(57)【要約】  撮像装置（１０）は、発光信号と露光信号とを発生する制御部（３）と、発光信号を受信することにより光照射を行う光源部（１）と、露光信号に従ったタイミングで反射光の露光量を取得する受光部（２）と、受光部（２）から受けた撮像信号における信号量に基づいて演算により距離信号（距離画像）を出力する演算部（４）とを備え、制御部（３）は、発光信号と露光信号との位相関係の異なるパターンを、少なくとも２つ以上生成し、さらに、当該パターンの少なくとも２つ以上は周期が異なるように、発光信号と露光信号とを出力する。
2017085916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射し、前記光の反射光を受光することにより、被写体までの距離を測定する撮像装置であって、
前記光の照射を指示する発光信号のタイミングで前記光の照射を行う光源部と、
前記被写体からの反射光の露光を指示する露光信号により複数の異なるタイミングで露光し、複数の撮像信号を出力する受光部と、
前記複数の撮像信号を入力して距離演算を行う演算部と、
前記発光信号と前記露光信号との位相関係の異なるパターンを、少なくとも２つ以上生成し、さらに、前記パターンの少なくとも２つ以上は周期が異なるように、前記発光信号と前記露光信号とを出力する制御部とを備える
撮像装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記パターン毎の周期を決定する場合、
前記パターン毎の前記発光信号と対応する前記露光信号の次に発生する前記露光信号と当該発光信号との位相関係が同じとなるよう、前記発光信号と前記露光信号とを出力する
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記発光信号と前記露光信号とは、前記周期が任意に発生するよう、前記発光信号と前記露光信号とを出力する
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記制御部は、
少なくとも、周期的に発生する前記発光信号を発生させない期間を設ける
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記パターン毎の平均周期が同じとなるように、
少なくとも、周期的に発生する前記発光信号を発生させない期間を設ける
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記制御部は、
周期的に発生する前記発光信号と、当該発光信号に対応する前記露光信号とを発生させない期間を設ける
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記制御部は、
前記パターン毎の平均周期が同じとなるように、
周期的に発生する前記発光信号と、当該発光信号に対応する前記露光信号とを発生させない期間を設ける
請求項３に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記受光部は、
複数の画素と、前記複数の画素のそれぞれに対応づけられる複数の信号蓄積部とを有し、当該複数の信号蓄積部に信号を蓄積する固体撮像素子を備え、
前記固体撮像素子は、同一画素で検出する信号を蓄積する前記複数の信号蓄積部のそれぞれが、前記発光信号のタイミングに対して、前記被写体からの反射光の露光を指示する前記露光信号のタイミングが異なる露光期間に露光した前記信号を蓄積する
請求項１〜７のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記制御部は、
前記受光部の同一画素で検出する信号を蓄積する前記複数の信号蓄積部のそれぞれに、複数回の発光とそれらに対応する露光とにより前記信号を蓄積させ、
前記発光信号の繰り返し周期と、前記発光信号のタイミングに対して前記被写体からの反射光の露光を指示するタイミングが異なる露光信号の繰り返しの周期とを異ならせる
請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記固体撮像素子は、ＣＣＤ型の固体撮像素子である
請求項８または９に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記撮像装置は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）方式により前記被写体までの距離を測定する
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
光の照射を指示する発光信号のタイミングで光の照射を行う光源部と、固体撮像素子を備える受光部と、前記受光部からの撮像信号を入力して距離演算を行う演算部とを有し、
前記発光信号と露光信号との位相関係の異なるパターンを、少なくとも２つ以上を生成し、さらに前記パターンの少なくとも２つ以上は周期が異なるように前記発光信号と前記露光信号とを発生し、前記光を照射し、当該光の反射光を受光することにより、被写体までの距離を測定する撮像装置に用いられる固体撮像素子であて、
前記固体撮像素子は、
前記被写体からの反射光の露光を指示する前記露光信号により複数の異なるタイミングで露光し、複数の前記撮像信号を出力する
固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体を検知または測距を行う複数の方式の中で、測定対象物まで光が往復する飛行時間を利用して測距を行うＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）方式が知られている。【０００３】
特許文献１には、位相型ＴＯＦ方式において異なる変調周波数を用いることで、測距精度を低下させずに検知した光の往復時間の発光・露光の繰り返し間の曖昧さを明確にするディエリアシングが開示されている。すなわち、反射光の飛行時間（光路による遅延）が変調周波数の１周期を越える対象物の測距値を、飛行時間が変調周波数の１周期以内である測距値として出力してしまう、いわゆる測距の折り返し現象を排除する従来技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５３８３４２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、ディエリアシングを効果的に実現するためには、低い変調周波数は高い変調周波数の少なくとも２分の１以下である必要がある。このため、上記従来技術は、フレームレートは低い変調周波数で律速し、高速化が出来ないという課題を有している。【０００６】
前記課題に鑑み、本発明は、高い測距精度と、フレームレートを低下させること無くいわゆる測距の折り返し現象の排除とを実現する撮像装置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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る撮像装置は、光を照射し、前記光の反射光を受光することにより、被写体までの距離を測定する撮像装置であって、前記光の照射を指示する発光信号のタイミングで前記光の照射を行う光源部と、前記被写体からの反射光の露光を指示する露光信号により複数の異なるタイミングで露光し、複数の撮像信号を出力する受光部と、前記複数の撮像信号を入力して距離演算を行う演算部と、前記発光信号と前記露光信号との位相関係の異なるパターンを、少なくとも２つ以上生成し、さらに、前記パターンの少なくとも２つ以上は周期が異なるように、前記発光信号と前記露光信号とを出力する制御部とを備えることを特徴とする。【０００８】
また、前記制御部は、前記パターン毎の周期を決定する場合、前記パターン毎の前記発光信号と対応する前記露光信号の次に発生する前記露光信号と当該発光信号との位相関係が同じとなるよう、前記発光信号と前記露光信号とを出力してもよい。【０００９】
また、前記制御部は、前記発光信号と前記露光信号とは、前記周期が任意に発生するよう、前記発光信号と前記露光信号とを出力してもよい。【００１０】
また、前記制御部は、少なくとも、周期的に発生する前記発光信号を発生させない期間を設けてもよい。【００１１】
また、前記制御部は、前記パターン毎の平均周期が同じとなるように、少なくとも、周期的に発生する前記発光信号を発生させない期間を設けてもよい。【００１２】
また、前記制御部は、周期的に発生する前記発光信号と、当該発光信号に対応する前記露光信号とを発生させない期間を設けてもよい。【００１３】
また、前記制御部は、前記パターン毎の平均周期が同じとなるように、周期的に発生する前記発光信号と、当該発光信号に対応する前記露光信号とを発生させない期間を設けてもよい。【００１４】
また、前記受光部は、複数の画素と、前記複数の画素のそれぞれに対応づけられる複数の信号蓄積部とを有し、当該複数の信号蓄積部に信号を蓄積する固体撮像素子を備え、前記固体撮像素子は、同一画素で検出する信号を蓄積する前記複数の信号蓄積部のそれぞれが、前記発光信号のタイミングに対して、前記被写体からの反射光の露光を指示する前記露光信号のタイミングが異なる露光期間に露光した前記信号を蓄積してもよい。【００１５】
また、前記制御部は、前記受光部の同一画素で検出する信号を蓄積する前記複数の信号蓄積部のそれぞれに、複数回の発光とそれらに対応する露光とにより前記信号を蓄積させ、前記発光信号の繰り返し周期と、前記発光信号のタイミングに対して前記被写体からの反射光の露光を指示するタイミングが異なる露光信号の繰り返しの周期とを異ならせてもよい。【００１６】
また、前記固体撮像素子は、ＣＣＤ型の固体撮像素子であってもよい。【００１７】
また、前記撮像装置は、ＴＯＦ方式により前記被写体までの距離を測定してもよい。【００１８】
また、本発明の一態様に係る固体撮像素子は、光の照射を指示する発光信号のタイミングで光の照射を行う光源部と、固体撮像素子を備える受光部と、前記受光部からの撮像信号を入力して距離演算を行う演算部とを有し、前記発光信号と露光信号との位相関係の異なるパターンを、少なくとも２つ以上を生成し、さらに前記パターンの少なくとも２つ以上は周期が異なるように前記発光信号と前記露光信号とを発生し、前記光を照射し、当該光の反射光を受光することにより、被写体までの距離を測定する撮像装置に用いられる固体撮像素子であて、前記固体撮像素子は、前記被写体からの反射光の露光を指示する前記露光信号により複数の異なるタイミングで露光し、複数の前記撮像信号を出力することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る撮像装置によれば、高い測距精度と、フレームレートを低下させること無くいわゆる測距の折り返し現象の排除とを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施の形態１に係る撮像装置の概略構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る制御部の構成を示す機能ブロック図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る固体撮像素子の機能を表す概略構成図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る撮像装置の露光量を検出するタイミングの一例を説明する図である。
【図５】図５は、実施の形態１に係る撮像装置の露光量を検出するタイミングの一例を説明する図である。
【図６】図６（ａ）は、一般的な撮像装置の信号処理のシーケンスを表す図であり、図６（ｂ）は、実施の形態１に係る撮像装置の信号処理のシーケンスを表す図である。
【図７】図７は、実施の形態１に係る撮像装置の発光信号及び露光信号のタイミングの一例と露光量の検出を説明する図である。
【図８】図８は、実施の形態１の変形例１に係る撮像装置の信号処理のシーケンスを表す図である。
【図９】図９は、実施の形態１の変形例１に係る撮像装置の発光信号及び露光信号のタイミングの一例と露光量の検出を説明する図である。
【図１０】図１０は、実施の形態１の変形例２に係る撮像装置の信号処理のシーケンスを表す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態２に係る撮像装置の発光信号及び露光信号のタイミングの一例と露光量の検出を説明する図である。
【図１２】図１２は、実施の形態２の変形例１に係る撮像装置の信号処理のシーケンスを表す図である。
【図１３】図１３は、実施の形態２の変形例２に係る撮像装置の発光信号及び露光信号のタイミングの一例と露光量の検出を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本開示の実施の形態に係る撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本発明の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは一例であり、本発明を限定するものではない。
【００２２】
また、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る撮像装置１０の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。同図に示すように、撮像装置１０は、光源部１と、受光部２と、制御部（駆動制御部）３と、演算部４とを備える。この構成により、撮像装置１０は、静止画だけでなく動画も撮影することができる。
【００２４】
光源部１は、駆動回路、コンデンサ及び発光素子を有し、コンデンサに保持した電荷を発光ダイオードへ供給することで照射光を発する。発光素子としてはレーザダイオード（ＬＤ）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。照射光は、一例として赤外光（近赤外光、遠赤外光を含む）である。
【００２５】
図２は、実施の形態１に係る制御部３の構成を示す機能ブロック図である。同図に示すように、制御部３は、発光信号の立ち上がり位相及び立ち下がり位相を指示する発光位相制御部３２と、発光信号の繰り返し回数及び周期を指示する発光繰り返し制御部３３と、発光位相制御部３２の指示する立ち上がり位相及び立ち下がり位相と、発光繰り返し制御部３３の指示する繰り返し回数及び周期に従った発光信号を合成して出力する発光信号合成部３１と、を備える。
【００２６】
更に、制御部３は、露光信号の立ち上がり位相及び立ち下がり位相を指示する露光位相制御部３５と、露光信号の繰り返し回数及び周期を指示する露光繰り返し制御部３６と、露光位相制御部３５の指示する立ち上がり位相及び立ち下がり位相と、露光繰り返し制御部３６の指示する繰り返し回数及び周期に従った露光信号を合成して出力する露光信号合成部３４と、を備える。
【００２７】
この構成により、制御部３は、発光信号及び露光信号の位相と繰り返し周期とを独立に決定することができ、発光信号と露光信号との位相関係の異なるパターンを複数生成することができる。更に、発光信号と露光信号との位相関係の異なるパターンの間で繰り返しの周期が異なるように、発光信号と露光信号とを出力することができる。なお、発光繰り返し制御部３３および露光繰り返し制御部３６が指示する繰り返し周期は、固定、周期的、規則的な変化、ランダムに変化するもののいずれでもよい。
【００２８】
言い換えると、制御部３は、被写体（物体、測定対象物）への光照射を指示する発光信号と、当該被写体からの反射光の露光を指示する露光信号とを発生する。より具体的には、本実施の形態に係る制御部３は、受光部２の同一画素で検出する信号を蓄積する複数の信号蓄積部のそれぞれに、複数回の発光とそれらに対応する露光とにより信号を蓄積させる。また制御部３は、発光信号の繰り返し周期と、当該発光信号のタイミングに対して被写体からの反射光の露光を指示するタイミングが異なる露光信号の繰り返しの周期とを異ならせる。
【００２９】
なお、制御部３は、発光信号を発生する制御部と、露光信号を発生する制御部とを個別に有していても良い。制御部３は、例えば、マイクロコンピュータ等の演算処理装置によって構成される。マイクロコンピュータは、プロセッサ（マイクロプロセッサ）、メモリ等を含み、メモリに格納された駆動プログラムがプロセッサにより実行されることで、発光制御信号及び露光制御信号を出力する。なお、制御部３は、ＦＰＧＡやＩＳＰ等を用いてもよく、１つのハードウェアから構成されても、複数のハードウェアから構成されてもかまわない。
【００３０】
また、図２に示すように、制御部３は、制御部３の外からの基準信号（基準クロック）により、上述した発光信号合成部３１、発光位相制御部３２、発光繰り返し制御部３３、露光信号合成部３４、露光位相制御部３５、及び露光繰り返し制御部３６が制御されることが、より好ましい。さらに、発光位相制御部３２は、制御部３の外からの信号（発光信号位相設定信号）で制御され、発光繰り返し制御部３３は、制御部３の外からの信号（発光信号繰り返し設定信号）で制御され、露光位相制御部３５は、制御部３の外からの信号（露光信号位相設定信号）で制御され、露光繰り返し制御部３６は、制御部３の外からの信号（露光信号繰り返し設定信号）で制御されることが、より好ましい。
【００３１】
光源部１は、制御部３で発生する発光信号のタイミングに従って光を点滅させ（パルス）、被写体に対して照射光（パルス光）の照射を行う。
【００３２】
受光部２は、固体撮像素子２０を有する。固体撮像素子２０は、照射光が反射した反射光（パルス光）及び太陽光などの背景光（外乱光）を受光する。
【００３３】
また、固体撮像素子２０は、被写体を含む領域に対して、制御部３で発生する露光信号が示すタイミングに従って複数回の露光を行い、画素毎に対応づけられる信号蓄積部を複数有し、当該複数の信号蓄積部に信号（蓄積信号）を蓄積して撮像を行った後、蓄積された信号（蓄積信号）を転送し、露光量に対応した撮像信号を出力する。より具体的には、本実施の形態に係る固体撮像素子２０では、同一画素で検出する信号を蓄積する複数の信号蓄積部のそれぞれは、発光信号のタイミングに対して露光信号のタイミングが異なる露光期間に露光した信号を蓄積する。
【００３４】
受光部２は、さらに、カメラレンズ、光源部１から照射される光の波長近傍のみを通過させる光学的バンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ）、及びＡ／Ｄコンバータ等の回路を適宜有する。
【００３５】
演算部４は、受光部２から受けた撮像信号及び第２撮像信号における信号量に基づいて、演算により被写体までの距離情報である距離信号（距離画像）を出力する。
【００３６】
次に、本実施の形態に係る撮像装置１０に用いられる固体撮像素子２０として、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）型の固体撮像素子として用いた場合について説明する。
【００３７】
図３は、ＣＣＤ型の固体撮像素子２０の機能を表す概略構成図である。同図は、本実施の形態に係る固体撮像素子２０の一例を示す概略構成図であり、受光部２がこの固体撮像素子２０を備える。ここでは、本発明の理解を容易とするため、垂直方向に６画素分及び水平方向に５画素分のみを示している。
【００３８】
同図に示すように、本実施の形態に係る固体撮像素子２０は、フォトダイオード（ＰＤ、受光素子）１０１と、垂直転送部１０２と、水平転送部１０３と、信号電荷検出部１０４と、半導体基板電圧（ＳＵＢ）を制御する信号φＳＵＢを入力するＳＵＢ端子１０５とを備える。
【００３９】
フォトダイオード１０１は、受光した光を電荷に変換する。垂直転送部１０２は、複数のゲートから構成され、フォトダイオード１０１から読み出した電荷を順次垂直方向に転送する。その複数のゲートのうちいくつかはフォトダイオード１０１から電荷を読み出す読出ゲートである。
【００４０】
また、水平転送部１０３は、複数のゲートから構成されている複数のゲートがパケットとして垂直転送部１０２から受けた電荷を順次水平方向に転送する。信号電荷検出部１０４は、水平転送部から受けた電荷を順次検出して電圧信号に変換して出力する。
【００４１】
ここで、読出ゲートは開いた状態で、露光信号に従って基板電圧（ＳＵＢ）を制御し、露光信号がＬｏｗの期間でフォトダイオード１０１を露光し、当該露光により発生した電荷を垂直転送部１０２に蓄積する。
【００４２】
つまり、制御部３から出力して露光タイミングを指示する露光信号は、ＳＵＢ端子１０５に入力されて半導体基板電圧（ＳＵＢ）を制御する信号である。
【００４３】
なお、図３では、ＣＣＤイメージセンサ（ＣＣＤ型固体撮像素子）を用いたことにより複数のフォトダイオード１０１を一括してリセットする動作、いわゆるグローバルリセットを行うことができ、更に高精度な測距を実現することが出来る。しかし、本実施の形態に用いられる固体撮像素子は、ＣＣＤイメージセンサに限定されるものではない。撮像装置として、他の要求を考慮して、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＭＯＳ型固体撮像素子）や、光電変換膜を備えるイメージセンサなどのその他の固体撮像素子（イメージセンサ）を用いても同様の効果（高速で高精度に、いわゆる測距の折り返し現象の排除を実現する、等）を得ることが可能となる。
【００４４】
次に、図４〜図７を用いて、本実施の形態に係る撮像装置１０の駆動方法（動作タイミング）について説明する。なお、図４〜図７で後述するように、本実施の形態に係る撮像装置１０では、距離信号を得る方式としてはＴＯＦ方式を採用し、また発光露光の繰り返しにおいて露光をしない位相が存在する矩形波型ＴＯＦ方式（パルスＴＯＦ方式）を基本原理とする。
【００４５】
図４及び図５は、それぞれ、本実施の形態１に係る撮像装置１０の露光量を検出するタイミングの一例を説明する図である。本実施の形態の場合、固体撮像素子２０を構成する同一画素で検出する信号（蓄積信号）を蓄積する、異なる複数の信号蓄積部の数が３である例を示す。
【００４６】
なお、図４（ａ）及び図５（ａ）は、それぞれ、制御部３が発光信号と露光信号とを出力する１画面におけるタイミング関係の概略例を示している。また、図４（ｂ）及び図５（ｂ）は、それぞれ、第一の発光露光期間における露光量Ｓ０の検出タイミングを表し、図４（ｃ）及び図５（ｃ）は、それぞれ、第二の発光露光期間における露光量Ｓ１の検出タイミングを表し、図４（ｄ）及び図５（ｄ）は、それぞれ、第三の発光露光期間における露光量Ｓ２の検出タイミングを表す。
【００４７】
まず、図４（ａ）及び図４（ｂ）、ならびに図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第一の発光露光期間では、第一の露光信号がＬｏｗの期間でフォトダイオード１０１を露光し、当該露光により発生した電荷を垂直転送部１０２に蓄積する。この動作を本実施の形態ではｍ回繰り返し、第一の発光露光期間が終了した時点で、垂直転送部１０２のゲートを制御し、読出しゲートが存在しないパケットに上記電荷を転送する。
【００４８】
ここで、第一の発光露光期間とは、光源部１が発光信号を受信して発光するタイミングに対して、受光部２が第一の遅延時間を経て露光信号を受信し露光を行う期間である。本実施の形態の場合、第一の露光信号期間の長さは発光信号期間の長さと同じＴｏに設定され、第一の遅延時間は０に設定されている。すなわち、第一の露光信号期間は、発光信号が送信されている（ハイレベルである）期間に設定されている。
【００４９】
続いて、図４（ａ）及び図４（ｃ）、ならびに図５（ａ）及び図５（ｃ）に示すように、第二の発光露光期間では、第二の露光信号がＬｏｗの期間でフォトダイオード１０１を露光し、当該露光により発生した電荷を垂直転送部１０２に蓄積する。この動作を本実施の形態ではｍ回繰り返し、第二の発光露光期間が終了した時点で、垂直転送部１０２のゲートを制御し、読出しゲートが存在しないパケットに上記電荷を転送する。
【００５０】
ここで、第二の発光露光期間とは、受光部２が発光信号を受信するタイミングに対して第一の遅延時間と異なる第二の遅延時間を経て露光信号を受信し露光を行う期間である。本実施の形態の場合、第二の露光信号期間の長さは発光信号期間の長さや第一の露光信号期間の長さと同じＴｏに設定され、第二の遅延時間は第一の遅延時間０と第一の露光信号期間とが加算されたＴｏに設定されている。
【００５１】
続いて、図４（ａ）及び図４（ｄ）、ならびに図５（ａ）及び図５（ｄ）に示すように、第三の発光露光期間では、第三の露光信号がＬｏｗの期間でフォトダイオード１０１を露光し、当該露光により発生した電荷を垂直転送部１０２に蓄積する。この動作を本実施の形態ではｍ回繰り返し、第三の発光露光期間が終了した時点で、垂直転送部１０２のゲートを制御し、第一の露光信号によって露光した電荷が、読出しゲートが存在するパケットに来るように転送する。
【００５２】
ここで、第三の発光露光期間とは、受光部２が発光信号を受信するタイミングに対して第一および第二の遅延時間とは異なる第三の遅延時間を経て露光信号を受信し露光を行う期間である。本実施の形態の場合、第三の露光信号期間の長さは発光信号期間の長さや第一および第二の露光信号期間の長さと同じＴｏに設定され、第三の遅延時間は第一の遅延時間０と第一の露光信号期間Ｔｏと第二の露光期間Ｔｏとが加算された２×Ｔｏに設定されている。
【００５３】
その後、この一連の動作を本実施の形態ではＮ回繰り返した後、垂直転送部１０２の転送と水平転送部１０３の転送とを順次繰り返して、上記電荷を信号電荷検出部１０４で電圧信号に変換して出力する。
【００５４】
これにより、発光信号に対して被写体からの反射光を受光する露光信号のタイミングが各々異なる複数の露光期間で得られる信号（蓄積信号）を蓄積する信号蓄積部として、垂直転送部１０２に既に構成されている複数パケットを利用することができる。よって、追加で信号蓄積部を形成することが不要となり、同じ面積であればフォトダイオード１０１を大きく形成でき、飽和感度を大きくすることが可能となり、最大受光量が大きくなり、高精度な測距を実現できる。
【００５５】
引き続き、図４及び図５を用いて、本実施の形態に係る撮像装置１０の測距動作の詳細を説明する。
【００５６】
まず、制御部３は、発光信号に対して受光部２が被写体からの反射光を受光するタイミングが異なる第一の発光露光期間における第一の露光信号及び第二の発光露光期間における第二の露光信号及び第三の発光露光期間における第三の露光信号を出力する。本実施の形態の場合、第一、第二及び第三の露光信号期間の長さは、発光信号期間の長さと同じＴｏに設定され、光源部１が発光信号を受信して発光するタイミングに対する第一の露光信号の遅延時間は、０に設定されている。すなわち、第一の露光信号期間は、発光信号が送信されている（ハイレベルである）期間に設定されている。また、第二の露光信号の遅延時間は、第一の遅延時間０と第一の露光信号期間Ｔｏとが加算されたＴｏに設定され、第三の露光信号の遅延時間は、第二の遅延時間Ｔｏと第二の露光期間Ｔｏとが加算された２×Ｔｏに設定されている。従って、背景光の露光量は、第一、第二及び第三の露光信号期間で等しくなる。
【００５７】
一方、図４（ａ）及び図５（ａ）は、発光信号、ならびに第一、第二及び第三の露光信号の１画面におけるタイミング関係の例を示している。本実施の形態の場合、第一、第二及び第三の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しがｍ回で、一連のタイミングを１セットとし、これをＮ回セット繰り返し出力した後、蓄積された露光信号を出力する。そこで、第一の露光信号による露光量ｓ０の総和をＳ０、第二の露光信号による露光量ｓ１の総和をＳ１、第三の露光信号による露光量ｓ２の総和をＳ２とする。
【００５８】
図４では、発光信号タイミング（照射光）に対する被写体からの反射光の光路による遅延Ｔｄが、第一の遅延時間０と第一の露光信号期間Ｔｏとが加算された値（すなわちＴｏ）未満である場合が示されている。この場合、第一の露光信号期間と第二の露光信号期間とが加算された期間で被写体からの反射光の全てを含むように露光される。また、第二の露光信号期間の露光量は、被写体からの反射光の発光信号タイミングに対する遅延Ｔｄが大きい程、増加する。また、第三の露光信号期間では、背景光のみ露光される。
【００５９】
このとき、演算部４は、第一の露光信号による露光量の総和Ｓ０と第三の露光信号による露光量の総和Ｓ２とを比較し、以下の式１のように判定する。
【００６０】
【数１】
2017085916.tif 000003
【００６１】
ここで、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をｃとすると、演算部４では、式１による判定結果を基に、以下の式２の演算を行うことにより、距離Ｌを算出できる。
【００６２】
【数２】
2017085916.tif 000004
【００６３】
図５では、発光信号タイミング（照射光）に対する被写体からの反射光の光路による遅延Ｔｄが、第一の遅延時間０と第一の露光信号期間Ｔｏとが加算された値（すなわちＴｏ）以上である場合が示されている。この場合、第二の露光信号期間と第三の露光信号期間とが加算された期間で被写体からの反射光の全てを含むように露光される。また、第三の露光信号期間の露光量は、被写体らの反射光の発光信号タイミングに対する遅延Ｔｄが大きい程、増加する。また、第一の露光信号期間では、背景光のみ露光される。
【００６４】
このとき、演算部４は、第一の露光信号による露光量の総和Ｓ０と第三の露光信号による露光量の総和Ｓ２とを比較し、以下の式３のように判定する。
【００６５】
【数３】
2017085916.tif 000005
【００６６】
演算部４では、式３による判定結果を基に、以下の式４の演算を行うことにより、距離Ｌを算出することが可能である。
【００６７】
【数４】
2017085916.tif 000006
【００６８】
ここで、本実施の形態に係る撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子の理解を容易とするため、図６（ａ）を用いて一般的な撮像装置について説明する。
【００６９】
図６（ａ）は、一般的な撮像装置の信号処理のシーケンスを表す図であり、一般的な「折り返し現象」の説明を含むものである。
【００７０】
図６（ａ）の一般的な撮像装置では、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２において、それぞれ、発光信号（１）と露光信号（１）とが対応し、発光信号（２）と露光信号（２）とが対応する。しかし、広い空間（遠方、遠距離）での測距を行う場合、測距レンジの更に遠い距離の反射光を受光した場合、図６（ａ）の発光信号（１）と露光信号（２）とが対応し、発光信号（２）と露光信号（３）とが対応する「折り返し」が発生し、本来測距レンジ外の物体の距離が誤って見えてしまう現象（これを、「折り返し現象」と呼ぶ）が発生する。
【００７１】
また、図６（ａ）の発光信号（露光信号）は幅１Ｔで、休止期間が４Ｔで、Ｄｕｔｙ＝２０％の固定周期を繰り返しているが、この休止期間を４Ｔ→９Ｔ（Ｄｕｔｙ２０％→１０％）等に減らす事で、折り返しの影響は軽減される。しかし、同じＤｕｔｙ相当の信号量を得るためには、露光時間が倍になってしまい、フレームレート低下等の新たな問題が生じる。
【００７２】
しかしながら、本実施の形態に係る撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子では、上述した問題を解決できる。その詳細を、図６（ｂ）及び図７を用いて説明する。
【００７３】
図６（ｂ）は、本実施の形態に係る撮像装置の信号処理のシーケンスを表す図である。同図において、発光信号（１）と露光信号（１）との位置関係、発光信号（２）と露光信号（２）との位相関係は、図６（ａ）のＳ０、Ｓ１、Ｓ２と同じである。これに対して、発光信号（１）と露光信号（２）との位置関係、発光信号（２）と露光信号（３）との位相関係が、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２で同じになるように発光信号および露光信号について、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２それぞれのＤｕｔｙを決定する。つまり、制御部３は、発光信号と露光信号との位相関係のパターン毎の周期を決定する場合、当該パターン毎の発光信号と対応する露光信号の次に発生する露光信号と当該発光信号との位相関係が同じとなるよう、発光信号と露光信号とを出力する。
【００７４】
図６（ｂ）では、一例として、Ｓ０発光信号及びＳ０露光信号のＤｕｔｙは１６．７％、Ｓ１発光信号及びＳ１露光信号のＤｕｔｙは２０％、Ｓ２発光信号及びＳ２露光信号のＤｕｔｙは２５％に設定されている。
【００７５】
次に、図７は、本実施の形態１に係る撮像装置１０の発光信号及び露光信号のタイミングの一例と露光量の検出を説明する図であり、この図を用いて本実施の形態に係る撮像装置１０の測距動作における発光・露光の繰り返し動作の詳細を説明する。
【００７６】
本実施の形態の場合、上述の通り、固体撮像素子２０を構成する同一画素で検出する信号（蓄積信号）を蓄積する信号蓄積部が複数（一例として３つ）設定されている。これら複数の信号蓄積部のそれぞれに信号（蓄積信号）を蓄積する第一、第二及び第三の発光露光期間における、第一、第二及び第三の露光信号期間の長さは、発光信号期間の長さと同じＴｏに設定されている。また、光源部１が発光信号を受信して発光するタイミングに対する第一の露光信号の遅延時間は、０に設定されている。
【００７７】
すなわち、第一の露光信号期間は、発光信号が送信されている（ハイレベルである）期間に設定されている。また、第二の露光信号の遅延時間は、第一の遅延時間０と第一の露光信号期間Ｔｏとが加算されたＴｏに設定されている。また、第三の露光信号の遅延時間は、第二の遅延時間Ｔｏと第二の露光期間Ｔｏとが加算された２×Ｔｏに設定されている。従って、背景.光の露光量は、第一、第二及び第三の露光信号期間で等しくなる。
【００７８】
また、本実施の形態の場合、第一の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期は、発光信号期間の長さＴｏの６倍に設定され、第二の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期は、発光信号期間の長さＴｏの５倍に設定され、第三の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期は、発光信号期間の長さＴｏの４倍に設定されている。
【００７９】
すなわち、発光露光期間全体の繰り返しの周期の平均は、発光露光の繰り返しにおいて露光をしない位相が存在する矩形波型ＴＯＦ方式（パルスＴＯＦ方式）で一般的に設定される発光露光期間の繰り返しの周期の１つである、発光信号期間の長さＴｏの５倍と変わらないことになる。
【００８０】
更に、図７は、第一、第二及び第三の発光露光期間における発光信号及び露光信号のｍ回の繰り返しの先頭部分を示している。また図７では、発光信号タイミング（照射光）に対する被写体からの反射光の光路による遅延Ｔｄが、第一の遅延時間０と第一の露光信号期間Ｔｏとが加算された値（すなわちＴｏ）未満である場合が示されている。さらに、図７では、発光信号タイミング（照射光）に対する反射光の光路による遅延が、第一の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期である６×Ｔｏを超えるＴｄ１である、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体が存在する場合を示している。
【００８１】
１回目の第一の露光期間では、被写体からの反射光の前半と背景光が露光される。２回目以降の第一の露光期間では、被写体からの反射光の前半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体からの反射光と、背景光とが露光される。
【００８２】
また、１回目の第二の露光期間では、被写体からの反射光の後半と背景光とが露光される。２回目以降の第二の露光期間では、被写体からの反射光の後半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体からの反射光と、背景光とが露光される。
【００８３】
また、１回目の第三の露光期間では、背景光のみ露光される。２回目以降の第三の露光期間では、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体からの反射光と、背景光とが露光される。
【００８４】
すなわち、第一の露光信号期間と第二の露光信号期間とが加算された期間では、被写体からの反射光の全てを含むように露光される。また、第二の露光信号期間の露光量は、被写体からの反射光の発光信号タイミングに対する遅延Ｔｄが大きい程、増加する。また、発光信号タイミング（照射光）に対する反射光の光路による遅延が、第一の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期である６×Ｔｏを超えるＴｄ１である（いわゆる折り返し現象の原因となりうる）物体からの反射光は、背景光同様、第一、第二及び第三の露光信号期間で等しく露光される。
【００８５】
つまり、制御部３は、発光信号と露光信号との位相関係の異なるパターンを、少なくとも２つ以上生成し、さらに、当該パターンの少なくとも２つ以上は周期が異なるように、発光信号と露光信号とを出力する。
【００８６】
従って、距離Ｌを算出する上記式２において、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体からの反射光は、背景光同様、排除することが出来る。
【００８７】
以上、図面を用いて説明したように、本実施の形態に係る撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子は、特段の演算処理を追加すること無く、また発光信号の期間すなわち照射光のパルス幅Ｔｏを大きくすること無く、さらに発光露光期間全体の繰り返しの周期の平均を大きくすること無く、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体からの反射光が排除される。これにより、いわゆる測距の折り返し現象が排除できる高速で高精度な撮像装置を実現することが出来る。
【００８８】
言い換えると、（１）測距精度を決める発光信号の幅は変化することなく、さらに、（２）発光・露光の繰り返しの周期の平均は維持されるのでフレームレートは低下することなく、（３）飛行時間（光路による遅延）が発光・露光の繰り返しの１周期を超える対象物からの反射光は、背景光同様、受光部の同一画素で検出する信号（蓄積信号）を蓄積する画素毎の異なる複数の信号蓄積部のそれぞれに蓄積する信号の露光を指示する、発光信号のタイミングに対してそれぞれ異なるタイミングを有する露光信号にて全てに同じ信号量だけ露光される。よって、撮像信号から距離信号を求める演算における背景光を減算する演算過程をなくし、高速で高精度に、いわゆる測距の折り返し現象の排除できる。
【００８９】
更に、本実施の形態では、撮像信号から距離信号を求める演算が、条件の場合分けを含めて煩雑とならず、信号処理の回路規模が小さくなり、撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子の小型化を実現することが出来る。
【００９０】
（実施の形態１の変形例１）
一般的な撮像装置では、Ｓ０発光／露光信号と、Ｓ２発光／露光信号とでは、時間あたりの電流値の違いにより、時間あたりの熱量も違う。撮像装置に使用される部品の熱特性によっては、測距値の性能・特性バラツキが大きくなってしまうという問題がある。特に、光源部（光源（発光素子、ＬＥＤ、ＬＤ等）、光源の駆動回路（ドライバ））では、この熱特性の影響が顕著となる。
【００９１】
しかしながら、本変形例に係る撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子では、上述した問題を解決できる。その詳細を、図８、図９を用いて説明する。
【００９２】
図８は、実施の形態１の変形例１に係る撮像装置の信号処理のシーケンスを表す図である。実施の形態１と同様に、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２の発光／露光信号の周期（Ｄｕｔｙ）が異なるようにし、さらに、未発光期間、未露光期間を設け、平均周期は同じになるように制御する。つまり、制御部３は、少なくとも、周期的に発生する発光信号を発生させない期間を設ける。さらには、制御部３は、発光信号と露光信号との位相関係のパターン毎の平均周期が同じとなるように、少なくとも、周期的に発生する発光信号を発生させない期間を設ける。また、制御部３は、周期的に発生する発光信号と、当該発光信号に対応する露光信号とを発生させない期間を設ける。さらには、制御部３は、上記パターン毎の平均周期が同じとなるように、周期的に発生する発光信号と、当該発光信号に対応する露光信号とを発生させない期間を設ける。
【００９３】
図９は、本実施の形態１の変形例１に係る撮像装置１０の発光信号及び露光信号のタイミングの一例と露光量の検出を説明する図である。実施の形態１との相違は、発光信号及び露光信号の繰り返しの周期が相対的に小さい、第二及び第三の発光露光期間の発光信号及び露光信号の繰り返しの途中に休止期間を設けて、発光露光期間全体の期間の長さを第一の発光露光期間に合わせていることである。このことにより、発光期間の繰り返し周期が短くなることによる光源の発光強度低下を抑制することができる。
【００９４】
また、Ｓ０発光／露光信号と、Ｓ２発光／露光信号とで、時間あたりの熱量も同じになるため、光源部（光源（発光素子、ＬＥＤ、ＬＤ等）、光源の駆動回路（ドライバ））、受光部（固体撮像素子、等）の熱特性による測距値の性能・特性のバラツキを低減できる。
【００９５】
従って、本実施の形態の変形例１では、実施の形態１と同様の効果に加え、更に測距精度が向上する効果を有する。
【００９６】
（実施の形態１の変形例２）
図１０は、実施の形態１の変形例２に係る撮像装置の信号処理のシーケンスを表す図である。実施の形態１と同様に、Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２の発光／露光信号の周期（Ｄｕｔｙ）が異なるようにし、さらに、未発光期間を設け、少なくとも発光に関する平均周期は同じになるようにする。
【００９７】
このことにより、Ｓ０発光信号と、Ｓ２発光信号とで、時間あたりの熱量も同じになるため、特に、撮像装置の特性に大きく影響を与える光源部（光源（発光素子、ＬＥＤ、ＬＤ等））、光源の駆動回路（ドライバ）の熱特性の影響を防ぎ、測距値の性能・特性のバラツキを低減できる。
【００９８】
従って、本実施の形態の変形例１では、実施の形態１と同様の効果に加え、更に測距精度が向上する効果を有する。
【００９９】
（実施の形態２）
以下、図面を参照しながら、実施の形態２に係る撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子の構成及び動作について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。
【０１００】
図１１は、実施の形態２に係る撮像装置１０の発光信号及び露光信号のタイミングの一例と露光量の検出を説明する図である。
【０１０１】
本実施の形態の場合、前述の通り、固体撮像素子２０を構成する同一画素で検出する信号（蓄積信号）を蓄積する信号蓄積部が複数（一例として３つ）設定されている。これら複数の信号蓄積部のそれぞれに信号を蓄積する第一、第二及び第三の発光露光期間における、第一、第二及び第三の露光信号期間の長さは、発光信号期間の長さと同じＴｏに設定されている。また、光源部１が発光信号を受信して発光するタイミングに対する第一の露光信号の遅延時間は、０に設定されている。
【０１０２】
すなわち、第一の露光信号期間は、発光信号が送信されている（ハイレベルである）期間に設定されている。また、第二の露光信号の遅延時間は、第一の遅延時間０と第一の露光信号期間Ｔｏとが加算されたＴｏに設定されている。また、第三の露光信号の遅延時間は、第二の遅延時間Ｔｏと第二の露光期間Ｔｏとが加算された２×Ｔｏに設定されている。従って、背景.光の露光量は、第一、第二及び第三の露光信号期間で等しくなる。
【０１０３】
また、本実施の形態の場合、第一の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期は、発光信号期間の長さＴｏの５倍と７倍とを交互に繰り返す設定にされ、第二の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期は、発光信号期間の長さＴｏの４倍と６倍とを交互に繰り返す設定にされ、第三の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期は、発光信号期間の長さＴｏの３倍と５倍とを交互に繰り返す設定にされている。つまり、制御部３は、発光信号と露光信号との位相関係の異なるパターンを、少なくとも２つ以上生成し、さらに、当該パターンの少なくとも２つ以上は周期が異なるように、発光信号と露光信号とを出力する。
【０１０４】
すなわち、発光露光期間全体の繰り返しの周期の平均は、発光露光の繰り返しにおいて露光をしない位相が存在する矩形波型ＴＯＦ方式（パルスＴＯＦ方式）で一般的に設定される発光露光期間の繰り返しの周期の１つである、発光信号期間の長さＴｏの５倍と変わらないことになる。
【０１０５】
次に、図１１は、第一、第二及び第三の発光露光期間における発光信号及び露光信号のｍ回の繰り返しの先頭部分を示している。
【０１０６】
なお、図１１では、発光信号タイミング（照射光）に対する被写体からの反射光の光路による遅延Ｔｄが、第一の遅延時間０と第一の露光信号期間Ｔｏとが加算された値（すなわちＴｏ）未満である場合が示されている。さらに、図１１では、発光信号タイミング（照射光）に対する反射光の光路による遅延が、第一の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期の小さい方である５×Ｔｏの１倍を超えて２倍未満であるＴｄ１−１とＴｄ１−２とである、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１−１及び１−２が２種類存在する場合が示されている。
【０１０７】
１回目の第一の露光期間では、被写体からの反射光の前半と背景光が露光される。２回目の第一の露光期間では、被写体からの反射光の前半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１−１からの反射光と背景光が露光される。３回目の第一の露光期間では、被写体からの反射光の前半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１−２からの反射光と背景光が露光される。以降、２回目及び３回目の露光期間と同じ露光が交互に繰り返される。
【０１０８】
また、１回目の第二の露光期間では、被写体からの反射光の後半と背景光が露光される。２回目の第二の露光期間では、被写体からの反射光の後半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１−１からの反射光と、背景光とが露光される。３回目の第二の露光期間では、被写体からの反射光の後半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１−２からの反射光と、背景光とが露光される。以降、２回目及び３回目の露光期間と同じ露光が交互に繰り返される。
【０１０９】
また、１回目の第三の露光期間では、背景光のみ露光される。２回目の第三の露光期間では、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１−１からの反射光と、背景光とが露光される。３回目の第三の露光期間では、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１−２からの反射光と、背景光とが露光される。以降、２回目及び３回目の露光期間と同じ露光が交互に繰り返される。
【０１１０】
すなわち、第一の露光信号期間と第二の露光信号期間とが加算された期間で被写体からの反射光の全てを含むように露光される。また、第二の露光信号期間の露光量は、被写体からの反射光の発光信号タイミングに対する遅延Ｔｄが大きい程、増加する。また、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１−１及び１−２からの反射光は、背景光同様、第一、第二及び第三の露光信号期間で等しく露光される。ここで、物体１−１及び１−２からの反射光とは、発光信号タイミング（照射光）に対する反射光の光路による遅延が、第一の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期の小さい方である５×Ｔｏの１倍を超えて２倍未満であるＴｄ１−１とＴｄ１−２となる反射光である。
【０１１１】
従って、距離Ｌを算出する上記式２において、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体からの反射光は、背景光同様に排除することが出来る。
【０１１２】
以上、図面を用いて説明したように、本実施の形態に係る撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子は、特段の演算処理を追加すること無く、また発光信号の期間すなわち照射光のパルス幅Ｔｏを大きくすること無く、さらに発光露光期間全体の繰り返しの周期の平均を大きくすること無く、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超えて２周期未満までの、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体からの反射光が排除される。これにより、実施の形態１と同様の効果に加え、より広範囲の、いわゆる測距の折り返し現象が排除できる。
【０１１３】
（実施の形態２の変形例１）
なお、実施の形態２で示された平均周期（Ｄｕｔｙ、平均Ｄｕｔｙ）の場合、制御部３は、周期（Ｄｕｔｙを）が任意と（ランダムと）なるようにしてもよい。より具体的には、図１２に示すように、
（ｉ）Ｓ０発光信号とＳ０露光信号とが、Ｄｕｔｙ＝１／６に対して、Ｄｕｔｙ＝１／５と１／７とが同じ確率で発生する。
（ｉｉ）Ｓ１発光信号とＳ１露光信号とが、Ｄｕｔｙ＝１／５に対して、Ｄｕｔｙ＝１／４と１／６とが同じ確率で発生する。
（ｉｉｉ）Ｓ２発光信号とＳ２露光信号とが、Ｄｕｔｙ＝１／４に対して、Ｄｕｔｙ＝１／３と１／５とが同じ確率で発生する。
【０１１４】
このことにより、複数（一例として、３つ以上）の折返し現象を軽減することが出来、実施の形態１及び２と同様の効果に加え、より広範囲の、いわゆる測距の折り返し現象が排除できる効果を有する。
【０１１５】
なお、本変形例は、上述した実施の形態１の変形例として用いることも出来る。
【０１１６】
（実施の形態２の変形例２）
図１３は、本実施の形態の変形例２に係る撮像装置１０の発光信号及び露光信号のタイミングの一例と露光量の検出を説明する図である。
【０１１７】
本実施の形態の場合、上述の通り、固体撮像素子２０を構成する同一画素で検出する信号（蓄積信号）を蓄積する信号蓄積部が複数（一例として３つ）設定されている。これら複数の信号蓄積部のそれぞれに信号を蓄積する第一、第二及び第三の発光露光期間における、第一、第二及び第三の露光信号期間の長さは、発光信号期間の長さと同じＴｏに設定されている。また、光源部１が発光信号を受信して発光するタイミングに対する第一の露光信号の遅延時間は、０に設定されている。
【０１１８】
すなわち、第一の露光信号期間は、発光信号が送信されている（ハイレベルである）期間に設定されている。また、第二の露光信号の遅延時間は、第一の遅延時間０と第一の露光信号期間Ｔｏとが加算されたＴｏに設定されている。また、第三の露光信号の遅延時間は、第二の遅延時間Ｔｏと第二の露光期間Ｔｏとが加算された２×Ｔｏに設定されている。従って、背景.光の露光量は、第一、第二及び第三の露光信号期間で等しくなる。
【０１１９】
また、本実施の形態の場合、第一の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期は、発光信号期間の長さＴｏの５倍と７倍とを交互に繰り返す設定にされている。また、第二の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期は、発光信号期間の長さＴｏの４倍と７倍とを交互に繰り返す設定にされている。また、第三の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期は、発光信号期間の長さＴｏの３倍と７倍とを交互に繰り返す設定にされている。
【０１２０】
すなわち、発光露光期間全体の繰り返しの周期の平均は、発光露光の繰り返しにおいて露光をしない位相が存在する矩形波型ＴＯＦ方式（パルスＴＯＦ方式）で一般的に設定される発光露光期間の繰り返しの周期の１つである、発光信号期間の長さＴｏの５倍に対して５．５倍と、１０％のみの増加になる。
【０１２１】
また、図１３は、第一、第二及び第三の発光露光期間における発光信号及び露光信号のｍ回の繰り返しの先頭部分を示している。図１３では、発光信号タイミング（照射光）に対する被写体からの反射光の光路による遅延Ｔｄが、第一の遅延時間０と第一の露光信号期間Ｔｏとが加算された値（すなわちＴｏ）未満である場合が示されている。図１３では、さらに、発光信号タイミング（照射光）に対する反射光の光路による遅延が、第一の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期の小さい方である５×Ｔｏの１倍を超えて２倍未満であるＴｄ１と２倍を超えるＴｄ２とである、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１及び２の２種類存在する場合が示されている。
【０１２２】
１回目の第一の露光期間では、被写体からの反射光の前半と背景光とが露光される。２回目の第一の露光期間では、被写体からの反射光の前半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１からの反射光と、背景光とが露光される。
【０１２３】
また、３回目の第一の露光期間では、被写体からの反射光の前半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの２周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体２からの反射光と、背景光とが露光される。４回目の第一の露光期間では、被写体からの反射光の前半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１からの反射光と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの２周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体２からの反射光と、背景光とが露光される。以降、３回目及び４回目の露光期間と同じ露光が交互に繰り返される。
【０１２４】
１回目の第二の露光期間では、被写体からの反射光の後半と、背景光とが露光される。２回目の第二の露光期間では、被写体からの反射光の後半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１からの反射光と、背景光とが露光される。
【０１２５】
また、３回目の第二の露光期間では、被写体からの反射光の後半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの２周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体２からの反射光と、背景光とが露光される。４回目の第二の露光期間では、被写体からの反射光の後半と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１からの反射光と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの２周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体２からの反射光と、背景光とが露光される。以降、３回目及び４回目の露光期間と同じ露光が交互に繰り返される。
【０１２６】
また、１回目の第三の露光期間では、背景光のみ露光される。２回目の第三の露光期間では、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１からの反射光と、背景光とが露光される。
【０１２７】
また、３回目の第三の露光期間では、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの２周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体２からの反射光と、背景光とが露光される。４回目の第三の露光期間では、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの１周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１からの反射光と、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの２周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体２からの反射光と、背景光とが露光される。以降、３回目及び４回目の露光期間と同じ露光が交互に繰り返される。
【０１２８】
すなわち、第一の露光信号期間と第二の露光信号期間とが加算された期間で被写体からの反射光の全てを含むように露光される。また、第二の露光信号期間の露光量は、被写体からの反射光の発光信号タイミングに対する遅延Ｔｄが大きい程、増加する。
【０１２９】
また、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体１及び２からの反射光は、背景光同様、第一、第二及び第三の露光信号期間で等しく露光される。ここで、物体１及び２からの反射光とは、発光信号タイミング（照射光）に対する反射光の光路による遅延が、第一の発光露光期間における発光信号及び露光信号の繰り返しの周期の小さい方である５×Ｔｏの１倍を超えて２倍未満であるＴｄ１と２倍を超えるＴｄ２となる反射光である。従って、距離Ｌを算出する前記の式２において、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体からの反射光は、背景光同様、排除することが出来る。
【０１３０】
上述したように、本実施の形態の変形例２では、特段の演算処理を追加すること無く、また発光信号の期間、すなわち照射光のパルス幅Ｔｏを大きくすること無く、さらに発光露光期間全体の繰り返しの周期の平均を大きくすること無く、発光信号タイミング（照射光）に対する光路による遅延が、発光露光期間の繰り返しの２周期を超える、いわゆる折り返し現象の原因となりうる物体からの反射光が排除される。これにより、実施の形態１及び２と同様の効果に加え、さらに広範囲の、いわゆる測距の折り返し現象が排除できる効果を有する。
【０１３１】
（まとめ）
なお、上述した実施の形態およびその変形例では、全て、距離画像を得る方式としてはＴＯＦ方式の中でも発光露光の繰り返しにおいて露光をしない位相が存在する矩形波型ＴＯＦ方式を例示したが、これに限られない。正弦波あるいは矩形波に変調された光源に対して、位相が９０度ごと異なる４位相の露光タイミングで得られた信号から演算により距離画像を得る、変調型（位相型）ＴＯＦ方式（照射光が正弦波）、矩形波変調型（位相型）ＴＯＦ方式（照射光が矩形波）、など、他の方式であっても本発明の効果を得ることは出来る。
【０１３２】
また、上述した実施の形態およびその変形例では、測距精度を向上するために、背景光を露光（受光）する場合を説明したが、背景光を露光（受光）せずに照射光を露光（受光）するのみの場合でも本発明の効果を得ることができる。
【０１３３】
また、上記実施の形態およびその変形例では、撮像装置について説明したが、本開示の撮像装置の構成は、距離情報により距離を測定する撮像装置に留まらず、その他の物理量（例：形状、温度、放射線濃度など）を精度よく検知する物理量検知装置や、撮像したデータを精度良く描写させる撮像装置にも適用することが可能である。
【０１３４】
（その他の実施の形態）
以上、本開示の撮像装置及び固体撮像素子について、上記実施の形態及びその変形例に基づいて説明してきたが、本開示の撮像装置及び固体撮像素子は、上記実施の形態及びその変形例に限定されるものではない。上記実施の形態及びその変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態及びその変形例に対して本発明の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の撮像装置及び固体撮像素子を内蔵した各種機器も本発明に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１３５】
本発明に係る撮像装置は、周辺環境に依存することなく、被写体の高精度な３次元の検知、測定が実現できるため、例えば、ポイントクラウドなど、人物、建物、人体や動植物の器官・組織などの形態を立体検出、表示、描写や、視線方向検出、ジェスチャー認識、障害物検知、路面検知などに有用である。
【符号の説明】
【０１３６】
１    光源部
２    受光部
３    制御部
４    演算部
１０    撮像装置
２０    固体撮像素子
３１    発光信号合成部
３２    発光位相制御部
３３    発光繰り返し制御部
３４    露光信号合成部
３５    露光位相制御部
３６    露光繰り返し制御部
１０１    フォトダイオード
１０２    垂直転送部
１０３    水平転送部
１０４    信号電荷検出部
１０５    ＳＵＢ端子
【図１】
2017085916.tif 000007
【図２】
2017085916.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2017085916.tif 000012
【図７】
2017085916.tif 000013
【図８】
2017085916.tif 000014
【図９】
2017085916.tif 000015
【図１０】
2017085916.tif 000016
【図１１】
2017085916.tif 000017
【図１２】
2017085916.tif 000018
【図１３】
2017085916.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成30年4月10日(2018.4.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射し、前記光の反射光を受光することにより、被写体までの距離を測定する撮像装置であって、
前記光の照射を指示する発光信号と、前記反射光の露光を指示する露光信号とを出力する制御部と、
前記発光信号のタイミングに従い前記光の照射を行う光源部と、
前記露光信号のタイミングに従い前記被写体からの反射光を露光する受光部と、を備え、
前記制御部は、
前記光源部が前記発光信号を受信して発光するタイミングに対して、前記受光部が、遅延時間を経て、前記露光信号を受信し露光を行う第１発光露光期間と、当該第１発光露光期間と前記遅延時間が異なる第２発光露光期間とを少なくとも生成し、更に、
前記発光信号及び前記露光信号の繰り返し周期を、前記第１発光露光期間と前記第２発光露光期間とで異ならせる前記発光信号及び前記露光信号を出力する
撮像装置。
【請求項２】
前記制御部は、
前記第１発光露光期間及び前記第２発光露光期間のそれぞれに対して、前記発光信号に対応する前記露光信号の次に発生する前記露光信号と当該発光信号との位相関係を、前記繰り返し周期を異ならせる前後で維持させる前記発光信号及び前記露光信号を出力する
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、
少なくとも、周期的に発生する前記発光信号を発生させない期間を設ける
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記制御部は、
周期的に発生する前記発光信号と、当該発光信号に対応する前記露光信号とを発生させない期間を設ける
請求項２または３に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記発光信号及び前記露光信号の位相と前記繰り返し周期とを独立に決定する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記制御部は、
前記繰り返し周期が任意に発生するよう、前記発光信号と前記露光信号とを出力する
請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記制御部は、
前記第１発光露光期間または前記第２発光露光期間の平均周期が同じとなるように、少なくとも、周期的に発生する前記発光信号を発生させない期間を設ける
請求項６に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記制御部は、
前記第１発光露光期間または前記第２発光露光期間の平均周期が同じとなるように、周期的に発生する前記発光信号と、当該発光信号に対応する前記露光信号とを発生させない期間を設ける
請求項６に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記撮像装置は、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）方式により前記被写体までの距離を測定する
請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
光の照射を指示する発光信号のタイミングで光の照射を行う光源部と、固体撮像素子を備える受光部と、前記光の照射を指示する発光信号と、前記光の反射光の露光を指示する露光信号とを出力する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記光源部が前記発光信号を受信して発光するタイミングに対して、前記受光部が、遅延時間を経て、前記露光信号を受信し露光を行う第１発光露光期間と、当該第１発光露光期間と前記遅延時間が異なる第２発光露光期間とを少なくとも生成し、更に、前記発光信号及び前記露光信号の繰り返し周期を、前記第１発光露光期間と前記第２発光露光期間とで異ならせる前記発光信号及び前記露光信号を出力し、
前記光の反射光を前記固体撮像素子が受光することにより、被写体までの距離を測定する撮像装置に用いられる固体撮像素子であって、
前記固体撮像素子は、
前記被写体からの反射光の露光を指示する前記露光信号により複数の異なるタイミングで露光し、複数の撮像信号を出力する
固体撮像素子。
【請求項１１】
前記固体撮像素子は、
複数の画素と、前記複数の画素のそれぞれに対応づけられる複数の信号蓄積部とを有し、当該複数の信号蓄積部に信号を蓄積し、
同一画素で検出する信号を蓄積する前記複数の信号蓄積部のそれぞれが、前記発光信号のタイミングに対して、前記被写体からの反射光の露光を指示する前記露光信号のタイミングが異なる露光期間に露光した前記信号を蓄積する
請求項１０に記載の固体撮像素子。
【請求項１２】
前記制御部は、
前記受光部の同一画素で検出する信号を蓄積する前記複数の信号蓄積部のそれぞれに、複数回の発光とそれらに対応する露光とにより前記信号を蓄積させ、
前記発光信号の前記繰り返し周期と、前記発光信号のタイミングに対して前記被写体からの反射光の露光を指示するタイミングが異なる露光信号の前記繰り返し周期とを異ならせる
請求項１１に記載の固体撮像素子。
【請求項１３】
前記固体撮像素子は、ＣＣＤ型の固体撮像素子である
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る撮像装置は、光を照射し、前記光の反射光を受光することにより、被写体までの距離を測定する撮像装置であって、前記光の照射を指示する発光信号と、前記反射光の露光を指示する露光信号とを出力する制御部と、前記発光信号のタイミングに従い前記光の照射を行う光源部と、前記露光信号のタイミングに従い前記被写体からの反射光を露光する受光部と、を備え、前記制御部は、前記光源部が前記発光信号を受信して発光するタイミングに対して、前記受光部が、遅延時間を経て、前記露光信号を受信し露光を行う第１発光露光期間と、当該第１発光露光期間と前記遅延時間が異なる第２発光露光期間とを少なくとも生成し、更に、前記発光信号及び前記露光信号の繰り返し周期を、前記第１発光露光期間と前記第２発光露光期間とで異ならせる前記発光信号及び前記露光信号を出力することを特徴とする。
また、本発明の一態様に係る撮像装置は、光を照射し、前記光の反射光を受光することにより、被写体までの距離を測定する撮像装置であって、前記光の照射を指示する発光信号のタイミングで前記光の照射を行う光源部と、前記被写体からの反射光の露光を指示する露光信号により複数の異なるタイミングで露光し、複数の撮像信号を出力する受光部と、前記複数の撮像信号を入力して距離演算を行う演算部と、前記発光信号と前記露光信号との位相関係の異なるパターンを、少なくとも２つ以上生成し、さらに、前記パターンの少なくとも２つ以上は周期が異なるように、前記発光信号と前記露光信号とを出力する制御部とを備えることを特徴とする。
【国際調査報告】
2017085916.tif 000020
2017085916.tif 000021
2017085916.tif 000022
2017085916.tif 000023