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距離画像センサ

国内特許コード P07A009863
整理番号 ShIP‐P04077
掲載日 2007年5月25日
出願番号 特願2003-132945
公開番号 特開2004-294420
登録番号 特許第4235729号
出願日 平成15年5月12日(2003.5.12)
公開日 平成16年10月21日(2004.10.21)
登録日 平成20年12月26日(2008.12.26)
優先権データ
  • 特願2003-025609 (2003.2.3) JP
発明者
  • 川人 祥二
出願人
  • 国立大学法人静岡大学
発明の名称 距離画像センサ
発明の概要

【課題】従来の光の飛行時間を測定することで対象物までの距離を測る方法は、いずれも背景光を除去することは考慮されていない。また、電荷転送効率についても考慮されていない。
【構成】変調光の遅れ時間に依存する2つの電荷蓄積ノードの信号の差を求め、これにより距離情報を得る距離画像センサにおいて、変調光の存在しない期間に第3の電荷蓄積ノードから、あるいは前記2つの電荷蓄積ノードから背景光による信号を得て、前記2つの電荷蓄積ノードの遅れ時間に依存する信号から差し引くことにより、背景の影響が取り除かれる。さらに、受光素子として埋め込み型ダイオード、ゲート手段としてMOSゲートを用いることにより電荷転送効率が向上する。他に入出力間に容量を設けた負帰還アンプを採用することによっても電荷転送効率が向上する。
【選択図】 図6

従来技術、競合技術の概要
光の速度は、3×108 m/sである。これが既知であるので、光を放って、対象物からはね返ってきた光を受け、その遅れ時間を計測することで、対象物までの距離を測定することができる。TOF(Time-of-flight)法とは、この光の飛行時間を測定することで対象物までの距離を測る方法である。その遅れ時間の計測の分解能と、距離の分解能の関係は、表1のようになる。
【0003】
【表1】
表1 TOF法による遅れ時間計測分解能と距離分解能の関係
【0004】
表1からは測距分解能とともに、遅れ時間計測範囲に対する距離計測範囲を読み取ることができ、たとえば遅れ時間計測範囲が1usで、遅れ時間計測分解能が、1nsのものができれば、150mの範囲を15cmの分解能で測定でき、車載用の距離センサとして利用可能である。
【0005】
関連する従来法としては、3件報告されている。
(1) Inventer:Cyrus Bamji, Assignee:Canesta Inc., "CMOS-Compatible Three-dimensional image sensor" , US Patent No. US6323942 B1, Nov. 27, 2001
(2) R. Lange, P. Seitz, A. Biber, S. Lauxtermann, " Demodulation pixels in CCD and CMOS technologies for time-of-flight ranging ", Proceedings of SPIE, Vol. 3965, pp. 177- 188, (2000).
(3) Ryohei Miyagawa, Takeo Kanade, " CCD-based range-finding sensor ", IEEE Trans. Electron Devices, vol. 44, no. 10, pp.1648-1652, (1997).
【0006】
(1)の方式は、パルス光を投影し、受光した信号のパルスのピークを検出することでパルスの波形を整形し、高速なパルスを用いて遅れ時間をディジタル的に計測するものである。この場合、受光した信号をパルスにできるためには、光の明るさが十分にないと実現できず、用途が限られる。
(2)と(3)は、方式としては近いものである。
(2)の方式は、CCDとCMOSと一体化したプロセスで実現するものであり、20MHzの高い周波数の変調光を用いて、CCDの電荷転送を利用し、変調光と同期して2つのノードに高速に交互に電荷転送し、2つのノードへの電荷の配分比が変調光の遅れ時間に依存することを利用する。CCDとCMOSの混在プロセスが必要であるため、コストが高くなる。
(3)の方式は、CCDの構造を利用し、パルス変調された変調光で発生した電荷を、2つのノードに交互に転送し、その配分比が、変調光の遅れ時間に依存することを利用する。これもCCDを利用するため、特殊な製造工程が必要となる。
【0007】
【特許文献1】
米国特許6323942号明細書
【非特許文献1】
R. Lange, P. Seitz, A. Biber, S. Lauxtermann, "Demodulation pixels in CCD and CMOS technologies for time-of-flight ranging", Proceedings of SPIE, Vol. 3965, pp. 177- 188, (2000)
【非特許文献2】
Ryohei Miyagawa, Takeo Kanade, " CCD-based range-finding sensor", IEEE Trans. Electron Devices, vol. 44, no. 10, pp.1648-1652, (1997)
産業上の利用分野
本発明は、光の速度が既知であることを利用し、光を対象物に照射したのち、対象物からはね返ってきた光を受け、その遅れ時間を計測することで対象物までの距離を測定する技術に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】 光源からの光を断続的に対象物に投射し、その反射光の遅れ時間から距離を計測する距離画像センサにおいて、
対象物からの反射光を電荷に変換する半導体基板に埋め込まれた埋め込みフォトダイオード構造による受光素子と、
半導体基板上のMOS(Metal Oxide Semiconductor)構造による第1、第2及び第3のゲート手段と、
前記第1、第2及び第3のゲート手段にそれぞれ対応する第1、第2及び第3の電荷蓄積ノードと、
前記第1、第2及び第3のゲート手段の開閉を制御する制御手段と、を具備し、
前記第1の電荷蓄積ノードと前記第2の電荷蓄積ノードに対して、前記受光素子からの電荷を、前記第1のゲート手段と前記第2のゲート手段により前記光源からの光の断続動作と同期させて交互に電荷転送して蓄積を行い、前記受光素子からの電荷転送効率を向上させるとともに蓄積電荷の配分比から対象物までの距離を求め、
さらに、投射光による反射光が存在しない期間に、前記第3のゲート手段を開くことにより背景光による電荷を前記第3の電荷蓄積ノードへ転送し、背景光除去のための電荷蓄積を前記第3の電荷蓄積ノードに対して行い、
投射光を受光するパルス幅、すなわち前記ゲートが開く期間を繰返し周期に対して十分短くしてなることを特徴とする距離画像センサ。
【請求項2】 さらに、前記の各電荷蓄積ノードに対応してサンプリング・ホールド手段を設けてなる請求項1記載の距離画像センサ。
【請求項3】 前記第1および第2の蓄積ノードに蓄積された電荷の和、前記第1乃至第3の蓄積ノードに蓄積された電荷の和、あるいは前記第3の蓄積ノードに蓄積された電荷から、輝度画像信号を得ることを特徴とする請求項1又は2記載の距離画像センサ。
【請求項4】 さらに、前記第1および第2のゲート手段の開閉を制御する信号を通過させる電圧制御遅延手段を設け、前記蓄積ノードに蓄積された電荷の差に基づく信号を、前記電圧制御遅延手段に制御信号として前記電荷の差が零に近づくような極性で与えて、負帰還ループを構成することを特徴とする請求項1記載の距離画像センサ。
【請求項5】 投射光の繰返し周期の各周期に同期して背景光による電荷を捨てるリセット手段を設けてなる請求項1記載の距離画像センサ。
【請求項6】 前記制御手段は、前記第1の電荷蓄積ノードには反射光の立ち上がる一瞬の電荷を、前記第2の電荷蓄積ノードには反射光が安定的レベルになってからの電荷を蓄積するように前記ゲート手段を制御してなる請求項1記載の距離画像センサ。
産業区分
  • その他通信
  • 固体素子
  • 測定
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2003132945thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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