(57)【要約】  距離画像センサ１０は、光源１１と、光源１１を制御する光源制御手段３１と、光電変換領域２１、電荷読出領域２２１〜２２３、及び制御電極２４１〜２４３を有する画素回路１３と、制御電極２４１〜２４３に制御パルスを順次印加する電荷転送制御手段３２と、電荷読出領域２２１〜２２３の電圧を検出信号Ｓ１〜Ｓ３として読み出し、検出信号Ｓ１〜Ｓ３を基に距離を繰り返し計算する距離計算手段とを備え、距離計算手段は、検出信号Ｓ１〜Ｓ３のうちの背景光を除いたパルス光から発生した電荷の信号成分の合計値ＳＡを計算し、合計値ＳＡが第１の閾値Ｔｈ１を超えた場合には、検出信号Ｓ１〜Ｓ３から所定の計算式を用いて距離を計算し、合計値ＳＡが第１の閾値Ｔｈ１を超えていない場合には、距離の計算を無効とする。
2019031510.tif 000002
【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３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の制御電極に前記第１の制御パルスを印加した後、前記第２の持続時間の間だけ前記第２〜第Ｍの制御電極に前記第２〜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、
前記距離計算手段は、前記第１〜第Ｍの検出信号を基に、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの背景光を除いた前記パルス光から発生した電荷の信号成分の合計値を計算し、前記信号成分の合計値が所定の第１の閾値を超えた場合には、前記第１〜第Ｍの検出信号から所定の計算式を用いて前記距離を計算し、前記信号成分の合計値が前記第１の閾値を超えていない場合には、前記距離の計算を無効とする、
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Ｍの検出信号のうちの２つの検出信号の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより距離計算参照値を求め、前記距離計算参照値と所定の第２の閾値との比較結果に応じて前記距離計算参照値が有効であるか否かを判断し、前記距離計算参照値が有効な場合には前記距離計算参照値を基に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Ｍの検出信号のうちの一方の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第１の距離計算参照値を求め、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの他の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第２の距離計算参照値を求め、前記第１の距離計算参照値と所定の第３の閾値との比較結果に応じて、前記第１の距離計算参照値あるいは前記第２の距離計算参照値のいずれかを選択し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】
前記画素回路部は、前記光電変換領域に蓄積された電荷を排出するための電荷排出領域と、前記光電変換領域と前記電荷排出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制御電極とをさらに有する、
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】
前記距離計算手段は、前記距離の計算が無効であるか否かを示す識別値を生成する、
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６】
前記電荷転送制御手段と、前記電荷転送制御手段と前記第１〜第Ｍの制御電極との間の回路と、前記電荷転送制御手段と前記光源制御手段との間の回路の一部とは、前記画素回路部と同一の半導体上、あるいは前記画素回路部に対して積層された半導体上に形成されている、
請求項１〜５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１〜６のいずれか１項に記載の距離画像測定装置。
【請求項８】
光源制御手段が、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３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設けられた第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の制御電極に、電荷の転送を制御するための第１の制御パルスを印加した後、前記第２の持続時間の間だけ前記第２〜第Ｍの制御電極に、電荷の転送を制御するための第２〜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、
電荷検出手段が、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、
前記距離計算ステップでは、前記第１〜第Ｍの検出信号を基に、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの背景光を除いた前記パルス光から発生した電荷の信号成分の合計値を計算し、前記信号成分の合計値が所定の第１の閾値を超えた場合には、前記第１〜第Ｍの検出信号から所定の計算式を用いて前記距離を計算し、前記信号成分の合計値が前記第１の閾値を超えていない場合には、前記距離の計算を無効とする、
距離画像測定方法。
【請求項９】
前記距離計算ステップでは、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの２つの検出信号の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより距離計算参照値を求め、前記距離計算参照値と所定の第２の閾値との比較結果に応じて前記距離計算参照値が有効であるか否かを判断し、前記距離計算参照値が有効な場合には前記距離計算参照値を基に前記距離を計算する、
請求項８記載の距離画像測定方法。
【請求項１０】
前記距離計算ステップでは、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの一方の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第１の距離計算参照値を求め、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの他の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第２の距離計算参照値を求め、前記第１の距離計算参照値と所定の第３の閾値との比較結果に応じて、前記第１の距離計算参照値あるいは前記第２の距離計算参照値のいずれかを選択して前記距離を計算する、
請求項８又は９記載の距離画像測定方法。
【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】
【特許文献１】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、対象物が測定可能範囲外に位置する場合、偽の距離情報を含む画像信号を生成してしまう場合があった。すなわち、同一の対象物に対して複数回計算した距離情報のうち、どれが真の情報なのかの判断が難しいため、結果として画像信号に含まれる距離情報の精度が低下する場合があった。【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、対象物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３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、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の制御電極に第１の制御パルスを印加した後、第２の持続時間の間だけ第２〜第Ｍの制御電極に第２〜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、距離計算手段は、第１〜第Ｍの検出信号を基に、第１〜第Ｍの検出信号のうちの背景光を除いたパルス光から発生した電荷の信号成分の合計値を計算し、信号成分の合計値が所定の第１の閾値を超えた場合には、第１〜第Ｍの検出信号から所定の計算式を用いて距離を計算し、信号成分の合計値が第１の閾値を超えていない場合には、距離の計算を無効とする。【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３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設けられた第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、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の制御電極に、電荷の転送を制御するための第１の制御パルスを印加した後、第２の持続時間の間だけ第２〜第Ｍの制御電極に、電荷の転送を制御するための第２〜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、電荷検出手段が、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、距離計算ステップでは、第１〜第Ｍの検出信号を基に、第１〜第Ｍの検出信号のうちの背景光を除いたパルス光から発生した電荷の信号成分の合計値を計算し、信号成分の合計値が所定の第１の閾値を超えた場合には、第１〜第Ｍの検出信号から所定の計算式を用いて距離を計算し、信号成分の合計値が第１の閾値を超えていない場合には、距離の計算を無効とする。【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フレーム期間内で光源から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。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、それらをもとに第１〜第Ｍの検出信号のうちの背景光を除いたパルス光から発生した電荷の信号成分の合計値が計算され、その信号成分の合計値と第１の閾値との比較結果をもとに、第１〜第Ｍの検出信号を用いた距離計算の有効／無効が判断される。その結果、その判断結果を用いることで、有効な距離計算の結果が反映された距離画像が生成可能とされ、対象物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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一側面によれば、対象物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。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１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】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３】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ＴＤに対する変化を示すグラフである。
【図４】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ＴＤに対する変化を示すグラフである。
【図５】図１の距離画像センサ１０によって入射パルス光ＬＲの遅れ時間ＴＤに対応して検出された第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３及びそれらの信号の合計値ＳＴＯＴＡＬの強度を示すグラフである。
【図６】、対象物Ｓの実測距離ごとに図１の距離画像センサ１０によって測定された距離および距離分解能を示すグラフである。
【図７】対象物Ｓの実測距離ごとに図１の距離画像センサ１０によって測定された距離および距離分解能を示すグラフである。
【図８】図１の距離画像センサ１０によって実行された距離計算における距離分解能の特性を示すグラフである。
【図９】図１の距離画像センサ１０によって測定された距離を実測距離と比較して示すグラフである。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る距離画像センサ１０Ａの概略構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０の距離画像センサ１０Ａ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１２】図１０の距離画像センサ１０Ａ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１０Ａによって計算される各種値の遅れ時間ＴＤに対する変化を示すグラフである。
【図１３】図１０の距離画像センサ１０Ａ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１０Ａによって計算される各種値の遅れ時間ＴＤに対する変化を示すグラフである。
【図１４】（ａ）は、４タップ４ゾーン方式の距離計算で扱われる各種信号のタイミングチャート、（ｂ）は、距離計算の対象物Ｓの存在エリアを示す図である。
【図１５】４タップ４ゾーン方式の距離計算で扱われる各種信号のタイミングチャートである。
【図１６】４タップ４ゾーン方式の距離計算で扱われる各種信号のタイミングチャートである。
【図１７】図１０の距離画像センサ１０Ａによって算出された距離情報の距離分解能を理論値と比較して示すグラフである。
【図１８】図１０の距離画像センサ１０Ａによって入射パルス光ＬＲの遅れ時間ＴＤに対応して検出された第１〜第４の検出信号Ｓ１〜Ｓ４及びそれらの信号の合計値ＳＴＯＴＡＬの強度を示すグラフである。
【図１９】図１０の距離画像センサ１０Ａによって対象物Ｓの実測距離ごとに測定された距離を示すグラフである。
【図２０】図１０の距離画像センサ１０Ａによって測定された距離の分解能を示すグラフである。
【図２１】本発明の変形例の距離計算手順で扱われる各種信号のタイミングチャートである。
【図２２】本発明の変形例の距離計算手順において計算される各種値の遅れ時間ＴＤに対する変化を示すグラフである。
【図２３】本発明の変形例の距離計算手順において計算される各種値の遅れ時間ＴＤに対する変化を示すグラフである。
【図２４】本発明の変形例の距離計算手順で扱われる各種信号のタイミングチャートである。
【図２５】本発明の変形例の距離計算手順において計算される各種値の遅れ時間ＴＤに対する変化を示すグラフである。
【図２６】本発明の変形例の距離計算手順において計算される各種値の遅れ時間ＴＤに対する変化を示すグラフである。
【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。
［第１実施形態］
【００１２】
まず、図１を参照して、本発明の距離画像測定装置の第１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ＬＰ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ＬＰが反射されて生じた入射パルス光ＬＲ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ＬＲ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３の電荷読出領域２２１〜２２３及び電荷排出領域２３と、第１〜第３の電荷読出領域２２１〜２２３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３の制御電極２４１〜２４３および制御電極２５と、第１〜第３の電荷読出領域２２１〜２２３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２６１〜２６３とを含んでいる。電圧検出手段２６１〜２６３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２２１〜２２３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３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活性領域形成層よりも高不純物濃度のｎ型の電荷読出領域２２１〜２２３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２２１〜２２３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２４１〜２４３，２５が設けられる。ここで、制御電極２４１〜２４３，２５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２４１〜２４３，２５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２２１〜２２３及び電荷排出領域２３のいずれかに移動させる。
【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ＬＰの発光タイミング、パルス光ＬＰの強度、及びパルス光ＬＰのパルス幅を制御する。具体的には、持続時間Ｔ０のパルス光ＬＰを、予め設定された距離計算の繰り返し期間である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。電荷転送制御手段３２は、制御電極２４１〜２４３，２５のそれぞれに、第１〜第３の制御パルスＧ１〜Ｇ３及び制御パルスＧＤ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、１フレーム期間内のパルス光ＬＰのそれぞれの発生タイミングに対応して、持続時間Ｔ０以上である持続時間Ｔ１の間だけ制御電極２４１〜２４３に順次第１〜第３の制御パルスＧ１〜Ｇ３を印加する。本実施形態では、持続時間Ｔ１は持続時間Ｔ０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、第１〜第３の制御パルスＧ１〜Ｇ３の一連の印加タイミングの前において、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ＧＤを制御電極２５に印加する。
【００１９】
なお、パルス光ＬＰ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２４１〜２４３，２５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。
【００２０】
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パルス光ＬＰの発光タイミングに対応して繰り返し実行し、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。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ＬＰ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３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３を基に、第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３のうち、背景光の信号成分を除いた入射パルス光ＬＲ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ＳＡとして生成する。この距離データ有効性判定信号ＳＡは、第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３が入射パルス光ＬＲを強く反映したものであるかを示す信号であり、第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３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ＳＡを基に、第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３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ＳＡを所定の閾値（第１の閾値）Ｔｈ１と比較し、距離データ有効性判定信号ＳＡが閾値Ｔｈ１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ＳＡが閾値Ｔｈ１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。
【００２１】
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ＬＰ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３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３を基に、距離の計算の基礎となる距離計算参照信号ＸＲとして生成する。具体的には、距離計算参照信号生成手段３６は、２つの検出信号Ｓ１，Ｓ３の差と距離データ有効性判定信号ＳＡとの比を計算することにより、距離計算参照信号ＸＲを生成する。距離計算参照信号選択手段３７は、距離計算参照信号ＸＲ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距離計算参照信号ＸＲ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ＸＲの値を所定の閾値（第２の閾値）Ｔｈ２と比較し、その比較結果に応じて距離計算参照信号ＸＲの有効／無効を判定する。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距離計算参照信号ＸＲを参照して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、距離情報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距離計算参照信号ＸＲ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。
【００２２】
図２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２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ＬＰの発光タイミング、第１〜第３の制御パルスＧ１〜Ｇ３及び制御パルスＧＤの印加タイミング、第１〜第３の電荷読出領域２２１〜２２３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ＬＰの持続時間Ｔ０の発光タイミングに対応して、第１〜第３の制御パルスＧ１〜Ｇ３が互いに重ならないように続けて持続時間Ｔ０で印加されている。このようにすれば、入射パルス光ＬＲ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ＬＲのパルス光ＬＰに対する遅れ時間ＴＤに対応した比率で、２つの電荷読出領域２２２，２２３に分配される。ここでは、パルス光ＬＰの持続時間Ｔ０の発光タイミングと、第１の制御パルスＧ１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２２１には、制御パルスＧ１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ＮＢの電荷のみが輸送される。これに対して、電荷読出領域２２２には、制御パルスＧ２で規定される時間ウィンドウで、電荷量ＮＢに遅れ時間ＴＤに対応して分配された電荷量Ｎｓｍ１が加算された電荷が輸送される。一方、電荷読出領域２２３には、制御パルスＧ３で規定される時間ウィンドウで、電荷量ＮＢに遅れ時間ＴＤに対応して分配された電荷量Ｎｓｍ２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ＬＰのそれぞれの発光タイミングに応じて、電荷量ＮＢを除いた電荷量Ｎｓｍ１と電荷量ＮＢを除いた電荷量Ｎｓｍ２との比率を計算することにより、遅れ時間ＴＤに対応した対象物Ｓの距離を計算することができる。
【００２３】
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、「３タップ１ゾーン方式」とも言う。）について説明する。図３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ＴＤに対する変化を示すグラフである。図３において、（ａ）部から（ｄ）部には、それぞれ、制御パルスＧ１〜Ｇ３及びパルス光ＬＰのタイミングを示し、（ｅ）部〜（ｊ）部には、それぞれ、第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３の値、差分値Ｓ３−１の値、距離データ有効性判定信号ＳＡの値、及び距離計算参照信号ＸＲの値を、遅れ時間ＴＤに対応して示し、（ｋ）部には、遅れ時間ＴＤにおけるデータ有効範囲を示し、（ｌ）部には、遅れ時間ＴＤにおける測定可能範囲を示す。ここで、遅れ時間ＴＤは、パルス光ＬＰの持続時間Ｔ０で規格化した値で示されている。
【００２４】
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、１フレームの期間内で制御パルスＧ１〜Ｇ３及びパルス光ＬＰ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、制御パルスＧ１〜Ｇ３が持続時間Ｔ１＝Ｔ０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、パルス光ＬＰのタイミングが制御パルスＧ２のタイミングにほぼ重複するように設定される。その後、各画素回路１３の電圧検出手段２６１〜２６３によって、第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３が読み出され、それらの検出信号Ｓ１〜Ｓ３が演算回路１２に出力される（電圧検出ステップ）。
【００２５】
次に、各画素回路１３から出力された検出信号Ｓ１〜Ｓ３を基に、演算回路１２によって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Ｓ１〜Ｓ３を基に、下記式（１）；
ＳＡ＝Ｓ２＋Ｓ３−２Ｓ１…（１）
を用いて、距離データ有効性判定信号ＳＡの値が計算される。上記式（１）では、検出信号Ｓ１〜Ｓ３の示す信号の値（電圧値）が、そのまま記号Ｓ１〜Ｓ３で示されている（以下同様）。この距離データ有効性判定信号ＳＡの値は、検出信号Ｓ２，Ｓ３の値の合計値から、背景光及び暗電流等のノイズに起因する電荷量ＮＢの成分を除いた値となっており、検出信号Ｓ１〜Ｓ３のうちで入射パルス光ＬＲを反映した成分の合計値となっている。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ＳＡの値を閾値Ｔｈ１と比較することにより、検出信号Ｓ１〜Ｓ３を用いた距離の計算が有効であるか否かを判定する。これにより、図３の（ｋ）部に示すように、遅れ時間ＴＤの“−１”〜“０”の間の値から“１”〜“２”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Ｓ１とＳ３との差の値Ｓ３−１が下記式（２）；
Ｓ３−１＝Ｓ３−Ｓ１…（２）
を用いて計算された後に、差の値Ｓ３−１と距離データ有効性判定信号ＳＡの値との比を計算することにより、下記式（３）；
ＸＲ＝Ｓ３−１／ＳＡ…（３）
を用いて距離計算参照信号ＸＲの値が計算される。
【００２６】
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ＸＲ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ＸＲの値が“０”以上閾値Ｔｈ２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Ｓ２の時間ウィンドウから入射パルス光ＬＲが外れて距離計算参照信号ＸＲ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Ｓ３の時間ウィンドウから入射パルス光ＬＲが外れて距離計算参照信号ＸＲ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。図３の（ｌ）部に示す例では、遅れ時間ＴＤの“０”から“１”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、該当画素に関する距離計算参照信号ＸＲ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。このような距離画像の生成は、１フレームの期間ごとに繰り返される。
【００２７】
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、「３タップ２ゾーン方式」とも言う。）で行われてもよい。この手順によれば、遅れ時間ＴＤ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４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ＴＤに対する変化を示すグラフである。図４において、（ａ）部から（ｄ）部には、それぞれ、制御パルスＧ１〜Ｇ３及びパルス光ＬＰ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Ｓ１〜Ｓ３の値、差分値Ｓ１−３の値、差分値の絶対値｜Ｓ１−３｜、加算値の絶対値｜Ｓ１＋３｜、ノイズに起因する信号成分ＳＢの値、距離データ有効性判定信号ＳＡの値、及び距離計算参照信号ＸＲの値を、遅れ時間ＴＤに対応して示し、（ｎ）部には、遅れ時間ＴＤにおけるデータ有効範囲を示し、（ｏ）部には、遅れ時間ＴＤにおける測定可能範囲を示す。
【００２８】
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、１フレームの期間内で制御パルスＧ１〜Ｇ３及びパルス光ＬＰ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、制御パルスＧ１〜Ｇ３が持続時間Ｔ１＝Ｔ０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、パルス光ＬＰのタイミングが制御パルスＧ１のタイミングにほぼ重複するように設定される。その後、各画素回路１３の電圧検出手段２６１〜２６３によって、第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３が読み出され、それらの検出信号Ｓ１〜Ｓ３が演算回路１２に出力される（電圧検出ステップ）。
【００２９】
次に、各画素回路１３から出力された検出信号Ｓ１〜Ｓ３を基に、演算回路１２によって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Ｓ１，Ｓ３を基に、下記式（４）；
Ｓ１−３＝Ｓ１−Ｓ３…（４）
を用いて、検出信号Ｓ１，Ｓ３の差分値Ｓ１−３が計算されてから、その差分値の絶対値｜Ｓ１−３｜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Ｓ１，Ｓ３の加算値の絶対値｜Ｓ１＋３｜が下記式（５）；
｜Ｓ１＋３｜＝｜Ｓ１＋Ｓ３｜…（５）
を用いて計算された後、加算値の絶対値｜Ｓ１＋３｜と差分値の絶対値｜Ｓ１−３｜との差分が求められることにより、下記式（６）；
ＳＢ＝｜Ｓ１＋３｜−｜Ｓ１−３｜…（６）
を用いてノイズに起因する信号成分ＳＢの値が計算される。さらに、距離データ有効性判定信号生成手段３３によって、検出信号Ｓ１〜Ｓ３と信号成分ＳＢの値とを基に、下記式（７）；
ＳＡ＝｜Ｓ１−３｜＋Ｓ２−０．５ＳＢ…（７）
を用いて、距離データ有効性判定信号ＳＡ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ＳＡの値を閾値Ｔｈ１と比較することにより、検出信号Ｓ１〜Ｓ３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Ｔｈ１を“０”近傍に設定することにより、図４の（ｎ）部に示すように、遅れ時間ＴＤ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、距離計算参照信号生成手段３６によって、検出信号Ｓ１とＳ３との差の値Ｓ１−３と距離データ有効性判定信号ＳＡの値との比を計算することにより、下記式（８）；
ＸＲ＝１−Ｓ１−３／ＳＡ…（８）
を用いて距離計算参照信号ＸＲの値が計算される。
【００３０】
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ＸＲ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ＸＲの値が“０”以上閾値Ｔｈ２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Ｓ２の時間ウィンドウから入射パルス光ＬＲが外れて距離計算参照信号ＸＲ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Ｓ２の時間ウィンドウから入射パルス光ＬＲが外れて距離計算参照信号ＸＲ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Ｔｈ２を“２”近傍に設定することにより、図４の（ｏ）部に示すように、遅れ時間ＴＤ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、該当画素に関する距離計算参照信号ＸＲ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。このような距離画像の生成は、１フレームの期間ごとに繰り返される。
【００３１】
上述した手順によれば、検出信号Ｓ１〜Ｓ３に対応する３つの時間ウィンドウにおいて入射パルス光ＬＲによって生じる電荷量を分配することができるので、遅れ時間ＴＤの計算可能な範囲を広げることができる。
【００３２】
以上説明した距離画像センサ１０あるいは距離画像センサ１０を用いた距離画像測定方法によれば、１フレーム期間内で光源１１から繰り返しパルス光ＬＰが発生し、パルス光ＬＰの発生に対応して、パルス光ＬＰの持続時間Ｔ０以上の持続時間Ｔ１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３の電荷読出領域２２１〜２２３に順次電荷が転送される。さらに、画素回路１３の第１〜第３の電荷読出領域２２１〜２２３から第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３が読み出され、それらをもとに第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３のうちの背景光を除いた入射パルス光ＬＲから発生した電荷の信号成分の合計値ＳＡが計算され、その信号成分の合計値ＳＡと閾値Ｔｈ１との比較結果をもとに、第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３を用いた距離計算の有効／無効が判断される。その結果、その判断結果を用いることで、有効な距離計算の結果が反映された距離画像が生成可能とされ、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。
【００３３】
なお、本実施形態では、演算回路１２は、第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３のうちの２つの検出信号の差と信号成分の合計値ＳＡとの比を計算することにより距離計算参照信号ＸＲを求め、距離計算参照信号ＸＲと閾値Ｔｈ２との比較結果に応じて距離計算参照信号ＸＲが有効であるか否かを判断し、距離計算参照信号ＸＲが有効な場合に距離計算参照信号ＸＲを基に距離を計算している。このように処理することにより、対象物Ｓが測定可能範囲外に位置するか否かを適切に判断することができ、その判断結果をもとに高精度な距離情報を含む距離画像を生成することができる。
【００３４】
以下、本実施形態における測定結果を示す。
【００３５】
図５には、距離画像センサ１０によって入射パルス光ＬＲの遅れ時間ＴＤに対応して検出された第１〜第３の検出信号Ｓ１〜Ｓ３及びそれらの信号の合計値ＳＴＯＴＡＬの強度を示している。ここでは、図４に示した３タップ２ゾーン方式が採用され、パルス光ＬＰの持続時間Ｔ０および制御パルスＧ１〜Ｇ３の持続時間Ｔ１が、ともに２２．２２［ｎｓ］に設定されている。この測定結果に示すように、検出信号Ｓ１〜Ｓ３のピークが異なる遅れ時間ＴＤにおいて現れ、遅れ時間ＴＤに応じて分配された電荷量を反映して検出信号Ｓ１〜Ｓ３が生成されていることがわかる。
【００３６】
また、図６は、対象物Ｓの実測距離ごとに距離画像センサ１０によって測定された距離および距離分解能を示すグラフである。このとき、パルス光ＬＰの持続時間Ｔ０＝２８ｎｓ、制御パルスＧ１〜Ｇ３の持続時間Ｔ１＝２９．６３ｎｓに設定し、図３に示した３タップ１ゾーン方式を採用して３０ｆｐｓの間隔で距離画像を生成させた。また、距離および距離分解能の測定結果は３０枚の距離画像で平均化した。この測定結果より、距離測定値が実測距離と０．５ｍ〜４ｍの範囲でよく一致しており、距離分解能も距離測定値２ｍで５０ｍｍ以下に高くなっていることが分かった。
【００３７】
同様に、図７は、対象物Ｓの実測距離ごとに距離画像センサ１０によって測定された距離および距離分解能を示すグラフである。このとき、パルス光ＬＰの持続時間Ｔ０＝１４ｎｓ、制御パルスＧ１〜Ｇ３の持続時間Ｔ１＝１４．８２ｎｓに設定し、３タップ２ゾーン方式を採用して３０ｆｐｓの間隔で距離画像を生成させた。この測定結果より、距離測定値が実測距離と０．５ｍ〜４ｍの範囲でよく一致しており、距離分解能も距離測定値１．５ｍで２０ｍｍ以下に高くされていることが分かった。
【００３８】
図８は、３タップ１ゾーン方式あるいは３タップ２ゾーン方式を採用して距離画像センサ１０によって実行された距離計算における距離分解能の特性を示すグラフである。この特性に示すように、３タップ１ゾーン方式の場合は計測距離が長くなるにしたがって距離分解能が次第に低くなる傾向がみられるが、３タップ２ゾーン方式の場合は、計算する距離の広い範囲で距離分解能が高くされている。
【００３９】
図９には、図１の距離画像センサ１０によって３タップ２ゾーン方式を採用して算出された距離を実測距離と比較して示す。このように、実測距離が４ｍまでの範囲では、算出された距離が実測距離とよく一致している。実測距離が４ｍを超えると（図９の符号Ｗ１に示す範囲）対象物Ｓが測定可能範囲外に位置することになるため、算出距離が０に近くなり検出信号Ｓ１〜Ｓ３を用いた距離計算の誤差が大きくなるが、この場合は閾値判定によって距離計算が無効化されるため誤った距離画像の生成が防止される。
［第２実施形態］
【００４０】
次に、本発明の第２実施形態にかかる距離画像センサ１０Ａの構成及び距離画像センサ１０Ａによる距離画像測定方法の手順について説明する。
【００４１】
図１０は、距離画像センサ１０Ａの概略構成を示すブロック図である。図１０に示す距離画像センサ１０Ａは、第１実施形態にかかる距離画像センサ１０と比較して、画素回路１３が４つの電荷読出領域２２１〜２２４を備え、それらに対応して４つの制御電極２４１〜２４４と４つの電圧検出手段２６１〜２６４を備える点、および、電荷転送制御手段３２Ａと、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３３Ａ、距離計算参照信号生成手段３６Ａ、及び距離計算参照信号選択手段３７Ａの機能が異なる。以下、距離画像センサ１０Ａの構成を、距離画像センサ１０との相違点を中心に説明する。
【００４２】
画素回路１３は、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２２１〜２２４及び電荷排出領域２３と、第１〜第４の電荷読出領域２２１〜２２４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２４１〜２４４及び制御電極２５と、第１〜第４の電荷読出領域２２１〜２２４のそれぞれから第１〜第４の検出信号Ｓ１〜Ｓ４を読み出すための電圧検出手段２６１〜２６４とを含んでいる。電荷読出領域２２１〜２２４の具体的回路構成、画素回路１３における各種領域および制御電極の形態は、第１実施形態と同様である。
【００４３】
演算回路１２の電荷転送制御手段３２Ａは、１フレーム期間内のパルス光ＬＰのそれぞれの発光タイミングに対応して、持続時間Ｔ０以上である持続時間Ｔ１の間だけ制御電極２４１〜２４４に順次第１〜第４の制御パルスＧ１〜Ｇ４を印加する。本実施形態では、持続時間Ｔ１は持続時間Ｔ０と等しくなるように設定される。また、電荷転送制御手段３２Ａは、第１〜第４の制御パルスＧ１〜Ｇ４の一連の印加タイミングの前において、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ＧＤを制御電極２５に印加する。
【００４４】
演算回路１２の距離データ有効性判定信号生成手段３３Ａは、画素回路１３から出力された第１〜第４の検出信号Ｓ１〜Ｓ４を基に、第１〜第４の検出信号Ｓ１〜Ｓ４のうち、背景光の信号成分を除いた入射パルス光ＬＲ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ＳＡとして生成する。距離計算参照信号生成手段３６Ａは、第１〜第４の検出信号Ｓ１〜Ｓ４のうちの一方の検出信号の組Ｓ１，Ｓ３の差の値Ｓ１−３と距離データ有効性判定信号ＳＡとの比を計算することにより第１の距離計算参照信号ＸＲを求める。加えて、距離計算参照信号生成手段３６Ａは、検出信号Ｓ１〜Ｓ４のうちの他方の検出信号の組Ｓ２，Ｓ４の差の値Ｓ２−４と距離データ有効性判定信号ＳＡとの比を計算することにより第２の距離計算参照信号ＹＲを求める。そして、距離計算参照信号生成手段３６Ａは、求めた第１の距離計算参照信号ＸＲと閾値（第３の閾値）Ｔｈ２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ＸＲ，ＹＲ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ＸＲ，ＹＲが測定可能な範囲である場合に選択した距離計算参照信号ＸＲ，ＹＲを有効な値として距離画像生成手段３８に出力する。
【００４５】
図１１は、距離画像センサ１０Ａ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１１には、距離画像センサ１０Ａ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ＬＰの発光タイミング、第１〜第４の制御パルスＧ１〜Ｇ４及び制御パルスＧＤの印加タイミング、第１〜第４の電荷読出領域２２１〜２２４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ＬＰの持続時間Ｔ０の発光タイミングに対応して、第１〜第４の制御パルスＧ１〜Ｇ４が互いに重ならないように続けて持続時間Ｔ０で印加されている。このようにすれば、入射パルス光ＬＲ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ＬＲのパルス光ＬＰに対する遅れ時間ＴＤに対応した比率で、２つの電荷読出領域２２２，２２３、あるいは２つの電荷読出領域２２３，２２４に分配される。ここでは、パルス光ＬＰの持続時間Ｔ０の発光タイミングと、第１の制御パルスＧ１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２２１には、制御パルスＧ１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ＮＢの電荷のみが輸送される。これに対して、入射パルス光ＬＲの到達タイミングが制御パルスＧ２，Ｇ３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２２２には電荷量ＮＢに遅れ時間ＴＤに対応して分配された電荷量Ｎｓｍ１が加算された電荷が輸送される一方、電荷読出領域２２３には、電荷量ＮＢに遅れ時間ＴＤに対応して分配された電荷量Ｎｓｍ２が加算された電荷が輸送される。その一方で、入射パルス光ＬＲの到達タイミングが制御パルスＧ３，Ｇ４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２２３には電荷量ＮＢに遅れ時間ＴＤに対応して分配された電荷量Ｎｓｍ１が加算された電荷が輸送される一方、電荷読出領域２２４には、電荷量ＮＢに遅れ時間ＴＤに対応して分配された電荷量Ｎｓｍ２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１０Ａの演算回路１２においては、パルス光ＬＰのそれぞれの発光タイミングに応じて、電荷量ＮＢを除いた電荷量Ｎｓｍ１と電荷量ＮＢを除いた電荷量Ｎｓｍ２との比率を計算することにより、遅れ時間ＴＤに対応した対象物Ｓの距離を計算することができる。
【００４６】
次に、距離画像センサ１０Ａ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ゾーン方式」とも言う。）について説明する。図１２は、距離画像センサ１０Ａ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ＴＤに対する変化を示すグラフである。図１２において、（ａ）部から（ｅ）部には、それぞれ、制御パルスＧ１〜Ｇ４及びパルス光ＬＰ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Ｓ１〜Ｓ４の値、差分値Ｓ１−３，Ｓ２−４の値、距離データ有効性判定信号ＳＡの値、及び距離計算参照信号ＸＲ，ＹＲの値を、遅れ時間ＴＤに対応して示し、（ｏ）部には、遅れ時間ＴＤにおけるデータ有効範囲を示し、（ｐ）部には、遅れ時間ＴＤにおける測定可能範囲を示す。
【００４７】
まず、距離画像センサ１０Ａ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３２Ａによって、１フレームの期間内で制御パルスＧ１〜Ｇ４及びパルス光ＬＰ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、制御パルスＧ１〜Ｇ４が持続時間Ｔ１＝Ｔ０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、パルス光ＬＰのタイミングが制御パルスＧ１のタイミングにほぼ重複するように設定される。その後、各画素回路１３の電圧検出手段２６１〜２６４によって、第１〜第４の検出信号Ｓ１〜Ｓ４が読み出され、それらの検出信号Ｓ１〜Ｓ４が演算回路１２に出力される（電圧検出ステップ）。
【００４８】
次に、各画素回路１３から出力された検出信号Ｓ１〜Ｓ４を基に、演算回路１２によって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３３Ａによって、検出信号Ｓ１，Ｓ３を基に、下記式（９）；
Ｓ１−３＝Ｓ１−Ｓ３…（９）
を用いて、検出信号Ｓ１，Ｓ３の差分値Ｓ１−３が計算されてから、その差分値の絶対値｜Ｓ１−３｜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３３Ａによって、検出信号Ｓ２，Ｓ４を基に、下記式（１０）；
Ｓ２−４＝Ｓ２−Ｓ４…（１０）
を用いて、検出信号Ｓ２，Ｓ４の差分値Ｓ２−４が計算されてから、その差分値の絶対値｜Ｓ２−４｜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３３Ａによって、差分値の絶対値｜Ｓ１−３｜と差分値の絶対値｜Ｓ２−４｜が加算されることにより、下記式（１１）；
ＳＡ＝｜Ｓ１−３｜＋｜Ｓ２−４｜…（１１）
を用いて、距離データ有効性判定信号ＳＡ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ＳＡの値を閾値Ｔｈ１と比較することにより、検出信号Ｓ１〜Ｓ４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Ｔｈ１を“０”近傍に設定することにより、図１２の（ｏ）部に示すように、遅れ時間ＴＤ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３６Ａによって、検出信号Ｓ１とＳ３との差の値Ｓ１−３と距離データ有効性判定信号ＳＡの値との比を計算することにより、下記式（１２）；
ＸＲ＝１−Ｓ１−３／ＳＡ…（１２）
を用いて第１の距離計算参照信号ＸＲの値が計算されると共に、検出信号Ｓ２とＳ４との差の値Ｓ２−４と距離データ有効性判定信号ＳＡの値との比を計算することにより、下記式（１３）；
ＸＲ＝２−Ｓ２−４／ＳＡ…（１３）
を用いて第２の距離計算参照信号ＹＲの値が計算される。
【００４９】
次に、距離計算参照信号選択手段３７Ａにより、距離計算参照信号ＸＲ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ＸＲと距離計算参照信号ＸＲとのうちから選択される。例えば、距離計算参照信号ＸＲの値が“０”以上閾値Ｔｈ２以下の場合は距離計算参照信号ＸＲが選択され、距離計算参照信号ＸＲの値が閾値Ｔｈ２を超えている場合は距離計算参照信号ＹＲ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ＬＲ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３７Ａにより、選択された距離計算参照信号ＸＲ，ＹＲ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ＸＲ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ＹＲの値が閾値Ｔｈ３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Ｓ３の時間ウィンドウから入射パルス光ＬＲが外れて距離計算参照信号ＹＲ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Ｓ２の時間ウィンドウから入射パルス光ＬＲが外れて距離計算参照信号ＸＲ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Ｔｈ３を“３”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ＴＤ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。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ＸＲ，ＹＲ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。
【００５０】
上述した手順によれば、入射パルス光ＬＲによって生じる電荷量を検出信号Ｓ１〜Ｓ４に対応する４つ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ＴＤの計算可能な範囲を広げることができる。さらに、距離計算参照信号ＸＲ，ＹＲのうちで遅れ時間ＴＤ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。
【００５１】
上述した距離画像センサ１０Ａ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ＴＤ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１３は、距離画像センサ１０Ａ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ＴＤに対する変化を示すグラフである。図１３において、（ａ）部から（ｅ）部には、それぞれ、制御パルスＧ１〜Ｇ４及びパルス光ＬＰ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Ｓ１〜Ｓ４の値、差分値Ｓ１−３，Ｓ２−４の値、距離データ有効性判定信号ＳＡの値、及び距離計算参照信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の値を、遅れ時間ＴＤに対応して示し、（ｐ）部には、遅れ時間ＴＤにおけるデータ有効範囲を示し、（ｑ）部には、遅れ時間ＴＤに対応して計算される比較信号Ｐ２〜Ｐ４の値、（ｒ）部には、遅れ時間ＴＤにおける測定可能範囲を示す。
【００５２】
まず、距離画像センサ１０Ａ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３２Ａによって、１フレームの期間内で制御パルスＧ１〜Ｇ４及びパルス光ＬＰ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、制御パルスＧ１〜Ｇ４が持続時間Ｔ１＝Ｔ０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、パルス光ＬＰのタイミングが制御パルスＧ１のタイミングにほぼ重複するように設定される。ここでは、パルス光ＬＰの点灯タイミングの直前に制御パルスＧ３がオンされてから、４つの制御パルスＧ１〜Ｇ４が連続してオンされた直後に、再度制御パルスＧ１がオンされる。その後、各画素回路１３の電圧検出手段２６１〜２６４によって、第１〜第４の検出信号Ｓ１〜Ｓ４が読み出され、それらの検出信号Ｓ１〜Ｓ４が演算回路１２に出力される（電圧検出ステップ）。
【００５３】
次に、各画素回路１３から出力された検出信号Ｓ１〜Ｓ４を基に、演算回路１２によって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３３Ａによって、検出信号Ｓ１，Ｓ３の差分値Ｓ１−３及び検出信号Ｓ２，Ｓ４の差分値Ｓ２−４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３３Ａによって、差分値Ｓ１−３及び差分値Ｓ２−４の絶対値を基に、距離データ有効性判定信号ＳＡの値が計算される。そして、距離データ有効性判定手段３４Ａは、距離データ有効性判定信号ＳＡの値を閾値Ｔｈ１と比較することにより、検出信号Ｓ１〜Ｓ４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Ｔｈ１を“０”近傍に設定することにより、図１３の（ｐ）部に示すように、遅れ時間ＴＤ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３６Ａによって、検出信号Ｓ１とＳ３との差の値Ｓ１−３と距離データ有効性判定信号ＳＡの値との比を計算することにより、下記式（１４）；
Ｒ１＝１−Ｓ１−３／ＳＡ…（１４）
を用いて距離計算参照信号Ｒ１の値が計算され、検出信号Ｓ２とＳ４との差の値Ｓ２−４と距離データ有効性判定信号ＳＡの値との比を計算することにより、下記式（１５）；
Ｒ２＝２−Ｓ２−４／ＳＡ…（１５）
を用いて距離計算参照信号Ｒ２の値が計算され、検出信号Ｓ１とＳ３との差の値Ｓ１−３と距離データ有効性判定信号ＳＡの値との比を計算することにより、下記式（１６）；
Ｒ３＝３＋Ｓ１−３／ＳＡ…（１６）
を用いて距離計算参照信号Ｒ３の値が計算される。
【００５４】
距離計算参照信号選択手段３７Ａにより、距離計算参照信号Ｒ１〜Ｒ３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Ｒ１〜Ｒ３の中から選択される。例えば、距離計算参照信号Ｒ１が閾値Ｔｈ２以下であり、かつ、距離計算参照信号Ｒ２が閾値Ｔｈ５以下である場合は、距離計算参照信号Ｒ１が選択される。その一方で、距離計算参照信号Ｒ１が閾値Ｔｈ２を超えており、かつ、距離計算参照信号Ｒ２が閾値Ｔｈ５以下である場合は、距離計算参照信号Ｒ２が選択される。さらに、距離計算参照信号Ｒ２が閾値Ｔｈ５を超えている場合は、距離計算参照信号Ｒ３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ＬＲ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３７Ａにより、選択された距離計算参照信号Ｒ１，Ｒ３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Ｒ１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Ｒ３の値が閾値Ｔｈ６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Ｓ４の時間ウィンドウから入射パルス光ＬＲが外れて距離計算参照信号Ｒ３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Ｓ２の時間ウィンドウから入射パルス光ＬＲが外れて距離計算参照信号Ｒ１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Ｔｈ６を“４”近傍に設定することにより、図１３の（ｒ）部に示すように、遅れ時間ＴＤ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１３の（ｑ）部には、距離計算参照信号Ｒ１を閾値Ｔｈ２と比較した結果得られる比較信号Ｐ２、距離計算参照信号Ｒ２を閾値Ｔｈ５と比較した結果得られる比較信号Ｐ３、及び距離計算参照信号Ｒ３を閾値Ｔｈ６と比較した結果得られる比較信号Ｐ４を示している。
【００５５】
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Ｒ１〜Ｒ３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】
上述した手順によれば、入射パルス光ＬＲによって生じる電荷量を、連続する５つの制御パルスＧ１〜Ｇ４，Ｇ１に対応する５つ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ＴＤの計算可能な範囲を広げることができる。さらに、距離計算参照信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のうちで遅れ時間ＴＤ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。
【００５７】
図１４〜図１６を参照して、本実施形態の４タップ４ゾーン方式の距離計算手順の概要を示す。図１４において、（ａ）部には、４タップ４ゾーン方式の距離計算で扱われる各種信号のタイミングチャートを示し、（ｂ）部には、距離計算の対象物Ｓの存在エリアを示している。また、図１５には、４タップ４ゾーン方式の距離計算で扱われる各種信号のタイミングチャートを、各時間ウィンドウにおける電荷の分配状態とともに示し、図１６には、４タップ４ゾーン方式の距離計算で扱われる各種信号のタイミングチャートを、遅れ時間ＴＤに対応した距離計算参照信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３の選択状態とともに示している。
【００５８】
図１４に示すように、対象物Ｓが距離画像センサ１０Ａからの距離が異なるゾーンＺ１〜Ｚ４のいずれに位置するかによって、入射パルス光ＬＲの画素回路１３への到達タイミングが異なる。例えば、対象物Ｓが距離画像センサ１０Ａからの距離が小さいゾーンＺ１に位置している場合は、入射パルス光ＬＲの到達タイミングが制御パルスＧ１で規定される時間ウィンドウと制御パルスＧ２で規定される時間ウィンドウとを跨ったタイミングＴＩ１となる。また、対象物Ｓが距離画像センサ１０Ａからの距離がゾーンＺ１よりも大きいゾーンＺ２に位置している場合は、入射パルス光ＬＲの到達タイミングが制御パルスＧ２で規定される時間ウィンドウと制御パルスＧ３で規定される時間ウィンドウとを跨ったタイミングＴＩ２となる。また、対象物Ｓが距離画像センサ１０Ａからの距離がゾーンＺ２よりも大きいゾーンＺ３に位置している場合は、入射パルス光ＬＲの到達タイミングが制御パルスＧ３で規定される時間ウィンドウと制御パルスＧ４で規定される時間ウィンドウとを跨ったタイミングＴＩ３となる。さらに、対象物Ｓが距離画像センサ１０Ａからの距離がゾーンＺ３よりも大きいゾーンＺ４に位置している場合は、入射パルス光ＬＲの到達タイミングが制御パルスＧ４で規定される時間ウィンドウと制御パルスＧ１で規定される時間ウィンドウとを跨ったタイミングＴＩ４となる。
【００５９】
このような現象を利用して、本実施形態の距離計算では、図１５に示すように、入射パルス光ＬＲの到達タイミングがタイミングＴＩ１となっている場合には、距離計算参照信号Ｒ１を用いて距離計算を行うことにより、制御パルスＧ１で規定される時間ウィンドウにおいて蓄積された電荷の量Ｎｓｍ１と制御パルスＧ２で規定される時間ウィンドウにおいて蓄積された電荷の量Ｎｓｍ２との比率を距離情報に反映している。なお、この比率を計算する際には、背景光等のノイズに起因する電荷量ＮＢは除外されている。また、入射パルス光ＬＲの到達タイミングがタイミングＴＩ２となっている場合には、距離計算参照信号Ｒ１または距離計算参照信号Ｒ２を選択的に用いて距離計算を行うことにより、制御パルスＧ２で規定される時間ウィンドウにおいて蓄積された電荷の量と制御パルスＧ３で規定される時間ウィンドウにおいて蓄積された電荷の量との比率を距離情報に反映している。同様に、入射パルス光ＬＲの到達タイミングがタイミングＴＩ３となっている場合には、距離計算参照信号Ｒ２または距離計算参照信号Ｒ３を選択的に用いて距離計算を行うことにより、制御パルスＧ３で規定される時間ウィンドウにおいて蓄積された電荷の量と制御パルスＧ４で規定される時間ウィンドウにおいて蓄積された電荷の量との比率を距離情報に反映している。さらに、入射パルス光ＬＲの到達タイミングがタイミングＴＩ４となっている場合には、距離計算参照信号Ｒ３を用いて距離計算を行うことにより、制御パルスＧ４で規定される時間ウィンドウにおいて蓄積された電荷の量Ｎと制御パルスＧ１で規定される時間ウィンドウにおいて蓄積された電荷の量との比率を距離情報に反映している。すなわち、図１６に示すように、入射パルス光ＬＲの到達のタイミングに対応して、遅れ時間ＴＤに対して線形の関係を有する距離計算参照信号Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を選択的に用いて距離情報を計算する。
【００６０】
以下、本実施形態にかかる４タップ４ゾーン方式の距離計算による測定結果を示す。
【００６１】
図１７は、対象物Ｓの実測距離を様々に変更した際に距離画像センサ１０Ａによって算出された距離情報の距離分解能を理論値と比較して示すグラフである。この結果より、距離分解能は理論値とよく一致しており、実測距離が０〜８ｍの範囲で実測距離の約１／１００の距離分解能が得られている。
【００６２】
図１８には、距離画像センサ１０Ａによって入射パルス光ＬＲの遅れ時間ＴＤに対応して検出された第１〜第４の検出信号Ｓ１〜Ｓ４及びそれらの信号の合計値ＳＴＯＴＡＬの強度を示している。ここでは、パルス光ＬＰの持続時間Ｔ０および制御パルスＧ１〜Ｇ４の持続時間Ｔ１が、ともに１５［ｎｓ］に設定されている。この測定結果に示すように、検出信号Ｓ１〜Ｓ４のピークが異なる遅れ時間ＴＤにおいて現れ、遅れ時間ＴＤに応じて分配された電荷量を反映して検出信号Ｓ１〜Ｓ４が生成されていることがわかる。
【００６３】
また、図１９は、対象物Ｓの実測距離ごとに距離画像センサ１０Ａによって測定された距離を示すグラフである。ここでは、１５．７ｆｐｓの間隔で距離画像を生成させ、距離測定結果は３０枚の距離画像で平均化した。この測定結果より、距離測定値が実測距離と１ｍ〜８ｍの範囲でよく一致していることが分かった。
【００６４】
図２０は、対象物Ｓの実測距離ごとに距離画像センサ１０Ａによって測定された距離の分解能を、比較例と比較して示すグラフである。比較例においては、２つの電荷読出領域とそれらに対応した２つの制御電極とを備える画素回路を用いて、それらの電荷読出領域から読み出した検出信号を用いて距離を測定した。この結果より、本実施形態の距離計算における分解能の値は、比較例と比べて１／２以下にされており、距離分解能が十分に改善されている。
【００６５】
ここで、上述した第１実施形態及び第２実施形態において用いられる閾値は、次のように設定されることが好適である。
【００６６】
すなわち、第１の閾値Ｔｈ１は距離データ有効性判定信号ＳＡに対して設定される閾値である。この距離データ有効性判定信号ＳＡは、検出信号Ｓ１〜ＳＭ（Ｍは３以上の整数）の線形演算によって計算され、距離計算参照信号ＸＲ，ＹＲ，Ｒ１〜Ｒ３を計算する計算式の分母に設定される。そして、第１の閾値Ｔｈ１は、分母となる距離データ有効性判定信号ＳＡが“０”でない有限な値を持ち、距離計算参照信号ＸＲ，ＹＲ，Ｒ１〜Ｒ３の計算が有効となる範囲を決めることが目的の閾値である。従って、距離データ有効性判定信号ＳＡが検出信号Ｓ１〜ＳＭの線形演算によって計算されることから、第１の閾値Ｔｈ１は、検出信号Ｓ１〜ＳＭの無信号時のノイズ電圧のＲＭＳ値を基準に、これらを超えるように決められることが好適である。
【００６７】
一方で、閾値Ｔｈ２，Ｔｈ３，Ｔｈ５，Ｔｈ６は、距離計算参照信号ＸＲ，ＹＲ，Ｒ１〜Ｒ３に対して設定される。測定可能範囲を決定する最後の閾値（図３、図４におけるＴｈ２、図１２におけるＴｈ３、図１３におけるＴｈ６）以外は、時間窓の切り替わり付近に相当する距離計算参照信号の値近傍に設定される。従って、測定可能範囲を決定する最後の閾値は、最後の距離計算参照信号の最大値を与える、最後の時間窓の端部に相当する距離時間参照信号の値（例えば、図１３においてはＲ３の最大値の“４”）から、第１の閾値Ｔｈ１の値に相当する、検出信号Ｓ１〜ＳＭの無信号時のノイズ電圧のＲＭＳ値を超えるように決められた値を減算した値に決められることが好適である。
【００６８】
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。
【００６９】
上述した実施形態では、画素回路に３つまたは４つの電荷読出領域が設けられているが、電荷読出領域は５つ以上設けられていてもよい。その場合は、制御電極及び電荷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。
【００７０】
また、上述した実施形態では、各画素回路１３ごとの距離の計算がパルス光ＬＰの１回の発光タイミングごとに繰り返し実行されているが、パルス光ＬＰの複数回の発光タイミングごとに繰り返し実行されてもよい。
【００７１】
ここで、各画素回路１３が８つの電荷読出領域を有し、演算回路１２がパルス光ＬＰの２回の発光タイミングごとに距離計算を実行する場合の本発明の変形例について説明する。図２１は、本変形例の距離計算手順で扱われる各種信号のタイミングチャートであり、図２２および図２３は、本変形例の距離計算手順において計算される各種値の遅れ時間ＴＤに対する変化を示すグラフである。図２１には、８つの制御電極に印加される制御パルスＧ１〜Ｇ８、制御パルスＧＤ、及び２つのパルス光ＬＰのタイミングを示し、図２２には、８つの電荷読出領域から読み出される第１〜第８の検出信号Ｑ１〜Ｑ８の値、ゾーン判定信号ＱＡ〜ＱＤの値、及び、比較信号ＰＡ〜ＰＤの値を、遅れ時間ＴＤに対応して示し、図２３には、距離計算の基となる距離計算参照信号の値を遅れ時間ＴＤに対応して示す。
【００７２】
この変形例では、図２１に示すように、演算回路１２の光源制御手段３１によって、持続時間Ｔ０の第１のパルス光と持続時間２Ｔ０の第２のパルス光との２つのパルス光ＬＰを、時間差７Ｔ０で発生させるように制御される。それとともに、演算回路１２の電荷転送制御手段３２によって、持続時間Ｔ０の第１のパルス光の持続時間Ｔ０だけ前に電荷排出用の制御パルスＧＤがオフされるとともに、持続時間２Ｔ０の第２のパルス光の発生に同期して持続時間Ｔ０の制御パルスＧ１〜Ｇ８が互いに重ならないように順番に印加される。
【００７３】
このようなパルス光及び制御パルスのタイミング制御下においては、８つの電荷読出領域から読み出される第１〜第８の検出信号Ｑ１〜Ｑ８は、遅れ時間ＴＤに応じて変動する（図２２）。本変形例の演算回路１２によって、対象物Ｓの距離のゾーンを判定するためのゾーン判定信号が、第１〜第８の検出信号Ｑ１〜Ｑ８を基に下記式；
ＱＡ＝Ｑ１−Ｑ５，
ＱＢ＝Ｑ２−Ｑ６，
ＱＣ＝Ｑ３−Ｑ７，
ＱＤ＝Ｑ４−Ｑ８
により計算される。これらのゾーン信号の値の大小関係の組み合わせは遅れ時間ＴＤ毎に決まっており、そのような性質を利用することで対象物Ｓの距離のゾーンを判定することができる。
【００７４】
加えて、演算回路１２によって、ゾーンごとの距離計算のために参照する値として下記の値が計算される。
ＱＡＢ＝ＱＡ＋ＱＢ，
ＱＢＣ＝ＱＢ＋ＱＣ，
ＱＣＤ＝ＱＣ＋ＱＤ，
ＱＡｄＣ＝ＱＡ−ＱＣ，
ＱＢｄＤ＝ＱＢ−ＱＤ，
ＱＡＣ＝ＱＡ＋ＱＣ，
ＱＢＤ＝ＱＢ＋ＱＤ，
ＱＡＢＣ＝ＱＡ＋ＱＢ＋ＱＣ，
ＱＢＣＤ＝ＱＢ＋ＱＣ＋ＱＤ，
ＱＣＤｄＡ＝ＱＣ＋ＱＤ−ＱＡ，
ＱＤｄＡｄＢ＝ＱＤ−ＱＡ−ＱＢ
【００７５】
さらに、演算回路１２によって、各ゾーン判定信号ＱＡ〜ＱＤが２つの閾値ＱＴＨ＋，ＱＴＨ−と比較されることにより３値（−１，０，１）の比較信号ＰＡ〜ＰＤが生成される。すなわち、比較信号ＰＡ〜ＰＤのそれぞれは、ゾーン判定信号ＱＡ〜ＱＤが閾値ＱＴＨ−未満の場合には値“−１”と設定され、ゾーン判定信号ＱＡ〜ＱＤが閾値ＱＴＨ−以上かつ閾値ＱＴＨ＋以下の場合には値“０”と設定され、ゾーン判定信号ＱＡ〜ＱＤが閾値ＱＴＨ＋を超えている場合には値“１”と設定される。そして、演算回路１２の距離計算参照信号選択手段３７によって、比較信号ＰＡ〜ＰＤの値の組み合わせによって対象物Ｓの距離のゾーンが判定される。例えば、（ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ）＝（１，０，０，０）であった場合は、測定可能範囲外のゾーンＺ−１と判定され、（ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ）＝（１，１，０，０）であった場合は、ゾーンＺ０と判定され、（ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ）＝（０，１，１，０）であった場合は、ゾーンＺ１と判定され、（ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ）＝（０，０，１，１）であった場合は、ゾーンＺ２と判定される。また、（ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ）＝（０，０，−１，０）であった場合は、ゾーンＺ１３と判定され、（ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ，ＰＤ）＝（０，０，０，−１）であった場合は、測定可能範囲外とのゾーンＺ１４と判定される（図２２）。ゾーン判定後、距離計算参照信号選択手段３７は、距離計算に用いる距離計算参照信号として、予め計算しておいた値の中から、距離のゾーンに対応する２つの値を選択する。このとき、選択する距離計算参照信号は、予め計算しておいてもよいし、ゾーン判定後にあらためて計算してもよい。図２３において、黒丸で示す値は各ゾーンに対応して選択される値のうち距離計算の過程で分母として用いられる値を示し、白丸で示す値は、各ゾーンに対応して選択される値のうち距離計算の過程で分子として用いられる値を示している。例えば、ゾーンＺ０と判定された場合は、分母として用いられる値として距離計算参照信号ＱＡＣが選択され、分子として用いられる値として距離計算参照信号ＱＢＣが選択される。ゾーンＺ１３と判定された場合は、分母として用いられる値として距離計算参照信号ＱＢＣＤが選択され、分子として用いられる値として距離計算参照信号ＱＤｄＡｄＢが選択される。なお、図２３に示す距離計算参照信号の選択方法は一例であって、各ゾーンの短距離側から長距離側にかけて遅れ時間ＴＤに対して直線的に変化し、かつ、ゾーン内側あるいはゾーンの境界で変化率の変化点（屈曲点）が生じないような距離計算参照信号が、分子の値として選択されればよい。ゾーンの境界で変化率の変化点（屈曲点）が生じないような距離計算参照信号を用いるのは、２つのゾーンの境界部分で計算値が不連続になるのを防止するためである。また、各ゾーンの短距離側から長距離側にかけて一定値となるような距離計算参照信号が、分母の値として選択されればよい。
【００７６】
本変形例の演算回路１２の距離画像生成手段３８は、距離計算参照信号選択手段３７によって選択された距離計算参照信号を用いて、対象物Ｓの距離Ｌを、判定されたそれぞれのゾーンＺ０〜Ｚ１３に対応して、下記式を用いて計算する。なお、下記式中、ｃは光速を示す。
ゾーンＺ０：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＢＣ／ＱＡＣ）−１｝，
ゾーンＺ１：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＡＢ／ＱＡＣ）＋２｝，
ゾーンＺ２、ゾーンＺ３：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＡＢ／ＱＡｄＣ）＋２｝，
ゾーンＺ４：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＢＣ／ＱＢｄＤ）＋３｝，
ゾーンＺ５：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＡＢ／−ＱＡＣ）＋６｝，
ゾーンＺ６：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＡＢ／ＱＡｄＣ）＋６｝，
ゾーンＺ７：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＢＣ／ＱＢｄＤ）＋７｝，
ゾーンＺ８：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＣＤ／ＱＡＢＣ）＋８｝，
ゾーンＺ９：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＢｄＤ／ＱＢＣＤ）＋９｝，
ゾーンＺ１０：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＡＣ／ＱＣＤｄＡ）＋１０｝，
ゾーンＺ１１：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＢＤ／ＱＤｄＡｄＢ）＋１１｝，
ゾーンＺ１２：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＣＤｄＡ／ＱＡＢＣ）＋１２｝，
ゾーンＺ１３：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＤｄＡｄＢ／ＱＢＣＤ）＋１３｝
【００７７】
なお、本変形例では、２つのパルス光のパルスの振幅（光強度）を同一に設定しているが、２つのパルス光の振幅を変えて、例えば、第１のパルス光の振幅を第２のパルス光の振幅よりも小さく設定してもよい。
【００７８】
また、同一周期で発光するパルス光ＬＰの２回の発光タイミングごとに距離計算が実行されてもよい。図２４は、このような場合の変形例にかかる距離計算手順で扱われる各種信号のタイミングチャートであり、図２５および図２６は、本変形例の距離計算手順において計算される各種値の遅れ時間ＴＤに対する変化を示すグラフである。図２４には、８つの制御電極に印加される制御パルスＧ１〜Ｇ８、制御パルスＧＤ、及び２つのパルス光ＬＰのタイミングを示し、図２５には、８つの電荷読出領域から読み出される第１〜第８の検出信号Ｑ１〜Ｑ８の値、及びそれらを基に計算された中間演算信号の値を、遅れ時間ＴＤに対応して示し、図２６には、距離計算の基となる距離計算参照信号の値を遅れ時間ＴＤに対応して示す。
【００７９】
この変形例では、図２４に示すように、演算回路１２の光源制御手段３１によって、持続時間Ｔ０の第１のパルス光と持続時間Ｔ０の第２のパルス光との２つのパルス光ＬＰを、時間差７Ｔ０で発生させるように制御される。それとともに、演算回路１２の電荷転送制御手段３２によって、持続時間Ｔ０の第１のパルス光の発生直前に電荷排出用の制御パルスＧＤがオフされるとともに、第１のパルス光の発生開始タイミングから第２のパルス光の発生開始タイミングの間において持続時間７Ｔ０の制御パルスＧ１が印加された後に、第２のパルス光の発生に同期して持続時間Ｔ０の制御パルスＧ２〜Ｇ８が互いに重ならないように順番に印加される。
【００８０】
このようなパルス光及び制御パルスのタイミング制御下においては、８つの電荷読出領域から読み出される第１〜第８の検出信号Ｑ１〜Ｑ８は、遅れ時間ＴＤに応じて変動する（図２５）。本変形例の演算回路１２においては、これらの第１〜第８の検出信号Ｑ１〜Ｑ８が、対象物Ｓの距離のゾーンを判定するためのゾーン判定信号として参照される。これらのゾーン判定信号のうちの第１の検出信号Ｑ１と他のいずれか１つの信号Ｑ２〜Ｑ８の値の大小関係の組み合わせは遅れ時間ＴＤ毎に決まっており、そのような性質を利用することで対象物Ｓの距離のゾーンを判定することができる。
【００８１】
詳細には、演算回路１２の距離計算参照信号選択手段３７によって、各信号Ｑ１〜Ｑ８が予め設定された閾値ＱＴＨと比較され、信号Ｑ１に関する比較結果とその他の信号Ｑ２〜Ｑ８に関する比較結果とが、下記のいずれの組み合わせに該当するかが判別されることによって、対象物Ｓの距離のゾーンがゾーンＺ１〜Ｚ１２の中から判定される（図２５）。
ゾーンＺ１：Ｑ１≧ＱＴＨ、かつ、Ｑ３≧ＱＴＨ，
ゾーンＺ２：Ｑ１≧ＱＴＨ、かつ、Ｑ４≧ＱＴＨ，
ゾーンＺ３：Ｑ１≧ＱＴＨ、かつ、Ｑ５≧ＱＴＨ，
ゾーンＺ４：Ｑ１≧ＱＴＨ、かつ、Ｑ６≧ＱＴＨ，
ゾーンＺ５：Ｑ１≧ＱＴＨ、かつ、Ｑ７≧ＱＴＨ，
ゾーンＺ６：Ｑ１≧ＱＴＨ、かつ、Ｑ８≧ＱＴＨ，
ゾーンＺ７：Ｑ１＜ＱＴＨ、かつ、Ｑ２≧ＱＴＨ，
ゾーンＺ８：Ｑ１＜ＱＴＨ、かつ、Ｑ３≧ＱＴＨ，
ゾーンＺ９：Ｑ１＜ＱＴＨ、かつ、Ｑ４≧ＱＴＨ，
ゾーンＺ１０：Ｑ１＜ＱＴＨ、かつ、Ｑ５≧ＱＴＨ，
ゾーンＺ１１：Ｑ１＜ＱＴＨ、かつ、Ｑ６≧ＱＴＨ，
ゾーンＺ１２：Ｑ１＜ＱＴＨ、かつ、Ｑ７≧ＱＴＨ
【００８２】
加えて、演算回路１２によって、信号Ｑ１〜Ｑ８を基に距離計算のための中間演算信号Ｑ２５，Ｑ３６，Ｑ４７，Ｑ５８（図２５）が下記式により計算されるとともに、それらの中間演算信号を基にゾーンごとの距離計算のために参照する距離計算参照信号ＱＡ〜ＱＬ（図２６）が下記式により計算される。
Ｑ２５＝Ｑ２−Ｑ５，
Ｑ３６＝Ｑ３−Ｑ６，
Ｑ４７＝Ｑ４−Ｑ７，
Ｑ５８＝Ｑ５−Ｑ８，
ＱＡ＝Ｑ２５＋Ｑ３６，
ＱＢ＝Ｑ３６＋Ｑ４７，
ＱＣ＝Ｑ４７＋Ｑ５８，
ＱＤ＝Ｑ２５−Ｑ４７，
ＱＥ＝Ｑ３６−Ｑ５８，
ＱＦ＝Ｑ２５＋Ｑ４７，
ＱＧ＝Ｑ３６＋Ｑ５８，
ＱＨ＝Ｑ２５＋Ｑ３６＋Ｑ４７，
ＱＩ＝Ｑ３６＋Ｑ４７＋Ｑ５８，
ＱＪ＝Ｑ４７−Ｑ２５−Ｑ３６，
ＱＫ＝Ｑ４７＋Ｑ５８−Ｑ２５，
ＱＬ＝Ｑ５８−Ｑ２５−Ｑ３６
【００８３】
ゾーン判定後、距離計算参照信号選択手段３７は、距離計算に用いる距離計算参照信号として、予め計算しておいた距離計算参照信号ＱＡ〜ＱＬの中から、距離のゾーンに対応する２つの値を選択する。このとき、選択する距離計算参照信号は、予め計算しておいてもよいし、ゾーン判定後にあらためて計算してもよい。図２６において、黒丸で示す値は各ゾーンに対応して選択される値のうち距離計算の過程で分母として用いられる値を示し、白丸で示す値は、各ゾーンに対応して選択される値のうち距離計算の過程で分子として用いられる値を示している。例えば、ゾーンＺ１と判定された場合は、分母として用いられる値として距離計算参照信号ＱＨが選択され、分子として用いられる値として距離計算参照信号ＱＤが選択される。ゾーンＺ１２と判定された場合は、分母として用いられる値として距離計算参照信号ＱＩが選択され、分子として用いられる値として距離計算参照信号ＱＥが選択される。なお、図２６に示す距離計算参照信号の選択方法は一例であって、各ゾーンの短距離側から長距離側にかけて遅れ時間ＴＤに対して直線的に変化し、かつ、ゾーン内側あるいはゾーンの境界で変化率の変化点（屈曲点）が生じないような距離計算参照信号が、分子の値として選択されればよい。ゾーンの境界で変化率の変化点（屈曲点）が生じないような距離計算参照信号を用いるのは、２つのゾーンの境界部分で計算値が不連続になるのを防止するためである。また、各ゾーンの短距離側から長距離側にかけて一定値となるような距離計算参照信号が、分母の値として選択されればよい。
【００８４】
本変形例の演算回路１２の距離画像生成手段３８は、距離計算参照信号選択手段３７によって選択された距離計算参照信号を用いて、対象物Ｓの距離Ｌを、判定されたそれぞれのゾーンＺ１〜Ｚ１２に対応して、下記式を用いて計算する。なお、下記式中、ｃは光速を示す。
ゾーンＺ１：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＤ／ＱＨ）＋１｝，
ゾーンＺ２：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＡ／ＱＩ）＋２｝，
ゾーンＺ３：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＢ／ＱＪ）＋３｝，
ゾーンＺ４：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＣ／−ＱＨ）＋４｝，
ゾーンＺ５：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＥ／−ＱＩ）＋５｝，
ゾーンＺ６：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＦ／−ＱＫ）＋６｝，
ゾーンＺ７：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＧ／−ＱＬ）＋７｝，
ゾーンＺ８：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＤ／ＱＨ）＋８｝，
ゾーンＺ９：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＡ／ＱＩ）＋９｝，
ゾーンＺ１０：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＢ／ＱＪ）＋１０｝，
ゾーンＺ１１：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（−ＱＣ／−ＱＨ）＋１１｝，
ゾーンＺ１２：Ｌ＝（１／２）ｃＴ０｛（ＱＥ／−ＱＩ）＋１２｝
【００８５】
なお、本変形例でも、２つのパルス光のパルスの振幅（光強度）を同一に設定しているが、２つのパルス光の振幅を変えて、例えば、第１のパルス光の振幅を第２のパルス光の振幅よりも小さく設定してもよい。
【００８６】
ここで、上記実施形態では、距離計算手段は、第１〜第Ｍの検出信号のうちの２つの検出信号の差と信号成分の合計値との比を計算することにより距離計算参照値を求め、距離計算参照値と所定の第２の閾値との比較結果に応じて距離計算参照値が有効であるか否かを判断し、距離計算参照値が有効な場合には距離計算参照値を基に距離を計算する、こととしてもよい。この場合、対象物が測定可能範囲外に位置するか否かを適切に判断することができ、その判断結果をもとに高精度に距離を計算することができる。
【００８７】
また、距離計算手段は、第１〜第Ｍの検出信号のうちの一方の検出信号の組の差と信号成分の合計値との比を計算することにより第１の距離計算参照値を求め、第１〜第Ｍの検出信号のうちの他の検出信号の組の差と信号成分の合計値との比を計算することにより第２の距離計算参照値を求め、第１の距離計算参照値と所定の第３の閾値との比較結果に応じて、第１の距離計算参照値あるいは第２の距離計算参照値のいずれかを選択して距離を計算する、こととしてもよい。この場合、対象物が位置する範囲に対応して適切な参照値を利用して距離を計算することができ、その結果対象物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。
【００８８】
また、画素回路部は、光電変換領域に蓄積された電荷を排出するための電荷排出領域と、光電変換領域と電荷排出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制御電極とをさらに有していてもよい。これにより、第１〜第Ｍの制御パルスが印加されていない期間に光電変換領域で発生した電荷を第１〜第Ｍの電荷読出領域に転送しないようにすることができる。
【００８９】
さらに、距離計算手段は、距離の計算が無効であるか否かを示す識別値を生成してもよい。この場合、距離計算が有効であるか否かを容易に判定することができる。
【００９０】
またさらに、電荷転送制御手段と、電荷転送制御手段と第１〜第Ｍの制御電極との間の回路と、電荷転送制御手段と光源制御手段との間の回路の一部とは、画素回路部と同一の半導体上、あるいは画素回路部に対して積層された半導体上に形成されていてもよい。この場合、距離計算の分解能を容易に向上させることができる。
【００９１】
さらに、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】
【００９２】
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、対象物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ものである。
【符号の説明】
【００９３】
１０，１０Ａ…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、２２１〜２２４…電荷読出領域、２４１〜２４４…制御電極、２６１〜２６４…電圧検出手段、３１…光源制御手段、３２，３２Ａ…電荷転送制御手段、３３，３３Ａ…距離データ有効性判定信号生成手段、３４，３４Ａ…距離データ有効性判定手段、３５…無効画素識別値生成手段、３６，３６Ａ…距離計算参照信号生成手段、３７，３７Ａ…距離計算参照信号選択手段、３８…距離画像生成手段。
【図１】
2019031510.tif 000003
【図２】
2019031510.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2019031510.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2019031510.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2019031510.tif 000028
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月5日(2019.2.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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３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の制御電極に前記第１の制御パルスを印加した後、前記第２の持続時間の間だけ前記第２〜第Ｍの制御電極に前記第２〜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、
前記距離計算手段は、前記第１〜第Ｍの検出信号を基に、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの背景光を除いた前記パルス光から発生した電荷の信号成分の合計値を計算し、前記信号成分の合計値が所定の第１の閾値を超えた場合には、前記第１〜第Ｍの検出信号から所定の計算式を用いて前記距離を計算し、前記信号成分の合計値が前記第１の閾値を超えていない場合には、前記距離の計算を無効とし、
前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの一方の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第１の距離計算参照値を求め、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの他の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第２の距離計算参照値を求め、前記第１の距離計算参照値と所定の第３の閾値との比較結果に応じて、前記第１の距離計算参照値あるいは前記第２の距離計算参照値のいずれかを選択して前記距離を計算する、
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Ｍの検出信号のうちの２つの検出信号の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより距離計算参照値を求め、前記距離計算参照値と所定の第２の閾値との比較結果に応じて前記距離計算参照値が有効であるか否かを判断し、前記距離計算参照値が有効な場合には前記距離計算参照値を基に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】
（削除）
【請求項４】
前記画素回路部は、前記光電変換領域に蓄積された電荷を排出するための電荷排出領域と、前記光電変換領域と前記電荷排出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制御電極とをさらに有する、
請求項１又は２に記載の距離画像測定装置。
【請求項５】
前記距離計算手段は、前記距離の計算が無効であるか否かを示す識別値を生成する、
請求項１、２、４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と、前記電荷転送制御手段と前記第１〜第Ｍの制御電極との間の回路と、前記電荷転送制御手段と前記光源制御手段との間の回路の一部とは、前記画素回路部と同一の半導体上、あるいは前記画素回路部に対して積層された半導体上に形成されている、
請求項１、２、４、５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、２、４、５、６のいずれか１項に記載の距離画像測定装置。
【請求項８】
光源制御手段が、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３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設けられた第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の制御電極に、電荷の転送を制御するための第１の制御パルスを印加した後、前記第２の持続時間の間だけ前記第２〜第Ｍの制御電極に、電荷の転送を制御するための第２〜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、
電荷検出手段が、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、
前記距離計算ステップでは、前記第１〜第Ｍの検出信号を基に、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの背景光を除いた前記パルス光から発生した電荷の信号成分の合計値を計算し、前記信号成分の合計値が所定の第１の閾値を超えた場合には、前記第１〜第Ｍの検出信号から所定の計算式を用いて前記距離を計算し、前記信号成分の合計値が前記第１の閾値を超えていない場合には、前記距離の計算を無効とし、
前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの一方の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第１の距離計算参照値を求め、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの他の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第２の距離計算参照値を求め、前記第１の距離計算参照値と所定の第３の閾値との比較結果に応じて、前記第１の距離計算参照値あるいは前記第２の距離計算参照値のいずれかを選択して前記距離を計算する、
距離画像測定方法。
【請求項９】
前記距離計算ステップでは、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの２つの検出信号の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより距離計算参照値を求め、前記距離計算参照値と所定の第２の閾値との比較結果に応じて前記距離計算参照値が有効であるか否かを判断し、前記距離計算参照値が有効な場合には前記距離計算参照値を基に前記距離を計算する、
請求項８記載の距離画像測定方法。
【手続補正書】
【提出日】令和2年2月3日(2020.2.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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３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の制御電極に前記第１の制御パルスを印加した後、前記第２の持続時間の間だけ前記第２〜第Ｍの制御電極に前記第２〜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、
前記距離計算手段は、前記第１〜第Ｍの検出信号を基に、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの背景光を除いた前記パルス光から発生した電荷の信号成分の合計値を計算し、前記信号成分の合計値が所定の第１の閾値を超えた場合には、前記第１〜第Ｍの検出信号から所定の計算式を用いて前記距離を計算し、前記信号成分の合計値が前記第１の閾値を超えていない場合には、前記距離の計算を無効とし、
前記合計値を計算する際には、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの２つの検出信号の差分値の絶対値を加算することにより前記合計値を計算する、
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Ｍの検出信号のうちの２つの検出信号の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより距離計算参照値を求め、前記距離計算参照値と所定の第２の閾値との比較結果に応じて前記距離計算参照値が有効であるか否かを判断し、前記距離計算参照値が有効な場合には前記距離計算参照値を基に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Ｍの検出信号のうちの一方の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第１の距離計算参照値を求め、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの他の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第２の距離計算参照値を求め、前記第１の距離計算参照値と所定の第３の閾値との比較結果に応じて、前記第１の距離計算参照値あるいは前記第２の距離計算参照値のいずれかを選択し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】
前記画素回路部は、前記光電変換領域に蓄積された電荷を排出するための電荷排出領域と、前記光電変換領域と前記電荷排出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制御電極とをさらに有する、
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】
前記距離計算手段は、前記距離の計算が無効であるか否かを示す識別値を生成する、
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６】
前記電荷転送制御手段と、前記電荷転送制御手段と前記第１〜第Ｍの制御電極との間の回路と、前記電荷転送制御手段と前記光源制御手段との間の回路の一部とは、前記画素回路部と同一の半導体上、あるいは前記画素回路部に対して積層された半導体上に形成されている、
請求項１〜５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１〜６のいずれか１項に記載の距離画像測定装置。
【請求項８】
前記距離計算手段は、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちから選択された互いに異なる検出信号の複数のペアの間における差を、複数のゾーン判定信号として計算し、
前記複数のゾーン判定信号のそれぞれを閾値と比較することで前記複数のゾーン判定信号の大きさの比較値を求め、前記複数のゾーン判定信号の前記比較値の組み合わせを基に距離のゾーンを判定し、
前記距離のゾーンに対応して予め定められた計算式であって、前記複数のゾーン判定信号のうちのいずれかを用いた計算式を計算することによって前記距離を計算する、
請求項１に記載の距離画像測定装置。
【請求項９】
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３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設けられた第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の制御電極に、電荷の転送を制御するための第１の制御パルスを印加した後、前記第２の持続時間の間だけ前記第２〜第Ｍの制御電極に、電荷の転送を制御するための第２〜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、
電荷検出手段が、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、
前記距離計算ステップでは、前記第１〜第Ｍの検出信号を基に、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの背景光を除いた前記パルス光から発生した電荷の信号成分の合計値を計算し、前記信号成分の合計値が所定の第１の閾値を超えた場合には、前記第１〜第Ｍの検出信号から所定の計算式を用いて前記距離を計算し、前記信号成分の合計値が前記第１の閾値を超えていない場合には、前記距離の計算を無効とし、
前記合計値を計算する際には、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの２つの検出信号の差分値の絶対値を加算することにより前記合計値を計算する、
距離画像測定方法。
【請求項１０】
前記距離計算ステップでは、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの２つの検出信号の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより距離計算参照値を求め、前記距離計算参照値と所定の第２の閾値との比較結果に応じて前記距離計算参照値が有効であるか否かを判断し、前記距離計算参照値が有効な場合には前記距離計算参照値を基に前記距離を計算する、
請求項９記載の距離画像測定方法。
【請求項１１】
前記距離計算ステップでは、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの一方の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第１の距離計算参照値を求め、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちの他の検出信号の組の差と前記信号成分の合計値との比を計算することにより第２の距離計算参照値を求め、前記第１の距離計算参照値と所定の第３の閾値との比較結果に応じて、前記第１の距離計算参照値あるいは前記第２の距離計算参照値のいずれかを選択して前記距離を計算する、
請求項９又は１０記載の距離画像測定方法。
【請求項１２】
前記距離計算ステップでは、前記第１〜第Ｍの検出信号のうちから選択された互いに異なる検出信号の複数のペアの間における差を、複数のゾーン判定信号として計算し、
前記複数のゾーン判定信号のそれぞれを閾値と比較することで前記複数のゾーン判定信号の大きさの比較値を求め、前記複数のゾーン判定信号の前記比較値の組み合わせを基に距離のゾーンを判定し、
前記距離のゾーンに対応して予め定められた計算式であって、前記複数のゾーン判定信号のうちのいずれかを用いた計算式を計算することによって前記距離を計算する、
請求項９に記載の距離画像測定方法。
【国際調査報告】
2019031510.tif 000029
2019031510.tif 000030