特許 7411235 距離画像測定装置、距離画像測定システム、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】2023-12-27

(45)【発行日】2024-01-11

(54)【発明の名称】距離画像測定装置、距離画像測定システム、及び距離画像測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01S 7/4863 20200101AFI20231228BHJP

   G01S 17/894 20200101ALI20231228BHJP

   G01S 17/10 20200101ALI20231228BHJP

   G01S 7/495 20060101ALI20231228BHJP

【ＦＩ】

G01S7/4863

G01S17/894

G01S17/10

G01S7/495

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020566405

(86)(22)【出願日】2020-01-10

(86)【国際出願番号】 JP2020000754

(87)【国際公開番号】W WO2020149243

(87)【国際公開日】2020-07-23

【審査請求日】2022-11-29

(31)【優先権主張番号】P 2019004317

(32)【優先日】2019-01-15

(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】渡辺 慶人

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１９１０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－２１５１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０５９８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１１０４１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開昭４８－０９０５５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０７４０５８１２（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｓ ７／４８ － ７／５１

１７／００ － １７／９５

Ｇ０１Ｂ １１／００ － １１／３０

Ｇ０１Ｃ ３／００ － ３／３２

Ｈ０１Ｌ ２７／１４ － ２７／１４８

２７／３０

２９／７６

３１／１２ － ３１／１６

(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、周期的なフレーム期間内で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、及び前記光電変換領域と前記第１～第Ｍの電荷読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の電荷読出領域との間における電荷転送のための第１～第Ｍの制御パルスを印加するための第１～第Ｍ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、前記フレーム期間内に第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に応じて前記画素回路部の前記第１～第Ｍの電荷読出領域に転送された電荷の量である第１～第Ｍの電荷量に応じた検出信号を読み出す信号読出手段と、
前記検出信号を基に、前記第１～第Ｍの電荷量のうちの２つの電荷量の差分値から距離を繰り返し計算する距離計算手段と、
擬似乱数を発生させる擬似乱数発生手段と、を備え、
前記光源制御手段は、前記擬似乱数に応じて、前記パルス光の発生タイミングを変更し、
前記電荷転送制御手段は、前記擬似乱数に応じて、前記第１～第Ｍの制御パルスの印加のタイミングのうちで、前記２つの電荷量に対応する電荷を転送するための２つの制御パルスの印加のタイミングを互いのタイミングに入れ替えるような２つのタイミング間で変更することにより、外部から混入するパルス光による前記２つの電荷量の差分値への影響を相殺させる、
距離画像測定装置。

【請求項2】

前記擬似乱数発生手段は、ＰＮ系列を発生させ、
前記光源制御手段は、前記ＰＮ系列の値に応じて、前記パルス光の発生タイミングを前記フレーム期間内で第１のタイミングと第２のタイミングとの間で変更し、
前記電荷転送制御手段は、前記ＰＮ系列の値に応じて、前記第１～第Ｍの制御パルスのうちの前記第１のタイミングの直後に印加する制御パルスを、前記第１～第Ｍの制御パルスのうちの第２のタイミングの直後に印加する制御パルスと入れ替える、
請求項１記載の距離画像測定装置。

【請求項3】

前記光源制御手段は、前記ＰＮ系列の値に応じて、前記パルス光の発生タイミングを、前記フレーム期間における第１のサブフレーム内と前記フレーム期間内における第２のサブフレーム内との間で変更し、
前記電荷転送制御手段は、前記ＰＮ系列の値に応じて、前記第１～第Ｍの制御パルスのうちの前記第１のサブフレーム内で印加する制御パルスの順番と、前記第１～第Ｍの制御パルスのうちの前記第２のサブフレーム内で印加する制御パルスの順番とを入れ替える、
請求項２記載の距離画像測定装置。

【請求項4】

前記擬似乱数発生手段は、Ｍ系列を発生させる、
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5】

前記画素回路部が半導体チップ上に２次元アレイ状に配列され、
前記光源制御手段、前記電荷転送制御手段、前記信号読出手段、及び前記擬似乱数発生手段は、前記半導体チップ上に構成されている、
請求項１～４のいずれか１項に記載の距離画像測定装置。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載の距離画像測定装置を複数備え、
複数の前記距離画像測定装置においては、前記フレーム期間の周期が同一に設定されている、
距離画像測定システム。

【請求項7】

光源制御手段が、第１の持続時間を有するパルス光を、周期的なフレーム期間内で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、及び前記光電変換領域と前記第１～第Ｍの電荷読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の電荷読出領域との間における電荷転送のための第１～第Ｍの制御パルスを印加するための第１～第Ｍ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、前記フレーム期間内に第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する電荷転送制御ステップと、
信号読出手段が、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に応じて前記画素回路部の前記第１～第Ｍの電荷読出領域に転送された電荷の量である第１～第Ｍの電荷量に応じた検出信号を読み出す信号読出ステップと、
距離計算手段が、前記検出信号を基に、前記第１～第Ｍの電荷量のうちの２つの電荷量の差分値から距離を繰り返し計算する距離計算ステップと、
擬似乱数発生手段が、擬似乱数を発生させる擬似乱数発生ステップとを備え、
前記光源制御ステップでは、前記擬似乱数に応じて、前記パルス光の発生タイミングを変更し、
前記電荷転送制御ステップでは、前記擬似乱数に応じて、前記第１～第Ｍの制御パルスの印加のタイミングのうちで、前記２つの電荷量に対応する電荷を転送するための２つの制御パルスの印加のタイミングを互いのタイミングに入れ替えるような２つのタイミング間で変更することにより、外部から混入するパルス光による前記２つの電荷量の差分値への影響を相殺させる、
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、距離画像測定システム、及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装置が用いられている（例えば、下記特許文献１，２参照）。この下記特許文献１に記載の装置は、光源から照射する変調光の発光期間と、電荷蓄積部の各単位蓄積部における電荷の蓄積期間とを一定としながら、変調周期ごとに周期の長さを変化させるように発光と蓄積とを制御している。また、下記特許文献２に記載の装置は、光源部と受光部とを有し、光源部による光の出射に応じて受光部が受光量を蓄積する周期である蓄積周期において、光源部及び受光部を動作させるタイミングをランダムに変化させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－７６６４５号公報

【文献】特開２０１７－１９１０４２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、上述した従来の装置では、複数の装置が同時に使用された場合に、さらに測定精度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、複数の装置が同時に使用された場合に十分に測定精度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、距離画像測定システム、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、周期的なフレーム期間内で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、及び光電変換領域と第１～第Ｍの電荷読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の電荷読出領域との間における電荷転送のための第１～第Ｍの制御パルスを印加するための第１～第Ｍ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、フレーム期間内に第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に応じて画素回路部の第１～第Ｍの電荷読出領域に転送された電荷の量である第１～第Ｍの電荷量に応じた検出信号を読み出す信号読出手段と、検出信号を基に、第１～第Ｍの電荷量のうちの２つの電荷量の差分値から距離を繰り返し計算する距離計算手段と、擬似乱数を発生させる擬似乱数発生手段と、を備え、光源制御手段は、擬似乱数に応じて、パルス光の発生タイミングを変更し、電荷転送制御手段は、擬似乱数に応じて、第１～第Ｍの制御パルスの印加のタイミングのうちで、２つの電荷量に対応する電荷を転送するための２つの制御パルスの印加のタイミングを入れ替えるように変更する。

【0007】

あるいは、本発明の他の形態にかかる距離画像測定システムは、上記形態の距離画像測定装置を複数備え、複数の距離画像測定装置においては、フレーム期間の周期が同一に設定されている。

【0008】

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、周期的なフレーム期間内で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、及び光電変換領域と第１～第Ｍの電荷読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の電荷読出領域との間における電荷転送のための第１～第Ｍの制御パルスを印加するための第１～第Ｍ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、フレーム期間内に第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する電荷転送制御ステップと、信号読出手段が、電荷転送制御手段による第１～第Ｍの制御パルスの印加に応じて画素回路部の第１～第Ｍの電荷読出領域に転送された電荷の量である第１～第Ｍの電荷量に応じた検出信号を読み出す信号読出ステップと、距離計算手段が、検出信号を基に、第１～第Ｍの電荷量のうちの２つの電荷量の差分値から距離を繰り返し計算する距離計算ステップと、擬似乱数発生手段が、擬似乱数を発生させる擬似乱数発生ステップとを備え、光源制御ステップでは、擬似乱数に応じて、パルス光の発生タイミングを変更し、電荷転送制御ステップでは、擬似乱数に応じて、第１～第Ｍの制御パルスの印加のタイミングのうちで、２つの電荷量に対応する電荷を転送するための２つの制御パルスの印加のタイミングを入れ替えるように変更する。

【0009】

上記形態の距離画像測定装置、距離画像測定システム、あるいは距離画像測定方法によれば、周期的な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。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の電荷量に応じた検出信号が読み出され、それらをもとに２つの電荷量の差分値から距離が繰り返し計算される。このとき、擬似乱数に応じて、パルス光の発生タイミングが変更されるとともに差分値の基となる２つの電荷読出領域のフレーム期間内で時間ウィンドウのタイミングが入れ替えられる。その結果、複数の距離画像測定装置が同時測定を実行してパルス光を発生させた場合であっても、外部の距離画像測定装置から混入するパルス光による２つの電荷量の差分値への影響を低減することができる。その結果、複数の距離画像測定装置が同時測定を実行した場合であっても、混入するパルス光の存在による距離計算の誤差が低減され、測定精度が十分に向上された画像信号を生成することができる。

【発明の効果】

【0010】

本発明の一側面によれば、複数の装置が同時に使用された場合に十分に測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【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】擬似乱数発生回路３５の構成の一例を示す回路図である。

【図3】パルス発生回路３４及びゲーティング回路３７の構成の一例を示すブロック図である。

【図4】パルス発生回路３４によって生成された制御パルス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。

【図5】パルスパターン発生回路３３及びゲーティング回路３６の構成の一例を示すブロック図である。

【図6】パルスパターン発生回路３３によって生成された制御パルスＰ_１，Ｐ_２のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。

【図7】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8】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、及び距離画像センサ１０によって各フレーム期間毎に検出される検出信号の値の変化を示す図である。

【図9】２タップの構成の変形例によって扱われる各種信号のタイミング、及び各フレーム期間毎に検出される検出信号の値の変化を示す図である。

【図10】３タップの構成の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11】３タップの構成の変形例によって扱われる各種信号のタイミング、及び変形例によって各フレーム期間毎に検出される検出信号の値の変化を示す図である。

【図12】４タップの構成の変形例によって扱われる各種信号のタイミング、及び変形例によって各フレーム期間毎に検出される検出信号の値の変化を示す図である。

【図13】８タップの構成の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14】８タップの構成の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15】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、及び距離画像センサ１０によって各フレーム期間毎に検出される検出信号の値の変化を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

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。

【0013】

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。本実施形態では、演算回路１２は、画素回路１３とともに同一の半導体チップ上に搭載されたオンチップの集積回路によって構成されている。なお、「同一の半導体チップ上」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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

次に、演算回路１２の構成について説明する。演算回路１２は、光源ドライバ３１、画素ドライバ３２、パルスパターン発生回路３３、パルス発生回路３４、擬似乱数発生回路（擬似乱数発生手段）３５、ゲーティング回路３６、ゲーティング回路３７、信号読出回路（信号読出手段）３８、及び距離計算手段３９を含んで構成される。光源ドライバ３１、ゲーティング回路３６、及びパルスパターン発生回路３３は、本実施形態の光源制御手段を構成する。また、画素ドライバ３２、ゲーティング回路３７、及びパルス発生回路３４は、本実施形態の電荷転送制御手段を構成する。

【0019】

擬似乱数発生回路３５は、光源１１の発光タイミング及び画素回路１３における電荷転送のタイミングを変更するために用いられるビット列である擬似乱数を生成する回路である。具体的には、擬似乱数発生回路３５は、擬似ノイズ（ＰＮ：Pseudo Noise）系列の１種であるＭ系列（Maximum-Length Sequences）を生成する。このＭ系列はあるビット数で周期的に繰り返されるビット列であり、各ビット列はパルス光Ｌ_Ｐの発光周期であるフレーム期間に同期して生成される。

【0020】

光源ドライバ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_ｐのパルス光Ｌ_Ｐを、予め設定された長さの周期的に繰り返される期間Ｔ_ｆ(例えば、１／１２０ｓｅｃ)である１フレームの期間内で繰り返し発生させるように制御する。このとき、光源ドライバ３１は、ゲーティング回路３６から出力される制御パルスＰ_１，Ｐ_０に応じて、１フレームの期間内でのパルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングを第１のタイミングと第２のタイミングとの間で変更する。パルスパターン発生回路３３は、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングである第１のタイミング及び第２のタイミングを示す制御パルスＰ_１，Ｐ_０を生成する。ゲーティング回路３６は、擬似乱数発生回路３５から出力された擬似乱数に応じて、２つの制御パルスＰ_１，Ｐ_０を切り替えて光源ドライバ３１に出力する。これにより、擬似乱数に応じて、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングが第１のタイミングと第２のタイミングとの間で変更される。

【0021】

画素ドライバ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、画素ドライバ３２は、１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_ｐ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_ｐと等しくなるように設定される。このとき、画素ドライバ３２は、ゲーティング回路３７から出力される制御パルスＧ_１～Ｇ_４、及びパルス発生回路３４から直接出力される制御パルスＧ_Ｄを用いて、制御パルスＧ_１～Ｇ_４，Ｇ_Ｄを印加する。パルス発生回路３４は、制御パルスＧ_１～Ｇ_４，Ｇ_Ｄを生成する。具体的には、パルス発生回路３４は、制御パルスＧ_１～Ｇ_４を、１フレーム期間内における２つのサブフレーム間で順番が入れ替えられた２つのパターンで生成し、制御パルスＧ_Ｄを、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加タイミングを除く期間において発生するように生成する。ゲーティング回路３７は、擬似乱数発生回路３５から出力された擬似乱数に応じて、１フレーム期間内の２つのサブフレームにおいて生成された第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４を、２パターンのうちから切り替えて画素ドライバ３２に出力する。これにより、擬似乱数に応じて、画素回路１３の電荷読出領域２２_１～２２_４への電荷転送のタイミングが２つのパターンの間で変更される。

【0022】

信号読出回路３８は、複数のフレーム期間においてそれぞれの画素回路１３の電荷読出領域２２_１～２２_４に転送された電荷の量のそれぞれに対応する第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を、電圧検出手段２６_１～２６_４を制御することによって読み出す回路である。距離計算手段３９は、信号読出回路３８によって各画素回路１３ごとに読み出された検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を基に、各画素回路１３ごとの距離の計算を複数のフレーム期間を対象に繰り返し実行し、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し外部に出力する。このとき、距離計算手段３９は、１フレーム期間毎に読み出された第１～第４の検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を対象に距離計算を繰り返し行い、その結果得られた距離計算結果の平均値を距離情報としてもよいし、複数のフレーム期間で蓄積された画素の量に対応する第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、その距離計算結果を距離情報としてもよい。

【0023】

図２には、擬似乱数発生回路３５の回路構成の一例を示している。この構成例は、ｐ＝７の周期性を有するＭ系列を生成することができる。詳細には、擬似乱数発生回路３５は、Ｄフリップフロップ回路４１_１～４１_３、ＡＮＤ回路４２_１，４２_２，４４、及びＸＯＲ（排他的論理和）回路４３_１，４３_２によって構成できる。Ｄフリップフロップ回路４１_１～４１_３は互いに連結され、初段のＤフリップフロップ回路４１_１からのＱ出力が、後段のＤフリップフロップ回路４１_２，４１_３のＤ入力に順次入力され、最終段のＤフリップフロップ回路４１_３のＱ出力が、ＡＮＤ回路４４を経由してEnable信号がオンのときに外部に出力される。最終段以外のＤフリップフロップ回路４１_１，４１_２のＱ出力は、それぞれ、ＡＮＤ回路４２_１，４２_２を経由することによって、係数Ｃ２，Ｃ１とのＡＮＤ演算が施された後にＸＯＲ回路４３_１，４３_２に入力される。ＸＯＲ回路４３_２には、最終段のＤフリップフロップ回路４１_３のＱ出力が入力され、そのＱ出力とＡＮＤ回路４２_２の出力とを対象に排他的論理和演算が為される。ＸＯＲ回路４３_２の出力は、ＸＯＲ回路４３_１に入力され、その出力とＡＮＤ回路４２_１の出力とを対象に排他的論理和演算が為される。そして、ＸＯＲ回路４３_１の出力は、初段のＤフリップフロップ回路４１_１のＤ入力に入力される。

【0024】

上記構成の擬似乱数発生回路３５において、係数Ｃ１＝“０”、係数Ｃ２＝“１”に設定すると、“１００１０１１”で繰り返されるＭ系列が生成でき、係数Ｃ１＝“１”、係数Ｃ２＝“０”に設定すると、“１００１１１０”で繰り返されるＭ系列が生成できる。上記構成において、画素回路１３における入射パルス光Ｌ_Ｒの露光時には、Enable信号＝“１”に設定して、画素回路１３における電荷転送とパルス光Ｌ_Ｐの発光を行い、画素回路１３からの検出信号の読み出し時には、Enable信号＝“０”に設定して、画素回路１３における電荷転送とパルス光Ｌ_Ｐの発光を停止する。なお、図２に示す回路構成は一例であり、Ｄフリップフロップの段数を変更してもよい。例えば、段数をｎとすると、周期性ｐ＝２^ｎ－１を有し、１周期における“１”の出現回数２^ｎ－１となり、１周期における“０”の出現回数２^ｎ－１－１となるような均一性を有する擬似ノイズ系列の１種であるＭ系列を生成することができる。また、このような構成によって生成されたＭ系列は、ビット位置がシフトされたＭ系列との間の相関性に比較して、ビット位置が一致したＭ系列との間の自己相関性を十分に高くすることができる。

【0025】

図３は、パルス発生回路３４及びゲーティング回路３７の回路構成の一例を示すブロック図である。パルス発生回路３４は、制御パルスＧ_Ｄを生成して画素ドライバ３２に向けて出力するパルス生成器３４ａと、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４を１フレーム期間内における２つのサブフレーム内での第１のパターンのタイミングの制御パルスＧ_１ ^（１）～Ｇ_４ ^（１）として生成するパルス生成器３４ｂと、制御パルスＧ_１～Ｇ_４を１フレーム期間内における２つのサブフレーム内での第２のパターンのタイミングの制御パルスＧ_１ ^（０）～Ｇ_４ ^（０）として生成するパルス生成器３４ｃとを含んでいる。また、ゲーティング回路３７は、２つのパターンの第１の制御パルスＧ_１ ^（１），Ｇ_１ ^（０）のうちから、擬似乱数発生回路３５から入力されたＭ系列のビット値に応じてどちらかを選択して画素ドライバ３２に向けて出力するセレクタ３７_１と、２つのパターンの第２の制御パルスＧ_２ ^（１），Ｇ_２ ^（０）のうちから、擬似乱数発生回路３５から入力されたＭ系列のビット値に応じてどちらかを選択して画素ドライバ３２に向けて出力するセレクタ３７_２と、２つのパターンの第３の制御パルスＧ_３ ^（１），Ｇ_３ ^（０）のうちから、擬似乱数発生回路３５から入力されたＭ系列のビット値に応じてどちらかを選択して画素ドライバ３２に向けて出力するセレクタ３７_３と、２つのパターンの第４の制御パルスＧ_４ ^（１），Ｇ_４ ^（０）のうちから、擬似乱数発生回路３５から入力されたＭ系列のビット値に応じてどちらかを選択して画素ドライバ３２に向けて出力するセレクタ３７_４とを含む。

【0026】

図４において、（ａ）部は、パルス発生回路３４によって生成された第１のパターンの制御パルスＧ_１ ^（１）～Ｇ_４ ^（１）のタイミングの一例を示すタイミングチャートであり、（ｂ）部は、パルス発生回路３４によって生成された第２のパターンの制御パルスＧ_１ ^（０）～Ｇ_４ ^（０）のタイミングの一例を示すタイミングチャートである。この例に示すように、パルス発生回路３４によって、第１のパターンにおいては、１フレーム期間における前半のサブフレームの期間Ｔ_Ｃ１において、第１～第４の制御パルスＧ_１ ^（１）～Ｇ_４ ^（１）がこの順番で生成され、第２のパターンにおいては、１フレーム期間における後半のサブフレームの期間Ｔ_Ｃ２において、第１～第４の制御パルスＧ_１ ^（０）～Ｇ_４ ^（０）がこの順番で生成される。そして、第１のパターンにおける後半のサブフレーム期間Ｔ_Ｃ２においては、前半のサブフレーム期間Ｔ_Ｃ１との間で、２つの制御パルスＧ_１，Ｇ_２のそれぞれと、２つの制御パルスＧ_３，Ｇ_４のそれぞれとの間のタイミングが入れ替えられる。同様に、第２のパターンにおける前半のサブフレーム期間Ｔ_Ｃ１においては、後半のサブフレーム期間Ｔ_Ｃ２との間で、２つの制御パルスＧ_１，Ｇ_２のそれぞれと、２つの制御パルスＧ_３，Ｇ_４のそれぞれとの間のタイミングが入れ替えられる。これにより、ゲーティング回路３７の動作により、Ｍ系列の値に応じて、第１のサブフレームの期間Ｔ_Ｃ１における第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加の順番と、第２のサブフレームの期間Ｔ_Ｃ２における第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４の印加の順番とが入れ替えられる。ここで、互いのタイミングが入れ替えられる２つの制御パルスＧ_１，Ｇ_３、及び２つの制御パルスＧ_２，Ｇ_４は、距離計算手段３９による距離計算で用いられる電荷量の差分値の基となる電荷を転送するための制御パルスに対応している（詳細は後述する）。

【0027】

図５は、パルスパターン発生回路３３及びゲーティング回路３６の回路構成の一例を示すブロック図である。パルスパターン発生回路３３は、制御パルスＰ_１を生成してゲーティング回路３６に出力するパルス生成器３３ａと、制御パルスＰ_０を生成してゲーティング回路３６に出力するパルス生成器３３ｂとを含んでいる。また、ゲーティング回路３６は、２つのパターンの制御パルスＰ_１，Ｐ_０のうちから、擬似乱数発生回路３５から入力されたＭ系列のビット値に応じてどちらかを選択して光源ドライバ３１に向けて出力するセレクタ３６ａを含む。

【0028】

図６において、（ａ）部は、パルスパターン発生回路３３によって生成された第１のタイミングの制御パルスＰ_１の一例を示すタイミングチャートであり、（ｂ）部は、パルスパターン発生回路３３によって生成された第２のタイミングの制御パルスＰ_０の一例を示すタイミングチャートである。この例に示すように、パルスパターン発生回路３３によって、第１のタイミングとしては、１フレーム期間の前半のサブフレームの期間Ｔ_Ｃ１における第１のパターンの第１の制御パルスＧ_１ ^（１）と同一のタイミングで制御パルスＰ_１が生成され、第２のタイミングとしては、１フレーム期間の後半のサブフレームの期間Ｔ_Ｃ２における第２のパターンの第１の制御パルスＧ_１ ^（０）と同一のタイミングで制御パルスＰ_０が生成される。これにより、ゲーティング回路３６の動作により、Ｍ系列の値に応じて、パルス光Ｌ_Ｐの発光のタイミングが、第１のサブフレーム期間Ｔ_Ｃ１内の第１のパターンの第１の制御パルスＧ_１のタイミングに一致したタイミングと、第２のサブフレームの期間Ｔ_Ｃ２内の第２のパターンの第１の制御パルスＧ_１のタイミングと一致したタイミングとの間で変更される。

【0029】

次に、演算回路１２における距離計算の流れについて説明するとともに、本実施形態の距離画像測定方法について詳述する。

【0030】

図７は、距離画像センサ１０の演算回路１２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入射パルス光Ｌ_Ｒ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～（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７には、パルス光Ｌ_Ｐの発光タイミングを含むサブフレーム期間における各種信号および値を示し、パルス光Ｌ_Ｐの持続時間Ｔ_ｐを時間の単位とした信号波形及び値の時間変化を示している。

【0031】

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の光源制御手段及び電荷転送制御手段によって、１フレーム期間内の２つのサブフレーム期間Ｔ_Ｃ１，Ｔ_Ｃ２において、擬似乱数発生回路３５で発生したＭ系列を基に、制御パルスＧ_１～Ｇ_４及びパルス光Ｌ_Ｐのタイミングが設定される（擬似乱数発生ステップ、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Ｔ_Ｃ１，Ｔ_Ｃ２において、Ｍ系列を基にパルス光Ｌ_Ｐのタイミングが第１のサブフレームＴ_Ｃ１内の第１のタイミングと第２のサブフレームＴ_Ｃ２内の第２のタイミングとの間で変更され、このパルス光Ｌ_Ｐのタイミングに対応して、制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングの順番が第１のサブフレームＴ_Ｃ１と第２のサブフレームＴ_Ｃ２との間で入れ替えられる。その後、フレーム期間が複数繰り返された後（あるいは１つのフレーム期間後）の読出期間において、演算回路１２の信号読出回路３８によって、各画素回路１３の電圧検出手段２６_１～２６_４を介して、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の距離計算手段３９に出力される（信号読出ステップ）。ここで、本実施形態では、画素回路１３における入射パルス光Ｌ_Ｒの露光（擬似乱数発生ステップ、光源制御ステップ、及び電荷転送制御ステップ）と検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の読み出し（信号読出ステップ）とが分離して行われているが信号読出中に露光が行われていてもよい。

【0032】

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、距離計算手段３９によって１フレーム期間単位あるいは複数のフレーム期間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、距離計算手段３９によって、検出信号Ｓ_１，Ｓ_３を基に、下記式（１）；
Ｓ_１－３＝Ｓ_１－Ｓ_３…（１）
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、距離計算手段３９によって、検出信号Ｓ_２，Ｓ_４を基に、下記式（２）；
Ｓ_２－４＝Ｓ_２－Ｓ_４…（２）
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、距離計算手段３９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（３）；
Ｓ_Ａ＝｜Ｓ_１－３｜＋｜Ｓ_２－４｜…（３）
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。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。そして、距離計算手段３９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（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、距離計算手段３９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（４）；
Ｘ_Ｒ＝１－Ｓ_１－３／Ｓ_Ａ…（４）
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（５）；
Ｙ_Ｒ＝２－Ｓ_２－４／Ｓ_Ａ…（５）
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。これらの距離計算参照信号Ｘ_Ｒ，Ｙ_Ｒは、対象物Ｓの位置が測定可能な範囲か否かを判定するための信号である。

【0033】

次に、距離計算手段３９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、距離計算手段３９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７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。

【0034】

最後に、距離計算手段３９により、「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、各フレーム期間の算出結果を平均化して（あるいは複数のフレーム期間を対象にした算出結果を利用して）距離情報が取得され、取得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。

【0035】

上記形態の距離画像センサ１０によれば、周期的なフレーム期間内で光源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の発生に対応して持続時間Ｔ_Ｐ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。さらに、画素回路１３の第１～第４の電荷読出領域２２_１～２２_４からそれぞれの電荷量に応じた検出信号Ｓ_１～Ｓ_４が読み出され、それらをもとに２つの電荷量の差分値Ｓ_１－３あるいは差分値Ｓ_２－４から距離が繰り返し計算される。このとき、擬似乱数であるＭ系列に応じて、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングが第１のタイミングと第２のタイミングとの間で変更されるとともに、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングに対応して、差分値Ｓ_１－３あるいは差分値Ｓ_２－４の基となる２つの電荷読出領域２２_１，２２_３あるいは２つの電荷読出領域２２_２，２２_４の時間ウィンドウのタイミングが、フレーム期間内で入れ替えられる。その結果、近くに配置された複数の距離画像センサ１０が同時測定を実行してパルス光Ｌ_Ｐを発生させた場合であっても、外部の距離画像センサ１０から混入するパルス光Ｌ_Ｐによる２つの電荷量の差分値Ｓ_１－３，Ｓ_２－４への影響を低減することができる。その結果、複数の距離画像センサ１０が同時測定を実行した場合であっても、混入するパルス光Ｌ_Ｐの存在による距離計算の誤差が低減され、測定精度が十分に向上された画像信号を生成することができる。

【0036】

また、上記形態の距離画像センサ１０では、擬似乱数発生回路３５がＰＮ系列であるＭ系列を発生させ、光源制御手段が、Ｍ系列の値に応じて、パルス光Ｌ_Ｐの発生タイミングをフレーム期間内での第１のサブフレームＴ_Ｃ１に含まれる第１のタイミングと第２のサブフレームＴ_Ｃ２に含まれる第２のタイミングとの間で変更し、電荷転送制御手段が、Ｍ系列の値に応じて、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のうちの第１のタイミングの直後に印加する制御パルスＧ_１，Ｇ_２あるいは制御パルスＧ_３，Ｇ_４を、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のうちの第２のタイミングの直後に印加する制御パルスＧ_３，Ｇ_４あるいは制御パルスＧ_１，Ｇ_２と入れ替えている。このような構成によれば、近くに配置された複数の距離画像センサ１０が同時測定を実行してパルス光Ｌ_Ｐを発生させた場合であっても、外部の距離画像センサ１０から混入するパルス光Ｌ_Ｐによる２つの電荷量の差分値Ｓ_１－３，Ｓ_２－４への影響を相殺させることができる。その結果、複数の距離画像センサ１０が同時測定を実行した場合であっても、混入するパルス光Ｌ_Ｐの存在による距離計算の誤差を一層低減することができる。特に、電荷転送制御手段が、Ｍ系列の値に応じて、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のうちの第１のサブフレームＴ_Ｃ１内で印加する制御パルスの順番と、第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のうちの第２のサブフレームＴ_Ｃ２内で印加する制御パルスの順番とを入れ替えている。これにより、複数の距離画像センサ１０が同時測定を実行した場合であっても、混入するパルス光Ｌ_Ｐの存在による距離計算の誤差をより一層低減することができる。

【0037】

例えば、距離画像センサ１０を備えた移動体（４輪自動車、２輪自動車、ゴルフカート等の運搬車両、船舶、ロボット、自動搬送機械等）を複数台含む距離画像測定システムにおいて、それらの複数の距離画像センサ１０における１フレーム期間の周期が同一に設定されている場合、互いのパルス光Ｌ_Ｐの混信による距離計算結果の精度低下を防止することができる。また、１フレーム期間の周期が同一に設定された複数の距離画像センサ１０を備えた距離画像測定システムを用いて、対象物Ｓの３次元形状計測を行うこともでき、距離分解能の向上を図りながら、パルス光Ｌ_Ｐの非照射部分をカバーした３６０度の全方位からの距離計測が実現できる。その際に、互いのパルス光Ｌ_Ｐの混信による距離計算結果の精度低下を防止することができる。このような距離画像測定システムでは、複数の距離画像センサ１０間でフレーム期間の同期をとる必要はない。また、複数の距離画像センサ１０を時分割で動作させる必要が無いため計測の同時性が向上し、動きのある対象物Ｓに対する計測精度も向上する。さらに、時分割で動作させる必要が無いため計測の高速化も図れる。また、距離画像測定システムにおいては、画像の明暗情報を用いた二眼（多眼）ステレオ計測を組み合わせることにより、距離分解能を向上させることも可能である。

【0038】

さらに、上記形態の距離画像センサ１０ではＭ系列を利用してパルス光Ｌ_Ｐのタイミング制御及び電荷転送のタイミング制御を行っている。そのため、簡易な回路で均一性の高いＰＮ系列を発生させることができ、簡易な構成によって混入するパルス光Ｌ_Ｐの存在による距離計算の誤差を低減することができる。

【0039】

図８は、距離画像センサ１０の演算回路１２によって扱われる各種信号のタイミング、及び演算回路１２によって各フレーム期間毎に検出される検出信号の値の変化を示す図である。この場合、距離画像センサ１０には、１フレーム期間ほどずれたタイミングで他の距離画像センサから混入したパルス光Ｌ_Ｐが存在していると仮定し、対象物Ｓがパルス光Ｌ_Ｐの往復の飛行時間（ＴＯＦ）が０．５Ｔ_Ｐの位置に存在した場合の検出信号の値を示している。図８において、（ａ）部には、距離画像センサ１０内で発生するＭ系列Ａ_０と、それに応じて発生する第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングとを示し、（ｂ）部には、距離画像センサ１０内で発生するＭ系列Ａ_０と、それに応じて距離画像センサ１０内に入射するパルス光Ｌ_ＰのタイミングＬＰ（Ａ_０）と、そのパルス光Ｌ_Ｐに起因して生じる検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値とを示し、（ｃ）部には、他の距離画像センサ内で発生するＭ系列Ａ_１と、それに応じて他の距離画像センサから混入するパルス光Ｌ_ＰのタイミングＬＰ（Ａ_１）と、そのパルス光Ｌ_Ｐに起因して生じる検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値とを示す。ここで示す検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値は、持続時間Ｔ_Ｐのパルス光Ｌ_Ｐを受光した場合の信号値を“１”とした相対値で示している（以下同様）。

【0040】

この例で示す検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値を基に、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合と、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とでの距離画像センサ１０での距離計算結果を評価した。その結果、上記式（４）を計算することにより、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合の距離計算参照信号Ｘ_Ｒは、下記式；
Ｘ_Ｒ＝１－３．５／７＝０．５
と計算され、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合の距離計算参照信号Ｘ_Ｒは、下記式；
Ｘ_Ｒ＝１－３／６＝０．５
と計算され、どちらの場合も同一の距離計算の結果が得られる。

【0041】

同様に、飛行時間（ＴＯＦ）が１．５Ｔ_Ｐおよび２．５Ｔ_Ｐの位置に対象物Ｓが存在した場合の距離計算の結果を上記式（５）の距離計算参照信号Ｙ_Ｒを用いて評価した結果、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合とパルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とで同一の計算結果Ｙ_Ｒ＝１．５，２．５が得られることが分かった。

【0042】

また、上記の距離計算値を一般化した評価結果を示す。距離画像センサ１０でのパルス光Ｌ_Ｐの受光回数をＮ（正の整数）、距離画像センサ１０で受光するパルス光Ｌ_Ｐの持続時間Ｔ_Ｐを単位とした遅延時間をｄ（０≦ｄ≦１）、他の距離画像センサからのパルス光Ｌ_Ｐを受光した場合のうち正しいＭ系列と一致する乱数値で生じたパルス光Ｌ_Ｐを受光した回数をｍ（Ｎ以下の正の整数）とする。

【0043】

まず、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合、検出信号は、Ｓ_１＝Ｎ（１－ｄ）、Ｓ_２＝Ｎｄ、Ｓ_３＝０、Ｓ_４＝０と生成される。従って、距離計算参照信号Ｘ_Ｒは、
Ｘ_Ｒ＝１－（Ｓ_１－Ｓ_３）／（｜Ｓ_１－Ｓ_３｜＋｜Ｓ_２－Ｓ_４｜）＝ｄ
と計算される。一方、パルス光ＬＰの混信が発生している場合、検出信号は、Ｓ_１＝（Ｎ＋ｍ）（１－ｄ）、Ｓ_２＝（Ｎ＋ｍ）ｄ、Ｓ_３＝（Ｎ－ｍ）（１－ｄ）、Ｓ_４＝（Ｎ－ｍ）ｄと生成される。従って、この場合も、距離計算参照信号Ｘ_Ｒは、
Ｘ_Ｒ＝１－（Ｓ_１－Ｓ_３）／（｜Ｓ_１－Ｓ_３｜＋｜Ｓ_２－Ｓ_４｜）＝ｄ
と計算される。このことから、距離画像センサ１０によれば、パルス光Ｌ_Ｐの混信による距離計算精度の低下が低減されることが示された。

【0044】

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。

【0045】

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２つ以上であれば任意の個数（以下、ｎ個の電荷読出領域の構成を「ｎタップ」とも言う。）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ｎに対応して設けられ、演算回路１２は、制御電極の個数ｎに対応した第１～第ｎの制御パルスＧ_１～Ｇ_ｎを生成し、それぞれの電荷読出領域から読み出された第１～第ｎの検出信号Ｓ_１～Ｓ_ｎを基に距離情報を計算する。

【0046】

以下、２タップの構成を有する変形例の機能について説明する。

【0047】

図９は、２タップの構成を有する変形例において、演算回路１２によって扱われる各種信号のタイミング及び演算回路１２によって各フレーム期間毎に検出される検出信号の値の変化を示す図である。

【0048】

本変形例では、フレーム期間が第１のフレーム期間Ｆ_１と第２のフレーム期間Ｆ_２との２種類に分けて設定され、第１のフレーム期間Ｆ_１において、２つの電荷読出領域２２_１，２２_２を対象に、上述した実施形態の制御パルスＧ_１，Ｇ_３と同一のタイミングの制御パルスＧ_１，Ｇ_２を発生させて電荷転送が制御された後に検出信号Ｓ_１１，Ｓ_２１が検出され、第２のフレーム期間Ｆ_２において、２つの電荷読出領域２２_１，２２_２を対象に、上述した実施形態の制御パルスＧ_２，Ｇ_４と同一のタイミングの制御パルスＧ_１，Ｇ_２を発生させて電荷転送が制御された後に検出信号Ｓ_１２，Ｓ_２２が検出される。そして、上記実施形態と同様にして、検出信号Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３，Ｓ_４に対応する２つのフレーム期間Ｆ_１，Ｆ_２において検出された検出信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２を基に距離が計算される。

【0049】

図９には、各フレーム期間Ｆ_１，Ｆ_２毎に、距離画像センサ１０内で発生するＭ系列Ａ_０と、それに応じて発生する制御パルスＧ_１，Ｇ_２のタイミングと、距離画像センサ１０内で発生したパルス光Ｌ_Ｐが入射するタイミングＬＰ（Ａ_０）と、そのパルス光Ｌ_Ｐに起因して生じる検出信号の値と、他の距離画像センサ内で発生するＭ系列Ａ_１と、それに応じて他の距離画像センサから混入するパルス光Ｌ_ＰのタイミングＬＰ（Ａ_１）と、そのパルス光Ｌ_Ｐに起因して生じる検出信号の値とが示されている。この場合も、距離画像センサ１０には、１フレーム期間ほどずれたタイミングで他の距離画像センサから混入したパルス光Ｌ_Ｐが存在していると仮定し、対象物Ｓがパルス光Ｌ_Ｐの往復の飛行時間（ＴＯＦ）が０．５Ｔ_Ｐの位置に存在した場合の検出信号の値を示している。

【0050】

この例で示す検出信号Ｓ_１１，Ｓ_１２，Ｓ_２１，Ｓ_２２の値を基に、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合と、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とでの距離画像センサ１０での距離計算結果を評価したところ、いずれの場合も距離計算参照信号Ｘ_Ｒ＝０．５の値が得られた。このことから、２タップの変形例によっても、パルス光Ｌ_Ｐの混信による距離計算精度の低下が低減されることがわかる。

【0051】

次に、３タップの構成を有する変形例の機能について説明する。

【0052】

本変形例の演算回路１２は、次のような別の手順で距離計算を行う機能を有する。図１０は、変形例で扱われる各種信号のタイミングチャート、及び変形例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１０において、（ａ）部から（ｄ）部には、それぞれ、制御パルスＧ_１～Ｇ_３及びパルス光Ｌ_Ｐのタイミングを示し、（ｅ）部～（ｍ）部には、それぞれ、第１～第３の検出信号Ｓ_１～Ｓ_３の値、差分値Ｓ_１－３の値、差分値の絶対値｜Ｓ_１－３｜、加算値の絶対値｜Ｓ_１＋３｜、ノイズに起因する信号成分Ｓ_Ｂ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の値を、遅れ時間Ｔ_Ｄに対応して示し、（ｎ）部には、遅れ時間Ｔ_Ｄにおけるデータ有効範囲を示し、（ｏ）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１０には、パルス光Ｌ_Ｐの発光タイミングを含むサブフレーム期間における各種信号および値を示し、パルス光Ｌ_Ｐの持続時間Ｔ_ｐを時間の単位とした信号波形及び値の時間変化を示している。

【0053】

まず、変形例の距離画像センサ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の光源制御手段及び電荷転送制御手段によって、１フレームの期間内で制御パルスＧ_１～Ｇ_３及びパルス光Ｌ_Ｐのタイミングが制御される（擬似乱数発生ステップ、光源制御ステップ、及び電荷転送制御ステップ）。詳細には、１フレームの期間内の２つのサブフレーム内のそれぞれにおいて制御パルスＧ_１～Ｇ_３が持続時間Ｔ_Ｐ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る。この２つのサブフレームで設定される制御パルスＧ_１～Ｇ_３のタイミングは、１フレーム内の２つのサブフレーム間で制御パルスＧ_１のタイミングと制御パルスＧ_３のタイミングとを入れ替えたものに設定される。その後、演算回路１２の信号読出回路３８によって、第１～第３の検出信号Ｓ_１～Ｓ_３が読み出され、それらの検出信号Ｓ_１～Ｓ_３が演算回路１２の距離計算手段３９に渡される（信号読出ステップ）。

【0054】

さらに、距離計算手段３９によって、検出信号Ｓ_１～Ｓ_３を基に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、距離計算手段３９によって、検出信号Ｓ_１，Ｓ_３を基に、下記式（６）；
Ｓ_１－３＝Ｓ_１－Ｓ_３…（６）
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、距離計算手段３９によって、検出信号Ｓ_１，Ｓ_３の加算値の絶対値｜Ｓ_１＋３｜が下記式（７）；
｜Ｓ_１＋３｜＝｜Ｓ_１＋Ｓ_３｜…（７）
を用いて計算された後、加算値の絶対値｜Ｓ_１＋３｜と差分値の絶対値｜Ｓ_１－３｜との差分が求められることにより、下記式（８）；
Ｓ_Ｂ＝｜Ｓ_１＋３｜－｜Ｓ_１－３｜…（８）
を用いてノイズに起因する信号成分Ｓ_Ｂの値が計算される。さらに、距離計算手段３９によって、検出信号Ｓ_１～Ｓ_３と信号成分Ｓ_Ｂの値とを基に、下記式（９）；
Ｓ_Ａ＝｜Ｓ_１－３｜＋Ｓ_２－０．５Ｓ_Ｂ…（９）
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、距離計算手段３９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_３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１０の（ｎ）部に示すように、遅れ時間Ｔ_Ｄの“－１”～“０”の間の値から“２”～“３”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、距離計算手段３９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（１０）；
Ｘ_Ｒ＝１－Ｓ_１－３／Ｓ_Ａ…（１０）
を用いて距離計算参照信号Ｘ_Ｒの値が計算される。

【0055】

次に、距離計算手段３９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、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”以上閾値Ｔｈ_２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の値が飽和してしまった場合、及び、対象物Ｓが遠すぎて検出信号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を、距離計算から除外することができる。例えば、閾値Ｔｈ_２を“２”近傍に設定することにより、図１０の（ｏ）部に示すように、遅れ時間Ｔ_Ｄの“０”から“２”の近傍までの範囲が「測定可能範囲」であると判定される。最後に、距離計算手段３９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、該当画素に関する距離計算参照信号Ｘ_Ｒを基に対象物Ｓの距離を示す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。

【0056】

図１１は、３タップの構成の変形例によって扱われる各種信号のタイミング、及び変形例によって各フレーム期間毎に検出される検出信号の値の変化を示す図である。この場合、変形例にかかる距離画像センサ１０には、１フレーム期間ほどずれたタイミングで他の距離画像センサから混入したパルス光Ｌ_Ｐが存在していると仮定し、対象物Ｓがパルス光Ｌ_Ｐの往復の飛行時間（ＴＯＦ）が０．５Ｔ_Ｐの位置に存在した場合の検出信号の値を示している。図１１において、（ａ）部には、距離画像センサ１０内で発生するＭ系列Ａ_０と、それに応じて発生する第１～第３の制御パルスＧ_１～Ｇ_３のタイミングとを示し、（ｂ）部には、距離画像センサ１０内で発生するＭ系列Ａ_０と、それに応じて距離画像センサ１０内に入射するパルス光Ｌ_ＰのタイミングＬＰ（Ａ_０）と、そのパルス光Ｌ_Ｐに起因して生じる検出信号Ｓ_１～Ｓ_３の値とを示し、（ｃ）部には、他の距離画像センサ内で発生するＭ系列Ａ_１と、それに応じて他の距離画像センサから混入するパルス光Ｌ_ＰのタイミングＬＰ（Ａ_１）と、そのパルス光Ｌ_Ｐに起因して生じる検出信号Ｓ_１～Ｓ_３の値とを示す。

【0057】

この例で示す検出信号Ｓ_１～Ｓ_３の値を基に、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合と、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とでの距離画像センサ１０での距離計算結果を評価した。その結果、上記式（１０）を計算することにより、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合の距離計算参照信号Ｘ_Ｒは、下記式；
Ｘ_Ｒ＝１－３．５／７＝０．５
と計算され、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合の距離計算参照信号Ｘ_Ｒは、下記式；
Ｘ_Ｒ＝１－３／６＝０．５
と計算され、どちらの場合も同一の距離計算の結果が得られる。

【0058】

同様に、飛行時間（ＴＯＦ）が１．５Ｔ_Ｐの位置に対象物Ｓが存在した場合の距離計算の結果を評価した結果、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合とパルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とで同一の計算結果Ｘ_Ｒ＝１．５が得られることが分かった。このことから、３タップの構成の変形例によっても、パルス光Ｌ_Ｐの混信による距離計算精度の低下が低減されることが示された。

【0059】

また、４タップの構成の上記実施形態に係る距離画像センサ１０においては、２つのサブフレームに印加する制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミング及び種類を変更してもよく、２つのサブフレームの期間Ｔ_Ｃ１，Ｔ_Ｃ２は異なっていてもよい。すなわち、１フレームにおける一方のサブフレーム期間においてパルス光Ｌ_Ｐの印加タイミングの直後に制御パルスＧ_１～Ｇ_４をこの順に印加するようにタイミングを設定し、他方のサブフレームにおいて、パルス光Ｌ_Ｐの印加タイミングの直後に制御パルスＧ_３，Ｇ_４をこの順に印加し、Ｍ系列に応じて１フレーム内における制御パルスＧ_１，Ｇ_２のそれぞれのタイミングを制御パルスＧ_３，Ｇ_４のそれぞれのタイミングに入れ替える。

【0060】

図１２は、上記変形例によって扱われる各種信号のタイミング、及び変形例によって各フレーム期間毎に検出される検出信号の値の変化を示す図である。この場合も、距離画像センサ１０には１フレーム期間ほどずれたタイミングで他の距離画像センサから混入したパルス光Ｌ_Ｐが存在していると仮定し、対象物Ｓがパルス光Ｌ_Ｐの往復の飛行時間（ＴＯＦ）が０．５Ｔ_Ｐの位置に存在した場合の検出信号の値を示している。図１２において、（ａ）部には、距離画像センサ１０内で発生するＭ系列Ａ_０と、それに応じて発生する第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングとを示し、（ｂ）部には、距離画像センサ１０内で発生するＭ系列Ａ_０と、それに応じて距離画像センサ１０内に入射するパルス光Ｌ_ＰのタイミングＬＰ（Ａ_０）と、そのパルス光Ｌ_Ｐに起因して生じる検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値とを示し、（ｃ）部には、他の距離画像センサ内で発生するＭ系列Ａ_１と、それに応じて他の距離画像センサから混入するパルス光Ｌ_ＰのタイミングＬＰ（Ａ_１）と、そのパルス光Ｌ_Ｐに起因して生じる検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値とを示す。

【0061】

この例で示す検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値を基に、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合と、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とでの距離画像センサ１０での距離計算結果を評価した。その結果、上記式（４）を計算することにより、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合の距離計算参照信号Ｘ_Ｒは、下記式；
Ｘ_Ｒ＝１－３．５／７＝０．５
と計算され、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合の距離計算参照信号Ｘ_Ｒは、下記式；
Ｘ_Ｒ＝１－３／６＝０．５
と計算され、どちらの場合も同一の距離計算の結果が得られる。

【0062】

同様に、飛行時間（ＴＯＦ）が１．０Ｔ_Ｐ、１．５Ｔ_Ｐの位置に対象物Ｓが存在した場合の距離計算の結果を評価した結果、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合とパルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とで同一の計算結果Ｘ_Ｒ＝１．０、１．５が得られることが分かった。また、飛行時間（ＴＯＦ）が２．５Ｔ_Ｐの位置に対象物Ｓが存在した場合の距離計算の結果を評価した結果、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合とパルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とで同一の計算結果Ｙ_Ｒ＝２．５が得られることも分かった。このことから、本変形例によっても、パルス光Ｌ_Ｐの混信による距離計算精度の低下が低減されることが示された。

【0063】

次に、８タップの構成を有する変形例の機能について説明する。

【0064】

８タップの構成を有する変形例にかかる演算回路１２の電荷転送制御手段は、１フレームの期間内で第１～第８の制御パルスＧ_１～Ｇ_８のタイミングを制御する機能を有する。詳細には、１フレームの期間内の２つのサブフレーム内のそれぞれにおいて制御パルスＧ_１～Ｇ_８が持続時間Ｔ_Ｐ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る。この２つのサブフレームで設定される制御パルスＧ_１～Ｇ_８のタイミングは、１フレーム内の２つのサブフレーム間で制御パルスＧ_１，Ｇ_２，Ｇ_５，Ｇ_６のそれぞれのタイミングと制御パルスＧ_３，Ｇ_４，Ｇ_７，Ｇ_８のそれぞれのタイミングとを入れ替えたものに設定される。すなわち、電荷転送制御手段は、距離計算手段３９による距離計算に用いる差分値の基となる電荷量に対応する２つの制御パルスを互いに入れ替えるように設定する。

【0065】

図１３及び図１４のそれぞれには、２つのサブフレームのそれぞれにおける本変形例が生成する各種信号のタイミングチャート及び本変形例が計算する各種値の遅れ時間Ｔ_Ｄに対する変化を示している。図１０において、（ａ）部から（ｉ）部には、それぞれ、制御パルスＧ_１～Ｇ_８及びパルス光Ｌ_Ｐのタイミングを示し、（ｊ）部～（ｒ）部には、それぞれ、差分値Ｓ_１３＝Ｓ_１－Ｓ_３，Ｓ_２４＝Ｓ_２－Ｓ_４，Ｓ_５７＝Ｓ_５－Ｓ_７，Ｓ_６８＝Ｓ_６－Ｓ_８の値、それらの加算値Ｓ_１３＋Ｓ_５７，Ｓ_２４＋Ｓ_６８の値、それらの絶対値の加算値｜Ｓ_１３｜＋｜Ｓ_２４｜，｜Ｓ_５７｜＋｜Ｓ_６８｜の値、及び距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値を、遅れ時間Ｔ_Ｄに対応して示している。

【0066】

本変形例の距離計算手段３９は、検出信号Ｓ_１～Ｓ_８を基にした画素ごとの距離情報の計算の際には、計算した差分値Ｓ_１３，Ｓ_２４，Ｓ_５７，Ｓ_６８のそれぞれと予め設定された閾値Ｑ_ＴＨ＋，Ｑ_ＴＨ－とを比較することによって識別パターン（Ｐ_Ａ，Ｐ_Ｂ，Ｐ_Ｃ，Ｐ_Ｄ）を生成し、それを基に対象物Ｓが位置するゾーンを６つのゾーンＺ_１～Ｚ_６から判別する。そして、距離計算手段３９は、以下の計算式の中から判別したゾーンＺ_１～Ｚ_６に対応した計算式を選択して用いて距離情報Ｌを計算する（ｃは光速を示す）。
ゾーンＺ_１：Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ｛－（Ｑ_１３＋Ｑ_５７）／Ｓ_Ａ＋１｝，
ゾーンＺ_２：Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ｛－（Ｑ_２４＋Ｑ_６８）／Ｓ_Ａ＋２｝，
ゾーンＺ_３：Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ｛（Ｑ_１３＋Ｑ_５７）／Ｓ_Ａ＋３｝，
ゾーンＺ_４：Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ｛（Ｑ_２４＋Ｑ_６８）／Ｓ_Ａ＋４｝，
ゾーンＺ_５：Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ｛－（Ｑ_１３＋Ｑ_５７）／Ｓ_Ａ＋５｝，
ゾーンＺ_６：Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ｛－（Ｑ_２４＋Ｑ_６８）／Ｓ_Ａ＋６｝

【0067】

ここで、飛行時間（ＴＯＦ）が０．５Ｔ_Ｐの位置に対象物Ｓが存在した場合を想定して、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合と、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とでの本変形例による距離計算結果を評価した。ゾーンＺ_１に対応する計算式を用いて距離情報を計算したところ、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合の距離情報Ｌ、及びパルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合の距離情報Ｌがともに、
Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ×０．５
と計算され、どちらの場合も同一の距離計算の結果が得られた。

【0068】

同様に、飛行時間（ＴＯＦ）が１．０Ｔ_Ｐの位置に対象物Ｓが存在した場合の距離計算の結果をゾーンＺ_１に対応する計算式を用いて評価した結果、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合とパルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とで同一の距離情報Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ×１．０が得られることが分かった。また、飛行時間（ＴＯＦ）が１．５Ｔ_Ｐ，２．０Ｔ_Ｐの位置に対象物Ｓが存在した場合の距離計算の結果をゾーンＺ_２に対応する計算式を用いてそれぞれ評価した結果、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合とパルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とで同一の距離情報Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ×１．５，Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ×２．０が得られることも分かった。また、飛行時間（ＴＯＦ）が６．０Ｔ_Ｐ，６．５Ｔ_Ｐの位置に対象物Ｓが存在した場合の距離計算の結果をゾーンＺ_６に対応する計算式を用いてそれぞれ評価した結果、パルス光Ｌ_Ｐの混信が発生していない場合とパルス光Ｌ_Ｐの混信が発生している場合とで同一の距離情報Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ×６．０，Ｌ＝（１／２）ｃＴ_Ｐ×６．５が得られることも分かった。このことから、本変形例によっても、パルス光Ｌ_Ｐの混信による距離計算精度の低下が低減されることが示された。

【0069】

ここで、上述した実施形態および変形例によれば、パルス光Ｌ_Ｐが混信した場合でも距離計算の誤差を低減できることが示された。それに加えて、上述した実施形態および変形例は、近くに配置された他の距離画像センサからの光を直接受けた場合でも誤った距離情報を取得することを防止することもできる。

【0070】

すなわち、対象物Ｓが遠方に存在する等の状況により対象物Ｓが測定可能な範囲に存在しないが、４タップの構成の距離画像センサ１０の光電変換領域２１に他の距離画像センサからのパルス光Ｌ_Ｐが直接入射する状況を想定する。そのような状況下であっても、距離画像センサ１０の距離計算手段３９は、予め適切な値に設定された閾値Ｔｈ_１と距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａの値とを比較することにより、検出信号Ｓ_１～Ｓ_４を用いた距離計算が無効であると判定することができ、誤った距離情報の生成を防止できる。

【0071】

図１５は、距離画像センサ１０の演算回路１２によって扱われる各種信号のタイミング、及び演算回路１２によって各フレーム期間毎に検出される検出信号の値の変化を示す図である。この場合、距離画像センサ１０には、１フレーム期間ほどずれたタイミングで、パルス光Ｌ_Ｐの飛行時間が０．５Ｔ_Ｐの位置に存在する他の距離画像センサから直接入射するパルス光Ｌ_Ｐが存在していると仮定し、対象物Ｓからのパルス光Ｌ_Ｐの反射光が入射していない場合の検出信号の値を示している。図１５において、（ａ）部には、距離画像センサ１０内で発生するＭ系列Ａ_０と、それに応じて発生する第１～第４の制御パルスＧ_１～Ｇ_４のタイミングとを示し、（ｂ）部には、距離画像センサ１０内で発生するＭ系列Ａ_０と、それに応じて距離画像センサ１０内に入射するパルス光Ｌ_ＰのタイミングＬＰ（Ａ_０）と、そのパルス光Ｌ_Ｐに起因して生じる検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値とを示し、（ｃ）部には、他の距離画像センサ内で発生するＭ系列Ａ_１と、それに応じて他の距離画像センサから混入するパルス光Ｌ_ＰのタイミングＬＰ（Ａ_１）と、そのパルス光Ｌ_Ｐに起因して生じる検出信号Ｓ_１～Ｓ_４の値とを示す。

【0072】

上記の例においては、距離計算手段３９が、距離データ有効性判定信号Ｓ_Ａを、
Ｓ_Ａ＝０．５＋０．５＝１．０
と計算し、閾値Ｔｈ_１を１．０以上に設定することにより、距離計算が無効であると判定することができる。その結果、誤った距離情報の生成を未然に防止できる。

【0073】

ここで、上記実施形態では、擬似乱数発生手段は、ＰＮ系列を発生させ、光源制御手段は、ＰＮ系列の値に応じて、パルス光の発生タイミングをフレーム期間内で第１のタイミングと第２のタイミングとの間で変更し、電荷転送制御手段は、ＰＮ系列の値に応じて、第１～第Ｍの制御パルスのうちの第１のタイミングの直後に印加する制御パルスを、第１～第Ｍの制御パルスのうちの第２のタイミングの直後に印加する制御パルスと入れ替える、ことが好ましい。かかる構成を採れば、複数の距離画像測定装置が同時測定を実行してパルス光を発生させた場合であっても、外部の距離画像測定装置から混入するパルス光による２つの電荷量の差分値への影響を相殺させることができる。その結果、複数の距離画像測定装置が同時測定を実行した場合であっても、混入するパルス光の存在による距離計算の誤差をより一層低減することができる。

【0074】

また、光源制御手段は、ＰＮ系列の値に応じて、パルス光の発生タイミングを、フレーム期間における第１のサブフレーム内とフレーム期間内における第２のサブフレーム内との間で変更し、電荷転送制御手段は、ＰＮ系列の値に応じて、第１～第Ｍの制御パルスのうちの第１のサブフレーム内で印加する制御パルスの順番と、第１～第Ｍの制御パルスのうちの第２のサブフレーム内で印加する制御パルスの順番とを入れ替える、ことも好ましい。この場合も、複数の距離画像測定装置が同時測定を実行してパルス光を発生させた場合であっても、外部の距離画像測定装置から混入するパルス光による２つの電荷量の差分値への影響を相殺させることができる。その結果、複数の距離画像測定装置が同時測定を実行した場合であっても、混入するパルス光の存在による距離計算の誤差をより一層低減することができる。

【0075】

さらに、擬似乱数発生手段は、Ｍ系列を発生させる、ことも好ましい。このような構成によれば、簡易に均一性の高いＰＮ系列を発生させることができ、簡易な構成によって混入するパルス光の存在による距離計算の誤差を低減することができる。

【0076】

またさらに、画素回路部が半導体チップ上に２次元アレイ状に配列され、光源制御手段、電荷転送制御手段、信号読出手段、及び擬似乱数発生手段は、半導体チップ上に構成されている、ことも好ましい。この場合、装置全体の小型化を容易に実現することができる。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本発明の一側面は、距離画像測定装置、距離画像測定システム、及び距離画像測定方法を使用用途とし、複数の装置が同時に使用された場合に十分に測定精度を向上させることができるものである。

【符号の説明】

【0078】

１０…距離画像センサ、Ｌ_Ｐ…パルス光、Ｌ_Ｒ…入射パルス光、Ｓ…対象物、２２_１～２２_４…電荷読出領域、２４_１～２４_４…制御電極、２６_１～２６_４…電圧検出手段、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、３１…光源ドライバ、３２…画素ドライバ、３３…パルスパターン発生回路、３４…パルス発生回路、３５…擬似乱数発生回路、３６…ゲーティング回路、３７…ゲーティング回路、３８…信号読出回路（信号読出手段）、３９…距離計算手段。

【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】