JP2009047659A - Ranging device - Google Patents

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    • H01L27/14643Photodiode arrays; MOS imagers

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ranging device capable of performing accurate ranging, while suppressing the output saturation. <P>SOLUTION: A plurality of capacitors C1b, C2b respectively accumulate carriers distributed into each semiconductor domain FD1, FD2. Comparators COMP1, COMP2 and a AND circuit as determination means determine whether all the values (output voltages V<SB>OUT1</SB>, V<SB>OUT2</SB>), corresponding to the charge quantity of carriers accumulated in the capacitors C1b, C2b, exceed the threshold Vth. When the determination means indicates that all the values (output voltages V<SB>OUT1</SB>, V<SB>OUT2</SB>) corresponding to the charge quantity of the carriers accumulated in the capacitors C1b, C2b exceed the threshold Vth, switches SW1a, SW2a and charge extraction capacitors C1a, C2a as subtraction means subtract a fixed charge quantity from the charge quantity of the carriers accumulated in each capacitor C1b, C2b. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、測距装置に関する。   The present invention relates to a distance measuring device.

特許文献1に記載の測距装置は、光源から出射された光を対象物に照射し、対象物からの反射光を光検出素子で測定しており、照射光と反射光の位相差に基づいて対象物までの距離を求めている。ここで、特許文献1に記載の測距装置では、光検出素子が飽和しないように、モニタされた光量に応じてその検出期間を設定している。光検出素子は、長期間と短期間の2つの期間で反射光を検出し、光検出素子が飽和していない期間の電荷量を選択し、他方の期間の電荷量を破棄している。   The distance measuring device described in Patent Document 1 irradiates an object with light emitted from a light source, measures reflected light from the object with a light detection element, and is based on a phase difference between the irradiated light and reflected light. To find the distance to the object. Here, in the distance measuring device described in Patent Document 1, the detection period is set according to the monitored light amount so that the light detection element is not saturated. The photodetection element detects reflected light in two periods, a long period and a short period, selects the amount of charge during a period when the photodetection element is not saturated, and discards the amount of charge during the other period.

特許文献2に記載の測距装置も、特許文献1と同様に、光源から出射された光を対象物に照射し、対象物からの反射光を光検出素子で測定しており、照射光と反射光の位相差に基づいて対象物までの距離を求めている。ここで、特許文献2に記載の測距装置では、光検出素子の露光期間を、初期検出された光量レベルに応じて適切に設定し、光検出素子の飽和を抑制している。   Similarly to Patent Document 1, the distance measuring device described in Patent Document 2 irradiates the object with light emitted from the light source, and measures reflected light from the object with a light detection element. The distance to the object is obtained based on the phase difference of the reflected light. Here, in the distance measuring device described in Patent Document 2, the exposure period of the light detection element is appropriately set according to the initially detected light amount level to suppress saturation of the light detection element.

特許文献3に記載の測距装置は、上記と同様の測距動作を、マイクロプロセッサを用いて実現している。   The distance measuring device described in Patent Document 3 realizes a distance measuring operation similar to the above using a microprocessor.

特許文献4に記載の測距装置は、位相差を有する2つの検出信号のうちのいずれか一方が飽和した場合に、画素をリセットしている。
特開2006−84430号公報 米国特許出願公開2006/0176467号明細書 米国特許6,919,549号明細書 米国特許7,157,685号明細書
The distance measuring device described in Patent Document 4 resets a pixel when one of two detection signals having a phase difference is saturated.
JP 2006-84430 A US Patent Application Publication No. 2006/0176467 US Pat. No. 6,919,549 US Pat. No. 7,157,685

しかしながら、いずれの文献においても、信号電荷の飽和は抑制されているが、距離情報の検出精度は十分ではない。特に、特許文献4では、距離情報となる差分信号もリセットしており、飽和抑制を行う代わりに距離情報の検出精度が低くなるとうい問題がある。   However, in any document, the saturation of signal charge is suppressed, but the detection accuracy of distance information is not sufficient. In particular, Patent Document 4 resets the differential signal that is distance information, and there is a problem that the detection accuracy of the distance information is lowered instead of performing saturation suppression.

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、出力飽和を抑制しつつ、正確な測距が可能な測距装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a distance measuring device capable of accurate distance measurement while suppressing output saturation.

上述の課題を解決するため、本発明に係る測距装置は、変調した光を対象物に照射し、当該対象物で反射された光の入射に応答して発生したキャリアを時分割で振り分け、振り分けられたキャリアの電荷量に基づいて、対象物までの距離を求める測距装置において、振り分けられたキャリアをそれぞれ蓄積する複数のキャパシタと、キャパシタに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値が、全て閾値を超えたかどうかを判定する判定手段と、キャパシタに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値が、全て閾値を超えた旨を、判定手段が示す場合には、それぞれのキャパシタに蓄積されたキャリアの電荷量から、一定の電荷量を減じる減算手段と、を備えることを特徴とする。   In order to solve the above-described problem, the distance measuring device according to the present invention irradiates a target with modulated light, and distributes carriers generated in response to the incidence of light reflected by the target in a time-sharing manner. In a distance measuring device that calculates the distance to an object based on the amount of charge of the distributed carriers, a plurality of capacitors that store the distributed carriers, and a value that corresponds to the amount of charge of the carriers stored in the capacitor If the determination means indicates that all of the values corresponding to the charge amount of carriers accumulated in the capacitors have exceeded the threshold, the determination means for determining whether or not all of the threshold values have been exceeded is stored in each capacitor. Subtracting means for subtracting a constant charge amount from the charge amount of the generated carrier.

本発明に係る測距装置によれば、各キャパシタに蓄積された電荷量は、対象物までの距離に依存するが、この中には対象物からの反射光以外の光、すなわち、外光も含まれている。したがって、外光は一定値であるため、全ての値が閾値を超えた場合に、減算手段は一定値を蓄積電荷量から減じることで、キャパシタの飽和を抑制することができる。ここで、一定値を差し引いても、キャパシタ内には、対象物からの反射光によって発生したキャリアが測距有効電荷として残留しており、減算後においてキャパシタ内に測距有効電荷を更に蓄積することができる。したがって、電荷積算によって、キャパシタに蓄積される電荷のS/N比は向上するため、正確な測距が可能となる。   According to the distance measuring apparatus according to the present invention, the amount of electric charge accumulated in each capacitor depends on the distance to the object, and in this, light other than the reflected light from the object, that is, outside light is also included. include. Therefore, since the external light is a constant value, when all the values exceed the threshold value, the subtraction unit can suppress the saturation of the capacitor by subtracting the constant value from the accumulated charge amount. Here, even if a certain value is subtracted, the carrier generated by the reflected light from the object remains in the capacitor as a ranging effective charge, and after the subtraction, the ranging effective charge is further accumulated in the capacitor. be able to. Therefore, the S / N ratio of the charge accumulated in the capacitor is improved by charge integration, so that accurate distance measurement is possible.

なお、上記閾値は、キャパシタの飽和電荷量に対応する値の50%以下に設定されることが好ましい。すなわち、本発明では、キャパシタが飽和してから初めて減算を行うのではなく、キャパシタの飽和よりも随分と低い値で減算を行う。これにより、測距有効電荷の積算回数を増加させても、キャパシタが飽和しないため、積算回数を増加させることで、S/N比を向上させ、更に正確な測距を可能とする。   The threshold is preferably set to 50% or less of the value corresponding to the saturation charge amount of the capacitor. That is, in the present invention, the subtraction is not performed for the first time after the capacitor is saturated, but is performed at a value much lower than the saturation of the capacitor. As a result, the capacitor is not saturated even if the number of integrations of the ranging effective charge is increased. Therefore, by increasing the number of integrations, the S / N ratio is improved and more accurate ranging is possible.

また、本発明に係る測距装置は、それぞれのキャパシタを入出力端子間に含むチャージアンプを更に備え、チャージアンプの入力端子と出力端子は、異なる電位でリセットされ、リセット後にキャパシタへのキャリア蓄積が行われることが好ましい。   The distance measuring device according to the present invention further includes a charge amplifier including each capacitor between the input and output terminals. The input terminal and the output terminal of the charge amplifier are reset at different potentials, and carrier accumulation in the capacitor is performed after the reset. Is preferably performed.

チャージアンプへの入力電荷は、電圧に変換されて出力される。この場合、上述のキャパシタの蓄積電荷に対応する値は、チャージアンプの出力電圧になる。チャージアンプのリセット時の電位を変えておくことで、キャパシタに蓄積可能な電荷量のダイナミックレンジを広くすることができる。   The input charge to the charge amplifier is converted into a voltage and output. In this case, the value corresponding to the charge stored in the capacitor is the output voltage of the charge amplifier. By changing the potential at the time of resetting the charge amplifier, the dynamic range of the amount of charge that can be accumulated in the capacitor can be widened.

また、減算手段は、それぞれのキャパシタの入力側にスイッチを介して接続された電荷引き抜き用キャパシタを備えており、キャパシタに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値が、全て閾値を超えた旨を、判定手段が示す場合には、スイッチは接続されることを特徴とする。   The subtracting means includes a charge extracting capacitor connected to the input side of each capacitor via a switch, and all the values corresponding to the amount of carrier charges accumulated in the capacitor exceed the threshold value. When the determination means indicates, the switch is connected.

この場合、スイッチを接続すると、元のキャパシタに蓄積された電荷量が、引き抜き用キャパシタに移動するため、元のキャパシタに蓄積された電荷量の減算処理が行われたこととなる。   In this case, when the switch is connected, the charge amount accumulated in the original capacitor is moved to the extraction capacitor, so that the subtraction process of the charge amount accumulated in the original capacitor is performed.

また、判定手段は、それぞれのキャパシタに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値がそれぞれ入力される複数の比較器と、比較器の出力がそれぞれ入力される複数のDラッチ回路と、Dラッチ回路の出力が入力される論理積回路とを備え、論理積回路の出力は前記減算手段に入力されることが好ましい。   Further, the determination means includes a plurality of comparators to which values corresponding to the amount of carrier charges accumulated in the respective capacitors are input, a plurality of D latch circuits to which the outputs of the comparators are respectively input, and a D latch And an AND circuit to which the output of the circuit is input, and the output of the AND circuit is preferably input to the subtracting means.

この場合、比較器の出力が切り替わってから、これが論理積回路に入力されるまでの期間に遅れがあるため、論理積回路が確実に全ての値の閾値超えを認識してから、上記減算処理を行うことができ、また、リセット時などの場合に、比較器から不本意な出力が瞬間的に出力された場合においては、論理積回路が全ての値の閾値超えを認識しないので、誤認識に基づく誤動作を抑制することができる。   In this case, since there is a delay in the period from when the output of the comparator is switched to when it is input to the logical product circuit, the logical product circuit reliably recognizes that all values exceed the threshold value, and then performs the subtraction process. In case of unintentional output from the comparator, such as when resetting, the AND circuit does not recognize that all values exceed the threshold value. It is possible to suppress malfunctions based on.

本発明に係る測距装置によれば、出力飽和を抑制しつつ正確な測距を行うことができる。   According to the distance measuring apparatus according to the present invention, accurate distance measurement can be performed while suppressing output saturation.

以下、実施の形態に係る測距装置について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。   Hereinafter, the distance measuring apparatus according to the embodiment will be described. Note that the same reference numerals are used for the same elements, and redundant description is omitted.

図1は測距装置の構成を示す説明図である。   FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the distance measuring apparatus.

本例の測距センサ1は、裏面入射型測距センサであるとするが、表面入射型測距センサとすることもできる。この測距装置は、測距センサ1と、近赤外光を出射する光源3と、光源3にパルス駆動信号Sを与える駆動回路4と、裏面入射型測距センサ1の各画素に含まれる第1及び第2ゲート電極(TX1,TX2:図5参照)に、パルス駆動信号Sに同期した検出用ゲート信号S,Sを与える制御回路2と、測距センサ1の第1及び第2半導体領域(FD1,FD2:図5参照)から読み出された距離情報を示す信号d’(m,n)から、歩行者などの対象物Hまでの距離を演算する演算回路(演算手段)5を備えている。測距センサ1から対象物Hまでの水平方向Dの距離をdとする。本例はパルス状の駆動信号で光の変調を行った例を主として説明するが、駆動信号はパルス状に限らず、正弦波状でもよい。 The distance measuring sensor 1 of this example is a back-illuminated distance measuring sensor, but may be a front-illuminated distance measuring sensor. The distance measuring device includes a distance measuring sensor 1, a light source 3 for emitting near-infrared light, a driving circuit 4 for giving a pulse drive signal S P to the light source 3, included in each pixel of the back-illuminated distance measuring sensor 1 first and second gate electrodes (TX1, TX2: see FIG. 5), the pulse drive signal S gate signal detection is synchronous with the P S L, a control circuit 2 to give S R, the first distance measuring sensor 1 And a calculation circuit (calculation) for calculating the distance to the object H such as a pedestrian from the signal d ′ (m, n) indicating the distance information read from the second semiconductor region (FD1, FD2: see FIG. 5). Means) 5 is provided. The distance in the horizontal direction D from the distance measuring sensor 1 to the object H is defined as d. In this example, an example in which light is modulated with a pulsed drive signal will be mainly described. However, the drive signal is not limited to a pulse, and may be a sine wave.

制御回路2は、パルス駆動信号Sを駆動回路4のスイッチ4bに入力している。LED又はレーザダイオードからなる投光用の光源3は、スイッチ4bを介して電源4aに接続されている。したがって、スイッチ4bにパルス駆動信号Sが入力されると、パルス駆動信号Sと同じ波形の駆動電流が光源3に供給され、光源3からは測距用のプローブ光としてのパルス光Lが出力される。 The control circuit 2 is input to the pulse drive signal S P to the switch 4b of the driving circuit 4. A light projecting light source 3 comprising an LED or a laser diode is connected to a power source 4a via a switch 4b. Therefore, when the pulse drive signal S P is input to the switch 4b, a drive current having the same waveform as the pulse drive signal S P is supplied to the light source 3, the pulse light L P as a probe light for distance measurement from the light source 3 Is output.

パルス光Lが対象物Hに照射されると、対象物Hによってパルス光が反射され、パルス光Lとして、裏面入射型測距センサ1に入射して、パルス検出信号Sを出力する。パルス検出信号Sはパルス光Lの入射に応じて基板内部で発生した総電荷量を示し、立ち上がりと立ち下がりのタイミングはパルス光Lに一致するが、距離dに応じた分だけパルス光Lに対して位相が遅延している。 When the pulse light L P is irradiated on the object H, the pulse light is reflected by the object H, the pulse light L D, and enters the back-illuminated distance measuring sensor 1 outputs a pulse detection signal S D . Pulse detection signal S D represents the total amount of charges generated in the substrate in response to the incidence of pulsed light L D, although the timing of the rising and falling is equal to the pulse light L D, an amount corresponding pulses corresponding to the distance d phase is delayed with respect to the light L P.

測距センサ1は、配線基板10上に固定されており、配線基板10上の配線を介して、距離情報を有する信号d’(m,n)が各画素から出力される。   The distance measuring sensor 1 is fixed on the wiring board 10, and a signal d ′ (m, n) having distance information is output from each pixel via the wiring on the wiring board 10.

パルス駆動信号Sの波形は、周期Tの方形波であり、ハイレベルを「1」、ローレベルを「0」とすると、その電圧V(t)は以下の式で与えられる。
・パルス駆動信号S
・V(t)=1(但し、0<t<(T/2)の場合)
・V(t)=0(但し、(T/2)<t<Tの場合)
・V(t+T)=V(t)
The waveform of the pulse drive signal S P, a square wave of period T, the high level "1", when the low level is "0", the voltage V (t) is given by the following equation.
・ Pulse drive signal S P :
・ V (t) = 1 (provided that 0 <t <(T / 2))
・ V (t) = 0 (provided that (T / 2) <t <T)
・ V (t + T) = V (t)

検出用ゲート信号S、Sの波形は、周期Tの方形波であり、その電圧V(t)は以下の式で与えられる。
・検出用ゲート信号S
・V(t)=1(但し、0<t<(T/2)の場合)
・V(t)=0(但し、(T/2)<t<Tの場合)
・V(t+T)=V(t)
・検出用ゲート信号S(=Sの反転):
・V(t)=0(但し、0<t<(T/2)の場合)
・V(t)=1(但し、(T/2)<t<Tの場合)
・V(t+T)=V(t)
The waveforms of the detection gate signals S L and S R are square waves with a period T, and the voltage V (t) is given by the following equation.
・ Detection gate signal S L :
・ V (t) = 1 (provided that 0 <t <(T / 2))
・ V (t) = 0 (provided that (T / 2) <t <T)
・ V (t + T) = V (t)
· Detection gate signal S R (= S L inversion):
・ V (t) = 0 (provided that 0 <t <(T / 2))
V (t) = 1 (provided that (T / 2) <t <T)
・ V (t + T) = V (t)

上記パルス信号S,S、S、Sは、全てパルス周期2×Tを有していることとする。検出用ゲート信号S及びパルス検出信号Sが共に「1」のときに測距センサ1内で発生する電荷量をQ1、検出用ゲート信号S及びパルス検出信号Sが共に「1」のときに測距センサ1内で発生する電荷量をQ2とする。 The pulse signal S P, S L, S R , S D , it is assumed that has all pulse period 2 × T P. Detection gate signal S L and the pulse detection signal S D are both the amount of charge generated in the distance measuring sensor 1 when "1" Q1, the detection gate signal S R and the pulse detection signal S D are both "1" In this case, the amount of charge generated in the distance measuring sensor 1 is Q2.

測距センサ1における一方の検出用ゲート信号Sとパルス検出信号Sの位相差は、他方の検出用ゲート信号Sとパルス検出信号Sが「1」の時の重複期間において、裏面入射型測距センサ1において発生した電荷量Q2に比例する。すなわち、電荷量Q2は、検出用ゲート信号Sとパルス検出信号Sの論理積が「1」である期間において発生した電荷量である。1画素内において発生する全電荷量をQ1+Q2とし、駆動信号Sの半周期のパルス幅をTとすると、Δt=T×Q2/(Q1+Q2)の期間だけ、駆動信号Sに対してパルス検出信号Sが遅れていることになる。 The phase difference between one detection gate signal S L and the pulse detection signal S D in the distance measuring sensor 1, the other detection gate signal S R and the pulse detection signal S D is the overlap period when the "1", the back surface This is proportional to the amount of charge Q2 generated in the incident type distance measuring sensor 1. That is, the charge amount Q2 is the charge amount for the period logical product of the detection gate signal S R and the pulse detection signal S D is "1". The total charge quantity generated in one pixel is Q1 + Q2, when the pulse width of the half cycle of the drive signal S P and T P, Δt = T P × Q2 / (Q1 + Q2) long enough, with respect to the drive signal S P The pulse detection signal SD is delayed.

1つのパルス光の飛行時間Δtは、対象物までの距離をd、光速をcとすると、Δt=2d/cで与えられるため、特定の画素からの距離情報を有する信号d’として2つの電荷量(Q1,Q2)が出力されると、演算回路5は、入力された電荷量Q1,Q2と、予め判明している半周期パルス幅Tに基づいて、対象物Hまでの距離d=(c×Δt)/2=c×T×Q2/(2×(Q1+Q2))を演算する。 The flight time Δt of one pulsed light is given by Δt = 2d / c, where d is the distance to the object and c is the speed of light. Therefore, two charges are used as a signal d ′ having distance information from a specific pixel. If the amount (Q1, Q2) are output, the arithmetic circuit 5, a charge amount Q1, Q2 input, based on the half cycle pulse width T P that is known in advance, the distance to the object H d = Calculate (c × Δt) / 2 = c × TP × Q2 / (2 × (Q1 + Q2)).

上述のように、電荷量Q1、Q2を分離して読み出せば、演算回路5は、距離dを演算することができる。なお、上述のパルスは繰り返して出射され、その積分値を各電荷量Q1,Q2として出力することができる。   As described above, if the charge amounts Q1 and Q2 are read out separately, the arithmetic circuit 5 can calculate the distance d. The above-described pulse is repeatedly emitted, and the integrated value can be output as the respective charge amounts Q1 and Q2.

また、電荷量Q1,Q2の全体電荷量に対する比率は、上述の位相差、すなわち、対象物Hまでの距離に対応しており、演算回路5は、この位相差に応じて対象物Hまで距離を演算している。上述のように、位相差に対応する時間差をΔtとすると、距離dは、好適にはd=(c×Δt)/2で与えられるが、適当な補正演算をこれに加えて行ってもよい。例えば、実際の距離と、演算された距離dとが異なる場合、後者を補正する係数βを予め求めておき、出荷後の製品では演算された距離dに係数βを乗じたものを最終的な演算距離dとしてもよい。また、外気温度を測定しておき、外気温度に応じて光速cが異なる場合には、光速cを補正する演算を行ってから、距離演算を行うこともできる。また、演算回路に入力された信号と、実際の距離との関係を予めメモリに記憶しておき、ルックアップテーブル方式によって、距離を演算してもよい。また、センサ構造によっても演算方法は変更することができ、これには従来から知られている演算方法を用いることができる。   The ratio of the charge amounts Q1 and Q2 to the total charge amount corresponds to the above-described phase difference, that is, the distance to the object H, and the arithmetic circuit 5 determines the distance to the object H according to this phase difference. Is calculated. As described above, when the time difference corresponding to the phase difference is Δt, the distance d is preferably given by d = (c × Δt) / 2, but an appropriate correction operation may be added to this. . For example, when the actual distance and the calculated distance d are different, a coefficient β for correcting the latter is obtained in advance, and the product after shipping is obtained by multiplying the calculated distance d by the coefficient β. The calculation distance d may be used. In addition, when the outside air temperature is measured and the light speed c varies depending on the outside air temperature, the distance calculation can be performed after performing the calculation for correcting the light speed c. Further, the relationship between the signal input to the arithmetic circuit and the actual distance may be stored in advance in the memory, and the distance may be calculated by a lookup table method. The calculation method can also be changed depending on the sensor structure, and a conventionally known calculation method can be used for this.

このように、演算回路5は、それぞれ読み出された電荷Q1(Q2)の全体電荷量(Q1+Q2)に対する比率に基づいて、対象物Hまでの距離を演算している。対象物Hまでの距離は、このような比率に依存するため、演算回路5は、かかる比率に基づいて距離を演算することができる。上記では、180度の位相差で2つのゲート電極TX1,TX2(図5参照)を駆動した場合の例を説明した。   As described above, the arithmetic circuit 5 calculates the distance to the object H based on the ratio of the read charge Q1 (Q2) to the total charge amount (Q1 + Q2). Since the distance to the object H depends on such a ratio, the arithmetic circuit 5 can calculate the distance based on the ratio. In the above description, an example in which the two gate electrodes TX1 and TX2 (see FIG. 5) are driven with a phase difference of 180 degrees has been described.

なお、フォトゲート電極PG(図5)の横方向の両端に位置する半導体領域FD1,FD2から電荷量Q1,Q2が出力されるが、この他にフォトゲート電極PGに対して縦方向の両端に位置する半導体領域から電荷量Q3,Q4を出力させることもできる。この場合の縦方向の構造は、横方向の構造と同一とする。   The charge amounts Q1 and Q2 are output from the semiconductor regions FD1 and FD2 positioned at both ends in the horizontal direction of the photogate electrode PG (FIG. 5). Charge amounts Q3 and Q4 can also be output from the semiconductor region located. In this case, the vertical structure is the same as the horizontal structure.

この場合、90度毎の位相差で上記4つのゲート電極を駆動し、各半導体領域から、Q1,Q2,Q3,Q4を出力する。この場合、距離d=Φ×c/2×2πfで与えられる。なお、駆動信号が正弦波状の場合には、fは駆動信号Sの繰り返し周波数であり、位相Φ=−arctan((Q2−Q4)/(Q1−Q3))で与えられる。 In this case, the four gate electrodes are driven with a phase difference of 90 degrees, and Q1, Q2, Q3, and Q4 are output from each semiconductor region. In this case, the distance d = Φ × c / 2 × 2πf is given. Incidentally, when the drive signal is sinusoidal is, f is the repetition frequency of the drive signal S P, is given by the phase Φ = -arctan ((Q2-Q4 ) / (Q1-Q3)).

図2は測距センサ1の平面図である。   FIG. 2 is a plan view of the distance measuring sensor 1.

測距センサ1は、二次元状に配列した複数の画素P(m,n)からなる撮像領域1Bを有する半導体基板1Aを備えている。各画素P(m,n)からは、上述の距離情報を有する信号d’(m,n)として2つの電荷量(Q1,Q2)が出力される。各画素P(m,n)は微小測距センサとして対象物Hまでの距離に応じた信号d’(m,n)を出力するので、対象物Hからの反射光を、撮像領域1Bに結像すれば、対象物H上の各点までの距離情報の集合体としての対象物の距離画像を得ることができる。   The distance measuring sensor 1 includes a semiconductor substrate 1A having an imaging region 1B composed of a plurality of pixels P (m, n) arranged in a two-dimensional manner. From each pixel P (m, n), two charge amounts (Q1, Q2) are output as the signal d '(m, n) having the above-described distance information. Since each pixel P (m, n) outputs a signal d ′ (m, n) corresponding to the distance to the object H as a minute distance measuring sensor, the reflected light from the object H is coupled to the imaging region 1B. If an image is obtained, a distance image of the object as a collection of distance information to each point on the object H can be obtained.

図3は図2に示した測距センサのIII−III矢印断面図である。   FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of the distance measuring sensor shown in FIG.

測距センサ1には、光入射面1BKからパルス光Lが入射する。裏面入射型測距センサ1の光入射面1BKとは逆側の表面1FTは、接着領域ADを介して配線基板10に接続されている。接着領域ADは、バンプなどの接着素子を含む領域であり、必要に応じて絶縁性の接着剤やフィラーを有している。裏面入射型測距センサ1を構成する半導体基板1Aは、補強用のフレーム部Fと、フレーム部Fよりも薄い薄板部TFを有しており、これらは一体化している。薄板部TFの厚さは、10μm以上100μm以下である。本例のフレーム部Fの厚さは200μm以上600μm以下である。 The distance measuring sensor 1, the pulse light L D is made incident from the light incident surface 1BK. A surface 1FT opposite to the light incident surface 1BK of the back-illuminated distance measuring sensor 1 is connected to the wiring substrate 10 via an adhesive region AD. The adhesion region AD is a region including an adhesion element such as a bump, and has an insulating adhesive or filler as necessary. The semiconductor substrate 1A constituting the back-illuminated distance measuring sensor 1 has a reinforcing frame portion F and a thin plate portion TF thinner than the frame portion F, and these are integrated. The thickness of the thin plate portion TF is 10 μm or more and 100 μm or less. The thickness of the frame portion F in this example is 200 μm or more and 600 μm or less.

図4は変形例に係る測距センサの断面図である。   FIG. 4 is a cross-sectional view of a distance measuring sensor according to a modification.

この測距センサは、図3に示したものと半導体基板1Aの形状のみが異なり、他の構成は同一である。半導体基板1Aは、ストライプ状又は格子状に形成された補強部AFを更に有しており、補強部AFの間に薄板部TFが形成され、これらは一体化している。本例の補強部AFの厚みは、フレーム部AFの厚さと同じであり、200μm以上600μm以下である。薄板部TFには前述の各画素が形成されている。薄板部TFはKOH等のアルカリ性エッチング液を用いたウエットエッチングによって形成する。エッチングによって形成された露出表面の粗さは1μm以下である。   This distance measuring sensor differs from that shown in FIG. 3 only in the shape of the semiconductor substrate 1A, and the other configurations are the same. The semiconductor substrate 1A further includes reinforcing portions AF formed in a stripe shape or a lattice shape, and a thin plate portion TF is formed between the reinforcing portions AF, and these are integrated. The thickness of the reinforcing portion AF in this example is the same as the thickness of the frame portion AF, and is 200 μm or more and 600 μm or less. Each pixel described above is formed in the thin plate portion TF. The thin plate portion TF is formed by wet etching using an alkaline etching solution such as KOH. The roughness of the exposed surface formed by etching is 1 μm or less.

図5は、図3又は図4に示した測距センサの領域Vの拡大図である。   FIG. 5 is an enlarged view of the region V of the distance measuring sensor shown in FIG. 3 or FIG.

裏面入射型測距センサ1は、反射防止膜1Dが設けられる光入射面及び光入射面とは逆側の表面を有するP型の半導体基板1Aと、この表面上において絶縁層1Eを介して設けられたフォトゲート電極PGと、この表面上において絶縁層1Eを介しフォトゲート電極PGに隣接して設けられた第1及び第2ゲート電極TX1,TX2とを備えている。反射防止膜1Dの材料は、SiOまたはSiN(窒化シリコン)である。 The back-illuminated distance measuring sensor 1 is provided with a P-type semiconductor substrate 1A having a light incident surface on which an antireflection film 1D is provided and a surface opposite to the light incident surface, and an insulating layer 1E on the surface. And the first and second gate electrodes TX1 and TX2 provided adjacent to the photogate electrode PG via the insulating layer 1E on the surface. The material of the antireflection film 1D is SiO 2 or SiN (silicon nitride).

ゲート電極TX1の外側の半導体基板(エピタキシャル層)1A内の領域には、基板の表面側から高濃度のN型不純物が添加されており、N型の半導体領域FD1からなるフローティング・ディフュージョン領域が形成されている。ゲート電極TX2の外側の半導体基板1A内の領域には、基板表面側から高濃度のN型不純物が添加されており、N型の半導体領域FD2からなるフローティング・ディフュージョン領域が形成されている。半導体領域FD1,FD2は、ゲート電極TX1,TX2をそれぞれ含む電界効果トランジスタのドレインを構成している。なお、フォトゲート電極PGには、若干の直流正電位が印加される。   In a region in the semiconductor substrate (epitaxial layer) 1A outside the gate electrode TX1, high-concentration N-type impurities are added from the surface side of the substrate, and a floating diffusion region composed of the N-type semiconductor region FD1 is formed. Has been. In the region inside the semiconductor substrate 1A outside the gate electrode TX2, a high-concentration N-type impurity is added from the substrate surface side, and a floating diffusion region composed of the N-type semiconductor region FD2 is formed. The semiconductor regions FD1 and FD2 constitute drains of field effect transistors including the gate electrodes TX1 and TX2, respectively. Note that a slight positive DC potential is applied to the photogate electrode PG.

半導体基板1Aに反射防止膜1Dを介して対象物からの反射光が入射すると、半導体基板1A内のフォトゲート電極PGの直下の領域でキャリアが発生する。ゲート電極TX1,TX2に交互に高電位を与える(検出用ゲート信号S,Sを印加する)と、基板内において発生したキャリアが、交互に半導体領域FD1,FD2内に流れ込む。この際、半導体基板1A内にはフリンジング電界が形成されている。絶縁層1Eを厚くすることで、半導体基板内にフリンジング電界を形成することができる。フリンジング電界を形成するための好適な絶縁層1Eの厚みは、50〜5000nmである。 When reflected light from the object is incident on the semiconductor substrate 1A via the antireflection film 1D, carriers are generated in a region immediately below the photogate electrode PG in the semiconductor substrate 1A. Alternately to the gate electrode TX1, TX2 provide a high potential (the detection gate signal S L, is applied to S R), the carriers generated in the substrate, alternately flows into the semiconductor regions FD1, the FD2. At this time, a fringing electric field is formed in the semiconductor substrate 1A. By increasing the thickness of the insulating layer 1E, a fringing electric field can be formed in the semiconductor substrate. A preferable thickness of the insulating layer 1E for forming a fringing electric field is 50 to 5000 nm.

半導体領域FD1,FD2には、電極18a、21aが接触しており、接着層AD内に埋め込まれた内部配線を介して、配線基板を構成する半導体基板10Aの表面に形成された電極配線18g,21gに電気的に接続されている。なお、ゲート電極TX1,PG,TX2は、それぞれ、接着層AD内に埋め込まれた内部配線を介して、半導体基板10Aの表面に形成された電極配線12g,13g,14gに電気的に接続されている。なお、半導体基板1Aの電位をグランド電位などの基準電位に接続するため、半導体基板1A内の適当な位置にバックゲート電極が設けられているが、基板内の厚み方向に貫通する貫通電極を設け、これをグランド電位に接続してもよい。   The electrodes 18a and 21a are in contact with the semiconductor regions FD1 and FD2, and electrode wirings 18g and 18g formed on the surface of the semiconductor substrate 10A constituting the wiring substrate through internal wirings embedded in the adhesive layer AD. It is electrically connected to 21g. The gate electrodes TX1, PG, TX2 are electrically connected to the electrode wirings 12g, 13g, 14g formed on the surface of the semiconductor substrate 10A via internal wirings embedded in the adhesive layer AD, respectively. Yes. In order to connect the potential of the semiconductor substrate 1A to a reference potential such as a ground potential, a back gate electrode is provided at an appropriate position in the semiconductor substrate 1A, but a through electrode penetrating in the thickness direction in the substrate is provided. This may be connected to the ground potential.

図6は、配線基板10内の回路を示す回路図である。制御回路2からの出力を利用して、光源3と電源4aをパルス駆動信号Sが入力するスイッチ4bが接続する駆動回路4の実際の構成を同時に示してある。なお、同図では、フォトゲート電極PG、ゲート電極TX1,TX2は、それぞれの電界効果トランジスタのゲート電極として示されており、説明の便宜上、トランジスタはそのゲート電極と同一の符号を用いることとする。 FIG. 6 is a circuit diagram showing a circuit in the wiring board 10. Using the output from the control circuit 2, the actual configuration of the drive circuit 4 to which the light source 3 and the power source 4a are connected by the switch 4b to which the pulse drive signal SP is input is shown at the same time. In the figure, the photogate electrode PG and the gate electrodes TX1 and TX2 are shown as the gate electrodes of the respective field effect transistors. For convenience of explanation, the transistors are denoted by the same reference numerals as the gate electrodes. .

光の入射によってフォトゲート電極PGの直下で発生したキャリアは、ゲート電極TX1に高電位が印加されている場合には、電極配線18gを介して、チャージアンプCA1の入力端子である節点P1に流れ込む。チャージアンプCA1がリセットされているものとすると、スイッチSW1r、SW1aを切断しておくことにより、チャージアンプCA1の入出力端子間に接続されたキャパシタC1bに、節点P1に流れ込んだキャリアが蓄積される。ゲート電極TX1は、繰り返し高電位が与えられるので、キャパシタC1bに蓄積されるキャリアの電荷量は徐々に増加し、チャージアンプCA1の出力電圧が上昇する。チャージアンプCA1の出力端子である節点P2の電位が、閾値Vthを超えた場合には、比較器COMP1の出力VCOMP1がハイレベルとなり、比較器COMP1の出力は、DラッチFF1を介して、僅かな遅延が与えられた後、論理積回路(AND回路)ANDに入力される。 Carriers generated immediately below the photogate electrode PG due to the incidence of light flow into the node P1 which is the input terminal of the charge amplifier CA1 through the electrode wiring 18g when a high potential is applied to the gate electrode TX1. . Assuming that the charge amplifier CA1 is reset, the carriers flowing into the node P1 are accumulated in the capacitor C1b connected between the input and output terminals of the charge amplifier CA1 by disconnecting the switches SW1r and SW1a. . Since the gate electrode TX1 is repeatedly given a high potential, the amount of carriers stored in the capacitor C1b gradually increases, and the output voltage of the charge amplifier CA1 rises. When the potential of the node P2 that is the output terminal of the charge amplifier CA1 exceeds the threshold value Vth, the output V COMP1 of the comparator COMP1 becomes high level, and the output of the comparator COMP1 is slightly passed through the D latch FF1. After being given a delay, it is input to an AND circuit (AND circuit) AND.

同様に、光の入射によってフォトゲート電極PGの直下で発生したキャリアは、ゲート電極TX2に高電位が印加されている場合には、電極配線21gを介して、チャージアンプCA2の入力端子である節点P3に流れ込む。チャージアンプCA2がリセットされているものとすると、スイッチSW2r、SW2aを切断しておくことにより、チャージアンプCA2の入出力端子間に接続されたキャパシタC2bに、節点P3に流れ込んだキャリアが蓄積される。ゲート電極TX2は、繰り返し高電位が与えられるので、キャパシタC2bに蓄積されるキャリアの電荷量は徐々に増加し、チャージアンプCA2の出力電圧が上昇する。チャージアンプCA2の出力端子である節点P4の電位が、閾値Vthを超えた場合には、比較器COMP2の出力VCOMP2がハイレベルとなり、比較器COMP2の出力は、DラッチFF2を介して、僅かな遅延が与えられた後、論理積回路(AND回路)ANDに入力される。 Similarly, the carriers generated immediately below the photogate electrode PG due to the incidence of light, when a high potential is applied to the gate electrode TX2, are connected to the node that is the input terminal of the charge amplifier CA2 via the electrode wiring 21g. It flows into P3. Assuming that the charge amplifier CA2 is reset, the carriers flowing into the node P3 are accumulated in the capacitor C2b connected between the input and output terminals of the charge amplifier CA2 by disconnecting the switches SW2r and SW2a. . Since the gate electrode TX2 is repeatedly given a high potential, the amount of charge of carriers accumulated in the capacitor C2b gradually increases, and the output voltage of the charge amplifier CA2 rises. When the potential of the node P4, which is the output terminal of the charge amplifier CA2, exceeds the threshold value Vth, the output VCOMP2 of the comparator COMP2 becomes high level, and the output of the comparator COMP2 is slightly passed through the D latch FF2. After being given a delay, it is input to an AND circuit (AND circuit) AND.

論理積回路ANDは、双方の入力がハイレベルの場合に、出力端子である節点P5のレベルをハイレベルとする。論理積回路ANDの出力がハイレベルの場合には、スイッチSW1a,SW2aが接続される。スイッチSW1a,SW2aは、節点P1,P3と、電荷引き抜き用キャパシタC1a,C2aとの間にそれぞれ接続されている。電荷引き抜き用キャパシタC1a,C2aの両端間にはそれぞれ短絡スイッチSW1c,SW2cが接続され、各キャパシタC1a,C2aの一方端は、電位Vに接続されている。短絡スイッチSW1c,SW2cが切断された状態で、スイッチSW1a,SW2aが接続されると、キャパシタC1b,C2bに蓄積されたキャリア(電荷)が、キャパシタC1a,C2a内に流れ込み、キャパシタC1b,C2bから一定量の電荷が減算される。 The AND circuit AND sets the level of the node P5, which is an output terminal, to a high level when both inputs are at a high level. When the output of the AND circuit AND is high, the switches SW1a and SW2a are connected. The switches SW1a and SW2a are connected between the nodes P1 and P3 and the charge extracting capacitors C1a and C2a, respectively. Short-circuit switches SW1c and SW2c are connected between both ends of the charge extracting capacitors C1a and C2a, respectively, and one end of each of the capacitors C1a and C2a is connected to the potential VA . When the switches SW1a and SW2a are connected while the short-circuit switches SW1c and SW2c are disconnected, carriers (charges) accumulated in the capacitors C1b and C2b flow into the capacitors C1a and C2a, and are constant from the capacitors C1b and C2b. The amount of charge is subtracted.

これにより、チャージアンプCA1,CA2の出力電圧は、外光に相当する直流分が減じられて大きく低下することになる。したがって、比較器VCOMP1、VCOMP2の出力は、ローレベルとなり、DラッチFF1,FF2によりローレベルに切り替わってから僅かに遅延して、論理積回路ANDの出力がローレベルに切り替わり、スイッチSW1a、SW2aが切断される。 As a result, the output voltages of the charge amplifiers CA1 and CA2 are greatly reduced by reducing the direct current component corresponding to the external light. Accordingly, the outputs of the comparators V COMP1 and V COMP2 become low level, and after a slight delay after being switched to low level by the D latches FF1 and FF2, the output of the AND circuit AND is switched to low level, and the switches SW1a, SW1a, SW2a is disconnected.

キャリアの引き抜き後、スイッチSW1a,SW2aが切断された状態で、各キャパシタC1a,C2aに設けられた短絡スイッチSW1c,SW2cを接続して、キャパシタC1a,C2aに蓄積された電荷を放電する。   After the carriers are extracted, in a state where the switches SW1a and SW2a are disconnected, the short-circuit switches SW1c and SW2c provided in the capacitors C1a and C2a are connected to discharge the charges accumulated in the capacitors C1a and C2a.

これにより、信号分に対応する電荷がキャパシタC1b,C2b内に残留するが、以上の動作を残留電荷量がある程度の値になるまで繰り返し、積算を行う。   As a result, the charge corresponding to the signal remains in the capacitors C1b and C2b. The above operation is repeated until the residual charge amount reaches a certain value, and integration is performed.

上述のように、減算手段を構成する電荷引き抜き用キャパシタC1a,C2aは、それぞれのキャパシタC1b、C2bの入力側にスイッチSW1a,SW2aを介して接続されており、キャパシタC1b、C2bに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値が、全て閾値Vthを超えた旨を、判定手段が示す場合には、スイッチSW1a,SW2aは接続される。この場合、スイッチSW1a,SW2aを接続すると、元のキャパシタC1b、C2bに蓄積された電荷量が、引き抜き用キャパシタC1a,C2aに移動するため、元のキャパシタC1b、C2bに蓄積された電荷量の減算処理が行われたこととなる。   As described above, the charge extracting capacitors C1a and C2a constituting the subtracting means are connected to the input sides of the respective capacitors C1b and C2b via the switches SW1a and SW2a, and the carriers accumulated in the capacitors C1b and C2b. When the determination means indicates that all the values corresponding to the amount of charges exceed the threshold value Vth, the switches SW1a and SW2a are connected. In this case, when the switches SW1a and SW2a are connected, the amount of charge accumulated in the original capacitors C1b and C2b moves to the extraction capacitors C1a and C2a, so that the amount of charge accumulated in the original capacitors C1b and C2b is subtracted. Processing has been performed.

しかる後、リセットを行う。リセット時には、スイッチSW1r,SW2rを接続し、節点P2,P4を基準電位Vrefに接続する。これにより、キャパシタC1b,C2bの出力側の電位は、基準電位Vrefとなる。一方、キャパシタC1b,C2bの入力側の電位は、オペアンプA1,A2の仮想接地により、電位Vに固定されているが、オペアンプの2つの入力端子間にスイッチを設けて強制的に短絡し、電位Vに固定することもできる。 After that, reset. At reset, the switches SW1r and SW2r are connected, and the nodes P2 and P4 are connected to the reference potential Vref. As a result, the potential on the output side of the capacitors C1b and C2b becomes the reference potential Vref. On the other hand, the capacitor C1b, input side potential of C2b is the virtual ground of the operational amplifier A1, A2, are fixed to the potential V B, forcibly short-circuited a switch between the two input terminals of the operational amplifier, It may be fixed to the potential V B.

すなわち、キャパシタC1b,C2bを入出力端子間に含むチャージアンプCA1,CA2の入力端子である節点P1,P3と、出力端子である節点P2,P4は、異なる電位でリセットされ、リセット後にキャパシタC1b,C2bへのキャリア蓄積が行われている。   That is, the nodes P1 and P3 which are input terminals of the charge amplifiers CA1 and CA2 including the capacitors C1b and C2b between the input and output terminals and the nodes P2 and P4 which are output terminals are reset at different potentials. Carrier accumulation in C2b is performed.

チャージアンプCA1,CA2への入力電荷は、電圧に変換されて出力されている。なお、キャパシタC1b,C2bの蓄積電荷に対応する値は、チャージアンプC1b,C2bの出力電圧VOUT1,VOUT2である。チャージアンプCA1,CA2のリセット時の入力端子と出力端子の電位を変えておくことで、キャパシタC1b,C2bに蓄積可能な電荷量のダイナミックレンジを広くすることができる。 Input charges to the charge amplifiers CA1 and CA2 are converted into voltages and output. The values corresponding to the charges accumulated in the capacitors C1b and C2b are the output voltages V OUT1 and V OUT2 of the charge amplifiers C1b and C2b. By changing the potentials of the input terminal and the output terminal when the charge amplifiers CA1 and CA2 are reset, the dynamic range of the amount of charge that can be accumulated in the capacitors C1b and C2b can be widened.

なお、各電位V,V,Vrefは、上述の機能を達成すべく、設定される。また、VOUT1,VOUT2は、それぞれ電荷量Q1,Q2に対応するものであり、上述の数式に従って、これから距離を演算することができる。さらに、外光強度を測定する別の光検出素子を設け、閾値Vthを、この光検出素子によって検出された外光強度に応じて設定することとしてもよい。 Note that the potentials V A , V B , and Vref are set to achieve the above-described function. Further, V OUT1 and V OUT2 correspond to the charge amounts Q1 and Q2, respectively, and the distance can be calculated therefrom according to the above formula. Furthermore, another light detection element for measuring the external light intensity may be provided, and the threshold value Vth may be set according to the external light intensity detected by the light detection element.

以上、説明したように、実施形態に係る測距装置は、変調した光を対象物に照射し、対象物で反射された光の入射に応答して発生したキャリアを時分割で振り分け、振り分けられたキャリアの電荷量に基づいて、対象物までの距離を求める測距装置を対象としている。   As described above, the distance measuring apparatus according to the embodiment irradiates the object with the modulated light, and distributes and distributes the carriers generated in response to the incident light reflected by the object in a time division manner. A distance measuring device that obtains the distance to the object based on the charge amount of the carrier is the object.

ここで、複数のキャパシタC1b,C2bは、それぞれ半導体領域FD1、FD2に振り分けられたキャリアをそれぞれ蓄積している。また、判定手段としての比較器COMP1,COMP2及び論理積回路ANDは、キャパシタC1b,C2bに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値(出力電圧VOUT1,VOUT2)が、全て閾値Vthを超えたかどうかを判定している。また、キャパシタC1b,C2bに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値(出力電圧VOUT1,VOUT2)が、全て閾値Vthを超えた旨を、判定手段が示す場合には、減算手段としてのスイッチSW1a,SW2a及び電荷引き抜き用キャパシタC1a,C2aは、それぞれのキャパシタC1b,C2bに蓄積されたキャリアの電荷量から、一定の電荷量を減じている。 Here, the plurality of capacitors C1b and C2b store the carriers distributed to the semiconductor regions FD1 and FD2, respectively. Further, the comparators COMP1 and COMP2 and the AND circuit AND as the determination means all have values (output voltages V OUT1 and V OUT2 ) corresponding to the carrier charge amounts accumulated in the capacitors C1b and C2b exceeding the threshold value Vth. It is determined whether or not. When the determination means indicates that the values (output voltages V OUT1 , V OUT2 ) corresponding to the charge amounts of the carriers accumulated in the capacitors C1b and C2b all exceed the threshold value Vth, the subtraction means The switches SW1a and SW2a and the charge extracting capacitors C1a and C2a subtract a certain amount of charge from the amount of carriers stored in the capacitors C1b and C2b.

各キャパシタC1b,C2bに蓄積された電荷量は、対象物までの距離dに依存するが、この中には対象物からの反射光以外の光、すなわち、外光も含まれている。外光は一定値であるため、全ての値が閾値Vthを超えた場合に、減算手段は一定値を蓄積電荷量から減じることで、キャパシタC1b,C2bの飽和を抑制している。ここで、一定値を差し引いても、キャパシタC1b,C2b内には、対象物からの反射光によって発生したキャリアが測距有効電荷として残留しており、減算後においてキャパシタC1b,C2b内に測距有効電荷を更に蓄積することができる。したがって、電荷の積算によって、キャパシタC1b,C2bに蓄積される電荷のS/N比は向上するため、正確な測距が可能となる。   The amount of charge accumulated in each of the capacitors C1b and C2b depends on the distance d to the object, but this includes light other than the reflected light from the object, that is, outside light. Since the external light is a constant value, when all the values exceed the threshold value Vth, the subtracting unit subtracts the constant value from the accumulated charge amount to suppress the saturation of the capacitors C1b and C2b. Here, even if a constant value is subtracted, the carriers generated by the reflected light from the object remain in the capacitors C1b and C2b as the ranging effective charges, and the distances are measured in the capacitors C1b and C2b after the subtraction. Effective charges can be further accumulated. Accordingly, since the S / N ratio of the charges accumulated in the capacitors C1b and C2b is improved by the charge integration, accurate distance measurement is possible.

また、上述のように、判定手段は、それぞれのキャパシタC1b,C2bに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値(出力電圧VOUT1,VOUT2)がそれぞれ入力される複数の比較器COMP1,COMP2と、比較器COMP1,COMP2の出力がそれぞれ入力される複数のDラッチ回路FF1,FF2と、Dラッチ回路FF1,FF2の出力が入力される論理積回路ANDとを備えており、論理積回路ANDの出力は減算手段のスイッチSW1a,SW2aに入力されている。 In addition, as described above, the determination unit includes a plurality of comparators COMP1 and COMP2 to which values (output voltages V OUT1 and V OUT2 ) corresponding to the charge amounts of carriers accumulated in the capacitors C1b and C2b are respectively input. A plurality of D latch circuits FF1 and FF2 to which the outputs of the comparators COMP1 and COMP2 are respectively input, and an AND circuit AND to which the outputs of the D latch circuits FF1 and FF2 are input. Is input to the switches SW1a and SW2a of the subtracting means.

この場合、比較器COMP1,COMP2の出力が切り替わってから、これが論理積回路ANDに入力されるまでの期間に遅れがあるため、論理積回路ANDが確実に全ての値の閾値超えを認識してから、上記減算処理を行うことができ、また、リセット時などの場合に、比較器COMP1,COMP2から不本意な出力が瞬間的に出力された場合においては、論理積回路ANDが全ての値の閾値超えを認識しないので、誤認識に基づく誤動作を抑制することができる。   In this case, since there is a delay in the period from when the outputs of the comparators COMP1 and COMP2 are switched to when they are input to the AND circuit AND, the AND circuit AND reliably recognizes that all values exceed the threshold value. From the above, the subtracting process can be performed, and when an unintentional output is instantaneously output from the comparators COMP1 and COMP2 at the time of resetting or the like, the AND circuit AND outputs all the values. Since it is not recognized that the threshold value is exceeded, malfunctions based on misrecognition can be suppressed.

図7は、上述の回路の動作を説明するためのタイミングチャートである。なお、比較器出力VCOMP1,VCOMP2は、Dラッチ回路の後段における出力を示している。 FIG. 7 is a timing chart for explaining the operation of the above-described circuit. Note that the comparator outputs V COMP1 and V COMP2 indicate outputs at the subsequent stage of the D latch circuit.

チャージアンプCA1,CA2の出力電圧VOUT1,VOUT2は、予め基準電位Vrefにリセットされる。この状態で、時間の経過と共に、出力電圧VOUT1,VOUT2が上昇し、一方の出力電圧VOUT1が閾値Vthを超えた場合には(時刻t)、僅かに遅延して比較器VCOMP1からの出力がハイレベルとして論理積回路ANDに入力され(時刻t)、もう一方の出力電圧VOUT2も閾値Vthを超えた場合には(時刻t)、僅かに遅延して比較器VCOMP2からの出力がハイレベルとして論理積回路ANDに入力され(時刻t)、論理積回路ANDの出力がハイレベルとなり、上述の電荷の引き抜きが行われる。これにより、出力電圧VOUT1はΔVだけ低下し、信号成分となる測距有効電荷に対応した電圧Aが残留し、同様に出力電圧VOUT2もΔVだけ低下し、信号成分となる測距有効電荷に対応した電圧Bが残留する。しかる後、双方の比較器出力VCOMP1,VCOMP2がローレベルに切り替わり、出力電圧VOUT1,VOUT2は再び上昇を始める。この動作は、リセットが行われるまで継続する。 Output voltages V OUT1 and V OUT2 of charge amplifiers CA1 and CA2 are reset in advance to reference potential Vref. In this state, as time elapses, the output voltages V OUT1 and V OUT2 rise, and when one output voltage V OUT1 exceeds the threshold value Vth (time t 1 ), the comparator V COMP1 is slightly delayed . Is output to the AND circuit AND as a high level (time t 2 ), and when the other output voltage V OUT2 exceeds the threshold value Vth (time t 3 ), the comparator V is slightly delayed. The output from COMP2 is input to the AND circuit AND as a high level (time t 4 ), the output of the AND circuit AND becomes a high level, and the above-described charge extraction is performed. As a result, the output voltage V OUT1 decreases by ΔV, and the voltage A corresponding to the ranging effective charge that becomes the signal component remains. Similarly, the output voltage V OUT2 also decreases by ΔV, and the ranging effective charge that becomes the signal component A voltage B corresponding to remains. Thereafter, both comparator outputs V COMP1 and V COMP2 are switched to a low level, and the output voltages V OUT1 and V OUT2 begin to rise again. This operation continues until a reset is performed.

ここで、上記閾値Vthは、キャパシタC1b,C2bの飽和電荷量に対応する値(キャパシタC1b,C2b及びチャージアンプCA1,CA2が飽和したときの出力電圧VOUT1,VOUT2)=Vsatの半分(50%)以下に設定されることが好ましい。すなわち、キャパシタC1b,C2bが飽和してから初めて減算を行うのではなく、キャパシタの飽和よりも随分と低い値で減算を行う。これにより、測距有効電荷の積算回数を増加させても、キャパシタC1b,C2bが飽和しないため、積算回数を増加させることで、S/N比を向上させ、更に正確な測距を可能とする。
また、上述の装置では、検出される信号が小さいときには、減算処理が行われないので、そのまま計測を行うことができる。また、上述のトランジスタPGの代わりに、逆バイアス印加されたフォトダイオードを用いることができる。
Here, the threshold value Vth is a value corresponding to the saturation charge amount of the capacitors C1b and C2b (output voltages V OUT1 and V OUT2 when the capacitors C1b and C2b and the charge amplifiers CA1 and CA2 are saturated) = half of Vsat (50 %) Or less is preferably set. That is, the subtraction is not performed for the first time after the capacitors C1b and C2b are saturated, but is performed at a value much lower than the saturation of the capacitors. As a result, the capacitors C1b and C2b do not saturate even when the number of effective ranging charge accumulations is increased. Therefore, increasing the number of integrations improves the S / N ratio and enables more accurate distance measurement. .
In the above-described apparatus, when the detected signal is small, the subtraction process is not performed, so that the measurement can be performed as it is. Further, a photodiode to which a reverse bias is applied can be used instead of the above-described transistor PG.

測距装置の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of a distance measuring device. 測距センサ1の平面図である。2 is a plan view of the distance measuring sensor 1. FIG. 図2に示した測距センサのIII−III矢印断面図である。FIG. 3 is a sectional view of the distance measuring sensor shown in FIG. 2 along arrows III-III. 変形例に係る測距センサの断面図である。It is sectional drawing of the distance measuring sensor which concerns on a modification. 図3又は図4に示した測距センサの領域Vの拡大図である。FIG. 5 is an enlarged view of a region V of the distance measuring sensor shown in FIG. 3 or FIG. 4. 配線基板10内の回路を示す回路図である。2 is a circuit diagram showing a circuit in the wiring board 10. FIG. 回路動作を説明するためのタイミングチャートである。It is a timing chart for explaining circuit operation.

符号の説明Explanation of symbols

PG・・・フォトゲート電極、TX1,TX2・・・ゲート電極、COMP1,COMP2・・・比較器、AND・・・論理積回路、C1b,C2b・・・キャパシタ、C1a,C2a・・・電荷引き抜き用キャパシタ。


PG ... Photo gate electrode, TX1, TX2 ... Gate electrode, COMP1, COMP2 ... Comparator, AND ... AND circuit, C1b, C2b ... Capacitor, C1a, C2a ... Charge extraction Capacitor.


Claims (5)

変調した光を対象物に照射し、当該対象物で反射された光の入射に応答して発生したキャリアを時分割で振り分け、振り分けられたキャリアの電荷量に基づいて、前記対象物までの距離を求める測距装置において、
前記振り分けられたキャリアをそれぞれ蓄積する複数のキャパシタと、
前記キャパシタに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値が、全て閾値を超えたかどうかを判定する判定手段と、
前記キャパシタに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値が、全て閾値を超えた旨を、前記判定手段が示す場合には、それぞれの前記キャパシタに蓄積されたキャリアの電荷量から、一定の電荷量を減じる減算手段と、
を備える、
ことを特徴とする測距装置。
The target is irradiated with the modulated light, the carriers generated in response to the incident light reflected by the target are distributed in a time-sharing manner, and the distance to the target is determined based on the charge amount of the distributed carriers. In the distance measuring device that calculates
A plurality of capacitors each storing the sorted carriers;
A determination means for determining whether or not all values corresponding to the charge amount of carriers accumulated in the capacitor have exceeded a threshold;
When the determination means indicates that all the values corresponding to the charge amount of the carriers accumulated in the capacitors have exceeded the threshold value, a constant charge is obtained from the charge amount of the carriers accumulated in the respective capacitors. Subtracting means for reducing the amount;
Comprising
A distance measuring device characterized by that.
前記閾値は、前記キャパシタの飽和電荷量に対応する値の50%以下に設定される、
ことを特徴とする請求項1に記載の測距装置。
The threshold value is set to 50% or less of a value corresponding to the saturation charge amount of the capacitor.
The distance measuring apparatus according to claim 1.
それぞれの前記キャパシタを入出力端子間に含むチャージアンプを更に備え、
前記チャージアンプの入力端子と出力端子は、異なる電位でリセットされ、リセット後に前記キャパシタへのキャリア蓄積が行われる、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の測距装置。
A charge amplifier including each of the capacitors between the input and output terminals;
The input terminal and the output terminal of the charge amplifier are reset at different potentials, and after the reset, carrier accumulation in the capacitor is performed.
The distance measuring apparatus according to claim 1 or 2, wherein
前記減算手段は、
それぞれの前記キャパシタの入力側にスイッチを介して接続された電荷引き抜き用キャパシタを備えており、
前記キャパシタに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値が、全て閾値を超えた旨を、前記判定手段が示す場合には、前記スイッチは接続される、
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の測距装置。
The subtracting means is
A charge extracting capacitor connected to the input side of each capacitor via a switch;
When the determination means indicates that all the values corresponding to the amount of charge of carriers accumulated in the capacitor have exceeded the threshold, the switch is connected,
The distance measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein
前記判定手段は、それぞれの前記キャパシタに蓄積されたキャリアの電荷量に対応する値がそれぞれ入力される複数の比較器と、
前記比較器の出力がそれぞれ入力される複数のDラッチ回路と、
前記Dラッチ回路の出力が入力される論理積回路と、
を備え、前記論理積回路の出力は前記減算手段に入力される、
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の測距装置。
A plurality of comparators each receiving a value corresponding to a charge amount of carriers accumulated in each capacitor;
A plurality of D latch circuits each receiving an output of the comparator;
An AND circuit to which the output of the D latch circuit is input;
The output of the AND circuit is input to the subtracting means.
The distance measuring device according to any one of claims 1 to 4, wherein
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