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JP2006172210A - Distance image sensor for vehicle, and obstacle monitoring device using the same - Google Patents

Distance image sensor for vehicle, and obstacle monitoring device using the same Download PDF

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JP2006172210A
JP2006172210A JP2004364827A JP2004364827A JP2006172210A JP 2006172210 A JP2006172210 A JP 2006172210A JP 2004364827 A JP2004364827 A JP 2004364827A JP 2004364827 A JP2004364827 A JP 2004364827A JP 2006172210 A JP2006172210 A JP 2006172210A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light
vehicle
distance
charge
distance image
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004364827A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Yuji Takada
裕司 高田
Yusuke Hashimoto
裕介 橋本
Fumi Tsunesada
扶美 常定
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Electric Works Co Ltd
Original Assignee
Matsushita Electric Works Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Works Ltd filed Critical Matsushita Electric Works Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a distance image sensor for vehicles which has no dead zone near its attaching position and by which information on a distance to an object can be accurately acquired, and to provide an obstacle monitoring device using the sensor. <P>SOLUTION: The distance image sensor 10 for vehicles comprises a luminescence source 2 to emit a visible light which is modulated so that its intensity may change periodically, to an objective space outside the vehicle; a photo-detecting element 1 to capture an image of the objective space, in which a plurality of photosensitive parts 11 to generate an electric output according to the amount of light received are arranged; and an image generation part 4 to generate the distance image whose pixel value is defined as a distance value calculated by converting a phase difference of light irradiating the objective space from the luminescence source 2 to be reflected by an object in the objective space and received by each photosensitive part 11 into a distance to the object. The luminescence source 2 is composed of a backward light which is attached at the back of the vehicle and illuminates rearward of the vehicle at going back. An obstacle monitoring device 5 monitors an obstacle in the objective space behind the vehicle, based on the distance image behind the vehicle generated by the image generation part 4. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、車両の外部にある対象物までの距離情報を得る車両用距離画像センサおよびそれを用いる障害物監視装置に関するものである。   The present invention relates to a vehicle distance image sensor that obtains distance information to an object outside a vehicle, and an obstacle monitoring device using the same.

従来より、車両の外部にある対象物までの距離情報を得るセンサとして、超音波を対象空間に送出してから、対象空間内の物体で反射された反射波を受波するまでの伝搬時間をもとに物体までの距離を測定する超音波センサが提供されている。このような超音波センサは車両の後方にある障害物までの距離や、前方にある障害物を検出するために利用されている。車両後方の障害物を監視する障害物監視装置では、車体の後部に超音波センサを取り付けて、車両の後方にある障害物までの距離が所定距離よりも短くなると警報を発していた。また車両前方の障害物を監視する障害物監視装置では、車体の前部に超音波センサを取り付けて、車両の前方にある障害物、例えば走行時には前方を走行する他の車両までの車間距離を測定し、車間結果が所定距離よりも短くなると、制動装置を制御するコンピュータに対して制動をかけさせるための警報信号を発していた。また、駐車時には車両の前方にある物体までの距離を測定し、この測定結果が所定距離よりも短くなると警報を発していた(例えば特許文献1参照)。
特開平6−138226号公報
Conventionally, as a sensor for obtaining distance information to an object outside the vehicle, the propagation time from sending an ultrasonic wave to the target space until receiving a reflected wave reflected by an object in the target space is calculated. An ultrasonic sensor that measures the distance to an object is provided. Such an ultrasonic sensor is used to detect a distance to an obstacle behind the vehicle and an obstacle ahead. In the obstacle monitoring apparatus that monitors an obstacle behind the vehicle, an ultrasonic sensor is attached to the rear part of the vehicle body, and an alarm is issued when the distance to the obstacle behind the vehicle becomes shorter than a predetermined distance. In the obstacle monitoring device that monitors obstacles in front of the vehicle, an ultrasonic sensor is attached to the front part of the vehicle body, and the distance between the obstacles in front of the vehicle, for example, another vehicle that travels ahead when traveling is measured. When the measurement results and the inter-vehicle distance result is shorter than a predetermined distance, an alarm signal is issued to cause the computer that controls the braking device to perform braking. Further, when parking, the distance to an object in front of the vehicle is measured, and an alarm is issued when the measurement result becomes shorter than a predetermined distance (see, for example, Patent Document 1).
JP-A-6-138226

上述の超音波センサでは、超音波センサにより超音波の伝搬時間をもとに物体までの距離を検出しているが、風によって超音波の伝搬方向がずれたり、相対的に音速が変化することで、距離の測定誤差が発生するという問題があり、このような超音波センサを用いた障害物監視装置では障害物まの距離の測定精度が十分に得られないという問題があった。また、気温の変化によっても音速が変化するため、温度変化による測定誤差が発生するという問題があった。また、1つの超音波振動子で送波と受波を行う反射形の超音波センサでは、超音波を送波してから所定時間が経過するまでの間は反射波を受波できないため、超音波振動子の前面から一定距離までの範囲に不感帯が発生するという問題があった。   In the ultrasonic sensor described above, the distance to the object is detected by the ultrasonic sensor based on the ultrasonic wave propagation time, but the ultrasonic wave propagation direction is shifted by the wind or the sound speed changes relatively. Thus, there is a problem that a distance measurement error occurs, and such an obstacle monitoring device using an ultrasonic sensor has a problem that the measurement accuracy of the distance to the obstacle cannot be sufficiently obtained. In addition, since the sound speed changes depending on the temperature change, there is a problem that a measurement error due to the temperature change occurs. In addition, in the reflection type ultrasonic sensor that transmits and receives with one ultrasonic transducer, the reflected wave cannot be received until a predetermined time elapses after the ultrasonic wave is transmitted. There was a problem that a dead zone occurred in a range from the front surface of the acoustic wave transducer to a certain distance.

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、取付位置の近傍に不感帯が無く、対象物体までの正確な距離情報を得ることができる車両用距離画像センサおよびそれを用いる障害物監視装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a vehicle distance image sensor that has no dead zone in the vicinity of the mounting position and can obtain accurate distance information to the target object. And it is providing the obstruction monitoring apparatus using the same.

上記目的を達成するために、請求項1の発明は、強度が周期的に変化するように変調した可視光を車両外部の対象空間に照射する発光源と、受光光量に応じた電気出力を発生する複数個の感光部が配列されて対象空間を撮像する光検出素子と、発光源から対象空間に照射された光が対象空間内の物体で反射されて各感光部で受光されるまでの光の位相差を物体までの距離に換算した距離値を画素値とする距離画像を生成する距離画像生成部とを備えるとともに、発光源が、車両に取り付けられて車両の外部に光を照射する車両灯火装置からなることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the invention of claim 1 generates a light source that irradiates a target space outside the vehicle with visible light modulated so that the intensity periodically changes, and an electric output corresponding to the amount of received light. A light detection element that images a target space by arranging a plurality of photosensitive parts, and light from the light emitted from the light source to the target space reflected by an object in the target space and received by each photosensitive part A distance image generating unit that generates a distance image having a pixel value as a distance value obtained by converting the phase difference of the above to a distance to an object, and a light source is attached to the vehicle and irradiates light outside the vehicle It consists of a lighting device.

この発明によれば、発光源から強度が周期的に変化するように変調した可視光を車両外部の対象空間に照射させ、画像生成部によって、発光源から対象空間に照射された光が対象空間内の物体で反射されて各感光部で受光されるまでの光の位相差を物体までの距離に換算した距離値を画素値とする距離画像を生成しているので、超音波センサを用いて距離情報を得る場合のように気温や風の影響を受けて測定誤差が発生することはなく、正確な距離情報を得ることができ、またセンサの取付位置の近傍に検出不可能な不感帯が発生することがないという効果がある。しかも、発光源が車両の外部に光を照射する車両灯火装置で構成されているので、距離画像を得るために新たな光源を追加する必要が無く、車両灯火装置を距離画像センサの発光源として兼用することで、部品数を削減してコストダウンを図ることができる。   According to the present invention, the visible light modulated so that the intensity periodically changes from the light emitting source is irradiated to the target space outside the vehicle, and the light emitted from the light emitting source to the target space by the image generating unit is the target space. A distance image is generated with the pixel value as the distance value obtained by converting the phase difference of the light reflected by the object inside and received by each photosensitive unit into the distance to the object. Measurement error does not occur under the influence of air temperature and wind as in the case of obtaining distance information, accurate distance information can be obtained, and an undetectable dead zone near the sensor mounting position occurs There is an effect that there is nothing to do. Moreover, since the light source is composed of a vehicle lighting device that emits light to the outside of the vehicle, there is no need to add a new light source to obtain a distance image, and the vehicle lighting device is used as the light source of the distance image sensor. By using it also, the number of parts can be reduced and the cost can be reduced.

請求項2の発明は障害物監視装置であって、請求項1記載の車両用距離画像センサを備え、前記車両灯火装置が後退灯であり、前記距離画像生成部により生成された車両後方の距離画像をもとに、車両後方の対象空間における障害物を監視する障害物監視部を備えて成ることを特徴とする。   Invention of Claim 2 is an obstacle monitoring apparatus, Comprising: The distance image sensor for vehicles of Claim 1, The said vehicle lighting apparatus is a reverse light, The distance of the vehicle rear produced | generated by the said distance image generation part An obstacle monitoring unit that monitors an obstacle in a target space behind the vehicle based on the image is provided.

この発明によれば、請求項1記載の車両用距離画像センサを用いることで対象空間の物体までの正確な距離情報を得ることができ、またセンサの取付位置の近傍に検出不可能な不感帯が発生することがなく、さらに後退時に点灯される後退灯を発光源としているので、新たな光源を追加することなく、車両後方の対象空間における距離画像を生成することができる。しかも、障害物監視部では、車両後方の距離画像をもとに対象空間における障害物を監視しているので、後退時の安全を確実に確保することが可能な障害物監視装置を実現できる。   According to the present invention, accurate distance information to an object in the target space can be obtained by using the vehicular distance image sensor according to claim 1, and there is a dead zone that cannot be detected in the vicinity of the sensor mounting position. Since a backward light that does not occur and is turned on when the vehicle moves backward is used as a light source, a distance image in the target space behind the vehicle can be generated without adding a new light source. Moreover, since the obstacle monitoring unit monitors the obstacle in the target space based on the distance image behind the vehicle, it is possible to realize an obstacle monitoring device that can reliably ensure safety when reversing.

請求項3の発明は障害物監視装置であって、請求項1記載の車両用距離画像センサを備え、前記車両灯火装置が前照灯であり、前記距離画像生成部により生成された車両前方の距離画像をもとに、車両前方の対象空間における障害物を監視する障害物監視部を備えて成ることを特徴とする。   A third aspect of the present invention is an obstacle monitoring apparatus, comprising the vehicle distance image sensor according to the first aspect, wherein the vehicle lighting device is a headlamp, and the front of the vehicle generated by the distance image generation unit is provided. An obstacle monitoring unit that monitors obstacles in the target space in front of the vehicle based on the distance image is provided.

この発明によれば、請求項1記載の車両用距離画像センサを用いることで対象空間の物体までの正確な距離情報を得ることができ、またセンサの取付位置の近傍に検出不可能な不感帯が発生することがなく、さらに夜間やトンネル走行時などに点灯される前照灯を発光源としているので、新たな光源を追加することなく、車両前方の対象空間における距離画像を生成することができる。しかも、車間距離監視部では、車両前方の距離画像をもとに対象空間における障害物を監視しているので、車両前方の安全を確実に確保することが可能な障害物監視装置を実現できる。   According to the present invention, accurate distance information to an object in the target space can be obtained by using the vehicular distance image sensor according to claim 1, and there is a dead zone that cannot be detected in the vicinity of the sensor mounting position. The headlight that does not occur at night or when traveling in tunnels is used as the light emission source, so that a distance image in the target space in front of the vehicle can be generated without adding a new light source. . In addition, since the inter-vehicle distance monitoring unit monitors the obstacle in the target space based on the distance image in front of the vehicle, an obstacle monitoring device that can ensure safety in front of the vehicle can be realized.

請求項1の発明によれば、発光源から強度が周期的に変化するように変調した可視光を車両外部の対象空間に照射させ、画像生成部によって、発光源から対象空間に照射された光が対象空間内の物体で反射されて各感光部で受光されるまでの光の位相差を物体までの距離に換算した距離値を画素値とする距離画像を生成しているので、超音波センサを用いて距離情報を得る場合のように気温や風の影響を受けて測定誤差が発生することはなく、正確な距離情報を得ることができ、またセンサの取付位置の近傍に検出不可能な不感帯が発生することがないという効果がある。しかも、発光源が車両の外部に光を照射する車両灯火装置で構成されているので、距離画像を得るために新たな光源を追加する必要が無く、車両灯火装置を距離画像センサの発光源として兼用することで、部品数を削減してコストダウンを図ることができる。   According to the first aspect of the present invention, the visible light modulated so that the intensity periodically changes from the light emitting source is irradiated to the target space outside the vehicle, and the light emitted from the light emitting source to the target space by the image generation unit. Ultrasonic sensor generates a distance image with a pixel value as a distance value obtained by converting the phase difference of light from when the light is reflected by an object in the target space and received by each photosensitive unit to a distance to the object The measurement error does not occur under the influence of air temperature and wind as in the case of obtaining distance information using the sensor, accurate distance information can be obtained, and it cannot be detected near the sensor mounting position. There is an effect that a dead zone does not occur. Moreover, since the light source is composed of a vehicle lighting device that emits light to the outside of the vehicle, there is no need to add a new light source to obtain a distance image, and the vehicle lighting device is used as the light source of the distance image sensor. By using it also, the number of parts can be reduced and the cost can be reduced.

請求項2の発明によれば、請求項1記載の車両用距離画像センサを用いることで対象空間の物体までの正確な距離情報を得ることができ、またセンサの取付位置の近傍に検出不可能な不感帯が発生することがなく、さらに後退時に点灯される後退灯を発光源としているので、新たな光源を追加することなく、車両後方の対象空間における距離画像を生成することができる。しかも、障害物監視部では、車両後方の距離画像をもとに対象空間における障害物を監視しているので、後退時の安全を確実に確保することが可能な障害物監視装置を実現できる。   According to the second aspect of the present invention, accurate distance information to the object in the target space can be obtained by using the vehicular distance image sensor according to the first aspect, and it cannot be detected in the vicinity of the sensor mounting position. No dead zone is generated, and a reversing lamp that is turned on when reversing is used as a light source, so that a distance image in the target space behind the vehicle can be generated without adding a new light source. Moreover, since the obstacle monitoring unit monitors the obstacle in the target space based on the distance image behind the vehicle, it is possible to realize an obstacle monitoring device that can reliably ensure safety when reversing.

請求項3の発明によれば、請求項1記載の車両用距離画像センサを用いることで対象空間の物体までの正確な距離情報を得ることができ、またセンサの取付位置の近傍に検出不可能な不感帯が発生することがなく、さらに夜間やトンネル走行時などに点灯される前照灯を発光源としているので、新たな光源を追加することなく、車両前方の対象空間における距離画像を生成することができる。しかも、車間距離監視部では、車両前方の距離画像をもとに対象空間における障害物を監視しているので、車両前方の安全を確実に確保することが可能な障害物監視装置を実現できる。   According to the third aspect of the present invention, accurate distance information to the object in the target space can be obtained by using the vehicular distance image sensor according to the first aspect, and it cannot be detected in the vicinity of the sensor mounting position. A headlight that is turned on at night or when traveling in a tunnel is used as the light source, so that a distance image in the target space in front of the vehicle can be generated without adding a new light source. be able to. In addition, since the inter-vehicle distance monitoring unit monitors the obstacle in the target space based on the distance image in front of the vehicle, an obstacle monitoring device that can ensure safety in front of the vehicle can be realized.

(実施形態1)
以下に、本発明に係る車両用距離画像センサを、車両後方の対象空間における障害物を監視する障害物監視装置に適用した一実施形態を説明するが、先ず距離画像センサの基本構成について図1を参照して説明する。
(Embodiment 1)
In the following, an embodiment in which the vehicle distance image sensor according to the present invention is applied to an obstacle monitoring device for monitoring an obstacle in a target space behind the vehicle will be described. First, the basic configuration of the distance image sensor will be described with reference to FIG. Will be described with reference to FIG.

距離画像センサ10は、図1に示すように、対象空間に光を照射する発光源2を備えるとともに、対象空間からの光を受光し受光光量を反映した出力値の電気出力が得られる光検出素子1を備える。対象空間に存在する物体Obまでの距離は、発光源2から対象空間に光が照射されてから物体Obでの反射光が光検出素子1に入射するまでの時間(「飛行時間」と呼ぶ)によって求める。ただし、飛行時間は非常に短いから、対象空間に照射する光の強度が一定周期で周期的に変化するように変調した強度変調光を用い、強度変調光を受光したときの位相を用いて飛行時間を求める。なお、本発明の技術思想は、距離画像センサ10として、飛行時間により距離画像を生成する構成のほか、三角測量法の原理によって距離画像を生成する構成においても採用可能である。ただし、以下に説明する構成の距離画像センサ10は、三角測量法の原理を用いる距離画像センサに比較して短時間(ほぼ実時間)で距離画像を生成できるから、三角測量法の原理を採用した距離画像センサよりも好ましい。   As shown in FIG. 1, the distance image sensor 10 includes a light emitting source 2 that irradiates light to a target space, and receives light from the target space and obtains an electrical output having an output value that reflects the amount of received light. Device 1 is provided. The distance to the object Ob existing in the target space is the time from when light is irradiated from the light source 2 to the target space until the reflected light from the object Ob enters the light detection element 1 (referred to as “time of flight”). Ask for. However, since the flight time is very short, use the intensity-modulated light that is modulated so that the intensity of the light irradiating the target space changes periodically at a constant period, and use the phase when the intensity-modulated light is received. Ask for time. The technical idea of the present invention can be adopted not only in the configuration in which the distance image is generated by the time of flight, but also in the configuration in which the distance image is generated by the principle of triangulation method. However, the distance image sensor 10 having the configuration described below adopts the principle of triangulation because it can generate a distance image in a short time (almost real time) compared to the distance image sensor using the principle of triangulation. It is preferable to the distance image sensor.

図3(a)に示すように、発光源2から空間に放射する光の強度が曲線イのように変化し、光検出素子1で受光した受光光量が曲線ロのように変化するとすれば、位相差ψは飛行時間に相当するから、位相差ψを求めることにより物体Obまでの距離を求めることができる。また、位相差ψは、曲線イの複数のタイミングで求めた曲線ロの受光光量を用いて計算することができる。たとえば、曲線イにおける位相が0度、90度、180度、270度の位相で求めた曲線ロの受光光量がそれぞれA0、A1、A2、A3であるとする(受光光量A0、A1、A2、A3を斜線部で示している)。ただし、各位相における受光光量A0、A1、A2、A3は、瞬時値ではなく所定の受光期間Twで積算した受光光量を用いる。いま、受光光量A0、A1、A2、A3を求める間に、位相差ψが変化せず(つまり、物体Obまでの距離が変化せず)、かつ物体Obの反射率にも変化がないものとする。また、発光源2から放射する光の強度を正弦波で変調し、時刻tにおいて光検出素子1で受光される光の強度がA・sin(ωt+δ)+Bで表されるものとする。ここに、Aは振幅、Bは直流成分(外光成分と反射光成分との平均値)、ωは角振動数、δは初期位相である。光検出素子1で受光する受光光量A0、A1、A2、A3を受光期間Twの積算値ではなく瞬時値とし、変調の周期に同期した時刻t=n/f(n=0、1、2、…、fは変調の周波数)における受光光量を、A0=A・sin(δ)+Bとすれば、受光光量A0、A1、A2、A3は、次のように表すことができる。なお、反射光成分とは、発光源2から放射され物体Obにより反射された後に光検出素子1に入射する光の成分を意味する。   As shown in FIG. 3A, if the intensity of light radiated from the light source 2 into the space changes as shown by curve A, and the amount of received light received by the light detecting element 1 changes as shown by curve B, Since the phase difference ψ corresponds to the time of flight, the distance to the object Ob can be obtained by obtaining the phase difference ψ. Further, the phase difference ψ can be calculated using the received light quantity of the curve B obtained at a plurality of timings of the curve A. For example, it is assumed that the received light amounts of curve B obtained with the phases of curve A at 0, 90, 180, and 270 degrees are A0, A1, A2, and A3 (received light amounts A0, A1, A2,. A3 is indicated by hatching). However, the received light quantity A0, A1, A2, A3 in each phase is not an instantaneous value but a received light quantity integrated over a predetermined light receiving period Tw. Now, while obtaining the received light amounts A0, A1, A2, A3, the phase difference ψ does not change (that is, the distance to the object Ob does not change), and the reflectance of the object Ob does not change. To do. Further, it is assumed that the intensity of light emitted from the light emitting source 2 is modulated by a sine wave, and the intensity of light received by the light detection element 1 at time t is represented by A · sin (ωt + δ) + B. Here, A is the amplitude, B is the DC component (average value of the external light component and the reflected light component), ω is the angular frequency, and δ is the initial phase. The received light amounts A0, A1, A2, and A3 received by the light detection element 1 are instantaneous values, not integrated values of the light receiving period Tw, and time t = n / f (n = 0, 1, 2,. .., F is the modulation frequency), and the received light quantity A0 = A · sin (δ) + B, the received light quantity A0, A1, A2, A3 can be expressed as follows. The reflected light component means a component of light that is emitted from the light source 2 and is incident on the light detection element 1 after being reflected by the object Ob.

A0=A・sin(δ)+B
A1=A・sin(π/2+δ)+B
A2=A・sin(π+δ)+B
A3=A・sin(3π/2+δ)+B
図3では位相差がψであるから、光検出素子1の受光光量に関する波形の初期位相δ(時刻t=0の位相)は−ψになる。つまり、δ=−ψであるから、A0=−A・sin(ψ)+B、A1=A・cos(ψ)+B、A2=A・sin(ψ)+B、A3=−A・cos(ψ)+Bであり、結果的に、各受光光量A0、A1、A2、A3と位相差ψとの関係は、次式のようになる。
A0 = A · sin (δ) + B
A1 = A · sin (π / 2 + δ) + B
A2 = A · sin (π + δ) + B
A3 = A · sin (3π / 2 + δ) + B
In FIG. 3, since the phase difference is ψ, the initial phase δ (phase at time t = 0) of the waveform related to the amount of light received by the light detection element 1 is −ψ. That is, since δ = −ψ, A0 = −A · sin (ψ) + B, A1 = A · cos (ψ) + B, A2 = A · sin (ψ) + B, A3 = −A · cos (ψ) As a result, the relationship between each received light quantity A0, A1, A2, A3 and the phase difference ψ is expressed by the following equation.

ψ=tan−1{(A2−A0)/(A1−A3)} …(1)
(1)式では受光光量A0、A1、A2、A3の瞬時値を用いているが、受光光量A0、A1、A2、A3として受光期間Twにおける積算値を用いても(1)式で位相差ψを求めることができる。
ψ = tan −1 {(A2−A0) / (A1−A3)} (1)
In equation (1), the instantaneous values of the received light amounts A0, A1, A2, and A3 are used. However, even if the integrated values in the light receiving period Tw are used as the received light amounts A0, A1, A2, and A3, the phase difference in equation (1) ψ can be obtained.

また、光検出素子1で受光される光の強度をA・cos(ωt+δ)+Bとする場合、つまり変調の周期に同期した時刻t=n/f(n=0、1、2、…)における受光光量を、A0=A・cos(δ)+Bとすれば、位相差ψを次式で求めることができる。   Further, when the intensity of light received by the light detection element 1 is A · cos (ωt + δ) + B, that is, at time t = n / f (n = 0, 1, 2,...) Synchronized with the modulation period. If the received light quantity is A0 = A · cos (δ) + B, the phase difference ψ can be obtained by the following equation.

ψ=tan−1{(A1−A3)/(A0−A2)}
この関係は、変調の周期に同期させるタイミングを90度ずらした関係である。また、距離値の符号は正であるから、位相差ψを求めたときに符号が負になる場合には、tan−1の括弧内の分母または分子の各項の順序を入れ換えるか括弧内の絶対値を用いるようにしてもよい。
ψ = tan −1 {(A1−A3) / (A0−A2)}
This relationship is a relationship in which the timing synchronized with the modulation period is shifted by 90 degrees. In addition, since the sign of the distance value is positive, if the sign is negative when the phase difference ψ is obtained, the order of the denominator in the parenthesis of tan −1 or each term of the numerator is changed, or An absolute value may be used.

本実施形態では発光源2を、車体50の後部に取り付けられ、後退時に車両後方を照らして後方視界を得るための後退灯51で構成してあり(図2参照)、左右の後退灯51の近傍に光検出素子1を配置している。なお光検出素子1は後退灯51の灯体内部に配置しても良い。後退灯51の光源としては、対象空間に照射する光の強度を変調するために、例えば多数個の発光ダイオードを一平面上に配列したものを用いる。また、発光源2は、制御回路部3から出力される所定の変調周波数である変調信号によって駆動され、発光源2から放射される光は変調信号により強度が変調される。制御回路部3では、たとえば20MHzの正弦波で発光源2から放射する光の強度を変調する。ここで、制御回路部3では、例えば20MHzの正弦波で発光源2から放射する光の強度を変調しているので、人間の目には後退灯51の照射光の強度変化が感知されることはなく、ユーザが違和感を感じることはない。尚、後退灯51の光源としては発光ダイオード以外のものでも良く、白熱電球やHIDランプなど強度が周期的に変化するように変調された可視光を放射するものであれば、どのような光源を用いても良い。また、発光源2から放射する光の強度は正弦波で変調する以外に、三角波、鋸歯状波などで変調してもよく、要するに、一定周期で強度を変調するのであれば、どのような構成を採用してもよい。   In the present embodiment, the light emission source 2 is attached to the rear part of the vehicle body 50, and is composed of a reverse lamp 51 for illuminating the rear of the vehicle and obtaining a rear view when the vehicle is reverse (see FIG. 2). The photodetecting element 1 is disposed in the vicinity. The light detection element 1 may be disposed inside the lamp body of the backward light 51. As the light source of the reversing lamp 51, for example, a light source in which a large number of light emitting diodes are arranged on a single plane is used in order to modulate the intensity of light applied to the target space. The light source 2 is driven by a modulation signal having a predetermined modulation frequency output from the control circuit unit 3, and the intensity of the light emitted from the light source 2 is modulated by the modulation signal. The control circuit unit 3 modulates the intensity of light emitted from the light source 2 with, for example, a 20 MHz sine wave. Here, since the control circuit unit 3 modulates the intensity of light emitted from the light source 2 with, for example, a 20 MHz sine wave, a change in the intensity of the irradiation light of the backward lamp 51 is detected by the human eye. No, the user does not feel uncomfortable. The light source of the reversing lamp 51 may be other than a light emitting diode, and any light source may be used as long as it emits visible light whose intensity is periodically changed, such as an incandescent bulb or an HID lamp. It may be used. Further, the intensity of the light emitted from the light source 2 may be modulated by a triangular wave, a sawtooth wave, or the like in addition to the modulation by a sine wave. In short, any configuration may be used as long as the intensity is modulated at a constant period. May be adopted.

光検出素子1は、規則的に配列された複数個の感光部11を備える。また、感光部11への光の入射経路には受光光学系19が配置される。感光部11は光検出素子1において対象空間からの光が受光光学系19を通して入射する部位であって、感光部11において受光光量に応じた量の電荷を生成する。また、感光部11は、平面格子の格子点上に配置され、たとえば垂直方向(つまり、縦方向)と水平方向(つまり、横方向)とにそれぞれ等間隔で複数個ずつ並べたマトリクス状に配列される。   The light detection element 1 includes a plurality of photosensitive portions 11 regularly arranged. A light receiving optical system 19 is disposed on the light incident path to the photosensitive portion 11. The photosensitive part 11 is a part where light from the target space enters through the light receiving optical system 19 in the light detection element 1, and the photosensitive part 11 generates an amount of electric charge corresponding to the amount of received light. Further, the photosensitive portions 11 are arranged on the lattice points of the planar lattice, and are arranged in a matrix in which, for example, a plurality are arranged at equal intervals in the vertical direction (that is, the vertical direction) and the horizontal direction (that is, the horizontal direction). Is done.

受光光学系19は、光検出素子1から対象空間を見るときの視線方向と各感光部11とを対応付ける。すなわち、受光光学系19を通して各感光部11に光が入射する範囲を、受光光学系19の中心を頂点とし各感光部11ごとに設定された頂角の小さい円錐状の視野とみなすことができる。したがって、発光源2から放射され対象空間に存在する物体Obで反射された反射光が感光部11に入射すれば、反射光を受光した感光部11の位置により、受光光学系19の光軸を基準方向として物体Obの存在する方向を知ることができる。   The light receiving optical system 19 associates the line-of-sight direction when viewing the target space from the light detection element 1 with each photosensitive portion 11. That is, the range in which light enters each photosensitive portion 11 through the light receiving optical system 19 can be regarded as a conical field of view having a small apex angle set for each photosensitive portion 11 with the center of the light receiving optical system 19 as the apex. . Therefore, if the reflected light emitted from the light source 2 and reflected by the object Ob existing in the target space is incident on the photosensitive portion 11, the optical axis of the light receiving optical system 19 is changed depending on the position of the photosensitive portion 11 that has received the reflected light. The direction in which the object Ob exists can be known as the reference direction.

受光光学系19は一般に感光部11を配列した平面に光軸を直交させるように配置されるから、受光光学系19の中心を原点とし、感光部11を配列した平面の垂直方向と水平方向と受光光学系19の光軸とを3軸の方向とする直交座標系を設定すれば、対象空間に存在する物体Obの位置を球座標で表したときの角度(いわゆる方位角と仰角)が各感光部11に対応する。なお、受光光学系19は、感光部11を配列した平面に対して光軸が90度以外の角度で交差するように配置することも可能である。   Since the light receiving optical system 19 is generally arranged so that the optical axis is orthogonal to the plane on which the photosensitive portion 11 is arranged, the center of the light receiving optical system 19 is the origin, and the vertical and horizontal directions of the plane on which the photosensitive portion 11 is arranged If an orthogonal coordinate system is set in which the optical axis of the light receiving optical system 19 is in the direction of the three axes, the angles (so-called azimuth and elevation) when the position of the object Ob existing in the target space is expressed in spherical coordinates are set. This corresponds to the photosensitive portion 11. The light receiving optical system 19 can also be arranged so that the optical axis intersects at an angle other than 90 degrees with respect to the plane on which the photosensitive portions 11 are arranged.

本実施形態では、上述のように、物体Obまでの距離を求めるために、発光源2から対象空間に照射される光の強度変化に同期する4点のタイミングで受光光量A0、A1、A2、A3を求めている。したがって、目的の受光光量A0、A1、A2、A3を得るためのタイミングの制御が必要である。また、発光源2から対象空間に照射される光の強度変化の1周期において感光部11で発生する電荷の量は少ないから、複数周期に亘って電荷を集積することが望ましい。そこで、図1のように各感光部11で発生した電荷をそれぞれ集積する複数個の電荷集積部13を設けるとともに、各感光部11の感度をそれぞれ調節する複数個の感度制御部12を設けている。   In the present embodiment, as described above, in order to obtain the distance to the object Ob, the received light amounts A0, A1, A2, and the like at the timing of four points synchronized with the intensity change of the light irradiated from the light source 2 to the target space. We are seeking A3. Therefore, it is necessary to control the timing to obtain the desired received light amount A0, A1, A2, A3. In addition, since the amount of charge generated in the photosensitive portion 11 is small in one cycle of intensity change of light irradiated from the light source 2 to the target space, it is desirable to accumulate the charge over a plurality of cycles. Therefore, as shown in FIG. 1, a plurality of charge accumulating units 13 for accumulating charges generated in the respective photosensitive units 11 are provided, and a plurality of sensitivity control units 12 for adjusting the sensitivity of the respective photosensitive units 11 are provided. Yes.

各感度制御部12では、感度制御部12に対応する感光部11の感度を上述した4点のうちのいずれかのタイミングで高め、感度が高められた感光部11では当該タイミングの受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を主として生成するから、当該受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を当該感光部11に対応する電荷集積部13に集積させることができる。   In each sensitivity control unit 12, the sensitivity of the photosensitive unit 11 corresponding to the sensitivity control unit 12 is increased at any one of the four points described above, and in the photosensitive unit 11 with increased sensitivity, the received light amount A0, Since charges corresponding to A1, A2, and A3 are mainly generated, charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3 can be accumulated in the charge accumulating unit 13 corresponding to the photosensitive unit 11.

以下では、感度制御部12の具体的な構成として、感光部11で生成された電荷のうち電荷集積部13に与える電荷の割合を調節する技術と、実質的に感光部11として機能する部位の面積を変化させる技術とを示す。電荷集積部13に与える電荷の割合を調節する技術には、感光部11から電荷集積部13への通過率を調節する技術と、感光部11から電荷を廃棄する廃棄率を調節する技術と、通過率と廃棄率との両方を調節する技術とがある。   Hereinafter, as a specific configuration of the sensitivity control unit 12, a technique for adjusting a ratio of charges given to the charge accumulating unit 13 among charges generated by the photosensitive unit 11, and a part that substantially functions as the photosensitive unit 11 will be described. The technology to change the area. The technique for adjusting the ratio of charges given to the charge accumulating unit 13 includes a technique for adjusting the passing rate from the photosensitive unit 11 to the charge accumulating unit 13, a technique for adjusting a discard rate for discarding charges from the photosensitive unit 11, There is a technique for adjusting both the passing rate and the discarding rate.

感度制御部12において通過率と廃棄率とを調節する技術では、図4に示すように、感光部11と電荷集積部13との間にゲート電極12aを設け、ゲート電極12aに印加する通過電圧を変化させることにより、感光部11から電荷集積部13への電荷の移動(つまり、通過率)を制御する。また、電荷廃棄部12cを設け、電荷廃棄部12cに付設した廃棄電極12bに印加する廃棄電圧を変化させることにより、感光部11から電荷廃棄部12cへの電荷の移動(つまり、廃棄率)を制御する。電荷集積部13は感光部11ごとに一対一に対応するように設けられ、電荷廃棄部12cは複数個の感光部11に共通させて一対多に対応するように設けられる。図示例では、光検出素子1のすべての感光部11で1組の廃棄電極12bおよび電荷廃棄部12cを共用している。   In the technique of adjusting the pass rate and the discard rate in the sensitivity control unit 12, as shown in FIG. 4, a gate electrode 12a is provided between the photosensitive unit 11 and the charge accumulation unit 13, and the pass voltage applied to the gate electrode 12a. Is changed to control the movement of charges from the photosensitive portion 11 to the charge accumulating portion 13 (that is, the passing rate). Further, by providing the charge discarding part 12c and changing the discarding voltage applied to the disposal electrode 12b attached to the charge discarding part 12c, the movement of the charge from the photosensitive part 11 to the charge discarding part 12c (that is, the discard rate) is changed. Control. The charge accumulating units 13 are provided so as to correspond one-to-one for each photosensitive unit 11, and the charge discarding units 12c are provided so as to correspond to the plurality of photosensitive units 11 so as to correspond one-to-many. In the illustrated example, all of the photosensitive portions 11 of the photodetecting element 1 share a set of discarding electrode 12b and charge discarding portion 12c.

感度を制御するために、感光部11からの電荷の廃棄を行わずに感光部11から電荷集積部13への通過率の制御のみを行うことが考えられるが、電荷の廃棄を行わなければ感光部11において電荷が暫時残留するから、感光部11で生成された電荷のうち不要な残留電荷が、利用する電荷(以下、信号電荷という)に雑音成分として混入する。したがって、信号電荷への残留電荷の混入を防止するために、ゲート電極12aに印加する通過電圧だけでなく廃棄電極12bに印加する廃棄電圧を制御する。   In order to control the sensitivity, it is conceivable to control only the pass rate from the photosensitive unit 11 to the charge accumulating unit 13 without discarding the charge from the photosensitive unit 11. Since charges remain in the unit 11 for a while, unnecessary residual charges out of the charges generated in the photosensitive unit 11 are mixed as noise components in the used charges (hereinafter referred to as signal charges). Therefore, in order to prevent the residual charge from being mixed into the signal charge, not only the passing voltage applied to the gate electrode 12a but also the discard voltage applied to the discard electrode 12b is controlled.

ゲート電極12aと廃棄電極12bとを用いて感度を制御するには、ゲート電極12aに印加する通過電圧を一定電圧に保つことにより感光部11で生成された電荷を電荷集積部13に通過可能としておき、感光部11で生成された電荷のうち信号電荷に用いる電荷が生成される期間以外には感光部11から電荷廃棄部12cに電荷が移動するように廃棄電極12bに廃棄電圧を印加する。要するに、感光部11において信号電荷として用いる電荷が生成される期間にのみ電荷廃棄部12cへの電荷の廃棄を行わず、他の期間には電荷廃棄部12cに電荷を廃棄することにより、信号電荷として用いようとする期間に生成された電荷のみを電荷集積部13に集積する。   In order to control the sensitivity using the gate electrode 12a and the waste electrode 12b, the charge generated in the photosensitive portion 11 can pass through the charge accumulating portion 13 by keeping the passing voltage applied to the gate electrode 12a constant. In addition, a waste voltage is applied to the waste electrode 12b so that the charge moves from the photosensitive part 11 to the charge discarding part 12c except for a period in which the charge used for the signal charge among the charges generated by the photosensitive part 11 is generated. In short, the signal charge is not discarded to the charge discarding unit 12c only during the period in which the charge used as the signal charge is generated in the photosensitive unit 11, and the signal charge is discarded to the charge discarding unit 12c in the other period. Only the charges generated during the period to be used are accumulated in the charge accumulation unit 13.

いま、図5(a)のような変調信号により発光源2から空間に照射される光の強度が変調されているとする。電荷集積部13には変調信号の複数周期(数万〜数十万周期)において変調信号に同期する特定の区間の受光光量A0,A1,A2,A3に相当する電荷を集積し、各区間の電荷の集積毎に集積した信号電荷を取り出して次の区間の電荷を集積する。たとえば、受光光量A0に相当する電荷を変調信号の数万周期について集積すると、この受光光量A0に相当する信号電荷を一旦外部に取り出し、その後、受光光量A1に相当する電荷を変調信号の数万周期について集積する。   Now, it is assumed that the intensity of light emitted from the light source 2 to the space is modulated by the modulation signal as shown in FIG. The charge accumulation unit 13 accumulates charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3 in a specific section synchronized with the modulation signal in a plurality of periods (tens of thousands to hundreds of thousands) of the modulation signal. The accumulated signal charge is taken out for each charge accumulation, and the charge in the next section is accumulated. For example, when charges corresponding to the received light quantity A0 are accumulated for tens of thousands of cycles of the modulation signal, the signal charges corresponding to the received light quantity A0 are once taken out to the outside, and thereafter, the charges corresponding to the received light quantity A1 are converted to tens of thousands of modulation signals. Accumulate about the period.

図5は受光光量A0に相当する電荷を集積している状態を示しており、図5(b)に示すようにゲート電極12aに印加する通過電圧を一定電圧に保っている。また、受光光量A0に相当する電荷としては、変調信号の位相が0〜90度の区間において感光部11で生成された電荷を採用している。つまり、廃棄電極12bには、図5(c)のように変調信号の位相が90〜360度の区間において、感光部11で生成される電荷を不要電荷とするように廃棄電圧を印加する。この制御により、図5(d)のように所望の区間の受光光量A0に対応した信号電荷を電荷集積部13に集積することが可能になる。図5に示す処理は変調信号の数万〜数十万周期について行われ、この期間に電荷集積部13に得られた信号電荷は受光光量A0に対応する受光出力として電荷取出部14により取り出される。   FIG. 5 shows a state in which charges corresponding to the received light quantity A0 are accumulated. As shown in FIG. 5B, the passing voltage applied to the gate electrode 12a is kept constant. Further, as the charge corresponding to the received light quantity A0, the charge generated by the photosensitive portion 11 in the interval where the phase of the modulation signal is 0 to 90 degrees is employed. That is, a waste voltage is applied to the waste electrode 12b so that the charge generated by the photosensitive portion 11 is an unnecessary charge in the section where the phase of the modulation signal is 90 to 360 degrees as shown in FIG. This control makes it possible to accumulate signal charges corresponding to the received light amount A0 in a desired section in the charge accumulation unit 13 as shown in FIG. The processing shown in FIG. 5 is performed for tens of thousands to hundreds of thousands of cycles of the modulation signal, and the signal charge obtained in the charge accumulating unit 13 during this period is taken out by the charge extracting unit 14 as a received light output corresponding to the received light quantity A0. .

電荷取出部14から取り出された電荷は画像生成部4に画像信号として与えられ、画像生成部4において、対象空間内の物体Obまでの距離が、上述した(1)式を用いて受光光量A0、A1、A2、A3に対応する受光出力から算出される。すなわち、画像生成部4では各感光部11に対応した各方向における物体Obまでの距離が算出され、対象空間の三次元情報が算出される。この三次元情報を用いると、対象空間の各方向に一致する画素の画素値が距離値である距離画像を生成することができる。   The electric charge extracted from the electric charge extraction unit 14 is given to the image generation unit 4 as an image signal. In the image generation unit 4, the distance to the object Ob in the target space is determined based on the above-described equation (1). , A1, A2, and A3. That is, the image generation unit 4 calculates the distance to the object Ob in each direction corresponding to each photosensitive unit 11, and calculates the three-dimensional information of the target space. By using this three-dimensional information, it is possible to generate a distance image in which the pixel values of the pixels matching each direction of the target space are distance values.

なお、上述の制御では、廃棄電極12bに廃棄電圧を印加している期間においてゲート電極12aにも一定電圧である通過電圧を印加しているが、廃棄電圧と通過電圧との大小関係を適宜に設定すれば、不要電荷を廃棄している期間には信号電荷がほとんど集積されないようにすることができる。また、変調信号の数万〜数十万周期について電荷を集積しているのは、集積する電荷量を多くすることによって高感度化するためであり、変調信号をたとえば20MHzと設定すれば、30フレーム/秒で信号電荷を取り出すとしても、数十万周期以上の集積が可能になる。   In the above-described control, a passing voltage that is a constant voltage is applied to the gate electrode 12a during the period in which the discarding voltage is applied to the discarding electrode 12b, but the magnitude relationship between the discarding voltage and the passing voltage is appropriately determined. If set, it is possible to prevent signal charges from being almost integrated during a period in which unnecessary charges are discarded. The reason why charges are accumulated for tens of thousands to hundreds of thousands of cycles of the modulation signal is to increase the sensitivity by increasing the amount of charges to be accumulated, and if the modulation signal is set to 20 MHz, for example, 30 Even if signal charges are taken out at a frame / second, integration of several hundred thousand cycles or more is possible.

上述したように、廃棄電極12bを備えた電荷廃棄部12cを設け、感光部11に生じた電荷のうち信号電荷として利用しない不要電荷を電荷廃棄部12cに積極的に廃棄しているから、感光部11において電荷集積部13に信号電荷を与えていない期間に感光部11で生成される電荷はほとんどが不要電荷として廃棄されることになり、信号電荷への雑音成分の混入が大幅に抑制される。   As described above, the charge discarding unit 12c including the disposal electrode 12b is provided, and unnecessary charges that are not used as signal charges among the charges generated in the photosensitive unit 11 are actively discarded to the charge discarding unit 12c. In the unit 11, most of the charge generated in the photosensitive unit 11 during the period when no signal charge is given to the charge accumulating unit 13 is discarded as unnecessary charge, and mixing of noise components into the signal charge is greatly suppressed. The

上述の例では、ゲート電極12aに一定電圧である通過電圧を印加している期間に廃棄電極12bに廃棄電圧を印加する期間と印加しない期間とを設けることによって、廃棄電圧が印加されていない期間において感光部11に生成された電荷を信号電荷として用いているが、図6に示すように、ゲート電極12aに通過電圧を印加する期間と廃棄電極12bに廃棄電圧を印加する期間とが重複しないように制御してもよい。   In the above-described example, a period in which the discard voltage is not applied by providing a period in which the discard voltage is applied to the discard electrode 12b and a period in which the discard voltage is not applied to the discard electrode 12b in the period in which the passing voltage that is a constant voltage is applied to the gate electrode 12a. In FIG. 6, the charge generated in the photosensitive portion 11 is used as the signal charge. As shown in FIG. 6, the period for applying the passing voltage to the gate electrode 12a and the period for applying the discard voltage to the discard electrode 12b do not overlap. You may control as follows.

図6は受光光量A0に対応する信号電荷を集積する場合の動作を示している。図6(a)は発光源2から空間に照射される光の強度を変調する変調信号を示しており、ゲート電極12aには、図6(b)のように、受光光量A0に対応するタイミングで通過電圧を印加する。ゲート電極12aに通過電圧を印加する期間は、変調信号の位相における0度から一定期間(図示例では0〜90度)に設定され、この期間において感光部11から電荷集積部13への電荷の移動が可能になる。一方、廃棄電極12bには、図6(c)のように、電荷集積部13に受光光量A0に相当する信号電荷を集積する期間以外において廃棄電圧を印加し、信号電荷を集積する期間以外では感光部11で生成した電荷を不要電荷として電荷廃棄部12cに廃棄する。このような制御によって、図6(d)のように受光光量A0に相当する信号電荷を取り出すことが可能になる。   FIG. 6 shows the operation when signal charges corresponding to the received light quantity A0 are integrated. FIG. 6A shows a modulation signal for modulating the intensity of light emitted to the space from the light emitting source 2, and the gate electrode 12a has a timing corresponding to the received light amount A0 as shown in FIG. 6B. Apply the passing voltage with. The period during which the passing voltage is applied to the gate electrode 12a is set from 0 degrees in the phase of the modulation signal to a certain period (0 to 90 degrees in the illustrated example). During this period, the charge from the photosensitive portion 11 to the charge accumulation portion 13 is transferred. It becomes possible to move. On the other hand, as shown in FIG. 6C, a discard voltage is applied to the waste electrode 12b in a period other than the period in which the signal charge corresponding to the received light amount A0 is accumulated in the charge accumulation unit 13, and in the period other than the period in which the signal charge is accumulated. The charges generated in the photosensitive unit 11 are discarded as unnecessary charges in the charge discarding unit 12c. Such control makes it possible to extract signal charges corresponding to the received light amount A0 as shown in FIG.

図6に示す制御では、ゲート電極12aに通過電圧を印加している期間と廃棄電極12bに廃棄電圧を印加している期間とが異なるから、図5に示した制御例のように通過電圧と廃棄電圧との大小関係を考慮しなくとも通過電圧と廃棄電圧との大きさを独立して制御することができ、結果的に通過電圧および廃棄電圧の制御が容易になり、感光部11で受光した光量に対して信号電荷を取り込む割合である感度の制御が容易になるとともに、感光部11で生成された電荷のうち不要電荷として廃棄する割合の制御が容易になる。また、図6に示す制御例では、電荷集積部13に信号電荷を集積する期間はゲート電極12aに印加する通過電圧により規定されるから、廃棄電極12bに廃棄電圧を印加する期間を短縮することが可能であり、たとえば、ゲート電極12aに通過電圧を印加する直前の所定期間にのみ廃棄電極12bに廃棄電圧を印加することも可能である。   In the control shown in FIG. 6, the period during which the passing voltage is applied to the gate electrode 12a is different from the period during which the discarding voltage is applied to the discard electrode 12b. Therefore, as in the control example shown in FIG. The magnitude of the passing voltage and the discarding voltage can be controlled independently without considering the magnitude relationship with the discarding voltage. As a result, the passing voltage and the discarding voltage can be easily controlled, and the photosensitive unit 11 receives light. Control of the sensitivity, which is the ratio of taking in the signal charge with respect to the light quantity, is facilitated, and control of the ratio of discarding unnecessary charges out of the charges generated in the photosensitive portion 11 is facilitated. Further, in the control example shown in FIG. 6, the period in which the signal charges are accumulated in the charge accumulation unit 13 is defined by the passing voltage applied to the gate electrode 12a, so the period in which the discard voltage is applied to the discard electrode 12b is shortened. For example, it is possible to apply the waste voltage to the waste electrode 12b only during a predetermined period immediately before applying the pass voltage to the gate electrode 12a.

図6に示す制御を行えば、感光部11で生成した電荷を電荷集積部13に信号電荷として集積していない期間において感光部11で生成される電荷をほとんど不要電荷として廃棄するから、信号電荷への雑音成分の混入が大幅に抑制されることになる。   When the control shown in FIG. 6 is performed, the charge generated in the photosensitive unit 11 is discarded as an unnecessary charge in the period when the charge generated in the photosensitive unit 11 is not accumulated as the signal charge in the charge accumulating unit 13. Mixing of noise components into is greatly suppressed.

通過電圧と廃棄電圧との制御例としては、図7に示すように、廃棄電極12bに印加する廃棄電圧を一定電圧に保って感光部11で生成された電荷の一部をつねに廃棄するようにしてもよい。図7の制御例では、ゲート電極12aに通過電圧を印加する期間と印加しない期間とを設け、通過電圧を印加する期間を電荷集積部13に信号電荷を集積する期間としている。   As an example of controlling the passing voltage and the discarding voltage, as shown in FIG. 7, the discarding voltage applied to the discarding electrode 12b is maintained at a constant voltage so that a part of the charge generated in the photosensitive portion 11 is always discarded. May be. In the control example of FIG. 7, a period in which the pass voltage is applied to the gate electrode 12 a and a period in which the pass voltage is not applied are provided, and a period in which the pass voltage is applied is a period in which signal charges are accumulated in the charge accumulation unit 13.

図7は受光光量A0に相当する信号電荷を集積する場合の動作を示している。図7(a)は発光源2から空間に照射される光の強度を変調する変調信号を示しており、電荷集積部13に設けたゲート電極12aには、図7(b)のように、受光光量A0に対応する期間に通過電圧が印加され、感光部11において生成された電荷を受光光量A0に相当する信号電荷として電荷集積部13に集積する。つまり、ゲート電極12aに通過電圧を印加する期間は、変調信号の位相における0度から一定期間(図示例では0〜90度)に設定され、この期間において感光部11から電荷集積部13への電荷の移動が可能になる。一方、廃棄電極12bには、図7(c)のように、直流電圧である一定電圧の廃棄電圧がつねに印加され、感光部11で生成された電荷の一部をつねに不要電荷として電荷廃棄部12cに廃棄する。上述の制御では、信号電荷を電荷集積部13に集積する期間にのみゲート電極12aに通過電圧を印加しているから、図7(d)のように受光光量A0に相当する信号電荷を取り出すことが可能になる。   FIG. 7 shows an operation when signal charges corresponding to the received light quantity A0 are integrated. FIG. 7A shows a modulation signal that modulates the intensity of light emitted to the space from the light emitting source 2, and the gate electrode 12a provided in the charge accumulating unit 13 has a structure as shown in FIG. A passing voltage is applied during a period corresponding to the received light amount A0, and the charge generated in the photosensitive unit 11 is accumulated in the charge accumulating unit 13 as a signal charge corresponding to the received light amount A0. That is, the period during which the pass voltage is applied to the gate electrode 12a is set from 0 degree to a certain period (0 to 90 degrees in the illustrated example) in the phase of the modulation signal. Charge transfer is possible. On the other hand, as shown in FIG. 7C, a constant voltage discard voltage, which is a DC voltage, is always applied to the waste electrode 12b, and a part of the charge generated in the photosensitive portion 11 is always used as an unnecessary charge. Discard to 12c. In the above control, since the passing voltage is applied to the gate electrode 12a only during the period in which the signal charge is accumulated in the charge accumulation unit 13, the signal charge corresponding to the received light amount A0 is taken out as shown in FIG. Is possible.

図7に示す制御では、ゲート電極12aに通過電圧を印加しているか否かにかかわらず廃棄電極12bに一定電圧の廃棄電圧を印加しているから、感光部11において生成された電荷のうち電荷集積部13に信号電荷として集積されなかった不要電荷は、廃棄電荷として電荷廃棄部12cに廃棄される。ここで、感光部11で生成された電荷の一部を信号電荷として電荷集積部13に集積する期間においても感光部11から電荷廃棄部12cへの電荷の廃棄が継続しているから、信号電荷を電荷集積部13に適正に集積するために、通過電圧と廃棄電圧との大小関係を考慮する必要がある。ただし、廃棄電圧は一定電圧であって廃棄電極12bにつねに印加しているだけであるから、実際には通過電圧のみを制御すればよく、制御自体は容易である。   In the control shown in FIG. 7, a constant voltage discarding voltage is applied to the disposal electrode 12b regardless of whether or not a passing voltage is applied to the gate electrode 12a. Unnecessary charges that have not been accumulated as signal charges in the accumulation unit 13 are discarded as discard charges in the charge discard unit 12c. Here, the signal charge is continuously discarded from the photosensitive portion 11 to the charge discarding portion 12c even during a period in which a part of the charge generated in the photosensitive portion 11 is accumulated in the charge accumulating portion 13 as a signal charge. In order to properly integrate the voltage in the charge accumulation unit 13, it is necessary to consider the magnitude relationship between the passing voltage and the discard voltage. However, since the discard voltage is a constant voltage and is always applied to the discard electrode 12b, in practice, only the passing voltage needs to be controlled, and the control itself is easy.

図4に示した感度制御部12を備える光検出素子1は、オーバーフロードレインを備えたCCDイメージセンサにより実現することができる。CCDイメージセンサにおける電荷の転送方式はどのようなものでもよく、インターライントランスファ(IT)方式、フレームトランスファ(FT)方式、フレームインターライントランスファ(FIT)方式のいずれであってもよい。   The photodetecting element 1 including the sensitivity control unit 12 illustrated in FIG. 4 can be realized by a CCD image sensor including an overflow drain. Any charge transfer method may be used in the CCD image sensor, and any of an interline transfer (IT) method, a frame transfer (FT) method, and a frame interline transfer (FIT) method may be used.

図8に縦型オーバーフロードレインを備えるインターライントランスファ方式のCCDイメージセンサの構成を示す。図示例は、感光部11となるフォトダイオード41を水平方向と垂直方向とに複数個ずつ(図では3×4個)配列した2次元イメージセンサであって、垂直方向に配列したフォトダイオード41の各列の右側方にCCDからなる垂直転送レジスタ42を備え、フォトダイオード41および垂直転送レジスタ42が配列された領域の下方にCCDからなる水平転送レジスタ43を備える。垂直転送レジスタ42は各フォトダイオード41ごとに2個ずつの転送電極42a,42bを備え、水平転送レジスタ43は各垂直転送レジスタ42ごとに2個ずつの転送電極43a,43bを備える。   FIG. 8 shows the configuration of an interline transfer type CCD image sensor having a vertical overflow drain. The illustrated example is a two-dimensional image sensor in which a plurality of photodiodes 41 serving as the photosensitive portions 11 are arranged in a horizontal direction and a vertical direction (3 × 4 in the figure), and the photodiodes 41 arranged in the vertical direction are arranged. A vertical transfer register 42 made of a CCD is provided on the right side of each column, and a horizontal transfer register 43 made of a CCD is provided below the area where the photodiodes 41 and the vertical transfer registers 42 are arranged. The vertical transfer register 42 includes two transfer electrodes 42 a and 42 b for each photodiode 41, and the horizontal transfer register 43 includes two transfer electrodes 43 a and 43 b for each vertical transfer register 42.

フォトダイオード41と垂直転送レジスタ42と水平転送レジスタ43とは1枚の半導体基板40上に形成され、半導体基板40の主表面には、フォトダイオード41と垂直転送レジスタ42と水平転送レジスタ43との全体を囲む形でアルミニウム電極であるオーバーフロー電極44が、半導体基板40の全周に亘って絶縁膜を介さずに半導体基板40に直接接触するように設けられる。オーバーフロー電極44に半導体基板40に対して正極性になる適宜の廃棄電圧を印加すればフォトダイオード41で生成された電子(電荷)はオーバーフロー電極44を通して廃棄される。オーバーフロー電極44は、感光部11であるフォトダイオード41において生成した電荷のうち不要電荷を廃棄する際に廃棄電圧が印加されるから廃棄電極12bとして機能し、オーバーフロー電極44に廃棄電圧を印加する電源が感光部11で生成された電子(電荷)を廃棄する電荷廃棄部12cとして機能する。半導体基板40の表面はフォトダイオード41に対応する部位を除いて遮光膜46(図9参照)により覆われる。   The photodiode 41, the vertical transfer register 42, and the horizontal transfer register 43 are formed on one semiconductor substrate 40, and the photodiode 41, the vertical transfer register 42, and the horizontal transfer register 43 are formed on the main surface of the semiconductor substrate 40. An overflow electrode 44 which is an aluminum electrode is provided so as to directly contact the semiconductor substrate 40 without going through an insulating film over the entire circumference of the semiconductor substrate 40 so as to surround the whole. If an appropriate disposal voltage that is positive with respect to the semiconductor substrate 40 is applied to the overflow electrode 44, electrons (charges) generated by the photodiode 41 are discarded through the overflow electrode 44. The overflow electrode 44 functions as the discard electrode 12b because a discard voltage is applied when discarding unnecessary charges among the charges generated in the photodiode 41 which is the photosensitive portion 11, and the power supply for applying the discard voltage to the overflow electrode 44 Functions as a charge discarding unit 12c that discards electrons (charges) generated in the photosensitive unit 11. The surface of the semiconductor substrate 40 is covered with a light shielding film 46 (see FIG. 9) except for a portion corresponding to the photodiode 41.

図8に示したCCDイメージセンサについて、1個のフォトダイオード41に関連する部分を切り出して図9に示す。半導体基板40にはn形半導体を用い、半導体基板40の主表面にはフォトダイオード41と垂直転送レジスタ42とに跨る領域にp形半導体からなるウェル領域31を形成している。ウェル領域31は、フォトダイオード41に対応する領域に比較して垂直転送レジスタ42に対応する領域の厚み寸法が大きくなるように形成してある。ウェル領域31のうちフォトダイオード41に対応する領域にはn+形半導体層32を重ねて設けてあり、ウェル領域31とn+形半導体層32とのpn接合によってフォトダイオード41が形成される。フォトダイオード41の表面にはp+形半導体からなる表面層33を積層してある。表面層33はフォトダイオード41で生成された電荷を垂直転送レジスタ42に移動させる際に、n+形半導体層32の表面付近が電荷の通過経路にならないように制御する目的で設けてある。このような構造は、埋込フォトダイオードとして知られている。   FIG. 9 shows a portion of the CCD image sensor shown in FIG. 8 that is related to one photodiode 41. An n-type semiconductor is used for the semiconductor substrate 40, and a well region 31 made of a p-type semiconductor is formed in a region straddling the photodiode 41 and the vertical transfer register 42 on the main surface of the semiconductor substrate 40. The well region 31 is formed so that the thickness dimension of the region corresponding to the vertical transfer register 42 is larger than the region corresponding to the photodiode 41. An n + -type semiconductor layer 32 is provided in a region corresponding to the photodiode 41 in the well region 31, and the photodiode 41 is formed by a pn junction between the well region 31 and the n + -type semiconductor layer 32. A surface layer 33 made of a p + type semiconductor is stacked on the surface of the photodiode 41. The surface layer 33 is provided for the purpose of controlling the vicinity of the surface of the n + -type semiconductor layer 32 so as not to be a passage path for charges when the charge generated by the photodiode 41 is moved to the vertical transfer register 42. Such a structure is known as a buried photodiode.

ウェル領域31のうち垂直転送レジスタ42に対応する領域にはn形半導体からなる蓄積転送層34を重ねて設けてある。蓄積転送層34の表面と表面層33の表面とは略同一平面であって、蓄積転送層34の厚み寸法は表面層33の厚み寸法よりも大きくしてある。蓄積転送層34は、表面層33とは接触しているが、n+形半導体層32との間には、表面層33と不純物濃度が等しいp+形半導体からなる分離層35が介在する。蓄積転送層34の表面には、絶縁膜45を介して転送電極42a,42bが配置される。転送電極42a,42bは1個のフォトダイオード41に対して2個ずつ設けられ、垂直方向において2個の転送電極42a,42bのうちの一方は他方よりも広幅に形成される。具体的には、図10のように、1個のフォトダイオード41に対応する2個の転送電極42a,42bのうち狭幅の転送電極42bは平板状に形成されており、広幅の転送電極42aは、幅狭の転送電極42bと同一平面上に配列され一対の転送電極42bの間に配置される平板状の部分と、平板状の部分の垂直方向(図10の左右方向)における両端部からそれぞれ延長され転送電極42bの上に重複する湾曲した部分とを備える。ここに、絶縁膜45はSiOにより形成され、また転送電極42a,42bはポリシリコンにより形成され、各転送電極42a,42bは絶縁膜45を介して互いに絶縁されている。さらに、フォトダイオード41に光を入射させる部位を除いて光検出素子1の表面は遮光膜46により覆われる。ウェル領域31において垂直転送レジスタ42に対応する領域および蓄積転送層34は垂直転送レジスタ42の全長に亘って形成され、したがって、蓄積転送層34には広幅の転送電極42aと狭幅の転送電極42bとが交互に配列される。 An accumulation transfer layer 34 made of an n-type semiconductor is overlaid in a region corresponding to the vertical transfer register 42 in the well region 31. The surface of the accumulation / transfer layer 34 and the surface of the surface layer 33 are substantially flush with each other, and the thickness dimension of the accumulation / transfer layer 34 is larger than the thickness dimension of the surface layer 33. The accumulation transfer layer 34 is in contact with the surface layer 33, but a separation layer 35 made of a p + type semiconductor having the same impurity concentration as that of the surface layer 33 is interposed between the storage layer 34 and the n + type semiconductor layer 32. Transfer electrodes 42 a and 42 b are disposed on the surface of the accumulation transfer layer 34 via an insulating film 45. Two transfer electrodes 42a and 42b are provided for each photodiode 41, and one of the two transfer electrodes 42a and 42b is formed wider than the other in the vertical direction. Specifically, as shown in FIG. 10, of the two transfer electrodes 42a and 42b corresponding to one photodiode 41, the narrow transfer electrode 42b is formed in a flat plate shape, and the wide transfer electrode 42a. Are arranged on the same plane as the narrow transfer electrode 42b and disposed between the pair of transfer electrodes 42b, and from both ends in the vertical direction (left and right direction in FIG. 10) of the flat plate portion. And a curved portion that extends and overlaps the transfer electrode 42b. Here, the insulating film 45 is formed of SiO 2 , the transfer electrodes 42 a and 42 b are formed of polysilicon, and the transfer electrodes 42 a and 42 b are insulated from each other through the insulating film 45. Further, the surface of the light detection element 1 is covered with a light shielding film 46 except for a portion where light is incident on the photodiode 41. In the well region 31, the region corresponding to the vertical transfer register 42 and the storage transfer layer 34 are formed over the entire length of the vertical transfer register 42. Therefore, the storage transfer layer 34 has a wide transfer electrode 42a and a narrow transfer electrode 42b. And are alternately arranged.

上述した光検出素子1では、フォトダイオード41が感光部11に相当し、転送電極42aが通過電極12aに相当し、オーバーフロー電極44が廃棄電極12bに相当し、垂直転送レジスタ42が電荷集積部13および電荷取出部14の一部として機能する。また、水平転送レジスタ43も電荷取出部14の一部になる。すなわち、フォトダイオード41に光が入射すれば電荷が生成され、フォトダイオード41で生成された電荷のうち垂直転送レジスタ42に信号電荷として引き渡される電荷の割合は転送電極42aに印加する通過電圧とオーバーフロー電極44に印加する廃棄電圧との関係によって決めることができる。転送電極42aに通過電圧を印加すると蓄積転送層34にポテンシャル井戸が形成され、通過電圧の制御によりポテンシャル井戸の深さを制御することができる。したがって、ポテンシャル井戸の深さおよび通過電圧を印加する時間とを制御すれば、フォトダイオード41から垂直転送レジスタ42に引き渡される電荷の割合を調節することができる。また、オーバーフロー電極44に印加する廃棄電圧を制御すれば、フォトダイオード41と半導体基板40との間の電位勾配を制御することができるから、電位勾配と廃棄電圧を印加する時間とを制御すれば、垂直転送レジスタ42に引き渡される電荷の割合を調節することができる。制御電圧と廃棄電圧とは図5ないし図7に示した制御例のように制御すればよい。   In the light detection element 1 described above, the photodiode 41 corresponds to the photosensitive portion 11, the transfer electrode 42 a corresponds to the passing electrode 12 a, the overflow electrode 44 corresponds to the discard electrode 12 b, and the vertical transfer register 42 corresponds to the charge accumulation portion 13. And functions as a part of the charge extraction unit 14. Further, the horizontal transfer register 43 also becomes a part of the charge extraction unit 14. That is, if light enters the photodiode 41, a charge is generated, and the ratio of the charge generated as a signal charge to the vertical transfer register 42 among the charges generated by the photodiode 41 is equal to the passing voltage applied to the transfer electrode 42a and the overflow. It can be determined according to the relationship with the waste voltage applied to the electrode 44. When a pass voltage is applied to the transfer electrode 42a, a potential well is formed in the storage transfer layer 34, and the depth of the potential well can be controlled by controlling the pass voltage. Therefore, by controlling the depth of the potential well and the time during which the passing voltage is applied, the ratio of charges delivered from the photodiode 41 to the vertical transfer register 42 can be adjusted. Further, if the discard voltage applied to the overflow electrode 44 is controlled, the potential gradient between the photodiode 41 and the semiconductor substrate 40 can be controlled. Therefore, if the potential gradient and the time for applying the discard voltage are controlled. The rate of charge delivered to the vertical transfer register 42 can be adjusted. The control voltage and the discard voltage may be controlled as in the control examples shown in FIGS.

フォトダイオード41から垂直転送レジスタ42に引き渡された信号電荷は、上述した4区間の受光光量A0,A1,A2,A3のうちの各1区間の受光光量A0,A1,A2,A3に相当する信号電荷が集積されるたびに読み出される。たとえば、受光光量A0に相当する信号電荷が各フォトダイオード41に対応して形成されるポテンシャル井戸に集積されると信号電荷を読み出し、次に受光光量A1に相当する信号電荷がポテンシャル井戸に集積されると再び信号電荷を読み出すという動作を繰り返す。なお、各受光光量A0,A1,A2,A3に相当する信号電荷を集積する期間は等しく設定しておく。   The signal charges delivered from the photodiode 41 to the vertical transfer register 42 are signals corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3 of each one of the four received light amounts A0, A1, A2, and A3 described above. It is read each time charge is accumulated. For example, when a signal charge corresponding to the received light quantity A0 is accumulated in a potential well formed corresponding to each photodiode 41, the signal charge is read, and then a signal charge corresponding to the received light quantity A1 is accumulated in the potential well. Then, the operation of reading the signal charge again is repeated. Note that the period during which signal charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3 are accumulated is set to be equal.

ところで、上述した制御例のうち、図5に示す制御例では、感光部11(フォトダイオード41)で生成された電荷(電子)を電荷集積部13(垂直転送レジスタ42)に対してつねに引き渡しているから、電荷集積部13に集積された電荷は必ずしも目的の受光光量A0、A1、A2、A3が得られる期間に生成された電荷だけではなく、目的外の期間に生成された電荷も混入することになる。いま、感度制御部12において、受光光量A0、A1、A2、A3に対応した電荷を生成する期間の感度をα、それ以外の期間の感度をβとし、感光部11は受光光量に比例する電荷を生成するものとする。この条件では、受光光量A0に対応した電荷を集積する電荷集積部13には、αA0+β(A1+A2+A3)+βAx(Axは受光光量A0、A1、A2、A3が得られる期間以外の受光光量)に比例する電荷が集積され、受光光量A2に対応した電荷を集積する電荷集積部13には、αA2+β(A0+A1+A3)+βAxに比例する電荷が集積される。上述したように、位相差ψを求める際には(A2−A0)を求めており、(A2−A0)に相当する値を電荷集積部13に集積した電荷から求めると(α−β)(A2−A0)になり、同様にして(A1−A3)に相当する値は(α−β)(A1−A3)になるから、(A2−A0)/(A1−A3)は電荷の混入の有無によらず理論上は同じ値になるのであって、電荷が混入しても求める位相差ψは同じ値になる。   Of the control examples described above, in the control example shown in FIG. 5, the charge (electrons) generated by the photosensitive unit 11 (photodiode 41) is always delivered to the charge accumulation unit 13 (vertical transfer register 42). Therefore, the charges accumulated in the charge accumulating unit 13 include not only the charges generated during the period in which the target received light amounts A0, A1, A2, and A3 are obtained, but also the charges generated during periods other than the target. It will be. Now, in the sensitivity control unit 12, the sensitivity in the period for generating the charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, A3 is α, the sensitivity in the other periods is β, and the photosensitive unit 11 is a charge proportional to the received light amount. Is generated. Under this condition, the charge accumulating unit 13 that accumulates charges corresponding to the received light amount A0 is proportional to αA0 + β (A1 + A2 + A3) + βAx (Ax is a received light amount other than the period during which the received light amounts A0, A1, A2, and A3 are obtained). Charges proportional to αA2 + β (A0 + A1 + A3) + βAx are accumulated in the charge accumulation unit 13 that accumulates charges and accumulates charges corresponding to the received light amount A2. As described above, when obtaining the phase difference ψ, (A2−A0) is obtained, and when a value corresponding to (A2−A0) is obtained from the charge accumulated in the charge accumulation unit 13, (α−β) ( Similarly, since the value corresponding to (A1-A3) is (α-β) (A1-A3), (A2-A0) / (A1-A3) Theoretically the same value is obtained regardless of the presence or absence, and the obtained phase difference ψ is the same value even if charges are mixed.

上述した構成例では、CCDイメージセンサを光検出素子1に用い、電荷集積部13に通過させる電荷の量と、電荷廃棄部12cに廃棄する電荷の量との少なくとも一方を制御することにより感度制御部12を構成する例を示したが、以下に示す感度制御部12は、感光部11において利用できる電荷を生成する領域の面積(実質的な受光面積)を変化させるものである。   In the configuration example described above, a CCD image sensor is used for the photodetecting element 1, and sensitivity control is performed by controlling at least one of the amount of charge passed through the charge accumulating unit 13 and the amount of charge discarded into the charge discarding unit 12c. Although the example which comprises the part 12 was shown, the sensitivity control part 12 shown below changes the area (substantially light reception area) of the area | region which produces | generates the electric charge which can be utilized in the photosensitive part 11. FIG.

以下に光検出素子1の具体的構造例を説明する。図11に示す光検出素子1は、複数個(たとえば、100×100個)の感光部11をマトリクス状に配列したものであって、たとえば1枚の半導体基板上に形成される。1個の感光部11は不純物を添加した半導体層21に酸化膜からなる絶縁膜22を介して複数個(図では5個)の制御電極23を配列した構成を有する。図示例では電極が並ぶ方向(左右方向)が垂直方向であり、感光部11で生成した電荷(本実施形態では、電子を用いる)を取り出す際には、垂直転送レジスタにより電荷を垂直方向に転送した後、水平転送レジスタを用いて水平方向に転送される。つまり、垂直転送レジスタと水平転送レジスタとにより電荷取出部14が構成される。垂直転送レジスタおよび水平転送レジスタの構成には、CCDイメージセンサにおけるインターライントランスファ(IT)方式、フレームトランスファ(FT)方式、フレームインターライントランスファ(FIT)方式と同様の構成を採用することができる。   Hereinafter, a specific structural example of the light detection element 1 will be described. The photodetecting element 1 shown in FIG. 11 has a plurality of (for example, 100 × 100) photosensitive portions 11 arranged in a matrix, and is formed on, for example, a single semiconductor substrate. One photosensitive portion 11 has a configuration in which a plurality (five in the figure) of control electrodes 23 are arranged on a semiconductor layer 21 to which impurities are added via an insulating film 22 made of an oxide film. In the illustrated example, the direction in which the electrodes are arranged (left-right direction) is the vertical direction, and when taking out the charge generated by the photosensitive portion 11 (using electrons in this embodiment), the charge is transferred in the vertical direction by the vertical transfer register. After that, the data is transferred in the horizontal direction using a horizontal transfer register. That is, the charge extraction unit 14 is configured by the vertical transfer register and the horizontal transfer register. As the configuration of the vertical transfer register and the horizontal transfer register, the same configuration as the interline transfer (IT) method, the frame transfer (FT) method, and the frame interline transfer (FIT) method in the CCD image sensor can be adopted.

すなわち、垂直方向に並ぶ各感光部11が一体に連続する半導体層21を共用するとともに半導体層21を垂直転送レジスタに用いれば、半導体層21が感光部11と電荷の転送経路とに兼用された構造になり、FT方式のCCDイメージセンサと同様にして電荷を垂直方向に転送することができ、また、感光部11から転送ゲートを介して垂直転送レジスタに電荷を転送すれば、IT方式またはFIT方式のCCDイメージセンサと同様にして電荷を転送することができる。   That is, when the photosensitive portions 11 arranged in the vertical direction share the continuous semiconductor layer 21 and the semiconductor layer 21 is used as a vertical transfer register, the semiconductor layer 21 is used as both the photosensitive portion 11 and the charge transfer path. The structure allows the charge to be transferred in the vertical direction in the same manner as the FT type CCD image sensor, and if the charge is transferred from the photosensitive portion 11 to the vertical transfer register via the transfer gate, the IT type or FIT Charges can be transferred in the same manner as a CCD image sensor of the type.

上述のように、半導体層21は不純物が添加してあり、半導体層21の主表面は酸化膜からなる絶縁膜22により覆われ、半導体層21に絶縁膜22を介して複数個の制御電極23を配置している。この光検出素子1はMIS素子として知られた構造であるが、1個の光検出素子1として機能する領域に複数個(図示例では5個)の制御電極23を備える点が通常のMIS素子とは異なる。絶縁膜22および制御電極23は発光源2から対象空間に照射される光と同波長の光が透過するように材料が選択され、絶縁膜22を通して半導体層21に光が入射すると、半導体層21の内部に電荷が生成される。図示例の半導体層21の導電形はn形であり、光の照射により生成される電荷として電子eを利用する。図11は1個の感光部11に対応する領域のみを示したものであり、半導体基板(図示せず)には上述したように図11の構造を持つ領域が複数個配列されるとともに電荷取出部14となる構造が設けられる。電荷取出部14として設ける垂直転送レジスタは、図11の左右方向に電荷を転送することを想定しているが、図11の面に直交する方向に電荷を転送する構成を採用することも可能である。また、電荷を図の左右方向に転送する場合には、制御電極23の左右方向の幅寸法を1μm程度に設定するのが望ましい。   As described above, the semiconductor layer 21 is doped with impurities, the main surface of the semiconductor layer 21 is covered with the insulating film 22 made of an oxide film, and a plurality of control electrodes 23 are formed on the semiconductor layer 21 via the insulating film 22. Is arranged. This light detection element 1 has a structure known as a MIS element, but a normal MIS element is that a plurality of (five in the illustrated example) control electrodes 23 are provided in a region functioning as one light detection element 1. Is different. A material is selected for the insulating film 22 and the control electrode 23 so that light having the same wavelength as the light emitted from the light source 2 to the target space can be transmitted. When light enters the semiconductor layer 21 through the insulating film 22, the semiconductor layer 21. A charge is generated inside the. The conductivity type of the semiconductor layer 21 in the illustrated example is n-type, and electrons e are used as charges generated by light irradiation. FIG. 11 shows only a region corresponding to one photosensitive portion 11, and a plurality of regions having the structure of FIG. 11 are arranged on the semiconductor substrate (not shown) as described above, and charge extraction is performed. A structure to be part 14 is provided. The vertical transfer register provided as the charge extraction unit 14 is assumed to transfer charges in the left-right direction in FIG. 11, but it is also possible to adopt a configuration in which charges are transferred in a direction orthogonal to the plane in FIG. is there. In addition, when transferring charges in the horizontal direction in the figure, it is desirable to set the width dimension of the control electrode 23 in the horizontal direction to about 1 μm.

この構造の光検出素子1では、制御電極23に正の制御電圧+Vを印加すると、半導体層21には制御電極23に対応する部位に電子eを集積するポテンシャル井戸(空乏層)24が形成される。つまり、半導体層21にポテンシャル井戸24を形成するように制御電極23に制御電圧を印加した状態で光が半導体層21に照射されると、ポテンシャル井戸24の近傍で生成された電子eの一部はポテンシャル井戸24に捕獲されてポテンシャル井戸24に集積され、残りの電子eは半導体層21の深部での再結合により消滅する。また、ポテンシャル井戸24から離れた場所で生成された電子eも半導体層21の深部での再結合により消滅する。   In the light detection element 1 having this structure, when a positive control voltage + V is applied to the control electrode 23, a potential well (depletion layer) 24 that accumulates electrons e in a portion corresponding to the control electrode 23 is formed in the semiconductor layer 21. The That is, when light is applied to the semiconductor layer 21 with a control voltage applied to the control electrode 23 so as to form the potential well 24 in the semiconductor layer 21, a part of the electrons e generated in the vicinity of the potential well 24. Are captured in the potential well 24 and accumulated in the potential well 24, and the remaining electrons e disappear due to recombination in the deep part of the semiconductor layer 21. Further, the electrons e generated at a location away from the potential well 24 are also extinguished by recombination in the deep part of the semiconductor layer 21.

ポテンシャル井戸24は制御電圧を印加した制御電極23に対応する部位に形成されるから、制御電圧を印加する制御電極23の個数を変化させることによって、半導体層21の主表面に沿ったポテンシャル井戸24の面積(言い換えると、受光面において利用できる電荷を生成する領域の面積)を変化させることができる。つまり、制御電圧を印加する制御電極23の個数を変化させることは感度制御部12における感度の調節を意味する。たとえば、図11(a)のように3個の制御電極23に制御電圧+Vを印加する場合と、図11(b)のように1個の制御電極23に制御電圧+Vを印加する場合とでは、ポテンシャル井戸24が受光面に占める面積が変化するのであって、図11(a)の状態のほうがポテンシャル井戸24の面積が大きいから、図11(b)の状態に比較して同光量に対して利用できる電荷の割合が多くなり、実質的に感光部11の感度を高めたことになる。このように、感光部11および感度制御部12は半導体層21と絶縁膜22と制御電極23とにより構成されていると言える。ポテンシャル井戸24は光照射により生成された電荷を保持するから電荷集積部13として機能する。   Since the potential well 24 is formed at a portion corresponding to the control electrode 23 to which the control voltage is applied, the potential well 24 along the main surface of the semiconductor layer 21 is changed by changing the number of the control electrodes 23 to which the control voltage is applied. (In other words, the area of a region that generates a charge that can be used on the light receiving surface) can be changed. That is, changing the number of control electrodes 23 to which the control voltage is applied means adjusting sensitivity in the sensitivity control unit 12. For example, when the control voltage + V is applied to the three control electrodes 23 as shown in FIG. 11A and when the control voltage + V is applied to the one control electrode 23 as shown in FIG. Since the area occupied by the potential well 24 on the light receiving surface changes, the area of the potential well 24 is larger in the state of FIG. 11A, so that the same amount of light is obtained compared to the state of FIG. As a result, the ratio of the charge that can be used increases and the sensitivity of the photosensitive portion 11 is substantially increased. Thus, it can be said that the photosensitive portion 11 and the sensitivity control portion 12 are constituted by the semiconductor layer 21, the insulating film 22, and the control electrode 23. The potential well 24 functions as the charge accumulation unit 13 because it holds charges generated by light irradiation.

上述したように、ポテンシャル井戸24から電荷を取り出すには、CCDイメージセンサと同様の技術を採用する。たとえば感光部11を垂直転送レジスタとして用いる場合は、ポテンシャル井戸24に電子eが集積された後に、電荷の集積時とは異なる印加パターンの制御電圧を制御電極23に印加することによってポテンシャル井戸24に集積された電子eを一方向(たとえば、図の右方向)に転送することができる。あるいはまた、感光部11とは別に設けた垂直転送レジスタに転送ゲートを介して感光部11から電荷を転送する構成を採用することもできる。垂直転送レジスタからは水平転送レジスタに電荷を引き渡し、水平転送レジスタを転送された電荷は、半導体基板に設けた図示しない電極から光検出素子1の外部に取り出される。   As described above, in order to extract charges from the potential well 24, the same technique as that of the CCD image sensor is employed. For example, when the photosensitive portion 11 is used as a vertical transfer register, after the electrons e are accumulated in the potential well 24, a control voltage having a different application pattern from that at the time of charge accumulation is applied to the control electrode 23. The accumulated electrons e can be transferred in one direction (for example, in the right direction in the figure). Alternatively, it is possible to adopt a configuration in which charges are transferred from the photosensitive portion 11 via a transfer gate to a vertical transfer register provided separately from the photosensitive portion 11. Charge is transferred from the vertical transfer register to the horizontal transfer register, and the charge transferred to the horizontal transfer register is taken out of the photodetector 1 from an electrode (not shown) provided on the semiconductor substrate.

図11に示す構成における感度制御部12は、利用できる電荷を生成する面積を大小2段階に切り換えることにより感光部11の感度を高低2段階に切り換えるのであって、受光光量A0、A1、A2、A3のいずれかに対応する電荷を感光部11で生成しようとする期間にのみ高感度とし(電荷を生成する面積を大きくし)、他の期間には低感度にする。高感度にする期間と低感度にする期間とは、発光源2を駆動する変調信号に同期させて設定される。具体的には、変調信号に同期する特定の区間(特定位相の区間)において、電荷を生成する面積を大きくして感光部11で生成した電荷を集積し、上記特定区間以外の他の区間において、電荷を生成する面積を小さくして感光部11で生成した電荷を蓄積する。すなわち、感光部11において、電荷を集積する機能と蓄積する機能とが交互に実現される。ここで、集積とは電荷を集めることを意味し、蓄積とは電荷を保持することを意味する。言い換えると、図11に示す構成では、感光部11に設けた電荷集積部13の大きさ(面積)を変化させることにより、電荷を集積する期間には感光部11で生成された電荷の集積率を大きくし、電荷を蓄積する期間には感光部11で生成された電荷の集積率を小さくするのである。   The sensitivity control unit 12 in the configuration shown in FIG. 11 switches the sensitivity of the photosensitive unit 11 into two levels, high and low, by switching the area for generating available charges into two levels, that is, the received light quantity A0, A1, A2, The sensitivity corresponding to any one of A3 is set to high sensitivity only during a period when the photosensitive portion 11 is to be generated (the area for generating charges is increased), and the sensitivity is set to be low during other periods. The period of high sensitivity and the period of low sensitivity are set in synchronization with the modulation signal that drives the light emitting source 2. Specifically, in a specific section (specific phase section) synchronized with the modulation signal, the charge generation area is increased to accumulate the charge generated by the photosensitive portion 11, and in other sections other than the specific section. The charge generated by the photosensitive portion 11 is accumulated by reducing the area for generating the charge. That is, in the photosensitive portion 11, the function of accumulating charges and the function of accumulating are realized alternately. Here, accumulation means collecting electric charges, and accumulation means holding electric charges. In other words, in the configuration shown in FIG. 11, by changing the size (area) of the charge accumulating unit 13 provided in the photosensitive unit 11, the integration rate of charges generated in the photosensitive unit 11 during the period of accumulating charges. The charge accumulation rate generated in the photosensitive portion 11 is reduced during the period in which charges are accumulated.

また、変調信号の複数周期に亘ってポテンシャル井戸24に電荷を集積した後に電荷取出部14を通して光検出素子1の外部に電荷を取り出すようにしている。変調信号の複数周期に亘って電荷を集積しているのは、変調信号の1周期内では感光部11が利用可能な電荷を生成する期間が短く(たとえば、変調信号の周波数を20MHzとすれば50nsの4分の1以下)、生成される電荷が少ないからである。つまり、変調信号の複数周期分の電荷を集積することにより、信号電荷(発光源2から照射された光に対応する電荷)と不要電荷(主に外光成分および光検出素子1の内部で発生するショットノイズに対応する電荷)との比を大きくとることができ、大きなSN比が得られる。   In addition, after the charges are accumulated in the potential well 24 over a plurality of periods of the modulation signal, the charges are extracted to the outside of the light detection element 1 through the charge extraction unit 14. Charges are accumulated over a plurality of periods of the modulation signal because the period during which the photosensitive unit 11 generates usable charges within one period of the modulation signal is short (for example, if the frequency of the modulation signal is 20 MHz). This is because less than a quarter of 50 ns is generated. That is, by integrating charges for a plurality of periods of the modulation signal, signal charges (charges corresponding to light emitted from the light emission source 2) and unnecessary charges (mainly generated in the external light component and the light detection element 1). The charge corresponding to the shot noise) can be made large, and a large SN ratio can be obtained.

ところで、位相差ψを求めるのに必要な4区間の受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を1個の感光部11で生成するとすれば、視線方向に関する分解能は高くなるが、各受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を求める時間差が大きくなるという問題が生じる。一方、各受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を4個の感光部11でそれぞれ生成するとすれば、各受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を求める時間差は小さくなるが、4区間の電荷を求める視線方向にずれが生じ視線方向に関する分解能は低下する。そこで、2個の感光部11を用いることにより、変調信号の1周期内で受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を2種類ずつ生成する構成を採用してもよい。つまり、2個の感光部11を組にして用い、組になる2個の感光部11に同じ視線方向からの光が入射するようにしてもよい。   By the way, if the charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3 of the four sections necessary for obtaining the phase difference ψ are generated by one photosensitive portion 11, the resolution in the line-of-sight direction is increased. There arises a problem that the time difference for obtaining the charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, A3 becomes large. On the other hand, if the charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, A3 are generated by the four photosensitive portions 11, respectively, the time difference for obtaining the charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, A3 becomes small. However, a shift occurs in the line-of-sight direction for obtaining the charges in the four sections, and the resolution in the line-of-sight direction decreases. Therefore, a configuration in which two types of charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3 are generated by using two photosensitive portions 11 within one cycle of the modulation signal may be employed. That is, two photosensitive portions 11 may be used as a set, and light from the same line-of-sight direction may be incident on the two photosensitive portions 11 in the set.

この構成を採用することにより、視線方向の分解能を比較的高くし、かつ受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を生成する時間差を少なくすることができる。つまり、受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を生成する時間差を少なくしていることにより、対象空間の中で移動している物体Obについても距離の検出精度を比較的高く保つことができる。なお、この構成では、1個の感光部11で4種類の受光光量A0、A1、A2、A3に対応する電荷を生成する場合よりも視線方向の分解能が低下するが、視線方向の分解能については感光部11の小型化や受光光学系19の設計によって向上させることが可能である。   By adopting this configuration, the resolution in the line-of-sight direction can be made relatively high, and the time difference for generating charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3 can be reduced. That is, by reducing the time difference for generating the charges corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3, the distance detection accuracy of the object Ob moving in the target space can be kept relatively high. Can do. In this configuration, the resolution in the line-of-sight direction is lower than that in the case where the charge corresponding to the four types of received light amounts A0, A1, A2, and A3 is generated by one photosensitive unit 11, but the resolution in the line-of-sight direction is as follows. This can be improved by downsizing the photosensitive unit 11 or designing the light receiving optical system 19.

以下に動作を具体的に説明する。図11に示した例では、1個の感光部11について5個の制御電極23を設けた例を示しているが、両側の2個の制御電極23は、感光部11で電荷(電子e)を生成している間に隣接する感光部11に電荷が流出するのを防止するための障壁を形成するものであって、2個の感光部11を組にして用いる場合には隣接する感光部11のポテンシャル井戸24の間には、いずれかの感光部11で障壁が形成されるから、各感光部11には3個ずつの制御電極23を設けるだけで足りることになる。この構成によって、感光部11の1個当たりの占有面積が小さくなり、2個の感光部11を組にして用いながらも視線方向の分解能の低下を抑制することが可能になる。   The operation will be specifically described below. In the example shown in FIG. 11, an example in which five control electrodes 23 are provided for one photosensitive portion 11 is shown. However, two control electrodes 23 on both sides are charged (electrons e) by the photosensitive portion 11. In the case where two photosensitive portions 11 are used as a pair, the adjacent photosensitive portions are formed. Since any one of the photosensitive portions 11 forms a barrier between the 11 potential wells 24, it is sufficient to provide three photosensitive electrodes 11 for each of the photosensitive portions 11. With this configuration, the occupation area per one photosensitive portion 11 is reduced, and it is possible to suppress a decrease in resolution in the line-of-sight direction while using the two photosensitive portions 11 as a set.

なお、上述した距離画像センサ10の構成例では、受光光量A0、A1、A2、A3に対応する4区間を変調信号の1周期内で位相の間隔が90度ずつになるように設定しているが、変調信号に対する位相が既知であれば4区間は90度以外の適宜の間隔で設定することが可能である。ただし、間隔が異なれば位相差ψを求める算式は異なる。また、4区間の受光光量に対応した電荷を取り出す周期は、物体Obの反射率および外光成分が変化せず、かつ位相差ψも変化しない時間内であれば、変調信号の1周期内で4区間の信号電荷を取り出すことも必須ではない。さらに、太陽光や照明光のような外乱光の影響があるときには、発光源2から放射される光の波長のみを透過させる光学フィルタを感光部11の前に配置するのが望ましい。   In the configuration example of the distance image sensor 10 described above, four sections corresponding to the received light amounts A0, A1, A2, and A3 are set so that the phase interval is 90 degrees within one period of the modulation signal. However, if the phase with respect to the modulation signal is known, the four sections can be set at appropriate intervals other than 90 degrees. However, the formula for obtaining the phase difference ψ differs if the interval is different. Also, the period of taking out the charge corresponding to the received light quantity of the four sections is within one period of the modulation signal as long as the reflectance and the external light component of the object Ob do not change and the phase difference ψ does not change. It is not essential to take out signal charges in four sections. Furthermore, when there is an influence of disturbance light such as sunlight or illumination light, it is desirable to dispose an optical filter that transmits only the wavelength of light emitted from the light source 2 in front of the photosensitive portion 11.

ところで、上述した距離画像センサ10では、各感光部11において受光光量に応じた量の電荷を生成するから、各受光光量A0、A1、A2、A3は物体Obの明るさを反映している。つまり、受光光量A0、A1、A2、A3から得られる直流成分Bは濃淡画像における濃度値に相当する。換言すれば、各感光部11での受光光量A0、A1、A2、A3を用いると、物体Obまでの距離を求めるほか、物体Obの濃度値も得ることが可能になる。しかも、同じ位置の感光部11を用いて物体Obの距離と濃度値とを求めるから、同じ位置について濃度値と距離値との両方の情報を得ることが可能になる。そこで、本実施形態の画像生成部4では距離画像とともに濃淡画像を生成し、同じ感光部11から距離画像と濃淡画像とを生成する。したがって、画像生成部4では、対象空間の同じ位置についてほぼ同時刻の距離値と濃度値とを求めることが可能になる。濃度値としては、受光光量A0、A1、A2、A3の平均値(つまり、直流成分B)を用いるから、発光源2からの強度変調の光の影響を除去できる。   Incidentally, since the distance image sensor 10 described above generates an amount of electric charge corresponding to the amount of received light in each photosensitive portion 11, each of the received light amounts A0, A1, A2, A3 reflects the brightness of the object Ob. That is, the DC component B obtained from the received light amounts A0, A1, A2, A3 corresponds to the density value in the grayscale image. In other words, when the received light amounts A0, A1, A2, and A3 at the respective photosensitive portions 11 are used, it is possible to obtain the density value of the object Ob in addition to obtaining the distance to the object Ob. In addition, since the distance and the density value of the object Ob are obtained using the photosensitive portion 11 at the same position, it is possible to obtain both the density value and the distance value information for the same position. Therefore, the image generation unit 4 of the present embodiment generates a grayscale image together with the distance image, and generates a distance image and a grayscale image from the same photosensitive unit 11. Therefore, the image generation unit 4 can obtain the distance value and the density value at substantially the same time for the same position in the target space. Since the average value of received light amounts A0, A1, A2, A3 (that is, DC component B) is used as the density value, the influence of the intensity-modulated light from the light source 2 can be removed.

次に、上述の距離画像センサ10を用いた障害物監視装置の全体構成について説明する。本実施形態の障害物監視装置は、図1に示すように、上述の距離画像センサ10と、障害物監視部5と、警報出力部6とを備えている。   Next, the overall configuration of the obstacle monitoring apparatus using the above-described distance image sensor 10 will be described. As shown in FIG. 1, the obstacle monitoring apparatus according to the present embodiment includes the above-described distance image sensor 10, the obstacle monitoring unit 5, and an alarm output unit 6.

ここで、本実施形態では発光源2を後退灯51で構成してあり、前進時には後退灯51は消灯しているので、光検出素子1は外光成分のみを受光することになり、画像生成部4は濃淡画像のみを生成する。一方、後退時にギアをリバースに入れると、後退灯51が点灯して、制御回路部3により後退灯51の照射光の強度が周期的に変化するように変調されるので、画像生成部4によって、後退灯51からの照射光が対象空間内の物体で反射されて感光部11で受光されるまでの光の位相差を物体までの距離に換算した距離値を画素値とする距離画像と濃淡画像の両方が生成される。   Here, in the present embodiment, the light emitting source 2 is constituted by the backward light 51, and the backward light 51 is turned off during forward movement. Therefore, the light detection element 1 receives only the external light component, and image generation is performed. The unit 4 generates only a gray image. On the other hand, when the gear is switched to reverse during reverse, the reverse lamp 51 is lit and modulated by the control circuit unit 3 so that the intensity of the irradiation light of the reverse lamp 51 changes periodically. A distance image having a pixel value as a distance value obtained by converting the phase difference of the light from the reflected light 51 reflected by the object in the target space and received by the photosensitive unit 11 into the distance to the object, and the light and shade Both images are generated.

障害物監視部5では、画像生成部4で生成された距離画像をもとに車両後方の対象空間における障害物を監視しており、例えば画素値が所定の安全距離よりも短い画素が存在すれば、対象空間内の障害物までの距離が安全距離よりも短くなった(つまり障害物に非常に接近した)と判断して警報信号を出力する。   The obstacle monitoring unit 5 monitors obstacles in the target space behind the vehicle based on the distance image generated by the image generation unit 4. For example, there is a pixel whose pixel value is shorter than a predetermined safe distance. For example, it is determined that the distance to the obstacle in the target space is shorter than the safe distance (that is, it is very close to the obstacle), and an alarm signal is output.

警報出力部6は警報音を発生するブザーなどで構成され、障害物監視部5から警報信号が入力されると警報音を発生し、障害物に接近していることを運転者に報知する。なお、警報出力部6は、音声で警報を伝える音声出力装置や、光で警報を発するランプなどで構成しても良く、障害物監視部5が障害物の接近を検知すると、警報出力部6が警報を発することで、車体50が障害物に接触するのを未然に防止することができる。   The alarm output unit 6 includes a buzzer for generating an alarm sound. When an alarm signal is input from the obstacle monitoring unit 5, the alarm output unit 6 generates an alarm sound and notifies the driver that the vehicle is approaching the obstacle. The alarm output unit 6 may be configured by a voice output device that transmits an alarm by voice, a lamp that emits an alarm by light, or the like. When the obstacle monitoring unit 5 detects the approach of an obstacle, the alarm output unit 6 By issuing an alarm, it is possible to prevent the vehicle body 50 from coming into contact with an obstacle.

また、障害物監視部5では、障害物までの距離が所定の安全距離より短くなると警報信号を発生しているため、物体の大きさに関係無く、車体50から所定の安全距離以内に物体があれば警報信号を発生するのであるが、画像生成部4で生成された距離画像から、画素値(すなわち距離値)が所定の安全距離よりも短い画素の集合体を抽出し、この集合体の面積が所定のしきい値を超えると、警報信号を発生するようにしても良く、或る程度の大きさの物体に接近した場合のみ警報を出力させることができる。   Further, since the obstacle monitoring unit 5 generates an alarm signal when the distance to the obstacle is shorter than a predetermined safety distance, the object is within a predetermined safety distance from the vehicle body 50 regardless of the size of the object. If there is, a warning signal is generated. From the distance image generated by the image generation unit 4, an aggregate of pixels whose pixel values (that is, distance values) are shorter than a predetermined safe distance is extracted. When the area exceeds a predetermined threshold, an alarm signal may be generated, and an alarm can be output only when an object of a certain size is approached.

以上説明したように本実施形態では、強度が周期的に変化するように変調した可視光を車両外部の対象空間に照射する発光源2と、受光光量に応じた電気出力を発生する複数個の感光部11が配列されて対象空間を撮像する光検出素子1と、発光源2から対象空間に照射された光が対象空間内の物体で反射されて各感光部11で受光されるまでの光の位相差を物体までの距離に換算した距離値を画素値とする距離画像を生成する画像生成部4とを備えた距離画像センサ10を用い、対象空間内の物体までの距離値を画素値とする距離画像を得ているので、超音波センサを用いて距離情報を得る場合のように気温や風の影響を受けて測定誤差が発生することがなく、またセンサの取付位置の近傍に検出不可能な不感帯が発生することがない。しかも、発光源2として車体50への取り付けが義務付けられている車両灯火装置(後退灯51)を用いているので、新たな光源を車体50に取り付ける必要が無く、後退灯51を距離画像センサ10の発光源2に兼用することで、部品を共用してコストダウンを図ることができる。   As described above, in the present embodiment, the light source 2 that irradiates the target space outside the vehicle with the visible light modulated so that the intensity periodically changes, and a plurality of electric outputs that generate electric outputs according to the amount of received light. The light detection element 1 that images the target space with the photosensitive units 11 arranged, and the light from the light emitted from the light source 2 to the target space reflected by the object in the target space and received by each photosensitive unit 11 A distance image sensor 10 including a distance image that generates a distance image having a pixel value as a distance value obtained by converting the phase difference of the pixel into a distance to the object is used to determine the distance value to the object in the target space as a pixel value. As a distance image is obtained, measurement error does not occur under the influence of air temperature and wind as in the case of obtaining distance information using an ultrasonic sensor, and it is detected in the vicinity of the sensor mounting position. An impossible dead zone does not occur. In addition, since the vehicle lighting device (reverse light 51) that is required to be attached to the vehicle body 50 is used as the light emission source 2, there is no need to attach a new light source to the vehicle body 50, and the reverse light 51 is connected to the distance image sensor 10. By sharing the light-emitting source 2, the cost can be reduced by sharing parts.

尚、画像生成部4は対象空間の距離画像と濃淡画像の両方を生成しているので、生成された濃淡画像を車室内に設置されたディスプレイ装置(図示せず)に表示させることで、車両の後方をモニタすることも可能である。   Since the image generation unit 4 generates both the distance image and the grayscale image of the target space, the vehicle can be displayed by displaying the generated grayscale image on a display device (not shown) installed in the vehicle interior. It is also possible to monitor the back of the.

(実施形態2)
以下に、本発明に係る車両用距離画像センサを、車両前方の障害物を監視する障害物監視装置に適用した一実施形態を説明する。
(Embodiment 2)
Hereinafter, an embodiment in which the vehicle distance image sensor according to the present invention is applied to an obstacle monitoring apparatus that monitors an obstacle ahead of the vehicle will be described.

本実施形態の車間距離監視装置は、実施形態1と同様に、距離画像センサ10と、障害物監視部5と、警報出力部6とで構成される(図1参照)。尚、距離画像センサ10は実施形態1と共通のものなので、共通する構成要素には同一の符号を付してその説明は省略する。   The inter-vehicle distance monitoring device according to the present embodiment includes a distance image sensor 10, an obstacle monitoring unit 5, and an alarm output unit 6 as in the first embodiment (see FIG. 1). Since the distance image sensor 10 is common to the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

本実施形態では発光源2を、車体の前部に取り付けられて前方を照らす前照灯52で構成してあり(図12参照)、左右の前照灯52の近傍に光検出素子1を配置している。なお光検出素子1は前照灯52の灯体内部に配置しても良い。前照灯52の消灯時には光検出素子1は外光成分のみを受光することになり、画像生成部4は濃淡画像のみを生成する。一方、夜間やトンネル走行時に前方視界を確保するため、或いは、昼間に他の車両や通行人からの視認性を向上させるために前照灯52を点灯させると、制御回路部3により前照灯52の照射光の強度が周期的に変化するように変調されるので、画像生成部4によって、前照灯52からの照射光が対象空間内の物体で反射されて感光部11で受光されるまでの光の位相差を物体までの距離に換算した距離値を画素値とする距離画像と濃淡画像の両方が生成される。   In this embodiment, the light emission source 2 is composed of a headlamp 52 that is attached to the front part of the vehicle body and illuminates the front (see FIG. 12), and the light detection element 1 is disposed in the vicinity of the left and right headlamps 52. is doing. The light detection element 1 may be disposed inside the lamp body of the headlamp 52. When the headlamp 52 is turned off, the light detection element 1 receives only an external light component, and the image generation unit 4 generates only a grayscale image. On the other hand, when the headlamp 52 is turned on in order to ensure forward visibility at night or when traveling in a tunnel, or to improve visibility from other vehicles or passersby during the daytime, the control circuit unit 3 causes the headlamp to be turned on. Since the intensity of the irradiation light 52 is modulated so as to periodically change, the irradiation light from the headlamp 52 is reflected by the object in the target space and received by the photosensitive unit 11 by the image generation unit 4. Both a distance image and a grayscale image having a distance value obtained by converting the phase difference of the light up to the distance to the object as a pixel value are generated.

ここで、前照灯52の光源としては、対象空間に照射する可視光の強度を変調するため、例えば多数個の発光ダイオードを一平面上に配列したものを用いるのが好ましい。発光源2は、制御回路部3から出力される所定の変調周波数である変調信号によって駆動され、発光源2から放射される光は変調信号により強度が変調される。制御回路部3では、例えば20MHzの正弦波で発光源2から放射する光の強度を変調しているので、人間の目には前照灯52の照射光の強度変化が感知されることはなく、ユーザが違和感を感じることはない。尚、前照灯52の光源としては発光ダイオード以外のものでも良く、白熱電球やHIDランプなど強度が周期的に変化するように変調した可視光を照射するものであれば、どのような光源を用いても良い。また、発光源2から放射する光の強度は正弦波で変調する以外に、三角波、鋸歯状波などで変調してもよく、要するに、一定周期で強度を変調するのであれば、どのような構成を採用してもよい。   Here, as the light source of the headlamp 52, in order to modulate the intensity of visible light irradiated to the target space, for example, it is preferable to use a plurality of light emitting diodes arranged on one plane. The light emission source 2 is driven by a modulation signal having a predetermined modulation frequency output from the control circuit unit 3, and the intensity of the light emitted from the light emission source 2 is modulated by the modulation signal. In the control circuit unit 3, for example, the intensity of light emitted from the light source 2 is modulated by a sine wave of 20 MHz, so that a change in intensity of the irradiation light of the headlamp 52 is not perceived by human eyes. The user does not feel uncomfortable. The light source of the headlamp 52 may be other than a light emitting diode, and any light source may be used as long as it emits visible light modulated so that the intensity changes periodically, such as an incandescent bulb or an HID lamp. It may be used. Further, the intensity of the light emitted from the light source 2 may be modulated by a triangular wave, a sawtooth wave, or the like in addition to the modulation by a sine wave. In short, any configuration may be used as long as the intensity is modulated at a constant period. May be adopted.

障害物監視部5では、画像生成部4で生成された距離画像をもとに車両前方の対象空間における障害物を監視しており、例えば画素値が所定の安全距離よりも短い画素が存在すれば、対象空間内の障害物までの距離が安全距離よりも短くなった(つまり障害物に非常に接近した)と判断して警報信号を出力する。   The obstacle monitoring unit 5 monitors an obstacle in the target space in front of the vehicle based on the distance image generated by the image generation unit 4. For example, there is a pixel whose pixel value is shorter than a predetermined safe distance. For example, it is determined that the distance to the obstacle in the target space is shorter than the safe distance (that is, it is very close to the obstacle), and an alarm signal is output.

警報出力部6は警報音を発生するブザーなどで構成され、障害物監視部5から警報信号が入力されると警報音を発生して、障害物との距離が短いことを運転者に報知する。なお、警報出力部6は、音声で警報を伝える音声出力装置や、光で警報を発するランプなどで構成しても良い。   The alarm output unit 6 includes a buzzer that generates an alarm sound. When an alarm signal is input from the obstacle monitoring unit 5, the alarm output unit 6 generates an alarm sound to notify the driver that the distance from the obstacle is short. . The alarm output unit 6 may be configured by a sound output device that transmits a warning by voice, a lamp that emits a warning by light, or the like.

ここで、障害物監視部5では、図示しない車速センサから車速情報を得ており、車速が速くなるにつれて安全距離を長めに設定している。すなわち障害物に接触するまでの時間が数秒程度となるように安全距離を設定している。而して、高速走行中は安全距離を10m以上の比較的長い距離に設定し、前方を走行する他の車両までの距離(車間距離)が安全距離よりも短くなると、警報出力部6が警報信号を出力して、警報出力部6から警報を発生させており、運転者に対して前方車両との車間距離を空けるように促すことができる。また、駐車時などの低速走行時には安全距離を1m程度の比較的短い距離に設定し、前方にある障害物までの距離が安全距離より短くなると、警報出力部6が警報信号を出力して、警報出力部6から警報を発生させており、前方にある障害物との接触を未然に防止することができる。   Here, the obstacle monitoring unit 5 obtains vehicle speed information from a vehicle speed sensor (not shown), and sets the safety distance longer as the vehicle speed increases. That is, the safety distance is set so that the time until it comes into contact with the obstacle is about several seconds. Thus, during high speed traveling, the safety distance is set to a relatively long distance of 10 m or more, and when the distance to another vehicle traveling ahead (the distance between the vehicles) becomes shorter than the safety distance, the alarm output unit 6 warns. A signal is output and an alarm is generated from the alarm output unit 6, and the driver can be urged to increase the inter-vehicle distance from the preceding vehicle. Also, when driving at low speeds such as when parking, the safety distance is set to a relatively short distance of about 1 m, and when the distance to the obstacle ahead is shorter than the safety distance, the alarm output unit 6 outputs an alarm signal, An alarm is generated from the alarm output unit 6, and contact with obstacles ahead can be prevented.

なお障害物監視部5では、画素値が所定の安全距離よりも短い画素があると警報信号を出力しているため、物体の大きさに関係無く、車体50から安全距離以内の空間に物体があれば警報信号が出力されるのであるが、画像生成部4で生成された距離画像から、画素値(すなわち距離値)が安全距離よりも短い画素の集合体を抽出し、この集合体の面積が所定のしきい値を超えると、警報信号を出力するようにしても良く、或る程度の大きさの物体に接近した場合のみ警報信号を出力させることができる。   The obstacle monitoring unit 5 outputs an alarm signal when there is a pixel whose pixel value is shorter than a predetermined safe distance, so that the object is placed in a space within the safe distance from the vehicle body 50 regardless of the size of the object. If there is, an alarm signal is output, but from the distance image generated by the image generation unit 4, an aggregate of pixels whose pixel values (that is, distance values) are shorter than the safe distance is extracted, and the area of the aggregate When the value exceeds a predetermined threshold value, an alarm signal may be output, and the alarm signal can be output only when an object of a certain size is approached.

また本実施形態では、実施形態1で説明したように強度が周期的に変化するように変調した可視光を車両外部の対象空間に照射する発光源2と、受光光量に応じた電気出力を発生する複数個の感光部11が配列されて対象空間を撮像する光検出素子1と、発光源2から対象空間に照射された光が対象空間内の物体で反射されて各感光部11で受光されるまでの光の位相差を物体までの距離に換算した距離値を画素値とする距離画像を生成する画像生成部4とを備えた距離画像センサ10を用い、対象空間内の物体までの距離値を画素値とする距離画像を得ているので、超音波センサを用いる場合のように気温や風の影響を受けて測定誤差が発生することがなく、またセンサの取付位置の近傍に検出不可能な不感帯が発生することがない。しかも、発光源2として車体50への取り付けが義務付けられている車両灯火装置(前照灯52)を用いているので、新たな光源を車体50に取り付ける必要が無く、前照灯52を距離画像センサ10の発光源2に兼用することで、部品を共用してコストダウンを図ることができる。   In the present embodiment, as described in the first embodiment, the light source 2 that irradiates the target space outside the vehicle with the visible light modulated so that the intensity periodically changes, and the electric output corresponding to the received light amount are generated. A plurality of photosensitive units 11 arranged to image the target space, and light emitted from the light source 2 to the target space is reflected by an object in the target space and received by each photosensitive unit 11. The distance to the object in the target space using the distance image sensor 10 provided with the image generation unit 4 that generates a distance image having a pixel value as a distance value obtained by converting the phase difference of the light up to the distance to the object Since a distance image with pixel values is obtained, measurement errors do not occur under the influence of air temperature and wind as in the case of using an ultrasonic sensor, and detection is not possible near the sensor mounting position. There is no possible dead zone. In addition, since the vehicle lighting device (headlight 52) that is required to be attached to the vehicle body 50 is used as the light emission source 2, there is no need to attach a new light source to the vehicle body 50, and the headlight 52 is displayed as a distance image. By sharing the light-emitting source 2 of the sensor 10, it is possible to reduce costs by sharing parts.

なお上述の各実施形態では発光源2から可視光を照射しているため、距離値の検出結果が外光成分の影響を受けやすいが、夜間やトンネル内部など周囲が暗く障害物や前方車両との距離感が掴みにくい時間帯には外光成分の影響が殆どないので、対象空間内の物体までの距離情報を正確に検出することが可能になる。   In each of the above-described embodiments, the visible light is emitted from the light emission source 2, and the detection result of the distance value is easily influenced by the external light component. In the time zone in which the sense of distance is difficult to grasp, there is almost no influence of the external light component, so that it is possible to accurately detect the distance information to the object in the target space.

また、画像生成部4は対象空間の距離画像と濃淡画像の両方を生成しているので、生成された濃淡画像を車室内に設置されたディスプレイ装置(図示せず)に表示させることで、車両の前方をモニタすることも可能である。   In addition, since the image generation unit 4 generates both the distance image and the grayscale image of the target space, the generated grayscale image is displayed on a display device (not shown) installed in the vehicle interior, so that the vehicle It is also possible to monitor the front of the.

本発明の実施形態1を示すブロック図である。It is a block diagram which shows Embodiment 1 of this invention. 同上を車両に取り付けた状態を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the state which attached the same to the vehicle. (a)〜(c)は同上の動作説明図である。(A)-(c) is operation | movement explanatory drawing same as the above. 同上における感度制御部の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the sensitivity control part in the same as the above. (a)〜(d)は同上の動作例を示す説明図である。(A)-(d) is explanatory drawing which shows the operation example same as the above. (a)〜(d)は同上の他の動作例を示す説明図である。(A)-(d) is explanatory drawing which shows the other operation example same as the above. (a)〜(d)は同上のさらに他の動作例を示す説明図である。(A)-(d) is explanatory drawing which shows the other operation example of the same as the above. 同上に用いる光検出素子の構成例を示す平面図である。It is a top view which shows the structural example of the photon detection element used for the same as the above. 図8に示した光検出素子の要部分解斜視図である。It is a principal part disassembled perspective view of the photon detection element shown in FIG. 図9のA−A線断面図である。FIG. 10 is a sectional view taken along line AA in FIG. 9. 同上に用いる光検出素子の要部の動作説明図である。It is operation | movement explanatory drawing of the principal part of the photon detection element used for the same as the above. 本発明の実施形態2を車両に取り付けた状態を説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the state which attached Embodiment 2 of this invention to the vehicle.

符号の説明Explanation of symbols

1 光検出素子
2 発光源
4 画像生成部
5 障害物監視部
10 車両用距離画像センサ
11 感光部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light detection element 2 Light emission source 4 Image generation part 5 Obstacle monitoring part 10 Vehicle distance image sensor 11 Photosensitive part

Claims (3)

強度が周期的に変化するように変調した可視光を車両外部の対象空間に照射する発光源と、受光光量に応じた電気出力を発生する複数個の感光部が配列されて対象空間を撮像する光検出素子と、前記発光源から対象空間に照射された光が対象空間内の物体で反射されて前記各感光部で受光されるまでの光の位相差を前記物体までの距離に換算した距離値を画素値とする距離画像を生成する距離画像生成部とを備えるとともに、前記発光源が、前記車両に取り付けられて前記車両の外部に光を照射する車両灯火装置からなることを特徴とする車両用距離画像センサ。   A light source that irradiates a target space outside the vehicle with visible light modulated so that the intensity changes periodically, and a plurality of photosensitive units that generate an electrical output according to the amount of received light are arranged to image the target space Distance obtained by converting a light detection element and a phase difference of light from light emitted from the light emitting source to the target space to be reflected by the object in the target space and received by each photosensitive unit into a distance to the object A distance image generation unit that generates a distance image having a value as a pixel value, and the light emission source is a vehicle lighting device that is attached to the vehicle and irradiates light outside the vehicle. Distance image sensor for vehicles. 請求項1記載の車両用距離画像センサを備え、前記車両灯火装置が後退灯であり、前記距離画像生成部により生成された車両後方の距離画像をもとに、車両後方の対象空間における障害物を監視する障害物監視部を備えて成ることを特徴とする障害物監視装置。   The vehicle distance image sensor according to claim 1, wherein the vehicle lighting device is a backward light, and an obstacle in a target space behind the vehicle based on a distance image behind the vehicle generated by the distance image generation unit. An obstacle monitoring device comprising an obstacle monitoring unit for monitoring the obstacle. 請求項1記載の車両用距離画像センサを備え、前記車両灯火装置が前照灯であり、前記距離画像生成部により生成された車両前方の距離画像をもとに、車両前方の対象空間における障害物を監視する障害物監視部を備えて成ることを特徴とする障害物監視装置。   The vehicle distance image sensor according to claim 1, wherein the vehicle lighting device is a headlamp, and an obstacle in a target space in front of the vehicle based on a distance image in front of the vehicle generated by the distance image generation unit. An obstacle monitoring apparatus comprising an obstacle monitoring unit for monitoring an object.
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