JPH08313215A

JPH08313215A - ２次元距離センサ

Info

Publication number: JPH08313215A
Application number: JP7146949A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Kato; 正彦加藤; Hiroshi Matsuzaki; 弘松崎; Hajime Morokuma; 肇諸隈; Tsutomu Nakamura; 力中村; Kazuya Matsumoto; 一哉松本; Tetsuo Nomoto; 哲夫野本; Toyokazu Mizoguchi; 豊和溝口
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-05-23
Filing date: 1995-05-23
Publication date: 1996-11-29
Also published as: US5754280A

Abstract

(57)【要約】【目的】照明光の機械的な走査を行わないで、３次元
距離画像を２次元撮像素子で得られるようにした２次元
距離センサを提供する。【構成】所定の周波数、持続時間及び繰り返し時間で
輝度変調された光ビームを物体１に投光する照明装置２
と、該照明装置２からの輝度変調された光ビームで照明
された物体１の像を結像する結像光学系３と、該結像光
学系３の結像面に設置された２次元撮像素子４と、該２
次元撮像素子の感度を決定する電極端子を、前記周波数
で変調駆動する駆動部及び該撮像素子４の各画素におい
て生成された信号電荷に応じた信号を取り出す読み出し
手段を有する処理回路５とで、２次元距離センサを構成
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、３次元距離画像をそ
の輝度画像と共にリアルタイムで取り込む２次元撮像素
子を用いた２次元距離センサに関し、特に車、ロボット
などの移動体が天体あるいは地上で自律走行する時の目
として、あるいは静的な３次元物体の距離画像入力装置
として利用可能な２次元撮像素子を用いた２次元距離セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】エリア・センサを利用して３次元距離画
像を得る従来の方法としては、ステレオ照合法、ス
リット投影法（シリコン・レンジ・ファインダ）を初め
として種々の方法が知られている。ステレオ照合法は、
複数の視線方向から対象とする物体を撮像して得た複数
の輝度画像から、相関演算により距離画像を求めるもの
であり、例えば、木内雄二編「画像入力技術ハンドブッ
ク」（日刊工業新聞社、1992年発行）に開示されてい
る。次に、このステレオ照合法を、離して置いた２台の
テレビカメラの出力信号を解析し、物体までの距離情報
を得る２眼立体視法の原理を示す図28に基づいて説明す
る。図28の（Ａ）において、1001は対象物体、1002，10
03はテレビカメラ、1004は信号処理系であり、図28の
（Ｂ）は図28の（Ａ）の○印で示した部分を拡大して座
標上で示した図である。物体1001上の同一点に対する像
点の位置は、物体1001が無限遠にあれば共にカメラ中
心、すなわち感光面と光軸の交点である。一般のステレ
オ画像の場合には中心からずれるから、ずれ距離ａ，ｂ
がわかると、次式（１），（２）により物体の位置Ｐ
（ｘ，ｙ）が求められる。ｘ＝ａ・ｄ／（ａ＋ｂ）・・・・・（１）ｙ＝ｄ・ｃ／（ａ＋ｂ）・・・・・（２）ここで、ｃはレンズ面と感光面との距離で、ｄはカメラ
のレンズ間の距離である。入力装置としては、一般にＣ
ＣＤ等を用いたテレビカメラが用いられる。この方法
は、原理的には適当な照明条件のもとでは常に適用可能
な筈であるが、実際には、ステレオ画像の信号から対応
点を信号処理で抽出することは、極めて膨大な計算を要
し、またその精度も必ずしも十分とは言い難い。

【０００３】スリット投影法は、図29に示すように、被
写体1101に対して、レーザー1102からのレーザー光を円
筒レンズ1103及びミラー1104を介して得られるストライ
プ1105を投射して、被写体1101の３次元構造に対応した
投影スリット像の変形を、２次元撮像素子1106の上に結
像させて測定する方法である。なお、図29において1107
は基線を示している。しかし、この手法では、３次元情
報を２次元撮像素子1106に入力するために、投影スリッ
トの位置をミラー1104によりスキャンし、そのたびに２
次元撮像素子1106より情報を取り込む必要がある。した
がって、投影ストライプ光のスキャン方向に256 画素の
空間分解能を得ようとすると、２次元撮像素子1106より
の情報の取り込みが256 回必要となり、２次元撮像素子
1106のフレーム・レートが１／30秒だとすると、２次元
撮像素子1106より情報を取り込むだけで、約8.5 秒を要
することになる。

【０００４】一方、カーネギー・メロン大学のKanade等
は、測距用に特別の回路構成を採用した撮像素子を上記
２次元撮像素子の代わりに用いることにより、投影スト
ライプ光のフル・スキャンに対して２次元撮像素子より
の情報の取り込み回数が１回で済む手法を提案してい
る。しかしながら、この手法においても、特殊な撮像素
子を用いなければならないという制約を除外しても、投
影ストライプ光のスキャンが必要なことは、図29に示し
たものと同様である。なお、図29に示したスリット投影
法については、例えば、A. Gruss et al : " Integrate
d Sensor and Range-Finding Analog Signal Processin
g " IEEE J. Solid-State Circuits, Vol.26, No.3, Ma
rch 1991, pp.184-191に詳述されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のステレオ照
合法は、得られた輝度画像から距離画像を得るのに膨大
な演算あるいは信号処理を必要とする。一方、スリット
投影法においては、ストライプ光で物体を機械的に走査
する例に見られるように、２次元撮像素子そのものが直
接に距離画像を取得する能力を持つ場合でも、何らかの
機械的走査部分を必要とするという問題点がある。セン
サの小型・高速・軽量化の点、あるいはメンテナンスフ
リーの点から可動部のないことが望ましく、例えば、宇
宙空間での使用を考えた場合には、これが強く要求され
る。

【０００６】本発明は、従来のエリア・センサを利用し
て３次元距離画像を得る方法における上記問題点を解消
するためになされたもので、照明光の機械的な走査なし
に距離画像を直接得ることの可能な２次元距離センサを
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段及び作用】次に上記問題点
を解決するための本発明の構成を、図１に示す概念図に
基づいて説明する。本発明は、所定の周波数、持続時間
及び繰り返し時間で輝度変調された光ビームを物体（被
写体）１に投光する照明装置２と、該照明装置２からの
輝度変調された光ビームで照明された物体１の像を結像
する結像光学系３と、該結像光学系３の結像面に設置さ
れた２次元撮像素子４と、該２次元撮像素子４の感度を
決定する電極端子を前記周波数で変調駆動する駆動部及
び該撮像素子４の各画素において生成された信号電荷に
対応した信号を取り出す読み出し手段を有する処理回路
５とで、２次元距離センサを構成するものである。

【０００８】このように構成された２次元距離センサに
おいては、照明装置２より所定の周波数で輝度変調した
光ビームを出射し、この光ビームで照明された物体（被
写体）１の像を、結像光学系３を介して２次元撮像素子
４上に結像し、処理回路５により２次元撮像素子４を駆
動し該撮像素子４の情報を読み出す。このとき、２次元
撮像素子４で受光された各画素上での照明光には、前記
物体１の３次元構造に対応した位相のずれを生ずる。そ
こで前記２次体撮像素子４の受光感度を前記所定の周波
数で変調することができるように構成することにより、
受光された照明光の位相と２次元撮像素子４の受光感度
の位相が合致した画素では多くの信号電荷が蓄積され、
合わない画素では僅かしか蓄積されない。換言すると、
受光された照明光の位相の検波が各画素で行われ、その
結果蓄積された電荷量が、前記３次元物体の距離情報を
直接表現することになる。

【０００９】２次元撮像素子では、通常ｐ−ｎフォトダ
イオードもしくはＭＯＳフォトダイオードを逆バイアス
して光電変換部に用いている。したがって、この光電変
換部に対して設定されているバイアス条件を上記照明装
置２の輝度変調周波数に同期して変調することによっ
て、感度変調が実現できることになる。したがって、照
明装置２より輝度変調された光ビームを対象とする物体
に照射し、反射光による２次元画像を２次元撮像素子４
上に結像し、該２次元撮像素子４の光電変換部に対して
設定されているバイアス端子を前記照明装置２の変調周
波数に同期して変調駆動することにより、該２次元撮像
素子４の光電変換度も変調され、各画素においていわゆ
る位相の検波が可能となる。すなわち、機械的走査部な
しに３次元物体の距離情報が２次元撮像素子の各画素に
蓄積された電荷量の多少として、換言すると輝度画像と
して得ることができる。

【００１０】

【実施例】次に実施例について説明する。図２は本発明
に係る２次元距離センサの第１実施例を示すブロック構
成図である。図２において、11は２次元撮像素子の感度
を変調するための感度変調駆動部、12は２次元撮像素子
駆動部、13は２次元撮像素子、14は制御信号発生器、15
は信号処理部、16は背景光の影響を除去し、輝度変調さ
れた光源の波長帯域の反射光の波長付近の光のみを透過
させる光学バンドパスフィルタ、17は結像光学系、18は
光源駆動部、19は光源、20は対象物体（被写体）を示し
ている。この実施例では、２次元撮像素子13としてＣＭ
Ｄ（Charge Modulation Device）撮像素子を用いた場合
について説明する。図３はＣＭＤ撮像素子の受光単位で
ある１画素を構成するトランジスタの構造を示す概略図
であり、図３において、21は基板、22はエピタキシャル
成長法で形成したｎ^-チャネル層、23はｎ⁺ソース拡散
層、24はｎ⁺ドレイン拡散層、25はゲート絶縁膜、26は
ゲート電極、27はソース電極である。このように構成さ
れているＣＭＤ撮像素子は、次のように動作する。すな
わち、ゲート電極26の上部から入射する信号光28はゲー
ト電極26，ゲート絶縁膜25を順次透過して、ｎ^-チャネ
ル層22で正孔電子対を生成する。生成された正孔は負電
圧が印加されたゲート電極26の下の絶縁膜−半導体界面
に蓄積される。蓄積正孔によりドレイン拡散層24とソー
ス拡散層23間に存在する電子に対する電位障壁が低下
し、その結果蓄積正孔により変調されたソース・ドレイ
ン電流が流れ、入射光量に依存した信号電流が非破壊的
に得られるようになっている。

【００１１】次に、このような構成のＣＭＤ撮像素子を
用いた図２に示した第１実施例の動作を、図４のタイミ
ングチャートを用いて説明する。図４において、Φ_sは
計測開始バルス、Φ_SMはＣＭＤ撮像素子13の感度を変調
する波形、Φ_LDは光源19を駆動する波形、Φ_refは光源
19から出射され、有限の距離にある被写体20によって反
射されＣＭＤ撮像素子13の受光面上に結像された戻り
光、Φ_RDはＣＭＤ撮像素子13からデータを読み出すため
の読み出し駆動パルス群、Φ_DATAはＣＭＤ撮像素子13か
ら読み出されたデータを表している。

【００１２】図４の時刻ｔ₀において、事前にＣＭＤ撮
像素子13の信号電荷は全て排出されており、一方光源19
がＯＦＦしている状態で、制御信号発生器14からの制御
信号Φ_LDにより光源駆動部18は光源19の輝度変調を開始
し、またＣＭＤ撮像素子13の感度変調駆動部11も制御信
号発生器14からの制御信号Φ_SMにより前記輝度変調と同
一の周波数で、ＣＭＤ撮像素子13の感度変調を開始する
（図４，期間Ｔ₁）。ここで説明を簡単にするため、輝
度の変調並びに感度の変調は、周期Ｔ₀，デューティ50
％の矩形波でなされており、且つ変調された輝度の最低
レベルは輝度０、また変調された感度の最低レベルは感
度０に設定されているものと仮定する。距離ｚにある被
写体20を考えると、光源19から投光された光は、距離ｚ
を走行して被写体20に投影されて反射し、再び距離ｚを
走行してＣＭＤ撮像素子13に結像される。このため図５
の拡大タイミングチャートに示すように、距離ｚにある
被写体20からの入射光は、次式（３）で表されるｔ_dだ
け光源19からの発光より遅れて、ＣＭＤ撮像素子13に入
射する。ｔ_d＝２・ｚ／ｃ・・・・・（３）ただしｃは光速である。

【００１３】このため１周期の輝度変調期間に、ＣＭＤ
撮像素子13の画素部に生成可能な信号電荷数の比率は、
距離ｚ＝０にある被写体の場合をη＝１とすれば、次式
（４）で表される。 η＝１−２・ｔ_d／Ｔ₀ ・・・・・（４）つまり、当該画素の出力を計測すれば、その値はηに比
例し、式（４）に示すように既知のＴ₀と計測したηと
から、ｔ_dを求めることができ、更に式（３）を用いれ
ば、被写体までの距離ｚを算出することが可能となる。

【００１４】よって、期間Ｔ₁が終了した時点でＣＭＤ
撮像素子13上の各画素部には、次式（５）で表される信
号が蓄積されていることになる。Ｈ₁（ｘ，ｙ）＝ｋη（ｚ）Ｉ（ｘ，ｙ）Ｔ₁ ・・・・・（５）ここで、ｋ：比例定数、Ｉ（ｘ，ｙ）：被写体の反射率
とする。なお、Ｉ（ｘ，ｙ）には被写体までの距離に応
じて減少する光源の照度の影響も含まれている。

【００１５】期間Ｔ₁が終了の後、ＣＭＤ撮像素子13を
駆動してこれらの信号を読み出し、信号処理部15の中に
設けた図示しないメモリに格納する。読み出しと同時
に、又はその後に各画素の信号電荷をクリアーする。次
に再び、制御信号発生器14からの制御信号Φ_LDにより光
源駆動部18は光源19の輝度変調を開始し、またＣＭＤ撮
像素子13の感度変調駆動部11は感度が一定の状態を維持
する（図４，期間Ｔ₂）。この時には、期間Ｔ₁のとき
とは異なり、感度変調がなされていないので、（５）式
の感度変調に伴う因子は定数となり、期間Ｔ₂が終了し
た時点でＣＭＤ撮像素子13上の各画素部には、次式
（６）で示される信号が蓄積されていることになる。Ｈ₂（ｘ，ｙ）＝（ｋ／２）・Ｉ（ｘ，ｙ）・Ｔ₂ ・・・・・（６）

【００１６】期間Ｔ₂が終了の後、ＣＭＤ撮像素子13を
駆動してこれらの信号を読み出し、信号処理部15の中に
設けた図示しないメモリのうち、期間Ｔ₁が終了の後に
書き込んだのとは別のメモリに格納する。これらのメモ
リには式（５）と式（６）で示される情報が記憶されて
おり、２次元距離情報は、次式（７）により簡単に求め
られる。 η（ｚ）＝（１／２）・｛Ｈ₁（ｘ，ｙ）／Ｔ₁｝／｛Ｈ₂（ｘ，ｙ）／Ｔ₂｝・・・・・（７）

【００１７】つまり、輝度変調が２次元的に行われ、ま
たその受光動作もＣＭＤ撮像素子上において２次元的に
なされるため、本方式によれば２次元距離情報と輝度情
報が連続するフィールド又はフレームから得られること
になる。本実施例の説明においては、ＣＭＤ撮像素子を
用いた例について説明を行ったが、本方式の要点は光源
の輝度変調周波数と同期して２次元撮像素子の感度を変
調するところにある。よって、利用する２次元撮像素子
としはＣＭＤ撮像素子に限定されるものではなく、基板
電位あるいは受光面に存在する電極電位により、感度が
変化するＣＣＤなどの固体撮像素子にも応用可能な技術
で有ることは明らかである。また、上記実施例の説明に
おいては、感度変調を行わないで撮像素子を露光する場
合、感度変調時と同様に照明の輝度変調を行うようにし
たものを示したが、感度変調を行わないで撮像素子を露
光する場合には、照明の輝度変調を行わなくても差し支
えないことは言うまでもない。以上が本発明の第１実施
例の原理的な説明である。

【００１８】次に第２実施例について説明する。この実
施例は、第１実施例における２次元撮像素子として、特
開昭６０−２０６０６３号開示のＣＭＤ撮像素子を用い
て感度変調を行うようにしたものである。この実施例に
おいては、ＣＭＤ撮像素子を用いることにより、ＣＣＤ
等の通常の撮像素子に比べ高い周波数での感度変調が実
現可能であるため、距離精度の高い２次元距離の測定が
可能であることが特徴である。

【００１９】図６及び図７は、ゲート電位Ｖ_Gを−１Ｖ
及び−６ＶとしたときのＣＭＤ撮像素子内部の電位分布
を示す図であり、この電位分布図を用いて、ＣＭＤ撮像
素子の受光感度の変調方法の原理を説明する。なお、図
６，７において、31はゲート電極、32はドレイン拡散
層、33はソース拡散層の中心、34はシリコン表面、35は
基板深部方向を示している。図６，７のそれぞれの電位
鞍点Ａ，Ｂとゲート電極との間で発生した電子−正孔の
ペアのうち、正孔は基板内部の電位勾配に従って走行
し、ゲート電極下に蓄えられる。換言すると、電位鞍点
Ａ又はＢとゲート電極との間の領域で発生した正孔のふ
るまいは、図６のＶ_G＝−１Ｖとした時には、電位鞍点
Ａが表面に近いために受光領域として寄与する体積は小
さく、発生した正孔のうちゲート電極下に蓄積される割
合は小さくなる。一方、Ｖ_G＝−６Ｖとした図７の場合
は、電位鞍点ＢはＶ_G＝−１Ｖとした時に比べ深部に形
成されるため、点線で示した受光領域として寄与する体
積は大きくなり、発生した正孔のうちゲート電極下に蓄
積される割合は大きくなる。すなわち、被写体像を結像
し、ＣＭＤ撮像素子が撮像動作を行っている最中に、ゲ
ート電位Ｖ_Gを−１Ｖと−６Ｖの間で変調すれば、受光
感度も変調されることになり、上述の２次元距離センサ
が実現できることになる。

【００２０】一方、ＣＭＤ撮像素子の受光感度の変調方
法は、上記ゲート電位を変調する方法以外にも存在す
る。例えば、基板電圧Ｖ_SUBを変調することによって
も、必要な受光感度の変調が可能である。Ｖ_SUB＝−20
Ｖの時は図６に類似の電位分布となり、一方、Ｖ_SUB＝
−２Ｖの時は図７に類似の電位分布となる。ゲート電位
を変化させた時と同様に基板内部の電位勾配が基板電圧
に従って変化するので、Ｖ_SUB＝−20Ｖの時は電位鞍点
が浅部に形成されて受光領域として寄与する体積は小さ
く、発生した正孔のうちはゲート電極下に蓄積される割
合が小さくなる。一方、Ｖ_SUB＝−２Ｖの時はＶ_SUB＝
−20Ｖの時に比べ電位鞍点が深部に形成されるので受光
領域として寄与する体積は大きくなり、発生した正孔の
うちゲート電極下に蓄積される割合が大きくなる。すな
わち、被写体像を結像し、ＣＭＤ撮像素子が撮像動作を
行っている最中に、基板電圧Ｖ_SUBを−２Ｖと−20Ｖの
間で変調すれば、ゲート電位を変調した場合と同様に受
光感度が変調されることになり、上述の２次元距離セン
サが実現できることになる。

【００２１】更に、ＣＭＤ撮像素子を用いた感度変調の
他の例として、以上説明したゲート電位の変調と基板電
圧の変調を組み合わせる方法が存在する。これは図８の
タイミング図に示すように、例えば、Ｖ_G＝−６Ｖで且
つ基板電圧Ｖ_SUB＝−２Ｖの高感度状態と、Ｖ_G＝−１
Ｖで且つ基板電圧Ｖ_SUB＝−20Ｖの低感度状態の間でバ
イアス変調を行って、感度変調を実現する方法である。
この方法によれば、ゲート電位並びに基板電圧の変調効
果が相互に重畳されるため、ゲート電位並びに基板電圧
をそれぞれ単独にバイアス変調した際に得られる感度変
調比よりも、大なる感度変調効果を実現できる。本出願
人はシミュレーション及び実験により、Ｖ_G＝−６Ｖ／
−１Ｖ及びＶ_SUB＝−２Ｖ／−20Ｖの組み合わせのバイ
アス変調により、波長λ＝660 nmの入射光に対して、約
３倍の感度変調効果を確認している。

【００２２】次に、かかるＣＭＤ撮像素子全体の具体的
な構成を図９の回路構成図に基づいて説明する。まず各
画素を構成するＣＭＤ41−11，41−12，・・・41−mnを
マトリクス状に配列し、その各ドレインには共通にビデ
オ・バイアスＶ_D（＞０）を印加する。Ｘ方向に配列さ
れたＣＭＤ群のゲート端子は行ライン42−１，42−２，
・・・42−ｍにそれぞれ接続し、Ｙ方向に配列されたＣ
ＭＤ群のソース端子は列ライン43−１，43−２，・・・
43−ｎにそれぞれ接続する。上記列ライン43−１，43−
２，・・・43−ｎは、それぞれ列選択用トランジスタ44
−１，44−２，・・・44−ｎを介して、信号線45に接続
される。信号線45は図示しない入力が仮想接地された電
流−電圧変換型のプリアンプに接続され、プリアンプの
出力端には映像信号が時系列で読み出されるようになっ
ている。また、行ライン42−１，42−２，・・・42−ｍ
は垂直走査回路46に接続して、それぞれ信号Φ_G1，
Φ_G2，・・・Φ_Gmを印加し、列選択用トランジスタ44−
１，44−２，・・・44−ｎのゲート端子は、水平走査回
路47に接続して、それぞれの信号Φ_S1，Φ_S2，・・・Φ
_Snを印加する。なお各ＣＭＤは同一基板上に形成し、そ
の基板には基板電圧Ｖ_SUBを印加するようになってい
る。また、垂直走査回路46及び水平走査回路47は１本の
スタートパルスと２本のクロックで駆動される構成とな
っている。

【００２３】図10及び図11は、図９に示したＣＭＤ撮像
素子の動作を説明するための信号波形図である。なお、
図11は図10に続く信号波形図を示している。行ライン42
−１，42−２，・・・42−ｍに印加される信号の代表例
としてＧ−ｎが示されており、行ラインのパルスは読み
出しゲート電圧Ｖ_RDとリセット電圧Ｖ_RS，オーバーフロ
ー電圧Ｖ_OF，蓄積電圧Ｖ_ACよりなり、非選択行において
は映像信号の水平有効期間中は蓄積電圧Ｖ_AC，水平帰線
期間中はオーバーフロー電圧Ｖ_OFとなり、選択行におい
ては映像信号の水平有効期間中は読み出しゲート電圧Ｖ
_RD，水平帰線期間中はリセット電圧Ｖ_RSとなる。よっ
て、スタートパルスΦ_VSTが入力された後、垂直走査回
路46に入力される２相のクロックΦ_V1，Φ_V2にしたがっ
て順次行ラインが選択され、行ラインの選択中に、スタ
ートパルスΦ_HSTが入力されて水平走査回路47に入力さ
れる２相のクロックΦ_H1，Φ_H2にしたがって、各画素の
信号が順次信号線45に読み出されるようになっている。

【００２４】次に、かかるＣＭＤ撮像素子を用いた２次
元距離センサとしての具体的な動作を説明する。図10に
示した期間１において、ＣＭＤ撮像素子は通常の読み出
し動作を行う。この動作は、２次元距離センサとしては
センサの信号電荷のリセット動作として機能する。よっ
て、必ずしもここで示した通常の動作が必要なものでは
なく、信号電荷のリセットが可能であれば、別の駆動方
法であっても差し支えない。更に、２次元距離センサと
しての連続動作させる場合は、例えば後述する期間５の
信号読み出しを、この信号電荷のリセット動作として併
用することも可能である。

【００２５】次に期間２において、各走査回路46，47へ
の入力パルスを各画素が受光状態になるような状態で固
定する。その後、時間間隔Ｔ₁の間、光源を周波数ｆの
クロックで変調して被写体を照明し、またＣＭＤ撮像素
子の基板電圧Ｖ_SUBを上記周波数ｆのクロックに同期し
て変調する。次に、期間３においてはＣＭＤ撮像素子の
通常の読み出しを行い、期間２における照明変調と感度
変調の結果累積された各画素の信号を読み出す。この信
号をＨ₁とする。更に、引き続く期間４においては、期
間２の場合と同様に、各走査回路の46，47への入力パル
スを各画素が受光状態になるような状態で固定する。そ
の後、時間間隔Ｔ₂の間、光源を周波数ｆのクロックで
変調して被写体を照明するが、期間２の場合とは異なり
ＣＭＤ撮像素子の基板電圧Ｖ_SUBは通常の撮像状態を実
現するＤＣ電位とし、感度変調は行わない。次に、期間
５においては、ＣＭＤ撮像素子の通常の読み出し動作を
行い、期間４における変調照明の結果蓄積された各画素
の信号を読み出す。この信号をＨ₂とする。

【００２６】これらのシーケンスの結果として読み出さ
れるデータは以下の式（８），（９），（10），（1
1），（12）で表される。Ｈ_i＝ｈ₁ｔ＋ｈ（ｚ）ｔ＋ｈ₂ｔ・・・・・（８）ｈ₁＝ｋ₁Ｉ（ｘ，ｙ）・・・・・・・・・・（９）ｈ（ｚ）＝ｋ₂Ｉ（ｘ，ｙ）ｆ（ｚ）・・・・（10）但し、ｉ＝１，２ｈ₁：ＤＣ成分ｈ₂：暗電流ｈ（ｚ）：変調検波成分ｔ：時間ｋ₁，ｋ₂：比例定数Ｉ（ｘ，ｙ）：物体の２次元輝度情報ｆ（ｚ）：物体の距離情報、Ｈ₁＝Ｔ₁・〔Ｉ（ｘ，ｙ）・｛ｋ₁＋ｋ₂ｆ（ｚ）｝＋ｈ₂〕・・（11）Ｈ₂＝Ｔ₂・｛Ｉ（ｘ，ｙ）ｋ₁＋ｈ₂｝・・・（12）

【００２７】以上の動作を、図２〜図５に示した第１実
施例に対応させて説明すると、制御信号発生器14から感
度変調パルスΦ_SMが感度変調駆動部11に印加され、Φ_SM
にしたがって、ＣＭＤ撮像素子13の基板印加電圧Ｖ_SUB
がパルス駆動される。一方、制御信号発生器14から光源
変調パルスΦ_LDが光源駆動部18に印加され、光源19がパ
ルス駆動される。基板印加電圧Ｖ_SUBは図４のΦ_SMにし
たがい、−２Ｖから−20Ｖまでの間を周期Ｔ₀，持続時
間Ｔ₁で変調される。光源19は、感度変調パルスΦ_SMに
したがって印加される基板印加電圧Ｖ_SUBと同期して、
周期Ｔ₀，持続時間Ｔ₁で輝度変調されるほか、持続時
間Ｔ₂の期間にも周期Ｔ₀で輝度変調される。

【００２８】ＣＭＤ撮像素子13は２つの画像取得モード
を持つ。１つは距離画像取得モードで、他は輝度画像取
得モードである。持続時間Ｔ₁の期間は前者の距離画像
取得モードであり、持続時間Ｔ₂の期間は後者の輝度画
像取得モードである。図６及び図７からわかるように、
距離画像取得モードでは基板印加電圧Ｖ_SUBが−２Ｖか
ら−20Ｖまで変化するが、Ｖ_SUB＝−２Ｖ：ゲート電位
Ｖ_G＝−６Ｖと設定したときの光電変換層の厚さは、Ｖ
_SUB＝−20Ｖ：ゲート電位Ｖ_G＝−１Ｖと設定したとき
のそれよりも、ずっと厚くなる。換言すると、Ｖ_SUB＝
−２Ｖ：ゲート電位Ｖ_G＝−６Ｖと設定したときは、図
７の場合に相当し、Ｖ_SUB＝−20Ｖ：ゲート電位Ｖ_G＝
−１Ｖと設定したときは、図６の場合に相当する。光源
19の輝度変調は、Ｖ_SUB＝−２Ｖ：ゲート電位Ｖ_G＝−
６Ｖと設定したとき最高の光出力となり、Ｖ_SUB＝−20
Ｖ：ゲート電位Ｖ_G＝−１Ｖと設定したとき最低の光出
力となるように選ぶ。輝度画像取得モードではＶ_SUB＝
−２Ｖ，Ｖ_G＝−６Ｖの高感度状態を保持するように設
定され、基板印加電圧Ｖ_SUBは持続時間Ｔ₂の間に一定
に保たれる。

【００２９】図12は基板での相対感度Ｒと光電変換層の
厚みＴ〔μｍ〕並びに基板電圧Ｖ_SUBとの関係を示す図
である。基板電圧Ｖ_SUBが負の方向に大きなときには光
電変換層の厚みＴは薄くなり、相対光吸収率は小さくな
る。逆に、基板電圧Ｖ_SUBが０Ｖに近いときには光電変
換層の厚みＴは厚くなり、相対光吸収率は大きくなる。

【００３０】ところで、上述の距離画像取得モードで
は、次に述べるように対象物体の輝度情報の影響を受け
る。このため何らかの補正を必要とする。具体的には、
ゲートに蓄積されるホール数Ｈは信号電荷の積分時間を
Ｔとすると、次式（13），（14），（15）で表される。Ｈ＝ｈ₁・Ｔ＋ｈ（ｚ）・Ｔ＋ｈ₂・Ｔ・・・・・（13）ｈ₁＝ｋ₁・Ｉ（ｘ，ｙ）・・・・・・・・・・・（14）ｈ（ｚ）＝ｋ₂・Ｉ（ｘ，ｙ）・ｆ（ｚ）・・・・（15）但し、ｈ₁：ＤＣ成分ｈ₂：暗電流ｈ（ｚ）：変調検波成分ｋ₁，ｋ₂：比例定数Ｉ（ｘ，ｙ）：物体の２次元輝度情報ｆ（ｚ）：物体の距離情報、物体の距離情報ｆ（ｚ）は、輝度変調の１周期をＴ₀と
すると（３）式と（４）式から、次式（16）で表され
る。ｆ（ｚ）＝１−４・ｚ／（Ｔ₀・ｃ）・・・・・・・（16）このｆ（ｚ）を用いて、各画像取得モード時に得られる
出力は、次式（17），（18）で表される。Ｈ₁＝Ｔ₁・〔Ｉ（ｘ，ｙ）・｛ｋ₁＋ｋ₂・ｆ（ｚ）｝＋ｈ₂〕・・（17）Ｈ₂＝Ｔ₂・〔Ｉ（ｘ，ｙ）・｛ｋ₁＋ｋ₂・１｝＋ｈ₂〕・・・（18）但し、Ｈ₁：距離画像取得モード時出力Ｈ₂：輝度画像取得モード時出力上記のＨ₁及びＨ₂が、距離画像取得モード及び輝度画
像取得モードに対応して図４に示した期間Ｔ₁₀及びＴ₂₀
にそれぞれ読み出されたΦ_DATAに対応する。

【００３１】上記（16）式で表される距離情報を表すｆ
（ｚ）は、（17），（18）式を用いることにより、次式
（19）で与えられる。ｆ（ｚ）＝（Ｔ₂／Ｔ₁）・（Ｈ₁−ｈ₂・Ｔ₁）／（Ｈ₂−ｈ₂・Ｔ₂）・（１＋ｋ₁／ｋ₂）−ｋ₁／ｋ₂ ・・・・・・・・（19）（19）式において、ｋ₁／ｋ₂は光源の輝度変調と撮像
素子の感度変調を行なった場合の直流成分と変調成分の
強度比を表す。距離情報は（19）式の右辺第１項と第２
項の差分として求められるので、直流成分の強度に比
べ、変調成分の強度を強くしておかないと、桁落ち誤差
により距離情報の精度が劣化することがわかる。よっ
て、撮像素子の暗電流のオフセット出力を十分に小さく
抑えるために、直流的な背景光の影響を除外して測距精
度を向上することが必要となる。この対策として、照明
光源近傍の波長帯域の光のみを透過し背景光をカットす
る光学バンドパスフィルタ16を備えることが望ましい。
また光学バンドパスフィルタ16を用いる場合には、特定
波長帯域にエネルギーが集中している光源で照明するこ
とが望ましいため、光源としては通常ＬＥＤ，ＬＤが用
いられる。

【００３２】なお、距離検出精度を向上するためには、
検波方式の原理より、感度変調の周期の繰り返し数を多
く設定するのが望ましく、必然的に２次元撮像素子の積
分時間（画素電荷のリセットから画素電荷の読み出しま
での時間）が長くなりがちである。（19）式において、
ｈ₂が暗電流の生成率を表す因子であるから、積分時間
Ｔ₁やＴ₂が長くなると、やはり桁落ち誤差により距離
情報の精度が劣化することがわかる。このため高精度の
距離検出に当たっては、暗電流の生成率を表すｈ₂を小
さくする方策が必要とされる。このための改善手段につ
いては後述の第３実施例で説明する。以上、変調成分の
強度の問題と暗電流の問題について述べたが、これはＣ
ＭＤ撮像素子に限るものではなく、本発明の２次元距離
センサの全てに共通する課題である。

【００３３】レンジファインダでは、数ｍから10ｍ程度
の計測には、変調信号の周期Ｔ₀としては0.1 μｓ位が
用いられる。しかし１ｍ前後のレンジで、より精度の高
い３次元画像入力も望まれており、この場合、変調信号
の周期Ｔ₀としては10ns程度となり、感度変調を100 Ｍ
Hzのオーダーで実現しなければならない。したがって、
本発明の原理である２次元撮像素子の感度変調が高速に
行えることが必要とされる。ＣＣＤに代表される通常の
固体撮像素子においては、画素の光電変換領域が完全に
は空乏化していないため、半導体基板中で光入射により
発生した電荷は、その電荷密度の勾配に従って拡散す
る。このため、バイアス変調により高速に光電変換領域
の体積を変更し感度変調を実現しようとしても、前述の
拡散電荷の再配置が低速であるために、高速な感度変調
が実現できない。これに対して、ＣＭＤ撮像素子におい
ては光電変換領域が完全に空乏化しているため、半導体
基板中で光入射により発生した電荷は全て半導体基板中
の電界に従って移動し、電荷密度の勾配に従う拡散によ
る移動は存在しない。このためバイアス変調により、Ｃ
ＣＤに代表される、光電変換領域が完全には空乏化して
いない通常の固体撮像素子においては不可能な、高速感
度変調が実現できる。すなわち、本実施例の特徴は、固
体撮像素子としてＣＭＤ撮像素子を用い、基板バイアス
を変調することにより高速度の感度変調を行い、測距精
度の高い２次元距離センサを実現した点にある。

【００３４】次に図13に基づいて第３実施例を説明す
る。図13において図１の概念図に示したものと同一の機
能要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。第
２実施例の説明で述べたように、距離検出精度を向上す
るためには、感度変調の周期の繰り返し数を多く設定す
るのが望ましく、これにより必然的に固体撮像素子の積
分時間（画素電荷のリセットから画素電荷の読み出しま
での時間）が長くなりがちである。したがって、暗電流
によりダイナミック・レンジが低下し、現実的な測距精
度に影響を与える。本実施例は、この点を改善するため
のもので、図13に示すように、固体撮像素子の裏面にペ
ルチェ素子等の冷却装置６を設けて冷却することによ
り、暗電流の低減を計ることができるようにしたもので
ある。このように構成することにより、通常の構成では
不可能だった、長時間積分が可能となるので、測距精度
を向上させた２次元距離センサを実現することができ
る。

【００３５】次に第４実施例について説明する。本実施
例は、ＣＭＤを受光画素としたＣＭＤ撮像素子を用いた
２次元距離センサにおいて、より高速な感度変調が達成
できるようにしたものである。まずＣＭＤ画素の断面構
造を図14に示し、その構成を再度簡単に説明する。51は
ｐ^-基板、52はｎ^-チャネル層、53はｎ⁺ソース拡散
層、54はｎ⁺ドレイン拡散層、55はゲート絶縁膜、56は
ゲート・ポリシリコン電極、57はソース電極、58はドレ
イン電極である。この構成のＣＭＤ画素の受光動作につ
いては、図３に関して先に説明したので、ここではその
説明を省略する。

【００３６】ところで、一般にＣＭＤ画素を用いた固体
撮像素子においては、ＣＭＤ画素のバックゲート電極基
板は、不純物濃度が〜６Ｅ13cm^-3のｐ^-型基板をそのま
ま使用し、その上に不純物濃度が〜１Ｅ13cm^-3，厚さが
３〜10μｍのｎ^-チャネル層を形成している。すなわち
図15の（Ａ），（Ｂ）に示すように、一様な基板濃度Ｃ
_SUBのｐ^-型基板上に、高抵抗ｎ^-チャネル層を厚さＸ
₁に形成している。さて、ｐ^-基板51に印加する電位Ｖ
_SUBを変化させて、ＣＭＤ画素の感度を変調させる場
合、最大変調周波数ｆ_MAXは、次式（20）で表される。ｆ_MAX＝１／（Ｃ・Ｒ_SUB）・・・・・（20）ここで、ＣはＣＭＤの表面空乏化層の容量であり、次式
（21）で表される。Ｃ＝ｋ_si・ε_o／Ｘ_dep ・・・・・・・（21）ここで、ｋ_si＝11.8，ε_o＝8.86×10^-14Ｆ／cm，また
ＣＭＤ受光素子においてはＸ_depは平均10μｍの程度で
ある。以上の数値を用いて空乏層容量Ｃを計算すると、
次式（22）で与えられる。Ｃ＝1.0 ×10^-9Ｆ／cm ・・・・・・・・（22）また、ｐ^-型基板の濃度が、６×10¹³cm^-3の場合、抵抗
率ρは300 Ωcmとなる。単位面積当たりのＲは、次式
（23）で表される。Ｒ＝ρ・ｔ_SUB ・・・・・・・・・・・（23）基板厚さｔ_SUBは従来のシリコン基板では500 μｍであ
る。この値を上記（23）式に代入すると、次式（24）の
ようになる。Ｒ＝15Ωcm² ・・・・・・・・・・・・（24）よって、ｆ_MAXは（20）式より64ＭHzとなる。

【００３７】ところで感度変調方式においては、変調周
波数の半周期に光が進む距離で測距可能な範囲Ｌが与え
られる。すなわち、Ｌは次式（25）で表される。Ｌ＝ｃ／ｆ_MAX／２・・・・・・・・・（25）上記（25）式に、ｃ＝３×10⁸ｍ／ｓ，ｆ_MAX＝64ＭHz
を代入すると、Ｌは次式（26）で与えられる。Ｌ＝2.34ｍ・・・・・・・・・・・・・（26）３次元情報の入力が要求される分野においては、上述の
Ｌの値よりももっと短い距離範囲内を、高精度に測距す
ることが要求される場合がある。本実施例は、かかる要
求を満たすＣＭＤ撮像素子を提供するものである。より
距離分解能を向上させ、高精度に測距するためには、ｆ
_MAXを上昇させれば良い。（20）式，（21）式，（22）
式より、ｆ_MAXは次式（27）のように表される。ｆ_MAX＝１／（Ｃ・Ｒ_SUB）＝Ｘ_dep／（ｋ_si・ε_o・ρ・ｔ_SUB）・（27）Ｘ_dep，ｋ_si，ε_oはＣＭＤ撮像素子に固有の数値であ
り、大きな変更は不可能である。つまり、ｆ_MAXを上昇
させるには、ρを下げるかｔ_SUBを薄くする方法により
可能となる。

【００３８】まずρを下げる方法について説明する。本
件発明者らは先に特開平３−１１４２６０号において、
ＣＭＤ撮像素子のｎ^-チャネル層及びｐ^-基板層を両者
共にエピタキシャル法を用いて形成する製造方法を提案
した。図16の（Ａ）に、かかる製造方法により得られた
ＣＭＤ撮像素子の基板構造の断面図を示す。すなわちシ
リコン基体としてＣ_SUB′の濃度を有するｐ型基板60の
上に、順次エピタキシャル法で形成した濃度Ｃ_SUBを有
するｐ^-チャネル層61，濃度Ｃ_epiを有するｎ^-チャネ
ル層62が設けられている。かかる基板構造における濃度
分布の一例を図16の（Ｂ）に示している。ｐ^-チャネル
層61，ｎ^-チャネル層62をエピタキシャル法により形成
するため、ｐ型基板60の濃度Ｃ_SUB′は任意の値がとれ
るが、ｆ _MAXを上昇させるため図16の（Ｂ）において
は、Ｃ_SUB′＞Ｃ_SUBの状態を示している。つまりＣ
_SUB′＞Ｃ_SUBの条件に適合させることにより、基板抵
抗率ρが下がり、（27）式よりｆ_MAXが向上する。例え
ば、従来、ρ＝300 Ωcm（Ｃ_SUB＝６×10¹³cm^-3）に設
定していたのを、本実施例でＣ_SUB＝２×10¹⁶cm^-3とす
れば、抵抗率はρ＝１Ωcmまで低下させることが可能と
なる。すなわち、従来の300 Ωcmの場合に比較して、30
0 倍の向上が可能となる。

【００３９】次に、ｔ_SUBの薄膜化について説明する。
従来のＣＭＤ撮像素子の製造方法においては、出来上が
りにおいてｔ_SUB＝500 μｍの基板をそのまま使用して
いたが、この基板の厚さｔ_SUBをＣＭＤ撮像素子の製造
の最終工程において、裏面ラッピングにより薄膜化する
ことが可能である。例えば、ｔ_SUB＝500 μｍの基板
を、裏面より400 μｍの厚さだけラッピング法により除
去するならば、基板はｔ_SUB＝100 μｍに薄膜化され
る。したがって、ｆ_MAXは薄膜化しない場合に比べ５倍
の向上が可能となる。

【００４０】以上、感度変調可能なＣＭＤ撮像素子にお
いて、ｎ^-チャネル層，ｐ^-チャネル層をｐ型基体上にエ
ピタキシャル成長法を用いて形成する構成・手法をと
り、ｐ型基体不純物濃度をｐ^-チャネル層濃度より上昇
させる条件に設定し、ρを下げる。裏面ラッピング法を用いて基板厚みｔ_SUBを下げ
る。の２つの手法により、従来と比較して、変調周波数の向
上が可能な、すなわち距離情報の分解能（精度）の向上
が可能な２次元距離センサの実現が可能となる。もちろ
ん上記，の方法を併用することにより、更にｆ_MAX
の向上が可能であることは言うまでもない。

【００４１】次に、２次元撮像素子として電子打ち込み
ＡＭＩ撮像素子を利用した第５実施例について説明す
る。電子打ち込みＡＭＩ撮像素子の技術的な詳細な内容
については、1991年９月ロンドンで開催されたマギー・
シンポジウム（Conf. on Photoelectronic Image Devic
es）の講演論文集（1992年，IOP Publishing Ltd. 発
行）の175 −182 頁のT. Kawamura 等による“ An elec
tron-bombarded amorphousSi/AMI image intensifier
”という論文において説明がなされている。図17に示
すように本実施例において用いる電子打ち込みＡＭＩ撮
像素子は、従来のＡＭＩ撮像素子75の上に、水素化非晶
質シリコン73を中心にＡｌ電極71，窒化膜72，窒素ドー
プ水素化非晶質シリコン74が積層されている。そして最
上部のＡｌ電極71には、図18の電子打ち込みＡＭＩ撮像
管に示すように、従来のインイバーター型イメージ・イ
ンテンシファイアと同様の構成をとることにより、電子
流76が打ち込まれるようになっている。すなわち、光電
膜からの電子流76を高速に加速して水素化非晶質シリコ
ン73に注入し、電子・正孔対を多数発生させ、ＡＭＩ75
における信号電流を増大させて、高感度を達成すること
を目的としている。なお、図18において、81はＡＭＩ撮
像素子、82は非晶質シリコン、83はセラミックパッケー
ジ、84は電極、85はガラス管、86はファイバープレー
ト、87は光電膜、88はアノードを示している。

【００４２】次に、このように構成されている電子打ち
込みＡＭＩ撮像素子における打ち込み電子流の加速電圧
と得られる信号電流の一例を図19に示す。この図19から
わかるように、例えば加速電圧が４ｋＶのときの信号電
流は約５ｎＡであり、加速電圧が10ｋＶのときの信号電
流は約20ｎＡであるので、両者の感度比は約４倍という
ことになる。よって第１実施例で説明した２次元距離セ
ンサにおいて、２次元撮像素子として上記電子打ち込み
ＡＭＩ撮像素子を用い、加速電圧を光源の輝度変調周波
数に同期して変調すれば、感度も該周波数に同期して変
調されるので、２次元距離センサとして所望の特性が得
られる。この実施例における特徴は、電子打ち込みＡＭ
Ｉ撮像素子の高感度特性が利用できることにあるが、一
般に、本発明に係る２次元距離センサの場合、遠方の物
体からの反射光強度は、物体までの距離の二乗に逆比例
して小さくなるので、信号が微弱になりやすく、測定精
度に影響を与える。したがって、本実施例で示した構成
の電子打ち込みＡＭＩ撮像素子により、信号電流を大き
く取れることは、装置の運用上で極めて重要である。

【００４３】次に、２次元距離センサにおける２次元撮
像素子として、積層型ＡＭＩ撮像素子を利用した第６実
施例につて説明する。積層型ＡＭＩ撮像素子の技術的な
詳細な内容については、1994年８月ＮＨＫ技研Ｒ＆Ｄ N
o.32の第28〜36頁の安藤等による「非晶質セレン積層型
固体撮像素子」という論文において説明がなされてい
る。本実施例に用いる積層型ＡＭＩ撮像素子は、図20に
示すように、ｎ型シリコン基板112 の上に形成されたＰ
型ウェル111 の中にｎ型拡散層113 などを形成し、表面
にポリシリコン110 及び第１層Ａｌ電極108 などで配線
工程を施した従来と同様な構成のＡＭＩの上に、第１層
間絶縁膜107 ，第２層Ａｌ電極109 ，第２層間絶縁膜10
6 ，第３層Ａｌ電極105 ，第４層Ａｌ電極104 ，非晶質
シリコン光導電膜103 ，CeＯ膜102 ，透明電極（ＩＴ
Ｏ）101 が積層されて構成されている。

【００４４】次に、このように構成されている積層型Ａ
ＭＩ撮像素子の動作について説明する。下部構造のＡＭ
Ｉに対して上部の透明電極（ＩＴＯ）101 に正電圧を印
加すると、非晶質シリコン光導電膜103 の中に入射した
フォトンにより発生した電子・正孔対のうち、正孔がＡ
ＭＩ側へ走行しＡＭＩの信号電極に到達し、信号電荷と
して蓄積される。逆に下部構造のＡＭＩに対して上部の
透明電極（ＩＴＯ）101 に負電圧を印加すると、非晶質
シリコン光導電膜103 の中に入射したフォトンにより発
生した電子・正孔対のうち、電子がＡＭＩ側へ走行しＡ
ＭＩの信号電極に到達し、信号電荷として蓄積される。
したがって、この撮像素子において、撮像動作中に透明
電極（ＩＴＯ）101 に印加する電圧を正負に切り替える
と、下部のＡＭＩ信号電極に到達する電荷も、正孔と電
子の間で逐次切り替わる。このとき撮像動作中に直流的
に到来するフォトンにより発生した電荷は、正孔と電子
が逐次下部のＡＭＩ信号電極に到達するため、図21の
（Ａ）に示すように、蓄積後の電荷量の総和としてはゼ
ロに近づく。一方、撮像動作中に被写体から到来するフ
ォトンの数が時間的に変化すると、図21の（Ｂ）に示す
ように、蓄積後の電荷量の総和はそのフォトン数の変化
に対応したものとなる。

【００４５】次に、上記積層型ＡＭＩ撮像素子を用いた
２次元距離センサの構成を、図22に基づいて説明する。
所定の周波数で光源駆動部206 により変調光源207 を輝
度変調し、この光源207 から出射された照明光で照明さ
れた３次元物体208 の像を結像光学系209 を介して積層
型ＡＭＩ撮像素子201 の上に結像し、制御信号発生器20
4 及び撮像素子駆動部202 で積層型ＡＭＩ撮像素子201
を駆動し、該撮像素子201 の情報を読み出す。このと
き、制御信号発生器204 からの信号を受け、感度変調駆
動部203 は積層型ＡＭＩ撮像素子201 の透明電極膜の電
位を変化させることにより、感度を変調する。受光され
た各画素上での照明光の位相は、前記３次元物体208 の
構造に対応したずれを生ずる。よって、積層型ＡＭＩ撮
像素子201の受光感度と受光された照明光の位相が合致
した画素では多くの信号電荷が蓄積され、合わない画素
では僅かしか蓄積されない。換言すると、受光された照
明光の位相の検波が各画素でなされ、その結果蓄積され
た電荷量が、前記３次元物体208 の距離情報を直接表現
することになる。なお、図22において、205 は撮像素子
201 からの撮像信号を処理する信号処理部である。更
に、本実施例によれば、直流的に到来するフォトンによ
り生成された電荷は、上述したように感度が交流変調さ
れるため蓄積時間内に積分され、総和としてほぼゼロと
なる。このため、変調光源の照明により入射したフォト
ンで生成された電荷だけが素子の画素において蓄積され
るので、オフセットが殆どないＳ／Ｎの良好な信号が得
られるという特徴を有する。更に本実施例によれば、す
でに述べたように直流的な反射光の影響は光電変換され
た電荷の状態でキャンセルされるため、図２に示した第
１実施例において通常必要とされる照明光源以外の波長
の入射光の影響を除外するための光学バンドパスフィル
タ16が不要になり、光学系の構成が簡単になるという特
徴も併せて有している。これは第２実施例の説明のなか
で導いた距離情報を表す式（19）において、ｋ₁＝０の
理想的な条件が実現できていることに対応する。

【００４６】次に、第７実施例を図23に基づいて説明す
る。図23において、301 はＣＭＤ撮像素子、302 は撮像
素子301 の感度を変調するための感度変調駆動部、303
は撮像素子駆動部、304 は制御信号発生器、305 は信号
処理部、306 は光源駆動部、307 は光源、308 は対象物
体、309 は結像光学系、310 は背景光の影響を除去し、
輝度変調された光源307 の波長帯域の反射光の波長付近
の光のみを透過させる光学バンドパスフィルタである。
図24は本実施例の構成要素であるＣＭＤ撮像素子301 の
構成を示す図であり、図９に示した第２実施例で用いて
いるＣＭＤ撮像素子と異なる部分は、垂直走査回路405
部分であり、露光時間内に各ゲート選択線401-１，401-
２，・・・401-ｍに印加される電位を規定する端子がＶ
_AC1及びＶ_AC2の２本存在し、制御端子ＣＮＴＬに与え
られる信号により各ゲート選択線に印加される電位が、
Ｖ_AC1及びＶ_AC2のいずれかに設定される構成となって
いる。ここでは説明のため、例えば、奇数番目のゲート
選択線にはＶ_AC1が印加され、偶数番目のゲート選択線
にはＶ_AC2が印加されるように設定されているものとす
る。なお、図24において、400-11，400-12，・・・400-
mnはＣＭＤ画素、402-１，402-２，・・・402-ｎは列ラ
イン、403-１，403-２，・・・403-ｎは列選択トランジ
スタ、404 は信号線、406 は水平走査回路を示してい
る。

【００４７】次に、この構成のＣＭＤ撮像素子301 を用
いた２次元距離センサの動作について、図25を用いて説
明する。図25において、Φ_LDは光源307 を駆動する波
形、Φ_SMは感度変調制御信号であり、該感度変調制御信
号Φ_SMに同期してＣＭＤ撮像素子301 のＶ_AC1端子には
感度変調波形が印加され、Ｖ_AC2端子には通常の直流的
な受光動作となる直流電圧が印加されているものとす
る。Ｇ−Ｍ及びＧ−Ｙは、それぞれ隣接するゲート選択
線の電位を示している。期間Ｔ₁において、輝度変調信
号Φ_LDに従い光源307 は輝度変調を開始する。Φ_LDに同
期して感度変調制御信号Φ_SMが感度変調駆動部302 に入
力され、感度変調駆動部302 はＣＭＤ撮像素子301 の奇
数番目のゲート選択線に接続された画素の感度を変調す
る。Ｇ−Ｍは奇数番目のゲート選択線の電位であり、受
光動作時に感度変調を実現するために、期間Ｔ₁の間電
位が変調されている。一方、Ｇ−Ｙは偶数番目のゲート
選択線の電位であり、受光動作時にも通常の直流的な受
光動作を行わせるために、直流電圧が印加される。図25
において、ＤＡＴＡはＣＭＤ撮像素子301 から期間Ｔ₂
の間に読み出されるデータであるが、奇数番目のゲート
選択線に対応するＤＡＴＡ−Ｍは感度変調された受光動
作に対応したデータであり、一方、偶数番目のゲート選
択線に対応するＤＡＴＡ−Ｙは通常の直流的な受光動作
に対応したデータとなる。

【００４８】ここで、被写体308 のほぼ同位置を結像し
ているＣＭＤ撮像素子301 上の上下に隣接した画素のデ
ータとして、感度変調に対応したデータＨ₁（ＤＡＴＡ
−Ｍ）と感度変調を行わない場合の通常の輝度に対応し
たデータＨ₂（ＤＡＴＡ−Ｙ）が得られることになる。
それぞれのデータは、先に説明した（17）及び（18）式
に対応して、次式（28），（29）で与えられる。Ｈ₁＝Ｔ₁・〔Ｉ（ｘ，ｙ）・｛ｋ₁＋ｋ₂・ｆ(z) ｝＋ｈ₂〕・・（28）Ｈ₂＝Ｔ₁・〔Ｉ（ｘ，ｙ）・｛ｋ₁＋ｋ₂・１｝＋ｈ₂〕・・・（29）よって距離情報は（19）式に対応して、次式（30）で与
えられる。ｆ（ｚ）＝（Ｈ₁−ｈ₂・Ｔ₁）／（Ｈ₂−ｈ₂・Ｔ₁）・（１＋ｋ₁／ｋ₂）−ｋ₁／ｋ₂ ・・・・・・・・（30）

【００４９】先に述べた第２実施例に代表されるような
例においては、変調モードでの撮像と輝度モードでの撮
像の２回の撮像動作を行う必要があったのに対し、上記
のように、本実施例によれば、１つのＣＭＤ撮像素子で
直流的な通常の輝度情報撮像モードで動作させる画素
と、感度変調させて撮像する画素を混在させることによ
り、１回の撮像動作で変調モードの撮像と輝度モードの
撮像が同時に可能となるので、第２実施例に代表される
ような例に比べ、短時間で２次元距離情報が得られると
いう特徴を有する。

【００５０】次に、第８実施例を図26に基づいて説明す
る。図26において、501 は撮像素子（Ａ）、502 は撮像
素子（Ｂ）、503 はハーフミラーあるいはプリズムなど
から構成されるビームスプリッタであり、上記撮像素子
Ａ501 及びＢ502 は該ビームスプリッタ503 の射出面の
相互に光学的に等価になる位置に配置されている。ま
た、504 は撮像素子の感度を変調するための感度変調駆
動部、505 は撮像素子駆動部、506 は制御信号発生器、
507 は信号処理部、508 は光源駆動部、509 は光源、51
0 は対象物体、511 は結像光学系、512 は背景光の影響
を除去し、輝度変調された光源509 の波長帯域の反射光
の波長付近の光のみを透過させる光学バンドパスフィル
タである。

【００５１】次に、この構成の２次元距離センサの動作
について、図27を用いて説明する。図27において、Φ_LD
は光源509 を駆動する波形、ＳＭ−Ａは撮像素子（Ａ）
501の感度を変調する波形、ＳＭ−Ｂは撮像素子（Ｂ）5
02 の感度を変調する波形であるが、この実施例におい
ては撮像素子（Ｂ）502 の感度は変調せず通常の撮像モ
ードで動作させる。ＤＡＴＡ−Ａ及びＤＡＴＡ−Ｂはそ
れぞれ撮像素子（Ａ）501 及び撮像素子（Ｂ）502 から
読み出されるデータを表わしている。期間Ｔ₁におい
て、輝度変調信号Φ_LDに従い光源509 は輝度変調を開始
する。Φ_LDに同期して感度変調制御信号Φ_SMが感度変調
駆動部504 に入力され、感度変調駆動部504 は撮像素子
（Ａ）501 の感度を変調する。一方、撮像素子（Ｂ）50
2 の感度は変調されず通常の撮像モードで動作させる。
期間Ｔ₂においては光源509 による照明は停止し、撮像
素子（Ａ）501 及び撮像素子（Ｂ）502 はそれぞれデー
タを読み出すために駆動され、それぞれ対応したデータ
ＤＡＴＡ−Ａ及びＤＡＴＡ−Ｂを出力する。ここで、そ
れぞれのデータは先に説明した（17）及び（18）式に対
応して、次式（31），（32）で与えられる。Ｈ₁＝Ｔ₁・〔Ｉ（ｘ，ｙ）・｛ｋ₁＋ｋ₂・ｆ(z) ｝＋ｈ₂〕・・（31）Ｈ₂＝Ｔ₁・〔Ｉ（ｘ，ｙ）・｛ｋ₁＋ｋ₂・１｝＋ｈ₂〕・・・（32）よって距離情報は（19）式に対応して、次式（33）で与
えられる。ｆ（ｚ）＝（Ｈ₁−ｈ₂・Ｔ₁）／（Ｈ₂−ｈ₂・Ｔ₁）・（１＋ｋ₁／ｋ₂）−ｋ₁／ｋ₂ ・・・・・・・・（33）

【００５２】先に述べた第２実施例に代表されるような
例においては、変調モードでの撮像と輝度モードでの撮
像の２回の撮像動作を行う必要があったのに対し、上記
のように、本実施例によれば、２つの撮像素子にビーム
スプリッタで光路分割した像を同時に結像させることに
より、１回の撮像動作で変調モードの撮像と輝度モード
の撮像が同時に可能となるので、第２実施例に代表され
るような例に比べ、短時間で２次元距離情報が得られる
という特徴を有する。更に上述の第７実施例において
は、１つの撮像素子上の画素を変調モード撮像用の画素
と輝度モード撮像用の画素に分割して用いるため、第２
実施例に代表されるような例に比べ撮像素子で決定され
る空間分解能が１／２になり、また、隣接画素とはいえ
厳密には空間的にずれた位置のデータを距離情報の算出
に用いることの弊害もあったが、本実施例ではこれらの
問題を解決した２次元距離センサを提供することが可能
となる。

【００５３】

【発明の効果】以上実施例に基づいて説明したように、
本発明によれば、２次元撮像素子の感度を照明の輝度変
調周波数に同期して変調しているので、３次元距離情報
に対応した２次元撮像素子上の信号電荷の分布、換言す
ると距離画像を、照明光の機械的走査なしに直接得るこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る２次元距離センサを示す概念図で
ある。

【図２】本発明に係る２次元距離センサの第１実施例を
示すブロック構成図である。

【図３】図２に示した第１実施例において用いるＣＭＤ
撮像素子の画素構造を示す図である。

【図４】図２に示した第１実施例の動作を説明するため
のタイミング図である。

【図５】図４に示したタイミング図の一部を拡大して示
す図である。

【図６】本発明の第２実施例を説明するためのＣＭＤ撮
像素子の内部ポテンシャルの一態様を示す図である。

【図７】ＣＭＤ撮像素子の内部ポテンシャルの他の態様
を示す図である。

【図８】ＣＭＤ撮像素子のゲート及び基板駆動を説明す
るためのタイミング図である。

【図９】ＣＭＤ撮像素子の全体構成を示す回路構成図で
ある。

【図10】図９に示したＣＭＤ撮像素子の動作を説明する
ためのタイミング図である。

【図11】図10に示したタイミング図に続くタイミング図
である。

【図12】ＣＭＤ撮像素子の光電変換層の厚みと相対感度
と基板電圧との関係を示す図である。

【図13】第３実施例を示す概念図である。

【図14】ＣＭＤ撮像素子の画素構成を示す断面図であ
る。

【図15】一般的なＣＭＤ撮像素子の不純物分布を示す図
である。

【図16】第４実施例におけるＣＭＤ撮像素子の不純物分
布を示す図である。

【図17】第５実施例における２次元撮像素子として用い
る電子打ち込みＡＭＩ撮像素子の概略構成を示す図であ
る。

【図18】電子打ち込みＡＭＩ撮像管の構成を示す図であ
る。

【図19】電子打ち込みＡＭＩ撮像管の加速電圧と信号電
流との関係を示す図である。

【図20】第６実施例における２次元撮像素子として用い
る積層型ＡＭＩ撮像素子の構成を示す断面図である。

【図21】積層型ＡＭＩ撮像素子の変調態様を示すタイミ
ング図である。

【図22】第６実施例の全体構成を示すブロック構成図で
ある。

【図23】第７実施例の構成を示すブロック構成図であ
る。

【図24】第７実施例の２次元撮像素子として用いるＣＭ
Ｄ撮像素子の構成を示す回路構成図である。

【図25】第７実施例の動作を説明するためのタイミング
図である。

【図26】第８実施例の構成を示すブロック構成図であ
る。

【図27】第８実施例の動作を説明するためのタイミング
図である。

【図28】従来の３次元距離画像を得るステレオ照合法を
説明するための説明図である。

【図29】従来の３次元距離画像を得るスリット投影法を
説明するための説明図である。

【符号の説明】

１物体（被写体）２照明装置３結像光学系４２次元撮像素子５処理回路６冷却装置 11 感度変調駆動部 12 撮像素子駆動部 13 ＣＭＤ撮像素子 14 制御信号発生器 15 信号処理部 16 光学バンドパスフィルタ 17 結像光学系 18 光源駆動部 19 光源 20 物体 21 ｐ^-基板 22 ｎ^-チャネル層 23 ｎ⁺ソース拡散層 24 ｎ⁺ドレイン拡散層 25 ゲート絶縁膜 26 ゲート電極 27 ソース電極 28 信号光 31 ゲート電極 32 ドレイン拡散層 33 ソース拡散層中心 34 シリコン表面 35 基板深部方向 51 基板 52 ｎ^-チャネル層 53 ｎ⁺ソース拡散層 54 ｎ⁺ドレイン拡散層 55 ゲート絶縁膜 56 ゲートポリシリコン電極 57 ソース電極 58 ドレイン電極 59 入射光 60 ｐ型基板 61 ｐ^-チャネル層 62 ｎ^-チャネル層 71 Ａｌ電極 72 窒化膜 73 水素化非晶質シリコン 74 窒素ドープ水素化非晶質シリコン 75 ＡＭＩ 76 電子流 81 ＡＭＩ 82 非晶質シリコン 83 セラミックパッケージ 84 電極 85 ガラス管 86 ファイバープレート 87 光電膜 88 アノード 101 ＩＴＯ 102 CeＯ 103 非晶質セレン光導電膜 104 第４層Ａｌ電極 105 第３層Ａｌ電極 106 第２層間絶縁膜 107 第１層間絶縁膜 108 第１層Ａｌ電極 109 第２層Ａｌ電極 110 ポリシリコン 111 ｐ型ウエル 112 ｎ型シリコン基板 113 ｎ型拡散層 201 積層型ＡＭＩ撮像素子 202 撮像素子駆動部 203 感度変調駆動部 204 制御信号発生器 205 信号処理部 206 光源駆動部 207 光源 208 物体 209 結像光学系 301 ＣＭＤ撮像素子 302 感度変調駆動部 303 撮像素子駆動部 304 制御信号発生器 305 信号処理部 306 光源駆動部 307 光源 308 物体 309 結像光学系 310 光学バンドパスフィルタ 501 撮像素子Ａ 502 撮像素子Ｂ 503 ビームスプリッタ 504 感度変調駆動部 505 撮像素子駆動部 506 制御信号発生器 507 信号処理部 508 光源駆動部 509 光源 510 物体 511 結像光学系 512 光学バンドパスフィルタ

フロントページの続き (72)発明者中村力東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者松本一哉東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者野本哲夫東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内 (72)発明者溝口豊和東京都渋谷区幡ケ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定の周波数、持続時間及び繰り返し時
間で輝度変調された光ビームを物体に投光する照明装置
と、該照明装置からの光ビームで照明された物体の像を
結像する結像光学系と、該結像光学系の結像面に設置さ
れた２次元撮像素子と、該撮像素子の感度を決定する電
極端子を前記周波数で変調駆動する駆動部と、前記撮像
素子の各画素において生成された信号電荷に対応した信
号を取り出す読み出し手段とを備え、物体の３次元距離
情報を２次元撮像素子の信号電荷の分布で得られるよう
にしたことを特徴とする２次元距離センサ。
【請求項２】前記２次元撮像素子としてＣＭＤ撮像素
子を用い、該ＣＭＤ撮像素子のゲート電極又は基板電極
を感度を変調する電極端子として用いることを特徴とす
る請求項１記載の２次元距離センサ。
【請求項３】前記ＣＭＤ撮像素子は、ｐ型基体と該ｐ
型基体上にエピタキシャル成長法により形成したｎ^-チ
ャネル層及びｐ^-チャネル層を備え、前記ｐ型基体不純
物濃度はｐ^-チャネル層不純物濃度より高く設定されて
いることを特徴とする請求項２記載の２次元距離セン
サ。
【請求項４】前記ＣＭＤ撮像素子は、裏面をラッピン
グにより除去した薄い基板を備えていることを特徴とす
る請求項２記載の２次元距離センサ。
【請求項５】前記２次元撮像素子は、裏面に冷却装置
を備えていることを特徴とする請求項１記載の２次元距
離センサ。
【請求項６】前記２次元撮像素子として、電子打ち込
み型ＡＭＩ撮像素子を用い、該撮像素子の電子加速電圧
印加端子を感度を変調する電極端子として用いることを
特徴とする請求項１記載の２次元距離センサ。
【請求項７】前記２次元撮像素子として、積層型ＡＭ
Ｉ撮像素子を用い、該撮像素子の透明電極端子を変調す
る電極端子として用いることを特徴とする請求項１記載
の２次元距離センサ。
【請求項８】所定の周波数、持続時間及び繰り返し時
間で輝度変調された光ビームを物体に投光する照明装置
と、該照明装置からの光ビームで照明された物体の像を
結像する結像光学系と、物体像を受光する第１及び第２
の２次元撮像素子と、該第１及び第２の２次元撮像素子
に前記結像光学系による結像光を分割するためのビーム
・スプリッタと、前記第１の２次元撮像素子の感度を決
定する電極端子を前記周波数で変調駆動する駆動部と、
前記第１及び第２の２次元撮像素子の各画素により生成
された信号電荷に対応した信号を取り出す読み出し手段
とを備えていることを特徴とする２次元距離センサ。
【請求項９】所定の周波数、持続時間及び繰り返し時
間で輝度変調された光ビームを物体に投光する照明装置
と、該照明装置からの光ビームで照明された物体の像を
結像する結像光学系と、該結像光学系の結像面に設置さ
れた２次元ＣＭＤ撮像素子と、該ＣＭＤ撮像素子の感度
を決定するゲート電極端子を該ＣＭＤ撮像素子の一部の
画素について前記周波数で変調駆動する駆動部と、該Ｃ
ＭＤ撮像素子の各画素において生成された信号電荷に対
応した信号を取り出す読み出し手段とを備えていること
を特徴とする２次元距離センサ。