JP2023037863A - 距離画像撮像装置及び距離画像撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光パルスの波形が鈍ってパルス幅が短く変形しても、２個の電荷蓄積部のいずれかのみに電荷が蓄積される状態を防止し、電荷蓄積部の電荷量の比から得る距離と、実際の距離との誤差を低減する距離画像撮像装置を提供する。【解決手段】本発明は、光パルスを照射する光源部と、入射光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、電荷を蓄積する電荷蓄積部を備える複数の画素回路と、光パルスに同期したタイミングで電荷蓄積部に転送トランジスタを介し、光電変換素子で発生した電荷を振分ける画素駆動回路とを有する受光部と、反射光で生成されて光電変換素子から転送トランジスタで振分けられて電荷蓄積部に蓄積される電荷量の電荷比から被写体と受光部との距離の計算を行う距離演算部とを備え、転送トランジスタのうち、特定の転送トランジスタの立上がりとその次に立ち上がる転送トランジスタの立上がりの期間に比較し、光パルスの幅が長く設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、距離画像撮像装置及び距離画像撮像方法に関する。

従来から、光の速度が既知であることを利用し、光の飛行時間に基づいて被写体との距離を測定するタイム・オブ・フライト（Time of Fright、以下「ＴｏＦ」と記す）方式の距離画像撮像装置がある（例えば、特許文献１参照）。
ＴｏＦ方式距離画像撮像装置は、光を照射する光源部と、距離を測定するための光を検出する画素回路が二次元の行列状(アレイ状)に複数配置された画素アレイを含む撮像部を備えている。上記画素回路の各々は、光の強度に対応する電荷を発生する光電変換素子（例えば、フォトダイオード）を構成要素として有している。
この構成により、ＴｏＦ方式距離画像撮像装置は、測定空間（三次元空間）において、自身と被写体との間の距離の情報や、被写体の画像を取得(撮像)することができる。

特開２０１５－２９０５４号公報

上述した距離画像撮像装置においては、放射した光パルスが被写体から反射した反射光を画素が受光して、受光した反射光を光電変換素子で光電変換し、光電変換により得られる電荷を電荷蓄積部に所定の時間毎に振分ける。
そして、距離画像撮像装置においては、電荷蓄積部の各々に電荷を蓄積させ、２個の電荷蓄積部の各々に蓄積された電荷量の比（電荷比）により、被写体と画素の各々との距離を求めている。

しかしながら、光パルスは理想的な矩形波の形状ではなく、光パルスの立ち上がりや立ち下がりが鈍った形状となっている。
このため、光電変換素子から電荷蓄積部に電荷を振り分ける時間（後述する蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅）と、光パルスの幅とが同一の場合、光パルスの波形が鈍ったことにより、光パルスのパルス幅が電荷を振り分ける時間より狭く（短く）なり、２個の電荷蓄積部のいずれか一方にしか電荷が振り分けられない状態が存在する。

特に、複数の電荷蓄積部における、反射光が振分けられる２個の電荷蓄積部の組合せが切り替わるタイミングにおいて、振り分けられる電荷の偏りが特に大きくなる。
そして、光パルスの波形が鈍ることにより、光パルスのパルス幅が電荷の振り分け時間に比較して狭くなった場合、いずれかの電荷蓄積部にのみしか電荷が蓄積されない状態が発生し易い。
この結果、電荷蓄積部の組合せが切り替わるタイミングにおいて、実際の距離変化に対して電荷比の変化が鈍感となり、ノイズ等による電荷比のずれに対して距離が変動してしまい、計測される距離の時間分解能と空間分解能とが低下してしまう。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、２個の電荷蓄積部のいずれか一方のみに電荷が蓄積される状態を防止し、電荷蓄積部の電荷量の比により得られる距離と、画素及び被写体間における実際の距離との誤差を低減させる距離画像撮像装置及び距離画像撮像方法を提供することを目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明の距離画像撮像装置は、測定空間に光パルスを照射する光源部と、前記測定空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、フレーム周期において前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部を備える複数の画素回路と、前記光パルスの照射に同期した所定の蓄積タイミングで、前記電荷蓄積部の各々に転送トランジスタそれぞれを介して、前記光電変換素子で発生した前記電荷を振分けて蓄積させる画素駆動回路とを有する受光部と、前記測定空間における反射光により生成されて前記光電変換素子から前記転送トランジスタにより振分けられて前記電荷蓄積部の各々に蓄積される電荷量のそれぞれの電荷比から被写体と前記受光部との距離の計算を行う距離演算部とを備え、前記転送トランジスタのうち、特定の転送トランジスタの立上がりとその次に立ち上がる転送トランジスタの立上がりの期間に比較して、前記光パルスのパルス幅が長く設定されていることを特徴とする。

本発明の距離画像撮像装置は、前記パルス幅が、前記光パルスが照射されてから前記反射光が入射されるまでの遅延時間の変化に対応した前記電荷比の変化率のバラツキによって設定されていることを特徴とする。

本発明の距離画像撮像装置は、前記パルス幅を順次変更させつつ、当該パルス幅毎に前記遅延時間の各々の変化における前記電荷比の変化率の前記バラツキを求め、当該バラツキが最小となる前記パルス幅を抽出し、当該パルス幅を前記光パルスのパルス幅として設定することを特徴とする。

本発明の距離画像撮像装置は、前記距離演算部が、前記被写体と画素との距離に対応する対応距離と、前記電荷蓄積部の各々に蓄積された電荷量のそれぞれから計算される電荷比との関係を示すテーブル情報に基づいて前記距離を求めることを特徴とする。

本発明の距離画像撮像装置は、前記距離演算部が、前記電荷比を用いて求められた前記距離を、既知の距離である既知距離との距離ずれを近似する多項式を予め求め、当該多項式を用いて前記距離ずれを補正した前記距離を求めることを特徴とする。

本発明の距離画像撮像方法は、光源部と光電変換素子と複数の電荷蓄積部と転送トランジスタとからなる複数の画素回路の各々と、画素駆動回路と、距離演算部とを備える距離画像撮像装置を制御する距離画像撮像方法であり、前記画素駆動回路が、前記光源部からの光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、測定空間から入射光に応じて前記光電変換素子が発生した電荷を、フレーム周期において電荷蓄積部の各々に、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に前記電荷を転送させる前記転送トランジスタそれぞれを介して、前記光電変換素子で発生した前記電荷を蓄積させる過程と、距離演算部が、前記測定空間における反射光により生成されて前記光電変換素子から前記転送トランジスタにより振分けられて前記電荷蓄積部の各々に蓄積される電荷量のそれぞれの電荷比から被写体と前記距離画像撮像装置との距離の計算を行う過程とを含み、前記転送トランジスタのうち、特定の転送トランジスタの立上がりとその次に立ち上がる転送トランジスタの立上がりの期間に比較して、前記光パルスのパルス幅が長く設定されていることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、光パルスの波形が鈍ってパルス幅が短くなり、２個の電荷蓄積部のいずれか一方のみに電荷が蓄積される状態を防止し、電荷蓄積部の電荷量の比により得られる距離と、画素及び被写体間における実際の距離との誤差を低減させる距離画像撮像装置及び距離画像撮像方法を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の距離画像撮像装置の概略構成を示したブロック図である。 光源装置２１から照射される光パルスＰＯのパルス形状の一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態の距離画像撮像装置における距離画像センサ３２に配置された画素回路３２１の構成の一例を示した回路図である。 光電変換素子ＰＤで生成された電荷を電荷蓄積部ＣＳの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。 電荷蓄積部ＣＳの各々の電荷比と、距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの距離との対応関係を示す図である。 蓄積駆動信号ＴＸの幅と同一なパルス幅と、当該蓄積駆動信号ＴＸの幅より広いパルス幅との場合における電荷比傾きＳＬを示す図である。 本実施形態における電荷比Ｒと遅延時間ＴＤとの対応関係を示すグラフである。 距離画像撮像装置１により計測した被写体との距離の分解能を示す図である。 本実施形態によるパルス幅設定モードにおける、測距離で用いる光パルスＰＯのパルス幅の抽出を行う処理の動作を示すフローチャートである。 第２の実施形態における電荷比Ｒと推定距離との関係を示す対応テーブルを説明する図である。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態の距離画像撮像装置の概略構成を示したブロック図である。図１に示した構成の距離画像撮像装置１は、光源部２と、受光部３と、距離画像処理部４とを備える。なお、図１には、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象物である被写体Ｓも併せて示している。距離画像撮像素子は、例えば、受光部３における距離画像センサ３２（後述）である。

光源部２は、距離画像処理部４からの制御に従って、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象の被写体Ｓが存在する撮影対象の空間に光パルスＰＯを照射する。光源部２は、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）などの面発光型の半導体レーザーモジュールである。光源部２は、光源装置２１と、拡散板２２とを備える。

光源装置２１は、被写体Ｓに照射する光パルスＰＯとなる近赤外の波長帯域（例えば、波長が８５０ｎｍ～９４０ｎｍの波長帯域）のレーザー光を発光する光源である。光源装置２１は、例えば、半導体レーザー発光素子である。光源装置２１は、タイミング制御部４１からの制御に応じて、パルス状のレーザー光を発光する。
拡散板２２は、光源装置２１が発光した近赤外の波長帯域のレーザー光を、被写体Ｓに照射する面の広さに拡散する光学部品である。拡散板２２が拡散したパルス状のレーザー光が、光パルスＰＯとして出射され、被写体Ｓに照射される。

受光部３は、距離画像撮像装置１において距離を測定する対象の被写体Ｓによって反射された光パルスＰＯの反射光ＲＬを受光し、受光した反射光ＲＬに応じた画素信号を出力する。受光部３は、レンズ３１と、距離画像センサ３２とを備える。
レンズ３１は、入射した反射光ＲＬを距離画像センサ３２に導く光学レンズである。レンズ３１は、入射した反射光ＲＬを距離画像センサ３２側に出射して、距離画像センサ３２の受光領域に備えた画素回路に受光（入射）させる。

距離画像センサ３２は、距離画像撮像装置１に用いられる撮像素子である。距離画像センサ３２は、二次元の受光領域に複数の画素回路３２１、画素回路３２１の各々を制御する画素駆動回路３２２とを備える。
上記画素回路３２１は、１つの光電変換素子（例えば、後述する光電変換素子ＰＤ）と、この１つの光電変換素子に対応する複数の電荷蓄積部（例えば、後述する電荷蓄積部ＣＳ１からＣＳ４）と、それぞれの電荷蓄積部に電荷を振り分ける構成要素とが設けられている。

距離画像センサ３２は、タイミング制御部４１からの制御に応じて、光電変換素子が発生した電荷をそれぞれの電荷蓄積部に振り分ける。また、距離画像センサ３２は、電荷蓄積部に振り分けられた電荷量に応じた画素信号を出力する。距離画像センサ３２には、複数の画素回路が二次元の行列状に配置されており、それぞれの画素回路の対応する１フレーム分の画素信号を出力する。

距離画像処理部４は、距離画像撮像装置１を制御し、被写体Ｓまでの距離を演算する。
距離画像処理部４は、タイミング制御部４１と、パルス幅調整部４２、距離演算部４３と、測定制御部４４とを備える。
タイミング制御部４１は、測定制御部４４の制御に応じて、距離の測定に要する様々な制御信号を出力するタイミングを制御する。ここでの様々な制御信号とは、例えば、光パルスＰＯの照射を制御する信号や、反射光ＲＬを複数の電荷蓄積部に振り分ける信号（後述する転送トランジスタＧを稼働する蓄積駆動信号ＴＸ）、１フレームあたりの振り分け回数を制御する信号などである。振り分け回数とは、電荷蓄積部ＣＳ（図５参照）に、転送トランジスタＧを介して、光電変換素子ＰＤから入射光により発生した電荷を振り分ける処理を繰返す回数である。

パルス幅調整部４２は、光源部２の光源装置２１から照射する光パルスＰＯのパルス幅を調整する。
すなわち、光源装置２１は、タイミング制御部４１により、電荷蓄積部ＣＳに電荷を振り分ける転送トランジスタＧを駆動する蓄積駆動信号ＴＸ（後述）に同期させて、光源部２に対して光パルスＰＯを照射させる。
このとき、パルス幅調整部４２は、光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰを、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１（転送トランジスタＧをオン状態とし、電荷蓄積部ＣＳに電荷を振り分ける振分時間、すなわち電荷を振分けるために転送トランジスタＧをオンとしているオン期間）と同一ではなく、光パルスＰＯの鈍りの程度に対応して調整したパルス幅ＴＰＰ（＞ＴＰ１）として、光源装置２１に照射させる（詳細は後述）。
なお、ここで述べる光パルスのパルス幅は、レジスタによるパルス幅設定値を想定している。
また、光パルスの立上りタイミングと立上り期間、または立上りタイミングから立下りタイミングの期間によって定義される制御信号であってもよい。
また、光パルスのパルス幅は光パルスの出力ピークを１００％として１０％以上の強度の期間、または９０％以上の強度の期間として定義されてもよい。
すなわち、本実施形態においては、転送トランジスタＧの各々において、特定の（先に立ち上がってＨレベルとなる）転送トランジスタＧの立上がりの期間（Ｈレベルとなっている期間）と、その次に立ち上がる転送トランジスタＧの立上がりの期間に比較して、光パルスＰＯのパルス幅が長く設定されている。

距離演算部４３は、測定制御部４４の制御に応じて、距離画像センサ３２から出力された画素信号（後述する蓄積電荷量Ｑに対応する電圧値）に基づいて、距離画像撮像装置１（各画素）から被写体Ｓまでの距離を演算した距離情報（諧調度として量子化されている）を出力する。
距離演算部４３は、複数の電荷蓄積部ＣＳに蓄積された電荷量に基づいて、光パルスＰＯを照射してから反射光ＲＬを受光するまでの遅延時間Ｔｄを算出する。距離演算部４３は、算出した遅延時間Ｔｄに応じて、距離画像撮像装置１から被写体Ｓまでの距離を演算する。

測定制御部４４は、フレーム周期で繰返されるフレームの各々のモードを、光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰを調整する、当該パルス幅を任意に変更して決定するパルス幅設定モードと、設定したパルス幅の光パルスＰＯを用いて測距離を行う通常のフレームとする測距電荷量取得モードとを選択する。
そして、測定制御部４４は、パルス幅設定モードと測距離電荷量取得モードとの各々のモードに対応して、タイミング制御部４１におけるタイミングの制御、距離演算部４３における演算の制御を行う（後に詳述する）。

図２は、光源装置２１から照射される光パルスＰＯのパルス形状の一例を示す図である。図２（ａ）は、例えば、転送トランジスタＧを駆動する蓄積駆動信号ＴＸと同一のパルス幅ＴＰＰ（＝ＴＰ１）の光パルスＰＯの波形を示している。図２（ａ）において、横軸は時間（ｔｉｍｅ）であり、縦軸は強度（フォトディテクターで計測した電圧）である。光パルスＰＯは、理想的には点線Ｋ１で示される矩形の波形の蓄積駆動信号ＴＸと同一な形状の波形で照射される。
しかしながら、実際には、光パルスＰＯの波形の立ち上がりと立下りの形状が鈍る（照射の時定数による波形の鈍りが発生する）ことにより、光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰが設定された数値である蓄積駆動信号ＴＸの幅より実際には狭くなってしまう。

これにより、課題において述べたように、光電変換素子ＰＤから電荷蓄積部ＣＳの各々に電荷を振り分けるが、波形が鈍ることにより光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰが蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１より短くなる。
そして、２個の電荷蓄積部ＣＳに蓄積される蓄積電荷量Ｑの比により距離が求める際、いずれか一個のみに振り分けられる状態が所定の時間幅存在したり、２個の電荷蓄積部ＣＳの一方に振り分けられる電荷が微小となってノイズの影響を受けやすくなる。
このため、２個の電荷蓄積部ＣＳに蓄積される電荷量の比（後述する電荷比Ｒ）により求めた距離が、実際の距離を異なっている場合がある。

図２（ｂ）は、蓄積駆動信号ＴＸの幅より広く設定されたパルス幅の光パルスＰＯの波形を示している。図２（ｂ）において、横軸は時間（ｔｉｍｅ）であり、縦軸は強度（例えば、フォトディテクター等で光パルスの波形を計測した電圧）である。
これにより、光パルスＰＯの波形が鈍っても、光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰは、点線Ｋ１で示される蓄積駆動信号ＴＸと同様のパルス幅ＴＰ１を確保できることが判る。

このため、２個の電荷蓄積部ＣＳに蓄積される蓄積電荷量Ｑの比により距離を求める際、いずれか一個のみに振り分けられる状態が所定の時間幅の間で存在したり、２個の電荷蓄積部ＣＳの一方に振り分けられる電荷が微小となる（すなわち、反射光により光電変換素子ＰＤで生成された電荷が一方の電荷蓄積部ＣＳに大きく偏って蓄積される）ことを抑制できる。
このため、２個の電荷蓄積部ＣＳに蓄積される電荷量の比により求めた距離が、実際の距離画像センサ３２と被写体Ｓとの距離に近い数値として求められる。

このような構成によって、距離画像撮像装置１では、光源部２が被写体Ｓに照射した近赤外の波長帯域の光パルスＰＯが被写体Ｓによって反射された反射光ＲＬを受光部３が受光し（反射光ＲＬと背景光とが混合された入射光として受光し）、距離画像処理部４が、被写体Ｓと距離画像撮像装置１との距離を測定した距離情報を出力する。
なお、図１においては、距離画像処理部４を内部に備えた構成の距離画像撮像装置１を示しているが、距離画像処理部４は、距離画像撮像装置１の外部に備える構成要素であってもよい。

ここで、距離画像センサ３２における画素回路３２１の構成について説明する。図３は、本発明の第１の実施形態の距離画像撮像装置における距離画像センサ３２に配置された画素回路３２１の構成の一例を示した回路図である。図３の画素回路３２１は、４つの画素信号読み出し部ＲＵ１からＲＵ４を備えた構成例である。

画素回路３２１は、１つの光電変換素子ＰＤと、電荷排出トランジスタＧＤ（後述するＧＤ１、ＧＤ２）と、対応する出力端子Ｏから電圧信号を出力する４つの画素信号読み出し部ＲＵ（ＲＵ１からＲＵ４）とを備える。画素信号読み出し部ＲＵのそれぞれは、転送トランジスタＧと、フローティングディフュージョンＦＤと、電荷蓄積容量Ｃと、リセットトランジスタＲＴと、ソースフォロアトランジスタＳＦと、選択トランジスタＳＬとを備える。フローティングディフュージョンＦＤと電荷蓄積容量Ｃとは、電荷蓄積部ＣＳを構成している。

図３に示した画素回路３２１において、出力端子Ｏ１から電圧信号を出力する画素信号読み出し部ＲＵ１は、転送トランジスタＧ１（転送ＭＯＳトランジスタ）と、フローティングディフュージョンＦＤ１と、電荷蓄積容量Ｃ１と、リセットトランジスタＲＴ１と、ソースフォロアトランジスタＳＦ１と、選択トランジスタＳＬ１とを備える。画素信号読み出し部ＲＵ１では、フローティングディフュージョンＦＤ１と電荷蓄積容量Ｃ１とによって電荷蓄積部ＣＳ１が構成されている。画素信号読み出し部ＲＵ２、ＲＵ３及びＲＵ４も同様の構成である。

光電変換素子ＰＤは、入射した光を光電変換して、入射した光（入射光）に応じた電荷を発生させ、発生させた電荷を蓄積する埋め込み型のフォトダイオードである。本実施形態においては、入射光は測定対象の空間から入射される。
画素回路３２１では、光電変換素子ＰＤが入射光を光電変換して発生させた電荷を４つの電荷蓄積部ＣＳ（ＣＳ１からＣＳ４）のそれぞれに振り分け、振り分けられた電荷の電荷量に応じたそれぞれの電圧信号を、距離画像処理部４に出力する。

また、距離画像センサ３２に配置される画素回路の構成は、図３に示したような、４つの画素信号読み出し部ＲＵ（ＲＵ１からＲＵ４）を備えた構成に限定されるものではなく、画素信号読み出し部ＲＵが１個以上の複数の画素信号読み出し部ＲＵを備えた構成の画素回路でもよい。

上記距離画像撮像装置１の画素回路３２１の駆動において、光パルスＰＯが照射時間Ｔｏで照射され、遅延時間Ｔｄ遅れて反射光ＲＬが距離画像センサ３２に受光される。画素駆動回路３２２は、タイミング制御部４１に制御により、光パルスＰＯの照射に同期させて、光電変換素子ＰＤに発生する電荷を、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４に対して、蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４をそれぞれのタイミングにより供給して振り替えて、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４の順に蓄積させる。

そして、画素駆動回路３２２は、リセットトランジスタＲＴ及び選択トランジスタＳＬの各々を、駆動信号ＲＳＴ、ＳＥＬそれぞれにより制御し、電荷蓄積部ＣＳに蓄積された電荷を、ソースフォロアトランジスタＳＦにより電気信号に変換し、生成された電気信号を端子Ｏを介して距離演算部４３に出力する。
また、画素駆動回路３２２は、タイミング制御部４１に制御により、駆動信号ＲＳＴＤにより、光電変換素子ＰＤにおいて発生された電荷を電源ＶＤＤに流して放電する（電荷を消去する）。

図４は、光電変換素子ＰＤで生成された電荷を電荷蓄積部ＣＳの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。
図４のタイミングチャートにおいて、縦軸はパルスのレベルを示し、横軸は時間を示している。光パルスＰＯ及び反射光ＲＬの時間軸における相対関係と、転送トランジスタＧ１からＧ４の各々に供給する蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４それぞれのタイミングと、電荷排出トランジスタＧＤに供給する駆動信号ＲＳＴＤのタイミングとを示している。

タイミング制御部４１は、光源部２に対して光パルスＰＯを測定空間に対して照射させる。これにより、光パルスＰＯが被写体に反射し、反射光ＲＬとして受光部３に受光される。そして、光電変換素子ＰＤは、背景光及び反射光ＲＬの各々に対応した電荷を発生する。画素駆動回路３２２は、光電変換素子ＰＤの発生した電荷を、電荷蓄積部ＣＳ１からＣＳ４の各々に対して転送するため、転送トランジスタＧ１からＧ４の各々のオンオフを制御する。

すなわち、画素駆動回路３２２は、蓄積駆動信号ＴＸ１からＴＸ４の各々を、所定の時間幅（照射時間Ｔｏと同一の幅）の「Ｈ」レベルの信号として、転送トランジスタＧ１からＧ４それぞれに供給する。

画素駆動回路３２２は、例えば、光電変換素子ＰＤから電荷を電荷蓄積部ＣＳ１に転送する転送経路上に設けられた転送トランジスタＧ１をオン状態にする。これにより、光電変換素子ＰＤにより光電変換された電荷が、転送トランジスタＧ１を介して電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積される。その後、画素駆動回路３２２は、転送トランジスタＧ１をオフ状態にする。これにより、電荷蓄積部ＣＳ１への電荷の転送が停止される。このようにして、画素駆動回路３２２は、電荷蓄積部ＣＳ１に電荷を蓄積させる。他の電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４においても同様である。

このとき、電荷蓄積部ＣＳに電荷の振り分けを行なう電荷蓄積期間（フレームにおける電荷蓄積部ＣＳの各々に電荷を蓄積する期間）において、蓄積駆動信号ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４の各々が、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４それぞれに供給される蓄積周期（転送トランジスタＧを駆動する蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１に対応）が繰返される。
そして、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４の各々を介して、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４それぞれに、光電変換素子ＰＤから入射光に対応した電荷が転送される。電荷蓄積期間に複数の蓄積周期が繰返される。
これにより、電荷蓄積期間における電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々の蓄積周期毎に、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４それぞれに電荷が蓄積される。

また、画素駆動回路３２２は、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々の蓄積周期を繰返す際、電荷蓄積部ＣＳ４に対する電荷の転送（振替）が終了した後、光電変換素子ＰＤから電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出トランジスタＧＤに対して、「Ｈ」レベルの駆動信号ＲＳＴＤを供給してオンさせる。

これにより、電荷排出トランジスタＧＤは、電荷蓄積部ＣＳ１に対する蓄積周期が開始される前に、直前の電荷蓄積部ＣＳ４の蓄積周期の後に光電変換素子ＰＤに発生した電荷を破棄する（すなわち、光電変換素子ＰＤをリセットさせる）。すなわち、電荷排出トランジスタＧＤは、一個あるいは複数個（一個以上）設けられ、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々に、光電変換素子ＰＤから、入射光により発生した電荷を振分けて蓄積させる期間以外おいて、光電変換素子ＰＤから電荷を排出する。

そして、画素駆動回路３２２は、受光部３内に配置された全ての画素回路３２１の各々から、それぞれ電圧信号を画素回路３２１の行（横方向の配列）単位で、順次Ａ／Ｄ変換処理などの信号処理を行なう。
その後、画素駆動回路３２２は、信号処理を行った後の電圧信号を、受光部３において配置された列の順番に、順次、距離演算部４３に対して出力させる。

上述したような、画素駆動回路３２２による電荷蓄積部ＣＳへ電荷の蓄積と光電変換素子ＰＤが光電変換した電荷の破棄とが、１フレームに渡って繰り返し行われる。これにより、所定の時間区間に距離画像撮像装置１に受光された光量に相当する電荷が、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに蓄積される。画素駆動回路３２２は、電荷蓄積部ＣＳのそれぞれに蓄積された、１フレーム分の電荷量に相当する電気信号を、距離演算部４３に出力する。

光パルスＰＯを照射するタイミングと、電荷蓄積部ＣＳ（ＣＳ１からＣＳ４）のそれぞれに電荷を蓄積させるタイミングとの関係から、電荷蓄積部ＣＳ１には、光パルスＰＯを照射する前の背景光などの外光成分に相当する電荷量が保持される。また、電荷蓄積部ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４には、反射光ＲＬ、及び外光成分に相当する電荷量が振り分けられて保持される。電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３、あるいは電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４に振り分けられる電荷量の配分（振り分け比率）は、光パルスＰＯが被写体Ｓに反射して距離画像撮像装置１に入射されるまでの遅延時間Ｔｄに応じた比率となる。

上述したように、本実施形態においては、例えば、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２及びＣＳ３のうち、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２と、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３との、２個の電荷蓄積部ＣＳの組合せに蓄積される電荷量の比により、距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの距離が求められる。
この２個の電荷蓄積部ＣＳの組合せに蓄積される電荷量の比と、距離とが線形に変化する（所定の変化率により変化する）ことにより、高い精度で距離の計測が行われる。
しかしながら、光パルスＰＯの波形が鈍って変形することにより、電荷量の比である電荷比と距離との関係は線形ではなくなる。

図５は、電荷蓄積部ＣＳの各々の電荷比と、距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの距離との対応関係を示す図である。
図５において、破線が線形（リニア）の関係を示し、実線が光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰが蓄積駆動信号ＴＸと同一の場合の関係を示している。
実線は、２ｍ及び４ｍの近傍における電荷比と距離との関係が線形な破線からずれている。ここで用いている電荷比Ｒは、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々に蓄積され、距離画像センサ３２から供給される蓄積電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のそれぞれにより、以下のように設定されている。以下の計算は、パルス幅調整部４２により行われる。

Ｒ１＝１－Ｑ_１－３／Ｑ_Ａ …（１）
Ｒ２＝２－Ｑ_２－４／Ｑ_Ａ …（２）
上記（１）式及び（２）式において、
Ｑ_１－３＝｜Ｑ１－Ｑ３｜ …（３）
Ｑ_２－４＝｜Ｑ２－Ｑ４｜ …（４）
Ｑ_Ａ＝｜Ｑ１－Ｑ３｜＋｜Ｑ２－Ｑ４｜ …（５）
である。

電荷比Ｒ１は、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２の組合せに反射光ＲＬの電荷が蓄積される状態（図４のタイムウインドウＴｗ１）における電荷の比を示している。
また、電荷比Ｒ２は、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３の組合せに反射光ＲＬの電荷が蓄積される状態（図４のタイムウインドウＴｗ２）における電荷の比を示している。
図５における距離２ｍ近傍がタイムウィンドウＴｗ１からＴｗ２に切り替わる範囲に対応している。
このタイムウィンドウの切り替わりにおいて、すでに説明した光パルスＰＯの実際に照射されたパルス幅ＴＰＰが蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１より狭くなることにより、実際の距離との誤差が発生する。

したがって、電荷比Ｒ１及び電荷比Ｒ２が計測する距離に対して線形に変化する光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰを求め、計測に使用することにより、計測する精度を向上させることができる。ここで、電荷比Ｒ１が予め設定した閾値ＴｈＷを超えた場合、電荷比Ｒ２に切り替えて、電荷比Ｒを求めている。この閾値ＴｈＷは、タイムウィンドウＴｗ１とタイムウィンドウＴｗ２の切り変わるタイミング近傍のタイムウィンドウＴｗ１における電荷比Ｒ１、すなわちタイムウィンドウＴｗ１で計測できる距離に対応する電荷比Ｒ１の上限値として設定される。
このため、本実施形態において、電荷比が線形となる光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰ（≧ＴＰ１）を、以下の処理により求めている。

測定制御部４４は、パルス幅設定モードにおいて、パルス幅ＴＰＰを任意に設定し、蓄積駆動信号ＴＸ１に対して同期するタイミングから、所定の単位遅延時間ΔＴＤずつ増加させて、光源装置２１に光パルスＰＯを照射させる。
このとき、被写体Ｓは距離画像撮像装置１の所定の位置に固定されている。蓄積駆動信号ＴＸ１の立ち上がりのタイミングから遅延時間ＴＤをずらして光パルスＰＯを照射させることにより、距離画像撮像装置１から被写体Ｓの距離を仮想的に変化させている。

そして、パルス幅調整部４２は、取得した電荷比Ｒを所定の遅延時間ＴＤ毎に抽出し、隣接した遅延時間ＴＤの各々の電荷比Ｒの差分ΔＲと、単位遅延時間ΔＴＤとから電荷比傾きＳＬ（＝ΔＲ／ΔＴＤ）を求める。
また、パルス幅調整部４２は、光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰにおける全ての遅延時間ＴＤにおける電荷比傾きＳＬを求めた後、このパルス幅ＴＰＰにおける電荷比傾きＳＬの標準偏差（すなわち、変化率のバラツキ）を求める。本実施形態において標準偏差を用いて変化率のバラツキを求めているが、分散、偏差値や平均二乗誤差などのバラツキを評価する指標であれば、パルス幅ＴＰＰにおける電荷比傾きＳＬを評価する指標として用いることができる。

パルス幅調整部４２は、上述した光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰの標準偏差を求める処理を、設定した光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰの全てに対して行い、最小の標準偏差を抽出する。
これにより、パルス幅調整部４２は、最小の標準偏差の電荷比傾きＳＬに対応する光パルスＰＯのパルス幅を取得し、使用するパルス幅ＴＰＰとして設定する。

そして、距離演算部４３は、測距電荷量取得モードにおいて、画素回路３２１における電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々の蓄積電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のそれぞれから、（１）式から（５）式の各々から求めた比Ｒ１あるは比Ｒ２により、下記の（６）式あるいは（７）式により得られる遅延時間Ｔｄに基づき、各画素回路３２１と被写体Ｓとの距離を求める。

すなわち、距離演算部４３は、上述した原理を利用して、以下の（６）あるいは（７）式により、遅延時間Ｔｄを算出する。
Ｔｄ＝Ｔｏ×Ｒ１ …（６）
Ｔｄ＝Ｔｏ×Ｒ２ …（７）
ここで、Ｔｏは光パルスＰＯが照射された期間である。Ｒ１は、後述する、図４のタイムウィンドウＴｗ１における電荷蓄積部ＣＳ１と電荷蓄積部ＣＳ２とに蓄積された蓄積電荷量の比である。また、Ｒ２は、タイムウィンドウＴｗ２における電荷蓄積部ＣＳ２と、電荷蓄積部ＣＳ３に蓄積された蓄積電荷量の比である。

（６）式においては、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２には反射光により発生された電荷が蓄積されるが、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４には蓄積されない。一方、（７）式においては、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３には反射光により発生された電荷が蓄積されるが、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ４には蓄積されない。
なお、（６）式あるいは（７）式では、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２及びＣＳ３に蓄積される電荷量のうち、外光成分に相当する成分が、電荷蓄積部ＣＳ４に蓄積された電荷量と同量であることを前提とする。

距離演算部４３は、（６）式あるいは（７）式で求めた遅延時間Ｔｄに、光速（速度）を乗算させることにより、被写体Ｓまでの往復の距離を算出する。
そして、距離演算部４３は、上記で算出した往復の距離を１／２とする（遅延時間Ｔｄ×ｃ（光速度）／２）ことにより、距離画像センサ３２（すなわち、距離画像撮像装置１）から被写体Ｓまでの距離を求める。

図６は、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一なパルス幅ＴＰＰ（＝ＴＰ１）と、当該蓄積駆動信号ＴＸの幅より広いパルス幅ＴＰＰ（＞ＴＰ１）との場合における電荷比傾きＳＬを示す図である。
図６において、横軸が遅延時間ＴＤを示し、縦軸が電荷比傾きＳＬを示している。また、破線が蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一なパルス幅ＴＰＰ（＝ＴＰ１）の光パルスＰＯを用いた場合の電荷比傾きＳＬであり、実線が蓄積駆動信号ＴＸの幅より長いパルス幅ＴＰＰ（＞ＴＰ１）の光パルスＰＯを用いた場合の電荷比傾きＳＬである。
そして、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一なパルス幅ＴＰＰ（破線）に比較して、蓄積駆動信号ＴＸの幅より長いパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯが電荷比傾きＳＬ（実線）のばらつきが少ないことが、図６から分かる。

図７は、本実施形態における電荷比Ｒと遅延時間ＴＤとの対応関係を示すグラフである。図７（ａ）は、遅延時間ＴＤと、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一なパルス幅の光パルスＰＯを用いた場合の電荷比Ｒとの対応関係を示している。図７（ａ）において、縦軸が電荷比Ｒを示し、横軸が遅延時間ＴＤを示している。
また、破線が遅延時間ＴＤと電荷比Ｒとの理想的な線形な線分を示し、丸点が実際の計測された遅延時間ＴＤに対応する電荷比Ｒの値を示している。

図７（ａ）から判るように、遅延時間ＴＤと電荷比Ｒとの線形関係（破線）から、計測された丸点がタイムウィンドウＴｗ１からタイムウィンドウＴｗ２に切り替わる遅延時間近傍（２０ｎｓ近傍）で外れている。
遅延時間は、計測距離に対応しているため、蓄積駆動信号ＴＸの幅と同一なパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いた場合、実際の距離とから外れた数値が求められることが判る。

図７（ｂ）は、遅延時間ＴＤと、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一なパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯではなく、電荷比傾きＳＬの標準偏差から用いたパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いた場合の電荷比Ｒとの対応関係を示している。図７（ｂ）において、縦軸が電荷比Ｒを示し、横軸が遅延時間ＴＤを示している。
また、破線が遅延時間ＴＤと電荷比Ｒとの理想的な線形な線分を示し、丸点が実際の計測された遅延時間ＴＤに対応する電荷比Ｒの値を示している。

図７（ｂ）から判るように、遅延時間ＴＤと電荷比Ｒとの線形関係（破線）から、計測された丸点がタイムウィンドウＴｗ１からタイムウィンドウＴｗ２に切り替わる遅延時間近傍（２０ｎｓ近傍）で、図７（ｂ）と同様に外れている。
しかしながら、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一なパルス幅ＴＰＰ（＝ＴＰ１）の光パルスＰＯを用いた図７（ａ）に比較して、電荷比傾きＳＬの標準偏差から用いたパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いた場合、遅延時間ＴＤと電荷比Ｒとの線形関係（破線）から外れる距離が大幅に改善している。

これにより、電荷比傾きＳＬの標準偏差から用いたパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いることにより、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一なパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いた場合に比較して、より実際の距離に近い数値が得られ、距離の計測の制御の精度を向上させることができる。

また、図８は、距離画像撮像装置１により計測した被写体との距離の分解能を示す図である。
図８（ａ）は、距離画像撮像装置１により計測した被写体との距離の測定における時間分解能を示している。図８（ａ）において、縦軸が時間分解能を示し、横軸が距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの実際の距離（実距離）を示している。
また、破線が蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一なパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いた場合の時間分解能と実距離との関係を示している。

一方、実線が電荷比傾きＳＬの標準偏差から用いたパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いた場合の時間分解能と実距離との関係を示している。
図８（ａ）から判るように、本実施形態によれば、電荷比傾きＳＬの標準偏差から用いたパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いて距離の計測を行うことにより、蓄積駆動信号ＴＸの幅と同一なパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いた場合に比較して、計測する距離の時間分解能を向上させることができる。

図８（ｂ）は、距離画像撮像装置１により計測した被写体との距離の測定における空間分解能を示している。図８（ｂ）において、縦軸が空間分解能を示し、横軸が距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの実際の距離（実距離）を示している。
また、破線が蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一なパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いた場合の距離分解能と実距離との関係を示している。

一方、実線が電荷比傾きＳＬの標準偏差から用いたパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いた場合の距離分解能と実距離との関係を示している。
図８（ｂ）から判るように、本実施形態によれば、電荷比傾きＳＬの標準偏差から用いたパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いて距離の計測を行うことにより、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一なパルス幅ＴＰＰの光パルスＰＯを用いた場合に比較して、計測する距離の空間分解能を向上させることができる。

図９は、本実施形態によるパルス幅設定モードにおける、測距離で用いる光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰの抽出を行う処理の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１０１：
測定制御部４４は、タイミング制御部４１を制御して、パルス幅設定モードの実行を開始する。

ステップＳ１０２：
そして、パルス幅調整部４２は、光パルスＰＯのパルス幅を蓄積駆動信号ＴＸの幅（パルス幅ＴＰ１）と同一の数値とし、タイミング制御部４１に設定する（光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰの初期化）。

ステップＳ１０３：
パルス幅調整部４２は、光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰが予め設定されている上限値（パルス幅規定値）を超えているか否かの判定を行う。
このとき、パルス幅調整部４２は、光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰが予め設定されている上限値であるパルス幅規定値を超えていない（以下の）場合、処理をステップＳ１０４へ進める。
一方、パルス幅調整部４２は、光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰが予め設定されている上記パルス幅規定値を超えている場合、処理をステップＳ１１２へ進める。

ステップＳ１０４：
パルス幅調整部４２は、光パルスＰＯの照射するタイミングを、蓄積駆動信号ＴＸ１の立ち上がりに同期させるようにタイミング制御部４１の制御を行う（光パルスＰＯの遅延時間ＴＤの初期化、すなわち遅延時間ＴＤを「０」とする）。

ステップＳ１０５：
パルス幅調整部４２は、蓄積駆動信号ＴＸ１の立ち上がりからの、光パルスＰＯの照射するタイミングの遅延時間ＴＤが、予め設定されている上限値（遅延規定値）を超えているか否かの判定を行う。
このとき、光パルスＰＯのパルス幅が予め設定されている上記遅延規定値を超えていない（以下の）場合、処理をステップＳ１０６へ進める。
一方、パルス幅調整部４２は、光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰ（≧ＴＰ１）が予め設定されている上限値である遅延規定値を超えている場合、処理をステップＳ１０９へ進める。

ステップＳ１０６：
フレーム期間における蓄積期間において、光源装置２１は、蓄積周期毎に、設定されているパルス幅ＴＰＰにより、蓄積駆動信号ＴＸ１の立ち上がりから遅延時間ＴＤだけ遅らせて、光パルスＰＯを照射する。
そして、画素駆動回路３２２は、上記蓄積周期毎に、光電変換素子ＰＤで入射光により生成された電荷を、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々に、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４により振分けて蓄積させる。

ここで、転送トランジスタＧ１、Ｇ２、Ｇ３及びＧ４の各々に対する、蓄積駆動信号ＴＸ１、ＴＸ２、ＴＸ３、ＴＸ４は、等しいパルス幅ＴＰ１である。
また、上記電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々に対する電荷の振り分けは、予め設定された蓄積周期数（振分回数）行われる。

ステップＳ１０７：
画素駆動回路３２２は、各画素回路３２１における電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々から、蓄積電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４それぞれを、距離画像処理部４に対して供給する。
パルス幅調整部４２は、各画素回路３２１から供給される蓄積電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４の各々により、画素回路３２１毎に（３）式及び（４）式を用いて電荷比Ｒの算出を行う。

ステップＳ１０８：
パルス幅調整部４２は、遅延時間ＴＤに対して単位遅延時間ΔＴＤを加算し、加算結果を新たな遅延時間ＴＤとする（遅延時間ＴＤの変更）。
そして、パルス幅調整部４２は、光パルスＰＯの照射するタイミングを、蓄積駆動信号ＴＸ１の立ち上がりに対して、遅延時間ＴＤ分を遅延させるようにタイミング制御部４１の制御を行う。

ステップＳ１０９：
パルス幅調整部４２は、処理対象の遅延時間ＴＤ及び直前の遅延時間ＴＤの各々における電荷比Ｒの差分ΔＲを、計測した全ての遅延時間ＴＤにおいて算出する。
また、パルス幅調整部４２は、画素回路３２１（すなわち、画素）毎に、求めた各遅延時間ＴＤにおける差分ΔＲを単位遅延時間ΔＴＤにより除算し、遅延時間ＴＤの各々の間における電荷比傾きＳＬをそれぞれ求める。

ステップＳ１１０：
そして、パルス幅調整部４２は、各遅延時間ＴＤの電荷比傾きＳＬから、この時点のパルス幅ＴＰＰにおける電荷比傾きＳＬの標準偏差ｓを、画素回路３２１毎に算出する。
また、パルス幅調整部４２は、全ての画素回路３２１における標準偏差ｓの平均値を算出し、標準偏差ｓ＿ａｖとする。

ステップＳ１１１：
パルス幅調整部４２は、光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰに対して単位幅時間ΔＴＰＰを加算し、加算結果を新たなパルス幅ＴＰＰとする（パルス幅ＴＰＰの変更）。
そして、パルス幅調整部４２は、照射する光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰを、新たに設定した単位幅時間ΔＴＰＰを加算したパルス幅ＴＰＰとするように、タイミング制御部４１の制御を行う。

ステップＳ１１２：
パルス幅調整部４２は、光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰの各々から、標準偏差ｓ＿ａｖが最小値であるパルス幅ＴＰＰを抽出する。

ステップＳ１１３：
パルス幅調整部４２は、抽出したパルス幅ＴＰＰを画素回路３２１の各々において、最も電荷比傾きＳＬのバラツキ（変動）が少なく、距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの距離の計測における精度を最も高くするパルス幅ＴＰＰとして設定する。

上述したプローチャートのステップＳ１０９及びステップＳ１１０における処理では、距離画像センサ３２における全ての画素回路３２１における標準偏差ｓを求めて、この標準偏差ｓの平均値として標準偏差ｓ＿ａｖを算出する。
しかしながら、距離画像センサ３２における全ての画素回路３２１の標準偏差ｓの平均値ではなく、予め設定された領域、例えば距離画像センサ３２の中央部分の領域の画素回路３２１の標準偏差ｓの平均値を、標準偏差ｓ＿ａｖとして用いる構成としてもよい。
この構成の場合、パルス幅調整部４２は、距離画像センサ３２の中央部分の領域の設定された画素回路３２１の各々に対してのみ標準偏差ｓを算出する処理を行う。

また、距離画像センサ３２における、それぞれが位置的に離間した所定の位置の画素回路３２１を予め設定しておき、これら画素回路３２１の複数個の標準偏差ｓの平均値を、標準偏差ｓ＿ａｖとして用いる構成としてもよい。
この構成の場合、パルス幅調整部４２は、距離画像センサ３２において設定された所定の位置の画素回路３２１の各々に対してのみ標準偏差ｓを算出する処理を行う。

また、ステップＳ１０７において、パルス幅調整部４２は、全ての画素回路３２１から求めた電荷比Ｒの平均値を求め、この平均値を距離画像センサ３２の電荷比Ｒとして、遅延時間ＴＤの各々における電荷比Ｒの差分ΔＲを算出する構成としてもよい。
この構成の場合、ステップＳ１０９及びステップＳ１１０において、パルス幅調整部４２は、差分ΔＲの各々と単位遅延時間ΔＴＤとから求めた電荷非傾きＳＬの標準偏差ｓを求めて、標準偏差ａ＿ａｖとして用いる。

また、ステップＳ１０７において、パルス幅調整部４２は、全ての画素回路３２１から求めた電荷比Ｒの平均値を求めるのではなく、予め設定された領域、例えば距離画像センサ３２の中央部分の領域の画素回路３２１の電荷比Ｒの平均値を用いて、遅延時間ＴＤの各々における電荷比Ｒの差分ΔＲを算出する構成としてもよい。
この構成の場合、ステップＳ１０９及びステップＳ１１０において、パルス幅調整部４２は、上記中央部分の領域の画素回路３２１の電荷比Ｒから求めた差分ΔＲの各々と、単位遅延時間ΔＴＤとから求めた電荷非傾きＳＬの標準偏差ｓを求めて、標準偏差ａ＿ａｖとして用いる。

また、ステップＳ１０７において、パルス幅調整部４２は、全ての画素回路３２１から求めた電荷比Ｒの平均値を求めるのではなく、予め設定された領域、例えば距離画像センサ３２において、それぞれが離間した所定の位置の画素回路３２１の電荷比Ｒの平均値を用いて、遅延時間ＴＤの各々における電荷比Ｒの差分ΔＲを算出する構成としてもよい。
この構成の場合、ステップＳ１０９及びステップＳ１１０において、パルス幅調整部４２は、上記離間した所定の位置の画素回路３２１の電荷比Ｒから求めた差分ΔＲの各々と、単位遅延時間ΔＴＤとから求めた電荷非傾きＳＬの標準偏差ｓを求めて、標準偏差ｓ＿ａｖとして用いる。

また、本実施形態においては、（１）式から（７）により、タイムウィンドウＴｗ１またはＴｗ２で各電荷蓄積部ＣＳに蓄積される蓄積電荷量Ｑにより、遅延時間Ｔｄを求めて、当該遅延時間Ｔｄを用いて、距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの距離を求めている。
しかしながら、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３、あるいは電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４に振り分けられる電荷量の配分（振り分け比率）は、光パルスＰＯが被写体Ｓに反射して距離画像撮像装置１に入射されるまでの遅延時間Ｔｄに応じた比率となるという原理を利用して、距離演算部４３は、以下の（８）あるいは（９）式により、遅延時間Ｔｄを算出し、距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの距離を求める構成としてもよい。

Ｔｄ＝Ｔｏ×（Ｑ２－Ｑ１）／（Ｑ１＋Ｑ２－２×Ｑ４） …（８）
Ｔｄ＝Ｔｏ＋Ｔｏ×（Ｑ３－Ｑ２）／（Ｑ２＋Ｑ３－２×Ｑ４） …（９）
ここで、Ｔｏは光パルスＰＯが照射された期間である。Ｑ１は、電荷蓄積部ＣＳ１に蓄積された蓄積電荷量である。また、Ｑ２は、電荷蓄積部ＣＳ２に蓄積された蓄積電荷量である。Ｑ３は、電荷蓄積部ＣＳ３に蓄積された蓄積電荷量である。Ｑ４は、電荷蓄積部ＣＳ４に蓄積された蓄積電荷量である。

（８）式においては、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ２には反射光により発生された電荷が蓄積されるが、電荷蓄積部ＣＳ３及びＣＳ４には蓄積されない（タイムウィンドウＴｗ１）。一方、（９）式においては、電荷蓄積部ＣＳ２及びＣＳ３には反射光により発生された電荷が蓄積されるが、電荷蓄積部ＣＳ１及びＣＳ４には蓄積されない（タイムウィンドウＴｗ２）。
なお、（８）式あるいは（９）式では、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２及びＣＳ３に蓄積される電荷量のうち、外光成分に相当する成分が、電荷蓄積部ＣＳ４に蓄積された電荷量と同量であることを前提とする。

＜第２の実施形態＞
以下、本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。第２の実施形態は、図１に示す第１の実施形態における距離画像撮像装置１と同様の構成である。
以下、第２の実施形態による距離画像撮像装置１について、第１の実施形態と異なる動作について説明する。
計測に用いる光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰを求める処理については、第１の実施形態と同様である。

第１の実施形態においては、画素回路３２１の各々の電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３、ＣＳ４から、それぞれ蓄積電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４を取得し、（１）式から（７）式により求めた遅延時間Ｔｄにより、距離画像センサ３２の画素回路３２１と被写体Ｓとの距離を算出している。
第２の実施形態においては、電荷比Ｒ（第１の実施形態における電荷比Ｒ１及び電荷比Ｒ２の各々と閾値ＴｈＷから求められる）と推定距離（画素回路３２１と被写体Ｓとの距離に対応）との関係を示す対応テーブルにより、画素回路３２１と被写体Ｓとの距離を算出（推定）している。

本実施形態においては、まず、第１の実施形態において求めた光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰにより、距離画像撮像装置１から被写体Ｓとの距離を、所定の単位距離ずつ変化させ、距離画像を撮像して電荷比Ｒを取得する。すなわち、測距離の実験を行って、既知の距離を用い、当該距離における電荷比Ｒを求め、図１０（ａ）の変化曲線を取得する。
そして、電荷比Ｒと距離との変化曲線を求めて、当該変化曲線において、距離に対して電荷比Ｒが線形に変化する線形領域を抽出する。

図１０は、第２の実施形態における電荷比Ｒと推定距離との関係を示す対応テーブルを説明する図である。
図１０（ａ）は、電荷比Ｒと推定距離との対応を示すグラフであり、縦軸が電荷比Ｒを示し、横軸が距離（推定距離）を示している。
例えば、図１０（ａ）のグラフは、タイムウィンドウＴｗ１に対応した電荷比Ｒと推定距離との対応を示している。タイムウィンドウＴｗ２においても同様のグラフが取得される。

図１０（ａ）において、電荷比Ｒ＿１と電荷比Ｒ＿２との間、電荷比Ｒ＿２と電荷比Ｒ＿３との間、…、電荷比Ｒ＿８と電荷比Ｒ＿９との間、…は、距離に対して電荷比Ｒが線形に変化している線形領域である（と見なしている）。
第１の実施形態において求めた、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１より長いパルス幅ＴＰＰ（＞ＴＰ１）の光パルスＰＯを用いることにより、図６に示すように、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一のパルス幅ＴＰＰ（＝ＴＰ１）を用いた場合に比較して、電荷比傾きＳＬの変動が抑制される。

すなわち、図１０（ａ）の変化曲線において、電荷比Ｒが距離に対して線形に変化する領域（テーブル間隔ＴＫ）が長くなる。
このため、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１より長いパルス幅ＴＰＰ（＞ＴＰ１）の光パルスＰＯを用いることにより、変化曲線を表す電荷比Ｒの数を、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一のパルス幅ＴＰＰ（＝ＴＰ１）を用いた場合に比較して、低減することができる。

図１０（ｂ）は、電荷比Ｒと推定距離との関係を示す対応テーブルの構成例を示す図である。この対応テーブルは、タイムウィンドウ毎に設けられ、図１０（ｂ）の場合、タイムウィンドウＴｗ１に対応している。
電荷比Ｒ＿５が電荷比傾きＳＬの変化する距離間隔が短くなる閾値を示している。電荷比Ｒ＿５未満の場合、電荷比Ｒの間隔がテーブル間隔ＴＫ１であるが、電荷比Ｒ＿５以上の場合（タイムウィンドウの境界近傍の場合）、電荷比Ｒの間隔がテーブル間隔ＴＫ１より短いテーブル間隔ＴＫ２（＜ＴＫ１）となる。

図１０（ｂ）においては、電荷比Ｒの各々に対応して、それぞれ距離が対応付けられている。例えば、電荷比Ｒ＿１に対して距離Ｄ１、電荷比Ｒ＿２に対して距離Ｄ２などとして対応付けて、不図示の記憶部に図１０（ｂ）の対応テーブルがタイムウィンドウ毎に予め書き込まれて記憶されている。距離画像センサ３２の全ての画素回路３２１毎、あるいは距離画像センサ３２を複数に分割した領域毎として、上記記憶部に対応テーブルは書き込まれて記憶されている。

距離演算部４３は、各画素回路３２１の電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々から供給される蓄積電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のそれぞれにより、（１）式及び（２）式により電荷比Ｒを算出する。
そして、距離演算部４３は、算出された電荷比Ｒと同一の電荷比Ｒ＿ｎを図１０（ｂ）の対応テーブルから検索し、同一の電荷比Ｒ＿ｎが検索された場合、この電荷比Ｒ＿ｎに対応している距離Ｄｎを読み出し、画素回路３２１と被写体Ｓとの距離とする。

また、距離演算部４３は、算出された電荷比Ｒと同一の電荷比Ｒ＿ｎが検索されない場合、この電荷比Ｒが含まれる電荷比Ｒ＿ｎ－１及び電荷比Ｒｎを、図１０（ｂ）の対応テーブルを参照して抽出する。
そして、距離演算部４３は、電荷比Ｒ＿ｎ－１及び電荷比Ｒｎの各々に対応している距離Ｄｎ－１、距離Ｄｎを読み出し、距離Ｄｎ＿１及び距離Ｄｎを電荷比Ｒに対応させた線形補間を行なうことにより、距離Ｒに対応する距離Ｄを算出し、画素回路３２１と被写体Ｓとの距離とする。

＜第３の実施形態＞
以下、本発明の第３の実施形態について、図面を参照して説明する。第３の実施形態は、図１に示す第１の実施形態における距離画像撮像装置１と同様の構成である。
以下、第３の実施形態による距離画像撮像装置１について、第１の実施形態と異なる動作について説明する。
計測に用いる光パルスＰＯのパルス幅ＴＰＰを求める処理については、第１の実施形態と同様である。

第２の実施形態においては、電荷比Ｒと距離Ｄとの対応関係を示す対応テーブルを参照し、電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４の各々の蓄積電荷量Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のそれぞれから求めた電荷比Ｒに対応する距離を抽出、あるいは線形補間することにより取得した。
一方、第３の実施形態においては、図１０（ａ）に示す電荷比Ｒ及び距離Ｄとの変化曲線に対応させ、距離Ｄを不定元として既知距離と計測された距離Ｄとの対応関係を多項式により予め近似しておく。
そして、距離演算部４３は、計測した距離Ｄを上記多項式に対して代入して、距離Ｄにおける実距離との位置ずれを補正する。
すなわち、電荷比を用いて求められた距離Ｄを、既知の距離である既知距離との距離ずれを近似する多項式を予め求めておき、距離演算部４３は、計測した距離Ｄを多項式に代入して、距離Ｄを実距離に近似させることで距離ずれを補正し、実距離との距離ずれが低減された距離Ｄを求める。

多項式による近似において、図１０（ａ）の変化曲線における電荷比傾きＳＬに対応して多項式による近似を行う。
これにより、第１の実施形態において求めた、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１より長いパルス幅ＴＰＰ（＞ＴＰ１）の光パルスＰＯを用いることにより、図６に示すように、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一のパルス幅ＴＰＰ（＝ＴＰ１）を用いた場合に比較して、電荷比傾きＳＬの変動が抑制される。

本実施形態によれば、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１より長いパルス幅ＴＰＰ（＞ＴＰ１）の光パルスＰＯを用いることにより、蓄積駆動信号ＴＸのパルス幅ＴＰ１と同一のパルス幅ＴＰＰ（＝ＴＰ１）を用いた場合に比較して、電荷比傾きＳＬの変動が抑制されるため、変化曲線を近似する多項式における不定元（変数としての電荷比）の項数や次数が低減し、電荷比Ｒにより計算負荷を軽減しつつ近似の精度が高い距離Ｄを取得できる近似式を得ることができる。

また、本実施形態においては、光パルス幅ＴＰ１より長いパルス幅ＴＰＰ（＞ＴＰ１）の光パルスＰＯを用いることにより、反射光ＲＬにより発生した電荷が電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３及びＣＳ４における３個の電荷蓄積部、例えば電荷蓄積部ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３のそれぞれに跨がって蓄積される場合が考えられる。
このように、３個の電荷蓄積部に跨がって蓄積された場合、反射光ＲＬが重複している３個の蓄積電荷量Ｑに基づいて、距離画像撮像装置１と被写体Ｓとの距離を求める距離演算を行う構成としてもよい。

１…距離画像撮像装置
２…光源部
３…受光部
３１…レンズ
３２…距離画像センサ（距離画像撮像素子）
３２１…画素回路
３２２…画素駆動回路
４…距離画像処理部
４１…タイミング制御部
４２…パルス幅調整部
４３…距離演算部
４４…測定制御部
ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３，ＣＳ４…電荷蓄積部
ＦＤ１，ＦＤ２，ＦＤ３，ＦＤ４…フローティングディフュージョン
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４…転送トランジスタ
ＧＤ…電荷排出トランジスタ
ＭＬ…マイクロレンズ
ＰＤ…光電変換素子
ＰＯ…光パルス
ＲＴ１，ＲＴ２，ＲＴ３，ＲＴ４…リセットトランジスタ
Ｓ…被写体
ＳＦ１，ＳＦ２，ＳＦ３，ＳＦ４…ソースフォロアトランジスタ
ＳＬ１，ＳＬ２，ＳＬ３，ＳＬ４…選択トランジスタ

Claims (6)

1. 測定空間に光パルスを照射する光源部と、
   前記測定空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、フレーム周期において前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部を備える複数の画素回路と、前記光パルスの照射に同期した所定の蓄積タイミングで、前記電荷蓄積部の各々に転送トランジスタそれぞれを介して、前記光電変換素子で発生した前記電荷を振分けて蓄積させる画素駆動回路とを有する受光部と、
   前記測定空間における反射光により生成されて前記光電変換素子から前記転送トランジスタにより振分けられて前記電荷蓄積部の各々に蓄積される電荷量のそれぞれの電荷比から被写体と前記受光部との距離の計算を行う距離演算部と
   を備え、
   前記転送トランジスタのうち、特定の転送トランジスタの立上がりとその次に立ち上がる転送トランジスタの立上がりの期間に比較して、前記光パルスのパルス幅が長く設定されている
   ことを特徴とする距離画像撮像装置。
2. 前記パルス幅が、前記光パルスが照射されてから前記反射光が入射されるまでの遅延時間の変化に対応した前記電荷比の変化率のバラツキによって設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の距離画像撮像装置。
3. 前記パルス幅を順次変更させつつ、当該パルス幅毎に前記遅延時間の各々の変化における前記電荷比の変化率の前記バラツキを求め、当該バラツキが最小となる前記パルス幅を抽出し、当該パルス幅を前記光パルスのパルス幅として設定する
   ことを特徴とする請求項２に記載の距離画像撮像装置。
4. 前記距離演算部が、前記被写体と画素との距離に対応する対応距離と、前記電荷蓄積部の各々に蓄積された電荷量のそれぞれから計算される電荷比との関係を示すテーブル情報に基づいて前記距離を求める
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の距離画像撮像装置。
5. 前記距離演算部が、前記電荷比を用いて求められた前記距離を、既知の距離である既知距離との距離ずれを近似する多項式を予め求め、当該多項式を用いて前記距離ずれを補正した前記距離を求める
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の距離画像撮像装置。
6. 光源部と光電変換素子と複数の電荷蓄積部と転送トランジスタとからなる複数の画素回路の各々と、画素駆動回路と、距離演算部とを備える距離画像撮像装置を制御する距離画像撮像方法であり、
   前記画素駆動回路が、前記光源部からの光パルスの照射に同期した所定の蓄積周期で、測定空間から入射光に応じて前記光電変換素子が発生した電荷を、フレーム周期において電荷蓄積部の各々に、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に前記電荷を転送させる前記転送トランジスタそれぞれを介して、前記光電変換素子で発生した前記電荷を蓄積させる過程と、
   距離演算部が、前記測定空間における反射光により生成されて前記光電変換素子から前記転送トランジスタにより振分けられて前記電荷蓄積部の各々に蓄積される電荷量のそれぞれの電荷比から被写体と前記距離画像撮像装置との距離の計算を行う過程と
   を含み、
   前記転送トランジスタのうち、特定の転送トランジスタの立上がりとその次に立ち上がる転送トランジスタの立上がりの期間に比較して、前記光パルスのパルス幅が長く設定されている
   ことを特徴とする距離画像撮像方法。

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