(57)【要約】  撮像装置（１０）は、発光を指示する第１パルスと、露光を指示する第２パルスと、を発生する制御部（３）と、第１パルスに従って発光する光源部（１）と、第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子（２０）を備える撮像部（２）と、を備える撮像装置であって、固体撮像素子（２０）は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部（１０１）と、信号電荷を蓄積する複数の信号蓄積部と、を含む画素部を有し、画素部（１００）は、第１パルスから第１の遅延時間が遅れる第２パルスを用いる第１露光処理及び第３露光処理と、第１パルスから第２の遅延時間が遅れる第２パルスを用いる第２露光処理と、により得られるそれぞれの信号電荷を、複数の電荷蓄積部のうちの異なる電荷蓄積部に蓄積する。
2020027221.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光を指示する第１パルスと、露光を指示する第２パルスと、を発生する制御部と、
前記第１パルスに従って発光する光源部と、
前記第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子を備える撮像部と、
を備える撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を蓄積する複数の信号蓄積部と、を含む画素部を有し、
前記画素部は、
前記第１パルスから第１の遅延時間が遅れる前記第２パルスを用いる第１露光処理及び第３露光処理と、前記第１パルスから第２の遅延時間が遅れる前記第２パルスを用いる第２露光処理と、により得られるそれぞれの前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの異なる電荷蓄積部に蓄積する
撮像装置。
【請求項２】
前記画素部は、前記第１パルスを発生させずに前記第２パルスを発生させる第４露光処理により得られる前記信号電荷を、前記第１、第２および第３露光処理により得られる信号電荷を蓄積する前記電荷蓄積部とは異なる電荷蓄積部に蓄積する
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第１露光処理による露光時間と前記第３露光処理による露光時間との合計は、前記第２露光処理による露光時間と等しい
請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１露光処理による露光時間と前記第３露光処理による露光時間との合計は、前記第２露光処理による露光時間と等しく、
前記第４露光処理による露光時間は、前記第２露光処理による露光時間と等しい
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１パルスのパルス幅は、前記第２パルスのパルス幅と同じであり、
前記第１露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数はそれぞれｍ１であり、前記ｍ１は整数であり、
前記第２露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数はそれぞれｍ２であり、前記ｍ２は前記ｍ１より大きい整数であり、
前記第３露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数はそれぞれｍ３であり、前記ｍ３は前記ｍ２より小さい整数である
請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記ｍ１と前記ｍ３との和は前記ｍ２と等しい
請求項５に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記第１露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数は、それぞれｍ１個であり、前記ｍ１は整数であり、
前記第２露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数は、それぞれｍ２であり、前記ｍ２は前記ｍ１より大きい整数であり、
前記第３露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数は、それぞれｍ３であり、前記ｍ３は前記ｍ２より小さい整数であり、
前記第４露光処理での前記第２パルスの数は、ｍ４であり、前記ｍ４は前記ｍ２以下である
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記ｍ１と前記ｍ３との和は前記ｍ２と等しく、前記ｍ４は前記ｍ２と等しい
請求項７に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記第１の遅延時間は、０以上前記第１パルスの時間幅より小さい
請求項１〜８のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記制御部（３）は、時系列的な前記第１露光処理〜第４露光処理を１セットとする処理をＮ（Ｎは整数）回繰り返す
請求項７または８に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記固体撮像素子は、前記複数の画素部の列毎に設けられた垂直転送部を有するＣＣＤ型であり、
前記電荷蓄積部は、それぞれ、前記垂直転送部に形成される電位の井戸として形成される
請求項２、７または８に記載の撮像装置。
【請求項１２】
前記固体撮像素子は、さらに、
前記複数の画素部の列毎に設けられた垂直信号線と、
前記複数の画素部毎に設けられ、前記電荷蓄積部から選択的に信号電荷を電圧に変換し前記垂直信号線に読み出す読出し回路と、
を備える
請求項１１に記載の撮像装置。
【請求項１３】
前記固体撮像素子は、ＣＭＯＳ型である
請求項２、７または８に記載の撮像装置。
【請求項１４】
前記第２の遅延時間は、前記第１の遅延時間よりも、時間が長い
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１５】
発光を指示する第１パルスと、露光を指示する第２パルスと、を発生する制御部と、前記第１パルスに従って発光する光源部と、前記第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子を備える撮像部と、を備える撮像装置に用いられる固体撮像素子であって、
前記固体撮像素子は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を蓄積する複数の信号蓄積部と、を含む画素部を有し、
前記画素部は、
前記第１パルスから第１の遅延時間が遅れる前記第２パルスを用いる第１露光処理及び第３露光処理と、前記第１パルスから第２の遅延時間が遅れる前記第２パルスを用いる第２露光処理と、により得られるそれぞれの前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの異なる電荷蓄積部に蓄積する
固体撮像素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体を検知する複数の方式の中で、測定対象物まで光が往復する飛行時間を利用して測距を行うＴＯＦ（ｔｉｍｅ ｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）方式が知られている。【０００３】
特許文献１には、距離情報と反射率情報との比に応じて照射光の繰り返し回数を調整する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２００１−１４８８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、例えば、撮像装置と対象物との距離が短く、かつ、対象物の反射率が高い場合には、反射光による信号電荷が飽和することがあり測距できないことがあるという問題がある。また、撮像装置と対象物との距離が長く、対象物の反射率が低い場合には、反射光による信号電荷が少なすぎて測距精度が劣化するという問題がある。【０００６】
上記課題に鑑み、本開示は、反射率の高い対象物が近くにある場合であっても信号電荷の飽和を抑制し、反射率の低い対象物が遠くにある場合であっても測距精度の劣化を抑制する撮像装置および固体撮像祖素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る撮像装置は、発光を指示する第１パルスと露光を指示する第２パルスとを発生する制御部と、前記第１パルスに従って発光する光源部と、前記第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子を備える撮像部と、を備える撮像装置であって、前記固体撮像素子は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を蓄積する複数の信号蓄積部と、を含む画素部を有し、前記画素部は、前記第１パルスから第１の遅延時間が遅れる前記第２パルスを用いる第１露光処理及び第３露光処理と、前記第１パルスから第２の遅延時間が遅れる前記第２パルスを用いる第２露光処理と、により得られるそれぞれの前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの異なる電荷蓄積部に蓄積する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示に係る撮像装置によれば、反射率の高い対象物が近くにある場合であっても信号電荷の飽和を抑制し、反射率の低い対象物が遠くにある場合であっても測距精度の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態１に係る撮像装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施の形態１に係る固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像素子における画素部の構成例を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る撮像装置の撮像動作の一例を説明するタイミングチャートである。
【図４】図４は、実施の形態１に係る固体撮像素子の画素部における第１〜第４の単位露光処理の動作例を示す説明図である。
【図５】図５は、実施の形態１に係る第１〜第４の単位露光処理の動作例を説明するタイミングチャートである。
【図６Ａ】図６Ａは、実施の形態２に係る固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像素子における画素部の構成例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係る固体撮像素子の画素部における第１〜第４の単位露光処理の動作例を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、実施の形態３に係る固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、実施の形態３に係る固体撮像素子における画素部の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施の形態に係る撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは一例であり、本開示を限定するものではない。
【００１１】
また、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態に係る撮像装置（測距撮像装置）１０の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。同図に示すように、撮像装置１０は、光源部１と、撮像部２と、制御部（駆動制御部）３と、信号処理部４とを備える。この構成により、撮像装置１０は、静止画だけでなく動画も撮影することが可能である。
【００１３】
光源部１は、発光素子を有し、照射光を発する。発光素子は、例えばレーザダイオード、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）や発光ダイオード（ＬＥＤ：Light emitting device）等であり、その他の発光素子を用いてもよい。照射光は、一例として赤外光（近赤外光、遠赤外光を含む）である。
【００１４】
制御部３は、被写体（物体、測定対象物）への光照射を指示する発光信号と、当該被写体からの反射光及び後述する背景光の露光を指示する露光信号とを発生する。発光信号は、光源部１に発光を指示する第１パルスを含む。露光信号は、撮像部２に露光を指示する第２パルスを含む。
【００１５】
光源部１は、制御部３で発生する発光信号の第１パルスのタイミングに従ってパルス光を、被写体を含む撮像領域に対して照射する。
【００１６】
撮像部２は、固体撮像素子２０を有する。固体撮像素子２０は、光源部１の照射光に起因する反射光（パルス光）を受光する。また、固体撮像素子２０は、太陽光などに起因する背景光、または暗電流成分などのオフセット成分である背景光も受光する。
【００１７】
また、固体撮像素子２０は、被写体を含む撮像領域に対して、制御部３で発生する露光信号の第２パルスが示すタイミングに従って露光する。具体的には、固体撮像素子２０は、光源部１によるパルス状の照射光の繰り返し発光に伴って、制御部３からの露光信号に従って第１、第２、第３および第４の露光処理を行う。第１、第２、第３および第４の露光処理は、光源部１の発光と撮像部２の露光とを組み合わせた処理であって、発光を指示する第１パルスと露光を指示する第２パルスとに遅延時間を持たせている。ただし、第４の露光処理では発光信号に第１パルスを持たせない（つまり光源部１を発光させない）。
【００１８】
撮像部２は、さらに、カメラレンズ、光源部１から照射される光の波長近傍のみを通過させる光学的バンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ）、及びＡ／Ｄコンバータ等の回路を適宜有する。
【００１９】
信号処理部４は、撮像部２から受けた撮像信号における露光量に基づいて、演算により距離画像（距離信号、距離情報）を出力する。
【００２０】
次に、本実施の形態に係る撮像装置１０の撮像部２における固体撮像素子２０の一例について説明する。
【００２１】
図２Ａは、実施の形態１に係る固体撮像素子２０の構成例を示すブロック図である。同図に示すように、固体撮像素子２０は、二次元上に配置された複数の画素部１００と、画素部１００の列毎に設けられた垂直転送部１０２と、上記の列毎に設けられた垂直信号線１０７と、列処理部１０８と、水平走査部１０９と、出力バッファ１１０とを備える。この固体撮像素子２０は、一般的なＣＣＤイメージセンサが有する垂直転送部１０２と、一般的なＣＭＯＳイメージセンサが備える読み出し部１０６および垂直信号線１０７とを併せ持つハイブリッド構成の例となっている。なお、ここでＣＭＯＳ型とＣＣＤ型のハイブリッド構成とは、ＣＭＯＳ型の特徴である垂直信号線に選択的に電圧信号出力する構成と、ＣＣＤ型の特徴である画素毎の信号蓄積領域として電荷転送路を形成する構成とを併せ持つ構造をいう。  
【００２２】
複数の画素部１００のそれぞれは、２つの光電変換部１０１と、複数の電荷蓄積部と、読み出し部１０６とを有する。図２Ａの各画素部１００は、いわゆる２画素１セル構造であり、２つの画素つまり２つの光電変換部１０１を有している。
【００２３】
各光電変換部１０１は、例えばフォトダイオードであって、受光した光を信号電荷に変換する。
【００２４】
複数の電荷蓄積部のそれぞれは、光電変換部１０１で変換された信号電荷を保持する領域であって、図２Ａでは垂直転送部１０２内にポテンシャルの井戸として形成される。複数の電荷蓄積部は、１つの画素部１００に対応する４つの第１から第４の電荷蓄積部を含む。つまり、垂直転送部１０２には、１つの画素部１００に対応して少なくとも４つのポテンシャルの井戸が形成される。第１から第４の電荷蓄積部は、第１から第４の露光処理に対応する信号電荷をそれぞれ蓄積する。
【００２５】
読み出し部１０６は、垂直転送部１０２の特定の電荷蓄積部の信号電荷を読み出して、電圧に変換して垂直信号線１０７に出力する。
【００２６】
垂直転送部１０２は、垂直転送チャネルと複数の垂直転送ゲートとを備える。複数の垂直転送ゲートは、垂直転送チャネルを覆う複数種類の垂直転送電極である。複数の垂直転送ゲートに印加される電圧の組み合わせによって垂直転送チャネル内に、複数の電荷蓄積部として複数のポテンシャルの井戸が形成される。以下、ポテンシャルの井戸をパケットとも呼ぶ。
【００２７】
列処理部１０８は、画素部１００の列毎に設けられた垂直信号線１０７からの信号を受信し、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：correlated double sampling）をして画素信号として出力する。
【００２８】
水平走査部１０９は、列処理部１０８から出力される画素信号を走査する、つまり、１つずつ順に選択して出力する。
【００２９】
列処理部１０８はさらに、列毎にデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータを有する場合もある。
【００３０】
出力バッファ１１０は、水平走査部１０９から受けた画素信号を出力する。
【００３１】
次に、画素部１００のより具体的な構成例について説明する。
【００３２】
図２Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像素子における画素部１００の構成例を示す図である。同図の画素部１００は、図２Ａに示した２画素１セル構造の一例を示す。この画素部１００は、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４、２つの光電変換部１０１、浮遊拡散層（フローティング・ディフュージョン）３４、読み出し回路３５、および、出力制御ゲート４０を備える。光電変換部１０１には、読み出しゲート３２、露光制御ゲート３６、オーバーフロードレイン３７が設けられる。
【００３３】
第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４は、垂直転送部１０２のうち画素部１００に対応する部分に４つのパケットとして形成される。垂直転送部１０２は、１つの光電変換部１０１あたり６種類の垂直転送ゲート３３を有する。６種類の垂直転送ゲート３３は、ＶＧ１〜ＶＧ６とする。ただし、出力制御ゲート４０に対応する垂直転送ゲートＶＧ６は、ＶＨと表記する。より具体的には、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４は、複数の垂直転送ゲート３３に印加される電圧の組み合わせに従って垂直転送チャネル３８内に４つのパケットとして形成される。同図では、第１の電荷蓄積部Ｐ１は、垂直転送ゲーＶＨに対応する。第２の電荷蓄積部Ｐ２は、垂直転送ゲートＶＧ３に対応する。第３の電荷蓄積部Ｐ３は、垂直転送ゲートＶＧ６に対応する。第４の電荷蓄積部Ｐ４は、垂直転送ゲートＶＧ３に対応する。ただし、図２Ｂの例では、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４のそれぞれ位置は、固定的ではなく、信号電荷の順方向または逆方向への垂直転送に伴って上下に移動する。
【００３４】
読み出しゲート３２は、読み出しゲート３２に印加される電圧に応じて、光電変換部１０１で変換された信号電荷を垂直転送部１０２に転送するゲート電極である。図２Ｂの画素部１００の破線枠内の２つの読み出しゲート３２のうち、上側は読み出しゲート３２は、上側の光電変換部１０１の信号電荷を垂直転送部１０２の垂直転送ゲートＶＧ５に転送する。また、下側の読み出しゲート３２は、下側の光電変換部１０１の信号電荷を垂直転送ゲートＶＧ１に転送する。
【００３５】
露光制御ゲート３６は、露光制御ゲート３６に印加される電圧に応じて、光電変換部１０１の露光を制御する。露光制御ゲート３６には例えば、アクティブローの（つまり負論理の）第２パルスを含む露光信号が入力される。例えば、露光信号がハイレベルのときは、光電変換部１０１の信号電荷をオーバーフロードレイン３７に放出し、光電変換を無効にする。つまり、光電変換部１０１をクリアした状態にして露光していない状態と同じにする。また、露光信号がローレベルのときは、光電変換部１０１を受光量に応じて信号電荷を発生する露光状態にする。第２パルスがローレベルの期間は光電変換部１０１が露光状態にあり、かつ、読み出しゲート３２に開いていれば（読み出しゲート３２がハイレベルであれば）、光電変換部１０１で変換された信号電荷は、読み出しゲート３２を介して垂直転送部１０２に転送および蓄積される。
【００３６】
オーバーフロードレイン３７は、光電変換部１０１の信号電荷を半導体基板の深さ方向（つまり裏面側）に放出するための領域である。
【００３７】
出力制御ゲート４０、浮遊拡散層３４、および読み出し回路３５からなる回路は、図２Ａの読み出し部１０６に該当する。
【００３８】
出力制御ゲート４０は、垂直転送ゲートＶＨに形成さえるパケットの信号電荷を浮遊拡散層３４に転送するためのゲート電極である。
【００３９】
浮遊拡散層３４は、垂直転送部１０２から出力制御ゲート４０を介して転送された信号電荷を電圧に変換する。
【００４０】
読み出し回路３５は、浮遊拡散層３４で電圧に変換された信号を垂直信号線１０７に出力する。読み出し回路３５は、例えば、選択トランジスタおよび増幅トランジスタを有する。増幅トランジスタは、垂直信号線１０７に接続された負荷回路と共にソースフォロワ回路を構成する。
【００４１】
次に、実施の形態１に係る撮像部２の撮像動作について説明する。
【００４２】
図３は、実施の形態１に係る撮像装置１０の撮像動作の一例を説明するタイミングチャートである。また、図４は、実施の形態１に係る固体撮像素子２０の画素部１００における第１〜第４の単位露光処理の動作例を示す説明図である。また、図５は、実施の形態１に係る第１〜第４の単位露光処理の動作の一例を説明するタイミングチャートである。
【００４３】
図３の上段は、１画面の撮像動作における発光信号および露光信号のタイムチャートの一例を示す。同図の上段の横軸は時間軸を示す。縦軸には発光信号および露光信号を示す。発光信号は、発光を指示する第１パルスを有するデジタル信号である。同図の第１パルスは制論理であり、ハイレベルで光源部１に発光を指示し、ローレベルで光源部１に非発光を指示する。露光信号は、露光を指示する第２パルスを有するデジタル信号である。同図の第２パルスは負論理であり、ローレベルで固体撮像素子２０に露光することを指示し、ハイレベルで固体撮像素子２０に露光しないことを指示する。
【００４４】
１画面の撮像動作は、Ｎセットの発光露光処理と、出力処理とからなる。Ｎは２以上の整数である。
【００４５】
１セットの発光露光処理は、第１、第２、第３および第４の露光処理を含む。
【００４６】
第１の露光処理は、ｍ１回の第１の単位露光処理を含む。ｍ１は、１以上の整数である。第１の単位露光処理では、制御部３は、第２パルスを第１パルスよりも第１の遅延時間だけ遅らせるように発光信号および露光信号を発生する。第１の露光処理によって光電変換部１０１で生成される信号電荷は、第１の電荷蓄積部Ｐ１に蓄積される。
【００４７】
第２の露光処理は、ｍ２回の第２の単位露光処理を含む。ｍ２は２以上の整数である。第２の単位露光処理では、制御部３は、第２パルスを第１パルスよりも第２の遅延時間だけ遅らせるように発光信号および露光信号を発生する。第２の露光処理によって光電変換部１０１で生成される信号電荷は、第２の電荷蓄積部Ｐ２に蓄積される。
【００４８】
第３の露光処理は、ｍ３回の第３の単位露光処理を含む。ｍ３は１以上の整数である。第３の単位露光処理は、第１の単位露光処理と同じである。つまり、第３の単位露光処理では、制御部３は、第２パルスを第１パルスよりも第１の遅延時間だけ遅らせるように発光信号および露光信号を発生する。第３の露光処理によって光電変換部１０１で生成される信号電荷は、第３の電荷蓄積部Ｐ３に蓄積される。
【００４９】
第４の露光処理は、ｍ４回の第４の単位露光処理を含む。第４の単位露光処理では、制御部３は、第１パルスを発生させずに第２パルスを発生させるように発光信号および露光信号を発生する、第４の露光処理によって光電変換部１０１で生成される信号電荷は、第４の電荷蓄積部Ｐ４に蓄積される。
【００５０】
図３の（ａ）および図４の（ａ）は、第１の単位露光処理における露光量ａ１の検出タイミングを表す。図３の（ｂ）および図４の（ｂ）は、第２の単位露光処理における露光量ａ２の検出タイミングを表す。図３の（ｃ）および図４の（ｃ）は、第３の単位露光処理における露光量ａ３の検出タイミングを表す。図３の（ｄ）および図４の（ｄ）は、第４の単位露光処理における露光量ａ４の検出タイミングを表す。１セットの発光露光処理は、複数種類の露光処理（第１〜第４の露光処理）に分割される。
【００５１】
ここで、第１〜第４の単位露光処理の繰り返し回数ｍ１〜ｍ４について説明する。図３の上段の例ではｍを２以上の偶数として、ｍ１＝ｍ／２、ｍ２＝ｍ、ｍ３＝ｍ／２、ｍ４＝ｍであるものとする。第１の単位露光処理は、第３の単位露光処理と同じである。言い換えれば、第１の露光処理および第３の露光処理は、ｍ回の連続する第１（または第３の）単位露光処理をｍ／２回の連続する単位露光処理の２つに分割した結果となっている。単に連続する回数を分割しただけでなく、第１の露光処理および第３の露光処理で生成される信号電荷も分割され、第１の電荷蓄積部Ｐ１および第３の電荷蓄積部Ｐ３にそれぞれ蓄積される。第１の電荷蓄積部Ｐ１および第３の電荷蓄積部Ｐ３に信号電荷を分割することにより、電荷蓄積部が１つである場合と比べて容量を倍増することができ、飽和を抑制することができる。
【００５２】
図３の上段の出力処理は、Ｎセットの発光露光処理によって第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４に蓄積された信号電荷を画素部１００毎に固体撮像素子２０から信号処理部４へ撮像信号として出力する処理である。
【００５３】
次に、第１から第４の単位露光処理について、より具体的に説明する。
【００５４】
図３の（ａ）は、図３上段の第１の単位露光処理の期間ｕ１を拡大したタイムチャート例を示す。具体的には、縦軸に示すように第１の単位露光処理における「発光信号（照射光）」、「反射光」、「露光信号」、「露光量」を示す。
【００５５】
図３の（ａ）において「発光信号」は期間Ｔｏの正論理パルスである第１パルスを有する。第１パルスの期間Ｔｏでは、光源部１からパルス状の照射光が発せられる。「反射光」は、第１パルスのタイミングで光源部１が発した光が対象物で反射して固体撮像素子２０に到達した反射光の例を示している。ここでは反射光は、発光信号の第１パルスによる照射光から遅延時間Ｔｄだけ遅れて固体撮像素子２０に到達する場合を示している。「露光信号」は、期間Ｔｏの負論理パルスである第２パルスを有する。第２パルスのパルス幅は第１パルスのパルス幅と同じＴｏに設定されている。第１パルスの前縁から第２パルスの前縁までは第１の遅延時間を有する。ただし図３の（ａ）では第１の遅延時間は０に設定されている。「露光量」は、露光信号が示す露光期間（つまり第２パルスのローレベル期間Ｔｏ）における固体撮像素子２０の露光量（つまり光電変換部１０１で発生した信号電荷の量）を示す。露光量ａ１は、光源部１の照射光が対象物で反射されたことによる反射光ｒ１と、太陽光などの外光である背景光ｂ１とを含む。反射光ｒ１は、パルス状の反射光のうちの先頭から第２パルスの末尾までの部分が露光される。背景光ｂ１は、露光期間Ｔｏの間に常に存在する。図３の上段に示す（ｍ／２×Ｎ）回の第１の単位露光処理の露光によって光電変換部１０１で生成される露光量ａ１の信号電荷は、第１の電荷蓄積部Ｐ１に蓄積される。
【００５６】
言い換えると、図３の上段及び（ａ）に示すように、第１の単位露光処理では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ１を垂直転送部１０２の第１の電荷蓄積部Ｐ１に蓄積する。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ／２回繰り返すように制御する。図４に示すようにｍ／２回の第１の段位露光処理が終了した時点で、固体撮像素子２０は、垂直転送部１０２の垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットに上記信号電荷ａ１を転送する。つまり、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４を順方向に１段階シフトする。これにより、図４の点線に示すように、第１の電荷蓄積部Ｐ１は読出しゲート３２が存在する位置から離れ、第２の電荷蓄積部Ｐ２が読出しゲート３２が存在する位置に移動する。
【００５７】
ここで、第１の単位露光処理は、光源部１が発光信号の第１パルスを受信して発光するタイミングに対して、固体撮像素子２０が第１の遅延時間を有する露光信号の第２パルスを受信し露光を行う処理である。本実施の形態の場合、第２パルスのパルス幅は第１パルスのパルス幅と同じＴｏに設定され、第１の遅延時間は０（ゼロ）に設定されている。すなわち、第１の単位露光処理における露光期間は、発光信号が有効な（第１パルスがハイレベルである）期間に設定されている。
【００５８】
図３の（ｂ）は、図３上段の第２の単位露光処理の期間ｕ２を拡大したタイムチャート例を示す。図３の（ｂ）は、同図の（ａ）と比べて、露光信号のタイミングと、露光量とが異なっている。以下、異なっている点を中心に説明する。「露光信号」において、第１パルスの前縁から第２パルスの前縁までは上記の第１の遅延時間よりも大きい第２の遅延時間を有する。図３の（ｂ）では第２の遅延時間は、第１パルスおよび第２パルスのパルス幅と同じＴｏに設定されている。「露光量」は、露光信号が示す露光期間（つまり第２パルスのローレベル期間Ｔｏ）における固体撮像素子２０の露光量ａ２を示す。露光量ａ２は、光源部１の照射光が対象物で反射されたことによる反射光ｒ２と、太陽光などの外光である背景光ｂ１とを含む。反射光ｒ２は、パルス状の反射光のうちの、第２パルスの対応する部分が露光される。例えば、反射光ｒ２は、第２パルスの前縁から反射光の末尾までの部分が露光される。背景光ｂ１は、第２の単位露光処理でも第１の単位露光処理の背景光ｂ１とほぼ同じである。図３の上段に示す（ｍ×Ｎ）回の第２の単位露光処理の露光によって光電変換部１０１で生成される露光量ａ２の信号電荷は、第２の電荷蓄積部Ｐ２に蓄積される。
【００５９】
言い換えると、図３の上段及び（ｂ）に示すように、第２の単位露光処理では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ２を垂直転送部１０２の第２の電荷蓄積部Ｐ２に蓄積する。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ回の第２の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送部１０２の垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットに上記信号電荷ａ２を転送する。つまり、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４を順方向に１段階シフトする。これにより、図４の点線に示すように、第２の電荷蓄積部Ｐ２は読出しゲート３２が存在する位置から離れ、第３の電荷蓄積部Ｐ３が読出しゲート３２が存在する位置に移動する。
【００６０】
ここで、第２の単位露光処理は、光源部１が発光信号の第１パルスを受信して発光するタイミングに対して、固体撮像素子２０が第１の遅延時間と異なる第２の遅延時間を有する露光信号の第２パルスを受信し露光を行う処理である。本実施の形態の場合、第２パルスのパルス幅は第１パルスのパルス幅と同じＴｏに設定され、第２の遅延時間は第１の遅延時間（図３ではゼロ）と第１パルスのパルス幅Ｔｏとが加算されたＴｏに設定されている。
【００６１】
図３の（ｃ）は、図３上段の第３の単位露光処理の期間ｕ３を拡大したタイムチャート例を示す。図３の（ｃ）は、同図の（ａ）と比べて、露光信号のタイミングと、露光量とは全く同じであり、反射光ｒ３は反射光ｒ１と同じになり、露光量ａ３は露光量ａ１と同じになる。図３の上段に示す（ｍ／２×Ｎ）回の第３の単位露光処理の露光によって光電変換部１０１で生成される露光量ａ３の信号電荷は、第３の電荷蓄積部Ｐ３に蓄積される。
【００６２】
言い換えると、図３の上段及び（ｃ）に示すように、第３の単位露光処理では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ３を垂直転送部１０２の第３の電荷蓄積部Ｐ３に蓄積する。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ／２回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ／２回の第３の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送部１０２の垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットに上記信号電荷ａ３を転送する。つまり、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４を順方向に１段階シフトする。これにより、図４の点線に示すように、第３の電荷蓄積部Ｐ３は読出しゲート３２が存在する位置から離れ、第４の電荷蓄積部Ｐ４が読出しゲート３２が存在する位置に移動する。
【００６３】
ここで、第３の単位露光処理は、光源部１が発光信号の第１パルスを受信して発光するタイミングに対して、固体撮像素子２０が第１の遅延時間と同じ遅延時間を有する露光信号の第２パルスを受信し露光を行う処理である。本実施の形態の場合、露光信号第２パルスのパルス幅は第１及び第２の単位露光処理における第１パルスのパルス幅と同じＴｏに設定され、遅延時間は０（ゼロ）に設定されている。すなわち、第３の単位露光処理は、第１の単位露光処理と同じで、発光信号が送信されている（ハイレベルである）期間と同じ期間が露光期間として設定されている。
【００６４】
また、本実地の形態では、第１パルスの前縁から第２パルスの前縁までの遅延時間が最も短く設定される露光処理は、第１の露光処理と第３の露光処理に分割されており、言い換えれば、複数種類の露光処理のうちの少なくとも１つの露光処理は、複数に分割されている。
【００６５】
図３の（ｄ）は、図３上段の第４の単位露光処理の期間ｕ４を拡大したタイムチャート例を示す。図３の（ｄ）は、同図の（ａ）と比べて、発光信号が第１パルスを有しない点が異なっている。以下、異なっている点を中心に説明する。「発光信号」は、第１パルスを有していない。つまり、制御部３は、第１パルスを発生させずに第２パルスを発生させるように発光信号および露光信号を発生する。「露光量」は、反射光が存在しないので背景光のみを示すことなる。背景光ｂ４は、背景光ｂ１とほぼ同じである。図３の上段に示す（ｍ×Ｎ）回の第４の単位露光処理の露光によって光電変換部１０１で生成される露光量ａ４の信号電荷は、第４の電荷蓄積部Ｐ４に蓄積される。
【００６６】
言い換えると、図３の上段及び（ｄ）に示すように、第４の単位露光処理では、光源部１は発光せずに、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ４を垂直転送部１０２の第４の電荷蓄積部Ｐ４に蓄積する。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ回の第４の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送部１０２の垂直転送ゲート３３を制御し、信号電荷ａ４が、読み出しゲート３２が存在しないパケットに来るように逆転送する。つまり、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４を逆方向に３段階シフトする。これにより、図４の点線に示すように、第４の電荷蓄積部Ｐ４は読出しゲート３２が存在する位置から離れ、第１の電荷蓄積部Ｐ１が読出しゲート３２が存在する位置に移動する。
【００６７】
本実施の形態の場合、第４の単位露光処理の第２パルスのパルス幅は発光信号の第１パルスのパルス幅や第１及び第２及び第３の単位露光処理における第２パルスのパルス幅と同じＴｏに設定されている。
【００６８】
その後、この一連の動作を本実施の形態ではＮ回繰り返した後、第１〜第４電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４の信号電荷は、垂直信号線１０７、列処理部１０８、水平走査部１０９を介して信号処理部４に出力する。
【００６９】
また、図２Ａおよび図２Ｂの構成によれば、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４として、垂直転送部１０２に構成される複数パケットを利用することができる。よって、追加で電荷蓄積部を形成することが不要となり、同じ面積であれば光電変換部１０１の開口率（単位面積当たりに光を受光できる面積の比率）を高くすることができ、ノイズの少ない高精度な測距を実現する撮像信号の発生、及び固体撮像素子２０及び撮像装置１０の小型化を実現することが出来る。
【００７０】
図５は、実施の形態１に係る第１〜第４の単位露光処理の動作の一例を説明するタイミングチャートである。図５の（ａ）は、第１の単位露光処理における露光量ａ１の検出タイミングを表す。図５の（ｂ）は、第２の単位露光処理における露光量ａ２の検出タイミングを表す。図５の（ｃ）は、第３の単位露光処理における露光量ａ３の検出タイミングを表す。図５の（ｄ）は、第４の単位露光処理における露光量ａ４の検出タイミングを表す。
【００７１】
まず、図３、図４および図５の（ａ）に示すように、第１の単位露光処理では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ１を第１の電荷蓄積部Ｐ１に蓄積する。このとき、第１の電荷蓄積部Ｐ１は垂直転送ゲート３３のうちＶＧ５、ＶＧ６、ＶＧ１の位置にパケットとして形成されている。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ／２回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ／２回の第１の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＧ３の位置に上記信号電荷ａ１を順方向に垂直転送する。
【００７２】
続いて、図３、図４および図５の（ｂ）に示すように、第２の単位露光処理では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ２を第２の電荷蓄積部Ｐ２に蓄積する。このとき、第２の電荷蓄積部Ｐ２は、垂直転送ゲート３３のうちＶＧ５、ＶＧ６、ＶＧ１の位置にパケットとして形成されている。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ回の第２の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＧ３に上記信号電荷ａ２を転送する。それに伴い、第１の発光露光期間で露光した信号電荷ａ１は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＨの位置に転送する。
【００７３】
続いて、図３、図４および図５の（ｃ）に示すように、第３の発光露光期間では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ３を第３の電荷蓄積部Ｐ３に蓄積する。このとき、第３の電荷蓄積部Ｐ３は、垂直転送ゲート３３のうちＶＧ５、ＶＧ６、ＶＧ１の位置にパケットとして形成されている。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ／２回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ／２回の第３の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＧ３に上記信号電荷を転送する。それに伴い、第１の発光露光期間で露光した信号電荷ａ１は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＨの位置に転送し、第２の発光露光期間で露光した信号電荷ａ２は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうち隣のＶＧ３の位置に転送する。
【００７４】
続いて、図３、図４および図５の（ｄ）に示すように、第４の単位露光処理では、光源部１は発光せずに、第４の露光信号がＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ４を第４の電荷蓄積部Ｐ４に蓄積する。このとき、第４の電荷蓄積部Ｐ４は、垂直転送ゲート３３のうちＶＧ５、ＶＧ６、ＶＧ１の位置にパケットとして形成されている。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ回の第４の発光露光期間が終了した時点で、垂直転送ゲート３３を制御し、第１の露光処理で露光した信号電荷ａ１が、読み出しゲート３２が存在するパケットに来るように逆方向に垂直転送する。それに伴い、図４の（ａ）に示すように、第２の露光処理で露光した信号電荷ａ２は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＧ３に逆転送される。第３の露光処理で露光した信号電荷ａ３は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＨに逆転送される。第４の発光露光期間で露光した信号電荷ａ４は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうち隣のＶＧ３に逆転送される。従って、第１の発光露光期間で露光した信号電荷ａ１と、第２の発光露光期間で露光した信号電荷ａ２と、第３の発光露光期間で露光した信号電荷ａ３と、第４の発光露光期間で露光した信号電荷ａ４との４種類が混合することなく、独立して垂直転送チャネル３８内のパケットに格納される。言い換えれば、信号電荷ａ１、ａ２、ａ３およびａ４は、第１、第２、第３および第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４にそれぞれ独立して蓄積および保持される。
【００７５】
その後、この１セットの発光露光処理を本実施の形態ではＮ回繰り返した後、垂直転送ゲート３３の制御と出力制御ゲート４０の制御により、フローティング・ディフュージョン３４で信号電荷を電圧信号に変換し、読み出し回路３５の制御により、垂直信号線１０７へ順次出力する。
【００７６】
これにより、発光信号の第１パルスに対して被写体からの反射光の露光を指示する露光信号の第２パルスのタイミングが一部異なる複数の露光処理で得られる信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部として、垂直転送チャネル３８に既に構成されている複数パケットを利用することができる。よって、追加で電荷蓄積部を形成することが不要となり、同じ面積であれば光電変換部１０１の開口率（単位面積当たりに光を受光できる面積の比率）を高くすることができ、ノイズの少ない高精度な測距を実現する撮像信号の発生、及び固体撮像素子２０及び撮像装置１０の小型化を実現することが出来る。
【００７７】
続いて、図３を用いて、本実施の形態に係る撮像装置の測距動作の詳細を説明する。
【００７８】
まず、制御部３は、発光信号に対して固体撮像素子２０が被写体からの反射光を受光するタイミングが異なる第１〜第４の露光処理において発光信号および露光信号を出力する。本実施の形態の場合、第１、第２、第３及び第４の露光処理における露光信号の第２パルスのパルス幅は、前述の通り発光信号期間のパルス幅と同じＴｏに設定されている。従って、背景光の露光量ｂ１は、第１、第２、第３及び第４の露光処理で等しくなる。また、第１の露光処理及び第３の露光処理の第１パルスに対する第２パルスの第１の遅延時間は、０（ゼロ）に設定されている。すなわち、第１の露光処理及び第３の露光処理の第２パルスが有効な期間は、第１パルスのハイレベルである期間と同じに設定されている。また、第２の露光処理における第２の遅延時間は、第１及び第３の遅延時間０（ゼロ）と第１及び第３の露光信号期間Ｔｏとが加算されたＴｏに設定されている。
【００７９】
本実施の形態の場合、第１及び第３の単位露光処理の繰り返しがｍ／２回、第２及び第４の単位露光処理の繰り返しがｍ回としている。固体撮像素子２０は、第１〜第４の露光処理を１セットとし、これをＮ回セット繰り返し出力した後、蓄積された露光信号を出力する。そこで、第１の露光処理による露光量ａ１の総和をＡ１、第２の露光処理による露光量ａ２の総和をＡ２、第３の露光処理による露光量ａ３の総和をＡ３、第４の露光処理による露光量ａ４の総和をＡ４とする。
【００８０】
この場合、第１の露光処理あるいは第３の露光処理と第２の露光処理とが加算された期間で被写体からの反射光の全てを含むように露光される。また、第２の露光処理の露光量は、被写体からの反射光の発光信号タイミングに対する遅延時間Ｔｄが大きい程、増加する。また、第４の露光信号期間では、光源部１は発光せずに露光するので、背景光ｂ１のみ露光される。
【００８１】
ここで、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をＣとすると、信号処理部４では、以下の式１の演算を行うことにより、距離Ｌを算出できる。
【００８２】
【数１】
2020027221.tif 000003
【００８３】
ここで、光源部１が発光信号を受信して発光するタイミングに対する遅延時間が最小である（本実施の形態の場合は０（ゼロ）に設定）である第１の露光処理及び第３の露光処理は、発光信号タイミング（照射光）に対する対象物からの反射光の光路による遅延が小さい、すなわち光の強度が強い近くの対象物からの反射光を多く露光することになり、発光露光の繰り返し回数が多いと飽和しやすくなる。
【００８４】
しかし、本実施の形態では第１の露光処理及び第３の露光処理の繰り返し回数を他の発光露光期間の１／２にしているために、飽和が抑制され、近くで高い反射率の対象物も飽和せずに高い精度で測距できる効果を有する。一方、第１の露光処理及び第３の露光処理の繰り返し回数の合計は他の発光露光期間と同じ回数を維持しているので、遠くの対象物や反射率の低い対象物も、露光量低下に起因するＳ／Ｎ（信号雑音比）劣化が起こらず、高い精度で測距できる効果を有する。更にＣＭＯＳ型とＣＣＤ型のハイブリッド構造の場合は、垂直信号線（カラム）間で並列信号出力する構造のために高いフレームレートが実現でき、動きの速い対象物もブレが起こらず、高い精度で測距できる効果を有する。
【００８５】
以上説明してきたように実施の形態１に係る撮像装置１０は、発光を指示する第１パルスと、露光を指示する第２パルスと、を発生する制御部３と、第１パルスに従って発光する光源部１と、第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子２０を備える撮像部２と、を備える撮像装置であって、固体撮像素子２０は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部１０１と、信号電荷を蓄積する複数の信号蓄積部と、を含む画素部１００を有し、画素部１００は、第１パルスから第１の遅延時間が遅れる第２パルスを用いる第１露光処理及び第３露光処理と、第１パルスから第２の遅延時間が遅れる第２パルスを用いる第２露光処理と、により得られるそれぞれの信号電荷を、複数の電荷蓄積部のうちの異なる電荷蓄積部に蓄積する。
【００８６】
ここで、画素部１００は、第１パルスを発生させずに第２パルスを発生させる第４露光処理により得られる信号電荷を、第１、第２および第３露光処理により得られる信号電荷を蓄積する電荷蓄積部とは異なる電荷蓄積部に蓄積してもよい。
【００８７】
ここで、第１露光処理による露光時間と第３露光処理による露光時間との合計は、第２露光処理による露光時間と等しくてもよい。
【００８８】
ここで、第１露光処理による露光時間と第３露光処理による露光時間との合計は、第２露光処理による露光時間と等しく、第４露光処理による露光時間は、第２露光処理による露光時間と等しくてもよい。
【００８９】
ここで、第１パルスのパルス幅は、第２パルスのパルス幅と同じであり、第１露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数はそれぞれｍ１であり、ｍ１は整数であり、第２露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数はそれぞれｍ２であり、ｍ２はｍ１より大きい整数であり、第３露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数はそれぞれｍ３であり、ｍ３はｍ２より小さい整数であってもよい。
【００９０】
ここで、ｍ１とｍ３との和はｍ２と等しくてもよい。
【００９１】
ここで、第１露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数は、それぞれｍ１であり、ｍ１は整数であり、第２露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数は、それぞれｍ２であり、ｍ２はｍ１より大きい整数であり、第３露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数は、それぞれｍ３であり、ｍ３はｍ２より小さい整数であり、第４露光処理での第２パルスの数は、ｍ４であり、ｍ４はｍ２以下であってもよい。
【００９２】
ここで、ｍ１とｍ３との和はｍ２と等しく、ｍ４はｍ２と等しくてもよい。
【００９３】
ここで、第１の遅延時間は、０以上第１パルスの時間幅より小さくてもよい。
【００９４】
ここで、制御部３は、時系列的な第１露光処理〜第４露光処理を１セットとする処理をＮ（Ｎは整数）回繰り返してもよい。
【００９５】
ここで、固体撮像素子２０は、複数の画素部の列毎に設けられた垂直転送部１０２を有するＣＣＤ型であり、電荷蓄積部は、それぞれ、垂直転送部１０２に形成される電位の井戸として形成されてもよい。
【００９６】
ここで、固体撮像素子２０は、さらに、複数の画素部１００の列毎に設けられた垂直信号線１０７と、複数の画素部１００毎に設けられ、電荷蓄積部から選択的に信号電荷を電圧に変換し垂直信号線１０７に読み出す読出し回路３５と、を備えてもよい。
【００９７】
また、実施の形態１に係る固体撮像素子２０は、発光を指示する第１パルスと、露光を指示する第２パルスと、を発生する制御部３と、第１パルスに従って発光する光源部１と、第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子２０を備える撮像部２と、を備える撮像装置に用いられる固体撮像素子であって、固体撮像素子２０は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部１０１と、信号電荷を蓄積する複数の信号蓄積部と、を含む画素部を有し、画素部１００は、第１パルスから第１の遅延時間が遅れる第２パルスを用いる第１露光処理及び第３露光処理と、第１パルスから第２の遅延時間が遅れる第２パルスを用いる第２露光処理と、により得られるそれぞれの信号電荷を、複数の電荷蓄積部のうちの異なる電荷蓄積部に蓄積する。
【００９８】
（実施の形態２）
実施の形態１では、固体撮像素子２０として２画素１セル構造をもつハイブリッド構成のイメージセンサの例を説明したが、実施の形態２では、固体撮像素子２０として１画素１セル構造をもつハイブリッド構成のイメージセンサの例について説明する。
【００９９】
実施の形態２における撮像装置１０の構成は、図１と同じである。ただし、固体撮像素子２０が２画素１セル構造ではなく１画素１セル構造である点が異なっている。以下、異なる点を中心に説明する。
【０１００】
まず、固体撮像素子２０の構成例について説明する。
【０１０１】
図６Ａは、実施の形態２に係る固体撮像素子２０の構成例を示すブロック図である。また、同図は、図２Ａと比べて、画素部１００が備える光電変換部１０１の個数が２つではなく１つである点が異なっている。これ以外は、図２Ａと同様である。
【０１０２】
次に、画素部１００の構成例について説明する。
【０１０３】
図６Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像素子２０における画素部１００の構成例を示す図である。同図は、図２Ｂと比べて、画素部１００あたり、１つの光電変換部１０１と１つの読み出しゲート３２と１つの露光制御ゲート３６と１つオーバーフロードレイン３７とからなる組み合わせが２つではなく、１つである点が異なっている。また、垂直転送部１０２は、１つの画素部１００あたり８種類の垂直転送ゲート３３を備える。８種類の垂直転送ゲート３３は、ＶＧ１〜ＶＧ７、ＶＨである。これにより、垂直転送部１０２は、１つの光電変換部１０１あたり、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４としての４つのパケットを形成する。４つのパケットは、垂直転送ゲートＶＧ２、ＶＧ４、ＶＧ６、ＶＨによりそれぞれ形成可能である。
【０１０４】
次に、実施の形態２に係る撮像装置１０の撮像動作例について説明する。本実施の形態における撮像動作例は、図３で説明した動作例と同じである。ただし、垂直転送部１０２における第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４の位置が少し異なっている。
【０１０５】
図７は、実施の形態２に係る固体撮像素子の画素部における第１〜第４の単位露光処理の動作例を示す図である。同図は、図４と比べて、各単位露光処理で２つではなく１つの光電変換部１０１から信号電荷が１０２に転送される点と、パケットが形成される垂直転送ゲート３３の位置が異なっている。これ以外は、図４と同じである。
【０１０６】
このような実施の形態２に係る撮像装置１０によれば、実施の形態１と同じ効果を奏することができる。
【０１０７】
なお、図６Ａおよび図６Ｂに示した固体撮像素子２０の代わりＣＣＤ型のイメージセンサを用いてもよい。
【０１０８】
（実施の形態３）
実施の形態１および実施の形態２では、固体撮像素子としてＣＭＯＳ型とＣＣＤ型のハイブリッド構造をもつイメージセンサを用いて説明したが、固体撮像素子２０は、それに限定されるものではなく、その他のイメージセンサ（一例として、ＣＣＤ型イメージセンサ）であってもよい。実施の形態３では、固体撮像素子２０としてＣＭＯＳ型のイメージセンサの例について説明する。
【０１０９】
まず、固体撮像素子２０の構成例について説明する。
【０１１０】
図８Ａは、実施の形態３に係る固体撮像素子２０の構成例を示すブロック図である。この固体撮像素子２０は、二次元上に配置された複数の画素部１００と、複数の画素部１００の列毎に配置された垂直信号線１０７と、垂直走査部１２０と、列処理部１０８と、水平走査部１０９、出力バッファ１１０とを備える。
【０１１１】
複数の画素部１００は、オーバーフロードレイン構造の光電変換部１０１を備え、グローバルシャッター動作が可能になっている。
【０１１２】
列処理部１０８、水平走査部１０９および出力バッファ１１０およびは、図１と同様である。
【０１１３】
垂直走査部１２０は、画素部１００を行単位で走査する。走査により選択された行の画素部１００は、垂直信号線１０７から画素信号を出力する。
【０１１４】
次に、画素部１００の構成例について説明する。
【０１１５】
図８Ｂは、実施の形態３に係る固体撮像素子における画素部の構成例を示す図である。同図のように画素部１００は、光電変換部１０１、２つの露光制御ゲート５６、２つのオーバーフロードレイン５７、読み出しゲート５２ａ〜５２ｄ、保持ゲート５３ａ〜５３ｄ、出力制御ゲート５８ａ〜５８ｄ、浮遊拡散層５４Ｌ、５４Ｒ、読み出し回路５５Ｌ、５５Ｒを備える。
【０１１６】
光電変換部１０１は、受光量に応じた信号電荷を発生する。
【０１１７】
２つの露光制御ゲート５６は２つのオーバーフロードレイン５７は、光電変換部１０１の信号電荷を半導体基板の裏面側に排出する。これにより、全画素部１００が同時刻に露光を開始するグローバルシャッター動作を可能にする。
【０１１８】
読み出しゲート５２ａ〜５２ｄおよび保持ゲート５３ａ〜５３ｄは、第１〜第４の電荷蓄積部を構成する。図８Ｂの第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４は、固定的な領域である点で、図２Ｂおよび図６Ｂに示した第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４とは異なっている。
【０１１９】
出力制御ゲート５８ａ、５８ｃは、保持ゲート５３ａ、５３ｃ（つまり第１、第３の電荷蓄積部）に蓄積された信号電荷を浮遊拡散層５４Ｌに転送するためのゲート電極である。
【０１２０】
出力制御ゲート５８ｂ、５８ｄは、保持ゲート５３ｂ、５３ｄ（つまり第２、第４の電荷蓄積部）に蓄積された信号電荷を浮遊拡散層５４Ｒに転送するためのゲート電極である。
【０１２１】
浮遊拡散層５４Ｌ、読み出し回路５５Ｌは、浮遊拡散層５４Ｌの信号電荷を電圧信号に変換して垂直信号線１０７Ｌに出力する。
【０１２２】
浮遊拡散層５４Ｒ、読み出し回路５５Ｒは、浮遊拡散層５４Ｒ信号電荷を電圧信号に変換して垂直信号線１０７Ｒに出力する。
【０１２３】
垂直信号線１０７Ｌおよび１０７Ｒは、電気的に接続された実質的に同じ信号線でもよいし、独立した信号線でもよい。
【０１２４】
次に、実施の形態３に係る撮像装置１０の撮像動作例について説明する。本実施の形態における撮像動作例は、図３で説明した動作例と同じである。ただし、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４が固定的な領域である点が異なっている。
【０１２５】
次に、実施の形態３に係る撮像装置１０の撮像動作例について説明する。本実施の形態における撮像動作例は、図３で説明した動作例と同じである。
【０１２６】
実施の形態１では、固体撮像素子としてＣＣＤ型イメージセンサならびにＣＭＯＳ型とＣＣＤ型のハイブリッド構造をもつイメージセンサを用いて説明したが、本開示に用いられる固体撮像素子２０は、それに限定されるものではなく、その他のイメージセンサ（一例として、ＣＭＯＳ型イメージセンサ、または、光電変換膜を備えるイメージセンサ）を用いることができる。
【０１２７】
以上説明してきたように実施の形態３に係る撮像装置１０において、固体撮像素子２０は、ＣＭＯＳ型である。
【０１２８】
（その他の実施の形態）
以上、本開示の撮像装置及び固体撮像素子について、上記実施の形態及びその変形例に基づいて説明してきたが、本開示の撮像装置及び固体撮像素子は、上記実施の形態及びその変形例に限定されるものではない。上記実施の形態及びその変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態及びその変形例に対して本開示の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の撮像装置及び固体撮像素子を内蔵した各種機器も本開示に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２９】
本開示に係る撮像装置は、同一画面内の近くで反射率の高い被写体から遠くで反射率の低い被写体まで幅広い反射率の被写体を精度よく３次元の検知、測定が実現できるため、例えば、ポイントクラウドなど、人物、建物、人体や動植物の器官・組織などの形態を立体検出、表示、描写や、視線方向検出、ジェスチャー認識、顔認証、障害物検知、路面検知などに有用である。
【符号の説明】
【０１３０】
１      光源部
２      撮像部
３      制御部
４      信号処理部
１０    撮像装置
２０    固体撮像素子
３２    読み出しゲート
３３    垂直転送ゲート
３４    浮遊拡散層（フローティング・ディフュージョン）
３５    読み出し回路
３６    露光制御ゲート
３７    オーバーフロードレイン
３８    垂直転送チャネル
４０    出力制御ゲート
５２、５２ａ〜５２ｄ    読み出しゲート
５３、５３ａ〜５３ｄ    保持ゲート
５４、５４Ｌ、５４Ｒ    浮遊拡散層
５５、５５Ｌ、５５Ｒ    読み出し回路
５６    露光制御ゲート
５７    オーバーフロードレイン
５８、５８ａ〜５８ｄ    出力制御ゲート
１００  画素部
１０１  光電変換部（フォトダイオード）
１０２  垂直転送部
１０６  読み出し部
１０７、１０７Ｌ、１０７Ｒ  垂直信号線
１０８  列処理部
１０９  水平走査部
１１０  出力バッファ
【図１】
2020027221.tif 000004
【図２Ａ】
2020027221.tif 000005
【図２Ｂ】
2020027221.tif 000006
【図３】
2020027221.tif 000007
【図４】
2020027221.tif 000008
【図５】
2020027221.tif 000009
【図６Ａ】
2020027221.tif 000010
【図６Ｂ】
2020027221.tif 000011
【図７】
2020027221.tif 000012
【図８Ａ】
2020027221.tif 000013
【図８Ｂ】
2020027221.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】令和3年1月22日(2021.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光を指示する第１パルスと、露光を指示する第２パルスと、を発生する制御部と、
前記第１パルスに従って発光する光源部と、
前記第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子を備える撮像部と、
信号処理部と、
を備える撮像装置であって、
前記固体撮像素子は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、を含む画素部を有し、
前記画素部は、
前記第１パルスから第１の遅延時間だけ遅れる前記第２パルスを用いる第１露光処理及び第３露光処理と、前記第１パルスから第２の遅延時間だけ遅れる前記第２パルスを用いる第２露光処理と、により得られるそれぞれの前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの異なる電荷蓄積部に蓄積し、
前記第１、第２および第３露光処理は同順で処理され、かつ、前記第１露光処理による露光時間と前記第３露光処理による露光時間との合計は、前記第２露光処理による露光時間と等しく、
前記信号処理部は、前記第１から第３露光処理により得られるそれぞれの信号電荷を用いて画素毎の距離信号を算出する
撮像装置。
【請求項２】
前記画素部は、前記第１パルスを発生させずに前記第２パルスを発生させる第４露光処理により得られる前記信号電荷を、前記第１、第２および第３露光処理により得られる信号電荷を蓄積する前記電荷蓄積部とは異なる電荷蓄積部に蓄積する
請求項１に記載の撮像装置。
【請求項３】
前記第４露光処理による露光時間は、前記第２露光処理による露光時間と等しい
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項４】
前記第１パルスのパルス幅は、前記第２パルスのパルス幅と同じであり、
前記第１露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数はそれぞれｍ１であり、前記ｍ１は整数であり、
前記第２露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数はそれぞれｍ２であり、前記ｍ２は前記ｍ１より大きい整数であり、
前記第３露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数はそれぞれｍ３であり、前記ｍ３は前記ｍ２より小さい整数であり、
前記ｍ１と前記ｍ３との和は前記ｍ２と等しい
請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項５】
前記第１露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数は、それぞれｍ１個であり、前記ｍ１は整数であり、
前記第２露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数は、それぞれｍ２であり、前記ｍ２は前記ｍ１より大きい整数であり、
前記第３露光処理での前記第１パルスの数および前記第２パルスの数は、それぞれｍ３であり、前記ｍ３は前記ｍ２より小さい整数であり、
前記第４露光処理での前記第２パルスの数は、ｍ４であり、前記ｍ４は前記ｍ２と等しく、
前記ｍ１と前記ｍ３との和は前記ｍ２と等しい
請求項２に記載の撮像装置。
【請求項６】
前記第１の遅延時間は、０以上前記第１パルスの時間幅より小さい
請求項１〜５のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項７】
前記制御部は、時系列的な前記第１露光処理〜第４露光処理を１セットとする処理をＮ（Ｎは整数）回繰り返す
請求項５に記載の撮像装置。
【請求項８】
前記固体撮像素子は、前記複数の画素部の列毎に設けられた垂直転送部を有するＣＣＤ型であり、
前記電荷蓄積部は、それぞれ、前記垂直転送部に形成される電位の井戸として形成される
請求項２または５に記載の撮像装置。
【請求項９】
前記固体撮像素子は、さらに、
前記複数の画素部の列毎に設けられた垂直信号線と、
前記複数の画素部毎に設けられ、前記電荷蓄積部から選択的に信号電荷を電圧に変換し前記垂直信号線に読み出す読出し回路と、
を備える
請求項８に記載の撮像装置。
【請求項１０】
前記固体撮像素子は、ＣＭＯＳ型である
請求項２または５に記載の撮像装置。
【請求項１１】
前記第２の遅延時間は、前記第１の遅延時間よりも、時間が長い
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の撮像装置。
【請求項１２】
発光を指示する第１パルスと、露光を指示する第２パルスと、を発生する制御部と、前記第１パルスに従って発光する光源部と、前記第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子を備える撮像部と、を備える撮像装置に用いられる固体撮像素子であって、
前記固体撮像素子は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を蓄積する複数の信号蓄積部と、を含む画素部を有し、
前記画素部は、
前記第１パルスから第１の遅延時間だけ遅れる前記第２パルスを用いる第１露光処理及び第３露光処理と、前記第１パルスから第２の遅延時間だけ遅れる前記第２パルスを用いる第２露光処理と、により得られるそれぞれの前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの異なる電荷蓄積部に蓄積し、
前記第１、第２および第３露光処理は同順で処理され、かつ、前記第１露光処理による露光時間と前記第３露光処理による露光時間との合計は、前記第２露光処理による露光時間と等しく、
画素毎の距離信号が前記第１から第３露光処理により得られるそれぞれの信号電荷を用いて算出される
固体撮像素子。
【請求項１３】
撮像装置における撮像方法であって、
前記撮像装置は、発光を指示する第１パルスと、露光を指示する第２パルスと、を発生する制御部と、前記第１パルスに従って発光する光源部と、前記第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子を備える撮像部と、を備え、
前記固体撮像素子は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を蓄積する複数の信号蓄積部と、を含む画素部を有し、
前記撮像方法は、
前記画素部において前記第１パルスから第１の遅延時間だけ遅れる前記第２パルスを用いる第１露光処理により得られる信号電荷を前記複数の電荷蓄積部のうちの第１の電荷蓄積部に蓄積し、
前記画素部において前記第１パルスから第２の遅延時間だけ遅れる前記第２パルスを用いる第２露光処理により得られる信号電荷を前記複数の電荷蓄積部のうちの第２の電荷蓄積部に蓄積し、
前記画素部において前記第１パルスから前記第１の遅延時間だけ遅れる前記第２パルスを用いる第３露光処理により得られる信号電荷を前記複数の電荷蓄積部のうちの第３の電荷蓄積部に蓄積し、
前記第１、第２および第３の信号蓄積部のそれぞれの信号電荷を用いて画素毎の距離信号を算出し、
前記第１、第２および第３露光処理は同順で処理され、かつ、前記第１露光処理による露光時間と前記第３露光処理による露光時間との合計は、前記第２露光処理による露光時間と等しい
撮像方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、撮像装置、それに用いられる固体撮像素子及び撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体を検知する複数の方式の中で、測定対象物まで光が往復する飛行時間を利用して測距を行うＴＯＦ（ｔｉｍｅｏｆ ｆｌｉｇｈｔ）方式が知られている。
【０００３】
特許文献１には、距離情報と反射率情報との比に応じて照射光の繰り返し回数を調整する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２００１−１４８８６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示された従来技術では、例えば、撮像装置と対象物との距離が短い、または、対象物の反射率が高い場合には、反射光による信号電荷が飽和することがあり測距できないことがあるという問題がある。また、撮像装置と対象物との距離が長く、対象物の反射率が低い場合には、反射光による信号電荷が少なすぎて測距精度が劣化するという問題がある。
【０００６】
上記課題に鑑み、本開示は、反射率の高い対象物が近くにある場合であっても信号電荷の飽和を抑制し、反射率の低い対象物が遠くにある場合であっても測距精度の劣化を抑制する撮像装置、固体撮像素子及び撮像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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係る撮像装置は、発光を指示する第１パルスと露光を指示する第２パルスとを発生する制御部と、前記第１パルスに従って発光する光源部と、前記第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子を備える撮像部と、信号処理部と、を備える撮像装置であって、前記固体撮像素子は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部と、前記信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、を含む画素部を有し、前記画素部は、前記第１パルスから第１の遅延時間だけ遅れる前記第２パルスを用いる第１露光処理及び第３露光処理と、前記第１パルスから第２の遅延時間だけ遅れる前記第２パルスを用いる第２露光処理と、により得られるそれぞれの前記信号電荷を、前記複数の電荷蓄積部のうちの異なる電荷蓄積部に蓄積し、前記第１、第２および第３露光処理は同順で処理され、かつ、前記第１露光処理による露光時間と前記第３露光処理による露光時間との合計は、前記第２露光処理による露光時間と等しく、前記信号処理部は、前記第１から第３露光処理により得られるそれぞれの信号電荷を用いて画素毎の距離信号を算出する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示に係る撮像装置によれば、反射率の高い対象物が近くにある場合であっても信号電荷の飽和を抑制し、反射率の低い対象物が遠くにある場合であっても測距精度の劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態１に係る撮像装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは、実施の形態１に係る固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像素子における画素部の構成例を示す図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る撮像装置の撮像動作の一例を説明するタイミングチャートである。
【図４】図４は、実施の形態１に係る固体撮像素子の画素部における第１〜第４の単位露光処理の動作例を示す説明図である。
【図５】図５は、実施の形態１に係る第１〜第４の単位露光処理の動作例を説明するタイミングチャートである。
【図６Ａ】図６Ａは、実施の形態２に係る固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像素子における画素部の構成例を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態２に係る固体撮像素子の画素部における第１〜第４の単位露光処理の動作例を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、実施の形態３に係る固体撮像素子の構成例を示すブロック図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、実施の形態３に係る固体撮像素子における画素部の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本開示の実施の形態に係る撮像装置、及びそれに用いられる固体撮像素子について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは一例であり、本開示を限定するものではない。
【００１１】
また、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態に係る撮像装置（測距撮像装置）１０の概略構成の一例を示す機能ブロック図である。同図に示すように、撮像装置１０は、光源部１と、撮像部２と、制御部（駆動制御部）３と、信号処理部４とを備える。この構成により、撮像装置１０は、静止画だけでなく動画も撮影することが可能である。
【００１３】
光源部１は、発光素子を有し、照射光を発する。発光素子は、例えばレーザダイオード、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）や発光ダイオード（ＬＥＤ：Light emitting diode）等であり、その他の発光素子を用いてもよい。照射光は、一例として赤外光（近赤外光、遠赤外光を含む）である。
【００１４】
制御部３は、被写体（物体、測定対象物）への光照射を指示する発光信号と、当該被写体からの反射光及び後述する背景光の露光を指示する露光信号とを発生する。発光信号は、光源部１に発光を指示する第１パルスを含む。露光信号は、撮像部２に露光を指示する第２パルスを含む。
【００１５】
光源部１は、制御部３で発生する発光信号の第１パルスのタイミングに従ってパルス光を、被写体を含む撮像領域に対して照射する。
【００１６】
撮像部２は、固体撮像素子２０を有する。固体撮像素子２０は、光源部１の照射光に起因する反射光（パルス光）を受光する。また、固体撮像素子２０は、太陽光などに起因する背景光信号、または暗電流信号などのオフセット成分も生成する。
【００１７】
また、固体撮像素子２０は、被写体を含む撮像領域に対して、制御部３で発生する露光信号の第２パルスが示すタイミングに従って露光する。具体的には、固体撮像素子２０は、光源部１によるパルス状の照射光の繰り返し発光に伴って、制御部３からの露光信号に従って第１、第２、第３および第４の露光処理を行う。第１、第２、第３および第４の露光処理は、光源部１の発光と撮像部２の露光とを組み合わせた処理であって、発光を指示する第１パルスと露光を指示する第２パルスとに遅延時間を持たせている。ただし、第４の露光処理では発光信号に第１パルスを持たせない（つまり光源部１を発光させない）。
【００１８】
撮像部２は、さらに、カメラレンズ、光源部１から照射される光の波長近傍のみを通過させる光学的バンドパスフィルタ（帯域通過フィルタ）、及びＡ／Ｄコンバータ等の回路を適宜有する。
【００１９】
信号処理部４は、撮像部２から受けた撮像信号における露光量に基づいて、演算により距離画像（距離信号、距離情報）を出力する。
【００２０】
次に、本実施の形態に係る撮像装置１０の撮像部２における固体撮像素子２０の一例について説明する。
【００２１】
図２Ａは、実施の形態１に係る固体撮像素子２０の構成例を示すブロック図である。同図に示すように、固体撮像素子２０は、二次元上に配置された複数の画素部１００と、画素部１００の列毎に設けられた垂直転送部１０２と、上記の列毎に設けられた垂直信号線１０７と、列処理部１０８と、水平走査部１０９と、出力バッファ１１０とを備える。この固体撮像素子２０は、一般的なＣＣＤイメージセンサが有する垂直転送部１０２と、一般的なＣＭＯＳイメージセンサが備える読み出し部１０６および垂直信号線１０７とを併せ持つハイブリッド構成の例となっている。なお、ここでＣＭＯＳ型とＣＣＤ型のハイブリッド構成とは、ＣＭＯＳ型の特徴である垂直信号線に選択的に電圧信号出力する構成と、ＣＣＤ型の特徴である画素毎の信号蓄積領域として電荷転送路を形成する構成とを併せ持つ構造をいう。
【００２２】
複数の画素部１００のそれぞれは、２つの光電変換部１０１と、複数の電荷蓄積部と、読み出し部１０６とを有する。図２Ａの各画素部１００は、いわゆる２画素１セル構造であり、２つの画素つまり２つの光電変換部１０１を有している。
【００２３】
各光電変換部１０１は、例えばフォトダイオードであって、受光した光を信号電荷に変換する。
【００２４】
複数の電荷蓄積部のそれぞれは、光電変換部１０１で変換された信号電荷を保持する領域であって、図２Ａでは垂直転送部１０２内にポテンシャルの井戸として形成される。複数の電荷蓄積部は、１つの画素部１００に対応する４つの第１から第４の電荷蓄積部を含む。つまり、垂直転送部１０２には、１つの画素部１００に対応して少なくとも４つのポテンシャルの井戸が形成される。第１から第４の電荷蓄積部は、第１から第４の露光処理に対応する信号電荷をそれぞれ蓄積する。
【００２５】
読み出し部１０６は、垂直転送部１０２の特定の電荷蓄積部の信号電荷を読み出して、電圧に変換して垂直信号線１０７に出力する。
【００２６】
垂直転送部１０２は、垂直転送チャネルと複数の垂直転送ゲートとを備える。複数の垂直転送ゲートは、垂直転送チャネルを覆う複数種類の垂直転送電極である。複数の垂直転送ゲートに印加される電圧の組み合わせによって垂直転送チャネル内に、複数の電荷蓄積部として複数のポテンシャルの井戸が形成される。以下、ポテンシャルの井戸をパケットとも呼ぶ。
【００２７】
列処理部１０８は、画素部１００の列毎に設けられた垂直信号線１０７からの信号を受信し、相関二重サンプリング（ＣＤＳ：correlated double sampling）をして画素信号として出力する。
【００２８】
水平走査部１０９は、列処理部１０８から出力される画素信号を走査する、つまり、１つずつ順に選択して出力する。
【００２９】
列処理部１０８はさらに、列毎にデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータを有する場合もある。
【００３０】
出力バッファ１１０は、水平走査部１０９から受けた画素信号を出力する。
【００３１】
次に、画素部１００のより具体的な構成例について説明する。
【００３２】
図２Ｂは、実施の形態１に係る固体撮像素子における画素部１００の構成例を示す図である。同図の画素部１００は、図２Ａに示した２画素１セル構造の一例を示す。この画素部１００は、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４、２つの光電変換部１０１、浮遊拡散層（フローティング・ディフュージョン）３４、読み出し回路３５、および、出力制御ゲート４０を備える。光電変換部１０１には、読み出しゲート３２、露光制御ゲート３６、オーバーフロードレイン３７が設けられる。
【００３３】
第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４は、垂直転送部１０２のうち画素部１００に対応する部分に４つのパケットとして形成される。垂直転送部１０２は、１つの光電変換部１０１あたり６種類の垂直転送ゲート３３を有する。６種類の垂直転送ゲート３３は、ＶＧ１〜ＶＧ６とする。ただし、出力制御ゲート４０に対応する垂直転送ゲートＶＧ６は、ＶＨと表記する。より具体的には、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４は、複数の垂直転送ゲート３３に印加される電圧の組み合わせに従って垂直転送チャネル３８内に４つのパケットとして形成される。同図では、第１の電荷蓄積部Ｐ１は、垂直転送ゲートＶＨに対応する。第２の電荷蓄積部Ｐ２は、垂直転送ゲートＶＧ３に対応する。第３の電荷蓄積部Ｐ３は、垂直転送ゲートＶＧ６に対応する。第４の電荷蓄積部Ｐ４は、垂直転送ゲートＶＧ３に対応する。ただし、図２Ｂの例では、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４のそれぞれ位置は、固定的ではなく、信号電荷の順方向または逆方向への垂直転送に伴って上下に移動する。
【００３４】
読み出しゲート３２は、読み出しゲート３２に印加される電圧に応じて、光電変換部１０１で変換された信号電荷を垂直転送部１０２に転送するゲート電極である。図２Ｂの画素部１００の破線枠内の２つの読み出しゲート３２のうち、上側の読み出しゲート３２は、上側の光電変換部１０１の信号電荷を垂直転送部１０２の垂直転送ゲートＶＧ５に転送する。また、下側の読み出しゲート３２は、下側の光電変換部１０１の信号電荷を垂直転送ゲートＶＧ１に転送する。
【００３５】
露光制御ゲート３６は、露光制御ゲート３６に印加される電圧に応じて、光電変換部１０１の露光を制御する。露光制御ゲート３６には例えば、アクティブローの（つまり負論理の）第２パルスを含む露光信号が入力される。例えば、露光信号がハイレベルのときは、光電変換部１０１の信号電荷をオーバーフロードレイン３７に放出し、光電変換を無効にする。つまり、光電変換部１０１をクリアした状態にして露光していない状態と同じにする。また、露光信号がローレベルのときは、光電変換部１０１を受光量に応じて信号電荷を発生する露光状態にする。第２パルスがローレベルの期間は光電変換部１０１が露光状態にあり、かつ、読み出しゲート３２が開いていれば（読み出しゲート３２がハイレベルであれば）、光電変換部１０１で変換された信号電荷は、読み出しゲート３２を介して垂直転送部１０２に転送および蓄積される。
【００３６】
オーバーフロードレイン３７は、光電変換部１０１の信号電荷を放出するための領域である。
【００３７】
出力制御ゲート４０、浮遊拡散層３４、および読み出し回路３５からなる回路は、図２Ａの読み出し部１０６に該当する。
【００３８】
出力制御ゲート４０は、垂直転送ゲートＶＨに形成されるパケットの信号電荷を浮遊拡散層３４に転送するためのゲート電極である。
【００３９】
浮遊拡散層３４は、垂直転送部１０２から出力制御ゲート４０を介して転送された信号電荷を電圧に変換する。
【００４０】
読み出し回路３５は、浮遊拡散層３４で電圧に変換された信号を垂直信号線１０７に出力する。読み出し回路３５は、例えば、選択トランジスタおよび増幅トランジスタを有する。増幅トランジスタは、垂直信号線１０７に接続された負荷回路と共にソースフォロワ回路を構成する。
【００４１】
次に、実施の形態１に係る撮像部２の撮像動作について説明する。
【００４２】
図３は、実施の形態１に係る撮像装置１０の撮像動作の一例を説明するタイミングチャートである。また、図４は、実施の形態１に係る固体撮像素子２０の画素部１００における第１〜第４の単位露光処理の動作例を示す説明図である。また、図５は、実施の形態１に係る第１〜第４の単位露光処理の動作の一例を説明するタイミングチャートである。
【００４３】
図３の上段は、１画面の撮像動作における発光信号および露光信号のタイムチャートの一例を示す。同図の上段の横軸は時間軸を示す。縦軸には発光信号および露光信号を示す。発光信号は、発光を指示する第１パルスを有するデジタル信号である。同図の第１パルスは正論理であり、ハイレベルで光源部１に発光を指示し、ローレベルで光源部１に非発光を指示する。露光信号は、露光を指示する第２パルスを有するデジタル信号である。同図の第２パルスは負論理であり、ローレベルで固体撮像素子２０に露光することを指示し、ハイレベルで固体撮像素子２０に露光しないことを指示する。
【００４４】
１画面の撮像動作は、Ｎセットの発光露光処理と、出力処理とからなる。Ｎは２以上の整数である。
【００４５】
１セットの発光露光処理は、第１、第２、第３および第４の露光処理を含む。
【００４６】
第１の露光処理は、ｍ１回の第１の単位露光処理を含む。ｍ１は、１以上の整数である。第１の単位露光処理では、制御部３は、第２パルスを第１パルスよりも第１の遅延時間だけ遅らせるように発光信号および露光信号を発生する。第１の露光処理によって光電変換部１０１で生成される信号電荷は、第１の電荷蓄積部Ｐ１に蓄積される。
【００４７】
第２の露光処理は、ｍ２回の第２の単位露光処理を含む。ｍ２は２以上の整数である。第２の単位露光処理では、制御部３は、第２パルスを第１パルスよりも第２の遅延時間だけ遅らせるように発光信号および露光信号を発生する。第２の露光処理によって光電変換部１０１で生成される信号電荷は、第２の電荷蓄積部Ｐ２に蓄積される。
【００４８】
第３の露光処理は、ｍ３回の第３の単位露光処理を含む。ｍ３は１以上の整数である。第３の単位露光処理は、第１の単位露光処理と同じである。つまり、第３の単位露光処理では、制御部３は、第２パルスを第１パルスよりも第１の遅延時間だけ遅らせるように発光信号および露光信号を発生する。第３の露光処理によって光電変換部１０１で生成される信号電荷は、第３の電荷蓄積部Ｐ３に蓄積される。
【００４９】
第４の露光処理は、ｍ４回の第４の単位露光処理を含む。第４の単位露光処理では、制御部３は、第１パルスを発生させずに第２パルスを発生させるように発光信号および露光信号を発生する。第４の露光処理によって光電変換部１０１で生成される信号電荷は、第４の電荷蓄積部Ｐ４に蓄積される。
【００５０】
図３の（ａ）および図４の（ａ）は、第１の単位露光処理における露光量ａ１の検出タイミングを表す。図３の（ｂ）および図４の（ｂ）は、第２の単位露光処理における露光量ａ２の検出タイミングを表す。図３の（ｃ）および図４の（ｃ）は、第３の単位露光処理における露光量ａ３の検出タイミングを表す。図３の（ｄ）および図４の（ｄ）は、第４の単位露光処理における露光量ａ４の検出タイミングを表す。１セットの発光露光処理は、複数種類の露光処理（第１〜第４の露光処理）に分割される。
【００５１】
ここで、第１〜第４の単位露光処理の繰り返し回数ｍ１〜ｍ４について説明する。図３の上段の例ではｍを２以上の偶数として、ｍ１＝ｍ／２、ｍ２＝ｍ、ｍ３＝ｍ／２、ｍ４＝ｍであるものとする。第１の単位露光処理は、第３の単位露光処理と同じである。言い換えれば、第１の露光処理および第３の露光処理は、ｍ回の連続する第１（または第３の）単位露光処理をｍ／２回の連続する単位露光処理の２つに分割した結果となっている。単に連続する回数を分割しただけでなく、第１の露光処理および第３の露光処理で生成される信号電荷も分割され、第１の電荷蓄積部Ｐ１および第３の電荷蓄積部Ｐ３にそれぞれ蓄積される。第１の電荷蓄積部Ｐ１および第３の電荷蓄積部Ｐ３に信号電荷を分割することにより、電荷蓄積部が１つである場合と比べて容量を倍増することができ、飽和を抑制することができる。
【００５２】
図３の上段の出力処理は、Ｎセットの発光露光処理によって第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４に蓄積された信号電荷を画素部１００毎に固体撮像素子２０から信号処理部４へ撮像信号として出力する処理である。
【００５３】
次に、第１から第４の単位露光処理について、より具体的に説明する。
【００５４】
図３の（ａ）は、図３上段の第１の単位露光処理の期間ｕ１を拡大したタイムチャート例を示す。具体的には、縦軸に示すように第１の単位露光処理における「発光信号（照射光）」、「反射光」、「露光信号」、「露光量」を示す。
【００５５】
図３の（ａ）において「発光信号」は期間Ｔｏの正論理パルスである第１パルスを有する。第１パルスの期間Ｔｏでは、光源部１からパルス状の照射光が発せられる。「反射光」は、第１パルスのタイミングで光源部１が発した光が対象物で反射して固体撮像素子２０に到達した反射光の例を示している。ここでは反射光は、発光信号の第１パルスによる照射光から遅延時間Ｔｄだけ遅れて固体撮像素子２０に到達する場合を示している。「露光信号」は、期間Ｔｏの負論理パルスである第２パルスを有する。第２パルスのパルス幅は第１パルスのパルス幅と同じＴｏに設定されている。第１パルスの前縁から第２パルスの前縁までは第１の遅延時間を有する。ただし図３の（ａ）では第１の遅延時間は０に設定されている。「露光量」は、露光信号が示す露光期間（つまり第２パルスのローレベル期間Ｔｏ）における固体撮像素子２０の露光量（つまり光電変換部１０１で発生した信号電荷の量）を示す。露光量ａ１は、光源部１の照射光が対象物で反射されたことによる反射光ｒ１と、太陽光などの外光である背景光ｂ１とを含む。反射光ｒ１は、パルス状の反射光のうちの先頭から第２パルスの末尾までの部分が露光される。背景光ｂ１は、露光期間Ｔｏの間に常に存在する。図３の上段に示す（ｍ／２×Ｎ）回の第１の単位露光処理の露光によって光電変換部１０１で生成される露光量ａ１の信号電荷は、第１の電荷蓄積部Ｐ１に蓄積される。
【００５６】
言い換えると、図３の上段及び（ａ）に示すように、第１の単位露光処理では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ１を垂直転送部１０２の第１の電荷蓄積部Ｐ１に蓄積する。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ／２回繰り返すように制御する。図４に示すようにｍ／２回の第１の単位露光処理が終了した時点で、固体撮像素子２０は、垂直転送部１０２の垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットに上記信号電荷ａ１を転送する。つまり、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４を順方向に１段階シフトする。これにより、図４の点線に示すように、第１の電荷蓄積部Ｐ１は読出しゲート３２が存在する位置から離れ、第２の電荷蓄積部Ｐ２が読出しゲート３２が存在する位置に移動する。
【００５７】
ここで、第１の単位露光処理は、光源部１が発光信号の第１パルスを受信して発光するタイミングに対して、固体撮像素子２０が第１の遅延時間を有する露光信号の第２パルスを受信し露光を行う処理である。本実施の形態の場合、第２パルスのパルス幅は第１パルスのパルス幅と同じＴｏに設定され、第１の遅延時間は０（ゼロ）に設定されている。すなわち、第１の単位露光処理における露光期間は、発光信号が有効な（第１パルスがハイレベルである）期間に設定されている。
【００５８】
図３の（ｂ）は、図３上段の第２の単位露光処理の期間ｕ２を拡大したタイムチャート例を示す。図３の（ｂ）は、同図の（ａ）と比べて、露光信号のタイミングと、露光量とが異なっている。以下、異なっている点を中心に説明する。「露光信号」において、第１パルスの前縁から第２パルスの前縁までは上記の第１の遅延時間よりも大きい第２の遅延時間を有する。図３の（ｂ）では第２の遅延時間は、第１パルスおよび第２パルスのパルス幅と同じＴｏに設定されている。「露光量」は、露光信号が示す露光期間（つまり第２パルスのローレベル期間Ｔｏ）における固体撮像素子２０の露光量ａ２を示す。露光量ａ２は、光源部１の照射光が対象物で反射されたことによる反射光ｒ２と、太陽光などの外光である背景光ｂ１とを含む。反射光ｒ２は、パルス状の反射光のうちの、第２パルスの対応する部分が露光される。例えば、反射光ｒ２は、第２パルスの前縁から反射光の末尾までの部分が露光される。背景光ｂ１は、第２の単位露光処理でも第１の単位露光処理の背景光ｂ１とほぼ同じである。図３の上段に示す（ｍ×Ｎ）回の第２の単位露光処理の露光によって光電変換部１０１で生成される露光量ａ２の信号電荷は、第２の電荷蓄積部Ｐ２に蓄積される。
【００５９】
言い換えると、図３の上段及び（ｂ）に示すように、第２の単位露光処理では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ２を垂直転送部１０２の第２の電荷蓄積部Ｐ２に蓄積する。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ回の第２の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送部１０２の垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットに上記信号電荷ａ２を転送する。つまり、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４を順方向に１段階シフトする。これにより、図４の点線に示すように、第２の電荷蓄積部Ｐ２は読出しゲート３２が存在する位置から離れ、第３の電荷蓄積部Ｐ３が読出しゲート３２が存在する位置に移動する。
【００６０】
ここで、第２の単位露光処理は、光源部１が発光信号の第１パルスを受信して発光するタイミングに対して、固体撮像素子２０が第１の遅延時間と異なる第２の遅延時間を有する露光信号の第２パルスを受信し露光を行う処理である。本実施の形態の場合、第２パルスのパルス幅は第１パルスのパルス幅と同じＴｏに設定され、第２の遅延時間は第１の遅延時間（図３ではゼロ）と第１パルスのパルス幅Ｔｏとが加算されたＴｏに設定されている。
【００６１】
図３の（ｃ）は、図３上段の第３の単位露光処理の期間ｕ３を拡大したタイムチャート例を示す。図３の（ｃ）は、同図の（ａ）と比べて、露光信号のタイミングと、露光量とは全く同じであり、反射光ｒ３は反射光ｒ１と同じになり、露光量ａ３は露光量ａ１と同じになる。図３の上段に示す（ｍ／２×Ｎ）回の第３の単位露光処理の露光によって光電変換部１０１で生成される露光量ａ３の信号電荷は、第３の電荷蓄積部Ｐ３に蓄積される。
【００６２】
言い換えると、図３の上段及び（ｃ）に示すように、第３の単位露光処理では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ３を垂直転送部１０２の第３の電荷蓄積部Ｐ３に蓄積する。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ／２回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ／２回の第３の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送部１０２の垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットに上記信号電荷ａ３を転送する。つまり、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４を順方向に１段階シフトする。これにより、図４の点線に示すように、第３の電荷蓄積部Ｐ３は読出しゲート３２が存在する位置から離れ、第４の電荷蓄積部Ｐ４が読出しゲート３２が存在する位置に移動する。
【００６３】
ここで、第３の単位露光処理は、光源部１が発光信号の第１パルスを受信して発光するタイミングに対して、固体撮像素子２０が第１の遅延時間と同じ遅延時間を有する露光信号の第２パルスを受信し露光を行う処理である。本実施の形態の場合、露光信号第２パルスのパルス幅は第１及び第２の単位露光処理における第１パルスのパルス幅と同じＴｏに設定され、遅延時間は０（ゼロ）に設定されている。すなわち、第３の単位露光処理は、第１の単位露光処理と同じで、発光信号が送信されている（ハイレベルである）期間と同じ期間が露光期間として設定されている。
【００６４】
また、本実地の形態では、第１パルスの前縁から第２パルスの前縁までの遅延時間が最も短く設定される露光処理は、第１の露光処理と第３の露光処理に分割されており、言い換えれば、複数種類の露光処理のうちの少なくとも１つの露光処理は、複数に分割されている。
【００６５】
図３の（ｄ）は、図３上段の第４の単位露光処理の期間ｕ４を拡大したタイムチャート例を示す。図３の（ｄ）は、同図の（ａ）と比べて、発光信号が第１パルスを有しない点が異なっている。以下、異なっている点を中心に説明する。「発光信号」は、第１パルスを有していない。つまり、制御部３は、第１パルスを発生させずに第２パルスを発生させるように発光信号および露光信号を発生する。「露光量」は、反射光が存在しないので背景光のみを示すことなる。背景光ｂ４は、背景光ｂ１とほぼ同じである。図３の上段に示す（ｍ×Ｎ）回の第４の単位露光処理の露光によって光電変換部１０１で生成される露光量ａ４の信号電荷は、第４の電荷蓄積部Ｐ４に蓄積される。
【００６６】
言い換えると、図３の上段及び（ｄ）に示すように、第４の単位露光処理では、光源部１は発光せずに、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ４を垂直転送部１０２の第４の電荷蓄積部Ｐ４に蓄積する。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ回の第４の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送部１０２の垂直転送ゲート３３を制御し、信号電荷ａ４が、読み出しゲート３２が存在しないパケットに来るように逆転送する。つまり、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４を逆方向に３段階シフトする。これにより、図４の点線に示すように、第４の電荷蓄積部Ｐ４は読出しゲート３２が存在する位置から離れ、第１の電荷蓄積部Ｐ１が読出しゲート３２が存在する位置に移動する。
【００６７】
本実施の形態の場合、第４の単位露光処理の第２パルスのパルス幅は発光信号の第１パルスのパルス幅や第１及び第２及び第３の単位露光処理における第２パルスのパルス幅と同じＴｏに設定されている。
【００６８】
その後、この一連の動作を本実施の形態ではＮ回繰り返した後、第１〜第４電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４の信号電荷は、垂直信号線１０７、列処理部１０８、水平走査部１０９を介して信号処理部４に出力する。
【００６９】
また、図２Ａおよび図２Ｂの構成によれば、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４として、垂直転送部１０２に構成される複数パケットを利用することができる。よって、追加で電荷蓄積部を形成することが不要となり、同じ面積であれば光電変換部１０１の開口率（単位面積当たりに光を受光できる面積の比率）を高くすることができ、ノイズの少ない高精度な測距を実現する撮像信号の発生、及び固体撮像素子２０及び撮像装置１０の小型化を実現することが出来る。
【００７０】
図５は、実施の形態１に係る第１〜第４の単位露光処理の動作の一例を説明するタイミングチャートである。図５の（ａ）は、第１の単位露光処理における露光量ａ１の検出タイミングを表す。図５の（ｂ）は、第２の単位露光処理における露光量ａ２の検出タイミングを表す。図５の（ｃ）は、第３の単位露光処理における露光量ａ３の検出タイミングを表す。図５の（ｄ）は、第４の単位露光処理における露光量ａ４の検出タイミングを表す。
【００７１】
まず、図３、図４および図５の（ａ）に示すように、第１の単位露光処理では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ１を第１の電荷蓄積部Ｐ１に蓄積する。このとき、第１の電荷蓄積部Ｐ１は垂直転送ゲート３３のうちＶＧ５、ＶＧ６、ＶＧ１の位置にパケットとして形成されている。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ／２回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ／２回の第１の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＧ３の位置に上記信号電荷ａ１を順方向に垂直転送する。
【００７２】
続いて、図３、図４および図５の（ｂ）に示すように、第２の単位露光処理では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ２を第２の電荷蓄積部Ｐ２に蓄積する。このとき、第２の電荷蓄積部Ｐ２は、垂直転送ゲート３３のうちＶＧ５、ＶＧ６、ＶＧ１の位置にパケットとして形成されている。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ回の第２の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＧ３に上記信号電荷ａ２を転送する。それに伴い、第１の露光処理で露光した信号電荷ａ１は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＨの位置に転送する。
【００７３】
続いて、図３、図４および図５の（ｃ）に示すように、第３の単位露光期間では、露光信号の第２パルスがＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ３を第３の電荷蓄積部Ｐ３に蓄積する。このとき、第３の電荷蓄積部Ｐ３は、垂直転送ゲート３３のうちＶＧ５、ＶＧ６、ＶＧ１の位置にパケットとして形成されている。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ／２回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ／２回の第３の単位露光処理が終了した時点で、垂直転送ゲート３３を制御し、読み出しゲート３２が存在しないパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＧ３に上記信号電荷を転送する。それに伴い、第１の露光処理で露光した信号電荷ａ１は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＧ３の位置に転送し、第２の露光処理で露光した信号電荷ａ２は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうち隣のＶＨの位置に転送する。
【００７４】
続いて、図３、図４および図５の（ｄ）に示すように、第４の単位露光処理では、光源部１は発光せずに、第４の露光信号がＬｏｗの期間で光電変換部１０１を露光し、当該露光により発生した信号電荷ａ４を第４の電荷蓄積部Ｐ４に蓄積する。このとき、第４の電荷蓄積部Ｐ４は、垂直転送ゲート３３のうちＶＧ５、ＶＧ６、ＶＧ１の位置にパケットとして形成されている。制御部３は、この動作を本実施の形態ではｍ回繰り返す。固体撮像素子２０は、ｍ回の第４の露光処理が終了した時点で、垂直転送ゲート３３を制御し、第１の露光処理で露光した信号電荷ａ１が、読み出しゲート３２が存在するパケットに来るように逆方向に垂直転送する。それに伴い、図４の（ａ）に示すように、第２の露光処理で露光した信号電荷ａ２は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＧ３に逆転送される。第３の露光処理で露光した信号電荷ａ３は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうちＶＨに逆転送される。第４の露光処理で露光した信号電荷ａ４は、他のパケットである垂直転送ゲート３３のうち隣のＶＧ３に逆転送される。従って、第１の露光処理で露光した信号電荷ａ１と、第２の露光処理で露光した信号電荷ａ２と、第３の露光処理で露光した信号電荷ａ３と、第４の露光処理で露光した信号電荷ａ４との４種類が混合することなく、独立して垂直転送チャネル３８内のパケットに格納される。言い換えれば、信号電荷ａ１、ａ２、ａ３およびａ４は、第１、第２、第３および第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４にそれぞれ独立して蓄積および保持される。
【００７５】
その後、この１セットの発光露光処理を本実施の形態ではＮ回繰り返した後、垂直転送ゲート３３の制御と出力制御ゲート４０の制御により、フローティング・ディフュージョン３４で信号電荷を電圧信号に変換し、読み出し回路３５の制御により、垂直信号線１０７へ順次出力する。
【００７６】
これにより、発光信号の第１パルスに対して被写体からの反射光の露光を指示する露光信号の第２パルスのタイミングが一部異なる複数の露光処理で得られる信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部として、垂直転送チャネル３８に既に構成されている複数パケットを利用することができる。よって、追加で電荷蓄積部を形成することが不要となり、同じ面積であれば光電変換部１０１の開口率（単位面積当たりに光を受光できる面積の比率）を高くすることができ、ノイズの少ない高精度な測距を実現する撮像信号の発生、及び固体撮像素子２０及び撮像装置１０の小型化を実現することが出来る。
【００７７】
続いて、図３を用いて、本実施の形態に係る撮像装置の測距動作の詳細を説明する。
【００７８】
まず、制御部３は、発光信号に対して固体撮像素子２０が被写体からの反射光を受光するタイミングが異なる第１〜第４の露光処理において発光信号および露光信号を出力する。本実施の形態の場合、第１、第２、第３及び第４の露光処理における露光信号の第２パルスのパルス幅は、前述の通り発光信号期間のパルス幅と同じＴｏに設定されている。従って、背景光の露光量ｂ１は、第１、第２、第３及び第４の露光処理で等しくなる。また、第１の露光処理及び第３の露光処理の第１パルスに対する第２パルスの第１の遅延時間は、０（ゼロ）に設定されている。すなわち、第１の露光処理及び第３の露光処理の第２パルスが有効な期間は、第１パルスのハイレベルである期間と同じに設定されている。また、第２の露光処理における第２の遅延時間は、第１及び第３の遅延時間０（ゼロ）と第１及び第３の露光信号期間Ｔｏとが加算されたＴｏに設定されている。
【００７９】
本実施の形態の場合、第１及び第３の単位露光処理の繰り返しがｍ／２回、第２及び第４の単位露光処理の繰り返しがｍ回としている。固体撮像素子２０は、第１〜第４の露光処理を１セットとし、これをＮ回セット繰り返し出力した後、蓄積された露光信号を出力する。そこで、第１の露光処理による露光量ａ１の総和をＡ１、第２の露光処理による露光量ａ２の総和をＡ２、第３の露光処理による露光量ａ３の総和をＡ３、第４の露光処理による露光量ａ４の総和をＡ４とする。
【００８０】
この場合、第１の露光処理あるいは第３の露光処理と第２の露光処理とが加算された期間で被写体からの反射光の全てを含むように露光される。また、第２の露光処理の露光量は、被写体からの反射光の発光信号タイミングに対する遅延時間Ｔｄが大きい程、増加する。また、第４の露光信号期間では、光源部１は発光せずに露光するので、背景光ｂ１のみ露光される。
【００８１】
ここで、光速（２９９，７９２，４５８ｍ／ｓ）をＣとすると、信号処理部４では、以下の式１の演算を行うことにより、距離Ｌを算出できる。
【００８２】
【数１】
2020027221.tif 000015
【００８３】
ここで、光源部１が発光信号を受信して発光するタイミングに対する遅延時間が最小である（本実施の形態の場合は０（ゼロ）に設定）である第１の露光処理及び第３の露光処理は、発光信号タイミング（照射光）に対する対象物からの反射光の光路による遅延が小さい、すなわち光の強度が強い近くの対象物からの反射光を多く露光することになり、発光露光の繰り返し回数が多いと飽和しやすくなる。
【００８４】
しかし、本実施の形態では第１の露光処理及び第３の露光処理の繰り返し回数を他の露光処理の１／２にしているために、飽和が抑制され、近くで高い反射率の対象物も飽和せずに高い精度で測距できる効果を有する。一方、第１の露光処理及び第３の露光処理の繰り返し回数の合計は他の露光処理と同じ回数を維持しているので、遠くの対象物や反射率の低い対象物も、露光量低下に起因するＳ／Ｎ（信号雑音比）劣化が起こらず、高い精度で測距できる効果を有する。更にＣＭＯＳ型とＣＣＤ型のハイブリッド構造の場合は、垂直信号線（カラム）間で並列信号出力する構造のために高いフレームレートが実現でき、動きの速い対象物もブレが起こらず、高い精度で測距できる効果を有する。
【００８５】
以上説明してきたように実施の形態１に係る撮像装置１０は、発光を指示する第１パルスと、露光を指示する第２パルスと、を発生する制御部３と、第１パルスに従って発光する光源部１と、第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子２０を備える撮像部２と、を備える撮像装置であって、固体撮像素子２０は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部１０１と、信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、を含む画素部１００を有し、画素部１００は、第１パルスから第１の遅延時間が遅れる第２パルスを用いる第１露光処理及び第３露光処理と、第１パルスから第２の遅延時間が遅れる第２パルスを用いる第２露光処理と、により得られるそれぞれの信号電荷を、複数の電荷蓄積部のうちの異なる電荷蓄積部に蓄積する。
【００８６】
ここで、画素部１００は、第１パルスを発生させずに第２パルスを発生させる第４露光処理により得られる信号電荷を、第１、第２および第３露光処理により得られる信号電荷を蓄積する電荷蓄積部とは異なる電荷蓄積部に蓄積してもよい。
【００８７】
ここで、第１露光処理による露光時間と第３露光処理による露光時間との合計は、第２露光処理による露光時間と等しくてもよい。
【００８８】
ここで、第１露光処理による露光時間と第３露光処理による露光時間との合計は、第２露光処理による露光時間と等しく、第４露光処理による露光時間は、第２露光処理による露光時間と等しくてもよい。
【００８９】
ここで、第１パルスのパルス幅は、第２パルスのパルス幅と同じであり、第１露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数はそれぞれｍ１であり、ｍ１は整数であり、第２露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数はそれぞれｍ２であり、ｍ２はｍ１より大きい整数であり、第３露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数はそれぞれｍ３であり、ｍ３はｍ２より小さい整数であってもよい。
【００９０】
ここで、ｍ１とｍ３との和はｍ２と等しくてもよい。
【００９１】
ここで、第１露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数は、それぞれｍ１であり、ｍ１は整数であり、第２露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数は、それぞれｍ２であり、ｍ２はｍ１より大きい整数であり、第３露光処理での第１パルスの数および第２パルスの数は、それぞれｍ３であり、ｍ３はｍ２より小さい整数であり、第４露光処理での第２パルスの数は、ｍ４であり、ｍ４はｍ２以下であってもよい。
【００９２】
ここで、ｍ１とｍ３との和はｍ２と等しく、ｍ４はｍ２と等しくてもよい。
【００９３】
ここで、第１の遅延時間は、０以上第１パルスの時間幅より小さくてもよい。
【００９４】
ここで、制御部３は、時系列的な第１露光処理〜第４露光処理を１セットとする処理をＮ（Ｎは整数）回繰り返してもよい。
【００９５】
ここで、固体撮像素子２０は、複数の画素部の列毎に設けられた垂直転送部１０２を有するＣＣＤ型であり、電荷蓄積部は、それぞれ、垂直転送部１０２に形成される電位の井戸として形成されてもよい。
【００９６】
ここで、固体撮像素子２０は、さらに、複数の画素部１００の列毎に設けられた垂直信号線１０７と、複数の画素部１００毎に設けられ、電荷蓄積部から選択的に信号電荷を電圧に変換し垂直信号線１０７に読み出す読出し回路３５と、を備えてもよい。
【００９７】
また、実施の形態１に係る固体撮像素子２０は、発光を指示する第１パルスと、露光を指示する第２パルスと、を発生する制御部３と、第１パルスに従って発光する光源部１と、第２パルスに従って露光を行う固体撮像素子２０を備える撮像部２と、を備える撮像装置に用いられる固体撮像素子であって、固体撮像素子２０は、露光した光を信号電荷に変換する光電変換部１０１と、信号電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部と、を含む画素部を有し、画素部１００は、第１パルスから第１の遅延時間が遅れる第２パルスを用いる第１露光処理及び第３露光処理と、第１パルスから第２の遅延時間が遅れる第２パルスを用いる第２露光処理と、により得られるそれぞれの信号電荷を、複数の電荷蓄積部のうちの異なる電荷蓄積部に蓄積する。
【００９８】
（実施の形態２）
実施の形態１では、固体撮像素子２０として２画素１セル構造をもつハイブリッド構成のイメージセンサの例を説明したが、実施の形態２では、固体撮像素子２０として１画素１セル構造をもつハイブリッド構成のイメージセンサの例について説明する。
【００９９】
実施の形態２における撮像装置１０の構成は、図１と同じである。ただし、固体撮像素子２０が２画素１セル構造ではなく１画素１セル構造である点が異なっている。以下、異なる点を中心に説明する。
【０１００】
まず、固体撮像素子２０の構成例について説明する。
【０１０１】
図６Ａは、実施の形態２に係る固体撮像素子２０の構成例を示すブロック図である。また、同図は、図２Ａと比べて、画素部１００が備える光電変換部１０１の個数が２つではなく１つである点が異なっている。これ以外は、図２Ａと同様である。
【０１０２】
次に、画素部１００の構成例について説明する。
【０１０３】
図６Ｂは、実施の形態２に係る固体撮像素子２０における画素部１００の構成例を示す図である。同図は、図２Ｂと比べて、画素部１００あたり、１つの光電変換部１０１と１つの読み出しゲート３２と１つの露光制御ゲート３６と１つオーバーフロードレイン３７とからなる組み合わせが２つではなく、１つである点が異なっている。また、垂直転送部１０２は、１つの画素部１００あたり８種類の垂直転送ゲート３３を備える。８種類の垂直転送ゲート３３は、ＶＧ１〜ＶＧ７、ＶＨである。これにより、垂直転送部１０２は、１つの光電変換部１０１あたり、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４としての４つのパケットを形成する。４つのパケットは、垂直転送ゲートＶＧ２、ＶＧ４、ＶＧ６、ＶＨによりそれぞれ形成可能である。
【０１０４】
次に、実施の形態２に係る撮像装置１０の撮像動作例について説明する。本実施の形態における撮像動作例は、図３で説明した動作例と同じである。ただし、垂直転送部１０２における第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４の位置が少し異なっている。
【０１０５】
図７は、実施の形態２に係る固体撮像素子の画素部における第１〜第４の単位露光処理の動作例を示す図である。同図は、図４と比べて、各単位露光処理で２つではなく１つの光電変換部１０１から信号電荷が垂直転送部１０２に転送される点と、パケットが形成される垂直転送ゲート３３の位置が異なっている。これ以外は、図４と同じである。
【０１０６】
このような実施の形態２に係る撮像装置１０によれば、実施の形態１と同じ効果を奏することができる。
【０１０７】
なお、図６Ａおよび図６Ｂに示した固体撮像素子２０の代わりＣＣＤ型のイメージセンサを用いてもよい。
【０１０８】
（実施の形態３）
実施の形態１および実施の形態２では、固体撮像素子としてＣＭＯＳ型とＣＣＤ型のハイブリッド構造をもつイメージセンサを用いて説明したが、固体撮像素子２０は、それに限定されるものではなく、その他のイメージセンサ（一例として、ＣＣＤ型イメージセンサ）であってもよい。実施の形態３では、固体撮像素子２０としてＣＭＯＳ型のイメージセンサの例について説明する。
【０１０９】
まず、固体撮像素子２０の構成例について説明する。
【０１１０】
図８Ａは、実施の形態３に係る固体撮像素子２０の構成例を示すブロック図である。この固体撮像素子２０は、二次元上に配置された複数の画素部１００と、複数の画素部１００の列毎に配置された垂直信号線１０７と、垂直走査部１２０と、列処理部１０８と、水平走査部１０９、出力バッファ１１０とを備える。
【０１１１】
複数の画素部１００は、オーバーフロードレイン構造の光電変換部１０１を備え、グローバルシャッター動作が可能になっている。
【０１１２】
列処理部１０８、水平走査部１０９および出力バッファ１１０は、図２Ａと同様である。
【０１１３】
垂直走査部１２０は、画素部１００を行単位で走査する。走査により選択された行の画素部１００は、垂直信号線１０７から画素信号を出力する。
【０１１４】
次に、画素部１００の構成例について説明する。
【０１１５】
図８Ｂは、実施の形態３に係る固体撮像素子における画素部の構成例を示す図である。同図のように画素部１００は、光電変換部１０１、２つの露光制御ゲート５６、２つのオーバーフロードレイン５７、読み出しゲート５２ａ〜５２ｄ、保持ゲート５３ａ〜５３ｄ、出力制御ゲート５８ａ〜５８ｄ、浮遊拡散層５４Ｌ、５４Ｒ、読み出し回路５５Ｌ、５５Ｒを備える。
【０１１６】
光電変換部１０１は、受光量に応じた信号電荷を発生する。
【０１１７】
２つの露光制御ゲート５６および２つのオーバーフロードレイン５７は、光電変換部１０１の信号電荷を排出する。これにより、全画素部１００が同時刻に露光を開始するグローバルシャッター動作を可能にする。
【０１１８】
読み出しゲート５２ａ〜５２ｄおよび保持ゲート５３ａ〜５３ｄは、第１〜第４の電荷蓄積部を構成する。図８Ｂの第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４は、固定的な領域である点で、図２Ｂおよび図６Ｂに示した第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４とは異なっている。
【０１１９】
出力制御ゲート５８ａ、５８ｃは、保持ゲート５３ａ、５３ｃ（つまり第１、第３の電荷蓄積部）に蓄積された信号電荷を浮遊拡散層５４Ｌに転送するためのゲート電極である。
【０１２０】
出力制御ゲート５８ｂ、５８ｄは、保持ゲート５３ｂ、５３ｄ（つまり第２、第４の電荷蓄積部）に蓄積された信号電荷を浮遊拡散層５４Ｒに転送するためのゲート電極である。
【０１２１】
浮遊拡散層５４Ｌ、読み出し回路５５Ｌは、浮遊拡散層５４Ｌの信号電荷を電圧信号に変換して垂直信号線１０７Ｌに出力する。
【０１２２】
浮遊拡散層５４Ｒ、読み出し回路５５Ｒは、浮遊拡散層５４Ｒ信号電荷を電圧信号に変換して垂直信号線１０７Ｒに出力する。
【０１２３】
垂直信号線１０７Ｌおよび１０７Ｒは、電気的に接続された実質的に同じ信号線でもよいし、独立した信号線でもよい。
【０１２４】
次に、実施の形態３に係る撮像装置１０の撮像動作例について説明する。本実施の形態における撮像動作例は、図３で説明した動作例と同じである。ただし、第１〜第４の電荷蓄積部Ｐ１〜Ｐ４が固定的な領域である点が異なっている。
【０１２５】
実施の形態１では、固体撮像素子としてＣＣＤ型イメージセンサならびにＣＭＯＳ型とＣＣＤ型のハイブリッド構造をもつイメージセンサを用いて説明したが、本開示に用いられる固体撮像素子２０は、それに限定されるものではなく、その他のイメージセンサ（一例として、ＣＭＯＳ型イメージセンサ、または、光電変換膜を備えるイメージセンサ）を用いることができる。
【０１２６】
以上説明してきたように実施の形態３に係る撮像装置１０において、固体撮像素子２０は、ＣＭＯＳ型である。
【０１２７】
（その他の実施の形態）
以上、本開示の撮像装置及び固体撮像素子について、上記実施の形態及びその変形例に基づいて説明してきたが、本開示の撮像装置及び固体撮像素子は、上記実施の形態及びその変形例に限定されるものではない。上記実施の形態及びその変形例における任意の構成要素を組み合わせて実現される別の実施の形態や、上記実施の形態及びその変形例に対して本開示の主旨を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例や、本開示の撮像装置及び固体撮像素子を内蔵した各種機器も本開示に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１２８】
本開示に係る撮像装置は、同一画面内の近くで反射率の高い被写体から遠くで反射率の低い被写体まで幅広い反射率の被写体を精度よく３次元の検知、測定が実現できるため、例えば、ポイントクラウドなど、人物、建物、人体や動植物の器官・組織などの形態を立体検出、表示、描写や、視線方向検出、ジェスチャー認識、顔認証、障害物検知、路面検知などに有用である。
【符号の説明】
【０１２９】
１      光源部
２      撮像部
３      制御部
４      信号処理部
１０    撮像装置
２０    固体撮像素子
３２    読み出しゲート
３３    垂直転送ゲート
３４    浮遊拡散層（フローティング・ディフュージョン）
３５    読み出し回路
３６    露光制御ゲート
３７    オーバーフロードレイン
３８    垂直転送チャネル
４０    出力制御ゲート
５２、５２ａ〜５２ｄ    読み出しゲート
５３、５３ａ〜５３ｄ    保持ゲート
５４、５４Ｌ、５４Ｒ    浮遊拡散層
５５、５５Ｌ、５５Ｒ    読み出し回路
５６    露光制御ゲート
５７    オーバーフロードレイン
５８、５８ａ〜５８ｄ    出力制御ゲート
１００  画素部
１０１  光電変換部（フォトダイオード）
１０２  垂直転送部
１０６  読み出し部
１０７、１０７Ｌ、１０７Ｒ  垂直信号線
１０８  列処理部
１０９  水平走査部
１１０  出力バッファ
【国際調査報告】
2020027221.tif 000016
2020027221.tif 000017
2020027221.tif 000018
2020027221.tif 000019