(57)【要約】  固体撮像装置（１０）において、複数の画素（１００）のそれぞれは、光電変換を行う受光素子（１０５）を有し、受光素子（１０５）において光電変換を行う光電時間を露光信号により設定し、光電時間内に画素（１００）に到達した入射光の有無に応じた受光信号を出力する受光回路（１０１）と、受光回路（１０１）から入力された受光信号に基づいて、入射光の到達回数をカウント値として計数するカウンタ回路（１０２）と、カウント値に応じた値を閾値として設定し、閾値に対してカウント値が大きい場合に比較信号をオン状態とする比較回路（１０３）と、比較信号と時間信号とが入力され、比較信号がオン状態のとき時間信号を距離信号として記憶する記憶回路（１０４）とを備える。
2017098725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線透過フィルタを備える第１の画素群を有する複数の画素が二次元状に配列された固体撮像装置であって、
前記第１の画素群の各画素は、
受光した光を電気信号に変換する光電変換を行う受光素子を有し、前記受光素子において光電変換を行う光電時間を露光信号により設定し、前記光電時間内に前記画素に到達した入射光の有無に応じた受光信号を出力する受光回路と、
前記受光回路から入力された前記受光信号に基づいて、前記入射光の到達回数をカウント値として計数するカウンタ回路と、
前記カウント値に応じた値を閾値として設定し、前記閾値に対して前記カウント値が大きい場合に比較信号をオン状態とする比較回路と、
前記比較信号と、時間に対して変化する時間信号とが入力され、前記比較信号がオン状態のとき前記時間信号を距離信号として記憶する記憶回路とを備える
固体撮像装置。
【請求項２】
前記固体撮像装置は、光源からのパルス光が帰還する時間により距離を測定し、１フレーム期間内に対象物までの距離を表す距離画像を出力する固体撮像装置であって、
前記１フレーム期間には、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間が含まれており、
前記背景光検知期間において、前記閾値が設定され、
前記距離測定期間は、Ｎ個の期間に区分され（Ｎは１以上の整数）、
前記背景光検知期間、前記距離測定期間および前記距離信号出力期間の各期間において、前記光源からの光パルスの発射時刻に対し所定の時間だけ遅れて前記露光信号が設定され、
前記距離測定期間の前記Ｎ個の期間のそれぞれにおいて、前記閾値と前記カウント値が比較され、前記閾値よりも前記カウント値が大きくなった期間で前記時間信号が距離信号として記憶され、
前記距離信号出力期間において、前記距離信号が前記距離画像として出力される
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項３】
前記受光回路は、光電変換により発生した電荷を輸送するトランスファゲートトランジスタを有し、
前記トランスファゲートトランジスタは、前記受光素子と前記カウンタ回路との間に接続されている
請求項１に記載の固体撮像装置。
【請求項４】
前記受光回路は、前記受光素子と前記トランスファゲートトランジスタとが直列に接続された組を複数組有している
請求項３に記載の固体撮像装置。
【請求項５】
前記受光回路には、輝度画像用増幅トランジスタがさらに接続され、
前記輝度画像用増幅トランジスタには、さらに輝度画像用選択トランジスタが接続されており、
前記固体撮像装置は、
前記カウンタ回路、前記比較回路および前記記憶回路を介して前記受光信号に基づく前記距離信号を得ることにより前記距離画像を得、
輝度画像用増幅トランジスタと前記輝度画像用選択トランジスタとを介して前記受光信号を得ることにより前記対象物の輝度画像を得る
請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項６】
前記受光回路は、前記受光素子と前記トランスファゲートトランジスタとが直列に接続された組を複数組有し、
前記複数組における各前記トランスファゲートトランジスタは、前記カウンタ回路に接続されており、
前記固体撮像装置は、１フレーム期間内に前記輝度画像と前記距離画像の両方を出力し、
前記１フレーム期間内には、背景光検知期間、距離測定期間、距離信号出力期間および輝度画像撮影・出力期間が含まれており、
前記背景光検知期間、前記距離測定期間および前記距離信号出力期間において、複数の前記トランスファゲートトランジスタは同時に動作し、
前記輝度画像撮影・出力期間において、前記複数のトランスファゲートトランジスタは別々に動作する
請求項４に記載の固体撮像装置。
【請求項７】
前記受光素子は、アバランシェ・フォトダイオードである
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項８】
前記受光回路は、受光素子信号増幅用インバータと、受光信号スイッチとを含む
請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項９】
前記複数の画素は、さらに、可視光透過フィルタを備える第２の画素群を備える
請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体撮像装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の固体撮像装置と、
光源と、
前記光源の制御と同期させて前記固体撮像装置を制御する信号処理装置とを備え、
前記光源から照射した光が対象物において反射した反射光を前記固体撮像装置で受光し、前記光源からの光パルスの発射時刻と前記固体撮像装置において前記反射光を受光した時刻とから、前記光源から前記対象物までの距離画像を前記信号処理装置により出力する
距離測定装置。
【請求項１１】
前記第２の画素群の各画素は、
可視光用受光素子と、
前記可視光用受光素子に接続されたトランスファゲートトランジスタと、
前記トランスファゲートトランジスタに接続されたリセットトランジスタと、
前記トランスファゲートトランジスタに接続された増幅トランジスタとを備える
請求項９に記載の固体撮像装置。
【請求項１２】
前記第２の画素群において、隣接する少なくとも２つの画素は、それぞれ、
可視光用受光素子と、
前記可視光用受光素子に接続されたトランスファゲートトランジスタとを備え、
前記少なくとも２つの画素は、
前記各トランスファゲートトランジスタに接続された共通のリセットトランジスタ及び共通の増幅トランジスタを備える
請求項１１に記載の固体撮像装置。
【請求項１３】
光源からのパルス光が対象物において反射して帰還する時間により距離を測定し、１フレーム期間内に距離画像を出力する距離測定方法であって、
前記１フレーム期間には、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間が含まれており、
前記背景光検知期間において、前記閾値が設定され、
前記距離測定期間は、Ｎ個の期間に区分され（Ｎは１以上の整数）、
前記背景光検知期間、前記距離測定期間および前記距離信号出力期間の各期間において、前記光源からの光パルスの発射時刻に対し所定の時間だけ遅れて前記露光信号を設定し、
前記距離測定期間の前記Ｎ個の期間のそれぞれにおいて前記閾値と前記カウント値を比較し、前記閾値よりも前記カウント値が大きくなった期間において前記時間信号を距離信号として記憶し、
前記距離信号出力期間において、前記距離信号を前記距離画像として出力する
距離測定方法。
【請求項１４】
前記１フレーム期間内には、さらに、前記対象物の輝度画像を得る輝度画像撮影・出力期間が含まれており、
前記輝度画像撮影・出力期間において、前記対象物から得た前記受光信号を前記輝度画像として出力する
請求項１３に記載の距離測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、固体撮像装置、距離測定装置および距離測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、固体撮像装置は画像を高感度、高精細に撮像することに注力されてきたが、それに加えて固体撮像装置からの距離情報も取得できる機能を併せ持つものも近年登場してきた。画像に距離情報が加われば固体撮像装置の撮影対象の三次元的な情報が感知できることになる。例えば、人物を撮影すれば、しぐさ（ジェスチャー）を三次元的に検知できるので、様々な機器の入力装置として使用できる。さらに例示すると、自動車に搭載すれば自車の周囲に存在する物体・人物との距離を認識できるので衝突防止や自動運転などに応用できる。【０００３】
固体撮像装置から物体までの距離測定に使用される数々の方法の中に、光を固体撮像装置付近から物体に向けて照射されてから、物体により反射し固体撮像装置に帰還するまでの時間を測定するＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）法がある。複眼方式などの他の方法と比較すれば、固体撮像装置の他に光源が必要になることが短所である。一方、光源を強くすれば、遠方の物体までの距離を高分解能で測定できることが長所である。固体撮像装置にＴＯＦ法を適用して三次元的な情報を得る方法としては、例えば特許文献１に掲載された技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【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】
【０００５】
図１４は、特許文献１に開示された固体撮像装置、図１５はその駆動シーケンスである。駆動シーケンス図１５において、投射光はある周期を持ったパルス形状である。受信光（物体で反射した光パルス）は投射光（光源から発射した光パルス）に対して物体までの距離に対応した遅れ時間Ｔｄを持って固体撮像装置に到達する。受光素子、すなわちフォトダイオード（ＰＤ）に入射する受信光に応じて生成される電荷は、２つのトランスファゲートトランジスタＴＸ１、ＴＸ２の駆動に応じて２つのノードに振り分けられ、信号Ａ、Ｂを生成する。そのあと、投射光をＯＦＦにした状態で同様の駆動により信号Ｃ、Ｄを得る。信号Ａ、Ｂは背景光の成分が含まれているが、信号Ｃ、Ｄを差し引き、信号（Ａ−Ｃ）、信号（Ｂ−Ｄ）を計算することにより受信光成分だけが含まれる信号が得られる。このとき信号（Ａ−Ｃ）と信号（Ｂ−Ｄ）の比は遅れ時間Ｔｄで決定されるので距離情報を得ることができる。【０００６】
投射光はパルスであり、信号（Ａ−Ｃ）と信号（Ｂ−Ｄ）の比はパルスの位相を表すので、この方法をパルス位相法と呼ぶことにする。パルス位相法は、背景光の比較的弱い室内で、比較的近距離(数ｍ程度)に適用する場合にはよいが、背景光の強い野外や遠距離に適用する場合に対して問題となる以下の欠点が存在することに発明者らは気づいた。【０００７】
欠点の１点目は、ダイナミックレンジが小さいことである。言い換えると、測定可能な距離のレンジが小さいことである。受信光の強度は、物体までの距離の二乗に比例する。例えば、距離１ｍの物体からの受信光と、それと同じ物体で距離１００ｍの場合の受信光との強度比は１００００：１になる。ところが、固体撮像装置の単一画素の飽和電子数は通常１００００程度なので、距離１００ｍが検知可能な光学条件に設定した場合、距離１ｍの物体からの受信光は飽和してしまい、パルスの位相情報が失われることになる。背景光が強い場合、さらに飽和しやすくなる。【０００８】
欠点の２点目は、強い背景光に対する耐性が低いということである。以下説明すると、駆動シーケンス図１５における投射光のパルス幅Ｔｏは、距離測定レンジに応じて決定される。例えば距離測定レンジが１００ｍの場合であれば、Ｔｏは６６７ナノ秒必要であり、これを小さくすることはできない。一方、背景光による信号Ｃ、ＤはＴｏに比例して増加し、そのノイズ、すなわち光ショットノイズは信号Ｃ、Ｄの平方根に比例する。信号Ａ、Ｂに対して信号Ｃ、Ｄがそれぞれほとんど等しい場合、上記光ショットノイズが極めて大きくなり、十分な精度をもって距離を測定できない。【０００９】
上記課題に鑑み、本開示は、測定可能距離レンジが広く、強い背景光の環境下においても距離測定が可能である固体撮像装置、距離測定装置および距離測定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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の一態様にかかる固体撮像装置は、複数の画素が二次元状に配列された固体撮像装置であって、前記複数の画素のそれぞれは、受光した光を電気信号に変換する光電変換を行う受光素子を有し、前記受光素子において光電変換を行う光電時間を露光信号により設定し、前記光電時間内に前記画素に到達した入射光の有無に応じた受光信号を出力する受光回路と、前記受光回路から入力された前記受光信号に基づいて、前記入射光の到達回数をカウント値として計数するカウンタ回路と、前記カウント値に応じた値を閾値として設定し、前記閾値に対して前記カウント値が大きい場合に比較信号をオン状態とする比較回路と、前記比較信号と、時間に対して変化する時間信号とが入力され、前記比較信号がオン状態のとき前記時間信号を距離信号として記憶する記憶回路とを備える。【００１１】
これにより、固体撮像装置によって距離情報を取得することができ、かつ、測定可能距離レンジが広い距離測定を行うことができる。【００１２】
また、前記固体撮像装置は、光源からのパルス光が帰還する時間により距離を測定し、１フレーム期間内に対象物までの距離を表す距離画像を出力する固体撮像装置であって、前記１フレーム期間には、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間が含まれており、前記背景光検知期間において、前記閾値が設定され、前記距離測定期間は、Ｎ個の期間に区分され（Ｎは１以上の整数）、前記背景光検知期間、前記距離測定期間および前記距離信号出力期間の各期間において、前記光源からの光パルスの発射時刻に対し所定の時間だけ遅れて前記露光信号が設定され、前記距離測定期間の前記Ｎ個の期間のそれぞれにおいて、前記閾値と前記カウント値が比較され、前記閾値よりも前記カウント値が大きくなった期間で前記時間信号が距離信号として記憶され、前記距離信号出力期間において、前記距離信号が前記距離画像として出力されてもよい。【００１３】
これにより、強い背景光の環境下においても、精度よく距離測定を行うことができる。【００１４】
また、前記受光回路は、光電変換により発生した電荷を輸送するトランスファゲートトランジスタを有し、前記トランスファゲートトランジスタは、前記受光素子と前記カウンタ回路との間に接続されていてもよい。【００１５】
また、前記受光回路は、前記受光素子と前記トランスファゲートトランジスタとが直列に接続された組を複数組有していてもよい。【００１６】
これにより、受光回路において、受光のための受光素子の総面積を増加させることができので、距離に対する感度をより高めることができる。【００１７】
また、前記受光回路には、輝度画像用増幅トランジスタがさらに接続され、前記輝度画像用増幅トランジスタには、さらに輝度画像用選択トランジスタが接続されており、前記固体撮像装置は、前記カウンタ回路、前記比較回路および前記記憶回路を介して前記受光信号に基づく前記距離信号を得ることにより距離画像を得、輝度画像用増幅トランジスタと前記輝度画像用選択トランジスタとを介して前記受光信号を得ることにより対象物の輝度画像を得てもよい。【００１８】
これにより、距離画像と輝度画像とを同時に得ることができる。【００１９】
また、前記受光回路は、前記受光素子と前記トランスファゲートトランジスタとが直列に接続された組を複数組有し、前記複数組における各前記トランスファゲートトランジスタは、前記カウンタ回路に接続されており、前記固体撮像装置は、１フレーム期間内に前記輝度画像と前記距離画像の両方を出力し、前記１フレーム期間内には、背景光検知期間、距離測定期間、距離信号出力期間および輝度画像撮影・出力期間が含まれており、前記背景光検知期間、前記距離測定期間および前記距離信号出力期間において、複数の前記トランスファゲートトランジスタは同時に動作し、前記輝度画像撮影・出力期間において、前記複数のトランスファゲートトランジスタは別々に動作してもよい。【００２０】
これにより、距離画像と輝度画像とをそれぞれ精度よく得ることができる。【００２１】
また、前記受光素子は、アバランシェ・フォトダイオードであってもよい。【００２２】
これにより、受信光がノイズに埋もれてしまうことがなくなり、高いＳＮ比の距離信号を得ることができる。【００２３】
また、前記受光回路は、受光素子信号増幅用インバータと、受光信号スイッチとを含んでもよい。【００２４】
これにより、受光素子によって生成された電荷を振幅の大きな受光信号に増幅し、２値信号にすることができる。【００２５】
また、前記複数の画素は、さらに、可視光透過フィルタを備える第２の画素群を備えてもよい。【００２６】
これにより、第２の画素群において、Ｒ、Ｂ、Ｇに対応する受光素子を用いて輝度画像を得ることにより、カラー画像を構成することができる。また、光源として赤外線を用い、第１の画素群において、赤外光に対応する受光素子を用いることにより距離画像を得ることができる。【００２７】
また、上記課題を解決するため、本発明の一態様にかかる距離測定装置は、上述した特徴を有する固体撮像装置と、光源と、前記光源の制御と同期させて前記固体撮像装置を制御する信号処理装置とを備え、前記光源から照射した光が対象物において反射した反射光を前記固体撮像装置で受光し、前記光源からの光パルスの発射時刻と前記固体撮像装置において前記反射光を受光した時刻とから、前記光源から前記対象物までの距離画像を前記信号処理装置により出力する。【００２８】
これにより、測定可能距離レンジが広い距離測定を行うことができる。また、強い背景光の環境下においても、精度よく距離測定を行うことができる。【００２９】
また、前記第２の画素群の各画素は、可視光用受光素子と、前記可視光用受光素子に接続されたトランスファゲートトランジスタと、前記トランスファゲートトランジスタに接続されたリセットトランジスタと、前記トランスファゲートトランジスタに接続された増幅トランジスタとを備えてもよい。【００３０】
これにより、赤外光の位置に第２の画素群における可視光用受光素子を用いる場合、ＩＲ光を用いた輝度画像も得ることができる。【００３１】
また、前記第２の画素群において、隣接する少なくとも２つの画素は、それぞれ、可視光用受光素子と、前記可視光用受光素子に接続されたトランスファゲートトランジスタとを備え、前記少なくとも２つの画素は、前記各トランスファゲートトランジスタに接続された共通のリセットトランジスタ及び共通の増幅トランジスタを備えてもよい。【００３２】
これにより、第２の画素群において、隣接する少なくとも２つの画素は、トランスファゲートトランジスタに接続された共通のリセットトランジスタ及び共通の増幅トランジスタを備えることとなる。したがって、リセットトランジスタおよび増幅トランジスタの面積を小さくして第２の画素群の面積を大きくすることができるので、距離画像の精度を向上することができる。【００３３】
また、上記課題を解決するため、本発明の一態様にかかる距離測定方法は、光源からのパルス光が対象物において反射して帰還する時間により距離を測定し、１フレーム期間内に距離画像を出力する距離測定方法であって、前記１フレーム期間には、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間が含まれており、前記背景光検知期間において、閾値が設定され、前記距離測定期間は、Ｎ個の期間に区分され（Ｎは１以上の整数）、前記背景光検知期間、前記距離測定期間および前記距離信号出力期間の各期間において、前記光源からの光パルスの発射時刻に対し所定の時間だけ遅れて露光信号を設定し、前記距離測定期間の前記Ｎ個の期間のそれぞれにおいて前記閾値とカウント値を比較し、前記閾値よりも前記カウント値が大きくなった期間において、時間に対して変化する時間信号を距離信号として記憶し、前記距離信号出力期間において、前記距離信号を前記距離画像として出力する。【００３４】
これにより、固体撮像装置によって距離情報を取得することができ、かつ、測定可能距離レンジが広い距離測定を行うことができる。また、強い背景光の環境下においても、精度よく距離測定を行うことができる。【００３５】
また、前記１フレーム期間内には、さらに、対象物の輝度画像を得る輝度画像撮影・出力期間が含まれており、前記輝度画像撮影・出力期間において、前記対象物から得た受光信号を前記輝度画像として出力してもよい。【００３６】
これにより、距離画像と輝度画像とを同時に得ることができる。
【発明の効果】
【００３７】
本開示によれば、測定可能距離レンジが広く、強い背景光の環境下においても距離測定が可能である固体撮像装置、距離測定装置および距離測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、実施の形態１にかかる固体撮像装置の構成を示す概略図である。
【図２】図２は、実施の形態１にかかる固体撮像装置に搭載する画素の構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、実施の形態１にかかる固体撮像装置に搭載する画素の構成を示す回路図である。
【図４】図４は、実施の形態１にかかる固体撮像装置の１フレーム期間に含まれる動作期間を示す図である。
【図５】図５は、実施の形態１にかかる固体撮像装置の背景光検知期間の動作シーケンスについて説明するための図である。
【図６】図６は、実施の形態１にかかる固体撮像装置の距離測定期間の動作シーケンスについて説明するための図である。
【図７】図７は、実施の形態２にかかる固体撮像装置の背景光検知期間の動作シーケンスについて説明するための図である。
【図８】図８は、実施の形態２にかかる固体撮像装置の距離測定期間の動作シーケンスについて説明するための図である。
【図９】図９は、実施の形態３にかかる固体撮像装置に搭載する画素の構成を示す図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、実施の形態４にかかる固体撮像装置に搭載する画素の構成を示す図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、実施の形態４にかかる固体撮像装置に搭載する画素の構成を示す図である。
【図１１】図１１は、実施の形態４にかかる固体撮像装置の構成を示す概略図である。
【図１２】図１２は、実施の形態４にかかる固体撮像装置の１フレーム期間に含まれる動作期間を示す図である。
【図１３】図１３は、実施の形態６にかかる固体撮像装置に搭載する画素の構成を示す図である。
【図１４】図１４は、従来技術にかかる距離画像センサの画素構造を示す図である。
【図１５】図１５は、従来技術にかかる距離画像センサの動作タイミングを示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態７に係る固体撮像装置に搭載する画素領域の配列を説明する図である。
【図１７】図１７は、実施の形態８に係る固体撮像装置に搭載する画素領域の配列を説明する図である。
【図１８】図１８は、実施の形態８に係る可視光画素回路の構成を示す回路図である。
【図１９】図１９は、実施の形態９に係る固体撮像装置に搭載する画素領域の配列を説明する図である。
【図２０】図２０は、実施の形態９に係る可視光画素回路の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本開示にかかる実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、実質的に同一の構成に対して同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。また、以下で説明する実施の形態は、いずれも一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００４０】
（実施の形態１）
［１．固体撮像装置の構成］
はじめに、本実施の形態にかかる距離測定装置１および固体撮像装置１０の構成について説明する。図１は、本実施の形態にかかる固体撮像装置を含む距離測定装置の構成を示す概略図である。
【００４１】
図１に示すように、距離測定装置１は、固体撮像装置１０と、信号処理装置２０と、計算機３０と、光源４０とを備えている。
【００４２】
固体撮像装置１０は、さらに以下のような構成となるが、これに限られるものではない。
【００４３】
図１に示すように、固体撮像装置１０は、画素領域１２と、垂直シフトレジスタ１３と、画素駆動回路１４と、ＣＤＳ（Ｃｏｒｒｅｌｌａｔｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｓａｍｐｌｉｎｇ）回路１５と、水平シフトレジスタ１６と、出力回路１７とを備えている。
【００４４】
画素領域１２は、図２に示すように、画素１００が二次元状に配列されている。
【００４５】
垂直シフトレジスタ１３は、画素領域１２内のある特定の行の画素１００を選択する。この機能は主に、ある特定の画素１００から距離信号を順に出力するために使用する。
【００４６】
画素駆動回路１４は、図２に示した画素１００を、全画素同時に制御するために使用する。
【００４７】
ＣＤＳ回路１５は、図２に示した画素１００からの出力に含まれる、各画素１００で異なるオフセット成分を除去するための回路である。
【００４８】
水平シフトレジスタ１６は、画素１００からの出力を列方向に順に選択するための回路である。
【００４９】
出力回路１７は、垂直シフトレジスタ１３および水平シフトレジスタ１６によって選択された画素からの距離信号を、必要ならば増幅して出力する。この固体撮像装置１０では、４つの出力回路１７を搭載しているが、４つでない、つまり、出力回路１７の数が３つ以下または５つ以上の固体撮像装置であってもよい。
【００５０】
信号処理装置２０は、図１に示すように、アナログフロントエンド２１と、ロジック・メモリ２２とを備えている。
【００５１】
アナログフロントエンド２１は、固体撮像装置１０からのアナログ出力信号をデジタル出力信号に変換して、必要ならば出力信号の順序を入れ替えてロジック・メモリ２２に出力する。固体撮像装置１０からの出力信号がもしデジタル出力信号である場合には、アナログ出力信号をデジタル出力信号に変換する機能は不要だが、出力信号の順序を入れ替える機能は必要になる。信号処理装置２０からの出力信号（距離信号）は、計算機３０に出力される。
【００５２】
計算機３０は、例えばコンピュータであり、信号処理装置２０からの出力信号（距離信号）に基づいて固体撮像装置１０の周囲の三次元情報を構成する。
【００５３】
光源４０は、三次元情報を得たい箇所に光を投射する。光源４０には、必要に応じて光を拡散することにより三次元情報を得たい箇所全体に光を照射する機構が内蔵されている。光源４０からは、時間方向にパルス状の光（パルス光）が出力される。パルス光の出力時刻や幅は、信号処理装置２０によって制御される。また、信号処理装置２０は、光源４０の制御と同期させて固体撮像装置１０を制御する。固体撮像装置１０は、信号処理装置２０からの信号に従って、搭載されている画素１００を画素駆動回路１４などを介して制御する。
【００５４】
図２は、本実施形態にかかる固体撮像装置１０に搭載する画素１００の構成を示すブロック図である。図３は、本実施形態にかかる固体撮像装置１０に搭載する画素１００の構成を示す回路図である。なお、以下に説明する各種の信号について、“ＯＮ”とはハイレベルの電圧値の信号のことをいい、“ＯＦＦ”とはローレベルの電圧値の信号であることをいう。また、“ＯＮする”とはハイレベルの電圧値の信号を印加することをいい、“ＯＦＦ”とはローレベルの電圧値の信号を印加することをいう。
【００５５】
図２に示す画素１００内には、受光回路１０１、カウンタ回路１０２、比較回路１０３、記憶回路１０４の４つのブロックが内蔵されている。以下、各ブロックの構成および機能を説明する。ここで説明する機能を各ブロックに持たせる構成は、ある程度の変形が考えられるが、その場合も本開示と同等であることはいうまでもない。
【００５６】
受光回路１０１は、図３に示すように、受光素子１０５と、トランスファゲートトランジスタ１０６と、リセットトランジスタ１０７とを有している。受光素子１０５とトランスファゲートトランジスタ１０６とは直列に接続され、受光素子１０５とトランスファゲートトランジスタ１０６とが１つずつ組となっている。トランスファゲートトランジスタ１０６は、受光素子１０５とカウンタ回路１０２との間に接続されている。
【００５７】
受光素子１０５は、例えばフォトダイオードである。トランスファゲートトランジスタ１０６は、受光素子１０５において光電変換により発生した電荷を輸送する。よって、受光回路１０１は、入射光を受けて受光信号に変換する機能を内蔵している。受光信号は、入射光の強弱に応じて変化してもよいが、入射光の到達の有無により２値になることが望ましい。以下、２値である前提で説明するが、２値でなくても画素１００は動作する。２値でない場合は、回路的に定めたある閾値に対する大小で２値になっているものとする。さらに、入力信号である露光信号に応じて、光電変換を行う時間を任意に設定できる。また、リセット信号を受けて、受光信号をリセットする機能が付加されていてもよい。受光した場合の受光信号を、“受光信号がある”、受光していない場合を“受光信号がない”、と呼ぶことにする。リセット機能が付加されていない場合は、受光信号を出力すると同時もしくは十分短い時間内に、電気信号をリセットする機能が付加されている。
【００５８】
図２に示す画素１００は、さらに、受光回路１０１の出力に接続されているカウンタ回路１０２を備えている。
【００５９】
カウンタ回路１０２は、図３に示すように、電荷蓄積コンデンサ１０８と、カウンタトランジスタ１０９と、カウンタ容量１１０とを有している。カウンタ容量１１０を介して出力許可信号１３０が出力される。カウンタ回路１０２は、カウント値を保持、増加、リセットする機能が付加されている。カウンタ回路１０２は、カウント値のリセットを、リセット信号に応じて行う。また、カウンタ回路１０２は、入力であるカウント信号がＯＮの期間、受光信号を検知する。受光信号を検知した場合、カウンタ回路１０２は、カウント値を１つ増加させる。すなわち、カウンタ回路１０２は、受光回路１０１への受光信号の到達回数をカウントする。
【００６０】
図２に示す画素１００は、さらに、カウンタ回路１０２の出力に接続されている比較回路１０３を備えている。
【００６１】
比較回路１０３は、図３に示すように、直流カットコンデンサ１１１と、クランプトランジスタ１１２と、インバータ１１３とを有している。比較回路１０３には、カウンタ回路１０２が計数した回数値に対する閾値を任意に設定、保持する機能が搭載されている。入力である閾値設定信号がＯＮしたとき、入力であるカウント値に応じた閾値が設定される。閾値設定信号がＯＦＦのとき、設定した閾値に対しカウント値が大きい場合、比較信号をＯＮさせる機能がさらに付加されている。また、比較回路１０３は、出力許可信号が入力されていてもよい。この場合は、出力許可信号がＯＮの場合のみ、比較信号をＯＮする。出力許可信号については、実施の形態２で説明する。
【００６２】
図２に示す画素１００は、さらに、記憶回路１０４を備えている。
【００６３】
記憶回路１０４は、図３に示すように、入力トランジスタ１１４と、記憶コンデンサ１１５と、記憶ノードリセットトランジスタ１１６とを有している。記憶回路１０４の入力は２つであり、１つには比較信号が入力される。もう１つには、時間に対して変化する信号、すなわち時間信号が入力される。記憶回路１０４には、比較信号がＯＮしたとき、このタイミングでの時間信号の値を記憶する機能が内蔵されている。さらに、記憶回路１０４には、当然ながら、記憶した時間信号（これを距離信号とする）を出力する機能も付加されている。
【００６４】
さらに、記憶回路１０４には、図３に示すように、増幅トランジスタ１１７と、選択トランジスタ１１８とが接続されている。
【００６５】
図２に示す画素１００は、固体撮像装置１０内に二次元状に配列した形で内蔵される。固体撮像装置１０を含めた距離測定装置１は、上述した図１のような構成となるが、これに限られるものではない。
【００６６】
［２．固体撮像装置の動作］
次に、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０の動作について説明する。図４は、固体撮像装置１０の１フレーム期間に含まれる動作期間を示す図である。
【００６７】
図４に示すように、１フレーム期間は、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間に分けられる。固体撮像装置１０は、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間をこの順に繰り返す動作を行う。
【００６８】
図５は、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０の背景光検知期間の動作シーケンスについて説明するための図である。図６は、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０の距離測定期間の動作シーケンスについて説明するための図である。
【００６９】
図５に示すように、背景光検知期間では、まず、固体撮像装置１０において、光源４０の出力をＯＦＦのままとする。この状態で、図２に示した画素１００内の受光回路１０１で入射光を検知する。このとき、受光回路１０１には、周囲の環境下に存在する背景光（典型的には、昼間の屋外の場合は太陽光）を撮影対象の物体（対象物）が反射した光が受光回路１０１に入射することになる。受光回路１０１に併せて設置した回路により、光電変換を行う時間（露光時間）をａ秒に設定し、この背景光を受光する。このａ秒間に光が画素まで到達した場合、受光回路１０１により、“受光信号がある”、の状態に設定される。このあと、カウント信号をＯＮする。このとき、受光信号がある場合は、カウンタ値が１つ増加する。
【００７０】
その後、受光回路１０１のリセット信号をＯＮし、受光回路１０１の内部の電気信号および受光信号をリセットする。この一連の行程をｂ回繰り返す。すなわち、カウンタ回路１０２では、上記ｂ回の露光のうち、何回光が到達したかを計数し記憶することになる。ここでは、光がｃ回到達したとする。ただし、上記ａが十分小さいか、入射光が十分小さく、入射光が光子数個に分解でき、断続的に入射するとみなせることを前提としている。通常は、ａが数１０ナノ以下であれば、この前提は十分成立する。
【００７１】
次に、比較回路１０３に対し、閾値設定信号をＯＮし、カウンタ回路１０２の出力値であるｃ回に応じた閾値を設定する。閾値は、カウンタ回路１０２の出力値であるｃそのものでもよいが、ここではｄ＝ｃ＋ｅ（ｅは任意の正の値）に設定する。
【００７２】
次に、距離測定期間の動作を行う。ここでは、距離測定レンジとして、固体撮像装置１０の至近距離からＲメートルまでの範囲にある物体を検出するとする。また、その分解能はＲ／Ｎメートル（Ｎは１以上の整数）とする。これを実現するため、図６に示すように、距離測定期間では以下のような行程とする。
【００７３】
まず、図６に示すように、距離測定期間をＮ個の期間にさらに分ける。分けられたそれぞれの区間は、０〜Ｒ／Ｎメートルを検知する期間１、Ｒ／Ｎ〜２Ｒ／Ｎメートルを検知する期間２、・・・、（α―１）Ｒ／Ｎ〜αＲ／Ｎメートルを検知する期間α（αは１以上Ｎ以下の整数）、・・・、（Ｎ−１）Ｒ／Ｎ〜Ｒメートルを検知する期間Ｎとする。距離測定期間の分け方はこの通りに限られるものでなく、例えば不等ピッチにしてもよいが、ここでは上記のように分けたとして説明する。
【００７４】
次に、期間α内での動作について説明する。まず、カウンタ回路リセット信号をＯＮし、カウンタ値をリセットする。また、記憶回路１０４に入力する時間信号をαに設定する。記憶回路１０４に入力する時間信号の値は全くの任意であり、期間１〜期間Ｎで互いに異なっていればよい。さらに、連続的に変化してもよい。（図６では期間α内で一定値としている）。
【００７５】
さらに、光源４０を制御し、ａ秒間の幅を持った光パルスを投射する。この光がもし、期間αで測定する距離に対応した物体、すなわち（α―１）Ｒ／Ｎ〜αＲ／Ｎメートル先にある物体に反射して固体撮像装置１０内のある画素に入射する場合、物体で反射した光パルス（受信光と呼ぶことにする）は、光源から発射した光パルス（投射光と呼ぶことにする）が発射した時刻に対して、
【００７６】
【数１】
2017098725.tif 000003
だけ遅れて固体撮像装置１０に到達する。ここで、Ｖは光速である。したがって、受光回路１０１の露光信号により、露光をこの時刻に開始しａ秒間だけ露光するように設定すれば、この距離範囲内にある物体からの受信光を検知することができる。このあと、カウンタ回路１０２において、カウント信号により受信光を検知した回数、すなわち光の到達回数のカウントを行う。その後、受光回路１０１のリセット信号によりリセットする。
【００７７】
上述した手順で露光をｂ回繰り返し、カウンタ回路１０２で光の到達回数を計数する。もし、期間αに対応する距離範囲内に物体が存在しなければ、計数の期待値は、背景光成分であるｃ回であり、閾値ｄより小さいので、後段の比較回路１０３の動作は変化しない。期間αに対応する距離範囲内に物体が存在する場合、計数の期待値はｃ回を上回る値であるｆ回となる。すなわち、受信光強度が十分大きい場合、
ｆ＞ｄ                                              ・・・（式２）
を満たす。
【００７８】
その後、比較回路１０３の出力許可信号をＯＮする。式２が満たされている場合は、比較信号がＯＮし、時間信号が距離信号として記憶される。式２が満たされない場合は、記憶されている距離信号（あるいは初期値の場合もありえる）は変化しない。
【００７９】
その後、期間（α＋１）が続き、期間Ｎで距離測定期間が終了する。このとき、各画素の記憶回路１０４には、各画素が撮影する物体までの距離に対応した信号、すなわち距離信号が記憶されている。
【００８０】
最後に、距離信号出力期間に、各画素に記憶された距離信号を出力する。図１に示した距離測定装置１内の固体撮像装置１０の場合は、垂直シフトレジスタ１３および水平シフトレジスタ１６により、順に画素を選択し、距離信号を出力する。この距離信号を信号処理装置２０などで処理することにより、三次元的な情報（すなわち距離画像）が得られる。以下、この距離画像を得るための固体撮像装置１０からの信号を単に距離画像と呼ぶこともある。
【００８１】
ここまでは、背景光検知期間の露光時間と距離測定期間の露光時間は同じ、また背景光検知期間の光パルス数と距離測定期間の光パルス数も同じとしたが、これに限られるものではない。ただし、異ならせる場合は、式２の成立要件が異ならせた値に応じて変形することになる。
【００８２】
さらに、各期間の光パルスの発射時刻に対する露光信号の遅れ時間もこれに限られるものではなく、様々なバリエーションが容易に考えられる。
【００８３】
次に、先行技術文献で使用されているパルス位相法よりも、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０による距離測定のほうが、距離の測定ダイナミックレンジが広い理由を説明する。
【００８４】
パルス位相法の場合、簡単化して考えると、受信光の強度変化によって距離を測定する方式であるので、画素の飽和レベルを超えた場合には測定不能となる。ところで、受信光強度は物体までの距離の二乗に反比例し、また物体の反射率に比例する。例えば、最大測定距離を１００メートル、測定対象の物体の反射率が１０％〜１００％であるとする。このとき、１メートルの距離にある反射率１００％の物体からの受信光強度と、１００メートルの距離にある反射率１０％の物体からの受信光強度の比は１０００００：１に達する。一方、一般的な固体撮像装置の単一画素の飽和電子数は１００００程度であるので、上記２つを同時に測定できないことを意味している。
【００８５】
一方、固体撮像装置１０による距離測定の場合、測定可能か否かは式２が成立するほど受信光強度が大きいことだけが条件であり、物体までの距離と反射率による受信光強度の変化にはまったく左右されない。従って、固体撮像装置１０による距離測定のほうが、パルス位相法よりも距離ダイナミックレンジが大きいといえる。
【００８６】
固体撮像装置１０による距離測定のほうが、パルス位相法よりも背景光強度に対する耐性がよい理由を説明する。測定条件として、上述のように至近距離からＲメートルまでの範囲にある物体を検出することにする。また測定精度はＲ／Ｎメートルを確保するものとする。
【００８７】
このとき、背景光の影響を最も受けるのは、最遠距離、すなわちＲメートル先の物体を測定する場合である。なぜなら、背景光の物体からの反射光強度は、物体までの距離によらないのに対し、光源からの受信光は距離の２乗に反比例するからである。すなわち、受信光におけるＳＮ比は、距離が遠いほど小さくなる。
【００８８】
以下、測定可能である受信光の条件を計算する。以下、エネルギーの単位は光子数であるとする。計算の仮定として、ノイズ成分は、背景光のショットノイズが支配的であるとし、受信光のショットノイズはそれに対し十分小さく無視できるとする。
【００８９】
単一画素への受信光の単位時間当たりの入射ピーク光子数をＳとする（入射ピークパワーを光子数換算した値である）。Ｓは、光源のエネルギーおよび物体の反射率、距離で決定される。この受信光と同時に、背景光が物体に反射することによる成分が重畳する。背景光による入射光成分の単位時間当たりの光子数をＢとする。パルス位相法の場合、パルス幅を
【００９０】
【数２】
2017098725.tif 000004
にしなければならないから、パルス数をＭとすると、単一画素への受信光の合計エネルギーＴは、
【数３】
2017098725.tif 000005
となる。一方、背景光の成分の合計エネルギーは、
【数４】
2017098725.tif 000006
となるが、これに光ショットノイズ
【数５】
2017098725.tif 000007
が重畳している。測定される受信光エネルギーＴを用いて、精度Ｒ／Ｎメートルを算出するための必要条件は、ＴがＴ／Ｎ以下の精度を持って測定できることである。すなわち、
【数６】
2017098725.tif 000008
が条件である。
【００９１】
それに対して、かかる固体撮像装置１０による距離測定に対する式７に対応する式を以下導出する。まず、単一の光パルスの幅およびそれを検知するための露光時間は、期間一つに対応する距離範囲の２倍を光速で通過する時間、すなわち、
【数７】
2017098725.tif 000009
以下であればよい。ここでは、単一の光パルスの幅およびそれを検知するための露光時間は、式８に等しいとする。また、期間一つに単一画素に入射する受信光の合計エネルギーは、
【数８】
2017098725.tif 000010
となる。ただし、ここでは期間ごとのパルス数とピークエネルギーは等しいと仮定した。これと同時に、入射する背景光による光エネルギーは、
【数９】
2017098725.tif 000011
であり、この光の光ショットノイズは、
【数１０】
2017098725.tif 000012
である。閾値ｄは、式１０と式１１の合計よりも大きいことが最低限必要である。加えて、受信光が到達しない期間において到達したと誤って判定することを避けるためには、さらに閾値ｄを大きくする必要がある。統計理論によれば、式１１の光ショットノイズが、式１１のγ倍よりも大きくなる確率は、γ=１のとき１６％、γ＝２のとき２．５％、γ＝３のとき０．１５％である。この確率が１／Ｎよりも小さければ、上記誤判定は生じない。例えばＮ＝１００の場合、γ＝３であればよい。すなわち、閾値ｄは、
【数１１】
2017098725.tif 000013
であるから、誤判定を生じずに測定するための必要条件は、
【数１２】
2017098725.tif 000014
である。
【００９２】
簡単のために、固体撮像装置１０による距離測定において、総パルス数をパルス位相法による測定の場合と一致させる場合を考える。すなわち、固体撮像装置１０による距離測定において、パルス位相法のパルス数Ｍ、測定期間数Ｎ、各測定期間内でのパルス数ｂが、Ｍ＝Ｎｂを満たす場合を考えると、式１３は、
【数１３】
2017098725.tif 000015
となる。式１４と式７とを比較すると、少なくともＮ＞γの場合には、かかる固体撮像装置１０による距離測定方法の方が、パルス位相法よりも小さい光源エネルギーで測定を行うことができる、すなわち、背景光に対する耐性が高いことがわかる。ジェスチャー認識、自動車に搭載して障害物検知を行うなどの場合に、固体撮像装置１０による距離測定を用いるのであれば、Ｎ＞１００は少なくとも要求されるため、実質的にパルス位相法よりも小さい光源エネルギーでよいことが分かる。
【００９３】
次に、背景光成分が小さい場合でも、測距精度が高い理由を説明する。ここではノイズの主成分が受信光成分の光ショットノイズであるとし、他のノイズは無視できるとする。
【００９４】
パルス位相法の場合、受信光成分の光ショットノイズ成分は、大略光エネルギーＴに対する光ショットノイズに等しいと考えて、
【数１４】
2017098725.tif 000016
である。精度Ｒ／Ｎメートルを算出するための必要条件は、ＴがＴ／Ｎ以下の精度を持って測定できることである。すなわち、
【数１５】
2017098725.tif 000017
【００９５】
かかる固体撮像装置１０による距離計測の場合、簡単のため、Ｍ＝Ｎｂを満たすとすると、単一の測定期間内の受信光子数は、
【数１６】
2017098725.tif 000018
である。精度Ｒ／Ｎメートルを得るための必要条件は、単一の測定期間内の受信光エネルギーが１光子以上であることである。すなわち、
【数１７】
2017098725.tif 000019
式１６と式１７を比較すれば、Ｎ＞１の場合について、パルス位相法よりもかかる固体撮像装置１０による距離測定の方が、小さい光エネルギーで行うことができることがわかる。逆に言うと、同一光エネルギーならば、かかる固体撮像装置１０による距離測定の方が、高い測距精度が得られるといえる。
【００９６】
以上、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０によると、測定可能距離レンジが広く、強い背景光の環境下においても距離測定が可能である。
【００９７】
なお、以下の実施の形態２以降では、図２に示した画素１００内の各ブロックの具体的な回路構成を開示しながら説明する。ただし、示す回路構成はあくまでも一例であり、これに限られるわけではない。また、あるブロックは開示する回路構成、あるブロックは実施の形態１で示した機能をもつ回路、ということも当然ありえることを付記しておく。
【００９８】
（実施の形態２）
実施の形態２にかかる固体撮像装置について、図７および図８を用いて説明する。図７は、本実施の形態にかかる固体撮像装置の背景光検知期間の動作シーケンスを説明するための図である。図８は、本実施の形態にかかる固体撮像装置の距離測定期間の動作シーケンスを説明するための図である。
【００９９】
本実施の形態にかかる固体撮像装置１０が実施の形態１にかかる固体撮像装置１０と異なる点は、比較回路１０３に出力許可信号が入力される点である。
【０１００】
固体撮像装置１０の構成は、実施の形態１にかかる固体撮像装置１０の構成と同様である。以下、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０の画素１００について説明するが、実施の形態１にかかる固体撮像装置１０と重複する部分は、適宜説明を省略する。
【０１０１】
１フレーム内での固体撮像装置１０の動作の大枠は、図４と同様である。
【０１０２】
図７に示すように、背景光検知期間では、実施の形態１と同様、光源４０からの信号光をＯＦＦする。背景光検知期間では、固体撮像装置１０への入射光は、背景光によるものだけである。トランスファゲートトランジスタ１０６に、ａ秒間だけトランスファゲートパルスをＯＮすることによって、トランスファゲートトランジスタ１０６をＯＮする。なお、トランスファゲートトランジスタ１０６をＯＮする前に、予めリセットトランジスタ１０７をＯＦＦしてから、トランスファゲートパルスをＯＮすることにより、受光素子１０５はリセットされる。
【０１０３】
その後、ａ秒間に光が入射すれば、入射光に対応する電荷がトランスファゲートトランジスタ１０６を介して電荷蓄積コンデンサ１０８に蓄積される。
【０１０４】
ａ秒後、トランスファゲートトランジスタ１０６がＯＦＦされたあと、カウンタトランジスタ１０９のゲートに印加する電圧であるカウンタトリガをＯＮし、その電荷をカウンタ容量１１０に転送する。
【０１０５】
その後、カウンタトリガをＯＦＦし、リセットトランジスタ１０７をＯＮし、電荷蓄積コンデンサ１０８の電荷をリセットする。この行程をｂ回繰り返す。
【０１０６】
その後、比較回路閾値設定信号をＯＮし、この信号をクランプトランジスタ１１２に印加することにより、背景光に対応するカウンタ容量１１０の電圧を、直流カットコンデンサ１１１の両端の電圧として記憶する。この間、出力許可信号の電圧は、電圧Ｅに設定する。
【０１０７】
距離測定期間では、実施の形態１と同様に期間を複数の期間に分割する。図８は、距離測定期間での動作シーケンスを示している。
【０１０８】
期間αでは、まず背景光検知期間と同様、予めリセットトランジスタ１０７をＯＮし、電荷蓄積コンデンサ１０８の電荷をリセットしておく。
【０１０９】
その後、幅ａ秒の信号光パルスを射出する。射出した信号光パルスに対し、式１で表される時間だけ遅れてトランスファゲートトランジスタをＯＮする。トランスファゲートトランジスタをａ秒間だけＯＮしたあと、カウンタトリガをＯＮし、受光素子１０５で生成した電荷を電荷蓄積コンデンサ１０８に転送する。この行程をｂ回繰り返す。
【０１１０】
その後、出力許可信号の電圧を０に変化させる。このとき、背景光検知期間で設定した比較回路１０３の閾値と電圧Ｅの和の絶対値よりもカウンタ容量１１０に記憶しているカウンタ値の絶対値が大きければ、比較回路１０３内のインバータ１１３の状態が変わり、入力トランジスタ１１４をＯＮする。
【０１１１】
ところで、この閾値は、カウンタ容量１１０の他端の電圧を上下することによって調節することができる。すなわち、上述した電圧Ｅに相当する値を調節することができる。また、もちろん、設定する電圧値はＥと０に限られることはなく、背景光検知期間における設定値とここでの設定値の差がＥに相当する値となる。
【０１１２】
入力トランジスタ１１４のドレインには、距離信号に相当する時間信号（電圧）が印加される。例えば、（１＋α／Ｒ）ボルトを印加してもよい。比較回路１０３によってゲートがＯＮされたとき、距離信号に相当する電圧が記憶コンデンサ１１５に記憶される。
【０１１３】
全期間が終了した後、各画素の記憶コンデンサ１１５には、物体までの距離に相当する電圧が記憶されている。この信号を、距離信号出力期間に順に出力する。例えば、図１に示した固体撮像装置１０にこの画素１００を搭載している場合には、次のような動作が行われる。
【０１１４】
まず、選択トランジスタ１１８がＯＮされる。このとき、増幅トランジスタ１１７によって、記憶コンデンサ１１５に記憶された電圧が出力される。出力される電圧には、増幅トランジスタ１１７固有のオフセット電圧が実際には重畳する。そのあと、記憶ノードリセットトランジスタ１１６をＯＮして、記憶コンデンサ１１５の電圧をリセットする。記憶ノードリセットトランジスタ１１６をＯＦＦしたあとの増幅トランジスタ１１７からの出力電圧を読み出し、固体撮像装置１０内のＣＤＳ回路１５によって、上記オフセット電圧を除去することができ、距離信号を得ることができる。
【０１１５】
（実施の形態３）
実施の形態３にかかる固体撮像装置について、図９を用いて説明する。図９は、本実施の形態にかかる固体撮像装置に搭載する画素の構成を示す図である。
【０１１６】
本実施の形態にかかる固体撮像装置が実施の形態１にかかる固体撮像装置と異なる点は、受光回路が、受光素子およびトランスファゲートトランジスタを複数組有している点である。
【０１１７】
図９に示すように、本実施の形態にかかる固体撮像装置の画素２００は、受光回路２０１と、カウンタ回路１０２と、比較回路１０３と、記憶回路１０４とを備えている。
【０１１８】
受光回路２０１は、は受光素子２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄと、トランスファゲートトランジスタ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄと、リセットトランジスタ２０７とを有している。なお、図９に示す画素２００において、受光回路２０１以外の構成は図１０Ａに示した画素３００と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【０１１９】
受光素子２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄおよびトランスファゲートトランジスタ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄは、それぞれ１つずつ組となり、複数組が並列に接続されている。受光回路２０１において、トランスファゲートトランジスタ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄのＯＮ−ＯＦＦ動作は、同時に行われる。このことによって、受光回路２０１において、受光のための受光素子の総面積を増加させることができる。これにより、距離に対する物体への感度をより高めることができる。
【０１２０】
（実施の形態４）
実施の形態４にかかる固体撮像装置について、図１０Ａ〜図１２を用いて説明する。図１０Ａおよび図１０Ｂは、本実施の形態にかかる固体撮像装置に搭載する画素の構成を示す図である。図１１は、本実施の形態にかかる固体撮像装置の構成を示す概略図である。図１２は、本実施の形態にかかる固体撮像装置の１フレーム期間の動作を示す図である。
【０１２１】
本実施の形態にかかる固体撮像装置が実施の形態１にかかる固体撮像装置と異なる点は、画素が、輝度画像用増幅トランジスタと輝度画像用選択トランジスタとを備える点である。
【０１２２】
図１０Ａに示すように、画素３００は、受光回路１０１と、カウンタ回路１０２と、比較回路１０３と、記憶回路１０４とを備えている。受光回路１０１と、カウンタ回路１０２と、比較回路１０３と、記憶回路１０４の構成は、実施の形態１に示した受光回路１０１と、カウンタ回路１０２と、比較回路１０３と、記憶回路１０４と同様であるため、詳細な説明を省略する。画素３００は、さらに、輝度画像用増幅トランジスタ３０１と、輝度画像用選択トランジスタ３０２とを備えている。これにより、固体撮像装置１０は、カウンタ回路１０２、比較回路１０３および記憶回路１０４を介して受光信号に基づく距離信号を得ることにより距離画像を得、輝度画像用増幅トランジスタ３０１と輝度画像用選択トランジスタ３０２とを介して受光信号を得ることにより対象物の輝度画像を得る。
【０１２３】
図１０Ａに示した画素３００は、輝度画像用増幅トランジスタ３０１、輝度画像用選択トランジスタ３０２がさらに追加されていることが特徴である。輝度画像用増幅トランジスタ３０１および輝度画像用選択トランジスタ３０２と、受光回路１０１とを合わせた部分は、通常の固体撮像装置の画素共有型回路と同じ構成である。したがって、この部分だけで通常の二次元的な物体の輝度画像を得ることができる。
【０１２４】
なお、受光素子およびトランスファゲートトランジスタの組は、図１０Ａに示す受光素子１０５およびトランスファゲートトランジスタ１０６のように単一の組であってもよいし、図１０Ｂに示すように複数の組であってもよい。図１０Ｂに示す画素４００では、受光回路４０１は、実施の形態３に示した受光回路２０１と同様、受光素子４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄと、これらの受光素子とそれぞれ組になるトランスファゲートトランジスタ４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄとを有している。このことによって、受光回路２０１において、受光のための受光素子の総面積を増加させることができる。これにより、距離に対する物体への感度をより高めることができる。なお、図１０Ｂに示す画素４００において、受光回路４０１以外の構成は図１０Ａに示した画素３００と同様であるため、詳細な説明を省略している。
【０１２５】
上述した画素３００または４００を搭載する固体撮像装置としては、例えば、図１１に示す固体撮像装置５０のような構成が考えられる。固体撮像装置５０は、画素領域５２と、垂直シフトレジスタ５３と、画素駆動回路５４と、ＣＤＳ回路５５と、水平シフトレジスタ５６と、出力回路５７と、輝度信号線５８と、距離信号線５９と、輝度・距離選択スイッチ６０とを備えている。
【０１２６】
画素領域５２には、画素５００が二次元状に配列されている。画素５００の構成は、上述した画素３００または４００である。
【０１２７】
垂直シフトレジスタ５３、画素駆動回路５４、ＣＤＳ回路５５、水平シフトレジスタ５６、出力回路５７の構成は、実施の形態１に示した垂直シフトレジスタ１３と、画素駆動回路１４と、ＣＤＳ回路１５と、水平シフトレジスタ１６と、出力回路１７と同様で有るため、詳細な説明は省略する。なお、固体撮像装置５０では２つの出力回路５７を搭載しているが、２つでない固体撮像装置も当然考えられる。例えば、実施の形態１に示した固体撮像装置１０のように、４つの出力回路１７を備える固体撮像装置としてもよい。
【０１２８】
輝度信号線５８は、同一列の画素５００内の輝度画像用選択トランジスタ３０２に接続されている。距離信号線５９は、同一列の選択トランジスタ１１８に接続されている。輝度・距離選択スイッチ６０は、輝度信号線５８または距離信号線５９のいずれか一方を出力側に接続する。この固体撮像装置の場合は、輝度・距離選択スイッチ６０は、ＣＤＳ回路５５が入力側に接続され、輝度信号線５８または距離信号線５９のいずれか一方が出力側に接続されている。
【０１２９】
固体撮像装置５０の駆動方法について図１２を用いて説明する。図１２は、固体撮像装置５０の１フレーム期間に含まれる動作期間を示している。１フレーム期間は、背景光検知期間、距離測定期間、距離信号出力期間および輝度画像撮影・出力期間に分けられる。固体撮像装置５０は、背景光検知期間、距離測定期間、距離信号出力期間および輝度画像撮影・出力期間をこの順に繰り返す動作を行う。このうち、輝度画像撮影・出力期間は、一般的な固体撮像装置の画像撮影の駆動と同等である。つまり、輝度画像用増幅トランジスタ３０１と輝度画像用選択トランジスタ３０２とを介して受光信号を得ることにより対象物の輝度画像を得ることができる。輝度画像撮影・出力期間は、被写体の輝度画像の取得（いわゆる白黒画像）もしくは、カラーフィルタを画素５００に搭載している場合はカラー画像を取得する期間である。
【０１３０】
背景光検知期間では、実施の形態１、２または４に示した方法を用い、全画素５００について同じ動作を行う。
【０１３１】
次の距離測定期間でも、実施の形態１、２または４に示した方法を用い、全画素５００について同じ動作を行う。この時点で、各記憶回路１０４の記憶コンデンサ１１５に距離に応じた電圧が記憶されている。
【０１３２】
距離信号出力期間では、まず輝度・距離選択スイッチ６０を距離信号線５９側に選択する。次に、垂直シフトレジスタ５３により、順次行選択しながら（この走査の仕方は一般的な固体撮像装置と同様である）、選択された行の画素５００内の記憶コンデンサ１１５の電圧をＣＤＳ回路５５に読み出す。その後、記憶ノードリセットトランジスタ１１６をＯＮし、記憶コンデンサ１１５に印加される電圧をリセットする。記憶ノードリセットトランジスタ１１６をＯＦＦした後、記憶コンデンサ１１５のリセットされた電圧を、増幅トランジスタ１１７を介して距離信号線５９に読み出し、先ほどＣＤＳ回路５５に読み出した電圧に対してこの電圧を差し引くことで、距離信号を得ることができる。距離信号を、水平シフトレジスタ５６で順次列走査しながら出力回路５７を介して外部に読み出す。
【０１３３】
次の輝度画像撮影・出力期間では、輝度・距離選択スイッチ６０を輝度信号線５８側に選択する。図１０Ａに示した画素３００の場合は、輝度画像用増幅トランジスタ３０１、輝度画像用選択トランジスタ３０２を用いて、一般的な固体撮像装置と同様な動作を行えば、輝度信号、すなわち被写体の輝度画像（通常、単に「画像」と呼ぶもの）が得られる。
【０１３４】
なお、図１０Ｂに示した画素４００の場合は、複数あるトランスファゲートトランジスタ４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄを同時に動作（すなわち複数のトランスファゲートトランジスタ４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄのゲートを短絡させたのと同等の動作）させてもよいし、別々に動作させてもよい。すなわち、複数の受光回路４０１を同時に動作させるか、別々に動作させるかは任意である。前者の場合は、回路上は受光回路は１つであるとみなせるので、図１０Ａと全く同様に考えればよい。後者の場合は、距離画像の解像度に対して、輝度画像の解像度を、画素内の受光素子（フォトダイオード）の個数倍にすることが出来る。以下、この固体撮像装置５０の構成および駆動について説明する。
【０１３５】
受光素子４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄは、全て同一形状であるとする。固体撮像装置５０上の画素４００が配置されるエリアに対して、均等に受光素子４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄを配列するのが通常は望ましいと考えられる。例えば、受光素子が４個（受光素子４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄ）である場合、２行２列の配列を行う。
【０１３６】
次に、上述した構成の場合の、固体撮像装置５０の駆動について説明する。背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間において、複数のトランスファゲートトランジスタは同時に動作し、輝度画像撮影・出力期間において、複数のトランスファゲートトランジスタは別々に動作してもよい。まず、ある行の輝度画像用選択トランジスタ３０２が垂直シフトレジスタ５３によって選択されているとする。この状態で、ある１つのトランスファゲートトランジスタ、例えば、トランスファゲートトランジスタ４０６ａを動作させ、これに接続された受光素子４０５ａが検知した輝度信号、リセット電圧をＣＤＳ回路５５に読み出し差分する（これは一般的な固体撮像装置と同様である）。水平シフトレジスタ５６を動作させ、出力回路５７を介して順次読み出す。そのあと、他のトランスファゲートトランジスタ、例えばトランスファゲートトランジスタ４０６ｂを動作させ、同様の動作を行う。これを画素４００内の全てのトランスファゲートトランジスタ４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄに対して行う。そのあと、垂直シフトレジスタ５３により、次行を選択し、同様の動作を行うことで、距離画像の解像度に対して、輝度画像の解像度を、画素４００内の受光素子４０５ａの個数倍の輝度画像を得ることができる。
【０１３７】
ここで示した動作は、輝度画像を得るときの被写体からの光スペクトルが、光源４０からの光の波長を含むことが前提である。一般的には、光源４０からの光の波長だけを通過させるバンドパスフィルタを固体撮像装置５０への光学系に設置し、距離測定時の背景光の影響を抑制するのが望ましいことが知られている。この場合、輝度画像は光源４０の光波長のみによる映像となる。このことが望ましくない場合は、固体撮像装置上に搭載するカラーフィルタを工夫すること、本開示の画素と一般的な画素を固体撮像装置上に混載することなどが考えられる。
【０１３８】
（実施の形態５）
実施の形態５にかかる固体撮像装置について説明する。
【０１３９】
本実施の形態にかかる固体撮像装置に搭載される画素では、受光素子としてアバランシェ・フォトダイオードを使用する。画素は、図３、図９、図１０Ａおよび図１０Ｂに示した画素そのままでよい。
【０１４０】
受光素子としてアバランシェ・フォトダイオードを使用する場合、受光素子の両端に高電圧（通常、１０Ｖから１００Ｖ程度）を印加する。通常のフォトダイオードは、受光素子に入射した光子１個に対して、電子または正孔を１個生成するが、アバランシェ・フォトダイオードは、受光素子に入射した光子１個に対して、電子または正孔を複数個生成する。この生成する電子または正孔の個数を、増倍率という。
【０１４１】
例えば、図３に示した画素１００の場合、受光素子１０５として通常のフォトダイオードを使用すると、カウンタトランジスタ１０９をＯＮまたはＯＦＦする時に、ｋＴＣノイズと呼ばれるノイズが発生する。ｋＴＣノイズの値は、電荷蓄積コンデンサ１０８やカウンタトランジスタ１０９の容量値によるが、電荷蓄積コンデンサ１０８やカウンタトランジスタ１０９の容量値が数ｆＦの場合、数１０電子となる。数１０電子というｋＴＣノイズの値に対して、受信光の強度が弱く受光素子１０５が生成する電荷が１電子程度の場合、受信光がｋＴＣノイズに埋もれてしまうことになる。
【０１４２】
このような場合、増倍率の高いアバランシェ・フォトダイオードを受光素子１０５に使用すれば、受信光がｋＴＣノイズに埋もれてしまうことがなくなり、高いＳＮ比の距離信号を得ることができる。特に、ガイガーモードと呼ばれる、増倍率がおおむね１００００以上の状態にすれば、実施の形態１で述べたような、２値の受光信号を得ることができる。
【０１４３】
一般に、アバランシェ・フォトダイオードは、印加電圧を低くすれば（大抵は数Ｖ）、通常のフォトダイオードと同様な動作を示し、印加電圧を高くすれば（一般的に数１０Ｖから１００Ｖ程度）増倍率の高いガイガーモードで動作する。
【０１４４】
実施の形態４で示したような、距離画像と輝度画像を両方取得できる画素３００または４００の場合、背景光検知期間、距離測定期間では、アバランシェ・フォトダイオードの印加電圧を高くし、輝度画像撮影・出力期間では、アバランシェ・フォトダイオードの印加電圧を低くする。これにより、背景光検知期間、距離測定期間では、距離画像を得るのに適した動作を行うことができ、輝度画像撮影・出力期間では、一般的な固体撮像装置と同様の動作を行い、輝度画像を得ることができる。
【０１４５】
（実施の形態６）
実施の形態６にかかる固体撮像装置について、図１３を用いて説明する。図１３は、本実施の形態にかかる固体撮像装置に搭載する画素の構成を示す図である。
【０１４６】
本実施の形態にかかる固体撮像装置が実施の形態３にかかる固体撮像装置と異なる点は、受光回路が、受光素子およびトランスファゲートトランジスタに加えて、インバータと受光信号スイッチとを備える点である。
【０１４７】
図１３に示すように、本実施の形態にかかる固体撮像装置に搭載される画素６００は、受光回路６０１と、カウンタ回路１０２と、比較回路１０３と、記憶回路１０４戸を備えている。なお、図１３に示す画素６００において、受光回路６０１以外の構成は図１０Ａに示した画素３００と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【０１４８】
受光回路６０１は、受光素子６０５と、トランスファゲートトランジスタ６０６と、リセットトランジスタ６０７と、受光素子信号増幅用インバータ６０８と、受光信号スイッチ６０９とを有している。ここで、受光素子６０５およびトランスファゲートトランジスタ６０６の組は単一であってもよいし（図１３に記載している）、複数であってもよい（図としては記載していないが、図１０Ａおよび図１０Ｂの要領と同じ）。
【０１４９】
受光回路６０１では、受光素子信号増幅用インバータ６０８により、受光素子６０５によって生成された電荷を振幅の大きな受光信号に増幅し、２値信号にすることができる。この信号を、受光信号スイッチ６０９をＯＮすることにより、カウンタ回路１０２に入力すれば、受光信号を２値にすることができる。
【０１５０】
以上、一つまたは複数の態様にかかる固体撮像装置について、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。
【０１５１】
例えば、受光回路を構成する受光素子およびトランスファゲートトランジスタの組は、単一の組であってもよいし、複数の組であってもよい。
【０１５２】
また、受光回路は、輝度画像用増幅トランジスタおよび輝度画像用選択トランジスタに接続されてもよい。
【０１５３】
また、受光回路は、受光素子信号増幅用インバータと、受光信号スイッチとを有していてもよい。
【０１５４】
（実施の形態７）
実施の形態７に係る固体撮像装置について、図１６を用いて説明する。図１６は、本実施の形態に係る固体撮像装置に搭載する画素領域の配列を説明する図である。
【０１５５】
図１６の（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施の形態に係る固体撮像装置は、１つの画素２００に、受光素子２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄ（可視光を受光するものについては可視光受光素子と以下記すこともある）を有する受光回路２０１（図９に示した受光回路２０１と同様の受光回路）と、信号処理回路２１０（図９に示したカウンタ回路１０２、比較回路１０３、記憶回路１０４、増幅トランジスタ１１７、選択トランジスタ１１８と同様の構成を含む回路）とが搭載されている。なお、受光回路２０１、信号処理回路２１０の構成および動作については、図９に示した受光回路２０１、カウンタ回路１０２、比較回路１０３、記憶回路１０４、増幅トランジスタ１１７、選択トランジスタ１１８と同様であるため、図９の符号を参照して説明する。本実施の形態において、画素領域１２の複数の画素２００は、赤外線透過フィルタを備える第１の画素群と、可視光透過フィルタを備える第２の画素群とを備える。
【０１５６】
図１６の（ａ）では、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤外線（ＩＲ）を二対応する受光素子２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄを１セットとし、それが二次元状に配列されている。この１セットのエリアに、図９に示した画素回路２００が１つ搭載される。受光素子は、上述した受光素子２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄの合計４つ搭載されているが、それぞれがＲ、Ｇ、Ｂ、ＩＲに対応する受光素子である。Ｒの位置に配置された受光素子２０５ａは、受光面上に配置された赤色透過フィルタを備え、赤色光のみを受光する。Ｂの位置に配置された受光素子２０５ｃは、受光面上に配置された青色透過フィルタを備え、青色光のみを受光する。Ｇの位置に配置された受光素子２０５ｂは、受光面上に配置された緑色透過フィルタを備え、緑色光のみを受光する。ＩＲの位置に配置された受光素子２０５ｄは、受光面上に配置された赤外線透過フィルタを備え、赤外線のみを受光する。
【０１５７】
この構成により、輝度画像をＲ、Ｂ、Ｇに対応する受光素子２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃを用いて得ることにより、カラー画像を構成できる。距離画像は、光源４０として赤外線を用い、ＩＲに対応する受光素子２０５ｄを用いることにより得ることができる。
【０１５８】
駆動方法は実施の形態３に示した方法と同様の方法を用いればよい。ただし、輝度画像を得る場合には、Ｒ、Ｂ、Ｇに対応する受光素子２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃに接続されたトランスファゲートトランジスタ２０６ａのみを駆動する。一方、距離画像を得る場合には、ＩＲに対応する受光素子２０５ｄに接続されたトランスファゲートトランジスタ４０６のみを駆動すればよい。
【０１５９】
ここでは、Ｒ、Ｂ、Ｇ、ＩＲを検出する受光素子２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄが１つずつのセットが配列しているとしたが、それぞれが複数存在する配列も考えられる。例えば、Ｒ、Ｂ、Ｇに対応する受光素子２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ１つずつに対し、ＩＲ対応する受光素子２０５ｄが４つの場合も考えられる。他の組み合わせにおいても、同様の回路を用いることができる。
【０１６０】
（実施の形態８）
実施の形態８に係る固体撮像装置について、図１７および図１８を用いて説明する。図１７は、本実施の形態に係る固体撮像装置に搭載する画素領域の配列を説明する図である。図１７において、正方形内部は図１６と同様である。図１８は、本実施の形態に係る可視光画素回路の構成を示す回路図である。
【０１６１】
図１７では、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤外線（ＩＲ）を１セットとし、赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）、赤外線（ＩＲ）に対応する受光回路７００ａ、７００ｂ、７００ｃ、７００ｄを有する画素が二次元状に配列されている。ＩＲの位置には、図３もしくは図１０Ａに示した受光回路１０１と同様の構成の受光回路７００ｄが搭載される。Ｒ、Ｂ、及び、Ｇの位置には、受光回路７００ａ、７００ｂ、７００ｃが搭載される。なお、受光回路７００ａ、７００ｂ、７００ｃは、図１８に示した可視光画素回路７００と同一の構成である。以下、可視光画素回路７００について説明する。
【０１６２】
図１８に示す可視光画素回路７００は、図１０Ａに示した受光回路１０１、輝度画像用増幅トランジスタ３０１および輝度画像用選択トランジスタ３０２と同様の構成である。詳細には、受光面上に可視光（例えば、赤色光、青色光、緑色光）透過フィルタが配置された受光素子７０１と、トランスファゲートトランジスタ７０２と、リセットトランジスタ７０３と、輝度画像用増幅トランジスタ７０４と、輝度画像用選択トランジスタ７０５とを備える。可視光画素回路７００の構成は、一般的なＣＭＯＳセンサの画素回路と同様であるので、駆動方法の説明は省略する。
【０１６３】
この構成により、実施の形態７と同様に、輝度画像をＲ、Ｂ、Ｇのそれぞれに対応する受光素子７０１を用いて得ることにより、カラー画像を構成できる。距離画像は、光源４０として赤外線を用い、ＩＲに対応する受光素子７０１を用いることにより得ることができる。ＩＲの位置に図１０Ａに示した可視光画素回路７００を用いる場合には、ＩＲ光を用いた輝度画像も得ることができる。
【０１６４】
なお、実施の形態７と同様、Ｒ、Ｂ、Ｇ、ＩＲの配列方法は上記に限られず、適宜変更してもよい。
【０１６５】
（実施の形態９）
実施の形態９に係る固体撮像装置について、図１９および図２０を用いて説明する。図１９は、本実施の形態に係る固体撮像装置に搭載する画素領域の配列を説明する図である。図１９において、正方形内部は図１６、図１７と同様である。図２０は、本実施の形態に係る可視光画素回路の構成を示す回路図である。
【０１６６】
まず、図１９に示すように、縦方向に４個配列された、画素ＩＲにはそれぞれ１個ずつ受光素子が内蔵されている。これらの受光素子の受光面上には、赤外線透過フィルタが配置され、赤外線のみが受光素子によって検知される。さらにこの４個分の画素エリアには、図９もしくは図１０Ａに示した画素回路が内蔵されている。この画素回路は、図９または図１０Ａに示した画素回路１０１または２０１と同様の構成である。
【０１６７】
その右隣の画素列には、上からＲ、Ｇ、Ｒ、Ｇと記しており、それぞれ、赤色、緑色、赤色、緑色の透過フィルタが受光面上に配置された受光素子８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃ、８０１ｄ（図２０参照）が搭載されている。この４個分の画素エリアには、図２０に示した可視光画素回路８００が搭載されている（なお、図２０に示す受光素子８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃ、８０１ｄには、可視光受光素子も含まれている）。
【０１６８】
図２０に示す可視光画素回路８００は、受光素子８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃ、８０１ｄと、トランスファゲートトランジスタ８０２と、リセットトランジスタ８０３と、輝度画像用増幅トランジスタ８０４と、輝度画像用選択トランジスタ８０５とを備える。この可視光画素回路８００は、図９または図１０Ａに示した受光回路１０１または２０１、輝度画像用増幅トランジスタ３０１および輝度画像用選択トランジスタ３０２と同様の構成である。この可視光画素回路８００は、一般的なＣＭＯＳイメージセンサによく用いられる回路であるので、駆動方法の説明は省略する。
【０１６９】
受光素子８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃ、８０１ｄのうちからＲ、Ｇ、Ｂに対応する受光素子をそれぞれ用い、図２０の可視光画素回路８００を駆動することで、カラーの輝度画像を得ることができる。
【０１７０】
また、距離画像は、図９もしくは図１０Ａに示した受光回路１０１または２０１を搭載した部分を駆動することで得ることができる。図１０Ａに示した受光回路２０１を使用する場合は、赤外線の輝度画像もさらに得ることができる。
【０１７１】
なお、本実施の形態において、赤外線透過フィルタが配置されＩＲに対する受光素子を有する画素は第１の画素群、可視光（例えば、赤色光、青色光、緑色光）透過フィルタが配置されＲ、Ｇ、Ｂに対応する受光素子を有する画素は第２の画素群に対応する。
【０１７２】
上述したような画素配列とすることにより、第２の画素群において、隣接する少なくとも２つの画素は、トランスファゲートトランジスタに接続された共通のリセットトランジスタ及び共通の増幅トランジスタを備えることとなる。これにより、リセットトランジスタおよび増幅トランジスタの面積を小さくして第２の画素群の面積を大きくすることができるので、距離画像の精度を向上することができる。なお、距離画像の精度を上げるために、赤外線透過フィルタを備える第１の画素群の面積を、画素領域１２全体の面積の２５％よりも大きくすることが望ましい。
【０１７３】
なお、本実施の形態に係る画素配列は、図１９に示した配列に限定されない。他の配列の場合にも、図９、図１０Ａ、図２０に示した回路で、受光素子とトランスファゲートのセットの数を適宜増減させればよい（図９、図１０Ａ、図２０では、一例として、４セットで記載されている）。
【産業上の利用可能性】
【０１７４】
本発明にかかる固体撮像装置は、衝突防止または自動運転のための自動車用機器、距離測定装置などに応用できる。
【符号の説明】
【０１７５】
１  距離測定装置
１０、５０  固体撮像装置
１２、５２  画素領域
１３、５３  垂直シフトレジスタ
１４、５４  画素駆動回路
１５、５５  ＣＤＳ回路
１６、５６  水平シフトレジスタ
１７、５７  出力回路
２０  信号処理装置
２１  アナログフロントエンド
２２  ロジック・メモリ
３０  計算機
４０  光源
５８  輝度信号線
５９  距離信号線
６０  輝度・距離選択スイッチ
１００、２００、３００、４００、５００、６００  画素
１０１、２０１、４０１、６０１、７００ａ、７００ｂ、７００ｃ、７００ｄ  受光回路
１０２  カウンタ回路
１０３  比較回路
１０４  記憶回路
１０５、２０５ａ、２０５ｂ、２０５ｃ、２０５ｄ、４０５ａ、４０５ｂ、４０５ｃ、４０５ｄ、６０５、７０１、８０１ａ、８０１ｂ、８０１ｃ、８０１ｄ  受光素子
１０６、２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄ、４０６ａ、４０６ｂ、４０６ｃ、４０６ｄ、６０６、７０２、８０２  トランスファゲートトランジスタ
１０７、７０３、８０３  リセットトランジスタ
１０８  電荷蓄積コンデンサ
１０９  カウンタトランジスタ
１１０  カウンタ容量
１１１  直流カットコンデンサ
１１２  クランプトランジスタ
１１３  インバータ
１１４  入力トランジスタ
１１５  記憶コンデンサ
１１６  記憶ノードリセットトランジスタ
１１７  増幅トランジスタ
１１８  選択トランジスタ
１３０  出力許可信号
２１０  信号処理回路
３０１、７０４、８０４  輝度画像用増幅トランジスタ
３０２、７０５、８０５  輝度画像用選択トランジスタ
６０７  リセットトランジスタ
６０８  受光素子信号増幅用インバータ
６０９  受光信号スイッチ
７００、８００  可視光画素回路
【図１】
2017098725.tif 000020
【図２】
2017098725.tif 000021
【図３】
2017098725.tif 000022
【図４】
2017098725.tif 000023
【図５】
2017098725.tif 000024
【図６】
2017098725.tif 000025
【図７】
2017098725.tif 000026
【図８】
2017098725.tif 000027
【図９】
2017098725.tif 000028
【図１０Ａ】
2017098725.tif 000029
【図１０Ｂ】
2017098725.tif 000030
【図１１】
2017098725.tif 000031
【図１２】
2017098725.tif 000032
【図１３】
2017098725.tif 000033
【図１４】
2017098725.tif 000034
【図１５】
2017098725.tif 000035
【図１６】
2017098725.tif 000036
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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