JP3591962B2 - Distance measuring device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測距対象物までの距離を三角測距により測定する測距装置に関し、例えば、カメラのAF機構に適用して好適なものである。より詳細には、複数の電荷転送チャンネル部がリング状(ループ状)に配列されて循環シフトレジスタ(リング部)が構成され、この循環シフトレジスタに信号電荷を電荷転送パルスに従って循環させつつ、徐々に信号電荷を加算するようにした測距装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
測距対象物までの距離を測定する測距装置として、特公平5−22843号公報には、電荷転送部をリング状にして信号を積分すると同時に、このリング部に外光を除去するためのスキム手段を有するものが提案されている。これによると、信号電荷が充分なレベルにないときは、循環シフトレジスタであるリング部において信号電荷を転送させながら順次加算して、S/N比の良好な信号電荷を得ることができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、CCD(電荷結合素子)などを用いて構成した循環シフトレジスタに信号電荷を転送させると、その転送効率が100%未満の時、信号電荷を循環させるほど後方のレジスタ(電荷転送チャンネル)に徐々に信号電荷が漏れてしまう。このため、循環シフトレジスタに注入された信号電荷は、循環を続けるうちに少しづつその分布が変化する。すると、測距演算を実施するに際して、この信号電荷分布の変化が演算結果に誤差をもたらすことになる。特に、循環シフトレジスタの電荷転送チャンネルに無信号部が存在すると、この無信号部に隣接する電荷転送チャンネルの電荷量が徐々に変化する。その様子を図10を用いて説明する。
【0004】
図10(a)は、転送を繰り返す前の循環シフトレジスタ内の電荷の分布を示した模式図であり、電荷転送チャンネルの均一電荷部51〜63(例えば、外光が照射される領域に対応する)には均一な電荷量▲1▼が注入されていて、均一電荷部51〜63の間には無信号部71〜74が形成されている。この循環シフトレジスタは転送1回当たり10%の信号電荷を残留させる。つまり、電荷量▲1▼の10%の電荷量▲2▼が残留電荷として、転送される前の場所の電荷転送チャンネルに留まる。
【0005】
このときに全体の電荷を1回転送すると、電荷の分布は図10(b)に示すようになる。即ち、均一電荷部51の電荷は左隣の電荷転送チャンネルに転送されて初期の電荷量▲1▼の90%に減少するが、均一電荷部52〜63の電荷は転送時に残留した分と同量の電荷が直前の電荷転送チャンネルに残されているので、結局は変化しない。また、無信号部71は、均一電荷部63の残留電荷により電荷量▲2▼を持つことになる。
【0006】
更に1回電荷を転送すると、電荷の分布は図10(c)に示すようになる。即ち、均一電荷部51の電荷は図10(b)の段階で既に90%に減少していたので初期の電荷量▲1▼の81%に減少し、均一電荷部51の残留電荷は初期の電荷量▲1▼の9%になる。均一電荷部52は10%の電荷を残留させるので、均一電荷部51からの9%を加えると、初期値の99%の電荷量になっている。
【0007】
更に1回電荷を転送すると、電荷の分布は図1(d)のようになる。即ち、均一電荷部51の電荷は初期の電荷量▲1▼の約73%、均一電荷部52の電荷は初期値の約97%となる。また、均一電荷部53もわずかに電荷が減少する。逆に、無信号部71〜73には電荷が徐々に溜められていく。以上説明したように、電荷転送チャンネルの転送効率が100%未満の場合、特に無信号部及びこれに隣接する電荷転送チャンネルの電荷量が、転送を繰り返すうちに徐々に変化するため、測距誤差が大きくなってしまうという問題が生じていた。
【0008】
そこで、本発明の目的は、循環シフトレジスタ(リング部)を有する測距装置において、電荷転送チャンネルに無信号部が存在する場合であっても、正確な測距を行うことができる測距装置を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の測距装置は、測距対象物にパルス状光束を繰り返し投光し、その反射光を受光して三角測距を行う測距装置であって、上記測距対象物に投光するための投光手段と、上記測距対象物からの反射光を受光して光電変換する複数の光電変換素子と、上記光電変換素子から出力される信号電荷を積分し且つ転送する信号電荷供給手段と、複数の電荷転送チャンネルを有し且つ上記信号電荷供給手段から供給される信号電荷を一方向に転送する信号電荷注入手段と、複数の電荷転送チャンネルがリング状に配置され且つ上記信号電荷供給手段から上記信号電荷注入手段を介して注入される信号電荷が循環されつつ蓄積されていく循環シフトレジスタと、上記循環シフトレジスタの上記電荷転送チャンネルに発生する無信号部に隣接する少なくとも1つの上記電荷転送チャンネルに存在する信号電荷を無視して測距演算する演算手段と、を具備し、上記演算手段は、上記循環シフトレジスタにおける信号電荷の蓄積回数が多いほど、無視する電荷信号に対応する電荷転送チャンネルの数を増やすことを特徴とする。
【0012】
本発明の一態様においては、上記信号電荷注入手段の上記電荷転送チャンネルが、上記循環シフトレジスタの上記電荷転送チャンネルよりも多い。
【0013】
本発明の一態様においては、上記電荷転送チャンネル上には、ゲート絶縁膜を介して、電荷転送パルスが印加される転送電極が設けられている。
【0014】
本発明の一態様においては、上記循環シフトレジスタの少なくとも1つの上記電荷転送チャンネルには、転送される信号電荷量を検出するためのフローティングゲート電極部がゲート絶縁膜を介して設けられている。
【0015】
つまり、本発明の測距装置は、循環シフトレジスタの電荷転送チャンネルの無信号部に隣接する幾つかの電荷転送チャンネルの信号電荷については測距演算時に無視することを特徴とする。これにより、転送効率が100%未満の電荷転送チャンネルを有する循環シフトレジスタにおいて、無信号の電荷転送チャンネルに隣接する電荷転送チャンネルの信号電荷は、転送を行うごとに少しづつ転送漏れを起こし電荷量が初期値より小さくなるが、それらの信号電荷を無視して測距演算を行うのでその影響を受けず、正しい測距演算結果を得ることができる。
【0016】
また、本発明の測距装置では、循環シフトレジスタでの電荷の転送回数が少ない等の理由により、無信号部に隣接する電荷転送チャンネルの信号電荷の減少が微少であれば、測距演算時に無視する信号電荷に対応する電荷転送チャンネルの数を減らす。また、循環シフトレジスタでの電荷の転送回数が多い等の理由により、無信号部に隣接する電荷転送チャンネルの信号電荷の減少が大きければ、測距演算時に無視する信号電荷に対応する電荷転送チャンネルの数を増やす。つまり、電荷転送による電荷転送チャンネルの信号電荷の変化に応じて無視する信号電荷を変更するので、その分多くの光電変換素子の信号電荷を利用することができ、広い範囲から測距演算を行うことが可能になる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適な実施形態につき図面を参照して説明する。
【0019】
(第一の実施形態)
図1は、本実施形態の測距装置の要部を示す概略図であり、図2〜図4は、本実施形態の測距装置の動作シーケンスを説明するためのタイムチャートである。図1において、センサーアレイ11は、受光した光を電荷に変換する複数の光電変換素子(画素)S1 〜S5 からなる。本実施形態ではセンサーアレイ11がS1 〜S5 の5画素で構成されたものとして説明するが、実際には任意の画素数をとることができ、測距範囲と要求される測距精度とにより一般には20個以上の光電変換素子で構成することが好ましい。
【0020】
各々の積分部12では、センサーアレイ11の各画素S1 〜S5 で光電変換された電荷が積分される。積分部12の夫々に隣接して設けられたクリア部13は、ICGパルスが印加されると積分部12で積分された電荷を空(クリア状態)にする。第1の蓄積部14はST1 パルスによって積分部12から電荷を受け取り、第1の蓄積部14と対になる第2の蓄積部15はST2 パルスによって積分部12から電荷を受け取る。また、図2に示すタイミングでシフト部16にSHパルスが印加されると、第1の蓄積部14および第2の蓄積部15に蓄積された電荷が、複数の電荷転送チャンネル1A 〜12A からなるリニアCCD17(信号電荷注入手段)に全て移動する。本実施形態では、積分部12、クリア部13、第1の蓄積部14、第2の蓄積部15及びシフト部16が、信号電荷供給手段を構成している。
【0021】
複数の電荷転送チャンネル1A 〜12A を具備するリニアCCD(信号電荷注入手段)17には、図2に示すタイミングで転送クロックパルスCK1 、CK2 が交互に印加されており、これらの転送クロックパルスCK1 、CK2 により、第1の蓄積部14及び第2の蓄積部15から移動した電荷が、リニアCCD17において転送方向Iに転送される。なお、ここでは転送クロックパルスを2相のものとして説明するが、何相の転送クロックパルスを用いても構わない。
【0022】
本実施形態において、電荷転送チャンネル1A 〜12A 上には、ゲート酸化膜(図示せず)を介して、転送クロックパルスCK1 、CK2 が印加される転送電極が設けられている。
【0023】
リニアCCD17の転送方向I側の端には、複数の電荷転送チャンネル1B 〜12B をリング状に配置したリングCCD18(循環シフトレジスタ)が接続されている。リングCCD18にも転送クロックパルスCK1 、CK2 が交互に印加されていて、各電荷転送チャンネル1B 〜12B に存在する電荷は転送方向IIに転送されてリングCCD18中を循環周回することになる。
【0024】
リニアCCD17の各電荷転送チャンネル1A 〜12A にある電荷は、転送クロックパルスCK1 、CK2 によって転送方向Iに転送される。電荷転送チャンネル1A にある電荷は転送クロックパルスCK2 によって隣の電荷転送チャンネルに転送され、さらに次の転送クロックパルスCK1 によってリングCCD18の電荷転送チャンネル12B に転送される。ただし、リングCCD18の電荷転送チャンネル1B に元々存在している電荷もこの時に電荷転送チャンネル12B に転送されてくるので、電荷転送チャンネル12B において各々の電荷が加え合わせられる。
【0025】
ここではリニアCCD17の電荷転送チャンネルの数とリングCCD18の電荷転送チャンネル数とを一致させて、1A と1B 、2A と2B 、3A と3B 、…、…、11A と11B 、12A と12B の電荷が常に加え合わされるように構成している。但し、センサーアレイ11からの信号電荷の注入がない電荷転送チャンネル1A 、2A には初期的には電荷が存在しないので、これに対応して、リングCCD18には無信号〔電荷〕部が形成されることになる。
【0026】
CCDクリア部20にCCDCLR信号を印加すると、電荷転送チャンネル1B の電荷は空になる。従って、図3の動作シーケンスの初期化モードに示されたタイミングでCCDクリア部20にCCDCLR信号を印加するとともに、電荷がリングCCD18の内部を一周するまで転送クロックパルスCK1 、CK2 を印加すると、リングCCD18に存在する電荷は必ず電荷転送チャンネル1B を通過するので、CCDクリア部20で電荷は空になり、結局リングCCD18内の電荷を全て空(リセット状態)にすることができる。
【0027】
出力部21は、電荷転送チャンネル6B 上にゲート酸化膜を介して設けられたフローティングゲート電極部102と接続されており、出力アンプ101が電荷転送チャンネル6B に存在する電荷量を電圧に変換して、図4に示すタイミングでOS信号を外部装置に出力する。トランジスタ103にはリセット電位RD及びRS1 パルスが接続され、図4に示すタイミングでRS1 パルスが印加されると、フローティング電極部102はリセット電位RDにリセットされる。
【0028】
図5に示す装置は、図1で説明したリングCCD(循環シフトレジスタ)18を具備する測距装置を、カメラのオートフォーカス装置に応用した例である。オートフォーカス装置は、近距離・高反射率の被写体から遠距離・低反射率の被写体までの信号を扱うので、極めて大きなダイナミックレンジ(通常1:1000程度)が必要である。そのため、信号処理回路に十分なダイナミックレンジを確保することが難しく、色々な工夫がなされている。ここで説明する例では、信号レベルが大きければ数回の蓄積でリングCDD18での蓄積加算動作を停止し、信号レベルが小さければ数百回の蓄積を繰り返すことで測距演算をするのに十分な信号レベルを得るようにする。なお、図5の測距装置は、図1に示したのと同様の装置を2つ備えているので、ここでは図1のものと同一部材には同一符号に「R」または「L」を付記するものとする。
【0029】
図5において、近赤外光を発するIRED201から出たパルス状光束は、投光レンズ207で集光されて被写体221に当たる。被写体221で反射された近赤外光の一部は、受光レンズ208Rで集光されてセンサーアレイ11R上に受光像222Rを形成する。また、受光レンズ208Lを通過して集光された近赤外光は、センサーアレイ11L上に受光像222Lを形成する。
【0030】
IRED駆動回路202は、IRED201を所定の周期で点滅駆動する。信号電荷積分部(信号電荷供給手段)12R〜16R、12L〜16Lは、各々のセンサーアレイ11R、11Lの信号電荷を積分し、リニアCCD(信号電荷注入手段)17R、17Lに所定のタイミングで蓄積した電荷を供給する。
【0031】
リニアCCD17Rに供給された信号電荷は、AF処理回路206で発生したドライブパルス203の一つである転送クロックに従って、循環シフトレジスタ18Rに注入される。同様に、リニアCCD17Lに供給された信号電荷も、循環シフトレジスタ18Lに注入される。循環シフトレジスタ18R、18L内を循環する信号電荷は、フローティング電極部102R、102Lから読み出され出力アンプ101R、101Lを介してAF処理回路206に転送される。AF処理回路206では、センサーアレイ11R上の受光像222Rの位置Xrと、センサーアレイ11L上の受光像222Lの位置Xlとにより、被写体221までの距離Dを求める。
【0032】
AF処理回路206は、A/Dコンバータ204と、CPU210と、メモリ211とを有しており、センサーアレイ11R、11L、信号積分部12R〜16R、12L〜16L及び循環シフトレジスタ18R、18Lをドライブするためのドライブパルス203を発生してそれらの動作を制御する。
【0033】
図5において、投光レンズ207、受光レンズ208R、受光レンズ208Lの3つのレンズは同一直線上にあり、受光レンズ208R、208L間の距離はB、受光レンズ208Rと投光レンズ207の距離はKであり、被写体221は投光レンズ207から垂直方向に距離Dだけ離れている。また、センサーアレイ11Rとセンサーアレイ11Lとの距離もBで、各々のセンサーアレイ11R、11Lは、受光レンズ208R、受光レンズ208Lから各レンズに共通の焦点距離fだけ離れて設置されている。さらに、センサーアレイ11Rの片側の端から受光像222Rまでの距離をXr、センサーアレイ11Rの片側の端から受光レンズ208Rの主点のセンサーアレイ11Rへの垂直射影点までの距離をΔXとし、同様に、センサーアレイ11Lの片側の端から受光像222Rまでの距離をXl、センサーアレイ11Lの片側の端から受光レンズ208Lの主点のセンサーアレイ11Lへの垂直射影点までの距離をΔXとする。
【0034】
ここで、受光レンズ208R、208Lの主点を共通の頂点とする夫々2つの三角形が相似することから、
D/K=f/(Xr−ΔX)………▲1▼
D/(B+K)=f/(Xl−ΔX)……▲2▼
が成立する。これら式▲1▼▲2▼からKを消去してDについて解くと、
D=B・f/(Xl−Xr)………▲3▼
となる。即ち、Bとfは一定で既知の値であるのでセンサーアレイ11R、11L上の受光像222R、222Lの位置Xr、Xlを検出すれば、被写体221までの距離Dが三角測距により求めらる。
【0035】
また、図6は図1に示した装置において、センサーアレイ11からリニアCCD17までの構造を拡大して示した図である。以下、図5、図6等に基づいて本実施形態の測距装置における電荷の流れを説明する。
【0036】
始めに、図5において、AF処理回路206は、IRED駆動回路202を介しIRED201を点滅させる。従って、IRED201からの光線に起因する受光像222R及び222Lも点滅する。即ち、IRED201の点灯時にセンサーアレイ11R、11L上に受光像222R、222Lが現れ、この受光像信号と外光がセンサーアレイ11R、11Lの画素(光電変換素子)S1 〜S5 によって電荷に変換される。またIRED201の消灯時にはセンサーアレイ11R、11Lの画素S1 〜S5 には外光のみが当たり、この外光分だけが電荷に変換される。
【0037】
図6において、センサーアレイ11の中の1画素(センサー)S2 で光電変換された信号電荷は、経路301を通って積分部12で積分される。そして、クリア部13に接続されたICGラインに図2に示すタイミングでICGパルスを印加することで、積分部12にある信号電荷は経路302を通って不図示のグランドラインへ流れ出す。即ち、積分部12の電荷がクリアされることになる。従ってICGパルスを制御することで積分部12に電荷を蓄積する時間を任意に可変する、いわゆる電子シャッターとしての機能を得ることができる。
【0038】
図2に示すICGパルスからパルスST1 、ST2 までの時間t1 、t2 が、積分時間である。各積分部12は第1の蓄積部14と第2の蓄積部15とを隣接した位置に夫々備えている。第1の積分部14には、図2に示すST1 パルスのタイミングで積分部12から経路304を介して電荷が流れ込む。また第2の蓄積部15には、ST2 パルスのタイミングで積分部12から経路303を介して電荷が流れ込む。第1の蓄積部14と第2の蓄積部15は、交互に並んで配置され、その下にシフト部16がそれぞれ設けられている。
【0039】
シフト部16にシフトパルスSHが印加されると、第1の蓄積部14に蓄積された電荷は経路306を介してリニアCCD17の電荷転送チャンネルに転送される。また、第2の蓄積部15に蓄積された電荷は、経路305を介してリニアCCD17の電荷転送チャンネルに転送される。
【0040】
ところで、図2に示すように、ST1 パルスはIRED201の消灯状態(点灯の直前)に同期して出力されるようにAF処理回路206が制御するので、第1の蓄積部14にはセンサーアレイ11に当たった外光に起因するの電荷が蓄積される。また、ST2 パルスはIRED201の点灯状態(消灯の直前)に同期して出力されるようにAF処理回路206が制御するので、第2の蓄積部15にはセンサーアレイ11に当たった被写体から反射してきた信号分と外光分との加算分に起因する電荷が蓄積される。SHパルスによって第1の蓄積部14及び第2の蓄積部15に蓄積された電荷は、図1の電荷転送チャンネル3A 〜12A にそれぞれ転送される。従って、奇数番号の電荷転送チャンネル3A 、5A 、7A 、9A 、11A には外光分だけの電荷が、偶数番号の電荷転送チャンネル4A 、6A 、8A 、10A 、12A には被写体から反射されてきた信号分と外光分の電荷が加え合わされた分が転送されることになる。
【0041】
なお、電荷転送チャンネル1A 、2A はリニアCCD17と循環シフトレジスタ18の構成上追加した電荷転送チャンネルであるが、初期的にはセンサーアレイ11からの信号電荷がシフト部16から直接転送されることがない無信号部となる。
【0042】
循環シフトレジスタ18は、クロックパルスCK1 、CK2 によって図1の転送方向IIに電荷を転送する。SHパルスは、図2に示すように、循環シフトレジスタ18の一周に同期して発生させており、更にIRED201の点灯、消灯とパルスST1 、ST2 がSHパルスに同期していることから、循環シフトレジスタ18の各電荷転送チャンネル1B 〜12B には常に同一の画素S1 〜S5 からの電荷を積分した信号電荷が加算されていく。
【0043】
図5に示す測距装置では、図3に示した初期化モードにおいて、図2で説明した時間t1 と時間t2 が、
t1 =t2 =0
となる条件で、ST1 、ST2 、ICG、CK1 、CK2 の各パルスを出力する。t1 =t2 =0とすることで、積分部12の電荷は空になる。また、電荷が循環シフトレジスタ18を3周する以上の期間CCDCLRのパルスを印加することにより、第1の蓄積部14、第2の蓄積部15、リニアCCD17、循環シフトレジスタ18に残った電荷は全て図1に示すCCDクリア部20を介して排除される。各部の電荷が完全に空になった以降、図3に示すようにCCDCLRのパルスを止め積分モードへ移行する。
【0044】
この積分モードでは、
t1 =t2 ≠0
となる条件で、ICG、ST1 、ST2 、SH、CK1 、CK2 の各パルスとIRED201を、図2に示す所定のタイミングで動作させる。このとき、上述のように、IRED201の消灯時の外光による電荷は、第1の蓄積部14を介してリニアCCD17の電荷転送チャンネル3A 、5A 、7A 、9A 、11A に転送され、更に循環シフトレジスタ18で次々に加算され溜まっていく。同様に、IRED201点灯時に被写体から反射されてきた信号分と外光分とが加算された電荷は、第2の蓄積部15を介してリニアCCD17の電荷転送チャンネル4A 、6A 、8A 、10A 、12A に転送され、更に循環シフトレジスタ18で次々に加算され溜まっていく。
【0045】
出力部21の出力信号であるOS信号は、アンプ101R、101Lを介してAF処理回路206に伝えられる。OS信号が測距演算を行うのに充分なレベルに達すると、図3に示す読み出しモードに移行し、SHパルスを停止して信号電荷の加算を止める。また、OS信号は図4に示すタイミングで出力されるが、この信号をA/D変換して取り込むことを容易にするために、転送クロックパルスCK1 、CK2 の周波数を低下させる。図4には、周波数240kHzの転送クロックパルスCK1 、CK2 を、周波数15kHzの転送クロックパルスCKA 、CKB (このときのリセットパルスRS1 )に変更している様子を示す。
【0046】
AF処理回路206に備えられたA/Dコンバータ204でA/D変換されたOS信号は、そのレベルがCPU210を介してメモリ211に書き込まれる。メモリ211に書き込まれたデータは、測距動作のOS信号の出力順に以下のようになる。
【0047】
無信号時のレベル
無信号時のレベル
画素S1 に当たった外光分
画素S1 に当たった外光分+信号分
画素S2 に当たった外光分
画素S2 に当たった外光分+信号分
…………………
画素S5 に当たった外光分
画素S5 に当たった外光分+信号分
【0048】
そこで、次の演算を実施して各画素S1 〜S5 の信号分のみ取り出すことができる。
無信号部のレベル−無信号部のレベル=0
(画素S1 に当たった外光分+信号分)−(画素S1 に当たった外光分)=画素S1 に当たった信号分
(画素S2 に当たった外光分+信号分)−(画素S2 に当たった外光分)=画素S2 に当たった信号分
…………………………………………………………………
(画素S5 に当たった外光分+信号分)−(画素S5 に当たった外光分)=画素S5 に当たった信号分
【0049】
以上の処理を図5に示す2つの循環シフトレジスタ18R、18Lに実施した結果から、受光像222R、222Lの位置Xr、Xlを得ることができる。また、これらの位置Xr、Xlを式▲3▼に代入することにより、被写体221までの距離Dを算出することができる。
【0050】
図7は、図5に示す測距装置のセンサーアレイ11、積分部12とクリア部13と第1の蓄積部14と第2の蓄積部15とシフト部16(以下、これら12〜16をまとめて「信号積分部」という)、リニアCCD17、及び、循環シフトレジスタ18等の模式図である。図7ではセンサーアレイ11が10個の画素S1 〜S10から構成されるものとして説明する。また、センサーアレイ11には、被写体から反射したIRED201からの光線と外光とが当たっており、受光像222が形成されている。
【0051】
図8は、この状態で蓄積動作させたときの各電荷転送チャンネル1B 〜22B の電荷量と、画素S1 〜S10の信号レベルとの分布を示したものである。図8(a)において、各電荷転送チャンネル1B 〜22B に対応して太線で示す1は、循環シフトレジスタ18での蓄積1回(即ち、IRED201の1回の点灯)で得られる電荷量分布である。また、細線で示す2は、循環シフトレジスタ18での蓄積を10回繰り返したときの電荷量分布で、各電荷転送チャンネル1B 〜22B の転送効率が100%の理想的なものである。また、破線で示す3は、転送効率が99.5%程度のときの電荷量分布である。
【0052】
電荷量分布2に基づき、上述した(外光分+信号分)−(外光分)の演算を実施すると、転送効率が理想的な場合のセンサーアレイ11に当たるIRED201のパワー分布が求められる。このパワー分布から、図8(b)に示すように、IRED201の受光像4を再現し、これに基づいて受光像4の理想的な位置X(例えばピーク位置や重心位置)を求めることができる。
【0053】
また、同様に、電荷量分布3より(外光分+信号分)−(外光分)の演算を実施しても、センサーアレイ11に当たるIRED201のパワー分布が求められる。このパワー分布から、図8(c)に示すように、IRED201の受光像5を再現し、これから受光像5の位置Xを求めることができる。但し、このとき、電荷転送チャンネル1B 〜22B の転送効率が100%に満たないことから、受光像5の隣に偽の受光像6が現れ、測距演算においてはノイズとなる。
【0054】
そこで、電荷転送チャンネル1B 〜22B の無信号部1B 、2B (1回目のLRED201の点灯により電荷転送チャンネル1A 、2A に形成された無信号部に対応するものをいう、以下同様の意味を表すものとする)に隣接する電荷転送チャンネル3B 、4B (画素S1 、S2 に対応)の電荷量を無視して何れも0とする。その上で(外光分+信号分)−(外光分)の演算を実施すると、センサーアレイ11に当たるIRED201のより正確なパワー分布が求められる。このパワー分布から、図8(d)に示すように、電荷転送チャンネル1B 〜22B や1A 〜22A の転送効率が100%に満たない場合であっても、ノイズのないIRED201の受光像7を再現することができる。つまり、図8(c)にあったような偽の受光像6は消え、測距演算におけるノイズを減らすことができ、正確な測距が可能になる。なお、無信号部1B 、2B に現れた信号電荷についても、ノイズとして当然に無視して測距演算を行う。
【0055】
図9は、図8の場合よりセンサーアレイ11に当たるIRED201のパワーが小さく、蓄積を20回繰り返した場合の図8に対応する図である。図9(a)において、各電荷転送チャンネル1B 〜22B に対応して細線で示す32は、循環シフトレジスタ18での蓄積20回(即ち、IRED201の20回の点灯)で得られる電荷量分布であり、転送効率が100%の理想的なものである。また、破線で示す33は、転送効率が99.5%程度のときの電荷量分布である。
【0056】
電荷量分布32より(外光分+信号分)−(外光分)の演算を実施すると、センサーアレイ11に当たるIRED201のパワー分布が求められる。このパワー分布から、図9(b)に示すように、IRED201の受光像34を再現し、これから受光像34の理想的な位置X(例えばピーク位置や重心位置)を求めることができる。
【0057】
また、同様に、電荷量分布33より(外光分+信号分)−(外光分)の演算を実施しても、センサーアレイ11に当たるIRED201のパワー分布が求められる。このパワー分布から、図9(c)に示すように、IRED201の受光像35を再現する。但し、この場合、電荷転送チャンネル1B 〜22B の転送効率が100%に満たないことに起因して発生する偽の受光像36の方が、真の受光像35よりも信号レベルが大きくなり、例えば信号レベルのピーク位置を受光像の位置として求めるときには偽の受光像36のピーク位置XXを受光像の位置として採用してしまう。
【0058】
そこで、信号の蓄積回数が多いときには、電荷転送チャンネル1B 〜22B の無信号部1B 、2B に隣接する3B 、4B 、更に隣の5B 、6B の電荷量をも無視することとして何れの信号レベルも0と擬制する。その上で(外光分+信号分)−(外光分)の演算を実施し、センサーアレイ11に当たるIRED201のパワー分布を求め、このパワー分布から、図9(d)に示すように、ノイズのないIRED201の受光像37を再現する。つまり、電荷転送チャンネル1B 〜22B の転送効率が100%に満たない場合であっても、偽の受光像36が消え、正しい位置Xが求められる。
【0059】
以上述べたように、本実施形態では、センサーアレイ11に当たった外光や被写体から反射してきた信号を電荷に変換し、これを循環させながら徐々に蓄積していく構成の循環シフトレジスタ18を用いた測距装置において、循環シフトレジスタ18の電荷転送チャンネル1B 〜22B の無信号部1B 、2B に(無信号部からみて電荷の循環方向とは逆方向に)隣接する信号電荷については測距演算時に無視する(即ち、蓄積電荷=0とする)。これにより、電荷転送効率が100%未満であっても、偽の受光像の発生を防ぎ、受光像の正確な位置を得て、これを演算して被写体までの正確な距離を求めることが可能となる。なお、このように所定の信号電荷について無視して測距演算を行ったとしても、この無視される信号電荷に対応する画素は実際の受光像が形成される画素のごく一部に過ぎないため、測距に影響を与えることはほとんどない。本実施形態では、第1の蓄積部14と第2の蓄積部15を対に用いているので、偶数個の電荷転送チャンネルの信号電荷を無視するが、蓄積部を対にして用いない場合には、奇数個の電荷転送チャンネルの信号電荷を無視するようにしてもよい。
【0060】
また、信号電荷が小さくて循環シフトレジスタ18での蓄積の回数が多い場合など、電荷転送チャンネル1B 〜22B の無信号部の影響が広がる時は、測距演算時に無視する信号電荷に対応する電荷転送チャンネルを増やすことで、電荷転送効率が100%未満であっても偽の受光像の発生を防ぎ、受光像の正確な位置を得て、これを演算して被写体までの正確な距離を求めることが可能となる。
【0061】
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
【0062】
本実施形態の測距装置では、センサーアレイの画素に隣接して少なくとも1つのダミーの画素を設け、このダミーの画素にセンサーアレイの画素に対するのと同じ外光が入射するようにするとともに、測距演算時にダミーの画素に起因する信号電荷が無視されるようにする。具体的には、図7の構造を成す測距装置の信号処理部において、被写体から反射されてくる信号の受光像がセンサーアレイ11の画素S3 〜S10の範囲に限定されるようにし、無信号部に隣接する電荷転送チャンネルに対応する画素S1 、S2 をダミー(受光像が形成されない)としてその信号電荷を測距演算に用いないようにする。
【0063】
つまり、画素S1 、S2 の部分の信号電荷が循環シフトレジスタ18に転送されて蓄積動作を繰り返す場合、電荷転送効率が100%未満であれば、画素S1 、S2 の範囲の電荷転送チャンネル3B 〜6B の信号電荷は、電荷転送チャンネル1B 〜22B の無信号部1B 、2B に隣接するのでその影響を受けて漏れて行く。しかし、画素S1 、S2 をダミーとして測距演算時に無視しているので、その影響が画素S2 までに留まり、測距演算の結果には影響がない。
【0064】
以上述べたごとく、本実施形態の測距装置では、測距を行うのに必要な画素群S3 〜S10に隣接して、測距演算時にはその信号電荷量を無視するダミーとなる画素S1 、S2 を設け、そのダミーの画素S1 、S2 に対応する電荷転送チャンネル3B 〜6B の電荷を(循環シフトレジスタ18内部で無信号部1B 、2B に隣接するのでその影響を測距演算に用いる信号電荷が受けることを防止するために)測距演算時に無視することにより、被写体までの正確な距離を求めることが可能になる。
【0065】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、リング状に配置された複数の電荷チャネルと、循環シフトレジスタとを備え、測距演算を行うに際し、上記電荷転送チャンネルに発生する無信号部に隣接する少なくとも1つの上記電荷転送チャンネルに存在する信号電荷を無視するとともに、上記循環シフトレジスタにおける信号電荷の蓄積回数が多いほど、無視する電荷信号に対応する電荷転送チャンネルの数を増やすようにしたので、上記無信号部が発生したとしても、受光像の位置を可及的に正確に得ることができ、測距を高い精度で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の測距装置の要部を示す模式図である。
【図2】本発明の第1の実施形態の測距装置の動作シーケンスを説明するためのタイムチャートである。
【図3】本発明の第1の実施形態の測距装置の動作シーケンスを説明するためのタイムチャートである。
【図4】本発明の第1の実施形態の測距装置の動作シーケンスを説明するためのタイムチャートである。
【図5】本発明の第1の実施形態の測距装置をカメラのAF装置に応用した例を示す図である。
【図6】本発明の第1の実施形態の測距装置の要部を示す模式図である。
【図7】本発明の第1の実施形態の測距装置の要部を示す模式図である。
【図8】本発明の第1の実施形態の測距装置の動作を説明するための図である。
【図9】本発明の第1の実施形態の測距装置の動作を説明するための図である。
【図10】従来の測距装置の問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
1 1回の蓄積での電荷転送チャンネルの電荷量分布
2 転送効率100%で10回蓄積した時の電荷転送チャンネルの電荷量分布
3 転送効率99.5%で10回蓄積した時の電荷転送チャンネルの電荷量分布
4 転送効率100%で10回蓄積した時のセンサーアレイ上のパワー分布から再現した受光像
5 転送効率99.5%で10回蓄積した時のセンサーアレイ上のパワー分布から再現した受光像
6 偽の受光像
7 偽の受光像のある画素の信号電荷を無視したときの受光像
11 センサーアレイ
12 積分部
13 クリア部
14 第1の蓄積部
15 第2の蓄積部
16 シフト部
17 リニアCCD(信号電荷注入手段)
18 循環シフトレジスタ
101 出力アンプ
102 フローティングゲート電極部
201 IRED
202 IRED駆動回路
203 ドライブパルス
204 A/Dコンバータ
206 AF処理回路
207 投光レンズ
208 受光レンズ
210 CPU
211 メモリ
221 被写体
222 センサーアレイ上の受光像[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a distance measuring apparatus that measures a distance to a distance measurement target by triangular distance measurement, and is suitably applied to, for example, an AF mechanism of a camera. More specifically, a plurality of charge transfer channel units are arranged in a ring shape (loop shape) to form a cyclic shift register (ring unit). The cyclic shift register gradually circulates signal charges according to charge transfer pulses while gradually circulating the signal charges. The present invention relates to a distance measuring device configured to add a signal charge to a distance measuring device.
[0002]
[Prior art]
As a distance measuring device for measuring the distance to the object to be measured, Japanese Patent Publication No. 5-22843 discloses a ring-shaped charge transfer unit for integrating signals and simultaneously removing external light to the ring unit. One having skim means has been proposed. According to this, when the signal charges are not at a sufficient level, the signal charges are sequentially added while being transferred in the ring portion which is a cyclic shift register, so that a signal charge having a good S / N ratio can be obtained.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the signal charges are transferred to a circulating shift register configured using a CCD (charge coupled device) or the like, when the transfer efficiency is less than 100%, a signal is circulated to a rear register (charge transfer channel) so that the signal charges are circulated. Signal charges gradually leak. For this reason, the distribution of the signal charge injected into the cyclic shift register changes little by little while continuing to circulate. Then, when performing the distance measurement operation, the change in the signal charge distribution causes an error in the operation result. In particular, when a non-signal portion exists in the charge transfer channel of the cyclic shift register, the amount of charge in the charge transfer channel adjacent to the non-signal portion gradually changes. This will be described with reference to FIG.
[0004]
FIG. 10A is a schematic diagram showing the distribution of charges in the cyclic shift register before the transfer is repeated, and shows
[0005]
At this time, if the entire charge is transferred once, the charge distribution becomes as shown in FIG. That is, the charge of the
[0006]
When the charge is further transferred once, the distribution of the charge becomes as shown in FIG. That is, since the charge of the
[0007]
When the charge is further transferred once, the distribution of the charge is as shown in FIG. That is, the charge of the
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide a distance measuring apparatus having a cyclic shift register (ring section), which can perform accurate distance measurement even when a non-signal section exists in a charge transfer channel. It is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a distance measuring apparatus of the present invention is a distance measuring apparatus that repeatedly emits a pulsed light beam to a distance measuring object, receives reflected light thereof, and performs triangulation. A light projecting means for projecting light onto the object to be measured, a plurality of photoelectric conversion elements for receiving reflected light from the object to be measured and performing photoelectric conversion, and integrating a signal charge output from the photoelectric conversion element Signal charge supply means for transferring and transferring the signal charge supplied from the signal charge supply means in one direction, and a plurality of charge transfer channels. And a circulating shift register in which signal charges injected from the signal charge supplying means via the signal charge injecting means are accumulated while being circulated, and generated in the charge transfer channel of the circulating shift register. Calculating means for performing distance measurement while ignoring signal charges existing in at least one of the charge transfer channels adjacent to the non-signal portion, wherein the calculating means is configured to reduce the number of times of accumulation of signal charges in the cyclic shift register. It is characterized in that the number of charge transfer channels corresponding to charge signals to be ignored increases as the number of charge transfer channels increases.
[0012]
In one embodiment of the present invention, the number of charge transfer channels of the signal charge injection means is greater than the number of charge transfer channels of the cyclic shift register.
[0013]
In one embodiment of the present invention, a transfer electrode to which a charge transfer pulse is applied is provided over the charge transfer channel via a gate insulating film.
[0014]
In one embodiment of the present invention, at least one of the charge transfer channels of the cyclic shift register is provided with a floating gate electrode portion for detecting a transferred signal charge amount via a gate insulating film.
[0015]
That is, the distance measuring apparatus according to the present invention is characterized in that signal charges of several charge transfer channels adjacent to the non-signal portion of the charge transfer channel of the cyclic shift register are ignored during distance measurement calculation. As a result, in a cyclic shift register having a charge transfer channel with a transfer efficiency of less than 100%, the signal charge of the charge transfer channel adjacent to the non-signal charge transfer channel causes a small amount of transfer leakage every time transfer is performed, resulting in a small charge amount. Is smaller than the initial value, but the distance calculation is performed ignoring those signal charges, so that the measurement result is not affected and a correct distance measurement result can be obtained.
[0016]
Further, in the distance measuring apparatus of the present invention, if the decrease of the signal charge of the charge transfer channel adjacent to the non-signal portion is small due to the reason that the number of times of transfer of the charge in the cyclic shift register is small, etc. Reduce the number of charge transfer channels corresponding to signal charges to ignore. In addition, if the signal charge of the charge transfer channel adjacent to the non-signal portion is greatly reduced due to a large number of charge transfers in the cyclic shift register or the like, the charge transfer channel corresponding to the signal charge to be ignored in the distance measurement calculation. Increase the number of. In other words, since the signal charge to be ignored is changed in accordance with the change in the signal charge of the charge transfer channel due to the charge transfer, the signal charge of more photoelectric conversion elements can be used accordingly, and the distance measurement calculation is performed from a wide range. It becomes possible.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a main part of the distance measuring apparatus of the present embodiment, and FIGS. 2 to 4 are time charts for explaining an operation sequence of the distance measuring apparatus of the present embodiment. In FIG. 1, a
[0020]
In each
[0021]
Multiple
[0022]
In the present embodiment, the
[0023]
A plurality of
[0024]
Each
[0025]
Here, the number of charge transfer channels of the
[0026]
When the CCD CLR signal is applied to the CCD
[0027]
The
[0028]
The device shown in FIG. 5 is an example in which the distance measuring device provided with the ring CCD (circulating shift register) 18 described in FIG. 1 is applied to an automatic focusing device of a camera. The autofocus device handles signals from a short-distance / high-reflectance subject to a long-distance / low-reflectance subject, and therefore requires an extremely large dynamic range (typically about 1: 1000). Therefore, it is difficult to secure a sufficient dynamic range in the signal processing circuit, and various measures have been taken. In the example described here, if the signal level is high, the accumulation addition operation in the
[0029]
In FIG. 5, a pulsed light beam emitted from the
[0030]
The
[0031]
The signal charges supplied to the
[0032]
The
[0033]
In FIG. 5, the three lenses of the
[0034]
Here, since two triangles each having the principal point of the
D / K = f / (Xr−ΔX)... ▲ 1 ▼
D / (B + K) = f / (X1-ΔX) (2)
Holds. By eliminating K from these equations (1) and (2) and solving for D,
D = B · f / (X1−Xr)... ③
It becomes. That is, since B and f are constant and known values, if the positions Xr and Xl of the light-receiving
[0035]
FIG. 6 is an enlarged view of the structure from the
[0036]
First, in FIG. 5, the
[0037]
In FIG. 6, one pixel (sensor) S in the
[0038]
The pulse ST from the ICG pulse shown in FIG. 1 , ST 2 Time t 1 , T 2 Is the integration time. Each
[0039]
When the shift pulse SH is applied to the
[0040]
By the way, as shown in FIG. 1 Since the
[0041]
Note that
[0042]
The
[0043]
In the distance measuring apparatus shown in FIG. 5, in the initialization mode shown in FIG. 3, the time t explained in FIG. 1 And time t 2 But,
t 1 = T 2 = 0
ST under the condition 1 , ST 2 , ICG, CK 1 , CK 2 Are output. t 1 = T 2 By setting = 0, the charge of the
[0044]
In this integration mode,
t 1 = T 2 $ 0
ICG, ST under the condition 1 , ST 2 , SH, CK 1 , CK 2 Are operated at a predetermined timing shown in FIG. At this time, as described above, the charge due to the external light when the
[0045]
An OS signal, which is an output signal of the
[0046]
The level of the OS signal A / D converted by the A /
[0047]
No signal level
No signal level
Pixel S 1 Outside light component hit
Pixel S 1 Outside light component + signal component
Pixel S 2 Outside light component hit
Pixel S 2 Outside light component + signal component
…………………
Pixel S 5 Outside light component hit
Pixel S 5 Outside light component + signal component
[0048]
Therefore, the following operation is performed to calculate each pixel S 1 ~ S 5 Can be extracted.
Level of non-signal part-level of non-signal part = 0
(Pixel S 1 -Light component + signal component)-(pixel S 1 = External light component that hits) = pixel S 1 Signal hits
(Pixel S 2 -Light component + signal component)-(pixel S 2 = External light component that hits) = pixel S 2 Signal hits
…………………………………………………………
(Pixel S 5 -Light component + signal component)-(pixel S 5 = External light component that hits) = pixel S 5 Signal hits
[0049]
The positions Xr and Xl of the light-receiving
[0050]
FIG. 7 shows a
[0051]
FIG. 8 shows each
[0052]
When the above-described calculation of (external light component + signal component)-(external light component) is performed based on the
[0053]
Similarly, the power distribution of the
[0054]
Therefore, the
[0055]
FIG. 9 is a diagram corresponding to FIG. 8 in the case where the power of the
[0056]
When the calculation of (external light component + signal component) − (external light component) is performed from the
[0057]
Similarly, the power distribution of the
[0058]
Therefore, when the number of signal accumulations is large, the
[0059]
As described above, in the present embodiment, the circulating
[0060]
Also, for example, when the signal charge is small and the number of accumulations in the
[0061]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
[0062]
In the distance measuring apparatus of the present embodiment, at least one dummy pixel is provided adjacent to the pixel of the sensor array, and the same external light as that for the pixel of the sensor array is incident on the dummy pixel, and the distance is measured. At the time of distance calculation, signal charges caused by dummy pixels are ignored. Specifically, in the signal processing unit of the distance measuring apparatus having the structure shown in FIG. 3 ~ S 10 And a pixel S corresponding to the charge transfer channel adjacent to the non-signal portion. 1 , S 2 As a dummy (a light receiving image is not formed) so that the signal charge is not used for the distance measurement calculation.
[0063]
That is, the pixel S 1 , S 2 Is transferred to the circulating
[0064]
As described above, in the distance measuring apparatus according to the present embodiment, the pixel group S necessary for performing the distance measurement is set. 3 ~ S 10 , A dummy pixel S that ignores the signal charge amount during the distance measurement calculation 1 , S 2 And the dummy pixel S 1 , S 2
[0065]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a plurality of charge channels arranged in a ring and a cyclic shift register are provided, and when performing a distance measurement operation, adjacent to a no-signal portion generated in the charge transfer channel. Since the signal charge existing in at least one of the charge transfer channels is ignored, and the number of accumulations of the signal charge in the cyclic shift register is increased, the number of charge transfer channels corresponding to the charge signal to be ignored is increased. Even if the non-signal portion occurs, the position of the received light image can be obtained as accurately as possible, and the distance measurement can be performed with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a main part of a distance measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a time chart for explaining an operation sequence of the distance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a time chart for explaining an operation sequence of the distance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a time chart for explaining an operation sequence of the distance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example in which the distance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention is applied to an AF apparatus of a camera.
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a main part of the distance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a main part of the distance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of the distance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the distance measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram for explaining a problem of a conventional distance measuring device.
[Explanation of symbols]
11 Charge distribution of charge transfer channel in one accumulation
2 Charge distribution of charge transfer channel when accumulated 10 times with transfer efficiency of 100%
3 Charge distribution of the charge transfer channel when accumulated 10 times with a transfer efficiency of 99.5%
4 Reception image reproduced from power distribution on sensor array when accumulated 10 times with transfer efficiency of 100%
5 Reception image reproduced from power distribution on sensor array when accumulated 10 times at 99.5% transfer efficiency
6. False reception image
7 Light reception image when signal charge of pixel with false light reception image is ignored
11 Sensor array
12 Integrator
13 Clear part
14 First storage unit
15 Second storage unit
16 Shift section
17 linear CCD (signal charge injection means)
18 Circular shift register
101 output amplifier
102 Floating gate electrode
201 IRED
202 IRED drive circuit
203 drive pulse
204 A / D converter
206 AF processing circuit
207 Floodlight lens
208 Receiving lens
210 CPU
211 memory
221 subject
222 Reception image on sensor array
Claims (4)
上記測距対象物に投光するための投光手段と、
上記測距対象物からの反射光を受光して光電変換する複数の光電変換素子と、
上記光電変換素子から出力される信号電荷を積分し且つ転送する信号電荷供給手段と、
複数の電荷転送チャンネルを有し且つ上記信号電荷供給手段から供給される信号電荷を一方向に転送する信号電荷注入手段と、
複数の電荷転送チャンネルがリング状に配置され且つ上記信号電荷供給手段から上記信号電荷注入手段を介して注入される信号電荷が循環されつつ蓄積されていく循環シフトレジスタと、
上記循環シフトレジスタの上記電荷転送チャンネルに発生する無信号部に隣接する少なくとも1つの上記電荷転送チャンネルに存在する信号電荷を無視して測距演算する演算手段と、
を具備し、
上記演算手段は、上記循環シフトレジスタにおける信号電荷の蓄積回数が多いほど、無視する電荷信号に対応する電荷転送チャンネルの数を増やすことを特徴とする測距装置。A distance measuring device that repeatedly emits a pulsed light beam to an object to be measured, receives reflected light thereof, and performs triangulation.
Light emitting means for emitting light to the object to be measured,
A plurality of photoelectric conversion elements that receive reflected light from the object to be measured and perform photoelectric conversion.
Signal charge supply means for integrating and transferring the signal charge output from the photoelectric conversion element,
Signal charge injecting means having a plurality of charge transfer channels and transferring signal charges supplied from the signal charge supplying means in one direction;
A cyclic shift register in which a plurality of charge transfer channels are arranged in a ring shape and signal charges injected from the signal charge supply means via the signal charge injection means are accumulated while being circulated;
Calculating means for calculating a distance by ignoring signal charges existing in at least one of the charge transfer channels adjacent to a non-signal portion generated in the charge transfer channel of the cyclic shift register;
With
A distance measuring apparatus, wherein the arithmetic means increases the number of charge transfer channels corresponding to a charge signal to be ignored as the number of times of accumulation of the signal charge in the cyclic shift register increases.
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