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DISTANCE IMAGE SENSOR

Patent code P07A009863
File No. ShIP‐P04077
Posted date May 25, 2007
Application number P2003-132945
Publication number P2004-294420A
Patent number P4235729
Date of filing May 12, 2003
Date of publication of application Oct 21, 2004
Date of registration Dec 26, 2008
Priority data
  • P2003-025609 (Feb 3, 2003) JP
Inventor
  • (In Japanese)川人 祥二
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人静岡大学
Title DISTANCE IMAGE SENSOR
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance sensitivity, to remove influences of background light and a dark current, and to allow use under a usual environment.
SOLUTION: In this distance image sensor, a difference between signals of two charge accumulation nodes depending on a delay time of modulated light, and distance information is acquired based thereon. A signal by the background light is acquired in a period when no modulated light exists, from the third charge accumulation node or the two charge accumulation nodes, to be subtracted from the signals of the two charge accumulation nodes depending on the delay time, and the influence of the background light is removed thereby. Charge transfer efficiency is also enhanced by using an embedded type diode as a photoreception element, and using a MOS gate as a gate means. The charge transfer efficiency is also enhanced by adopting a negative feedback amplifier provided with a capacity between an input and an output, as another way.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


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。



【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



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。



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).



(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。



【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)

Field of industrial application (In Japanese)


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。

Scope of claims (In Japanese)
【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。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2003132945thum.jpg
State of application right Registered
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