(57)【要約】【課題】  正確で高分解能な距離画像を得ることが可能な距離画像撮像装置を提供する。【解決手段】  この装置は、画素内の転送電極に与える転送信号の基準クロックを発生する発振器１４と、基準クロックに同期して、出射光を発生する光源を駆動する光源駆動回路１１と、撮像領域ＩＭＲ内において所定の大きさの領域を指定し、指定された領域とセンサ駆動回路ＤＲＶとを電気的に接続し、且つ、指定された領域以外の撮像用の領域とセンサ駆動回路ＤＲＶとを電気的に切断する制御装置１２及びデコーダ２１，２２と、これらによって指定される領域が狭くなる場合には、発振器１４の基準クロックの周波数を高く設定する周波数制御回路１３を備えている。【選択図】  図１
2011179925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物への出射光の反射光を受光する撮像領域を備え、前記撮像領域は複数の画素を備え、それぞれの前記画素は、光の入射に応じて発生した電荷を転送信号に同期して異なる半導体領域内に振り分ける複数の転送電極を備えており、前記半導体領域内から出力される電荷の比率に応じて前記対象物までの距離が求められる電荷振り分け型の距離画像撮像装置であって、
前記画素の前記転送電極に転送信号を与えるセンサ駆動回路と、
前記転送信号の基準クロックを発生する発振器と、
前記基準クロックに同期して、前記出射光を発生する光源を駆動する光源駆動回路と、
前記撮像領域内において所定の大きさの領域を指定し、指定された領域と前記センサ駆動回路とを電気的に接続し、且つ、指定された領域以外の撮像用の領域と前記センサ駆動回路とを電気的に切断する領域指定手段と、
前記領域指定手段によって指定される領域が狭くなる場合には、前記発振器の基準クロックの周波数を高く設定する周波数制御回路と、
を備えることを特徴とする距離画像撮像装置。
【請求項２】
前記領域指定手段によって指定された第１領域の距離画像、又は、前記領域指定手段によって指定され前記第１領域よりも狭い第２領域の距離画像を、選択的に出力する制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の距離画像撮像装置。
【請求項３】
前記領域指定手段によって指定された第１領域の距離画像を蓄積する第１フレームメモリと、
前記領域指定手段によって指定された前記第１領域よりも狭い第２領域の距離画像を蓄積する第２フレームメモリと、
前記第１領域の距離画像から前記第２領域に相当する領域のデータを削除し、削除した領域に前記第２領域の距離画像を合成する画像処理装置と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の距離画像撮像装置。
【請求項４】
前記第１領域は、前記撮像領域の全領域であり、前記第２領域は、前記全領域よりも小さな部分領域であることを特徴とする請求項２又は３に記載の距離画像撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離画像センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電荷振分け型の距離画像センサが開示されている。ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）型の距離計測に、この距離画像センサを適用する場合、光源（変調光）の変調周波数を高くすることで、距離分解能が向上することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９４４２０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、距離分解能を向上させようとして、光源の変調周波数を上げても、実際には距離分解能を向上できないことが判明した。
【０００５】
すなわち、距離画像の取得においては、光源の変調周波数を上げると共に、電荷振り分け用の転送信号の周波数も上げる必要があるが、撮像領域における寄生容量及び寄生抵抗は、当該転送信号の波形を鈍らせてしまい、正確に電荷を振り分けることができなくなる。電荷が距離に応じて振り分けられない場合には、これらの電荷比率から求められる距離は正確にはならない。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、正確で高分解能な距離画像を得ることが可能な距離画像撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明に係る距離画像撮像装置は、対象物への出射光の反射光を受光する撮像領域を備え、前記撮像領域は複数の画素を備え、それぞれの前記画素は、光の入射に応じて発生した電荷を転送信号に同期して異なる半導体領域内に振り分ける複数の転送電極を備えており、前記半導体領域内から出力される電荷の比率に応じて前記対象物までの距離が求められる電荷振り分け型の距離画像撮像装置であって、前記画素の前記転送電極に転送信号を与えるセンサ駆動回路と、前記転送信号の基準クロックを発生する発振器と、前記基準クロックに同期して、前記出射光を発生する光源を駆動する光源駆動回路と、前記撮像領域内において所定の大きさの領域を指定し、指定された領域と前記センサ駆動回路とを電気的に接続し、且つ、指定された領域以外の撮像用の領域と前記センサ駆動回路とを電気的に切断する領域指定手段と、前記領域指定手段によって指定される領域が狭くなる場合には、前記発振器の基準クロックの周波数を高く設定する周波数制御回路と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
この装置によれば、領域指定手段が撮像領域における指定された領域以外の撮像用の領域とセンサ駆動回路とを電気的に切断するので、指定された領域の転送電極に印加される転送信号の周波数を高くしても、切断された領域の寄生容量及び寄生抵抗が信号の遅延及び波形の変形を起こすのを抑制できるため、電荷の振り分けの正確性が向上し、且つ、転送信号と光源の駆動信号周波数を双方とも増加させるので、距離分解能を向上させることができる。
【０００９】
なお、上述のように切断されるのは撮像用の領域の画素であって、距離画像取得に必要な要素とセンサ駆動回路とを切断する必要はない。例えば、撮像領域内に基準温度や黒レベル検出用のダミー画素を備えている場合、これらの画素とセンサ駆動回路とを無理に切断する必要はない。
【００１０】
転送信号と光源の駆動信号の周波数は、発振器から出力される基準クロックの周波数を周波数制御回路によって増加させればよい。発振器は周波数が可変なものであれば、例えば電圧制御発振回路を用いることができる。
【００１１】
また、本発明の装置は、前記領域指定手段によって指定された第１領域の距離画像、又は、前記領域指定手段によって指定され前記第１領域よりも狭い第２領域の距離画像を、選択的に出力する制御装置を備えることを特徴とする。
【００１２】
領域指定手段によって、相対的に低い距離分解能の第１領域の距離画像と、高い距離分解能の第２領域の距離画像が得られるので、制御装置は、これらの距離画像を選択的に表示器に出力することができる。必要に応じて高分解能の距離画像を見ることができるので、これを例えば医療技術の内視鏡などに適用した場合には、利便性が向上する。
【００１３】
また、本発明の装置は、前記領域指定手段によって指定された第１領域の距離画像を蓄積する第１フレームメモリと、前記領域指定手段によって指定された前記第１領域よりも狭い第２領域の距離画像を蓄積する第２フレームメモリと、前記第１領域の距離画像から前記第２領域に相当する領域のデータを削除し、削除した領域に前記第２領域の距離画像を合成する画像処理装置と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
もちろん、大きな領域である第１領域と、小さな領域である第２領域の相対的な双方の情報が同時に観察できると、小さな領域の距離画像に注目しつつも、大きな領域が同時に表示されることで、全体画像の中での注目箇所の状態を把握することができる。第１領域の距離画像と、第２領域の距離画像とはそのまま重畳させてもよいが、この場合には、第２領域に相当する領域において、元の第１領域の距離画像がノイズとなるため、画像処理装置では、第１領域の距離画像から第２領域に相当する領域のデータを削除し、削除した領域に第２領域の距離画像を合成することとしている。
【００１５】
これらの距離画像は、静止画であってもよいが、双方の画像の取得タイミングを短時間で交互に切り替えて、合成して表示すれば、動画として表示することができる。
【００１６】
また、前記第１領域は、前記撮像領域の全領域であり、前記第２領域は、前記全領域よりも小さな部分領域であることを特徴とする。すなわち、通常は撮像領域の全領域で距離画像を取得し、ユーザが特定の部分を特に観察したい場合には、部分領域の距離画像を高分解能で取得することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の距離画像撮像装置によれば、正確で高分解能な距離画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施形態の距離画像撮像装置のブロック図である。
【図２】距離画像センサの平面図である。
【図３】距離画像センサの回路構成図である。
【図４】単一の画素内の転送電極近傍の回路図である。
【図５】単一の画素の断面構成を示す図である。
【図６】光源の駆動信号や転送信号などの各種信号のタイミングチャートである。
【図７】撮像モード切替制御のフローチャートである。
【図８】表示画面の一例を示す図である。
【図９】第２実施形態の距離画像撮像装置のブロック図である。
【図１０】表示画面の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施の形態に係る距離画像撮像装置について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００２０】
図１は第１実施形態の距離画像撮像装置のブロック図であり、図２は距離画像センサ１の平面図である。
【００２１】
この距離画像撮像装置は、距離画像センサ１と、これを制御する周辺回路とを備えている。距離画像センサ１は、対象物ＯＢＪへの出射光ＬＥＤの反射光ＲＬＴＤを受光する撮像領域ＩＭＲを備えており、撮像領域ＩＭＲは、図２に示すように複数の画素Ｐ（ｍ，ｎ）を備えている。なお、ｍ，ｎは自然数であり、二次元配列された画素の行位置及び列位置をそれぞれ示す。また、距離画像センサ１としては、撮像領域ＩＭＲ内で画素を一次元配列したものも利用することができる。
【００２２】
図２を参照すると、撮像領域ＩＭＲ内のそれぞれの画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、二次元配列されており、これらは半導体基板２内に形成されている。撮像領域の異なる二辺にそれぞれ沿うように、撮像領域指定用の水平デコーダ２１及び垂直デコーダ２２が配置されており、これらは、図１に示される制御装置から入力された領域指定信号ＳＲに応じて、この領域指定信号ＳＲが指定するアドレスの画素とセンサ駆動回路ＤＲＶとを電気的に接続し、その他のアドレスの画素とセンサ駆動回路ＤＲＶとを電気的に切断するものである。
【００２３】
半導体基板２内には、画素内の転送電極に与える転送信号を生成するセンサ駆動回路ＤＲＶの他に、各画素からの出力信号を増幅する増幅回路ＡＭＰが形成されている。
【００２４】
図１を参照すると、センサ駆動回路ＤＲＶには、発振器１４から所定周波数の駆動信号ＳＤが与えられており、センサ駆動回路ＤＲＶでは、駆動信号に同期し必要に応じて振幅調整等を行って転送信号ＶＴｘを生成し、各画素Ｐ（ｍ，ｎ）に印加する（図３参照）。
【００２５】
駆動信号ＳＤは、発振器１４から出力される基準クロックであり、この基準クロックは光源駆動回路１１にも入力されている。光源駆動回路１１は、基準クロックに同期し、振幅調整等を行って、光源駆動信号を生成し、これを光源１０に印加する。光源１０は、光源駆動信号に同期して発光する。すなわち、センサ駆動回路ＤＲＶから各画素の転送電極に与えられる転送信号と、光源駆動回路１１から光源１０に与えられる光源駆動信号とは同期しており、立ち上がり及び立ち下がりの時刻が一致している。
【００２６】
光源１０からの出射光ＬＥＤは対象物ＯＢＪに照射され、対象物ＯＢＪで反射された反射光ＲＬＴＤは、撮像領域ＩＭＲ内の各画素Ｐ（ｍ，ｎ）に入射する。詳説すれば、光源１０からは、方形波又は正弦波の光強度変調が行われた変調信号が出射される。撮像領域ＩＭＲへの反射光ＲＬＴＤは、基板の裏面（転送電極の形成されていない面）から入射する構成が好ましい。なお、光入射面の手前には図示しない結像レンズが配置される。また、裏面入射型の距離画像センサとする場合には、半導体基板２は薄板化され、好適にはこれは５０μｍ以下の厚みとする。もちろん、半導体基板２の厚みを薄板化せずに、本発明を表面入射型の距離画像センサ１に適用することも可能である。
【００２７】
なお、距離画像撮像装置は、光の入射に応じて発生した電荷を転送信号ＶＴｘに同期して異なる半導体領域ｆｄ１，ｆｄ２（図５参照）内に振り分ける複数の転送電極ＴＸ１，ＴＸ２（図５参照）を備えており、半導体領域ｆｄ１，ｆｄ２内から出力される電荷の比率に応じて、距離画像センサ１から対象物ＯＢＪまでの距離Ｌが求められる電荷振り分け型の距離画像撮像装置である。
【００２８】
また、上述のように、この装置は、転送信号ＶＴｘの基準クロックを発生する発振器１４と、基準クロックに同期して、出射光ＬＥＤを発生する光源１０を駆動する光源駆動回路１１とを備えている。ここで、発振器１４の基準クロックは、周波数制御回路１３によって制御されている。制御装置１２から、周波数制御回路１３に特定の周波数の指令が入力されると、周波数制御回路１３は、入力された周波数の基準クロックが発振器１４で生成されるような制御信号を生成し、これを発振器１４に入力する。
【００２９】
発振器１４は周波数が可変なものであれば、例えば電圧制御発振回路（ＶＣＯ）を用いることができる。この場合には、周波数制御回路１３から、指定の周波数を与える電圧を発振器１４に入力する。発振器１４の構成としては、ブログラマブル分周器を用いたＰＬＬ周波数シンセサイザとすることもできる。この場合には、周波数制御回路１３から、指定の周波数を与える分周比をＰＬＬ周波数シンセサイザに入力すればよい。
【００３０】
撮像領域ＩＭＲの各画素からの出力は増幅回路ＡＭＰによって増幅され、出力信号ＳＯとして制御装置に入力される。本発明では、光源１０の駆動信号から遅延した反射光に応じて発生した電荷を、駆動信号に同期して振り分けているので、振り分けられた電荷の比率が、光の対象物ＯＢＪまでの距離Ｌの２倍（往復時間）に比例することになる。出力信号ＳＯは、各画素からの距離情報を有しているので、制御装置１２は、撮像領域ＩＭＲ内の距離画像を得ることができ、この距離画像は表示器ＤＳＰ上に表示される。
【００３１】
通常の輝度画像と異なり、距離画像は、遠くにあるものほど例えば輝度を低くする、或いは、色を変えることで、距離感を表すことができる。もちろん、三次元座標空間内に距離画像の各画素のデータを取り込み、表示器ＤＳＰ上には三次元画像として表示を行うことが好ましい。なお、三次元画像を表示する場合には、偏光眼鏡を用いた立体テレビジョン技術を適用することも可能である。
【００３２】
上述のように、制御装置１２は、撮像を行う領域を指定する領域指定信号ＳＲを生成しているが、これはユーザが入力装置１５に入力した領域指定情報に応じて生成する。入力装置１５は、マウスやポインタ或いはキーボードなどのインターフェースであり、例えば、医療現場では、距離画像を表示器ＤＳＰで観察しつつ、特定の箇所の距離画像の分解能を上げたい場合に、ユーザがその箇所を指定する。入力装置１５が、ポインタである場合には、画像内に表示された特定部位をユーザがクリックすると、クリックした点から所与の範囲を領域として指定し、この領域内の距離画像の分解能を向上させる。
【００３３】
図３は、距離画像センサの回路構成図である。
【００３４】
領域指定信号ＳＲが、水平デコーダ２１及び垂直でコーダ２２に入力されると、指定されたアドレスの画素のスイッチＳＷ１，ＳＷ２がＯＮされ、その他の画素のスイッチＳＷ１，ＳＷ２がＯＦＦされる。画素Ｐ（ｍ、ｎ）は、転送電極群ＴＸを備えているが、各転送電極群ＴＸと水平ラインＨ１とは、スイッチＳＷ１を介して接続されており、複数の水平ラインＨ１は、それぞれスイッチＳＷ２を介して、センサ駆動回路ＤＲＶからの信号線に接続されている。水平デコーダ２１からは、スイッチＳＷ１を制御する制御電圧を与える垂直ラインＶ１が複数のびている。
【００３５】
したがって、水平デコーダ２１が、垂直ラインＶ１の電圧を制御すれば、スイッチＳＷ１をＯＮして、このラインの存在する列の画素を指定することができ、垂直デコーダ２２が、水平ラインＨ１のスイッチＳＷ２をＯＮして、センサ駆動回路ＤＲＶに接続すれば、この行の画素を指定して転送信号ＶＴｘを画素に供給することができる。
【００３６】
逆に、水平デコーダ２１が、垂直ラインＶ１の電圧を制御し、スイッチＳＷ１をＯＦＦして、このラインの存在する列の画素の指定を解除すれば、これらの画素はセンサ駆動回路ＤＲＶからは電気的に切断されることになり、また、垂直デコーダ２２が、水平ラインＨ１のスイッチＳＷ２をＯＦＦすれば、該当する行の画素は、センサ駆動回路ＤＲＶからは電気的に切断され、転送信号ＶＴｘは画素には供給されないことになる。なお、同図では、中央の領域の画素Ｐ（２，２）、Ｐ（２，３）、Ｐ（３，２）、Ｐ（３，３）が指定されることで、これらに接続されるスイッチＳＷ１，ＳＷ２がＯＮしており、残りの画素は指定から外れている様子が示されている。
【００３７】
以上のように、本発明の領域指定手段（水平デコーダ２１，垂直デコーダ２２、制御装置１２）は、撮像領域ＩＭＲ内において所定の大きさの領域を指定し、指定された領域とセンサ駆動回路ＤＲＶとを電気的に接続し、且つ、指定された領域以外の撮像用の領域とセンサ駆動回路ＤＲＶとを電気的に切断している。ここで、この領域指定手段によって指定される領域が狭くなる場合には、図１に示した周波数制御回路１３は、発振器１４の基準クロックの周波数を高く設定する。すなわち、指定領域が狭くなるほど、転送信号ＶＴｘの周波数は高くすることができる。
【００３８】
この装置によれば、領域指定手段が撮像領域ＩＭＲにおける指定された領域以外の撮像用の領域とセンサ駆動回路ＤＲＶとを電気的に切断するので、指定された領域の転送電極群ＴＸに印加される転送信号ＶＴｘの周波数を高くしても、切断された領域の寄生容量及び寄生抵抗が信号の遅延及び波形の変形を起こすのを抑制できるため、電荷の振り分けの正確性が向上する。また、転送信号ＶＴｘと光源１０の駆動信号周波数を双方とも増加させるので、狭い領域における距離分解能を向上させることができる。転送信号ＶＴｘと光源１０の駆動信号の周波数は、発振器１４から出力される基準クロックの周波数を周波数制御回路１３によって増加させればよい（図１参照）。
【００３９】
なお、上述のように切断されるのは撮像用の領域の画素であって、距離画像取得に必要な要素とセンサ駆動回路とを切断する必要はない。例えば、撮像領域内に基準温度や黒レベル検出用のダミー画素を備えている場合、これらの画素とセンサ駆動回路とを無理に切断する必要はない。
【００４０】
図４は、単一の画素内の転送電極近傍の回路図である。
【００４１】
各画素では、半導体基板内に形成されたフォトダイオードＰＤで発生した電荷を振り分けるための転送電極ＴＸ１，ＴＸ２を備えている。転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、ＭＯＳ型の電界効果トランジスタのゲート電極であるが、スイッチＳＷ１を介して入力される転送信号は、そのまま転送電極ＴＸ１に印加され、これとは別にスイッチＳＷ１‘（図1には図示せず）を介して１８０°位相が反転した転送信号が転送電極ＴＸ２に印加される。すなわち、転送電極ＴＸ１と転送電極ＴＸ２に印加される転送信号は逆位相の信号となっている。それぞれの転送電極ＴＸ１、ＴＸ２にハイレベルの信号が入力されると、トランジスタがＯＮし、フォトダイオードＰＤで発生した電荷が、それぞれに隣接する別の半導体領域に流れ、蓄積される。
【００４２】
図５は、単一の画素の断面構成を示す図である。
【００４３】
距離画像センサ１の各画素Ｐ（ｍ，ｎ）は、高濃度のＰ型（第２導電型）の半導体基板２の表面領域に半導体基板より低濃度で形成されたＰ型（第２導電型）の半導体領域３と、半導体領域３の表面側に形成された一対の高濃度のＮ型（第１導電型）の半導体領域（電荷蓄積領域：フローティングディフュージョン領域）ｆｄ１，ｆｄ２を有している。また、半導体基板表面には絶縁層５が形成されており、蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２の間のＰ型半導体領域３上にはフォトゲート電極ＰＧが絶縁層５を介して形成され、半導体領域３内のフォトゲート電極直下は光検出領域４としてはたらく。光検出領域４のポテンシャルは、フォトゲート電極ＰＧへの印加電圧によって制御することができる。
【００４４】
信号取出電極Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２は、それぞれ蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２上に電気的に接続して設けられている。また、フォトゲート電極ＰＧと、各信号取出電極Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２との間には、転送電極ＴＸ１，ＴＸ２が位置している。Ｎ型の半導体は、電気的に中性な状態で電子をキャリアとして有しており、キャリアが抜けた場合には、正にイオン化する。すなわち、高濃度のＮ型の蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２は、大きく下向きに凹む形となり、ポテンシャル井戸を構成する。
【００４５】
フォトゲート電極ＰＧには、必要に応じて若干の正の直流電位を印加しておく。受光領域としての光検出領域４では、光の入射に応じて正孔電子対が発生するが、ゲート電極として機能する転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に正の電位を与えた場合には、ＴＸ１、ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルが、光検出領域４のポテンシャルと蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２のポテンシャルの中間の値となり、光検出領域４から蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２へのポテンシャルの階段が形成され、蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２のポテンシャル井戸内に電子が落ちて蓄積される。
【００４６】
なお、本構造では、蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２上に電極を設けて信号を取り出す構造を採用しているが、蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２の隣に信号取出用の高濃度領域を別途設け、これらと蓄積領域ｆｄ１，ｆｄ２との間の領域上に別の転送電極を配置し、かかる高濃度領域上に電極を設けて、信号を取り出すことも可能である。
【００４７】
なお、以下の説明では、説明の明瞭化を目的として、符号ＴＸ１，ＴＸ２は転送電極であると共に、これらとグランド電位との間に加えられる転送信号の電圧も示すこととする。また、符号ＰＧはフォトゲート電極であると共に、これらとグランド電位との間に加えられる直流電圧も示すこととする。なお、半導体領域３は、グランド電位に接続されている。信号取出電極Ｖｆｄ１，Ｖｆｄ２から取り出された電荷は、半導体領域３内に形成された読出回路ＲＣによって読み出される。読み出し回路は、半導体領域３に限らず、半導体基板２に形成されていてもよい。
【００４８】
読出回路ＲＣの構成としては、様々なものが知られているので、公知の読出回路を用いればよい。基本的に、読出回路ＲＣは、各蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２に蓄積された電荷Ｑ１，Ｑ２を保持し、これらを電圧に変換して読み出している。転送信号ＴＸ１の電圧がハイレベルの期間に右側の蓄積領域ｆｄ１内に転送された電荷量をＱ１とし、転送信号ＴＸ２の電圧がハイレベルの期間に左側の蓄積領域ｆｄ２内に転送された電荷量をＱ２とすると、全体の電荷量（Ｑ１＋Ｑ２）に対する電荷量Ｑ２の比率分だけ、出射光と反射光の間に遅延時間が生じており、これが対象物までの距離Ｌの２倍に相当する。なお、電荷の積分によって検出精度は向上する。なお、全体の電荷量Ｑ１＋Ｑ２を読み出すと、通常の輝度画像を得ることができる。
【００４９】
図６は、光源の駆動信号や転送信号などの各種信号のタイミングチャートである。
【００５０】
同図には、光源からの出射光の強度信号ＬＥＤと、反射光の強度信号ＲＬＴＤが示されている。なお、同図では簡略化のため、これらの波形を方形波で示しているが、実際には正弦波となっている。すなわち、光源への駆動信号は方形波であるが、出射光の強度信号は完全な方形波とはならず、高周波成分が除去された正弦波となり、反射光の波形も同様に正弦波となるためである。出射光に対する反射光の遅延時間が、対象物までの距離に相当する。すなわち、時刻ｔ２〜ｔ３までの期間が、光源から対象物までの距離の往復距離を光が進む時間である。もちろん、光源への駆動信号は方形波であり、その立ち上がり及び立ち下がり時刻は、転送信号ＴＸ１の立ち上がり及び立ち下がり時刻に一致している。
【００５１】
今回のリセット開始時刻ｔ１から、次回のリセットの開始時刻ｔ７までの期間を、１単位の検出期間（１Ｐｈａｓｅ）とする。時刻ｔ１〜ｔ２の間において、蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２は基準となる電位に接続され、蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２が初期状態にリセットが行われる。
【００５２】
しかる後、時刻ｔ２以降、時刻ｔ７まで、逆相の方形波からなる転送電圧ＴＸ１、ＴＸ２を転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加しながら蓄積してから、蓄積領域ｆｄ１、ｆｄ２の電荷を読出回路ＲＣに転送し、転送終了時の時刻ｔ６〜ｔ７において、読出回路ＲＣから出力信号ＳＯを出力する。しかる後、再び、時刻ｔ７〜ｔ８においてリセットを行い、次の蓄積を開始する。
【００５３】
ここで、撮像領域の全領域を指定している場合には、上述のように、寄生容量及び寄生抵抗に起因して、転送信号ＴＸ１，ＴＸ２の波形が変形し、また、意図しない遅延を生じることになる。この場合には、正確な距離画像を得ることはできない。もちろん、一定の正確性を有する距離画像はできるが、その精度は十分ではない。一方、撮像領域の部分領域を指定すると、指定外の領域の寄生容量及び寄生抵抗の影響が抑制されるため、転送信号ＴＸ１，ＴＸ２の波形の変形が抑制され、また、意図しない遅延も抑制されることになる。したがって、正確な距離画像を得ることができる。
【００５４】
例えば、５０×５０画素、或いは１０×１０画素を指定した場合について、補足的に説明する。
【００５５】
センサ駆動回路ＤＲＶからの駆動電流を１ｍＡ、電圧振幅を３Ｖ、５０×５０画素を指定した場合の負荷容量＝１０ｐＦ（１画素当たり、０．００４ｐＦ）と仮定すると、クロックの立ち上がりに必要な時間は、３０ｎｓとなる。同様に、１０×１０画素の場合、負荷容量は０．４ｐＦ（１０×１０×０．００４ｐＦ）となるため、立ち上がりに必要な時間は、１．２ｎｓになる。例えば、変調された転送信号の周波数ｆ＝１００ＭＨｚとし、非常に高速に駆動させた場合、（画素数が多く）負荷容量が大きいと、転送信号が極端に鈍ってしまい距離精度が劣化する。しかしながら、画素数を部分選択して必要な領域のみ選択した場合負荷容量が小さいため、転送信号は鈍ることなく方形波（或いは正弦波）に近くなるため、精度良く電荷振り分けを行うことが可能となる。
【００５６】
これにより、周波数を高くすると、距離分解能を高めることができ、より精度よく測距を行うことが可能となる。全領域を指定する低周波数としては例えば１０ＭＨｚを採用することができ、部分領域を指定する高周波数としては例えば１００ＭＨｚを採用することができる。
【００５７】
なお、距離分解能について補足説明をしておく。
【００５８】
距離Ｌは、光速度をｃ（ｍ／ｓ）、転送信号の周期をＴ（ｓ）、電荷Ｑ２、Ｑ１の信号量をＡ（Ｖ），Ｂ（Ｖ）、反射光の遅延時間である位相差をφとすると、以下の式で与えられる。
Ｌ＝ｃＴ／２×（｜Ａ｜／（｜Ａ｜＋｜Ｂ｜））＝ｃＴ／２×φ
φ＝｜Ａ｜／（｜Ａ｜＋｜Ｂ｜）＝１／（１＋（｜Ｂ｜／｜Ａ｜））
ノイズによる距離誤差をσＬとし、リードノイズをσｒｅａｄ、ショットノイズをσｓｈｏｔ、係数ｋ（Ｖ／ｅ）を変換効率とすると、σＬは以下の式で与えられる。
σＬ＝ｃＴ／２×σφ＝ｃＴ／２×Ｃ
Ｃ＝１／（１＋（｜Ｂ｜／｜Ａ｜））−１／（１＋Ｄ１／Ｄ２）
Ｄ１＝｜Ａ−２×（（σｒｅａｄ２＋σｓｈｏｔ２）０．５×ｋ）／２０．５｜
Ｄ２＝｜Ｂ＋２×（（σｒｅａｄ２＋σｓｈｏｔ２）０．５×ｋ）／２０．５｜
すなわち、距離分解能は、リードノイズとショットノイズの二乗和で決定されるが、信号量が大きい場合は、ショットノイズが支配的となる。また、変調周波数を高く（＝発光パルス幅を短く）することで精度が向上される。ここで、ｋ＝（１６μＶ／ｅ）、リードノイズ＝０．３（ｍＶ）（ｒｍｓ）、合計の信号振幅１Ｖ（Ａ＝０．５Ｖ，Ｂ＝０．５Ｖ）と仮定すると、周波数ｆ＝１００ＭＨｚで電荷振り分けを行うことで、１ｍｍ程度の分解能を得ることも可能である。例えば、周波数１０ＭＨｚでは、距離精度は９．６ｍｍ、測距範囲は１５ｍｍとすると、周波数２０ＭＨｚでは、距離精度は４．８ｍｍ、測距範囲は７．５ｍｍとなり、周波数５０ＭＨｚでは、距離精度は１．９ｍｍ、測距範囲は３ｍｍであり、周波数１００ＭＨｚでは、距離精度は１．０ｍｍ、測距範囲は１ｍｍとなる。
【００５９】
図７は、撮像モード切替制御のフローチャートである。
【００６０】
撮像が開始されると、まず、全領域指定選択モードが実行され（Ｓ１）、撮像領域の全領域が指定され、この領域内の転送電極に転送信号が与えられる。次に、ユーザが部分領域の指定をしているかどうかについて判定する（Ｓ２）。部分領域を指定している場合には、部分領域選択モードに移行し（Ｓ３）、そうでない場合には、全領域選択モードを継続する（Ｓ１）。次に、部分領域選択モードを解除するかどうかについて判定し（Ｓ４）、ユーザが解除を要望しない場合には、部分領域選択モードを継続する（Ｓ３）。ユーザが解除を要望する場合には、次に、撮像の終了を行うかどうかについて判定し（Ｓ５）、撮像の終了を行わない場合には、全領域選択モードに戻る（Ｓ１）。また、撮像の終了を行う場合には、撮像を終了する。
【００６１】
ここで、部分領域選択モードでは、上述のように、指定された領域の画素をアクティブ（センサ駆動回路に接続）とし、それ以外の撮像用の画素をインアクティブ（センサ駆動回路から切断）にする。選択された領域に応じて、転送信号と光源駆動信号の周波数ｆを決定し、これらの信号で転送電極と光源をそれぞれ駆動する。
【００６２】
図８は、表示画面の一例を示す図である。本例では、内視鏡カメラに本装置を適用した場合の例について示しており、同図では食道や腸の内壁が示されているイメージが描かれている。
【００６３】
図８（Ａ）は、全領域選択モードの場合の距離画像であり、撮像領域の全領域Ｒ１が指定され、表示器の画面には低距離分解能の画像が表示されている。画面内の点線で囲まれた領域Ｒ２をユーザが指定すると、図８（Ｂ）の部分領域選択モードに移行する。この場合、基準クロックが高速化し、領域Ｒ２の距離分解能が向上して、注目部位が良く観察できるようになる。ユーザは、これの分解能を切り替えることにより、適切な観察を行うことができる。
【００６４】
すなわち、この装置の制御装置１２（図１参照）は、上述の領域指定手段によって指定された第１領域の距離画像、又は、領域指定手段によって指定され第１領域Ｒ１よりも狭い第２領域Ｒ２の距離画像を、表示器に選択的に出力している。必要に応じて高分解能の距離画像を見ることができるので、これを医療技術の内視鏡などに適用した場合には、利便性が向上する。内視鏡などでは、通常は撮像領域の全領域で距離画像を取得し、ユーザが特定の部分を特に観察したい場合には、部分領域の距離画像を高分解能で取得することができる。もちろん、この装置は、他の分野にも適用することができる。
【００６５】
図９は、第２実施形態の距離画像撮像装置のブロック図である。
【００６６】
この装置は、制御装置１２から出力される距離画像を、一端、スイッチＳＷを介して全領域フレームメモリＭ１又は部分領域フレームメモリＭ２に格納し、格納された距離画像を画像処理装置ＩＰに入力して合成し、合成画像を表示器ＤＳＰに表示している。他の構成と作用は、第１実施形態の距離画像撮像装置と同一である。
【００６７】
すなわち、この装置は、領域指定手段によって指定された第１領域Ｒ１の距離画像を蓄積する第１フレームメモリＭ１と、領域指定手段によって指定された第１領域Ｒ１よりも狭い第２領域Ｒ２の距離画像を蓄積する第２フレームメモリＭ２とを備えており、画像処理装置ＩＰは、第１領域Ｒ１の距離画像から第２領域Ｒ２に相当する領域のデータを削除し、削除した領域に第２領域Ｒ２の距離画像を合成している。
【００６８】
図１０は、この場合の表示画面の一例を示す図である。
【００６９】
図１０（Ａ）は全領域指定モードを示しており、この場合の画面は図８の場合と同一である。一方、図１０（Ｂ）は合成画像を表示している。すなわち、図１０（Ｂ）では、大きな領域である第１領域Ｒ１と、小さな領域である第２領域Ｒ２の相対的な双方の情報が同時に観察できるすなわち、小さな領域Ｒ２の距離画像に注目しつつも、大きな領域が同時に表示されることで、全体画像の中での注目箇所の状態を把握することができる。
【００７０】
なお、第１領域Ｒ１の距離画像と、第２領域Ｒ２の距離画像とはそのまま重畳させてもよいが、この場合には、第２領域Ｒ２に相当する領域において、元の第１領域Ｒ１の距離画像がノイズとなるため、画像処理装置ＩＰでは、第１領域Ｒ１の距離画像から第２領域Ｒ２に相当する領域のデータを削除し、削除した領域に第２領域Ｒ２の距離画像を合成することとしている。これらの距離画像は、静止画であってもよいが、双方の画像の取得タイミングを短時間で交互に切り替えて、合成して表示すれば、動画として表示することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１・・・距離画像センサ、１１・・・光源駆動回路、１４・・・発振器、ＩＭＲ・・撮像領域、ＤＲＶ・・・センサ駆動回路、１２・・・制御装置（領域指定手段）、２１，２２・・・デコーダ（領域指定手段）２１，２２、１３・・・周波数制御回路。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図９】
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【図１０】
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