JP5876289B2 - 距離測定装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、距離測定装置に関するものである。

光源からパルス光を放出させ、対象物からの反射光を距離センサで受けることにより、対象物から距離センサまでの距離を測定する飛行時間（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ−ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）法が知られている。

下記の特許文献１〜２にはＴＯＦ法に基づく距離測定装置が記載されている。特許文献１に記載された装置は、光源からパルス光を放出させ、一つのフレーム期間内の異なる長さのサブ期間のそれぞれにおいて距離センサのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の信号を当該距離センサから取得し、取得した複数の信号のうち最良の信号に基づいて距離を算出する。

特許文献２に記載された装置は、距離センサの実効ダイナミックレンジを広げるための構成を有している。具体的には、この装置は、光源からパルス光を放出させ、距離センサのフォトダイオードで発生した電荷をキャパシタに蓄積し、キャパシタに生じる電圧が飽和電圧に達するときに当該電圧をリセットし、リセットの回数とキャパシタに生じた最終の電圧とに基づいて、距離を算出する。

距離センサに入射する光には、光源から放出されたパルス光が対象物に反射することによって生じた信号光に加えて、背景光が含まれる。特許文献１及び２に記載された距離測定装置は、基本的には、距離センサからの信号に含まれる背景光成分等のノイズ成分の除去を考慮していない。

下記の特許文献３にはＴＯＦ法に基づく別の距離測定装置が記載されている。特許文献３に記載された装置は、第１のフレーム期間において光源からパルス光を照射して距離センサからの信号を取得し、第２のフレーム期間においては光源を非発光として距離センサからの信号を取得する。ここで、フレーム期間とは、センサの光感応領域に発生した電荷を蓄積する蓄積領域の電荷をリセットしてから、次に当該蓄積領域の電荷をリセットするまでの期間である。この装置は、第１のフレーム期間の信号から第２のフレーム期間の信号を差し引くことで、信号内のノイズ成分を除去している。当該装置は、このようにノイズ成分を除去した信号に基づいて距離を算出している。

米国特許７，３７９，１００号明細書 特表２００６−５２３０７４号公報 特開２００８−１２２２２３号公報

特許文献３に記載された装置では、フレーム期間ごとに異なる背景光等のノイズが生じると、距離の測定精度が劣化する。また、当該装置は、二つのフレーム期間を利用して距離を測定するので、フレームレートが低い。

したがって、当技術分野においては、フレームレートを低下させず、短い期間で変動するノイズが生じても高い精度で距離を算出することができる距離測定装置が求められている。

本発明の一側面は、飛行時間法により対象物に対する距離を求める距離測定装置に関するものである。この距離測定装置は、光源部、センサ部、及び、処理部を備えている。光源部は、変調光を放出する。センサ部は、入射光に応じて電荷を発生する光感応領域、光感応領域で発生した電荷を蓄積する第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域、光感応領域と第１の蓄積領域との間に設けられた第１の転送電極、光感応領域と第２の蓄積領域との間に設けられた第２の転送電極、第１の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第１のリセットスイッチ、並びに、第２の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第２のリセットスイッチを有する。処理部は、変調光の放出タイミング及びセンサ部を制御して、距離を算出する。

処理部は、フレーム期間、即ち、第１のリセットスイッチ及び第２のリセットスイッチを制御して第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域をリセット電位に接続してから第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域を次にリセット電位に接続するまでの期間内の（ａ１）複数の第１の電荷転送サイクルにおいて、一以上の放出期間に光源部に変調光を放出させ、（ａ２）一以上の放出期間に同期した一以上の第１の転送期間に第１の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第１の蓄積領域に蓄積させ、（ａ２）一以上の第１の転送期間と位相反転した一以上の第２の転送期間に第２の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第２の蓄積領域に蓄積させる。

処理部は、フレーム期間内の複数の第２の電荷転送サイクルであり一以上の第１の電荷転送サイクルと交互の該一以上の第２の電荷転送サイクルにおいて、（ｂ１）光源部に変調光を放出させず、（ｂ２）第３の転送期間に第１の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第１の蓄積領域に蓄積させ、（ｂ２）第３の転送期間と位相反転した第４の転送期間に第２の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第２の蓄積領域に蓄積させる。

処理部は、一以上の第１の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する一以上の第１の読出しサイクルにおいて、一以上の第１の電荷転送サイクルのそれぞれと次の前記第２の電荷転送サイクルの間の時点に第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた第１の読出し値及び当該時点に第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた第２の読出し値を、センサ部から取得する。

処理部は、一以上の第２の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する一以上の第２の読出しサイクルにおいて、一以上の第２の電荷転送サイクルのそれぞれと次の第１の電荷転送サイクルの間の時点に第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた別の第１の読出し値及び当該時点に第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた別の第２の読出し値を、センサ部から取得する。

処理部は、ｎ回目の前記第１の読出しサイクルの第１の読出し値の２倍の値からｎ回目及びｎ−１回目の第２の読出しサイクルの別の第１の読出し値を差し引いた値である第１の値、及び、ｎ回目の第１の読出しサイクルの第２の読出し値の２倍の値からｎ回目及びｎ−１回目の第２の読出しサイクルの別の第２の読出し値を差し引いた値である第２の値を算出して、Ｍ個の第１の値及びＭ個の第２の値を求める。ここで、ｎは複数の第１の読出しサイクル及び複数の第２の読出しサイクルの順番を示す。処理部は、Ｍ個の第１の値及びＭ個の第２の値に基づいて、距離を算出する。

この距離測定装置では、一つのフレーム期間内に光源部に変調光を放出させて第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域に電荷を振り分ける第１の電荷転送サイクル及び光源部に変調光を放出させずに第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域に電荷を振り分ける第２の電荷転送サイクルが交互に行われる。第１の電荷転送サイクルでは、変調光に対する対象物からの反射光を含む入射光に基づく電荷が増加分の電荷として蓄積領域に蓄積され、第２の電荷転送サイクルにおいては、背景光等のノイズに基づく電荷が増加分の電荷として蓄積される。そして、第１の電荷転送サイクル直後の蓄積電荷量に応じた読出し値の２倍の値から、当該第１の電荷転送サイクルの直前の第２の電荷転送サイクルの直後の蓄積電荷量に応じた別の読出し値、及び、当該第１の電荷転送サイクルの次の第２の電荷転送サイクルの直後の蓄積電荷量に応じた別の読出し値を差し引いた値を求めることにより、各第１の電荷転送サイクルでの電荷量の増加分に対応する値（即ち、第１の値及び第２の値）が得られる。この距離測定装置は、これら第１の値及び第２の値に基づいて距離を算出するので、フレームレートを低下させず、短い期間で変動する背景光等のノイズが生じても高い精度で距離を算出することができる。また、この距離測定装置のセンサ部は、電荷振り分けのための二つの蓄積領域以外に、ノイズに基づく電荷を取得するための追加の蓄積領域を必要としないので、センサ部の構成を複雑化することがなく、また、センサ部における実装面積を有効に利用することができる。

一実施形態においては、第１の電荷転送サイクルにおいて第１の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、第１の電荷転送サイクルにおいて第２の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、第２の電荷転送サイクルにおいて第１の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、及び、第２の電荷転送サイクルにおいて第２の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長は、実質的に同じ時間長であってもよい。

一実施形態においては、複数の第１の電荷転送サイクルの各々は、一回の第１の転送期間、及び、一回の第２の転送期間を含んでいてもよい。この実施形態によれば、第１の電荷転送サイクル及びこれに対応する第２の電荷転送サイクルの時間長を短くすることができる。その結果、より短い期間で変動するノイズが生じても高い精度で距離を算出することが可能となる。

一実施形態においては、処理部は、（ｃ１）複数の第２の読出しサイクルのうち、別の第１の読出し値及び別の第２の読出し値が所定の閾値を超えない最終の第２の読出しサイクルを特定し、（ｃ２）最終の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の第１の読出し値及び二以上の別の第１の読出し値に基づいてＭ個の第１の値を求め、当該最終の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の第２の読出し値及び二以上の別の第２の読出し値に基づいてＭ個の第２の値を求めてもよい。この実施形態によれば、所定の閾値を蓄積領域の飽和蓄積容量に対応する読出し値以上の値に設定することにより、飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の読出し値を利用して、距離を算出することが可能となる。その結果、より高い精度で距離を算出することが可能となる。

一実施形態においては、処理部は、（ｄ１）ｎ回目の第２の読出しサイクルの別の第１の読出し値と、ｎ回目の第２の読出しサイクルの別の第１の読出し値とｎ−１回目の第２の読出しサイクルの別の第１の読出し値との間の差分値との和、又は、ｎ回目の第２の読出しサイクルの別の第２の読出し値と、ｎ回目の第２の読出しサイクルの別の第２の読出し値とｎ−１回目の第２の読出しサイクルの別の第２の読出し値との間の差分値との和が、所定の閾値を超える場合に、ｎ＋１回目以降の第１の読出しサイクル及び第２の読出しサイクルを停止してもよく、（ｄ２）最終の読出しサイクルであるｎ回目の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の第１の読出し値及び一以上の別の第１の読出し値に基づいてＭ個の第１の値を求め、最終の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の第２の読出し値及び一以上の別の第２の読出し値に基づいてＭ個の第２の値を求めてもよい。この実施形態では、所定の閾値を蓄積領域の飽和蓄積容量に対応する読出し値以上の値に設定することにより、飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の読出し値を利用して、距離を算出することが可能となる。また、測定距離のダイナミックレンジが向上され得る。さらに、この実施形態によれば、上述した和が所定の閾値を超える場合に、読出し値のセンサ部からの取得を停止することができるので、距離の算出を早期に開始することが可能となる。

一実施形態においては、処理部は、（ｅ１）Ｍ個の第１の値を順に積算してＭ個の第１の積算値を算出し、Ｍ個の第２の値を順に積算してＭ個の第２の積算値を算出し、（ｅ２）第１の推定値をＭ個の第１の積算値に基づく近似式を用いて算出し、第２の推定値をＭ個の第２の積算値に基づく近似式を用いて算出し、（ｅ３）第１の推定値及び第２の推定値に基づいて、前記距離を算出してもよい。この実施形態によれば、第１の値及び第２の値の一部が変動しても、近似式に基づく第１の推定値及び第２の推定値では、変動を含む値の影響が低減される。故に、この距離測定装置によれば、距離の測定精度が更に向上され得る。

以上説明したように、本発明の一側面及び実施形態によれば、フレームレートを低下させず、短い期間で変動するノイズが生じても高い精度で距離を算出することができる距離測定装置が提供され得る。

図１は、一実施形態に係る距離測定装置を概略的に示す図である。 一実施形態に係るセンサの一例を概略的に示す図である。 一実施形態に係るセンサにおける一つの画素ユニットの一例を示す平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿って取った断面図である。 図３のＶ−Ｖ線に沿って取った断面図である。 一実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニットと当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。 一実施形態に係る処理部の制御及び演算を示すフローチャートである。 一実施形態に係る距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。 別の実施形態に係る処理部の制御及び演算を示すフローチャートである。 更に別の実施形態に係る距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。 更に別の実施形態のセンサの一例を概略的に示す図である。 更に別の実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニットと当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。

以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、一実施形態に係る距離測定装置を概略的に示す図である。図１に示す距離測定装置１０は、飛行時間法（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ−ｏｆ−ｆｌｉｇｔ）法により、対象物と当該距離測定装置１０との距離を求める装置である。距離測定装置１０は、光源部１２、センサ部１４、及び処理部１６を備えている。

光源部１２は、変調光を放出する。一実施形態においては、光源部１２は、レーザダイオード１２ａ及びドライバ回路１２ｂを有し得る。ドライバ回路１２ｂは、処理部１６からの駆動パルス信号に同期した変調電流を、レーザダイオード１２ａに供給する。レーザダイオード１２ａは、変調電流に応じて変調光を放出する。変調光は、例えば、一以上のパルス光を含み得る。

センサ部１４は、一実施形態においては、センサ１８、デジタル−アナログ変換部（ＤＡＣ）２０、及び、アナログ−デジタル変換部（ＡＤＣ）２２、を有し得る。ＤＡＣ ２０は、処理部１６の信号処理部１６ａからのデジタル信号をアナログ信号に変換して、当該アナログ信号をセンサ１８に供給する。ＡＤＣ ２２は、センサ１８からのアナログ信号をデジタル信号に変換して、当該デジタル信号を処理部１６に供給する。

処理部１６は、光源部１２の変調光の放出タイミング及びセンサ部１４を制御して、距離を算出する。一実施形態においては、処理部１６は、信号処理部１６ａ及びメモリ１６ｂを含み得る。信号処理部１６ａは、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）といった演算回路であり、メモリ１６ｂは、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）である。

図２は、一実施形態に係るセンサの一例を概略的に示す図である。センサ１８は、撮像領域ＩＲ、サンプルホールド回路群ＳＨＧ、スイッチ群ＳＷＧ、水平シフトレジスタ群ＨＳＧ、信号ラインＨ１及びＨ２、並びに、出力アンプＯＡＰ１及びＯＡＰ２を含んでいる。

一実施形態においては、図２に示すように、センサ１８は、一行の画像を取得するラインセンサとして構成されていてもよい。この実施形態においては、撮像領域ＩＲは、水平方向に配列された複数の画素ユニットＰ（ｊ）を含んでいる。ここで、ｊは、１〜Ｊの整数であり、Ｊは、２以上の整数であり、画素ユニットの個数を示している。

図３は、一実施形態に係るセンサにおける一つの画素ユニットの一例を示す平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿って取った断面図であり、図５は、図３のＶ−Ｖ線に沿って取った断面図である。画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）は、図３〜図５に示す同一の構造を有している。

図４及び図５に示すように、一実施形態においては、画素ユニットＰ（ｊ）は、半導体基板ＳＢを含んでいる。半導体基板ＳＢは、例えばシリコン基板である。半導体基板ＳＢは、第１の半導体領域ＳＲ１及び第２の半導体領域ＳＲ２を含んでいる。第１の半導体領域ＳＲ１は、半導体基板ＳＢの一方の主面ＳＢＦ１を提供するｐ型の半導体領域である。第２の半導体領域ＳＲ２は、第１の半導体領域ＳＲ１上に設けられたｐ−型の半導体領域である。第２の半導体領域ＳＲ２の不純物濃度は、第１の半導体領域ＳＲ１の不純物濃度以下である。半導体基板ＳＢは、ｐ型の半導体基板上に、ｐ−型の半導体領域をエピタキシャル成長法により堆積させることにより、形成され得る。

半導体基板ＳＢの他方の主面ＳＢＦ２上には、絶縁膜ＩＳＬが形成されている。絶縁膜ＩＳＬは、例えば、ＳｉＯ_２製である。絶縁膜ＩＳＬ上には、フォトゲート電極ＰＧが設けられている。フォトゲート電極ＰＧは、例えば、ポリシリコンによって構成される。図３に示すように、一実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、略矩形の平面形状を有し得る。画素ユニットＰ（ｊ）では、このフォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域が、入射光に感応して電荷を発生する光感応領域として機能する。

図４及び図５に示すように、絶縁膜ＩＳＬ上には、第１の転送電極ＴＸ１、第２の転送電極ＴＸ２、及び第３の転送電極ＴＸ３が設けられている。これら転送電極ＴＸ１〜ＴＸ３は、例えば、ポリシリコンによって構成される。図３〜図５に示すように、第１の転送電極ＴＸ１及び第２の転送電極ＴＸ２は、それらの間にフォトゲート電極ＰＧが存在するように、配置されている。

一実施形態では、図３に示すように、四つの第３の転送電極ＴＸ３が絶縁膜ＩＳＬ上に設けられている。二つの第３の転送電極ＴＸ３は、第１の転送電極ＴＸ１と第２の転送電極ＴＸ２が配列されている方向（以下、「Ｘ方向」という）に交差する方向（以下、「Ｙ方向」という）において、第１の転送電極ＴＸ１がそれらの間に介在するように、配置されている。また、別の二つの第３の転送電極ＴＸ３は、Ｙ方向において第２の転送電極ＴＸ２がそれらの間に介在するように、配置されている。

図４に示すように、第２の半導体領域ＳＲ２には、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２が形成されている。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、光感応領域から転送される電荷を蓄積する。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、それらの間に光感応領域が介在するように配置されている。一実施形態では、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、ｎ型の不純物が高濃度にドープされたｎ＋型の半導体領域である。絶縁膜ＩＳＬは、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２の上方において開口を画成している。これら開口内には、電極１３が設けられている。電極１３は、例えば、Ｔｉ／ＴｉＮ膜を介して設けられたタングステンから構成される。

Ｘ方向においては、第１の転送電極ＴＸ１は、第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間に存在しており、第２の転送電極ＴＸ２は、第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。第１の蓄積領域ｆｄ１に光感応領域から電荷を転送するときには、第１の転送電極ＴＸ１の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させる電圧ＶＴＸ１が第１の転送電極ＴＸ１に与えられる。この電圧ＶＴＸ１は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ ２０から与えられる。また、第２の蓄積領域ｆｄ２に光感応領域から電荷を転送するときには、第２の転送電極ＴＸ２の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させる電圧ＶＴＸ２が、第２の転送電極ＴＸ２に与えられる。この電圧ＶＴＸ２は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ ２０から与えられる。

また、図５に示すように、第２の半導体領域ＳＲ２には、ｎ＋型の半導体領域ＳＲ３が形成されている。一実施形態では、四つの半導体領域ＳＲ３が設けられている。一対の半導体領域ＳＲ３及び別の一対の半導体領域ＳＲ３は、それらの間に光感応領域が介在するように設けられている。これら半導体領域ＳＲ３の上方において、絶縁膜ＩＳＬは、開口を画成しており、これら開口内には、電極１３が設けられている。電極１３は、例えば、Ｔｉ／ＴｉＮ膜を介して設けられたタングステンから構成される。Ｘ方向において、一つの半導体領域ＳＲ３上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間には、対応の第３の転送電極ＴＸ３が介在している。半導体領域ＳＲ３には、第３の転送電極ＴＸ３に電圧ＶＴＸ３を与えて当該第３の転送電極ＴＸ３の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させることにより、光感応領域から電荷が転送される。この電圧ＶＴＸ３は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ ２０から与えられる。半導体領域ＳＲ３の電極１３は、所定の電位Ｖｄｄにも接続されている（図６参照）。この電位Ｖｄｄは、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ ２０によって設定される。電圧ＶＴＸ３を与えて該第３の転送電極ＴＸ３の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させると、光感応領域の電荷はリセットされる。

以下、図２と共に図６を参照する。図６は、一実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニット及び当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。図２及び図６に示すように、センサ１８のサンプルホールド回路群ＳＨＧは、Ｊ個の第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＪ個の第２のサンプルホールド回路ＳＨ２を含んでいる。各第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及び各第２のサンプルホールド回路ＳＨ２は、対応の画素ユニットＰ（ｊ）（画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）のうち対応の画素ユニット）に接続されている。即ち、サンプルホールド回路群ＳＨＧは、各々が一つの第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及び一つの第２のサンプルホールド回路を含むＪ個のサンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）を含んでいる。Ｊ個のサンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）はそれぞれ、画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）に対応付けられている。

画素ユニットＰ（ｊ）は、第１のリセットスイッチＲＳ１、第２のリセットスイッチＲＳ２、並びに、電荷−電圧変換回路Ａ１及びＡ２を更に含んでいる。第１のリセットスイッチＲＳ１は、リセット電位Ｖｒと第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３との間に設けられている。第２のリセットスイッチＲＳ２は、リセット電位Ｖｒと第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３との間に設けられている。リセット電位Ｖｒは、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ ２０によって設定される。

第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のリセットスイッチＲＳ２には、信号処理部１６ａからリセットパルス信号Ｓｒｅｓが与えられる。リセットパルス信号Ｓｒｅｓが第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のリセットスイッチＲＳ２に与えられると、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、リセット電位Ｖｒに接続される。これにより、第１の蓄積領域ｆｄ１の電荷及び第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷がリセットされる。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷がリセットされるタイミングから次ぎにリセットされるタイミングまでの間の期間は、フレーム期間Ｔｆ（図８参照）となる。

回路Ａ１の入力は、第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３に接続されており、回路Ａ１の出力は、サンプルホールド回路ＳＨ１のスイッチＳＷ１０に接続されている。回路Ａ１は、第１の蓄積領域ｆｄ１の電荷量を電圧に変換し、当該電圧をサンプルホールド回路ＳＨ１に提供する。回路Ａ２の入力は、第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３に接続されており、回路Ａ２の出力は、サンプルホールド回路ＳＨ２のスイッチＳＷ１２に接続されている。回路Ａ２は、第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷量を電圧に変換し、当該電圧をサンプルホールド回路ＳＨ２に提供する。

サンプルホールド回路ＳＨ１は、スイッチＳＷ１０及びキャパシタＣＰ１０を含んでいる。また、サンプルホールド回路ＳＨ２は、スイッチＳＷ１２及びキャパシタＣＰ１２を含んでいる。スイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２には、信号処理部１６ａからサンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐが与えられる。サンプリングパルス信号ＳｓａｍｐがスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与えられると、回路Ａ１の出力とキャパシタＣＰ１０とが接続され、回路Ａ２の出力とキャパシタＣＰ１２が接続される。これにより、回路Ａ１の出力電圧がキャパシタＣＰ１０の両端間に保持され、回路Ａ２の出力電圧がキャパシタＣＰ１２の両端間に保持される。

センサ１８のスイッチ群ＳＷＧは、Ｊ個のスイッチＳＷ１及びＪ個のスイッチＳＷ２を含んでいる。各スイッチＳＷ１及び各スイッチＳＷ２はそれぞれ、画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）のうち対応の画素ユニット用のサンプルホールド回路ＳＨ１のキャパシタＣＰ１０、及びサンプルホールド回路ＳＨ２のキャパシタＣＰ１２に、接続されている。即ち、スイッチ群ＳＷＧは、各々が一つのスイッチＳＷ１及び一つのスイッチＳＷ２を含むＪ個のスイッチ対ＳＷＰ（１）〜ＳＷＰ（Ｊ）を含んでいる。Ｊ個のスイッチ対ＳＷＰ（１）〜ＳＷＰ（Ｊ）はそれぞれ、サンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）に対応付けられている。

スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２には、読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄが与えられる。読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄは、水平シフトレジスタ群ＨＳＧから供給される。水平シフトレジスタ群ＨＳＧは、Ｊ個の水平シフトレジスタを有している。水平シフトレジスタは、例えば、フリップフロップを含み得る。これら水平シフトレジスタは、画素ユニットＰ（１）〜Ｐ（Ｊ）の配列方向に配列されている。水平シフトレジスタ群ＨＳＧ内の一端に設けられた水平シフトレジスタには、信号処理部１６ａからスタート信号が与えられる。また、全ての水平シフトレジスタには、信号処理部１６ａからクロック信号が与えられる。これらスタート信号及びクロック信号に応じて、Ｊ個の水平シフトレジスタはそれぞれ、読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄをスイッチ対ＳＷＰ（１）〜ＳＷＰ（Ｊ）に順次与える。
このように読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄが与えられることにより、サンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）〜ＳＨＰ（Ｊ）のサンプルホールド回路ＳＨ１及びサンプルホールド回路ＳＨ２が、信号ラインＨ１及び信号ラインＨ２に順次接続される。

より具体的には、読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられると、サンプルホールド回路ＳＨ１のキャパシタＣＰ１０及びサンプルホールド回路ＳＨ２のキャパシタＣＰ１２はそれぞれ、信号ラインＨ１及び信号ラインＨ２に接続される。これにより、サンプルホールド回路ＳＨ１に保持された電圧が信号ラインＨ１を介して出力アンプＯＡＰ１に入力される。また、サンプルホールド回路ＳＨ２に保持された電圧が信号ラインＨ２を介して出力アンプＯＡＰ２に入力される。出力アンプＯＡＰ１及び出力アンプＯＡＰ２はそれぞれ、入力された電圧を増幅して、増幅した電圧をＡＤＣ ２２に出力する。

ＡＤＣ２２は、入力された電圧信号を当該電圧信号の大きさに応じた値を有するデジタル値に変換する。ＡＤＣ２２によって出力されるデジタル値は、処理部１６のメモリ１６ｂに記憶される。本実施形態では、出力アンプＯＡＰ１からの電圧信号に基づくデジタル値は、後述する第１の読出し値として、メモリ１６ｂに記憶される。第１の読出し値は、第１の蓄積領域ｆｄ１の蓄積電荷量が多いほど小さい値となる。また、出力アンプＯＡＰ２からの電圧信号に基づくデジタル値は、後述する第２の読出し値として、メモリ１６ｂに記憶される。第２の読出し値は、第２の蓄積領域ｆｄ２の蓄積電荷量が多いほど小さい値となる。

以下、処理部１６の制御及び演算について説明する。図７は、一実施形態に係る処理部１６の制御及び演算を示すフローチャートである。また、図８は、一実施形態に係る距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。処理部１６は、各画素ユニットについて、図７及び図８を参照して以下に説明する制御及び演算を行う。

一実施形態においては、処理部１６の信号処理部１６ａは、まず、第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のＲＳ２にリセットパルス信号Ｓｒｅｓを与えて、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２をリセット電位Ｖｒに接続する。これにより、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積された電荷及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積された電荷がリセットされて、フレーム期間Ｔｆが開始される（ステップＳ１１）。このフレーム期間は、次に、第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のＲＳ２にリセットパルス信号Ｓｒｅｓが与えられるまで継続する。

次いで、処理部１６は、第１の値Ｑ１ｄｃ（０）及び第２の値Ｑ２ｄｃ（０）をセンサ部１４から取得して、当該第１の値Ｑ１ｄｃ（０）及び第２の値Ｑ２ｄｃ（０）を、初期値としてメモリ１６ｂに記憶する（ステップＳ１２）。

具体的に、信号処理部１６ａは、初回の第１の電荷転送サイクルＣｙ１の開始前に、サンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐを、スイッチＳＷ１０及びＳＷ１２に与える。これにより、初回の第１の電荷転送サイクルＣｙ１より前の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。

次いで、信号処理部１６ａは、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を与える。これにより、第１の値Ｑ１ｄｃ（０）及び第２の値Ｑ２ｄｃ（０）が取得される。第１の値Ｑ１ｄｃ（０）及び第２の値Ｑ２ｄｃ（０）は、リセットパルス信号Ｓｒｅｓの出力タイミングから最初のサンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐの出力タイミングまでの間に、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積された電荷量及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積された電荷量にそれぞれ対応している。したがって、第１の値Ｑ１ｄｃ（０）及び第２の値Ｑ２ｄｃ（０）は、光源部１２からの変調光が対象物から反射することにより発生する信号光成分を反映していない。

次いで、信号処理部１６ａは、ｎを１にセットして（ステップＳ１３）、１回目〜Ｎ回目の第１及び第２の電荷転送サイクル及び１回目〜Ｎ回目の第１及び第２の読出しサイクルを以下に説明するように試みる。ここで、「Ｎ」は、予め設定された最大のサイクルの順番を示している。

まず、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルＣｙ１において、光源部１２に駆動パルス信号ＳＬを与えて、光源部１２から変調光を放出させる（ステップＳ１４）。光源部１２からの変調光の放出期間の時間長は、Ｔ０である。なお、信号処理部１６ａは、駆動パルス信号ＳＬとして、期間Ｔ０内に複数のパルス信号を光源部１２に与えて、当該光源部１２に複数のパルス光を放出させてもよい。

信号処理部１６ａは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルＣｙ１の第１の転送期間Ｔ１内に第１の転送電極ＴＸ１にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ１が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。また、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルＣｙ１の第２の転送期間Ｔ２内に第２の転送電極ＴＸ２にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ２が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。

第１の転送期間Ｔ１は、駆動パルス信号ＳＬと同期している。即ち、駆動パルス信号ＳＬの立ち上がりタイミングと電圧信号ＶＴＸ１の立ち上がりのタイミングは略同期しており、駆動パルス信号ＳＬの持続時間Ｔ０と第１の転送期間Ｔ１は、略同一の時間長である。

また、第２の転送期間Ｔ２は、第１の転送期間Ｔ１と位相反転している。即ち、第２の転送期間Ｔ２の位相は、第１の転送期間Ｔ１の位相から１８０度遅れている。より具体的には、電圧信号ＶＴＸ１の立ち下がりタイミングと電圧信号ＶＴＸ２の立ち上がりタイミングは略同期しており、第１の転送期間Ｔ１と第２の転送期間Ｔ２は、略同一の時間長である。なお、本実施形態では、第１の電荷転送サイクルＣｙ１は、一つの第１の転送期間Ｔ１及び一つの第２の転送期間Ｔ２を含んでいる。

また、一実施形態においては、第１の電荷転送サイクルＣｙ１の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２の間、信号処理部１６ａは、第３の転送電極ＴＸ３にＬｏｗレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。第３の転送電極ＴＸ３には、第１の電荷転送サイクルＣｙ１内の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間に、Ｈｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられる。したがって、第１の電荷転送サイクルＣｙ１の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２においては、光感応領域への入射光に応じた電荷は半導体領域ＳＲ３に転送されないが、第１の電荷転送サイクルＣｙ１の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間では、光感応領域に発生した電荷は半導体領域ＳＲ３に転送されて、除去される。

次いで、信号処理部１６ａは、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積された電荷の量に対応する第１の読出し値Ｑ１ａｃ（ｎ）及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積された電荷の量に対応する第２の読出し値Ｑ２ａｃ（ｎ）をセンサ部１４から取得して、第１の読出し値Ｑ１ａｃ（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２ａｃ（ｎ）をメモリ１６ｂに記憶する（ステップＳ１５）。

具体的に、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルの終了時点とｎ回目の第２の電荷転送サイクルの開始時点との間の時点に、サンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与る。これにより、第１の電荷転送サイクルの終了時と次の第２の電荷転送サイクルの開始時との間の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。

次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第１の読出しサイクルにおいて、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を与える。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｑ１ａｃ（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２ａｃ（ｎ）をセンサ部１４から取得する。第１の読出し値Ｑ１ａｃ（ｎ）は、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルの終了時とｎ回目の第２の電荷転送サイクルの開始時との間の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に応じた値であり、第２の読出し値Ｑ２ａｃ（ｎ）は、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する値である。

次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルＣｙ２において、光源部１２の変調光の放出を停止させる（ステップＳ１６）。即ち、第２の電荷転送サイクルＣｙ２では、信号処理部１６ａは、光源部１２に駆動パルス信号を供給しない。

信号処理部１６ａは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルＣｙ２の第３の転送期間Ｔ３内に第１の転送電極ＴＸ１にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ１が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。また、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルＣｙ２の第４の転送期間Ｔ４内に第２の転送電極ＴＸ２にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ２が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。

第３の転送期間Ｔ３の位相と第４の転送期間Ｔ４の位相との関係は、第１の転送期間Ｔ１の位相と第２の転送期間Ｔ２の位相との関係と同一である。また、第１の転送期間Ｔ１、第２の転送期間Ｔ２、第３の転送期間Ｔ３、及び第４の転送期間Ｔ４は、略同一の時間長である。

また、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルＣｙ２においても、第３の転送期間Ｔ３及び第４の転送期間Ｔ４の間、信号処理部１６ａは、第３の転送電極ＴＸ３にＬｏｗレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。また、信号処理部１６ａは、第２の電荷転送サイクルＣｙ２内の第３の転送期間Ｔ１及び第４の転送期間Ｔ４以外の期間に、第３の転送電極ＴＸ３にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。

次いで、信号処理部１６ａは、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）をセンサ部１４から取得して、当該第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）をメモリ１６ｂに記憶する（ステップＳ１７）。

具体的に、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルの終了時とｎ＋１回目の第１の電荷転送サイクルの開始時との間に、サンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与える。これにより、第２の電荷転送サイクルの終了時と次の第１の電荷転送サイクルの開始時の間の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。

次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第２の読出しサイクルにおいて、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を与える。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）をセンサ部１４から取得する。第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）は、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルの終了時とｎ＋１回目の第１の電荷転送サイクルの開始時との間の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に応じた値であり、第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）は、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する値である。

次いで、信号処理部１６ａは、第１の値Ｑ１（ｎ）及び第２の値Ｑ２（ｎ）を算出する（ステップＳ１８）。具体的には、第１の値Ｑ１（ｎ）は、第１の読出し値Ｑ１ａｃ（ｎ）の２倍の値から第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ−１）及び第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）を差し引いた値として求められる。また、第２の値Ｑ２（ｎ）は、第２の読出し値Ｑ２ａｃ（ｎ）の２倍の値から第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ−１）及び第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）を差し引いた値として求められる。

次いで、信号処理部１６ａは、差分値ｋ１（ｎ）及び差分値ｋ２（ｎ）を算出する（ステップＳ１９）。差分値ｋ１（ｎ）は、ｎ回目の第２の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）とｎ−１回目の第２の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ−１）との差分を求めることにより、得られる。また、差分値ｋ２（ｎ）は、ｎ回目の第２の読出しサイクルの第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）とｎ−１回目の第２の読出しサイクルの第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ−１）との差分を求めることにより、得られる。なお、第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（０）としてはＱ１（０）が、第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（０）としてはＱ２（０）が、代用され得る。

次いで、信号処理部１６ａは、第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）及び第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）を求める（ステップＳ２０）。第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）は、第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）と差分値ｋ１（ｎ）との和を求めることにより、得られる。また、第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）は、第１の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）と差分値ｋ２（ｎ）との和を求めることにより、得られる。第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）は、ｎ＋１回目の第２の読み出しサイクルの第１の読出し値の予測値である。また、第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）は、ｎ＋１回目の第２の読み出しサイクルの第２の読出し値の予測値である。

次いで、信号処理部１６ａは、第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）及び第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）を所定の閾値Ｑｔｈと比較する（ステップＳ２１）。一実施形態においては、閾値Ｑｔｈは、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値以上、且つ、第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値以上の数値であるよう設定されている。第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈ以上であり、且つ、第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈ以上である場合には、ステップＳ２１の判定結果は「Ｎｏ」となり、信号処理部１６ａの処理はステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、ｎがＮ以上であるか否かがテストされる。ステップＳ２２においてｎがＮより小さい場合には、信号処理部１６ａは、ｎの値を１だけ増分し（ステップＳ２３）、ステップＳ１４からの処理を繰り返す。一方、ステップＳ２２においてｎがＮ以上である場合には、信号処理部１６ａの処理はステップＳ２４に進む。

また、ステップＳ２１の比較の結果、第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）又は第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈを超える、即ち、閾値よりも小さい場合には、信号処理部１６ａの処理はステップＳ２４に進む。したがって、処理部１６は、第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）又は第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈを超える場合には、ｎ＋１回目以降の第１の読出しサイクル及びｎ＋１回目以降の第２の読出しサイクルの読出し値の取得及び記憶を停止する。

閾値Ｑｔｈが、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値及び第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値のうち大きい方の読出し値と同値である場合には、処理部１６は、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の第１の読出し値を取得することができ、第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の第２の読出し値を取得することができる。その結果、測定距離のダイナミックレンジが向上され得る。また、距離の測定精度が向上され得る。さらに、信号処理部１６ａのステップＳ２４以後の演算を早期に開始することも可能である。

一実施形態においては、閾値Ｑｔｈは、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値及び第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値のうち大きい方の読出し値よりも大きな値に設定されていてもよい。この実施形態によれば、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２それぞれの蓄積電荷量と入射光量との関係の線形性が優れた範囲で、センサ部１４を利用することができる。したがって、距離の測定精度がより向上され得る。

次に、信号処理部１６ａは、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを求める（ステップＳ２４）。第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、Ｍ個の第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）に基づいて算出される。具体的には、式（１）に示すように、Ｍ個の第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）を積算した値に値Ｑ１ｄｃ（０）を加算することにより、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔが算出される。

また、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは、Ｍ個の第２の値Ｑ２（１，．．．，Ｍ）に基づいて算出される。具体的には、式（２）に示すように、Ｍ個の第２の値Ｑ２（１，．．．，Ｍ）を積算した値に値Ｑ２ｄｃ（０）を加算することにより、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔが算出される。

ここで、「ｎ」が「Ｎ」である場合、即ち、予め定めた最大数Ｎまで、第１の読出しサイクル及び第２の読出しサイクルが行われている場合には、「Ｍ」は、「Ｎ」となる。一方、予め定めた最大数Ｎまで、第１の読出しサイクル及び第２の読出しサイクルが行われていない場合には、「Ｍ」は最終の第１の読出しサイクル及び第２の読出しサイクルの順番を示す数値となる。

次いで、信号処理部１６ａは、距離を算出する（ステップＳ２５）。具体的には、信号処理部１６ａは、下記の式（３）の演算により、距離Ｌを算出する。

ここで、ｃは光速であり、αは同量の入射光が第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２に光感応領域に入射したときの第１の読出し値と第２の読出し値の比である。

一実施形態においては、信号処理部１６ａは、各画素について算出した距離に応じた濃淡値を有する１行の距離画像を出力する。また、一実施形態においては、信号処理部１６ａはフレーム期間ごとに距離画像を更新するよう、図７及び図８を用いて説明した制御及び演算を繰り返してもよい。

ここで、Ｑ１ａｃ（ｎ）、Ｑ１ｄｃ（ｎ）、Ｑ２ａｃ（ｎ）、Ｑ２ｄｃ（ｎ）は、下記の式（４）により表わされる。

なお、ｑ１ａａは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルにおける第１の蓄積領域の電荷量の増加分のうち変調光に対する対象物からの反射光、即ち信号光に基づく電荷量の増加分に対応する値である。ｑ２ａａは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルにおける第２の蓄積領域の電荷量の増加分のうち信号光に基づく電荷量の増加分に対応する値である。ｑ１ａｄは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルにおける第１の蓄積領域の電荷量の増加分のうち信号光以外の要因に基づく電荷量の増加分に対応する値である。ｑ２ａｄは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルにおける第２の蓄積領域の電荷量の増加分のうち信号光以外の要因に基づく電荷量の増加分に対応する値である。ｑ１ｄｄは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルにおける第１の蓄積領域の電荷量の増加分に対応する値である。また、ｑ２ｄｄは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルにおける第２の蓄積領域の電荷量の増加分に対応する成分である。

したがって、第１の値Ｑ１（ｎ）及び第２の値Ｑ２（ｎ）は、下記の式（５）及び式（６）により表わされる。

よって、第１の値Ｑ１（ｎ）は、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルにおける第１の蓄積領域の電荷量の増加分のうち信号光に基づく電荷量の増加分を表している。また、第２の値Ｑ２（ｎ）は、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルにおける第２の蓄積領域の電荷量の増加分のうち信号光に基づく電荷量の増加分を表している。

ステップＳ１８、ステップＳ２４、及びステップＳ２５の演算を参照すれば明らかなように、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、第１の値Ｑ１に基づいて算出されており、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは第２の値Ｑ２に基づいて算出されている。したがって、式（３）の演算により算出される距離Ｌは、第１の値Ｑ１及び第２の値Ｑ２に基づいており、ノイズを除去した値に基づいて求められる。故に、距離測定装置１０は、フレームレートを低下させず、短い期間で変動する背景光等のノイズが生じても高い精度で距離を算出することができる。

また、上述した実施形態では、第１の読出しサイクルに含まれる第１の転送期間の回数及び第２の転送期間の回数はそれぞれ、一回である。したがって、各サイクルの時間長を短くすることができる。故に、この実施形態によれば、より短い期間で変動するノイズが生じても、高い精度で距離を算出することが可能となる。

一実施形態においては、信号処理部１６ａは、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを、以下に説明するように算出してもよい。即ち、信号処理部１６ａは、式（７）に示すように、第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）を順に積算して、Ｍ個の第１の積算値Ｑ１ｉｎｔ（１，...，Ｍ）を求め、第２の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）を順に積算して、Ｍ個の第２の積算値Ｑ２ｉｎｔ（１，...，Ｍ）を求める。

次いで、信号処理部１６ａは、Ｍ個の第１の積算値Ｑ１ｉｎｔ（１，...，Ｍ）に基づく近似式及びＭ個の第２の積算値Ｑ２ｉｎｔ（１，...，Ｍ）に基づく近似式を用いて、第１の積算値Ｑ１ｉｎｔの補正値及び第２の積算値Ｑ２ｉｎｔの補正値を算出する。そして、信号処理部１６ａは、第１の積算値Ｑ１ｉｎｔの補正値と値Ｑ１ｄｃ（０）との和を求めることにより、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔを算出する。同様に、信号処理部１６ａは、第２の積算値Ｑ２ｉｎｔの補正値と値Ｑ２（０）との和を求めることにより、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを算出する。一実施形態においては、第１の積算値Ｑ１ｉｎｔの補正値は、Ｍ個の第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）の全ての積算値の補正値であり、第２の積算値Ｑ２ｉｎｔの補正値は、Ｍ個の第２の値Ｑ２（１，．．．，Ｍ）の全ての積算値の補正値であり得る。なお、近似式は、最小自乗法に基づいて作成され得る。また、その他の公知の近似式の作成方法が用いられてもよい。

この実施形態では、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、近似式を用いて算出した第１の積算値Ｑ１ｉｎｔの補正値に基づいており、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは、近似式を用いて算出した第２の積算値Ｑ２ｉｎｔの補正値に基づいている。したがって、Ｍ個の第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）及びＭ個の第２の値Ｑ２（１，．．．，Ｍ）の一部が外乱等により変動しても、近似式に基づく第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔでは、変動を含む読出し値の影響が低減され得る。故に、距離の測定精度が更に向上され得る。

以下、別の実施形態について説明する。図９は、別の実施形態に係る処理部の制御及び演算を示すフローチャートである。距離測定装置１０の処理部１６は、図９に示す制御及び演算を行ってもよい。距離測定装置１０の処理部１６は、図９のフローチャートに示す制御及び演算においては、図７のステップＳ１８〜ステップＳ２１が行われない。即ち、予め定められたＮ回の第１及び第２の読出しサイクルまでステップＳ１４〜ステップＳ１７の処理が行われる。

次いで、処理部１６の信号処理部１６ａは、実行したＮ回の第１及び第２の読出しサイクルのうち最良のＭ回目の第１及び第２の読出しサイクルを特定する（ステップＳ２６）。一実施形態では、最良のＭ回目の読出しサイクルは、Ｎ回の読出しサイクルのうち、所定の閾値を超えない、即ち所定の閾値以上である第１の読出し値Ｑ１ｄｃ及び第２の読出し値Ｑ２ｄｃが取得された最大の読出しサイクルとして求められ得る。この所定の閾値は、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和電荷量に対応する読出し値、及び、第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和電荷量に対応する読出し値のうち大きい方の読出し値以上の値として設定され得る。

次いで、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを算出する（ステップＳ２７）。一実施形態においては、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、式（８）に示すように、ステップＳ１８及びステップＳ２４にて上述した第１の値Ｑ１（１，．．．Ｍ）の積算値と値Ｑ１ｄｃ（０）との加算により求められる。また、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは、第２の値Ｑ２（１，．．．Ｍ）の積算値と値Ｑ２ｄｃ（０）との加算により求められる。

別の実施形態においては、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、Ｍ個の第１の値Ｑ１（１，．．．Ｍ）を求め、式（７）に示すように第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）を順に積算して、Ｍ個の第１の積算値Ｑ１ｉｎｔ（１，...，Ｍ）を求め、Ｍ個の第１の積算値Ｑ１ｉｎｔ（１，...，Ｍ）に基づく近似式を用いて第１の積算値Ｑ１ｉｎｔの補正値を算出し、当該補正値とＱ１ｄｃ（０）との和を求めることにより、得られる。また、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは、Ｍ個の第２の値Ｑ２（１，．．．Ｍ）を求め、式（７）に示すように第２の値Ｑ２（１，．．．，Ｍ）を順に積算して、Ｍ個の第２の積算値Ｑ２ｉｎｔ（１，...，Ｍ）を求め、Ｍ個の第２の積算値Ｑ２ｉｎｔ（１，...，Ｍ）に基づく近似式を用いて第２の積算値Ｑ２ｉｎｔの補正値を算出し、当該補正値とＱ２ｄｃ（０）との和を求めることにより、得られる。

図９に示すフローチャートにおいては、信号処理部１６ａは、ステップＳ２７で得られた第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを用いて、式（３）に従い距離Ｌを算出する。このように、予め定められたＮ回の第１及び第２の読出しサイクルの後に、最良のサイクルＭを特定して、距離Ｌを算出してもよい。

次に、図１０を参照して、更に別の実施形態について説明する。図１０は、別の実施形態に係る距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。図１０のタイミングチャートに示すように、一実施形態においては、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１内に、光源部１２から変調光の複数回の放出期間が設けられている。即ち、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１における複数の放出期間において、駆動パルス信号が光源部１２に与えられる。

図１０においては、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１において、変調光の三回の放出期間が設けられている。各回の変調光の放出期間に同期して第１の転送期間Ｔ１が設けられており、第１の転送期間Ｔ１と位相反転した第２の転送期間Ｔ２が設けられている。したがって、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１には、３回の第１の転送期間Ｔ１及び３回の第２の転送期間Ｔ２が設けられている。また、各第２の電荷転送サイクルＣｙ２の第３の転送期間Ｔ３の時間長は、第１の転送期間Ｔ１の３倍の時間長に設定されており、各第２の電荷転送サイクルＣｙ２の第４の転送期間Ｔ４の時間長は、第２の転送期間Ｔ２の時間長の３倍の時間長に設定されている。

したがって、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１において第１の蓄積領域ｆｄ１に電荷を蓄積させる時間長、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１において第２の蓄積領域ｆｄ２に電荷を蓄積させる時間長、各第２の電荷転送サイクルＣｙ２において第１の蓄積領域ｆｄ１に電荷を蓄積させる時間長、及び、各第２の電荷転送サイクルＣｙ２において第２の蓄積領域ｆｄ２に電荷を蓄積させる時間長は、実質的に同じ時間長となる。このように、第各第１の電荷転送サイクルＣｙ１内に、複数回の変調光の放出期間、複数回の第１の転送期間Ｔ１、及び複数回の第２の転送期間Ｔ２が設けられていてもよい。

以下、図１１及び図１２を参照して更に別の実施形態について説明する。図１１は、更に別の実施形態に係るセンサの一例を示す図である。図１２は、更に別の実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニットと当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。距離測定装置１０は、センサ１８に代えて、図１１に示すセンサ１８Ａを有していてもよい。センサ１８Ａは、Ｉ×Ｊ個の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）を有する撮像領域ＩＲを有している。ここで、ｉは１〜Ｉの整数であり、ｊは１〜Ｊの整数であり、Ｉ及びＪは２以上の整数である。Ｉ×Ｊ個の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）は、Ｉ行Ｊ列に配列されている。撮像領域ＩＲには、画素ユニットの各列用の二つの垂直信号ラインＶ１（ｊ）及びＶ２（ｊ）が設けられている。

図１２に示すように、センサ１８Ａの画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の回路Ａ１の出力にはスイッチＳＷ２０が接続されており、当該スイッチＳＷ２０は対応の垂直信号ラインＶ１（ｊ）を介して対応のサンプルホールド回路ＳＨ１のスイッチＳＷ１０に接続されている。また、画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の回路Ａ２の出力にはスイッチＳＷ２２が接続されており、当該スイッチＳＷ２２は対応の垂直信号ラインＶ２（ｊ）を介して対応のサンプルホールド回路ＳＨ２のスイッチＳＷ１２に接続されている。

センサ１８Ａは、更に垂直シフトレジスタ群ＶＳＧを更に有している。垂直シフトレジスタ群ＶＳＧは、垂直方向に配列された複数の垂直シフトレジスタを含んでいる。各垂直シフトレジスタは例えばフリップフロップを含んでいる。配列方向において一端に設けられた垂直シフトレジスタには、信号処理部１６ａからスタート信号が与えられる。また、全ての垂直シフトレジスタには、信号処理部１６ａからクロック信号が与えられる。垂直シフトレジスタ群ＶＳＧは、スタート信号及びクロック信号を受けると、複数の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）のスイッチＳＷ２０及びスイッチＳＷ２２に、行選択信号を行順に順次与える。これにより、各列の複数の画素ユニット（ｉ，ｊ）の回路Ａ１及びＡ２の出力は、対応の垂直信号ラインＶ１（ｊ）及びＶ２（ｊ）に順次接続されて、複数の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の出力電圧が、対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に、行順に順次保持される。また、各行内の複数の画素ユニット（ｊ，ｉ）の出力電圧が対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に保持されると、サンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に保持された電圧は、水平シフトレジスタ群ＨＳＧから与えられる読み出しパルス信号により、信号ラインＨ１及びＨ２に列順に順次結合される。そして、図７又は図９で説明した演算を各画素ユニットについて行うことにより、信号処理部１６ａは二次元の距離画像を形成することができる。

なお、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、図１１に示した実施形態では、画素ユニットの列ごとに対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２が設けられているが、画素ユニットごとに対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２が設けられていてもよい。また、撮像領域ＩＲの画素ユニットの個数は、一つであってもよい。また、図７及び図９で説明したフローチャートにおける複数のステップの順序は、それら実施形態の目的と矛盾しない範囲で任意に変更可能である。

１０…距離測定装置、１２…光源部、１２ａ…レーザダイオード、１２ｂ…ドライバ回路、１４…センサ部、１６…処理部、１６ａ…信号処理部、１６ｂ…メモリ、１８…センサ、２０…ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換部）、２２…ＡＤＣ（アナログ−デジタル変換部）、ｆｄ１…第１の蓄積領域、ｆｄ２…第２の蓄積領域、ＴＸ１…第１の転送電極、ＴＸ２…第２の転送電極、Ａ１…電荷−電圧変換回路（第１の変換部）、Ａ２…電荷−電圧変換回路（第２の変換部）、ＳＨ１…第１のサンプルホールド回路、ＳＨ２…第２のサンプルホールド回路。

Claims (7)

1. 飛行時間法により対象物に対する距離を求める距離測定装置であって、
   変調光を放出する光源部と、
   入射光に応じて電荷を発生する光感応領域、前記光感応領域で発生した電荷を蓄積する第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域、前記光感応領域と前記第１の蓄積領域との間に設けられた第１の転送電極、前記光感応領域と前記第２の蓄積領域との間に設けられた第２の転送電極、前記第１の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第１のリセットスイッチ、並びに、前記第２の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第２のリセットスイッチを有するセンサ部と、
   前記変調光の放出タイミング及び前記センサ部を制御して、距離を算出する処理部と、
   を備え、
   前記処理部は、
   前記第１のリセットスイッチ及び前記第２のリセットスイッチを制御して前記第１の蓄積領域及び前記第２の蓄積領域を前記リセット電位に接続してから該第１の蓄積領域及び該第２の蓄積領域を次に前記リセット電位に接続するまでのフレーム期間内の複数の第１の電荷転送サイクルにおいて、一以上の放出期間に前記光源部に前記変調光を放出させ、前記一以上の放出期間に同期した一以上の第１の転送期間に前記第１の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第１の蓄積領域に蓄積させ、前記一以上の第１の転送期間と位相反転した一以上の第２の転送期間に前記第２の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第２の蓄積領域に蓄積させ、
   前記フレーム期間内の複数の第２の電荷転送サイクルであり前記複数の第１の電荷転送サイクルと交互の該複数の第２の電荷転送サイクルにおいて、前記光源部に前記変調光を放出させず、第３の転送期間に前記第１の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第１の蓄積領域に蓄積させ、前記第３の転送期間と位相反転した第４の転送期間に前記第２の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第２の蓄積領域に蓄積させ、
   前記複数の第１の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する複数の第１の読出しサイクルにおいて、該複数の第１の電荷転送サイクルのそれぞれと次の前記第２の電荷転送サイクルの間の時点に前記第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた第１の読出し値及び該時点に前記第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた第２の読出し値を、前記センサ部から取得し、
   前記複数の第２の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する複数の第２の読出しサイクルにおいて、該複数の第２の電荷転送サイクルのそれぞれと次の前記第１の電荷転送サイクルの間の時点に前記第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた別の第１の読出し値及び該時点に前記第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた別の第２の読出し値を、前記センサ部から取得し、
   ｎ回目の前記第１の読出しサイクルの前記第１の読出し値の２倍の値からｎ回目及びｎ−１回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第１の読出し値を差し引いた値である第１の値、及び、ｎ回目の前記第１の読出しサイクルの前記第２の読出し値の２倍の値からｎ回目及びｎ−１回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第２の読出し値を差し引いた値である第２の値を算出して、Ｍ個の第１の値及びＭ個の第２の値を求め、ここで、ｎは前記複数の第１の読出しサイクル及び前記複数の第２の読出しサイクルの順番を示し、
   前記Ｍ個の第１の値及び前記Ｍ個の第２の値に基づいて、距離を算出する、
   距離測定装置。
2. 前記第１の電荷転送サイクルにおいて前記第１の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、前記第１の電荷転送サイクルにおいて前記第２の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、前記第２の電荷転送サイクルにおいて前記第１の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、及び、前記第２の電荷転送サイクルにおいて前記第２の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長は、実質的に同じ時間長である、請求項１に記載の距離測定装置。
3. 前記複数の第１の電荷転送サイクルの各々は、一回の前記第１の転送期間、及び、一回の前記第２の転送期間を含む、請求項１又は２に記載の距離測定装置。
4. 前記処理部は、
   前記複数の第２の読出しサイクルのうち、前記別の第１の読出し値及び前記別の第２の読出し値が所定の閾値を超えない最終の第２の読出しサイクルを特定し、
   該最終の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の前記第１の読出し値及び二以上の前記別の第１の読出し値に基づいて前記Ｍ個の第１の値を求め、該最終の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の前記第２の読出し値及び二以上の前記別の第２の読出し値に基づいて前記Ｍ個の第２の値を求める、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の距離測定装置。
5. 前記処理部は、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第１の読出し値と、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第１の読出し値とｎ−１回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第１の読出し値との間の差分値との和、又は、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第２の読出し値と、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第２の読出し値とｎ−１回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第２の読出し値との間の差分値との和が、所定の閾値を超える場合に、ｎ＋１回目以降の前記第１の読出しサイクル及び前記第２の読出しサイクルを停止し、
   最終の読出しサイクルであるｎ回目の前記第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の前記第１の読出し値及び二以上の前記別の第１の読出し値に基づいて前記Ｍ個の第１の値を求め、該最終の読出しサイクルまでに得られた一以上の前記第２の読出し値及び二以上の前記別の第２の読出し値に基づいて前記Ｍ個の第２の値を求める、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の距離測定装置。
6. 前記処理部は、前記Ｍ個の第１の値の積算値及び前記Ｍ個の第２の値の積算値に基づいて、前記距離を算出する、請求項１〜５の何れか一項に記載の距離測定装置。
7. 前記処理部は、
   前記Ｍ個の第１の値を順に積算してＭ個の第１の積算値を算出し、前記Ｍ個の第２の値を順に積算してＭ個の第２の積算値を算出し、
   第１の推定値を前記Ｍ個の第１の積算値に基づく近似式を用いて算出し、第２の推定値を前記Ｍ個の第２の積算値に基づく近似式を用いて算出し、
   前記第１の推定値及び前記第２の推定値に基づいて、前記距離を算出する、
   請求項１〜５の何れか一項に記載の距離測定装置。

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