JP2010098260A - 発光装置、受光システム及び撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】発熱及び消費電力の抑制、信号光のＳ／Ｎ比の向上等を実現することができ、発光を用いた様々なアプリケーションに適用させることができる発光装置を提供する。
【解決手段】複数の半導体レーザバー１２が配列された分散光源１４と、分散光源１４に対して少なくとも１つの駆動パルスを供給することにより、分散光源１４から少なくとも１つのパルス光を出射させる駆動回路１６とを有する。分散光源１４は、基台１８上に、複数の半導体レーザバー１２が配列され、さらに、複数の半導体レーザバー１２の間にそれぞれ放熱板２４が介在されて構成されている。そして、分散光源１４から出射されるパルス光のパルス幅が１フェムト秒より長く、且つ、０．２５秒未満であり、単一のパルス光のエネルギーが６６．８μ［Ｊ］未満である。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光を用いた様々なアプリケーションに対応することができる発光装置と、該発光装置を用いた受光システム及び撮像システムに関する。

例えば発光を用いたアプリケーションとしては、光空間伝送システムや測距システム等が挙げられる。

例えば測距システムとしては、対象物への距離を非接触に測定する測距システムがあり、これは、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時間を測定し、この時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及び２参照）。

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時間を判定する。

また、非特許文献２には、（背景光と変調光）成分の光電荷と背景光成分の光電荷とをそれぞれ対応するフローティング・ディフュージョンに振り分ける光変調検波方式のイメージセンサが記載され、特に、拡散キャリアの影響と残留電荷の影響を抑制する技術が開示されている。

そして、上述した測距システムや光空間伝送システムにおいて、発光素子（光源）として発光ダイオードを用いる場合があるが、高速な伝送や高精度の測距を行うために、発光素子として、半導体レーザを用いる場合もある。

半導体レーザを用いる場合は、発熱や消費電力の問題等を考慮する必要があることから、点光源からの連続光による一定期間の照射を考えた場合、半導体レーザの出力パワーを抑える必要がある。

ところで、被写体の反射光には、レーザ光の反射による信号光成分のほかに、太陽光によるノイズや太陽光のショットノイズ（環境光のノイズ成分）が含まれ、上述のように、半導体レーザの出力パワーを抑えると、信号光成分に対して環境光のノイズ成分が大きく、Ｓ／Ｎ比が低下するという問題がある。また、所定期間（例えば１フレーム期間）にわたって連続光を照射することから、照射時の輝度値の取得と未照射時の輝度値の取得との間に、上述した所定時間分の長さがどうしても必要になり、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性を向上させることができない。そのため、発光素子として単に半導体レーザを用いても、発光を用いた様々なアプリケーションに適用させることが難しいという問題がある。

特開２００１−２８１３３６号公報 特開平０８−３１３２１５号公報 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 山本幸司、大屋雄、香川景一郎、太田淳、布下正宏、渡辺國寛「変調光検波方式イメージセンサにおける変調光画像の階調性の改善」社団法人映像情報メディア学会技術報告 ｖｏｌ．２７， Ｎｏ．２５、２００３年３月２８日、ｐｐ．９〜１２

本発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、発熱及び消費電力の抑制、信号光のＳ／Ｎ比の向上等を実現することができ、発光を用いた様々なアプリケーションに適用させることができる発光装置を提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的は、上述の発光装置を用いることで、Ｓ／Ｎ比の向上、環境光のノイズ成分の影響の低減、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性の向上を図ることができる受光システム及び撮像システムを提供することにある。

第１の本発明に係る発光装置は、発光面の最長の辺の長さが１．５ｍｍ以上となっている分散光源と、一定の周期に従って入力される発光指示に基づいて前記分散光源に対して駆動パルスを供給することにより、前記分散光源から２つ以上のパルス状の光を間欠的に出射させる駆動回路とを有する発光装置であって、前記分散光源は、発光領域を一直線状に設けた半導体レーザバーを複数有し、且つ、複数の前記半導体レーザバーが積層された構成を有し、複数の前記半導体レーザバーの間にそれぞれ放熱板が介在され、一方の端部に位置する半導体レーザバーにアノード端子板が設置され、他方の端部に位置する半導体レーザバーにカソード端子板が設置され、前記分散光源から出射される前記パルス状の光のパルス幅が１ナノ秒より長く、且つ、０．２５秒未満であり、単一の前記パルス状の光のエネルギーが６６．８μ［Ｊ］未満であり、前記一定の周期が１８μｓｅｃを超え、２つ以上の前記パルス状の光を有するパルス光列の平均エネルギーが３．７５μ［Ｊ］未満であり、平均パワーが７４．０ｍ［Ｗ］未満であり、前記一定の周期に対する前記パルス光のデューティ比が１％以下であることを特徴とする。

これにより、パルス幅の短いパルス光を得ることができることから、発熱及び消費電力の抑制、信号光のＳ／Ｎ比の向上等を実現することができ、発光（パルス光列）を用いた様々なアプリケーションに適用させることができる。

また、パルス光列に含まれる各パルス光のパワーを連続光よりも高くすることが可能となり、各パルス幅での環境光（ノイズ）に対するパルス光（信号）のＳ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。

複数の半導体レーザバーから同時にパルス光が出射されることから、１つの点光源からの光を光拡散部材で拡散させた場合よりも、光強度がほぼ均一とされたパルス光の束を出射させることができ、環境光（ノイズ）に対するパルス光（信号）のＳ／Ｎ比を高めることができる。もちろん、複数の半導体レーザバーを有することから、発熱の問題が懸念されるが、連続光を出射させるのではなく、パルス光を出射させることと、パルス光列の場合には、パルス光の周期を１８μｓｅｃよりも長い時間に設定しているため、パルス光が出射されていない期間において十分に放熱させることができる。

また、前記分散光源は、各半導体レーザバーが金属板で挟まれた形態となることから、分散光源の放熱性が高まり、パルス光列の長時間の出射による蓄熱の問題を解決することができる。

そして、第１の本発明において、前記分散光源は、その光出射面側に、少なくとも光の照射範囲及び／又は該発光装置から出射される光の輝点面積を制御するための光拡散部材が設置されていてもよい。この場合、前記光拡散部材は、ホログラムパターンが形成された拡散板であってもよい。光拡散部材を設置することで、分散光源から出射されるパルス光の被写体に対する照射範囲、光空間伝送に必要な照射範囲、分散光源を見たときの視角等を変化させることが可能となり、発光装置の用途や設置位置等に応じて最適な照射範囲、輝点面積に設定することができる。

次に、第２の本発明に係る受光システムは、被写体に対して光を照射する上述した第１の本発明に係る発光装置と、前記被写体からの反射光を受光する受光装置と、前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置とを有する受光システムであって、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キャパシタ及び第２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、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記発光装置の駆動に同期して、前記第１キャパシタ、前記第２キャパシタ及び前記光電子排出部に選択的に振り分ける第１スイッチング素子、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子とを具備し、前記制御装置は、前記発光装置から前記パルス状の光が出射されていない期間のうちの第１期間に、前記第１スイッチング素子をオン制御して、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第１キャパシタに転送し、前記発光装置から前記パルス状の光が出射されている期間のうちの第２期間に、前記第２スイッチング素子をオン制御して、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第２キャパシタに転送し、前記第１期間及び前記第２期間以外の期間に、前記第３スイッチング素子をオン制御して、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記光電子排出部に排出するように制御し、前記第１キャパシタに転送された電荷量と前記第２キャパシタに転送された電荷量との差に基づいて、環境光に依存しない前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする。

これにより、上述した第１の本発明に係る発光装置を用いることで、Ｓ／Ｎ比の向上を図ることができ、しかも、環境光のノイズ成分の影響をなくすことができ、また、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性の向上を図ることができる。

そして、第２の本発明において、前記第１期間と前記第２期間の組み合わせが、間欠的に複数回繰り返すように設定され、複数回の前記第１期間に、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第１キャパシタに転送蓄積し、複数回の前記第２期間に、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第２キャパシタに転送蓄積し、前記第１キャパシタに転送蓄積された電荷量と前記第２キャパシタに転送蓄積された電荷量との差に基づいて、環境光に依存しない前記反射光の輝度情報を得るようにしてもよい。

発光装置では、パルス幅の短いパルス光を出射することから、被写体にパルス光を照射した期間における光電子の取り込み（照射時の輝度値の取得）と、パルス光を照射しない期間における光電子の取り込み（未照射時の輝度値の取得）を、短時間に切り換えるという操作を複数回繰り返すことが可能となり、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性を格段に向上させることができる。しかも、受光システムでは、照射時の輝度値の取得及び未照射時の輝度値の取得以外の期間において光電子を排出することから、太陽光等の環境光の影響を低減することができる。

また、第２の本発明において、前記光電変換素子は、フォトダイオード、埋込型フォトダイオード又はフォトゲートであってもよい。

また、第２の本発明において、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量を利用するようにしてもよい。

また、第２の本発明において、少なくとも前記第１スイッチング素子〜第３スイッチング素子並びに前記第１キャパシタ及び第２キャパシタは、遮光された領域に形成されていてもよい。

また、第２の本発明において、前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタの電位をリセット電位にするための電源とリセットスイッチを有するようにしてもよい。

また、第２の本発明において、前記第１キャパシタに蓄積された電荷量に基づく電位が印加される第１ゲート端子を有し、該第１ゲート端子に印加された前記電位を電圧信号に変換する第１アンプと、前記第２キャパシタに蓄積された電荷量に基づく第２電位が印加される第２ゲート端子を有し、該第２ゲート端子に印加された前記電位を電圧信号に変換する第２アンプとを有するようにしてもよい。

次に、第３の本発明に係る撮像システムは、上述した第１の本発明に係る発光装置と、多数の画素が配列されたラインセンサアレイ又は二次元イメージセンサアレイとを有する撮像システムにおいて、上述した第２の本発明に係る受光システムの受光装置における少なくとも前記光電変換素子、前記第１キャパシタ、前記第２キャパシタ、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子を有する１つのユニットが前記ラインセンサアレイ又は前記二次元イメージセンサアレイの１画素分の構成要素を構成していることを特徴とする。

この場合、前記受光装置にて受光される光の波長が７００ｎｍ以上、１０５０ｎｍ未満であってもよい。近赤外光を使用すれば、暗視撮像システムを実現させることができる。

以上説明したように、本発明に係る発光装置によれば、発熱及び消費電力の抑制、信号光のＳ／Ｎ比の向上等を実現することができ、発光を用いた様々なアプリケーションに適用させることができる。

本発明に係る受光システム及び撮像システムによれば、上述の発光装置を用いることで、Ｓ／Ｎ比の向上、環境光のノイズ成分の影響の低減、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る発光装置、受光システム及び撮像システムの実施の形態例を図１〜図１４を参照しながら説明する。

［発光装置］
先ず、本実施の形態に係る発光装置１０は、図１に示すように、複数の半導体レーザバー１２が配列された分散光源１４と、発光指示Ｓｃの入力に基づいて分散光源１４に対して１つの駆動パルスＰｄ（図２参照）を供給することにより、分散光源１４から１つのパルス状の光を出射させる駆動回路１６とを有する。図１の例では、５つの半導体レーザバー１２が配列され、全てのレーザ光の出射面が、同じ面（発光面）に露出するように配列されている。

分散光源１４は、複数の半導体レーザバー１２が、それぞれ長軸方向が横方向になるように揃えられ、且つ、長軸方向と直交する方向に積層されるか、又は、それぞれ長軸方向が縦方向になるように揃えられ、且つ、長軸方向と直交する方向に並べられて構成されている。

また、分散光源１４は、複数の半導体レーザバー１２の間にそれぞれ放熱板２４（薄板状のヒートシンク）が介在され、一方の端部に位置する半導体レーザバー１２にアノード端子φａを構成するアノード端子板２６が設置され、他方の端部に位置する半導体レーザバー１２にカソード端子φｋを構成するカソード端子板２８が設置されている。

一方、駆動回路１６は、図２に示すように、アノード端子φａに接続される駆動電源３０（＋電源）と、カソード端子φｋに接続され、且つ、駆動パルスＰｄが供給されるスイッチング素子３２と、該スイッチング素子３２と接地（又は−電源）間に接続された定電流源３４と、発光指示Ｓｃの入力に基づいて駆動パルスＰｄをスイッチング素子３２に供給する駆動パルス発生回路３６とを有する。スイッチング素子３２としては、ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ等を使用することができ、この場合、トランジスタのドレイン端子に分散光源１４のカソード端子φｋが接続され、トランジスタのソース端子に定電流源３４が接続される。この定電流源３４は、分散光源１４が、アノード端子φａとカソード端子φｋ間に複数の半導体レーザバー１２が直列に接続された回路構成なっていることから、各半導体レーザバー１２に安定に電流を流すために接続されている。

そして、駆動回路１６のスイッチング素子３２に、駆動パルスＰｄが供給されて、該スイッチング素子Ｐｄがオンとなった期間だけ、分散光源１４のアノード端子φａとカソード端子φｋに電流が流れ、複数の半導体レーザバー１２から同時に光が出射されることとなる。これらの光が１つの束となって、所定の輝点面積を有する１つのパルス光Ｌｐとして出射されることになる。この場合、輝点面積としては、最も外側に配置された半導体レーザバー１２にて囲まれた領域（正方形あるいは長方形）の面積が相当する。

従って、駆動パルス発生回路３６への発光指示Ｓｃが一定周期に入力されて、駆動パルスＰｄが一定周期でスイッチング素子３２に供給されることで、分散光源１４から駆動パルスＰｄの供給タイミングに対応してパルス光Ｌｐが出射されることになる。つまり、パルス光列として出射されることとなる。この場合、上述した一定周期がパルス光列のパルス周期となる。

ここで、本実施の形態に係る分散光源１４の各種パラメータの範囲について以下に説明する。

（１） 最も外側に配置された半導体レーザバー１２にて囲まれた領域（正方形あるいは長方形）の各辺のうち、最長の辺の長さは１．５ｍｍ以上となっている。つまり、分散光源１４とみなされる。

（２） 分散光源１４から出射される光の波長は７００ｎｍ以上、１０５０ｎｍ未満である。

（３） パルス光列のパルス周期は、１８μｓｅｃを超えた長さとなっている。

（４） パルス光Ｌｐのパルス幅は、１ナノ秒より長く、且つ、０．２５秒未満である。

（５） 一定の周期（パルス周期）に対するパルス光のデューティ比が１％以下である。好ましくは、０．１％以下である。

また、本実施の形態に係る分散光源１４の単一のパルス光Ｌｐのエネルギー、パルス光列内の平均エネルギー（連続光にした場合のエネルギー）、平均パワー（パルス光Ｌｐが休止している期間を含む）の上限を求めるために、光源の大きさｄ＝１０ｍｍ、光の波長λ＝１０５０ｎｍ、最大視角αｍａｘ＝１００ｍ［ｒａｄ］、最小視角αｍｉｎ＝１．５ｍ［ｒａｄ］、１００秒内のパルス数Ｎ＝１００ｋ［個］とした。

上述のエネルギーは、下記に定義される算出方法にて測定距離ｒを算出し、該測定距離ｒに設置した直径７ｍｍの円形開口絞りを通過するレーザ放射を受け入れ角１００ｍ［ｒａｄ］に制限して集光して測定した。

（測定距離ｒの算出）
ｒ＝１００×［（α×０．４６ｍｒａｄ）／αｍａｘ］［ｍｍ］
方形、又は線状の光源の縦及び横の２つの視角の算術平均で求める。
視角α＝ｄ／１００ｍｍ［ｒａｄ］

なお、視角α＞αｍａｘのときは、ｒ＝１００ｍｍとする。

＜単一のパルス光Ｌｐのエネルギー＞
単一のパルス光Ｌｐのエネルギー（ＡＥＬｓｉｎｇｌ）は次式（１）にて求めることができる。
ＡＥＬｓｉｎｇｌ＝２×１０^-7×Ｃ４×Ｃ６ ……（１）

ここで、Ｃ４は赤外線波長依存係数（波長依存）、Ｃ６は分散光源緩和定数（視角依存）であり、下記式にて求めることができる。
Ｃ４＝１０^0.002×（λ−７００）
＝１０^0.002×（１０５０−７００）
＝５．０１
Ｃ６＝α／αｍｉｎ
＝（１０ｍｍ／１００ｍｍ）［ｒａｄ］／１．５ｍ［ｒａｄ］
＝６６．７

従って、単一のパルス光Ｌｐのエネルギーの上限は、（１）式より、ＡＥＬｓｉｎｇｌ＝６６．８μ［Ｊ］であり、本実施の形態では、単一のパルス光Ｌｐのエネルギーを６６．８μ［Ｊ］未満とする。

＜パルス光列内の平均エネルギー＞
パルス光列内の平均エネルギー（ＡＥＬａｖ．）は次式（２）にて求めることができる。
ＡＥＬａｖ．＝ＡＥＬｓｉｎｇｌ×Ｃ５ ……（２）

ここで、Ｃ５は下記式にて求めることができる。
Ｃ５＝Ｎ^-0.25
＝１００ｋ［個］^-0.25
＝０．０５６２

従って、パルス光列内の平均エネルギーの上限は、（２）式より、ＡＥＬａｖ．＝３．７５μ［Ｊ］であり、本実施の形態では、パルス光列内の平均エネルギーを３．７５μ［Ｊ］未満とする。

＜平均パワー＞
平均パワー（ＡＥＬ）は次式（３）にて求めることができる。
ＡＥＬ＝７×１０^-4×Ｃ４×Ｃ６×Ｔ２^-0.25 ……（３）

ここで、Ｔ２は視角依存時間（視角依存）であり、下記式にて求めることができる。
Ｔ２＝１０×１０^CA
（ＣＡ＝［（α−αｍｉｎ）／９８．５］）
Ｔ２＝１００

従って、平均パワーの上限は、（３）式より、ＡＥＬ＝７４．０ｍ［Ｗ］であり、本実施の形態では、平均パワーを７４．０ｍ［Ｗ］未満とする。

本実施の形態に係る発光装置１０では、上述のように構成したので、パルス幅の短いパルス光Ｌｐを得ることができることから、発熱及び消費電力の抑制、信号光のＳ／Ｎ比の向上等を実現することができ、発光（単一のパルス光Ｌｐやパルス光列）を用いた様々なアプリケーションに適用させることができる。

また、一定の周期（パルス光列のパルス周期）に対するパルス光Ｌｐのデューティ比を１％以下、好ましくは０．１％以下としたので、パルス光列に含まれる各パルス光Ｌｐのパワーを連続光よりも高くすることが可能となり、各パルス幅での環境光（ノイズ）に対するパルス光Ｌｐ（信号）のＳ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。

また、上述の実施の形態において、分散光源１４の光出射面側に、少なくとも光の照射範囲及び／又は該発光装置１０から出射される光の輝点面積を制御するための光拡散部材（図示せず）を設置するようにしてもよい。この場合、光拡散部材は、ホログラムパターンが形成された拡散板が好ましい。光拡散部材を設置することで、分散光源１４から出射されるパルス光Ｌｐの被写体に対する照射範囲、光空間伝送に必要な照射範囲、分散光源を見たときの視角等を変化させることが可能となり、発光装置１０の用途や設置位置等に応じて最適な照射範囲、輝点面積に設定することができる。

また、本実施の形態に係る分散光源１４では、複数の半導体レーザバー１２から同時にパルス光Ｌｐが出射されることから、１つの点光源からの光を光拡散部材で拡散させた場合よりも、光強度がほぼ均一とされたパルス光の束を出射させることができ、環境光（ノイズ）に対するパルス光Ｌｐ（信号）のＳ／Ｎ比を高めることができる。もちろん、複数の半導体レーザバー１２を有することから、発熱の問題が懸念されるが、連続光を出射させるのではなく、パルス光Ｌｐを出射させることと、パルス光列の場合には、パルス周期を１８μｓｅｃよりも長い時間に設定し、パルス周期に対するパルス光Ｌｐのデューティ比が１％以下としているため、パルス光Ｌｐが出射されていない期間において十分に放熱させることができる。

また、本実施の形態では、複数の半導体レーザバー１２の間にそれぞれ放熱板２４を介在させ、一方の端部に位置する半導体レーザバー１２にアノード端子板２６を設置し、他方の端部に位置する半導体レーザバー１２にカソード端子板２８を設置するようにしているため、各半導体レーザバー１２が金属板で挟まれた形態となり、これにより、分散光源１４の放熱性が高まり、パルス光列の長時間の出射による蓄熱の問題を解決することができる。

［受光システム１００］
次に、上述した発光装置１０を利用した受光システム１００について図３〜図１４を参照しながら説明する。

本実施の形態に係る受光システム１００は、図３に示すように、上述した発光装置１０と、受光装置１０２と、制御装置１０４と、演算装置１０５と、これら発光装置１０、受光装置１０２、制御装置１０４及び演算装置１０５に所定の電源電圧を供給する電源回路１０６とを有する。なお、簡単のため、図３において、電源回路１０６から各装置への電源線の表示を省略する。

この受光システム１００では、発光装置１０の分散光源１４から出射されたパルス光Ｌｐが被写体Ｗで反射し、受光装置１０２に入射する。受光装置１０２には、太陽光等の環境光Ｌｓも入射する。なお、説明の便宜のため、発光装置１０から被写体Ｗまでのパルス光Ｌｐを放射光Ｌｅと、被写体Ｗから受光装置１０２までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。

制御装置１０４は、受光装置１０２で受光された光から環境光Ｌｓの成分を除去して被写体Ｗからの反射光Ｌｒの成分を取得するように制御する。

ここで、環境光Ｌｓの影響を低減する基本原理、特に、連続光を用いた場合の基本原理について、図４〜図６を参照しながら説明する。

先ず、図４に示すように、最初の１フレーム期間Ｆ１において、被写体Ｗに連続光を照射しないときの光電子を取り込み、該光電子から未照射時の輝度値を得、次の２フレーム期間Ｆ２において、被写体Ｗに連続光を照射したときの光電子を取り込み、該光電子から照射時の輝度値を得、これらの輝度値の差を取得することで、環境光Ｌｓ（主に太陽光成分）の影響を低減することができる。この場合、第１フレーム期間Ｆ１と第２フレーム期間Ｆ２の組み合わせを１サイクルとした場合、１サイクルに対する連続光のデューティ比は５０％となる。また、１つのフレーム期間としては、撮像装置による撮影期間である例えば１／６０［秒］が用いられる。

そして、最初の１フレーム期間Ｆ１においては、連続光を出射せずに受光し、続く第２フレーム期間Ｆ２において、該第２フレーム期間Ｆ２にわたって連続光を出射させながら受光することから、この第１フレーム期間Ｆ１から第２フレーム期間Ｆ２にわたって、環境光によるノイズ成分も取り込まれることになる。

従って、図５に示すように、第２フレーム期間Ｆ２の輝度値（信号光成分＋太陽光成分）から第１フレーム期間Ｆ１の輝度値（太陽光成分）を差し引くことによって、理想的には太陽光成分による影響が除去され、信号光成分のみが得られることになる。

しかし、太陽光のような強い環境光が存在する環境では、光ショットノイズの影響があり、しかも、光ショットノイズは、ランダム性を有することから、上述した輝度値の差を演算するだけでは、環境光の影響の除去は十分ではないことがわかる。すなわち、図６に示すように、第１フレーム期間Ｆ１で発生した光ショットノイズ成分と、第２フレーム期間Ｆ２で発生した光ショットノイズ成分が異なる場合、その差分が信号光成分に重畳されることになる。

また、太陽光のような強い環境光が存在する環境では、例えば図５に示すように、信号光成分よりも太陽光成分が大きいことから（信号光成分のＳ／Ｎ比が低い）、信号光成分の入力ダイナミックレンジが小さくなるという問題がある。そこで、１フレーム期間Ｆ１と２フレーム期間Ｆ２の組み合わせを複数回繰り返して信号光成分を蓄積することによって、信号光成分のＳ／Ｎ比を向上させることが考えられる。しかし、各フレーム期間において、ランダムな光ショットノイズが入り込み、しかも、差演算においても、一部残存することから、上述のように、信号光成分の蓄積と共に、残存するノイズ成分も蓄積することになり、差演算後のＳ／Ｎ比が低くなるという問題がある。

信号光成分のＳ／Ｎ比を向上させるためには、連続光のパワーを高めることが考えられる。しかし、１つのフレーム期間にわたって連続光を出射させることから、発熱や消費電力が増加するという新たな問題が生じる。発熱に対しては例えば冷却機構を別途用意することで対応できるが、受光システムの製造コスト、ランニングコストが高くなり、サイズも大きくなるという問題がある。従って、連続光のパワーを上げることには限界がある。

一方、上述した本実施の形態に係る発光装置１０では、分散光源１４からパルス幅の短いパルス光Ｌｐを出射することから、該発光装置１０を用いた受光システム１００では、上述したような連続光による各種問題を解決することができる。

［受光システム１００の詳細］
ここで、本実施の形態に係る発光装置１０を用いた受光システム１００の詳細について図７〜図１４を参照しながら説明する。

＜受光装置１０２＞
図３に示すように、受光装置１０２は、レンズ１０８と、受光部１１０とを有する。レンズ１０８を通過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、受光部１１０に集光される。

（ｉ）受光部１１０
図７に示すように、受光部１１０は、１つの光電変換素子１１２と、第１電荷蓄積部１１４ａ及び第２電荷蓄積部１１４ｂと、第１アンプ部１１６ａ及び第２アンプ部１１６ｂと、光電子排出部１１８と、リセット部１２０と、ゲート駆動回路１２２とを備える。

（ｉｉ）光電変換素子１１２
光電変換素子１１２は、例えば埋込型フォトダイオード（ｐｉｎｎｅｄ ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ）にて構成され、反射光Ｌｒの光量に応じた光電子を発生する。光電変換素子１１２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。

（ｉｉｉ）第１電荷蓄積部１１４ａ、第２電荷蓄積部１１４ｂ
第１電荷蓄積部１１４ａは、第１スイッチング素子ＳＷ１と第１キャパシタＣ１とを有する。第２電荷蓄積部１１４ｂは、第２スイッチング素子ＳＷ２と第２キャパシタＣ２とを有する。これら第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２は、それぞれ例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成することができる。

第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２は、光電変換素子１１２で発生した光電子を第１電荷蓄積部１１４ａ及び第２電荷蓄積部１１４ｂ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ＳＷ１は、ソースが光電変換素子１１２に接続され、ドレインが第１キャパシタＣ１に接続され、ゲートがゲート駆動回路１２２に接続されている。同様に、第２スイッチング素子ＳＷ２は、ソースが光電変換素子１１２に接続され、ドレインが第２キャパシタＣ２に接続され、ゲートがゲート駆動回路１２２に接続されている。従って、各ゲートに対するゲート駆動回路１２２からのゲート駆動信号（第１読取信号Ｓｇ１及び第２読取信号Ｓｇ２）に応じて第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２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１１２で発生した光電子が、第１電荷蓄積部１１４ａ及び第２電荷蓄積部１１４ｂ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ＳＷ１をオンにしたとき、第１電荷蓄積部１１４ａに光電子が移動される。なお、後述するように、本実施の形態では、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の全てがオフの場合、光電変換素子１１２で発生した不要な光電子は、光電子排出部１１８を介して排出される。

第１キャパシタＣ１は、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンのとき、光電変換素子１１２で発生した光電子を蓄積する。同様に、第２キャパシタＣ２は、第２スイッチング素子ＳＷ２がオンのとき、光電変換素子１１２で発生した光電子を蓄積する。

これら第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２は、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量を利用することができる。

（ｉｖ）第１アンプ部１１６ａ、第２アンプ部１１６ｂ
第１アンプ部１１６ａは、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された第１出力素子１２４ａを有する。第１出力素子１２４ａのゲートには、第１スイッチング素子ＳＷ１と第１キャパシタＣ１との接点ａ１が接続され、第１出力素子１２４ａのドレインには電源電圧ＶＤＤが供給され、第１出力素子１２４ａのソースと接地（又は−電源）間に第１電流源１２６ａが接続され、第１出力素子１２４ａのソースに接続された第１出力端子φｏ１から第１出力電圧Ｖｏｕｔ１が取り出されるようになっている。従って、第１キャパシタＣ１に蓄積された光電子（電荷量Ｑ１）に応じた電圧が第１出力素子１２４ａにて増幅されて第１出力電圧Ｖｏｕｔ１として取り出されることになる。

同様に、第２アンプ部１１６ｂは、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された第２出力素子１２４ｂを有する。第２出力素子１２４ｂのゲートには、第２スイッチング素子ＳＷ２と第２キャパシタＣ２との接点ａ２が接続され、第２出力素子１２４ｂのドレインには電源電圧ＶＤＤが供給され、第２出力素子１２４ｂのソースと接地（又は−電源）間に第２電流源１２６ｂが接続され、第２出力素子１２４ｂのソースに接続された第１出力端子φｏ２から第２出力電圧Ｖｏｕｔ２が取り出されるようになっている。従って、第２キャパシタＣ２に蓄積された電荷量（電荷量Ｑ２）に応じた電圧が第２出力素子１２４ｂにて増幅されて第２出力電圧Ｖｏｕｔ２として取り出されることになる。

（ｖ）光電子排出部１１８
光電子排出部１１８は、光電子排出用の第３スイッチング素子ＳＷ３を有する。第３スイッチング素子ＳＷ３は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の全てがオフにされているとき（すなわち、光電変換素子１１２で発生した光電子を第１電荷蓄積部１１４ａ及び第２電荷蓄積部１１４ｂ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３スイッチング素子ＳＷ３のソースには光電変換素子１１２が接続され、ドレインにはリセット電圧Ｖｒｅｆが供給され、ゲートにはゲート駆動回路１２２が接続されている。このため、ゲート駆動回路１２２からゲートにゲート駆動信号（光電子排出信号Ｓｅ）を供給すること（ゲートに供給される電圧を高レベルにすること）により、ゲートをオンにし、光電変換素子１１２で発生した光電子を、第１電荷蓄積部１１４ａ及び第２電荷蓄積部１１４ｂ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電荷蓄積部１１４ａ及び第２電荷蓄積部１１４ｂには、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２のいずれかのゲートがオンしている期間に光電変換素子１１２で発生した光電子のみを振り分けることが可能となる。

（ｖｉ）リセット部１２０
リセット部１２０は、例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタにて構成された第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５を有する。これら第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５は、連動して動作することにより、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２に蓄積されている光電子を排出し、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の電位を一定のリセット電位にする。すなわち、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２をリセットする。

具体的には、第４スイッチング素子ＳＷ４のソースには、第１スイッチング素子ＳＷ１と第１キャパシタＣ１との接点ａ１が接続され、第５スイッチング素子ＳＷ５のソースには、第２スイッチング素子ＳＷ２と第２キャパシタＣ２との接点ａ２が接続され、第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５の各ドレインには、リセット電圧Ｖｒｅｆが供給され、第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５の各ゲートには、ゲート駆動回路１２２が接続されている。このため、各ゲートに対するゲート駆動回路１２２からのゲート駆動信号（リセット信号Ｓｒ）によって第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５を共にオンにすることにより、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２に蓄積されている光電子を排出ことができる。すなわち、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２をリセットすることができる。

（ｖｉｉ）光電変換素子１１２の構成例
図８は、埋込型フォトダイオードを用いた光電変換素子１１２とその周辺構造の一部縦断面図が示されている。

光電変換素子１１２とその周辺構造は、図８に示すように、第１導電型（例えばＰ型）の基板１２８と、高濃度のＰ型の第１半導体領域１３０と、第２導電型（例えばＮ型）の第２半導体領域１３２と、Ｎ型の第３半導体領域１３４と、ポリシリコン層からなる転送ゲート１３６と、金属層等による遮光部１３８とを有する。

第１半導体領域１３０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。本実施の形態では、第１半導体領域１３０と第２半導体領域１３２とで光電変換素子１１２を構成する。

また、基板１２８と、第２半導体領域１３２と、第３半導体領域１３４と、転送ゲート１３６とで、第１スイッチング素子ＳＷ１を構成する（第２スイッチング素子ＳＷ２については図示を省略してある）。さらに、第３半導体領域１３４は、フローティング・ディフュージョンとしても機能し、本実施の形態の第１キャパシタＣ１を構成する（第２キャパシタＣ２についても図示を省略してある）。

遮光部１３８は、第３半導体領域１３４の上面と転送ゲート１３６とを覆うように配置される。これにより、第３半導体領域１３４及び転送ゲート１３６に対する反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓが遮られる。

＜受光システム１００の動作＞
次に、本実施の形態に係る受光システム１００の動作について図９及び図１０を参照しながら説明する。

図９に示すように、発光装置１０からのパルス光Ｌｐの発光時間はＷＬである。また、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンしている期間と第２スイッチング素子ＳＷ２がオンしている期間は共に同一でＷＤである。

第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２は、光電変換素子１１２にて光電変換して得られた光電子を第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２に振り分ける。すなわち、第１キャパシタＣ１に転送された光電子は、入射した環境光Ｌｓを光電変換して得られた光電子（電荷量Ｑ１）であり、第２キャパシタＣ２に転送された光電子は、入射した環境光Ｌｓと反射光Ｌｒ（パルス光Ｌｐが被写体Ｗに反射したことによる反射光）を光電変換して得られた光電子（電荷量Ｑ２）である。

従って、下記式（４）に示すように、これら電荷量Ｑ１及びＱ２の差をとることによって、環境光に依存しない反射光強度の情報を取得することができる。
反射光強度＝Ｑ２−Ｑ１ ……（４）

なお、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２が共にオンとなっていない（共にオフとなっている）場合に光電変換された光電子は、不要な光電子であるため、この不要な光電子を第３スイッチング素子ＳＷ３をオンにしてドレインに掃き出す。

ここで、受光システム１００の具体的な動作タイミングについて図９及び図１０を参照しながら説明する。

最初に、受光システム１００の初期設定として、時点ｔ０において、第３スイッチング素子ＳＷ３〜第５スイッチング素子ＳＷ５を全てオンにし、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２を共にオフにする。これにより、光電変換素子１１２に蓄積されている不要な光電子が排出されると共に、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２の電位がリセット電位に設定される。

初期設定が終了した後、反射光強度を取得するためのサイクルが１回のみ、あるいは複数回繰り返されることになる。

このサイクルは、先ず、図９に示すように、パルス光Ｌｐが出射されていない任意の時点ｔ１から第１読取期間Ｔｒ１にわたり第１スイッチング素子ＳＷ１をオン（第２スイッチング素子ＳＷ２はオフのまま）にする。これによって、環境光Ｌｓを光電変換して得られた光電子（電荷量Ｑ１）が第１キャパシタＣ１に転送される。この第１読取期間Ｔｒ１の開始時点ｔ１から第１キャパシタＣ１がリセットされるまでの期間において、第１アンプ部１１６ａの第１出力端子φｏ１からは、第１キャパシタＣ１に蓄積された光電子（電荷量Ｑ１）に応じた電圧が第１出力素子１２４ａにて増幅されて第１出力電圧Ｖｏｕｔ１として出力されることになる。

第１読取期間Ｔｒ１が経過した時点ｔ２から第１排出期間Ｔｄ１にわたり第１スイッチング素子ＳＷ１をオフにすると同時に、第３スイッチング素子ＳＷ３をオンにする。これによって、第１排出期間Ｔｄ１において光電変換素子１１２に発生した不要な光電子が排出される。

第１排出期間Ｔｄ１が経過した時点、すなわち、時点ｔ３にて、制御装置１０４から発光装置１０の駆動パルス発生回路３６（図２参照）に対して発光指示Ｓｃが出力され、これにより、発光装置１０の分散光源１４から１つのパルス光Ｌｐが出射されることになる。従って、時点ｔ３で第３スイッチング素子ＳＷ３をオフにし、該時点ｔ３から第２読取期間Ｔｒ２にわたり第２スイッチング素子ＳＷ２をオン（第１スイッチング素子ＳＷ１はオフのまま）にする。これによって、環境光Ｌｓと反射光Ｌｒを光電変換して得られた光電子（電荷量Ｑ２）が第２キャパシタＣ２に転送される。第２読取期間Ｔｒ２が経過した時点ｔ４で第２スイッチング素子ＳＷ２をオフにする。この第２読取期間Ｔｒ２の開始時点ｔ３から第２キャパシタＣ２がリセットされるまでの期間において、第２アンプ部１１６ｂの第２出力端子φｏ２からは、第２キャパシタＣ２に蓄積された光電子（電荷量Ｑ２）に応じた電圧が第２出力素子１２４ｂにて増幅されて第２出力電圧Ｖｏｕｔ２として出力されることになる。

その後、第２読取期間Ｔｒ２が経過した時点ｔ４からサイクルの終了時点ｔ５の第２排出期間Ｔｄ２にかけて第３スイッチング素子ＳＷ３をオンにする。これによって、該第２排出期間Ｔｄ２において光電変換素子１１２に発生した不要な光電子が排出される。この第２排出期間Ｔｄ２が終了した時点ｔ５で１つのサイクルが終了する。

そして、上述したサイクルを１回のみとした場合は、時点ｔ１から１フレーム期間が経過した時点で１つのサイクルが終了するようにしてもよい。この場合、例えば第１読取期間Ｔｒ１が経過した時点ｔ２以降の任意の時点で第１出力電圧Ｖｏｕｔ１を読み出して第１数値データＤ１とし、第２読取期間Ｔｒ２が経過した時点ｔ４以降の任意の時点で第２出力電圧Ｖｏｕｔ２を読み出して第２数値データＤ２とし、下記式（５）を演算することによって、反射光強度データＤｒを得ることができる。
Ｄｒ＝Ｄ２−Ｄ１ ………（５）

もちろん、第２読取期間Ｔｒ２が経過した時点ｔ４以降の任意の時点で第１出力電圧Ｖｏｕｔ１及び第２出力電圧Ｖｏｕｔ２を同時に読み出してそれぞれ第１数値データＤ１及び第２数値データＤ２とし、上記式（５）を演算することによって、反射光強度データＤｒを得るようにしてもよい。

その後、少なくとも第２出力電圧Ｖｏｕｔ２を読み出した後の任意の時点ｔｒから第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５を共にオンにして、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２に蓄積されている電荷量Ｑ１及びＱ２を排出する。

また、上述した発光装置１０は、パルス光Ｌｐのパルス幅を１ナノ秒より長く、且つ、０．２５秒未満としているため、上述したサイクルを１回のみとした場合は、パルス光Ｌｐのパルス幅を１フレーム期間の１％以下、例えば０．１％以下の時間的長さに設定することが可能である。つまり、パルス幅を大幅に短く設定することができることから、１つのパルス光Ｌｐのパワーを高くすることができ、環境光成分に対する反射光成分（信号光）のＳ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。第２読取期間Ｔｒ２もパルス光Ｌｐのパルス幅に合わせて短く設定することができ、しかも、環境光Ｌｓのみを読み取る第１読取期間Ｔｒ１を上述した第２読取期間Ｔｒ２と同じ時間的長さにできる等、読取時間を短くすることができるため、環境光Ｌｓの入射光量を低減でき、環境光Ｌｓに起因する光ショットノイズ成分を低減することができる。

また、第１読取期間Ｔｒ１と第２読取期間Ｔｒ２に挟まれる第１排出期間Ｔｄ１の時間的長さは、１つの光電変換素子１１２に発生した不要な光電子を排出する程度の非常に短い時間的長さ、例えば第１読取期間Ｔｒ１程度の時間的長さに設定することができる。つまり、被写体Ｗにパルス光Ｌｐを照射しない期間（第１読取期間Ｔｒ１）における光電子の取り込み（未照射時の輝度値の取得）と、パルス光Ｌｐを照射した期間（第２読取期間Ｔｒ２）における光電子の取り込み（照射時の輝度値の取得）を、短時間に切り換えることが可能となり、未照射時の輝度値と照射時の輝度値の取得にかかる同時性を格段に向上させることができる。

一方、上述したサイクルを複数回繰り返す場合は、図１０に示すように、サイクル１、サイクル２、・・・サイクルｎの各サイクルにおいて、図９に示すタイミングに準じて動作が行われる。そして、各サイクルの各時点ｔ３において、制御装置１０４から発光装置１０の駆動パルス発生回路３６に対して発光指示Ｓｃが出力されることになるが、この発光指示Ｓｃの出力周期が発光装置１０から出力されるパルス光列のパルス周期となる。また、この場合、最終のサイクルｎにおいてのみ、上述の第１出力電圧Ｖｏｕｔ１及び第２出力電圧Ｖｏｕｔ２を読み出せばよい。これにより、第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２に蓄積される光電子の量を増やすことができる。

この場合においても、パルス光列のパルス周期に対するパルス光Ｌｐのデューティ比が１％以下（例えば０．１％以下）に設定されることから、パルス光列に含まれる各パルス光Ｌｐのパワーを連続光よりも高くすることが可能となり、各パルス幅での環境光Ｌｓ（ノイズ成分）に対する反射光Ｌｒ（信号光成分）のＳ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。しかも、複数サイクルにわたって第１キャパシタＣ１及び第２キャパシタＣ２にそれぞれ光電子を蓄積することから、信号光成分を増やすことができ、その後の信号処理の精度を高めることが可能となる。また、各サイクルにおいて、第１読取期間Ｔｒ１における光電子の取り込み（未照射時の輝度値の取得）と、第２読取期間Ｔｒ２における光電子の取り込み（照射時の輝度値の取得）を、短時間に切り換えることができるため、未照射時の輝度値と照射時の輝度値の取得にかかる同時性を格段に向上させることができる。

上述した実施の形態では、光電変換素子１１２として埋込型フォトダイオード（図８参照）を用いたが、これに限られず、埋込型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。

図１１には、フォトゲートＦＧを用いた光電変換素子１１２とその周辺構造の一部縦断面図が示されている。

光電変換素子１１２とその周辺構造は、図１１に示すように、Ｐ型の基板１４０と、フォトゲートＦＧと、Ｎ型の半導体領域１４２と、ポリシリコン層からなる転送ゲート１４４と、例えば金属層からなる遮光部１４６とを有する。フォトゲートＦＧが光電変換素子１１２を構成する。図１１には図示しないが、フォトゲートＦＧにはゲート駆動回路１２２が接続されている。従って、フォトゲートＦＧに対するゲート駆動回路１２２からのゲート駆動信号Ｓｆｇに応じてフォトゲートＦＧ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１１２の光電子を蓄積する場所（ポテンシャル井戸）を上下に動かせるようになっている。すなわち、フォトゲートＦＧがオンとされた場合は、ポテンシャル井戸が下方に移動し、光電子を蓄積しやすい状態にする。反対に、フォトゲートＦＧがオフとされた場合は、ポテンシャル井戸が上方に移動し、蓄積されていた光電子をすべて別の領域（例えば第１キャパシタＣ１）に転送できるようになっている。

また、基板１４０と、フォトゲートＦＧと、半導体領域１４２と、転送ゲート１４４とで、第１スイッチング素子ＳＷ１を構成する（第２スイッチング素子ＳＷ２については省略してある）。さらに、半導体領域１４２は、フローティング・ディフュージョンとしても機能し、第１キャパシタＣ１を構成する（第２キャパシタＣ２については省略してある）。

遮光部１４６は、半導体領域１４２と転送ゲート１４４とを覆うように配置される。これにより、半導体領域１４２及び転送ゲート１４４に対する反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓが遮られる。

図１２には、光電変換素子１１２としてフォトゲートＦＧを用いた場合の受光システム１００の動作を示す。この図１２のタイミングチャートは、フォトゲートＦＧのタイミングを除き、図９のタイミングチャートと同様である。

図１２では、フォトゲートＦＧが第１読取期間Ｔｒ１の開始時点ｔ１でオンとされ、該第１読取期間Ｔｒ１の終了時点ｔ２よりも前の時点ｔａでオフとされる。そのため、フォトゲートＦＧにおいて光電変換した環境光Ｌｓによる光電子を高速に半導体領域１４２（第１キャパシタＣ１）に転送することができる。同様に、フォトゲートＦＧが第２読取期間Ｔｒ２の開始時点ｔ３でオンとされ、該第２読取期間Ｔｒ２の終了時点ｔ４よりも前の時点ｔｂでオフとされる。そのため、フォトゲートＦＧにおいて光電変換した環境光Ｌｓと反射光Ｌｒによる光電子を高速に別の半導体領域（第２キャパシタＣ２）に転送することができる。これは、不要な光電子を排出する場合も同様であり、第１排出期間Ｔｄ１及び第２排出期間Ｔｄ２の各開始時点ｔ２及びｔ４でフォトゲートＦＧをオンとし、各終了時点ｔ３及びｔ５（ｔ１）よりも前の時点ｔｃ及びｔｄでフォトゲートＦＧをオフにすることから、不要な光電子を高速に排出することができる。

＜撮像システム＞
上述した受光システム１００における受光装置１０２の受光部１１０として、１つの光電変換素子１１２を設けた例を示したが、その他、受光部１１０として、光電変換素子１１２が一次元的に配列されたラインセンサアレイや二次元的に配列されたイメージセンサアレイを用いるようにしてもよい。すなわち、受光部１１０として、光電変換素子１１２が一次元的に配列されたラインセンサアレイや二次元的に配列されたイメージセンサアレイを用いた撮像システムとしてもよい。

図１３に、イメージセンサアレイを用いた受光部１１０の構成例を示す。受光部１１０は、マトリックス状に画素１５０が配置された前記イメージセンサアレイ１５２と、ゲート駆動回路１２２と、垂直選択回路１５４と、サンプルホールド回路１５５と、水平選択回路１５６と、出力バッファ１５７と、Ａ／Ｄコンバータ１５８とを有する。

各画素１５０は、図１４に示すように、上述した光電変換素子１１２と、第１電荷蓄積部１１４ａ及び第２電荷蓄積部１１４ｂと、第１アンプ部１１６ａ及び第２アンプ部１１６ｂと、光電子排出部１１８と、リセット部１２０と、第１出力線１６０ａ及び第２出力線１６０ｂとを備える。このうち、光電変換素子１１２と、第１電荷蓄積部１１４ａ及び第２電荷蓄積部１１４ｂと、光電子排出部１１８と、リセット部１２０の構成は上述した受光システム１００における受光部１１０（図７参照）の構成と同様である。第１アンプ部１１６ａは、第１出力素子１２４ａと、該第１出力素子１２４ａのソースと第１出力線１６０ａとの間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる第６スイッチング素子ＳＷ６とを有し、第２アンプ部１１６ｂは、第２出力素子１２４ｂと、該第２出力素子１２４ｂのソースと第２出力線１６０ｂとの間に接続された例えばｎチャネル型ＭＯＳトランジスタによる第７スイッチング素子ＳＷ７とを有する。また、各第１信号線１６０ａと接地（又は−電源）間にそれぞれ第１電流源１２６ａが接続され、各第２信号線１６０ｂと接地（又は−電源）間にそれぞれ第２電流源１２６ｂが接続され、これにより、各第１信号線１６０ａからそれぞれ第１出力電圧Ｖｏｕｔ１が取り出され、各第２信号線１６０ｂからそれぞれ第２出力電圧Ｖｏｕｔ２が取り出されるようになっている。

イメージセンサアレイ１５２は、各画素１５０が受光した反射光Ｌｒの光量に応じた第１蓄積電荷信号Ｓｃ１及び第２蓄積電荷信号Ｓｃ２を、サンプルホールド回路１５５と、水平選択回路１５６と、出力バッファ１５７と、Ａ／Ｄコンバータ１５８とを介して出力する。

具体的には、ゲート駆動回路１２２は、ゲート駆動信号（第１読取信号Ｓｇ１及び第２読取信号Ｓｇ２、リセット信号Ｓｒ及び光電子排出信号Ｓｅの総称）を出力することにより、イメージセンサアレイ１５２の第１スイッチング素子ＳＷ１〜第５スイッチング素子ＳＷ５を選択的にオン・オフ制御する。垂直選択回路１５４は、マルチプレクサ（図示せず）を有し、読出しを行う画素１５０が属する行に対して選択的に第１取出信号Ｓｓ１及び第２取出信号Ｓｓ２を出力し、当該画素１５０から第１蓄積電荷信号Ｓｃ１（第１出力電圧Ｖｏｕｔ１）及び第２蓄積電荷信号Ｓｃ２（第２出力電圧Ｖｏｕｔ２）を出力させる。水平選択回路１５６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１５０が属する列を選択し、当該画素１５０からの第１蓄積電荷信号Ｓｃ１（第１出力電圧Ｖｏｕｔ１）及び第２蓄積電荷信号Ｓｃ２（第２出力電圧Ｖｏｕｔ２）を、サンプルホールド回路１５５と、水平選択回路１５６と、出力バッファ１５７と、Ａ／Ｄコンバータ１５８とを介して演算装置１０５に出力する。第１蓄積電荷信号Ｓｃ１及び第２電荷蓄積信号Ｓｃ２を受信した演算装置１０５は、第１蓄積電荷信号Ｓｃ１及び第２電荷蓄積信号Ｓｃ２から反射光強度を求める。

この撮像システムでは、Ｓ／Ｎ比の向上、環境光によるノイズ成分の影響を低減することができると共に、照射時の輝度値と未照射時の輝度値の取得にかかる同時性を向上させることができ、発光を用いた様々なアプリケーションに適用させることができる。

なお、上述の撮像システムは、発光装置から出射される光の波長を７００ｎｍ以上、１０５０ｎｍ未満としているため、近赤外光を使用すれば、暗視撮像システムとして実現させることができる。

本実施の形態に係る発光装置を示す構成図である。 本実施の形態に係る発光装置の構成を示す回路図である。 本実施の形態に係る受光システムを示す構成図である。 環境光の影響を低減する手法の基本原理を示すタイミングチャートである。 環境光の影響を低減する手法の基本原理を示す説明図である。 太陽光の光ショットノイズによる影響を示す説明図である。 １つの光電変換素子を有する受光部の構成を示す回路図である。 光電変換素子を埋込型フォトダイオードとした場合の構成を示す断面図である。 本実施の形態に係る受光システムの動作（サイクルを１回のみとした場合の動作）を示すタイミングチャートである。 本実施の形態に係る受光システムの動作（サイクルを複数回繰り返す場合の動作）を示すタイミングチャートである。 光電変換素子をフォトゲートとした場合の構成を示す断面図である。 光電変換素子をフォトゲートとした場合の受光システムの動作（サイクルを１回のみとした場合の動作）を示すタイミングチャートである。 イメージセンサアレイを有する受光部の構成図である。 イメージセンサアレイの各画素の構成を示す回路図である。

符号の説明

１０…発光装置 １２…半導体レーザバー
１４…分散光源 １６…駆動回路
２４…放熱板 ３６…駆動パルス発生回路
１００…受光システム １０２…受光装置
１０４…制御装置 １１０…受光部
１１２…光電変換素子 １１４ａ…第１電荷蓄積部
１１４ｂ…第２電荷蓄積部 １１６ａ…第１アンプ部
１１６ｂ…第２アンプ部 １１８…光電子排出部
１２０…リセット部 １２２…ゲート駆動回路
１５０…画素 １５２…イメージセンサアレイ
１５４…垂直選択回路 １５６…水平選択回路
Ｌｐ…パルス光 Ｌｒ…反射光
Ｌｓ…環境光

Claims (12)

1. 発光面の最長の辺の長さが１．５ｍｍ以上となっている分散光源と、
   一定の周期に従って入力される発光指示に基づいて前記分散光源に対して駆動パルスを供給することにより、前記分散光源から２つ以上のパルス状の光を間欠的に出射させる駆動回路とを有する発光装置であって、
   前記分散光源は、発光領域を一直線状に設けた半導体レーザバーを複数有し、且つ、複数の前記半導体レーザバーが積層された構成を有し、
   複数の前記半導体レーザバーの間にそれぞれ放熱板が介在され、一方の端部に位置する半導体レーザバーにアノード端子板が設置され、他方の端部に位置する半導体レーザバーにカソード端子板が設置され、
   前記分散光源から出射される前記パルス状の光のパルス幅が１ナノ秒より長く、且つ、０．２５秒未満であり、
   単一の前記パルス状の光のエネルギーが６６．８μ［Ｊ］未満であり、
   前記一定の周期が１８μｓｅｃを超え、
   ２つ以上の前記パルス状の光を有するパルス光列の平均エネルギーが３．７５μ［Ｊ］未満であり、
   平均パワーが７４．０ｍ［Ｗ］未満であり、
   前記一定の周期に対する前記パルス光のデューティ比が１％以下であることを特徴とする発光装置。
2. 請求項１記載の発光装置において、
   前記分散光源は、その光出射面側に、少なくとも光の照射範囲及び／又は該発光装置から出射される光の輝点面積を制御するための光拡散部材が設置されていることを特徴とする発光装置。
3. 請求項２記載の発光装置において、
   前記光拡散部材は、ホログラムパターンが形成された拡散板であることを特徴とする発光装置。
4. 被写体に対して光を照射する請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置と、
   前記被写体からの反射光を受光する受光装置と、
   前記発光装置及び前記受光装置を制御する制御装置とを有する受光システムであって、
   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キャパシタ及び第２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、
   前記光電変換素子からの前記光電子を、前記発光装置の駆動に同期して、前記第１キャパシタ、前記第２キャパシタ及び前記光電子排出部に選択的に振り分ける第１スイッチング素子、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子とを具備し、
   前記制御装置は、
   前記発光装置から前記パルス状の光が出射されていない期間のうちの第１期間に、前記第１スイッチング素子をオン制御して、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第１キャパシタに転送し、
   前記発光装置から前記パルス状の光が出射されている期間のうちの第２期間に、前記第２スイッチング素子をオン制御して、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第２キャパシタに転送し、
   前記第１期間及び前記第２期間以外の期間に、前記第３スイッチング素子をオン制御して、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記光電子排出部に排出するように制御し、
   前記第１キャパシタに転送された電荷量と前記第２キャパシタに転送された電荷量との差に基づいて、環境光に依存しない前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光システム。
5. 請求項４記載の受光システムにおいて、
   前記第１期間と前記第２期間の組み合わせが、間欠的に複数回繰り返すように設定され、
   複数回の前記第１期間に、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第１キャパシタに転送蓄積し、
   複数回の前記第２期間に、前記光電変換素子からの前記光電子を、前記第２キャパシタに転送蓄積し、
   前記第１キャパシタに転送蓄積された電荷量と前記第２キャパシタに転送蓄積された電荷量との差に基づいて、環境光に依存しない前記反射光の輝度情報を得ることを特徴とする受光システム。
6. 請求項４又は５記載の受光システムにおいて、
   前記光電変換素子は、フォトダイオード、埋込型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受光システム。
7. 請求項４〜６のいずれか１項に記載の受光システムにおいて、
   前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタは、ＭＩＭキャパシタ、ＭＯＳキャパシタ、埋込型フォトダイオード構造又はｐｎ接合の寄生容量を利用することを特徴とする受光システム。
8. 請求項４〜７のいずれか１項に記載の受光システムにおいて、
   少なくとも前記第１スイッチング素子〜第３スイッチング素子並びに前記第１キャパシタ及び第２キャパシタは、遮光された領域に形成されていることを特徴とする受光システム。
9. 請求項４〜８のいずれか１項に記載の受光システムにおいて、
   前記第１キャパシタ及び前記第２キャパシタの電位をリセット電位にするための電源とリセットスイッチを有することを特徴とする受光システム。
10. 請求項４〜９のいずれか１項に記載の受光システムにおいて、
    前記第１キャパシタに蓄積された電荷量に基づく電位が印加される第１ゲート端子を有し、該第１ゲート端子に印加された前記電位を電圧信号に変換する第１アンプと、
    前記第２キャパシタに蓄積された電荷量に基づく第２電位が印加される第２ゲート端子を有し、該第２ゲート端子に印加された前記電位を電圧信号に変換する第２アンプとを有することを特徴とする受光システム。
11. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置と、
    多数の画素が配列されたラインセンサアレイ又は二次元イメージセンサアレイとを有する撮像システムにおいて、
    請求項４〜１０のいずれか１項に記載の受光システムの受光装置における少なくとも前記光電変換素子、前記第１キャパシタ、前記第２キャパシタ、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子を有する１つのユニットが前記ラインセンサアレイ又は前記二次元イメージセンサアレイの１画素分の構成要素を構成していることを特徴とする撮像システム。
12. 請求項１１記載の撮像システムにおいて、
    前記受光装置にて受光される光の波長が７００ｎｍ以上、１０５０ｎｍ未満であることを特徴とする撮像システム。

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