DE602005006080T2

DE602005006080T2 - Reichweitenbildsensor

Info

Publication number: DE602005006080T2
Application number: DE602005006080T
Authority: DE
Inventors: Fumikazu Kurihara; Yuji Osaka TAKADA; Yusuke Osaka HASHIMOTO; Fumi Osaka TSUNESADA
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2005-09-16
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2025-09-17
Also published as: DE602005006080D1; EP1668384B1; WO2006030989A1; KR20060055553A; EP1668384A1; US7362419B2; HK1088394A1; US20070057209A1; ATE392628T1; KR100778904B1; TWI280042B; TW200614792A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Entfernungsbildsensor zum Erfassen eines Bildes eines Objektraums zum Erzeugen eines Entfernungsbildes, in dem jedes Bildelement, wenn sich mindestens ein physisches Objekt in dem Objektraum befindet, einen entsprechenden Entfernungswert bis zu dem physischen Objekt enthält.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Ein Versatzmeßgerät, das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. H09-267418 beschrieben ist, tastet einen Lichtstrahl, der auf ein zu messendes Objekt einstrahlt, ab und mißt dann eine Entfernung bis zu einer Versatzfläche des Objekts mit Bezug auf eine Bezugsfläche des Objekts auf der Grundlage von Triangulation.
Jedoch eignet sich das Gerät nicht für Zwecke wie zum Beispiel dem Verfolgen des geometrischen Bewegungsortes eines physischen Objekts in einem Objektraum, weil der gesamte Objektraum mit dem Strahl abgetastet werden muß, um den geometrischen Ort zu verfolgen, und es vergleichsweise lange dauert, bis das Gerät das Abtasten des gesamten Objektraums mit dem Strahl beendet hat.
Dieses Problem kann mit Hilfe eines Entfernungsbildsensors gemäß unserer anderen Erfindung (vgl. die japanische Patentschrift Nr. 2004-272001 ) gelöst werden. Der Sensor umfaßt eine Lichtquelle, die intensitätsmoduliertes Licht in Richtung eines Objektraums abstrahlt, und ein Lichtdetektionselement mit einem lichtempfindlichen Array, das in den Objektraum gewandt angeordnet ist. Während das intensitätsmodulierte Licht in Richtung des Objektraums abgestrahlt wird, wird ein Entfernungsbild auf der Grundlage des Ausgangssignals des Lichtdetektionselements erzeugt. Wenn sich mindestens ein physisches Objekt in dem Objektraum befindet, so hat jedes Bildelement in dem Entfernungsbild einen entsprechenden Entfernungswert bis zu dem physischen Objekt. Jeder Entfernungswert wird aus einer Differenz zwischen der Phase des von der Lichtquelle ausgesendeten Lichts und der Phase des Lichts, das durch einen entsprechenden Pixel des Lichtdetektionselements empfangen wird, erhalten. Ein Zeitraum (im Weiteren als eine "Integrationsperiode" bezeichnet), während dem jedes Pixel hauptsächlich eine elektrische Ladung in Reaktion auf das Licht integriert, wird auf eine kürzere Dauer eingestellt als eine Periode des intensitätsmoduliertes Lichts.
Wenn die Integrationsperiode vergleichsweise lang ist, so ist es möglich, Schrotrauschen (shot noise), das an dem lichtempfindlichen Array auftritt, zu verringern, um das Signal-Rausch-Verhältnis (S/N ratio) zu erhöhen. Jedoch kommt es unter Umständen, die viel Umgebungslichtrauschen (zum Beispiel Sonnenstrahlung) enthalten, schnell zu einer Sättigung des Lichtdetektionselements. Wenn hingegen die Integrationsperiode vergleichsweise kurz ist, so wird das Lichtdetektionselement kaum gesättigt. Es sinkt jedoch das Signal-Rausch-Verhältnis, und es ist schwer, die korrekte Entfernung zu erhalten.
Des Weiteren offenbart das Dokument US 5,856,667 einen Entfernungsbildsensor, der mit einer modulierten Lichtquelle arbeitet, und wobei die Entfernung zu einem physischen Objekt mittels Phasenmessung ermittelt wird. Das Dokument US 6,373,557 B1 offenbart einen Entfernungsbildsensor, der mit einer gepulsten Lichtquelle arbeitet, wobei die Anzahl der Beleuchtungsimpulse so eingestellt wird, daß das Signal-Rausch-Verhältnis optimiert wird.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit von Entfernungsmessungen durch Erhöhen des Signal-Rausch-Verhältnisses, bei gleichzeitigem Verhindern einer Sättigung des Lichtdetektionselements, zu erhöhen.
Ein Entfernungsbildsensor der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Lichtquelle, ein Lichtdetektionselement, eine Sensorsteuerstufe und eine Bilderzeugungsstufe. Die Lichtquelle strahlt intensitätsmoduliertes Licht in Richtung eines Objektraums gemäß einem Modulationssignal einer bestimmten Frequenz ab. Das Lichtdetektionselement hat lichtempfindliche Einheiten, die dem Objektraum zugewandt angeordnet sind. Jede der lichtempfindlichen Einheiten empfängt Licht aus dem Objektraum während einer Integrationsperiode, die kürzer als eine Periode der bestimmten Frequenz ist, und erzeugt eine elektrische Ladung in Reaktion auf eine Lichtmenge aus dem Raum. Die Sensorsteuerstufe veranlaßt die Synchronisierung jeder Integrationsperiode der lichtempfindlichen Einheiten mit einer bestimmten Phase des Modulationssignals. Nach einer Detektionsperiode, die einer oder mehreren Perioden der bestimmten Frequenz entspricht, veranlaßt die Sensorsteuerstufe auch die Auslesung jeder in dem Lichtdetektionselement erzeugten und integrierten elektrischen Ladung von dem Lichtdetektionselement. Die Bilderzeugungsstufe berechnet einen Entfernungswert für jedes Bildelement in einem Entfernungsbild auf der Grundlage jeder durch die Sensorsteuerstufe ausgelesenen elektrischen Ladung und erzeugt dann das Entfernungsbild. Wenn sich mindestens ein physisches Objekt in dem Objektraum befindet, so stellt der Entfernungswert die Entfernung bis zu dem physischen Objekt dar. Die Detektionsperiode enthält unterschiedliche Detektionsperioden. Die Bilderzeugungsstufe berechnet einen Entfernungswert für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild auf der Grundlage jeder elektrischen Ladung, die nach einer bestimmten Detektionsperiode der unterschiedlichen Detektionsperioden durch die Sensorsteuerstufe ausgelesen wird. Die bestimmte Detektionsperiode ist eine von einer oder mehreren Detektionsperioden, während der das Lichtdetektionselement keine Sättigung erreicht, und ist eine Detektionsperiode, während der ein Wert, der zu der aus dem Objektraum empfangenen Lichtmenge in Beziehung steht, zu einem Maximalwert der einen oder mehreren Detektionsperioden wird.
In dieser Konfiguration ist es – da ein Entfernungswert für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild auf der Grundlage jeder elektrischen Ladung, die synchron mit der bestimmten Detektionsperiode ausgelesen wird, berechnet wird und dann das Entfernungsbild erzeugt wird – möglich, das Signal-Rausch-Verhältnis anzuheben, während eine Sättigung des Lichtdetektionselements verhindert wird, und die Genauigkeit der Entfernungsmessung zu erhöhen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform veranlaßt die Sensorsteuerstufe die Synchronisation jeder Integrationsperiode der lichtempfindlichen Einheiten mit jeder einer Menge von voneinander verschiedenen Phasen in dem Modulationssignal. Die Sensorsteuerstufe veranlaßt auch die Auslesung einer Menge von elektrischen Ladungen, die der einen Menge von Phasen entspricht, an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild nach mindestens der bestimmten Detektionsperiode der unterschiedlichen Detektionsperioden. Die Bilderzeugungsstufe berechnet einen Entfernungswert für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild auf der Grundlage einer Menge von elektrischen Ladungen, die an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild nach der bestimmten Detektionsperiode ausgelesen werden. In dieser Konfiguration kann ein Entfernungswert auf der Grundlage einer Menge von elektrischen Ladungen, die der einen Menge von Phasen entsprechen, berechnet werden.
Bei einer weiterentwickelten Ausführungsform veranlaßt die Sensorsteuerstufe das Auslesen einer Menge von elektrischen Ladungen, die der einen Menge von Phasen entsprechen, an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild nach jeder der unterschiedlichen Detektionsperioden. Die Bilderzeugungsstufe wählt die bestimmte Detektionsperiode aus den unterschiedlichen Detektionsperioden aus. Die Bilderzeugungsstufe berechnet auch einen Entfernungswert für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild auf der Grundlage einer Menge von elektrischen Ladungen, die an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild nach der bestimmten Detektionsperiode ausgelesen werden. Die bestimmte Detektionsperiode ist eine von einer oder mehreren Detektionsperioden, während der ein Wert, der aus einer Menge von elektrischen Ladungen gewonnen wird, die an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild nach jeder der unterschiedlichen Detektionsperioden ausgelesenen werden, nicht einen Wert überschreitet, der zuvor auf der Grundlage des Sättigungsniveaus des Lichtdetektionselements festgelegt wurde, und ist eine Detektionsperiode, während der der Wert, der aus einer Menge von elektrischen Ladungen gewonnen wird, zu einem Maximalwert der einen oder mehreren Detektionsperioden wird. Gemäß dieser Erfindung ist es möglich, das Signal-Rausch-Verhältnis anzuheben, während die Sättigung des Lichtdetektionselements verhindert wird, und die Genauigkeit der Entfernungsmessung zu erhöhen.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die bestimmte Detektionsperiode eine von einer oder mehreren Detektionsperioden, während der ein Wert einer Menge von elektrischen Ladungen, die an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild nach jeder der unterschiedlichen Detektionsperioden ausgelesenen werden, einen dem Sättigungsniveau entsprechenden vorgeschriebenen Wert nicht überschreitet, und ist eine Detektionsperiode, während der der Wert einer Menge von elektrischen Ladungen zu einem Maximalwert der einen oder mehreren Detektionsperioden wird. Gemäß dieser Erfindung ist es möglich, das Signal-Rausch-Verhältnis anzuheben, während die Sättigung des Lichtdetektionselements verhindert wird, und die Genauigkeit der Entfernungsmessung zu erhöhen.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die bestimmte Detektionsperiode eine von einer oder mehreren Detektionsperioden, während der ein Wert einer maximalen elektrischen Ladung für jede einer Menge von elektrischen Ladungen, die an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild nach jeder der unterschiedlichen Detektionsperioden ausgelesenen werden, einen zuvor auf der Grundlage des Sättigungsniveaus festgelegten maximalen Schwellenwert nicht überschreitet, und ist eine Detektionsperiode, während der der Wert der maximalen elektrischen Ladung zu einem Maximalwert der einen oder mehreren Detektionsperioden wird. Gemäß dieser Erfindung ist es möglich, das Signal-Rausch-Verhältnis anzuheben, während die Sättigung des Lichtdetektionselements verhindert wird, und die Genauigkeit der Entfernungsmessung zu erhöhen.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ist die bestimmte Detektionsperiode eine von einer oder mehreren Detektionsperioden, während der ein Mittelwert einer Menge von elektrischen Ladungen, die an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild nach jeder der unterschiedlichen Detektionsperioden ausgelesenen werden, einen zuvor auf der Grundlage des Sättigungsniveaus festgelegten durchschnittlichen Referenzwert nicht überschreitet, und ist eine Detektionsperiode, während der der Mittelwert zu einem Maximalwert der einen oder mehreren Detektionsperioden wird. In dieser Konfiguration ist es möglich, intensitätsmoduliertes Licht aus dem Objektraum und eine Umgebungslichtkomponente in Betracht zu ziehen, um zu unterscheiden, ob das Lichtdetektionselement gesättigt ist oder nicht.
Bei einer anderen weiterentwickelten Ausführungsform wählt – wenn die bestimmte Detektionsperiode nicht ausgewählt wird oder eine erste bestimmte Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode kürzer als eine vorgeschriebene Länge ist – die Bilderzeugungsstufe eine zweite bestimmte Detektionsperiode aus den unterschiedlichen Detektionsperioden an jeder einen oder mehreren Phasen der einen Menge von Phasen mit Bezug auf ein bestimmtes Bildelement aus, für das die bestimmte Detektionsperiode nicht ausgewählt wird oder die erste bestimmte Detektionsperiode, die kürzer als die vorgeschriebene Länge ist, ausgewählt wird. Die Bilderzeugungsstufe korrigiert dann einen oder mehrere Werte, die aus einer Menge von elektrischen Ladungen gewonnen werden, die mit Bezug auf das bestimmte Bildelement nach der zweiten bestimmten Detektionsperiode ausgelesen werden, auf der Grundlage einer Längenrate der entsprechenden zweiten bestimmten Detektionsperiode. Die Bilderzeugungsstufe berechnet dann eine Menge von Werten und berechnet einen Entfernungswert für das bestimmte Bildelement auf der Grundlage der einen Menge von Werten. Die zweite bestimmte Detektionsperiode ist eine von einer oder mehreren Detektionsperioden, während der ein Wert, der aus einer elektrischen Ladung gewonnen wird, die der einen oder den mehreren Phasen der einen Menge von Phasen entspricht, einen zuvor auf der Grundlage des Sättigungsniveaus festgelegten Wert nicht überschreitet, und ist eine Detektionsperiode, während der der Wert, der aus einer elektrischen Ladung gewonnen wird, zu einem Maximalwert der einen oder mehreren Detektionsperioden wird. In dieser Konfiguration besteht die Möglichkeit, daß der Entfernungs wert selbst dann berechnet werden kann, wenn die erste bestimmte Detektionsperiode nicht ausgewählt wird. Des Weiteren ist es, wenn die erste bestimmte Detektionsperiode kürzer als die vorgeschriebene Länge ist, möglich, einen Wert einer verfügbaren elektrischen Ladung zu verwenden, der während der Detektionsperiode gewonnen wird, die länger als die erste bestimmte Detektionsperiode ist. Infolge dessen ist es möglich, den Einfluß des Schrotrauschens zu unterdrücken, um die Meßgenauigkeit zu verbessern.
In einer anderen weiterentwickelten Ausführungsform berechnet die Bilderzeugungsstufe einen Vergleichswert durch Anwenden mindestens eines Wertes, der aus einer Menge von elektrischen Ladungen gewonnen wird, die durch die Sensorsteuerstufe ausgelesen werden, an eine Funktion mit Bezug auf die Lichtmenge, die durch jede der lichtempfindlichen Einheiten empfangen wird. Die Bilderzeugungsstufe vergleicht dann den Vergleichswert mit einem vorgeschriebenen Schwellenwert, um die bestimmte Detektionsperiode auszuwählen. In dieser Konfiguration kann zum Beispiel, wenn der Vergleichswert kleiner als der vorgeschriebene Schwellenwert ist, eine lange Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode aus den unterschiedlichen Detektionsperioden ausgewählt werden. Des Weiteren kann, wenn der Vergleichswert größer als der vorgeschriebene Schwellenwert ist, eine kurze Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode aus den unterschiedlichen Detektionsperioden ausgewählt werden.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Vergleichswert ein Mittelwert jeder elektrischen Ladung, die jeder Lichtmenge entspricht, die durch jede der lichtempfindlichen Einheiten während einer oder mehreren Perioden der bestimmten Frequenz empfangen wird. In dieser Konfiguration es ist möglich, intensitätsmoduliertes Licht aus dem Objektraum und eine Umgebungslichtkomponente in Betracht zu ziehen, um zu unterscheiden, ob das Lichtdetektionselement gesättigt ist oder nicht.
Bei einer anderen weiterentwickelten Ausführungsform weist die Bilderzeugungsstufe, wenn ein Entfernungswert für ein bestimmtes Bildelement in dem Entfernungsbild nicht berechnet wird, dem bestimmten Bildelement einen Ersatzwert zu. In dieser Konfiguration ist es – wenn die bestimmte Detektionsperiode aus den unterschiedlichen Detektionsperioden mit Bezug auf das bestimmte Bildelement nicht ausgewählt werden kann – möglich, ein Entfernungsbild ohne einen Fehlerwert zu erzeugen, indem dem bestimmten Bildelement der Ersatzwert zugewiesen wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Ersatzwert ein früherer Entfernungswert für das bestimmte Bildelement. In dieser Konfiguration kann – wenn sich der Entfernungsbildsensor in einer Umgebung befindet, in der eine Änderung der Entfernung vergleichsweise selten vorkommt – dem bestimmten Bildelement ein richtiger Entfernungswert zugewiesen werden.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der Ersatzwert ein Mittelwert mit Bezug auf einen Entfernungswert jedes Bildelements um das bestimmte Bildelement herum. In dieser Konfiguration kann dem bestimmten Bildelement ein richtiger Entfernungswert mit Kontinuität zugewiesen werden.
Bei einer anderen weiterentwickelten Ausführungsform berechnet die Bilderzeugungsstufe eine Menge von integrierenden elektrischen Ladungen an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild und berechnet einen Entfernungswert für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild auf der Grundlage einer jeden Menge von integrierenden elektrischen Ladungen. Die eine Menge von integrierenden elektrischen Ladungen wird erhalten, indem jede elektrische Ladung in mehreren der bestimmten Detektionsperioden in jeder gleichen Phase der einen Menge von Phasen summiert wird. In dieser Konfiguration kann eine Sättigung des Lichtdetektionselements verhindert werden, da es möglich ist, die in jeder bestimmten Detektionsperiode empfangene Lichtmenge vergleichsweise zu verringern.
Bei einer anderen weiterentwickelten Ausführungsform enthält das Lichtdetektionselement Pixel, von denen jedes aus zwei oder mehr benachbarten lichtempfindlichen Einheiten in den lichtempfindlichen Einheiten besteht. Jedes der Pixel erzeugt und integriert hauptsächlich zwei oder mehr elektrische Ladungen an seinen zwei oder mehr benachbarten lichtempfindlichen Einheiten synchron mit zwei oder mehr Phasen jeder Gruppe, die durch Teilen der einen Menge von Phasen in Gruppen erhalten werden, von denen jede zwei bzw. mehr Phasen enthält. Die Sensorsteuerstufe veranlaßt eine Änderung der Synchronisationszeiten jeder Integrationsperiode von zwei oder mehr benachbarten lichtempfindlichen Einheiten in jedem der Pixel mit Bezug auf jede Phase einer entsprechenden Gruppe der Gruppen, um jede Phase der entsprechenden Gruppe mit Bezug auf die benachbarten lichtempfindlichen Einheiten gegeneinander auszutauschen. Die Sensorsteuerstufe veranlaßt auch die Auslesung jeder elektrischen Ladung, die hauptsächlich während jeder Integrationsperiode, die jeder Phase jeder Gruppe an jedem Pixel entspricht, erzeugt und integriert wird, nach mindestens der bestimmten Detektionsperiode der unterschiedlichen Detektionsperioden. Die Bilderzeugungsstufe kombiniert jede elektrische Ladung, die an jedem Pixel durch die Sensorsteuerstufe ausgelesen wird, mit einer Menge von elektrischen Ladungen, die der einen Menge von Phasen entspricht. Die Bilderzeugungsstufe berechnet dann einen Entfernungswert für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild auf der Grundlage der einen Menge von elektrischen Ladungen. In dieser Konfiguration ist es möglich, die Verläßlichkeit des Entfernungswertes, der von jedem Pixel, der aus den benachbarten lichtempfindlichen Einheiten besteht, erhalten wird, zu gewährleisten, da es möglich ist, einen Fehler, die durch eine Differenz jeder Position der benachbarten lichtempfindlichen Einheiten verursacht wird, nahezu zu beseitigen.
Bei einer anderen weiterentwickelten Ausführungsform sind mehrere benachbarte lichtempfindliche Einheiten zu einer arithmetischen Einheit zusammengefaßt. Die Sensorsteuerstufe ändert eine Integrationsperiode jeder lichtempfindlichen Einheit der arithmetischen Einheit zu einer Integrationsperiode einer anderen Phase der einen Menge von Phasen in jeder bestimmten Detektionsperiode. Die Bilderzeugungsstufe erzeugt einen Wert eines Bildelements in dem Entfernungsbild aus der Entfernung, die unter Verwendung einer elektrischen Ladung gefunden wird, die in einem Zeitraum addiert wird, in dem jede lichtempfindliche Einheit Licht aus dem Objektraum empfangt. Das Licht wird in allen Integrationsperioden der Phase gleich oft empfangen. In dieser Konfiguration werden, wenn eine andere lichtempfindliche Einheit Licht während einer Integrationsperiode synchron mit einer anderen Phase des Modulationssignals in einer bestimmten Detektionsperiode empfängt, keine Positionsinformationen der mehreren lichtempfindlichen Einheiten der arithmetischen Einheit in eine elektrische Ladung aufgenommen, die addiert wird, um die Entfernung zu finden. Darum wird die Verläßlichkeit der erhaltenen Entfernung hoch.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in größerer Ausführlichkeit beschrieben. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und begleitenden Zeichnungen besser verstanden. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
1 ist ein Blockschaubild eines Entfernungsbildsensors einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt die Funktionsweise des Entfernungsbildsensors der ersten Ausführungsform.
3A zeigt eine Region, die einer lichtempfindlichen Einheit in dem Entfernungsbildsensor der ersten Ausführungsform entspricht.
3B zeigt die Region, die der lichtempfindlichen Einheit entspricht.
4 ist ein Schaubild einer Abtasteinheit in dem Entfernungsbildsensor der ersten Ausführungsform.
5A zeigt die Funktionsweise eines Entfernungsbildsensors einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
5B zeigt eine weitere Funktionsweise des Entfernungsbildsensors der zweiten Ausführungsform.
6 zeigt die Funktionsweise des Entfernungsbildsensors der zweiten Ausführungsform.
7 zeigt die Funktionsweise des Entfernungsbildsensors der zweiten Ausführungsform.
8A zeigt die Funktionsweise einer alternativen Ausführungsform.
8B zeigt eine weitere Funktionsweise der alternativen Ausführungsform.
9 ist ein Blockschaubild einer Bilderzeugungsstufe in einem Entfernungsbildsensor einer fünften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt die Funktionsweise eines Entfernungsbildsensors einer sechsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
1 zeigt einen Entfernungsbildsensor einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Sensor umfaßt eine Lichtquelle 11, ein optisches System 12, ein Lichtdetektionselement 13, eine Sensorsteuerstufe 14 und eine Bilderzeugungsstufe 15.
Die Lichtquelle 11 besteht zum Beispiel aus einem LED-Array, das in einer Ebene angeordnet ist, einem Halbleiterlaser und einer Zerstreuungslinse oder dergleichen, um eine ausreichende Lichtintensität zu erzeugen. Die Quelle 11, wie in 2 gezeigt, moduliert eine Intensität I₁ von Licht gemäß einem Modulationssignal einer bestimmten Frequenz von der Sensorsteuerstufe 14, um sinusförmiges intensitätsmoduliertes Licht in Richtung eines Objektraums auszusenden. Jedoch ist dies nicht darauf beschränkt, und die Intensitätswellenform des intensitätsmodulierten Lichts kann auch die Form zum Beispiel einer Dreieckswelle, einer Sägezahnwelle oder dergleichen haben. Außerdem kann die Quelle 11 ein Infrarot-LED-Array, einen Infrarot-Halbleiterlaser und eine Zerstreuungslinse oder dergleichen umfassen.
Das optische System 12 ist ein optisches Empfangssystem, das zum Beispiel aus einer Linse und so weiter besteht und das Licht aus dem Objektraum in eine Empfangsfläche (jede lichtempfindliche Einheit 131) des Lichtdetektionselements 13 hinein kondensiert. Zum Beispiel ist das System 12 so angeordnet, daß seine optische Achse und die Empfangsfläche des Elements 13 orthogonal zueinander stehen. Jedoch kann das System 12 eine Linse, ein Infrarot-Durchlaßfilter und so weiter umfassen.
Das Lichtdetektionselement 13 ist in einem Halbleiterbauelement ausgebildet und enthält lichtempfindliche Einheiten (von denen jede mit 131 bezeichnet ist), Empfindlichkeitssteuereinheiten (132), Integrationseinheiten (133) und eine Abtasteinheit 134. Jede lichtempfindliche Einheit 131, jede Empfindlichkeitssteuereinheit 132 und jede Integrationseinheit 133 bildet ein zweidimensionales lichtempfindliches Array, das so angeordnet ist, daß es dem Objektraum durch das optische System 12 hindurch zugewandt ist.
Jede lichtempfindliche Einheit 131 ist, wie in den 3A und 3B gezeigt, als ein lichtempfindliches Element zum Beispiel aus einem 100 × 100 großen lichtempfindlichen Array durch eine Fremdatom-dotierte Halbleiterschicht 13a in einem Halbleitersubstrat ausgebildet.
Die Einheit 131 erzeugt eine elektrische Ladung einer Menge in Reaktion auf eine Lichtmenge aus dem Objektraum mit der Lichtempfindlichkeit, die durch eine entsprechende Empfindlichkeitssteuereinheit 132 gesteuert wird. Zum Beispiel ist die Halbleiterschicht 13a vom n-Typ, und die erzeugte elektrische Ladung wird aus Elektronen gewonnen.
Wenn die optische Achse des optischen Systems 12 in einem rechten Winkel zur Empfangsfläche verläuft, so ist es möglich, die optische Achse und beide Achsen der vertikalen (Längs-)Richtung und der horizontalen (Breiten-)Richtung der Empfangsfläche als drei Achsen eines orthogonalen Koordinatensystems zu betrachten. Außerdem wird die Mitte des Systems 12 als der Ursprung des orthogonalen Koordinatensystems angesehen. In diesem Fall erzeugt jede lichtempfindliche Einheit 131 eine elektrische Ladung einer Menge in Reaktion auf eine Lichtmenge aus einer Richtung, die durch Azimut- und Höhenwinkel bezeichnet wird. Wenn sich mindestens ein physisches Objekt in dem Objektraum befindet, so wird das von der Lichtquelle 11 ausgesendete Licht an dem physischen Objekt reflektiert und dann durch jede Einheit 131 empfangen. Darum empfängt die Einheit 131, wie in 2 gezeigt, das intensitätsmodulierte Licht um die Phase Ψ verzögert, die der Hin- und Zurück-Entfernung zu dem physischen Objekt entspricht, und erzeugt dann eine elektrische Ladung einer Menge in Reaktion auf seine Intensität I₂. Das intensitätsmodulierte Licht wird dargestellt durch I2·sin(ωt – Ψ) + C, (1)wobei ω eine Winkelfrequenz ist und C ein Wert ist, der durch Addieren eines Mittelwertes der Intensität I₂ zu einem Wert der Umgebungslichtkomponente erhalten wird.
Die Empfindlichkeitssteuereinheit 132 besteht aus Steuerelektroden (13b), die auf einer Fläche der Halbleiterschicht 13a durch einen Isolationsfilm (Oxidfilm) 13e geschichtet sind. Die Einheit 132 steuert die Empfindlichkeit einer entsprechenden lichtempfindlichen Einheit 131 gemäß einem Empfindlichkeitsteuersignal von der Sensorsteuerstufe 14. Zum Beispiel besteht die Einheit 132, wie in den 3A und 3B gezeigt, aus fünf Steuerelektroden 13b-1, 13b-2, 13b-3, 13b-4 und 13b-5. Jede Elektrode empfängt eine Spannung (+V, 0 V) als das Empfindlichkeitsteuersignal, wenn die erzeugte elektrische Ladung zum Beispiel aus Elektronen gewonnen wird. Die +V ist eine zuvor festgelegte positive Spannung. Die Breite des Elektrode 13b in rechten und linken Richtung ist auf ungefähr 1 μm eingestellt. Die Elektrode 13b und der Film 13e bestehen aus einem Material, das mit Bezug auf das Licht der Lichtquelle 11 durchscheinend ist.
Die Integrationseinheit 133 besteht aus einer Potentialmulde (Verarmungsschicht) 13c, die sich in Reaktion auf das Empfindlichkeitsteuersignal, das an jede entsprechende Steuerelektrode 13b angelegt wird, ändert. Die Einheit 133 erfaßt und integriert Elektronen (e) in der Nähe zu der Mulde 13c. Elektronen, die nicht in die Einheit 133 integriert werden, verschwinden durch Rekombination mit Löchern. Darum ist es möglich, die Lichtempfindlichkeit des Lichtdetektionselements 13 durch Ändern der Größe der Region der Mulde 13c mit dem Empfindlichkeitsteuersignal zu verändern. Zum Beispiel ist die Empfindlichkeit in einem Zustand von 3A höher als die in einem Zustand von 3B.
Die Abtasteinheit 134 hat, wie zum Beispiel in 4 gezeigt, einen ähnlichen Aufbau wie ein CCD-Bildsensor vom Frameübertragungs(FT)-Typ. In einer Bildauslesungsregion A1, die aus den lichtempfindlichen Einheiten und einer vor Licht abgeschirmten Speicherregion A2 neben der Region A1 besteht, wird eine Halbleiterschicht 13a, die sich durchgängig in jeder vertikalen (Längs)-Richtung fortsetzt, als ein Übertragungspfad jeder elektrischen Ladung entlang der vertikalen Richtung benutzt. Die vertikale Richtung entspricht der rechten und der linken Richtung der 3A und 3B.
Die Abtasteinheit 134 besteht aus der Speicherregion A2, jedem Übertragungspfad und einem horizontalen Übertragungsregister 13d, bei dem es sich um ein CCD handelt und das eine elektrische Ladung von einem Ende jedes Übertragungspfades empfängt, um jede elektrische Ladung entlang der horizontalen Richtung zu übertragen. Die Übertragung jeder elektrischen Ladung von der Bildauslesungsregion A1 zu der Region A2 erfolgt auf einmal während einer vertikalen Austastungsperiode. Und zwar wird, nachdem jede elektrische Ladung in jede Potentialmulde 13c integriert ist, ein Spannungsmuster, das sich von einem Spannungsmuster des Empfindlichkeitsteuersignals unterscheidet, an jede Steuerelektrode 13b als ein vertikales Übertragungssignal angelegt. Dementsprechend wird jede elektrische Ladung, die in jede Mulde 13c integriert ist, entlang der vertikalen Richtung übertragen. Was die Übertragung von dem horizontalen Übertragungsregister 13d zu der Bilderzeugungsstufe 15 anbelangt, wird ein horizontales Übertragungssignal in das Register 13d eingespeist, und jede elektrische Ladung einer horizontalen Zeile wird während einer horizontalen Periode übertragen. Jedoch kann das horizontale Übertragungsregister jede elektrische Ladung entlang der normalen Richtung zu der Ebene der 3A und 3B übertragen.
Die Sensorsteuerstufe 14 ist eine Betriebszeitsteuerungseinheit und steuert die Betriebszeiten der Lichtquelle 11, jeder Empfindlichkeitssteuereinheit 132 und der Abtasteinheit 134. Und zwar gibt die Stufe 14 an die Quelle 11 das Modulationssignal der bestimmten Frequenz (zum Beispiel 20 MHz) aus, um die Änderungszeitpunkte der Intensität des intensitätsmodulierten Lichts zu steuern, weil die Übertragungszeit von Licht für die oben angesprochene Hin- und Zurück-Entfernung extrem kurz ist, d. h. im Nanosekundenbereich.
Die Sensorsteuerstufe 14 veranlaßt auch die Synchronisation einer Integrationsperiode jeder lichtempfindlichen Einheit 131 mit einer bestimmten Phase (zum Beispiel einer jeden aus einer Menge von voneinander verschiedenen Phasen) des Modulationssignals. In der ersten Ausführungsform legt die Stufe 14, wie in den 2 und 3A gezeigt, die Spannung +V und die Spannung 0 V an die Steuerelektroden 13b-2 bis 13b-4 bzw. die Elektroden 13b-1 und 13b-5 an, um die Startzeit der Integrationsperiode Ti jeder Einheit 131 mit einem Phasenwinkel von 0, 90, 180 oder 270 Grad des Modulationssignals (vgl. I₁) zu synchronisieren. Dementsprechend wird die Empfindlichkeit jeder Einheit 131 während der Integrationsperiode, die kürzer als eine Periode der bestimmten Frequenz ist, zu einer hohen Empfindlichkeit geändert. Außerdem legt die Stufe 14, wie in 3B gezeigt, die Spannung +V und die Spannung 0 V an die Elektrode 13b-3 und die Elektroden 13b-1, 13b-2, 13b-4 bzw. 13b-5 synchron mit einer Speicherperiode an, die eine Restperiode der einen Periode, mit Ausnahme der Integrationsperiode, ist. Dementsprechend wird die Empfindlichkeit jeder Einheit 131 während der Speicherperiode zu einer geringen Empfindlichkeit geändert. Darum wird in dem Element 13 ein Teil der durch die Einheit 131 erzeugten elektrischen Ladung durch die Integrationseinheit 133 (Potentialmulde 13c) bei der hohen Empfindlichkeit integriert und dann durch die Einheit 133 bei der geringen Empfindlichkeit gespeichert.
Die Sensorsteuerstufe 14 veranlaßt des Weiteren das Auslesen jeder elektrischen Ladung, die in dem Lichtdetektionselement 13 erzeugt und gespeichert wird, aus dem Element 13 synchron mit einer Detektionsperiode, die einer oder mehreren Perioden der bestimmten Frequenz entspricht. Und zwar gibt die Stufe 14 das vertikale Übertragungssignal während der vertikalen Austastungsperiode an jede Steuerelektrode 13b aus und gibt auch das horizontale Übertragungssignal während der horizontalen Periode an das horizontale Übertragungsregister 13d aus. Zum Beispiel wird jede elektrische Ladung, die in dem Element 13 erzeugt und gespeichert wird, während einer Abtastperiode (siehe T_R1 bis T_R4 in 7) synchron mit der Endzeit einer Detektionsperiode ausgelesen.
Die Bilderzeugungsstufe 15 besteht zum Beispiel aus einer CPU, einer Speichervorrichtung zum Speichern eines Programms und so weiter. Die Stufe 15 berechnet einen Entfernungswert für jedes Bildelement in einem Entfernungsbild auf der Grundlage jeder elektrischen Ladung, die durch die Sensorsteuerstufe 14 ausgelesen wird. Wenn sich mindestens ein physisches Objekt in dem Objektraum befindet, so stellt der Entfernungswert die Entfernung bis zu dem physischen Objekt dar. Die Stufe 15 erzeugt dann das Entfernungsbild mit einem Entfernungswert für jedes Bildelement.
Es wird nun das Prinzip der Berechnung des Entfernungswertes erläutert. Die Phase (Phasendifferenz) Ψ von 2 entspricht der Hin- und Zurück-Entfernung zwischen der Empfangsfläche des Lichtdetektionselements 13 und dem physischen Objekt in dem Objektraum. Darum ist es durch Berechnen der Phase Ψ möglich, die Entfernung bis zu dem physischen Objekt zu berechnen. Die Phase Ψ und das Reflexionsvermögen des physischen Objekts ändern sich selten in einem Zeitraum zum Integrieren und Auslesen einer Menge von elektrischen Ladungen. In diesem Fall kann die Phase Ψ anhand von Zeitintegrationswerten (zum Beispiel der Ti-Integrationswerte Q₀, Q₁, Q₂ und Q₃) einer Kurve berechnet werden, die durch Gleichung (1) angegeben wird. Momentane Werte q₀, q₁, q₂ und q₃ der Zeitintegrationswerte (empfangenen Lichtmengen) Q₀, Q₁, Q₂ und Q₃ sind jeweils gegeben durch: q0 = I2·sin(–ψ) + C = –I2·sin(ψ) + C, q1 = I2·sin(π/2 – ψ) + C = –I2·cos(ψ) + C, q2 = I2·sin(π – ψ) + C = I2·sin(ψ) + C, und q3 = I2·sin(3π/2 – ψ) + C = –I2·cos(ψ) + C.
Darum ist die Phase Ψ durch die folgende Gleichung (2) gegeben, und im Fall der Zeitintegrationswerte ist es auch möglich, die Phase Ψ durch die Gleichung (2) zu erhalten. Ψ = tan–1{(q2 – q0)/(q1 – q3)} (2)
Wenn jedoch das intensitätsmodulierte Licht durch I₂·cos(ωt – Ψ) + C dargestellt wird, so kann die Phase Ψ durch Ψ = tan^–1{(q₁ – q₃)/(q₀ – q₂)} gegeben sein. Wenn ein Vorzeichen der Phase Ψ minus ist, so kann die Reihenfolge jedes Terms eines Nenners und eines Zählers in tan^–1{...} gegeneinander vertauscht werden, oder es kann ein absoluter Wert verwendet werden.
Falls die lichtempfindliche Einheit 131 eine elektrische Ladung proportional zu der empfangen Lichtmenge erzeugt, so wird, wenn die Integrationseinheit 133 eine elektrische Ladung, die Q₀ entspricht, integriert, die elektrische Ladung proportional zu αQ₀ + β(Q₁ + Q₂ + Q₃) + βQx integriert. Das α ist eine Empfindlichkeit in jeder Integrationsperiode Ti, die Q₀ bis Q₃ entspricht; das β ist eine Empfindlichkeit in der Speicherperiode; und das Q_X ist eine in der Speicherperiode empfangene Lichtmenge. Wenn die Einheit 131 auch eine elektrische Ladung integriert, die Q₂ entspricht, so wird die elektrische Ladung proportional zu αQ₂ + β(Q₀ + Q₁ + Q₂) + βQ_X integriert. Weil Q₂ – Q₀ = (α – β)(Q₂ – Q₀) und Q₁ – Q₃ = (α – β)(Q₁ – Q₃), ändert sich (Q₂ – Q₀)/(Q₁ – Q₃) theoretisch nicht, unabhängig davon, ob eine ungewollte elektrische Ladung in die Integrationseinheit eingemischt wird oder nicht (vgl. Gleichung (2)). Darum ändert sich eine Phase Ψ für ein entsprechendes Bildelement selbst dann nicht, wenn eine ungewollte elektrische Ladung in die Integrationseinheit eingemischt wird.
Bei der ersten Ausführungsform enthält die Detektionsperiode unterschiedliche Detektionsperioden. Die unterschiedlichen Detektionsperioden sind zum Beispiel eine lange Detektionsperiode und eine kurze Detektionsperiode, die kürzer als die lange Detektionsperiode ist. Die kurze Detektionsperiode wird auf einen Zeitraum eingestellt, der einer oder mehreren Perioden der bestimmten Frequenz entspricht. Außerdem besteht jedes Pixel in der Bildauslesungsregion A1 zum Beispiel aus vier benachbarten lichtempfindlichen Einheiten. Und die Sensorsteuerstufe 14 veranlaßt das Auslesen einer Menge von elektrischen Ladungen, die der einen Menge von Phasen entsprechen, an jedem Pixel des Lichtdetektionselements (Bildauslesungsregion A1) synchron mit jeder der unterschiedlichen Detektionsperioden. Das ist jedoch nicht darauf beschränkt, und jedes Pixel kann auch aus einer lichtempfindlichen Einheit beste hen, und die Sensorsteuerstufe kann jeweils das Auslesen einer Menge von elektrischen Ladungen, die der einen Menge von Phasen entsprechen, an jedem Pixel synchron mit mindestens vier Detektionsperioden veranlassen.
Die Bilderzeugungsstufe 15 wählt eine bestimmte Detektionsperiode aus den unterschiedlichen Detektionsperioden aus. Die Stufe 15 berechnet dann einen Entfernungswert für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild auf der Grundlage einer Menge von elektrischen Ladungen, die an jedem Pixel synchron mit der bestimmten Detektionsperiode ausgelesen werden. Die bestimmte Detektionsperiode ist eine von einer oder mehreren Detektionsperioden, während der das Lichtdetektionselement 13 keine Sättigung erreicht, und ist eine Detektionsperiode, während der ein Wert, der zu der Lichtmenge, die aus dem Objektraum empfangen wurde, in Beziehung steht, zu einem Maximalwert der einen oder mehreren Detektionsperioden wird. Der Wert, der zu der empfangenen Lichtmenge in Beziehung steht, ist zum Beispiel ein Wert, der aus einer Menge von elektrischen Ladungen gewonnen wird.
Aus diesem Grund besteht die Bilderzeugungsstufe 15 aus Zwischenspeichereinheiten 151 und 152, einer Auswahleinheit 153 und einer Arithmetikeinheit 154. Die Einheiten 151 und 152 bestehen aus einem Speicher zum Speichern jedes digitalen Wertes, der durch Analog-Digital-Wandlung jeder elektrischen Ladung (analoges Signal) erhalten wird. Die Einheit 151 speichert vorübergehend eine Menge von elektrischen Ladungen (digitale Werte), die an jedem Pixel synchron mit der langen Detektionsperiode durch die Sensorsteuerstufe 14 ausgelesen werden. Die Einheit 152 speichert vorübergehend eine Menge von elektrischen Ladungen (digitale Werte), die an jedem Pixel synchron mit der kurzen Detektionsperiode durch die Stufe 14 ausgelesen werden.
Die Auswahleinheit 153 wählt die bestimmte Detektionsperiode aus der langen Detektionsperiode und der kurzen Detektionsperiode an jeder Menge von elektrischen Ladungen (digitale Werte) in jeder der Zwischenspeichereinheiten 151 und 152 aus. Wenn ein Wert einer Menge von elektrischen Ladungen, der aus der Einheit 151 erhalten wird, einen vorgeschriebenen Wert, der dem Sättigungsniveau des Lichtdetektionselements 13 entspricht, nicht überschreitet, so wird die lange Detektionsperiode, die der Einheit 151 entspricht, als die bestimmte Detektionsperiode ausgewählt. Wenn der Wert einer Menge von elektrischen Ladungen den vorgeschriebenen Wert überschreitet, so wird die lange Periode nicht ausgewählt. In diesem Fall wird, wenn ein Wert einer entsprechenden Menge von elektrischen Ladungen, der aus der Einheit 152 erhalten wird, den vorgeschriebenen Wert nicht überschreitet, die kurze Detektionsperiode, die der Einheit 152 entspricht, als die bestimmte Detektionsperiode ausgewählt.
Wann immer die bestimmte Detektionsperiode ausgewählt wird, berechnet die Arithmetikeinheit 154 auf der Grundlage einer Menge von elektrischen Ladungen (digitale Werte), die der bestimmten Detektionsperiode entsprechen, einen Entfernungswert für ein Bildelement, der dem Pixel entspricht, aus dem die eine Menge von elektrischen Ladungen ausgelesen wurde.
Es wird nun die Funktionsweise der ersten Ausführungsform erläutert. Die Sensorsteuerstufe 14 steuert die Empfindlichkeit des Lichtdetektionselements 13, um eine elektrische Ladung, die an jeder lichtempfindlichen Einheit 131 während jeder der unterschiedlichen Detektionsperioden erzeugt wurde, in ihre Integrationseinheit 133 zu integrieren. Wenn zum Beispiel eine elektrische Ladung, die dem Zeitintegrationswert (empfangene Lichtmenge) Q₀ entspricht, in eine Einheit 133 integriert wird, so erhöht die Stufe 14 die Empfindlichkeit der Einheit 133 während der Integrationsperiode Ti, die Q₀ entspricht. Die Stufe 14 verringert auch die Empfindlichkeit der Einheit 133 während der gesamten (Speicherperiode) außer der Periode Ti. Dementsprechend es ist möglich, die elektrische Ladung, die Q₀ entspricht, in die Einheit 133 zu integrieren und darin zu speichern. Gleichermaßen ist es möglich, eine elektrische Ladung, die jedem Zeitintegrationswert entspricht, in jede Einheit 133 zu integrieren und darin zu speichern. Außerdem kann ein Verhältnis der elektrischen Ladung eines Signals (elektrische Ladung, die dem intensitätsmodulierten Licht entspricht) zur elektrischen Ladung eines Rauschens (elektrische Ladung, die der Umgebungslichtkomponente und dem im Element 13 erzeugten Schrotrauschen entspricht) vergrößert werden. Darum wird ein großes Signal-Rausch-Verhältnis erhalten.
Um eine elektrische Ladung auszulesen, die in jede Integrationseinheit 133 integriert ist, gibt die Sensorsteuerstufe 14 das vertikale Übertragungssignal an jede Steuerelektrode 13b während der vertikalen Austastungsperiode nach der langen Detektionsperiode oder der kurzen Detektionsperiode aus. Die Stufe 14 gibt auch das horizontale Übertragungssignal an das horizontale Übertragungsregister 13d während der horizontalen Periode aus. Dementsprechend wird jede elektrische Ladung, die während der langen Detektionsperiode integriert und gespeichert wird, durch die Zwischenspeichereinheit 151 zwischengespeichert. Außerdem wird jede elektrische Ladung, die während der kurzen Detektionsperiode integriert und gespeichert wird, durch die Zwischenspeichereinheit 152 zwischengespeichert.
Die Auswahleinheit 153 wählt die bestimmte Detektionsperiode aus der langen Detektionsperiode und der kurzen Detektionsperiode bei jeder Menge der elektrischen Ladungen in jeder der Einheiten 151 und 152 aus. Wann immer die bestimmte Detektionsperiode ausgewählt wird, berechnet die Arithmetikeinheit 154 auf der Grundlage einer Menge von elektrischen Ladungen für jedes Pixel, die der bestimmten Detektionsperiode entsprechen, einen Entfernungswert für jedes Pixel. Dann wird ein Entfernungsbild erzeugt.
5A und 5B zeigen die Funktionsweise eines Entfernungsbildsensors einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. In dem Entfernungsbildsensor der zweiten Ausführungsform werden zwei benachbarte lichtempfindliche Einheiten 231 und 231 entlang der vertikalen Richtung als ein einzelner Pixel verwendet. Außerdem ist ein Überlaufabfluß an jedem Pixel vorhanden.
Wenn eine lichtempfindliche Einheit die elektrischen Ladungen, die Q₀–Q₃ entsprechen, erzeugt, so wird die Auflösung mit Bezug auf die Sichtlinienrichtung hoch. Doch es tritt das Problem der Zeitdifferenz auf, weil mindestens die bestimmte Detektionsperiode für jede der elektrischen Ladungen, die Q₀–Q₃ entsprechen, benötigt wird. Umgekehrt ist es, wenn jeweils vier lichtempfindliche Einheiten die elektrischen Ladungen, die Q₀–Q₃ entsprechen, erzeugen, möglich, die elektrischen Ladungen, die C₀–Q₃ entsprechen, synchron mit mindestens der bestimmten Detektionsperiode auszulesen, und darum wird die Zeitdifferenz klein. Jedoch wird die Auflösung mit Bezug auf die Sichtlinienrichtung gering.
Bei der zweiten Ausführungsform werden, wie in den 5A und 5B gezeigt, zwei lichtempfindliche Einheiten 231 und 231 für einen einzelnen Pixel verwendet, um das Problem zu lösen. In den 3A und 3B der ersten Ausführungsform haben, während eine elektrische Ladung an der lichtempfindlichen Einheit 131 erzeugt wird, zwei Steuerelektroden 13b-1 und 13b-5 auf beiden Seiten die Funktion, eine Potentialsperre zu bilden, um zu verhindern, daß ein Teil der elektrischen Ladung in jede benachbarte lichtempfindliche Einheit 131 abfließt. In der zweiten Ausführungsform sind, da jede lichtempfindliche Einheit 231 eine Sperre zwischen den Potentialmulden 23c und 23c der benachbarten lichtempfindlichen Einheiten 231 und 231 bildet, drei Steuerelektroden mit Bezug auf jede lichtempfindliche Einheit 231 vorhanden. Darum sind sechs Steuerelektroden 23b-1, 23b-2, 23b-3, 23b-4, 23b-5 und 23b-6 mit Bezug auf jedes Pixel vorhanden.
Die Sensorsteuerstufe der zweiten Ausführungsform veranlaßt das Auslesen einer Menge von elektrischen Ladungen, die der einen Menge von Phasen des Modulationssignals entsprechen, an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild synchron mit jeder der unterschiedlichen Detektionsperioden. Eine Synchronisation mit jeder der unterschiedlichen Detektionsperioden, wie in 7 gezeigt, wird in folgender Reihenfolge ausgeführt: eine lange Detektionsperiode T_L1, eine kurze Detektionsperiode T_S1, eine lange Detektionsperiode T_L2 und eine kurze Detektionsperiode T_S2.
Es wird nun die Funktionsweise der zweiten Ausführungsform erläutert. Wie in den 5 bis 7 gezeigt, werden in der langen Detektionsperiode T_L1 die Spannung +V und die Spannung 0 V an die Steuerelektroden, die mit 23b-1, 23b-2, 23b-3 und 23b-5 bezeichnet sind, bzw. die Elektroden, die mit 23b-4 und 23b-6 bezeichnet sind, während der Integrationsperiode Ti, die Q₀ entspricht, angelegt. Dann werden die Spannung +V und die Spannung 0 V an die Elektroden, die mit 23b-2, 23b-4, 23b-5 und 23b-6 bezeichnet sind, bzw. die Elektroden, die mit 23b-1 und 23b-3 bezeichnet sind, während der Integrationsperiode Ti, die Q2 entspricht, angelegt. Außerdem werden die Spannung +V und die Spannung 0 V an die Elektroden, die mit 23b-2 und 23b-5 bezeichnet sind, bzw. die Elektroden, die mit 23b-1, 23b-3, 23b-4 und 23b-5 bezeichnet sind, während der gesamten (Speicherperiode) außer den Perioden angelegt. Dementsprechend werden beide elektrische Ladungen, die Q₀ und Q₂ entsprechen, an jedem Pixel synchron mit der Periode T_L1 erzeugt und integriert.
In einer Abtast(Auslese)-Periode T_R1 werden die elektrischen Ladungen je Pixel, die Q₀ und Q₂ entsprechen, von der Bildausleseregion A1 zu der Speicherregion A2 übertragen. Das heißt, wenn die elektrische Ladung, die Q₀ entspricht, in die Potentialmulde 23c, die den Elektroden 23b-1, 23b-2 und 23b-3 entspricht, integriert wird und dann die elektrische Ladung, die Q₂ entspricht, in die Potentialmulde 23c, die den Elektroden 23b-4, 23b-5 und 23b-6 entspricht, integriert wird, so werden die elektrischen Ladungen, die Q₀ und Q₂ entsprechen, ausgelesen, um in der Zwischenspeichereinheit, die der langen Detektionsperiode entspricht, zwischengespeichert zu werden.
Nach dieser Operation wird die momentane Detektionsperiode zu der kurzen Detektionsperiode T_S1 geändert, woraufhin die gleiche Operation wie im Fall der langen Detektionsperiode T_L1 ausgeführt wird. Dementsprechend werden beide elektrische Ladungen, die Q₀ und Q₂ entsprechen, an jedem Pixel synchron mit der Periode T_S1 erzeugt und integriert. In einer Abtastperiode T_R2 (gleich T_R1) werden die elektrischen Ladungen, die Q₀ und Q₂ entsprechen, an jedem Pixel ausgelesen, um in der Zwischenspeichereinheit, die der kurzen Detektionsperiode entspricht, zwischengespeichert zu werden.
Nach dieser Operation wird die momentane Detektionsperiode zu der langen Detektionsperiode T_L2 (gleich T_L1) geändert, und auch Zeitpunkte zum Anlegen jedes Spannungsmuster der 5A und 5B werden um 90 Grad verschoben, woraufhin die gleiche Operation wie im Fall der langen Detektionsperiode T_L1 ausgeführt wird. Dementsprechend werden beide elektrische Ladungen, die Q₁ und Q₃ entsprechen, an jedem Pixel synchron mit der Periode T_L2 erzeugt und integriert. In einer Abtastperiode T_R3 (gleich T_R1) werden die elektrischen Ladungen, die Q₁ und Q₃ entsprechen, an jedem Pixel ausgelesen, um in der Zwischenspeichereinheit, die der langen Detektionsperiode entspricht, zwischengespeichert zu werden.
Nach dieser Operation wird die momentane Detektionsperiode zu der kurzen Detektionsperiode T_S2 (gleich T_S1) geändert, woraufhin die gleiche Operation wie im Fall der langen Detektionsperiode T_L2 ausgeführt wird. Dementsprechend werden beide elektrische Ladungen, die Q₁ und Q₃ entsprechen, an jedem Pixel synchron mit der Periode T_S2 erzeugt und integriert. In einer Abtastperiode T_R4 (gleich T_R1) werden die elektrischen Ladungen, die Q₁ und Q₃ entsprechen, an jedem Pixel ausgelesen, um in der Zwischenspeichereinheit, die der kurzen Detektionsperiode entspricht, zwischengespeichert zu werden.
Bei der zweiten Ausführungsform ist es möglich, eine Menge von elektrischen Ladungen, die der langen Detektionsperiode entsprechen, und eine Menge von elektrischen Ladungen, die der kurzen Detektionsperiode entsprechen, an jeder Operationsperiode T_P1 und T_P2 zu erhalten. In diesem Fall werden, wenn die Operationsperioden T_P1 und T_P2 auf einen Zeitraum von kürzer als 1/60 Sekunde eingestellt werden, Entfernungsbilder mit 30 Frames je Sekunde erhalten.
Bei einer alternativen Ausführungsform erhält die Auswahleinheit der Bilderzeugungsstufe einen Wert der maximalen elektrischen Ladung von jeder elektrischen Ladung (digitaler Wert) in der Zwischenspeichereinheit, die der langen Detektionsperiode an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild entspricht. Wenn der Wert der maximalen elektrischen Ladung einen zuvor auf der Grundlage des Sättigungsniveaus des Lichtdetektionselements festgelegten maximalen Schwellenwert nicht überschreitet, so wählt die Auswahleinheit die lange Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode aus. Wenn der Wert der maximalen elektrischen Ladung den maximalen Schwellenwert übersteigt, so erhält die Auswahleinheit einen Wert der maximalen elektrischen Ladung von jeder elektrischen Ladung in der Zwischenspeichereinheit, die der kurzen Detektionsperiode entspricht. Wenn der Wert der maximalen elektrischen Ladung, die der kurzen Detektionsperiode entspricht, nicht den maximalen Schwellenwert überschreitet, so wählt die Auswahleinheit die kurze Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode. Und zwar ist die bestimmte Detektionsperiode eine von einer oder mehreren Detektionsperioden, während der ein Wert einer maximalen elektrischen Ladung für jede aus einer Menge von elektrischen Ladungen, die durch jede Zwischenspeichereinheit zwischengespeichert wird, nicht den maximalen Schwellenwert überschreitet, und ist eine Detektionsperiode, während der der Wert der maximalen elektrischen Ladung zu einem Maximalwert der einen oder mehreren Detektionsperioden wird. Die kurze Detektionsperiode wird auf eine Periode eingestellt, während der jeder Wert der maximalen elektrischen Ladung nicht den maximalen Schwellenwert in der zu verwendenden Umgebung überschreitet.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform berechnet die Auswahleinheit der Bilderzeugungsstufe einen Mittelwert einer Menge von elektrischen Ladungen, die durch die Zwischenspeichereinheit zwischengespeichert werden, die der langen Detektionsperiode an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild entspricht. Wenn der Mittelwert einen zuvor auf der Grundlage des Sättigungsniveaus des Lichtdetektionselements festgelegten durchschnittlichen Referenzwert nicht überschreitet, so wählt die Auswahleinheit die lange Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode. Wenn der Mittelwert den durchschnittlichen Referenzwert übersteigt, so berechnet die Auswahleinheit einen Mittelwert einer Menge von elektrischen Ladungen die durch die Zwischenspeichereinheit zwischengespeichert werden, die der kurzen Detektionsperiode entspricht. Wenn der Mittelwert, der der kurzen Detektionsperiode entspricht, den durchschnittlichen Referenzwert nicht überschreitet, so wählt die Auswahleinheit die kurze Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode aus. Und zwar ist die bestimmte Detektionsperiode eine von einer oder mehreren Detektionsperioden, während der ein Mittelwert einer Menge von elektrischen Ladungen, die durch jede Zwischenspeichereinheit zwischengespeichert werden, den durchschnittlichen Referenzwert nicht überschreitet, und ist eine Detektionsperiode, während der der Mittelwert zu einem Maximalwert der einen oder mehreren Detektionsperioden wird. Jeder Mittelwert entspricht einem Durchschnitt jeder elektrischen Ladung in Reaktion auf das intensitätsmodulierte Licht aus dem Objektraum und jeder elektrischen Ladung in Reaktion auf die Umgebungslichtkomponente. Darum ist es möglich zu unterscheiden, ob das Lichtdetektionselement gesättigt ist oder nicht. Jede Detektionsperiode wird vorzugsweise auf einen Zeitraum eingestellt, während dem eine Schwankung der Umgebungslichtkomponente ignoriert werden kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform legt die Sensorsteuerstufe, wie in 8A gezeigt, anstelle des Spannungsmusters von 5A die Spannung +V an die Steuerelektroden 23b-1, 23b-2 und 23b-3 an, legt eine Spannung zwischen +V und 0 V an die Elektrode 23b-5 an und legt außerdem die Spannung 0 V an die Elektroden 23b-4 und 23b-6 an. Außerdem legt die Sensorsteuerstufe, wie in 8B gezeigt, anstelle des Spannungsmusters von 5B eine Spannung zwischen +V und 0 V an die Elektrode 13b-2 an, legt die Spannung +V an die Steuerelektroden 23b-4, 23b-5 und 23b-6 an und legt außerdem die Spannung 0 V an die Elektroden 23b-1 und 23b-3 an. Wenn also die Potentialmulde, die hauptsächlich dem Integrieren einer elektrischen Ladung dient, tiefer als die Potentialmulde ist, die hauptsächlich dem Speichern einer elektrischen Ladung dient, so fließt eine elektrische Ladung, die in der Region, die jeder Elektrode der Spannung 0 V entspricht, erzeugt wird, leicht in die tiefere Potentialmulde ab. Infolge dessen ist es möglich, die Rauschkomponente zu verringern, die in die Potentialmulde zum Speichern einer elektrischen Ladung fließt.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform wird eine Synchronisation mit jeder Detektionsperiode kontinuierlich mehrere Male ausgeführt. In diesem Fall werden zwei elektrische Ladungen, die synchron mit jeder Detektionsperiode ausgelesen werden, in jeder gleichen kontinuierlichen Detektionsperiode addiert oder gemittelt. Zum Beispiel werden die lange Detektionsperiode T_L1 und die Abtastperiode T_R1 kontinuierlich mehrere Male ausgeführt. Die elektrischen Ladungen, die Q₀ und Q₂ entsprechen und die synchron mit der langen Detektionsperiode T_L1 ausgelesen werden, werden jeweils in jeder kontinuierlichen Detektionsperiode T_L1 addiert oder gemittelt. Gemäß dieser Ausführungsform kann eine Sättigung des Lichtdetektionselements verhindert werden, da es möglich ist, die in jeder Detektionsperiode empfangene Lichtmenge vergleichsweise zu verringern.
Bei einer dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wählt die Bilderzeugungsstufe – wenn die bestimmte Detektionsperiode nicht ausgewählt wird oder eine erste bestimmte Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode die kurze Detektionsperiode ist, die kürzere als eine vorgeschriebene Länge ist – eine zweite bestimmte Detektionsperiode aus den unterschiedlichen Detektionsperioden an jeweils zwei Phasen der einen Menge von Phasen mit Bezug auf ein bestimmtes Bildelement, für das die bestimmte Detektionsperiode nicht ausgewählt wird oder die kurze Detektionsperiode ausgewählt wird.
Wenn in dem Beispiel von 7 ein Wert jeder elektrischen Ladung in der langen Detektionsperiode T_L1 (Q₀, Q₂) kleiner ist als ein zuvor auf der Grundlage des Sättigungsniveaus des Lichtdetektionselements festgelegter Wert (zum Beispiel Sättigungsschwellenwert) und außerdem ein Wert jeder elektrischen Ladung in der langen Detektionsperiode T_L2 (Q₁, Q₃) größer ist als der Sättigungsschwellenwert, so wird die bestimmte Detektionsperiode nicht ausgewählt, oder es wird die kurze Detektionsperiode ausgewählt. In diesem Fall wählt die Bilderzeugungsstufe, wenn ein Wert jeder elektrischen Ladung in der kurzen Detektionsperiode T_S2 (Q₁, Q₃) kleiner ist als der Sättigungsschwellenwert, die lange Detektionsperiode T_L1 und die kurze Detektionsperiode T_S2. Und zwar ist die zweite bestimmte Detektionsperiode eine von einer oder mehreren Detektionsperioden, während der ein Wert, der aus elektrischen Ladungen gewonnen wird, die den zwei Phasen der einen Menge von Phasen entsprechen, zum Beispiel nicht den Sättigungsschwellenwert überschreitet, und ist eine Detektionsperiode, während der der Wert, der aus elektrischen Ladungen gewonnen wird, zu einem Maximalwert der einen oder mehreren Detektionsperioden wird.
Die Bilderzeugungsstufe korrigiert dann zwei Werte, die aus einer Menge von elektrischen Ladungen gewonnen werden, die mit Bezug auf das bestimmte Bildelement synchron mit der zweiten bestimmten Detektionsperiode ausgelesen werden, auf der Grundlage einer Längenrate der entsprechenden zweiten bestimmten Detektionsperiode und berechnet eine Menge von Werten. Im Fall des oben angesprochenen Beispiels wird ein Wert jeder elektrischen Ladung in der kurzen Detektionsperiode T_S2 (Q₁, Q₃) auf der Grundlage der Rate (T_L1/T_S2) der Länge der entsprechenden kurzen bestimmten Detektionsperiode T_S2 korrigiert. Die Beziehung zwischen der Längenrate und einer Rate jeder elektrischen Ladung wird zuvor anhand von Experimenten ermittelt.
Die Bilderzeugungsstufe berechnet dann einen Entfernungswert für das bestimmte Bildelement auf der Grundlage der einen Menge von Werten. Dementsprechend besteht eine Möglichkeit, daß der Entfernungswert selbst dann berechnet werden kann, wenn die erste bestimmte Detektionsperiode nicht ausgewählt wird. Außerdem ist es, wenn die kurze Detektionsperiode als die erste bestimmte Detektionsperiode ausgewählt wird, möglich, Werte verfügbarer elektrischer Ladungen, die während der langen Detektionsperiode erhalten werden, anstelle der kurzen Detektionsperiode zu verwenden. Infolge dessen es ist möglich, den Einfluß des Schrotrauschens zu unterdrücken, um die Meßgenauigkeit zu verbessern.
Bei einer vierten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet die Bilderzeugungsstufe einen Vergleichswert durch Einsetzen jedes Wertes, der einer Menge von elektrischen Ladungen entspricht, die durch die Sensorsteuerstufe ausgelesen werden, für jede Funktionsvariable mit Bezug auf die durch jede lichtempfindliche Einheit empfangene Lichtmenge. Die Bilderzeugungsstufe wählt dann die bestimmte Detektionsperiode durch Vergleichen des Vergleichswertes mit einem vorgeschriebenen Schwellenwert.
Zum Beispiel ist der Vergleichswert ein Mittelwert jeder elektrischen Ladung, die jeder Lichtmenge entspricht, die durch jede lichtempfindliche Einheit während einer oder mehreren Perioden der bestimmten Frequenz des Modulationssignals empfangen wird, und wird durch (Q₀ + Q₁ + Q₂ + Q₃)/4 berechnet. Der Mittelwert kann auch durch (Q₀ + Q₂)/2 oder (Q₁ + Q₃)/2 berechnet werden. Wenn sich die Umgebungslichtkomponente, wie in den 2 und 6 gezeigt, während einer oder mehrerer Perioden der bestimmten Frequenz nicht verändert, so ist der Mittelwert äquivalent dem Wert C, der durch Addieren eines Mittelwertes der Intensität I₂ zu der Umgebungslichtkomponente erhalten wird, und ist ein konstanter Wert. Darum kann die bestimmte Detektionsperiode auf der Grundlage des Mittelwertes ausgewählt werden. Wenn zum Beispiel der Mittelwert größer als der vorgeschriebene Schwellenwert ist, so wird die kurze Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode ausgewählt. Anderenfalls wird die lange Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode ausgewählt. Des Weiteren wird, wenn der Mittelwert kleiner als der Untergrenzenwert ist, der kleiner als der vorgeschriebene Schwellenwert ist, die bestimmte Detektionsperiode nicht ausgewählt, weil das Licht aus dem Objektraum gering ist und ein richtiger Entfernungswert nicht erhalten wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform veranlaßt die Sensorsteuerstufe das Auslesen einer Menge von elektrischen Ladungen, die der einen Menge von Phasen des Modulationssignals entsprechen, an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild synchron mit der durch den Mittelwert ausgewählten bestimmten Detektionsperiode.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird, wenn es keine Umgebungslichtkomponente gibt oder die Umgebungslichtkomponente bekannt ist, eine Amplitude A von intensitätsmoduliertem Licht mit einer Intensität I₂ als der Vergleichswert verwendet. Die Amplitude A kann anhand jeder Lichtmenge Q₀, Q₁, Q₂ und Q₃ und der folgenden Gleichung berechnet werden. A = (½)·{(Q0 – Q2)2 + (Q1 – Q3)2}1/2
Diese Gleichung wird erhalten aus: (Q₀ – Q₂)² + (Q₁ – Q₃)² = 4A²{sin²(Ψ) + cos²(Ψ)} = 4A². Wenn die Amplitude A größer als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist, so wird die kurze Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode ausgewählt. Anderenfalls wird die lange Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode ausgewählt. Wenn des Weiteren die Amplitude A kleiner als ein Untergrenzenwert ist, der kleiner als der vorgeschriebene Schwellenwert ist, so wird die bestimmte Detektionsperiode nicht ausgewählt, weil das Licht aus dem Objektraum gering ist und ein richtiger Entfernungswert nicht erhalten wird. Wenn die Umgebungslichtkomponente nicht bekannt ist, so ist es möglich zu unterscheiden, ob das Lichtdetektionselement gesättigt ist oder nicht, indem der Wert C weiter verwendet wird.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform wird ein Wert, der aus der Amplitude A und dem Wert C gewonnen wird, zum Beispiel ein Wert (A/C), der durch Teilen des Wertes C in die Amplitude A gewonnen wird, als der Vergleichswert verwendet. Der Wert (A/C) entspricht einem Verhältnis von empfangenem intensitätsmoduliertem Licht zu dem Mittelwert der vierten Ausführungsform. Wenn das Verhältnis hoch ist, so wird die Genauigkeit des Entfernungswertes hoch. Anderenfalls wird die Genauigkeit des Entfernungswertes gering. Wenn also der Wert (A/C) größer als ein vorgeschriebener Schwellenwert ist, so wird die kurze Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode ausgewählt. Anderenfalls wird die lange Detektionsperiode als die bestimmte Detektionsperiode ausgewählt. Wenn des Weiteren der Wert (A/C) kleiner als ein Untergrenzenwert ist, der kleiner als der vorgeschriebene Schwellenwert ist, so wird die bestimmte Detektionsperiode nicht ausgewählt, da ein Entfernungswert von brauchbarer Genauigkeit nicht erhalten wird. Es ist möglich zu unterscheiden, ob das Lichtdetektionselement gesättigt ist oder nicht, indem der Wert C weiter verwendet wird.
9 zeigt eine Bilderzeugungsstufe 45 in einem Entfernungsbildsensor einer fünften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Bilderzeugungsstufe 45 umfaßt Zwischenspeichereinheiten 451 und 452, eine Auswahleinheit 453 und eine Arithmetikeinheit 454 sowie jene der ersten Ausführungsform, und umfaßt des Weiteren eine Ausnahmenverarbeitungseinheit 455. Wenn ein Entfernungswert für ein bestimmtes Bildelement in dem Ent fernungsbild nicht berechnet wird, so weist die Einheit 455 dem bestimmten Bildelement einen Ersatzwert zu.
Wenn zum Beispiel eine Summe oder ein maximaler Wert einer Menge von digitalen Werten, die durch die Zwischenspeichereinheit zwischengespeichert werden, die der kurzen Detektionsperiode entspricht, größer als ein Wert ist, der zuvor auf der Grundlage des Sättigungsniveaus des Lichtdetektionselements festgelegt wurde, oder eine Summe oder ein minimaler Wert einer Menge von digitalen Werten, die durch die Zwischenspeichereinheit zwischengespeichert werden, die der langen Detektionsperiode entspricht, kleiner als ein Untergrenzenwert ist, der zur Berechnung des Entfernungswertes erforderlich ist, so wird die bestimmte Detektionsperiode für ein entsprechendes Bildelement nicht ausgewählt. Der Ersatzwert ist ein vorgeschriebener Wert, wie zum Beispiel ein durchschnittlicher Entfernungswert bis zu dem Objektraum oder dergleichen. Dementsprechend ist es möglich, ein Entfernungsbild ohne fehlenden Entfernungswert zu erzeugen.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Ersatzwert ein früherer Entfernungswert für das bestimmte Bildelement. Eine Gültigkeitsdauer wird mit dem früheren Entfernungswert verknüpft, und der frühere Entfernungswert für das bestimmte Bildelement wird als der Ersatzwert verwendet, solange die Gültigkeitsdauer nicht abgelaufen ist.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform ist der Ersatzwert ein Mittelwert eines Entfernungswertes jedes Bildelements um das bestimmte Bildelement herum. Selbst wenn der Entfernungswert für das bestimmte Bildelement nicht berechnet wird, gibt es den Fall, daß ein Entfernungswert für jedes Bildelement um das bestimmte Bildelement herum berechnet wird. In einem solchen Fall kann dem bestimmten Bildelement durch Verwenden des Mittelwertes als den Ersatzwert ein richtiger Entfernungswert mit Kontinuität zugewiesen werden. Außerdem können der vorgeschriebene Wert, der frühere Entfernungswert oder der Mittelwert als der Ersatzwert gemäß der Prioritätsreihenfolge angewendet werden.
10 zeigt die Funktionsweise eines Entfernungsbildsensors einer sechsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Entfernungsbildsensor der sechsten Ausführungsform ist durch eine Sensorsteuerstufe und eine Bilderzeugungsstufe gekennzeichnet, und diese Stufen dienen dazu, die Verläßlichkeit des Entfernungswertes, der aus jedem Pixel, das aus zwei benachbarten lichtempfindlichen Einheiten besteht, gewonnen wird, zu gewährleisten.
Lichtempfindliche Einheiten in einem Lichtdetektionselement der sechsten Ausführungsform enthalten Pixel, von denen jedes aus zwei benachbarten lichtempfindlichen Einheiten besteht, sowie die zweite Ausführungsform. Jedes der Pixel erzeugt und integriert hauptsächlich zwei elektrische Ladungen an seinen benachbarten lichtempfindlichen Einheiten jeweils synchron mit zwei Phasen jeder Gruppe. Jede Gruppe wird durch Teilen der einen Menge von Phasen des Modifizierungssignals in zwei Gruppen erhalten, von denen jede zwei Phasen enthält. Außerdem sind sechs Steuerelektroden 63b-1, 63b-2, 63b-3, 63b-4, 63b-5 und 63b-6 mit Bezug auf jedes Pixel vorhanden.
Wenn also zwei lichtempfindliche Einheiten als ein einziges Pixel verwendet werden, so besteht die Möglichkeit, daß infolge einer Differenz jeder Position der lichtempfindlichen Einheiten ein Fehler in einem Entfernungswert, der aus dem Pixel gewonnen wurde, enthalten ist. Wenn zum Beispiel ein physisches Objekt, das in dem Objektraum detektiert werden soll, eine Stufe an dem Teil aufweist, welcher der Position zwischen den zwei lichtempfindlichen Einheiten entspricht, so wird der Fehler groß, und die Genauigkeit des Entfernungswertes wird gering.
Darum veranlaßt die Sensorsteuerstufe der sechsten Ausführungsform eine Änderung der Synchronisationszeiten jeder Integrationsperiode von zwei benachbarten lichtempfindlichen Einheiten in jedem Pixel mit Bezug auf jede Phase einer entsprechenden Gruppe, um jede Phase der entsprechenden Gruppe mit Bezug auf die benachbarten lichtempfindlichen Einheiten gegeneinander auszutauschen. Die Sensorsteuerstufe veranlaßt außerdem die Auslesung jeder elektrischen Ladung, die hauptsächlich während jeder Integrationsperiode, die jeder Phase jeder Gruppe entspricht, erzeugt und integriert wird, an jedem Pixel synchron mit jeder der unterschiedlichen Detektionsperioden.
In den langen Detektionsperioden T_L11 (Q₀, Q₂) und T_L12 (Q₂, Q₀) von 10 ändert die Sensorsteuerstufe die Synchronisationszeitpunkte der Integrationsperiode von lichtempfindlichen Einheiten, die den Steuerelektroden 63b-1 bis 63b-3 entsprechen, in jedem Pixel mit Bezug auf die Phase, die Q₀ von T_L11 entspricht, um sie gegen die Phase, die Q₂ entspricht, mit Bezug auf die lichtempfindliche Einheit auszutauschen. Die Sensorsteuerstufe ändert auch die Synchronisationszeitpunkte der Integrationsperioden von lichtempfindlichen Einheiten, die den Elektroden 63b-4 bis 63b-6 entsprechen, in jedem Pixel mit Bezug auf die Phase, die Q₂ von T_L11 entspricht, um sie gegen die Phase, die Q₀ entspricht, mit Bezug auf die lichtempfindliche Einheit auszutau schen. Kurz gesagt, werden die Synchronisationszeitpunkte jeder Integrationsperiode von zwei benachbarten lichtempfindlichen Einheiten in jedem Pixel mit Bezug auf jede Phase einer entsprechenden Gruppe geändert, um jede Phase der entsprechenden Gruppe mit Bezug auf die benachbarten lichtempfindlichen Einheiten gegeneinander auszutauschen. Außerdem liest die Sensorsteuerstufe jede elektrische Ladung, die hauptsächlich während jeder Integrationsperiode, die Q₀ und Q₂ entspricht, erzeugt und integriert wird, an jedem Pixel synchron mit den langen Detektionsperioden T_L11 aus. Jede elektrische Ladung wird während der Abtastperiode T_R11 ausgelesen. Die Sensorsteuerstufe liest außerdem jede elektrische Ladung, die hauptsächlich während jeder Integrationsperiode, die Q₂ und Q₀ entspricht, erzeugt und integriert wird, an jedem Pixel synchron mit den langen Detektionsperioden T_L12 aus. Jede elektrische Ladung wird während der Abtastperiode T_R12 ausgelesen.
In den langen Detektionsperioden T_L21 (Q₁, Q₃) und T_L22 (Q₃, Q₁) von 10 ändert die Sensorsteuerstufe die Synchronisationszeitpunkte der Integrationsperiode von lichtempfindlichen Einheiten, die den Steuerelektroden 63b-1 bis 63b-3 entsprechen, in jedem Pixel mit Bezug auf die Phase, die Q₁ von T_L21 entspricht, um sie gegen die Phase, die Q₃ entspricht, mit Bezug auf die lichtempfindliche Einheit auszutauschen. Die Sensorsteuerstufe ändert auch die Synchronisationszeitpunkte der Integrationsperiode von lichtempfindlichen Einheiten, die den Elektroden 63b-4 bis 63b-6 entsprechen, in jedem Pixel mit Bezug auf die Phase, die Q₃ von T_L21 entspricht, um sie gegen die Phase, die Q₁ entspricht, mit Bezug auf die lichtempfindliche Einheit auszutauschen. Außerdem liest die Sensorsteuerstufe jede elektrische Ladung, die hauptsächlich während jeder Integrationsperiode, die Q₁ und Q₃ entspricht, erzeugt und integriert wird, an jedem Pixel synchron mit den langen Detektionsperioden T_L21 aus. Jede elektrische Ladung wird während der Abtastperiode T_R31 ausgelesen. Die Sensorsteuerstufe liest auch jede elektrische Ladung, die hauptsächlich während jeder Integrationsperiode, die Q₃ und Q₁ entspricht, erzeugt und integriert wird, an jedem Pixel synchron mit den langen Detektionsperioden T_L22 aus. Jede elektrische Ladung wird während der Abtastperiode T_R32 ausgelesen.
In den kurzen Detektionsperioden, die den langen Detektionsperioden T_L11, T_L12, T_L21 und T_L22 entsprechen, führt die Sensorsteuerstufe den gleichen Prozeß aus wie im Fall der langen Detektionsperioden.
Die Bilderzeugungsstufe der sechsten Ausführungsform kombiniert jede elektrische Ladung, die an jedem Pixel durch die Sensorsteuerstufe ausgelesen wird, mit einer Menge von elektrischen Ladungen, die der einen Menge von Phasen des Modulationssignals entsprechen. Die Bilderzeugungsstufe berechnet dann einen Entfernungswert für jedes Pixel auf der Grundlage der einen Menge von elektrischen Ladungen. Zum Beispiel wird ein Wert der elektrischen Ladung, die Q₀, Q₁, Q₂ oder Q₃ entspricht, mit dem Wert der entsprechenden elektrischen Ladung in einer Menge von elektrischen Ladungen als eine Summe oder ein Mittelwert kombiniert. In diesem Fall entspricht die Operationsperiode T_P1 einem Frame des Entfernungsbildes.
Weil also jede Phase jeder Gruppe mit Bezug auf alle benachbarten lichtempfindlichen Einheiten vertauscht wird, ist es möglich, die Verläßlichkeit des Entfernungswertes, der von jedem Pixel, das aus zwei benachbarten lichtempfindlichen Einheiten besteht, erhalten wird, zu gewährleisten.
In einer alternativen Ausführungsform berechnet die Bilderzeugungsstufe eine Menge von integrierenden elektrischen Ladungen an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild und berechnet einen Entfernungswert für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild auf der Grundlage einer jeden Menge von integrierenden elektrischen Ladungen. Die eine Menge von integrierenden elektrischen Ladungen wird dadurch erhalten, daß jede elektrische Ladung in mehreren Detektionsperioden (zum Beispiel bestimmten Detektionsperioden) in jeder gleichen Phase der einen Menge von Phasen summiert wird. In dieser Ausführungsform kann eine Sättigung des Lichtdetektionselements verhindert werden, da es möglich ist, die in jeder bestimmten Detektionsperiode empfangene Lichtmenge vergleichsweise zu verringern.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform werden mehrere benachbarte lichtempfindliche Einheiten zu einer arithmetischen Einheit zusammengefaßt. Die Sensorsteuerstufe ändert eine Integrationsperiode jeder lichtempfindlichen Einheit der arithmetischen Einheit zu einer Integrationsperiode einer anderen Phase der einen Menge von Phasen in jeder bestimmten Detektionsperiode. Die Bilderzeugungsstufe erzeugt einen Wert eines Bildelements in dem Entfernungsbild aus der Entfernung, die unter Verwendung einer elektrischen Ladung gefunden wird, die in einem Zeitraum addiert wird, in dem jede lichtempfindliche Einheit Licht aus dem Objektraum empfängt. Das Licht wird in allen Integrationsperioden der Phase gleich oft empfangen. In dieser Ausführungsform werden, wenn eine andere lichtempfindliche Einheit Licht während einer Integrationsperiode synchron mit einer anderen Phase des Modulationssignals in einer bestimmten Detektionsperiode empfangt, keine Positionsinformationen der mehreren lichtempfindlichen Einheiten der arithmetischen Einheit in eine elektrische Ladung aufgenommen, die addiert wird, um die Entfernung zu finden. Darum wird die Verläßlichkeit der erhaltenen Entfernung hoch.
Obgleich die vorliegende Erfindung anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, können durch einen Fachmann zahlreiche Modifikationen und Variationen vorgenommen werden, ohne daß der Schutzumfang dieser Erfindung verlassen wird.
Zum Beispiel ist es möglich, anstatt des ähnlichen Aufbaus wie bei einem CCD-Bildsensor vom FT-Typ einen ähnlichen Aufbau wie bei einem Interline-Transfer (IT) oder Frame-Interline-Transfer(FIT)-Typ zu verwenden.

Claims

Ein Entfernungsbildsensor mit: einer Lichtquelle (11), die gemäß eines Modulationssignals einer bestimmten Frequenz intensitätsmoduliertes Licht in Richtung auf einen Objektraum aussendet; einem Lichterfassungselement mit dem Objektraum gegenüberliegend angeordneten lichtempfindlichen Einheiten (131), wobei während einer Integrationsperiode, die kürzer als eine Periode der bestimmten Frequenz ist, jede der lichtempfindlichen Einheiten (131) Licht vom Objektraum empfängt und in Abhängigkeit einer Lichtmenge vom Objektraum eine elektrische Ladung erzeugt; eine Sensorsteuerstufe (14), die steuert, um jede Integrationsperiode der lichtempfindlichen Einheiten (131) auf eine bestimmte Phase des Modulationssignals abzustimmen und jede in dem Lichterfassungselement erzeugte und integrierte Ladung nach einer Erfassungsperiode, die einer oder mehreren Perioden der bestimmten Frequenz entspricht, aus dem Lichterfassungselement auszulesen; und eine Bilderzeugungsstufe (15), die auf der Grundlage jeder von der Sensorsteuerstufe (14) ausgelesenen Ladung für jedes Bildelement in einem Entfernungsbild einen Entfernungswert errechnet, um das Entfernungsbild zu erzeugen, wobei der Entfernungswert, sofern sich wenigstens ein physikalisches Objekt in dem Objektraum befindet, die Entfernung zu dem physikalischen Objekt darstellt; wobei: die Erfassungsperiode unterschiedliche Erfassungsperioden umfasst; und die Bilderzeugungsstufe (15) auf der Grundlage jeder nach einer bestimmten Erfassungsperiode der unterschiedlichen Erfassungsperioden von der Sensorsteuerstufe (14) ausgelesenen elektrischen Ladung für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild einen Entfernungswert errechnet; wobei die bestimmte Erfassungsperiode eine von einen oder mehreren Erfassungsperioden ist, während derer das Lichterfassungselement keine Sättigung erreicht, und wobei die bestimmte Erfassungsperiode eine Erfassungsperiode darstellt, während derer ein mit der Menge an aus dem Objektraum empfangenen Licht in Beziehung stehender Wert ein Maximum der einen oder mehreren Erfassungsperioden erreicht.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 1, wobei: die Sensorsteuerstufe (14) steuert, um jede Integrationsperiode der lichtempfindlichen Einheiten (131) auf jede aus einer Menge von sich unterscheidenden Phasen des Modulationssignals abzustimmen und nach zumindest der bestimmten Erfassungsperiode der unterschiedlichen Erfassungsperioden eine Menge von der Menge der Phasen entsprechenden elektrischen Ladungen an jedem Bildelement des Entfernungsbildes auszulesen; und die Bilderzeugungsstufe (15) auf der Grundlage einer Menge von an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild nach der bestimmten Erfassungsperiode ausgelesenen elektrischen Ladungen einen Entfernungswert für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild errechnet.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 2, wobei: die Sensorsteuerstufe (14) steuert, um nach jeder der unterschiedlichen Erfassungsperioden an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild eine Menge von der Menge von Phasen entsprechenden elektrischen Ladungen auszulesen; und die Bilderzeugungsstufe (15) die bestimmte Erfassungsperiode unter den unterschiedlichen Erfassungsperioden auswählt und auf der Grundlage einer Menge von nach der bestimmten Erfassungsperiode an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild ausgelesenen elektrischen Ladungen für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild einen Entfernungswert errechnet, wobei die bestimmte Erfassungsperiode eine von einen oder mehreren Erfassungsperioden ist, während derer ein aus einer Menge von elektrischen Ladungen, die nach jeder der unterschiedlichen Erfassungsperioden an jedem der Bildelemente in dem Entfernungsbild ausgelesen werden, gewonnener Wert einen auf der Grundlage eines Sättigungsniveaus des Lichterfassungselements vorherbestimmten Wert nicht überschreitet und wobei die bestimmte Erfassungsperiode eine Erfassungsperiode ist, während derer der aus der Menge der elektrischen Ladungen gewonnene Wert das Maximum unter den einen oder mehreren Erfassungsperioden annimmt.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 2, wobei die bestimmte Erfassungsperiode eine von einen oder mehreren Erfassungsperioden ist, während derer ein aus einer Menge von elektrischen Ladungen, die nach jeder der unterschiedlichen Erfassungsperioden an jedem der Bildelemente in dem Entfernungsbild ausgelesen werden, gewonnener Wert einen dem Sättigungsniveau entsprechenden vorgeschriebenen Wert nicht überschreitet und wobei die bestimmte Erfassungsperiode eine Erfassungsperiode ist, während derer der aus der Menge der elektrischen Ladungen gewonnene Wert das Maximum unter den einen oder mehreren Erfassungsperioden annimmt.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 2, wobei die bestimmte Erfassungsperiode eine von einen oder mehreren Erfassungsperioden ist, während derer ein Wert der elektrischen Maximalladung für jede aus einer Menge von elektrischen Ladungen, die nach jeder der unterschiedlichen Erfassungsperioden an jedem der Bildelemente in dem Entfernungsbild ausgelesen werden, einen auf der Grundlage des Sättigungsniveaus vorherbestimmten maximalen Schwellwert nicht überschreitet und wobei die bestimmte Erfassungsperiode eine Erfassungsperiode ist, während derer der Wert der elektrischen Maximalladung das Maximum unter den einen oder mehreren Erfassungsperioden annimmt.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 2, wobei die bestimmte Erfassungsperiode eine von einen oder mehreren Erfassungsperioden ist, während derer ein Mittelwert bezüglich einer Menge von elektrischen Ladungen, die nach jeder der unterschiedlichen Erfassungsperioden an jedem der Bildelemente in dem Entfernungsbild ausgelesen werden, einen auf der Grundlage des Sättigungsniveaus vorherbestimmten durchschnittlichen Referenzwert nicht überschreitet und wobei die bestimmte Erfassungsperiode eine Erfassungsperiode ist, während derer der Mittelwert das Maximum unter den einen oder mehreren Erfassungsperioden annimmt.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 3, wobei, sofern die bestimmte Erfassungsperiode nicht gewählt wurde oder eine erste bestimmte Erfassungsperiode als die bestimmte Erfassungsperiode kürzer als eine vorgeschriebene Länge ist, die Bilderzeugungsstufe (15): (i) hinsichtlich eines bestimmten Bildelements, für das die bestimmte Erfassungsperiode nicht gewählt oder die erste bestimmte Erfassungsperiode kürzer als die vorgeschriebene Länge gewählt ist, unter den unterschiedlichen Erfassungsperioden an jeder der einen oder mehreren Phasen der einen Menge von Phasen eine zweite bestimmte Erfassungsperiode auswählt; (ii) einen oder mehrere aus einer Menge von elektrischen Ladungen, die bezüglich des bestimmten Bildelements nach der zweiten bestimmten Erfassungsperiode ausgelesen werden, gewonnene Werte auf der Grundlage eines Längenverhältnisses der entsprechenden zweiten Erfassungsperiode korrigiert und eine Menge von Werten berechnet; und (iii) auf der Grundlage der Menge von Werten einen Entfernungswert für das bestimmte Bildelement errechnet; wobei die zweite bestimmte Erfassungsperiode eine der einen oder mehreren Erfassungsperioden ist, während derer ein aus einer elektrischen Ladung gewonnener, den einen oder mehreren Phasen der einen Menge von Phasen entsprechender Wert einen auf der Grundlage des Sättigungsniveaus vorherbestimmten Wert nicht überschreitet und wobei die zweite bestimmte Erfassungsperiode eine Erfassungsperiode ist, während derer der aus einer elektrischen Ladung gewonnene Wert das Maximum unter den einen oder mehreren Erfassungsperioden annimmt.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 2, wobei die Bilderzeugungsstufe (15) einen Vergleichswert errechnet, indem sie wenigstens einen aus der Menge von elektrischen Ladungen, die von der Sensorsteuerstufe (14) ausgelesen werden, gewonnenen Wert auf eine Funktion bezüglich der Menge der von jeder der lichtempfindlichen Einheiten (131) empfangenen Lichtmenge anwendet, und die bestimmte Erfassungspe riode wählt, indem sie den Vergleichswert mit einem vorgeschriebenen Schwellwert vergleicht.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 1, wobei der Vergleichswert ein Mittelwert bezüglich einer elektrischen Ladung ist, die einer von den lichtempfindlichen Einheiten (131) während einer oder mehrerer Schwingungsdauern der bestimmten Frequenz empfangenen Lichtmenge entspricht.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 1, wobei, sofern ein Entfernungswert für ein bestimmtes Bildelement in dem Entfernungsbild nicht berechnet wird, die Bilderzeugungsstufe (15) dem bestimmten Bildelement einen Ersatzwert zuweist.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 10, wobei der Ersatzwert ein früherer Entfernungswert für das bestimmte Bildelement ist.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 10, wobei der Ersatzwert ein Mittelwert bezüglich eines Entfernungswertes jedes in der Umgebung des bestimmten Bildelements platzierten Bildelements darstellt.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 2, wobei die Bilderzeugungsstufe (15) an jedem Bildelement in dem Entfernungsbild eine Menge von integrierten elektrischen Ladungen und auf der Grundlage der integrierten elektrischen Ladungen einen Entfernungswert für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild errechnet, wobei die Menge der integrierten elektrischen Ladungen dadurch erzeugt wird, dass jede elektrische Ladung in mehreren der bestimmten Erfassungsperioden an jeder gleichen Phase der einen Menge an Phasen aufsummiert wird.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 13, wobei: das Lichterfassungselement in den lichtempfindlichen Einheiten (131) Pixel umfasst, von denen jeder zwei oder mehr benachbarte lichtempfindliche Einheiten (131) umfasst, wobei jeder der Pixel in Synchronisation mit zwei oder mehr Phasen jeder Gruppe, die beim Aufteilen der Menge an Phasen in Gruppen mit jeweils oder mehr Phasen entstehen, in der Hauptsache zwei oder mehr elektrische Ladungen an seinen zwei oder mehr lichtempfindlichen Einheiten erzeugt und integriert; die Sensorstufe (14) steuert, um die Synchronisationszeit jeder Integrationsperiode von zwei oder mehr benachbarten lichtempfindlichen Einheiten (131) in jeder der Pixel hinsichtlich jeder Phase einer entsprechenden Gruppe der Gruppen zu verändern, um auf diese Weise jeweils jede Phase der entsprechenden Gruppe mit Bezug auf die benachbarten lichtempfindlichen Einheiten auszutauschen, und um nach zumindest der bestimmten Erfassungsperiode der unterschiedlichen Erfassungsperioden jede in der Hauptsache während jeder Integrationsperiode erzeugte und integrierte, jeder Phase von jeder Gruppe entsprechende elektrische Ladung an jedem Pixel auszulesen; und die Bilderzeugungsstufe (15) jede von der Sensorsteuerstufe (14) an jedem Pixel ausgelesene elektrische Ladung mit einer Menge an elektrischen Ladungen zusammenführt, die der einen Menge an Phasen entsprechen, und auf der Grundlage der einen Menge an elektrischen Ladungen für jedes Bildelement in dem Entfernungsbild einen Entfernungswert errechnet.
Der Entfernungsbildsensor nach Anspruch 13, wobei: mehrere benachbarte lichtempfindliche Einheiten (131) als eine arithmetische Einheit ausgeführt sind; die Sensorsteuerstufe (14) in jeder Erfassungsperiode eine Integrationsperiode jeder lichtempfindlichen Einheit der arithmetischen Einheit in eine Integrationsperiode einer unterschiedlichen Phase der einen Menge an Phasen umwandelt; und die Bilderzeugungsstufe (15) aus einer Entfernung, die unter Verwendung einer innerhalb einer Zeitperiode, in der jede lichtempfindliche Einheit (131) Licht aus dem Objektraum empfangt, aufaddierten elektrischen Ladung ermittelt wurde, einen Wert eines Bildelements in dem Entfernungsbild erzeugt, wobei das Licht in allen Integrationsperioden der Phase gleich oft empfangen wird.