(57)【要約】      （修正有）【課題】対象物までの距離を測定する距離センサにおいて、距離センサ間の干渉による距離の誤測定を抑制することができる距離センサを提供する。【解決手段】距離センサは、光源部と、受光部と、制御部とを備える。光源部は、対象物に繰り返し光を出射する。受光部は、光源部による光の出射に同期して光を受光し、受光量を蓄積する。制御部は、光源部及び受光部を制御して、受光量に基づき対象物までの距離を示す距離情報を繰り返し生成する。距離情報を繰り返し生成する１回当たりの期間は、光源部による光の出射に応じて受光部が受光量を蓄積する周期である蓄積周期Ｔａを複数回、含む。制御部は、それぞれの蓄積周期においてランダムに、光源部及び受光部を動作させる動作タイミングを変化させる。【選択図】図１０
2017191042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に繰り返し光を出射する光源部と、
前記光源部による光の出射に同期して光を受光し、受光量を蓄積する受光部と、
前記光源部及び前記受光部を制御して、前記受光量に基づき前記対象物までの距離を示す距離情報を繰り返し生成する制御部とを備え、
前記距離情報を繰り返し生成する１回当たりの期間は、前記光源部による光の出射に応じて前記受光部が受光量を蓄積する周期である蓄積周期を複数回、含み、
前記制御部は、それぞれの蓄積周期においてランダムに、前記光源部及び前記受光部を動作させる動作タイミングを変化させる
距離センサ。
【請求項２】
前記光源部は、前記蓄積周期において所定の時間幅で光を出射する発光動作を行い、
前記受光部は、前記蓄積周期において連続的に少なくとも２回の受光を行う第１の受光動作を行い、
前記制御部は、前記発光動作と前記第１の受光動作との間の相対的なタイミングを維持しながら、前記光源部及び前記受光部の動作タイミングを変化させる
請求項１に記載の距離センサ。
【請求項３】
前記受光部は、前記蓄積周期において前記第１の受光動作とは別に受光を行う第２の受光動作を行い、
前記制御部は、前記発光動作および前記第１の受光動作を行う期間と、前記第２の受光動作を行う期間とが重ならないように、前記光源部及び前記受光部の動作タイミングを変化させる
請求項２に記載の距離センサ。
【請求項４】
前記制御部は、前記蓄積周期を所定数分に分割した複数の時間区間から、前記光源部及び前記受光部の動作タイミングをランダムに選択する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の距離センサ。
【請求項５】
前記制御部は、乱数を発生させる乱数発生部を備える
請求項１〜４のいずれか１項に記載の距離センサ。
【請求項６】
前記蓄積周期における前記光源部及び前記受光部の動作タイミングと乱数とを関連付けたデータテーブルを記憶する記憶部をさらに備え、
前記制御部は、前記データテーブルを参照して、乱数に基づき前記光源部及び前記受光部の動作タイミングを決定する
請求項１〜５のいずれか１項に記載の距離センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物までの距離を測定する距離センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物までの距離を測定する距離センサに、対象物を含む物体に光を照射して反射光の伝播期間に基づき距離を測定するＴＯＦ（Time-Of-Flight）方式を用いる距離センサがある。距離センサにおいては、機器間で動作干渉を起こす可能性を低減するための技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１は、車の車間距離センサのような使用環境において、装置間の干渉確率を低減することを目的とした距離測定装置を開示している。特許文献１の距離測定装置は、測距開始信号を、基準クロックに同期したランダムな長さの第１の遅延時間だけ遅延させる第１の遅延手段と、更に基準クロックの周期以下の第２の遅延時間だけ遅延させる第２の遅延手段とを有する。特許文献１の距離測定装置では、干渉確率を低減させるために、光パルスの送信は第１及び第２の遅延手段による遅延測距開始信号によって行い、受信信号のサンプリングは第１の遅延手段による遅延測距開始信号と共に開始している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３２５１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、対象物までの距離を測定する距離センサにおいて、距離センサ間の干渉による距離の誤測定を抑制することができる距離センサ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】
【０００６】
本発明に係る距離センサは、光源部と、受光部と、制御部とを備える。光源部は、対象物に繰り返し光を出射する。受光部は、光源部による光の出射に同期して光を受光し、受光量を蓄積する。制御部は、光源部及び受光部を制御して、受光量に基づき対象物までの距離を示す距離情報を繰り返し生成する。距離情報を繰り返し生成する１回当たりの期間は、光源部による光の出射に応じて受光部が受光量を蓄積する周期である蓄積周期を複数回、含む。制御部は、それぞれの蓄積周期においてランダムに、光源部及び受光部を動作させる動作タイミングを変化させる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る距離センサによると、距離情報を生成する１回当たりの期間に含まれる複数の蓄積周期毎にランダムに、光源部及び受光部の動作タイミングが変化する。これにより、対象物までの距離を測定する距離センサにおいて、距離センサ間の干渉による距離の誤測定を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態１に係る距離センサの構成を示すブロック図
【図２】距離センサにおける受光部の画素回路の構成例を示す模式図
【図３】距離センサにおけるパルス光の出射と受光の動作タイミングを示すタイミングチャート
【図４】距離センサにおける距離の計算方法を説明するための模式図
【図５】距離センサによる距離画像の生成動作を説明するための図
【図６】複数の距離センサ間の干渉を説明するための図
【図７】非干渉フレームにおける距離センサの動作タイミングを示すタイミングチャート
【図８】干渉フレームにおける距離センサの動作タイミングを示すタイミングチャート
【図９】本実施形態に係る距離センサによる距離画像生成処理を示すフローチャート
【図１０】距離画像生成処理における距離センサ１の動作タイミングを示すタイミングチャート
【図１１】距離画像生成処理における動作タイミングの決定方法を説明するための図
【図１２】距離センサに格納される動作タイミングテーブルを説明するための図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付の図面を参照して本発明に係る距離センサについて説明する。
【００１０】
各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。実施形態２以降では実施形態１と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については、実施形態毎には逐次言及しない。
【００１１】
（実施形態１）
１．構成
実施形態１に係る距離センサの構成について、図１を参照して説明する。図１は、実施形態１に係る距離センサの構成を示すブロック図である。
【００１２】
本実施形態に係る距離センサ１は、図１に示すように、光源部２と、受光部３と、ＴＯＦ信号処理部４とを備える。距離センサ１は、間接ＴＯＦ方式などの測定方式において距離を測定するセンサモジュールである。距離センサ１は、光源部２から光を出射し、対象物５からの反射光を受光部３で受光して、ＴＯＦ信号処理部４において対象物５までの距離を示す距離画像を生成する。間接ＴＯＦ方式は、反射光の受光を時分割で複数回行い、得られた複数の受光量を比較することによって対象物までの距離を測定する方式である。
【００１３】
距離センサ１は、対象物５として例えばユーザの手や指までの距離を示す距離画像を生成する。距離センサ１は、例えば、モバイル端末などの情報端末装置に搭載される。距離センサ１は、搭載された情報端末装置の動作を制御するコントローラ６ととともに、情報端末装置におけるユーザインタフェースシステムを構成する。ユーザインタフェースシステムにおいて、コントローラ６は、距離センサ１からの距離画像に基づき、ユーザの手や指の動きによるジェスチャー操作などのユーザの操作を検出する。このような検出を可能にするために、距離センサ１は、例えば距離２０００ｍｍ以内の検出レンジにおいて距離画像をコントローラ６に出力する。距離センサ１が搭載される情報端末装置は、スマートフォンやタブレット端末、携帯電話などのモバイル端末であってもよいし、眼鏡型や時計型などのウェアラブル端末、ノート型ＰＣ、デジタルカメラ、携帯型ゲーム機などであってもよい。
【００１４】
光源部２は、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）などの光源や、光源を駆動する駆動回路を備える。光源部２の光源は、例えば７５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の波長帯を有する光を発光する。光源部２は、タイミング生成部４２からのタイミング信号に基づき、光源から光をパルス変調して出射する。以下、光源部２がパルス変調で出射する光を「パルス光」という。光源をＬＥＤで構成することにより、光源部２の高速駆動が行い易い。光源部２は、光源としてＬＤ（レーザダイオード）を備えてもよい。
【００１５】
受光部３は、例えばＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）イメージセンサ回路で構成される。受光部３は、マトリクス状に配置された複数の画素回路３０を備える。複数の画素回路３０は、７５０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下等の波長帯を含む光を受光する受光面を有し、それぞれ受光量を蓄積する。受光部３における画素回路３０の構成については後述する。また、受光部３は、特に図示しないが、タイミング生成部４２からのタイミング信号に基づき画素回路３０を駆動する画素駆動回路や、画素回路３０に蓄積された受光量のアナログ値をデジタル値にＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換するＡ／Ｄ変換器等を備える。
【００１６】
ＴＯＦ信号処理部４は、ＴＯＦ方式において距離画像を生成するための種々の信号処理を行う回路を含み、制御部４０と、基準クロック発生部４１と、タイミング生成部４２と、距離画像出力部４３と、記憶部４４とを含む。ＴＯＦ信号処理部４は、例えば１つ又は複数の半導体集積回路チップで構成される。
【００１７】
ＴＯＦ信号処理部４において、制御部４０は、例えばＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）やＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）で構成される。制御部４０は、距離センサ１の全体動作を制御し、例えばＴＯＦ信号処理部４に含まれる各種の回路を制御する。制御部４０は、ＣＰＵやＭＰＵで構成されてもよく、例えばソフトウェアと協働して所定の機能を実現するＣＰＵであってもよい。制御部４０は、距離演算部４０ａと、乱数発生部４０ｂとを備える。
【００１８】
距離演算部４０ａは、四則演算等が可能な演算回路で構成される。距離演算部４０ａは、受光部３による反射光の検出結果に基づいて、受光した反射光の伝播期間に基づく距離を演算する。距離の計算方法については後述する。距離演算部４０ａは、距離の演算を画素毎に行い、例えば演算した画素毎の距離を示す距離データを記憶部４４に記録する。距離演算部４０ａによって全画素分の距離データが演算されることにより、距離画像が生成される。距離演算部４０ａは、距離情報として距離画像を生成する距離情報生成部の一例である。
【００１９】
乱数発生部４０ｂは、疑似乱数発生回路などで構成され、所定範囲（例えば７ビット）における乱数を発生する。乱数発生部４０ｂは、例えば線形帰還シフトレジスタ等の種々の乱数発生回路で構成されてもよい。本実施形態では、制御部４０は、乱数発生部４０ｂにおいて生成した乱数に基づき光源部２及び受光部３の動作タイミングを制御する。制御部４０は、所定のプログラムを実行することにより、距離演算部４０ａ及び乱数発生部４０ｂの機能を実現してもよい。
【００２０】
基準クロック発生部４１は、例えば水晶発振器で構成される。基準クロック発生部４１は、所定のクロック周波数（例えば３８．４ＭＨｚ）を有する基準クロック信号を発生して、発生した基準クロック信号をタイミング生成部４２等に供給する。
【００２１】
タイミング生成部４２は、発振回路などを備える。タイミング生成部４２は、基準クロック信号に基づき、所定のタイミング信号を発生する。所定のタイミング信号は、距離センサ１による距離画像の生成動作において光源部２と受光部３とを同期駆動するためのタイミング信号である。制御部４０がタイミング生成部４２を制御することにより、例えばパルス数、デューティ比、駆動周期などのタイミング信号の種々の設定がなされる。
【００２２】
タイミング生成部４２は、光源部２によるパルス光の発光を制御するためのパルス発光制御信号として、発生したタイミング信号を光源部２に供給する。また、タイミング生成部４２は、発生したタイミング信号を受光部３にも供給し、光源部２によるパルス光の出射と受光部３による受光とを同期駆動する。距離センサ１におけるパルス光の出射と受光の動作タイミングについては、後述する。なお、タイミング生成部４２を受光部３に統合し、受光部３から光源部２によるパルス光の出射を制御してもよい。
【００２３】
距離画像出力部４３は、外部機器に情報を出力するインタフェース回路で構成される。距離画像出力部４３は、距離演算部４０ａにおいて生成された距離画像をコントローラ６等の外部機器に出力する。距離画像出力部４３は、記憶部４４に記録された全画素分の距離データを出力してもよいし、距離演算部４０ａが演算した距離データを随時、出力してもよい。
【００２４】
記憶部４４は、距離センサ１の機能を実現するためのデータやパラメータなど各種の情報を記憶する記憶媒体である。記憶部４４は、例えばフラッシュメモリで構成される。記憶部４４は、例えば後述する動作タイミングテーブルＤ１を格納する（図１２参照）。記憶部４４は、制御部４０の内部メモリとして構成されてもよい。また、制御部４０は、記憶部４４とは別途、内部レジスタを備えてもよい。
【００２５】
情報端末装置におけるコントローラ６は、例えばＣＰＵやＭＰＵで構成される。コントローラ６は、例えばフラッシュメモリやＲＯＭで構成される内部メモリなどを備え、内部メモリに記録された所定のプログラムを実行することによって各種の機能を実現する。コントローラ６は、例えば、コントローラ６が搭載された装置の表示制御などを行う。また、コントローラ６は、距離センサ１からの距離画像に基づき手などの対象物５を検知し、コントローラ６が搭載されたモバイル機器などの情報端末装置に対するユーザの操作を判断する。コントローラ６は、距離センサ１によって生成される距離画像に基づいて、所定の処理を実行する処理装置の一例である。
【００２６】
１−１．画素回路の構成
次に、受光部３における画素回路３０の構成について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、半導体チップ上に積層された画素回路３０を示す模式図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の等価回路を示す回路図である。
【００２７】
画素回路３０は、図２（ａ）に示すように、フォトダイオードＰＤと、３つのフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３とを備える。画素回路３０では、ｐ型半導体基板において、フォトダイオードＰＤが埋め込み式で設けられ、フォトダイオードＰＤの周囲に３つのフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３が設けられている。さらに、フォトダイオードＰＤが設けられた領域からフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３に渡って、それぞれトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３が形成されている。
【００２８】
本実施形態では、受光部３において電荷振り分け方式を採用している。受光部３では、画素駆動回路（図示しない）が、タイミング生成部４２（図１参照）からのタイミング信号に基づいて、画素回路３０に含まれる種々のＭＯＳトランジスタを駆動する信号（例えば第１〜第３ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ３，リセット信号Ｓｒ１〜Ｓｒ３，選択信号Ｓｓ）を生成する。
【００２９】
３つのフローティングディフュージョンＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３では、図２（ｂ）に示すように、それぞれキャパシタ（電荷蓄積部）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３が形成される。３つのキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、それぞれトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３を介してフォトダイオードＰＤに接続されている。トランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、それぞれのゲートに入力される第１，第２，第３ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３のＯＮ／ＯＦＦによって開閉制御される。第１，第２，第３ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３は、タイミング信号に基づきトランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３のゲートを開閉し、フォトダイオードＰＤに蓄積された電荷を順次、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３に振り分ける信号である。
【００３０】
フォトダイオードＰＤは、所定の波長帯の光を受光して光電変換する。画素回路３０においてフォトダイオード以外の部分は遮光されている。光電変換によって生じた電荷は、トランジスタＭ１，Ｍ２，Ｍ３のうちで開状態に制御されたトランジスタを介して、３つのキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３のうちのいずれかのキャパシタに蓄積される。このように、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、フォトダイオードＰＤの受光量に相当する電荷を蓄積する。受光部３は、画素回路３０毎のキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３に電荷を蓄積することによって受光量を取得する。
【００３１】
画素回路３０のキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３において取得された受光量は、選択信号Ｓｓによって当該画素回路３０が選択されたときに、アナログ信号線から読み出される。選択信号Ｓｓは、複数の画素回路３０から、受光量を読み出す対象の画素回路３０を選択する信号である。また、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、リセット信号Ｓｒ１，Ｓｒ２，Ｓｒ３によって参照電圧ＶＲが印加されることにより、蓄積した電荷を放出してリセットされる。
【００３２】
２．動作
次に、本実施形態に係る距離センサ１の動作について説明する。
【００３３】
２−１．距離の計算方法
まず、距離センサ１による対象物までの距離の計算方法について、図３，４を参照して説明する。図３は、距離センサ１におけるパルス光の出射と受光の動作タイミングを示すタイミングチャートである。図３（ａ）は、パルス発光制御信号の供給タイミングを示す。図３（ｂ）は、対象物から距離センサ１に到達する反射光の到達タイミングを示す。図３（ｃ），（ｄ），（ｅ）は、それぞれ画素回路３０に入力される第１，第２，第３ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３の出力タイミングを示す。図４は、距離センサ１による距離の計算方法を説明するための模式図である。
【００３４】
図３（ａ）に示すパルス発光制御信号は、タイミング生成部４２から光源部２に供給される（図１参照）。光源部２は、パルス発光制御信号に基づき、所定の期間Ｔｐをパルス幅とするパルス光を、時刻ｔ１から出射する。期間Ｔｐは、例えば１０ｎｓ（ナノ秒）以上２０ｎｓ以下であり、例えば１３ｎｓである。パルス光は、対象物に照射されることにより、対象物で反射して、反射光を生じる。対象物からの反射光は、距離センサ１までの距離に応じてパルス光の出射時から遅延して、距離センサ１に到達する。
【００３５】
図３（ｂ）に示す対象物からの反射光は、パルス光の出射からの遅延期間がＴｄであり、時刻ｔ１から期間Ｔｄ後の時刻ｔ２に、距離センサ１に到達している。反射光の波形は、パルス光と同じ期間Ｔｐのパルス幅を有する。なお、本実施形態では、期間Ｔｄは期間Ｔｐ未満であることを想定している。
【００３６】
本実施形態の受光部３では、以下の様に、図３（ｃ）〜（ｅ）に示すように、第１〜第３ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ３に基づき、パルス光の出射の停止期間中に背景光などの外光を受光するとともに、パルス光の出射に同期して対象物からの反射光を時分割して受光する。
【００３７】
具体的には、第１，第２，第３ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３は、パルス発光制御信号に同期して順次、受光面上の画素回路３０に生成される。画素回路３０においては、第１，第２，第３ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３に基づき、フォトダイオードＰＤで受光量に応じて生成された電荷がキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３に蓄積される（図２（ｂ）参照）。なお、受光量に相当する電荷がキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３に蓄積されていない期間においてフォトダイオードＰＤで生じる電荷は、図示しないドレインゲートを通じて外部に排出されるようになっている。
【００３８】
図３（ｃ）に示す第１ゲート信号Ｓｇ１はパルス光の出射前で、かつ期間Ｔｐの間、ＯＮされる。第１ゲート信号Ｓｇ１がＯＮの間、フォトダイオードＰＤで受光した受光量に相当する電荷がキャパシタＣ１に蓄積される。図４（ａ）に、キャパシタＣ１に蓄積される第１ゲート信号Ｓｇ１に基づく受光量Ｑ１を示す。受光量Ｑ１は、パルス光の反射光が生じていない状態において取得される外光の受光量である。受光量Ｑ１は、背景光などのパルス光とは無関係の外光の影響を確認するために取得される。
【００３９】
図３（ｄ）に示す第２ゲート信号Ｓｇ２はパルス光の出射を開始した時刻ｔ１から停止する時刻ｔ３までの間、ＯＮされる。第２ゲート信号Ｓｇ２がＯＮの間、フォトダイオードＰＤで受光した受光量に相当する電荷がキャパシタＣ２に蓄積される。図４（ｂ）に、キャパシタＣ２に蓄積される第２ゲート信号Ｓｇ２に基づく受光量Ｑ２を示す。受光量Ｑ２には、パルス光の出射開始の時刻ｔ１から期間Ｔｐ以内に到達する反射光に由来する反射光成分が含まれる。また、受光量Ｑ２には、背景光などの外光成分も含まれる（図４参照）。
【００４０】
図３（ｅ）に示す第３ゲート信号Ｓｇ３はパルス光の出射停止後の時刻ｔ３から期間Ｔｐの間、ＯＮされる。第３ゲート信号Ｓｇ３がＯＮの間、フォトダイオードＰＤで受光した受光量に相当する電荷がキャパシタＣ３に蓄積される。図４（ｃ）に、キャパシタＣ３に蓄積される第３ゲート信号Ｓｇ３に基づく受光量Ｑ３を示す。受光量Ｑ３には、パルス光の出射を停止した時刻ｔ３から遅延期間Ｔｄ後の時刻ｔ４まで続けて到来する反射光に由来する反射光成分が含まれる。このように、反射光の受光量全体が時分割され、遅延期間Ｔｄに応じて、受光量Ｑ２，Ｑ３の反射光成分として振り分けられる。なお、反射光の遅延期間Ｔｄは期間Ｔｐ未満であることを想定しており、反射光の到来が終了する時刻ｔ４は、キャパシタＣ３の充電期間Ｔｐの範囲内にある。また、受光量Ｑ３には、受光量Ｑ２と同様に、外光成分も含まれる。なお、パルス光を出射する期間の長さと、各ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３がＯＮの期間の長さとは、同じ長さでなくてもよい。
【００４１】
以上のように、距離センサ１では、受光部３がパルス光の出射期間の開始から所定時間の間に光を受光して、キャパシタＣ２，Ｃ３（第１電荷蓄積部）において受光量Ｑ２，Ｑ３に応じた電荷を蓄積する。また、パルス光の出射の停止期間中に光を受光して、キャパシタＣ１（第２電荷蓄積部）において受光量Ｑ１に応じた電荷を蓄積する。キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３それぞれに蓄積された電荷を検出することで、受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を取得することができる。キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３それぞれに蓄積された電荷に相当する受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３によると、対象物からの反射光の遅延期間Ｔｄと期間Ｔｐの比は、図４（ｄ）に示すように、反射光の受光量全体のうちの受光量Ｑ３に振り分けられた割合（以下、「振り分け比率」という。）に対応している。このため、遅延期間Ｔｄは、受光量Ｑ２，Ｑ３の配分、すなわち振り分け比率に基づいて求めることができる。
【００４２】
ここで、受光量Ｑ２，Ｑ３には、図４（ｂ），（ｃ）に示すように、反射光成分だけでなく外光成分も含まれている。受光量Ｑ２，Ｑ３は外光のみの受光量Ｑ１と同じ長さの期間Ｔｐで取得されているので、受光量Ｑ２，Ｑ３に含まれる外光成分は、受光量Ｑ１と同程度であると考えられる。このため、本実施形態では、受光量Ｑ２，Ｑ３から適宜、受光量Ｑ１を減算することにより、外光成分を除いた反射光成分の受光量を算出する。受光量Ｑ１は受光量Ｑ２，Ｑ３を取得する直前に取得されるため、受光量Ｑ１により受光量Ｑ２，Ｑ３における外光成分を精度良く取り除くことができる。
【００４３】
遅延期間Ｔｄは、パルス光が対象物に到達してから、反射光として距離センサ１に戻ってくるまでにかかる時間である。つまり、対象物と距離センサ１との間の距離を光速ｃで往復した際にかかる時間である。よって、対象物までの距離をＬとすると、Ｔｄ＝２Ｌ／ｃが成り立つため、次式に基づき、対象物までの距離Ｌを計算することができる。
Ｌ＝（ｃ／２）×Ｔｐ×｛（Ｑ３−Ｑ１）／（Ｑ２＋Ｑ３−２×Ｑ１）｝      （１）
【００４４】
本実施形態に係る距離センサ１では、距離演算部４０ａが、上式（１）の原理に基づく所定の演算を行い、受光量の振り分け比率に基づく距離を計算する。距離演算部４０ａの演算式は、例えば、特定の環境下において予め行われる種々の信号タイミングやパラメータの設定（キャリブレーション）によって規定される。
【００４５】
２−２．距離画像の生成動作
本実施形態に係る距離画像の生成動作について、図５を参照して説明する。図５（ａ）は、１フレームの距離画像を生成する動作を説明するための図である。図５（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、図５（ａ）の積算期間中の第１，第２，第３ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３のタイミングチャートを示す。図５（ｅ）は、図５（ａ）の積算期間中のドレインゲートのタイミングチャートを示す。なお、ドレインゲートとは、フォトダイオードＰＤから電荷を排出するためのゲートである。
【００４６】
本実施形態に係る距離センサ１は、上述したパルス光の出射及びその反射光の受光の一連の動作を繰り返し行い、受光量を読み出す毎に繰り返し、距離画像を生成する。以下、光源部２による１回のパルス光の出射に対して受光部が受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を蓄積する周期を、「蓄積周期」という。図５（ａ）に示すように、距離画像を繰り返し生成する１回（１フレーム）当たりの期間は、積算期間と、読出し期間とを含む。積算期間は、上記の蓄積周期が所定回数、繰り返されることで、受光部３が受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を積算する繰返し期間である。読出し期間は、積算期間に続いて制御部４０が、受光部３から積算された受光量を読み出す期間である。
【００４７】
積算期間に複数回含まれる各蓄積周期Ｔａは、図５（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、第１，第２，第３ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３がそれぞれＯＮされる受光期間を１回ずつ含む。図５（ｅ）に示すように、ドレインゲートは、積算期間における受光期間外である受光停止期間において開状態となり、フォトダイオードＰＤで光電変換された電荷を排出する。積算期間において、第１，第２，第３ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３に基づき、繰り返し電荷を電荷蓄積部Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に蓄積することにより、受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３（図４参照）が積算される。以下、積算期間において受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３をそれぞれ積算する回数を、「積算回数」という。積算回数は、例えば７００回以上７万回以下である。
【００４８】
積算期間後の読出し期間において、ＴＯＦ信号処理部４の制御部４０は、受光部３のＡ／Ｄ変換器から、各画素回路３０で積算された受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のデジタル値を読み出す。制御部４０において、距離演算部４０ａは、画素回路３０毎の受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のデジタル値に基づき、式（１）に基づく演算を行う。受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の積算により、測定される距離の統計的な精度が高まり、高精度で距離を算出することができる。
【００４９】
距離演算部４０ａが１つの画素に対して上記の演算を行うことにより、その画素の距離を示す距離データが取得される。ＴＯＦ信号処理部４は、全画素分の距離データを取得することにより、１フレームの距離画像を生成する。
【００５０】
２−３．機器間の干渉について
以下、本実施形態に係る距離センサ１による、機器間の動作干渉について、図６，７，８を参照して説明する。図６は、距離センサ１，１Ａ間の干渉を説明するための図である。図７は、非干渉フレームＦ１における距離センサ１の各種動作タイミングを示すタイミングチャートである。図８は、干渉フレームＦ２における距離センサ１の各種動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【００５１】
図６（ａ）は、二つの距離センサ１，１Ａが隣接した状態を示している。本実施形態に係る距離センサ１（以下、第１の距離センサという場合がある。）は、例えば、指などの対象物５０によるジェスチャー入力を検知するためにモバイル機器等に搭載される。第２の距離センサ１Ａは、第１の距離センサ１と同様の構成を有する。
【００５２】
モバイル機器の使用時等には、図６（ａ）に示すように、対象物５０の近傍において、第１の距離センサ１と第２の距離センサ１Ａとが隣接する場合が想定される。この場合、第２の距離センサ１Ａの光源部２からのパルス光は、対象物５０に反射して、第２の距離センサ１Ａの受光部３に入射するだけでなく、第１の距離センサ１の受光部３に入射している。以下、第２の距離センサ１Ａから出射して第１の距離センサ１に入射するパルス光を、「干渉光」という。
【００５３】
図６（ｂ）は、第２の距離センサ１Ａからの干渉光が入射する場合の第１の距離センサ１の距離の測定結果を示すグラフである。図６（ｂ）において、横軸は距離画像のフレーム数であり、縦軸は測定距離（ｍｍ）である。図６（ｂ）では、第１の距離センサ１から２００ｍｍの距離に対象物５０が配置された場合に第１の距離センサ１が算出する距離を示している。
【００５４】
図６（ｂ）では、測定距離が対象物５０までの距離２００ｍｍから２０ｍｍ以上も外れた干渉フレームＦ２が、２００ｍｍ近傍の測定距離を算出している非干渉フレームＦ１の合間に周期的に生じている。このような事態は、二つの距離センサ１，１Ａ間のクロック周波数の僅かなずれ（例えば数ｐｐｍ程度）に起因すると考えられる。以下、図６（ｂ）における非干渉フレームＦ１と、干渉フレームＦ２とについて、それぞれ図７，図８を用いて説明する。
【００５５】
図７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ図６（ｂ）の非干渉フレームＦ１における第１の距離センサ１の発光タイミング、及び各ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３のそれぞれによる受光タイミングを示す。図７（ｅ），（ｆ），（ｇ），（ｈ）は、それぞれ非干渉フレームＦ１における第２の距離センサ１Ａの発光タイミング、及び各ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３のそれぞれによる受光タイミングを示す。
【００５６】
図７（ａ）〜（ｈ）に示す非干渉フレームＦ１において、時刻ｔ１０では、図７（ａ），（ｅ）に示すように、第１及び第２の距離センサ１，１Ａの発光タイミングに、時間間隔Ｔｉが空いている。時間間隔Ｔｉがパルス幅Ｔｐ以上蓄積周期Ｔａ以下であることにより、図７（ｂ）〜（ｄ）に示すように第１の距離センサ１の全てのゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３が閉状態の期間中に、第２の距離センサ１Ａが発光している（図７（ｅ））。このとき、第１の距離センサ１は第２の距離センサ１Ａからの干渉光を受光することなく、距離測定を行う。
【００５７】
また、図７（ｆ）〜（ｈ）に示すように、第２の距離センサ１Ａの全てのゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３が閉状態の期間中に、第１の距離センサ１が発光している（図７（ａ））。このため、図７（ａ）〜（ｈ）のフレームでは、第１及び第２の距離センサ１，１Ａは、相互に干渉を起こさずに距離の測定を行うことができる（図６（ｂ））。
【００５８】
ここで、第１及び第２の距離センサ１，１Ａが所定のトリガ信号などによって同期している場合には、時間間隔Ｔｉが常に維持され、他のフレームでも干渉を起こさないと考えられる。しかしながら、特に同期を取っていない距離センサ１，１Ａ間では、基準クロック発生部４１のクロック周波数に、例えば数ｐｐｍ程度の差があることが通常である。このため、図７（ａ），（ｅ）に示すように、時刻ｔ１０以降の時刻ｔ１１において、二つの距離センサ１，１Ａの動作タイミング間の時間間隔Ｔｉ’は、時刻ｔ１０における時間間隔Ｔｉからずれている。例えば複数フレームの期間を経過する時間経過により、二つの距離センサ１，１Ａの動作タイミング間の時間間隔Ｔｉ’が徐々にずれ、パルス幅Ｔｐ未満になったり、蓄積周期Ｔａを超えたりすることが想定される。図７（ａ）〜（ｈ）のフレームからの時間経過により、機器間干渉を起こした干渉フレームにおける各種動作タイミングを、図８（ａ）〜（ｅ）に示す。
【００５９】
図８（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ図６（ｂ）の干渉フレームＦ２における第１の距離センサ１の発光タイミング、及び各ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３のそれぞれによる受光タイミングを示している。図８（ｅ）は、干渉フレームＦ２における第２の距離センサ１Ａの発光タイミングを示している。
【００６０】
図８（ａ）〜（ｅ）に示す１フレーム期間では、例えば初期の時刻ｔ１２において、第１の距離センサ１の第２ゲート信号Ｓｇ２の受光期間に（図８（ｃ））、第２の距離センサ１Ａからの干渉光が発光している（図８（ｅ））。このため、第１の距離センサ１は、第２ゲート信号Ｓｇ２に基づき干渉光を受光し、受光量Ｑ２として蓄積してしまう。
【００６１】
また、図８（ｃ），（ｅ）に示すように、第１の距離センサ１の積算期間に亘り、干渉光の発光タイミングは、徐々にずれつつ、第２ゲート信号Ｓｇ２の受光期間に重畳している。このため、第１の距離センサ１は、積算期間中、第２ゲート信号Ｓｇ２に基づく受光量Ｑ２に、干渉光の影響を溜め続けることとなる。これにより、第１の距離センサ１では、第２ゲート信号Ｓｇ２に基づく受光量Ｑ２が過剰に増えて受光量Ｑ２，Ｑ３の振り分け比率が偏り、本フレームにおいて算出される距離が異常に短くなってしまう（図６（ｂ））。
【００６２】
また、次フレームでは、第２の距離センサ１Ａの発光タイミングがさらに遅れ、第１の距離センサ１の第３ゲート信号Ｓｇ３の受光期間に（図８（ｄ））、干渉光が発光している（図８（ｅ））。このため、第１の距離センサ１において、今度は第３ゲート信号Ｓｇ３に基づく受光量Ｑ３が過剰に増えて、算出される距離が異常に長くなってしまう（図６（ｂ））。
【００６３】
以上のような距離センサ１，１Ａ間の干渉による距離の誤測定を抑制するために、本実施形態では、１フレーム中に積算回数分、繰り返される蓄積周期Ｔａ毎にランダムに、距離センサ１の発光タイミング及び各受光タイミングを変化させる。これにより、距離センサ１が干渉光を受光すること自体は許容しながら、干渉光を受光しても距離の誤測定を抑制することができる。以下、本実施形態に係る距離センサ１の動作の詳細について説明する。
【００６４】
２−４．距離画像生成処理
本実施形態に係る距離センサ１による距離画像生成処理について、図９，１０を参照して説明する。図９は、距離センサ１による距離画像生成処理を示すフローチャートである。図１０は、距離画像生成処理における距離センサ１の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
【００６５】
距離画像生成処理は、距離センサ１が所定のフレームレート（例えば３０ｆｐｓ）において距離画像を繰り返し生成する処理である。図９のフローチャートに示す距離画像生成処理は、距離センサ１の制御部４０によって実行される。
【００６６】
まず、制御部４０は、乱数発生部４０ｂにおいて、例えば０以上Ｎ以下の整数値の範囲内で乱数を発生させる（ステップＳ１）。Ｎは、予め設定される乱数の上限値である。Ｎは、製造時又は実装時等に自由に設定されてもよく、例えばＮ＝７５に設定される。
【００６７】
次に、制御部４０は、乱数発生部４０ｂにおいて発生させた乱数に基づき、１回の蓄積周期Ｔａにおける光源部２及び受光部３の各種動作タイミングを決定する（ステップＳ２）。制御部４０は、光源部２がパルス光を出射する発光動作と受光部３の第２及び第３ゲート信号Ｓｇ，Ｓｇ３による受光動作との相対的なタイミングを維持しながら、一蓄積周期Ｔａにおけるランダムな動作タイミングを決定する（図１０参照）。ステップＳ２の動作タイミングの決定方法の詳細については後述する。制御部４０は、決定した動作タイミングを内部レジスタ、或いは記憶部４４に保持する。
【００６８】
次に、制御部４０は、決定した動作タイミングをタイミング生成部４２に設定して、光源部２の発光動作及び受光部３の受光動作をオンオフ制御する（ステップＳ３）。これにより、乱数によってランダムに決定された動作タイミングに従い、光源部２がパルス光を対象物に照射し、受光部３が対象物からの反射光、及び背景光を受光する（図３参照）。受光部３では、蓄積周期Ｔａの１回分の受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３が蓄積される（図４参照）。
【００６９】
次に、制御部４０は、上記の１回の蓄積周期Ｔａ当たりの発光／受光動作が、所定の積算回数分、繰り返されたか否かを判断する（ステップＳ４）。積算回数は、自由に設定されてもよく、例えば２８０００回に設定される。制御部４０は、蓄積周期１回当たりの発光／受光動作を積算回数分、繰り返すまで、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３の各処理を行う（Ｓ４でＮＯ）。これにより、受光部３において、各種の受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３が、積算回数分の蓄積の繰り返しによって積算される。この際に、発光／受光動作の動作タイミングが、それぞれの蓄積周期Ｔａにおいてランダムに振られることとなる（図１０参照）。
【００７０】
制御部４０は、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ３の各処理を積算回数分、繰り返すと（Ｓ４でＹＥＳ）、受光部３において積算された受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を読み出して、距離演算部４０ａにおいて距離の計算を行う（ステップＳ５）。ステップＳ５において、受光部３は積算した受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のアナログ値をデジタル値にＡ／Ｄ変換し、制御部４０は、デジタル値において受光部３の各画素の受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を読み出す。制御部４０は、距離演算部４０ａにおいて画素毎の受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３に対して式（１）に基づく計算を行い、距離画像を生成する。
【００７１】
次に、制御部４０は、距離画像出力部４３からコントローラ６等の外部機器に、距離画像を出力する（Ｓ６）。制御部４０は、例えば距離画像中の画素毎に、距離演算部４０ａにおいて計算された順番において随時、距離画像の出力を行う。
【００７２】
制御部４０は、以上の処理を、所定のフレーム周期（例えば１／３０秒）において繰り返し実行する。フレーム周期は、１／６０秒以上１／３０秒以下であってもよい。
【００７３】
以上の処理により、距離画像を生成するフレーム期間中に、発光／受光動作の動作タイミングが、それぞれの蓄積周期Ｔａにおいてランダムに振られ（Ｓ１〜Ｓ３）、各フレームの距離画像における干渉光の影響を緩和することができる。本距離画像生成処理における干渉光の影響について、図１０（ａ）〜（ｅ）を用いて説明する。
【００７４】
図１０（ａ）は、本実施形態に係る距離画像生成処理によるパルス光の発光タイミングを示す。図１０（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、距離画像生成処理による各ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３の受光タイミングを示す。図１０（ｅ）は、第２の距離センサ１Ａによる干渉光の発光タイミングを示す。
【００７５】
図１０（ａ）〜（ｅ）では、第２の距離センサ１Ａによる干渉光の発光タイミングが、各蓄積周期Ｔａの開始時近傍であるフレームの一例を示している。本実施形態に係る距離画像生成処理では、各蓄積周期において制御部４０が乱数に基づき発光／受光動作の動作タイミングを決定する（Ｓ１，Ｓ２）。これにより、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、各蓄積周期Ｔａにおいて距離センサ１の発光タイミング及び第１ゲート信号Ｓｇ１の受光タイミングがランダムに変化する（Ｓ３）。また、ステップＳ２において、制御部４０は、後述するとおり、第２，３ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２の受光タイミングを、パルス光の発光タイミングに連動させる（図１０（ｃ），（ｄ））。これにより、距離センサ１の受光部３ではパルス光の反射光が受光される（Ｓ３）。
【００７６】
ここで、第２の距離センサ１Ａからの干渉光は、図１０（ｅ）に示すように各蓄積周期Ｔａの開始時近傍に発光している。このため、各ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ３の受光タイミングが、干渉光の発光タイミングに重なることは起こり得る。例えば、図１０（ａ）〜（ｅ）の例では、積算期間における１回目の蓄積周期Ｔａにおいて、第１ゲート信号Ｓｇ１の受光タイミングが、干渉光の発光タイミングに重なっている。しかし、次の蓄積周期では、第１ゲート信号Ｓｇ１の受光タイミングと干渉光の発光タイミングとは重ならなくなっている。このように、蓄積周期毎に発光／受光動作の動作タイミングがランダムに振られることにより（Ｓ１〜Ｓ３）、積算期間中に干渉光の発光タイミングと重なり続けることが回避される。
【００７７】
また、２８０００回等の積算回数分、蓄積周期Ｔａを繰り返す積算期間中に、干渉光の発光タイミングと重なる確率は、第１〜第３ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３の受光タイミングにおいて同様である。このため、干渉光の影響は、各受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３に統計的に均等に分散する。これにより、干渉光の影響によって距離の誤測定を起こす可能性を低減できる。また、受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を用いて式（１）に基づく距離計算を行うことにより、干渉光の影響を背景光の影響と同様に除去することができる。
【００７８】
２−４−１．動作タイミングの決定方法について
図９のフローチャートのステップＳ２における動作タイミングの決定方法の詳細について、図１１，１２を参照して説明する。図１１は、距離画像生成処理における動作タイミングの決定方法を説明するための図である。図１２は、距離センサ１に格納される動作タイミングテーブルを説明するための図である。
【００７９】
図１１（ａ）は、フレーム期間と蓄積周期との関係を示す。図１１（ｂ）は、蓄積周期中に設定されるスロットを示す。本実施形態では、図９のステップＳ１において発生させる乱数に基づき発光／受光の動作タイミングを決定するために、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、１つのフレーム期間中に含まれる複数の蓄積周期Ｔａの一周期内に、複数の時間区間Ｔｓを予め設定している。以下、蓄積周期Ｔａ中に設定された時間区間Ｔｓを、「スロット」という。
【００８０】
図１１（ｂ）に示すように、スロットＴｓは、光源部２によるパルス幅Ｔｐと同じ長さの時間幅を有し、所定の分割数Ｎｄにおいて１回当たりの蓄積周期Ｔａを分割する。例えば、パルス幅Ｔｐ＝１３ｎｓ及び蓄積周期Ｔａ＝９８８ｎｓの場合に、分割数Ｎｄは、Ｎｄ＝７６となる。分割数Ｎｄは、乱数発生部４０ｂにおいて発生させる乱数の範囲に対応している。例えば、分割数Ｎｄ＝７６において、乱数発生部４０ｂでは０以上７５以下の範囲の乱数を発生させる。また、各スロットＴｓは、蓄積周期Ｔａの内部で並ぶ順番に応じて、それぞれ０以上７５以下のスロット番号を有する。
【００８１】
本実施形態では、制御部４０は、図９のステップＳ２において、記憶部４４に予め格納された動作タイミングテーブルＤ１を参照して、蓄積周期Ｔａ内に予め設定された複数のスロットＴｓから光源部２及び受光部３の動作タイミングを選択する。図１２を用いて、動作タイミングテーブルＤ１について説明する。
【００８２】
動作タイミングテーブルＤ１は、距離センサ１の発光／受光動作の動作タイミングと乱数とを関連付けて記録するデータテーブルである。図１２は、動作タイミングテーブルＤ１の一例を示す。図１２に例示する動作タイミングテーブルＤ１は、分割数Ｎｄ＝７６のスロット番号を用いて、０以上７５以下の範囲の乱数と、光源部２の発光タイミング及び受光部３の各ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ３による受光タイミングとを関連付けて記録している。
【００８３】
図１２の動作タイミングテーブルＤ１において、光源部２によるパルス光の発光タイミングには、乱数と同じスロット番号が順次、割り当てられている。ここで、第２及び第３ゲート信号Ｓｇ２，Ｓｇ３の受光タイミングは、パルス光の反射光の受光量Ｑ２，Ｑ３の振り分けを行うために、パルス光の発光タイミングに連動しながら連続的に並ぶ必要がある。このため、図１２の例においては、第２ゲート信号Ｓｇ２の受光タイミングに、乱数と同じスロット番号が割り当てられ、第３ゲート信号Ｓｇ３の受光タイミングに、乱数の次のスロット番号が割り当てられている。
【００８４】
例えば、乱数が「０」の場合、パルス光の発光タイミングにスロット番号「０」、第２ゲート信号Ｓｇ２の受光タイミングにスロット番号「０」、第３ゲート信号Ｓｇ３の受光タイミングにスロット番号「１」が、それぞれ割り当てられている。なお、乱数が「７５」の場合の第３ゲート信号Ｓｇ３の受光タイミングのスロット番号「７６」は、次の蓄積周期のスロット番号「０」を意味することとする。
【００８５】
一方、第１ゲート信号Ｓｇ１の受光タイミングは、他のゲート信号Ｓｇ２，Ｓｇ３の受光タイミング及びパルス光の発光タイミングと連動する必要はないが、上記の各タイミングと重なってはならない。そこで、図１２の例の動作タイミングテーブルＤ１では、第１ゲート信号Ｓｇ１の受光タイミングに、乱数及び乱数の次のスロット番号から２０以上離れたスロット番号が割り当てられている。
【００８６】
例えば、乱数が「０」の場合には第１ゲート信号Ｓｇ１の受光タイミングにスロット番号「３９」が割り当てられ、乱数が「２」の場合にはスロット番号「２６」が割り当てられ、乱数が「５１」の場合にはスロット番号「０」が割り当てられている。なお、第１ゲート信号Ｓｇ１の受光タイミングは、他のゲート信号Ｓｇ２，Ｓｇ３の受光タイミング及びパルス光の発光タイミングと重ならない範囲内のスロット間で、ランダムに割り当てられてもよいし、規則的に割り当てられてもよい（例えば乱数の一つ前など）。
【００８７】
本実施形態では、図９のステップＳ２において、制御部４０が、乱数発生部４０ｂにおいて発生させた乱数に基づき、図１２の動作タイミングテーブルＤ１において乱数に関連付けされたタイミングに、各種動作タイミングを決定する。
【００８８】
図１１（ｃ），（ｄ），（ｅ），（ｆ）は、蓄積周期Ｔａ中のスロットＴｓに応じたパルス光の発光タイミング、及び各ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３のそれぞれの受光タイミングを示す。動作タイミングテーブルＤ１により、例えば乱数発生部４０ｂにおいて乱数「０」が発生した場合、パルス光の発光期間はスロット番号「０」のスロットＴｓに決定される（図１１（ｃ））。このとき、第２及び第３ゲート信号Ｓｇ２，Ｓｇ３の受光期間はスロット番号「０」，「１」のスロットＴｓに決定される（図１１（ｅ），（ｆ））。このように、動作タイミングテーブルＤ１によると、受光部３が第２及び第３ゲート信号Ｓｇ２，Ｓｇ３により連続的に２回の受光を行う受光動作（第１の受光動作）の受光期間と、パルス光の発光期間との間の相対的なタイミングが維持される。
【００８９】
また、動作タイミングテーブルＤ１によると、乱数発生部４０ｂにおいて乱数「０」が発生した場合、第１ゲート信号Ｓｇ１の受光期間はスロット番号「０」から離れたスロット番号「３９」のスロットＴｓに決定される（図１１（ｄ））。また、乱数「２」が発生した場合には、第１ゲート信号Ｓｇ１の受光期間はスロット番号「２」から離れたスロット番号「２６」のスロットＴｓに決定される（図１１（ｄ））。このように、このように、動作タイミングテーブルＤ１によると、乱数に対応するパルス光の発光期間と、第１ゲート信号Ｓｇ１により第２及び第３ゲート信号Ｓｇ２，Ｓｇ３とは別に受光を行う受光動作（第２の受光動作）の受光期間とを、重ならないようにずらすことができる。
【００９０】
また、図９のステップＳ２では、前回の制御周期において乱数「７５」が発生した後に乱数「０」又「５１」が発生した場合に、例えば、制御部４０は、「０」又「５１」以外の乱数が発生するまで繰り返し乱数を発生させる。これにより、前回の制御周期における第３ゲート信号Ｓｇ３の受光期間と今回の各受光期間とを、重ならないようにずらすことができる。
【００９１】
以上の蓄積周期Ｔａ中のスロットＴｓに基づく動作タイミングの決定方法によると、例えばスロットＴｓの時間幅１３ｎｓ、分割数Ｎｄ＝７６及び積算回数２８０００回の場合に、積算期間は２７．６６ｍｓとなる（図１１（ａ）参照）。この場合、受光量の読み出し期間を５ｍｓ確保しながら、フレームレート３０ｆｐｓにおいて距離画像を生成することができる。
【００９２】
上記の場合において、例えば図１０の例のように、干渉光の発光タイミングが積算期間に亘って蓄積周期Ｔａの開始時近傍（スロット番号「０」）にあるとき、干渉光を受光する確率は、各ゲート信号Ｓｇ１，Ｓｇ２，Ｓｇ３において１／７６と見積もられる。このため、距離画像を所定のフレームレートで生成する際の干渉光の影響は、フレーム間で偏りなく１／７６倍になり、各受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３に均等に分散される。このため、干渉光の影響によって特定のフレームで異常な距離が算出されるような距離の誤測定（図６（ｂ））を抑制することができる。
【００９３】
３．まとめ
以上のように、本実施形態に係る距離センサ１は、光源部２と、受光部３と、制御部４０とを備える。光源部２は、対象物５０に繰り返しパルス光を出射する。受光部３は、光源部２によるパルス光の出射に同期して光を受光し、受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を蓄積する。制御部４０は、光源部２及び受光部３を制御して、受光量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３に基づき対象物５０までの距離を示す距離情報として、距離画像を繰り返し生成する。距離画像を繰り返し生成する１フレーム当たりの期間は、光源部２によるパルス光の出射に応じて受光部３が受光量Ｑ１〜Ｑ３を蓄積する周期である蓄積周期Ｔａを複数回、含む。制御部４０は、それぞれの蓄積周期Ｔａにおいてランダムに、光源部２及び受光部３を動作させる動作タイミングを変化させる。
【００９４】
以上の距離センサ１によると、距離画像を生成する１フレーム当たりの期間に含まれる複数の蓄積周期Ｔａ毎に、光源部２及び受光部３の動作タイミングが蓄積周期Ｔａ内でランダムに変化する。これにより、距離センサ１，１Ａ間の干渉による距離の誤測定を抑制することができる。
【００９５】
また、本実施形態において、光源部２は、蓄積周期Ｔａにおいて所定の時間幅であるパルス幅Ｔｐでパルス光を出射する発光動作を行う。受光部３は、蓄積周期Ｔａにおいて第２及び第３ゲート信号Ｓｇ２，Ｓｇ３により連続的に２回の受光を行う第１の受光動作を行う。制御部４０は、発光動作と第１の受光動作との間の相対的なタイミングを維持しながら、光源部２及び受光部３の動作タイミングを変化させる。
【００９６】
これにより、距離センサ１の光源部２０の発光動作によるパルス光の反射光を第１の受光動作において受光しながら、動作タイミングをランダムに変化させることができる。
【００９７】
また、本実施形態において、受光部３は、蓄積周期Ｔａにおいて第１のゲート信号Ｓｇ１により第１の受光動作とは別に受光を行う第２の受光動作を行う。制御部４０は、発光動作および第１の受光動作を行う期間と、第２の受光動作を行う期間とが重ならないように、光源部２及び受光部３の動作タイミングを変化させる。これにより、光源部２及び受光部３の動作タイミングを変化させながら、第２の受光動作において背景光の受光量Ｑ１を取得することができる。
【００９８】
また、本実施形態において、制御部４０は、蓄積周期Ｔａを所定の分割数Ｎｄ分に分割した複数の時間区間であるスロットＴｓから、光源部２及び受光部３の動作タイミングをランダムに選択する。これにより、分割数Ｎｄ分のスロットＴｓから選択的に、蓄積周期Ｔａ毎に動作タイミングを決定することができる。
【００９９】
また、本実施形態において、制御部４０は、乱数を発生させる乱数発生部４０ｂを備える。これにより、乱数発生部４０ｂによって発生させた乱数に基づき、光源部２及び受光部３の動作タイミングを決定することができる。
【０１００】
また、本実施形態において、距離センサ１は、蓄積周期Ｔａにおける光源部２及び受光部３の動作タイミングと乱数とを関連付けた動作タイミングテーブルＤ１を記憶する記憶部４４をさらに備える。制御部４０は、動作タイミングテーブルＤ１を参照して、乱数発生部４０ｂによって発生させた乱数に基づき光源部２及び受光部３の動作タイミングを決定する。これにより、動作タイミングテーブルＤ１において、ランダムに変化させる各種動作タイミングを管理することができる。
【０１０１】
また、距離センサ１は、動作タイミングテーブルＤ１に代えて、又はこれに加えて、例えば所定の演算式を記憶部４４に記憶してもよい。距離センサ１の制御部４０は、乱数発生部４０ｂによって発生させた乱数に所定の演算を行って、光源部２及び受光部３の動作タイミングを決定してもよい。
【０１０２】
（他の実施形態）
上記の各実施形態では、距離センサ１は、乱数を発生させる乱数発生部４０ｂを備えたが、本実施形態に係る距離センサは、乱数発生部４０ｂを備えなくてもよく、例えば、予め設定された乱数のパターンを用いてもよい。例えば、製造時、量産工程等においてＰＣなどにより予め生成された乱数のパターンが、それぞれの距離センサの記憶部４４に記憶されてもよい。この場合、制御部４０は、図９のフローチャートのステップＳ１に代えて、記憶部４４に記憶された乱数のパターンに含まれる乱数を順次、選択する。次に、制御部４０は、選択した乱数に基づき、例えば図９のステップＳ２と同様に、動作タイミングテーブルＤ１を参照して各種動作タイミングを決定する。なお、記憶部４４において、乱数のパターンと動作タイミングテーブルＤ１とは、一体的に構成されてもよい。
【０１０３】
上記の実施形態では、画素回路３０は外光専用の電荷蓄積部Ｃ１を備えたが、距離センサにおける画素回路はこれに限らず、外光専用の電荷蓄積部Ｃ１を省略してもよい。この場合、画素回路からの読出しにおいて、反射光を含む受光量と外光の受光量とを異なるフレームで取得し、２フレームの読み出しで１フレームの距離画像を生成するようにしてもよい。例えば、連続する２つのフレームにおいて、一方のフレームでパルス光の出射を繰り返すとともに２つの電荷蓄積部で時分割して電荷を蓄積してＴＯＦ信号処理部４に読み出し、反射光を含む受光量を取得する。他方のフレームでは、パルス光の出射を停止しながら受光を行うことで、外光の受光量を取得することができる。この場合であっても、取得した受光量において、干渉光の影響を外光の影響と同様に差し引き、機器間干渉による距離の誤測定を抑制することができる。
【０１０４】
また、上記の各実施形態では、第２及び第３ゲート信号Ｓｇ２，Ｓｇ３による第１の受光動作において連続的に２回の受光を行ったが、第１の受光動作において連続的に受光する回数は２回よりも大きくてもよい。例えば、第２ゲート信号Ｓｇ２の受光期間の直前に第１ゲート信号Ｓｇ１の受光期間を設定してもよい。また、第３ゲート信号Ｓｇ３の受光期間後に、所定の受光量を蓄積するための受光期間を設定してもよい。例えば、受光部が画素回路内に４つ以上の電荷蓄積部を備え、４種以上の受光量Ｑ１，Ｑ２，…，Ｑｍ（ｍは４以上の整数）を時分割で取得してもよい。
【０１０５】
また、上記の各実施形態では、距離センサ１，１Ａの距離の測定法式が間接ＴＯＦ方式である場合について説明した。本距離センサの距離の測定方式はこれに限らず、例えば、反射光の伝播期間を直接、測定する直接ＴＯＦ方式であってもよい。直接ＴＯＦ方式の距離センサは、例えば、時間デジタル変換器や単一フォトンのアバランシェフォトダイオードを用いて構成してもよい。
【０１０６】
また、上記の各実施形態では、距離センサ１，１Ａがモバイル機器に搭載される場合を例示した。距離センサ１，１Ａが搭載される機器はモバイル装置に限らず、例えば監視カメラや車載装置などの種々の電子機器であってもよい。距離センサ１によると、例えば、車載装置において対向車から入射する干渉光に基づく機器間干渉による距離の誤測定を抑制することもできる。
【符号の説明】
【０１０７】
１    距離センサ
２    光源部
３    受光部
３０    画素回路
４０制御部
４０ａ    距離演算部
４０ｂ    乱数発生部
４２    タイミング生成部
４４    記憶部
【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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