【手続補正書】
【提出日】平成19年9月18日(2007.9.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】  少なくとも一つのピクセルディテクタと距離１００ｍ未満のターゲットとの間の距離Ｚを解像度ΔＺ以内で決定する方法であって、
（ａ）前記少なくとも一つのピクセルディテクタを前記ターゲットから反射された光のエネルギを検出するように配置するステップと、ここで前記各ピクセルディテクタは２・ΔＺ／Ｃ（Ｃは光速）を超えるピクセル積分遅延時間を有し、前記各ピクセルディテクタについて関連するピクセルの時間間隔カウンタを配置し、
（ｂ）エネルギ源からの光エネルギの少なくとも第１のパルスで、時刻ｔ０において前記ターゲットを照射するステップと、
（ｃ）少なくともＣ／（２・ΔＺ）の周波数で作動するクロック信号をカウントするために、前記時刻ｔ０において各ピクセル時間間隔カウンタをスタートさせるステップと、
（ｄ）前記関連するピクセルディテクタが前記ターゲットから反射された前記第１のパルスに基づく光エネルギを検出したときに前記各ピクセル時間間隔カウンタを停止させるステップと、ここで前記ピクセルディテクタの検出時間は、前記ピクセルディテクタのピクセル積分遅延時間だけでなく、前記エネルギ源から前記ターゲットまでそして前記ピクセルディテクタまでの実際の飛行時間（ＴＯＦ）を含み、
（ｅ）前記実際のＴＯＦを得て、これにより前記距離Ｚを得るために、ピクセルディテクタごとに前記ピクセル積分遅延時間を除去するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】  ステップ（ａ）は、ピクセルディテクタのアレーを配置することを含み、前記各ピクセルディテクタはＣを光速として２・ΔＺ／Ｃを超えるピクセル積分遅延時間を有し、前記アレーは前記各ピクセルディテクタのために関連するピクセル時間間隔カウンタを含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】  前記ピクセルディテクタがエネルギを検出したときに、（ｅ）のステップから、前記時間の直接的なディジタル測定を行う、請求項１に記載の方法。
【請求項４】  前記クロック信号は１００ＭＨｚを超えるものである、請求項１に記載の方法。
【請求項５】  前記ピクセル時間間隔カウンタは、疑似ランダムシーケンスのディジタルカウンタである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】  前記ピクセル時間間隔カウンタは、真の単相クロック動作をする疑似ランダムシーケンスのディジタルカウンタである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】  前記ピクセル時間間隔カウンタは、下位クロック周期のキャパシタチャージ動作を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】  前記アレー内の前記ピクセルディテクタによって検出された情報は、前記アレーからランダムに読み出すことができる、請求項２に記載の方法。
【請求項９】  前記ステップ（ｂ）は、振幅が変化する光のエネルギパルスを出力することを含み、前記ステップ（ｅ）は、前記ピクセル積分遅延時間を決定するために、変化する振幅の前記パルスから反射されたエネルギを使うものである、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】  複数の光のエネルギパルスを出力し、前記距離Ｚを決定する際の信号対雑音比を高めるために前記各パルスの検出時間を平均することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】  ステップ（ａ）、ステップ（ｃ）、ステップ（ｄ）、ステップ（ｅ）のうち少なくとも一つを共通の集積回路基板上で実行することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】  ＣＭＯＳで実現される集積回路（ＩＣ）飛行時間（ＴＯＦ）測定システムであって、前記システムは、前記ＩＣと１００ｍ以下のターゲットとの間の距離Ｚを解像度ΔＺ以内で決定するために時刻ｔ０で開始して光パルスを出力する生成器を伴っており、
前記ＩＣは、
前記ターゲットから戻る生成された光パルスのエネルギを検出するための複数のピクセルディテクタを含んだアレーを含み、前記各ピクセルディテクタは２・ΔＺ／Ｃ（Ｃは光速）を超えるピクセル積分遅延時間を有し、前記アレーはさらに前記ピクセルディテクタごとに関連するピクセル時間間隔カウンタを備えており、
前記各ピクセル時間間隔カウンタにカウント可能なクロックパルスを与える、少なくともＣ／（２・ΔＺ）の周波数を有するシステムクロックを含み、
前記時刻ｔ０において生成された光パルスの発生とともに開始される前記クロックパルスを前記各ピクセル時間間隔カウンタにカウントさせるとともに、関連するピクセルディテクタが前記生成された光パルスからのエネルギを検出したときに前記各ピクセル時間間隔カウンタにクロックパルスのカウント動作を停止させるロジックとを含み、
ここで前記ピクセルディテクタの検出時間は、前記ピクセルディテクタのピクセル積分遅延時間だけでなく、前記生成器から前記ターゲットまでそして前記ピクセルディテクタまでの実際の飛行時間（ＴＯＦ）を含み、
ここでピクセルディテクタごとに前記距離Ｚに比例する直接的なディジタル測定値が得られるように前記実際のＴＯＦを得て、これにより前記距離Ｚを得るために、前記ピクセル積分遅延時間が除去されることができる、
ことを特徴とするシステム。
【請求項１３】  前記システムクロックは、下記（ａ）〜（ｄ）のうち少なくとも一つの特性を有するものである、請求項１２に記載のＩＣ：
（ａ）１００ＭＨｚを超えるクロック速度である、
（ｂ）前記クロックパルスは単相のクロックパルスである、
（ｃ）前記クロックは前記ディテクタのそれぞれにおいてクロックパルスの位相を補償する、
（ｄ）前記クロックは相対的なクロックエッジの完全な状態を保持する手段を含んでいる。
【請求項１４】  前記各ピクセル時間間隔カウンタは、疑似ランダムシーケンスのカウンタである、請求項１２に記載のＩＣ。
【請求項１５】  前記各ピクセル時間間隔カウンタの出力を測定するために、下位クロック周期のキャパシタチャージ動作を行う手段をさらに含んでいる、請求項１２に記載のＩＣ。
【請求項１６】  前記距離Ｚを決定する際の信号対雑音比を高めるために前記複数のパルスの検出時間を平均する手段ことをさちに含んでいる、請求項１２に記載のＩＣ。
【請求項１７】  請求項１２に記載のＩＣであって、さらに複数の光パルスにわたってデータを収集する手段を含み、当該データを収集する手段は、下記のうち少なくとも一つを含んでいるＩＣ：
（ａ）前記ピクセル積分遅延を補償するＩＣのためのルックアップ較正テーブル、
（ｂ）前記ピクセル積分遅延を補償するためにさまざまな前記ピクセルディテクタに関連する特性を調べる手段。
【請求項１８】  さらに前記各ピクセル時間間隔カウンタからの出力を処理して前記ターゲットに関する距離Ｚのデータを与えるプロセッサを含んでいる、請求項１２に記載のＩＣ。
【請求項１９】  前記プロセッサは、
（ａ）前記ＩＣから前記ターゲットまでの距離Ｚ
（ｂ）前記ターゲットの速度
（ｃ）前記ターゲットの対応する形状
（ｄ）前記ターゲットの特定
のうち少なくとも一つを決定できるものである、請求項１８に記載のＩＣ。
【請求項２０】  ディテクタのアレーと距離１００ｍ以下のターゲットとの距離Ｚを決定する方法であって、
（ａ）前記ターゲットから反射された光のエネルギを検出するよう前記アレーを配置するステップを有し、前記アレーは複数のピクセルディテクタを含んでいて、各ピクセルディテクタには関連する電荷集積部が与えられており、各ピクセルディテクタには、前記関連するピクセルディテクタと前記関連する電荷集積部との間に、前記電荷集積部の前記関連するピクセルディテクタによって出力される電荷を集積する能力を制御するための関連するシャッタが配置されており、
（ｂ）時刻ｔ０において、パルス幅ＰＷを有する光エネルギの第１のパルスで前記ターゲットを照射するとともに、前記集積部が、前記パルスに基づいた前記ターゲットからの反射光のエネルギの検出によって生じる出力を集積するよう前記各シャッタを開くステップと、
（ｃ）前記時刻ｔ０において、前記各集積部において前記対応する前記ピクセルディテクタによって出力された電荷の蓄積を開始するステップと、
（ｄ）時刻Ｔepにおいて、およそＰＷ＝Ｔep−ｔ０に対応して、対応する前記集積部の電荷のさらなる蓄積を停止するために前記各シャッタを閉じるステップと、
（ｅ）前記時刻Ｔepのあとに、前記各ピクセルディテクタについての前記ターゲットまでの実際の飛行時間（ＴＯＦ）の尺度を得るために、前記各集積部における対応する電荷を評価するステップと、
（ｆ）その後の時刻に、ＰＷが既知の第２のパルスを出力し、前記第２のパルスによる検出エネルギの停止まで前記シャッタを開いたままとするステップと、
を含み、前記ターゲットまでの距離Ｚを決定する方法。
【請求項２１】  前記ターゲットの光の反射率を表す較正データを得るために、ＰＷが既知の少なくとも二つのパルスを用いて前記シャッタを作動状態として電荷を各集積部に蓄積し、そして、前記ＰＷの少なくとも二つの前記パルスを用いて前記シャッタを非作動状態として電荷を前記集積部に蓄積するステップをさらに含み、これにより測定精度を高めた、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】  前記ターゲットの反射率を表す較正データを得るために、前記ピクセルディテクタの少なくとも一つに電荷を蓄積するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】  ＣＭＯＳで実現される集積回路（ＩＣ）飛行時間（ＴＯＦ）測定システムであって、前記システムは、前記ＩＣと１００ｍ以下のターゲットとの間の距離Ｚを決定するためにパルス幅ＰＷの少なくとも第１の光パルスを出力する生成器とともに使用するものであり、前記ＩＣは、
生成され前記ターゲットから戻った光パルスエネルギを検出する複数のディテクタのアレーを有し、各ピクセルディテクタは２・ΔＺ／Ｃ（Ｃは光速）を超えるピクセル積分遅延時間を有し、
前記各ピクセルディテクタのための関連する電荷集積部と、各ピクセルディテクタのための関連するシャッタとを有し、前記シャッタは、前記電荷集積部の前記関連するピクセルディテクタによって出力される電荷を集積する能力を制御するたに、前記関連するピクセルディテクタと前記関連する電荷集積部との間に配置されており、
生成された前記第１の光パルスの開始を表す時刻ｔ０において前記各シャッタを開いて、前記第１のパルスに基づく前記ターゲットから反射された検出光エネルギからの出力を前記集積部に集積させるようにしたロジック回路を有し、前記ロジックは、およそＰＷ＝Ｔep−ｔ０に対応した時刻Ｔepにおいて前記各シャッタを閉じて、対応する前記各集積部のさらなる電荷の蓄積を停止させ、
前記時刻Ｔepのあとに、前記各ピクセルディテクタについての前記ターゲットまでの実際の飛行時間（ＴＯＦ）の尺度を得るために、前記各集積部に蓄積された電荷を評価する手段を有し、
前記ロジックは、さらに、既知のパルス幅の第２のパルスの出力持続時間に対応する時刻において前記各シャッタを開き、前記第２のパルスによる検出エネルギが停止するまで開いたままし、
これにより前記ターゲットまでの距離Ｚを決定することを特徴とするシステム。
【請求項２４】  前記ロジック回路は、前記ターゲットの光反射率を表す較正データを得るために前記各シャッタを開くことを可能とする請求項２３に記載のＩＣ。
【請求項２５】  前記評価された蓄積電荷から、
（ａ）前記ＩＣから前記ターゲットまでの距離Ｚ、
（ｂ）前記ターゲットの速度、
（ｃ）前記ターゲットの対応する形状、
（ｄ）前記ターゲットの特定、
のうち少なくとも一つを決定するマイクロプロセッサをさらに含んでいる請求項２３に記載のＩＣ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
図９は、各ピクセルディテクタ２４０に対応して設けられた回路６００の好適な実施例を示している。回路６００内において、各ピクセルディテクタの出力は増幅器６１０に接続されており、その出力は開（電流が通過する）又は閉（電流を遮断）のシャッタＳ１を介して、ここではシンボル的にＣ１で示した電荷蓄積器又は積分回路に結合されている。シャッタＳ１は、高速の電子シャッタであることが望ましいが、その不透明性が電子的な制御信号に応答して素速く変化する強誘電性材料のような光学−機械シャッタとすることもできる。
図１０は、図８及び図９に示した実施例の時間的な関係を示している。具体的には、最初の時刻ｔ０において、光源（図９参照）は、時間差（Ｔep−Ｔo）で表されるパルス幅ＰＷと、任意のエネルギレベルＡとを有するエネルギーのパルス３５を放射する。放射されたエネルギーのいくらかは、ターゲットの物体２０によって反射され、反射パルス３５’として戻る。戻りパルス３５’の始点は、時刻ｔ１においてシステム２００’に到達し、パルス３５の放射から戻りパルス３５’の開始までの往復の飛行時間（ＴＯＦ）は、（ｔ１−ｔ０）となる。ここで説明しているように、シャッタＳ１は時刻ｔ０から時刻Ｔｓまで開いたままであり、この間に関連するキャパシタＣ１は電荷を積分する（図９参照）。説明したように、Ｖosはシャッタが実質的に時間ＰＷの間開いているときに生じる信号であり、Ｖcsはシャッタが連続的に開いているときに生じる信号である。したがって、Ｖos／Ｖcsは、シャッタが開いている場合とシャッタを動作させている場合の積分時間の比を表している。シャッタを開いているときの積分時間はＰＷであり、シャッタを動作させているときの積分時間はＴshutter＝ＰＷ・（Ｖos／Ｖcs）となる。積分時間Ｔshutterは、戻りパルスが受信される時刻ｔ１に開始し、シャッタが閉じられる時刻Ｔｓに終了する。図１０に示すように、Ｔshutter＝（Ｔs−ｔ１）＝ＰＷ−｛ＴＯＦ−（Ｔs−Ｔep）｝である。これらのＴshutterについての時間的な関係から、次の式が得られる：
ＴＯＦ＝｛（Ｖcs−Ｖos）／Ｖcs｝・ＰＷ＋Ｔs−Ｔep
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７７】
ほぼ放射された光パルス列の周波数の期間にわたってすべてのシャッタを開いたまま、一組のデータを収集することが望ましい。このデータの組の間に集められた電荷は、物体表面についての点ごとの反射輝度を表す。このような電荷は、より遠いがより多く反射する物体表面の部位による誤差についての補正を可能にする。ＴＯＦ≧０について、基本的な関係は、
ＴＯＦ＝［（ＶCS−ＶOS）／ＶCS］・ＰＷ＋ＴS−Ｔep
によって与えられる。ここでＶCSは連続的に開いているシャッタから生じる信号であり、ＶOSは実質的に光パルス幅の期間開いていたシャッタから生じる信号であり、Ｔepはパルス終端の時刻であり、ＴSはシャッタが閉じられる時刻であり、ＰＷは光パルス幅の持続時間である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
シャッタが開いたままだと、ピクセルディテクタに当たる光子の合計数は、
Ｎ0＝Ｋ・ＰＷ
によって与えられる。ここでＫは、物体の照度の強さ、物体の反射率、およびレンズの口径に依存する定数である。ＴS−（ｔ0＋２Ｚ／ｃ）＜ＰＷであれば、シャッタは反射された光パルスエネルギーの後端部をクリップし、ピクセルディテクタによって受け取られる有効な光子の数は、
ＮS＝Ｋ・（ＴS−ｔ0−２Ｚ／ｃ）
となる。これから距離Ｚは、
Ｚ＝−ｃ／２・（ＮS・ＰＷ／Ｎ0＋ｔ0−ＴS）
によって得られる。この方法の精度は、どれだけ正確にＮSを測定できるかに依存する。ＮSとＮ0の両方は、センサ上に生じる電荷を、例えばＡ／Ｄコンバータを用いて測定することによって測定される。約１０Ｗの電力のレーザー光源を用いると、１ｃｍの距離の差は、約１００個の光子に相当するＮＳの変化ΔＮＳを生じさせることができる。精度を上げるために、累積的に増加する方法で多数のパルスを用いることもできる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】追加
【補正の内容】
【図１０】
図８及び図９に示すシャッタ−積分回路の時間的な関係を示した図である。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】追加
【補正の内容】
【図１０】
2003510561.tif 000001