JP2003510561A - Ｃｍｏｓ互換３次元画像センサｉｃ - Google Patents

Ｃｍｏｓ互換３次元画像センサｉｃ

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Abstract

(57)【要約】 ３次元画像化システムは、ＣＭＯＳ製造技術を用いて共通のＩＣ（２１０）上に形成されたピクセル光検知ディテクタ及び専用の電子回路及び対応する処理回路の２次元アレー（２３０）を含んでいる。一つの実施例において、各ディテクタ（２４０）は、システムによって放射され、物体の点から反射され、そしてフォーカスされたピクセルディテクタによって検出されたパルスについての飛行時間（ＴＯＦ）に比例するクロックパルス数を積算する対応する高速カウンタ（２５０）を有している。ＴＯＦデータは、特定のピクセルから、放射された光パルスを反射する物体上の点までの距離についての直接のディジタル的な尺度を与える。第２実施例では、カウンタ及び高速クロック回路は設けられず、代わりに電荷蓄積器（６００）及び電子シャッタ（ＳＩ）が各ピクセルディテクタに設けられる。各ピクセルディテクタは電荷を蓄積し、その総量が往復のＴＯＦのの直接的な尺度を与える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 先に提出された出願との関係 この出願は、１９９９年４月３０日に提出された「３次元ＣＭＯＳセンサ」と
題する、出願人による係属中の米国仮出願（出願版号Ｎｏ．６０／１３２，０６
４）に基づいて優先権が主張されている。
【０００２】 発明の分野 本発明は、一般には、距離計タイプの画像センサに関連し、より詳しくは、Ｃ
ＭＯＳ製造を用いて単一の集積回路上に実現することができるセンサに関する。
【０００３】 発明の背景 この分野では、電子回路から物体までの距離の目安を与える電子回路が知られ
ており、例えば図１のシステム１０はこのようなものの例である。一般化した図
１のシステムでは、システム１０内の画像化回路は、物体２０までの距離（例え
ばＷＰ，Ｚ２，Ｚ３）を概算するのに用いられる。物体の上部は、底部に比べて
距離が長くなる。通常、システム１０は光源３０を含み、この光出力は、レンズ
４０によってフォーカスされ、物体（ここでは物体２０）に対して向けられる。
別の従来技術では、積極的には光源を設けず、代わりに見ようとする物体から反
射される周囲の光を利用するものがあるが、これには周囲の光が必要となる。
【０００４】 光源３０の種々の部分の光は、物体２０の表面部分で反射され、レンズ５０に
よってフォーカスされる。この戻ってきた光は、例えばフォトダイオード等の、
集積回路（ＩＣ）７０上に配列された数多くの検出デバイス６０に入る。デバイ
ス６０は、距離データを求めようとするシーン内の物体（例えば１０）の光度の
レンダリングを生成する。応用によっては、デバイス６０を、電荷結合デバイス
（ＣＣＤ）あるいはアレー状のＣＭＯＳデバイスとすることができる。
【０００５】 ＣＣＤは、通常、いわゆるバケットブリゲード（bucket-brigade）型に構成さ
れ、ここでは第１のＣＣＤによる光検出の電荷は隣りのＣＣＤにシリアル結合さ
れ、そしてその出力はさらに第３のＣＣＤに結合されるという動作が繰り返され
る。このバケットブリゲード構成は、ＣＣＤアレーを含む同じＩＣ上に処理回路
を製造することを妨げる。さらにＣＣＤは、ランダムな読み出しではなく、連続
的な読み出しとなる。例えば、ＣＣＤ距離計システムをディジタルズームレンズ
への応用に用いる場合、関連するデータのほとんどはアレー内のいくつかのＣＣ
Ｄによって与えられるが、その場合でもその関連するデータにアクセスするには
アレー全体を読み出す必要がある。静止画写真やいくつかの動画写真への応用で
は、ＣＣＤをベースとしたシステムがいまだに実用性が高いだろう。
【０００６】 物体２０の上の部分は、下の部分比べて意図的に遠くになるように示してある
。すなわち、Ｚ３＞Ｚ３＞Ｚ１である。距離計の自動フォーカスカメラの環境で
は、デバイス６０は、カメラから（すなわとＺ＝０から）物体１０までの平均距
離を、物体から得られる相対輝度データを調べて概算する。図１において、物体
２０の上の部分は下の部分に比べて暗いので、上の部分は下の部分よりも遠いと
推定できる。より複雑なシーンにおいては、物体あるいは背景に対して立ってい
る対象への焦点距離は、その対象を背景から輝度の変化によって識別することに
よって、概算されることになろう。距離計測を行う双眼鏡への応用では、フォー
カスされる全ての物体が実質的に同じ距離となるほど視界は小さい。種々の応用
において、システム１０内の回路８０，９０，１００は、この信号処理を補助す
ることになろう。ＩＣ７０がＣＣＤ６０を含む場合に、８０，９０，１００とい
った他の処理回路は、チップの外に形成される。
【０００７】 残念ながら、物体の反射率は不明なので、反射した輝度データは本当に正確な
距離のレンダリングを与えるものではない。したがって、光った表面を持つ遠く
の物体の表面は、表面がくすんだ近くの物体と同じくらいの（おそらくははより
多くの）光を反射する可能性がある。
【０００８】 他のフォーカシング・システムも知られている。カメラや双眼鏡で用いられて
いる赤外（ＩＲ）自動フォーカスシステムは、視野内のすべての目標に対する距
離の平均値、あるいは最小距離である単一の距離の値を生成する。他のカメラの
自動フォーカスシステムではしばしば、距離を決定しようとする対象に対してレ
ンズの機械的なフォーカス動作が必要となる。これらの従来技術のフォーカスシ
ステムはせいぜい、視野内の単一の対象へのレンズのフォーカスができるだけで
あり、視野内のすべての物体に対する距離を同時に測定することはできない。
【０００９】 一般に、シーン内の元々の輝度の値を再現しあるいは概算すれば、人間の視覚
系は、シーン内にどのような物体が存在するかを把握し、それらの間の位置関係
を立体視的に判断することができる。普通のテレビのスクリーン上でレンダリン
グされたような非立体視的な画像の場合は、人間の脳は、過去の経験を用いて物
体の外見上の寸法、距離、そして形状を評価する。専用のコンピュータプログラ
ムは、特別の条件のもとでの物体の距離を概算することができる。
【００１０】 立体視的な画像は、人間の観測者に、より正確に物体の距離を判定することを
可能にする。しかしながら、コンピュータプログラムにとっては、立体視的な画
像から物体の距離を判定するのは困難である。しばしばエラーが発生し、必要と
される信号処理は、特別のハードウェア及び計算方法を必要とする。立体視的な
画像は、せいぜい、直接的なコンピュータの使用に適した３次元画像を生成する
ための間接的な方法である。
【００１１】 シーンの３次元的なレンダリングを直接的に得ることが、多くの応用において
必要とされている。しかし実際上は、輝度の測定から視野軸に沿った距離及び速
度のデータを正確に引き出すことは難しい。にもかかわらず多くの応用、例えば
溶接すべき物体の正確な距離及びスピードを決定しなければならない組み立てラ
インの溶接ロボットなどでは、正確な距離及び速度の追跡が必要である。必要と
される距離測定は、照明条件の変化や上で述べたその他の欠点に起因して誤差が
生じ易い。このような応用では、３次元的な画像表現を直接取得できるシステム
を用いることが有益であろう。
【００１２】 核磁気共鳴やレーザ走査断層撮影の分野には専用の３次元画像化システムが存
在するが、このようなシステムは、相当な額の設備費用がかかる。さらに、これ
らのシステムはかさばり、そして、体内臓器の画像化等の特殊な用途に特化した
ものである。
【００１３】 その他の応用として、レーザー走査距離計測システムでは、ｘ軸とｙ軸の平面
内でレーザービームを偏向させるミラーを用いることによって、画像のラスター
走査を行う。サンプリングされる画像の一つのピクセルの座標を決定するために
、各ミラーの偏向角が用いられる。このようなシステムでは、現在どのピクセル
がサンプリングされているかを決定するために、各ミラーの角度の正確な検出が
必要である。正確に駆動される機械部品を設けなければならないとすると、容易
に理解できるように、このような距離計測システムは大きく、複雑になり、コス
トのかさむものとなる。さらに、このようなシステムは各ピクセルを連続的にサ
ンプリングするので、単位時間当たりにサンプリングすることができる完全な画
像フレームの数は限られる。
【００１４】 以上より、直接的な３次元画像化を可能とするシステムの必要性が存在する。
これらのシステムは、望ましくは、ディテクタと検出された信号を処理する回路
の両方を含んだ単一のＩＣ上に実現されるべきである。このような単一のＩＣシ
ステムは、ＣＭＯＳ製造技術を用いて実現すべきであり、また個別部品はほとん
ど必要なく、可動部品を必要としないものとすべきである。オプションとして、
このようなシステムは、非連続的に、あるいはランダムな方法でディテクタから
データを出力できるようにすべきである。本発明は、このようなシステムを提供
する。
【００１５】 本発明の概要 本発明は、輝度データに頼るのではなく、飛行時間（ＴＯＦ）データを用いて
、リアルタイムに距離及び速度のデータを測定するシステムを提供する。このシ
ステムはＣＭＯＳ互換であり、動く部品を必要とせずに３次元画像化を行う。こ
のシステムは、光子の光エネルギーを検知するＣＭＯＳ互換ピクセルディテクタ
及び処理回路の両方を含んだ単一のＩＣ上に製造することができる。このＩＣ上
のマイクロプロセッサは、好ましくはＬＥＤあるいはレーザー光源を絶えずトリ
ガーし、その出力パルスの少なくとも一部は、画像化しようとする物体の表面上
の点によって反射される。
【００１６】 チップ外のフィルタ及び入来する光をフォーカスするレンズを含む光学系は確
実に、アレー内の各ピクセルディテクタが画像化される物体の表面上の単一点か
らだけの光を受け取るようにする。例えば、すべての光学経路は、光源から反射
物体の表面上の点へ、アレー内のピクセルまで、等しい長さである。チップ上の
計測されたＴＯＦデータは、順次的な順番というよりはランダムに出力すること
ができ、物体の追跡や３次元画像を必要とするその他の測定を直ちに行うことが
できる。システム全体は小さく頑丈であり、必要とするチップ外の個別部品も比
較的少ない。
【００１７】 第一実施例では、２次元アレー内の各ピクセルについて、ＩＣはさらに、関連
するパルスディテクタ、高速カウンタを含んでおり、チップ上の高速クロックに
アクセスすることができる。各発光パルスがスタートすると、各ピクセルのディ
テクタのカウンタは、クロックパルスのカウントを開始し、入来する反射光の光
子がそのピクセルによって検出されるまでカウントを積算する。したがって、こ
の積算された各高速カウンタにおけるカウント値は、システムからそのピクセル
に対応する反射物体の点までの往復のＴＯＦに対する直接のディジタル的な目安
となる。チップ上の回路は、このＴＯＦデータを用いて、物体上のすべての点あ
るいはシーン内の全ての物体の距離及び速度を、直ちにいっせいに測定すること
ができる。
【００１８】 第二実施例は、高速ディテクタ、カウンタ、そしてクロックの必要性を回避す
る。この実施例では、同種のピクセルディテクタの２次元アレーを含み、さらに
各ピクセルごとにシャッター機構と電荷積分回路を含んでいる。シャッター機構
は、各ピクセルディテクタから電荷積分回路への出力電荷の経路をオン・オフす
る。電荷積分回路は、キャパシタとすることができる。マイクロコントローラは
、システムが放射する光パルスの前にすべてのシャッターを開き、これにより各
積分回路は関連するピクセルディテクタによって出力されるすべての電荷を取り
込むことができる。物体が反射する光のエネルギーがディテクタのアレーに戻り
始めると、まず近い物体表面の点にフォーカスされたピクセルが検出及び電荷の
出力を開始し、しばらくしてより遠くの点にフォーカスされたピクセルが同様の
動作を始める。別の言い方をすれば、このようなピクセルに関連する積分回路は
、時間的に早く電荷を積分し始める。放射した光パルス幅の概算をした時間の後
に、すべてのシャッタが閉じられ（望ましくは一斉に）、これ以降の電荷の蓄積
を終わらせる。各ピクセルごとの蓄積電荷の大きさは、それぞれのピクセルがフ
ォーカスされた物体上の点までの直接の往復ＴＯＦデータを与える。だいたい放
射された光パルス列の周波数の期間にわたってシャッターをオンのままにして、
一組のデータを取り込むのが望ましい。このデータセットの間に集められた電荷
は、物体表面に対する一点ずつの反射された輝度を表し、これは、より遠いが反
射率の高い物体表面部分によって生じる誤差に対する補正を可能とする。
【００１９】 上記以外の本発明の特徴及び利点は、以下の説明から明らかとなろう。以下で
は、添付図面を用いて好適な実施例を詳細に説明する。
【００２０】 好適な実施例の詳細な説明 図２は、本発明２００、すなわち好適には単一のＩＣ２１０上に形成された３
次元画像化システムを示したブロック図である。このシステムは、動く部分を必
要とせず、その他に必要な部品も主として発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザ
ー源２２０及び関連する光学的なフォーカスシステムなどで比較的少ない。実際
もし適切な遮蔽が与えられれば、レーザー源２２０を、ＩＣ２１０を形成するの
と同じ基板上に固定することが可能だろう。
【００２１】 システム２００には、ピクセルディテクタ２３０のアレー２４０が含まれ、各
ピクセルディテクタは、対応するディテクタによる検出電荷出力を処理するため
の専用の回路２５０を有している。典型的な応用目的では、アレー２３０には１
００×１００のピクセル２３０を含めることができ、その場合には１００×１０
０個の処理回路２５０が含まれることになる。ＩＣ２１０は、マイクロプロセッ
サ又はマイクロコントローラユニット２６０、メモリ２７０（ランダムアクセス
メモリ（ＲＡＭ）及びリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）を含んでいることが望ま
しい）、高速の配分可能なクロック２８０、そして種々の計算及び入出力（Ｉ／
Ｏ）回路２８５をも含んでいることが望ましい。コントローラユニット２６０に
は、他の機能とならんで、物体までの距離の計算及び物体の速度の計算を実行さ
せることができる。ピクセル検知ディテクタの２次元アレー２３０は、標準的な
商業ベースのシリコン技術を用いて形成することが望ましく、これを用いると、
同じＩＣ上に回路２５０，２６０，２７０，２８０そして２８５を形成すること
ができるので都合がよい。当然ながら、これらの回路をピクセルディテクタと同
じＩＣ上に形成できることによって信号経路が短くなるので、処理時間及び遅延
時間を短くすることができる。
【００２２】 各ピクセルディテクタは、電流源、理想的なダイオード、そしてシャントイン
ピーダンス及びノイズ電流源の並列接続として表わすことができる。各ピクセル
ディテクタは、こに当たる入来する光子エネルギーの量に比例した電流を出力す
る。ＣＭＯＳピクセルダイオード又は光ゲートディテクタデバイスのアレーを得
るのに、ＣＭＯＳ製造工程を用いるのが望ましい。例えば、フォトダイオードは
、拡散層−ウェルの接合あるいはウェル−基板の接合を用いて形成することがで
きる。ウェル−基板の接合のフォトダイオードは、赤外（ＩＲ）光に対してより
感度が高く、キャパシタンスが小さいので望ましい。
【００２３】 図３に示すように、回路２５０は、各ディテクタ２４０に対応して設けられて
おり、パルスピークディテクタ３００及び高速カウンタ３１０を含み、高速クロ
ック２８０に接続されている。ＩＣ２１０上に形成することが望ましい高速クロ
ック２８０は、パルスが出力されているときに、２ＧＨｚ程度の固定周波数で０
．１％程度のディーティーサイクルを有する高周波数のクロックパルスの連続的
なパルス列（２５０ｎｓ程度のパルス幅）を出力する。もちろん、これらのクロ
ックパラメータとは異なる高速クロックを用いることもできる。このパルス列は
各高速カウンタ３１０の入力ポートに入力される。各カウンタ３１０には、望ま
しくは、START信号（例えば「これからカウントを開始する」）を受け取るポー
ト、STOP信号（例えば「ここでカウント動作を終了」）を受け取るポート、そし
てCONTROL信号（例えば「蓄積されたカウントをここでリセットする」）を受け
取るポートが設けられる。CONTROL及びSTARTの各信号は、コントローラ２６０か
ら得られ、CLOCK信号はクロックユニット２８０から得られ、そしてSTOP信号は
パルスピークディテクタ３００から得られる。
【００２４】 システム２００は、全体として以下のように動作する。時刻ｔ０において、マ
イクロプロセッサ２６０は、光源２２０に既知の波長の光パルスを発するよう命
じる。これはフォーカスレンズ２９０′を通り、３００Ｋｍ／ｓｅｃの光速（ｃ
）で物体２０へ達する。光源２２０が十分に強力であるすとれば、レンズ２９０
′を不要とすることもできる。画像化しようとする物体の表面において、少なく
ともいくらかの光は反射してシステム２００に戻り、ディテクタアレーによって
検知される。
【００２５】 アレー２３０内の各ピクセルカウンタ３１０は、時刻ｔ０又はそれ以前におい
て、コントローラ２６０からCONTROL信号を受け取ってそれ以前にカウンタ内に
保持されていたカウント値をリセットする。コントローラ２６０は、時刻ｔ０に
おいて各カウンタにSTART命令を発し、各カウンタはこれを受けてカウントを開
始しクロック２８０からのCLOCKパルスを積算する。各カウンタは、光パルスの
往復の飛行時間（ＴＯＦ）のあいだCLOCKパルスを積算するので、積算されたク
ロックパルスの数が多ければ、それだけＴＯＦが長いこと、すなわち画像化しよ
うとする物体上の光の反射点とシステム２００との間の距離が長いことを表す。
【００２６】 システム２００に関連したフォーカスレンズ２９０の基本的な特性は、画像化
される物体２０の表面上の点からの反射光が、これらの点にフォーカスされたア
レー内のピクセルだけに当たるということである。そして、時刻ｔ１において、
物体２０上の最も近い点から反射された光子の光エネルギーは、レンズ／フィル
タ２９０を通過し、にフォーカスされたアレー２３０内のピクセルディテクタ２
４０に当たる。レンズ２９０とともに設けられたフィルタは、光源２２０によっ
て放射された波長を有する入来光だけが確実にディテクタアレーに減衰されずに
当たるようにする。
【００２７】 アレー２３０内のある一つのピクセルディテクタ２４０が、物体２０上の最も
近い表面の点にフォーカスされていると仮定する。対応するディテクタ３００は
、このような物体から入来する光子のエネルギーに応じてピクセルディテクタか
ら出力される電流を検出する。ディテクタ３００は、ピクセルの出力電流又は電
圧における小さいが素速い変化を検知する増幅ピークディテクタ（amplifying p
eak detector）とすることが望ましい。素速く変化する出力電流が検出できるだ
けの十分な大きさのときは、ディテクタ３００内のロジック（例えばＳＲフリッ
プフロップ）は、出力パルスをラッチするよう切り換える。これは、対応するカ
ウンタ３１０へのSTOP信号として与えられる。したがって、対応するカウンタ３
１０内で積算されたカウント数は、物体２０の近い表面への往復のＴＯＦ、すな
わち算出可能な距離Ｚ１を表す。
【００２８】 距離Ｚ１は、次の関係から決定することができる： Ｚ１＝ｃ・（ｔ１）／２ ここでｃは光速である。これよりも遅いある時刻ｔ２において、物体２０のいく
らか遠い部位から光子のエネルギーがレンズ２９０に達し、アレー２３０に当た
って、別のピクセルディテクタによって検出される。当該別のディテクタに対応
したカウンタはここまでの間、時刻ｔ１においてカウント動作を停止したカウン
タを除く全てのカウンタと同様に、時刻ｔ０から開始されたCLOCKパルスのカウ
ント動作を継続している。時刻ｔ２において、入来する光子エネルギーをこの時
点で受け取り、検出したピクセルに対応するパルスディテクタは、対応するカウ
ンタに対してSTOPコマンドを発する。このカウンタ内で積算されたカウントは、
物体２０上の距離Ｚ２だけ離れた中間点までの往復のＴＯＦを反映している。Ｉ
Ｃ２１０内で、メモリ２７０に格納されたソフトウェアを実行するコントローラ
２６０は、光を反射する物体表面の各点について、ＴＯＦデータと関連づけられ
る距離及び速度を計算することができる。このようなデータあるいは、生のＴＯ
Ｆデータにつつても、チップ外でさらに処理する等のために、ＩＣからDATAとし
てエクスポートすることができる。DATAは、コンピュータ処理システムと互換性
のあるフォーマットであることが望ましい。
【００２９】 同様にして、時刻ｔ３において、アレー内のさらに別のピクセルディテクタが
対応するパルスディテクタ３００から、ちょうど到着した光子の十分なエネルギ
ーを検出し、対応するカウンタにSTOPコマンドを発する。このカウンタにおいて
積算されたカウントは、物体２０の最も遠くにあるＺ３に対するＴＯＦデータを
表している。
【００３０】 もちろんアレー内のいくつかのピクセルについては、フォーカスした物体上の
点から十分な反射光を受け取らないこともありうる。したがって、所定の時間（
コントローラ２６０にプログラムしておくことができる）の後は、センサアレー
内の各ピクセルに対応するカウンタは、パルス検出によって停止されるか、ある
いは距離Ｚ＝無限大に位置するターゲットに対応したカウントを保持すると考え
られる。
【００３１】 例えばマットされる物体への表面距離の計算にシステム２００が用いられる、
動画への応用において、センサーアレーが１秒当たり３０フレームの速度で連続
的に動作すると仮定すると、各フレームの継続時間は０．３３秒よりも短い。こ
のような応用では、約５０，０００Ｋｍ（例えばＺ＝ｃ・０．３３ｓ／２）より
も遠い距離にある物体は検出することができない。しかしながら実用的な応用で
は、システム２００は通常、１００ｍもしくはそれ以下の範囲内の物体を画像化
するのに用いられるだろうから、上記の理論上の限界が問題となることはないだ
ろう。したがって、前記所定の時間は約６６０ｎｓ（すなわち１００ｍ・２／ｃ
）であり、６６０ｎｓよりも後にはピーク検出パルスを出力しないピクセルは、
Ｚ＝無限大におけるターゲット画像の点上にフォーカスされると仮定しても差し
支えない。
【００３２】 検出された各反射光のパルスを用いて、アレー内の各ピクセルについてのカウ
ンタに基づいて計算されたＴＯＦ距離が決定され、好ましくはユニット２７０と
関連して設けられたＲＡＭ内のフレームバッファに格納される。好ましくは、マ
イクロプロセッサ２６０はＲＡＭに格納された連続するフレームを調べ、シーン
の視野内における物体を特定する。そして、マイクロプロセッサ２６０は物体の
速度を計算することができる。距離及び速度を計算するのに加え、マイクロプロ
セッサ及び対応するチップ上の回路に、所望の画像形状を認識させるようプログ
ラムすることもできる。このうちのいくらか又はすべてのデータ（図２ではDATA
と示す）は、さらに処理するために、例えばユニバーサルシリアルバスを介して
、このＩＣから外部のコンピュータへエクスポートすることができる。
【００３３】 上記の例は、三つの別々の時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３において光子のエネルギーを
受け取る三つのピクセルのディテクタが、どうやって対応するカウンタ（これら
のカウンタの蓄積されたカウントは物体２０までの距離Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３を計算
するのに用いることができる）をオフにするかを説明した。本発明ではこのよう
な計算を、実際には三つでなく、アレーの寸法によるが、各光パルス当たり数千
又は数万処理することになるだろう。このような処理動作は、例えばマイクロプ
ロセッサ２６０を用いてメモリ２８０に格納された（あるいは格納可能な）ルー
チンを実行するようにして、ＩＣチップ２１０上で実行することができる。アレ
ー内の各ピクセルディテクタは、検出アレー上で独自の（ｘ，ｙ）座標に基づく
ロケーションを有しており、各ピクセルディテクタに対応した高速カウンタから
出力されるカウントをただ一つに特定することができる。したがって、２次元検
出アレー２３０によって収集されたＴＯＦデータは信号処理されて、３次元的の
物体の表面までの距離を与える。
【００３４】 ＣＭＯＳ互換ディテクタ２４０からの出力は、希望すれば、ランダムにアクセ
スすること、すなわち、ＴＯＦデータを任意の順番で出力することが可能である
。
【００３５】 光源２２０は、約８００ｎｍの波長を有するエネルギーを放射するＬＥＤ又は
レーザーとすることが望ましいが、代わりに他の波長を用いることもできる。８
００ｎｍよりも短い波長では放射された光が見え始め、レーザーの製造がより困
難となる。９００ｎｍを越えると、レーザーの効率が急速に低下する。いずれに
しても、ＩＣ２１０のようなシリコン基板上でデバイスを製造するには、１１０
０ｎｍが上限の波長である。上で述べたように、特定の波長を有する放射光パル
スを用い、そしてそれ以外の波長の入来光をフィルタで濾波することによって、
システム２００は周囲の光があってもなくても動作させることができる。
【００３６】 上で述べたように、レンズ２９０は、好ましくはアレー内の各ピクセルが視野
内の一つの特定の点（例えば物体の表面の点）だけからの光を受け取るように、
フィルタリングされた入来光のエネルギーをセンサアレー２３０上にフォーカス
する。光の波の伝播の性質により、普通のレンズ２９０を、光をセンサアレー上
にフォーカスするのに用いることができる。放射された光をフォーカスするのに
レンズが必要な場合には、ミラー型の構成を用いることによって、２９０，２９
０′に単一のレンズを用いることができる。
【００３７】 実際の応用では、センサアレー２３０は、ターゲットの距離を１ｃｍのオーダ
ーで識別できるだけの十分な解像度を有することが望ましい。これは、換言する
と、各ピクセルが７０ｐｓ（すなわち２・１ｃｍ／ｃ）のオーダーで時間差を分
解する能力を持たなければならないことを意味する。ＣＭＯＳで実現したシステ
ムの仕様に関しては、高速カウンタ３１０は約１００ｐｓ以内で時間分解能を持
たなければならず、ピークパルスディテクタ３００は、低ノイズの高速ユニット
で、さらにだいたい数マイクロボルト（μＶ）のオーざーの検出感度を有して約
１００ｐｓを識別できることが必要である。正確な距離測定のためには、全体の
経過時間からパルスディテクタの応答時間を差し引く必要がある。最後に、回路
２８０によるCLOCK信号の出力は、約１００ｐｓオーダーの周期を有しているべ
きである。
【００３８】 上で述べたように、各カウンタ３１０は１ｃｍのオーダーの距離分解能力を有
することが望ましい。これは、時間分解能が約７０ｐｓのオーダーになることを
意味する。７０ｐｓのサイクルタイムを有する１２ビットのカウンタを用いると
、システムの最大検出距離は約４０ｍ（すなわち２12・１ｃｍ）となる。普通の
１２ビットカウンタを構成するには、通常はおそらく４８個のゲートを必要とし
、それぞれが３０ｐｓを要とするとして、合計の伝播時間約１．５ｎｓが必要と
なるだろう。このことから、最も速いシステムのサイクルタイムは少なくとも約
１．５ｎｓに制限される。費用をかけて先見桁上げ（carry look-ahead）ハード
ウェアを用いれば、カウンタの伝播時間を低減できるかもしれないが、システム
の７０ｐｓというサイクルタイムを達成するのはやはり非常に難しい。
【００３９】 第一の好適実施例では、いわゆる疑似ランダムシーケンスカウンタ（ＰＲＳＣ
）（場合によっては線形シフトレジスタ（ＬＳＲ）とも呼ばれる）が用いられる
。ここで用いられるカウンタ３１０は、カウンタ全体に信号を広がらせたり伝播
させる必要はない。その代わり、信号は約二階層のロジックを通るだけで伝わる
。これは、既存のＣＭＯＳ技術を用いても６０ｐｓ程度の伝播が実現可能である
ことを意味する。一方で、従来からのシーケンシャルカウンタとは異なるが、Ｐ
ＲＳＣカウンタは、数のランダムな並びをカウントする。したがって、１２ビッ
トのＰＲＳＣは、０から４０９６までのすべての数をカウントするが、一見する
と例えば１０７，３７３３，２８…などといったランダムな順番でカウントする
。しかしながら、本発明では、このようなランダム性は、ＰＲＳＣによって生成
された数を復号ロジックを用いて連続なカウント数に変換することによって処理
される。このような変換操作は時間的に厳しくなく、反射された光パルスの検出
の後に、ＩＣ２１０上のコントローラ２６０を含む補足のロジック回路を用いて
実行することができる。
【００４０】 図４は、１５ビットＰＲＳＣユニットとして構成された高速カウンタ３１０の
好適実施例を示している。この実施例では、ＰＲＳＣ３１０は、３５０−０，３
５０−１，…，３５０−１４という符号で表した、１ビットにつき一つの直列接
続された１５個のシフトレジスタを備えている。第１ビット（３５０−０）への
入力は、シフトレジスタ全体における他のビットのロジック機能である。所定の
カウンタビット長に対してカウンタのカウント長を最大にする正しいフィードバ
ック機能は、Xilnx（XAPP 052,1996年7月7日（バージョン1.1））より発行され
ている「Linear Feedback Shift Register Taps」と題された出願の注解におい
て与えられており、ここではこれを援用する。フィードバックの複雑さと同様に
、このフィードバック機能に必要とされるビットについても、カウンタのビット
長に依存する。
【００４１】 カウンタのスピードの最大化と効率化のためには、小さいビット数でフィード
バック機能を直ちに実現できるカウンタのビット長を選択することが有利である
。前述のXilnxの出願の注解によれば、最も単純な機能は、図４に符号３６０で
示した２入力のＸＮＯＲ機能であり、これは１０ビット、１５ビット、１７ビッ
トのフィードバックレジスタに推奨されている。カウンタ長は、最終ビット又は
第一ビットに近いフィードバックビットを用いて、フィードバックビットの物理
的なレイアウトを単純化すべきである。典型的には、いくつかのレジスタビット
及び最終レジスタビットの出力は、レジスタの最初にフィードバックされる。し
かしながら、線形レイアウトを有するカウンタは、フィードバック信号を比較的
長いワイヤを介して最終ビットから第一ビットまで通す必要があり、これはシス
テム２００内に用いられている性能的に厳しいカウンタにとっては好ましくない
構成である。
【００４２】 レジスタ全体で最終ビット及び他のフィードバックがタップされるビットが第
一ビットに近づくようにして、カウンタを少なくとも半分に畳むことによって、
長いフィードバック経路（及びこれに伴う時間的な遅延）を避けることができる
。このような理由で図４に示した１５ビットのカウンタが選択されたのであり、
ここでビット１４及び１５はＸＮＯＲゲート３６０を介してビット１にフィード
バックされ、多くのレジスタは共通のCLOCK信号によってクロックが供給される
フリップフロップによって実現されている。このような構成にすると、最終ビッ
トが物理的に第一ビットに近づくので有利である。DATA信号は、図に示すように
、各カウンタの最終レジスタから出力される。各カウンタ３１０への入力には、
図４に示すように、CLOCK、START、STOP、そしてＣＰＵが発するCONTROL信号が
含まれる。
【００４３】 前述のように、カウンタ／シフトレジスタは、いくつかのゲート分の遅延のオ
ーダーのサイクルタイムで機能しなければならない。これは、高速カウンタを有
するラッチ又はフリップフロップもまたこのようなサイクルタイムで動作しなけ
ればならないことを意味する。このように強制することによって、数ゲートの遅
延を越えるような位相間におけるクロックスキューに起因する多相クロック動作
の使用を排除できる。さらに、CLOCKとそのコンプリメント（complement）の両
方を必要とするラッチは、二つの信号間の過剰なスキューによって避けられる。
このように、この好適実施例は、共通の単相CLOCK信号を用い、各高速カウンタ
３１０を用いたラッチ又はフリップフロップは、相補的なCLOCK信号を必要とは
しない。いわゆるNORA TSPCを含む真の単相クロック動作（TSPC）のスキームは
、この分野の技術者には周知である。
【００４４】 全体的な最大のクロック速度は、高速カウンタの第一ビットにおけるフィード
バック機能の遅延によって支配される（図４参照）。したがってこの遅延は最小
にしなければならない。この理由から、ブロック３６０内に示したパスゲートの
構成は２入力ＸＮＯＲゲートの機能を実現するのには好ましい。
【００４５】 高速のクロックレート及びその結果としての７０ｐｓという高速カウンタの性
能は、０．１８μプロセスを用いることによって達成可能である。しかしながら
この性能は、ＩＲ波長、すなわち８００ｎｍの光検出が与えることができる高い
感度を得るために必要とされる０．３５μ又はそれ以上のプロセスを用いた場合
には達成が困難かもしれない。
【００４６】 より大きな製造ゲート幅を使用する場合の補償を助けるために、２段アプロー
チを用いてカウンタ３１０を実現することができる。このようなアプローチでは
、カウントされるCLOCK速度は、実際にはシステム全体の最小の分解可能な時間
よりも遅い。カウンタの各クロック時間は、さらにより短く細分された時間に分
割される。クロック時間内で、いわゆる細分キャパシタがチャージされ、このキ
ャパシタの電荷量が、CLOCK周期内で検出された光エネルギーパルスの到達時刻
を特定するのに用いられる。
【００４７】 細分キャパシタのチャージ動作を、例えば、入来する光パルス（又はエコーパ
ルス）が検出されると同時に開始し、次のクロック周期の立ち上がりエッジにお
いてこのキャパシタのチャージ動作を停止することができる。結果として、細分
キャパシタ上の電荷の量は、検出された戻りパルスのスタートと次のクロック周
期のスタートとの間の差分に対応する。アナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバ
ータによって、蓄積された細分キャパシタの電荷を測定し、これからクロック周
期内でチャージ時間及び検出されたパルスの到達時間を決定することができる。
【００４８】 各クロック時間を細分する数は、例えば１０分割程度の小さい数にすることが
できる。Ａ／Ｄ変換の時間は重要な要因ではなく、変換の非線形性はソフトウェ
アによって補正することができる。単純なＡ／Ｄコンバータ４００を、図５に示
すように形成することができる。ここで、Ｃ２は細分キャパシタであり、固体ス
イッチＳ１及びＳ２は、交互にオン・オフされる。Ｃ２のディスチャージの速度
は、比Ｃ１／Ｃ２に比例する。したがって、Ｃ２の電荷は、Ｃ２上の電圧をある
レベルよりも低くするのに必要なスイッチサイクルの数から決定することができ
る。
【００４９】 図４を参照する。ＰＲＳＣカウンタ３１０におけるカウント値は、最初にＲＡ
Ｍ（例えばメモリ２８０）に格納することができる。これにより、同じＰＲＳＣ
カウンタを、対応する細分キャパシタＣ２をディスチャージするのに必要なスイ
ッチサイクルの数をカウントするに用いることも可能である。
【００５０】 図２及び図３を参照する。光検出及び関連する増幅のための回路２４０，２５
０は、極端に低レベルの入来光エネルギーを検出しなければならない。これは、
ディテクタの出力のＳ／Ｎ比を最大にしなければならないことを意味する。容量
結合及び電源ノイズの効果を低減するために、差動アプローチを用いることが望
ましい。このアプローチでは、実際のディテクタ２４０と類似したノイズ特性を
有するダミーのピクセルセンサ（例えばフォトダイオード）が用いられる。しか
しながらダミーのセンサは、入来光を検出しないよう金属でカバーされている。
このため、ダミーのディテクタの出力は、光信号の成分を持たない純粋なノイズ
信号となる。差動コンパレータが、ダミーのディテクタからのこの純粋なノイズ
出力を、実際のディテクタ２４０からの信号パルスのノイズ出力と比較する。こ
のため、差動コンパレータの出力からは、両方の入力に含まれる共通モードのノ
イズがキャンセルされ、これによって出力のＳ／Ｎ比が向上する。
【００５１】 ディテクタの応答時間は、ディテクタの繰り返し精度（repeatability）がノ
イズに大きく依存するという結果を用いて、以下に述べるようにして補償される
。ディテクタ出力の多数のサンプルが取られ、平均化されて、検出時間誤差に対
する標準偏差が更に低減される。σを一つの検出サンプルについての誤差の標準
偏差とすると、ｎ個のサンプルの平均についての標準偏差は、 σn ＝ σ／ｎ1/2 となる。
【００５２】 実際に、ディテクタ２４０と対応する増幅器の回路２５０は、１００ｐｓより
もかなり大きな応答時間を有しているかもしれない。実際、光源２２０のスリュ
ーレート（slew rate）は１０ｎｓ程度であり、これが応答時間とみなされる。
これらの応答時間はそれぞれ、システム２００の製造の際に用いられた技術の特
性によって変化するが、物体２０への距離には依存しない。ディテクタ及び光源
の応答時間から生じる別の遅延も、ＴＯＦ測定から差し引かなければならない。
【００５３】 Ｓr（ｔ）を光源の応答曲線、すなわち時刻ｔ０でパルスを発生させたときの
光源の出力をグラフィック的にプロットしたものとし、Ｐを物体２０で反射され
た光源の光のパーセント値としよう。そしてＤr（ｆ（ｔ））を、ｆ（ｔ）の関
数としててのディテクタの増幅器の検出時間としよう。ここでｆ（ｔ）は、セン
サアレー上で光る光の時間の関数としてのグラフィック的なプロットである。し
たがって、 ｆ（ｔ）＝Ｐ・Ｓr（ｔ） である。ディテクタのアレー２１０が安定な状態の動作温度になったら、増幅器
及び光源の信号検出時間は、Ｐだけに依存する。Ｚを物体までの距離、ｃを光速
とすると、Ｐの関数としての全体の検出時間は、 Ｔ（Ｐ）＝Ｄr（Ｐ・Ｓr（ｔ））＋Ｚ／ｃ によって与えられる。もし、光源に対して異なる応答時間Ｓ′r（ｔ）を用いた
とすると、全体の検出時間は、 Ｔ′（Ｐ）＝Ｄr（Ｐ・Ｓ′r（ｔ））＋Ｚ／ｃ によって与えられる。上の二つの測定の間の差は、次のようになる。 ΔＴ（Ｐ）＝Ｔ（Ｐ）−Ｔ′（Ｐ） ＝Ｄr（Ｐ・Ｓr（ｔ））−Ｄr（Ｐ・Ｓ′r（ｔ））
【００５４】 固定された既知の距離について行った較正用の測定結果を用いて、ΔＴ（Ｐ）
対Ｐ及びＤr（ＰＳr（ｔ））対Ｐのテーブルを作ることができる。もしΔＴ（Ｐ
）がＰに対して単調だとすれば、逆のルックアップテーブルを用いてΔＴ（Ｐ）
からＰを決定することが可能である。ΔＴ（Ｐ）は普通Ｐとともに減少するので
、一般にはこれが当てはまる。Ｄr（Ｐ・Ｓr（ｔ））は、Ｐから別のルックアッ
プテーブルを用いて求めることができる。したがって、ΔＴ（Ｐ）がＰについて
単調であれば、Ｄr（Ｐ・Ｓr（ｔ））をΔＴ（Ｐ）から求めることができる。さ
らにルックアップ処理を効率化するために、ΔＴ（Ｐ）に対するＤr（Ｐ・Ｓr（
ｔ））＝Ｇ（ΔＴ（Ｐ））を校正用の測定から直接的に得て、テーブルフォーマ
ットに格納することができる。このようにすると、処理において中間のＰが削除
される。
【００５５】 上記より、 Ｚ＝ｃ・（Ｔ（Ｐ）−Ｇ（ΔＴ（Ｐ）） が得られる。ここで、Ｔ（Ｐ）及びΔＴ（Ｐ）は、特定のピクセルについての測
定された応答時間である。二つの測定を含むＴ（Ｐ）及びΔＴ（Ｐ）は、直接的
に測定される量であり、したがってＰを決定する必要がない点は注目される。
【００５６】 実際には、Ｓ′r（ｔ）＝（１／２）Ｓr（ｔ）を選択したいと思うかもしれな
い。例えば、Ｔ（Ｐ）についての第一の測定パルスを、二つの等しい光源によっ
て照射し、Ｔ′（Ｐ）をトリガーされた光源の一方によって測定することができ
る。Ｓ′（ｔ）ついては、他の選択を行うこともできる。前述のルックアップテ
ーブル及び逆ルックアップテーブルのうちのいくつか又は全部を、ＩＣ２１０上
のメモリ、例えばメモリ２８０に格納することができる。
【００５７】 図６Ａは、Ｐに対するＴ（Ｐ），Ｔ′（Ｐ），ΔＴ（Ｐ）の典型的なプロット
である。遅延Ｔ（Ｐ）及びＴ′（Ｐ）が、Ｐの値の減少とともに増加することが
分かるが、これらの差分であるΔＴ（Ｐ）も、Ｐの減少とともに増加する。図６
Ｂは、Ｔ（Ｐ）対ΔＴ（Ｐ）の典型的なプロットである。
【００５８】 検出時間を相殺するために第一の高いパワーのパルス及び第二の低いパワーの
パルスを放射する場合の潜在的な問題は、低いパワーのパルスを検知するときに
、ピクセルのディテクタの応答が最適条件の場合よりも小さくなるかもしれない
ということである。さらに、二つ目のパルスのデータをとることで、フレーム当
たりに取るサンプルの数を減らすことができる。これらの問題は、各ピクセルに
当たるレーザー光の総量を測定することによって克服することができるかもしれ
ない。本質的に、検出時間から積分時間を取り去るには、積分時間の知識が必要
となる。積分時間は、レーザー光のエミッタパルスに応じてピクセルセンサ上に
累積された合計の電荷を調べることによって決定される。したがって、合計の累
積された電荷が例えば１００ｎｓのパルス幅に対して３ｍＶで、ディテクタのト
リップ点（trip-point）が例えば０．５ｍＶとすると、検出時間は１６ｎｓ（１
００ｎｓ・（０．５／３））である。ピクセルディテクタにおける電荷について
１ｎｓの許容差が、約６％の精度で検出されると仮定すると、電圧測定の分解能
は約１８０μＶとなる。これは、結果として、正確な測定を試みる前に、電荷の
総量が実質的に押し上げられるべきだということを暗示する。これは、放射され
た光源のいくつかのパルスにわたって、例えはフレーム当たり１００回の測定を
行って、ピクセルディテクタ上に電荷が蓄積できるようにすることによって達成
される。例えば３フレーム後には、蓄積された電圧は９００ｍＶのオーダーにな
るだろう。８ビットのアナログ−ディジタルコンバータは、このような電圧を約
１％の分解能で測定することができ、これから各ピクセルの増幅器についての電
圧トリップ点の測定による情報、そしてこれから積分時間を確かめることができ
る。
【００５９】 上で述べたように、カウンタ３１０は、サイクルタイムが１００ｐｓというオ
ーダーの非常に高速なCLOCK信号を必要とし、このCLOCK信号は、アレー２１０内
の各ピクセルディテクタにおいて利用できるものでなければならない。システム
２００が１ｃｍ×１ｃｍの寸法のＩＣチップ上に形成されていると仮定すると、
チップの一方の側から反対側までクロック信号が伝播するのに、少なくとも７０
ｐｓ（すなわち１ｃｍ／ｃ）が必要とされる。１００ｐｓのサイクルタイムのク
ロックの配分は、クロックパルスがクロックサイクルの間に各ピクセルへ伝播す
る標準的なクロック配分技術で可能な範囲を超えている。
【００６０】 ピクセルディテクタ間では信号のやり取りがないためピクセル間でのクロック
のスキューは重要でないので、アレー内の各ピクセルディテクタに高速のCLOCK
を与える方法としては任意の方法が可能である。しかしながら、アレー内におけ
る各ピクセルディテクタは、高速クロックにアクセスしなければならない。この
ため、相対的に高価な位相ロックループ型のローカル高速クロック再生手段を用
いることは、１万個あいはそれ以上の再生器が必要となるので、不可能である。
【００６１】 ここでの好適実施例では、アレー内のピクセル位置をベースとする処理後のス
テップを用いる効率的な高速クロック配分システムが実現されている。この処理
後のステップは、検出光がサンプリングされると実行され、アレー内の種々のピ
クセルへのCLOCK信号の到達時刻の間の差を補償することができる。すでに述べ
たように、クロックのサイクルタイムは、インバータ数個分の遅延分のオーダー
であるが、クロックのツリーは、クロックの根から各ピクセルまで、もっと多く
のロジックの階層を有しているかもしれない。しかしながら、ピクセル間のクロ
ックのスキューの重要性は相対的に低いので、クロックの根からピクセルまでの
遅延が異なることは容認される。実際のところ、クロックのツリーに対するロジ
ック高さ（インバータの数で見た）でさえ、ピクセルが違えば異なっている。
【００６２】 標準的なクロック配分システムにおいて、一つのクロック信号は、次のクロッ
ク段階が開始する前に根から各ピクセルまで完全に伝播するのに十分な時間を有
している。しかしながら、本発明ではサイクルタイムがインバータの遅延時間の
オーダーであるため、これは当てはまらず、クロックの根から一つのピクセルま
でに多数のインバータが存在しうる。
【００６３】 本発明では、望ましくは、すべてのピクセルに前の立ち上がりのクロックエッ
ジが到達するより前に、クロックの根において立ち下がりのクロックエッジを生
成することによって、サイクルタイムの制約が満たされる。したがって、クロッ
クツリーの葉が前のクロック段階又はクロックサイクルで動作しているときに、
クロックツリーの根は、一つのクロック段階で動作していることがある。
【００６４】 各クロックサイクルは、任意の時刻においてクロックツリーが同時に根から葉
まで進行する波を有しているような、クロックの根から葉までのパルスの進行と
みなすことができる。しかしながら、寄生キャパシタンス及びデバイスの寸法に
依存して、波形の立ち上がりエッジ及び立ち下がりエッジは、わずかばかり異な
った速度でクロックツリーを進行する。このため、数階層のロジックを経た後で
、波形の後側が波形の前側に追いつくことがある。このようなことが生じると波
形は消失し、クロックパルスは下流のセンサのピクセルまで伝播しない。この現
象は、波形パルスが非常に狭いときに特に著しく、クロックのサイクルタイムが
極端に短い場合にこのようなことが起こる。
【００６５】 図７は、このような波形の消失を防ぐクロックパルス幅格納器５００の好適な
実施例を示している。回路５００は、回路の入力において立ち下がり（あるいは
立ち上がり）のクロックエッジが検出されるまで、立ち上がり（あるいは立ち下
がり）のクロックエッジが回路の出力へ伝播することを防ぐ。これは、立ち上が
り（あるいは立ち下がり）エッジ及び立ち下がり（あるいは立ち上がり）エッジ
を、少なくとも回路５００によって生成される遅延に対応する遅延ｄだけ確実に
分離する。クロックのパルス幅は、バッファセグメントを追加し又は削除するこ
とによって、コントロールすることができる。図７は、二つの直列接続のインバ
ータからなる単一のバッファセグメント５１０を示しているが、パルス幅を調整
するためにこれよりも多い、あるいは少ないバッファセグメントを用いることも
できる。
【００６６】 図２を参照する。オンチップのプロセッサ２６０と関連するメモリ２７０のい
ずれか一方又は両方を、ＰＲＳＣ数のシーケンスを実際の経過時間の値にデコー
ドするために用いることができる。プロセッサ２６０にはまた、ディテクタの遅
延の除去及びピクセル位置を基礎にしたクロックスキューの補正を実行させても
よいし、さらに多数のサンプルを平均して検出時間の標準的な誤差を低減させて
もよい。
【００６７】 上で述べたように、本発明の第一実施例においては、許容できるほど速いCLOC
K信号及び高速のカウンタを与えることは困難である。このため、クロック回路
及び高速のカウンタを削除した第二実施例が提供される。
【００６８】 第二の好適な実施例は図８に示してあり、ここでシステム２００′は、ピクセ
ルディテクタ２４０の二次元アレー２３０を含んでおり、各ピクセルディテクタ
は対応するシャッター及び電荷蓄積器もしくは積分回路６００を有している。図
２に示したものと同じ符号を有する図８の部品は、すでに説明したものと同じ部
品である。すなわち、２１０はアレー２３０、マイクロプロセッサもしくはコン
トローラ２６０、メモリユニット２７０、そして入出力インターフェース回路２
８５を含む単一のＩＣである。図２に示したシステム２００に関して説明したよ
うに、光源２２０は光学レンズ２９０′を通して光パルスを放射し、物体２０か
ら戻る反射光はレンズ及びフィルタ２９０を通過して、アレー２３０内のピクセ
ル２４０に当たる。
【００６９】 図９は、各ピクセルディテクタ２４０に対応して設けられた回路６００の好適
な実施例を示している。回路６００内において、各ピクセルディテクタの出力は
増幅器６１０に接続されており、その出力は開（電流が通過する）又は閉（電流
を遮断）のシャッタＳ１を介して、ここではシンボル的にＣ１で示した電荷蓄積
器又は積分回路に結合されている。シャッタＳ１は、高速の電子シャッタである
ことが望ましいが、その不透明性が電子的な制御信号に応答して素速く変化する
強誘電性材料のような光学−機械シャッタとすることもできる。
【００７０】 実際、電子シャッタを、電流制御電流源のような制御されたソースを用いて構
成することができる。ピクセルディテクタは、受け取った光子の数に比例する電
流ＩSを生成し、これは電流制御電流源によって電流Ｉmを生成するよう反映され
る。ここで、Ｉm＝Ｋ・ＩSであり、Ｋは定数である。ピクセルディテクタの電荷
を直接測定するのではなく、キャパシタＣ１上の電荷が測定される。シャッター
は、Ｉm＝０となるように電流制御電流源をオフにすることによって閉じられる
。この場合、電流ＩSはキャパシタＣ１には何ら作用しない。
【００７１】 ディテクタ２４０に当たる入来光の光子は電流を生成し、これはユニット６１
０によって増幅される。Ｓ１が開いていれば、電荷が検出されたピクセルのユニ
ット６１０からの増幅された出力はキャパシタＣ１をチャージする。反対に、シ
ャッタが閉じているときは（図９に示すように）、ユニット６１０からの追加の
電荷が電荷蓄積器もしくは積分回路Ｃ１によって受け取られることはない。
【００７２】 したがって、ピクセルディテクタに比較的近い物体については、光パルスが生
成した物体表面からのほとんどすべての光子は、シャッタが閉じる前にディテク
タに到達することができる。しかしながら、比較的遠い物体については、光源パ
ルスの終端から生じる光子には、シャッタが閉じる前にセンサに到達するのに十
分な時間がない場合があり、その場合は破棄される。シャッタによって遮断され
るパルスから光子の割合を計算することによって、物体までの距離を算出するこ
とができる。
【００７３】 前に述べたように、コントローラもしくはプロセッサ２６０は、回路２８５に
光源２２０を駆動させ、時刻ｔ０において光のパルスを放射させる。しかしなが
ら時刻ｔ０又はそれ以前には、コントローラ２６０は、各電荷積分回路Ｃ１から
電荷をディスチャージさせ、そして対応するシャッタＳ１を開く。物体２０の表
面の異なるそれぞれの部位は、放射された光パルスが照射されると、光をシステ
ム２００′に向けて反射する。
【００７４】 その結果、物体２０の最も近い表面（例えば図８の距離Ｚ１において）にフォ
ーカスされたピクセルは、入来する光子の検出を開始する。これらのピクセルか
らの電流電荷は増幅器６１０によって増幅され、開いたシャッタＳ１を介してキ
ャパシタＣ１をチャージする。Ｓ１が開いている間は、Ｃ１は電荷を蓄積し続け
る。しばらくして、僅かに遠い物体の距離にフォーカスされているピクセルが入
来光子を検出し始め、対応する蓄積器Ｃ１に、対応する増幅器及びシャッタを介
して電荷を蓄積し始める。
【００７５】 より近い物体表面上にフォーカスされたピクセルに対応する積分回路Ｃ１は、
他の積分回路よりも早く電荷の積分を開始し、したがって単位時間当たりにより
多くの電荷を蓄積できるという点に注目する。放射された光パルス幅とほぼ同じ
時間の後、コントローラ２６０は全てのシャッタを、望ましくは同時に閉じる。
この時点で、各蓄積器Ｃ１上に蓄積された電荷は静的、もしくは固定されている
。必要があれば、いくつか又はすべてのシャッタを同時にではなく、ランダムな
シーケンスを含む任意の希望のシーケンスで開くこともできる。
【００７６】 各ピクセルの各Ｃ１に蓄積された電荷の大きさが、そのピクセルがフォーカス
された物体の点までの往復のＴＯＦデータを直接的に与えることが分かる。すな
わち： ｉ1＝Ｃ１・（ΔＶ／Δｔ） ここで、ｉ1はピクセルディテクタから出力される電流であり、Ｃ１は対応する
電流積分回路であり、ΔＶは蓄積された電荷電流から生じるＣ１の両端の信号変
化であり、Δｔは電荷が蓄積されている時間である。
【００７７】 ほぼ放射された光パルス列の周波数の期間にわたってすべてのシャッタを開い
たまま、一組のデータを収集することが望ましい。このデータの組の間に集めら
れた電荷は、物体表面についての点ごとの反射輝度を表す。このような電荷は、
より遠いがより多く反射する物体表面の部位による誤差についての補正を可能に
する。ＴＯＦ≧０について、基本的な関係は、 ＴＯＦ＝［（ＶCS−ＶOS）／ＶCS］・ＰＷ＋Ｔep−ＴS によって与えられる。ここでＶCSは連続的に開いているシャッタから生じる信号
であり、ＶOSは実質的に光パルス幅の期間開いていたシャッタから生じる信号で
あり、Ｔepはパルス終端の時刻であり、ＴSはシャッタが閉じられる時刻であり
、ＰＷは光パルス幅の持続時間である。
【００７８】 シャッタが開いたままだと、ピクセルディテクタに当たる光子の合計数は、 Ｎ0＝Ｋ・ＰＷ によって与えられる。ここでＫは、物体の照度の強さ、物体の反射率、およびレ
ンズの口径に依存する定数である。ＴS−（ｔ0＋２Ｚ／ｃ）＜ＰＷであれば、シ
ャッタは反射された光パルスエネルギーの後端部をクリップし、ピクセルディテ
クタによって受け取られる有効な光子の数は、 ＮS＝Ｋ・（ＴS−ｔ0−２Ｚ／ｃ） となる。これから距離Ｚは、 Ｚ＝ｃ／２・（ＮS・ＰＷ／Ｎ0＋ｔ0−ＴS） によって得られる。この方法の精度は、どれだけ正確にＮSを測定できるかに依
存する。ＮSとＮ0の両方は、センサ上に生じる電荷を、例えばＡ／Ｄコンバータ
を用いて測定することによって測定される。約１０Ｗの電力のレーザー光源を用
いると、１ｃｍの距離の差は、約１００個の光子に相当するＮＳの変化ΔＮＳを
生じさせることができる。精度を上げるために、累積的に増加する方法で多数の
パルスを用いることもできる。
【００７９】 この技術を用いると、パルス間でセンサ上の電荷を取り除かなくても繰り返し
光源からパルスを発せられる。したがって、センサ上の電荷は、光子のエネルギ
ーが検出されるすべての反射光パルスによって生成される累積的な電荷となる。
この累積的な電荷は、すべてのパルスの数（ｎ）にわたって合計される有効な光
子の累積的な数に比例する。一例として、１ｃｍの距離の変化についての電荷の
差は、ｎ・ΔＮSとなる。これは、ｎ＝１００として、何万というオーダーの光
子によるｎ・ΔＮＳの電荷差を生じる。
【００８０】 本発明の第一及び第二の実施例を比較すると、第一実施例では、総量が比較的
長く持続し、遅く到達する光子エネルギーの開始を検出することが比較的容易で
ある。しかしながら第二実施例では、通常パルス幅ＰＷが１００ｎｓのオーダー
で、ＶCSが約２ｍＶで、１ｃｍの分解能で、ＴＯＦの変化は約１００ｐｓとなろ
う。この例では、（ＶCS−ＶOS）の変化が約２μＶ（２ｍＶ／１００ｎｓ・０．
１ｎｓ）のオーダーとなるだろう。２μＶの変動は、相対的に少ない数の電子の
検出を意味し、一般に通常のＡ／Ｄコンバータでは分解不能となるだろう。
【００８１】 にもかかわらず、（ＶCS−ＶOS）の電圧変動の大きさは、多数の光パルスの放
射によって高めることができ、光子のエネルギーを繰り返し電荷積分回路に蓄積
あるいは集積させることができる。したがって、もし測定当たり２００個の光パ
ルスを放射したとすると、分解可能な変動電圧は４００μＶのオーダーとなり、
この大きさであれば通常のＡ／Ｄコンバータによって分解可能である。蓄積され
た電荷の集積はのノイズ成分はランダムであるため、Ｓ／Ｎ比は本質的に向上す
る。
【００８２】 本発明の好適な実施例は、ディテクタアレー及び関連する電子回路を含む同じ
ＩＣチップ上にプロセッサ２６０と共に形成することができるので、非常に有利
である。プロセッサ２６０は、連続して捕捉された画像フレームを、ＲＡＭメモ
リ部２７０にアクセスし格納することができる。各フレームは各ピクセルについ
ての距離値を含んでいるので、このプロセッサは、接近した時間間隔でセンサア
レーによって捕捉された連続するフレームを比較して、各ピクセルにおける画像
の速度フィールドを算出することができる。一つのピクセルにおけるアレーに垂
直な方向における速度フィールドは、 ＶZ＝（ｄn+1−ｄn）／フレーム速度 によって容易に計算することができる。ここで（ｄn+1−ｄn）は、二つの連続す
るフレームの間の距離測定の差である。二つの別の範囲における速度フィールド
は、まず画像内の異なる面の輪郭を特定することによって計算することができる
。ここで各面は一つの物体の背景を遮るその物体に対応する。輪郭を特定するこ
とによって、ピクセル内の同じ物体に対応するピクセルが検出した物体（例えば
人の頭）は、それがすべての同じ輪郭の中にあるものと特定される。
【００８３】 輪郭内における物体の移動は、フレーム間における輪郭の移動を特定すること
によって計算される。輪郭内のピクセルはすべて一様な速度を受け取る。これが
輪郭の速度である。物体はその輪郭を用いて特定されるので、オンチップのプロ
セッサを用いて問題とする物体を追跡することができる。そして、ＩＣチップは
、物体が動いたときはいつでも、物体全体の位置の変化を表すために単一の値（
DATA）をエクスポートすることができる。したがって、ピクセルの全フレームを
フレーム速度でＩＣチップからエクスポートする代わりに、問題とする物体の位
置の変化を示す単一のベクトルを送ることができる。そのようにすると、チップ
の入出力が極端に低減され、チップ外のデータ処理の要求を大幅に低減すること
ができる。
【００８４】 請求の範囲によって定義される本発明の主題及び思想から逸脱することなしに
、ここで開示した実施例に対して修正や変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 輝度を基礎とした従来からの一般的な距離計測システムの概略図である。
【図２】 本発明の第１実施例に係る単一のＩＣ上に実現された３次元画像化システムの
概略図である。
【図３】 本発明に係る、対応する光子パルスディテクタ及び高速カウンタを有するそれ
ぞれのピクセルディテクタを示したブロック図である。
【図４】 本発明に係る、高速カウンタであるＰＲＳＣカウンタを実現する好適な手段を
示したブロック図である。
【図５】 本発明に係る、細分キャパシタ電荷を測定するための好適な手段を示している
。
【図６】 図６Ａは、本発明に基づく、Ｐに対するＴ（Ｐ）、Ｔ′（Ｐ）、そしてΔＴ（
Ｐ）を表し、図６Ｂは、本発明に基づく、ΔＴ（Ｐ）に対するＴ（Ｐ）を表して
いる。
【図７】 本発明に係る、クロックパルス幅再生回路の好適な実施例を示している。
【図８】 本発明の第２実施例に係る単一のＩＣ上に実現された３次元画像化システムの
概略図である。
【図９】 本発明に係る、対応するシャッタスイッチ及びパルス積分回路を有するそれぞ
れのピクセルディテクタを示したブロック図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｓ 17/10 Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｕ Ｈ０１Ｌ 27/146 Ｚ Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｇ０１Ｂ 11/24 Ｋ Ｈ０１Ｌ 27/14 Ａ (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ， ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA53 DD04 EE00 FF11 FF32 GG04 GG07 GG08 LL04 LL21 LL30 NN01 QQ03 QQ14 QQ23 QQ25 QQ41 QQ42 QQ51 2F112 AD01 BA09 CA08 DA28 EA05 FA03 FA07 FA15 FA16 4M118 AB03 BA14 DD02 FA06 5C024 AX02 AX06 CX54 CX61 CY17 EX12 GY31 HX32 5J084 AA01 AA05 AA07 AA13 AA14 AD01 AD03 AD05 BA03 BA34 BA36 BA40 BB01 BB20 CA31 CA44 CA49 CA52 CA53 CA55 CA59 CA65 CA67 CA70 CA78 CA80 DA01 DA06 DA07 EA01 EA05 EA31

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ディテクタのアレーとターゲットとの間の距離を決定する方
    法であって、 （ａ）少なくと一つのピクセル及び対応するピクセルタイマーを有する前記アレ
    ーを、前記ターゲットから反射された光のエネルギー検出するよう配置するステ
    ップと、 （ｂ）光エネルギーの少なくとも第１のパルスで、時刻ｔ０において前記ターゲ
    ットを照射するステップと、 （ｃ）時刻ｔ０において前記ピクセルタイマーをスタートさせるステップと、 （ｄ）前記ピクセルが前記ターゲットから反射された前記第１のパルスに基づく
    光エネルギーを検出したときに、前記ピクセルタイマーを停止させるステップと
    、 （ｅ）前記タイマーがカウントされている持続時間から、前記ディテクタのアレ
    ーと前記ターゲットとの間の距離を決定するステップと、 を含むことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記ディテクタのアレーはランダムに読み出すことが可能で
    ある請求項１に記載の方法。
  3. 【請求項３】 （ｅ）のステップから、前記持続時間の直接的なディジタル
    測定を行う請求項１に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記ピクセルタイマーは、１ＭＨｚを超えるクロックレート
    で切り換えられるディジタルカウンタである請求項１に記載の方法。
  5. 【請求項５】 前記ピクセルタイマーは、疑似ランダムシーケンスのディジ
    タルカウンタである請求項１に記載の方法。
  6. 【請求項６】 疑似ランダムシーケンスのディジタルカウンタは、単相クロ
    ック動作を用いるものである請求項１に記載の方法。
  7. 【請求項７】 前記ピクセルタイマーは、下位クロック周期のキャパシタチ
    ャージ動作を含んでいる、請求項１に記載の方法。
  8. 【請求項８】 前記アレーは、前記ピクセルを複数含んでおり、各ピクセル
    は対応する前記ピクセルタイマーを有している、請求項１に記載の方法。
  9. 【請求項９】 ステップ（ｂ）は、前記ピクセルの検出時刻を補償できるよ
    うに、変化する振幅のパルスを出力する動作を含んでいる、請求項１に記載の方
    法。
  10. 【請求項１０】 複数の前記パルスを出力して複数の前記持続時間を生成す
    るステップと、 前記距離の決定において、前記複数の持続時間を平均してＳ／Ｎ比を向上させ
    るステップと、 をさらに含んでいる請求項１に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 少なくともステップ（ａ）、ステップ（ｃ）、ステップ（
    ｄ）、ステップ（ｅ）を共通の集積回路基板上で実行することを特徴とする請求
    項１に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 光パルス生成器を伴って、ＩＣとターゲットとの間の距離
    の決定に用いるＣＭＯＳで実現される集積回路（ＩＣ）飛行時間（ＴＯＦ）測定
    システムであって、前記ＩＣは： 生成された光パルスエネルギーであって、前記ターゲットから戻ったものを検
    出する複数のディテクタのアレーと、 前記ディテクタのそれぞれに対応して設けられたカウンタと、 前記各カウンタにカウント可能なクロックパルスを与えるシステムクロックと
    、 生成された前記光パルスの発生とともに開始される前記クロックパルスを前記
    各カウンタにカウントさせるとともに、ディテクタが前記生成された光パルスか
    らのエネルギーを検出したときに対応する前記カウンタにクロックパルスのカウ
    ント動作を停止させるロジックとを含み、 前記カウンタに積算されたカウントが、前記距離に比例する直接的なディジタ
    ル測定を与えることを特徴とする飛行時間（ＴＯＦ）測定システム。
  13. 【請求項１３】 前記システムクロックは、 （ａ）約１ＧＨｚを超えるクロック速度である （ｂ）前記クロックパルスは単相のクロックパルスである （ｃ）前記クロックは前記ディテクタのそれぞれにおいてクロックパルスの位相
    を補償する （ｄ）前記クロックは相対的なクロックエッジの完全な状態を保持する手段を含
    んでいる という特徴の群から選択した少なくとも一つの特徴を有するものである、請求項
    １２に記載のＩＣ。
  14. 【請求項１４】 前記各カウンタは疑似ランダムシーケンスのカウンタであ
    る、請求項１２に記載のＩＣ。
  15. 【請求項１５】 前記各カウンタの出力を測定するために、下位クロック周
    期のキャパシタチャージ動作を行う手段をさらに含んでいる、請求項１２に記載
    のＩＣ。
  16. 【請求項１６】 前記ディテクタ及び前記光パルス生成器に関連する遅延を
    決定し及び補償する手段をさらに含む、請求項１２に記載のＩＣ。
  17. 【請求項１７】 請求項１２に記載のＩＣであって、さらに複数の光パルス
    にわたってデータを収集する手段を含み、当該データを収集する手段は、 （ａ）前記ディテクタ及び前記光パルス生成器に関連する遅延を補償するＩＣの
    ためのルックアップ較正テーブル （ｂ）前記ディテクタ及び前記光パルス生成器に関連する遅延を補償するために
    さまざまな前記ディテクタに関連する特性を調べる手段 のうち少なくとも一つを含んでいるＩＣ。
  18. 【請求項１８】 さらに前記各カウンタからの出力を処理して前記ターゲッ
    トに関するデータを与えるプロセッサを含んでいる、請求項１２に記載のＩＣ。
  19. 【請求項１９】 前記プロセッサは、 （ａ）前記ＩＣから前記ターゲットまでの距離 （ｂ）前記ターゲットの速度 （ｃ）前記ターゲットの対応する形状 （ｄ）前記ターゲットの特定 のうち少なくとも一つを決定できるものである、請求項１８に記載のＩＣ。
  20. 【請求項２０】 ディテクタのアレーとターゲットとの間の距離を決定する
    方法であって、 （ａ）前記ターゲットから反射された光のエネルギーを検出するよう前記アレー
    を配置するステップを有し、前記アレーは複数のピクセルを含んでいて、各ピク
    セルには、対応する電荷集積部と、前記電荷集積部の対応する前記ピクセルから
    の電荷出力を集積する能力を管理する対応するシャッタが設けられており、 （ｂ）時刻ｔ０において前記ターゲットを光エネルギーのパルスで照射し、前記
    各シャッタを開いて、前記ピクセルが、前記パルスに基づいた前記ターゲットか
    らの反射光のエネルギーによって生じる電荷を前記集積部に出力するようにした
    ステップと、 （ｃ）前記各集積部において対応する前記ピクセルによって出力された電荷を蓄
    積するステップと、 （ｄ）時刻ｔ１において、前記各パルスの概算の幅（ｔ１−ｔ０）に対応して、
    前記各シャッタを閉じて対応する前記集積部の電荷のさらなる蓄積を停止するス
    テップと、 （ｅ）前記各集積部における対応する電荷を評価して、前記各ピクセルについて
    の前記ターゲットまでのＴＯＦの尺度を得るステップとを有し、 前記ターゲットまでの前記距離が決定されることを特徴する方法。
  21. 【請求項２１】 前記ターゲットの光の反射率を表す較正データを得るため
    に、少なくとも前記パルス幅の持続時間にわたって各集積部に電荷を蓄積するス
    テップを、さらに含んでいる請求項２０に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 少なくともいくつかの集積部において光エネルギーの複数
    の前記パルスにわたって電荷を蓄積するステップをさらに含み、測定精度を向上
    させた、請求項２０に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 光パルス生成器を伴って、ＩＣとターゲットとの間の距離
    の決定に用いるＣＭＯＳで実現される集積回路（ＩＣ）飛行時間（ＴＯＦ）測定
    システムであって、前記ＩＣは： 生成された光パルスエネルギーであって、前記ターゲットから戻ったものを検
    出する複数のディテクタのアレーを有し、 前記ディテクタのそれぞれに対応して設けられた電荷集積部、および前記電荷
    集積部の対応する前記ディテクタによる電荷出力を集積する能力を管理する対応
    するシャッタを有し、 生成された前記光パルスの開始を表す時刻ｔ０において前記各シャッタを開い
    て、前記パルスに基づいた前記ターゲットからの反射光の検出されたエネルギー
    によって生じる電荷を前記ディテクタが前記対応する集積部に出力するようにし
    たロジック回路を有し、前記ロジックは前記パルスの幅（ｔ１−ｔ０）に近い時
    刻ｔ１において前記各シャッタを閉じて、対応する前記各集積部のさらなる電荷
    の蓄積を停止させ、 前記各集積部に蓄積された電荷を評価して前記各ピクセルの前記ターゲットま
    でのＴＯＦの尺度を得る手段を有し、 評価された蓄積電荷が前記距離の尺度を与えることを特徴とする飛行時間（Ｔ
    ＯＦ）測定システム。
  24. 【請求項２４】 前記ロジック回路は、前記ターゲットの光反射率を表す較
    正データを得るために、少なくとも前記パルスの持続時間のあいだ前記各シャッ
    タを開くことを可能とする請求項２３に記載のＩＣ。
  25. 【請求項２５】 前記評価された蓄積電荷から、 （ａ）前記ＩＣから前記ターゲットまでの距離 （ｂ）前記ターゲットの速度 （ｃ）前記ターゲットの対応する形状 （ｄ）前記ターゲットの特定 のうち少なくとも一つを決定するマイクロプロセッサをさらに含んでいる請求項
    ２３に記載のＩＣ。
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