JPWO2019050024A1 - 距離測定方法および距離測定装置 - Google Patents

Abstract

距離測定方法では、背景光検知期間に、閾値が設定され、距離測定期間がＮ個の期間に分割され、背景光検知期間に、トランスファーゲートをＯＮし、リセット信号をＯＮし、トランスファーゲートがＯＮしている期間にリセット信号をＯＦＦし、距離測定期間において、トランスファーゲートをＯＮし、リセット信号をＯＮし、トランスファーゲートがＯＮしている期間であってかつ光源からの光パルスの発射時刻に対し所定の時間だけ遅れた時間にリセット信号をＯＦＦし、距離測定期間のＮ個の期間のそれぞれにおいて閾値とカウント値とを比較し、閾値よりもカウント値が大きくなった期間に時間信号を距離信号として記憶し、距離信号出力期間に距離信号を距離画像として出力する。

Description

本開示は、距離測定方法および距離測定装置に関する。

従来、固体撮像装置は画像を高感度、高精細に撮像することに注力されてきたが、それに加えて固体撮像装置からの距離情報も取得できる機能を併せ持つものも近年登場してきた。画像に距離情報が加われば固体撮像装置の撮影対象の三次元的な情報が感知できることになる。例えば、人物を撮影すれば、しぐさ（ジェスチャー）を三次元的に検知できるので、様々な機器の入力装置として使用できる。さらに例示すると、自動車に搭載すれば自車の周囲に存在する物体・人物との距離を認識できるので衝突防止や自動運転などに応用できる。

固体撮像装置から物体までの距離測定に使用される数々の方法の中に、光を固体撮像装置付近から物体に向けて照射されてから、物体により反射し固体撮像装置に帰還するまでの時間を測定するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）法がある。複眼方式などの他の方法と比較すれば、固体撮像装置の他に光源が必要になることが短所である。一方、光源を強くすれば、遠方の物体までの距離を高分解能で測定できることが長所である。固体撮像装置にＴＯＦ法を適用して三次元的な情報を得る方法としては、例えば特許文献１に掲載された技術がある。

特開２００４−２９４４２０号公報

特許文献１において、受信光（物体で反射した光パルス）は投射光（光源から発射した光パルス）に対して物体までの距離に対応した遅れ時間Ｔｄを持って固体撮像装置に到達する。受光素子、すなわちフォトダイオード（ＰＤ）に入射する受信光に応じて生成される電荷は、２つのトランスファゲートトランジスタＴＸ１、ＴＸ２の駆動に応じて２つのノードに振り分けられ、信号Ａ、Ｂを生成する。そのあと、投射光をＯＦＦにした状態で同様の駆動により信号Ｃ、Ｄを得る。信号Ａ、Ｂは背景光の成分が含まれているが、信号Ｃ、Ｄを差し引き、信号（Ａ−Ｃ）、信号（Ｂ−Ｄ）を計算することにより受信光成分だけが含まれる信号が得られる。このとき信号（Ａ−Ｃ）と信号（Ｂ−Ｄ）の比は遅れ時間Ｔｄで決定されるので距離情報を得ることができる。

投射光はパルスであり、信号（Ａ−Ｃ）と信号（Ｂ−Ｄ）の比はパルスの位相を表すので、この方法をパルス位相法と呼ぶことにする。パルス位相法は、背景光の比較的弱い室内で、比較的近距離(数ｍ程度)に適用する場合にはよいが、背景光の強い野外や遠距離に適用する場合に対して問題となる以下の欠点が存在することに発明者らは気づいた。

欠点の１点目は、ダイナミックレンジが小さいことである。言い換えると、測定可能な距離のレンジが小さいことである。受信光の強度は、物体までの距離の二乗に比例する。例えば、距離１ｍの物体からの受信光と、それと同じ物体で距離１００ｍの場合の受信光との強度比は１００００：１になる。ところが、固体撮像装置の単一画素の飽和電子数は通常１００００程度なので、距離１００ｍが検知可能な光学条件に設定した場合、距離１ｍの物体からの受信光は飽和してしまい、パルスの位相情報が失われることになる。背景光が強い場合、さらに飽和しやすくなる。

欠点の２点目は、強い背景光に対する耐性が低いということである。以下説明すると、投射光のパルス幅Ｔｏは、距離測定レンジに応じて決定される。例えば距離測定レンジが１００ｍの場合であれば、Ｔｏは６６７ナノ秒必要であり、これを小さくすることはできない。一方、背景光による信号Ｃ、ＤはＴｏに比例して増加し、そのノイズ、すなわち光ショットノイズは信号Ｃ、Ｄの平方根に比例する。信号Ａ、Ｂに対して信号Ｃ、Ｄがそれぞれほとんど等しい場合、上記光ショットノイズが極めて大きくなり、十分な精度をもって距離を測定できない。

上記課題に鑑み、本開示は、測定可能距離レンジが広い固体撮像装置、距離測定装置および距離測定方法および距離測定装置を提供することを目的とする。

また、強い背景光の環境下においても距離測定が可能である固体撮像装置、距離測定装置および距離測定方法および距離測定装置を提供することを目的とする。

その他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態である距離測定方法は、光源からのパルス光が対象物において反射して帰還する時間により距離を測定し、１フレーム期間内に距離画像を出力する距離測定方法であって、前記１フレーム期間には、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間が含まれており、前記背景光検知期間において、閾値が設定され、前記距離測定期間は、Ｎ個の期間に分割され（Ｎは１以上の整数）、前記背景光検知期間において、トランスファーゲートをＯＮし、リセット信号をＯＮし、前記トランスファーゲートがＯＮしている期間に、前記リセット信号をＯＦＦし、前記距離測定期間において、トランスファーゲートをＯＮし、リセット信号をＯＮし、前記トランスファーゲートがＯＮしている期間であって、かつ前記光源からの光パルスの発射時刻に対し所定の時間だけ遅れた時間に前記リセット信号をＯＦＦし、前記距離測定期間の前記Ｎ個の期間のそれぞれにおいて前記閾値とカウント値とを比較し、前記閾値よりも前記カウント値が大きくなった期間において前記時間信号を距離信号として記憶し、前記距離信号出力期間において、前記距離信号を前記距離画像として出力する。

この構成によれば、測定可能距離レンジが広い距離測定を実現できる。

本開示において開示される一実施の形態によれば、測定可能距離レンジが広い距離測定方法を提供することができる。

実施の形態１にかかる固体撮像装置の構成を示す概略図 実施の形態１にかかる固体撮像装置に搭載する画素の構成を示すブロック図 実施の形態１にかかる固体撮像装置に搭載する画素の構成を示す回路図 実施の形態１にかかる固体撮像装置の１フレーム期間に含まれる動作期間を示す図 実施の形態１にかかる固体撮像装置の背景光検知期間の動作シーケンスについて説明するための図 実施の形態１にかかる固体撮像装置の距離測定期間の動作シーケンスについて説明するための図

以下、本開示にかかる実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、実質的に同一の構成に対して同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。また、以下で説明する実施の形態は、いずれも一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
［１．固体撮像装置の構成］
はじめに、本実施の形態にかかる距離測定装置１および固体撮像装置１０の構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかる固体撮像装置を含む距離測定装置の構成を示す概略図である。

図１に示すように、距離測定装置１は、固体撮像装置１０と、信号処理装置２０と、計算機３０と、光源４０とを備えている。

固体撮像装置１０は、さらに以下のような構成となるが、これに限られるものではない。

図１に示すように、固体撮像装置１０は、画素領域１２と、垂直シフトレジスタ１３と、画素駆動回路１４と、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌｌａｔｅｄ Ｄｏｕｂｌｅ Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路１５と、水平シフトレジスタ１６と、出力回路１７とを備えている。

画素領域１２は、図２に示すように、画素１００が二次元状に配列されている。

垂直シフトレジスタ１３は、画素領域１２内のある特定の行の画素１００を選択する。この機能は主に、ある特定の画素１００から距離信号を順に出力するために使用する。

画素駆動回路１４は、図２に示した画素１００を、全画素同時に制御するために使用する。

ＣＤＳ回路１５は、図２に示した画素１００からの出力に含まれる、各画素１００で異なるオフセット成分を除去するための回路である。

水平シフトレジスタ１６は、画素からの出力を列方向に順に選択するための回路である。

出力回路１７は、垂直シフトレジスタ１３および水平シフトレジスタ１６によって選択された画素からの距離信号を、必要ならば増幅して出力する。この固体撮像装置１０では、４つの出力回路１７を搭載しているが、４つでない固体撮像装置も当然考えられる。

信号処理装置２０は、図１に示すように、アナログフロントエンド２１と、ロジック・メモリ２２とを備えている。

アナログフロントエンド２１は、固体撮像装置１０からのアナログ出力信号をデジタル出力信号に変換して、必要ならば出力信号の順序を入れ替えてロジック・メモリ２２に出力する。固体撮像装置１０からの出力信号がもしデジタル出力信号である場合には、アナログ出力信号をデジタル出力信号に変換する機能は不要だが、出力信号の順序を入れ替える機能は必要になる。信号処理装置２０からの出力信号（距離信号）は、計算機３０に出力される。

計算機３０は、例えばコンピュータであり、信号処理装置２０からの出力信号（距離信号）に基づいて固体撮像装置１０の周囲の三次元情報を構成する。

光源４０は、三次元情報を得たい箇所に光を投射する。光源４０には、必要に応じて光を拡散することにより三次元情報を得たい箇所全体に光を照射する機構が内蔵されている。光源４０からは、時間方向にパルス状の光（パルス光）が出力される。パルス光の出力時刻や幅は、信号処理装置２０によって制御される。また、信号処理装置２０は、光源４０の制御と同期させて固体撮像装置１０を制御する。固体撮像装置１０は、信号処理装置２０からの信号に従って、搭載されている画素１００を画素駆動回路１４などを介して制御する。

図２は、本実施形態にかかる固体撮像装置１０に搭載する画素１００の構成を示すブロック図である。図３は、本実施形態にかかる固体撮像装置１０に搭載する画素１００の構成を示す回路図である。なお、以下に説明する各種の信号について、“ＯＮ”とはハイレベルの電圧値の信号のことをいい、“ＯＦＦ”とはローレベルの電圧値の信号であることをいう。また、“ＯＮする”とはハイレベルの電圧値の信号を印加することをいい、“ＯＦＦする”とはローレベルの電圧値の信号を印加することをいう。

図２に示す画素１００内には、受光回路１０１、カウンタ回路１０２、比較回路１０３、記憶回路１０４の４つのブロックが内蔵されている。以下、各ブロックの構成および機能を説明する。ここで説明する機能を各ブロックに持たせる構成は、ある程度の変形が考えられるが、その場合も本開示と同等であることはいうまでもない。

受光回路１０１は、図３に示すように、受光素子１０５と、トランスファゲートトランジスタ１０６と、リセットトランジスタ１０７とを有している。受光素子１０５とトランスファゲートトランジスタ１０６とは直列に接続され、受光素子１０５とトランスファゲートトランジスタ１０６とが１つずつ組となっている。トランスファゲートトランジスタ１０６は、受光素子１０５とカウンタ回路１０２との間に接続されている。

受光素子１０５は、例えばフォトダイオードである。トランスファゲートトランジスタ１０６は、受光素子１０５において光電変換により発生した電荷を輸送する。よって、受光回路１０１は、入射光を受けて受光信号に変換する機能を内蔵している。受光信号は、入射光の強弱に応じて変化してもよいが、入射光の到達の有無により２値になることが望ましい。以下、２値である前提で説明するが、２値でなくても画素１００は動作する。２値でない場合は、回路的に定めたある閾値に対する大小で２値になっているものとする。さらに、入力信号である露光信号に応じて、光電変換を行う時間を任意に設定できる。また、リセット信号を受けて、受光信号をリセットする機能が付加されていてもよい。受光した場合の受光信号を、“受光信号がある”、受光していない場合を“受光信号がない”、と呼ぶことにする。リセット機能が付加されていない場合は、受光信号を出力すると同時もしくは十分短い時間内に、電気信号をリセットする機能が付加されている。

図２に示す画素１００は、さらに、受光回路１０１の出力に接続されているカウンタ回路１０２を備えている。

カウンタ回路１０２は、図３に示すように、電荷蓄積コンデンサ１０８と、カウンタトランジスタ１０９と、カウンタ容量１１０とを有している。カウンタ容量１１０を介して出力許可信号１３０が出力される。カウンタ回路１０２は、カウント値を保持、増加、リセットする機能が付加されている。カウンタ回路１０２は、カウント値のリセットを、リセット信号に応じて行う。また、カウンタ回路１０２は、入力であるカウント信号がＯＮの期間、受光信号を検知する。受光信号を検知した場合、カウンタ回路１０２は、カウント値を１つ増加させる。すなわち、カウンタ回路１０２は、受光回路１０１への受光信号の到達回数をカウントする。

図２に示す画素１００は、さらに、カウンタ回路１０２の出力に接続されている比較回路１０３を備えている。

比較回路１０３は、図３に示すように、直流カットコンデンサ１１１と、クランプトランジスタ１１２と、インバータ１１３とを有している。比較回路１０３には、カウンタ回路１０２が計数した回数値に対する閾値を任意に設定、保持する機能が搭載されている。入力である閾値設定信号がＯＮしたとき、入力であるカウント値に応じた閾値が設定される。閾値設定信号がＯＦＦのとき、設定した閾値に対しカウント値が大きい場合、比較信号をＯＮさせる機能がさらに付加されている。また、比較回路１０３は、出力許可信号が入力されていてもよい。この場合は、出力許可信号がＯＮの場合のみ、比較信号をＯＮする。出力許可信号については、実施の形態２で説明する。

図２に示す画素１００は、さらに、記憶回路１０４を備えている。

記憶回路１０４は、図３に示すように、入力トランジスタ１１４と、記憶コンデンサ１１５と、記憶ノードリセットトランジスタ１１６とを有している。記憶回路１０４の入力は２つであり、１つには比較信号が入力される。もう１つには、時間に対して変化する信号、すなわち時間信号が入力される。記憶回路１０４には、比較信号がＯＮしたとき、このタイミングでの時間信号の値を記憶する機能が内蔵されている。さらに、記憶回路１０４には、当然ながら、記憶した時間信号（これを距離信号とする）を出力する機能も付加されている。

さらに、記憶回路１０４には、図３に示すように、増幅トランジスタ１１７と、選択トランジスタ１１８とが接続されている。

図２に示す画素１００は、固体撮像装置１０内に二次元状に配列した形で内蔵される。固体撮像装置１０を含めた距離測定装置１は、上述した図１のような構成となるが、これに限られるものではない。

［２．固体撮像装置の動作］
次に、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０の動作について説明する。図４は、固体撮像装置１０の１フレーム期間に含まれる動作期間を示す図である。

図４に示すように、１フレーム期間は、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間に分けられる。固体撮像装置１０は、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間をこの順に繰り返す動作を行う。

図５は、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０の背景光検知期間の動作シーケンスについて説明するための図である。図６は、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０の距離測定期間の動作シーケンスについて説明するための図である。

図５に示すように、背景光検知期間では、光源４０からの信号光をＯＦＦする。背景光検知期間では、固体撮像装置１０への入射光は、背景光によるものだけである。トランスファゲートパルスを露光信号によりＯＮすることによって、トランスファゲートトランジスタ１０６をＯＮする。なお、トランスファゲートトランジスタ１０６をＯＮしているうち、測定を開始するまでの間は、リセットトランジスタ１０７をＯＮする。このように設定することで、所定の信号検出期間以前に受光素子に到達した光は、電荷として電荷蓄積コンデンサ１０８に蓄積されることなく、リセットトランジスタを介して排出されることとなる。

なお、トランスファゲートトランジスタ１０６をＯＮするタイミングとリセットトランジスタ１０７をＯＮするタイミングとは必ずしも同時である必要はなく、所定の信号検出期間以前にリセットトランジスタ１０７がＯＮすればよい。

測定を開始する直前に、トランスファゲートトランジスタ１０６をＯＮにしたまま、リセットトランジスタ１０７をＯＦＦする。その後、光が入射すれば、入射光に対応する電荷がトランスファゲートトランジスタ１０６を介して電荷蓄積コンデンサ１０８に蓄積される。

それから、トランスファゲートトランジスタ１０６をＯＦＦする。続いてカウンタトランジスタ１０９のゲートに印加する電圧であるカウンタトリガをＯＮし、その電荷をカウンタ容量１１０に転送する。

その後、カウンタトリガをＯＦＦする。続いて再びトランスファゲートトランジスタ１０６をＯＮし、合わせてリセットトランジスタ１０７をＯＮすることで、電荷蓄積コンデンサ１０８の電荷をリセットする。この行程をｂ回繰り返す。

その後、比較回路１０３において閾値設定信号をＯＮし、この信号をクランプトランジスタ１１２に印加することにより、背景光に対応するカウンタ容量１１０の電圧を、直流カットコンデンサ１１１の両端の電圧として記憶する。この間、出力許可信号の電圧は、電圧Ｅに設定する。

距離測定期間では、期間を複数の期間に分割する。図６は、距離測定期間での動作シーケンスを示しており、（ａ）は複数の期間に分割された距離測定期間、（ｂ）は（ａ）における期間αの動作シーケンスを示している。

期間αでは、まず光源から信号光パルスを射出する。

射出した信号光パルスと同時、または、信号光パルスを射出した時間から所定の時間だけ遅れた時間にトランスファゲートトランジスタ１０６をＯＮする。トランスファゲートトランジスタ１０６をＯＮし、式１で表される時間が経過する以前までに、リセットトランジスタ１０７をＯＮする。

それから、式１で表される時間が経過したとき、トランスファゲートトランジスタ１０６をＯＮにしたまま、リセットトランジスタ１０７をＯＦＦする。

ここで、リセットトランジスタ１０７がＯＮしている期間に入射した光は、電荷として電荷蓄積コンデンサ１０８に蓄積されることなく、リセットトランジスタ１０７を介して排出される。すなわち、リセットトランジスタ１０７がＯＮしている期間に入射した光は、測定に寄与しない。一方で、所定の信号検出期間（リセットトランジスタ１０７をＯＦＦしてからトランスファーゲートがＯＦＦされるまでの期間）に到達した光のみを精度よく信号として検出することができる。

さらに、トランスファゲートトランジスタ１０６を所定の期間ＯＮしたあと、トランスファゲートトランジスタ１０６をＯＦＦする。続いて、カウンタトリガをＯＮし、受光素子１０５で生成した電荷を電荷蓄積コンデンサ１０８に転送する。このとき、受光信号がある場合は、カウンタ値が１つ増加する。この一連の行程をｂ回繰り返す。

カウンタ回路１０２では、上記ｂ回の露光のうち、何回光が到達したかを計数し記憶することになる。ここでは、光がｃ回到達したとする。ただし、上記ａが十分小さいか、入射光が十分小さく、入射光が光子数個に分解でき、断続的に入射するとみなせることを前提としている。通常は、ａが数１０ナノ以下であれば、この前提は十分成立する。

次に、比較回路１０３に対し、閾値設定信号をＯＮし、カウンタ回路１０２の出力値であるｃ回に応じた閾値を設定する。閾値は、カウンタ回路１０２の出力値であるｃそのものでもよいが、ここではｄ＝ｃ＋ｅ（ｅは任意の正の値）に設定する。

次に、距離測定期間の動作を行う。ここでは、距離測定レンジとして、固体撮像装置１０の至近距離からＲメートルまでの範囲にある物体を検出するとする。また、その分解能はＲ／Ｎメートル（Ｎは１以上の整数）とする。これを実現するため、図６の（ａ）および（ｂ）に示すように、距離測定期間では以下のような行程とする。

まず、図６の（ａ）に示すように、距離測定期間をＮ個の期間にさらに分ける。分けられたそれぞれの区間は、０〜Ｒ／Ｎメートルを検知する期間１、Ｒ／Ｎ〜２Ｒ／Ｎメートルを検知する期間２、・・・、（α―１）Ｒ／Ｎ〜αＲ／Ｎメートルを検知する期間α（αは１以上Ｎ以下の整数）、・・・、（Ｎ−１）Ｒ／Ｎ〜Ｒメートルを検知する期間Ｎとする。距離測定期間の分け方はこの通りに限られるものでなく、例えば不等ピッチにしてもよいが、ここでは上記のように分けたとして説明する。

次に、期間α内での動作について説明する。まず、カウンタ回路リセット信号をＯＮし、カウンタ値をリセットする。また、記憶回路１０４に入力する時間信号をαに設定する。記憶回路１０４に入力する時間信号の値は全くの任意であり、期間１〜期間Ｎで互いに異なっていればよい。さらに、連続的に変化してもよい。（図６の（ｂ）では期間α内で一定値としている）。

さらに、光源４０を制御し、ａ秒間の幅を持った光パルスを投射する。この光がもし、期間αで測定する距離に対応した物体、すなわち（α―１）Ｒ／Ｎ〜αＲ／Ｎメートル先にある物体に反射して固体撮像装置１０内のある画素に入射する場合、物体で反射した光パルス（受信光と呼ぶことにする）は、光源から発射した光パルス（投射光と呼ぶことにする）が発射した時刻に対して、

だけ遅れて固体撮像装置１０に到達する。ここで、Ｖは光速である。したがって、トランスファゲートトランジスタ１０６と、リセットトランジスタ１０７とをそれぞれＯＮした後、光パルスが固体撮像装置に到達する時刻において、リセットトランジスタを先にＯＦＦし、そこからａ秒間後にトランスファーゲートをＯＦＦするように設定すれば、この距離範囲内にある物体からの受信光を検知することができる。このあと、カウンタ回路１０２において、カウント信号により受信光を検知した回数、すなわち光の到達回数のカウントを行う。

上述した手順で露光をｂ回繰り返し、カウンタ回路１０２で光の到達回数を計数する。もし、期間αに対応する距離範囲内に物体が存在しなければ、計数の期待値は、背景光成分であるｃ回であり、閾値ｄより小さいので、後段の比較回路１０３の動作は変化しない。期間αに対応する距離範囲内に物体が存在する場合、計数の期待値はｃ回を上回る値であるｆ回となる。すなわち、受信光強度が十分大きい場合、
ｆ＞ｄ ・・・（式２）
を満たす。

その後、比較回路１０３の出力許可信号をＯＮする。式２が満たされている場合は、比較信号がＯＮし、時間信号が距離信号として記憶される。式２が満たされない場合は、記憶されている距離信号（あるいは初期値の場合もありえる）は変化しない。

その後、期間（α＋１）が続き、期間Ｎで距離測定期間が終了する。このとき、各画素の記憶回路１０４には、各画素が撮影する物体までの距離に対応した信号、すなわち距離信号が記憶されている。

最後に、距離信号出力期間に、各画素に記憶された距離信号を出力する。図１に示した距離測定装置１内の固体撮像装置１０の場合は、垂直シフトレジスタ１３および水平シフトレジスタ１６により、順に画素を選択し、距離信号を出力する。この距離信号を信号処理装置２０などで処理することにより、三次元的な情報（すなわち距離画像）が得られる。以下、この距離画像を得るための固体撮像装置１０からの信号を単に距離画像と呼ぶこともある。

ここまでは、背景光検知期間の露光時間と距離測定期間の露光時間は同じ、また背景光検知期間の光パルス数と距離測定期間の光パルス数も同じとしたが、これに限られるものではない。ただし、異ならせる場合は、式２の成立要件が異ならせた値に応じて変形することになる。

さらに、各期間の光パルスの発射時刻に対する露光信号の遅れ時間もこれに限られるものではなく、様々なバリエーションが容易に考えられる。

次に、先行技術文献で使用されているパルス位相法よりも、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０による距離測定のほうが、距離の測定ダイナミックレンジが広い理由を説明する。

パルス位相法の場合、簡単化して考えると、受信光の強度変化によって距離を測定する方式であるので、画素の飽和レベルを超えた場合には測定不能となる。ところで、受信光強度は物体までの距離の二乗に反比例し、また物体の反射率に比例する。例えば、最大測定距離を１００メートル、測定対象の物体の反射率が１０％〜１００％であるとする。このとき、１メートルの距離にある反射率１００％の物体からの受信光強度と、１００メートルの距離にある反射率１０％の物体からの受信光強度の比は１０００００：１に達する。一方、一般的な固体撮像装置の単一画素の飽和電子数は１００００程度であるので、上記２つを同時に測定できないことを意味している。

一方、固体撮像装置１０による距離測定の場合、測定可能か否かは式２が成立するほど受信光強度が大きいことだけが条件であり、物体までの距離と反射率による受信光強度の変化にはまったく左右されない。従って、固体撮像装置１０による距離測定のほうが、パルス位相法よりも距離ダイナミックレンジが大きいといえる。

固体撮像装置１０による距離測定のほうが、パルス位相法よりも背景光強度に対する耐性がよい理由を説明する。測定条件として、上述のように至近距離からＲメートルまでの範囲にある物体を検出することにする。また測定精度はＲ／Ｎメートルを確保するものとする。

このとき、背景光の影響を最も受けるのは、最遠距離、すなわちＲメートル先の物体を測定する場合である。なぜなら、背景光の物体からの反射光強度は、物体までの距離によらないのに対し、光源からの受信光は距離の２乗に反比例するからである。すなわち、受信光におけるＳＮ比は、距離が遠いほど小さくなる。

以下、測定可能である受信光の条件を計算する。以下、エネルギーの単位は光子数であるとする。計算の仮定として、ノイズ成分は、背景光のショットノイズが支配的であるとし、受信光のショットノイズはそれに対し十分小さく無視できるとする。

単一画素への受信光の単位時間当たりの入射ピーク光子数をＳとする（入射ピークパワーを光子数換算した値である）。Ｓは、光源のエネルギーおよび物体の反射率、距離で決定される。この受信光と同時に、背景光が物体に反射することによる成分が重畳する。背景光による入射光成分の単位時間当たりの光子数をＢとする。パルス位相法の場合、パルス幅を

にしなければならないから、パルス数をＭとすると、単一画素への受信光の合計エネルギーＴは、

となる。一方、背景光の成分の合計エネルギーは、

となるが、これに光ショットノイズ

が重畳している。測定される受信光エネルギーＴを用いて、精度Ｒ／Ｎメートルを算出するための必要条件は、ＴがＴ／Ｎ以下の精度を持って測定できることである。すなわち、

が条件である。

それに対して、かかる固体撮像装置１０による距離測定に対する式７に対応する式を以下導出する。まず、単一の光パルスの幅およびそれを検知するための露光時間は、期間一つに対応する距離範囲の２倍を光速で通過する時間、すなわち、

以下であればよい。ここでは、単一の光パルスの幅およびそれを検知するための露光時間は、式８に等しいとする。また、期間一つに単一画素に入射する受信光の合計エネルギーは、

となる。ただし、ここでは期間ごとのパルス数とピークエネルギーは等しいと仮定した。これと同時に、入射する背景光による光エネルギーは、

であり、この光の光ショットノイズは、

である。閾値ｄは、式１０と式１１の合計よりも大きいことが最低限必要である。加えて、受信光が到達しない期間において到達したと誤って判定することを避けるためには、さらに閾値ｄを大きくする必要がある。統計理論によれば、式１１の光ショットノイズが、式１１のγ倍よりも大きくなる確率は、γ=１のとき１６％、γ＝２のとき２．５％、γ＝３のとき０．１５％である。この確率が１／Ｎよりも小さければ、上記誤判定は生じない。例えばＮ＝１００の場合、γ＝３であればよい。すなわち、閾値ｄは、

であるから、誤判定を生じずに測定するための必要条件は、

である。

簡単のために、固体撮像装置１０による距離測定において、総パルス数をパルス位相法による測定の場合と一致させる場合を考える。すなわち、固体撮像装置１０による距離測定において、パルス位相法のパルス数Ｍ、測定期間数Ｎ、各測定期間内でのパルス数ｂが、Ｍ＝Ｎｂを満たす場合を考えると、式１３は、

となる。式１４と式７とを比較すると、少なくともＮ＞γの場合には、かかる固体撮像装置１０による距離測定方法の方が、パルス位相法よりも小さい光源エネルギーで測定を行うことができる、すなわち、背景光に対する耐性が高いことがわかる。ジェスチャー認識、自動車に搭載して障害物検知を行うなどの場合に、固体撮像装置１０による距離測定を用いるのであれば、Ｎ＞１００は少なくとも要求されるため、実質的にパルス位相法よりも小さい光源エネルギーでよいことが分かる。

次に、背景光成分が小さい場合でも、測距精度が高い理由を説明する。ここではノイズの主成分が受信光成分の光ショットノイズであるとし、他のノイズは無視できるとする。

パルス位相法の場合、受信光成分の光ショットノイズ成分は、受信光エネルギーＴに対する光ショットノイズに等しいと考えて、

である。精度Ｒ／Ｎメートルを算出するための必要条件は、ＴがＴ／Ｎ以下の精度を持って測定できることである。すなわち、

かかる固体撮像装置１０による距離計測の場合、簡単のため、Ｍ＝Ｎｂを満たすとすると、単一の測定期間内の受信光子数は、

である。精度Ｒ／Ｎメートルを得るための必要条件は、単一の測定期間内の受信光エネルギーが１光子以上であることである。すなわち、

式１６と式１７を比較すれば、Ｎ＞１の場合について、パルス位相法よりもかかる固体撮像装置１０による距離測定の方が、小さい光エネルギーで行うことができることがわかる。逆に言うと、同一光エネルギーならば、かかる固体撮像装置１０による距離測定の方が、高い測距精度が得られるといえる。

以上、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０によると、測定可能距離レンジが広い距離測定が可能である。

本発明にかかる固体撮像装置は、衝突防止または自動運転のための自動車用機器、距離測定装置などに応用できる。

１ 距離測定装置
１０ 固体撮像装置
１２ 画素領域
１３ 垂直シフトレジスタ
１４ 画素駆動回路
１５ ＣＤＳ回路
１６ 水平シフトレジスタ
１７ 出力回路
２０ 信号処理装置
２１ アナログフロントエンド
２２ ロジック・メモリ
３０ 計算機
４０ 光源
１００ 画素
１０１ 受光回路
１０２ カウンタ回路
１０３ 比較回路
１０４ 記憶回路
１０５ 受光素子
１０６ トランスファゲートトランジスタ
１０７ リセットトランジスタ
１０８ 電荷蓄積コンデンサ
１０９ カウンタトランジスタ
１１０ カウンタ容量
１１１ 直流カットコンデンサ
１１２ クランプトランジスタ
１１３ インバータ
１１４ 入力トランジスタ
１１５ 記憶コンデンサ
１１６ 記憶ノードリセットトランジスタ
１１７ 増幅トランジスタ
１１８ 選択トランジスタ
１３０ 出力許可信号

Claims (11)

1. 光源と、前記光源からの光が物体に反射して帰還した反射光を受光して電荷を生じる受光素子と、前記電荷を蓄積する第１および第２容量と、前記受光素子と前記第１容量とを接続するトランスファーゲートトランジスタと、前記第１容量と外部電圧とを接続するリセットトランジスタと、を備える距離測定装置において、前記光源からの光が対象物に反射して帰還するまでの時間により距離を測定する距離測定方法であって、
   前記トランスファーゲートトランジスタをＯＮする第１ステップと、
   前記トランスファーゲートトランジスタがＯＮしている期間に、前記リセットトランジスタをＯＦＦする第２ステップと、を含む距離測定方法。
2. 第２ステップが実行される前であって、かつ、前記期間に前記リセットトランジスタをＯＮする第３ステップを更に含む請求項１に記載の距離測定方法。
3. 前記第３ステップにおいて前記リセットトランジスタがＯＮになるタイミングは、前記トランスファーゲートトランジスタがＯＮになるタイミングに一致する請求項２に記載の距離測定方法。
4. 前記第２ステップは、前記光の発射時刻に対し所定の時間だけ遅れた時間に前記リセットトランジスタをＯＦＦする請求項１に記載の距離測定方法。
5. 前記光はパルス光である請求項１に記載の距離測定方法。
6. 光源と、
   前記光源からの光が物体に反射して帰還した反射光を受光して電荷を生じる受光素子と、
   前記電荷を蓄積する第１および第２容量と、
   前記受光素子と前記第１容量とを接続する第１トランジスタと、
   前記第１容量と外部電圧とを接続する第２トランジスタと、を備え、
   前記制御回路は、
   前記第１トランスジスタをＯＮする信号を前記第１トランスジスタに送り、
   前記第１トランスジスタがＯＮの期間において前記第２トランスジスタをＯＦＦする信号を前記第２トランスジスタに送る、
   距離測定装置。
7. 前記期間において、
   前記第２トランスジスタをＯＮする信号を前記第２トランスジスタに送る請求項６に記載の距離測定装置。
8. 前記制御回路は、前記第１トランスジスタをＯＮする信号と、前記第２トランスジスタをＯＮする信号と、を同時に送る請求項７に記載の距離測定装置。
9. 前記制御回路は、
   前記光の発射時刻に対し所定の時間だけ遅れた時間に前記第２トランスジスタをＯＦＦする信号を前記第２トランスジスタに送る請求項６に記載の距離測定装置。
10. 前記光はパルス光である請求項６に記載の距離測定装置。
11. 前記制御回路は、
    前記電荷に基づいて入射光の到達回数を計数し、カウント値として出力するカウンタ回路と、
    前記カウント値が所定の閾値よりも大きい場合にＯＮ状態となる比較信号を出力する比較回路と、を更に備える、
    請求項６に記載の距離測定装置。

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