JP2001275132A - ３次元画像検出装置と撮像素子駆動回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子シャッタ動作を利用する３次元画像検出
装置において、回路内の温度に影響されることなく正確
に被写体までの距離を検出する。 【解決手段】 ＣＣＤ駆動回路３０と同一シリコンチッ
プ内に発光素子制御回路４４のバッファ回路を設ける。
ＬＤバッファ回路の入出力伝搬遅延時間や温度特性をＣ
ＣＤ駆動回路と略同一にする。システムコントロール回
路３５から発光素子（ＬＤ）を制御するために出力され
るパルス信号Ｐｄ０を一旦ＣＣＤ駆動回路３０内に設け
られたＬＤバッファ回路に入力する。パルス信号Ｐｄ０
に対応して出力されるパルス信号Ｐｄ１により発光素子
制御回路４４を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光伝播時間測定法
を用いて被写体の３次元形状等を検出する３次元画像検
出装置及び３次元画像検出装置において用いられるＣＣ
Ｄ駆動回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来被写体までの距離を画素毎に検出す
る３次元画像検出装置としては、「Measurement Scienc
e and Technology」（S. Christie 他、vol.6, p1301-1
308, 1995 年）に記載された３次元画像検出装置や、国
際公開97/01111号公報に開示された３次元画像検出装置
などが知られている。これらの３次元画像検出装置で
は、パルス変調されたレーザ光が被写体に照射され、そ
の反射光が２次元ＣＣＤセンサによって受光され、電気
信号に変換される。このとき２次元ＣＣＤと組み合わさ
れたメカニカルまたは液晶素子等からなる電気光学的シ
ャッタのシャッタ動作を制御することにより、被写体ま
での距離に対応する電気信号をＣＣＤの画素毎に検出す
ることができる。この電気信号からＣＣＤの各画素に対
応する被写体までの距離が検出される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、電子シャッ
タ動作を利用して３次元画像検出を行う３次元画像検出
装置であって、回路内の温度に影響されることなく正確
に被写体までの距離を検出できる３次元画像検出装置と
この３次元画像検出装置において用いられる撮像素子駆
動回路とを得ることを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明に関わる３次元画
像検出装置は、被写体に測距光を照射するための光源
と、被写体からの反射光を受光して、その受光量に応じ
た信号電苛を蓄積可能な撮像素子と、光源の発光動作を
制御する光源駆動回路と、撮像素子における電子シャッ
タ動作を制御可能な撮像素子駆動回路と、撮像素子駆動
回路と略同一の入出力伝播遅延時間を有する光源駆動回
路のバッファ回路とを備え、撮像素子駆動回路とバッフ
ァ回路とが熱結合されていることを特徴としている。

【０００５】例えば、バッファ回路と撮像素子駆動回路
とは、同一シリコンチップ内あるいは同一パッケージ内
に設けられている。これにより、バッファ回路と撮像素
子駆動回路とは熱結合される。

【０００６】また例えば、バッファ回路と撮像素子駆動
回路とは、熱伝導性部材により熱結合されている。この
とき好ましくは、バッファ回路と撮像素子駆動回路と
は、背中合わせに熱伝導性部材を挟んで熱結合されてい
る。より好ましくは、バッファ回路は撮像素子駆動回路
と略同一の温度特性を有する。

【０００７】本発明に関わる撮像素子駆動回路は、撮像
素子における電子シャッタ動作を制御可能な撮像素子制
御回路であって、撮像素子駆動回路と略同一の入出力伝
播遅延時間を有し光源を駆動するためのバッファ回路を
備えたことを特徴とする。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態
であるカメラ型の３次元画像検出装置の斜視図である。
図１を参照して第１の実施形態において用いられるカメ
ラ型の３次元画像検出装置について説明する。

【０００９】カメラ本体１０の前面において、撮影レン
ズ１１の左上にはファインダ窓１２が設けられ、右上に
はストロボ１３が設けられている。カメラ本体１０の上
面において、撮影レンズ１１の真上には、測距光である
レーザ光を照射する発光装置（光源）１４が配設されて
いる。発光装置１４の左側にはレリーズスイッチ１５、
液晶表示パネル１６が設けられ、右側にはモード切替ダ
イヤル１７とＶ／Ｄモード切替スイッチ１８が設けられ
ている。カメラ本体１０の側面には、ＩＣメモリカード
等の記録媒体を挿入するためのカード挿入口１９が形成
され、またビデオ出力端子２０、インターフェースコネ
クタ２１が設けられている。

【００１０】図２は図１に示すカメラの回路構成を示す
ブロック図である。撮影レンズ１１の中には絞り２５が
設けられている。絞り２５の開度はアイリス駆動回路２
６によって調整される。撮影レンズ１１の焦点調節動作
およびズーミング動作はレンズ駆動回路２７によって制
御される。

【００１１】撮影レンズ１１の光軸上にはＣＣＤ（撮像
素子）２８が配設されている。ＣＣＤ２８には、撮影レ
ンズ１１によって被写体像が形成され、被写体像に対応
した電荷が発生する。ＣＣＤ２８における電荷の蓄積動
作、電荷の読出動作等の動作は、システムコントロール
回路３５からＣＣＤ駆動回路（撮像素子駆動回路）３０
へ出力されるＣＣＤ駆動用のパルス信号によって制御さ
れる。ＣＣＤ２８から読み出された電荷信号すなわち画
像信号はアンプ３１において増幅され、Ａ／Ｄ変換器３
２においてアナログ信号からデジタル信号に変換され
る。デジタルの画像信号は撮像信号処理回路３３におい
てガンマ補正等の処理を施され、画像メモリ３４に一時
的に格納される。アイリス駆動回路２６、レンズ駆動回
路２７、撮像信号処理回路３３はシステムコントロール
回路３５によって制御される。

【００１２】画像信号は画像メモリ３４から読み出さ
れ、ＬＣＤ駆動回路３６に供給される。ＬＣＤ駆動回路
３６は画像信号に応じて動作し、これにより画像表示Ｌ
ＣＤパネル３７には、画像信号に対応した画像が表示さ
れる。

【００１３】また画像メモリ３４から読み出された画像
信号はＴＶ信号エンコーダ３８に送られ、ビデオ出力端
子２０を介して、カメラ本体１０の外部に設けられたモ
ニタ装置３９に伝送可能である。システムコントロール
回路３５はインターフェース回路４０に接続され、イン
ターフェース回路４０はインターフェースコネクタ２１
に接続されている。したがって画像メモリ３４から読み
出された画像信号は、インターフェースコネクタ２１に
接続されたコンピュータ４１に伝送可能である。またシ
ステムコントロール回路３５は、記録媒体制御回路４２
を介して画像記録装置４３に接続されている。したがっ
て画像メモリ３４から読み出された画像信号は、画像記
録装置４３に装着されたＩＣメモリカード等の記録媒体
Ｍに記録可能である。

【００１４】発光装置１４には発光素子１４ａと照明レ
ンズ１４ｂが設けられ、発光素子１４ａの発光動作は発
光素子制御回路（光源駆動回路）４４によって制御され
る。システムコントロール回路３５は、発光素子１４ａ
を制御するためのパルス信号をＣＣＤ駆動回路３０を介
して発光素子制御回路４４へ出力する。発光素子１４ａ
は測距光であるレーザ光を照射するものであり、このレ
ーザ光は照明レンズ１４ｂを介して被写体の全体に照射
される。被写体において反射した光は撮影レンズ１１に
入射する。この光をＣＣＤ２８によって検出することに
より、後述するように被写体の距離情報が計測される。

【００１５】システムコントロール回路３５には、レリ
ーズスイッチ１５、モード切替ダイヤル１７、Ｖ／Ｄモ
ード切替スイッチ１８から成るスイッチ群４５と、液晶
表示パネル（表示素子）１６とが接続されている。

【００１６】次に図３および図４を参照して、第１の実
施形態における距離測定の原理について説明する。なお
図４において横軸は時間ｔである。

【００１７】距離測定装置Ｂから出力された測距光は被
写体Ｓにおいて反射し、図示しないＣＣＤによって受光
される。測距光は所定のパルス幅Ｈを有するパルス状の
光であり、したがって被写体Ｓからの反射光も、同じパ
ルス幅Ｈを有するパルス状の光である。また反射光のパ
ルスの立ち上がりは、測距光のパルスの立ち上がりより
も時間δ・ｔ（δは遅延係数）だけ遅れる。測距光と反
射光は距離測定装置Ｂと被写体Ｓの間の２倍の距離ｒを
進んだことになるから、その距離ｒは ｒ＝δ・ｔ・Ｃ／２ ・・・（１） により得られる。ただしＣは光速である。

【００１８】例えば測距光のパルスの立ち上がりから反
射光を検知可能な状態に定め、反射光のパルスが立ち下
がる前に検知不可能な状態に切換えるようにすると、す
なわち反射光検知期間Ｔを設けると、この反射光検知期
間Ｔにおける受光量Ａは距離ｒの関数である。すなわち
受光量Ａは、距離ｒが大きくなるほど（時間δ・ｔが大
きくなるほど）小さくなる。

【００１９】第１の実施形態では上述した原理を利用し
て、ＣＣＤ２８に設けられ、２次元的に配列された複数
のフォトダイオードにおいてそれぞれ受光量Ａを検出す
ることにより、カメラ本体１０から被写体Ｓの表面の各
点までの距離をそれぞれ検出し、被写体Ｓの３次元形状
を示す３次元画像のデータを一括して入力している。

【００２０】図５は、ＣＣＤ２８に設けられるフォトダ
イオード５１と垂直転送部５２の配置を示す図である。
図６は、ＣＣＤ２８を基板５３に垂直な平面で切断して
示す断面図である。このＣＣＤ２８は従来公知のインタ
ーライン型ＣＣＤであり、不要電荷の掃出しにＶＯＤ
（縦型オーバーフロードレイン）方式を用いたものであ
る。

【００２１】フォトダイオード５１と垂直転送部５２は
ｎ型基板５３の面に沿って形成されている。フォトダイ
オード５１は２次元的に格子状に配列され、垂直転送部
５２は所定の方向（図５において上下方向）に１列に並
ぶフォトダイオード５１に隣接して設けられている。垂
直転送部５２は、１つのフォトダイオード５１に対して
４つの垂直転送電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５２ｄを
有している。垂直転送電極５２ａ、５２ｂ、５２ｃ、５
２ｄにはそれぞれφＶ１、φＶ２、φＶ３、φＶ４の電
位が垂直転送信号として印加され、４つのポテンシャル
の井戸がそれぞれ形成可能である。これらの井戸の深さ
を制御することにより、従来公知のように信号電荷をＣ
ＣＤ２８から出力することができる。なお、垂直転送電
極の数は目的に応じて自由に変更できる。

【００２２】基板５３の表面に形成されたｐ型井戸の中
にフォトダイオード５１が形成され、ｐ型井戸とｎ型基
板５３の間に印加される逆バイアス電圧によってｐ型井
戸が完全空乏化される。この状態において、入射光（被
写体からの反射光）の光量に応じた電荷がフォトダイオ
ード５１において蓄積される。基板電圧Ｖsub を所定値
以上に大きくすると、フォトダイオード５１に蓄積した
電荷は、基板５３側に掃出される。これに対し、転送ゲ
ート部５４に電荷転送信号（電圧信号）が印加されたと
き、フォトダイオード５１に蓄積した電荷は垂直転送部
５２に転送される。すなわち電荷掃出信号によって電荷
を基板５３側に掃出した後、フォトダイオード５１に蓄
積した信号電荷が、電荷転送信号によって垂直転送部５
２側に転送される。このような動作を繰り返すことによ
り、垂直転送部５２において信号電荷が積分され、いわ
ゆる電子シャッタ動作が実現される。

【００２３】図７は距離情報検出動作におけるタイミン
グチャートであり、図１、図２、図５〜図７を参照して
第１の実施形態における距離情報検出動作について説明
する。なお第１の実施形態の距離情報検出動作では、図
４を参照して行なった距離測定の原理の説明とは異な
り、外光の影響による雑音を低減するために測距光のパ
ルスの立ち下がりから反射光を検知可能な状態に定め、
反射光のパルスが立ち下がった後に検知不可能な状態に
切換えるようにタイミングチャートを構成しているが原
理的には何ら異なるものではない。

【００２４】垂直同期信号（図示せず）の出力に同期し
て電荷掃出し信号（パルス信号）Ｓ１が出力され、これ
によりフォトダイオード５１に蓄積していた不要電荷が
基板５３の方向に掃出され、フォトダイオード５１にお
ける蓄積電荷量はゼロになる（符号Ｓ２）。電荷掃出し
信号Ｓ１の出力の開始の後、一定のパルス幅を有するパ
ルス状の測距光Ｓ３が出力される。測距光Ｓ３が出力さ
れる期間（パルス幅）は調整可能であり、図示例では、
電荷掃出し信号Ｓ１の出力と同時に測距光Ｓ３がオフす
るように調整されている。

【００２５】測距光Ｓ３は被写体において反射し、ＣＣ
Ｄ２８に入射する。すなわちＣＣＤ２８によって被写体
からの反射光Ｓ４が受光されるが、電荷掃出し信号Ｓ１
が出力されている間は、フォトダイオード５１において
電荷は蓄積されない（符号Ｓ２）。電荷掃出し信号Ｓ１
の出力が停止されると、フォトダイオード５１では、反
射光Ｓ４の受光によって電荷蓄積が開始され、反射光Ｓ
４と外光とに起因する信号電荷Ｓ５が発生する。反射光
Ｓ４が消滅すると（符号Ｓ６）フォトダイオード５１で
は、反射光に基く電荷蓄積は終了するが（符号Ｓ７）、
外光のみに起因する電荷蓄積が継続する（符号Ｓ８）。

【００２６】その後、電荷転送信号Ｓ９が出力される
と、フォトダイオード５１に蓄積された電荷が垂直転送
部５２に転送される。この電荷転送は、電荷転送信号の
出力の終了（符号Ｓ１０）によって完了する。すなわ
ち、外光が存在するためにフォトダイオード５１では電
荷蓄積が継続するが、電荷転送信号の出力が終了するま
でフォトダイオード５１に蓄積されていた信号電荷Ｓ１
１が垂直転送部５２へ転送される。電荷転送信号の出力
終了後に蓄積している電荷Ｓ１４は、そのままフォトダ
イオード５１に残留する。

【００２７】このように電荷掃出し信号Ｓ１の出力の終
了から電荷転送信号Ｓ９の出力が終了するまでの期間Ｔ
_U1の間、フォトダイオード５１には、被写体までの距離
に対応した信号電荷が蓄積される。そして、反射光Ｓ４
の受光終了（符号Ｓ６）までフォトダイオード５１に蓄
積している電荷が、被写体の距離情報と対応した信号電
荷Ｓ１２（斜線部）として垂直転送部５２へ転送され、
その他の信号電荷Ｓ１３は外光のみに起因するものであ
る。

【００２８】電荷転送信号Ｓ９の出力から一定時間が経
過した後、再び電荷掃出し信号Ｓ１が出力され、垂直転
送部５２への信号電荷の転送後にフォトダイオード５１
に蓄積された不要電荷が基板５３の方向へ掃出される。
すなわち、フォトダイオード５１において新たに信号電
荷の蓄積が開始する。そして、上述したのと同様に、電
荷蓄積期間Ｔ_U1が経過したとき、信号電荷は垂直転送部
５２へ転送される。

【００２９】このような信号電荷Ｓ１１の垂直転送部５
２への転送動作は、次の垂直同期信号が出力されるま
で、繰り返し実行される。これにより垂直転送部５２に
おいて、信号電荷Ｓ１１が積分され、１フィールドの期
間（２つの垂直同期信号によって挟まれる期間）に積分
された信号電荷Ｓ１１は、その期間被写体が静止してい
ると見做せれば、被写体までの距離情報に対応してい
る。なお信号電荷Ｓ１３は信号電荷Ｓ１２に比べ微小で
あるため信号電荷Ｓ１１は信号電荷Ｓ１２と等しいと見
なすことができる。

【００３０】以上説明した信号電荷Ｓ１１の検出動作は
１つのフォトダイオード５１に関するものであり、全て
のフォトダイオード５１においてこのような検出動作が
行なわれる。１フィールドの期間における検出動作の結
果、各フォトダイオード５１に隣接した垂直転送部５２
の各部位には、そのフォトダイオード５１によって検出
された距離情報が保持される。この距離情報は垂直転送
部５２における垂直転送動作および図示しない水平転送
部における水平転送動作によってＣＣＤ２８から出力さ
れる。

【００３１】図８は第１の実施形態における距離情報検
出動作のプログラムのフローチャートである。図８を参
照して第１の実施形態における距離情報検出動作につい
て説明する。

【００３２】ステップ１０１では、ビデオ（Ｖ）モード
と距離測定（Ｄ）モードのいずれが選択されているかが
判定される。これらのモード間における切替は、Ｖ／Ｄ
モード切替スイッチ１８を操作することにより行われ
る。

【００３３】Ｄモードが選択されているとき、ステップ
１０２において垂直同期信号が出力されるとともに測距
光制御が開始される。すなわち発光装置１４が駆動さ
れ、パルス状の測距光Ｓ３が断続的に出力される。次い
でステップ１０３が実行され、ＣＣＤ２８による検知制
御が開始される。すなわち図７を参照して説明した距離
情報検出動作が開始され、電荷掃出信号Ｓ１と電荷転送
信号Ｓ９が交互に出力されて、距離情報の信号電荷Ｓ１
１が垂直転送部５２において積分される。

【００３４】ステップ１０４では、距離情報検出動作の
開始から１フィールド期間が終了したか否か、すなわち
新たに垂直同期信号が出力されたか否かが判定される。
１フィールド期間が終了するとステップ１０５へ進み、
垂直転送部５２において積分された距離情報の信号電荷
がＣＣＤ２８から出力される。この信号電荷はステップ
１０６において画像メモリ３４に一時的に記憶される。

【００３５】ステップ１０７では測距光制御がオフ状態
に切換えられ、発光装置１４の発光動作が停止する。ス
テップ１０８では、距離データの演算処理が行なわれ、
この距離情報検出動作のプログラムは終了する。

【００３６】一方、ステップ１０１においてＶモードが
選択されていると判断されると、ステップ１０９におい
て測距光の制御がオフ状態に設定される。ステップ１１
０では、ＣＣＤ２８による通常の撮影動作（ＣＣＤビデ
オ制御）がオン状態に定められるとともに被写体に関す
る画像情報の検出が行われ、距離情報検出動作のプログ
ラムは終了する。

【００３７】次にステップ１０８において実行される演
算処理の内容を図７を参照して説明する。

【００３８】反射率Ｒの被写体が照明され、この被写体
が輝度Ｉの２次光源と見做されてＣＣＤに結像された場
合を想定する。このとき、電荷蓄積時間ｔの間にフォト
ダイオードに発生した電荷が積分されて得られる出力Ｓ
ｎは、 Ｓｎ＝ｋ・Ｒ・Ｉ・ｔ ・・・（２） で表される。ここでｋは比例定数で、撮影レンズのＦナ
ンバーや倍率等によって変化する。

【００３９】図７に示されるように電荷蓄積時間を
Ｔ_U1、測距光Ｓ３のパルス幅をＴ_S 、距離情報の信号電
荷Ｓ１２のパルス幅をＴ_D とし、１フィールド期間中の
その電荷蓄積時間がＮ回繰り返されるとすると、得られ
る出力ＳＭ₁₀は、 ＳＭ₁₀＝Σｋ・Ｒ・Ｉ・Ｔ_D ＝ｋ・Ｎ・Ｒ・Ｉ・Ｔ_D ・・・（３） となる。なお、パルス幅Ｔ_D は Ｔ_D ＝δ・ｔ ＝２ｒ／Ｃ ・・・（４） と表せる。このとき被写体までの距離ｒは ｒ＝Ｃ・ＳＭ₁₀／（２・ｋ・Ｎ・Ｒ・Ｉ） ・・・（５） で表せる。したがって比例定数ｋ、反射率Ｒ、輝度Ｉを
予め求めておけば距離ｒが求められる。

【００４０】次に図９〜図１４を参照して、第１の実施
形態におけるＣＣＤ駆動回路３０について説明する。

【００４１】図９は、従来のＣＣＤ駆動回路３０’を用
いた３次元画像検出装置において、電子シャッタ動作を
利用して距離情報の検出を行うときの回路構成を示すブ
ロック図である。なお、本図ではＣＣＤ駆動回路３０’
および発光素子制御回路４４の制御に関わるブロックの
みが示されている。

【００４２】パルス信号ＳＵＢ、パルス信号Ｖｔ、Ｖ１
は、システムコントロール回路３５からＣＣＤ駆動回路
３０’へ出力される制御信号であり、ＣＣＤ駆動回路３
０’はこれらの信号に対応するパルス信号φＳＵＢ、φ
Ｖ１を出力してＣＣＤ２８の駆動を制御する。パルス信
号φＳＵＢは電苛掃出し信号（図７の信号Ｓ１）に対応
し、パルス信号φＶ１は図５の垂直転送電極５２ａに印
加される電苛転送信号（図７のＳ９）およびに垂直転送
信号に対応する。なお本図では、垂直転送電極５２ｂ〜
５２ｄに印加される垂直転送信号φＶ２〜φＶ４につい
ては省略されている。

【００４３】一方パルス信号Ｐｄ０は、システムコント
ロール回路３５から発光素子制御回路４４へ出力される
制御信号である。図に示されるように従来の方法では、
パルス信号Ｐｄ０はシステムコントロール回路から直接
発光素子制御回路４４へ出力され、ＣＣＤ駆動回路３
０’を介することはない。すなわち、従来の３次元画像
検出装置では、ＣＣＤ駆動回路３０’と発光素子制御回
路４４とはそれぞれ別のパッケージに納められており、
各回路の温度特性も考慮されていない。後述するよう
に、このような構成では、高精度なタイミングで距離情
報検出動作を制御できない。

【００４４】図１０は、ＣＣＤ駆動回路３０’の回路構
成を部分的に示したものである。図には、電荷掃出し信
号であるφＳＵＢ、電荷転送信号および垂直転送信号で
あるφＶ１の出力に関わる回路構成のみが示されてい
る。すなわち、垂直転送電極５２ｂ〜５２ｄへ垂直転送
信号φＶ2 、φＶ3 、φＶ4 を出力する回路は省略され
ている。

【００４５】システムコントロール回路３５からＣＣＤ
駆動回路３０’には、基準電位０Ｖ、パルス高さ５Ｖの
パルス信号ＳＵＢ、Ｖｔ、Ｖ１が入力される。パルス信
号ＳＵＢ、Ｖｔ、Ｖ１は、それぞれ電圧を変換するため
の電圧変換回路（ＭＯＳドライバー回路）６０、６１、
６２に入力される。

【００４６】電圧変換回路６０にパルス信号ＳＵＢが入
力されると、これに対応してローレベルが−９Ｖ、ハイ
レベルが１５Ｖのパルス信号（パルス高さ２４Ｖ_P-p ）
が出力される。このパルス信号はコンデンサＣを介し＋
１０Ｖにバイアスされた電荷掃出し信号φＳＵＢとして
ＣＣＤ２８へ送られる。すなわち、電荷掃出し信号φＳ
ＵＢはローレベルが＋１０Ｖ、ハイレベルが＋３４Ｖの
パルス信号（パルス高さ２４Ｖ_P-P ）としてＣＣＤ２８
へ出力される。

【００４７】電圧変換回路６１にパルス信号Ｖｔが入力
されると、これに対応して基準電位０Ｖ、パルス高さ１
５Ｖのパルス信号が出力される。また、電圧変換回路６
２にパルス信号Ｖ１が入力されると、これに対応してロ
ーレベルが−９Ｖ、ハイレベルが０Ｖのパルス信号が出
力される。電圧変換回路６１、６２から出力されたこれ
らのパルス信号は加算器６３において合成され、電荷転
送信号および垂直転送信号であるφＶ１としてＣＣＤ２
８へ出力される。すなわち、φＶ１は−９Ｖ、０Ｖ、＋
１５Ｖの３つの電位レベルをもつパルス信号であり、０
Ｖと＋１５Ｖとの繰り返しパルスが電荷転送信号に対応
し、０Ｖと−９Ｖの繰り返しパルスが垂直転送信号に対
応する。

【００４８】図１１は、発光素子制御回路４４の構成を
示すブロック図である。発光素子制御回路４４には、電
流スイッチング回路６４と電流バイアス回路６５とが備
えられている。電流バイアス回路６５は、発光素子（Ｌ
Ｄ）１４ａ（図２参照）が発光に至る閾値よりも僅かに
低いバイアス電流を発光素子１４ａに供給する。システ
ムコントロール回路３５から基準電位０Ｖ、パルス高さ
５Ｖのパルス信号Ｐｄ０が電流スイッチング回路６４に
入力されると、これに対応して発光素子制御回路４４か
らパルス信号φＰｄが発光素子１４ａに出力される。

【００４９】図１２は図９に示された従来の回路構成に
おいて距離情報検出動作を行うときのタイミングチャー
トであり、ＣＣＤ駆動回路３０’および発光素子制御回
路４４へ入力されるパルス信号ＳＵＢ、Ｐｄ０、Ｖｔの
タイミングと、ＣＣＤ駆動回路３０’および発光素子制
御回路４４から出力されるパルス信号φＳＵＢ、φＰ
ｄ、φＶ１のタイミングが示されている。

【００５０】ＣＣＤ駆動回路３０’は発光素子制御回路
４４に比べその駆動速度が遅く、信号が入力されてから
出力されるまでの時間である入出力伝搬遅延時間が長
い。すなわち、ＣＣＤ駆動回路３０’の入出力伝搬遅延
時間Ｔｄ１は数百ナノ秒のオーダーであるのに対して、
発光素子制御回路４４の入出力伝搬遅延時間Ｔｄ２は、
数ナノ秒のオーダーである。入出力伝搬遅延時間Ｔｄ
１、Ｔｄ２は温度依存性をもつので、温度が変化すると
入出力伝搬遅延時間も変化する。したがって、回路内の
温度が安定しない状態では入出力伝搬遅延時間も安定し
ない。例えば、ＣＣＤ駆動回路３０’や発光素子制御回
路４４は、電源が投入された直後や、入力される信号の
パルス周波数が急激に変化したときなどに回路内の温度
が大きく変動する。このため入出力伝搬遅延時間Ｔｄ
１、Ｔｄ２も変動して回路の駆動速度が安定しない。

【００５１】ＣＣＤ駆動回路３０’の入出力伝搬遅延時
間Ｔｄ１と発光素子制御回路４４の入出力伝搬遅延時間
Ｔｄ２とでは、そのオーダーが略２桁異なるため温度変
化による入出力伝搬遅延時間の変動にも略２桁の違いが
生ずる。例えば、温度変化によりＣＣＤ駆動回路３０’
と発光素子制御回路４４の入出力伝搬遅延時間に数パー
セントの変動が生じると、ＣＣＤ駆動回路３０’ではナ
ノ秒のオーダーの変動が生じ、発光素子制御回路４４で
は１０ピコ秒のオーダーの変動が生じる。

【００５２】入出力伝搬遅延時間Ｔｄ１の変動量をΔＴ
ｄ１、入出力伝搬遅延時間Ｔｄ２の変動量をΔＴｄ２と
すると、電荷掃出し信号であるφＶｔと電荷転送信号で
あるφＶ１の出力はΔＴｄ１変動し、発光パルスである
φＰｄの出力はΔＴｄ２変動する。したがって、測距光
の発光のタイミング（φＰｄの出力のタイミング）とＣ
ＣＤ２８における信号電荷の蓄積のタイミング（φＶＳ
ＵＢとφＶ１との出力のタイミング）とは相対的に｜Δ
Ｔｄ１−ΔＴｄ２｜変動することとなる。ここで、ΔＴ
ｄ１とΔＴｄ２とでは２桁程オーダーが異なるので｜Δ
Ｔｄ１−ΔＴｄ２｜は略｜ΔＴｄ１｜に等しい。

【００５３】入出力伝搬遅延時間Ｔｄ１の変動量ΔＴｄ
１は、回路内の温度により変動するので、発光と電荷蓄
積の相対的なタイミングは回路内の温度によって異なる
こととなる。前述したように、被写体までの距離は電荷
掃出し信号と電荷転送信号に挟まれる電荷蓄積期間内に
ＣＣＤ２８において受光される被写体からの反射光の光
量に基づいて算出されるので、このような温度依存性を
もつ回路では回路内の温度が安定するまで距離を正しく
算出することができない。

【００５４】一方、図１３は第１の実施形態の回路構成
を示す図２のブロック図のうち、ＣＣＤ駆動回路３０お
よび発光素子制御回路４４に関わるブロックを示したも
のである。

【００５５】システムコントロール回路３５から出力さ
れたパルス信号ＳＵＢ、パルス信号Ｖｔ、Ｖ１およびパ
ルス信号Ｐｄ０は、全てＣＣＤ駆動回路３０へ入力さ
れ、ＣＣＤ駆動回路３０はこれらの信号に対応するパル
ス信号φＳＵＢ、φＶ１、Ｐｄ１を出力する。パルス信
号φＳＵＢ、φＶ１はＣＣＤ２８へ出力され、パルス信
号Ｐｄ１は発光素子制御回路４４へ出力される。発光素
子制御回路４４はパルス信号Ｐｄ１に対応するパルス信
号φＰｄを発光素子（ＬＤ）１４ａに出力する。なお本
図では、図９と同様に垂直転送電極５２ｂ〜５２ｄに印
加される垂直転送信号φＶ₂ 〜φＶ₄ については省略さ
れている。

【００５６】図１４は、第１の実施形態におけるＣＣＤ
駆動回路３０の回路構成を部分的に示したものである。
図１０と同様、電荷掃出し信号であるφＳＵＢと、電荷
転送信号および垂直転送信号であるφＶ１の出力に関わ
る回路構成のみが示されており、垂直転送信号φＶ2 、
φＶ3 、φＶ4 に関わる回路は省略されている。

【００５７】図１４において、ＣＣＤ駆動回路３０の回
路構成のうちパルス信号φＳＵＢ及びパルス信号φＶ１
〜φＶ₄ の出力に関わる回路構成は、図１０に示された
ＣＣＤ３０’と同様である。しかし、ＣＣＤ駆動回路３
０には発光素子制御回路４４のバッファ回路であるＬＤ
バッファ回路６６が備えられている。すなわち、ＣＣＤ
の駆動に関わる回路（電圧変換回路６０、６１、６２
等）とＬＤバッファ回路６６とが１つのシリコンチップ
に収められている。ＬＤバッファ回路６６の入出力伝搬
遅延時間は、電圧変換回路６０〜６２等の入出力伝搬遅
延時間に略等しく、その温度特性も電圧変換回路６０〜
６２等の温度特性に略等しい。

【００５８】ＬＤバッファ回路６６にはシステムコント
ロール回路３５から出力された基準電位０Ｖ、パルス高
さ５Ｖのパルス信号Ｐｄ０が入力される。入力されたパ
ルス信号Ｐｄ０に対応してＬＤバッファ回路６６からは
基準電位０Ｖ、パルス高さ５Ｖのパルス信号Ｐｄ１が発
光素子制御回路４４へ出力される。

【００５９】図１５は、第１の実施形態において距離情
報検出動作を行うときのタイミングチャートである。図
１５にはシステムコントロール回路３５から出力される
パルス信号ＳＵＢ、Ｖｔ、Ｐｄ０と、ＣＣＤ駆動回路３
０から出力されるパルス信号φＳＵＢ、φＶ１、Ｐｄ１
と、発光素子制御回路４４から出力されるパルス信号φ
Ｐｄの出力のタイミングが示されている。

【００６０】電荷掃出し信号φＳＵＢおよび電荷転送信
号φＶ１に関しては図１２のタイミングチャートと同様
であり、その入出力伝搬遅延時間はともにＴｄ１であ
る。前述したように、ＬＤバッファ回路６６の入出力伝
搬遅延時間Ｔｄ１’は、電圧変換回路６０〜６２の入出
力伝搬遅延時間Ｔｄ１に略等しいので、ＬＤバッファ回
路６６から出力されるパルス信号Ｐｄ１は、パルス信号
Ｐｄ０の入力から略Ｔｄ１だけ遅れて出力される。

【００６１】また、１つのシリコンチップ内の温度は略
均一なので、ＣＣＤ駆動回路内に設けられたＬＤバッフ
ァ回路６６の温度は、電圧変換回路６０〜６２の温度に
等しい。すなわち、ＬＤバッファ回路６６はＣＣＤ駆動
回路３０内の他の回路と熱的に結合されている。したが
って、電圧変換回路６０〜６２と略同一の温度特性をも
つＬＤバッファ回路６６の入出力伝搬遅延時間Ｔｄ１’
の変動量ΔＴｄ１’は、電圧変換回路６０〜６２の入出
力伝搬遅延時間Ｔｄ１の変動量ΔＴｄ１と略等しい。す
なわち、電荷掃出し信号φＳＵＢと電荷転送信号φＶ１
及びパルス信号Ｐｄ１とは、ＣＣＤ駆動回路３０内の温
度が変化しても略同じタイミングで出力される。

【００６２】発光パルスＰｄ０がＣＣＤ駆動回路３０に
入力されてから発光素子制御回路４４からパルス信号φ
Ｐｄが出力されるまでの時間Ｔｄ３は、Ｔｄ１’＋Ｔｄ
２である。しかし、発光素子制御回路４４の入出力伝搬
遅延時間Ｔｄ２はＴｄ１’（≒Ｔｄ１）に比べ２桁ほど
オーダーが小さいので無視することができ、パルス信号
Ｐｄ０がＣＣＤ駆動回路３０に入力されてからパルス信
号φＰｄが出力されるまでの時間Ｔｄ３はＴｄ１’とみ
なせる。また、同様の理由からＣＣＤ駆動回路３０内の
温度が変化したときのＴｄ３の変動量ΔＴｄ３も、ＬＤ
バッファ回路６６の入出力伝搬遅延時間Ｔｄ１’の変動
量ΔＴｄ１’とみなすことができる。すなわち、測距光
の発光のタイミング（φＰｄの出力のタイミング）とＣ
ＣＤ２８における信号電荷の蓄積のタイミング（φＳＵ
ＢとφＶ１との出力のタイミング）とは相対的に｜ΔＴ
ｄ１−ΔＴｄ１’｜だけ変動することとなる。前述した
ようにΔＴｄ１とΔＴｄ１’の値は略等しいので｜ΔＴ
ｄ１−ΔＴｄ１’｜の値は略０となる。したがって、測
距光の発光と信号電荷の蓄積は、ＣＣＤ駆動回路３０内
の温度が変化しても相対的に略一定のタイミングで行わ
れ、被写体までの距離を回路内の温度に影響されること
なく常に正確に検出することができる。

【００６３】以上のように、第１の実施形態によれば、
ＣＣＤ駆動回路と略等しい入出力伝搬遅延時間および温
度特性をもつＬＤバッファ回路をＣＣＤ駆動回路内に設
けることにより、回路内の温度に影響されることなく常
に正確に被写体までの距離が検出できる。

【００６４】次に図１６、図１７を参照して本発明の第
２の実施形態のカメラ型の３次元画像検出装置について
説明する。第２の実施形態の３次元画像検出装置は、Ｃ
ＣＤ駆動回路の構成が第１の実施形態と異なるだけでそ
の他の構成は第１の実施形態と同じである。したがっ
て、第１の実施形態と重複する説明は省略し、第１の実
施形態と異なる部分についてのみ説明を行う。

【００６５】図１６は、第２の実施形態におけるＣＣＤ
駆動回路３０および発光素子制御回路４４に関わるブロ
ックを示したものである。

【００６６】第１の実施形態では、ＬＤバッファ回路６
６と電圧変換回路６０〜６２等が同一シリコンチップ上
に形成され、ＬＤバッファ回路６６がＣＣＤ駆動回路３
０内に設けられていた。しかし、第２の実施形態では、
従来のＣＣＤ駆動回路３０’とＬＤバッファ回路６６’
とが１つのパッケージ３０ｐ内に設けられ熱結合されて
いる。すなわち、ＣＣＤ駆動回路３０’とＬＤバッファ
回路６６’とから構成されるマルチチップパッケージ３
０ｐが図２のＣＣＤ駆動回路３０に対応する。また、Ｌ
Ｄバッファ回路６６’には、入出力伝搬遅延時間および
温度特性がＣＣＤ駆動回路３０’に略等しい回路が用い
られる。

【００６７】以上のように、第２の実施形態によれば、
ＣＣＤ駆動回路と同一の入出力伝搬遅延時間および温度
特性をもつＬＤバッファ回路とＣＣＤ駆動パルスとを同
一パッケージに収め熱結合させることにより第１の実施
形態と同様の効果を得ることができる。

【００６８】次に図１７を参照して第３の実施形態につ
いて説明する。第３の実施形態において、ＣＣＤ駆動回
路３０”およびＬＤバッファ回路６６”は、それぞれ別
個のパッケージとして構成されており、それぞれのパッ
ケージは背中合わせに貼り合せられている。図１７は、
背中合わせに貼り合せられたＣＣＤ駆動回路３０”とＬ
Ｄバッファ回路６６”との配置を模式的に表わした断面
図である。ＩＣチップであるＣＣＤ駆動回路３０”とＬ
Ｄバッファ回路６６”とは、熱伝導性両面粘着テープ７
１によりそれぞれ背中合わせに貼り合わせられている。
またＣＣＤ駆動回路３０”とＬＤバッファ回路６６”
は、端子６７により基盤６８、６９に装着され、基盤６
８、６９は湾曲自在のフレキシブル基盤７０により接続
されている。

【００６９】ＣＣＤ駆動回路３０”とＬＤバッファ回路
６６”とは、熱伝導性の高い熱伝導性両面粘着テープに
より熱結合されているため速やかに熱交換が行われる。
すなわち、ＣＣＤ駆動回路３０”とＬＤバッファ回路６
６”は、略等しい温度に保たれる。したがって、第３の
実施形態においても第１の実施形態と同様図１５のタイ
ミングチャートで示されたタイミングでパルス信号φＳ
ＵＢ、φＶ１、φＰｄが出力され、温度が変動しても測
距光の発光と信号電荷が蓄積される相対的なタイミング
は変動しない。

【００７０】なお、本実施形態の説明では、ＣＣＤ駆動
回路や発光素子制御回路へ入力される信号パルスとして
正転パルスを用いて説明を行ったが、これらの回路へ入
力される信号は反転パルスであってもよい。

【００７１】第２の実施形態において、ＣＣＤ駆動回路
とＬＤバッファ回路とは熱伝導性両面粘着テープにより
背中合わせに張り合わせられることにより熱結合されて
いたが、熱結合は他の方法であっても良い。

【００７２】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、電子シャ
ッタ動作を利用して３次元画像検出を行う３次元画像検
出装置であって、回路内の温度に影響されることなく正
確に被写体までの距離を検出できる３次元画像検出装置
とこの３次元画像検出装置において用いられる撮像素子
駆動回路とを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態で用いられるカメラ型
の３次元画像検出装置の斜視図である。

【図２】図１に示すカメラの回路構成を示すブロック図
である。

【図３】測距光による距離測定の原理を説明するための
図である。

【図４】測距光、反射光、ゲートパルス、およびＣＣＤ
が受光する光量分布を示す図である。

【図５】ＣＣＤに設けられるフォトダイオードと垂直転
送部の配置を示す図である。

【図６】ＣＣＤを基板に垂直な平面で切断して示す断面
図である。

【図７】距離情報検出動作のタイミングチャートであ
る。

【図８】距離情報検出動作のプログラムのフローチャー
トである。

【図９】従来のＣＣＤ駆動回路を用いて電子シャッタに
よる距離情報の検出を行うときの回路構成を示す図であ
る。

【図１０】従来のＣＣＤ駆動回路の構成を示すブロック
図である。

【図１１】発光素子制御回路の構成を示すブロック図で
ある。

【図１２】従来のＣＣＤ駆動回路を用いた距離情報検出
動作の入出力伝搬遅延時間を考慮したタイミングチャー
トである。

【図１３】第１の実施形態におけるＣＣＤ駆動回路を用
いて距離情報検出動作を行うときの回路構成を示すブロ
ック図である。

【図１４】第１の実施形態におけるＣＣＤ駆動回路の構
成を示すブロック図である。

【図１５】本発明のＣＣＤ駆動回路を用いた距離情報検
出動作の入出力伝搬遅延時間を考慮したタイミングチャ
ートである。

【図１６】本発明の第２の実施形態においるＣＣＤ駆動
回路およびＬＤバッファ回路のマルチチップパッケージ
を用いて距離情報検出動作を行うときの回路構成を示す
ブロック図である。

【図１７】第３の実施形態において、背中合わせに貼り
合せられたＣＣＤ駆動回路およびＬＤバッファ回路の断
面を模式的に示す図である。

【符号の説明】

１４ 発光装置 ２８ ＣＣＤ ３０ ＣＣＤ駆動回路 ３０’ＣＣＤ駆動回路 ４４ 発光素子制御回路 ６６ ＬＤバッファ回路

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F112 AD01 BA06 BA20 CA02 CA08 DA28 FA12 5C022 AA00 AB17 AC42 AC52 AC69 5C024 CX54 CY17 DX06 EX12 EX26 GX03 GY01 GZ03 JX25 5C061 AA29 AB03 AB06 AB08 5J084 AD05 BA03 BA36 BB02 CA03 CA61 CA65 CA70 EA04

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被写体に測距光を照射するための光源
   と、 前記被写体からの反射光を受光して、その受光量に応じ
   た信号電苛を蓄積可能な撮像素子と、 前記光源の発光動作を制御する光源駆動回路と、 前記撮像素子における電子シャッタ動作を制御可能な撮
   像素子駆動回路と、 前記撮像素子駆動回路と略同一の入出力伝播遅延時間を
   有する前記光源駆動回路のバッファ回路とを備え、 前記撮像素子駆動回路と前記バッファ回路とが熱結合さ
   れていることを特徴とする３次元画像検出装置。
2. 【請求項２】 前記バッファ回路と前記撮像素子駆動回
   路とが、同一シリコンチップ内に設けられていることを
   特徴とする請求項１に記載の３次元画像検出装置。
3. 【請求項３】 前記バッファ回路と前記撮像素子駆動回
   路とが同一パッケージ内に設けられていることを特徴と
   する請求項１に記載の３次元画像検出装置。
4. 【請求項４】 前記バッファ回路と前記撮像素子駆動回
   路とが、熱伝導性部材により熱結合されていることを特
   徴とする請求項１に記載の３次元画像検出装置。
5. 【請求項５】 前記バッファ回路と前記撮像素子駆動回
   路とが、背中合わせにシート状の前記熱伝導性部材を挟
   んで熱結合されていることを特徴とする請求項４に記載
   の３次元画像検出装置。
6. 【請求項６】 前記バッファ回路が前記撮像素子駆動回
   路と略同一の温度特性を有することを特徴とする請求項
   １に記載の３次元画像検出装置。
7. 【請求項７】 撮像素子における電子シャッタ動作を制
   御可能な撮像素子駆動回路であって、 前記撮像素子駆動回路と略同一の入出力伝播遅延時間を
   有し光源を駆動するためのバッファ回路を備えたことを
   特徴とする撮像素子駆動回路。
8. 【請求項８】 前記バッファ回路が前記撮像素子駆動回
   路と略同一の温度特性をもつことを特徴とする請求項７
   に記載の撮像素子駆動回路。