JP5050719B2

JP5050719B2 - 計測装置

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Publication number: JP5050719B2
Application number: JP2007204381A
Authority: JP
Inventors: 英明山田; 菅原　　良一
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-08-06
Filing date: 2007-08-06
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-08-06
Also published as: JP2009041943A

Description

本発明は、パルス光を発射すると共に、パルス光の反射波を受光し、その位相差に基づいて、前方物体までの距離を計測する計測装置に関する。

従来、距離計測可能な計測装置としては、パルス光を前方物体に向けて発射すると共に、当該パルス光の反射波を、光電変換部を有する受光デバイスにて受光して、パルス光の飛行時間δを検出し、その飛行時間δに基づき、前方物体までの距離を算出する計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、飛行時間δの検出方法としては、パルス光の発射終了時点を基準として、それより過去の所定時間Ｔに、光電変換部にて生成された電荷量Ｑ１を検出すると共に、パルス光の発射終了時点から所定時間Ｔが経過するまでの期間に、光電変換部にて生成された電荷量Ｑ２を検出して、飛行時間δを検出するものが知られている（但し、パルス光のパルス幅Ｔｓに対し、所定時間Ｔは、Ｔ≧Ｔｓである。）。

この方法では、一つの光電変換部（フォトダイオード等）に対し、二つの電荷蓄積部（第一及び第二の電荷蓄積部）を設け、各電荷蓄積部に、スイッチング素子を設ける。具体的には、各電荷蓄積部と光電変換部とを結ぶ線路上に、スイッチング素子を設ける。このようにして、スイッチング素子のオン／オフにより、電荷蓄積部と光電変換部との間の電気的接続をオン／オフできるように、受光デバイスを構成する。

そして、パルス光の発射終了時点より遡って所定時間Ｔ前には、１対のスイッチング素子の内、第一のスイッチング素子をオンにし、第二のスイッチング素子をオフにして、第一の電荷蓄積部でのみ、光電変換部にて生成された電荷が蓄積されるように、受光デバイスを制御し、パルス光の発射終了時点では、第一のスイッチング素子をオフにし、第二のスイッチング素子をオンにして、以後、光電変換部にて生成された電荷が、第二の電荷蓄積部で蓄積されるように、受光デバイスを制御する。このようにして、電荷量Ｑ１，Ｑ２を検出する。

この他、飛行時間δの算出に当たっては、背景光成分を抽出するために、パルス光の反射波が受光されない期間で、所定時間Ｔの間に光電変換部にて生成される電荷量Ｑ３を検出する。そして、検出した電荷量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３に基づき、次式に従って、飛行時間δを算出する。

特開２００５−２３５８９３号公報

しかしながら、上述の従来手法では、パルス光の発射終了時点で、第一のスイッチング素子をオフし、第二のスイッチング素子をオンして、各スイッチング素子を同時に切り替えるため、切替タイミングにずれが生じ、高速なスイッチング動作を実現することができない場合には、精度よく前方物体までの距離を算出することができないといった問題があった。

即ち、従来手法では、パルス光の発射終了時点前後の微小時間において、第一及び第二のスイッチング素子の両者が開いた状態や閉じた状態となり、光電変換部で生成された電荷を、意図した通りに各電荷蓄積部に振り分けることができないといった問題があった。

換言すると、従来手法では、電荷の振り分け精度が悪く、切替前後で、光電変換部にて生成された電荷が、第一の電荷蓄積部に流れているか、それとも、第二の電荷蓄積部に流れているかを、正確に把握することができないため、飛行時間δの算出式に適合する電荷量Ｑ１，Ｑ２を正確に検出することができず、受光結果に従って、精度よく前方物体までの距離を算出することができないといった問題があった。

その他、高精度に電荷を振り分けられるように計測装置を構成しようとすると、高速なスイッチング動作が必要になり、デバイス設計が煩雑になると共に、製造コストがアップするといった問題があった。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、パルス光を発射すると共に、パルス光の反射波を受光し、その位相差に基づき、前方物体までの距離を計測する計測装置として、前方物体までの距離を精度よく計測可能な計測装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた本発明は、パルス光を発射する発光デバイスと、発光デバイスにより発射された光が物体に反射して戻ってくる光を含む外部からの入射光を受光する受光デバイスと、受光デバイスの受光結果に基づき、物体までの距離を算出する距離算出手段と、を備える計測装置に関するものである。

この計測装置が備える受光デバイスは、入射光を電荷に変換する光電変換部と、光電変換部で生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、各電荷蓄積部を初期状態にリセットするリセット部と、各電荷蓄積部に蓄積された電荷量を表す電荷情報を、出力する出力部と、を備える。

この受光デバイスは、更に、電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続を、オン／オフする切替部を、電荷蓄積部毎に備え、外部からの制御信号に従って、各電荷蓄積部をリセットし、更には、各電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続をオン／オフして、光電変換部で生成された電荷を、光電変換部に電気的に接続された電荷蓄積部に分配し、各電荷蓄積部に蓄積された電荷についての上記電荷情報を出力する。

例えば、出力部は、電荷情報として、電荷蓄積部の両端電圧を表す電気信号を出力する構成にすることができる。このとき、電荷蓄積部に蓄積された電荷量は、電荷蓄積部の両端電圧を、電荷蓄積部の静電容量と掛け算することにより導出することができる。

この他、本発明の計測装置は、発光制御手段、第一及び第二受光制御手段、第一及び第二電荷情報取得手段を備え、発光制御手段により、発光デバイスを作動させて、発光デバイスにパルス光を発射させる。また、第一受光制御手段により、次のように受光デバイスを制御する。

具体的に、第一受光制御手段は、受光デバイスを制御して、受光デバイスに、第一の期間、上記複数の電荷蓄積部の内、予め定められた第一の電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続をオンさせ、第一の期間の終了時点で、第一の電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続をオフさせる。また、受光デバイスに、第二の期間、上記複数の電荷蓄積部の内、第一の電荷蓄積部とは異なる第二の電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続をオンさせ、第二の期間の終了時点で、第二の電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続をオフさせる。また、第一及び第二の期間の起点到来前に、第一及び第二の電荷蓄積部をリセットさせる。

尚、第一の期間は、発光デバイスが発射したパルス光の反射波先端が、受光デバイスに到達する時点から、発光デバイスがパルス光の発射動作を終える時点までの期間内で定められるものとし、第二の期間は、第一の期間と起点を同一とする期間であって当該起点から反射波後端が受光デバイスに到達する時点若しくはそれより後の時点までの期間に定められるものとする。

このように受光デバイスを制御すると、上記第一の期間に光電変換部で生成された電荷は、第一及び第二の電荷蓄積部に分配されて蓄積されるが、第一の期間を除く第二の期間に光電変換部で生成された電荷は、第二の電荷蓄積部にのみ蓄積されることになる。

第一電荷情報取得手段は、この受光デバイスから、上記電荷情報として、第一の電荷蓄積部が第一の期間に蓄積した電荷量を表す情報、及び、第二の電荷蓄積部が第二の期間に蓄積した電荷量を表す情報を取得する。

この他、第二受光制御手段は、受光デバイスを制御し、パルス光の反射波が受光デバイスで受光されない期間内で予め定められた第三の期間、受光デバイスに、上記複数の電荷蓄積部の内、所定の電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続をオンさせ、第三の期間の終了時点で、上記所定の電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続をオフさせる。また、第三の期間の起点到来前には、上記所定の電荷蓄積部をリセットさせる。

このようにして、第二受光制御手段は、受光デバイスに、第三の期間に光電変換部が生成した電荷を、上記所定の電荷蓄積部に蓄積させる。
また、本発明の計測装置は、第二電荷情報取得手段にて、受光デバイスから、上記所定の電荷蓄積部が第三の期間に蓄積した電荷量を表す情報（電荷情報）を取得し、上記第一及び第二電荷情報取得手段が取得した電荷情報に基づき、距離算出手段にて、物体までの距離を算出する。

このように構成された本発明の計測装置では、反射波及び背景光が混合した光の受光によって生成される電荷量の情報を、第一の期間に蓄積された電荷量の情報から取得することができ、背景光のみの受光によって生成される電荷量の情報を、第三の期間に蓄積された電荷量の情報から取得することができ、これら第一及び第三の期間の情報から、反射波のみの受光により単位時間当たりに生成される電荷量の情報（換言すれば電荷の蓄積速度の情報）を取得することができる。

また、第二の期間に蓄積される電荷量の情報に基づき、パルス光の発射終了時点から反射波の後端が受光デバイスに到達するまでの時間に反射波の受光により光電変換部で生成された電荷量の情報を、取得することができる。従って、本発明によれば、これらの情報に基づき、パルス光の発射終了時点から反射波の後端が受光デバイスに到達するまでの時間δ（パルス光の飛行時間δ）を算出することができるのである。

このように、本発明の計測装置によれば、パルス光の飛行時間δを、パルス光の発射終了時点で、第一及び第二の電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続を、同時に切り替えることなく、求めることができる。

従って、この計測装置によれば、第一及び第二の電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続を、同時に切り替えることで、光電変換部にて生成された電荷が第一及び第二の電荷蓄積部のいずれに流れているかが不明となり、電荷の振り分け精度が悪くなるのを防止することができる。従来手法では、電荷の振り分け精度を高めるために、高速なスイッチング動作を実現する必要があったが、本発明によれば、そのような必要もなく、高精度に距離計測可能な計測装置を設計することができる。また、高精度な計測装置を、安価に製造することができる。

尚、第二受光制御手段は、第一及び第二の電荷蓄積部のいずれか一方を、上記所定の電荷蓄積部として、用いる構成にされてもよいし、第一及び第二の電荷蓄積部以外の電荷蓄積部を、上記所定の電荷蓄積部として、用いる構成にされてもよい。後者のように第二受光制御手段を構成する場合には、受光デバイスに、合計３つ以上の電荷蓄積部を設ける必要があるが、前者のように第二受光制御手段を構成すれば、上記複数の電荷蓄積部として、２つの電荷蓄積部を計測装置に設けることで、本発明の計測装置としての機能を実現することができる。

この他、計測装置としては、上記構成の受光デバイスとして、複数の画素ユニットがマトリクス状に配列されてなる距離画像データ生成装置であって、パルス光をライン状に発射して、１ライン分の画素ユニットにて、上記パルス光の反射波を受けることで、ライン毎に、電荷量の計測動作を実行し、距離を計測するものが知られているが、このような装置に、本発明を適用する場合には、第一受光制御手段による計測中のライン（パルス光の反射波が入射されるライン）とは別のラインに属する画素ユニットの電荷蓄積部を用いて、背景光成分を計測するように、計測装置を構成するとよい。このように計測装置を構成すれば、各画素の距離計測に必要な背景光成分の計測動作を、効率的に実行することができる。

また、距離計測の精度を高めるため、上記計測装置は、次のように構成されるとよい。即ち、受光デバイスは、リセット部として、第一及び第二の電荷蓄積部に共通するスイッチング素子を備え、スイッチング素子をオンして、第一及び第二電荷蓄積部を共通する電荷排出用の線路に接続し、第一及び第二の電荷蓄積部を初期状態にリセットし、スイッチング素子をオフして、第一及び第二電荷蓄積部を線路から遮断し、第一及び第二電荷蓄積部を電荷蓄積可能な状態にする構成にされるとよい。

そして、第一受光制御手段は、第一及び第二の期間の起点到来前に、受光デバイスに、上記スイッチング素子をオンさせると共に、第一及び第二の電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続をオンさせ、更に、第一及び第二の期間の起点到来時に、第一及び第二の電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続をオンさせた状態で、スイッチング素子をオフさせることにより、第一及び第二の電荷蓄積部を用いた電荷蓄積を同時に開始させる構成にされるとよい（請求項２）。

このように、計測装置を構成すれば、第一及び第二の期間の起点到来時に、第一及び第二の電荷蓄積部にて、同時に電荷蓄積が開始されるようにすることができ、各電荷蓄積部に、光電変換部にて生成された電荷を、精度よく振り分けることができて、蓄積された電荷量の情報から、高精度に距離を計測することができる。

また、第一の期間の終了時点が、パルス光の発射動作が終了する時点である場合、距離算出手段は、次のように構成にすることができる。
即ち、距離算出手段は、式

に従って、パルス光の発射動作が開始されてから、その反射波が受光デバイスにて受光されるまでの時間δを算出し、当該時間δに基づき、物体までの距離を算出する構成にすることができる（請求項３）。

尚、変数Ｑ１は、第一の電荷蓄積部により第一の期間に蓄積される電荷量Ｑ１を表し、変数Ｑ２は、第二の電荷蓄積部により第二の期間に蓄積される電荷量Ｑ２を表し、変数Ｑ３は、上記所定の電荷蓄積部により第三の期間に蓄積される電荷量Ｑ３を表す。また、変数Ｔ１は、上記第一の期間の時間長さＴ１を表し、変数Ｔ２は、上記第二の期間の時間長さＴ２を表し、変数Ｔ３は、上記第三の期間の時間長さＴ３を表す。

その他、式（２）では、第一の期間における第一の電荷蓄積部への電荷の分配比率がＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２）であり、第二の電荷蓄積部への電荷の分配比率がＰ２／（Ｐ１＋Ｐ２）であるものとして、時間δの算出式を表す。即ち、上式（２）では、光電変換部にて生成された電荷のＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２）が第一の電荷蓄積部に分配され、光電変換部にて生成された電荷のＰ２／（Ｐ１＋Ｐ２）が第二の電荷蓄積部に分配されるものとして、時間δの算出式を表す。

ところで、本発明では、第一の期間、光電変換部にて生成された電荷を第一及び第二の電荷蓄積部に分配することになるので、第一及び第二の電荷蓄積部にて夫々重複しない期間に電荷を蓄積する従来手法と比較して、第一の電荷蓄積部にて蓄積される電荷の量が、少なくなる。

従って、本発明の計測装置においては、第一の電荷蓄積部を、第二の電荷蓄積部とは、異なる静電容量にするとよい（請求項４）。具体的に、第一の電荷蓄積部の静電容量については、これを、第二の電荷蓄積部の静電容量よりも小さくして、上記受光デバイスを設計するとよい（請求項５）。

上述したように、各電荷蓄積部にて蓄積された電荷量の情報は、電荷蓄積部の両端電圧を表す電気信号を、受光デバイスから出力することで、受光デバイス外部に提供することができるが、両端電圧Ｖと、電荷量Ｑと、静電容量Ｃとの間には、Ｑ＝ＣＶの関係があるので、電荷蓄積部に蓄積される電荷量Ｑが小さくても、静電容量Ｃを小さくすれば、電荷量の情報としては、大きな値Ｖを得ることができる。値Ｖとして大きな値を得ることができれば、例えば、距離算出のために、両端電圧を表す電気信号をＡ／Ｄ変換した際に、Ａ／Ｄ変換器の分解能に影響されて、変換後の電圧値Ｖの精度が悪くなるのを防止することができ、結果として、第一の電荷蓄積部にて蓄積された電荷量Ｑ１を精度よく検出することができる。

従って、第一の電荷蓄積部については、その静電容量を、第二の電荷蓄積部の静電容量よりも小さくして、上記受光デバイスを設計すれば、第一及び第二の電荷蓄積部の静電容量を揃えるよりも、高精度に、前方物体までの距離を計測することができるのである。

また、電荷量Ｑ１の検出精度は、分配比率Ｐ１：Ｐ２を等分（１：１）に設定せず、第一の期間において、第二の電荷蓄積部よりも第一の電荷蓄積部に対し、光電変換部にて生成された電荷を、多く分配することでも高めることができる。

従来の距離画像データ生成装置としては、ＣＭＯＳイメージセンサを備える装置が知られているが、上記切替部として、対応する電荷蓄積部と光電変換部との電気的接続をオン／オフするＭＯＳ型トランジスタを受光デバイスに設ける場合には、各ＭＯＳ型トランジスタのチャネル長Ｌとチャネル幅Ｗとの比Ｗ／Ｌを調整することで、上述の分配比率（換言すると、Ｐ１，Ｐ２）を、変更することができる。

即ち、第一の電荷蓄積部に対して設けるＭＯＳ型トランジスタのＷ／Ｌ及び第二の電荷蓄積部に対して設けるＭＯＳ型トランジスタのＷ／Ｌを、互いに異なる値にして、受光デバイスを設計すれば、分配比率Ｐ１：Ｐ２を等分以外の値に設定することができ、電荷量Ｑ１の検出精度を高めることができる（請求項６）。

具体的に、第一の電荷蓄積部に対して設けるＭＯＳ型トランジスタのＷ／Ｌを、第二の電荷蓄積部に対して設けるＭＯＳ型トランジスタのＷ／Ｌよりも大きくすれば、結果として、第一の期間において、第一の電荷蓄積部に分配される電荷量が多くなり、電荷量Ｑ１の検出精度を高めることができる（請求項７）。

従って、このように計測装置を構成すれば、一層高精度に物体までの距離を計測することができる。

以下に、本発明の実施例について、図面と共に説明する。
図１は、本発明が適用された距離画像データ生成装置１の構成を表すブロック図である。本実施例の距離画像データ生成装置１は、パルス光の発射により前方物体５までの距離を計測し、計測した距離を階調表現した画像データ（以下、「距離画像データ」とする。）を出力するものであり、図１に示すように、発光デバイス１０と、受光デバイス２０と、制御部３０と、演算部４０と、インタフェース部５０と、を備える。

発光デバイス１０は、パルス光を発射する発光素子と、制御部３０から入力される制御信号に従って発光素子を駆動する駆動回路と、発光素子からの発射光を拡散して、これを所定の計測エリアに存在する前方物体５に照射する拡散レンズと、を備える。

また、受光デバイス２０は、発光デバイス１０から発射されたパルス光の反射波を受光するためのものであり、入射光を受光する光電センサ２１と、上記計測エリアから到来する光を集光して光電センサ２１に入射する集光レンズと、を備える。

この他、制御部３０は、発振器３１から入力されるクロック信号に基づき、発光デバイス１０や受光デバイス２０に対する制御信号を生成し、これを発光デバイス１０や受光デバイス２０に入力して、発光デバイス１０及び受光デバイス２０を制御するものである。距離画像データ生成装置１において、上述の発光デバイス１０及び受光デバイス２０は、この制御部３０から入力される制御信号に従って動作する。

また、演算部４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭを備え、ＲＯＭに記録されたプログラムに従ってＣＰＵで演算処理を実行することにより、各種機能を実現するものである。具体的に、演算部４０は、受光デバイス２０の受光結果に基づき、前方物体５までの距離を階調表現した距離画像データを生成し、これを、インタフェース部５０を通じ外部装置に入力する機能、をプログラムの実行によりソフトウェア的に実現する。

尚、インタフェース部５０は、外部装置と接続されて、演算部４０が生成した距離画像データを外部装置に入力するものである。インタフェース部５０に接続される外部装置としては、例えば、距離画像データに基づき車両制御を実現する車載装置や、距離画像データに基づき外部からの不法侵入者を検知する監視装置等を挙げることができる。

このように構成された本実施例の距離画像データ生成装置１は、制御部３０にて発光デバイス１０及び受光デバイス２０を制御して、発光デバイス１０に、パルス光を前方物体５に向けて発射させると共に、この反射波を含む外部からの入射光を受光デバイス２０に受光させ、その受光結果に従い、演算部４０にて、前方物体５までの距離を算出する。そして、この算出結果に基づき、前方物体５までの距離を表す距離画像データを生成し、これを外部装置に出力する。

続いて、距離画像データ生成装置１各部の詳細構成について説明する。
本実施例の距離画像データ生成装置１が受光デバイス２０に備える光電センサ２１は、図２（ａ）に示すように、画素ユニット２４がＭ行Ｎ列のマトリックス状に配列されてなる画素アレイ２３と、各画素ユニット２４からの出力信号を、ディジタルデータに変換し、これを演算部４０に入力するデータ出力部２５と、を備える。図２（ａ）は、光電センサ２１の構成を表すブロック図であり、図２（ｂ）は、画素ユニット２４の等価回路図である。

画素アレイ２３は、ＣＭＯＳ構造のイメージセンサとして構成されており、画素アレイ２３が備える各画素ユニット２４は、図２（ｂ）に示すように、入射光に応じた電荷を生成する光電変換素子（具体的にはフォトダイオード）ＰＤと、電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２と、リセットトランジスタＴｒ２０と、出力トランジスタＴｒ３１，Ｔｒ３２と、増幅トランジスタＴｒ４１，Ｔｒ４２と、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２と、を含んだ構成にされている。

これら各トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２，Ｔｒ２０，Ｔｒ３１，Ｔｒ３２，Ｔｒ４１，Ｔｒ４２は、ＭＯＳ型トランジスタとして構成されており、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２は、フローティングディフュージョンとして、画素ユニット２４内に存在している。

この画素ユニット２４において、光電変換素子ＰＤは、アノードが接地され、カソードが電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２及びリセットトランジスタＴｒ２０のソース電極に接続された構成にされている。また、リセットトランジスタＴｒ２０のドレイン電極は、電荷排出用の線路Ｌ０を通じて、電源ＶＤＤに接続されている。

この他、電荷転送トランジスタＴｒ１１のドレイン電極は、増幅トランジスタＴｒ４１のゲート電極に接続され、増幅トランジスタＴｒ４１のドレイン電極は、電源ＶＤＤに接続されている。また、増幅トランジスタＴｒ４１のソース電極は、出力トランジスタＴｒ３１のドレイン電極に接続され、出力トランジスタＴｒ３１のソース電極は、データ出力部２５に、信号線を介して接続されている。

また、電荷転送トランジスタＴｒ１２のドレイン電極は、増幅トランジスタＴｒ４２のゲート電極に接続され、増幅トランジスタＴｒ４２のドレイン電極は、電源ＶＤＤに接続されている。この他、増幅トランジスタＴｒ４２のソース電極は、出力トランジスタＴｒ３２のドレイン電極に接続され、出力トランジスタＴｒ３２のソース電極は、データ出力部２５に、信号線を介して接続されている。

また、画素ユニット２４は、電荷転送トランジスタＴｒ１１と増幅トランジスタＴｒ４１とを結ぶ伝送路に、フローティングディフュージョンとして、電荷蓄積部ＦＤ１が介在し、電荷転送トランジスタＴｒ１２と増幅トランジスタＴｒ４２とを結ぶ伝送路に、電荷蓄積部ＦＤ２が介在した構成にされている。

即ち、画素ユニット２４は、制御部３０を通じて電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のゲート電極に入力される電荷転送制御信号ＴＧ１，ＴＧ２により、電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２がオン（導通状態に）されると、電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２がオフされるまでの期間、光電変換素子ＰＤのカソードと電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２とを、電気的に接続する。

また、電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２がオンされた状態で、制御部３０を通じてリセットトランジスタＴｒ２０のゲート電極に入力されるリセット制御信号ＲＳＴにより、リセットトランジスタＴｒ２０がオンされると、リセットトランジスタＴｒ２０がオフ（非導通状態）にされるまでの期間、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積された電荷を、線路Ｌ０を通じて、電源ＶＤＤに排出し、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２をリセットする（即ち、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２の両端電圧を初期電圧にリセットする）。

また、画素ユニット２４は、電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２がオンされた状態で、リセットトランジスタＴｒ２０がリセット制御信号ＲＳＴによりオフ（非導通状態に）されると、電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２がオフされるまでの期間、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷を、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２に転送する。

その他、画素ユニット２４は、制御部３０を通じて出力トランジスタＴｒ３１，Ｔｒ３２のゲート電極に入力される読出制御信号ＲＧ１，ＲＧ２により、出力トランジスタＴｒ３１，Ｔｒ３２がオンされると、増幅トランジスタＴｒ４１，Ｔｒ４２を通じ、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２の蓄積電荷量を表す情報として、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２の両端電圧に対応した電圧信号を出力し、これをデータ出力部２５に入力する。データ出力部２５は、このようにして入力された電圧信号を、所定の分解能にて、アナログ値からディジタル値に変換し、変換結果として、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２の両端電圧を表すディジタルデータを、演算部４０に入力する。

このようにして、本実施例の光電センサ２１は、制御部３０から入力される制御信号に従い、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２を初期状態にリセットすると共に、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２で、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷を蓄積し、蓄積電荷量に対応した電圧値のデータを、演算部４０に入力する。

一方、制御部３０は、図３及び図４に示すようにして、光電センサ２１を制御し、距離画像データの生成に必要な受光量の計測を行う。尚、図３は、制御部３０が周期的に実行する計測制御処理を表すフローチャートであり、図４は、リセット制御信号ＲＳＴ及び電荷転送制御信号ＴＧ１，ＴＧ２の入力パターンを、パルス光の発射態様及び反射波の受光態様と共に示したタイムチャートである。

計測制御処理を開始すると、制御部３０は、まず、計測に使用する各画素ユニット２４を初期状態にリセットする（Ｓ１１０）。ここでは、各画素ユニット２４に、電荷転送制御信号ＴＧ１，ＴＧ２及びリセット制御信号ＲＳＴとして、オン信号を入力することで、各画素ユニット２４の電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２及びリセットトランジスタＴｒ２０をオンにする。

このような動作により、Ｓ１１０では、各画素ユニット２４の光電変換素子ＰＤが保持する電荷を排出して、各光電変換素子ＰＤを初期状態にリセットすると共に、各画素ユニット２４の電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２を初期状態にリセットする。また、各画素ユニット２４における他のオン／オフ切替可能なトランジスタＴｒ３１，Ｔｒ３２をオフに設定し、各画素ユニット２４を初期状態にリセットする。

また、この処理を終えると、制御部３０は、各画素ユニット２４の電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２及びリセットトランジスタＴｒ２０をオンにした状態で、発光デバイス１０に制御信号を入力して、発光デバイス１０を作動させ、発光デバイス１０に、パルス幅Ｔｓのパルス光の発射を開始させる（Ｓ１２０）。

そして、パルス光の発射を開始させた後には、パルス光の発射開始時点から所定時間Ｔｄが経過するまで待機し、所定時間Ｔｄが経過すると（Ｓ１２５でＹｅｓ）、リセット制御信号ＲＳＴとして、オフ信号を各画素ユニット２４に入力することにより、各画素ユニット２４のリセットトランジスタＴｒ２０をオフに切り替え、この時点（以下、転送開始時点という。）から、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷が、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２に転送され、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２にて蓄積されるようにする（Ｓ１３０）。

尚、時間Ｔｄは、距離画像データ生成装置１で計測する距離の最大値を考慮して、設計段階で予め定められるものとする。即ち、本実施例では、時間Ｔｄが経過した時点で既に、発光デバイス１０から発射されたパルス光の反射波先端が受光デバイス２０に到達しているように、その時間Ｔｄを定める。

例えば、距離０〜Ｄｘを計測範囲とする場合には、パルス光の発射開始時点から最大で時間Ｔｘ＝２・Ｄｘ／ｃ（但し、ｃは、光の速度である。ｃ＝３．０×１０⁸［ｍ／ｓ］）遅れて、反射波が受光デバイス２０に到達することになる。従って、設計段階では、余裕（α）を持って、時間Ｔｄを、Ｔｄ＝２・Ｄｘ／ｃ＋αに定める。

また、これと関連して、設計段階では、各画素ユニット２４のリセットトランジスタＴｒ２０をオフに切り替えてから、パルス光の発射が終了するまでの時間（Ｔｓ−Ｔｄ）内で、反射波の受光に起因して光電変換素子ＰＤで生じる電荷を、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２で蓄積できるように、発光デバイス１０から発射するパルス光のパルス幅Ｔｓを、時間Ｔｄよりも長い時間幅に定める（Ｔｓ＞Ｔｄ）。

このようにして、Ｓ１３０では、反射波の受光が各画素ユニット２４で開始されてから、各画素ユニット２４のリセットトランジスタＴｒ２０をオフに切り替え、この時点から、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷が、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２に転送され、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２にて蓄積されるようにする。

但し、本実施例では、電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のＷ／Ｌ比（詳細後述）が等しく設計されており、光電変換素子ＰＤで生成された電荷Ｑは、等しく２分の１ずつ電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２に転送（分配）されるものとする。

このようにして、リセットトランジスタＴｒ２０をオフに切り替えると、制御部３０は、当該転送開始時点から、所定時間Ｔ１が経過するまでの間、電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２をオンの状態に維持する（Ｓ１４０）。但し、時間Ｔ１は、発光デバイス１０からのパルス光の発射が終了する時刻に合わせて、予め設定されているものとする。即ち、ここでは、発光デバイス１０からのパルス光の発射が終了するまでの期間、電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２をオンの状態に維持する。

そして、所定時間Ｔ１が経過すると（Ｓ１４０でＹｅｓ）、その時点で、電荷転送トランジスタＴｒ１１をオフに切り替える（Ｓ１５０）。即ち、所定時間Ｔ１が経過した時点では、電荷転送トランジスタＴｒ１２をオンの状態に維持しつつ、電荷転送トランジスタＴｒ１１のみをオフに切り替える。このようにして、Ｓ１５０では、発光デバイス１０からのパルス光の発射が終了した時点で、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷の電荷蓄積部ＦＤ１への転送を禁止し、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷が、全て電荷蓄積部ＦＤ２に転送されるようにする。

また、Ｓ１５０で、電荷転送トランジスタＴｒ１１をオフに切り替えると、制御部３０は、電荷転送トランジスタＴｒ１１をオフに維持し、電荷転送トランジスタＴｒ１２をオンに維持した状態で、上記転送開始時点から所定時間Ｔ２が経過するまで待機する（Ｓ１６０）。

そして、転送開始時点から所定時間Ｔ２が経過すると（Ｓ１６０でＹｅｓ）、その時点で、電荷転送トランジスタＴｒ１２をオフに切り替える（Ｓ１７０）。このようにして、制御部３０は、転送開始時点から時間Ｔ２の経過後、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷が電荷蓄積部ＦＤ１及び電荷蓄積部ＦＤ２のいずれにも転送されないようにする。但し、時間Ｔ２は、パルス幅Ｔｓより長い時間に、設計段階で定められるものとする。即ち、電荷転送トランジスタＴｒ１２をオフにする時点は、反射波後端が各画素ユニット２４に到達する時点より後の時点に定められる。

また、この処理を終えると、制御部３０は、各画素ユニット２４に対し、読出制御信号ＲＧ１として、オン信号を入力することにより、各画素ユニット２４の出力トランジスタＴｒ３１をオンし、転送開始時点から時間Ｔ１が経過するまでの間に電荷蓄積部ＦＤ１で蓄積された電荷量Ｑ１に応じた電圧信号が、各画素ユニット２４からデータ出力部２５に入力されるようにする（Ｓ１８０）。

同様に、制御部３０は、各画素ユニット２４に対し、読出制御信号ＲＧ２として、オン信号を入力することにより、出力トランジスタＴｒ３２をオンし、転送開始時点から時間Ｔ２が経過するまでの間に電荷蓄積部ＦＤ２で蓄積された電荷量Ｑ２に応じた電圧信号が、各画素ユニット２４からデータ出力部２５に入力されるようにする（Ｓ１９０）。

このようにして、制御部３０は、電荷蓄積部ＦＤ１で蓄積された電荷量Ｑ１及び電荷蓄積部ＦＤ２で蓄積された電荷量Ｑ２の情報を、電荷蓄積部ＦＤ１の両端電圧Ｖ１に対応する電圧信号及び電荷蓄積部ＦＤ２の両端電圧Ｖ２に対応する電圧信号として、データ出力部２５に入力し、データ出力部２５から、電圧値Ｖ１，Ｖ２の情報が、ディジタルデータとして、演算部４０に入力されるようにする。

また、Ｓ１９０での処理を終えると、制御部３０は、Ｓ１１０と同様にして、各画素ユニット２４をリセットする（Ｓ２００）。具体的には、各画素ユニット２４の電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２及びリセットトランジスタＴｒ２０をオンにして、光電変換素子ＰＤ及び電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２を初期状態にする（Ｓ２００）。

また、この処理後には、各画素ユニット２４の電荷転送トランジスタＴｒ１１をオフに切り替え、更に、各画素ユニット２４の電荷転送トランジスタＴｒ１２をオンに維持した状態で、各画素ユニット２４のリセットトランジスタＴｒ２０をオフに切り替えて、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷が、電荷蓄積部ＦＤ２に転送され、電荷蓄積部ＦＤ２で蓄積されるようにする（Ｓ２１０）。

そして、制御部３０は、リセットトランジスタＴｒ２０をオフに切り替えた時点から、所定時間Ｔ３が経過するまでは、電荷転送トランジスタＴｒ１２をオンに維持し、時間Ｔ３が経過するまでの期間、光電変換素子ＰＤが入射光（背景光）の影響を受けて生成した電荷を、電荷蓄積部ＦＤ２に、蓄積させる（Ｓ２２０）。

また、時間Ｔ３が経過すると（Ｓ２２０でＹｅｓ）、制御部３０は、この時点で、電荷転送トランジスタＴｒ１２をオフに切り替え（Ｓ２３０）、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷が電荷蓄積部ＦＤ１及び電荷蓄積部ＦＤ２のいずれにも転送されないようにする。

また、Ｓ２３０での処理を終えると、制御部３０は、各画素ユニット２４に対し、読出制御信号ＲＧ２として、オン信号を入力することにより、各画素ユニット２４の出力トランジスタＴｒ３２をオンし、電荷蓄積部ＦＤ２に蓄積された電荷に応じた電圧信号が、各画素ユニット２４からデータ出力部２５に入力されるようにする（Ｓ２４０）。

このようにして、制御部３０は、発光デバイス１０から発射されたパルス光の反射波が画素ユニット２４にて受光されていない期間において、電荷蓄積部ＦＤ２で蓄積された電荷、即ち、背景光の入射により光電変換素子ＰＤにて生成された電荷量Ｑ３の情報を、この電荷量Ｑ３に対応する電圧値Ｖ３の情報として、データ出力部２５に入力し、データ出力部２５から、この電圧値Ｖ３の情報が、ディジタルデータとして、演算部４０に入力されるようにする。そして、この処理を終えると、当該計測制御処理を終了する。

続いて、制御部３０の動作に合わせて、演算部４０が実行する距離算出処理について説明する。図５は、演算部４０が実行する距離算出処理を表すフローチャートである。
距離算出処理を開始すると、演算部４０は、まず、光電センサ２１を構成する画素ユニット２４の一つを、処理対象に選択する（Ｓ３１０）。そして、選択した処理対象の画素ユニット２４からデータ出力部２５を介して入力された上述の電圧値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の情報に基づき、次式に従って、発光デバイス１０から発射されたパルス光に対する反射波の遅延量δを算出する（Ｓ３２０）。

尚、電荷量Ｑ１は、電荷蓄積部ＦＤ１の静電容量をＣ１として、Ｑ１＝Ｃ１・Ｖ１で求めることができ、電荷量Ｑ２は、電荷蓄積部ＦＤ２の静電容量をＣ２として、Ｑ２＝Ｃ２・Ｖ２で求めることができ、電荷量Ｑ３は、Ｑ３＝Ｃ２・Ｖ３で求めることができる。

そして、算出した遅延量δに基づき、前方物体５までの距離Ｄを、次式に従って算出する（Ｓ３３０）。

その後、演算部４０は、処理対象の画素ユニットに対応する座標（ｘ，ｙ）の画素値、即ち、生成する距離画像データの座標（ｘ，ｙ）の画素値を、算出した距離Ｄに対応する階調値に設定する（Ｓ３４０）。例えば、処理対象の画素ユニットが第ｍ行第ｎ列の画素ユニットである場合には、座標（ｍ，ｎ）の画素値を、算出した距離Ｄに対応する階調値に設定する。階調値が０〜Ｚまでの値を採りえる場合であって、計測可能な距離の最大値が値Ｄｘである場合には、例えば、距離Ｄに対応する階調値として、Ｄ／（Ｄｘ／Ｚ）の整数値を設定する。

また、Ｓ３４０での処理を終えると、演算部４０は、全画素ユニット２４を処理対象に選択したか否かを判断し（Ｓ３５０）、選択していないと判断すると（Ｓ３５０でＮｏ）、Ｓ３１０に移行して、未選択の画素ユニットの一つを、新たな処理対象に設定し、Ｓ３２０以降の処理を実行する。このようにして、演算部４０は、距離画像データを構成する各画素の階調値を、対応する画素ユニット２４から出力される電圧値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の情報に基づき設定する。

そして、全画素ユニット２４を処理対象に選択したと判断すると（Ｓ３５０でＹｅｓ）、上記の手法で完成した距離画像データを、インタフェース部５０を通じて外部装置に出力する。その後、当該距離算出処理を終了する。

本実施例の距離画像データ生成装置１は、このようにして前方物体５までの距離を計測し、その距離を階調表現した距離画像データを外部装置に出力する。
ここで、本実施例での距離Ｄの算出手法を、原理の側面から具体的に説明する。図６は、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２にて蓄積される電荷と、時間との対応関係を、時間ｔをＸ軸、電荷ＱをＹ軸として、グラフにより概略的に示したものである。

本実施例では、制御部３０から、上述した手法で、発光デバイス１０及び受光デバイス２０を制御するため、転送開始時点から、時間Ｔ１が経過するまでの期間（以下、「初期転送期間」という。）には、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２に、反射波成分と背景光成分を含む入射光により生成された電荷が蓄積される。本実施例では、この初期転送期間を利用して、反射波成分と背景光成分が混合した光を受光しているときに生成される電荷によって生じる電荷蓄積部ＦＤ１の蓄積電荷の変化量（傾き）Ｑ１／Ｔ１を求める。

また、本実施例では、転送開始時点から時間Ｔ２後、電荷転送トランジスタＴｒ１１に遅れて電荷転送トランジスタＴｒ１２をオフに設定するが、この電荷転送トランジスタＴｒ１２をオフにする時間Ｔ２が経過する時点は、反射波の受光終了時点よりも遅い時点に設定されている。

従って、初期転送期間の終了後、電荷転送トランジスタＴｒ１２をオフにするまでの期間では、その前半で、電荷蓄積部ＦＤ２に、反射波成分と背景光成分とを含む入射光により生成された電荷が蓄積されることになり、後半で、反射波成分を含まず背景光のみの入射光により生成された電荷が蓄積されることになる。

本実施例では、この背景光成分を、電荷量Ｑ２の情報から除去するため、上述した手法で、電圧値Ｖ３を計測することにより、背景光成分による蓄積電荷の変化量（傾き）Ｑ３／Ｔ３を求める。

そして、初期転送期間の終了後、時間Ｔ２が経過するまでの期間に、電荷蓄積部ＦＤ２で蓄積された電荷量（Ｑ２−Ｑ１）の情報から背景光成分を取り除くことで、この期間に、反射波を原因として光電変換素子ＰＤで生成され、電荷蓄積部ＦＤ２で蓄積された電荷量｛（Ｑ２−Ｑ１）−（Ｑ３／Ｔ３）・（Ｔ２−Ｔ１）｝を求める。

また、本実施例では、上述したように、初期転送期間の終了時点で、電荷転送トランジスタＴｒ１１をオフに切り替えるが、この切替後には、切替直前に、電荷蓄積部ＦＤ１に流れていた電荷が全て電荷蓄積部ＦＤ２に流れることになる。

本実施例では、転送開始時点から時間Ｔ１が経過するまでの期間（初期転送期間）、等しく電荷が電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２に分配されるようにしているので、切替後、電荷蓄積部ＦＤ２における単位時間当たりの電荷蓄積量は、２倍になる。

即ち、本実施例では、初期転送期間において、電荷蓄積部ＦＤ１で蓄積される電荷の変化量（傾き）から、初期転送期間終了後の上記前半において、電荷蓄積部ＦＤ２で蓄積される電荷の変化量（傾き）を、２・Ｑ１／Ｔ１と推定することができる。

従って、本実施例の手法によれば、この推定値２・Ｑ１／Ｔ１から、背景光成分Ｑ３／Ｔ３を取り除くことで、パルス光の発射終了時点（初期転送期間終了時点）から、パルス光の反射波の末端が到達するまでの期間において、反射波成分による蓄積電荷の変化量（傾き）２・Ｑ１／Ｔ１−Ｑ３／Ｔ３を求めることができる。よって、本実施例では、式（３）に従って、遅延量δを算出することができ、前方物体５までの距離Ｄを算出することができるのである。

本実施例の距離画像データ生成装置１では、このような原理にて距離Ｄを算出することにより、従来のように、パルス光の発射終了時点で、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２と光電変換素子ＰＤとの電気的接続を、同時に切り替えることなく、距離Ｄを求めることができるようにしている。

従って、この距離画像データ生成装置１によれば、パルス光の発射終了時点で、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２と光電変換素子ＰＤの電気的接続を、同時に切り替えることにより、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷が電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２のいずれに流れているかが不明となり、電荷の振り分け精度が悪くなるのを防止することができ、設計者は、高速なスイッチング動作を実現する必要なく、高精度に距離計測可能な距離画像データ生成装置１を設計することができる。また、高精度な距離画像データ装置１を、安価に製造することができる。

特に、本実施例の距離画像データ生成装置１では、リセットトランジスタＴｒ２０を、電荷蓄積部ＦＤ１及び電荷蓄積部ＦＤ２で共有化し、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２と光電変換素子ＰＤとを電気的に接続した状態で、リセットトランジスタＴｒ２０をオンすることで、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２を、共通する電荷排出用の線路Ｌ０に接続して、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２を初期状態にリセットし、リセットトランジスタＴｒ２０をオフすることで、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２を線路Ｌ０から遮断して、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２にて同時に電荷蓄積が開始されるようにしている。従って、この距離画像データ生成装置１によれば、各電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２に、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷を、精度よく振り分けることができ、蓄積された電荷量Ｑ１，Ｑ２の情報から、高精度に距離Ｄを計測することができる。

ところで、本実施例の距離画像データ装置１では、転送開始時点から時間Ｔ１が経過するまでの初期転送期間において、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２に、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷が等しく分配されて転送されるので、電荷蓄積部ＦＤ１で蓄積される電荷の量Ｑ１は、複数の電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２で同時に電荷を蓄積しない従来技術と比較して、およそ二分の一まで小さくなる。

従って、本実施例では、電荷蓄積部ＦＤ１の静電容量Ｃ１を、電荷蓄積部ＦＤ２の静電容量Ｃ２よりも小さくするとよい。電荷蓄積部ＦＤ１の両端電圧Ｖ１と、蓄積電荷量Ｑ１との間には、Ｑ１＝Ｃ１・Ｖ１の関係があるので、静電容量Ｃ１を小さくすれば、蓄積電荷量Ｑ１が少なくても、電荷蓄積部ＦＤ１の両端電圧Ｖ１が高くなり、画素ユニット２４からは、電荷量Ｑ１の情報として、大きな電圧信号を得ることができる。

即ち、電荷蓄積部ＦＤ１の静電容量Ｃ１を小さくすれば、画素ユニット２４からは、両端電圧Ｖ１に対応した大きな電圧信号がデータ出力部２５に入力されることになるので、Ｃ１＝Ｃ２とする場合と比較して、Ａ／Ｄ変換の分解能によるデータ出力部２５の出力値の誤差を抑えることができ、電荷蓄積部ＦＤ１にて蓄積された電荷量Ｑ１を精度よく検出することができる。

従って、電荷蓄積部ＦＤ１については、その静電容量Ｃ１を、電荷蓄積部ＦＤ２の静電容量Ｃ２よりも小さくして、光電センサ２１を設計すれば、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２の静電容量Ｃ１，Ｃ２を揃えるよりも、高精度に、前方物体５までの距離を計測することができるのである。静電容量Ｃ１は、例えば、静電容量Ｃ２の二分の一以下とすることができる。

また、上記実施例では、転送開始時点から時間Ｔ１が経過するまでの期間、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２に、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷が等しく分配されて転送されるようにしたが（Ｑ１：Ｑ２＝１：１）、上記実施例の距離画像データ生成装置１は、例えば、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷が等しく分配されない構成にされてもよい。このような構成は、例えば、電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のゲート電極の形状を変更することで実現することができる。

図７は、電荷転送トランジスタＴｒ１１のＷ／Ｌと、電荷転送トランジスタＴｒ１２のＷ／Ｌを異なる値に設定した場合のゲート電極周囲の態様を概略的に示した説明図である。図７に示すように、電荷伝送方向に沿うゲート電極の長さであるチャネル長さＬと、電荷伝送方向に直交するゲート電極の長さであるチャネル幅Ｗとの比Ｗ／Ｌを、電荷転送トランジスタＴｒ１１と電荷転送トランジスタＴｒ１２との間で異なる値に設定すれば、Ｑ１：Ｑ２を、１：１以外の比に変更することができる。

特に、電荷蓄積部ＦＤ１に対して設ける電荷転送トランジスタＴｒ１１のＷ／Ｌを、電荷蓄積部ＦＤ２に対して設ける電荷転送トランジスタＴｒ１２のＷ／Ｌよりも大きくすれば、初期転送期間において、電荷蓄積部ＦＤ１に分配される電荷量が多くなるので、静電容量Ｃ１を調整する場合と同様、電荷量Ｑ１の検出精度を高めることができる。

尚、このようにして、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２への電荷の分配比率を変更する場合には、遅延量δを、次式に従って求めるようにすればよい。

式（５）では、初期転送期間における電荷蓄積部ＦＤ１への電荷の分配比率がＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２）であり、電荷蓄積部ＦＤ２への電荷の分配比率がＰ２／（Ｐ１＋Ｐ２）であるものとして、遅延量δの算出式を表す。即ち、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷のＰ１／（Ｐ１＋Ｐ２）が電荷蓄積部ＦＤ１に分配され、光電変換素子ＰＤにて生成された電荷のＰ２／（Ｐ１＋Ｐ２）が電荷蓄積部ＦＤ２に分配されるものとして、遅延量δの算出式を表す。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明の光電変換部は、上記実施例における光電変換素子ＰＤに相当し、電荷蓄積部は、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２に相当し、切替部は、電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２毎に設けられた電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２に相当し、リセット部は、リセットトランジスタＴｒ２０に相当し、出力部は、出力トランジスタＴｒ３１，Ｔｒ３２に相当する。

また、発光制御手段は、制御部３０が実行するＳ１２０の処理にて実現され、第一受光制御手段は、Ｓ１１０，Ｓ１２５〜Ｓ１７０の処理にて実現され、第一電荷情報取得手段は、Ｓ１８０，Ｓ１９０の処理にて実現されている。

この他、第二受光制御手段は、Ｓ２００〜Ｓ２３０の処理にて実現され、第二電荷情報取得手段は、Ｓ２４０の処理にて実現され、距離算出手段は、演算部４０が実行する距離算出処理にて実現されている。

また、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施例における初期転送期間の終了時点は、パルス光の発射終了時点よりも手前（過去）の時点に設定されてもよい。

この他、距離画像データ生成装置１は、発光デバイス１０から、ライン状にパルス光を発射し、受光デバイス１０を構成する画素ユニット２４群の内、１ライン（行）分の画素ユニット２４にて、上記パルス光の反射波を受けることで、ライン毎に、各画素の電荷量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３を検出する（換言すれば電圧値Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３の検出動作を実行する）構成にされてもよい。

このように、ライン毎に電荷量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３の検出動作を行うように、距離画像データ生成装置１を構成する場合には、電荷量Ｑ２の検出時に用いる電荷蓄積部ＦＤ２とは別ラインの電荷蓄積部ＦＤ２を用いて、電荷量Ｑ３を検出するように、距離画像データ生成装置１を構成すると、電荷量Ｑ１，Ｑ２の検出動作と同時に、電荷量Ｑ３についての検出動作も実行することができて、便利である。

また、上記実施例では、光電センサ２１において、１画素につき、二つの電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２を設けるようにしたが、複数の画素ユニット間で、電荷蓄積部を共有するように光電センサ２１を構成し、各画素には、複数ではなく、単一の電荷蓄積部を設けるようにしてもよい。

［変形例］
図８は、変形例の光電センサ２１が内部に備える画素ユニット７０ａ，７０ｂの等価回路図である。変形例の光電センサ２１は、上記実施例と同様に、画素アレイ２３において、画素ユニットがＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成にされているが（図２（ａ）参照）、行数Ｍが偶数に設定されており、画素ユニット２４に代えて、奇数行に画素ユニット７０ａを備え、偶数行に画素ユニット７０ｂを備えた構成にされている。

以下には、変形例の光電センサ２１の詳細構成について説明するが、変形例の光電センサ２１は、画素ユニット７０ａ，７０ｂの構成が、上記実施例の画素ユニット２４と異なる他は、基本的に、上記実施例の光電センサ２１と同一構成にされている。従って、ここでは、変形例の光電センサ２１の説明として、画素ユニット７０ａ，７０ｂの構成を、選択的に説明し、その他の説明を適宜省略する。また、画素ユニット７０ａ，７０ｂは、合わせて１組の回路として構成されているので、ここでは、画素ユニット７０ａ，７０ｂの構成を、画素ペア７０の構成としてまとめて説明する。

変形例の光電センサ２１が備える画素ペア７０は、入射光に応じた電荷を生成する光電変換素子１１１，１１２と、電荷転送トランジスタ１２１，１２２，１３１，１３２と、リセットトランジスタ１４１，１４２と、増幅トランジスタ１６１，１６２と、出力トランジスタ１７１，１７２と、電荷蓄積部１８１，１８２と、を含んだ構成にされている。

光電変換素子１１１は、アノードが接地され、カソードが電荷転送トランジスタ１２１，１３１及びリセットトランジスタ１４１のソース電極に接続された構成にされている。電荷転送トランジスタ１２１のドレイン電極は、電荷蓄積部１８１及び増幅トランジスタ１６１のゲート電極に接続され、電荷蓄積部１８１は、接地されている。

また、電荷転送トランジスタ１３１のドレイン電極は、電荷蓄積部１８２に接続されており、リセットトランジスタ１４１のドレイン電極は、電源ＶＤＤに接続されている。
この他、増幅トランジスタ１６１は、ドレイン電極が、電源ＶＤＤに接続され、ソース電極が、出力トランジスタ１７１のドレイン電極に接続された構成にされ、出力トランジスタ１７１のソース電極は、データ出力部２５に信号線を介して接続されている。

同様に、光電変換素子１１２は、アノードが接地され、カソードが電荷転送トランジスタ１２２，１３２及びリセットトランジスタ１４２のソース電極に接続された構成にされている。電荷転送トランジスタ１３２のドレイン電極は、電荷蓄積部１８２及び増幅トランジスタ１６２のゲート電極に接続され、電荷蓄積部１８２は、接地されている。

また、電荷転送トランジスタ１２２のドレイン電極は、電荷蓄積部１８１に接続されており、リセットトランジスタ１４２のドレイン電極は、電源ＶＤＤに接続されている。
この他、増幅トランジスタ１６２は、ドレイン電極が、電源ＶＤＤに接続され、ソース電極が、出力トランジスタ１７２のドレイン電極に接続された構成にされ、出力トランジスタ１７２のソース電極は、データ出力部２５に信号線を介して接続されている。

このように構成された画素ペア７０は、制御部３０に制御され、画素ユニット７０ａを主として用いた奇数行の受光動作と、画素ユニット７０ｂを主として用いた偶数行の受光動作を交互に実行することにより、電荷蓄積部１８１，１８２を、画素ユニット７０ａと画素ユニット７０ｂとで共有して用いる。このようにして、変形例では、上述の実施例と同様の手法で、前方物体５までの距離を算出するのに必要な受光量の情報を取得する。

制御部３０は、例えば、画素ユニット７０ａを主として用いた上記受光動作を実現する場合、まず、画素ペア７０をリセットする。即ち、電荷転送トランジスタ１２１，１３１をオンした状態で、リセットトランジスタ１４１をオンすることで、光電変換素子１１１及び電荷蓄積部１８１，１８２を、電源ＶＤＤから延びる線路に接続して、光電変換素子１１１にて生成された電荷を排出し、光電変換素子１１１を初期状態にリセットすると共に、電荷蓄積部１８１，１８２を初期状態にリセットする。また、この際には、オン／オフ切替可能な他のトランジスタをオフに設定する。

そして、リセットトランジスタ１４１及び電荷転送トランジスタ１２１，１３１をオンにした状態で、発光デバイス１０からパルス光の発射を開始し、パルス光の発射開始から、所定時間Ｔｄ後、リセットトランジスタ１４１をオフに切り替えることで、光電変換素子１１１で生成された電荷の電荷蓄積部１８１，１８２への転送を開始し、電荷蓄積部１８１，１８２に、光電変換素子１１１で生成された電荷を蓄積させる。

また、この転送開始時点から所定時間Ｔ１後、電荷転送トランジスタ１２１をオフに切り替え、電荷蓄積部１８１への電荷転送を止めて、電荷蓄積部１８２への電荷転送のみを継続する。そして、転送開始時点から所定時間Ｔ２後、電荷転送トランジスタ１３１をオフに切り替える。

その後、出力トランジスタ１７１，１７２をオンに切り替えて、電荷蓄積部１８１，１８２にて蓄積された電荷に対応する電圧信号を、データ出力部２５に入力し、データ出力部２５に、電荷蓄積部１８１，１８２にて蓄積された電荷に対応する電圧値Ｖ１，Ｖ２の情報をディジタルデータとして、演算部４０に出力させる。

また、この後には、電荷転送トランジスタ１２１，１３１及びリセットトランジスタ１４１をオンして、光電変換素子１１１及び電荷蓄積部１８１，１８２をリセットした後、電荷転送トランジスタ１２１をオフに切り替える。更に、この後に、リセットトランジスタ１４１をオフに切り替えて、光電変換素子１１１にて生成された電荷の電荷蓄積部１８２への転送を開始し、電荷蓄積部１８２に、背景光の入射により光電変換素子１１１にて生成された電荷を、蓄積させる。

そして、所定時間Ｔ３の経過後に、電荷転送トランジスタ１３１をオフに設定する。また、この後には、出力トランジスタ１７２をオンに切り替え、電荷蓄積部１８２で蓄積された電荷に対応する電圧信号を、データ出力部２５に入力し、データ出力部２５に、電荷蓄積部１８２で蓄積された電荷に対応する電圧値Ｖ３の情報をディジタルデータとして、演算部４０に入力させる。このようにして、画素ユニット７０ａを主として用いた上記受光動作を実現する。

また、画素ユニット７０ｂを主とした用いた偶数行の受光動作を実現するに当っては、画素ユニット７０ａを主として用いた奇数行の受光動作を実現する場合の上記処理内容の説明において、「光電変換素子１１１」を「光電変換素子１１２」に読み替え、「リセットトランジスタ１４１」を「リセットトランジスタ１４２」に読み替え、「電荷転送トランジスタ１２１」を「電荷転送トランジスタ１２２」に読み替え、「電荷転送トランジスタ１３１」を「電荷転送トランジスタ１３２」に読み替えて、解釈される処理を、制御部３０により行って、当該受光動作を実現する。

この変形例のように、光電センサ２１を、複数の画素ユニット間で電荷蓄積部を共有する構成にすれば、画素ユニットを高密度に配置することができて、光電センサ２１の解像度を高めることができる。従って、変形例によれば、高解像度の距離画像データを生成することができる。

また、以上には、本発明を、距離画像データ生成装置１に適用した例を説明したが、本発明は、距離画像データ生成装置１以外の計測装置にも適用することができる。この他、上記実施例では、光電変換素子として、フォトダイオードを用いる例を説明したが、光電変換素子としては、フォトゲートを用いても良い。

距離画像データ生成装置１の構成を表すブロック図である。光電センサ２１の構成を表すブロック図（ａ）及び画素ユニット２４の等価回路図（ｂ）である。制御部３０が実行する計測制御処理を表すフローチャートである。リセット制御信号ＲＳＴ及び電荷転送制御信号ＴＧ１，ＴＧ２の入力パターンを、パルス光の発射態様及び反射波の受光態様と共に示したタイムチャートである。演算部４０が実行する距離算出処理を表すフローチャートである。電荷蓄積部ＦＤ１，ＦＤ２で蓄積される電荷と時間との対応関係を示したグラフである。電荷転送トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２のＷ／Ｌ比を異なる値に設定した場合のゲート電極の周囲の態様を、概略的に示した説明図である。変形例の光電センサ２１が内部に備える画素ユニット７０ａ，７０ｂの等価回路図である。

符号の説明

１…距離画像データ生成装置、５…前方物体、１０…発光デバイス、２０…受光デバイス、２１…光電センサ、２３…画素アレイ、２４，７０ａ，７０ｂ…画素ユニット、２５…データ出力部、３０…制御部、３１…発振器、４０…演算部、５０…インタフェース部、７０…画素ペア、ＰＤ，１１１，１１２…光電変換素子、Ｔｒ１１，Ｔｒ１２，１２１，１２２，１３１，１３２…電荷転送トランジスタ、Ｔｒ２０，１４１，１４２…リセットトランジスタ、Ｔｒ４１，Ｔｒ４２，１６１，１６２…増幅トランジスタ、Ｔｒ３１，Ｔｒ３２，１７１，１７２…出力トランジスタ、ＦＤ１，ＦＤ２，１８１，１８２…電荷蓄積部、ＲＧ１，ＲＧ２…読出制御信号、ＲＳＴ…リセット制御信号、ＴＧ１，ＴＧ２…電荷転送制御信号

Claims

パルス光を、発射する発光デバイスと、
前記発光デバイスの発射光が物体に反射して戻ってくる光を含む外部からの入射光を、受光する受光デバイスと、
前記受光デバイスの受光結果に基づき、前記物体までの距離を、算出する距離算出手段と、
を備える計測装置であって、
前記受光デバイスは、
前記入射光を、電荷に変換する光電変換部と、
前記光電変換部で生成された電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、
前記複数の電荷蓄積部の夫々に対して設けられ、対応する前記電荷蓄積部と前記光電変換部との電気的接続を、オン／オフする切替部と、
前記各電荷蓄積部を、初期状態にリセットするリセット部と、
前記各電荷蓄積部に蓄積された電荷量を表す電荷情報を、出力する出力部と、
を備え、外部からの制御信号に従って、前記各電荷蓄積部をリセットし、更には、前記各電荷蓄積部と前記光電変換部との電気的接続をオン／オフして、前記光電変換部で生成された電荷を、前記光電変換部に電気的に接続された電荷蓄積部に分配し、更には、前記各電荷蓄積部の電荷情報を出力する構成にされ、
当該計測装置は、更に、
前記発光デバイスを作動させて、前記発光デバイスに、前記パルス光を発射させる発光制御手段と、
前記受光デバイスを制御して、前記受光デバイスに、前記パルス光の反射波先端が前記受光デバイスに到達する時点から前記発光デバイスが前記パルス光の発射動作を終える時点までの期間内で予め定められた第一の期間、前記複数の電荷蓄積部の内、予め定められた第一の電荷蓄積部と前記光電変換部との電気的接続をオンさせ、前記第一の期間の終了時点で、前記第一の電荷蓄積部と前記光電変換部との電気的接続をオフさせると共に、前記第一の期間と起点を同一とする期間であって当該起点から前記反射波後端が前記受光デバイスに到達する時点若しくはそれより後の時点までの予め定められた第二の期間、前記複数の電荷蓄積部の内、予め定められた前記第一の電荷蓄積部とは異なる第二の電荷蓄積部と前記光電変換部との電気的接続をオンさせ、前記第二の期間の終了時点で、前記第二の電荷蓄積部と前記光電変換部との電気的接続をオフさせて、前記第一の期間に前記光電変換部が生成した電荷を、前記第一及び第二の電荷蓄積部に蓄積させ、前記第一の期間を除く前記第二の期間に前記光電変換部が生成した電荷を、前記第二の電荷蓄積部に蓄積させ、更には、前記第一及び第二の期間の起点到来前に、前記第一及び第二の電荷蓄積部をリセットさせる第一受光制御手段と、
前記受光デバイスから、前記電荷情報として、前記第一の電荷蓄積部が前記第一の期間に蓄積した電荷量を表す情報、及び、前記第二の電荷蓄積部が前記第二の期間に蓄積した電荷量を表す情報を取得する第一電荷情報取得手段と、
前記受光デバイスを制御して、前記受光デバイスに、前記パルス光の反射波が前記受光デバイスで受光されない期間内で予め定められた第三の期間、前記複数の電荷蓄積部の内、所定の電荷蓄積部と前記光電変換部との電気的接続をオンさせ、前記第三の期間の終了時点で、前記所定の電荷蓄積部と前記光電変換部との電気的接続をオフさせて、前記第三の期間に前記光電変換部が生成した電荷を、前記所定の電荷蓄積部に蓄積させると共に、前記第三の期間の起点到来前に、前記所定の電荷蓄積部をリセットさせる第二受光制御手段と、
前記受光デバイスから、前記電荷情報として、前記所定の電荷蓄積部が前記第三の期間に蓄積した電荷量を表す情報を取得する第二電荷情報取得手段と、
を備え、
前記距離算出手段は、前記第一及び第二電荷情報取得手段が取得した前記電荷情報に基づき、前記物体までの距離を算出する構成にされていること
を特徴とする計測装置。
前記受光デバイスは、前記リセット部として、前記第一及び第二の電荷蓄積部に共通するスイッチング素子を備え、
前記スイッチング素子は、オンされると、前記第一及び第二電荷蓄積部を、共通する電荷排出用の線路に接続して、前記第一及び第二の電荷蓄積部を初期状態にリセットすると共に、オフされると、前記第一及び第二電荷蓄積部を前記線路から遮断して、前記第一及び第二電荷蓄積部を、電荷蓄積可能な状態にし、
前記第一受光制御手段は、前記受光デバイスを制御して、前記第一及び第二の期間の起点到来前に、前記受光デバイスに、前記スイッチング素子をオンさせると共に、前記第一及び第二の電荷蓄積部と前記光電変換部との電気的接続をオンさせ、更に、前記第一及び第二の期間の起点到来時に、前記第一及び第二の電荷蓄積部と前記光電変換部との電気的接続をオンさせた状態で、前記スイッチング素子をオフさせることにより、前記第一及び第二の電荷蓄積部を用いた電荷蓄積を同時に開始させる構成にされていることを特徴とする請求項１記載の計測装置。
前記第一の期間の終了時点は、前記発射動作が終了する時点に設定されており、
前記距離算出手段は、前記第一の電荷蓄積部により第一の期間に蓄積された電荷量Ｑ１と、前記第二の電荷蓄積部により前記第二の期間に蓄積された電荷量Ｑ２と、前記所定の電荷蓄積部により前記第三の期間に蓄積された電荷量Ｑ３と、前記第一の期間の時間長さＴ１と、前記第二の期間の時間長さＴ２と、前記第三の期間の時間長さＴ３と、前記第一の期間における前記第一の電荷蓄積部への電荷の分配比率Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）及び前記第二の電荷蓄積部への電荷の分配比率Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）と、に基づき、次式

に従って、前記パルス光の発射動作が開始されてから、その反射波が前記受光デバイスにて受光されるまでの時間δを算出し、当該時間δに基づき、前記物体までの距離を算出する構成にされていること
を特徴とする請求項１又は請求項２記載の計測装置。
前記第一の電荷蓄積部及び前記第二の電荷蓄積部の夫々は、互いに静電容量が異なる構成にされていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の計測装置。
前記第一の電荷蓄積部は、前記第二の電荷蓄積部よりも、静電容量が小さいことを特徴とする請求項４記載の計測装置。
前記受光デバイスは、前記切替部として、対応する前記電荷蓄積部と前記光電変換部との電気的接続をオン／オフするＭＯＳ型トランジスタを備え、
前記第一の電荷蓄積部に対して設けられたＭＯＳ型トランジスタ及び前記第二の電荷蓄積部に対して設けられたＭＯＳ型トランジスタは、互いに、チャネル長Ｌとチャネル幅Ｗとの比Ｗ／Ｌが異なる構成にされていること
を特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の計測装置。
前記第一の電荷蓄積部に対して設けられたＭＯＳ型トランジスタは、前記第二の電荷蓄積部に対して設けられたＭＯＳ型トランジスタよりも、前記比Ｗ／Ｌが大きいことを特徴とする請求項６記載の計測装置。