前記第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間が短くなるほど、前記第１～第Ｍの電荷読出領域の持つ容量が大きくなるように制御される、
請求項１～３のいずれか１項に記載の距離画像測定装置。

【請求項10】

前記画素回路部が２次元アレイ状に配列されたイメージセンサを含む、
請求項１～４，６～９のいずれか１項に記載の距離画像測定装置。

【請求項11】

光源制御手段が、第１の持続時間を有するパルス光を１フレーム期間内に含まれる第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のサブフレーム期間内で定期的に繰り返し発生させるように光源を制御する光源制御ステップと、
光を電荷に変換する光電変換領域、前記光電変換領域に近接して互いに離間して設けられた第１～第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の電荷読出領域、前記電荷を排出するための電荷排出領域、及び前記光電変換領域と前記第１～第Ｍの電荷読出領域および前記電荷排出領域とに対応して設けられた第１～第Ｍ＋１の制御電極を有する画素回路部を用いて、電荷転送制御手段が、前記光源制御手段による前記パルス光の発生に対応して、前記第１の持続時間以上である第２の持続時間の間だけ前記第１～第Ｍの制御電極に、電荷の転送を制御するための第１～第Ｍの制御パルスを順次印加し、前記第１～第Ｍの制御パルスの印加期間以外の期間に前記第Ｍ＋１の制御電極に電荷の排出を制御するための第Ｍ＋１の制御パルスを印加する電荷転送制御ステップと、
電圧検出手段が、前記電荷転送制御手段による前記第１～第Ｍの制御パルスの印加後に、前記画素回路部の前記第１～第Ｍの電荷読出領域の電圧を第１～第Ｍの検出信号として読み出す電圧検出ステップと、
距離計算手段が、前記第１～第Ｍの検出信号を基に距離を繰り返し計算する距離計算ステップとを備え、
前記電荷転送制御ステップでは、１フレーム期間内の第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のサブフレーム期間ごとに、前記パルス光の発生タイミングに対する前記第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間を異なる時間にシフトさせるように、前記第１～第Ｍの制御パルスのタイミングを設定し、
前記電圧検出ステップでは、重み付けされて設定された期間のサブフレーム期間ごとに、前記第１～第Ｍの制御パルスの印加に応じて発生したそれぞれの前記第１～第Ｍの電荷読出領域の電圧を前記第１～第Ｍの検出信号として読み出す、
距離画像測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の一側面は、画素毎に距離情報を含む距離画像を生成する距離画像測定装置および距離画像測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、光の飛行時間を用いて距離情報を含む画像信号を生成するセンサ装置が用いられている（例えば、下記特許文献１参照）。このセンサは、時間軸上に配列された第１～第５フレームにおいて第１～第５のパルスの列を照射パルスとして対象物に照射し、ピクセルアレイにおいて対象物の距離情報を含む画像信号を生成する。このような構成により、距離分解能を低下させることなく距離計測範囲を拡大することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１０－３２４２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上述した従来のセンサ装置では、様々な距離計測範囲の対象物の距離情報を含む画像信号を生成しようとする場合に、さらに距離分解能を向上させようとするためには改善の余地があった。

【0005】

本発明の一側面は、上記課題に鑑みて為されたものであり、様々な距離計測範囲の対象物を対象にして距離分解能が向上された画像信号を生成することが可能な距離画像測定装置及び距離画像測定方法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】

上記課題を解決するため、本発明の一形態にかかる距離画像測定装置は、パルス光を発生させる光源と、第１の持続時間を有するパルス光を１フレーム期間内に含まれる第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のサブフレーム期間内で定期的に繰り返し発生させるように光源を制御する光源制御手段と、光を電荷に変換する光電変換領域、光電変換領域に近接して互いに離間して設けられた第１～第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の電荷読出領域、電荷を排出するための電荷排出領域、及び光電変換領域と第１～第Ｍの電荷読出領域および電荷排出領域とに対応してそれぞれ設けられ、光電変換領域と第１～第Ｍの電荷読出領域および電荷排出領域との間における電荷転送のための第１～第Ｍ＋１の制御パルスを印加するための第１～第Ｍ＋１の制御電極を有する画素回路部と、光源制御手段によるパルス光の発生に対応して、第１の持続時間以上である第２の持続時間の間だけ第１～第Ｍの制御電極に第１～第Ｍの制御パルスを順次印加し、第１～第Ｍの制御パルスの印加期間以外の期間に第Ｍ＋１の制御電極に第Ｍ＋１の制御パルスを印加する電荷転送制御手段と、電荷転送制御手段による第１～第Ｍの制御パルスの印加後に、画素回路部の第１～第Ｍの電荷読出領域の電圧を第１～第Ｍの検出信号として読み出す電圧検出手段と、第１～第Ｍの検出信号を基に距離を繰り返し計算する距離計算手段とを備え、電荷転送制御手段は、１フレーム期間内の第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のサブフレーム期間ごとに、パルス光の発生タイミングに対する第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間を異なる時間にシフトさせるように、第１～第Ｍの制御パルスのタイミングを設定する。

【0007】

あるいは、本発明の他の形態にかかる距離画像測定方法は、光源制御手段が、第１の持続時間を有するパルス光を１フレーム期間内に含まれる第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のサブフレーム期間内で定期的に繰り返し発生させるように光源を制御する光源制御ステップと、光を電荷に変換する光電変換領域、光電変換領域に近接して互いに離間して設けられた第１～第Ｍ（Ｍは２以上の整数）の電荷読出領域、電荷を排出するための電荷排出領域、及び光電変換領域と第１～第Ｍの電荷読出領域および電荷排出領域とに対応して設けられた第１～第Ｍ＋１の制御電極を有する画素回路部を用いて、電荷転送制御手段が、光源制御手段によるパルス光の発生に対応して、第１の持続時間以上である第２の持続時間の間だけ第１～第Ｍの制御電極に、電荷の転送を制御するための第１～第Ｍの制御パルスを順次印加し、第１～第Ｍの制御パルスの印加期間以外の期間に第Ｍ＋１の制御電極に電荷の排出を制御するための第Ｍ＋１の制御パルスを印加する電荷転送制御ステップと、電圧検出手段が、電荷転送制御手段による第１～第Ｍの制御パルスの印加後に、画素回路部の第１～第Ｍの電荷読出領域の電圧を第１～第Ｍの検出信号として読み出す電圧検出ステップと、距離計算手段が、第１～第Ｍの検出信号を基に距離を繰り返し計算する距離計算ステップとを備え、電荷転送制御ステップでは、１フレーム期間内の第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のサブフレーム期間ごとに、パルス光の発生タイミングに対する第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間を異なる時間にシフトさせるように、第１～第Ｍの制御パルスのタイミングを設定する。

【0008】

上記形態の距離画像測定装置あるいは距離画像測定方法によれば、１フレーム期間内に含まれる２つ以上のサブフレーム期間内で光源から定期的に繰り返しパルス光が発生し、パルス光の発生に対応して、パルス光の持続時間以上の第２の持続時間の時間ウィンドウが順次設定され、その時間ウィンドウで画素回路部の光電変換領域から第１～第Ｍの電荷読出領域に順次電荷が転送されるとともに、その時間ウィンドウ以外の期間では光電変換領域から電荷が排出される。さらに、画素回路部の第１～第Ｍの電荷読出領域から第１～第Ｍの検出信号が読み出され、それらをもとに距離が繰り返し計算される。このとき、２つ以上のサブフレーム期間ごとに、パルス光の発生タイミングに対する時間ウィンドウの遅れ時間が異なる時間にシフトするように設定される。このように、画素回路部単位での時間ウィンドウのシフトおよびサブフレーム間での時間ウィンドウのシフトを組み合わせることによって、デューティ比の小さい多数の時間ウィンドウを使った電荷の検出が可能とされる。その結果、様々な距離計測範囲の対象物を対象にした場合であっても、検出信号における背景光ノイズの影響が低減され、距離分解能の高い距離計算が実現されるとともに、強い背景光に起因した検出信号の飽和による距離計算の誤差も防止できる。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一側面によれば、様々な距離計測範囲の対象物を対象にして距離分解能が向上された画像信号を生成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の好適な一実施形態に係る距離画像センサ１０の概略構成を示すブロック図である。

【図2】演算回路１２による距離計算の繰り返し期間である１フレーム期間の構成を示す図である。

【図3】図１の電荷転送制御手段３２によって設定された各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_３における制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングを示すタイミングチャートである。

【図4】図１の電荷転送制御手段３２によって設定された各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_３における制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングを示すタイミングチャートである。

【図5】図１の距離画像センサ１０による距離計算の原理を説明するためのタイミングチャートである。

【図6】図１の距離画像センサ１０によって扱われる各種信号のタイミングチャート、及び距離画像センサ１０によって計算される各種値の遅れ時間Ｔ_Ｄに対する変化を示すグラフである。

【図7】図１の距離画像センサ１０による別の計算手順で扱われる各種信号のタイミングチャート、及び、距離画像センサ１０による別の計算手順において計算される各種値の遅れ時間Ｔ_Ｄに対する変化を示すグラフである。

【図8】０．２～６ｍの距離範囲を距離計測した際の本実施形態の距離分解能のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図9】０．２～６ｍの距離範囲を距離計測した際の本実施形態の距離分解能のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図10】０．２～６ｍの距離範囲を距離計測した際の本実施形態の距離分解能のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図11】０．２～６ｍの距離範囲を距離計測した際の本実施形態における信号読み出し時の発生電子数のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図12】変形例によって扱われる各種信号のタイミングチャート、及び変形例によって計算される各種値の遅れ時間Ｔ_Ｄに対する変化を示すグラフである。

【図13】変形例におけるサブフレーム期間Ｆ_１でのパルス光Ｌ_Ｐ及び第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の制御タイミングを示すタイミングチャートである。

【図14】変形例におけるサブフレーム期間Ｆ_１でのパルス光Ｌ_Ｐ及び第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の制御タイミングを示すタイミングチャートである。

【図15】０．２～６ｍの距離範囲を距離計測した際の変形例における信号読み出し時の発生電子数のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図16】０．２～６ｍの距離範囲を距離計測した際の変形例における距離分解能のシミュレーション結果を示すグラフである。

【図17】変形例における、演算回路１２による制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加タイミング及びパルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングを示すタイミングチャートである。

【図18】変形例における画素回路１３の要部の等価回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しつつ本発明に係る距離画像測定装置の好適な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。

【0012】

まず、図１を参照して、本発明の距離画像測定装置の好適な一実施形態に係る距離画像センサ１０の機能および構成を説明する。図１に示す距離画像センサ１０は、飛行時間法を利用して画素毎に距離情報を含む距離画像を生成する装置であり、光源１１と、演算回路１２と、複数の画素回路（画素回路部）１３とを備える。光源１１は、飛行時間（ＴＯＦ：Time Of Flight）方式による距離計測を行うために、対象物Ｓに照射するパルス光Ｌ_Ｐを発生させる装置である。光源１１は、例えば、発光ダイオードあるいはレーザダイオード等の半導体発光素子とその半導体発光素子を駆動する駆動回路とによって構成される。光源１１としては、近赤外領域、可視光領域等の波長領域の光を発生させる素子を用いることができる。さらに、距離画像センサ１０は複数の画素回路１３を備える。複数の画素回路１３は、２次元方向（例えば、列方向および行方向）に２次元アレイ状に配列されてイメージセンサを構成し、対象物Ｓによってパルス光Ｌ_Ｐが反射されて生じた入射パルス光Ｌ_Ｒを光電変換することにより検出信号を生成する。加えて、距離画像センサ１０は、演算回路１２も備えている。演算回路１２は、複数の画素回路１３によって生成された検出信号を用いて、対象物Ｓに関する距離情報を画素ごとに演算し、画素ごとの距離情報が反映された２次元画像情報を含む距離画像を生成及び出力する。演算回路１２は、ＣＰＵ，ＲＡＭ、ＲＯＭ、および入出力装置等を含むワンチップマイクロコンピュータ等の専用の集積回路によって構成されてもよいし、パーソナルコンピュータ等の汎用コンピュータによって構成されてもよい。

【0013】

以下、画素回路１３および演算回路１２の構成について詳細に説明する。

【0014】

まず、画素回路１３の構成について説明する。画素回路１３は、半導体素子によって構成され、入射パルス光Ｌ_Ｒを電荷に変換する機能を有する光電変換領域２１と、光電変換領域２１に近接し、かつ互いに離間して設けられた第１～第４の電荷読出領域２２_１～２２_４及び電荷排出領域２３と、第１～第４の電荷読出領域２２_１～２２_４及び電荷排出領域２３のそれぞれに対応して設けられ、光電変換領域２１からそれぞれの領域との間における電荷転送のための制御パルスを印加するための第１～第４の制御電極２４_１～２４_４および第５の制御電極２５と、第１～第４の電荷読出領域２２_１～２２_４のそれぞれから検出信号を読み出すための電圧検出手段２６_１～２６_４とを含んでいる。電圧検出手段２６_１～２６_４は、例えば、ソースフォロワアンプを含む増幅器であり、演算回路１２からの制御によって、選択的にそれぞれの電荷読出領域２２_１～２２_４の基準電位を基準にした電圧を検出および増幅し、増幅した電圧を第１～第４の検出信号として演算回路１２に出力する。

【0015】

画素回路１３は、例えば、シリコン基板等のｐ型半導体基板上に形成される。すなわち、光電変換領域２１は、ｐ型半導体基板上に順に形成された、ｐ型の半導体からなる活性領域形成層、ｎ型の表面埋込領域、ｐ型のピニング層、及び絶縁膜からなる画素形成領域の中央部に設けられる。そして、光電変換領域２１に近接するように互いに離間した位置にｎ型の表面埋込領域よりも高不純物濃度のｎ型の電荷読出領域２２_１～２２_４及び電荷排出領域２３が形成され、絶縁膜上の光電変換領域２１から電荷読出領域２２_１～２２_４及び電荷排出領域２３のそれぞれに至る電荷移動経路上のそれぞれには、制御電極２４_１～２４_４，２５が設けられる。ここで、制御電極２４_１～２４_４，２５は、それぞれ、電荷移動経路上に設けられてもよいし、電荷移動経路を両側から挟むように複数の電極部に分離して設けられてもよい。

【0016】

上記構成の画素回路１３においては、後述する演算回路１２から制御電極２４_１～２４_４，２５に対して、互いに位相の異なる制御パルスが印加される。これにより、表面埋込領域の空乏化電位を順次変化させることにより、電荷移動経路のいずれかに電荷が輸送されるような電位勾配を順次形成して、光電変換領域２１の表面埋込領域で発生した多数キャリア（電荷）を、電荷読出領域２２_１～２２_４及び電荷排出領域２３のいずれかに移動させる。この電荷排出領域２３は、光電変換領域２１で発生した電荷を排出するための領域である。

【0017】

次に、演算回路１２の構成について説明する。演算回路１２は、機能的な構成要素として、光源制御手段３１、電荷転送制御手段３２、距離データ有効性判定信号生成手段３３、距離データ有効性判定手段３４、無効画素識別値生成手段３５、距離計算参照信号生成手段３６、距離計算参照信号選択手段３７、及び距離画像生成手段３８を含んで構成される。距離データ有効性判定信号生成手段３３、距離データ有効性判定手段３４、無効画素識別値生成手段３５、距離計算参照信号生成手段３６、距離計算参照信号選択手段３７、及び距離画像生成手段３８は、本実施形態の距離計算手段を構成する。

【0018】

演算回路１２の光源制御手段３１は、光源１１によるパルス光Ｌ_Ｐの発光タイミング、パルス光Ｌ_Ｐの強度、及びパルス光Ｌ_Ｐのパルス幅を制御する。具体的には、持続時間Ｔ_０のパルス光Ｌ_Ｐを、予め設定された長さの期間Ｔ_ｆ(例えば、１／１２０ｓｅｃ)である１フレームの期間内の４種類のサブフレーム期間内で周期的に繰り返し発生させるように制御する。

【0019】

演算回路１２の電荷転送制御手段３２は、制御電極２４_１～２４_４，２５のそれぞれに、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４及び第５の制御パルスＧ_Ｄを印加する機能を有する。すなわち、電荷転送制御手段３２は、サブフレーム期間内のパルス光Ｌ_Ｐのそれぞれの発生タイミングに対応して、持続時間Ｔ_０以上である持続時間Ｔ_１の間だけ制御電極２４_１～２４_４に順次第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４を印加する。本実施形態では、持続時間Ｔ_１は持続時間Ｔ_０と等しくなるように設定される。また、電荷転送制御手段３２は、サブフレーム期間内の第１～第３の制御パルスＧ_１～Ｇ_３の印加タイミングを除く期間において、光電変換領域２１に蓄積された電荷を電荷排出領域２３に排出させるための制御パルスＧ_Ｄを制御電極２５に印加する。

【0020】

なお、パルス光Ｌ_Ｐの飛行時間を用いた距離計算の分解能１５ｃｍは飛行時間１ｎｓに相当し、この分解能を下回るためには目安としてｐｓオーダーの時間精度を持つ制御手段が必要となる。それ故に、電荷転送制御手段３２と光源制御手段３１は、画素回路１３と一体での配線容量などを考慮した設計が必要になってくるため、画素回路１３と一体の半導体上に形成することが望ましい。なお、「一体の半導体上」とは、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）技術やＴＳＶ（Ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｖｉａ）技術を用いて積層された複数の半導体層のうちの異なる半導体上も含まれる。具体的には、電荷転送制御手段３２と、電荷転送制御手段３２と制御電極２４_１～２４_４，２５との間の回路と、電荷転送制御手段３２と光源制御手段３１との間の回路の一部とは、画素回路１３と同一の半導体上、あるいは画素回路１３とともに積層された半導体層上に形成されていてもよい。

【0021】

ここで、演算回路１２による距離計算の繰り返し期間である１フレーム期間（Ｔ_ｆ）は、図２に示すように、パルス光Ｌ_Ｐのそれぞれの発生タイミングに対する制御パルスＧ_１～Ｇ_４，Ｇ_Ｄのタイミングが異なる４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４と、それらの期間の間で第１～第４の検出信号を読み出す期間である読出期間Ｒとを含んでいる。１フレーム期間（Ｔ_ｆ）は、図２の（ａ）部に示すように、異なる長さの期間の４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４が循環して繰り返されてもよいし、図２の（ｂ）部、（ｃ）部、及び（ｄ）部のそれぞれに示すように、異なる期間の４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４が予め設定された任意の順番で繰り返されてもよい。

【0022】

演算回路１２の電荷転送制御手段３２は、４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４毎に、パルス光Ｌ_Ｐのそれぞれの発生タイミングに対する制御パルスＧ_１～Ｇ_４の遅れ時間を異なる時間にシフトさせるように、制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングを設定する。図３は、電荷転送制御手段３２によって設定された各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_３における制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。なお、図３には、サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_３に関するタイミングチャートを示しているが、サブフレーム期間Ｆ_４についても、サブフレーム期間Ｆ_３における制御パルスＧ_１～Ｇ_４の遅れ時間からさらにシフトするように設定される。

【0023】

具体的には、サブフレーム期間Ｆ_１においては、期間Ｔ_Ｃで周期的に繰り返されるパルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングと一致するように制御パルスＧ_１のタイミングが設定され、その直後に互いに時間的に重ならないように連続して順次制御パルスＧ_２～Ｇ_４のタイミングが設定され、制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加期間以外の期間において制御パルスＧ_Ｄが印加されるように設定される。このサブフレーム期間Ｆ_１の直後に読出期間Ｒが設定される。これに対して、サブフレーム期間Ｆ_２においては、サブフレーム期間Ｆ_１と比較して、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対する制御パルスＧ_１～Ｇ_４のそれぞれの遅れ時間（以下、この遅れ時間を「レンジシフト」ともいう。）が＋４Ｔ_０でシフトするように制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングが設定される。このシフト幅は、＋４Ｔ_０には限定されず、＋３Ｔ_０等の他のシフト幅であってもよい。同様に、サブフレーム期間Ｆ_３においては、サブフレーム期間Ｆ_２と比較して、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対する制御パルスＧ_１～Ｇ_４のそれぞれの遅れ時間が＋４Ｔ_０でシフトするように制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングが設定される。

【0024】

図４は、電荷転送制御手段３２によって設定された各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_３における制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングの別の例を示すタイミングチャートである。この例では、サブフレーム期間Ｆ_２においては、サブフレーム期間Ｆ_１と比較して、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対する制御パルスＧ_１～Ｇ_４のそれぞれの遅れ時間が＋２Ｔ_０でシフトするように制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングが設定される。同様に、サブフレーム期間Ｆ_３においては、サブフレーム期間Ｆ_２と比較して、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対する制御パルスＧ_１～Ｇ_４のそれぞれの遅れ時間が＋２Ｔ_０でシフトするように制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングが設定され、サブフレーム期間Ｆ_４とサブフレーム期間Ｆ_３との間の関係も同様に設定される。

【0025】

また、演算回路１２によって設定される各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４毎の長さは、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４内でのパルス光Ｌ_Ｐの繰り返し回数Ｎ_１、Ｎ_２、Ｎ_３、Ｎ_４（Ｎ_１～Ｎ_４は整数）に比例した長さＮ_１・Ｔ_Ｃ、Ｎ_２・Ｔ_Ｃ、Ｎ_３・Ｔ_Ｃ、Ｎ_４・Ｔ_Ｃとなり、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対する制御パルスＧ_１～Ｇ_４のそれぞれの遅れ時間が長くなるほど長くなるように設定される。言い換えれば、演算回路１２によって、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４内でのパルス光Ｌ_Ｐの繰り返し回数Ｎ_１、Ｎ_２、Ｎ_３、Ｎ_４は、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対する制御パルスＧ_１～Ｇ_４のそれぞれの遅れ時間が長くなるほど多くなるように設定される。これは、対象物での反射光の強度が対象物の距離の二乗に反比例することから、パルス光Ｌ_Ｐの画素回路１３への取り込み回数を遅れ時間のシフト量に依存するように設定することを意味する。すなわち、各サブフレーム期間Ｆ_Ｋ（Ｋ＝１，２，３，４）の長さは、その長さが下記式（１）で計算される重み付け係数Ｗ_Ｋで重み付けされるように設定される。

【数1】

【0026】

上記式（１）中、Ｎｅｘｐは所定の定数であり、例えば、Ｎｅｘｐ＝２の場合は、取り込み回数の重み付け係数は、Ｗ_１＝１／３０、Ｗ_２＝４／３０、Ｗ_３＝９／３０、Ｗ_４＝１６／３０となる。結果として、サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４間での取り込み回数はレンジシフトが大きくなるほど増加するように重み付けされる。

【0027】

図１に戻って、演算回路１２の距離計算手段は、各画素回路１３ごとの距離の計算を１フレーム期間ごとに繰り返し実行し、その結果得られた距離情報を含む距離画像を繰り返し生成する。詳細には、距離計算手段は、図２の（ａ）部に示した読出期間Ｒのタイミングごとに（すなわち、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４の終了タイミングに合わせて）、読出期間Ｒで読み出された第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を対象に下記の距離計算を繰り返し行い、その結果得られた有効な距離計算結果の１フレーム期間内での平均値を距離情報とする。その一方で、図２の（ａ）部～（ｄ）部に示されたサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４の構成が採用される際には、距離計算手段は、１フレーム期間内で４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４毎にそれぞれの第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値を合算し、合算した第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を対象に距離の計算を実行し、その結果のうちの有効な距離計算の結果を纏めて（平均化等して）距離情報としてもよい。

【0028】

距離計算手段を構成する距離データ有効性判定信号生成手段３３は、パルス光Ｌ_Ｐの発光タイミングに対応して画素回路１３から出力された第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を基に、第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４のうち、背景光の信号成分を除いた入射パルス光Ｌ_Ｒから発生した電荷の信号成分の合計値を、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａとして生成する。この距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａは、第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４が入射パルス光Ｌ_Ｒを強く反映したものであるかを示す信号であり、第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を基にした距離の計算が有効であるかを判定するための信号である。距離データ有効性判定手段３４は、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａを基に、第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を基にした距離の計算が有効であるかを判定する。具体的には、距離データ有効性判定手段３４は、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａを所定の閾値Ｔｈ_１と比較し、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａが閾値Ｔｈ_１を超えた場合には距離の計算が有効であると判定し、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａが閾値Ｔｈ_１以下である場合には距離の計算が無効であると判定する。無効画素識別値生成手段３５は、距離データ有効性判定手段３４の判定結果を基に、画素回路１３に対応する画素ごとに距離計算が無効であるか否かを示す識別値を生成する。

【0029】

距離計算手段のうちの距離計算参照信号生成手段３６は、パルス光Ｌ_Ｐの発光タイミングに対応して画素回路１３から出力された第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を基に、距離の計算の基礎となる距離計算参照信号を生成する。具体的には、距離計算参照信号生成手段３６は、第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４のうちの一方の検出信号の組Ｓ_１，Ｓ_３の差の値Ｓ_１－３の差と距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａとの比を計算することにより、第１の距離計算参照信号Ｘ_Ｒを生成する。加えて、距離計算参照信号生成手段３６は、第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４のうちの他方の検出信号の組Ｓ_２，Ｓ_４の差の値Ｓ_２－４の差と距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａとの比を計算することにより、第２の距離計算参照信号Ｙ_Ｒを生成する。

【0030】

距離計算手段のうちの距離計算参照信号選択手段３７は、第１及び第２の距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒを基に対象物Ｓの位置が測定可能な範囲か否かを判定し、測定可能な範囲である場合に第１及び第２の距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒのいずれかを有効な値として距離画像生成手段３８に出力する。例えば、距離計算参照信号選択手段３７は、距離計算参照信号Ｘ_Ｒの値が“０”以上であり、かつ、距離計算参照信号Ｙ_Ｒの値がＴｈ_３以下であるか否かを判定することにより、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒの有効／無効を判定する。さらに、距離計算参照信号選択手段３７は、第１の距離計算参照信号Ｘ_Ｒと閾値Ｔｈ_２との比較結果に応じて、第１及び第２の距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒのいずれかを選択し、選択した第１及び第２の距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒを有効な値として距離画像生成手段３８に出力する。

【0031】

距離計算手段のうちの距離画像生成手段３８は、距離計算が有効であると判定された場合は、各画素回路１３に関して距離計算参照信号選択手段３７によって選択されたいずれかの距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒを参照して各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４毎に距離を算出し、それらの平均から距離情報を算出する。そして、距離画像生成手段３８は、各画素回路１３に対応する距離情報を含む距離画像を生成して外部装置に出力する。出力先の外部装置としては、例えば、表示装置、通信インターフェース装置等の出力デバイスが挙げられる。この際、距離画像生成手段３８は、全てのサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４について距離計算が無効であることを示す識別値が生成された画素あるいは全てのサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４について距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒが測定可能範囲外であると判定された画素については距離画像に無効値を埋め込むことができる。

【0032】

図５は、距離画像センサ１０による距離計算の原理を説明するためのタイミングチャートである。図５には、距離画像センサ１０によって制御される各種信号のタイミングおよび画素回路１３の各領域に電荷が蓄積されるタイミングを示しており、上から順番に、パルス光Ｌ_Ｐの発光タイミング、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４及び制御パルスＧ_Ｄの印加タイミング、第１～第４の電荷読出領域２２_１～２２_４における電荷蓄積タイミングを示している。このように、パルス光Ｌ_Ｐの持続時間Ｔ_０の発光タイミングに対応して、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４が互いに重ならないように続けて持続時間Ｔ_０で印加されている。このようにすれば、入射パルス光Ｌ_Ｒが光電変換されることにより光電変換領域２１に蓄積された電荷が、入射パルス光Ｌ_Ｒのパルス光Ｌ_Ｐに対する遅れ時間Ｔ_Ｄに対応した比率で、２つの電荷読出領域２２_２，２２_３、あるいは２つの電荷読出領域２２_３，２２_４に分配される。

【0033】

ここでは、パルス光Ｌ_Ｐの持続時間Ｔ_０の発光タイミングと、第１の制御パルスＧ_１の印加タイミングとの関係を設定することで、電荷読出領域２２_１には、制御パルスＧ_１で規定される時間ウィンドウで背景光及び暗電流等のノイズに起因する電荷量Ｎ_Ｂの電荷のみが輸送される。これに対して、入射パルス光Ｌ_Ｒの到達タイミングが制御パルスＧ_２，Ｇ_３で規定される２つの時間ウィンドウにまたがった場合には、電荷読出領域２２_２には電荷量Ｎ_Ｂに遅れ時間Ｔ_Ｄに対応して分配された電荷量Ｎ_ｓｍ１が加算された電荷が輸送される一方、電荷読出領域２２_３には、電荷量Ｎ_Ｂに遅れ時間Ｔ_Ｄに対応して分配された電荷量Ｎ_ｓｍ２が加算された電荷が輸送される。

【0034】

その一方で、入射パルス光Ｌ_Ｒの到達タイミングが制御パルスＧ_３，Ｇ_４で規定される２つの時間ウィンドウにまたがった場合には、電荷読出領域２２_３には電荷量Ｎ_Ｂに遅れ時間Ｔ_Ｄに対応して分配された電荷量Ｎ_ｓｍ１が加算された電荷が輸送される一方、電荷読出領域２２_４には、電荷量Ｎ_Ｂに遅れ時間Ｔ_Ｄに対応して分配された電荷量Ｎ_ｓｍ２が加算された電荷が輸送される。このような現象を利用して、距離画像センサ１０の演算回路１２においては、パルス光Ｌ_Ｐのそれぞれの発光タイミングに応じて、電荷量Ｎ_Ｂを除いた電荷量Ｎ_ｓｍ１と電荷量Ｎ_Ｂを除いた電荷量Ｎ_ｓｍ２との比率を計算することにより、遅れ時間Ｔ_Ｄに対応した対象物Ｓの距離を計算することができる。

【0035】

次に、距離画像センサ１０による距離計算の手順の詳細を説明するとともに、本実施形態にかかる距離画像測定方法（以下では、「４タップ３ゾーン４サブフレーム方式」とも言う。）について説明する。なお、この処理は、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４単位で実行される。図６は、距離画像センサ１０によって扱われる各種信号のタイミングチャート、及び計算される各種値の遅れ時間Ｔ_Ｄに対する変化を示すグラフである。図６において、（ａ）部から（ｅ）部には、それぞれ、制御パルスＧ_１～Ｇ_４及びパルス光Ｌ_Ｐのタイミングを示し、（ｆ）部～（ｎ）部には、それぞれ、第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値、差分値Ｓ_１－３，Ｓ_２－４の値、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値、及び距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒの値を、遅れ時間Ｔ_Ｄに対応して示し、（ｏ）部には、遅れ時間Ｔ_Ｄにおけるデータ有効範囲を示し、（ｐ）部には、遅れ時間Ｔ_Ｄにおける測定可能範囲を示す。なお、図６には、サブフレーム期間Ｆ_１を対象にした距離計算において扱われる各種信号および値を示しているが、サブフレーム期間Ｆ_２～Ｆ_４を対象にした距離計算においても遅れ時間Ｔ_Ｄがシフトする点以外は同様である。

【0036】

まず、距離画像センサ１０による距離画像の生成処理が開始されると、演算回路１２の光源制御手段３１及び電荷転送制御手段３２によって、サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４によって構成される１フレームの期間内で制御パルスＧ_１～Ｇ_４及びパルス光Ｌ_Ｐのタイミングが制御される（光源制御ステップ、電荷転送制御ステップ）。詳細には、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４において、パルス光Ｌ_Ｐのタイミングが定期的なタイミングに設定され、このタイミングを基準に制御パルスＧ_１～Ｇ_４が持続時間Ｔ_１＝Ｔ_０で互いに重複しないような連続したタイミングに設定され、制御パルスＧ_Ｄが制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加期間以外の期間に印加されるように設定される。その後、読出期間Ｒにおいて、各画素回路１３の電圧検出手段２６_１～２６_４によって、第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４が読み出され、それらの検出信号Ｓ_１～Ｓ_４が演算回路１２に出力される（電圧検出ステップ）。

【0037】

次に、各画素回路１３から出力された検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を基に、演算回路１２によってサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４単位での画素ごとの距離情報が計算される（距離計算ステップ）。すなわち、距離データ有効性判定信号生成手段３３によって、検出信号Ｓ_１，Ｓ_３を基に、下記式（２）；
Ｓ_１－３＝Ｓ_１－Ｓ_３…（２）
を用いて、検出信号Ｓ_１，Ｓ_３の差分値Ｓ_１－３が計算されてから、その差分値の絶対値｜Ｓ_１－３｜が計算される。加えて、距離データ有効性判定信号生成手段３３によって、検出信号Ｓ_２，Ｓ_４を基に、下記式（３）；
Ｓ_２－４＝Ｓ_２－Ｓ_４…（３）
を用いて、検出信号Ｓ_２，Ｓ_４の差分値Ｓ_２－４が計算されてから、その差分値の絶対値｜Ｓ_２－４｜が計算される。さらに、距離データ有効性判定信号生成手段３３によって、差分値の絶対値｜Ｓ_１－３｜と差分値の絶対値｜Ｓ_２－４｜が加算されることにより、下記式（４）；
Ｓ_Ａ＝｜Ｓ_１－３｜＋｜Ｓ_２－４｜…（４）
を用いて、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値が計算される。そして、距離データ有効性判定手段３４は、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値を閾値Ｔｈ_１と比較することにより、検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を用いた距離の計算が有効であるか否かを判定する。例えば、閾値Ｔｈ_１を“０”近傍に設定することにより、図６の（ｏ）部に示すように、遅れ時間Ｔ_Ｄの“－１”～“０”の間の値から“３”～“４”の間の値までの範囲が、距離の計算が有効な範囲である「データ有効範囲」であると判定される。さらに、距離計算参照信号生成手段３６によって、検出信号Ｓ_１とＳ_３との差の値Ｓ_１－３と距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値との比を計算することにより、下記式（５）；
Ｘ_Ｒ＝１－Ｓ_１－３／Ｓ_Ａ…（５）
を用いて第１の距離計算参照信号Ｘ_Ｒの値が計算されると共に、検出信号Ｓ_２とＳ_４との差の値Ｓ_２－４と距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値との比を計算することにより、下記式（６）；
Ｙ_Ｒ＝２－Ｓ_２－４／Ｓ_Ａ…（６）
を用いて第２の距離計算参照信号Ｙ_Ｒの値が計算される。

【0038】

次に、距離計算参照信号選択手段３７により、距離計算参照信号Ｘ_Ｒの値が所定範囲にあるか否かが判定されることにより、距離計算のために参照する値が、距離計算参照信号Ｘ_Ｒと距離計算参照信号Ｙ_Ｒとのうちから選択される。例えば、距離計算参照信号Ｘ_Ｒの値が“０”以上閾値Ｔｈ_２以下の場合は距離計算参照信号Ｘ_Ｒが選択され、距離計算参照信号Ｘ_Ｒの値が閾値Ｔｈ_２を超えている場合は距離計算参照信号Ｙ_Ｒが選択される。このような判定により、対象物Ｓの位置に応じて、入射パルス光Ｌ_Ｒの入射タイミングが重複した時間ウィンドウの検出信号が反映された距離計算参照信号を選択することができる。さらに、距離計算参照信号選択手段３７により、選択された距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒの値が所定範囲にあるか否かが判定されることにより、対象物Ｓが測定可能な範囲にあるかが判定される。例えば、距離計算参照信号Ｘ_Ｒの値が“０”以上であるか否かが判定され、距離計算参照信号Ｙ_Ｒの値が閾値Ｔｈ_３以下であるか否かが判定される。このような判定により、対象物Ｓが近すぎて検出信号Ｓ_２の時間ウィンドウから入射パルス光Ｌ_Ｒが外れて距離計算参照信号Ｘ_Ｒの値に距離が反映されていない場合、及び、対象物Ｓが遠すぎて検出信号Ｓ_３の時間ウィンドウから入射パルス光Ｌ_Ｒが外れて距離計算参照信号Ｙ_Ｒの値に距離が反映されていない場合を、距離計算から除外することができる。例えば、閾値Ｔｈ_３を“３”近傍に設定することにより、図６の（ｐ）部に示すように、遅れ時間Ｔ_Ｄの“０”から“３”の近傍までの範囲が「測定可能範囲」であると判定される。

【0039】

最後に、距離画像生成手段３８は、「データ有効範囲」にあると判定され、かつ、「測定可能範囲」にあると判定された場合に、該当画素に関して選択された距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒを基に対象物Ｓの距離が算出され、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４の算出結果を平均化して距離情報が算出され、算出した各画素の距離情報を含む距離画像が生成および出力される。

【0040】

上述した手順によれば、入射パルス光Ｌ_Ｒによって生じる電荷量を４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４内の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４に対応する４×４＝１６個の時間ウィンドウに分配することができるので、遅れ時間Ｔ_Ｄに対応した計算可能な範囲を広げることができ、かつ、時間ウィンドウの時間幅も小さくすることができる。さらに、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒのうちで遅れ時間Ｔ_Ｄに対して線形に変化する値を選んで距離の計算を行うので、対象物Ｓが位置する範囲に対応して適切な距離データ参照信号の値を利用して距離を計算することができ、対象物Ｓの位置にかかわらず精度の高い画像信号を生成することができる。

【0041】

ここで、上述した計算手順では、１つのサブフレームにおける測定可能な距離範囲が、時間Ｔ_０の幅の４つの時間ウィンドウに対して３つの時間ウィンドウ未満に相当する距離範囲である。そのため、図３に示したような各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_３の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングでは、距離測定できない距離範囲が生ずる可能性がある。このようなことを防ぐためには、図４に示したような各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_３の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングの設定方式を採用することが好ましい。ただし、この場合は４つのサブフレームで測定可能な距離範囲に相当する時間ウィンドウが２×４＝８個の時間ウィンドウとなる。

【0042】

上述した距離画像センサ１０による距離計算は、次のような別の手順（以下では、「４タップ４ゾーン４サブフレーム方式」とも言う。）で行われてもよい。この手順によれば、遅れ時間Ｔ_Ｄにおける「データ有効範囲」および「測定可能範囲」を広げることができる。図７は、距離画像センサ１０による別の計算手順で扱われる各種信号のタイミングチャート、及び別の計算手順において計算される各種値の遅れ時間Ｔ_Ｄに対する変化を示すグラフである。図７において、（ａ）部から（ｅ）部には、それぞれ、制御パルスＧ_１～Ｇ_４及びパルス光Ｌ_Ｐのタイミングを示し、（ｆ）部～（ｏ）部には、それぞれ、第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値、差分値Ｓ_１－３，Ｓ_２－４の値、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値、及び距離計算参照信号Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３の値を、遅れ時間Ｔ_Ｄに対応して示し、（ｐ）部には、遅れ時間Ｔ_Ｄにおけるデータ有効範囲を示し、（ｑ）部には、遅れ時間Ｔ_Ｄに対応して計算される比較信号Ｐ_２～Ｐ_４の値、（ｒ）部には、遅れ時間Ｔ_Ｄにおける測定可能範囲を示す。なお、図７には、サブフレーム期間Ｆ_１を対象にした距離計算において扱われる各種信号および値を示しているが、サブフレーム期間Ｆ_２～Ｆ_４を対象にした距離計算においても遅れ時間Ｔ_Ｄがシフトする点以外は同様である。

【0043】

まず、距離画像センサ１０による距離画像の生成処理が開始されると、演算回路１２の光源制御手段３１及び電荷転送制御手段３２によって、サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４によって構成される１フレームの期間内で制御パルスＧ_１～Ｇ_４及びパルス光Ｌ_Ｐのタイミングが制御される（光源制御ステップ、電荷転送制御ステップ）。詳細には、サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４において、パルス光Ｌ_Ｐのタイミングが定期的なタイミングに設定され、このタイミングを基準に制御パルスＧ_１～Ｇ_４が持続時間Ｔ_１＝Ｔ_０で互いに重複しないような連続したタイミングに設定され、制御パルスＧ_Ｄが制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加期間以外の期間に印加されるように設定される。ここでは、パルス光Ｌ_Ｐの点灯タイミングの直前に制御パルスＧ_３がオンされてから、４つの制御パルスＧ_１～Ｇ_４が連続してオンされた直後に、再度制御パルスＧ_１がオンされる。その後、読出期間Ｒにおいて、各画素回路１３の電圧検出手段２６_１～２６_４によって、第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４が読み出され、それらの検出信号Ｓ_１～Ｓ_４が演算回路１２に出力される（電圧検出ステップ）。

【0044】

次に、各画素回路１３から出力された検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を基に、演算回路１２によってサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４単位での画素ごとの距離情報が計算される（距離計算ステップ）。すなわち、距離データ有効性判定信号生成手段３３によって、検出信号Ｓ_１，Ｓ_３の差分値Ｓ_１－３及び検出信号Ｓ_２，Ｓ_４の差分値Ｓ_２－４が計算される。加えて、距離データ有効性判定信号生成手段３３によって、差分値Ｓ_１－３及び差分値Ｓ_２－４の絶対値を基に、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値が計算される。そして、距離データ有効性判定手段３４は、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値を閾値Ｔｈ_１と比較することにより、検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を用いた距離の計算が有効であるか否かを判定する。例えば、閾値Ｔｈ_１を“０”近傍に設定することにより、図７の（ｐ）部に示すように、遅れ時間Ｔ_Ｄの“－１”～“０”の間の値から“４”～“５”の間の値までの範囲が、距離の計算が有効な範囲である「データ有効範囲」であると判定される。さらに、距離計算参照信号生成手段３６によって、検出信号Ｓ_１とＳ_３との差の値Ｓ_１－３と距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値との比を計算することにより、下記式（７）；
Ｒ_１＝１－Ｓ_１－３／Ｓ_Ａ…（７）
を用いて距離計算参照信号Ｒ_１の値が計算され、検出信号Ｓ_２とＳ_４との差の値Ｓ_２－４と距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値との比を計算することにより、下記式（８）；
Ｒ_２＝２－Ｓ_２－４／Ｓ_Ａ…（８）
を用いて距離計算参照信号Ｒ_２の値が計算され、検出信号Ｓ_１とＳ_３との差の値Ｓ_１－３と距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値との比を計算することにより、下記式（９）；
Ｒ_３＝３＋Ｓ_１－３／Ｓ_Ａ…（９）
を用いて距離計算参照信号Ｒ_３の値が計算される。

【0045】

距離計算参照信号選択手段３７により、距離計算参照信号Ｒ_１～Ｒ_３の値が閾値と比較されることにより、距離計算のために参照する値が、距離計算参照信号Ｒ_１～Ｒ_３の中から選択される。例えば、距離計算参照信号Ｒ_１が閾値Ｔｈ_２以下であり、かつ、距離計算参照信号Ｒ_２が閾値Ｔｈ_５以下である場合は、距離計算参照信号Ｒ_１が選択される。その一方で、距離計算参照信号Ｒ_１が閾値Ｔｈ_２を超えており、かつ、距離計算参照信号Ｒ_２が閾値Ｔｈ_５以下である場合は、距離計算参照信号Ｒ_２が選択される。さらに、距離計算参照信号Ｒ_２が閾値Ｔｈ_５を超えている場合は、距離計算参照信号Ｒ_３が選択される。このような判定により、対象物Ｓの位置に応じて、入射パルス光Ｌ_Ｒの入射タイミングが重複した時間ウィンドウの検出信号が反映された距離計算参照信号を選択することができる。

【0046】

さらに、距離計算参照信号選択手段３７により、選択された距離計算参照信号Ｒ_１，Ｒ_３の値が所定範囲にあるか否かが判定されることにより、対象物Ｓが測定可能な範囲にあるかが判定される。例えば、距離計算参照信号Ｒ_１の値が“０”以上であるか否かが判定され、距離計算参照信号Ｒ_３の値が閾値Ｔｈ_６以下であるか否かが判定される。このような判定により、対象物Ｓが近すぎて検出信号Ｓ_２の時間ウィンドウから入射パルス光Ｌ_Ｒが外れて距離計算参照信号Ｒ_１の値に距離が反映されていない場合、及び、対象物Ｓが遠すぎて検出信号Ｓ_４の時間ウィンドウから入射パルス光Ｌ_Ｒが外れて距離計算参照信号Ｒ_３の値に距離が反映されていない場合を、距離計算から除外することができる。例えば、閾値Ｔｈ_６を“４”近傍に設定することにより、図７の（ｒ）部に示すように、遅れ時間Ｔ_Ｄの“０”から“４”の近傍までの範囲が「測定可能範囲」であると判定される。また、図７の（ｑ）部には、距離計算参照信号Ｒ_１を閾値Ｔｈ_２と比較した結果得られる比較信号Ｐ_２、距離計算参照信号Ｒ_２を閾値Ｔｈ_５と比較した結果得られる比較信号Ｐ_３、及び距離計算参照信号Ｒ_３を閾値Ｔｈ_６と比較した結果得られる比較信号Ｐ_４を示している。

【0047】

最後に、距離画像生成手段３８は、「データ有効範囲」にあると判定され、かつ、「測定可能範囲」にあると判定された場合に、該当画素に関して選択された距離計算参照信号Ｒ_１～Ｒ_３を基に対象物Ｓの距離が算出され、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４の算出結果を平均化して距離情報が算出され、算出した各画素の距離情報を含む距離画像が生成および出力される。

【0048】

上述した手順によれば、入射パルス光Ｌ_Ｒによって生じる電荷量を４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４内の連続する４つの制御パルスＧ_１～Ｇ_４に対応する４×４＝１６個の時間ウィンドウに分配することができるので、遅れ時間Ｔ_Ｄの計算可能な範囲を広げることができ、かつ、時間ウィンドウの時間幅も小さくすることができる。さらに、距離計算参照信号Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３のうちで遅れ時間Ｔ_Ｄに対して線形に変化する値を選んで距離の計算を行うので、対象物Ｓが位置する範囲に対応して適切な距離データ参照信号の値を利用して距離を計算することができ、対象物Ｓの位置にかかわらず精度の高い画像信号を生成することができる。

【0049】

ここで、上述した計算手順では、１つのサブフレームにおける測定可能な距離範囲が、時間Ｔ_０の幅の５つの時間ウィンドウに対して４つの時間ウィンドウ未満に相当する距離範囲である。そのため、図３に示したような各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_３の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングでは、距離測定できない距離範囲が生ずる可能性がある。このようなことを防ぐためには、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_３の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングを、互いに＋３Ｔ_０シフトさせる方式を採用することが好ましい。ただし、この場合は４つのサブフレームで測定可能な距離範囲に相当する時間ウィンドウが３×４＝１２個の時間ウィンドウとなる。

【0050】

上述した本実施形態の作用効果を説明する。

【0051】

本実施形態の距離画像センサ１０によれば、１フレーム期間内に含まれる４つのサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４内で光源１１から定期的に繰り返しパルス光Ｌ_Ｐが発生し、パルス光Ｌ_Ｐの発生に対応して、パルス光Ｌ_Ｐの持続時間Ｔ_０以上の持続時間Ｔ_１の時間ウィンドウが順次設定され、その時間ウィンドウで画素回路１３の光電変換領域２１から第１～第４の電荷読出領域２２_１～２２_４に順次電荷が転送されるとともに、その時間ウィンドウ以外の期間では光電変換領域２１から電荷排出領域２３に電荷が排出される。さらに、サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４ごとに画素回路１３の第１～第４の電荷読出領域２２_１～２２_４から第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４が読み出され、それらをもとに距離が繰り返し計算される。このとき、４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４ごとに、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対する時間ウィンドウの遅れ時間（レンジシフト）が異なる時間にシフトするように設定されている。

【0052】

このように、画素回路１３単位での時間ウィンドウのレンジシフトおよびサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４間での時間ウィンドウのレンジシフトを組み合わせることによって、デューティ比の小さい多数の時間ウィンドウを使った電荷の検出が可能とされる。例えば、図３の例によれば、４×３＝１２種類のレンジシフトの時間ウィンドウが設定される。図４の例によれば、８種類のレンジシフトの時間ウィンドウが設定される。その結果、様々な距離計測範囲の対象物Ｓを対象にした場合であっても、検出信号における背景光ノイズの影響が低減され、距離分解能の高い距離計算が実現されるとともに、強い背景光に起因した検出信号の飽和による距離計算の誤差も防止できる。

【0053】

また、距離画像センサ１０においては、演算回路１２の距離計算手段により、サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４毎に距離が計算されている。この場合、対象物Ｓの距離計測範囲に応じて距離分解能の高い距離の計算が可能となる。

【0054】

また、距離画像センサ１０においては、１フレーム期間内のそれぞれのサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４内におけるパルス光Ｌ_Ｐの繰り返し回数は、レンジシフトのシフト時間が長くなるほど多くなるように重み付けされている。これにより、サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４毎の測距範囲に応じて、遠い測距範囲のフレームに関しては光パルスの投光回数（画素内での電荷の蓄積回数）を多くし、近い測距範囲のフレームに対しては投光回数（画素内での電荷の蓄積回数）を少なくでき、距離分解能を高めることができる。特に、入射パルス光Ｌ_Ｒの強度は距離の二乗に反比例して弱くなることから、サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４を測距距離の二乗で重み付けしている。これにより、距離分解能が最も低下する最長の測距距離のサブフレーム期間に対してより多くの投光回数を割り当てることができ、距離分解能の最低値（最長の測距距離のサブフレーム期間で起こりうる）を改善することができる。例えば、サブフレーム期間の間で均等に投光回数を割り当てた場合と比較して距離分解能の最低値が２^１／２倍改善する。その結果、距離の遠い距離計測範囲における距離分解能の低下を防止でき、全体として効率的に距離分解能を維持することができる。

【0055】

さらに、距離画像センサ１０においては、重み付けされて設定された期間のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４ごとに、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加に応じて発生したそれぞれの第１～第４の電荷読出領域２２_１～２２_４の電圧が第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４として読み出され、それらを用いて距離の計算が実行されている。この場合、強い背景光に起因した検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の飽和を防止できる結果、距離計測のダイナミックレンジを向上させることができる。

【0056】

次に、本実施形態における距離分解能の向上の効果を、比較例と比較しつつ説明する。

【0057】

なお、以下に示すシミュレーションの前提条件を以下の表に示す。

【表1】

【0058】

図８及び図９には、０．２～６ｍの距離範囲を距離計測した際の本実施形態の距離分解能のシミュレーション結果を比較例と比較して示している。図８では、１００ｋｌｕｘの背景光下での計測における分解能、図９では、０ｌｕｘの背景光下での計測における分解能が示される。比較例１は、サブフレーム毎に１種類のレンジシフトを設定し、１フレーム期間内でサブフレームを１種類とした場合、比較例２は、サブフレーム毎に２種類のレンジシフトを設定し、１フレーム期間内でサブフレームを１種類とした場合、比較例３は、サブフレーム毎に３種類のレンジシフトを設定し、１フレーム期間内でサブフレームを１種類とした場合、比較例４は、サブフレーム毎に４種類のレンジシフトを設定し、１フレーム期間内でサブフレームを１種類とした場合、をそれぞれ示している。実施例１は、サブフレーム毎に４種類のレンジシフトを設定し、１フレーム期間内の２種類のサブフレーム期間でサブフレームのレンジシフトを２種類にシフトさせた場合、実施例２は、サブフレーム毎に４種類のレンジシフトを設定し、１フレーム期間内の３種類のサブフレーム期間でサブフレームのレンジシフトを３種類にシフトさせた場合、実施例３は、サブフレーム毎に４種類のレンジシフトを設定し、１フレーム期間内の４種類のサブフレーム期間でサブフレームのレンジシフトを４種類にシフトさせた場合、をそれぞれ示している。ただし、実施例１～３では、複数のサブフレーム期間の長さの重み付けは行わず、複数のサブフレーム期間の長さは１フレーム期間内で均等と設定されていることを想定している。

【0059】

図８に示すように、比較例１では６ｍの距離計測において約７ｍの分解能が見積もられているのに対して、実施例１～３においては、サブフレーム期間の個数を増やすに従って分解能が改善され、実施例３では６ｍの距離計測で２０ｃｍの分解能にまで向上することが判明した。また、図９に示すように、比較例１では６ｍの距離計測において約５．５ｃｍの分解能が見積もられているのに対して、実施例１～３においては、サブフレーム期間の個数を増やすに従って分解能が改善され、実施例３では６ｍの距離計測で８ｍｍの分解能にまで向上することが判明した。

【0060】

また、図１０には、１００ｋｌｕｘの背景光下で０．２～６ｍの距離範囲を距離計測した際の本実施形態の距離分解能のシミュレーション結果を、サブフレーム期間の長さを重み付けした場合と重み付けしない場合とを比較して示している。グラフＲＧ_１５は、実施例３において定数Ｎｅｘｐ＝０としてサブフレーム期間の長さを重み付けしない場合、グラフＲＧ_１６は、実施例３において定数Ｎｅｘｐ＝２．５としてサブフレーム期間の長さを重み付けする場合を示している。この結果より、重み付けしない場合は６ｍまでの距離計測において距離分解能のワースト値が２１．５ｃｍであるのに対し、重み付けした場合は距離分解能のワースト値が１４ｃｍまで改善されている。

【0061】

また、図１１には、１００ｋｌｕｘの背景光下で０．２～６ｍの距離範囲を距離計測した際の本実施形態の信号読み出し毎の発生電子数のシミュレーション結果を、比較例と比較して示している。グラフＣＧ_１は、比較例４において１フレーム期間単位で信号読み出しを行う際の発生電子数を示し、グラフＣＧ_２は、実施例３において、図２の（ｄ）部に示すように設定されたサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４単位で信号を読み出す際の発生電子数を示している。これらの結果に示すように、本実施形態では、広い計測範囲で信号読み出しにおける発生電子数が抑えられている。

【0062】

このように、本実施形態では、サブフレーム毎の信号読み出しを行うことで、太陽光のような強い背景光に起因する大量の電荷による飽和を防止できる。また、画素の電荷検出部の飽和電子数を比較的低く設定できるので、画素に内蔵する電荷検出のためのキャパシタのサイズを小さくできる。例えば、電子数を１００，０００個以下にできれば、１０ｆＦのキャパシタで１００ｋｌｕｘの背景光まで対応できる。キャパシタを小さくできることにより、変換利得を大きくすることができ、ノイズに対しても有利となる。

【0063】

一方で、サブフレーム毎の信号読み出しを行うことで、読み出しノイズが加算され、距離計算の分解能が低下する可能性がある。しかしながら、強い背景光によるショットノイズが支配する状況下では、読み出し１回あたりのノイズを十分に小さくすることによってその影響を小さくすることができる。

【0064】

なお、本発明は、上述した実施形態の態様に限定されるものではない。

【0065】

上述した実施形態では、画素回路１３に４つの電荷読出領域２２_１～２２_４が設けられているが、電荷読出領域は３つ以上であれば任意の個数で設けられていてもよい。その場合は、制御電極及び電圧検出手段は電荷読出領域の個数に対応して設けられ、演算回路１２は、それぞれの電荷読出領域から読み出された検出信号を基に距離情報を計算する。

【0066】

また上述した実施形態では、１フレーム期間に４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４が含まれていたが、２以上のサブフレーム期間であれば任意の種類のサブフレーム期間を含んでいてもよい。その場合は、演算回路１２の電荷転送制御手段３２は、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対して、サブフレーム期間の種類の数に応じて、制御パルスの遅れ時間を異なる時間にシフトさせるように制御パルスのタイミングを設定する。

【0067】

上記実施形態では、演算回路１２の距離計算手段は、１フレーム期間内で４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４毎に第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を対象に距離の計算を実行していた。しかし、そのような態様には限定されない。

【0068】

例えば、距離計算手段は、２つのサブフレーム期間Ｆ_１，Ｆ_２で跨って検出された検出信号を対象に距離の計算を実行してもよい。図１２を参照しながら、このような態様の変形例における、演算回路１２の距離計算手段による距離計算の手順の詳細を説明する。なお、本変形例では、２つのサブフレーム期間Ｆ_１，Ｆ_２で跨って検出された検出信号を基に距離の計算が実行されているが、同様に、２つのサブフレーム期間Ｆ_２，Ｆ_３あるいは２つのサブフレーム期間Ｆ_３，Ｆ_４で跨って検出された検出信号を基に距離の計算が実行されてもよい。

【0069】

図１２は、本変形例によって扱われる各種信号のタイミングチャート、及び計算される各種値の遅れ時間Ｔ_Ｄに対する変化を示すグラフである。図１２において、（ａ）部～（ｃ）部には、それぞれ、サブフレーム期間Ｆ_１において印加される制御パルスＧ_１ ^（１）～Ｇ_４ ^（１）、サブフレーム期間Ｆ_２において印加される制御パルスＧ_１ ^（２）～Ｇ_４ ^（２）、及びパルス光Ｌ_Ｐのタイミングを示し、（ｄ）部～（ｅ）部には、それぞれ、サブフレーム期間Ｆ_１，Ｆ_２において検出される第１～第４の検出信号Ｓ_１ ^（１）～Ｓ_４ ^（１），Ｓ_１ ^（２）～Ｓ_４ ^（２）の値を示している。また、図１２において、（ｆ）部～（ｇ）部には、差分値Ｓ_１－３ ^（１），Ｓ_１－３ ^（２），Ｓ_２－４ ^（１），Ｓ_２－４ ^（２）の値、（ｈ）部～（ｉ）部には、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａ ^（１），Ｓ_Ａ ^（２）の値、（ｊ）部～（ｏ）部には、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（１），Ｙ_Ｒ ^（１），Ｘ_Ｒ ^（Ｂ），Ｙ_Ｒ ^（Ｂ），Ｘ_Ｒ ^（２），Ｙ_Ｒ ^（２）の値を、遅れ時間Ｔ_Ｄに対応して示し、（ｐ）部には、遅れ時間Ｔ_Ｄにおけるデータ有効範囲を示し、（ｑ）部には、遅れ時間Ｔ_Ｄにおける測定可能範囲を示す。

【0070】

本変形例にかかる演算回路１２は、上述した実施形態と同様にして、それぞれのサブフレーム期間Ｆ_１，Ｆ_２において検出された検出信号Ｓ_１ ^（１）～Ｓ_４ ^（１），Ｓ_１ ^（２）～Ｓ_４ ^（２）を基に、差分値Ｓ_１－３ ^（１），Ｓ_１－３ ^（２），Ｓ_２－４ ^（１），Ｓ_２－４ ^（２）を計算する。そして、演算回路１２は、これらの差分値を基に、上述した実施形態と同様にして、各サブフレーム期間Ｆ_１，Ｆ_２に対応した距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａ ^（１），Ｓ_Ａ ^（２）の値を計算する。そして、それぞれの距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａ ^（１），Ｓ_Ａ ^（２）の値が閾値Ｔｈ_１と比較されることにより、それぞれの検出信号Ｓ_１ ^（１）～Ｓ_４ ^（１），Ｓ_１ ^（２）～Ｓ_４ ^（２）を用いた距離の計算が有効であるか否かが判定される。例えば、閾値Ｔｈ_１を“０”近傍に設定することにより、図１２の（ｐ）部に示すように、遅れ時間Ｔ_Ｄの“－１”～“０”の間の値から“７”～“８”の間の値までの範囲が、距離の計算が有効な範囲である「データ有効範囲」であると判定される。

【0071】

さらに、上記実施形態と同様にして、サブフレーム期間Ｆ_１に対応して、第１の距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（１）及び第２の距離計算参照信号Ｙ_Ｒ ^（１）の値が計算される。それに加えて、本変形例では、２つのサブフレーム期間Ｆ_１，Ｆ_２に跨って検出された検出信号を基に、下記式（１０）及び（１１）を用いて、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（Ｂ），Ｙ_Ｒ ^（Ｂ）の値が計算される。
Ｘ_Ｒ ^（Ｂ）＝３＋（Ｓ_１－３ ^（１）＋Ｓ_１－３ ^（２））／（Ｓ_Ａ ^（１）＋Ｓ_Ａ ^（２））…（１０）
Ｙ_Ｒ ^（Ｂ）＝４＋（Ｓ_２－４ ^（１）＋Ｓ_２－４ ^（２））／（Ｓ_Ａ ^（１）＋Ｓ_Ａ ^（２））…（１１）
さらに、サブフレーム期間Ｆ_２に対応して、第１の距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（２）及び第２の距離計算参照信号Ｙ_Ｒ ^（２）の値が、下記式（１２）及び（１３）を用いて、計算される。
Ｘ_Ｒ ^（２）＝５－Ｓ_１－３ ^（２）／Ｓ_Ａ ^（２）…（１２）
Ｙ_Ｒ ^（２）＝６－Ｓ_２－４ ^（２）／Ｓ_Ａ ^（２）…（１３）

【0072】

次に、本変形例にかかる演算回路１２によって、距離計算のために参照する値が、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（１），Ｘ_Ｒ ^（Ｂ），Ｘ_Ｒ ^（２）と距離計算参照信号Ｙ_Ｒ ^（１），Ｙ_Ｒ ^（Ｂ），Ｙ_Ｒ ^（２）とのうちから選択される。例えば、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａ ^（１）の値が閾値Ｔｈ_１以上である場合には、上記実施形態と同様にして、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（１），Ｙ_Ｒ ^（１）の値に応じて、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（１）及びＹ_Ｒ ^（１）のいずれかが選択される。距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａ ^（２）の値が閾値Ｔｈ_１以上である場合には、上記実施形態と同様にして、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（２），Ｙ_Ｒ ^（２）の値に応じて、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（２）及びＹ_Ｒ ^（２）のいずれかが選択される。さらに、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａ ^（１），Ｓ_Ａ ^（２）のいずれかの値が閾値Ｔｈ_１以上である場合であって、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（１），Ｘ_Ｒ ^（２）と距離計算参照信号Ｙ_Ｒ ^（１），Ｙ_Ｒ ^（２）とのうちからいずれの値も選択されなかった場合には、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（Ｂ），Ｙ_Ｒ ^（Ｂ）の値に応じて、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（Ｂ）及びＹ_Ｒ ^（Ｂ）のいずれかが選択される。

【0073】

最後に、本変形例にかかる演算回路１２によって、「データ有効範囲」にあると判定され、かつ、「測定可能範囲」にあると判定された場合に、該当画素に関して選択された距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（１），Ｘ_Ｒ ^（Ｂ），Ｘ_Ｒ ^（２），Ｙ_Ｒ ^（１），Ｙ_Ｒ ^（Ｂ），Ｙ_Ｒ ^（２）を基に対象物Ｓの距離が算出され、全てのサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４における算出結果を平均化して距離情報が算出され、算出した各画素の距離情報を含む距離画像が生成および出力される。

【0074】

上述した手順によっても、入射パルス光Ｌ_Ｒによって生じる電荷量を４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４内の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４に対応する４×４＝１６個の時間ウィンドウに分配することができるので、遅れ時間Ｔ_Ｄに対応した計算可能な範囲を広げることができ、かつ、時間ウィンドウの時間幅も小さくすることができる。さらに、距離計算参照信号Ｘ_Ｒ ^（１），Ｘ_Ｒ ^（Ｂ），Ｘ_Ｒ ^（２），Ｙ_Ｒ ^（１），Ｙ_Ｒ ^（Ｂ），Ｙ_Ｒ ^（２）のうちで遅れ時間Ｔ_Ｄに対して線形に変化する値を選んで距離の計算を行うので、対象物Ｓが位置する範囲に対応して適切な距離データ参照信号の値を利用して、切れ目のない範囲の距離を計算することができ、対象物Ｓの位置にかかわらず精度の高い画像信号を生成することができる。例えば、１つのサブフレーム期間ごとに４つの時間ウィンドウを設定し、３つのサブフレーム期間毎に距離の計算を行うと、１１個の時間ウィンドウに対して入射パルス光Ｌ_Ｒが入射した場合にシンプルな計算で距離を求めることができる。同様に、Ｍ個の時間ウィンドウが設定されたサブフレーム期間をＮ種類設定する場合は、連続したＭ×Ｎ－１個の時間ウィンドウに対応して入射パルス光Ｌ_Ｒが入射した場合を想定して距離を計算することができる。

【0075】

また、上述した実施形態では、４種類のサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４の間で、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のうち少なくとも制御パルスＧ_１の印加回数を変化させるように構成されてもよい。図１３を参照しながら、このような態様の変形例における、演算回路１２の電荷転送制御手段３２による制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加タイミングの制御の詳細を説明する。

【0076】

図１３は、本変形例におけるサブフレーム期間Ｆ_１でのパルス光Ｌ_Ｐ及び第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の制御タイミングを示すタイミングチャートである。なお、図１３には、サブフレーム期間Ｆ_１でのタイミング制御を示しているが、他のサブフレーム期間Ｆ_２～Ｆ_４でのタイミング制御は、図３又は図４に示した制御状態と同一であってよい。

【0077】

すなわち、本変形例の電荷転送制御手段３２では、パルス光Ｌ_Ｐの印加タイミングに対する第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の遅れ時間が短いサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４において、順次印加される第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加回数のレート（単位時間当たりの印加回数）を、第４～第１の制御パルスＧ_４～Ｇ_１の順番で下げるように、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加タイミングを制御する。ただし、少なくとも第１の制御パルスＧ_１の印加回数のレートが下げられていればよい。すなわち、図１３に示す例では、電荷転送制御手段３２は、遅れ時間が最も短いサブフレーム期間Ｆ_１において、制御パルスＧ_１～Ｇ_３の印加回数を間引くように制御し、サブフレーム期間Ｆ_１内での間引き回数を、第３～第１の制御パルスＧ_３～Ｇ_１の順番で多くするように制御する。より具体的には、サブフレーム期間Ｆ_１内での第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加回数が、それぞれ、Ｎ１・（１／４）、Ｎ１・（２／４）、Ｎ１・（３／４）、Ｎ１となるように制御される。

【0078】

また、本変形例では、サブフレーム期間Ｆ_１でのパルス光Ｌ_Ｐ及び第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の制御タイミングが、図１４に示すように制御されてもよい。

【0079】

すなわち、本変形例の電荷転送制御手段３２では、パルス光Ｌ_Ｐの印加タイミングに対する第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の遅れ時間が短いサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４において、パルス光Ｌ_Ｐの印加直後に印加される測定対象の距離範囲に相当する遅れ時間を持つ第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加回数のレートを、第４～第１の制御パルスＧ_４～Ｇ_１の順番で下げるように、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加タイミングを制御する。ただし、少なくとも第１の制御パルスＧ_１の印加回数のレートが下げられていればよい。すなわち、図１４に示す例では、電荷転送制御手段３２は、遅れ時間が最も短いサブフレーム期間Ｆ_１において、制御パルスＧ_１～Ｇ_３の一部をパルス光Ｌ_Ｐの印加直前の測定対象の距離範囲に相当しない遅れ時間のタイミングに変更するように制御し、サブフレーム期間Ｆ_１内での印加タイミングの変更回数を、第３～第１の制御パルスＧ_３～Ｇ_１の順番で多くするように制御する。このように印加タイミングが変更された制御パルスＧ_３～Ｇ_１の印加により、背景光のみが検出信号に反映されるようになる。より具体的には、サブフレーム期間Ｆ_１内でのパルス光Ｌ_Ｐの印加直後に印加される第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加回数が、それぞれ、Ｎ１・（１／４）、Ｎ１・（２／４）、Ｎ１・（３／４）、Ｎ１となるように制御される。

【0080】

上記変形例によれば、近い距離計測範囲の対象物Ｓを対象にした場合に検出信号の飽和を防止できる結果、距離計測のダイナミックレンジを向上させることができる。すなわち、近距離領域の対象物Ｓを対象にした場合には、強い入射パルス光Ｌ_Ｒに起因して発生電子数が非常に多くなり、画素回路１３における飽和電子数を超える可能性がある。本変形例では、近距離領域の測定のための時間ウィンドウが設定されたサブフレーム期間においては時間ウィンドウによる電荷取り込み回数を少なくして発生電子数を抑えている。その結果、画素回路１３における発生電子数を飽和電子数の範囲に収めることができ、遠距離領域の対象物Ｓを対象にした場合の距離分解能を十分に高めつつ、近距離領域の対象物を対象にした場合の距離分解能も十分な値に維持できる。

【0081】

図１５には、０ｌｕｘの背景光下で０．２～６ｍの距離範囲を距離計測した際の本変形例の信号読み出し毎の発生電子数のシミュレーション結果を示している。グラフＣＧ_３は、サブフレーム期間Ｆ_１において第１の制御パルスＧ_１の印加回数を１／４に間引きし、第２の制御パルスＧ_２の印加回数を２／４に間引きした場合における１フレーム期間での発生電子数を示している。また、グラフＣＧ_４は、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４を間引きしない場合における１フレーム期間での発生電子数を示している。これらの結果に示すように、本変形例では、約１ｍの距離までの近い計測範囲で信号読み出しにおける発生電子数が抑えられている。

【0082】

また、図１６には、０ｌｕｘの背景光下で０．２～６ｍの距離範囲を距離計測した際の本変形例における距離分解能のシミュレーション結果を示している。グラフＲＧ_１７は、サブフレーム期間Ｆ_１において第１の制御パルスＧ_１の印加回数を１／４に間引きし、第２の制御パルスＧ_２の印加回数を２／４に間引きした場合における距離分解能を示している。また、グラフＲＧ_１８は、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４を間引きしない場合における距離分解能を示している。グラフＲＧ_１７に示すように、本変形例では、制御パルスを間引きした場合でも距離分解能は０．８ｍの距離において約３．２ｍｍ以下に抑えられている。

【0083】

また、上述した実施形態では、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４毎の長さが、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対する制御パルスＧ_１～Ｇ_４のそれぞれの遅れ時間が長くなるほど長くなるように設定されている。その代わりに、変形例として、１フレーム期間内のそれぞれのサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４内におけるパルス光Ｌ_Ｐの強度が、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対する制御パルスＧ_１～Ｇ_４のそれぞれの遅れ時間が短くなるほど弱くなるように重み付けして設定されてもよい。

【0084】

図１７には、このような態様の変形例における、演算回路１２の電荷転送制御手段３２及び光源制御手段３１による制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加タイミング及びパルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングを示している。この変形例では、演算回路１２の光源制御手段３１によって、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_３内において発生するパルス光Ｌ_Ｐの強度が、それぞれ、Ｉ_１、Ｉ_２、Ｉ_３（Ｉ_１＜Ｉ_２＜Ｉ_３）と設定される。詳細には、光源１１が点光源であると想定できる場合、パルス光Ｌ_Ｐの反射光が距離の２乗に反比例して減衰するので、下記式；
Ｉ_１：Ｉ_２：Ｉ_３＝（１／３）^２：（２／３）^２：１＝１：４：９
に示すような重み付けによって設定される。サブフレーム期間Ｆ_４内のパルス光Ｌ_Ｐの強度も同様に設定される。この際、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４内におけるパルス光Ｌ_Ｐの繰り返し回数Ｎ_１～Ｎ_４は、同等に設定される。

【0085】

このような変形例によっても、サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４毎の測距範囲に応じて、遠い測距範囲のフレームに関しては光パルスの投光強度を高くし、近い測距範囲のフレームに対しては投光強度を低くでき、距離分解能を高めることができる。特に、入射パルス光Ｌ_Ｒの強度は距離の二乗に反比例して弱くなることから、光パルスの強度を測距距離の二乗で重み付けしている。これにより、距離分解能が最も低下する最長の測距距離のサブフレーム期間に対してより強いパルス光を使用することができ、距離分解能の最低値（最長の測距距離のサブフレーム期間で起こりうる）を改善することができる。その結果、距離の遠い距離計測範囲における距離分解能の低下を防止でき、全体として効率的に距離分解能を維持することができる。

【0086】

また、他の変形例として、１フレーム期間内のそれぞれのサブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４内において、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対する制御パルスＧ_１～Ｇ_４の遅れ時間が短くなるほど、電荷読出領域２２_１～２２_４の持つ容量が大きくなるように制御されてもよい。

【0087】

図１８には、このような態様の変形例における画素回路１３の要部の等価回路図を示している。図１８において、フォトダイオードＤ_ｉｊが光電変換領域２１に対応し、電荷排出用ＭＯＳトランジスタＱ_Ｄのゲート端子が第５の制御電極２５に対応し、転送用ＭＯＳトランジスタＱ_１Ｔ～Ｑ_４Ｔのゲート端子がそれぞれ第１～第４の制御電極２４_１～２４_４に対応する。フォトダイオードＤ_ｉｊから転送用ＭＯＳトランジスタＱ_１Ｔ～Ｑ_４Ｔに至る静電誘導チャネル部は、自己のゲート端子が接地された接合型電界効果トランジスタＱ_Ｐ１，Ｑ_Ｐ２で表される。直列接続された２つの接合型電界効果トランジスタＱ_Ｐ１，Ｑ_Ｐ２の中間タップに、電荷排出用ＭＯＳトランジスタＱ_Ｄのソース端子が接続され、電荷排出用ＭＯＳトランジスタＱ_Ｄのドレイン端子が高電位の電源Ｖ_ＤＤに接続されている。等価回路上では、転送用ＭＯＳトランジスタＱ_１Ｔ～Ｑ_４Ｔのそれぞれの一方の端部が接合型電界効果トランジスタＱ_Ｐ２にＴ字型に接続された構成として表される。

【0088】

さらに、図１８に示すように、転送用ＭＯＳトランジスタＱ_１Ｔ～Ｑ_４Ｔのそれぞれの他方の端部には、電荷読出領域２２_１～２２_４、及び電圧検出手段２６_１～２６_４が接続される。等価回路上は、電荷読出領域２２_ｋ（ｋ＝１，２，３，４）は、ノードＤ_ｋ、キャパシタ（容量素子）Ｃ_ｋａ，Ｃ_ｋｂ，Ｃ_ｋｃ、及び容量スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ_ｋｂ，Ｑ_ｋｃで表され、電圧検出手段２６_ｋ（ｋ＝１，２，３，４）は、ＭＯＳトランジスタＱ_ｋＡ，Ｑ_ｋＳ、及び端子ＳＬ_ｋで表される。

【0089】

電荷読出領域２２_ｋにおいては、ノードＤ_ｋとグラウンドとの間には、電荷蓄積用のキャパシタＣ_ｋａが接続され、それと並列に、容量スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ_ｋｂと電荷蓄積用のキャパシタＣ_ｋｂとの直列回路、及び、容量スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ_ｋｃと電荷蓄積用のキャパシタＣ_ｋｃとの直列回路が接続されている。そして、容量スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ_ｋｂの４つのゲート端子が制御線ＳＣ_ｂに接続され、容量スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ_ｋｃの４つのゲート端子が制御線ＳＣ_ｃに接続され、演算回路１２の電荷転送制御手段３２から制御線ＳＣ_ｂ及び制御線ＳＣ_ｃに与えられる制御信号によって、容量スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ_ｋｂ及び容量スイッチ用ＭＯＳトランジスタＱ_ｋｃのオン／オフが独立に制御可能とされている。その結果、電荷転送制御手段３２によって、電荷読出領域２２_１～２２_４の持つ容量が、４通りで変化するように制御可能とされる。

【0090】

ノードＤ_ｋには、ノードＤ_ｋの電荷量の変化に伴う電位変化を読み出すためのソースフォロア回路を構成する増幅トランジスタＱ_ｋＡのゲート端子に接続され、ノードＤ_ｋにはさらに、信号の読み出し後に信号電荷を初期化するためのリセットトランジスタＱ_ｋＲが接続されている。また、増幅トランジスタＱ_ｋＡのソース端子には、読出画素選択用のスイッチとしての選択トランジスタＱ_ｋＳが接続され、選択トランジスタＱ_ｋＳの出力は検出信号を読み出すための信号読出線Ｓ_ｋに接続されている。

【0091】

このような変形例においては、演算回路１２の電荷転送制御手段３２によって、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４において電荷を転送し検出信号を読み出す際に、電荷読出領域２２_１～２２_３の持つ容量を、それぞれ、Ｃ_１、Ｃ_２、Ｃ_３（Ｃ_１＞Ｃ_２＞Ｃ_３）と設定する。詳細には、光源１１が点光源であると想定できる場合、パルス光Ｌ_Ｐの反射光が距離の２乗に反比例して減衰するので、下記式；
Ｃ_１：Ｃ_２：Ｃ_３＝１：（２／３）^２：（１／３）^２＝９：４：１
に示すような重み付けによって設定される。例えば、Ｃ_ｋａ：Ｃ_ｋｂ：Ｃ_ｋｃ＝１：３：５とし、Ｃ_１＝Ｃ_ｋａ＋Ｃ_ｋｂ＋Ｃ_ｋｃ、Ｃ_２＝Ｃ_ｋａ＋Ｃ_ｋｂ、Ｃ_３＝Ｃ_ｋａと設定するように制御することで、このような重み付けが実現される。電荷読出領域２２_４の持つ容量も同様に設定される。この際、各サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４内におけるパルス光Ｌ_Ｐの繰り返し回数Ｎ_１～Ｎ_４は、同等に設定される。

【0092】

このような変形例によっても、サブフレーム期間Ｆ_１～Ｆ_４毎の測距範囲に応じて、遠い測距範囲のフレームに関しては電荷を蓄積する容量を小さく、近い測距範囲のフレームに対しては電荷を蓄積する容量を大きくでき、距離分解能を高めることができる。特に、入射パルス光Ｌ_Ｒの強度は距離の二乗に反比例して弱くなることから、距離分解能が最も低下する最長の測距距離のサブフレーム期間に対してより小さい容量を使用することができ、距離分解能の最低値（最長の測距距離のサブフレーム期間で起こりうる）を改善することができる。その結果、距離の遠い距離計測範囲における距離分解能の低下を防止でき、全体として効率的に距離分解能を維持することができる。

【0093】

ここで、上記実施形態では、距離計算手段は、第１～第Ｎのサブフレーム期間内のそれぞれにおいて第１～第Ｍの制御パルスの印加に応じて検出された第１～第Ｍの検出信号を用いて、距離を計算する、こととしてもよい。この場合、対象物の距離計測範囲に応じて距離分解能の高い距離の計算が可能となる。

【0094】

また、距離計算手段は、第１～第Ｎのサブフレーム期間内のうちの２つのサブフレーム期間内において第１～第Ｍの制御パルスの印加に応じて検出された第１～第Ｍの検出信号を用いて、距離を計算する、こととしてもよい。この場合、対象物の複数の距離計測範囲に跨って切れ目のない距離の計算が可能となる。

【0095】

また、１フレーム期間内のそれぞれの第１～第Ｎ（Ｎは２以上の整数）のサブフレーム期間内におけるパルス光の繰り返し回数は、パルス光の発生タイミングに対する第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間が長くなるほど多くなるように、重み付けされる、ことでもよい。これにより、距離の遠い距離計測範囲における距離分解能の低下を防止でき、全体として効率的に距離分解能を維持することができる。

【0096】

さらに、電圧検出手段は、重み付けされて設定された期間のサブフレーム期間ごとに、第１～第Ｍの制御パルスの印加に応じて発生したそれぞれの第１～第Ｍの電荷読出領域の電圧を第１～第Ｍの検出信号として読み出してもよい。この場合、強い背景光に起因した検出信号の飽和を防止できる結果、距離計測のダイナミックレンジを向上させることができる。

【0097】

またさらに、電荷転送制御手段は、第１～第Ｎのサブフレーム期間の間で、パルス光の発生タイミングに対する第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間が短くなるほど、順次印加される第１～第Ｍの制御パルスのうちの少なくとも第１の制御パルスの印加回数のレートを下げるように設定する、ことでもよい。かかる構成を採れば、近い距離計測範囲の対象物を対象にした場合に検出信号の飽和を防止できる結果、距離計測のダイナミックレンジを向上させることができる。

【0098】

さらにまた、電荷転送制御手段は、第１～第Ｎのサブフレーム期間の間で、パルス光の発生タイミングに対する第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間が短くなるほど、順次印加される第１～第Ｍの制御パルスのうちの少なくとも第１の制御パルスの印加回数を間引くように設定する、ことでもよい。かかる構成を採れば、近い距離計測範囲の対象物を対象にした場合に検出信号の飽和を防止できる結果、距離計測のダイナミックレンジを向上させることができる。

【0099】

また、前記１フレーム期間内のそれぞれの前記第１～第Ｎのサブフレーム期間内における前記パルス光の強度は、前記パルス光の発生タイミングに対する前記第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間が短くなるほど弱くなるように、重み付けされる、ことでもよい。この場合、近い距離計測範囲の対象物を対象にした場合に検出信号の飽和を防止できる結果、距離計測のダイナミックレンジを向上させることができる。

【0100】

また、前記１フレーム期間内のそれぞれの前記第１～第Ｎのサブフレーム期間内において、前記パルス光の発生タイミングに対する前記第１～第Ｍの制御パルスの遅れ時間が短くなるほど、前記第１～第Ｍの電荷読出領域の持つ容量が大きくなるように制御される、ことでもよい。この場合、近い距離計測範囲の対象物を対象にした場合に検出信号の飽和を防止できる結果、距離計測のダイナミックレンジを向上させることができる。

【0101】

また、画素回路部が２次元アレイ状に配列されたイメージセンサを含んでいてもよい。かかる構成によれば、対象物の位置にかかわらず精度の高い２次元距離情報を含む距離画像を生成することができる。

【産業上の利用可能性】

【0102】

本発明の一側面は、画素毎に距離情報を含む距離画像を生成する距離画像測定装置および距離画像測定方法を使用用途とし、様々な距離計測範囲の対象物を対象にして距離分解能が向上された画像信号を生成することができるものである。

【符号の説明】

【0103】

１０…距離画像センサ（距離画像測定装置）、１１…光源、１２…演算回路、１３…画素回路（画素回路部）、２１…光電変換領域、２２_１～２２_４…電荷読出領域、２３…電荷排出領域、２４_１～２４_４，２５…制御電極、２６_１～２６_４…電圧検出手段、３１…光源制御手段、３２…電荷転送制御手段、３３…距離データ有効性判定信号生成手段、３４…距離データ有効性判定手段、３５…無効画素識別値生成手段、３６…距離計算参照信号生成手段、３７…距離計算参照信号選択手段、３８…距離画像生成手段、Ｆ_１～Ｆ_４…サブフレーム期間、Ｇ_１～Ｇ_４，Ｇ_Ｄ…制御パルス、Ｌ_Ｐ…パルス光、Ｓ…対象物。

【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】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】