JP2001264439A - 距離測定装置及び距離測定方法 - Google Patents

距離測定装置及び距離測定方法

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JP2001264439A
JP2001264439A JP2000077134A JP2000077134A JP2001264439A JP 2001264439 A JP2001264439 A JP 2001264439A JP 2000077134 A JP2000077134 A JP 2000077134A JP 2000077134 A JP2000077134 A JP 2000077134A JP 2001264439 A JP2001264439 A JP 2001264439A
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gate
light
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Isao Takayanagi
功 高柳
Takekami Yoshida
武一心 吉田
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】ショットノイズによる信号劣化を抑圧し、より
少ない光量でも良好な距離測定精度を得ることができる
電荷振り分け型検出器を用いた距離測定装置及び距離測
定方法を提供する。 【解決手段】対象物に輝度変調可能な光源またはパルス
光源よりの光を照射する手段と、反射光を受光して光電
変換する光電変換部２と、光源の発光タイミングに同期
した第１の転送パルスにより駆動される第１のゲート５
で転送された電荷を蓄積する第１の電荷蓄積部３と、光
電変換部で発生した電荷のうち、上記第１の転送パルス
と相補的な第２の転送パルスにより駆動される第２のゲ
ート６で転送された電荷を蓄積する第２の電荷蓄積部と
４、第１の電荷蓄積部の蓄積電荷に基づく第１の信号
と、第２の電荷蓄積部の蓄積電荷に基づく第２の信号を
読み出し、第１の信号と上記第２の信号のうち小さい方
の信号を、第１の信号と第２の信号の加算信号で規格化
する手段とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、距離測定装置及び
距離測定方法に係り、特に、光の飛行時間を検出して対
象物までの距離を検出する距離測定装置及び距離測定方
法において、距離測定の精度の向上化を図ったものに関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来、光パルスを発射させ、物体に反射
して戻ってくる反射光のタイミングを検出し、発光タイ
ミングとの時間差を検出することにより、光の飛行時間
を求め、物体までの距離を検出するタイムオブフライト
方式による距離測定（測距）技術が知られている。
【０００３】また、別の測距方法としては、三角測量方
式が一般的であるが、タイムオブフライト方式を三角測
量方式と比較した場合、タイムオブフライト方式には、
一つの観測点から距離を検出することができるため装置
の小型化が可能であると共に、三角測量で問題となるオ
クルージョンが発生しないため観測点から望める全ての
対象点の距離を検出することができるといった利点があ
る。
【０００４】そして、物体の反射光の遅延を測定する方
法にはいくつかの方法あるが、例えば、”Ｉｎｔｅｇｒ
ａｔｉｏｎ−Ｔｉｍｅ Ｂａｓｅｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔ
ｉｏｎａｌ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ”、１９９５
ＩＥＥＥ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｃｈａｒｇｅ−
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ａｄｖａｎ
ｃｅｄ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ａｐｒｉｌ ２
０−２２，１９９５Ｄａｎａ Ｐｏｉｎｔ，Ｃａｌｉｆ
ｏｒｎｉａ，ＵＳＡに提案されている電荷振り分け型検
出器を利用した方法は、距離抽出処理を簡易化すること
ができると共に、半導体製造技術を使うことによって装
置の小形化に向いているなどの特徴がある。
【０００５】以下、この”Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ−Ｔ
ｉｍｅ Ｂａｓｅｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｉ
ｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ”、１９９５ ＩＥＥＥ Ｗ
ｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ
Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄＡｄｖａｎｃｅｄ Ｉｍａｇ
ｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ａｐｒｉｌ ２０−２２，１９９
５ Ｄａｎａ Ｐｏｉｎｔ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，Ｕ
ＳＡに提案されている電荷振り分け型検出器の構成と、
この電荷振り分け型検出器を利用した測距方法について
説明する。
【０００６】図８の（ａ），（ｂ）は、上記電荷振り分
け型検出器の基本構成及びそれによる電荷振り分け動作
の原理を示している。
【０００７】まず、上記電荷振り分け型検出器の構成に
ついて説明する。
【０００８】すなわち、この電荷振り分け型検出器は、
図８の（ａ）に示すように、Ｐ型半導体基板１００上に
形成されるＭＯＳ受光部１０１と、このＭＯＳ受光部１
０１と接して第１の電荷蓄積領域１０２との間に設けら
れた第１の転送ゲート１０３と、前記ＭＯＳ受光部１０
１と接して第２の電荷蓄積領域１０４との間に設けられ
た第２の転送ゲート１０５とによって構成される。
【０００９】前記ＭＯＳ受光部１０１は、光の透過率の
良いゲート電極を有し、このゲー卜電極には前記Ｐ型半
導体基板１００の表面に空乏層が形成されるように電圧
が印加されている。
【００１０】一方、第１の電荷蓄積領域１０２及び第２
の電荷蓄積領域１０４には、ＭＯＳ受光部１０１の半導
体表面ポテンシャルよりも深いポテンシャル井戸が形成
される電位が与えられる。
【００１１】また、第１の転送ゲート１０３及び第２の
転送ゲート１０５には、それぞれ、独立に転送パルスΦ
ＷＧ１とΦＷＧ２とが印加できるように構成されてい
る。
【００１２】次に、上記のように構成される電荷振り分
け型検出器による電荷振り分け動作について説明する。
【００１３】まず、第２の転送ゲート１０５を閉じた状
態で、ΦＷＧ１に転送パルスを印加して第１の転送ゲー
ト１０３をＯＮさせると、図８の（ｂ）に実線で示すよ
うに、ＭＯＳ受光部１０１で光生成された電子は第１の
転送ゲート１０３を介して第１の電荷蓄積領域１０２に
流れ込み、該第１の電荷蓄積領域１０２に電荷Ｑ１とし
て蓄積される。
【００１４】逆に、第１の転送ゲート１０３を閉じた状
態で、ΦＷＧ２に転送パルスを印加して第２の転送ゲー
ト１０５をＯＮさせると、図８の（ｂ）に破線で示すよ
うに、ＭＯＳ受光部１０１で光生成された電子は第２の
転送ゲート１０５を介して第２の電荷蓄積領域１０４に
流れ込み、該第２の電荷蓄積領域１０４に電荷Ｑ２とし
て蓄積される。
【００１５】このように、第１の転送ゲート１０３及び
第２の転送ゲート１０５に印加する転送パルスΦＷＧ１
及びΦＷＧ２を交互にＯＮさせることによって、第１の
電荷蓄積領域１０２及び第２の電荷蓄積領域１０４への
光生成電子の転送方向を制御することが可能となる。
【００１６】次に、このような電荷振り分け型検出器を
用いた測距原理について図９及び図１０を用いて説明す
る。
【００１７】図９に示すように、測定系は、パルス発生
光源１１０及び電荷振り分け型検出器１１１とタイミン
グ制御装置１１２とによって構成されている。
【００１８】ここで、タイミング制御装置１１２は、パ
ルス発生光源１１０と電荷振り分け型検出器１１１の同
期を取ると共に、動作タイミングを制御する。
【００１９】測定系から対象物１１３までの距離をＲと
し、説明の簡単のために、パルス発生光源１１０と対象
物１１３までの距離及び電荷振り分け型検出器１１１と
対象物１１３までの距離は同じとする。
【００２０】そして、図１０に示すように、まず、パル
ス発生光源１１０から発光時間Ｔのパルス光が対象物１
１３に向けて照射される。
【００２１】対象物１１３で反射した反射光は、距離Ｒ
の往復すなわち２Ｒの距離を飛行し、パルス発光タイミ
ングにΔｔ＝２Ｒ／ｃ（ここで、ｃは光速である）の遅
延をもって電荷振り分け型検出器１１１に入射する。
【００２２】このとき、電荷振り分け型検出器１１１の
第１の転送ゲート１０３には発光パルスと同じタイミン
グの転送パルスを印加し、第２の転送ゲート１０５には
発光パルスがオフしたタイミングから転送パルスを印加
しながら、反射光によって発生した光生成電子を検出す
る。
【００２３】ここで、電荷転送動作に全くクロストーク
がなくかつ充分高速に電荷転送の切り替えが行われると
仮定すると、第１の電荷蓄積領域１０２に蓄積される電
荷Ｑ１と第２の電荷蓄積領域１０４に蓄積される電荷Ｑ
２は、それぞれ、以下の式（１），（２）のように表せ
られる。
【００２４】 Ｑ１＝−Ｑｔ×（Ｔ−Δｔ）／Ｔ …（１） Ｑ２＝−Ｑｔ×Δｔ／Ｔ …（２） 従って、物体までの距離Ｒは式（３）により求めること
ができる。
【００２５】 Ｒ＝（ｃＴ／４）×｛（Ｑ１−Ｑ２）／（Ｑｔ）−１） …（３） 以上、説明したように電荷振り分け型検出器を用いた測
距方法は、非常に簡単な処理で物体までの距離を測定で
きると共に、三角測量方法に基づいた測距方法と比べ、
一点からの観測のみで物体までの距離を検出できるの
で、装置の小型化が可能であるとともに、オクリュージ
ョンの発生がないという非常に優れた測距装置を実現で
きる。
【００２６】また、電荷振り分け型検出器は、固体撮像
素子に多用されている電荷転送素子（ＣＣＤ）の技術を
応用することによって作成することが可能であり、装置
の固体素子化や集積化にも有利であるといった特徴があ
る。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、信号電荷Ｑ
１及びＱ２には、光の量子揺らぎによるショットノイズ
が存在する。
【００２８】このショットノイズの標準偏差量は、一般
に、入射フォトン数の平方根となるが、可視光領域のエ
ネルギーを有するフォトンが通常半導体内で単一の電子
−正孔対を発生するため増幅揺らぎは考えなくてもよい
と共に、半導体内で電子が励起される過程も量子効果で
あり、かつ、各電子の励起過程は電子間で無相関である
と仮定してよいことから、最終的な信号電荷Ｑ１及び信
号電荷Ｑ２には電子数の平方根に比例したショットノイ
ズが存在する。
【００２９】すなわち、Ｑ１には（ｑ・Ｑ１）1/2 及び
Ｑ２には（ｑ・Ｑ２）1/2 （ここで、ｑは電子の素電荷
である）なるノイズが含まれている。
【００３０】このショットノイズを考慮し、第１近似に
より式（３）にノイズの項を考慮すると式（４）とな
る。
【００３１】 Ｒ＝（ｃＴ／４）×｛（Ｑ１−Ｑ２）／（Ｑｔ）＋［ＳＱＲ（ｑ／Ｑｔ）］｝ …（４） ここで、括弧内第１項が信号成分であり、第２項がノイ
ズ成分となる。
【００３２】また、Ｑｔ＝Ｑ１＋Ｑ２であり、下線部分
は平均値を、大括弧は交流ノイズ成分の標準偏差値であ
ることを示す。
【００３３】第２項が示すように、従来の電荷振り分け
画素のノイズはＱ１及びＱ２の電荷振り分け状態に依存
せず、総信号電荷量にのみ依存することが解る。
【００３４】ショットノイズによる信号劣化は、充分な
光量を確保することによって抑圧が可能であるが、装置
を小型化や低消費電力化することと、このような素子を
２次元的に配列し、同時多点計測をするような場合には
パルス発生光源の発光量にも実用上の制限があり、より
少ない光量でも精度を確保することが要求される。
【００３５】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、ショットノイズによる信号劣化を抑圧し、より少
ない光量でも良好な距離測定精度を得ることができる電
荷振り分け型検出器を用いた距離測定装置を提供するこ
とを目的とする。
【００３６】また本発明は、上記の事情に鑑みてなされ
たもので、ショットノイズによる信号劣化を抑圧し、よ
り少ない光量でも良好な距離測定精度を得ることができ
る電荷振り分け型検出器を用いた距離測定方法を提供す
ることを目的とする。
【００３７】
【課題を解決するための手段】本発明によると、上記課
題を解決するために、（１） 対象物に輝度変調可能な
光源またはパルス光源よりの光を照射し、帰還した反射
光を受光して上記対象物までの距離を求める距離測定装
置であり、反射光を受光して光電変換する光電変換部
と、上記光電変換部で発生した電荷のうち、上記光源の
発光タイミングに同期した第１の転送パルスにより駆動
される第１のゲートで転送された電荷を蓄積する第１の
電荷蓄積部と、上記光電変換部で発生した電荷のうち、
上記第１の転送パルスと相補的な第２の転送パルスによ
り駆動される第２のゲートで転送された電荷を蓄積する
第２の電荷蓄積部と、上記第１の電荷蓄積部の蓄積電荷
に基づく第１の信号と、上記第２の電荷蓄積部の蓄積電
荷に基づく第２の信号を読み出し、上記第１の信号と上
記第２の信号のうち小さい方の信号を、上記第１の信号
と上記第２の信号の加算信号で規格化する手段と、を有
することを特徴とする距離測定装置が提供される。
【００３８】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（２） 対象物に輝度変調可能な光源または
パルス光源よりの光を照射し、帰還した反射光を光学系
により２次元画素アレイ上に結像させて、各画素ごとに
上記対象物までの距離を求める距離測定装置であり、各
画素が、光電変換部と、上記光電変換部で発生した電荷
を第１の電荷蓄積部に転送する第１のゲートと、上記光
電変換部で発生した電荷を第２の電荷蓄積部に転送する
第２のゲートとを有しており、各画素の上記第１のゲー
トと上記第２のゲートの制御端子は各々共通に接続され
ている、２次元画素アレイと、上記２次元画素アレイの
行を選択する行選択回路と、上記行選択回路で選択され
た行の画素について、上記第１の電荷蓄積部に蓄積され
た電荷に基づく第１の信号と、上記第２の電荷蓄積部に
蓄積された電荷に基づく第２の信号を、並列に読み出す
行並列読み出し手段と、上記２次元画素アレイの列ごと
に、上記第１の信号と上記第２の信号のうち小さい方の
信号を、上記第１の信号と上記第２の信号の加算信号で
規格化する手段と、上記第１のゲートに上記光源の発光
のタイミングに同期した転送パルスを印加する手段と、
上記第２のゲートに上記第１のゲートに印加されるパル
スと相補的な転送パルスを印加する手段と、を有するこ
とを特徴とする距離測定装置が提供される。
【００３９】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、（３） 対象物に輝度変調可能な光源または
パルス光源よりの光を照射し、帰還した反射光を受光し
て上記対象物までの距離を求める方法であり、反射光を
受光して光電変換する手順と、上記光電変換で発生した
電荷のうち、上記光源の発光タイミングに同期した第１
の転送パルスにより駆動される第１のゲートで転送され
た電荷を第１の電荷蓄積部に蓄積する手順と、上記光電
変換で発生した電荷のうち、上記第１の転送パルスと相
補的な第２の転送パルスにより駆動される第２のゲート
で転送された電荷を第２の電荷蓄積部に蓄積する手順
と、上記第１の電荷蓄積部の蓄積電荷に基づく第１の信
号と、上記第２の電荷蓄積部の蓄積電荷に基づく第２の
信号を読み出し、上記第１の信号と上記第２の信号のう
ち小さい方の信号を、上記第１の信号と上記第２の信号
の加算信号で規格化する手順と、を有することを特徴と
ずる距離測定方法が提供される。
【００４０】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態について説明する。
【００４１】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態による距離測定装置に用いられる電荷振
り分け型検出器の構成を示している。
【００４２】すなわち、この第１の実施の形態による距
離測定装置に用いられる電荷振り分け型検出器は、半導
体基板１上に設けられた光電変換領域２と、この光電変
換領域２に接続され、光電変換領域２で生成された光生
成電子を第１の電荷蓄積領域３及び第２の電荷蓄積領域
４にそれぞれ転送するための第１の転送ゲート５及び第
２の転送ゲート６と、前記第１の電荷蓄積領域３に蓄積
された第１の信号電荷を読み出すための第１の読み出し
回路７及び第２の電荷蓄積領域４に蓄積された第２の信
号電荷を読み出すための第２の読み出し回路８によって
構成される。
【００４３】なお、測定系の構成、パルス発生光源の発
光タイミング及び第１の転送ゲート５に印加する転送パ
ルスΦＷＧ１と第２の転送ゲート６に印加する転送パル
スΦＷＧ２とは、それぞれ、図９及び図１０に示した従
来の技術と同様である。
【００４４】すなわち、第１の転送ゲート５に印加され
る転送パルスΦＷＧ１はパルス発生光源の発光タイミン
グと同期させ、第２の転送ゲート６に印加する転送パル
スΦＷＧ２は第１の転送ゲート５に印加される転送パル
スΦＷＧ１と相補的なタイミングで入力されるものとす
る。
【００４５】そして、以上のように構成される電荷振り
分け型検出器においては、従来の技術で説明した内容と
同様に、パルス発生光源から時間Ｔのパルスを発光さ
せ、距離Ｒにある対象物からの反射光を上記電荷振り分
け型検出器で受光することにより、第１の電荷蓄積領域
３には式（１）で表される電荷が蓄積されると共に、第
２の電荷蓄積領域４には式（２）で表される電荷が蓄積
される。
【００４６】次に、本発明の第１の実施の形態による距
離測定装置の特徴である信号処理方法について、図２に
示した処理系の構成図を用いて説明する。
【００４７】すなわち、電荷振り分け型検出器１０から
第１の読み出し回路７及び第２の読み出し回路８を介し
て出力された信号ｓｉｇ１及びｓｉｇ２は、それぞれ、
加算器１１と比較選択器１２に入力される。
【００４８】ここで、比較選択器１２は、第１の読み出
し回路７及び第２の読み出し回路８からの各出力ｓｉｇ
１とｓｉｇ２の大きさを比較すると共に、それらのうち
小さい方の信号をｓｉｇ３として出力する。
【００４９】また、加算器１１は、第１の読み出し回路
７及び第２の読み出し回路８からの各出力ｓｉｇ１とｓ
ｉｇ２とを加算し、それらの加算結果をｓｉｇ４として
出力する。
【００５０】すなわち、 ｓｉｇ３＝ｓｉｇ１（ｓｉｇ１＜ｓｉｇ２） …（５） ＝ｓｉｇ２（ｓｉｇ１＞ｓｉｇ２） …（５′） ｓｉｇ４＝ｓｉｇ１＋ｓｉｇ２ …（６） である。
【００５１】そして、比較選択器１２からの出力ｓｉｇ
３及び加算器１１からの出力ｓｉｇ４は、規格化器１３
に入力され、ここで、比較選択器１２からの出力ｓｉｇ
３を加算器１１からの出力ｓｉｇ４で割って規格化し、
ｓｉｇ５として出力する。
【００５２】すなわち、 ｓｉｇ５＝ｓｉｇ３／ｓｉｇ４ …（７） となる。
【００５３】規格化器１３で規格化された信号であるｓ
ｉｇ５は、距離抽出器１４に送られて、距離信号に変換
される。
【００５４】説明の簡単のため、第１の読み出し回路７
及び第２の読み出し回路８は、第１の電荷蓄積領域３及
び第２の電荷蓄積領域４の各信号電荷量を充分な精度で
線形に読み出せるものと仮定する。
【００５５】距離抽出器１４は、比較選択器１２におい
て、ｓｉｇ３としてｓｉｇ１が選択されて出力された場
合には、式（１），（３）に従うと共に、ｓｉｇ３とし
てｓｉｇ２が選択されて出力された場合には式（２），
（３）に従って対象物までの距離Ｒを抽出する。
【００５６】ここで、距離抽出器１４による距離情報の
抽出処理は、簡単な式の変換によって、次式で表される
ようなものになる。
【００５７】 Ｒ＝（ｃＴ／２）×（１−ｓｉｇ５）（ｓｉｇ１＜ｓｉｇ２） …（８） ＝（ｃＴ／２）×ｓｉｇ５（ｓｉｇ１＞ｓｉｇ２） …（８′） 以上、本発明の第１の実施の形態による距離測定装置に
用いられる電荷振り分け型検出器の構成及び動作につい
て説明したが、次に、その電荷振り分け型検出器の効果
について説明する。
【００５８】図３の（ａ）は反射光の遅延時間（Δｔ）
に対する信号電荷Ｑ１及びＱ２の変化を示しており、図
３の（ｂ）は信号電荷Ｑ１及びＱ２に含まれるショット
ノイズ量の変化を示している。
【００５９】まず、Δｔに対する信号電荷Ｑ１及びＱ２
の変化は、式（１）及び式（２）で表せられるように、
どちらもΔｔに対して線形に変化する。
【００６０】したがって、信号電荷Ｑ１及びＱ２のいず
れを使っても、Ｑｔにより規格化することによって距離
を抽出することが可能である。
【００６１】その一方で、ショットノイズは、電荷数の
平方根に比例てしいるため、例えば、ΔｔがＴ／２より
も小さいときには信号電荷Ｑ２のほうがショットノイズ
が小さく、ΔｔがＴ／２より大きいときには逆に信号電
荷Ｑ１の方がショットノイズが小さくなる。
【００６２】そのため、信号電荷Ｑ１とＱ２とを比較
し、電荷量の小さい方の信号電荷を用いて、遅延時間す
なわち距離を抽出することにより、ショットノイズによ
る精度劣化を抑えることが可能となる。
【００６３】ちなみに、従来の検出方法によるショット
ノイズ量について説明すると、従来の検出方法によるシ
ョットノイズ量は式（４）の括弧内の第２項で表され
る。
【００６４】すなわち、式（４）上でのショットノイズ
は、Ｑｔ＝Ｑ１＋Ｑ２の電荷数の平方根となる。
【００６５】しかしながら、本発明による処理方法では
信号をＱ１−Ｑ２とすることで、従来方式と比較すると
信号量が２倍に増えているため、等価的にはショットノ
イズの影響が半分に抑えられている。
【００６６】すなわち、図３の（ｂ）に破線で示した従
来方式のノイズ１／２（ｑ・Ｑｔ） 1/2 と本発明による
ノイズ値とを比べると、本発明によるノイズ値はΔｔ＝
０〜Ｔ／４及び、Δｔ＝３Ｔ／４〜Ｔの領域でショット
ノイズが従来方式よりも低減していることが解る。
【００６７】以上、第１の実施の形態で示したように、
本発明によれば電荷振り分け型検出器を用いた測距装置
において、従来方式と比べて照射光量を増やすことな
く、ショットノイズを抑圧することが可能となり、高精
度な測距が可能となる。
【００６８】特に、従来方式では対象物までの距離によ
らずノイズの影響が一定であったのに対し、本発明では
Δｔの小さい領域すなわち近い距離にある対象物に関し
て従来方式と比べ格段に優れた精度向上を実現すること
ができる。
【００６９】ちなみに、従来方式の方がノイズが少ない
領域であるΔｔ＝Ｔ／４〜３Ｔ／４の間は従来方式を用
いて、測定範囲全域のショットノイズを低減できるよう
に構成しても良い。
【００７０】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態について詳細に説明する。
【００７１】本実施の形態では、第１の実施の形態で説
明した電荷振り分け型検出器を画素として２次元的に配
列した検出器を用い、複数の測定点までの距離を同時に
計測し、距離画像として出力することができると共に、
第１の実施の形態で示した効果により高精度に測距が可
能な測距装置を提供するものである。
【００７２】図４は、本発明の第２の実施の形態とし
て、第１の実施の形態による距離測定装置に用いられる
電荷振り分け型検出器の原理を用いて構成した単位画素
（電荷振り分け型画素３０）の構成を示している。
【００７３】なお、図４において、第１の実施の形態で
説明した要素と同一の機能を有する部位に関しては同一
の符号で示しており、ここでは、それらの説明を省略す
るものとする。
【００７４】すなわち、この電荷振り分け型画素３０に
おいて、第１の電荷蓄積領域３に蓄積された信号を読み
出す第１の電荷読み出し回路７の出力端子は、選択スイ
ッチ２０を介して出力端子ＯＵＴ１に接続されている。
【００７５】また、第２の電荷蓄積領域４に蓄積された
信号を読み出す第２の電荷読み出し回路８の出力端子
は、選択スイッチ２１を介して出力端子ＯＵＴ２に接続
されている。
【００７６】ここで、選択スイッチ２０及び選択スイッ
チ２１の各制御端子は、共通に接続されている。
【００７７】次に、本発明の第２の実施の形態による電
荷振り分け型検出器の全体の構成について、図５を用い
て説明する。
【００７８】すなわち、この電荷振り分け型検出器は、
図４に示した電荷振り分け型画素３０を２次元的に配列
してなる画素アレイ３１と、この画素アレイ３１の行を
選択する行選択回路３２と、前記画素アレイ３１の出力
列を選択する列選択回路３３と、処理回路単位３４を列
ごと並列に設けて配列した列並列処理回路３５とによっ
て構成されている。
【００７９】また、この電荷振り分け型画素３０の画素
選択端子ΦＳＥＬは行ごと共通に行選択回路３２に接続
されている。
【００８０】また、出力端子ＯＵＴ１及び出力端子ＯＵ
Ｔ２は、列ごと共通に処理回路単位３４に接続されてい
る。
【００８１】また、全ての電荷振り分け型画素３０の第
１の電荷転送ゲート５の制御端子と第２の電荷転送ゲー
ト６の各制御端子は、各々共通に接続されている。
【００８２】そして、各電荷振り分け型画素３０から出
力された信号が、出力端子ＯＵＴ１及び出力端子ＯＵＴ
２を介して処理単位回路３４を構成する比較（選択）回
路４０及び加算回路４１とに入力された後、規格化回路
／距離抽出回路４２及び水平選択スイッチ４３を介して
信号出力線４４に出力されるようになされている。
【００８３】ここで、水平選択スイッチ４３の制御端子
は、列選択回路３３に接続されている。
【００８４】そして、比較（選択）回路４０、加算回路
４１、規格化回路／距離抽出回路４２の各機能は、第１
の実施の形態で示したものと同じ一連の処理を行うもの
であり、ここでは、それらの説明は省略するものとす
る。
【００８５】次に、図６及び図７を用いて、上記第２の
実施の形態による電荷振り分け型検出器を用いた測距装
置について説明する。
【００８６】図６は本発明の第２の実施の形態による測
定系の全体図を示し、図７は動作タイミング図を示して
いる。
【００８７】まず、図６を用いて測定系について説明す
る。
【００８８】なお、図６において、従来の技術の説明で
用いた図９に示す構成要素と同一の機能を有する部位に
関しては同一の符号で示しており、ここでは、それらの
説明を省略するものとする。
【００８９】すなわち、パルス光源１１０から発射した
光パルスは、対象物１１３に照射され、この対象物１１
３の表面で反射した光は、光学系５０により検出器５１
の画素アレイ上に結像されるように構成される。
【００９０】次に、図７を用いて動作タイミングについ
て説明する。
【００９１】まず、受光期間中、パルス光源１１０は、
パルス光を繰り返し発光する。
【００９２】ここで、パルス光は、必ずしも繰り返しパ
ルスの必要はなく、単一のパルスでも差し支えないが、
受光期間中は第１の転送ゲート５にはΦＷＧ１に示した
ように発光タイミングに同期したパルスが印加され、第
２の転送ゲート６にはΦＷＧ２に示したように第１の転
送パルスに相補的なパルスが印加される。
【００９３】そして、受光期間が終了すると、電荷振り
分け型画素３０に蓄積された信号を読み出す読み出し期
間に移行する。
【００９４】まず、行選択回路３２から第１行目の選択
パルスΦＶ１が出力され、画素アレイ３１の第１行目に
位置する電荷振り分け型画素３０からの各信号が各々出
力端子ＯＵＴ１及び出力端子ＯＵＴ２に出力されると共
に、列ごとに設けられた処理回路単位３４内で各電荷振
り分け型画素３０に対応する対象点までの距離が抽出さ
れる。
【００９５】その後、列選択回路３３が選択スイッチ４
３を順次選択しながら走査することにより、第１行目の
電荷振り分け型画素３０に対応する距離情報が、順次、
信号出力線４４を介して出力される。
【００９６】そして、第１行目の読み出しが終了する
と、行選択回路３２は第２行目の選択パルスΦＶ２を出
力し、画素画素アレイ３１の第２行目に位置する電荷振
り分け型画素３０からの各信号が各々出力端子ＯＵＴ１
及び出力端子ＯＵＴ２に出力されると共に、列ごとに設
けられた処理回路単位３４内で各電荷振り分け型画素３
０に対応する対象点までの距離が抽出される。
【００９７】このような処理を繰り返して、全ての画素
位置に対応する距離情報が出力されると、読み出し期間
は終了し、再び、受光期間に入る。
【００９８】以上、第２の実施の形態に基づいて説明し
たように、本発明によれば、光検出器の画素アレイ上に
結像された物体の反射光像の遅延時間を各画素ごと独立
して検出することが可能となり、対象物の３次元情報を
多点同時に抽出することができると共に、ショットノイ
ズによる抽出誤差を低減し、従来の技術と比較して高精
度な測距が可能な多点同時測距装置、言い換えると、距
離画像入力装置を実現することができる。
【００９９】そして、上述したような実施の形態で示し
た本明細書には、特許請求の範囲に示した請求項１乃至
３以外にも、以下に付記１乃至付記３として示すような
発明が含まれている。
【０１００】（付記１） 対象物に輝度変調可能な光源
またはパルス光源よりの光を照射し、帰還した反射光を
受光して上記被測定物までの距離を求める測距装置であ
り、反射光を光電変換する光電変換部と、上記光電変換
部で発生した電荷を蓄積する第１の電荷蓄積部と、上記
光電変換部より上記第１の電荷蓄積部に電荷を転送する
第１のゲートと、上記第１のゲートに上記パルス光の発
光タイミングと同期したパルスを印加する第１の転送パ
ルス印加手段と、上記第１の電荷蓄積部に蓄積した電荷
を読み出す第１の読み出し手段と、上記光電変換部で発
生した電荷を蓄積する第２の電荷蓄積部と、上記光電変
換部より上記第２の電荷蓄積部に電荷を転送する第２の
ゲートと、上記第２のゲートに、上記第１の転送パルス
発生手段の印加するパルスと相補的なパルスを印加する
第２の転送パルス印加手段と、上記第２の電荷蓄積部に
蓄積した電荷を読み出す第２の読み出し手段と、上記第
１の読み出し手段よりの出力と上記第２の読み出し手段
よりの出力とを加算する加算手段と、上記第１の読み出
し手段よりの出力と上記第２の読み出し手段よりの出力
とを比較して、小さい方の出力を選択する選択手段と、
上記選択手段で選択された出力を上記加算手段の出力で
規格化する規格化手段と、上記規格化手段の出力より上
記被測定物までの距離を求める手段と、を有することを
特徴とする測距装置。
【０１０１】（付記２） 輝度変調が可能な光源または
パルス光源からパルス光を対象物に照射し、該対象物か
らの反射光を光検出器によって検出すると共に、該反射
光の前記照射光の発光タイミングからの遅延時間を検出
して対象物までの距離を抽出する測距装置において、半
導体基板上に形成され、反射光を電荷に変換する光電変
換部と、該光電変換部で光電変換された電荷を第１の電
荷蓄積部に転送する第１の転送ゲートと、該光電変化部
で光電変換された電荷を第２の電荷蓄積部に転送する第
２の転送ゲートと、該第１及び第２の電荷蓄積部に蓄積
された蓄積信号を各々読み出す読み出し手段とを有する
光検出器を有し、前記光検出器の第１の転送ゲートに前
記光源の発光タイミングと同期した転送パルスを印加す
る手段と、前記第１の転送ゲートに印加する転送パルス
と相補的な転送パルスを前記第２の転送ゲートに印加す
る手段と、前記読み出し手段から出力された第１の電荷
蓄積部及び前記第２の電荷蓄積部に蓄積された蓄積信号
とを加算する加算手段と、前記読み出された第１及び第
２の蓄積信号の大きさを比較すると共に、前記第１及び
第２の蓄積信号のうち信号量の小さい信号を選択する比
較選択手段と、該比較選択手段によって選択された信号
を前記加算手段によって得られた加算信号によって規格
化する規格化手段と、前記規格化手段によって得られた
規格化信号から前記反射光の遅延時間を抽出する遅延時
間抽出手段と、を有することを特徴とする測距装置。
【０１０２】この測距装置によると、前記第１及び第２
の蓄積信号のうちオフセット成分が小さい信号すなゎち
ショットノイズ成分の少ない信号を選択的に距離抽出に
用いることが可能となり、ショットノイズによる検出誤
差を低減でき、従来の技術と比較して高精度な測距が可
能となると共に、照射光量の低減が可能となる。
【０１０３】（付記３） 輝度変調が可能な光源または
パルス光源からからパルス光を対象物に照射し、該対象
物からの反射光を光検出器上に結像するための光学系
と、該反射光の前記照射光の発光タイミングからの遅延
時間を検出して対象物までの距離を抽出する測距装置に
おいて、半導体基板上に形成され、前記反射光を電荷に
変換する光電変換部と、該光電変換部で光電変換された
電荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１の転送ゲート
と、該光電変化部で光電変換された電荷を第２の電荷蓄
積部に転送する第２の転送ゲートと、該第１及び第２の
電荷積積部に蓄積された蓄積信号を各々読み出す読み出
し手段とを有する画素を２次元アレイ状に配列してなる
画素アレイ部と、前記画素アレイの行を選択する行選択
回路と、前記行選択回路によって選択された行に位置す
る画素の前記第１及び第２の電荷蓄積部に蓄積された第
１及び第２の蓄積信号を並列に読み出す行並列読み出し
手段と、前記画素アレイの列ごと並列に設けられ、読み
出された第１及び第２の蓄積信号を加算する加算手段
と、前記画素アレイの列ごと並列に設けられ、読み出さ
れた第１及び第２の蓄積信号を比較すると共に、両者の
小さい方の蓄積信号を選択する比較選択手段と、前記比
較選択手段によって選択された信号を前記加算手段によ
り加算された信号により規格化する規格化手段とによっ
て構成される光検出器を有し、前記画素アレイの第１転
送ゲート及び第２の転送ゲートの制御端子は各々共通に
接続されると共に、第１の転送ゲートに前記パルス光源
の発光タイミングと同期した転送パルスを印加する手段
と、前記第１の転送ゲートに印加する転送パルスと相補
的な転送パルスを前記第２の転送ゲートに印加する手段
と、を有することを特徴とする測距装置。
【０１０４】この測距装置によると、前記光検出器の画
素アレイ上に結像された物体の反射光像の遅延時間を各
画素ごとに独立して検出することが可能となり、対象物
の３次元情報を多点同時に抽出することができると共
に、ショットノイズによる誤差を低減し、従来の技術と
比較して高精度な測距が可能となると共に、照射光量の
低減が可能となる。
【０１０５】
【発明の効果】従って、以上説明したように、請求項１
または２記載の本発明によれば、ショットノイズによる
信号劣化を抑圧し、より少ない光量でも良好な距離測定
精度を得ることができる電荷振り分け型検出器を用いた
距離測定装置を提供することができる。
【０１０６】また、以上説明したように、請求項３記載
の本発明によれば、ショットノイズによる信号劣化を抑
圧し、より少ない光量でも良好な距離測定精度を得るこ
とができる電荷振り分け型検出器を用いた距離測定方法
を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による距離測定装置に用いられ
る電荷振り分け型検出器の構成を示す図である。
【図２】図２は、本発明の特徴である信号処理方法につ
いて説明するための処理系の構成図を示す図である。
【図３】図３の（ａ）は反射光の遅延時間（Δｔ）に対
する信号電荷Ｑ１及びＱ２の変化を示す図であり、図３
の（ｂ）は信号電荷Ｑ１及びＱ２に含まれるショットノ
イズ量の変化を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態による電荷
振り分け型検出器の原理を用いて構成した単位画素（電
荷振り分け型画素３０）の構成図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態による電荷
振り分け型検出器の全体の構成を示す図である。
【図６】図６は本発明の第２の実施の形態による測定系
の構成を示す全体図である。
【図７】図７は本発明の第２の実施の形態による動作を
説明するためのタイミング図である。
【図８】図８の（ａ），（ｂ）は、従来の技術による電
荷振り分け型検出器の基本構成及びそれによる電荷振り
分け動作の原理を示す図である。
【図９】図９は、従来の技術による電荷振り分け型検出
器を用いた測距原理について説明するための測定系の基
本構成を示す図である。
【図１０】図１０は、従来の技術による電荷振り分け型
検出器を用いた測距原理について説明するための動作タ
イミングを示す図である。
【符号の説明】
１…半導体基板、 ２…光電変換領域、 ３…第１の電荷蓄積領域、 ４…第２の電荷蓄積領域、 ５…第１の転送ゲート、 ６…第２の転送ゲート、 ７…第１の読み出し回路、 ８…第２の読み出し回路、 ３０…電荷振り分け型画素、 ２０…選択スイッチ、 ＯＵＴ１…出力端子、 ２１…選択スイッチ、 ＯＵＴ２…出力端子、 ０を２次元的に配列してなる ３１…画素アレイ、 ３２…行選択回路、 ３３…列選択回路、 ３４…処理回路単位、 ３５…列並列処理回路、 ４０…比較（選択）回路、 ４１…加算回路、 ４２…規格化回路／距離抽出回路、 ４３…水平選択スイッチ、 ４４…信号出力線。
フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F112 AD01 BA06 BA07 CA12 DA24 DA28 EA05 FA01 FA12 FA33 5J084 AA05 AD01 BA02 BA32 CA03 CA22 CA45 EA01 EA04

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対象物に輝度変調可能な光源またはパル
    ス光源よりの光を照射し、帰還した反射光を受光して上
    記対象物までの距離を求める距離測定装置であり、 反射光を受光して光電変換する光電変換部と、 上記光電変換部で発生した電荷のうち、上記光源の発光
    タイミングに同期した第１の転送パルスにより駆動され
    る第１のゲートで転送された電荷を蓄積する第１の電荷
    蓄積部と、 上記光電変換部で発生した電荷のうち、上記第１の転送
    パルスと相補的な第２の転送パルスにより駆動される第
    ２のゲートで転送された電荷を蓄積する第２の電荷蓄積
    部と、 上記第１の電荷蓄積部の蓄積電荷に基づく第１の信号
    と、上記第２の電荷蓄積部の蓄積電荷に基づく第２の信
    号を読み出し、上記第１の信号と上記第２の信号のうち
    小さい方の信号を、上記第１の信号と上記第２の信号の
    加算信号で規格化する手段と、 を有することを特徴とする距離測定装置。
  2. 【請求項２】 対象物に輝度変調可能な光源またはパル
    ス光源よりの光を照射し、帰還した反射光を光学系によ
    り２次元画素アレイ上に結像させて、各画素ごとに上記
    対象物までの距離を求める距離測定装置であり、 各画素が、光電変換部と、上記光電変換部で発生した電
    荷を第１の電荷蓄積部に転送する第１のゲートと、上記
    光電変換部で発生した電荷を第２の電荷蓄積部に転送す
    る第２のゲートとを有しており、各画素の上記第１のゲ
    ートと上記第２のゲートの制御端子は各々共通に接続さ
    れている、２次元画素アレイと、 上記２次元画素アレイの行を選択する行選択回路と、 上記行選択回路で選択された行の画素について、上記第
    １の電荷蓄積部に蓄積された電荷に基づく第１の信号
    と、上記第２の電荷蓄積部に蓄積された電荷に基づく第
    ２の信号を、並列に読み出す行並列読み出し手段と、 上記２次元画素アレイの列ごとに、上記第１の信号と上
    記第２の信号のうち小さい方の信号を、上記第１の信号
    と上記第２の信号の加算信号で規格化する手段と、 上記第１のゲートに上記光源の発光のタイミングに同期
    した転送パルスを印加する手段と、 上記第２のゲートに上記第１のゲートに印加されるパル
    スと相補的な転送パルスを印加する手段と、 を有することを特徴とする距離測定装置。
  3. 【請求項３】 対象物に輝度変調可能な光源またはパル
    ス光源よりの光を照射し、帰還した反射光を受光して上
    記対象物までの距離を求める方法であり、 反射光を受光して光電変換する手順と、 上記光電変換で発生した電荷のうち、上記光源の発光タ
    イミングに同期した第１の転送パルスにより駆動される
    第１のゲートで転送された電荷を第１の電荷蓄積部に蓄
    積する手順と、 上記光電変換で発生した電荷のうち、上記第１の転送パ
    ルスと相補的な第２の転送パルスにより駆動される第２
    のゲートで転送された電荷を第２の電荷蓄積部に蓄積す
    る手順と、 上記第１の電荷蓄積部の蓄積電荷に基づく第１の信号
    と、上記第２の電荷蓄積部の蓄槙電荷に基づく第２の信
    号を読み出し、上記第１の信号と上記第２の信号のうち
    小さい方の信号を、上記第１の信号と上記第２の信号の
    加算信号で規格化する手順と、 を有することを特徴とずる距離測定方法。
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