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公開番号2024041961
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-03-27
出願番号2024005719,2021551036
出願日2024-01-17,2019-10-10
発明の名称距離画像撮像装置、及び距離画像撮像方法
出願人TOPPANホールディングス株式会社,国立大学法人静岡大学
代理人個人,個人,個人,個人
主分類G01S 7/4863 20200101AFI20240319BHJP(測定;試験)
要約【課題】サブフレームの数を増やす方法とは異なる方法にて、見かけ上のタップ数を増やす。
【解決手段】複数の画素のそれぞれが予め定められた二以上のグループのいずれかに分類され、タイミング制御部は、前記二以上のグループのそれぞれに属する画素において照射タイミングに対する蓄積タイミングがグループごとに互いに異なり、光パルスが照射される前の外光蓄積期間に第1グループに属する画素における第1電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、前記第1グループに属する画素の第2電荷蓄積部と第3電荷蓄積部に反射光と外光成分に対応する電荷が蓄積され、第2グループに属する画素の3つの前記電荷蓄積部に前記外光成分又は反射光と外光成分を含む光に対応する電荷が蓄積され、照射タイミングに応じて画素が備える前記電荷蓄積部の全てに対する電荷の蓄積が完了した後に、次の照射タイミングが到来するように制御する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
測定空間に光パルスを照射する光源部と、
入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子、及び電荷を蓄積する３つ以上の電荷蓄積部を具備し二次元の行列状に複数配置された複数の画素と、前記光パルスの照射が開始される照射タイミングに同期させた所定の蓄積タイミングで前記電荷蓄積部のそれぞれに電荷を振り分けて蓄積させる画素駆動回路と、を有する受光部と、
前記蓄積タイミングを制御するタイミング制御部と、
前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を演算する距離演算部と、
を備え、
前記複数の画素のそれぞれが予め定められた二以上のグループのいずれかに分類され、
前記タイミング制御部は、
前記二以上のグループのそれぞれに属する画素において前記照射タイミングに対する前記蓄積タイミングが、グループごとに互いに異なり、
前記光パルスが照射される前の外光蓄積期間に、前記二以上のグループのうち第１グループに属する画素における第１電荷蓄積部に、前記光パルスの反射光が含まれない外光成分に対応する電荷を蓄積させ、
前記第１グループに属する画素の第２電荷蓄積部と第３電荷蓄積部に前記反射光と前記外光成分を含む光に対応する電荷が蓄積され、前記第１グループとは異なる第２グループに属する画素の３つの前記電荷蓄積部に前記外光成分又は前記反射光と前記外光成分を含む光に対応する電荷が蓄積され、
前記照射タイミングに応じて前記二以上のグループのそれぞれに属する画素が備える前記電荷蓄積部の全てに対する電荷の蓄積が完了した後に、次の前記照射タイミングが到来するように制御する、
距離画像撮像装置。
続きを表示（約 3,100 文字）【請求項２】
前記タイミング制御部は、
前記照射タイミングより後の前記蓄積タイミングで電荷が蓄積される前記電荷蓄積部のそれぞれに電荷を蓄積する蓄積時間の合計について、前記照射タイミングからの遅延時間が小さいほど前記合計が小さく、前記遅延時間が大きいほど前記合計が大きくなるように制御する、
請求項１に記載の距離画像撮像装置。
【請求項３】
前記画素における複数の前記電荷蓄積部は、第１電荷蓄積部、第２電荷蓄積部、および第３電荷蓄積部の、３個の前記電荷蓄積部からなり、
前記タイミング制御部は、
前記照射タイミングから前記光パルスを照射する照射期間が終了するまでの第１反射光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第１電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、
前記第１反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が経過するまでの第２反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第２電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させ、前記第２グループに属する画素における第２電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させ、
前記第２反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が経過するまでの第３反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第３電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させ、前記第２グループに属する画素における第３電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させる、
請求項２に記載の距離画像撮像装置。
【請求項４】
前記画素における複数の前記電荷蓄積部は、第１電荷蓄積部、第２電荷蓄積部、および第３電荷蓄積部の、３個の前記電荷蓄積部からなり、
前記タイミング制御部は、
前記外光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第１電荷蓄積部に、電荷を蓄積させ、
前記照射タイミングから前記光パルスを照射する照射期間が終了するまでの第１反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第２電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、
前記第１反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が経過するまでの第２反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第３電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、
前記光パルスの照射が開始されてから前記照射期間が経過する前のタイミングから前記照射期間が終了するまでの第１半反射光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第２電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、
前記第１半反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が終了するまでの第２半反射光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第３電荷蓄積部に電荷を蓄積させる、
請求項２に記載の距離画像撮像装置。
【請求項５】
前記画素における複数の前記電荷蓄積部は、第１電荷蓄積部、第２電荷蓄積部、および第３電荷蓄積部の、３個の前記電荷蓄積部からなり、
前記タイミング制御部は、
前記照射タイミングから前記光パルスを照射する照射期間が終了するまでの第１反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第２電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、
前記第１反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が経過するまでの第２反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第３電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、
前記外光蓄積期間の開始から前記照射期間に相当する時間が経過する前のタイミングから前記照射期間に相当する時間が終了するまでの半遅延外光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第１電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、
前記半遅延外光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が終了するまでの第１半反射光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第２電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させ、
前記第１半反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が終了するまでの第２半反射光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第３電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させる、
請求項１に記載の距離画像撮像装置。
【請求項６】
前記画素における複数の前記電荷蓄積部は、第１電荷蓄積部、第２電荷蓄積部、および第３電荷蓄積部の、３個の前記電荷蓄積部からなり、
前記タイミング制御部は、
前記照射タイミングから前記光パルスを照射する照射期間が終了するまでの第１反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第２電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、
前記第１反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が経過するまでの第２反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第３電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、
前記第１反射光蓄積期間の開始から前記照射期間に相当する時間が経過する前のタイミングから前記照射期間に相当する時間が終了するまでの第１半反射光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第１電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、
前記第１半反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が終了するまでの第２半反射光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第２電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させ、
前記第２半反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が終了するまでの第３半反射光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第３電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させる、
請求項２に記載の距離画像撮像装置。
【請求項７】
測定空間に光パルスを照射する光源部と、入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子、及び電荷を蓄積する３つ以上の電荷蓄積部を具備し二次元の行列状に複数配置された複数の画素と、前記光パルスの照射が開始される照射タイミングに同期させた所定の蓄積タイミングで前記電荷蓄積部のそれぞれに電荷を振り分けて蓄積させる画素駆動回路と、を有する受光部と、前記蓄積タイミングを制御するタイミング制御部と、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を演算する距離演算部と、を備える距離画像撮像装置が行う距離画像撮像方法であって、
前記複数の画素のそれぞれが予め定められた二以上のグループのいずれかに分類され、
前記タイミング制御部は、
前記二以上のグループのそれぞれに属する画素において前記照射タイミングに対する前記蓄積タイミングが、グループごとに互いに異なり、
前記光パルスが照射される前の外光蓄積期間に、前記二以上のグループのうち第１グループに属する画素における第１電荷蓄積部に、前記光パルスの反射光が含まれない外光成分に対応する電荷を蓄積させ、
前記第１グループに属する画素の第２電荷蓄積部と第３電荷蓄積部に前記反射光と前記外光成分を含む光に対応する電荷が蓄積され、前記第１グループとは異なる第２グループに属する画素の３つの前記電荷蓄積部に前記外光成分又は前記反射光と前記外光成分を含む光に対応する電荷が蓄積され、
前記照射タイミングに応じて前記二以上のグループのそれぞれに属する画素が備える前記電荷蓄積部の全てに対する電荷の蓄積が完了した後に、次の前記照射タイミングが到来するように制御する、
距離画像撮像方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離画像撮像装置、及び距離画像撮像方法に関する。
続きを表示（約 2,900 文字）【背景技術】
【０００２】
従来から、光の速度が既知であることを利用し、光の飛行時間に基づいて被写体との距離を測定する、タイム・オブ・フライト（ＴｉｍｅｏｆＦｌｉｇｈｔ、以下「ＴＯＦ」という）方式の距離画像撮像装置がある。距離画像撮像装置では、撮像装置と同様に、距離を測定するための光を検出する画素が二次元の行列状に複数配置され、被写体との間の２次元の距離の情報や、被写体の画像を取得（撮像）することができる。
【０００３】
このような距離画像撮像装置では、画素が備える複数の電荷蓄積部に振り分けられた電荷の比に基づいて、被写体によって反射してきたパルス光の遅れ時間を算出することによって、被写体との距離を測定することができる。このような複数の電荷蓄積部と電荷振り分け構造とを備える構成は、マルチタップ構成などと称される。特許文献１では、フレームごとに互いに異なるタイミングで電荷蓄積部に電荷を振分ける構成により、見かけ上のタップ数（電荷蓄積部の数）を増やし、距離分解能を低下させることなく、距離計測範囲を拡大させることができる技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１０－３２４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、距離計測範囲をさらに拡大させようとする場合に改善の余地があった。すなわち、遠方の範囲を測定可能とするためにフレームの数を増やすと、最初のフレームから最後のフレームまでの間隔が増大し、測定対象物が動体である場合に精度よく測定できなくなる可能性があった。
以下の説明においては、複数のフレームを用いて作成する１つの画像（１フレーム画像）における、１フレーム画像の作成に用いられた複数のフレームを、サブフレームと記載する。
また、遠方の範囲を測定可能とするための別の方法として、画素が備える電荷蓄積部の数を増やす方法が考えられる。この方法は、測定対象物が動体であっても、サブフレームを増やして測定する場合と比較して精度よく測定することが可能となるが、画素サイズが増大してしまう問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題に基づいてなされたものであり、サブフレームの数を増やす方法とは異なる方法にて、見かけ上のタップ数を増やすことができる距離画像撮像装置、および距離画像撮像方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、距離画像撮像装置は、測定空間に光パルスを照射する光源部と、入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子、及び電荷を蓄積する３つ以上の電荷蓄積部を具備し二次元の行列状に複数配置された複数の画素と、前記光パルスの照射が開始される照射タイミングに同期させた所定の蓄積タイミングで前記電荷蓄積部のそれぞれに電荷を振り分けて蓄積させる画素駆動回路と、を有する受光部と、前記蓄積タイミングを制御するタイミング制御部と、前記電荷蓄積部のそれぞれに蓄積された電荷量に基づいて、前記測定空間に存在する被写体までの距離を演算する距離演算部と、を備え、前記複数の画素のそれぞれが予め定められた二以上のグループのいずれかに分類され、前記タイミング制御部は、前記二以上のグループのそれぞれに属する画素において前記照射タイミングに対する前記蓄積タイミングが、グループごとに互いに異なり、前記光パルスが照射される前の外光蓄積期間に、前記二以上のグループのうち第１グループに属する画素における第１電荷蓄積部に、前記光パルスの反射光が含まれない外光成分に対応する電荷を蓄積させ、前記第１グループに属する画素の第２電荷蓄積部と第３電荷蓄積部に前記反射光と前記外光成分を含む光に対応する電荷が蓄積され、前記第１グループとは異なる第２グループに属する画素の３つの前記電荷蓄積部に前記外光成分又は前記反射光と前記外光成分を含む光に対応する電荷が蓄積され、前記照射タイミングに応じて前記二以上のグループのそれぞれに属する画素が備える前記電荷蓄積部の全てに対する電荷の蓄積が完了した後に、次の前記照射タイミングが到来するように制御する。
【０００８】
本発明によれば、上述した距離画像撮像装置において、前記タイミング制御部は、前記照射タイミングより後の前記蓄積タイミングで電荷が蓄積される前記電荷蓄積部のそれぞれに電荷を蓄積する蓄積時間の合計について、前記照射タイミングからの遅延時間が小さいほど前記合計が小さく、前記遅延時間が大きいほど前記合計が大きくなるように制御する。
【０００９】
本発明によれば、上述した距離画像撮像装置において、前記画素における複数の前記電荷蓄積部は、第１電荷蓄積部、第２電荷蓄積部、および第３電荷蓄積部の、３個の前記電荷蓄積部からなり、前記タイミング制御部は、前記照射タイミングから前記光パルスを照射する照射期間が終了するまでの第１反射光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第１電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、前記第１反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が経過するまでの第２反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第２電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させ、前記第２グループに属する画素における第２電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させ、前記第２反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が経過するまでの第３反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第３電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させ、前記第２グループに属する画素における第３電荷蓄積部に前記電荷を蓄積させる。
【００１０】
本発明によれば、上述した距離画像撮像装置において、前記画素における複数の前記電荷蓄積部は、第１電荷蓄積部、第２電荷蓄積部、および第３電荷蓄積部の、３個の前記電荷蓄積部からなり、前記タイミング制御部は、前記外光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第１電荷蓄積部に、電荷を蓄積させ、前記照射タイミングから前記光パルスを照射する照射期間が終了するまでの第１反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第２電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、前記第１反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が経過するまでの第２反射光蓄積期間に、前記第１グループに属する画素における第３電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、前記光パルスの照射が開始されてから前記照射期間が経過する前のタイミングから前記照射期間が終了するまでの第１半反射光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第２電荷蓄積部に電荷を蓄積させ、前記第１半反射光蓄積期間が終了したタイミングから前記照射期間に相当する時間が終了するまでの第２半反射光蓄積期間に、前記第２グループに属する画素における第３電荷蓄積部に電荷を蓄積させる。
（【００１１】以降は省略されています）

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