【手続補正書】
【提出日】平成24年1月30日(2012.1.30)
【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】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置とを有する測距システムを用いる測距方法であって、
基準期間における反射光の累積光量である反射光基準光量を求める工程と、
測定期間における前記反射光の累積光量である反射光測定光量を求める工程と、
前記測定期間のうち、前記受光装置の光電変換素子に対して前記反射光が入射していた期間である反射光入射期間を、前記反射光測定光量及び前記反射光基準光量の比と前記反射光入射期間及び前記基準期間の比とに基づいて演算する工程と、
前記反射光入射期間に基づいて前記測距システムと前記対象物との距離を算出する工程と
を有することを特徴とする測距方法。
【請求項２】
請求項１記載の測距方法において、
前記反射光基準光量を求める工程は、
第１基準期間における環境光の累積光量である環境光基準光量を求める工程と、
前記第１基準期間と同じ長さの第２基準期間における前記環境光及び前記反射光の累積合成光量である合成光基準光量を求める工程と、
前記合成光基準光量から前記環境光基準光量を差し引いて前記第２基準期間における前記反射光基準光量を算出する工程と
を含み、
前記反射光測定光量を求める工程は、
第１測定期間における前記環境光の累積光量である環境光測定光量を求める工程と、
前記第１測定期間と同じ長さの第２測定期間における前記環境光及び前記反射光の累積合成光量である合成光測定光量を求める工程と、
前記合成光測定光量から前記環境光測定光量を差し引いて前記第２基準期間における前記反射光測定光量を算出する工程と
を含む
ことを特徴とする測距方法。
【請求項３】
請求項２記載の測距方法において、
各測定周期に前記第１基準期間、前記第２基準期間、前記第１測定期間及び前記第２測定期間をそれぞれ複数設定し、
前記環境光基準光量を、各第１基準期間における前記環境光の累積光量の合計値として求め、
前記合成光基準光量を、各第２基準期間における前記累積合成光量の合計値として求め、
前記環境光測定光量を、各第１測定期間における前記環境光の累積光量の合計値として求め、
前記合成光測定光量を、各第２測定期間における前記累積合成光量の合計値として求める
ことを特徴とする測距方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の測距方法において、
前記パルス光の放射期間、前記基準期間及び前記測定期間それぞれが占める割合を各測定周期の１パーセント以下に設定する
ことを特徴とする測距方法。
【請求項５】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、
前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、
前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、
前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置と
を有する測距システムであって、
前記受光装置は、
前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子からの前記光電子を蓄積する第１乃至第４キャパシタと、
前記光電変換素子からの前記光電子を排出する光電子排出部と、
前記光電変換素子と前記第１乃至第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１乃至第４キャパシタに対して振り分ける第１乃至第４ゲート電極と、
前記光電変換素子と前記光電子排出部との間に配置され、前記光電変換素子から前記光電子排出部への前記光電子の供給を制御する第５ゲート電極と
を備え、
前記パルス光の放射開始時点を時点Ｔｅｕ、
前記パルス光の放射終了時点を時点Ｔｅｄ、
前記光電変換素子に対する前記反射光の入射終了時点を時点Ｔｒｄ、
前記第１乃至第４ゲート電極を開く時点を時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕ、
前記第１乃至第４ゲート電極を閉じる時点を時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄ、
前記時点Ｔｇ１ｕから前記時点Ｔｇ１ｄまでの期間を期間Ｐ１、
前記時点Ｔｇ２ｕから前記時点Ｔｇ２ｄまでの期間を期間Ｐ２、
前記時点Ｔｇ３ｕから前記時点Ｔｇ３ｄまでの期間を期間Ｐ３、
前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｇ４ｄまでの期間を期間Ｐ４、
前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｒｄまでの期間を期間Ｐｓｒ、
前記期間Ｐ１の間に前記第１キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ１、
前記期間Ｐ２の間に前記第２キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ２、
前記期間Ｐ３の間に前記第３キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ３、
前記期間Ｐ４の間に前記第４キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ４、
前記パルス光が放射されてから前記対象物で反射して前記反射光として戻ってくるまでの期間を往復期間ΔＰ、及び
前記測距システムと前記対象物との距離を距離Ｄ
とするとき、
前記制御装置は、
（１）Ｐ１＝Ｐ３、
（２）Ｐ２＝Ｐ４、及び
（３）Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ≦Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ、又は、Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ＜Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ
となるように、前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１乃至第４ゲート電極の開閉を制御し、
前記第１乃至第４ゲート電極が全て閉じているとき、前記第５ゲート電極を開いて前記光電子を外部に排出させ、
前記演算装置は、
前記第３キャパシタに蓄積され、環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ３と、前記第１キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ１との差に基づいて、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報を取得し、
前記第４キャパシタに蓄積され、前記環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ４と、前記第２キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ２との差に基づいて、前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報を取得し、
前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報及び前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報の比と、前記期間Ｐ３及び前記期間Ｐｓｒの比とに基づいて前記往復期間ΔＰを演算し、
前記往復期間ΔＰに基づいて前記距離Ｄを測定する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項６】
請求項５記載の測距システムにおいて、
前記時点Ｔｅｄと前記時点Ｔｇ４ｕが等しいとき、下記の式（１）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算し、
ΔＰ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３      ・・・（１）
前記時点Ｔｅｄが前記時点Ｔｇ４ｕよりも後であるとき、下記の式（２）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算する
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３―（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ）      ・・・（２）
ことを特徴とする測距システム。
【請求項７】
請求項５又は６記載の測距システムにおいて、
前記制御装置は、測定周期毎に前記発光装置に前記パルス光を複数回放射させ、
前記演算装置は、前記第１乃至第４キャパシタそれぞれに前記光電子を複数回蓄積した後の前記電荷量Ｑ１乃至Ｑ４を用いて前記往復期間ΔＰを演算する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記発光装置は、前記パルス光の放射期間を各測定周期の１パーセント以下に設定し、且つ
前記受光装置は、前記第１乃至第４ゲート電極を開く期間を各測定周期の１パーセント以下に設定する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項９】
請求項５〜８のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４キャパシタにそれぞれのゲートが接続され、前記第１乃至第４キャパシタの電位に応じた電圧を出力する第１乃至第４増幅器を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１０】
請求項５〜９のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４キャパシタの電位をリセットするための電源及び第６ゲート電極を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１１】
請求項５〜１０のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記光電変換素子は、フォトダイオード、埋込フォトダイオード又はフォトゲートである
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１２】
請求項５〜１１のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記第１乃至第４キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込フォトダイオード又はＰＮ接合部である
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１３】
請求項５〜１２のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４ゲート電極及び前記第１乃至第４キャパシタを遮光する遮光部を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１４】
請求項５〜１３のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記発光装置は、発光ダイオード、レーザダイオード又は半導体レーザバーである発光素子を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１５】
請求項５〜１３のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記発光装置は、複数の半導体レーザバーを配列させた発光素子を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１６】
請求項５〜１５のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、前記光電変換素子、前記第１乃至第４キャパシタ、前記光電子排出部及び前記第１乃至第５ゲート電極を備える複数の画素が設けられたラインセンサ又はイメージセンサを有する
ことを特徴とする測距システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、距離Ｄが短くなる程、反射光の入射期間（往復期間ΔＰ）が短くなり、距離Ｄが長くなる程、反射光の入射期間が長くなる。一般に、同じ対象物であれば、距離Ｄが短い程、反射光の強度［Ｗ］は大きくなり、距離Ｄが長い程、反射光の強度は小さくなる。このため、距離Ｄが短い場合、強度の大きい反射光を短期間入射させ、距離Ｄが長い場合、強度の小さい反射光を長期間入射させることとなる。その結果、距離Ｄの変化量と比較して、期間Ｐｓｒに入射する反射光の累積光量の変化量は小さくなる。このことは、受光装置のダイナミックレンジを狭くすることが可能であることを意味する。従って、測距システムのダイナミックレンジを向上させることができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２４】
この発明によれば、測距システムのダイナミックレンジを向上させ、測定精度を向上することが可能となる。すなわち、この発明では、測定期間のうち、受光装置の光電変換素子に対して反射光が入射していた期間である反射光入射期間を、反射光測定光量及び反射光基準光量の比と反射光入射期間及び基準期間の比とに基づいて演算する。測距システムと対象物との距離が短くなる程、反射光入射期間が短くなり、前記距離が長くなる程、反射光入射期間が長くなる。一般に、同じ対象物であれば、前記距離が短い程、反射光の強度は大きくなり、前記距離が長い程、反射光の強度は小さくなる。このため、前記距離が短い場合、強度の大きい反射光を短期間入射させ、前記距離が長い場合、強度の小さい反射光を長期間入射させることとなる。その結果、前記距離の変化量と比較して、反射光入射期間に入射する反射光の累積光量の変化量は小さくなる。このことは、受光装置のダイナミックレンジを狭くすることが可能であることを意味する。従って、測距システムのダイナミックレンジを向上させることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５９】
すなわち、第１基準期間としての期間Ｐ１において、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（環境光基準光量Ａｒｓ）［Ｊ］（キャパシタ６２ａの電荷量Ｑ１）を求め、第２基準期間としての期間Ｐ３（＝Ｐ１）において、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（合成光基準光量Ａｒｉ）［Ｊ］（キャパシタ６２ｃの電荷量Ｑ３）を求める。また、第１測定期間としての期間Ｐ２において、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（環境光測定光量Ａｍｓ）［Ｊ］（キャパシタ６２ｂの電荷量Ｑ２）を求め、第２測定期間としての期間Ｐ４（＝Ｐ２）において、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（合成光測定光量Ａｍｉ）［Ｊ］（キャパシタ６２ｄの電荷量Ｑ４）を求める。期間Ｐ４では、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒの両方が入射する期間（期間Ｐｓｒ）［ｓ］と、環境光Ｌｓのみが入射する期間（期間Ｐｓ）［ｓ］が存在する。期間Ｐｓｒは、対象物Ｗまでの距離Ｄに比例する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
また、距離Ｄが短くなる程、反射光Ｌｒの入射期間（すなわち、期間Ｐｓｒ）が短くなり、距離Ｄが長くなる程、期間Ｐｓｒが長くなる。一般に、同じ対象物Ｗであれば、距離Ｄが短い程、反射光Ｌｒの強度Ｉｒは大きくなり、距離Ｄが長い程、強度Ｉｒは小さくなる。このため、距離Ｄが短い場合、強度Ｉｒの大きい反射光Ｌｒを短期間入射させ、距離Ｄが長い場合、強度Ｉｒの小さい反射光Ｌｒを長期間入射させることとなる。その結果、距離Ｄの変化量と比較して、期間Ｐｓｒに入射する反射光Ｌｒの光量Ａｒの変化量は小さくなる。このことは、測距システム１０のダイナミックレンジを狭くすることが可能であることを意味する。従って、受光装置１４のダイナミックレンジを向上させることができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
本実施形態では、パルス光Ｌｐのパルス幅（出力期間）は、１０マイクロ秒（＝１００ナノ秒×１００回）であり、各測定周期Ｃｍ（２０ミリ秒）の０．０５パーセントとしている。これに合わせて、ゲートＧ１１〜Ｇ１４を開く期間Ｐ１〜Ｐ４も短く設定している。このため、仮に同じ周波数のパルス光を用いている他の測距システムが周囲に存在した場合でも、他の測距システムがパルス光を出力するタイミングと測距システム１０がパルス光Ｌｐを出力するタイミングとが被る可能性が低くなる。その結果、他の測距システムとの干渉（他の測距システムからのパルス光を測距システム１０からのパルス光Ｌｐと誤認識すること）の可能性を低くすることができる。