JP2016095234A - 光飛行型測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射光の受光状況や受光光学系の設計や画素の配置の制約を受けることなく、ダイナミックレンジを拡張する。
【解決手段】光飛行型測距装置は、従来の長時間蓄積に相当する基本露光期間を複数のサブ露光期間に分割し、複数のサブ露光期間が１巡する１巡期間内ではサブ露光期間内に蓄積された電荷をリセットせずに保持する。そして、１巡期間内に蓄積された電荷の電荷量から短時間露光の測距値を取得すると共に、複数回の１巡期間内に蓄積された電荷の電荷量を積算して長時間露光の測距値を取得する。１つの画素（同じ画素）から長時間露光の測距値と短時間露光の測距値との両方を取得可能となる。
【選択図】図７

Description

本発明は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の変調スイッチにより振り分けて複数の蓄積容量に蓄積し、サンプリングした値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する光飛行型測距装置に関する。

自装置から対象物までの距離を非接触で計算する測距装置として、光飛行（ＴＯＦ：Time of Flight）型測距装置が供されている。光飛行型測距装置は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光（測距光）を空間に発光し、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光を受光する。そして、光飛行型測距装置は、受光した入射光に応じた電荷を複数の変調スイッチにより振り分けて複数の蓄積容量に蓄積し、サンプリングした値を用いて自装置から対象物までの距離を計算する（例えば特許文献１〜４参照）。

光飛行型測距装置においては、自装置から対象物までの距離が近かったり対象物が高反射率の物体であったりすると、強い強度の反射光を受光する。一方、自装置から対象物までの距離が遠かったり対象物が低反射率の物体であったりすると、弱い強度の反射光しか受光しない。そのため、光飛行型測距装置においては、大きなダイナミックレンジ（例えば８０ｄＢ以上）が要求される。特に車載等の場合には、自装置及び対象物（人、車両、壁等）のうち少なくとも何れかが移動している状況で、自装置から対象物までの距離が近ければ、対象物への衝突を回避するために距離を頻繁に計算する（フレームレートを高める）ことが要求される。即ち、大きなダイナミックレンジと高いフレームレートとを両立させる必要がある。

通常の画素では８０ｄＢ以上のダイナミックレンジを実現することは難しく、多重露光（多数回の露光）を行う必要がある。ところが、多重露光をシリーズで行うと、露光時間が長くなってしまい、動きのある対象物に対する追従性が劣化する問題が発生する。この点に関し、面内で複数の画素をグループ分けし、グループ毎に露光時間を変える方法が開示されている（例えば非特許文献１、２参照）。図３１及び図３２に示すように、受光素子１０１がＰＤ（Photodiode）１０２と、２個の変調スイッチ１０３ａ，１０３ｂと、２個の蓄積容量１０４ａ，１０４ｂとを有する構成であり、４位相測距を行う場合を一例として説明する。この場合、図３３に示すように、例えば画素Ａのグループが１０００回の駆動を繰り返して長時間露光を行い、画素Ｂのグループが１００回の駆動を繰り返して短時間露光を行うことで、ダイナミックレンジを２０ｄＢ拡張することができる。

特許第５５７９８９３号公報 特開２０１０−９６７３０号公報 特許第５５８５９０３号公報 特開２０１０−２５９０６号公報

S.Nayar and T.Mitsunaga. "High Dynamic Range Imaging:Spatially Varying Pixel Exposures. "In IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR),volume 1,pages 472-479,Jun 2000 S.G.Narasimhan and S.K.Nayar "Enhancing Resolution Along Multiple Imaging Dimensions Using Assorted Pixels. "IEEE TRANSACTIONS ON PATTERN ANALYSIS AND MACHINE INTELLIGENCE, VOL.27,NO.4,APRIL 2005,pp.518

しかしながら、上記した非特許文献１、２に開示されている方法は、隣接し合う画素Ａと画素Ｂとが同じ反射光を受光していることが前提となる。そのため、受光素子に光を集めるためのレンズの設計が難しくなる。このレンズの設計が上記した前提条件を満たせない場合には、画素の配置に依存した固定パターンが発生してしまう。又、画素Ａのグループと画素Ｂのグループとが行毎に分割されずに同じ行に配置されている（共存する）構成では、配線が複雑化するという問題がある。

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、反射光の受光状況や受光光学系の設計や画素の配置の制約を受けることなく、ダイナミックレンジを適切に拡張することができる光飛行型測距装置を提供することにある。

請求項１に記載した発明によれば、発光素子は、繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する。駆動手段は、発光素子を駆動する。受光素子は、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の変調スイッチにより振り分けて複数の蓄積容量に蓄積する。制御手段は、複数の変調スイッチの駆動を制御する。測距値取得手段は、受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する。

制御手段は、基本露光期間を複数のサブ露光期間に分割するように複数の変調スイッチの駆動を制御し、複数のサブ露光期間が１巡する１巡期間内ではサブ露光期間内に蓄積された電荷をリセットせずに保持する。測距値取得手段は、１巡期間内に蓄積された電荷の電荷量から短時間露光の測距値を取得すると共に、複数回の１巡期間内に蓄積された電荷の電荷量を積算して長時間露光の測距値を取得する。

即ち、複数の画素を長時間露光のグループと短時間露光のグループとにグループ分けてそれぞれ長時間露光の測距値と短時間露光の測距値とを取得する従来とは異なり、基本露光期間を複数のサブ露光期間に分割することで、１つの画素（同じ画素）から長時間露光の測距値と短時間露光の測距値との両方を取得するようにした。これにより、反射光の受光状況や受光光学系の設計や画素の配置の制約を受けることなく、ダイナミックレンジを拡張することができる。特に自装置及び対象物のうち少なくとも何れかが移動する車載等の場合に好適となる。

本発明の一実施形態を示す機能ブロック図 受光素子（２容量構成）の構成を示す図 ２容量／４位相測距のシーケンスを示す図 差動出力のシーケンスを示す図 本発明の概念を示す図 ４位相測距の露光を２分割のサブ露光で実現するシーケンスを示す図 ４位相測距の露光を２分割のサブ露光で実現するタイミングチャートを示す図 ２分割のサブ露光から測距値を取得する原理を説明するシーケンスを示す図 「０」を実現する構成及びシーケンスを示す図（その１） 「０」を実現する構成及びシーケンスを示す図（その２） 「０」を実現する構成及びシーケンスを示す図（その３） ４位相測距の露光を４分割のサブ露光で実現するシーケンスを示す図（その１） ４位相測距の露光を４分割のサブ露光で実現するシーケンスを示す図（その２） ４位相測距の露光を４分割のサブ露光で実現するシーケンスを示す図（その３） 測距値取得回路の一部を示す図（その１） 出力信号の出力を示すタイミングチャートを示す図（その１） 測距値取得回路の一部を示す図（その２） 出力信号の出力を示すタイミングチャート（その２） ローリングリセット及びローリング読み出しを行うタイミングチャートを示す図（その１） ローリングリセット及びローリング読み出しを行うタイミングチャートを示す図（その２） グローバルリセット及びローリング読み出しを行うタイミングチャートを示す図（その１） グローバルリセット及びローリング読み出しを行うタイミングチャートを示す図（その２） グローバルリセット及びローリング読み出しを行うタイミングチャートを示す図（その３） 長時間蓄積の出力の画素毎の振幅を最適とする制御を行うタイミングチャートを示す図（その１） 長時間蓄積の出力の画素毎の振幅を最適とする制御を行うタイミングチャートを示す図（その２） 長時間蓄積の出力の画素毎の振幅を最適とする制御を行うタイミングチャートを示す図（その３） 測距値取得回路の一部を示す図（その３） 配線を示す図（その１） 測距値取得回路の一部を示す図（その４） 配線を示す図（その２） 受光素子（２容量構成）の構成を示す図 ２容量／４位相測距のシーケンスを示す図 多重露光を行うタイミングチャートを示す図

以下、本発明を、例えば車両に搭載可能な車載用の光飛行型測距装置に適用した一実施形態について図面を参照して説明する。自装置からの距離を計算する対象物は、例えば人、車両、壁等である。光飛行型測距装置１は、信号源２と、駆動回路３（駆動手段）と、発光素子４と、制御回路５（制御手段）と、受光素子６と、ＣＭ（コモンモード）成分除去回路７と、測距値取得回路８（測距値取得手段）とを有する。測距値取得回路８は、バッファ９ａ，９ｂと、差分検出回路１０と、ＡＤ変換回路１１と、デジタル信号処理回路１２とを有する。

信号源２は、駆動信号を駆動回路３及び制御回路５に出力することで、発光素子４と受光素子６との間で同期を確立し、発光素子４から発光される変調光に同期して受光素子６の露光を制御する。信号源２から出力される駆動信号は、発光素子４及び受光素子６を駆動する矩形パルス（通常数〜数１０ＭＨｚ）であっても良いし、同期パルスのみであっても良い。発光素子４は、変調光としての例えば赤外光を発光するＬＤ（Laser Diode）やＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。受光素子６は、例えばＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）やＣＣＤ（Charge Coupled Device）のプロセスを用いたイメージセンサである。

受光素子６は、図２に示すように、ＰＤ（Photodiode）１３と、２個の変調スイッチ１４ａ，１４ｂと、２個の蓄積容量１５ａ，１５ｂとを有する。２個の変調スイッチ１４ａ，１４ｂは、例えばＭＯＳトランジスタやトランスファゲート等のＭＯＳ型のデバイス、ＣＣＤ構造のデバイス等である。２個の蓄積容量１５ａ，１５ｂは、例えばＭＯＳ、ＣＣＤ、ＭＩＭ（Metal Insulator Metal）等の容量素子、配線、ＰＮ接合の寄生容量等である。受光素子６は、変調スイッチ１４ａ，１４ｂを制御信号（ゲート信号）ＴＧ１，ＴＧ２により駆動し、受光した入射光により発生する電荷を蓄積容量１５ａ，１５ｂに振り分け、振り分けた電荷の電荷量を示す信号をＣＭ成分除去回路７に出力する。制御信号ＴＧ１，ＴＧ２は変調光に同期した信号であるので、自装置から対象物までの距離に応じて蓄積容量１５ａ，１５ｂに振り分けられる電荷の電荷量が変化する。図２では、２個の蓄積容量１５ａ，１５ｂを例示したが、３個以上の蓄積容量を設けても良い。

ＣＭ成分除去回路７は、発光している変調光に対して無視できない程度のレベルの背景光が存在する場合に、この背景光に起因して発生する電荷による画素の飽和を回避するものである。ＣＭ成分を除去する方法としては、先行文献で様々な技術が開示されている。例えば米国６９１９５４９Ｂ２号公報、独逸１０２００５０５６７７４Ａ１号公報、欧州１６２２２００Ａ１号公報等に開示されている。差分検出回路１０は、ＣＭ成分除去回路７からバッファ９ａ，９ｂを介して入力した信号の差分を検出し、その検出した差分に応じた信号をＡＤ変換回路１１に出力する。バッファ９ａ，９ｂは、その簡素さから例えばソースフォロア回路により実現される。差分検出回路１０は、例えば差動のアンプにより実現される。

ＡＤ変換回路１１は、差分検出回路１０から入力した信号をアナログ信号からデジタル信号に変換してデジタル信号処理回路１２に出力する。デジタル信号処理回路１２は、ＡＤ変換回路１１から入力した信号をデジタル信号処理し、蓄積容量１５ａ，１５ｂに振り分けられた電荷の電荷量から自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する（測距する）。

図３は、発光波形のデューティーを５０％として４位相測距を行う（受光素子６を４位相で駆動する）場合のシーケンス（変調周期：Ｔｍ，露光期間：Ｔｗ）である。発光素子４から発光される変調光の波形（発光波形１１０）は、制御信号ＴＧ１，ＴＧ２と同期した矩形波で変調している。図３では矩形波で変調した場合を例示しているが、正弦波、三角波又は疑似ランダムシーケンス等の波形で変調しても良い。変調光が対象物で反射した反射光の波形（反射波形１２０）は、発光波形１１０に対して時間差を有するので、発光波形１１０に対して位相差φだけ遅れた波形となる。一方、制御信号ＴＧ１，ＴＧ２は９０度ずつ位相が異なる矩形波で駆動される。デジタル信号処理回路１２は、制御信号ＴＧ１−１，ＴＧ２−１（駆動波形１１１，１２１）で駆動するシーケンスを数十〜数十万回程度の周期繰り返した後に、発生した電荷Ｑ１、Ｑ２の情報（電荷電圧変換された電圧値）を取得する。その後、デジタル信号処理回路１２は、制御信号ＴＧ１−２，ＴＧ２−２（駆動波形１１２、１２２）で駆動するシーケンスを同様に数十〜数十万回程度の周期繰り返した後に、発生した電荷Ｑ３、Ｑ４の情報を取得する。そして、デジタル信号処理回路１２は、取得したＱ１〜Ｑ４から離散フーリエ変換（ＤＦＴ：Discrete Fourier Transform）を用いて位相差θを以下の演算式（１）により計算する。

θ＝ｔａｎ^−１［（Ｑ１−Ｑ３）／（Ｑ２−Ｑ４）］…（１）
演算式（１）は上記４つのサンプリングに基づく位相差の演算式であるが、一般のＮ位相についても位相差θを以下の演算式（２）により計算することが可能である。

θ＝ｔａｎ^−１［（ΣＱｋ＊ｓｉｎ（２π／Ｎ＊ｋ））／（ΣＱｋ＊ｃｏｓ（２π／Ｎ＊ｋ））］…（２）
図４は、差動出力のシーケンスである。差分検出回路１０は、制御信号ＴＧ１，ＴＧ２の組み合わせ、例えば制御信号ＴＧ１−１（駆動波形１１１），ＴＧ２−１（駆動波形１２１）を数十〜数十万回繰り返してデジタル値Ｄ１（２０１）を生成する。同様にして、差分検出回路１０は、制御信号ＴＧ１−２（駆動波形１１２），ＴＧ２−２（駆動波形１２２）からデジタル値Ｄ２（２０２）を生成し、制御信号ＴＧ１−３（駆動波形１１３），ＴＧ２−３（駆動波形１２３）からデジタル値Ｄ３（２０３）を生成し、制御信号ＴＧ１−４（駆動波形１１４），ＴＧ２−４（駆動波形１２４）からデジタル値Ｄ４（２０４）を生成する。この場合、差分検出回路１０は、デジタル値Ｄ１〜Ｄ４を、ＤＣ成分を除去した値として出力する。それぞれのデジタル値Ｄ１〜Ｄ４について制御信号ＴＧ１が「Ｈ」であり且つＴＧ２が「Ｌ」であるときに「１」を割り当て、制御信号ＴＧ１が「Ｌ」であり且つＴＧ２が「Ｈ」であるときに「−１」を割り当てて記述する。即ち、Ｄｘの波形について値が「１」及び「−１」の何れであるかにより、制御信号ＴＧ１，ＴＧ２の状態が一意に決定される。尚、このようにＤｘが２つの蓄積容量１５ａ，１５ｂの差分を示す信号であるので、ＡＤ変換回路１１は、先述した演算式（１）の分子又は分母に相当する演算が実施された信号を出力する。

さて、このような位相型の光飛行型測距装置１においては、［背景技術］で記載したように車載等で使用される場合を想定すると、ダイナミックレンジの拡張が要求される。以下、本発明によるダイナミックレンジを拡張する手法について説明する。

図５は、本発明の概念を示す。本発明は、従来技術の長時間蓄積の期間に相当する基本露光期間を複数のサブ露光期間に分割することで、短時間露光の測距値を取得すると共に、従来技術の露光（長時間露光）と等価な長時間露光の測距値を取得することを特徴とする。図６は、従来の４位相測距の露光を２分割のサブ露光で実現するシーケンスを示し、図７は、そのタイミングチャートを示す。サブ露光１，２をデューティーが２５％の波形で駆動し、サブ露光１，２をそれぞれ数十〜数十万回程度同じ回数繰り返し、サブ露光間で電荷をリセットせずに積算することで、従来技術の露光と等価な電荷蓄積を実現する。このように分割した複数のサブ露光期間が１巡する１巡期間内に蓄積された電荷の電荷量から短時間露光の測距値を取得する（高速に更新する）ことができる。又、複数回の１巡期間内に蓄積された電荷の電荷量を積算して長時間露光の測距値を取得することができる。即ち、１つの画素（同じ画素）に蓄積されている電荷（出力値）を読み出すタイミングを工夫することで、１つの画素から短時間露光の測距値と長時間露光の測距値との両方を取得することができ、ダイナミックレンジを拡張することができる。

図８は、２つのサブ露光から測距値を取得する原理を示す。前提として、前述した図３１に示した２容量／４位相測距を行う従来技術とは別に、４容量／４位相測距を行う従来技術がある。従来の４位相測距の露光を２分割のサブ露光で実現する図６のシーケンスと、４容量／４位相測距を行う従来技術のシーケンスとを比較すると、図６に示したサブ露光１は４容量／４位相測距を行うシーケンスの０度−１８０度の露光に相当し、サブ露光２は４容量／４位相測距を行うシーケンスの９０度−２７０度に相当する。これは、４位相測距の位相差θを計算する以下の演算式（３）の分子と分母に相当する。

したがって、サブ露光１のサンプリング値とサブ露光２のサンプリング値との比を計算し、そのアークタンジェントを計算することにより、位相差を計算することが可能になる（演算式（３）は演算式（１）と等価になる）。

図８は、サブ露光が４位相に基づく場合であったが、一般的なＮ（Ｎは自然数）位相についても同様の考え方が成立する。一般的に離散フーリエ変換の演算式は以下の演算式（４）で与えられる。

位相型の飛行型測距で主に使用されるのは１次成分であり、演算式（４）は以下の演算式（５）で与えられる。

ここで、Ｎを２の倍数に限定し、Ｎ＝２Ｍとすると、演算式（５）は以下の演算式（６）で与えられる。

よって、分割したサブ露光がａ_ｊ−ａ_{Ｎ／２+ｊ}となるようにサブ露光の駆動波形を決定することで、任意の分割の仕方について本発明の原理に基づく階層的な測距が成立する。具体的には、１，−１の波形の関係は位相差で１８０度となるように駆動波形を決定する。

従来の４位相測距の露光を２分割のサブ露光で実現する図６のシーケンスにおいて、「０」を実現する方法としては、以下に示す例えば第１から第３の方法がある。
第１の方法では、図９に示すように、変調スイッチ１４ａ，１４ｂを同時にオンする期間、即ち、ＴＧ１，ＴＧ２の両方が「Ｈ」となる期間を設けて「０」を実現する。ＴＧ１，ＴＧ２の両方が「Ｈ」となる期間においてＰＤ１３に発生した電荷はＱａ，Ｑｂに分かれて蓄積容量１５ａ，１５ｂに蓄積され、Ｑａ，Ｑｂは等しい値となる。そのため、この成分はＣＭ成分除去回路７及び差分検出回路１０でキャンセルされ、その結果、ＡＤ変換回路１１は「０」を出力する。

第２の方法では、図１０に示すように、変調スイッチ１４ａ，１４ｂとは別の変調スイッチ１４ｃを設け、変調スイッチ１４ａ，１４ｂを同時にオフし且つ別の変調スイッチ１４ｃがオンする期間、即ち、ＴＧ１，ＴＧ２の両方が「Ｌ」となり且つＴＧ３が「Ｈ」となる期間を設けて「０」を実現する。このＴＧ１，ＴＧ２の両方が「Ｌ」となり且つＴＧ３が「Ｈ」となる期間においてＰＤ１３に発生した電荷は固定電位（例えばＶＤＤ）に破棄される。

第３の方法では、図１１に示すように、Ｑａ，Ｑｂのうち一方を破棄し、２回分のサンプルを統合して「０」を実現する。即ち、ＴＧ２が「Ｈ」の期間に蓄積された電荷を破棄する周期と、ＴＧ１が「Ｈ」の期間に蓄積された電荷を破棄する周期とを統合する。上記した第１の方法ではＴＧ１，ＴＧ２の両方を「Ｈ」とする期間を設ける必要があり、第２の方法ではＴＧ１，ＴＧ２の両方を「Ｌ」とする期間を設ける必要があるが、第３の方法は、そのような期間を設ける必要はなく、ＴＧ１，ＴＧ２を互いに反転する制御を行えば良く、単純な制御で済む利点がある。

図１２は、従来の４位相測距の露光を４分割のサブ露光で実現するシーケンスを示す。この場合は、サブ露光をデューティーが１２．５％の波形で起動することで、従来の８容量／８位相測距と等価になる。図１３は、従来の４位相測距の露光を４分割のサブ露光で実現する別のシーケンスを示す。この場合は、サブ露光をデューティーが３７．５％の波形で起動する。図１２では長時間蓄積のＳＮＲ（信号対雑音比（signal-to-noise ratio））を従来技術と同等とするには、露光時間を４倍にする必要があるが、図１３では、サブ露光において信号を積分している時間を図１２に示すシーケンスよりも長くすることで、露光時間を４倍にする必要がなくＳＮＲを改善することができる。図１４は、従来の４位相測距の露光を４分割のサブ露光で実現する更に別のシーケンスを示す。この場合は、サブ露光をデューティーが５０％の波形で起動する。図１２及び図１３では「０」を挿入する制御を行う必要があるが、図１４では、同じ露光時間で得られるＳＮＲは図１３に示すシーケンスよりも劣るが、「０」を挿入する制御を不要とすることができる。

図１５は、受光素子６の後段である測距値取得回路８の一部を、アナログメモリを用いて構成する回路図を示し、図１６は、その動作のタイミングチャートを示す。測距値取得回路８は、受光素子６（ＰＤ１３、変調スイッチ１４ａ，１４ｂ、蓄積容量１５ａ，１５ｂ）に、バッファ９ａ，９ｂ、リセット用のスイッチング素子２１ａ，２１ｂ、セレクタ用のスイッチング素子２２ａ，２２ｂが接続されている。これらバッファ９ａ，９ｂ、スイッチング素子２１ａ，２１ｂ、スイッチング素子２２ａ，２２ｂは、例えば電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field effect transistor）により構成されている。アナログ差動信号処理回路２３は、受光素子６から電荷量を差動で読み出し、出力信号をアナログメモリ２４及び差分計算回路２５に出力する。アナログメモリ２４は、アナログ差動信号処理回路２３から出力信号を入力すると、その入力した出力信号の出力値を保持し、次の出力信号を入力すると、保持している出力値を含む出力信号を差分計算回路２５に出力する。差分計算回路２５は、アナログ差動信号処理回路２３から入力した出力信号の出力値からアナログメモリ２４から入力した出力信号の出力値を差し引いて差分を計算して出力する。即ち、測距値取得回路８は、アナログ差動信号処理回路２３から直接出力する出力信号を長時間露光の測距値として出力し、差分計算回路２５から出力する出力信号を短時間露光の測距値として出力する。このようなアナログ回路で差分を計算する構成では、後述するデジタル回路で差分を計算する構成と比べ、回路面積の増大やノイズの影響が問題となるが、量子化誤差の影響を抑えることができる。

図１７は、受光素子６の後段である測距値取得回路８の一部を、デジタルメモリを用いて構成する回路図を示し、図１８は、その動作のタイミングチャートを示す。ＡＤ変換回路１１は、受光素子６から電荷量を差動で読み出してＡＤ変換し、出力信号をデジタルメモリ３１及び差分計算回路３２に出力する。デジタルメモリ３１は、ＡＤ変換回路１１から出力信号を入力すると、その入力した出力信号の出力値を保持し、次の出力信号を入力すると、保持している出力値を含む出力信号を差分計算回路３２に出力する。差分計算回路３２は、ＡＤ変換回路１１から入力した出力信号の出力値からデジタルメモリ３１から入力した出力信号の出力値を差し引いて差分を計算して出力する。即ち、測距値取得回路８は、ＡＤ変換回路１１から直接出力する出力信号を長時間露光の測距値として出力し、差分計算回路３２から出力する出力信号を短時間露光の測距値として出力する。このようなデジタル回路で差分を計算する構成では、前述したアナログ回路で差分を計算する構成と比べ、量子化誤差の影響が問題となるが、回路面積及びノイズの影響を抑制することができる。

次に、サブ露光の制御及び長時間露光の制御について説明する。
図１９は、ローリングリセット及びローリング読み出しを行うタイミングチャートを示す。図１９のタイミングチャートでは、どの行も読み出さない時間（露光時間調整用の時間）を設けているので、長時間蓄積の時間は読み出し行数の倍数である必要はない。又、画素毎の容量をもって長時間露光で得られる電荷を蓄積しているので、図１５で示したアナログ差動信号処理回路２３及びアナログメモリ２４や図１７で示したＡＤ変換回路１１やデジタルメモリ３１はカラム毎に設ければ良くなる。

図２０は、ローリングリセット及びローリング読み出しを行う別のタイミングチャートを示す。前述した図１９のタイミングチャートでは、サブ露光のシーケンスをローリングシャッタの露光時間の前後で止めてしまっていたが、周辺の画素に電荷が流れこむ等の影響が起きない場合には、露光をグローバルに同じ駆動波形で実施し、読み出しのみをローリングリセットで実現しても良い。

図２１は、グローバルリセット及びローリング読み出しを行うタイミングチャートを示す。グローバルリセットでは全ての画素の値をメモリに保持する必要があるので、回路規模が増大するが、列毎に露光の同時性が担保されないことに伴う問題（所謂フォーカルプレーン歪み）を抑制することができる。

図２２は、グローバルリセット及びローリング読み出しを行う別のタイミングチャートを示す。長時間蓄積についてはグローバルシャッタとし、短時間蓄積についてはローリングシャッタとすることで、長時間蓄積側についてはほぼフォーカルプレーン歪みのない出力を取得することができる。又、この場合も、図１５で示したアナログ差動信号処理回路２３及びアナログメモリ２４や図１７で示したＡＤ変換回路１１やデジタルメモリ３１はカラム毎に設ければ良くなる。

図２３は、グローバルリセット及びローリング読み出しを行う更に別のタイミングチャートを示す。画素の読み出し時間により、サブ露光側のフレームレートが律則されてしまう場合は、サブ露光のローリングシャッタを間引きして読み出すことで、フレームレートを高めることができる。自装置から対象物までの距離が近かったり対象物が高反射率の物体であったりする場合には複数行に跨って計測される可能性が高いので、このように構成としても問題になり難い。

次に、長時間蓄積の出力の画素毎の振幅（読み出した出力値）を最適とする制御について説明する。
図２４は、長時間蓄積の出力の画素毎の振幅を最適とするタイミングチャートを示す。図２４の例示では、２行目を除く行の画素については、２巡目の読み出しを行った際に振幅が不十分であったので、更に露光を繰り返しているが、２行目の画素については、２巡目の読み出しを行った際に振幅が十分であったので、２巡目で露光を止めている。露光の制御線は行で共通であるので、該当する行の平均値、最大値又は最小値を用いて振幅が十分であるか否かを判定する。

図２５は、長時間蓄積の出力の画素毎の振幅を最適とする別のタイミングチャートを示す。サブ露光の出力値が高い画素について画素毎にリセットを挿入することで、最終的な長時間露光の電荷が飽和しないように制御する。図２５の例示では、２行目の画素についてリセットを挿入している。

図２６は、長時間蓄積の出力の画素毎の振幅を最適とする更に別のタイミングチャートを示す。前述した図２５はローリングリセットを適用している場合であるが、グローバルリセットを適用している場合についても、サブ露光の出力値が高い画素について画素毎にリセットを挿入しても良い。

図２７は、画素毎にアダプティブにリセットを可能とする回路図を示し、図２８は、その配線を示す。この場合、測距値取得回路８は、受光素子６に、バッファ９ａ，９ｂ、リセット用のスイッチング素子２１ａ，２１ｂ、セレクタ用のスイッチング素子２２ａ，２２ｂに加え、カラムリセット用のスイッチング素子２３ａ，２３ｂ、セレクタ用のスイッチング素子２４ａ，２４ｂが接続されている。図２５及び図２６に示したシーケンスにおいて、露光制御の制御線を行内で共通とする構成を維持したままで画素毎にリセットするか否かを選択可能となる。ＳＥＬ線とＣＲＳＴ線を共に「Ｈ」とすることで、その画素のみのリセットを行えるので、読み出し中の行のうち振幅が大の画素のみリセットすることができる。

図２９は、画素毎にアダプティブにリセット可能とする別の回路図を示し、図３０は、その配線を示す。図２７の構成で全てのＣＲＳＴ線を同時に「Ｈ」とすることで行毎のリセットを行えるので、ＲＳＴ線は冗長となる。即ち、図２９では、図２７の構成におけるＲＳＴ線を省いた構成としている。

以上に説明したように本実施形態によれば、次に示す作用効果を得ることができる。
光飛行型測距装置１において、従来の長時間蓄積に相当する基本露光期間を複数のサブ露光期間に分割し、複数のサブ露光期間が１巡する１巡期間内ではサブ露光期間内に蓄積された電荷をリセットせずに保持する。そして、１巡期間内に蓄積された電荷の電荷量から短時間露光の測距値を取得すると共に、複数回の１巡期間内に蓄積された電荷の電荷量を積算して長時間露光の測距値を取得することで、１つの画素（同じ画素）から長時間露光の測距値と短時間露光の測距値との両方を取得するようにした。これにより、反射光の受光状況や受光光学系の設計や画素の配置の制約を受けることなく、ダイナミックレンジを拡張することができる。特に自装置及び対象物のうち少なくとも何れかが移動する車載等の場合に好適となる。

本発明は、上記した実施形態にのみ限定されるものではなく、以下のように変形又は拡張することができる。
車載以外の用途に適用しても良い。

図面中、１は光飛行型測距装置、３は駆動回路（駆動手段）、４は発光素子、５は制御回路（制御手段）、６は受光素子、８は測距値取得回路（測距値取得手段）、１１はＡＤ変換回路、１４ａ，１４ｂは変調スイッチ、１４ｃは別の変調スイッチ、１５ａ，１５ｂは蓄積容量、２３はアナログ差動信号処理回路、２４はアナログメモリ、２５は差分計算回路、３１はデジタルメモリ、３２は差分計算回路である。

Claims (14)

1. 繰り返し周期を持つパターンで変調された変調光を空間に発光する発光素子（４）と、
   前記発光素子を駆動する駆動手段（３）と、
   変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を複数の変調スイッチ（１４ａ，１４ｂ）により振り分けて複数の蓄積容量（１５ａ，１５ｂ）に蓄積する受光素子（６）と、
   前記複数の変調スイッチの駆動を制御する制御手段（５）と、
   前記受光素子によりサンプリングされた値を用いて自装置から対象物までの距離を計算して測距値を取得する測距値取得手段（８）と、を備え、
   前記制御手段は、基本露光期間を複数のサブ露光期間に分割するように前記複数の変調スイッチの駆動を制御し、複数のサブ露光期間が１巡する１巡期間内ではサブ露光期間内に蓄積された電荷をリセットせずに保持し、
   前記測距値取得手段は、１巡期間内に蓄積された電荷の電荷量から短時間露光の測距値を取得すると共に、複数回の１巡期間内に蓄積された電荷の電荷量を積算して長時間露光の測距値を取得することを特徴とする光飛行型測距装置（１）。
2. 請求項１に記載した光飛行型測距装置において、
   前記受光素子は、変調光が対象物で反射した反射光を含む入射光に応じた電荷を２つの変調スイッチにより振り分けて２つの蓄積容量に蓄積し、
   前記制御手段は、基本露光期間での基本露光パターンとして、前記２つの変調スイッチのうち一方を駆動する制御信号がＨであり且つ他方を駆動する制御信号がＬである期間を１と定義すると共に、一方を駆動する制御信号がＬであり且つ他方を駆動する制御信号がＨである期間を−１と定義し、サブ露光期間でのサブ露光パターンとして、１の期間と−１の期間とが１８０度位相がずれるように１の期間及び−１の期間をそれぞれｎ（ｎは２以上の自然数）分割し、１及び−１の何れでもない期間に０を挿入することを特徴とする光飛行型測距装置。
3. 請求項２に記載した光飛行型測距装置において、
   前記制御手段は、サブ露光パターンにおいて、前記２つの変調スイッチをそれぞれ駆動する制御信号が共にＨである期間を設けることで、０を挿入することを特徴とする光飛行型測距装置。
4. 請求項２に記載した光飛行型測距装置において、
   前記受光素子は、２つの変調スイッチとは別の変調スイッチ（１４ｃ）を有し、
   前記制御手段は、サブ露光パターンにおいて、前記２つの変調スイッチをそれぞれ駆動する制御信号が共にＬであり且つ前記別の変調スイッチを駆動する制御信号がＨである期間を設けることで、０を挿入することを特徴とする光飛行型測距装置。
5. 請求項２に記載した光飛行型測距装置において、
   前記制御手段は、サブ露光パターンにおいて、前記２つの変調スイッチをそれぞれ駆動する制御信号を反転制御し、前記２つの蓄積容量のうち一方に蓄積された電荷を破棄する周期と、前記２つの蓄積容量のうち他方に蓄積された電荷を破棄する周期とを統合することで、０を挿入することを特徴とする光飛行型測距装置。
6. 請求項２から５の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
   前記制御手段は、サブ露光パターンにおいて、基本露光期間の周期をＴとしたときに、１の期間及び−１の期間をそれぞれＴ／（２ｎ）よりも長くすることを特徴とする光飛行型測距装置。
7. 請求項１から６の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
   前記測距値取得手段は、前記受光素子から電荷量を差動で読み出すアナログ差動信号処理回路（２３）と、前記アナログ差動信号処理回路の出力値を保持するアナログメモリ（２４）と、前記アナログ差動信号処理回路から現在の出力タイミングで出力された現在の出力値と前記アナログ差動信号処理回路から１つ前の出力タイミングで出力されて前記アナログメモリに保持されている１つ前の出力値との差分を計算する差分計算回路（２５）と、を有することを特徴とする光飛行型測距装置。
8. 請求項７に記載した光飛行型測距装置において、
   前記測距値取得手段は、スイッチトキャパシタ回路により実現されていることを特徴とする光飛行型測距装置。
9. 請求項１から６の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
   前記測距値取得手段は、前記受光素子から電荷量を差動で読み出してＡＤ変換するＡＤ変換回路（１１）と、前記ＡＤ変換回路の出力値を保持するデジタルメモリ（３１）と、前記ＡＤ変換回路から現在の出力タイミングで出力された現在の出力値と前記ＡＤ変換回路から１つ前の出力タイミングで出力されて前記デジタルメモリに保持されている１つ前の出力値との差分を計算する差分計算回路（３２）と、を有することを特徴とする光飛行型測距装置。
10. 請求項１から９の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
    前記制御手段は、サブ露光の制御及び複数回のサブ露光を繰り返す長時間露光の制御を共にローリングリセット及びローリング読み出しにより行うことを特徴とする光飛行型測距装置。
11. 請求項１から９の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
    前記制御手段は、サブ露光の制御及び複数回のサブ露光を繰り返す長時間露光の制御を共にグローバルリセット及びローリング読み出しにより行うことを特徴とする光飛行型測距装置。
12. 請求項１０又は１１に記載した光飛行型測距装置において、
    前記制御手段は、行単位で読み出したサブ露光の出力値に応じてサブ露光を繰り返して行うか否かを選択することを特徴とする光飛行型測距装置。
13. 請求項１２に記載した光飛行型測距装置において、
    前記制御手段は、行単位で読み出したサブ露光の出力値に応じてサブ露光を繰り返して行うか否かを、その行で読み出した値の平均値、最大値及び最小値のうち何れかを用いて決定することを特徴とする光飛行型測距装置。
14. 請求項１０から１３の何れか一項に記載した光飛行型測距装置において、
    前記制御手段は、読み出した行のサブ露光の出力値に応じて画素毎にリセットを行うことを特徴とする光飛行型測距装置。

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