以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(実施形態1)
図1は侵入警戒センサの一実施形態のブロック図であり、この侵入警戒センサ1は距離画像センサ部2と、信号処理回路10と、負荷12の動作を制御する負荷制御回路11とを主要な構成として備える。そして、この侵入警戒センサ1は図3に示すように建物30内部の天井31などに設置され、建物30内への侵入路となる窓32(開口部)からの侵入者を検出するために用いられる。
先ず本実施形態で用いる距離画像センサ部2の構成を説明する。図1および図2に示すように、距離画像センサ部2は窓32を含む対象空間33に光を照射する発光源5を備えるとともに、対象空間33からの光を受光し受光光量を反映した出力値の電気出力が得られる光検出素子3を備えており、対象空間33に存在する対象物(人体100や建物の壁など)までの距離は、発光源5から対象空間33に光が照射されてから対象物での反射光が光検出素子3に入射するまでの時間(「飛行時間」と呼ぶ)によって求めている。ただし、飛行時間は非常に短いから、対象空間33に照射する光の強度が一定周期で周期的に変化するように変調した強度変調光を用い、強度変調光を受光したときの位相を用いて飛行時間を求めている。
すなわち、図19(a)に示すように、発光源5から空間に放射する光の強度が曲線イのように変化し、光検出素子3で受光した受光光量が曲線ロのように変化するとすれば、位相差ψは飛行時間に相当するから、位相差ψを求めることにより対象物までの距離を求めることができる。また、位相差ψは、曲線イの複数のタイミングで求めた曲線ロの受光光量を用いて計算することができる。たとえば、曲線イにおける位相が0度、90度、180度、270度の位相で求めた曲線ロの受光光量がそれぞれA0、A1、A2、A3であるとする。ただし、各位相における受光光量A0、A1、A2、A3は、瞬時値ではなく所定の時間Twで積算した受光光量を用いる。いま、受光光量A0、A1、A2、A3を求める間に、位相差ψが変化せず(つまり、対象物までの距離が変化せず)、かつ対象物の反射率にも変化がないものとする。また、発光源5から放射する光の強度を正弦波で変調し、時刻tにおいて光検出素子3で受光される光の強度がA・sin(ωt+δ)+Bで表されるものとする。ここに、Aは振幅、Bは外光成分、ωは角振動数、δは位相である。光検出素子3で受光する受光光量A0、A1、A2、A3を時間Twの積算値ではなく瞬時値とすれば、受光光量A0、A1、A2、A3は、次のように表すことができる。
A0=A・sin(δ)+B
A1=A・sin(π/2+δ)+B
A2=A・sin(π+δ)+B
A3=A・sin(3π/2+δ)+B
ここに、δ=−ψであるから、A0=−A・sin(ψ)+B、A1=A・cos(ψ)+B、A2=A・sin(ψ)+B、A3=−A・cos(ψ)+Bであり、結果的に、各受光光量A0、A1、A2、A3と位相差ψとの関係は、次式のようになる。
ψ=tan−1{(A2−A0)/(A1−A3)} …(1)
なお、上記の式(1)では受光光量A0、A1、A2、A3の瞬時値を用いているが、受光光量A0、A1、A2、A3として時間Twにおける積算値を用いても、式(1)より位相差ψを求めることができる。
ところで、対象空間33に照射する光の強度を変調するために、発光源5としては、たとえば多数個の発光ダイオードを一平面上に配列したものや半導体レーザと発散レンズとを組み合わせたものなどを用いる。また、発光源5は、制御回路部7から出力される所定の変調周波数である変調信号によって駆動され、発光源5から放射される光は変調信号により強度が変調される。制御回路部7では、たとえば20MHzの正弦波で発光源5から放射する光の強度を変調する。なお、発光源5から放射する光の強度は正弦波で変調する以外に、三角波、鋸歯状波などで変調してもよく、要するに、一定周期で強度を変調するのであれば、どのような構成を採用してもよい。
光検出素子3は、規則的に配列された複数個の感光部3aを備える。また、感光部3aへの光の入射経路には受光光学系4が配置される。感光部3aは光検出素子3において対象空間33からの光が受光光学系4を通して入射する部位であって、感光部3aにおいて受光光量に応じた量の電荷を生成する。また、感光部3aは、平面格子の格子点上に配置され、たとえば垂直方向(つまり、縦方向)と水平方向(つまり、横方向)とにそれぞれ等間隔で複数個ずつ並べたマトリクス状に配列される。
受光光学系4は、光検出素子3から対象空間33を見るときの視線方向と各感光部3aとを対応付ける。すなわち、受光光学系4を通して各感光部3aに光が入射する範囲を、受光光学系4の中心を頂点とし各感光部3aごとに設定された頂角の小さい円錐状の視野内とみなすことができる。したがって、発光源5から放射され対象空間33に存在する対象物で反射された反射光が感光部3aに入射すれば、反射光を受光した感光部3aの位置によって、受光光学系4の光軸を基準方向として対象物の存在する方向を知ることができる。
受光光学系4は一般に感光部3aを配列した平面に光軸を直交させるように配置されるから、受光光学系4の中心を原点とし、感光部3aを配列した平面の垂直方向と水平方向と受光光学系4の光軸とを3軸の方向とする直交座標系を設定すれば、対象空間33に存在する対象物の位置を球座標で表したときの角度(いわゆる方位角と仰角)が各感光部3aに対応する。なお、受光光学系4は、感光部3aを配列した平面に対して光軸が90度以外の角度で交差するように配置することも可能である。
本実施形態では、上述のように、対象物までの距離を求めるために、発光源5から対象空間33に照射される光の強度変化に同期する4点のタイミングで受光光量A0、A1、A2、A3を求めている。したがって、目的の受光光量A0、A1、A2、A3を得るためのタイミングの制御が必要である。また、発光源5から対象空間33に照射される光の強度変化の1周期において感光部3aで発生する電荷の量は少ないから、複数周期に亘って電荷を集積することが望ましい。そこで、図2に示すように各感光部3aで発生した電荷をそれぞれ集積する複数個の電荷集積部3cを設けるとともに、各感光部3aにおいて利用できる電荷を生成する領域の面積を変化させることにより各感光部3a(画素)の感度をそれぞれ調節する複数個の感度制御部3bを設けている。
各感度制御部3bでは、感度制御部3bに対応する感光部3aの感度を上述した4点のうちのいずれかのタイミングで高め、感度が高められた感光部3aでは当該タイミングの受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を主として生成するから、当該受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を当該感光部3aに対応する電荷集積部3cに集積させることができる。
ところで、感度制御部3bは感光部3aにおいて利用できる電荷を生成する領域の面積(実質的な受光面積)を変化させることにより各期間の電荷の生成量を変化させるものであるから、電荷集積部3cに集積された電荷は必ずしも受光光量A0、A1、A2、A3が得られる期間に生成された電荷だけではなく、他の期間に生成された電荷も混入することになる。いま、感度制御部3bにおいて、受光光量A0、A1、A2、A3に対応した電荷を生成する期間の感度をα、それ以外の期間の感度をβとし、感光部3aは受光光量に比例する電荷を生成するものとする。この条件では、受光光量A0に対応した電荷を集積する電荷集積部3cには、αA0+β(A1+A2+A3)+βAx(Axは受光光量A0、A1、A2、A3が得られる期間以外の受光光量)に比例する電荷が蓄積され、受光光量A2に対応した電荷を集積する電荷集積部3cには、αA2+β(A0+A1+A3)+βAxに比例する電荷が蓄積される。上述したように、位相差ψを求める際には(A2−A0)を求めており、A2−A0=(α−β)(A2−A0)になり、同様にしてA1−A3=(α−β)(A1−A3)になるから、(A2−A0)/(A1−A3)は電荷の混入の有無によらず理論上は同じ値になるのであって、電荷が混入しても求める位相差ψは同じ値になる。
なお感光部3aと感度制御部3bと電荷集積部3cとを備える光検出素子3は1つの半導体装置として構成され、光検出素子3には電荷集積部3cに集積された電荷を半導体装置の外部に取り出すために電荷取出部3dが設けられる。電荷取出部3dはCCDイメージセンサにおける垂直転送部および水平転送部と同様の構成を有する。
上述のように各感光部3aでは受光光量に応じた量の電荷を生成するから、各受光光量A0、A1、A2、A3は対象物の明るさを反映している。つまり、受光光量A0、A1、A2、A3の加算値あるいは平均値は濃淡画像における濃度値に相当する。換言すれば、各感光部3aでの受光光量A0、A1、A2、A3から対象物までの距離を求めるほか、対象物の濃度値も得ることが可能になる。しかも、同じ位置の感光部3aを用いて対象物の距離と濃度値とを求めるから、同じ位置について濃度値と距離との両方の情報を得ることができる。
このようにして電荷取出部3dから取り出された電荷はA/D変換部9によりデジタル量に変換された後、DSPよりなる画像生成部8に画像信号として与えられ、画像生成部8において対象空間33内の対象物までの距離が上述の数式を用いて受光光量A0、A1、A2、A3から算出される。すなわち、画像生成部8では各感光部3aに対応した各方向における対象物までの距離が算出され、対象空間33の三次元情報が算出される。この三次元情報を用いると、対象空間33の各方向に一致する画素の画素値が距離値である距離画像を生成することができる。また、画像生成部8では各感光部3aで得られた濃度値に基づいて必要に応じて対象空間33の濃淡画像を生成する。なお本実施形態では制御回路部7と画像生成部8とを1チップのASIC6で構成している。
そして、距離画像センサ部2の画像生成部8で得られた対象空間33の距離画像は信号処理回路10に入力され、信号処理回路10によって対象空間33内の開口部を検出する処理や、開口部からの侵入を検出する処理が行われる。
まず信号処理回路10は、対象空間33の距離画像から建物内への侵入路となる開口部を検出する処理を実行する。図4(a)は対象空間33の水平断面図(図3中のE−E’線断面図)であり、このE−E’線に対応する画素の画素値(距離値)を同図(b)に示す。また図5(a)は対象空間33の垂直断面図(図3中のF−F’線断面図)であり、このF−F’線に対応する画素の画素値(距離値)を同図(b)に示す。図4(b)および図5(b)に示す画素値のグラフから明らかなように、壁34に対応する画素の距離値は、各画素に対応する壁34と距離画像センサ部2との間の距離になるので、比較的短い距離となり、視野方向の手前側に物体が存在しなければ隣接する画素間の画素値の差は比較的小さい値となる。一方、窓32に対応する画素の距離値は、窓32を通して望む建物外部の物体までの距離値となるので、壁34に対応する画素の距離値に比べて比較的大きな値となり、両者の画素値の差が大きくなっている。図6は建物30の壁34と開口部(窓32)との境界付近(G1部)の画素P1(4×4個)を取り出して、その画素値(距離値)を示した図であり、各画素P1に対応する升目のハッチングの密度が高いほど画素値(距離値)が小さくなっており、境界線Lnを挟んで隣接する画素P1の距離値は大きく変化している。
したがって、開口検出部たる信号処理回路10は、画像生成部8から入力される各画素の画素値(距離値)をもとに、隣接する画素間の距離値の差を求め、この差が所定のしきい値よりも大きくなる画素を開口部(窓32)と建物の壁34との境界部分の画素と判断して抽出し、抽出した画素を結んでできる1乃至複数の枠状の集合体を窓32のような開口部と判断する。なお、図3に示すように窓32にカーテン36が取り付けられている場合、カーテン36に対応する画素の距離値と、壁34に対応する画素の距離値との間にも差が生じるが、上述のしきい値を十分大きな値に設定することで、カーテン36を開口部と誤検出するのを防止することが可能である。また、信号処理回路10では、対象空間33の距離画像から開口部を検出する処理を定期的に行うようにしても良いが、電源投入時や警戒セット時に開口部を検出するようにしても良く、図11に示すように窓32の手前側に鉢植え35bが置かれた場合でも鉢植え35bを置いた後で侵入警戒センサの電源を投入したり、警戒動作をセットすることで、室内環境の変更後に信号処理回路10により開口部を検出させる処理を行わせることができ、窓32の手前に置いた鉢植え35bを誤検出してしまうのを防止できる。
このようにして対象空間33内の開口部(窓32)を検出すると、侵入検出部としての信号処理回路10は、この開口部からの侵入を検出する処理を実行する。先ず信号処理回路10は、開口部の外側にある物体を誤検出しないように開口部の外側を不感領域とする処理を行う。図4(b)および図5(b)に示すように開口部以外の壁34に対応する画素の画素値は隣接する画素間の画素値(距離値)がほぼ連続的に変化しているので、信号処理回路10では、開口部以外の壁34に対応する画素の画素値をもとに、窓32までの距離を推測する。すなわち、信号処理回路10は、隣接する画素間の画素値(距離値)の差が所定のしきい値よりも大きくなる画素を検出すると、これらの画素の集まりを建物30の壁34と開口部との境界部分にある画素の集まりと判断し、これらの画素で囲まれる1乃至複数の枠状の集合体を窓32のような開口部と判断するとともに、開口部と壁34との境界部分の画素(例えば画素E1〜E4、F1、F2)の画素値(距離値)をもとに、開口部に対応する全ての画素の画素値(距離値)を例えば1次式で近似することによって、距離画像センサ部2から窓32までの仮想距離を算出する。なお、図7(a)(b)の点線部分D1,D2,D3は、境界部分にある画素E1〜E2間、E3〜E4間、およびF1〜F2間の仮想距離を補正した結果を示している。また図7(c)は対象空間33内の開口部を示し、窓枠32aで囲まれる窓32の部位が開口部として検出され、窓32に対応する全ての画素について境界部分の画素の画素値を用いて距離画像センサ部2までの仮想距離が算出される。
そして、信号処理回路10では、開口部に対応する全ての画素の画素値(距離値)が、上述の処理で推定した窓32までの仮想距離の推定値を超える場合は、このときの画素値を無視して(つまり検知領域から外して)、窓32を通して見える外部の物体を誤検出してしまうのを防止するとともに、開口部に対応する各画素の画素値が窓32までの距離の推定値よりも小さければ、以下の判定処理を実行する。図8(a)は図2のF−F’線断面図であり、信号処理回路10は、上述の処理で求めた壁34に対応する画素の画素値の内、最小の画素値を距離画像センサ部2から壁34までの最短距離L1として、距離画像センサ部2の設置位置を中心とする半径L1の円周面からなる基準線C1を設定する。次に信号処理回路10は、窓32から上半身を室内側に入れた侵入者100の頭部100aから円周面C1までの距離を求め、この距離を閾値ΔLとして、距離画像センサ部2の設置位置を中心とする半径(L1−ΔL)の円周面からなる検知境界C2を設定する。そして、信号処理回路10は開口部(窓32)に対応する画素の内、その画素値が検知境界C2までの距離(L1−ΔL)より短くなる画素を抽出し、その画素数が一定値を超えると侵入者100が窓32から侵入したと判断し、発報信号を負荷制御回路11に出力する。負荷制御回路11は発報信号が入力されると、負荷12であるスピーカを鳴動させたり、ランプを点滅させるなどして侵入者100を検知したことを報知する。なお、図8(b)中の101は、距離画像中の開口部に対応する画素の内、その画素値が距離(L1−ΔL)よりも短くなった画素の集合体を示しており、これらの画素の集合体101は侵入者100の頭部100aに対応している。
ここに、信号処理回路10により、開口部の境界部分の画素の距離情報を用いて開口部までの距離を求める距離演算手段と、距離演算手段が求めた距離情報を用いて開口部から望む外部の領域を検知領域から外すエリア設定手段とが構成される。
なお、図8(a)に示す例では検知境界C2を円周面としているが、図9(a)に示すように鉛直方向と略平行な直線L2を検知境界に設定しても良い。図9(a)は図2のF−F’線断面図であり、信号処理回路10は、上述の処理で求めた壁34に対応する画素の画素値と、窓32に対応する画素の画素値を補正した値とをもとに壁面の位置を示す仮想の基準線L2を設定する。次に信号処理回路10は、窓32から上半身を室内側に入れた侵入者100の頭部100aから基準ラインL2までの距離を求め、この距離を閾値ΔLとして、基準ラインL2を閾値ΔLだけ内側(距離画像センサ部2寄り)に平行移動させた検知境界L3を設定する。そして、信号処理回路10は開口部(窓32)に対応する画素の内、その画素値が検知境界L3までの距離よりも短い画素を抽出し、その画素数が所定の閾値以上になると侵入者100が窓32から侵入したと判断し、発報信号を負荷制御回路11に出力する。なお、図9(b)中の101は、距離画像中の開口部に対応する画素の内、その画素値が検知境界L3までの距離よりも短くなった画素の集合体を示しており、これらの画素の集合体101は侵入者100の頭部100aに対応している。
以上のように、信号処理回路10は、窓32(開口部)を含む距離画像から窓32を抽出し、窓32に対応する画素の画素値から侵入者を検出するのであるが、開口部を検出する際に窓枠32aを検出できるので、信号処理回路10(検出手段)が窓枠32aの中央付近の領域G2を検出し、上述の感度制御部3bにより領域G2に対応する画素(感光部3a)の感度を他の画素に比べて高感度に切り替えることで、ガラスを破った後にクレセント錠37を開けるために室内側に差し入れた侵入者100の手を検出することができ、侵入者100の動きを早期に検出することができる。ここに、開口部の中央部とは、2枚の窓32を合わせた1つの開口部の中央部を意味し、クレセント錠37が設置されている付近を意味している。
(実施形態2)
上述の実施形態1では侵入警戒センサ1を用いて窓32などの開口部を検出し、この開口部の室内側を検知領域として開口部からの侵入を検出しているのに対して、本実施形態の侵入警戒センサ1は図11に示すように建物30内部の天井31などに設置され、建物30内への侵入経路となる窓32の外側の領域を検知領域として、窓32に接近する侵入者の有無を検出している。なお侵入警戒センサ1の構成は実施形態1と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略し、本実施形態の特徴部分(検出処理の内容)について説明を行う。
距離画像センサ部2は、実施形態1で説明したのと同様の方法で対象空間33の距離画像および濃淡画像を作成しており、距離画像センサ部2で得られた距離画像は信号処理回路10に入力され、信号処理回路10によって開口部を検出する処理や、開口部からの侵入を検出する処理が行われる。
まず信号処理回路10では、対象空間33の距離画像から建物内への侵入路となる開口部を検出する処理を行う。信号処理回路10は、画像生成部8から入力される各画素の画素値(距離値)をもとに、隣接する画素間の距離値の差を求め、この差が所定のしきい値よりも大きくなる画素を開口部(窓32)と建物の壁34との境界部分の画素と判断して抽出し、抽出した画素で囲まれる1乃至複数の枠状の集合体を窓32のような開口部と判断する。図14(a)は図3のE−E’線断面図、同図(b)は図3のF−F’線断面図であり、隣接する画素間の距離値の差(距離エッジ)がしきい値よりも大きくなる画素を抽出し、抽出した画素で囲まれる部分を開口部と判断することによって、図14(c)に示すように窓32の窓枠32aで囲まれた部分(つまりガラス部)が開口部と判断される。なお、信号処理回路10では、対象空間33の距離画像から開口部を検出する処理を定期的に行うようにしても良いが、電源投入時又は警戒セット時のタイミングで開口部を検出するようにしても良く、図18に示すように窓32から望む建物外部の領域に鉢植え35aが置かれた場合でも鉢植え35bを置いた後で侵入警戒センサの電源を投入したり、警戒動作をセットすることで、周囲環境の変更後に信号処理回路10により開口部を検出させる処理を行わせることができ、周囲環境の変化に応じて距離情報を補正することができる。
このようにして対象空間33内の開口部(窓32)を検出すると、信号処理回路10は、この開口部からの侵入者を検出する処理を行う。先ず信号処理回路10は、対象空間33において窓32以外の領域にある物体や、窓32に対して建物の内側に存在する物体を誤検出しないように検知領域を設定する処理を行う。図12(a)(b)は水平断面および垂直断面における対象空間33をそれぞれ示しており、エリア設定手段たる信号処理回路10は、水平断面における検知領域33aを、侵入警戒センサ1から窓32の右端を通る視線方向の最大位置XP1と、窓32の左端を通る視線方向の最大位置XP2と、侵入警戒センサ1の設置位置XOとを結んでできる三角形の領域とするとともに、垂直断面における検知領域33aを、侵入警戒センサ1から窓32の下端を通る視線方向の最大位置YP1と、窓32の上端を通る視線方向の最大位置YP2と、侵入警戒センサ1の設置位置YOとを結んでできる三角形の領域として、検知領域の立体形状を四角錐としている。また信号処理回路10は、開口部の境界付近の画素の距離情報を用いて、窓32に対して内側の領域を検知領域から外しており、建物の外側の領域のみを検知領域としている。
すなわち、信号処理回路10は、開口部に対応する各画素の画素値(距離値)が、窓32までの距離よりも短い場合は、このときの画素値を無視して、窓32に対して建物の内側の領域にある物体(例えば鉢植え35bなど)を誤検出してしまうのを防止するとともに、窓32までの距離よりも長い場合は以下の判定処理を実行する。
図15(a)は図2のF−F’線断面図であり、信号処理回路10は、侵入警戒センサ1の設置位置を中心とし、窓32の外側に或る程度接近した不審者100までの距離L4から所定の閾値ΔLを引いた距離(L4−ΔL)を半径とする円の円周面を検知境界L5に設定する。そして、信号処理回路10は、窓32に対応する画素の内、その画素値が検知境界L5までの距離(L4−ΔL)より短い画素を抽出し、その画素数が一定値を超えると不審者100が侵入目的で窓32に接近したと判断し、発報信号を負荷制御回路11に出力する。負荷制御回路11は発報信号が入力されると、負荷12であるスピーカを鳴動させたり、ランプを点滅させるなどして不審者100が接近したことを報知する。なお、図15(b)中の102は、距離画像中の開口部に対応する画素の内、その画素値が距離(L4−ΔL)より短くなった画素の集合体を示しており、これらの画素の集合体102は不審者100の頭部100aに対応している。
ここで、本実施形態では開口部(窓32)に対応する画素の内その画素値が検知境界までの距離(L4−ΔL)より短くなる画素を計数して、その計数値が一定値を超えると侵入物体が存在すると判断しているが、侵入警戒センサ1から所定の距離にある建物外部の基準点を通る鉛直面を検知境界面H1に設定して、窓32に対応する画素の内その画素値が検知境界面H1上の対応する点までの距離よりも短くなる画素を計数し、その計数値が一定値を超えると侵入物体が存在すると判断しても良い。すなわち、図16(a)に示すように侵入警戒センサ1の視線方向(水平面から俯角αで見下ろす方向)において侵入警戒センサ1から所定の距離にある点Q1を通る鉛直面H1’を閾値ΔLだけ窓32側に平行移動した鉛直面H1(この平面が侵入警戒センサ1から所定距離にある基準点を通る鉛直面となる)を検知境界面とし、信号処理回路10が、窓32に対応する画素の内、その画素値が検知境界面H1上の対応する点までの距離よりも短くなる画素を計数して、その計数値が一定値を超えると侵入者100が存在すると判断するようにしても良く、検知境界面H1を越えてきた侵入物体を確実に検出することができる。
また信号処理回路10では、侵入警戒センサ1から所定の距離にある建物外部の基準点を通る水平面を検知境界面H2に設定して、窓32に対応する画素の内その画素値が検知境界面H2上の対応する点までの距離よりも短くなる画素を計数し、その計数値が一定値を超えると侵入物体が存在すると判断しても良い。すなわち、図17(a)に示すように侵入警戒センサ1の視線方向(水平面から俯角αで見下ろす方向)において侵入警戒センサ1から所定の距離にある点Q2を通る水平面H2’を閾値ΔLだけ鉛直上方に平行移動した水平面H2(この平面が侵入警戒センサ1から所定距離にある基準点を通る鉛直面となる)を検知境界面とし、信号処理回路10が、窓32に対応する画素の内、その画素値が検知境界面H2上の対応する点までの距離よりも短くなる画素を計数して、その計数値が一定値を超えると侵入者100が存在すると判断するようにしても良く、検知境界面H2を越えてきた侵入物体を確実に検出することができる。
以上のようにして、信号処理回路10は、距離画像センサ部2から入力された距離画像より、開口部32を通して望む建物外部の領域に設定した検知領域において侵入物体の存否を検出しており、開口部32に対して建物の内側にある物体を誤検出することなく、開口部32に対して外側の領域のみで侵入者の存否を検出することができる。
なお本実施形態では侵入警戒センサ1の検知領域33aを、侵入警戒センサ1からの距離が所定距離内に限定された四角錐状の領域としているが、図13に示すように侵入警戒センサ1を中心とする所定の半径の球体を四角錐状に切り出した領域を検知領域としても良い。この場合、信号処理回路10では、水平断面における検知領域33aを、侵入警戒センサ1の設置位置XOを中心とする円を、2点XO、XP1を結ぶ線と2点XO、XP2を結ぶ線とで切り出した扇形の領域とするとともに、垂直断面における検知領域33aを、侵入警戒センサ1の設置位置YOを中心とする円を、2点YO、YP1を結ぶ線と2点YO、YP2を結ぶ線とで切り出した扇形の領域として、検知領域の立体形状を底面が球面状に湾曲した四角錐としており、この検知領域33aにおいて窓32よりも外側の領域を警戒するのである。
ところで、上述の各実施形態に用いる光検出素子3の具体的構造例を以下に説明する。図20に示す光検出素子3は、複数個(たとえば、100×100個)の感光部3aをマトリクス状に配列したものであって、たとえば1枚の半導体基板上に形成される。感光部3aのうち垂直方向の各列では一体に連続する半導体層21を共用するとともに半導体層21を垂直方向への電荷(本実施形態では、電子を用いる)の転送経路として用い、さらに各列の半導体層21の一端から電荷を受け取って水平方向に電荷を転送するCCDである水平転送部Thを半導体基板に設ける構成を採用することができる。
すなわち、図21に示すように、半導体層21が感光部3aと電荷の転送経路とに兼用された構造であって、フレーム・トランスファ(FT)方式のCCDイメージセンサと類似した構造になる。また、FT方式のCCDイメージセンサと同様に、感光部3aを配列した撮像領域Daに隣接して遮光された蓄積領域Dbを設けてあり、蓄積領域Dbに蓄積した電荷を水平転送部Thに転送する。撮像領域Daから蓄積領域Dbへの電荷の転送は垂直ブランキング期間に一気に行い、水平転送部Thでは1水平期間に1水平ライン分の電荷を転送する。図2に示した電荷取出部3dは、半導体層21における垂直方向への電荷の転送経路としての機能とともに水平転送部Thを含む機能を表している。ただし、電荷集積部3cは蓄積領域Dbを意味するのではなく、撮像領域Daにおいて電荷を集積する機能を表している。言い換えると、蓄積領域Dbは電荷取出部3dに含まれる。
半導体層21は不純物が添加してあり、半導体層21の主表面は酸化膜からなる絶縁膜22により覆われ、半導体層21に絶縁膜22を介して複数個の制御電極23を配置している。この光検出素子3はMIS素子として知られた構造であるが、1個の光検出素子3として機能する領域に複数個(図示例では5個)の制御電極23を備える点が通常のMIS素子とは異なる。絶縁膜22および制御電極23は発光源5から対象空間に照射される光と同波長の光が透過するように材料が選択され、絶縁膜22を通して半導体層21に光が入射すると、半導体層21の内部に電荷が生成される。図示例の半導体層21の導電形はn形であり、光の照射により生成される電荷として電子eを利用する。図20は1個の感光部3aに対応する領域のみを示したものであり、半導体基板(図示せず)には上述したように図20の構造を持つ領域が複数個配列されるとともに電荷取出部3dとなる構造が設けられる。電荷取出部3dとして設ける垂直転送部は、図20の左右方向に電荷を転送することを想定しているが、図20の面に直交する方向に電荷を転送する構成を採用することも可能である。また、電荷を図の左右方向に転送する場合には、制御電極23の左右方向の幅寸法を1μm程度に設定するのが望ましい。
この構造の光検出素子3では、制御電極23に正の制御電圧+Vを印加すると、半導体層21には制御電極23に対応する部位に電子eを集積するポテンシャル井戸(空乏層)24が形成される。つまり、半導体層21にポテンシャル井戸24を形成するように制御電極23に制御電圧を印加した状態で光が半導体層21に照射されると、ポテンシャル井戸24の近傍で生成された電子eの一部はポテンシャル井戸24に捕獲されてポテンシャル井戸24に集積され、残りの電子eは半導体層21の深部での再結合により消滅する。また、ポテンシャル井戸24から離れた場所で生成された電子eも半導体層21の深部での再結合により消滅する。
ポテンシャル井戸24は制御電圧を印加した制御電極23に対応する部位に形成されるから、制御電圧を印加する制御電極23の個数を変化させることによって、半導体層21の主表面に沿ったポテンシャル井戸24の面積(言い換えると、受光面において利用できる電荷を生成する領域の面積)を変化させることができる。つまり、制御電圧を印加する制御電極23の個数を変化させることは感度制御部3bにおける感度の調節を意味する。たとえば、図20(a)のように3個の制御電極23に制御電圧+Vを印加する場合と、同図(b)のように1個の制御電極23に制御電圧+Vを印加する場合とでは、ポテンシャル井戸24が受光面に占める面積が変化するのであって、同図(a)の状態のほうがポテンシャル井戸24の面積が大きいから、同図(b)の状態に比較して同光量に対して利用できる電荷の割合が多くなり、実質的に感光部3aの感度を高めたことになる。このように、感光部3aおよび感度制御部3bは半導体層21と絶縁膜22と制御電極23とにより構成されていると言える。ポテンシャル井戸24は光照射により生成された電荷を保持するから電荷集積部3cとして機能する。
ポテンシャル井戸24から電荷を取り出すには、FT方式のCCDと同様の技術を採用すればよく、ポテンシャル井戸24に電子eが集積された後に、電荷の集積時とは異なる印加パターンの制御電圧を制御電極23に印加することによってポテンシャル井戸24に集積された電子eを一方向(たとえば、図の右方向)に転送することができる。つまり、半導体層21をCCDの垂直転送部と同様に電荷の転送経路に用いることができる。さらに、電荷は図21に示した水平転送部Thを転送され、半導体基板に設けた図示しない電極から光検出素子3の外部に取り出される。要するに、制御電極23への制御電圧の印加パターンを制御することにより、各感光部3aごとの感度を制御するとともに、光照射により生成された電荷を集積し、さらに集積された電荷を転送することができる。
本実施形態における感度制御部3bは、利用できる電荷を生成する面積を大小2段階に切り換えることにより感光部3aの感度を高低2段階に切り換えるのであって、受光光量A0、A1、A2、A3のいずれかに対応する電荷を感光部3aで生成しようとする期間にのみ高感度とし(電荷を生成する面積を大きくし)、他の期間には低感度にする。高感度にする期間と低感度にする期間とは、発光源5を駆動する変調信号に同期させて設定される。また、変調信号の複数周期に亘ってポテンシャル井戸24に電荷を集積した後に電荷取出部3dを通して光検出素子3の外部に電荷を取り出すようにしている。変調信号の複数周期に亘って電荷を集積しているのは、変調信号の1周期内では感光部3aが利用可能な電荷を生成する期間が短く(たとえば、変調信号の周波数を20MHzとすれば50nsの4分の1以下)、生成される電荷が少ないからである。つまり、変調信号の複数周期分の電荷を集積することにより、信号電荷(発光源5から照射された光に対応する電荷)と雑音電荷(外光成分および光検出素子3の内部で発生するショットノイズに対応する電荷)との比を大きくとることができ、大きなSN比が得られる。
ところで、位相差ψを求めるのに必要な4種類の受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を1個の感光部3aで生成するとすれば、視線方向に関する分解能は高くなるが、各受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を求める時間差が大きくなるという問題が生じる。一方、各受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を4個の感光部3aでそれぞれ生成するとすれば、各受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を求める時間差は小さくなるが、4種類の電荷を求める視線方向にずれが生じ視線方向に関する分解能は低下する。そこで、本実施形態では、2個の感光部3aを用いることにより、変調信号の1周期内で受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を2種類ずつ生成する構成を採用している。つまり、2個の感光部3aを組にして用い、組になる2個の感光部3aに同じ視線方向からの光が入射するようにしている。
上述の構成を採用することにより、視線方向の分解能を比較的高くし、かつ受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を生成する時間差を少なくすることができる。つまり、受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を生成する時間差を少なくしていることにより、対象空間の中で移動している対象物についても距離の検出精度を比較的高く保つことができる。なお、本実施形態の構成では、1個の感光部3aで4種類の受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を生成する場合よりも視線方向の分解能が低下するが、視線方向の分解能については感光部3aの小型化や受光光学系4の設計によって向上させることが可能である。
この光検出素子3の動作を以下に具体的に説明する。図20に示した例では、1個の感光部3aについて5個の制御電極23を設けた例を示しているが、両側の2個の制御電極23は、感光部3aで電荷(電子e)を生成している間に隣接する感光部3aに電荷が流出するのを防止するための障壁を形成するものであって、2個の感光部3aを組にして用いる場合には隣接する感光部3aのポテンシャル井戸24の間には、いずれかの感光部3aで障壁が形成されるから、各感光部3aには3個ずつの制御電極23を設けるだけで足りることになる。この構成によって、感光部3aの1個当たりの占有面積が小さくなり、2個の感光部3aを組にして用いながらも視線方向の分解能の低下を抑制することが可能になる。
ここでは、図22に示すように、組にした2個の感光部3aにそれぞれ設けた3個ずつの制御電極23を区別するために各制御電極23に(1)〜(6)の数字を付す。(1)〜(6)の数字を付与した制御電極23を有する2個の感光部3aは、1つの視線方向に対応しておりイメージセンサにおける画素を構成する。なお、1画素ずつの感光部3aに対応付けて、それぞれオーバフロードレインを設けるのが望ましい。
図22(a)(b)はそれぞれ制御電極23に異なる印加パターンで制御電圧+Vを印加した状態(半導体基板に設けた図示しない基板電極と制御電極23との間に制御電圧+Vを印加した状態)を示しており、ポテンシャル井戸24の形状からわかるように、同図(a)では1画素となる2個の感光部3aのうち制御電極(1)〜(3)に正の制御電圧+Vを印加するとともに、残りの制御電極(4)〜(6)のうちの中央の制御電極(5)に正の制御電圧+Vを印加している。また、同(b)では制御電極(1)〜(3)のうちの中央の制御電極(2)に正の制御電圧+Vを印加するとともに、残りの制御電極(4)〜(6)に正の制御電圧+Vを印加している。つまり、1画素を構成する2個の感光部3aに印加する制御電圧+Vの印加パターンを交互に入れ換えている。2個の感光部3aに印加する制御電圧+Vの印加パターンを入れ換えるタイミングは、変調信号における逆位相の(位相が180度異なる)タイミングになる。なお、各感光部3aに設けた3個の制御電極23に同時に制御電圧+Vを印加している期間以外は、各感光部3aに設けた中央部の1個の制御電極23(つまり、制御電極(2)(5))にのみ制御電圧+Vを印加し、他の制御電極23は0Vに保つ状態とする。
たとえば、1画素を構成する2個の感光部3aにおいて受光光量A0、A2に対応する電荷を交互に生成する場合は、図19に示すように、一方の感光部3aで受光光量A0に対応する電荷を生成するために3個の制御電極(1)〜(3)に制御電圧+Vを印加している間に、他方の感光部3aでは受光光量A2に対応する電荷を保持するために1個の制御電極(5)にのみ制御電圧+Vを印加する。同様にして、一方の感光部3aで受光光量A2に対応する電荷を生成するために3個の制御電極(4)〜(6)に制御電圧+Vを印加している間には、他方の感光部3aでは受光光量A0に対応する電荷を保持するために1個の制御電極(2)にのみ制御電圧+Vを印加する。また、受光光量A0、A2に対応する電荷を生成する期間以外では制御電極(2)(5)にのみ制御電圧+Vを印加する。図3(b)(c)に受光光量A0、A2に対応する電荷を蓄積する際の各制御電極(1)〜(6)に制御電圧+Vの印加のタイミングを示す。図において斜線部が制御電圧+Vを印加している状態を示し、空白部が制御電極(1)〜(6)に電圧を印加していない状態を示している。
1画素を構成する2個の感光部3aにおいて受光光量A1、A3に対応する電荷を生成する場合も同様であって、受光光量A0、A2に対応する電荷を生成する場合とは制御電極23に制御電圧+Vを印加するタイミングが、変調信号の位相における90度異なる点が相違するだけである。また、受光光量A0、A1に対応する電荷を生成する期間と、受光光量A1、A3に対応する電荷を生成する期間との間で撮像領域から蓄積領域に電荷を転送する。つまり、受光光量A0に対応する電荷が制御電極(1)〜(3)に対応するポテンシャル井戸24に蓄積されるとともに、受光光量A2に対応する電荷が制御電極(4)〜(6)に対応するポテンシャル井戸24に蓄積されると、これらの受光光量A0、A2に対応する電荷を外部に取り出す。次に、受光光量A1に対応する電荷が制御電極(1)〜(3)に対応するポテンシャル井戸24に蓄積されるとともに、受光光量A3に対応する電荷が制御電極(4)〜(6)に対応するポテンシャル井戸24に蓄積されると、これらの受光光量A1、A3に対応する電荷を外部に取り出す。このような動作を繰り返すことによって、4区間の受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を2回の読出動作で光検出素子3の外部に取り出すことができ、取り出した電荷を用いて位相差ψを求めることが可能になる。なお、たとえば30フレーム毎秒の画像を得るためには、受光光量A0、A1に対応する電荷を生成する期間と受光光量A1、A3に対応する電荷を生成する期間とは60分の1秒よりも短い期間とする。
上述の例では3個の制御電極23((1)〜(3)または(4)〜(6))に同時に印加する制御電圧と、1個の制御電極23((2)または(5))にのみ印加する制御電圧とを等しくしているから、ポテンシャル井戸24の面積は変化するもののポテンシャル井戸24の深さは等しくなっている。この場合、制御電圧を印加していない制御電極23((1)(3)または(4)(6))において生成された電荷は、同程度の確率でポテンシャル井戸24に流れ込む。つまり、感光部3aを構成する3個の制御電極23のうちの1個にのみ制御電圧+Vを印加することによって電荷集積部3cとして機能している領域と、3個の制御電極23のすべてに制御電圧+Vを印加している領域との両方に同程度の量の電荷が流れ込む。つまり、電荷を保持しているポテンシャル井戸24に流れ込む雑音成分が比較的多いものであるから、ダイナミックレンジを低下させる原因になる。
そこで、図23のように、組になる2個の感光部3aに設けた各3個の制御電極(1)〜(3)または(4)〜(6)に同時に印加する制御電圧が、1個の制御電極(2)または(5)にのみ印加する制御電圧よりも低くなるように設定し、小面積のポテンシャル井戸24の深さを大面積のポテンシャル井戸24の深さよりも小さく設定するのが望ましい。このように、主として電荷(電子e)を生成しているポテンシャル井戸24を、主として電荷の保持を行っているポテンシャル井戸24よりも深くすることにより、制御電圧を印加していない制御電極(1)(3)または(4)(6)に対応する部位で生じた電荷は、深いほうのポテンシャル井戸24に流れ込みやすくなる。つまり、制御電極23に一定の制御電圧+Vを印加する場合に比較すると、電荷を保持するポテンシャル井戸24に流れ込む雑音成分を低減することができる。
なお、上述した距離画像センサの構成例では、受光光量A0、A1、A2、A3に対応する4期間を変調信号の1周期内で位相の間隔が90度ずつになるように設定しているが、変調信号に対する位相が既知であれば4期間は90度以外の適宜の間隔で設定することが可能である。ただし、間隔が異なれば位相差ψを求める算式は異なる。また、4期間の受光光量に対応した電荷を取り出す周期は、対象物の反射率および外光成分が変化せず、かつ位相差ψも変化しない時間内であれば、変調信号の1周期内で4個の信号電荷を取り出すことも必須ではない。さらに、太陽光や照明光のような外乱光の影響があるときには、発光源5から放射される光の波長のみを透過させる光学フィルタを感光部3aの前に配置するのが望ましい。図22、図23を用いて説明した構成例では、感光部3aごとに3個ずつの制御電極23を対応付けているが、制御電極23を4個以上設けるようにしてもよい。また、上述の例ではFT方式のCCDイメージセンサと同様の構成を採用しているが、インターライン・トランスファ(IT)方式、フレーム・インターライン・トランスファ(FIT)方式と同様の構成を採用することも可能である。