JP2011514709A - 三次元アクティブ画像処理デバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、入射光（４４）に応じた電荷を生成する光電素子部（４２）と、該光電素子部（４２）に接続され、電荷を電圧に変換する電荷積分部（４６，４８，５０）とからなる装置に関する。本発明によれば、上記の装置は、積分部（４６，４８，５０）によって与えられた電圧としきい値電圧とを比較する機能を有した比較部（５２）と、積分部によって与えられた電圧がしきい値電圧を超えた時間を格納する記憶部（５６）とを具備する。

Description

本発明は、三次元アクティブ画像処理（イメージング）の分野、特に、検出器素子、又は、配列されてこのタイプの画像処理に用いられる検出器の一部分を形成する画素（ピクセル）に関する。

ＬＡＤＡＲ（Laser Detection and Ranging）システムなどの三次元アクティブ画像処理の分野で使用されるシステムは、例えば、レーザーを用いてパルス状の短い電磁波バーストを放射するとともに、放射光の経路に位置する障害物によって反射された光束を検出するために、放射されるスペクトル帯を感知する画像処理装置を用いる。

これらのシステムは、検出した反射光束に刻時情報を組み合わせて、例えば、情報の順序付け又は刻時などを行い、それによって、距離情報を決定することができる。この距離情報は、古典的には、以下の式を用いて、パルス（パルスの伝搬速度は既知とする）の往復移動遅延に応じた時間から距離への換算によって生成される。
ｄ＝ｃ ｔ／２
ここで、ｄは距離であり、ｃはパルス伝搬速度であり、ｔはパルスが往路及び復路を移動し終える時間である。

通常、情景の三次元画像を取得するために、三次元アクティブ画像処理システムは、例えば、非特許文献１に記載されたような「画像スライシング（image slicing）」と称される技術を利用する。

この技術の原理を図１及び図２に示す。システム１０の放射部は、観察対象である情景２０に向かって、一連の連続したレーザーパルス１２〜１８を送出する。その後、各パルスについて、システム１０の検出部が、システムによって制御される時間枠２２〜２８の間、情景２０によって反射された光束を取得する。

レーザーパルス１２〜１８の生成と、対応する時間枠２２〜２８の開始との間の遅延は、システムによって情景２０の目視距離に応じて調整され、かつその期間は、観察深度を調整する。

故に、例えば、第１時間枠２２は、距離５キロメートル及び奥行き１メートルで情景２０を観察するように調整される。これは、霧３０の１つの画像スライスＴ１に相当する。一方、最後の時間枠２８は、距離６キロメートル及び奥行き１メートルで情景２０を観察するように調整される。これは、建物３２の１つの画像スライスＴ４に相当する。

画像スライシングを用いるそのような三次元画像処理システムにおいて、解像度は、時間枠２２〜２８の幅によって制限を受ける。高い解像度を得るためには、多数のパルス／時間枠の組を生成しなければならない。しかしながら、より多くのパルスを生成すればするほど、三次元画像を再構成するために必要となる時間も長くなる。これは、特定の用途、特に、リアルタイムな三次元画像処理には向いていない。さらに、パルス数の増加は、人目に付かないシステムに求められる隠密性に不利な影響を及ぼす。

一般に「三次元フラッシュ（3D flash）」システムと称される別の画像処理システムは、１つのレーザーパルスだけを使用する。そのようなシステムは、例えば、特許文献１に記載されている。このタイプのシステムでは、情景によって反射された光束の強度は、パルスが戻った瞬間に、光束検出部の一部分を形成する画素毎に独立して測定及び刻時されなければならない。

パルスが戻った瞬間を独立的に刻時する（より広範には、「経過時間測定（time-of-flight measurement）」と表現される）ために、いくつかの技術が開発されている。例えば、経過時間測定は、各画素でのフィルタリングにより、画素で検出された反射光束の最大振幅を測定することによって（例えば、非特許文献２を参照されたい）、又は、パルス重複時間をサンプリングすることによって（例えば、特許文献２を参照されたい）実現される。

しかしながら、反射光束のフィルタリングによる最大振幅の測定では、電流積分による従来の光束測定を実行できない。したがって、そのような技術を使用する画像処理システムの二次元性能は低いものとなる。さらに、そのようなシステムは、マルチモード検出を実現するためには、どちらかといえば不適当である。ここで、マルチモード検出とは、二次元パッシブ画像処理（すなわち、放射波無しでの画像処理）と、二次元アクティブ画像処理（すなわち、放射波は用いるが距離測定を伴わない画像処理）と、三次元アクティブ画像処理とのいずれをも実行可能なことを指す。

これだけでなく、重複サンプリングによる経過時間測定も、技術設計問題に直面している。要約すると、１つの画素の面積で多数のサンプルを格納することが困難である。そのうえ、サンプリング周期は、回路の実装に用いられた技術に大きく依存する。

最後に、この技術の使用は、多大な電力消費をもたらす。これは、特定の用途、特に、可搬式画像処理システムに向かない。したがって、この技術を用いるシステムは、時間的限界を有し、経過時間の測定に制限を受ける。

また、特許文献３は、例えば、その図５に示されたような三次元画像処理システムを開示している。そこでは、検出器によって生成された電荷は、最初に増幅される（ユニット１５２）。増幅器１５２の出力は、まず、積分器（ユニット１６４）に、次いで、比較器（ユニット１５４）に接続される。積分器１６４は、増幅された信号の積分を行う。比較器１５４は、パルスが検出器に到達した瞬間を決定するために、増幅された信号としきい値との比較を行う。故に、電荷測定及び経過時間測定は、並列に接続された積分器及び比較器を用いて平行して実行される。この回路は、多数の構成要素を必要とする、入力信号の全範囲にわたって十分に線形となる増幅器１５２を必要とするなどといった、いくつかの欠点を有する。実際には、入力増幅器、比較器、及び積分器をそれぞれ実現するために、少なくとも３つの演算増幅器が必要となる。演算増幅器の実装には、通常、広い基板面積を要し、そのような回路全体の容積は、現在のアレイ設計を用いたのでは、通常、非常に大きくなる。さらに、そのような回路の消費電力は高くなり、これは、測定品質を低下させる追加的なノイズを発生させる。

米国特許第６１３３９８９号明細書 米国特許第２０６０６２号明細書 米国特許出願公開第２００６／０００７４２２号明細書

I. Baker, S. Duncan, and J. Copley, "A low noise, laser-gated imaging system for long range target identification", Proceedings of SPIE, vol. 5406, pages 133-144 M. Browder et al., "3D imaging laser radar", Proceeding of SPIE, vol. 4377, pages 73-83

本発明の目的は、反射光束及び経過時間の同時測定を可能にすると同時に、マルチモード使用を可能にし、かつ不利益となる高い電力消費を必要としない三次元アクティブ画像処理用装置を提案することによって、上記の問題を解決することにある。

この目的を達成するために、本発明の一態様は、入射光に応じた電荷を生成する光電素子部と、該光電素子部に接続され、電荷を電圧に変換する電荷積分部とからなる装置である。一般的に言えば、光電素子は、積分部の入力に電流を供給する。この電圧は、積分部のコンデンサの端子間で積分され、このコンデンサの端子間の電圧が積分部の出力電圧となる。積分部の出力電圧は、光電素子によって生成された電荷のイメージ電圧である。

本発明によれば、この装置は、積分部によって与えられた電圧としきい値電圧とを比較する機能を有した比較部と、積分部によって与えられた電圧がしきい値電圧を超えた時間を格納する記憶部とを具備する。

換言すれば、反射光束は、例えば、積分部に接続されたフォトダイオード又はフォトトランジスタを用いることによって、従来通り測定される。積分部の出力に位置する比較部は、積分部によって与えられた電圧の増大を検出でき、この増大は、光電素子への入射光を表わす。故に、比較部のしきい値を超えた間は、経過時間を決定できる。

さらに、積分部と比較部とは、直列に接続される。積分部は、光電素子の直後で装置の入力段を構成し、比較部に必要となる電流−電圧変換を実行する（積分部によって出力される信号は電圧である）。換言すれば、光電素子と比較部との間に、専用の増幅器などの電流−電圧変換回路を提供する必要がない。実際には、特許文献３に記載された装置とは対照的に、演算増幅器を実装する必要をなくす。

また、当然ながら、光電素子によって生成される電荷の線形増幅手段を提供する必要がなく、これは、回路設計を単純化する。つまり、線形増幅の実現は一般に困難であり、広い基板面積と相当な電力とを要する。さらに、積分器による電流−電圧変換機能の実現によって、増幅器などの変換器に関連した帯域及びノイズ感度の問題が克服できる。

さらには、従来の積分器を使用することによって、比較器が光束測定の全動作を妨害することがないので、マルチモードが使用できるようになる。さらに、経過時間を測定するための専用の構成要素は、エネルギー消費の多くない単純な構成要素（比較器及びメモリ）である。

本発明の一実施態様によれば、積分部は、可変増幅利得を有しており、しきい値電圧を超える時間の前の積分部の増幅利得は、上記しきい値電圧を超えた時間の後の増幅利得よりも大きくなる。特に、積分部は、
第１コンデンサによって負フィードバックされるように配置された演算増幅部と、第２切換可能コンデンサとを具備する。第１コンデンサは、第２コンデンサよりも小さい静電容量を有する。第２コンデンサは、しきい値電圧を超えた時間の後に、第１コンデンサに並列に接続されるように構成される。

第１コンデンサの静電容量は、しきい値電圧を超えた時間を決定するときの所望の精度に応じて選択される。

換言すれば、積分部の入力上の電荷は、最初に、高い増幅利得を備えた電圧に変換される。つまり、積分部の出力電圧がすみやかにしきい値電圧に達し、故に、経過時間の正確な検出が可能となる。しきい値電圧を超えると、積分部の利得は、光電素子によって生成された全電荷を積分するように減らされる。

故に、コンデンサ一式によるフィードバック安定化がなされた増幅部が積分部に含まれている場合、（このコンデンサ一式の総静電容量がより小さいほど、コンデンサ一式の端子間に掛かる積分部の出力電圧は急速に増大するので）増幅部は、初期に小さい値を有する静電容量によってフィードバック安定化される。したがって、積分部の時間定数は小さくなり、その出力上のしきい値電圧に急速に達する。したがって、経過時間測定がより正確になる。

また、この測定がなされると、大きい値の静電容量が増幅部のフィードバック安定化に使用される。この静電容量は、光電素子への入射光によって生成された全電荷の積分を可能とするようにサイズが決められる。当然ながら、第１コンデンサによって積分された電荷は失われないが、並列に接続されたコンデンサの最終的な静電容量へと変換される。

本発明の一実施態様によれば、装置は、光電素子への入射開始時間と、積分部によって与えられた電圧に応じたしきい値電圧超過の時間とに対応する検出遅延を推定する推定部と、推定した検出遅延を減算することによって、しきい値を超えた時間を補正する補正部とをさらに具備する。特に、検出遅延を推定する推定部は、以下の式に従って、推定を行う機能を有する。

ここで、ΔＶ_ｉｎｔは、光電素子への入射光に対応する電圧の変化であり、ａ、ｂ、α、及びβは、所定のパラメータである。

換言すれば、経過時間の検出には待ち時間が存在する。つまり、光電素子への光束入射の開始と、比較部のしきい値電圧を超えた時間の測定開始との間には、ある程度の遅延が存在している。

積分部の特性と、積分部によって与えられた電圧の特性とに従って、この待ち時間を推定することが可能である。故に、装置の時間的な精度を向上させるように、経過時間測定補正をなすことができる。

本発明の一実施態様によれば、比較部のしきい値電圧は、実質的に以下の式に等しい電圧となるように調整される。

ここで、Ｖ_ｃｏｍｐは、所定の電圧であり、

は、積分部オフセット電圧であり、

は、比較部オフセット電圧である。

換言すれば、積分部及び比較部は、理想的なものではない。特に、それらによって与えられる電圧は、経過時間測定誤差に起因するオフセット誤差によって精度が落ちる。比較部のしきい値電圧にこれらのオフセット値を組み込むことで、経過時間測定へのそれらの影響を除去する。

特に、装置は、
・比較部の出力を該比較部のしきい値電圧入力に接続する機能を有した第１切換部と、
・比較部のしきい値電圧入力と第２及び第２切換部の第１端子との間に接続された第３コンデンサと
をさらに具備する。第３コンデンサの第２端子は、接地と、所定の電圧とにそれぞれ接続される。

比較部のしきい値電圧は、第１及び第２切換部が閉状態に切り換わり、かつ第３切換部が開状態に切り換わることと、次いで、第１及び第２切換部が開状態に切り換わり、かつ第３切換部が閉状態に切り換わることとによって調整される。

換言すれば、積分部及び比較部の実オフセットは、しきい値電圧で得られ、装置の初期化を簡易な手続きとする。これは、製造時の校正手続きを取り除くと同時に、実オフセット誤差が補償されることを保証する。

また、本発明の一態様は、上記のタイプの装置を複数具備してなる画像処理アレイである。

また、本発明の一態様は、調整可能発光源と、該発光源からの放射光を検出する機能を有した検出アレイとからなる三次元アクティブ画像処理システムである。本発明によれば、検出アレイは、上記のタイプの装置を複数具備してなる。

導入部に記載した画像スライシング技術を用いた三次元アクティブ画像処理を示す。 導入部に記載した画像スライシング技術を用いた三次元アクティブ画像処理を示す。 本発明による画素の第１実施形態の概略図である。 本発明による、１つの読み取りフレーム間の画素中の信号のタイミング図である。 本発明による、１つの読み取りフレーム間の画素中の信号のタイミング図である。 本発明による、１つの読み取りフレーム間の画素中の信号のタイミング図である。 本発明による画素の第２実施形態の概略図である。 本発明による画素の第３実施形態の概略図である。

例示のみを目的として与えられ、かつ添付の図面に関連する以下の記載によって、本発明は、より容易に理解可能となる。図中では、同一の参照符号は、同一又は類似の構成要素を表す。

図３において、本発明による装置又は画素４０は、入射光４４を受け取り、該入射光４４に応じて、電流「Ｉ_ｉｎ」を生成する機能を有したフォトダイオード４２を具備する。

フォトダイオード４２のアノードは、接地され、カソードは、演算増幅部４６の反転入力（−）端子に接続される。演算増幅部４６は、２つのコンデンサ４８，５０を備えた積分器として形成され、増幅部４６の出力と増幅部の反転入力（−）端子との間でフィードバック安定化を行う。

また、増幅部４６は、その非反転入力（＋）端子で基準電圧Ｖ_ｒｅｆを受け取り、電圧Ｖ_ｉｎｔを出力する。電圧Ｖ_ｉｎｔは、入射光４４に起因してフォトダイオード４２で生成された電荷に比例する。

また、画素４０は、比較部５２を具備する。比較部５２の正端子（＋）は、増幅部４８の出力Ｖ_ｉｎｔに接続され、負（−）端子は、所定のしきい値電圧Ｖ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}を受け取る。したがって、比較部５２は、その正（＋）端子と負（−）端子との間の差分電圧を出力する。

また、比較部５２の出力には、遮断部５４が設けられる。遮断部５４の出力は、第１電圧から第２電圧に切り換えられる。第２電圧は、増幅部４６によって与えられた電圧Ｖ_ｉｎｔがしきい値電圧Ｖ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}を超えた瞬間、第１電圧を越える。この切換が行われると、遮断部５４の出力は、以後、初期化が実行されるまで、第２電圧でラッチされ続ける。

メモリユニット５６は、遮断部５４の出力に接続されて、クロック部（図示せず）から受け取った時間軸に基づいて、遮断部５４の出力が切り換わった時間を格納する。

また、第２コンデンサ５０と直列に、第１切換部５８が設けられる。切換部５８は、遮断部５４の出力によって駆動されて、該出力が第１電圧から第２電圧に切り換わったとき、すなわち、増幅部４６によって与えられた電圧Ｖ_ｉｎｔがしきい値電圧Ｖ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}を超えた瞬間に、閉状態となる。そして、第２コンデンサ５０は、第１コンデンサ４８と並列に接続される。

有利には、第１コンデンサは、小さい静電容量Ｃ_３Ｄを有する。ここで、用語「小さい（low）」は、経過時間に対する所望の時間精度と、システムによる取り扱いが可能でなければならない積分部の入力の最小電流レベルとが得られる静電容量値を意味する。

故に、フォトダイオード上に入射光があった際、増幅部４６の出力Ｖ_ｉｎｔが迅速にしきい値電圧Ｖ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}を超えるように、フォトダイオード４２によって生成された電流は、ハイゲインと統合される。しきい値を超えると、すなわち、経過時間が刻時されると、第２コンデンサの接続が確立される。第２コンデンサの静電容量Ｃ_２Ｄは、全入射光束の積分を可能とするサイズである。

最後に、画素は、第２リセット切換部６０を具備する。第２リセット切換部６０は、第１及び第２コンデンサ４８，５０と並列に接続され、ゼロリセット信号によって駆動される。また、このリセット信号は、遮断部５４の初期化をコントロールする。初期化の間、第１及び第２切換部５８，６０は閉状態となる。故に、第１及び第２コンデンサ４８，５０は放電され、遮断部５４の出力は、第１電圧に切り換わる。

故に、増幅部４６の出力は、フォトダイオード４２で測定された入射光を提供し、かつメモリユニット５６の出力は、フォトダイオード４２での入射光の入射開始時間ＴＯＦ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}を提供する。

図４ないし図６は、時間の関数として、画素４０中の信号の一例を示す。３つの図は、情景によって反射された光束がフォトダイオード４２に入射する間の、例えば、図１及び図２に関して記載されたような時間枠２２〜２８を示す。

簡略化のために、フォトダイオード４２の入射光は矩形パルス形状とした。故に、フォトダイオード４２は、図４に示したように、振幅Ｉ_ｐ及び持続期間Ｔ_ｐを有した矩形パルスを生成する。矩形パルスの持続期間Ｔ_ｐが放射レーザーパルスの持続期間と同じであることに留意されたい。

時間枠は、Ｔ_０からＴ_１までの初期化区間を有する。この間に、コンデンサ４８，５０は放電され、かつ図６に示すように、遮断部５４の出力が第１電圧に調整される。

フォトダイオード４２は、時点Ｔ_２において、入射光の効果により、電流を生成する。時点Ｔ_２は、情景によって反射された光束の実時間経過ＴＯＦ_ｒｅａｌである。

電流Ｉ_ｉｎの積分は、この時点Ｔ_２で開始される。次いで、図５に示すように、コンデンサ４８の静電容量値Ｃ_３Ｄが小さいせいで、増幅部４６の出力上の電圧Ｖ_ｉｎｔが急速に増大する。

増幅部４６の出力上の電圧Ｖ_ｉｎｔは、時点Ｔ_２＋Ｔ_ｄｅｔにおいて、コンデンサ５２のしきい値電圧Ｖ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に達する。この瞬間、遮断部５４の出力が第２電圧に切り換わり、それによって、経過時間が刻時される。

これと同じ瞬間に、切換部５８が閉状態となり、第２コンデンサ５０と第１コンデンサ４８とが並列に接続される。次いで、初期に蓄えられていた電荷が、並列に接続された両コンデンサ４８，５０によって形成される総静電容量に変換されて、電流の積分が、ゆるやかな速度で継続される。

したがって、時間枠の終端での増幅部４６の出力電圧は、フォトダイオードによって生成された総電荷量を与える。

同様に、時点Ｔ_２＋Ｔ_ｄｅｔは、経過時間の測定時間を提供する。

経過時間の刻時が、誤差、すなわち、遅延Ｔ_ｄｅｔの影響を受けるということに留意されたい。

（増幅部４６と第１コンデンサ４８によって形成される）初期の積分部が理想的なものであると仮定すると、検出遅延Ｔ_ｄｅｔは、以下の式に従って、比較部のしきい値電圧Ｖ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}と電流積分の前の増幅部の出力電圧Ｖ_ｉｎｔである初期値Ｖ_ｉｎｉとの間の差分と、第１コンデンサ４８の静電容量Ｃ_３Ｄと、フォトダイオード４７によって生成された電流の振幅Ｉ_ｐとから定まる。

有利には、静電容量Ｃ_３Ｄ及びしきい値電圧Ｖ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}は、検出遅延Ｔ_ｄｅｔを最小化するために調整される。故に、静電容量Ｃ_３Ｄは、可能な限り小さい値が選択され、かつしきい値電圧Ｖ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}は、可能な限り初期電圧Ｖ_ｉｎｉに近い値となるように調整される。

しかしながら、検出遅延Ｔ_ｄｅｔの最小化は、積分部を小さな値の静電容量で実現可能であるかによって、また、コンデンサ５２のノイズマージンによって制限を受ける。

つまり、先に記載した画素の動作を満たすことを保証するには、経過時間の正確な刻時を制限する遅延Ｔ_ｄｅｔが常に存在していることを考慮する必要がある。これは、特定の用途で問題となり得る。

図７は、本発明による画素の第２実施形態の概略図である。第２実施形態は、図３に関して記載された第１実施形態とは異なり、メモリユニット５６に格納されたタイムスタンプを補正するためのモジュール７０をさらに具備している。この補正モジュール７０は、例えば、プロセッサによって論理回路として実現されるか、又は、フォトダイオード４２の読み取りを実行する集積回路として実現される。

補正モジュール７０は、増幅部４６の出力に接続され、該出力上の電圧Ｖ_ｉｎｔを測定する。モジュール７０は、以下の式に従って、この電圧に応じた検出遅延Ｔ_ｄｅｔを推定する。

ここで、ΔＶ_ｉｎｔは、時間枠の終端と始端との間の増幅部４６の出力上の電圧Ｖ_ｉｎｔの変化量であり、ａ、ｂ、α、及びβは、所定のパラメータである。

また、モジュール７０によって推定された検出遅延をユニット５６に格納された値から減算するために、メモリユニット５６の出力上に減算部７２が設けられている。

つまり、先に記載した通り、測定された経過時間、すなわち、メモリユニット５６に格納されるものは、以下の式で表すことができる。
ＴＯＦ_{ｍｅａｓｕｒｅｄ}＝ＴＯＦ_ｒｅａｌ＋Ｔ_ｄｅｔ （３）
近似によって、かつフォトダイオード４２への入射光が矩形パルス状であると仮定することによって、検出遅延は、式（１）に従って、又は、より一般的に、以下のように表すことができる。
Ｔ_ｄｅｔ＝α・Ｉ_ｐ＋β （４）
また、フォトダイオード４２によって生成される電流パルスの振幅Ｉ_ｐが増幅部４６の出力電圧Ｖ_ｉｎｔの関数として、以下の式で表せることが証明された。

しかしながら、電流パルスの終端の時点ＴＯＦ_ｒｅａｌ＋Ｔ_ｄｅｔと始端の時点ＴＯＦ_ｒｅａｌとの間で得られた電圧差Ｖ_ｉｎｔ（ＴＯＦ_ｒｅａｌ＋Ｔ_ｐ）−Ｖ_ｉｎｔ（ＴＯＦ_ｒｅａｌ）は、既知であり、時間枠の始端と終端との間での増幅部４６の出力上の電圧差は等しい。

したがって、振幅Ｉ_ｐは、以下のように表すことができる。

式（４）と式（６）との組み合わせで、式（２）が得られる。

式（６）中のパラメータａ及びｂは、先立つ校正フェーズの間に、基準として２つの等しい発光源を用いて、画素に対して決定される。これらは、固定パルス幅Ｔ_Ｐを有する。このパルス幅は、三次元画像処理システムの動作時にも、引き続き使用される。

また、パラメータα及びβは、パラメータａ及びｂが決まった後に、校正フェーズ中に決定される。

これを達成するために、異なる振幅を有した２つのパルスが放射されるとともに、画素を均一に照らすために、画素から既知の距離ｄ離れた同一の障害物による反射とが行われる。したがって、経過時間が測定され、既知となる。

パルス毎に、画素によって測定される反射光束に相当する電圧差ΔＶ_ｉｎｔが測定される。式（６）からパルスの実経過時間及び振幅が既知であるので、パラメータα及びβを算出することができる。

あるいは、所定の補正表と、画素から得られた光束測定値、すなわち、ΔＶ_ｉｎｔとを用いることによって、入射光束と検出遅延Ｔ_ｄｅｔとの間のいかなる関係も利用することなく、経過時間測定補正を行える。

以上に記載した実施形態では、経過時間は、増幅部４６によって与えられた電圧に応じて、比較部５２によって刻時される。

しかしながら、これらの構成要素は、理想的ではなく、経過時間の正確な刻時に悪影響を及ぼす、オフセットを発生させる。特に、増幅部４６及び比較部５２の出力電圧は、それぞれ、オフセット

及びオフセット

によって、精度が落ちる。

図８に示された第３実施形態では、そのようなオフセットに対する補償を行う。

この第３実施形態は、図３に関して記載された第１実施形態とは異なり、以下の構成要素を具備する。すなわち、
− 比較部５２の出力としきい値電圧に用いられる比較部５２の負（−）端子との間に設けられた第３切換部８０と、
− 上記比較部５２の負（−）端子に一方の端子が接続された第３コンデンサ８２と、
− コンデンサ８２の他方の端子と接地との間に設けられた第４切換部８４と、
− コンデンサ８２の上記他方の端子と切換部８６が閉状態になった（かつ、切換部８４が開状態なった）ときコンデンサＣ_ｅｃｈの端子のそれぞれに電位変化ΔＶを生成する機能を有した手段との間に設けられた第５切換部８６とである。

また、この第３、第４、及び第５切換部８０，８４，８６は、オフセット補償ストラテジに従って、信号Φによって駆動される。

リセットフェーズの後、第１オフセット補償フェーズが開始され、第３及び第４切換部８０，８４が閉状態となり、第５切換部８６が開状態となる。これは、以下の式に従って、比較部５２の負（−）端子上に電圧Ｖ_φ１を確立する。

次いで、第２オフセット補償フェーズの間に、第３及び第４切換部８０，８４が開状態となり、第５切換部８６が閉状態となる。これは、以下の式に従って、比較部５２の負（−）端子上に電圧Ｖ_φ２を確立する。

次いで、切換部８０，８４，８６は、入射光束及び経過時間を測定するために、この状態にとどまる。電圧Ｖ_φ２は、先に記載したしきい値電圧Ｖ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}として用いられる。

オフセット

及びオフセット

の値がしきい値電圧Ｖ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}に含まれているので、この値が、比較部５２の出力上に生じるいかなるオフセット

も補償するということは明らかである。次いで、フォトダイオード４２によって生成された電流を積分することによって直接得られる増幅部４６の電圧が、電圧Ｖ_ｒｅｆ＋ΔＶと比較される。

このオフセット補償は、正確な経過時間測定だけでなく、検出遅延の最小化、及び画素に影響を及ぼす技術上のばらつきの観点から頑健性にも効果を発揮する。つまり、用いられる補償法は、画素に存在する実オフセットを補償する。

また、この補償法は、適切な電圧ΔＶを選択すること、例えば、電圧ΔＶの値を可能な限りゼロ値に近づけるように調整することによって、しきい値電圧Ｖ_{ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ}と増幅部４６に接続された比較部５２の正入力上の初期電圧との間の差分を最小化できるようにする。電圧Ｖ_ｉｎｉは、

に等しいことと、比較部５２は、自身の端子間に掛かる電圧差が正のときに切り換わることとに留意されたい。したがって、比較部５２の反転（−）端子上の電圧Ｖ_φ１を維持することは、比較部を不適切にトリガするリスクを伴う。正電圧ΔＶは、そのようなリスクを回避すると同時に、遅延が引き起こされることを最小化する。

また、実際には、補償フェーズ中とみなされるとき、電圧Ｖ_ｉｎｉは、増幅部オフセットと、切換部５８，６０による電荷注入の影響とを含むということに留意されたい。故に、しきい値電圧は、

に等しく、

は、積分フェーズの開始前の時点Ｔ_１でのＶ_ｉｎｉに等しい。

最後に、補償フェーズは、リセットフェーズに続いて行われると記載したが、それとは異なり、リセットフェーズと組み合わせられてもよい。

本発明による画素の第４実施形態は、図７に関して記載された検出遅延補償と、図８に関して記載されたオフセット補償との両方を含む。

本発明による画素は、特に、マルチモード画像処理に適する。すなわち、光束測定及び刻時が、詳細には、時間測定が光束測定に影響を及ぼすことなく、同時に実行される。

二次元又は三次元パッシブ画像処理を実現するためには、積分部からのダウンストリームに位置する回路部分を単に切り離すだけで事足り、積分部によって返される刻時値を考慮しなくてよい。

以上、切換可能なコンデンサによりフィードバック安定化された演算増幅器によって形成され、それによって、可変利得増幅を用いて電流−電圧変換を行う積分器について記載した。当然ながら、比較器のしきい値電圧を超えたことを検出する前に、利得増幅を行い、上記しきい値を超えた後にその利得を超えるあらゆるタイプの可変利得積分器が想定できる。その場合でも、切換可能なコンデンサによりフィードバック安定化された演算増幅器によって形成された積分器は、その単純な設計及び制御の容易さにより、好ましいものとなる。

４０ 画素
４２ フォトダイオード
４４ 入射光
４６ 演算増幅部
４８ 第１コンデンサ
５０ 第２コンデンサ
５２ 比較部
５４ 遮断部
５６ メモリユニット
５８ 第１切換部
６０ 第２リセット切換部
７０ 補正モジュール
７２ 減算部
８０ 第３切換部
８２ 第３コンデンサ
８４ 第４切換部
８６ 第５切換部

Claims (10)

1. 入射光に応じた電荷を生成する光電素子部と、該光電素子部に接続され、電荷を電圧に変換する電荷積分部とからなる装置であって、
   積分部によって与えられた電圧としきい値電圧とを比較する機能を有した比較部と、
   積分部によって与えられた電圧がしきい値電圧を超えた時間を格納する記憶部と
   を具備することを特徴とする装置。
2. 積分部が、可変増幅利得を有しており、
   しきい値電圧を超える時間の前の積分部の増幅利得が、前記しきい値電圧を超えた時間の後の増幅利得よりも大きくなることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 積分部が、
   第１コンデンサによってフィードバック安定化される演算増幅部と、
   第２切換可能コンデンサと
   を具備し、
   第１コンデンサは、第２コンデンサよりも小さい静電容量を有し、
   第２コンデンサは、しきい値電圧を超えた時間の後に、第１コンデンサに並列に接続されるように構成されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 第１コンデンサの静電容量が、しきい値電圧を超えた時間を決定するときの所望の精度に応じて選択されることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 光電素子への入射開始時間と、積分部によって与えられた電圧に応じてしきい値電圧を超えた時間とに対応する検出遅延を推定する推定部と、
   推定した検出遅延を減算することによって、しきい値を超えた時間を補正する補正部と
   をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の装置。
6. 検出遅延を推定する推定部が、式
   

   

   に従って、検出遅延を推定する機能を有し、
   ここで、ΔＶ_ｉｎｔは、光電素子への入射光に対応する電圧の変化であり、
   ａ、ｂ、α、及びβは、所定のパラメータであることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 比較部のしきい値電圧が、実質的に、
   

   

   に等しい電圧となるように調整され、
   ここで、Ｖ_ｃｏｍｐは、所定の電圧であり、
   

   

   は、積分部のオフセット電圧であり、
   

   

   は、比較部のオフセット電圧であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の装置。
8. 比較部の出力を該比較部のしきい値電圧入力に接続する機能を有した第１切換部と、
   比較部のしきい値電圧入力と第２及び第２切換部の第１端子との間に接続された第３コンデンサと
   をさらに具備し、
   第３コンデンサの第２端子は、接地と、第３切換部が閉状態に切り換わったときに第３コンデンサの端子のそれぞれに電位変化ΔＶを生成する機能を有した手段とにそれぞれ接続され、
   比較部のしきい値電圧は、第１及び第２切換部が閉状態に切り換わり、かつ第３切換部が開状態に切り換わることと、次いで、第１及び第２切換部が開状態に切り換わり、かつ第３切換部が閉状態に切り換わることとによって調整されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置を複数具備してなることを特徴とする画像処理アレイ。
10. 調整可能発光源と、該発光源から生じた光を検出する機能を有した検出アレイとからなる三次元アクティブ画像処理システムであって、
    検出アレイが、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の装置を複数具備してなることを特徴とする三次元アクティブ画像処理システム。

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