(57)【要約】【課題】奥行計測用に発光させた光の反射光から被写体を撮像する場合、簡単な回路構成で外光や雑音の影響をなくし計測精度を向上させること。【解決手段】１フレーム期間内に、２つの露光期間Ａ，Ｂと、一方の露光期間Ｂに一致する１つの発光期間と、３つの出力期間Ｃ，Ａ，Ｂを設ける。出力期間Ｃでは、映像信号を含まないランダム雑音を出力し、出力期間Ａでは、露光期間Ａの映像信号とランダム雑音とを出力し、出力期間Ｂでは、露光期間Ａの映像信号と露光期間Ｂの映像信号とランダム雑音とを出力する。出力された３つの期間の信号を演算して、外光による映像信号とランダム雑音を除去して発光のみによる映像信号を取得する。【選択図】図１
2012244357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像方法において、
１フレーム期間内に複数の露光期間を設けてそれぞれの期間にて露光し、
該複数の露光期間の中の１つの露光期間に一致する発光期間を設けて発光させ、
前記複数の露光期間にて得られたそれぞれの映像信号を出力し、
該出力された複数の映像信号を演算して、外光による映像信号を除去し発光のみによる映像信号を取得することを特徴とする撮像方法。
【請求項２】
発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像方法において、
１フレーム期間内に露光期間および発光期間を設け、
１フレーム期間内に複数の出力期間を設けてそれぞれの期間に得られた信号を出力するものであって、
前記複数の出力期間の中の最初の出力期間では、映像信号を含まないランダム雑音を出力し、
２回目以降の出力期間では、前記露光期間に得られる映像信号とランダム雑音とを出力し、
該出力された複数の出力期間の信号を演算して、ランダム雑音を除去した映像信号を取得することを特徴とする撮像方法。
【請求項３】
発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像方法において、
１フレーム期間内に、第１、第２の露光期間と、該第１、第２の露光期間の一方に一致する１つの発光期間と、第１、第２、第３の出力期間を設け、
前記第１の出力期間では、映像信号を含まないランダム雑音を出力し、
前記第２の出力期間では、前記第１の露光期間の映像信号とランダム雑音とを出力し、
前記第３の出力期間では、前記第１の露光期間の映像信号と前記第２の露光期間の映像信号とランダム雑音とを出力し、
該出力された複数の出力期間の信号を演算して、外光による映像信号とランダム雑音を除去して発光のみによる映像信号を取得することを特徴とする撮像方法。
【請求項４】
請求項１または３に記載の撮像方法において、
前記演算にて、さらに外光のみによる映像信号を取得することを特徴とする撮像方法。
【請求項５】
発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像装置において、
前記被写体からの反射光を光電変換して信号電荷を生成するアレイ状に配置されたフォトダイオード群と、
該フォトダイオード群で生成された信号電荷から映像信号を順次読み出す出力回路と、
該出力回路からの出力信号を演算する演算回路と、
前記フォトダイオード群の露光動作と前記出力回路の読出し動作を制御するパルス群を発生するとともに、発光装置の発光動作を制御するパルス発生回路とを備え、
該パルス発生回路は、前記フォトダイオード群に対し１フレーム期間内に複数の露光期間を設けてそれぞれの期間にて露光させ、前記発光装置に対し該複数の露光期間の中の１つの露光期間に一致する発光期間を設けて発光させ、前記出力回路に対し前記複数の露光期間にて得られたそれぞれの映像信号を出力させ、
前記演算回路は、前記出力回路から出力された複数の映像信号を演算して、外光による映像信号を除去し発光のみによる映像信号を取得することを特徴とする撮像装置。
【請求項６】
発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像装置において、
前記被写体からの反射光を光電変換して信号電荷を生成するアレイ状に配置されたフォトダイオード群と、
該フォトダイオード群で生成された信号電荷から映像信号を順次読み出す出力回路と、
該出力回路からの出力信号を演算する演算回路と、
前記フォトダイオード群の露光動作と前記出力回路の読出し動作を制御するパルス群を発生するとともに、発光装置の発光動作を制御するパルス発生回路とを備え、
該パルス発生回路は１フレーム期間内において、前記フォトダイオード群に対し露光期間を設けて露光させ、前記発光装置に対し発光期間を設けて発光させ、前記出力回路に対し複数の出力期間を設けてそれぞれの期間に得られた信号を出力させ、
前記出力回路は、前記複数の出力期間の中の最初の出力期間では、映像信号を含まないランダム雑音を出力し、２回目以降の出力期間では、前記露光期間に得られる映像信号とランダム雑音とを出力し、
前記演算回路は、該出力された複数の出力期間の信号を演算して、ランダム雑音を除去した映像信号を取得することを特徴とする撮像装置。
【請求項７】
発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像装置において、
前記被写体からの反射光を光電変換して信号電荷を生成するアレイ状に配置されたフォトダイオード群と、
該フォトダイオード群で生成された信号電荷から映像信号を順次読み出す出力回路と、
該出力回路からの出力信号を演算する演算回路と、
前記フォトダイオード群の露光動作と前記出力回路の読出し動作を制御するパルス群を発生するとともに、発光装置の発光動作を制御するパルス発生回路とを備え、
該パルス発生回路は、前記フォトダイオード群に対し１フレーム期間内に第１、第２の露光期間を設けて露光させ、前記発光装置に対し該第１、第２の露光期間の一方に一致する１つの発光期間を設けて発光させ、前記出力回路に対し第１、第２、第３の出力期間を設けてそれぞれの期間に得られた信号を出力させ、
前記出力回路は、前記第１の出力期間では、映像信号を含まないランダム雑音を出力し、前記第２の出力期間では、前記第１の露光期間の映像信号とランダム雑音とを出力し、前記第３の出力期間では、前記第１の露光期間の映像信号と前記第２の露光期間の映像信号とランダム雑音とを出力し、
前記演算回路は、該出力された複数の出力期間の信号を演算して、外光による映像信号とランダム雑音を除去して発光のみによる映像信号を取得することを特徴とする撮像装置。
【請求項８】
請求項５または７に記載の撮像装置において、
前記演算回路は、前記出力された複数の信号を演算して、さらに外光のみによる映像信号を取得す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】
本発明は、撮像方法および撮像装置に係り、特に、発光した光を被写体に照射しその反射光から被写体を撮像する際に好適な撮像方法および撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、平面パターンを発光させて被写体に照射し、その反射光を撮像して被写体の奥行を計測する装置が商用化され家庭用ゲーム機などに使われている。このような奥行計測装置を車載物体認識装置などとして屋外で使用しようとすると、外光による妨害が大きくなる。さらに遠くの物体では、発光した平面パターンからの照射光および被写体からの反射光が弱くなるため、ランダム雑音などの雑音の影響が無視できなくなる。外光に対するＳＮ比を改善する一般的な方法として、発光をパルス状にしてピークの発光量を増やし、撮像装置のシャッタ機能により発光している期間のみを撮像する方法がある。一般に発光期間を短くするほどその期間の発光量を増すことができるので、その期間のみ受光すれば外光に対するＳＮ比を改善することができる。
【０００３】
このパルス発光による撮像方法では、行ごとに露光タイミングがずれるローリングシャッタ機能の撮像装置は使えず、全画素が同じタイミングで露光するグローバルシャッタ機能が必要である。近年、このようなグローバルシャッタ機能を有するＣＭＯＳ型撮像装置が開発され、例えば特許文献１には、グローバルシャッタ機能を実現する場合に、露光時間が受ける制約を軽減し、迅速な動作で十分な露光時間を確保するための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】特開２００４−１４０１４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
初めに、従来知られているグローバルシャッタ機能について説明する。
図１１は、グローバルシャッタ機能を有するＣＭＯＳ型の撮像装置の第１の従来例を示す回路構成図で、画素部１００を中心に描いたものである。フォトダイオード（ＰＤ）１０１で光電変換した信号電荷は、転送ゲート（ＴＧ）１０３を介して浮遊拡散層（ＦＤ）１０２に完全転送される。そして、ソースホロワ増幅器１０５と行選択ゲート（ＬＳ）１０６により、信号電荷に比例した信号電圧が、電流源２０１につながっている垂直信号線２００に読み出される。その後、ＡＤ変換器（ＡＤＣ）３００でディジタル信号に変換され、水平出力回路に出力される。図１１の例では、ブルーミング掃き出しゲート（ＢＧ）１０７が設けられており、このゲートの電圧（ＢＧ電圧）を高くすることによりフォトダイオード１０１の信号電荷を掃き出すことができる。その後、転送ゲート１０３の電圧（ＴＧ電圧）にパルスを印加して信号電荷を浮遊拡散層１０２に転送するが、それまでの期間が露光期間である。ＢＧ電圧とＴＧ電圧を、全画素同じパルスで制御することにより全画素の露光タイミングを等しくすることができ、すなわちグローバルシャッタ機能を実現する。リセットゲート（ＲＧ）１０４は、浮遊拡散層１０２に蓄積されている電荷をリセットするためのものである。
【０００６】
図１２は、図１１の撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。時間Ｔ１から時間Ｔ６が１フレーム期間（例えば１７ｍｓｅｃ）であり、動画像の中の１枚の映像を撮像する期間である。この中で、ＢＧパルスを立ち下げた時間Ｔ３からフォトダイオード１０１へ信号電荷の蓄積が開始し、ＴＧパルスを立ち上げた時に蓄積された信号電荷は浮遊拡散層１０２に転送され始め、ＴＧパルスが立ち下がった時間Ｔ４で転送が完了する。この時、浮遊拡散層１０２に転送され保持されている信号電荷の露光期間は、Ｔ３からＴ４までの期間ということになる。この浮遊拡散層１０２の保持する信号電荷の情報は、その後、行毎に順次垂直信号線２００に電圧の形で伝送される。すなわち、ｎ行目の画素部１００では行選択ゲートＬＳ（ｎ）にパルスが入ったとき、（ｎ＋１）行目の画素部１００では行選択ゲートＬＳ（ｎ＋１）にパルスが入ったとき、順次垂直信号線２００にそれぞれの信号情報が伝わり、ＡＤ変換器３００でディジタル信号に変換された後、水平出力回路を介して出力される。出力は行毎に順番になされるが、露光期間は全ての画素について等しく、グローバルシャッタ機能が実現されている。
【０００７】
このようにして、グローバルシャッタ機能を有する撮像装置を用いて露光時間を短くすることにより相対的に外光に対するＳＮ比を改善することができる。しかしながら晴天時の昼間など外光が強い場合に、上記シャッタ動作だけでは外光の影響が無視できず、さらに高性能の外光除去の工夫が必要になる場合がある。また、一般に高速シャッタに伴って信号量が減少するので、ランダム雑音などの雑音をさらに減じる必要が生じる。発光をパルス状にする場合、パルス幅を短くするとピーク光量を増すことができるが、通常、面積は減ることになって、トータルの信号量は減少する。なお、図１１の回路で発生するランダム雑音のうち原理的な雑音は、浮遊拡散層１０２をＲＧパルスでリセットするときに発生するいわゆる「ｋＴＣ雑音」である。ここにｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、Ｃは浮遊拡散層１０２の容量であり、ランダム雑音電荷の分散の自乗がｋＴＣという式になることから一般に「ｋＴＣ雑音」と呼ばれている。
【０００８】
図１３は、グローバルシャッタ機能を有するＣＭＯＳ型撮像装置の第２の従来例を示す回路構成図で、前記ｋＴＣ雑音を抑圧する構成としたものである。前記図１１の構成において、フォトダイオード（ＰＤ）１０１と浮遊拡散層（ＦＤ）１０２の間に第２のフォトダイオード（ＰＤ２）１０８と第２の転送ゲート（ＴＧ２）１０９を配している。また垂直信号線２００とＡＤ変換器３００の間に、第１、第２のサンプルホールド回路（ＳＨ１，ＳＨ２）２０２，２０３と、差動増幅器（ＡＭＰ）２０４を配している。この構成では、トランジスタ数が増えて開口率は下がるが、下記のような動作でｋＴＣ雑音を抑圧することができる。なお、追加した第２のフォトダイオード（ＰＤ２）１０８は上部を遮光されていて光電変換が行われないが、空乏化して次段に電荷を完全転送できる点でフォトダイオード１０１と類似の構造になっている。
【０００９】
図１４は、図１３の撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。ＢＧパルスを立ち下げた時間Ｔ３からフォトダイオード（ＰＤ）１０１へ信号電荷が蓄積し、ＴＧパルスを印加すると蓄積された信号電荷は第２のフォトダイオード（ＰＤ２）１０８に転送され、ＴＧパルスが立ち下がった時間Ｔ４では信号電荷の転送が終わって第２のフォトダイオード１０８で保持されている。時間Ｔ３からＴ４までの期間が露光期間で全画素共通である。この後行毎に順次浮遊拡散層（ＦＤ）１０２、垂直信号線２００へと信号を読み出していく。ｎ行目の画素部１００では、まず、時間Ｔ７までにリセットゲートＲＧ（ｎ）１０４が低電位になって、順次浮遊拡散層１０２にｋＴＣ雑音が保持されている。そのとき行選択ゲートＬＳ（ｎ）１０６を高電位にすることにより、このｋＴＣ雑音の電圧情報がソースホロワ増幅器１０５を介して垂直信号線２００に伝わる。この時間Ｔ７のタイミングにおいて、第１のサンプルホールド回路（ＳＨ１）２０２でサンプルホールドすることによりｋＴＣ雑音の電圧情報が保持される。次に、第２の転送ゲートＴＧ２（ｎ）１０９にパルスを印加することにより、第２のフォトダイオード（ＰＤ２）１０８の信号電荷が浮遊拡散層１０２に転送され、保持されているｋＴＣ雑音電荷と加算される。次の時間Ｔ８のタイミングで、この信号＋雑音の電圧情報が垂直信号線２００に伝わるので、これを第２のサンプルホールド回路（ＳＨ２）２０３でサンプルホールドする。差動増幅器（ＡＭＰ）２０４で両者の差を取ることにより、ｋＴＣ雑音が取り除かれて信号情報だけを出力することができる。
【００１０】
以上説明した第１の従来例（図１１，図１２）によれば、発光パルスの時間幅を狭めて外光の影響を減らすものであるが、ｋＴＣ雑音などの雑音の影響を減じる必要がある。また第２の従来例（図１３、図１４）によればｋＴＣ雑音を抑圧することができるが、回路構成が複雑でありまた複雑なタイミング制御が必要であった。
【００１１】
本発明の目的は、奥行計測用に発光させた光の反射光から被写体を撮像する場合、簡単な回路構成で外光や雑音の影響をなくし計測精度を向上させる撮像方法と撮像装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像方法において、１フレーム期間内に複数の露光期間を設けてそれぞれの期間にて露光し、該複数の露光期間の中の１つの露光期間に一致する発光期間を設けて発光させ、前記複数の露光期間にて得られたそれぞれの映像信号を出力し、該出力された複数の映像信号を演算して、外光による映像信号を除去し発光のみによる映像信号を取得するものである。
【００１３】
また本発明の撮像方法は、１フレーム期間内に露光期間および発光期間を設け、１フレーム期間内に複数の出力期間を設けてそれぞれの期間に得られた信号を出力するものであって、前記複数の出力期間の中の最初の出力期間では、映像信号を含まないランダム雑音を出力し、２回目以降の出力期間では、前記露光期間に得られる映像信号とランダム雑音とを出力し、該出力された複数の出力期間の信号を演算して、ランダム雑音を除去した映像信号を取得するものである。
【００１４】
本発明は、発光させた光を被写体に照射しその反射光から該被写体を撮像する撮像装置において、前記被写体からの反射光を光電変換して信号電荷を生成するアレイ状に配置されたフォトダイオード群と、該フォトダイオード群で生成された信号電荷から映像信号を順次読み出す出力回路と、該出力回路からの出力信号を演算する演算回路と、前記フォトダイオード群の露光動作と前記出力回路の読出し動作を制御するパルス群を発生するとともに、発光装置の発光動作を制御するパルス発生回路とを備え、該パルス発生回路は、前記フォトダイオード群に対し１フレーム期間内に複数の露光期間を設けてそれぞれの期間にて露光させ、前記発光装置に対し該複数の露光期間の中の１つの露光期間に一致する発光期間を設けて発光させ、前記出力回路に対し前記複数の露光期間にて得られたそれぞれの映像信号を出力させ、前記演算回路は、前記出力回路から出力された複数の映像信号を演算して、外光による映像信号を除去し発光のみによる映像信号を取得するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発光させた光を被写体に照射しその反射光から被写体を撮像する際に、外光の影響を除去し発光のみによる映像信号を取得することができる。さらには、ランダム雑音の影響を簡単な回路構成で除去し、高いＳＮ比の映像信号を取得することができる。これより、屋外にある被写体や遠方の被写体の奥行を精度良く計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による撮像方法の典型的な実施例を示すタイミングチャート。
【図２】本発明による撮像装置の典型的な実施例を示す回路構成図。
【図３】撮像方法の第１の実施例を示すタイミングチャート（実施例１）。
【図４】撮像方法の第２の実施例を示すタイミングチャート（実施例２）。
【図５】撮像方法の第３の実施例を示すタイミングチャート（実施例３）。
【図６】実施例３の信号伝送動作を示すポテンシャル図。
【図７】撮像方法の第４の実施例を示すタイミングチャート（実施例４）。
【図８】撮像装置の第５の実施例を示す構成図（実施例５）。
【図９】図８の撮像装置における撮像方法の一実施例を示すタイミングチャート。
【図１０】図９のタイミングチャートをより詳細に示した図。
【図１１】撮像装置の第１の従来例を示す回路構成図。
【図１２】図１１の撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャート。
【図１３】撮像装置の第２の従来例を示す回路構成図。
【図１４】図１３の撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明では、撮像装置における映像信号読み出しの際、１フレーム中で発光させた期間に露光した映像信号と、発光させない期間に露光した映像信号とを取得し、それらの演算により外光の影響をなくし、発光させた光の反射だけによる映像を求めるようにした。
【００１８】
図１は、本発明による撮像方法の典型的な実施例を示すタイミングチャートである。１フレーム期間（時間Ｔ１からＴ６まで）の中に、１つの発光期間（時間Ｔ４からＴ５まで）と２つの露光期間Ａ（時間Ｔ３からＴ４まで）、Ｂ（時間Ｔ４からＴ５まで）を設ける。また信号を出力する期間として、出力期間Ａ（時間Ｔ４からＴ５まで）、出力期間Ｂ（時間Ｔ５からＴ６まで）、出力期間Ｃ（時間Ｔ２からＴ４まで）の３つを設ける。
【００１９】
図１の例では露光期間Ａは非発光期間であり、露光期間Ａで得られる信号Ａは外光のみによる映像信号である。露光期間Ｂは発光期間に一致させているので、露光期間Ｂで得られる信号Ｂは外光および発光による映像信号である。出力に関しては、時間Ｔ２で浮遊拡散層１０２をリセットした後、出力期間Ｃでランダム雑音（ｋＴＣ雑音）のみを出力し、時間Ｔ４で信号Ａを浮遊拡散層１０２に転送した後、出力期間ＡでｋＴＣ雑音に信号Ａを加えた信号を出力し、時間Ｔ５で信号Ｂを浮遊拡散層１０２に転送した後、出力期間ＢでｋＴＣ雑音と信号Ａに信号Ｂを加えた信号を出力する。
【００２０】
これらの出力信号から次のような演算を行う。出力期間Ａの出力信号から出力期間Ｃの出力信号を差し引くことにより、ｋＴＣ雑音を除いた外光のみによる信号Ａ（露光期間Ａの信号）が得られる。また、出力期間Ｂの出力信号から出力期間Ａの出力信号を差し引くことにより、ｋＴＣ雑音と信号Ａを除いた、外光および発光による信号Ｂ（露光期間Ｂの信号）が得られる。信号Ａと信号Ｂの演算により発光のみによる映像信号が得られるが、演算の際には、各出力期間の信号に適度な係数を乗じて差し引けば良く、例えば露光期間Ａと露光期間Ｂの長さが等しい場合には各係数は１になる。なお、発光期間を露光期間Ａに一致させた場合も同様の演算で所望の情報を得ることができる。
【００２１】
図２は、本発明による撮像装置の典型的な実施例を示す回路構成図である。画素部１００の内部構成は前記図１１に示した構成と同様であり、画素当たり１個のフォトダイオード（ＰＤ）１０１を有する。撮像素子は、このような画素部（フォトダイオード）がアレイ状に配置されている。各画素から映像信号を読み出す制御機能として、パルス発生回路６００を設け画素内にパルス群６０１を供給する。パルス群６０１にはＢＧ，ＴＧ，ＲＧ，ＬＳ（ｎ）などのゲート制御パルスを含む。またパルス発生回路６００は発光装置７００に対し、所定の発光期間だけ発光するように制御信号を送る。発光装置７００は撮像装置に内蔵しても外付けでも良い。
【００２２】
水平出力回路４００は、各列でＡＤ変換した信号を順次出力する。演算回路５００は、各画素から出力される複数の映像信号の演算を行い、外光の影響やランダム雑音（ｋＴＣ雑音）を除去し、奥行計測に必要な発光のみによる映像信号を得る。また場合によっては、外光のみによる映像信号を得て、被写体認識等に用いることもできる。
以下、本発明による複数の実施例を具体的に詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
図３は、本発明の撮像方法の第１の実施例を示すタイミングチャートである。撮像装置は図２の構成とし、パルス発生回路６００からゲート制御用のパルス群６０１を供給する。ゲート制御パルスには、ＢＧ（ブルーミング掃き出しゲート）パルス、ＴＧ（転送ゲート）パルス、ＲＧ（リセットゲート）パルス、ＬＳ（行選択ゲート）パルスなどが含まれる。これらのゲートパルスの機能は図１１、図１２と同様であり、繰り返しの説明は省略する。本実施例では、１フレーム中に２回の露光期間Ａ，Ｂを設けてそれぞれ独立に読み出すようにした。
【００２４】
まず、１回目の露光期間Ａとその出力期間Ａを説明する。時間Ｔ３においてＢＧパルスを立ち下げて、フォトダイオード１０１に信号電荷を蓄積し始め、時間Ｔ４においてＴＧパルスを立ち下げて、フォトダイオード１０１から浮遊拡散層１０２への信号電荷転送を完了する。この時間Ｔ３からＴ４までの期間が１回目の露光期間（露光期間Ａ）になる。浮遊拡散層１０２へ転送された信号電荷は、時間Ｔ４からＴ５の期間（出力期間Ａ）において、各画素の対応する行選択ゲートＬＳ（ｎ），ＬＳ（ｎ＋１），・・・を順次高レベルにすることにより順次垂直信号線２００に電圧の形で伝達され、ＡＤ変換器３００、水平出力回路４００を経て出力される。なお、浮遊拡散層１０２に残留している電荷は、一連の垂直信号線２００への信号伝達完了後、適当な時間Ｔ９にＲＧパルスを印加してリセットする。
【００２５】
次に、２回目の露光期間Ｂとその出力期間Ｂを説明する。時間Ｔ４において、フォトダイオード１０１には新たに信号電荷が蓄積され始め、時間Ｔ５において再度ＴＧパルスを立ち下げて、フォトダイオード１０１から浮遊拡散層１０２への信号電荷転送を完了する。この時間Ｔ４からＴ５までの期間が２回目の露光期間（露光期間Ｂ）となる。浮遊拡散層１０２へ転送された信号電荷は、時間Ｔ５からＴ６の期間（出力期間Ｂ）において、１回目と同様に、ＬＳ（ｎ），ＬＳ（ｎ＋１），・・・を順次高レベルにすることにより順次垂直信号線２００に電圧の形で伝達され、ＡＤ変換器３００、水平出力回路を経て出力される。浮遊拡散層１０２に残留している電荷は、一連の垂直信号線２００への信号伝達完了後、適当な時間Ｔ２にＲＧパルスを印加してリセットする。
【００２６】
このように図３の実施例では、１フレーム期間に２つの露光期間Ａ，Ｂを設定し、それぞれの信号情報を２つの出力期間Ａ，Ｂに出力する。そして発光期間を例えば露光期間Ｂに一致させると、出力期間Ａの出力信号からは露光期間Ａの外光のみによる映像信号が得られ、出力期間Ｂの出力信号からは露光期間Ｂの外光と発光による映像信号が得られる。これら２つの出力信号を演算回路５００で演算（減算）することにより、外光による映像信号を除去し、発光のみによる映像信号を得ることができる。すなわち、発光期間の反射光を撮像して被写体の奥行を計測する際に、その奥行情報を正確に取得することができる。さらに付随する効果として、露光期間Ａの信号から発光の影響のない外光のみによる映像も得られるので、被写体の認識に好適となる。
【実施例２】
【００２７】
図４は、本発明の撮像方法の第２の実施例を示すタイミングチャートである。前記実施例１（図３）との変更箇所は、出力期間Ａと出力期間Ｂの間でリセットゲートＲＧを低レベルのままにして、浮遊拡散層１０２のリセットを行わない点である。これにより露光期間Ａの信号電荷は、出力期間Ａで出力した後もリセットされず浮遊拡散層１０２に保持され、出力期間Ｂでも再び読み出されることになる。すなわち、出力期間Ａの出力信号は露光期間Ａの外光による映像信号であるのに対し、出力期間Ｂの出力信号は、露光期間Ｂの発光による映像信号と露光期間Ｂの外光による映像信号に露光期間Ａの外光による映像信号が加算されたものになる。実施例１（図３）の場合と同様に、演算回路５００によりこれら２つの出力信号を所定の係数を乗じて演算（減算）することで、外光による映像信号を除去し、発光のみによる映像信号を得ることができる。さらに、外光のみによる映像信号も得られるという付随効果もある。本実施例の構成では、ＲＧパルスを１個減らすことによりタイミング設定の余裕度が増すメリットがある。
【実施例３】
【００２８】
図５は、本発明の撮像方法の第３の実施例を示すタイミングチャートである。実施例２（図４）との変更箇所は、時間Ｔ２からＴ４までの間にさらに出力期間Ｃを追加してｋＴＣ雑音を出力させる点である。具体的には、時間Ｔ２でＲＧパルスを印加して浮遊拡散層１０２をリセットした後、ＬＳ（ｎ），ＬＳ（ｎ＋１），・・・に順次パルスを印加して、浮遊拡散層１０２で発生するｋＴＣ雑音の電圧情報を垂直信号線２００へ伝達する。すなわち、この出力期間Ｃでは映像信号が存在せずｋＴＣ雑音のみを出力する。この後実施例２（図４）と同様に、出力期間Ａでは露光期間Ａの外光による映像信号を、出力期間Ｂでは露光期間Ｂの発光および外光による映像信号に露光期間Ａの外光による映像信号が加算されたものを出力する。
【００２９】
出力期間Ａ、ＢにおいてｋＴＣ雑音を考慮すると、時間Ｔ４でＴＧパルスを印加してフォトダイオード１０１の信号電荷を浮遊拡散層１０２に転送したとき、浮遊拡散層１０２には露光期間Ａの信号電荷とｋＴＣ雑音が保持される。すなわち出力期間Ａでは、上記映像信号（露光期間Ａの外光による映像信号）の他にｋＴＣ雑音が出力される。同様に出力期間Ｂでは、上記映像信号（露光期間Ｂの発光および外光による映像信号、露光期間Ａの外光による映像信号）の他にｋＴＣ雑音が出力される。これら出力期間Ａ，Ｂ，Ｃの３つの出力信号を演算することにより、ｋＴＣ雑音を除去した状態で発光のみによる映像信号と外光のみによる映像信号を得ることができる。
【００３０】
図６は、本実施例の信号伝送動作を示すポテンシャル図で、図５のタイミングチャートの各時間における撮像素子内部のポテンシャル分布を示す。
【００３１】
時間Ｔ２ではＲＧパルスを立ち下げて、ＦＤ（浮遊拡散層１０２）を電源Ｖｄｄから切断する。このときＦＤにはｋＴＣ雑音４０４が残留する。この状態でＬＳパルスを印加しＦＤから信号を読み出すのが出力期間Ｃである。またＰＤ（フォトダイオード１０１）には光電変換により信号電荷４０１が生成・蓄積されている。
時間Ｔ３ではＢＧパルスを印加し、ＰＤを空乏化させて信号電荷４０１を電源に掃き出す。ＢＧパルスを立ち下げると、ＰＤには新たに信号電荷４０２の蓄積が始まる（露光期間Ａ）。
【００３２】
時間Ｔ４では、ＴＧパルスを印加しＰＤを空乏化させ、前記Ｔ３以降（露光期間Ａ）にＰＤにて生成された信号電荷４０２をＦＤに移送する。この結果ＦＤにはｋＴＣ雑音４０４と信号電荷４０２が保持される。この状態でＬＳパルスを印加しＦＤから信号を読み出すのが出力期間Ａである。信号電荷４０２のＦＤへの移送が完了すると、ＰＤには新たに信号電荷４０３の蓄積が始まる（露光期間Ｂ）。
時間Ｔ５では、再度ＴＧパルスを印加してＰＤを空乏化させ、前記Ｔ４以降（露光期間Ｂ）にＰＤにて生成された信号電荷４０３をＦＤに移送する。この結果ＦＤにはｋＴＣ雑音４０４と信号電荷４０２と信号電荷４０３が保持される。この状態でＬＳパルスを印加しＦＤから信号を読み出すのが出力期間Ｂである。
【００３３】
このようにして、出力期間ＣではｋＴＣ雑音４０４を、出力期間ＡではｋＴＣ雑音４０４と信号電荷４０２を、出力期間ＢではｋＴＣ雑音４０４と信号電荷４０２と信号電荷４０３をそれぞれ出力することができ、後段の演算でそれぞれの信号電荷の情報を分離して取得することができる。
なお、本実施例の撮像方法は前記図１にて典型的な例として説明した通りである。
【実施例４】
【００３４】
本発明は、前記図１３で述べた画素当たり２個のフォトダイオードを有する構成の撮像装置においても適用できる。
図７は、本発明の撮像方法の第４の実施例を示すタイミングチャートであり、図１３の撮像装置に適用した場合である。撮像装置には第２のフォトダイオード（ＰＤ２）１０８と第２の転送ゲート（ＴＧ２）１０９を有するとともに、第１、第２のサンプルホールド回路（ＳＨ１，ＳＨ２）２０２，２０３と差動増幅器（ＡＭＰ）２０４により、ｋＴＣ雑音を取り除いて信号情報だけを出力することができる。
【００３５】
本実施例は図１４のタイミングチャートと比較し、１フレーム期間に２回の露光期間Ａ，Ｂとこれに対応する出力期間Ａ，Ｂを設けている点が異なる。なお図７では、図１４で示したＲＧパルスとＴＧ２パルスとＬＳパルスの表示を省略している。例えば発光期間を露光期間Ｂに一致させると、出力期間Ａの信号からは外光のみによる映像信号が得られ、出力期間Ｂの信号からは発光による映像信号と外光による映像信号が得られる。これらの映像信号では、差分増幅器２０４によりｋＴＣ雑音が除去されている。これら２つの出力信号を演算することにより、外光による映像を除去し、発光のみによる映像を得ることができ、より正確な奥行情報を得ることができる。さらに付随する効果として、露光期間Ａの信号から発光の影響のない外光のみによる映像も得られるので、被写体の認識に好適である。
【実施例５】
【００３６】
図８は、本発明による撮像装置の第５の実施例を示す構成図である。本実施例でも２個のフォトダイオードを有するが、前記図１３の撮像装置と比較して、第２の転送ゲート（ＴＧ２）１０９とリセットゲート（ＲＧ）１０４を全画素共通のパルスで駆動するようにしている。またｋＴＣ雑音は、実施例３（図５）のように、同じ経路で先に読み出しておいて、後段の処理で差し引くので、ＡＤ変換器３００の前のサンプルホールド回路（ＳＨ１，ＳＨ２）２０２，２０３や差動増幅器２０４が不要になる。第２のフォトダイオード（ＰＤ２）１０８は図１３と同じく遮光されていて、信号電荷を保持することができる。
【００３７】
本実施例でも２回の露光期間を設定するが、その期間は、フォトダイオード（ＰＤ）１０１の信号電荷をブルーミング掃き出しゲート（ＢＧ）１０７から掃き出した後、転送ゲート１０３から第２のフォトダイオード（ＰＤ２）１０８に転送するまでの期間であり、他の動作と関係なく自由に選ぶことができる。さらに第２のフォトダイオード１０８は、信号電荷を浮遊拡散層１０２に転送した後に、別の信号電荷をフォトダイオード１０１から転送して保持しておくことで、合わせて２回の露光期間を重ならない範囲で自由に設定することができる。以下に述べるタイミングで動作させることにより、極めて高精度に外光の影響を抑圧することができる。
【００３８】
図９は、図８の撮像装置における撮像方法の一実施例を示すタイミングチャートである。前記図１と同様に１フレームに２回の露光期間Ａ，Ｂと、３回の出力期間Ｃ，Ａ，Ｂを設ける。それぞれの出力期間Ｃ，Ａ，Ｂでは、ｋＴＣ雑音、信号Ａ（露光期間Ａの信号）、信号Ｂ（露光期間Ｂの信号）を加算しながら出力する。この例でも、発光期間は露光期間Ｂに一致させている。
【００３９】
図１との違いは、２つの露光期間Ａ，Ｂを重ならない範囲で自由に設定できる点で、例えば露光期間Ａと露光期間Ｂの時間差（Ｔ３とＴ４の時間差）を３０μｓｅｃ程度に設定する。これは時速１００ｋｍで走行している車が１ｍｍ動く時間に相当し、露光期間Ａと露光期間Ｂとで外光によって得られる映像が実質的に同じ映像になる（強度は露光時間に比例する）。従って、日常見かける速い動きのある被写体でも、後段での演算により外光の影響をほぼ完全に除去することができる。なお発光期間の設定は、厳密には光の速度を考慮する必要があるが、１μｓｅｃで３００ｍ移動するので、露光期間Ｂに一致させて構わない。最大認識距離仕様が例えば１５０ｍと長い場合は、光速を考慮して発光期間の終了時間を露光期間Ｂの終了時間よりも１μｓｅｃだけ早く設定すると若干発光強度を増すことができる。
【００４０】
図１０は、図９のタイミングチャートにゲートパルスを追加しより詳細に示した図である。
【００４１】
時間Ｔ２でＲＧパルスを立ち下げ浮遊拡散層１０２を分離した後、出力期間Ｃに入る。ここではＬＳ（ｎ），ＬＳ（ｎ＋１），・・・に順次パルスを印加して、ｋＴＣ雑音の電圧情報を垂直信号線２００へ伝達して出力する。
時間Ｔ３でＢＧパルスを立ち下げて露光期間Ａが始まる。この時間Ｔ３は任意に選ぶことができるが、露光時間を短くする場合には出力期間Ｃの後半にする。この後、時間Ｔ１１でＴＧパルスを印加して信号電荷を第２のフォトダイオード１０８に転送し終えると、露光時間Ａが終了し代わりに露光期間Ｂが始まる。時間Ｔ１１でＴＧパルスが立ち下がった後、すぐＴＧ２パルスを印加して、露光期間Ａの信号電荷を第２のフォトダイオード１０８から浮遊拡散層１０２に転送する。
【００４２】
時間Ｔ４ではＴＧ２パルスが立ち下がり、第２のフォトダイオード１０８は空になっているので、この後任意の時間Ｔ１２に再びＴＧパルスを印加してフォトダイオード１０１から第２のフォトダイオード１０８に信号電荷を転送する。この時点で露光期間Ｂが終了する。
時間Ｔ４では、露光期間Ａの信号電荷が浮遊拡散層１０２に転送され、ｋＴＣ雑音電荷と合わさる。この後出力期間Ａに入るが、ここではＬＳ（ｎ），ＬＳ（ｎ＋１），・・・に順次パルスを印加して、雑音と信号を垂直信号線２００へ伝達して出力する。
【００４３】
出力期間Ａが完了した後、時間Ｔ５では再びＴＧ２パルスを印加して、露光期間Ｂの信号電荷を第２のフォトダイオード１０８から浮遊拡散層１０２に転送する。このとき浮遊拡散層１０２には、ｋＴＣ雑音電荷と２つの露光期間Ａ，Ｂの信号電荷の全てが保持される。この後出力期間Ｂに入るが、ここではＬＳ（ｎ），ＬＳ（ｎ＋１），・・・に順次パルスを印加して、雑音と信号を垂直信号線２００へ伝達して出力する。
【００４４】
このように本実施例では連続する２つの露光期間Ａ，Ｂをきわめて短く設定することができ、従って２つの露光期間のタイミング差もきわめて小さくでき、日常に見かける被写体がほとんど動かない状態で２つの映像を得ることができる。後段での演算は図１と同様であるが、外光による映像は２つの露光期間でほぼ同じなので、外光による影響をほぼ完全に除去することができ、屋外でも遠くの被写体でも精度良く奥行計測することができる。
【００４５】
なお、以上の実施例では露光期間が２つの場合のみを説明したが、ダイナミックレンジ拡大等のためにさらに多くの露光期間を設ける構成も可能である。その場合にも、複数の露光期間の一部の期間でのみ発光させることにより、同様に奥行計測の精度を向上することができる。
【符号の説明】
【００４６】
１００…画素部、
１０１…フォトダイオード（ＰＤ）、
１０２…浮遊拡散層（ＦＤ）、
１０３…転送ゲート（ＴＧ）、
１０４…リセットゲート（ＲＧ）、
１０５…ソースホロワ増幅器、
１０６…行選択ゲート（ＬＳ）、
１０７…ブルーミング掃き出しゲート（ＢＧ）、
１０８…第２のフォトダイオード（ＰＤ２）、
１０９…第２の転送ゲート（ＴＧ２）、
２００…垂直信号線、
２０１…電流源、
２０２…第１のサンプルホールド回路（ＳＨ１）、
２０３…第２のサンプルホールド回路（ＳＨ２）、
２０４…差動増幅器（ＡＭＰ）、
３００…ＡＤ変換器（ＡＤＣ）、
４００…水平出力回路、
４０１，４０２，４０３…信号電荷、
４０４…雑音電荷、
５００…演算回路、
６００…パルス発生回路、
７００…発光装置。
【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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【図１３】
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【図１４】
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