(57)【要約】  基板上に行列状に配置された画素は、入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、当該光電変換部から信号電荷を読み出す読み出し電極と、垂直転送部を構成する垂直転送電極とを備えている。複数の第１の画素と当該第１の画素に隣接する複数の第２の画素とが、行毎に交互に配置され、かつ、列毎に交互に配置されることによって、市松状に配置されている。読み出し電極は、同一の光電変換部から読み出された複数の信号電荷が、共通の読み出し電極下において発生する暗電流を含むように、配置されている。
2016031171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に行列状に配置された画素を有し、赤外光を含む入射光を受光する固体撮像装置を備えた撮像装置であって、
前記画素は、前記入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、当該光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し電極と、垂直転送部を構成する少なくとも１つの垂直転送電極と、を備えたものであり、
前記画素として、複数の第１の画素と、当該第１の画素に隣接する複数の第２の画素とが、行毎に交互に配置され、かつ、列毎に交互に配置されることによって、加算後の画素重心が市松状になるように配置されており、
前記読み出し電極は、同一の前記光電変換部から読み出された複数の信号電荷が、共通の前記読み出し電極下において発生する暗電流を含むように、配置されている
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載の撮像装置において、
前記第１及び前記第２の画素に係る前記読み出し電極は、
各列において、列方向に並ぶように配置されており、かつ、
列毎に交互に、行方向において当該光電変換部の中心よりも上側または下側にずらして、配置されている
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の撮像装置において、
列方向に隣接する前記第１及び前記第２の画素の信号電荷を、前記垂直転送部上で加算することを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記垂直転送部は、２画素あたり複数電極で構成され、２画素で少なくとも３信号電荷を蓄積するよう構成され、
１フレーム走査期間内で、
第１の露光期間で、前記第１及び前記第２の画素から第１の信号電荷を読み出し、
第２の露光期間で、前記第１及び前記第２の画素から第２の信号電荷を読み出し、
第３の露光期間で、前記第１及び前記第２の画素から第３の信号電荷を読み出し、
前記第１〜前記第３の信号電荷を、出力する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項４記載の撮像装置において、
前記第１及び前記第２の画素から読み出された前記第１〜前記第３の信号電荷は、それぞれ行毎に同相の電極下に蓄積される
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項１記載の撮像装置において、
前記第１の画素に係る前記読み出し電極は、
各列において、列方向に並ぶように配置されており、かつ、
列毎に交互に、行方向において当該光電変換部の中心よりも上側または下側にずらして、配置されている
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
請求項１又は６記載の撮像装置において、
斜め方向に隣接する前記第１の画素の信号電荷を、前記垂直転送部上で加算する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
請求項１、６及び７のうちいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記第１の画素は、可視光を遮断するフィルタを備える
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
請求項１及び６〜８のうちいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記第２の画素は、赤外光を遮断するフィルタを備える
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
請求項１及び６〜９のうちいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記垂直転送部は、２画素あたり複数電極で構成され、２画素で少なくとも３信号電荷を蓄積するよう構成され、
第１のフレーム走査期間内で、
第１の露光期間で、前記第１の画素から第１の信号電荷を読み出し、
第２の露光期間で、前記第１の画素から第２の信号電荷を読み出し、
第３の露光期間で、前記第１の画素から第３の信号電荷を読み出し、
前記第１〜前記第３の信号電荷を出力し、
第２のフレーム走査期間内で、
第４の露光期間で、前記第２の画素から第４の信号電荷を読み出し、
前記第４の信号電荷を出力する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
請求項１及び６〜９のいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記垂直転送部は、２画素あたり複数電極で構成され、２画素で少なくとも３信号電荷を蓄積するよう構成され、
１フレーム走査期間内で、
第１の露光期間で、前記第１の画素から第１の信号電荷を読み出し、
第２の露光期間で、前記第１の画素から第２の信号電荷を読み出し、
第３の露光期間で、前記第１の画素から第３の信号電荷を読み出し、
第４の露光期間で、前記第２の画素から第４の信号電荷を読み出し、
前記第１〜前記第４の信号電荷を出力する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の撮像装置において、
前記第１の画素から読み出された前記第１〜前記第３の信号電荷は、それぞれ行毎に同相の電極下に蓄積される
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１３】
請求項４記載の撮像装置において、
撮像装置は、さらに赤外光を照射する赤外光源を備え、
前記第１の露光期間で、前記赤外光をパルス状に発光させて被写体に照射し、受光される反射光を、前記第１及び第２の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第１の信号電荷を作り、
前記第２の露光期間で、前記赤外光をパルス状に発光させて前記被写体に照射し、受光される反射光を、前記第１及び前記第２の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第２の信号電荷を作り、
前記第３の露光期間で、前記赤外光を照射せず撮像して、背景光を前記第１及び前記第２の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第３の信号電荷を作り、
前記第１の信号電荷と前記第２の信号電荷と前記第３の信号電荷とのそれぞれの差分と比率とにより前記被写体までの距離を求め、距離画像を生成するＴＯＦ型の測距センサとして利用される
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１４】
請求項１０または１１記載の撮像装置において、
撮像装置は、さらに赤外光を照射する赤外光源を備え、
前記第１の露光期間で、前記赤外光をパルス状に発光させて被写体に照射し、受光される反射光を、前記第１の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第１の信号電荷を作り、
前記第２の露光期間で、前記赤外光をパルス状に発光させて前記被写体に照射し、受光される反射光を、前記第１の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第２の信号電荷を作り、
前記第３の露光期間で、前記赤外光を照射せず撮像して、背景光を前記第１の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第３の信号電荷を作り、
前記第４の露光期間で、前記赤外光を照射せず撮像して、背景光を前記第２の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第４の信号電荷を作り、
第１〜３の信号電荷のそれぞれの差分と比率で前記被写体までの距離を求め、距離画像を生成し、第４の信号電荷の大小で前記被写体の明るさを求め、可視画像を生成するＴＯＦ型の測距センサとして利用されることを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、所定の距離位置に存在する被写体の像（距離画像）を取得する撮像装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、スマートフォン、ゲーム機等に、例えば、赤外光を撮影対象空間に照射して、被写体（人物）の体や手の動きを検出する測距カメラが搭載され、それに使われる距離画像を取得する固体撮像装置、いわゆる測距センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
特許文献１に示された固体撮像装置は、隣接する２画素の光電変換部から読み出した信号電荷を垂直転送部上で加算することで、２画素につき３つのパケット（メモリーセル）を備える。この固体撮像装置は、測距カメラの動作原理として、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ  Ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）法を用いており、赤外光をパルス状に発光させて、２種類の露光期間で被写体からの反射光を受光することで、２種類の信号電荷Ｓ０、Ｓ１を光電変換部から読み出し、各々のパケットに蓄積し、赤外光を発光させずに背景光を受光することで、信号電荷ＢＧを読み出し、パケットに蓄積する。各パケットに蓄積された信号電荷は順次転送、出力し、信号電荷Ｓ０、Ｓ１、ＢＧの比率と差分から画素毎に被写体までの距離を求めることで距離画像を生成している。【０００４】
さらに、特許文献１では、画素を市松状に配置することにより、距離画像の水平、垂直解像度の向上を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１４／００２４１５号
【発明の概要】
【０００６】
本開示の一態様では、被写体へ赤外光を照射する赤外光源と、基板上に行列状に配置された画素を有し、被写体からの入射光を受光する固体撮像装置とを備えた撮像装置であって、画素は、入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、当該光電変換部から信号電荷を読み出す読み出し電極と、垂直転送部を構成する少なくとも１つの垂直転送電極と、を備えた撮像装置である。画素として、複数の第１の画素と、当該第１の画素に隣接する複数の第２の画素とが、行毎に交互に配置され、かつ、列毎に交互に配置されることによって、市松状に配置されており、読み出し電極は、同一の光電変換部から読み出された複数の信号電荷が、共通の読み出し電極下において発生する暗電流を含むように、配置されている。
【０００７】
本態様によれば、第１および第２画素が市松状に配置されている。そして、同一の光電変換部から読み出された複数の信号電荷が、共通の読み出し電極下において発生する暗電流を含むように、読み出し電極が配置されている。これにより、１つの画素から読み出された複数の信号電荷に含まれる暗電流の発生源が同じになるため、暗電流の信号レベルが統一されるので、測距精度を悪化することなく、水平および垂直解像度を向上することが可能となる。
【０００８】
本開示によれば、測距結果のばらつきを低減し、測距精度を向上した撮像装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、ＴＯＦ方式における一般的な測距カメラの概略構成図である。
【図２】図２は、図１の測距カメラの概略動作を示す第１のタイミング図である。
【図３】図３は、図２のタイミング図に基づくＴＯＦ法の動作原理を示す図である。
【図４】図４は、図２のタイミング図に基づくＴＯＦ法の動作原理を示す図である。
【図５】図５は、特許文献１に係る固体撮像装置の構造を示す平面図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図５の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図５の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図５の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、図５の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図６Ｆ】図６Ｆは、図５の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図７】図７は、固体撮像装置を用いた測距カメラの概略構成図である。
【図８】図８は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図９Ａ】図９Ａは、図８の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図８の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図８の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図９Ｄ】図９Ｄは、図８の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図９Ｅ】図９Ｅは、図８の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図９Ｆ】図９Ｆは、図８の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１０】図１０は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図１１】図１１は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、図１１の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１１の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、図１１の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１２Ｄ】図１２Ｄは、図１１の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１２Ｅ】図１２Ｅは、図１１の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１２Ｆ】図１２Ｆは、図１１の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１２Ｇ】図１２Ｇは、図１１の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１２Ｈ】図１２Ｈは、図１１の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１３】図１３は、第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す平面図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、図１３の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、図１３の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、図１３の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１４Ｄ】図１４Ｄは、図１３の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１４Ｅ】図１４Ｅは、図１３の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１４Ｆ】図１４Ｆは、図１３の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【図１４Ｇ】図１４Ｇは、図１３の固体撮像装置の動作を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の撮像装置における問題点を簡単に説明する。
【００１１】
特許文献１で開示された撮像装置は、高画質かつ高精度でありながら、システム全体の電力と発熱を抑えることができるものである。
【００１２】
しかしながら、固体撮像装置は、光電変換部から垂直転送部に信号電荷を読み出す際、読み出しに起因する暗電流が発生する場合がある。
【００１３】
このため、特許文献１の画素を市松状に配置した構造では、読み出しに起因する暗電流が発生した場合、信号電荷Ｓ０及びＳ１に含まれる暗電流と、信号電荷ＢＧに含まれる暗電流は、発生源が異なるために信号レベルが異なる。測距センサでは、信号電荷Ｓ０及びＳ１と信号電荷ＢＧの差分をとることで、背景光の影響をキャンセルすることが可能であるが、信号電荷Ｓ０及びＳ１と信号電荷ＢＧに含まれる暗電流の信号レベルが異なる場合、暗電流成分がキャンセルできない。このため、測距結果にばらつきが生じ、測距精度が悪化する場合があるという課題を有している。
【００１４】
本開示は、上記課題に鑑みてなされたものであり、測距結果のばらつきを低減し、測距精度を向上した撮像装置を提供することを目的とする。
【００１５】
（本開示の基礎となった知見）
本開示の実施形態について説明する前に、本開示の基礎となった知見について説明する。
【００１６】
図１は、ＴＯＦ方式により動作する一般的な測距カメラの概略構成図である。図１に示すように、被写体１に背景光源２の下、赤外光が赤外光源３から照射される。その反射光を、光学レンズ４を介して固体撮像装置５で受け、固体撮像装置５に結像された画像を電気信号に変換する。
【００１７】
図２は、測距カメラの概略動作を示すタイミング図である。パルス幅Ｔｐの照射光は、被写体で反射され、反射光は遅れ時間Δｔを持って固体撮像装置に入力される。遅れ時間Δｔを計測することで、被写体までの距離を求めることができる。
【００１８】
図３は、図２のタイミング図に基づくＴＯＦ方式の測距カメラの動作原理の一例を説明する図である。図３に示すように、パルス幅Ｔｐの照射光の立ち上がり時刻から始まる第１露光期間をＴ１、照射光の立ち下がり時刻から始まる第２露光期間をＴ２、赤外光源をＯＦＦした第３露光期間をＴ３とし、露光期間Ｔ１〜Ｔ３は、パルス幅Ｔｐよりも長い時間に設定される。第１露光期間Ｔ１においてカメラが得られる信号量（信号電荷量）をＳ０、第２露光期間Ｔ２においてカメラが得られる信号量（信号電荷量）をＳ１、第３露光期間Ｔ３においてカメラが得られる信号量（信号電荷量）をＢＧとすると、遅れ時間Δｔは次式で与えられる。
【００１９】
Δｔ＝Ｔｐ｛（Ｓ１−ＢＧ）／（Ｓ０−ＢＧ）｝
図４は、図２のタイミング図に基づくＴＯＦ方式の測距カメラの動作原理のもう一つの例を説明する図である。図４に示すように、パルス幅Ｔｐの照射光の立ち上がり時刻から始まる第１露光期間をＴ１、照射光の立ち下がり時刻から始まる第２露光期間をＴ２、近赤外光源をＯＦＦした第３露光期間をＴ３とし、露光期間Ｔ１〜Ｔ３は、パルス幅Ｔｐと同じ長さに設定される。第１露光期間Ｔ１においてカメラが得られる信号量（信号電荷量）をＳ０、第２露光期間Ｔ２においてカメラが得られる信号量（信号電荷量）をＳ１、第３露光期間Ｔ３においてカメラが得られる信号量（信号電荷量）をＢＧとすると、遅れ時間Δｔは次式で与えられる。
【００２０】
Δｔ＝Ｔｐ｛（Ｓ１−ＢＧ）／（Ｓ０＋Ｓ１−２×ＢＧ）｝
これらＴＯＦ方式の測距カメラに用いる固体撮像素子は、照射光の１周期について、複数回のサンプリングができるものでなければならない。
【００２１】
ここで、特許文献１に示した固体撮像装置では、図５のような構造が開示されている。この固体撮像装置は、半導体基板に行列状に配置され、入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部１００１と、光電変換部１００１に対応して設けられ、光電変換部１００１から読み出された信号電荷を列方向（垂直方向）に転送する垂直転送部１００２と、垂直転送部１００２によって転送された信号電荷を行方向（水平方向）に転送する水平転送部１００３と、水平転送部１００３によって転送された信号電荷を出力する電荷検出部１００４とを備える。さらに光電変換部１００１から垂直転送部１００２へ信号電荷を行毎に読み出すことが可能なように、光電変換部１００１のそれぞれに対応して設けられた第１の読み出し電極１００５ａ及び第２の読み出し電極１００５ｂとを備える。図５では、読み出し電極１００５ａ，１００５ｂの位置にハッチを付している。
【００２２】
ここで、固体撮像装置はＣＣＤ撮像素子であり、例えば、垂直転送部１００２は、２画素あたり垂直転送電極１００５が８ゲートある８相駆動であり、２つの光電変換部１００１につき、３つのパケット１００６ａ〜１００６ｃが備えられている。水平転送部１００３は２相駆動である。光電変換部１００１からの信号電荷の読み出し電極は、８相駆動の垂直転送部１００２の、垂直転送電極１００５ａ及び１００５ｂが兼用した構成になっている。光電変換部に溜まった信号電荷は、例えば、パケット１００６ａで表される電極に読み出される。
【００２３】
また、第１の読み出し電極１００５ａ及び第２の読み出し電極１００５ｂは、垂直転送部１００２を挟んで水平方向に隣り合う光電変換部１００１のそれぞれから同時に読み出し、加算できる構造になっており、加算後の画素重心が市松状になるよう、加算される画素は、列毎に１画素ずつずれた構造になっている。
【００２４】
なお、第１の読み出し電極１００５ａ及び第２の読み出し電極１００５ｂは、全行に配置されているため、両側の光電変換部１００１から読み出してはいけない箇所と、両側の光電変換部１００１から読み出す箇所とが、図５に示すように市松状に存在する。このため、第１の読み出し電極１００５ａ及び第２の読み出し電極１００５ｂのうち、信号電荷を読み出さない電極の両側にはチャネルストップ領域１００７を形成して、第１の読み出し電極１００５ａ及び第２の読み出し電極１００５ｂに読み出しパルスを印加したときに、垂直転送部１００２に信号電荷が読み出されないようにする。また、逆に、第１の読み出し電極１００５ａ及び第２の読み出し電極１００５ｂのうち、信号電荷を読み出す必要のある電極の両側にはチャネルストップ領域１００７を設けずに、信号電荷を読み出しやすくする。
【００２５】
図６Ａ〜図６Ｆは、図５に示す固体撮像装置の動作を示す平面図である。図６Ａは、露光前の固体撮像装置の動作、図６Ｂ〜図６Ｆは、各露光期間の固体撮像装置の動作を示している。
【００２６】
まず、露光期間前は、図６Ａに示すように、各パケット１００６ａ〜１００６ｃに信号電荷は蓄積されていない。
【００２７】
露光期間では、まず、図６Ｂに示すように、第１露光期間Ｔ１に、図中ａ、ｃ列の光電変換部１００１から、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部１００２に、図中ｂ、ｄ列の光電変換部１００１から、図中Ｂ、Ｄ行の垂直転送部１００２に、信号電荷Ｓ０を読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極１００５ａ及び読み出し電極１００５ｂに読み出しパルスを印加することによって暗電流が生じる場合、パケット１００６ａに注目すると、図中ｃ列の光電変換部１００１から図中Ｃ行の垂直転送部１００２に信号電荷Ｓ０を読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット１００６ａで発生し、蓄積される。一方、パケット１００６ｃに注目すると、図中ｄ列の光電変換部１００１から信号電荷Ｓ０を読み出す際、読み出しパルスが印加される読み出し電極１００５ａ及び読み出し電極１００５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｄがパケット１００６ｃで発生し、蓄積される。これら、第１露光期間Ｔ１の読み出し、蓄積動作は、一定数繰り返される。
【００２８】
次に、第１露光期間Ｔ１の読み出し、蓄積動作が終了後、図６Ｃに示すように、垂直転送部１００２のパケットを１段分、図中下方に転送させる。
【００２９】
次に、図６Ｄに示すように、第２露光期間Ｔ２に、図中ａ、ｃ列の光電変換部１００１から、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部１００２に、図中ｂ、ｄ列の光電変換部１００１から、図中Ｂ、Ｄ行の垂直転送部１００２に、信号電荷Ｓ１を読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極１００５ａ及び読み出し電極１００５ｂに読み出しパルスを印加することによって暗電流が生じる場合、パケット１００６ｂに注目すると、図中ｃ列の光電変換部１００１から図中Ｃ行の垂直転送部１００２に信号電荷Ｓ１を読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット１００６ｂで発生し、蓄積される。一方、パケット１００６ａに注目すると、図中ｂ列の光電変換部１００１から信号電荷Ｓ１を読み出す際、読み出しパルスを印加される読み出し電極１００５ａ及び読み出し電極１００５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｂがパケット１００６ａで発生し、蓄積される。これら、第２露光期間Ｔ２の読み出し、蓄積動作は、第１露光期間Ｔ１と同数繰り返される。
【００３０】
次に、第２露光期間Ｔ２の読み出し、蓄積動作が終了後、図６Ｅに示すように、垂直転送部１００２のパケットを１段分、図中下方に転送させる。
【００３１】
次に、図６Ｆに示すように、第３露光期間Ｔ３に、図中ａ、ｃ列の光電変換部１００１から、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部１００２に、図中ｂ、ｄ列の光電変換部１００１から、図中Ｂ、Ｄ行の垂直転送部１００２に、信号電荷ＢＧを読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極１００５ａ及び読み出し電極１００５ｂに読み出しパルスを印加することによって暗電流が生じる場合、パケット１００６ｃに注目すると、図中ｃ列の光電変換部１００１から図中Ｃ行の垂直転送部１００２に信号電荷ＢＧを読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット１００６ｃで発生し、蓄積される。一方、パケット１００６ｂに注目すると、図中ｂ列の光電変換部１００１から信号電荷ＢＧを読み出す際、読み出しパルスを印加される読み出し電極１００５ａ及び読み出し電極１００５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｂがパケット１００６ｂで発生し、蓄積される。これら、第３露光期間Ｔ３の読み出し、蓄積動作は、第１露光期間Ｔ１及び第２露光期間Ｔ２と同数繰り返される。
【００３２】
その後、垂直転送部１００２のパケットを２段分、図中上方に転送させ、図６Ｂ〜図６Ｆの動作を複数セット行なった後、信号電荷を１段ずつ垂直転送部１００２から水平転送部１００３へ転送し、水平転送部１００３から電荷検出部１００４へ順次転送し、出力する。
【００３３】
図６Ｆにおいて、パケット１００６ａ〜１００６ｃに蓄積された信号電荷に注目すると、パケット１００６ａには（Ｓ０＋Ｃｃ＋Ｃｂ）、パケット１００６ｂには（Ｓ１＋Ｃｃ＋Ｃｂ）、パケット１００６ｃには（ＢＧ＋Ｃｃ＋Ｃｄ）が蓄積されている。パケット１００６ａ〜１００６ｃの信号電荷Ｓ０、Ｓ１及びＢＧは、同一の光電変換部１００１から読み出された信号であり、これらの信号から遅れ時間Δｔを求めると、例えば次式の通りとなる。
【００３４】
Δｔ＝Ｔｐ｛（Ｓ１−ＢＧ＋Ｃｂ−Ｃｄ）／（Ｓ０−ＢＧ＋Ｃｂ−Ｃｄ）｝
ここで、暗電流Ｃｂ及びＣｄは遅れ時間に依存しない信号であり、発生源が異なることから信号レベルにばらつきを持つため、測距結果に誤差やばらつきが生じ、測距精度が悪化するという課題を有している。
【００３５】
そこで、以下の実施形態に示す撮像装置のように、画素が市松状に配置された構造において、読み出し電極を列毎に上下方向に反転して配置し、信号電荷Ｓ０、Ｓ１及びＢＧに含まれる暗電流の発生源及び信号レベルを統一することにより、撮像装置において測距結果の誤差やばらつきを低減し、測距精度を向上している。
【００３６】
以下、上記課題を解決するための実施形態について、図面を参照して説明する。なお、添付の図面を用いて説明を行うが、これらは例示を目的としており、本開示がこれらに限定されることを意図しない。図面において実質的に同一の構成、動作及び効果を表す要素については、同一の符号を付す。
【００３７】
なお、本明細書において、「画素」は、光電変換部と、読み出し電極と、垂直転送部を構成する少なくとも１つの垂直転送電極とを含み、固体撮像装置において繰り返し配置される単位セルのことをいう。
【００３８】
図７は、固体撮像装置を備えた測距カメラの概略構成図である。図７に示すように、被写体１１に背景光源１２の下、赤外光が赤外光源１３から照射される。その反射光を、光学レンズ１４を介して固体撮像装置１５で受け、固体撮像装置１５に結像された画像を電気信号に変換する。赤外光源１３と固体撮像装置１５の動作は制御部１６によって制御され、固体撮像装置１５の出力は信号処理部１７によって距離画像に変換され、用途によっては可視画像にも変換される。赤外光源１３と、光学レンズ１４と、例えばＣＣＤイメージセンサである固体撮像装置１５とが、測距カメラを構成する。
【００３９】
以上の測距カメラに好適に利用される撮像装置の一態様としての固体撮像装置について、以下の第１〜第４の実施形態で説明する。
【００４０】
（第１の実施形態）
図８は、第１の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図８では、図面の簡略化のために、垂直方向に４画素分、水平方向に４画素分のみ示している。
【００４１】
図８に示すように、この固体撮像装置は、半導体基板に行列状に配置された画素を有し、赤外光を含む入射光を受光し、入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部１０１と、光電変換部１０１に対応して設けられ、光電変換部１０１から読み出された信号電荷を列方向に転送する垂直転送部１０２と、垂直転送部１０２によって転送された信号電荷を行方向に転送する水平転送部１０３と、水平転送部１０３によって転送された信号電荷を出力する電荷検出部１０４とを備えている。さらに光電変換部１０１から垂直転送部１０２へ信号電荷を行毎に読み出すことが可能なように、光電変換部１０１のそれぞれに対応して設けられた第１の読み出し電極１０５ａ及び第２の読み出し電極１０５ｂとを備えている。図８では、読み出し電極１０５ａ，１０５ｂの位置にハッチを付している。
【００４２】
第１の読み出し電極１０５ａ及び第２の読み出し電極１０５ｂは、行方向において、光電変換部１０１の中心より上側又は下側に備えられ、また列毎に上下方向に反転して配置されている。例えば、図中ａ列及びｃ列の画素における光電変換部１０１に対応して設けられる第１の読み出し電極１０５ａは、光電変換部１０１の中心より下側に備えられ、図中ｂ列及びｄ列の画素における光電変換部１０１に対応して設けられる第２の読み出し電極１０５ｂは、光電変換部１０１の中心より上側に備えられている。すなわち、図中ハッチを付したように、読み出し電極１０５ａ，１０５ｂは、各列において、列方向に並ぶように配置されており、かつ、列毎に交互に、行方向において光電変換部１０１の中心よりも上側または下側にずらして、配置されている。
【００４３】
ここで、固体撮像装置はＣＣＤ撮像素子であり、例えば、垂直転送部１０２は、２画素あたり垂直転送電極１０５が８ゲートある８相駆動であり、２つの光電変換部１０１につき、３つのパケット１０６ａ〜１０６ｃが備えられている。水平転送部１０３は２相駆動である。光電変換部１０１からの信号電荷の読み出し電極は、８相駆動の垂直転送部１０２の、垂直転送電極１０５ａ及び１０５ｂが兼用した構成になっている。光電変換部に溜まった信号電荷は、例えば、信号パケット１０６ａで表される電極に読み出される。
【００４４】
また、第１の読み出し電極１０５ａ及び第２の読み出し電極１０５ｂは、垂直転送部１０２を挟んで水平方向に隣り合う光電変換部１０１のそれぞれから同時に読み出し、加算できる構造になっており、加算後の画素重心が市松状になるよう、加算される画素は、行毎に１画素ずつずれ、かつ、列毎に１画素ずつずれた構造になっている。図面上において、左側にある垂直転送部１０２に信号電荷が読み出される光電変換部１０１を備えた画素が第１の画素に相当し、右側にある垂直転送部１０２に信号電荷が読み出される光電変換部１０１を備えた画素が、第２の画素に相当する。
【００４５】
なお、第１の読み出し電極１０５ａ及び第２の読み出し電極１０５ｂは、全行に配置されているため、両側の光電変換部１０１から読み出してはいけない箇所と、両側の光電変換部１０１から読み出す箇所とが、図８に示すように市松状に存在する。このため、第１の読み出し電極１０５ａ及び第２の読み出し電極１０５ｂのうち、信号電荷を読み出さない電極の両側にはチャネルストップ領域１０７を形成して、第１の読み出し電極１０５ａ及び第２の読み出し電極１０５ｂに読み出しパルスを印加したときに、垂直転送部１０２に信号電荷が読み出されないようにする。また、逆に、第１の読み出し電極１０５ａ及び第２の読み出し電極１０５ｂのうち、信号電荷を読み出す必要のある電極の両側にはチャネルストップ領域１０７を設けずに、信号電荷を読み出しやすくする。
【００４６】
図９Ａ〜図９Ｆは、図８に示す固体撮像装置の動作を示す平面図である。図９Ａは、露光前の固体撮像装置の動作、図９Ｂ〜図９Ｆは、各露光期間の固体撮像装置の動作を示している。
【００４７】
まず、露光期間前は、図９Ａに示すように、各パケット１０６ａ〜１０６ｃに信号電荷は蓄積されていない。
【００４８】
露光期間では、まず、図９Ｂに示すように、第１露光期間Ｔ１に、図中ａ、ｃ列の光電変換部１０１から、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部１０２に、図中ｂ、ｄ列の光電変換部１０１から、図中Ｂ、Ｄ行の垂直転送部１０２に、信号電荷Ｓ０を読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極１０５ａ及び読み出し電極１０５ｂに読み出しパルスを印加することによって読み出し電極下に暗電流が生じる場合、パケット１０６ａに注目すると、図中ｃ列の光電変換部１０１から図中Ｃ行の垂直転送部１０２に信号電荷Ｓ０を読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット１０６ａで発生し、蓄積される。さらに、図中ｂ列の光電変換部１０１から信号電荷Ｓ０を読み出す際、読み出しパルスが印加される読み出し電極１０５ａ及び読み出し電極１０５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｂが生じるが、読み出し電極１０５ａ及び読み出し電極１０５ｂは列毎に上下方向に反転して配置されているため、暗電流Ｃｃと同様に、暗電流Ｃｂはパケット１０６ａで発生し、蓄積される。これら、第１露光期間Ｔ１の読み出し、蓄積動作は、一定数繰り返される。
【００４９】
次に、第１露光期間Ｔ１の読み出し、蓄積動作が終了後、図９Ｃに示すように、垂直転送部１０２のパケットを１段分、図中下方に転送させる。
【００５０】
次に、図９Ｄに示すように、第２露光期間Ｔ２に、図中ａ、ｃ列の光電変換部１０１から、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部１０２に、図中ｂ、ｄ列の光電変換部１０１から、図中Ｂ、Ｄ行の垂直転送部１０２に、信号電荷Ｓ１を読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極１０５ａ及び読み出し電極１０５ｂに読み出しパルスを印加することによって暗電流が生じる場合、パケット１０６ｂに注目すると、図中ｃ列の光電変換部１０１から図中Ｃ行の垂直転送部１０２に信号電荷Ｓ１を読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット１０６ｂで発生し、蓄積される。さらに、図中ｂ列の光電変換部１０１から信号電荷Ｓ１を読み出す際、読み出しパルスが印加される読み出し電極１０５ａ及び読み出し電極１０５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｂが生じるが、読み出し電極１０５ａ及び読み出し電極１０５ｂは列毎に上下方向に反転して配置されているため、暗電流Ｃｃと同様に、暗電流Ｃｂはパケット１０６ｂで発生し、蓄積される。これら、第２露光期間Ｔ２の読み出し、蓄積動作は、第１露光期間Ｔ１と同数繰り返される。
【００５１】
次に、第２露光期間Ｔ２の読み出し、蓄積動作が終了後、図９Ｅに示すように、垂直転送部１０２のパケットを１段分、図中下方に転送させる。
【００５２】
次に、図９Ｆに示すように、第３露光期間Ｔ３に、図中ａ、ｃ列の光電変換部１０１から、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部１０２に、図中ｂ、ｄ列の光電変換部１０１から、図中Ｂ、Ｄ行の垂直転送部１０２に、信号電荷ＢＧを読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極１０５ａ及び読み出し電極１０５ｂに読み出しパルスを印加することによって暗電流が生じる場合、パケット１０６ｃに注目すると、図中ｃ列の光電変換部１０１から図中Ｃ行の垂直転送部１０２に信号電荷ＢＧを読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット１０６ｃで発生し、蓄積される。さらに、図中ｂ列の光電変換部１０１から信号電荷ＢＧを読み出す際、読み出しパルスが印加される読み出し電極１０５ａ及び読み出し電極１０５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｂが生じるが、読み出し電極１０５ａ及び読み出し電極１０５ｂは列毎に上下方向に反転して配置されているため、暗電流Ｃｃと同様に、暗電流Ｃｂはパケット１０６ｃで発生し、蓄積される。これら、第３露光期間Ｔ３の読み出し、蓄積動作は、第１露光期間Ｔ１及び第２露光期間Ｔ２と同数繰り返される。
【００５３】
その後、垂直転送部１０２のパケットを２段分、図中上方に転送させ、図９Ｂ〜図９Ｆの動作を複数セット行なった後、信号電荷を１段ずつ垂直転送部１０２から水平転送部１０３へ転送し、水平転送部１０３から電荷検出部１０４へ順次転送し、出力する。
【００５４】
図９Ｆにおいて、パケット１０６ａ〜１０６ｃに蓄積された信号電荷に注目すると、電極名Ｖ８から構成されるパケット１０６ａには（Ｓ０＋Ｃｃ＋Ｃｂ）、電極名Ｖ６から構成されるパケット１０６ｂには（Ｓ１＋Ｃｃ＋Ｃｂ）、電極名Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４から構成されるパケット１０６ｃには（ＢＧ＋Ｃｃ＋Ｃｂ）が蓄積され、行毎に同相の電極下には同種の信号電荷が蓄積されている。すなわち、電極名Ｖ８から構成されるパケットには（Ｓ０＋暗電流）、電極名Ｖ６から構成されるパケットには（Ｓ１＋暗電流）、電極名Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４から構成されるパケットには（ＢＧ＋暗電流）が蓄積されている。ここで、パケット１０６ａ〜１０６ｃの信号電荷Ｓ０、Ｓ１及びＢＧは、同一の光電変換部１０１から読み出された信号であり、これらの信号から遅れ時間Δｔを求めると、例えば次式の通りとなる。
【００５５】
Δｔ＝Ｔｐ｛（Ｓ１−ＢＧ）／（Ｓ０−ＢＧ）｝
以上、第１の実施形態に係る固体撮像装置によれば、水平、垂直解像度を向上すべく、加算後の画素重心が市松状になる構造において、第１の読み出し電極１０５ａ及び第２の読み出し電極１０５ｂを光電変換部１０１の中心より上側又は下側に備え、また列毎に上下方向に反転して配置することで、信号電荷Ｓ０、Ｓ１及びＢＧに含まれる暗電流の発生源及び信号レベルを統一することが可能となる。これにより、遅れ時間Δｔには暗電流成分が含まれないため、測距結果のばらつきを低減し、測距精度を向上することができる。
【００５６】
（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図１０では、図面の簡略化のために、垂直方向に４画素分、水平方向に４画素分のみ示している。
【００５７】
図１０に示すように、この固体撮像装置は、半導体基板に行列状に配置され、入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部２０１と、光電変換部２０１に対応して設けられ、光電変換部２０１から読み出された信号電荷を列方向に転送する垂直転送部２０２と、垂直転送部２０２によって転送された信号電荷を行方向に転送する水平転送部２０３と、水平転送部２０３によって転送された信号電荷を出力する電荷検出部２０４とを備えている。さらに光電変換部２０１から垂直転送部２０２へ信号電荷を行毎に読み出すことが可能なように、光電変換部２０１のそれぞれに対応して設けられた第１の読み出し電極２０５ａ及び第２の読み出し電極２０５ｂとを備えている。図１０では、読み出し電極２０５ａ，２０５ｂの位置にハッチを付している。２０７はチャネルストップ領域である。
【００５８】
図中ハッチを付したように、読み出し電極２０５ａ，２０５ｂは、各列において、列方向に並ぶように配置されており、かつ、列毎に交互に、行方向において光電変換部２０１の中心よりも上側または下側にずらして、配置されている。
【００５９】
第２の実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態に係る固体撮像装置と比較して、垂直転送部２０２の電極構成が異なり、それに起因して、１つのパケットを構成する垂直転送電極２０５の数が異なる。しかし、１つの光電変換部から読み出された複数の信号電荷に含まれる暗電流の発生源を統一することができる構造を提供することを目的とする点は、第１の実施形態に係る固体撮像装置と同様である。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明し、同じ点は説明を省略する。
【００６０】
図１０に示した固体撮像装置は、図８に示した固体撮像装置と比較すると、垂直転送部２０２は、２画素あたり垂直転送電極２０５が１０ゲートある１０相駆動であり、１つのパケット２０６ａ〜２０６ｃを構成する最低電極数は１つではなく２つである。
【００６１】
図１０に示した固体撮像装置の動作については、図８に示した固体撮像装置と比較して、信号電荷を図中上下方向に転送する際の転送電極数、及び蓄積電極数が異なるものの、パケット単位で見た動作については図９Ａ〜Ｆで示した動作と同じである。
【００６２】
以上、第２の実施形態に係る固体撮像装置によれば、２画素あたり垂直転送電極２０５が１０ゲートある１０相駆動である場合においても、信号電荷Ｓ０、Ｓ１及びＢＧに含まれる暗電流の発生源及び信号レベルを統一することが可能となる。これにより、第１の実施形態に係る固体撮像装置と比較して、信号電荷を蓄積する垂直転送電極２０５の電極数が増加するため、飽和信号量を拡大し、測距レンジを向上することができる。
【００６３】
（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図１１では、図面の簡略化のために、垂直方向に４画素分、水平方向に４画素分のみ示している。
【００６４】
図１１に示すように、この固体撮像装置は、半導体基板に行列状に配置され、入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部３０１と、光電変換部３０１に対応して設けられ、光電変換部３０１から読み出された信号電荷を列方向に転送する垂直転送部３０２と、垂直転送部３０２によって転送された信号電荷を行方向に転送する水平転送部３０３と、水平転送部３０３によって転送された信号電荷を出力する電荷検出部３０４とを備えている。さらに光電変換部３０１から垂直転送部３０２へ信号電荷を行毎に読み出すことが可能なように、光電変換部３０１のそれぞれに対応して設けられた読み出し電極３０５ａ〜３０５ｄとを備えている。図１１では、読み出し電極３０５ａ，３０５ｂの位置にハッチを付しており、また、読み出し電極３０５ｃ，３０５ｄの位置に別種のハッチを付している。
【００６５】
第３の実施形態に係る固体撮像装置は、第１の実施形態に係る固体撮像装置と比較して、画素に備えられるフィルタが異なり、それに起因して、読み出し電極３０５ａ〜３０５ｄの配置が異なる。しかし、１つの光電変換部から読み出された複数の信号電荷に含まれる暗電流の発生源を統一することができる構造を提供することを目的とする点は、第１の実施形態に係る固体撮像装置と同様である。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明し、同じ点は説明を省略する。
【００６６】
図１１に示した固体撮像装置は、図８に示した固体撮像装置と比較すると、光電変換部３０１の半数が、可視光を遮断するＩＲフィルタが備えられた第１の光電変換部３０１ａで構成され、残りの半数が、赤外光を遮断するＢＷフィルタが備えられた第２の光電変換部３０１ｂで構成されており、それらは市松状に配置されている。第１の光電変換部３０１ａを備えた画素が第１の画素に相当し、第２の光電変換部３０１ｂを備えた画素が第２の画素に相当する。これにより、可視画像と距離画像とをそれぞれ得ることができる。
【００６７】
また、第１の読み出し電極３０５ａ及び第２の読み出し電極３０５ｂは、第１の光電変換部３０１ａに列毎に上下方向に反転して配置され、第３の読み出し電極３０５ｃ及び第４の読み出し電極３０５ｄは、第２の光電変換部３０１ｂに列毎に同じ位置に配置される。すなわち、図中ハッチを付したように、第１の光電変換部３０１ａに係る読み出し電極３０５ａ，３０５ｂは、各列において、列方向に並ぶように配置されており、かつ、列毎に交互に、行方向において光電変換部３０１ａの中心よりも上側または下側にずらして、配置されている。一方、第２の光電変換部３０１ｂに係る読み出し電極３０５ｃ，３０５ｄは、各列において、列方向に並ぶように配置されており、行方向において光電変換部３０１ｂの中心に合う位置に、配置されている。なお、読み出し電極３０５ａ〜３０５ｄは、光電変換部３０１の信号電荷を加算せずに読み出す構造になっている。
【００６８】
図１２Ａ〜図１２Ｆは、図１１に示す固体撮像装置の動作を示す平面図である。図１２Ａは、第１フレームの露光前の固体撮像装置の動作、図１２Ｂ〜図１２Ｆは、第１フレームの各露光期間の固体撮像装置の動作、図１２Ｇは、第２フレームの露光前の固体撮像装置の動作、図１２Ｈは、第２フレームの露光期間の固体撮像装置の動作を示している。
【００６９】
まず、第１フレームの露光期間前は、図１２Ａに示すように、各パケット３０６ａ〜３０６ｃに信号電荷は蓄積されていない。
【００７０】
第１フレームの露光期間では、まず、図１２Ｂに示すように、第１露光期間Ｔ１に、図中ａ、ｃ列の第１の光電変換部３０１ａから、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部３０２に、図中ｂ、ｄ列の第１の光電変換部３０１ａから、図中Ｂ、Ｄ行の垂直転送部３０２に、信号電荷Ｓ０を読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極３０５ａ及び読み出し電極３０５ｂに読み出しパルスを印加することによって暗電流が生じる場合、パケット３０６ａに注目すると、図中ｃ列の光電変換部３０１から図中Ｃ行の垂直転送部３０２に信号電荷Ｓ０を読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット３０６ａで発生し、蓄積される。さらに、図中ｂ列の光電変換部３０１から信号電荷Ｓ０を読み出す際、読み出しパルスが印加される読み出し電極３０５ａ及び読み出し電極３０５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｂが生じるが、読み出し電極３０５ａ及び読み出し電極３０５ｂは列毎に上下方向に反転して配置されているため、暗電流Ｃｃと同様に、暗電流Ｃｂはパケット３０６ａで発生し、蓄積される。これら、第１露光期間Ｔ１の読み出し、蓄積動作は、一定数繰り返される。
【００７１】
次に、第１露光期間Ｔ１の読み出し、蓄積動作が終了後、図１２Ｃに示すように、垂直転送部３０２のパケットを１段分、図中下方に転送させる。
【００７２】
次に、図１２Ｄに示すように、第２露光期間Ｔ２に、図中ａ、ｃ列の第１の光電変換部３０１ａから、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部３０２に、図中ｂ、ｄ列の第１の光電変換部３０１ａから、図中Ｂ、Ｄ行の垂直転送部３０２に、信号電荷Ｓ１を読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極３０５ａ及び読み出し電極３０５ｂに読み出しパルスを印加することによって暗電流が生じる場合、パケット３０６ｂに注目すると、図中ｃ列の光電変換部３０１から図中Ｃ行の垂直転送部３０２に信号電荷Ｓ１を読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット３０６ｂで発生し、蓄積される。さらに、図中ｂ列の光電変換部３０１から信号電荷Ｓ１を読み出す際、読み出しパルスが印加される読み出し電極３０５ａ及び読み出し電極３０５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｂが生じるが、読み出し電極３０５ａ及び読み出し電極３０５ｂは列毎に上下方向に反転して配置されているため、暗電流Ｃｃと同様に、暗電流Ｃｂはパケット３０６ｂで発生し、蓄積される。これら、第２露光期間Ｔ２の読み出し、蓄積動作は、一定数繰り返される。
【００７３】
次に、第２露光期間Ｔ２の読み出し、蓄積動作が終了後、図１２Ｅに示すように、垂直転送部３０２のパケットを１段分、図中下方に転送させる。
【００７４】
次に、図１２Ｆに示すように、第３露光期間Ｔ３に、図中ａ、ｃ列の第１の光電変換部３０１ａから、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部３０２に、図中ｂ、ｄ列の第１の光電変換部３０１ａから、図中Ｂ、Ｄ行の垂直転送部３０２に、信号電荷ＢＧを読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極３０５ａ及び読み出し電極３０５ｂに読み出しパルスを印加することによって暗電流が生じる場合、パケット３０６ｃに注目すると、図中ｃ列の光電変換部３０１から図中Ｃ行の垂直転送部３０２に信号電荷ＢＧを読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット３０６ｃで発生し、蓄積される。さらに、図中ｂ列の光電変換部３０１から信号電荷ＢＧを読み出す際、読み出しパルスが印加される読み出し電極３０５ａ及び読み出し電極３０５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｂが生じるが、読み出し電極３０５ａ及び読み出し電極３０５ｂは列毎に上下方向に反転して配置されているため、暗電流Ｃｃと同様に、暗電流Ｃｂはパケット３０６ｃで発生し、蓄積される。これら、第３露光期間Ｔ３の読み出し、蓄積動作は、一定数繰り返される。
【００７５】
その後、垂直転送部３０２のパケットを２段分、図中上方に転送させ、図１２Ｂ〜図１２Ｆの動作を複数セット行なった後、信号電荷を１段ずつ垂直転送部３０２から水平転送部３０３へ転送し、水平転送部３０３から電荷検出部３０４へ順次転送、出力し、１フレーム走査期間内で、第１フレームを終える。
【００７６】
ここで、図１２Ｆにおいて、パケット３０６ａ〜３０６ｃに蓄積された信号電荷に注目すると、含まれる暗電流の発生源は、第１の実施形態に係る固体撮像装置と同じく、統一されている。
【００７７】
続いて、第２フレームの露光期間前に、図１２Ｇに示すように、２つの光電変換部３０１につき、２つパケット３０６ｄが備えられるよう、第１フレームからパケット構成を変更する。
【００７８】
第２フレームの露光期間では、読み出し電極３０５ｃ及び読み出し電極３０５ｄに読み出しパルスを印加し、第１フレームの信号転送中に露光した信号電荷ＢＷを、図１２Ｈに示すように、図中ａ、ｃ列の第２の光電変換部３０１ｂから、図中Ｂ、Ｄ行の垂直転送部３０２に、図中ｂ、ｄ列の第２の光電変換部３０１ｂから、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部３０２に、読み出し、蓄積する。このとき、第２フレームの信号電荷を読み出すための読み出しパルスは、第１フレームの読み出しパルスに比べて十分短く、読み出しに起因して発生する暗電流が十分小さい為、第２フレームの暗電流成分は図示しない。
【００７９】
その後、信号電荷ＢＷを２段ずつ垂直転送部３０２から水平転送部３０３へ転送し、水平転送部３０３から電荷検出部３０４へ順次転送、出力し、第２フレームを終える。信号電荷ＢＷは、被写体の明るさにより大小が決定されるため、信号電荷ＢＷを用いることにより、可視画像を生成することができる。
【００８０】
以上、第３の実施形態に係る固体撮像装置によれば、光電変換部３０１の半数が、可視光を遮断するＩＲフィルタが備えられた第１の光電変換部３０１ａで構成され、残りの半数が、赤外光を遮断するＢＷフィルタが備えられた第２の光電変換部３０１ｂで構成されており、それらが市松状に配置されている場合においても、信号電荷Ｓ０、Ｓ１及びＢＧに含まれる暗電流の発生源及び信号レベルを統一することが可能となる。これにより、第１の実施形態に係る固体撮像装置と比較して、可視画像の取得が可能となるので、特定被写体の切り出し（背景分離）や、３Ｄアバターの作成等、測距カメラのアプリケーションが広がる。
【００８１】
（第４の実施形態）
図１３は、第４の実施形態に係る固体撮像装置の構成を示す図である。図１３では、図面の簡略化のために、垂直方向に４画素分、水平方向に４画素分のみ示している。
【００８２】
図１３に示すように、この固体撮像装置は、半導体基板に行列状に配置され、入射光を信号電荷に変換する複数の光電変換部４０１と、光電変換部４０１に対応して設けられ、光電変換部４０１から読み出された信号電荷を列方向に転送する垂直転送部４０２と、垂直転送部４０２によって転送された信号電荷を行方向に転送する水平転送部４０３と、水平転送部４０３によって転送された信号電荷を出力する電荷検出部４０４とを備えている。さらに光電変換部４０１から垂直転送部４０２へ信号電荷を行毎に読み出すことが可能なように、光電変換部４０１のそれぞれに対応して設けられた読み出し電極４０５ａ〜４０５ｄとを備えている。図１３では、読み出し電極４０５ａ，４０５ｂの位置にハッチを付しており、また、読み出し電極４０５ｃ，４０５ｄの位置に別種のハッチを付している。
【００８３】
光電変換部４０１の半数が、可視光を遮断するＩＲフィルタが備えられた第１の光電変換部４０１ａで構成され、残りの半数が、赤外光を遮断するＢＷフィルタが備えられた第２の光電変換部４０１ｂで構成されており、それらは市松状に配置されている。これにより、可視画像と距離画像とをそれぞれ得ることができる。
【００８４】
また、第１の読み出し電極４０５ａ及び第２の読み出し電極４０５ｂは、第１の光電変換部４０１ａに列毎に上下方向に反転して配置され、第３の読み出し電極４０５ｃ及び第４の読み出し電極４０５ｄは、第２の光電変換部４０１ｂに列毎に同じ位置に配置される。すなわち、図中ハッチを付したように、第１の光電変換部４０１ａに係る読み出し電極４０５ａ，４０５ｂは、各列において、列方向に並ぶように配置されており、かつ、列毎に交互に、行方向において光電変換部４０１ａの中心よりも上側または下側にずらして、配置されている。一方、第２の光電変換部４０１ｂに係る読み出し電極４０５ｃ，４０５ｄは、各列において、列方向に並ぶように配置されており、行方向において光電変換部４０１ｂの中心に合う位置に、配置されている。
【００８５】
第４の実施形態に係る固体撮像装置は、第３の実施形態に係る固体撮像装置と比較して、読み出し電極４０５の配置が異なる。しかし、１つの光電変換部から読み出された複数の信号電荷に含まれる暗電流の発生源を統一することができる構造を提供することを目的とする点は、第３の実施形態に係る固体撮像装置と同様である。以下、第３の実施形態と異なる点を中心に説明し、同じ点は説明を省略する。
【００８６】
図１３に示した固体撮像装置は、図１１に示した固体撮像装置と比較すると、第１の読み出し電極４０５ａ及び第２の読み出し電極４０５ｂは、垂直転送部４０２を挟んで対角方向に隣り合う光電変換部４０１ａのそれぞれから同時に信号電荷を読み出し、加算できる構造になっている。これにより、可視画像と距離画像とを１フレームで得ることができる。
【００８７】
図１４Ａ〜図１４Ｇは、図１３に示す固体撮像装置の動作を示す平面図である。図１４Ａは、露光前の固体撮像装置の動作、図１４Ｂ〜図１４Ｆは、各露光期間の固体撮像装置の動作を示している。
【００８８】
まず、露光期間前は、図１４Ａに示すように、各パケット４０６ａ〜４０６ｃに信号電荷は蓄積されていない。
【００８９】
露光期間では、まず、図１４Ｂに示すように、読み出し電極４０５ｃ及び読み出し電極４０５ｄに読み出しパルスを印加し、前フレームの信号転送中に露光した信号電荷ＢＷを、第２の光電変換部４０１ｂから、図中Ｂ、Ｄ行の垂直転送部４０２に読み出し、蓄積する。
【００９０】
次に、図１４Ｃに示すように、第１露光期間Ｔ１に、第１の光電変換部４０１ａから、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部４０２に、信号電荷Ｓ０を読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極４０５ａ及び読み出し電極４０５ｂに読み出しパルスを印加することによって暗電流が生じる場合、パケット４０６ａに注目すると、図中ｃ列の光電変換部４０１から図中Ｃ行の垂直転送部４０２に信号電荷Ｓ０を読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット４０６ａで発生し、蓄積される。さらに、図中ｂ列の光電変換部４０１から信号電荷Ｓ０を読み出す際、読み出しパルスが印加される読み出し電極４０５ａ及び読み出し電極４０５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｂが生じるが、読み出し電極４０５ａ及び読み出し電極４０５ｂは列毎に上下方向に反転して配置されているため、暗電流Ｃｃと同様に、暗電流Ｃｂはパケット４０６ａで発生し、蓄積される。これら、第１露光期間Ｔ１の読み出し、蓄積動作は、一定数繰り返される。
【００９１】
次に、第１露光期間Ｔ１の読み出し、蓄積動作が終了後、図１４Ｄに示すように、垂直転送部４０２のパケットを１段分、図中下方に転送させる。
【００９２】
次に、図１４Ｅに示すように、第２露光期間Ｔ２に、第１の光電変換部４０１ａから、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部４０２に、信号電荷Ｓ１を読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極４０５ａ及び読み出し電極４０５ｂに読み出しパルスを印加することによって暗電流が生じる場合、パケット４０６ｂに注目すると、図中ｃ列の光電変換部４０１から図中Ｃ行の垂直転送部４０２に信号電荷Ｓ１を読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット４０６ｂで発生し、蓄積される。さらに、図中ｂ列の光電変換部４０１から信号電荷Ｓ１を読み出す際、読み出しパルスが印加される読み出し電極４０５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｂが生じるが、読み出し電極４０５ａ及び読み出し電極４０５ａ及び読み出し電極４０５ｂは列毎に上下方向に反転して配置されているため、暗電流Ｃｃと同様に、暗電流Ｃｂはパケット４０６ｂで発生し、蓄積される。これら、第２露光期間Ｔ２の読み出し、蓄積動作は、一定数繰り返される。
【００９３】
次に、第２露光期間Ｔ２の読み出し、蓄積動作が終了後、図１４Ｆに示すように、垂直転送部４０２のパケットを１段分、図中下方に転送させる。
【００９４】
次に、図１４Ｇに示すように、第３露光期間Ｔ３に、第１の光電変換部４０１ａから、図中Ａ、Ｃ行の垂直転送部４０２に、信号電荷ＢＧを読み出し、蓄積する。このとき、読み出し動作時に、読み出し電極４０５ａ及び読み出し電極４０５ｂに読み出しパルスを印加することによって暗電流が生じる場合、パケット４０６ｃに注目すると、図中ｃ列の光電変換部４０１から図中Ｃ行の垂直転送部４０２に信号電荷ＢＧを読み出す際、暗電流Ｃｃがパケット４０６ｃで発生し、蓄積される。さらに、図中ｂ列の光電変換部４０１から信号電荷ＢＧを読み出す際、読み出しパルスが印加される読み出し電極４０５ａ及び読み出し電極４０５ｂが全行に配置されているため、暗電流Ｃｂが生じるが、読み出し電極４０５ａ及び読み出し電極４０５ｂは列毎に上下方向に反転して配置されているため、暗電流Ｃｃと同様に、暗電流Ｃｂはパケット４０６ｃで発生し、蓄積される。これら、第３露光期間Ｔ３の読み出し、蓄積動作は、一定数繰り返される。
【００９５】
その後、垂直転送部４０２のパケットを２段分、図中上方に転送させ、図１４Ｃ〜図１２Ｇの動作を複数セット行なった後、信号電荷を１段ずつ垂直転送部４０２から水平転送部４０３へ転送し、水平転送部４０３から電荷検出部４０４へ順次転送し、出力する。
【００９６】
ここで、図１４Ｇにおいて、パケット４０６ａ〜４０６ｃに蓄積された信号電荷Ｓ０、Ｓ１及びＢＧに注目すると、含まれる暗電流の発生源は、第１の実施形態に係る固体撮像装置と同じく、統一されている。また、信号電荷ＢＷに含まれる暗電流についても、同じ発生源の暗電流を差分することが可能である。
【００９７】
以上、第４の実施形態に係る固体撮像装置によれば、読み出し電極４０５の配置を変更し、垂直転送部４０２を挟んで対角方向に隣り合う光電変換部４０１の信号電荷を、垂直転送部４０２上で加算する場合においても、信号電荷Ｓ０、Ｓ１及びＢＧに含まれる暗電流の発生源及び信号レベルを統一することが可能となる。これにより、第３の実施形態に係る固体撮像装置と比較して、可視画像と距離画像を同じフレームで出力することが可能となるので、フレームレートが向上できる。
【００９８】
なお、上記した実施形態は一例であり、本開示は上記した実施形態に限定されるものではない。
【００９９】
例えば、垂直転送部及び水平転送部に設けられる電極の個数は上記した例に限定されず、適宜変更してもよい。
【０１００】
また、垂直転送部及び水平転送部に設けられるパケットの個数は上記した例に限定されず、適宜変更してもよい。
【０１０１】
また、光電変換部上に備えるフィルタが遮断する波長は上記した例に限定されず、適宜変更してもよい。
【０１０２】
以上、撮像装置について実施形態に基づいて説明したが、本開示はこの実施形態に限定されるものではない。本開示の主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形態に施したものや、異なる実施形態における構成要素を組み合わせて得られる形態も本開示の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本開示に係る撮像装置は、測距精度を落とすことなく、水平、垂直解像度を向上することができるので、小さな被写体や、遠方の被写体の距離画像を、精度良く取得する撮像装置として有用である。例えば、指先でジェスチャー入力するスマートフォンや、複数人の全身動作でコントロールするゲーム機等、測距カメラのアプリケーションを有する撮像装置に有用である。
【符号の説明】
【０１０４】
１，１１  被写体
２  背景光源
３，１３  赤外光源
４  光学レンズ
５，１５  固体撮像装置
１２  背景光源
１４  光学レンズ
１６  制御部
１７  信号処理部
１０１，２０１，３０１，３０１ａ，３０１ｂ，４０１，４０１ａ，４０１ｂ，１００１  光電変換部
１０２，２０２，３０２，４０２，１００２  垂直転送部
１０３，２０３，３０３，４０３，１００３  水平転送部
１０４，２０４，３０４，４０４，１００４  電荷検出部
１０５ａ，１０５ｂ，２０５ａ，２０５ｂ，３０５ａ，３０５ｂ，３０５ｃ，３０５ｄ，４０５，４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃ，４０５ｄ，１００５，１００５ａ，１００５ｂ  読み出し電極
１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃ，２０６ａ，３０６ａ，３０６ｂ，３０６ｃ，３０６ｄ，４０６ａ，４０６ｂ，４０６ｃ，１００６ａ，１００６ｂ，１００６ｃ  パケット
１０７，１００７  チャネルストップ領域
１０５，２０５  垂直転送電極
【図１】
2016031171.tif 000003
【図２】
2016031171.tif 000004
【図３】
2016031171.tif 000005
【図４】
2016031171.tif 000006
【図５】
2016031171.tif 000007
【図６Ａ】
2016031171.tif 000008
【図６Ｂ】
2016031171.tif 000009
【図６Ｃ】
2016031171.tif 000010
【図６Ｄ】
2016031171.tif 000011
【図６Ｅ】
2016031171.tif 000012
【図６Ｆ】
2016031171.tif 000013
【図７】
2016031171.tif 000014
【図８】
2016031171.tif 000015
【図９Ａ】
2016031171.tif 000016
【図９Ｂ】
2016031171.tif 000017
【図９Ｃ】
2016031171.tif 000018
【図９Ｄ】
2016031171.tif 000019
【図９Ｅ】
2016031171.tif 000020
【図９Ｆ】
2016031171.tif 000021
【図１０】
2016031171.tif 000022
【図１１】
2016031171.tif 000023
【図１２Ａ】
2016031171.tif 000024
【図１２Ｂ】
2016031171.tif 000025
【図１２Ｃ】
2016031171.tif 000026
【図１２Ｄ】
2016031171.tif 000027
【図１２Ｅ】
2016031171.tif 000028
【図１２Ｆ】
2016031171.tif 000029
【図１２Ｇ】
2016031171.tif 000030
【図１２Ｈ】
2016031171.tif 000031
【図１３】
2016031171.tif 000032
【図１４Ａ】
2016031171.tif 000033
【図１４Ｂ】
2016031171.tif 000034
【図１４Ｃ】
2016031171.tif 000035
【図１４Ｄ】
2016031171.tif 000036
【図１４Ｅ】
2016031171.tif 000037
【図１４Ｆ】
2016031171.tif 000038
【図１４Ｇ】
2016031171.tif 000039
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月10日(2017.2.10)
【手続補正２】
【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】
基板上に行列状に配置された画素を有し、赤外光を含む入射光を受光する固体撮像装置を備えた撮像装置であって、
前記画素は、前記入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、当該光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し電極と、垂直転送部を構成する少なくとも１つの垂直転送電極と、を備えたものであり、
前記画素として、複数の第１の画素と、当該第１の画素に隣接する複数の第２の画素とが、行毎に交互に配置され、かつ、列毎に交互に配置されることによって、加算後の画素重心が市松状になるように配置されており、
前記読み出し電極は、同一の前記光電変換部から読み出された複数の信号電荷が、共通の前記読み出し電極下において発生する暗電流を含むように、配置されている
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１記載の撮像装置において、
前記第１及び前記第２の画素に係る前記読み出し電極は、
各列において、列方向に並ぶように配置されており、かつ、
列毎に交互に、行方向において当該光電変換部の中心よりも上側または下側にずらして、配置されている
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の撮像装置において、
列方向に隣接する前記第１及び前記第２の画素の信号電荷を、前記垂直転送部上で加算することを特徴とする撮像装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記垂直転送部は、２画素あたり複数電極で構成され、２画素で少なくとも３信号電荷を蓄積するよう構成され、
１フレーム走査期間内で、
第１の露光期間で、前記第１及び前記第２の画素から第１の信号電荷を読み出し、
第２の露光期間で、前記第１及び前記第２の画素から第２の信号電荷を読み出し、
第３の露光期間で、前記第１及び前記第２の画素から第３の信号電荷を読み出し、
前記第１〜前記第３の信号電荷を、出力する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項５】
請求項４記載の撮像装置において、
前記第１及び前記第２の画素から読み出された前記第１〜前記第３の信号電荷は、それぞれ行毎に同相の電極下に蓄積される
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
請求項１記載の撮像装置において、
前記第１の画素に係る前記読み出し電極は、
各列において、列方向に並ぶように配置されており、かつ、
列毎に交互に、行方向において当該光電変換部の中心よりも上側または下側にずらして、配置されている
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
請求項１又は６記載の撮像装置において、
斜め方向に隣接する前記第１の画素の信号電荷を、前記垂直転送部上で加算する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
請求項１、６及び７のうちいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記第１の画素は、可視光を遮断するフィルタを備える
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項９】
請求項１及び６〜８のうちいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記第２の画素は、赤外光を遮断するフィルタを備える
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１０】
請求項１及び６〜９のうちいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記垂直転送部は、２画素あたり複数電極で構成され、２画素で少なくとも３信号電荷を蓄積するよう構成され、
第１のフレーム走査期間内で、
第１の露光期間で、前記第１の画素から第１の信号電荷を読み出し、
第２の露光期間で、前記第１の画素から第２の信号電荷を読み出し、
第３の露光期間で、前記第１の画素から第３の信号電荷を読み出し、
前記第１〜前記第３の信号電荷を出力し、
第２のフレーム走査期間内で、
第４の露光期間で、前記第２の画素から第４の信号電荷を読み出し、
前記第４の信号電荷を出力する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１１】
請求項１及び６〜９のいずれか１項に記載の撮像装置において、
前記垂直転送部は、２画素あたり複数電極で構成され、２画素で少なくとも３信号電荷を蓄積するよう構成され、
１フレーム走査期間内で、
第１の露光期間で、前記第１の画素から第１の信号電荷を読み出し、
第２の露光期間で、前記第１の画素から第２の信号電荷を読み出し、
第３の露光期間で、前記第１の画素から第３の信号電荷を読み出し、
第４の露光期間で、前記第２の画素から第４の信号電荷を読み出し、
前記第１〜前記第４の信号電荷を出力する
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の撮像装置において、
前記第１の画素から読み出された前記第１〜前記第３の信号電荷は、それぞれ行毎に同相の電極下に蓄積される
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１３】
請求項４記載の撮像装置において、
撮像装置は、さらに赤外光を照射する赤外光源を備え、
前記第１の露光期間で、前記赤外光をパルス状に発光させて被写体に照射し、受光される反射光を、前記第１及び第２の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第１の信号電荷を作り、
前記第２の露光期間で、前記赤外光をパルス状に発光させて前記被写体に照射し、受光される反射光を、前記第１及び前記第２の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第２の信号電荷を作り、
前記第３の露光期間で、前記赤外光を照射せず撮像して、背景光を前記第１及び前記第２の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第３の信号電荷を作り、
前記第１の信号電荷と前記第２の信号電荷と前記第３の信号電荷とのそれぞれの差分と比率とにより前記被写体までの距離を求め、距離画像を生成するＴＯＦ型の測距センサとして利用される
ことを特徴とする撮像装置。
【請求項１４】
請求項１０または１１記載の撮像装置において、
撮像装置は、さらに赤外光を照射する赤外光源を備え、
前記第１の露光期間で、前記赤外光をパルス状に発光させて被写体に照射し、受光される反射光を、前記第１の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第１の信号電荷を作り、
前記第２の露光期間で、前記赤外光をパルス状に発光させて前記被写体に照射し、受光される反射光を、前記第１の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第２の信号電荷を作り、
前記第３の露光期間で、前記赤外光を照射せず撮像して、背景光を前記第１の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第３の信号電荷を作り、
前記第４の露光期間で、前記赤外光を照射せず撮像して、背景光を前記第２の画素の前記光電変換部から読み出して、前記第４の信号電荷を作り、
第１〜３の信号電荷のそれぞれの差分と比率で前記被写体までの距離を求め、距離画像を生成し、第４の信号電荷の大小で前記被写体の明るさを求め、可視画像を生成するＴＯＦ型の測距センサとして利用されることを特徴とする撮像装置。
【請求項１５】
撮像装置に用いられる固体撮像装置であって、
前記固体撮像装置は、入射光を受光し、基板上に行列状に配置された画素を有し、
前記画素は、前記入射光を信号電荷に変換する光電変換部と、当該光電変換部から前記信号電荷を読み出す読み出し電極と、垂直転送部を構成する少なくとも１つの垂直転送電極と、を備えたものであり、
前記画素として、複数の第１の画素と、当該第１の画素に隣接する複数の第２の画素とが、行毎に交互に配置され、かつ、列毎に交互に配置されることによって、加算後の画素重心が市松状になるように配置されており、
前記読み出し電極は、同一の前記光電変換部から読み出された複数の信号電荷が、共通の前記読み出し電極下において発生する暗電流を含むように、配置されている
ことを特徴とする固体撮像装置。
【国際調査報告】
2016031171.tif 000040
2016031171.tif 000041
2016031171.tif 000042
2016031171.tif 000043