Title:
Distanzmessvorrichtung
Kind Code:
T5


Abstract:

Die Verarbeitungseinheit verlasst die Lichtquelleneinheit, moduliertes Licht in einer oder mehreren Emissionsperioden in einer Vielzahl von Ladeübertragungszyklen Cy innerhalb einer Rahmenperiode Tf ab Verbindung einer Akkumulierregion bis zu einem Rücksetzpotential bis zur nächsten Verbindung der Akkumulierregion zum Rücksetzpotential durch Steuern eines Rücksetzschalters zu emittieren, und erhöht die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy innerhalb einer Rahmenperiode Tf. Die Verarbeitungseinheit akkumuliert die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung in die Akkumulierregion durch Steuern der an die Übertragungselektrode in einer oder mehrerer Übertragungsperioden angelegten Spannung, die mit einer oder mehrerer Emissionsperioden synchronisiert ist. Die Verarbeitungseinheit ermittelt aus einer Sensoreinheit eine Vielzahl von Lesewerten entsprechend einer in der Akkumulierregion an einem anderen Punkt akkumulierten Ladungsmenge mit der Vielzahl von Ladungsübertragungszyklen Cy in einer Vielzahl von Lesezyklen entsprechend jedem der Vielzahl von Ladeübertragungszyklen Cy. Die Verarbeitungseinheit berechnet eine Distanz, basierend auf der Vielzahl von ermittelten Lesewerten.




Inventors:
Mase, Mitsuhito (Shizuoka, Hamamatsu-shi, JP)
Hiramitsu, Jun (Shizuoka, Hamamatsu-shi, JP)
Shimada, Akihiro (Shizuoka, Hamamatsu-shi, JP)
Application Number:
DE112016001944T
Publication Date:
02/15/2018
Filing Date:
04/08/2016
Assignee:
Hamamatsu Photonics K.K. (Shizuoka, Hamamatsu-shi, JP)
International Classes:



Attorney, Agent or Firm:
HOFFMANN - EITLE Patent- und Rechtsanwälte PartmbB, 81925, München, DE
Claims:
1. Distanzmessvorrichtung, die konfiguriert ist, eine Distanz zu einem Objekt durch ein Flugzeitverfahren zu ermitteln, wobei die Vorrichtung umfasst:
eine Lichtquelleneinheit, die konfiguriert ist, moduliertes Licht zu emittieren;
eine Sensoreinheit und eine Verarbeitungseinheit beinhaltet.
eine Sensoreinheit, die enthält: eine fotosensitive Region, die konfiguriert ist, eine Ladung in Übereinstimmung mit Einfallslicht zu erzeugen, eine Akkumulierregion, die konfiguriert ist, die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung zu akkumulieren, eine Transferelektrode, die zwischen der fotosensitiven Region und der Akkumulierregion vorgesehen ist und einen Rücksetzschalter, welcher zwischen der Akkumulierregion und einem Rücksetzpotential vorgesehen ist, und
eine Verarbeitungseinheit, die konfiguriert ist, die Distanz durch Steuern eines Emissionszeitpunktes des modulierten Lichts und Steuern der Sensoreinheit zu berechnen,
wobei die Verarbeitungseinheit
die Lichtquelleneinheit veranlasst, moduliertes Licht in einer oder mehreren Emissionsperioden in einer Vielzahl von Ladungstransferzyklen innerhalb einer Rahmenperiode ab Verbindung der Akkumulierregion zum Rücksetzpotential bis zur nächsten Verbindung der Akkumulierregion zum Rücksetzpotential durch Steuern des Rücksetzschalters zu emittieren, und die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus innerhalb einer Rahmenperiode erhöht,
die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung in der Akkumulierregion durch Steuern einer an die Transferelektrode in einer oder mehreren Übertragungsperioden angelegten Spannung, die mit der einen oder mehreren Emissionsperioden synchronisiert ist, akkumuliert,
aus der Sensoreinheit eine Vielzahl von Lesewerten entsprechend einer Ladungsmenge ermittelt, die in der Akkumulierregion an einem anderen Punkt akkumuliert ist, wobei die Vielzahl von Ladeübertragungszyklen in jedem einer Vielzahl von gelesenen Zyklen jedem der Vielzahl von Ladungsübertragungszyklen entsprechen, und
die Distanz auf Basis der Vielzahl von Lesewerten berechnet.

2. Distanzmessvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinheit die Anzahl von Emissionsperioden pro einem Ladungsübertragungszyklus durch Reduzieren eines Zyklus der Emissionsperiode erhöht.

3. Distanzmessvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Verarbeitungseinheit die Anzahl von Emissionsperioden pro einem Ladungsübertragungszyklus durch Verlängern einer Periode des Ladungsübertragungszyklus erhöht.

4. Distanzmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verarbeitungseinheit in Stufen die Anzahl von Emissionsperioden pro einem Ladungsübertragungszyklus erhöht.

5. Distanzmessvorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 3, wobei die Verarbeitungseinheit graduell die Anzahl von Emissionsperioden pro einem Ladungsübertragungszyklus erhöht.

6. Distanzmessvorrichtung gemäß einem von Ansprüchen 1 bis 5,
wobei die Sensoreinheit
eine erste Akkumulierregion und eine zweite Akkumulierregion als die Akkumulierregion enthält,
eine erste Übertragungselektrode, die zwischen der fotosensitiven Region und der ersten Akkumulierregion vorgesehen ist, und eine zweite Übertragungselektrode, die zwischen der fotosensitiven Region und der zweiten Akkumulierungsregion vorgesehen ist, als die Übertragungselektrode enthält,
einen ersten Rücksetzschalter, der zwischen der ersten Akkumulierregion und dem Rücksetzpotential vorgesehen ist, und einem zweiten Rücksetzschalter, der zwischen der zweiten Akkumulierregion und dem Rücksetzpotential vorgesehen ist, als den Rücksetzschalter beinhaltet, und
die Verarbeitungseinheit
die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung in die erste Akkumulierregion durch Steuern einer Spannung akkumuliert, die an die erste Übertragungselektrode in einer oder mehr ersten Übertragungsperioden angelegt wird, die mit einer oder mehr Emissionsperioden synchronisiert sind, und die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung in die zweite Akkumulierregion durch Steuern einer Spannung akkumuliert, die an die zweite Übertragungselektrode in einer oder mehreren zweiten Übertragungsperioden angelegt wird, die in Bezug auf ein oder mehrere ersten Übertragungs-Perioden phasen-umgekehrt sind, in einer Vielzahl von Ladungsübertragungszyklen innerhalb einer Rahmenperiode ab Verbindung der ersten Akkumulierregion und der zweiten Akkumulierregion mit dem Rücksetzpotential bis zur nächsten Verbindung der ersten Akkumulierregion und der zweiten Akkumulierregion mit dem Rücksetzpotential, durch Steuern des ersten Rücksetzschalters und des zweiten Rücksetzschalters,
aus der Sensoreinheit eine Vielzahl von ersten Lesewerten entsprechend einer in der ersten Akkumulierregion an einem anderen Punkt akkumulierten Ladungsmenge ermittelt, wobei die Vielzahl von Ladungsübertragungszyklen und eine Vielzahl von zweiten Lesewerten einer in der zweiten Akkumulierregion an dem Punkt akkumulierten Ladungsmenge entsprechen, in jeder einer Vielzahl von Lesezyklen entsprechend jedem der Vielzahl von Ladeübertragungszyklen, und
die Distanz berechnet, basierend auf der Vielzahl von ersten Lesewerten und der Vielzahl von zweiten Lesewerten.

7. Distanzmessvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei die Verarbeitungseinheit eine Summe des ersten Lesewerts des n-ten Lesezyklus und einen Differenzwert zwischen dem ersten Lesewert des n-ten Lesezyklus und dem ersten Lesewert des (n – 1)-ten Lesezyklus mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht, oder eine Summe des zweiten Lesewerts des n-ten Lesezyklus und eines Differenzwerts zwischen dem zweiten Lesewert des n-ten Lesezyklus und dem zweiten Lesewert des (n – 1)-ten Lesezyklus mit dem vorgegebenen Schwellenwert vergleicht, und wenn irgendeine der Summen den vorgegebenen Schwellenwert übersteigt, die Verarbeitungseinheit den Lesezyklus der (n + 1)-ten und nachfolgenden Lesezyklen stoppt, wobei „n“ die Reihenfolge der Vielzahl von Lesezyklen angibt.

8. Distanzmessvorrichtung gemäß Anspruch 6 oder 7,
wobei die Verarbeitungseinheit
einen ersten geschätzten Wert unter Verwendung eines Annäherungsausdrucks basierend auf der Vielzahl von ersten gelesenen Werten berechnet und einen zweiten Schätzwert unter Verwendung eines Annäherungsausdrucks basierend auf der Vielzahl von zweiten Lesewerten berechnet, und
die Distanz basierend auf dem ersten Schätzwert und dem zweiten Schätzwert berechnet.

Description:
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Distanzmessvorrichtung.

Hintergrund

Bekannte Flugzeit-(TOF, time-of-flight)Verfahren messen eine Distanz ab einem Objekt bis zu einem Bereichssensor durch Emittieren von gepulstem Licht aus einer Lichtquelle und Empfangen reflektierten Lichtes vom Objekt durch den Abstandssensor.

Patentliteratur 1 beschreibt eine Distanzmessvorrichtung, die auf dem TOF-Verfahren basiert. Die in Patentliteratur 1 beschriebene Vorrichtung weist eine Konfiguration zum Erweitern des effektiven dynamischen Bereichs des Abstandssensors auf. Diese Vorrichtung emittiert gepulstes Licht aus einer Lichtquelle und akkumuliert Ladungen, die auf einer Fotodiode des Abstandssensors erzeugt werden, in einem Kondensator. Wenn eine im Kondensator erzeugte Spannung eine Sättigungsspannung erreicht, setzt die oben beschriebene Vorrichtung die Spannung zurück und berechnet die Distanz auf Basis der Anzahl von Malen von Rücksetzen und der in dem Kondensator erzeugten Endspannung.

ZitatelistePatentliteratur

  • Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 2006-523074

Zusammenfassung der ErfindungTechnisches Problem

Eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Erfindung dient dazu, eine Distanzmessvorrichtung bereitzustellen, die zum Expandieren eines dynamischen Bereichs von Intensität von reflektiertem Licht in der Lage ist.

Problemlösung

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Distanzmessvorrichtung, die konfiguriert ist, eine Distanz zu einem Objekt durch ein Flugzeitverfahren zu ermitteln, wobei die Vorrichtung eine Lichtquelleneinheit, die konfiguriert ist, moduliertes Licht zu emittieren, eine Sensoreinheit und eine Verarbeitungseinheit beinhaltet.

Die Sensoreinheit enthält eine fotosensitive Region, die konfiguriert ist, eine Ladung in Übereinstimmung mit Einfallslicht zu erzeugen, eine Akkumulierregion, die konfiguriert ist, die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung zu akkumulieren; eine Transferelektrode, die zwischen der fotosensitiven Region und der Akkumulierregion vorgesehen ist und einen Rücksetzschalter, welcher zwischen der Akkumulierregion und einem Rücksetzpotential vorgesehen ist. Die Verarbeitungseinheit berechnet die Distanz durch Steuern eines Emissionszeitpunktes des modulierten Lichts und Steuern der Sensoreinheit. Die Verarbeitungseinheit veranlasst die Lichtquelleneinheit, moduliertes Licht in einer oder mehrerer Emissionsperioden in einer Vielzahl von Ladungstransferzyklen innerhalb einer Rahmenperiode ab Verbindung der Akkumulierregion zum Rücksetzpotential bis zur nächsten Verbindung der Akkumulierregion zum Rücksetzpotential durch Steuern des Rücksetzschalters zu emittieren, und erhöht die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus innerhalb einer Rahmenperiode. Die Verarbeitungseinheit akkumuliert die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung in der Akkumulierregion durch Steuern einer an die Transferelektrode in einer oder mehreren Übertragungsperioden angelegten Spannung, die mit der einen oder mehreren Emissionsperioden synchronisiert ist. Die Verarbeitungseinheit ermittelt aus der Sensoreinheit eine Vielzahl von Lesewerten entsprechend einer Ladungsmenge, die in der Akkumulierregion an einem anderen Punkt akkumuliert ist, wobei die Vielzahl von Ladeübertragungszyklen in jedem einer Vielzahl von gelesenen Zyklen jedem der Vielzahl von Ladungsübertragungszyklen entsprechen. Die Verarbeitungseinheit berechnet die Distanz auf Basis einer Vielzahl von Lesewerten.

In der Distanzmessvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erhöht die Verarbeitungseinheit die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus innerhalb einer Rahmenperiode. Das heißt, dass die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus zur Anfangszeit der einen Rahmenperiode klein ist und die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungstransferzyklus größer im späteren Verlauf der einen Rahmenperiode ist. Daher, selbst in einem Fall, bei dem die Intensität des reflektierten Lichts, das auf die Distanzmessvorrichtung einfällt, hoch ist (beispielsweise in einem Fall, bei dem das Objekt bei einer kurzen Distanz lokalisiert ist oder die Reflektanz des Objektes hoch ist), ist es unwahrscheinlich, dass eine Sättigung der akkumulierten Signalladungen am Anfangsbereich einer Rahmenperiode auftritt. Daher führt selbst im oben beschriebenen Fall die Distanzmessvorrichtung eine angemessene Distanzmessung durch. Selbst in einem Fall, bei dem die Intensität des auf die Distanzmessvorrichtung einfallenden reflektierten Lichts niedrig ist (beispielsweise in einem Fall, bei dem das Objekt bei einer langen Distanz lokalisiert ist oder wenn die Reflektanz des Objekts niedrig ist) wird eine Verknappung von akkumulierten Signalladungen verringert. Daher, selbst in dem Fall, der oben beschrieben ist, führt die Distanzmessvorrichtung angemessene Distanzmessung durch. Als Ergebnis ist es bei der Distanzmessvorrichtung gemäß dem einen Aspekt möglich, den dynamischen Bereich der Intensität des reflektierten Lichts ohne Ändern einer Rahmenperiode zu expandieren.

Die Verarbeitungseinheit kann die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus durch Reduzieren eines Zyklus der Emissionsperiode steigern. Darüber hinaus kann die Verarbeitungseinheit die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus durch Erhöhen einer Periode des Ladungsübertragungszyklus vergrößern.

Die Verarbeitungseinheit kann in Stufen die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus erhöhen. Darüber hinaus kann die Verarbeitungseinheit graduell die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus steigern.

Die Sensoreinheit kann eine erste Akkumulierregion und eine zweite Akkumulierregion als die Akkumulierregion beinhalten. Die Sensoreinheit kann als die Übertragungselektrode eine erste Übertragungselektrode, die zwischen der fotosensitiven Region und der ersten Akkumulierregion vorgesehen ist, und eine zweite Übertragungsperiode, welche zwischen der fotosensitiven Region und der zweiten Akkumulierregion vorgesehen ist, beinhalten. Die Sensoreinheit kann als Rücksetzschalter einen ersten Rücksetzschalter, der zwischen der ersten Akkumulierregion und dem Rücksetzpotential vorgesehen ist, und einen zweiten Rücksetzschalter, der zwischen der zweiten Akkumulierregion und dem Rücksetzpotential vorgesehen ist, beinhalten. In welchen Fällen die Verarbeitungseinheit die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung in die erste Akkumulierregion akkumuliert, durch Steuern einer an die erste Übertragungselektrode in einer oder mehreren ersten Übertragungsperioden angelegten Spannung, welche mit der einen oder mehr Emissionsperioden synchronisiert sind, und akkumuliert die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung in die zweite Akkumulierregion durch Steuern einer an die zweite Übertragungselektrode in einer oder mehreren zweiten Übertragungsperioden phasenrevertiert in Bezug auf die eine oder mehrere erste Übertragungsperioden angelegte Spannung in einer Vielzahl von Ladungsübertragungszyklen innerhalb der Rahmenperiode ab Verbinden der ersten Akkumulierregion und der zweiten Akkumulierregion bis zum Rücksetzpotential, zur nächsten Verbindung der ersten Akkumulierregion und der zweiten Akkumulierregion zum Rücksetzpotential durch Steuern des ersten Rücksetzschalters und des zweiten Rücksetzschalters. Die Verarbeitungseinheit erhält aus der Sensoreinheit eine Vielzahl von ersten Lesewerten entsprechend der in der ersten Akkumulierregion bei einem anderen Punkt akkumulierten Ladungsmenge, wobei die Vielzahl von Ladeübertragungszyklen und eine Vielzahl von zweiten Lesewerten entsprechend der in der zweiten Akkumulierrregion an dem Punkt akkumulierten Ladungsmenge in jeder der Vielzahl von Lesezyklen jeder der Vielzahl von Ladungsübertragungszyklen entsprechen. Die Verarbeitungseinheit berechnet die Distanz auf Basis der Vielzahl von ersten Lesewerten und der Vielzahl von zweiten Lesewerten.

Die Verarbeitungseinheit kann eine Summe des ersten Lesewerts des n-ten Lesezyklus und einen Differenzwert zwischen dem ersten Lesewert des n-ten Lesezyklus und dem ersten Lesewert des n – 1-ten Lesezyklus mit einem vorgegebenen Schwellenwert vergleichen oder kann eine Summe des zweiten Lesewerts des n-ten Lesezyklus und eines Differenzwerts zwischen dem zweiten Lesewert des n-ten Lesezyklus und dem zweiten Lesewert des (n – 1)-ten Zyklus mit dem vorgegebenen Schwellenwert vergleichen und wenn irgendeine der Summen den vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, kann die Verarbeitungseinheit den Lesezyklus des (n + 1)-ten und nachfolgender Lesezyklen stoppen. In welchem Fall, unter Verwendung des vorbestimmten Schwellenwerts, der erste Lesewert und der zweite Lesewert, die vor Sättigung der ersten Akkumulierregion und der zweiten Akkumulierregion ermittelt werden, zur Distanzmessung verwendet werden. Daher wird der dynamische Bereich der Intensität des reflektierten Lichts zuverlässig expandiert. Weiterhin, wenn die oben beschriebene Summe den vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, wird die Erfassung des Lesewerts aus der Sensoreinheit gestoppt, was es möglich macht, die Berechnung der Distanz in einer frühen Stufe zu starten. Es ist anzumerken, dass „n“ die Reihenfolge der Vielzahl von Lesezyklen angibt.

Die Verarbeitungseinheit kann einen ersten Schätzwert unter Verwendung eines Näherungsausdrucks berechnen, basierend auf der Vielzahl von ersten Lesewerten und berechnet einen zweiten Schätzwert unter Verwendung eines Näherungsausdrucks, basierend auf der Vielzahl von zweiten Lesewerten und kann die Distanz auf Basis des ersten geschätzten Werts und des zweiten geschätzten Werts berechnen. In welchem Fall sowohl der erste geschätzte Wert als auch der zweite geschätzte Wert, die zum Berechnen der Distanz verwendet werden, jeweils unter Verwendung eines solchen auf den ersten Lesewerten basierenden Annährungsausdrucks und eines auf den zweiten Lesewerten basierenden Annäherungsausdrucks, ermittelt vor dem letzten Lesezyklus, berechnet werden. Daher, selbst falls ein Teil der ersten Lesewerte und der zweiten Lesewerte, die in der Vielzahl von Lesezyklen ermittelt sind, aufgrund von Störung fluktuiert oder dergleichen, wird der Einfluss des Lesewerts, der die Fluktuation enthält, im ersten geschätzten Wert und dem zweiten geschätzten Wert reduziert. Als Ergebnis wird die Distanzmessgenauigkeit verbessert.

Vorteilhafte Effekte der Erfindung

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Distanzmessvorrichtung bereitgestellt, die zum Expandieren des dynamischen Bereichs der Intensität von reflektiertem Licht in der Lage ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Diagramm, welches schematisch eine Distanzmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform illustriert.

2 ist ein Diagramm, welches schematisch einen beispielhaften Sensor illustriert.

3 ist eine Aufsicht, die eine beispielhafte Pixeleinheit im Sensor illustriert.

4 ist ein Diagramm, das eine Schnittkonfiguration längs Linie IV-IV in 3 illustriert.

5 ist ein Diagramm, das eine Schnittkonfiguration längs Linie V-V in 3 illustriert.

6 ist ein Schaltungsdiagramm einer Pixeleinheit der Sensoreinheit und einer Abtast- und Halteschaltung entsprechend der Pixeleinheit.

7 ist ein Flussdiagramm, das Steuerung und Berechnung einer Verarbeitungseinheit illustriert.

8 ist ein Timing-Diagramm verschiedener Signale, die in der Distanzmessvorrichtung verwendet werden.

9 ist ein Timing-Diagramm verschiedener Signale, die in der Distanzmessvorrichtung verwendet werden.

10 ist ein Timing-Diagramm verschiedener Signale, die in der Distanzmessvorrichtung verwendet werden.

11 ist ein Timing-Diagramm verschiedener Signale, die in der Distanzmessvorrichtung verwendet werden.

12 ist ein Timing-Diagramm verschiedener Signale, die in der Distanzmessvorrichtung verwendet werden.

13 ist ein Timing-Diagramm verschiedener Signale, die in der Distanzmessvorrichtung verwendet werden.

14 ist ein Timing-Diagramm verschiedener Signale, die in der Distanzmessvorrichtung verwendet werden.

15 ist ein Diagramm, welches schematisch einen beispielhaften Sensor gemäß einer anderen Ausführungsform illustriert.

16 ist ein Schaltungsdiagramm einer Pixeleinheit einer Sensoreinheit gemäß der anderen Ausführungsform und einer Abtast- und Halteschaltung entsprechend der Pixeleinheit.

Beschreibung von Ausführungsformen

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der Beschreibung werden dieselben Bezugszeichen für dieselben Elemente oder Elemente mit denselben Funktionen verwendet, und redundante Erläuterungen werden weggelassen.

1 ist ein Diagramm, welches schematisch eine Distanzmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform illustriert. Eine in 1 illustrierte Distanzmessvorrichtung 10 ermittelt eine Distanz zwischen einem Objekt und der Distanzmessvorrichtung 10 durch ein Flugzeitverfahren(TOF)-Verfahren. Die Distanzmessvorrichtung 10 beinhaltet eine Lichtquelleinheit 12, eine Sensoreinheit 14 und eine Verarbeitungseinheit 16.

Die Lichtquelleinheit 12 emittiert moduliertes Licht. In der vorliegenden Ausführungsform kann die Lichtquelleinheit 12 eine Laserdiode 12a, ein Reflektorelement 12b und eine Treiberschaltung 12c enthalten. Die Treiberschaltung 12c liefert den mit dem Antriebsimpulssignal synchronisierten Modulationsstrom aus der Verarbeitungseinheit 16 an die Laserdiode 12a. Die Laserdiode 12a emittiert moduliertes Licht in Übereinstimmung mit dem Modulationsstrom. Das modulierte Licht kann beispielsweise ein oder mehrere Strahlen des gepulsten Lichts sein. Die Laserdiode 12a emittiert gepulstes Licht an das reflektierende Element 12b. Das Reflektorelement 12b reflektiert das gepulste Licht, das aus der Laserdiode 12a ausgegeben wird. Das gepulste Licht, das am Reflektorelement 12b reflektiert ist, wird zum Objekt geleitet.

Die Treiberschaltung 12c sendet ein Antriebssignal an einen Aktuator des Reflektorelement 12b unter der Steuerung der Verarbeitungseinheit 16. Die Treiberschaltung 12c treibt den Aktuator auf solche Weise an, dass der optische Pfad des aus der Laserdiode 12a emittierten gepulsten Lichtes sich zum Reflektorelement 12b hin ändert. Der Aktuator lenkt den Winkel des Reflektorelements 12b durch das Antriebssignal aus der Treiberschaltung 12c ab. Die Ablenkung des Winkels des Reflektorelements 12b führt zu einem Abtasten der Bestrahlungsposition des aus der Laserdiode 12a zu einem Objekt hin emittierten gepulsten Lichts. Das Reflektorelement 12b ist beispielsweise ein mikroelektromechanik-System(MEMS)-Spiegel.

In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die Sensoreinheit 14 einen Sensor 18, einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 20 und einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 22. Der Digital-Analog-Wandler 20 wandelt ein Digitalsignal aus der Signalverarbeitungseinheit 16a der Verarbeitungseinheit 16 in ein Analogsignal um. Der Digital-Analog-Wandler 20 führt das Analogsignal dem Sensor 18 zu. Der Analog-Digital-Wandler 22 wandelt ein Analogsignal aus dem Sensor 18 in ein Digitalsignal um. Der Analog-Digital-Wandler 22 liefert das Digitalsignal an die Verarbeitungseinheit 16.

Die Verarbeitungseinheit 16 berechnet die Distanz durch Steuern des Emissions-Timings des modulierten Lichtes der Lichtquelleinheit 12 und Steuern der Sensoreinheit 14. Die Verarbeitungseinheit 16 beinhaltet eine Signalverarbeitungseinheit 16a und einen Speicher 16b. Die Signalverarbeitungseinheit 16a ist eine arithmetische Schaltung, wie etwa ein feldprogrammierbares Gate-Array (FPGA). Der Speicher 16 ist beispielsweise ein statischer Wahlfreizugriffsspeicher (SRAM).

2 ist ein Diagramm, welches schematisch einen beispielhaften Sensor illustriert. Der Sensor 18 beinhaltet eine Bildgebungsregion IR, eine Abtast-Und-Halte-Schaltungsgruppe SHG, eine Schaltergruppe SWG, eine horizontale Schalteregistergruppe HSG, Signalleitungen H1 und H2 und Ausgangsverstärker OAP1 und OAP2. Wie in 2 illustriert, ist der Sensor 18 beispielsweise ein Liniensensor, der ein Bild einer Linie ermittelt. In der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die Bildgebungsregion IR eine Vielzahl von Pixeleinheiten P(j) die in der horizontalen Richtung angeordnet sind. Es ist anzumerken, dass J eine Ganzzahl von 1 bis J ist. J ist eine Ganzzahl von 2 oder mehr und gibt die Anzahl von Pixeleinheiten an.

3 ist eine Aufsicht, die eine beispielhafte Pixeleinheit im Sensor illustriert. 4 ist eine Ansicht, die eine Schnittkonfiguration illustriert, die längs Linie IV-IV in 3 genommen ist und 5 ist eine Ansicht, die eine Schnittkonfiguration illustriert, die längs Linie V-V in 3 genommen ist. Jede der Pixeleinheiten P(1) bis P(J) weist die in 3 bis 5 illustrierte Konfiguration auf.

Wie in 4 und 5 illustriert, beinhaltet die Pixeleinheit P(j) in der vorliegenden Ausführungsform ein Halbleitersubstrat SB. Das Halbleitersubstrat SB ist beispielsweise ein Silizium-Substrat. Das Halbleitersubstrat SB beinhaltet eine erste Halbleiterregion SR1 und eine zweite Halbleiterregion SR2. Die erste Halbleiterregion SR1 ist eine p-Typ-Halbleiterregion, die eine Hauptoberfläche SBF1 des Halbleitersubstrats SB bereitstellt. Die zweite Halbleiterregion SR2 ist eine p-Typ-Halbleiterregion, die auf der ersten Halbleiterregion SR1 angeordnet ist. Die Verunreinigungskonzentration der zweiten Halbleiterregion SR2 ist gleich oder niedriger als die Verunreinigungskonzentration der ersten Halbleiterregion SR1. Das Halbleitersubstrat SB wird beispielsweise durch Ablagern der p-Typ-Hableiterregion auf ein p-Typ-Halbleitersubstrat durch ein epitaktisches Wachstumsverfahren gebildet.

Ein Isolierfilm ISL ist auf der anderen Hauptoberfläche SBF2 des Halbleitersubstrats SB ausgebildet. Der Isolierfilm ISL wird beispielsweise aus SiO2 hergestellt. Eine Fotogatterelektrode PG ist auf dem Isolierfilm ISL angeordnet. Die Fotogatterelektrode PG wird beispielsweise aus Polysilizium hergestellt. Wie in 3 illustriert, kann die Fotogatterelektrode PG in eine im Wesentlichen rechteckige planare Form in der vorliegenden Ausführungsform gebildet werden. In der Pixeleinheit P(j) fungiert eine unter der Fotogatterelektrode PG lokalisierte Region als eine fotosensitive Region, die eine Ladung in Reaktion auf einfallendes Licht erzeugt.

Wie in 4 und 5 illustriert, sind eine erste Übertragungselektrode TX1, eine zweite Übertragungselektrode TX2 und eine dritte Übertragungselektrode TX3 auf dem Isolierfilm ISL angeordnet. Die Übertragungselektroden TX1 bis TX3 werden beispielsweise aus Polysilizium hergestellt. Wie in 3 bis 5 illustriert, sind die erste Übertragungselektrode TX1 und die zweite Übertragungselektrode TX2 auf solche Weise angeordnet, dass die Fotogatterelektrode PG dazwischen vorhanden ist.

In der vorliegenden Ausführungsform sind vier dritte Übertragungselektroden TX3 auf dem Isolierfilm ISL angeordnet, wie in 3 illustriert. Die zwei dritten Übertragungselektroden TX3 sind auf solche Weise angeordnet, dass die erste Übertragungselektrode TX1 zwischen den zwei dritten Übertragungselektroden TX3 in einer Richtung (nachfolgend als „Y-Richtung“ bezeichnet) lokalisiert ist, welche die Richtung schneidet, in der die ersten Übertragungselektroden TX1 und die zweiten Übertragungselektroden TX2 angeordnet sind (nachfolgend als eine „X-Richtung“ bezeichnet). Die zwei anderen dritten Übertragungselektroden TX3 sind auf solche Weise angeordnet, dass die zweite Übertragungselektrode TX2 an den anderen zwei dritten Übertragungselektroden TX3 in der Y-Richtung lokalisiert ist.

Wie in 4 illustriert, werden eine erste Akkumulierregion fd1 und eine zweite Akkumulierregion fd2 in der zweiten Halbleiterregion SR2 ausgebildet. Die erste Akkumulierregion fd1 und die zweite Akkumulierregion fd2 akkumulieren die aus der fotosensitiven Region übertragene Ladung. Die erste Akkumulierregion fd1 und die zweite Akkumulierregion fd2 sind auf solche Weise angeordnet, dass die fotosensitive Region zwischen der ersten Akkumulierregion fd1 und der zweiten Akkumulierregion fd2 lokalisiert ist. Die erste Akkumulierregion fd1 und die zweite Akkumulierregion fd2 sind beispielsweise n+-Typ-Halbleiterregionen, die mit einer n-Typ-Verunreinigung bei einer hohen Konzentration dotiert sind.

Der Isolationsfilm ISL definiert eine Öffnung über der ersten Akkumulierregion fd1 und der zweiten Akkumulierregion fd2. Eine Elektrode 13 ist in diesen Öffnungen angeordnet. Die Elektrode 13 ist aus Wolfram gemacht, das beispielsweise über einen Ti/TiN-Film bereitgestellt wird.

In der X-Richtung wird die erste Übertragungselektrode TX1 zwischen der Elektrode 13 auf der ersten Akkumulierregion fd1 und der Fotogatterelektrode PG angeordnet. Wenn die Ladung aus der fotosensitiven Region zur ersten Akkumulierregion fd1 übertragen wird, wird eine Spannung VTX1, die das Potential der Halbleiterregion unter der ersten Übertragungselektrode TX1 reduziert, an die erste Übertragungselektrode TX1 angelegt. Die Spannung VTX1 wird aus dem Digital-Analog-Wandler 20 auf Basis des Digitalsignals aus der Signalverarbeitungseinheit 16a angelegt.

In der X-Richtung ist die zweite Übertragungselektrode TX2 zwischen der Elektrode 13 auf der zweiten Akkumulierregion fd2 und der Fotogatterelektrode PG angeordnet. Wenn die Ladung aus der fotosensitiven Region zur zweiten Akkumulierregion fd2 übertragen wird, wird eine Spannung VTX2, welche das Potential der Halbleiterregion unter der zweiten Übertragungselektrode TX2 reduziert, an die zweite Übertragungselektrode TX2 angelegt. Die Spannung VTX2 wird aus dem Digital-Analog-Wandler 20 auf Basis des Digitalsignals aus der Signalverarbeitungseinheit 16a angelegt.

Wie in 5 illustriert, wird eine n+-Typ-Halbleiterregion SR3 in der zweiten Halbleiterregion SR2 ausgebildet. In der vorliegenden Ausführungsform sind vier Halbleiterregionen SR3 angeordnet. Ein Paar von Halbleiterregionen SR3 ist auf solche Weise angeordnet, dass die fotosensitive Region zwischen dem einen Paar von Halbleiterregionen SR3 lokalisiert ist. Das andere Paar von Halbleiterregionen SR3 ist auf solche Weise angeordnet, dass die fotosensitive Region zwischen dem anderen Paar von Halbleiterregionen SR3 lokalisiert ist.

Der Isolierfilm ISL definiert eine Öffnung über jeder der Halbleiterregionen SR3. Eine Elektrode 13 ist in jeder dieser Öffnungen angeordnet. Die Elektrode 13 ist aus Wolfram hergestellt, der beispielsweise über einen Ti/TiN-Film bereitgestellt wird.

In der X-Richtung ist die entsprechende dritte Übertragungselektrode TX3 zwischen der Elektrode 13 auf einer Halbleiterleiterregion S3 und der Fotogatterelektrode PG angeordnet. Mit Anlegen einer Spannung VTX3 an die dritte Übertagungselektrode TX3 wird das Potential der Halbleiterregion unter der dritten Übertragungselektrode TX3 reduziert. Mit Reduktion des Potentials der Halbleiterregion unter der dritten Übertragungselektrode TX3 wird die Ladung aus der fotosensitiven Region zur Halbleiterregion SR3 übertragen. Die Spannung VTX3 wird aus dem Digital-Analog-Wandler 20 auf Basis des Digitalsignals aus der Signalverarbeitungseinheit 16a angelegt.

Die Elektrode 13 in der Halbleiterregion SR3 ist auch mit einem vorbestimmten Potential Vdd verbunden (siehe 6). Das Potential Vdd wird durch den Digital-Analog-Wandler 20 auf Basis des Digitalsignals aus der Signalverarbeitungseinheit 16a eingestellt. Wenn das Potential der Halbleiterregion unter der dritten Übertragungselektrode TX3 mit Anlegung der Spannung VTX3 reduziert wird, wird die Ladung in der fotosensitiven Region rückgesetzt.

Nachfolgend wird 6 zusammen mit 2 referenziert. 6 ist ein Schaltungsdiagramm einer Pixeleinheit der Sensoreinheit und einer Abtast- und Halteschaltung entsprechend der Pixeleinheit. Wie in 2 und 6 illustriert, beinhaltet die Abtast- und Halteschaltungsgruppe SHG des Sensors 18 eine Anzahl J von ersten Abtast- und Halteschaltungen SH1 und Anzahl J von zweiten Abtast- und Halteschaltungen SH2. Jede der ersten Abtast- und Halteschaltungen SH1 und jede der zweiten Abtast- und Halteschaltungen SH2 sind mit der entsprechenden Pixeleinheit P(j) (entsprechend Pixeleinheit von Pixeleinheiten P(1) bis P(J)) verbunden. Das heißt, dass die Abtast- und Halteschaltungsgruppe SHG die Anzahl J von Abtast- und Halteschaltungspaaren SHP(1) bis SHP(J) enthält, die alle eine erste Abtast- und Halteschaltung SH1 und eine zweite Abtast- und Halteschaltung enthalten. Jede der Anzahl J von Abtast- und Halteschaltungspaaren SHP(1) bis SHP(J) ist mit jeder der Pixeleinheiten P(1) bis P(J) jeweils assoziiert.

Die Pixeleinheit P(j) beinhaltet einen ersten Rücksetzschalter RS1, einen zweiten Rücksetzschalter RS2, eine Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltungen A1 und A2. Der erste Rücksetzschalter RS1 ist zwischen dem Rücksetzpotential Vr und der Elektrode 13 auf der ersten Akkumulierungsregion fd1 lokalisiert. Der zweite Rücksetzschalter RS2 ist zwischen dem Rücksetzpotential Vr und der Elektrode 13 auf der zweiten Akkumulierungsregion fd2 lokalisiert. Das Rücksetzpotential Vr wird durch den Digital-Analog-Wandler 20 auf Basis des Digitalsignals aus der Signalverarbeitungseinheit 16a eingestellt.

Ein Rücksetzimpulssignal Sres wird aus der Signalverarbeitungseinheit 16a an den ersten Schalter RS1 und den zweiten Rücksetzschalter RS2 angelegt. Wenn das Rücksetzimpulssignal Sres auf den ersten Rücksetzschalter RS1 und den zweiten Rücksetzschalter RS2 angelegt wird, sind die erste Akkumulierregion fd1 und die zweite Akkumulierregion fd2 mit dem Rücksetzpotential Vr verbunden. Diese Operation setzt die Ladung in der ersten Akkumulierungsregion fd1 und die Ladung in der zweiten Akkumulierungsregion fd2 zurück. Die Periode ab dem Zeitpunkt des Rücksetzens der Ladungen der ersten Akkumulierungsregion fd1 und der zweiten Akkumulierungsregion fd2 zum nächsten Rücksetz-Timing wird durch eine Rahmenperiode Tf (siehe 8) bestimmt.

Der Eingang der Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltung A1 ist mit der Elektrode 13 auf der ersten Akkumulierungsregion fd1 verbunden. Der Ausgang der Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltung A1 ist mit einem Schalter SW10 der ersten Abtast- und Halteschaltung SH1 verbunden. Die Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltung A1 wandelt die Ladungsmenge in der ersten Akkumulierregion fd1 in eine Spannung um und stellt die Spannung der ersten Abtast- und Halteschaltung SH1 bereit. Der Eingang der Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltung A2 ist mit der Elektrode 13 auf der zweiten Akkumulierregion fd2 verbunden. Der Ausgang der Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltung A2 ist mit einem Schalter SW12 der zweiten Abtast- und Halteschaltung SH2 verbunden. Die Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltung A2 wandelt die Ladungsmenge der zweiten Akkumulierregion fd2 in eine Spannung um und stellt die Spannung der zweiten Abtast- und Halteschaltung SH2 bereit.

Die erste Abtast- und Halteschaltung SH1 beinhaltet den Schalter SW10 und einen Kondensator CP10. Die zweite Abtast- und Halteschaltung SH2 beinhaltet den Schalter SW12 und einen Kondensator CP12. Ein Abtastimpulssignal Ssamp wird an den Schalter SW10 und den Schalter SW12 aus der Signalverarbeitungseinheit 16a angelegt. Wenn das Abtastimpulssignal Ssamp dem Schalter SW10 und dem Schalter SW12 angelegt wird, ist der Ausgang der Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltung A1 mit dem Kondensator CP10 verbunden und ist der Ausgang der Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltung A2 mit dem Kondensator CP2 verbunden. Bei dieser Konfiguration wird die Ausgangsspannung der Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltung A1 über den Kondensator CP10 gehalten und wird die Ausgangsspannung der Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltung A2 am Kondensator CP12 gehalten. Die Periode ab dem Anlegen des Abtastimpulssignals Ssamp bis zum nächsten Anlegen des Abtastimpulssignals Ssamp, das heißt, das Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastimpulssignalen Ssamp, wird als Leseperiode bestimmt.

Die Schaltergruppe SWG des Sensors 18 beinhaltet die Anzahl J von Schaltern SW1 und die Anzahl J von Schaltern SW2. Jeder der Schalter SW1 und jeder der Schalter SW2 sind mit dem Kondensator CP10 der ersten Abtast- und Halteschaltung SH1 für die entsprechende Pixeleinheit von den Pixeleinheiten P(1) bis P(J) verbunden und mit dem Kondensator CP12 der zweiten Abtast- und Halteschaltung SH2 verbunden. Das heißt, dass die Schaltergruppe SWG die Anzahl J von Schaltpaaren SWP(1) bis SWP(J), die alle einen Schalter SW1 und einen Schalter SW2 beinhalten, enthält. Jede der Anzahl J von Schaltpaaren SWP(1) bis SWP(J) ist mit jedem der Abtast- und Halteschaltungspaare SHP(1) bis jeweils SHP(J) assoziiert.

Eine Leseimpulssignal Sread wird an den Schalter SW1 und den Schalter SW2 angelegt. Das Leseimpulssignal Sread wird aus der horizontalen Verschieberegistergruppe HSG zugeführt. Die horizontale Verschieberegistergruppe HSG beinhaltet die Anzahl J horizontaler Schieberegister. Die horizontalen Schieberegister beinhalten einen Flip-Flop. Dieses horizontale Verschieberegister ist auf einer Anordnungsrichtung der Pixeleinheiten P(1) bis P(J) angeordnet. Es wird ein Startsignal aus der Signalverarbeitungseinheit 16a an das, an einem Ende der horizontalen Verschieberegistergruppe HSG lokalisierten horizontalen Verschieberegister angelegt. Ein Taktsignal wird aus der Signalverarbeitungseinheit 16a an allen horizontalen Schieberegistern angelegt. In Reaktion auf das Startsignal und das Taktsignal legt jede der Anzahl J horizontaler Schieberegister sequentiell das gelesene Impulssignal Sread an jedes der Schaltpaare SWP(1) bis SWP(J) an. Mit Anlegen dieses Leseimpulssignals Sread auf diese Weise werden die erste Abtast- und Halteschaltung SH1 und die zweite Abtast- und Halteschaltung SH2 der Abtast- und Halteschaltungspaare SHP(1) bis SHP(J) sequentiell mit sowohl der Signalleitung H1 als auch der Signalleitung H2 verbunden.

Wenn das Leseimpulssignal Sread an die Schalter SW1 und SW2 angelegt wird, werden sowohl der Kondensator CP10 der ersten Abtast- und Halteschaltung SH1 als auch der Kondensator CP12 der zweiten Abtast- und Halteschaltung SH2 jeweils mit jeder der Signalleitung H1 und der Signalleitung H2 verbunden. Bei dieser Konfiguration wird die in der ersten Abtast- und Halteschaltung SH1 gehaltene Spannung über die Signalleitung H1 an dem Ausgangsverstärker OAP1 eingegeben. Die in der zweiten Abtast- und Halteschaltung SH2 gehaltene Spannung wird über die Signalleitung H2 in den Ausgangsverstärker OAP2 eingegeben. Sowohl der Ausgangsverstärker OAP1 als auch der Ausgangsverstärker OAP2 verstärken die Eingangsspannung und geben die verstärkte Spannung an den Analog-Digital-Wandler 22 aus.

Der Analog-Digital-Wandler 22 wandelt das eingegebene Spannungssignal in einen Digitalwert um, der einen Wert aufweist, welcher der Größe des Spannungssignals entspricht. Der durch den Analog-Digital-Wandler 22 ausgegebene Digitalwert wird im Speicher 16b der Verarbeitungseinheit 16 gespeichert. In der vorliegenden Ausführungsform basiert der Digitalwert auf dem Spannungssignal aus dem Ausgangsverstärker OAP1 und wird im Speicher 16b als ein erster Lesewert, der unten zu beschreiben ist, gespeichert. Je größer die in der ersten Akkumulierungsregion fd1 akkumulierte Ladungsmenge, desto kleiner ist der erste Lesewert. Der Digitalwert basiert auf dem Spannungssignal aus dem Ausgangsverstärker OAP2, wird im Speicher 16b als ein zweiter Lesewert, der unten zu beschreiben ist, gespeichert. Je größer der in der zweiten Akkumulierungsregion fd2 akkumulierte Ladebetrag ist, desto kleiner ist der zweite Lesewert.

Als Nächstes wird Steuerung und Berechnung der Verarbeitungseinheit 16 beschrieben. 7 ist ein Flussdiagramm, welches Steuerung und Rechenvorgänge der Verarbeitungseinheit illustriert. 8 und 9 sind Timing-Diagramme verschiedener Signale, die in der Distanzmessvorrichtung verwendet werden. Die Verarbeitungseinheit 16 führt Steuerung und Berechnung, die unten beschrieben sind, für jede der Pixeleinheiten unter Bezugnahme auf 7 bis 9 durch.

In der vorliegenden Ausführungsform ermittelt die Verarbeitungseinheit 16 anfangs aus der Sensoreinheit 14 die Anzahl N erster Lesewerte D1 (0, ..., N) und Anzahl N zweiter Lesewerte D2 (0, ..., N) in einer Nicht-Emissionsrahmenperiode, während welcher das modulierte Licht nicht aus der Lichtquelleinheit 12 emittiert wird (S11 in 7).

Spezifisch legt die Signalverarbeitungseinheit 16a das Abtastimpulssignal Ssamp an den Schalter SW10 und den Schalter SW12 vor dem Start des erstmaligen Ladetransferzyklus an. Bei dieser Operation wird die der in der ersten Akkumulierregion fd1 an einem Punkt vor dem erstmaligen Ladeübertragungszyklus akkumulierte Ladungsmenge entsprechende Spannung in der ersten Abtast- und Halteschaltung SH1 gehalten. Darüber hinaus wird die der in der zweiten Akkumulierregion fd2 am oben beschriebenen Punkt vor dem ersten Ladeübertragungszyklus akkumulierte Ladungsmenge entsprechende Spannung in der zweiten Abtast- und Halteschaltung SH2 gehalten.

Nachfolgend sendet die Signalverarbeitungseinheit 16a ein Startsignal und ein Taktsignal an die horizontale Schieberegistergruppe HSG in solcher Weise aus, dass das Leseimpulssignal Sread aus dem horizontalen Schieberegister an den Schaltern SW1 und SW2 angelegt wird. Bei dieser Operation ermittelt die Verarbeitungseinheit 16 den ersten Lesewert D1(0) und den zweiten Lesewert D2(0) aus der Sensoreinheit 14.

Nachfolgend führt die Signalverarbeitungseinheit 16a die ersten bis n-ten Ladungsübertragungszyklen und die ersten bis n-ten Lesezyklen, wie unten beschrieben, aus. Es ist anzumerken, dass N ein numerischer Wert ist, der die Größenordnung des vorbestimmten maximalen Ladeübertragungszyklus angibt. Nachfolgend wird das Symbol „n“ als ein Index verwendet, der die Reihenfolge der Lesezyklen angibt.

Die Signalverarbeitungseinheit 16a legt ein Digitalsignal an die Sensoreinheit 14 auf solche Weise an, dass das Hochpegelspannungssignal VTX1 an die erste Übertragungselektrode TX1 während einer ersten Transferperiode T1 des n-ten Ladungsübertragungszyklus angelegt wird. Bei dieser Operation sinkt das Potential der Halbleiterregion unter der ersten Übertragungselektrode TX1, das heißt, das Potential der Halbleiterregion zwischen der fotosensitiven Region und der ersten Akkumulierregion fd1 in der ersten Übertragungsperiode T1 und somit wird eine Ladung aus der fotosensitiven Region zur ersten Akkumulierregion fd1 übertragen. Die Signalverarbeitungseinheit 16a legt ein Digitalsignal an die Sensoreinheit 14 auf solche Weise an, dass das Hochpegelspannungssignal VTX2 an die zweite Übertragungselektrode TX2 innerhalb der zweiten Übertragungsperiode T2 des n-ten Ladungsübertragungszyklus angelegt wird. Bei dieser Operation sinkt das Potential der Halbleiterregion unter der zweiten Übertragungselektrode TX2, das heißt das Potential der Halbleiterregion zwischen der fotosensitiven Region und der Akkumulierregion fd2 in der zweiten Übertragungsperiode T2 und somit wird eine Ladung aus der fotosensitiven Region an die zweite Akkumulierregion fd2 übertragen.

Die erste Übertragungsperiode T1 und die zweite Übertragungsperiode T2 in dem Nicht-Emissionsrahmenzeitraum werden ähnlich zur ersten Übertragungsperiode T1 und der zweiten Übertragungsperiode T2 der Lichtemissionsrahmenperiode, die unten zu beschreiben ist, eingestellt. Die Gesamtlänge der ersten Übertragungsperiode T1 in jedem der Ladungsübertragungszyklen in der Nicht-Emissionsrahmenperiode ist die gleiche wie die Gesamtlänge der ersten Übertragungsperiode T1 in jedem der Ladungsübertragungszyklen der Lichtemissionsrahmenperiode. Die Gesamtlänge der zweiten Übertragungsperiode T2 in jedem der Ladungsübertragungszyklen in der Nicht-Emissionsrahmenperiode ist die gleiche wie die Gesamtlänge der zweiten Übertragungsperiode T2 in jedem der Ladungsübertragungszyklen in der Lichtemissionsrahmenperiode.

In der vorliegenden Ausführungsform legt die Signalverarbeitungseinheit 16a ein Digitalsignal an die Sensoreinheit 14 auf solche Weise an, dass das Niederspannungssignal VTX3 an die dritte Übertragungselektrode TX3 während der ersten Übertragungsperiode T1 und der zweiten Übertragungsperiode T2 angelegt wird. Daher wird das Potential der Halbleiterregion zwischen der fotosensitiven Region und der Halbleiterregion SR3 während der ersten Übertragungsperiode T1 und der zweiten Übertragungsperiode T2 auf hohem Pegel gehalten, und somit wird die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung nicht an die Halbleiterregion SR3 übertragen. Im Gegensatz dazu wird das Hochpegelspannungssignal VTX3 an die dritte Übertragungselektrode TX3 während einer anderen Periode als der ersten Übertragungsperiode T1 und der zweiten Übertragungsperiode T2 angelegt. Daher wird die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung an die Halbleiterregion SR3 übertragen und während der anderen Periode als der ersten Übertragungsperiode T1 und der zweiten Übertragungsperiode T2 entfernt.

Nachfolgend legt die Signalverarbeitungseinheit 16a das Abtast-Impulssignal Ssamp an den Schalter SW10 und den Schalter SW12 an einem Punkt zwischen dem Endpunkt des n-ten Ladungsübertragungszyklus und dem Startpunkt des (n + 1)ten Ladungsübertragungszyklus an. Bei dieser Operation wird die der in der ersten Akkumulierregion fd1 an einem anderen Punkt mit der Vielzahl von Ladungsübertragungszyklen akkumulierte Ladungsmenge korrespondierende Spannung in der ersten Abtast- und Halteschaltung SH1 gehalten und wird die der in der zweiten Akkumulierregion fd2 an einem Punkt akkumulierte Ladungsmenge entsprechende Spannung in der zweiten Abtast- und Halteschaltung SH2 gehalten. Nachfolgend legt die Signalverarbeitungseinheit 16a das Startsignal und das Taktsignal an die horizontale Schieberegistergruppe HSG im n-ten Lesezyklus auf solche Weise an, dass das Leseimpulssignal Sread aus dem horizontalen Schieberegister an die Schalter SW1 und SW2 angelegt wird. Bei dieser Operation ermittelt die Verarbeitungseinheit 16 den ersten Lesewert D1(n) und den zweiten Lesewert D2(n) aus der Sensoreinheit 14.

Die Verarbeitungseinheit 16 ermittelt den ersten Lesewert D1 (0, ..., N) und den zweiten Lesewert D2 (0, ..., N) aus der Sensoreinheit 14 und speichert die Lesewerte in dem Speicher 16b. In dem Ladungsübertragungszyklus in der Nicht-Emissionsrahmenperiode gestattet die Verarbeitungseinheit 16 der Lichtquelleneinheit 12 nicht, moduliertes Licht zu emittieren. Daher reflektiert der erste Lesewert D1 (0, ..., N) und der in der Nicht-Emissionsrahmenperiode ermittelte zweite Lesewert D2 (0, ..., N) lediglich eine Rauschkomponente wie etwa ein Hintergrundlicht. Sowohl der erste Lesewert D1 (0, ..., N) als auch der zweite Lesewert D2 (1, ..., N) wird jeweils von jedem eines ersten Lesewert Q1, (0, ..., N) und eines zweiten Lesewerts Q201, ..., N), die nach der Lichtemissionsrahmenperiode ermittelt werden, subtrahiert, um die Rauschkomponente wie etwa ein Hintergrundlicht zu entfernen.

Nachfolgend legt die Signalverarbeitungseinheit 16a der Verarbeitungseinheit 16 das Rücksetzimpulssignal Sres an den ersten Rücksetzschalter RS1 und den zweiten RS2 an und verbindet die erste Akkumulierregion fd1 und die zweite Akkumulierregion fd2 mit dem Rücksetzpotential Vr. Bei dieser Operation werden die in der ersten Akkumulierregion fd1 akkumulierte Ladung und die in der zweiten Akkumulierregion fd2 akkumulierte Ladung rückgesetzt (S12 in 7) und dann wird die Lichtemissionsrahmenperiode als die nächste Rahmenperiode Tf gestartet. In dem Ladungsübertragungszyklus in der Lichtemissionsrahmenperiode wird ein Antriebsimpulssignal an die Lichtquelleneinheit 12 aus der Signalverarbeitungseinheit 16a angelegt und emittiert die Lichtquelleneinheit 12 moduliertes Licht zu einem vorbestimmten Timing.

In der Lichtemissionsrahmenperiode ermittelt die Verarbeitungseinheit 16 den ersten Lesewert Q1(0) und den zweiten Lesewert Q2(0) aus der Sensoreinheit 14 und speichert sowohl den ersten Lesewert Q1(0) als auch den zweiten Lesewert Q2(0) im Speicher 16b als einen Anfangswert jedes des ersten Lesewerts und des zweiten Lesewerts (S13 in 7).

Spezifisch legt die Signalverarbeitungseinheit 16a das Abtastimpulssignal Ssamp an den Schalter SW10 und den Schalter SW12 an, vor dem Start des erstmaligen Ladungsübertragungszyklus Cy. Bei dieser Operation wird die der in der ersten Akkumulierregion fd1 zu einem Punkt vor dem erstmaligen Ladungsübertragungszyklus akkumulierte Ladungsmenge entsprechende Spannung in der ersten Abtast- und Halteschaltung SH1 gehalten und wird die der in der zweiten Akkumulierregion fd2 an dem Punkt akkumulierte Ladungsmenge korrespondierende Spannung in der zweiten Abtast- und Halteschaltung SH2 gehalten.

Nachfolgend sendet die Signalverarbeitungseinheit 16a ein Startsignal und ein Taktsignal an die horizontale Schieberegistergruppe HSG auf solche Weise, dass das Leseimpulssignal Sread aus dem horizontalen Schieberegister an die Schalter SW1 und SW2 angelegt wird. Bei dieser Operation ermittelt die Verarbeitungseinheit 16 den ersten Lesewert Q1(0) und den zweiten Lesewert Q2(0) aus der Sensoreinheit 14. Das heißt, dass die in dem n-ten Ladungsübertragungszyklus Cy akkumulierte Ladung in dem Lesezyklus zwischen dem Endpunkt des n-ten Ladungsübertragungszyklus Cy und dem Startpunkt des (n + 1)-ten Ladungsübertragungszyklus Cy gelesen wird.

Jeder vom ersten Lesewert Q1(0) und dem zweiten Lesewert Q2(0) entspricht der in der ersten Akkumulierregion fd1 akkumulierten Ladungsmenge bzw. der in der zweiten Akkumulierregion fd2 akkumulierten Ladungsmenge am Ausgangspunkt des Anfangsabtastimpulssignals Ssamp, das heißt an einem Punkt vor dem erstmaligen Ladungsübertragungszyklus. Daher reflektieren der erste Lesewert Q1(0) und der zweite Lesewert Q2(0) nicht die durch die Reflektion des modulierten Lichts aus der Lichtquelleinheit 12 vom Objekt erzeugte Signallichtkomponente.

Nachfolgend stellt die Signalverarbeitungseinheit 16a n auf 1 (S14 in 7) ein und versucht die ersten bis n-ten Ladungsübertragungszyklen Cy und die ersten bis n-ten Lesezyklen, wie unten beschrieben. Die Leseperiode (Periode zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastimpulssignalen Ssamp) beinhaltet den Ladungsübertragungszyklus Cy und den Lesezyklus.

Zuerst, wie in 8 illustriert, legt die Signalverarbeitungseinheit 16a ein oder mehrere Antriebsimpulssignale SL an die Lichtquelleinheit 12 in dem n-ten Ladungsübertragungszyklus Cy an und gestattet der Lichtquelleinheit 12, moduliertes Licht eine Anzahl von Malen zu emittieren, welche gleich ist wie die Anzahl von Antriebsimpulssignalen SL (S15 in 7). Das heißt, dass die Anzahl m von Emissionsperioden modulierten Lichts aus der Lichtquelleinheit 12 in dem n-ten Ladungsübertragungszyklus Cy eine oder mehr ist. Die Zeitlänge jeder der Emissionsperioden ist T0, wie auch in 9 illustriert.

Wie auch in 9 illustriert, legt die Signalverarbeitungseinheit 16a ein Digitalsignal an die Sensoreinheit 14 auf solche Weise an, dass das Hochpegelspannungssignal VTX1 an die erste Übertragungselektrode TX1 innerhalb der ersten Übertragungsperiode T1 des n-ten Ladungsübertragungszyklus Cy angelegt wird. Die Signalverarbeitungseinheit 16a legt ein Digitalsignal an die Sensoreinheit 14 auf solche Weise an, dass das Hochpegelspannungssignal VTX2 an die zweite Übertragungselektrode TX2 innerhalb der zweiten Übertragungsperiode T2 des n-ten Ladungsübertragungszyklus Cy angelegt wird.

Die erste Übertragungsperiode T1 wird mit dem Antriebsimpulssignal SL synchronisiert. Das heißt, die Anstiegszeit des Antriebsimpulssignals SL und die Anstiegszeit des Spannungssignals VTX1 werden im Wesentlichen miteinander synchronisiert. Die Dauer T0 des Antriebsimpulssignals SL und die erste Übertragungsperiode T1 sind im Wesentlichen dieselbe Zeitlänge.

Die zweite Übertragungsperiode T2 wird in der Phase mit der ersten Übertragungsperiode T1 invertiert. Das heißt, dass in jedem der Ladungsübertragungszyklen Cy die Phase der zweiten Übertragungsperiode T2 um 180 Grad gegenüber der Phase der ersten Übertragungsperiode T1 verzögert wird. Spezifischer werden das Abfall-Timing des Spannungssignals VTX1 und der Anstiegszeitpunkt des Spannungssignals VTX2 im Wesentlichen miteinander synchronisiert. Die erste Übertragungsperiode T1 und die zweite Übertragungsperiode T2 haben im Wesentlichen dieselbe Länge.

In der vorliegenden Ausführungsform legt die Signalverarbeitungseinheit 16a ein Digitalsignal an der Sensoreinheit 14 auf solche Weise an, dass das Niederpegelspannungssignal VTX3 während der ersten Übertragungsperiode T1 und der zweiten Übertragungsperiode T2 an die dritte Übertragungselektrode TX3 angelegt wird. Das Hochpegelspannungssignal VTX3 wird an die dritte Übertragungselektrode TX3 während einer anderen Periode als der ersten Übertragungsperiode T1 und der zweiten Übertragungsperiode T2 angelegt. Daher wird die dem Einfallslicht in die fotosensitive Region entsprechende Ladung nicht an die Halbleiterregion SR3 während der ersten Übertragungsperiode T2 und der zweiten Übertragungsperiode T2 übertragen. Jedoch wird die in der fotosensitiven Region erzeugte Ladung an die Halbleiterregion SR3 übertragen und während einer anderen Periode als der ersten Übertragungsperiode T1 und der zweiten Übertragungsperiode T2 entfernt.

Wie oben beschrieben, ist die erste Übertragungsperiode T1 synchron mit jeder der Emissionsperioden des modulierten Lichts vorgesehen und ist die zweite Übertragungsperiode T2 phasenumgekehrt in Bezug auf die erste Übertragungsperiode T1 vorgesehen. Daher sind die erste Übertragungsperiode T1 gleich in der Anzahl zur Anzahl der Antriebsimpulssignale SL und die zweite Übertragungsperiode T2 gleich in der Anzahl zur Anzahl von Antriebsimpulssignalen SL in dem n-ten Ladungsübertragungszyklus Cy vorgesehen. In dem n-ten Ladungsübertragungszyklus Cy ist die Zeitlänge zum Speichern der Ladung in der ersten Akkumulierregion fd1 das Produkt der ersten Übertragungsperiode T1 (Zeit T0) und der Anzahl der Antriebsimpulssignale SL (Anzahl von Emissionsperioden). Im n-ten Ladungsübertragungszyklus Cy ist die Zeitlänge zum Speichern der Ladung in der zweiten Akkumulierregion fd2 das Produkt der zweiten Übertragungsperiode T2 (Zeit T0) und der Anzahl von Malen des Antriebsimpulssignals SL (Anzahl von Emissionsperioden).

Nachfolgend ermittelt die Signalverarbeitungseinheit 16a den ersten Lesewert Q1(n) und den zweiten Lesewert Q2(n) aus der Sensoreinheit 14 und speichert den ersten Lesewert Q1(n) und den zweiten Lesewert Q2(n) im Speicher 16b (S16 in 7).

Spezifisch legt die Signalverarbeitungseinheit 16a das Abtastimpulssignal Ssamp an den Schalter SW10 und den Schalter SW12 zwischen dem Endpunkt des n-ten Ladungsübertragungszyklus Cy und dem Startpunkt des (n + 1)-ten Ladungsübertragungszyklus Cy an. Bei dieser Operation wird die der in der ersten Akkumulierregion fd1 an einem anderen Punkt mit der Vielzahl von Ladungsübertragungszyklen Cy akkumulierte Ladungsmenge entsprechende Spannung in der ersten Abtast- und Halteschaltung SH1 gehalten und wird die der in der zweiten Akkumulierungsregion fd2 an dem Punkt akkumulierte Ladungsmenge entsprechende Spannung in der zweiten Abtast- und Halteschaltung SH2 gehalten.

Nachfolgend legt die Signalverarbeitungseinheit 16a das Startsignal und das Taktsignal an die horizontale Schieberegistergruppe HSG im n-ten Lesezyklus auf solche Weise an, dass das Leseimpulssignal Sread aus dem horizontalen Schieberegister an den Schaltern SW1 und SW2 angelegt wird. Mit dieser Operation ermittelt die Verarbeitungseinheit 16 den ersten Lesewert Q1(n) und den zweiten Lesewert Q2(n) aus der Sensoreinheit 14. Das heißt, dass die in dem n-ten Ladeübertragungszyklus Cy akkumulierte Ladung in dem Lesezyklus zwischen dem Endpunkt des n-ten Ladeübertragungszyklus Cy um den Startpunkt des (n + 1)-ten Ladeübertragungszyklus Cy gelesen wird. Der erste Lesewert Q1(n) ist ein Wert entsprechend der in der ersten Akkumulierregion fd1 an einem Punkt zwischen dem Ende der n-ten Ladetransferzyklus Cy und dem Start des (n + 1)-ten Ladeübertragungszyklus Cy akkumulierten Ladungsmenge entsprechende Werte und ist der zweite Lesewert Q2(n) ein der in der zweiten Akkumulierungsregion fd2 an dem Punkt akkumulierten Ladungsmenge entsprechender Wert.

Nachfolgend ermittelt die Signalverarbeitungseinheit 16a einen ersten Differenzwert k1(n) und einen zweiten Differenzwert k2(n) (S17 in 7). Der erste Differenzwert k1(n) wird durch Subtrahieren eines ersten Lesewertes Q1(n – 1) des (n – 1)-ten Lesezyklus vom ersten Lesewert Q1(n) des n-ten Lesezyklus ermittelt. Der zweite Differenzwert k2(n) wird durch Subtrahieren eines zweiten Lesewerts Q2(n – 1) des (n – 1)-ten Lesezyklus vom zweiten Lesewert Q2(n) des n-ten Lesezyklus ermittelt.

Nachfolgend ermittelt die Signalverarbeitungseinheit 16a einen vorhergesagten Wert Q1(n + 1) und einen vorhergesagten Wert Q2(n + 1) (S18 in 7). Der vorhergesagte Wert Q1(n + 1) wird durch Addieren des ersten Differenzwerts k1(n) zum ersten Lesewert Q1(n) des n-ten Lesezyklus erhalten. Der vorhergesagte Wert Q2(n + 1) wird durch Addieren des zweiten Differenzwerts k2(n) zum zweiten Lesewert Q2(n) des n-ten Lesezyklus ermittelt. Der vorhergesagte Wert Q1(n + 1) ist der vorhergesagte Wert des ersten Lesewertes des (n + 1)-ten Lesezyklus und der vorhergesagte Wert Q2(n + 1) ist der vorhergesagte Wert des zweiten Lesewerts des (n + 1)-ten Lesezyklus.

Nachfolgend vergleicht die Signalverarbeitungseinheit 16a jeden des ersten vorhergesagten Werts Q1(n + 1) und des zweiten vorhergesagten Werts Q2(n + 1) mit einem vorbestimmten Schwellenwert Qth (S19 in 7). In der vorliegenden Ausführungsform wird der Schwellenwert Qth auf einen Wert gleich oder größer als dem ersten Lesewert entsprechend der Saturierungs-Speicherkapazität der ersten Akkumulierregion fd1 eingestellt und wird der Schwellenwert Qth auf einen Wert gleich oder größer als der zweite Lesewert entsprechend der Saturierungs-Speicherkapazität der zweiten Akkumulierregion fd2 eingestellt. Wenn der erste vorhergesagte Wert Q1(n + 1) gleich dem oder größer als der Schwellenwert Qth ist und der zweite vorhergesagte Wert Q2(n + 1) gleich dem oder größer als der Schwellenwert Qth ist, ist das Bestimmungsergebnis der Verarbeitung in S19 „Nein“ und dann schreitet die Verarbeitung der Signalverarbeitungseinheit 16a zur Verarbeitung in S20 fort. Die Verarbeitung in S20 testet, ob n gleich N oder größer ist. Wenn n kleiner als N in der Verarbeitung in S20 ist, inkrementiert die Signalverarbeitungseinheit 16a den Wert von n um 1 (S21 in 7) und wiederholt die Verarbeitung ab S15. Wenn n gleich N oder größer in der Verarbeitung in S20 ist, schreitet die Verarbeitung der Signalverarbeitungseinheit 16a zu S22 fort.

Wenn irgendeiner vom ersten vorhergesagten Wert Q1(n + 1) und dem zweiten vorhergesagten Wert Q2(n + 1) den Schwellenwert Qth als Ergebnis der Verarbeitung (Vergleich) in S19 übersteigt, ist der Wert kleiner als der Schwellenwert, schreitet die Verarbeitung der Signalverarbeitungseinheit 16a zu S22 fort. Daher, wenn entweder der erste vorhergesagte Wert Q1(n + 1) oder der zweite vorhergesagte Wert Q2(n + 1) den Schwellenwert Qth übersteigen, stoppt die Verarbeitungseinheit 16 die (n + 1)-ten und nachfolgende Lesezyklen. Das heißt, dass die Signalverarbeitungseinheit 16a die Erfassung des ersten Lesewerts und des zweiten Lesewerts aus der Sensoreinheit 14 in dem (n + 1)-ten und nachfolgenden Lesezyklen stoppt und die Speicherung des ersten Lesewerts und des zweiten Lesewerts in dem (n + 1)-ten und den nachfolgenden Lesezyklen im Speicher 16b stoppt.

Wenn der Schwellenwert Qth gleich dem größeren Lesewert von dem, der Sättigungsspeicherkapazität der ersten Akkumulierregion fd1 entsprechenden ersten Lesewert und dem der Saturierungs-Speicherkapazität der zweiten Akkumulierregion fd2 entsprechenden zweiten Lesewert ist, kann die Verarbeitungseinheit 16 den ersten Lesewert Q1(n) in einem Bereich ermitteln, der den Lesewert entsprechend der Saturierungs-Speicherkapazität der ersten Akkumulierregion fd1 nicht übersteigt, und kann die Verarbeitungseinheit 16 den zweiten Lesewert Q2(n) in einem Bereich ermitteln, der den Lesewert entsprechend der Saturierungs-Speicherkapazität der zweiten Akkumulierregion fd2 nicht übersteigt. Als Ergebnis kann der dynamische Bereich der gemessenen Distanz verbessert werden. Darüber hinaus wird die Distanzmessungsgenauigkeit verbessert. Weiterhin ist es möglich, die Berechnung der Verarbeitung in S22 und nachfolgende Verarbeitung der Signalverarbeitungseinheit 16a in einer frühen Stufe zu starten.

In der vorliegenden Ausführungsform kann der Schwellenwert Qth auf einen größeren Wert als der Wert eingestellt werden, der der größere vom ersten Lesewert entsprechend der Saturierungs-Speicherkapazität der ersten Akkumulierregion fd1 ist, und dem zweiten Lesewert entsprechend der Saturierungs-Speicherkapazität der zweiten Akkumulierregion fd2. Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, die Sensoreinheit 14 innerhalb eines Bereichs mit exzellenter Linearität der Beziehung zwischen der akkumulierten Ladungsmenge und der Einfallslichtmenge in jeder der ersten Akkumulierregion fd1 und der zweiten Akkumulierregion fd2 zu verwenden. Daher wird die Distanzmessgenauigkeit weiter verbessert.

Nachfolgend ermittelt die Signalverarbeitungseinheit 16a einen ersten Schätzwert Q1est und einen zweiten Schätzwert Q2est (S22 in 7). Spezifisch erzeugt die Signalverarbeitungseinheit 16a einen angemessenen Ausdruck, basierend auf den ersten Lesewerten Q1(0) bis Q1(n) bis zum n-ten Lesezyklus als dem letzten Lesezyklus und berechnet einen Korrekturwert Q1corr des ersten Lesewerts Q1 unter Verwendung des angenäherten Ausdrucks. Dann, wie in dem nachfolgenden Ausdruck (1) illustriert, berechnet die Signalverarbeitungseinheit 16a den ersten geschätzten Wert Q1est durch Subtrahieren des Lesewerts D1(n) von der Summe des Korrekturwerts Q1corr des ersten Lesewerts Q1 und des ersten Lesewerts Q1(0).

<Ausdruck> (1)

  • Q1est = Q1corr + Q1(0) – D1(n)

Ähnlich erzeugt die Signalverarbeitungseinheit 16a einen Annäherungsausdruck, basierend auf den zweiten Lesewerten Q2(0) bis Q2(n) bis zum n-ten Lesezyklus als dem letzten Lesezyklus und berechnet einen Korrekturwert Q2corr des zweiten Lesewerts Q2 unter Verwendung des Annäherungsausdrucks. Dann, wie in einem nachfolgenden Ausdruck (2) illustriert, berechnet die Signalverarbeitungseinheit 16a den zweiten Schätzwert Q2est durch Subtrahieren des Lesewerts D2(n) von der Summe des Korrekturwerts Q2corr des zweiten Lesewerts Q2 und des zweiten Lesewerts Q2(0).

<Ausdruck (2)>

  • Q2est = Q2corr + Q2(0) – D2(n)

In der vorliegenden Ausführungsform ist der Korrekturwert Q1corr des ersten Lesewerts Q1 ein Korrekturwert des ersten Lesewerts Q1(n) des n-ten Lesezyklus, während der Korrekturwert Q2corr des zweiten Lesewerts Q2 ein Korrekturwert des zweiten Lesewerts Q2(n) des n-ten Zyklus ist. Solange, wie die Korrekturwerte Q1corr und Q2corr Korrekturwerte sind, die als Ausgaben des Annäherungsausdrucks ermittelt werden, ist die Nummer des entsprechenden Lesezyklus nicht beschränkt.

Der Annäherungsausdruck wird beispielsweise auf Basis des Verfahrens kleinster Quadrate erzeugt. Der Annäherungsausdruck kann unter Verwendung anderer bekannter Annäherungsausdrucks-Erzeugungsverfahren erzeugt werden. Die Signalverarbeitungseinheit 16a kann einen Korrekturwert des Lesewerts D1 unter Verwendung des Annäherungsausdrucks, basierend auf den Lesewerten D1(0) bis D1(n) berechnen und kann den ersten Schätzwert Q1est durch Subtrahieren des Korrekturwerts des Lesewerts D1 von der Summe des Korrekturwerts Q1corr des ersten Lesewerts Q1 und des ersten Lesewerts Q1(0) berechnen. Sowohl der Korrekturwert des Lesewerts D1 als auch der Korrekturwert Q1corr des Lesewerts Q1 ist jeweils der Korrekturwert des Lesewerts D1 und der Korrekturwert des Lesewerts D1 im Lesezyklus in derselben Reihenfolge. Ähnlich kann die Signalverarbeitungseinheit 16a einen Korrekturwert des Lesewerts D2 unter Verwendung eines Annäherungsausdrucks basierend auf den Lesewerten D2(0) bis D2(n) berechnen und kann den zweiten Schätzwert Q2est durch Subtrahieren des Korrekturwerts des Lesewerts D2 von der Summe des Korrekturwerts Q2corr des zweiten Lesewerts Q2 und des zweiten Lesewerts Q2(0) berechnen. Sowohl der Korrekturwert des Lesewerts D2 als auch der Korrekturwert Q2corr des Lesewerts Q2 ist jeder vom Korrekturwert des Lesewerts D2 und dem Korrekturwert des Lesewerts Q2 im Lesezyklus in derselben Reihenfolge.

Der erste Schätzwert Q1est ist ein Wert, welcher durch Subtrahieren des ersten Lesewerts entsprechend der Rauschkomponente, wie etwa Hintergrundlicht, das bei einer anderen Rahmenperiode ermittelt wird, von der Summe des Korrekturwerts des ersten Lesewerts, der unter Verwendung des Annäherungsausdrucks berechnet ist, und des ersten Lesewerts Q1(0) ermittelt ist. Der zweite Schätzwert Q2 ist ein Wert, der durch Subtrahieren des zweiten Lesewerts entsprechend der Rauschkomponente wie etwa Hintergrundlicht, das bei einer anderen Rahmenperiode ermittelt wird, von der Summe des Korrekturwerts des zweiten unter Verwendung der Annäherungsgleichung berechneten Lesewerts und des ersten Lesewerts Q1(0) ermittelt wird. Daher, selbst wenn ein Bereich des ersten Lesewerts und des zweiten Lesewerts, die ermittelt werden, bevor der letzte Lesezyklus aufgrund von Störung fluktuiert oder dergleichen, wird der Einfluss des Lesewerts, der die Fluktuation enthält, im ersten Schätzwert Q1est und dem zweiten Schätzwert In Q2est basierend auf dem Annäherungsausdruck reduziert. Der Einfluss von Rauschen wie etwa Hintergrundlicht wird in dem ersten Schätzwert Q1est und dem zweiten Schätzwert Q2est reduziert.

Nachfolgend berechnet die Signalverarbeitungseinheit 16a eine Distanz (S23 in 7). Spezifisch berechnet die Signalverarbeitungseinheit 16a eine Distanz L durch Berechnung des nachfolgenden Ausdrucks (3).

<Ausdruck (3)>

  • L = (1/2) × c × T0 × {Q2est × α/(Q1est + Q2est × α)}

Hier ist c Lichtgeschwindigkeit. α ist das Verhältnis des ersten Lesewerts und des zweiten Lesewerts, wenn dieselbe Menge an Einfallslicht in die fotosensitive Region während der ersten Übertragungsperiode T1 und der zweiten Übertragungsperiode T2 eindringt. Auf diese Weise berechnet die Signalverarbeitungseinheit 16a die Distanz zum Objekt mit hoher Genauigkeit unter Verwendung des Verhältnisses des ersten geschätzten Werts Q1est, basierend auf der akkumulierten Ladungsmenge der ersten Akkumulierregion fd1 und des zweiten Schätzwerts Q2est, basierend auf der akkumulierten Ladungsmenge der zweiten Akkumulierregion fd2. In der vorliegenden Ausführungsform gibt die Signalverarbeitungseinheit 16a eine Linie eines Distanzbildes mit einem Graustufenwert entsprechend der für jedes der Pixel berechneten Distanz aus. In der vorliegenden Ausführungsform kann die Signalverarbeitungseinheit 16a die Steuerung und Berechnung, die unter Bezugnahme auf 7 bis 9 geschrieben sind, in solcher Weise wiederholen, dass das Distanzbild für jede der Rahmenperioden Tf aktualisiert wird.

Derweil, wie in 8 illustriert, erhöht die Signalverarbeitungseinheit 16a die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy innerhalb einer Rahmenperiode Tf. Spezifisch erhöht die Signalverarbeitungseinheit 16a die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy durch Reduzieren des Zyklus der Emissionsperiode. Das heißt, dass die Signalverarbeitungseinheit 16a die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy durch Reduzieren des Zyklus der Emissionsperiode erhöht. Die Signalverarbeitungseinheit 16a senkt die Anzahl m der Emissionsperiode pro Ladungsübertragungszyklus Cy durch Steigern des Zyklus der Emissionsperiode.

Der Zyklus der Emissionsperiode an der Anfangszeit einer Rahmenperiode Tf ist länger als der Zyklus der Emissionsperiode zu einer späteren Zeit einer Rahmenperiode Tf. Das heißt, dass der Zyklus der Emissionsperiode zur späteren Zeit einer Rahmenperiode Tf kürzer ist als der Zyklus der Emissionsperiode zur Anfangszeit einer Rahmenperiode Tf. Der Zyklus der Emissionsperiode sinkt monoton innerhalb einer Rahmenperiode Tf. In der vorliegenden Spezifikation bedeutet „monoton sinkend“, dass es keine intrinsische Tendenz gibt, das heißt monoton senken in einem breiten Sinn. In einer Rahmenperiode Tf ist die Länge der Leseperiode konstant, ohne Änderung bei der Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy.

Die Signalverarbeitungseinheit 16a erhöht in Stufen die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy. Beispielsweise ist die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy „Zwei“ am Anfangsterm einer Rahmenperiode Tf und ist die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy „M“ zur späteren Zeit einer Rahmenperiode Tf. Das heißt, dass die Signalverarbeitungseinheit 16a die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy in zwei Stufen erhöht. Es ist anzumerken, dass M ein vorbestimmter numerischer Wert als der Maximalwert der Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy ist.

Die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy steigt monoton innerhalb einer Rahmenperiode Tf an. In der vorliegenden Spezifikation bedeutet „monoton steigend“, dass keine abnehmende Tendenz vorliegt, das heißt monoton steigend in einem breiten Sinne.

In der Distanzmessvorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform ist der Zyklus der Emissionsperiode länger als die Anfangszeit einer Rahmenperiode Tf, als zu einer späteren Zeit einer Rahmenperiode Tf, was zu einer kleineren Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy führt. Daher, selbst wenn die Intensität des reflektierten Lichts, das auf die Pixeleinheit P(j) des Sensors 18 einfällt, hoch ist (beispielsweise, wenn das Objekt bei einer kurzen Distanz lokalisiert ist oder die Reflektanz des Objekts hoch ist), tendiert die Sättigung der akkumulierten Signalladungen nicht dazu, am Anfangsterm einer Rahmenperiode Tf zu erscheinen. Daher wird eine angemessene Distanzmessung in der Distanzmessvorrichtung 10 durchgeführt.

In der späteren Zeit einer Rahmenperiode Tf ist der Zyklus der Emissionsperiode kürzer als der Anfangsterm einer Rahmenperiode Tf, was zu einer größeren Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy führt. Daher, selbst wenn die Intensität des auf die Pixeleinheit P(j) des Sensors 18 einfallenden reflektierten Lichts niedrig ist (beispielsweise wenn das Objekt bei einer weiten Distanz lokalisiert ist oder die Reflektanz des Objektes niedrig ist) wird eine Verknappung der akkumulierten Signalladung reduziert. Daher wird eine angemessene Distanzmessung in der Distanzmessvorrichtung 10 durchgeführt.

Wie oben beschrieben, gemäß der Distanzmessvorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, den dynamischen Bereich von Intensität von reflektiertem Licht zu expandieren, ohne eine Rahmenperiode Tf zu ändern.

Wie in 10 illustriert, kann die Signalverarbeitungseinheit 16a die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy in drei oder mehr Stufen steigern. Darüber hinaus, wie in 11 illustriert, kann die Signalverarbeitungseinheit 16a die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy graduell von „1“ zu „M“ steigern. In jeglichem Fall steigt die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy monoton innerhalb einer Rahmenperiode Tf an.

Wie in 12 illustriert, kann die Signalverarbeitungseinheit 16a die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy durch Steigern der Länge der Leseperiode und Steigern der Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy steigern. Das heißt, dass die Signalverarbeitungseinheit 16a die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy senkt, durch Reduzieren der Länge der Leseperiode und Reduzieren der Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy, während die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy gesteigert wird, indem die Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy verlängert wird.

Die Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy zur Anfangszeit einer Rahmenperiode Tf ist kürzer als die Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy zur späteren Zeit einer Rahmenperiode Tf. Das heißt, dass die Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy zur späteren Zeit einer Rahmenperiode Tf länger ist als die Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy zur Anfangszeit einer Rahmenperiode Tf. Die Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy steigt monoton innerhalb einer Rahmenperiode Tf an. Der Zyklus der Emissionsperiode hat sich nicht innerhalb einer Rahmenperiode Tf geändert.

Im in 12 illustrierten Beispiel erhöht die Signalverarbeitungseinheit 16a die Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy in zwei Stufen. Beispielsweise ist die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy „drei“, und ist die Anzahl von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy „M“ in der späteren Periode einer Rahmenperiode Tf. Die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy steigt monoton innerhalb einer Rahmenperiode Tf an.

In der Distanzmessvorrichtung 10 der vorliegenden Ausführungsform ist die Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy kürzer zur Anfangszeit der einen Rahmenperiode Tf als zur späteren Zeit einer Rahmenperiode Tf, was zu einer geringeren Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy führt. Daher, selbst wenn die Intensität reflektierten Lichts, das auf die Pixeleinheit P(j) des Sensors 18 einfällt, hoch ist (beispielsweise, wenn das Objekt bei einer kurzen Distanz lokalisiert ist oder die Reflektanz des Objektes hoch ist), tendiert die Sättigung der akkumulierten Signalladungen dazu, nicht am Anfangsterm einer Rahmenperiode Tf aufzutreten. Daher wird eine angemessene Distanzmessung in der Distanzmessvorrichtung 10 durchgeführt.

Zur letzteren Zeit einer Rahmenperiode Tf ist die Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy länger als die Anfangszeit einer Rahmenperiode Tf, was zu einer größeren Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy führt. Daher, selbst wenn die Intensität des auf die Pixeleinheit P(j) des Sensors 18 einfallenden reflektierten Lichts niedrig ist (beispielsweise wenn das Objekt bei einer langen Distanz lokalisiert ist oder die Reflektanz des Objektes niedrig ist), wird Kürzung von akkumulierter Signalladung unterdrückt. Daher wird eine angemessene Distanzmessung in der Distanzmessvorrichtung 10 durchgeführt.

Wie in 13 illustriert, kann die Signalverarbeitungseinheit 16a die Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy in drei oder mehr Stufen steigern. In diesem Fall steigert die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy sich in drei oder mehr Stufen. Darüber hinaus, wie in 14 illustriert, kann die Signalverarbeitungseinheit 16a graduell die Periode des Ladungsübertragungszyklus Cy erhöhen. In diesem Fall steigt beispielsweise die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy graduell von „Eins“ bis „M“. In jedem Fall steigt die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladungsübertragungszyklus Cy monoton innerhalb einer Rahmenperiode Tf an.

Als nächstes wird eine andere Ausführungsform unter Bezugnahme auf 15 und 16 beschrieben. 15 ist ein Diagramm, das einen beispielhaften Sensor gemäß der anderen Ausführungsform illustriert. 16 ist ein Schaltungsdiagramm einer Pixeleinheit einer Sensoreinheit gemäß der anderen Ausführungsform und einer entsprechenden Abtast- und Halteschaltung für die Pixeleinheit.

Die Distanzmessvorrichtung 10 kann einen Sensor 18a, der in 15 illustriert ist, anstelle des Sensors 18 enthalten. Der Sensor 18a beinhaltet eine Bildgebungsregion IR mit I × J Pixeleinheiten P(i, j). Es ist anzumerken, dass i eine Ganzzahl von 1 bis I ist, j eine Ganzzahl von 1 bis J ist, wobei jede von I und J eine Ganzzahl von zwei oder mehr ist. I × J Pixeleinheiten P(i, j) sind in I Reihen und J Spalten angeordnet. In der Bildgebungsregion IR sind zwei vertikale Signalleitungen V1(j) und V2(j) für jede von Spalten der Pixeleinheit vorgesehen.

Wie in 16 illustriert, ist ein Schalter SW20 mit dem Ausgang der Ladungsspannungs-Wandlungsschaltung A1 der Pixeleinheit P(i, j) des Sensors 18A verbunden. Der Schalter SW20 ist mit dem Schalter SW10 der entsprechenden ersten Abtast- und Halteschaltung SH1 über die entsprechende vertikale Signalleitung V1(j) verbunden. Ein Schalter SW22 ist mit dem Ausgang der Ladungsspannungs-Umwandlungsschaltung A2 der Pixeleinheit P(i, j) verbunden. Der Schalter SW22 ist mit dem Schalter SW12 der entsprechenden zweiten Abtast- und Halteschaltung SH2 über die entsprechende vertikale Signalleitung V2(j) verbunden.

Der Sensor 18A beinhaltet weiter eine vertikale Schieberegistergruppe VSG. Die vertikale Schieberegistergruppe VSG beinhaltet eine Vielzahl von vertikalen Schieberegistern, die in der vertikalen Richtung angeordnet sind. Jedes der vertikalen Schieberegister beinhaltet beispielsweise einen Flip-Flop. Ein Startsignal wird aus der Signalverarbeitungseinheit 16a an dem vertikalen Schieberegister angelegt, das an einem Ende in einer Anordnungsrichtung vorgesehen ist. Ein Taktsignal wird aus der Signalverarbeitungseinheit 16a an allen vertikalen Schieberegistern angelegt. Beim Empfangen des Startsignals und des Taktsignals legt die vertikale Schieberegistergruppe VSG sequentiell Reihenauswahlsignale an die Schalter SW20 und SW22 der Vielzahl von Pixeleinheiten P(i, j) in der Reihenfolge von Reihen an.

Mit dieser Konfiguration werden die Ausgänge der Schaltungsspannungs-Umwandlungsschaltungen A1 und A2 der Vielzahl von Pixeleinheiten (i, j) in jeder von Spalten sequentiell mit den entsprechenden vertikalen Signalleitungen V1(j) und V2(j) verbunden, wird dann die Ausgangsspannung jeder der Vielzahl von Pixeleinheiten P(i, j) sequentiell in jeder der entsprechenden Abtast- und Halteschaltungen SH1 bzw. SH2 in der Reihenfolge von Reihen gehalten. Wenn die Ausgangsspannung jeder der Vielzahl von Pixeleinheiten (j, i) in jeder von Reihen jeweils in jeder von entsprechenden Abtast- und Halteschaltungen SH1 und SH2 gehalten wird, wird die in jeder der Abtast- und Halteschaltungen SH1 und SH2 gehaltene Spannung sequentiell mit jeder der Signalleitungen H1 und H2 in der Reihenfolge von Spalten gekoppelt, durch ein Leseimpulssignal, das aus der horizontalen Schieberegistergruppe HSG angelegt wird. Dann, indem die unter Bezugnahme auf7 beschriebene Berechnung an jeder der Pixeleinheiten durchgeführt wird, kann die Signalverarbeitungseinheit 16a ein zweidimensionales Distanzbild bilden.

Obwohl oben die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht notwendiger Weise auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Modifikationen können vorgenommen werden, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Beispielsweise, obwohl die in 15 illustrierte Ausführungsform die entsprechende Abtast- und Halteschaltungen SH1 und SH2 für jede der Spalten der Pixeleinheit beinhaltet, ist es erlaubt, die entsprechenden Abtast- und Halteschaltungen SH1 und SH2 für jede der Pixeleinheiten zu enthalten. Die Anzahl von Pixeleinheiten in der Bildgebungsregion IR kann Eins betragen.

Die Anzahl m von Emissionsperioden pro Ladeübertragungszyklus Cy ist nicht auf die in den 8 und 10 bis 14 illustrierten Werte beschränkt.

Wie in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungsnummer 2013-178121 und der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichungsnummer 2013-206903 durch den Anmelder der vorliegenden Erfindung beschrieben, kann jede der Pixeleinheiten P(1) bis P(J) zwei fotosensitive Regionen (erste fotosensitive Region und zweite fotosensitive Region) beinhalten. In diesem Fall akkumuliert die erste Akkumulierregion die in der ersten fotosensitiven Region erzeugte Ladung und akkumuliert die zweite Akkumulierregion die in der zweiten fotosensitiven Region erzeugte Ladung. Die erste Übertragungselektrode ist zwischen der ersten fotosensitiven Region und der ersten Akkumulierregion vorgesehen. Die zweite Übertragungselektrode ist zwischen der zweiten fotosensitiven Region und der zweiten Akkumulierregion vorgesehen.

Die fotosensitive Region, die Akkumulierregion und die Übertragungselektrode, die in jeder der Pixeleinheiten P(1) bis P(J) enthalten sind, können „Eins“ sein, wie in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nummer 2013-178121 und der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nummer 2013-206903, oben beschrieben, beschrieben. In diesem Fall wird im an die Übertragungselektrode angelegten Spannungssignal eine Phasenverschiebung intermittent zu einem vorbestimmten Zeitpunkt bereitgestellt. Beispielsweise wird eine Phasenverschiebung von 180 Grad zu einem Zeitpunkt von 180 Grad in dem oben beschriebenen Spannungssignal vorgesehen. Das an die Übertragungselektrode angelegte Spannungssignal wird mit dem Antriebsimpulssignal SL zum Zeitpunkt von 0 Grad synchronisiert und weist eine Phasendifferenz von 180 Grad zu einem Zeitpunkt von 180 Grad in dem Antriebsimpulssignal SL auf. Das heißt, dass die in der Akkumulierregion akkumulierte Ladung zu einem Zeitpunkt von 0 Grad und einem Zeitpunkt von 180 Grad gelesen wird.

Industrielle Anwendbarkeit

Die vorliegende Erfindung kann auf eine Distanzmessvorrichtung, die auf dem TOF-Verfahren basiert, angewendet werden.

Bezugszeichenliste

10
Distanzmessvorrichtung
12
Lichtquelleneinheit
14
Sensoreinheit
16
Verarbeitungseinheit
16a
Signalverarbeitungseinheit
18
Sensor
Cy
Ladungsübertragungszyklus
fd1
erste Akkumulierregion
fd2
zweite Akkumulierregion
PG
Fotogatterelektrode
RS1
erster Rücksetzschalter
RS2
zweiter Rücksetzschalter
T1
erste Übertragungsperiode
T2
zweite Übertragungsperiode
Tf
Rahmenperiode
TX1
erste Übertragungselektrode
TX2
zweite Übertragungselektrode
Vr
Rücksetzpotential