WO2013099348A1 - 距離測定装置 - Google Patents

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WO2013099348A1
WO2013099348A1 PCT/JP2012/071075 JP2012071075W WO2013099348A1 WO 2013099348 A1 WO2013099348 A1 WO 2013099348A1 JP 2012071075 W JP2012071075 W JP 2012071075W WO 2013099348 A1 WO2013099348 A1 WO 2013099348A1
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read
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cycle
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transfer
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PCT/JP2012/071075
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光人 間瀬
鈴木　高志
純 平光
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浜松ホトニクス株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
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    • G01S7/486—Receivers
    • G01S7/4861—Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G01S7/4863—Detector arrays, e.g. charge-transfer gates

Definitions

  • the embodiment of the present invention relates to a distance measuring device.
  • a time-of-flight (TOF) method for measuring the distance from an object to the distance sensor by emitting pulsed light from a light source and receiving reflected light from the object by a distance sensor is known.
  • Patent Documents 1 and 2 describe a distance measuring device based on the TOF method.
  • the apparatus described in Patent Document 1 emits pulsed light from a light source, and a signal having a value corresponding to the amount of charge generated in a photodiode of a distance sensor in each of sub-periods having different lengths in one frame period. Is calculated from the distance sensor, and the distance is calculated based on the best signal among the plurality of acquired signals.
  • the device described in Patent Document 2 has a configuration for extending the effective dynamic range of the distance sensor. Specifically, this device emits pulsed light from the light source, accumulates the charge generated by the photodiode of the distance sensor in the capacitor, resets the voltage when the voltage generated in the capacitor reaches the saturation voltage, and resets The distance is calculated based on the number of times and the final voltage generated in the capacitor.
  • the light incident on the distance sensor includes background light in addition to the signal light generated when the pulsed light emitted from the light source is reflected by the object.
  • the distance measuring devices described in Patent Documents 1 and 2 basically do not consider removal of noise components such as background light components included in the signal from the distance sensor.
  • Patent Document 3 describes another distance measuring device based on the TOF method.
  • the apparatus described in Patent Document 3 obtains a signal from a distance sensor by irradiating pulsed light from a light source in a first frame period, and signals from the distance sensor in a second frame period with the light source not emitting light.
  • the frame period is a period from the reset of the charge in the accumulation region that accumulates the charge generated in the photosensitive region of the sensor to the next reset of the charge in the accumulation region.
  • This apparatus removes a noise component in the signal by subtracting the signal in the second frame period from the signal in the first frame period. The apparatus calculates the distance based on the signal from which the noise component is removed in this way.
  • the distance measuring device includes a light source unit, a sensor unit, and a processing unit.
  • the light source unit emits modulated light.
  • the sensor unit includes a photosensitive region that generates charges in response to incident light, a first storage region and a second storage region that store charges generated in the photosensitive region, and a photosensitive region and a first storage region.
  • a first transfer electrode provided therebetween, a second transfer electrode provided between the photosensitive region and the second storage region, and a first transfer electrode provided between the first storage region and the reset potential.
  • Reset switch, and a second reset switch provided between the second accumulation region and the reset potential.
  • the processing unit calculates the distance by controlling the emission timing of the modulated light and the sensor unit.
  • the processing unit controls the first reset switch and the second reset switch to connect the first storage region and the second storage region to the reset potential, and then the first storage region and the first storage region.
  • A1 In one or more first charge transfer cycles within a period until the next storage region is connected to the reset potential, modulated light is emitted to the light source unit during one or more emission periods, and (a2) one The charge generated in the photosensitive region is accumulated in the first accumulation region by controlling the voltage applied to the first transfer electrode in one or more first transfer periods synchronized with the above emission period, and (a2) one or more The electric charge generated in the photosensitive region is accumulated in the second accumulation region by controlling the voltage applied to the second transfer electrode during one or more second transfer periods phase-inverted with respect to the first transfer period.
  • the processing unit is one or more second charge transfer cycles within the frame period, and in the one or more second charge transfer cycles alternating with the one or more first charge transfer cycles, (b1) modulation into the light source unit Without emitting light, (b2) controlling the voltage applied to the first transfer electrode in the third transfer period to store the charge generated in the photosensitive region in the first storage region, and (b2) the third Charges generated in the photosensitive region are accumulated in the second accumulation region by controlling the voltage applied to the second transfer electrode during the fourth transfer period that is phase-inverted with the transfer period.
  • the processing unit includes each of the one or more first charge transfer cycles and the next second charge transfer cycle.
  • the processing unit is arranged between each of the one or more second charge transfer cycles and the next first charge transfer cycle. Another first read value corresponding to the amount of charge accumulated in the first accumulation region at the time point and another second read value corresponding to the amount of charge accumulated in the second accumulation region at the time point The value is acquired from the sensor unit.
  • the processing unit is a value obtained by subtracting another first read value of the n-th and (n-1) -th second read cycles from a value twice the first read value of the n-th first read cycle. And a second read value different from the second read value of the nth first read cycle to the second read cycle of the nth and (n-1) th read cycles.
  • a second value that is a value obtained by subtracting is calculated to obtain M first values and M second values.
  • n indicates the order of the plurality of first read cycles and the plurality of second read cycles.
  • the processing unit calculates the distance based on the M first values and the M second values.
  • the modulated light is emitted to the light source unit in the first charge transfer cycle that distributes the charges to the first accumulation region and the second accumulation region by emitting the modulated light to the light source unit within one frame period.
  • the second charge transfer cycle for distributing the charge to the first accumulation region and the second accumulation region is alternately performed.
  • charges based on incident light including reflected light from the object with respect to the modulated light are accumulated in the accumulation region as increased charges
  • noise such as background light is accumulated. Is accumulated as an increased charge.
  • a value corresponding to the accumulated charge amount immediately after the second charge transfer cycle immediately before the first charge transfer cycle is determined from a value twice the read value corresponding to the accumulated charge amount immediately after the first charge transfer cycle.
  • each first charge is obtained.
  • Values corresponding to the increase in the charge amount in the transfer cycle are obtained. Since the distance measuring device calculates the distance based on the first value and the second value, the distance does not decrease the frame rate, and even if noise such as background light that fluctuates in a short period occurs, the distance is highly accurate. Can be calculated.
  • the sensor unit of the distance measuring device does not require an additional storage region for acquiring charge based on noise other than the two storage regions for charge distribution, thus complicating the configuration of the sensor unit.
  • the mounting area in the sensor unit can be used effectively.
  • the time length for accumulating charges in the first accumulation region in the first charge transfer cycle, the time length for accumulating charges in the second accumulation region in the first charge transfer cycle, and the second charge may be substantially the same time length. .
  • each of the plurality of first charge transfer cycles may include one first transfer period and one second transfer period. According to this embodiment, the time length of the first charge transfer cycle and the second charge transfer cycle corresponding to the first charge transfer cycle can be shortened. As a result, it is possible to calculate the distance with high accuracy even when noise that fluctuates in a shorter period occurs.
  • a predetermined threshold value M first values based on one or more first read values and one or more other first read values obtained up to the last second read cycle
  • M second values may be determined based on one or more second read values and one or more other second read values obtained up to the final second read cycle.
  • the processing unit (d1) another first read value of the nth second read cycle, another first read value of the nth second read cycle, and n ⁇ Sum of difference value with another first read value of the second read cycle of the first time, or another second value of the second read cycle of the nth time and the second value of the nth time
  • the first read cycle and the second read cycle may be stopped, and (d2) one or more first read values obtained up to the n-th second read cycle, which is the final read cycle, and Determining M first values based on one or more other first readings, and a final second reading Cycle may be determined M second value based on the second read value and the further second read values of one or more one or more obtained by.
  • the predetermined threshold value is set to a value equal to or larger than the read value corresponding to the saturated storage capacity of the storage region, thereby using the read value in a range not exceeding the read value corresponding to the saturated storage capacity, and the distance. Can be calculated. In addition, the dynamic range of the measurement distance can be improved. Furthermore, according to this embodiment, when the above-described sum exceeds a predetermined threshold, the acquisition of the read value from the sensor unit can be stopped, so that the calculation of the distance can be started early. .
  • the processing unit (e1) sequentially integrates M first values to calculate M first integrated values, and sequentially integrates M second integrated values.
  • M second integrated values are calculated
  • the first estimated value is calculated using an approximate expression based on the M first integrated values
  • the second estimated value is calculated as M It may be calculated using an approximate expression based on the second integrated value
  • the distance may be calculated based on the first estimated value and the second estimated value.
  • a distance measuring device that can calculate a distance with high accuracy even when noise that fluctuates in a short period occurs without reducing the frame rate. Can be done.
  • FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a distance measuring device according to an embodiment. It is a figure showing roughly an example of a sensor concerning one embodiment. It is a top view showing an example of one pixel unit in a sensor concerning one embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG. 3.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of one pixel unit of a sensor unit and a corresponding sample and hold circuit for the pixel unit according to an embodiment. It is a flowchart which shows the control and calculation of a process part which concern on one Embodiment. It is a timing chart of various signals used with a distance measuring device concerning one embodiment.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of one pixel unit of a sensor unit and a corresponding sample and hold circuit for the pixel unit according to another embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a distance measuring device according to an embodiment.
  • a distance measuring device 10 shown in FIG. 1 is a device that obtains a distance between an object and the distance measuring device 10 by a time-of-flight (TOF) method.
  • the distance measuring device 10 includes a light source unit 12, a sensor unit 14, and a processing unit 16.
  • the light source unit 12 emits modulated light.
  • the light source unit 12 may include a laser diode 12a and a driver circuit 12b.
  • the driver circuit 12b supplies a modulation current synchronized with the drive pulse signal from the processing unit 16 to the laser diode 12a.
  • the laser diode 12a emits modulated light according to the modulation current.
  • the modulated light can include, for example, one or more pulsed lights.
  • the sensor unit 14 may include a sensor 18, a digital-analog conversion unit (DAC) 20, and an analog-digital conversion unit (ADC) 22 in one embodiment.
  • the DAC 20 converts the digital signal from the signal processing unit 16 a of the processing unit 16 into an analog signal and supplies the analog signal to the sensor 18.
  • the ADC 22 converts the analog signal from the sensor 18 into a digital signal and supplies the digital signal to the processing unit 16.
  • the processing unit 16 calculates the distance by controlling the emission timing of the modulated light of the light source unit 12 and the sensor unit 14.
  • the processing unit 16 may include a signal processing unit 16a and a memory 16b.
  • the signal processing unit 16a is an arithmetic circuit such as an FPGA (Field-Programmable Gate Array), and the memory 16b is an SRAM (Static Random Access Memory).
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating an example of a sensor according to an embodiment.
  • the sensor 18 includes an imaging region IR, a sample and hold circuit group SHG, a switch group SWG, a horizontal shift register group HSG, signal lines H1 and H2, and output amplifiers OAP1 and OAP2.
  • the sensor 18 may be configured as a line sensor that acquires a line of images.
  • the imaging region IR includes a plurality of pixel units P (j) arranged in the horizontal direction.
  • j is an integer of 1 to J
  • J is an integer of 2 or more, and indicates the number of pixel units.
  • FIG. 3 is a plan view showing an example of one pixel unit in the sensor according to the embodiment.
  • 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG.
  • the pixel units P (1) to P (J) have the same structure shown in FIGS.
  • the pixel unit P (j) includes a semiconductor substrate SB.
  • the semiconductor substrate SB is, for example, a silicon substrate.
  • the semiconductor substrate SB includes a first semiconductor region SR1 and a second semiconductor region SR2.
  • the first semiconductor region SR1 is a p-type semiconductor region that provides one main surface SBF1 of the semiconductor substrate SB.
  • the second semiconductor region SR2 is a p ⁇ type semiconductor region provided on the first semiconductor region SR1.
  • the impurity concentration of the second semiconductor region SR2 is less than or equal to the impurity concentration of the first semiconductor region SR1.
  • the semiconductor substrate SB can be formed by depositing a p-type semiconductor region on a p-type semiconductor substrate by an epitaxial growth method.
  • An insulating film ISL is formed on the other main surface SBF2 of the semiconductor substrate SB.
  • the insulating film ISL is made of, for example, SiO 2 .
  • a photogate electrode PG is provided on the insulating film ISL.
  • the photogate electrode PG is made of, for example, polysilicon. As shown in FIG. 3, in one embodiment, the photogate electrode PG may have a substantially rectangular planar shape.
  • a region located below the photogate electrode PG functions as a photosensitive region that generates charges in response to incident light.
  • a first transfer electrode TX1, a second transfer electrode TX2, and a third transfer electrode TX3 are provided on the insulating film ISL.
  • These transfer electrodes TX1 to TX3 are made of, for example, polysilicon.
  • the first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2 are arranged so that the photogate electrode PG exists between them.
  • the two third transfer electrodes TX3 have a direction (hereinafter referred to as “Y direction”) that intersects a direction in which the first transfer electrode TX1 and the second transfer electrode TX2 are arranged (hereinafter referred to as “X direction”). ), The first transfer electrode TX1 is disposed between them. Further, the other two third transfer electrodes TX3 are arranged so that the second transfer electrode TX2 is interposed between them in the Y direction.
  • a first accumulation region fd1 and a second accumulation region fd2 are formed in the second semiconductor region SR2.
  • the first accumulation region fd1 and the second accumulation region fd2 accumulate charges transferred from the photosensitive region.
  • the first accumulation region fd1 and the second accumulation region fd2 are arranged so that the photosensitive region is interposed between them.
  • the first accumulation region fd1 and the second accumulation region fd2 are n + type semiconductor regions doped with n-type impurities at a high concentration.
  • the insulating film ISL defines an opening above the first accumulation region fd1 and the second accumulation region fd2.
  • An electrode 13 is provided in these openings.
  • the electrode 13 is made of, for example, tungsten provided via a Ti / TiN film.
  • the first transfer electrode TX1 exists between the electrode 13 on the first accumulation region fd1 and the photogate electrode PG, and the second transfer electrode TX2 corresponds to the second accumulation region. It is disposed between the electrode 13 on fd2 and the photogate electrode PG.
  • a voltage VTX1 that reduces the potential of the semiconductor region below the first transfer electrode TX1 is applied to the first transfer electrode TX1.
  • the voltage VTX1 is given from the DAC 20 based on the digital signal from the signal processing unit 16a.
  • a voltage VTX2 that reduces the potential of the semiconductor region below the second transfer electrode TX2 is applied to the second transfer electrode TX2.
  • the voltage VTX2 is given from the DAC 20 based on the digital signal from the signal processing unit 16a.
  • an n + type semiconductor region SR3 is formed in the second semiconductor region SR2.
  • four semiconductor regions SR3 are provided.
  • the pair of semiconductor regions SR3 and the other pair of semiconductor regions SR3 are provided such that the photosensitive region is interposed therebetween.
  • the insulating film ISL defines openings, and electrodes 13 are provided in these openings.
  • the electrode 13 is made of, for example, tungsten provided via a Ti / TiN film.
  • a corresponding third transfer electrode TX3 is interposed between the electrode 13 on one semiconductor region SR3 and the photogate electrode PG.
  • Charge is transferred from the photosensitive region to the semiconductor region SR3 by applying the voltage VTX3 to the third transfer electrode TX3 to reduce the potential of the semiconductor region below the third transfer electrode TX3.
  • the voltage VTX3 is given from the DAC 20 based on the digital signal from the signal processing unit 16a.
  • the electrode 13 in the semiconductor region SR3 is also connected to a predetermined potential Vdd (see FIG. 6). This potential Vdd is set by the DAC 20 based on the digital signal from the signal processing unit 16a.
  • FIG. 6 is a circuit diagram of one pixel unit of the sensor unit and a corresponding sample and hold circuit for the pixel unit according to an embodiment.
  • the sample and hold circuit group SHG of the sensor 18 includes J first sample and hold circuits SH1 and J second sample and hold circuits SH2.
  • Each first sample hold circuit SH1 and each second sample hold circuit SH2 are connected to a corresponding pixel unit P (j) (a corresponding pixel unit among the pixel units P (1) to P (J)).
  • the sample and hold circuit group SHG includes J sample and hold circuit pairs SHP (1) to SHP (J) each including one first sample and hold circuit SH1 and one second sample and hold circuit.
  • J sample-and-hold circuit pairs SHP (1) to SHP (J) are associated with pixel units P (1) to P (J), respectively.
  • the pixel unit P (j) further includes a first reset switch RS1, a second reset switch RS2, and charge-voltage conversion circuits A1 and A2.
  • the first reset switch RS1 is provided between the reset potential Vr and the electrode 13 on the first accumulation region fd1.
  • the second reset switch RS2 is provided between the reset potential Vr and the electrode 13 on the second accumulation region fd2.
  • the reset potential Vr is set by the DAC 20 based on the digital signal from the signal processing unit 16a.
  • the reset pulse signal Sres is given to the first reset switch RS1 and the second reset switch RS2 from the signal processing unit 16a.
  • the reset pulse signal Sres is supplied to the first reset switch RS1 and the second reset switch RS2
  • the first accumulation region fd1 and the second accumulation region fd2 are connected to the reset potential Vr.
  • the charge in the first accumulation region fd1 and the charge in the second accumulation region fd2 are reset.
  • the period from the timing when the charges in the first accumulation region fd1 and the second accumulation region fd2 are reset to the next reset timing is a frame period Tf (see FIG. 8).
  • the input of the circuit A1 is connected to the electrode 13 on the first storage region fd1, and the output of the circuit A1 is connected to the switch SW10 of the sample hold circuit SH1.
  • the circuit A1 converts the charge amount in the first accumulation region fd1 into a voltage, and provides the voltage to the sample hold circuit SH1.
  • the input of the circuit A2 is connected to the electrode 13 on the second accumulation region fd2, and the output of the circuit A2 is connected to the switch SW12 of the sample hold circuit SH2.
  • the circuit A2 converts the amount of charge in the second accumulation region fd2 into a voltage, and provides the voltage to the sample hold circuit SH2.
  • the sample hold circuit SH1 includes a switch SW10 and a capacitor CP10.
  • the sample hold circuit SH2 includes a switch SW12 and a capacitor CP12.
  • the sampling pulse signal Ssamp is given to the switch SW10 and the switch SW12 from the signal processing unit 16a.
  • the sampling pulse signal Ssamp is applied to the switches SW10 and SW12, the output of the circuit A1 and the capacitor CP10 are connected, and the output of the circuit A2 and the capacitor CP12 are connected.
  • the output voltage of the circuit A1 is held across the capacitor CP10, and the output voltage of the circuit A2 is held across the capacitor CP12.
  • the switch group SWG of the sensor 18 includes J switches SW1 and J switches SW2. Each switch SW1 and each switch SW2 are connected to the capacitor CP10 of the sample hold circuit SH1 and the capacitor CP12 of the sample hold circuit SH2 for the corresponding pixel unit among the pixel units P (1) to P (J), respectively. Yes. That is, the switch group SWG includes J switch pairs SWP (1) to SWP (J) each including one switch SW1 and one switch SW2. The J switch pairs SWP (1) to SWP (J) are associated with the sample and hold circuit pairs SHP (1) to SHP (J), respectively.
  • a read pulse signal Sread is applied to the switches SW1 and SW2.
  • the read pulse signal Sread is supplied from the horizontal shift register group HSG.
  • the horizontal shift register group HSG has J horizontal shift registers.
  • the horizontal shift register can include, for example, a flip-flop. These horizontal shift registers are arranged in the arrangement direction of the pixel units P (1) to P (J).
  • the horizontal shift register provided at one end in the horizontal shift register group HSG is given a start signal from the signal processing unit 16a. Further, a clock signal is given from the signal processing unit 16a to all the horizontal shift registers.
  • the J horizontal shift registers sequentially apply the read pulse signal Sread to the switch pairs SWP (1) to SWP (J). In this way, when the read pulse signal Sread is applied, the sample hold circuit SH1 and the sample hold circuit SH2 of the sample hold circuit pair SHP (1) to SHP (J) are sequentially connected to the signal line H1 and the signal line H2. .
  • the capacitor CP10 of the sample hold circuit SH1 and the capacitor CP12 of the sample hold circuit SH2 are connected to the signal line H1 and the signal line H2, respectively.
  • the voltage held in the sample hold circuit SH1 is input to the output amplifier OAP1 via the signal line H1.
  • the voltage held in the sample hold circuit SH2 is input to the output amplifier OAP2 via the signal line H2.
  • Each of the output amplifier OAP1 and the output amplifier OAP2 amplifies the input voltage and outputs the amplified voltage to the ADC 22.
  • the ADC 22 converts the input voltage signal into a digital value having a value corresponding to the magnitude of the voltage signal.
  • the digital value output by the ADC 22 is stored in the memory 16b of the processing unit 16.
  • a digital value based on the voltage signal from the output amplifier OAP1 is stored in the memory 16b as a first read value to be described later.
  • the first read value becomes smaller as the amount of accumulated charge in the first accumulation region fd1 is larger.
  • a digital value based on the voltage signal from the output amplifier OAP2 is stored in the memory 16b as a second read value to be described later.
  • the second read value becomes smaller as the amount of accumulated charge in the second accumulation region fd2 increases.
  • FIG. 7 is a flowchart showing control and calculation of the processing unit 16 according to an embodiment.
  • FIG. 8 is a timing chart of various signals used in the distance measuring apparatus according to the embodiment.
  • the processing unit 16 performs control and calculation described below with reference to FIGS. 7 and 8 for each pixel unit.
  • the signal processing unit 16a of the processing unit 16 first applies the reset pulse signal Sres to the first reset switch RS1 and the second RS2, and thereby the first accumulation region fd1 and the second accumulation region. fd2 is connected to the reset potential Vr. As a result, the charge accumulated in the first accumulation region fd1 and the charge accumulated in the second accumulation region fd2 are reset, and the frame period Tf is started (step S11). This frame period then continues until the reset pulse signal Sres is applied to the first reset switch RS1 and the second RS2.
  • the processing unit 16 obtains the first value Q1dc (0) and the second value Q2dc (0) from the sensor unit 14, and the first value Q1dc (0) and the second value Q2dc (0). ) Is stored in the memory 16b as an initial value (step S12).
  • the signal processing unit 16a gives the sampling pulse signal Ssamp to the switches SW10 and SW12 before the start of the first first charge transfer cycle Cy1.
  • the voltage corresponding to the amount of charge accumulated in the first accumulation region fd1 at the time before the first first charge transfer cycle Cy1 is held in the sample hold circuit SH1, and the second accumulation at that time.
  • a voltage corresponding to the amount of charge accumulated in the region fd2 is held in the sample hold circuit SH2.
  • the signal processing unit 16a supplies a start signal and a clock signal to the horizontal shift register group HSG so that the read pulse signal Sread is supplied from the horizontal shift register to the switches SW1 and SW2.
  • the first value Q1dc (0) and the second value Q2dc (0) are acquired.
  • the first value Q1dc (0) and the second value Q2dc (0) are accumulated in the first accumulation region fd1 between the output timing of the reset pulse signal Sres and the output timing of the first sampling pulse signal Ssamp.
  • the signal processing unit 16a sets n to 1 (step S13), the first to Nth first and second charge transfer cycles, and the first to Nth first and second read cycles. Try to explain below.
  • “N” indicates the order of the maximum cycle set in advance.
  • the signal processing unit 16a gives the drive pulse signal SL to the light source unit 12 to emit modulated light from the light source unit 12 (step S14).
  • the time length of the emission period of the modulated light from the light source unit 12 is T0.
  • the signal processing unit 16a may supply a plurality of pulse signals to the light source unit 12 within the period T0 as the drive pulse signal SL, and cause the light source unit 12 to emit a plurality of pulse lights.
  • the signal processing unit 16a sends a digital signal to the sensor unit 14 so that the High level voltage signal VTX1 is applied to the first transfer electrode TX1 within the first transfer period T1 of the nth first charge transfer cycle Cy1. give. In addition, the signal processing unit 16a outputs a digital signal to the sensor unit so that the High level voltage signal VTX2 is applied to the second transfer electrode TX2 within the second transfer period T2 of the nth first charge transfer cycle Cy1. 14
  • the first transfer period T1 is synchronized with the drive pulse signal SL. That is, the rising timing of the drive pulse signal SL and the rising timing of the voltage signal VTX1 are substantially synchronized, and the duration T0 of the drive pulse signal SL and the first transfer period T1 have substantially the same time length.
  • the second transfer period T2 is phase-inverted with the first transfer period T1. That is, the phase of the second transfer period T2 is 180 degrees behind the phase of the first transfer period T1. More specifically, the falling timing of the voltage signal VTX1 and the rising timing of the voltage signal VTX2 are substantially synchronized, and the first transfer period T1 and the second transfer period T2 have approximately the same time length.
  • the first charge transfer cycle Cy1 includes one first transfer period T1 and one second transfer period T2.
  • the signal processing unit 16a applies a low level voltage signal to the third transfer electrode TX3.
  • a digital signal is given to the sensor unit 14 so that VTX3 is given.
  • the third transfer electrode TX3 is supplied with a high-level voltage signal VTX3 during a period other than the first transfer period T1 and the second transfer period T2 in the first charge transfer cycle Cy1.
  • the charge corresponding to the incident light to the photosensitive region is not transferred to the semiconductor region SR3, but the first charge In a period other than the first transfer period T1 and the second transfer period T2 of the transfer cycle Cy1, the charge generated in the photosensitive region is transferred to the semiconductor region SR3 and removed.
  • the signal processing unit 16a corresponds to the first read value Q1ac (n) corresponding to the amount of charge accumulated in the first accumulation region fd1 and the amount of charge accumulated in the second accumulation region fd2.
  • the second read value Q2ac (n) is acquired from the sensor unit 14, and the first read value Q1ac (n) and the second read value Q2ac (n) are stored in the memory 16b (step S15).
  • the signal processing unit 16a sends the sampling pulse signal Ssamp to the switch SW10 and the sampling pulse signal Ssamp at a time point between the end point of the nth first charge transfer cycle and the start point of the nth second charge transfer cycle. Applied to the switch SW12. As a result, the voltage corresponding to the amount of charge accumulated in the first accumulation region fd1 at the time between the end of the first charge transfer cycle and the start of the next second charge transfer cycle is sampled and held. A voltage corresponding to the amount of charge held in the circuit SH1 and stored in the second storage region fd2 at that time is held in the sample hold circuit SH2.
  • the signal processing unit 16a supplies a start signal and a clock signal to the horizontal shift register group HSG so that the read pulse signal Sread is supplied from the horizontal shift register to the switches SW1 and SW2 in the n-th first read cycle. Accordingly, the processing unit 16 acquires the first read value Q1ac (n) and the second read value Q2ac (n) from the sensor unit 14.
  • the first read value Q1ac (n) is stored in the first storage region fd1 at the time between the end of the nth first charge transfer cycle and the start of the nth second charge transfer cycle.
  • the second read value Q2ac (n) is a value corresponding to the amount of charge accumulated in the second accumulation region fd2 at that time.
  • the signal processing unit 16a stops the emission of the modulated light from the light source unit 12 in the n-th second charge transfer cycle Cy2 (step S16). That is, in the second charge transfer cycle Cy2, the signal processing unit 16a does not supply a drive pulse signal to the light source unit 12.
  • the signal processing unit 16a sends a digital signal to the sensor unit 14 so that the high-level voltage signal VTX1 is applied to the first transfer electrode TX1 within the third transfer period T3 of the n-th second charge transfer cycle Cy2. give. In addition, the signal processing unit 16a outputs a digital signal to the sensor unit so that the High-level voltage signal VTX2 is applied to the second transfer electrode TX2 within the fourth transfer period T4 of the n-th second charge transfer cycle Cy2. 14
  • the relationship between the phase of the third transfer period T3 and the phase of the fourth transfer period T4 is the same as the relationship between the phase of the first transfer period T1 and the phase of the second transfer period T2.
  • the first transfer period T1, the second transfer period T2, the third transfer period T3, and the fourth transfer period T4 have substantially the same time length.
  • the signal processing unit 16a applies the low level voltage signal VTX3 to the third transfer electrode TX3. Is given to the sensor unit 14. Further, the signal processing unit 16a applies the low-level voltage signal VTX3 to the third transfer electrode TX3 during a period other than the third transfer period T1 and the fourth transfer period T4 in the second charge transfer cycle Cy2. The digital signal is supplied to the sensor unit 14 so that the digital signal is transmitted.
  • the signal processing unit 16a corresponds to the first read value Q1dc (n) corresponding to the charge amount accumulated in the first accumulation region fd1 and the charge amount accumulated in the second accumulation region fd2.
  • the second read value Q2dc (n) is acquired from the sensor unit 14, and the first read value Q1dc (n) and the second read value Q2dc (n) are stored in the memory 16b (step S17).
  • the signal processing unit 16a transmits the sampling pulse signal Ssamp to the switch SW10 and the switch SW12 between the end of the nth second charge transfer cycle and the start of the (n + 1) th first charge transfer cycle. To give. As a result, a voltage corresponding to the amount of charge stored in the first storage region fd1 at the time between the end of the second charge transfer cycle and the start of the next first charge transfer cycle is supplied to the sample hold circuit SH1. The voltage corresponding to the charge amount stored in the second storage region fd2 at that time is held in the sample hold circuit SH2.
  • the signal processing unit 16a supplies a start signal and a clock signal to the horizontal shift register group HSG so that the read pulse signal Sread is supplied from the horizontal shift register to the switches SW1 and SW2 in the n-th second read cycle.
  • the processing unit 16 acquires the first read value Q1dc (n) and the second read value Q2dc (n) from the sensor unit 14.
  • the first read value Q1dc (n) is stored in the first storage region fd1 at the time between the end of the nth second charge transfer cycle and the start of the (n + 1) th first charge transfer cycle.
  • the second read value Q2dc (n) is a value corresponding to the amount of charge accumulated in the second accumulation region fd2 at that time.
  • the signal processing unit 16a calculates the first value Q1 (n) and the second value Q2 (n) (step S18). Specifically, the first value Q1 (n) is obtained by multiplying the first read value Q1ac (n) by the first read value Q1dc (n ⁇ 1) and the first read value Q1dc (n). ) Is subtracted. The second value Q2 (n) is obtained by subtracting the second read value Q2dc (n-1) and the second read value Q2dc (n) from a value twice the second read value Q2ac (n). It is obtained as a value.
  • the signal processing unit 16a calculates a difference value k1 (n) and a difference value k2 (n) (step S19).
  • the difference value k1 (n) includes the first read value Q1dc (n) of the nth second read cycle and the first read value Q1dc (n-1) of the (n-1) th second read cycle. It is obtained by calculating
  • the difference value k2 (n) is calculated by using the second read value Q2dc (n) of the nth second read cycle and the second read value Q2dc (n ⁇ 1) of the (n ⁇ 1) th second read cycle. ) To obtain the difference.
  • Q1 (0) can be substituted for the first read value Q1dc (0)
  • Q2 (0) can be substituted for the second read value Q2dc (0).
  • the signal processing unit 16a obtains a first predicted value Q1dc (n + 1) and a second predicted value Q2dc (n + 1) (step S20).
  • the first predicted value Q1dc (n + 1) is obtained by calculating the sum of the first read value Q1dc (n) and the difference value k1 (n).
  • the second predicted value Q2dc (n + 1) is obtained by calculating the sum of the first read value Q2dc (n) and the difference value k2 (n).
  • the first predicted value Q1dc (n + 1) is a predicted value of the first read value of the (n + 1) th second read cycle.
  • the second predicted value Q1dc (n + 1) is a predicted value of the second read value of the (n + 1) th second read cycle.
  • the signal processing unit 16a compares the first predicted value Q1dc (n + 1) and the second predicted value Q2dc (n + 1) with a predetermined threshold value Qth (step S21).
  • the threshold value Qth is equal to or greater than the first read value corresponding to the saturated storage capacity of the first storage region fd1 and the second read value corresponding to the saturated storage capacity of the second storage region fd2. It is set to be the above numerical value. If the first predicted value Q1dc (n + 1) is greater than or equal to the threshold value Qth and the second predicted value Q2dc (n + 1) is greater than or equal to the threshold value Qth, the determination result in step S21 is “No”, and signal processing The process of unit 16a proceeds to step S22.
  • step S22 it is tested whether n is N or more. If n is smaller than N in step S22, the signal processing unit 16a increments the value of n by 1 (step S23) and repeats the processing from step S14. On the other hand, if n is greater than or equal to N in step S22, the processing of the signal processing unit 16a proceeds to step S24.
  • step S21 If the first predicted value Q1dc (n + 1) or the second predicted value Q2dc (n + 1) exceeds the threshold value Qth as a result of the comparison in step S21, that is, the processing by the signal processing unit 16a. Advances to step S24. Therefore, when the first predicted value Q1dc (n + 1) or the second predicted value Q2dc (n + 1) exceeds the threshold value Qth, the processing unit 16 performs the first read cycle after the (n + 1) th time and the (n + 1) th time after the first read cycle. The acquisition and storage of the read values of the two read cycles are stopped.
  • the threshold value Qth is equal to the larger read value of the first read value corresponding to the saturated storage capacity of the first storage region fd1 and the second read value corresponding to the saturated storage capacity of the second storage region fd2.
  • the processing unit 16 can acquire the first read value in a range not exceeding the read value corresponding to the saturated storage capacity of the first storage region fd1, and the second storage region fd2
  • the second read value in a range not exceeding the read value corresponding to the saturated storage capacity can be acquired.
  • the dynamic range of the measurement distance can be improved.
  • the distance measurement accuracy can be improved.
  • the calculation after step S24 of the signal processing unit 16a can be started early.
  • the threshold value Qth is greater of the first read value corresponding to the saturated storage capacity of the first storage region fd1 and the second read value corresponding to the saturated storage capacity of the second storage region fd2. It may be set to a value larger than the other read value. According to this embodiment, the sensor unit 14 can be used in a range in which the linearity of the relationship between the accumulated charge amount and the incident light amount of each of the first accumulation region fd1 and the second accumulation region fd2 is excellent. Therefore, the distance measurement accuracy can be further improved.
  • the signal processing unit 16a obtains a first estimated value Q1est and a second estimated value Q2est (step S24).
  • the first estimated value Q1est is calculated based on the M first values Q1 (1,..., M). Specifically, as shown in the equation (1), the first value Q1dc (0) is added to a value obtained by accumulating the M first values Q1 (1,..., M). Estimated value Q1est is calculated.
  • the second estimated value Q2est is calculated based on the M second values Q2 (1,..., M). Specifically, as shown in the equation (2), by adding a value Q2dc (0) to a value obtained by accumulating M second values Q2 (1,..., M), Estimated value Q2est is calculated.
  • the signal processing unit 16a calculates a distance (step S25). Specifically, the signal processing unit 16a calculates the distance L by the calculation of the following formula (3).
  • c is the speed of light
  • ⁇ is the first read value and the second read value when the same amount of incident light is incident on the photosensitive region in the first transfer period T1 and the second transfer period T2. Ratio.
  • the signal processing unit 16a outputs a one-line distance image having a gray value corresponding to the distance calculated for each pixel. In one embodiment, the signal processing unit 16a may repeat the control and calculation described with reference to FIGS. 7 and 8 so as to update the distance image for each frame period.
  • Q1ac (n), Q1dc (n), Q2ac (n), and Q2dc (n) are represented by the following formula (4).
  • q1ac corresponds to the increase in the amount of charge based on the reflected light from the object with respect to the modulated light, that is, the amount of charge based on the signal light, among the increase in the amount of charge in the first accumulation region in the nth first charge transfer cycle.
  • the value to be q2ac is a value corresponding to an increase in the charge amount based on the signal light among the increase in the charge amount in the second accumulation region in the nth first charge transfer cycle.
  • q1ad is a value corresponding to an increase in the amount of charge based on factors other than the signal light among the increase in the amount of charge in the first accumulation region in the nth first charge transfer cycle.
  • q2ad is a value corresponding to an increase in the amount of charge based on factors other than the signal light among the increase in the amount of charge in the second accumulation region in the nth first charge transfer cycle.
  • q1dd is a value corresponding to the increase in the amount of charge in the first accumulation region in the nth second charge transfer cycle.
  • Q2dd is a component corresponding to an increase in the amount of charge in the second accumulation region in the n-th second charge transfer cycle.
  • the first value Q1 (n) and the second value Q2 (n) are represented by the following formulas (5) and (6). Therefore, the first value Q1 (n) represents an increase in the charge amount based on the signal light among the increase in the charge amount in the first accumulation region in the nth first charge transfer cycle.
  • the second value Q2 (n) represents the increase in the amount of charge based on the signal light among the increase in the amount of charge in the second accumulation region in the nth first charge transfer cycle.
  • the first estimated value Q1est is calculated based on the first value Q1
  • the second estimated value Q2est is the second value. Is calculated based on the value Q2. Therefore, the distance L calculated by the calculation of Expression (3) is based on the first value Q1 and the second value Q2, and is obtained based on the value from which noise is removed. Therefore, the distance measuring apparatus 10 can calculate the distance with high accuracy even when noise such as background light that fluctuates in a short period occurs without reducing the frame rate.
  • the number of times of the first transfer period and the number of times of the second transfer period included in the first read cycle are each one. Therefore, the time length of each cycle can be shortened. Therefore, according to this embodiment, it is possible to calculate the distance with high accuracy even if noise that fluctuates in a shorter period occurs.
  • the signal processing unit 16a may calculate the first estimated value Q1est and the second estimated value Q2est as described below. That is, the signal processing unit 16a sequentially accumulates the first values Q1 (1,..., M) as shown in the equation (7), and M first accumulated values Q1int (1,. .., M), and the second values Q1 (1,..., M) are sequentially integrated to obtain M second integrated values Q2int (1,..., M).
  • the signal processing unit 16a calculates the approximate expression based on the M first integrated values Q1int (1,..., M) and the M second integrated values Q2int (1,..., M). A correction value for the first integrated value Q1int and a correction value for the second integrated value Q2int are calculated using the approximate expression based on the above. Then, the signal processing unit 16a calculates the first estimated value Q1est by obtaining the sum of the correction value of the first integrated value Q1int and the value Q1dc (0). Similarly, the signal processing unit 16a calculates the second estimated value Q2est by obtaining the sum of the correction value of the second integrated value Q2int and the value Q2 (0).
  • the correction value of the first integrated value Q1int is a correction value of all the integrated values of the M first values Q1 (1,..., M), and the second integrated value.
  • the correction value of Q2int may be a correction value of all integrated values of the M second values Q2 (1,..., M).
  • the approximate expression can be created based on the method of least squares. In addition, other known approximate expression creation methods may be used.
  • the first estimated value Q1est is based on the correction value of the first integrated value Q1int calculated using the approximate expression
  • the second estimated value Q2est is calculated using the approximate expression. 2 based on the correction value of the integrated value Q2int. Therefore, even if a part of the M first values Q1 (1,..., M) and the M second values Q2 (1,.
  • the influence of the read value including the fluctuation can be reduced. Therefore, the distance measurement accuracy can be further improved.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating control and calculation of a processing unit according to another embodiment.
  • the processing unit 16 of the distance measuring device 10 may perform control and calculation shown in FIG.
  • the processing unit 16 of the distance measuring device 10 does not perform steps S18 to S21 in FIG. 7 in the control and calculation shown in the flowchart in FIG. That is, the processes in steps S14 to S17 are performed up to N predetermined first and second read cycles.
  • the signal processing unit 16a of the processing unit 16 specifies the Mth first and second read cycles that are the best among the N first and second read cycles that have been executed (step S26).
  • the best M-th read cycle includes a first read value Q1dc and a second read value Q2dc that do not exceed a predetermined threshold among N read cycles, that is, are equal to or greater than a predetermined threshold. It can be determined as the maximum read cycle acquired.
  • the predetermined threshold is a value equal to or larger than the larger read value of the read value corresponding to the saturation charge amount of the first accumulation region fd1 and the read value corresponding to the saturation charge amount of the second accumulation region fd2. Can be set.
  • the first estimated value Q1est and the second estimated value Q2est are calculated (step S27).
  • the first estimated value Q1est is the integrated value and value of the first value Q1 (1,... M) described above in step S18 and step S24, as shown in equation (8). It is obtained by addition with Q1dc (0).
  • the second estimated value Q2est is obtained by adding the integrated value of the second values Q2 (1,... M) and the value Q2dc (0).
  • the first estimated value Q1est finds M first values Q1 (1,... M), and the first value Q1 (1, .., M) in order to obtain M first integrated values Q1int (1,..., M), and M first integrated values Q1int (1,..., M). ) Is used to calculate the correction value of the first integrated value Q1int, and the sum of the correction value and Q1dc (0) is obtained.
  • the second estimated value Q2est is obtained as M second values Q2 (1,... M), and the second value Q2 (1,.
  • the signal processing unit 16a calculates the distance L according to Expression (3) using the first estimated value Q1est and the second estimated value Q2est obtained in step S27.
  • the distance L may be calculated by specifying the best cycle M after N predetermined first and second read cycles.
  • FIG. 10 is a timing chart of various signals used in the distance measuring device according to another embodiment.
  • a plurality of emission periods of modulated light from the light source unit 12 are provided in each first charge transfer cycle Cy1. That is, the drive pulse signal is supplied to the light source unit 12 in a plurality of emission periods in each first charge transfer cycle Cy1.
  • each first charge transfer cycle Cy1 is provided with three first transfer periods T1 and three second transfer periods T2.
  • the time length of the third transfer period T3 of each second charge transfer cycle Cy2 is set to three times the time length of the first transfer period T1, and the second charge transfer cycle Cy2
  • the time length of the fourth transfer period T4 is set to three times the time length of the second transfer period T2.
  • the time length for accumulating charges in the first accumulation region fd1 in each first charge transfer cycle Cy1 the time length for accumulating charges in the second accumulation region fd2 in each first charge transfer cycle Cy1
  • the time length for accumulating charges in the first accumulation region fd1 in the second charge transfer cycle Cy2 and the time length for accumulating charges in the second accumulation region fd2 in each second charge transfer cycle Cy2 are substantially Same time length.
  • a plurality of modulated light emission periods, a plurality of first transfer periods T1, and a plurality of second transfer periods T2 are provided in each first charge transfer cycle Cy1. Also good.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a sensor according to still another embodiment.
  • FIG. 12 is a circuit diagram of one pixel unit of a sensor unit and a corresponding sample and hold circuit for the pixel unit according to still another embodiment.
  • the distance measuring device 10 may have a sensor 18A shown in FIG.
  • the sensor 18A has an imaging region IR having I ⁇ J pixel units P (i, j).
  • i is an integer of 1 to I
  • j is an integer of 1 to J
  • I and J are integers of 2 or more.
  • I ⁇ J pixel units P (i, j) are arranged in I rows and J columns.
  • two vertical signal lines V1 (j) and V2 (j) for each column of the pixel unit are provided.
  • the switch SW20 is connected to the output of the circuit A1 of the pixel unit P (i, j) of the sensor 18A, and the switch SW20 corresponds via the corresponding vertical signal line V1 (j). Is connected to the switch SW10 of the sample hold circuit SH1.
  • the switch SW22 is connected to the output of the circuit A2 of the pixel unit P (i, j), and the switch SW22 is connected to the switch SW12 of the corresponding sample and hold circuit SH2 via the corresponding vertical signal line V2 (j). It is connected to the.
  • the sensor 18A further includes a vertical shift register group VSG.
  • the vertical shift register group VSG includes a plurality of vertical shift registers arranged in the vertical direction. Each vertical shift register includes, for example, a flip-flop.
  • a start signal is given to the vertical shift register provided at one end in the arrangement direction from the signal processing unit 16a. Further, a clock signal is given from the signal processing unit 16a to all the vertical shift registers.
  • the vertical shift register group VSG sequentially applies row selection signals to the switches SW20 and SW22 of the plurality of pixel units P (i, j) in the row order.
  • the outputs of the circuits A1 and A2 of the plurality of pixel units (i, j) in each column are sequentially connected to the corresponding vertical signal lines V1 (j) and V2 (j), so that the plurality of pixel units P (
  • the output voltages i, j) are sequentially held in the row order in the corresponding sample and hold circuits SH1 and SH2.
  • the output voltages of the plurality of pixel units (j, i) in each row are held in the corresponding sample hold circuits SH1 and SH2
  • the voltage held in the sample hold circuits SH1 and SH2 is changed to the horizontal shift register group HSG.
  • the signal processing part 16a can form a two-dimensional distance image by performing the calculation demonstrated in FIG. 7 or FIG. 9 about each pixel unit.
  • corresponding sample hold circuits SH1 and SH2 are provided for each column of pixel units.
  • corresponding sample hold circuits SH1 and SH2 are provided for each pixel unit.
  • the number of pixel units in the imaging region IR may be one.
  • the order of a plurality of steps in the flowcharts described with reference to FIGS. 7 and 9 can be arbitrarily changed within a range that does not contradict the purpose of the embodiments.
  • SYMBOLS 10 Distance measuring device, 12 ... Light source part, 12a ... Laser diode, 12b ... Driver circuit, 14 ... Sensor part, 16 ... Processing part, 16a ... Signal processing part, 16b ... Memory, 18 ... Sensor, 20 ... DAC (digital) -Analog conversion unit), 22 ... ADC (analog-digital conversion unit), fd1 ... first storage region, fd2 ... second storage region, TX1 ... first transfer electrode, TX2 ... second transfer electrode, A1 ... charge-voltage conversion circuit (first conversion unit), A2 ... charge-voltage conversion circuit (second conversion unit), SH1 ... first sample hold circuit, SH2 ... second sample hold circuit.

Landscapes

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Abstract

　一実施形態の距離測定装置では、第１の電荷転送サイクルにおいて光源が変調光を放出し、第２の電荷転送サイクルにおいて光源の変調光の放出が停止される。第１及び第２の電荷転送サイクルの各々において、光感応領域で発生した電荷が第１の蓄積領域と第２の蓄積領域に振り分けられる。第１の電荷転送サイクル直後の第１の蓄積領域の蓄積電荷量に応じた第１の読出し値の２倍の値から、当該第１の電荷転送サイクルの直前の第２の電荷転送サイクルの直後の第１の蓄積領域の蓄積電荷量に応じた第１の読出し値、及び、当該第１の電荷転送サイクルの次の第２の電荷転送サイクルの直後の蓄積電荷量に応じた読出し値を差し引いた第１の値が求められる。第２の蓄積領域についても同様の処理を行うことにより、第２の値が求められる。第１の値と第２の値に基づいて距離が算出される。

Description

距離測定装置
　本発明の実施形態は、距離測定装置に関するものである。
　光源からパルス光を放出させ、対象物からの反射光を距離センサで受けることにより、対象物から距離センサまでの距離を測定する飛行時間（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ－ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ）法が知られている。
　下記の特許文献１～２にはＴＯＦ法に基づく距離測定装置が記載されている。特許文献１に記載された装置は、光源からパルス光を放出させ、一つのフレーム期間内の異なる長さのサブ期間のそれぞれにおいて距離センサのフォトダイオードで発生した電荷の量に応じた値の信号を当該距離センサから取得し、取得した複数の信号のうち最良の信号に基づいて距離を算出する。
　特許文献２に記載された装置は、距離センサの実効ダイナミックレンジを広げるための構成を有している。具体的には、この装置は、光源からパルス光を放出させ、距離センサのフォトダイオードで発生した電荷をキャパシタに蓄積し、キャパシタに生じる電圧が飽和電圧に達するときに当該電圧をリセットし、リセットの回数とキャパシタに生じた最終の電圧とに基づいて、距離を算出する。
　距離センサに入射する光には、光源から放出されたパルス光が対象物に反射することによって生じた信号光に加えて、背景光が含まれる。特許文献１及び２に記載された距離測定装置は、基本的には、距離センサからの信号に含まれる背景光成分等のノイズ成分の除去を考慮していない。
　下記の特許文献３にはＴＯＦ法に基づく別の距離測定装置が記載されている。特許文献３に記載された装置は、第１のフレーム期間において光源からパルス光を照射して距離センサからの信号を取得し、第２のフレーム期間においては光源を非発光として距離センサからの信号を取得する。ここで、フレーム期間とは、センサの光感応領域に発生した電荷を蓄積する蓄積領域の電荷をリセットしてから、次に当該蓄積領域の電荷をリセットするまでの期間である。この装置は、第１のフレーム期間の信号から第２のフレーム期間の信号を差し引くことで、信号内のノイズ成分を除去している。当該装置は、このようにノイズ成分を除去した信号に基づいて距離を算出している。
米国特許７，３７９，１００号明細書 特表２００６－５２３０７４号公報 特開２００８－１２２２２３号公報
　特許文献３に記載された装置では、フレーム期間ごとに異なる背景光等のノイズが生じると、距離の測定精度が劣化する。また、当該装置は、二つのフレーム期間を利用して距離を測定するので、フレームレートが低い。
　したがって、当技術分野においては、フレームレートを低下させず、短い期間で変動するノイズが生じても高い精度で距離を算出することができる距離測定装置が求められている。
　本発明の一側面は、飛行時間法により対象物に対する距離を求める距離測定装置に関するものである。この距離測定装置は、光源部、センサ部、及び、処理部を備えている。光源部は、変調光を放出する。センサ部は、入射光に応じて電荷を発生する光感応領域、光感応領域で発生した電荷を蓄積する第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域、光感応領域と第１の蓄積領域との間に設けられた第１の転送電極、光感応領域と第２の蓄積領域との間に設けられた第２の転送電極、第１の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第１のリセットスイッチ、並びに、第２の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第２のリセットスイッチを有する。処理部は、変調光の放出タイミング及びセンサ部を制御して、距離を算出する。
　処理部は、フレーム期間、即ち、第１のリセットスイッチ及び第２のリセットスイッチを制御して第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域をリセット電位に接続してから第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域を次にリセット電位に接続するまでの期間内の（ａ１）一以上の第１の電荷転送サイクルにおいて、一以上の放出期間に光源部に変調光を放出させ、（ａ２）一以上の放出期間に同期した一以上の第１の転送期間に第１の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第１の蓄積領域に蓄積させ、（ａ２）一以上の第１の転送期間と位相反転した一以上の第２の転送期間に第２の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第２の蓄積領域に蓄積させる。
　処理部は、フレーム期間内の一以上の第２の電荷転送サイクルであり一以上の第１の電荷転送サイクルと交互の該一以上の第２の電荷転送サイクルにおいて、（ｂ１）光源部に変調光を放出させず、（ｂ２）第３の転送期間に第１の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第１の蓄積領域に蓄積させ、（ｂ２）第３の転送期間と位相反転した第４の転送期間に第２の転送電極に与える電圧を制御して光感応領域で発生した電荷を第２の蓄積領域に蓄積させる。
　処理部は、一以上の第１の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する一以上の第１の読出しサイクルにおいて、一以上の第１の電荷転送サイクルのそれぞれと次の前記第２の電荷転送サイクルの間の時点に第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた第１の読出し値及び当該時点に第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた第２の読出し値を、センサ部から取得する。
　処理部は、一以上の第２の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する一以上の第２の読出しサイクルにおいて、一以上の第２の電荷転送サイクルのそれぞれと次の第１の電荷転送サイクルの間の時点に第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた別の第１の読出し値及び当該時点に第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた別の第２の読出し値を、センサ部から取得する。
　処理部は、ｎ回目の前記第１の読出しサイクルの第１の読出し値の２倍の値からｎ回目及びｎ－１回目の第２の読出しサイクルの別の第１の読出し値を差し引いた値である第１の値、及び、ｎ回目の第１の読出しサイクルの第２の読出し値の２倍の値からｎ回目及びｎ－１回目の第２の読出しサイクルの別の第２の読出し値を差し引いた値である第２の値を算出して、Ｍ個の第１の値及びＭ個の第２の値を求める。ここで、ｎは複数の第１の読出しサイクル及び複数の第２の読出しサイクルの順番を示す。処理部は、Ｍ個の第１の値及びＭ個の第２の値に基づいて、距離を算出する。
　この距離測定装置では、一つのフレーム期間内に光源部に変調光を放出させて第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域に電荷を振り分ける第１の電荷転送サイクル及び光源部に変調光を放出させずに第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域に電荷を振り分ける第２の電荷転送サイクルが交互に行われる。第１の電荷転送サイクルでは、変調光に対する対象物からの反射光を含む入射光に基づく電荷が増加分の電荷として蓄積領域に蓄積され、第２の電荷転送サイクルにおいては、背景光等のノイズに基づく電荷が増加分の電荷として蓄積される。そして、第１の電荷転送サイクル直後の蓄積電荷量に応じた読出し値の２倍の値から、当該第１の電荷転送サイクルの直前の第２の電荷転送サイクルの直後の蓄積電荷量に応じた別の読出し値、及び、当該第１の電荷転送サイクルの次の第２の電荷転送サイクルの直後の蓄積電荷量に応じた別の読出し値を差し引いた値を求めることにより、各第１の電荷転送サイクルでの電荷量の増加分に対応する値（即ち、第１の値及び第２の値）が得られる。この距離測定装置は、これら第１の値及び第２の値に基づいて距離を算出するので、フレームレートを低下させず、短い期間で変動する背景光等のノイズが生じても高い精度で距離を算出することができる。また、この距離測定装置のセンサ部は、電荷振り分けのための二つの蓄積領域以外に、ノイズに基づく電荷を取得するための追加の蓄積領域を必要としないので、センサ部の構成を複雑化することがなく、また、センサ部における実装面積を有効に利用することができる。
　一実施形態においては、第１の電荷転送サイクルにおいて第１の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、第１の電荷転送サイクルにおいて第２の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、第２の電荷転送サイクルにおいて第１の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、及び、第２の電荷転送サイクルにおいて第２の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長は、実質的に同じ時間長であってもよい。
　一実施形態においては、複数の第１の電荷転送サイクルの各々は、一回の第１の転送期間、及び、一回の第２の転送期間を含んでいてもよい。この実施形態によれば、第１の電荷転送サイクル及びこれに対応する第２の電荷転送サイクルの時間長を短くすることができる。その結果、より短い期間で変動するノイズが生じても高い精度で距離を算出することが可能となる。
　一実施形態においては、処理部は、（ｃ１）複数の第２の読出しサイクルのうち、別の第１の読出し値及び別の第２の読出し値が所定の閾値を超えない最終の第２の読出しサイクルを特定し、（ｃ２）最終の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の第１の読出し値及び一以上の別の第１の読出し値に基づいてＭ個の第１の値を求め、当該最終の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の第２の読出し値及び一以上の別の第２の読出し値に基づいてＭ個の第２の値を求めてもよい。この実施形態によれば、所定の閾値を蓄積領域の飽和蓄積容量に対応する読出し値以上の値に設定することにより、飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の読出し値を利用して、距離を算出することが可能となる。その結果、より高い精度で距離を算出することが可能となる。
　一実施形態においては、処理部は、（ｄ１）ｎ回目の第２の読出しサイクルの別の第１の読出し値と、ｎ回目の第２の読出しサイクルの別の第１の読出し値とｎ－１回目の第２の読出しサイクルの別の第１の読出し値との間の差分値との和、又は、ｎ回目の第２の読出しサイクルの別の第２の値と、ｎ回目の第２の読出しサイクルの別の第２の値とｎ－１回目の第２の読出しサイクルの別の第２の値との間の差分値との和が、所定の閾値を超える場合に、ｎ＋１回目以降の第１の読出しサイクル及び第２の読出しサイクルを停止してもよく、（ｄ２）最終の読出しサイクルであるｎ回目の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の第１の読出し値及び一以上の別の第１の読出し値に基づいてＭ個の第１の値を求め、最終の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の第２の読出し値及び一以上の別の第２の読出し値に基づいてＭ個の第２の値を求めてもよい。この実施形態では、所定の閾値を蓄積領域の飽和蓄積容量に対応する読出し値以上の値に設定することにより、飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の読出し値を利用して、距離を算出することが可能となる。また、測定距離のダイナミックレンジが向上され得る。さらに、この実施形態によれば、上述した和が所定の閾値を超える場合に、読出し値のセンサ部からの取得を停止することができるので、距離の算出を早期に開始することが可能となる。
　一実施形態においては、処理部は、（ｅ１）Ｍ個の第１の値を順に積算してＭ個の第１の積算値を算出し、Ｍ個の第２の値の積算値を順に積算してＭ個の第２の積算値を算出し、（ｅ２）第１の推定値をＭ個の第１の積算値に基づく近似式を用いて算出し、第２の推定値をＭ個の第２の積算値に基づく近似式を用いて算出し、（ｅ３）第１の推定値及び第２の推定値に基づいて、前記距離を算出してもよい。この実施形態によれば、第１の値及び第２の値の一部が変動しても、近似式に基づく第１の推定値及び第２の推定値では、変動を含む値の影響が低減される。故に、この距離測定装置によれば、距離の測定精度が更に向上され得る。
　以上説明したように、本発明の一側面及び実施形態によれば、フレームレートを低下させず、短い期間で変動するノイズが生じても高い精度で距離を算出することができる距離測定装置が提供され得る。
図１は、一実施形態に係る距離測定装置を概略的に示す図である。 一実施形態に係るセンサの一例を概略的に示す図である。 一実施形態に係るセンサにおける一つの画素ユニットの一例を示す平面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線に沿って取った断面図である。 図３のＶ－Ｖ線に沿って取った断面図である。 一実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニットと当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。 一実施形態に係る処理部の制御及び演算を示すフローチャートである。 一実施形態に係る距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。 別の実施形態に係る処理部の制御及び演算を示すフローチャートである。 更に別の実施形態に係る距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。 更に別の実施形態のセンサの一例を概略的に示す図である。 更に別の実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニットと当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。
　以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
　図１は、一実施形態に係る距離測定装置を概略的に示す図である。図１に示す距離測定装置１０は、飛行時間法（ＴＯＦ：Ｔｉｍｅ－ｏｆ－ｆｌｉｇｔ）法により、対象物と当該距離測定装置１０との距離を求める装置である。距離測定装置１０は、光源部１２、センサ部１４、及び処理部１６を備えている。
　光源部１２は、変調光を放出する。一実施形態においては、光源部１２は、レーザダイオード１２ａ及びドライバ回路１２ｂを有し得る。ドライバ回路１２ｂは、処理部１６からの駆動パルス信号に同期した変調電流を、レーザダイオード１２ａに供給する。レーザダイオード１２ａは、変調電流に応じて変調光を放出する。変調光は、例えば、一以上のパルス光を含み得る。
　センサ部１４は、一実施形態においては、センサ１８、デジタル－アナログ変換部（ＤＡＣ）２０、及び、アナログ－デジタル変換部（ＡＤＣ）２２、を有し得る。ＤＡＣ　２０は、処理部１６の信号処理部１６ａからのデジタル信号をアナログ信号に変換して、当該アナログ信号をセンサ１８に供給する。ＡＤＣ　２２は、センサ１８からのアナログ信号をデジタル信号に変換して、当該デジタル信号を処理部１６に供給する。
　処理部１６は、光源部１２の変調光の放出タイミング及びセンサ部１４を制御して、距離を算出する。一実施形態においては、処理部１６は、信号処理部１６ａ及びメモリ１６ｂを含み得る。信号処理部１６ａは、例えば、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）といった演算回路であり、メモリ１６ｂは、ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）である。
　図２は、一実施形態に係るセンサの一例を概略的に示す図である。センサ１８は、撮像領域ＩＲ、サンプルホールド回路群ＳＨＧ、スイッチ群ＳＷＧ、水平シフトレジスタ群ＨＳＧ、信号ラインＨ１及びＨ２、並びに、出力アンプＯＡＰ１及びＯＡＰ２を含んでいる。
　一実施形態においては、図２に示すように、センサ１８は、一行の画像を取得するラインセンサとして構成されていてもよい。この実施形態においては、撮像領域ＩＲは、水平方向に配列された複数の画素ユニットＰ（ｊ）を含んでいる。ここで、ｊは、１～Ｊの整数であり、Ｊは、２以上の整数であり、画素ユニットの個数を示している。
　図３は、一実施形態に係るセンサにおける一つの画素ユニットの一例を示す平面図である。図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線に沿って取った断面図であり、図５は、図３のＶ－Ｖ線に沿って取った断面図である。画素ユニットＰ（１）～Ｐ（Ｊ）は、図３～図５に示す同一の構造を有している。
　図４及び図５に示すように、一実施形態においては、画素ユニットＰ（ｊ）は、半導体基板ＳＢを含んでいる。半導体基板ＳＢは、例えばシリコン基板である。半導体基板ＳＢは、第１の半導体領域ＳＲ１及び第２の半導体領域ＳＲ２を含んでいる。第１の半導体領域ＳＲ１は、半導体基板ＳＢの一方の主面ＳＢＦ１を提供するｐ型の半導体領域である。第２の半導体領域ＳＲ２は、第１の半導体領域ＳＲ１上に設けられたｐ－型の半導体領域である。第２の半導体領域ＳＲ２の不純物濃度は、第１の半導体領域ＳＲ１の不純物濃度以下である。半導体基板ＳＢは、ｐ型の半導体基板上に、ｐ－型の半導体領域をエピタキシャル成長法により堆積させることにより、形成され得る。
　半導体基板ＳＢの他方の主面ＳＢＦ２上には、絶縁膜ＩＳＬが形成されている。絶縁膜ＩＳＬは、例えば、ＳｉＯ２製である。絶縁膜ＩＳＬ上には、フォトゲート電極ＰＧが設けられている。フォトゲート電極ＰＧは、例えば、ポリシリコンによって構成される。図３に示すように、一実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、略矩形の平面形状を有し得る。画素ユニットＰ（ｊ）では、このフォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域が、入射光に感応して電荷を発生する光感応領域として機能する。
　図４及び図５に示すように、絶縁膜ＩＳＬ上には、第１の転送電極ＴＸ１、第２の転送電極ＴＸ２、及び第３の転送電極ＴＸ３が設けられている。これら転送電極ＴＸ１～ＴＸ３は、例えば、ポリシリコンによって構成される。図３～図５に示すように、第１の転送電極ＴＸ１及び第２の転送電極ＴＸ２は、それらの間にフォトゲート電極ＰＧが存在するように、配置されている。
　一実施形態では、図３に示すように、四つの第３の転送電極ＴＸ３が絶縁膜ＩＳＬ上に設けられている。二つの第３の転送電極ＴＸ３は、第１の転送電極ＴＸ１と第２の転送電極ＴＸ２が配列されている方向（以下、「Ｘ方向」という）に交差する方向（以下、「Ｙ方向」という）において、第１の転送電極ＴＸ１がそれらの間に介在するように、配置されている。また、別の二つの第３の転送電極ＴＸ３は、Ｙ方向において第２の転送電極ＴＸ２がそれらの間に介在するように、配置されている。
　図４に示すように、第２の半導体領域ＳＲ２には、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２が形成されている。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、光感応領域から転送される電荷を蓄積する。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、それらの間に光感応領域が介在するように配置されている。一実施形態では、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、ｎ型の不純物が高濃度にドープされたｎ＋型の半導体領域である。絶縁膜ＩＳＬは、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２の上方において開口を画成している。これら開口内には、電極１３が設けられている。電極１３は、例えば、Ｔｉ／ＴｉＮ膜を介して設けられたタングステンから構成される。
　Ｘ方向においては、第１の転送電極ＴＸ１は、第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間に存在しており、第２の転送電極ＴＸ２は、第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。第１の蓄積領域ｆｄ１に光感応領域から電荷を転送するときには、第１の転送電極ＴＸ１の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させる電圧ＶＴＸ１が第１の転送電極ＴＸ１に与えられる。この電圧ＶＴＸ１は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ　２０から与えられる。また、第２の蓄積領域ｆｄ２に光感応領域から電荷を転送するときには、第２の転送電極ＴＸ２の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させる電圧ＶＴＸ２が、第２の転送電極ＴＸ２に与えられる。この電圧ＶＴＸ２は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ　２０から与えられる。
　また、図５に示すように、第２の半導体領域ＳＲ２には、ｎ＋型の半導体領域ＳＲ３が形成されている。一実施形態では、四つの半導体領域ＳＲ３が設けられている。一対の半導体領域ＳＲ３及び別の一対の半導体領域ＳＲ３は、それらの間に光感応領域が介在するように設けられている。これら半導体領域ＳＲ３の上方において、絶縁膜ＩＳＬは、開口を画成しており、これら開口内には、電極１３が設けられている。電極１３は、例えば、Ｔｉ／ＴｉＮ膜を介して設けられたタングステンから構成される。Ｘ方向において、一つの半導体領域ＳＲ３上の電極１３とフォトゲート電極ＰＧとの間には、対応の第３の転送電極ＴＸ３が介在している。半導体領域ＳＲ３には、第３の転送電極ＴＸ３に電圧ＶＴＸ３を与えて当該第３の転送電極ＴＸ３の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させることにより、光感応領域から電荷が転送される。この電圧ＶＴＸ３は、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ　２０から与えられる。半導体領域ＳＲ３の電極１３は、所定の電位Ｖｄｄにも接続されている（図６参照）。この電位Ｖｄｄは、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ　２０によって設定される。電圧ＶＴＸ３を与えて該第３の転送電極ＴＸ３の下方の半導体領域のポテンシャルを低減させると、光感応領域の電荷はリセットされる。
　以下、図２と共に図６を参照する。図６は、一実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニット及び当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。図２及び図６に示すように、センサ１８のサンプルホールド回路群ＳＨＧは、Ｊ個の第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＪ個の第２のサンプルホールド回路ＳＨ２を含んでいる。各第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及び各第２のサンプルホールド回路ＳＨ２は、対応の画素ユニットＰ（ｊ）（画素ユニットＰ（１）～Ｐ（Ｊ）のうち対応の画素ユニット）に接続されている。即ち、サンプルホールド回路群ＳＨＧは、各々が一つの第１のサンプルホールド回路ＳＨ１及び一つの第２のサンプルホールド回路を含むＪ個のサンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）～ＳＨＰ（Ｊ）を含んでいる。Ｊ個のサンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）～ＳＨＰ（Ｊ）はそれぞれ、画素ユニットＰ（１）～Ｐ（Ｊ）に対応付けられている。
　画素ユニットＰ（ｊ）は、第１のリセットスイッチＲＳ１、第２のリセットスイッチＲＳ２、並びに、電荷－電圧変換回路Ａ１及びＡ２を更に含んでいる。第１のリセットスイッチＲＳ１は、リセット電位Ｖｒと第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３との間に設けられている。第２のリセットスイッチＲＳ２は、リセット電位Ｖｒと第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３との間に設けられている。リセット電位Ｖｒは、信号処理部１６ａからのデジタル信号に基づいてＤＡＣ　２０によって設定される。
　第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のリセットスイッチＲＳ２には、信号処理部１６ａからリセットパルス信号Ｓｒｅｓが与えられる。リセットパルス信号Ｓｒｅｓが第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のリセットスイッチＲＳ２に与えられると、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２は、リセット電位Ｖｒに接続される。これにより、第１の蓄積領域ｆｄ１の電荷及び第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷がリセットされる。第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷がリセットされるタイミングから次ぎにリセットされるタイミングまでの間の期間は、フレーム期間Ｔｆ（図８参照）となる。
　回路Ａ１の入力は、第１の蓄積領域ｆｄ１上の電極１３に接続されており、回路Ａ１の出力は、サンプルホールド回路ＳＨ１のスイッチＳＷ１０に接続されている。回路Ａ１は、第１の蓄積領域ｆｄ１の電荷量を電圧に変換し、当該電圧をサンプルホールド回路ＳＨ１に提供する。回路Ａ２の入力は、第２の蓄積領域ｆｄ２上の電極１３に接続されており、回路Ａ２の出力は、サンプルホールド回路ＳＨ２のスイッチＳＷ１２に接続されている。回路Ａ２は、第２の蓄積領域ｆｄ２の電荷量を電圧に変換し、当該電圧をサンプルホールド回路ＳＨ２に提供する。
　サンプルホールド回路ＳＨ１は、スイッチＳＷ１０及びキャパシタＣＰ１０を含んでいる。また、サンプルホールド回路ＳＨ２は、スイッチＳＷ１２及びキャパシタＣＰ１２を含んでいる。スイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２には、信号処理部１６ａからサンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐが与えられる。サンプリングパルス信号ＳｓａｍｐがスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与えられると、回路Ａ１の出力とキャパシタＣＰ１０とが接続され、回路Ａ２の出力とキャパシタＣＰ１２が接続される。これにより、回路Ａ１の出力電圧がキャパシタＣＰ１０の両端間に保持され、回路Ａ２の出力電圧がキャパシタＣＰ１２の両端間に保持される。
　センサ１８のスイッチ群ＳＷＧは、Ｊ個のスイッチＳＷ１及びＪ個のスイッチＳＷ２を含んでいる。各スイッチＳＷ１及び各スイッチＳＷ２はそれぞれ、画素ユニットＰ（１）～Ｐ（Ｊ）のうち対応の画素ユニット用のサンプルホールド回路ＳＨ１のキャパシタＣＰ１０、及びサンプルホールド回路ＳＨ２のキャパシタＣＰ１２に、接続されている。即ち、スイッチ群ＳＷＧは、各々が一つのスイッチＳＷ１及び一つのスイッチＳＷ２を含むＪ個のスイッチ対ＳＷＰ（１）～ＳＷＰ（Ｊ）を含んでいる。Ｊ個のスイッチ対ＳＷＰ（１）～ＳＷＰ（Ｊ）はそれぞれ、サンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）～ＳＨＰ（Ｊ）に対応付けられている。
　スイッチＳＷ１及びスイッチＳＷ２には、読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄが与えられる。読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄは、水平シフトレジスタ群ＨＳＧから供給される。水平シフトレジスタ群ＨＳＧは、Ｊ個の水平シフトレジスタを有している。水平シフトレジスタは、例えば、フリップフロップを含み得る。これら水平シフトレジスタは、画素ユニットＰ（１）～Ｐ（Ｊ）の配列方向に配列されている。水平シフトレジスタ群ＨＳＧ内の一端に設けられた水平シフトレジスタには、信号処理部１６ａからスタート信号が与えられる。また、全ての水平シフトレジスタには、信号処理部１６ａからクロック信号が与えられる。これらスタート信号及びクロック信号に応じて、Ｊ個の水平シフトレジスタはそれぞれ、読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄをスイッチ対ＳＷＰ（１）～ＳＷＰ（Ｊ）に順次与える。このように読み出しパルス信号Ｓｒｅａｄが与えられることにより、サンプルホールド回路対ＳＨＰ（１）～ＳＨＰ（Ｊ）のサンプルホールド回路ＳＨ１及びサンプルホールド回路ＳＨ２が、信号ラインＨ１及び信号ラインＨ２に順次接続される。
　より具体的には、読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられると、サンプルホールド回路ＳＨ１のキャパシタＣＰ１０及びサンプルホールド回路ＳＨ２のキャパシタＣＰ１２はそれぞれ、信号ラインＨ１及び信号ラインＨ２に接続される。これにより、サンプルホールド回路ＳＨ１に保持された電圧が信号ラインＨ１を介して出力アンプＯＡＰ１に入力される。また、サンプルホールド回路ＳＨ２に保持された電圧が信号ラインＨ２を介して出力アンプＯＡＰ２に入力される。出力アンプＯＡＰ１及び出力アンプＯＡＰ２はそれぞれ、入力された電圧を増幅して、増幅した電圧をＡＤＣ　２２に出力する。
　ＡＤＣ２２は、入力された電圧信号を当該電圧信号の大きさに応じた値を有するデジタル値に変換する。ＡＤＣ２２によって出力されるデジタル値は、処理部１６のメモリ１６ｂに記憶される。本実施形態では、出力アンプＯＡＰ１からの電圧信号に基づくデジタル値は、後述する第１の読出し値として、メモリ１６ｂに記憶される。第１の読出し値は、第１の蓄積領域ｆｄ１の蓄積電荷量が多いほど小さい値となる。また、出力アンプＯＡＰ２からの電圧信号に基づくデジタル値は、後述する第２の読出し値として、メモリ１６ｂに記憶される。第２の読出し値は、第２の蓄積領域ｆｄ２の蓄積電荷量が多いほど小さい値となる。
　以下、処理部１６の制御及び演算について説明する。図７は、一実施形態に係る処理部１６の制御及び演算を示すフローチャートである。また、図８は、一実施形態に係る距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。処理部１６は、各画素ユニットについて、図７及び図８を参照して以下に説明する制御及び演算を行う。
　一実施形態においては、処理部１６の信号処理部１６ａは、まず、第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のＲＳ２にリセットパルス信号Ｓｒｅｓを与えて、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２をリセット電位Ｖｒに接続する。これにより、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積された電荷及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積された電荷がリセットされて、フレーム期間Ｔｆが開始される（ステップＳ１１）。このフレーム期間は、次に、第１のリセットスイッチＲＳ１及び第２のＲＳ２にリセットパルス信号Ｓｒｅｓが与えられるまで継続する。
　次いで、処理部１６は、第１の値Ｑ１ｄｃ（０）及び第２の値Ｑ２ｄｃ（０）をセンサ部１４から取得して、当該第１の値Ｑ１ｄｃ（０）及び第２の値Ｑ２ｄｃ（０）を、初期値としてメモリ１６ｂに記憶する（ステップＳ１２）。
　具体的に、信号処理部１６ａは、初回の第１の電荷転送サイクルＣｙ１の開始前に、サンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐを、スイッチＳＷ１０及びＳＷ１２に与える。これにより、初回の第１の電荷転送サイクルＣｙ１より前の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。
　次いで、信号処理部１６ａは、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を与える。これにより、第１の値Ｑ１ｄｃ（０）及び第２の値Ｑ２ｄｃ（０）が取得される。第１の値Ｑ１ｄｃ（０）及び第２の値Ｑ２ｄｃ（０）は、リセットパルス信号Ｓｒｅｓの出力タイミングから最初のサンプリングパルス信号Ｓｓａｍｐの出力タイミングまでの間に、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積された電荷量及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積された電荷量にそれぞれ対応している。したがって、第１の値Ｑ１ｄｃ（０）及び第２の値Ｑ２ｄｃ（０）は、光源部１２からの変調光が対象物から反射することにより発生する信号光成分を反映していない。
　次いで、信号処理部１６ａは、ｎを１にセットして（ステップＳ１３）、１回目～Ｎ回目の第１及び第２の電荷転送サイクル及び１回目～Ｎ回の第１及び第２の読出しサイクルを以下に説明するように試みる。ここで、「Ｎ」は、予め設定された最大のサイクルの順番を示している。
　まず、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルＣｙ１において、光源部１２に駆動パルス信号ＳＬを与えて、光源部１２から変調光を放出させる（ステップＳ１４）。光源部１２からの変調光の放出期間の時間長は、Ｔ０である。なお、信号処理部１６ａは、駆動パルス信号ＳＬとして、期間Ｔ０内に複数のパルス信号を光源部１２に与えて、当該光源部１２に複数のパルス光を放出させてもよい。
　信号処理部１６ａは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルＣｙ１の第１の転送期間Ｔ１内に第１の転送電極ＴＸ１にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ１が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。また、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルＣｙ１の第２の転送期間Ｔ２内に第２の転送電極ＴＸ２にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ２が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。
　第１の転送期間Ｔ１は、駆動パルス信号ＳＬと同期している。即ち、駆動パルス信号ＳＬの立ち上がりタイミングと電圧信号ＶＴＸ１の立ち上がりのタイミングは略同期しており、駆動パルス信号ＳＬの持続時間Ｔ０と第１の転送期間Ｔ１は、略同一の時間長である。
　また、第２の転送期間Ｔ２は、第１の転送期間Ｔ１と位相反転している。即ち、第２の転送期間Ｔ２の位相は、第１の転送期間Ｔ１の位相から１８０度遅れている。より具体的には、電圧信号ＶＴＸ１の立ち下がりタイミングと電圧信号ＶＴＸ２の立ち上がりタイミングは略同期しており、第１の転送期間Ｔ１と第２の転送期間Ｔ２は、略同一の時間長である。なお、本実施形態では、第１の電荷転送サイクルＣｙ１は、一つの第１の転送期間Ｔ１及び一つの第２の転送期間Ｔ２を含んでいる。
　また、一実施形態においては、第１の電荷転送サイクルＣｙ１の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２の間、信号処理部１６ａは、第３の転送電極ＴＸ３にＬｏｗレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。第３の転送電極ＴＸ３には、第１の電荷転送サイクルＣｙ１内の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間に、Ｈｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられる。したがって、第１の電荷転送サイクルＣｙ１の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２においては、光感応領域への入射光に応じた電荷は半導体領域ＳＲ３に転送されないが、第１の電荷転送サイクルＣｙ１の第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２以外の期間では、光感応領域に発生した電荷は半導体領域ＳＲ３に転送されて、除去される。
　次いで、信号処理部１６ａは、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積された電荷の量に対応する第１の読出し値Ｑ１ａｃ（ｎ）及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積された電荷の量に対応する第２の読出し値Ｑ２ａｃ（ｎ）をセンサ部１４から取得して、第１の読出し値Ｑ１ａｃ（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２ａｃ（ｎ）をメモリ１６ｂに記憶する（ステップＳ１５）。
　具体的に、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルの終了時点とｎ回目の第２の電荷転送サイクルの開始時点との間の時点に、サンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与る。これにより、第１の電荷転送サイクルの終了時と次の第２の電荷転送サイクルの開始時との間の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。
　次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第１の読出しサイクルにおいて、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を与える。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｑ１ａｃ（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２ａｃ（ｎ）をセンサ部１４から取得する。第１の読出し値Ｑ１ａｃ（ｎ）は、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルの終了時とｎ回目の第２の電荷転送サイクルの開始時との間の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に応じた値であり、第２の読出し値Ｑ２ａｃ（ｎ）は、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する値である。
　次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルＣｙ２において、光源部１２の変調光の放出を停止させる（ステップＳ１６）。即ち、第２の電荷転送サイクルＣｙ２では、信号処理部１６ａは、光源部１２に駆動パルス信号を供給しない。
　信号処理部１６ａは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルＣｙ２の第３の転送期間Ｔ３内に第１の転送電極ＴＸ１にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ１が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。また、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルＣｙ２の第４の転送期間Ｔ４内に第２の転送電極ＴＸ２にＨｉｇｈレベルの電圧信号ＶＴＸ２が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。
　第３の転送期間Ｔ３の位相と第４の転送期間Ｔ４の位相との関係は、第１の転送期間Ｔ１の位相と第２の転送期間Ｔ２の位相との関係と同一である。また、第１の転送期間Ｔ１、第２の転送期間Ｔ２、第３の転送期間Ｔ３、及び第４の転送期間Ｔ４は、略同一の時間長である。
　また、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルＣｙ２においても、第３の転送期間Ｔ３及び第４の転送期間Ｔ４の間、信号処理部１６ａは、第３の転送電極ＴＸ３にＬｏｗレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。また、信号処理部１６ａは、第２の電荷転送サイクルＣｙ２内の第３の転送期間Ｔ１及び第４の転送期間Ｔ４以外の期間に、第３の転送電極ＴＸ３にＬｏｗレベルの電圧信号ＶＴＸ３が与えられるよう、デジタル信号をセンサ部１４に与える。
　次いで、信号処理部１６ａは、第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）及び第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）をセンサ部１４から取得して、当該第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）をメモリ１６ｂに記憶する（ステップＳ１７）。
　具体的に、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルの終了時とｎ＋１回目の第１の電荷転送サイクルの開始時との間に、サンプリングパルス信号ＳｓａｍｐをスイッチＳＷ１０及びスイッチＳＷ１２に与える。これにより、第２の電荷転送サイクルの終了時と次の第１の電荷転送サイクルの開始時の間の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ１に保持され、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する電圧がサンプルホールド回路ＳＨ２に保持される。
　次いで、信号処理部１６ａは、ｎ回目の第２の読出しサイクルにおいて、水平シフトレジスタから読み出しパルス信号ＳｒｅａｄがスイッチＳＷ１及びＳＷ２に与えられるよう、水平シフトレジスタ群ＨＳＧにスタート信号及びクロック信号を与える。これにより、処理部１６は、第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）及び第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）をセンサ部１４から取得する。第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）は、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルの終了時とｎ＋１回目の第１の電荷転送サイクルの開始時との間の時点に第１の蓄積領域ｆｄ１に蓄積されている電荷量に応じた値であり、第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）は、当該時点に第２の蓄積領域ｆｄ２に蓄積されている電荷量に対応する値である。
　次いで、信号処理部１６ａは、第１の値Ｑ１（ｎ）及び第２の値Ｑ２（ｎ）を算出する（ステップＳ１８）。具体的には、第１の値Ｑ１（ｎ）は、第１の読出し値Ｑ１ａｃ（ｎ）の２倍の値から第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ－１）及び第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）を差し引いた値として求められる。また、第２の値Ｑ２（ｎ）は、第２の読出し値Ｑ２ａｃ（ｎ）の２倍の値から第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ－１）及び第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）を差し引いた値として求められる。
　次いで、信号処理部１６ａは、差分値ｋ１（ｎ）及び差分値ｋ２（ｎ）を算出する（ステップＳ１９）。差分値ｋ１（ｎ）は、ｎ回目の第２の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）とｎ－１回目の第２の読出しサイクルの第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ－１）との差分を求めることにより、得られる。また、差分値ｋ２（ｎ）は、ｎ回目の第２の読出しサイクルの第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）とｎ－１回目の第２の読出しサイクルの第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ－１）との差分を求めることにより、得られる。なお、第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（０）としてはＱ１（０）が、第２の読出し値Ｑ２ｄｃ（０）としてはＱ２（０）が、代用され得る。
　次いで、信号処理部１６ａは、第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）及び第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）を求める（ステップＳ２０）。第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）は、第１の読出し値Ｑ１ｄｃ（ｎ）と差分値ｋ１（ｎ）との和を求めることにより、得られる。また、第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）は、第１の読出し値Ｑ２ｄｃ（ｎ）と差分値ｋ２（ｎ）との和を求めることにより、得られる。第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）は、ｎ＋１回目の第２の読み出しサイクルの第１の読出し値の予測値である。また、第２の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）は、ｎ＋１回目の第２の読み出しサイクルの第２の読出し値の予測値である。
　次いで、信号処理部１６ａは、第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）及び第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）を所定の閾値Ｑｔｈと比較する（ステップＳ２１）。一実施形態においては、閾値Ｑｔｈは、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値以上、且つ、第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値以上の数値であるよう設定されている。第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈ以上であり、且つ、第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈ以上である場合には、ステップＳ２１の判定結果は「Ｎｏ」となり、信号処理部１６ａの処理はステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、ｎがＮ以上であるか否かがテストされる。ステップＳ２２においてｎがＮより小さい場合には、信号処理部１６ａは、ｎの値を１だけ増分し（ステップＳ２３）、ステップＳ１４からの処理を繰り返す。一方、ステップＳ２２においてｎがＮ以上である場合には、信号処理部１６ａの処理はステップＳ２４に進む。
　また、ステップＳ２１の比較の結果、第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）又は第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈを超える、即ち、閾値よりも小さい場合には、信号処理部１６ａの処理はステップＳ２４に進む。したがって、処理部１６は、第１の予測値Ｑ１ｄｃ（ｎ＋１）又は第２の予測値Ｑ２ｄｃ（ｎ＋１）が閾値Ｑｔｈを超える場合には、ｎ＋１回目以降の第１の読出しサイクル及びｎ＋１回目以降の第２の読出しサイクルの読出し値の取得及び記憶を停止する。
　閾値Ｑｔｈが、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値及び第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値のうち大きい方の読出し値と同値である場合には、処理部１６は、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の第１の読出し値を取得することができ、第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する読出し値を超えない範囲の第２の読出し値を取得することができる。その結果、測定距離のダイナミックレンジが向上され得る。また、距離の測定精度が向上され得る。さらに、信号処理部１６ａのステップＳ２４以後の演算を早期に開始することも可能である。
　一実施形態においては、閾値Ｑｔｈは、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和蓄積容量に対応する第１の読出し値及び第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和蓄積容量に対応する第２の読出し値のうち大きい方の読出し値よりも大きな値に設定されていてもよい。この実施形態によれば、第１の蓄積領域ｆｄ１及び第２の蓄積領域ｆｄ２それぞれの蓄積電荷量と入射光量との関係の線形性が優れた範囲で、センサ部１４を利用することができる。したがって、距離の測定精度がより向上され得る。
　次に、信号処理部１６ａは、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを求める（ステップＳ２４）。第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、Ｍ個の第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）に基づいて算出される。具体的には、式（１）に示すように、Ｍ個の第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）を積算した値に値Ｑ１ｄｃ（０）を加算することにより、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔが算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 また、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは、Ｍ個の第２の値Ｑ２（１，．．．，Ｍ）に基づいて算出される。具体的には、式（２）に示すように、Ｍ個の第２の値Ｑ２（１，．．．，Ｍ）を積算した値に値Ｑ２ｄｃ（０）を加算することにより、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔが算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 ここで、「ｎ」が「Ｎ」である場合、即ち、予め定めた最大数Ｎまで、第１の読出しサイクル及び第２の読出しサイクルが行われている場合には、「Ｍ」は、「Ｎ」となる。一方、予め定めた最大数Ｎまで、第１の読出しサイクル及び第２の読出しサイクルが行われていない場合には、「Ｍ」は最終の第１の読出しサイクル及び第２の読出しサイクルの順番を示す数値となる。
　次いで、信号処理部１６ａは、距離を算出する（ステップＳ２５）。具体的には、信号処理部１６ａは、下記の式（３）の演算により、距離Ｌを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 ここで、ｃは光速であり、αは同量の入射光が第１の転送期間Ｔ１及び第２の転送期間Ｔ２に光感応領域に入射したときの第１の読出し値と第２の読出し値の比である。
　一実施形態においては、信号処理部１６ａは、各画素について算出した距離に応じた濃淡値を有する１行の距離画像を出力する。また、一実施形態においては、信号処理部１６ａはフレーム期間ごとに距離画像を更新するよう、図７及び図８を用いて説明した制御及び演算を繰り返してもよい。
　ここで、Ｑ１ａｃ（ｎ）、Ｑ１ｄｃ（ｎ）、Ｑ２ａｃ（ｎ）、Ｑ２ｄｃ（ｎ）は、下記の式（４）により表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 なお、ｑ１ａｃは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルにおける第１の蓄積領域の電荷量の増加分のうち変調光に対する対象物からの反射光、即ち信号光に基づく電荷量の増加分に対応する値である。ｑ２ａｃは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルにおける第２の蓄積領域の電荷量の増加分のうち信号光に基づく電荷量の増加分に対応する値である。ｑ１ａｄは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルにおける第１の蓄積領域の電荷量の増加分のうち信号光以外の要因に基づく電荷量の増加分に対応する値である。ｑ２ａｄは、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルにおける第２の蓄積領域の電荷量の増加分のうち信号光以外の要因に基づく電荷量の増加分に対応する値である。ｑ１ｄｄは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルにおける第１の蓄積領域の電荷量の増加分に対応する値である。また、ｑ２ｄｄは、ｎ回目の第２の電荷転送サイクルにおける第２の蓄積領域の電荷量の増加分に対応する成分である。
　したがって、第１の値Ｑ１（ｎ）及び第２の値Ｑ２（ｎ）は、下記の式（５）及び式（６）により表わされる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 よって、第１の値Ｑ１（ｎ）は、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルにおける第１の蓄積領域の電荷量の増加分のうち信号光に基づく電荷量の増加分を表している。また、第２の値Ｑ２（ｎ）は、ｎ回目の第１の電荷転送サイクルにおける第２の蓄積領域の電荷量の増加分のうち信号光に基づく電荷量の増加分を表している。
　ステップＳ１８、ステップＳ２４、及びステップＳ２５の演算を参照すれば明らかなように、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、第１の値Ｑ１に基づいて算出されており、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは第２の値Ｑ２に基づいて算出されている。したがって、式（３）の演算により算出される距離Ｌは、第１の値Ｑ１及び第２の値Ｑ２に基づいており、ノイズを除去した値に基づいて求められる。故に、距離測定装置１０は、フレームレートを低下させず、短い期間で変動する背景光等のノイズが生じても高い精度で距離を算出することができる。
　また、上述した実施形態では、第１の読出しサイクルに含まれる第１の転送期間の回数及び第２の転送期間の回数はそれぞれ、一回である。したがって、各サイクルの時間長を短くすることができる。故に、この実施形態によれば、より短い期間で変動するノイズが生じても、高い精度で距離を算出することが可能となる。
　一実施形態においては、信号処理部１６ａは、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを、以下に説明するように算出してもよい。即ち、信号処理部１６ａは、式（７）に示すように、第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）を順に積算して、Ｍ個の第１の積算値Ｑ１ｉｎｔ（１，...，Ｍ）を求め、第２の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）を順に積算して、Ｍ個の第２の積算値Ｑ２ｉｎｔ（１，...，Ｍ）を求める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　次いで、信号処理部１６ａは、Ｍ個の第１の積算値Ｑ１ｉｎｔ（１，...，Ｍ）に基づく近似式及びＭ個の第２の積算値Ｑ２ｉｎｔ（１，...，Ｍ）に基づく近似式を用いて、第１の積算値Ｑ１ｉｎｔの補正値及び第２の積算値Ｑ２ｉｎｔの補正値を算出する。そして、信号処理部１６ａは、第１の積算値Ｑ１ｉｎｔの補正値と値Ｑ１ｄｃ（０）との和を求めることにより、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔを算出する。同様に、信号処理部１６ａは、第２の積算値Ｑ２ｉｎｔの補正値と値Ｑ２（０）との和を求めることにより、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを算出する。一実施形態においては、第１の積算値Ｑ１ｉｎｔの補正値は、Ｍ個の第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）の全ての積算値の補正値であり、第２の積算値Ｑ２ｉｎｔの補正値は、Ｍ個の第２の値Ｑ２（１，．．．，Ｍ）の全ての積算値の補正値であり得る。なお、近似式は、最小自乗法に基づいて作成され得る。また、その他の公知の近似式の作成方法が用いられてもよい。
　この実施形態では、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、近似式を用いて算出した第１の積算値Ｑ１ｉｎｔの補正値に基づいており、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは、近似式を用いて算出した第２の積算値Ｑ２ｉｎｔの補正値に基づいている。したがって、Ｍ個の第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）及びＭ個の第２の値Ｑ２（１，．．．，Ｍ）の一部が外乱等により変動しても、近似式に基づく第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔでは、変動を含む読出し値の影響が低減され得る。故に、距離の測定精度が更に向上され得る。
　以下、別の実施形態について説明する。図９は、別の実施形態に係る処理部の制御及び演算を示すフローチャートである。距離測定装置１０の処理部１６は、図９に示す制御及び演算を行ってもよい。距離測定装置１０の処理部１６は、図９のフローチャートに示す制御及び演算においては、図７のステップＳ１８～ステップＳ２１が行われない。即ち、予め定められたＮ回の第１及び第２の読出しサイクルまでステップＳ１４～ステップＳ１７の処理が行われる。
　次いで、処理部１６の信号処理部１６ａは、実行したＮ回の第１及び第２の読出しサイクルのうち最良のＭ回目の第１及び第２の読出しサイクルを特定する（ステップＳ２６）。一実施形態では、最良のＭ回目の読出しサイクルは、Ｎ回の読出しサイクルのうち、所定の閾値を超えない、即ち所定の閾値以上である第１の読出し値Ｑ１ｄｃ及び第２の読出し値Ｑ２ｄｃが取得された最大の読出しサイクルとして求められ得る。この所定の閾値は、第１の蓄積領域ｆｄ１の飽和電荷量に対応する読出し値、及び、第２の蓄積領域ｆｄ２の飽和電荷量に対応する読出し値のうち大きい方の読出し値以上の値として設定され得る。
　次いで、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを算出する（ステップＳ２７）。一実施形態においては、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、式（８）に示すように、ステップＳ１８及びステップＳ２４にて上述した第１の値Ｑ１（１，．．．Ｍ）の積算値と値Ｑ１ｄｃ（０）との加算により求められる。また、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは、第２の値Ｑ２（１，．．．Ｍ）の積算値と値Ｑ２ｄｃ（０）との加算により求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　別の実施形態においては、第１の推定値Ｑ１ｅｓｔは、Ｍ個の第１の値Ｑ１（１，．．．Ｍ）を求め、式（７）に示すように第１の値Ｑ１（１，．．．，Ｍ）を順に積算して、Ｍ個の第１の積算値Ｑ１ｉｎｔ（１，...，Ｍ）を求め、Ｍ個の第１の積算値Ｑ１ｉｎｔ（１，...，Ｍ）に基づく近似式を用いて第１の積算値Ｑ１ｉｎｔの補正値を算出し、当該補正値とＱ１ｄｃ（０）との和を求めることにより、得られる。また、第２の推定値Ｑ２ｅｓｔは、Ｍ個の第２の値Ｑ２（１，．．．Ｍ）を求め、式（７）に示すように第２の値Ｑ２（１，．．．，Ｍ）を順に積算して、Ｍ個の第２の積算値Ｑ２ｉｎｔ（１，...，Ｍ）を求め、Ｍ個の第２の積算値Ｑ２ｉｎｔ（１，...，Ｍ）に基づく近似式を用いて第２の積算値Ｑ２ｉｎｔの補正値を算出し、当該補正値とＱ２ｄｃ（０）との和を求めることにより、得られる。
　図９に示すフローチャートにおいては、信号処理部１６ａは、ステップＳ２７で得られた第１の推定値Ｑ１ｅｓｔ及び第２の推定値Ｑ２ｅｓｔを用いて、式（３）に従い距離Ｌを算出する。このように、予め定められたＮ回の第１及び第２の読出しサイクルの後に、最良のサイクルＭを特定して、距離Ｌを算出してもよい。
　次に、図１０を参照して、更に別の実施形態について説明する。図１０は、別の実施形態に係る距離測定装置で利用される各種信号のタイミングチャートである。図１０のタイミングチャートに示すように、一実施形態においては、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１内に、光源部１２から変調光の複数回の放出期間が設けられている。即ち、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１における複数の放出期間において、駆動パルス信号が光源部１２に与えられる。
　図１０においては、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１において、変調光の三回の放出期間が設けられている。各回の変調光の放出期間に同期して第１の転送期間Ｔ１が設けられており、第１の転送期間Ｔ１と位相反転した第２の転送期間Ｔ２が設けられている。したがって、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１には、３回の第１の転送期間Ｔ１及び３回の第２の転送期間Ｔ２が設けられている。また、各第２の電荷転送サイクルＣｙ２の第３の転送期間Ｔ３の時間長は、第１の転送期間Ｔ１の３倍の時間長に設定されており、各第２の電荷転送サイクルＣｙ２の第４の転送期間Ｔ４の時間長は、第２の転送期間Ｔ２の時間長の３倍の時間長に設定されている。
　したがって、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１において第１の蓄積領域ｆｄ１に電荷を蓄積させる時間長、各第１の電荷転送サイクルＣｙ１において第２の蓄積領域ｆｄ２に電荷を蓄積させる時間長、各第２の電荷転送サイクルＣｙ２において第１の蓄積領域ｆｄ１に電荷を蓄積させる時間長、及び、各第２の電荷転送サイクルＣｙ２において第２の蓄積領域ｆｄ２に電荷を蓄積させる時間長は、実質的に同じ時間長となる。このように、第各第１の電荷転送サイクルＣｙ１内に、複数回の変調光の放出期間、複数回の第１の転送期間Ｔ１、及び複数回の第２の転送期間Ｔ２が設けられていてもよい。
　以下、図１１及び図１２を参照して更に別の実施形態について説明する。図１１は、更に別の実施形態に係るセンサの一例を示す図である。図１２は、更に別の実施形態に係るセンサ部の一つの画素ユニットと当該画素ユニット用の対応のサンプルホールド回路の回路図である。距離測定装置１０は、センサ１８に代えて、図１１に示すセンサ１８Ａを有していてもよい。センサ１８Ａは、Ｉ×Ｊ個の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）を有する撮像領域ＩＲを有している。ここで、ｉは１～Ｉの整数であり、ｊは１～Ｊの整数であり、Ｉ及びＪは２以上の整数である。Ｉ×Ｊ個の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）は、Ｉ行Ｊ列に配列されている。撮像領域ＩＲには、画素ユニットの各列用の二つの垂直信号ラインＶ１（ｊ）及びＶ２（ｊ）が設けられている。
　図１２に示すように、センサ１８Ａの画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の回路Ａ１の出力にはスイッチＳＷ２０が接続されており、当該スイッチＳＷ２０は対応の垂直信号ラインＶ１（ｊ）を介して対応のサンプルホールド回路ＳＨ１のスイッチＳＷ１０に接続されている。また、画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の回路Ａ２の出力にはスイッチＳＷ２２が接続されており、当該スイッチＳＷ２２は対応の垂直信号ラインＶ２（ｊ）を介して対応のサンプルホールド回路ＳＨ２のスイッチＳＷ１２に接続されている。
　センサ１８Ａは、更に垂直シフトレジスタ群ＶＳＧを更に有している。垂直シフトレジスタ群ＶＳＧは、垂直方向に配列された複数の垂直シフトレジスタを含んでいる。各垂直シフトレジスタは例えばフリップフロップを含んでいる。配列方向において一端に設けられた垂直シフトレジスタには、信号処理部１６ａからスタート信号が与えられる。また、全ての垂直シフトレジスタには、信号処理部１６ａからクロック信号が与えられる。垂直シフトレジスタ群ＶＳＧは、スタート信号及びクロック信号を受けると、複数の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）のスイッチＳＷ２０及びスイッチＳＷ２２に、行選択信号を行順に順次与える。これにより、各列の複数の画素ユニット（ｉ，ｊ）の回路Ａ１及びＡ２の出力は、対応の垂直信号ラインＶ１（ｊ）及びＶ２（ｊ）に順次接続されて、複数の画素ユニットＰ（ｉ，ｊ）の出力電圧が、対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に、行順に順次保持される。また、各行内の複数の画素ユニット（ｊ，ｉ）の出力電圧が対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に保持されると、サンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２に保持された電圧は、水平シフトレジスタ群ＨＳＧから与えられる読み出しパルス信号により、信号ラインＨ１及びＨ２に列順に順次結合される。そして、図７又は図９で説明した演算を各画素ユニットについて行うことにより、信号処理部１６ａは二次元の距離画像を形成することができる。
　なお、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。例えば、図１１に示した実施形態では、画素ユニットの列ごとに対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２が設けられているが、画素ユニットごとに対応のサンプルホールド回路ＳＨ１及びＳＨ２が設けられていてもよい。また、撮像領域ＩＲの画素ユニットの個数は、一つであってもよい。また、図７及び図９で説明したフローチャートにおける複数のステップの順序は、それら実施形態の目的と矛盾しない範囲で任意に変更可能である。
　１０…距離測定装置、１２…光源部、１２ａ…レーザダイオード、１２ｂ…ドライバ回路、１４…センサ部、１６…処理部、１６ａ…信号処理部、１６ｂ…メモリ、１８…センサ、２０…ＤＡＣ（デジタル－アナログ変換部）、２２…ＡＤＣ（アナログ－デジタル変換部）、ｆｄ１…第１の蓄積領域、ｆｄ２…第２の蓄積領域、ＴＸ１…第１の転送電極、ＴＸ２…第２の転送電極、Ａ１…電荷－電圧変換回路（第１の変換部）、Ａ２…電荷－電圧変換回路（第２の変換部）、ＳＨ１…第１のサンプルホールド回路、ＳＨ２…第２のサンプルホールド回路。

Claims (7)

  1. 　飛行時間法により対象物に対する距離を求める距離測定装置であって、
    　変調光を放出する光源部と、
    　入射光に応じて電荷を発生する光感応領域、前記光感応領域で発生した電荷を蓄積する第１の蓄積領域及び第２の蓄積領域、前記光感応領域と前記第１の蓄積領域との間に設けられた第１の転送電極、前記光感応領域と前記第２の蓄積領域との間に設けられた第２の転送電極、前記第１の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第１のリセットスイッチ、並びに、前記第２の蓄積領域とリセット電位との間に設けられた第２のリセットスイッチを有するセンサ部と、
    　前記変調光の放出タイミング及び前記センサ部を制御して、距離を算出する処理部と、
    を備え、
    　前記処理部は、
    　　前記第１のリセットスイッチ及び前記第２のリセットスイッチを制御して前記第１の蓄積領域及び前記第２の蓄積領域を前記リセット電位に接続してから該第１の蓄積領域及び該第２の蓄積領域を次に前記リセット電位に接続するまでのフレーム期間内の複数の第１の電荷転送サイクルにおいて、一以上の放出期間に前記光源部に前記変調光を放出させ、前記一以上の放出期間に同期した一以上の第１の転送期間に前記第１の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第１の蓄積領域に蓄積させ、前記一以上の第１の転送期間と位相反転した一以上の第２の転送期間に前記第２の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第２の蓄積領域に蓄積させ、
    　　前記フレーム期間内の複数の第２の電荷転送サイクルであり前記複数の第１の電荷転送サイクルと交互の該一以上の第２の電荷転送サイクルにおいて、前記光源部に前記変調光を放出させず、第３の転送期間に前記第１の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第１の蓄積領域に蓄積させ、前記第３の転送期間と位相反転した第４の転送期間に前記第２の転送電極に与える電圧を制御して前記光感応領域で発生した電荷を前記第２の蓄積領域に蓄積させ、
    　　前記複数の第１の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する複数の第１の読出しサイクルにおいて、該複数の第１の電荷転送サイクルのそれぞれと次の前記第２の電荷転送サイクルの間の時点に前記第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた第１の読出し値及び該時点に前記第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた第２の読出し値を、前記センサ部から取得し、
    　　前記複数の第２の電荷転送サイクルのそれぞれに対応する複数の第２の読出しサイクルにおいて、該複数の第２の電荷転送サイクルのそれぞれと次の前記第１の電荷転送サイクルの間の時点に前記第１の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた別の第１の読出し値及び該時点に前記第２の蓄積領域に蓄積されている電荷量に応じた別の第２の読出し値を、前記センサ部から取得し、
    　　ｎ回目の前記第１の読出しサイクルの前記第１の読出し値の２倍の値からｎ回目及びｎ－１回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第１の読出し値を差し引いた値である第１の値、及び、ｎ回目の前記第１の読出しサイクルの前記第２の読出し値の２倍の値からｎ回目及びｎ－１回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第２の読出し値を差し引いた値である第２の値を算出して、Ｍ個の第１の値及びＭ個の第２の値を求め、ここで、ｎは前記複数の第１の読出しサイクル及び前記複数の第２の読出しサイクルの順番を示し、
    　　前記Ｍ個の第１の値及び前記Ｍ個の第２の値に基づいて、距離を算出する、
    距離測定装置。
  2. 　前記第１の電荷転送サイクルにおいて前記第１の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、前記第１の電荷転送サイクルにおいて前記第２の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、前記第２の電荷転送サイクルにおいて前記第１の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長、及び、前記第２の電荷転送サイクルにおいて前記第２の蓄積領域に電荷を蓄積させる時間長は、実質的に同じ時間長である、請求項１に記載の距離測定装置。
  3. 　前記複数の第１の電荷転送サイクルの各々は、一回の前記第１の転送期間、及び、一回の前記第２の転送期間を含む、請求項１又は２に記載の距離測定装置。
  4. 　前記処理部は、
    　　前記複数の第２の読出しサイクルのうち、前記別の第１の読出し値及び前記別の第２の読出し値が所定の閾値を超えない最終の第２の読出しサイクルを特定し、
    　該最終の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の前記第１の読出し値及び一以上の前記別の第１の読出し値に基づいて前記Ｍ個の第１の値を求め、該最終の第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の前記第２の読出し値及び一以上の前記別の第２の読出し値に基づいて前記Ｍ個の第２の値を求める、
    請求項１～３の何れか一項に記載の距離測定装置。
  5. 　前記処理部は、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第１の読出し値と、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第１の読出し値とｎ－１回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第１の読出し値との間の差分値との和、又は、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第２の値と、ｎ回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第２の値とｎ－１回目の前記第２の読出しサイクルの前記別の第２の値との間の差分値との和が、所定の閾値を超える場合に、ｎ＋１回目以降の前記第１の読出しサイクル及び前記第２の読出しサイクルを停止し、
    　最終の読出しサイクルであるｎ回目の前記第２の読出しサイクルまでに得られた一以上の前記第１の読出し値及び一以上の前記別の第１の読出し値に基づいて前記Ｍ個の第１の値を求め、該最終の読出しサイクルまでに得られた一以上の前記第２の読出し値及び一以上の前記別の第２の読出し値に基づいて前記Ｍ個の第２の値を求める、
    請求項１～３の何れか一項に記載の距離測定装置。
  6. 　前記処理部は、前記Ｍ個の第１の値の積算値及び前記Ｍ個の第２の値の積算値に基づいて、前記距離を算出する、請求項１～５の何れか一項に記載の距離測定装置。
  7. 　前記処理部は、
    　　前記Ｍ個の第１の値を順に積算してＭ個の第１の積算値を算出し、前記Ｍ個の第２の値の積算値を順に積算してＭ個の第２の積算値を算出し、
    　　第１の推定値を前記Ｍ個の第１の積算値に基づく近似式を用いて算出し、第２の推定値を前記Ｍ個の第２の積算値に基づく近似式を用いて算出し、
    　　前記第１の推定値及び前記第２の推定値に基づいて、前記距離を算出する、
    請求項１～５の何れか一項に記載の距離測定装置。
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