JP7253846B2 - 距離画像センサ及び距離画像撮像装置 - Google Patents
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Description
TOF方式の距離画像センサは、光電変換素子が反射光の光量を電荷に変換し、AD変換器により上記電荷の電荷量に対応したアナログ電圧をデジタル電圧に変換している。
このとき。上限値以上のアナログ電圧が入力されると、上限値に対応するデジタル電圧にクリッピング(制限)され、精度良く上記時間差を測定することができない。
上述した理由により、時間差から求める距離の測定精度が低下し、背景光が大きい場合や反射光の強度が大きい場合など、測定精度の高い距離測定が行えない。
したがって、特許文献1及び特許文献2の手法を、TOF方式の距離画像センサに用いることにより、上限値以上の反射光によるアナログ電圧が入力されても、上限値に対応するデジタル電圧にクリッピング(制限)されず、精度良く上記時間差を測定することができる(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1は、AD変換する入力電圧を検出して、ADコンバータの入力レンジに対応させるため、上記入力電圧から所定の基準電圧を減算し、この減算後の電圧を、ADコンバータに対して供給している。
また、特許文献2は、AD変換する入力電圧がADコンバータの入力レンジに対応するように、ADコンバータの前段にアンプ回路を設けて、このアンプ回路のゲイン及びオフセットの調整を行なっている。
このため、特許文献1及び特許文献2は、AD変換を行なうADコンバータに加えて、入力レンジを調整するアンプ回路などの余分な回路を設けることで、回路規模が大きくなってしまう。
このため、上述した特許文献1及び特許文献2のADコンバータを使用した場合、距離画像センサのAD変換を行なう回路規模が増大し、距離画像センサが大型化(チップ面積が増大)することで、製造コストが上昇してしまう。
図1に示した構成の距離画像撮像装置1は、光源部2と、受光部3と、距離画像処理部4とからなる。
Cavity Surface Emitting Laser)などの面発光型の半導体レーザーモジュールである。
垂直走査回路323は、制御回路322からの制御に応じて、受光画素部320内に配置された画素回路321の各々を制御し、画素回路321それぞれから、入射した光を光電変換した電荷量に応じた電圧の信号(以下、「電圧信号」という)を対応する垂直信号線327に出力させる(読み出させる)駆動回路である。垂直走査回路323は、画素回路321を駆動(制御)して読み出すための制御信号(後述する選択駆動信号SEL1、SEL2、SEL3)を、受光画素部320内に格子状に配置された画素回路321の行単位に出力する。
これにより、画素回路321においてそれぞれの電荷蓄積部に振り分けられた電荷量に応じた電圧信号が、受光画素部320の行ごとに対応する垂直信号線327の各々に読み出され、画素信号処理回路325に出力される。
AD変換回路329は、画素信号処理回路325から、垂直信号線330を介して供給される列毎のアナログの電圧信号を、それぞれAD変換してデジタル値に変換する。
そして、AD変換回路329は、水平走査回路324の制御に応じて、受光画素部320の行ごとに水平信号線338に出力する。
ここで、画素信号読み出し部RU1において、読み出しゲートトランジスタG1は、ドレインが光電変換素子PDの第2の端子に接続され、ゲートが蓄積駆動信号TX1を伝搬する信号線LTX1に接続され、ソースがフローティングディフュージョンFD1及び電荷蓄積容量C1の第1の端子とに接続されている。
同様に、画素信号読み出し部RU2において、読み出しゲートトランジスタG2は、ドレインが光電変換素子PDの第2の端子に接続され、ゲートが蓄積駆動信号TX2を伝搬する信号線LTX2に接続され、ソースがフローティングディフュージョンFD2及び電荷蓄積容量C2の第1の端子とに接続されている。
また、同様に、画素信号読み出し部RU3において、読み出しゲートトランジスタG3は、ドレインが光電変換素子PDの第3の端子に接続され、ゲートが蓄積駆動信号TX3を伝搬する信号線LTX3に接続され、ソースがフローティングディフュージョンFD3及び電荷蓄積容量C3の第1の端子とに接続されている。
上述した蓄積駆動信号TX1、蓄積駆動信号TX2及び蓄積駆動信号TX3の各々は、画素駆動回路326から、信号線LTX1、信号線LTX2、信号線LTX3それぞれを介して供給される。
ここで、垂直走査回路323及び画素駆動回路326の各々が画素回路321を駆動(制御)する構成として説明する。以下の説明において、制御回路322は、画素駆動回路326に対して、蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3、リセット駆動信号RSTDの各々を生成するクロック信号CK1、CK2、CK3、CKRSTDをそれぞれ出力する。また、制御回路322は、垂直走査回路323に対して、選択駆動信号SEL1、SEL2、SEL3、リセット信号RST1、RST2、RST3の各々を生成するクロック信号をそれぞれ出力する。
また、垂直走査回路323は、画素信号読み出し部RUに備えた電荷蓄積部CSに蓄積(積算)された電荷量に応じた電圧信号を順次、垂直信号線を介して画素信号処理回路325に出力させる。
垂直走査回路323は、蓄積部CS1、CS2及びCS3の各々に蓄積された電荷の電荷量に対応した電圧を、ソースフォロアゲートトランジスタSF1、SF2、SF3から、画素信号処理回路325に出力させる。
垂直走査回路323は、選択駆動信号SEL1、SEL2及びSEL3の各々を出力することにより、選択ゲートトランジスタSL1、SL2、SL3それぞれを制御する。これにより、選択ゲートトランジスタSL1、SL2、SL3の各々は、蓄積部CS1、CS2、CS3に蓄積された電荷量に対応した電圧を、出力端子O1、O2、O3から距離画素電圧信号PS1、PS2、PS3(アナログ電圧であることを明確化するため、以下、入力電圧VA(CS1)、VA(CS2)、VA(CS3)と示す)として、画素信号処理回路325に出力する。
AD変換回路329は、格子状に配列された画素回路321における列j毎に、列AD変換部329jを有している。垂直信号線330(図2)は、3本の垂直信号線からなる。例えば、格子状に配列された画素回路321の列jに対応する垂直信号線330jは、垂直信号線330j(CS1)、330j(CS2)及び330j(CS3)の各々を有している。
列AD変換部329jは、列jにおける出力端子O1、O2及びO3の各々に対応して設けられ、垂直信号線330j(CS1)、330j(CS2)、330j(CS3)のそれぞれを介して接続された列AD変換回路329j(CS1)、329j(CS2)、329j(CS3)を備えている。
列AD変換回路329j(CS1)、329j(CS2)及び329j(CS3)の各々には、垂直信号線330j(CS1)、330j(CS2)、330j(CS3)を介して、画素信号処理回路325から供給される信号処理後の電荷蓄積部CS1に蓄積された電荷量に応じたアナログ電圧がそれぞれ入力電圧VA(CS1)、VA(CS2)、VA(CS3)として供給される。垂直信号線330j(CS1)、330j(CS2)及び330j(CS3)の各々は、それぞれ図3の画素回路321における出力端子O1、O2、O3に接続されている。
そして、列AD変換回路329j(CS1)、329j(CS2)及び329j(CS3)の各々は、それぞれ入力電圧VA(CS1)、VA(CS2)、VA(CS3)を、AD変換により得られたデジタル値の変換電圧VD(CS1)、VD(CS2)、VD(CS3)を、それぞれ補正して、出力デジタル値OD(CS1)、OD(CS2)、OD(CS3)の画素信号として出力する。
列AD変換回路329j(CS1)は、ADコンバータ3291、演算処理部3292及び基準電圧生成部3293の各々を備えている。
演算処理部3292は、ADコンバータ3291から出力されるAD変換値VD(CS1)が、ADコンバータ3291の変換可能な入力レンジの上限値(AD変換の分解能に対応したビット数で示すことができる最大値、すなわち、フルスケール)であるか否かの判定を行なう。ここで、演算処理部3292は、AD変換値VD(CS1)がADコンバータ3291の変換可能な入力レンジの上限値である場合、入力レンジをより高い電圧範囲にシフトさせるシフト電圧αを示すシフト制御電圧信号を、基準電圧生成部3293に対して出力する。そして、演算処理部3292は、上記制御電圧信号を出力したフレーム周期の次のフレーム周期において、このシフト電圧αに対応するデジタル値αDをAD変換値VD(CS1)に加算して、出力デジタル値OD(CS1)として出力する。デジタル値αDは、ADコンバータ3291の分解能に対応させたシフト電圧αのデジタル値である。すなわち、デジタル値αDは、ADコンバータ3291がシフト電圧αをAD変換した際に出力されるAD変換値VDと同一のデジタル値(ビット表示で示されるデジタル値)である。
基準電圧生成部3293は、演算処理部3292から供給される制御電圧信号の示すシフト電圧α分をシフトさせた基準電圧を、ADコンバータ3291に対して出力する。
また、ADコンバータ3291は、基準電圧生成部3293から供給される基準電圧に対応して、入力レンジをシフト電圧α分シフトさせる。これにより、ADコンバータ3291は、シフト電圧α分シフトした入力レンジの電圧範囲に対応させて、入力電圧VAを入力レンジ内でAD変換する。
図7(a)は、ADコンバータ3291の入力レンジが、所定の入力レンジA1(0[V]≦VA≦1.0[V])に設定されている。また、図7(a)の場合、入力電圧VA(CS1)、VA(CS2)及びVA(CS3)の各々が入力レンジA1(0[V]≦VA≦1.0[V])に含まれている。このため、列AD変換回路329j(CS1)、329j(CS2)及び329j(CS3)の各々における列ADコンバータ回路329j(CS1)、329j(CS2)、329(CS3)は、入力電圧VA(CS1)、VA(CS2)、VA(CS3)それぞれを、入力レンジの電圧範囲の下限値(0V)からの電圧として、デジタル値のAD変換値VD(CS1)、VD(CS2)、VD(CS3)に変換することができる。
上述した図7(a)の場合、演算処理部3292は、シフト電圧αが0[V]であるため、AD変換値VDに対して0[V]に対応するデジタル値αDを加算して、出力デジタル値OD(CS1)として出力する。
また、図7(b)の場合、演算処理部3292は、図7(a)の場合と同様に、シフト電圧αが0[V]であるため、AD変換値VDに対して0[V]に対応するデジタル値αDを加算して出力する。
一方、図7(c)の場合、演算処理部3292は、シフト電圧αが0.5[V]であるため、AD変換値VDに対して0.5[V]に対応するデジタル値αDを加算して、出力デジタル値OD(CS1)として出力する。
すなわち、入力レンジをシフト電圧α分シフトすることにより、実質的には、入力電圧VAからシフト電圧αを減算した電圧を、0[V]≦VA≦1.0[V]の範囲でAD変換することになる。例えば、図7においてQ2に対応する入力電圧VAが1.3[V]であり、シフト電圧αが0.5[V]の場合、ADコンバータ3291は、入力電圧VAとして1.3[V]-0.5[V]=0.8[V]を、0[V]≦VA≦1.0[V]の範囲でAD変換する。このため、演算処理部3921において、実際の入力電圧VAのAD変換の結果を得るために、ADコンバータ3291から出力される0.8Vを示すAD変換値VDに対して、シフト電圧αとしての0.5[V]に対応するデジタル値αDを加算して、出力デジタル値OD(CS1)とする必要がある。
そのため、演算処理部3292は、ADコンバータ3291の出力するAD変換値VDが、ADコンバータ3291のAD変換可能な入力レンジの下限値である場合、入力レンジを低い電圧範囲に下げる処理、すなわち低下させたシフト電圧αを基準電圧生成部3293に対して出力する。
これにより、基準電圧生成部3293は、演算処理部3292から供給される制御電圧信号の示すシフト電圧α分、すなわちシフト電圧αが0.5[V]の場合に比較して0.5[V]シフトさせた基準電圧を、ADコンバータ3291に対して出力する。
これにより、ADコンバータ3291は、入力レンジを、入力レンジA2(0.5[V]≦VA≦1.5[V])から入力レンジA1(0[V]≦VA≦1.0[V])へと入力レンジの電圧範囲を下げる。
図8の場合には、電荷蓄積部CS1における電荷の電荷量Q1が背景光なので、電圧VAが入力レンジA1(0[V]≦VA≦1.0[V])の範囲内に収まることが確実であり、列AD変換回路329j(CS1)は、入力レンジが入力レンジA1で固定されたADコンバータ3291のみで形成されている。列AD変換部329jにおける他の列AD変換回路329j(CS2)及び(CS3)は、入力レンジをシフトすることが可能な図6に示す列AD変換回路で形成されている。
このため、列AD変換回路329j(CS2)及び329j(CS3)の各々の演算処理部3921において、実際のAD変換の結果として出力デジタル値OD(CS2)、OD(CS3)を得るために、ADコンバータ3291から出力されるAD変換値VD(CS2)、VD(CS3)にシフト電圧αに対応するデジタル値αDを加算する必要がある。
図9の場合には、電荷蓄積部CS1、CS2及びCS3の各々の電荷の電荷量Q1、Q2、Q3それぞれに対応する入力電圧VAが、入力レンジA1の範囲内に収まらないことが想定される。このため、列AD変換回路329j(CS1)、329j(CS2)及び329j(CS3)の各々は、入力レンジをシフトすることが可能な図6に示す列AD変換回路で形成されている。
また、図9の場合には、列AD変換回路329j(CS1)、329j(CS2)及び329j(CS3)の各々は、それぞれ独立して異なるシフト電圧αにより、入力レンジをシフトさせる。
これにより、基準電圧生成部3293は、演算処理部3292から供給される制御電圧信号の示すシフト電圧α分をシフトさせた基準電圧を、ADコンバータ3291に対して出力する。この結果、ADコンバータ3291は、次のフレーム周期においても、入力レンジが入力レンジA1(0[V]≦VA≦1.0[V])で維持される。
このとき、演算処理部3921において、実際のAD変換の結果を得るために、ADコンバータ3291から出力されるAD変換値VDに対して、シフト電圧αとしての0[V]に対応するデジタル値αDを加算して、出力デジタル値OD(CS1)を求めて出力する。
これにより、基準電圧生成部3293は、演算処理部3292から供給される制御電圧信号の示すシフト電圧α分をシフトさせた基準電圧を、ADコンバータ3291に対して出力する。この結果、ADコンバータ3291は、次のフレーム周期における入力レンジを、入力レンジA2(0.5[V]≦VA≦1.5[V])から入力レンジA3(1.0[V]≦VA≦2.0[V])とする。
このとき、演算処理部3921において、実際のAD変換の結果を得るために、ADコンバータ3291から出力されるAD変換値VDに対して、シフト電圧αとしての1.0[V]に対応するデジタル値αDを加算して、出力デジタル値OD(CS1)を求める。
これにより、基準電圧生成部3293は、演算処理部3292から供給される制御電圧信号の示すシフト電圧α分をシフトさせた基準電圧を、ADコンバータ3291に対して出力する。この結果、ADコンバータ3291は、次のフレーム周期における入力レンジを、入力レンジA1(0[V]≦VA≦1.0[V])から入力レンジA2(0.5[V]≦VA≦1.5[V])とする。
このとき、演算処理部3921において、実際のAD変換の結果を得るために、ADコンバータ3291から出力されるAD変換値VDに対して、シフト電圧αとしての0.5[V]に対応するデジタル値αDを加算して、出力デジタル値OD(CS1)を求める。
すなわち、演算処理部3292は、ADコンバータ3291の出力するAD変換値VDがAD変換のAD変換可能な入力レンジの上限値である場合、ADコンバータ3291の出力するAD変換値VDとシフト電圧αとを加算し、加算結果が含まれる電圧範囲をシフト電圧αテーブルにおいて検索する。そして、演算処理部3292は、検索された電圧範囲に対応するシフト電圧α及びデジタル値αDを読み出し、新たなシフト電圧α、デジタル値αDとして使用する構成としても良い。
これにより、列AD変換回路329j(CS2)及び329j(CS3)の各々において、演算処理部3292は、列AD変換回路329j(CS1)の演算処理部3292から供給されるシフト電圧αを、基準電圧生成部3293に対して出力する。基準電圧生成部3293は、演算処理部3292から供給されるシフト電圧α分をシフトさせた基準電圧を、ADコンバータ3291に対して出力する。この結果、ADコンバータ3291は、次のフレーム周期における入力レンジを、電荷蓄積部CS1に蓄積される背景光の電荷量Q1に対応した電圧分シフトする。この結果、列AD変換回路329j(CS2)及び329j(CS3)の各々において、ADコンバータ3291は、背景光の電圧分が除かれた反射光のみの電圧に対応するAD変換値VDを出力する。
そして、演算処理部3292は、AD変換値VDに対してシフト電圧αに対応するデジタル値αDを加算せずに(あるいはシフト電圧αとして0[V]に対応するデジタル値αDを加算して)、出力デジタル値OD(CS1)を求めて出力する。
そして、列AD変換回路329j(CS1)は、画素信号処理回路325から、所定の信号処理が行なわれた電荷量Q1に対応した電圧を、入力電圧VAとして取得する。
ステップS102:列AD変換回路329j(CS1)において、ADコンバータ3291は、現在設定されている入力レンジに対応してAD変換の処理を行い、入力電圧VAをAD変換値VDに変換して出力する。
そして、演算処理部3292は、AD変換値VDに対して内部に記憶されているシフト電圧αに対応するデジタル値αDを加算して、出力デジタル値OD(CS1)として出力する。
このとき、演算処理部3292は、AD変換値VD(CS1)が上記最大値(上記上限閾値以上)である場合、処理をステップS104へ進める。
一方、演算処理部3292は、AD変換値VD(CS1)が上記最大値未満である(上記上限閾値未満である)場合、処理をステップS105へ進める。
そして、演算処理部3292は、シフト電圧αをより高い側の電圧に変更して、基準電圧生成部3293に変更したシフト電圧αを供給する。
これにより、基準電圧生成部3293は、新たに供給されるシフト電圧αに対応させて、ADコンバータ3291に供給する基準電圧を上昇させ、当該ADコンバータ3291の入力レンジの電圧範囲を高い側にシフトさせる。
このとき、演算処理部3292は、AD変換値VD(CS1)が上記最小値である(上記下限閾値以下である)場合、処理をステップS106へ進める。
一方、演算処理部3292は、AD変換値VD(CS1)が上記最小値を超えている(上記下限閾値を超えている)場合、本フローチャートにおける処理を終了する。
そして、演算処理部3292は、シフト電圧αをより低い側の電圧に変更して、基準電圧生成部3293に変更したシフト電圧αを供給する。
これにより、基準電圧生成部3293は、新たに供給されるシフト電圧αに対応させて、ADコンバータ3291に供給する基準電圧を下降させ、当該ADコンバータ3291の入力レンジの電圧範囲を低い側にシフトさせる。
比較器301は、入力電圧VAと、徐々に増加する参照電圧VLとを比較し、例えば、参照電圧VLが入力電圧VA以上となった場合に、出力を’L’レベルから’H’レベルに変化させる。
ランプ電圧生成回路303は、クロック発生回路302からクロック信号としてのパルスが供給される毎に、所定の電圧単位で段階的に参照電圧VLを増加させていく(図11(c)~図11(d)参照)。
計数器304は、クロック発生回路302からクロック信号としてのパルスが供給される毎に、カウント数を増加させる。
計数器304がカウントアップのカウント数(すでに述べたAD変換のAD変換可能なフルスケールレンジである入力レンジの上限値)がd(例えば、255)であり、ADコンバータ3291の入力レンジの電圧範囲の幅が電圧VAであるとした場合、分解能はVA/256となる。ランプ電圧生成回路303は、パルスが入力される毎に、上記分解能であるVA/256ずつ参照電圧VLを増加させて、比較器301に出力する。計数器304は、比較器301から供給される信号の電圧が’L’レベルの場合、パルスの計数を行ない、’H’レベルとなると計数を停止する。したがって、計数器304の出力するカウント数がAD変換値VD(分解能の電圧にカウント数を乗算した結果)を示すことになる。
一方、図11(c)において、入力レンジA0は、0Vから0.5Vの電圧範囲VWであり、線分L_VLが線分L_VAと交差しない。この場合、カウント数がカウントアップした最大値のdとなり、入力電圧VAを示すカウント数が得られない。
このため、図11(d)に示すように、演算処理部3292からシフト電圧αとしてVα1を示す情報が基準電圧生成部3293に対して供給される。
図11(b)及び(c)の場合、シフト電圧αが0[V]のため、ランプ電圧生成回路303は、参照電圧VLを0[V]から0.5[V]の電圧範囲VWにおいて段階的に増加させて、比較器301に供給していた。
しかしながら、図11(d)の場合、シフト電圧αがVα1のため、ランプ電圧生成回路303は、参照電圧VLをVα1から電圧0.5[V]+Vα1の電圧範囲VWにおいて段階的に増加させて、比較器301に供給する。
図12においては、ADコンバータ3291の入力レンジをシフトさせるため、反転増幅器200及びコンデンサC1などに与える基準電圧VCOMとしてシフト電圧αを与える。これにより、図11で説明した場合と同様に、ADコンバータ3291の入力レンジの電圧範囲が、シフト電圧α分上昇する。
したがって、ADコンバータ3291が入力電圧VAN(入力電圧VA(CS1)、VA(CS2)に対応)をAD変換した結果、得られるデジタル値D1、D2(AD変換値VD)は、入力電圧VA-シフト電圧αの電圧値を示している。
したがって、図11で示したように、デジタル値D1、D2に対してシフト電圧αに対応するデジタル値を加算して、式(1)及び式(2)を用いて距離Dを求めるため、出力デジタル値ODを算出する必要がある。
分類#1においては、電荷蓄積部CS1に蓄積された電荷の電荷量Q1に対応する入力電圧VA(CS1)が0.58[V]であり、電荷蓄積部CS2に蓄積された電荷の電荷量Q2に対応する入力電圧VA(CS2)が0.8[V]であり、電荷蓄積部CS3に蓄積された電荷の電荷量Q3に対応する入力電圧VA(CS3)が0.72[V]である。
分類#2においては、電荷蓄積部CS1に蓄積された電荷の電荷量Q1に対応する入力電圧VA(CS1)が0.72[V]であり、電荷蓄積部CS2に蓄積された電荷の電荷量Q2に対応する入力電圧VA(CS2)が1.0[V]であり、電荷蓄積部CS3に蓄積された電荷の電荷量Q3に対応する入力電圧VA(CS3)が0.89[V]である。
分類#3においては、電荷蓄積部CS1に蓄積された電荷の電荷量Q1に対応する入力電圧VA(CS1)が0.85[V]であり、電荷蓄積部CS2に蓄積された電荷の電荷量Q2に対応する入力電圧VA(CS2)が1.19[V]であり、電荷蓄積部CS3に蓄積された電荷の電荷量Q3に対応する入力電圧VA(CS3)が1.07[V]である。
図13(b)のテーブルは、各レコード毎に、分類、シフト電圧α、蓄積周期数(振り分け回数)、入力電圧VA(電荷量Q1、Q2、Q3)、距離分解能(ノイズ)の項目がある。
分類は、入力電圧VA(CS1)、VA(CS2)及びVA(CS3)の組合せを区別する識別情報であり、分類#1、#2、#3それぞれがある。シフト電圧αは、ADコンバータ3291の入力レンジの電圧範囲をシフトさせた電圧値を示している。入力電圧VA(単位[V])の欄において、VA(CS1)、VA(CS2)、VA(CS3)の各々の電圧値を示すサブ欄が設けられている。距離分解能(ノイズ)は、電荷を蓄積する蓄積周期数を増加させることにより得られる分解能(すなわち、測定誤差)を示している。
蓄積周期数を増加させることにより、電荷蓄積部CS1、CS2及びCS3の各々に蓄積される電荷の電荷量Q1、Q2、Q3のそれぞれは増加する。
しかしながら、電荷量Q1、Q2、Q3の各々が、特に電荷量Q2及びQ3の各々が距離に対応する電荷量としてより精度良く蓄積することが可能となるため、距離測定における分解能を向上させることができる。
これに対応して、入力電圧VAが入力電圧VA(CS1)、VA(CS2)、VA(CS3)が大きくなるに従い、すなわち蓄積周期数(振り分け回数)が増加するに従い、分類#1、#2及び#3の各々における距離分解能(ノイズ)が30.6[mm rms]、22.7[mm rms]、18.2[mm rms]と、徐々に低下し、測定精度が向上していることが判る。ここで、測定された距離Dは、最大+/-距離分解能(ノイズ)の誤差を含んでいる。このため、距離分解能(ノイズ)が小さい程、結果的に距離Dの測定精度が向上する。
上述したように、本実施形態によれば、電荷蓄積部CS1、CS2及びCS3に蓄積される電荷の電荷量Q1、Q2、Q3が増加し、入力電圧VA(CS1)、VA(CS2)、VA(CS3)が増加しても、ADコンバータ3291の入力レンジを容易にシフトすることが可能であるため、蓄積周期数(振り分け回数)を増加させることができ、距離測定の分解能を高くすることにより、測定される距離Dの測定精度を向上することができる。
すなわち、画素回路の格子状の配列において、列毎に設けられた列AD変換回路329j(CS1)、329j(CS2)及び329j(CS3)の各々がシフト電圧α及びデジタル値αDを記憶しておく記憶部をそれぞれ保持しており、列における各行の画素回路321から供給される入力電圧VA(CS1)、VA(CS2)、 VA(CS3)に対応するシフト電圧α、デジタル値αDを記憶部に記憶させておく。
ここで、ADコンバータ3291は、現時点で処理を行なっている行の入力電圧VAのAD変換の結果としてAD変換値VDを、演算処理部3292に対して出力する。
そして、演算処理部3292は、ADコンバータ3921からAD変換値VDが出力された後、次の行に対応するシフト電圧αを上記記憶部から読出す。演算処理部3292は、読み出したシフト電圧αを基準電圧生成部3293に出力し、ADコンバータ3291の入力レンジの電圧範囲をシフトさせる。
また、演算処理部3292は、現時点で処理を行なっている行のAD変換値VDが入力レンジの上限値であるか、下限値であるかの判定を行ない、判定結果に対応したシフト電圧αに対応するデジタル値αDを求めて、求めたシフト電圧αに対応するデジタル値αDを上記記憶部に書き込んで記憶させる。格子状に配列された画素回路321毎に対応させて、ADコンバータ3291の入力レンジの電圧範囲をシフトさせる上記処理は、列AD変換回路329j(CS1)、329j(CS2)及び329j(CS3)の各々において独立に行なわれる。
以下、本発明の第2の実施形態について、図面を参照して説明する。図14は、本発明の第2の実施形態の距離画像撮像装置の概略構成を示したブロック図である。図14に示す距離画像撮像装置1’の他の構成及び動作については第1の実施形態と同様である。以下、第1の実施形態と異なる構成及び動作について説明する。
第1の実施形態においては、ADコンバータ3291の入力レンジをシフトさせる処理を、演算処理部3292がAD変換値VDと入力レンジの電圧範囲の上限値及び下限値と比較することで行なう構成としている。
本実施形態においては、入力レンジの電圧範囲をシフトさせる処理を、外部から供給される制御信号により行なっている。
入力レンジ制御回路5は、光センサが測定した測定空間Pの光強度(すなわち、背景光の光強度)の測定値に対応したシフト電圧α及びこのシフト電圧に対応するデジタル値αDを上記制御情報として、距離画像センサ32’に出力する。
ここで、入力レンジ制御回路5は、例えば、内部に備えたシフト電圧αテーブルを参照して、光強度に対応するシフト電圧α及びデジタル値αDを読み出す構成としても良い。上記シフト電圧αテーブルは、光強度の複数の強度範囲と、この強度範囲に対応するシフト電圧αと、デジタル値αDとの組合せが予め設定されているテーブルである。したがって、入力レンジ制御回路5は、シフト電圧αテーブルを参照して、光センサにより測定された光強度が含まれる強度範囲を検索し、この検索した強度範囲に対応したシフト電圧α及びデジタル値αDを、シフト電圧αテーブルから読み出す。
列AD変換回路329j(CS1)’は、入力レンジ制御回路5からシフト電圧α及びデジタル値αDが供給される。同様に、列AD変換回路329j(CS2)’及び329j(CS3)’にも、入力レンジ制御回路5からシフト電圧α及びデジタル値αDが供給される。
これにより、演算処理部3292’は背景光に対応したシフト電圧αのデジタル値αDを取得する。また、基準電圧生成部3293は、背景光に対応したシフト電圧αを取得する。
基準電圧生成部3293は、第1の実施形態の場合と同様に、供給されたシフト電圧αをシフトさせた基準電圧を、ADコンバータ3291に対して出力する。
これにより、ADコンバータ3291は、基準電圧生成部3293から供給される基準電圧に対応して、入力レンジの電圧範囲をシフトさせる。ADコンバータ3291は、画素信号処理回路325から供給される入力電圧VA(CS1)をAD変換して、AD変換値VD(CS1)を演算処理部3292’に出力する。
また、演算処理部3292’は、ADコンバータ3291が出力するAD変換値VD(CS1)に対して、入力レンジ制御回路5から供給されるシフト電圧αを加算する。そして、演算処理部3292’は、AD変換値VD(CS1)とシフト電圧αに対応するデジタル値αDとの加算結果として、出力デジタル値OD(CS1)を求める。列AD変換回路329j(CS2)’及び329j(CS3)’も、列AD変換回路329j(CS1)’と同様の処理を行ない、出力デジタル値OD(CS2)、OD(CS3)を求める。そして、AD変換回路329は、水平走査回路324の制御により、列AD変換部jの各々の出力デジタル値OD(CS1)、OD(CS2)、OD(CS3)それぞれを、シリアルに画素信号として距離画像処理部4へ出力する。
この構成の場合、入力レンジ制御回路5を加えた簡易な構成により、演算処理部3292に比較して回路規模の小さい演算処理部3292’を用いることができ、距離画像センサ32’のサイズを第1の実施形態の距離画像センサ32に比較して小型化し、かつ第1の実施形態と同様に、測定空間Pの環境における背景光の光強度に対応して、ADコンバータ3291の入力レンジを調整し、背景光の光強度が高い、あるいは対象物Sからの反射光RLの光強度が高い場合においても、距離画像撮像装置1’と対象物Sとの距離Dを高い測定精度により測定することが可能となる。
距離画像撮像装置1’は、上記デバイスから入力された電圧を示す数値をシフト電圧αとして距離画像センサ32’に対して出力する。距離画像センサ32’において、上述した入力レンジ制御回路5を設けた構成と同様に、基準電圧生成部3203は、供給されるシフト電圧αにより、ADコンバータ3291に供給する基準電圧をシフトさせる。
そして、ADコンバータ3291は、基準電圧生成部3293から供給されるシフト電圧αによりシフトされた基準電圧に対応して、入力レンジを変更して入力電圧VAのAD変換を行ない、AD変換値VDを出力する。
また、演算処理部3292’は、ADコンバータ3291が出力するAD変換値VDと、シフト電圧αに対応するデジタル値αDとにより出力デジタル値ODを求める。
この構成の場合、測定空間Pにおいて距離画像撮像装置1’から対象物Sまでの距離Dの測定を行なう際に、この測定空間Pの環境における背景光の光強度をユーザが強いと感じた場合、距離画像撮像装置1’が表示する距離画像(距離Dに応じた階調度のピクセルからなる画像)を観察しつつ、入力手段によりシフト電圧αの調整を行なう。
これにより、ユーザが距離画像撮像装置1’が表示する距離画像を観察しつつ、’白飛び’や’黒つぶれ’が無くなるように、シフト電圧αを直接に調整することができ、簡易な回路で容易に、かつ高い測定精度で距離Dの測定を行なうことができる。
また、上記ラインセンサの行方向に、本実施形態におけるAD変換する入力レンジの電圧範囲がシフト可能なAD変換回路を設けて、ラインセンサにおける1画素回路毎に時系列に、画素回路の各々が出力するアナログ電圧(入力電圧VA)のAD変換を順次行なう構成としても良い。
また、本実施形態において、光源装置21が、例えば、被写体Sに照射する光パルスPOとなる近赤外の波長帯域のレーザ光を発光するとし、レーザ光としてパルス発信動作による光パルスを用いることで説明した。しかしながら、上記AD変換を行なう入力レンジの電圧範囲のシフトを行なう構成は、パルス光以外のレーザ光、例えば定常光(CW:continuous wave )の連続発信による正弦波形状のレーザ光(照射光)を用いて強度変調のずれから距離測定を行なう距離画像撮像装置にも、画素回路が出力するアナログ電圧(入力電圧VA)をAD変換する処理において本実施形態と同様に適用可能である。
また、画素回路が出力するアナログ電圧ではなく、フォトダイオード、LED(light emitting diode)、太陽電池などが光起電力により発生するアナログ電圧や、通信などにおける信号処理におけるアナログ電圧波形を広いダイナミックレンジで、かつ高分解能で計測する場合にも、本実施形態によるAD変換する入力レンジの電圧範囲がシフト可能なAD変換回路を適用することができる。
2…光源部
3…受光部
4…距離画像処理部
5…入力レンジ制御回路
21…光源装置
22…拡散板
31…レンズ
32,32’…距離画像センサ
41…タイミング制御部
42…距離演算部
320…受光画素部
321…画素回路
322…制御回路
323…垂直走査回路
324…水平走査回路
325…画素信号処理回路
326…画素駆動回路
329…AD変換回路
329j…AD変換部
329j(CS1)、329j(CS1)’、329j(CS2)、329j(CS3)…AD変換回路
3291…ADコンバータ
3292,3292’…演算処理部
3293…基準電圧生成部
C…電荷蓄積容量
CS 電荷蓄積部
FD…フローティングディフュージョン
G…読み出しゲートトランジスタ
GD…ドレインゲートトランジスタ
O…出力端子
P…測定空間
PD…光電変換素子
PO…光パルス
RL…反射光
RT…リセットゲートトランジスタ
RU…画素信号読み出し部
S…対象物
SF…ソースフォロアゲートトランジスタ
SL…選択ゲートトランジスタ
Claims (12)
- 所定の光源から測定対象の空間である測定空間に対して照射される照射光が、前記測定空間における対象物において反射した反射光と、前記測定空間の環境における背景光とを受光し、受光した前記反射光及び前記背景光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、フレーム周期において前記照射光が照射された際に前記電荷を蓄積する電荷蓄積部とを具備し、前記照射光の照射に同期して前記電荷を前記電荷蓄積部に蓄積する画素回路を有する受光画素部と、
ADコンバータと、演算処理部と、を有し、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷量に応じた入力電圧を、前記フレーム周期毎にAD変換する際、前記入力電圧が前記ADコンバータの入力レンジに含まれない場合に前記演算処理部により当該入力レンジの電圧範囲を所定のシフト電圧分シフトさせることによって当該入力レンジを当該入力電圧に対応して調整するAD変換回路と
を備える
距離画像センサ。 - 前記シフト電圧に対応して前記AD変換回路の入力レンジの電圧範囲を制御する基準電圧を生成する基準電圧生成部をさらに有し、
前記演算処理部が、前記入力電圧が前記ADコンバータの前記入力レンジの上限値以上である場合、当該入力レンジの電圧範囲をシフトさせる前記シフト電圧を求め、当該シフト電圧を前記基準電圧生成部に供給し、
前記基準電圧生成部が、前記演算処理部から供給される前記シフト電圧に対応して前記基準電圧を生成し、当該基準電圧を前記ADコンバータに供給し、
前記ADコンバータが、前記基準電圧生成部から供給される前記基準電圧により、前記入力レンジの電圧範囲を調整する
請求項1に記載の距離画像センサ。 - 前記演算処理部が、前記入力電圧が前記入力レンジの前記電圧範囲の上限を超えた場合、予め設定したシフト電圧分、現時点より高い電圧側にシフトさせ、前記入力電圧が前記入力レンジの前記電圧範囲の下限未満の場合、予め設定したシフト電圧分、現時点より低い電圧側にシフトさせる
請求項1または請求項2に記載の距離画像センサ。 - 前記照射光が所定の周期で照射される同一のパルス幅の光パルスであり、
前記受光画素部が二次元の格子状に配列した前記画素回路を備え、
前記AD変換回路が前記格子状の前記配列の列毎に設けられている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の距離画像センサ。 - 蓄積駆動信号を出力する画素駆動回路がさらに備えられており、
前記電荷蓄積部が、複数の振分電荷蓄積部を有しており、
前記画素駆動回路が、前記光パルスの照射に同期して、前記蓄積駆動信号として前記周期において、振分蓄積駆動信号を前記振分電荷蓄積部に対して順次出力し、前記距離画像センサと前記対象物との距離を求めるため、前記反射光の期間における受光量により前記光電変換素子が発生する電荷の各々を、前記振分電荷蓄積部それぞれに振り分けて蓄積する
請求項4に記載の距離画像センサ。 - 前記演算処理部が、背景光による電荷が蓄積される前記電荷蓄積部における電荷の電荷量に応じた電圧に対応させて、前記入力レンジの前記電圧範囲をシフトさせる
請求項5に記載の距離画像センサ。 - 前記格子状の配列における各々の前記画素回路の前記電荷蓄積部の列単位にADコンバータが備えられており、
前記演算処理部が、前記振分電荷蓄積部の前記列毎に独立して、前記ADコンバータの各々の前記入力レンジの調整を行なう
請求項5または請求項6に記載の距離画像センサ。 - 前記演算処理部が、ADコンバータが前記入力電圧のAD変換する際に用いる前記入力レンジの前記シフト電圧の生成を、前記格子状の配列における列単位に直前の前記フレーム周期における前記入力電圧のAD変換の結果に対応して行なう
請求項4から請求項7のいずれか一項に記載の距離画像センサ。 - 前記演算処理部が、前記AD変換回路が前記入力電圧のAD変換する際に用いる前記入力レンジの前記シフト電圧の生成を、前記格子状の配列の列に配置された前記画素回路毎に、直前の前記フレーム周期における当該画素回路毎の前記入力電圧のAD変換の結果に対応して行なう
請求項4から請求項8のいずれか一項に記載の距離画像センサ。 - 外部装置から供給されるシフト制御信号により、前記所定のシフト電圧分のシフトが行なわれる
請求項1に記載の距離画像センサ。 - 前記請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の距離画像センサと、
測定対象の空間である測定空間に対して照射光を照射する光源部と、
予め定めた固定の電荷振り分け回数で振り分けられて、前記電荷蓄積部における複数の振分電荷蓄積部のそれぞれに積算された前記電荷の量である電荷量と、前記AD変換回路における前記入力レンジをシフトした電圧とに基づいて、前記距離画像センサと、前記測定空間に存在する前記対象物との間の距離を求める距離画像処理部と
を備える
距離画像撮像装置。 - 前記距離画像処理部が、前記電荷の量である電荷量に対応した電圧がAD変換された変換電圧に対して、前記入力レンジをシフトしたシフト電圧を加算して、加算結果により、前記距離画像センサと、前記測定空間に存在する前記対象物との間の距離を算出する
請求項11に記載の距離画像撮像装置。
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