JP7253556B2

JP7253556B2 - 物体までの距離を測定するためのシステムおよび方法

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Publication number: JP7253556B2
Application number: JP2020532609A
Authority: JP
Inventors: ゴーエンス，フィリップ; バン・ダイク，ディルク; パエセン，リク; バン・デン・ボッシュ，ヨハン
Original assignee: Xenomatix NV
Current assignee: Xenomatix NV
Priority date: 2017-12-15
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2023-04-06
Anticipated expiration: 2038-12-17
Also published as: WO2019115839A1; JP2021507218A; KR20200096828A; EP3625589A1; US20200124726A1; US10768301B2; CN111465871A; EP3625589B1

Description

発明の分野
本発明は、物体までの距離を測定するためのシステムの分野に関し、特に、車両の周囲等の光景またはその一部の特徴付けに用いられるアクティブ照明に基づいた飛行時間ベースの検知システムに関する。

背景
遠隔検知技術の分野、主に、多くの制御用途およびナビゲーション用途（限定はされないが、たとえば自動車環境および工業環境、ゲーム用途、および地図用途など）で用いられる高分解能の周辺地図の製作の用途において、飛行時間ベースの検知を用いて、センサからの物体の距離を測定することが知られている。飛行時間ベースの技術は、ＲＦ変調ソース、距離ゲート撮像装置、または直接飛行時間型（ＤＴｏＦ：direct time-of-flight）撮像装置の使用を含む。ＲＦ変調ソースおよび距離ゲート撮像装置を用いるためには、対象の光景全体を、変調ソースまたはパルスソースで照射することが必要である。たいていのＬＩＤＡＲなどの直接飛行時間型システムは、パルスビームで関心領域を機械的にスキャンし、その反射をパルス検出器で検知する。

放出されたＲＦ変調信号を検出された反射信号に相関させることを可能にするためには、放出された信号は多数の制約条件を満たさなければならない。実際にはこれらの制約条件により、ＲＦ変調システムは、車両用システムとして用いるには極めて非実用的であることがわかった。従来の安全性限界の範囲内かつ通常の車両のパワーバジェットの範囲内の信号強度の場合、達成可能な検出範囲が非常に限られる。

たいていのＬＩＤＡＲシステムに使用される直接飛行時間型（ＤＴｏＦ）撮像装置は、強力なパルスレーザ（ナノ秒パルス方式で動作する）と、１次元の点の測定から３次元のマップを得るための機械的スキャンシステムと、パルス検出器とを含む。このタイプのシステムは、ベロダイン・ライダー（Velodyne Lidar）（カリフォルニア、モーガンヒル）を含む供給業者から現在入手可能である。最新式システムの一例としてのベロダインのＨＤＬ－６４Ｅは、毎秒５回転～１５回転で機械的に回転する構造の６４個の高出力レーザおよび６４個の検出器（アバランシェダイオード）を使用する。これらのＤＴｏＦＬＩＤＡＲシステムが必要とする光パワーは非常に大きいため、パワーの範囲が５桁～６桁小さい半導体レーザでは得ることができない。さらに、スキャンするために機械的に回転する要素を使用することにより、このタイプのシステムの小型化、信頼性、およびコスト削減の可能性が制限される。

トリルミナ（Trilumina）名義の米国特許出願公開ＵＳ２０１５／００６３３８７には、パルス幅が２０ナノ秒であるパルスで合計５０ｍＷのエネルギを送出するＶＣＳＥＬが開示されている。市販されているＯｐｔｅｋＯＰＶ３１０ＶＣＳＥＬは、持続時間が１０ナノ秒であるパルスで合計６０ｍＷのエネルギを送出し、当該ＶＣＳＥＬは、外挿により、１００ｍＷの最大光出力パワーを有するものと推定され得る。この値は非常に厳格な動作条件、すなわち、熱的問題による不安定さを回避するような最適なデューティサイクルおよび短いパルス幅という条件の下でのみ実現されるものである。トリルミナの開示およびＯｐｔｅｋシステムがともに示しているのは、連続波ＶＣＳＥＬシステムが、本来的にＶＣＳＥＬ設計に関連した熱的制約に起因する、光学的ピークパワー出力についての物理的限界に達するということである。これらのパルスエネルギレベルで、ＤＴｏＦ用途で現在使用されるナノ秒パルスを用いると、１２０ｍ離れた物体によって有用に反射されることが見込まれ得る光子の純粋な数は非常に少ないため、ＣＭＯＳアレイ、またはＣＣＤアレイ、またはＳＰＡＤアレイなどの従来の半導体センサによる検出が無効になる。したがって、公知のＤＴｏＦシステムの範囲を広げるために必要になるであろう５桁分または６桁分のＶＣＳＥＬパワー出力の増大は物理的に不可能である。

いくつかの反射された光子を取込むのに理論上は十分な感度のアバランシェダイオード（ＡＤまたはＳＰＡＤ）を使用したとしても、公知のＬＩＤＡＲシステムアーキテクチャでは有益に機能させることができない。ＳＰＡＤアレイの固体の実現例は、順次読出さなければならない。所望の精度を達成するためには、多数のＳＰＡＤが必要とされる。固体の実現例は、順次読出しという制約によってシステムの帯域幅が制限されるため、所望の精度を得るには不適当である。ベロダインのシステムのような精度（距離にかかわらず０．０２ｍ～０．０４ｍ）を得るために必要な読出しデータレートは、今日のＩＣ実現例で実際的に達成可能な帯域幅を超えるものである。１２０ｍでの動作の場合、５００画素×５００画素のＳＰＡＤアレイが必要とされ、ＩＣベースの実現例では順次読出さなければならない。上述のベロダインのシステムと同じ精度を得るためには、１ミリ秒につき１０００パルス、したがって１ミリ秒につき１０００フレーム（毎秒２５０ギガピクセルの読出しレートに換算される）が必要であろう。これは、現在のＳＰＡＤＩＣ技術の文脈では技術的に実施不可能であると考えられる。

ニール・イー・ニューマン（Neil E. Newman）らによる論文「短距離ＬＩＤＡＲの使用における高ピークパワーのＶＣＳＥＬ（“High Peak Power VCSELs in Short Range LIDAR Applications”）」（Journal of Undergraduate Research in Physics,2013, http://www.jurp.org/2013/12017EXR.pdf）には、ＶＣＳＥＬベースのＬＩＤＡＲの使用について記載されている。広視野ＬＩＤＡＲを０．７５ｍよりも大きな範囲で行うには、記載されているプロトタイプシステムの最大出力パワーは不十分であったことが、上記論文に述べられている。著者らは、比較的集束したビーム（１ｍの距離で０．０２ｍのスポットサイズ）を用いた場合に、最大１ｍ離れた対象物体の距離を測定することができた。

公知のＬＩＤＡＲシステムの動作が自動車用途において実用に供されるために必要なパワー必要条件（たとえば、最大２００ｍの範囲）は、現在の半導体レーザによって放出された光パワーでは満たすことができないことを、上記の例は明らかに示している。

アバゴ・テクノロジーズ・ジェネラル・アイピー（シンガポール）プライベート・リミテッド（Avago Technologies General IP (Singapore) Pte. Ltd.）名義の米国特許第７，５４４，９４５号には、より小型であり、かつ費用効果の高いＬＩＤＡＲ機能を提供するための、複数のレーザを用いた車両ベースのＬＩＤＡＲシステムおよび方法が開示されている。レーザアレイにおける各レーザが順次アクティブにされることによって、レーザアレイに対応する搭載光学素子は、実質的に方向が異なるそれぞれの呼びかけビーム（interrogation beams）を生成することができる。これらのビームからの光が車両の周囲の物体によって反射され、検出されることによって、物体に関する情報が車両の運転者および／または乗客に提供される。当該特許は、公知のＤＴｏＦのＬＩＤＡＲシステムにおける公知の機械的スキャンの代わりに、個々のレーザを連続的にアクティブにする固体プロジェクタを提供する。

飛行時間型検出を使用しない、車両用の高精度の中距離周囲検知システムが、本願出願人名義の国際特許出願公開ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１から公知である。当該公報では、物体の位置測定は、パルス状照射線スポットを投射し、予め定められた基準スポット位置を参照して検出スポットの変位を分析することに基づいて行われる。より特定的には、当該引用公報のシステムは三角測量を用いる。しかしながら、達成可能な精度は三角測量のベースに相関するため、達成可能なさらなる小型化が制限される。

米国特許出願公開ＵＳ２０１２／００３８９０３Ａ１には、光景の照射を順応的に制御するための方法およびシステムが開示されている。特定的には、光景が照射され、光景から反射された光が検出される。光景における異なるエリアに対応するマルチ画素検出器の異なる画素によって受信された光強度のレベルに関する情報、および／または、光景におけるエリアまでの距離に関する情報が受信される。当該情報は、光景における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用いられる。より特定的には、光景の異なるエリアには、フィードバック信号に応答して異なる照射レベルが与えられる。ＵＳ２０１２／００３８９０３Ａ１は、第１の予め定められた時間ウィンドウの期間中に物体が反射する第１の光量を表す第１の電荷量と、第１の予め定められた時間ウィンドウ後に起こる第２の予め定められた時間ウィンドウの期間中に当該物体が反射する第２の光量を表す第２の電荷とを蓄積することによって露出値を生成するように画像素子を構成することを、開示していない。

欧州特許出願公開ＥＰ２３２２９５３Ａ１には、距離分解能を低下させることなく、距離測定範囲を拡大させることが可能な距離画像センサが開示されている。照射源が、時間軸上に順番に配置された第１～第５のフレームの照射パルスとして、物体に照射される第１～第５のパルス列を提供する。各フレームにおいて、撮像時間が、各フレームの開始点から予め定められた時間の点で規定されている。また、パルスは、第１のから第５のフレームの開始点から、それぞれ互いに異なるずれ量だけずれている。画素アレイは、５つのフレームの各々における撮像ウィンドウＡおよびＢを用いて、各々が互いに異なる距離範囲内の物体の距離情報を有する要素画像信号を生成する。処理ユニットは、要素画像信号を組合わせることによって画像信号を生成する。５つの飛行時間型測定が用いられるので、広い距離範囲にある物体の距離情報を得るために照射パルスの幅を増大させる必要がなく、距離分解能が低下しない。ＥＰ２３２２９５３Ａ１が示している解決策は、連続する２つの時間ウィンドウで受けた単一パルスの反射のそれぞれの部分を表す電荷の測定からなる。単一の反射パルスを時間ウィンドウＡおよびＢで受けると、直ちに電荷を「画素画像信号」に変換するために対応するフローティング半導体エリアに転送する。

欧州特許出願公開ＥＰ２２９０４０２Ａ１には、距離画像センサが開示されている。この距離画像センサは、２次元配置された複数のユニットからなる撮像領域を有する半導体基板上に設けられているため、ユニットから出力された電荷量に基づいて距離画像を得ることができる。ユニットのうちの１つには、入射光に応答して電荷が発生する電荷発生領域（転送電極の外側の領域）と、電荷発生領域からの電荷を収集するための、空間的に隔てられて配置された少なくとも２つの半導体領域と、各半導体領域の周囲に取付けられ、位相の異なる電荷転送信号が与えられ、半導体領域を取囲む転送電極とが、設けられている。ＥＰ２２９０４０２Ａ１は、レーザ光のスポットのパターンを扱うことを意図していない。加えて、ＥＰ２２９０４０２Ａ１が示している解決策は、周期的に繰り返されるパルスのシーケンスの使用を開示していない。

川人祥二（Shoji Kawahito）らによる論文「ゲートオンフィールド酸化膜構造を用いたＣＭＯＳ飛行時間法距離画像センサ（“A CMOS Time-of-Flight Range Image Sensor With Gates-on-Field-Oxide Structure”）」（ＩＥＥＥセンサージャーナル（IEEE Sensors Journal）、ｖｏｌ．７、Ｎｏ．１２、１５７８頁～１５８６頁）には、光変換および電荷転送のための、フィールド酸化膜構造上の単層ゲートを用いたＣＭＯＳ飛行時間型（ＴＯＳ）距離画像センサの一種が開示されている。この構造は、標準ＣＭＯＳ処理で、１５×１５μｍ２画素を有する高密度のＴＯＦ距離撮像アレイの実現を可能にする。高速の電荷転送のために必要なｎ型埋め込み層を作製するための追加の処理ステップのみが、製造工程に追加される。センサは、アクティブな照射光源からの赤外光パルスが反射して戻ることによって生じた光電荷の時間遅延依存変調に基づいて動作する。背景光の影響を減少させるために、小さなデューティサイクルの光パルスが用いられ、電荷排出構造が画素に含まれる。製造されたＴＯＦセンサチップは、１００ナノ秒のパルス幅で、毎秒３フレームで０．７４ｃｍの距離分解能を改良して、毎秒３０フレームで２．３５ｃｍの距離分解能を測定する。

Shoji Kawahitoの米国特許出願公開ＵＳ２００７／１５８７７０Ａ１は、標準的なＣＭＯＳ製造手順よりも製造工程が少ない、光の反射時間の測定に基づく距離画像センサを開示している。酸化膜がシリコン基板上に形成され、電荷転送用の２つのフォトゲート電極が酸化膜上に設けられる。浮遊拡散層が電荷を電位に変換するために使用される。これは、電荷結合素子（ＣＣＤ）の従来の技術から伝統的に受け継がれているメカニズムである。リセット用の特別のトランジスタおよび所定のリセット電圧供給用の拡散層が設けられる。

ＵＳ２００７／１５８７７０Ａ１に開示されている画素の欠点は、標準的でない技術の使用、および、画素のアクティブな表面領域を犠牲にすることなくさらにウェルを追加することができない画素設計である。これは、大きな動作範囲を必要とする超ローパワーレーザを用いるセンサシステムで使用するのに最適とは言えない。使用されるプロセスは、標準的なＣＭＯＳプロセスで一般的に利用できるものではないため、このコンセプトの応用範囲および手頃なコストで大量生産する能力を減じることになる。

このような設計に基づくセンサの距離は、近傍端部において投射光の強い反射により画素が飽和することによっても制限される。

短距離反射を、または、道路標識、ナンバープレートなどのような反射率が高い物体を検知するときの画素の飽和は、本発明に係る画素の目的と同様に画素が自動車に応用されるセンサで使用される場合には、特に問題である。なぜなら、先進運転支援システム（Advanced Driver Assistance System）（ＡＤＡＳ）および自動運転車は、短距離での高精度を必要とするからである。加えて、この応用分野では、長距離での精度、明るい環境光条件における動作能力、および、コンパクト要件（固体半導体コンポーネントの使用を必要とする）を、短距離精度要件と引き換えに犠牲にしてはならないからである。

米国特許出願公開ＵＳ２０１３／０１４８１０２Ａ１は、シーンにおける複数の反射によって生じる誤測定に対処することを目的としている。その原因は、現代における最新の飛行時間（ＴＯＦ）距離カメラにおける全画素についての並列照射および捕捉にある。ＵＳ２０１３／０１４８１０２Ａ１は、空間的に異なる２つの照射方式を適用することによって得られる結果を融合してマルチパスを補償することを提案している。典型的には、上記２つの照射方法のうちの一方は可能な最大の横方向分解能を得る方法であり、もう一方は放射光を構成することによって横方向分解能を低下させるが複数反射の影響を制限する方法である。しかしながら、ＵＳ２０１３／０１４８１０２Ａ１に記載のシステムは、広域照射を用いる連続モード飛行時間ベースのセンサであり、この文献で対処している問題は広域照射に固有の問題である。広域照射方式の欠点は、距離ゲーティングモードで動作するときの半導体ＬＩＤＡＲのパフォーマンス要件を実現できないことである。

複雑な車両周囲検知の用途、たとえば、ＡＤＡＳ（自動運転補助システム）の用途および自動運転の用途などにおいて、極度の小型化および／またはより長い距離を実現することが継続して求められており、しかも、これを、大量生産に適した技術を用いて、手頃なコストで、かつ、小型の半導体集積フォームファクタで、実現することが求められている。

発明の概要
本発明の実施形態の目的は、変位ベースの車両周囲検知システムの代わりに、さらに小型で長距離の代替手段を提供することである。さらに、本発明の実施形態の目的は、公知のＬＩＤＡＲシステムの代わりに、特に半導体部品が大量生産に適している、完全固体の代替手段を提供することである。

本発明の一局面によれば、物体までの距離を測定するためのシステムが提供される。このシステムは、不連続のレーザ光のスポットのパターンを、パルスのシーケンスで物体に向けて投射するように配置された固体光源と、複数の画像素子を含み、上記パルスのシーケンスと同期して、物体によって反射された不連続のスポットのパターンを表す光を検出するように構成された検出器と、上記検出された光に応答して上記画像素子によって生成された露出値に応じて、物体までの距離を算出するように構成された処理手段とを備える。画像素子は、上記シーケンスの各パルスについて、第１の予め定められた時間ウィンドウの期間中に上記物体によって反射された第１の光量を表す第１の電荷量と、上記第１の予め定められた時間ウィンドウの後に起こる第２の予め定められた時間ウィンドウの期間中に上記物体によって反射された第２の光量を表す第２の電荷量とを蓄積することによって上記露出値を生成するように構成されている。上記複数の画像素子の各々は、少なくとも２つの電荷ストレージウェルを含み、上記第１の光量の検出および上記第２の光量の検出は、上記少なくとも２つの電荷ストレージウェルのうちの対応するそれぞれの電荷ストレージウェルで行われる。上記複数の画像素子の各々は、上記第１の光量の検出および上記第２の光量の検出とは異なる機能を果たすように構成された少なくとも１つのその他の電荷ストレージウェルを含み、上記少なくとも１つのその他の電荷ストレージウェルの電荷ストレージ容量は、上記少なくとも２つの電荷ストレージウェルの電荷ストレージ容量よりも小さい。

上記固体半導体光源は好ましくは半導体光源である。上記検出器の画像素子（画素）は好ましくはＣＭＯＳ画像素子である。上記検出器には好ましくは狭帯域フィルタが設けられる。

「電荷ストレージウェル」という用語は、画素に作用する光子の変換によって発生した電荷を蓄積する、半導体基板に設けられたストレージ（たとえばコンデンサ）を指す。

本発明は、直接飛行時間ベースの測距システムと同じ物理原理、すなわち、光が一定の距離だけ進むのにかかる時間は常に一定であるという事実に依拠する。しかしながら、本発明は、伝送されその後対象物体によって反射された光パルスが進んだ距離を測定する距離ゲーティングを用いる。

自動車グレードのセンサは、小型で安価で丈夫な構造と、正確で信頼性が高い動作とが必要である。そのため、大量生産用の半導体技術では好ましい固体技術をいかなる可動部品も回避しつつ使用してこのようなセンサを構成することが望ましい。典型的な望ましい精度および信頼度レベルは、最大２００ｍの動作範囲、毎秒１００万測定以上の分解能、および、妥当な目の安全性基準を満たしつつ５００Ｗ／ｍ^２という垂直光パワー密度を超え得る屋外環境光条件下で正確に動作する能力として、定量化することができる。

固体半導体技術の使用は、（従来のＴｏＦＬＩＤＡＲシステムで使用されるレーザとの比較において）利用可能な光パワーの相違が１０^６になる可能性がある相対的にローパワーのレーザを示唆しているが、発明者らは、さらなる複数の特徴を適切に追加することにより、固体プロジェクタのローパワーバジェットから生じる課題を解決することができる。

とりわけ本発明が依拠するのは、距離ゲーティングと、少なくとも部分的に同時にスポットパターンを投射すること（新規の照射方式に基づく）と、低出力の半導体光源とを組合わせることによって、大幅に小型化され、完全固体で、かつエネルギ効率のよい、今まで達成できなかった距離の距離検出方法を得ることができるという発明者らの洞察である。ここで用いられる「パターン」という用語は、同時に投射されるスポットの空間的な分布を指す。検出されたスポット反射の３次元空間における位置を測定するためには、測距ステップから得られた距離情報を、予め較正された各ビームからの角度情報と組合わせて、残りの２つの空間座標を固定させることが必要である。画素アレイと好適に配置された光学素子とを含むカメラを用いて、反射が検出された画素を特定することにより、追加の角度情報を提供することができる。

本発明の実施形態がさらに依拠するのは、所望範囲でＬＩＤＡＲシステムの固体半導体光源によって生成されたスポットパターンを使用可能にするためには、光パワーの制約を免れる方法が必要であるという発明者らの洞察である。パルス持続時間を延長することによって、かつ、少なくとも２つの半導体センサウェルにおける複数のＶＣＳＥＬ生成光パルスの反射エネルギを統合し、次いで統合された電荷を一度に読出すことによって、固体の実現例を用いて現在可能な動作範囲よりも大幅に動作範囲の広い固体ＬＩＤＡＲシステムを得ることができることを、発明者らは見出した。以下において、「ストレージ」という用語は、光子の検出に応答して電荷が蓄積されるウェルを示すために用いられる。

本発明の利点は、固体光源（プロジェクタ）と固体センサ（特に、適切なフィルタおよび光学素子と組み合わされて撮像装置を形成する画素アレイを含むＣＭＯＳセンサ）とを同一半導体基板上に集積し得ることである。固体光源は、ＶＣＳＥＬアレイ、または、所望のパターンを生成するように適合された格子を有するレーザを含み得る。

さらに、２つの連続する時間ウィンドウで検出された反射光エネルギを評価し、当該２つの連続するウィンドウで蓄積された電荷の合計を正規化することによって、調査対象の物体の反射率および環境光の寄与の変化の影響を距離算出アルゴリズムで適切に説明することができる。

画像素子において、作用する光を表す電荷をウェルレベルまたは画素レベルで蓄積することができる。ウェルレベルで電荷を蓄積する利点は、読出ノイズが最小限に抑えられ、信号対雑音比の改善につながることである。

パルスのシーケンスの送信および検出を周期的に繰り返してもよい。
本発明がさらに依拠するのは、距離ゲーティングに基づく撮像システムではデュアルウェル画素（その他のウェルの存在を除外しない）を備えることにより電荷ストレージウェルのうちの一方の電荷容量を他方の電荷ストレージウェルの電荷容量よりも実質的に大きくすることは好都合である、という発明者らの洞察である。「ウェル」という用語は、適切な技術により半導体回路において生成された１つのキャパシタンス（電子容量）、または、たとえばカスケード配置され共同で単一のストレージユニットとして作用する相互接続された多数の容量を、示す場合がある。このタイプの画素は特に、画素を配置した結果として異なるウェルに蓄積される電荷の量の予測可能な非対称性が生じる状況における物理学には有用である。これは、高精度と大きな距離範囲を必要とし結果として大きな光子スパンとなる飛行時間ベースの測定システムの場合と同様である。

発明者らはさらに、各画像素子に設けた少なくとも１つのその他の電荷ストレージウェルを使用することにより異なる機能を果たすこともできるという洞察を得た。

第３のウェルを、他のウェルの動作のタイミングを考慮したタイミング方式に従って動作させるという条件で設けることにより、多様な機能を実行することができる。第１のウェルおよび第２のウェルが基本的な距離ゲーティングを実行する距離検知システムにおいて、第３のウェルの機能は、長距離の高反射物体（第１のウェルおよび第２のウェルがアクティブであるタイムスロット外の、道路標識またはナンバープレート等）から届いた光子に応じて生成されたその他の電荷を受けること、（任意で、ディフューザを有するＶＣＳＥＬアレイで構成されていてもよい光景を照射するための広角の閃光と同期して、投射光の反射が到達するタイムスロット外の）光景の通常の２次元画像を生成すること、または、（第１のウェルおよび第２のウェルに蓄積された電荷レベルから、投射光の反射が到達するタイムスロット外で第３のウェルに蓄積される電荷を減算することによる）背景光の除去を可能にする背景光レベルの測定値を提供することを、含み得る。

この第３の電荷ストレージウェルは、特に背景光の捕捉のみに使用される場合は、電荷ストレージ容量が第１の電荷ストレージウェルおよび第２の電荷ストレージウェルよりも大幅に小さくてもよい。なぜなら、典型的に、画素アレイに到達する背景光は、好ましくは距離検知システムに設けられている、環境光低減フィルタ、特に狭帯域フィルタによって強力に減衰されるからである。第３の電荷ストレージウェルが、（たとえば閃光による）景色の追加照明を用いて２次元画像を取得する、または、範囲外の高反射物体からの反射を捕捉するために使用されることが意図されている場合、第１または第２の電荷ストレージウェルよりも小さなストレージ容量となるようにその寸法が定められてもよい。

本発明に係るシステムのある実施形態において、上記機能は２次元画像を取得することを含む。

距離ゲーティングに使用しない時間ウィンドウの期間中に取得される、または、画像素子のその他のウェルによって取得される２次元画像を、たとえば、３次元画像を生成するために距離ゲーティングフレームにおいて得た露出値から導き出した距離情報と組み合わせてもよい。

本発明に係るシステムのある実施形態において、上記機能は背景光の値を取得することを含む。

距離ゲーティングに使用しない時間ウィンドウの期間中に取得される、または、画像素子のその他のウェルによって取得される背景光の値を、算出した距離の精度を改善するために距離ゲーティングフレームにおいて得た露出値から減算してもよい。

本発明に係るシステムのある実施形態において、上記機能は、上記シーケンスの上記パルスすべてについて、第３の予め定められた時間ウィンドウの期間中に第３の光量を表す第３の電荷量を蓄積することを含む。

本実施形態の利点は、第２の予め定められた時間ウィンドウの後に到達する反射、たとえば、第１の予め定められた時間ウィンドウおよび第２の予め定められた時間ウィンドウがカバーする距離の外部に位置する高反射物体からの反射を捕捉できることである。対応する電荷を用いることにより、範囲外の距離を算出することができる。

本発明に係るシステムのある実施形態において、第１の光量の検出のために使用される第１の電荷ストレージウェルの電荷ストレージ容量は、第２の光量の検出のために使用される第２の電荷ストレージウェルの電荷ストレージ容量よりも大きい。

発明者らは、有効な動作範囲（検出可能な最低光レベルと飽和が生じる光レベルとの間）を得るために、第２のウェルの寸法を第１のウェルよりも小さくできることを見出した。なぜなら、第２のウェルが受ける光の反射量は常に少ないからである。それは、反射する物体が遠方にあり信号はその距離のために大幅に減じられる、または、反射する物体が近傍にあり反射の大半は第１の時間ウィンドウの期間中に到達するからである。

ある実施形態において、本発明に係るシステムは、さらに、投射および検出をパルスの少なくとも２つの連続シーケンスについて実行するように構成され、連続シーケンスの各々は、第１の予め定められた時間ウィンドウおよび第２の予め定められた時間ウィンドウのうちの異なる期間で実施される。

本実施形態は、所望の全範囲のうちの複数のサブ範囲についての複数の連続する測定に依拠している。各測定は、第１の電荷ストレージウェルがアクティブにされる対応する第１の時間ウィンドウにおいて放出されるパルスのシーケンスからなる。第１の時間ウィンドウに続いて、第２の電荷ストレージウェルがアクティブにされる対応する第２の時間ウィンドウがあり、任意で、第２の時間ウィンドウに続いて、異なる機能を実行するための対応するその他の時間ウィンドウがある。したがって、それぞれの時間ウィンドウが対応付けられているパルスのシーケンスは測定範囲を画定し、その測定範囲はパルス幅で決まる。ある測定フレームから次の測定フレームまでの異なるパルス幅（および、したがって第１の時間ウィンドウおよび第２の時間ウィンドウの異なる期間）を使用することにより、異なるサブ範囲を検知することができる。所望の全対象範囲をカバーするように組み合わされたフレームのパターンを設計してもよい。

本発明に係るシステムのある実施形態において、第１の予め定められた時間ウィンドウおよび第２の予め定められた時間ウィンドウは、実質的に等しい期間であり、連続して発生する。

この実施形態の利点は、周辺画素からの平均された蓄積環境光を差し引くことによって、距離算出式における環境光の寄与を容易に相殺することができる点である。

ある実施形態において、本発明に係るシステムは、第１の予め定められた時間ウィンドウおよび第２の予め定められた時間ウィンドウに、第１の光量の検出および第２の光量の検出とは異なる上記機能において上記複数の画像素子が使用される時間ウィンドウを挿入するように構成される。

本発明の画素は、短距離飽和の問題を解決する限りにおいて、短距離端における動作範囲を拡大するその他の対策を不要にする。典型的に、検知対象の範囲全体は、対応して選択されたパルス幅を有する個々のフレームが網羅できるいくつかのサブ範囲に分割され、１フレームで実行する測定のスパンが増すと、結果として、所望の全範囲をカバーするのに必要なフレームの数は減少する。このようにして空いた時間を用いて異なる機能を実行することができる。すなわち、通常は第１の予め定められた時間ウィンドウと第２の予め定められた時間ウィンドウで構成されるフレームを、上記異なる機能を実行するための１つ以上のその他のウィンドウを用いて拡大することができる（しかしながら、距離ゲーティング機能の適切な動作を保証するには、第１の予め定められた時間ウィンドウと第２の予め定められた時間ウィンドウとの間に追加の時間ウィンドウを挿入してはならない）。よって、システムは、すべて同じ期間からなる、第１の時間ウィンドウ（レーザオン、第１の電荷ストレージウェルオン）、第２の時間ウィンドウ（レーザオフ、第２の電荷ストレージウェルオフ）、第３の時間ウィンドウ（異なる機能またはアイドル時間）、および第４の時間ウィンドウ（異なる機能またはアイドル時間）から得られる、たとえば２５％のデューティサイクル（プロジェクタ「オン」時間）を有することができる。第１の時間ウィンドウおよび第２の時間ウィンドウの直後に発生する第３の時間ウィンドウの可能な用途は、範囲外の高反射物体の反射から生じ得るいかなる電荷も排除することにより、次の投射パルスの反射の測定に対する悪影響を回避することであり、そのために専用フラッシュゲートを設けてもよい。

なお、これらのまたはその他の挿入された（非測距）時間フレームを用いて、上記少なくとも１つのその他の電荷ストレージウェル（すなわち第３および続く任意の電荷ストレージウェル）の上記機能とは無関係の機能を実行することもできる。

デューティサイクルの低減は、システムから発せられる光パワーの平均量の低減にも寄与し、これは、システムの、目の安全性という特徴を改善する。システムから発せられる光パワーの平均量を決定するその他の要素は、１パルス当たり放出される光パワー、シーケンス当たり放出されるパルスの数、および上記シーケンスの繰り返しレートを含む。

本発明のある局面に従い、上記システムを備える車両が提供され、このシステムは、上記車両を取囲むエリアのうちの少なくとも一部を作動的にカバーするように配置されている。

本発明に係るシステムは、限定はされないが、ＥＣＵ（電子制御ユニット）などのＡＤＡＳまたは自動運転制御ユニットを備える車両において特に有利である。車両はさらに、車両制御ユニットを含み得る。この車両制御ユニットは、システムから測定情報を受信し、ＡＤＡＳ制御または自動運転の決定の情報を用いるように構成されている。車両を取囲むエリアの一部とは、車両の前方、側方、または後方の道路表面を含み得る。したがって、このシステムは、アクティブサスペンションまたはセミアクティブサスペンション、ならびに、支援運転、ＡＤＡＳ、および自動運転の検出およびトラッキングに用いられる、車の前方の表面の道路形状情報を提供し得る。

本発明のある局面に従い、上述のシステムを備えるカメラが提供される。このシステムは、当該システムから得られた情報に基づいてカメラ画像に３次元情報を付加することによって３次元画像を作成することを可能にするように構成されている。

カメラは、周知の方法で２次元画像を取得するように構成されている。そのために、カメラは、専用センサ（画素アレイ）を含んでいてもよく、または、本発明に係る距離ゲーティングシステムのセンサを使用してもよい。距離ゲーティングシステムのセンサを使用する場合、これはさまざまなやり方で行うことができ、たとえば、距離ゲーティングが実施される時点と異なる時点で（たとえば、任意でその光景の照明に閃光を用いて別々のフレームで）行ってもよく、距離ゲーティングと同時であるが投射した不連続スポットの反射を受ける画素を除いて行ってもよい。２次元画像を取得するために、距離ゲーティングに使用される上記２つのウェルに加えて第３のウェルを距離ゲーティングセンサに設けてもよい。

本発明のある局面に従い、物体までの距離を測定するための方法が提供される。この方法は、固体光源を用いて、レーザ光の不連続スポットのパターンを、パルスのシーケンスで物体に向けて投射するステップと、複数の画像素子を含む検出器を用いて、上記パルスのシーケンスと同期して、物体から反射された上記不連続スポットのパターンを表す光を検出するステップと、上記検出した光に応答して上記画像素子が生成した露出値に応じて物体までの距離を算出するステップとを含む。画像素子は、上記シーケンスの各パルスについて、第１の予め定められた時間ウィンドウの期間中に上記物体から反射された第１の光量を表す第１の電荷量と、上記第１の予め定められた時間ウィンドウの後に起こる第２の予め定められた時間ウィンドウの期間中に上記物体から反射された第２の光量を表す第２の電荷量とを蓄積することによって露出値を生成する。上記複数の画像素子の各々は、少なくとも２つの電荷ストレージウェルを含み、上記第１の光量の検出および上記第２の光量の検出は、上記少なくとも２つの電荷ストレージウェルのうちの対応するそれぞれの電荷ストレージウェルで行われ、上記複数の画像素子の各々は、上記第１の光量の検出および上記第２の光量の検出とは異なる機能を果たすように構成された少なくとも１つのその他の電荷ストレージウェルを含み、上記少なくとも１つのその他の電荷ストレージウェルの電荷ストレージ容量は、上記少なくとも２つの電荷ストレージウェルの電荷ストレージ容量よりも小さい。

本発明に係る方法のある実施形態において、上記機能は２次元画像を取得することを含む。

本発明に係る方法のある実施形態において、上記機能は背景光の値を取得することを含む。

本発明に係る方法のある実施形態において、上記機能は、上記シーケンスのパルスすべてについて、第３の予め定められた時間ウィンドウの期間中に第３の光量を表す第３の電荷量を蓄積することを含む。

本発明に係る方法のある実施形態において、上記第１の予め定められた時間ウィンドウおよび上記第２の予め定められた時間ウィンドウは、実質的に等しい期間であり、連続して発生する。

本発明に係る方法のある実施形態において、複数の画像素子の各々は少なくとも２つの電荷ストレージウェルを含み、第１の光量の検出および第２の光量の検出は、上記少なくとも２つの電荷ストレージウェルのうちのそれぞれの電荷ストレージウェルで行われる。

本発明に係る方法のある実施形態において、上記投射するステップ、上記検出するステップ、および上記算出するステップは、周期的に繰り返される。

本発明に係る方法のある実施形態において、上記第１の予め定められた時間ウィンドウおよび上記第２の予め定められた時間ウィンドウに、上記第１の光量の上記検出および上記第２の光量の上記検出とは異なる上記機能において上記複数の画像素子が使用される時間ウィンドウが挿入される。

本発明のある局面に従い、上記方法をプロセッサに実行させるように構成されたコード手段を含むコンピュータプログラム製品が提供される。

本発明に係るカメラ、車両、方法、およびコンピュータプログラム製品の実施形態の技術的効果および利点には、本発明に係るシステムの対応する実施形態の技術的効果および利点が準用される。

次に、本発明の上記および他の局面および利点を、添付の図面を参照してさらに詳細に説明する。

本発明に係る方法のある実施形態のフローチャートを示す図である。本発明に係るシステムのある実施形態を概略的に示す図である。距離ゲーティングに必要な２つのウェルの動作を説明するための、本発明の実施形態における光の投射および検出のタイミング図を示す。距離ゲーティングに必要な２つのウェルの動作を説明するための、本発明の実施形態における光の投射および検出のタイミング図を示す。距離ゲーティングに必要な２つのウェルの動作を説明するための、本発明の実施形態における光の投射および検出のタイミング図を示す。その他のウェルの動作を説明するための、本発明の実施形態における光の投射および検出のタイミング図を示す。その他のウェルの動作を説明するための、本発明の実施形態における光の投射および検出のタイミング図を示す。その他のウェルの動作を説明するための、本発明の実施形態における光の投射および検出のタイミング図を示す。その他のウェルの動作を説明するための、本発明の実施形態における光の投射および検出のタイミング図を示す。その他のウェルの動作を説明するための、本発明の実施形態における光の投射および検出のタイミング図を示す。その他のウェルの動作を説明するための、本発明の実施形態における光の投射および検出のタイミング図を示す。図３ｃのシーケンスにおける個々のフレームを、如何にして各々が対象範囲の一部をカバーする異なるタイミングパラメータを有するシーケンスに分割できるかを概略的に示す図である。対数トーンマッピング（上）および多重線形トーンマッピング（下）によって得られる、入射光パワーに応じた例示的な画素出力のグラフを示す図である。高ダイナミックレンジのマルチ出力画素によって得られる、入射光パワーに応じた例示的な画素出力のグラフを示す図である。本発明の実施形態に用いられる画素を概略的に示す図である。本発明の実施形態に用いられる、各々が別個の転送ゲートを有する３つの電荷ウェル（ビン）を含む画素アーキテクチャのある実施形態を概略的に示す図である。ウェルの非対称性を得る第１の方法を示す、本発明の実施形態に用いられる画素を概略的に示す図である。ウェルの非対称性を得る第２の方法を示す、本発明の実施形態に用いられる画素を概略的に示す図である。本発明の実施形態に用いられる第１の例示的な光学配置を概略的に示す図である。本発明の実施形態に用いられる第２の例示的な光学配置を概略的に示す図である。本発明の実施形態に用いられる第３の例示的な光学配置を概略的に示す図である。第４の例示的な光学配置を概略的に示す図である。図１１～図１４の光学配置の平坦でない焦平面を補償するように設計された曲率を有する検出器基板を概略的に示す図である。狭帯域フィルタにおける異なる入射角を補償するためにソースにおける異なる波長を用いることを概略的に示す図である。

実施形態の詳細な説明
自動車に適用される、特に先進運転支援（ＡＤＡＳ）および自動運転車のための理想的な距離測定システムは、最大２００メートルの距離の物体を確実に検出することが可能な、極めてコンパクトで大量生産可能な低コストの固体ＬＩＤＡＲである。最適なサイズとコストの削減は、センサが、可動部品がないだけでなく構成要素を半導体技術で大量生産することが可能である（ムーアの法則（Moore's law））という意味において「真の固体状態」である場合にのみ、実現することが可能である。上記目的を達成するためには両立させなければならない２つの競合する要件がある。それは、光出力パワーは、最も遠い距離にある物体を照射する環境光のパワー（最大５００Ｗ／ｍ^２のパワー）を上回っていなければならないが、同時に、厳しい（クラス１／Ｍ）目の安全基準によって課される最大パワーよりも下回っていなければならないという、要件である。

本発明に係るシステムは、この明らかに対立する要件を、大型のレーザアレイを用いる光景の並列スポットパターン照射をＬＩＤＡＲに提供することにより、両立させる。そのためにはＶＣＳＥＬアレイを使用することが好都合である。なぜなら、ＶＣＳＥＬアレイは、良好なビーム品質（ｍ２因子（m2 factor））を有しビームを非常に小さな不連続スポットに集光させることが可能であり（強い昼光を上回る）、かつ、半導体技術により大量生産することが可能であるからである。

今まで、ＶＣＳＥＬアレイ等の半導体ベースの光源は、個々のＶＣＳＥＬの光出力がおよそ１０ｍＷという極めて低いものであるという理由から、並列照射のＬＩＤＡＲシステムには使用されていなかった。十分な精度に必要な０．１μＪというエネルギに達するためには、距離測定を、０．１μＪ／１０ｍＷ＝１０μｓｅｃまで拡大しなければならない。

本発明で使用する距離ゲーティング法（間接飛行時間法）では、パルス持続時間が、概ね光が物体との間を往復する（２００ｍという目標範囲に鑑みるとこれは往復４００ｍ）のに要する時間に等しくなければならず、約１μｓである。このため、十分な精度を得るためには、信号を、少なくとも１０、好ましくは最大１００（精度改善には１００以上）の連続パルスにわたって蓄積しなければならない。しかしながら、各々がわずか２、３電子にしかならないそれほど多くの個々の測定を蓄積すると、所望の信号を読み出しノイズに紛れ込ませてしまう傾向がある。本発明者らは、この課題を、信号がキャパシタに蓄積され蓄積後に初めて読み出される低ノイズＣＭＯＳ検出器を開発することで、解決した。結果として得られる１００μｓという測定の総持続時間は、それでもなお、移動する物体を検出するために必要な時間分解能を大幅に下回っている。

０．１μＪという個々の測定の最小光パルスエネルギを、１ｍＪというクラス１／Ｍの目の安全性基準と組み合わせると、目の安全性基準が距離測定数を毎秒１００万測定に制限するという結論に至る（距離が最大２００ｍ、角度範囲が３０°×３０°と仮定）。

本願出願人名義の国際特許出願公開ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１に開示されるタイプの周囲検知システムは、広範囲にわたる光景を観察しながら、その光景を同時または部分的にのみ同時に、明確に画定された多数の不連続スポットで、特に予め定められたスポットパターンで照射するという利点を有する。優れた束品質および非常に狭い出力スペクトルを有するＶＣＳＥＬレーザを用いると、昼光の存在下であっても、限られた量の出力パワーで検出範囲を得ることが可能である。ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１のシステムで行われる実際の測距は、変位検出、特に三角測量に、依拠する。それは、パワーバジェットに鑑みて必要とされる長い（準定常の）パルス持続時間の文脈において実際に利用可能な、唯一の方法であると理解されていた。今まで、小型の半導体ベースの飛行時間ベースのシステムでは、同等のパワー／性能特性を達成することができなかった。

本発明は、飛行時間ベースのシステムの動作方法を根本的に変えることによって、この限界を克服する。本発明は、個々のパルスの持続時間を増すことによって、かつ、多数の個々のパルスのシーケンスからなる仮想の「合成パルス」を生成することによって、飛行時間型測定毎に放出される光エネルギの総量（したがって、飛行時間型測定毎の検出器での検出に利用可能な光子の数）を増加する。発明者らは、このように拡張したパルスを束ねることによって、所望の動作範囲について低出力のＶＣＳＥＬで必要量の光エネルギ（光子）を得ることができた。好ましくは、ＶＣＳＥＬレーザは、優れた束品質および非常に狭い出力スペクトルを有することにより、昼光の存在下であっても限られた量の出力パワーで長い検出範囲を得る。好ましくは、ＶＣＳＥＬレーザを熱的に安定させることにより、一貫した動作特徴を保証する。

既存のＬＩＤＡＲシステムの個々のパルスの持続時間が１ナノ秒である場合、本発明に係るシステムは、ＶＣＳＥＬなどの半導体レーザの比較的低い出力レベルを部分的に補償するようにパルス持続時間を実質的に長くすることによって、利益を享受する。本発明の実施形態では、シーケンス内の個々のパルスの例示的な持続時間は１マイクロ秒であってもよい（これは説明を明確かつ単純にするために本明細書で選択された１つの可能な値であって、より一般的には、本発明の実施形態において、パルス持続時間はたとえば５００ナノ秒以上であってもよく、好ましくは７５０ナノ秒以上、最も好ましくは９００ナノ秒以上であってもよい）。本発明に係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構成されてもよく、したがって持続時間が合計１ミリ秒であってもよい。光が１００ｍ離れた対象まで進んで検出器に戻るのにおよそ０．６６マイクロ秒必要であるという事実を考慮すれば、この程度の距離の測距において、このような持続時間の合成パルスを用いることが可能である。当業者ならば、選択されたパルス幅および所望範囲に応じて必要なパルスサイクル数を調整することが可能であろう。好ましくは、シーケンスの検出は、ＶＣＳＥＬベースの光源と同期して個々のパルスを検出するステップと、読出しの前に、シーケンス全体に対して、画素ウェルレベルで入射する光子に応答して発生する電荷を蓄積するステップとを含む。以下において、シーケンスにわたって統合された電荷を表す値（したがって、画素における受光量）を称するために「露出値」という用語を用いる。シーケンスの放出および検出は周期的に繰り返されてもよい。

本発明は距離ゲーティングを用いて動作する。距離ゲート撮像装置は、パルスの持続時間の間、放出されたパルスの検出された反射パワーを統合する。パルス放出ウィンドウと反射パルスの到達との間の時間の重なり量は、光パルスの戻り時間、ひいてはパルスが進んだ距離に依存する。したがって、統合されたパワーは、パルスが進んだ距離に相関する。本発明は、上述のパルスのシーケンスに適用された距離ゲーティングの原理を用いる。以下の説明では、シーケンスの個々のパルスが画像素子レベルで統合され、それによりシーケンス全体の測定が得られることが暗示的に理解される。

ＣＭＯＳセンサの画像素子（画素）は、好ましくは、埋め込みダイオード（pinned diode）および転送ゲート技術に基づくことで、読み出し時の蓄積された光電荷の完全な転送を保証することにより、精度を最大化するとともに、標準的なＣＭＯＳ製造工場（foundry）で大量生産するのに適したディープミクロンＣＭＯＳ製造技術に準拠するようにする。

図１は、本発明に係る方法の実施形態のフローチャートを示す。一般性を失うことなく、距離ゲーティングアルゴリズムを参照して測距方法を説明する。第１の時間ウィンドウ１０において、当該方法は、固体光源２１０を含む光源から光景の対象エリア内の任意の物体へ、レーザ光のスポットパターン（たとえば、規則的または不規則的な空間的スポットパターン）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。

上述のように、固体光源は、ＶＣＳＥＬアレイ、または所望のパターンを生成するように適合された格子を有するレーザを含み得る。システムが最適に動作するために、本発明の実施形態に用いられるＶＣＳＥＬは、距離が長く、かつ環境光（たとえば、昼光）が高レベルであっても単位面積当たりのスポットにつき最大の光パワーを放出するように配置されることが好ましい。したがって、良質のビームを有する（Ｍ２因子が低い）レーザが好ましい。さらに好ましくは、レーザの波長の幅は最小限であるべきである。モノモードレーザの場合、特に狭い波長の幅を達成することができる。このように、必要な空間的精度および時間的精度で、実質的に同一のものが複製可能に生成され得る。

パルスが放出されるのと同一時間ウィンドウの期間中、または実質的に重なる時間ウィンドウにおいて、対象物体によって反射されたスポットパターンを表す第１の光量が、検出器で検出される（１２０）。当該検出器は、光源のできるだけ近くに配置されることが好ましい。フローチャートにおいて、スポットパターンの投射（１１０）およびその反射の第１の検出（１２０）を並べて配置することによって、これらのステップが同時か、またはほぼ同時に起こることを示している。後続の第２の予め定められた時間ウィンドウ２０において、反射された光スポットを表す第２の光量が検出器で検出される（１３０）。この第２のウィンドウ２０の期間中、固体光源は非アクティブである。物体までの距離は、反射光の第１の光量および反射光の第２の光量に応じて算出される（１４０）。

好ましくは、第１の予め定められた時間ウィンドウ１０および第２の予め定められた時間ウィンドウ２０は、持続時間が実質的に等しい連続するウィンドウである。これにより、検出量のうちの一方が他方から差し引かれることによるノイズおよび環境光の相殺が容易になる。以下では、図３に関連して例示的なタイミングスキームをより詳細に説明する。

検出器は、複数の画像素子を含む。すなわち検出器は、光景の画像（照射されたスポットを含む）を画像素子に投射するように配置された適切な光学素子を有する画像素子アレイからなる。ここで用いられる「画像素子」という用語は、画素の個々の感光性の領域もしくはウェルを指してもよいし、または画素全体（複数のウェルを含み得る。下記参照。）であってもよい。与えられたすべての投射スポットについて、第１の光量の検出１２０および第２の光量の検出１３０は、１つの同一画像素子または複数の画像素子の同一グループで行われる。

一般性を失うことなく、各画像素子は、少なくとも２つの電荷ストレージウェル２２１、２２２を含む画素であり得る。それにより、第１の光量の検出１２０および第２の光量の検出１３０が同一画素または同一画素グループのそれぞれの電荷ストレージウェル２２１、２２２で行なわれ得る。

図２は、対象の光景における物体９９に関連する、本発明に係るシステムの実施形態を概略的に表す。システム２００は、周期的に繰返され得るスポットのシーケンスのパターンを物体９９に投射するための固体光源２１０を含む。検出器２２０は光源の近くに配置され、物体から反射された光を検出するように構成されている。

物体９９から跳ね返る光ビームを、光源２１０から物体９９まで進み、検出器２２０に返る矢印として破線で示す。なお、この図はあくまで概略的なものであり、決して実際の相対距離または角度を示すように意図されたものではない。

同期手段２３０（従来のクロック回路または発振器を含み得る）は、第１の予め定められた時間ウィンドウ１０の期間中に物体にスポットパターンを投射するように固体光源２１０を動作させるとともに、実質的に同時に、物体９９によって反射された光スポットを表す第１の光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ている。同期手段２３０はさらに、それぞれの後続の第２の予め定められた時間ウィンドウ２０の期間中に、物体９９から反射された光スポットを表す第２の光量を検出するように検出器２２０を動作させる。適切な処理手段２４０は、第１の反射光量および第２の反射光量に応じて物体までの距離を算出するように構成されている。

図３は、本発明の実施形態における光の投射および検出のタイミング図を示す。明確にするために、図１で周期的に繰り返されるパルスシーケンスのうちの１つのパルスのみを示す。この１つのパルスは、第１の時間ウィンドウ１０および第２の時間ウィンドウ２０からなる。

図３ａからわかるように、第１の時間ウィンドウ１０の期間中は固体光源２１０が「オン」状態であり、光スポットのパターンを周囲に放出する。第２の時間ウィンドウ２０の期間中は固体光源２１０が「オフ」状態である。

反射光の検出器２２０への到達は、進んだ距離に比例する時間（自由空間でおよそ３．３ナノ秒／ｍ）の分だけ投射開始よりも遅れる。この遅れにより、反射光のうちの一部のみが検出器２２０の第１のウェル２２１（第１の時間ウィンドウ１０の期間中にのみアクティブである）で検出される。したがって、アクティブ期間（第１の時間ウィンドウ１０）中に当該第１のウェル内に蓄積された電荷は、反射パルスの到達前に画素に作用するノイズおよび環境光のみを表す部分と、ノイズ、環境光、および反射パルスの立ち上がりエッジを表す部分とからなる。

反射パルスの後者の部分は、検出器２２０の第２のウェル２２２（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の期間中にのみアクティブである）で検出される。したがって、アクティブ期間（第２の時間ウィンドウ２０）中に当該第２のウェル内に蓄積された電荷は、ノイズ、環境光、および反射パルスの立ち下がりエッジを表す部分と、反射パルスの到達後に画素に作用するノイズおよび環境光のみを表す部分と、からなる。

反射する物体９９とシステム２００との間の距離が長くなるにつれて、第１のウェル２２１において検出されるパルスの比率が小さくなるとともに、第２のウェル２２２において検出されるパルスの比率が大きくなる。

第１のウェル２２１の閉鎖後（すなわち、第１の時間ウィンドウ１０の終了後）に反射パルスの立ち上がりエッジが現れた場合、第２のウェル２２２において検出され得る反射パルスの比率は、飛行時間遅延の増大に伴って減少する。

物体９９の距離を変化させて、結果としてウェル２２１、２２２にそれぞれ生じる電荷Ａ、Ｂの量を図３ｂに示す。図を単純化するために、図３ｂでは、逆二乗則による距離に伴う光の減衰効果を考慮しない。第１の時間ウィンドウ１０および第２の時間ウィンドウ２０の合計持続時間以下の飛行時間遅延については、飛行時間遅延は、原則的には一義的に値ＡおよびＢから得られることが明らかである。

－第１の時間ウィンドウ１０の持続時間以下の飛行時間遅延については、Ｂは物体９９の距離に比例する。絶対距離の測定を容易に達成するために、正規化された値Ｂ／（Ｂ＋Ａ）を用いてもよい。これにより、検出物体の不完全反射の影響および逆二乗則の影響が排除される。

－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ついては、Ａは昼光およびノイズの寄与のみからなり（図示せず）、Ｂ～Ｃは実質的に物体９９の距離に比例する（逆二乗則に関する補正の後）。Ｃはオフセット値である。

図３ａおよび図３ｂは時間ウィンドウ１０において放出された単一のパルスに関して本発明の原理を示しているが、上で定義したように、図示のパルスはパルスのシーケンスの一部であることを理解すべきである。図３ｃ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示す。図示のように、照射スキーム４０は、個々のパルス１０のシーケンス３０の放出の繰り返しからなる。個々のパルス１０の幅は、最大動作範囲によって規定される。シーケンス全体は、たとえば６０Ｈｚの周波数で繰り返されてもよい。

発明者らは、本明細書に記載のシステムのようなシステムでは、短距離の場所にある物体からの光の反射は画素の飽和を生じさせる可能性が高いことを発見した。なぜなら、このような反射の減衰は、より遠い距離の場所にある物体から発生した反射よりも大幅に小さいからである（距離による光の減衰の逆２乗の法則による）。自動車用途のような特定の用途は、比較的長い距離までシステム動作が正確であることを必要とするので、動作の最短距離と動作の最長距離との間の大きな光子スパンをカバーしなけらばならない。これらの制約があると、短距離の場合の画素飽和は、特に（短距離の反射の大半を受ける）第１のウェルでは極めて現実的なリスクである。発明者らは、所定の画素空間全体について、飽和の問題は、第１のウェルが表す光子容量は増加し第２のウェルが表す光子容量は減少する非対称のウェル構成を用いることによって緩和できることを見出した。この増減のバランスを取ることができれば、追加の画素表面コストを伴うことなくダイナミックレンジを大きくすることができる。

画素は、充電モードと放電モードとの間で画素を切り替えることができる回路をさらに含み得る。充電モードでは、上記画素に当たった光が、（照明方式の現段階に従い）第１の電荷ストレージウェルまたは第２の電荷ストレージウェルの蓄積電荷量を増大させる。好ましくは充電モード後に同じ時間量だけアクティブにされる放電モードでは、上記画素に当たった光が、第１の電荷ストレージウェルまたは第２の電荷ストレージウェルの蓄積電荷量を減少させる。この切替方式により、背景光に対応する電荷量を電荷ストレージウェルから取り除くことができる。

本発明の実施形態は、相関二重サンプリングを用いることにより、ウェルの容量に関連する熱ノイズ（「ｋＴＣノイズ」とも呼ばれる）についてサンプルを補正することができる。そのために、画素のエレクトロニクスを、たとえばフレームの最初でリセット電圧（Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}）を測定しフレームの最後で信号電圧（Ｖ_{ｓｉｇｎａｌ}）を測定することにより、リセット電圧Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}と信号電圧Ｖ_{ｓｉｇｎａｌ}との間の差動測定を実行するように、設計してもよい。電子（インピクセル）実装例に代わるものとして、相関二重サンプリングを、プロセッサで読出信号をデジタル減算する（Ｖ_{ｓｉｇｎａｌ}－Ｖ_{ｒｅｓｅｔ}）ことによって実現してもよい。

画素構造における感光素子（特にダイオード）に達する光の量を増すために、本発明の実施形態は背面照射を用いることもできる。その場合、画素回路は感光層の後方にあるので、感光素子を読み出すために当たる光子が通過しなければならない層の数は減少する。

本発明に係る測距システムを、ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１に係る三角測量ベースのシステムと組合わせてもよい。小型化を目的とする場合、三角測量ベースのシステムでは、プロジェクタと検出器との間の距離が結果的に比較的短くなり、動作範囲が狭くなるであろう。しかしながら、組合わせることによって利益をもたらすのは、まさにその短い距離である。なぜなら、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正確に動作することができない距離をカバーできるからである。

１つまたは複数の検出物体までの距離を経時的に監視するために、測距処理全体を繰り返してもよい。そうすると、この方法の結果を、物体の検出および追跡、支援運転、先進運転支援システム、アクティブサスペンションを備える車両、または自律型車両などの、継続的に検出物体までの距離に関する情報を必要とする処理において、用いることができる。繰り返される距離ゲーティングシーケンスを図４ａのタイミング図に概略的に示す。各フレームは、撮像装置（Ｉ）の起動（activation）に同期するプロジェクタ（Ｐ）のパルスのシーケンスに対応する（パルスのタイミングは小文字「ｐ」で示される）（第１のウェルにおける電荷の蓄積は小文字「ａ」で示され、第２のウェルにおける電荷の蓄積は小文字「ｂ」で示される）。一般性を失うことなく、２つの連続フレームのみが示されている。

図４ｂは、すべての投射パルスに対して２つの追加時間スロットを含む修正されたタイミング方式を示す。これらの追加時間スロットは、投射光の反射を受けないときに画素に当たる光の強度に比例するレートでそれぞれのウェルを放電するために使用される。パルスがないときに受ける光は、パルスの反射を受けた時点からほんのわずかな時間オフセットされた背景光を表している。この方式は、プロジェクタのパルス毎に、第１のウェルおよび第２のウェルに蓄積された電荷から背景光成分を有効に取り除く。

上記放電段階を実現するために、画素は、適切な転送ゲートによってフォトダイオードに結合された電荷を蓄積するためのキャパシタを含み得る。そうすると、蓄積段階は、電荷をキャパシタの第１の側に転送することを含み、減少は、電荷をキャパシタの第２の側に転送することを含む。

好ましくは、本発明に係るシステムは、その他のウェルおよびトランスファーゲートを含む。

図４ｃは、すべての投射パルスに対して１つの追加時間スロットを含む修正されたタイミング方式を示す。この追加の時間スロットは、光電荷を第３のウェルに蓄積するために使用される（第３のウェルへの電荷の蓄積は小文字「ｃ」で示される）。第３のウェルが受ける光は、パルスがないときに届いているので、パルス反射を受けた時点からほんのわずかにオフセットされた背景光を表している。したがって、第３のウェルに蓄積された電荷を第１のウェルおよび第２のウェルの電荷から減算することにより、これらの電荷から背景光を有効に取り除くことができる。

図４ｄは、図４ｃのタイミング方式の変形を示し、図４ｄにおいて、第３のウェルは、複数のプロジェクタパルスの終了後に、同一数のスロットの期間中、アクティブにされる。このように、第３のウェルが受ける光は、パルスがないときに届いているので、パルス反射を受けた時点からわずかに大きな時間オフセットされた背景光を表している。したがって、第３のウェルに蓄積された電荷を第１のウェルおよび第２のウェルの電荷から減算することにより、これらの電荷から背景光成分を有効に取り除くことができる。

図４ｅは、図４ｃのタイミング方式の別の変形を示し、図４ｅにおいて、第１のウェルは、プロジェクタならびに第１および第２のウェルが距離ゲーティングのためにアクティブであるフレームの終了後に、別のフレームでアクティブにされている。このように、第１のウェルが受ける光は、パルスがないときに届いているので、これもパルス反射を受けた時点からわずかに大きな時間オフセットされた背景光を表している。別のフレームにおいて第１のウェルに蓄積された電荷を、第１のウェルおよび第２のウェルの電荷から減算することにより、これらの電荷から背景光成分を有効に取り除くことができる。

所望の大きな動作範囲（およそ２００ｍ）と望ましい高精度（最も遠いポイントでわずか１０００の光子を正確に検出）とを組み合わせることにより、（短距離の反射の場合）１フレーム内で１ウェルが受けることができる光子の最大数と１フレーム内で１ウェルが受けることができる最低数との間の大きなスパンを得ることができる。

図４ｆは、図４ａの方式と、１つの時間スロットの時間の長さがスロット毎に異なるという点で異なっている、修正されたタイミング方式を示す。このようにすると、異なるフレームの検出しきい値および飽和点は、異なる距離で発生することになり、複数の連続フレームから得られる情報を組み合わせることにより、近傍の物体および遠方の物体の正確な距離測定を得ることができる。

図４ｇは、Ｎ_ｍａｘ（画素を飽和させずに蓄積できる電子の最大数）およびＮ_ｍｉｎ（正確な読出に必要な画素の最小数）によって課される制約の結果、距離の全対象範囲［Ｚｍｉｎ，Ｚｍａｘ]をカバーしない可能性がある、図３ｃのシーケンスにおける個々のフレームを、光子数に対する同じ制約の範囲内でより簡単にカバーすることができる対象範囲の一部［Ｚ_ｍｉｎ（ｉ），Ｚ_ｍａｘ（ｉ）］を各々がカバーする、タイミングパラメータが異なるシーケンスに、如何にして分割できるかを、示す。

上記説明で導入し図４ｇで使用されている記号を参照して、サブ範囲の対応する電子量ｎ_ｍｉｎ（ｉ）およびｎ_ｍａｘ（ｉ）は、次のように定義される。

－電子の許容可能な最大数は次の通りである（追加容量がない場合の全ウェル容量に対応する全画素容量に対して「ＦＰＣ」を使用：

－必要な最低精度レベル：ｎ_ｍｉｎ＝Ｎ_ｍｉｎ
－ｚ_ｍａｘ（ｉ）＝ｚ_ｍｉｎ（ｉ－１）
加えて、パルスの特徴は次のようにして求めることができる。

上記原理は、以下の非限定的な数値例によってさらに明らかになるであろう。
距離１５０ｍで反射率１０％の乱反射面は、１．６％の精度を得るには１０００の電子を与えなければならない。同じ距離で、１００％の反射面は１００００電子を生成する。全ウェル容量が２０００００電子の場合、以下のマルチフレームソリューションが提案される。

なお、ロバストネスの観点から、サブレンジは重複していることが好都合であろう。
同一の３次元解像度を保証するためには、より高速のカメラを用いると好都合であろう。たとえば、１８０Ｈｚで動作する３フレームインターリーブのカメラは、単一フレーム動作で６０Ｈｚと同一のデータ速度を与える。

（図７ａ～図７ｇに例示されている）本発明に係るシステムが使用されるモードに応じてデューティサイクルは異なるであろう。範囲外の反射を捕捉するため、または２次元画像を取得するためにいくつかのフレームを使用した場合、実際の測距に利用できるのはわずかな時間であることが容易にわかる。本発明に係る３ウェルまたは４ウェル画素を使用する利点は、いくつかの機能を同時に実行できるので距離ゲーティング機能のデューティサイクルが増すことである。

ブルーミング（blooming）は、（短距離の反射または道路標識もしくはナンバープレート等の高反射面からの反射の場合のように）画素の電荷が、この特定画素の飽和レベルを上回るときに生じる現象である。結果として、電荷はオーバーフローし始め、隣接画素に悪影響を及ぼす。これは、近隣画素に不正確なデータを生じさせる。

好ましくは、本発明に係るシステムの画素に、アンチブルーミング電子を設ける。これは特に、上記第３のウェルまたは第４のウェルまでも含むことにより、余剰電荷を、関連するウェルを飽和させる前に、隣接画素のウェルに排出することができる。特に近隣スポットからの情報を背景光の除去に使用する場合、近隣画素から独立して（かつ汚染なしで）得られる背景光の正確な推定を持っていることは極めて重要である。同様に、スポット反射を受けない画素を用いて通常の２次元画像を同時に生成する場合、スポット反射を受ける画素に隣接する画素は、スポット反射を受ける画素から放出される電荷の影響を受けないことが非常に望ましい。

上記アンチブルーミング構成は、近傍の端におけるシステムの範囲の増加にも寄与し得る。短距離の場合、反射されたスポットの主要な部分を受ける画素は飽和し易い。アンチブルーミング構成を適用することにより、このような飽和した画素から近隣画素に電荷が放出されることは回避される。よって、近隣画素は引続き正常に動作することができる。反射したスポットによって証明されるエリアは典型的に１画素だけでなくそれよりも多い画素をカバーするので、近隣画素の一部は、飽和を回避するのに十分小さいが距離ゲーティングの実行に使用可能な反射されたスポットの一部を受けると予想される。

説明されたシステムのすべての要素を最適に動作させるためには、システムが熱的に安定でなければならない。熱的安定によって、とりわけ光学素子の望ましくない波長シフト（熱ドリフト）が回避される。さもなければ、光学フィルタ、および光学チェーンの他の素子の正常な機能が低下するであろう。本発明に係るシステムの実施形態は、それらの設計によって、または、ＰＩＤコントローラを用いた温度制御ループによる能動制御によって、熱的安定を達成する。

ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１は、検出区間中に画素に到達する環境光の量を最小限にすることによって、パターン化されたレーザスポットの検出精度を向上させるためのさまざまな技術を開示している。これらの技術はＬＩＤＡＲシステムの文脈で開示されているわけではないが、本発明の発明者らは、いくつかの当該技術を本発明の実施形態と組合わせた場合に優れた結果が生み出されることを見出した。これが特に当てはまるのは、検出器に狭帯域フィルタを使用し、かつ、反射光がフィルタに対してほぼ垂直に入射することを保証する適切な光学配置を用いた場合である。ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１に示されたこれらの配置の詳細は、参照により本明細書に援用される。さらなる特徴および詳細を以下に示す。

ＷＯ２０１５／００４２１３Ａ１から公知のさまざまな技術を本発明の実施形態に適用することによって、検出区間中に画素に到達する環境光の量を最小限にし得るが、一定量の環境光は回避できない。マルチ画素システムでは、画素のうちのいくつかのみが反射スポットによって照射される一方、他の画素は残留環境光のみによって照射される。画素の後者のグループの信号レベルを用いて、対象画素の信号に対する環境光の寄与を推定し、それに応じて当該寄与を差し引くことができる。追加的または代替的に、背景光または環境光を画素レベルで検出信号から差し引いてもよい。これは、２回の露出、すなわち、レーザパルスの到達期間に１回、パルスが無いときに１回の露出を必要とする。

いくつかの実施形態では、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ってもよい。そのようなセンサを使用することの利点は、高ダイナミックレンジセンサ、すなわち、光景の最も暗い部分でも強度レベルの十分な弁別を維持しつつ、飽和することなく大量の光子が得られるセンサの存在である。すなわち、非常に長距離でありながら、依然として、飽和することなく短距離（反射光が比較的強い）の物体を検出することができるセンサが可能になる。発明者らは、トーンマッピングを適用したセンサを使用するよりも、真の高ダイナミックレンジセンサを使用した方が有利であることを見出した。トーンマッピングでは、センサ線形範囲が高分解能の方へ圧縮される。文献では、対数圧縮または多重線形圧縮などの、いくつかの圧縮方法が記録されている（図５参照）。しかしながら、この非線形圧縮は、立体情報を抽出するために、取得された光景に対して論理演算または算術演算を行う前に、信号を再線形化することを必要とする。したがって、本発明に係る解決策は、計算の必要条件を増加させることなく検出精度を向上させる。図６に示すような、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、いくつかの実施形態のさらなる利点である。所望のダイナミックレンジ特性を提供することのできる画素アーキテクチャおよび光学検出器が、米国特許出願公開ＵＳ２０１４／３５３４７２Ａ１（特に６５段落～７３段落および８８段落）に開示されており、その内容は、当業者が本発明の当該局面を実施することを可能にするために、参照により本明細書に援用される。

本発明の実施形態は、高ダイナミックレンジ画素を用いる。これは、フルウェルキャパシティが大きい電荷リザーバ（reservoir）によって、または、画素１つ当たりの電子ノイズを制限する設計によって、または、電荷転送時にノイズを付加しないＣＣＤゲートの使用によって、または、高い検出量子効率（ＤＱＥ：detection quantum efficiency）を有する設計（たとえば、表面照射では５０％の範囲、または、裏面薄型化（back thinning）としても公知である裏面照射の場合は９０％）によって、または、上記列挙された改善策の任意の組合わせによって、得ることができる。さらに、オーバーフロー容量を画素の前面に重ねるように追加することによって（この実現例は裏面薄型化を必要とする）、ダイナミックレンジをさらに拡大することが可能である。好ましくは、画素設計はアンチブルーミング機構を実現する。

図７は、ＣＭＯＳ技術で使用される想定画素の実現可能なデュアルウェル（dual-well）またはデュアルビン（dual-bin）の実現例を示す。作用する信号は、２つの電荷ストレージに分配される。各リザーバは、レーザソースのパルスと同期する外部パルスによって制御される別個の転送ゲートを有する。

アンチブルーミング回路を含む、本発明に係る具体例としての非対称の３ウェル画素が、図８に概略的に示されている。電荷ストレージウェル２２１、２２２、２２３（ＳＮＡ、ＳＮＢ、ＳＮＣ）が、上述のように２つの電荷ストレージウェルのアクティブ状態を投射パルスの送信と同期させるように制御される転送ゲート（ＴＧＡ、ＴＧＢ、ＴＧＣ）により、光アクティブ領域（ＰＨ）に接続される。好ましくは、光アクティブ領域（ＰＨ）は、転送ゲートを介して光アクティブ領域に生成された電荷を完全に空乏化させることを可能にする埋め込みフォトダイオードとして実現される。

これら３つの電荷ストレージウェルの容量を、Ｃ１（第１の反射光量→ＳＮＡ）、Ｃ２（第２の反射光量→ＳＮＢ）、およびＣ３（背景光→ＳＮＣ）で表すと、好ましくは、寸法はＣ１＞Ｃ２＞Ｃ３＞である。

Ｃ２は、好ましくはＣ１の２／３以下、より好ましくはＣ１の５０％以下である。
Ｃ３は、好ましくはＣ２の９０％以下、より好ましくはＣ２の７０％以下、最も好ましくはＣ２の５０％以下である。

発明者らはさらに、有用な動作範囲（検出可能な最小光レベルと飽和が生じる光レベルとの間）を得るためには、Ｃ２の寸法をＣ１よりも小さくすればよいことを見出した。なぜなら、第２のウェルが受ける光の反射量は常に少ないからであり、その理由は、反射する物体が遠方にありその距離のために信号が大幅に減じられる（この距離のために反射光の大半は第２の時間ウィンドウの期間中にＳＮＢに達する）、または、反射する物体が近傍にあり反射の大半は第１の時間ウィンドウの期間中にＳＮＡに達することにある。

Ｃ３は、背景の減算のために使用される場合、３つのウェルのうちで最小のものとして寸法が定められてもよい。なぜなら、（好ましくは、以下でより詳しく述べるように入射光をフィルタに対してほぼ垂直にするための光学部品またはその他の手段を用いて）狭帯域フィルタによって背景光は大幅に低減されるからである。狭帯域は、具体例として、最大２０ｎｍ、好ましくは最大１０ｎｍ、最も好ましくは最大５ｎｍの通過帯域の帯域幅を有する。

好ましくは、転送ゲートを光アクティブ領域（特に埋め込みフォトダイオード）の一方の端に配置することにより、光が画素の内部のどこに入るかに関係なく、各ウェルの収集に対して同じ遅延量にする。

好ましい構成において、データは、フォトダイオード素子、より具体的には埋め込みフォトダイオードによって捕捉され、このデータは直接転送ゲートを介してＭＯＳＦＥＴ（高密度キャパシタとして機能する）の上部プレートに格納される。ＭＯＳＦＥＴの下部プレートは基準として接地される。このようにしてデータは電圧ドメインに保持される。これは、図８を参照して転送ゲートＴＧＡおよびストレージノードＳＮＡの動作を確認することで理解できるであろう。この場合、フォトダイオードは光子を電子に変換し、ＴＧＡとして機能するトランジスタが開かれ、そうすると、電子はＳＮＡに格納され、読出側の電圧が直ちに増加する。

この構成は、電圧ドメイン内で機能させることにより、この実装例をよりコンパクトにすることができ感度とセンサ分解能とをの折り合いをより上手くつけることができるという、発明者らの洞察に基づいている。

このように、本明細書に開示される好ましい構成は、フォトゲートを光検知素子として使用しＭＯＳＦＥＴチャネルをストレージ素子として使用することにより電荷ドメインに情報を蓄積する当該技術では周知の構成と異なっている。上記周知の構成には２つの落とし穴がある。第１に、ゲートおよびトランジスタの必要数が多くなってセンサの分解能が制限される。第２に、電荷ドメインに情報を蓄積することは、電荷を一方のノードから他方のノードに、または一方のノードから読出増幅器に転送するという問題を生じさせ、この転送が不完全であれば、ストレージノードに残されたデータが、次のフレームに現れるゴースト画像を生じさせる。この問題に対する周知の解決策（埋め込みトランジスタ、埋め込みＭＯＳＦＥＴの使用）は、飛行時間センサの製造を、極めて特殊な製造プロセスに制限する。

本明細書に開示される構成の利点は、ＣＭＯＳ技術を用いて高分解能の飛行時間センサを製造することを可能にし、ＣＭＯＳ処理の利点（ディープサブミクロンデジタル処理およびオンチップシーケンシング（on-chip sequencing）を含む）を本願にもたらすことにある。

図９は、ウェルの非対称性を得るための第１の方法を示す、本発明に係る画素のある実施形態を概略的に表す。図９に示されるように、半導体製造プロセス中に、第１のウェル２２１（空乏ゾーンがＡ信号側にある）は、第２のウェル２２２（空乏ゾーンがＢ信号側にある）よりも大きくされる。

図１０は、ウェルの非対称性を得るための第２の方法を示す、本発明に係る画素のある実施形態を概略的に表す。この場合、半導体ウェル２２１、２２２の双方が同一サイズであるが、Ａ信号側に追加のキャパシタを設けることにより、第１のウェル２２１の有効容量を大きくする。

本発明に係るシステムにおいて、測距ノード２２１（ＳＮＡ）、２２２（ＳＮＢ）の読出は、好ましくは１段階の読出である。読出トランジスタは、好ましくはストレージ容量（検知ノード）に直接接続され、並列に読出すことができる。この構成の結果、２段階の読出と比較して、より高速になりノイズまたは寄生容量が減少する。加えて、フィルファクタ（fill factor）が改善される。このことは、半導体レーザプロジェクタから得ることができる測距光子の数が少ないので、重要である。

第３の検知ノード２２３（ＳＮＣ）および対応付けられた転送ゲート（ＴＧＣ）は、アンチブルーミング構成に使用することができる。検知ノード２２１、２２２が満杯である（飽和している）ときに、アンチブルーミングゲート（ＴＧＣ）を用いて、上述のように他の機能（たとえば距離ゲーティング、背景減算のための背景光検知、三角測量、…）を実行するために使用できる周囲画素を汚染させないために、溢れた電子を引き離すことができる。加えて、アンチブルーミングゲート（ＴＧＣ）を用いて、次により詳細に説明するように、検知ノードＢを開く前に検知ノードＡにまだ拡散していない電子を引き離すことができる。

本発明の実施形態の目的は、検知ノードへの電子の拡散の遅延を低減することである。過剰に遅延すると、ＳＮＡの記録とＳＮＢの記録との間にフォトダイオード上に残余の電子が残る（すなわち十分に拡散しない）場合がある。したがって、転送ゲートＡ（ＴＧＡ）が閉じると、検知ノードＡ（ＳＮＡ、２２１）の残留電子が検知ノードＢ（ＳＮＢ、２２２）に拡散して第２の信号を汚染させる可能性がある。本発明の実施形態は、この現象を、持続時間Ｔｐのフラッシュパルスを与え、アンチブルーミングゲート（ＴＧＣ）をアクティブにして残留電子をアンチブルーミングゲートを通して追い出すことにより、低減または回避する。アンチブルーミングゲート（ＴＧＣ）に（電圧を印加することにより）電力を投入すると、残っている電子が引き離される。パルスＴｐの後に、転送ゲートＢ（ＴＧＢ）をアクティブにすることによって検知ノードＢ（ＳＮＢ）を開くことにより、反射された信号の残りの部分を記録する。Ｔｐの寸法は、半導体材料の拡散特性および測距信号のパルス持続時間の関数として定める。読出Ｂの汚染の回避と、測距の式に必要な有用反射光子のうちの多くを失うこととの間で、最適なものを探す必要がある。好ましくは、Ｔｐは１０ｎｓと２００ｎｓとの間である。

図１１～図１３は、本発明の実施形態で使用され得るカメラを示す。このカメラにおいて、光照射源は単色光を放出し、少なくとも１つの検出器は、対応の狭帯域フィルタおよび光学素子を備える。これらの狭帯域フィルタおよび光学素子は、当該狭帯域フィルタへの入射角を変更するように配置されている。これにより、上記入射角は、上記狭帯域フィルタの主面の法線周辺の予め定められた範囲に限定される。上記光学素子は、像空間テレセントリックレンズを含む。「カメラ」という用語は、ここではセンサと、関連光学素子（レンズ、レンズアレイ、フィルタ）との組合わせとして用いられる。特に、図１２では、光学素子は、像空間テレセントリックレンズと上記少なくとも１つの検出器との間に配置されたミニレンズまたはマイクロレンズアレイをさらに含み、ミニレンズアレイの個々のミニレンズは、上記少なくとも１つの検出器の個々の画素のそれぞれの感光性領域に入射光を集束させる。このような１画素当たり１つのミニレンズ（または１画素当たり１つのマイクロレンズ）の配置の利点は、画素の感光性部分にすべての入射光を光学的に誘導することによって、下にあるセンサのフィルファクタによる損失を減少させることができる点である。

これらの例すべてにおいて、照射線がフィルタ媒体を通過して実質的に等しい長さだけ進むことになる。すなわち換言すれば、入射した照射線はフィルタ面に対して実質的に垂直である。すなわちそれは、フィルタ面の法線周辺の予め定められた範囲内の入射角に限定される。これにより、たとえば昼光、日光をフィルタにかけ、スポットが昼光を上回るように狭帯域幅内に正確にフィルタリングすることが可能になる。

車両周囲の空間全体が限られた数のセンサ、たとえば８個のセンサで監視され、その結果入射光線がたとえば１×１ラドの立体角に広がり得る本発明の実施形態において、入射角の補正は特に重要である。

図１１は、このタイプの第１の光学配置を概略的に示す。第１の光学配置は、像空間テレセントリック構成で、およそ等しい焦点距離ｆを有する第１のレンズ１０３０と第２のレンズ１０４０とを含む。これは、すべての主光線（開口絞りの中央を通過する光線）が像平面に対して垂直であることを意味する。例示的な開口数である０．１６は、円錐角９．３°（円錐角の半分）に対応する。したがって、レンズシステム１０３０～１０４０とセンサ１０２との間に配置された狭帯域フィルタ１０６０への最大の入射角は、９．３°であろう。

図１２に示すように、好ましい設計は、像空間テレセントリック構成（構成は、オプションとして物空間テレセントリックであってもよい）で、およそ等しい焦点距離ｆを有する縦に並んだ２つのレンズ１１３０、１１４０と、平面的に並べられたミニレンズアレイ１１５０と、スペクトルフィルタ１１６０と、ＣＭＯＳ検出器１０２と、からなる。第１のレンズ１１３０の中心Ｏは第２のレンズ１１４０の焦点であるので、Ｏを横切るすべての光線は、第２のレンズ１１４０によって光軸に平行な方向に屈折する。ここで、第１のレンズ１１３０の焦点距離と比較して非常に離れた位置の特定のレーザスポットＳ１１１０について考える。第１のレンズ１１３０による当該スポット１１１０の像は、このレンズの焦平面近く、たとえば第２のレンズ１１４０のちょうど中央面に位置する点Ｐである。スポットＳ１１１０から放出されて第１のレンズ１１３０によって取込まれた光線は、第２のレンズ１１４０における点Ｐに向かって集束する光円錐を形成する。当該光円錐の中心軸は点Ｏを横切り、光軸に平行、つまりスペクトルフィルタ１１６０に垂直に屈折することにより、最適な分光感度を達成する。したがって、第２のレンズ１１４０は、入射光ビームの角度を補正するためのレンズとして機能する。第２のレンズ１１４０の後方にある小さな凸状のミニレンズ１１５０（点Ｐがミニレンズ１１５０の焦点に位置する）を用いることによって、円錐の他の光線が光軸に平行な光線の束として屈曲することもできる。このように、スポットＳ１１１０のすべての結像光線は、スペクトルフィルタにほぼ垂直の方向に屈曲する。これは、すべての画素の前に位置付けられたミニレンズのアレイを用いることによって、ＣＭＯＳ検出器のすべての画素の前で個々に行なわれ得る。この構成では、ミニレンズは像テレセントリック機能を有する。主な利点は、ミニレンズ１１５０における局部補正光学素子によって、球面収差の増大を相殺しつつ、第１のレンズ１０３０の瞳を拡大することができ、またはアパーチャを除去することができる。このように、センサアセンブリの感度を高めることができる。平行光線を集束させて画素のフォトダイオードに戻すことによってフィルファクタを最大化するために、スペクトルフィルタ１１６０とＣＭＯＳ画素１０２との間に第２のミニレンズアレイ（図１２には図示せず）を追加してもよい。

第１および第２のレンズ１１３０、１１４０として、市販されているレンズを使用してもよい。当業者ならば、性質が類似する他のスマートフォンカメラまたはウェブカメラで典型的に用いられるレンズも使用され得ることを理解するであろう。前述のアイサイト（ｉＳｉｇｈｔ）カメラは、８メガピクセルの６×３ｍｍＣＭＯＳセンサ、１．５μｍの画素サイズ、ｆ／２．２の非常に大きなアパーチャ、約ｆ＝７ｍｍの対物焦点距離、および約３．２ｍｍの瞳直径を有する。視野角は、１ラド×１ラドのオーダーである。カメラの分解能がおおよそ画素サイズ（１．５ミクロン）であるとすると、レンズの収差は、アパーチャによって選択される視野角のすべての光線について補正されると結論付けることができる（アッベの法則より）。

図１３は、図１２の配置の変形例を示しており、１つのリソグラフ処理で製造するために最適化されている。第１のレンズ１２３０は前述の実施形態の第１のレンズ１１３０に類似するが、角度を補正する第２のレンズ１１４０は、同じ焦点距離ｆを有するフレネルレンズ１２４０で置換され、ミニレンズアレイ１１５０はフレネルレンズアレイ１２５０で置換されている。利点は、それらが完全に平らで、（別個のフェーズゾーンで）ナノエレクトロニクス技術によって製造可能である点である。平行光線を集束させて画素のフォトダイオードに戻すことによってフィルファクタを最大化するために、スペクトルフィルタ１２６０とＣＭＯＳ画素１０２との間に第２のミニレンズアレイ１２７０を追加してもよい。つまり、カメラは本質的にはアイサイト（ｉＳｉｇｈｔ）としての標準カメラであるが、ＣＭＯＳセンサは特別に設計された多層センサによって置換されている。この多層センサは、すべての構成要素が同じリソグラフ処理内で１つの一体化ブロックとして製造される。この多層センサは、大量生産すると安価であり、小型で丈夫であり、位置合わせの必要がない。これらの５つの層１２４０、１２５０、１２６０、１２７０、１０２の各々は、本発明によって課される要件を満たすための独自の機能を有する。

直径ｄのレンズによって作られた円錐の最小角度はλ／ｄのオーダーであり（λは光の波長）、ミニレンズ直径ｄ＝８．５μｍおよびλ＝８５０ｎｍの場合の最小円錐角は、１／１０ラジアンである。高品質のスペクトル干渉フィルタを用いると、これは約３ｎｍのスペクトルウィンドウに対応する。

図１４は、狭帯域フィルタ１３２０が内側（図示）または外側（図示せず）に配置されたドーム１３１０（たとえば、湾曲したガラス板）を備える代替的な光学配置を示す。フィルタ１３２０をドーム１３１０の内側に配置することの利点は、ドーム１３１０がフィルタ１３２０を外部の力から保護する点である。ドーム１３１０およびフィルタ１３２０が光学的に協働することによって、ドームの表面に実質的に垂直な方向に沿って入射光がフィルタ１３２０を通過することが保証される。ドームフィルタアセンブリとセンサ１０２との間に魚眼光学素子１３３０が設けられる。それはＣＭＯＳセンサまたはＣＣＤセンサまたはＳＰＡＤアレイであり得る。魚眼光学素子１３３０は、ドームフィルタアセンブリを通過した光をセンサの感光性領域に向けて誘導するように配置されている。

オプションとして、プロジェクタに他の魚眼光学素子が設けられる。特定の実施形態では、複数のＶＣＳＥＬが１×ｎ配列またはｍ×ｎ配列で搭載されている。それによって、高さｍ×１ラドおよび幅ｎ×１ラドの空間的角度にわたるレーザビームの出口角を実現することができる。

本発明のいくつかの実施形態では、段階的または可変の減衰フィルタを検出器に適用することによって、深さ範囲全体にわたってスポットの強度を実質的に一定に保つことができる。代替的または追加的には、検出器から遠く離れたスポットの強度を十分な強度で受信しながら検出器に近いスポットの強度を弱くするために、非対称レンズ瞳も設けられてもよい。このようにして、検出器のクリッピングが回避され、すべてのスポットについて平均強度を実質的に同一にすることができる。

いくつかの実施形態では、照射源は、異なるゾーンに分割可能なＶＣＳＥＬであってもよく、それによって、当該異なるゾーンについてレーザのオン時間が制御される。したがって、スポットの画像は、一定の強度、たとえばＡ／Ｄ範囲の２／３を有するように制御され得る。代替的に、やはり一定の強度を得るために、高さに応じてスポットのアレイにわたって駆動電圧が駆動されてもよい。このような制御は、飽和回避サーボループと称され得る。アレイ内の異なるＶＣＳＥＬは強度に関して個別に制御されてもよく、同時に投射しながら個々のＶＣＳＥＬの強度のパターンを変化させてもよい。

本発明のいくつかの他の実施形態では、＋９°～－９°の入射角の範囲内で照射線がフィルタに対して入射するように、狭帯域フィルタの前でマイクロプリズムマトリックスが使用され得る。これは、狭帯域幅フィルタリングを得ることを可能にする。プリズムマトリックスは、たとえばプラスチック成形によって作製されてもよい。

図１１～図１４の構成において、光学素子の特徴は、平坦でない焦平面をもたらす。この結果を補償するために、検出器の画像素子を、光学素子の焦平面に従う曲率を有する基板上に配置することができる。その結果、反射しフィルタリングされたスポットは、どこで検出器に到達するかに関係なく、焦点が合うことになる。検出器の基板の所望の曲率を、フレキシブルチップ（flex-chip）技術を用いることにより、または、向きが異なるタイルを組み合わせることにより、得ることができる。図１５にこの解決策を概略的に示す。図１５は、テレセントリック光学素子１３３０と、それに続く狭帯域フィルタ１３６０および湾曲した画素層１０２とを示す。湾曲した画素層の曲率は、テレセントリック光学素子１３３０の焦平面の形状に従うように設定される
異なる経路に沿う光線がすべて同じ（垂直）角度で狭帯域フィルタを通ることを保証するように光学素子を配置することが可能ではない（または望ましくない）場合、入射角が異なりフィルタ特性が異なるという問題はソースで解決することができる。特に、ＶＣＳＥＬアレイを、異なるスポットそれぞれの波長が異なるように構成してもよい。この構成は、タイル状のレーザアレイを用いることにより、または、ＶＣＳＥＬアレイにおける個々のＶＣＳＥＬの波長を変調する手段を提供することにより、得ることができる。この解決策を図１６に概略的に示す。図１６は、光学素子１４３０およびセンサアレイ１０２の前に配置された狭帯域フィルタ１４６０を示す。明確にするために、かつ一般性を失うことなく、異なる波長（λ_１，λ_２）の異なる２つの入射角をこの図に示している。光源の異なる波長（λ_１，λ_２）は、それぞれの入射角において狭帯域フィルタの通過帯域の最大値に対応するように選択される。

本発明のいくつかの実施形態において、スポットの強度を、段階的または可変減衰フィルタを検出器に適用することにより、深度の全範囲において実質的に一定に保つことができる。これに代えてまたはこれに加えて、検出器からより遠いスポットを十分な強度で受けつつ、検出器により近いスポットの強度を弱めるために、非対称のレンズの瞳を提供することもできる。このようにして、検出器のクリッピングを回避することができ、平均強度をすべてのスポットについて実質的に同一にすることができる。

いくつかの実施形態において、放射源は、異なるゾーンに分割され異なるゾーンに対してレーザのオン時間を制御することが可能な、ＶＣＳＥＬアレイであってもよい。いくつかの実施形態において、放射源をＶＣＳＥＬアレイとして、レーザのオン時間を個々のレーザレベルで制御することができる。よって、スポットの画像を、一定の強度、たとえばＡ／Ｄ範囲の３分の２となるように、制御することができる。これに代えて、駆動電圧を、高さに応じてスポットのアレイにわたって駆動することにより、この場合も一定の強度を得ることができる。このような制御は、飽和回避サーボループと呼ぶことができる。アレイ内の異なるＶＣＳＥＬの強度をグループ単位でまたは個別に制御し、同時に投射されるパターン内の個々のＶＣＳＥＬの強度を変化させてもよい。

本発明のその他いくつかの実施形態において、マイクロプリズムマトリックスを狭帯域フィルタの前で用いて、照射線が、入射角が＋９°と－９°との間になるようにフィルタに入射するようにしてもよい。このようにして狭帯域フィルタリングが得られる。プリズムマトリックスはたとえばプラスチック成形によって作ることができる。

たとえばアクティブサスペンション車両用途が想定される本発明の実施形態では、スポットパターンの投射は、有利に下向き、すなわち道路の方に向けられる。

本発明に係るシステムは、上述の方法のステップを、専用ハードウェア（たとえばＡＳＩＣ）、構成可能なハードウェア（たとえばＦＰＧＡ）、プログラム可能なコンポーネント（たとえば、適切なソフトウェアを用いるＤＳＰまたは汎用プロセッサ）、またはこれらの任意の組合わせで実現することを含み得る。同じコンポーネントが他の機能も含んでもよい。本発明は、上述の方法のステップを実現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する。当該製品は、光学媒体、磁気媒体、または固体媒体としてのコンピュータ読取可能媒体で提供されてもよい。

本発明は、上述のシステムを含む車両にも関する。
本発明の実施形態は、限定はされないが、自動車用途、工業用途、ゲーム用途など（屋内外の両方、短距離または長距離）を含む、多岐にわたる用途で好都合に用いられ得る。いくつかの用途では、本発明の実施形態に係る異なるセンサを組合わせて（たとえば、デイジーチェーン方式）、好ましくは一周（３６０°視野）にわたるパノラマのカバー範囲を作り出してもよい。

別個のシステムおよび方法の実施形態を参照して本発明を上で説明したが、明確化のためにそのようにしたに過ぎない。システムまたは方法のみに関して説明した特徴はそれぞれ方法またはシステムに適用可能であり、同じ技術的効果および利点を有することを当業者ならば理解するであろう。さらに、本発明の範囲はこれらの実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲によって規定される。

Claims

物体までの距離を測定するためのシステム（２００）であって、
－レーザ光の不連続スポットのパターンを、周期的に繰り返されるパルスのシーケンスで前記物体に向けて投射するように配置された半導体光源（２１０）と、
－複数のＣＭＯＳ画像素子を含み、前記パルスのシーケンスと同期して、前記物体から反射された前記不連続スポットのパターンを表す光を検出するように構成され、狭帯域フィルタが設けられた、検出器（２２０）と、
－前記検出した光に応答して前記画像素子が生成した露出値に応じて前記物体までの前記距離を算出するように構成された処理手段（２４０）とを備え、
前記画像素子（２２０）は、前記シーケンスの前記パルスすべてについて、第１の予め定められた時間ウィンドウ（１０）の期間中に前記物体から反射された第１の光量を表す第１の電荷量と、前記第１の予め定められた時間ウィンドウ（１０）の後に起こる第２の予め定められた時間ウィンドウ（２０）の期間中に前記物体から反射された第２の光量を表す第２の電荷量とを蓄積することによって前記露出値を生成するように構成され、
前記複数の画像素子の各々は、少なくとも２つの電荷ストレージウェル（２２１，２２２）を含み、前記第１の光量の前記検出および前記第２の光量の前記検出は、前記少なくとも２つの電荷ストレージウェル（２２１，２２２）のうちの対応するそれぞれの電荷ストレージウェルで行われ、
前記第１の光量の前記検出に使用される前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）の電荷ストレージ容量は、前記第２の光量の前記検出に使用される前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）の電荷ストレージ容量よりも大きく、
前記複数の画像素子の各々は、背景光の値を取得するという機能を果たすように構成された少なくとも１つのその他の電荷ストレージウェル（２２３）を含み、前記少なくとも１つのその他の電荷ストレージウェル（２２３）の電荷ストレージ容量は、前記少なくとも２つの電荷ストレージウェル（２２１，２２２）の電荷ストレージ容量よりも小さい、システム。
さらに、前記投射および前記検出をパルスの少なくとも２つの連続シーケンスについて実行するように構成され、前記連続シーケンスの各々は、前記第１の予め定められた時間ウィンドウおよび前記第２の予め定められた時間ウィンドウのうちの異なる期間で実施される、請求項１に記載のシステム。
前記第１の予め定められた時間ウィンドウおよび前記第２の予め定められた時間ウィンドウは、実質的に等しい期間であり、連続して発生する、請求項１～２のいずれか１項に記載のシステム。
さらに、前記第１の予め定められた時間ウィンドウおよび前記第２の予め定められた時間ウィンドウに、前記背景光の値の取得において前記複数の画像素子が使用される時間ウィンドウを挿入するように構成される、請求項１～３のいずれか１項に記載のシステム。
請求項１～４のいずれか１項に記載のシステム（１００）を備える車両であって、前記システムは前記車両を取囲むエリアのうちの少なくとも一部を作動的にカバーするように配置されている、車両。
請求項１～４のいずれか１項に記載のシステム（１００）を備えるカメラであって、前記システム（１００）は、前記システムから得られた情報に基づいてカメラ画像に３次元情報を付加することによって３次元画像を作成することを可能にするように構成されている、カメラ。
物体までの距離を測定するための方法であって、
－半導体光源（２１０）を用いて、レーザ光の不連続スポットのパターンを、周期的に繰り返されるパルスのシーケンスで前記物体に向けて投射するステップ（１１０）と、
－複数のＣＭＯＳ画像素子を含み狭帯域フィルタが設けられた検出器（２２０）を用いて、前記パルスのシーケンスと同期して、前記物体から反射された前記不連続スポットのパターンを表す光を検出するステップ（１２０；１３０）と、
－前記検出した光に応答して前記画像素子が生成した露出値に応じて前記物体までの前記距離を算出するステップ（１４０）とを含み、
前記画像素子（２２０）は、前記シーケンスの前記パルスすべてについて、第１の予め定められた時間ウィンドウ（１０）の期間中に前記物体から反射された第１の光量を表す第１の電荷量と、前記第１の予め定められた時間ウィンドウ（１０）の後に起こる第２の予め定められた時間ウィンドウ（２０）の期間中に前記物体から反射された第２の光量を表す第２の電荷量とを蓄積することによって前記露出値を生成し、
前記複数の画像素子の各々は、少なくとも２つの電荷ストレージウェルを含み、前記第１の光量の前記検出および前記第２の光量の前記検出は、前記少なくとも２つの電荷ストレージウェルのうちの対応するそれぞれの電荷ストレージウェルで行われ、
前記第１の光量の前記検出に使用される前記第１の電荷ストレージウェル（２２１）の電荷ストレージ容量は、前記第２の光量の前記検出に使用される前記第２の電荷ストレージウェル（２２２）の電荷ストレージ容量よりも大きく、
前記複数の画像素子の各々は、背景光の値を取得するという機能を果たすように構成された少なくとも１つのその他の電荷ストレージウェル（２２３）を含み、前記少なくとも１つのその他の電荷ストレージウェル（２２３）の電荷ストレージ容量は、前記少なくとも２つの電荷ストレージウェル（２２１，２２２）の電荷ストレージ容量よりも小さい、方法。
前記第１の予め定められた時間ウィンドウおよび前記第２の予め定められた時間ウィンドウは、実質的に等しい期間であり、連続して発生する、請求項７に記載の方法。
前記投射するステップ（１１０）、前記検出するステップ（１２０；１３０）、および前記算出するステップ（１４０）は、周期的に繰り返される、請求項７～８のいずれか１項に記載の方法。
前記第１の予め定められた時間ウィンドウおよび前記第２の予め定められた時間ウィンドウに、前記背景光の値の取得において前記複数の画像素子が使用される時間ウィンドウが挿入される、請求項７～９のいずれか１項に記載の方法。
請求項７～１０のいずれか１項に記載の方法をプロセッサに実行させるように構成されたコード手段を含むコンピュータプログラム製品。