WO2016027656A1 - 測距方法及び測距装置 - Google Patents

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光人 間瀬
純 平光
明洋 島田
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浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a distance measuring method and a distance measuring apparatus.
  • a distance measuring device including a TOF (Time-Of-Flight) type distance sensor is known (for example, see Patent Document 1).
  • the distance sensor includes a light receiving layer, a photogate electrode for charge transfer, and a floating diffusion layer for extracting charge.
  • the charge generated in the light receiving layer by the incidence of pulsed light is caused to flow into the floating diffusion layer by applying a pulse signal to the photogate electrode.
  • the flowed-in charges are accumulated as signal charges in the floating diffusion layer.
  • the charge accumulated in the floating diffusion layer is read out as an output corresponding to the accumulated charge amount. Based on this output, the distance to the object is calculated.
  • the distance measuring apparatus as described in Patent Document 1, even if the driving signal of the light source is a square wave, the light intensity signal of the pulsed light emitted from the light source gradually increases in light intensity to a predetermined value. Is a trapezoidal wave having a rising period in which the light intensity is maintained at a predetermined value or more, and a falling period in which the light intensity falls below the predetermined value and gradually decreases.
  • the distance measurement accuracy of the distance measuring device may deteriorate due to the fact that the light intensity signal of the pulsed light becomes a trapezoidal wave.
  • a distance measuring method includes a light source that emits pulsed light toward an object, a charge generation region that generates charges in response to incidence of reflected light of the pulsed light on the object, and a charge generation region
  • the charge is accumulated in the charge accumulation region over the second period, and is based on the amount of charge accumulated in the charge accumulation region over the first period and the amount of charge accumulated in the charge accumulation region over the second period.
  • the distance to the calculated, when emitting pulsed light from the light source emits pulse light is the light intensity stabilization period previously set longer than the respective first and second periods in the extraction phase of the pulsed light from the light source.
  • a distance measuring device includes a light source that emits pulsed light toward an object, a charge generation region that generates charges in response to incidence of reflected light of the pulsed light on the object, and a charge generation region
  • a distance sensor having a charge accumulation region for accumulating the charge generated in step 1, wherein the charge generated in the charge generation region is sent to the charge accumulation region in a first period relative to a pulsed light emission period
  • the charge is accumulated in the charge accumulation region over the first period, and the charge generated in the charge generation region is sent to the charge accumulation region in the second period that is different in timing from the first period and has the same width as the first period.
  • a charge transfer unit that accumulates in the charge accumulation region over the second period, an amount of charge accumulated in the charge accumulation region over the first period, and an amount of charge accumulated in the charge accumulation region over the second period
  • a distance calculation unit that calculates the distance to the object based on the light source, and a light source that emits preset pulse light whose light intensity stabilization period in the pulse light emission period is longer than each of the first and second periods
  • pulsed light is emitted from the light source, and reflected light of the pulsed light from the object enters the distance sensor.
  • charges are generated in response to the incident reflected light.
  • the charges generated in the charge generation region are sent to the charge accumulation region in the first and second periods and accumulated in the charge accumulation region.
  • the first and second periods have different timings and the same width.
  • the distance to the object is determined based on the amount of charge accumulated over the first and second periods.
  • the amount of charge generated in the charge generation region is compared to the case where it is a square wave. It decreases during the rising period and increases during the falling period. Therefore, for example, when the first period overlaps with the rising period and the second period overlaps with the falling period, the amount of charge accumulated in the charge accumulation region over the first period is smaller than when the first period is a square wave, The amount of charge accumulated in the charge accumulation region over two periods is increased as compared to the case of a square wave. Thus, the amount of charge used to determine the distance to the object changes due to the influence of the rising period and the falling period. As a result, ranging accuracy is lowered.
  • the light intensity stabilization period in the emission period of the pulsed light is set longer than each of the first and second periods.
  • the proportion of the amount of charge accumulated corresponding to the light intensity stabilization period increases, and corresponds to the rising period and the falling period.
  • the proportion of the amount of charge accumulated becomes lower. Therefore, the influence of the rising period and the falling period on the distance measurement accuracy is reduced. As a result, ranging accuracy can be improved.
  • the pulsed light When emitting pulsed light from the light source, the pulsed light may be emitted delayed with respect to the start timing of the first period. In this case, in the charge amount accumulated in the charge accumulation region over the second period, the proportion of the charge amount accumulated corresponding to the light intensity stabilization period of the pulsed light is further increased. As a result, distance measurement accuracy can be improved particularly at a short distance.
  • the delay time of the pulsed light emission timing with respect to the start timing of the first period is set in advance to a time corresponding to the lower limit value of the linearity region of the distance measurement profile indicating the correlation between the actual distance and the distance obtained by the distance sensor. It may be. In this case, measurement can be performed under the condition that the distance 0 is offset to the distance of the lower limit value. For this reason, it becomes possible to improve ranging accuracy even for a distance range less than the lower limit.
  • the distance sensor has a plurality of charge accumulation regions and a plurality of transfer electrodes that send charges generated in the charge generation regions to the plurality of charge accumulation regions, and transfer signals having different phases are respectively transmitted to the plurality of transfer electrodes. May be given. In this case, each time pulse light is emitted once, the generated charges are accumulated in different charge accumulation regions, and the distance to the object is obtained. For this reason, it can prevent that ranging accuracy falls by the time change of the distance to a target object.
  • the distance sensor may have a transfer electrode that sends charges generated in the charge generation region to the charge storage region, and the transfer electrode may be supplied with a transfer signal that is intermittently phase-shifted at a predetermined timing. In this case, distance measurement is possible if there is at least one transfer electrode and one charge storage region. Thereby, a distance sensor can be reduced in size.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the distance measuring apparatus according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a cross-sectional configuration of the distance image sensor.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the distance image sensor.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of the distance sensor.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line VV in FIG.
  • FIG. 6 is a diagram showing a potential distribution in the vicinity of the second main surface of the semiconductor substrate along the line VV in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining deterioration in distance measurement accuracy in the distance measurement method according to the comparative example.
  • FIG. 8 is a distance measurement profile showing the correlation between the distance obtained by the distance measurement method according to the comparative example and the actual distance.
  • FIG. 8 is a distance measurement profile showing the correlation between the distance obtained by the distance measurement method according to the comparative example and the actual distance.
  • FIG. 9 is an example of a timing chart of various signals in the distance measuring method according to the present embodiment.
  • FIG. 10 is another example of a timing chart of various signals in the distance measuring method according to this embodiment.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a method for setting the light intensity stabilization period and the light emission delay time.
  • FIG. 12 is an example of a distance measurement profile.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a distance sensor according to a modification.
  • FIG. 14 is a timing chart of various signals in the distance measuring method according to the modification.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram showing the configuration of the distance measuring apparatus according to the present embodiment.
  • the distance measuring device 10 is a device that measures the distance d to the object OJ.
  • the distance measuring device 10 includes a distance image sensor RS, a light source LS, a display DSP, and a control unit.
  • the control unit includes a drive unit (light source drive unit) DRV, a control unit CONT, and a calculation unit (distance calculation unit) ART.
  • the light source LS emits pulsed light Lp toward the object OJ.
  • the light source LS is composed of, for example, a laser light irradiation device, an LED, or the like.
  • the distance image sensor RS is a charge distribution type distance image sensor.
  • the distance image sensor RS is disposed on the wiring board WB.
  • the control unit includes a calculation circuit such as a CPU (Central Processing Unit), a memory such as a RAM (Random Access Memory) and a ROM (Read Only Memory), a power supply circuit, and It is configured by hardware such as a readout circuit including an A / D converter.
  • This control unit may be partially or entirely configured by an integrated circuit such as ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • the drive unit DRV applies the drive signal SD to the light source LS according to the control of the control unit CONT, and drives the light source LS so as to emit the pulsed light Lp toward the object OJ.
  • the control unit CONT controls the drive unit DRV and outputs the first and second transfer signals S 1 and S 2 to the distance image sensor RS.
  • the control unit CONT displays the calculation result of the calculation unit ART on the display DSP.
  • the calculation unit ART reads the charge amounts Q 1 and Q 2 from the distance image sensor RS, respectively.
  • the calculation unit ART calculates the distance d based on the read charge amounts Q 1 and Q 2 and outputs the calculation result to the control unit CONT. Details of the calculation method of the distance d will be described later with reference to FIG.
  • the display DSP inputs the calculation result of the calculation unit ART from the control unit CONT and displays the calculation result.
  • the pulse signal Lp is emitted from the light source LS by applying the drive signal SD to the light source LS.
  • the pulsed light Lp emitted from the light source LS enters the object OJ
  • reflected light Lr which is pulsed light
  • the reflected light Lr emitted from the object OJ enters the charge generation region of the distance image sensor RS.
  • the distance image sensor RS outputs the charge amounts Q 1 and Q 2 collected in synchronization with the first and second transfer signals S 1 and S 2 for each pixel.
  • the output charge amounts Q 1 and Q 2 are input to the arithmetic unit ART in synchronization with the drive signal SD .
  • the distance d is calculated for each pixel based on the input charge amounts Q 1 and Q 2 , and the calculation result is input to the control unit CONT.
  • the calculation result input to the control unit CONT is transferred to the display DSP and displayed.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a cross-sectional configuration of the distance image sensor.
  • the distance image sensor RS is a surface incident type distance image sensor.
  • the distance image sensor RS includes a semiconductor substrate 1 and a light shielding layer LI.
  • the semiconductor substrate 1 has first and second main surfaces 1a and 1b facing each other.
  • the second main surface 1b is a light incident surface.
  • the distance image sensor RS is affixed to the wiring substrate WB via the adhesion region FL in a state where the first main surface 1a side of the semiconductor substrate 1 is opposed to the wiring substrate WB.
  • the adhesion region FL has an insulating adhesive or filler.
  • the light shielding layer LI is disposed in front of the second main surface 1 b of the semiconductor substrate 1.
  • the reflected light Lr is incident on the distance image sensor RS from the second main surface 1b side of the semiconductor substrate 1.
  • FIG. 3 is a schematic plan view of the distance image sensor.
  • the light shielding layer LI is omitted.
  • the semiconductor substrate 1 of the distance image sensor RS has an imaging region 1A composed of a plurality of distance sensors P (m, n) arranged in a two-dimensional manner. Each distance sensor P (m, n) outputs the above-described two charge amounts Q 1 and Q 2 . Therefore, a distance image of the object OJ can be obtained by forming an image of the reflected light Lr from the object OJ in the imaging region 1A.
  • One distance sensor P (m, n) functions as one pixel.
  • Two or more distance sensors P (m, n) may function as one pixel.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of the distance sensor.
  • FIG. 5 is a diagram showing a cross-sectional configuration along the line VV in FIG. In FIG. 4, the light shielding layer LI is omitted.
  • the distance image sensor RS includes the light shielding layer LI in front of the second main surface 1b which is a light incident surface.
  • An opening LIa is formed in each of the regions corresponding to the distance sensors P (m, n) of the light shielding layer LI.
  • the opening LIa has a rectangular shape. In the present embodiment, the opening LIa has a rectangular shape.
  • the light enters the semiconductor substrate 1 through the opening LIa of the light shielding layer LI. Therefore, the light receiving region is defined in the semiconductor substrate 1 by the opening LIa.
  • the light shielding layer LI is made of a metal such as aluminum, for example.
  • the semiconductor substrate 1 includes a p-type first semiconductor region 3 and a p ⁇ -type second semiconductor region 5 having an impurity concentration lower than that of the first semiconductor region 3.
  • the first semiconductor region 3 is located on the first main surface 1a side.
  • the second semiconductor region 5 is located on the second main surface 1b side.
  • the semiconductor substrate 1 is obtained, for example, by growing a p ⁇ type epitaxial layer having an impurity concentration lower than that of the semiconductor substrate on the p type semiconductor substrate.
  • an insulating layer 7 is formed on the second main surface 1b (second semiconductor region 5) of the semiconductor substrate 1.
  • Each distance sensor P (m, n) is a charge distribution type distance sensor.
  • Each distance sensor P (m, n) includes a photogate electrode PG, first and second charge storage regions FD1 and FD2, and first and second transfer electrodes TX1 and TX2.
  • the photogate electrode PG is disposed corresponding to the opening LIa.
  • a region corresponding to the photogate electrode PG in the semiconductor substrate 1 (second semiconductor region 5) (a region located below the photogate electrode PG in FIG. 5) is the reflected light Lr of the pulsed light Lp from the object OJ. It functions as a charge generation region where charges are generated in response to incidence.
  • the photogate electrode PG also corresponds to the shape of the opening LIa and has a rectangular shape in plan view. In the present embodiment, the photogate electrode PG has a rectangular shape like the opening LIa.
  • the first and second charge accumulation regions FD1, FD2 are arranged with the photogate electrode PG interposed therebetween.
  • the first and second charge accumulation regions FD1 and FD2 are disposed apart from the photogate electrode PG.
  • the first and second charge accumulation regions FD1, FD2 have a rectangular shape in plan view.
  • the first and second charge storage regions FD1, FD2 have a square shape in plan view, and have the same shape.
  • the first and second charge accumulation regions FD1 and FD2 are n-type semiconductor regions formed in the second semiconductor region 5 and having a high impurity concentration.
  • the first and second charge accumulation regions FD1 and FD2 accumulate charges generated in the charge generation region as signal charges.
  • the first transfer electrode TX1 is disposed on the insulating layer 7 and between the first charge storage region FD1 and the photogate electrode PG.
  • the first transfer electrode TX1 is disposed separately from the first charge storage region FD1 and the photogate electrode PG.
  • the first transfer electrode TX1 sends charges generated in the charge generation region to the first charge accumulation region FD1 in the first period T 1 (see FIG. 7) according to the first transfer signal S 1 (see FIG. 7).
  • the first period T 1 corresponds to the pulsed light Lp emitted period T T (see FIG. 7).
  • the second transfer electrode TX2 is on the insulating layer 7 and is disposed between the second charge storage region FD2 and the photogate electrode PG.
  • the second transfer electrode TX2 is disposed separately from the second charge accumulation region FD2 and the photogate electrode PG.
  • Second transfer electrode TX2 is a charge generated in the charge generation region, according to the first transfer signals S 1 and the second transfer phase different signal S 2 (see FIG. 7), see the second period T 2 (FIG. 7 ) To the second charge storage region FD2.
  • Second period T 2 are different in the first period T 1 and the timing, and the same width as the first period T 1.
  • the control unit CONT outputs the first and second transfer signals S 1 and S 2 .
  • the first and second transfer electrodes TX1 and TX2 apply the first and second transfer signals S 1 and S 2 output by the control unit CONT, thereby generating charges generated in the charge generation region in the first and second transfer electrodes.
  • the two charge accumulation regions FD1 and FD2 are distributed and sent. Therefore, a part of the control part CONT and the first and second transfer electrodes TX1, TX2 function as a charge transfer part.
  • the first and second transfer electrodes TX1, TX2 have a rectangular shape in plan view.
  • the first and second transfer electrodes TX1, TX2 are rectangular and have the same shape.
  • the long sides of the first and second transfer electrodes TX1, TX2 are shorter than the long sides of the photogate electrode PG.
  • the insulating layer 7 is provided with a contact hole for exposing the surface of the second semiconductor region 5.
  • a conductor 13 for connecting the first and second charge storage regions FD1, FD2 to the outside is disposed in the contact hole.
  • the impurity concentration is high means that the impurity concentration is, for example, about 1 ⁇ 10 17 cm ⁇ 3 or more, and “+” is attached to the conductivity type.
  • the impurity concentration is low means, for example, about 10 ⁇ 10 15 cm ⁇ 3 or less, and “ ⁇ ” is given to the conductivity type.
  • the thickness / impurity concentration of each semiconductor region is as follows.
  • First semiconductor region 3 thickness 10 to 1000 ⁇ m / impurity concentration 1 ⁇ 10 12 to 10 19 cm ⁇ 3
  • Second semiconductor region 5 thickness 1 to 50 ⁇ m / impurity concentration 1 ⁇ 10 12 to 10 15 cm ⁇ 3
  • First and second charge accumulation regions FD1, FD2 thickness 0.1 to 1 ⁇ m / impurity concentration 1 ⁇ 10 18 to 10 20 cm ⁇ 3
  • a reference potential such as a ground potential is applied to the semiconductor substrate 1 (first and second semiconductor regions 3 and 5) via a back gate or a through electrode.
  • the semiconductor substrate 1 is made of Si
  • the insulating layer 7 is made of SiO 2
  • photo gate electrode PG and the first and second transfer electrodes TX1, TX2 is made of polysilicon. These may be composed of other materials.
  • the second transfer signal S 2 of the phase applied to the first transfer signals S 1 and the phase of the second transfer electrode TX2 applied to the first transfer electrode TX1, are 180 degrees.
  • the light incident on each distance sensor P (m, n) is converted into electric charge in the semiconductor substrate 1 (second semiconductor region 5). Some of the charges generated in this way travel as signal charges in the direction of the first transfer electrode TX1 or the second transfer electrode TX2 according to the potential gradient.
  • the potential gradient is formed by a voltage applied to the photogate electrode PG and the first and second transfer electrodes TX1 and TX2.
  • n-type semiconductor includes a positively ionized donor and has a positive potential, and therefore attracts electrons.
  • FIG. 6 is a diagram showing a potential distribution in the vicinity of the second main surface of the semiconductor substrate along the line VV in FIG.
  • Figure 6 is a potential phi TX1 in the region immediately below the first transfer electrode TX1, the second transfer electrode potential region immediately below the TX2 phi TX2, the potential phi PG charge generation region immediately below the photogate electrode PG, the first potential phi FD1 charge storage regions FD1, and the potential phi FD2 of the second charge accumulation region FD2 is shown.
  • the potential ⁇ PG in the region immediately below the photogate electrode PG is the potential ( ⁇ TX1 , ⁇ TX2 ) in the region immediately below the adjacent first and second transfer electrodes TX1 and TX2 when no bias is applied. Then, it is set higher than this reference potential.
  • the potential ⁇ PG of this charge generation region is higher than the potentials ⁇ TX1 and ⁇ TX2 . For this reason, the potential distribution has a shape recessed downward in the drawing in the charge generation region.
  • the charge accumulation operation will be described with reference to FIG.
  • the first transfer signals S 1 of phase applied to the first transfer electrode TX1 is 0 degrees
  • the first transfer electrode TX1 is given positive potential.
  • the second transfer electrode TX2 is supplied with a reverse-phase potential, that is, a potential having a phase of 180 degrees (for example, a ground potential).
  • a potential between the potential applied to the first transfer electrode TX1 and the potential applied to the second transfer electrode TX2 is applied to the photogate electrode PG.
  • FIG. 6 (a) negative charge e generated in the charge generation region, the semiconductor potential phi TX1 directly under the first transfer electrode TX1 drops below the potential phi PG charge generation region As a result, it flows into the potential well of the first charge accumulation region FD1.
  • the semiconductor potential phi TX2 directly below the second transfer electrode TX2 is not lowered, the second charge accumulation within the potential well region FD2, the charge does not flow into.
  • charges are collected and accumulated in the potential well of the first charge accumulation region FD1.
  • the potential is recessed in the positive direction.
  • the second transfer electrode TX2 is given positive potential.
  • the first transfer electrode TX1 is supplied with a reverse-phase potential, that is, a potential with a phase of 180 degrees (for example, a ground potential).
  • a potential between the potential applied to the first transfer electrode TX1 and the potential applied to the second transfer electrode TX2 is applied to the photogate electrode PG.
  • FIG. 6 (b) negative charge e generated in the charge generation region, the semiconductor potential phi TX2 directly below the second transfer electrode TX2 drops below the potential phi PG charge generation region As a result, it flows into the potential well of the second charge storage region FD2.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the deterioration of ranging accuracy in the ranging method according to the comparative example. Specifically, FIG. 7A is a timing chart of various signals when the light intensity signal of the pulsed light emitted from the light source becomes an ideal square wave. FIG. 7B is a timing chart of various signals in an actual case. FIG. 7C is a diagram comparing the light intensity signals of reflected light when returning to the imaging region.
  • the drive signal S D applied to the light source LS by the control unit CONT the drive signal S D applied to the light source LS by the control unit CONT
  • the light intensity signal S Lp of the pulsed light Lp emitted from the light source LS and when returning to the imaging region 1A.
  • the light intensity signal S Lr of the reflected light Lr, the first transfer signal S 1 applied to the first transfer electrode TX1, and the second transfer signal S 2 applied to the second transfer electrode TX2 are shown.
  • the drive signal S D , the light intensity signals S Lp and S Lr , and the first and second transfer signals S 1 and S 2 are all pulses that are ideal square waves. Signal. All these signals are at a low level before the drive signal SD is applied to the light source LS.
  • the drive signal SD is a pulse signal having a pulse width Tp.
  • the pulse width Tp of the drive signal SD is a set value of the pulse width of the light intensity signal SLp .
  • the pulse width of the light intensity signal S Lp is equal to the pulse width Tp of the drive signal SD as set.
  • the drive signal SD is set to the high level during the pulse width Tp and then set to the low level.
  • the light intensity signal S Lp rises simultaneously with the start of application of the drive signal SD , and has a level corresponding to the light intensity of the pulsed light Lp.
  • the light intensity signal S Lp falls after the pulse width Tp and becomes low level.
  • the first and second transfer signals S 1 and S 2 are applied to the first and second transfer electrodes TX1 and TX2 in opposite phases in synchronization with the emission of the pulsed light Lp.
  • the first transfer signals S 1 are synchronized with a phase difference of 0 in the light intensity signal S Lp, is applied during the pulse width Tp to the first transfer electrode TX1, are during this time a high level.
  • Second transfer signal S 2 is synchronized with a phase difference of 180 degrees on the light intensity signal S Lp, is applied during the pulse width Tp to the second transfer electrode TX2, are during this time a high level.
  • the periods during which the first and second transfer signals S 1 and S 2 are at the high level are the first and second periods T 1 and T 2 , respectively.
  • the first and second periods T 1 and T 2 have different timings and the same width. In this case, the widths of the first and second periods T 1 and T 2 are equal to the pulse width Tp of the drive signal SD , respectively.
  • the light intensity signal S Lr rises at the same time as the reflected light Lr returns to the imaging region 1A, and has a level corresponding to the light intensity of the reflected light Lr.
  • the light intensity signal S Lr falls after the pulse width Tp and becomes low level.
  • the pulse width of the light intensity signal S Lr is equal to the pulse width Tp of the drive signal SD .
  • the phase difference Td between the light intensity signal S Lp and the light intensity signal S Lr is the flight time of light.
  • the phase difference Td corresponds to the distance d from the distance image sensor RS to the object OJ.
  • the charge generated in the charge generation region in response to the incidence of the reflected light Lr is accumulated in the first charge in the first period T 1 in which the first transfer signal S 1 is at a high level with respect to the emission period T T of the pulsed light Lp. by being sent to the region FD1, it is accumulated over a first period T 1 in the first charge storage region FD1.
  • the emission period T T of the pulsed light Lp is a period in which the light intensity signal S Lp is not at a low level. In this case, the width of the emission period T T is equal to the pulse width Tp of the drive signal S D.
  • the charge amount Q 1 accumulated in the first charge storage region FD1 is a charge amount among the light intensity signal S Lr of the first period T 1 and the first transfer signal S 1 is stored in the overlap period.
  • the charge amount Q 2 to which is accumulated in the second charge storage region FD2 is a charge amount of the second period T 2 of the out optical intensity signal S Lr and the second transfer signal S 2 is stored in the overlap period.
  • Range of measurable distances d in this case is different by the first and second period T 1, T 2 each having a width, a phase difference Td equal to or less than the first and second period T 1, T 2 each width It is a range. That is, the distance d at which the phase difference Td becomes equal to the width of each of the first and second periods T 1 and T 2 is the maximum value of the measurable distance d. Therefore, the distance measurement range which is the width of the distance range to be measured can be set by the widths of the first and second periods T 1 and T 2 . Note that “measurable” theoretically means that the distance d can be calculated by the above equation (1).
  • the light intensity signals S Lp and S Lr are trapezoidal waves.
  • Light intensity signal S Lp, S Lr are each gradually increased in a rising period T R reaches a predetermined value, the light intensity stabilization period T S maintains a predetermined value or more, below the predetermined value in the falling period T F Decrease gradually.
  • the emission period T T of the pulsed light Lp is longer than the pulse width Tp of the drive signal SD .
  • the light intensity stabilization period T S is not only a period in which the light intensity signals S Lp and S Lr are constant, but a period in which the light intensity signals S Lp and S Lr fall within 5% of the maximum value, for example. .
  • Light intensity signal S Lp if S Lr has a light intensity stabilization period T S of the period in which a constant period except the rising period T R and the falling period T F from the extraction phase T T of the pulsed light Lp light strength is stable period T S.
  • the extraction phase T T of the pulsed light Lp is equal to the sum of the pulse width Tp of the width and the drive signal S D falling period T F.
  • FIG. 8 is a distance measurement profile showing a correlation between the actual distance and the distance obtained by the distance measurement method according to the comparative example.
  • the horizontal axis indicates the actual distance d
  • the vertical axis indicates the distance (calculated distance) d cal obtained by the distance measuring method according to the comparative example.
  • Pulse light Lp obtained by setting the pulse width Tp of the drive signal SD to 30 ns was used for measurement.
  • the range of the horizontal axis and the vertical axis is a range that can be measured when the widths of the first and second periods T 1 and T 2 are set to 30 ns, which is the same as the pulse width Tp of the drive signal SD .
  • a straight line B is a straight line having an inclination of 1 passing through the origin.
  • the ranging profile is divided into a linearity area A line and non-linearity areas A short and A long .
  • the linearity area A line is an area where the actual distance d and the calculated distance d cal are substantially equal (equivalent), and the error (
  • the linearity region A line is a region where the error is several percent or less, for example. In the linearity area A line , since the error is small as described above, the distance measurement accuracy is high. In the linearity area A line , the measurement data is generally arranged on the straight line B.
  • the non-linearity areas A short , A long are areas other than the linearity area A line , and areas where the actual distance d and the calculated distance d cal are not equivalent are adjacent to at least the linearity area A line. It is an area to include. That is, the non-linearity regions A short and A long may include a region where the actual distance d and the calculated distance d cal are equivalent to a region that is not adjacent to the linearity region A line . The region where the actual distance d is not equal to the calculated distance d cal is a region where the error exceeds the allowable limit, for example, a region where the error exceeds several percent.
  • the non-linearity area A short is located on a shorter distance side than the linearity area A line .
  • the non-linearity area A long is located on the longer distance side than the linearity area A line .
  • the measurement data is arranged at a position shifted from the straight line B.
  • the above error is large, so the distance measurement accuracy is low. This is because in the non-linearity region A short , the influence of the charge amount q 2 on the charge amount Q 2 becomes large. Further, in the non-linearity region A long , the influence of the charge amount q 1 on the charge amount Q 1 becomes large.
  • FIG. 9 is an example of a timing chart of various signals in the distance measuring method according to the present embodiment.
  • the pulse width Tp of the drive signal SD is longer than the widths of the first and second periods T 1 and T 2 by the extension time Tx. Long preset. Thus, it is preset larger than a width of the first and second period T 1, T 2 the width of each of the light intensity stabilization period T S of the pulsed light Lp emitted from the light source LS. Similar to the comparative example, the first and second periods T 1 and T 2 have different timings and the same width.
  • FIG. 10 is another example of a timing chart of various signals in the distance measuring method according to the present embodiment.
  • the pulse width Tp of the drive signal SD is longer than the widths of the first and second periods T 1 and T 2.
  • the drive signal S D is set in advance so as to be applied with a delay of emission delay time (delay time) Ty than the application of the first transfer signals S 1 .
  • the charge amount Q 2 to which is accumulated in the second charge accumulation region FD2 the proportion of the charge is further increased, which is accumulated in correspondence with the light intensity stabilization period T S of the pulsed light Lp. Therefore, the influence of the charge quantity q 2 that increases from the ideal case due to the influence of the falling period TF is further reduced on the charge quantity Q 2 . As a result, the influence of the falling period TF of the light intensity signal SLp on the short-range ranging accuracy is reduced. As a result, it becomes possible to improve the accuracy of ranging particularly at a short distance. When the distance d is calculated, it is necessary to offset the distance corresponding to the light emission delay time Ty.
  • FIG. 11 a method for setting the light intensity stabilization period T S and the light emission delay time Ty advance.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a method for setting the light intensity stabilization period and the light emission delay time.
  • FIG. 12 is an example of a distance measurement profile.
  • step S01 various measurement conditions are set similarly to the distance measuring method according to the comparative example.
  • the distance measurement range is set by setting each width of the first and second periods T 1 and T 2 to a value T 0 corresponding to the distance range to be measured.
  • the pulse width Tp of the drive signal SD is also T0.
  • the light emission delay time Ty is set to zero.
  • the offset d ofs of the light emission delay time Ty with respect to the calculated distance d cal is set to 0 in accordance with the light emission delay time Ty.
  • a distance measurement profile indicating the relationship between the calculated distance d cal and the actual distance d is created (step S02). As shown in FIG. 12, the ranging profile is divided into a linearity area A line and non-linearity areas A short , A long .
  • the distance range d line of the linearity area A line and its lower limit value d short are confirmed, and the corresponding time range T line and its lower limit value T short are calculated (step S03).
  • the lower limit d short of the linearity area A line corresponds to the value of the distance range of the non-linearity area A short .
  • the measurement conditions are reset (step S04). Specifically, the pulse width Tp of the drive signal SD is T0 + (T0 ⁇ T line ).
  • the light emission delay time Ty is Tshort .
  • the offset d ofs of the light emission delay time Ty with respect to the calculated distance d cal is set as d short .
  • the widths of the first and second periods T 1 and T 2 are not changed.
  • a distance measurement profile is created again (step S05).
  • the distance range d line linearity region A line, and the lower limit value d short linearity region A line is equal to or within the desired range is determined.
  • the wider the distance range d line the wider the distance range that can be measured with high accuracy.
  • the smaller the lower limit value d short the shorter the minimum distance that can be measured with high accuracy.
  • step S06 the process ends. Thereby, the lower limit value T short of the time range T line is set in advance as the light emission delay time Ty. Further, as the light intensity stabilization period T S, the time range T line corresponding to the linearity region A line is set in advance. Incidentally, by the light intensity stabilization period T S is set in advance, inevitably pulse width Tp and the extension time Tx is set in advance. If NO in step S06, the process proceeds to step S03, and the processes in steps S03 to S06 are repeated.
  • the light intensity stabilization period T S is set in advance longer, the ratio of rising period T R and the falling period T F is relatively reduced in the extraction phase T T of the pulsed light Lp, rising period T R and The influence of the falling period TF can be reduced. As a result, the ratio of the linearity area A line having high distance measurement accuracy to the entire distance measurement range increases, and the distance measurement accuracy is improved.
  • the pulse light intensity stabilization period T S is the first and second period T 1 in the extraction phase T T of Lp, T 2 longer preset pulse light than the respective A drive unit DRV that drives the light source LS to emit Lp is provided.
  • the charge amounts Q 1 and Q 2 accumulated in the first and second charge accumulation regions FD1 and FD2 over the first and second periods T 1 and T 2 respectively correspond to the light intensity stabilization period T S.
  • the proportion of the amount of charge accumulated Te becomes high, the ratio of rising period T R and the amount of charge accumulated in correspondence with the falling period T F is lowered. Therefore, the effect on the charge amount to Q 1 charge amount q 1 decreases from the ideal case due to the effects of rising period T R becomes smaller.
  • the influence of the charge amount q 2 that increases from the ideal case due to the influence of the falling period TF on the charge amount Q 2 is reduced.
  • the influence of the rising period T R and the falling period T F of the light intensity signal S Lp is reduced relative to the distance measuring accuracy, it is possible to improve the distance measurement accuracy.
  • the pulse width Tp of the drive signal SD is set to the same length as the widths of the first and second periods T 1 and T 2 , the phase difference It is possible to measure the distance from Td to 0, which is the width of each of the first and second periods T 1 and T 2 .
  • the pulse width T p of the drive signal S D is set to the same length as the first and second period T 1, T 2 each having a width, in fact, the rise time T R and the falling period T F the effect, the width of the light intensity stabilization period T S is reduced.
  • the pulse width T p of the drive signal S D is intentionally set long in advance, and the width of the light intensity stabilization period T S is intentionally set long, the light intensity stabilization period T S The effect of the decrease in the width can be compensated.
  • the pulsed light Lp when emitting pulsed light Lp from the light source LS, the pulsed light Lp is emitted delayed in emission delay time Ty to the start timing of the first period T 1.
  • the charge amount Q 2 to which is accumulated over the second period T 2 in the second charge storage region FD2 the ratio of the amount of charge accumulated in correspondence with the light intensity stabilization period T S is enhanced. As a result, distance measurement accuracy can be improved particularly at a short distance.
  • the measurement shows the correlation between the distance d cal determined by actual distance d and the distance sensor P (m, n) It is previously set to the lower limit value T short corresponding to the lower limit value d short linearity region a line of distance profiles. In this case, the measurement can be performed under the condition that the distance 0 is offset to the lower limit value d short . For this reason, it becomes possible to improve ranging accuracy even for a distance range less than the lower limit d short .
  • the distance sensor P (m, n) includes the first and second charge accumulation regions FD1 and FD2, and the first and second charge accumulation regions FD1 and FD2 that send charges generated in the charge generation region to the first and second charge accumulation regions FD1 and FD2.
  • First and second transfer signals S 1 and S 2 are applied to the first and second transfer electrodes TX1 and TX2, respectively.
  • the first and second transfer signals S 1 and S 2 are 180 degrees out of phase.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a distance sensor according to a modification.
  • the light shielding layer LI is omitted.
  • the distance sensor P (m, n) according to the modification includes a photogate electrode PG, a first charge accumulation region FD1, and a first transfer electrode TX1.
  • the distance sensor P (m, n) according to the present modification is different from the above-described embodiment in that it does not include the second charge accumulation region FD2 and the second transfer electrode TX2.
  • the photogate electrode PG has a rectangular ring shape in plan view.
  • the photogate electrode PG has a square ring shape in plan view.
  • the outer edge of the photogate electrode PG coincides with the outer edge of the distance sensor P (m, n).
  • a first charge accumulation region FD1 is formed inside the square ring presented by the photogate electrode PG.
  • the first charge accumulation region FD1 has a rectangular shape in plan view.
  • the first charge accumulation region FD1 has a square shape in plan view.
  • the first charge accumulation region FD1 is located approximately at the center of the distance sensor P (m, n) in plan view.
  • a first transfer electrode TX1 is formed between the photogate electrode PG and the first charge storage region FD1.
  • the first transfer electrode TX1 has a rectangular ring shape in plan view.
  • the first charge accumulation region FD1 has a square ring shape in plan view.
  • FIG. 14 is a timing chart of various signals in the distance measuring method according to the modification.
  • the first transfer signals S 1 applied to the first transfer electrode TX1 is given intermittently phase shifted at a predetermined timing.
  • the first transfer signals S 1 is given 180 degree phase shift at the timing of 180 degrees.
  • the first transfer signal S 1 is synchronized with the drive signal SD at a timing of 0 degree, and has a phase difference of 180 degrees with respect to the drive signal SD at a timing of 180 degrees.
  • the charge amount Q 1 accumulated in the first charge accumulation region FD1 at the timing of 0 degrees and the charge amount Q 2 accumulated in the first charge accumulation region FD1 at the timing of 180 degrees are read in order. .
  • the distance d is calculated based on these charge amounts Q 1 and Q 2 .
  • the distance sensor P (m, n) includes the first transfer electrode TX1 that sends the charge generated in the charge generation region to the first charge accumulation region FD1.
  • the first transfer electrode TX1, the first transfer signal S 1 is given to intermittently 180 degree phase shift is given at a timing of 180 degrees.
  • the distance can be measured, so that the distance sensor P (m, n) can be reduced in size.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the extension time Tx and the light emission delay time Ty are set while creating the distance measurement profile.
  • the present invention is not limited to this. If there is known information about the signal waveform of the light intensity signal S Lp of the pulsed light Lp when emitted from the light source LS, the extension time Tx and the light emission delay time Ty may be set based on this. For example, if the width of the light intensity stabilization period T S is known, the difference between the width of each of the first and second periods T 1 and T 2 and the width of the light intensity stabilization period T S is set as the extension time Tx. Can do.
  • the width of the rise time T R of the light intensity signal S Lp is known, presumed width of the light intensity stabilization period T S the value obtained by subtracting the width of the drive signal S rising period from the pulse width Tp of D T R it can. Based on the width of the inferred light intensity stabilization period T S, it is possible to set the extension time Tx as well.
  • the light emission delay time Ty is a negative value.
  • Region close to the maximum value of the measurable distance range by the above formula (1), for example, the non-linearity region A long, are greatly affected by rising period T R of the light intensity signal S Lp. That is, in this region, the influence of the charge amount q 1 that decreases from the ideal case on the charge amount Q 1 is large.
  • the light emission delay time Ty By setting the light emission delay time Ty to a negative value, the influence of the charge amount q 1 on the charge amount Q 1 is reduced, and the ranging accuracy in this region can be improved.
  • the distance sensors P (m, n) are two-dimensionally arranged, but may be line sensors arranged one-dimensionally.
  • a two-dimensional image can also be obtained by rotating the line sensor or scanning with two line sensors.
  • the distance image sensor RS is not limited to the surface incident type distance image sensor.
  • the distance image sensor RS may be a back-illuminated distance image sensor.
  • the charge generation region in which charge is generated in response to incident light may be configured by a photodiode (for example, an embedded photodiode).
  • the p-type and n-type conductivity types in the distance image sensor RS according to the present embodiment may be switched so as to be opposite to those described above.
  • the present invention can be used for a distance measuring method and a distance measuring apparatus.
  • 10 ... distance measuring device, A line ... linearity region, d ... distance, the lower limit of d short ... linearity region, FD1 ... first charge storage region, FD2 ... second charge accumulation region, P ... distance sensor, PG ... photogate Electrode, S 1 ... first transfer signal, S 2 ... second transfer signal, T 1 ... first period, T 2 ... second period, TX1 ... first transfer electrode (charge transfer unit), TX2 ... second transfer electrode (Charge transfer unit), LS ... light source, CONT ... control unit (charge transfer unit), DRV ... drive unit (light source drive unit), ART ... calculation unit (distance calculation unit), OJ ... object, Lp ... pulse light, Lr ... reflected light, T S ... light intensity stabilization period, T T ... pulse light emission period, Ty ... light emission delay time (delay time), Q 1 , Q 2 ... charge amount.

Abstract

　光源ＬＳと、電荷発生領域と第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２とを有する距離センサＰ（ｍ，ｎ）と、を用いた測距方法である。電荷発生領域に発生した電荷を、第一期間Ｔ１において第一電荷蓄積領域ＦＤ１に送ることにより第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積し、第二期間Ｔ２において第二電荷蓄積領域ＦＤ２に送ることにより第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積する。第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積された電荷量Ｑ１と、第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積された電荷量Ｑ２と、に基づいて対象物ＯＪまでの距離ｄを演算する。光源ＬＳからパルス光Ｌｐを出射する際に、光源ＬＳからパルス光Ｌｐの出射期間ＴＴにおける光強度安定期間ＴＳが第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれよりも長く予め設定されたパルス光Ｌｐを出射する。

Description

測距方法及び測距装置
　本発明は、測距方法及び測距装置に関する。
　ＴＯＦ（Time-Of-Flight）型の距離センサを備える測距装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された測距装置では、距離センサが、受光層と、電荷転送用のフォトゲート電極と、電荷取り出し用の浮遊拡散層と、を含んで構成されている。この測距装置では、パルス光の入射により受光層で発生した電荷を、フォトゲート電極にパルス信号を与えることで浮遊拡散層に流入させる。流入された電荷は、浮遊拡散層に信号電荷として蓄積される。浮遊拡散層に蓄積された電荷は、蓄積された電荷量に対応した出力として読み出される。この出力に基づいて、対象物までの距離が算出される。
特開２００５－２３５８９３号公報
　上記特許文献１に記載されるような測距装置では、光源の駆動信号が方形波であっても、光源から発光されるパルス光の光強度信号は、光強度が徐々に増加して所定値に達する立上り期間と、光強度が所定値以上で維持される光強度安定期間と、光強度が所定値を下回り徐々に減少する立下り期間と、を有する台形波となる。本発明者らの調査研究の結果、このようにパルス光の光強度信号が台形波となることに起因して、測距装置の測距精度が悪化する場合があることが明らかになった。
　このため、本技術分野においては、測距精度を向上させることが望まれている。
　本発明の一側面に係る測距方法は、対象物に向けてパルス光を出射する光源と、対象物でのパルス光の反射光の入射に応じて電荷が発生する電荷発生領域と電荷発生領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積領域とを有する距離センサと、を用いた測距方法であって、電荷発生領域に発生した電荷を、パルス光の出射期間に対する第一期間において電荷蓄積領域に送ることにより、第一期間にわたり電荷蓄積領域に蓄積し、電荷発生領域に発生した電荷を、第一期間とタイミングが異なり、かつ、第一期間と同じ幅である第二期間において電荷蓄積領域に送ることにより、第二期間にわたり電荷蓄積領域に蓄積し、第一期間にわたり電荷蓄積領域に蓄積された電荷量と、第二期間にわたり電荷蓄積領域に蓄積された電荷量と、に基づいて対象物までの距離を演算し、光源からパルス光を出射する際に、光源からパルス光の出射期間における光強度安定期間が第一及び第二期間それぞれよりも長く予め設定されたパルス光を出射する。
　本発明の一側面に係る測距装置は、対象物に向けてパルス光を出射する光源と、対象物でのパルス光の反射光の入射に応じて電荷が発生する電荷発生領域と電荷発生領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積領域とを有する距離センサと、を備える測距装置であって、電荷発生領域に発生した電荷を、パルス光の出射期間に対する第一期間において電荷蓄積領域に送ることにより、第一期間にわたり電荷蓄積領域に蓄積させ、電荷発生領域に発生した電荷を、第一期間とタイミングが異なり、かつ、第一期間と同じ幅である第二期間において電荷蓄積領域に送ることにより、第二期間にわたり電荷蓄積領域に蓄積させる電荷転送部と、第一期間にわたり電荷蓄積領域に蓄積された電荷量と、第二期間にわたり電荷蓄積領域に蓄積された電荷量と、に基づいて対象物までの距離を演算する距離演算部と、パルス光の出射期間における光強度安定期間が第一及び第二期間それぞれよりも長く予め設定されたパルス光を出射するように光源を駆動する光源駆動部と、を備える。
　これらの本発明では、光源からパルス光が出射され、対象物でのパルス光の反射光が距離センサに入射する。距離センサの電荷発生領域では、反射光の入射に応じて電荷が発生する。電荷発生領域で発生した電荷は、第一及び第二期間において電荷蓄積領域に送られ、電荷蓄積領域に蓄積される。第一及び第二期間は、タイミングが異なり、かつ同じ幅である。対象物までの距離は、第一及び第二期間にわたりそれぞれ蓄積された電荷量に基づき求められる。
　光源から出射されるパルス光の光強度信号が、上述のような立上り期間及び立下り期間を有する台形波となる場合、方形波となる場合と比べて、電荷発生領域で発生する電荷量は、立上り期間では減少し、立下り期間では増加する。したがって、たとえば第一期間が立上り期間と重複し、第二期間が立下り期間と重複する場合、第一期間にわたり電荷蓄積領域に蓄積される電荷量は方形波となる場合よりも減少し、第二期間にわたり電荷蓄積領域に蓄積される電荷量は方形波となる場合よりも増加する。このように、立上り期間及び立下り期間の影響により、対象物までの距離を求めるために用いる電荷量が変化する。この結果、測距精度が低下する。
　ここで、光源から出射されるパルス光は、パルス光の出射期間における光強度安定期間が第一及び第二期間それぞれよりも長く予め設定されている。これにより、第一及び第二期間のそれぞれにわたり電荷蓄積領域に蓄積される電荷量において、光強度安定期間に対応して蓄積される電荷量の割合が高くなり、立上り期間及び立下り期間に対応して蓄積される電荷量の割合が低くなる。したがって、測距精度に対する立上り期間及び立下り期間の影響が低減される。この結果、測距精度を向上させることが可能となる。
　光源からパルス光を出射する際に、第一期間の開始タイミングに遅延してパルス光を出射してもよい。この場合、第二期間にわたり電荷蓄積領域に蓄積される電荷量において、パルス光の光強度安定期間に対応して蓄積される電荷量の割合がより高まる。この結果、測距精度を特に近距離で向上させることが可能となる。
　第一期間の開始タイミングに対するパルス光の出射タイミングの遅延時間は、実際の距離と距離センサにより求めた距離との相関関係を示す測距プロファイルのリニアリティ領域の下限値に対応する時間に予め設定されていてもよい。この場合、距離０を当該下限値の距離にオフセットさせた条件での測定が可能となる。このため、当該下限値未満の距離範囲に対しても、測距精度を向上させることが可能となる。
　距離センサは、複数の電荷蓄積領域と、電荷発生領域で発生した電荷を複数の電荷蓄積領域に送る複数の転送電極と、を有し、複数の転送電極には、異なる位相の転送信号がそれぞれ与えられてもよい。この場合、パルス光が一回出射される度に、発生した電荷がそれぞれ異なる電荷蓄積領域に蓄積されて、対象物までの距離が求められる。このため、対象物までの距離の時間変化により、測距精度が低下するのを防ぐことができる。
　距離センサは、電荷発生領域で発生した電荷を電荷蓄積領域に送る転送電極を有し、転送電極には、所定のタイミングで間欠的に位相シフトが与えられた転送信号が与えられてもよい。この場合、少なくとも転送電極及び電荷蓄積領域が１つずつあれば測距可能となる。これにより、距離センサを小型化することができる。
　本発明の一形態によれば、測距精度を向上させることが可能な測距方法及び測距装置を提供することができる。
図１は、本実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。 図２は、距離画像センサの断面構成を説明するための図である。 図３は、距離画像センサの概略平面図である。 図４は、距離センサの構成図である。 図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿った断面構成を示す図である。 図６は、図４のＶ－Ｖ線に沿った半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。 図７は、比較例に係る測距方法における測距精度の悪化について説明する図である。 図８は、比較例に係る測距方法により求められた距離と実際の距離との相関関係を示す測距プロファイルである。 図９は、本実施形態に係る測距方法における各種信号のタイミングチャートの一例である。 図１０は、本実施形態に係る測距方法における各種信号のタイミングチャートの他の例である。 図１１は、光強度安定期間及び発光遅延時間の設定方法を示すフローチャートである。 図１２は、測距プロファイルの一例である。 図１３は、変形例に係る距離センサの構成図である。 図１４は、変形例に係る測距方法における各種信号のタイミングチャートである。
　以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　図１は、本実施形態に係る測距装置の構成を示す説明図である。
　測距装置１０は、対象物ＯＪまでの距離ｄを測定する装置である。測距装置１０は、距離画像センサＲＳと、光源ＬＳと、表示器ＤＳＰと、制御ユニットと、を備えている。制御ユニットは、駆動部（光源駆動部）ＤＲＶと、制御部ＣＯＮＴと、演算部（距離演算部）ＡＲＴと、を備えている。光源ＬＳは、対象物ＯＪに向けてパルス光Ｌｐを出射する。光源ＬＳは、たとえば、レーザ光照射装置、ＬＥＤなどで構成される。距離画像センサＲＳは、電荷振り分け型の距離画像センサである。距離画像センサＲＳは、配線基板ＷＢ上に配置されている。
　制御ユニット（駆動部ＤＲＶ、制御部ＣＯＮＴ、及び演算部ＡＲＴ）は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）などの演算回路、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）及びＲＯＭ（Read　Only　Memory）などのメモリ、電源回路、及びＡ／Ｄコンバータを含む読出回路などのハードウエアによって構成されている。この制御ユニットは、一部もしくは全体がＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）又はＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）などの集積回路によって構成されていてもよい。
　駆動部ＤＲＶは、制御部ＣＯＮＴの制御に従って光源ＬＳに駆動信号ＳＤを印加し、対象物ＯＪに向けてパルス光Ｌｐを出射するように光源ＬＳを駆動する。制御部ＣＯＮＴは、駆動部ＤＲＶを制御すると共に、第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２を距離画像センサＲＳに出力する。制御部ＣＯＮＴは、演算部ＡＲＴの演算結果を表示器ＤＳＰに表示させる。演算部ＡＲＴは、距離画像センサＲＳから電荷量Ｑ１，Ｑ２をそれぞれ読み出す。演算部ＡＲＴは、読み出した電荷量Ｑ１，Ｑ２に基づいて距離ｄを演算し、演算結果を制御部ＣＯＮＴに出力する。距離ｄの演算方法の詳細は、図７を参照して後で説明される。表示器ＤＳＰは、制御部ＣＯＮＴから演算部ＡＲＴの演算結果を入力し、当該演算結果を表示する。
　測距装置１０では、駆動信号ＳＤが光源ＬＳに印加されることにより、パルス光Ｌｐが光源ＬＳから出射される。光源ＬＳから出射されたパルス光Ｌｐが対象物ＯＪに入射すると、反射によりパルス光である反射光Ｌｒが対象物ＯＪから出射される。対象物ＯＪから出射された反射光Ｌｒは、距離画像センサＲＳの電荷発生領域に入射する。
　距離画像センサＲＳからは、画素毎に第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２に同期して収集された電荷量Ｑ１，Ｑ２が出力される。出力された電荷量Ｑ１，Ｑ２は、駆動信号ＳＤに同期して演算部ＡＲＴに入力される。演算部ＡＲＴでは、入力された電荷量Ｑ１，Ｑ２に基づき、画素毎に距離ｄが演算され、演算結果が制御部ＣＯＮＴに入力される。制御部ＣＯＮＴに入力された演算結果は、表示器ＤＳＰに転送されて表示される。
　図２は、距離画像センサの断面構成を説明するための図である。
　距離画像センサＲＳは、表面入射型の距離画像センサである。距離画像センサＲＳは、半導体基板１と、遮光層ＬＩと、を備えている。半導体基板１は、互いに対向する第一及び第二主面１ａ，１ｂを有している。第二主面１ｂは、光入射面である。距離画像センサＲＳは、半導体基板１の第一主面１ａ側を配線基板ＷＢに対向させた状態で、接着領域ＦＬを介して配線基板ＷＢに貼り付けられている。接着領域ＦＬは、絶縁性の接着剤やフィラーを有している。遮光層ＬＩは、半導体基板１の第二主面１ｂの前方に配置されている。距離画像センサＲＳには、半導体基板１の第二主面１ｂ側から反射光Ｌｒが入射する。
　図３は、距離画像センサの概略平面図である。なお、図３では、遮光層ＬＩが省略されて示されている。
　距離画像センサＲＳの半導体基板１は、二次元状に配列した複数の距離センサＰ（ｍ，ｎ）からなる撮像領域１Ａを有している。各距離センサＰ（ｍ，ｎ）からは、上述の二つの電荷量Ｑ１，Ｑ２が出力される。したがって、対象物ＯＪからの反射光Ｌｒを撮像領域１Ａで結像することにより、対象物ＯＪの距離画像を得ることができる。一つの距離センサＰ（ｍ，ｎ）は、一つの画素として機能する。なお、二つ以上の距離センサＰ（ｍ，ｎ）が、一つの画素として機能してもよい。
　図４は、距離センサの構成図である。図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿った断面構成を示す図である。なお、図４では、遮光層ＬＩが省略されて示されている。
　上述のように、距離画像センサＲＳは、光入射面である第二主面１ｂの前方に遮光層ＬＩを備えている。遮光層ＬＩの各距離センサＰ（ｍ，ｎ）に対応する領域のそれぞれには、開口ＬＩａが形成されている。開口ＬＩａは、矩形状を呈している。本実施形態では、開口ＬＩａは、長方形状を呈している。光は、遮光層ＬＩの開口ＬＩａを通って、半導体基板１に入射する。したがって、開口ＬＩａにより、半導体基板１には、受光領域が規定される。遮光層ＬＩは、たとえば、アルミニウムなどの金属からなる。
　半導体基板１は、ｐ型の第一半導体領域３と、第一半導体領域３よりも不純物濃度が低いｐ－型の第二半導体領域５と、からなる。第一半導体領域３は、第一主面１ａ側に位置している。第二半導体領域５は、第二主面１ｂ側に位置している。半導体基板１は、たとえば、ｐ型の半導体基板上に、当該半導体基板よりも不純物濃度が低いｐ－型のエピタキシャル層を成長させることにより得られる。半導体基板１の第二主面１ｂ（第二半導体領域５）上には、絶縁層７が形成されている。
　各距離センサＰ（ｍ，ｎ）は、電荷振り分け方式の距離センサである。各距離センサＰ（ｍ，ｎ）は、フォトゲート電極ＰＧと、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２と、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２と、を有している。フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａに対応して配置されている。半導体基板１（第二半導体領域５）におけるフォトゲート電極ＰＧに対応する領域（図５において、フォトゲート電極ＰＧの下方に位置する領域）は、対象物ＯＪでのパルス光Ｌｐの反射光Ｌｒの入射に応じて電荷が発生する電荷発生領域として機能する。フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａの形状にも対応し、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、フォトゲート電極ＰＧは、開口ＬＩａと同様に長方形状を呈している。
　第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧを挟んで配置されている。第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、フォトゲート電極ＰＧから離間して配置されている。第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、平面視で正方形状を呈しており、互いに同形状を成している。第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、第二半導体領域５に形成された不純物濃度が高いｎ型の半導体領域である。第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２は、電荷発生領域にて発生した電荷を信号電荷として蓄積する。
　第一転送電極ＴＸ１は、絶縁層７上であって、第一電荷蓄積領域ＦＤ１とフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。第一転送電極ＴＸ１は、第一電荷蓄積領域ＦＤ１とフォトゲート電極ＰＧとからそれぞれ離間して配置されている。第一転送電極ＴＸ１は、電荷発生領域にて発生した電荷を、第一転送信号Ｓ１（図７参照）に応じ、第一期間Ｔ１（図７参照）において第一電荷蓄積領域ＦＤ１に送る。第一期間Ｔ１は、パルス光Ｌｐの出射期間ＴＴ（図７参照）に対応している。
　第二転送電極ＴＸ２は、絶縁層７上であって、第二電荷蓄積領域ＦＤ２とフォトゲート電極ＰＧとの間に配置されている。第二転送電極ＴＸ２は、第二電荷蓄積領域ＦＤ２とフォトゲート電極ＰＧとからそれぞれ離間して配置されている。第二転送電極ＴＸ２は、電荷発生領域にて発生した電荷を、第一転送信号Ｓ１と位相が異なる第二転送信号Ｓ２（図７参照）に応じ、第二期間Ｔ２（図７参照）において第二電荷蓄積領域ＦＤ２に送る。第二期間Ｔ２は、第一期間Ｔ１とタイミングが異なり、かつ、第一期間Ｔ１と同じ幅である。
　上述のように、制御部ＣＯＮＴは、第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２を出力する。第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、制御部ＣＯＮＴにより出力された第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２が印加されることにより、電荷発生領域に発生した電荷を第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に振り分けて送る。したがって、制御部ＣＯＮＴの一部及び第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、電荷転送部として機能している。
　第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、平面視で矩形状を呈している。本実施形態では、第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２は、長方形状を呈し、互いに同形状を成している。第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の長辺の長さは、フォトゲート電極ＰＧの長辺の長さよりも短い。
　絶縁層７には、第二半導体領域５の表面を露出させるためのコンタクトホールが設けられている。コンタクトホール内には、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２を外部に接続するための導体１３が配置されている。
　本実施形態では、「不純物濃度が高い」とはたとえば不純物濃度が１×１０１７ｃｍ－３程度以上のことであって、「＋」を導電型に付けて示される。一方、「不純物濃度が低い」とはたとえば１０×１０１５ｃｍ－３程度以下のことであって、「－」を導電型に付けて示される。
　各半導体領域の厚さ／不純物濃度は以下の通りである。
第一半導体領域３：厚さ１０～１０００μｍ／不純物濃度１×１０１２～１０１９ｃｍ－３
第二半導体領域５：厚さ１～５０μｍ／不純物濃度１×１０１２～１０１５ｃｍ－３
第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２：厚さ０．１～１μｍ／不純物濃度１×１０１８～１０２０ｃｍ－３
　半導体基板１（第一及び第二半導体領域３，５）には、バックゲート又は貫通電極などを介してグラウンド電位などの基準電位が与えられる。半導体基板１はＳｉからなり、絶縁層７はＳｉＯ２からなり、フォトゲート電極ＰＧ及び第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２はポリシリコンからなる。これらは他の材料により構成されてもよい。
　第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓ１の位相と第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓ２の位相とは、１８０度ずれている。各距離センサＰ（ｍ，ｎ）に入射した光は、半導体基板１（第二半導体領域５）内において電荷に変換される。このようにして発生した電荷のうち一部は、信号電荷として、ポテンシャル勾配にしたがって、第一転送電極ＴＸ１又は第二転送電極ＴＸ２の方向に走行する。ポテンシャル勾配は、フォトゲート電極ＰＧ並びに第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される電圧により形成される。
　第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に正電位を与えると、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の下のポテンシャルがフォトゲート電極ＰＧの下の部分の半導体基板１（第二半導体領域５）のポテンシャルより電子に対して低くなる。これにより、負の電荷（電子）は、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２の方向に引き込まれ、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２によって形成されるポテンシャル井戸内に蓄積される。ｎ型の半導体は、正にイオン化したドナーを含み、正のポテンシャルを有しているため、電子を引き付ける。第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に、上記正電位よりも低い電位（たとえば、グラウンド電位）を与えると、第一又は第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２によるポテンシャル障壁が生じる。このため、半導体基板１で発生した電荷は、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２には引き込まれない。
　図６は、図４のＶ－Ｖ線に沿った半導体基板の第二主面近傍におけるポテンシャル分布を示す図である。
　図６では、下向きがポテンシャルの正方向である。図６には、第一転送電極ＴＸ１の直下の領域のポテンシャルφＴＸ１、第二転送電極ＴＸ２の直下の領域のポテンシャルφＴＸ２、フォトゲート電極ＰＧの直下の電荷発生領域のポテンシャルφＰＧ、第一電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャルφＦＤ１、及び第二電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャルφＦＤ２が示されている。
　フォトゲート電極ＰＧの直下の領域（電荷発生領域）のポテンシャルφＰＧは、無バイアス時における隣接する第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２直下の領域のポテンシャル（φＴＸ１，φＴＸ２）を基準電位とすると、この基準電位よりも高く設定されている。この電荷発生領域のポテンシャルφＰＧはポテンシャルφＴＸ１，φＴＸ２よりも高くなる。このため、ポテンシャル分布は電荷発生領域において図面の下向きに凹んだ形状となる。
　図６を参照して、電荷の蓄積動作を説明する。第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓ１の位相が０度のとき、第一転送電極ＴＸ１には正の電位が与えられる。第二転送電極ＴＸ２には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（たとえば、グラウンド電位）が与えられる。フォトゲート電極ＰＧには、第一転送電極ＴＸ１に与えられる電位と、第二転送電極ＴＸ２に与えられる電位との間の電位が与えられる。この場合、図６（ａ）に示されるように、電荷発生領域で発生した負の電荷ｅは、第一転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１が電荷発生領域のポテンシャルφＰＧよりも下がることにより、第一電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内に流れ込む。
　一方、第二転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２は下がらず、第二電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、電荷が第一電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２では、ｎ型の不純物が添加されているため、正方向にポテンシャルが凹んでいる。
　第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓ２の位相が０度のとき、第二転送電極ＴＸ２には正の電位が与えられる。また、第一転送電極ＴＸ１には、逆相の電位、すなわち位相が１８０度の電位（たとえば、グラウンド電位）が与えられる。フォトゲート電極ＰＧには、第一転送電極ＴＸ１に与えられる電位と、第二転送電極ＴＸ２に与えられる電位との間の電位が与えられる。この場合、図６（ｂ）に示されるように、電荷発生領域で発生した負の電荷ｅは、第二転送電極ＴＸ２直下の半導体のポテンシャルφＴＸ２が電荷発生領域のポテンシャルφＰＧよりも下がることにより、第二電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャル井戸内に流れ込む。
　一方、第一転送電極ＴＸ１直下の半導体のポテンシャルφＴＸ１は下がらず、第一電荷蓄積領域ＦＤ１のポテンシャル井戸内には、電荷は流れ込まない。これにより、電荷が第二電荷蓄積領域ＦＤ２のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。
　以上により、電荷が第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸に収集されて、蓄積される。第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２のポテンシャル井戸に蓄積された電荷は、外部に読み出される。
　図７は、比較例に係る測距方法における測距精度の悪化について説明する図である。具体的には、図７（ａ）は、光源から出射されたときのパルス光の光強度信号が理想的な方形波となる場合の各種信号のタイミングチャートである。図７（ｂ）は、実際の場合の各種信号のタイミングチャートである。図７（ｃ）は、撮像領域まで戻ってきたときの反射光の光強度信号を比較する図である。
　まず、光源ＬＳから出射されたときのパルス光Ｌｐの光強度信号ＳＬｐが理想的な方形波となる場合について、図７（ａ）を参照して説明する。図７（ａ）には、制御部ＣＯＮＴにより光源ＬＳに印加される駆動信号ＳＤ、光源ＬＳから出射されたときのパルス光Ｌｐの光強度信号ＳＬｐ、撮像領域１Ａまで戻ってきたときの反射光Ｌｒの光強度信号ＳＬｒ、第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓ１、及び第二転送電極ＴＸ２に印加される第二転送信号Ｓ２が示されている。
　図７（ａ）に示されるように、駆動信号ＳＤ、光強度信号ＳＬｐ，ＳＬｒ、並びに第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２は、いずれも理想的な方形波となるパルス信号である。これら全ての信号は、光源ＬＳに駆動信号ＳＤが印加される前の状態では、ローレベルとされている。
　駆動信号ＳＤは、パルス幅Ｔｐのパルス信号である。駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐは、光強度信号ＳＬｐのパルス幅の設定値である。この場合は、光強度信号ＳＬｐが理想的な方形波となるため、光強度信号ＳＬｐのパルス幅は、設定どおり駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐに等しくなる。駆動信号ＳＤは、パルス幅Ｔｐの間でハイレベルとされた後、ローレベルとされる。光強度信号ＳＬｐは、駆動信号ＳＤの印加開始と同時に立ち上がり、パルス光Ｌｐの光強度に対応したレベルとされる。光強度信号ＳＬｐは、パルス幅Ｔｐ後に立ち下がり、ローレベルとされる。
　第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２は、パルス光Ｌｐの出射に同期して互いに逆位相で第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２に印加される。具体的には、第一転送信号Ｓ１は、光強度信号ＳＬｐに位相差０で同期して、第一転送電極ＴＸ１にパルス幅Ｔｐの間印加され、この間ハイレベルとされる。第二転送信号Ｓ２は、光強度信号ＳＬｐに位相差１８０度で同期して、第二転送電極ＴＸ２にパルス幅Ｔｐの間印加され、この間ハイレベルとされる。第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２がハイレベルとされる期間は、それぞれ第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２である。第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２は、タイミングが異なり、かつ、幅が等しい。この場合は、第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２の幅は、それぞれ駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐに等しい。
　光強度信号ＳＬｒは、反射光Ｌｒが撮像領域１Ａまで戻ってくると同時に立ち上がり、反射光Ｌｒの光強度に対応したレベルとされる。光強度信号ＳＬｒは、パルス幅Ｔｐ後に立ち下がり、ローレベルとされる。この場合は、光強度信号ＳＬｒのパルス幅は、駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐに等しい。光強度信号ＳＬｐと光強度信号ＳＬｒとの位相差Ｔｄは、光の飛行時間である。位相差Ｔｄは、距離画像センサＲＳから対象物ＯＪまでの距離ｄに対応している。
　反射光Ｌｒの入射に応じて電荷発生領域に発生した電荷は、パルス光Ｌｐの出射期間ＴＴに対して第一転送信号Ｓ１がハイレベルとされる第一期間Ｔ１において第一電荷蓄積領域ＦＤ１に送られることにより、第一期間Ｔ１にわたり第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積される。パルス光Ｌｐの出射期間ＴＴとは、光強度信号ＳＬｐがローレベルにない期間である。この場合は、出射期間ＴＴの幅は、駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐに等しい。
　反射光Ｌｒの入射に応じて電荷発生領域に発生した電荷は、第二転送信号Ｓ２がハイレベルとされる第二期間Ｔ２において第二電荷蓄積領域ＦＤ２に送られることにより、第二期間Ｔ２にわたり第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積される。
　電荷発生領域に電荷が発生するのは、反射光Ｌｒの入射する期間である。したがって、第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積される電荷量Ｑ１は、第一期間Ｔ１のうち光強度信号ＳＬｒと第一転送信号Ｓ１とが重なり合う期間に蓄積される電荷量となる。また、第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積される電荷量Ｑ２は、第二期間Ｔ２のうち光強度信号ＳＬｒと第二転送信号Ｓ２とが重なり合う期間に蓄積される電荷量となる。
　距離ｄの演算は、電荷量Ｑ１と電荷量Ｑ２との比率（振り分け比）を用いて、下記の式（１）により演算される。なお、ｃは光速である。
距離ｄ＝（ｃ／２）×（Ｔｐ×Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２））・・・（１）
　この場合の測定可能な距離ｄの範囲は、第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅によって異なり、位相差Ｔｄが第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅以内となる範囲である。すなわち、位相差Ｔｄが第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅と等しくなる距離ｄが、測定可能な距離ｄの最大値である。したがって、測定したい距離範囲の幅である測距レンジは、第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅により設定することができる。なお、測定可能とは、理論上、上記の式（１）により距離ｄを算出できるという意味である。
　次に、実際の場合について、図７（ｂ）及び図７（ｃ）を参照して説明する。図７（ｂ）に示されるように、光強度信号ＳＬｐ，ＳＬｒは台形波となる。光強度信号ＳＬｐ，ＳＬｒは、それぞれ立上り期間ＴＲにおいて徐々に増加して所定値に達し、光強度安定期間ＴＳにおいて所定値以上を維持し、立下り期間ＴＦにおいて所定値を下回り徐々に減少する。このような場合、パルス光Ｌｐの出射期間ＴＴは、駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐよりも長くなる。
　なお、光強度安定期間ＴＳとは、光強度信号ＳＬｐ，ＳＬｒが一定となる期間のみではなく、光強度信号ＳＬｐ，ＳＬｒが、たとえば最大値の５％以内に収まる期間である。光強度信号ＳＬｐ，ＳＬｒが一定となる期間を光強度安定期間ＴＳとした場合は、パルス光Ｌｐの出射期間ＴＴから立上り期間ＴＲ及び立下り期間ＴＦを除いた期間が光強度安定期間ＴＳである。この場合、パルス光Ｌｐの出射期間ＴＴは、立下り期間ＴＦの幅と駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐとの和に等しい。
　図７（ｃ）に示されるように、実際の場合は、光強度信号ＳＬｐ，ＳＬｒが理想的な方形波となる場合と比較すると、電荷量Ｑ１が、立上り期間ＴＲの影響により電荷量ｑ１だけ減少する。また、電荷量Ｑ２が、立下り期間ＴＦの影響により電荷量ｑ２だけ増加する。このように、比較例に係る測距方法では、電荷の振分け比が理想的な場合と異なることにより、測距精度が悪化する。
　図８は、実際の距離と比較例に係る測距方法により求められた距離との相関関係を示す測距プロファイルである。
　図８では、横軸は実際の距離ｄを示し、縦軸は比較例に係る測距方法により求められた距離（算出距離）ｄｃａｌを示す。駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐを３０ｎｓとして得られたパルス光Ｌｐが測定に用いられた。横軸及び縦軸の範囲は、第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２の幅をそれぞれ駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐと同じく３０ｎｓとしたときに測距可能な範囲である。直線Ｂは、原点を通る傾き１の直線である。
　図８に示されるように、測距プロファイルは、リニアリティ領域Ａｌｉｎｅと、非リニアリティ領域Ａｓｈｏｒｔ，Ａｌｏｎｇとに分割される。リニアリティ領域Ａｌｉｎｅとは、実際の距離ｄと算出距離ｄｃａｌとが略等しい（同等な）領域であり、算出距離ｄｃａｌの実際の距離ｄからの誤差（｜ｄ－ｄｃａｌ｜／ｄ×１００（％））が許容限界以下の領域である。リニアリティ領域Ａｌｉｎｅは、たとえば当該誤差が数％以下の領域である。リニアリティ領域Ａｌｉｎｅでは、このように当該誤差が小さいことから、測距精度が高い。リニアリティ領域Ａｌｉｎｅでは、測定データは概ね直線Ｂ上に配置されている。
　一方、非リニアリティ領域Ａｓｈｏｒｔ，Ａｌｏｎｇとは、リニアリティ領域Ａｌｉｎｅ以外の領域であって、実際の距離ｄと算出距離ｄｃａｌとが同等ではない領域を、少なくともリニアリティ領域Ａｌｉｎｅに隣接して含む領域である。すなわち、非リニアリティ領域Ａｓｈｏｒｔ，Ａｌｏｎｇは、リニアリティ領域Ａｌｉｎｅに隣接しない領域に、実際の距離ｄと算出距離ｄｃａｌとが同等な領域を含んでいてもよい。実際の距離ｄと算出距離ｄｃａｌとが同等ではない領域とは、上記誤差が許容限界を超える領域であり、たとえば上記誤差が数％を超える領域である。非リニアリティ領域Ａｓｈｏｒｔは、リニアリティ領域Ａｌｉｎｅよりも短距離側に位置する。非リニアリティ領域Ａｌｏｎｇは、リニアリティ領域Ａｌｉｎｅよりも長距離側に位置する。
　非リニアリティ領域Ａｓｈｏｒｔ，Ａｌｏｎｇでは、測定データが直線Ｂからずれた位置に配置されている。非リニアリティ領域Ａｓｈｏｒｔ，Ａｌｏｎｇでは、上記誤差が大きいことから、測距精度が低い。これは、非リニアリティ領域Ａｓｈｏｒｔでは、電荷量Ｑ２に対する電荷量ｑ２の影響が大きくなるためである。また、非リニアリティ領域Ａｌｏｎｇでは、電荷量Ｑ１に対する電荷量ｑ１の影響が大きくなるためである。
　図９は、本実施形態に係る測距方法における各種信号のタイミングチャートの一例である。
　図９に示されるように、本実施形態に係る測距方法の一例では、駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐが、第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅よりも延長時間Ｔｘだけ長く予め設定されている。これにより、光源ＬＳから出射されるパルス光Ｌｐの光強度安定期間ＴＳの幅が第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅よりも長く予め設定されている。なお、比較例と同様に、第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２は、タイミングが異なり同じ幅である。
　この場合、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積される電荷量Ｑ１，Ｑ２において、パルス光Ｌｐの光強度安定期間ＴＳに対応して蓄積される電荷の割合が高くなる。したがって、立上り期間ＴＲの影響により理想的な場合から減少する電荷量ｑ１の電荷量Ｑ１に対する影響が小さくなる。また、立下り期間ＴＦの影響により理想的な場合から増加する電荷量ｑ２の電荷量Ｑ２に対する影響が小さくなる。この結果、測距精度に対する光強度信号ＳＬｐの立上り期間ＴＲ及び立下り期間ＴＦの影響が低減されるので、測距精度を向上させることが可能となる。
　図１０は、本実施形態に係る測距方法における各種信号のタイミングチャートの他の例である。
　図１０に示されるように、本実施形態に係る測距方法の他の例では、駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐが、第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅よりも延長時間Ｔｘだけ長く予め設定されていることに加え、駆動信号ＳＤが、第一転送信号Ｓ１の印加よりも発光遅延時間（遅延時間）Ｔｙだけ遅延して印加されるように予め設定されている。
　この場合、第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積される電荷量Ｑ２において、パルス光Ｌｐの光強度安定期間ＴＳに対応して蓄積される電荷の割合が更に高くなる。したがって、立下り期間ＴＦの影響により理想的な場合から増加する電荷量ｑ２の電荷量Ｑ２に対する影響が更に小さくなる。これにより、特に近距離の測距精度に対する光強度信号ＳＬｐの立下り期間ＴＦの影響が低減される。この結果、特に近距離の測距精度を向上させることが可能となる。なお、距離ｄが算出される際は、発光遅延時間Ｔｙに相当する距離をオフセットする必要がある。
　図１１を参照して、光強度安定期間ＴＳ及び発光遅延時間Ｔｙを予め設定する方法について説明する。図１１は、光強度安定期間及び発光遅延時間の設定方法を示すフローチャートである。図１２は、測距プロファイルの一例である。
　図１１に示されるように、まず初期設定として、各種測定条件が比較例に係る測距方法と同様に設定される（ステップＳ０１）。具体的には、第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅を測定したい距離範囲に対応する値Ｔ０とすることにより、測距レンジが設定される。駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐは同じくＴ０とされる。発光遅延時間Ｔｙは０とされる。発光遅延時間Ｔｙに合わせて算出距離ｄｃａｌに対する発光遅延時間Ｔｙのオフセットｄｏｆｓは０とされる。
　続いて、算出距離ｄｃａｌと実際の距離ｄとの関係を示す測距プロファイルが作成される（ステップＳ０２）。図１２に示されるように、測距プロファイルはリニアリティ領域Ａｌｉｎｅと、非リニアリティ領域Ａｓｈｏｒｔ，Ａｌｏｎｇとに分割される。
　続いて、測距プロファイルにおいて、リニアリティ領域Ａｌｉｎｅの距離範囲ｄｌｉｎｅ及びその下限値ｄｓｈｏｒｔが確認され、それぞれ対応する時間範囲Ｔｌｉｎｅ及びその下限値Ｔｓｈｏｒｔが算出される（ステップＳ０３）。ここでは、リニアリティ領域Ａｌｉｎｅの下限値ｄｓｈｏｒｔは、非リニアリティ領域Ａｓｈｏｒｔの距離範囲の値に対応している。
　続いて、測定条件の再設定が行われる（ステップＳ０４）。具体的には、駆動信号ＳＤのパルス幅ＴｐがＴ０＋（Ｔ０－Ｔｌｉｎｅ）とされる。発光遅延時間ＴｙがTｓｈｏｒｔとされる。発光遅延時間Ｔｙに合わせて、算出距離ｄｃａｌに対する発光遅延時間Ｔｙのオフセットｄｏｆｓがｄｓｈｏｒｔとされる。第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅は変更されない。
　続いて、再び測距プロファイルが作成される（ステップＳ０５）。続いて、測距プロファイルにおいて所望のリニアリティ特性が得られたか否かが判断される（ステップＳ０６）。具体的には、リニアリティ領域Ａｌｉｎｅの距離範囲ｄｌｉｎｅ、及びリニアリティ領域Ａｌｉｎｅの下限値ｄｓｈｏｒｔが所望の範囲内であるか否かが判断される。距離範囲ｄｌｉｎｅが広くなるほど、高い精度で測距できる距離範囲が広くなる。また、下限値ｄｓｈｏｒｔが小さくなるほど、高い精度で測距できる最小距離が短くなる。
　ステップＳ０６においてＹＥＳの場合、処理が終了される。これにより、発光遅延時間Ｔｙとして、時間範囲Ｔｌｉｎｅの下限値Ｔｓｈｏｒｔが予め設定される。また、光強度安定期間ＴＳとして、リニアリティ領域Ａｌｉｎｅに対応する時間範囲Ｔｌｉｎｅが予め設定される。なお、光強度安定期間ＴＳが予め設定されることにより、必然的にパルス幅Ｔｐ及び延長時間Ｔｘが予め設定される。また、ステップＳ０６においてＮＯの場合、ステップＳ０３の処理に移行され、ステップＳ０３～Ｓ０６の処理が繰り返される。
　本実施形態では、立上り期間ＴＲ及び立下り期間ＴＦの影響がなくなるわけではなく、測距レンジ全体を測距精度の高いリニアリティ領域Ａｌｉｎｅとすることはできない。しかしながら、光強度安定期間ＴＳが長く予め設定されることにより、パルス光Ｌｐの出射期間ＴＴにおける立上り期間ＴＲ及び立下り期間ＴＦの割合が相対的に低減され、立上り期間ＴＲ及び立下り期間ＴＦの影響を低減することができる。これにより、測距精度の高いリニアリティ領域Ａｌｉｎｅが、測距レンジ全体に占める割合が増え、測距精度が向上する。
　以上説明したように、本実施形態に係る測距方法では、光源ＬＳからパルス光Ｌｐを出射する際に、光源ＬＳからパルス光Ｌｐの出射期間ＴＴにおける光強度安定期間ＴＳが第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれよりも長く予め設定されたパルス光Ｌｐを出射する。
　また、本実施形態に係る測距装置１０は、パルス光Ｌｐの出射期間ＴＴにおける光強度安定期間ＴＳが第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれよりも長く予め設定されたパルス光Ｌｐを出射するように光源ＬＳを駆動する駆動部ＤＲＶを備える。
　これにより、第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２のそれぞれにわたり第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に蓄積される電荷量Ｑ１，Ｑ２において、光強度安定期間ＴＳに対応して蓄積される電荷量の割合が高くなり、立上り期間ＴＲ及び立下り期間ＴＦに対応して蓄積される電荷量の割合が低くなる。したがって、立上り期間ＴＲの影響により理想的な場合から減少する電荷量ｑ１の電荷量Ｑ１に対する影響が小さくなる。また、立下り期間ＴＦの影響により理想的な場合から増加する電荷量ｑ２の電荷量Ｑ２に対する影響が小さくなる。この結果、測距精度に対する光強度信号ＳＬｐの立上り期間ＴＲ及び立下り期間ＴＦの影響が低減され、測距精度を向上させることが可能となる。
　上述の式（１）を前提とした測距方法では、駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐが第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅と同じ長さに設定されれば、位相差Ｔｄが０から第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅となる距離まで測距可能である。しかしながら、駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐが第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅と同じ長さに設定されても、実際には、立上り期間ＴＲ及び立下り期間ＴＦの影響により、光強度安定期間ＴＳの幅が減少する。これに対し、駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐが意図的に長く予め設定されることにより、光強度安定期間ＴＳの幅が意図的に長く予め設定されれば、光強度安定期間ＴＳの幅が減少することによる影響を補うことができる。
　また、光源ＬＳからパルス光Ｌｐを出射する際に、第一期間Ｔ１の開始タイミングに発光遅延時間Ｔｙで遅延してパルス光Ｌｐが出射される。これにより、第二期間Ｔ２にわたり第二電荷蓄積領域ＦＤ２に蓄積される電荷量Ｑ２において、光強度安定期間ＴＳに対応して蓄積される電荷量の割合がより高まる。この結果、測距精度を特に近距離で向上させることが可能となる。
　また、第一期間Ｔ１の開始タイミングに対するパルス光Ｌｐの出射タイミングの発光遅延時間Ｔｙは、実際の距離ｄと距離センサＰ（ｍ，ｎ）により求めた距離ｄｃａｌとの相関関係を示す測距プロファイルのリニアリティ領域Ａｌｉｎｅの下限値ｄｓｈｏｒｔに対応する下限値Ｔｓｈｏｒｔに予め設定されている。この場合、距離０を当該下限値ｄｓｈｏｒｔにオフセットさせた条件で測定を行うことができる。このため、下限値ｄｓｈｏｒｔ未満の距離範囲に対しても、測距精度を向上させることが可能となる。
　また、距離センサＰ（ｍ，ｎ）は、第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２と、電荷発生領域で発生した電荷を第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２に送る第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２と、を有している。第一及び第二転送電極ＴＸ１，ＴＸ２には、第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２がそれぞれ与えられる。第一及び第二転送信号Ｓ１，Ｓ２は、位相が１８０度ずれている。これにより、パルス光Ｌｐが一回出射される度に、発生した電荷が第一及び第二電荷蓄積領域ＦＤ１，ＦＤ２にそれぞれ蓄積され、対象物ＯＪまでの距離ｄを求めることができる。したがって、対象物ＯＪまでの距離ｄの時間変化により、測距精度が低下するのを防ぐことができる。
　続いて、本実施形態の変形例が説明される。図１３は、変形例に係る距離センサの構成図である。なお、図１３では、遮光層ＬＩが省略されて示されている。
　図１３に示されるように、変形例に係る距離センサＰ（ｍ，ｎ）は、フォトゲート電極ＰＧと、第一電荷蓄積領域ＦＤ１と、第一転送電極ＴＸ１と、を有している。本変形例に係る距離センサＰ（ｍ，ｎ）は、第二電荷蓄積領域ＦＤ２と、第二転送電極ＴＸ２と、を有さない点で上述の実施形態と相違している。
　フォトゲート電極ＰＧは、平面視で矩形環状を呈している。本変形例では、フォトゲート電極ＰＧは、平面視で正方形環状を呈している。フォトゲート電極ＰＧの外縁は、距離センサＰ（ｍ，ｎ）の外縁と一致している。フォトゲート電極ＰＧの呈する正方形環の内側には、第一電荷蓄積領域ＦＤ１が形成されている。第一電荷蓄積領域ＦＤ１は、平面視で矩形状を呈している。本変形例では、第一電荷蓄積領域ＦＤ１は、平面視で正方形状を呈している。第一電荷蓄積領域ＦＤ１は、平面視で距離センサＰ（ｍ，ｎ）の略中央に位置している。
　フォトゲート電極ＰＧと第一電荷蓄積領域ＦＤ１との間には、第一転送電極ＴＸ１が形成されている。第一転送電極ＴＸ１は、平面視で矩形環状を呈している。本変形例では、第一電荷蓄積領域ＦＤ１は、平面視で正方形環状を呈している。
　図１４は、変形例に係る測距方法における各種信号のタイミングチャートである。
　図１４に示されるように、第一転送電極ＴＸ１に印加される第一転送信号Ｓ１は、所定のタイミングで間欠的に位相シフトが与えられている。本変形例では、第一転送信号Ｓ１は、１８０度のタイミングで１８０度の位相シフトが与えられている。第一転送信号Ｓ１は、０度のタイミングで駆動信号ＳＤに同期し、１８０度のタイミングで駆動信号ＳＤに１８０度の位相差を有している。
　本変形例では、０度のタイミングで第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積された電荷量Ｑ１、及び１８０度のタイミングで第一電荷蓄積領域ＦＤ１に蓄積された電荷量Ｑ２が順番に読み出される。これらの電荷量Ｑ１，Ｑ２に基づいて、距離ｄが算出される。
　このように距離センサＰ（ｍ，ｎ）は、電荷発生領域で発生した電荷を第一電荷蓄積領域ＦＤ１に送る第一転送電極ＴＸ１を有している。第一転送電極ＴＸ１には、１８０度のタイミングで間欠的に１８０度の位相シフトが与えられた第一転送信号Ｓ１が与えられている。この場合、少なくとも第一転送電極ＴＸ１及び第一電荷蓄積領域ＦＤ１が１つずつあれば測距可能となるので、距離センサＰ（ｍ，ｎ）を小型化することができる。
　本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では、測距プロファイルを作成しながら、延長時間Ｔｘ及び発光遅延時間Ｔｙの設定が行われたが、これに限られない。光源ＬＳから出射されたときのパルス光Ｌｐの光強度信号ＳＬｐの信号波形について既知の情報があれば、これに基づき延長時間Ｔｘ及び発光遅延時間Ｔｙが設定されてもよい。たとえば、光強度安定期間ＴＳの幅が既知であれば、第一及び第二期間Ｔ１，Ｔ２それぞれの幅と光強度安定期間ＴＳの幅との差を延長時間Ｔｘに設定することができる。
　また、光強度信号ＳＬｐの立上り期間ＴＲの幅が既知であれば、駆動信号ＳＤのパルス幅Ｔｐから立上り期間ＴＲの幅を引いた値を光強度安定期間ＴＳの幅と推測できる。この推測した光強度安定期間ＴＳの幅に基づき、同様に延長時間Ｔｘを設定することができる。
　また、光源ＬＳからパルス光Ｌｐを出射する際に、第一期間Ｔ１の開始タイミングに先行してパルス光Ｌｐを出射することもできる。この場合、発光遅延時間Ｔｙがマイナスの値とされる。上記式（１）により測距可能な距離範囲の最大値に近い領域、たとえば非リニアリティ領域Ａｌｏｎｇでは、光強度信号ＳＬｐの立上り期間ＴＲの影響が大きい。すなわち、この領域では、理想的な場合から減少する電荷量ｑ１の電荷量Ｑ１に対する影響が大きい。発光遅延時間Ｔｙをマイナスの値とすることにより、電荷量ｑ１の電荷量Ｑ１に対する影響が小さくなり、この領域における測距精度を向上させることができる。
　距離画像センサＲＳは、各距離センサＰ（ｍ，ｎ）が二次元状に配列されているが、一次元状に配置されたラインセンサであってもよい。なお、ラインセンサを回転させたり、ラインセンサ２つ用いて走査させたりすることによっても二次元画像を得ることができる。
　距離画像センサＲＳは、表面入射型の距離画像センサに限られない。距離画像センサＲＳは、裏面入射型の距離画像センサであってもよい。
　入射光に応じて電荷が発生する電荷発生領域をフォトダイオード（たとえば、埋め込み型のフォトダイオードなど）により構成してもよい。
　本実施形態に係る距離画像センサＲＳにおけるｐ型およびｎ型の各導電型は、上述したものとは逆になるように入れ替えられていてもよい。
　本発明は、測距方法及び測距装置に利用できる。
　１０…測距装置、Ａｌｉｎｅ…リニアリティ領域、ｄ…距離、ｄｓｈｏｒｔ…リニアリティ領域の下限値、ＦＤ１…第一電荷蓄積領域、ＦＤ２…第二電荷蓄積領域、Ｐ…距離センサ、ＰＧ…フォトゲート電極、Ｓ１…第一転送信号、Ｓ２…第二転送信号、Ｔ１…第一期間、Ｔ２…第二期間、ＴＸ１…第一転送電極（電荷転送部）、ＴＸ２…第二転送電極（電荷転送部）、ＬＳ…光源、ＣＯＮＴ…制御部（電荷転送部）、ＤＲＶ…駆動部（光源駆動部）、ＡＲＴ…演算部（距離演算部）、ＯＪ…対象物、Ｌｐ…パルス光、Ｌｒ…反射光、ＴＳ…光強度安定期間、ＴＴ…パルス光の出射期間、Ｔｙ…発光遅延時間（遅延時間）、Ｑ１，Ｑ２…電荷量。

Claims (6)

  1. 　対象物に向けてパルス光を出射する光源と、前記対象物での前記パルス光の反射光の入射に応じて電荷が発生する電荷発生領域と前記電荷発生領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積領域とを有する距離センサと、を用いた測距方法であって、
    　前記電荷発生領域に発生した電荷を、前記パルス光の出射期間に対する第一期間において前記電荷蓄積領域に送ることにより、前記第一期間にわたり前記電荷蓄積領域に蓄積し、
    　前記電荷発生領域に発生した電荷を、前記第一期間とタイミングが異なり、かつ、前記第一期間と同じ幅である第二期間において前記電荷蓄積領域に送ることにより、前記第二期間にわたり前記電荷蓄積領域に蓄積し、
    　前記第一期間にわたり前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷量と、前記第二期間にわたり前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷量と、に基づいて前記対象物までの距離を演算し、
    　前記光源から前記パルス光を出射する際に、前記光源から前記パルス光の出射期間における光強度安定期間が前記第一及び第二期間それぞれよりも長く予め設定されたパルス光を出射する、測距方法。
  2. 　前記光源から前記パルス光を出射する際に、前記第一期間の開始タイミングに遅延して前記パルス光を出射する、請求項１記載の測距方法。
  3. 　前記第一期間の開始タイミングに対する前記パルス光の出射タイミングの遅延時間は、実際の距離と前記距離センサにより求めた距離との相関関係を示す測距プロファイルのリニアリティ領域の下限値に対応する時間に予め設定された、請求項２記載の測距方法。
  4. 　前記距離センサは、複数の前記電荷蓄積領域と、前記電荷発生領域で発生した電荷を複数の前記電荷蓄積領域に送る複数の転送電極と、を有し、
    　複数の前記転送電極には、異なる位相の転送信号がそれぞれ与えられる、請求項１～３のいずれか一項に記載の測距方法。
  5. 　前記距離センサは、前記電荷発生領域で発生した電荷を前記電荷蓄積領域に送る転送電極を有し、
    　前記転送電極には、所定のタイミングで間欠的に位相シフトが与えられた転送信号が与えられる、請求項１～３のいずれか一項に記載の測距方法。
  6. 　対象物に向けてパルス光を出射する光源と、前記対象物での前記パルス光の反射光の入射に応じて電荷が発生する電荷発生領域と前記電荷発生領域で発生した電荷を蓄積する電荷蓄積領域とを有する距離センサと、を備える測距装置であって、
    　前記電荷発生領域に発生した電荷を、前記パルス光の出射期間に対する第一期間において前記電荷蓄積領域に送ることにより、前記第一期間にわたり前記電荷蓄積領域に蓄積させ、前記電荷発生領域に発生した電荷を、前記第一期間とタイミングが異なり、かつ、前記第一期間と同じ幅である第二期間において前記電荷蓄積領域に送ることにより、前記第二期間にわたり前記電荷蓄積領域に蓄積させる電荷転送部と、
    　前記第一期間にわたり前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷量と、前記第二期間にわたり前記電荷蓄積領域に蓄積された電荷量と、に基づいて前記対象物までの距離を演算する距離演算部と、
    　前記パルス光の出射期間における光強度安定期間が前記第一及び第二期間それぞれよりも長く予め設定されたパルス光を出射するように前記光源を駆動する光源駆動部と、を備える測距装置。
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