(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系の第１の瞳領域を通過した被写体からの光を光電変換して電荷を生成する第１光電変換部と、前記第１光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第１出力部および第２出力部とを有する第１画素と、前記第１の瞳領域とは異なる第２の瞳領域を通過した前記被写体からの光を光電変換して電荷を生成する第２光電変換部と、前記第２光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第３出力部および第４出力部とを有する第２画素とを有する撮像部と、
前記第１出力部から出力された信号と前記第３出力部から出力された信号とに基づいて、前記被写体までの距離を測定する第１測距部と、
前記第１出力部から出力された信号および前記第２出力部から出力された信号と、前記第３出力部から出力された信号および前記第４出力部から出力された信号と、の少なくとも一方に基づいて、前記被写体までの距離を測定する第２測距部と、を備える電子機器。
【請求項２】
請求項１に記載の電子機器において、
前記第１測距部は、前記第１画素で受光した前記第１の瞳領域の前記被写体の像と前記第２画素で受光した前記第２の瞳領域の前記被写体の像とのずれに基づいて前記被写体までの距離を測定し、
前記第２測距部は、発光部より発光され前記被写体で反射した光を光電変換した電荷に基づく前記第１出力部および前記第２出力部から出力された信号と、前記発光部より発光され前記被写体で反射した光を光電変換した電荷に基づく前記第３出力部および前記第４出力部から出力された信号と、の少なくとも一方に基づいて、前記発光部での発光から前記第１画素と前記第２画素との少なくとも一方での受光までの時間を検出して前記被写体までの距離を測定する電子機器。
【請求項３】
請求項２に記載の電子機器において、
前記第１出力部は第１時刻から第２時刻までの間に前記第１光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力し、前記第３出力部は前記第１時刻から前記第２時刻までの間に前記第２光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力し、前記第２出力部は前記第２時刻から第３時刻までの間に前記第１光電変換部で生成された電荷基づく信号を出力し、前記第４出力部は前記第２時刻から前記第３時刻までの間に前記第２光電変換部で生成された電荷基づく信号を出力し、
前記第２測距部は、前記第１出力部および前記第２出力部から出力された信号と、前記第３出力部および前記第４出力部から出力された信号との少なくとも一方に基づいて、前記発光部での発光から受光までの時間を検出する電子機器。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の電子機器において、
前記第２測距部は、前記第１出力部から出力された信号および前記第２出力部から出力された信号の信号量の差と、前記第３出力部から出力された信号および前記第２出力部から出力された信号の信号量の差とに基づいて、前記発光部での発光から受光までの時間を検出する電子機器。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の電子機器において、
前記被写体を測光する測光部と、
前記測光部により計測された光量に基づいて、前記第１測距部による測定または前記第２測距部による測定を行うよう制御する制御部と、を備える電子機器。
【請求項６】
請求項５に記載の電子機器において、
前記制御部は、前記測光部により計測された光量がしきい値を上回る場合には、前記第１測距部による測定を行い、前記測光部により計測された光量が前記しきい値を上回らない場合には、前記第２測距部による測定を行う電子機器。
【請求項７】
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の電子機器において、
前記第１測距部による測定と前記第２測距部による測定とのうちの一方を選択可能な選択部備える電子機器。
【請求項８】
請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の電子機器において、
前記第１画素は、第１マイクロレンズと前記第１光電変換部と前記第１の瞳領域とは異なる領域を通過した光を遮光する第１遮光部とを有し、
前記第２画素は、第２マイクロレンズと第２光電変換部と前記第２の瞳領域とは異なる領域を通過した光を遮光する第２遮光部とを有する電子機器。
【請求項９】
請求項８に記載の電子機器において、
前記第１出力部および第２出力部は、前記第１遮光部により遮光される範囲に配置され、前記第３出力部および第４出力部は、前記第２遮光部により遮光される範囲に配置される電子機器。
【請求項１０】
光学系の第１の瞳領域を通過した被写体からの光を光電変換して電荷を生成する第１光電変換部と、前記第１光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第１出力部および第２出力部とを有する第１画素と、前記第１の瞳領域とは異なる第２の瞳領域を通過した前記被写体からの光を光電変換して電荷を生成する第２光電変換部と、前記第２光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第３出力部および第４出力部とを有する第２画素とを有する撮像部と、
前記第１出力部から出力された信号と前記第３出力部から出力された信号とに基づいて、前記撮像部から前記被写体までの距離を測定する第１測距部と、
前記第１出力部から出力された信号および前記第２出力部から出力された信号と、前記第３出力部から出力された信号および前記第４出力部から出力された信号と、の少なくとも一方に基づいて、前記被写体までの距離を測定する第２測距部と、
前記第１測距部による測定と前記第２測距部による測定とのうちの一方を選択可能である制御部と、を備える電子機器。
【請求項１１】
請求項１０に記載の電子機器において、
前記被写体を測光する測光部と、
前記測光部により計測された光量に基づいて、前記第１測距部による測定または前記第２測距部による測定を行うよう制御する制御部と、を備える電子機器。
【請求項１２】
請求項１１に記載の電子機器において、
前記制御部は、前記測光部により計測された光量がしきい値を上回る場合には、前記第１測距部による測定を行い、前記測光部により計測された光量が前記しきい値を上回らない場合には、前記第２測距部による測定を行う電子機器。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２までのいずれか一項に記載の電子機器において、
前記撮像部は、前記第１の瞳領域及び前記第２の瞳領域を通過した光を光電変換して電荷を生成する第３光電変換部と、前記第３光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する出力部とを有する第３画素とを有し、
前記第３画素の出力部から出力された信号に基づいて画像データを生成する生成部とを備える電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物へ照射した光の反射光を受光することにより、対象物までの距離を測定する、光飛行時間（ＴＯＦ；Ｔｉｍｅ  ｏｆ  Ｆｌｉｇｈｔ）計測法が知られている（例えば特許文献１）。ＴＯＦ計測法では環境により測距の精度が低下するという問題が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５３９５３２３号公報
【発明の概要】
【０００４】
第１の態様による電子機器は、光学系の第１の瞳領域を通過した被写体からの光を光電変換して電荷を生成する第１光電変換部と、前記第１光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第１出力部および第２出力部とを有する第１画素と、前記第１の瞳領域とは異なる第２の瞳領域を通過した前記被写体からの光を光電変換して電荷を生成する第２光電変換部と、前記第２光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第３出力部および第４出力部とを有する第２画素とを有する撮像部と、前記第１出力部から出力された信号と前記第３出力部から出力された信号とに基づいて、前記被写体までの距離を測定する第１測距部と、前記第１出力部から出力された信号および前記第２出力部から出力された信号と、前記第３出力部から出力された信号および前記第４出力部から出力された信号と、の少なくとも一方に基づいて、前記被写体までの距離を測定する第２測距部と、を備える。
第２の態様による電子機器は、光学系の第１の瞳領域を通過した被写体からの光を光電変換して電荷を生成する第１光電変換部と、前記第１光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第１出力部および第２出力部とを有する第１画素と、前記第１の瞳領域とは異なる第２の瞳領域を通過した前記被写体からの光を光電変換して電荷を生成する第２光電変換部と、前記第２光電変換部で生成された電荷に基づく信号を出力する第３出力部および第４出力部とを有する第２画素とを有する撮像部と、前記第１出力部から出力された信号と前記第３出力部から出力された信号とに基づいて、前記撮像部から前記被写体までの距離を測定する第１測距部と、前記第１出力部から出力された信号および前記第２出力部から出力された信号と、前記第３出力部から出力された信号および前記第４出力部から出力された信号と、の少なくとも一方に基づいて、前記被写体までの距離を測定する第２測距部と、前記第１測距部による測定と前記第２測距部による測定とのうちの一方を選択可能である制御部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】第１の実施の形態に係る撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】撮像部１２の構成を模式的に示すブロック図である。
【図３】横ブロック２１ａの構成を模式的に示す平面図である。
【図４】非測距用画素３０１および第１測距用画素３０２ａの回路構成を示す図である。
【図５】制御部１３が有する受信回路５３の回路構成を示す図である。
【図６】非測距用画素３０１の構成を模式的に示す図である。
【図７】第１測距用画素３０２ａおよび第２測距用画素３０２ｂの構成を模式的に示す図である。
【図８】縦ブロック２１ｂの構成を模式的に示す平面図である。
【図９】制御部１３が実行する焦点調節処理のフローチャートである。
【図１０】撮像部１２の撮像面の一部を模式的に示す平面図である。
【図１１】第１画素３０３ａの拡大図である
【図１２】受信回路５３の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係る撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。撮像装置１は、光源部１０、撮像光学系１１、撮像部１２、および制御部１３を備える。
【０００７】
光源部１０は、被測定物２に対して測定光束３を放出する。測定光束３は、例えば可視光である。なお、測定光束３を赤外光としてもよい。測定光束３のうち、被測定物２の表面で反射した反射光束４は、撮像光学系１１を通過して撮像部１２に入射する。撮像部１２は、例えば裏面照射型のＣＭＯＳイメージセンサである。
【０００８】
制御部１３は、不図示のＣＰＵおよびその周辺回路により構成される。制御部１３は、所定の制御プログラムを読み込んで実行することにより、撮像装置１全体を制御する。制御部１３は、第１測距部１３ａ、第２測距部１３ｂ、測光部１３ｃ、および焦点調節部１３ｄを有する。制御部１３が有するこれらの各部は、上記の制御プログラムによりソフトウェア的に実現される。なお、制御部１３が有するこれらの各部を、同等の機能を有する電子回路等により構成してもよい。
【０００９】
第１測距部１３ａおよび第２測距部１３ｂは、撮像部１２により出力された光電変換信号に基づき、被測定物２までの距離を測定する（測距する）。第１測距部１３ａと第２測距部１３ｂは、それぞれ異なる方式で測距を行う。測光部１３ｃは、撮像部１２により出力された光電変換信号に基づき、被測定物２を測光する。なお、撮像装置１に撮像部１２とは異なる光センサ等を設け、測光部１３ｃがその光センサ等の出力に基づき被測定物２を測光するようにしてもよい。焦点調節部１３ｄは、撮像光学系１１の焦点調節を行う。
【００１０】
図２は、撮像部１２の構成を模式的に示すブロック図である。撮像部１２の撮像面２０は、横６×縦４の計２４個のブロック２１から成る。撮像面２０には、５つの測距領域２２が設けられている。５つの測距領域２２のうち３つは、横長の測距領域２２ａであり、残りの２つは縦長の測距領域２２ｂである。第１測距部１３ａおよび第２測距部１３ｂは、５つの測距領域２２の各々について測距を行う。
【００１１】
２４個のブロック２１は、それぞれ、いずれかの測距領域２２の一部を含む。２４個のブロック２１のうち１６個は、横長の測距領域２２ａの一部を含む横ブロック２１ａである。残りの８個は、縦長の測距領域２２ｂの一部を含む縦ブロック２１ｂである。
【００１２】
撮像部１２は、水平走査回路２３と、垂直走査回路２４とを有している。水平走査回路２３および垂直走査回路２４は、ブロック２１毎に、そのブロック２１に含まれる撮像画素を走査し、光電変換信号を読み出す。
【００１３】
図３は、横ブロック２１ａの構成を模式的に示す平面図である。横ブロック２１ａには、複数の撮像画素３０が二次元状に配列されている。それら複数の撮像画素３０には、非測距用画素３０１と、第１測距用画素３０２ａと、第２測距用画素３０２ｂと、の３種類の画素が含まれる。横長の測距領域２２ａ内には、第１測距用画素３０２ａと、第２測距用画素３０２ｂとが横方向（ｘ方向）に互い違いに配列される。それ以外の場所には、非測距用画素３０１が配列される。
【００１４】
横ブロック２１ａに配列された複数の撮像画素３０は、光電変換信号の読み出し時、まず１行目が同時に読み出され、次に２行目以降が順次読み出される。従って、横長の測距領域２２ａ内の第１測距用画素３０２ａおよび第２測距用画素３０２ｂから読み出される光電変換信号は、同時性を有している。
【００１５】
図４は、非測距用画素３０１および第１測距用画素３０２ａの回路構成を示す図である。非測距用画素３０１は、フォトダイオードＰＤ、転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＳＴ、選択トランジスタＳＥＬ、および増幅トランジスタＡＭＰを有している。
【００１６】
フォトダイオードＰＤは、入射光を光電変換して信号電荷を生成する。生成された信号電荷は、転送トランジスタＴＸを介してフローティングディフュージョンＦＤに転送される。増幅トランジスタＡＭＰは、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積されている信号電荷の量に応じた信号を選択トランジスタＳＥＬに出力する。垂直走査回路２４が選択トランジスタＳＥＬをオンすると、フローティングディフュージョンＦＤに蓄積されている信号電荷の量に応じた信号が制御部１３に出力される。フローティングディフュージョンＦＤに転送された信号電荷は、リセットトランジスタＲＳＴのオンオフによりリセットされる。
【００１７】
以下の説明では、便宜上、転送トランジスタＴＸ、選択トランジスタＳＥＬ、および増幅トランジスタＡＭＰを含む部分を出力部５０と称する。出力部５０は、フォトダイオードＰＤによる光電変換信号を制御部１３に出力する。制御部１３は、列ごとに１つの受信回路５３を有している。受信回路５３は、出力部５０により出力された光電変換信号を受信する回路である。受信回路５３の構成については後に詳述する。
【００１８】
第１測距用画素３０２ａは、フォトダイオードＰＤａ、第１転送トランジスタＴＸ１、第１リセットトランジスタＲＳＴ１、第１選択トランジスタＳＥＬ１、第１増幅トランジスタＡＭＰ１、第２転送トランジスタＴＸ２、第２リセットトランジスタＲＳＴ２、第２選択トランジスタＳＥＬ２、および第２増幅トランジスタＡＭＰ２を有している。
【００１９】
第１転送トランジスタＴＸ１、第１リセットトランジスタＲＳＴ１、第１選択トランジスタＳＥＬ１、および第１増幅トランジスタＡＭＰ１は、それぞれ、非測距用画素３０１が有する転送トランジスタＴＸ、リセットトランジスタＲＳＴ、選択トランジスタＳＥＬ、および増幅トランジスタＡＭＰと同様に働く。第２転送トランジスタＴＸ２、第２リセットトランジスタＲＳＴ２、第２選択トランジスタＳＥＬ２、および第２増幅トランジスタＡＭＰ２について同様である。
【００２０】
つまり、第１測距用画素３０２ａは、非測距用画素３０１の出力部５０に相当する回路を２セット有している。以下の説明では、便宜上、第１転送トランジスタＴＸ１、第１選択トランジスタＳＥＬ１、および第１増幅トランジスタＡＭＰ１を含む部分を第１出力部５１と称し、第２転送トランジスタＴＸ２、第２選択トランジスタＳＥＬ２、および第２増幅トランジスタＡＭＰ２を含む部分を第２出力部５２と称する。第１測距用画素３０２ａは、フォトダイオードＰＤａが生成した信号電荷を、第１出力部５１および第２出力部５２から別個に読み出すことが可能に構成されている。
【００２１】
制御部１３は、第１測距用画素３０２ａまたは第２測距用画素３０２ｂを含む列に対しては、列ごとに２つの受信回路５３を有している。一方の受信回路５３は、第１出力部５１により出力された光電変換信号を受信する回路である。他方の受信回路５３は、第２出力部５２により出力された光電変換信号を受信する回路である。
【００２２】
なお、第２測距用画素３０２ｂの回路構成は、第１測距用画素３０２ａと同一であるため説明を省略する。
【００２３】
図５は、制御部１３が有する受信回路５３の回路構成を示す図である。受信回路５３は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）により、受信した光電変換信号からノイズ成分を取り除く。受信回路５３は、ノイズ成分を取り除いた光電変換信号をデジタル値に変換する。受信回路５３は、光電変換信号を変換したデジタル値を出力する。
【００２４】
受信回路５３は、撮像画素３０をリセットした直後のフィードスルー期間を紙面上側のスイッチ５３１でクランプする。受信回路５３は、光電変換信号の出力期間を紙面下側のスイッチ５３２でクランプする。その後、受信回路５３は、スイッチ５３３とスイッチ５３４とをオンして、クランプした電圧を差動アンプ５３５に入力し、２つの電圧の差分を取る。受信回路５３は、差動アンプ５３５の出力をＡＤ変換器５３６で例えば１２ビットのデジタル値に変換して出力する。以上のように、制御部１３は、アンプ雑音とリセット雑音を除去したデジタル値を画素値として読み出すことができる。
【００２５】
図６（ａ）は、非測距用画素３０１の構成を模式的に示す断面図であり、図６（ｂ）は、非測距用画素３０１の構成を模式的に示す平面図である。図６（ａ）の紙面上側が、被測定物２からの光束の入射面である。すなわち被測定物２からの光束は、図６（ａ）の紙面上側から紙面下側に向かって入射する。撮像部１２の最下層は配線層４０である。配線層４０の上層には、シリコン基板４１、マイクロレンズ４３が順に配置されている。
【００２６】
シリコン基板４１には、フォトダイオードＰＤ、ソース・ドレイン電極４５、および画素分離構造４６が形成されている。画素分離構造４６は、非測距用画素３１同士を電気的に分離する構造である。画素分離構造４６は、例えば、いわゆるＳＴＩ（シャロートレンチアイソレーション）である。ソース・ドレイン電極４５は、図４に示した転送トランジスタＴＸのソース電極やドレイン電極である。
【００２７】
配線層４０には、ゲート電極４７および配線４８が形成されている。ゲート電極４７は、図４に示した転送トランジスタＴＸのゲート電極である。配線４８は、非測距用画素３０１の各回路を構成する配線である。
【００２８】
被測定物２からの光束は、マイクロレンズ４３を通過し、シリコン基板４１内に形成されたフォトダイオードＰＤに入射する。フォトダイオードＰＤは、入射した光束の光量に応じた量の信号電荷を生成する。図６（ｂ）に示すように、フォトダイオードＰＤは集光効率を高めるため、表面積を可能な限り大きくしている。以上のように構成されたフォトダイオードＰＤは、撮像光学系１１の射出瞳の全体を通過した光束を受光する。
【００２９】
図７（ａ）は、第１測距用画素３０２ａおよび第２測距用画素３０２ｂの構成を模式的に示す断面図であり、図７（ｂ）は、第１測距用画素３０２ａおよび第２測距用画素３０２ｂの構成を模式的に示す平面図である。
【００３０】
第１測距用画素３０２ａは、マイクロレンズ４３ａおよびフォトダイオードＰＤａを有する。フォトダイオードＰＤａは、図６（ｂ）に示すように、マイクロレンズ４３ａの右半分に偏って配置される。マイクロレンズ４３ａとシリコン基板４１との間には、遮光部材４２が配置されている。遮光部材４２は、マイクロレンズ４３ａの左半分を覆うように配置される。
【００３１】
以上のように構成されたフォトダイオードＰＤａは、撮像光学系１１の射出瞳の全体のうち、一部の瞳領域（マイクロレンズ４３ａの右半分に対応する瞳領域）を通過した光束を受光する。残りの領域を通過した光束は、遮光部材４２により阻まれ、フォトダイオードＰＤａに到達しない。
【００３２】
シリコン基板４１には、フォトダイオードＰＤａ、ソース・ドレイン電極４５、および画素分離構造４６が形成されている。ソース・ドレイン電極４５は、図４に示した転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のソース電極やドレイン電極である。
【００３３】
配線層４０には、ゲート電極４７１、４７２および配線４８ａが形成されている。ゲート電極４７１は、図４に示した転送トランジスタＴＸ１のゲート電極である。ゲート電極４７２は、図４に示した転送トランジスタＴＸ２のゲート電極である。配線４８ａは、第１測距用画素３０２ａの各回路を構成する配線である。
【００３４】
ゲート電極４７１、４７２と配線４８ａは、共に遮光部材４２の下部に配置されている。従って、マイクロレンズ４３ａを通過した光束は、これらの各部に到達しない。これにより、これらの各部は光電効果による影響を受けない。
【００３５】
第２測距用画素３０２ｂは、マイクロレンズ４３ｂおよびフォトダイオードＰＤｂを有する。フォトダイオードＰＤｂは、図６（ｂ）に示すように、マイクロレンズ４３ｂの左半分に偏って配置される。マイクロレンズ４３ｂとシリコン基板４１との間には、遮光部材４２が配置されている。遮光部材４２は、マイクロレンズ４３ｂの右半分を覆うように配置される。
【００３６】
以上のように構成されたフォトダイオードＰＤｂは、撮像光学系１１の射出瞳の全体のうち、一部の瞳領域（マイクロレンズ４３ｂの左半分に対応する領域）を通過した光束を受光する。残りの領域を通過した光束は、遮光部材４２により阻まれ、フォトダイオードＰＤｂに到達しない。
【００３７】
シリコン基板４１には、フォトダイオードＰＤｂ、ソース・ドレイン電極４５、および画素分離構造４６が形成されている。ソース・ドレイン電極４５は、図４に示した転送トランジスタＴＸ１、ＴＸ２のソース電極やドレイン電極である。
【００３８】
配線層４０には、ゲート電極４７３、４７４および配線４８ｂが形成されている。ゲート電極４７３は、図４に示した転送トランジスタＴＸ１のゲート電極である。ゲート電極４７４は、図４に示した転送トランジスタＴＸ２のゲート電極である。配線４８ｂは、第２測距用画素３０２ｂの各回路を構成する配線である。
【００３９】
ゲート電極４７３、４７４と配線４８ｂは、共に遮光部材４２の下部に配置されている。従って、マイクロレンズ４３ｂを通過した光束は、これらの各部に到達しない。これにより、これらの各部は光電効果による影響を受けない。
【００４０】
図８は、縦ブロック２１ｂの構成を模式的に示す平面図である。縦ブロック２１ｂには、複数の撮像画素３０が二次元状に配列されている。それら複数の撮像画素３０には、非測距用画素３０１と、第３測距用画素３０２ｃと、第４測距用画素３０２ｄと、の３種類の画素が含まれる。縦長の測距領域２２ｂ内には、第３測距用画素３０２ｃと、第４測距用画素３０２ｄとが縦方向（ｙ方向）に互い違いに配列される。それ以外の場所には、非測距用画素３０１が配列される。
【００４１】
縦ブロック２１ｂに配列された複数の撮像画素３０は、光電変換信号の読み出し時、まず１列目が同時に読み出され、次に２列目以降が順次読み出される。従って、縦長の測距領域２２ｂ内の第３測距用画素３０２ｃおよび第４測距用画素３０２ｄから読み出される光電変換信号は、同時性を有している。
【００４２】
第３測距用画素３０２ｃは、ｘｙ平面上の第１測距用画素３０２ａを時計回りに９０度回転させた構成を有している。すなわち、第３測距用画素３０２ｃは、マイクロレンズおよびフォトダイオードを有する。そのフォトダイオードは、マイクロレンズの下半分に偏って配置される。第３測距用画素３０２ｃは、そのマイクロレンズの上半分を覆うように配置された遮光部材を有している。従って、第３測距用画素３０２ｃが有するフォトダイオードは、撮像光学系１１の射出瞳の全体のうち、第１測距用画素３０２ａとも第２測距用画素３０２ｂとも異なる一部の瞳領域（マイクロレンズの下半分に対応する瞳領域）を通過した光束を受光する。
【００４３】
第４測距用画素３０２ｄは、ｘｙ平面上の第２測距用画素３０２ｂを時計回りに９０度回転させた構成を有している。すなわち、第４測距用画素３０２ｄは、マイクロレンズおよびフォトダイオードを有する。そのフォトダイオードは、マイクロレンズの上半分に偏って配置される。第４測距用画素３０２ｄは、そのマイクロレンズの下半分を覆うように配置された遮光部材を有している。従って、第４測距用画素３０２ｄが有するフォトダイオードは、撮像光学系１１の射出瞳の全体のうち、第１測距用画素３０２ａとも第２測距用画素３０２ｂとも第３測距用画素３０２ｃとも異なる一部の瞳領域（マイクロレンズの上半分に対応する瞳領域域）を通過した光束を受光する。
【００４４】
（第１測距部１３ａによる位相差検出方式の測距の説明）
第１測距部１３ａによる測距動作を説明する。なお、以下の説明では、横長の測距領域２２ａの１つを例に挙げて説明を行う。縦長の測距領域２２ｂについては、測距方向および読み出し方向が縦方向であることを除き同一の動作となるため、説明を省略する。
【００４５】
第１測距部１３ａは、いわゆる位相差検出方式の測距を行う。第１測距部１３ａは、横方向に１画素おきに並べられた第１測距用画素３０２ａの各々から、第１出力部５１を介して光電変換信号を読み出す。ここで読み出された複数の光電変換信号を、信号列ａ（ｉ）とおく。第１測距部１３ａは、横方向に１画素おきに並べられた第２測距用画素３０２ｂの各々から、第１出力部５１を介して光電変換信号を読み出す。ここで読み出された複数の光電変換信号を、信号列ｂ（ｉ）とおく。信号列ａ（ｉ）および信号列ｂ（ｉ）を生成するための露光タイミングおよび読み出しタイミングは同一である。
【００４６】
第１測距部１３ａは、信号列ａ（ｉ）と信号列ｂ（ｉ）に基づき相関演算を行い、信号列ａ（ｉ）と信号列ｂ（ｉ）のずれ（位相差）を検出する。そして、このずれ（位相差）に所定の係数を乗じ、被測定物２までの距離を算出する。
【００４７】
なお、信号列ａ（ｉ）の読み出しを、第２出力部５２を用いて行ってもよい。同様に、信号列ｂ（ｉ）の読み出しを、第２出力部５２を用いて行ってもよい。
【００４８】
第１測距部１３ａは、第３測距用画素３０２ｃと第４測距用画素３０２ｄとから同様に光電変換信号を読み出して被測定物２までの距離を算出することもできる。第１測距用画素３０２ａと第２測距用画素３０２ｂは横方向に配列されているので、被測定物２の横方向に関するずれ（位相差）に基づき測距が行われる。一方で、第３測距用画素３０２ｃと第４測距用画素３０２ｄは縦方向に配列されているので、被測定物２の縦方向に関するずれ（位相差）に基づき測距が行われる。
【００４９】
（第２測距部１３ｂによるＴＯＦ計測方式の測距の説明）
第２測距部１３ｂによる測距動作を説明する。なお、以下の説明では、横長の測距領域２２ａの１つを例に挙げて説明を行う。縦長の測距領域２２ｂについては、測距方向が縦方向であることを除き同一の動作となるため、説明を省略する。
【００５０】
第２測距部１３ｂは、いわゆるＴＯＦ計測方式の測距を行う。第２測距部１３ｂによる測距に際し、光源部１０は、被測定物２に対して測定光束３を放出する。測定光束３は、所定幅を有するパルス光である。つまり、光源部１０は、所定期間だけ一定の強さの光を放出する。
【００５１】
光源部から放出された測定光束３は、反射光束４として、第１測距用画素３０２ａに入射する。第２測距部１３ｂは、所定時刻に、第１測距用画素３０２ａの第１出力部５１を介して光電変換信号を読み出す。第２測距部１３ｂは、その後、第１測距用画素３０２ａの第２出力部５２を介して光電変換信号を読み出す。つまり、第２測距部１３ｂは、第１測距用画素３０２ａによる一定期間分の光電変換信号を、所定時刻を境界とした前後の期間で分割し別々に読み出す。
【００５２】
第２測距部１３ｂは、同一の第１測距用画素３０２ａについて、第１出力部５１から読み出された光電変換信号の信号量と、第２出力部５２から読み出された光電変換信号の信号量との比を算出する。第２測距部１３ｂは、算出した比から、反射光束４の遅れ時間を算出する。反射光束４の遅れ時間とはすなわち、測定光束３が光源部１０を出発してから被測定物２の表面で反射して反射光束４となり撮像部１２に達するまでの時間である。第２測距部１３ｂは、この遅れ時間と、既知である光の速度から、被測定物２までの距離を算出する。
【００５３】
なお、第２測距部１３ｂは、第２測距用画素３０２ｂ、第３測距用画素３０２ｃ、第４測距用画素３０２ｄについても同様に、被測定物２の測距を行うことができる。具体的な測距の手順は上述した第１測距用画素３０２ａの場合と同一であるので、説明を省略する。
【００５４】
（焦点調節処理の説明）
図９は、制御部１３が実行する焦点調節処理のフローチャートである。ステップＳ１００において、測光部１３ｃが被測定物２を測光する。ステップＳ１１０では、焦点調節部１３ｄが、被測定物２の測光結果である光量が所定のしきい値を上回るか否かを判定する。光量が所定のしきい値を上回る場合、すなわち光量が大きい場合には、焦点調節部１３ｄは処理をステップＳ１２０に進める。
【００５５】
ステップＳ１２０において、第１測距部１３ａは、５つの測距領域２２に配置されている第１測距用画素３０２ａおよび第２測距用画素３０２ｂの第１出力部５１から、光電変換信号を読み出す。この読み出しにより、５つの測距領域２２の各々に対応する５つの信号列ａ（ｉ）および信号列ｂ（ｉ）が作成される。ステップＳ１３０で、第１測距部１３ａは、５つの信号列ａ（ｉ）および信号列ｂ（ｉ）の各々について、のずれ（位相差）を検出する。ステップＳ１４０で、第１測距部１３ａは、５つの測距領域２２の各々に対応するずれ（位相差）から、５つの測距領域２２の各々に対応する被測定物２の距離を算出する。
【００５６】
ステップＳ１１０において、光量が所定のしきい値を上回らなかった場合、焦点調節部１３ｄは処理をステップＳ１５０に進める。ステップＳ１５０では、第２測距部１３ｂが、光源部１０に測定光束３を放出させる。ステップＳ１６０において、第２測距部１３ｂは、５つの測距領域２２に配置されている第１測距用画素３０２ａおよび第２測距用画素３０２ｂの第１出力部５１から、光電変換信号を読み出す。ステップＳ１７０において、第２測距部１３ｂは、５つの測距領域２２に配置されている第１測距用画素３０２ａおよび第２測距用画素３０２ｂの第２出力部５２から、光電変換信号を読み出す。
【００５７】
ステップＳ１８０で、第２測距部１３ｂは、５つの測距領域２２の各々について、第１出力部５１から読み出した光電変換信号の信号量と、第２出力部５２から読み出した光電変換信号の信号量との比に基づき、測定光束３の遅れ時間を算出する。ステップＳ１９０で、第２測距部１３ｂは、５つの測距領域２２の各々に対応する遅れ時間に基づき、５つの測距領域２２の各々に対応する被測定物２の距離を算出する。
【００５８】
ステップＳ２００において、焦点調節部１３ｄは、ステップＳ１４０で算出された被測定物２の距離またはステップＳ１９０で算出された被測定物２の距離に基づき、撮像光学系１１の焦点調節を行う。なお、被測定物２の距離は５つの測距領域２２の各々について算出されるので、焦点調節部１３ｄは、例えば焦点調節の対象とする測距領域２２を１つ選択したり、５つの測距領域２２の各々について算出された距離から最終的な目標距離を決定したりして焦点調節を行う。
【００５９】
上述した第１の実施の形態による撮像装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）第１測距用画素３０２ａのフォトダイオードＰＤａは、撮像光学系１１の射出瞳の一部の領域である第１瞳領域を通過した光束を受光して第１信号を出力する。第２測距用画素３０２ｂのフォトダイオードＰＤｂは、撮像光学系１１の射出瞳の他の一部の領域である第２瞳領域を通過した光束を受光して第２信号を出力する。第１測距部１３ａは、第１信号と第２信号とのずれ（位相差）に基づき被測定物２までの距離を測定する。第２測距部１３ｂは、光源部１０が放出した測定光束３のうち被測定物２で反射し第１瞳領域を通過した光束を受光したフォトダイオードＰＤａにより出力された第１信号に基づき、測定光束３の放出から受光までの遅れ時間を検出して被測定物までの距離を測定する。このようにしたので、ＴＯＦ計測法に基づく測距と位相差検出法に基づく測距とを併用することができる。特に、撮像部１２を単一の撮像素子とすることができるので、部品点数を増やすことなく２方式の測距を併用可能な柔軟性を得ることができる。
【００６０】
（２）撮像部１２は、第１時刻から第２時刻までの間にフォトダイオードＰＤａが受光した光束に基づく第１信号を出力する第１出力部５１と、第２時刻から第３時刻までの間にフォトダイオードＰＤａが受光した光束に基づく第１信号を出力する第２出力部５２とを有する。第２測距部１３ｂは、第１出力部５１から出力された第１信号と第２出力部５２から出力された第１信号とに基づき、測定光束３の放出から受光までの遅れ時間を検出する。このようにしたので、位相差検出法が適さない状況において、ＴＯＦ計測法に基づく測距を行うことができ、状況に応じた柔軟な測距を行うことができる。
【００６１】
（３）第２測距部１３ｂは、第１時刻から第２時刻までの間に受光した光束に基づく第１信号と、第２時刻から第３時刻までの間に受光した光束に基づく第１信号との信号量の差に基づき、測定光束３の放出から受光までの遅れ時間を検出する。このようにしたので、位相差検出法が適さない状況において、ＴＯＦ計測法に基づく測距を行うことができ、状況に応じた柔軟な測距を行うことができる。
【００６２】
（４）焦点調節部１３ｄは、測光部１３ｃにより計測された光量が所定量以上の場合には、第１測距部１３ａによる測定結果に基づき撮像光学系１１の焦点調節を行い、測光部１３ｃにより計測された光量が所定量未満の場合には、第２測距部１３ｂによる測定結果に基づき撮像光学系１１の焦点調節を行う。このようにしたので、環境光の光量によらずに、信頼性の高い焦点調節を行うことができる。
【００６３】
（５）撮像部１２は、マイクロレンズ４３とフォトダイオードＰＤａとを含む第１測距用画素３０２ａと、マイクロレンズ４３とフォトダイオードＰＤｂとを含み第１測距用画素３０２ｂとは異なる第２測距用画素３０２ｂとを有する。このようにしたので、第１測距部１３ａが、いわゆる位相差方式の測距を行うことができる。
【００６４】
（６）第１測距用画素３０２ａは、射出瞳の第１領域とは異なる領域を通過した光束を遮光する遮光部材４２を有し、第２測距用画素３０２ｂは、射出瞳の第２領域とは異なる領域を通過した光束を遮光する遮光部材４２を有する。このようにしたので、フォトダイオードＰＤａが第１領域以外の領域を通過した光束を受光したり、フォトダイオードＰＤｂが第２領域以外の領域を通過した光束を受光したりすることが防止される。
【００６５】
（７）第１測距用画素３０２ａの遮光部材４２により遮光される範囲には、第１出力部５１および第２出力部５２の一部が配置される。このようにしたので、第１出力部５１および第２出力部５２が光電効果による影響を受けない。また、第１測距用画素３０２ａが占有する空間を有効利用することができる。
【００６６】
（８）撮像部１２は、第１領域とも第２領域とも異なる射出瞳の一部の領域である第３領域を通過した光束を受光して第３信号を出力するフォトダイオードを有する第３測距用画素３０２ｃと、第１〜第３領域のいずれとも異なる射出瞳の一部の領域である第４領域を通過した光束を受光して第４信号を出力するフォトダイオードを有する第４測距用画素３０２ｄとを更に有する。フォトダイオードＰＤａとフォトダイオードＰＤｂとが並んで配置される方向は、第３測距用画素３０２ｃのフォトダイオードと第４測距用画素３０２ｄのフォトダイオードとが並んで配置される方向とは異なる。このようにしたので、被測定物２の測距を、互いに異なる方向について行うことができる。
【００６７】
（９）第１測距部１３ａは、位相差検出法に基づく測距を行う。位相差検出法に基づく測距は、光源部１０から測定光束３を放出することなしに行うことができるので、光源部１０による測定光束３の放出で消費される電力を節約することができる。
【００６８】
（１０）第２測距部１３ｂは、ＴＯＦ計測法に基づく測距を行う。ＴＯＦ計測法に基づく測距は、光源部１０から放出される測定光束３を用いて行うので、暗い環境下であっても精度よく測距を行うことができる。
【００６９】
（第２の実施の形態）
上述した第１の実施の形態では、第２測距部１３ｂによる測距を、測距用画素３０２が配置された領域でのみ行っていた。第２の実施の形態に係る撮像装置は、撮像面上の全ての領域で第１測距部１３ａおよび第２測距部１３ｂによる測距を行うことが可能な撮像部１２を有する。なお、以下の説明において、第１の実施の形態と同一の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７０】
図１０は、撮像部１２の撮像面の一部を模式的に示す平面図である。撮像部１２の撮像面には、画素３０３が二次元状に配列されている。画素３０３には、第１画素３０３ａ、第２画素３０３ｂ、第３画素３０３ｃ、第４画素３０３ｄの４種類が含まれる。
【００７１】
画素３０３の形状は正方形である。画素３０３は、正方形を４５度回転させた状態でｘｙ平面上に二次元状に配列される。列１２１には、第１画素３０３ａと第２画素３０３ｂが交互に（１画素おきに）配列される。列１２１に隣接する列１２２には、第３画素３０３ｃと第４画素３０３ｄが交互に（１画素おきに）配列される。
【００７２】
図１１は、第１画素３０３ａの拡大図である。第１画素３０３ａは、正方形の形状を有するマイクロレンズ４３と、直角三角形の形状を有するフォトダイオードＰＤとを有する。フォトダイオードＰＤは、第１画素３０３ａの左半分の領域を占めるように配置される。第１画素３０３ａの残り右半分には、転送トランジスタのゲート電極４７や、配線４８が配置される。第１画素３０３ａの右半分には、ゲート電極４７や配線４８を覆う遮光部材４２が配置される。遮光部材４２により、ゲート電極４７および配線４８には反射光束４が入射しない。
【００７３】
なお、第１画素３０３ａの回路構成は、図４に示した非測距用画素３０１と同一であるので、説明を省略する。つまり第１画素３０３ａは、測距用画素３０２のように、２つの出力部５１，５２を有しているのではなく、単一の出力部５０のみを有している。
【００７４】
第２画素３０３ｂは、第１画素３０３ａを時計回りに１８０度回転させた画素である。同様に、第３画素３０３ｃは、第１画素３０３ａを時計回りに９０度回転させた画素であり、第４画素３０３ｄは、第１画素３０３ａを時計回りに２７０度回転させた画素である。
【００７５】
第１測距部１３ａによる測距動作を説明する。本実施形態の第１測距部１３ａは、縦方向と、横方向と、斜め方向についての測距を、撮像面の任意の位置で行うことができる。例えば、横方向に配列された第１画素３０３ａと第２画素３０３ｂとから、第１の実施の形態で説明した信号列ａ（ｉ）および信号列ｂ（ｉ）を作成することにより、横方向に関する測距を行うことができる。同様に、縦方向に配列された第３画素３０３ｃと第４画素３０３ｄとから、信号列ａ（ｉ）および信号列ｂ（ｉ）を作成することにより、縦方向に関する測距を行うことができる。斜め方向についても同様である。
【００７６】
第２測距部１３ｂによる測距動作を説明する。本実施形態の第２測距部１３ｂは、ＴＯＦ計測方式の測距を、撮像面の任意の位置で行うことができる。第２測距部１３ｂは、隣接する２つの画素３０３には被測定物２の同一位置からの反射光束４が入射すると見なして、ＴＯＦ計測方式の測距を行う。ここで「隣接する２つの画素３０３」とは、縦方向、横方向、もしくは斜め方向に隣接する２つの画素３０３を指す。
【００７７】
第２測距部１３ｂは、所定時刻に、隣接する２つの画素３０３の一方について、出力部５０を介して光電変換信号を読み出す。第２測距部１３ｂは、その後、隣接する２つの画素３０３の他方について、出力部５０を介して光電変換信号を読み出す。それら２つの画素３０３に被測定物２の同一位置からの反射光束４が入射すると仮定すれば、同一位置からの反射光束４に基づく光電変換信号を、所定時刻を境界とした前後の期間で分割し別々に読み出していることになる。
【００７８】
上述した第２の実施の形態による撮像装置によれば、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果に加えて、更に次の作用効果が得られる。
（１１）第１測距部１３ａおよび第２測距部１３ｂは、撮像面上の任意の位置で測距を行う。このようにしたので、測距位置の柔軟性が向上する。
【００７９】
（１２）画素３０３は、単一の出力部５０を有する。このようにしたので、撮像部１２の回路構成が簡略化され、撮像部１２の製造が容易になる。
【００８０】
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
【００８１】
（変形例１）
第１の実施の形態において、第１測距用画素３０２ａと第２測距用画素３０２ｂが、共に、フォトダイオードＰＤａとフォトダイオードＰＤｂの両方を有するように構成してもよい。この場合、ゲート電極４７や配線４８は、撮像部１２を二層構造として、フォトダイオードＰＤａやフォトダイオードＰＤｂが形成される層の下層に設ける。このようにすると、遮光部材４２は不要となり、入射光の利用効率が向上する。第３測距用画素３０２ｃと第４測距用画素３０２ｄについても同様に構成することができる。
【００８２】
（変形例２）
上述した各実施の形態では、第１測距部１３ａによる測距と第２測距部１３ｂによる測距を排他的に行っていたが、これら２方式の測距を同時に行ってもよい。つまり、反射光束４に基づく光電変換信号に対して、位相差方式の測距とＴＯＦ計測方式の測距とを並行して（または順次）行い、両方の結果を得るようにしてもよい。ＴＯＦ計測方式の測距を行う際に第１出力部５１から読み出した光電変換信号と、第２出力部５２から読み出した光電変換信号とを加算すれば、位相差方式の測距に利用可能な信号となる。この場合、焦点調節部１３ｄは、いずれか一方の測距結果に基づき焦点調節を行ってもよいし、両方の測距結果を平均した距離に基づき焦点調節を行ってもよい。
【００８３】
（変形例３）
上述した各実施の形態では、第１測距部１３ａによる測距と第２測距部１３ｂによる測距の結果を焦点調節に利用していたが、これとは異なる目的に測距の結果を利用してもよい。例えば、被測定物２の距離を二次元状にマップした、いわゆるデプスマップを作成してもよいし、被測定物２の立体像を作成するために利用してもよい。
【００８４】
（変形例４）
受信回路５３を、図５とは異なるものにしてもよい。例えば図１２（ａ）に示す受信回路５４は、撮像画素３０をリセットした直後のフィードスルー期間を入力キャパシタ５４１およびスイッチ５４２によりクランプする。その後、光電変換信号を、スイッチ５４３を介してアンプ５４４に入力する。ＡＤ変換器５４６は、アンプ５４４の出力信号をデジタル値に変換する。別の例として、図１２（ｂ）に示す受信回路５５は、撮像画素３０をリセットした直後のフィードスルー期間と光電変換信号とをそれぞれ、スイッチ５５１、スイッチ５５２を介してアンプ５５３に入力する。ＡＤ変換器５５６は、アンプ５５３の出力信号をデジタル値に変換する。これにより、リセット信号と光電変換信号とが個別にデジタル値に変換される。制御部１３は、後者のデジタル値から前者のデジタル値を減算することによりノイズ成分を取り除く。
【００８５】
（変形例５）
遮光部材４２の下部には、第１出力部５１および第２出力部５２の一部とは異なる回路を配置してもよい。例えば、第１測距部１３ａや第２測距部１３ｂなど、制御部１３の機能の一部を、遮光部材４２の下部に電子回路として作り込んでもよい。
【００８６】
（変形例６）
遮光部材４２を、光を吸収する材料で構成してもよい。この場合、入射光は遮光部材４２に吸収され、結果として、その下部の回路に到達しなくなる。
【００８７】
（変形例７）
上述した各実施の形態では、入射光をフォトダイオードにより光電変換する撮像素子について説明した。これを、例えば有機材料により形成された光電変換膜等で光電変換する撮像素子とすることも可能である。
【００８８】
なお、本実施の形態に係る撮像装置としては、上述したような撮像装置１に限定されない。例えばレンズ一体型のデジタルスチルカメラ、フィルムスチルカメラ、あるいはビデオカメラにも本実施の形態を適用することができる。さらには、携帯電話、スマートホン、タブレットＰＣなどの電子機器に内蔵される小型カメラモジュール、監視カメラやロボット用の視覚認識装置、車載カメラなどにも本実施の形態を適用できる。
【００８９】
本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００９０】
１…撮像装置、１０…光源部、１１…光学系、１２…撮像部、１３…制御部、１３ａ…第１測距部、１３ｂ…第２測距部、１３ｃ…測光部、１３ｄ…焦点調節部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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