(57)【要約】  本発明は、レンジゲーティングによって物体までの距離を求めるためのシステムで使用するピクセルに関し、前記ピクセルは、露光間隔のそれぞれのセットの間に前記ピクセルに衝突する光量を表す電荷を蓄積するための第１の電荷ストレージウェル（２２１）と、第２の電荷ストレージウェル（２２２）とを備え、前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）は、前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）の電荷容量よりも少なくとも５０％大きい電荷容量を有する。本発明はまた、そのようなピクセルを含むレンジゲーティングシステムにも関する。
2020517924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンジゲーティングによって物体までの距離を求めるためのシステムで使用するためのピクセルであって、
露光間隔のそれぞれのセットの間に前記物体によって反射され、前記ピクセルに衝突する光量を表す電荷を蓄積するための第１の電荷ストレージウェル（２２１）および第２の電荷ストレージウェル（２２２）、ならびに第３の電荷ストレージウェル（２２３）を備え、
前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）は、前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）の電荷容量よりも少なくとも５０％大きい電荷容量を有し、
前記第３の電荷ストレージウェル（２２３）は、前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）および前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）よりも小さい電荷ストレージ容量を有するピクセル。
【請求項２】
−前記ピクセルに衝突する光によって前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）または前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）が蓄えられる電荷量を増加させる充電モードと、
−前記ピクセルに衝突する光によって前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）または前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）が蓄えられる電荷量を減少させる放電モード
との間で前記ピクセルを切り替えることを可能にする回路をさらに備える、請求項１に記載のピクセル。
【請求項３】
前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）および前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）のアクティブな１つが容量まで満たされたときに生成される光電荷が、隣接するピクセルのストレージウェルに入らずに電荷シンクに偏向されることを可能にする回路をさらに備える、請求項１〜２のいずれか一項に記載のピクセル。
【請求項４】
第４の電荷ストレージストレージウェル（２２４）をさらに含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のピクセル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の、複数のピクセルを備える撮像アレイ。
【請求項６】
物体までの距離を求めるためのシステムであって、
−光のスポット、好ましくは離散スポットのパターンをパルスのシーケンスで、好ましくは周期的に繰り返されるパルスのシーケンスで、前記物体に向けて投影するように配置されたソリッドステート光源と、
−請求項５に記載される撮像アレイを備える検出器であって、前記パルスのシーケンスと同期して、前記物体によって反射される際の前記スポットのパターンを表す光を検出するように構成された検出器と、
−前記検出された光に応答して前記ピクセルによって生成された露光値の関数として前記物体までの前記距離を計算するように構成された処理手段とを備え、前記撮像アレイの前記ピクセルは、前記シーケンスのすべてのパルスについて、第１の所定の時間ウィンドウの間に前記物体によって反射された第１の光量を表す第１の電荷量と、第２の所定の時間ウィンドウの間に前記物体によって反射された第２の光量を表す第２の電荷を蓄積することによって前記露光値を生成するように構成されており、前記第２の所定の時間ウィンドウは、前記第１の所定の時間ウィンドウの後に生じ、
前記第１の光量の前記検出および前記第２の光量の前記検出は、前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）および前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）でそれぞれ行われる、物体までの距離を求めるためのシステム。
【請求項７】
少なくとも２つの連続するパルスのシーケンスについて前記投射および前記検出を行うようにさらに構成され、前記シーケンスの各々は、前記第１の所定の時間ウィンドウおよび前記第２の所定の時間ウィンドウの異なる持続時間で作動される、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記撮像アレイは、２Ｄビデオ画像の取得を実行するようにさらに適合されている、請求項６または７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピクセルの分野に関し、詳細には、レンジゲーティング(range gating)によって得られた飛行時間情報に基づいて物体までの距離を求めるための撮像システムで使用するためのピクセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ａｎｄｒｅａｓ  Ｓｐｉｃｋｅｒｍａｎ等に対する米国特許第８，７９２，０８７号明細書は、光活性領域を少なくとも２つの異なる評価容量に結合する少なくとも２つの異なる転送ゲートが異なる駆動間隔の間に駆動され、その結果測定の対象から反射された放射パルスによって、および／または周辺放射によって駆動間隔の間に生成された電荷キャリアを、光活性領域から、少なくとも２つの転送ゲートにそれぞれ結合された評価容量に運ぶことができるデバイスを開示している。別の転送ゲートは、少なくとも２つの転送ゲートの駆動間隔外の時間中に駆動されて、少なくとも２つの転送ゲートの駆動間隔外の時間に電荷キャリアシンクとして機能する基準電位端子に光活性領域を接続する。
【０００３】
米国特許第８，７０２，０８７号明細書から知られるシステムの欠点は、センサから短い距離にある物体からの反射によってピクセルが飽和することである。
【０００４】
Ｓｈｏｊｉ  Ｋａｗａｈｉｔｏに対する米国特許出願公開第２００７／１５８７７０号明細書は、標準的なＣＭＯＳ製造手順と比較して作製工程が削減された、光の反射時間の測定に基づいた距離測定イメージセンサを開示している。シリコン基板上に酸化膜が形成され、この酸化膜の上に電荷転送用の２つのフォトゲート電極が設けられる。浮動拡散層は、電荷を電子ポテンシャルに変換するために使用され、電荷結合素子（ＣＣＤ）のレガシー技術から伝統的に継承された機構である。リセット用の追加のトランジスタと、所与のリセット電圧を提供する拡散層とが設けられる。
【０００５】
米国特許出願公開第２００７／１５８７７０号明細書に開示されたピクセルの不利な点は、非標準な技術を使用しており、ピクセルの設計が、ピクセルのアクティブ表面積を犠牲にしないことには追加のウェルの付加を許可しないことである。これは、広い動作範囲を必要とする超低出力レーザを備えたセンサシステムでの使用には最適ではない。使用されるプロセスは、標準的なＣＭＯＳプロセスでは一般的には利用できないため、このような概念の適用の可能性を低減させ、手頃な価格で大量に生産する能力を低下させる。
【０００６】
このような設計に基づいたセンサの範囲はまた、投射光の強力な反射によるピクセルの飽和によって近端に制限される。
【０００７】
短距離反射、または交通標識、ナンバープレートなどの高反射物体を検知するときのピクセルの飽和は、本発明によるピクセルの目的のようにピクセルが自動車用途のセンサで使用される場合に特に問題をはらんでおり、その理由は、高度運転支援システム（ＡＤＡＳ）および自動運転車は短距離での高い精度を必要とするためである。さらに、この用途の範囲において、短距離精度の要件のために、より長い距離での精度、明るい周囲光条件で動作する能力、およびコンパクト性の要件（ソリッドステート半導体部品の使用が必要）を犠牲にするべきではない。
【０００８】
したがって、本発明の実施形態の目的は、さまざまなピクセル構成を提案することにより、レンジゲーティングベースの撮像システムで使用されるピクセルに関する短距離飽和問題を克服することである。
【０００９】
本出願人の名前で２０１５年１０月２３日付けの未公開の欧州特許出願公開第１５１９１２８８．８号明細書は、物体までの距離を求めるためのシステムを記載しており、それは、レーザ光のスポットのパターンをパルスのシーケンスで物体に向けて投射するように配置されたソリッドステート光源と、複数の画像素子を備える検出器であって、前記パルスのシーケンスと同期して、物体によって反射されるスポットのパターンを表す光を検出するように構成される検出器と、前記検出された光に応答して前記画像素子によって生成された露光値の関数として物体までの距離を計算するように構成される処理手段とを備え、画像素子は、前記シーケンスの各パルスについて、第１の所定の時間ウィンドウの間に前記物体によって反射された第１の光量を表す第１の量の電荷と、第２の所定の時間ウィンドウの間に前記物体によって反射された第２の光量を表す第２の電荷を蓄積することによって前記露光値を生成するように構成されており、前記第２の所定の時間ウィンドウは、前記第１の所定の時間ウィンドウの後に生じる。複数の画像素子のそれぞれは、少なくとも２つの電荷ストレージウェルを有してよく、第１の光量の検出および第２の光量の前記検出は、少なくとも２つの電荷ストレージウェルのそれぞれで行われる。欧州特許出願公開第１５１９１２８８．８号明細書は、短距離飽和問題の解決策については説明していない。
【００１０】
同様のシステムでは、本出願人の名前での２０１６年１０月３日付けの未公開の欧州特許出願公開第１６１９２１０５．１号明細書は、所与の総ピクセル空間に対して、第１のウェルによって表される光子容量が増加され、第２のウェルによって表される光子容量が減少される非対称のウェル配置を使用することによって飽和問題を緩和させることができることを記載している。増加と減少のバランスが取れているならば、追加のピクセル表面コストなしでダイナミックレンジの拡大を実現することができるため、同じ分解能を維持することができる。欧州特許出願公開第１６１９２１０５．１号明細書は、第１のウェルで表される光子容量と第２のウェルで表される光子容量との間の特定の比率については説明していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第８，７９２，０８７号明細書
【特許文献２】米国特許第８，７０２，０８７号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／１５８７７０号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第１５１９１２８８．８号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第１６１９２１０５．１号明細書
【発明の概要】
【００１２】
本発明の一態様によって、レンジゲーティングによって物体までの距離を求めるシステムで使用するためのピクセルが提供され、前記ピクセルは、露光間隔のそれぞれのセットの間に前記物体によって反射され、前記ピクセルに衝突する光量を表す電荷を蓄積するための第１の電荷ストレージウェルおよび第２の電荷ストレージウェル、ならびに第３の電荷ストレージウェルを備え、前記第１の電荷ストレージウェルは、前記第２の電荷ストレージウェルの電荷容量よりも少なくとも５０％大きい電荷容量を有し、また前記第３の電荷ストレージウェルは、前記第１の電荷ストレージウェルおよび前記第２の電荷ストレージウェルよりも小さい電荷ストレージ容量を有する。
【００１３】
本発明は、以下により詳細に説明するレンジゲーティングベースの撮像システムなどの特定のシステムにおいて、二重ウェルピクセルを有する（追加のウェルの存在は除外されない）ことにより、電荷ストレージウェルの一方が他方の電荷ストレージウェルよりも実質的に大きな電荷容量を有することが有利であるという発明者等の洞察に基づいている。「ウェル」という用語は、適切な技術によって半導体回路で生成される単一の静電容量（電子容量）を指す場合、または例えばカスケードとして配置された単一のストレージユニットとして共同で機能する相互接続された多数の容量を指す場合がある。このタイプのピクセルは、ピクセルが配備される状況の物理特性が、高い精度と広い距離範囲を必要とするため大きな光子スパンが生じることになる飛行時間ベースの測定システムの場合のように、異なるウェルに蓄えられる電荷の量に予測可能な非対称性をもたらす場合に特に有用である。
【００１４】
本発明のピクセルが短距離飽和問題を解決する限り、それは、短端での動作範囲を拡張する他の回避策の必要性を排除する。例えば、所望される範囲の複数のサブレンジに対する複数の連続測定に依存するシステム（パルス幅が各フレームによってカバーされる距離範囲の関数として変化するマルチフレームシステム）では、本発明によるピクセルは、測定（意図された全動作範囲をカバーするのに必要とされる個々のフレーム）の数を削減し、これによりセンサの時間分解能を改善することを可能にする。
【００１５】
本発明によるピクセルは、好ましくは、標準的なソリッドステート（半導体）回路製造プロセスに適合する感光性要素を含む。
【００１６】
第３のウェルが、他のウェルの動作のタイミングを考慮したタイミングスキームに従って動作するという条件で、さまざまな機能を実行するために設けられる。以下により詳細に説明するように、第１のウェルおよび第２のウェルが基本的なレンジゲーティングを実行する距離検知システムでは、第３のウェルの機能は、長距離の高反射物体（第１のウェルおよび第２のウェルがアクティブである時間枠外での交通標識やナンバープレートなど）から到達する光子に応答して生成される追加の電荷を受け取ること、風景の通常の２次元画像を生成することと（投影光の反射が、任意選択で、拡散器を備えたＶＣＳＥＬアレイで構成され得る風景を照らすための広角フラッシュライトと同期して到達する時間枠外での）、または背景光の減算を実行する（第１のウェルおよび第２のウェルに蓄積された電荷レベルから、投影光の反射が到達する時間枠外で第３のウェルに蓄積される電荷量を差し引くことによって）ことを含んでよい。
【００１７】
第３の電荷ストレージウェルは、それが背景光を捕らえるためだけに使用される場合、ピクセルアレイに到達する背景光は典型的には、好ましくは距離検知システムに設けられる周囲光低減フィルタによって強力に減衰されるため、第１の電荷ストレージウェルおよび第２の電荷ストレージウェルよりも著しく小さい電荷ストレージ容量を有してよい。第３の電荷ストレージウェルが、風景の追加照明（フラッシュライトなどを利用して）を使用して２Ｄ画像を取得するため、または範囲外の高反射物体からの反射を捕らえるために使用されることが意図されている場合、それは、第１または第２の電荷ストレージウェルと同様のストレージ容量に寸法が合わせられる場合もある。
【００１８】
一実施形態では、前記ピクセルは、前記ピクセルに衝突する光によって前記第１の電荷ストレージウェルまたは前記第２の電荷ストレージウェルが蓄えられる電荷量を増加させる充電モードと、前記ピクセルに衝突する光によって前記第１の電荷ストレージウェルまたは前記第２の電荷ストレージウェルが蓄えられる電荷量を減少させる放電モードとの間で前記ピクセルを切り替えることを可能にする回路をさらに備える。
【００１９】
この実施形態は、パルスシステムにおいて、「パルスオン」間隔が、投射光と背景光の存在によって特徴付けられ、一方でパルス反射の到着後に生じる「パルスオフ」間隔の一部は、背景光のみの存在によって特徴付けられるという発明者等の洞察に基づいている。発明者等は、露光期間に匹敵する期間にわたって、「パルスオン」間隔に相当する各露光後に、ピクセルを「放電」モードに切り替えることによって、各ストレージウェルに残っている電荷が、背景光の成分を含まない投射光の捕捉した反射に等しくなる方法を開発した。
【００２０】
例えばレンジゲーティングセンサで使用されるように、ピクセルアレイのピクセルから背景光を差し引く方法において使用することができる点が、本発明によるピクセルのこの実施形態の利点である。特に、それは、撮像アレイの第１のピクセルの露光値から背景光を差し引く方法を可能し、前記第１のピクセルは、スポットの周期的パルスパターンによって照らされた風景からスポットの反射を受け取り、前記周期的パルスパターンは、照明位相と非照明位相とを交互に繰り返すことを含んでおり、方法は、所定の時間の間に前記スポットを検出する間、前記第１のピクセルで受け取った第１の入射光量に比例して前記第１のピクセルに電荷を蓄積することと、前記スポットが存在しない場合、前記所定の時間の間に受け取った第２の入射光量に比例して前記電荷を減少させることとを含む。
【００２１】
一実施形態では、前記ピクセルは、前記第１の電荷ストレージウェルおよび前記第２の電荷ストレージウェルのアクティブな１つが容量まで満たされたときに生成される光電荷が、隣接するピクセルのストレージウェルに入らずに電荷シンクに偏向されることを可能にする回路をさらに備える。
【００２２】
ブルーミングを回避できることで、背景測定にまだ使用することができる、または通常の２Ｄ画像を取得するのに使用することができる隣接するピクセルにこぼれる作用を回避することによって、個々のピクセルが飽和した場合でもピクセルのアレイのスポット検出の高い空間精度を維持することができる点がこの実施形態の利点である。
【００２３】
一実施形態では、本発明によるピクセルは、第４の電荷ストレージウェルをさらに備える。
【００２４】
本発明の一態様によれば、上述のような複数のピクセルを備える撮像アレイが設けられる。
【００２５】
本発明の一態様によって、物体までの距離を求めるためのシステムが提供され、このシステムは、光のスポット、好ましくは離散スポットのパターンをパルスのシーケンスで、好ましくは周期的に繰り返されるパルスのシーケンスで物体に向けて投影するように配置されたソリッドステート光源と、上述の撮像アレイを備える検出器であって、前記パルスのシーケンスと同期して、物体によって反射される際のスポットのパターンを表す光を検出するように構成された検出器と、検出された光に応答して前記ピクセルによって生成された露光値の関数として物体までの距離を計算するように構成された処理手段とを備え、撮像アレイのピクセルは、前記シーケンスのすべてのパルスについて、第１の所定の時間ウィンドウの間に前記物体によって反射された第１の光量を表す第１の電荷量と、第２の所定の時間ウィンドウの間に前記物体によって反射された第２の光量を表す第２の電荷を蓄積することによって前記露光値を生成するように構成されており、前記第２の所定の時間ウィンドウは、第１の所定の時間ウィンドウの後に生じ、第１の光量の検出および前記第２の光量の検出は、前記第１の電荷ストレージウェルおよび前記第２の電荷ストレージウェルでそれぞれ行われる。
【００２６】
ソリッドステート光源は、好ましくは半導体光源である。投射された離散スポットは、好ましくはレーザ光のスポットである。
【００２７】
本発明によるシステムは、直接飛行時間ベースの測距システムと同じ物理的原理に依存しており、すなわち、光が所与の距離を移動するのに常に一定の時間量がかかるという事実に依存している。しかしながら、本発明は、目的の物体に送信され、その後その物体によって反射される光パルスが移動した距離を求めるのにレンジゲーティングを使用する。本発明はとりわけ、レンジゲーティング、少なくとも部分的に同期したスポットパターン投射（新規の照明スキームに基づく）と低電力半導体光源を組み合わせることによって、実質的に小型化され、フルソリッドステートの、エネルギー効率の良い長距離検出方法を取得することができるという発明者等の洞察に基づいている。本明細書で使用される「パターン」という用語は、同時に投射されるスポット、好ましくは離散的な（重ならない）スポットの空間的な分布を指す。３次元空間で検出されたスポット反射の位置を求めるためには、測距ステップから得られた距離情報を角度情報と組み合わせて、残りの２つの空間座標を固定する必要がある。ピクセルアレイと、適切に配置された光学系とを備えたカメラを使用して、反射が検出されたピクセルを識別することによって追加の角度情報を提供することができる。
【００２８】
本発明の実施形態は、所望の範囲においてＬＩＤＡＲシステムのソリッドステート半導体光源によって生成されたスポットパターンを使用できるようにするために、光パワーの制限を回避する方法が必要とされるという発明者等のさらなる洞察に基づいている。本発明者等は、パルス持続時間を延長し、かつ少なくとも２つの半導体センサウェルにおいて、または少なくとも２つのピクセルにおいてＶＣＳＥＬが生成した複数の光パルスの反射エネルギーを積分し、積分後の電荷の単一の読み出しが次に続くことによって、ソリッドステートの実装によって現在可能な動作範囲よりも大幅に広い動作範囲を伴うソリッドステートＬＩＤＡＲシステムを取得することができることを見出した。さらに、単一のシーケンスで可能な距離よりも広い距離範囲をカバーするために、各シーケンスで異なるパルス持続時間を使用する光パルスの複数のシーケンスが組み合わされる場合もある。以下、用語「ストレージ」は、光子の検出に応じて電荷が蓄積されるウェルまたはピクセルを指すのに使用される。
【００２９】
ソリッドステート光源およびソリッドステートセンサ（ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤセンサなど）が同一の半導体基板上に集積され得ることが本発明によるシステムの利点である。ソリッドステート光源は、所望のパターンを生成するように適合された格子を備えたＶＣＳＥＬアレイまたはレーザを備えてもよい。
【００３０】
さらに、２つの連続した時間ウィンドウで検出された反射光エネルギーを評価し、２つの連続したウィンドウの全体の蓄積された電荷を正規化することによって、研究対象の物体の変化する反射率の影響と、周囲光の寄与を距離計算アルゴリズムにおいて適切に考慮することができる。
【００３１】
最後に、上記に記載したピクセルを使用することによって、本発明によるシステムは、短距離での物体から受ける強い反射に起因する電荷ストレージウェルの飽和の影響を受けにくい。
【００３２】
一実施形態において、システムは、少なくとも２つの連続するパルスのシーケンスについて投射および検出を行うように構成され、シーケンスの各々は、第１の所定の時間ウィンドウおよび第２の所定の時間ウィンドウの異なる持続時間で作動される。
【００３３】
この実施形態は、フルレンジの検知を複数のフレーム（すなわち複数のパルスのシーケンス）にわたって分割し、その各々が、異なるタイミングパラメータ（第１の所定の時間ウィンドウおよび第２の所定の時間ウィンドウ）で動作することが理由で異なる範囲についての距離の算出を可能にすることによって、システムの範囲を改善することができるという発明者等の洞察にさらに基づいている。
【００３４】
これらの動作パラメータを慎重に選択することによって、各フレームにおいて、所望の範囲の最大距離に関して検出されると予想される反射光子の数が、電荷ストレージウェルから確実に読み出すことができる電荷の量に対応することを保証することができる。一方、正確な測定を実行することができる最も近いポイントは、ピクセルの容量を飽和させる光子の数によって決まる。検出可能な最小数の光子と、飽和なしで受け取ることができる最大数の光子との比率によって、単一のフレームに広がり得る距離範囲が決まる。
【００３５】
本発明によるシステムの一実施形態では、撮像アレイは、２Ｄビデオ画像の取得を実行するようにさらに適合される。
【００３６】
２Ｄビデオ画像の取得は、第３の電荷ストレージウェルおよび／または第４の電荷ストレージウェルを使用することによって、あるいは投影光スポットの反射によって照らされていないピクセルアレイのピクセルを使用することによって、レンジゲーティングが行われるのと同じフレームで行われてよい。追加として、または代替として、２Ｄビデオ画像の取得は、任意選択で風景の全体照明と同期して、レンジゲーティングが行われる他のフレームとは別のフレームで行われる場合もある。
【００３７】
本発明のこれらの、および他の態様および利点を、添付の図面を参照して以下でより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明によるピクセルが使用され得る、本発明によるシステムの一実施形態によって適用されるレンジゲーティングプロセスのフローチャートである。
【図２】本発明によるピクセルが使用され得る、本発明によるシステムの一実施形態を概略的に表す図である。
【図３ａ】本発明によるシステムの一実施形態によって適用されるレンジゲーティングプロセスのタイミングスキームを提示して、レンジゲーティングに関与する２つのウェルの動作を例示する図である。
【図３ｂ】本発明によるシステムの一実施形態によって適用されるレンジゲーティングプロセスのタイミングスキームを提示して、レンジゲーティングに関与する２つのウェルの動作を例示する図である。
【図３ｃ】本発明によるシステムの一実施形態によって適用されるレンジゲーティングプロセスのタイミングスキームを提示して、レンジゲーティングに関与する２つのウェルの動作を例示する図である。
【図４】本発明によるピクセルの一実施形態を概略的に表す図である。
【図５】ウェルの非対称性を取得する第１の方法を示す、本発明によるピクセルの一実施形態を概略的に表す図である。
【図６】ウェルの非対称性を取得する第２の方法を示す、本発明によるピクセルの一実施形態を概略的に表す図である。
【図７ａ】本発明の一実施形態における光の投射および検出のタイミング図を表して、追加のウェルの動作を例示する図である。
【図７ｂ】本発明の一実施形態における光の投射および検出のタイミング図を表して、追加のウェルの動作を例示する図である。
【図７ｃ】本発明の一実施形態における光の投射および検出のタイミング図を表して、追加のウェルの動作を例示する図である。
【図７ｄ】本発明の一実施形態における光の投射および検出のタイミング図を表して、追加のウェルの動作を例示する図である。
【図７ｅ】本発明の一実施形態における光の投射および検出のタイミング図を表して、追加のウェルの動作を例示する図である。
【図７ｆ】本発明の一実施形態における光の投射および検出のタイミング図を表して、追加のウェルの動作を例示する図である。
【図７ｇ】本発明の一実施形態における光の投射および検出のタイミング図を表して、追加のウェルの動作を例示する図である。
【００３９】
図の全体を通して、同様の数字は、同様の要素を指すために使用される。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
発明者等は、本発明によるピクセルアレイが、コンパクトな、半導体ベースの飛行時間ベースシステムによって同一のパワー／性能特性を達成することを目指す新規のタイプの測距システムに有利に適用できることを発見した。したがって、本発明の一態様は、以下に説明するように、ピクセルアレイに配置された複数のピクセルを備える測距システムに関する。
【００４１】
本発明のこの態様では、既存のＬＩＤＡＲベースシステムの制限は、飛行時間ベースシステムが動作する方法を変更することによって克服される。各飛行時間測定で放出される光エネルギーの総量（およびこれにより各飛行時間測定について検出器での検出に利用できる光子の数）は、個々のパルスの持続時間を拡大することによって、および多数の個々のパルスのシーケンスで構成される仮想「複合パルス」を生成することによって増大されてよい。この拡張されたパルスの束によって、発明者等は、ＶＣＳＥＬなどの低出力のソリッドステートレーザによって所望の動作範囲に必要とされる量の光エネルギー（光子）を獲得すことが可能になった。
【００４２】
既存のＬＩＤＡＲシステムの個々のパルスの持続時間が１ｎｓの場合、ここで説明するシステムは、ＶＣＳＥＬなどの半導体レーザの比較的低い出力レベルをある程度補償するために、実質的にこれより長いパルス持続時間から恩恵を受けており、本発明の実施形態では、シーケンス内の個々のパルスは、１μｓの例示の持続時間を有してよい（これは、説明を明確かつ単純にするためにここで選択された１つの可能な値であり、より一般的には、本発明の実施形態では、パルス持続時間は、例えば５００ｎｓ以上であってもよく、好ましくは７５０ｎｓ以上、最も好ましくは９００ｎｓ以上であってもよい）。本発明による例示的なシステムでは、シーケンスは１０００パルスサイクルから成り立っており、したがって合計すると１ｍｓの持続時間となり得る。光が１００ｍの距離のところの対象まで移動し、また検出器に戻るにはおよそ０．６６μｓが必要であるという事実を考えると、この程度の距離の測距のためにこのような持続時間の複合パルスを使用することが可能であり、当業者は、選択されたパルス幅および所望の範囲に応じて必要なパルスサイクル数を調整することができる。シーケンスの検出は好ましくは、ＶＣＳＥＬベースの光源と同期して個々のパルスを検出することと、読み出しの前にシーケンス全体についてピクセルウェルレベルで入射する光子に応答して生成された電荷を蓄積することとを含む。「露光値」という用語は、以降、シーケンスにわたって積分された電荷（したがってピクセルで受け取る光量）を表す値を指定するために使用される。シーケンスの放出と検出は周期的に繰り返される。
【００４３】
本発明の測距システムは、レンジゲーティングを使用することによって動作する。距離ゲート撮像装置は、パルスの持続時間にわたって放出されたパルスの反射の検出されたパワーを積分する。パルス放射ウィンドウと反射パルスの到着との間の時間的な重なりの量は、光パルスの戻り時間、したがってパルスが移動した距離に依存している。したがって、積分されたパワーは、パルスが移動した距離と相関される。本発明は、上述のパルスシーケンスに適用されるレンジゲーティングの原理を使用する。以下の説明では、シーケンス全体の測定値を取得するための、画像素子レベルでのシーケンスの個々のパルスの積分が暗黙的に理解されている。
【００４４】
図１は、適用可能な測距方法のフローチャートを表している。一般性を失うことなく、測距方法はレンジゲーティングアルゴリズムを参照して説明される。第１の時間ウィンドウ１０では、方法は、ソリッドステート光源２１０を含む光源からのレーザ光のスポットのパターン（例えば、スポットの規則的または不規則な空間パターン）を風景の対象領域の任意の物体に投射すること１１０を含む。空間パターンは、パルスのシーケンスで繰り返し投射される。
【００４５】
上記で示したように、ソリッドステート光源は、ＶＣＳＥＬアレイまたは所望のパターンを生成するように適合された格子を備えたレーザを備えてもよい。システムが長い距離で、かつ高レベルの周囲光（例えば昼光）でも最適に動作するために、本発明の実施形態で使用するためのＶＣＳＥＬは、単位面積当たりのスポットにつき最大の光パワーを放出するように構成されることが好ましい。したがって、優れたビーム品質（低Ｍ２因子）のレーザが推奨される。より好ましくは、レーザは最小の波長分散を有するべきであり、モノモードレーザによって、とりわけ低い波長分散を実現することができる。したがって、必要な空間的および時間的精度で、実質的に同一のパルスを再現可能に生成することができる。
【００４６】
パルスが放出されるのと同じ時間ウィンドウの間、または実質的に重なる時間ウィンドウにおいて、対象の物体によって反射されるスポットのパターンを表す第１の光量が検出器において検出され１２０、この検出器は好ましくは可能な限り光源の近くに配置される。スポットパターンの投射１１０とその反射の最初の検出１２０が同時である、またはほぼ同時であること、は、これらのステップを横並びに配置することによってフローチャートに例示されている。後続の第２の所定の時間ウィンドウ２０において、反射光スポットを表す第２の光量が検出器において検出される１３０。この第２のウィンドウ２０の間、ソリッドステート光源は非アクティブである。次いで、反射光の第１の量および反射光の第２の量の関数として物体までの距離を計算することができる１４０。
【００４７】
第１の所定の時間ウィンドウ１０および第２の所定の時間ウィンドウ２０は、検出量の一方を他方から差し引くことによって、ノイズおよび周囲光の相殺を容易にするための、実質的に等しい持続時間の好ましくは連続するウィンドウである。例示のタイミングスキームは、図３と併せて以下でより詳細に説明される。
【００４８】
検出器は、風景の画像（照明されたスポットを含む）を画像素子に投射するように配置された適切な光学系を備えた上記に記載したピクセルアレイを含む。
【００４９】
本明細書で使用される「画像素子」という用語は、ピクセルの個々の感光性領域またはウェルを指す場合、あるいはピクセル全体（複数のウェルを含む場合がある、以下を参照）を指す場合がある。所定の投射スポットごとに、第１の光量の検出１２０および第２の光量の検出１３０は、同一の画像素子において、または複数の画像素子の同じグループで行われる。
【００５０】
一般性を失うことなく、第１の光量の検出１２０および第２の光量の検出１３０を同一ピクセルまたは同一ピクセルグループのそれぞれの電荷ストレージウェル２２１、２２２で行うことができるように、画像素子の各々は少なくとも２つの電荷ストレージウェル２２１、２２２を備えるピクセルであってよい。第３のウェルは、プロジェクタおよび／または他のウェルのタイミングを考慮に入れたタイミングスキームに従って動作する限り、さまざまな機能を実行することができる。
【００５１】
図２は、対象の風景内の物体９９に関して、本発明によるシステムの一実施形態を概略的に表している。システム２００は、周期的に繰り返され得るスポットのシーケンスのパターンを物体９９上に投射するためのソリッドステート光源２１０を備える。検出器２２０が光源の近くに配置され、物体によって反射された光を検出するように構成されている。
【００５２】
物体９９から跳ね返る光ビームは、破線の矢印として示されており、光源２１０から物体９９に進み、検出器２２０に戻る。この表現は厳密に概略的なものであり、実際の相対的な距離や角度を示すものではないことに留意されたい。
【００５３】
従来のクロック回路または発振器を含み得る同期手段２３０が、第１の所定の時間ウィンドウ１０の間にスポットパターンを物体に投射するためにソリッドステート光源２１０を動作させ、ほぼ同時に物体９９によって反射された光スポット（複数可）を表す第１の光量を検出するために検出器２２０を動作させるように構成される。さらに、検出器２２０を動作させて、後続のそれぞれの第２の所定の時間ウィンドウ２０の間に、物体９９によって反射された光スポットを表す第２の光量を検出する。適切な処理手段２４０は、第１の反射光量と第２の反射光量の関数として物体までの距離を計算するように構成される。
【００５４】
図３（図３ａ、３ｂおよび３ｃから成る）は、本発明の実施形態における光の投射と検出のタイミング図を表す。明確さの理由のために、図３の周期的に繰り返されるパルスシーケンスの単一パルスのみが示されており、これは第１の時間ウィンドウ１０と第２の時間ウィンドウ２０で構成される。
【００５５】
図３ａに見られるように、第１の時間ウィンドウ１０の間、ソリッドステート光源２１０は「オン」の状態にあり、光スポットのパターンを風景に放出する。第２の時間ウィンドウ２０の間、ソリッドステート光源２１０は「オフ」の状態にある。
【００５６】
検出器２２０への反射光の到達は、投射の開始に対して、移動した距離に比例する時間（自由空間でおよそ３．３ｎｓ／ｍ）の分だけ遅れる。この遅れにより、反射光の一部しか、第１の時間ウィンドウ１０の間のみで作動される検出器２２０の第１のウェル２２１で検出されないことになる。したがって、その作動期間（第１の時間ウィンドウ１０）の間にこの第１のウェルに蓄積された電荷は、反射パルスの到着前にピクセルに衝突するノイズおよび周囲光のみを表す部分と、ノイズ、周囲光および反射パルスの立ち上がりを表す部分とで構成される。
【００５７】
反射パルスの後者の部分は、好ましくは第１の時間ウィンドウ１０の直後に続く第２の時間ウィンドウ２０の間のみ作動される検出器２２０の第２のウェル２２２で検出される。したがって、その作動期間（第２の時間ウィンドウ２０）の間にこの第２ウェルに蓄積された電荷は、ノイズ、周囲光および反射パルスの立ち下がりを表す部分と、反射パルスの到着後にピクセルに衝突するノイズと周囲光のみを表す部分とで構成される。
【００５８】
反射物体９９とシステム２００との間の距離が大きいほど、第１のウェル２２１で検出されるパルスの割合が小さくなり、第２のウェル２２２で検出されるパルスの割合が大きくなる。
【００５９】
反射パルスの立ち上がりが第１のウェル２２１の閉鎖後（すなわち、第１の時間ウィンドウ１０の終了後）に到着した場合、第２のウェル２２２で検出できる反射パルスの割合は、飛行遅延時間の増大に伴って再び減少する。
【００６０】
物体９９の変動する距離に対して、各ウェル２２１、２２２のそれぞれにおいて結果として生じる電荷量Ａ、Ｂが図３ｂに示されている。表現を単純化するために、逆二乗の法則による距離に伴う光の減衰効果は、この図では考慮されていない。第１の時間ウィンドウ１０と第２の時間ウィンドウ２０を組み合わせた持続時間以下の飛行時間遅延に対して、飛行時間遅延は原則としてＡおよびＢの値から明白に導き出すことができることは明らかである。
−第１の時間ウィンドウ１０の持続時間以下の飛行時間遅延の場合、Ｂは物体９９の距離に比例する。絶対距離の決定に容易に到達するために、正規化された値Ｂ／（Ｂ＋Ａ）が使用され、検出された物体の不完全反射の影響および逆二乗則のいかなる影響も排除することができる。
−第１の時間ウィンドウ１０の持続時間を超える飛行時間遅延の場合、Ａは昼光とノイズの寄与のみで構成され（図示せず）、Ｃ−Ｂは物体９９の距離に実質的に比例しており（逆二乗則に関する補正後）、この場合Ｃは、オフセット値である。
【００６１】
図３ａおよび図３ｂは、時間ウィンドウ１０で放出された単一のパルスに関連して本発明によるシステムの原理を示しているが、図示されたパルスは上記で定義されたパルスのシーケンスの一部であることを理解されたい。図３ｃは、そのようなシーケンスの例示的なタイミング特性を概略的に示している。図示されるように、照明スキーム４０は、個々のパルス１０のシーケンス３０の繰り返される放出で構成される。個々のパルス１０の幅は、最大動作範囲によって決まる。シーケンス全体は、例えば６０Ｈｚの周波数で繰り返されてよい。
【００６２】
本発明者等は、本明細書で説明するようなシステムでは、短い距離の物体による光の反射は、ピクセルの飽和を引き起こす可能性が高く、その理由は、そのような反射の減衰は、より遠くの物体から生じる反射よりもかなり小さくなる（距離に対する光の減衰の逆二乗法則による）ためであることを発見した。自動車用途などの特定の用途では、比較的長い距離まで正確なシステム動作が必要になるため、最も近い動作距離と最も遠い動作距離との間で大きな光子スパンをカバーする必要がある。このような制約によって、短距離でのピクセル飽和は、特に第１のウェル（短距離で反射の大部分を受け取る）において非常に現実的なリスクである。本発明者等は、所与の総ピクセル空間について、第１のウェルによって表される光子容量が増加され、第２のウェルによって表される光子容量が減少された非対称のウェル配置を使用することによって飽和問題を緩和できることを見出した。増加と減少のバランスが取れているならば、追加のピクセル表面コストなしでダイナミックレンジの増加を得ることができる。
【００６３】
本発明者等は、有用な動作範囲（最低検出可能光レベルと飽和が生じる光レベルとの間）を獲得するために、第１の電荷ストレージは、第２の電荷ストレージウェルの電荷容量より少なくとも５０％大きい電荷容量を有するべきであることをさらに発見した。好ましくは、第１の電荷ストレージは、第２の電荷ストレージウェルの電荷容量より少なくとも７５％大きい電荷容量を有するべきであり、最も好ましくは、第１の電荷ストレージは、第２の電荷ストレージウェルの電荷容量より少なくとも１００％大きい電荷容量を有するべきである。
【００６４】
ブルーミング防止回路を含む、本発明による例示の非対称の二重ウェルピクセルを図４に概略的に示す。電荷ストレージウェル２２１、２２２（ＳＮ  Ａ、ＳＮ  Ｂ）は、上記に記載されるように２つの電荷ストレージウェルのアクティブ状態を投射パルスの送信と同期するように制御される転送ゲート（ＴＧ  Ａ、ＴＧ  Ｂ）によってフォトアクティブ領域（ＰＨ）に接続される。
【００６５】
図５は、本発明によるピクセルの一実施形態を概略的に表しており、ウェルの非対称性を獲得する第１の方法を示している。図５に示すように、半導体製造プロセス中、第１のウェル２２１（Ａ信号側の空乏ゾーン）は、第２のウェル２２２（Ｂ信号側の空乏ゾーン）よりも少なくとも５０％大きく作製された。
【００６６】
図６は、本発明によるピクセルの一実施形態を概略的に表し、ウェルの非対称性を獲得する第２の方法を示している。この場合、両方の半導体ウェル２２１、２２２は同じ側にあるが、第１のウェル２２１の有効容量を増加させるために追加のコンデンサがＡ信号側に設けられる。
【００６７】
ブルーミングは、ピクセル内の電荷がその特定のピクセルの飽和レベルを超えると発生する現象である。その結果、電荷がオーバーフローし始め、隣接するピクセルに悪影響を及ぼす。これにより、隣接するピクセルまたは同じピクセルの他のウェルに不正確なデータが作成される。好ましくは、本発明によるシステムのピクセルには、関連するウェルが飽和し、隣接するピクセルのウェルにこぼれる前に過剰な電荷を抜き出すためのブルーミング防止電子機器が備わっている。特に、隣接するスポットからの情報が背景光の除去に使用される場合、隣接するピクセルから独立して（およびそこからの混入なしに）得られる背景光を正確に推定することが極めて重要である。
【００６８】
ピクセルは、ピクセルが充電モードと放電モードを切り替えることを可能にする回路をさらに備えてもよい。充電モードでは、前記ピクセルに衝突する光によって、第１の電荷ストレージウェルまたは第２の電荷ストレージウェル（照明スキームの現在の段階に応じて）が蓄えられる電荷の量を増加させる。好ましくは充電モードの後に同じ時間だけ作動される放電モードでは、前記ピクセルに衝突する光によって、第１の電荷ストレージウェルまたは第２の電荷ストレージウェルが蓄えられる電荷の量を減少させる。このスイッチング方式により、背景光に相当する電荷量を電荷ストレージウェルから除去することが可能になる。
【００６９】
本発明の実施形態は、ウェルの容量に関連する熱ノイズ（「ｋＴＣノイズ」とも呼ばれる）に対してサンプルを補正するために相関二重サンプリングを使用する場合がある。このため、ピクセルの電子回路は、例えばフレームの始めにＶｒｅｓｅｔを測定し、フレームの終わりにＶｓｉｇｎａｌを測定することにより、リセット電圧（Ｖｒｅｓｅｔ）と信号電圧（Ｖｓｉｇｎａｌ）との間の差分測定を実行するように設計されてよい。電子的（ピクセル内）実装の代替として、プロセッサにおいて読み出し信号（Ｖｓｉｇｎａｌ-Ｖｒｅｓｅｔ）をデジタル的に減算することによって相関二重サンプリングが実装される場合もある。
【００７０】
ピクセル構造内の感光性要素（特にダイオード）に到達する光量を増加させるために、本発明の実施形態は裏面照射を使用する場合があり、そのような場合、ピクセル回路は感光層の背後にあるため、感光性要素を読み取るために、作用する光子が通過しなければならない層の数が減少する。
【００７１】
上述のシステムに適用可能であることに加えて、本発明によるピクセルおよびピクセルアレイはまた、国際公開第２０１５／００４２１３号パンフレットに従って三角測量ベースのシステムと統合されてもよい。小型化に照準を定めた場合、三角測量ベースのシステムは、結局のところプロジェクタと検出器との距離が相対的に短くなるため、縮小された動作範囲を有するようにする。しかしながら、この組み合わせがその利点を呈示するのはまさに短距離であり、その理由は、三角測量ベースのシステムは、飛行時間ベースシステムが十分に正確に動作することができない距離をカバーすることができるためである。
【００７２】
検出された物体までの距離を経時的に監視するために、測距プロセス全体が繰り返し反復される、好ましくは定期的に反復される場合もある。したがって、この方法の結果は、高度な運転者支援システム、アクティブサスペンションを備えた車両、自律型車両など、検出された物体までの距離に関する情報を継続的に必要とするプロセスで使用することができる。
【００７３】
測距プロセス全体を反復的に繰り返すことで、検出された物体までの距離を経時的に監視することができる。したがって、この方法の結果は、車両周辺の物体の検出と追跡、高度な運転者支援システム、アクティブサスペンションを備えた車両、自律運転または自律型車両など、検出された物体までの距離に関する情報を継続的に必要とするプロセスで使用することができる。反復的に繰り返されるレンジゲーティングシーケンスは、図７ａのタイミング図に概略的に示されており、そこでは、各フレームは、プロジェクタ（Ｐ）のパルスシーケンスに対応しており（パルスのタイミングは小文字の「ｐ」で示される）、これは撮像装置（Ｉ）の作動に同期されている（第１のウェルの電荷の蓄積は小文字の「ａ」で示され、第２のウェルの電荷の蓄積は小文字の「ｂ」で示される）。一般性を失うことなく、連続する２つのフレームのみが示されている。
【００７４】
図７ｂは、各投射パルスに２つの追加のタイムスロットを含む修正されたタイミングスキームを表している。これらの追加のタイムスロットは、投射光の反射が受信されないときにピクセルに衝突する光の強度に比例する割合でそれぞれのウェルを放電するために使用される。パルス反射を受信した時点に対してわずかな時間オフセットしか生じていない場合、パルスが存在しないときに受信した光は背景光を表すため、このスキームは、各プロジェクタパルスについて第１のウェルおよび第２のウェルに蓄積された電荷から背景の光成分を有効に除去する。
【００７５】
上述の放電段階を実施するために、ピクセルは、適切な転送ゲートによってフォトダイオードに結合された、電荷を蓄えるためのコンデンサを備えてもよい。蓄積段階は次いで、電荷をコンデンサの第１の側に転送することと、電荷をコンデンサの第２の側に転送することとを含む。
【００７６】
以下のタイミング図は、追加のウェル（例えば、前述の第３の電荷ストレージウェルおよび第４の電荷ストレージウェル）の使用方法を示している。
【００７７】
図７ｃは、全ての投射パルスに対して１つの追加のタイムスロットを含む修正されたタイミングスキームを表している。この追加のタイムスロットは、第３のウェルに光電荷を蓄積するために使用される（第３のウェルでの電荷の蓄積は小文字の「ｃ」で示される）。第３のウェルで受信した光はパルスがない状態で到着する際、パルス反射を受信した時点に対してわずかな時間オフセットしか生じていない場合、それは背景光を表す。したがって、第３のウェルに蓄積された電荷が第１のウェルおよび第２のウェルの電荷から差し引かれて、後者の電荷から背景光の成分を効果的に除去することができる。第３のウェルで受信した光は、第１のウェルおよび第２のウェルの動作によってカバーされる範囲外の高反射物体から到達する投射スポットの反射も含む可能性があり、蓄積された電荷が、そのような物体を検出するために、それに応じて使用される場合もある。第３のウェルで受信した光はまた、風景の２Ｄ画像を生成するために使用される場合もあり、これは、任意選択で第１のウェルおよび第２のウェルの動作から得られた測距情報と組み合わされて３Ｄ画像を作成する場合もある。
【００７８】
図７ｄは、図７ｃのタイミングスキームの変形を表しており、同数のプロジェクタパルスが完了した後のいくつかのタイムスロットの間に第３のウェルが作動される。このように第３のウェルで受信した光が、パルスがない状態で到着する際、それは、パルス反射を受信した時点に対してわずかに長い時間オフセットがある状態での背景光を表す。したがって、第３のウェルに蓄積された電荷が第１のウェルおよび第２のウェルの電荷から差し引かれて、後者の電荷から背景光の成分を効果的に除去することができる。別個のタイムスロットで第３のウェルに蓄積された電荷は、風景の２Ｄ画像を生成するために使用されてもよく、その場合、風景は任意選択でフラッシュライトによって照らされてもよい。
【００７９】
図７ｅは、図７ｃのタイミングスキームのさらに別の変形を表し、プロジェクタならびに第１および第２のウェルがアクティブであるレンジゲーティングフレームの完了後に、第１のウェルが別のフレームで作動される。このように第１のウェルで受信した光が、パルスがない状態で到着する際、それは背景光を表し、パルス反射を受信した時点に対してわずかに長い時間オフセットが生じる。したがって、別個のフレームの第１のウェルに蓄積された電荷が、第１のウェルおよび第２のウェルにそれまでに蓄積された電荷から差し引かれ、後者の電荷から背景光の成分を効果的に除去する。別のフレームの第１のウェルに蓄積された電荷は、風景の２Ｄ画像を生成するために使用されてもよく、その場合、風景は任意選択でフラッシュライトによって照らされてもよい。
【００８０】
大きな所望の動作範囲（２００ｍ程）と高い目標精度（最も遠い地点でわずか１０００光子を正確に検出する）の組み合わせによって、１つのフレームに１つのウェルで受信され得る光子の最大数（短距離での反射の場合）と、１つのフレームに１つのウェルで受信され得る最小数との間に非常に大きな範囲が生じることになる。
【００８１】
図７ｆは修正されたタイミングスキームを表しており、単一のタイムスロットの持続時間がスロットごとに異なるという点で図７ａのスキームとは異なる。この方法において、異なるフレームに関する検出閾値および飽和点は異なる距離で発生し、多数の連続したフレームから取得した情報を組み合わせて近くの物体と遠くの物体両方の正確な距離測定値を取得することができる。
【００８２】
図７ｇは、Ｎｍａｘ（ピクセルを飽和せずに蓄えることができる電子の最大数）およびＮｍｉｎ（正確な読み出しに必要な最小ピクセル数）によって課せられた制約の結果として、距離［Ｚｍｉｎ、Ｚｍａｘ］の対象範囲全体をカバーしない可能性がある、図３ｃのシーケンス内の個々のフレームが、光子数に対する同一の制約の範囲内で容易にカバーすることができる対象範囲［ｚｍｉｎ（ｉ）、ｚｍａｘ（ｉ）］の一部をそれぞれがカバーする、異なるタイミングパラメータを有するシーケンスにどのように分解され得るかを概略的に示している。
【００８３】
上記で紹介され、図７ｇで使用されている符号を参照すると、サブレンジの対応する電子量ｎｍｉｎ（ｉ）およびｎｍａｘ（ｉ）は次のように定義され、
−最大許容電子数（ピクセル容量全体に「ＦＰＣ」を使用しており、これは追加容量がない場合の完全なウェル容量に対応する）、
【数１】
2020517924.tif 000003
ｚ（０）＝Ｚｍａｘ
−最低限必要な精度レベル：ｎｍｉｎ＝Ｎｍｉｎ
−ｚｍａｘ（ｉ）＝ｚｍｉｎ（ｉ−１）
【００８４】
さらに、パルス特性は次のように決定することができる。
−パルス幅
【数２】
2020517924.tif 000004
−完全なピクセル容量と精度レベルによって課される制限を尊重するために、総「オン」時間は
【数３】
2020517924.tif 000005
に比例して減少する。
【００８５】
上記の原理は、以下の非限定的な数値例によってさらに明確にされてよい。
【００８６】
１５０ｍの距離で１０％の反射率を持つランベルト反射面は、１．６％の精度を得るために１０００個の電子を提供する必要がある。同じ距離で、１００％の反射面は１００００個の電子を生成する。２００，０００電子の完全なウェル容量で、以下のマルチフレーム解決策が提案される。
【表１】
2020517924.tif 000006
【００８７】
堅牢性の理由から、サブレンジに重なりを設けることが有利な場合があることに留意されたい。
【００８８】
同じ３Ｄ解像度を確保するには、より高速のカメラを使用すると有利な場合があり、例えば、３フレームインターリーブで、１８０Ｈｚで動作するカメラは、単一フレームで動作する６０Ｈｚと同じデータ速度を提供する。
【００８９】
本発明によるシステムが使用されるモードに応じて（図７ａ〜７ｇに例示されるように）、デューティサイクルは変化する。範囲外の反射の捕捉や２Ｄ画像の取得にいくつかのフレームを使用すると、実際の測距に使用できる時間が短くなることを容易に知ることができる。本発明による３ウェルまたは４ウェルピクセルの使用の利点は、いくつかの機能を同時に実行できることである。
【００９０】
ブルーミングは、ピクセル内の電荷が特定のピクセルの飽和レベルを超えると発生する現象である（短距離反射または交通標識やナンバープレートなどの高反射面からの反射の場合）。その結果、電荷がオーバーフローし始め、隣接するピクセルに悪影響を及ぼす。これにより、隣接するピクセルに不正確なデータが作成される。好ましくは、本発明によるシステムのピクセルには、過剰な電荷が関連するウェルを飽和させ、隣接するピクセルのウェルにこぼれる前にそれを抜き出すための、とりわけ第４のウェルを含み得るブルーミング防止電子機器が設けられる。特に、隣接するスポットからの情報が背景光の除去に使用される場合、隣接するピクセルから独立して（およびそこからの混入なしに）得られる背景光を正確に推定することが極めて重要である。同様に、スポット反射を受信しないピクセルを使用して通常の２Ｄ画像を同時に生成する場合、スポット反射を受信するピクセルに隣接するピクセルが、後のピクセルからの電荷の流出の影響を受けないことが極めて望ましい。
【００９１】
説明したシステムのすべての要素が最適に動作するためには、システムが熱的に安定している必要がある。熱安定性は、とりわけ、そうでなければ光学フィルタおよび光学チェーンの他の要素の適切な機能を損なうことになる光学要素の望ましくない波長シフト（熱ドリフト）を回避する。本発明によるシステムの実施形態は、それらの設計により、またはＰＩＤ型コントローラを備えた温度制御ループによる能動的調整により熱安定性を達成する。
【００９２】
国際公開第２０１５／００４２１３号パンフレットは、検出間隔の間にピクセルに到達する周囲光量を最小限に抑え、これによりパターン化されたレーザスポットの検出精度を改善するためのさまざまな技術を開示している。これらの技術はＬＩＤＡＲシステムとの関連では開示されていないが、本発明の発明者等は、本発明の実施形態と組み合わせたときにいくつかのそのような技術が優れた結果をもたらすことを見出した。これは、検出器での狭帯域フィルタの使用、および反射光のフィルタへのほぼ垂直な入射を保証する適切な光学配置の使用に特に当てはまる。国際公開第２０１５／００４２１３号パンフレットに記載されているこのような配置の詳細は、参照により本明細書に組み込まれている。さらなる特徴および詳細を以下で提供する。
【００９３】
共に本出願人の名前での、欧州特許出願公開第３０４５９３５号明細書および欧州特許第３０４５９３６号明細書は、検出間隔の間にピクセルに到達する周辺光量をさらに最小限にするために、本出願で開示されたシステムと組み合わせて使用できる光学配置を開示している。欧州特許第３０４５９３５号明細書および欧州特許第３０４５９３６号明細書に見られるこのような配置の詳細は、参照により本明細書に組み込まれる。したがって、本発明によるピクセルは、任意選択のフィルタリングの後、作用する光を感光性領域に導くためにマイクロレンズを備える場合もある。
【００９４】
検出間隔の間にピクセルに到達する周囲光量を最小限に抑えるために、このようなさまざまな技術を本発明の実施形態に適用することはできるが、一定量の周囲光を避けることはできない。マルチピクセルシステムでは、一部のピクセルのみが反射スポットで照らされ、他のピクセルは残存する周囲光のみで照らされることになる。ピクセルの後者のグループの信号レベルを使用して、対象のピクセルの信号に対する周囲光の寄与を推定し、それに応じてその寄与を差し引くことができる。
【００９５】
いくつかの実施形態では、検出器は、ハイダイナミックレンジ検出器、すなわち少なくとも９０ｄＢ、好ましくは少なくとも１２０ｄＢのダイナミックレンジを有する検出器であってよい。ハイダイナミックレンジセンサ、つまり、シーンの最も暗い部分の強度レベルの十分な識別を維持しながら、飽和せずに大量の光子を取得できるセンサの存在が、このようなセンサの使用の利点であり、非常に長い範囲を有し、なおも飽和することなく近距離（反射光が比較的強い場所）で物体を検出することができるセンサを可能にする。本発明者等は、トーンマッピングべースではないハイダイナミックレンジセンサの使用が、トーンマッピングを適用するセンサの使用よりも有利であることを発見した。トーンマッピングでは、センサの線形範囲がより高い解像度に向けて圧縮される。文献では、対数圧縮や多重線形圧縮など、いくつかの圧縮方法が文書化されている。ただし、この非線形圧縮では、レリーフ情報を抽出するために捕捉されたシーンに対して論理演算または算術演算を行う前に、信号の再線形化が必要である。したがって、本発明による解決策は、計算要件を増大させることなく検出精度を高める。いくつかの実施形態のさらなる利点は、完全に線形のハイダイナミックレンジセンサを使用することである。所望のダイナミックレンジ特性を提供することができるピクセルアーキテクチャおよび光学検出器は、米国特許出願公開第２０１４／３５３４７２号明細書、特に段落６５〜７３および８８に開示されており、その内容は、当業者が本発明のこの態様を実施できるようにする目的で参照により組み込まれている。
【００９６】
本発明の実施形態は、ハイダイナミックレンジピクセルを使用する。これは、かなり大きな完全なウェル容量の電荷槽によって、またはピクセルあたりの電子ノイズを制限する設計によって、または電荷転送時にノイズを付加しないＣＣＤゲートの使用によって、または高い検出量子効率（ＤＱＥ）（例えば、前面照明の場合は５０％の範囲、背面薄型化としても知られる背面照明の場合は９０％の範囲）を有する設計を通して、あるいは特別な設計または記載された改善の組み合わせによって取得することができる。さらに、オーバーフロー容量を、ピクセルの前面で重ねるようにピクセルに追加することによって（この実現例は背面薄型化を必要とする）、ダイナミックレンジをさらに拡大することが可能である。好ましくは、ピクセル設計は、ブルーミング防止機構を実装する。
【００９７】
本発明によるシステムは、専用ハードウェア（例えば、ＡＳＩＣ）、構成可能なハードウェア（例えば、ＦＰＧＡ）、プログラム可能なコンポーネント（例えば、適切なソフトウェアを備えたＤＳＰまたは汎用プロセッサ）における上記に記載した方法のステップ、またはその任意の組み合わせの実施を含んでよい。同一のコンポーネントに他の機能を含める場合もある。本発明は、上述の方法のステップを実施するコード手段を含むコンピュータプログラム製品にも関し、この製品は、光学、磁気、またはソリッドステート媒体などのコンピュータ可読媒体で提供されてもよい。
【００９８】
本発明はまた、上述のシステムを含む車両にも関する。
【００９９】
本発明の実施形態は、限定ではなく、自動車用途、産業用途、ゲーム用途などを含めた広範囲の用途で有利に使用されてよく、またこれは、屋内および屋外の両方で、短距離または長距離で有利に使用することができる。一部の用途では、本発明の実施形態による異なるセンサを組み合わせて（例えば、デイジーチェーン接続）、好ましくは全円（３６０°の視野）にわたって全景のカバー範囲を生成することができる。
【０１００】
本発明による方法、ピクセル、およびピクセルアレイは、国際公開第２０１５／００４２１３号パンフレットのシステムなどの三角測量ベースのシステムで、および既存のＬＩＤＡＲシステムでも使用されて、周囲光の存在下での測定値の品質を改善できることに留意されたい。
【０１０１】
本発明は、別個の実施形態を参照して上記で説明されてきたが、これは、明確にする目的のみのために行われた。当業者は、一実施形態に関連して説明された特徴が、同じ技術的効果および利点を有する他の実施形態にも適用できることを理解するであろう。さらに、本発明の範囲はこれらの実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲によって定義される。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図７ｆ】
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【図７ｇ】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年12月19日(2019.12.19)
【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】
レンジゲーティングによって物体までの距離を求めるためのシステムであって、
−光のスポット、好ましくは離散スポットのパターンをパルスのシーケンスで、好ましくは周期的に繰り返されるパルスのシーケンスで、前記物体に向けて投影するように配置されたソリッドステート光源と、
−請求項５に記載される撮像アレイを備える検出器であって、前記パルスのシーケンスと同期して、前記物体によって反射される際の前記スポットのパターンを表す光を検出するように構成された検出器と、
−前記検出された光に応答して前記ピクセルによって生成された露光値の関数として前記物体までの前記距離を計算するように構成された処理手段とを備え、
前記撮像アレイは複数のピクセルを備え、当該複数のピクセルの各ピクセルは、
露光間隔のそれぞれのセットの間に前記物体によって反射され、前記ピクセルに衝突する光量を表す電荷を蓄積するための第１の電荷ストレージウェル（２２１）および第２の電荷ストレージウェル（２２２）、ならびに第３の電荷ストレージウェル（２２３）を備え、
前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）は、前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）の電荷容量よりも少なくとも５０％大きい電荷容量を有し、
前記第３の電荷ストレージウェル（２２３）は、前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）および前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）よりも小さい電荷ストレージ容量を有し、
前記撮像アレイの前記ピクセルは、前記シーケンスのすべてのパルスについて、第１の所定の時間ウィンドウの間に前記物体によって反射された第１の光量を表す第１の電荷量と、第２の所定の時間ウィンドウの間に前記物体によって反射された第２の光量を表す第２の電荷を蓄積することによって前記露光値を生成するように構成されており、前記第２の所定の時間ウィンドウは、前記第１の所定の時間ウィンドウの後に生じ、これによって、前記ソリッドステート（２１０）は、第１の時間ウィンドウ（１０）の間は「オン」状態であり、第２の時間ウィンドウ（２０）の間は「オフ」状態であり、
前記第１の光量の前記検出および前記第２の光量の前記検出は、前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）および前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）でそれぞれ行われる、システム。
【請求項２】
少なくとも２つの連続するパルスのシーケンスについて前記投射および前記検出を行うようにさらに構成され、前記シーケンスの各々は、前記第１の所定の時間ウィンドウおよび前記第２の所定の時間ウィンドウの異なる持続時間で作動される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記撮像アレイは、２Ｄビデオ画像の取得を実行するようにさらに適合されている、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ピクセルは、
−前記ピクセルに衝突する光によって前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）または前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）が蓄えられる電荷量を増加させる充電モードと、
−前記ピクセルに衝突する光によって前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）または前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）が蓄えられる電荷量を減少させる放電モード、
との間で前記ピクセルを切り替えることを可能にする回路をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
前記ピクセルは、前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）および前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）のアクティブな１つが容量まで満たされたときに生成される光電荷が、隣接するピクセルのストレージウェルに入らずに電荷シンクに偏向されることを可能にする回路をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
前記ピクセルは、第４の電荷ストレージウェル（２２４）をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のシステム。
【国際調査報告】
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