CN112513671A - 摄像装置及在该摄像装置中使用的固体摄像元件 - Google Patents

Abstract

摄像装置(10)具备：控制部(3)，产生指示发光的第1脉冲和指示曝光的第2脉冲；光源部(1)，按照第1脉冲进行发光；以及摄像部(2)，具备按照第2脉冲进行曝光的固体摄像元件(20)；固体摄像元件(20)具有像素部，该像素部包括将曝光后的光变换为信号电荷的光电变换部(101)、和积蓄信号电荷的多个信号积蓄部；像素部(100)将通过第1曝光处理及第3曝光处理、和第2曝光处理而得到的各个信号电荷积蓄到多个电荷积蓄部中的不同的电荷积蓄部中，第1曝光处理及第3曝光处理使用相对于第1脉冲延迟第1延迟时间的第2脉冲，第2曝光处理使用相对于第1脉冲延迟第2延迟时间的第2脉冲。

Description

摄像装置及在该摄像装置中使用的固体摄像元件

技术领域

本发明涉及摄像装置及在该摄像装置中使用的固体摄像元件。

背景技术

在检测物体的多个方式之中，已知有利用到测量对象物为止光所往复的飞行时间进行测距的TOF(time of flight：飞行时间)方式。

在专利文献1中，公开了根据距离信息与反射率信息之比来调整照射光的反复次数的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2001－148867号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在专利文献1所公开的以往技术中，例如在摄像装置与对象物的距离较短、并且对象物的反射率较高的情况下，存在有时基于反射光而得到的信号电荷饱和而不能测距的问题。此外，在摄像装置与对象物的距离较长、对象物的反射率较低的情况下，存在基于反射光而得到的信号电荷过少而测距精度劣化的问题。

鉴于上述课题，本发明的目的是提供一种在反射率较高的对象物处于近处的情况下也抑制信号电荷的饱和、在反射率较低的对象物处于远处的情况下也抑制测距精度的劣化的摄像装置及固体摄像元件。

用来解决课题的手段

为了解决上述课题，有关本发明的一技术方案的摄像装置具备：控制部，产生指示发光的第1脉冲和指示曝光的第2脉冲；光源部，按照上述第1脉冲进行发光；以及摄像部，具备按照上述第2脉冲进行曝光的固体摄像元件；上述固体摄像元件具有像素部，该像素部包括将曝光后的光变换为信号电荷的光电变换部、以及积蓄上述信号电荷的多个信号积蓄部；上述像素部将通过第1曝光处理及第3曝光处理、和第2曝光处理而得到的各个上述信号电荷积蓄到上述多个电荷积蓄部中的不同的电荷积蓄部中，上述第1曝光处理及上述第3曝光处理使用相对于上述第1脉冲延迟第1延迟时间的上述第2脉冲，上述第2曝光处理使用相对于上述第1脉冲延迟第2延迟时间的上述第2脉冲。

发明效果

根据有关本发明的摄像装置，在反射率较高的对象物处于近处的情况下也抑制信号电荷的饱和，在反射率较低的对象物处于远处的情况下也抑制测距精度的劣化。

附图说明

图1是表示有关实施方式1的摄像装置的结构例的功能框图。

图2A是表示有关实施方式1的固体摄像元件的结构例的框图。

图2B是表示有关实施方式1的固体摄像元件的像素部的结构例的图。

图3是说明有关实施方式1的摄像装置的摄像动作的一例的时间图。

图4是表示有关实施方式1的固体摄像元件的像素部的第1～第4单位曝光处理的动作例的说明图。

图5是说明有关实施方式1的第1～第4单位曝光处理的动作例的时间图。

图6A是表示有关实施方式2的固体摄像元件的结构例的框图。

图6B是表示有关实施方式2的固体摄像元件的像素部的结构例的图。

图7是表示有关实施方式2的固体摄像元件的像素部的第1～第4单位曝光处理的动作例的图。

图8A是表示有关实施方式3的固体摄像元件的结构例的框图。

图8B是表示有关实施方式3的固体摄像元件的像素部的结构例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的有关实施方式的摄像装置及在该摄像装置中使用的固体摄像元件进行说明。另外，以下的实施方式都表示本发明的一具体例，数值、形状、材料、构成要素、构成要素的配置位置及连接形态等是一例，并不限定本发明。

此外，有将所需以上详细的说明省略的情况。例如，有对已经周知的事项的详细说明及对实质上相同结构的重复说明省略的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，使本领域技术人员的理解变得容易。

(实施方式1)

图1是表示有关实施方式的摄像装置(测距摄像装置)10的概略结构的一例的功能框图。如该图所示，摄像装置10具备光源部1、摄像部2、控制部(驱动控制部)3和信号处理部4。通过该结构，摄像装置10不仅能够拍摄静止图像，也能够拍摄运动图像。

光源部1具有发光元件，发出照射光。发光元件例如是激光二极管、垂直共振腔面发射激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting LASER)及发光二极管(LED：Light emitting device)等，也可以使用其他发光元件。照射光作为一例是红外光(包括近红外光、远红外光)。

控制部3产生指示向被摄体(物体、测量对象物)的光照射的发光信号、和指示来自该被摄体的反射光及后述的背景光的曝光的曝光信号。发光信号包含向光源部1指示发光的第1脉冲。曝光信号包含向摄像部2指示曝光的第2脉冲。

光源部1按照由控制部3产生的发光信号的第1脉冲的定时，对包含被摄体的摄像区域照射脉冲光。

摄像部2具有固体摄像元件20。固体摄像元件20接受由光源部1的照射光引起的反射光(脉冲光)。此外，固体摄像元件20还接受由太阳光等引起的背景光、或作为暗电流成分等的偏移成分的背景光。

此外，固体摄像元件20对于包含被摄体的摄像区域，按照由控制部3产生的曝光信号的第2脉冲所表示的定时进行曝光。具体而言，固体摄像元件20伴随着由光源部1进行的脉冲状的照射光的反复发光，按照来自控制部3的曝光信号，进行第1、第2、第3及第4曝光处理。第1、第2、第3及第4曝光处理是将光源部1的发光与摄像部2的曝光组合的处理，使指示发光的第1脉冲和指示曝光的第2脉冲具有延迟时间。但是，在第4曝光处理中，不使发光信号具有第1脉冲(即，不使光源部1发光)。

摄像部2还适当具有相机透镜、仅使从光源部1照射的光的波长附近通过的光学带通滤波器(band pass filter)及A/D变换器等的电路。

信号处理部4基于从摄像部2接受到的摄像信号中的曝光量，通过运算，输出距离图像(距离信号、距离信息)。

接着，对有关本实施方式的摄像装置10的摄像部2中的固体摄像元件20的一例进行说明。

图2A是表示有关实施方式1的固体摄像元件20的结构例的框图。如该图所示，固体摄像元件20具备二维地配置的多个像素部100、按像素部100的每个列设置的垂直传送部102、按每个上述列设置的垂直信号线107、列处理部108、水平扫描部109和输出缓冲器110。该固体摄像元件20为同时拥有通常的CCD图像传感器所具有的垂直传送部102和通常的CMOS图像传感器所具备的读出部106及垂直信号线107的混合结构的例子。另外，这里，CMOS型和CCD型的混合结构是指同时拥有作为CMOS型的特征的向垂直信号线有选择地进行电压信号输出的结构、和作为CCD型的特征的作为各个像素的信号积蓄区域而形成电荷传送路的结构的构造。

多个像素部100分别具有两个光电变换部101、多个电荷积蓄部和读出部106。图2A的各像素部100是所谓的两像素一单元构造，具有两个像素即两个光电变换部101。

各光电变换部101例如是光电二极管，将接受的光变换为信号电荷。

多个电荷积蓄部分别是保持由光电变换部101变换后的信号电荷的区域，在图2A中在垂直传送部102内被形成为势阱。多个电荷积蓄部包括与1个像素部100对应的4个第1至第4电荷积蓄部。即，在垂直传送部102中，与1个像素部100对应而形成至少4个势阱。第1至第4电荷积蓄部将与第1至第4曝光处理对应的信号电荷分别积蓄。

读出部106读出垂直传送部102的特定的电荷积蓄部的信号电荷，变换为电压，向垂直信号线107输出。

垂直传送部102具备垂直传送通道和多个垂直传送栅极。多个垂直传送栅极是将垂直传送通道覆盖的多种垂直传送电极。通过施加在多个垂直传送栅极上的电压的组合，在垂直传送通道内作为多个电荷积蓄部而形成多个势阱。以下，将势阱也称作包(packet)。

列处理部108接收来自按像素部100的每个列设置的垂直信号线107的信号，进行相关双采样(CDS：correlated double sampling)，作为像素信号输出。

水平扫描部109扫描从列处理部108输出的像素信号，即一个个依次选择并输出。

列处理部108也有还具有按每个列变换为数字信号的A/D变换器的情况。

输出缓冲器110输出从水平扫描部109接受的像素信号。

接着，对像素部100的更具体的结构例进行说明。

图2B是表示有关实施方式1的固体摄像元件的像素部100的结构例的图。该图的像素部100表示图2A所示的两像素一单元构造的一例。该像素部100具备第1～第4电荷积蓄部P1～P4、两个光电变换部101、浮动扩散层(floating diffusion)34、读出电路35及输出控制栅极40。在光电变换部101中，设有读出栅极32、曝光控制栅极36、溢出漏极37。

第1～第4电荷积蓄部P1～P4作为4个包被形成在垂直传送部102中的与像素部100对应的部分。垂直传送部102对于每1个光电变换部101具有6种垂直传送栅极33。6种垂直传送栅极33设为VG1～VG6。其中，将与输出控制栅极40对应的垂直传送栅极VG6记为VH。更具体地讲，第1～第4电荷积蓄部P1～P4按照被向多个垂直传送栅极33施加的电压的组合，作为4个包被形成在垂直传送通道38内。在该图中，第1电荷积蓄部P1与垂直传送栅极VH对应。第2电荷积蓄部P2与垂直传送栅极VG3对应。第3电荷积蓄部P3与垂直传送栅极VG6对应。第4电荷积蓄部P4与垂直传送栅极VG3对应。但是，在图2B的例子中，第1～第4电荷积蓄部P1～P4各自的位置不是固定的，而随着信号电荷的正向或反向的垂直传送而上下移动。

读出栅极32是根据施加在读出栅极32上的电压而将由光电变换部101变换后的信号电荷向垂直传送部102传送的栅极电极。图2B的像素部100的虚线框内的两个读出栅极32中的上侧的读出栅极32将上侧的光电变换部101的信号电荷向垂直传送部102的垂直传送栅极VG5传送。此外，下侧的读出栅极32将下侧的光电变换部101的信号电荷向垂直传送栅极VG1传送。

曝光控制栅极36根据施加在曝光控制栅极36上的电压，对光电变换部101的曝光进行控制。对于曝光控制栅极36，例如输入包含低电平有效的(即负逻辑的)第2脉冲的曝光信号。例如，当曝光信号为高电平时，将光电变换部101的信号电荷向溢出漏极37释放，使光电变换无效。即，将光电变换部101设为清空的状态而设为与不曝光的状态相同。此外，当曝光信号为低电平时，将光电变换部101设为根据受光量产生信号电荷的曝光状态。在第2脉冲为低电平的期间，光电变换部101处于曝光状态，并且，如果读出栅极32打开(如果读出栅极32是高电平)，则被光电变换部101变换后的信号电荷经由读出栅极32被传送及积蓄至垂直传送部102。

溢出漏极37是用来将光电变换部101的信号电荷向半导体基板的深度方向(即背面侧)释放的区域。

由输出控制栅极40、浮动扩散层34及读出电路35构成的电路相当于图2A的读出部106。

输出控制栅极40是用来将在垂直传送栅极VH形成的包的信号电荷向浮动扩散层34传送的栅极电极。

浮动扩散层34将从垂直传送部102经由输出控制栅极40传送来的信号电荷变换为电压。

读出电路35将由浮动扩散层34变换为电压的信号向垂直信号线107输出。读出电路35例如具有选择晶体管及放大晶体管。放大晶体管与连接在垂直信号线107上的负载电路一起构成源极跟随器电路。

接着，对有关实施方式1的摄像部2的摄像动作进行说明。

图3是说明有关实施方式1的摄像装置10的摄像动作的一例的时间图。此外，图4是表示有关实施方式1的固体摄像元件20的像素部100的第1～第4单位曝光处理的动作例的说明图。此外，图5是说明有关实施方式1的第1～第4单位曝光处理的动作的一例的时间图。

图3的上段表示1个画面的摄像动作中的发光信号及曝光信号的时间图的一例。该图的上段的横轴表示时间轴。在纵轴表示发光信号及曝光信号。发光信号是具有指示发光的第1脉冲的数字信号。该图的第1脉冲是正逻辑，以高电平向光源部1指示发光，以低电平向光源部1指示不发光。曝光信号是具有指示曝光的第2脉冲的数字信号。该图的第2脉冲是负逻辑，以低电平向固体摄像元件20指示曝光，以高电平向固体摄像元件20指示不曝光。

1个画面的摄像动作由N组的发光曝光处理和输出处理构成。N是2以上的整数。

1组的发光曝光处理包括第1、第2、第3及第4曝光处理。

第1曝光处理包括m1次第1单位曝光处理。m1是1以上的整数。在第1单位曝光处理中，控制部3以使第2脉冲比第1脉冲延迟第1延迟时间的方式，产生发光信号及曝光信号。通过第1曝光处理而由光电变换部101生成的信号电荷被积蓄到第1电荷积蓄部P1中。

第2曝光处理包括m2次第2单位曝光处理。m2是2以上的整数。在第2单位曝光处理中，控制部3以使第2脉冲比第1脉冲延迟第2延迟时间的方式，产生发光信号及曝光信号。通过第2曝光处理而由光电变换部101生成的信号电荷被积蓄到第2电荷积蓄部P2中。

第3曝光处理包括m3次第3单位曝光处理。m3是1以上的整数。第3单位曝光处理与第1单位曝光处理相同。即，在第3单位曝光处理中，控制部3以使第2脉冲比第1脉冲延迟第1延迟时间的方式，产生发光信号及曝光信号。通过第3曝光处理而由光电变换部101生成的信号电荷被积蓄到第3电荷积蓄部P3中。

第4曝光处理包括m4次第4单位曝光处理。在第4单位曝光处理中，控制部3以不产生第1脉冲而产生第2脉冲的方式，产生发光信号及曝光信号。通过第4曝光处理而由光电变换部101生成的信号电荷被积蓄到第4电荷积蓄部P4中。

图3的(a)及图4的(a)表示第1单位曝光处理中的曝光量a1的检测定时。图3的(b)及图4的(b)表示第2单位曝光处理中的曝光量a2的检测定时。图3的(c)及图4的(c)表示第3单位曝光处理中的曝光量a3的检测定时。图3的(d)及图4的(d)表示第4单位曝光处理中的曝光量a4的检测定时。1组的发光曝光处理被分割为多种曝光处理(第1～第4曝光处理)。

这里，对第1～第4单位曝光处理的反复次数m1～m4进行说明。在图3的上段的例子中，设m为2以上的偶数，假设是m1＝m/2，m2＝m，m3＝m/2，m4＝m。第1单位曝光处理与第3单位曝光处理相同。换言之，第1曝光处理及第3曝光处理为将m次的连续的第1(或第3)单位曝光处理划分为m/2次的连续的两个单位曝光处理而得到的结果。并不是仅仅将连续的次数划分，而是将由第1曝光处理及第3曝光处理生成的信号电荷也划分，向第1电荷积蓄部P1及第3电荷积蓄部P3分别积蓄。通过将信号电荷向第1电荷积蓄部P1及第3电荷积蓄部P3划分，与电荷积蓄部是1个的情况相比能够使容量倍增，能够抑制饱和。

图3的上段的输出处理，是将通过N组的发光曝光处理而积蓄在第1～第4电荷积蓄部P1～P4中的信号电荷按每个像素部100从固体摄像元件20向信号处理部4作为摄像信号输出的处理。

接着，对第1至第4单位曝光处理更具体地进行说明。

图3的(a)表示将图3上段的第1单位曝光处理的期间u1放大的时间图例。具体而言，如纵轴所示，表示第1单位曝光处理中的“发光信号(照射光)”“反射光”“曝光信号”“曝光量”。

在图3的(a)中，“发光信号”具有作为期间To的正逻辑脉冲的第1脉冲。在第1脉冲的期间To中，从光源部1发出脉冲状的照射光。“反射光”表示光源部1在第1脉冲的定时发出的光由对象物反射而到达固体摄像元件20的反射光的例子。这里，表示了反射光相对于发光信号的第1脉冲的照射光延迟了延迟时间Td而到达固体摄像元件20的情况。“曝光信号”具有作为期间To的负逻辑脉冲的第2脉冲。第2脉冲的脉冲宽度被设定为与第1脉冲的脉冲宽度相同的To。从第1脉冲的前缘到第2脉冲的前缘具有第1延迟时间。但是，在图3的(a)中，第1延迟时间被设定为0。“曝光量”表示曝光信号所表示的曝光期间(即，第2脉冲的低电平期间To)中的固体摄像元件20的曝光量(即，由光电变换部101产生的信号电荷的量)。曝光量a1包括光源部1的照射光被对象物反射而形成的反射光r1、和作为太阳光等的外界光的背景光b1。对反射光r1而言，脉冲状的反射光中的从开头到第2脉冲的末尾为止的部分被曝光。背景光b1在曝光期间To中总是存在。通过图3的上段所示的(m/2×N)次第1单位曝光处理的曝光而由光电变换部101生成的曝光量a1的信号电荷被积蓄到第1电荷积蓄部P1中。

换言之，如图3的上段及(a)所示，在第1单位曝光处理中，在曝光信号的第2脉冲为Low的期间中，将光电变换部101曝光，将通过该曝光产生的信号电荷a1积蓄到垂直传送部102的第1电荷积蓄部P1中。控制部3在本实施方式中控制为将该动作反复m/2次。如图4所示，在m/2次第1单位曝光处理结束的时间点，固体摄像元件20对垂直传送部102的垂直传送栅极33进行控制，向不存在读出栅极32的包传送上述信号电荷a1。即，将第1～第4电荷积蓄部P1～P4沿正向变动1级。由此，如图4的点线所示，第1电荷积蓄部P1从存在读出栅极32的位置离开，第2电荷积蓄部P2移动到存在读出栅极32的位置。

这里，第1单位曝光处理是在光源部1接收发光信号的第1脉冲并发光的定时，固体摄像元件20接收具有第1延迟时间的曝光信号的第2脉冲而进行曝光的处理。在本实施方式的情况下，第2脉冲的脉冲宽度被设定为与第1脉冲的脉冲宽度相同的To，第1延迟时间被设定为0(零)。即，第1单位曝光处理中的曝光期间被设定为发光信号为有效的(第1脉冲是高电平的)期间。

图3的(b)表示将图3上段的第2单位曝光处理的期间u2放大的时间图例。图3的(b)与该图的(a)相比，曝光信号的定时和曝光量不同。以下，以不同的点为中心进行说明。在“曝光信号”中，从第1脉冲的前缘到第2脉冲的前缘具有比上述的第1延迟时间大的第2延迟时间。在图3的(b)中，第2延迟时间被设定为与第1脉冲及第2脉冲的脉冲宽度相同的To。“曝光量”表示曝光信号所表示的曝光期间(即，第2脉冲的低电平期间To)中的固体摄像元件20的曝光量a2。曝光量a2包括光源部1的照射光被对象物反射而形成的反射光r2、和作为太阳光等的外界光的背景光b1。对反射光r2而言，脉冲状的反射光中的与第2脉冲对应的部分被曝光。例如，反射光r2的从第2脉冲的前缘到反射光的末尾为止的部分被曝光。背景光b1在第2单位曝光处理中也与第1单位曝光处理的背景光b1大致相同。通过图3的上段所示的(m×N)次第2单位曝光处理的曝光而由光电变换部101生成的曝光量a2的信号电荷被积蓄到第2电荷积蓄部P2中。

换言之，如图3的上段及(b)所示，在第2单位曝光处理中，在曝光信号的第2脉冲为Low的期间中将光电变换部101曝光，将通过该曝光产生的信号电荷a2向垂直传送部102的第2电荷积蓄部P2积蓄。控制部3在本实施方式中将该动作反复进行m次。固体摄像元件20在m次第2单位曝光处理结束的时间点，对垂直传送部102的垂直传送栅极33进行控制，向不存在读出栅极32的包传送上述信号电荷a2。即，将第1～第4电荷积蓄部P1～P4沿正向变动1级。由此，如图4的点线所示，第2电荷积蓄部P2从存在读出栅极32的位置离开，第3电荷积蓄部P3移动到存在读出栅极32的位置。

这里，第2单位曝光处理是在光源部1接收发光信号的第1脉冲并发光的定时，固体摄像元件20接收具有与第1延迟时间不同的第2延迟时间的曝光信号的第2脉冲而进行曝光的处理。在本实施方式的情况下，第2脉冲的脉冲宽度被设定为与第1脉冲的脉冲宽度相同的To，第2延迟时间被设定为将第1延迟时间(在图3中是零)与第1脉冲的脉冲宽度To相加后的To。

图3的(c)是表示将图3上段的第3单位曝光处理的期间u3放大的时间图例。图3的(c)与该图的(a)相比，曝光信号的定时和曝光量完全相同，反射光r3与反射光r1相同，曝光量a3与曝光量a1相同。通过图3的上段所示的(m/2×N)次第3单位曝光处理的曝光而由光电变换部101生成的曝光量a3的信号电荷被积蓄到第3电荷积蓄部P3中。

换言之，如图3的上段及(c)所示，在第3单位曝光处理中，在曝光信号的第2脉冲为Low的期间中将光电变换部101曝光，将通过该曝光产生的信号电荷a3积蓄到垂直传送部102的第3电荷积蓄部P3中。控制部3在本实施方式中将该动作反复进行m/2次。固体摄像元件20在m/2次第3单位曝光处理结束的时间点，对垂直传送部102的垂直传送栅极33进行控制，向不存在读出栅极32的包传送上述信号电荷a3。即，将第1～第4电荷积蓄部P1～P4沿正向变动1级。由此，如图4的点线所示，第3电荷积蓄部P3从存在读出栅极32的位置离开，第4电荷积蓄部P4移动到存在读出栅极32的位置。

这里，第3单位曝光处理是在光源部1接收发光信号的第1脉冲并发光的定时，固体摄像元件20接收具有与第1延迟时间相同的延迟时间的曝光信号的第2脉冲而进行曝光的处理。在本实施方式的情况下，曝光信号第2脉冲的脉冲宽度被设定为与第1及第2单位曝光处理中的第1脉冲的脉冲宽度相同的To，延迟时间被设定为0(零)。即，第3单位曝光处理与第1单位曝光处理相同，与发送发光信号的(作为高电平的)期间相同的期间被设定为曝光期间。

此外，在本实施方式中，从第1脉冲的前缘到第2脉冲的前缘为止的延迟时间被设定得最短的曝光处理被划分为第1曝光处理和第3曝光处理，换言之，多种曝光处理中的至少1个曝光处理被划分为多个。

图3的(d)表示将图3上段的第4单位曝光处理的期间u4放大的时间图例。图3的(d)与该图的(a)相比，发光信号不具有第1脉冲这一点不同。以下，以不同的点为中心进行说明。“发光信号”不具有第1脉冲。即，控制部3以不产生第1脉冲而产生第2脉冲的方式，产生发光信号及曝光信号。由于不存在反射光，所以“曝光量”仅表示背景光。背景光b4与背景光b1大致相同。通过图3的上段所示的(m×N)次第4单位曝光处理的曝光而由光电变换部101生成的曝光量a4的信号电荷被积蓄到第4电荷积蓄部P4中。

换言之，如图3的上段及(d)所示，在第4单位曝光处理中，光源部1不发光，在曝光信号的第2脉冲为Low的期间中将光电变换部101曝光，将通过该曝光产生的信号电荷a4积蓄到垂直传送部102的第4电荷积蓄部P4中。控制部3在本实施方式中将该动作反复进行m次。固体摄像元件20在m次第4单位曝光处理结束的时间点，对垂直传送部102的垂直传送栅极33进行控制，进行逆传送以使信号电荷a4来到不存在读出栅极32的包。即，将第1～第4电荷积蓄部P1～P4向反方向变动3级。由此，如图4的点线所示，第4电荷积蓄部P4从存在读出栅极32的位置离开，第1电荷积蓄部P1移动到存在读出栅极32的位置。

在本实施方式的情况下，第4单位曝光处理的第2脉冲的脉冲宽度被设定为与发光信号的第1脉冲的脉冲宽度、第1及第2及第3单位曝光处理中的第2脉冲的脉冲宽度相同的To。

然后，在本实施方式中在将该一系列的动作反复进行N次之后，第1～第4电荷积蓄部P1～P4的信号电荷经由垂直信号线107、列处理部108、水平扫描部109向信号处理部4输出。

此外，根据图2A及图2B的结构，作为第1～第4电荷积蓄部P1～P4，可以利用在垂直传送部102构成的多个包。因此，不需要追加形成电荷积蓄部，如果是相同的面积则能够提高光电变换部101的开口率(每单位面积能够接受光的面积的比率)，能够实现可实现噪声较少的高精度的测距的摄像信号的产生、以及固体摄像元件20及摄像装置10的小型化。

图5是说明有关实施方式1的第1～第4单位曝光处理的动作的一例的时间图。图5的(a)表示第1单位曝光处理中的曝光量a1的检测定时。图5的(b)表示第2单位曝光处理中的曝光量a2的检测定时。图5的(c)表示第3单位曝光处理中的曝光量a3的检测定时。图5的(d)表示第4单位曝光处理中的曝光量a4的检测定时。

首先，如图3、图4及图5的(a)所示，在第1单位曝光处理中，在曝光信号的第2脉冲为Low的期间中将光电变换部101曝光，将通过该曝光产生的信号电荷a1积蓄到第1电荷积蓄部P1中。此时，第1电荷积蓄部P1在垂直传送栅极33中的VG5、VG6、VG1的位置被形成为包。控制部3在本实施方式中将该动作反复进行m/2次。固体摄像元件20在m/2次第1单位曝光处理结束的时间点，对垂直传送栅极33进行控制，向作为不存在读出栅极32的包的垂直传送栅极33中的VG3的位置沿正向而垂直传送上述信号电荷a1。

接着，如图3、图4及图5的(b)所示，在第2单位曝光处理中，在曝光信号的第2脉冲为Low的期间中将光电变换部101曝光，将通过该曝光产生的信号电荷a2积蓄到第2电荷积蓄部P2中。此时，第2电荷积蓄部P2在垂直传送栅极33中的VG5、VG6、VG1的位置被形成为包。控制部3在本实施方式中将该动作反复进行m次。固体摄像元件20在m次第2单位曝光处理结束的时间点，对垂直传送栅极33进行控制，向作为不存在读出栅极32的包的垂直传送栅极33中的VG3的位置传送上述信号电荷a2。随之，在第1发光曝光期间中曝光后的信号电荷a1被向作为其他包的垂直传送栅极33中的VH的位置传送。

接着，如图3、图4及图5的(c)所示，在第3发光曝光期间中，在曝光信号的第2脉冲为Low的期间中将光电变换部101曝光，将通过该曝光产生的信号电荷a3积蓄到第3电荷积蓄部P3中。此时，第3电荷积蓄部P3在垂直传送栅极33中的VG5、VG6、VG1的位置被形成为包。控制部3在本实施方式中将该动作反复进行m/2次。固体摄像元件20在m/2次第3单位曝光处理结束的时间点，对垂直传送栅极33进行控制，向作为不存在读出栅极32的包的垂直传送栅极33中的VG3的位置传送上述信号电荷。随之，在第1发光曝光期间中曝光后的信号电荷a1被向作为其他包的垂直传送栅极33中的VH的位置传送，在第2发光曝光期间中曝光后的信号电荷a2被向作为其他包的垂直传送栅极33中的旁边的VG3的位置传送。

接着，如图3、图4及图5的(d)所示，在第4单位曝光处理中，光源部1不发光，在第4曝光信号为Low的期间中将光电变换部101曝光，将通过该曝光产生的信号电荷a4积蓄到第4电荷积蓄部P4中。此时，第4电荷积蓄部P4在垂直传送栅极33中的VG5、VG6、VG1的位置被形成为包。控制部3在本实施方式中将该动作反复进行m次。固体摄像元件20在m次第4单位曝光处理结束的时间点，对垂直传送栅极33进行控制，将通过第1曝光处理曝光后的信号电荷a1向反方向垂直传送，以使其来到存在读出栅极32的包。随之，如图4的(a)所示，在第2曝光处理中曝光的信号电荷a2被向作为其他包的垂直传送栅极33中的VG3逆传送。通过第3曝光处理曝光后的信号电荷a3被向作为其他包的垂直传送栅极33中的VH逆传送。在第4发光曝光期间中曝光后的信号电荷a4被向作为其他包的垂直传送栅极33中的旁边的VG3逆传送。因而，在第1发光曝光期间中曝光后的信号电荷a1、在第2发光曝光期间中曝光后的信号电荷a2、在第3发光曝光期间中曝光后的信号电荷a3和在第4发光曝光期间中曝光后的信号电荷a4这4种不会混合，而被独立地保存到垂直传送通道38内的包中。换言之，信号电荷a1、a2、a3及a4被分别独立地积蓄及保持在第1、第2、第3及第4电荷积蓄部P1～P4中。

然后，在本实施方式中在将该1组的发光曝光处理反复进行N次之后，通过垂直传送栅极33的控制和输出控制栅极40的控制，由浮动扩散部34将信号电荷变换为电压信号，通过读出电路35的控制，向垂直信号线107依次输出。

由此，作为积蓄通过相对于发光信号的第1脉冲而指示来自被摄体的反射光的曝光的曝光信号的第2脉冲的定时一部分不同的多个曝光处理得到的信号电荷的多个电荷积蓄部，可以利用在垂直传送通道38中已经构成的多个包。因此，不需要追加形成电荷积蓄部，如果是相同的面积，则能够提高光电变换部101的开口率(每单位面积能够接受光的面积的比率)，能够实现可实现噪声较少的高精度的测距的摄像信号的产生、以及固体摄像元件20及摄像装置10的小型化。

接着，使用图3说明有关本实施方式的摄像装置的测距动作的详细情况。

首先，控制部3在相对于发光信号而由固体摄像元件20接受来自被摄体的反射光的定时不同的第1～第4曝光处理中，输出发光信号及曝光信号。在本实施方式的情况下，第1、第2、第3及第4曝光处理中的曝光信号的第2脉冲的脉冲宽度如上述那样被设定为与发光信号期间的脉冲宽度相同的To。因而，背景光的曝光量b1在第1、第2、第3及第4曝光处理中相等。此外，第1曝光处理及第3曝光处理的第2脉冲相对于第1脉冲的第1延迟时间被设定为0(零)。即，第1曝光处理及第3曝光处理的第2脉冲有效的期间被设定为与第1脉冲是高电平的期间相同。此外，第2曝光处理中的第2延迟时间被设定为将第1及第3延迟时间0(零)与第1及第3曝光信号期间To相加后的To。

在本实施方式的情况下，设为第1及第3单位曝光处理反复进行m/2次，第2及第4单位曝光处理反复进行m次。固体摄像元件20将第1～第4曝光处理作为1组，将其反复输出N次之后，输出所积蓄的曝光信号。所以，设基于第1曝光处理的曝光量a1的总和为A1、基于第2曝光处理的曝光量a2的总和为A2、基于第3曝光处理的曝光量a3的总和为A3、基于第4曝光处理的曝光量a4的总和为A4。

在此情况下，在将第1曝光处理或第3曝光处理与第2曝光处理相加的期间中以包含来自被摄体的反射光的全部的方式进行曝光。此外，来自被摄体的反射光相对于发光信号定时的延迟时间Td越大，第2曝光处理的曝光量越增加。此外，在第4曝光信号期间中，由于光源部1不发光而曝光，所以仅背景光b1被曝光。

这里，如果设光速(299792458m/s)为C，则在信号处理部4中，通过进行以下的式1的运算，能够计算距离L。

[数式1]

这里，相对于光源部1接收发光信号而发光的定时的延迟时间最小(在本实施方式的情况下设定为0(零))的第1曝光处理及第3曝光处理，通过使相对于发光信号定时(照射光)的来自对象物的反射光的由光路带来的延迟较小，即使来自光的强度较强的近处的对象物的反射光更多地曝光，如果发光曝光的反复次数较多则容易饱和。

但是，在本实施方式中，由于将第1曝光处理及第3曝光处理的反复次数设为其他发光曝光期间的1/2，所以具有以下效果：饱和被抑制，关于近而较高的反射率的对象物，也不饱和而能够以较高的精度进行测距。另一方面，由于第1曝光处理及第3曝光处理的反复次数的合计维持与其他发光曝光期间相同的次数，所以具有以下效果：关于远处的对象物或反射率较低的对象物，也不发生由曝光量下降造成的S/N(信噪比)劣化而能够以较高的精度进行测距。进而，在CMOS型和CCD型的混合构造的情况下，由于是在垂直信号线(行)间并行进行信号输出的构造，所以具有以下效果：能够实现较高的帧速率，关于运动较快的对象物，也不发生抖动而能够以较高的精度进行测距。

如以上说明，有关实施方式1的摄像装置10，是具备产生指示发光的第1脉冲和指示曝光的第2脉冲的控制部3、按照第1脉冲进行发光的光源部1和具备按照第2脉冲进行曝光的固体摄像元件20的摄像部2的摄像装置，固体摄像元件20具有像素部100，该像素部100包括将曝光后的光变换为信号电荷的光电变换部101和积蓄信号电荷的多个信号积蓄部；像素部100将通过第1曝光处理及第3曝光处理、和第2曝光处理而得到的各个信号电荷积蓄到多个电荷积蓄部中的不同的电荷积蓄部中，第1曝光处理及第3曝光处理使用相对于第1脉冲延迟第2延迟时间的第2脉冲，第2曝光处理使用相对于第1脉冲延迟第1延迟时间的第2脉冲。

这里，也可以是，像素部100将通过不产生第1脉冲而产生第2脉冲的第4曝光处理得到的信号电荷，积蓄到与积蓄通过第1、第2及第3曝光处理得到的信号电荷的电荷积蓄部不同的电荷积蓄部中。

这里，也可以是，第1曝光处理的曝光时间与第3曝光处理的曝光时间的合计等于第2曝光处理的曝光时间。

这里，也可以是，第1曝光处理的曝光时间与第3曝光处理的曝光时间的合计等于第2曝光处理的曝光时间；第4曝光处理的曝光时间等于第2曝光处理的曝光时间。

这里，也可以是，第1脉冲的脉冲宽度与第2脉冲的脉冲宽度相同，第1曝光处理中的第1脉冲的数量及第2脉冲的数量分别是m1，m1是整数，第2曝光处理中的第1脉冲的数量及第2脉冲的数量分别是m2，m2是比m1大的整数；第3曝光处理中的第1脉冲的数量及第2脉冲的数量分别是m3，m3是比m2小的整数。

这里，也可以是，m1与m3之和等于m2。

这里，也可以是，第1曝光处理中的第1脉冲的数量及第2脉冲的数量分别是m1，m1是整数；第2曝光处理中的第1脉冲的数量及第2脉冲的数量分别是m2，m2是比m1大的整数；第3曝光处理中的第1脉冲的数量及第2脉冲的数量分别是m3，m3是比m2小的整数；第4曝光处理中的第2脉冲的数量是m4，m4是m2以下。

这里，也可以是，m1与m3之和等于m2，m4等于m2。

这里，也可以是，第1延迟时间是0以上且比第1脉冲的时间宽度小。

这里，也可以是，控制部3将以时间序列的第1曝光处理至第4曝光处理为1组的处理反复进行N(N是整数)次。

这里，也可以是，固体摄像元件20是具有按多个像素部的每个列设置的垂直传送部102的CCD型；电荷积蓄部分别被形成为在垂直传送部102形成的势阱。

这里，也可以是，固体摄像元件20还具备：垂直信号线107，按多个像素部100的每个列设置；以及读出电路35，按多个像素部100的每个像素部设置，从电荷积蓄部有选择地将信号电荷变换为电压，并读出至垂直信号线107。

此外，有关实施方式1的固体摄像元件20是在摄像装置中使用的固体摄像元件，所述摄像装置具备产生指示发光的第1脉冲和指示曝光的第2脉冲的控制部3、按照第1脉冲进行发光的光源部1和具备按照第2脉冲进行曝光的固体摄像元件20的摄像部2；固体摄像元件20具有像素部100，该像素部100包括将曝光后的光变换为信号电荷的光电变换部101和积蓄信号电荷的多个信号积蓄部；像素部100将通过第1曝光处理及第3曝光处理、和第2曝光处理而得到的各个信号电荷积蓄到多个电荷积蓄部中的不同的电荷积蓄部中，第1曝光处理及第3曝光处理使用相对于第1脉冲延迟第2延迟时间的第2脉冲，第2曝光处理使用相对于第1脉冲延迟第1延迟时间的第2脉冲。

(实施方式2)

在实施方式1中，作为固体摄像元件20而说明了拥有两像素一单元构造的混合结构的图像传感器的例子，而在实施方式2中，作为固体摄像元件20而对拥有一像素一单元构造的混合结构的图像传感器的例子进行说明。

实施方式2的摄像装置10的结构与图1相同。但是，固体摄像元件20不是两像素一单元构造而是一像素一单元构造这一点不同。以下，以不同的点为中心进行说明。

首先，对固体摄像元件20的结构例进行说明。

图6A是表示有关实施方式2的固体摄像元件20的结构例的框图。此外，该图与图2A相比，像素部100具备的光电变换部101的个数不是两个而是一个这一点不同。除此以外，与图2A是同样的。

接着，对像素部100的结构例进行说明。

图6B是表示有关实施方式2的固体摄像元件20的像素部100的结构例的图。该图与图2B相比不同的是，在每个像素部100中由1个光电变换部101、1个读出栅极32、1个曝光控制栅极36和1个溢出漏极37构成的组合不是两个而是一个这一点。此外，垂直传送部102在每1个像素部100中具备8种垂直传送栅极33。8种垂直传送栅极33是VG1～VG7、VH。由此，垂直传送部102在每1个光电变换部101中形成作为第1～第4电荷积蓄部P1～P4的4个包。4个包可以分别由垂直传送栅极VG2、VG4、VG6、VH形成。

接着，对有关实施方式2的摄像装置10的摄像动作例进行说明。本实施方式的摄像动作例与在图3中说明的动作例相同。但是，垂直传送部102中的第1～第4电荷积蓄部P1～P4的位置稍稍不同。

图7是表示有关实施方式2的固体摄像元件的像素部的第1～第4单位曝光处理的动作例的图。该图与图4相比不同的是，在各单位曝光处理中不是从两个光电变换部101而是从1个光电变换部101向102传送信号电荷这一点、和形成包的垂直传送栅极33的位置。除此以外，与图4相同。

根据这样的有关实施方式2的摄像装置10，能够起到与实施方式1相同的效果。

另外，也可以代替图6A及图6B所示的固体摄像元件20而使用CCD型的图像传感器。

(实施方式3)

在实施方式1及实施方式2中，作为固体摄像元件而使用具有CMOS型和CCD型的混合构造的图像传感器进行了说明，但固体摄像元件20并不限定于此，也可以是其他的图像传感器(作为一例，是CCD型图像传感器)。在实施方式3中，作为固体摄像元件20而对CMOS型的图像传感器的例子进行说明。

首先，对固体摄像元件20的结构例进行说明。

图8A是表示有关实施方式3的固体摄像元件20的结构例的框图。该固体摄像元件20具备被二维地配置的多个像素部100、按多个像素部100的每个列配置的垂直信号线107、垂直扫描部120、列处理部108、水平扫描部109、输出缓冲器110。

多个像素部100具备溢出漏极构造的光电变换部101，能够进行全局快门动作。

列处理部108、水平扫描部109及输出缓冲器110与图1是同样的。

垂直扫描部120将像素部100以行单位进行扫描。通过扫描而被选择的行的像素部100从垂直信号线107输出像素信号。

接着，对像素部100的结构例进行说明。

图8B是表示有关实施方式3的固体摄像元件的像素部的结构例的图。如该图那样，像素部100具备光电变换部101、两个曝光控制栅极56、两个溢出漏极57、读出栅极52a～52d、保持栅极53a～53d、输出控制栅极58a～58d、浮动扩散层54L、54R、读出电路55L、55R。

光电变换部101产生与受光量对应的信号电荷。

两个曝光控制栅极56及两个溢出漏极57将光电变换部101的信号电荷向半导体基板的背面侧排出。由此，能够进行全部像素部100在相同时刻开始曝光的全局快门动作。

读出栅极52a～52d及保持栅极53a～53d构成第1～第4电荷积蓄部。图8B的第1～第4电荷积蓄部P1～P4是固定的区域这一点与图2B及图6B所示的第1～第4电荷积蓄部P1～P4不同。

输出控制栅极58a、58c是用来将积蓄在保持栅极53a、53c(即，第1、第3电荷积蓄部)中的信号电荷向浮动扩散层54L传送的栅极电极。

输出控制栅极58b、58d是用来将积蓄在保持栅极53b、53d(即，第2、第4电荷积蓄部)中的信号电荷向浮动扩散层54R传送的栅极电极。

浮动扩散层54L、读出电路55L将浮动扩散层54L的信号电荷变换为电压信号，向垂直信号线107L输出。

浮动扩散层54R、读出电路55R将浮动扩散层54R信号电荷变换为电压信号，向垂直信号线107R输出。

垂直信号线107L及107R既可以是被电连接的实质上相同的信号线，也可以是独立的信号线。

接着，对有关实施方式3的摄像装置10的摄像动作例进行说明。本实施方式的摄像动作例与在图3中说明的动作例相同。但是，第1～第4电荷积蓄部P1～P4是固定的区域这一点不同。

接着，对有关实施方式3的摄像装置10的摄像动作例进行说明。本实施方式的摄像动作例与在图3中说明的动作例相同。

在实施方式1中，作为固体摄像元件而使用CCD型图像传感器及具有CMOS型和CCD型的混合构造的图像传感器进行了说明，但在本发明中使用的固体摄像元件20并不限定于此，也可以使用其他的图像传感器(作为一例，CMOS型图像传感器或具备光电变换膜的图像传感器)。

如以上说明，在有关实施方式3的摄像装置10中，固体摄像元件20是CMOS型。

(其他的实施方式)

以上，基于上述实施方式及其变形例对本发明的摄像装置及固体摄像元件进行了说明，但本发明的摄像装置及固体摄像元件并不限定于上述实施方式及其变形例。将上述实施方式及其变形例的任意的构成要素组合而实现的其他实施方式、或对上述实施方式及其变形例在不脱离本发明的主旨的范围内施以本领域技术人员想到的各种变形而得到的变形例或内置本发明的摄像装置及固体摄像元件的各种设备也包含在本发明中。

产业上的可利用性

有关本发明的摄像装置能够对同一画面内的从处于近处而反射率较高的被摄体到处于远处而反射率较低的被摄体的大范围的反射率的被摄体，高精度地实现三维的检测、测量，所以例如对于将点云地等人物、建筑物、人体或动植物的器官、组织等的形态进行立体检测、显示、描绘、或视线方向检测、姿势识别、面部认证、障碍物检测、路面检测等是有用的。

标号说明

1 光源部

2 摄像部

3 控制部

4 信号处理部

10 摄像装置

20 固体摄像元件

32 读出栅极

33 垂直传送栅极

34 浮动扩散层(浮动扩散部)

35 读出电路

36 曝光控制栅极

37 溢出漏极

38 垂直传送通道

40 输出控制栅极

52、52a～52d 读出栅极

53、53a～53d 保持栅极

54、54L、54R 浮动扩散层

55、55L、55R 读出电路

56 曝光控制栅极

57 溢出漏极

58、58a～58d 输出控制栅极

100 像素部

101 光电变换部(光电二极管)

102 垂直传送部

106 读出部

107、107L、107R 垂直信号线

108 列处理部

109 水平扫描部

110 输出缓冲器

Claims (15)

1.一种摄像装置，具备：

控制部，产生指示发光的第1脉冲和指示曝光的第2脉冲；

光源部，按照上述第1脉冲进行发光；以及

摄像部，具备按照上述第2脉冲进行曝光的固体摄像元件；

上述摄像装置的特征在于，

上述固体摄像元件具有像素部，该像素部包括将曝光后的光变换为信号电荷的光电变换部、以及积蓄上述信号电荷的多个信号积蓄部；

上述像素部将通过第1曝光处理及第3曝光处理、和第2曝光处理而得到的各个上述信号电荷积蓄到上述多个电荷积蓄部中的不同的电荷积蓄部中，上述第1曝光处理及上述第3曝光处理使用相对于上述第1脉冲延迟第1延迟时间的上述第2脉冲，上述第2曝光处理使用相对于上述第1脉冲延迟第2延迟时间的上述第2脉冲。

2.如权利要求1所述的摄像装置，其特征在于，

上述像素部将通过不产生上述第1脉冲而产生上述第2脉冲的第4曝光处理而得到的上述信号电荷，积蓄到与积蓄通过上述第1曝光处理、上述第2曝光处理及上述第3曝光处理而得到的信号电荷的上述电荷积蓄部不同的电荷积蓄部中。

3.如权利要求1或2所述的摄像装置，其特征在于，

上述第1曝光处理的曝光时间与上述第3曝光处理的曝光时间的合计等于上述第2曝光处理的曝光时间。

4.如权利要求2所述的摄像装置，其特征在于，

上述第1曝光处理的曝光时间与上述第3曝光处理的曝光时间的合计等于上述第2曝光处理的曝光时间；

上述第4曝光处理的曝光时间等于上述第2曝光处理的曝光时间。

5.如权利要求1或2所述的摄像装置，其特征在于，

上述第1脉冲的脉冲宽度与上述第2脉冲的脉冲宽度相同；

上述第1曝光处理中的上述第1脉冲的数量及上述第2脉冲的数量分别是m1，上述m1是整数；

上述第2曝光处理中的上述第1脉冲的数量及上述第2脉冲的数量分别是m2，上述m2是比上述m1大的整数；

上述第3曝光处理中的上述第1脉冲的数量及上述第2脉冲的数量分别是m3，上述m3是比上述m2小的整数。

6.如权利要求5所述的摄像装置，其特征在于，

上述m1与上述m3之和等于上述m2。

7.如权利要求2所述的摄像装置，其特征在于，

上述第1曝光处理中的上述第1脉冲的数量及上述第2脉冲的数量分别是m1个，上述m1是整数；

上述第2曝光处理中的上述第1脉冲的数量及上述第2脉冲的数量分别是m2，上述m2是比上述m1大的整数；

上述第3曝光处理中的上述第1脉冲的数量及上述第2脉冲的数量分别是m3，上述m3是比上述m2小的整数；

上述第4曝光处理中的上述第2脉冲的数量是m4，上述m4是上述m2以下。

8.如权利要求7所述的摄像装置，其特征在于，

上述m1与上述m3之和等于上述m2，上述m4等于上述m2。

9.如权利要求1～8中任一项所述的摄像装置，其特征在于，

上述第1延迟时间是0以上且比上述第1脉冲的时间宽度小。

10.如权利要求7或8所述的摄像装置，其特征在于，

上述控制部(3)将以时间序列的上述第1曝光处理至第4曝光处理为1组的处理反复进行N次，N为整数。

11.如权利要求2、7或8所述的摄像装置，其特征在于，

上述固体摄像元件是具有按上述多个像素部的每个列设置的垂直传送部的CCD型；

上述电荷积蓄部分别形成为在上述垂直传送部形成的势阱。

12.如权利要求11所述的摄像装置，其特征在于，

上述固体摄像元件还具备：

垂直信号线，按上述多个像素部的每个列设置；以及

读出电路，按照上述多个像素部的每个像素部设置，从上述电荷积蓄部有选择地将信号电荷变换为电压，并读出到上述垂直信号线。

13.如权利要求2、7或8所述的摄像装置，其特征在于，

上述固体摄像元件是CMOS型。

14.如权利要求1～13中任一项所述的摄像装置，其特征在于，

上述第2延迟时间比上述第1延迟时间长。

15.一种固体摄像元件，在摄像装置中使用，该摄像装置具备：控制部，产生指示发光的第1脉冲和指示曝光的第2脉冲；光源部，按照上述第1脉冲进行发光；以及摄像部，具备按照上述第2脉冲进行曝光的固体摄像元件，上述固体摄像元件的特征在于，

上述固体摄像元件具有像素部，该像素部包括将曝光后的光变换为信号电荷的光电变换部、以及积蓄上述信号电荷的多个信号积蓄部；

上述像素部将通过第1曝光处理及第3曝光处理、和第2曝光处理而得到的各个上述信号电荷积蓄到上述多个电荷积蓄部中的不同的电荷积蓄部中，上述第1曝光处理及上述第3曝光处理使用相对于上述第1脉冲延迟第1延迟时间的上述第2脉冲，上述第2曝光处理使用相对于上述第1脉冲延迟第2延迟时间的上述第2脉冲。

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