JP2017175550A - 撮像装置および撮像方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】黒化現象を防止ししつつ、より明るい場所を撮像したとしても、輝度の境界であるエッジ（形状）を適切に取得することができる撮像装置および撮像方法を提供することを目的とする。
【解決手段】撮像装置は、送信装置からの発光信号を画素によって受光する受光部と、受光部が受光した発光信号に基づく出力が、第１閾値以上であるか否かを検出する検出部と、検出部が検出した結果に基づいて、発光信号に基づく出力が第１閾値以上である場合に、画素の輝度を補正する補正部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置および撮像方法に関する。
フォトダイオード等の光検出器を用いて、発光部から照射された光を受信することにより、発光部から発光された光の形状等を認識する装置がある。このような装置において、通常の光を受信した場合には、光検出器からの出力電圧は適正なものとなる。一方、日光等に代表される強い光を受信した場合には、リセットレベルを読み出す際であってもチャージされた電荷がリークすることにより、リセットレベルとの差を取ることで得られる光検出器の出力信号から生成される信号出力のレベルが低下するため、画像において黒い部分が生じる黒化現象が発生する場合がある。
黒化現象の影響を防止ために、複数の能動画素センサがリセットされた後、光検出器により変換された電気信号に出力されるリセット電圧が無信号期間における電圧よりも低い電圧の範囲内にあるとき、リセット電圧を所定の電圧値に置き換える（固定する）ことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
ここで、黒化現象の一例を説明する。
図１６は、従来技術に係る光検出器に所定の輝度以上の光が入射した場合の例を示す図である。図１６において、符号ｇ９０１の領域は、６×６画素を備える光検出器に光が入射した例を示す画像である。符号ｇ９１０が示す領域は、６×６画素を備える光検出器に適正な光のレベルが入射した場合を示す図である。符号ｇ９２０が示す領域は、６×６画素を備える光検出器に飽和する光のレベルが入射し、弱い飽和が生じた場合を示す図である。符号ｇ９３０が示す領域は、６×６画素を備える光検出器に飽和する光のレベルが入射し、強い飽和が生じた場合を示す図である。
また、グラフｇ９１１、ｇ９２１、およびｇ９３１は、符号ｇ９０１の領域の画像のＡ−Ｂ方向の断面における断面方向に対する輝度出力の例を示すグラフである。グラフｇ９１１、ｇ９２１、およびｇ９３１において、横軸は、符号ｇ９０１の領域の画像のＡ−Ｂ方向の断面における断面方向の位置を表し、縦軸は輝度出力のレベルを表す。
また、グラフｇ９１２、ｇ９２２、およびｇ９３２は、符号ｇ９０１の領域の画像のＡ−Ｂ方向の断面における断面方向に対する信号出力の例を示すグラフである。グラフｇ９１２、ｇ９２２、およびｇ９３２において、横軸は、符号ｇ９０１の領域の画像のＡ−Ｂ方向の断面における断面方向の位置を表し、縦軸は信号出力のレベルを表す。
光検出器に入射する光の輝度が適正な場合は、符号ｇ９１１が示す領域の図のように、ＡからＢ方向の３番目の輝度が一番高い。光検出器への入射レベルが適正である場合、符号ｇ９１２が示す領域の図のように、光検出器の信号出力レベルも輝度出力に応じた結果となり、ＡからＢ方向の３番目が一番高い。
光検出器に入射する光の輝度が、出力に対して弱い飽和が生じる程度に強い場合、符号ｇ９２１が示す領域の図のように、ＡからＢ方向の２番目〜４番目の輝度が飽和する。輝度出力が飽和することにより、光検出器の信号出力レベルは、符号ｇ９２２が示す領域の図のように、適正な輝度の入射光であれば最も信号出力が大きいＡからＢ方向の３番目がほぼ０、すなわち黒レベルになり、その周辺の２番目と４番目も実際の信号出力とは異なる値となる。
光検出器に入射する光の輝度が、符号ｇ９２１が示す領域の図よりさらに強く出力に対して強い飽和が生じる程度に強い場合、符号ｇ９３１が示す領域の図のように、ＡからＢ方向の１番目と５番目の輝度が飽和する。この場合、入射光の輝度が高すぎるため、２番目〜４番目の輝度出力のレベルが適切でなくなっている。輝度出力が飽和することにより、光検出器の信号出力レベルは、符号ｇ９３２が示す領域の図のように、ＡからＢ方向の１番目〜５番目がほぼ０、すなわち黒レベルになる。
特許第３５１７６１４号公報
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、図１６の符号ｇ９３０の領域のように、強い飽和が生じるより明るい場所をピンポイントで認識させたい場合、飽和した出力レベルを所定の値に置き換えても、例えばＡからＢ方向における１番目〜５番目の信号出力のレベルがすべて同じ値となる。このように、特許文献１に記載の技術では、飽和が生じた画素領域の信号出力のレベルが同じになるため、輝度の境界であるエッジ（形状）やピークを取得できない場合がある。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、黒化現象を防止ししつつ、より明るい場所を撮像したとしても、輝度の境界であるエッジ（形状）やピークを適切に取得することができる撮像装置および撮像方法を提供することを目的とする。
（１）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る撮像装置は、送信装置からの発光信号を画素によって受光する受光部と、前記受光部が受光した前記発光信号に基づく出力が、第１閾値以上であるか否かを検出する検出部と、前記検出部が検出した結果に基づいて、発光信号に基づく出力が第１閾値以上である場合に、画素の輝度を補正する補正部と、を備える。
（２）また、本発明の一態様に係る撮像装置において、前記検出部は、前記発光信号に基づく出力が第１閾値以上であるか否かを、前記画素の電荷の蓄積をリセットした後の出力値と、前記受光部を露光した後の前記画素の電荷の蓄積を読み出したときの出力値に基づいて検出するようにしてもよい。
（３）また、本発明の一態様に係る撮像装置において、前記補正部は、発光信号に基づく出力が第１閾値以上である場合に、前記画素の電荷の蓄積をリセットした後の出力値の平均値または標準値と、前記画素の電荷の蓄積をリセットした後の出力値との差分に所定のゲインを乗じた値を、前記受光部を露光した後の前記画素の電荷の蓄積を読み出したときの出力値と前記画素の電荷の蓄積をリセットした後の出力値との差に加算して、前記画素の輝度を補正するようにしてもよい。
（４）また、本発明の一態様に係る撮像装置において、前記受光部は、複数の前記画素、を備え、前記補正部が出力する信号の振幅、および前記受光部が出力する信号に基づく輝度のうち少なくとも一つを用いてクラスタに分類するクラスタリング部、を備え、前記クラスタリング部は、前記クラスタ毎に、前記信号の振幅の最大値である画素の座標、前記受光部が出力する信号に基づく輝度の最大値である画素の座標のうち少なくとも一つを算出するようにしてもよい。
（５）また、本発明の一態様に係る撮像装置において、前記クラスタリング部は、算出した前記信号の振幅の最大値である画素の座標、または算出した前記受光部が出力する信号に基づく輝度の最大値である画素の座標を、次に前記発光信号を取り込むべき関心領域の中心に決定するようにしてもよい。
（６）上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る撮像方法は、受光部が、送信装置からの発光信号を画素によって受光する受光手順と、検出部が、前記受光手順によって受光された発光信号に基づく出力が、第１閾値以上であるか否かを検出する検出手順と、補正部が、前記検出手順によって検出された結果に基づいて、前記発光信号に基づく出力が第１閾値以上である場合に、画素の輝度を補正する補正手順と、を含む。
上述した（１）または（６）の構成によれば、出力の飽和の進行状態に応じて出力を補正するため、黒化現象を防止することができつつ、より明るい場所を撮像したとしても、その部分のエッジ（形状）を適切に捉えることができる。
また、上述した（２）の構成によれば、受光部の画素の出力が飽和したときに出力を補正することができるので、黒化現象を防止することができつつ、より明るい場所を撮像したとしても、その部分のエッジ（形状）を適切に捉えることができる。
また、上述した（３）の構成によれば、飽和状態によって発生するリークによる出力降下分を考慮して加算されるべきゲインを決定するので、より一層明るい場所を撮像したとしてもそのエッジを適切に捉えることができる。
また、上述した（４）の構成によれば、受光部が備える複数の画素に対して、振幅または補正後の輝度に基づいてクラスタリングを行うことで、発光信号の領域の大きさを検出することができる。また、上述した（４）の構成によれば、クラスタにおける振幅の最大値の位置、または補正後の輝度の最大値の位置を検出することで、発光信号の中心位置を検出できる。
また、上述した（５）の構成によれば、発光信号の中心位置を関心空間の中心に設定することで、発光信号を次回、受光するときに、発光信号の中心を適切に設定することができる。
本実施形態に係る通信システムの構成を表すシステム構成図である。 本実施形態に係る受光部の構成の概略を表す概略図である。 本実施形態に係る受光部に用いられる画素の構成を表す構成図である。 図３の画素の等価回路を示す図である。 本実施形態に係る各ゲートのタイミングチャートを示す図である。 本実施形態に係る画素から読み出された３つの電圧レベルに基づいてパルス波である搬送波の振幅及び位相を算出するための概略を表す概略図である。 本実施形態に係る送信信号の構成例を示す図である。 本実施形態に係る受信時の端末の動作例を示す図である。 本実施形態に係るｎ毎の信号ＴＸ４の例を示す図である。 本実施形態に係る端末における入射光強度と信号出力レベルの関係を示す図である。 ＣＤＳ出力対入射光強度の関係を用いた輝度の補正を示す図である。 本実施形態に係る光検出器に所定の輝度以上の光が入射した場合の例を示す図である。 本実施形態に係る複数の画素に対するクラスタリング処理を示す図である。 本実施形態に係る制御部が行う処理のフローチャートである。 本実施形態に係る発光信号の検出結果の一例を示す図である。 従来技術に係る光検出器に所定の輝度以上の光が入射した場合の例を示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る通信システム１の構成を表すシステム構成図である。図１に示すように、通信システム１は、端末１０（撮像装置）および送信装置２０−１、２０−２、２０−３、・・・を備えている。以下の例では、車両が端末１０を搭載しているとして説明する。また、以下の説明では、送信装置２０−１、２０−２、２０−３、・・・のうちの１つを特定しない場合、単に送信装置２０という。
図１に示すように、端末１０は、レンズ１０１、受光部１０２、ＧＮＳＳ１０３、発振器１０４、復調器１０５、復号器１０６、制御部１０７、および記憶部１１１を備える。なお、端末１０のレンズ１０１および受光部１０２それぞれは、車両の進行方向に対して前後に搭載されている。また、制御部１０７は、検出部１０８、補正部１０９、およびクラスタリング部１１０を備える。
また、送信装置２０は、ＧＮＳＳ２０３、発振器２０４、制御部２０７、符号器２０８、変調器２０９、投光器２１０、および記憶部２１１を備える。
送信装置２０は、例えば、信号機、ガードレール、陸橋、歩道橋、他の車両に取り付けられている。送信装置２０は、自端末を識別する識別子（ＩＤ）とタイムコードと同期クラスと情報を含む信号を符号化し、符号化した送信信号を予め定められているときに互いに送信する。なお、同期クラスとは、端末１０の発振器１０４または送信装置２０の発振器２０４の周波数精度を示す情報である。本実施形態では、例えば、ＧＮＳＳ１０３またはＧＮＳＳ２０３に同期しているレベルの周波数精度を０、１０−１０以下の周波数精度を１、１０−１０より大きく１０−９以下の周波数精度を２、１０−６以上の周波数精度を３とする。
端末１０は、送信装置２０が送信した送信信号を光通信によって受信する。端末１０は、受信した送信信号から情報を抽出する。端末１０は、受信した送信信号に基づいて、送信装置２０と端末１０を搭載する車両との間の距離を算出する。
まず、送信装置２０について説明する。
ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ（ｓ）；全地球航法衛星システムまたは汎地球航法衛星システム）２０３は、衛星（不図示）を用いた測位システムである。ＧＮＳＳ２０３は、衛星から受信した信号から基準信号を抽出し、抽出した基準信号を発振器２０４に出力する。
発振器２０４は、ＧＮＳＳ２０３から入力された基準信号に応じて、生成した同期信号を補正し、補正した同期信号を変調器２０９に出力する。または、発振器２０４は、ＧＮＳＳ２０３が出力した基準信号を用いて同期信号を生成し、生成した同期信号を変調器２０９に出力する。なお、発振器２０４は、ＧＮＳＳ２０３の代わりに他の送信装置２０から同期信号を有線や無線にて受け取って発振するようにしてもよい。
記憶部２１１は、自送信装置２０のＩＤと、変調や符号化に用いる情報等を記憶する。
制御部２０７は、記憶部２１１が記憶する情報を用いて送信情報（含むＩＤ）を生成し、生成した送信情報を符号器２０８に出力する。また、制御部２０７は、投光器２１０を制御して送信信号を発光させる。
符号器２０８は、制御部２０７が出力する送信情報を符号化してビット列を生成する。符号器２０８は、生成したビット列を変調器２０９に出力する。
変調器２０９は、符号器２０８が出力するビット列を、例えばＤＢＰＳＫ方式に従って、発振器２０４が出力する同期信号を用いて変調して搬送波を生成する。変調器２０９は、生成した搬送波を投光器２１０に出力する。なお、変調器２０９で行う変調方式は、例えば、２π／３−ＤＢＰＳＫ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）等の方式である。なお、変調器２０９が行う変調方式は、２π／３−ＤＢＰＳＫ変調方式に限られない。
投光器２１０は、変調器２０９が生成した搬送波に基づいて位相変調し、位相変調した送信信号である位相変調光を制御部２０７の制御に応じて端末１０へ送信する。投光器２１０は、例えば高レート（繰り返し周波数）の例えば可視光パルスを送信することのできる発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）またはレーザダイオードを備える。また、投光器２１０は、高レートの赤外線パルスを送信する発光ダイオードまたはレーザダイオードを備えていてもよい。
次に、端末１０について説明する。
レンズ１０１は、送信装置２０が発光した送信信号である位相変調光および環境光を含む光束を通過し、通過した光束を受光部１０２に結像する。なお、端末１０は、レンズ１０１と受光部１０２との間に、光学的なフィルタを備えるようにしてもよい。
受光部１０２は、複数の画素が二次元に配列された構造を有する。受光部１０２は、画素によって受光した光に応じた電荷を発生させて、制御部１０７の制御に応じた所定のタイミングで蓄積する。受光部１０２は、蓄積した電荷に基づく信号を制御部１０７に出力する。受光部１０２は、制御部１０７が出力する情報に基づく信号を受信信号として復調器１０５へ出力する。なお、制御部１０７が出力する情報には、画素毎の補正後の輝度、所定の領域毎にクラスタリングを行った結果を示す情報が含まれる。
ＧＮＳＳ１０３は、衛星から受信した信号から基準信号を抽出し、抽出した基準信号を発振器１０４に出力する。
発振器１０４は、ＧＮＳＳ１０３から入力された基準信号に応じて、生成した同期信号を補正し、補正した同期信号を復調器１０５に出力する。または、発振器１０４は、ＧＮＳＳ１０３が出力した基準信号を用いて同期信号を生成し、生成した同期信号を復調器１０５に出力する。
復調器１０５は、受光部１０２が出力する受信信号に対して、送信装置２０の変調器２０９が用いる変調方式に応じた復調を行い、復調した受信信号を復号器１０６に出力する。なお、画素の制御は、復調器１０５が行うようにしてもよい。
復号器１０６は、復調器１０５が復調した受信信号を、送信装置２０の符号器２０８が用いる符号化に応じて復号し、復号した受信信号を制御部１０７に出力する。
制御部１０７は、受光部１０２が有する画素を制御する。制御部１０７は、受光部１０２が出力する信号を取得し、取得した信号の振幅、位相、輝度を求める。制御部１０７は、輝度が閾値以上である場合、輝度を補正し、補正した輝度を、画素を示す情報と対応付けて受光部１０２に出力する。制御部１０７は、求めた振幅に基づきクラスタリングを行い、補正した輝度に基づきクラスタリングを行い、クラスタリングを行った結果を受光部１０２へ出力する。制御部１０７は、復号器１０６が出力する送信装置２０からの送信情報を受信し、受信した送信情報から、ＩＤ、情報、および搬送波の位相情報を抽出する。また、制御部１０７は、２次元の面である受光部の位置情報を角度情報に変換してから距離情報も利用して３次元の位置情報に変換して、車両間の３次元の相対位置情報を求める。
検出部１０８は、受光部１０２が出力する信号を取得する。検出部１０８は、取得した信号の電圧値または電流値が、記憶部１１１が記憶する飽和を判別するための閾値（第１閾値）以上であるか否かを画素毎に判別する。検出部１０８は、判別した結果を画素毎に補正部１０９に出力する。
補正部１０９は、検出部１０８が出力する判別結果に基づいて、閾値以上である場合、記憶部１１１が記憶する補正式を用いて輝度を画素毎に補正する。補正部１０９は、補正した結果を画素毎にクラスタリング部１１０に出力する。
クラスタリング部１１０は、補正部１０９が出力する補正結果を取得し、振幅、位相、輝度を画素毎に求める。クラスタリング部１１０は、所定の画素数を含む領域を抽出し、抽出した領域毎に、振幅に基づいてクラスタリングを領域毎に行い、さらに輝度に基づいてクラスタリングを行う。なお、領域とは、受光部１０２の画素のうち、例えば６×６画素である。クラスタリング部１１０は、クラスタリングを行った結果を、受光部１０２と制御部１０７に出力する。なお、クラスタリング部１１０は、クラスタリングした結果、クラスタが複数の領域に含まれる場合、周知の手法によって１つのクラスタに統合する。
記憶部１１１は、自端末１０のＩＤと復調や復号に必要な情報、飽和を判別するための閾値、補正式、クラスタリングに用いる振幅の閾値と輝度の閾値、および受信した情報等を記憶する。
［受光部１０２の構成］
次に、端末１０の受光部１０２の構成について説明する。
図２は、本実施形態に係る受光部１０２の構成の概略を表す概略図である。
受光部１０２は、複数の画素１２１、垂直走査回路１２２、水平走査回路１２３、読み出し回路１２４を備える。画素１２１は、二次元マトリックス状に配置され、レンズ１０１（図１）を通過した光を受光して電荷を生成し蓄積する。読み出し回路１２４は、各画素１２１が蓄積した電荷に応じた電圧レベルを、垂直走査回路１２２および水平走査回路１２３による制御に応じて読み出す。読み出された電圧レベルは、読み出し回路１２４から復調器１０５（図１）へ出力する。
なお、本実施形態では、信号の受信時、露光を行った後に信号の読み出しを制御部１０７の制御に応じて行う。
［画素１２１の構成］
次に、画素１２１の構成について説明する。
図３は、本実施形態に係る受光部１０２に用いられる画素１２１の構成を表す構成図である。
受光部１０２は、図３に示したように複数の画素１２１が配列されている。画素の数は、例えば１０２４（横方向、ｘ方向）×７６８（縦方向、ｙ方向）である。画素１２１それぞれは、４つの微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄ（光電変換部）を備える。各微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄは、光電変換素子を用いて構成される。また、画素１２１は、４つの電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄ（電荷蓄積部）と、各電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄに対応する振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄ（振り分けゲート部）を備える。４つの微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄは、電荷移送領域１０２３及び振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄを介して、電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄに接続される。
微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄ（光電変換部）それぞれは、露光量に応じた電荷を生成する。
電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄ（電荷蓄積部）それぞれは、微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄによって生成された電荷を蓄積する。
振り分けゲートＴｘａは、微小変換部１０２１ａ（光電変換部）と電荷蓄積領域１０２２ａ（電荷蓄積部）との間に設けられ、ゲートを開閉することによって微小変換部１０２１ａから電荷蓄積領域１０２２ａへ電荷が入ることを制御する。同様に、振り分けゲートＴｘｆ（ｆは、ｂ、ｘ、ｄのいずれか１つ）は、微小変換部１０２１ｆ（光電変換部）と電荷蓄積領域１０２２ｆ（電荷蓄積部）との間に設けられ、ゲートを開閉することによって微小変換部１０２１ｆから電荷蓄積領域１０２２ｆへ電荷が入ることを制御する。なお、本実施形態において、第１の電荷蓄積部とは、例えば電荷蓄積領域１０２２ｄであり、第２〜第４の電荷蓄積部とは、電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｃである。また、第１の振り分けゲート部とは、振り分けゲートＴｘａであり、第２〜第４の振り分けゲート部とは、振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｃである。
微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄにおける光電変換によって生成された電荷は、よりポテンシャルの低い電荷移送領域１０２３へ移動する。振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄのうちの一つが開かれると、電荷移送領域１０２３から、開かれたゲートＴｘａ〜Ｔｘｄに対応する電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄの一つに電荷が移動する。そして、各電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄに移動した電荷は、各電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄによって所定のタイミングまで蓄積される。そして、蓄積された電荷は、所定のタイミングで読み出し電極１０２４ａ〜１０２４ｄから、読み出し回路１２４（図２）を介して復調器１０５（図１）へ読み出される。
また、画素１２１は、電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄそれぞれに隣接するリセットゲートＲａ〜Ｒｄ及びリセット電極１０２５ａ〜１０２５ｄを備える。リセットゲートＲａ〜Ｒｄが開かれると、リセット電極１０２５ａ〜１０２５ｄに加えられている電圧Ｖによって、電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄが充電されてリセット状態となる。このリセット処理は、受光部１０２（図１）の全ての画素１２１（図２）の電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄに対して同時に行われる。
また、画素１２１（図２）は、ドレインゲートＤｒ、及びドレイン電極Ｄａを備える。ドレインゲートＤｒが開かれると、電荷移送領域１０２３に蓄積された電荷のうち、余分な電荷がドレイン端子Ｄａに移動する。余分な電荷とは、例えば、画素１２１に所定の強度より高い強度の光が入射した場合、蓄積される電荷である。このように所定の強度より高い強度に光が入射した場合、蓄積される電荷が周囲の画素にあふれ出すことを防ぐためにドレインゲートＤｒ及びドレイン端子Ｄａが用いられる。
［画素１２１の等価回路］
次に、画素１２１の等価回路について説明する。
図４は、図３の画素１２１の等価回路を示す図である。図４において、微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄは、フォトダイオードとして表される。振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄにそれぞれ隣接する電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄ（図３）は、コンデンサＣａ〜Ｃｄとして表される。これらのコンデンサＣａ〜Ｃｄは、リセットゲートＲａ〜ＲｄのＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ；電界効果トランジスタ）がオンになることによって電圧Ｖで充電される。この動作は、前述したリセット処理であり、電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄの状態を、微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄによって生成される電荷を蓄積する前の状態（初期状態）に戻すための処理である。
電界効果トランジスタＬａ〜Ｌｄは、レベルシフト・トランジスタである。電界効果トランジスタＬａ〜Ｌｄは、読み出しゲートＳＬａ〜ＳＬｄが開かれると、コンデンサＣａ〜Ｃｄにホールドされている電荷に応じた電流は、それぞれ読み出し回路１２４（図２）を介して復調器１０５（図１）へ送り出される。
なお、４つの微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄ及び電荷移送領域１０２３（図３）は、Ｐ型領域（Ｐ−ｗｅｌｌ）に埋め込まれた一体的なＮ型領域によって形成することができる。この一体的なＮ型領域の上方に遮光幕（遮光マスク）が設けられ、画素１２１の各構成のうち微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄだけに光が入るように構成される。
なお、本実施形態では、４つの微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄのうち、少なくとも１つの微小変換部１０２１ａが受光した信号を用いて、位相を検出する。なお、位相の検出に用いる微小変換部は、微小変換部１０２１ａに限られず、他の微小変換部１０２１ｂ〜１０２１ｄのうちの、いずれか１つであってもよい。
［画素１２１の動作］
次に、画素１２１の動作について、図３〜図５を参照して説明する。なお、以下の各ゲートの制御は、制御部１０７が行う。また、以下の説明において、リセットが行われる期間を「リセット期間」といい、リセット後のレベルを読み出す期間を「リセットレベル読み出し期間」といい、露光が行われる期間を「露光期間」といい、読み出しが行われる時間を「読み出し期間」という。
図５は、本実施形態に係る各ゲート（振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄ、リセットゲートＲａ〜Ｒｄ、読み出しゲートＳＬａ〜ＳＬｄ）のタイミングチャートを示す図である。図５において、横軸は時刻を表し、縦軸は、信号のＨ（ハイ）レベルとＬ（ロー）レベルを表している。なお、図５に示す各信号（信号ＴＸ１〜ＴＸ４、リセットゲート信号ＲＥＴ、出力ゲート信号Ｔ）の制御は、制御部１０７が行う。また、図５に示すように、制御信号の１周期には、リセット期間、リセット読み出し期間、露光期間、読み出し期間が含まれる。リセット期間は、例えば４８［μｓ］である。リセット読み出し期間は、例えば４８［μｓ］である。露光期間は、例えば１４４［μｓ］である。読み出し期間は、例えば４８［μｓ］である。また、信号ＴＸ１〜ＴＸ４は、転送ゲートＴｘａ〜Ｔｘｄのオン状態とオフ状態を切り替える信号である。リセットゲート信号ＲＥＴは、リセットゲートＲａ〜Ｒｄのオン状態とオフ状態を切り替える信号である。出力ゲート信号Ｔは、電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄの電圧を読み出すタイミングを読み出し回路１２４に指示する信号である。
まず、制御部１０７は、露光が開始される直前のリセット期間の時刻ｔ１のとき、Ｈレベルが所定の時間であるリセットゲート信号ＲＥＴをリセットゲートＲａ〜Ｒｄに出力する。このリセットゲート信号ＲＥＴに応じてリセットゲートＲａ〜Ｒｄが開くことによって、電荷移送領域１０２３及び電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄがリセットされる。
制御部１０７は、リセットゲート信号ＲＥＴを出力した後の所定の時間後（例えば４８［μｓ］）、リセットレベル読み出し期間の時刻ｔ２のときに、Ｈレベルが所定の時間である読み出し信号Ｔ（出力ゲート信号Ｔ）を振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄに出力する。この読み出し信号Ｔに応じて、４つの振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄが開く。制御部１０７は、時刻ｔ２のときの信号出力（Ｏｕｔ１〜Ｏｕｔ４）のレベルを読み取る。
制御部１０７は、露光期間の時刻ｔ３〜ｔ４の期間に、振り分けゲートＴｘａを開くように制御する信号ＴＸ１を、振り分けゲートＴｘａに出力する。この信号ＴＸ１に応じて、振り分けゲートＴｘａが開き、４つの微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄで生成される電荷が、電荷移送領域１０２３を介して電荷蓄積領域１０２２ａ（コンデンサＣａ）に蓄えられる。また、制御部１０７は、振り分けゲートＴｘａが閉じている期間に振り分けゲートＴｘｄを開いて、４つの微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄで生成される電荷を、電荷移送領域１０２３を介して電荷蓄積領域１０２２ｄ（コンデンサＣｄ）に蓄える。さらに、制御部１０７は、振り分けゲートＴｘｄが閉じている期間にドレインゲートＤｒを開いて、余分な電荷をドレイン端子Ｄａに排出する。
次に、制御部１０７は、露光タイムが開始してから１／３周期が経過するときに振り分けゲートＴｘａを閉じ、１／３周期経過のタイミングの時刻ｔ４〜ｔ５の期間、振り分けゲートＴｘｂを開く信号ＴＸ２を振り分けゲートＴｘｂに出力する。この信号ＴＸ２に応じて、振り分けゲートＴｘｂが開き、４つの微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄで生成される電荷が、電荷移送領域１０２３を介して電荷蓄積領域１０２２ｂ（コンデンサＣｂ）に蓄えられる。また、制御部１０７は、振り分けゲートＴｘｂが閉じている期間に振り分けゲートＴｘｄを開いて、４つの微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄで生成される電荷を、電荷移送領域１０２３を介して電荷蓄積領域１０２２ｄ（コンデンサＣｄ）に蓄える。さらに、制御部１０７は、振り分けゲートＴｘｄが閉じている期間にドレインゲートＤｒを開いて、余分な電荷をドレイン端子Ｄａに排出する。
次に、制御部１０７は、露光タイムが開始してから２／３周期が経過するときに振り分けゲートＴｘｂを閉じ、２／３周期経過のタイミングの時刻ｔ５〜ｔ６の期間、振り分けゲートＴｘｃを開く信号ＴＸ３を振り分けゲートＴｘｃに出力する。この信号ＴＸ３に応じて、振り分けゲートＴｘｃが開き、４つの微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄで生成される電荷を、電荷移送領域１０２３を介して電荷蓄積領域１０２２ｃ（コンデンサＣｃ）に蓄える。また、制御部１０７は、振り分けゲートＴｘｂが閉じている期間に振り分けゲートＴｘｄを開いて、４つの微小変換部１０２１ａ〜１０２１ｄで生成される電荷を、電荷移送領域１０２３を介して電荷蓄積領域１０２２ｄ（コンデンサＣｄ）に蓄える。さらに、制御部１０７は、振り分けゲートＴｘｄが閉じている期間にドレインゲートＤｒを開いて、余分な電荷をドレイン端子Ｄａに排出する。
時刻ｔ３〜ｔ４の期間、時刻ｔ４〜ｔ５の期間、および時刻ｔ５〜ｔ６の期間それぞれは、例えば１２［μｓ］である。制御部１０７は、露光期間の時刻ｔ３〜ｔ１２の期間に、時刻ｔ３〜ｔ６の処理を４回行う。
制御部１０７は、露光タイムが開始してから１周期が経過する時刻ｔ１２のときに振り分けゲートＴｘｃを閉じる。
次に、制御部１０７は、読み出し期間の時刻ｔ１３のとき、Ｈレベルが所定の時間である出力ゲート信号Ｔを振り分けゲートＴｘａに出力する。この読み出し信号Ｔに応じて、４つの振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄが開くことによって、電荷移送領域１０２３及び電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄに蓄電された電荷が出力される。
［搬送波の振幅と位相について説明］
次に、搬送波の振幅と位相について説明する。搬送波は、正弦波やパルス波であってもよい。以下の説明では、搬送波がパルス波の例を説明する。
図６は、本実施形態に係る画素１２１から読み出された３つの電圧レベルに基づいてパルス波である搬送波の振幅及び位相を算出するための概略を表す概略図である。図６に表される波形は搬送波を構成する１周期分のパルス波を表す。
図６において、Ｃ（θ０）、Ｃ（θ１）、Ｃ（θ２）は、電圧レベル、すなわち１／３周期毎の搬送波の強度を表す。パルス波においても、復調器１０５（図１）は、（２／３）π毎に搬送波の振幅Ｒ及び搬送波の位相θを算出する。
搬送波の中心レベルＢ、搬送波の振幅Ｒ、及び搬送波の位相θそれぞれは、次式（１）〜次式（３）のように表される。
なお、式（２）において、ＭＡＸ（）は、最大値を求める関数であり、ＡＢＳ（）は、絶対値を求める関数である。また、式（３）において、Ｄ０、Ｄ１、及びＤ２は、次式（４）〜次式（６）である。
［送信信号と符号化の説明］
次に、送信装置２０が送信する送信信号の例を説明する。
図７は、本実施形態に係る送信信号の構成例を示す図である。図７において、横軸は時刻、縦軸は各信号のＨレベルとＬレベルとを表している。
図７に示すように、送信信号ｇ２００の１つのシーケンスは、２個のリーダ信号ブロックと、８０個（ｎ＝０〜７９）の信号ブロックと、２個の無信号ブロックとで構成されている。また、送信信号ｇ２００の１つのシーケンスの１周期Ｔｓは、４８．３８４［ｍｓｅｃ］（＝５７６［μｓｅｃ］×（２＋８０＋２））である。なお、１秒当たりのシーケンス数を整数とするためにシーケンスの前後に無信号期間を設けてもよい。
リーダ信号ブロックは、信号ブロックの始まりを示す信号のブロックである。
信号ブロックＳＢは、送信情報が符号化及び変調された信号のブロックである。
無信号ブロックは、信号ブロックの終了を示すブロックであり、無信号状態である。
波形ｇ２０１は、１つの信号ブロックＳＢを拡大した波形である。１つの信号ブロックＳＢは、１２個の信号パルスと４個の無信号とで構成される。１２個の信号パルスは、３ ｔｉｃｋに対応する。なお、１ ｔｉｃｋは、４個の信号パルスに相当する。
無信号の期間（無信号期間とも言う）は、信号パルス４個分の期間である。１つの信号パルスは３６［μｓｅｃ］である。また、無信号期間は、４個の信号パルス分の期間であるため、１ ｔｉｃｋに相当する。このため、信号ブロックの１周期Ｔｂは、５７６［μｓｅｃ］（＝３６［μｓｅｃ］×（１２＋４））である。なお、ｇ２０１では無信号期間がＬレベルとなっているがＨレベルでもよい。
波形ｇ２０２は、１つの信号パルスＳＰを拡大した波形である。１つの信号パルスＳＰは、位相を示す期間Ｔｗと、９個のＴＯＦブロックと、残りの期間Ｔｗ’とで構成される。ＴＯＦブロックＴＢの期間は、ディーティが５０％であるため、１８［μｓｅｃ］（＝２［μｓｅｃ］×９）である。ＴＯＦブロックの１周期Ｔｒは、（ＴＰ×５）（＝１［μｓｅｃ］）×２の期間であり、すなわち、２［μｓｅｃ］である。また、位相を示す期間Ｔｗは、位相が０度の場合に０であり、位相が１２０度の場合にＴｐ×１／３であり、位相が２４０度の場合にＴｐ×２／３である。すなわち、位相を示す期間Ｔｗの長さによって、ビット値が決定する。
波形ｇ２０３は、ＴＯＦブロックＴＢを拡大した波形である。１つのＴＯＦブロックＴＢは、遅延期間Ｔｄと、５個のＴＯＦパルスと、残りの期間Ｔｄ’とで構成される。ここで、遅延期間Ｔｄは、所定の時間である。
波形ｇ２０４は、ＴＯＦパルスＴＰを拡大した波形である。ＴＯＦパルスＴＰの１周期は、２００［ｎｓｅｃ］であり、Ｌレベルの期間ＴｌｏｗとＨレベルの期間Ｔｈｉｇｈそれぞれは、１００［ｎｓｅｃ］である。
図７に示したシーケンスの１周期Ｔｓ、信号ブロックＳＢの１周期Ｔｂ、信号パルスＳＰの１周期Ｔｐ、位相を示す期間Ｔｗ、残りの期間Ｔｗ’、ＴＯＦブロックＴＢの１周期Ｔｒ、遅延期間Ｔｄと、ＴＯＦパルスＴＰのＨレベルの期間Ｔｈｉｇｈ及びＬレベルの期間Ｔｌｏｗと、残りの期間Ｔｄ’との関係は、次式（７）のように表される。式（７）の関係は、直交条件に基づいて決定されたものである。
［受信時の端末１０の動作］
次に、送信信号の受信時における端末１０の動作について説明する。
図８は、本実施形態に係る受信時の端末１０の動作例を示す図である。図８において、横軸は時刻、縦軸は各信号のＨレベルとＬレベルとを表している。
波形ｇ３０１は、他の端末１０が送信した送信信号の発光パターンの波形例である。波形ｇ３０２は、転送ゲートＴｘａのオン状態とオフ状態を切り替える信号ＴＸ１の波形である。波形ｇ３０３は、転送ゲートＴｘｂのオン状態とオフ状態を切り替える信号ＴＸ２の波形である。波形ｇ３０４は、転送ゲートＴｘｃのオン状態とオフ状態を切り替える信号ＴＸ３の波形である。
波形ｇ３０５は、波形３０１を拡大した波形である。波形ｇ３０６は、波形３０２を拡大した波形である。波形ｇ３０７は、転送ゲートＴｘｄのオン状態とオフ状態を切り替える信号ＴＸ４の波形である。波形ｇ３０８は、ドレインゲートＤｒのオン状態とオフ状態を切り替えるドレインゲート信号の波形である。
波形ｇ３０１に示すように、送信信号の発光パターンの１周期は、３６［μｓ］（＝２０００［ｎｓ］×１８＝２７．８［ｋＨｚ］）である。また、ＴＯＦパルス間隔は、２０００［ｎｓ］（＝０．５［ＭＨｚ］）である。また、波形ｇ３０５に示すように、１つのＴＯＦパルスには、１１００［ｎｓ］のＨレベルが継続する期間と、９００［ｎｓ］の負パルス列を有する期間を含んでいる。なお、負パルス列とは、波形ｇ３０５に示すように、ＬレベルとＨレベルを交互に繰り返すパルス列である。
波形ｇ３０６が示すように、信号ＴＸ１は、１０００［ｎｓ］のＨレベルの期間と、１０００［ｎｓ］のＬレベルの期間を含む。信号ＴＸ１がＨレベルの期間は、発光パターンがＨレベルの期間うち１０００［ｎｓ］を含む。また、信号ＴＸ１がＬレベルの期間は、発光パターンが負パルス列の期間の９００［ｎｓ］を含む。
波形ｇ３０７の信号ＴＸ４とドレインゲート信号は、時刻０から２０００［ｎｓ］の間に、左から右に移動する。
波形ｇ３０７に示すように、信号ＴＸ４は、１００［ｎｓ］のＨレベルの期間を５つ含む。なお、ＨレベルとＨレベルとの間には、１００［ｎｓ］のＬレベルの期間を含む。この、５つのＨレベルの期間と、間にある４つのＬレベルの期間を合わせて、ＴＯＦ時間ともいう。ＴＯＦ時間は、９００［ｎｓ］（＝１００×（５＋４））である。
また、波形ｇ３０８に示すように、ドレインゲート信号は、両側に５０［ｎｓ］のＨレベルの期間と、１００［ｎｓ］のＨレベルの期間を４つ、１００［ｎｓ］のＬレベルの期間を５つ含む。この２つの５０［ｎｓ］のＨレベルに挟まれた期間を排出時間ともいう。排出時間は、１０００［ｎｓ］（＝５０×２＋１００（５＋４））である。
次に、信号ＴＸ４の時刻０から時刻２０００［ｎｓ］の波形例を説明する。
図９は、本実施形態に係るｎ毎の信号ＴＸ４の例を示す図である。図９において、横軸は時刻、縦軸は各信号のＨレベルとＬレベルとを表している。なお、図９において、ｎ＝０のときの信号をＴＸ４（０）と表し、・・・、ｎ＝７９のときの信号をＴＸ４（７９）と表す。信号ＴＸ４は、時刻０から時刻２０００［ｎｓ］の間、８０回、左から右に制御部１０７の制御に応じて移動する。
波形ｇ３０７（０）は、ｎ＝０のＴＸ４信号である。ｎ＝０のとき、パルスＴＰの遅延期間Ｔｄ０は０である。すなわち、波形ｇ３０７（０）は、時刻０から開始される。
次に、波形ｇ３０７（１）は、ｎ＝１のＴＸ４信号である。ｎ＝１のとき、パルスＴＰの遅延期間Ｔｄ１は２５［ｎｓｅｃ］（＝２［μｓｅｃ］／８０）である。すなわち、図１４に示すように、ｎ＝１のときの波形ｇ３０７（１）は、ｎ＝０のときの波形ｇ３０７（０）に対して、２５［ｎｓｅｃ］遅れている。
以下、ｎが１増加する毎に２５［ｎｓｅｃ］ずつ遅れていく。そして、ｎ＝７９のとき、波形ｇ３０７（７９）のように、２０００［ｎｓｅｃ］の前にパルスＴＰの最初のＬレベルの期間Ｔｌｏｗの１／４（＝１００［ｎｓｅｃ］／２５［ｎｓｅｃ］）だけ現れ、残りの信号は、０［ｎｓｅｃ］に折り返す。
なお、図９では省略しているが、ＴＸ４信号の移動に合わせて、ドレインゲート信号も左から右に２５［ｎｓｅｃ］ずつ制御部１０７の制御に応じて移動する。
［入射光強度と信号出力レベルの関係］
次に、端末１０における入射光強度と信号出力レベルの関係を説明する。
図１０は、本実施形態に係る端末１０における入射光強度と信号出力レベルの関係を示す図である。図１０において、横軸は時刻であり、縦軸は各信号のレベルを表す。また、波形ｇ４０１は、信号ＴＸ１の波形である。波形ｇ４０２は、リセットゲート信号ＲＥＴの波形である。波形ｇ４０３は、出力ゲート信号Ｔの波形である。波形ｇ４０４〜ｇ４０８は、電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄの電圧レベルの波形である。波形ｇ４０４は、入射光が無いときの電圧レベルの波形である。波形ｇ４０５は、入射光がグレーレベルときの電圧レベルの波形である。波形ｇ４０６は、入射光が白レベルのときの電圧レベルの波形である。波形ｇ４０７は、入射光が弱い飽和状態の電圧レベルの波形である。波形ｇ４０８は、入射光が強い飽和状態の電圧レベルの波形である。また、符号ＬＲ（ｎ）（ｎは１〜５の整数）は、リセット読み出し時の信号出力レベル（画素１２１の電荷の蓄積をリセットした後の出力値）を表す。符号ＬＴは、読み出し時の信号出力レベル（受光部１０２を露光した後の画素１２１の電荷の蓄積を読み出したときの出力値）を表す。なお、リセット期間、リセットレベル読み出し期間、露光期間、読み出し期間、およびリセットゲート信号ＲＥＴと出力ゲート信号Ｔとの間の時間それぞれは、図５と同様である。なお、時刻ｔ１００の時点で、画素１２１に光が入射している。
リセット期間の時刻ｔ１０１のとき、制御部１０７は、リセットゲート信号ＲＥＴをＨレベルに制御する。これに応じて、リセットゲートＲａ〜Ｒｄが開くことによって、電荷移送領域１０２３及び電荷蓄積領域１０２２ａ〜１０２２ｄがリセットされる。
リセットレベル読み出し期間の時刻ｔ１０２のときに、制御部１０７は、Ｈレベルが所定の時間である読み出し信号Ｔを振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄに出力する。この読み出し信号Ｔに応じて、４つの振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄが開く。制御部１０７は、時刻ｔ１０２のときの信号出力（Ｏｕｔ１〜Ｏｕｔ４）のレベルを読み取る。
波形ｇ４０４〜ｇ４０６に示すように、入射光が無い場合と、入射光がグレーレベルの場合と、入射光が白レベルの場合の信号出力レベルＬＲ１〜ＬＲ３は等しく、ＬＲＣである。
一方、波形ｇ４０７に示すように、弱い飽和状態となる入射光の場合の信号出力レベルＬＲ４は、ＬＲＣより小さな値である。この理由は、飽和により、チャージされた電荷がリークするためである。
そして、波形ｇ４０８に示すように、強い飽和状態となる入射光の場合の信号出力レベルＬＲ５は、０である。
リセットレベル読み出し期間の時刻ｔ１０５〜ｔ１０６の露光期間、制御部１０７は、信号ＴＸ１を制御する。
そして、読み出し期間の時刻ｔ１０７のとき、制御部１０７は、Ｈレベルが所定の時間である読み出し信号Ｔを振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄに出力する。この読み出し信号Ｔに応じて、４つの振り分けゲートＴｘａ〜Ｔｘｄが開く。制御部１０７は、時刻ｔ１０７のときの信号出力（Ｏｕｔ１〜Ｏｕｔ４）のレベルを読み取る。
波形ｇ４０４に示すように、入射光が無い場合の信号出力レベルＬＴ１は、ＬＲＣである。
波形ｇ４０５に示すように、入射光がグレーレベルの場合の信号出力レベルＬＴ２は、ＬＲＣより小さいＬＴＣである。
波形ｇ４０４〜ｇ４０８に示すように、入射光が白レベル場合と、弱い飽和状態と、強い飽和状態の信号出力レベルＬＴ３、ＬＴ４、ＬＴ５それぞれは、０である。
このように、入射光が弱い飽和状態や強い飽和状態の場合は、読み出し期間に読み出す信号出力レベルが適切な値ではない。
このため、本実施形態では、以下に説明する手法によって、信号出力レベルを補正する。
図１１は、ＣＤＳ出力対入射光強度の関係を用いた信号出力レベルの補正を示す図である。図１１において、横軸は入射強度、縦軸はＣＤＳ出力である。なお、ＣＤＳ出力とは、図１０で説明したリセット読み出し期間の信号出力レベルＬＲから読み出し期間の信号出力レベルＬＴを減算した値（ＬＲ−ＬＴ）である。
図１１の符号ｇ５０１が示す領域のグラフは、補正前のＣＤＳ出力対入射光強度のグラフである。直線ｇ５０２のように、入射光の輝度が０からＬｍ１までの間、ＣＤＳ出力は、０からＣＤＳ１まで増加していく。直線ｇ５０３のように、入射光の輝度がＬｍ１からＬｍ２までの間、ＣＤＳ出力は、飽和によりＣＤＳ１から０まで減少していく。直線ｇ５０４のように、入射光の輝度がＬｍ２以降、ＣＤＳ出力は、飽和により０である。
図１１の符号ｇ５１１が示す領域のグラフは、補正後のＣＤＳ出力対入射光強度のグラフである。入射光の輝度が０からＬｍ１までの間の直線ｇ５０２は、符号ｇ５０１が示す領域のグラフと同様であり、補正を行わない。
制御部１０７は、直線ｇ５１３のように、入射光の輝度がＬｍ１からＬｍ２までの間、次式（８）を用いて補正する。この結果、直線ｇ５１３のように、入射光の輝度がＬｍ１からＬｍ２までの間、ＣＤＳ出力は、ＣＤＳ１からＣＤＳ２まで増加していく。
制御部１０７は、直線ｇ５１４のように、入射光の輝度がＬｍ２以降、ＣＤＳ出力を、次式（８）を用いて輝度を補正し、Ｌｍ２のＣＤＳ出力値であるＣＤＳ２を維持する。なお、この補正式を、記憶部１１１が記憶する。
式（８）において、ＬＭは、リセット後の信号出力レベルの代表値であり、Ｏは、オフセット値である。ＬＲは、リセット後の信号出力レベルであり、ＬＴは、露光後の信号出力レベルである。Ｇは、ゲインである。ここで、リセット後の信号出力レベルの代表値ＬＭとは、リセットレベル読み出し期間における信号出力レベルの平均値または標準値である。ゲインＧおよびオフセットＯは、例えば飽和状態によって発生するリークによる出力降下分を考慮して決定するようにしてもよく、実測やシミュレーション結果や学習結果に基づいて決定するようにしてもよい。
なお、画素１２１や端末１０の温度に応じて、制御部１０７がＬＭとＯを温度補正するようにしてもよい。温度補正を行う場合、記憶部１１１は、温度保証に関するテーブルを記憶するようにしてもよい。
このように、本実施形態では、リセットレベルと露光後の信号出力をサンプリングし、露光後のレベルが飽和レベル以下になった場合、リセットレベルの低下度を加算することで、輝度を補正している。なお、本実施形態では、このような補正を画素１２１毎に行う。
次に、輝度を補正した後の輝度出力の例を説明する。
図１２は、本実施形態に係る光検出器に所定の輝度以上の光が入射した場合の例を示す図である。図１２において、符号ｇ６０１に示す領域の画像は、従来技術による図１６の符号ｇ９０１に示す領域の画像に相当する。図１２の符号ｇ６１０〜ｇ６１２に示す画像は、図１６の符号ｇ９１０〜ｇ９１２に相当する。図１２の符号ｇ６２０〜ｇ６２２に示す画像は、図１６の符号ｇ９２０〜ｇ９２２に相当する。
グラフｇ６３１は、符号ｇ６０１の領域の画像のＡ−Ｂ方向の断面における断面方向に対する輝度出力の例を示すグラフである。グラフｇ６３１において、横軸は、符号ｇ６０１の領域の画像のＡ−Ｂ方向の断面における断面方向の位置を表し、縦軸は輝度出力のレベルを表す。グラフｇ６３２は、符号ｇ６０１の領域の画像のＡ−Ｂ方向の断面における断面方向に対する信号出力の例を示すグラフである。グラフｇ６３２において、横軸は、符号ｇ６０１の領域の画像のＡ−Ｂ方向の断面における断面方向の位置を表し、縦軸は信号出力のレベルを表す。
従来技術による図１６との差異は、強い飽和が発生したときであり、グラフｇ６３１に示すように、ＡからＢ方向に向かって、２番目〜４番目の輝度出力が、補正によって飽和レベル以上に出力される。このように、本実施形態によれば、輝度の境界であるエッジ（形状）とピークを保ちながら黒化減少を防止することができる。
次に、本実施形態で行う複数の画素に対するクラスタリング処理について説明する。
図１３は、本実施形態に係る複数の画素１２１に対するクラスタリング処理を示す図である。図１３に示す例では、受光部１０２の画素のうち６×６画素を抽出した例を示す。
図１３において、画像ｇ７０１は、輝度補正前の各画素の輝度を表す画像である。画像ｇ７０２は、輝度を補正した後の各画素の輝度を表す画像である。画像ｇ７０３は、輝度を補正した後、閾値より大きな振幅の画素をクラスタリングした画像である。画像ｇ７０４は、輝度をクラスタリングした後、振幅強度の最大値を抽出した画像である。画像ｇ７０５は、輝度強度でクラスタリングした画像である。画像ｇ７０６は、輝度強度でクラスタリングした後、輝度強度の最大値を抽出した画像である。画像ｇ７０７は、端末１０が出力する画像である。また、図１３において、“＋”（十字印）は、振幅または強度が最大の画素の位置を示している。
次に、本実施形態において制御部１０７が行う処理手順の一例を、図１３を参照しつつ、図１４を用いて説明する。
図１４は、本実施形態に係る制御部１０７が行う処理のフローチャートである。
（ステップＳ１）制御部１０７は、露光処理を行う。露光後の輝度は、例えば、図１３の画像ｇ７０１のようになる。
（ステップＳ２）検出部１０８は、受光部１０２が出力する信号を取得する。続けて、検出部１０８は、取得した信号の電圧値または電流値が、記憶部１１１が記憶する飽和を判別するための閾値以上であるか否かを画素毎に判別する。続けて、補正部１０９は、検出部１０８が出力する判別結果に基づいて、閾値以上である場合、記憶部１１１が記憶する補正式を用いて輝度を画素毎に補正する。輝度補正後は、例えば、図１３の画像ｇ７０２のようになる。
（ステップＳ３）クラスタリング部１１０は、画素１２１毎に、振幅と位相を計算する。なお、復調器１０５が、振幅と位相を計算するようにしてもよい。
（ステップＳ４）クラスタリング部１１０は、受光部１０２が備える全ての画素のうち、所定の数の領域を抽出する。
（ステップＳ５）クラスタリング部１１０は、記憶部１１１が記憶する閾値以上の振幅を有する画素１２１に対して、例えばｋ−平均アルゴリズムを用いてクラスタリング（ラベリング）を行う。クラスタリング後は、例えば、図１３の画像ｇ７０３のようになる。
（ステップＳ６）クラスタリング部１１０は、クラスタリングを行った結果、抽出されるクラスタリング領域の領域情報と最大値情報を求める。なお、領域情報とは、領域の左端の座標、右端の座標、上端の座標、および下端の座標である。また、最大値情報とは、振幅の最大値、最大値の座標である。図１３の画像ｇ７０４に示すように、６×６画素の領域において、横方向の画素をｘ＝１〜６とし、縦方向の画素をｙ＝１〜６とする。画像ｇ７０４において、領域情報の各座標（ｘ、ｙ）は、左端の座標がｘ＝２、右端の座標がｘ＝５、上端の座標がｙ＝５、下端の座標がｙ＝２、振幅が最大値の座標が（２，４）である。
（ステップＳ７）クラスタリング部１１０は、ステップＳ４と同じ領域に対して、記憶部１１１が記憶する閾値以上の輝度を有する画素１２１に対して、例えばｋ−平均アルゴリズムを用いてクラスタリングを行う。クラスタリング後は、例えば、図１３の画像ｇ７０５のようになる。なお、クラスタリング部１１０は、ステップＳ７の処理を輝度補正後の輝度を用いて行う。
（ステップＳ８）クラスタリング部１１０は、クラスタリングを行った結果、抽出されるクラスタリング領域内において、輝度が最大である画素１２１の座標を最大値情報として算出する。画像ｇ７０５において、輝度が最大値の座標が（３，３）である。
（ステップＳ９）クラスタリング部１１０は、全ての領域の処理が終了したか否かを判別する。クラスタリング部１１０は、全ての領域の処理が終了したと判別した場合（ステップＳ９；ＹＥＳ）、ステップＳ１０の処理に進め、全ての領域の処理が終了していないと判別した場合（ステップＳ９；ＮＯ）、ステップＳ３の処理に戻す。
（ステップＳ１０）クラスタリング部１１０は、領域毎の領域情報、振幅の最大値情報、輝度の最大値情報、各画素１２１の補正後の輝度を示す情報、および各画素１２１の振幅と位相を示す情報を不図示の外部装置に出力する。なお、クラスタリング部１１０は、信号領域として輪郭を情報として出力してもよい。制御部１０７は、輪郭を抽出する際にスネークス（Ｓｎａｋｅｓ）法を使うことで凹型の領域について凹んだところを埋めて外形とするようにしてもよい。
（ステップＳ１１）クラスタリング部１１０は、次に取り込むべきＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ；関心領域）の中心を、ステップＳ６で求めた振幅が最大の座標が中心になるように決定する。なお、クラスタリング部１１０は、ステップＳ８￥で求めた輝度が最大の座標が中心になるように決定するようにしてもよい。
（ステップＳ１２）制御部１０７は、振幅強度が最大の画素の位相と振幅を時系列で追って、受信した信号に含まれる情報を復調および復号処理することで解読していく。なお、制御部１０７は、ＲＯＩの中に複数の信号が含まれる場合、振幅で別のクラスタリングであれば別の信号として解読する。
制御部１０７は、ステップＳ１〜Ｓ１２の処理を、１フレーム毎に行う。なお、１フレームは、例えば４８．３８４［ｍｓ］である。
なお、図１３および図１４に示した例では、領域の画素数が６×６画素の例を示したが、これに限られない。領域の画素数は、他の個数であってもよい。
ここで、ステップＳ１〜Ｓ１２の処理によって制御部１０７が抽出した最大位置の例を説明する。
図１５は、本実施形態に係る発光信号（送信信号）の検出結果の一例を示す図である。
図１５に示す例は、受光部１０２が１０２４×７６８画素の例である。画像ｇ８０１は、前画素を走査した結果の一例を示す画像である。画像ｇ８１１は、例えば識別子ＩＤが１にクラスタリングされた領域を示す。位置ｐ８１１は、画像ｇ８１１における輝度が最大の座標を示す。画像ｇ８１２は、例えばＩＤが２にクラスタリングされた領域を示す。位置ｐ８１２は、画像ｇ８１２における輝度が最大の座標を示す。画像ｇ８１３は、例えばＩＤが３にクラスタリングされた領域を示す。位置ｐ８１３は、画像ｇ８１３における輝度が最大の座標を示す。画像ｇ８１４は、例えばＩＤが４と５にクラスタリングされた２つの領域の画像ｇ８１４１とｇ８１４２が隣接している領域を示す。位置ｐ８１４は、画像ｇ８１４１における輝度が最大の座標を示す。位置ｐ８１５は、画像ｇ８１４２における輝度が最大の座標を示す。
制御部１０７は、例えば、読み出し領域をｘ軸方向に移動させて、画像８０１の右端に達した後、読み出し領域を画像８０１におけるｘ軸方向の左に戻す。このとき、制御部１０７は、読み出し領域をｙ軸方向に１画素分だけ移動させる。そして、制御部１０７は、ｘ軸方向に移動させる。なお、制御部１０７は、読み出し領域が右下端に達したら左上端に戻す。
図１５に示すように、本実施形態では、クラスタリングを行った領域において、輝度が最大である座標（位置）を求めている。これにより、本実施形態によれば、画像ｇ８１４に複数の領域が隣接している場合であっても、輝度が最大である座標が複数含まれている領域であれば、複数の領域が隣接していることを制御部１０７が判別することができる。
以上のように、本実施形態によれば、出力電圧の飽和の進行状態に応じて出力を補正するため、黒化現象を防止することができつつ、より明るい場所を撮像したとしても、その部分のエッジ（形状）とピークを適切に捉えることができる。
また、本実施形態によれば、受光部１０２の画素１２１の出力が飽和したときに出力を補正することができるので、黒化現象を防止することができつつ、より明るい場所を撮像したとしても、その部分のエッジ（形状）とピークを適切に捉えることができる。
また、本実施形態によれば、飽和状態によって発生するリークによる出力降下分を考慮して加算されるべきゲインＧを決定するので、より一層明るい場所を撮像したとしてもそのエッジとピークを適切に捉えることができる。
また、本実施形態によれば、受光部１０２が備える複数の画素１２１に対して、振幅または補正後の輝度に基づいてクラスタリングを行うことで、発光信号（送信信号）の領域の大きさを検出することができる。また、本実施形態によれば、クラスタにおける振幅の最大値の位置、または補正後の輝度の最大値の位置を検出することで、発光信号の中心位置を検出できる。
また、本実施形態によれば、発光信号の中心位置を関心空間ＲＯＩの中心に設定することで、発光信号を次回、受光するときに、発光信号の中心を適切に設定することができる。
なお、本発明における端末１０の復調器１０５、復号器１０６、制御部１０７の機能のうち少なくとも１つを実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバーやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
１…通信システム、１０…端末、２０…送信装置、１０１…レンズ、１０２…受光部、１０３…ＧＮＳＳ、１０４…発振器、１０５…復調器、１０６…復号器、１０７…制御部、１０８…検出部、１０９…補正部、１１０…クラスタリング部、１１１…記憶部、１２１…画素、１２２…垂直走査回路、１２３…水平走査回路、１２４…読み出し回路、２０３…ＧＮＳＳ、２０４…発振器、２０７…制御部、２０８…符号器、２０９…変調器、２１０…投光器、２１１…記憶部、ＳＢ…信号ブロック、ＳＰ…信号パルス、ＴＢ…ＴＯＦブロック、ＴＰ…ＴＯＦパルス

Claims (6)

  1. 送信装置からの発光信号を画素によって受光する受光部と、
    前記受光部が受光した発光信号に基づく出力が、第１閾値以上であるか否かを検出する検出部と、
    前記検出部が検出した結果に基づいて、前記発光信号に基づく出力が第１閾値以上である場合に、画素の輝度を補正する補正部と、
    を備える撮像装置。
  2. 前記検出部は、
    前記発光信号に基づく出力が第１閾値以上であるか否かを、前記画素の電荷の蓄積をリセットした後の出力値と、前記受光部を露光した後の前記画素の電荷の蓄積を読み出したときの出力値に基づいて検出する、請求項１に記載の撮像装置。
  3. 前記補正部は、
    発光信号に基づく出力が第１閾値以上である場合に、前記画素の電荷の蓄積をリセットした後の出力値の平均値または標準値と、前記画素の電荷の蓄積をリセットした後の出力値との差分に所定のゲインを乗じた値を、前記受光部を露光した後の前記画素の電荷の蓄積を読み出したときの出力値と前記画素の電荷の蓄積をリセットした後の出力値との差に加算して、前記画素の輝度を補正する、請求項２に記載の撮像装置。
  4. 前記受光部は、複数の前記画素、を備え、
    前記補正部が出力する信号の振幅、および前記受光部が出力する信号に基づく輝度のうち少なくとも一つを用いてクラスタに分類するクラスタリング部、を備え、
    前記クラスタリング部は、
    前記クラスタ毎に、前記信号の振幅の最大値である画素の座標、前記受光部が出力する信号に基づく輝度の最大値である画素の座標のうち少なくとも一つを算出する、請求項１から請求項３のうちの１項に記載の撮像装置。
  5. 前記クラスタリング部は、
    算出した前記信号の振幅の最大値である画素の座標、または算出した前記受光部が出力する信号に基づく輝度の最大値である画素の座標を、次に前記発光信号を取り込むべき関心領域の中心に決定する、請求項４に記載の撮像装置。
  6. 受光部が、送信装置からの発光信号を画素によって受光する受光手順と、
    検出部が、前記受光手順によって受光された発光信号に基づく出力が、第１閾値以上であるか否かを検出する検出手順と、
    補正部が、前記検出手順によって検出された結果に基づいて、前記発光信号に基づく出力が第１閾値以上である場合に、画素の輝度を補正する補正手順と、
    を含む撮像方法。
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