JP2001281336A - 距離画像撮像装置 - Google Patents

距離画像撮像装置

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JP2001281336A
JP2001281336A JP2000098478A JP2000098478A JP2001281336A JP 2001281336 A JP2001281336 A JP 2001281336A JP 2000098478 A JP2000098478 A JP 2000098478A JP 2000098478 A JP2000098478 A JP 2000098478A JP 2001281336 A JP2001281336 A JP 2001281336A
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transfer gate
transfer
pulse
electric charge
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JP2000098478A
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Masahiko Kato
正彦 加藤
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Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483Details of pulse systems
    • G01S7/486Receivers
    • G01S7/4861Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G01S7/4863Detector arrays, e.g. charge-transfer gates

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、従来の電荷振分け方式による課題を
解決して、信号のSNの向上および測定精度の向上化を
図った距離画像撮像装置を提供する。 【解決手段】本発明の一態様によると、輝度変調が可能
な光源と、上記光源よりの光が対象物で反射された反射
光を受光し、電荷に変換する光電変換部と、上記光電変
換部によって変換された電荷を転送する転送ゲートと、
上記転送ゲートによって転送された電荷を蓄積する電荷
蓄積部と、上記転送ゲートに、上記輝度変調に同期した
転送パルスを印加する転送ゲート駆動部とを有する距離
画像撮像装置において、上記転送パルスに所定の遅延ま
たはパルス幅の変更を加えることが可能な転送パルス生
成部を、さらに具備することを特徴とする距離画像撮像
装置が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、距離画像撮像装置
に係り、特に、アクティブな照明光を用いて、対象物で
ある被写体までの距離情報をリアルタイムに記録する距
離画像撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】物体の距離情報を把握するアクティブな
手段として、Time Of Flight法(略して
TOF法という)が知られている。
【0003】このTOF法は、光パルスを対象物に送っ
て、この光パルスが対象物から反射して戻ってくるまで
の往復に要する時間を計り、これを距離に換算する方式
である。
【0004】なかでも、R.Miyagawaらが、1
995 IEEE Workshop on Char
ge−Coupled Devices and Ad
vanced Image Sensors,“Apr
il 20−22;Integration−Time
Based Computational Imag
e Sensors”に発表した方法は、半導体基板上
に設けられた二次元撮像素子により、対象物の距離画像
を得ることを可能とする方法である。
【0005】ここに、距離画像というのは、二次元撮像
素子の各画素が、対象物の濃淡画像の代わりに、対象物
の三次元形状に対応した距離情報を各画素における電荷
の濃淡画像として有していることを意味する。
【0006】図4は、R.Miyagawaらが提案し
ている対象物の距離画像を得ることを可能とする方式の
概念的構成を示している。
【0007】また、図5は、R.Miyagawaらが
提案している対象物の距離画像を得ることを可能とする
方式による動作を説明するためのタイムチャートを示し
ている。
【0008】図4において、参照符号401,402
は、それぞれ、第1の転送ゲートと第2の転送ゲートを
示している。
【0009】また、参照符号403は、pn接合による
光電変換部を示している。
【0010】また、参照符号404,405は、それぞ
れ、第1の電荷蓄積部と第2の電荷蓄積部を示してい
る。
【0011】また、参照符号406は、入射光パルス信
号を表わしている。
【0012】図5の(a)は、被写体に向けて送出され
たパルス幅Tの送出光パルスを示している。
【0013】図5の(b)は、被写体で反射されて距離
画像撮像装置に入射する入射光パルス信号を示してお
り、図中のΔtは光パルスが被写体までの距離を往復す
る時間に対応する時間ずれを示している。
【0014】図5の(c)は、例えば、第1の転送ゲー
ト401のON,OFFタイミングを表わしており、こ
の第1の転送ゲート401のON,OFFタイミングは
図5の(a)と同相である。
【0015】図5の(d)は、例えば、第2の転送ゲー
ト402のON,OFFを表わしており、この第2の転
送ゲート402のON,OFFタイミングは図5の
(c)と位相が180度ずれている。
【0016】図5の(e)は、第1の転送ゲート401
を介して第1の電荷蓄積部404に転送される電荷量
(時間tに対応)を表わしている。
【0017】図5の(f)は、第2の転送ゲート402
を介して第2の電荷蓄積部405に転送される電荷量
(時間t2に対応)を表わしている。
【0018】すなわち、入射光パルス信号406に対応
して光電変換部403で発生した電荷は、それぞれ、第
1の転送ゲート401と第2の転送ゲート402を介し
て第1の電荷蓄積部404と第2の電荷蓄積部405と
に振り分けられる(電荷振分け方式と呼ぶ)。
【0019】ここで、振り分けられる電荷の量は、時間
ずれΔtに対応して変化することによって、被写体まで
の距離情報が得られる。
【0020】いま、送出光パルスのパルス幅をT、第1
の電荷蓄積部404に蓄えられた電荷量をQ1、第2の
電荷蓄積部405に蓄えられた電荷量をQ2とすれば、
被写体までの距離Rは、R=cΔt/2で与えられるか
ら、送出光パルスのパルス幅Tの半分T/2を基準とし
て時間軸を規格化すると、
【0021】
【数1】 で与えられる。
【0022】ただし、この(1)式中のpは、
【数2】 で与えられる。
【0023】
【発明が解決しようとする課題】上記の電荷振分け方式
は、被写体までの距離Rが第1の電荷蓄積部404と第
2の電荷蓄積部405に蓄えられた電荷量の比Q1/Q
2により定められるから、入射光パルス信号の強度に影
響されにくいという利点がある一方で、第1の転送ゲー
ト401、第2の転送ゲート402をOFFとしても洩
れてくる漏洩電荷がある。
【0024】これを考慮すると、
【数3】
【0025】ここに、Q1L、Q2Lは、それぞれ、 Q1L:第1の転送ゲート401がOFFのときに光電
変換部403から第1の電荷蓄積部404に漏洩する電
荷量、 Q2L:第2の転送ゲート402がOFFのときに光電
変換部403から第2の電荷蓄積部405に漏洩する電
荷量である。
【0026】一般に、漏洩する電荷量は、信号のクロス
トークを引き起こし、信号のSNの低下あるいは測定誤
差の増大につながる。
【0027】ここに、上記電荷振分け方式の一つの課題
がある。
【0028】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
ので、従来の電荷振分け方式による課題を解決して、信
号のSNの向上および測定精度の向上化を図った距離画
像撮像装置を提供することを目的とする。
【0029】
【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) 輝度変調が可能な光源
と、上記光源よりの光が対象物で反射された反射光を受
光し、電荷に変換する光電変換部と、上記光電変換部に
よって変換された電荷を転送する転送ゲートと、上記転
送ゲートによって転送された電荷を蓄積する電荷蓄積部
と、上記転送ゲートに、上記輝度変調に同期した転送パ
ルスを印加する転送ゲート駆動部とを有する距離画像撮
像装置において、上記転送パルスに所定の遅延またはパ
ルス幅の変更を加えることが可能な転送パルス生成部
を、さらに具備することを特徴とする距離画像撮像装置
が提供される。
【0030】また、本発明によると、上記課題を解決す
るために、(2) 上記光電変換部は、一次元または二
次元のアレイ状に配列されていることを特徴とする
(1)記載の距離画像撮像装置が提供される。
【0031】
【発明の実施の形態】まず、本発明の概要として、電荷
振分け方式におけるクロストークの軽減方法の考え方を
次に示す。
【0032】上述したような第1の電荷蓄積部、第2の
電荷蓄積部に蓄積される電荷量をそれぞれQ1、Q2と
し、次式で表わされるとする。
【0033】
【数4】
【0034】ここに、P:入力光信号のパワー、 η:光電変換効率、 k11:第1の転送ゲートがONのとき第1の電荷蓄積
部に電荷転送される割合、 k21:第1の転送ゲートがOFFのとき第1の電荷蓄
積部に電荷転送される割合、 k12:第2の転送ゲートがOFFのとき第2の電荷蓄
積部に電荷転送される割合、 k22:第2の転送ケートがONのとき第2の電荷蓄積
部に電荷転送される割合である。
【0035】また、時間t1、t2の意味は、図5に示
した(T=t1+t2)とする。
【0036】このとき、次の比xを考える。
【0037】
【数5】
【0038】そして、画素ごとに第1の転送ゲートと第
2の転送ゲートあるいは電荷蓄積部の光電変換部に対す
る対称性は保たれていると仮定すると、この(5)式の
比xは、
【0039】
【数6】 となる。
【0040】この(6)式から入力光信号のパルス幅T
が既知で、k>>kcならば、測定値Q1、Q2から求
められるxを用いて、 t1−t2=Tx あるいはT=t1+t2を用いて、
【0041】
【数7】 となる。
【0042】しかし、上記の条件が満たされない場合に
は、既知の量Δτだけ時間軸の基準のパルスをずらして
測定することにより、たとえばt1→t1+Δτ、t2
→t2+Δτと変換して、(6)式の比xは、
【0043】
【数8】 となる。
【0044】この比xとずらし量Δτは、図2の(a)
に示すように、線形関係(直線a)にあり、その傾きは
2αとなる。
【0045】ここで、
【数9】 で与えられる。
【0046】従って、ずらしを与えないΔτ=0の場合
(図2の(a)の点A)と、ずらしを与えたΔτ≠0の
場合(図2の(a)の点B)を測定し、線分ABの傾き
からαを求め、これからΔτ=0の場合に得られた比x
の値を補正することにより、クロストークの影響を軽減
したt1−t2を求めることができる。
【0047】あるいは、T=t1+t2から、t1また
はt2を求めることができる。
【0048】次に、以上のような概要に基づく本発明の
実施の形態について図面を参照して説明する。
【0049】(第1の実施の形態)本発明の第1の実施
の形態による距離画像撮像装置ついて、図1、図2の
(b)、図3および図5を用いて説明する。
【0050】すなわち、本発明の第1の実施の形態によ
る距離画像撮像装置の構成を示す図1において、参照符
号101は輝度変調可能な光源、参照符号102は遅延
回路、参照符号103は転送ゲート駆動部、参照符号1
04はコントローラ、参照符号105、106は端子、
参照符号107はスイッチ、参照符号110は送出光パ
ルス、参照符号120は転送パルス生成回路を表わして
いる。
【0051】該転送パルス生成回路120は、端子10
5、106、スイッチ107、遅延回路102から構成
される。
【0052】また、図1において、参照符号401,4
02は、それぞれ、第1の転送ゲートと第2の転送ゲー
トを示している。
【0053】また、参照符号403は、pn接合による
光電変換部を示している。
【0054】また、参照符号404,405は、それぞ
れ、第1の電荷蓄積部と第2の電荷蓄積部を示してい
る。
【0055】また、参照符号406は、入射光パルス信
号を表わしている。
【0056】次に、以上のように構成される本発明の第
1の実施の形態による距離画像撮像装置の動作を説明す
る。
【0057】まず、コントローラ104から、例えば、
図5の(a)に示したようなパルス幅T、デューティ比
1:1のパルス列が出力される。
【0058】この場合、コントローラ104から出力さ
れるパルス列のパルス幅Tとしては、例えば、100n
sが選ばれる。
【0059】このパルス幅Tの値100nsは、距離画
像を得たい領域により異なり、光が往復することを考慮
すると、15mぐらいの領域につき距離画像を得たい場
合に相当する。
【0060】最初に、スイッチ107が端子105に接
続されている場合を説明する。
【0061】コントローラ104からの出力信号は、遅
延回路102を介して光源101に供給される。
【0062】これにより、光源101からは、図5の
(a)に示した波形の送出光パルス110を送出する。
【0063】該送出光パルス110の一部は光電変換さ
れ、端子105、スイッチ107を経て転送ゲート駆動
部103に供給される。
【0064】該転送ゲ一卜駆動部103から、例えば、
第1の転送ゲート401には、図5の(c)に示した波
形の電圧が供給される。
【0065】これは図5の(a)に示した送出光パルス
110と同期した、同じ矩形波形を示す。
【0066】この矩形波形の山では第1転送ゲート40
1はONとなり、谷ではOFFとなるものとする。
【0067】また、第2の転送ゲート402には、図5
の(d)に示した波形の電圧が供給される。
【0068】これは第1転送ゲート401に供給した図
5の(c)に示した波形の電圧と位相が180度異な
る。
【0069】これによって、第2の転送ゲート402
は、第1の転送ゲート401がONのときにOFFとな
り、第1の転送ゲート401がOFFのときにONとな
る。
【0070】このように構成された撮像部に、入射光パ
ルス信号406が図5の(b)に示したタイミングで入
射する。
【0071】ここに、Δtは送出された光パルスが不図
示の被写体までの距離を往復する時間に対応する。
【0072】第1の転送ゲート401は、時間t1=T
−Δtに発生した光電子を第1の電荷蓄積部404に通
過させ、該第1の電荷蓄積部404に電荷量Q1を蓄え
させる。
【0073】また、第2の転送ゲート402は、時間t
2=Δtに発生した光電子を第2の電荷蓄積部405に
通過させ、該第2の電荷蓄積部405に電荷量Q2を蓄
えさせる。
【0074】ここで、電荷の漏洩がなければ、これらの
蓄積された電荷量Q1、Q2から前述の式(1)、
(2)に基づいて、被写体までの距離Rが求められる。
【0075】次に、電荷の漏洩が無視できない場合を説
明する。
【0076】このときには、図1において、スイッチ1
07は、端子106に接続する。
【0077】こうすると、遅延回路102により与えら
れる遅延時間をΔτとすれば、コントローラ104から
端子106、スイッチ107を介して第1転送ゲート4
01および第2の転送ゲート402に供給される信号
は、遅延回路102を介していないから、遅延時間Δτ
の影響を受けない。
【0078】このときのタイミング関係を図3に示す。
【0079】図3の(a)〜(d)は、図5の(a)〜
(d)に対応するが、これらの相違は、図3では
(c)、(d)が(a)、(b)に対してΔτだけ先に
きていることにある。
【0080】このため、図5のt1に相当する時間がt
1−Δτとなり、t2に相当する時間がt2+Δτとな
る。
【0081】これは前述の(8)式でΔτの代わりに−
Δτとしたことに相当する。
【0082】以上から、スイッチ107が端子105に
接続されている場合の測定とスイッチ107が端子10
6に接続されている場合の測定とから、図2の(a)で
示した考え方より、直線aの傾き2αを求め、前述のよ
うにクロストークの影響を軽減した時間t1−t2、あ
るいはT=t1+t2を用いて、時間t1またはt2を
求めることができる。
【0083】本実施形態の特徴は、パルス転送回路12
0で表わされる簡単な遅延回路とスイッチによる切替え
で、電荷の漏洩による影響を軽減できることにある。
【0084】また、本実施形態は、種々の変更が可能で
ある。
【0085】例えば、図1において、遅延回路102は
光源101と端子105との間に移すことができる。
【0086】こうすると、スイッチ107を端子106
に接続した場合に遅延回路102の影響を受けない測定
がなされ、スイッチ107を端子105に接続した場合
に遅延回路102の影響を受ける測定とすることができ
る。
【0087】これは前述の−Δτの代わりにΔτの遅延
を与えたことに相当する。
【0088】あるいは、一般に、複数の遅延回路を図1
の遅延回路102の箇所に設けて、これをコントローラ
104からの信号により電子的に切り替えることも可能
である。
【0089】さらには、上述のように、光源101と端
子105との間にも複数の遅延回路を設け、スイッチ1
07を機械的に切り替える代わりに、これらをコントロ
ーラ104からの信号により電子的に切り替えることも
可能である。
【0090】図2の(b)を用いて、この概念を説明す
る。
【0091】図2の(b)において、符号Aは遅延を与
えない場合を示し、符号B,CはΔτ、2Δτの遅延を
与えた測定の場合を示す。
【0092】また、符号D,Eは、−Δτ、−2Δτの
遅延を与えた測定の場合を示す。
【0093】これらの測定結果に基づいて、直線aの傾
き2αを、より正確に求めることができる。
【0094】この場合の電荷量Q1は、前述の(3)式
で与えられるものとなる。
【0095】(第2の実施の形態)本発明の第2の実施
の形態による距離画像撮像装置ついて、図6を用いて説
明する。
【0096】これは図4において、第2の転送ゲート4
02および第2の電荷蓄積部405を取り除いたもので
ある。
【0097】この場合には、前述の(3)式が成立す
る。
【0098】このままでは、蓄積された電荷量Q1は、
入力光信号のパワーPおよび前述の(3)式の右辺第2
項の漏洩電荷量の影響を受け、時刻t1の正確な情報を
得ることができない。
【0099】そこで、この場合には、パルス幅Tおよび
時間t1、t2の幅を変えた二つの測定を行い、これら
を用いて、蓄積された電荷量Q1を補正することが可能
である。
【0100】最初は、光パルス幅TをT+ΔTとして同
じ測定を行う。
【0101】このときには、第1の転送ゲート401に
加える転送パルスの幅もT+ΔTとなる。
【0102】こうすると、図5からわかるように、時間
t2は光パルスが被写体までの距離を往復するに要する
時間Δtに等しく、時間t1のみがt1+ΔTとなる。
【0103】このとき蓄積された電荷量はQ2は、
【数10】 となる。
【0104】次に、パルス幅TをT+ΔTとして、転送
パルス幅はTのままとすると、
【数11】 となる。
【0105】ここで、前述の(3)式、(10)式およ
び(11)式を用いて時間t1を求めると、
【数12】 となる。
【0106】このようにして正しい時間t1を求めるこ
とができる。
【0107】本実施形態の特徴は、画素の構成を簡単に
して、光電変換部の開口率を高くしたところにある。
【0108】以上の説明では、蓄積される電荷量の統計
的ゆらぎには触れなかったが、実際にはこれを考慮し
て、それぞれの測定を複数回繰返し、それらの平均値に
対して上述の取扱いを行うことが必要となる。
【0109】なお、以上説明した図1および図6では、
画素構成として単一の光電変換部による単位画素のみを
示したが、実用上では、上記光電変換部を複数用いて、
一次元または二次元のアレイ状に配列した距離画像撮像
装置に適用することが可能である。
【0110】すなわち、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
学系により一次元または二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画
像撮像装置であつて、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、一次元または二次元画
素アレイを備えている。
【0111】そして、一次元画素アレイを備えている距
離画像撮像装置の場合には、アレイ上の光電変換部(画
素)を選択する選択回路と、選択された画素について、
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、順次に読み出す読み出し手段と、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備えるようにして構成される。
【0112】また、二次元画素アレイを備えている距離
画像撮像装置の場合には、上記二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備えるよう
にして構成される。
【0113】
【発明の効果】従って、以上説明したように、本発明に
よれば、従来の電荷振分け方式による課題を解決して、
信号のSNの向上および測定精度の向上化を図った距離
画像撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の第1の実施の形態による距離
画像撮像装置の構成を示す図である。
【図2】図2の(a)は、従来方式の課題を説明するた
めの図であり、図2の(b)は、本発明の第1の実施の
形態による距離画像撮像装置の概要および動作を説明す
るための図である。
【図3】図3は、本発明の第1の実施の形態による距離
画像撮像装置の動作を説明するためのタイムチャートで
ある。
【図4】図4は、R.Miyagawaらが提案してい
る対象物の距離画像を得ることを可能とする従来方式の
概念的構成を示す図である。
【図5】図5は、R.Miyagawaらが提案してい
る対象物の距離画像を得ることを可能とする従来方式に
よる動作を説明するためのタイムチャートである。
【図6】図6は、本発明の第2の実施の形態による距離
画像撮像装置の要部の構成を示す図である。
【符号の説明】
101…光源、 102…遅延回路、 103…転送ゲート駆動部、 104…コントローラ、 105、106…端子、 107…スイッチ、 110…送出光パルス、 120…転送パルス生成回路、 401…第1の転送ゲート、 402…第2の転送ゲート、 403…光電変換部、 404…第1の電荷蓄積部、 405…第2の電荷蓄積部、 406…入射光パルス信号。
フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA06 DD04 FF12 FF31 HH13 JJ02 JJ03 JJ25 JJ26 NN08 NN12 PP22 QQ11 QQ47 UU05 2F112 AD01 BA06 BA07 CA12 EA03 EA05 FA43 FA50 5J084 AA05 AD01 AD05 BA39 BA40 CA03 CA55 CA65 EA04

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 輝度変調が可能な光源と、 上記光源よりの光が対象物で反射された反射光を受光
    し、電荷に変換する光電変換部と、 上記光電変換部によって変換された電荷を転送する転送
    ゲートと、 上記転送ゲートによって転送された電荷を蓄積する電荷
    蓄積部と、 上記転送ゲートに、上記輝度変調に同期した転送パルス
    を印加する転送ゲート駆動部とを有する距離画像撮像装
    置において、 上記転送パルスに所定の遅延またはパルス幅の変更を加
    えることが可能な転送パルス生成部を、さらに具備する
    ことを特徴とする距離画像撮像装置。
  2. 【請求項2】 上記光電変換部は、一次元または二次元
    のアレイ状に配列されていることを特徴とする請求項1
    記載の距離画像撮像装置。
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