JP2016206135A - 距離測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射光の強度のダイナミックレンジを拡大することが可能な距離測定装置を提供する。
【解決手段】処理部は、第１のリセットスイッチ及び第２のリセットスイッチを制御して第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域をリセット電位に接続してから該第１の蓄積領域及び該第２の蓄積領域を次にリセット電位に接続するまでのフレーム期間Ｔｆ内の複数の電荷転送サイクルＣｙにおいて、一以上の放出期間に光源部に変調光を放出させる。処理部は、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数を一つのフレーム期間Ｔｆ内で増加させる。
【選択図】図８

Description

本発明は、距離測定装置に関する。

光源からパルス光を放出させ、対象物からの反射光を距離センサで受けることにより、対象物から距離センサまでの距離を測定する飛行時間（ＴＯＦ：Time−of−Flight）法が知られている。

下記の特許文献１にはＴＯＦ法に基づく距離測定装置が記載されている。特許文献２に記載された装置は、距離センサの実効ダイナミックレンジを広げるための構成を有している。具体的には、この装置は、光源からパルス光を放出させ、距離センサのフォトダイオードで発生した電荷をキャパシタに蓄積し、キャパシタに生じる電圧が飽和電圧に達するときに当該電圧をリセットし、リセットの回数とキャパシタに生じた最終の電圧とに基づいて、距離を算出する。

特表２００６−５２３０７４号公報

本発明は、反射光の強度のダイナミックレンジを拡大することが可能な距離測定装置を提供することを目的とする。

本発明は、飛行時間法により対象物に対する距離を求める距離測定装置であって、変調光を放出する光源部と、入射光に応じて電荷を発生する光感応領域、光感応領域で発生した電荷を蓄積する蓄積領域、光感応領域と蓄積領域との間に設けられた転送電極、及び、蓄積領域とリセット電位との間に設けられたリセットスイッチを有するセンサ部と、変調光の放出タイミング及びセンサ部を制御して、距離を算出する処理部と、備えている。処理部は、リセットスイッチを制御して蓄積領域をリセット電位に接続してから該蓄積領域を次にリセット電位に接続するまでのフレーム期間内の複数の電荷転送サイクルにおいて、一以上の放出期間に光源部に変調光を放出させ、かつ、電荷転送サイクル一回あたりの放出期間の数を一つのフレーム期間内で増加させ、一以上の放出期間に同期した一以上の転送期間に転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を蓄積領域に蓄積させ、複数の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する複数の読出しサイクルにおいて、複数の電荷転送サイクルと交互の時点に蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の読出し値をセンサ部から取得し、複数の読出し値に基づいて、距離を算出する。

本発明では、処理部は、電荷転送サイクル一回あたりの放出期間の数を一つのフレーム期間内で増加させている。すなわち、一つのフレーム期間の初期では、電荷転送サイクル一回あたりの放出期間の数が少なく、一つのフレーム期間の後期では、電荷転送サイクル一回あたりの放出期間の数が多い。したがって、距離測定装置に入射する反射光の強度が強い場合（たとえば、対象物が近距離に位置している場合、あるいは対象物の反射率が高い場合など）でも、一つのフレーム期間の初期において、蓄積される信号電荷の飽和が生じ難く、距離測定を適切に行うことができる。距離測定装置に入射する反射光の強度が低い場合（たとえば、対象物が遠距離に位置している場合、あるいは対象物の反射率が低い場合など）でも、蓄積される信号電荷の不足が抑制され、距離測定を適切に行うことができる。これらの結果、一つのフレーム期間を変更することなく、反射光の強度のダイナミックレンジを拡大することができる。

処理部は、放出期間の周期を短くすることにより、電荷転送サイクル一回あたりの放出期間の数を増加させてもよい。また、処理部は、電荷転送サイクルの期間を長くすることにより、電荷転送サイクル一回あたりの放出期間の数を増加させてもよい。

処理部は、電荷転送サイクル一回あたりの放出期間の数を段階的に増加させてもよい。また、処理部は、電荷転送サイクル一回あたりの放出期間の数を徐々に増加させてもよい。

センサ部は、蓄積領域として、第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域を含み、転送電極として、光感応領域と第１の蓄積領域との間に設けられた第１の転送電極、及び、光感応領域と第２の蓄積領域との間に設けられた第２の転送電極を含み、リセットスイッチとして、第１の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第１のリセットスイッチ、及び、第２の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第２のリセットスイッチを含み、処理部は、第１のリセットスイッチ及び第２のリセットスイッチを制御して第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域をリセット電位に接続してから該第１の蓄積領域及び該第２の蓄積領域を次にリセット電位に接続するまでのフレーム期間内の複数の電荷転送サイクルにおいて、一以上の放出期間に同期した一以上の第１の転送期間に第１の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第１の蓄積領域に蓄積させ、一以上の第１の転送期間と位相反転した一以上の第２の転送期間に第２の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第２の蓄積領域に蓄積させ、複数の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する複数の読出しサイクルにおいて、複数の電荷転送サイクルと交互の時点に第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第１の読出し値及び該時点に第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第２の読出し値を、センサ部から取得し、複数の第１の読出し値及び複数の第２の読出し値に基づいて、距離を算出してもよい。

処理部は、ｎ回目の読出しサイクルの第１の読出し値と、ｎ回目の読出しサイクルの第１の読出し値とｎ−１回目の読出しサイクルの第１の読出し値との間の差分値との和、又は、ｎ回目の読出しサイクルの第２の読出し値と、ｎ回目の読出しサイクルの第２の読出し値とｎ−１回目の読出しサイクルの第２の読出し値との間の差分値との和が、所定の閾値を超える場合に、ｎ＋１回目以降の読出しサイクルを停止してもよい。ここでｎは複数の読出しサイクルの順番を示している。この場合、所定の閾値を用いることにより、第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域が飽和するまでに取得した第１の読出し値及び第２の読出し値が距離測定に利用することができる。したがって、反射光の強度のダイナミックレンジを確実に拡大することができる。更に、上述した和が所定の閾値を超える場合に、読出し値のセンサ部からの取得が停止されるので、距離の算出を早期に開始することが可能である。

処理部は、複数の第１の読出し値に基づく近似式を用いて第１の推定値を算出し、複数の第２の読出し値に基づく近似式を用いて第２の推定値を算出し、第１の推定値及び第２の推定値に基づいて、距離を算出してもよい。この場合、距離の算出に用いられる第１の推定値及び第２の推定値がそれぞれ、最終の読出しサイクルまでに得られた第１の読出し値に基づく近似式及び第２の読出し値に基づく近似式を用いて算出される。したがって、複数の読出しサイクルで取得される第１の読出し値及び第２の読出し値の一部が外乱等により変動しても、第１の推定値及び第２の推定値では、変動を含む読出し値の影響が低減される。この結果、距離の測定精度が向上され得る。

本発明によれば、反射光の強度のダイナミックレンジを拡大することが可能な距離測定装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る距離測定装置を概略的に示す図である。 センサの一例を概略的に示す図である。 センサにおける一つの画素ユニットの一例を示す平面図である。 図３のIV−IV線に沿った断面構成を示す図である。 図３のV−V線に沿った断面構成を示す図である。 センサ部の一つの画素ユニット及び当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。 処理部の制御及び演算を示すフローチャートである。 距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。 距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。 距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。 距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。 距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。 距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。 距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。 別の実施形態のセンサの一例を概略的に示す図である。 別の実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニットと当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る距離測定装置を概略的に示す図である。図１に示す距離測定装置１０は、飛行時間法（ＴＯＦ：Time−of−Flight）法により、対象物と当該距離測定装置１０との距離を求める装置である。距離測定装置１０は、光源部１２、センサ部１４、及び処理部１６を備えている。

光源部１２は、変調光を放出する。本実施形態においては、光源部１２は、レーザダイオード１２ａ、反射部材１２ｂ、及びドライバ回路１２ｃを有し得る。ドライバ回路１２ｃは、処理部１６からの駆動パルス信号に同期した変調電流を、レーザダイオード１２ａに供給する。レーザダイオード１２ａは、変調電流に応じて変調光を放出する。変調光は、たとえば、一以上のパルス光を含み得る。レーザダイオード１２ａは、反射部材１２ｂに向けてパルス光を出射する。反射部材１２ｂは、レーザダイオード１２ａから出射されたパルス光を反射する。反射部材１２ｂで反射されたパルス光が対象物に照射される。

ドライバ回路１２ｃは、処理部１６の制御にしたがって、反射部材１２ｂのアクチュエータに駆動信号を送る。ドライバ回路１２ｃは、レーザダイオード１２ａから反射部材１２ｂに向けて出射されたパルス光の光路を変更するようにアクチュエータを駆動する。アクチュエータは、ドライバ回路１２ｃからの駆動信号により、反射部材１２ｂの角度を偏向する。反射部材１２ｂの角度の偏向により、レーザダイオード１２ａから出射されたパルス光の対象物への照射位置が走査される。反射部材１２ｂは、たとえばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーである。

センサ部１４は、本実施形態においては、センサ１８、デジタル−アナログ変換部（ＤＡＣ）２０、及び、アナログ−デジタル変換部（ＡＤＣ）２２、を有し得る。デジタル−アナログ変換部２０は、処理部１６の信号処理部１６ａからのデジタル信号をアナログ信号に変換して、当該アナログ信号をセンサ１８に供給する。アナログ−デジタル変換部２２は、センサ１８からのアナログ信号をデジタル信号に変換して、当該デジタル信号を処理部１６に供給する。

処理部１６は、光源部１２の変調光の放出タイミング及びセンサ部１４を制御して、距離を算出する。一実施形態においては、処理部１６は、信号処理部１６ａ及びメモリ１６ｂを含み得る。信号処理部１６ａは、たとえば、ＦＰＧＡ（Field−Programmable Gate Array）といった演算回路であり、メモリ１６ｂは、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）である。

図２は、センサの一例を概略的に示す図である。センサ１８は、撮像領域ＩＲ、サンプルホールド回路群ＳＨＧ、スイッチ群ＳＷＧ、水平シフトレジスタ群ＨＳＧ、信号ラインＨ１及びＨ２、並びに、出力アンプＯＡＰ１及びＯＡＰ２を含んでいる。図２に示されるように、センサ１８は、一行の画像を取得するラインセンサとして構成されていてもよい。本実施形態においては、撮像領域ＩＲは、水平方向に配列された複数の画素ユニットＰ（ｊ）を含んでいる。ここで、ｊは、１〜Ｊの整数であり、Ｊは、２以上の整数であり、画素ユニットの個数を示している。

図３は、センサにおける一つの画素ユニットの一例を示す平面図である。図４は、図３のIV−IV線に沿った断面構成を示す図であり、図５は、図３のV−V線に沿った断面構成を示す図である。各画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）は、図３〜図５に示された同一の構造を有している。

図４及び図５に示されるように、本実施形態においては、画素ユニットＰ（ｊ）は、半導体基板ＳＢを含んでいる。半導体基板ＳＢは、たとえばシリコン基板である。半導体基板ＳＢは、第１の半導体領域ＳＲ１及び第２の半導体領域ＳＲ２を含んでいる。第１の半導体領域ＳＲ１は、半導体基板ＳＢの一方の主面ＳＢＦ１を提供するｐ型の半導体領域である。第２の半導体領域ＳＲ２は、第１の半導体領域ＳＲ１上に配置されているｐ−型の半導体領域である。第２の半導体領域ＳＲ２の不純物濃度は、第１の半導体領域ＳＲ１の不純物濃度以下である。半導体基板ＳＢは、ｐ型の半導体基板上に、ｐ−型の半導体領域をエピタキシャル成長法により堆積させることにより、形成され得る。

半導体基板ＳＢの他方の主面ＳＢＦ２上には、絶縁膜ＩＳＬが形成されている。絶縁膜ＩＳＬは、たとえば、ＳｉＯ_２によって構成される。絶縁膜ＩＳＬ上には、フォトゲート電極ＰＧが配置されている。フォトゲート電極ＰＧは、たとえば、ポリシリコンによって構成される。図３に示されるように、本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、略矩形の平面形状を有し得る。画素ユニットＰ（ｊ）では、このフォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域が、入射光に感応して電荷を発生する光感応領域として機能する。

図４及び図５に示されるように、絶縁膜ＩＳＬ上には、第１の転送電極ＴＸ１、第２の転送電極ＴＸ２、及び第３の転送電極ＴＸ３が配置されている。これら転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３は、たとえば、ポリシリコンによって構成される。図３〜図５に示されるように、第１の転送電極ＴＸ１及び第２の転送電極ＴＸ２は、それらの間にフォトゲート電極ＰＧが存在するように、配置されている。

本実施形態では、図３に示されるように、四つの第３の転送電極ＴＸ３が絶縁膜ＩＳＬ上に配置されている。二つの第３の転送電極ＴＸ３は、第１の転送電極ＴＸ１と第２の転送電極ＴＸ２が配列されている方向（以下、「Ｘ方向」という）に交差する方向（以下、「Ｙ方向」という）において、第１の転送電極ＴＸ１が二つの第３の転送電極ＴＸ３の間に位置するように、配置されている。別の二つの第３の転送電極ＴＸ３は、Ｙ方向において第２の転送電極ＴＸ２が上記別の二つの第３の転送電極ＴＸ３に位置するように、配置されている。

図４に示されるように、第２の半導体領域ＳＲ２には、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２が形成されている。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、光感応領域から転送される電荷を蓄積する。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、第１の蓄積領域ｆｄ１と第２の蓄積領域ｆｄ２との間に光感応領域が位置するように、配置されている。本実施形態では、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、ｎ型の不純物が高濃度にドープされたｎ^＋型の半導体領域である。

絶縁膜ＩＳＬは、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２の上方において開口を画成している。これら開口内には、電極１３が配置されている。電極１３は、たとえば、Ｔｉ／ＴｉＮ膜を介して設けられたタングステンから構成される。

Ｘ方向において、第１の転送電極ＴＸ１は、第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。第１の蓄積領域ｆｄ１に光感応領域から電荷を転送するときには、第１の転送電極ＴＸ１の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させる電圧ＶＴＸ１が第１の転送電極ＴＸ１に与えられる。電圧ＶＴＸ１は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてデジタル−アナログ変換部２０から与えられる。

Ｘ方向において、第２の転送電極ＴＸ２は、第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。第２の蓄積領域ｆｄ２に光感応領域から電荷を転送するときには、第２の転送電極ＴＸ２の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させる電圧ＶＴＸ２が、第２の転送電極ＴＸ２に与えられる。電圧ＶＴＸ２は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてデジタル−アナログ変換部２０から与えられる。

図５に示されるように、第２の半導体領域ＳＲ２には、ｎ^＋型の半導体領域ＳＲ３が形成されている。一実施形態では、四つの半導体領域ＳＲ３が配置されている。一対の半導体領域ＳＲ３は、当該一対の半導体領域ＳＲ３の間に光感応領域が位置するように配置されている。別の一対の半導体領域ＳＲ３は、当該別の一対の半導体領域ＳＲ３の間に光感応領域が位置するように配置されている。

各半導体領域ＳＲ３の上方において、絶縁膜ＩＳＬは、開口を画成しており、これら開口内には、電極１３が配置されている。電極１３は、たとえば、Ｔｉ／ＴｉＮ膜を介して設けられたタングステンから構成される。

Ｘ方向において、一つの半導体領域ＳＲ３上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間には、対応の第３の転送電極ＴＸ３が配置されている。第３の転送電極ＴＸ３に電圧ＶＴＸ３を与えられることにより、当該第３の転送電極ＴＸ３の下方の半導体領域のポテンシャルが低減される。第３の転送電極ＴＸ３の下方の半導体領域のポテンシャルが低減されることにより、光感応領域から電荷が半導体領域ＳＲ３に転送される。電圧ＶＴＸ３は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてデジタル−アナログ変換部２０から与えられる。

半導体領域ＳＲ３の電極１３は、所定の電位Ｖｄｄにも接続されている（図６参照）。この電位Ｖｄｄは、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてデジタル−アナログ変換部２０によって設定される。電圧ＶＴＸ３を与えて第３の転送電極ＴＸ３の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させると、光感応領域の電荷はリセットされる。

以下、図２と共に図６を参照する。図６は、センサ部の一つの画素ユニット及び当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。図２及び図６に示されるように、センサ１８のサンプルホールド回路群ＳＨＧは、Ｊ個の第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＪ個の第２のサンプルホールド回路ＳＨ２を含んでいる。各第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及び各第２のサンプルホールド回路ＳＨ２は、対応の画素ユニットＰ（ｊ）（画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）のうち対応の画素ユニット）に接続されている。すなわち、サンプルホールド回路群ＳＨＧは、各々が一つの第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及び一つの第２のサンプルホールド回路を含むＪ個のサンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）を含んでいる。Ｊ個のサンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）はそれぞれ、画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）に対応付けられている。

画素ユニットＰ（ｊ）は、第１のリセットスイッチＲＳ１、第２のリセットスイッチＲＳ２、並びに、電荷−電圧変換回路Ａ１及びＡ２を更に含んでいる。第１のリセットスイッチＲＳ１は、リセット電位Ｖｒと第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３との間に位置している。第２のリセットスイッチＲＳ２は、リセット電位Ｖｒと第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３との間に位置している。リセット電位Ｖｒは、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてデジタル−アナログ変換部２０によって設定される。

第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のリセットスイッチＲＳ２には、信号処理部１６ａからリセットパルス信号Ｓｒｅｓが与えられる。リセットパルス信号Ｓｒｅｓが第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のリセットスイッチＲＳ２に与えられると、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、リセット電位Ｖｒに接続される。これにより、第１の蓄積領域ｆｄ１の電荷及び第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷がリセットされる。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷がリセットされるタイミングから次ぎにリセットされるタイミングまでの間の期間は、フレーム期間Ｔｆ（図８参照）となる。

電荷−電圧変換回路Ａ１の入力は、第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３に接続されており、電荷−電圧変換回路Ａ１の出力は、第１のサンプルホールド回路ＳＨ１のスイッチＳＷ１０に接続されている。電荷−電圧変換回路Ａ１は、第１の蓄積領域ｆｄ１の電荷量を電圧に変換し、当該電圧を第１のサンプルホールド回路ＳＨ１に提供する。電荷−電圧変換回路Ａ２の入力は、第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３に接続されており、電荷−電圧変換回路Ａ２の出力は、第２のサンプルホールド回路ＳＨ２のスイッチＳＷ１２に接続されている。電荷−電圧変換回路Ａ２は、第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷量を電圧に変換し、当該電圧を第２のサンプルホールド回路ＳＨ２に提供する。

第１のサンプルホールド回路ＳＨ１は、スイッチＳＷ１０及びキャパシタＣＰ１０を含んでいる。第２のサンプルホールド回路ＳＨ２は、スイッチＳＷ１２及びキャパシタＣＰ１２を含んでいる。スイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２には、信号処理部１６ａからサンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐが与えられる。サンプリングパルス信号ＳｓａｍｐがスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与えられると、電荷−電圧変換回路Ａ１の出力とキャパシタＣＰ１０とが接続され、電荷−電圧変換回路Ａ２の出力とキャパシタＣＰ１２が接続される。これにより、電荷−電圧変換回路Ａ１の出力電圧がキャパシタＣＰ１０の両端間に保持され、電荷−電圧変換回路Ａ２の出力電圧がキャパシタＣＰ１２の両端間に保持される。サンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐが与えられてから次にサンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐが与えられるまでの期間、すなわち、連続する二つのサンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐの間が、読出し期間となる。

センサ１８のスイッチ群ＳＷＧは、Ｊ個のスイッチＳＷ１及びＪ個のスイッチＳＷ２を含んでいる。各スイッチＳＷ１及び各スイッチＳＷ２はそれぞれ、画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）のうち対応の画素ユニット用の第１のサンプルホールド回路ＳＨ１のキャパシタＣＰ１０、及び第２のサンプルホールド回路ＳＨ２のキャパシタＣＰ１２に、接続されている。すなわち、スイッチ群ＳＷＧは、各々が一つのスイッチＳＷ１及び一つのスイッチＳＷ２を含むＪ個のスイッチ対ＳＷＰ（１）〜ＳＷＰ（Ｊ）を含んでいる。Ｊ個のスイッチ対ＳＷＰ（１）〜ＳＷＰ（Ｊ）はそれぞれ、サンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）に対応付けられている。

スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２には、読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄが与えられる。読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄは、水平シフトレジスタ群ＨＳＧから供給される。水平シフトレジスタ群ＨＳＧは、Ｊ個の水平シフトレジスタを有している。水平シフトレジスタは、たとえば、フリップフロップを含み得る。これら水平シフトレジスタは、画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）の配列方向に配列されている。水平シフトレジスタ群ＨＳＧ内の一端に位置している水平シフトレジスタには、信号処理部１６ａからスタート信号が与えられる。全ての水平シフトレジスタには、信号処理部１６ａからクロック信号が与えられる。これらスタート信号及びクロック信号に応じて、Ｊ個の水平シフトレジスタはそれぞれ、読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄをスイッチ対ＳＷＰ（１）〜ＳＷＰ（Ｊ）に順次与える。このように読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄが与えられることにより、サンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）の第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及び第２のサンプルホールド回路ＳＨ２が、信号ラインＨ１及び信号ラインＨ２に順次接続される。

読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられると、サンプルホールド回路ＳＨ１のキャパシタＣＰ１０及び第２のサンプルホールド回路ＳＨ２のキャパシタＣＰ１２はそれぞれ、信号ラインＨ１及び信号ラインＨ２に接続される。これにより、第１のサンプルホールド回路ＳＨ１に保持された電圧が、信号ラインＨ１を介して出力アンプＯＡＰ１に入力される。第２のサンプルホールド回路ＳＨ２に保持された電圧が、信号ラインＨ２を介して出力アンプＯＡＰ２に入力される。出力アンプＯＡＰ１及び出力アンプＯＡＰ２はそれぞれ、入力された電圧を増幅して、増幅した電圧をアナログ−デジタル変換部２２に出力する。

アナログ−デジタル変換部２２は、入力された電圧信号を当該電圧信号の大きさに応じた値を有するデジタル値に変換する。アナログ−デジタル変換部２２によって出力されるデジタル値は、処理部１６のメモリ１６ｂに記憶される。本実施形態では、出力アンプＯＡＰ１からの電圧信号に基づくデジタル値は、後述する第１の読出し値として、メモリ１６ｂに記憶される。第１の読出し値は、第１の蓄積領域ｆｄ１の蓄積電荷量が多いほど小さい値となる。出力アンプＯＡＰ２からの電圧信号に基づくデジタル値は、後述する第２の読出し値として、メモリ１６ｂに記憶される。第２の読出し値は、第２の蓄積領域ｆｄ２の蓄積電荷量が多いほど小さい値となる。

続いて、処理部１６の制御及び演算について説明する。図７は、処理部の制御及び演算を示すフローチャートである。図８及び図９は、距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。処理部１６は、各画素ユニットについて、図７〜図９を参照して以下に説明する制御及び演算を行う。

本実施形態では、処理部１６は、まず、光源部１２から変調光を放出させない非発光フレーム期間において、Ｎ個の第１の読出し値Ｄ１（０，…，Ｎ）及び第２の読出し値Ｄ２（０，…，Ｎ）をセンサ部１４から取得する（図７中、Ｓ１１）。

具体的に、信号処理部１６ａは、初回の電荷転送サイクルの開始前にサンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与える。これにより、初回の電荷転送サイクルより前の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧が、第１のサンプルホールド回路ＳＨ１に保持される。また、初回の電荷転送サイクルより前の上記時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧が、第２のサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。

次いで、信号処理部１６ａは、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を送出する。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｄ１（０）及び第２の読出し値Ｄ２（０）をセンサ部１４から取得する。

次いで、信号処理部１６ａは、１回目〜Ｎ回目の電荷転送サイクル及び１回目〜Ｎ回の読出しサイクルを以下に説明するように実行する。ここで、Ｎは、予め定められた最大の電荷転送サイクルの順番を示す数値である。以下、読出しサイクルの順番を示すインデックスとして、記号「ｎ」を用いる。

信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルの第１の転送期間Ｔ１において第１の転送電極ＴＸ１にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ１が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。これにより、第１の転送期間Ｔ１においては、第１の転送電極ＴＸ１の下方の半導体領域、すなわち、光感応領域と第１の蓄積領域ｆｄ１との間の半導体領域のポテンシャルが下がり、光感応領域から第１の蓄積領域ｆｄ１に電荷が転送される。信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルの第２の転送期間Ｔ２内に第２の転送電極ＴＸ２にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ２が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。これにより、第２の転送期間Ｔ２においては、第２の転送電極ＴＸ２の下方の半導体領域、すなわち、光感応領域と第２の蓄積領域ｆｄ２との間の半導体領域のポテンシャルが下がり、光感応領域から第２の蓄積領域ｆｄ２に電荷が転送される。

非発光フレーム期間の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２は、後述する発光フレーム期間の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２と同様に、設定されている。非発光フレーム期間の各電荷転送サイクルにおける第１の転送期間Ｔ１の合計長さと、発光フレーム期間の各電荷転送サイクルにおける第１の転送期間Ｔ１の合計長さとは同じである。非発光フレーム期間の各電荷転送サイクルにおける第２の転送期間Ｔ２の合計長さと、発光フレーム期間の各電荷転送サイクルにおける第２の転送期間Ｔ２の合計長さとは同じである。

本実施形態においては、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２の間、信号処理部１６ａは、第３の転送電極ＴＸ３にＬｏｗレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。したがって、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２の間には、光感応領域と半導体領域ＳＲ３との間の半導体領域のポテンシャルは高いままで維持され、光感応領域に発生した電荷は、半導体領域ＳＲ３には転送されない。一方、第３の転送電極ＴＸ３には、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間に、Ｈｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられる。したがって、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間では、光感応領域に発生した電荷は半導体領域ＳＲ３に転送され、除去される。

次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルの終了時点とｎ＋１回目の電荷転送サイクルの開始時点との間の時点にサンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与える。これにより、複数の電荷転送サイクルと交互の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧が第１のサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧が第２のサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の読出しサイクルにおいて、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を与える。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｄ１（ｎ）及び第２の読出し値Ｄ２（ｎ）をセンサ部１４から取得する。

処理部１６は、第１の読出し値Ｄ１（０，…，Ｎ）及び第２の読出し値Ｄ２（０，…，Ｎ）をセンサ部１４から取得して、これら読出し値をメモリ１６ｂに記憶する。非発光フレーム期間の電荷転送サイクルにおいては、処理部１６は光源部１２に変調光を放出させない。したがって、非発光フレーム期間において得られる第１の読出し値Ｄ１（０，…，Ｎ）及び第２の読出し値Ｄ２（０，…，Ｎ）は、背景光等のノイズ成分のみを反映している。これら、第１の読出し値Ｄ１（０，…，Ｎ）及び第２の読出し値Ｄ２（１，…，Ｎ）は、後に発光フレーム期間に取得される第１の読出し値Ｑ１（０，…，Ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２０１，…，Ｎ）から、背景光等のノイズ成分を除去するために、減算される。

次に、処理部１６の信号処理部１６ａは、第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のＲＳ２にリセットパルス信号Ｓｒｅｓを与えて、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２をリセット電位Ｖｒに接続する。これにより、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積された電荷及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積された電荷がリセットされ（図７中、Ｓ１２）、次のフレーム期間Ｔｆである発光フレーム期間が開始される。発光フレーム期間の電荷転送サイクルにおいては、光源部１２に信号処理部１６ａから駆動パルス信号が与えられ、光源部１２が所定のタイミングで変調光を放出する。

発光フレーム期間においては、処理部１６は、第１の読出し値Ｑ１（０）及び第２の読出し値Ｑ２（０）をセンサ部１４から取得して、当該第１の読出し値Ｑ１（０）及び第２の読出し値Ｑ２（０）を、第１の読出し値及び第２の読出し値の初期値として、メモリ１６ｂに記憶する（図７中、Ｓ１３）。

具体的に、信号処理部１６ａは、初回の電荷転送サイクルＣｙの開始前にサンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与える。これにより、初回の電荷転送サイクルより前の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧が第１のサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧が第２のサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。

次いで、信号処理部１６ａは、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を送出する。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｑ１（０）及び第２の読出し値Ｑ２（０）をセンサ部１４から取得する。すなわち、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙにおいて蓄積された電荷は、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙの終了時点とｎ＋１回目の電荷転送サイクルＣｙの開始時点との間の読出しサイクルにて読み出される。

第１の読出し値Ｑ１（０）及び第２の読出し値Ｑ２（０）は、最初のサンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐの出力時点、すなわち、初回の電荷転送サイクルの前の時点に、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量にそれぞれ対応している。したがって、第１の読出し値Ｑ１（０）及び第２の読出し値Ｑ２（０）は、光源部１２からの変調光が対象物から反射することにより発生する信号光成分を反映していない。

次いで、信号処理部１６ａは、ｎを１にセットして（図７中、Ｓ１４）、１回目〜Ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙ及び１回目〜Ｎ回目の読出しサイクルを以下に説明するように試みる。読出し期間（連続する二つのサンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐの間の期間）は、電荷転送サイクルＣｙと読出しサイクルとを含んでいる。

まず、信号処理部１６ａは、図８も示されるように、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙにおいて、光源部１２に一以上の駆動パルス信号ＳＬを与えて、光源部１２から変調光を駆動パルス信号ＳＬの数と同じ回数放出させる（図７中、Ｓ１５）。すなわち、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙでは、光源部１２からの変調光の放出期間の数ｍは、一以上である。各放出期間の時間長は、図９にも示されるように、Ｔ０である。

信号処理部１６ａは、図９も示されるように、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙの第１の転送期間Ｔ１内に第１の転送電極ＴＸ１にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ１が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙの第２の転送期間Ｔ２内に第２の転送電極ＴＸ２にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ２が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。

第１の転送期間Ｔ１は、駆動パルス信号ＳＬと同期している。すなわち、駆動パルス信号ＳＬの立ち上がりタイミングと電圧信号ＶＴＸ１の立ち上がりのタイミングは略同期しており、駆動パルス信号ＳＬの持続時間Ｔ０と第１の転送期間Ｔ１は、略同一の時間長である。

第２の転送期間Ｔ２は、第１の転送期間Ｔ１と位相反転している。すなわち、各電荷転送サイクルＣｙにおいて、第２の転送期間Ｔ２の位相は、第１の転送期間Ｔ１の位相から１８０度遅れている。より具体的には、電圧信号ＶＴＸ１の立ち下がりタイミングと電圧信号ＶＴＸ２の立ち上がりタイミングは略同期しており、第１の転送期間Ｔ１と第２の転送期間Ｔ２は、略同一の時間長である。

本実施形態においては、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２の間、信号処理部１６ａは、第３の転送電極ＴＸ３にＬｏｗレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。第３の転送電極ＴＸ３には、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間に、Ｈｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられる。したがって、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２においては、光感応領域への入射光に応じた電荷は半導体領域ＳＲ３に転送されないが、第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間では、光感応領域に発生した電荷は半導体領域ＳＲ３に転送されて、除去される。

上述したように、各回の変調光の放出期間に同期して第１の転送期間Ｔ１が設けられており、第１の転送期間Ｔ１と位相反転した第２の転送期間Ｔ２が設けられている。したがって、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙには、駆動パルス信号ＳＬの数と同じ数の第１の転送期間Ｔ１と、駆動パルス信号ＳＬの数と同じ数の第２の転送期間Ｔ２とが設けられている。ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙにおいて、第１の蓄積領域ｆｄ１に電荷を蓄積させる時間長は、第１の転送期間Ｔ１（時間Ｔ０）と駆動パルス信号ＳＬの回数（放出期間の回数）との積となる。ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙにおいて、第２の蓄積領域ｆｄ２に電荷を蓄積させる時間長は、第２の転送期間Ｔ２（時間Ｔ０）と駆動パルス信号ＳＬの回数（放出期間の回数）との積となる。

次いで、信号処理部１６ａは、第１の読出し値Ｑ１（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２（ｎ）をセンサ部１４から取得して、当該第１の読出し値Ｑ１（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２（ｎ）をメモリ１６ｂに記憶する（図７中、Ｓ１６）。

具体的に、信号処理部１６ａは、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙの終了時点とｎ＋１回目の電荷転送サイクルＣｙの開始時点との間に、サンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与える。これにより、複数の電荷転送サイクルＣｙと交互の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧が第１のサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧が第２のサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。

次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の読出しサイクルにおいて、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を与える。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｑ１（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２（ｎ）をセンサ部１４から取得する。すなわち、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙにおいて蓄積された電荷は、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙの終了時点とｎ＋１回目の電荷転送サイクルＣｙの開始時点との間の読出しサイクルにて読み出される。第１の読出し値Ｑ１（ｎ）は、ｎ回目の電荷転送サイクルＣｙの終了時とｎ＋１回目の電荷転送サイクルＣｙの開始時との間の時点に、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応した値であり、第２の読出し値Ｑ２（ｎ）は、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応した値である。

次いで、信号処理部１６ａは、第１の差分値ｋ１（ｎ）及び第２の差分値ｋ２（ｎ）を求める（図７中、Ｓ１７）。第１の差分値ｋ１（ｎ）は、ｎ回目の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１（ｎ）からｎ−１回目の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１（ｎ−１）を減算することにより求められる。第２の差分値ｋ２（ｎ）は、ｎ回目の読出しサイクルの第２の読出し値Ｑ２（ｎ）からｎ−１回目の読出しサイクルの第２の読出し値Ｑ２（ｎ−１）を減算することにより求められる。

次いで、信号処理部１６ａは、予測値Ｑ１（ｎ＋１）及び予測値Ｑ２（ｎ＋１）を求める（図７中、Ｓ１８）。予測値Ｑ１（ｎ＋１）は、ｎ回目の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１（ｎ）に第１の差分値ｋ１（ｎ）を加算することにより、求められる。予測値Ｑ２（ｎ＋１）は、ｎ回目の読出しサイクルの第２の読出し値Ｑ２（ｎ）に第２の差分値ｋ２（ｎ）を加算することにより、求められる。予測値Ｑ１（ｎ＋１）は、ｎ＋１回目の読出しサイクルの第１の読出し値の予測値であり、予測値Ｑ２（ｎ＋１）は、ｎ＋１回目の読出しサイクルの第２の読出し値の予測値である。

次いで、信号処理部１６ａは、第１の予測値Ｑ１（ｎ＋１）及び第２の予測値Ｑ２（ｎ＋１）を所定の閾値Ｑｔｈと比較する（図７中、Ｓ１９）。本実施形態においては、閾値Ｑｔｈは、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値以上、且つ、第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値以上の値であるよう設定されている。第１の予測値Ｑ１（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈ以上であり、且つ、第２の予測値Ｑ２（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈ以上である場合には、Ｓ１９での処理の判定結果は「Ｎｏ」となり、信号処理部１６ａの処理はＳ２０の処理に進む。Ｓ２０での処理では、ｎがＮ以上であるか否かがテストされる。Ｓ２０での処理においてｎがＮより小さい場合には、信号処理部１６ａは、ｎの値を１だけ増分し（図７中、Ｓ２１）、Ｓ１５からの処理を繰り返す。一方、Ｓ２０での処理においてｎがＮ以上である場合には、信号処理部１６ａの処理はＳ２２に進む。

Ｓ１９での処理（比較）の結果、第１の予測値Ｑ１（ｎ＋１）又は第２の予測値Ｑ２（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈを超える、すなわち、閾値よりも小さい場合には、信号処理部１６ａの処理はＳ２２に進む。したがって、処理部１６は、第１の予測値Ｑ１（ｎ＋１）又は第２の予測値Ｑ２（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈを超える場合には、ｎ＋１回目以降の読出しサイクルを停止する。すなわち、信号処理部１６ａは、ｎ＋１回目以降の読出しサイクルにおける第１の読出し値及び第２の読出し値のセンサ部１４からの取得、及びｎ＋１回目以降の読出しサイクルにおける第１の読出し値及び第２の読出し値のメモリ１６ｂへの記憶を停止する。

閾値Ｑｔｈが、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値及び第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値のうち大きい方の読出し値と同値である場合には、処理部１６は、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の第１の読出し値Ｑ１（ｎ）を取得することができ、第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の第２の読出し値Ｑ２（ｎ）を取得することができる。その結果、測定距離のダイナミックレンジが向上され得る。また、距離の測定精度が向上される。更に、信号処理部１６ａのＳ２２での処理以後の演算を早期に開始することも可能である。

本実施形態においては、閾値Ｑｔｈは、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値及び第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値のうち大きい方の読出し値よりも大きな値に設定されていてもよい。この実施形態によれば、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２それぞれの蓄積電荷量と入射光量との関係の線形性が優れた範囲で、センサ部１４を利用することができる。したがって、距離の測定精度がより向上され得る。

次に、信号処理部１６ａは、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを求める（図７中、Ｓ２２）。具体的には、信号処理部１６ａは、最終の読出しサイクルであるｎ回目の読出しサイクルまでの第１の読出し値Ｑ１（０）〜Ｑ１（ｎ）に基づく近似式を作成し、当該近似式を用いて第１の読出し値Ｑ１の補正値Ｑ１ｃｏｒｒを算出する。そして、信号処理部１６ａは、下記の式（１）に示されるように、第１の読出し値Ｑ１の補正値Ｑ１ｃｏｒｒと第１の読出し値Ｑ１（０）との和から読出し値Ｄ１（ｎ）を減算することにより、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔを算出する。
＜式（１）＞
Ｑ１ｅｓｔ＝Ｑ１ｃｏｒｒ＋Ｑ１（０）−Ｄ１（ｎ）

同様に、信号処理部１６ａは、最終の読出しサイクルであるｎ回目の読出しサイクルまでの第２の読出し値Ｑ２（０）〜Ｑ２（ｎ）に基づく近似式を作成し、当該近似式を用いて第２の読出し値Ｑ２の補正値Ｑ２ｃｏｒｒを算出する。そして、信号処理部１６ａは、下記の式（２）に示されるように、第２の読出し値Ｑ２の補正値Ｑ２ｃｏｒｒと第２の読出し値Ｑ２（０）との和から読出し値Ｄ２（ｎ）を減算することにより、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを算出する。
＜式（２）＞
Ｑ２ｅｓｔ＝Ｑ２ｃｏｒｒ＋Ｑ２（０）−Ｄ２（ｎ）

本実施形態においては、第１の読出し値Ｑ１の補正値Ｑ１ｃｏｒｒは、ｎ回目の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１（ｎ）の補正値であり、第２の読出し値Ｑ２の補正値Ｑ２ｃｏｒｒは、ｎ回目のサイクルの第２の読出し値Ｑ２（ｎ）の補正値であり得る。補正値Ｑ１ｃｏｒｒ及びＱ２Ｃｏｒｒは、近似式の出力として得られる補正値であれば、対応する読出しサイクルの番号は限定されるものではない。

近似式は、最小自乗法に基づいて作成され得る。近似式は、その他の公知の近似式の作成方法が用いられてもよい。信号処理部１６ａは、読出し値Ｄ１（０）〜Ｄ１（ｎ）に基づく近似式を用いて、読出し値Ｄ１の補正値を算出し、当該読出し値Ｄ１の補正値を第１の読出し値Ｑ１の補正値Ｑ１ｃｏｒｒと第１の読出し値Ｑ１（０）との和から減算して、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔを算出してもよい。読出し値Ｄ１の補正値及び読出し値Ｑ１の補正値Ｑ１ｃｏｒｒは、同じ順番の読出しサイクルの読出し値Ｄ１の補正値及び読出し値Ｑ１の補正値である。同様に、信号処理部１６ａは、読出し値Ｄ２（０）〜Ｄ２（ｎ）に基づく近似式を用いて読出し値Ｄ２の補正値を算出し、当該読出し値Ｄ２の補正値を第２の読出し値Ｑ２の補正値Ｑ２ｃｏｒｒと第２の読出し値Ｑ２（０）との和から減算して、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを算出してもよい。読出し値Ｄ２の補正値及び読出し値Ｑ２の補正値Ｑ２ｃｏｒｒは、同じ順番の読出しサイクルの読出し値Ｄ２の補正値及び読出し値Ｑ２の補正値である。

第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、近似式を用いて算出した第１の読出し値の補正値と第１の読出し値Ｑ１（０）との和から別のフレーム期間において求めた背景光等のノイズ成分に対応する第１の読出し値を減算したものである。第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは、近似式を用いて算出した第２の読出し値の補正値と第１の読出し値Ｑ１（０）との和から別のフレーム期間において求めた背景光等のノイズ成分に対応する第２の読出し値を減算したものである。したがって、最終の読出しサイクルまでに取得される第１の読出し値及び第２の読出し値の一部が外乱等により変動しても、近似式に基づく第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔでは、変動を含む読出し値の影響が低減され得る。第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔでは、背景光等のノイズの影響が低減され得る。

次いで、信号処理部１６ａは、距離を算出する（図７中、Ｓ２３）。具体的には、信号処理部１６ａは、下記の式（３）の演算により、距離Ｌを算出する。
＜式（３）＞
Ｌ＝（１／２）×ｃ×Ｔ０×｛Ｑ２ｅｓｔ×α／（Ｑ１ｅｓｔ＋Ｑ２ｅｓｔ×α）｝
ｃは光速であり、αは同量の入射光が第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２に光感応領域に入射したときの第１の読出し値と第２の読出し値の比である。このように、信号処理部１６ａは、第１の蓄積領域ｆｄ１の蓄積電荷量に基づく第１の推定値Ｑ１ｅｓｔと第２の蓄積領域ｆｄ２の蓄積電荷量に基づく第２の推定値Ｑ２ｅｓｔの比により、対象物に対する距離を高精度に算出することができる。本実施形態においては、信号処理部１６ａは、各画素について算出した距離に応じた濃淡値を有する１行の距離画像を出力する。本実施形態においては、信号処理部１６ａはフレーム期間Ｔｆごとに距離画像を更新するよう、図７〜図９を用いて説明した制御及び演算を繰り返してもよい。

ところで、信号処理部１６ａは、図８に示されるように、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍを一つのフレーム期間Ｔｆ内で増加させている。具体的には、信号処理部１６ａは、放出期間の周期を短くすることにより、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍを増加させている。すなわち、信号処理部１６ａは、放出期間の周期を短くすることにより、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍを多くし、放出期間の周期を長くすることにより、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍを少なくしている。

一つのフレーム期間Ｔｆの初期での放出期間の周期は、一つのフレーム期間Ｔｆの後期での放出期間の周期に比して長い。すなわち、一つのフレーム期間Ｔｆの後期での放出期間の周期は、一つのフレーム期間Ｔｆの初期での放出期間の周期に比して短い。放出期間の周期は、一つのフレーム期間Ｔｆ内において、単調減少している。本明細書では、「単調減少している」は増加傾向とならないことを意味し、広義の単調減少を意味する。一つのフレーム期間Ｔｆ内において、読出し期間の長さは一定であり、電荷転送サイクルＣｙの期間は変化していない。

信号処理部１６ａは、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍを段階的に増加させている。たとえば、一つのフレーム期間Ｔｆの初期では、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍは、「２」であり、一つのフレーム期間Ｔｆの後期では、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の回数は、「Ｍ」である。すなわち、信号処理部１６ａは、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数を二段階で増加させている。ここで、Ｍは、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数の最大値として、予め定められた数値である。

電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍは、一つのフレーム期間Ｔｆ内において、単調増加している。本明細書では、「単調増加している」は減少傾向とならないことを意味し、広義の単調増加を意味する。

本実施形態の距離測定装置１０では、一つのフレーム期間Ｔｆの初期では、一つのフレーム期間Ｔｆの後期に比べて、放出期間の周期を長いことにより、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍが少ない。このため、センサ１８の画素ユニットＰ（ｊ）に入射する反射光の強度が強い場合（たとえば、対象物が近距離に位置している場合、あるいは対象物の反射率が高い場合など）でも、一つのフレーム期間Ｔｆの初期において、蓄積される信号電荷の飽和が生じ難く、距離測定を適切に行うことができる。

一つのフレーム期間Ｔｆの後期では、一つのフレーム期間Ｔｆの初期に比べて、放出期間の周期を短いことにより、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍが多い。このため、センサ１８の画素ユニットＰ（ｊ）に入射する反射光の強度が低い場合（たとえば、対象物が遠距離に位置している場合、あるいは対象物の反射率が低い場合など）でも、蓄積される信号電荷の不足が抑制され、距離測定を適切に行うことができる。

以上のことから、本実施形態の距離測定装置１０によれば、一つのフレーム期間Ｔｆを変更することなく、反射光の強度のダイナミックレンジを拡大することができる。

信号処理部１６ａは、図１０に示されるように、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍを３段階以上で増加させていてもよい。また、信号処理部１６ａは、図１１に示されるように、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍを「１」から「Ｍ」まで徐々に増加させていてもよい。いずれの場合も、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍは、一つのフレーム期間Ｔｆ内において、単調増加している。

信号処理部１６ａは、図１２に示されるように、読出し期間の長さを長くして、電荷転送サイクルＣｙの期間を長くすることにより、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍを増加させていてもよい。すなわち、信号処理部１６ａは、読出し期間の長さを短くして、電荷転送サイクルＣｙの期間を短くすることにより、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍを少なくし、電荷転送サイクルＣｙの期間を長くすることにより、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍを多くしている。

一つのフレーム期間Ｔｆの初期での電荷転送サイクルＣｙの期間は、一つのフレーム期間Ｔｆの後期での電荷転送サイクルＣｙの期間に比して短い。すなわち、一つのフレーム期間Ｔｆの後期での電荷転送サイクルＣｙの期間は、一つのフレーム期間Ｔｆの初期での電荷転送サイクルＣｙの期間に比して長い。電荷転送サイクルＣｙの期間は、一つのフレーム期間Ｔｆ内において、単調増加している。放出期間の周期は、一つのフレーム期間Ｔｆ内において、変化していない。

図１２に示された例では、信号処理部１６ａは、電荷転送サイクルＣｙの期間を二段階で長くしている。たとえば、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍは、「３」であり、一つのフレーム期間Ｔｆの後期では、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の回数は、「Ｍ」である。電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍは、一つのフレーム期間Ｔｆ内において、単調増加している。

本実施形態の距離測定装置１０では、一つのフレーム期間Ｔｆの初期では、一つのフレーム期間Ｔｆの後期に比べて、電荷転送サイクルＣｙの期間が短いことにより、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍが少ない。このため、センサ１８の画素ユニットＰ（ｊ）に入射する反射光の強度が強い場合（たとえば、対象物が近距離に位置している場合、あるいは対象物の反射率が高い場合など）でも、一つのフレーム期間Ｔｆの初期において、蓄積される信号電荷の飽和が生じ難く、距離測定を適切に行うことができる。

一つのフレーム期間Ｔｆの後期では、一つのフレーム期間Ｔｆの初期に比べて、電荷転送サイクルＣｙの期間が長いことにより、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍが多い。このため、センサ１８の画素ユニットＰ（ｊ）に入射する反射光の強度が低い場合（たとえば、対象物が遠距離に位置している場合、あるいは対象物の反射率が低い場合など）でも、蓄積される信号電荷の不足が抑制され、距離測定を適切に行うことができる。

信号処理部１６ａは、図１３に示されるように、電荷転送サイクルＣｙの期間を３段階以上で長くしていてもよい。この場合、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍが３段階以上で増加する。また、信号処理部１６ａは、図１４に示されるように、電荷転送サイクルＣｙの期間を徐々に長くしていてもよい。この場合、たとえば、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍが「１」から「Ｍ」まで徐々に増加する。いずれの場合も、電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍは、一つのフレーム期間Ｔｆ内において、単調増加している。

続いて、図１５及び図１６を参照して、別の実施形態について説明する。図１５は、別の実施形態に係るセンサの一例を示す図である。図１６は、別の実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニットと当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。

距離測定装置１０は、センサ１８に代えて、図１５に示されるセンサ１８Ａを有していてもよい。センサ１８Ａは、Ｉ×Ｊ個の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）を有する撮像領域ＩＲを有している。ここで、ｉは１〜Ｉの整数であり、ｊは１〜Ｊの整数であり、Ｉ及びＪは２以上の整数である。Ｉ×Ｊ個の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）は、Ｉ行Ｊ列に配列されている。撮像領域ＩＲには、画素ユニットの各列用の二つの垂直信号ラインＶ１（ｊ）及びＶ２（ｊ）が設けられている。

図１６に示されるように、センサ１８Ａの画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の電荷−電圧変換回路Ａ１の出力にはスイッチＳＷ２０が接続されており、当該スイッチＳＷ２０は対応の垂直信号ラインＶ１（ｊ）を介して対応の第１のサンプルホールド回路ＳＨ１のスイッチＳＷ１０に接続されている。画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の電荷−電圧変換回路Ａ２の出力にはスイッチＳＷ２２が接続されており、当該スイッチＳＷ２２は対応の垂直信号ラインＶ２（ｊ）を介して対応の第２のサンプルホールド回路ＳＨ２のスイッチＳＷ１２に接続されている。

センサ１８Ａは、更に垂直シフトレジスタ群ＶＳＧを更に有している。垂直シフトレジスタ群ＶＳＧは、垂直方向に配列された複数の垂直シフトレジスタを含んでいる。各垂直シフトレジスタは、たとえばフリップフロップを含んでいる。配列方向において一端に設けられた垂直シフトレジスタには、信号処理部１６ａからスタート信号が与えられる。全ての垂直シフトレジスタには、信号処理部１６ａからクロック信号が与えられる。垂直シフトレジスタ群ＶＳＧは、スタート信号及びクロック信号を受けると、複数の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）のスイッチＳＷ２０及びスイッチＳＷ２２に、行選択信号を行順に順次与える。

これにより、各列の複数の画素ユニット（ｉ，ｊ）の電荷−電圧変換回路Ａ１及びＡ２の出力は、対応の垂直信号ラインＶ１（ｊ）及びＶ２（ｊ）に順次接続されて、複数の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の出力電圧が、対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に、行順に順次保持される。各行内の複数の画素ユニット（ｊ，ｉ）の出力電圧が対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に保持されると、サンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に保持された電圧は、水平シフトレジスタ群ＨＳＧから与えられる読み出しパルス信号により、信号ラインＨ１及びＨ２に列順に順次結合される。そして、図７で説明した演算を各画素ユニットについて行うことにより、信号処理部１６ａは二次元の距離画像を形成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

たとえば、図１５に示された実施形態では、画素ユニットの列ごとに対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２が設けられているが、画素ユニットごとに対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２が設けられていてもよい。撮像領域ＩＲの画素ユニットの個数は、一つであってもよい。

電荷転送サイクルＣｙ一回あたりの放出期間の数ｍは、図８及び図１０〜図１４に示された値に限定されない。

各画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）は、本願出願人による特開２０１３−１７８１２１号公報及び特開２０１３−２０６９０３号公報などに記載されているように、二つの光感応領域（第１の光感応領域と第２の光感応領域）を有していてもよい。この場合、第１の蓄積領域が第１の光感応領域で発生した電荷を蓄積し、第２の蓄積領域が第２の光感応領域で発生した電荷を蓄積する。第１の転送電極は、第１の光感応領域と第１の蓄積領域との間に設けられる。第２の転送電極は、第２の光感応領域と第２の蓄積領域との間に設けられる。

各画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）が有する光感応領域、蓄積領域、及び転送電極は、上述した特開２０１３−１７８１２１号公報及び特開２０１３−２０６９０３号公報などに記載されているように、それぞれ「１」であってもよい。この場合、転送電極に印加される電圧信号は、所定のタイミンクで間欠的に位相シフトが与えられている。たとえば、上記電圧信号は、１８０度のタイミングで１８０度の位相シフトが与えられている。転送電極に印加される電圧信号は、０度のタイミングで駆動パルス信号ＳＬに同期し、１８０度のタイミングで駆動パルス信号ＳＬに１８０度の位相差を有している。すなわち、０度のタイミングと１８０度のタイミングとにおいて、蓄積領域に蓄積された電荷が読み出される。

１０…距離測定装置、１２…光源部、１４…センサ部、１６…処理部、１６ａ…信号処理部、１８…センサ、Ｃｙ…電荷転送サイクル、ｆｄ１…第１の蓄積領域、ｆｄ２…第２の蓄積領域、ＰＧ…フォトゲート電極、ＲＳ１…第１のリセットスイッチ、ＲＳ２…第２のリセットスイッチ、Ｔ１…第１の転送期間、Ｔ２…第２の転送期間、Ｔｆ…フレーム期間、ＴＸ１…第１の転送電極、ＴＸ２…第２の転送電極、Ｖｒ…リセット電位。

Claims (8)

1. 飛行時間法により対象物に対する距離を求める距離測定装置であって、
   変調光を放出する光源部と、
   入射光に応じて電荷を発生する光感応領域、前記光感応領域で発生した電荷を蓄積する蓄積領域、前記光感応領域と前記蓄積領域との間に設けられた転送電極、及び、前記蓄積領域とリセット電位との間に設けられたリセットスイッチを有するセンサ部と、
   前記変調光の放出タイミング及び前記センサ部を制御して、距離を算出する処理部と、
   を備え、
   前記処理部は、
   前記リセットスイッチを制御して前記蓄積領域を前記リセット電位に接続してから該蓄積領域を次に前記リセット電位に接続するまでのフレーム期間内の複数の電荷転送サイクルにおいて、一以上の放出期間に前記光源部に前記変調光を放出させ、かつ、前記電荷転送サイクル一回あたりの前記放出期間の数を一つの前記フレーム期間内で増加させ、
   前記一以上の放出期間に同期した一以上の転送期間に前記転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記蓄積領域に蓄積させ、
   前記複数の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する複数の読出しサイクルにおいて、前記複数の電荷転送サイクルと交互の時点に前記蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の読出し値を前記センサ部から取得し、
   前記複数の読出し値に基づいて、距離を算出する、距離測定装置。
2. 前記処理部は、放出期間の周期を短くすることにより、前記電荷転送サイクル一回あたりの前記放出期間の数を増加させる、請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記処理部は、電荷転送サイクルの期間を長くすることにより、前記電荷転送サイクル一回あたりの前記放出期間の数を増加させる、請求項１に記載の距離測定装置。
4. 前記処理部は、前記電荷転送サイクル一回あたりの前記放出期間の数を段階的に増加させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離測定装置。
5. 前記処理部は、前記電荷転送サイクル一回あたりの前記放出期間の数を徐々に増加させる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の距離測定装置。
6. 前記センサ部は、
   前記蓄積領域として、第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域を含み、
   前記転送電極として、前記光感応領域と前記第１の蓄積領域との間に設けられた第１の転送電極、及び、前記光感応領域と前記第２の蓄積領域との間に設けられた第２の転送電極を含み、
   前記リセットスイッチとして、前記第１の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第１のリセットスイッチ、及び、前記第２の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第２のリセットスイッチを含み、
   前記処理部は、
   前記第１のリセットスイッチ及び前記第２のリセットスイッチを制御して前記第１の蓄積領域及び前記第２の蓄積領域を前記リセット電位に接続してから該第１の蓄積領域及び該第２の蓄積領域を次に前記リセット電位に接続するまでのフレーム期間内の複数の電荷転送サイクルにおいて、前記一以上の放出期間に同期した一以上の第１の転送期間に前記第１の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第１の蓄積領域に蓄積させ、前記一以上の第１の転送期間と位相反転した一以上の第２の転送期間に前記第２の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第２の蓄積領域に蓄積させ、
   前記複数の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する複数の読出しサイクルにおいて、前記複数の電荷転送サイクルと交互の時点に前記第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第１の読出し値及び該時点に前記第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた複数の第２の読出し値を、前記センサ部から取得し、
   前記複数の第１の読出し値及び前記複数の第２の読出し値に基づいて、距離を算出する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の距離測定装置。
7. 前記処理部は、ｎ回目の前記読出しサイクルの前記第１の読出し値と、ｎ回目の前記読出しサイクルの前記第１の読出し値とｎ−１回目の前記読出しサイクルの前記第１の読出し値との間の差分値との和、又は、ｎ回目の前記読出しサイクルの前記第２の読出し値と、ｎ回目の前記読出しサイクルの前記第２の読出し値とｎ−１回目の前記読出しサイクルの前記第２の読出し値との間の差分値との和が、所定の閾値を超える場合に、ｎ＋１回目以降の前記読出しサイクルを停止し、ここでｎは前記複数の読出しサイクルの順番を示す、請求項６に記載の距離測定装置。
8. 前記処理部は、
   前記複数の第１の読出し値に基づく近似式を用いて第１の推定値を算出し、前記複数の第２の読出し値に基づく近似式を用いて第２の推定値を算出し、
   前記第１の推定値及び前記第２の推定値に基づいて、距離を算出する、請求項６又は７に記載の距離測定装置。

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