測距システム及び測距方法
【課題】測定精度を向上することが可能な測距システム及び測距方法を提供する。
【解決手段】環境光Ｌｓのみが入射する期間Ｐ１、Ｐ２において第１スイッチング素子６０ａ、６０ｂのゲートＧ１１、Ｇ１２を開いて電荷量Ｑ１、Ｑ２を求める。環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが入射する期間Ｐ３、Ｐ４（それぞれ期間Ｐ１、Ｐ２と同じ長さである。）において第１スイッチング素子６０ｃ、６０ｄのゲートＧ１３、Ｇ１４を開いて電荷量Ｑ３、Ｑ４を求める。差Ｑ４−Ｑ２と差Ｑ３−Ｑ１との比と、往復期間ΔＰ（パルス光Ｌｐが測距システム１０と対象物Ｗの間を往復する期間）と期間Ｐ３との比が等しいことを利用して往復期間ΔＰを演算する。往復期間ΔＰと光速ｃに基づき、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄを求める。
【解決手段】環境光Ｌｓのみが入射する期間Ｐ１、Ｐ２において第１スイッチング素子６０ａ、６０ｂのゲートＧ１１、Ｇ１２を開いて電荷量Ｑ１、Ｑ２を求める。環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが入射する期間Ｐ３、Ｐ４（それぞれ期間Ｐ１、Ｐ２と同じ長さである。）において第１スイッチング素子６０ｃ、６０ｄのゲートＧ１３、Ｇ１４を開いて電荷量Ｑ３、Ｑ４を求める。差Ｑ４−Ｑ２と差Ｑ３−Ｑ１との比と、往復期間ΔＰ（パルス光Ｌｐが測距システム１０と対象物Ｗの間を往復する期間）と期間Ｐ３との比が等しいことを利用して往復期間ΔＰを演算する。往復期間ΔＰと光速ｃに基づき、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄを求める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、タイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いる測距システム及び測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物への距離を非接触に測定する測距システムとしてタイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いたものが知られている。ＴＯＦ法は、対象物に対して光を放射し、光が放射されてから対象物に当たってはねかえって来るまでの期間を測定し、この期間と光速に基づいて対象物までの距離を測定する（特許文献１、２、非特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１では、測距システムにおけるパルス光の放射タイミングや２つの受光素子の動作タイミングが具体的に説明されている。すなわち、パルス光の放射と放射停止を同じ長さ（発光素子の駆動デューティが５０％）で繰り返すと共に、パルス光の放射と放射停止に同期させて、交互に２つの方向に電荷を転送させる（非特許文献１の図１参照）。そして、２つの出力電圧の相違に基づきパルス光が対象物で反射して戻って来るまでの期間を判定する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８１３３６号公報
【特許文献２】特開平０８−３１３２１５号公報
【非特許文献１】宮川良平、金出武雄、「CCD-Based Range-Finding Sensor」、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 44, NO. 10、１９９７年１０月、ｐ．１６４８〜１６５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載された測距システムは、測定精度の点で未だ改良の余地がある。例えば、同測距システムの受光素子は、反射光に加え、太陽光等の環境光をも受光するが、環境光の影響を考慮した処理がなされていない。反射光と共に環境光が受光された場合、受光素子から出力される電荷は、反射光と環境光に対応するものとなる。このため、反射光に対応する電荷が相対的に少なくなり、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）が低下してしまう。また、光の強度は、距離の二乗に比例する。このため、非特許文献１の測距システムでは、測定レンジ（測定可能な距離の範囲）を大きくしようとすると、距離の二乗に対応させて受光素子の検出感度（ダイナミックレンジ）を大きくする必要が生じてしまう。
【０００６】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、測定精度を向上することが可能な測距システム及び測距方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る測距システムは、対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置とを有するものであって、前記受光装置は、前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子からの前記光電子を蓄積する第１乃至第４キャパシタと、前記光電変換素子からの前記光電子を排出する光電子排出部と、前記光電変換素子と前記第１乃至第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１乃至第４キャパシタに対して振り分ける第１乃至第４ゲート電極と、前記光電変換素子と前記光電子排出部との間に配置され、前記光電変換素子から前記光電子排出部への前記光電子の供給を制御する第５ゲート電極とを備え、前記パルス光の放射開始時点を時点Ｔｅｕ、前記パルス光の放射終了時点を時点Ｔｅｄ、前記光電変換素子に対する前記反射光の入射終了時点を時点Ｔｒｄ、前記第１乃至第４ゲート電極を開く時点を時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕ、前記第１乃至第４ゲート電極を閉じる時点を時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄ、前記時点Ｔｇ１ｕから前記時点Ｔｇ１ｄまでの期間を期間Ｐ１、前記時点Ｔｇ２ｕから前記時点Ｔｇ２ｄまでの期間を期間Ｐ２、前記時点Ｔｇ３ｕから前記時点Ｔｇ３ｄまでの期間を期間Ｐ３、前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｇ４ｄまでの期間を期間Ｐ４、前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｒｄまでの期間を期間Ｐｓｒ、前記期間Ｐ１の間に前記第１キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ１、前記期間Ｐ２の間に前記第２キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ２、前記期間Ｐ３の間に前記第３キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ３、前記期間Ｐ４の間に前記第４キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ４、前記パルス光が放射されてから前記対象物で反射して前記反射光として戻ってくるまでの期間を往復期間ΔＰ、及び前記測距システムと前記対象物との距離を距離Ｄとするとき、前記制御装置は、（１）Ｐ１＝Ｐ３、（２）Ｐ２＝Ｐ４、及び（３）Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ≦Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ、又は、Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ＜Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄとなるように、前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１乃至第４ゲート電極の開閉を制御し、前記第１乃至第４ゲート電極が全て閉じているとき、前記第５ゲート電極を開いて前記光電子を外部に排出させ、前記演算装置は、前記第３キャパシタに蓄積され、環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ３と、前記第１キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ１との差に基づいて、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報を取得し、前記第４キャパシタに蓄積され、前記環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ４と、前記第２キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ２との差に基づいて、前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報を取得し、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報及び前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報の比と、前記期間Ｐ３及び前記期間Ｐｓｒの比とに基づいて前記往復期間ΔＰを演算し、前記往復期間ΔＰに基づいて前記距離Ｄを測定することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、測距システムのダイナミックレンジを向上させることができると共に、環境光の影響を軽減又は排除することが可能となる。その結果、測距システムの測定精度を向上することが可能となる。
【０００９】
すなわち、この発明では、光電変換素子に環境光のみが入射する期間Ｐ１に蓄積される電荷量Ｑ１と、光電変換素子に環境光と反射光の両方が入射する期間Ｐ３に蓄積される電荷量Ｑ３を求める。期間Ｐ１と期間Ｐ３とは同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ３と電荷量Ｑ１の差（Ｑ３−Ｑ１）から、期間Ｐ３における反射光に対応する電荷量（期間Ｐ３における反射光の光量［Ｊ］に対応する）を求めることができる。
【００１０】
また、光電変換素子に環境光のみが入射する期間Ｐ２に蓄積される電荷量Ｑ２と、期間Ｐ４に蓄積される電荷量Ｑ４を求める。期間Ｐ４には、環境光と反射光の両方が光電変換素子に入射していた期間（期間Ｐｓｒ）と、環境光のみが光電変換素子に入射していた期間（期間Ｐｓ）が含まれる。期間Ｐ２と期間Ｐ４は同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２の差（Ｑ４−Ｑ２）から、期間Ｐ４のうち期間Ｐｓｒに対応する電荷量（期間Ｐｓｒにおける反射光の光量に対応する）を求めることができる。
【００１１】
ここで、反射光が光電変換素子に入射している間、反射光の強度（単位時間当たりの光量［Ｗ］）が一定であるとすると、電荷量Ｑ４及び電荷量Ｑ２の差と電荷量Ｑ３及び電荷量Ｑ１の差との比（Ｑ４−Ｑ２：Ｑ３−Ｑ１）は、期間Ｐｓｒと期間Ｐ３との比（Ｐｓｒ：Ｐ３）と等しい。このため、期間Ｐｓｒは、下記の式で求めることができる。
Ｐｓｒ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３
【００１２】
ここで、時点Ｔｅｄと時点Ｔｇ４ｕが等しいとき、期間Ｐｓｒは往復期間ΔＰと等しい。また、時点Ｔｅｄが時点Ｔｇ４ｕよりも後であるとき、期間Ｐｓｒは、往復期間ΔＰと時点Ｔｅｄから時点Ｔｇ４ｕまでの期間との差｛ΔＰ−（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ）｝と等しい。時点Ｔｅｄと時点Ｔｇ４ｕは、設定値とすることができるため、この場合も往復期間ΔＰを求めることができる。従って、いずれの場合も往復期間ΔＰを演算することが可能であり、その結果、往復期間ΔＰと光速（約３０万キロメートル毎秒）に基づき距離Ｄを求めることができる。
【００１３】
そして、上記測距システムでは、環境光によって生じる電荷量を取り除くため、環境光の影響を排除又は軽減することができる。
【００１４】
また、距離Ｄが短くなる程、反射光の入射期間（往復期間ΔＰ）が短くなり、距離Ｄが長くなる程、反射光の入射期間が長くなる。一般に、同じ対象物であれば、距離Ｄが短い程、反射光の強度［Ｗ］は大きくなり、距離Ｄが長い程、反射光の強度は小さくなる。このため、距離Ｄが短い場合、強度の大きい反射光を短期間入射させ、距離Ｄが長い場合、強度の小さい反射光を長期間入射させることとなる。その結果、距離Ｄの変化量と比較して、期間Ｐｓｒに入射する反射光の累積光量の変化量は小さくなる。このことは、測距システムのダイナミックレンジを狭くすることが可能であることを意味する。従って、測距システムのダイナミックレンジを向上させることができる。
【００１５】
上記において、前記制御装置は、測定周期毎に前記発光装置に前記パルス光を複数回放射させ、前記演算装置は、前記第１乃至第４キャパシタそれぞれに前記光電子を複数回蓄積した後の前記電荷量Ｑ１乃至Ｑ４を用いて前記往復期間ΔＰを演算してもよい。一般に、環境光（例えば、太陽光）の強度は常に変化している。各測定周期にパルス光を複数回放射し、これに応じた回数だけ前記光電子を蓄積した後の電荷量Ｑ１乃至Ｑ４を用いて往復期間ΔＰを演算することで、環境光の強度を平均化することができる。その結果、環境光によって生じる電荷量を取り除く精度を高め、測定精度を向上させることができる。
【００１６】
前記発光装置は、前記パルス光の放射期間を各測定周期の１パーセント以下に設定し、且つ前記受光装置は、前記第１乃至第４ゲート電極を開く期間を各測定周期の１パーセント以下に設定してもよい。これにより、他の測距システムとの干渉（他の測距システムからのパルス光を当該測距システムからのパルス光と誤認識すること）の可能性を低くすることができる。また、ノイズ成分としての環境光の影響を小さくし、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を向上することができる。さらに、エイリアシング現象（前回以前の測定周期で放射したパルス光が今回の測定周期で検出される現象）の発生を防止することができる。
【００１７】
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４キャパシタにそれぞれのゲートが接続され、前記第１乃至第４キャパシタの電位に応じた電圧を出力する第１乃至第４増幅器を有してもよい。
【００１８】
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４キャパシタの電位をリセットするための電源及び第６ゲート電極を有してもよい。
【００１９】
前記光電変換素子は、例えば、フォトダイオード、埋込フォトダイオード又はフォトゲートとすることができる。前記第１乃至第４キャパシタは、例えば、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込フォトダイオード又はＰＮ接合部とすることができる。
【００２０】
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４ゲート電極及び前記第１乃至第４キャパシタを遮光する遮光部を有してもよい。
【００２１】
前記発光装置は、発光ダイオード、レーザダイオード又は半導体レーザバーである発光素子を有してもよい。さらに、前記半導体レーザバーを複数備え、複数の前記半導体レーザバーを配列させてもよい。
【００２２】
前記受光装置は、前記光電変換素子、前記第１乃至第４キャパシタ、前記光電子排出部及び前記第１乃至第５ゲート電極を備える複数の画素が設けられたラインセンサ又はイメージセンサを有してもよい。
【００２３】
この発明に係る測距方法は、対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置とを有する測距システムを用いるものであって、基準期間における反射光の累積光量である反射光基準光量を求める工程と、測定期間における前記反射光の累積光量である反射光測定光量を求める工程と、前記測定期間のうち、前記受光装置の光電変換素子に対して前記反射光が入射していた期間である反射光入射期間を、前記反射光測定光量及び前記反射光基準光量の比と前記反射光入射期間及び前記基準期間の比とに基づいて演算する工程と、前記反射光入射期間に基づいて前記測距システムと前記対象物との距離を算出する工程とを有することを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、測距システムのダイナミックレンジを向上させ、測定精度を向上することが可能となる。すなわち、この発明では、測定期間のうち、受光装置の光電変換素子に対して反射光が入射していた期間である反射光入射期間を、反射光測定光量及び反射光基準光量の比と反射光入射期間及び基準期間の比とに基づいて演算する。測距システムと対象物との距離が短くなる程、反射光入射期間が短くなり、前記距離が長くなる程、反射光入射期間が長くなる。一般に、同じ対象物であれば、前記距離が短い程、反射光の強度は大きくなり、前記距離が長い程、反射光の強度は小さくなる。このため、前記距離が短い場合、強度の大きい反射光を短期間入射させ、前記距離が長い場合、強度の小さい反射光を長期間入射させることとなる。その結果、前記距離の変化量と比較して、反射光入射期間に入射する反射光の累積光量の変化量は小さくなる。このことは、測距システムのダイナミックレンジを狭くすることが可能であることを意味する。従って、測距システムのダイナミックレンジを向上させることができる。
【００２５】
前記反射光基準光量を求める工程は、第１基準期間における環境光の累積光量である環境光基準光量を求める工程と、前記第１基準期間と同じ長さの第２基準期間における前記環境光及び前記反射光の累積合成光量である合成光基準光量を求める工程と、前記合成光基準光量から前記環境光基準光量を差し引いて前記第２基準期間における前記反射光基準光量を算出する工程とを含み、前記反射光測定光量を求める工程は、第１測定期間における前記環境光の累積光量である環境光測定光量を求める工程と、前記第１測定期間と同じ長さの第２測定期間における前記環境光及び前記反射光の累積合成光量である合成光測定光量を求める工程と、前記合成光測定光量から前記環境光測定光量を差し引いて前記第２基準期間における前記反射光測定光量を算出する工程とを含んでもよい。これにより、環境光の累積光量を取り除くため、環境光の影響を排除又は軽減することができる。
【００２６】
各測定周期に前記第１基準期間、前記第２基準期間、前記第１測定期間及び前記第２測定期間をそれぞれ複数設定し、前記環境光基準光量を、各第１基準期間における前記環境光の累積光量の合計値として求め、前記合成光基準光量を、各第２基準期間における前記累積合成光量の合計値として求め、前記環境光測定光量を、各第１測定期間における前記環境光の累積光量の合計値として求め、前記合成光測定光量を、各第２測定期間における前記累積合成光量の合計値として求めてもよい。一般に、ノイズ成分としての環境光（例えば、太陽光）の強度は常に変化している。各測定周期に第１基準期間、第２基準期間、第１測定期間及び第２測定期間をそれぞれ複数設定し、環境光基準光量を、各第１基準期間における環境光の累積光量の合計値として求め、合成光基準光量を、各第２基準期間における累積合成光量の合計値として求め、環境光測定光量を、各第１測定期間における環境光の累積光量の合計値として求め、合成光測定光量を、各第２測定期間における累積合成光量の合計値として求めることで、環境光の強度を平均化することができる。その結果、環境光によって生じる電荷量を取り除く精度を高め、測定精度を向上することができる。
【００２７】
前記パルス光の放射期間、前記基準期間及び前記測定期間それぞれが占める割合を各測定周期の１パーセント以下に設定してもよい。これにより、他の測距システムとの干渉（他の測距システムからのパルス光を当該測距システムからのパルス光と誤認識すること）の可能性を低くすることができる。また、ノイズ成分としての環境光の影響を小さくし、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を向上することができる。さらに、エイリアシング現象（前回以前の測定周期で放射したパルス光が今回の測定周期で検出される現象）の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００２８】
この発明によれば、測距システムのダイナミックレンジを向上させることができると共に、環境光の影響を軽減又は排除することが可能となる。その結果、測距システムの測定精度を向上することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
Ａ．一実施形態
以下、この発明の一実施形態に係る測距システムについて図面を参照して説明する。
【００３０】
１．測距システム１０の構成
（１）測距システム１０の全体構成
図１は、この発明の一実施形態に係る測距システム１０の構成図である。測距システム１０は、後述するイメージセンサ３０の各画素３２の出力に基づき測定した距離を用いた三次元画像を取得するものであり、発光装置１２と、受光装置１４と、制御装置１６と、演算装置１７とを有する。測距システム１０では、制御装置１６からの指令に応じて発光装置１２の発光部１８から出射されたパルス光Ｌｐが対象物Ｗで反射し、受光装置１４に入射する。受光装置１４には、太陽光等の環境光Ｌｓも入射する。受光装置１４は、制御装置１６からの指令に基づき受光量に応じた電荷を示す信号（蓄積電荷信号Ｓｃ）を演算装置１７に出力する。演算装置１７は、パルス光Ｌｐが発光装置１２から受光装置１４まで到達する期間（往復期間ΔＰ）［ｓ］を算出し、この往復期間ΔＰに基づいて測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄ［ｍ］を演算する。演算装置１７の演算結果は、例えば、図示しない表示装置に出力される。説明の便宜のため、発光装置１２から対象物Ｗまでのパルス光Ｌｐを放射光Ｌｅと、対象物Ｗから受光装置１４までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【００３１】
（２）発光装置１２
発光装置１２は、制御装置１６からの指令に基づきパルス光Ｌｐを出力する発光部１８を有する。本実施形態において、発光装置１２の発光部１８は、発光点（エミッタ）を直線状に設けた半導体レーザバーを積層（直列接続）して、面発光が可能とされたものである。
【００３２】
本実施形態の発光部１８は、波長が８７０ナノメートル（ｎｍ）の赤外光を１００ワット（Ｗ）の出力で放射可能である。また、本実施形態では、各測定周期Ｃｍ（測定値を求める周期）において、複数回の露光処理（電荷蓄積処理）が行われる（図５参照）。露光処理の周期（露光周期又は電荷蓄積周期Ｔｃａ２）が１００マイクロ秒（μｓ）であるところ、発光部１８は、パルス光Ｌｐを１００ナノ秒（ｎｓ）の出力時間（パルス幅）で出力する。換言すると、発光部１８の駆動デューティは、０．１パーセント（％）である。
【００３３】
なお、発光部１８は、リニアアレイ状の発光点を有していてもよく、或いは、マトリックス状に並べられた複数の発光点を有するものであってもよい。発光素子としてレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等のその他の発光素子を用いてもよい。また、発光部１８が放射するパルス光Ｌｐは、その他の波長でもよく、例えば、７００ｎｍより長く１０５０ｎｍ以下としてもよい。さらに、発光部１８の出力は、その他の値でもよく、例えば、２０Ｗより大きく１０ｋＷ以下としてもよい。さらにまた、パルス光Ｌｐのパルス幅は、その他の長さでもよく、例えば、１０ナノ秒以上１ミリ秒以下としてもよい。加えて、発光部１８の駆動デューティは、その他の値でもよく、例えば、０．０１％以上１％以下としてもよい。
【００３４】
（３）受光装置１４
（ａ）受光装置１４の全体構成
図１に示すように、受光装置１４は、レンズ２０と、受光部２２とを有する。レンズ２０を通過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、受光部２２に集光される。レンズ２０は、直線状又はマトリックス状に配列された複数のレンズであってもよい。
【００３５】
図２に示すように、受光部２２は、マトリックス状に画素３２が配置されたイメージセンサ３０と、第１電源３４と、第２電源３６と、ゲート駆動回路３８と、垂直選択回路４０と、サンプルホールド回路４１と、水平選択回路４２と、出力バッファ４３と、Ａ／Ｄコンバータ４４とを有する。
【００３６】
イメージセンサ３０は、各画素３２の受光量に応じた蓄積電荷信号Ｓｃを水平選択回路４２を介して出力する。第１電源３４は、イメージセンサ３０に対して電源電圧ＶＤＤ［Ｖ］を印加し、第２電源３６は、イメージセンサ３０に対して基準電圧Ｖｒｅｆ［Ｖ］を印加する。ゲート駆動回路３８は、ゲート駆動信号Ｓｄｇ（後述するゲート駆動信号Ｓｄｇ１〜Ｓｄｇ４、リセット信号Ｓｒｅｓｅｔ１〜Ｓｒｅｓｅｔ４及び光電子排出信号Ｓｄｅの総称）を出力することによりイメージセンサ３０の第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄ（図３）、第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄ及び第４スイッチング素子７０のゲートを選択的に駆動する。垂直選択回路４０は、マルチプレクサ（図示せず）を有し、読出しを行う画素３２が属する行に対して選択的に読出信号Ｓｒｅａｄ１〜Ｓｒｅａｄ４を出力し、当該画素３２から蓄積電荷信号Ｓｃを出力させる。水平選択回路４２は、別のマルチプレクサ（図示せず）を有し、読出しを行う画素３２が属する列を選択する。画素３２から読み出された蓄積電荷信号Ｓｃは、定電流回路５８ａ、５８ｂ（図３）によりセンサ出力が出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２に変換され、サンプルホールド回路４１に一旦蓄積された後、水平選択回路４２から出力される。そして、蓄積電荷信号Ｓｃは、出力バッファ４３及びＡ／Ｄコンバータ４４を介して演算装置１７に送信される。この蓄積電荷信号Ｓｃを受信した演算装置１７は、蓄積電荷信号Ｓｃから反射光Ｌｒの光量（光量Ａｒ）を判定して、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄを演算する（詳細は後述する。）。
【００３７】
（ｂ）画素３２
図３には、１つの画素３２の回路図が示されている。図３に示すように、画素３２は、光電変換素子５０と、第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄと、光電子排出部５４と、出力線５６ａ、５６ｂとを備える。また、画素３２の列毎に、定電流回路５８ａ、５８ｂが配置されている。
【００３８】
（ｉ）光電変換素子５０
本実施形態の光電変換素子５０は、埋込型フォトダイオード（pinned photodiode）であり、反射光Ｌｒの光量Ａｒに応じた光電子を発生する。光電変換素子５０は、埋込型以外のフォトダイオードやフォトゲート等の別の光電変換素子であってもよい。
【００３９】
（ｉｉ）第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄ
第１電荷蓄積部５２ａは、第１スイッチング素子６０ａと、キャパシタ６２ａと、増幅器６４ａと、第２スイッチング素子６６ａと、第３スイッチング素子６８ａとを有する。同様に、第２〜第４電荷蓄積部５２ｂ〜５２ｄは、第１スイッチング素子６０ｂ〜６０ｄと、キャパシタ６２ｂ〜６２ｄと、増幅器６４ｂ〜６４ｄと、第２スイッチング素子６６ｂ〜６６ｄと、第３スイッチング素子６８ｂ〜６８ｄとを有する。本実施形態において、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄ、増幅器６４ａ〜６４ｄ、第２スイッチング素子６６ａ〜６６ｄ及び第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄはいずれもＮＭＯＳ型トランジスタである。
【００４０】
第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄは、光電変換素子５０で発生した光電子を第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄのいずれに供給するかを選択する。すなわち、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄでは、ソースＳ１１〜Ｓ１４が光電変換素子５０に接続され、ドレインＤ１１〜Ｄ１４が第１〜第４キャパシタ６２ａ〜６２ｄに接続され、ゲートＧ１１〜Ｇ１４がゲート駆動回路３８に接続されている。ゲートＧ１１〜Ｇ１４に対するゲート駆動回路３８からのゲート駆動信号Ｓｄｇ１〜Ｓｄｇ４に応じて第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄのオン・オフを選択的に制御することにより、光電変換素子５０で発生した光電子が、第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄのいずれかに振り分けられる。例えば、第１スイッチング素子６０ａをオンにしたとき、第１電荷蓄積部５２ａに光電子が移動される。なお、後述するように、本実施形態では、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄの全てがオフの場合、光電変換素子５０で発生した光電子は、光電子排出部５４を介して排出される。
【００４１】
キャパシタ６２ａは、第１スイッチング素子６０ａがオンのとき、光電変換素子５０で発生した光電子を蓄積する。同様に、キャパシタ６２ｂ〜６２ｄは、第１スイッチング素子６０ｂ〜６０ｄがオンのとき、光電変換素子５０で発生した光電子を蓄積する。
【００４２】
増幅器６４ａは、第２スイッチング素子６６ａのゲートＧ３１がオンになっているとき、キャパシタ６２ａに蓄積された電荷量（電荷量Ｑ１）［Ｃ］に応じた蓄積電荷信号Ｓｃを出力線５６ａに対して出力する。なお、増幅器６４ａのドレインＤ２１が第１電源３４の正の電源電圧ＶＤＤに接続され、ゲートＧ２１がキャパシタ６２ａに接続されて、ソースＳ２１が第２スイッチング素子６６ａを介して、出力線５６ａに接続されている。このため、電荷量Ｑ１に応じた電圧（電圧Ｖ１）［Ｖ］である蓄積電荷信号Ｓｃが増幅器６４ａから出力される。
【００４３】
同様に、増幅器６４ｂ〜６４ｄは、第２スイッチング素子６６ｂ〜６６ｄのゲートＧ３２〜Ｇ３４がオンになっているとき、キャパシタ６２ｂ〜６２ｄに蓄積された電荷量（電荷量Ｑ２〜Ｑ４）［Ｃ］に応じた蓄積電荷信号Ｓｃを出力線５６ａ、５６ｂに対して出力する。すなわち、増幅器６４ｂ〜６４ｄでは、ソースＳ２２〜Ｓ２４が第２スイッチング素子６６ｂ〜６６ｄ及び出力線５６ａ、５６ｂを介して第１電源３４の負側の電源電圧ＶＳＳに接続され、ドレインＤ２２〜Ｄ２４が第１電源３４の正側の電源電圧ＶＤＤに接続され、ゲートＧ２２〜Ｇ２４がキャパシタ６２ｂ〜６２ｄに接続されている。このため、電荷量Ｑ２〜Ｑ４に応じた電圧（電圧Ｖ２〜Ｖ４）［Ｖ］である蓄積電荷信号Ｓｃが増幅器６４ｂ〜６４ｄから出力される。
【００４４】
第２スイッチング素子６６ａ〜６６ｄは、増幅器６４ａ〜６４ｄからの電圧Ｖ１〜Ｖ４を出力線５６ａ、５６ｂに供給するかどうかを切り替える。すなわち、第２スイッチング素子６６ａ〜６６ｄでは、ソースＳ３１〜Ｓ３４が出力線５６ａ、５６ｂに接続され、ドレインＤ３１〜Ｄ３４が増幅器６４ａ〜６４ｄのソースＳ２１〜Ｓ２４に接続され、ゲートＧ３１〜Ｇ３４が垂直選択回路４０に接続されている。このため、垂直選択回路４０からゲートＧ３１〜Ｇ３４にゲート駆動信号（読出信号Ｓｒｅａｄ１〜Ｓｒｅａｄ４）を選択的に送信すること（ゲートＧ３１〜Ｇ３４に印加される電圧を選択的にハイにすること）により、ゲートＧ３１〜Ｇ３４を選択的にオンにし、キャパシタ６２ａ〜６２ｄからの蓄積電荷信号Ｓｃを出力線５６ａ、５６ｂに対して選択的に出力することができる。出力線５６ａ、５６ｂに供給された蓄積電荷信号Ｓｃは、サンプルホールド回路４１、水平選択回路４２、出力バッファ４３及びＡ／Ｄコンバータ４４を介して演算装置１７に供給される。
【００４５】
反対に、ゲートＧ３１〜Ｇ３４に読出信号Ｓｒｅａｄ１〜Ｓｒｅａｄ４の送信がないとき（ゲートＧ３１〜Ｇ３４に印加される電圧が全てローであるとき）、ゲートＧ３１〜Ｇ３４はオンにならず（増幅器６４ａ〜６４ｄのドレインＤ２１〜Ｄ２４からソースＳ２１〜Ｓ２４に電流は流れず）、キャパシタ６２ａ〜６２ｄからの蓄積電荷信号Ｓｃは出力線５６ａ、５６ｂに対して出力されない。
【００４６】
第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄは、キャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積されている電荷量Ｑ１〜Ｑ４をリセットする。すなわち、第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄでは、ソースＳ４１〜Ｓ４４がキャパシタ６２ａ〜６２ｄに接続され、ドレインＤ４１〜Ｄ４４が第２電源３６の正側の基準電圧Ｖｒｅｆに接続され、ゲートＧ４１〜Ｇ４４がゲート駆動回路３８に接続されている。このため、ゲートＧ４１〜Ｇ４４に対するゲート駆動回路３８からのゲート駆動信号（リセット信号Ｓｒｅｓｅｔ１〜Ｓｒｅｓｅｔ４）に応じて第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄを選択的に又は一斉にオンすることにより、キャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積されている光電子を第２電源３６に移動させ、キャパシタ６２ａ〜６２ｄの電荷量Ｑ１〜Ｑ４をリセットすることができる。
【００４７】
（ｉｉｉ）光電子排出部５４
光電子排出部５４は、光電子排出用の第４スイッチング素子７０を有する。第４スイッチング素子７０は、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄの全てがオフにされているとき（すなわち、光電変換素子５０で発生した光電子を第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄに振り分けないとき）に当該光電子を排出する。すなわち、第４スイッチング素子７０では、ソースＳ５が光電変換素子５０に接続され、ドレインＤ５が第１電源３４の正側の電源電圧ＶＤＤに接続され、ゲートＧ５がゲート駆動回路３８に接続されている。このため、ゲート駆動回路３８からゲートＧ５にゲート駆動信号（光電子排出信号Ｓｄｅ）を送信すること（ゲートＧ５に供給される電圧をハイにすること）により、ゲートＧ５をオンにし、光電変換素子５０で発生した光電子を、第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄに振り分けることなく、排出することができる。これにより、第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄには、ゲートＧ１１〜Ｇ１４がオンしている期間に光電変換素子５０で発生した光電子のみを振り分けることが可能となる。その結果、後述する方法により、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄを測定することが可能となる。
【００４８】
（ｉｖ）画素３２の構成例
図４には、画素３２の一部縦断面図が示されている。図４に示すように、本実施形態の画素３２は、Ｐ型の基板８０と、Ｐ型の第１半導体領域８２と、Ｎ型の第２半導体領域８４と、Ｎ型の第３半導体領域８６と、ポリシリコン層からなる転送ゲート８８と、遮光部９０とを有する。
【００４９】
第１半導体領域８２の上面全体は、外部に露出し、反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓが入射可能である。
【００５０】
本実施形態では、第１半導体領域８２と第２半導体領域８４とで光電変換素子５０を構成する。上述のように、本実施形態の光電変換素子５０は、埋込型フォトダイオードである。また、基板８０と、第２半導体領域８４と、第３半導体領域８６と、転送ゲート８８とで、第１スイッチング素子６０ａを構成する。さらに、第３半導体領域８６は、フローティング・ディフュージョンとしても機能し、本実施形態のキャパシタ６２ａを構成する。
【００５１】
遮光部９０は、第３半導体領域８６の上面と転送ゲート８８とを覆うように配置される。これにより、第３半導体領域８６及び転送ゲート８８に対する反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓが遮られる。
【００５２】
２．測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄの測定方法
次に、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄ［ｍ］を測定する方法について説明する。
【００５３】
（１）測定周期Ｃｍ
図５に示すように、測距システム１０では、各測定周期Ｃｍ（測定値を求める周期）［回／ｓ］は、キャパシタ６２ａ〜６２ｄに電荷を累積的に蓄積する累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１［ｓ］と、キャパシタ６２ａ〜６２ｄに累積的に蓄積された電荷を読み出す読出し期間Ｔｒ［ｓ］とからなる。さらに、累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１は、画素３２にパルス光Ｌｐを露光し、キャパシタ６２ａ〜６２ｄに電荷を蓄積する処理（電荷蓄積処理）を１回行うための電荷蓄積期間Ｔｃａ２を複数含む。本実施形態において、累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１及び読出し期間Ｔｒは、１０ミリ秒である。また、各電荷蓄積期間Ｔｃａ２は、１００マイクロ秒である。さらに、各電荷蓄積期間Ｔｃａ２におけるパルス光Ｌｐの出力時間（パルス幅）は、１００ナノ秒である。従って、各電荷蓄積期間Ｔｃａ２における発光部１８の駆動デューティは、０．１パーセントである。
【００５４】
なお、上述したように、測距システム１０は、測定結果を三次元画像として出力可能であるため、各測定周期Ｃｍは、三次元画像のフレームレート［フレーム／ｓ］としても定義可能である。
【００５５】
本実施形態では、累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１において電荷蓄積処理を１００回行い、これに伴ってキャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを測定する。
【００５６】
（２）測定方法の概要（１つの電荷蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合）
上記のように、本実施形態では、累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１全体でキャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを測定するが、発明の理解を容易化するため、以下では、まずは、１つの電荷蓄積期間Ｔｃａ２のみでキャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを求める場合を説明する。
【００５７】
図６には、電荷蓄積期間Ｔｃａ２における放射光Ｌｅ、反射光Ｌｒ、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄのゲートＧ１１〜Ｇ１４及び第４スイッチング素子７０のゲートＧ５のタイミングチャートが示されている。
【００５８】
詳細は後述するが、本実施形態では、反射光Ｌｒの強度Ｉｒ［Ｗ］が一定であれば、反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射した期間（反射光入射期間Ｐｒｉ）［ｓ］と、反射光入射期間Ｐｒｉにおける反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）［Ｊ］とが比例関係にあることを利用して、距離Ｄを測定する。
【００５９】
すなわち、第１基準期間としての期間Ｐ１において、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（環境光基準光量Ａｒｓ）［Ｊ］（キャパシタ６２ａの電荷量Ｑ１）を求め、第２基準期間としての期間Ｐ３（＝Ｐ１）において、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（合成光基準光量Ａｒｉ）［Ｊ］（キャパシタ６２ｃの電荷量Ｑ３）を求める。また、第１測定期間としての期間Ｐ２において、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（環境光測定光量Ａｍｓ）［Ｊ］（キャパシタ６２ａの電荷量Ｑ２）を求め、第２測定期間としての期間Ｐ４（＝Ｐ２）において、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（合成光測定光量Ａｍｉ）［Ｊ］（キャパシタ６２ｃの電荷量Ｑ３）を求める。期間Ｐ４では、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒの両方が入射する期間（期間Ｐｓｒ）［ｓ］と、環境光Ｌｓのみが入射する期間（期間Ｐｓ）［ｓ］が存在する。期間Ｐｓｒは、対象物Ｗまでの距離Ｄに比例する。
【００６０】
ここで、合成光基準光量Ａｒｉと環境光基準光量Ａｒｓとの差（反射光基準光量Ａｒｒ）［Ｊ］と合成光測定光量Ａｍｉと環境光測定光量Ａｍｓとの差（反射光測定光量Ａｍｒ）［Ｊ］との比（Ａｒｉ―Ａｒｓ：Ａｍｉ―Ａｍｓ）と、期間Ｐ３（＝Ｐ１）と反射光入射期間Ｐｒｉとの比（Ｐ３：Ｐｒｉ）とが等しい。これを利用して、測距システム１０から出射されたパルス光Ｌｐが対象物Ｗに当たって測距システム１０に戻って来るまでの期間（往復期間ΔＰ）を求める。そして、往復期間ΔＰに基づいて測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄを測定する。
【００６１】
（３）測定方法の詳細（１つの電荷蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合）
（ａ）タイミングチャートの説明
図６において、時点Ｔｅｕは、放射光Ｌｅの放射開始時点を、時点Ｔｅｄは、放射光Ｌｅの放射終了時点を、期間Ｐｅは、時点Ｔｅｕから時点Ｔｅｄまでの期間を示す。時点Ｔｒｕは、光電変換素子５０に対する反射光Ｌｒの入射開始時点を、時点Ｔｒｄは、光電変換素子５０に対する反射光Ｌｒの入射終了時点を、期間Ｐｒは、時点Ｔｒｕから時点Ｔｒｄまでの期間を示す。
【００６２】
時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕは、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄのゲートＧ１１〜Ｇ１４を開く時点を、時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄは、ゲートＧ１１〜Ｇ１４を閉じる時点を、期間Ｐ１は、時点Ｔｇ１ｕから時点Ｔｇ１ｄまでの期間を、期間Ｐ２は、時点Ｔｇ２ｕから時点Ｔｇ２ｄまでの期間を、期間Ｐ３は、時点Ｔｇ３ｕから時点Ｔｇ３ｄまでの期間を、期間Ｐ４は、時点Ｔｇ４ｕから時点Ｔｇ４ｄまでの期間を示す。期間Ｐｓｒは、時点Ｔｇ４ｕから時点Ｔｒｄまでの期間を、期間Ｐｓは、時点Ｔｒｄから時点Ｔｇ４ｄまでの期間を示す。
【００６３】
時点Ｔｄ１ｕ、Ｔｄ２ｕは、第４スイッチング素子７０のゲートＧ５を開く時点を、時点Ｔｄ１ｄ、Ｔｄ２ｄは、ゲートＧ５を閉じる時点を、期間Ｐ５は、時点Ｔｄ１ｕから時点Ｔｄ１ｄまでの期間を、期間Ｐ６は、時点Ｔｄ２ｕから時点Ｔｄ２ｄまでの期間を示す。
【００６４】
反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射している期間Ｐｒは、時点Ｔｅｕから時点Ｔｒｕまで又は時点Ｔｅｄから時点Ｔｒｄまでの遅れ（往復期間ΔＰ）が発生するものの、期間Ｐｅと等しく（Ｐｅ＝Ｐｒ）、例えば、１０ナノ秒以上１マイクロ秒以下に設定可能であり、本実施形態では、１００ナノ秒である。また、制御装置１６において、期間Ｐ１と期間Ｐ３及び期間Ｐ２と期間Ｐ４はそれぞれ等しく設定される（Ｐ１＝Ｐ３及びＰ２＝Ｐ４）。期間Ｐ１、Ｐ３は、例えば、１０ナノ秒以上９０ナノ秒以下に設定可能であり、本実施形態では、３０ナノ秒である。期間Ｐ２は、例えば、１０ナノ秒以上９０ナノ秒以下に設定可能であり、本実施形態では、７０ナノ秒である。また、期間Ｐ５は、例えば、０秒以上９０ナノ秒以下に設定可能であり、本実施形態では、７０ナノ秒である。期間Ｐ６は、例えば、１０マイクロ秒以上１ミリ秒以下に設定可能であり、本実施形態では、約１００マイクロ秒である。このため、期間Ｐ１〜Ｐ６のうち期間Ｐ６が非常に長い。
【００６５】
図６からわかるように、測距システム１０の電荷蓄積期間Ｔｃａ２［ｓ］では、まず、ゲートＧ１１を開き（期間Ｐ１）、ゲートＧ１１を閉じるのと同時にゲートＧ１２を開く（期間Ｐ２）。ゲートＧ１２を閉じるのと同時に対象物Ｗに対して放射光Ｌｅを出射し、ゲートＧ５を開く（期間Ｐ５）。放射光Ｌｅの出力中（期間Ｐｅ）、光電変換素子５０に対する反射光Ｌｒの入射が開始する（時点Ｔｒｕ）。放射光Ｌｅの出射開始（時点Ｔｅｕ）から期間Ｐ５経過後にゲートＧ５を閉じると共にゲートＧ１３を開く（期間Ｐ３）。期間Ｐｅの経過後に、放射光Ｌｅの出射を終了すると共にゲートＧ１３を閉じ、ゲートＧ１４を開く（期間Ｐ４）。ゲートＧ１４を開いている間（期間Ｐ４）、光電変換素子５０に対する反射光Ｌｒの入射が終了する（時点Ｔｒｄ）。換言すると、期間Ｐ４が、測距システム１０の測定レンジ（測定可能な距離の範囲）［ｍ］を規定する。ゲートＧ１４を閉じるのと同時にゲートＧ５を開く（期間Ｐ６）。期間Ｐ６が経過するとゲートＧ５を閉じ、１回の電荷蓄積期間Ｔｃａ２を終了する（時点Ｔｄ２ｄ）。それと同時に、次の電荷蓄積期間Ｔｃａ２が開始され、ゲートＧ１１が開かれる（時点Ｔｇ１ｕ）。なお、発光装置１２及び受光装置１４の各部位の制御は、制御装置１６において行われる。また、制御装置１６は、受光部２２に対し同一シリコン基板上にＣＭＯＳプロセスで作成されることが望ましい。
【００６６】
（ｂ）測定原理の説明
（ｉ）反射光基準光量Ａｒｒの演算
測距システム１０と対象物Ｗとがそれぞれ固定されていれば、対象物Ｗで反射して測距システム１０に戻って来る反射光Ｌｒは、一定の強度（単位時間当たりの光量）であると言える。また、期間Ｐ１は、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射する期間に設定されるため、第１電荷蓄積部５２ａのキャパシタ６２ａには、環境光Ｌｓのみに伴う光電子が蓄積される。一方、期間Ｐ３は、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が光電変換素子５０に入射する期間に設定されるため、第３電荷蓄積部５２ｃのキャパシタ６２ｃには、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方に伴う光電子が蓄積される。さらに、期間Ｐ１と期間Ｐ３は同じ長さである。
【００６７】
このため、キャパシタ６２ｃに蓄積されている電荷量Ｑ３とキャパシタ６２ａに蓄積されている電荷量Ｑ１との差は、期間Ｐ３（＝期間Ｐ１）における反射光Ｌｒの累積光量（反射光基準光量Ａｒｒ）を示す。
【００６８】
（ｉｉ）反射光測定光量Ａｍｒ及び往復期間ΔＰの演算
測距システム１０と対象物Ｗとがそれぞれ固定されていれば、対象物Ｗで反射して測距システム１０に戻って来る反射光Ｌｒは、一定の強度であると言える。また、期間Ｐ２は、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射する期間に設定されるため、第２電荷蓄積部５２ｂのキャパシタ６２ｂには、環境光Ｌｓのみに伴う光電子が蓄積される。一方、期間Ｐ４は、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射する期間（期間Ｐｓｒ）と環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射する期間（期間Ｐｓ）の両方を含む期間に設定されるため、第４電荷蓄積部５２ｄのキャパシタ６２ｄには、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方に伴う光電子が蓄積される。さらに、期間Ｐ２と期間Ｐ４は同じ長さである。
【００６９】
このため、キャパシタ６２ｄに蓄積されている電荷量Ｑ４とキャパシタ６２ｂに蓄積されている電荷量Ｑ２との差は、期間Ｐ４（＝期間Ｐ２）における反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）を示す。ここで、本実施形態では、期間Ｐ４は、放射光Ｌｅの出射を終了する時点Ｔｅｄと同時に開始される。このため、期間Ｐ４では、パルス往復期間ΔＰに対応する反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射し、キャパシタ６２ｄに光電子が蓄積される。従って、キャパシタ６２ｄに蓄積されている電荷量Ｑ４は、期間Ｐ４全体における環境光Ｌｓの累積光量（環境光測定光量Ａｍｓ）と、往復期間ΔＰにおける反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）との和（合成光測定光量Ａｍｉ）に対応するものである。このため、電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２との差は、反射光測定光量Ａｍｒに対応する電荷量を示す。ここで、往復期間ΔＰは、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄに依存する。このため、反射光測定光量Ａｍｒ（電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２の差に対応）と反射光基準光量Ａｒｒ（電荷量Ｑ３と電荷量Ｑ１の差に対応）との比は、往復期間ΔＰと期間Ｐ３（＝期間Ｐ１）との比に等しい（Ａｍｒ：Ａｒｒ＝Ｑ４−Ｑ２：Ｑ３−Ｑ１＝ΔＰ：Ｐ３）。従って、下記の式（１）により往復期間ΔＰを演算することができる。
ΔＰ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ・・・（１）
【００７０】
（ｉｉｉ）距離Ｄの演算
往復期間ΔＰがわかれば、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄは、下記の式（２）により演算することができる。なお、式（２）において、ｃは、光速（約３０万キロメートル毎秒）を示す定数であり、また、ｃ×ΔＰを２で割っているのは、往復期間ΔＰにおいて、パルス光Ｌｐは、測距システム１０と対象物Ｗとの間を往復し、距離Ｄの２倍の距離を進んでいるためである。
Ｄ＝ｃ×ΔＰ／２ ・・・（２）
【００７１】
（ｉｖ）その他
画素３２の初期設定（リセット動作）としては、下記のような処理がなされる。すなわち、まずゲートＧ４１〜Ｇ４４に対してリセット信号Ｓｒｅｓｅｔ１〜Ｓｒｅｓｅｔ４を送信すること（ゲートＧ４１〜Ｇ４４に供給される電圧をハイにすること）に応じて第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄを一斉にオンにする。同時に、ゲートＧ５に光電子排出信号Ｓｄｅを送信すること（ゲートＧ５に供給される電圧をハイにすること）により、第４スイッチング素子７０をオンにする。この時、ゲートＧ１１〜Ｇ１４に対してゲート駆動信号Ｓｄｇ１〜Ｓｄｇ４は送信されず（ゲートＧ１１〜Ｇ１４に供給される電圧をローにし）、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄをオフにしておく。この処理により、キャパシタ６２ａ〜６２ｄは、基準電圧Ｖｒｅｆに設定される。この後、ゲートＧ４１〜Ｇ４４に対するリセット信号Ｓｒｅｓｅｔ１〜Ｓｒｅｓｅｔ４の送信を停止し（ゲートＧ４１〜Ｇ４４に供給される電圧をローにし）、キャパシタ６２ａ〜６２ｄは、基準電圧Ｖｒｅｆに設定される。その後、上述した図６に示すタイミングでの処理が行われる。
【００７２】
（４）測定方法の詳細（累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１を対象とした場合）
上記項目（２）（３）では、１個の電荷蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合を説明したが、本実施形態では、１００個の電荷蓄積期間Ｔｃａ２（すなわち、累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１）においてキャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積した電荷量Ｑ１〜Ｑ４（ここでは、「電荷量Ｑ１ａ〜Ｑ４ａ」と称する。）を用いて、上記と同様に往復期間ΔＰを演算する。
【００７３】
電荷量Ｑ１ａは、第１番目から第１００番目までの各電荷蓄積期間Ｔｃａ２でキャパシタ６２ａに蓄積された電荷量Ｑ１の合計である。同様に、電荷量Ｑ２ａ〜Ｑ４ａは、第１番目から第１００番目までの各電荷蓄積期間Ｔｃａ２でキャパシタ６２ｂ〜６２ｄに蓄積された電荷量Ｑ２〜Ｑ４の合計である。
【００７４】
（５）その他
なお、本実施形態では、複数の画素３２それぞれにおいて電荷量Ｑ１〜Ｑ４（電荷情報）を用いて、距離Ｄを測定する。これにより、各画素３２の距離情報を組み合わせることにより３次元画像を得ることができる。
【００７５】
３．本実施形態の効果
以上のような本実施形態では、測距システム１０のダイナミックレンジを向上させることができると共に、環境光Ｌｓの影響を軽減又は排除することが可能となる。その結果、測距システムの測定精度を向上することが可能となる。
【００７６】
すなわち、本実施形態では、光電変換素子５０に環境光Ｌｓのみが入射する期間Ｐ１に蓄積される電荷量Ｑ１と、光電変換素子５０に環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が入射する期間Ｐ３に蓄積される電荷量Ｑ３を求める。期間Ｐ１と期間Ｐ３とは同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ３と電荷量Ｑ１の差（Ｑ３−Ｑ１）から、期間Ｐ３における反射光Ｌｒに対応する電荷量（期間Ｐ３における反射光Ｌｒの基準光量Ａｒｒに対応する）を求めることができる。
【００７７】
また、光電変換素子５０に環境光Ｌｓのみが入射する期間Ｐ２に蓄積される電荷量Ｑ２と、期間Ｐ４に蓄積される電荷量Ｑ４を求める。期間Ｐ４には、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が光電変換素子５０に入射していた期間（期間Ｐｓｒ）と、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射していた期間（期間Ｐｓ）が含まれる。期間Ｐ２と期間Ｐ４は同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２の差（Ｑ４−Ｑ２）から、期間Ｐ４のうち期間Ｐｓｒに対応する電荷量（期間Ｐｓｒにおける反射光Ｌｒの光量に対応する）を求めることができる。
【００７８】
ここで、反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射している間、反射光Ｌｒの強度Ｉｒが一定であるとすると、電荷量Ｑ４及び電荷量Ｑ２の差と電荷量Ｑ３及び電荷量Ｑ１の差との比（Ｑ４−Ｑ２：Ｑ３−Ｑ１）は、期間Ｐｓｒと期間Ｐ３との比（Ｐｓｒ：Ｐ３）と等しい。このため、期間Ｐｓｒは、下記の式（３）で求めることができる。
Ｐｓｒ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ・・・（３）
【００７９】
ここで、時点Ｔｅｄと時点Ｔｇ４ｕが等しいため、期間Ｐｓｒは往復期間ΔＰと等しい。従って、上記式（３）より往復期間ΔＰを演算することが可能であり、その結果、往復期間ΔＰと光速に基づき距離Ｄを求めることができる。
【００８０】
このように、測距システム１０では、環境光Ｌｓによって生じる電荷量Ｑ２を取り除くため、環境光Ｌｓの影響を排除又は軽減することができる。
【００８１】
また、距離Ｄが短くなる程、反射光Ｌｒの入射期間（すなわち、期間Ｐｓｒ）が短くなり、距離Ｄが長くなる程、期間Ｐｓｒが長くなる。一般に、同じ対象物Ｗであれば、距離Ｄが短い程、反射光Ｌｒの強度Ｉｒは大きくなり、距離Ｄが長い程、強度Ｉｒは小さくなる。このため、距離Ｄが短い場合、強度Ｉｒの大きい反射光Ｌｒを短期間入射させ、距離Ｄが長い場合、強度Ｉｒの小さい反射光Ｌｒを長期間入射させることとなる。その結果、距離Ｄの変化量と比較して、期間Ｐｓｒに入射する反射光Ｌｒの光量Ａｒの変化量は小さくなる。このことは、測距システム１０のダイナミックレンジを狭くすることが可能であることを意味する。従って、測距システム１０のダイナミックレンジを向上させることができる。
【００８２】
本実施形態では、各測定周期Ｃｍにパルス光Ｌｐを１００回放射し、キャパシタ６２ａ〜６２ｄそれぞれに１００回光電子を蓄積した後の電荷量Ｑ１〜Ｑ４を用いて往復期間ΔＰを演算する。一般に、環境光Ｌｓ（例えば、太陽光）の強度は常に変化している。各測定周期Ｃｍにパルス光Ｌｐを１００回放射し、これに応じた回数だけ光電子を蓄積した後の電荷量Ｑ１〜Ｑ４を用いて往復期間ΔＰを演算することで、環境光Ｌｓの強度を平均化することができる。その結果、環境光Ｌｓによって生じる電荷量を取り除く精度を高め、測定精度を向上させることができる。
【００８３】
本実施形態では、パルス光Ｌｐのパルス幅（出力期間）は、１０マイクロ秒（＝１００ナノメートル×１００回）であり、各測定周期Ｃｍ（２０ミリ秒）の０．０５パーセントとしている。これに合わせて、ゲートＧ１１〜Ｇ１４を開く期間Ｐ１〜Ｐ４も短く設定している。このため、仮に同じ周波数のパルス光を用いている他の測距システムが周囲に存在した場合でも、他の測距システムがパルス光を出力するタイミングと測距システム１０がパルス光Ｌｐを出力するタイミングとが被る可能性が低くなる。その結果、他の測距システムとの干渉（他の測距システムからのパルス光を測距システム１０からのパルス光Ｌｐと誤認識すること）の可能性を低くすることができる。
【００８４】
加えて、ゲートＧ１１〜Ｇ１４を開く期間Ｐ１〜Ｐ４も短く設定しているため、期間Ｐ１〜Ｐ４において光電変換素子５０に環境光Ｌｓが入射する期間を短くすることができる。これにより、ノイズ成分としての環境光Ｌｓの影響を小さくし、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を向上することができる。特に、環境光Ｌｓが太陽光の場合、太陽光のショットノイズを低減することができる。
【００８５】
本実施形態では、測定周期Ｃｍに対してゲートＧ１１〜Ｇ１４を開く期間Ｐ１〜Ｐ４を非常に短く設定している。このため、前回以前の測定周期Ｃｍで放射したパルス光Ｌｐが今回の測定周期Ｃｍで検出される現象（エイリアシング現象）が生じる可能性を減少させることができる。すなわち、本実施形態の各電荷蓄積期間Ｔｃａ２は１００マイクロ秒であり、パルス光Ｌｐの放射期間Ｐｅが短いため、パルス光Ｌｐの放射間隔も約１００マイクロ秒となる。光速ｃは、約３０万キロメートル毎秒であるため、対象物Ｗの実際の位置が、測距システム１０が出力した距離Ｄよりも１５キロメートル（＝１００［μｓ］×３０［Ｍｍ／ｓ］／２）遠い位置に存在すれば、エイリアシング現象が発生している可能性が存在する。しかし、発光部１８により対象物Ｗに照射されるパルス光Ｌｐの強度は、距離Ｄの二乗に応じて減少するため、距離Ｄよりも１５キロメートル遠い位置からの反射光Ｌｒの強度Ｉｒは、距離Ｄに対象物Ｗがある場合の強度Ｉｒと比べて非常に小さくなり、光電変換素子５０ではほとんど検出できない。よって、本実施形態の測距システム１０では、エイリアシング現象の発生を防止することができる。
【００８６】
Ｂ．変形例
なお、この発明は、上記実施形態に限られず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
【００８７】
上記実施形態では、図６のタイミングチャートによりゲートＧ１１〜Ｇ１４を制御したが、これに限られない。例えば、図６の期間Ｐ３、Ｐ４を期間Ｐ１、Ｐ２より前に位置させてもよい。また、時点Ｔｇ１ｄと時点Ｔｇ２ｕを同時にしたが、時点Ｔｇ２ｕを時点Ｔｇ１ｄよりも後にすることもできる。時点Ｔｇ２ｄと時点Ｔｅｕの関係、時点Ｔｇ３ｄと時点Ｔｇ４ｕの関係も同様である。さらに、時点Ｔｇ４ｕは、時点Ｔｅｄとの相関関係がわかっていれば、時点Ｔｅｄと同時でなくてもよい。
【００８８】
図７には、時点Ｔｅｄを時点Ｔｇ４ｕより後にしたタイミングチャートが示されている。この場合、往復期間ΔＰは下記の式（４）により演算することができる。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３―（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ） ・・・（４）
【００８９】
或いは、時点Ｔｅｄを時点Ｔｇ４ｕより前にすることもできる。この場合、往復期間ΔＰは下記の式（５）により演算することができる。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３＋（Ｔｇ４ｕ―Ｔｅｄ） ・・・（５）
【００９０】
上記実施形態では、環境光Ｌｓの影響を排除又は軽減するために期間Ｐ１、Ｐ２を設けたが、例えば、暗室等の環境光Ｌｓが存在しない場所又は反射光Ｌｒに対して環境光Ｌｓが小さく、環境光Ｌｓの影響が小さい場合であれば、期間Ｐ３、Ｐ４のみから往復期間ΔＰを求めることもできる。すなわち、下記の式（６）により往復期間ΔＰを演算する。
ΔＰ＝（Ｑ４／Ｑ３）×Ｐ３ ・・・（６）
【００９１】
上記実施形態では、光電変換素子５０として埋込フォトダイオード（図４）を用いたが、これに限られず、埋込フォトダイオード以外のフォトダイオードやフォトゲート等その他の光電変換素子を用いることもできる。
【００９２】
図８には、光電変換素子としてフォトゲートを用いた画素３２ａの一部縦断面図が示されている。図８に示すように、画素３２ａは、Ｐ型の基板１００と、フォトゲート１０２と、Ｎ型の半導体領域１０４と、ポリシリコン層からなる転送ゲート１０６と、遮光部１０８とを有する。
【００９３】
画素３２ａでは、フォトゲート１０２が光電変換素子５０ａを構成する。また、基板１００と、フォトゲート１０２と、半導体領域１０４と、転送ゲート１０６とで、第１スイッチング素子６０ａ１を構成する。さらに、半導体領域１０４は、フローティング・ディフュージョンとしても機能し、キャパシタ６２ａ１を構成する。なお、画素３２ａは、第１スイッチング素子６０ａ１と同様の構成の第１スイッチング素子６０ｂ１〜６０ｄ１及びキャパシタ６２ａ１と同様の構成のキャパシタ６２ｂ１〜６２ｄ１を有する。
【００９４】
遮光部１０８は、半導体領域１０４と転送ゲート１０６とを覆うように配置される。これにより、半導体領域１０４及び転送ゲート１０６に対する反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓが遮られる。
【００９５】
図９には、画素３２ａを用いて距離Ｄを測定するための放射光Ｌｅ、反射光Ｌｒ、第１スイッチング素子６０ａ１〜６０ｄ１のゲートＧ１１〜Ｇ１４、第４スイッチング素子７０のゲートＧ５及びフォトゲート１０２のタイミングチャートが示されている。
【００９６】
図９のタイミングチャートは、フォトゲート１０２のタイミングを除き、図６のタイミングチャートと同様である。図９では、期間Ｐ１〜Ｐ６におけるフォトゲート１０２を開く時点を時点Ｔｐ１ｕ〜Ｔｐ６ｕとし、フォトゲート１０２を閉じる時点を時点Ｔｐ１ｄ〜Ｔｐ６ｄとしている。フォトゲート１０２は、期間Ｐ１〜Ｐ６が終了する時点Ｔｇ１ｄ〜Ｔｇ４ｄ、Ｔｄ１ｄ、Ｔｄ２ｄよりも期間Ｐｐだけ前に閉じている。これにより、フォトゲート１０２において光電変換した光電子をフォトゲート１０２に残すことなく高速に半導体領域１０４に転送することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】この発明の一実施形態に係る測距システムの構成図である。
【図２】上記実施形態の受光部のブロック図である。
【図３】上記受光部のイメージセンサにおける画素の回路図である。
【図４】前記画素の一部縦断面図である。
【図５】上記実施形態における測定周期のタイミングチャートである。
【図６】前記測定周期における電荷蓄積期間のタイミングチャートである。
【図７】図６のタイミングチャートの変形例である。
【図８】画素の変形例の一部縦断面図である。
【図９】図８の画素における放射光、反射光、複数のゲート及びフォトゲートのタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００９８】
１０…測距システム １２…発光装置
１４…受光装置 １６…制御装置
１７…演算装置 １８…発光部
３２、３２ａ…画素 ３４…第１電源
３６…第２電源 ５０、５０ａ…光電変換素子
５４…光電子排出部
６０ａ〜６０ｄ、６０ａ１〜６０ｄ１…第１スイッチング素子
６２ａ〜６２ｄ、６２ａ１〜６２ｄ１…キャパシタ
６４ａ〜６４ｄ…増幅器 ６８ａ〜６８ｄ…第３スイッチング素子
７０…第４スイッチング素子 ９０、１０８…遮光部
１０２…フォトゲート Ｃｍ…測定周期
Ｇ２１〜Ｇ２４…増幅器のゲート Ｉｒ…反射光の強度
Ｌｅ…放射光 Ｌｐ…パルス光
Ｌｒ…反射光 Ｌｓ…環境光
Ｐ１…期間（第１基準期間） Ｐ２…期間（第１測定期間）
Ｐ３…期間（第２基準期間） Ｐ４…期間（第２測定期間）
Ｗ…対象物
【技術分野】
【０００１】
この発明は、タイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いる測距システム及び測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物への距離を非接触に測定する測距システムとしてタイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いたものが知られている。ＴＯＦ法は、対象物に対して光を放射し、光が放射されてから対象物に当たってはねかえって来るまでの期間を測定し、この期間と光速に基づいて対象物までの距離を測定する（特許文献１、２、非特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１では、測距システムにおけるパルス光の放射タイミングや２つの受光素子の動作タイミングが具体的に説明されている。すなわち、パルス光の放射と放射停止を同じ長さ（発光素子の駆動デューティが５０％）で繰り返すと共に、パルス光の放射と放射停止に同期させて、交互に２つの方向に電荷を転送させる（非特許文献１の図１参照）。そして、２つの出力電圧の相違に基づきパルス光が対象物で反射して戻って来るまでの期間を判定する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８１３３６号公報
【特許文献２】特開平０８−３１３２１５号公報
【非特許文献１】宮川良平、金出武雄、「CCD-Based Range-Finding Sensor」、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL. 44, NO. 10、１９９７年１０月、ｐ．１６４８〜１６５２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に記載された測距システムは、測定精度の点で未だ改良の余地がある。例えば、同測距システムの受光素子は、反射光に加え、太陽光等の環境光をも受光するが、環境光の影響を考慮した処理がなされていない。反射光と共に環境光が受光された場合、受光素子から出力される電荷は、反射光と環境光に対応するものとなる。このため、反射光に対応する電荷が相対的に少なくなり、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）が低下してしまう。また、光の強度は、距離の二乗に比例する。このため、非特許文献１の測距システムでは、測定レンジ（測定可能な距離の範囲）を大きくしようとすると、距離の二乗に対応させて受光素子の検出感度（ダイナミックレンジ）を大きくする必要が生じてしまう。
【０００６】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、測定精度を向上することが可能な測距システム及び測距方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明に係る測距システムは、対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置とを有するものであって、前記受光装置は、前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、前記光電変換素子からの前記光電子を蓄積する第１乃至第４キャパシタと、前記光電変換素子からの前記光電子を排出する光電子排出部と、前記光電変換素子と前記第１乃至第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１乃至第４キャパシタに対して振り分ける第１乃至第４ゲート電極と、前記光電変換素子と前記光電子排出部との間に配置され、前記光電変換素子から前記光電子排出部への前記光電子の供給を制御する第５ゲート電極とを備え、前記パルス光の放射開始時点を時点Ｔｅｕ、前記パルス光の放射終了時点を時点Ｔｅｄ、前記光電変換素子に対する前記反射光の入射終了時点を時点Ｔｒｄ、前記第１乃至第４ゲート電極を開く時点を時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕ、前記第１乃至第４ゲート電極を閉じる時点を時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄ、前記時点Ｔｇ１ｕから前記時点Ｔｇ１ｄまでの期間を期間Ｐ１、前記時点Ｔｇ２ｕから前記時点Ｔｇ２ｄまでの期間を期間Ｐ２、前記時点Ｔｇ３ｕから前記時点Ｔｇ３ｄまでの期間を期間Ｐ３、前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｇ４ｄまでの期間を期間Ｐ４、前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｒｄまでの期間を期間Ｐｓｒ、前記期間Ｐ１の間に前記第１キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ１、前記期間Ｐ２の間に前記第２キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ２、前記期間Ｐ３の間に前記第３キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ３、前記期間Ｐ４の間に前記第４キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ４、前記パルス光が放射されてから前記対象物で反射して前記反射光として戻ってくるまでの期間を往復期間ΔＰ、及び前記測距システムと前記対象物との距離を距離Ｄとするとき、前記制御装置は、（１）Ｐ１＝Ｐ３、（２）Ｐ２＝Ｐ４、及び（３）Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ≦Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ、又は、Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ＜Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄとなるように、前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１乃至第４ゲート電極の開閉を制御し、前記第１乃至第４ゲート電極が全て閉じているとき、前記第５ゲート電極を開いて前記光電子を外部に排出させ、前記演算装置は、前記第３キャパシタに蓄積され、環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ３と、前記第１キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ１との差に基づいて、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報を取得し、前記第４キャパシタに蓄積され、前記環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ４と、前記第２キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ２との差に基づいて、前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報を取得し、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報及び前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報の比と、前記期間Ｐ３及び前記期間Ｐｓｒの比とに基づいて前記往復期間ΔＰを演算し、前記往復期間ΔＰに基づいて前記距離Ｄを測定することを特徴とする。
【０００８】
この発明によれば、測距システムのダイナミックレンジを向上させることができると共に、環境光の影響を軽減又は排除することが可能となる。その結果、測距システムの測定精度を向上することが可能となる。
【０００９】
すなわち、この発明では、光電変換素子に環境光のみが入射する期間Ｐ１に蓄積される電荷量Ｑ１と、光電変換素子に環境光と反射光の両方が入射する期間Ｐ３に蓄積される電荷量Ｑ３を求める。期間Ｐ１と期間Ｐ３とは同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ３と電荷量Ｑ１の差（Ｑ３−Ｑ１）から、期間Ｐ３における反射光に対応する電荷量（期間Ｐ３における反射光の光量［Ｊ］に対応する）を求めることができる。
【００１０】
また、光電変換素子に環境光のみが入射する期間Ｐ２に蓄積される電荷量Ｑ２と、期間Ｐ４に蓄積される電荷量Ｑ４を求める。期間Ｐ４には、環境光と反射光の両方が光電変換素子に入射していた期間（期間Ｐｓｒ）と、環境光のみが光電変換素子に入射していた期間（期間Ｐｓ）が含まれる。期間Ｐ２と期間Ｐ４は同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２の差（Ｑ４−Ｑ２）から、期間Ｐ４のうち期間Ｐｓｒに対応する電荷量（期間Ｐｓｒにおける反射光の光量に対応する）を求めることができる。
【００１１】
ここで、反射光が光電変換素子に入射している間、反射光の強度（単位時間当たりの光量［Ｗ］）が一定であるとすると、電荷量Ｑ４及び電荷量Ｑ２の差と電荷量Ｑ３及び電荷量Ｑ１の差との比（Ｑ４−Ｑ２：Ｑ３−Ｑ１）は、期間Ｐｓｒと期間Ｐ３との比（Ｐｓｒ：Ｐ３）と等しい。このため、期間Ｐｓｒは、下記の式で求めることができる。
Ｐｓｒ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３
【００１２】
ここで、時点Ｔｅｄと時点Ｔｇ４ｕが等しいとき、期間Ｐｓｒは往復期間ΔＰと等しい。また、時点Ｔｅｄが時点Ｔｇ４ｕよりも後であるとき、期間Ｐｓｒは、往復期間ΔＰと時点Ｔｅｄから時点Ｔｇ４ｕまでの期間との差｛ΔＰ−（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ）｝と等しい。時点Ｔｅｄと時点Ｔｇ４ｕは、設定値とすることができるため、この場合も往復期間ΔＰを求めることができる。従って、いずれの場合も往復期間ΔＰを演算することが可能であり、その結果、往復期間ΔＰと光速（約３０万キロメートル毎秒）に基づき距離Ｄを求めることができる。
【００１３】
そして、上記測距システムでは、環境光によって生じる電荷量を取り除くため、環境光の影響を排除又は軽減することができる。
【００１４】
また、距離Ｄが短くなる程、反射光の入射期間（往復期間ΔＰ）が短くなり、距離Ｄが長くなる程、反射光の入射期間が長くなる。一般に、同じ対象物であれば、距離Ｄが短い程、反射光の強度［Ｗ］は大きくなり、距離Ｄが長い程、反射光の強度は小さくなる。このため、距離Ｄが短い場合、強度の大きい反射光を短期間入射させ、距離Ｄが長い場合、強度の小さい反射光を長期間入射させることとなる。その結果、距離Ｄの変化量と比較して、期間Ｐｓｒに入射する反射光の累積光量の変化量は小さくなる。このことは、測距システムのダイナミックレンジを狭くすることが可能であることを意味する。従って、測距システムのダイナミックレンジを向上させることができる。
【００１５】
上記において、前記制御装置は、測定周期毎に前記発光装置に前記パルス光を複数回放射させ、前記演算装置は、前記第１乃至第４キャパシタそれぞれに前記光電子を複数回蓄積した後の前記電荷量Ｑ１乃至Ｑ４を用いて前記往復期間ΔＰを演算してもよい。一般に、環境光（例えば、太陽光）の強度は常に変化している。各測定周期にパルス光を複数回放射し、これに応じた回数だけ前記光電子を蓄積した後の電荷量Ｑ１乃至Ｑ４を用いて往復期間ΔＰを演算することで、環境光の強度を平均化することができる。その結果、環境光によって生じる電荷量を取り除く精度を高め、測定精度を向上させることができる。
【００１６】
前記発光装置は、前記パルス光の放射期間を各測定周期の１パーセント以下に設定し、且つ前記受光装置は、前記第１乃至第４ゲート電極を開く期間を各測定周期の１パーセント以下に設定してもよい。これにより、他の測距システムとの干渉（他の測距システムからのパルス光を当該測距システムからのパルス光と誤認識すること）の可能性を低くすることができる。また、ノイズ成分としての環境光の影響を小さくし、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を向上することができる。さらに、エイリアシング現象（前回以前の測定周期で放射したパルス光が今回の測定周期で検出される現象）の発生を防止することができる。
【００１７】
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４キャパシタにそれぞれのゲートが接続され、前記第１乃至第４キャパシタの電位に応じた電圧を出力する第１乃至第４増幅器を有してもよい。
【００１８】
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４キャパシタの電位をリセットするための電源及び第６ゲート電極を有してもよい。
【００１９】
前記光電変換素子は、例えば、フォトダイオード、埋込フォトダイオード又はフォトゲートとすることができる。前記第１乃至第４キャパシタは、例えば、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込フォトダイオード又はＰＮ接合部とすることができる。
【００２０】
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４ゲート電極及び前記第１乃至第４キャパシタを遮光する遮光部を有してもよい。
【００２１】
前記発光装置は、発光ダイオード、レーザダイオード又は半導体レーザバーである発光素子を有してもよい。さらに、前記半導体レーザバーを複数備え、複数の前記半導体レーザバーを配列させてもよい。
【００２２】
前記受光装置は、前記光電変換素子、前記第１乃至第４キャパシタ、前記光電子排出部及び前記第１乃至第５ゲート電極を備える複数の画素が設けられたラインセンサ又はイメージセンサを有してもよい。
【００２３】
この発明に係る測距方法は、対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置とを有する測距システムを用いるものであって、基準期間における反射光の累積光量である反射光基準光量を求める工程と、測定期間における前記反射光の累積光量である反射光測定光量を求める工程と、前記測定期間のうち、前記受光装置の光電変換素子に対して前記反射光が入射していた期間である反射光入射期間を、前記反射光測定光量及び前記反射光基準光量の比と前記反射光入射期間及び前記基準期間の比とに基づいて演算する工程と、前記反射光入射期間に基づいて前記測距システムと前記対象物との距離を算出する工程とを有することを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、測距システムのダイナミックレンジを向上させ、測定精度を向上することが可能となる。すなわち、この発明では、測定期間のうち、受光装置の光電変換素子に対して反射光が入射していた期間である反射光入射期間を、反射光測定光量及び反射光基準光量の比と反射光入射期間及び基準期間の比とに基づいて演算する。測距システムと対象物との距離が短くなる程、反射光入射期間が短くなり、前記距離が長くなる程、反射光入射期間が長くなる。一般に、同じ対象物であれば、前記距離が短い程、反射光の強度は大きくなり、前記距離が長い程、反射光の強度は小さくなる。このため、前記距離が短い場合、強度の大きい反射光を短期間入射させ、前記距離が長い場合、強度の小さい反射光を長期間入射させることとなる。その結果、前記距離の変化量と比較して、反射光入射期間に入射する反射光の累積光量の変化量は小さくなる。このことは、測距システムのダイナミックレンジを狭くすることが可能であることを意味する。従って、測距システムのダイナミックレンジを向上させることができる。
【００２５】
前記反射光基準光量を求める工程は、第１基準期間における環境光の累積光量である環境光基準光量を求める工程と、前記第１基準期間と同じ長さの第２基準期間における前記環境光及び前記反射光の累積合成光量である合成光基準光量を求める工程と、前記合成光基準光量から前記環境光基準光量を差し引いて前記第２基準期間における前記反射光基準光量を算出する工程とを含み、前記反射光測定光量を求める工程は、第１測定期間における前記環境光の累積光量である環境光測定光量を求める工程と、前記第１測定期間と同じ長さの第２測定期間における前記環境光及び前記反射光の累積合成光量である合成光測定光量を求める工程と、前記合成光測定光量から前記環境光測定光量を差し引いて前記第２基準期間における前記反射光測定光量を算出する工程とを含んでもよい。これにより、環境光の累積光量を取り除くため、環境光の影響を排除又は軽減することができる。
【００２６】
各測定周期に前記第１基準期間、前記第２基準期間、前記第１測定期間及び前記第２測定期間をそれぞれ複数設定し、前記環境光基準光量を、各第１基準期間における前記環境光の累積光量の合計値として求め、前記合成光基準光量を、各第２基準期間における前記累積合成光量の合計値として求め、前記環境光測定光量を、各第１測定期間における前記環境光の累積光量の合計値として求め、前記合成光測定光量を、各第２測定期間における前記累積合成光量の合計値として求めてもよい。一般に、ノイズ成分としての環境光（例えば、太陽光）の強度は常に変化している。各測定周期に第１基準期間、第２基準期間、第１測定期間及び第２測定期間をそれぞれ複数設定し、環境光基準光量を、各第１基準期間における環境光の累積光量の合計値として求め、合成光基準光量を、各第２基準期間における累積合成光量の合計値として求め、環境光測定光量を、各第１測定期間における環境光の累積光量の合計値として求め、合成光測定光量を、各第２測定期間における累積合成光量の合計値として求めることで、環境光の強度を平均化することができる。その結果、環境光によって生じる電荷量を取り除く精度を高め、測定精度を向上することができる。
【００２７】
前記パルス光の放射期間、前記基準期間及び前記測定期間それぞれが占める割合を各測定周期の１パーセント以下に設定してもよい。これにより、他の測距システムとの干渉（他の測距システムからのパルス光を当該測距システムからのパルス光と誤認識すること）の可能性を低くすることができる。また、ノイズ成分としての環境光の影響を小さくし、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）を向上することができる。さらに、エイリアシング現象（前回以前の測定周期で放射したパルス光が今回の測定周期で検出される現象）の発生を防止することができる。
【発明の効果】
【００２８】
この発明によれば、測距システムのダイナミックレンジを向上させることができると共に、環境光の影響を軽減又は排除することが可能となる。その結果、測距システムの測定精度を向上することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
Ａ．一実施形態
以下、この発明の一実施形態に係る測距システムについて図面を参照して説明する。
【００３０】
１．測距システム１０の構成
（１）測距システム１０の全体構成
図１は、この発明の一実施形態に係る測距システム１０の構成図である。測距システム１０は、後述するイメージセンサ３０の各画素３２の出力に基づき測定した距離を用いた三次元画像を取得するものであり、発光装置１２と、受光装置１４と、制御装置１６と、演算装置１７とを有する。測距システム１０では、制御装置１６からの指令に応じて発光装置１２の発光部１８から出射されたパルス光Ｌｐが対象物Ｗで反射し、受光装置１４に入射する。受光装置１４には、太陽光等の環境光Ｌｓも入射する。受光装置１４は、制御装置１６からの指令に基づき受光量に応じた電荷を示す信号（蓄積電荷信号Ｓｃ）を演算装置１７に出力する。演算装置１７は、パルス光Ｌｐが発光装置１２から受光装置１４まで到達する期間（往復期間ΔＰ）［ｓ］を算出し、この往復期間ΔＰに基づいて測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄ［ｍ］を演算する。演算装置１７の演算結果は、例えば、図示しない表示装置に出力される。説明の便宜のため、発光装置１２から対象物Ｗまでのパルス光Ｌｐを放射光Ｌｅと、対象物Ｗから受光装置１４までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【００３１】
（２）発光装置１２
発光装置１２は、制御装置１６からの指令に基づきパルス光Ｌｐを出力する発光部１８を有する。本実施形態において、発光装置１２の発光部１８は、発光点（エミッタ）を直線状に設けた半導体レーザバーを積層（直列接続）して、面発光が可能とされたものである。
【００３２】
本実施形態の発光部１８は、波長が８７０ナノメートル（ｎｍ）の赤外光を１００ワット（Ｗ）の出力で放射可能である。また、本実施形態では、各測定周期Ｃｍ（測定値を求める周期）において、複数回の露光処理（電荷蓄積処理）が行われる（図５参照）。露光処理の周期（露光周期又は電荷蓄積周期Ｔｃａ２）が１００マイクロ秒（μｓ）であるところ、発光部１８は、パルス光Ｌｐを１００ナノ秒（ｎｓ）の出力時間（パルス幅）で出力する。換言すると、発光部１８の駆動デューティは、０．１パーセント（％）である。
【００３３】
なお、発光部１８は、リニアアレイ状の発光点を有していてもよく、或いは、マトリックス状に並べられた複数の発光点を有するものであってもよい。発光素子としてレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等のその他の発光素子を用いてもよい。また、発光部１８が放射するパルス光Ｌｐは、その他の波長でもよく、例えば、７００ｎｍより長く１０５０ｎｍ以下としてもよい。さらに、発光部１８の出力は、その他の値でもよく、例えば、２０Ｗより大きく１０ｋＷ以下としてもよい。さらにまた、パルス光Ｌｐのパルス幅は、その他の長さでもよく、例えば、１０ナノ秒以上１ミリ秒以下としてもよい。加えて、発光部１８の駆動デューティは、その他の値でもよく、例えば、０．０１％以上１％以下としてもよい。
【００３４】
（３）受光装置１４
（ａ）受光装置１４の全体構成
図１に示すように、受光装置１４は、レンズ２０と、受光部２２とを有する。レンズ２０を通過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、受光部２２に集光される。レンズ２０は、直線状又はマトリックス状に配列された複数のレンズであってもよい。
【００３５】
図２に示すように、受光部２２は、マトリックス状に画素３２が配置されたイメージセンサ３０と、第１電源３４と、第２電源３６と、ゲート駆動回路３８と、垂直選択回路４０と、サンプルホールド回路４１と、水平選択回路４２と、出力バッファ４３と、Ａ／Ｄコンバータ４４とを有する。
【００３６】
イメージセンサ３０は、各画素３２の受光量に応じた蓄積電荷信号Ｓｃを水平選択回路４２を介して出力する。第１電源３４は、イメージセンサ３０に対して電源電圧ＶＤＤ［Ｖ］を印加し、第２電源３６は、イメージセンサ３０に対して基準電圧Ｖｒｅｆ［Ｖ］を印加する。ゲート駆動回路３８は、ゲート駆動信号Ｓｄｇ（後述するゲート駆動信号Ｓｄｇ１〜Ｓｄｇ４、リセット信号Ｓｒｅｓｅｔ１〜Ｓｒｅｓｅｔ４及び光電子排出信号Ｓｄｅの総称）を出力することによりイメージセンサ３０の第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄ（図３）、第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄ及び第４スイッチング素子７０のゲートを選択的に駆動する。垂直選択回路４０は、マルチプレクサ（図示せず）を有し、読出しを行う画素３２が属する行に対して選択的に読出信号Ｓｒｅａｄ１〜Ｓｒｅａｄ４を出力し、当該画素３２から蓄積電荷信号Ｓｃを出力させる。水平選択回路４２は、別のマルチプレクサ（図示せず）を有し、読出しを行う画素３２が属する列を選択する。画素３２から読み出された蓄積電荷信号Ｓｃは、定電流回路５８ａ、５８ｂ（図３）によりセンサ出力が出力電圧Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２に変換され、サンプルホールド回路４１に一旦蓄積された後、水平選択回路４２から出力される。そして、蓄積電荷信号Ｓｃは、出力バッファ４３及びＡ／Ｄコンバータ４４を介して演算装置１７に送信される。この蓄積電荷信号Ｓｃを受信した演算装置１７は、蓄積電荷信号Ｓｃから反射光Ｌｒの光量（光量Ａｒ）を判定して、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄを演算する（詳細は後述する。）。
【００３７】
（ｂ）画素３２
図３には、１つの画素３２の回路図が示されている。図３に示すように、画素３２は、光電変換素子５０と、第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄと、光電子排出部５４と、出力線５６ａ、５６ｂとを備える。また、画素３２の列毎に、定電流回路５８ａ、５８ｂが配置されている。
【００３８】
（ｉ）光電変換素子５０
本実施形態の光電変換素子５０は、埋込型フォトダイオード（pinned photodiode）であり、反射光Ｌｒの光量Ａｒに応じた光電子を発生する。光電変換素子５０は、埋込型以外のフォトダイオードやフォトゲート等の別の光電変換素子であってもよい。
【００３９】
（ｉｉ）第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄ
第１電荷蓄積部５２ａは、第１スイッチング素子６０ａと、キャパシタ６２ａと、増幅器６４ａと、第２スイッチング素子６６ａと、第３スイッチング素子６８ａとを有する。同様に、第２〜第４電荷蓄積部５２ｂ〜５２ｄは、第１スイッチング素子６０ｂ〜６０ｄと、キャパシタ６２ｂ〜６２ｄと、増幅器６４ｂ〜６４ｄと、第２スイッチング素子６６ｂ〜６６ｄと、第３スイッチング素子６８ｂ〜６８ｄとを有する。本実施形態において、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄ、増幅器６４ａ〜６４ｄ、第２スイッチング素子６６ａ〜６６ｄ及び第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄはいずれもＮＭＯＳ型トランジスタである。
【００４０】
第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄは、光電変換素子５０で発生した光電子を第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄのいずれに供給するかを選択する。すなわち、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄでは、ソースＳ１１〜Ｓ１４が光電変換素子５０に接続され、ドレインＤ１１〜Ｄ１４が第１〜第４キャパシタ６２ａ〜６２ｄに接続され、ゲートＧ１１〜Ｇ１４がゲート駆動回路３８に接続されている。ゲートＧ１１〜Ｇ１４に対するゲート駆動回路３８からのゲート駆動信号Ｓｄｇ１〜Ｓｄｇ４に応じて第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄのオン・オフを選択的に制御することにより、光電変換素子５０で発生した光電子が、第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄのいずれかに振り分けられる。例えば、第１スイッチング素子６０ａをオンにしたとき、第１電荷蓄積部５２ａに光電子が移動される。なお、後述するように、本実施形態では、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄの全てがオフの場合、光電変換素子５０で発生した光電子は、光電子排出部５４を介して排出される。
【００４１】
キャパシタ６２ａは、第１スイッチング素子６０ａがオンのとき、光電変換素子５０で発生した光電子を蓄積する。同様に、キャパシタ６２ｂ〜６２ｄは、第１スイッチング素子６０ｂ〜６０ｄがオンのとき、光電変換素子５０で発生した光電子を蓄積する。
【００４２】
増幅器６４ａは、第２スイッチング素子６６ａのゲートＧ３１がオンになっているとき、キャパシタ６２ａに蓄積された電荷量（電荷量Ｑ１）［Ｃ］に応じた蓄積電荷信号Ｓｃを出力線５６ａに対して出力する。なお、増幅器６４ａのドレインＤ２１が第１電源３４の正の電源電圧ＶＤＤに接続され、ゲートＧ２１がキャパシタ６２ａに接続されて、ソースＳ２１が第２スイッチング素子６６ａを介して、出力線５６ａに接続されている。このため、電荷量Ｑ１に応じた電圧（電圧Ｖ１）［Ｖ］である蓄積電荷信号Ｓｃが増幅器６４ａから出力される。
【００４３】
同様に、増幅器６４ｂ〜６４ｄは、第２スイッチング素子６６ｂ〜６６ｄのゲートＧ３２〜Ｇ３４がオンになっているとき、キャパシタ６２ｂ〜６２ｄに蓄積された電荷量（電荷量Ｑ２〜Ｑ４）［Ｃ］に応じた蓄積電荷信号Ｓｃを出力線５６ａ、５６ｂに対して出力する。すなわち、増幅器６４ｂ〜６４ｄでは、ソースＳ２２〜Ｓ２４が第２スイッチング素子６６ｂ〜６６ｄ及び出力線５６ａ、５６ｂを介して第１電源３４の負側の電源電圧ＶＳＳに接続され、ドレインＤ２２〜Ｄ２４が第１電源３４の正側の電源電圧ＶＤＤに接続され、ゲートＧ２２〜Ｇ２４がキャパシタ６２ｂ〜６２ｄに接続されている。このため、電荷量Ｑ２〜Ｑ４に応じた電圧（電圧Ｖ２〜Ｖ４）［Ｖ］である蓄積電荷信号Ｓｃが増幅器６４ｂ〜６４ｄから出力される。
【００４４】
第２スイッチング素子６６ａ〜６６ｄは、増幅器６４ａ〜６４ｄからの電圧Ｖ１〜Ｖ４を出力線５６ａ、５６ｂに供給するかどうかを切り替える。すなわち、第２スイッチング素子６６ａ〜６６ｄでは、ソースＳ３１〜Ｓ３４が出力線５６ａ、５６ｂに接続され、ドレインＤ３１〜Ｄ３４が増幅器６４ａ〜６４ｄのソースＳ２１〜Ｓ２４に接続され、ゲートＧ３１〜Ｇ３４が垂直選択回路４０に接続されている。このため、垂直選択回路４０からゲートＧ３１〜Ｇ３４にゲート駆動信号（読出信号Ｓｒｅａｄ１〜Ｓｒｅａｄ４）を選択的に送信すること（ゲートＧ３１〜Ｇ３４に印加される電圧を選択的にハイにすること）により、ゲートＧ３１〜Ｇ３４を選択的にオンにし、キャパシタ６２ａ〜６２ｄからの蓄積電荷信号Ｓｃを出力線５６ａ、５６ｂに対して選択的に出力することができる。出力線５６ａ、５６ｂに供給された蓄積電荷信号Ｓｃは、サンプルホールド回路４１、水平選択回路４２、出力バッファ４３及びＡ／Ｄコンバータ４４を介して演算装置１７に供給される。
【００４５】
反対に、ゲートＧ３１〜Ｇ３４に読出信号Ｓｒｅａｄ１〜Ｓｒｅａｄ４の送信がないとき（ゲートＧ３１〜Ｇ３４に印加される電圧が全てローであるとき）、ゲートＧ３１〜Ｇ３４はオンにならず（増幅器６４ａ〜６４ｄのドレインＤ２１〜Ｄ２４からソースＳ２１〜Ｓ２４に電流は流れず）、キャパシタ６２ａ〜６２ｄからの蓄積電荷信号Ｓｃは出力線５６ａ、５６ｂに対して出力されない。
【００４６】
第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄは、キャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積されている電荷量Ｑ１〜Ｑ４をリセットする。すなわち、第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄでは、ソースＳ４１〜Ｓ４４がキャパシタ６２ａ〜６２ｄに接続され、ドレインＤ４１〜Ｄ４４が第２電源３６の正側の基準電圧Ｖｒｅｆに接続され、ゲートＧ４１〜Ｇ４４がゲート駆動回路３８に接続されている。このため、ゲートＧ４１〜Ｇ４４に対するゲート駆動回路３８からのゲート駆動信号（リセット信号Ｓｒｅｓｅｔ１〜Ｓｒｅｓｅｔ４）に応じて第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄを選択的に又は一斉にオンすることにより、キャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積されている光電子を第２電源３６に移動させ、キャパシタ６２ａ〜６２ｄの電荷量Ｑ１〜Ｑ４をリセットすることができる。
【００４７】
（ｉｉｉ）光電子排出部５４
光電子排出部５４は、光電子排出用の第４スイッチング素子７０を有する。第４スイッチング素子７０は、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄの全てがオフにされているとき（すなわち、光電変換素子５０で発生した光電子を第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄに振り分けないとき）に当該光電子を排出する。すなわち、第４スイッチング素子７０では、ソースＳ５が光電変換素子５０に接続され、ドレインＤ５が第１電源３４の正側の電源電圧ＶＤＤに接続され、ゲートＧ５がゲート駆動回路３８に接続されている。このため、ゲート駆動回路３８からゲートＧ５にゲート駆動信号（光電子排出信号Ｓｄｅ）を送信すること（ゲートＧ５に供給される電圧をハイにすること）により、ゲートＧ５をオンにし、光電変換素子５０で発生した光電子を、第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄに振り分けることなく、排出することができる。これにより、第１〜第４電荷蓄積部５２ａ〜５２ｄには、ゲートＧ１１〜Ｇ１４がオンしている期間に光電変換素子５０で発生した光電子のみを振り分けることが可能となる。その結果、後述する方法により、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄを測定することが可能となる。
【００４８】
（ｉｖ）画素３２の構成例
図４には、画素３２の一部縦断面図が示されている。図４に示すように、本実施形態の画素３２は、Ｐ型の基板８０と、Ｐ型の第１半導体領域８２と、Ｎ型の第２半導体領域８４と、Ｎ型の第３半導体領域８６と、ポリシリコン層からなる転送ゲート８８と、遮光部９０とを有する。
【００４９】
第１半導体領域８２の上面全体は、外部に露出し、反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓが入射可能である。
【００５０】
本実施形態では、第１半導体領域８２と第２半導体領域８４とで光電変換素子５０を構成する。上述のように、本実施形態の光電変換素子５０は、埋込型フォトダイオードである。また、基板８０と、第２半導体領域８４と、第３半導体領域８６と、転送ゲート８８とで、第１スイッチング素子６０ａを構成する。さらに、第３半導体領域８６は、フローティング・ディフュージョンとしても機能し、本実施形態のキャパシタ６２ａを構成する。
【００５１】
遮光部９０は、第３半導体領域８６の上面と転送ゲート８８とを覆うように配置される。これにより、第３半導体領域８６及び転送ゲート８８に対する反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓが遮られる。
【００５２】
２．測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄの測定方法
次に、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄ［ｍ］を測定する方法について説明する。
【００５３】
（１）測定周期Ｃｍ
図５に示すように、測距システム１０では、各測定周期Ｃｍ（測定値を求める周期）［回／ｓ］は、キャパシタ６２ａ〜６２ｄに電荷を累積的に蓄積する累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１［ｓ］と、キャパシタ６２ａ〜６２ｄに累積的に蓄積された電荷を読み出す読出し期間Ｔｒ［ｓ］とからなる。さらに、累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１は、画素３２にパルス光Ｌｐを露光し、キャパシタ６２ａ〜６２ｄに電荷を蓄積する処理（電荷蓄積処理）を１回行うための電荷蓄積期間Ｔｃａ２を複数含む。本実施形態において、累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１及び読出し期間Ｔｒは、１０ミリ秒である。また、各電荷蓄積期間Ｔｃａ２は、１００マイクロ秒である。さらに、各電荷蓄積期間Ｔｃａ２におけるパルス光Ｌｐの出力時間（パルス幅）は、１００ナノ秒である。従って、各電荷蓄積期間Ｔｃａ２における発光部１８の駆動デューティは、０．１パーセントである。
【００５４】
なお、上述したように、測距システム１０は、測定結果を三次元画像として出力可能であるため、各測定周期Ｃｍは、三次元画像のフレームレート［フレーム／ｓ］としても定義可能である。
【００５５】
本実施形態では、累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１において電荷蓄積処理を１００回行い、これに伴ってキャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを測定する。
【００５６】
（２）測定方法の概要（１つの電荷蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合）
上記のように、本実施形態では、累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１全体でキャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを測定するが、発明の理解を容易化するため、以下では、まずは、１つの電荷蓄積期間Ｔｃａ２のみでキャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積された電荷量Ｑ１〜Ｑ４に基づいて往復期間ΔＰ及び距離Ｄを求める場合を説明する。
【００５７】
図６には、電荷蓄積期間Ｔｃａ２における放射光Ｌｅ、反射光Ｌｒ、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄのゲートＧ１１〜Ｇ１４及び第４スイッチング素子７０のゲートＧ５のタイミングチャートが示されている。
【００５８】
詳細は後述するが、本実施形態では、反射光Ｌｒの強度Ｉｒ［Ｗ］が一定であれば、反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射した期間（反射光入射期間Ｐｒｉ）［ｓ］と、反射光入射期間Ｐｒｉにおける反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）［Ｊ］とが比例関係にあることを利用して、距離Ｄを測定する。
【００５９】
すなわち、第１基準期間としての期間Ｐ１において、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（環境光基準光量Ａｒｓ）［Ｊ］（キャパシタ６２ａの電荷量Ｑ１）を求め、第２基準期間としての期間Ｐ３（＝Ｐ１）において、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（合成光基準光量Ａｒｉ）［Ｊ］（キャパシタ６２ｃの電荷量Ｑ３）を求める。また、第１測定期間としての期間Ｐ２において、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（環境光測定光量Ａｍｓ）［Ｊ］（キャパシタ６２ａの電荷量Ｑ２）を求め、第２測定期間としての期間Ｐ４（＝Ｐ２）において、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射しているときの累積光量（合成光測定光量Ａｍｉ）［Ｊ］（キャパシタ６２ｃの電荷量Ｑ３）を求める。期間Ｐ４では、環境光Ｌｓ及び反射光Ｌｒの両方が入射する期間（期間Ｐｓｒ）［ｓ］と、環境光Ｌｓのみが入射する期間（期間Ｐｓ）［ｓ］が存在する。期間Ｐｓｒは、対象物Ｗまでの距離Ｄに比例する。
【００６０】
ここで、合成光基準光量Ａｒｉと環境光基準光量Ａｒｓとの差（反射光基準光量Ａｒｒ）［Ｊ］と合成光測定光量Ａｍｉと環境光測定光量Ａｍｓとの差（反射光測定光量Ａｍｒ）［Ｊ］との比（Ａｒｉ―Ａｒｓ：Ａｍｉ―Ａｍｓ）と、期間Ｐ３（＝Ｐ１）と反射光入射期間Ｐｒｉとの比（Ｐ３：Ｐｒｉ）とが等しい。これを利用して、測距システム１０から出射されたパルス光Ｌｐが対象物Ｗに当たって測距システム１０に戻って来るまでの期間（往復期間ΔＰ）を求める。そして、往復期間ΔＰに基づいて測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄを測定する。
【００６１】
（３）測定方法の詳細（１つの電荷蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合）
（ａ）タイミングチャートの説明
図６において、時点Ｔｅｕは、放射光Ｌｅの放射開始時点を、時点Ｔｅｄは、放射光Ｌｅの放射終了時点を、期間Ｐｅは、時点Ｔｅｕから時点Ｔｅｄまでの期間を示す。時点Ｔｒｕは、光電変換素子５０に対する反射光Ｌｒの入射開始時点を、時点Ｔｒｄは、光電変換素子５０に対する反射光Ｌｒの入射終了時点を、期間Ｐｒは、時点Ｔｒｕから時点Ｔｒｄまでの期間を示す。
【００６２】
時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕは、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄのゲートＧ１１〜Ｇ１４を開く時点を、時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄは、ゲートＧ１１〜Ｇ１４を閉じる時点を、期間Ｐ１は、時点Ｔｇ１ｕから時点Ｔｇ１ｄまでの期間を、期間Ｐ２は、時点Ｔｇ２ｕから時点Ｔｇ２ｄまでの期間を、期間Ｐ３は、時点Ｔｇ３ｕから時点Ｔｇ３ｄまでの期間を、期間Ｐ４は、時点Ｔｇ４ｕから時点Ｔｇ４ｄまでの期間を示す。期間Ｐｓｒは、時点Ｔｇ４ｕから時点Ｔｒｄまでの期間を、期間Ｐｓは、時点Ｔｒｄから時点Ｔｇ４ｄまでの期間を示す。
【００６３】
時点Ｔｄ１ｕ、Ｔｄ２ｕは、第４スイッチング素子７０のゲートＧ５を開く時点を、時点Ｔｄ１ｄ、Ｔｄ２ｄは、ゲートＧ５を閉じる時点を、期間Ｐ５は、時点Ｔｄ１ｕから時点Ｔｄ１ｄまでの期間を、期間Ｐ６は、時点Ｔｄ２ｕから時点Ｔｄ２ｄまでの期間を示す。
【００６４】
反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射している期間Ｐｒは、時点Ｔｅｕから時点Ｔｒｕまで又は時点Ｔｅｄから時点Ｔｒｄまでの遅れ（往復期間ΔＰ）が発生するものの、期間Ｐｅと等しく（Ｐｅ＝Ｐｒ）、例えば、１０ナノ秒以上１マイクロ秒以下に設定可能であり、本実施形態では、１００ナノ秒である。また、制御装置１６において、期間Ｐ１と期間Ｐ３及び期間Ｐ２と期間Ｐ４はそれぞれ等しく設定される（Ｐ１＝Ｐ３及びＰ２＝Ｐ４）。期間Ｐ１、Ｐ３は、例えば、１０ナノ秒以上９０ナノ秒以下に設定可能であり、本実施形態では、３０ナノ秒である。期間Ｐ２は、例えば、１０ナノ秒以上９０ナノ秒以下に設定可能であり、本実施形態では、７０ナノ秒である。また、期間Ｐ５は、例えば、０秒以上９０ナノ秒以下に設定可能であり、本実施形態では、７０ナノ秒である。期間Ｐ６は、例えば、１０マイクロ秒以上１ミリ秒以下に設定可能であり、本実施形態では、約１００マイクロ秒である。このため、期間Ｐ１〜Ｐ６のうち期間Ｐ６が非常に長い。
【００６５】
図６からわかるように、測距システム１０の電荷蓄積期間Ｔｃａ２［ｓ］では、まず、ゲートＧ１１を開き（期間Ｐ１）、ゲートＧ１１を閉じるのと同時にゲートＧ１２を開く（期間Ｐ２）。ゲートＧ１２を閉じるのと同時に対象物Ｗに対して放射光Ｌｅを出射し、ゲートＧ５を開く（期間Ｐ５）。放射光Ｌｅの出力中（期間Ｐｅ）、光電変換素子５０に対する反射光Ｌｒの入射が開始する（時点Ｔｒｕ）。放射光Ｌｅの出射開始（時点Ｔｅｕ）から期間Ｐ５経過後にゲートＧ５を閉じると共にゲートＧ１３を開く（期間Ｐ３）。期間Ｐｅの経過後に、放射光Ｌｅの出射を終了すると共にゲートＧ１３を閉じ、ゲートＧ１４を開く（期間Ｐ４）。ゲートＧ１４を開いている間（期間Ｐ４）、光電変換素子５０に対する反射光Ｌｒの入射が終了する（時点Ｔｒｄ）。換言すると、期間Ｐ４が、測距システム１０の測定レンジ（測定可能な距離の範囲）［ｍ］を規定する。ゲートＧ１４を閉じるのと同時にゲートＧ５を開く（期間Ｐ６）。期間Ｐ６が経過するとゲートＧ５を閉じ、１回の電荷蓄積期間Ｔｃａ２を終了する（時点Ｔｄ２ｄ）。それと同時に、次の電荷蓄積期間Ｔｃａ２が開始され、ゲートＧ１１が開かれる（時点Ｔｇ１ｕ）。なお、発光装置１２及び受光装置１４の各部位の制御は、制御装置１６において行われる。また、制御装置１６は、受光部２２に対し同一シリコン基板上にＣＭＯＳプロセスで作成されることが望ましい。
【００６６】
（ｂ）測定原理の説明
（ｉ）反射光基準光量Ａｒｒの演算
測距システム１０と対象物Ｗとがそれぞれ固定されていれば、対象物Ｗで反射して測距システム１０に戻って来る反射光Ｌｒは、一定の強度（単位時間当たりの光量）であると言える。また、期間Ｐ１は、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射する期間に設定されるため、第１電荷蓄積部５２ａのキャパシタ６２ａには、環境光Ｌｓのみに伴う光電子が蓄積される。一方、期間Ｐ３は、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が光電変換素子５０に入射する期間に設定されるため、第３電荷蓄積部５２ｃのキャパシタ６２ｃには、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方に伴う光電子が蓄積される。さらに、期間Ｐ１と期間Ｐ３は同じ長さである。
【００６７】
このため、キャパシタ６２ｃに蓄積されている電荷量Ｑ３とキャパシタ６２ａに蓄積されている電荷量Ｑ１との差は、期間Ｐ３（＝期間Ｐ１）における反射光Ｌｒの累積光量（反射光基準光量Ａｒｒ）を示す。
【００６８】
（ｉｉ）反射光測定光量Ａｍｒ及び往復期間ΔＰの演算
測距システム１０と対象物Ｗとがそれぞれ固定されていれば、対象物Ｗで反射して測距システム１０に戻って来る反射光Ｌｒは、一定の強度であると言える。また、期間Ｐ２は、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射する期間に設定されるため、第２電荷蓄積部５２ｂのキャパシタ６２ｂには、環境光Ｌｓのみに伴う光電子が蓄積される。一方、期間Ｐ４は、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射する期間（期間Ｐｓｒ）と環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射する期間（期間Ｐｓ）の両方を含む期間に設定されるため、第４電荷蓄積部５２ｄのキャパシタ６２ｄには、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方に伴う光電子が蓄積される。さらに、期間Ｐ２と期間Ｐ４は同じ長さである。
【００６９】
このため、キャパシタ６２ｄに蓄積されている電荷量Ｑ４とキャパシタ６２ｂに蓄積されている電荷量Ｑ２との差は、期間Ｐ４（＝期間Ｐ２）における反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）を示す。ここで、本実施形態では、期間Ｐ４は、放射光Ｌｅの出射を終了する時点Ｔｅｄと同時に開始される。このため、期間Ｐ４では、パルス往復期間ΔＰに対応する反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射し、キャパシタ６２ｄに光電子が蓄積される。従って、キャパシタ６２ｄに蓄積されている電荷量Ｑ４は、期間Ｐ４全体における環境光Ｌｓの累積光量（環境光測定光量Ａｍｓ）と、往復期間ΔＰにおける反射光Ｌｒの累積光量（反射光測定光量Ａｍｒ）との和（合成光測定光量Ａｍｉ）に対応するものである。このため、電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２との差は、反射光測定光量Ａｍｒに対応する電荷量を示す。ここで、往復期間ΔＰは、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄに依存する。このため、反射光測定光量Ａｍｒ（電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２の差に対応）と反射光基準光量Ａｒｒ（電荷量Ｑ３と電荷量Ｑ１の差に対応）との比は、往復期間ΔＰと期間Ｐ３（＝期間Ｐ１）との比に等しい（Ａｍｒ：Ａｒｒ＝Ｑ４−Ｑ２：Ｑ３−Ｑ１＝ΔＰ：Ｐ３）。従って、下記の式（１）により往復期間ΔＰを演算することができる。
ΔＰ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ・・・（１）
【００７０】
（ｉｉｉ）距離Ｄの演算
往復期間ΔＰがわかれば、測距システム１０と対象物Ｗとの距離Ｄは、下記の式（２）により演算することができる。なお、式（２）において、ｃは、光速（約３０万キロメートル毎秒）を示す定数であり、また、ｃ×ΔＰを２で割っているのは、往復期間ΔＰにおいて、パルス光Ｌｐは、測距システム１０と対象物Ｗとの間を往復し、距離Ｄの２倍の距離を進んでいるためである。
Ｄ＝ｃ×ΔＰ／２ ・・・（２）
【００７１】
（ｉｖ）その他
画素３２の初期設定（リセット動作）としては、下記のような処理がなされる。すなわち、まずゲートＧ４１〜Ｇ４４に対してリセット信号Ｓｒｅｓｅｔ１〜Ｓｒｅｓｅｔ４を送信すること（ゲートＧ４１〜Ｇ４４に供給される電圧をハイにすること）に応じて第３スイッチング素子６８ａ〜６８ｄを一斉にオンにする。同時に、ゲートＧ５に光電子排出信号Ｓｄｅを送信すること（ゲートＧ５に供給される電圧をハイにすること）により、第４スイッチング素子７０をオンにする。この時、ゲートＧ１１〜Ｇ１４に対してゲート駆動信号Ｓｄｇ１〜Ｓｄｇ４は送信されず（ゲートＧ１１〜Ｇ１４に供給される電圧をローにし）、第１スイッチング素子６０ａ〜６０ｄをオフにしておく。この処理により、キャパシタ６２ａ〜６２ｄは、基準電圧Ｖｒｅｆに設定される。この後、ゲートＧ４１〜Ｇ４４に対するリセット信号Ｓｒｅｓｅｔ１〜Ｓｒｅｓｅｔ４の送信を停止し（ゲートＧ４１〜Ｇ４４に供給される電圧をローにし）、キャパシタ６２ａ〜６２ｄは、基準電圧Ｖｒｅｆに設定される。その後、上述した図６に示すタイミングでの処理が行われる。
【００７２】
（４）測定方法の詳細（累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１を対象とした場合）
上記項目（２）（３）では、１個の電荷蓄積期間Ｔｃａ２を対象とした場合を説明したが、本実施形態では、１００個の電荷蓄積期間Ｔｃａ２（すなわち、累積的電荷蓄積期間Ｔｃａ１）においてキャパシタ６２ａ〜６２ｄに蓄積した電荷量Ｑ１〜Ｑ４（ここでは、「電荷量Ｑ１ａ〜Ｑ４ａ」と称する。）を用いて、上記と同様に往復期間ΔＰを演算する。
【００７３】
電荷量Ｑ１ａは、第１番目から第１００番目までの各電荷蓄積期間Ｔｃａ２でキャパシタ６２ａに蓄積された電荷量Ｑ１の合計である。同様に、電荷量Ｑ２ａ〜Ｑ４ａは、第１番目から第１００番目までの各電荷蓄積期間Ｔｃａ２でキャパシタ６２ｂ〜６２ｄに蓄積された電荷量Ｑ２〜Ｑ４の合計である。
【００７４】
（５）その他
なお、本実施形態では、複数の画素３２それぞれにおいて電荷量Ｑ１〜Ｑ４（電荷情報）を用いて、距離Ｄを測定する。これにより、各画素３２の距離情報を組み合わせることにより３次元画像を得ることができる。
【００７５】
３．本実施形態の効果
以上のような本実施形態では、測距システム１０のダイナミックレンジを向上させることができると共に、環境光Ｌｓの影響を軽減又は排除することが可能となる。その結果、測距システムの測定精度を向上することが可能となる。
【００７６】
すなわち、本実施形態では、光電変換素子５０に環境光Ｌｓのみが入射する期間Ｐ１に蓄積される電荷量Ｑ１と、光電変換素子５０に環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が入射する期間Ｐ３に蓄積される電荷量Ｑ３を求める。期間Ｐ１と期間Ｐ３とは同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ３と電荷量Ｑ１の差（Ｑ３−Ｑ１）から、期間Ｐ３における反射光Ｌｒに対応する電荷量（期間Ｐ３における反射光Ｌｒの基準光量Ａｒｒに対応する）を求めることができる。
【００７７】
また、光電変換素子５０に環境光Ｌｓのみが入射する期間Ｐ２に蓄積される電荷量Ｑ２と、期間Ｐ４に蓄積される電荷量Ｑ４を求める。期間Ｐ４には、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒの両方が光電変換素子５０に入射していた期間（期間Ｐｓｒ）と、環境光Ｌｓのみが光電変換素子５０に入射していた期間（期間Ｐｓ）が含まれる。期間Ｐ２と期間Ｐ４は同じ長さに設定されることから、電荷量Ｑ４と電荷量Ｑ２の差（Ｑ４−Ｑ２）から、期間Ｐ４のうち期間Ｐｓｒに対応する電荷量（期間Ｐｓｒにおける反射光Ｌｒの光量に対応する）を求めることができる。
【００７８】
ここで、反射光Ｌｒが光電変換素子５０に入射している間、反射光Ｌｒの強度Ｉｒが一定であるとすると、電荷量Ｑ４及び電荷量Ｑ２の差と電荷量Ｑ３及び電荷量Ｑ１の差との比（Ｑ４−Ｑ２：Ｑ３−Ｑ１）は、期間Ｐｓｒと期間Ｐ３との比（Ｐｓｒ：Ｐ３）と等しい。このため、期間Ｐｓｒは、下記の式（３）で求めることができる。
Ｐｓｒ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ・・・（３）
【００７９】
ここで、時点Ｔｅｄと時点Ｔｇ４ｕが等しいため、期間Ｐｓｒは往復期間ΔＰと等しい。従って、上記式（３）より往復期間ΔＰを演算することが可能であり、その結果、往復期間ΔＰと光速に基づき距離Ｄを求めることができる。
【００８０】
このように、測距システム１０では、環境光Ｌｓによって生じる電荷量Ｑ２を取り除くため、環境光Ｌｓの影響を排除又は軽減することができる。
【００８１】
また、距離Ｄが短くなる程、反射光Ｌｒの入射期間（すなわち、期間Ｐｓｒ）が短くなり、距離Ｄが長くなる程、期間Ｐｓｒが長くなる。一般に、同じ対象物Ｗであれば、距離Ｄが短い程、反射光Ｌｒの強度Ｉｒは大きくなり、距離Ｄが長い程、強度Ｉｒは小さくなる。このため、距離Ｄが短い場合、強度Ｉｒの大きい反射光Ｌｒを短期間入射させ、距離Ｄが長い場合、強度Ｉｒの小さい反射光Ｌｒを長期間入射させることとなる。その結果、距離Ｄの変化量と比較して、期間Ｐｓｒに入射する反射光Ｌｒの光量Ａｒの変化量は小さくなる。このことは、測距システム１０のダイナミックレンジを狭くすることが可能であることを意味する。従って、測距システム１０のダイナミックレンジを向上させることができる。
【００８２】
本実施形態では、各測定周期Ｃｍにパルス光Ｌｐを１００回放射し、キャパシタ６２ａ〜６２ｄそれぞれに１００回光電子を蓄積した後の電荷量Ｑ１〜Ｑ４を用いて往復期間ΔＰを演算する。一般に、環境光Ｌｓ（例えば、太陽光）の強度は常に変化している。各測定周期Ｃｍにパルス光Ｌｐを１００回放射し、これに応じた回数だけ光電子を蓄積した後の電荷量Ｑ１〜Ｑ４を用いて往復期間ΔＰを演算することで、環境光Ｌｓの強度を平均化することができる。その結果、環境光Ｌｓによって生じる電荷量を取り除く精度を高め、測定精度を向上させることができる。
【００８３】
本実施形態では、パルス光Ｌｐのパルス幅（出力期間）は、１０マイクロ秒（＝１００ナノメートル×１００回）であり、各測定周期Ｃｍ（２０ミリ秒）の０．０５パーセントとしている。これに合わせて、ゲートＧ１１〜Ｇ１４を開く期間Ｐ１〜Ｐ４も短く設定している。このため、仮に同じ周波数のパルス光を用いている他の測距システムが周囲に存在した場合でも、他の測距システムがパルス光を出力するタイミングと測距システム１０がパルス光Ｌｐを出力するタイミングとが被る可能性が低くなる。その結果、他の測距システムとの干渉（他の測距システムからのパルス光を測距システム１０からのパルス光Ｌｐと誤認識すること）の可能性を低くすることができる。
【００８４】
加えて、ゲートＧ１１〜Ｇ１４を開く期間Ｐ１〜Ｐ４も短く設定しているため、期間Ｐ１〜Ｐ４において光電変換素子５０に環境光Ｌｓが入射する期間を短くすることができる。これにより、ノイズ成分としての環境光Ｌｓの影響を小さくし、信号／ノイズ比（Ｓ／Ｎ）を向上することができる。特に、環境光Ｌｓが太陽光の場合、太陽光のショットノイズを低減することができる。
【００８５】
本実施形態では、測定周期Ｃｍに対してゲートＧ１１〜Ｇ１４を開く期間Ｐ１〜Ｐ４を非常に短く設定している。このため、前回以前の測定周期Ｃｍで放射したパルス光Ｌｐが今回の測定周期Ｃｍで検出される現象（エイリアシング現象）が生じる可能性を減少させることができる。すなわち、本実施形態の各電荷蓄積期間Ｔｃａ２は１００マイクロ秒であり、パルス光Ｌｐの放射期間Ｐｅが短いため、パルス光Ｌｐの放射間隔も約１００マイクロ秒となる。光速ｃは、約３０万キロメートル毎秒であるため、対象物Ｗの実際の位置が、測距システム１０が出力した距離Ｄよりも１５キロメートル（＝１００［μｓ］×３０［Ｍｍ／ｓ］／２）遠い位置に存在すれば、エイリアシング現象が発生している可能性が存在する。しかし、発光部１８により対象物Ｗに照射されるパルス光Ｌｐの強度は、距離Ｄの二乗に応じて減少するため、距離Ｄよりも１５キロメートル遠い位置からの反射光Ｌｒの強度Ｉｒは、距離Ｄに対象物Ｗがある場合の強度Ｉｒと比べて非常に小さくなり、光電変換素子５０ではほとんど検出できない。よって、本実施形態の測距システム１０では、エイリアシング現象の発生を防止することができる。
【００８６】
Ｂ．変形例
なお、この発明は、上記実施形態に限られず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
【００８７】
上記実施形態では、図６のタイミングチャートによりゲートＧ１１〜Ｇ１４を制御したが、これに限られない。例えば、図６の期間Ｐ３、Ｐ４を期間Ｐ１、Ｐ２より前に位置させてもよい。また、時点Ｔｇ１ｄと時点Ｔｇ２ｕを同時にしたが、時点Ｔｇ２ｕを時点Ｔｇ１ｄよりも後にすることもできる。時点Ｔｇ２ｄと時点Ｔｅｕの関係、時点Ｔｇ３ｄと時点Ｔｇ４ｕの関係も同様である。さらに、時点Ｔｇ４ｕは、時点Ｔｅｄとの相関関係がわかっていれば、時点Ｔｅｄと同時でなくてもよい。
【００８８】
図７には、時点Ｔｅｄを時点Ｔｇ４ｕより後にしたタイミングチャートが示されている。この場合、往復期間ΔＰは下記の式（４）により演算することができる。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３―（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ） ・・・（４）
【００８９】
或いは、時点Ｔｅｄを時点Ｔｇ４ｕより前にすることもできる。この場合、往復期間ΔＰは下記の式（５）により演算することができる。
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３＋（Ｔｇ４ｕ―Ｔｅｄ） ・・・（５）
【００９０】
上記実施形態では、環境光Ｌｓの影響を排除又は軽減するために期間Ｐ１、Ｐ２を設けたが、例えば、暗室等の環境光Ｌｓが存在しない場所又は反射光Ｌｒに対して環境光Ｌｓが小さく、環境光Ｌｓの影響が小さい場合であれば、期間Ｐ３、Ｐ４のみから往復期間ΔＰを求めることもできる。すなわち、下記の式（６）により往復期間ΔＰを演算する。
ΔＰ＝（Ｑ４／Ｑ３）×Ｐ３ ・・・（６）
【００９１】
上記実施形態では、光電変換素子５０として埋込フォトダイオード（図４）を用いたが、これに限られず、埋込フォトダイオード以外のフォトダイオードやフォトゲート等その他の光電変換素子を用いることもできる。
【００９２】
図８には、光電変換素子としてフォトゲートを用いた画素３２ａの一部縦断面図が示されている。図８に示すように、画素３２ａは、Ｐ型の基板１００と、フォトゲート１０２と、Ｎ型の半導体領域１０４と、ポリシリコン層からなる転送ゲート１０６と、遮光部１０８とを有する。
【００９３】
画素３２ａでは、フォトゲート１０２が光電変換素子５０ａを構成する。また、基板１００と、フォトゲート１０２と、半導体領域１０４と、転送ゲート１０６とで、第１スイッチング素子６０ａ１を構成する。さらに、半導体領域１０４は、フローティング・ディフュージョンとしても機能し、キャパシタ６２ａ１を構成する。なお、画素３２ａは、第１スイッチング素子６０ａ１と同様の構成の第１スイッチング素子６０ｂ１〜６０ｄ１及びキャパシタ６２ａ１と同様の構成のキャパシタ６２ｂ１〜６２ｄ１を有する。
【００９４】
遮光部１０８は、半導体領域１０４と転送ゲート１０６とを覆うように配置される。これにより、半導体領域１０４及び転送ゲート１０６に対する反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓが遮られる。
【００９５】
図９には、画素３２ａを用いて距離Ｄを測定するための放射光Ｌｅ、反射光Ｌｒ、第１スイッチング素子６０ａ１〜６０ｄ１のゲートＧ１１〜Ｇ１４、第４スイッチング素子７０のゲートＧ５及びフォトゲート１０２のタイミングチャートが示されている。
【００９６】
図９のタイミングチャートは、フォトゲート１０２のタイミングを除き、図６のタイミングチャートと同様である。図９では、期間Ｐ１〜Ｐ６におけるフォトゲート１０２を開く時点を時点Ｔｐ１ｕ〜Ｔｐ６ｕとし、フォトゲート１０２を閉じる時点を時点Ｔｐ１ｄ〜Ｔｐ６ｄとしている。フォトゲート１０２は、期間Ｐ１〜Ｐ６が終了する時点Ｔｇ１ｄ〜Ｔｇ４ｄ、Ｔｄ１ｄ、Ｔｄ２ｄよりも期間Ｐｐだけ前に閉じている。これにより、フォトゲート１０２において光電変換した光電子をフォトゲート１０２に残すことなく高速に半導体領域１０４に転送することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】この発明の一実施形態に係る測距システムの構成図である。
【図２】上記実施形態の受光部のブロック図である。
【図３】上記受光部のイメージセンサにおける画素の回路図である。
【図４】前記画素の一部縦断面図である。
【図５】上記実施形態における測定周期のタイミングチャートである。
【図６】前記測定周期における電荷蓄積期間のタイミングチャートである。
【図７】図６のタイミングチャートの変形例である。
【図８】画素の変形例の一部縦断面図である。
【図９】図８の画素における放射光、反射光、複数のゲート及びフォトゲートのタイミングチャートである。
【符号の説明】
【００９８】
１０…測距システム １２…発光装置
１４…受光装置 １６…制御装置
１７…演算装置 １８…発光部
３２、３２ａ…画素 ３４…第１電源
３６…第２電源 ５０、５０ａ…光電変換素子
５４…光電子排出部
６０ａ〜６０ｄ、６０ａ１〜６０ｄ１…第１スイッチング素子
６２ａ〜６２ｄ、６２ａ１〜６２ｄ１…キャパシタ
６４ａ〜６４ｄ…増幅器 ６８ａ〜６８ｄ…第３スイッチング素子
７０…第４スイッチング素子 ９０、１０８…遮光部
１０２…フォトゲート Ｃｍ…測定周期
Ｇ２１〜Ｇ２４…増幅器のゲート Ｉｒ…反射光の強度
Ｌｅ…放射光 Ｌｐ…パルス光
Ｌｒ…反射光 Ｌｓ…環境光
Ｐ１…期間（第１基準期間） Ｐ２…期間（第１測定期間）
Ｐ３…期間（第２基準期間） Ｐ４…期間（第２測定期間）
Ｗ…対象物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、
前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、
前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、
前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置と
を有する測距システムであって、
前記受光装置は、
前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子からの前記光電子を蓄積する第１乃至第４キャパシタと、
前記光電変換素子からの前記光電子を排出する光電子排出部と、
前記光電変換素子と前記第１乃至第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１乃至第４キャパシタに対して振り分ける第１乃至第４ゲート電極と、
前記光電変換素子と前記光電子排出部との間に配置され、前記光電変換素子から前記光電子排出部への前記光電子の供給を制御する第５ゲート電極と
を備え、
前記パルス光の放射開始時点を時点Ｔｅｕ、
前記パルス光の放射終了時点を時点Ｔｅｄ、
前記光電変換素子に対する前記反射光の入射終了時点を時点Ｔｒｄ、
前記第１乃至第４ゲート電極を開く時点を時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕ、
前記第１乃至第４ゲート電極を閉じる時点を時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄ、
前記時点Ｔｇ１ｕから前記時点Ｔｇ１ｄまでの期間を期間Ｐ１、
前記時点Ｔｇ２ｕから前記時点Ｔｇ２ｄまでの期間を期間Ｐ２、
前記時点Ｔｇ３ｕから前記時点Ｔｇ３ｄまでの期間を期間Ｐ３、
前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｇ４ｄまでの期間を期間Ｐ４、
前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｒｄまでの期間を期間Ｐｓｒ、
前記期間Ｐ１の間に前記第１キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ１、
前記期間Ｐ２の間に前記第２キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ２、
前記期間Ｐ３の間に前記第３キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ３、
前記期間Ｐ４の間に前記第４キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ４、
前記パルス光が放射されてから前記対象物で反射して前記反射光として戻ってくるまでの期間を往復期間ΔＰ、及び
前記測距システムと前記対象物との距離を距離Ｄ
とするとき、
前記制御装置は、
（１）Ｐ１＝Ｐ３、
（２）Ｐ２＝Ｐ４、及び
（３）Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ≦Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ、又は、Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ＜Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ
となるように、前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１乃至第４ゲート電極の開閉を制御し、
前記第１乃至第４ゲート電極が全て閉じているとき、前記第５ゲート電極を開いて前記光電子を外部に排出させ、
前記演算装置は、
前記第３キャパシタに蓄積され、環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ３と、前記第１キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ１との差に基づいて、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報を取得し、
前記第４キャパシタに蓄積され、前記環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ４と、前記第２キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ２との差に基づいて、前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報を取得し、
前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報及び前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報の比と、前記期間Ｐ３及び前記期間Ｐｓｒの比とに基づいて前記往復期間ΔＰを演算し、
前記往復期間ΔＰに基づいて前記距離Ｄを測定する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項２】
請求項１記載の測距システムにおいて、
前記時点Ｔｅｄと前記時点Ｔｇ４ｕが等しいとき、下記の式（１）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算し、
ΔＰ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ・・・（１）
前記時点Ｔｅｄが前記時点Ｔｇ４ｕよりも後であるとき、下記の式（２）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算する
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３―（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ） ・・・（２）
ことを特徴とする測距システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の測距システムにおいて、
前記制御装置は、測定周期毎に前記発光装置に前記パルス光を複数回放射させ、
前記演算装置は、前記第１乃至第４キャパシタそれぞれに前記光電子を複数回蓄積した後の前記電荷量Ｑ１乃至Ｑ４を用いて前記往復期間ΔＰを演算する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記発光装置は、前記パルス光の放射期間を各測定周期の１パーセント以下に設定し、且つ
前記受光装置は、前記第１乃至第４ゲート電極を開く期間を各測定周期の１パーセント以下に設定する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４キャパシタにそれぞれのゲートが接続され、前記第１乃至第４キャパシタの電位に応じた電圧を出力する第１乃至第４増幅器を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４キャパシタの電位をリセットするための電源及び第６ゲート電極を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記光電変換素子は、フォトダイオード、埋込フォトダイオード又はフォトゲートである
ことを特徴とする測距システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記第１乃至第４キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込フォトダイオード又はＰＮ接合部である
ことを特徴とする測距システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４ゲート電極及び前記第１乃至第４キャパシタを遮光する遮光部を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記発光装置は、発光ダイオード、レーザダイオード又は半導体レーザバーである発光素子を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記発光装置は、複数の半導体レーザバーを配列させた発光素子を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、前記光電変換素子、前記第１乃至第４キャパシタ、前記光電子排出部及び前記第１乃至第５ゲート電極を備える複数の画素が設けられたラインセンサ又はイメージセンサを有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１３】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置とを有する測距システムを用いる測距方法であって、
基準期間における反射光の累積光量である反射光基準光量を求める工程と、
測定期間における前記反射光の累積光量である反射光測定光量を求める工程と、
前記測定期間のうち、前記受光装置の光電変換素子に対して前記反射光が入射していた期間である反射光入射期間を、前記反射光測定光量及び前記反射光基準光量の比と前記反射光入射期間及び前記基準期間の比とに基づいて演算する工程と、
前記反射光入射期間に基づいて前記測距システムと前記対象物との距離を算出する工程と
を有することを特徴とする測距方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の測距方法において、
前記反射光基準光量を求める工程は、
第１基準期間における環境光の累積光量である環境光基準光量を求める工程と、
前記第１基準期間と同じ長さの第２基準期間における前記環境光及び前記反射光の累積合成光量である合成光基準光量を求める工程と、
前記合成光基準光量から前記環境光基準光量を差し引いて前記第２基準期間における前記反射光基準光量を算出する工程と
を含み、
前記反射光測定光量を求める工程は、
第１測定期間における前記環境光の累積光量である環境光測定光量を求める工程と、
前記第１測定期間と同じ長さの第２測定期間における前記環境光及び前記反射光の累積合成光量である合成光測定光量を求める工程と、
前記合成光測定光量から前記環境光測定光量を差し引いて前記第２基準期間における前記反射光測定光量を算出する工程と
を含む
ことを特徴とする測距方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の測距方法において、
各測定周期に前記第１基準期間、前記第２基準期間、前記第１測定期間及び前記第２測定期間をそれぞれ複数設定し、
前記環境光基準光量を、各第１基準期間における前記環境光の累積光量の合計値として求め、
前記合成光基準光量を、各第２基準期間における前記累積合成光量の合計値として求め、
前記環境光測定光量を、各第１測定期間における前記環境光の累積光量の合計値として求め、
前記合成光測定光量を、各第２測定期間における前記累積合成光量の合計値として求める
ことを特徴とする測距方法。
【請求項１６】
請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の測距方法において、
前記パルス光の放射期間、前記基準期間及び前記測定期間それぞれが占める割合を各測定周期の１パーセント以下に設定する
ことを特徴とする測距方法。
【請求項１】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、
前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、
前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、
前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置と
を有する測距システムであって、
前記受光装置は、
前記反射光を検知して光電子に変換する光電変換素子と、
前記光電変換素子からの前記光電子を蓄積する第１乃至第４キャパシタと、
前記光電変換素子からの前記光電子を排出する光電子排出部と、
前記光電変換素子と前記第１乃至第４キャパシタとの間に配置され、前記パルス光の放射に同期して、前記光電子を前記第１乃至第４キャパシタに対して振り分ける第１乃至第４ゲート電極と、
前記光電変換素子と前記光電子排出部との間に配置され、前記光電変換素子から前記光電子排出部への前記光電子の供給を制御する第５ゲート電極と
を備え、
前記パルス光の放射開始時点を時点Ｔｅｕ、
前記パルス光の放射終了時点を時点Ｔｅｄ、
前記光電変換素子に対する前記反射光の入射終了時点を時点Ｔｒｄ、
前記第１乃至第４ゲート電極を開く時点を時点Ｔｇ１ｕ、Ｔｇ２ｕ、Ｔｇ３ｕ、Ｔｇ４ｕ、
前記第１乃至第４ゲート電極を閉じる時点を時点Ｔｇ１ｄ、Ｔｇ２ｄ、Ｔｇ３ｄ、Ｔｇ４ｄ、
前記時点Ｔｇ１ｕから前記時点Ｔｇ１ｄまでの期間を期間Ｐ１、
前記時点Ｔｇ２ｕから前記時点Ｔｇ２ｄまでの期間を期間Ｐ２、
前記時点Ｔｇ３ｕから前記時点Ｔｇ３ｄまでの期間を期間Ｐ３、
前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｇ４ｄまでの期間を期間Ｐ４、
前記時点Ｔｇ４ｕから前記時点Ｔｒｄまでの期間を期間Ｐｓｒ、
前記期間Ｐ１の間に前記第１キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ１、
前記期間Ｐ２の間に前記第２キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ２、
前記期間Ｐ３の間に前記第３キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ３、
前記期間Ｐ４の間に前記第４キャパシタに蓄積される電荷量を電荷量Ｑ４、
前記パルス光が放射されてから前記対象物で反射して前記反射光として戻ってくるまでの期間を往復期間ΔＰ、及び
前記測距システムと前記対象物との距離を距離Ｄ
とするとき、
前記制御装置は、
（１）Ｐ１＝Ｐ３、
（２）Ｐ２＝Ｐ４、及び
（３）Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ≦Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ、又は、Ｔｅｕ＜Ｔｇ３ｕ＜Ｔｇ３ｄ≦Ｔｇ４ｕ≦Ｔｅｄ＜Ｔｇ４ｄ＜Ｔｇ１ｕ＜Ｔｇ１ｄ≦Ｔｇ２ｕ＜Ｔｇ２ｄ
となるように、前記発光装置による前記パルス光の放射及び前記第１乃至第４ゲート電極の開閉を制御し、
前記第１乃至第４ゲート電極が全て閉じているとき、前記第５ゲート電極を開いて前記光電子を外部に排出させ、
前記演算装置は、
前記第３キャパシタに蓄積され、環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ３と、前記第１キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ１との差に基づいて、前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報を取得し、
前記第４キャパシタに蓄積され、前記環境光と前記反射光に対応する前記電荷量Ｑ４と、前記第２キャパシタに蓄積され、前記環境光に対応する前記電荷量Ｑ２との差に基づいて、前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報を取得し、
前記期間Ｐ３における前記反射光の光量情報及び前記期間Ｐｓｒにおける前記反射光の光量情報の比と、前記期間Ｐ３及び前記期間Ｐｓｒの比とに基づいて前記往復期間ΔＰを演算し、
前記往復期間ΔＰに基づいて前記距離Ｄを測定する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項２】
請求項１記載の測距システムにおいて、
前記時点Ｔｅｄと前記時点Ｔｇ４ｕが等しいとき、下記の式（１）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算し、
ΔＰ＝｛（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）｝×Ｐ３ ・・・（１）
前記時点Ｔｅｄが前記時点Ｔｇ４ｕよりも後であるとき、下記の式（２）に基づいて、前記往復期間ΔＰを演算する
ΔＰ＝［（Ｑ４−Ｑ２）／（Ｑ３−Ｑ１）］×Ｐ３―（Ｔｅｄ−Ｔｇ４ｕ） ・・・（２）
ことを特徴とする測距システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の測距システムにおいて、
前記制御装置は、測定周期毎に前記発光装置に前記パルス光を複数回放射させ、
前記演算装置は、前記第１乃至第４キャパシタそれぞれに前記光電子を複数回蓄積した後の前記電荷量Ｑ１乃至Ｑ４を用いて前記往復期間ΔＰを演算する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記発光装置は、前記パルス光の放射期間を各測定周期の１パーセント以下に設定し、且つ
前記受光装置は、前記第１乃至第４ゲート電極を開く期間を各測定周期の１パーセント以下に設定する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４キャパシタにそれぞれのゲートが接続され、前記第１乃至第４キャパシタの電位に応じた電圧を出力する第１乃至第４増幅器を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４キャパシタの電位をリセットするための電源及び第６ゲート電極を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記光電変換素子は、フォトダイオード、埋込フォトダイオード又はフォトゲートである
ことを特徴とする測距システム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記第１乃至第４キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込フォトダイオード又はＰＮ接合部である
ことを特徴とする測距システム。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、さらに、前記第１乃至第４ゲート電極及び前記第１乃至第４キャパシタを遮光する遮光部を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記発光装置は、発光ダイオード、レーザダイオード又は半導体レーザバーである発光素子を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１１】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記発光装置は、複数の半導体レーザバーを配列させた発光素子を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の測距システムにおいて、
前記受光装置は、前記光電変換素子、前記第１乃至第４キャパシタ、前記光電子排出部及び前記第１乃至第５ゲート電極を備える複数の画素が設けられたラインセンサ又はイメージセンサを有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１３】
対象物に対してパルス光を放射する発光装置と、前記パルス光の反射光を受光し、受光量に応じた出力を行う受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置と、前記受光装置の出力を用いてタイム・オブ・フライト法により前記対象物までの距離を演算する演算装置とを有する測距システムを用いる測距方法であって、
基準期間における反射光の累積光量である反射光基準光量を求める工程と、
測定期間における前記反射光の累積光量である反射光測定光量を求める工程と、
前記測定期間のうち、前記受光装置の光電変換素子に対して前記反射光が入射していた期間である反射光入射期間を、前記反射光測定光量及び前記反射光基準光量の比と前記反射光入射期間及び前記基準期間の比とに基づいて演算する工程と、
前記反射光入射期間に基づいて前記測距システムと前記対象物との距離を算出する工程と
を有することを特徴とする測距方法。
【請求項１４】
請求項１３記載の測距方法において、
前記反射光基準光量を求める工程は、
第１基準期間における環境光の累積光量である環境光基準光量を求める工程と、
前記第１基準期間と同じ長さの第２基準期間における前記環境光及び前記反射光の累積合成光量である合成光基準光量を求める工程と、
前記合成光基準光量から前記環境光基準光量を差し引いて前記第２基準期間における前記反射光基準光量を算出する工程と
を含み、
前記反射光測定光量を求める工程は、
第１測定期間における前記環境光の累積光量である環境光測定光量を求める工程と、
前記第１測定期間と同じ長さの第２測定期間における前記環境光及び前記反射光の累積合成光量である合成光測定光量を求める工程と、
前記合成光測定光量から前記環境光測定光量を差し引いて前記第２基準期間における前記反射光測定光量を算出する工程と
を含む
ことを特徴とする測距方法。
【請求項１５】
請求項１４記載の測距方法において、
各測定周期に前記第１基準期間、前記第２基準期間、前記第１測定期間及び前記第２測定期間をそれぞれ複数設定し、
前記環境光基準光量を、各第１基準期間における前記環境光の累積光量の合計値として求め、
前記合成光基準光量を、各第２基準期間における前記累積合成光量の合計値として求め、
前記環境光測定光量を、各第１測定期間における前記環境光の累積光量の合計値として求め、
前記合成光測定光量を、各第２測定期間における前記累積合成光量の合計値として求める
ことを特徴とする測距方法。
【請求項１６】
請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の測距方法において、
前記パルス光の放射期間、前記基準期間及び前記測定期間それぞれが占める割合を各測定周期の１パーセント以下に設定する
ことを特徴とする測距方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−９６７３０（Ｐ２０１０−９６７３０Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２７０２００（Ｐ２００８−２７０２００）
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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