(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する発光素子（４，２４）と、
前記発光素子を駆動する駆動手段（３，２３）と、
それぞれが面内の画素を構成し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光を受光する複数の受光素子（６，２６）と、
前記複数の受光素子における電荷の蓄積と前記複数の受光素子からの電荷の読み出しを制御する制御手段（５，２５）と、
前記複数の受光素子から前記制御手段により読み出された電荷を用いて自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する測距値取得手段（７，２８）と、を備え、
前記制御手段は、面内の複数の画素を幾つかの画素グループに区分し、一の画素グループに属する受光素子が１回の長時間露光を行うことで前記測距値取得手段により測距値が１回取得される期間内に、他の画素グループに属する受光素子が複数位相で電荷の蓄積と読み出しを行うことによる複数回の短時間露光を行うことで前記測距値取得手段により測距値が複数回取得されるように複数の受光素子の駆動を制御することを特徴とする光飛行型測距装置（１，２１）。
【請求項２】
請求項１に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、一の画素グループに属する受光素子がｎ（ｎは２以上の自然数）位相を基本とするｎ回の電荷の蓄積とｎ回の電荷の読み出しを繰り返す１回の長時間露光を行う期間内に、他の画素グループに属する受光素子がｎ位相を基本とするｎ回の電荷の蓄積とｎ回の電荷の読み出しを繰り返す１回の短時間露光を複数回行うように、前記複数の受光素子の駆動を制御することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項３】
請求項２に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、前記複数の受光素子の駆動を、デューティーが５０％の矩形波形を２π／ｎずつずらした駆動波形を用いて制御することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項４】
請求項１に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、一の画素グループに属する受光素子がｎ（ｎは２以上の自然数）位相を基本とするｎ回の電荷の蓄積とｎ回の電荷の読み出しを繰り返す１回の長時間露光を行う期間内に、他の画素グループに属する受光素子がｍ（ｍは２以上の自然数であり、ｎとは異なる値）位相を基本とするｍ回の電荷の蓄積とｍ回の電荷の読み出しを繰り返す１回の短時間露光を複数回行うように、前記複数の受光素子の駆動を制御することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項５】
請求項４に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、一の画素グループに属する受光素子の駆動を、デューティーが５０％の矩形波形を２π／ｎずつずらした駆動波形を用いて制御し、他の画素グループに属する受光素子の駆動を、デューティーが５０％の矩形波形を２π／ｍずつずらした駆動波形を用いて制御することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記測距値取得手段（７）は、前記複数の受光素子（６）からシングルエンドで出力された値を用いて自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得することを特徴とする光飛行型測距装置（１）。
【請求項７】
請求項１から５の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記測距値取得手段（２８）は、前記複数の受光素子（２６）から差動で出力された値を用いて自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得することを特徴とする光飛行型測距装置（２１）。
【請求項８】
請求項７に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、長時間露光を行う画素グループに属する受光素子が所定の高次高調波に感度を有するように、長時間露光を行う画素グループに属する受光素子の駆動を制御し、
前記測距値取得手段は、長時間露光を行う画素グループに属する受光素子については、基本波の成分と高次高調波の成分とを線形結合して測距値を取得することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項９】
請求項１から８の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、他の画素グループを１つとし、一の画素グループに属する受光素子と他の画素グループに属する受光素子とがそれぞれ１行間隔の行単位で配置されるように区分することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項１０】
請求項１から８の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、他の画素グループを１つとし、一の画素グループに属する受光素子と他の画素グループに属する受光素子とがそれぞれ市松模様で配置されるように区分することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項１１】
請求項１から８の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、他の画素グループを第１の他の画素グループと第２の他の画素グループとを含む２つとし、何れか１つの画素グループに属する受光素子が市松模様で配置され、残りの２つの画素グループにそれぞれ属する受光素子が市松模様の残りに１行間隔の行単位で配置されるように区分することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項１２】
請求項１から８の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、他の画素グループを第１の他の画素グループと第２の他の画素グループとを含む２つとし、全ての画素グループが全ての行に配置されるように区分することを特徴とする光飛行型測距装置。
【請求項１３】
請求項１から１２の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
前記制御手段は、所定の受光素子が一の画素グループに属する期間と他の画素グループに属する期間とを切り替えることを特徴とする光飛行型測距装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光を受光し、その受光した入射光に応じた電荷を用いて自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する光飛行型測距装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自装置から対象物までの距離を非接触で計算する測距装置として、光飛行（ＴＯＦ：Time of Flight）型測距装置が供されている。光飛行型測距装置は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光（測距光）を空間に発光し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光を受光する。そして、光飛行型測距装置は、その受光した入射光に応じた電荷を用いて自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する（例えば特許文献１〜４参照）。
【０００３】
光飛行型測距装置においては、自装置から対象物までの距離が近かったり対象物が高反射率の物体であったりすると、強い強度の反射光を受光する。一方、自装置から対象物までの距離が遠かったり対象物が低反射率の物体であったりすると、弱い強度の反射光しか受光しない。そのため、光飛行型測距装置においては、大きなダイナミックレンジ（例えば８０ｄＢ以上）が要求される。特に車載等の場合には、自装置及び対象物（人、車両、壁等）のうち少なくとも何れかが移動している状況で、自装置から対象物までの距離が近ければ、対象物への衝突を回避するために距離を頻繁に計算する（フレームレートを高める）ことが要求される。即ち、大きなダイナミックレンジと高いフレームレートとを両立させる必要がある。
【０００４】
通常の画素では８０ｄＢ以上のダイナミックレンジを実現することは難しく、多重露光（多数回の露光）を行う必要がある。ところが、多重露光をシリーズで行うと、露光時間が長くなってしまい、動きのある対象物に対する追従性が劣化する問題が発生する。この点に関し、面内の複数の画素を幾つかの画素グループに区分し、画素グループ毎に露光時間を変える方法が開示されている（例えば非特許文献１、２参照）。図２１及び図２２に示すように、受光素子１０１がＰＤ（Photodiode）１０２と、２個の変調スイッチ１０３ａ，１０３ｂと、１個の蓄積容量１０４とを有する構成であり、４位相測距を行う場合を一例として説明する。この場合、図２３に示すように、例えば画素Ａの画素グループが１０００回の駆動を繰り返して長時間露光を行い、画素Ｂの画素グループが１００回の駆動を繰り返して短時間露光を行うことで、ダイナミックレンジを２０ｄＢ拡張することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５５７９８９３号公報
【特許文献２】特開２０１０−９６７３０号公報
【特許文献３】特許第５５８５９０３号公報
【特許文献４】特開２０１０−２５９０６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】S.Nayar and T.Mitsunaga. "High Dynamic Range Imaging:Spatially Varying Pixel Exposures. "In IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR),volume 1,pages 472-479,Jun 2000
【非特許文献２】S.G.Narasimhan and S.K.Nayar "Enhancing Resolution Along Multiple Imaging Dimensions Using Assorted Pixels. "IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE, VOL.27,NO.4,APRIL 2005,pp.518
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このように面内の複数の画素を、長時間露光を行う画素グループと短時間露光を行う画素グループとに区分することで、多重露光をシリーズで行う場合よりもフレームレートを高めることができる。しかしながら、長時間露光と同様に短時間露光でも４位相測距であれば０度、９０度、１８０度、２７０度のそれぞれの値を読み出した後に距離を計算するので、短時間露光のフレームレートが長時間露光の時間に律則することになる。このように非特許文献１，２の方法では、短時間露光のフレームレートを高めることに限界がある。
【０００８】
本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ダイナミックレンジを適切に拡張することができつつ、短時間露光のフレームレートを適切に高めることができる光飛行型測距装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載した発明によれば、発光素子は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する。駆動手段は、発光素子を駆動する。複数の受光素子は、それぞれが面内の画素を構成し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光を受光する。制御手段は、複数の受光素子における電荷の蓄積と複数の受光素子からの電荷の読み出しを制御する。測距値取得手段は、複数の受光素子から制御手段により読み出された電荷を用いて自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する。この場合、制御手段は、面内の複数の画素を幾つかの画素グループに区分し、一の画素グループに属する受光素子が１回の長時間露光を行うことで測距値取得手段により測距値が１回取得される期間内に、他の画素グループに属する受光素子が複数位相で電荷の蓄積と読み出しを行うことによる複数回の短時間露光を行うことで測距値取得手段により測距値が複数回取得されるように複数の受光素子の駆動を制御する。
【００１０】
即ち、面内の複数の画素を、長時間露光を行う画素グループと短時間露光を行う画素グループとに区分することで、ダイナミックレンジを拡張することができる。又、長時間露光を行う画素グループの受光素子が１回の長時間露光により測距値を１回取得する期間内に、短時間露光を行う画素グループの受光素子が複数回の短時間露光により測距値を複数回取得することで、短時間露光のフレームレートを高めることができる。これにより、ダイナミックレンジを適切に拡張することができつつ、短時間露光のフレームレートを適切に高めることができる。特に自装置及び対象物のうち少なくとも何れかが移動する車載等の場合に好適となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態であり、シングルエンド出力の構成を示す機能ブロック図
【図２】受光素子（１容量構成）の構成を示す図
【図３】シングルエンド出力の構成のシーケンスを示す図
【図４】シングルエンド出力の構成において多重露光を行うタイミングチャートを示す図（その１）
【図５】シングルエンド出力の構成において多重露光を行うタイミングチャートを示す図（その２）
【図６】シングルエンド出力の構成において多重露光を行うタイミングチャートを示す図（その３）
【図７】画素の配置形態を示す図（その１）
【図８】画素の配置形態を示す図（その２）
【図９】画素毎に露光時間を切り替える態様を示す図
【図１０】シングルエンド出力の構成において多重露光を行うタイミングチャートを示す図（その４）
【図１１】画素の配置形態を示す図（その３）
【図１２】画素の配置形態を示す図（その４）
【図１３】本発明の第２の実施形態であり、差動出力の構成を示す機能ブロック図
【図１４】受光素子（２容量構成）の構成を示す図
【図１５】差動出力の構成のシーケンスを示す（その１）
【図１６】差動出力の構成において多重露光を行うタイミングチャートを示す図（その１）
【図１７】差動出力の構成のシーケンスを示す（その２）
【図１８】差動出力の構成において多重露光を行うタイミングチャートを示す図（その２）
【図１９】差動出力の構成のシーケンスを示す（その３）
【図２０】差動出力の構成において多重露光を行うタイミングチャートを示す図（その３）
【図２１】受光素子（１容量構成）の構成を示す図
【図２２】シングルエンド出力の構成のシーケンスを示す図
【図２３】従来の多重露光を行うタイミングチャートを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
以下、本発明を、例えば車両に搭載可能な車載用の光飛行型測距装置に適用した第１の実施形態について図１から図１２を参照して説明する。第１の実施形態はシングルエンド出力の構成である。光飛行型測距装置１は、信号源２と、駆動回路３（駆動手段）と、発光素子４と、制御回路５（制御手段）と、受光素子６と、測距値取得回路７（測距値取得手段）とを有する。測距値取得回路７は、バッファ８と、ＡＤ変換回路９と、デジタル信号処理回路１０とを有する。
【００１３】
信号源２は、駆動信号を駆動回路３及び制御回路５に出力することで、発光素子４と受光素子６との間で同期を確立し、発光素子４から発光される変調光に同期して受光素子６の露光を制御する。信号源２から出力される駆動信号は、発光素子４及び受光素子６を駆動する矩形パルス（通常数〜数１０ＭＨｚ）であっても良いし、同期パルスのみであっても良い。発光素子４は、変調光としての例えば赤外光を発光するＬＤ（Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。受光素子６は、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）やＣＣＤ（Charge Coupled Device）のプロセスを用いたイメージセンサである。
【００１４】
受光素子６は、図２に示すように、ＰＤ（Photodiode）１１と、２個の変調スイッチ１２ａ，１２ｂと、１個の蓄積容量１３とを有する。２個の変調スイッチ１２ａ，１２ｂは、例えばＭＯＳトランジスタやトランスファゲート等のＭＯＳ型のデバイス、ＣＣＤ構造のデバイス等である。蓄積容量１３は、例えばＭＯＳ、ＣＣＤ、ＭＩＭ（Metal Insulator Metal）等の容量素子、配線、ＰＮ接合の寄生容量等である。受光素子６は、変調スイッチ１２ａ，１２ｂを制御信号（ゲート信号）ＴＧ１により駆動し、受光した入射光により発生する電荷を蓄積容量１３に蓄積し、電荷の電荷量を示す信号を測距値取得回路７に出力する。制御信号ＴＧ１は変調光に同期した信号であるので、自装置から対象物までの距離に応じて蓄積容量１３に蓄積される電荷の電荷量が変化する。
【００１５】
バッファ８は、その簡素さから例えばソースフォロア回路により実現される。ＡＤ変換回路９は、バッファ８から入力した信号をアナログ信号からデジタル信号に変換してデジタル信号処理回路１０に出力する。デジタル信号処理回路１０は、ＡＤ変換回路９から入力した信号をデジタル信号処理し、蓄積容量１３に蓄積された電荷の電荷量から自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する（測距する）。
【００１６】
図３は、発光波形のデューティーを５０％として４位相測距を行う（受光素子６を４位相で駆動する）場合のシーケンス（変調周期：Ｔｍ，露光期間：Ｔｗ）を示す。発光素子４から発光される変調光の波形（発光波形１１０）は、制御信号ＴＧ１と同期した矩形波で変調している。図３では矩形波で変調した場合を例示しているが、正弦波、三角波又は疑似ランダムシーケンス等の波形で変調しても良い。変調光が対象物で反射した反射光の波形（反射波形１２０）は、発光波形１１０に対して時間差を有するので、発光波形１１０に対して位相差φだけ遅れた波形となる。一方、制御信号ＴＧ１は９０度ずつ位相が異なる矩形波で駆動される。デジタル信号処理回路１０は、制御信号ＴＧ１−１，ＴＧ１−２（駆動波形１１１，１１２）で駆動するシーケンスを数十〜数十万回程度の周期繰り返した後に、発生した電荷Ｑ１、Ｑ２の情報（電荷電圧変換された電圧値）を取得する。その後、デジタル信号処理回路１０は、制御信号ＴＧ１−３，ＴＧ１−４（駆動波形１１３、１１４）で駆動するシーケンスを同様に数十〜数十万回程度の周期繰り返した後に、発生した電荷Ｑ３、Ｑ４の情報を取得する。そして、デジタル信号処理回路１０は、取得したＱ１〜Ｑ４から離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Discrete Fourier Transform）を用いて位相差θを以下の演算式（１）により計算する。
【００１７】
θ＝ｔａｎ−１［（Ｑ１−Ｑ３）／（Ｑ２−Ｑ４）］…（１）
演算式（１）は上記４つのサンプリングに基づく位相差の演算式であるが、一般のＮ位相についても位相差θを以下の演算式（２）により計算することが可能である。
【００１８】
θ＝ｔａｎ−１［（ΣＱｋ＊ｓｉｎ（２π／Ｎ＊ｋ））／（ΣＱｋ＊ｃｏｓ（２π／Ｎ＊ｋ））］…（２）
【００１９】
さて、このような位相型の光飛行型測距装置１においては、［背景技術］で記載したように車載等で使用される場合を想定すると、ダイナミックレンジの拡張が要求されると共に、短時間露光のフレームレートの向上が要求される。以下、本発明によるダイナミックレンジを拡張しつつ、短時間露光のフレームレートを高める手法について説明する。
【００２０】
図４は、本発明のシングルエンド出力の構成において多重露光のタイミングチャートを示す。前述した図２３に示した従来の多重露光のタイミングチャートと比較すると、本発明の多重露光では、制御回路５は、面内の複数の画素を画素Ａの画素グループと画素Ｂの画素グループとに区分する点は同じである。しかしながら、本発明の多重露光では、制御回路５は、画素Ａの画素グループで長時間露光を行う期間内に、画素Ｂの画素グループで単一位相ではなく複数位相で電荷の蓄積と読み出しを行うことで、複数回の短時間露光を行う。その結果、画素Ｂの画素グループについては、同一期間で対比すると従来の多重露光よりも測距値を取得する回数が増大し、測距値を頻繁に更新することができ、フレームレートを高めることができる。図４の例示では、画素Ａの画素グループが１回の長時間露光を行う期間内に、画素Ｂの画素グループが４回の短時間露光を行うことで、図２３のタイミングチャートで駆動する場合に対して４倍のフレームレートを実現することができる。このような短時間露光で取得可能な有効な値（十分な信号振幅）は自装置からの距離が近いか又は高反射率の対象物で反射した反射光によるものであるので、自装置からの距離が近いか又は高反射率の対象物に対してフレームレートを高めることができる。即ち、特に車載等のように対象物（人、車両、壁等）への衝突を回避するために距離を頻繁に計算する（フレームレートを高める）ことが要求される環境で好適である。
【００２１】
図５は、シングルエンド出力の構成の別の多重露光のタイミングチャートを示す。前述した図４では長時間露光と短時間露光とのフレームレートの比が「４」であるが、フレームレートの比は「４」に限らない。即ち、長時間露光に対する短時間露光のサイクル数（繰り返し回数）を増やすことで、フレームレートをより高めることができる。図５の例示では、図２３のタイミングチャートで駆動する場合に対して１２倍のフレームレートを実現することができ、図４のタイミングチャートで駆動する場合に対して３倍のフレームレートを実現することができる。逆に後段の信号処理の観点等から長時間露光に対する短時間露光のサイクル数を減らす（間引く）ことで、フレームレートを下げることができる。
【００２２】
図６は、シングルエンド出力の構成の更に別の多重露光のタイミングチャートを示す。前述した図４及び図５では長時間露光の位相毎の期間内に短時間露光で測距値を１回以上取得したが、長時間露光の複数位相に跨る期間内に短時間露光で測距値を１回取得しても良い。図６の例示では、図２３のタイミングチャートで駆動する場合に対して２倍のフレームレートを実現することができる。
【００２３】
図７及び図８は、面内の複数の画素を２つの画素グループに区分した配置形態を示す。図７では、長時間露光の画素グループＡと短時間露光の画素グループＢとを行毎に区分している。図７の構成では、変調スイッチ１２ａ，１２ｂを駆動する制御線の配線を共通とすることができ、既存の構成に大きな変更を加えずに短時間露光のフレームレートを高めることができる。一方、図８では、長時間露光の画素グループＡと短時間露光の画素グループＢとを市松模様に区分している。図８の構成では、制御線の配線を増やす必要が生じるが、短時間露光を行う画素グループのみで画像を構成した場合に空間解像度を高めることができる。
【００２４】
図９は、長時間露光の画素グループと短時間露光の画素グループとを時間で切り替える態様を示す。自装置からの距離が遠いか又は低反射率の対象物で反射した反射光は場合によっては１画素にしか受光されない可能性がある。そのため、長時間露光の画素グループと短時間露光の画素グループとを固定してしまうと、いつまでも測距値を取得することができない対象物が出現する可能性がある。この点に関し、長時間露光の画素グループと短時間露光の画素グループとを時間（例えばフレーム単位）で切り替えることで、上記した問題の発生を未然に回避することができる。図９の例示は、図７に示した長時間露光の画素グループと短時間露光の画素グループとを行毎に区分している構成において切り替える態様であるが、図８に示した長時間露光の画素グループと短時間露光の画素グループとを市松模様に区分している構成においても同様に切り替えることが可能である。
【００２５】
図１０は、シングルエンド出力の構成の更に別の多重露光のタイミングチャートを示す。前述した図４から図６では面内の画素を２つの画素グループに区分したが、３つの画素グループに区分しても良い。図１０の例示では、中時間露光を行う画素Ｂの画素グループでは、長時間露光を行う画素Ａの画素グループに対して４倍のフレームレートを実現することができ、短時間露光を行う画素Ｃの画素グループでは、長時間露光を行う画素Ａの画素グループに対して１２倍のフレームレートを実現することができる。
【００２６】
図１１及び図１２は、面内の複数の画素を３つの画素グループに区分した配置形態を示す。図１１では、画素Ｃを全ての行に配置すると共に画素Ａ及び画素Ｂをそれぞれ１行間隔で配置するように区分している。図１１の構成では、１行あたりに必要な制御線の本数が全ての行で２種類となり、共通化し易くなり、画素Ｃの画素グループのみで画像を構成した場合に空間解像度を高めることができる。尚、画素Ａを全ての行に配置すると共に画素Ｂ及び画素Ｃをそれぞれ１行間隔で配置するように区分しても良いし、画素Ｂを全ての行に配置すると共に画素Ａ及び画素Ｃをそれぞれ１行間隔で配置するように区分しても良い。一方、図１２では、画素Ａ、画素Ｂ、画素Ｃを全ての行に配置するように区分している。図１２の構成では、１行あたりに必要な制御線の本数が全ての行で３種類となり、共通化し難くなるが、画素Ａ、画素Ｂ、画素Ｃの何れの画素グループのみで画像を構成した場合でも空間解像度を高めることができる。尚、このように面内の複数の画素を３つの画素グループに区分した場合でも、それぞれの画素グループを時間で切り替えても良い。
【００２７】
以上に説明したように第１の実施形態によれば、次に示す作用効果を得ることができる。光飛行型測距装置１において、面内の複数の画素を、長時間露光を行う画素グループと短時間露光を行う画素グループとに区分することで、ダイナミックレンジを拡張することができる。又、長時間露光を行う画素グループの受光素子が１回の長時間露光により測距値を１回取得する期間内に、短時間露光を行う画素グループの受光素子が複数回の短時間露光により測距値を複数回取得することで、短時間露光のフレームレートを高めることができる。これにより、ダイナミックレンジを適切に拡張することができつつ、短時間露光のフレームレートを適切に高めることができる。特に自装置及び対象物のうち少なくとも何れかが移動する車載等の場合に好適となる。
【００２８】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、図１３から図２０を参照して説明する。尚、前述した第１の実施形態と同一部分については説明を省略し、異なる部分について説明する。第１の実施形態は、シングルエンド出力の構成であるが、第２の実施形態は、差動出力の構成である。光飛行型測距装置２１は、信号源２２と、駆動回路２３（駆動手段）と、発光素子２４と、制御回路２５（制御手段）と、受光素子２６と、ＣＭ（コモンモード）成分除去回路２７と、測距値取得回路２８（測距値取得手段）とを有する。測距値取得回路２８は、バッファ２９ａ，２９ｂと、差分検出回路３０と、ＡＤ変換回路３１と、デジタル信号処理回路３２とを有する。
【００２９】
信号源２２、駆動回路２３、発光素子２４及び制御回路２５は、それぞれ第１の実施形態で説明した信号源２、駆動回路３、発光素子４及び制御回路５と同等である。受光素子２６は、図１４に示すように、ＰＤ４１と、２個の変調スイッチ４２ａ，４２ｂと、２個の蓄積容量４３ａ，４３ｂとを有する。受光素子２６は、変調スイッチ４２ａ，４２ｂを制御信号ＴＧ１，ＴＧ２により駆動し、受光した入射光により発生する電荷を蓄積容量４３ａ，４３ｂに振り分けて蓄積し、電荷の電荷量を示す信号をＣＭ成分除去回路２７に出力する。制御信号ＴＧ１，ＴＧ２は変調光に同期した信号であるので、自装置から対象物までの距離に応じて蓄積容量４３ａ，４３ｂに振り分けられて蓄積される電荷の電荷量が変化する。図１４では、２個の蓄積容量４３ａ，４３ｂを例示したが、３個以上の蓄積容量を設けても良い。
【００３０】
ＣＭ成分除去回路２７は、発光している変調光に対して無視できない程度のレベルの背景光が存在する場合に、この背景光に起因して発生する電荷による画素の飽和を回避するものである。ＣＭ成分を除去する方法としては、先行文献で様々な技術が開示されている。例えば米国６９１９５４９Ｂ２号公報、独逸１０２００５０５６７７４Ａ１号公報、欧州１６２２２００Ａ１号公報等に開示されている。差分検出回路３０は、ＣＭ成分除去回路２７からバッファ２９ａ，２９ｂを介して入力した信号の差分を検出し、その検出した差分に応じた信号をＡＤ変換回路３１に出力する。差分検出回路３０は、例えば差動のアンプにより実現される。
【００３１】
ＡＤ変換回路３１は、差分検出回路３０から入力した信号をアナログ信号からデジタル信号に変換してデジタル信号処理回路３２に出力する。デジタル信号処理回路３２は、ＡＤ変換回路３１から入力した信号をデジタル信号処理し、蓄積容量４３ａ，４３ｂに振り分けられて蓄積された電荷の電荷量から自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する（測距する）。
【００３２】
図１５は、発光波形のデューティーを５０％として４位相測距を行う（受光素子２６を４位相で駆動する）場合のシーケンスを示す。差分検出回路３０は、制御信号ＴＧ１，ＴＧ２の組み合わせ、例えば制御信号ＴＧ１−１（駆動波形１１１），ＴＧ２−１（駆動波形１２１）を数十〜数十万回繰り返してデジタル値Ｄ１を生成する。同様にして、差分検出回路３０は、制御信号ＴＧ１−２（駆動波形１１２），ＴＧ２−２（駆動波形１２２）を数十〜数十万回繰り返してデジタル値Ｄ２を生成する。差分検出回路３０は、デジタル値Ｄ１，Ｄ２を、ＤＣ成分を除去した値として出力する。それぞれのデジタル値Ｄ１，Ｄ２について制御信号ＴＧ１が「Ｈ」であり且つＴＧ２が「Ｌ」であるときに「１」を割り当て、制御信号ＴＧ１が「Ｌ」であり且つＴＧ２が「Ｈ」であるときに「−１」を割り当てて記述する。即ち、Ｄｘの波形について値が「１」及び「−１」の何れであるかにより、制御信号ＴＧ１，ＴＧ２の状態が一意に決定される。尚、このようにＤｘが２つの蓄積容量４３ａ，４３ｂの差分を示す信号であるので、ＡＤ変換回路３１は、先述した演算式（１）の分子又は分母に相当する演算が実施された信号を出力する。
【００３３】
図１６は、本発明の作動出力の構成において多重露光のタイミングチャートを示す。図１６の例示では、画素Ａの画素グループが１回の長時間露光を行う期間内に、画素Ｂの画素グループが６回の短時間露光を行うことで、長時間露光を行う画素Ａの画素グループに対して６倍のフレームレートを実現することができる。
【００３４】
図１７は、本発明の作動出力の別のシーケンスを示し、図１８は、そのシーケンスに対応する多重露光のタイミングチャートを示す。前述した図１５ではデジタル値Ｄ１，Ｄ２を生成するのみであったが、デジタル値Ｄ１，Ｄ２に加え、制御信号ＴＧ１−３（駆動波形１１３），ＴＧ２−３（駆動波形１２３）を数十〜数十万回繰り返してデジタル値Ｄ３を生成し、制御信号ＴＧ１−４（駆動波形１１４），ＴＧ２−４（駆動波形１２４）を数十〜数十万回繰り返してデジタル値Ｄ４を生成する。図１８の例示では、画素Ａの画素グループが１回の長時間露光を行う期間内に、画素Ｂの画素グループが４回の短時間露光を行うことで、長時間露光を行う画素Ａの画素グループに対して４倍のフレームレートを実現することができる。又、回路のミスマッチを未然に回避することができ、ロバスト性を高めることができる。
【００３５】
図１９は、本発明の作動出力の更に別のシーケンスを示し、図２０は、そのシーケンスに対応する多重露光のタイミングチャートを示す。長時間露光の位相数と短時間露光の位相数とは同一である必要はなく、異なっていても良い。図１９及び図２０の例示では、長時間露光を６位相測距で駆動し、短時間露光を４位相測距で駆動している。又、図１９及び図２０の例示では、長時間露光については「１」及び「−１」に加え、信号を積分しない期間である非積分期間を示す「０」を挿入することで、高次高調波に感度を持たせている。即ち、発光波形のデューティーを５０％よりも短くすると、デューティーが短くなるにしたがって高次高調波の成分のエネルギーが増加する特性を利用し、長時間露光については、所定の高次高調波に感度を持たせて高次高調波の成分のエネルギーを有効に活用する。デジタル信号処理回路３２は、基本波の成分と高次高調波の成分とを線形結合して距離を計算することで、高次高調波の成分を加味する分、基本波の成分のみから距離を計算する場合よりも距離誤差を低減することができる。尚、このような高次高調波に感度を持たせる発明について出願人は特願２０１４−２２６０６９号を出願している。
【００３６】
以上に説明したように第２の実施形態によれば、シングルエンド出力の構成に限らず、差動出力の構成でも前述した第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができ、ダイナミックレンジを適切に拡張することができつつ、短時間露光のフレームレートを適切に高めることができる。尚、第２の実施形態でも、２つの画素グループに区分する構成に限らず、前述した第１の実施形態と同様に３つの画素グループに区分する構成としても良いし、それぞれの画素グループを時間で切り替えても良い。
【００３７】
（その他の実施形態）
本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のように変形又は拡張することができる。
車載以外の用途に適用しても良い。
本実施形態では、２つの画素グループや３つの画素グループに区分する構成を例示したが、露光期間が互いに異なる４つ以上の画素グループに区分する構成でも良い。又、４つ以上の画素グループに区分する場合でも、それぞれの画素グループを時間で切り替えても良い。
２つの画素グループに区分する場合の長時間露光と短時間露光のそれぞれの位相数の組み合わせや３つの画素グループに区分する場合の長時間露光と中時間露光と短時間露光のそれぞれの位相数の組み合わせはどのようであっても良い。又、４つ以上の画素グループに区分する場合でも同様にそれぞれの位相数の組み合わせはどのようであっても良い。
【符号の説明】
【００３８】
図面中、１，２１は光飛行型測距装置、３，２３は駆動回路（駆動手段）、４，２４は発光素子、５，２５は制御回路（制御手段）、６，２６は受光素子、７，２８は測距値取得回路（測距値取得手段）である。
【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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【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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