WO2023189910A1 - 距離測定システム - Google Patents

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WO2023189910A1
WO2023189910A1 PCT/JP2023/011141 JP2023011141W WO2023189910A1 WO 2023189910 A1 WO2023189910 A1 WO 2023189910A1 JP 2023011141 W JP2023011141 W JP 2023011141W WO 2023189910 A1 WO2023189910 A1 WO 2023189910A1
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WO
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light
distance
signal
intensity
measuring system
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Application number
PCT/JP2023/011141
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English (en)
French (fr)
Inventor
暁登 井上
大貴 國京
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10—Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G—PHYSICS
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    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483—Details of pulse systems
    • G01S7/486—Receivers

Definitions

  • the present disclosure relates to a distance measurement system used in a background light environment.
  • Patent Document 1 discloses a technology for changing the pulse emission conditions according to the S/N ratio and the distance as a distance measuring device using the TOF (Time Of Flight) method.
  • Patent Document 1 does not provide any guidelines on how to change the light intensity setting when using a light source with low light intensity, such as a diffused light source, under background light such as during the daytime. Not shown.
  • the present disclosure has been made in view of this point, and an object of the present disclosure is to enable the light intensity of emitted pulsed light to be appropriately set in a distance measurement system used in a background light environment.
  • a distance measuring system used in a background light environment includes a light emitting section that emits pulsed light, a light receiving section that receives the pulsed light reflected from a target object, and a light emitting section and a control unit that controls the operation of the light receiving unit; and a distance calculation unit that calculates the distance to the object based on the time it takes for the pulsed light to return to the light receiving unit, and the control unit
  • the product of the light intensity, pulse width, and pulse number of pulsed light is changed according to a power function with the distance to be measured as a variable, and the power index of the power function is set to a value greater than 3 and less than or equal to 4. It is configured to be set to 1 value.
  • the light intensity of the pulsed light can be efficiently set for the target distance in an environment with background light, so it is possible to expand the range of distance measurement.
  • Example distance measurement sequence (a) to (c) are examples of simulation results Simulation results of calculating the required number of pulses for distance Simulation results for calculating power index Variation of distance measurement sequence
  • Example of circuit configuration of photodetector used in light receiving section Example of circuit configuration of photodetector used in light receiving section Timing chart showing the operation of the photodetector in Figure 8 A cross-sectional view showing an example of the device structure of the photodetector in FIG.
  • a distance measuring system used in a background light environment includes a light emitting section that emits pulsed light, a light receiving section that receives the pulsed light reflected from a target object, the light emitting section and the a control section that controls the operation of the light receiving section; and a distance calculation section that calculates the distance to the object based on the time it takes for the pulsed light to return to the light receiving section;
  • the product of the light intensity, pulse width, and pulse number of light is changed according to a power function with the distance to be measured as a variable, and the power index of the power function is greater than 3 and less than or equal to 4. It is configured to be set to a value.
  • the light intensity of the pulsed light can be efficiently set according to the distance of the measurement target, so it is possible to expand the range of distance measurement.
  • the distance measuring system includes a function of detecting the intensity of background light, and the control unit sets the power index of the power function to be larger than 2 when the detected intensity of the background light is lower than a predetermined standard. , it may be set to a value equal to or less than the first value.
  • the light intensity of the pulsed light can be set efficiently even in an environment with weak background light.
  • the light receiving section may include a plurality of photodetectors arranged in an array, and the light emitting section may emit diffused light as the pulsed light.
  • the photodetector may include a photon counter or a single photon avalanche diode (SPAD).
  • a photon counter or a single photon avalanche diode (SPAD).
  • each of the photodetectors includes a first memory provided inside the photodetector for recording the number of times of light detection, and the light receiving section is provided outside the photodetection section and includes a first memory that records the number of times of light detection. It is also possible to include a second memory that records the number of detections.
  • the second memory when measuring background light, the second memory may be used when the intensity of the background light is high, and the first memory may be used when the intensity of the background light is low.
  • the first memory may be a metal-insulator-metal capacitance (MIM).
  • MIM metal-insulator-metal capacitance
  • the photodetector may include a photodiode, a reset transistor, a floating diffusion, a transfer transistor, and a count transistor.
  • the distance measurement system divides the imaging region into a plurality of sections based on distance, generates a section image for each section, and generates a distance image based on the plurality of section images. You can also use it as
  • FIG. 1 shows a schematic configuration of a distance measurement system according to an embodiment.
  • the distance measurement system 10 includes a light emitting unit 101 that emits pulsed light AA toward an object to be measured 60, a light receiving unit 102 that receives reflected light BB from the object to be measured 60, and controls operations of the light emitting unit 101 and the light receiving unit 102.
  • a distance calculation unit 105 that receives a signal corresponding to the reflected light BB from the light receiving unit 102 and calculates the distance to the object to be measured 60; and an output that outputs the distance value calculated by the distance calculation unit 105.
  • the distance calculating unit 105 calculates the distance to the measurement target 60 based on the time it takes for the pulsed light AA to return to the light receiving unit 102.
  • FIG. 2 is an example of a distance measurement sequence.
  • the sequence in FIG. 2 includes a condition setting period, a background light measurement period, a signal light measurement period, and a determination period.
  • the control unit 103 sets the distance or distance range to be measured (S11), and sets conditions for light emission and light reception (S12).
  • the light emission conditions include the pulse width of the light pulse to be emitted, the intensity of the light pulse, the number of pulses, and the light emission timing.
  • the light reception conditions include exposure timing and exposure time.
  • the light receiving unit 102 receives light according to the conditions set in the condition setting period (S13). At this time, the light emitting section 101 does not emit light. This light receiving operation is repeated a set number of times.
  • the light receiving unit 102 sends the signal amount obtained by receiving the light to the distance calculating unit 105, and the distance calculating unit 105 stores it as a signal A, which is the signal amount due to background light (S14).
  • the light emitting unit 101 emits light (S15) and the light receiving unit 102 receives light (S16) according to the conditions set in the condition setting period. This light emitting and light receiving operation is repeated a set number of times.
  • the light receiving unit 102 sends the signal amount obtained by receiving the light to the distance calculating unit 105, and the distance calculating unit 105 stores it as signal B (S17).
  • the distance calculation unit 105 compares the signal A and the signal B to determine the presence or absence of an object. If there is a significant difference between signal B and signal A, it is determined that an object exists within the set distance range (S18). After the determination period, the process returns to the condition setting period and repeats the same sequence.
  • the background light measurement period does not necessarily have to be set in every sequence.
  • the measurement results of one background light measurement period may be used for the determination period in multiple sequences.
  • FIG. 2 light is emitted and then light is received during the signal light measurement period, but the timing of the light emission and light reception may be simultaneous.
  • This embodiment is characterized by the setting of light emission conditions.
  • the product of the width of the light pulse, the intensity of the light pulse, and the number of light pulses be increased as the set distance and distance range are further away.
  • the product of the width of a light pulse, the intensity of a light pulse, and the number of light pulses is appropriately referred to as total light intensity.
  • the total light intensity of the emitted light is changed according to a power function with the distance to be measured as a variable, and it is desirable that the power index of the power function be a value greater than 3 and less than or equal to 4. The basis for this will be explained below.
  • the probability that k photons are detected by the light receiving unit 102 is expressed by the following two terms.
  • the mean ⁇ and standard deviation ⁇ of the binomial distribution P(n,k) can be described as follows.
  • p, ⁇ , and ⁇ are set to p BG , ⁇ BG , and ⁇ BG , and the light emitting unit 101 emits light and the target
  • equation (7) indicating the conditions for separating signal light and background light can be rewritten as follows using equation (5).
  • equation (10) can be further rewritten as follows.
  • the threshold value of the number of times of light reception n is N th when the equality sign of the above equation (11) holds, then from equations (2) and (3), Then, squaring both sides, It can be calculated as follows. That is, the threshold value N th of the number of light receptions n changes in proportion to the fourth power of the distance L. Therefore, when measuring distance by changing the distance to be measured, it is desirable to increase the number of pulses in proportion to the fourth power of the distance.
  • the width of the optical pulse and the intensity of the optical pulse were constant.
  • the width of the optical pulse and the intensity of the optical pulse may be made variable. That is, it is desirable to increase the total light intensity of the light emission, that is, the product of the width of the light pulse, the intensity of the light pulse, and the number of light pulses, in proportion to the fourth power of the distance.
  • the power index is 4 when the intensity of the signal light is extremely weak compared to the intensity of the background light.
  • the power of the change in pulse number with respect to distance may be less than 4, and under realistic experimental conditions will not be less than 3. For this reason, it is desirable that the power index be greater than 3 and less than or equal to 4.
  • equation (7) was used as a condition for separating the background light and the signal light, but the standard deviation ⁇ may be multiplied by a constant depending on the desired accuracy. Specifically, the following equation may be used using a constant k. In this case, the larger k is, the higher the accuracy is, and the smaller k is, the lower the accuracy is. In this case as well, it is desirable that the exponent be greater than 3 and less than or equal to 4.
  • this embodiment is effective for use when detecting relatively weak signal light when the intensity of background light is high.
  • Examples of situations in which this embodiment is effective include a case where the signal light is a diffused light source in an environment where the background light is sunlight.
  • the diffused light source is a light source that diffuses and irradiates light onto the field of view of the light receiving unit 102. Within the field of view of the light receiving unit 102, the light intensity of the diffused light may be uniform or non-uniform.
  • a distance measurement system using a diffused light source is sometimes called a flash lidar.
  • FIG. 3 shows an example of simulation results.
  • FIGS. 3A and 3B are graphs showing the distribution of detection probabilities, where the horizontal axis is the number of detections and the vertical axis is the probability.
  • the black circles indicate the distribution of background light only, and the white circles indicate the distribution of signal light + background light.
  • the preconditions for the simulation are as shown in FIG. 3(c).
  • the light source is assumed to be a diffused light source.
  • the number of pulses is 100 times in FIG. 3(a) and 500 times in FIG. 3(b).
  • FIG. 3A shows an example where it is difficult to distinguish between background light and signal light. That is, the distribution of only background light and the distribution of signal light + background light overlap greatly, and therefore there is a high possibility of misjudgment.
  • FIG. 3(b) is an example in which background light and signal light can be distinguished. That is, the background light only distribution and the signal light+background light distribution are separated so that their standard deviation ranges do not overlap ( ⁇ sig+BG ⁇ sig+BG > ⁇ BG + ⁇ BG ). In this case, the possibility of misjudgment is low.
  • Figure 4 shows the simulation results of calculating the required number of pulses with respect to distance.
  • the light pulse intensity and light pulse width were fixed, the number of pulses was varied, and the minimum number of pulses (required number of pulses) was calculated.
  • each circle represents a simulation result, and the solid line represents a power function fitting curve.
  • the required number of pulses varies with the power of the distance, and in this simulation the power exponent is 3.8.
  • Figure 5 shows the simulation results of calculating the power index while changing the light pulse intensity and object reflectance.
  • Each line shown in FIG. 5 is the calculation result of the power index when the subject reflectance is changed to 0.5, 0.7, and 1.
  • the higher the optical pulse intensity the smaller the difference in intensity between the signal light and the background light.
  • the upper limit of the light pulse intensity is about 10,000 W, but as shown in FIG.
  • the power index is not less than 3.
  • the power index is greater than 3 and less than or equal to 4.
  • the upper limit of the light pulse intensity is set to 10,000 W, but it may be set to an even higher value when the irradiation angle is widened.
  • the light receiver may be, for example, a photomultiplier tube or a photon counter such as a single photon avalanche diode (SPAD).
  • the light receiving unit 102 may have photodetectors arranged in an array, or may be an imaging device equipped with a lens or the like.
  • the light emitting unit 101 may be a single wavelength laser, or may have an infrared wavelength band.
  • the light receiving section 102 may be provided with a bandpass filter in accordance with the wavelength of the light emitting section 101.
  • FIG. 6 shows a modification of the distance measurement sequence.
  • a background light determination period is provided before the sequence of FIG.
  • the distance measurement system 10 has a function of detecting the intensity of background light.
  • the detection probability of the signal light is inversely proportional to the square of the distance. For this reason, it is preferable that the exponent of the power function when changing the total light intensity of the emitted light with respect to the distance is changed depending on the background light intensity.
  • background light is measured during the background light determination period (S21). Then, it is determined whether the measured background light intensity is higher than a predetermined criterion (S22). If the background light intensity is higher than the predetermined criterion, in the setting of the light emission conditions (S12), the exponent of the power function for changing the total light intensity of light emission with respect to distance is set to a first value greater than 3 and less than or equal to 4. Set it to the value. On the other hand, if the background light intensity is lower than the predetermined criterion, in setting the light emission conditions (S12), set the exponent of the power function for changing the total light intensity of light emission with respect to distance to be larger than 2, and Set the value to be less than or equal to the first value.
  • the measurement of background light during the background light determination period may be performed using the light receiving section 102, or may be performed using a photodetector that is provided separately from the light receiving section 102. . Further, when the light receiving unit 102 is used, the measurement result of background light during the background light determination period may be used as the signal A.
  • FIG. 7 shows an example of a circuit configuration of a photodetector used in the light receiving section 102.
  • a plurality of photodetectors 14 are provided in an array.
  • (2 ⁇ 2) photodetectors 14 are provided in FIG. 7, the number of photodetectors 14 is arbitrary.
  • Each photodetector 14 includes a photodiode 1d, transistors Tr2, Tr3, Tr4, Tr5, and a capacitor C2.
  • the configuration in FIG. 7 includes a drive section 21, a signal processing circuit 22, and a signal output section 23.
  • the transistor Tr2 has one end connected to the power supply Vc, the other end connected to one end of the transistor Tr3, and the gate connected to a floating diffusion FD (hereinafter sometimes simply referred to as "FD").
  • the transistor Tr3 receives a selection signal at its gate, and has the other end connected to the signal output line 26.
  • the transistor Tr4 (transfer transistor) has one end connected to the cathode of the photodiode 1d, receives a transfer signal at its gate, and has the other end connected to the FD.
  • the transistor Tr4 transfers the signal charge output from the photodiode 1d to the FD according to the transfer signal.
  • the transistor Tr5 reset transistor
  • the capacitor C2 has one end connected to the FD and the other end connected to the ground power source.
  • the driving unit 21 applies a reset signal to the gate of the transistor Tr5 of each photodetector 14, and drives the transistor Tr1. Further, a selection signal is output to the gate of the transistor Tr3 of each photodetector 14 to drive the transistor Tr3.
  • the signal processing circuit 22 is connected to the signal output line 26 , receives the output signal output from each photodetector 14 , performs predetermined processing, and outputs the signal to the signal output section 23 .
  • the signal output unit 23 is, for example, a PC or a display, and outputs numerical data or image data based on the signal input from the signal processing circuit 22.
  • the photodiode 1d included in the photodetector 14 may be an avalanche photodiode or a single photon avalanche diode. In this case, it is sufficient to lower the voltage of the power supply Vb (increase its absolute value) and apply a reverse bias that causes avalanche multiplication to the photodiode 1d.
  • FIG. 8 shows another example of the circuit configuration of the photodetector used in the light receiving section 102.
  • each photodetector 15 includes transistors Tr1 and Tr6 and a capacitor C3 in addition to the configuration of the photodetector 14 shown in FIG.
  • the drive unit 21 applies a reset signal RST1 to the gate of the transistor Tr1, a reset signal RST2 to the gate of the transistor Tr5, and a selection signal SEL to the gate of the transistor Tr3.
  • the transistor Tr1 (reset transistor) has one end connected to the power supply Va, the other end connected to the cathode of the photodiode 1d, and receives the reset signal RST1 at its gate.
  • the transistor Tr6 has one end connected to the FD, receives the count signal CNT at its gate, and has the other end connected to one end of the capacitor C3.
  • the other end of the capacitor C3 is connected to a ground power source.
  • the transistor Tr6 (count transistor) stores the signal charge transferred to the FD in the capacitor C3 according to the count signal CNT. Note that the capacitor C3 may be larger than the capacitor C2.
  • the channels of the transistors Tr1 to Tr6 are of N type, but the channels of the transistors may be of P type.
  • FIG. 9 is a timing chart showing the operation of the photodetector 15 in FIG. 8.
  • one frame includes a first reset period, a plurality of (three in FIG. 9) subframes, and a read period.
  • This subframe includes an exposure/transfer period, an accumulation period, and a second reset period.
  • the photodetector 15 repeatedly performs operations within one frame. Note that one frame may include two or more subframes.
  • the reset signal RST1 is at high level
  • the selection signal SEL is at low level
  • the transfer signal TRN is at low level
  • the reset signal RST2 is at low level
  • the count signal CNT is at high level. Therefore, the transistor Tr1 is turned on, the transistor Tr3 is turned off, the transistor Tr4 is turned off, the transistor Tr5 is turned on, and the transistor Tr6 is turned on.
  • the photodiode 1d is reset to the voltage value of the power supply Va, and the voltage values of the FD and the capacitor C3 are reset to the voltage value of the power supply Vd.
  • the photodiode 1d, FD, and capacitor C3 are reset at the same time during the reset period, periods for resetting these may be provided separately within the reset period.
  • the reset signal RST1 is at low level
  • the selection signal SEL is at low level
  • the transfer signal TRN is at high level
  • the reset signal RST2 is at low level
  • the count signal CNT is at low level. Therefore, the transistor Tr1 is turned off, the transistor Tr3 is turned off, the transistor Tr4 is turned on, the transistor Tr5 is turned off, and the transistor Tr6 is turned off. Accordingly, during the exposure/transfer period, when the photodiode 1d receives incident light, signal charges are generated (exposed) by avalanche multiplication, so that the cathode voltage of the photodiode 1d changes.
  • the signal charge generated by the photodiode 1d is transferred to the capacitor C2 via the transistor Tr4 and FD, the voltage value of the capacitor C2 changes. Note that during the exposure/transfer period, the exposure of the photodiode 1d and the transfer of signal charges to the FD are performed simultaneously; however, within the exposure/transfer period, the exposure period of the photodiode 1d and the transfer period of signal charges are They may be provided separately.
  • the reset signal RST1 is at low level
  • the selection signal SEL is at low level
  • the transfer signal TRN is at low level
  • the reset signal RST2 is at low level
  • the count signal CNT is at high level.
  • the transistor Tr1 is turned off, the transistor Tr3 is turned off, the transistor Tr4 is turned off, the transistor Tr5 is turned off, and the transistor Tr6 is turned on.
  • the signal charge accumulated in the capacitor C2 is transferred to the capacitor C3 via the FD and the transistor Tr6, and is accumulated in the capacitor C3.
  • the reset signal RST1 is at high level
  • the selection signal SEL is at low level
  • the transfer signal TRN is at low level
  • the reset signal RST2 is at low level
  • the count signal CNT is at low level. Therefore, the transistor Tr1 is turned on, the transistor Tr3 is turned off, the transistor Tr4 is turned off, the transistor Tr5 is turned off, and the transistor Tr6 is turned off.
  • the photodiode 1d is reset to the voltage value of the power supply Va, so that the photodiode 1d can be exposed in the next exposure period.
  • the count signal CNT may be set to a low level and the transistor Tr6 may be turned on.
  • the reset signal RST1 is at low level
  • the selection signal SEL is at high level
  • the transfer signal TRN is at low level
  • the reset signal RST2 is at low level
  • the count signal CNT is at high level.
  • the transistor Tr1 is turned off, the transistor Tr3 is turned on, the transistor Tr4 is turned off, the transistor Tr5 is turned off, and the transistor Tr6 is turned on.
  • the signal charges accumulated in the capacitor C3 are output (read) to the signal processing circuit 22 via the signal output line 26.
  • the photodetector 15 in FIG. 8 is provided inside the photodetector 15 and includes a capacitor C3 serving as a first memory for recording the number of detections.
  • the generated signal charges can be accumulated in the capacitor C3, and the number of accumulated charges increases according to the number of times the photodiode 1d detects light. Therefore, the capacitor C3 can store the number of times of light detection.
  • the signal storage unit 24 is, for example, a memory serving as a second memory, and can store the signal output from the signal output unit 23 and can store the number of times of light detection.
  • the capacitor C3 since the capacitor C3 is provided within the photodetector 15, its area is limited and its capacitance value is small. Therefore, the upper limit of the number of detections that can be recorded is small, and there is a concern that the required number of detections cannot be recorded.
  • the signal storage section 24 outside the photodetector 15 the area can be increased and the number of times of detection that can be recorded can be increased.
  • the signal storage section 24 when the background light is large, the number of times of detection required at a distance increases, so it is preferable to use the signal storage section 24. Further, when the background light is small, the capacitor C3 may be used as the first memory, and when the background light is large, the signal storage section 24 may be used as the second memory.
  • a process of adding up the number of detections of the plurality of photodetectors 15 may be performed. This makes it possible to increase the number of detections.
  • the circuit configuration of the photodetector is not limited to that shown in FIGS. 7 and 8.
  • the first memory may have multiple capacities.
  • the capacitor may be a metal-insulator-metal (MIM) capacitance or may be another memory element.
  • MIM metal-insulator-metal
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of the device structure of the photodetector shown in FIG. 8.
  • the semiconductor chip 1 includes a first semiconductor substrate, a second semiconductor substrate, a lens layer, and a wiring layer, and a plurality of photodetectors 15 are configured in the semiconductor chip 1.
  • a lens layer is provided on the second main surface S2 side of the first semiconductor substrate. Further, a wiring layer is provided between the first main surface S1 of the first semiconductor substrate and the third main surface S3 of the second semiconductor substrate.
  • the first semiconductor substrate includes a first semiconductor layer 111 to a fourth semiconductor layer 114 that constitute the photodiode 1d. Furthermore, a trench 171 extending vertically in the drawing is formed between adjacent second semiconductor layers 112. Although not shown, the trenches 171 are formed in a lattice shape in a plan view so as to separate the second semiconductor layers 112 of the photodetector 15 from each other. By forming the trench 171 with a material that reflects incident light, crosstalk between adjacent photodetectors 15 can be suppressed.
  • a first well 121 and transistors Tr1 and Tr4 are formed in the second semiconductor substrate.
  • the transistors Tr1 and Tr4 are connected to the first semiconductor layer 111 via a first wiring 131 formed in the wiring layer.
  • each transistor in FIG. 8 is formed on the second semiconductor substrate.
  • the reflecting plate 172 is made of a material that reflects incident light. This makes it easier for the incident light that enters each photodetector 15 to enter the photodiode 1d.
  • a photodiode 1d is formed on the first semiconductor substrate, and circuits such as transistors and wiring are formed on the second semiconductor substrate and wiring layer.
  • the photodiode 1d and the circuit portion can be manufactured separately.
  • the transistors, wiring, and the like are configured on a separate substrate (second semiconductor substrate), the aperture ratio of the photodiode 1d can be increased, and the efficiency of light utilization can be improved.
  • the first memory can have a large area and a large capacity. This makes it possible to increase the upper limit of the number of detections.
  • a random access memory may be provided in each photodetector as the first memory.
  • the number of semiconductor layers is not limited to two, but may be three or more. This makes it possible to further increase the capacity of the first memory and increase the upper limit of the number of times of detection.
  • FIG. 15 shows another example of the circuit configuration of the photodetector used in the light receiving section 102.
  • the photodetector 16 includes a photodiode 1d, a transistor Tr6, and a time measurement section 30.
  • the time measuring section 30 includes a comparator 31, a time-to-digital converter (TDC) circuit 32, and an output circuit 33.
  • TDC time-to-digital converter
  • a control section for controlling the TDC circuit 32 may be provided to control whether or not to operate the TDC circuit.
  • the transistor Tr6 functions as a quenching resistor and quenches avalanche multiplication in the photodiode 1d. After the quenching is completed, the voltage of the photodiode 1d is recharged.
  • the transistor Tr6 only needs to have a quenching and recharging function, and may be replaced by a resistor or a coil, for example. Further, although the channel polarity of the transistor Tr6 is N type in FIG. 15, it may be P type.
  • the time measurement unit 30 records and outputs the time when the signal from the photodiode 1d is detected. When a signal exceeding a preset threshold is input to the comparator 31, the output changes only during that period.
  • the TDC circuit 32 outputs the time at which the output of the comparator 31 changes to the output circuit 33.
  • the output circuit 33 has a memory, records the output from the TDC circuit 32 in the memory, performs calculations as necessary, and outputs the calculation results.
  • the output circuit 33 is provided in each photodetector 16 in FIG. 15, the output circuit 33 may be shared by a plurality of photodetectors 16, and part or all of the output circuit 33 may be used for signal processing. It may be integrated with the circuit.
  • the comparator 31 is, for example, an inverter
  • the memory is, for example, DRAM (Dynamic Random Access Memory).
  • the TDC circuit 32 in FIG. 15 may be replaced with another circuit configuration having a function of converting time into a signal. For example, a Time-to-Analog Converter circuit may be used.
  • the time measuring section 30 is connected to the cathode of the photodiode 1d, but it may be connected to the anode.
  • the signal from the photodiode 1d is, for example, a voltage change at the cathode of the photodiode 1d.
  • FIG. 16 shows an example of signal changes in the time measurement operation of the circuit in FIG. 15.
  • the time measurement operation refers to an operation in which the time measurement unit 30 records the time when the output of the photodiode 1d (for example, a change in cathode voltage) changes.
  • the horizontal axis represents time, the light intensity of the emitted light, the light intensity of the reflected light when the emitted light is reflected by the subject and reaches the light receiving section, the voltage at point A in FIG. 15, and the point in FIG. 16 shows the voltage of B and a control signal that controls the TDC circuit 32 shown in FIG. 15.
  • a horizontal line with increments corresponding to the clock cycle is shown.
  • the times indicated by the arrows respectively indicate 0) the time of emission of the emitted light, 1) the start time of the operation of the TDC circuit 32, 2) the time of detection of the reflected light, and 3) the end time of the operation of the TDC circuit 32.
  • H means high light intensity or high voltage
  • L means low light intensity or low voltage
  • H and L may be different from those in FIG. 16.
  • an environment in which background light exists is assumed, and in the part showing the voltage at point A, the timing at which background light or signal light is detected is indicated by an arrow.
  • the voltage of the photodiode 1d changes sharply from H to L due to avalanche multiplication and quenching.
  • the horizontal broken line indicates the voltage threshold of the comparator 31, and when the voltage at point A becomes lower than the voltage threshold, the voltage at point B, which is the output of the comparator 31, changes from L to H. After the voltage at point A becomes L, it is recharged from L to H with a certain time constant. At this time, when the voltage at point A exceeds the voltage threshold, the voltage at point B changes from H to L.
  • the TDC circuit 32 operates only when the control signal of the TDC circuit 32 is H, and the operating period is from time 1) to time 3).
  • the TDC circuit 32 outputs the time from when the control signal becomes H to when the output of the comparator 31 (ie, the voltage at point B) becomes H for the first time.
  • the time ⁇ 02 from time 1) to time 2) is output.
  • the time ⁇ 01 from time 0) to time 1) is set in advance, and the distance to the object is c*( ⁇ 01+ ⁇ 02)/2 (c is the speed of light) Calculated by Time 3) is set so that the time ⁇ 03 from time 0) to time 3) matches the longest distance c* ⁇ 03/2 for distance measurement.
  • time 0) and time 1) are set to different times, but this makes it possible to avoid the influence of reflected light from an object closer than the distance c* ⁇ 01/2. However, time 0) and time 1) may be the same time.
  • the product of the light intensity, pulse width, and number of pulses of the emitted pulsed light is changed according to a power function with the distance to be measured as a variable, and the exponent of the power function is set to be greater than 3 and less than or equal to 4. It is desirable to do so.
  • ⁇ 03 be the variable of the product of the light intensity, pulse width, and number of pulses of the emitted pulsed light. It may be changed according to a power function, and the power index of the power function may be set to be greater than 3 and less than or equal to 4.
  • FIG. 16 shows a case where the number of times of pulsed light emission (number of pulses) is one, the number of pulses may be increased by a method such as repeating the operation of FIG. 16 multiple times.
  • the time of light detection can be recorded as a digital value, and distance resolution may be improved.
  • FIG. 17 shows an example in which the operation shown in FIG. 16 is performed multiple times, multiple times from time 1) to time 2) are recorded, and histogram processing is performed.
  • one optical pulse is emitted per operation, so the number of operations (repetition number) shown in FIG. 16 corresponds to the number of optical pulses.
  • the first row shows the light intensity of reflected light
  • the second row shows an example of a histogram when the number of repetitions of the operation shown in FIG. 16 is small
  • the third row shows a histogram example when the number of repetitions is large.
  • the range on the horizontal axis indicates the range in which the control signal of the TDC circuit 31 is H, and the origin of the horizontal axis corresponds to time 1) in FIG. 16.
  • the horizontal axis may be offset by ⁇ 01 and displayed with time 0) as the origin of the horizontal axis, and the display method is not limited.
  • the histogram contains the background light signal and the reflected light. We assume that both signals contribute.
  • the number of light detections during the period when the light intensity of the reflected light is L corresponds to the number of light detections due to background light only
  • the number of light detections during the period when the light intensity of the reflected light is H corresponds to the number of light detections due to the background light and the light intensity of the reflected light. Corresponds to the number of light detections based on the sum. When the number of repetitions is small, the number of times of light detection is small, and it is difficult to separate light detection by reflected light from signal light originating from background light.
  • the number of photodetections increases, so the difference between the number of photodetections during the period when the light intensity of the reflected light is L and the number of photodetections during the period when the light intensity of the reflected light is H becomes clear. The time when reflected light returns can be measured more accurately.
  • the distance measurement system according to the present disclosure described above may be of a so-called sub-range type. Specifically, the distance measurement system according to the present disclosure divides the space to be imaged, that is, the imaging area, into a plurality of distance zones (referred to as sections) based on the distance from a reference point in the depth direction. Then, for each distance zone, a section image is generated based on the amount of reflected light of the irradiated light. Then, a distance image is generated based on these plurality of section images (referred to as a section image set).
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of a set of timings of light emission, reflected light, and exposure in the sub-range method.
  • F1 is the time of one frame
  • Tt1 is the emission pulse width
  • Tsn is the time width of the section corresponding to distance section 1, 2, 3,..., n
  • Tmn is the time width of the measurement period
  • Tr1, Tr2, Tr3,..., Trn are the time widths for performing exposure.
  • the widths of Tt1, Ts1 to Tsn, and Tr1 to Trn are the same, but they do not necessarily have to be the same.
  • the widths of Tt1, Ts1 to Tsn, and Tr1 to Trn may be arbitrarily changed for each measurement period.
  • light emission is performed only once for each measurement period, but light emission may be repeated multiple times.
  • the product of the light intensity, pulse width, and number of pulses is changed by a power function of the distance according to the distance corresponding to the section. It is preferably 4 or less.
  • the number of pulses that is, the number of repetitions of light emission, is changed according to the distance corresponding to the section as a power function of the distance, and the power index is greater than 3 and less than or equal to 4. do it.
  • the presence or absence of a subject in the distance section i is determined.
  • the reflected light returns with a certain time delay relative to the emitted light.
  • the reflected light is returned across sections 2 and 3. If there is an overlap between the return time of the reflected light and the exposure time, a light intensity signal corresponding to the overlap time is detected, and if there is no overlap between the return time of the reflected light and the exposure time, the background light Detects a signal according to the
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a simulation of signal strength in each distance section of FIG. 11. Dark shading corresponds to the signal intensity originating from background light, and light shading corresponds to the signal intensity originating from light emission.
  • This simulation is an example in which the signal light is returned across sections 2 and 3, as shown in FIG. In this case, in sections other than sections 2 and 3, the signal intensity of the background light is obtained, and in sections 2 and 3, the signal intensity of the signal light due to light emission is obtained.
  • FIG. 13 is an example of a distance measurement sequence using the sub-range method.
  • the sequence in FIG. 13 is such that in the condition setting period, interval setting is performed along with distance setting, there is no background light measurement period, the signal light measurement period is replaced with the i-th measurement period, and n times Repeated. Furthermore, during the determination period, both the presence or absence of a subject and the distance determination are performed.
  • the sub-range method it is possible to use the signal strength in the section where the reflected light does not return as the signal strength of the background light, so there is no need for a background light measurement period.
  • FIG. 14 is an example of an algorithm for determining the presence or absence of a subject and determining the distance during the determination period.
  • the distance calculation unit 105 acquires a plurality of pixel signals corresponding to a plurality of divided periods Ts from the light receiving unit 102 (P1).
  • the distance calculation section 105 includes a section determination section and a section distance calculation section.
  • the section determining unit extracts the signal level of the pixel signal in each of the plurality of divided periods Ts within one frame F1 (P2).
  • the section determining unit calculates the average value Av and standard deviation ⁇ of the remaining signal levels excluding the highest signal level and the second highest signal level among the signal levels of the pixel signals of the plurality of divided periods Ts (P3 ).
  • the section determination unit calculates the threshold Th using the average value Av and the standard deviation ⁇ (P4).
  • the section determining unit compares the signal level of the pixel signal in each divided period Ts with the threshold Th (P5). If the signal level of the pixel signal in each divided period Ts is less than the threshold Th (P5: No), the section determination unit determines that there is no object within the measurable distance (P6). If the pixel signals in the plurality of divided periods Ts include pixel signals whose signal level is equal to or higher than the threshold Th (P5: Yes), the section determination unit determines that the object exists within the measurable distance (P7 ). The section determination unit determines the distance section in which the object exists among the plurality of distance sections (P8). Here, it is assumed that the object exists over two distance sections (first distance section and second distance section).
  • the signal strength of the background light can be calculated at P3 in FIG.
  • the calculated signal strength of the background light it is possible to calculate the strength of the background light and set conditions for light emission and light reception in each distance section.
  • the number of repetitions of light emission and exposure may be increased, and in that case, the signal intensity due to background light increases according to the number of repetitions of light emission and exposure. .
  • the average value Av and standard deviation ⁇ may be calculated using a value obtained by dividing the signal intensity by the number of times of light emission/exposure.
  • the distance measurement system according to the present invention can appropriately set the light intensity of pulsed light according to the distance to be measured, and is therefore useful for improving the accuracy of distance measurement, for example.
  • Photodiode 10 Distance measurement system 14, 15 Photodetector 24 Signal storage section (second memory) 60 Measurement object 101 Light emitting section 102 Light receiving section 103 Control section 105 Distance calculation section AA Pulsed light BB Reflected light C3 Capacity (first memory) FD floating diffusion Tr1 to Tr6 transistor

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Abstract

背景光環境下において使用される距離測定システム（１０）は、パルス光（ＡＡ）を発光する発光部（１０１）と、対象物（６０）において反射された反射光（ＢＢ）を受光する受光部（１０２）と、発光部（１０１）および受光部（１０２）の動作を制御する制御部（１０３）と、対象物（６０）までの距離を算出する距離算出部（１０５）とを備える。制御部（１０３）は、パルス光（ＡＡ）の、光強度とパルス幅とパルス数との積を、測定する距離を変数とするべき関数に従って変化させ、べき関数のべき指数を、３より大きく、４以下に設定する。

Description

距離測定システム
　本開示は、背景光環境下において使用される距離測定システムに関する。
　特許文献１では、ＴＯＦ（Time Of Flight）方式を用いた距離測定装置として、Ｓ／Ｎ比に応じて、距離に応じて、パルス発光条件を変化させる技術が開示されている。
特開２０１０－１５６７１１号公報
　ところが、特許文献１では、例えば昼間のような背景光下で、例えば拡散光源のような光強度が低い光源を用いる場合に、光強度の設定をどのように変化させるのか、その指針については何ら示されていない。
　本開示は、かかる点に鑑みてなされたもので、背景光環境下において使用される距離測定システムにおいて、射出するパルス光の光強度を適切に設定可能にすることを目的とする。
　本開示の一態様に係る、背景光環境下において使用される距離測定システムは、パルス光を発光する発光部と、対象物において反射された前記パルス光を受光する受光部と、前記発光部および前記受光部の動作を制御する制御部と、前記パルス光が前記受光部に帰還するまでの時間に基づき、前記対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、前記制御部は、前記パルス光の、光強度とパルス幅とパルス数との積を、測定する距離を変数とするべき関数に従って変化させるものであり、前記べき関数のべき指数を、３より大きく、４以下である第１値に設定する、ように構成されている。
　本開示によって、背景光がある環境下において、目標とする距離に対し、パルス光の光強度を効率的に設定することができるので、測距範囲の拡大が可能になる。
実施形態に係る距離測定システムの概要構成 距離測定シーケンスの例 （ａ）～（ｃ）はシミュレーション結果の一例 距離に対して必要パルス数を計算したシミュレーション結果 べき指数を計算したシミュレーション結果 距離測定シーケンスの変形例 受光部に用いる光検出器の回路構成例 受光部に用いる光検出器の回路構成例 図８の光検出器の動作を示すタイミングチャート 図８の光検出器のデバイス構造の例を示す断面図 サブレンジ方式における、発光、反射光、露光のタイミングの組の一例 図１１の各距離区間での信号強度のシミュレーションの一例 サブレンジ方式での距離測定シーケンスの一例 判定期間における被写体の有無判定および距離判定のアルゴリズムの一例 受光部に用いる光検出器の回路構成例 図１５の回路の時間計測動作における信号変化の例 図１６に示す動作を複数回行い、ヒストグラム処理を行う例
　（概要）
　本開示の態様に係る、背景光環境下において使用される距離測定システムは、パルス光を発光する発光部と、対象物において反射された前記パルス光を受光する受光部と、前記発光部および前記受光部の動作を制御する制御部と、前記パルス光が前記受光部に帰還するまでの時間に基づき、前記対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、前記制御部は、前記パルス光の、光強度とパルス幅とパルス数との積を、測定する距離を変数とするべき関数に従って変化させるものであり、前記べき関数のべき指数を、３より大きく、４以下である第１値に設定する、ように構成されている。
　この構成により、測定対象の距離に従って、パルス光の光強度を効率的に設定することができるので、測距範囲の拡大が可能になる。
　前記態様に係る距離測定システムにおいて、背景光の強度を検出する機能を備え、前記制御部は、検出した前記背景光の強度が所定基準を下回るとき、前記べき関数のべき指数を、２より大きく、前記第１値以下の値に設定する、としてもよい。
　これにより、背景光が弱い環境下においても、パルス光の光強度を効率的に設定することができる。
　また、前記態様に係る距離測定システムにおいて、前記受光部は、アレイ状に配置された複数の光検出器を備え、前記発光部は、前記パルス光として、拡散光を発光する、としてもよい。
　さらに、前記光検出器は、フォトンカウンタ、または、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む、としてもよい。
　また、前記光検出器は、それぞれ、当該光検出器の内部に設けられ、光の検出回数を記録する第１メモリを備え、前記受光部は、前記光検出部の外部に設けられ、光の検出回数を記録する第２メモリを備える、としてもよい。
　さらに、背景光を測定する場合において、背景光の強度が大きい場合は、前記第２メモリを使用し、背景光の強度が小さい場合は、前記第１メモリを使用する、としてもよい。
　また、前記第１メモリは、金属－絶縁体－金属間容量（ＭＩＭ）である、としてもよい。
　また、前記光検出器は、フォトダイオードと、リセットトランジスタと、フローティングディフュージョンと、転送トランジスタと、カウントトランジスタとを備える、としてもよい。
　また、前記態様に係る距離測定システムは、撮像領域を距離に基づいて複数の区間に分割し、各区間について区間画像を生成し、これら複数の区間画像を基にして、距離画像を生成する、としてもよい。
　以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
　なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　（実施形態）
　図１は実施形態に係る距離測定システムの概要構成である。距離測定システム１０は、測定対象物６０に向けてパルス光ＡＡを射出する発光部１０１と、測定対象物６０による反射光ＢＢを受ける受光部１０２と、発光部１０１および受光部１０２の動作を制御する制御部１０３と、受光部１０２から反射光ＢＢに対応する信号を受け、測定対象物６０までの距離を算出する距離算出部１０５と、距離算出部１０５によって算出された距離値を出力する出力部１０４とを備える。距離算出部１０５は、パルス光ＡＡが受光部１０２に帰還するまでの時間に基づき、測定対象物６０までの距離を算出する。
　図２は距離測定シーケンスの例である。図２のシーケンスは、条件設定期間、背景光測定期間、信号光測定期間、および、判定期間を備える。
　条件設定期間では、制御部１０３が、測定する距離または距離範囲を設定し（Ｓ１１）、発光および受光の条件設定を行う（Ｓ１２）。発光の条件には、発光する光パルスのパルス幅、光パルスの強度、パルス数、発光タイミングが含まれる。受光の条件には、露光のタイミング、露光時間が含まれる。
　背景光測定期間では、条件設定期間において設定された条件に従い、受光部１０２が受光を行う（Ｓ１３）。このとき、発光部１０１は発光を行わない。この受光動作は、設定された回数繰り返される。受光部１０２は、受光により得た信号量を距離算出部１０５に送り、距離算出部１０５は、背景光による信号量である信号Ａとして保存する（Ｓ１４）。
　信号光測定期間では、条件設定期間において設定された条件に従い、発光部１０１は発光を行い（Ｓ１５）、受光部１０２は受光を行う（Ｓ１６）。この発光受光動作は、設定された回数繰り返される。受光部１０２は、受光により得た信号量を距離算出部１０５に送り、距離算出部１０５は、信号Ｂとして保存する（Ｓ１７）。
　判定期間では、距離算出部１０５は、信号Ａと信号Ｂを比較し、物体の有無を判定する。信号Ｂと信号Ａとの間に有意な差があれば、設定した距離範囲に物体が存在すると判定する（Ｓ１８）。判定期間後は、条件設定期間に戻り、同様のシーケンスを繰り返す。
　ここで、背景光測定期間は、必ずしも全てのシーケンスにおいて設定しなくてよい。背景光が変わらない時間内においては、複数回のシーケンスにおいて、一度の背景光測定期間の測定結果を判定期間に使用してもよい。また、図２では、信号光測定期間において、発光の後に受光を行うものとしているが、発光と受光のタイミングは同時でもよい。
　＜発光条件の設定について＞
　本実施形態は、発光条件の設定に特徴がある。ここで、背景光の光強度が強い条件下では、設定する距離および距離範囲が遠方であるほど、光パルスの幅と光パルスの強度と光パルス数との積は、大きくすることが望ましい。なお、本明細書では、光パルスの幅と光パルスの強度と光パルス数との積のことを、適宜、総光強度という。特に、発光の総光強度は、測定する距離を変数とするべき関数に従って変化させるものとし、そのべき関数のべき指数は、３より大きく、４以下である値にすることが望ましい。以下、その根拠について説明する。
　一度の受光につき、受光部１０２で検出される光の強度が１光子以下であり、ｎ回の受光を行った場合にｋ個の光子が受光部１０２で検出される確率は、以下の二項分布に従う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 このとき、二項分布Ｐ（ｎ，ｋ）の平均μと標準偏差σは、下記のとおり記述できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、発光部１０１が発光せず、受光部１０２に入射する光が背景光のみの場合におけるｐ，μ，σをｐＢＧ，μＢＧ，σＢＧとし、発光部１０１が発光を行い、対象物において反射し、受光部１０２に帰還する光のｐ，μ，σをｐｓｉｇ，μｓｉｇ，σｓｉｇとし、発光部１０１が発光を行い、対象物において反射し、受光部１０２に帰還する光と、背景光との合計のｐ，μ，σをｐｓｉｇ＋ＢＧ，μｓｉｇ＋ＢＧ，σｓｉｇ＋ＢＧとする。このとき、以下の関係式が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 信号光と背景光を切り分けるための条件は、次式のように設定しうる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　パルス発光を行い、対象物で反射されたパルス光が受光部１０２に入射する場合、パルス光の光強度は対象物までの距離Ｌの二乗に反比例して減衰するため、次の関係式が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 一方、背景光強度は距離Ｌによらず一定なので、次の関係式が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ここで、信号光と背景光を切り分ける条件を示す式（７）は、式（５）を用いて、次のように書き換えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、帰ってくる信号光が背景光に比較して微弱な場合、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 なので、式（１０）はさらに、次のように書き換えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　ここで、上の式（１１）の等号が成り立つときの、受光回数ｎの閾値をＮｔｈとすると、式（２），（３）より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 となり、両辺を二乗して、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 と計算できる。すなわち、受光回数ｎの閾値Ｎｔｈは、距離Ｌの４乗に比例して変化する。したがって、測定する距離を変化させて距離測定を行う場合は、パルス数を距離の４乗に比例して増加させることが望ましい。
　なお、上の解析では、光パルスの幅、および、光パルスの強度は一定であることを前提として行った。ただし、光パルスの幅、および、光パルス強度は、可変にしてもかまわない。すなわち、発光の総光強度、すなわち、光パルスの幅と光パルスの強度と光パルス数との積を、距離の４乗に比例して増加させることが望ましい。
　ただし、べき指数が４となるのは、信号光の強度が背景光の強度に比べて極めて微弱である場合である。後述するとおり、距離に対するパルス数変化のべき指数は、４より小さくてもよく、現実的な実験条件下では３を下回らない。このため、べき指数は３より大きく４以下とすることが望ましい。
　また、上の解析では、背景光と信号光とを切り分ける条件として式（７）を用いたが、求める精度に応じて標準偏差σを定数倍してもよい。具体的には、定数ｋを用いて、次式を用いてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 この場合、ｋが大きいほど精度が高く、ｋが小さいほど精度が低い。この場合にも、べき指数は３より大きく４以下とすることが望ましい。
　このように、本実施形態は、背景光の強度が高い場合に、比較的微弱な信号光を検出する場合に使用することが有効である。本実施形態が有効な状況としては、例えば、背景光が太陽光の環境下において、信号光が拡散光源である場合などがある。ここで、拡散光源とは、受光部１０２の視野に光を拡散照射する光源である。受光部１０２の視野内において、拡散光の光強度は均一であっても、不均一であってもよい。また、拡散光源を用いた距離測定システムは、フラッシュライダーなどと呼ばれる場合がある。
　＜シミュレーション＞
　図３はシミュレーション結果の一例を示す。図３（ａ）（ｂ）は検出確率の分布を示すグラフであり、横軸は検出回数、縦軸は確率である。黒丸は背景光のみの分布、白丸は信号光＋背景光の分布を示す。シミュレーションの前提条件は、図３（ｃ）に示すとおりである。光源は拡散光源を想定している。パルス数は、図３（ａ）では１００回、図３（ｂ）では５００回である。
　図３（ａ）は背景光と信号光の判別が難しい場合の例である。すなわち、背景光のみの分布と、信号光＋背景光の分布の重なりが大きく、このため、誤判定の可能性が高い。一方、図３（ｂ）は背景光と信号光の判別が可能な場合の例である。すなわち、背景光のみの分布と、信号光＋背景光の分布とが、それぞれ標準偏差の範囲が重ならないように、分離している（μｓｉｇ＋ＢＧ－σｓｉｇ＋ＢＧ＞μＢＧ＋σＢＧ）。この場合は、誤判定の可能性が低い。
　図３のシミュレーションを、パルス数の条件を変えながら行うことによって、背景光と信号光の切り分けが可能な発光の総光強度を計算できる。
　図４は距離に対して必要パルス数を計算したシミュレーション結果である。図４では、光パルス強度および光パルス幅を固定し、パルス数を条件振りし、最小のパルス数（必要パルス数）を計算した。図４において、各丸はシミュレーション結果を示し、実線はべき関数でのフィッティング曲線を示している。図４に示すとおり、必要パルス数は距離のべき乗で変化し、このシミュレーションではべき指数は３．８である。
　図５は光パルス強度と被写体反射率を変化させながら、べき指数を計算したシミュレーション結果である。図５に示す各線は、被写体反射率を０．５，０．７，１と変化させた場合のべき指数の計算結果である。図５に示すとおり、被写体反射率が高いほどべき指数が小さく、被写体反射率が低いほどべき指数が大きくなる。ここで、光パルス強度が高いほど、信号光と背景光の強度差が小さくなる。このため、上述した式（１４）の条件が成り立たなくなり、図５に示すように、べき関数の指数が小さくなる。一方、アイセーフなどの観点から、光パルス強度の上限は１００００Ｗ程度であるが、図５に示すように、光パルス強度が１００００Ｗの場合で、べき指数が最も小さくなる被写体反射率１の場合でも、べき指数は３を下回らない。したがって、このシミュレーション結果から、べき指数は３より大きく４以下であることが望ましいといえる。なお、図５では、光パルス強度の上限を１００００Ｗとしたが、照射角を広げた場合にはさらに高い値としてもよい。
　本実施形態では、微弱な信号光の検出を想定しているため、受光器は高感度であることが望ましい。受光器は、例えば、光電子増倍管でもよいし、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ：Single Photon Avalanche Diode）などのフォトンカウンタでもよい。また、受光部１０２は、光検出器をアレイ状に配置してもよく、レンズ等を備えた撮像装置としてもよい。また、発光部１０１は、単一波長のレーザでもよいし、波長帯域は赤外光としてもよい。受光部１０２は、発光部１０１の波長に合わせ、バンドパスフィルタを備えてもよい。
　＜距離測定シーケンスの変形例＞
　図６は距離測定シーケンスの変形例である。図６のシーケンスでは、図２のシーケンスの前段に、背景光判定期間を設けている。この場合、距離測定システム１０は、背景光の強度を検出する機能を備えている。一般に、信号光の総光強度が背景光よりきわめて高い状況では、信号光の検出確率は距離の２乗に反比例することが知られている。このため、発光の総光強度を距離に対して変化させる場合のべき関数の指数は、背景光強度に応じて変えることが好ましい。
　具体的には、背景光判定期間において、背景光の測定を行う（Ｓ２１）。そして、測定した背景光強度が、所定の判定基準より高いか否かを判定する（Ｓ２２）。背景光強度が所定の判定基準より高い場合は、発光条件の設定（Ｓ１２）において、発光の総光強度を距離に対して変化させる場合のべき関数の指数を、３より大きく４以下の第１値になるように設定する。一方、背景光強度が所定の判定基準より低い場合は、発光条件の設定において（Ｓ１２）、発光の総光強度を距離に対して変化させる場合のべき関数の指数を、２より大きく、先の第１値以下の値になるように設定する。
　なお、背景光判定期間における背景光の測定は、受光部１０２を用いて行ってもよいし、受光部１０２とは別の光検出器を設けて、この光検出器を用いて行ってもよい。また、受光部１０２を用いる場合には、背景光判定期間における背景光の測定結果を、信号Ａとして用いてもよい。
　＜受光部に用いる光検出器の構成例＞
　図７は受光部１０２に用いる光検出器の回路構成の一例である。図７の構成では、複数の光検出器１４がアレイ状に設けられている。なお、図７では、（２×２）個の光検出器１４が設けられているが、配置される個数は任意である。各光検出器１４は、それぞれ、フォトダイオード１ｄ、トランジスタＴｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５、および、容量Ｃ２を備える。また、図７の構成は、駆動部２１、信号処理回路２２、および、信号出力部２３を備える。
　トランジスタＴｒ２は、一端が電源Ｖｃに接続され、他端がトランジスタＴｒ３の一端に接続され、ゲートがフローティングディフュージョンＦＤ（以下、単に「ＦＤ」ということがある）に接続される。トランジスタＴｒ３は、ゲートに選択信号を受け、他端が信号出力線２６に接続される。トランジスタＴｒ４（転送トランジスタ）は、一端がフォトダイオード１ｄのカソードに接続され、ゲートに転送信号を受け、他端がＦＤに接続される。トランジスタＴｒ４は、フォトダイオード１ｄから出力された信号電荷を、転送信号にしたがって、ＦＤに転送する。トランジスタＴｒ５（リセットトランジスタ）は、一端が電源Ｖｄに接続され、他端がＦＤに接続され、ゲートにリセット信号を受ける。容量Ｃ２は、一端がＦＤに、他端が接地電源に接続される。
　駆動部２１は、各光検出器１４のトランジスタＴｒ５のゲートにリセット信号を与え、トランジスタＴｒ１を駆動させる。また、各光検出器１４のトランジスタＴｒ３のゲートに選択信号を出力し、トランジスタＴｒ３を駆動させる。信号処理回路２２は、信号出力線２６と接続され、各光検出器１４から出力される出力信号を受け、所定の処理を行い、信号出力部２３に信号を出力する。信号出力部２３は、例えば、ＰＣやディスプレイなどであり、信号処理回路２２から入力された信号に基づいて、数値データまたは画像データなどを出力する。
　ここで、光検出器１４が備えるフォトダイオード１ｄは、アバランシェフォトダイオードでもよいし、シングルフォトンアバランシェダイオードでもよい。この場合、電源Ｖｂの電圧を下げて（絶対値を上げて）、アバランシェ増倍が起こる逆バイアスをフォトダイオード１ｄに印加すればよい。
　図８は受光部１０２に用いる光検出器の回路構成の他の例である。図８の回路構成では、各光検出器１５は、図７に示す光検出器１４の構成に加えて、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ６、容量Ｃ３を備える。駆動部２１は、トランジスタＴｒ１のゲートにリセット信号ＲＳＴ１を与え、トランジスタＴｒ５のゲートにリセット信号ＲＳＴ２を与え、トランジスタＴｒ３のゲートに選択信号ＳＥＬを与える。
　トランジスタＴｒ１（リセットトランジスタ）は、一端が電源Ｖａに接続され、他端がフォトダーオード１ｄのカソードに接続され、ゲートにリセット信号ＲＳＴ１を受ける。トランジスタＴｒ６は、一端がＦＤに接続され、ゲートにカウント信号ＣＮＴを受け、他端が容量Ｃ３の一端に接続されている。容量Ｃ３は、他端が接地電源に接続されている。トランジスタＴｒ６（カウントトランジスタ）は、カウント信号ＣＮＴにしたがって、ＦＤに転送された信号電荷を、容量Ｃ３に蓄積させる。なお、容量Ｃ３は、容量Ｃ２の容量よりも大きくてもよい。
　ここで、図７および図８の回路構成では、トランジスタＴｒ１～Ｔｒ６のチャネルはＮ型であるものとしたが、トランジスタのチャネルはＰ型であってもよい。
　図９は図８の光検出器１５の動作を示すタイミングチャートである。図９では、１フレームに、第１リセット期間と、複数（図９では、３つ）のサブフレームと、読出期間とが含まれる。このサブフレームには、露光・転送期間、蓄積期間および第２リセット期間が含まれる。光検出器１５は、１フレーム内の動作を繰り返し実行する。なお、１フレームにサブフレームが２以上含まれてもよい。
　第１リセット期間では、リセット信号ＲＳＴ１がハイレベルであり、選択信号ＳＥＬがローレベルであり、転送信号ＴＲＮがローレベルであり、リセット信号ＲＳＴ２がローレベルであり、カウント信号ＣＮＴがハイレベルであるため、トランジスタＴｒ１がオン状態となり、トランジスタＴｒ３がオフ状態となり、トランジスタＴｒ４がオフ状態となり、トランジスタＴｒ５がオン状態となり、トランジスタＴｒ６がオン状態となる。これにより、リセット期間では、フォトダイオード１ｄが電源Ｖａの電圧値にリセットされ、ＦＤおよび容量Ｃ３の電圧値が、電源Ｖｄの電圧値にリセットされる。なお、リセット期間において、フォトダイオード１ｄ、ＦＤおよび容量Ｃ３を同時にリセットしているが、リセット期間内に、これらをリセットする期間を別々に設けてもよい。
　露光・転送期間では、リセット信号ＲＳＴ１がローレベルであり、選択信号ＳＥＬがローレベルであり、転送信号ＴＲＮがハイレベルであり、リセット信号ＲＳＴ２がローレベルであり、カウント信号ＣＮＴがローレベルであるため、トランジスタＴｒ１がオフ状態となり、トランジスタＴｒ３がオフ状態となり、トランジスタＴｒ４がオン状態となり、トランジスタＴｒ５がオフ状態となり、トランジスタＴｒ６がオフ状態となる。これにより、露光・転送期間では、フォトダイオード１ｄが入射光を受けるとアバランシェ増倍により信号電荷を生成する（露光する）ため、フォトダイオード１ｄのカソード電圧が変化する。また、フォトダイオード１ｄにより生成された信号電荷が、トランジスタＴｒ４およびＦＤを介して、容量Ｃ２に転送されるため、容量Ｃ２の電圧値が変化する。なお、露光・転送期間では、フォトダイオード１ｄの露光とＦＤへの信号電荷の転送とが同時に行われるが、露光・転送期間内において、フォトダイオード１ｄの露光期間と、信号電荷の転送期間とを別々に設けてもよい。
　蓄積期間では、リセット信号ＲＳＴ１がローレベルであり、選択信号ＳＥＬがローレベルであり、転送信号ＴＲＮがローレベルであり、リセット信号ＲＳＴ２がローレベルであり、カウント信号ＣＮＴがハイレベルであるため、トランジスタＴｒ１がオフ状態となり、トランジスタＴｒ３がオフ状態となり、トランジスタＴｒ４がオフ状態となり、トランジスタＴｒ５がオフ状態となり、トランジスタＴｒ６がオン状態となる。これにより、蓄積期間では、容量Ｃ２に蓄積された信号電荷が、ＦＤおよびトランジスタＴｒ６を介して容量Ｃ３に転送され、容量Ｃ３に蓄積される。
　第２リセット期間では、リセット信号ＲＳＴ１がハイレベルであり、選択信号ＳＥＬがローレベルであり、転送信号ＴＲＮがローレベルであり、リセット信号ＲＳＴ２がローレベルであり、カウント信号ＣＮＴがローレベルであるため、トランジスタＴｒ１がオン状態となり、トランジスタＴｒ３がオフ状態となり、トランジスタＴｒ４がオフ状態となり、トランジスタＴｒ５がオフ状態となり、トランジスタＴｒ６がオフ状態となる。これにより、第２リセット期間では、フォトダイオード１ｄが電源Ｖａの電圧値にリセットされるため、次の露光期間におけるフォトダイオード１ｄの露光が可能となる。なお、第２リセット期間において、カウント信号ＣＮＴがローレベルとし、トランジスタＴｒ６をオン状態としてもよい。
　読出期間では、リセット信号ＲＳＴ１がローレベルであり、選択信号ＳＥＬがハイレベルであり、転送信号ＴＲＮがローレベルであり、リセット信号ＲＳＴ２がローレベルであり、カウント信号ＣＮＴがハイレベルであるため、トランジスタＴｒ１がオフ状態となり、トランジスタＴｒ３がオン状態となり、トランジスタＴｒ４がオフ状態となり、トランジスタＴｒ５がオフ状態となり、トランジスタＴｒ６がオン状態となる。これにより、読出期間では、容量Ｃ３に蓄積された信号電荷が、信号出力線２６を介して、信号処理回路２２に出力（読出）される。
　ここで、図８の光検出器１５は、光検出器１５の内部に設けられ、検出回数を記録するための第１メモリとしての容量Ｃ３を備える。容量Ｃ３には、発生した信号電荷を蓄積することができ、蓄積した電荷数は、フォトダイオード１ｄが光を検出した回数に応じて増加する。このため、容量Ｃ３は、光検出回数を保存することができる。
　信号保存部２４は、例えば第２メモリとしてのメモリであり、信号出力部２３から出力された信号を保存でき、光検出回数を保存することができる。ここで、容量Ｃ３は、光検出器１５内に設けられるため、面積が限られ、容量値が小さい。このため、記録できる検出回数の上限が小さく、必要な検出回数を記録できない懸念がある。一方、光検出器１５の外部に信号保存部２４を設けることによって、面積を大きくすることができ、記録できる検出回数を増やすことができる。
　特に、背景光が大きい場合には、遠方での必要な検出回数が多くなるため、信号保存部２４を利用することが好ましい。また、背景光が小さい場合には、第１メモリとしての容量Ｃ３を使用し、背景光が大きい場合には、第２メモリとしての信号保存部２４を使用してもよい。
　また、複数の光検出器１５の検出回数を加算する処理を行ってもよい。これにより、検出回数を増やすことが可能である。
　また、光検出器の回路構成は、図７および図８に示すものに限られるものではない。例えば、第１メモリとして、複数の容量を備えてもよい。また、容量は、金属-絶縁体-金属間容量（ＭＩＭ；Metal-Insulator-Metal）であってもよいし、その他のメモリ素子であってもよい。
　図１０は図８の光検出器のデバイス構造の例を示す断面図である。図１０では、半導体チップ１は、第１半導体基板、第２半導体基板、レンズ層および配線層を含み、半導体チップ１には複数の光検出器１５が構成されている。
　具体的に、第１半導体基板の第２主面Ｓ２側に、レンズ層が設けられている。また、第１半導体基板の第１主面Ｓ１および第２半導体基板の第３主面Ｓ３の間に、配線層が設けられている。
　第１半導体基板は、フォトダイオード１ｄを構成する第１半導体層１１１～第４半導体層１１４を含む。また、隣接する第２半導体層１１２の間には、図面上下方向に延びるトレンチ１７１が形成されている。図示は省略するが、トレンチ１７１は、光検出器１５の第２半導体層１１２同士を区切るように、平面視において格子状に形成されている。トレンチ１７１を、入射光を反射する材料で形成することにより、隣接する光検出器１５間のクロストークを抑制することができる。
　また、第２半導体基板には、第１ウェル１２１、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４が形成されている。トランジスタＴｒ１，Ｔｒ４は、配線層に形成された第１配線１３１を介して、第１半導体層１１１と接続されている。なお、図示は省略するが、図８の各トランジスタは、第２半導体基板に形成されている。
　また、配線層には、反射板１７２が形成されている。反射板１７２は、入射光を反射する材料で形成されている。これにより、各光検出器１５に入射される入射光を、フォトダイオード１ｄに入射させやすくなっている。
　図１０では、第１半導体基板にフォトダイオード１ｄが形成され、第２半導体基板および配線層にトランジスタや配線などの回路が構成される。これにより、フォトダイオード１ｄと回路部分とを別々に製造することができる。また、トランジスタや配線などが別の基板（第２半導体基板）に構成されるため、フォトダイオード１ｄの開口率を上げることができ、光の利用効率を向上させることができる。
　また、フォトダイオード１ｄを第１半導体基板に形成し、回路を第２半導体基板に形成することによって、第１メモリを大面積化し、大容量化することができる。これにより、検出回数の上限を大きくすることが可能になる。
　また、第１メモリとして、各光検出器にランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を設けてもよい。また、半導体層は２層だけでなく、３層以上としてもよい。これにより、第１メモリをさらに大容量化して、検出回数の上限を大きくすることができる。
　図１５は受光部１０２に用いる光検出器の回路構成の他の例である。光検出器１６は、フォトダイオード１ｄと、トランジスタＴｒ６と、時間計測部３０とを備える。時間計測部３０は、比較器３１、Time-to-Digital Converter(ＴＤＣ)回路３２、および、出力回路３３を備える。なお、ここでは図示していないが、ＴＤＣ回路３２を制御する制御部を設け、ＴＤＣ回路を動作させるか否かを制御するようにしてもよい。
　トランジスタＴｒ６はクエンチング抵抗として機能し、フォトダイオード１ｄにおけるアバランシェ増倍をクエンチングする。クエンチング完了後はフォトダイオード１ｄの電圧をリチャージする。トランジスタＴｒ６はクエンチング及びリチャージの機能を有していればよく、これに代えて例えば、抵抗またはコイルでも良い。また、図１５では、トランジスタＴｒ６のチャネル極性はＮ型であるが、Ｐ型であってもよい。
　時間計測部３０は、フォトダイオード１ｄからの信号を検出した時刻を記録し、出力する。比較器３１は、あらかじめ設定した閾値を超える信号が入力されると、その期間のみ出力を変化させる。ＴＤＣ回路３２は、比較器３１の出力が変化した時刻を、出力回路３３に出力する。出力回路３３はメモリを有しており、ＴＤＣ回路３２からの出力をメモリに記録し、必要に応じた演算を行い、演算結果を出力する。
　なお、図１５では、出力回路３３を各光検出器１６内に設けているが、出力回路３３を複数の光検出器１６で共有してもよく、出力回路３３の一部または全部を信号処理回路と統合しても良い。ここで、比較器３１は例えばインバータであり、メモリは例えば、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory)である。また、図１５におけるＴＤＣ回路３２は、時刻を信号に変換する機能を有する他の回路構成と代えてもよい。例えば、Time-to-Analog Converter回路を用いてもよい。
　また、図１５において、時間計測部３０はフォトダイオード１ｄのカソードに接続されているが、アノードに接続されるとしてもよい。フォトダイオード１ｄからの信号は、例えばフォトダイオード１ｄのカソードの電圧変化である。
　図１６は図１５の回路の時間計測動作における信号変化の一例を示す。ここで、時間計測動作とは、フォトダイオード１ｄの出力（例えばカソードの電圧変化）が変化した時刻を時間計測部３０にて記録する動作を指す。図１６では、横軸を時間としており、出射光の光強度、出射光が被写体に反射し、受光部に到達するときの反射光の光強度、図１５における点Ａの電圧、図１５における点Ｂの電圧、および、図１５に示すＴＤＣ回路３２を制御する制御信号を示す。また、図１６の最下段には、クロック周期に対応する刻みを入れた横線を記載している。矢印で示した時刻はそれぞれ、０）出射光射出の時刻、１）ＴＤＣ回路３２の動作開始時刻、２）反射光の検出時刻、３）ＴＤＣ回路３２の動作終了時刻を示している。
　また、図１６において、「Ｈ」は光強度が高い、または電圧が高いことを意味し、「Ｌ」は光強度が低い、または電圧が低いことを意味する。ただし、回路構成やトランジスタのチャネル極性によっては、「Ｈ」と「L」が図１６と異なってもよい。また、背景光が存在する環境を想定しており、点Ａの電圧を示す部分では、背景光または信号光を検出したタイミングを矢印で示している。
　光を検出すると、フォトダイオード１ｄは、アバランシェ増倍及びクエンチングによって、電圧がＨからＬに急峻に変化する。また、横方向の破線は比較器３１の電圧閾値を示しており、点Ａの電圧が電圧閾値を下回ると、比較器３１の出力である点Ｂの電圧がＬからＨに変化する。点Ａの電圧は、Ｌになった後、ある時定数でＬからＨにリチャージされる。このとき、点Ａの電圧が電圧閾値を上回ると点Ｂの電圧がＨからＬに変化する。
　ＴＤＣ回路３２は、ＴＤＣ回路３２の制御信号がＨのときのみ動作し、時刻１）から時刻３）までが動作期間になる。ＴＤＣ回路３２は、制御信号がＨになってから、初めて比較器３１の出力（すなわち点Ｂの電圧）がＨになるまでの時刻を出力する。図１６では、時刻１）から時刻２）までの時間τ02を出力する。時刻０）から時刻１）までの時間τ01は予め設定されており、物体までの距離は、
　ｃ*(τ01＋τ02)／２　(ｃは光速)
によって算出する。時刻３）は、時刻０）から時刻３）までの時間τ03が、距離測定を行いたい最長距離ｃ*τ03／２に一致するように設定する。図１６では、時刻０）と時刻１）を異なる時刻としているが、これにより、距離ｃ*τ01／２より近方の物体からの反射光による影響を避けることができる。ただし、時刻０）と時刻１）を同じ時刻としてもよい。
　この際、射出するパルス光の、光強度とパルス幅とパルス数との積を、測定する距離を変数とするべき関数に従って変化させ、べき関数のべき指数を、３より大きく、４以下に設定することが望ましい。特に、距離測定を行いたい最長距離は、時刻０）から時刻３）の時間τ03に比例するため、射出するパルス光の、光強度とパルス幅とパルス数との積を、τ03を変数とするべき関数に従って変化させ、べき関数のべき指数を、３より大きく、４以下に設定してもよい。
　なお、図１６では、パルス光射出の回数（パルス数）が１回の場合を図示しているが、図１６の動作を複数回繰り返すなどの方法によって、パルス数を増加させて良い。本実施例では、光検出の時刻をデジタル値で記録でき、距離分解能を高めることができる場合がある。
　図１７は出力回路の動作の一例として、図１６に示す動作を複数回行い、時刻１）から時刻２）までの時間を複数記録し、ヒストグラム処理を行う例を示す。図１６では、一度の動作につき光パルスは１発なので、図１６に示す動作の回数（繰り返し回数）は光パルス数に相当する。図１７では、一段目に反射光の光強度を示し、二段目に、図１６に示す動作の繰り返し回数が少ない場合のヒストグラムの例を示し、三段目に繰り返し回数が多い場合のヒストグラムの例を示す。
　また、横軸の範囲は、ＴＤＣ回路３１の制御信号がＨになっている範囲を示しており、横軸の原点が図１６の時刻１）に相当する。ここで、横軸にτ01だけオフセットを与えて、時刻０）を横軸の原点として表示してもよく、表示の方法は限定しない。
　ここでは、背景光が存在する環境下で、かつ、反射光は必ず毎回検出できるわけではなく、ある一定の確率で検出できる場面を想定しており、ヒストグラムには背景光による信号と、反射光による信号の両方が寄与する場合を想定している。反射光の光強度がＬの期間における光検出回数は、背景光のみによる光検出回数に相当し、反射光の光強度がＨの期間における光検出回数は、背景光および反射光の光強度の和による光検出回数に相当する。繰り返し回数が少ない場合には、光検出回数が少なく、反射光による光検出と背景光に由来する信号光の切り分けが難しい。繰り返し回数を増加すると、光検出回数が増加するため、反射光の光強度がＬの期間における光検出回数と、反射光の光強度がＨの期間における光検出回数との差が明瞭になり、反射光が帰還する時刻をより正確に測定できる。
　出射光の光強度とパルス幅が一定の場合には、繰り返し回数は、時間０）から時間３）までの時間を変数とするべき関数に従って変化させ、べき関数のべき指数を、３より大きく、４以下に設定すればよい。これにより、最も効率的な距離測定が可能になり、距離測定に要する時間を短縮することができる。　なお、上述した本開示に係る距離測定システムは、いわゆるサブレンジ方式であるものとしてもよい。具体的には、本開示に係る距離測定システムは、例えば、撮像の対象となる空間、すなわち撮像領域を、奥行き方向における基準点からの距離に基づいて複数の距離ゾーン（区間と称する）に分割し、各距離ゾーンについて、照射光の反射光量に基づく区間画像を生成する。そして、これら複数の区間画像（区間画像セットと称する）を基にして、距離画像を生成する。
　図１１はサブレンジ方式における、発光、反射光、露光のタイミングの組の一例を示した図である。Ｆ１は１フレームの時間、Ｔｔ１は発光パルス幅、Ｔｓ１，Ｔｓ２，Ｔｓ３，…，Ｔｓｎは距離区間１，２，３，…，ｎに対応する区間の時間幅、Ｔｍ１，Ｔｍ２，Ｔｍ３，…，Ｔｍｎは測定期間の時間幅、Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，…，Ｔｒｎは露光を行う時間幅である。図１１では、Ｔｔ１とＴｓ１～ＴｓｎとＴｒ１～Ｔｒｎの幅を同じとしているが、必ずしも同じでなくても良い。また、測定期間ごとに、Ｔｔ１とＴｓ１～ＴｓｎとＴｒ１～Ｔｒｎの幅を任意に変更してよい。また、図１１では、各測定期間につき、発光は１回のみとしているが、発光を複数回の繰り返し行ってよい。
　また、このときには、光強度とパルス幅とパルス数との積が、区間に対応する距離に応じて距離のべき関数で変化させることが好ましく、背景光がある環境下において、べき指数は３より大きく４以下であることが好ましい。例えば、光強度とパルス幅を一定にする場合には、パルス数、すなわち、発光の繰り返し回数を区間に対応する距離に応じて距離のべき関数で変化させ、べき指数は３より大きく４以下とすればよい。
　第ｉ(ｉ=１，２，３，…，ｎ)測定期間には、距離区間ｉにおける被写体の有無を判定する。被写体までの距離に応じて、発光に対して反射光が一定の時間遅れで帰還する。図１１の例では、区間２と区間３にまたがって反射光が帰還している。反射光が帰還する時間と露光を行う時間に重複がある場合、重複の時間に応じた光強度の信号を検出し、反射光の帰還する時間と露光を行う時間に重複がない場合、背景光に応じた信号を検出する。
　図１２は図１１の各距離区間での信号強度のシミュレーションの一例を示した図である。濃い網掛けは背景光に由来する信号強度、薄い網掛けは発光に由来する信号強度に対応する。このシミュレーションは、図１１に示したように、区間２と区間３にまたがって信号光が帰還した場合の例である。この場合、区間２，３以外の区間では、背景光の信号強度が得られ、区間２，３では、発光による信号光の信号強度が得られる。
　図１３はサブレンジ方式での距離測定シーケンスの一例である。図１３のシーケンスは、図６のシーケンスと対比すると、条件設定期間において、距離設定と共に区間設定を行い、背景光測定期間はなく、信号光測定期間は、第ｉ測定期間に置き換えられ、ｎ回繰り返される。また、判定期間では、被写体の有無の判定及び距離判定の両方を行う。サブレンジ方式の場合には、反射光が帰還しない区間の信号強度を背景光の信号強度として用いることが可能であるため、背景光測定期間を必要としない。
　図１４は判定期間における被写体の有無判定及び距離判定のアルゴリズムの一例である。距離算出部１０５は、受光部１０２から複数の分割期間Ｔｓに対応する複数の画素信号を取得する（Ｐ１）。距離算出部１０５は、区間判定部と区間距離算出部を備える。区間判定部は、１つのフレームＦ１内の複数の分割期間Ｔｓそれぞれにおける画素信号の信号レベルを抽出する（Ｐ２）。区間判定部は、複数の分割期間Ｔｓの画素信号の信号レベルのうち、最も高い信号レベル、及び２番目に高い信号レベルを除く残りの信号レベルの平均値Ａｖ及び標準偏差σを算出する（Ｐ３）。区間判定部は、平均値Ａｖ及び標準偏差σを用いて、閾値Ｔｈを算出する（Ｐ４）。
　区間判定部は、各分割期間Ｔｓにおける画素信号の信号レベルと閾値Ｔｈとを比較する（Ｐ５）。各分割期間Ｔｓにおける画素信号の信号レベルが閾値Ｔｈ未満である場合（Ｐ５：Ｎｏ）、区間判定部は、測定可能距離内に対象物が存在しないと判定する（Ｐ６）。複数の分割期間Ｔｓにおける画素信号に、信号レベルが閾値Ｔｈ以上の画素信号が含まれている場合（Ｐ５：Ｙｅｓ）、区間判定部は、測定可能距離内に対象物が存在すると判定する（Ｐ７）。区間判定部は、複数の距離区間のうち、対象物が存在する距離区間を判定する（Ｐ８）。ここでは、対象物が２つの距離区間（前段距離区間、後段距離区間）にわたって存在しているとする。
　上記のように、サブレンジ方式においては、図１４のＰ３において、背景光の信号強度を算出することができる。算出した背景光の信号強度を用いることで、背景光の強度を算出し、各距離区間における発光・受光の条件設定を行うことができる。
　ここで、上述の通り、遠方の距離に相当する区間では、発光と露光の繰り返し回数を増やす場合があり、その場合には、背景光による信号強度は発光と露光の繰り返し回数に応じて増大する。この場合には、検出した信号強度を発光回数と露光回数に応じて規格化することが好ましい。具体的には、図１４のＰ４において、信号強度を発光・露光の回数で除算した値を用いて、平均値Ａｖおよび標準偏差σを算出すればよい。
　サブレンジ方式では、所定の区間のみ露光を行うため、背景光の検出を抑制することができる。これにより、背景光の影響の少ない距離測定が可能になり、より遠方まで距離測定を行うことができる。
　本発明に係る距離測定システムは、パルス光の光強度を測定する距離に応じて適切に設定することができるので、例えば、距離測定の精度向上に有用である。
１ｄ　フォトダイオード
１０　距離測定システム
１４，１５　光検出器
２４　信号保存部（第２メモリ）
６０　測定対象物
１０１　発光部
１０２　受光部
１０３　制御部
１０５　距離算出部
ＡＡ　パルス光
ＢＢ　反射光
Ｃ３　容量（第１メモリ）
ＦＤ　フローティングディフュージョン
Ｔｒ１～Ｔｒ６　トランジスタ

Claims (9)

  1. 　背景光環境下において使用される距離測定システムであって、
    　パルス光を発光する発光部と、
    　対象物において反射された前記パルス光を受光する受光部と、
    　前記発光部および前記受光部の動作を制御する制御部と、
    　前記パルス光が前記受光部に帰還するまでの時間に基づき、前記対象物までの距離を算出する距離算出部とを備え、
    　前記制御部は、前記パルス光の、光強度とパルス幅とパルス数との積を、測定する距離を変数とするべき関数に従って変化させるものであり、前記べき関数のべき指数を、３より大きく、４以下である第１値に設定する
    距離測定システム。
  2. 　請求項１記載の距離測定システムにおいて、
    　背景光の強度を検出する機能を備え、
    　前記制御部は、検出した前記背景光の強度が所定基準を下回るとき、前記べき関数のべき指数を、２より大きく、前記第１値以下の値に設定する
    距離測定システム。
  3. 　請求項１記載の距離測定システムにおいて、
    　前記受光部は、アレイ状に配置された複数の光検出器を備え、
    　前記発光部は、前記パルス光として、拡散光を発光する
    距離測定システム。
  4. 　請求項３記載の距離測定システムにおいて、
    　前記光検出器は、フォトンカウンタ、または、シングルフォトンアバランシェダイオード（ＳＰＡＤ）を含む
    距離測定システム。
  5. 　請求項３記載の距離測定システムにおいて、
    　前記光検出器は、それぞれ、当該光検出器の内部に設けられ、光の検出回数を記録する第１メモリを備え、
    　前記受光部は、前記光検出器の外部に設けられ、光の検出回数を記録する第２メモリを備える
    距離測定システム。
  6. 　請求項５記載の距離測定システムにおいて、
    　背景光を測定する場合において、背景光の強度が大きい場合は、前記第２メモリを使用し、背景光の強度が小さい場合は、前記第１メモリを使用する
    距離測定システム。
  7. 　請求項５記載の距離測定システムにおいて、
    　前記第１メモリは、金属－絶縁体－金属間容量（ＭＩＭ）である
    距離測定システム。
  8. 　請求項３記載の距離測定システムにおいて、
    　前記光検出器は、フォトダイオードと、リセットトランジスタと、フローティングディフュージョンと、転送トランジスタと、カウントトランジスタとを備える
    距離測定システム。
  9. 　請求項１記載の距離測定システムにおいて、
    　撮像領域を距離に基づいて複数の区間に分割し、各区間について区間画像を生成し、これら複数の区間画像を基にして、距離画像を生成する
    距離測定システム。
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