(57)【要約】【課題】  電荷移動距離の測定によって経過時間を測定する測定装置を提供すること。【解決手段】  電荷移動距離を経過時間の尺度として用いた電気的測定装置。開始時刻後、電荷転送レジスタが電荷を受信する。電荷転送レジスタにかけた電圧によって、電荷転送レジスタ内に電荷の移動が生じる。所定時間中における電荷の移動距離を測定することにより、開始時刻と電荷受信時刻との間の経過時間の測定が可能になる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電荷を受信して該電荷を半導体素子内の距離範囲で移動させる半導体素子(108)と、
前記半導体素子内の電荷の移動距離を測定し、該移動距離を電荷が移動するのに要する時間を計算するプロセッサと、
からなる装置。
【請求項２】
光センサ(104,403,414)と、
電荷転送レジスタ(108,406,410,422,424,426)と、
第１のステージ、第２のステージ、および、前記第１のステージと前記第２のステージとの間の複数のステージを備えた電荷転送レジスタと、
を更に含み、前記光センサからの電荷は、前記第１のステージに渡され、前記第１のステージから前記第２のステージの方向へ、前記第１のステージと前記第２のステージとの間の前記複数のステージを通って、いずれのステージでも止まることなく所定時間の間移動することが可能である、請求項１の装置。
【請求項３】
前記光センサが光センサアレイ(400,408,416,418,420,506)内の１つの光センサである、請求項２の装置。
【請求項４】
前記光センサアレイが２次元アレイの光センサである、請求項３の装置。
【請求項５】
前記２次元アレイの光センサがカメラ(500)内にある、請求項４の装置。
【請求項６】
基準時刻を定めるステップ(302)と、
電荷転送レジスタに電荷を転送するステップと、
所定時間の間、前記電荷が前記電荷転送レジスタを通って移動できるようにするステップ(300,304)と、
前記電荷が前記電荷転送レジスタ内で移動した距離に基づいて、前記基準時刻に対する電荷転送の時刻を判定するステップと、
からなる方法。
【請求項７】
光を発生させるステップと、
前記光を光センサで受信するステップと、
電荷を前記光センサから電荷転送レジスタへ転送するステップと、
を更に含む、請求項６の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、時間の電気的な測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
経過時間を測定することの需要は一般に存在し、特に短い時間の測定についてその需要がある。例えば、電気的距離測定の場合、光や音の飛行時間の測定が必要になる場合がある。測量機器の中には光パルスを送出するものがあり、光パルスを送出した時点と、（そのパルス光が遠方の反射体で反射された後）その光パルスがセンサで検出される時点との間の飛行時間を測定するものがある。同様に、ソナーやカメラ焦点距離測定装置、および家屋の部屋の概略測定に用いられる器具の中には、パルス音を送出するものがあり、パルス音を送出した時点と、（そのパルス音が遠方の反射体で反射された後）そのパルス音がセンサで検出された時点との間の飛行時間を測定するものがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
電荷移動距離の測定によって経過時間を測定する測定装置を提供すること。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
経過時間の尺度として電荷の移動距離を用いた電気的測定装置。開始時刻後、電荷転送レジスタは電荷を受信する。電荷転送レジスタを通る電界によって、電荷転送レジスタ内に電荷の移動が生じる。所定時間内の電荷の移動距離を測定することにより、開始時刻と電荷受信時刻との間の経過時間の測定が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１は、電荷転送レジスタ（シリアル読み出しレジスタとも呼ばれる）を用いて光の飛行時間を測定するシステムの例示的実施形態を示す。図１において、光源１００は光を供給し、その光が面１０２で反射され、光センサ１０４に入射する。光センサ１０４は光エネルギーに応答して電荷を生成する。電荷転送ゲート１０６をオンに切り替え、電荷が光センサから電荷転送ゲートを通って電荷転送レジスタ１０８のステージの１つに流れるようにする。電荷転送レジスタの長さ方向にバイアス電圧をかけることにより、電荷を増幅器１１０の方向に移動させる力を加える。増幅器１１０は電荷転送レジスタから電荷を受信し、受信した電荷を電圧に変換する。アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１１２は、その電圧をプロセッサ（図示せず）で使用するのに適した数値に変換する。
【０００６】
電荷転送レジスタは通常複数の相に分割され、各電荷が空きステージにシフトされる際、電荷は制御された方向にシフトされる。２相、３相および４相の電荷転送レジスタが一般に知られている。図１の例は３相の電荷転送レジスタを示すものであり、３つの位相制御信号（φ０、φ１およびφ２）は、隣接ステージ間における電荷のシリアル転送を制御するのに用いられる。
【０００７】
飛行時間測定の開始段階では、ゲート制御信号ＧＡＴＥによって電荷転送ゲート１０６が開かれ、位相制御信号（φ０、φ１およびφ２）が、電荷転送レジスタの長さ方向に加えたバイアス電圧（電界強度）と、電荷転送レジスタの半導体材料内の電子移動度とによって決まる速度で、電荷転送レジスタの一端から他端へ向けて電子が妨げられることなく流れる状態に設定される。短時間が経過した後、電荷転送ゲート１０６を閉じ、位相制御信号が、電荷転送レジスタの個々のステージに幾らかの電荷を捕捉するような状態に設定される。その後、それらの電荷は増幅器そしてＡ／Ｄコンバータへと順次転送される。得られた数値を分析することにより、光源１００から光センサ１０４までの光の飛行時間が判定される。
【０００８】
図２Ａ〜図２Ｄは、３相電荷転送レジスタ（単なる例として）の場合の種々の事象および信号のタイミングを示す。図２Ａは、電荷転送ゲート（図１の符号１０６）を制御するゲート制御信号ＧＡＴＥを示す。図２Ｂは位相制御信号φ０を示し、図２Ｃは位相制御信号φ１を示し、図２Ｄは位相制御信号φ２を示す。時間は時刻Ａで始まり、時刻Ｃで終了する。照明装置（図１、１００）をオンにし、時刻Ａに対して何らかの既知の時刻で光を供給する。例えば、照明装置が実際に点灯するまでに既知の遅延がある場合、照明装置は時点Ａよりも前にオンにする場合がある。未知の時刻Ｂで反射光が光センサ（図１、１０４）に到達する。時刻Ｂよりも前の何らかの時刻で電荷転送ゲートをオンにし（図２Ａ）、３つの位相制御信号（図２Ｂ、図２Ｃおよび図２Ｄ）を、電荷が電荷転送レジスタ（図１の符号１０８）の全長方向に流れるのに障壁の無い状態に設定しておく。その結果、時刻Ｂで、光センサ１０４からの電荷が電荷転送レジスタに入り、電界によって増幅器（図１、１１０）に向けて掃き出されるようになる。時間が終了する時刻Ｃで、電荷転送ゲートを閉じ、電荷転送レジスタ内のステージ間の障壁のうちのいくつかを閉じることにより、電荷転送レジスタのステージに電荷分布を捕捉する。時刻Ｃの後、３つの位相制御信号を順次制御して、離散的な電荷パケットを増幅器およびＡ／Ｄコンバータに順次転送し、デジタル値に変換する。その結果、本システムは、時刻Ａに対する時刻Ｂの発生時刻を、電荷の移動を用いて判定することができる。
【０００９】
以下の数値例は例示の目的でのみ記載するものである。電荷転送レジスタが１０００個のステージを２×１０-6ｍピッチで有するものと仮定する。従って、電荷転送レジスタの全長は２．０×１０-3ｍである。図１の＋Ｖは１２Ｖであり、この電圧によって生成される電界が６０００Ｖ／ｍであるものと仮定する。電荷転送レジスタはシリコンで作成され、得られる電子移動度が６．０×１０-2ｍ2／Ｖ・ｓであるものと仮定する。電荷転送レジスタ内の電子の速度は、（電子の移動度）×（電界強度）であるから、上記数値例の場合３６０ｍ／ｓになる。よって、電荷転送レジスタの全長にわたる電子の移動時間は５．６×１０-7秒になる。従って、時刻Ｃは、時刻Ａの約５．６×１０-7秒後の時刻に設定することができる。何らかの最小距離よりも近いところに物体が何も存在しないであろうことがわかっている場合、時刻Ａは、光を生成する時刻よりも後ろにずらした時刻で開始する場合がある。１，０００個のステージを用いた場合、１ステージ当たりの移動時間は５．６×１０-10秒になる。
【００１０】
大気中の光の速度は毎秒約３×１０８ｍである。電荷転送レジスタの長さ方向にわたる電子の移動時間は、光が約１６８ｍ移動する時間に相当する。反射面の例について、電荷転送レジスタの長さ方向にわたる電子の移動時間は、光の場合、往復で１６８ｍになる８４ｍ離れた面に対する移動時間に相当する。１，０００個のステージを用いた場合、各ステージは、大気中を通る光の移動距離で約０．１６８ｍ、または、光源から反射面までの距離で約０．０８４ｍに相当する。図１は、光が面で反射され、往復時間をかけて戻ってくる場合を仮定している。しかしながら、本システムは、遠隔に光源を備え、遠隔の光源から直に光センサまでの飛行時間を測定する場合もある。
【００１１】
電荷が増幅器およびＡ／Ｄコンバータに転送されるとき、増幅器に最も近いステージの電荷はいずれも、光が光センサに極めて近い場所で（あるいは最小距離になるように時刻Ａをずらした場合、その最小距離付近で）反射されたことを示す。最初に電荷が現れるステージが増幅器からＮ番目のステージであった場合、反射面は光源からＮ×０．０８４ｍの場所にあったことになる。電荷転送レジスタ内に何も電荷が存在しなかった場合、光源は１６８ｍよりも遠くにあったか、または反射面が光源から８４ｍよりも離れていたことになる。電界強度を高めたり、レジスタステージの数を増加させたりすることで（レジスタピッチを減少させるか、あるいはレジスタを長くして、同じ電界強度が維持されるようにそれに応じて電圧も増加させる）、精度を向上させることができる。さらに、複数の測定値の平均値を求め、レジスタステージ間の値を補間することにより、さらに精度を向上させることができる。具体的には、光の生成について何らかの有限の立ち上がり時間が存在し、光センサからの電荷の受信について何らかの有限の立ち上がり時間が存在するであろう。複数の電荷転送レジスタステージから得られた各値を通るように曲線を当てはめることによって、電荷発生の開始時間／距離をさらに正確に判定することができる。さらに、図１に面１０２として描かれているような単純な反射面にかえて、光を反射する多数の複雑な面を用いる場合もある。従って、複数の電荷転送レジスタステージから得られた値を評価することで、最も有力な物体距離を判定することができる。例えば、近くにある小さな物体からは反射が早く生じる一方、遠くにある大きな物体からは強い反射が遅く生じる場合があり、本システムは、そのような小さな物体からの反射を無視するという選択もできる。
【００１２】
先の説明では、電荷転送レジスタの一端から他端へ向けて、電荷が妨げられることなく流れていた。一般に、３相または４相電荷転送レジスタでは、全ての位相制御信号を同じ電圧にすると、電荷転送レジスタの各ステージの井戸型ポテンシャル（端から端までの電界）がすべて同一になる。これに対して、２相電荷転送レジスタの中には、ゲート接点下の酸化膜厚を変更することにより、１ステージ置きに交互にその井戸型ポテンシャルが意図的にオフセットされているものがある。酸化膜厚を可変にすると、制御された方向への電荷の転送が容易になる。しかしながら、そのようなシステムで各位相制御信号を同じ電圧に設定した場合、電荷が１ステージ置きに交互に捕捉されてしまう。この問題に対する１つの解決手段は、図２Ａ〜図２Ｄの時刻Ａよりも前に電荷を注入し、電荷を捕捉するステージが時刻Ａで既知の初期電荷を持つようにすることである。その後、それらの既知の初期電荷は、処理中に影響を受けたステージの電荷から差し引くことができる。
【００１３】
図３は方法の一例を示す。ステップ３００で電荷転送ゲートを開き、位相制御信号を、電荷が電荷転送レジスタの全てのステージを通って妨げられることなく流れる状態に設定する。ステップ３０２で時間が始まる（図２Ａ〜図２Ｄの時刻Ａ）。光を用いた距離測定の場合、ステップ３０２は光源のオンに相当する。ステップ３００と３０２との間に特定の時間関係や順序は必要ないことに注意して欲しい。ステップ３００はステップ３０２の後に実施される場合もある。ステップ３００は光が光センサに到達する前に実施しなければならない。ステップ３００は、電荷転送レジスタ内に蓄積された電荷を光が光センサに到達するまでに除去することができる程度、早い段階で実施することが好ましい。ステップ３００は、閾値を決定するための背景光の測定ができる程度、早い段階で実施することが好ましい。ステップ３０４で、システムは所定時間（例えば図２Ａ〜図２Ｄで時刻Ｃ−時刻Ａ）だけ待機する。所定時間の終わりに、ステップ３０６で電荷転送ゲートを閉じ、各ステージを通る電荷の流れを休止させる。ステップ３０８で位相制御信号を循環させ、各ステージ内の電荷を増幅器へ、そしてＡ／Ｄコンバータへと順次転送する。ステップ３１０で得られた数値を分析することにより、時間の開始時刻に対する電荷の発生時刻を判定する。
【００１４】
光学イメージスキャナで用いられる電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイは、一般に電荷転送レジスタに接続された光センサのリニアアレイを有する。デジタルカメラで用いられるＣＣＤアレイは一般に、光センサの２次元のアレイと、少なくとも１つの電荷転送レジスタとを有する。電荷は行単位で、ある光センサから次の光センサへと転送され、最終的に電荷転送レジスタに転送される。あるいは、電荷はライン間電荷転送レジスタに転送された後、ライン間電荷転送レジスタから最終的な電荷転送レジスタに転送される場合もある。多くのＣＣＤアレイで用いられている電荷転送レジスタは、図１のにいくらか変更を加えたシステムで使用することができる。図４Ａおよび図４Ｂは、撮像にも距離測定にも使用可能な、電荷転送レジスタを備えた２次元ＣＣＤアレイの例を示す。
【００１５】
図４Ａにおいて、光センサの２次元アレイ４００は電荷を水平電荷転送レジスタ４０６に転送する。１つの電荷転送ゲート４０２は、独立した制御信号線（ＧＡＴＥ１）を有する。残りの電荷転送ゲート４０４は共通の制御信号線（ＧＡＴＥ２）を有する。１つの画像光センサ４０３は、撮像と距離測定の両方に使用される。２次元アレイが距離測定に用いられる場合はゲート４０２だけが開かれる。２次元アレイが撮像に用いられる場合は全ゲートが開かれる。ゲート４０２だけを開くと、光センサ４０３からの電荷だけが電荷転送レジスタに流れ込む。
【００１６】
図４Ｂにおいて、光センサの２次元アレイ４０８は電荷を水平電荷転送レジスタ４１０に転送する。独立した電荷転送ゲート４１２は、独立した光センサ４１４から電荷を電荷転送レジスタ４１０に転送させることができる。電荷転送レジスタ４１０は、距離測定と撮像の両方に用いることができる。
【００１７】
図４Ｃの光センサの２次元アレイにおいて、光センサの各列（４１６、４１８、４２０）は、個別のインタライン電荷転送レジスタ（４２２、４２４および４２６）を有する。図示の例では、図４Ａの例と同様に、各列について１つのゲート（４２８、４３０、４３２）が独立した制御線を備えている。電荷はインタライン電荷転送レジスタから水平電荷転送レジスタ４３４へ順次転送され、その後増幅器へ、そしてＡ／Ｄコンバータ（図示せず）へと転送される。図４の例示的実施形態では、多数の同時測定を行なうことができる。光を反射する物体が３次元である場合、複数の距離を測定することができる。物体に対して光センサアレイを移動させながら、各ラスタラインについて光源をフラッシュさせることにより、形状の３次元測定が可能になる。
【００１８】
上記のような距離測定装置は、カメラ（フィルム式カメラの場合もデジタルカメラの場合もある）において、自動焦点調節システムの一部およびストロボ制御システムの一部として用いるのに特に適している。全自動焦点調節のカメラは一般に、光センサアレイから得られたデジタル画像を分析して、画像の輪郭部のコントラストが最大になるまでレンズの焦点距離を調節する。一般に、焦点調節アルゴリズムは焦点の測定を行なうが、その焦点を改善するためにレンズを移動させるべき方向は指示しない。そのため、自動焦点調節は試行錯誤の処理になり、自動焦点調節に失敗したり、かなりの時間を要したりする場合がある。上記のような距離測定装置は、レンズの初期焦点距離を決めるのに特に適している。さらに、ストロボシステムの場合、距離測定はストロボエネルギーを決めるための被写体距離を示すことができる。
【００１９】
デジタルカメラの場合、２次元ＣＣＤアレイは、撮像と距離測定の両方に用いることができる（図４Ａおよび図４Ｃの例で示したように）。従来のＣＣＤアレイに対して必要となる変更は、電荷転送レジスタ中の１ステージだけに電荷を入れるようにゲート制御する能力と、電荷が各ステージを通って妨げられることなく流れるように位相制御信号を制御する能力（又は、幾つかの２相電荷転送レジスタについて上で説明したように電荷を初期化する能力）だけである。あるいは、図４Ｂの例で示したように、従来のＣＣＤアレイに光センサおよび電荷転送ゲートを追加することによって変更を施すこともできる。
【００２０】
図５はカメラの例を示す。図５において、カメラ５００は自動焦点調節の例示的レンズ系を含む。図５の例において、第１のモータ５０２および第２のモータ５０４はそれぞれ送りねじを駆動し、この送りねじには可動式のレンズ要素群に取り付けられた従動ナットが取り付けられる。可動式のレンズ要素群を別々に移動させることにより、ズーミングと焦点調節が可能になる。光センサアレイ５０６は、焦点および露光の調節に用いられる。デジタルカメラの場合、光センサアレイ５０６は撮像用アレイとしても使用される場合がある。ストロボ５０８は光の少ない条件下で用いられる。ストロボは、カメラに取り付けられる場合も、取り付けられない場合もある。ストロボ５０８は、距離測定用の光源として用いられる場合もある。あるいは、距離測定には、小型ＬＥＤ等のオプションの独立した光源５１０を用いる場合もある。プロセッサ／コントローラ５１２は、光センサアレイ５０６から画像、光強度データまたは距離データを受信してレンズ系、ストロボおよび距離測定用光源（独立式の場合）を制御する他、距離の計算にも用いられる場合がある。
【００２１】
上記のような距離測定はカメラ５００で実施することができる。光源５１０（すなわちストロボ５０８）をフラッシュさせ、光センサアレイ５０６をプロセッサ５１２と共に用いることで、最も有力な物体までの距離を判定する。そして、レンズの焦点距離をその物体までの距離に調節する。デジタルカメラの場合、距離測定に加えて、画像の輪郭部のコントラストを最大にすることによる自動焦点調節アルゴリズムをさらに用いる場合がある。すなわち、距離測定を用いて初期焦点調節を行い、適宜、画像の輪郭部のコントラストを用いて、焦点が良好になるように更に調節する場合がある。
【００２２】
光学距離測定は、経過時間を測定することが可能な装置の用途の一例にすぎない。また、ＣＣＤやその他の光センサも、電荷を生成して電荷転送レジスタに転送する手段の一例にすぎない。図３に示したように、一般的には電荷転送レジスタを用いると、時間の開始時刻に対する電荷すなわち電流の発生時刻を測定することができる。電気的に検出可能な物理現象は多数存在し、第１の事象の発生時に時間が始まり、測定すべき第２の事象の発生時に電荷すなわち電流が生成されるような物理現象が多数存在する。
【００２３】
本発明に関する上記の説明は、例示および説明の目的で記載したものである。従って、その説明に発明の形態を網羅したり、発明を開示した形態に限定する意図はなく、上記の教示に鑑みて、他にも変更や変更が可能である。実施形態は、発明の原理とその実際の応用形態を分かりやすく説明するとともに、当業者が意図する特定の実施形態に合わせて本発明を様々な実施形態および変形形態で最良に実施できるように選択してある。特許請求の範囲の記載は、従来技術によって定まる範囲を除き、本発明の代替実施形態も含めることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】装置の例示的実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１の装置に関する信号のタイミング図である。
【図３】方法の一実施形態を示すフロー図である。
【図４Ａ】撮像用および距離測定用のアレイとして用いるのに適した２次元ＣＣＤアレイの例示的実施形態を示すブロック図である。
【図４Ｂ】撮像用および距離測定用のアレイとして用いるのに適した２次元ＣＣＤアレイの例示的実施形態を示すブロック図である。
【図４Ｃ】撮像用および距離測定用のアレイとして用いるのに適した２次元ＣＣＤアレイの例示的実施形態を示すブロック図である。順次
【図５】本発明を実施可能なカメラの実施形態の例を示すブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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