JP2022168742A - 測距装置 - Google Patents

Abstract

【課題】異なる波長の光を用いた測距を効率的に実施可能な測距装置を提供すること
【解決手段】測距装置は、第１の波長の光と、第１の波長よりも長い第２の波長の光とを同時に照射可能な光源ユニットを有し、測距の開始から受光部の画素への光の入射が検出されるまでの時間に基づいて距離情報を算出する。受光部の画素アレイには第１の波長の光を受光するように構成された第１の画素と、第２の波長の光を受光するように構成された第２の画素とが２次元に配列される。
【選択図】図１９

Description

本発明は測距装置に関する。

光を照射してから反射光を検出するまでの時間差を計測することにより、光を反射した物体までの距離を計測する、ＴｏＦ(Time-of-Flight)方式の測距方法が知られている。特に屋外でＴｏＦ方式の測距を実施する場合、環境光による影響を抑制することが重要になる。

特許文献１には、発光ダイオードの発光する波長と、受光装置のバンドパスフィルタの通過帯域との組み合わせを温度に応じて制御することにより、環境光による影響を抑制する構成が開示されている。

特開２０１９－７８７４８号公報

しかしながら、特許文献１では、発光ユニットおよびフィルタの少なくとも一方を２組設けたり、温度によって発光波長が変化する発光ダイオードを用いたりする必要があり、構成が複雑かつ大型化する。そのため、コスト面で不利な上、小型の電子機器に内蔵するといった用途には不向きである。さらに、実際に測距に用いるのは１波長であるため、例えば環境光に近い波長の光が存在する場合には環境光による影響を抑制することができない。

本発明は、このような従来技術の課題の少なくとも１つを改善し、異なる波長の光を用いた測距を効率的に実施可能な測距装置を提供することを目的の１つとする。

上述の目的は、第１の波長の光と、第１の波長よりも長い第２の波長の光とを同時に照射可能な光源ユニットと、画素が２次元に配列された画素アレイを有し、画素への光の入射を検出する受光部と、測距の開始から画素への光の入射が検出されるまでの時間を検出し、検出した時間に基づいて距離情報を算出する計測手段と、を有し、画素アレイには第１の波長の光を受光するように構成された第１の画素と、第２の波長の光を受光するように構成された第２の画素とが２次元に配列されることを特徴とする測距装置によって達成される。

本発明によれば、異なる波長の光を用いた測距を効率的に実施可能な測距装置を提供することができる。

実施形態に係る受光装置を用いた測距装置１００の機能構成例を示すブロック図 光源ユニット１１１の構成例を示す図 光源ユニット１１１の投光パターンの例を示す図 計測ユニット１２０の実装例を模式的に示した分解斜視図 受光部１２１の構成例に関する図 画素５１１に設ける光学バンドパスフィルタの分光特性の例を示す図 画素５１１の受光素子の構成例を示す垂直断面図 図７の断面におけるポテンシャル分布の例を示す図 画素５１１の構成例を示す回路図 ＴＤＣアレイ部１２２の構成例を示すブロック図 高分解能ＴＤＣ１５０１の構成例を示す回路図 高分解能ＴＤＣ１５０１の動作に関する図 測距動作に関するタイミングチャート 図１３の一部を拡大したタイミングチャート 低分解能ＴＤＣ１５０２が有する第２発振器１５１２の回路構成例を模式的に示す図 第１発振調整回路１５４１および第２発振調整回路１５４２の機能構成例を示すブロック図 実施形態における測距動作の一例に関するフローチャート 測距結果のヒストグラムの例を示す図 第２実施形態における光源ユニット１１１の構成例を示す図 第２実施形態における光源ユニット１１１の投光パターンの例を示す図 第２実施形態における受光部１２１の構成例を示す図 第２実施形態における測距を模式的に示す図 第２実施形態における波長決定処理に関するフローチャート

以下、添付図面を参照して本発明をその例示的な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定しない。また、実施形態には複数の特徴が記載されているが、その全てが発明に必須のものとは限らず、また、複数の特徴は任意に組み合わせられてもよい。さらに、添付図面においては、同一若しくは同様の構成に同一の参照番号を付し、重複した説明は省略する。

なお、本明細書において受光素子の特性が同一であるとは、受光素子の物理的な構成およびバイアス電圧を積極的に異ならせていないことを示す。したがって、製造上のばらつきなどの不可避な要因による特性の差異は存在しうる。

●（第１実施形態）
図１は、本発明に係る受光装置を用いた測距装置の機能構成例を示すブロック図である。測距装置１００は、投光ユニット１１０、計測ユニット１２０、受光レンズ１３２、全体制御部１４０を有する。投光ユニット１１０は、発光素子を２次元アレイ状に配置した光源ユニット１１１と、光源ユニット駆動部１１２と、光源制御部１１３と、投光レンズ１３１とを有する。計測ユニット１２０は、受光部１２１と、ＴＤＣ(Time-to-Digital Convertor)アレイ部１２２と、信号処理部１２３と、計測制御部１２４とを有する。なお、本明細書では、受光レンズ１３２と受光部１２１との組み合わせを受光ユニット１３３と呼ぶことがある。

全体制御部１４０は、測距装置１００全体の動作を制御する。全体制御部１４０は例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを有し、ＲＯＭに記憶されたプログラムをＲＡＭに読み込んでＣＰＵで実行することにより、測距装置１００の各部を制御する。全体制御部１４０の少なくとも一部は専用のハードウェア回路で実現されてもよい。

光源ユニット１１１に配列された複数の発光素子２１１（図２（ｂ））を短時間発光させることにより、パルス状の光（パルス光）が投光レンズ１３１を介して照射される。個々の発光素子から発せられたパルス光はそれぞれ異なる空間を照射する。光源ユニット１１１から照射されたパルス光の一部は被写体で反射され、受光レンズ１３２を介して受光部１２１に入射する。本実施形態では、発光させる発光素子２１１と、受光部１２１に配列される複数の画素のうち特定の画素とが光学的に対応するように構成される。ここで、ある発光素子２１１と光学的に対応する画素とは、その発光素子２１１から出射された光の反射光を最も多く検出するような位置関係にある画素である。

光源ユニット１１１の発光から受光部１２１に反射光が入射するまでの時間を、飛行時間ToFとしてＴＤＣアレイ部１２２で計測する。なお、環境光やダークカウントなどのノイズ成分や、ＴＤＣアレイ部１２２のノイズが計測結果に与える影響を低減するため、飛行時間ToFを複数回計測する。

信号処理部１２３は、ＴＤＣアレイ部１２２による複数回の計測結果のヒストグラムを生成し、ヒストグラムに基づいてノイズ成分を除去する。そして、信号処理部１２３は、ノイズ成分を除去した計測結果を例えば平均することによって求めた飛行時間ToFを以下の式（１）に代入して被写体の距離Ｌを算出する。
L[m] = ToF[sec]*c[m/sec]/2 ・・・（１）
なお、ｃは光の速度である。このようにして、信号処理部１２３は画素ごとに距離情報を算出する。

（投光ユニット１１０）
図２を用いて、投光ユニット１１０の構成例について説明する。図２（ａ）は、光源ユニット１１１を構成するコリメータレンズアレイ２２０の構成例を、図２（ｂ）は、光源ユニット１１１を構成する光源アレイ２１０の構成例をそれぞれ示す側面図である。

光源アレイ２１０は例えば垂直共振器面発光レーザ素子(Vertical Cavity Surface Emitting LASER: VCSEL)である発光素子２１１が２次元アレイ状に配列された構成を有する。光源アレイ２１０の点灯および消灯は、光源制御部１１３が制御する。光源制御部１１３は、発光素子２１１単位で点灯および消灯を制御可能である。

なお、発光素子２１１には、端面発光型レーザ素子、ＬＥＤ（発光ダイオード）など、VCSEL以外の素子を用いてもよい。発光素子２１１として端面発光型レーザ素子を用いる場合は、基板上に素子を１次元配列したレーザーバー、もしくはレーザーバーを積層して２次元アレイ構成としたレーザーバースタックを光源アレイ２１０として用いることができる。また、発光素子２１１としてＬＥＤを用いる場合には、基板上に２次元アレイ状にＬＥＤを配列した光源アレイ２１０を用いることができる。

なお、発光素子２１１の発光波長に特段の制限はないが、近赤外帯域の波長とすると、環境光の影響を抑制することができる。VCSELは端面発光型レーザや面発光レーザに用いられている材料を用いて半導体プロセスにより作成することができる。近赤外帯域の波長のレーザ光を放出させる構成とする場合、GaAs系の半導体材料を用いることができる。この場合、VCSELを構成するDBR（分布反射型）反射鏡をなす誘電体多層膜は、屈折率の異なる材料からなる二つの薄膜を交互に周期的に積層したもの（GaAs／AlGaAs）で、構成することができる。VCSELが発する光の波長は、化合物半導体の元素組み合わせや、組成を調整することで変更することができる。

VCSELアレイを構成するVCSELには、活性層に電流とホールを注入するための電極が設けられる。活性層に電流とホールを注入するタイミングを制御することで、任意のパルス光や、変調光を放出することが可能である。光源制御部１１３は、発光素子２１１を個別に駆動したり、光源アレイ２１０を行単位、列単位、あるいは矩形領域単位で駆動することができる。

また、コリメータレンズアレイ２２０は、個々のコリメータレンズ２２１が１つの発光素子２１１に対応するように、複数のコリメータレンズ２２１が２次元アレイ状に配置された構成を有する。発光素子２１１が出射する光線は、対応するコリメータレンズ２２１によって平行光線に変換される。

図２（ｃ）は、光源ユニット駆動部１１２、光源ユニット１１１、および投光レンズ１３１の配置例を示す垂直断面図である。投光レンズ１３１は、光源ユニット１１１（光源アレイ２１０）から出射される平行光の投光範囲を調整するための光学系である。図２（ｃ）では投光レンズ１３１が凹レンズであるが、凸レンズや非球面レンズであってもよいし、複数のレンズから構成される光学系であってもよい。

本実施形態では一例として投光ユニット１１０から±４５度の範囲に光が照射されるように投光レンズ１３１が構成されているものとする。なお、コリメータレンズ２２１によって光の出射方向を制御することで、投光レンズ１３１を省略してもよい。

図３（ａ）は、VCSEL素子を３行３列に配置した光源アレイ２１０を用いた投光ユニット１１０による投光パターンの例を示している。３１０は投光ユニット１１０の発光面に対して正対する所定距離の平面である。９つの投光エリア３１１は、平面３１０における個々のVCSEL素子からの光の強度分布のうちおよそ半値全幅（FWHM）を直径とする領域を示している。

コリメータレンズ２２１により平行光に変換されたVCSELの出射光は投光レンズ１３１で若干の発散角を付与されるため、照射面（平面３１０）において有限の領域を形成する。コリメータレンズアレイ２２０と光源アレイ２１０との位置関係が一定の場合、平面３１０には光源アレイ２１０を構成する発光素子２１１の数に等しい投光エリア３１１が形成される。

本実施形態の投光ユニット１１０には、光源ユニット１１１を同一平面内で移動可能な光源ユニット駆動部１１２を有している。光源ユニット駆動部１１２によって光源ユニット１１１の位置を移動させることにより、発光素子２１１と、コリメータレンズ２２１または投光レンズ１３１との相対的な位置関係を変更することができる。光源ユニット駆動部１１２が光源ユニット１１１を駆動する方法に特に制限はないが、例えば手ブレ補正のために撮像素子を駆動するために用いられる機構のような、電磁誘導方式や圧電素子を用いた機構を用いることができる。

光源ユニット駆動部１１２により光源ユニット１１１を例えば光源ユニット１１１の基板に平行な（投光レンズ１３１の光軸に垂直な）面内で移動させると、平面３１０における投光エリア３１１を略平行移動することが可能である。例えば光源ユニット１１１を光源ユニット１１１の基板に平行な面内で移動させる間に光源ユニット１１１を複数回点灯させることにより、投光エリアの空間解像度を擬似的に増加させることができる。

図３（ａ）と同様の光源アレイ２１０を有する光源ユニット１１１を光源ユニット１１１の基板に平行な面内で円状に１回転移動させる間に一定周期で４回光源ユニット１１１を点灯させた際の、面４１０における投光エリア４１１の空間解像度を図３（ｂ）に示す。図３（ａ）に示した、光源ユニット１１１を移動させない場合に対して４倍の空間解像度が得られている。

したがって、光源ユニット１１１と投光レンズ１３１との相対位置が異なる状態で距離計測を実施することにより、距離計測点の密度を高めることができる。光束を分離することなく投光エリア４１１の空間解像度を高めることができるため、測距可能な距離が短くなったり、反射光の強度低下に起因して距離精度が低下したりすることがない。

なお、投光レンズ１３１を光源ユニット１１１の基板に平行な面内で移動させることにより、光源ユニット１１１と投光レンズ１３１との相対位置を変更してもよい。なお、投光レンズ１３１が複数枚のレンズを有する場合には、投光レンズ１３１の全体を移動させてもよいし、一部のレンズのみを移動させてもよい。

さらに、光源ユニット駆動部１１２により、光源ユニット１１１を光源アレイ２１０の基板と垂直方向（投光レンズ１３１の光軸方向）に移動可能に構成してもよい。これにより、光の発散角や投光角度を制御することができる。

光源制御部１１３は、受光ユニット１３３の受光タイミングや受光解像度に応じて、光源ユニット１１１（光源アレイ２１０）の発光を制御する。

（計測ユニット１２０）
次に、計測ユニット１２０の構成について説明する。図４は、計測ユニット１２０の実装例を模式的に示した分解斜視図である。図４では、受光部１２１、ＴＤＣアレイ部１２２、信号処理部１２３、計測制御部１２４について示している。受光部１２１およびＴＤＣアレイ部１２２は受光装置を構成する。

計測ユニット１２０は、画素５１１を２次元アレイ状に配置した受光部１２１を含む受光素子基板５１０と、ＴＤＣアレイ部１２２、信号処理部１２３、計測制御部１２４を含むロジック基板５２０とを積層した構成を有する。受光素子基板５１０とロジック基板５２０とは基板間接続５３０を通じて電気的に接続されている。図４は、説明のために、受光素子基板５１０とロジック基板５２０とを離間した状態で示している。

なお、各基板に搭載する機能ブロックは図示した例に限定されない。３つ以上の基板を積層する構成であってもよいし、１つの基板に、全ての機能ブロックを搭載してもよい。基板間接続５３０は、例えば、Cu-Cu接続で構成されており、画素５１１の各列に１つまたは複数配置してもよいし、画素５１１ごとに１つ配置してもよい。

受光部１２１は、画素５１１が２次元アレイ状に配列された画素アレイを有する。本実施形態においては、画素５１１が有する受光素子がアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）もしくはＳＰＡＤ素子であるものとする。また、図５（ａ）に示すように、第１の感度を有する画素Ｈ（第１の画素）と、第１の感度より低い第２の感度を有する画素Ｌ（第２の画素）とが、行方向および列方向において交互に配置されている。画素Ｈと画素Ｌとが隣接するように配置することで、画素Ｌの計測結果に基づく画素Ｈのオフセット補正が可能となる。本明細書において、画素Ｈを高感度画素Ｈ、画素Ｌを低感度画素Ｌと呼ぶこともある。

図５（ｂ）は、画素Ｈと画素Ｌの構造例を示す垂直断面図である。ここでは、共振波長λｃ、高屈折率層９０１の屈折率をｎＨ、低屈折率層９０２の屈折率をｎＬ（＜ｎＨ）とする。光共振器９１１から光共振器９１４は、膜厚ｄＨ＝０．２５λｃ／ｎＨの高屈折率層９０１と膜厚ｄＬ＝０．２５λｃ／ｎＬの低屈折率層９０２とを有する多層膜干渉ミラーである。膜厚ｄＥ１（～ｄＥ４）＝ｍ１（～ｍ４）×０．５λｃ／ｎＬ（ｍ１～ｍ４は自然数）の低屈折率層９０２を高屈折率層９０１によって両側から挟んだ構成である。

画素Ｌは、膜厚３０ｎｍのタングステン薄膜で構成される透過率が約４５％の減光層９０３の上に、第２の光学バンドパスフィルタが設けられた構成を有する。第２の光学バンドパスフィルタは、光共振器９１１から光共振器９１４を、膜厚ｄＬの低屈折率層９０２を挟んで積層した構成を有する。第２の光学バンドパスフィルタは図６（ａ）に示す分光特性を有し、受光素子に付加する光学要素の一例である。

画素Ｈは、膜厚３０ｎｍの低屈折率層で構成される透過率が約１００％の透過率層９０４の上に、多層膜干渉ミラー９１５と、低屈折率層からなる膜厚ｄＥ４の膜厚調整層９０５と、第１の光学バンドパスフィルタとが設けられた構成を有する。第１の光学バンドパスフィルタは、受光素子に付加する光学要素の一例であり、図６（ｂ）に示す分光特性を有する。

第１の光学バンドパスフィルタは、光共振器９１１から光共振器９１３を、膜厚ｄＬの低屈折率層９０２を挟んで積層した構成を有する。第１の光学バンドパスフィルタと第２のバンドの通過帯域は基本的に同じ中心波長を有し、図６においてλｃＬ＝λｃＨである。中心波長は光源ユニット１１１が照射する光のピーク波長とすることができる。一方、第２の光学バンドパスフィルタの分光特性の半値幅ＷＬは、第１の光学バンドパスフィルタの分光特性の半値幅ＷＨより狭い。

半値幅ＷＬを半値幅ＷＨより狭くするのは、低感度画素Ｌでは主に長距離の測距を行うことを、高感度画素Ｈでは主に短距離の測距を行う想定しているためである。低感度画素Ｌでは長いＴｏＦに対応できるよう、半値幅ＷＬを狭くして、反射光が到達する前にノイズ光が計測されることを抑制する。

また、画素Ｌには減光層９０３を設けることにより、画素Ｈよりも低感度になるように構成されている。減光層９０３は画素の感度を低下させるための光学要素の一例である。なお、減光層９０３の代わりに、開口量が異なるマスクなど、他の光学要素を用いて画素Ｈと画素Ｌの感度を異ならせてもよい。

例えば、画素Ｌには、画素Ｈに設けられるマスクよりも開口量の小さいマスクを設けることで、画素Ｌの受光素子の受光領域を画素Ｈの受光素子の受光領域よりも狭くすることができる。画素Ｈにはマスクを設けなくてもよく、この場合には画素Ｌに開口率が１００％未満のマスクを設ければよい。マスクは遮光膜を形成可能な任意の材料で形成することができる。

本実施形態では、受光素子そのものの構成や印加電圧を異ならせるのではなく、受光素子に付加する光学要素を用いて画素の感度を異ならせる。そのため、受光素子の構成や印加電圧は画素Ｈおよび画素Ｌとで共通とすることができる。したがって、受光素子アレイの製造が容易であり、また、受光素子の特性のばらつきを抑制することができる。

図７は、画素Ｈおよび画素Ｌに共通する、受光素子の半導体層を含む断面図である。１００５が受光素子基板５１０の半導体層、１００６が受光素子基板５１０の配線層、１００７がロジック基板５２０の配線層である。受光素子基板５１０とロジック基板５２０の配線層が向かい合う様に接合されている。受光素子基板５１０の半導体層１００５には受光領域（光電変換領域）１００１と、光電変換によって生成された信号電荷によりアバランシェ電流を発生させるアバランシェ領域１００２とが含まれる。

また、受光領域１００１に斜めに入射した光が、隣接画素の受光領域１００１に到達することを防ぐために、隣接画素との間に遮光壁１００３が設けられている。遮光壁１００３は金属で形成されており、遮光壁１００３と受光領域１００１との間には絶縁体領域１００４が設けられている。

図８（ａ）は図７のａ－ａ’断面の半導体領域のポテンシャル分布を示す図である。図８（ｂ）は図７のｂ－ｂ’断面のポテンシャル分布を示す図である。図８（ｃ）は図７のｃ－ｃ’'断面のポテンシャル分布を示す図である。

受光素子基板５１０の半導体層１００５に入射した光は、受光領域１００１で光電変換されて、電子と正孔が発生する。正電荷の正孔は、アノード電極Vbdを介して排出される。負電荷の電子は、信号電荷として、図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）に示したように、アバランシェ領域１００２に向かってポテンシャルが低くなるように設定された電界により、アバランシェ領域１００２に輸送される。

アバランシェ領域１００２に到達した信号電荷は、アバランシェ領域１００２の強い電界により、アバランシェ降伏を引き起こし、アバランシェ電流を発生させる。この現象は、信号光（光源ユニット１１１が照射した光の反射光）だけでなく、ノイズ光である環境光の入射でも発生し、ノイズ成分となる。また、キャリアは入射光によって発生するだけでなく、熱的にも発生する。熱的に発生したキャリアによるアバランシェ電流はダークカウントと呼ばれ、ノイズ成分となる。

図９は、画素５１１の等価回路図である。画素５１１は、ＳＰＡＤ素子１４０１、負荷トランジスタ１４０２、インバータ１４０３、画素選択スイッチ１４０４、画素出力線１４０５を有する。ＳＰＡＤ素子１４０１は、図７における受光領域１００１とアバランシェ領域１００２とを合わせた領域に対応する。

外部から供給される制御信号により画素選択スイッチ１４０４がオンになると、インバータ１４０３の出力信号が、画素出力信号として、画素出力線１４０５に出力される。
アバランシェ電流が流れていないとき、ＳＰＡＤ素子１４０１には、ブレークダウン電圧以上の逆バイアスが印加されるように、アノード電極Ｖｂｄの電圧が設定されている。この時、負荷トランジスタ１４０２に流れる電流は無いため、カソード電位Ｖｃは電源電圧Ｖｄｄに近い電圧となっており、画素出力信号は「０」である。

光子の到来により、ＳＰＡＤ素子１４０１でアバランシェ電流が発生すると、カソード電位Ｖｃが降下し、インバータ１４０３の出力が反転する。すなわち、画素出力信号は「０」から「１」に変化する。

カソード電位Ｖｃが低下すると、ＳＰＡＤ素子１４０１に印加される逆バイアスが低下し、逆バイアスがブレークダウン電圧以下になった時点でアバランシェ電流の生成が停止する。
その後、負荷トランジスタ１４０２を介して電源電圧Ｖｄｄから正孔電流が流れることによりカソード電位Ｖｃは上昇し、インバータ１４０３の出力（画素出力）が「１」から「０」へと戻り、光子の到来前の状態となる。このようにして画素５１１から出力された信号は、不図示の中継バッファを介して、ＴＤＣアレイ部１２２に入力される。

（ＴＤＣアレイ部１２２）
ＴＤＣアレイ部１２２は、光源ユニット１１１が発光した時刻から、画素５１１の出力信号が「０」から「１」に変化する時刻までの時間をＴｏＦとして計測する。
図１０は、ＴＤＣアレイ部１２２の構成例を模式的に示す図である。ＴＤＣアレイ部１２２には、第１の計測分解能を有する高分解能ＴＤＣ１５０１と、第２の計測分解能を有する低分解能ＴＤＣ１５０２とが、それぞれ画素アレイの１画素行を構成する画素数の半数ずつ設けられており、１画素単位で画素ごとにＴｏＦを計測する。第２の計測分解能は、第１の計測分解能よりも低い。また、同期クロックは例えば全体制御部１４０から供給される。

ここで、高感度画素Ｈの出力信号は高分解能ＴＤＣ１５０１に入力され、低感度画素Ｌの出力信号は低分解能ＴＤＣ１５０２に入力されるように、中継バッファで駆動される。つまり、高感度画素Ｈについては、低感度画素Ｌよりも高い計測分解能で時間を計測する。図１０では、奇数番目の画素出力が画素Ｈの出力であり、偶数番目の画素出力が画素Ｌの出力である。中継バッファでの遅延時間を概ね等しくするため、高分解能ＴＤＣ１５０１と低分解能ＴＤＣ１５０２とが交互に配置されている。

高分解能ＴＤＣ１５０１は、第１発振器１５１１、第１発振カウント回路１５２１、第１同期クロックカウント回路１５３１を有する。低分解能ＴＤＣ１５０２は、第２発振器１５１２、第２発振カウント回路１５２２、第２同期クロックカウント回路１５３２を有する。第１発振カウント回路１５２１および第２発振カウント回路１５２２は、対応する発振器の出力値の変化をカウントする第２のカウンタである。第１同期クロックカウント回路１５３１および第２同期クロックカウント回路１５３２は、同期クロックをカウントする第１のカウンタである。

それぞれのＴＤＣの出力値において、同期クロックカウント回路のカウント結果が上位ビット、発振器の内部信号が下位ビット、発振カウント回路のカウント結果が中間ビットを構成する。すなわち、同期クロックカウント回路で大まかに計測し、発振器の内部信号が細かく計測し、その間を発振カウント回路で計測する構成となっている。なお、それぞれの計測ビットに冗長ビットを持たせてもよい。

図１１は、高分解能ＴＤＣ１５０１の第１発振器１５１１の構成例を模式的に示す図である。第１発振器１５１１は、発振スタート／ストップ信号生成回路１６４０と、バッファ１６１１～１６１７と、インバータ１６１８と、発振スイッチ１６３０と、遅延調整用電流源１６２０とを有する。また、遅延要素としてのバッファ１６１１～１６１７およびインバータ１６１８は、発振スイッチ１６３０と交互に、直列かつリング状に接続されている。遅延調整用電流源１６２０は、バッファ１６１１～１６１７およびインバータ１６１８のそれぞれに設けられており、調整電圧に応じて、対応するバッファもしくはインバータの遅延時間を調整する。

図１２は、バッファ１６１１～１６１７およびインバータ１６１８の出力信号と発振器の内部信号とについて、リセット時と、発振スイッチ１６３０がオンになってからバッファ１段分の遅延時間ｔ_buffごとの変化を示している。ＷＩ１１出力～ＷＩ１８出力はそれぞれバッファ１６１１～１６１７およびインバータ１６１８の出力信号である。

リセット時、バッファ１６１１～１６１７の出力は「０」、インバータ１６１８の出力は「１」である。発振スイッチ１６３０がオンになってから、バッファ１段分の遅延時間ｔ_buff経過後、入出力の整合が取れているバッファ１６１２～１６１７とインバータ１６１８の出力は変化しない。一方、入出力の整合が取れていないバッファ１６１１の出力が「０」から「１」へ変化する（信号が１段分進む）。

さらにｔ_buff経過すると（２×ｔ_buff後）、入出力の整合が取れているバッファ１６１１、１６１３～１６１７とインバータ１６１８の出力は変化しない。一方、入出力の整合が取れていないバッファ１６１２の出力は「０」から「１」へと変化する（信号がさらに１段分進む）。

このように、バッファ１段分の遅延時間ｔ_buffが経過するごとに、バッファ１６１１～１６１７およびインバータ１６１８のうち、入出力の整合が取れていない１つの出力が順に「０」から「１」に変化していく。そして、発振スイッチ１６３０がオンになってから８×ｔ_buff経過後には、全てのバッファおよびインバータの出力が「１」に変化（信号が１周）する。さらに８×ｔ_buff経過後（１６×ｔ_buff経過後）すると、全てのバッファおよびインバータの出力が「０」に変化（信号が２周）して、元の状態に戻る。

その後は、１６×ｔ_buufを周期として同様に出力が変化する。このように、高分解能ＴＤＣ１５０１の時間分解能はｔ_buffに等しい。また、時間分解能ｔ_buffは、後述の第１発振調整回路１５４１により、同期クロックの周期の２^-7（１／１２８）になるように調整されている。

また、インバータ１６１８の出力である発振器出力は第１発振カウント回路１５２１に入力される。第１発振カウント回路１５２１では、発振器出力の立ち上がりエッジをカウントすることで、１６×ｔ_buffの時間分解能で時間を計測する。

図１３は、発光から、ＳＰＡＤ素子１４０１によって反射光が検出されるまでの時間計測が終了するまでのタイミングチャートである。ＳＰＡＤ素子１４０１のカソード電位Ｖｃ、画素出力信号、同期クロック、同期クロックカウント回路のカウント値、発振器スタート／ストップ信号生成回路出力、発振器出力、発振カウント回路のカウント値の変化を示している。

ＳＰＡＤ素子１４０１のカソード電位Ｖｃはアナログ電圧であり、紙面上側が高い電圧を示している。同期クロックと発振器スタート／ストップ信号生成回路出力、発振器出力はデジタル信号であり、紙面上側がオン、紙面下側がオフの状態を示している。同期クロックカウント回路および発振器カウント回路のカウント値は、デジタル値であり、１０進数で示している。

図１４は、図１３の時刻１８０３から時刻１８０５における発振器スタート／ストップ信号生成回路出力、発振器出力、発振器カウント回路のカウント値、発振器内部信号を拡大した図である。発振器内部信号はデジタル値であり、１０進数で示している。

図１３、図１４を用いて、光源ユニット１１１の発光時刻１８０１から、画素のＳＰＡＤ素子１４０１に光子が入射して画素出力信号が０から１になる時刻１８０３までの時間を、高分解能ＴＤＣ１５０１で計測する動作を説明する。

全体制御部１４０を介して供給される同期クロックの立ち上がりに同期した時刻１８０１に発光素子２１１が発光するよう、光源制御部１１３が光源ユニット１１１を駆動する。第１同期クロックカウント回路１５３１は、発光素子２１１が発光する時刻１８０１に全体制御部１４０から計測開始が指示されると、同期クロックの立ち上がりエッジのカウントを開始する。

時刻１８０１に照射された光の反射光が時刻１８０３に画素に入射すると、ＳＰＡＤ素子１４０１のカソード電位Ｖｃが降下し、画素出力信号が「０」から「１」に変化する。画素出力信号が「１」になると、発振スタート／ストップ信号生成回路１６４０の出力が「０」から「１」に変化し、発振スイッチ１６３０がオンになる。

発振スイッチ１６３０がオンになると、発振動作が開始され、図１２に示したように発振器内部で信号のループが開始される。発振スイッチ１６３０がオンになってから１６×ｔ_buffが経過して発振器内で信号が２周するごとに、発振器出力に立ち上がりエッジが出現し、第１発振カウント回路１５２１がその数を計測する。また、時刻１８０３で、第１同期クロックカウント回路１５３１はカウントを停止し、カウント値を保持する。

第１発振器１５１１がオンになった時刻１８０３以降、同期クロックが最初に立ち上がるタイミングが時刻１８０５である。時刻１８０５の同期クロックの立ち上がりを受けて、発振スタート／ストップ信号生成回路１６４０の出力は「０」となり、発振スイッチ１６３０はオフになる。発振スイッチ１６３０が「０」になったタイミングで、第１発振器１５１１の発振が終了し、発振回路内部信号はそのまま保持される。また、発振が終了するため、第１発振カウント回路１５２１のカウントも停止する。

同期クロックカウント回路のカウント結果D_Gclkは、時刻１８０１から時刻１８０２までの時間を２⁷×ｔ_buff単位で計測した値となる。また、発振器カウント回路のカウント結果D_ROclkは、時刻１８０３から時刻１８０４までの時間を２⁴×ｔ_buff単位で計測した値となる。さらに、発振器内部信号D_ROinは、時刻１８０４から時刻１８０５までの時間をｔ_buff単位で計測した値となる。高分解能ＴＤＣ１５０１は、これらの値に対して以下の処理を行って信号処理部１２３に出力することにより、１回の計測動作を完了する。

発振器カウント回路のカウント結果Ｄ_ROclkと発振器内部信号Ｄ_ROinとを以下の式（２）にしたがって加算する。
Ｄ_RO＝２⁴×Ｄ_ROclk＋Ｄ_ROin・・・（２）

式（２）で得られるＤ_ROは、時刻１８０３から時刻１８０５までの時間をｔ_buff単位で計測した値である。また、時刻１８０２から時刻１８０５までの時間は同期クロックの１周期に等しいため、２⁷×ｔ_buffである。そのため、同期クロックの１周期からＤ_ROを減じることで、時刻１８０２から時刻１８０３までの時間が得られる。これを、時刻１８０１から時刻１８０２までの時間であるD_Gclkと加算すると、時刻１８０１から時刻１８０３までの時間をｔ_buff単位で計測した値Ｄ_ToFが得られる（式（３））。
Ｄ_ToF=２⁷×Ｄ_Gclk＋(２⁷-Ｄ_RO)
＝２⁷×Ｄ_Gclk＋(２⁷-２４×Ｄ_ROclk-Ｄ_ROin)・・・（３）

図１５は、低分解能ＴＤＣ１５０２が有する第２発振器１５１２の回路構成例を模式的に示す図である。第２発振器１５１２では、バッファ２０１１～２０１３およびインバータ２０１４が、発振スイッチ２０３０と交互に、直列かつリング状に接続されている。また、遅延調整用電流源２０２０が、バッファ２０１１～２０１３およびインバータ２０１４のそれぞれに設けられており、調整電圧に応じて、対応するバッファもしくはインバータの遅延時間を調整する。

高分解能ＴＤＣ１５０１と比較すると、バッファおよび発振スイッチの数が７つから３つに減少している。一方、バッファ２０１１～２０１３およびインバータ２０１４はそれぞれ、遅延時間ｔ_buffが、高分解能ＴＤＣ１５０１のｔ_buffの２倍となるように第２発振調整回路１５４２で調整されている。

これにより、第２発振カウント回路１５２２のカウント周期は第１発振カウント回路１５２１のカウント周期と等しくなる。したがって、第２発振カウント回路１５２２の出力ビット数は第１発振カウント回路１５２１の出力ビット数と等しい。一方、発振器内部信号のビット数は、第２発振器１５１２の方が第１発振器１５１１よりも１ビット少なくすることができる。

上述の通り、低感度画素Ｌは長距離の測距に用いることを主に想定している。長距離の場合、ＴｏＦの計測分解能が測距結果の精度に与える影響は、長距離よりも短距離の方が大きい。そのため、低感度画素ＬのＴｏＦを計測する低分解能ＴＤＣ１５０２では、回路規模や消費電力を削減することを優先し、ＴｏＦの計測分解能を高分解能ＴＤＣ１５０１よりも低くしている。

遅延時間ｔ_buffは、トランジスタの製造誤差など製造プロセスに起因する要因、ＴＤＣ回路に印加される電圧のゆれ、温度によってばらつきが生じる。そのため、８個のＴＤＣごとに第１発振調整回路１５４１および第２発振調整回路１５４２が設けられている。

図１６は、第１発振調整回路１５４１および第２発振調整回路１５４２の機能構成例を示すブロック図である。第１発振調整回路１５４１および第２発振調整回路１５４２は同じ構成を有するため、以下では第１発振調整回路１５４１に関して説明する。第１発振調整回路１５４１は、ダミー発振器２１０１と１／２³（１／８）分周器２１０２、および位相比較器２１０３を有する。

ダミー発振器２１０１は、接続されるＴＤＣが有する発振器と同じ構成の発振器である。したがって、第１発振調整回路１５４１のダミー発振器２１０１は第１発振器１５１１と同じ構成を有する。第２発振調整回路１５４２のダミー発振器２１０１は第２発振器１５１２と同じ構成を有する。

ダミー発振器２１０１の出力は１／２³分周器２１０２に入力される。１／２³分周器２１０２は、入力されたクロック信号の周波数を１／２³にしたクロック信号を出力する。位相比較器２１０３には同期クロックと１／２³分周器２１０２の出力が入力される。位相比較器２１０３は、同期クロックの周波数と１／２³分周器２１０２の出力するクロック信号の周波数とを比較する。

そして、位相比較器２１０３は、同期クロック信号の周波数の方が高い場合には出力電圧を上昇させ、同期クロックの周波数の方が低い場合には出力電圧を降下させる。位相比較器２１０３の出力は、調整電圧として第１発振器１５１１の遅延調整用電流源１６２０に入力され、第１発振器１５１１の発振周波数が同期クロックの２³倍となるように遅延を調整する。第２発振調整回路１５４２においても同様である。

このように、発振器の発振周波数は、同期クロック周波数を基準に決定される。そのため、プロセス／電圧／温度の変化によらず一定周波数を出力可能な外付けＩＣを用いて同期クロック信号を生成することにより、プロセス／電圧／温度の変化による発振器の発振周波数のばらつきを抑制することができる。

例えば、同期クロック信号として１６０ＭＨｚのクロック信号を入力することで、発振周波数は高分解能ＴＤＣ１５０１および低分解能ＴＤＣ１５０２のいずれにおいても同期クロック周波数の８倍の１．２８ＧＨｚなる。ＴＤＣの時間分解能であるバッファ１段分の遅延時間ｔ_buffは、高分解能ＴＤＣ１５０１では４８．８ｐｓ、低分解能ＴＤＣ１５０２では９７．７ｐｓとなる。

（測距シーケンス）
図１７は、本実施形態における測距動作の一例に関するフローチャートである。
Ｓ２２０１で全体制御部１４０は、信号処理部１２３が有するヒストグラム回路および計測カウンタｉをリセットする。また、全体制御部１４０は、Ｓ２２０２で発光させる発光素子２１１と光学的に対応する画素５１１の出力がＴＤＣアレイ部１２２に入力されるよう、不図示の中継バッファの接続を変更する。

Ｓ２２０２で全体制御部１４０は、光源ユニット１１１の光源アレイ２１０を構成する発光素子２１１の一部を発光させる。同時に、全体制御部１４０は、ＴＤＣアレイ部１２２に対して計測開始を指示する。

ＴＤＣアレイ部１２２の高分解能ＴＤＣ１５０１および低分解能ＴＤＣ１５０２は、対応する画素５１１の出力が「０」から「１」に変化したことを検出すると、計測結果を信号処理部１２３に出力する。発光から、予め定められた最大測距レンジに対応する時間が経過すると、Ｓ２２０４が実行される。

Ｓ２２０４で信号処理部１２３は、画素ごとのヒストグラムにＳ２２０３で得られた計測結果を追加する。信号処理部１２３は、計測結果が得られていない画素についてはヒストグラムに計測結果を追加しない。

Ｓ２２０５で信号処理部１２３は、計測回数カウンタｉの値に１を加える。
Ｓ２２０６で信号処理部１２３は、計測回数カウンタｉの値が事前に設定された設定回数N_totalより大きいか否かを判定する。信号処理部１２３は、計測回数カウンタｉの値が設定回数N_totalより大きいと判定されればＳ２２０７を、計測回数カウンタｉの値が設定回数N_totalより大きいと判定されなければ２２０２を実行する。

Ｓ２２０７で信号処理部１２３は、個々の画素のヒストグラムに基づいてノイズ成分と思われる計数結果を除去し、Ｓ２２０８を実行する。
Ｓ２２０８で信号処理部１２３は、個々の画素のヒストグラムにおいて、Ｓ２２０７で除去されずに残った計測結果を平均し、平均値を計測されたＴｏＦとして出力し、１回の測距シーケンスを終了する。

（感度の異なる画素を用いることによるノイズ光抑制効果）
ここで、Ｓ２２０７でのノイズ成分除去処理と、Ｓ２２０８での平均化について説明した後、感度の異なる画素Ｈと画素Ｌによるノイズ光低減効果について述べる。

図１８（ａ）は、高感度画素Ｈにおける、N_total回のＴＤＣ計測結果のヒストグラムの例を示す図である。横軸はＴＤＣ計測結果（時間）、縦軸は頻度である。なお、ＴＤＣ計測結果のビン幅は便宜上設定されたものである。

区間２３０２に含まれる計測結果は、頻度ピークを形成していることから、発光から受光までの時間の正しい計測結果であると考えられる。一方、区間２３０４に含まれる計測結果は、分布が不規則かつまばらであることから、ランダムに発生する環境光等のノイズ光、もしくは、ダークカウントによるノイズ成分であると考えられる。したがって、区間２３０４に含まれる計測結果は取り除き、区間２３０２に含まれる計測結果のみの平均２３０３を測距結果とする。

図１８（ｂ）も図１８（ａ）と同様、高感度画素Ｈにおける、N_total回のＴＤＣ計測結果のヒストグラムの例を示す図である。被写体は図１８（ａ）と同じであるが、図１８（ａ）に示した計測時よりも環境光の多い状況で得られたＴＤＣ計測結果のヒストグラムの例を示している。区間２３０４に含まれるノイズ光でN_total回のＴＤＣ計測が完了してしまい、被写体からの反射光に対するＴＤＣ計測結果が得られていない。

図１８（ｃ）は、図１８（ｂ）と同じ環境下において、低感度画素Ｌについて得られたN_total回のＴＤＣ計測結果のヒストグラムの例を示す図である。高感度画素Ｈよりも感度が低いため、ノイズ光に対してＴＤＣ計測が行われる回数が減少する。その結果、区間２３０２に含まれる計測結果の数が増加し、図１８（ａ）と同様に、区間２３０２に含まれる計測結果の平均値を測距結果として算出することができる。このように、低感度画素Ｌは、環境光ノイズが大きい状況への耐性が高感度画素Ｈより高い。

なお、ここではノイズ光の多い環境において起こりうる状況について説明した。しかし、同様の問題は、測距対象の物体が遠距離に存在する場合にも起こりうる。物体が遠距離に存在する場合、発光から反射光が戻ってくるまでの期間（すなわち、ノイズ光が検出される期間）が長くなるためである。

本実施形態では、高感度画素Ｈと低感度画素Ｌとを用いることで、ノイズ光の量が多い場合や遠くの物体を測距する場合であっても、ノイズ光の影響が抑制された安定した測距が可能である。さらに、受光素子（ＳＰＡＤ）の構成（受光面積や受光部の厚さ）や、受光素子への印加電圧は高感度画素Ｈおよび低感度画素Ｌで共通である。そのため、高感度画素Ｈで得られる測距結果と、低感度画素Ｌで得られる測距結果とのばらつきが小さく、精度のよい測距結果が得られる。

（ＨＤＲ駆動方法）
次に、図１８（ｄ）および図１８（ｅ）を用いて、高感度画素Ｈと低感度画素ＬのＨＤＲ駆動について説明する。図１８（ｄ）は高感度画素Ｈの計測結果のヒストグラムの一例を、図１８（ｅ）は図１８（ｄ）の高感度画素Ｈに隣接する低感度画素Ｌの計測結果のヒストグラムの一例を、それぞれ示している。

高感度画素Ｈに対応する発光素子２１１の発光周期は２６０２であり、低感度画素Ｌに対応する発光素子２１１の発光周期は２７０２である。発光周期２７０２は発光周期２６０２の４倍である。そのため、同一時間内に高感度画素Ｈについては低感度画素Ｌより４倍多い回数の測距が可能である。平均化する測距結果の数が低感度画素Ｌよりも多くなる確率が高いことと、好感度画素Ｈについての計測は高分解能ＴＤＣ１５０１が行うことから、高感度画素Ｈに対応する空間の測距精度は低感度画素Ｌに対応する空間の測距精度より高い。

測距する物体が遠くに存在する場合、ＴｏＦが長くなるため、ノイズ光を計測する可能性が高くなる。ノイズ光抑制効果の大きい低感度画素Ｌに対応する発光素子２１１は、反射光を検出するまで次の発光を行わない。一方、ノイズ光抑制効果の少ない高感度画素Ｈに対応する発光素子２１１は、反射光を検出する前に次の発光を行う。これにより、ＴＤＣによる計測開始から反射光を検出するまでの時間を短縮でき、発光してから反射光が到来するまでの間にノイズ光を計測する可能性を抑制することができ、ノイズ光が大きい環境下でも高感度画素Ｈで精度の良い時間計測が可能となる。

信号処理部１２３は、高感度画素Ｈについて得られた計測結果に対して、隣接する低感度画素Ｌについて得られた計測結果に基づくオフセット補正を適用する。オフセット補正は、高感度画素Ｈについての計測結果２６１１に対し、隣接する低感度画素Ｌについての計測結果２７１１に基づいて、高感度画素Ｈの発光周期（計測周期）２６０２の定数倍を加えることである。

高感度画素Ｈに隣接する低感度画素Ｌについての計測結果が２７１１であることから、高感度画素Ｈについても、発光した光の反射光が到来するまでの時間は、計測結果２７１１に近い値である可能性が高い。図１８（ｄ）および図１８（ｅ）の例では、低感度画素Ｌについての計測結果２７１１が、高感度画素Ｈについての発光周期２６０２の２倍より大きく３倍より小さい。そのため、オフセット補正において信号処理部１２３は、高感度画素Ｈの計測結果２６１１に発光周期２６０２の２倍の時間を加える。

なお、オフセット補正量は、補正対象の高感度画素Ｈに隣接する２つ以上の低感度画素Ｌについて得られている計測結果に基づいて決定してもよい。例えば、水平方向および／または垂直方向に隣接する４つまたは２つの低感度画素Ｌについて得られている計測結果に基づいてオフセット補正量を決定してもよい。

また、投光ユニット１１０の投光範囲を撮像する撮像ユニットを設け、撮像画像を用いて、オフセット補正量の決定に用いる低感度画素Ｌを特定してもよい。例えば、信号処理部１２３は、撮像画像に基づいて、補正対象の高感度画素Ｈと同じ被写体を測距していると考えられる１つ以上の隣接低感度画素Ｌを特定する。そして、信号処理部１２３は、特定された低感度画素Ｌについて得られている計測結果を用いて、オフセット補正量（もしくは高感度画素Ｈの発光周期に乗じる係数）を決定してもよい。

本実施形態によれば、感度の異なる受光素子を用いることにより、ダイナミックレンジの広い受光装置を実現することができる。また、受光素子に付加する光学要素によって受光素子の感度を異ならせるようにした。そのため、同一構成の受光素子を用いることができ、製造容易性および特性のばらつき抑制の観点から有利である。また、低感度画素については高感度画素よりも時間計測の分解能を低くすることで、測距精度の低下を抑制しつつ、回路規模や消費電力を効率よく低減することができる。

●（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態に係る測距装置は、測距に複数の波長のパルス光を用いる。図１９は、本実施形態に係る投光ユニット１１０の構成例を示す図であり、第１実施形態と共通する構成要素については図２と同じ参照数字を付してある。図１９（ａ）は、光源ユニット１１１を構成するコリメータレンズアレイ２８２０の構成例を、図１９（ｂ）は、光源ユニット１１１を構成する光源アレイ２８１０の構成例をそれぞれ示す側面図である。

本実施形態では、光源アレイ２８１０が、第１の波長の光を出射する第１の発光素子２８１１と、第１の波長より長い第２の波長の光を出射する第２の発光素子２８１２とを有する。したがって、光源ユニット１１１は第１の波長の光と第２の波長の光とを同時に照射可能である。なお、発光波長を第１の波長と第２の波長とで切り替え可能な１種類の発光素子を用いてもよい。この場合、第１の波長を出射するように制御されている発光素子を第１の発光素子、第２の波長を出射するように制御されている発光素子を第２の発光素子として以下の説明を読み替えればよい。ここで、第１の波長および第２の波長は出射光の中心波長である。

ここでは、第１の発光素子２８１１および第２の発光素子２８１２がいずれもVCSELであり、行方向および列方向において交互に並ぶように２次元配列されているものとする。また、第１の発光素子２８１１の中心波長λ１は８５０ｎｍ、第２の発光素子２８１２の中心波長λ２は９４０ｎｍとする。ただし、これら中心波長λ１、λ２は単なる例示である。また、発光波長の異なる３種類以上の発光素子を用いてもよい。

図１９（ａ）に示すように、コリメータレンズアレイ２８２０は、第１の発光素子２８１１に対応した第１のコリメータレンズ２８２１と、第２の発光素子２８１２に対応した第２のコリメータレンズ２８２２とが２次元配列されている。したがって、第１のコリメータレンズ２８２１および第２のコリメータレンズ２８２２の配列は、光源アレイ２８１０における第１の発光素子２８１１および第２の発光素子２８１２の配列に対応している。第１のコリメータレンズ２８２１および第２のコリメータレンズ２８２２は、波長λ１とλ２に適した形状および／または材質を有してよい。また、性能上支障がなければ第１のコリメータレンズ２８２１および第２のコリメータレンズ２８２２は同一であってもよい。

図１９（ｃ）は、光源ユニット駆動部１１２、光源ユニット１１１、および投光レンズ１３１の配置例を示す垂直断面図である。本実施形態において、発光素子とコリメータレンズが２種類になっていることを除き、第１実施形態と同じ構成である。

図２０は、図３（ａ）と同様に、本実施形態に係る投光ユニット１１０による投光パターンの例を示した図である。光源アレイ２８１０のうち、３行３列の発光素子が、投光ユニット１１０の発光面に対して正対する所定距離の平面に形成する投光パターンを示している。２９１０はである。９つの投光エリアのうち、投光エリア２９１１は第１の発光素子２８１１による投光エリアであり、投光エリア２９１２は第２の発光素子２８１２による投光エリアである。投光エリアは、平面２９１０における、個々の発光素子からの光の強度分布のうち、およそ半値全幅（FWHM）を直径とする領域を示している。

図２１は、本実施形態における測距装置１００の受光部１２１の構成例を概略的に示す垂直断面図である。本実施形態において、受光部１２１は、中心波長λ１の通過帯域を有する第１の画素３０１１と、中心波長λ２の通過帯域を有する第２の画素３０１２とを有する。受光部１２１における第１の画素３０１１と第２の画素３０１２との配列は、光源アレイ２８１０における第１の発光素子２８１１および第２の発光素子２８１２の配列に対応している。したがって、本実施形態では第１の画素３０１１と第２の画素３０１２とが行方向および列方向において交互に並ぶように２次元配列されている。

図７を用いて説明したように、１００５は受光素子基板５１０の半導体層、１００６は受光素子基板５１０の配線層、１００７はロジック基板５２０の配線層である。第１の画素３０１１と、第２の画素３０１２の通過帯域は、図５（ｂ）を用いて説明したような多層膜緩衝ミラーを用いた光学バンドパスフィルタによって実現することができる。したがって、第１の画素３０１１には通過帯域の中心波長がλ１の光学バンドパスフィルタが、第２の画素３０１２には通過帯域の中心波長がλ２の光学バンドパスフィルタが設けられる。なお、本実施形態においては、第１の光学バンドパスフィルタと第２の光学バンドパスフィルタの半値幅を積極的に異ならせなくてよい。また、第１の画素３０１１および第２の画素３０１２の構造はいずれも画素Ｈの構造であってよい。

図２２は本実施形態にかかる測距装置１００における光源アレイ２８１０と受光部１２１を用いた、２種類の波長の光を用いた測距を模式的に示す図である。便宜上、図２２では光源アレイ２８１０からの光が物体を透過して受光部１２１に入射するように記載している。しかし、実際には光源アレイ２８１０からの光が物体に反射されて受光部１２１に入射する。また、投光レンズ１３１および受光レンズ１３２の記載を省いている。

第１の発光素子２８１１が発する中心波長λ１の光束３１１１は物体によって反射され、一部の反射光３１２１が、第１のバンドパスフィルタ３０２１を通過して第１の画素３０１１の受光領域１００１（図７）に入射する。また、第２の発光素子２８１２が発する中心波長λ２の光束３１１２は物体によって反射され、一部の反射光３１２２が、第２のバンドパスフィルタ３０２２を通過して第２の画素３０１２の受光領域１００１に入射する。

次に、上述した構成を有する光源ユニット１１１および受光部１２１を有する本実施形態の測距装置１００における測距動作において、ＴＤＣアレイ部１２２がどのように第１の画素３０１１と第２の画素３０１２の出力を用いるかについて説明する。

まず、λ１（８５０ｎｍ）とλ２（９４０ｎｍ）の波長の違いによる相対的な特性の違いについて説明する。８５０ｎｍの光は、近赤外光の中では比較的Ｓｉへの侵入長が短く、受光領域１００１で光電変換される確率が高い。すなわち、受光感度が高い。

一方、９４０ｎｍの光は、太陽光スペクトルが比較的小さいため、環境光に含まれる確率が低く、ノイズ光の影響を受けづらく、環境光の強度が高い場合に好適である。反面、９４０ｎｍの光は水分による吸収が多いため、雨天時など湿度が高い環境ではＳＮ比が低下しやすい。

このような特性の違いから、環境光強度が低い場合（例えば屋内）や雨天時など湿度が高い環境では、波長の短いλ１（８５０ｎｍ）の光で測距する方が高精度の測距結果を得やすい。一方、環境光強度が大きい場合（例えば晴天時）では、波長の長いλ２（９４０ｎｍ）の光で測距する方が高精度の測距結果を得やすい。したがって、環境光の影響が大きいと考えられる条件に該当する場合には第２の画素３０１２を用いて測距し、当該条件に該当しない場合には第１の画素３０１１を用いて測距するように決定することができる。

ただし、一方の種類の画素しか用いないと、距離情報の空間解像度が減少する。そのため、距離情報の空間解像度が測距精度よりも優先される場合には、第１の画素３０１１と第２の画素３０１２の両方を用いて測距を行ってもよい。

これらの判定に必要な情報（屋内／屋外、環境光強度、湿度、天気など）は、測距装置を用いる機器から取得することができる。もちろん、測距装置にこれらの情報を検出するセンサや、外部機器からこれらの情報を取得するための通信回路などを設けてもよい。また、測距する範囲を含んだ範囲を撮影した画像からこれらの情報を検出してもよい。また、撮影画像を外部装置に送信して、外部装置から情報を取得してもよい。あるいは、自身の位置情報を外部装置に提供して、これらの情報を取得してもよい。また、ユーザにこれらの情報を入力させてもよい。

図２３に示すフローチャートは、例えば全体制御部１４０が実行することができる。全体制御部１４０は、計測に用いる光の波長（画素の種類）を決定すると、計測ユニット１２０に通知する。計測制御部１２４は、受光部１２１の第１の画素３０１１および第２の画素３０１２の出力のうち、通知に基づく画素に対してＴＤＣアレイ部１２２で得られた計測結果に基づいて距離情報を求めるよう、ＴＤＣアレイ部１２２および信号処理部１２３を制御する。

なお、測距時の光源ユニット１１１の発光制御や光源ユニット駆動部１１２の駆動制御については、例えば予め定められた設定に応じて光源制御部１１３が行うものとする。また、ＴＤＣアレイ部１２２の動作や信号処理部１２３の測距時の動作は第１実施形態で説明した通りである。

したがって、以下では測距に用いる光の波長の決定動作についてのみ説明する。なお、この決定動作は、例えば測距を開始する際に実行することができる。例えば、図１７を用いて説明した測距シーケンスの開始時に測距に用いる波長を決定し、１回の測距シーケンス（設定回数N_totalの計測）の間、決定した波長は変更しない。光の波長の決定動作は他のタイミングで実行してもよい

Ｓ３２１１で全体制御部１４０は、測距装置１００に設定されている動作モードが高解像度モードか高精度モードかを判定する。動作モードは例えばユーザが設定可能であり、全体制御部１４０が有するＲＯＭに設定値が記憶されている。なお、動作モードは、測距装置１００を備える電子機器など、外部機器から設定されてもよい。高解像度モードは、測距の空間解像度を優先する動作モードであり、高精度モードは測距精度を優先する動作モードである。

全体制御部１４０は、高解像度モードが設定されている場合にはＳ３２１２を実行する。Ｓ３２１２で全体制御部１４０は、２種類の波長λ１（８５０ｎｍ）とλ２（９４０ｎｍ）の両方を使用することを決定し、波長決定処理を終了する。

一方、全体制御部１４０は、高精度モードが設定されている場合にはＳ３２１３を実行する。Ｓ３２１３で全体制御部１４０は、測距環境が屋内か屋外かを判定する。全体制御部１４０は、例えば、測距装置１００もしくは外部機器が有する、環境光の種類を検出するセンサの出力や測距環境を撮影した画像を信号処理部１２３で解析した結果に基づいて判定を行うことができる。判定には他の方法を用いてもよい。

全体制御部１４０は、測距環境が屋内であると判定されればＳ３２１４を、屋外であると判定されればＳ３２１５を実行する。
Ｓ３２１４で全体制御部１４０は、高感度の計測が可能な波長λ１（８５０ｎｍ）を使用することを決定し、波長決定処理を終了する。

Ｓ３２１５で全体制御部１４０は、例えば内蔵時計や外部機器から取得した日時に基づいて、現在が日中（朝または昼）であるか、夜間であるかを判定する。例えば全体制御部１４０はＲＯＭに週ごとの日の出および日の入り時刻の目安を記憶しておき、取得した日時に基づいて日中か夜間かを判定することができる。測距装置の位置情報を取得できる場合には、位置情報を考慮してもよい。

全体制御部１４０は、現在が日中であると判定されればＳ３２１６を、夜間と判定されればＳ３２１９を実行する。
Ｓ３２１６で全体制御部１４０は、現在の天気が雨か雨以外かを判定する。ここではユーザが選択するものとするが、気圧センサおよび／または湿度センサの出力を用いたり、外部装置から取得したりすることにより、全体制御部１４０が判定してもよい。

ユーザから天気が選択されなかった場合、あるいは全体制御部１４０が判定できなかった場合、全体制御部１４０はＳ３２１７を実行する。Ｓ３２１７で全体制御部１４０は、２種類の波長λ１（８５０ｎｍ）とλ２（９４０ｎｍ）の両方を使用することを決定し、波長決定処理を終了する。なお、高解像度モードの場合と異なり、両方を使用して測定した結果を評価し、測距精度がよいと判定される一方を選択するように信号処理部１２３を制御する。

Ｓ３２１６でユーザが雨以外を指定した場合、あるいは全体制御部１４０が雨以外と判定した場合、全体制御部１４０はＳ３２１８を実行する。Ｓ３２１８で全体制御部１４０は、環境光耐性が強いλ２（９４０ｎｍ）を使用することを決定し、波長決定処理を終了する。

Ｓ３２１６でユーザが雨を指定した場合、あるいは全体制御部１４０が雨と判定した場合、全体制御部１４０はＳ３２１９を実行する。Ｓ３２１９で全体制御部１４０は、９４０ｎｍよりも水に吸収されにくいλ１（８５０ｎｍ）を使用することを決定し、波長決定処理を終了する。

なお、ここで説明した波長決定処理における判定条件は例示であり、他の判定条件を用いたり、複数の条件を組み合わせて判定したりしてもよい。また、発光波長に応じて判定条件を変更してもよい。

また、測距環境に屋内と屋外が混在している場合なども考えられるため、基本的に両方の波長を用いて測距を行い、測距結果の評価に基づいて、測距範囲の部分領域ごとに一方の波長による測定結果を選択するように構成してもよい。測距結果の評価は公知の方法を用いて行うことができる。一例として、ヒストグラムのピーク頻度が高い、一定以上のピークが２つ以上存在しない、ピーク頻度を含む頻度群の半値幅が狭い（ピークの裾野が狭い）ことの１つ以上を、測距精度が高いことの指標として用いることができる。

本実施形態によれば、１組の光源ユニットおよび投光レンズと、１つの受光部とを用いて、複数の波長の光を用いた測距を行うことが可能であり、測距装置の小型化および低コスト化に有利である。また、複数の波長の光を用いた測距を並行して行い、精度が良好と判定される一方を用いることで、状況の変化に応じて適切な測距結果を得ることができる。また、測距の空間解像度が必要な場合には複数の波長の光を用いた測距結果を全て用いることができる。この場合、ＳＮ比の不利な波長による測距結果を、必要に応じて他の波長を用いた測距結果に基づいて補正することで、測距精度を改善することもできる。

（変形例）
本実施形態では説明および理解を容易にするため、受光部１２１の画素はすべて第１実施形態における高感度画素Ｈとした構成について説明した。しかし、第１実施形態と同様に、高感度画素Ｈと低感度画素Ｌとを用いることもできる。具体的には、波長λ１を通過させるための第１のバンドパスフィルタを有する高感度画素Ｈおよび低感度画素Ｌと、波長λ２を通過させるための第２のバンドパスフィルタを有する高感度画素Ｈおよび低感度画素Ｌとを受光部１２１に設けることができる。この場合も、低感度画素Ｌに設けるバンドパスフィルタの半値幅は、高感度画素Ｈに設けるバンドパスフィルタの半値幅よりも狭くすることができる。

バンドパスフィルタの種類ごとに高感度画素Ｈおよび低感度画素Ｌを設けることにより、受光部１２１のダイナミックレンジを測距に使用する光の波長ごとに拡大することができる。感度の異なる画素を設ける場合、上述したＨＤＲ駆動方法にしたがって発光制御を行うことにより、ノイズ光の影響をより低減することができる。

また、測距環境に応じて高感度画素Ｈと低感度画素Ｌの一方についてのみ計測を行ったり、一方について得られた測距結果のみ用いたりしてもよい。例えば、短い方の波長であるλ１（８５０ｎｍ）を使用する環境では、低感度画素Ｌについてのみ計測を行ったり、高感度画素Ｈと低感度画素Ｌで計測を行い、低感度画素Ｌについて得られた計測結果のみを用いたりしてもよい。

また、λ２（９４０ｎｍ）を使用する環境では、高感度画素Ｈについてのみ計測を行ったり、高感度画素Ｈと低感度画素Ｌで計測を行い、高感度画素Ｈについて得られた計測結果のみを用いたりしてもよい。高感度画素Ｈと低感度画素Ｌの一方でのみ計測を行う場合には、消費電力を抑制することができる。また、環境により適した感度の画素について得られた測距結果を用いることで、容易な手法で高い計測精度を実現することができる。

（その他の実施形態）
上述した測距装置は、距離情報を用いて所定の処理を実行する処理手段を有する任意の電子機器において実施可能である。このような電子機器には、撮像装置、コンピュータ機器（パーソナルコンピュータ、タブレットコンピュータ、メディアプレーヤ、ＰＤＡなど）、携帯電話機、スマートフォン、ゲーム機、ロボット、ドローン、車両などが含まれる。これらは例示であり、本発明に係る測距装置は他の電子機器においても実施可能である。

本発明は、上述の実施形態の１以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける１つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、１以上の機能を実現する回路（例えば、ＡＳＩＣ）によっても実現可能である。

本発明は上述した実施形態の内容に制限されず、発明の精神および範囲から離脱することなく様々な変更及び変形が可能である。したがって、発明の範囲を公にするために請求項を添付する。

１００…測距装置、１１０…投光ユニット、１１１…光源ユニット、１２０…計測ユニット、１２２…ＴＤＣアレイ部、１２３…信号処理部、１２４…計測制御部、１３１…投光レンズ、１４０…全体制御部、

Claims (13)

1. 第１の波長の光と、前記第１の波長よりも長い第２の波長の光とを同時に照射可能な光源ユニットと、
   画素が２次元に配列された画素アレイを有し、前記画素への光の入射を検出する受光部と、
   測距の開始から前記画素への光の入射が検出されるまでの時間を検出し、該検出した時間に基づいて距離情報を算出する計測手段と、を有し、
   前記画素アレイには前記第１の波長の光を受光するように構成された第１の画素と、前記第２の波長の光を受光するように構成された第２の画素とが２次元に配列されることを特徴とする測距装置。
2. さらに、前記第１の画素および前記第２の画素のうち前記距離情報の算出に用いる画素を決定する決定手段を有し、
   前記計測手段は、前記決定手段が決定した画素について検出された時間に基づいて前記距離情報を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の測距装置。
3. 前記決定手段は、前記距離情報の算出に用いる画素を、前記測距装置に設定されている動作モードに応じて決定することを特徴とする請求項２に記載の測距装置。
4. 前記決定手段は、前記測距装置が高解像度モードに設定されている場合には前記距離情報の算出に前記第１の画素および前記第２の画素を用いることを決定することを特徴とする請求項３に記載の測距装置。
5. 前記決定手段は、前記測距装置が高解像度モードに設定されていない場合、予め定められた、環境光の影響が大きいと考えられる条件に該当する場合には前記距離情報の算出に前記第２の画素を用いることを決定し、該条件に該当しない場合には前記距離情報の算出に前記第１の画素を用いることを決定することを特徴とする請求項３または４に記載の測距装置。
6. 前記条件が、屋外かつ雨以外の天気であることを特徴とする請求項５に記載の測距装置。
7. 前記計測手段は、前記第１の画素について検出された時間と、前記第２の画素について検出された時間との一方に基づいて、前記距離情報を算出することを特徴とする請求項１または２に記載の測距装置。
8. 前記計測手段は、前記第１の画素について検出された時間のヒストグラムと、前記第２の画素について検出された時間のヒストグラムとに基づいて、前記第１の画素について検出された時間と、前記第２の画素について検出された時間との一方を選択し、前記距離情報の算出に用いることを特徴とする請求項７に記載の測距装置。
9. 前記光源ユニットは、前記第１の波長の光を照射する第１の発光素子と、前記第２の波長の光を照射する第２の発光素子とが２次元に配列された光源アレイを有することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の測距装置。
10. 前記画素アレイにおける前記第１の画素と前記第２の画素の配列が、前記光源アレイにおける前記第１の発光素子と前記第２の発光素子の配列に対応していることを特徴とする請求項９に記載の測距装置。
11. 前記第１の画素には前記第１の波長の光を通過させる第１の光学バンドパスフィルタが設けられ、前記第２の画素には前記第２の波長の光を通過させる第２の光学バンドパスフィルタが設けられることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の測距装置。
12. 前記第１の画素および前記第２の画素のそれぞれには、第１の感度を有する高感度画素と、前記第１の感度より低い感度を有する低感度画素が含まれることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の測距装置。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の測距装置と、
    前記測距装置で得られる距離情報を用いて所定の処理を実行する処理手段と、
    を有することを特徴とする電子機器。

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