JP4238322B2 - オフセット低減機能をもつｔｏｆ距離センサ - Google Patents

Description

この発明は、光が対象物にあたって戻るまでの時間を計測して、対象物までの距離を測る技術に関する。

関連する従来技術としては、以下の文献がある。
R. Lange, P. Seitz, A. Biber, S. Lauxtermann, "Demodulation pixels in CCD and CMOS technologies for time-of-flight ranging", Proceedings of SPIE, Vol. 3965, pp. 177- 188, (2000) Ryohei Miyagawa, Takeo Kanade, " CCD-based range-finding sensor", IEEE Trans. Electron Devices, vol. 44, no. 10, pp.1648-1652, (1997)

非特許文献１記載の方式は、ＣＣＤとＣＭＯＳと一体化したプロセスで実現するものであり、２０MHzの高い周波数の変調光を用いて、ＣＣＤの電荷転送を利用し、変調光と同期して２つのノードに高速に交互に電荷転送し、２つのノードへの電荷の配分比が変調光の遅れ時間に依存することを利用する。ＣＣＤとＣＭＯＳの混在プロセスが必要であるため、コストが高くなる。
非特許文献２記載の方式は、ＣＣＤの構造を利用し、パルス変調された変調光で発生した電荷を、２つのノードに交互に転送し、その配分比が、変調光の遅れ時間に依存することを利用する。これもＣＣＤを利用するため、特殊な製造工程が必要となる。

本発明者が以前に提案した画素回路(先行技術)を図１に示す。本発明は、これの改良であり、オフセット低減機能をもつ画素回路である。これを図２に示す。また、これを用いた距離画像センサ全体の構成を図４に示す。
改良点は、図１のセンサのスイッチで表現している部分をMOSトランジスタで構成する場合に生じる問題点を解決するものである。

図２では、ｎチャネルMOSトランジスタを用いる場合を示している。MOSトランジスタスイッチは、これがオフする際、そのチャネルにたまった電荷をソース及びドレイン側に放出する。この電荷は、例えば信号φ１により制御されるＭＯＳトランジスタスイッチ(１)を切ったときには、次に信号φ２により制御されるＭＯＳトランジスタスイッチ(２)を入れたときにキャパシタＣ2(以下「Ｃ2」という)に取り込まれ、逆に信号φ２により制御されるＭＯＳトランジスタスイッチ(２)を切ったときには、次に信号φ１により制御されるＭＯＳトランジスタスイッチ(１)を入れたときにキャパシタＣ1(以下「Ｃ1」という)に取り込まれる。

スイッチのトランジスタの特性が同じであれば、それらの量は同じであるので相殺されて問題は生じないのであるが、実際には、トランジスタのサイズ、しきい値電圧の違いなどによって、両者のバランスが崩れ、そのアンバランス分の電荷により、一方が正方向にたまり、他方が負方向にたまるという動作が生じる。これによって、φ１とφ２によりＭＯＳトランジスタスイッチ(１)とＭＯＳトランジスタスイッチ(２)を切り替える動作を繰り返すと、２つの出力電圧差が次第に大きくなり、ついには、反転増幅器(AMP)が飽和することになる。図２に示す構成は、この問題を解決するために、フォトダイオード(ＰＤ)と反転増幅器(AMP)の入力を切断するためのMOSトランジスタスイッチ(３)を設けたものである。
φＲで制御されるＭＯＳトランジスタはキャパシタＣ1，Ｃ2及びフォトダイオード(ＰＤ)にたまった電荷を初期化するためのものである。

その動作タイミング図を図３に示す。パルス光照射の期間に着目する。最初、φ0，φ１，φ２及びφＲで制御されるMOSトランジスタをオンにし、Ｃ1，Ｃ2及びフォトダイオード(PD)にたまった電荷を初期化する。図３では、φＲを２回加えて、Ｃ1とＣ2の初期化を別々に行っているがこれらは同時に行ってもよい。タイミング発生回路の構成を簡単にするために、このように２回に分けている。

その後、φ０とφ１を同時に"１"にし、それらが接続されたMOSトランジスタをオンにする。その状態でパルス光を受信すれば、発生した電荷はＣ1に取り込まれる。φ０がその後"０"にもどれば、フォトダイオード(PD)が反転増幅器(AMP)から切り離され、それ以降にフォトダイオード(PD)で発生した電荷は、フォトダイオード部(フォトダイオード及びその周辺の浮遊容量)にためられる。その次のタイミングで、パルス光はオフのままで、φ０とφ２を同時に"１"にすれば、フォトダイオード部にたまった電荷はＣ2に転送される。
このようにして、φ０で制御されるスイッチをオフするタイミングによって、φ０が"１"である期間に入射した光による電荷はＣ1に、φ０が"０"である期間に入射した光による電荷はＣ2に取り込まれることになり、光飛行時間測定法(TOF法)による距離画像計測に必要な動作が行える。

光パルスにより発生した電荷の取り込みをＮ回行えば、Ｃ1，Ｃ2にためられる電荷Ｑ1，Ｑ2は、次式のようになる。

ここで、Ｉpは、受信光により発生する光電流、Ｔoは、光パルスの幅、Ｔdは光パルスの遅れ時間である。式(１)と(２)の和は、

であるので、式(２)，(３)より、受信光の遅れ時間及び対象物までの距離Ｌを次式のように求めることができる。

ここでｃは光速である。反転アンプの出力には、Ｑ1，Ｑ2それぞれに対して、Ｑ1/Ｃ1，Ｑ2/Ｃ2なる信号電圧が現れるので、出力信号電圧Ｖ1，Ｖ2を用いて式(５)は次式のように表すことができる。

ｃ，Ｔoが既知であるので、読み出した２つの出力電圧から、式(６)により距離を求めることができる。
以上は、φ１，φ２で制御されるスイッチにランプ状の電圧を加える例を示したが、その代わりに、φ１，φ２に加える制御パルスの電圧振幅を小さくして、電荷のインジェクション量を減らす方法なども考えられる。この場合、もしφ０で制御されるスイッチがなければ、スイッチのオン抵抗が高くなり、光パルスに対する応答性が悪くなり、距離分解能に影響を与えるが、φ０によって制御されるスイッチにより光パルスに対して高速に応答させることができる。

以上の動作において、φ１とφ２で制御されるMOSトランジスタをオフさせる際に、図３のタイミング図に示したように、ランプ信号により緩やかに傾斜を持たせてオフさせれば、MOSトランジスタのチャネルからアンプの入力側に注入される電荷を低減することができる。これは、ランプ波形により緩やかに変化させれば、トランジスタが弱反転状態になるまで、トランジスタのソース・ドレイン間が導通状態にあるため、アンプの負帰還の効果によって、トランジスタのチャネルに蓄えられた電荷の殆どが、Ｃ1に転送されるためである。

これは次のように解釈することができる。負帰還によってアンプの入力部の電圧の変化を抑制する効果があるが、このことは、アンプの入力部の容量にたまっている電荷を変化させないように動作すると考えることができ、その結果スイッチのチャネルの電荷は、アンプの入力側ではなく、キャパシタ側に送られることになる。したがってチャネルからアンプの入力部側への電荷の注入は、トランジスタが弱反転領域に入り、トランジスタがオフしたとみなされる（すなわち、負帰還ループが消滅する）時点以降にチャネルに残っている電荷による成分の一部のみであり、これは強反転状態から電荷注入が起こる場合に比べてはるかに小さい。

チャネルのポテンシャルと、電荷を水で置き換えたモデルで考えれば、以下のような説明になる。トランジスタのチャネル電荷の注入は、チャネル部のポテンシャルの丘に乗り上げた電荷がドレインとソースに落ち込むことによって起こる。アンプにより負帰還ループを形成しておきながら、ランプ波形によりゆっくりとチャネルのポテンシャルの丘を持ち上げれば、その丘が電荷による水面から顔を出すまでは、ソースとドレイン間は接続状態にある。このときチャネルのポテンシャルの上にある電荷は、ソース（アンプの入力側）またはドレイン側（容量側）に追いやられることになるが、負帰還ループの効果によって、その水面のレベルが変化しないように容量側の容器の底を押し下げることにように調整がなされる。つまり、チャネル部の電荷がチャネルからソースまたはドレイン側に追いやられることによる水面のレベルの変化は、容量の容器の底を押し下げることによってなされるため、その電荷は全てドレイン側の電荷の量（水の量）の変化となり、ソース側の電荷の量（水の量）は変化しない。

しかしポテンシャルの丘が、水面から顔をだす（弱反転領域に入ることを意味する）と、ソースとドレイン側が切り離されるため、負帰還ループが消滅し、ソース側の水面調節効果はなくなる。したがって、ポテンシャルの丘の上に乗り上げた電荷の一部は、ソース側に入るため、これが残留するオフセット電荷となる。
このソース側つまり、アンプの入力部側に入った電荷は、次にＣ2を接続したときに、Ｃ2に取り込まれる。これは、Ｃ2を接続した状態から切り離し、次にＣ1を接続したときにも同じことが起こる。もし、Ｃ1とＣ2を接続するMOSトランジスタに特性ばらつき（チャネル長、チャネル幅、しきい値電圧）がなければ、注入される電荷の量は同じであるため、影響が相殺される。しかし、特性ばらつきがあると、Ｃ1側とＣ2側に取り込まれる電荷量に差が生じ、オフセット電荷となって影響する。このオフセット電荷は、ランプ波形を用いてφ１，φ２を制御するスイッチをオフすることで、弱反転領域からの小さい電荷に対するばらつきとすることができるため、大きな低減効果が得られる。

図４は、図２の画素回路を用いたTOF距離画像センサの全体の構成を示している。TOF画素回路は、図３の前半のTOF依存の電荷を検出するための期間に用いるTOFタイミング制御回路と、図３の後半の信号読み出しの期間に用いる垂直走査回路の両方に接続される。これらの制御回路は、図４では右と左に分けて配置しているが同じ側においてもよい。なお、これらは、一方の制御回路がTOF画素に接続されている場合は、他方は高インピーダンス状態になっていて信号の衝突がないようにする必要がある。

TOF依存の電荷検出の際には、２次元に配置された全ての画素が一斉に同じタイミングで動作し、図３に示す制御信号を全ての画素に与えて動作させる。その後、TOF画素内のＣ1，Ｃ2にたまった電荷をアンプを用いて読み出す。読み出すために１つの水平ライン毎に、画素内のバッファアンプに与える画素選択信号を"１"にして選択し、φ１、φ２、φＲを順番に与えて、Ｃ1の電荷による電圧、Ｃ2の電荷による電圧、アンプのリセット電圧を読み出し、カラムに設けたサンプルホールド回路(S/H)に記憶する。これらを水平走査し、順に読み出しながら、最終段でリセット電圧との差を取りながら出力することでノイズキャンセルを行う。なお、このノイズキャンセルは、カラムにおいて行うこともできる。

背景光の除去は、TOFの繰り返しパルス光をオフした状態で、図３と同じ動作をさせ、フレーム単位で、TOF繰り返しパルス光を照射して得た出力との差を求めることで行うことができる。ただし、対象としているもの動きが、図３の１フレームのなかで十分小さいことが必要である。
なお、反転増幅器としては、図５に示すような回路が考えられる。図５(ａ)は、１段のカスコード接続を用いたソース接地カスコード増幅回路、図５(ｂ)は、２段のカスコード接続を用いたソース接地カスコード増幅回路、図５(ｃ)は、ソース接地アンプを用いてゲインを高くしたソース接地カスコード増幅回路である。バイアス電圧(Ｖbp1，Ｖbp2，Ｖbp3，Ｖbn1，Ｖbn2)には、すべてのトランジスタが定電流領域で動作するような電圧を与える。また、Ｖssには、基板(バルク)と同じ電圧、または基板よりも高い電圧に設定することも可能である。

以上画像情報から距離情報を取り出すことを述べたが、本願構成によれば２つの容量に蓄積された信号Ｖ１およびＶ２を得て、この信号から距離情報を算出しているため、同時に輝度画像情報を得ることができる。つまり、式(１)のＶ１と式(２)のＶ２の和を求めれば、これが対象としている物体の輝度情報となるためである。

比較的低コストで性能の高いＣＭＯＳイメージセンサ技術を用いて、距離画像センサが実現できるとともに、オフセットが低減できる利点を有する。また、距離画像情報とともに輝度画像信号を得ることもできる。

TOF距離センサの画素回路（先行技術）を示す図 オフセット低減機能をもつTOF距離センサの画素回路を示す図 図２の回路の動作タイミング図 TOF距離センサを用いた距離画像センサ全体のブロック図 反転増幅器の例を示す図

符号の説明

１ 第１のMOSトランジスタスイッチ
２ 第２のMOSトランジスタスイッチ
３ 第３のMOSトランジスタスイッチ
ＰＤ フォトダイオード
ＡＭＰ 反転増幅器
Ｃ１ 第１のキャパシタ
Ｃ２ 第２のキャパシタ

Claims (2)

1. 光源からの光を断続的に対象物に投射し、その反射光の遅れ時間から距離を計測する距離センサにおいて、対象物からの反射光を電荷に変換するフォトダイオード(ＰＤ)と、該受光素子からの信号電荷が入力される反転増幅器(ＡＭＰ)と、第１のキャパシタ(Ｃ１)および該第１のキャパシタに直列に接続される第１のＭＯＳトランジスタスイッチ(１)からなる第１の直列回路と、第２のキャパシタ(Ｃ２)および該第２のキャパシタに直列に接続される第２のＭＯＳトランジスタスイッチ(２)からなる第２の直列回路と、前記フォトダイオード(ＰＤ)と前記反転増幅器(ＡＭＰ)の入力間に設けられる第３のＭＯＳトランジスタスイッチ(３)と、前記第１、第２及び第３のＭＯＳトランジスタスイッチの開閉を制御する制御手段(４)とを備え、前記第１の直列回路を前記反転増幅器(ＡＭＰ)の出力と入力間に接続し、かつ、前記第２の直列回路を前記反転増幅器(ＡＭＰ)の出力と入力間に接続して負帰還増幅器を構成し、対象物からの反射光の遅れ時間に依存する信号電荷を前記第１および第２のＭＯＳトランジスタスイッチ(１，２)の開閉により、前記第１のキャパシタ(Ｃ１)および前記第２のキャパシタ(Ｃ２)に配分することにより、前記第１および第２のキャパシタ(Ｃ１，Ｃ２)に蓄積された電荷から距離情報を得るとともに、前記第３のＭＯＳトランジスタスイッチ(３)を前記第１もしくは前記第２のＭＯＳトランジスタスイッチをＯＮにするのと同時にＯＮにすることによりオフセット電荷の影響を低減することを特徴とするオフセット低減機能をもつＴＯＦ距離センサ。
2. 前記制御手段(４)は、前記第１及び第２のＭＯＳトランジスタスイッチ(１，２)のゲートに対し、ランプ波形の制御信号を与えることにより、前記第１及び第２のＭＯＳトランジスタスイッチ(１，２)を徐々にオフさせることで、オフセット電荷の除去を行うことを特徴とする請求項１に記載のオフセット低減機能をもつＴＯＦ距離センサ。

Images