JP7105782B2 - イメージング・アレイ内のピクセルの露出値から背景光を差し引くための方法、及び、この方法における使用のためのピクセル - Google Patents

Description

本発明は、イメージング・システムの分野に関し、特に、イメージング・アレイ内のピクセルの露出値から背景光を差し引くための方法、及び、そのような方法における使用のためのピクセルに関する。本発明は、とりわけ、物体までの距離を決定するためのシステムにおいて、特に、シーン又はそのシーンの一部の特性評価に対して使用されるべき飛行時間ベースの検知システムに対して使用され得る。

遠隔検知技術の分野では、主として、自動車及び工業環境、ゲーミング用途、並びに地図作成用途等の、ただしこれらに制限されない、多くの制御及びナビゲーション用途で使用されるべき、周辺の高分解能地図を作製する使用法において、飛行時間ベースの検知を使用して、センサからの物体の距離を決定することが知られている。飛行時間ベースの技法は、ＲＦ変調源、レンジ・ゲーテッド・イメージャ（ｒａｎｇｅ ｇａｔｅｄ ｉｍａｇｅｒ）、及び直接飛行時間（ＤＴｏＦ：ｄｉｒｅｃｔ ｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｈｔ）イメージャの使用を含む。ＲＦ変調源及びレンジ・ゲーテッド・イメージャの使用に関しては、関心のあるシーン全体を、変調又はパルス化された源によって照射することが必要である。大部分のＬＩＤＡＲ等の直接飛行時間システムは、関心のある区域をパルス化されたビームによって機械的にスキャンし、そのビームの反射が、パルス検出器によって検知される。

放出されたＲＦ変調信号を、検出される反射された信号と相関させることを可能にするためには、放出された信号は、いくつかの制約を満たさなければならない。実際に、これらの制約は、ＲＦ変調システムを、車両システムにおける使用に対してきわめて非実用的にすることが判明している。検出の到達可能レンジは、従来の安全限界内であり、且つ、正規車両の電力予算内にある信号強度に対しては、非常に制限される。

大部分のＬＩＤＡＲシステムで使用されるような直接ＴＯＦ（ＤＴｏＦ：Ｄｉｒｅｃｔ ＴｏＦ）イメージャは、強力なパルス化されたレーザ（ナノ秒パルス体制で動作する）と、１Ｄ点測定から３Ｄ地図を獲得するための機械的スキャニング・システムと、パルス検出器とを備える。このタイプのシステムは、現在、カリフォルニア州モーガン・ヒルのＶｅｌｏｄｙｎｅ Ｌｉｄａｒを含むベンダから入手可能である。現況技術システムの実例としてのＶｅｌｏｄｙｎｅ ＨＤＬ－６４Ｅは、１秒あたり５から１５回転での、機械的に回転する構造での、６４個の高パワー・レーザと、６４個の検出器（アバランシェ・ダイオード）とを使用する。これらのＤＴｏＦ ＬＩＤＡＲシステムにより要される光学パワーは、半導体レーザによって得られるにはあまりにも高いものであり、それらの半導体レーザのパワーは、５から６桁のレンジで、より低い。加えて、スキャニング目的での機械的に回転する要素の使用は、このタイプのシステムの小型化、信頼性、及びコスト削減に対する見込みを制限する。

Ｔｒｉｌｕｍｉｎａの名義での米国特許出願公開第２０１５／００６３３８７号は、２０ｎｓのパルス幅を有するパルスで、５０ｍＷの総エネルギーを給送するＶＣＳＥＬを開示している。市販で入手可能なＯｐｔｅｋ ＯＰＶ３１０ ＶＣＳＥＬは、１０ｎｓの持続時間を有するパルスで、６０ｍＷの総エネルギーを給送し、それは、１００ｍＷの最大光学出力パワーを有すると、外挿により推定され得る。この値は、熱的問題に起因する不安定性を回避するために、最適なデューティ・サイクル及び短いパルス幅を意味する、非常に厳格な動作条件のもとで現実化されるのみである。Ｔｒｉｌｕｍｉｎａ開示及びＯｐｔｅｋシステムの両方は、連続波ＶＣＳＥＬシステムが、ＶＣＳＥＬ設計に本来的に結び付けられる熱的制約に起因して、光学ピーク・パワー出力に関して、それらのシステムの物理的限界に達しているということを例解している。これらのパルス・エネルギー・レベルで、及び、ＤＴｏＦ用途で現在使用されるようなｎｓパルスを使用すると、１２０ｍの距離での物体により有用に反射されることが予期され得る光子の純粋な数は低いので、そのことは、ＣＭＯＳ、又はＣＣＤ、又はＳＰＡＤアレイ等の従来の半導体センサの手段による検出を挫折させるものである。かくして、知られているＤＴｏＦシステムのレンジを拡張するために要されることになるような、ＶＣＳＥＬパワー出力を５又は６桁だけ増大することは、物理的に不可能である。

わずかな帰還する光子を捕捉するのに理論的には十分に高感度である、アバランシェ・ダイオード（ＡＤ又はＳＰＡＤ）の使用でさえ、知られているＬＩＤＡＲシステム・アーキテクチャでは有用に活用されないことがある。ＳＰＡＤのアレイのソリッド・ステート実装形態は、順次的に読み出されなければならない。高い数のＳＰＡＤが、所望される正確度を達成するために要される。ソリッド・ステート実装形態の順次的読み出し制約は、システムの帯域幅を制限し、その実装形態を、所望される正確度に対して不適当にする。Ｖｅｌｏｄｙｎｅシステムのもの（距離とは無関係に、０．０２ｍから０．０４ｍ）等の正確度に対して、要される読み出しデータ・レートは、今日のＩＣ実装形態の事例での実際的に達成可能な帯域幅を超える。１２０ｍでの動作に対して、ＩＣベースの実装形態では順次的に読み出されなければならない、５００×５００ピクセルのＳＰＡＤアレイが要される。前に述べられたＶｅｌｏｄｙｎｅシステムと同じ精密度に対して、それは、１ミリ秒あたり１０００パルス、及びゆえに、１秒あたり２５０ギガピクセルの読み出しレートに換算される、１ミリ秒あたり１０００フレームを要することになる。このことは、現時のＳＰＡＤ ＩＣ技術の背景状況では、技術的に実行不可能であると考えられる。

Ｎｅｉｌ Ｅ．Ｎｅｗｍａｎらによる論文、「Ｈｉｇｈ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ ＶＣＳＥＬｓ ｉｎ Ｓｈｏｒｔ Ｒａｎｇｅ ＬＩＤＡＲ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２０１３、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｕｒｐ．ｏｒｇ／２０１３／１２０１７ＥＸＲ．ｐｄｆは、ＶＣＳＥＬベースのＬＩＤＡＲ用途を説明している。論文は、説明されるプロトタイプ・システムの最大出力パワーは、０．７５ｍより大であるレンジでは、広視野ＬＩＤＡＲを行うのに充分に大ではなかったということを説述している。相対的に集束されたビーム（１ｍ距離での０．０２ｍスポット・サイズ）によって、著者らは、１ｍまでの距離での標的物体を測距することができた。

上記の実例は、現在の半導体レーザにより放出される光学パワーが、知られているＬＩＤＡＲシステムでの動作が（例えば、１２０ｍまでのレンジに対する）自動車用途で実際的に役に立つものとなるのに必要なパワー要件を満たすことができないということを明確に示す。

Ａｖａｇｏ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｇｅｎｅｒａｌ ＩＰ（Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ）Ｐｔｅ．Ｌｔｄ．の名義での米国特許第７，５４４，９４５号は、複数個のレーザを使用して、よりコンパクトでコスト効果の高いＬＩＤＡＲ機能性を提供する、車両ベースのＬＩＤＡＲシステム及び方法を開示している。レーザのアレイ内の各々のレーザは、逐次的に活動化され得るものであり、そのことによって、レーザのアレイに対して搭載される対応する光学要素が、実質的に異なる方向でのそれぞれの質問ビームを生み出す。これらのビームからの光は、車両の環境内の物体により反射され、物体に関する情報を車両運転者及び／又は乗客に提供するために検出される。その特許は、知られているＤＴｏＦ ＬＩＤＡＲシステムでの知られている機械的スキャニングを置換するために、個々のレーザが連続して活動化されるソリッド・ステート・プロジェクタを提供する。

飛行時間検出を使用しない、車両に対する高正確度中間レンジ周辺検知システムが、本出願人の名義での国際特許出願公開ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１から知られている。その公開では、物体の位置特定は、パルス化された放射スポットの投射、及び、所定の参照スポット位置を参照する、検出されたスポットの変位の分析に基づく。より詳しくは、引用される公開のシステムは、三角測量を使用する。しかしながら、達成され得る正確度は三角測量基線と相関し、そのことは、達成され得る更なる小型化を制限する。

米国特許出願公開第２０１２／００３８９０３Ａ１号は、シーンの照射を適応的に制御するための方法及びシステムを開示している。特に、シーンが照射され、シーンから反射される光が検出される。シーンの中の異なる区域に対応する、複数個のピクセル検出器の異なるピクセルにより受信される光強度のレベルに関しての情報、及び／又は、シーンの中の区域までのレンジに関しての情報が受信される。その情報は、次いで、シーンの中の照射のレベルを制御するためのフィードバック信号として使用される。より詳しくは、シーンの異なる区域は、フィードバック信号に応答して、異なるレベルの照射を付与され得る。

欧州特許出願公開第ＥＰ２３２２９５３Ａ１号は、距離分解能を低減することなく距離測定レンジを拡大する能力がある距離画像センサを開示している。放射源は、時間軸上に順に配置される第１から第５のフレームでの放射パルスとして物体に当てられる、第１から第５のパルス・トレインを付与する。フレームの各々では、イメージング時間は、各々のフレームの開始点からの所定の時間の点で規定され、また、パルスは、第１から第５のフレームの開始点から、互いとは異なるシフト量だけ、それぞれシフトされる。ピクセル・アレイは、５つのフレームの各々で、イメージング・ウィンドウＡ及びＢを使用して、互いとは異なる距離レンジでの物体の距離情報を各々が有する、要素画像信号を生成する。処理ユニットは、要素画像信号を組み合わせることにより画像信号を生成する。５つの飛行時間測定が使用されるので、放射パルスの幅は、広い距離レンジでの物体の距離情報を得るために増大される必要がなく、距離分解能は低減されない。

欧州特許出願公開第ＥＰ２２９０４０２Ａ１号は、レンジ画像センサを開示しており、そのセンサは、複数の２次元に配置されたユニットからなっているイメージング領域を伴う半導体基板上に設けられ、以て、ユニットからの電荷総量出力を基にしてレンジ画像を得る。ユニットのうちの１つは、電荷が入射光に応答して生成される電荷生成領域（転送電極の外側の領域）と、電荷生成領域から電荷を収集するために空間的に隔たって配置される少なくとも２つの半導体領域と、半導体領域の各々の辺縁に設置され、位相的に異なる電荷転送信号を与えられ、半導体領域を包囲する転送電極とを設けられる。

Ｓｈｏｊｉ Ｋａｗａｈｉｔｏらによる論説、「Ａ ＣＭＯＳ Ｔｉｍｅ－ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ Ｒａｎｇｅ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｉｔｈ Ｇａｔｅｓ－ｏｎ－Ｆｉｅｌｄ－Ｏｘｉｄｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、ＩＥＥＥ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｊｏｕｒｎａｌ、第７巻、第１２号、１５７８～１５８６頁は、フォト変換及び電荷転送のためにフィールド酸化物構造上の単層ゲートを使用する、あるタイプのＣＭＯＳ飛行時間（ＴＯＳ）レンジ画像センサを開示している。この構造は、標準的なＣＭＯＳプロセスでの、１５×１５μｍ^２ピクセルを伴う高密度ＴＯＦレンジ・イメージング・アレイの現実化を可能とする。高速電荷転送のために必要であるｎ型埋め込み層を創出するための追加的なプロセス・ステップのみが、製作プロセスに追加される。センサは、アクティブな照射光源からの後方反射される赤外光パルスにより誘導されるフォト電荷の時間遅延依存変調に基づいて動作する。背景光の影響を低減するために、小デューティ・サイクル光パルスが使用され、電荷排出構造がピクセルに含まれる。製作されたＴＯＦセンサ・チップは、測定すると、１００ｎｓのパルス幅での、１秒あたり３フレームでの０．７４ｃｍに対する改善である、１秒あたり３０フレームでの２．３５ｃｍのレンジ分解能である。

米国特許出願公開第２０１５／００６３３８７号 米国特許第７，５４４，９４５号 国際特許出願公開ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１ 米国特許出願公開第２０１２／００３８９０３Ａ１号 欧州特許出願公開第ＥＰ２３２２９５３Ａ１号 欧州特許出願公開第ＥＰ２２９０４０２Ａ１号 米国特許出願公開第２０１４／３５３４７２Ａ１号、段落６５～７３及び８８ 欧州特許出願第ＥＰ１５１９１２８８．８号

Ｎｅｉｌ Ｅ．Ｎｅｗｍａｎら、「Ｈｉｇｈ Ｐｅａｋ Ｐｏｗｅｒ ＶＣＳＥＬｓ ｉｎ Ｓｈｏｒｔ Ｒａｎｇｅ ＬＩＤＡＲ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｕｎｄｅｒｇｒａｄｕａｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ、２０１３、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｕｒｐ．ｏｒｇ／２０１３／１２０１７ＥＸＲ．ｐｄｆ Ｓｈｏｊｉ Ｋａｗａｈｉｔｏら、「Ａ ＣＭＯＳ Ｔｉｍｅ－ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ Ｒａｎｇｅ Ｉｍａｇｅ Ｓｅｎｓｏｒ Ｗｉｔｈ Ｇａｔｅｓ－ｏｎ－Ｆｉｅｌｄ－Ｏｘｉｄｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」、ＩＥＥＥ Ｓｅｎｓｏｒｓ Ｊｏｕｒｎａｌ、第７巻、第１２号、１５７８～１５８６頁

検知されることになるシーナリ（ｓｃｅｎｅｒｙ）上に放出される構造化光の検出に依拠するすべてのシステムは、周囲光の存在にもかかわらず、シーナリの照射される一部分を、照射されない一部分と区別するための手法を要する。ゆえに、露出値からの背景照射成分の信頼性の高い除去を可能とする方法及びピクセルを得ることの継続する必要性が存する。

本発明の一態様によれば、イメージング・アレイ内の第１のピクセルの露出値から背景光を差し引くための方法であって、前記第１のピクセルは、スポットの周期的にパルス化されたパターンにより照射されるシーナリから、スポットの反射を受け取り、前記周期的にパルス化されたパターンは、照射される位相と照射されない位相とを交互に、含み、本方法は、所定の量の時間の間、前記スポットを検出する間に、前記第１のピクセルで受け取られる、第１の総量の入射光に比例する電荷を、前記第１のピクセルに蓄積するステップと、前記スポットが非存在の場合に、前記所定の量の時間の間に受け取られる、第２の総量の入射光に比例する前記電荷を減少させるステップとを含む、方法が提供される。

本発明の利点は、背景照射が、有用な信号を検出する構成要素と事実上同一である構成要素によって検出されるということ、並びに、背景照射及び有用な信号の両方が、同じ量の時間にわたって積分されるということである。このようにして、信号の最適な対が、差し引きのために得られる。

本発明による方法の一実施例では、第２の総量の入射光は、照射されない位相で、前記所定の量の時間の間、前記第１のピクセルで受け取られる光を含む。

この実施例の利点は、背景照射が、（場合により、センサの移動に起因するわずかなシフトは別として）シーナリ内の単一の場所から発生する光を検出する、有用な信号を検出する構成要素とまさしく同じである構成要素によって検出され、そのことによって、照射される位相と、照射されない位相との間の比較が、まさにその場所での背景照射の差し引きをもたらすということである。

本発明による方法の別の実施例では、第２の総量の入射光は、ピクセル・アレイの第２のピクセルにおいて、蓄積する前記ステップの間に受け取られる光を含み、第２のピクセルは、前記スポットにより照射されないように、第１のピクセルから十分な距離にある。

この実施例の利点は、背景照射が、有用な信号と同じ時間に検出され、そのことによって、背景照射の差し引きは、経時的な背景照射のレベルの変化に敏感でないということである。

本発明の一態様によれば、上記で説明された方法における前記第１のピクセルとしての使用に適合されたピクセルが提供される。

一実施例では、ピクセルは、前記電荷を貯蔵するためのコンデンサを備え、前記コンデンサは、第１の側部と第２の側部とを有し、蓄積する前記ステップは、電荷を前記第１の側部に転送するステップを含み、減少させる前記ステップは、電荷を前記第２の側部に転送するステップを含む。

本発明によるピクセルのこの実施例の利点は、背景差し引きの発明的方法を、非常にコンパクトで信頼性の高い手法で、且つ、追加的なデジタル計算に依拠することなく実装するということである。

本発明の一態様によれば、上記で説明されたような複数のピクセルを備えるイメージング・アレイが提供される。

本発明の一態様によれば、物体までの距離を決定するためのシステムであって、パルスのシーケンスで物体に向けてレーザ光のスポットのパターンを投射するために配置されるソリッド・ステート光源と、上記で説明されたようなイメージング・アレイを備える検出器であって、パルスのシーケンスと同期して、物体により反射されるようなスポットのパターンを表す光を検出するために構成される、検出器と、検出される光に応答してピクセルにより生成される露出値の関数として、物体までの距離を算出するように構成される処理手段とを備え、ピクセルは、シーケンスの各パルスに対して、第１の所定の時間ウィンドウの間に物体により反射される光の第１の量を表す第１の量の電荷と、第２の所定の時間ウィンドウの間に物体により反射される光の第２の量を表す第２の電荷とを蓄積することにより、露出値を生成するように構成され、第２の所定の時間ウィンドウは、第１の所定の時間ウィンドウの後に生じる、システムが提供される。

本発明者らは、本発明の改善された背景差し引き方法が、コンパクトな半導体ベースの飛行時間ベースの測距システムによって、自動車用途の要求の厳しい電力／性能要件を達成することに貢献することができることを見出した。

ここで、添付の図面を参照して、本発明のこれら及び他の態様及び利点をより詳細に説明する。

本発明による方法の実施例のフロー・チャートである。 本発明によるピクセルの実施例を概略的に表す図である。 本発明による方法の実施例のフロー・チャートである。 本発明によるシステムの実施例を概略的に表す図である。 本発明の実施例における光投射及び検出についてのタイミング図である。 本発明の実施例における光投射及び検出についてのタイミング図である。 本発明の実施例における光投射及び検出についてのタイミング図である。

図１は、本発明による、イメージング・アレイ内の第１のピクセルの露出値から背景光を差し引くための方法の実施例のフロー・チャートを表す。第１のピクセルは、スポットの周期的にパルス化されたパターンにより照射されるシーナリから、スポットの反射を受け取り、周期的にパルス化されたパターンは、交互に、照射される位相と、照射されない位相とを含む。

方法は、所定の量の時間の間、スポットを検出する間に、第１のピクセルで受け取られる、第１の総量の入射光に比例する電荷を、第１のピクセルに蓄積するステップ１１０を含む。用語「蓄積する」は、本明細書では、蓄積の量の電荷を収集する能力がある電子回路の動作、及び、デジタル計算手段により遂行される数学的演算の両方を示すために使用される。

露出値から周囲光の影響を除去するために、方法は、同じ所定の量の時間の間、ただしスポットの非存在の場合に受け取られる、第２の総量の入射光に比例する蓄積された電荷を減少させるステップ１２０を更に含む。

第２の総量の入射光は、パルス化されたパターンの照射されない位相で、等しい量の時間の間、同じピクセルで光を受け取ることにより得られ得る。代替的に、第２の総量の入射光は、スポットの受け取ることと同時に、ただし、ピクセル・アレイの異なるピクセルで光を受け取ることにより得られ得る。この変形例は、投射されるパターンが明瞭なスポットからなるという事実に依拠し、第２のピクセルが、同じスポットにより照射されないように、第１のピクセルから十分の距離にあるということを要する。

図２は、本発明によるピクセルの実施例を概略的に表す。ピクセルは、上記で説明された方法での使用に適するものであり、イメージング・アレイの一部であり得る。

ピクセルは、電荷を貯蔵するためのコンデンサ１３０を備え、前記コンデンサは、第１の側部１３０ａと、第２の側部１３０ｂとを有する。蓄積するステップ１１０は、電荷を第１の側部１３０ａに転送するステップを含み、減少させるステップ１２０は、電荷を前記第２の側部１３０ｂに転送するステップを含む。引き続いて、キャパシティ１３０を跨いでの電圧が測定され、その電圧は、レーザ・スポットで誘導される電荷と背景電荷との間の差を表す。

光センシティブ要素の反対側での、第２のコンデンサ、及び、ウェルの第２の対（図２の右手側、「Ｂ信号」につながる）の存在についての理由は、レンジ・ゲーティング方法の、後に続く説明から明らかになることになる。

本発明者らは、本発明によるピクセル・アレイが、有利には、コンパクトな半導体ベースの飛行時間ベースのシステムによって、同じパワー／性能特性を達成することを目標とする、新規のタイプの測距システムで適用され得るということを見出した。よって、本発明の態様は、上記で説明されたピクセル・アレイを備える測距システムに関与するものである。

本発明のこの態様では、既存のＬＩＤＡＲベースのシステムの限界が、飛行時間ベースのシステムが動作する手法を変化させることにより克服される。各々の飛行時間測定に対する放出される光エネルギーの総合的な量（及びかくして、各々の飛行時間測定に対する検出器での検出に対して利用可能な光子の数）は、個々のパルスの持続時間を増大することにより、及び、大きい数の個々のパルスのシーケンスからなる仮想的な「複合パルス」を生み出すことにより増大され得る。拡張されるパルスのこのバンドリングは、本発明者らが、低パワーＶＣＳＥＬによって、所望される動作レンジに対する光エネルギー（光子）の要される量を得ることを可能とした。

以前からの既存のＬＩＤＡＲシステムの個々のパルスが１ｎｓの持続時間を有し得る場合、現在説明されているシステムは、ＶＣＳＥＬ等の半導体レーザの相対的に低いパワー・レベルに対して部分的に補償するための、実質的により長いパルス持続時間から利益を得るものであり、本発明の実施例では、シーケンスの中の個々のパルスは、１μｓの例示的な持続時間を有し得る（これは、説明を明確で簡単にしておくためにここで選定された、１つの可能な値であり、より一般的には、本発明の実施例では、パルス持続時間は、例えば５００ｎｓ以上、好ましくは７５０ｎｓ以上、最も好ましくは９００ｎｓ以上であり得る）。本発明による例示的なシステムでは、シーケンスは、１０００パルス・サイクルからなることがあり、かくして、合わせて１ｍｓの持続時間になる。光が、１００ｍの距離での標的に、及び、検出器に戻るように進行するために、近似的に０．６６μｓを必要とすることになるという事実を考え合わせると、この桁数の距離で測距するために、この持続時間の複合パルスを使用することは可能であり、当業者は、選択されるパルス幅、及び、所望されるレンジの関数で、パルス・サイクルの要される数を調整することができることになる。シーケンスの検出は、好ましくは、ＶＣＳＥＬベースの光源と同期して、個々のパルスを検出することと、読み出しより前に、シーケンス全体に対して、ピクセル・ウェル・レベルでの入来光子に応答して生成される電荷を蓄積することとを含む。用語「露出値」は、本明細書の以降で、シーケンスにわたって積分される電荷を（及びかくして、ピクセルで受け取られる光の量を）表すものである値を示すために使用される。シーケンス放出及び検出は、周期的に繰り返され得る。

本発明の測距システムは、レンジ・ゲーティングを使用することにより動作する。レンジ・ゲーテッド・イメージャは、パルスの持続時間の間、放出されるパルスの反射の検出されるパワーを積分する。パルス放出ウィンドウと、反射されるパルスの到着との間の時間的重なりの量は、光パルスの帰還時間に、及びかくして、パルスにより進行される距離に依存する。かくして、積分されるパワーは、パルスにより進行される距離と相関される。本発明は、本明細書の上記で説明されたパルスのシーケンスに適用されるような、レンジ・ゲーティングの原理を使用する。後に続く説明では、シーケンス全体の測定値を得るための、ピクチャ要素のレベルでのシーケンスの個々のパルスの積分が、暗黙的に理解される。

図３は、適用可能な測距方法のフロー・チャートを表す。一般性を失うことなく、測距方法は、レンジ・ゲーティング・アルゴリズムを参照して説明される。第１の時間ウィンドウ１０で、方法は、シーナリの標的にされた区域内の任意の物体上に、ソリッド・ステート光源２１０を備える光源からの、レーザ光のスポットのパターン（例えば、スポットの規則的又は不規則な空間的パターン）を投射するステップ１１０を含む。空間的パターンは、パルスのシーケンスで繰り返し投射される。

上記で示されたように、ソリッド・ステート光源は、ＶＣＳＥＬアレイ、又は、所望されるパターンを生み出すように適合された格子を伴うレーザを備え得る。長いレンジで、及び、（例えば、昼光での）高いレベルの周囲光を伴ってでさえ、システムが最適に動作するために、本発明の実施例での使用のためのＶＣＳＥＬは、好ましくは、区域の単位あたりのスポットあたりの最大光学パワーを放出するように配置される。かくして、良好なビーム品質（低いＭ２因子）を伴うレーザが好まれる。より好ましくは、レーザは最小限の波長広がりを有するべきであり、特に低い波長広がりが、モノモード・レーザによって達成され得る。かくして、実質的に同一のパルスが、必要な空間的及び時間的正確度を伴って、再現可能に生成され得る。

パルスが放出される同じ時間ウィンドウの間、又は、実質的に重なる時間ウィンドウで、関心の物体により反射されるようなスポットのパターンを表す光の第１の量が、好ましくは光源に可能な限り近く配置される検出器で検出される（１２０）。スポット・パターンの投射１１０と、その反射の第１の検出１２０との間の同期性、又は近い同期性が、これらのステップの横並びの配置によりフロー・チャートで例解される。後続の第２の所定の時間ウィンドウ２０で、反射される光スポットを表す光の第２の量が、検出器で検出される（１３０）。この第２のウィンドウ２０の間、ソリッド・ステート光源は非アクティブである。物体までの距離が、次いで、反射される光の第１の量、及び、反射される光の第２の量の関数として算出され得る（１４０）。

第１の所定の時間ウィンドウ１０、及び、第２の所定の時間ウィンドウ２０は、好ましくは、検出される量の一方を他方のものから差し引くことにより、ノイズ及び周囲光相殺を容易にするために、実質的に等しい持続時間の続け様のウィンドウである。例示的なタイミング・スキームを、図５との連関で、下記でより詳細に説明する。

検出器は、ピクチャ要素上に（照射されるスポットを含む）シーナリの画像を投射するように配置される妥当な光学機器を伴う、図１及び２に関連して説明されたような背景光差し引きを実行するように構成される、上記で説明されたようなピクセル・アレイを備える。

用語「ピクチャ要素」は、本明細書で使用される際は、ピクセルの個々の光センシティブ区域若しくはウェルを、又は、ピクセル全体（複数個のウェルを備え得る、下記を確認されたい）を指すことがある。あらゆる所与の投射されるスポットに対して、光の第１の量の検出すること１２０、及び、光の第２の量の検出すること１３０は、複数のピクチャ要素の同じ１つ、又は同じグループで生じる。

一般性を失うことなく、ピクチャ要素の各々は、少なくとも２つの電荷貯蔵ウェル２２１、２２２を備えるピクセルであり得るものであり、そのことによって、光の第１の量の検出すること１２０、及び、光の第２の量の検出すること１３０は、同じピクセル又はピクセル・グループのそれぞれの電荷貯蔵ウェル２２１、２２２で生じ得る。

図４は、関心のシーナリ内の物体９９との関係で、本発明によるシステムの実施例を概略的に表す。システム２００は、物体９９上への、周期的に繰り返されることがある、スポットのシーケンスのパターンを投射することのためのソリッド・ステート光源２１０を備える。検出器２２０が、光源の近くに配置され、物体により反射される光を検出するように構成される。

物体９９で跳ね返る光ビームは、破線での矢印として例解され、光源２１０から物体９９に、及び、検出器２２０に戻るように進行する。この表現は、厳密に言えば概略的であり、何らかの実際の相対的な距離又は角度を指し示すことを意図されないということが留意されるべきである。

従来のクロック回路又は発振器を含み得る同期手段２３０が、第１の所定の時間ウィンドウ１０の間、物体上にスポットのパターンを投射するようにソリッド・ステート光源２１０を動作させるように、及び、実質的に同じ時間に、物体９９により反射される光スポットを表す光の第１の量を検出するように検出器２２０を動作させるように構成される。その同期手段２３０は、それぞれの後続の第２の所定の時間ウィンドウ２０の間、物体９９により反射される光スポットを表す光の第２の量を検出するように検出器２２０を更に動作させる。適切な処理手段２４０が、反射される光の第１の量、及び、反射される光の第２の量の関数として、物体までの距離を算出するように構成される。

図５は、本発明の実施例における光投射及び検出についてのタイミング図を表す。明確性の理由で、第１の時間ウィンドウ１０と、第２の時間ウィンドウ２０とからなる、図３の、周期的に繰り返される、パルス・シーケンスの単一のパルスのみが例解される。

図５ａで確認され得るように、第１の時間ウィンドウ１０の間、ソリッド・ステート光源２１０は、その「オン」状態にあり、シーナリ上に光スポットのパターンを放出する。第２の時間ウィンドウ２０の間、ソリッド・ステート光源２１０は、その「オフ」状態にある。

検出器２２０での反射される光の到着は、進行される距離に比例する時間の量（自由空間で、近似的に３．３ｎｓ／ｍ）だけ、投射の開始に相対的に遅延される。この遅延に起因して、反射される光の一部のみが、第１の時間ウィンドウ１０の間活動化されるのみである、検出器２２０の第１のウェル２２１で検出されることになる。かくして、この第１のウェルに、そのウェルの活動化の期間（第１の時間ウィンドウ１０）の間に蓄積される電荷は、反射されるパルスの到着より前の、ノイズ、及び、ピクセルに突き当たる周囲光のみを表す部分と、ノイズ、周囲光、及び、反射されるパルスの立ち上がりエッジを表す部分とからなる。

反射されるパルスの後の方の部分は、好ましくは第１の時間ウィンドウ１０の直後に続く第２の時間ウィンドウ２０の間活動化されるのみである、検出器２２０の第２のウェル２２２で検出されることになる。かくして、この第２のウェルに、そのウェルの活動化の期間（第２の時間ウィンドウ２０）の間に蓄積される電荷は、ノイズ、周囲光、及び、反射されるパルスの立ち下がりエッジを表す部分と、反射されるパルスの到着の後の、ノイズ、及び、ピクセルに突き当たる周囲光のみを表す部分とからなる。

反射させる物体９９とシステム２００との間の距離が大であるほど、第１のウェル２２１で検出されることになるパルスの割合は小さく、第２のウェル２２２で検出されることになるパルスの割合は大きい。

反射されるパルスの立ち上がりエッジが、第１のウェル２２１の閉鎖の後（すなわち、第１の時間ウィンドウ１０の終了の後）に到着するならば、第２のウェル２２２で検出され得る反射されるパルスの割合は、増大する飛行時間遅延とともに再び減少することになる。

物体９９の変動する距離に対する、それぞれのウェル２２１、２２２の各々での、電荷の結果的に生じる量Ａ、Ｂが、図５ｂで示される。表現を簡単にするために、逆二乗則による、距離に関する光の減衰の効果は、線図では考慮に入れられていない。第１の時間ウィンドウ１０及び第２の時間ウィンドウ２０の組み合わされた持続時間までの飛行時間遅延に対しては、飛行時間遅延は、原理的にあいまいさなく、Ａ及びＢの値から導出され得るということは明確である。
－ 第１の時間ウィンドウ１０の持続時間までの飛行時間遅延に対しては、Ｂが物体９９の距離に比例する。絶対距離の決定に容易に行き着くために、正規化された値Ｂ／（Ｂ＋Ａ）が使用され得るものであり、そのことは、検出される物体の完璧でない反射性の、及び逆二乗則の、何らかの影響力を除去する。
－ 第１の時間ウィンドウ１０の持続時間を超える飛行時間遅延に対しては、Ａは、昼光及びノイズ寄与のみからなり（例解されない）、Ｃ－Ｂは、物体９９の距離に（逆二乗則に対して補正する後は）実質的に比例し、ただしＣはオフセット値である。

図５ａ及び５ｂは、時間ウィンドウ１０で放出される単一のパルスとの関係で、本発明の原理を例解するが、例解されるパルスは、上記で定義されたように、パルスのシーケンスの一部であるということが理解されるものとする。図５ｃは、そのようなシーケンスの例示的なタイミング特性を概略的に例解する。例解されるように、照射スキーム４０は、個々のパルス１０のシーケンス３０の繰り返される放出からなる。個々のパルス１０の幅は、最大限の動作レンジにより決定される。シーケンス全体は、例えば６０Ｈｚの周波数で繰り返され得る。

短い距離での物体による光の反射は、ピクセル飽和を引き起こす公算がより大きく、なぜならば、そのような反射の減衰は、（距離に関しての光減衰の逆二乗則に起因して）より遠距離の物体から発生する反射の減衰よりはるかに少ないことになるからである。自動車用途等の所定の用途は、相対的に長い距離までの正確なシステム動作を要するので、大きい光子スパンが、動作の最も近い距離と、動作の最も遠い距離との間でカバーされなければならない。これらの制約によって、短いレンジでのピクセル飽和は、特に第１のウェル（短いレンジで反射のバルクを受け取る）では非常に大変なリスクである。本発明者らは、所与の総合的なピクセル空間に対して、第１のウェルにより表される光子キャパシティが増大され、第２のウェルにより表される光子キャパシティが減少される、非対称ウェル配置を使用することにより、飽和問題が軽減され得るということを見出した。増大及び減少のバランスがとられるならば、ダイナミック・レンジの増大が、追加的なピクセル表面コストなしで得られ得る。

ブルーミングは、ピクセル内の電荷が、その特定のピクセルの飽和レベルを超えるときに起こる現象である。その結果として、電荷は、オーバーフローし始め、近接するピクセルでの妨害を引き起こす。このことは、近隣のピクセルでの不正確なデータを創出する。好ましくは、本発明によるシステムのピクセルは、過剰電荷が、関連性のあるウェルを飽和させ、近接するピクセルのウェルへとあふれ出す前に、その過剰電荷を抜き取るために、アンチ・ブルーミング電子部品を設けられる。特に、近隣のスポットからの情報が、背景光の消失のために使用されるとき、近隣のピクセルから独立的に（及び、汚染を伴わずに）得られる、背景光の正確な推定を有することは、大いに重要なものである。

本発明の実施例は、相関二重サンプリングを用いて、ウェルのキャパシティに関係付けられる熱ノイズ（「ｋＴＣノイズ」とも示される）に対してサンプルを補正することがある。この目的で、ピクセルの電子部品は、リセット電圧（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}）と信号電圧（Ｖ_{ｓｉｇｎａｌ}）との間の差動測定を、例えば、フレームの始まりでＶ_{ｒｅｓｅｔ}を測定し、フレームの終了でＶ_{ｓｉｇｎａｌ}を測定することにより遂行するように設計され得る。電子的（ピクセル内）実装形態に対する代替案として、相関二重サンプリングは、プロセッサで読み出し信号をデジタル的に差し引くこと（Ｖ_{ｓｉｇｎａｌ}－Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}）によっても実装され得る。

ピクセル構造内のフォトセンシティブ要素（特にダイオード）に達する光の量を増大するために、本発明の実施例は、裏面照射を使用することがあり、その事例では、ピクセル回路網は、フォトセンシティブ要素から読み取るために、フォトセンシティブ層の背後にあり、かくして、突き当たる光子により横切られなければならない層の数を低減する。

本発明による測距システムは、ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１による三角測量ベースのシステムと統合され得る。小型化が目標とされるならば、三角測量ベースのシステムは、そのプロジェクタとその検出器との間の相対的に小さい距離を最終的には有することになり、かくして、そのことによって、そのシステムは、低減された動作レンジを伴うままになる。しかしながら、その組み合わせがその利益を提示するのは、まさに短いレンジでのことであり、なぜならば、三角測量ベースのシステムは、飛行時間ベースのシステムが十分に正確に動作することができない距離をカバーすることができるからである。

測距プロセス全体は、経時的に、検出される１つ又は複数の物体までの距離を監視するように、反復して繰り返され得る。かくして、この方法の結果は、先進的な運転者支援システム、アクティブ・サスペンションを伴う車両、又は自律車両等の、検出される物体までの距離に関する情報を、連続性を基にして要するプロセスで使用され得る。

説明されるようなシステムのすべての要素が最適に動作するために、システムは、熱的に安定でなければならない。熱安定性は、中でも、光学要素の所望されない波長シフト（熱ドリフト）を回避するものであり、そうでなければ、それらの波長シフトは、光学チェーンの光学フィルタ及び他の要素の適正な機能することを損なうことになる。本発明によるシステムの実施例は、それらの実施例の設計により、又は、ＰＩＤ型コントローラによる温度制御ループの手段による能動的調節により、熱安定性を達成する。

ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１は、検出区間の間にピクセルに達する周囲光の量を最小化し、かくして、パターン化されたレーザ・スポットの検出の正確度を改善するための様々な技法を開示している。これらの技法は、ＬＩＤＡＲシステムの背景状況では開示されていなかったが、本発明の発明者らは、色々なそのような技法が、本発明の実施例と組み合わされるときに、優れた結果を生むということを見出した。このことは、特に、検出器での狭いバンドパス・フィルタの使用、及び、フィルタ上への反射される光のほとんど垂直な入射を確実にするための妥当な光学配置の使用について真である。これらの配置の、それらがＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１で現れる際の詳細は、ここに参照により組み込まれている。更なる特徴及び詳細が、本明細書の以降で提供される。

ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１から知られている様々な技法は、検出区間の間にピクセルに達する周囲光の量を最小化するために、本発明の実施例に適用され得るが、一定の量の周囲光は回避され得ない。マルチ・ピクセル・システムでは、ピクセルのいくつかのみが、反射されるスポットにより照射されることになり、一方で、他のものは、残留周囲光のみにより照射されることになる。ピクセルの後者グループの信号レベルは、関心のピクセルでの信号への周囲光の寄与を推定するために、及び、それに応じてその寄与を差し引くために使用され得る。追加的又は代替的に、背景光又は周囲光は、ピクセル・レベルで、検出される信号から差し引かれ得る。このことは、１つはレーザ・パルスの到着の間の、及び、１つはパルスの非存在の場合の、２つの露出を要する。

いくつかの実施例では、検出器は、高ダイナミック・レンジ検出器、すなわち、少なくとも９０ｄＢ、好ましくは少なくとも１２０ｄＢのダイナミック・レンジを有する検出器であり得る。高ダイナミック・レンジ・センサ、すなわち、飽和なしで光子の大きい量を獲得する能力があり、一方で、シーンの最も暗い部分での強度レベルの十分な判別を維持するセンサの存在は、そのようなセンサの使用の利点であり、そのことは、非常に長いレンジを有し、それにもかかわらず、飽和を経ることなく、短い距離での（反射される光が相対的に強い）検出物体の能力が変わらずにあるセンサを可能とするものである。本発明者らは、真の高ダイナミック・レンジ・センサの使用が、トーン・マッピングを適用されるセンサの使用より有利であるということを見出した。トーン・マッピングでは、センサ線形レンジが、より高い分解能に向けて圧縮される。文献では、対数圧縮又は多重線形圧縮等の、色々な圧縮方法が文書として記録されている（図４を確認されたい）。しかしながら、この非線形圧縮は、論理又は算術演算を、捕捉されるシーンに関して実行して、起伏情報を抽出する前に、信号の再線形化を必要とする。本発明による解決策は、それゆえに、計算所要量を増大することなく検出正確度を増大する。完全に線形の高ダイナミック・レンジ・センサを使用することは、いくつかの実施例の更なる利点である。所望されるダイナミック・レンジ特性を提供する能力がある、ピクセル・アーキテクチャ及び光学検出器は、米国特許出願公開第２０１４／３５３４７２Ａ１号、特に段落６５～７３及び８８で開示されており、その文献の内容は、当業者が本発明のこの態様を実践することを可能とする目的で、参照により組み込まれている。

本発明の実施例は、高ダイナミック・レンジ・ピクセルを使用する。このピクセルは、電荷リザーバの相当の大きさのフル・ウェル・キャパシティにより、又は、ピクセルあたりの電子ノイズを制限する設計により、又は、電荷転送でノイズを付加しないＣＣＤゲートの使用法により、又は、大きい検出量子効率（ＤＱＥ：ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）（例えば、前面照射に対しては５０％、又は、裏面薄化としても知られている裏面照射の事例では９０％のレンジでの）を伴う設計によって、又は、特別な設計により、又は、列挙された改善の任意の組み合わせにより得られ得る。更にまた、ダイナミック・レンジは、オーバーフロー・キャパシティをピクセルに、そのピクセルの前側での上重ねで追加することにより更に拡大され得る（この実装形態は、裏面薄化を要する）。好ましくは、ピクセル設計は、アンチ・ブルーミング機構を実装する。

本出願の出願日には公開されていなかった、本出願人の名義での欧州特許出願ＥＰ１５１９１２８８．８は、本開示と組み合わされ得る、物体までの距離を決定するためのシステム及び方法の更なる態様を説明している。

本発明の実施例では、例えば、アクティブ・サスペンション車両用途が考案される場合、スポット・パターンの投射は、有利には、下向きに、すなわち、道路に向けて方向設定される。

本発明によるシステムは、専用ハードウェア（例えば、ＡＳＩＣ）、構成可能ハードウェア（例えば、ＦＰＧＡ）、プログラマブル構成要素（例えば、適切なソフトウェアを伴うＤＳＰ又は汎用プロセッサ）、又は、これらの任意の組み合わせにおける、上記で説明された方法のステップの実装形態を含み得る。同じ構成要素は、他の機能も含み得る。本発明は、上記で説明された方法のステップを実装するコード手段を含むコンピュータ・プログラム製品にも関し、この製品は、光学、磁気、又はソリッド・ステート担体等のコンピュータ可読媒体上で提供され得る。

本発明は、上記で説明されたシステムを備える車両にも関する。

本発明の実施例は、有利には、制限なしに、自動車用途、工業用途、ゲーミング用途、及び同類のものを含む、多種多様の用途で使用され得るものであり、このことは、屋内及び屋外の両方で、短又は長レンジでのものである。いくつかの用途では、本発明の実施例による異なるセンサが、好ましくは全円（３６０°視界）にわたるパノラマのカバレッジを生み出すために、組み合わされる（例えば、デイジー・チェーン接続される）ことがある。

本発明による方法、ピクセル、及びピクセル・アレイは、周囲光が存在する場合に測定の品質を改善するために、ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１のシステム等の三角測量ベースのシステムにおいて、及び、既存のＬＩＤＡＲシステムにおいても使用され得ることが留意されるべきである。

本発明は、別々のシステム及び方法実施例を参照して、上記で説明されたが、これは、明確化する目的でのみ行われたものである。当業者は、システム又は方法に関連して説明された特徴が単体で、同じ技術的効果及び利点を伴って、方法又はシステムにそれぞれ適用されることも可能であることを認識するであろう。更に、本発明の範囲は、これらの実施例に制限されず、添付の特許請求の範囲により定義される。

Claims (3)

1. イメージング・アレイ内の第１のピクセルの露出値から背景光を差し引くための方法であって、前記第１のピクセルは、複数の別個のスポットの周期的にパルス化されたパターンにより照射されるシーナリから、あるスポットの反射を受け取り、前記周期的にパルス化されたパターンは、照射される位相と照射されない位相とを交互に含み、前記方法は、
   － 所定の量の時間の間、前記スポットを検出する間に、前記第１のピクセルで受け取られる、第１の総量の入射光に比例する電荷を、前記第１のピクセルに蓄積するステップ（１１０）と、
   － 前記スポットが非存在の場合に、前記所定の量の時間の間に受け取られる、第２の総量の入射光に比例する前記電荷を減少させるステップ（１２０）と
   を含み、
   前記第２の総量の入射光は、前記ピクセル・アレイの第２のピクセルにおいて、蓄積する前記ステップの間に受け取られる光を含み、前記第２のピクセルは、前記スポットにより照射されないように、前記第１のピクセルから十分な距離にある、方法。
2. 前記第１のピクセルは、前記電荷を貯蔵するためのコンデンサ（１３０）を備え、前記コンデンサ（１３０）は、第１の側部（１３０ａ）と第２の側部（１３０ｂ）とを有し、蓄積する前記ステップ（１１０）は、電荷を前記第１の側部（１３０ａ）に転送するステップを含み、減少させる前記ステップ（１２０）は、電荷を前記第２の側部（１３０ｂ）に転送するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 物体までの距離を決定するためのシステム（２００）であって、
   － パルスのシーケンスで前記物体に向けてレーザ光の複数の別個のスポットのパターンを投射するために配置されるソリッド・ステート光源（２１０）と、周期的にパルス化されたパターンは、照射される位相と照射されない位相とが交互に繰り返されており、
   － イメージング・アレイを備える検出器（２２０）であって、前記パルスのシーケンスと同期して、前記物体により反射されるような前記スポットのパターンを表す光を検出するために構成される、検出器（２２０）と、前記イメージング・アレイは、複数のピクセル（２２０）で構成されており、
   － 前記検出される光に応答して前記ピクセルにより生成される露出値の関数として、前記物体までの前記距離を算出するように構成される処理手段（２４０）と
   を備え、
   前記ピクセル（２２０）は、前記シーケンスの各パルスに対して、第１の所定の時間ウィンドウ（１０）の間に前記物体により反射される光の第１の量を表す第１の量の電荷と、第２の所定の時間ウィンドウ（２０）の間に前記物体により反射される光の第２の量を表す第２の電荷とを蓄積することにより、前記露出値を生成するように構成され、前記第２の所定の時間ウィンドウ（２０）は、前記第１の所定の時間ウィンドウ（１０）の後に生じ、
   前記複数のピクセル（２２０）が、
   － 所定の時間の間に前記スポットを検出している間に、前記複数のピクセル（２２０）の第１のピクセルで受け取られた第１の入射光量に比例して電荷を蓄積（１１０）するステップと、
   － 前記スポットが非存在の状態で前記所定の時間の間に受けた第２の入射光量に比例して前記電荷を減少させる（１２０）ステップと、
   により、前記露出値から背景光を減算するようにさらに構成されており、
   前記第２の入射光量は、前記蓄積するステップ中に、前記複数のピクセル（２２０）の第２のピクセルで受光された光量からなり、当該第２のピクセルは、前記スポットから照射されないように前記第１のピクセルから十分な距離にあるシステム（２００）。

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