(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測距対象に対してパルス光を照射する照射装置と、
前記照射装置が照射した前記パルス光の反射光を、該パルス光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で、入射した光の光量に応じた光電子を発生して累積蓄積する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置が累積蓄積した光電子情報を用いて、タイム・オブ・フライト法により前記測距対象までの距離を求める演算部と、
を備える測距システムであって、
前記受光期間は、第１受光期間と第２受光期間とを含み、
前記固体撮像装置は、前記第１受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積するとともに、前記第２受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積し、
前記第１受光期間は、前記固体撮像装置に入射する前記反射光の強度の立上り期間の一部の期間であり、前記第２受光期間は、前記第１受光期間の終了後に開始し、少なくとも前記固体撮像装置に入射する前記反射光の強度のピークから立下りが終了する時点までの立下り期間を含む期間であり、
前記演算部は、前記第２受光期間で累積蓄積された光電子情報を前記第１受光期間で累積蓄積された光電子情報で除算して光量比を求めることで、前記測距対象までの距離を求め、
前記パルス光は、その強度が増加する立上り期間と、その強度が減少する立下り期間とを有するランプ状のパルス光である
ことを特徴とする測距システム。
【請求項２】
請求項１に記載の測距システムであって、
前記第１受光期間は、前記第２受光期間より短い
ことを特徴とする測距システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の測距システムであって、
前記測距対象までのそれぞれの距離に応じた前記光量比が記憶されたテーブルを有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載の測距システムであって、
前記固体撮像装置は、前記受光期間以外に、入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積せずに、吐き捨てる
ことを特徴とする測距システム。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の測距システムであって、
前記照射装置は、前記パルス光を所定回数照射し、
前記固体撮像装置は、各前記パルス光の照射タイミングに対して予め決められた前記第１受光期間、前記第２受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を、前記第１受光期間及び前記第２受光期間毎に加算して累積蓄積し、
前記演算部は、加算して累積蓄積された前記第２受光期間の光電子情報を、加算して累積蓄積された前記第１受光期間の光電子情報で除算して前記光量比を求める
ことを特徴とする測距システム。
【請求項６】
請求項１〜４の何れか１項に記載の測距システムであって、
前記受光期間は、前記第１受光期間と同じ長さであり、環境光のみを受光する第３受光期間と、前記第２受光期間と同じ長さであり、環境光のみを受光する第４受光期間とを更に有し、
前記固体撮像装置は、更に、前記第３受光期間で入射した環境光のみの光量に応じて発生した光電子を累積蓄積するとともに、前記第４受光期間で入射した環境光のみの光量に応じて発生した光電子を累積蓄積し、
前記演算部は、前記第２受光期間で累積蓄積された光電子情報から前記第４受光期間で累積蓄積された光電子情報を減算した値を、前記第１受光期間で累積蓄積された光電子情報から前記第３受光期間で累積蓄積された光電子情報を減算した値で除算して前記光量比を求める
ことを特徴とする測距システム。
【請求項７】
請求項６に記載の測距システムであって、
前記照射装置は、前記パルス光を所定回数照射し、
前記固体撮像装置は、各前記パルス光の照射タイミングに対して予め決められた前記第１受光期間、前記第２受光期間、前記第３受光期間、及び前記第４受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を、前記第１受光期間、前記第２受光期間、前記第３受光期間、及び前記第４受光期間毎に加算して累積蓄積し、
前記演算部は、加算して累積蓄積された前記第２受光期間の光電子情報から加算して累積蓄積された前記第４受光期間の光電子情報を減算した値を、加算して累積蓄積された前記第１受光期間の光電子情報から加算して累積蓄積された前記第３受光期間の光電子情報を減算した値で、除算して前記光量比を求める
ことを特徴とする測距システム。
【請求項８】
請求項１〜７の何れか１項に記載の測距システムであって、
該パルス光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間は、予め決められた測距検知範囲に基づいて決められている
ことを特徴とする測距システム。
【請求項９】
請求項８に記載の測距システムであって、
異なる複数の前記測距検知範囲を有し、
前記測距検知範囲毎に、前記パルス光に対して予め決められた前記受光期間の受光開始タイミングは異なり、
前記測距検知範囲は、少なくとも１フレームの露光期間単位で切り換わり、
前記１フレームの露光期間は、複数の第１受光期間及び第２受光期間を有する
ことを特徴とする測距システム。
【請求項１０】
測距対象に対してパルス光を照射する照射装置と、
前記照射装置が照射した前記パルス光の反射光を、該パルス光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で、入射した光の光量に応じた光電子を発生して累積蓄積する固体撮像装置と、
前記固体撮像装置が累積蓄積した光電子情報を用いて、タイム・オブ・フライト法により前記測距対象までの距離を求める演算部と、
を備える測距システムを用いた測距方法であって、
前記受光期間は、第１受光期間と第２受光期間とを含み、
前記固体撮像装置は、前記第１受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積するとともに、前記第２受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積し、
前記第１受光期間は、前記固体撮像装置に入射する前記反射光の強度の立上り期間の一部の期間であり、前記第２受光期間は、前記第１受光期間の終了後に開始し、少なくとも前記固体撮像装置に入射する前記反射光の強度のピークから立下りが終了する時点までの立下り期間を含む期間であり、
前記演算部は、前記第２受光期間で累積蓄積された光電子情報を前記第１受光期間で累積蓄積された光電子情報で除算して光量比を求めることで、前記測距対象までの距離を求め、
前記パルス光は、その強度が増加する立上り期間と、その強度が減少する立下り期間とを有するランプ状のパルス光である
ことを特徴とする測距方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測距センサとして機能する固体撮像装置を有する測距システム及び測距方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、イメージセンサの応用例として、測距対象への距離を非接触に測定する測距方法として、タイム・オブ・フライト（ＴＯＦ）法を用いたものが知られている。ＴＯＦ法を用いる場合においては、光電変換素子が受光した光電子（負電荷）を振り分けた後、該振り分けた光電子を読み出す技術が知られている。下記特許文献１には、ＬＥＤの発光波形は、立上り、立下りにおいて、急峻には変化せず、傾斜を持つという特性を利用し、パルス光の強度が変化する立上り期間で受光して蓄積した電荷と、パルス光の強度が一定となる期間で受光して蓄積した電荷とを用いて、距離を計測することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２９４４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１の技術では、測距対象が近距離にある場合は、照射した光が反射光として直ぐ戻ってくるため、反射光を受光する期間が長くなるとと同時に、近距離なので反射光の強度が強くなり、結果として光電変換される光電子数が大きくなる。一方、測距対象が遠距離にいる場合は、照射した光が反射光として戻ってくるまで時間がかかるため、反射光を受光する期間が短くなるとと同時に、測距対象までの距離が遠いので、測距対象に対する照射光強度が弱くなるため反射光の強度が弱くなり、結果として光電変換される光電子数が少なくなる。従って、近距離の測定対象を検出するために飽和を防ぐために光電子を保持する保持部においては大きな容量のキャパシタが必要となる一方、遠距離の測定対象を検出するためには検出感度向上させる必要がある等、読出し回路においては大きなダイナミックレンジが必要となる。
【０００５】
そこで本発明は、係る従来の問題点に鑑みてなされたものであり、距離検出に寄与しない光の受光を抑制しながら、測距精度を向上させる測距システム及び測距方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、測距対象に対してパルス光を照射する照射装置と、前記照射装置が照射した前記パルス光の反射光を、該パルス光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で、入射した光の光量に応じた光電子を発生して累積蓄積する固体撮像装置と、前記固体撮像装置が累積蓄積した光電子情報を用いて、タイム・オブ・フライト法により前記測距対象までの距離を求める演算部と、を備える測距システムであって、前記受光期間は、第１受光期間と第２受光期間とを含み、前記固体撮像装置は、前記第１受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積するとともに、前記第２受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積し、前記第１受光期間は、前記固体撮像装置に入射する前記反射光の強度の立上り期間の一部の期間であり、前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に入射する前記反射光の強度のピークから立下り期間を含む期間であり、前記演算部は、前記第２受光期間で累積蓄積された光電子情報を前記第１受光期間で累積蓄積された光電子情報で除算して光量比を求めることで、前記測距対象までの距離を求めることを特徴とする。
【０００７】
前記第１受光期間は、前記第２受光期間より短い。
【０００８】
前記測距対象までのそれぞれの距離に応じた前記光量比が記憶されたテーブルを有する。
【０００９】
前記固体撮像装置は、前記受光期間以外に、入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積せずに、吐き捨てる。
【００１０】
前記照射装置は、前記パルス光を所定回数照射し、前記固体撮像装置は、各前記パルス光の照射タイミングに対して予め決められた前記第１受光期間、前記第２受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を、前記第１受光期間及び前記第２受光期間毎に加算して累積蓄積し、前記演算部は、加算して累積蓄積された前記第２受光期間の光電子情報を、加算して累積蓄積された前記第１受光期間の光電子情報で除算して前記光量比を求める。
【００１１】
前記受光期間は、前記第１受光期間と同じ長さであり、環境光のみを受光する第３受光期間と、前記第２受光期間と同じ長さであり、環境光のみを受光する第４受光期間とを更に有し、前記固体撮像装置は、更に、前記第３受光期間で入射した環境光のみの光量に応じて発生した光電子を累積蓄積するとともに、前記第４受光期間で入射した環境光のみの光量に応じて発生した光電子を累積蓄積し、前記演算部は、前記第２受光期間で累積蓄積された光電子情報から前記４受光期間で累積蓄積された光電子情報を減算した値を、前記第１受光期間で累積蓄積された光電子情報から前記第３受光期間で累積蓄積された光電子情報を減算した値で除算して前記光量比を求める。
【００１２】
前記照射装置は、前記パルス光を所定回数照射し、前記固体撮像装置は、各前記パルス光の照射タイミングに対して予め決められた前記第１受光期間、前記第２受光期間、前記第３受光期間、及び前記第４受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を、前記第１受光期間、前記第２受光期間、前記第３受光期間、及び前記第４受光期間毎に加算して累積蓄積し、前記演算部は、加算して累積蓄積された前記第２受光期間の光電子情報から加算して累積蓄積された前記第４受光期間の光電子情報を減算した値を、加算して累積蓄積された前記第１受光期間の光電子情報から加算して累積蓄積された前記第３受光期間の光電子情報を減算した値で、除算して前記光量比を求める。
【００１３】
該パルス光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間は、予め決められた測距検知範囲に基づいて決められている。
【００１４】
異なる複数の前記測距検知範囲を有し、前記測距検知範囲毎に、前記パルス光に対して予め決められた前記受光期間の受光開始タイミングは異なり、前記測距検知範囲は、少なくとも１フレームの露光期間単位で切り換わり、前記１フレームの露光期間は、複数の第１受光期間及び第２受光期間を有する。
【００１５】
本発明は、測距対象に対してパルス光を照射する照射装置と、前記照射装置が照射した前記パルス光の反射光を、該パルス光の照射タイミングに対して予め決められた受光期間で、入射した光の光量に応じた光電子を発生して累積蓄積する固体撮像装置と、前記固体撮像装置が累積蓄積した光電子情報を用いて、タイム・オブ・フライト法により前記測距対象までの距離を求める演算部と、を備える測距システムを用いた測距方法であって、前記受光期間は、第１受光期間と第２受光期間とを含み、前記固体撮像装置は、前記第１受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積するとともに、前記第２受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積し、前記第１受光期間は、前記固体撮像装置に入射する前記反射光の強度の立上り期間の一部の期間であり、前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に入射する前記反射光の強度のピークから立下り期間を含む期間であり、前記演算部は、前記第２受光期間で累積蓄積された光電子情報を前記第１受光期間で累積蓄積された光電子情報で除算して光量比を求めることで、前記測距対象までの距離を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本願発明によれば、固体撮像装置は、第１受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積するとともに、第２受光期間で入射した光の光量に応じて発生した光電子を累積蓄積し、前記第１受光期間は、前記固体撮像装置に入射する前記反射光の強度の立上り期間の一部の期間であり、前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に入射する反射光の強度のピークから立下り期間を含む期間であり、演算部は、前記第２受光期間で累積蓄積された光電子情報を前記第１受光期間で累積蓄積された光電子情報で除算して光量比を求めることで、前記測距対象までの距離を求めるので、照射装置の光源や測距対象の反射率等に依存することなく、測距対象までの距離を求めることができ、また、距離に対する光量比の分解能が上がるので測距精度が向上する。
【００１７】
また、前記第１受光期間は、前記固体撮像装置に入射する前記反射光の強度の立上り期間の一部の期間であり、前記第２受光期間は、前記固体撮像装置に入射する反射光の強度のピークから立下り期間を含む期間であるので、測距対象が近距離にある場合は反射光を受光する期間が短くなるので、前記固体撮像装置が発生する光電子数を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システムの概略構成を示す図である。
【図２】図１の固体撮像装置の構成を示す図である。
【図３】図２に示す固体撮像装置を構成する単位画素の一部を示す一部平面図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面構成図である。
【図５】光電子の転送時において、光電変換素子、光電子振分部、及び光電子排出部に供給される基本的な各種ゲート駆動信号電圧のタイミングチャートを示す図である。
【図６】図６Ａは、タイミングａ及びｇ時における光電変換素子、光電子振分部、及び光電子排出部のポテンシャル図、図６Ｂは、タイミングｂ及びｈ時における光電変換素子、光電子振分部、及び光電子排出部のポテンシャル図、図６Ｃは、タイミングｃ時における光電変換素子、光電子振分部、及び光電子排出部のポテンシャル図、図６Ｄは、タイミングｄ時における光電変換素子、光電子振分部、及び光電子排出部のポテンシャル図、図６Ｅは、タイミングｅ時における光電変換素子、光電子振分部、及び光電子排出部のポテンシャル図、図６Ｆは、タイミングｆ時における光電変換素子、光電子振分部、及び光電子排出部のポテンシャル図である。
【図７】単位画素の回路構成の一例を示す図である。
【図８】単位画素の受光期間を示すタイムチャートである。
【図９】図８の１サイクルにおける照射装置が照射する照射光の照射タイミングと、図８の１サイクルにおける単位画素に供給されるゲート駆動信号電圧のタイミングとを示すタイムチャートである。
【図１０】測距対象までの距離の算出方法を説明する説明図である。
【図１１】光量比と測距対象までの距離との関係を示すグラフである。
【図１２】変形例２の１サイクルにおける照射装置が照射する照射光の照射タイミングと、該１サイクルにおける単位画素に供給されるゲート駆動信号電圧のタイミングとを示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明に係る測距方法及び該測距方法を実現する測距システムについて、好適な実施の形態を掲げて添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００２０】
図１は、実施の形態にかかる固体撮像装置を有する測距システム１０の概略構成を示す図である。図１に示すように、測距システム１０は、照射装置１２、撮像部１４、演算部１６、制御部１８、及び電源２０を備える。
【００２１】
電源２０は、測距システム１０の各部に所定の電源電圧を供給するものであり、図１においては、簡単のため、電源２０から各装置への電源線の表示を省略する。
【００２２】
照射装置１２は、測距対象Ｗに対してパルス光Ｌｐを照射するものであり、照射装置１２は、制御部１８の制御下で、パルス光Ｌｐを出力する発光部（光源）２４を有する。発光部２４は、コンデンサと発光素子を有し、コンデンサが保持した電荷が発光ダイオードに供給されることで光を発光する。なお、制御部１８、及び演算部１６は、固体撮像素子上に形成してもよい。
【００２３】
発光部２４は、赤外光を発光する。例えば、波長が８７０ナノメートル（ｎｍ）の赤外光を１００ワット（Ｗ）の出力で照射可能である。発光部２４は、パルス光Ｌｐを１００ナノ秒（ｎｓ）の出力時間（パルス幅）で出力可能である。
【００２４】
なお、発光部２４は、リニアアレイ状の複数の発光点を有していてもよく、あるいは、マトリックス状に並べられた複数の発光点を有するものであってもよい。発光素子としてレーザダイオードや発光ダイオード（ＬＥＤ）等のその他の発光素子を用いてもよい。
【００２５】
この測距システム１０では、照射装置１２から照射されたパルス光Ｌｐが測距対象Ｗで反射し、撮像部１４に入射する。なお、説明の便宜のため、照射装置１２から測距対象Ｗまでのパルス光Ｌｐを照射光Ｌｅと、測距対象Ｗから撮像部１４までのパルス光Ｌｐを反射光Ｌｒと呼ぶ。
【００２６】
撮像部１４は、レンズ２６と、固体撮像装置２８とを有する。レンズ２６を透過した反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓは、固体撮像装置２８に集光され、固体撮像装置２８によって受光される。固体撮像装置２８は、照射装置１２が照射するパルス光Ｌｐ及び環境光Ｌｓに対して感度を有する。演算部１６は、固体撮像装置２８が受光期間Ｐで取り込んだ光電子数Ｑの情報に基づいて測距対象Ｗまでの距離を算出する。
【００２７】
図２は、固体撮像装置２８の構成を示す図である。固体撮像装置２８は、マトリックス状に単位画素３０が配置された画素アレイ３２と、画素駆動回路（画素駆動部）３４と、出力バッファ３６と、Ａ／Ｄ変換器３８とを有する。
【００２８】
電源２０は、画素アレイ３２に対して正の電源電圧Ｖｄｄを印加するとともに、リセット電圧Ｖｒｅｆを印加する。画素駆動回路３４は、ゲート駆動回路４２、垂直選択回路４４、サンプルホールド回路４６、及び、水平選択回路４８を有し、ゲート駆動回路４２は、各種ゲート駆動信号を出力することにより画素アレイ３２の各単位画素３０の光電子の発生（蓄積）、保持、転送、及び排出等を行う。垂直選択回路４４は、マルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する行に対して選択的に、該単位画素３０が保持した光電子数Ｑに対応する電圧信号ＱＶを出力させる。水平選択回路４８は、別のマルチプレクサ（図示略）を有し、読み出しを行う単位画素３０が属する列を選択する。読み出された画素信号は、サンプルホールド回路４６に一端保持された後、水平選択回路４８を介して出力される。そして、出力バッファ３６及びＡ／Ｄ変換器３８を介して演算部１６に出力される。ゲート駆動回路４２、垂直選択回路４４、サンプルホールド回路４６、及び水平選択回路４８は、制御部１８の制御に従って駆動する。
【００２９】
図３は、図２に示す固体撮像装置２８を構成する単位画素３０の一部を示す一部平面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線矢視断面構成図である。なお、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの構成は、光電子振分部１０６ａと同一であり、光電子排出部１０８ｂの構成は、光電子排出部１０８ａの構成と同一であるので、光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ及び光電子排出部１０８ｂの断面構成図は省略する。
【００３０】
単位画素３０は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に形成された光電変換素子１０４と、４つの光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ（総称して、光電子振分部１０６と呼ぶ場合もある）と、２つの光電子排出部１０８ａ、１０８ｂ（以下、総称して、光電子排出部１０８と呼ぶ場合もある）とを有する。光電変換素子１０４は、ｐ型（第１導電型）半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、フォトゲートと呼ぶ）１１０を有するフォトゲート構造を有している（図４参照）。光電変換素子１０４は、光を検知して、光電子（負電荷）を発生する（検知した光を光電子に変換する）。フォトゲート１１０には、光電変換素子１０４を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓａがゲート駆動回路４２から印加される。
【００３１】
各光電子振分部１０６は、第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６、及び浮遊拡散層１１８をそれぞれ有する。第１転送部１１２は、光電変換素子１０４が発生した光電子を振り分けて光電子保持部１１４に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、第１転送ゲートと呼ぶ）１２０を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。第１転送ゲート１２０には、ゲート駆動回路４２から第１転送部１１２を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓｂが入力される。
【００３２】
光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４に対して第１転送部１１２を挟んで配置され、光電変換素子１０４が発生した光電子を一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、保持ゲートと呼ぶ）１２２を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。保持ゲート１２２には、ゲート駆動回路４２から光電子保持部１１４を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓｃが入力される。
【００３３】
第２転送部１１６は、第１転送部１１２に対して、光電子保持部１１４を挟んで配置され、光電子保持部１１４で集積された光電子を転送するものであり、ｐ型半導体基板１０２上に絶縁体（図示略）を介して形成された電極（以下、第２転送ゲートと呼ぶ）１２４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。第２転送ゲート１２４には、ゲート駆動回路４２から第２転送部１１６を駆動するゲート駆動信号電圧Ｓｄが印加される。
【００３４】
浮遊拡散層（ＦＤ；フローティングディフュージョン）１１８は、光電子保持部１１４に対して第２転送部１１６を挟んで配置され、光電子保持部１１４から転送されてくる光電子を電圧に変換させるために一時的に保持するものであり、ｐ型半導体基板１０２上にｎ型（第２導電型）不純物が形成されたものである。
【００３５】
図３に示すように、４つの光電子振分部１０６は、光電変換素子１０４を挟んで水平方向（左右方向）に対称に２つずつ設けられており、上下に１つずつ設けられている。
【００３６】
図４に示すように、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８の電位を基準電位にリセットするリセット用トランジスタ（リセット部）１２６が接続されている。リセット用トランジスタ１２６のソースは浮遊拡散層１１８に接続され、ドレインには電源２０からのリセット電圧Ｖｒｅｆが印加され、リセット用トランジスタ１２６のゲート（リセット用ゲート）１２７には、ゲート駆動回路４２からリセット信号Ｒが供給される。ハイのリセット信号Ｒがリセット用ゲート１２７に供給されると、リセット用トランジスタ１２６がオンとなり、浮遊拡散層１１８に存在する光電子は排出され、浮遊拡散層１１８の電位が基準電位にリセットされる。
【００３７】
また、浮遊拡散層１１８には、浮遊拡散層１１８が保持した光電子数Ｑに応じた電圧信号ＱＶを読み出すための信号読出用トランジスタ１３０が接続される。信号読出用トランジスタ１３０には、該信号読出用トランジスタ１３０によって読み出された電圧信号を信号読出線１３２に出力するかを選択するための選択用トランジスタ１３４が接続されている。信号読出用トランジスタ１３０のドレインは、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加され、信号読出用トランジスタ１３０のゲート（信号読出用ゲート）１３１は、浮遊拡散層１１８に接続され、ソースは、選択用トランジスタ１３４のドレインに接続される。選択用トランジスタ１３４のゲート（選択用ゲート）１３５に垂直選択回路４４からハイの選択信号Ｓｓが供給されると、選択用トランジスタ１３４がオンになり、浮遊拡散層１１８が保持した光電子数Ｑに対応する電圧信号ＱＶが信号読出線１３２から読み出される。選択用トランジスタ１３４のソースには、信号読出線１３２が接続されている。
【００３８】
光電子排出部１０８は、第３転送部１４０と、拡散層１４２とを有する。第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を拡散層１４２に転送するためのものであり、ｐ型半導体基板１０２上に前記絶縁体を介して形成された電極（第３転送ゲート）１４４を有するＭＯＳダイオード構造を有している（図４参照）。
【００３９】
拡散層１４２は、光電変換素子１０４に対して第３転送部１４０を挟んで反対側に配置され、拡散層１４２には、電源２０からの電源電圧Ｖｄｄが印加されている。ゲート駆動回路４２から第３転送ゲート１４４にゲート駆動信号電圧Ｓｅが入力されると、光電変換素子１０４が発生した光電子は、第３転送部１４０を介して拡散層１４２から排出される。図３に示すように、２つの光電子排出部１０８は、光電変換素子１０４を挟んで垂直方向（上下方向）に対称的に１つずつ設けられている。
【００４０】
図５は、光電子の転送時において、光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、及び光電子排出部１０８ａに供給される基本的な各種ゲート駆動信号電圧のタイミングチャートを示す図であり、図６Ａ〜図６Ｆは、図５のタイミングチャートに示すタイミングａ〜タイミングｈにおける光電変換素子１０４、光電子振分部１０６ａ、及び光電子排出部１０８ａのポテンシャル図である。
【００４１】
図６Ａは、タイミングａ及びｇ時におけるポテンシャル図、図６Ｂは、タイミングｂ及びｈ時におけるポテンシャル図、図６Ｃは、タイミングｃ時におけるポテンシャル図、図６Ｄは、タイミングｄ時におけるポテンシャル図、図６Ｅは、タイミングｅ時におけるポテンシャル図、図６Ｆは、タイミングｆ時におけるポテンシャル図である。
【００４２】
１フレームの露光期間に突入し、光電変換素子１０４が発生した光電子を累積蓄積する最初の受光期間Ｐ前のタイミングａにおいては、フォトゲート１１０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓａが、第３転送ゲート１４４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｅが、第１転送ゲート１２０にローのゲート駆動信号電圧Ｓｂが、保持ゲート１２２にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが、第２転送ゲート１２４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｄがそれぞれ印加された状態となる。これにより、タイミングａでは、図６Ａに示すように、第３転送部１４０は、光電変換素子１０４が発生した光電子を拡散層１４２に転送するので、光電変換素子１０４の光電子を拡散層１４２から排出することができ、光電変換素子１０４には光電子が蓄積されない。また、タイミングａでは、図６Ａに示すように、第２転送部１１６は、光電子保持部１１４に存在する光電子を浮遊拡散層１１８に転送するので、リセット用ゲート１２７にハイのリセット信号Ｒを印加することで、光電子保持部１１４及び浮遊拡散層１１８に存在する光電子を、リセット用トランジスタ１２６を介して排出することができる。
【００４３】
その後、タイミングｂにおいては、保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃがローになるので、図６Ｂに示すように、光電子保持部１１４に存在する光電子が全て浮遊拡散層１１８に転送される。このときも、リセット用ゲート１２７にハイのリセット信号Ｒを印加することで、光電子保持部１１４及び浮遊拡散層１１８に残存している光電子を全て排出することができる。なお、タイミングｂにおいても、フォトゲート１１０及び第３転送ゲート１４４には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓａ、Ｓｅが印加され続けているので、光電変換素子１０４が発生した光電子は、拡散層１４２から排出され続ける。
【００４４】
光電子保持部１１４及び浮遊拡散層１１８に残存している光電子を全て排出し、受光期間Ｐの直前のタイミングｃでは、保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃがハイになり、第２転送ゲート１２４に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｄがローになる。また、受光期間Ｐの直前のタイミングｃでは、フォトゲート１１０に印加されるゲート駆動信号電圧Ｓａは、ローになるので、図６Ｃに示すように、光電変換素子１０４に残存している全ての光電子は、拡散層１４２から排出される。
【００４５】
その後、受光期間Ｐ内のタイミングｄでは、第３転送ゲート１４４に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｅがローになり、第１転送ゲート１２０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｂがハイになる。これにより、タイミングｄでは、図６Ｄに示すように、第１転送部１１２は、光電変換素子１０４が発生した光電子を光電子保持部１１４に転送するので、受光期間Ｐにおいては、光電子保持部１１４は、光電変換素子１０４が発生した光電子を累積蓄積して保持することができる。なお、タイミングｄ時においても、保持ゲート１２２には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが印加され続けているので、光電子保持部１１４のポテンシャルは低く保たれている。
【００４６】
受光期間Ｐの残存光電子転送期間内のタイミングｅでは、フォトゲート１１０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓａがローになる。これにより、タイミングｅでは、図６Ｅに示すように、光電変換素子１０４に残存している光電子を、全て光電子保持部１１４に転送することができる。
【００４７】
そして、受光期間Ｐ終了後（特に、残存光電子転送期間終了後）のタイミングｆでは、フォトゲート１１０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓａがハイ、第３転送ゲート１４４に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｅがハイになり、第１転送ゲート１２０に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｂがローになる。これにより、タイミングｆでは、図６Ｆに示すように、フォトゲート１１０及び第３転送ゲート１４４には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓａ、Ｓｅが印加されるので、光電変換素子１０４が発生した光電子は、拡散層１４２から排出される。また、タイミングｆ時においても、保持ゲート１２２には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが印加され続けているので、光電子保持部１１４は、受光期間Ｐ中に光電変換素子１０４が発生した光電子を保持している。
【００４８】
１フレームの露光期間には、図示しないが複数の受光期間Ｐが存在し、図６Ｃ〜図６Ｆに示すような、動作が複数回繰り返される。従って、光電子保持部１１４は、複数の受光期間Ｐで光電変換素子１０４が発生した光電子を加算して保持することになる。
【００４９】
その後、読出し期間のタイミングｇでは、フォトゲート１１０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓａが、第３転送ゲート１４４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｅが、第１転送ゲート１２０にローのゲート駆動信号電圧Ｓｂが、保持ゲート１２２にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが、第２転送ゲート１２４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｄがそれぞれ印加された状態となる。これにより、タイミングｇでは、図６Ａに示すように、第２転送部１１６は、光電子保持部１１４に存在する光電子を浮遊拡散層１１８に転送することができる。このときは、リセット用ゲート１２７にはローのリセット信号Ｒが印加されているので、転送された光電子は排出されることなく、浮遊拡散層１１８に存在する。
【００５０】
その後、タイミングｈでは、保持ゲート１２２に印加するゲート駆動信号電圧Ｓｃがローになるので、図６Ｂに示すように、光電子保持部１１４に存在する光電子が全て浮遊拡散層１１８に転送される。このときも、リセット用ゲート１２７にローのリセット信号Ｒが印加されているので、転送された光電子は排出されることなく、浮遊拡散層１１８に存在する。なお、タイミングｇ及びタイミングｈでは、光電変換素子１０４が発生した光電子は拡散層１４２から排出される。
【００５１】
光電子保持部１１４が保持していた光電子を全て浮遊拡散層１１８に転送した後、選択用トランジスタの選択用ゲート１３５にハイの選択信号Ｓｓが印加されると、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑに対応する電圧信号ＱＶが信号読出線１３２から読み出される。
【００５２】
なお、光電子振分部１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子の転送方法に関しては、光電子振分部１０６ａと同様であり、光電子排出部１０８ｂの光電子の排出方法に関しては、光電子排出部１０８ａと同様であるので、説明を省略する。
【００５３】
図７は、単位画素３０の回路構成の一例を示す図である。光電変換素子１０４が発生した光電子は、転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄを介して光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８に転送される。転送経路１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄは、図３で示した光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの第１転送部１１２、光電子保持部１１４、第２転送部１１６により構成される。光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの浮遊拡散層１１８には、１つのリセット用トランジスタ１２６のソースが接続されるとともに、１つの信号読出用ゲート１３１が接続される。なお、図７では、光電子排出部１０８の図示を省略している。
【００５４】
各浮遊拡散層１１８に、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの各光電子保持部１１４が保持した光電子が転送される前に、リセット用トランジスタ１２６がオンになることによって各浮遊拡散層１１８が基準電位にリセットされ、そのときの各浮遊拡散層１１８の電圧信号（以下、黒レベル）が読み出される。その後、光電子振分部１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子が順次浮遊拡散層１１８に転送される。各浮遊拡散層１１８に転送され、各浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑが順次信号読出用トランジスタ１３０によって電圧信号（信号レベル）ＱＶに変換されて、選択用トランジスタ１３４を介して信号読出線１３２から読み出される。
【００５５】
詳しくは、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑに応じた信号レベルＱＶが信号読出線１３２から読み出される。演算部１６は、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑに対応する信号レベルＱＶから黒レベルを減算することで、リセットノイズを除去する。
【００５６】
次に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑに応じた信号レベルＱＶが信号読出線１３２から読み出される。演算部１６は、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑに対応する信号レベルＱＶから黒レベルを減算することで、リセットノイズを除去する。
【００５７】
そして、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑに応じた信号レベルＱＶが信号読出線１３２から読み出される。演算部１６は、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑに対応する信号レベルＱＶから黒レベルを減算することでリセットノイズを除去する。
【００５８】
最後に、リセット用トランジスタ１２６をオンにすることで、各浮遊拡散層１１８の電位がリセットされ、黒レベルが読み出される。その後、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持している光電子が浮遊拡散層１１８に転送され、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑに応じた信号レベルＱＶが信号読出線１３２から読み出される。演算部１６は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４が保持した光電子数Ｑに対応する信号レベルＱＶから黒レベルを減算することで、リセットノイズを除去する。
【００５９】
図８は、単位画素３０の受光期間Ｐを示すタイムチャートである。制御部１８は、１フレームの露光期間中、所定の周期で照射装置１２が照射光Ｌｅを照射するように発光信号を照射装置１２に出力し、該照射装置１２は、該送られてきた発光信号に従って所定の周期で照射光Ｌｅを照射する。単位画素３０は、制御部１８による制御のもと、各照射光Ｌｅの照射タイミングに応じて予め決められた受光期間Ｐ（第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４）で光を受光する。
【００６０】
第１受光期間Ｐ１は、反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓを同時に受光し、該受光した光に応じた光電子を累積蓄積する期間である。第２受光期間Ｐ２は、反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓを受光し、該受光した光に応じた光電子を累積蓄積する期間であり、第２受光期間Ｐ２は、反射光Ｌｒを受光しない（環境光Ｌｓのみを受光する）期間があってもよい。第３受光期間Ｐ３及び第４受光期間Ｐ４は、環境光Ｌｓのみを受光し、該受光した光に応じた光電子を累積蓄積する期間である。第１受光期間Ｐ１と第３受光期間Ｐ３との受光期間は同じ長さであり、第２受光期間Ｐ２と第４受光期間Ｐ４との受光期間は同じ長さである。また、第２受光期間Ｐ２及び第４受光期間Ｐ４は、第１受光期間Ｐ１及び第３受光期間Ｐ３より長い。この第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４の受光開始タイミングは、測距検知範囲に基づいて決められており、測距検知範囲毎に、この第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４の受光開始タイミングは異なる。特に、第２受光期間Ｐ２の受光開始タイミングが、測距検知範囲によって異なる。測距対象Ｗが近い場合は、照射光Ｌｅを照射してから反射光Ｌｒが単位画素３０に入射するまでの時間は短くなり、測距対象Ｗが遠い場合は、照射光Ｌｅを照射してから反射光Ｌｒが単位画素３０に入射するまでの時間は長くなるからである。測距検知範囲とは、距離を計測することができる範囲（例えば、５ｍ先から２０ｍ先までの範囲）のことである。
【００６１】
１回の照射光Ｌｅの照射タイミングに応じて４つの受光期間Ｐ（Ｐ１〜Ｐ４）が定められており、これを１サイクルとし、１フレームの露光期間中にこのサイクルが所定回数（例えば、１０００回）繰り返される。第１受光期間Ｐ１で発生した光電子は、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に蓄積され、第２受光期間Ｐ２で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に蓄積され、第３受光期間Ｐ３で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に蓄積され、第４受光期間Ｐ４で発生した光電子は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に蓄積される。
【００６２】
この１サイクル毎に各受光期間Ｐ（第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４）で発生した光電子は、各光電子振分部１０６に振り分けられるので、各光電子振分部１０６の光電子保持部１１４は、各サイクルの受光期間Ｐで発生した光電子を加算して保持することになる。つまり、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４は、各サイクルの第１受光期間Ｐ１で発生した光電子を加算して保持し、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４は、各サイクルの第２受光期間Ｐ２で発生した光電子を加算して保持する。また、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４は、各サイクルの第３受光期間Ｐ３で発生した光電子を加算して保持し、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４は、各サイクルの第４受光期間Ｐ４で発生した光電子を加算して保持する。
【００６３】
そして、１フレームの露光期間が終了して読出し期間に突入すると、各光電子振分部１０６の光電子保持部１１４が保持している光電子数Ｑに応じた電圧信号ＱＶが読み出される。
【００６４】
図９は、図８の１サイクルにおける照射装置１２が照射する照射光Ｌｅの照射タイミングと、図８の１サイクルにおける単位画素３０に供給されるゲート駆動信号電圧のタイミングとを示すタイムチャートである。
【００６５】
照射装置１２が制御部１８からの発光信号に従って照射する照射光Ｌｅは、ランプ状（略三角形状）のパルス光であり、照射光Ｌｅの強度が増加する期間（以下、立上り期間）と照射光Ｌｅの強度が減少する期間（立下り期間）とを有する。従って、固体撮像装置２８に入射する反射光Ｌｒも、反射光Ｌｒの強度が増加する期間と照射光Ｌｅの強度が減少する期間とを有する。制御部１８から照射装置１２にハイの発光信号が供給されている間は、照射光Ｌｅの強度は増加する。
【００６６】
第１受光期間Ｐ１は、測距検知範囲内にいる測距対象Ｗからの反射光Ｌｒを受光する期間であって、反射光Ｌｒの立上り期間の一部の期間である。また、第２受光期間Ｐ２は、測距検知範囲内にいる測距対象Ｗからの反射光Ｌｒを受光する期間であって、反射光Ｌｒの強度のピークから立下り期間を含む期間である。
【００６７】
固体撮像装置２８の単位画素３０は、第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４で、光電変換素子１０４に入射した反射光Ｌｒに応じた光電子を累積蓄積し、第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４以外の期間で光電変換素子１０４が発生した光電子を排出する（捨てる）。
【００６８】
詳しくは、第３受光期間Ｐ３前は、光電変換素子１０４のフォトゲート１１０にハイのゲート駆動信号電圧Ｓａが供給されるとともに、第３転送部１４０の第３転送ゲート１４４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓｅが供給される。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、拡散層１４２から排出される。そして、第３受光期間Ｐ３の直前にフォトゲート１１０に供給されるハイのゲート駆動信号電圧Ｓａがローになり、光電変換素子１０４に残存する光電子が全て拡散層１４２から排出される。
【００６９】
なお、このときは、光電子振分部１０６ａの第１転送部１１２の第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ（以下、Ｓｂ１という）、光電子振分部１０６ｂの第１転送部１１２の第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ（以下、Ｓｂ２という）、光電子振分部１０６ｃの第１転送部１１２の第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ（以下、Ｓｂ３という）、光電子振分部１０６ｄの第１転送部１１２の第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ（以下、Ｓｂ４という）は、ローの状態である。
【００７０】
そして、第３受光期間Ｐ３が到来すると、第３転送ゲート１４４に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｅはローになるとともに、光電子振分部１０６ｃの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ３はハイになる。これにより、第３受光期間Ｐ３で光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に累積蓄積される。第３受光期間Ｐ３の残存光電子転送期間に入ると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４に全て転送される。なお、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４の保持ゲート１２２には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが供給されていることは言うまでもない。
【００７１】
その後、第４受光期間Ｐ４が到来すると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがハイ、光電子振分部１０６ｃの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ３はロー、光電子振分部１０６ｄの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ４はハイになる。これにより、第４受光期間Ｐ４で光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に累積蓄積される。第４受光期間Ｐ４の残存光電子転送期間に入ると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４に全て転送される。なお、光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４の保持ゲート１２２には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが供給されていることは言うまでもない。第４受光期間Ｐ４が終了すると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがハイ、第３転送ゲート１４４に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｅがハイ、光電子振分部１０６ｄの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ４がローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、拡散層１４２から排出される。そして、第１受光期間Ｐ１の直前にフォトゲート１１０に供給されるハイのゲート駆動信号電圧Ｓａがローになり、光電変換素子１０４に残存する光電子が全て拡散層１４２から排出される。
【００７２】
第１受光期間Ｐ１が到来すると、第３転送ゲート１４４に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｅはローになるとともに、光電子振分部１０６ａの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ１はハイになる。これにより、第１受光期間Ｐ１で光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に累積蓄積される。第１受光期間Ｐ１の残存光電子転送期間に入ると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４に全て転送される。なお、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４の保持ゲート１２２には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが供給されていることは言うまでもない。
【００７３】
第２受光期間Ｐ２が到来すると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがハイ、光電子振分部１０６ａの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ１はロー、光電子振分部１０６ｂの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ２はハイになる。これにより、第２受光期間Ｐ２で光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に累積蓄積される。第２受光期間Ｐ２の残存光電子転送期間に入ると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４に全て転送される。なお、このときには、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４の保持ゲート１２２には、ハイのゲート駆動信号電圧Ｓｃが供給されていることは言うまでもない。第２受光期間Ｐ２が終了すると、フォトゲート１１０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓａがハイ、第３転送ゲート１４４に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｅがハイ、光電子振分部１０６ｂの第１転送ゲート１２０に供給されるゲート駆動信号電圧Ｓｂ２がローになる。これにより、光電変換素子１０４が発生した光電子は、拡散層１４２から排出される。
【００７４】
次に、固体撮像装置２８の各単位画素３０から読み出した電圧信号（信号レベル、黒レベル）に基づいて、演算部１６が測距対象Ｗの距離を算出する算出手法について説明する。
【００７５】
まず、演算部１６は、測距対象Ｗの距離を算出する前に、各光電子振分部１０６の光電子保持部１１４から読み出した信号レベルＱＶから黒レベルを減算することで、リセットノイズが除去された電圧信号ＱＶ´を算出する。
【００７６】
以下、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４から浮遊拡散層１１８に転送された光電子数ＱをＱａ、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑａに応じて読み出された電圧信号（信号レベル）ＱＶをＱＶａ、信号レベルＱＶａから黒レベルが減算された電圧信号ＱＶ´をＱＶ´ａとする。光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４から浮遊拡散層に転送された光電子数ＱをＱｂ、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑｂに応じて読み出された電圧信号（信号レベル）ＱＶをＱＶｂ、信号レベルＱＶｂから黒レベルが減算された電圧信号ＱＶ´をＱＶ´ｂとする。
【００７７】
同様に、光電子振分部１０６ｃの光電子保持部１１４から浮遊拡散層１１８に転送された光電子数ＱをＱｃ、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑｃに応じて読み出された電圧信号（信号レベル）ＱＶをＱＶｃ、信号レベルＱＶｃから黒レベルが減算された電圧信号ＱＶ´をＱＶ´ｃとする。光電子振分部１０６ｄの光電子保持部１１４から浮遊拡散層１１８に転送された光電子数ＱをＱｄ、浮遊拡散層１１８に存在する光電子数Ｑｄに応じて読み出された電圧信号（信号レベル）ＱＶをＱＶｄ、信号レベルＱＶｄから黒レベルが減算された電圧信号ＱＶ´をＱＶ´ｄとする。演算部１６は、電圧信号ＱＶ´ａ、ＱＶ´ｂ、ＱＶ´ｃ、ＱＶ´ｄを用いて測距対象Ｗまでの距離を算出する。
【００７８】
図１０は、測距対象Ｗまでの距離の算出方法を説明する説明図である。Ｓ１は、第１受光期間Ｐ１で単位画素３０に入射した反射光Ｌｒの光量を示し、Ｓ２は、第２受光期間Ｐ２で単位画素３０に入射した反射光Ｌｒの光量を示す。測距システム１０から測距対象Ｗまでの距離が近くなるほど、反射光Ｌｒが測距対象Ｗから戻ってくるタイミングが早くなるので、図１０に示す反射光Ｌｒは左に移動する。また、測距システム１０から測距対象Ｗまでの距離が遠くなるほど、反射光Ｌｒが測距対象Ｗから戻ってくるタイミングが遅くなるので、図１０に示す反射光Ｌｒは右に移動する。
【００７９】
従って、照射装置１２の発光部２４の発光強度の変動や測距対象Ｗの反射率等を考えなければ、第１受光期間Ｐ１で単位画素３０に入射する反射光Ｌｒの光量Ｓ１は、光が照射されて測距対象Ｗから戻ってくるまでの光の往復時間Δｔによって変化し、ｆ１（Δｔ）によって表すことができ、第２受光期間Ｐ２で単位画素３０に入射する反射光Ｌｒの光量Ｓ２も同様に、光の往復時間Δｔによって変化し、ｆ２（Δｔ）で表すことができる。
【００８０】
ここで、発光部２４の発光強度の変動や測距対象Ｗの反射率等を考慮すると、第１受光期間Ｐ１で単位画素３０に入射する反射光Ｌｒの光量Ｓ１は、Ｉ×ｆ１（Δｔ）で表すことができ、第２受光期間Ｐ２で単位画素３０に入射する反射光Ｌｒの光量Ｓ２は、Ｉ×ｆ２（Δｔ）で表すことができる。なお、Ｉは、発光部２４の発光強度の変動や測距対象Ｗの反射率等に基づく係数である。
【００８１】
従って、光量Ｓ２と光量Ｓ１との光量比（Ｓ２／Ｓ１）は、数１に示す関係式で表すことできる。
【００８２】
【数１】
0005576851.tif 000002
【００８３】
この求められた光量比（Ｓ２／Ｓ１）は、発光部２４の発光強度の変動や測距対象Ｗの反射率等に関係なく、光の往復時間Δｔに依存した値となるため、光の往復時間Δｔと光量比（Ｓ２／Ｓ１）との関係を記憶したテーブルを用いることで、光量比（Ｓ２／Ｓ１）に応じた光の往復時間Δｔが分り、該光の往復時間Δｔから測距対象Ｗまでの距離を求めることができる。このテーブルは演算部１６に内蔵されてもよく、外部記録媒体に内蔵されていてもよい。
【００８４】
第１受光期間Ｐ１で単位画素３０に入射した反射光Ｌｒの光量Ｓ１は、第１受光期間Ｐ１に入射した反射光Ｌｒによって単位画素３０が発生した光電子数Ｑに応じた信号レベルＱＶから黒レベルを減算した電圧信号ＱＶ´に対応し、第２受光期間Ｐ２で単位画素３０に入射した反射光Ｌｒの光量Ｓ２は、第２受光期間Ｐ２に入射した反射光Ｌｒによって単位画素３０が発生した光電子数Ｑに応じた信号レベルＱＶから黒レベルを減算した電圧信号ＱＶ´に対応する。
【００８５】
ここで、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４から浮遊拡散層１１８に転送された光電子数Ｑａに応じて得られた電圧信号ＱＶ´ａは、第１受光期間Ｐ１で得られた反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓに応じた電圧信号なので、第３受光期間Ｐ３で得られた光電子数Ｑｃに応じて得られた電圧信号ＱＶ´ｃを電圧信号ＱＶ´ａから減算することで、第１受光期間Ｐ１の反射光Ｌｒのみに応じた電圧信号を得ることができる。
【００８６】
また、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４から浮遊拡散層１１８に転送された光電子数Ｑｂに応じて得られた電圧信号ＱＶ´ｂは、第２受光期間Ｐ２で得られた反射光Ｌｒ及び環境光Ｌｓに応じた電圧信号なので、第４受光期間Ｐ４で得られた光電子数Ｑｄに応じて得られた電圧信号ＱＶ´ｄを電圧信号ＱＶ´ｂから減算することで、第２受光期間Ｐ２の反射光Ｌｒのみに応じた電圧信号を得ることができる。従って、光量Ｓ２と光量Ｓ１との比は、数２に示す関係式で表すことができる。
【００８７】
【数２】
0005576851.tif 000003
【００８８】
演算部１６は、得られた電圧信号ＱＶ´ａ、ＱＶ´ｂ、ＱＶ´ｃ、ＱＶ´ｄから数２を用いて、光量比（Ｓ２／Ｓ１）を求め、前記テーブルを用いて該求めた光量比（Ｓ２／Ｓ１）に応じた測距対象Ｗまでの距離を求めることができる。
【００８９】
照射装置１２が照射する照射光Ｌｅは、ランプ状の波形を有し、つまり、照射光Ｌｅの強度の立上り期間と照射光Ｌｅの強度の立下り期間とを有し、第１受光期間Ｐ１は、立上り期間の一部の期間であり、第２受光期間Ｐ２は反射光Ｌｒのピークから立下り期間を含む期間であるので、測距システム１０から測距対象Ｗが近い位置（近距離）にいる場合は、固体撮像装置２８の単位画素３０に反射光Ｌｒが入射するタイミングは早くなる。従って、測距対象Ｗが近距離の場合は、第１受光期間Ｐ１で入射する反射光Ｌｒの光量Ｓ１は増加し、第２受光期間Ｐ２で入射する反射光Ｌｒの光量Ｓ２は減少する。その結果、測距対象Ｗが近距離のときは、光量比（Ｓ２／Ｓ１）は、小さくなる。
【００９０】
逆に、測距システム１０から測距対象Ｗが遠い位置（遠距離）にいる場合は、固体撮像装置２８の単位画素３０に反射光Ｌｒが入射するタイミングは遅くなるので、第１受光期間Ｐ１に入射する反射光Ｌｒの光量Ｓ１は減少し、第２受光期間Ｐ２に入射する反射光Ｌｒの光量Ｓ２は増加する。その結果、測距対象Ｗが遠距離のときは、光量比（Ｓ２／Ｓ１）は、大きくなる。
【００９１】
図１１は、光量比と測距対象Ｗまでの距離との関係を示すグラフである。実線は、本実施の形態の光量比と測距対象Ｗまでの距離との関係を示すグラフであり、破線は、照射装置１２が照射する照射光Ｌｅを矩形波のパルス光としたときの、光量比と測距対象Ｗまでの距離との関係を示すグラフである。図１１に示すように、照射光Ｌｅをランプ状にしたので、光量比（Ｓ２／Ｓ１）は、矩形波の場合に比べ、測距対象Ｗまでの距離が遠くなるほど、光量比は大きくなる。これにより、距離に対する分解能があがり、精度良く測距対象Ｗまでの距離を求めることができる。
【００９２】
また、第１受光期間Ｐ１は、第２受光期間Ｐ２より短いので、測距対象Ｗが近距離にいる場合であっても、第１受光期間Ｐ１で単位画素３０に入射する光量Ｓ１を抑えることができるので、第１受光期間Ｐ１で発生する光電子数を抑えることができる。従って、光電子振分部１０６ａの光電子保持部１１４の容量を大きくする必要はない。また、測距対象Ｗが近距離にいる場合は、第２受光期間Ｐ２で単位画素３０に入射する光量Ｓ２は少ないので、第２受光期間Ｐ２で発生する光電子数は少なくなる。従って、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４の容量を大きくする必要がない。
【００９３】
測距対象Ｗが遠距離にいる場合は、単位画素３０に入射する反射光Ｌｒの強度は小さくなるので、第２受光期間Ｐ２で単位画素３０に入射する反射光Ｌｒの光量Ｓ２を抑えることができるので、第２受光期間Ｐ２で発生する光電子数を抑えることができる。従って、光電子振分部１０６ｂの光電子保持部１１４の容量を大きくする必要はない。
【００９４】
実施の形態は、以下のように変形してもよい。
【００９５】
（変形例１）上記実施の形態では、測距検知範囲を１つとし、該測距検知範囲に基づいて、照射光Ｌｅの照射タイミングに応じた第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４の受光開始タイミングを予め決めるようにしたが、本変形例１では、測距検知範囲を複数用意し、第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４の受光開始タイミングを測距検知範囲毎に予め決めるようにしてもよい。この測距検知範囲毎に、第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４の受光開始タイミングが異なる。測距検知範囲は、少なくとも１フレームの露光期間単位で切り換わる。
【００９６】
例えば、測距検知範囲が１〜３まである場合は、１枚目のフレームの露光期間では、単位画素３０は、測距検知範囲１に基づく照射光Ｌｅの照射タイミングに応じた第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４で、入射した光に応じた光電子を累積蓄積し、演算部１６は、第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４で得られた光電子数を用いて測距検知範囲１に存在する測距対象Ｗまでの距離を求める。そして、２枚目のフレームの露光期間では、単位画素３０は、測距検知範囲２に基づく照射光Ｌｅの照射タイミングに応じた第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４で、入射した光に応じた光電子を累積蓄積し、演算部１６は、第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４で得られた光電子数を用いて測距検知範囲２に存在する測距対象Ｗまでの距離を求める。３枚目のフレームの露光期間では、単位画素３０は、測距検知範囲３に基づく照射光Ｌｅの照射タイミングに応じた第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４で、入射した光に応じた光電子を累積蓄積し、演算部１６は、第１受光期間Ｐ１〜第４受光期間Ｐ４で得られた光電子数を用いて測距検知範囲３に存在する測距対象Ｗまでの距離を求める。これにより、距離を計測できる範囲を拡大することができる。
【００９７】
（変形例２）
上記実施の形態では、図９に示すように第１受光期間Ｐ１が終了すると同時に、第２受光期間Ｐ２に突入するようにしたが、図１２に示すように、第１受光期間Ｐ１が終了した後、所定時間経過後に、第２受光期間Ｐ２に突入するようにしてもよい。この場合は、第１受光期間Ｐ１が終了した後、第２受光期間Ｐ２に突入するまでの所定時間は、フォトゲート１１０及び第３転送ゲート１４４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓａ、Ｓｅを印加することで、光電変換素子１０４が発生した光電子を、拡散層１４２から排出する。つまり、第１受光期間Ｐ１と第２受光期間Ｐ２との間に光電子の排出期間を設ける。
【００９８】
同様に、第３受光期間Ｐ３が終了すると同時に第４受光期間Ｐ４に突入するようにしたが、第３受光期間Ｐ３が終了した後、所定時間経過後に、第４受光期間Ｐ４に突入するようにしてもよい。この場合は、第３受光期間Ｐ３が終了した後、第４受光期間Ｐ４に突入するまでの所定時間は、フォトゲート１１０及び第３転送ゲート１４４にハイのゲート駆動信号電圧Ｓａ、Ｓｅを印加することで、光電変換素子１０４が発生した光電子を、拡散層１４２から排出する。つまり、第３受光期間Ｐ３と第４受光期間Ｐ４との間に光電子の排出期間を設ける。なお、この各受光期間の間の光電子排出期間の最後に、フォトゲート１１０のゲート駆動信号電圧Ｓａをローにして残存電子を排出してもよい。このように、受光期間Ｐの直前に排出期間を備えることで、各受光期間Ｐにおいて、排出動作と各受光動作とが同一のタイミングとなるため、各受光において排出後に受光させるという関係が同条件となり、検出精度が向上する。
【００９９】
（変形例３）
上記実施の形態では、第１受光期間Ｐ１で得られた電圧信号ＱＶ´ａから第３受光期間Ｐ３で得られた電圧信号ＱＶ´ｃを減算し、第２受光期間Ｐ２で得られた電圧信号ＱＶ´ｂから第４受光期間Ｐ４で得られた電圧信号ＱＶ´ｄを減算するようにしたが、夜間等の環境光Ｌｓが単位画素３０に殆ど入射しない場合は、電圧信号ＱＶ´ｃ、ＱＶ´ｄを０として扱うようにしてもよい。この場合は、第３受光期間Ｐ３及び第４受光期間Ｐ４で光電子を累積蓄積する必要はなく、第３受光期間Ｐ３及び第４受光期間Ｐ４で発生した光電子を拡散層１４２から排出してもよい。
【０１００】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【０１０１】
１０…測距システム                    １２…照射装置
１４…撮像部                          １６…演算部
１８…制御部                          ２０…電源
２８…固体撮像装置                    ３０…単位画素
３２…画素アレイ                      ３４…画素駆動回路
４２…ゲート駆動回路                  １０２…ｐ型半導体基板
１０４…光電変換素子
１０６、１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ…光電子振分部
１０８、１０８ａ、１０８ｂ…光電子排出部
１１０…フォトゲート                  １１２…第１転送部
１１４…光電子保持部                  １１６…第２転送部
１１８…浮遊拡散層                    １２０…第１転送ゲート
１２２…保持ゲート                    １２４…第２転送ゲート
１２６…リセット用トランジスタ        １２７…リセット用ゲート
１３０…信号読出用トランジスタ        １３１…信号読出用ゲート
１３２…信号読出線                    １３４…選択用トランジスタ
１３５…選択用ゲート                  １４０…第３転送部
１４２…拡散層                        １４４…第３転送ゲート
１４６ａ、１４６ｂ、１４６ｃ、１４６ｄ…転送経路
【図１】
0005576851.tif 000004
【図２】
0005576851.tif 000005
【図３】
0005576851.tif 000006
【図４】
0005576851.tif 000007
【図５】
0005576851.tif 000008
【図６】
0005576851.tif 000009
【図７】
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【図８】
0005576851.tif 000011
【図９】
0005576851.tif 000012
【図１０】
0005576851.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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