KR20170044154A - 측거 방법 및 측거 장치 - Google Patents

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Abstract

광원(LS)과, 전하 발생 영역과 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)을 가지는 거리 센서 P(m, n)를 이용한 측거 방법이다. 전하 발생 영역에 발생한 전하를, 제１ 기간 T1에 있어서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 보냄으로써 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적하고, 제2 기간 T2에 있어서 제2 전하 축적 영역(FD2)에 보냄으로써 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적한다. 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된 전하량 Q1와, 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된 전하량 Q2에 기초하여 대상물(OJ)까지의 거리 d를 연산한다. 광원(LS)으로부터 펄스광(Lp)을 출사할 때, 광원(LS)으로부터 펄스광(Lp)의 출사 기간 TT에 있어서의 광 강도 안정 기간 TS가 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각보다도 길게 미리 설정된 펄스광(Lp)을 출사한다.

Description

측거 방법 및 측거 장치{RANGING METHOD AND RANGING DEVICE}
본 발명은 측거(測距) 방법 및 측거 장치에 관한 것이다.
TOF(Time-Of-Flight)형 거리 센서를 구비하는 측거 장치가 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 특허 문헌 1에 기재된 측거 장치에서는, 거리 센서가 수광층과, 전하 전송용의 포토 게이트 전극과, 전하 취출(取出)용의 부유 확산층을 포함하여 구성되어 있다. 이 측거 장치에서는, 펄스광의 입사에 의해 수광층에서 발생한 전하를, 포토 게이트 전극에 펄스 신호를 줌으로써 부유 확산층에 유입시킨다. 유입된 전하는, 부유 확산층에 신호 전하로서 축적된다. 부유 확산층에 축적된 전하는, 축적된 전하량에 대응한 출력으로서 읽어내진다. 이 출력에 기초하여, 대상물까지의 거리가 산출된다.
특허 문헌 1: 일본 특개 2005－235893호 공보
상기 특허 문헌 1에 기재된 것과 같은 측거 장치에서는, 광원의 구동 신호가 방형파(方形波)여도, 광원으로부터 발광되는 펄스광의 광 강도 신호는, 광 강도가 서서히 증가하여 소정치에 이르는 상승 기간과, 광 강도가 소정치 이상으로 유지되는 광 강도 안정 기간과, 광 강도가 소정치를 하회하여 서서히 감소하는 하강 기간을 가지는 사다리꼴파(대형파(臺形波))가 된다. 본 발명자 등의 조사 연구의 결과, 이와 같이 펄스광의 광 강도 신호가 사다리꼴파가 되는 것에 기인하여, 측거 장치의 측거 정밀도가 악화되는 경우가 있는 것이 밝혀졌다.
이 때문에, 본 기술 분야에 있어서는, 측거 정밀도를 향상시키는 것이 요망된다.
본 발명의 일 측면에 따른 측거 방법은, 대상물을 향해서 펄스광을 출사(出射)하는 광원과, 대상물에서의 펄스광의 반사광의 입사에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 축적하는 전하 축적 영역을 가지는 거리 센서를 이용한 측거 방법으로서, 전하 발생 영역에 발생한 전하를, 펄스광의 출사 기간에 대한 제１ 기간에 있어서 전하 축적 영역에 보냄으로써, 제１ 기간에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적하고, 전하 발생 영역에 발생한 전하를, 제１ 기간과 타이밍이 상이하고, 또한 제１ 기간과 같은 폭인 제2 기간에 있어서 전하 축적 영역에 보냄으로써, 제2 기간에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적하고, 제１ 기간에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적된 전하량과, 제2 기간에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적된 전하량에 기초하여 대상물까지의 거리를 연산하고, 광원으로부터 펄스광을 출사할 때, 광원으로부터 펄스광의 출사 기간에 있어서의 광 강도 안정 기간이 제1 및 제2 기간 각각보다도 길게 미리 설정된 펄스광을 출사한다.
본 발명의 일 측면에 따른 측거 장치는, 대상물을 향해서 펄스광을 출사하는 광원과, 대상물에서의 펄스광의 반사광의 입사에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 축적하는 전하 축적 영역을 가지는 거리 센서를 구비하는 측거 장치로서, 전하 발생 영역에 발생한 전하를, 펄스광의 출사 기간에 대한 제１ 기간에 있어서 전하 축적 영역에 보냄으로써, 제１ 기간에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적시키고, 전하 발생 영역에 발생한 전하를, 제１ 기간과 타이밍이 상이하고, 또한 제１ 기간과 같은 폭인 제2 기간에 있어서 전하 축적 영역에 보냄으로써, 제2 기간에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적시키는 전하 전송부와, 제１ 기간에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적된 전하량과, 제2 기간에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적된 전하량에 기초하여 대상물까지의 거리를 연산하는 거리 연산부와, 펄스광의 출사 기간에 있어서의 광 강도 안정 기간이 제1 및 제2 기간 각각보다도 길게 미리 설정된 펄스광을 출사하도록 광원을 구동하는 광원 구동부를 구비한다.
이들 본 발명에서는, 광원으로부터 펄스광이 출사되고, 대상물에서의 펄스광의 반사광이 거리 센서에 입사된다. 거리 센서의 전하 발생 영역에서는, 반사광의 입사에 따라 전하가 발생한다. 전하 발생 영역에서 발생한 전하는, 제1 및 제2 기간에 있어서 전하 축적 영역에 보내져, 전하 축적 영역에 축적된다. 제1 및 제2 기간은 타이밍이 상이하고, 또한 같은 폭이다. 대상물까지의 거리는 제1 및 제2 기간에 걸쳐 각각 축적된 전하량에 기초하여 구해진다.
광원으로부터 출사되는 펄스광의 광 강도 신호가, 상술과 같이 상승 기간 및 하강 기간을 가지는 사다리꼴파가 되는 경우, 방형파가 되는 경우와 비교해서, 전하 발생 영역에서 발생하는 전하량은, 상승 기간에서는 감소하고, 하강 기간에서는 증가한다. 따라서 예를 들어 제１ 기간이 상승 기간과 중복하고, 제2 기간이 하강 기간과 중복하는 경우, 제１ 기간에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적되는 전하량은 방형파가 되는 경우보다도 감소하고, 제2 기간에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적되는 전하량은 방형파가 되는 경우보다도 증가한다. 이와 같이, 상승 기간 및 하강 기간의 영향에 의해, 대상물까지의 거리를 구하기 위해서 이용하는 전하량이 변화한다. 이 결과, 측거 정밀도가 저하된다.
여기서, 광원으로부터 출사되는 펄스광은, 펄스광의 출사 기간에 있어서의 광 강도 안정 기간이 제1 및 제2 기간 각각보다도 길게 미리 설정되어 있다. 이것에 의해, 제1 및 제2 기간의 각각에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적되는 전하량에 있어서, 광 강도 안정 기간에 대응하여 축적되는 전하량의 비율이 높아져, 상승 기간 및 하강 기간에 대응하여 축적되는 전하량의 비율이 낮아진다. 따라서 측거 정밀도에 대한 상승 기간 및 하강 기간의 영향이 저감된다. 이 결과, 측거 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.
광원으로부터 펄스광을 출사할 때, 제１ 기간의 개시 타이밍에 지연하여 펄스광을 출사해도 된다. 이 경우, 제2 기간에 걸쳐 전하 축적 영역에 축적되는 전하량에 있어서, 펄스광의 광 강도 안정 기간에 대응하여 축적되는 전하량의 비율이 보다 높아진다. 이 결과, 측거 정밀도를 특히 근거리에서 향상시키는 것이 가능해진다.
제１ 기간의 개시 타이밍에 대한 펄스광의 출사 타이밍의 지연 시간은, 실제 거리와 거리 센서에 의해 구한 거리의 상관 관계를 나타내는 측거 프로파일의 리니어리티(linearity) 영역의 하한치에 대응하는 시간으로 미리 설정되어 있어도 된다. 이 경우, 거리 0을 당해 하한치의 거리로 오프셋시킨 조건으로의 측정이 가능해진다. 이 때문에, 당해 하한치 미만의 거리 범위에 대해서도, 측거 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.
거리 센서는 복수의 전하 축적 영역과, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 복수의 전하 축적 영역에 보내는 복수의 전송 전극을 가지고, 복수의 전송 전극에는, 상이한 위상의 전송 신호가 각각 주어져도 된다. 이 경우, 펄스광이 1회 출사될 때마다, 발생한 전하가 각각 상이한 전하 축적 영역에 축적되어, 대상물까지의 거리가 구해진다. 이 때문에, 대상물까지의 거리의 시간 변화에 의해, 측거 정밀도가 저하하는 것을 막을 수 있다.
거리 센서는 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 전하 축적 영역에 보내는 전송 전극을 가지고, 전송 전극에는, 소정의 타이밍에서 간헐적으로 위상 시프트가 주어진 전송 신호가 주어져도 된다. 이 경우, 적어도 전송 전극 및 전하 축적 영역이 1개씩 있으면 측거 가능해진다. 이것에 의해, 거리 센서를 소형화할 수 있다.
본 발명의 한 형태에 의하면, 측거 정밀도를 향상시키는 것이 가능한 측거 방법 및 측거 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 측거 장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
도 2는 거리 화상 센서의 단면 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 거리 화상 센서의 개략 평면도이다.
도 4는 거리 센서의 구성도이다.
도 5는 도 4의 V－V선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 V－V선을 따른 반도체 기판의 제2 주면(主面) 근방에 있어서의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 7은 비교예에 따른 측거 방법에 있어서의 측거 정밀도의 악화에 대해 설명하는 도면이다.
도 8은 비교예에 따른 측거 방법에 의해 구해진 거리와 실제 거리의 상관 관계를 나타내는 측거 프로파일이다.
도 9는 본 실시 형태에 따른 측거 방법에 있어서의 각종 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 10은 본 실시 형태에 따른 측거 방법에 있어서의 각종 신호의 타이밍 차트의 다른 예이다.
도 11은 광 강도 안정 기간 및 발광 지연 시간의 설정 방법을 나타내는 순서도이다.
도 12는 측거 프로파일의 일례이다.
도 13은 변형예에 따른 거리 센서의 구성도이다.
도 14는 변형예에 따른 측거 방법에 있어서의 각종 신호의 타이밍 차트이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 설명에 있어서, 동일 요소 또는 동일 기능을 가지는 요소에는, 동일 부호를 이용하는 것으로 하고, 중복하는 설명은 생략한다.
도 1은 본 실시 형태에 따른 측거 장치의 구성을 나타내는 설명도이다.
측거 장치(10)는 대상물(OJ)까지의 거리 d를 측정하는 장치이다. 측거 장치(10)는 거리 화상 센서(RS)와, 광원(LS)과, 표시기(DSP)와, 제어 유닛을 구비하고 있다. 제어 유닛은 구동부(광원 구동부)(DRV)와, 제어부(CONT)와, 연산부(거리 연산부)(ART)를 구비하고 있다. 광원(LS)은 대상물(OJ)을 향해서 펄스광(Lp)을 출사한다. 광원(LS)은 예를 들어, 레이저광 조사 장치, LED 등으로 구성된다. 거리 화상 센서(RS)는 전하 배분형의 거리 화상 센서이다. 거리 화상 센서(RS)는 배선 기판(WB)상에 배치되어 있다.
제어 유닛(구동부(DRV), 제어부(CONT), 및 연산부(ART))은 CPU(Central Processing Unit) 등의 연산 회로, RAM(Random Access Memory) 및 ROM(Read Only Memory) 등의 메모리, 전원 회로, 및 A/D 컨버터를 포함하는 판독 회로 등의 하드웨어에 의해서 구성되어 있다. 이 제어 유닛은 일부 혹은 전체가 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 등의 집적 회로에 의해서 구성되어 있어도 된다.
구동부(DRV)는 제어부(CONT)의 제어에 따라서 광원(LS)에 구동 신호 SD를 인가하여, 대상물(OJ)을 향해서 펄스광(Lp)을 출사하도록 광원(LS)을 구동한다. 제어부(CONT)는 구동부(DRV)를 제어함과 아울러, 제1 및 제2 전송 신호 S1, S2를 거리 화상 센서(RS)에 출력한다. 제어부(CONT)는 연산부(ART)의 연산 결과를 표시기(DSP)에 표시시킨다. 연산부(ART)는 거리 화상 센서(RS)로부터 전하량 Q1, Q2를 각각 읽어낸다. 연산부(ART)는 읽어낸 전하량 Q1, Q2에 기초하여 거리 d를 연산하여, 연산 결과를 제어부(CONT)에 출력한다. 거리 d의 연산 방법의 자세한 것은, 도 7을 참조하여 다음에 설명된다. 표시기(DSP)는 제어부(CONT)로부터 연산부(ART)의 연산 결과를 입력받아, 당해 연산 결과를 표시한다.
측거 장치(10)에서는, 구동 신호 SD가 광원(LS)에 인가됨으로써, 펄스광(Lp)이 광원(LS)으로부터 출사된다. 광원(LS)으로부터 출사된 펄스광(Lp)이 대상물(OJ)에 입사되면, 반사에 의해 펄스광인 반사광(Lr)이 대상물(OJ)로부터 출사된다. 대상물(OJ)로부터 출사된 반사광(Lr)은, 거리 화상 센서(RS)의 전하 발생 영역에 입사한다.
거리 화상 센서(RS)로부터는, 화소마다 제1 및 제2 전송 신호 S1, S2에 동기하여 수집된 전하량 Q1, Q2가 출력된다. 출력된 전하량 Q1, Q2는, 구동 신호 SD에 동기하여 연산부(ART)에 입력된다. 연산부(ART)에서는, 입력된 전하량 Q1, Q2에 기초하여, 화소마다 거리 d가 연산되어, 연산 결과가 제어부(CONT)에 입력된다. 제어부(CONT)에 입력된 연산 결과는, 표시기(DSP)에 전송되어 표시된다.
도 2는 거리 화상 센서의 단면 구성을 설명하기 위한 도면이다.
거리 화상 센서(RS)는 표면 입사형 거리 화상 센서이다. 거리 화상 센서(RS)는 반도체 기판(1)과, 차광층(LI)을 구비하고 있다. 반도체 기판(1)은 서로 대향하는 제1 및 제2 주면(1a, 1b)을 가지고 있다. 제2 주면(1b)은 광입사면이다. 거리 화상 센서(RS)는 반도체 기판(1)의 제1 주면(1a)측을 배선 기판(WB)에 대향시킨 상태에서, 접착 영역(FL)을 통해서 배선 기판(WB)에 장착되어 있다. 접착 영역(FL)은 절연성의 접착제나 필러를 가지고 있다. 차광층(LI)은 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)의 전방(前方)에 배치되어 있다. 거리 화상 센서(RS)에는, 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)측으로부터 반사광(Lr)이 입사된다.
도 3은 거리 화상 센서의 개략 평면도이다. 또한, 도 3에서는, 차광층(LI)이 생략되어 도시되어 있다.
거리 화상 센서(RS)의 반도체 기판(1)은 이차원 모양으로 배열된 복수의 거리 센서 P(m, n)로 이루어지는 촬상 영역(1A)을 가지고 있다. 각 거리 센서 P(m, n)로부터는, 상술한 두 개의 전하량 Q1, Q2가 출력된다. 따라서 대상물(OJ)로부터의 반사광(Lr)을 촬상 영역(1A)에서 결상(結像)함으로써, 대상물(OJ)의 거리 화상을 얻을 수 있다. 하나의 거리 센서 P(m, n)는 하나의 화소로서 기능한다. 또한, 2개 이상의 거리 센서 P(m, n)가, 하나의 화소로서 기능해도 된다.
도 4는 거리 센서의 구성도이다. 도 5는 도 4의 V－V선을 따른 단면 구성을 나타내는 도면이다. 또한, 도 4에서는, 차광층(LI)이 생략되어 도시되어 있다.
상술한 것처럼, 거리 화상 센서(RS)는 광입사면인 제2 주면(1b)의 전방에 차광층(LI)을 구비하고 있다. 차광층(LI)의 각 거리 센서 P(m, n)에 대응하는 영역의 각각에는, 개구(開口)(LIa)가 형성되어 있다. 개구(LIa)는 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 개구(LIa)는 직사각형 모양을 나타내고 있다. 광은 차광층(LI)의 개구(LIa)를 통과하여, 반도체 기판(1)에 입사한다. 따라서 개구(LIa)에 의해, 반도체 기판(1)에는 수광 영역이 규정된다. 차광층(LI)은 예를 들어, 알루미늄 등의 금속으로 이루어진다.
반도체 기판(1)은 p형의 제1 반도체 영역(3)과, 제1 반도체 영역(3)보다도 불순물 농도가 낮은 p－형의 제2 반도체 영역(5)으로 이루어진다. 제1 반도체 영역(3)은 제1 주면(1a)측에 위치하고 있다. 제2 반도체 영역(5)은 제2 주면(1b)측에 위치하고 있다. 반도체 기판(1)은, 예를 들어, p형의 반도체 기판상에, 당해 반도체 기판보다도 불순물 농도가 낮은 p－형의 에피택셜(epitaxial)층을 성장시킴으로써 얻어진다. 반도체 기판(1)의 제2 주면(1b)(제2 반도체 영역(5))상에는, 절연층(7)이 형성되어 있다.
각 거리 센서 P(m, n)는 전하 배분 방식의 거리 센서이다. 각 거리 센서 P(m, n)는 포토 게이트 전극(PG)과, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)과, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)을 가지고 있다. 포토 게이트 전극(PG)은 개구(LIa)에 대응해서 배치되어 있다. 반도체 기판(1)(제2 반도체 영역(5))에 있어서의 포토 게이트 전극(PG)에 대응하는 영역(도 5에 있어서, 포토 게이트 전극(PG)의 하방(下方)에 위치하는 영역)은, 대상물(OJ)에서의 펄스광(Lp)의 반사광(Lr)의 입사에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역으로서 기능한다. 포토 게이트 전극(PG)은, 개구(LIa)의 형상에도 대응하여, 평면에서 볼 때 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 포토 게이트 전극(PG)은 개구(LIa)와 마찬가지로 직사각형 모양을 나타내고 있다.
제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)은, 포토 게이트 전극(PG)을 사이에 두고 배치되어 있다. 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)은, 포토 게이트 전극(PG)으로부터 떨어져서 배치되어 있다. 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)은, 평면에서 볼 때 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)은, 평면에서 볼 때 정사각형 모양을 나타내고 있고, 서로 같은 형상을 이루고 있다. 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)은, 제2 반도체 영역(5)에 형성된 불순물 농도가 높은 n형의 반도체 영역이다. 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)은, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 신호 전하로서 축적한다.
제1 전송 전극(TX1)은 절연층(7)상으로서, 제1 전하 축적 영역(FD1)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 배치되어 있다. 제1 전송 전극(TX1)은 제1 전하 축적 영역(FD1)과 포토 게이트 전극(PG)으로부터 각각 떨어져서 배치되어 있다. 제1 전송 전극(TX1)은 전하 발생 영역에서 발생한 전하를, 제1 전송 신호 S1(도 7 참조)에 따라, 제１ 기간 T1(도 7 참조)에 있어서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 보낸다. 제１ 기간 T1는 펄스광(Lp)의 출사 기간 TT(도 7 참조)에 대응하고 있다.
제2 전송 전극(TX2)은 절연층(7)상으로서, 제2 전하 축적 영역(FD2)과 포토 게이트 전극(PG)의 사이에 배치되어 있다. 제2 전송 전극(TX2)은 제2 전하 축적 영역(FD2)과 포토 게이트 전극(PG)으로부터 각각 떨어져서 배치되어 있다. 제2 전송 전극(TX2)은 전하 발생 영역에서 발생한 전하를, 제1 전송 신호 S1와 위상이 다른 제2 전송 신호 S2(도 7 참조)에 따라, 제2 기간 T2(도 7 참조)에 있어서 제2 전하 축적 영역(FD2)에 보낸다. 제2 기간 T2는 제１ 기간 T1와 타이밍이 상이하고, 또한 제１ 기간 T1와 같은 폭이다.
상술한 것처럼, 제어부(CONT)는 제1 및 제2 전송 신호 S1, S2를 출력한다. 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)은 제어부(CONT)에 의해 출력된 제1 및 제2 전송 신호 S1, S2가 인가됨으로써, 전하 발생 영역에 발생한 전하를 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 배분하여 보낸다. 따라서 제어부(CONT)의 일부 및 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)은 전하 전송부로서 기능하고 있다.
제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)은 평면에서 볼 때 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 실시 형태에서는, 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)은 직사각형 모양을 나타내며, 서로 같은 형상을 이루고 있다. 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 긴 변의 길이는, 포토 게이트 전극(PG)의 긴 변의 길이보다도 짧다.
절연층(7)에는, 제2 반도체 영역(5)의 표면을 노출시키기 위한 컨택트홀이 마련되어 있다. 컨택트홀 내에는 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)을 외부에 접속시키기 위한 도체(13)가 배치되어 있다.
본 실시 형태에서는, 「불순물 농도가 높다」란 예를 들어 불순물 농도가 1×1017cm－3 정도 이상인 것으로서, 「＋」를 도전형에 부여하여 나타내진다. 한편, 「불순물 농도가 낮다」란 예를 들어 10×1015cm－3 정도 이하의 것으로서, 「－」을 도전형에 부여하여 나타내진다.
각 반도체 영역의 두께/불순물 농도는 이하와 같다.
제1 반도체 영역(3)：두께 10~1000㎛/불순물 농도 1×1012~1019cm－3
제2 반도체 영역(5)：두께 1~50㎛/불순물 농도 1×1012~1015cm－3
제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)：두께 0.1~1㎛/불순물 농도 1×1018~1020cm－3
반도체 기판(1)(제1 및 제2 반도체 영역(3, 5))에는, 백 게이트 또는 관통 전극 등을 통해서 그라운드 전위 등의 기준 전위가 주어진다. 반도체 기판(1)은 Si로 이루어지고, 절연층(7)은 SiO2로 이루어지고, 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)은 폴리 실리콘으로 이루어진다. 이것들은 다른 재료에 의해 구성되어도 된다.
제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 제1 전송 신호 S1의 위상과 제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 제2 전송 신호 S2의 위상은, 180도 시프트되어 있다. 각 거리 센서 P(m, n)에 입사한 광은, 반도체 기판(1)(제2 반도체 영역(5)) 내에 있어서 전하로 변환된다. 이와 같이 하여 발생한 전하 중 일부는, 신호 전하로서, 포텐셜 구배에 따라서, 제1 전송 전극(TX1) 또는 제2 전송 전극(TX2)의 방향으로 주행한다. 포텐셜 구배는 포토 게이트 전극(PG) 및 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 인가되는 전압에 의해 형성된다.
제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 양전위를 주면, 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2) 아래의 포텐셜이 포토 게이트 전극(PG) 아래 부분의 반도체 기판(1)(제2 반도체 영역(5))의 포텐셜보다 전자(電子)에 대해서 낮아진다. 이것에 의해, 음의 전하(전자)는 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)의 방향으로 끌려 들어가, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 의해서 형성되는 포텐셜 우물 내에 축적된다. n형의 반도체는, 양으로 이온화된 도너(donor)를 포함하고, 양의 포텐셜을 가지고 있기 때문에, 전자를 끌어당긴다. 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에, 상기 양전위보다도 낮은 전위(예를 들어, 그라운드 전위)를 주면, 제1 또는 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 의한 포텐셜 장벽이 생긴다. 이 때문에, 반도체 기판(1)에서 발생한 전하는, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에는 끌려 들어가지 않는다.
도 6은 도 4의 V－V선을 따른 반도체 기판의 제2 주면 근방에 있어서의 포텐셜 분포를 나타내는 도면이다.
도 6에서는, 하향(下向)이 포텐셜의 양방향이다. 도 6에는, 제1 전송 전극(TX1)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX1, 제2 전송 전극(TX2)의 바로 아래 영역의 포텐셜 φTX2, 포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래의 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG, 제1 전하 축적 영역(FD1)의 포텐셜 φFD1, 및 제2 전하 축적 영역(FD2)의 포텐셜 φFD2가 도시되어 있다.
포토 게이트 전극(PG)의 바로 아래 영역(전하 발생 영역)의 포텐셜 φPG는, 무바이어스시에 있어서의 인접하는 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2) 바로 아래 영역의 포텐셜(φTX1, φTX2)을 기준 전위로 하면, 이 기준 전위보다도 높게 설정되어 있다. 이 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG는 포텐셜 φTX1, φTX2보다도 높아진다. 이 때문에, 포텐셜 분포는 전하 발생 영역에 있어서 도면의 하향으로 오목한 형상이 된다.
도 6을 참조하여, 전하의 축적 동작을 설명한다. 제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 제1 전송 신호 S1의 위상이 0도일 때, 제1 전송 전극(TX1)에는 양의 전위가 주어진다. 제2 전송 전극(TX2)에는, 역상(逆相)의 전위, 즉 위상이 180도인 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어진다. 포토 게이트 전극(PG)에는 제1 전송 전극(TX1)에 주어지는 전위와, 제2 전송 전극(TX2)에 주어지는 전위 사이의 전위가 주어진다. 이 경우, 도 6(a)에 도시되는 것처럼, 전하 발생 영역에서 발생한 음의 전하 e는, 제1 전송 전극(TX1) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX1가 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG보다도 내려감으로써, 제1 전하 축적 영역(FD1)의 포텐셜 우물 내로 유입된다.
한편, 제2 전송 전극(TX2) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX2는 내려가지 않아, 제2 전하 축적 영역(FD2)의 포텐셜 우물 내에는, 전하는 유입되지 않는다. 이것에 의해, 전하가 제1 전하 축적 영역(FD1)의 포텐셜 우물에 수집되어, 축적된다. 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에서는, n형의 불순물이 첨가되어 있기 때문에, 양방향으로 포텐셜이 오목해져 있다.
제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 제2 전송 신호 S2의 위상이 0도일 때, 제2 전송 전극(TX2)에는 양의 전위가 주어진다. 또, 제1 전송 전극(TX1)에는, 역상의 전위, 즉 위상이 180도인 전위(예를 들어, 그라운드 전위)가 주어진다. 포토 게이트 전극(PG)에는 제1 전송 전극(TX1)에 주어지는 전위와, 제2 전송 전극(TX2)에 주어지는 전위 사이의 전위가 주어진다. 이 경우, 도 6(b)에 도시되는 것처럼, 전하 발생 영역에서 발생한 음의 전하 e는, 제2 전송 전극(TX2) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX2가 전하 발생 영역의 포텐셜 φPG보다도 내려감으로써, 제2 전하 축적 영역(FD2)의 포텐셜 우물 내로 유입된다.
한편, 제1 전송 전극(TX1) 바로 아래의 반도체의 포텐셜 φTX1는 내려가지 않아, 제1 전하 축적 영역(FD1)의 포텐셜 우물 내에는, 전하는 유입되지 않는다. 이것에 의해, 전하가 제2 전하 축적 영역(FD2)의 포텐셜 우물에 수집되어, 축적된다.
이상에 의해, 전하가 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)의 포텐셜 우물에 수집되어, 축적된다. 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)의 포텐셜 우물에 축적된 전하는, 외부에 읽어내진다.
도 7은 비교예에 따른 측거 방법에 있어서의 측거 정밀도의 악화에 대해 설명하는 도면이다. 구체적으로는, 도 7(a)는 광원으로부터 출사되었을 때의 펄스광의 광 강도 신호가 이상적인 방형파가 되는 경우의 각종 신호의 타이밍 차트이다. 도 7(b)는 실제의 경우의 각종 신호의 타이밍 차트이다. 도 7(c)는 촬상 영역까지 돌아왔을 때의 반사광의 광 강도 신호를 비교하는 도면이다.
우선, 광원(LS)으로부터 출사되었을 때의 펄스광(Lp)의 광 강도 신호 SLp가 이상적인 방형파가 되는 경우에 대해서, 도 7(a)을 참조하여 설명한다. 도 7(a)에는, 제어부(CONT)에 의해 광원(LS)에 인가되는 구동 신호 SD, 광원(LS)으로부터 출사되었을 때의 펄스광(Lp)의 광 강도 신호 SLp, 촬상 영역(1A)까지 돌아왔을 때의 반사광(Lr)의 광 강도 신호 SLr, 제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 제1 전송 신호 S1, 및 제2 전송 전극(TX2)에 인가되는 제2 전송 신호 S2가 도시되어 있다.
도 7(a)에 도시되는 것처럼, 구동 신호 SD, 광 강도 신호 SLp, SLr 및 제1 및 제2 전송 신호 S1, S2는, 모두 이상적인 방형파가 되는 펄스 신호이다. 이들 모든 신호는, 광원(LS)에 구동 신호 SD가 인가되기 전의 상태에서는, 로우 레벨로 되어 있다.
구동 신호 SD는 펄스폭 Tp의 펄스 신호이다. 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp는, 광 강도 신호 SLp의 펄스폭의 설정치이다. 이 경우는, 광 강도 신호 SLp가 이상적인 방형파가 되기 때문에, 광 강도 신호 SLp의 펄스폭은 설정대로 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp와 같아진다. 구동 신호 SD는 펄스폭 Tp 동안 하이 레벨로 된 후, 로우 레벨로 된다. 광 강도 신호 SLp는, 구동 신호 SD의 인가 개시와 동시에 상승하여, 펄스광(Lp)의 광 강도에 대응한 레벨로 된다. 광 강도 신호 SLp는, 펄스폭 Tp 후에 하강하여, 로우 레벨로 된다.
제1 및 제2 전송 신호 S1, S2는, 펄스광(Lp)의 출사에 동기하여 서로 역위상으로 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에 인가된다. 구체적으로는, 제1 전송 신호 S1는 광 강도 신호 SLp에 위상차 0으로 동기하여, 제1 전송 전극(TX1)에 펄스폭 Tp 동안 인가되고, 그 동안 하이 레벨로 된다. 제2 전송 신호 S2는 광 강도 신호 SLp에 위상차 180도로 동기하여, 제2 전송 전극(TX2)에 펄스폭 Tp 동안 인가되고, 그 동안 하이 레벨로 된다. 제1 및 제2 전송 신호 S1, S2가 하이 레벨로 되는 기간은, 각각 제1 및 제2 기간 T1, T2이다. 제1 및 제2 기간 T1, T2는 타이밍이 상이하고, 또한 폭이 같다. 이 경우는, 제1 및 제2 기간 T1, T2의 폭은, 각각 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp와 같다.
광 강도 신호 SLr는 반사광(Lr)이 촬상 영역(1A)까지 돌아오는 것과 동시에 상승하여, 반사광(Lr)의 광 강도에 대응한 레벨로 된다. 광 강도 신호 SLr는, 펄스폭 Tp 후에 하강하여, 로우 레벨로 된다. 이 경우는, 광 강도 신호 SLr의 펄스폭은, 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp와 같다. 광 강도 신호 SLp와 광 강도 신호 SLr의 위상차 Td는 광의 비행 시간이다. 위상차 Td는 거리 화상 센서(RS)로부터 대상물(OJ)까지의 거리 d에 대응하고 있다.
반사광(Lr)의 입사에 따라 전하 발생 영역에 발생한 전하는, 펄스광(Lp)의 출사 기간 TT에 대해서 제1 전송 신호 S1가 하이 레벨로 되는 제１ 기간 T1에 있어서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 보내짐으로써, 제１ 기간 T1에 걸쳐 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된다. 펄스광(Lp)의 출사 기간 TT란, 광 강도 신호 SLp가 로우 레벨이 아닌 기간이다. 이 경우는, 출사 기간 TT의 폭은 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp와 같다.
반사광(Lr)의 입사에 따라 전하 발생 영역에 발생한 전하는, 제2 전송 신호 S2가 하이 레벨로 되는 제2 기간 T2에 있어서 제2 전하 축적 영역(FD2)에 보내짐으로써, 제2 기간 T2에 걸쳐 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적된다.
전하 발생 영역에 전하가 발생하는 것은, 반사광(Lr)이 입사하는 기간이다. 따라서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적되는 전하량 Q1는, 제１ 기간 T1 중 광 강도 신호 SLr와 제1 전송 신호 S1가 서로 중첩되는 기간에 축적되는 전하량이 된다. 또, 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적되는 전하량 Q2는, 제2 기간 T2 중 광 강도 신호 SLr와 제2 전송 신호 S2가 서로 중첩되는 기간에 축적되는 전하량이 된다.
거리 d의 연산은 전하량 Q1와 전하량 Q2의 비율(배분비)을 이용하여, 하기의 식 (1)에 의해 연산된다. 또한, c는 광속이다.
거리 d=(c/2)×(Tp×Q2/(Q1＋Q2)) … (1)
이 경우의 측정 가능한 거리 d의 범위는, 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭에 따라서 상이하며, 위상차 Td가 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭 이내가 되는 범위이다. 즉, 위상차 Td가 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭과 같아지는 거리 d가, 측정 가능한 거리 d의 최대치이다. 따라서 측정하고 싶은 거리 범위의 폭인 측거 레인지는, 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭에 의해 설정할 수 있다. 또한, 측정 가능이란, 이론상, 상기의 식 (1)에 의해 거리 d를 산출할 수 있다고 하는 의미이다.
다음에, 실제의 경우에 대해서, 도 7(b) 및 도 7(c)를 참조하여 설명한다. 도 7(b)에 도시되는 것처럼, 광 강도 신호 SLp, SLr는 사다리꼴파가 된다. 광 강도 신호 SLp, SLr는, 각각 상승 기간 TR에 있어서 서서히 증가하여 소정치에 이르러, 광 강도 안정 기간 TS에 있어서 소정치 이상을 유지하고, 하강 기간 TF에 있어서 소정치를 하회하여 서서히 감소한다. 이러한 경우, 펄스광(Lp)의 출사 기간 TT는, 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp보다도 길어진다.
또한, 광 강도 안정 기간 TS란, 광 강도 신호 SLp, SLr가 일정하게 되는 기간만이 아니고, 광 강도 신호 SLp, SLr가, 예를 들어 최대치의 5% 이내에 들어가는 기간이다. 광 강도 신호 SLp, SLr가 일정하게 되는 기간을 광 강도 안정 기간 TS라고 했을 경우는, 펄스광(Lp)의 출사 기간 TT로부터 상승 기간 TR 및 하강 기간 TF를 제외한 기간이 광 강도 안정 기간 TS이다. 이 경우, 펄스광(Lp)의 출사 기간 TT는, 하강 기간 TF의 폭과 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp의 합과 같다.
도 7(c)에 도시되는 것처럼, 실제의 경우는, 광 강도 신호 SLp, SLr가 이상적인 방형파가 되는 경우와 비교하면, 전하량 Q1가 상승 기간 TR의 영향에 의해 전하량 q1만큼 감소한다. 또, 전하량 Q2가, 하강 기간 TF의 영향에 의해 전하량 q2만큼 증가한다. 이와 같이, 비교예에 따른 측거 방법에서는, 전하의 배분비가 이상적인 경우와 상이함으로써, 측거 정밀도가 악화된다.
도 8은 실제 거리와 비교예에 따른 측거 방법에 의해 구해진 거리의 상관 관계를 나타내는 측거 프로파일이다.
도 8에서는, 가로축은 실제 거리 d를 나타내고, 세로축은 비교예에 따른 측거 방법에 의해 구해진 거리(산출 거리) dcal를 나타낸다. 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp를 30ns로 하여 얻어진 펄스광(Lp)이 측정에 이용되었다. 가로축 및 세로축의 범위는, 제1 및 제2 기간 T1, T2의 폭을 각각 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp와 같이 30ns로 했을 때 측거 가능한 범위이다. 직선 B는 원점을 지나는 기울기 1의 직선이다.
도 8에 도시되는 것처럼, 측거 프로파일은 리니어리티 영역 Aline와 비리니어리티 영역 Ashort, Along로 분할된다. 리니어리티 영역 Aline란, 실제 거리 d와 산출 거리 dcal가 대략 같은(동등한) 영역이며, 산출 거리 dcal의 실제 거리 d로부터의 오차(｜d－dcal｜／d×100(%))가 허용 한계 이하인 영역이다. 리니어리티 영역 Aline는, 예를 들어 당해 오차가 수% 이하인 영역이다. 리니어리티 영역 Aline에서는, 이와 같이 당해 오차가 작기 때문에, 측거 정밀도가 높다. 리니어리티 영역 Aline에서는, 측정 데이터는 대체로 직선 B상에 배치되어 있다.
한편, 비리니어리티 영역 Ashort, Along는, 리니어리티 영역 Aline 이외의 영역으로서, 실제 거리 d와 산출 거리 dcal가 동등하지 않은 영역을, 적어도 리니어리티 영역 Aline에 인접하여 포함하는 영역이다. 즉, 비리니어리티 영역 Ashort, Along는, 리니어리티 영역 Aline에 인접하지 않는 영역에, 실제 거리 d와 산출 거리 dcal가 동등한 영역을 포함하고 있어도 된다. 실제 거리 d와 산출 거리 dcal가 동등하지 않은 영역이란, 상기 오차가 허용 한계를 넘는 영역이며, 예를 들어 상기 오차가 수%를 넘는 영역이다. 비리니어리티 영역 Ashort는, 리니어리티 영역 Aline보다도 단거리측에 위치한다. 비리니어리티 영역 Along는, 리니어리티 영역 Aline보다도 장거리측에 위치한다.
비리니어리티 영역 Ashort, Along에서는, 측정 데이터가 직선 B로부터 시프트된 위치에 배치되어 있다. 비리니어리티 영역 Ashort, Along에서는, 상기 오차가 크기 때문에, 측거 정밀도가 낮다. 이것은, 비리니어리티 영역 Ashort에서는, 전하량 Q2에 대한 전하량 q2의 영향이 커지기 때문이다. 또, 비리니어리티 영역 Along에서는, 전하량 Q1에 대한 전하량 q1의 영향이 커지기 때문이다.
도 9는 본 실시 형태에 따른 측거 방법에 있어서의 각종 신호의 타이밍 차트의 일례이다.
도 9에 도시되는 것처럼, 본 실시 형태에 따른 측거 방법의 일례에서는, 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp가, 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭보다도 연장 시간 Tx만큼 길게 미리 설정되어 있다. 이것에 의해, 광원(LS)으로부터 출사되는 펄스광(Lp)의 광 강도 안정 기간 TS의 폭이 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭보다도 길게 미리 설정되어 있다. 또한, 비교예와 마찬가지로, 제1 및 제2 기간 T1, T2는, 타이밍이 상이하고 같은 폭이다.
이 경우, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 축적되는 전하량 Q1, Q2에 있어서, 펄스광(Lp)의 광 강도 안정 기간 TS에 대응하여 축적되는 전하의 비율이 높아진다. 따라서 상승 기간 TR의 영향에 의해 이상적인 경우로부터 감소하는 전하량 q1의 전하량 Q1에 대한 영향이 작아진다. 또, 하강 기간 TF의 영향에 의해 이상적인 경우로부터 증가하는 전하량 q2의 전하량 Q2에 대한 영향이 작아진다. 이 결과, 측거 정밀도에 대한 광 강도 신호 SLp의 상승 기간 TR 및 하강 기간 TF의 영향이 저감 되므로, 측거 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.
도 10은 본 실시 형태에 따른 측거 방법에 있어서의 각종 신호의 타이밍 차트의 다른 예이다.
도 10에 도시되는 것처럼, 본 실시 형태에 따른 측거 방법의 다른 예에서는, 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp가, 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭보다도 연장 시간 Tx만큼 길게 미리 설정되어 있는 것에 더하여, 구동 신호 SD가, 제1 전송 신호 S1의 인가보다도 발광 지연 시간(지연 시간) Ty만큼 지연되어 인가되도록 미리 설정되어 있다.
이 경우, 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적되는 전하량 Q2에 있어서, 펄스광(Lp)의 광 강도 안정 기간 TS에 대응하여 축적되는 전하의 비율이 더욱 높아진다. 따라서 하강 기간 TF의 영향에 의해 이상적인 경우로부터 증가하는 전하량 q2의 전하량 Q2에 대한 영향이 더욱 작아진다. 이것에 의해, 특히 근거리의 측거 정밀도에 대한 광 강도 신호 SLp의 하강 기간 TF의 영향이 저감된다. 이 결과, 특히 근거리의 측거 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다. 또한, 거리 d가 산출될 때는, 발광 지연 시간 Ty에 상당하는 거리를 오프셋할 필요가 있다.
도 11을 참조하여, 광 강도 안정 기간 TS 및 발광 지연 시간 Ty를 미리 설정하는 방법에 대해 설명한다. 도 11은 광 강도 안정 기간 및 발광 지연 시간의 설정 방법을 나타내는 순서도이다. 도 12는 측거 프로파일의 일례이다.
도 11에 도시되는 것처럼, 우선 초기 설정으로서, 각종 측정 조건이 비교예에 따른 측거 방법과 마찬가지로 설정된다(스텝 S01). 구체적으로는, 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭을 측정하고 싶은 거리 범위에 대응하는 값 T0로 함으로써, 측거 레인지가 설정된다. 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp는 같이 T0로 된다. 발광 지연 시간 Ty는 0으로 된다. 발광 지연 시간 Ty에 맞춰 산출 거리 dcal에 대한 발광 지연 시간 Ty의 오프셋 dofs는 0으로 된다.
이어서, 산출 거리 dcal와 실제 거리 d의 관계를 나타내는 측거 프로파일이 작성된다(스텝 S02). 도 12에 도시되는 것처럼, 측거 프로파일은 리니어리티 영역 Aline와, 비리니어리티 영역 Ashort, Along로 분할된다.
이어서, 측거 프로파일에 있어서, 리니어리티 영역 Aline의 거리 범위 dline 및 그 하한치 dshort가 확인되고, 각각 대응하는 시간 범위 Tline 및 그 하한치 Tshort가 산출된다(스텝 S03). 여기에서는, 리니어리티 영역 Aline의 하한치 dshort는, 비리니어리티 영역 Ashort의 거리 범위의 값에 대응하고 있다.
이어서, 측정 조건의 재설정이 행해진다(스텝 S04). 구체적으로는, 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp가 T0＋(T0－Tline)로 된다. 발광 지연 시간 Ty가 Tshort로 된다. 발광 지연 시간 Ty에 맞춰서, 산출 거리 dcal에 대한 발광 지연 시간 Ty의 오프셋 dofs가 dshort로 된다. 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭은 변경되지 않는다.
이어서, 다시 측거 프로파일이 작성된다(스텝 S05). 이어서, 측거 프로파일에 있어서 원하는 리니어리티 특성이 얻어졌는지 여부가 판단된다(스텝 S06). 구체적으로는, 리니어리티 영역 Aline의 거리 범위 dline, 및 리니어리티 영역 Aline의 하한치 dshort가 원하는 범위 내인지 여부가 판단된다. 거리 범위 dline가 넓어질수록, 높은 정밀도로 측거할 수 있는 거리 범위가 넓어진다. 또, 하한치 dshort가 작아질수록, 높은 정밀도로 측거할 수 있는 최소 거리가 짧아진다.
스텝 S06에 있어서 YES인 경우, 처리가 종료된다. 이것에 의해, 발광 지연 시간 Ty로서, 시간 범위 Tline의 하한치 Tshort가 미리 설정된다. 또, 광 강도 안정 기간 TS로서, 리니어리티 영역 Aline에 대응하는 시간 범위 Tline가 미리 설정된다. 또한, 광 강도 안정 기간 TS가 미리 설정됨으로써, 필연적으로 펄스폭 Tp 및 연장 시간 Tx가 미리 설정된다. 또, 스텝 S06에 있어서 NO인 경우, 스텝 S03의 처리로 이행되어, 스텝 S03~S06의 처리가 반복된다.
본 실시 형태에서는, 상승 기간 TR 및 하강 기간 TF의 영향이 없어지는 것은 아니고, 측거 레인지 전체를 측거 정밀도가 높은 리니어리티 영역 Aline로 할 수는 없다. 그렇지만, 광 강도 안정 기간 TS가 길게 미리 설정됨으로써, 펄스광(Lp)의 출사 기간 TT에 있어서의 상승 기간 TR 및 하강 기간 TF의 비율이 상대적으로 저감되어, 상승 기간 TR 및 하강 기간 TF의 영향을 저감시킬 수 있다. 이것에 의해, 측거 정밀도가 높은 리니어리티 영역 Aline가, 측거 레인지 전체에 차지하는 비율이 증가하여, 측거 정밀도가 향상된다.
이상 설명한 것처럼, 본 실시 형태에 따른 측거 방법에서는, 광원(LS)으로부터 펄스광(Lp)을 출사할 때, 광원(LS)으로부터 펄스광(Lp)의 출사 기간 TT에 있어서의 광 강도 안정 기간 TS가 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각보다도 길게 미리 설정된 펄스광(Lp)을 출사한다.
또, 본 실시 형태에 따른 측거 장치(10)는 펄스광(Lp)의 출사 기간 TT에 있어서의 광 강도 안정 기간 TS가 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각보다도 길게 미리 설정된 펄스광(Lp)을 출사하도록 광원(LS)을 구동하는 구동부(DRV)를 구비한다.
이것에 의해, 제1 및 제2 기간 T1, T2의 각각에 걸쳐 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 축적되는 전하량 Q1, Q2에 있어서, 광 강도 안정 기간 TS에 대응하여 축적되는 전하량의 비율이 높아져, 상승 기간 TR 및 하강 기간 TF에 대응하여 축적되는 전하량의 비율이 낮아진다. 따라서 상승 기간 TR의 영향에 의해 이상적인 경우로부터 감소하는 전하량 q1의 전하량 Q1에 대한 영향이 작아진다. 또, 하강 기간 TF의 영향에 의해 이상적인 경우로부터 증가하는 전하량 q2의 전하량 Q2에 대한 영향이 작아진다. 이 결과, 측거 정밀도에 대한 광 강도 신호 SLp의 상승 기간 TR 및 하강 기간 TF의 영향이 저감되어, 측거 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.
상술의 식 (1)을 전제로 한 측거 방법에서는, 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp가 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭과 같은 길이로 설정되면, 위상차 Td가 0에서부터 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭이 되는 거리까지 측거 가능하다. 그렇지만, 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp가 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭과 같은 길이로 설정되어도, 실제로는, 상승 기간 TR 및 하강 기간 TF의 영향에 의해, 광 강도 안정 기간 TS의 폭이 감소한다. 이것에 대해, 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp가 의도적으로 길게 미리 설정됨으로써, 광 강도 안정 기간 TS의 폭이 의도적으로 길게 미리 설정되면, 광 강도 안정 기간 TS의 폭이 감소하는 것에 의한 영향을 보상할 수 있다.
또, 광원(LS)으로부터 펄스광(Lp)을 출사할 때, 제１ 기간 T1의 개시 타이밍에 발광 지연 시간 Ty로 지연하여 펄스광(Lp)이 출사된다. 이것에 의해, 제2 기간 T2에 걸쳐 제2 전하 축적 영역(FD2)에 축적되는 전하량 Q2에 있어서, 광 강도 안정 기간 TS에 대응하여 축적되는 전하량의 비율이 보다 높아진다. 이 결과, 측거 정밀도를 특히 근거리에서 향상시키는 것이 가능해진다.
또, 제１ 기간 T1의 개시 타이밍에 대한 펄스광(Lp)의 출사 타이밍의 발광 지연 시간 Ty는, 실제 거리 d와 거리 센서 P(m, n)에 의해 구한 거리 dcal의 상관 관계를 나타내는 측거 프로파일의 리니어리티 영역 Aline의 하한치 dshort에 대응하는 하한치 Tshort로 미리 설정되어 있다. 이 경우, 거리 0을 당해 하한치 dshort로 오프셋시킨 조건으로 측정을 행할 수 있다. 이 때문에, 하한치 dshort 미만의 거리 범위에 대해서도, 측거 정밀도를 향상시키는 것이 가능해진다.
또, 거리 센서 P(m, n)는, 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)과, 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 보내는 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)을 가지고 있다. 제1 및 제2 전송 전극(TX1, TX2)에는 제1 및 제2 전송 신호 S1, S2가 각각 주어진다. 제1 및 제2 전송 신호 S1, S2는 위상이 180도 시프트되어 있다. 이것에 의해, 펄스광(Lp)이 1회 출사될 때마다, 발생한 전하가 제1 및 제2 전하 축적 영역(FD1, FD2)에 각각 축적되어, 대상물(OJ)까지의 거리 d를 구할 수 있다. 따라서 대상물(OJ)까지의 거리 d의 시간 변화에 의해, 측거 정밀도가 저하하는 것을 막을 수 있다.
이어서, 본 실시 형태의 변형예가 설명된다. 도 13은 변형예에 따른 거리 센서의 구성도이다. 또한, 도 13에서는, 차광층(LI)이 생략되어 도시되어 있다.
도 13에 도시되는 것처럼, 변형예에 따른 거리 센서 P(m, n)는 포토 게이트 전극(PG)과, 제1 전하 축적 영역(FD1)과, 제1 전송 전극(TX1)을 가지고 있다. 본 변형예에 따른 거리 센서 P(m, n)는 제2 전하 축적 영역(FD2)과, 제2 전송 전극(TX2)을 갖지 않은 점에서 상술한 실시 형태와 상위하다.
포토 게이트 전극(PG)은 평면에서 볼 때 사각형 환상(環狀)을 나타내고 있다. 본 변형예에서는, 포토 게이트 전극(PG)은 평면에서 볼 때 정사각형 환상을 나타내고 있다. 포토 게이트 전극(PG)의 바깥 가장자리는, 거리 센서 P(m, n)의 바깥 가장자리와 일치하고 있다. 포토 게이트 전극(PG)이 나타내는 정사각형 환상의 내측에는, 제1 전하 축적 영역(FD1)이 형성되어 있다. 제1 전하 축적 영역(FD1)은 평면에서 볼 때 사각형 모양을 나타내고 있다. 본 변형예에서는, 제1 전하 축적 영역(FD1)은 평면에서 볼 때 정사각형 모양을 나타내고 있다. 제1 전하 축적 영역(FD1)은 평면에서 볼 때 거리 센서 P(m, n)의 대략 중앙에 위치하고 있다.
포토 게이트 전극(PG)과 제1 전하 축적 영역(FD1)의 사이에는, 제1 전송 전극(TX1)이 형성되어 있다. 제1 전송 전극(TX1)은 평면에서 볼 때 사각형 환상을 나타내고 있다. 본 변형예에서는, 제1 전하 축적 영역(FD1)은 평면에서 볼 때 정사각형 환상을 나타내고 있다.
도 14는 변형예에 따른 측거 방법에 있어서의 각종 신호의 타이밍 차트이다.
도 14에 도시되는 것처럼, 제1 전송 전극(TX1)에 인가되는 제1 전송 신호 S1는, 소정의 타이밍에서 간헐적으로 위상 시프트가 주어지고 있다. 본 변형예에서는, 제1 전송 신호 S1는 180도의 타이밍에서 180도의 위상 시프트가 주어지고 있다. 제1 전송 신호 S1는 0도의 타이밍에서 구동 신호 SD에 동기하고, 180도의 타이밍에서 구동 신호 SD에 180도의 위상차를 가지고 있다.
본 변형예에서는, 0도의 타이밍에서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된 전하량 Q1, 및 180도의 타이밍에서 제1 전하 축적 영역(FD1)에 축적된 전하량 Q2가 순서대로 읽어내진다. 이들 전하량 Q1, Q2에 기초하여, 거리 d가 산출된다.
이와 같이 거리 센서 P(m, n)는 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 제1 전하 축적 영역(FD1)에 보내는 제1 전송 전극(TX1)을 가지고 있다. 제1 전송 전극(TX1)에는, 180도의 타이밍에서 간헐적으로 180도의 위상 시프트가 주어진 제1 전송 신호 S1가 주어지고 있다. 이 경우, 적어도 제1 전송 전극(TX1) 및 제1 전하 축적 영역(FD1)이 1개씩 있으면 측거 가능해지므로, 거리 센서 P(m, n)를 소형화할 수 있다.
본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 측거 프로파일을 작성하면서, 연장 시간 Tx 및 발광 지연 시간 Ty의 설정이 행해졌지만, 이것으로 한정되지 않는다. 광원(LS)으로부터 출사되었을 때의 펄스광(Lp)의 광 강도 신호 SLp의 신호 파형에 대해 이미 알려져 있는 정보가 있으면, 이것에 기초하여 연장 시간 Tx 및 발광 지연 시간 Ty가 설정되어도 된다. 예를 들어, 광 강도 안정 기간 TS의 폭이 이미 알려져 있으면, 제1 및 제2 기간 T1, T2 각각의 폭과 광 강도 안정 기간 TS의 폭의 차를 연장 시간 Tx로 설정할 수 있다.
또, 광 강도 신호 SLp의 상승 기간 TR의 폭이 이미 알려져 있으면, 구동 신호 SD의 펄스폭 Tp로부터 상승 기간 TR의 폭을 뺀 값을 광 강도 안정 기간 TS의 폭이라고 추측할 수 있다. 이 추측한 광 강도 안정 기간 TS의 폭에 기초하여, 마찬가지로 연장 시간 Tx를 설정할 수 있다.
또, 광원(LS)으로부터 펄스광(Lp)을 출사할 때, 제１ 기간 T1의 개시 타이밍에 선행하여 펄스광(Lp)을 출사할 수도 있다. 이 경우, 발광 지연 시간 Ty가 마이너스 값으로 된다. 상기 식 (1)에 의해 측거 가능한 거리 범위의 최대치에 가까운 영역, 예를 들어 비리니어리티 영역 Along에서는, 광 강도 신호 SLp의 상승 기간 TR의 영향이 크다. 즉, 이 영역에서는, 이상적인 경우로부터 감소하는 전하량 q1의 전하량 Q1에 대한 영향이 크다. 발광 지연 시간 Ty를 마이너스 값으로 함으로써, 전하량 q1의 전하량 Q1에 대한 영향이 작아져, 이 영역에 있어서의 측거 정밀도를 향상시킬 수 있다.
거리 화상 센서(RS)는 각 거리 센서 P(m, n)가 이차원 모양으로 배열되어 있지만, 일차원 모양으로 배치된 라인 센서여도 된다. 또한, 라인 센서를 회전시키거나, 라인 센서를 2개 이용하여 주사시키거나 함으로써도 이차원 화상을 얻을 수 있다.
거리 화상 센서(RS)는 표면 입사형 거리 화상 센서로 한정되지 않는다. 거리 화상 센서(RS)는 이면 입사형 거리 화상 센서여도 된다.
입사광에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역을 포토 다이오드(예를 들어, 매립형 포토 다이오드 등)에 의해 구성해도 된다.
본 실시 형태에 따른 거리 화상 센서(RS)에 있어서의 p형 및 n형의 각 도전형은, 상술한 것과는 반대가 되도록 바꿔 넣어져 있어도 된다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명은 측거 방법 및 측거 장치에 이용할 수 있다.
10 … 측거 장치, Aline … 리니어리티 영역,
d … 거리, dshort … 리니어리티 영역의 하한치,
FD1 … 제1 전하 축적 영역, FD2 … 제2 전하 축적 영역,
P … 거리 센서, PG … 포토 게이트 전극,
S1 … 제1 전송 신호, S2 … 제2 전송 신호,
T1 … 제１ 기간, T2 … 제2 기간,
TX1 … 제1 전송 전극(전하 전송부), TX2 … 제2 전송 전극(전하 전송부),
LS … 광원, CONT … 제어부(전하 전송부),
DRV … 구동부(광원 구동부), ART … 연산부(거리 연산부),
OJ … 대상물, Lp … 펄스광,
Lr … 반사광, TS … 광 강도 안정 기간,
TT … 펄스광의 출사 기간, Ty … 발광 지연 시간(지연 시간),
Q1, Q2 … 전하량.

Claims (6)

  1. 대상물을 향해서 펄스광을 출사하는 광원과, 상기 대상물에서의 상기 펄스광의 반사광의 입사에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 축적하는 전하 축적 영역을 가지는 거리 센서를 이용한 측거 방법으로서,
    상기 전하 발생 영역에 발생한 전하를, 상기 펄스광의 출사 기간에 대한 제１ 기간에 있어서 상기 전하 축적 영역에 보냄으로써, 상기 제１ 기간에 걸쳐 상기 전하 축적 영역에 축적하고,
    상기 전하 발생 영역에 발생한 전하를, 상기 제１ 기간과 타이밍이 상이하고, 또한 상기 제１ 기간과 같은 폭인 제2 기간에 있어서 상기 전하 축적 영역에 보냄으로써, 상기 제2 기간에 걸쳐 상기 전하 축적 영역에 축적하고,
    상기 제１ 기간에 걸쳐 상기 전하 축적 영역에 축적된 전하량과, 상기 제2 기간에 걸쳐 상기 전하 축적 영역에 축적된 전하량에 기초하여 상기 대상물까지의 거리를 연산하고,
    상기 광원으로부터 상기 펄스광을 출사할 때, 상기 광원으로부터 상기 펄스광의 출사 기간에 있어서의 광 강도 안정 기간이 상기 제1 및 제2 기간 각각보다도 길게 미리 설정된 펄스광을 출사하는 측거 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원으로부터 상기 펄스광을 출사할 때, 상기 제１ 기간의 개시 타이밍에 지연하여 상기 펄스광을 출사하는 측거 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제１ 기간의 개시 타이밍에 대한 상기 펄스광의 출사 타이밍의 지연 시간은, 실제 거리와 상기 거리 센서에 의해 구한 거리의 상관 관계를 나타내는 측거 프로파일의 리니어리티 영역의 하한치에 대응하는 시간으로 미리 설정된 측거 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거리 센서는 복수의 상기 전하 축적 영역과, 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 복수의 상기 전하 축적 영역에 보내는 복수의 전송 전극을 가지고,
    복수의 상기 전송 전극에는, 상이한 위상의 전송 신호가 각각 주어지는 측거 방법.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 거리 센서는 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 상기 전하 축적 영역에 보내는 전송 전극을 가지고,
    상기 전송 전극에는, 소정의 타이밍에서 간헐적으로 위상 시프트가 주어진 전송 신호가 주어지는 측거 방법.
  6. 대상물을 향해서 펄스광을 출사하는 광원과, 상기 대상물에서의 상기 펄스광의 반사광의 입사에 따라 전하가 발생하는 전하 발생 영역과 상기 전하 발생 영역에서 발생한 전하를 축적하는 전하 축적 영역을 가지는 거리 센서를 구비하는 측거 장치로서,
    상기 전하 발생 영역에 발생한 전하를, 상기 펄스광의 출사 기간에 대한 제１ 기간에 있어서 상기 전하 축적 영역에 보냄으로써, 상기 제１ 기간에 걸쳐 상기 전하 축적 영역에 축적시키고, 상기 전하 발생 영역에 발생한 전하를, 상기 제１ 기간과 타이밍이 상이하고, 또한 상기 제１ 기간과 같은 폭인 제2 기간에 있어서 상기 전하 축적 영역에 보냄으로써, 상기 제2 기간에 걸쳐 상기 전하 축적 영역에 축적시키는 전하 전송부와,
    상기 제１ 기간에 걸쳐 상기 전하 축적 영역에 축적된 전하량과, 상기 제2 기간에 걸쳐 상기 전하 축적 영역에 축적된 전하량에 기초하여 상기 대상물까지의 거리를 연산하는 거리 연산부와,
    상기 펄스광의 출사 기간에 있어서의 광 강도 안정 기간이 상기 제1 및 제2 기간 각각보다도 길게 미리 설정된 펄스광을 출사하도록 상기 광원을 구동하는 광원 구동부를 구비하는 측거 장치.
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