CN112689777B - 测距摄像装置及固体摄像元件 - Google Patents

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Abstract

具备：控制部(3)，反复进行指示发光的发光信号的输出和指示曝光的曝光信号的输出；光源部(1)，按照控制部(3)反复输出的各个发光信号进行多次发光；以及摄像部(2)，具有按照控制部(3)反复输出的各个曝光信号进行多次曝光的固体摄像元件(20)，通过该多次曝光生成摄像信号；控制部(3)具有生成相位相互不同的多个延迟时钟的多相延迟信号产生电路(30)，使用该多个延迟时钟反复进行发光信号和曝光信号的输出。

Description

测距摄像装置及固体摄像元件
技术领域
本发明涉及测距摄像装置及固体摄像元件。
背景技术
在检测物体的多个方式之中，已知有利用光到测量对象物为止往复的飞行时间来进行测距的TOF(Time Of Flight：飞行时间)方式。
在专利文献1中，公开了如下技术：基于光源的发光及曝光驱动器的实际驱动脉冲与基准脉冲的相位比较，对以由温度或老化引起的相机的状态变化所带来的光源的发光驱动与摄像部的曝光驱动的相位误差为原因的测距误差主动地进行补偿。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016－95298号公报
发明内容
发明要解决的课题
但是，在专利文献1所公开的技术中，由产生基准脉冲的驱动控制电路的偏差、温度变化、老化引起的光源的发光定时与摄像部的曝光定时的相位误差没有得到修正。因此，例如在用来决定将测量出的Depth值换算为实际距离值时的系数的测距相机校准中，在将被摄体(测量对象物)固定、并对驱动控制电路进行控制而使光源的发光定时或摄像部的曝光定时中的某一方扫描(scan)、虚拟地改变距离而进行校准的情况下，在该虚拟的距离变化中发生误差，结果有校准的精度变差、测距精度下降的问题。
所以，本发明的目的是提供一种能够抑制由发光定时与曝光定时的相位误差引起的测距精度的下降的测距摄像装置及固体摄像元件。
用来解决课题的手段
有关本发明的一技术方案的测距摄像装置具备：控制部，反复进行指示发光的发光信号的输出和指示曝光的曝光信号的输出；光源部，按照上述控制部反复输出的各个上述发光信号，进行多次发光；以及摄像部，具有按照上述控制部反复输出的各个上述曝光信号进行多次曝光的固体摄像元件，通过该多次曝光，生成摄像信号；上述控制部具有生成相位相互不同的多个延迟时钟的多相延迟信号产生电路，使用该多个延迟时钟，反复进行上述发光信号和上述曝光信号的输出。
此外，也可以是，上述控制部从两个以上的相位设定之中，更新逐次要利用的相位设定，上述两个以上的相位设定对以基本时钟为基准的、上述发光信号的输出定时及上述曝光信号的输出定时的相位差进行设定。
此外，也可以是，在将上述两个以上的相位设定中的每个相位设定按上述基本时钟与曝光信号的输出定时的相位差从小到大的顺序设为第1相位设定～第k相位设定的情况下，对于任意的k，第k－1相位设定中的曝光信号的输出定时与第k相位设定中的曝光信号的输出定时的相位差为上述基本时钟的1周期的1/k，k是2以上的整数。
此外，也可以是，上述控制部从上述两个以上的相位设定之中使用一个相位设定进行多次反复进行上述发光信号的输出和上述曝光信号的输出的第1组，从上述两个以上的相位设定之中使用另一个相位设定进行多次反复进行上述发光信号的输出和上述曝光信号的输出的第2组，进行上述第1组的次数与进行上述第2组的次数相同。
此外，也可以是，上述控制部在一帧的曝光期间内进行上述逐次要利用的相位设定的更新。
此外，也可以是，上述控制部在相互不同帧的曝光期间的切换时进行上述逐次要利用的相位设定的更新。
此外，也可以是，上述控制部在上述发光信号的输出和上述曝光信号的输出的多次反复中，维持上述发光信号的输出定时和上述曝光信号的输出定时的相对相位关系；进一步，从上述相对相位关系相互相等的两个以上的相位设定之中，更新上述逐次要利用的相位设定。
此外，也可以是，上述多相延迟信号产生电路是DLL电路。
此外，也可以是，上述多相延迟信号产生电路具备：可变延迟电路，使上述基本时钟依次延迟，生成上述多个延迟时钟；相位比较电路，被输入第1基准时钟和第2基准时钟，基于上述第1基准时钟和上述第2基准时钟的电压电平，比较上述基本时钟的1周期的范围内的上述第1基准时钟和上述第2基准时钟的相位，上述第1基准时钟是上述多个延迟时钟中的某一个或上述基本时钟，上述第2基准时钟是上述多个延迟时钟中的某一个，并且是相位比上述第1基准时钟延迟的延迟时钟；延迟控制电路，基于上述相位比较电路的比较结果，控制上述可变延迟电路的上述基本时钟的依次延迟的延迟量；以及选择电路，从由上述可变延迟电路生成的上述多个延迟时钟中，选择一个以上的延迟时钟并输出。
此外，也可以是，还具备运算部，该运算部基于上述摄像信号，输出包含到被摄体的距离的信息的距离信号。
此外，也可以是，上述固体摄像元件具备由以矩阵状配置的多个像素构成的像素阵列；上述多个像素分别具有将接受的光变换为电荷的光电变换部、以及读出由上述光电变换部变换后的电荷的读出栅极；上述像素阵列按每一列具有将由上述读出栅极读出的电荷在列方向上传送的垂直传送部。
有关本发明的一技术方案的固体摄像元件，其包含于具备控制部、光源部以及摄像部的测距摄像装置中的所述摄像部，上述控制部反复进行指示发光的发光信号的输出和指示曝光的曝光信号的输出，并且具有生成相位相互不同的多个延迟时钟的多相延迟信号产生电路，使用该多个延迟时钟，反复进行上述发光信号和上述曝光信号的输出，上述光源部按照上述控制部反复输出的各个上述发光信号，进行多次发光，上述摄像部生成摄像信号，上述固体摄像元件按照上述控制部反复输出的各个上述曝光信号进行多次曝光。
发明效果
根据有关本发明的一技术方案的测距摄像装置及固体摄像元件，能够抑制由发光定时与曝光定时的相位误差引起的测距精度的下降。
附图说明
图1是表示有关实施方式的测距摄像装置的结构的一例的功能框图。
图2是表示有关实施方式的多相延迟信号产生电路的结构的一例的功能框图。
图3是表示有关实施方式的单位发光曝光处理中的发光信号的输出定时与曝光的输出定时的相对相位关系的一例的时间图。
图4A是表示有关实施方式的测距摄像装置进行的摄像动作中的发光信号及曝光信号的定时的一例的时间图。
图4B是表示发光曝光处理与相位设定的对应关系的一例的对应表。
图5是表示有关实施方式的测距摄像装置的结构的一例的功能框图。
图6是表示有关实施方式的相位调整电路的结构的一例的框图。
图7A是表示有关实施方式的固体摄像元件的结构的一例的框图。
图7B是表示有关实施方式的像素的结构的一例的框图。
具体实施方式
以下，参照附图对有关本发明的实施方式的测距摄像装置及在其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，不是限定本发明的。
此外，有将所需以上详细的说明省略的情况。例如，有将已经周知的事项的详细说明及对于实质上相同的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容易理解。
(实施方式)
图1是表示有关实施方式的测距摄像装置10的结构的一例的功能框图。
如图1所示，测距摄像装置10包括光源部1、摄像部2、控制部3和运算部4而构成。通过该结构，测距摄像装置10能够进行静止图像的摄像及运动图像的摄影。
控制部3反复进行指示发光的发光信号的输出和指示曝光的曝光信号的输出。控制部3具有生成相位相互不同的多个延迟时钟的多相延迟信号产生电路30，使用由多相延迟信号产生电路30生成的多个延迟时钟，进行发光信号的输出和曝光信号的输出。更具体地讲，控制部3使用多个延迟时钟的边沿，生成所生成的发光信号的边沿和所生成的曝光信号的边沿，从而生成发光信号和曝光信号并输出。
光源部1按照控制部3反复输出的各个发光信号，进行多次发光。光源部1例如具有未图示的驱动电路、电容器及发光元件，通过由驱动电路按照发光信号使用积蓄在电容器中的能量使发光元件放射照射光，来进行发光。发光元件例如既可以通过激光二极管、垂直共振腔表面发射激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting LASER)，发光二极管(LED：Light emitting device)实现，也可以由其他元件实现。照射光例如是红外光。这里，红外光中包括近红外光、远红外光。
摄像部2具有按照控制部3反复输出的各个曝光信号进行多次曝光的固体摄像元件20。
固体摄像元件20接受从光源部1放射的照射光被对象物反射的反射光、太阳光等背景光。
摄像部2通过由固体摄像元件20进行的多次曝光而生成摄像信号。摄像部2也可以还适当具有相机透镜、仅使从光源部1放射的照射光的波长附近的光通过的光学带通滤波器及A/D变换器等的电路。
运算部4基于由摄像部2生成的摄像信号，输出包含到作为被摄体的对象物为止的距离的信息的距离信号。距离信号例如是距离图像。运算部4除了距离信号以外也可以还输出亮度信号。
图2是表示多相延迟信号产生电路30的结构的一例的功能框图。
这里，假设多相延迟信号产生电路30是DLL(Delay Locked Loop，延迟锁相环)电路而进行说明。但是，只要能够实现与以下说明的功能同样的功能，多相延迟信号产生电路30并不需要限定必定是DLL电路的例子。多相延迟信号产生电路30例如也可以由PLL(PhaseLocked Loop，锁相环)电路实现。
如图2所示，多相延迟信号产生电路30具备可变延迟电路32、相位比较电路33、延迟控制电路34和选择电路38。另外，为了使这里的说明不会过于复杂，在图2中，省略了后述的图5中表示的电路的一部分(边沿分离电路51、可变移位寄存器52、相位比较53、延迟调整电路56等，分别参照图5)的图示。关于这些省略了图示的电路，在后面使用图5进行说明。
可变延迟电路32使基本时钟依次延迟，生成相位分别不同的多个延迟时钟。更具体地讲，可变延迟电路32包括级联(Cascade)连接的n(n是2以上的整数)个延迟元件31，使被输入的基本时钟CKin依次延迟而生成n个延迟时钟CK(1)，CK(2)，…，CK(n)。如果设延迟元件31各自的延迟时间为“Tp”，则延迟时钟CK(1)，CK(2)，…，CK(n)的延迟时间分别为“Tp×1”，“Tp×2”，…，“Tp×n”。
相位比较电路33被输入作为延迟时钟CK(n)中的某一个或基本时钟CKin的第1基准时钟、和作为延迟时钟CK(n)中的某一个且相位比第1基准时钟延迟的延迟时钟CK(n)的第2基准时钟，基于第1基准时钟和第2基准时钟的电压电平，比较基本时钟CKin的1周期的范围内的第1基准时钟与第2基准时钟的相位。这里，相位比较电路33中，作为第1基准时钟及第2基准时钟而分别被输入第一个延迟时钟CK(1)及第n个延迟时钟CK(n)，基于第1基准时钟即延迟时钟CK(1)和第2基准时钟即CK(n)各自的电压电平进行相位比较，作为比较结果而输出充电信号UP或放电信号DN。
充电信号UP是用来使后述的电荷泵电路35进行充电动作的信号，表示延迟时钟CK(n)的相位比延迟时钟CK(1)的相位延迟。
另一方面，放电信号DN是用来使电荷泵电路35进行放电动作的信号，表示延迟时钟CK(n)的相位比延迟时钟CK(1)的相位提前。
延迟控制电路34基于相位比较电路33的输出结果，对可变延迟电路32的基本时钟CKin的依次延迟的延迟量进行控制。
延迟控制电路34包括电荷泵电路35、低通滤波器36和电压控制电路37而构成。
电荷泵电路35响应于从相位比较电路33输出的充电信号UP或放电信号DN，将向低通滤波器36输出的输出电压升压或降压。
电压控制电路37将从低通滤波器36输出的输出电压向n个延迟元件31各自的电源端子供给。从低通滤波器36输出的输出电压越低则延迟元件31各自的延迟时间越大，从低通滤波器36输出的输出电压越高则延迟元件31各自的延迟时间越小。这样，通过控制向延迟元件31各自的电源端子供给的电压，延迟时钟CK(1)与延迟时钟CK(n)的相位一致，延迟时间“Tp”成为输入的基本时钟CKin的1周期的1/n。
选择电路38从由可变延迟电路32生成的多个延迟时钟CK(n)选择一个以上的延迟时钟CK(n)并输出。更具体地讲，选择电路38从由可变延迟电路32输出的n个延迟时钟CK(1)，CK(2)，…，CK(n)中，选择对发光信号、曝光信号各自的前边沿及后边沿的相位使用的延迟时钟CK(n)并输出。
从选择电路38输出的延迟时钟CK(n)在由后级的逻辑电路组入与以基本时钟CKin的1时钟单位定时制作的前边沿信号及后边沿信号的逻辑后，生成发光基准信号的前边沿、发光基准信号的后边沿、曝光基准信号的前边沿、曝光基准信号的后边沿。并且，发光基准信号的前边沿及后边沿和曝光基准信号的前边沿及后边沿分别被输入到边沿合成电路39。并且，由各个边沿合成电路39将发光基准信号及曝光基准信号的两边沿合成，从各个边沿合成电路39输出发光信号和曝光信号。由此，能够对发光信号及曝光信号的脉冲宽度及相对相位进行基本时钟CKin的1时钟周期的1/n的精细度下的微调。由此，测距摄像装置10能够实现最适合于希望的测距范围的距离解析力。
控制部3一边维持发光信号的输出定时和曝光信号的输出定时的相对相位关系，一边执行进行发光信号的输出和曝光信号的输出的单位发光曝光处理。
此外，控制部3从如下的两个以上的相位设定之中，将逐次要利用的相位设定更新，反复进行单位发光曝光处理，该两个以上的相位设定对以基本时钟CKin为基准的、发光信号的输出定时的相位差及曝光信号的输出定时的相位差进行设定，并且发光信号的输出定时与曝光信号的输出定时的相对相位关系相互相等。
图3是表示单位发光曝光处理中的发光信号的输出定时和曝光的输出定时的相对相位关系的一例的时间图。
这里，假设在可变延迟电路32中级联连接的延迟元件31的数量是128，各延迟元件31使基本时钟CKin依次延迟，生成128个延迟时钟CK(1)，CK(2)…，CK(128)而进行说明。此外，这里假设两个以上的相位设定是第1相位设定1～第4相位设定的4个而进行说明。
这里，单位发光曝光处理是指输出第1发光信号A0和曝光信号的组的处理、输出第2发光信号A1和曝光信号的组的处理、以及输出第3发光信号A2和曝光信号的组的处理的各个处理。
如图3所示，在第1相位设定中，作为第1发光曝光期间的发光信号的第1发光信号A0在前边沿使用延迟时钟CK(100)，在后边沿使用延迟时钟CK(124)；作为第2发光曝光期间的发光信号的第2发光信号A1在前边沿使用延迟时钟CK(67)，在后边沿使用延迟时钟CK(91)；作为第3发光曝光期间的发光信号的第3发光信号A2由于是无发光，所以总为低电平；曝光信号在第1、第2及第3发光曝光期间的全部中，在前边沿使用延迟时钟CK(94)，在后边沿使用延迟时钟CK(127)。
在第2相位设定中，作为第1发光曝光期间的发光信号的第1发光信号A0在前边沿使用延迟时钟CK(68)，在后边沿使用延迟时钟CK(92)；作为第2发光曝光期间的发光信号的第2发光信号A1在前边沿使用延迟时钟CK(35)，在后边沿使用延迟时钟CK(59)；作为第3发光曝光期间的发光信号的第3发光信号A2由于是无发光，所以总为低电平；曝光信号在第1、第2及第3发光曝光期间的全部中，在前边沿使用延迟时钟CK(62)，在后边沿使用延迟时钟CK(95)。
在第3相位设定中，作为第1发光曝光期间的发光信号的第1发光信号A0在前边沿使用延迟时钟CK(36)，在后边沿使用延迟时钟CK(60)；作为第2发光曝光期间的发光信号的第2发光信号A1在前边沿使用延迟时钟CK(3)，在后边沿使用延迟时钟CK(27)；作为第3发光曝光期间的发光信号的第3发光信号A2由于是无发光，所以总为低电平；曝光信号在第1、第2及第3发光曝光期间的全部中，在前边沿使用延迟时钟CK(30)，在后边沿使用延迟时钟CK(63)。
在第4相位设定中，作为第1发光曝光期间的发光信号的第1发光信号A0在前边沿使用延迟时钟CK(4)，在后边沿使用延迟时钟CK(28)；作为第2发光曝光期间的发光信号的第2发光信号A1在前边沿使用延迟时钟CK(99)，在后边沿使用延迟时钟CK(123)；作为第3发光曝光期间的发光信号的第3发光信号A2由于是无发光，所以总为低电平；曝光信号在第1、第2及第3发光曝光期间的全部中，在前边沿使用延迟时钟CK(126)，在后边沿使用延迟时钟CK(31)。
如以上这样，第1相位设定、第2相位设定、第3相位设定及第4相位设定中的第1发光信号A0、第2发光信号A1、第3发光信号A2和曝光信号的相对相位关系全部相同。此外，第1相位设定与第2相位设定之间、第2相位设定与第3相位设定之间、第3相位设定与第4相位设定之间、以及第4相位设定与第1相位设定之间的第1发光信号A0的相位差、第2发光信号A1的相位差、第3发光信号A2的相位差及曝光信号的相位差全部为作为基本时钟CKin的1周期的1/4的“Tp×32”。即，关于2～4中的任意的整数j，第j－1相位设定中的曝光信号的输出定时与第j相位设定中的曝光信号的输出定时的相位差为基本时钟CKin的1周期的1/4。
接着，对测距摄像装置10拍摄1帧的摄像动作进行说明。
图4A是表示测距摄像装置10进行的摄像动作的发光信号及曝光信号的定时的一例的时间图。在图4A中，横轴表示时间轴，纵轴表示发光信号及曝光信号的信号电平。
发光信号是具有指示发光的脉冲的正逻辑的数字信号。发光信号在高电平下向光源部1指示发光，在低电平下向光源部1指示不发光。
曝光信号是具有指示曝光的脉冲的正逻辑的数字信号。曝光信号在高电平下向固体摄像元件20指示曝光，在低电平下向固体摄像元件20指示不曝光。
1帧的摄像动作由N(N是2以上的整数)组发光曝光处理和1次信号输出处理构成。这里假设N是12。
在图4A中，发光曝光期间表示进行N组发光曝光处理的期间，信号输出处理期间表示进行1次信号输出处理的期间。
1组发光曝光处理包括第1发光曝光处理、第2发光曝光处理及第3发光曝光处理。此外，第1发光曝光处理、第2发光曝光处理及第3发光曝光处理分别包括m(m是1以上的整数)次的单位发光曝光处理。
在第1发光曝光处理中，在各单位发光曝光处理中，控制部3以使曝光信号比发光信号延迟第1延迟时间的方式输出发光信号及曝光信号。此外，在各单位发光曝光处理中，在固体摄像元件20中，由后述的各像素生成表示曝光量的信号电荷，将所生成的各像素的信号电荷向按每个像素构成的后述的多个信号积蓄区域中的一个积蓄。在第1发光曝光处理中，将该单位发光曝光处理反复进行m次。
在第2发光曝光处理中，在各单位发光曝光处理中，控制部3以使曝光信号比发光信号延迟第2延迟时间的方式输出发光信号及曝光信号。此外，在各单位发光曝光处理中，在固体摄像元件20中，由各像素生成表示曝光量的信号电荷，将所生成的各像素的信号电荷向按每个像素构成的多个信号积蓄区域中的一个积蓄。这里，在第2发光曝光处理中积蓄信号电荷的信号积蓄区域是与在第1发光曝光处理中积蓄信号电荷的信号积蓄区域不同的信号积蓄区域。在第2发光曝光处理中，将该单位发光曝光处理反复进行m次。
在第3发光曝光处理中，在各单位发光曝光处理中，控制部3以不输出发光信号而仅输出曝光信号的方式输出发光信号及曝光信号。此外，在各单位发光曝光处理中，在固体摄像元件20中，由各像素生成表示曝光量的信号电荷，将所生成的各像素的信号电荷向按每个像素构成的多个信号积蓄区域中的一个积蓄。这里，在第3发光曝光处理中积蓄信号电荷的信号积蓄区域是与在第1发光曝光处理中积蓄信号电荷的信号积蓄区域及在第2发光曝光处理中积蓄信号电荷的信号积蓄区域不同的信号积蓄区域。在第3发光曝光处理中，将该单位发光曝光处理反复进行m次。
在1帧的摄像动作中，将上述的1组发光曝光处理反复进行12组。并且，在反复进行12组之后，将保存在各像素的各信号积蓄区域中的信号电荷读出。并且，所读出的各信号电荷被输出到运算部4。
决定第1发光曝光处理的曝光期间和第2发光曝光处理的曝光期间，以使得在将第1发光曝光处理的曝光期间与第2发光曝光处理的曝光期间相加的期间中，从光源部1放射的照射光被对象物反射的反射光的全部被固体摄像元件20接受。在此情况下，如果设第1发光曝光处理中的曝光量的总和为A0、第2发光曝光处理中的曝光量的总和为A1、第3发光曝光处理中的曝光量的总和为A2、发光信号的脉冲宽度(高电平的期间)为To、光速(299,792,458m/s)为C，则运算部4通过进行以下的式1的运算，能够计算到对象物的距离L。
[数式1]
如式1所示，通过在到对象物的距离L的计算中使用A2，减小距离L的计算中的由背景光、暗电流等带来的不良影响。
图4B是表示在12组发光曝光处理各自中、使用图3所示的第1相位设定～第4相位设定中的某一个相位设定表示是否将发光信号和曝光信号输出的对应表的一例的图。
如图4B所示，这里控制部3在第1组、第5组及第9组中，在通过第1相位设定来设定的定时，输出发光信号和曝光信号。此外，控制部3在第2组、第6组及第10组中，在通过第2相位设定来设定的定时，输出发光信号和曝光信号。此外，控制部3在第3组、第7组及第11组中，在通过第3相位设定来设定的定时，输出发光信号和曝光信号。此外，控制部3在第4组、第8组及第12组中，在通过第4相位设定来设定的定时，输出发光信号和曝光信号。
这样，在各组发光曝光处理中，发光信号的输出定时和曝光信号的输出定时的相对相位关系得到维持，另一方面，为了生成发光信号及曝光信号而使用的从可变延迟电路32输出的延迟时钟相互不同。因此，能够减小由构成可变延迟电路32的各延迟元件31间的延迟差引起的发光信号的脉冲宽度的偏离、曝光信号的脉冲宽度的偏离、发光信号和曝光信号的相位关系的偏离所造成的A0、A1、A2的偏差。由此，测距摄像装置10能够抑制测距精度的下降。
另外，在12组发光曝光处理各自中，利用图3所示的第1相位设定～第4相位设定中的哪一个相位设定也可以随机地决定。
此外，也可以是，在一帧的摄像动作的各组发光曝光处理各自中，使用图3所示的第1相位设定～第4相位设定中的一个相位设定进行该一帧的摄像动作，另一方面，按每个相互不同的帧的摄像动作，决定所利用的相位设定。
接着，对测距摄像装置10的结构更详细地进行说明。
图5是表示测距摄像装置10的更详细的结构的一例的功能框图。
如图5所示，控制部3包括PLL45、定时控制部46和相位调整电路49而构成。定时控制部46具备摄像控制部47和发光曝光控制部48。
摄像控制部47生成对摄像部2和运算部4进行控制的摄像控制信号。
发光曝光控制部48具备多相延迟信号产生电路30，制作对光源部1的发光及摄像部2的曝光进行控制的信号。
摄像部2具备受光部41、曝光驱动部42、垂直扫描43和列处理部44。这里，受光部41和列处理部44包含于固体摄像元件20。
受光部41具备由以矩阵状配置的多个像素构成的像素阵列。这里，如上述那样，在各像素中，构成有积蓄表示曝光量的信号电荷的多个信号积蓄区域。信号积蓄区域例如既可以使用MIM(Metal InsulatorMetal)构造的电容等的各种模拟存储器实现，也可以如后述那样使用垂直传送通道来实现。
曝光驱动部42按照由控制部3生成的曝光信号所表示的定时，进行受光部41的曝光驱动控制。
垂直扫描43对按每个列读出在受光部41中积蓄的信号电荷、并将所读出的信号电荷向列处理部44依次传送的动作进行控制。
列处理部44接受从受光部41按每个列传送来的信号电荷，生成摄像信号。
PLL45将输入时钟适当进行分频、倍增而生成基本时钟，并向摄像控制部47、发光曝光控制部48分配。
发光曝光控制部48具备多相延迟信号产生电路30，基于从PLL45分配的基本时钟生成发光基准信号和曝光基准信号，并向相位调整电路49输出。
相位调整电路49将发光基准信号与来自光源部1的发光反馈信号的相位进行比较，调整发光基准信号的相位而生成发光信号。这里，发光反馈信号是表示光源部1进行了发光的信号。例如在光源部1的发光元件是发光二极管的情况下，发光反馈信号也可以是发光二极管的阴极的信号。
此外，相位调整电路49将曝光基准信号与来自曝光驱动部42的曝光反馈信号的相位进行比较，调整曝光基准信号的相位而生成曝光信号。这里，曝光反馈信号是表示曝光驱动部42进行了受光部41的曝光驱动的信号。例如在曝光驱动部42具有输出用来进行受光部41的曝光驱动的信号的驱动器的情况下，曝光反馈信号也可以是该驱动器的输出信号。
由此，能够抑制由生成发光基准信号和曝光基准信号的多相延迟信号产生电路30中的延迟偏差、温度变化或老化引起的光源部1的发光驱动与摄像部2的曝光驱动的相位误差所造成的测距误差，并且，还能够对以由温度或老化引起的测距摄像装置10的状态变化所带来的光源的发光驱动和摄像部的曝光驱动的相位误差为原因的测距误差主动地进行补偿。
光源部1如上述那样，按照控制部3反复输出的各个发光信号进行多次发光。
摄像部2中，曝光驱动部42对受光部41进行控制，按照控制部3反复输出的各个曝光信号进行多次曝光，将信号电荷向按每个像素而不同的多个信号积蓄区域积蓄，从而进行摄像。并且，按照来自摄像控制部47的摄像控制信号，垂直扫描43将在受光部41中积蓄的信号电荷按每个列读出，将所读出的信号电荷向列处理部44依次传送。于是，列处理部44接收信号电荷，进行相关双采样(CDS：Correlated Double Sampling)，生成像素信号，再由A/D变换器对所生成的像素信号按每个列变换为数字信号，进行水平扫描，将变换为数字信号的像素信号向运算部4输出。
运算部4基于由摄像部2生成的摄像信号，由信号处理部通过运算生成距离信号、亮度信号，将所生成的距离信号、亮度信号从输出接口输出。
接着，对相位调整电路49的一例进行说明。
图6是表示相位调整电路49的结构的一例的框图。
如图6所示，相位调整电路49具备多个边沿分离电路51、多个可变移位寄存器52、多个相位比较53、多个电荷泵54、多个循环滤波器55、多个延迟调整电路56和多个边沿合成电路39。
从发光曝光控制部48输出的发光基准信号和曝光基准信号分别经由延迟调整电路56和可变移位寄存器52被输入到相位比较53。
在可变移位寄存器52中，分别与光源部1的驱动电路中的发光信号的延迟量或摄像部2的曝光驱动部42的延迟量匹配地设定发光基准信号或曝光基准信号的移位量，以使得相位比较53中的最大相位差在延迟调整电路56的可延迟调整范围内。
另一方面，来自光源部1的发光反馈信号及来自摄像部2的曝光驱动部42的曝光反馈信号分别由边沿分离电路51分离为前边沿和后边沿，分别被输入到相位比较53。
在相位比较53中，分别对发光基准信号的前边沿和发光反馈信号的前边沿、发光基准信号的后边沿和发光反馈信号的后边沿、曝光基准信号的前边沿和曝光反馈信号的前边沿、曝光基准信号的后边沿和曝光反馈信号的后边沿进行相位比较，基于相位比较结果，向电荷泵54输出充电信号或放电信号。
电荷泵54分别响应于来自相位比较53的充电信号或放电信号，将向循环滤波器55输出的输出电压升压或降压而使延迟调整电路56的延迟调整电压变化，从而调整延迟调整电路56的延迟量，以总是没有相位比较53的相位差的方式施加反馈。由此，调整发光基准信号的前边沿、发光基准信号的后边沿、曝光基准信号的前边沿、曝光基准信号的后边沿的相位。相位被调整后的发光基准信号的前边沿和发光基准信号的后边沿被边沿合成电路39合成，作为发光信号输出到光源部1。相位被调整后的曝光基准信号的前边沿和曝光基准信号的后边沿被边沿合成电路39合成，作为曝光信号被输出到摄像部2。
由此，能够抑制由构成可变延迟电路32的延迟元件31间的延迟差的偏差、温度变化或老化引起的发光信号与曝光信号的脉冲宽度的偏离和相位关系的偏离所造成的测距误差，并且还能够对以由温度或老化引起的相机的状态变化所带来的光源的发光驱动和摄像部的曝光驱动的相位误差为原因的测距误差主动地进行补偿。
接着，对固体摄像元件20的一例进行说明。
图7A是表示固体摄像元件20的结构的一例的框图。
如图7A所示，固体摄像元件20具备受光部41和列处理部44。
受光部41具备由以矩阵状配置的多个像素100构成的像素阵列、按像素阵列的每个列设置的垂直传送部102、和按像素阵列的每个列设置的垂直信号线104。
像素100具有光电变换部101、多个信号积蓄区域(在图7A中没有图示)和读出部103。
光电变换部101例如由光电二极管实现，将接受的光变换为信号电荷。
多个信号积蓄区域分别是将由光电变换部101变换后的信号电荷积蓄的区域，作为势阱形成在垂直传送部102内。多个信号积蓄区域至少包括第1信号积蓄区域、第2信号积蓄区域和第3信号积蓄区域。即，在垂直传送部102中，按每个像素100形成有至少3个势阱。在各像素100的第1信号积蓄区域、第2信号积蓄区域及第3信号积蓄区域中，分别积蓄在第1发光曝光处理中由该像素100生成的信号电荷、在第2发光曝光处理中由该像素100生成的信号电荷、以及在第3发光曝光处理中由该像素100生成的信号电荷。
读出部103将积蓄在多个信号积蓄区域中的特定的信号积蓄区域中的信号电荷读出，变换为电压，向垂直信号线104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。通过向多个垂直传送栅极施加的电压的组合，在垂直传送通道内，作为多个信号积蓄区域而形成多个势阱。以下，将势阱也称作包(packet)。
上述结构的固体摄像元件20为同时具有通常的CCD(Charge Coupled Device)图像传感器所具有的垂直传送部102和通常的CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)图像传感器所具备的读出部103及垂直信号线104的混合结构的例子。另外，这里，CMOS图像传感器和CCD图像传感器的混合结构，是指同时具有作为CMOS图像传感器的特征的有选择地向垂直信号线输出电压信号的结构和作为CCD图像传感器的特征的作为每个像素的信号积蓄区域而形成电荷传送路的结构的结构。
接着，对像素100的更具体的结构例进行说明。
图7B是表示像素100的结构的一例的框图。
如图7B所示，像素100包括第1信号积蓄区域P1、第2信号积蓄区域P2、第3信号积蓄区域P3、光电变换部101和读出部103而构成。在光电变换部101，设有读出栅极64、曝光控制栅极65和溢出漏极66。读出部103具备浮动扩散层61(floating diffusion 61)、读出电路62和输出控制栅极63。
第1信号积蓄区域P1、第2信号积蓄区域P2和第3信号积蓄区域P3分别作为包形成于垂直传送部102中的与像素100对应的部分。
垂直传送部102分别具有一个垂直传送通道68、以及与每一个光电变换部101对应的6种垂直传送栅极67。6种垂直传送栅极67分别也称作垂直传送栅极VG1、垂直传送栅极VG2、垂直传送栅极VG3、垂直传送栅极VG4、垂直传送栅极VG5、垂直传送栅极VH。
更具体地讲，第1信号积蓄区域P1、第2信号积蓄区域P2和第3信号积蓄区域P3分别按照向多个垂直传送栅极67施加的电压的组合，作为包形成在垂直传送通道68内。
在图7B中，第1信号积蓄区域P1是由垂直传送栅极VH形成的包，第2信号积蓄区域P2是由垂直传送栅极VG4形成的包，第3信号积蓄区域P3是由垂直传送栅极VG2形成的包。但是，第1信号积蓄区域P1、第2信号积蓄区域P2和第3信号积蓄区域P3各自的位置不是固定的，而是随着信号电荷的向正向或反向的垂直传送而上下移动。
读出栅极64是根据施加在读出栅极64上的电压，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。更具体地讲，读出栅极64将由光电变换部101变换后的信号电荷向由垂直传送栅极VG4形成的包传送。
曝光控制栅极65根据施加在曝光控制栅极65上的电压，对光电变换部101的曝光进行控制。曝光控制栅极65例如被输入具有低电平有效的(即负逻辑的)脉冲的曝光控制信号。例如，当曝光控制信号为高电平时，曝光控制栅极65将光电变换部101的信号电荷向溢出漏极66释放，使由光电变换部101进行的光电变换成为无效。即，曝光控制栅极65将光电变换部101设为清空的状态，成为与光电变换部101没有曝光的状态相同。此外，例如当曝光控制信号为低电平时，曝光控制栅极65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。在曝光控制信号为低电平的期间，光电变换部101处于曝光状态，并且，如果读出栅极64打开(如果施加在读出栅极64上的电压是高电平)，则由光电变换部101变换后的信号电荷经由读出栅极64被向由垂直传送栅极VG4形成的包传送及积蓄。
溢出漏极66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。
输出控制栅极63是将由垂直传送栅极VH形成的包的信号电荷向浮动扩散层61传送的栅极电极。
浮动扩散层61将从由垂直传送栅极VH形成的包经由输出控制栅极63传送来的信号电荷变换为电压。
读出电路62将由浮动扩散层61变换为电压后的信号向垂直信号线104输出。读出电路62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104上的负载电路一起构成源极跟随器电路。
固体摄像元件20通过上述结构，同时实现基于列处理动作的高速化、和因在信号积蓄区域中使用垂直传送通道带来的低暗电流化，所以能够对运动较快的对象物进行高精度的测距。
另外，这里假设固体摄像元件20作为一例是同时具有通常的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103及垂直信号线104的混合结构而进行了说明。但是，固体摄像元件20并需要不一定限定于上述混合结构的例子，也可以是其他结构。固体摄像元件20例如也可以由CCD图像传感器实现，也可以由CMOS图像传感器实现，也可以由具备光电变换膜的图像传感器实现。
以下，对上述结构的测距摄像装置10进行考察。
如上述那样，测距摄像装置10通过上述结构，能够减小由发光定时与曝光定时的相位误差引起的、第1发光曝光处理的曝光量的总和A0、第2发光曝光处理的曝光量的总和A1以及第3发光曝光处理的曝光量的总和A2的偏差。并且，测距摄像装置10使用这些偏差被减小的A0、A1及A2，计算到对象物的距离L。因而，测距摄像装置10能够抑制由发光定时与曝光定时的相位误差引起的测距精度的下降。
以上，基于实施方式对有关本发明的测距摄像装置及固体摄像元件进行了说明，但本发明并不限定于实施方式。将实施方式的任意的构成要素组合而实现的其他的实施方式、或对于实施方式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、或内置了有关本发明的测距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
有关本发明的测距摄像装置及固体摄像元件能够广泛地利用于拍摄对象物的摄像装置等。
标号说明
1 光源部
2 摄像部
3 控制部
4 运算部
10 摄像装置(测距摄像装置)
20 固体摄像元件
30 多相延迟信号产生电路
31 延迟元件
32 可变延迟电路
33 相位比较电路
34 延迟控制电路
35 电荷泵电路
36 低通滤波器
37 电压控制电路
38 选择电路
39 边沿合成电路
41 受光部
42 曝光驱动部
43 垂直扫描
44 列处理部
45 PLL
46 定时控制部
47 摄像控制部
48 发光曝光控制部
49 相位调整电路
51 边沿分离电路
52 可变移位寄存器
53 相位比较
54 电荷泵
55 循环滤波器
56 延迟调整电路
61 浮动扩散层(floating diffusion)
62 读出电路
63 输出控制栅极
64 读出栅极
65 曝光控制栅极
66 溢出漏极
67、VG1、VG2、VG3、VG4、VG5、VH 垂直传送栅极
68 垂直传送通道
100 像素
101 光电变换部
102 垂直传送部
103 读出部
104 垂直信号线

Claims (10)

1.一种测距摄像装置，其中，具备：
控制部，反复进行指示发光的发光信号的输出和指示曝光的曝光信号的输出；
光源部，按照上述控制部反复输出的各个上述发光信号，进行多次发光；以及
摄像部，具有按照上述控制部反复输出的各个上述曝光信号进行多次曝光的固体摄像元件，通过该多次曝光，生成摄像信号；
上述控制部具有生成相位相互不同的多个延迟时钟的多相延迟信号产生电路，使用该多个延迟时钟，反复进行上述发光信号和上述曝光信号的输出；
上述控制部中，
通过从两个以上的相位设定之中更新逐次要利用的相位设定，来进行使用上述多个延迟时钟反复进行的上述发光信号和上述曝光信号的输出，上述两个以上的相位设定对以基本时钟为基准的、上述发光信号的输出定时及上述曝光信号的输出定时的相位差进行设定；
在上述发光信号的输出和上述曝光信号的输出的多次反复中，维持上述发光信号的输出定时和上述曝光信号的输出定时的相对相位关系；
进一步，从上述相对相位关系相互相等的两个以上的相位设定之中，更新上述逐次要利用的相位设定；
上述两个以上的相位设定分别是使用上述多个延迟时钟进行的上述相位差的设定。
2.如权利要求1所述的测距摄像装置，其中，
在将上述两个以上的相位设定中的各个相位设定按上述基本时钟与曝光信号的输出定时的相位差从小到大的顺序设为第1相位设定～第k相位设定的情况下，对于任意的k，第k－1相位设定中的曝光信号的输出定时与第k相位设定中的曝光信号的输出定时的相位差为上述基本时钟的1周期的1/k，k是2以上的整数。
3.如权利要求1或2所述的测距摄像装置，其中，
上述控制部从上述两个以上的相位设定之中使用一个相位设定进行多次反复进行上述发光信号的输出和上述曝光信号的输出的第1组，从上述两个以上的相位设定之中使用另一个相位设定进行多次反复进行上述发光信号的输出和上述曝光信号的输出的第2组，进行上述第1组的次数与进行上述第2组的次数相同。
4.如权利要求1或2所述的测距摄像装置，其中，
上述控制部在一帧的曝光期间内进行上述逐次要利用的相位设定的更新。
5.如权利要求1或2所述的测距摄像装置，其中，
上述控制部在相互不同帧的曝光期间的切换时进行上述逐次要利用的相位设定的更新。
6.如权利要求1或2所述的测距摄像装置，其中，
上述多相延迟信号产生电路是延迟锁相环电路，即DLL电路。
7.如权利要求6所述的测距摄像装置，其中，
上述多相延迟信号产生电路具备：
可变延迟电路，使上述基本时钟依次延迟，生成上述多个延迟时钟；
相位比较电路，被输入第1基准时钟和第2基准时钟，基于上述第1基准时钟和上述第2基准时钟的电压电平，比较上述基本时钟的1周期的范围内的上述第1基准时钟和上述第2基准时钟的相位，上述第1基准时钟是上述多个延迟时钟中的某一个或上述基本时钟，上述第2基准时钟是上述多个延迟时钟中的某一个，并且是相位比上述第1基准时钟延迟的延迟时钟；
延迟控制电路，基于上述相位比较电路的比较结果，控制上述可变延迟电路中的上述基本时钟的依次延迟的延迟量；以及
选择电路，从由上述可变延迟电路生成的上述多个延迟时钟中，选择一个以上的延迟时钟并输出。
8.如权利要求1或2所述的测距摄像装置，其中，
还具备运算部，该运算部基于上述摄像信号，输出包含到被摄体的距离的信息的距离信号。
9.如权利要求1或2所述的测距摄像装置，其中，
上述固体摄像元件具备由以矩阵状配置的多个像素构成的像素阵列；
上述多个像素分别具有将接受的光变换为电荷的光电变换部、以及读出由上述光电变换部变换后的电荷的读出栅极；
上述像素阵列按每一列具有将由上述读出栅极读出的电荷在列方向上传送的垂直传送部。
10.一种固体摄像元件，其中，
该固体摄像元件包含于具备控制部、光源部以及摄像部的测距摄像装置中的所述摄像部，上述控制部反复进行指示发光的发光信号的输出和指示曝光的曝光信号的输出，并且具有生成相位相互不同的多个延迟时钟的多相延迟信号产生电路，使用该多个延迟时钟，反复进行上述发光信号和上述曝光信号的输出，上述光源部按照上述控制部反复输出的各个上述发光信号，进行多次发光，上述摄像部生成摄像信号，上述固体摄像元件按照上述控制部反复输出的各个上述曝光信号进行多次曝光；
上述控制部中，
通过从两个以上的相位设定之中更新逐次要利用的相位设定，来进行使用上述多个延迟时钟反复进行的上述发光信号和上述曝光信号的输出，上述两个以上的相位设定对以基本时钟为基准的、上述发光信号的输出定时及上述曝光信号的输出定时的相位差进行设定；
在上述发光信号的输出和上述曝光信号的输出的多次反复中，维持上述发光信号的输出定时和上述曝光信号的输出定时的相对相位关系；
进一步，从上述相对相位关系相互相等的两个以上的相位设定之中，更新上述逐次要利用的相位设定；
上述两个以上的相位设定分别是使用上述多个延迟时钟进行的上述相位差的设定。
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