JP2010213231A - 固体撮像素子、その駆動方法及び撮像システム - Google Patents

Abstract

【課題】多画素の一般撮影と距離画像撮影の両方を実現することができる固体撮像素子を提供することを課題とする。
【解決手段】第１の画素グループの各画素は、対象物への照射パルス光の照射による対象物からの反射パルス光を電荷に変換する第１の光電変換手段（２０６）と、照射パルス光のオン時間に同期して、第１の光電変換手段により変換された電荷の蓄積を行う第１の電荷蓄積手段（２０８）と、第１の光電変換手段により変換された電荷のリセットを行う第１のリセット手段（２０５）とを有し、第２の画素グループの各画素は、対象物からの反射パルス光を電荷に変換する第２の光電変換手段（２１１）と、照射パルス光のオンからオフへの変化タイミングに同期して、第２の光電変換手段により変換された電荷の蓄積を行う第２の電荷蓄積手段（２１３）と、第２の光電変換手段により変換された電荷のリセットを解除する第２のリセット手段（２１０）とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体撮像素子、その駆動方法及び撮像システムに関するものである。

光の速度は、３×１０⁸ｍ／ｓである。これが既知であるので、光源より対象物に向かってパルス光を放ち、対象物からはね返ってきた反射光を受け、そのパルス光の遅れ時間を計測することで、対象物までの距離を測定することができる。ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ−Ｏｆ−Ｆｌｉｇｈｔ）法とは、このパルス光の飛行時間を測定することで対象物までの距離を測る方法である。遅れ時間計測範囲に対する距離計測範囲を読み取ることができ、例えば遅れ時間計測範囲が１μｓで、遅れ時間計測分解能が、１ｎｓのものができれば、１５０ｍの範囲を１５ｃｍの分解能で測定でき、車載用の距離センサとして利用可能である。

この原理を固体撮像素子に応用し、２次元の距離画像を取得する技術が提案されている。特許文献１には、電荷振り分け方式の画素構造を有するＣＭＯＳ型固体撮像素子を用いた技術が開示されている。

照射パルス光が物体に反射して遅れて到達する反射パルス光の先行部分に対応する信号成分と後行部分に対応する信号成分をスイッチで振り分ける。これらの信号を画素毎に検出し先行部分と後行部分の比率を求めることにより、画素毎の距離情報を得ることができる。

また、特許文献２には、一般のＣＣＤ型固体撮像素子にＴＯＦを用いた技術が開示されている。

特開２００４−２９４４２０号公報 特開２００４−０４５３０４号公報

電荷振り分け方式のＴＯＦを採用した固体撮像素子では、最低でも１画素中に２個のメモリが必要になり、フォトダイオードの開口率を稼げないので感度が低くなりがちであり、そこで画素サイズを大きくすると、今度は多画素化が難しくなってしまう。結果として一般の多画素の固体撮像素子との兼用は難しいという課題がある。

また一般のＣＣＤ型固体撮像素子にＴＯＦを適用した場合、フレーム単位で反射光の遅れ成分を検出するので高速の距離画像を取ることが難しいという課題がある。

本発明の目的は、多画素の一般撮影と距離画像撮影の両方を実現することができる固体撮像素子、その駆動方法及び撮像システムを提供することである。

本発明の固体撮像素子は、それぞれ複数の画素を含む第１の画素グループ及び第２の画素グループを有し、前記第１の画素グループの各画素は、対象物への照射パルス光の照射による前記対象物からの反射パルス光を電荷に変換する第１の光電変換手段と、前記照射パルス光のオン時間に同期して、前記第１の光電変換手段により変換された電荷の蓄積を行う第１の電荷蓄積手段と、前記照射パルス光のオフ時間に同期して、前記第１の光電変換手段により変換された電荷のリセットを行う第１のリセット手段とを有し、前記第２の画素グループの各画素は、前記対象物からの反射パルス光を電荷に変換する第２の光電変換手段と、前記照射パルス光のオンからオフへの変化タイミングに同期して、前記第２の光電変換手段により変換された電荷の蓄積を行う第２の電荷蓄積手段と、前記照射パルス光のオンからオフへの変化タイミングに同期して、前記第２の光電変換手段により変換された電荷のリセットを解除する第２のリセット手段とを有することを特徴とする。

また、本発明の撮像システムは、上記の固体撮像素子と、前記照射パルス光を照射するパルス光照射手段と、前記固体撮像素子へ光を結像する光学系と、前記第１の電荷蓄積手段に蓄積された電荷及び前記第２の電荷蓄積手段に蓄積された電荷を基に前記対象物までの距離を演算する信号処理部とを有することを特徴とする。

また、本発明の固体撮像素子の駆動方法は、それぞれ複数の画素を含む第１の画素グループ及び第２の画素グループを有する固体撮像素子の駆動方法であって、前記第１の画素グループの各画素では、対象物への照射パルス光の照射による前記対象物からの反射パルス光を電荷に変換する第１の光電変換ステップと、前記照射パルス光のオン時間に同期して、前記第１の光電変換ステップにより変換された電荷の蓄積を行う第１の電荷蓄積ステップと、前記照射パルス光のオフ時間に同期して、前記第１の光電変換ステップにより変換された電荷のリセットを行う第１のリセットステップとを有し、前記第２の画素グループの各画素では、前記対象物からの反射パルス光を電荷に変換する第２の光電変換ステップと、前記照射パルス光のオンからオフへの変化タイミングに同期して、前記第２の光電変換ステップにより変換された電荷の蓄積を行う第２の電荷蓄積ステップと、前記照射パルス光のオンからオフへの変化タイミングに同期して、前記第２の光電変換ステップにより変換された電荷のリセットを解除する第２のリセットステップとを有することを特徴とする。

多画素の一般撮影と距離を演算するための距離画像撮影の両方を実現でき、高速に距離画像を取得することができる。

第１の実施形態による固体撮像素子の画素構成の断面図とリセット後の状態を示すチャネルポテンシャルを示す図である。 第１の実施形態による固体撮像素子の画素回路を示す図である。 第１の実施形態による固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。 第２の実施形態による固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートである。 第４の実施形態における撮像システムの回路ブロック図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態による固体撮像素子は、対象物体にパルス光を照射し、前記対象物体からの反射パルス光を複数の画素グループで受光する。前記照射パルス光のオン時間に同期した第１の画素グループで反射パルス光の先行成分を検出し、オフ時間に同期した第２の画素グループで反射パルス光の後行成分を検出する。この距離情報の検出を１フレーム中で行う。

本発明の第１の実施形態を図１、２、３を用いて説明する。図１（ａ）は本実施形態による画素構成の断面図である。ここで半導体の導電型はこれに限られるものはなく、Ｐ型とＮ型が逆になってもよい。本実施形態での画素サイズは５μｍ×５μｍとなっている。これらの画素が３０００×４０００に並べられ、１２００万画素の固体撮像素子となっている。

３１１はＰ型半導体基板、もしくは半導体基板上に設けられたとしてのＰ型不純物領域（ｄｅｅｐ ｐｗｅｌｌ）である。３１０はＰ型半導体基板３１１に設けられたＰ型不純物領域（ｐ−ｗｅｌｌ）である。Ｐ型不純物領域３１０とＰ型半導体基板３１１とは異なる不純物濃度に設計されている。例えば、Ｐ型不純物領域３１１はＰ型不純物領域３１０よりも不純物濃度が低く設計されている。３０１は第１の半導体領域としてのＮ型不純物領域であり、Ｐ型不純物領域３１１とＰＮ接合を構成して光電変換素子（フォトダイオード：ＰＤ）として機能する。３０２は光電変換素子（フォトダイオード：ＰＤ）に集光するための光導波路である。さらに、３０３は光導波路に光を導くためのマイクロレンズである。

信号電荷は、ＰＤから転送部として機能する第１の転送ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ１）１１０１を介して、電荷蓄積領域となる電荷蓄積部（ＳＴ）３０５へ転送される。転送ＭＯＳトランジスタ１１０１は埋め込みチャネル構造のＭＯＳトランジスタである。そして、電荷蓄積部３０５上にはそのチャネルポテンシャルを制御するためのＭＯＳ構造によるコントロールゲート３０６が設けられている。

更に、信号電荷は、電荷蓄積部（ＳＴ）３０５から転送部として機能する第２の転送ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ２）３０７を介してフローティングディフュージョン（ＦＤ）３０８に転送される構造となっている。ここで、ＦＤ３０８において電荷電圧変換された後に、増幅された信号が画素出力となる。それらは通常のＣＭＯＳセンサと同じ原理であるため、ここでの説明は割愛する。３０９はフォトダイオード以外の素子を遮光する遮光膜である。

３１２はＮ型不純物領域であり、過剰電荷を排出するための横型（ラテラル）オーバーフロードレイン（ＯＦＤ）の役割を果たす。Ｎ型不純物領域３１２とＰＤの間にはオーバーフロードレイン制御用のＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ１１０２が設けられている。本実施形態において、このＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ１１０２は行毎に制御できるようになっている。本実施形態は、このＯＦＤ３１２とその制御用のＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ１１０２を、距離画像撮影モードでは過剰電荷の排出ではなく、照射パルス光源の駆動タイミングと関係付けているところが特徴である。つまり、後述するようにＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ１１０２を奇数行（偶数行）の画素グループについて、光パルスのオン／オフと同一タイミングで一括動作させることが特徴である。このとき奇数行画素グループと偶数行画素グループは、それぞれグローバル電子シャッタの機能を有する画素構造が必要となる。本実施形態ではＯＦＤ３１２と画素毎のＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ１１０２と、奇数行画素グループと偶数行画素グループで交互に一括露光する駆動回路（不図示）でこれを実現している。

図１（ｂ）は、リセット後の状態を示すチャネルポテンシャルである。本実施形態の構成によれば、第１の転送ＭＯＳトランジスタ１１０１を十分オフさせるような電圧を印加しても、埋め込みチャネル構造になっているため、表面からある程度の深さのところにチャネルポテンシャルの高いところが現れる。

図２は、この画素の等価回路を示す。図２の上半分は奇数行の画素、図２の下半分は偶数行の画素である。２０１はオーバーフロードレイン（ＯＦＤ）である。２０７、２１２は第１の転送ＭＯＳトランジスタである。２０９、２１４は第２のＭＯＳ転送トランジスタである。２０８、２１３は電荷蓄積部（ＳＴ：電荷蓄積手段）である。２０６、２１１はフォトダイオード（ＰＤ：光電変換手段）である。２１５はフローティングディフュージョン（ＦＤ）である。２０３は増幅ＭＯＳトランジスタ（ＳＦ）である。２０４は選択ＭＯＳトランジスタ（ＳＥＬ）である。２０２はフローティングディフュージョン部をリセットするリセットＭＯＳトランジスタ（ＲＥＳ ＭＯＳ）である。本実施形態では垂直方向の２画素で１個のフローティングディフュージョン（ＦＤ）２１５と増幅ＭＯＳトランジスタ（ＳＦ）２０３を共有している。

次に、本実施形態の固体撮像素子の駆動方法を図３を用いて説明する。図３（ａ）は奇数行画素の制御信号のタイミングを説明する図であり、図３（ｂ）は偶数行画素の制御信号のタイミングを説明する図である。

光源（不図示）は一定周期で交互にオン／オフを繰り返す発光制御信号φＰに呼応して間欠的パルス状の光を物体に照射する。Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、・・・Ｐｎ（不図示）は照射パルス光のタイミングを示す。これらの照射パルス光は、不図示の光源制御回路で光源を制御することで生成している。ｔは一回の照射パルス光の時間幅である。φＴＸ１は、奇数行画素での第１の転送ＭＯＳトランジスタ２０７の制御信号である。φＴＸ２は、偶数行画素での第１の転送ＭＯＳトランジスタ２１２の制御信号である、φＯＦＤ１は、奇数行画素でのＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ（リセット手段）２０５の制御信号である。φＯＦＤ２は、偶数行画素でのＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ（リセット手段）２１０の制御信号である。後述するように、これらの制御信号は、この発光制御信号φＰに対して同期を取るように不図示の駆動回路で駆動する。本実施形態では、光源として発光制御信号φＰに対する応答が十分速い赤外ＬＥＤ光源を利用する。図では説明のため完全に発光制御信号φＰと発光が完全に一致しているように描いている。実際には若干の応答の遅れがあるが、その場合は、前もって固体撮像素子制御信号を、その遅れ分を考慮して発光制御信号φＰに同期をとるようにすれば問題ない。また固体撮像素子の正面には不図示の可視光カットフィルタが設けられている。また本実施形態では多画素の一般撮影もこの赤外ＬＥＤ光源を利用する。

本実施形態では、照射パルス光が物体に反射して距離に応じて遅れて固体撮像素子に到達する反射パルス光ＲＰを奇数行の画素と偶数行の画素で分離検出する構造とするところが特徴である。奇数行画素で検出する成分を先行部分Ｓ１、偶数行画素で検出する成分を後行部分Ｓ２とする。また、Ｓ１＋Ｓ２＝１００％とする。物体までの距離が０の場合、Ｓ１＝１００％、Ｓ２＝０％となる。距離が伸びるに従い、Ｓ１の比率が少なくなり、Ｓ２の比率が大きくなる。つまり、Ｓ１とＳ２の比率を計測することにより、距離を算出することができる。これがＴＯＦの原理である。この比率は画素毎に計測できるので、画像の各画素に対応した距離情報を得ることができる。

まず、一回の照射パルス光Ｐ１を照射し、反射パルス光ＲＰを検出する場合の動作を説明する。奇数行の画素では、照明パルス光Ｐ１の立ち上がりと同期してＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２０５をオフさせ、また転送ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ１）２０７をオンさせる。照明パルス光Ｐ１の立ち下がりと同期してＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２０５をオンさせ、また転送ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ１）２０７をオフさせる。これにより照射パルス光Ｐ１より物体までの距離に応じて遅れて到達する反射パルスＲＰによりＰＤ２０６で先行成分Ｓ１に対応する信号電荷が発生する。この間、同時に、この信号電荷を電荷蓄積部（ＳＴ）２０８へ転送する（図３（ａ）中の信号電荷１の斜線部分）。このとき偶数行画素ではＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２１０はオンしており、ＰＤ２１１では、反射パルス光ＲＰの先行成分の信号電荷はＯＦＤ２０１に排出されている。図示では発光タイミングと露光タイミングとが完全に一致しているが、同期がとれていればタイミングがずれていてもよい。このとき転送ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ１）２０７のゲートにバイアスを印加することによりポテンシャルを引きあげ、ＰＤ＜ＭＯＳ１＜ＳＴというポテンシャルの大小関係を作り出す。このようなポテンシャル分布を実現することにより、本実施形態のような周期の小さいパルス光に同期させて駆動させても、ＰＤ２０６で生成された電荷はＰＤ２０６に蓄積されることなく、速やかに電荷蓄積部（ＳＴ）２０８に送られる。またこのとき完全転送を実現するような条件としている。これらにより反射パルス光の成分Ｓ１の検出精度が向上する。また反射パルス光はその入射角等により、異なった位置、深さで光電変換が起こる。一回のパルス光の光量は非常にわずかであるので、本実施形態では、少なくとも、生成した電荷が移動可能な経路のうち、ＰＤ２０６、２１１下のチャネルポテンシャルが一番高くなるように構成する。これにより、本実施形態は、たとえＰＤ２０６、２１１から離れたところで電荷が発生してもＰＤ２０６、２１１に効率良く集まり、ただちに、電荷蓄積部２０８、２１３へ転送されるようにして感度を上げている。またこのオーバーフロードレイン２０１は、次の２個の機能を有する。第１の機能は、一般撮影モードでは感光部に強過ぎる光が入射したときに、発生した過剰な信号電荷が周囲の感光部に影響を及ぼすのを防ぐ目的で、所定のレベルを越える信号電荷を基板に捨てる機能である。第２の機能は、グローバル電子シャッタの目的で、画素領域を一括リセットする機能である。このオーバーフロードレイン２０１が信号電荷をオーバーフローさせるレベルを意図的に下げてやれば、感光部の信号電荷が過剰でなくても信号電荷は過剰であるものとして捨てられることになり、実質的に感光部の感度を低下させることができる。しかも、このオーバーフロードレイン２０１は基板に直結されているので、形状の割りには静電容量が小さく、数十ＭＨｚでのスイッチングも可能である。そこで、光を検出したくない位相ではオーバーフロードレイン２０１が信号電荷をオーバーフローさせるレベルを低く設定してやれば、感光部の感度を照射光の周期に合わせて変調することができる。

偶数行の画素では、照明パルスＰ１とずらしてＰＤ２１１から電荷蓄積部（ＳＴ）２１３へ電荷を転送する。つまり、照明パルスＰ１の立ち下がりと同期してＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２１０をオフさせ、ＰＤ２１１のリセットを解除し、また転送ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ１）２１２をオンさせる。時間ｔ後にＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２１０をオンさせ、また転送ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ１）２１２をオフさせる。これにより、反射パルスＲＰがＰＤ２１１に到達する間に後行成分Ｓ２に対応する信号電荷が発生する。この間、同時に、この信号電荷を電荷蓄積部（ＳＴ）２１３へ転送する（図３（ｂ）中の信号電荷２の斜線部分）。このとき奇数行画素ではＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２０５はオンしており、ＰＤ２０６では、反射照射パルスＲＰの後行成分の信号電荷はＯＦＤ２０１に排出されている。転送が終了すると、速やかにＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２１０をオンさせ、ＰＤ２１１をリセットする。

引き続き、照射パルス光Ｐ２、Ｐ３、・・・Ｐｎについて、１ブランキング中に同様の動作を繰り返すことにより、奇数行画素の電荷蓄積部２０８には、照射パルス光ｎ回分の先行成分Ｓ１に対応する信号電荷が蓄積される。同様に、偶数行画素の電荷蓄積部２１３には後行成分Ｓ２に対応する信号電荷が蓄積される。一回の発光の期間の長さによって測定可能距離が決まる。１フレーム期間内に多数回のパルス光照射を行って１フレーム期間内の露光量の総和（蓄積電荷）に基づいて距離を求めることにより、誤差を低減することができる。

この後、選択ＭＯＳトランジスタ（ＳＥＬ）２０４をオンする。続いて第２の転送ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ２）２０９をオンし、電荷蓄積部（ＳＴ）２０８の信号電荷をフローティングディフュージョン（ＦＤ）２１５へ転送し、増幅ＭＯＳトランジスタ（ＳＦ）２０３を介して信号線Ｓに読み出す。この動作を距離情報を読み出す奇数行画素グループ、偶数行画素グループに対して行い、全行の信号を第１行から最終行まで順次読み出す。

一般に、距離画像の解像度は、被写体に対して全画素分は必要ない。例えば、２つの被写体の前後関係がわかればよい程度の距離情報を得る場合は、被写体解像度の数分の１程度でも十分である。本実施形態では縦方向を１／３、横方向を１／４に間引いた画素で距離画像を取得した。これにより距離画像を高速に読み出すことができる。ただし、２つの行で反射光の遅れ時間を測定するので、２つの行間隔が離れると解像度ばかりでなく、距離分解能も低下する。そこで、本実施形態では２つの行は隣り合う行を利用した。つまり２行単位で間引いた読み取りとした。

本実施形態の固体撮像素子を用いて１２００万画素（３０００×４０００）の一般撮影をする場合の説明を行う。全画素のＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２０５、２１０をオンにして、オーバーフロードレイン（ＯＦＤ）２０１にＰＤ２０６、２１１の電荷を排出することで全画素を一括でリセットする。次に、ＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２０５、２１０をオフにして、所望の蓄積時間で信号蓄積を行う。このとき、ＰＤ２０６、２１１で発生する信号電荷は、ＰＤ２０６、２１１から第１の転送ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ１）２０７、２１２を介して、電荷蓄積部（ＳＴ）２０８、２１３へ転送され蓄積される。更に、信号電荷は、電荷蓄積部２０８、２１３から第２のＭＯＳトランジスタ２０９、２１４を介してフローティングディフュージョン（ＦＤ）２１５に転送され増幅ＭＯＳトランジスタ（ＳＦ）２０３で電荷電圧変換された後に、信号が画素出力される。本実施形態の固体撮像素子では、距離画像撮影と、このような一般の多画素撮影も行うことができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、距離画像撮影時に３つの行の画素グループを利用することを特徴とする。第１の行の画素グループで反射パルス光の先行成分、第２の行の画素グループで反射パルス光の後行成分を検出し、更に第３の行の画素グループで反射パルス光がオフの時間で可視光成分を検出する構成とすることが特徴である。図４は、本発明の第２の実施形態による固体撮像素子の駆動方法を示すタイミングチャートであり、第３の行の画素の駆動パターンを示す。第１の行及び第２の行の画素の駆動パターンは、第１の実施形態の奇数行及び偶数行の画素の駆動パターンと同様である。また画素の回路も第１の実施形態と同様なので省略する。第３の行の画素グループでは照射パルス光以外の背景光の信号を蓄積することになる。第１の行、第２の行、第３の行は隣り合った行を利用した。本実施形態でも１２００万画素（３０００×４０００）の解像度を有する固体撮像素子を利用しているので、距離画像撮影時に３つの行グループに分けて用いるのは問題ない。また光源として赤外ＬＥＤ光源を利用するが、背景光をカットするための可視光カットフィルタは用いていない。

まず、背景光Ｌｉｇｈｔがある状況で、一回の照射パルス光Ｐ１を照射し、反射パルス光ＲＰを検出する場合の動作を説明する。第１の行の画素での動作は第１の実施形態の奇数行の画素の動作と、第２の行の画素での動作は第１の実施形態の奇数行の画素の動作と同様なので省略する。第３の行の画素で背景光を検出する駆動を説明する。第３の行の画素は照明パルス光Ｐ１のオン／オフと同期して駆動する必要はないが、背景光Ｌｉｇｈｔのみを検出するために、反射パルス光ＲＰの到達していないタイミングで蓄積動作を行うことが特徴となっている。実際には、第１の行の画素のφＴＸ１期間と第２の行の画素のφＴＸ２期間は連続しており、照射パルス光Ｐｎに対するこの期間をＴｎとする。φＴＸ３は第３の行の画素の第１の転送ＭＯＳトランジスタ２０７、２１２の制御信号であり、φＯＦＤ３は第３の行でのＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２０５、２１０の制御信号である。第３の行の画素の蓄積動作は、このＴｎとＴｎ＋１の間に行う。つまり、この間に第３の行の画素のＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２０５、２１０をオフさせ、また転送ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳ１）２０７、２１２をオンさせる。このφＴＸ３のパルス幅は、φＴＸ１、φＴＸ２のパルス幅と同じに設定する。これにより背景光Ｌｉｇｈｔに対応する信号電荷（図４中の信号電荷３の斜線部分）が発生する。この間、同時に、この信号電荷を電荷蓄積部（ＳＴ）２０８、２１３へ転送する。このとき、第１、第２の行の画素ではＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ２０５、２１０はオンしており、ＰＤ２０６、２１１での背景光Ｌｉｇｈｔによる信号電荷はＯＦＤ２０１に排出されている。

本実施形態における第１の行で検出される照射パルス光Ｐ１〜Ｐｎの先行成分をＳ１、第２の行で検出される照射パルス光Ｐ１〜Ｐｎの後行成分をＳ２、第３の行で検出される背景光成分をＳ３とする。Ｓ１、Ｓ２には背景光成分Ｓ３が含まれるので、真の先行成分をＳ１'、後行成分をＳ２'とすると、これらは以下の式で求めることができる。

Ｓ１'＝Ｓ１−Ｓ３
Ｓ２'＝Ｓ２−Ｓ３

一方、一般撮影時では自然光等の可視光での撮影は、一般的な固体撮像素子の駆動で行うことができる。これにより背景光除去のための可視光カットフィルタ等を用いる必要がない。一般撮影では通常のカメラに適用することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態では、連続する複数行の画素を加算して距離画像を取得することを特徴とする。固体撮像素子の回路としては、第１の実施形態での図２と同様の垂直方向の２画素で1個のフローティングディフュージョン（ＦＤ）２１５と増幅ＭＯＳトランジスタ（ＳＦ）２０３を共有している回路を用いる。一般に距離画像の解像度は、被写体に対して全画素分は必要ない。例えば、２つの被写体の前後関係がわかればよい程度の距離情報を得る場合は、被写体解像度の数分の１程度でも十分である。本実施形態では垂直方向を２画素、水平方向を２画素の画素加算を行った距離画像を取得した。垂直方向はフローティングディフュージョン（ＦＤ）２１５で加算を行い、水平方向は水平読み出し回路のメモリ（不図示）の中で加算を行った。これらの加算方法は、一般的な方法を用いた。ただし２つの画素グループで反射パルス光の遅れ時間を測定するので、加算を行った２つの行ブロックは隣り合うブロックを利用した。第１の画素グループ及び第２の画素グループは、それぞれ画素加算を行う対象となる複数の画素ブロックで構成されている。

これにより感度を高めることができた。また距離画像をさらに高速に読み出すことができた。本実施形態では、垂直２画素の加算を行ったが、加算画素の形式はこれに限定されることはない。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の第４の実施形態による撮像システム（可視光撮影カメラ）の構成例を示すブロック図である。本実施形態は、第２の実施形態の固体撮像素子５４を可視光撮影カメラに応用する例である。撮影レンズ（光学系）５２の手前にはシャッタ５１があり、露出を制御する。一般撮影は、このメカシャッタを設けずに、電子シャッタにより電荷の蓄積時間を制御することも可能である。絞り５３により必要に応じ光量を制御し、撮影レンズ５２は固体撮像素子５４に光を結像する。固体撮像素子５４から出力された信号は撮像信号処理回路５５で処理され、Ａ／Ｄ変換部５６によりアナログ信号からディジタル信号に変換される。出力されるディジタル信号はさらに信号処理部５７で演算処理される。処理されたディジタル信号はメモリ部６０に蓄えられたり、外部Ｉ／Ｆ（インターフェース）部６３を通して外部の機器に送られる。固体撮像素子５４、撮像信号処理回路５５、Ａ／Ｄ変換部５６、信号処理部５７はタイミング発生部５８により制御される他、システム全体は全体制御部・演算部５９で制御される。距離画像を撮影する場合には、全体制御部・演算部５９がパルス光源（パルス光照射手段）を制御する。例えば、パルス光源は、全体制御部・演算部５９内に設けられ、照射パルス光Ｐ１〜Ｐｎを照射する。距離画像撮影時の固体撮像素子５４の制御は第２の実施形態で説明したものと同様である。画素のＯＦＤ２０１の制御、フォトダイオード２０６、２１１から電荷蓄積部２０８、２１３への電荷の転送等のタイミングはタイミング発生部５８により行う。記録媒体６２に画像を記録するために、出力ディジタル信号は全体制御部・演算部５９で制御される記録媒体制御Ｉ／Ｆ部６１を通して、記録される。この記録媒体６２には一般の撮影画像と、それに対応した距離画像を記録することができる。

信号処理部５７は、上記のように、第１の電荷蓄積手段２０８に蓄積された電荷及び第２の電荷蓄積手段２１３に蓄積された電荷を基に対象物までの距離を演算する。

本実施形態の撮像システムは、第１〜第３の実施形態の固体撮像素子５４を用いることで、従来困難であった、一般撮影カメラに距離画像撮影機能を盛り込むことができる。

第１〜第４の実施形態によれば、照射光に対する対象物からの反射光の位相の遅れ時間を固体撮像素子の各画素毎に検出して、対象物までの距離情報を取得することができる。１つの固体撮像素子を用いて、多画素の一般撮影と距離画像撮影の両方を実現でき、高速に距離画像を取得することができる。

第１〜第３の固体撮像素子は、それぞれ複数の画素を含む第１の画素グループ（例えば奇数行画素グループ）及び第２の画素グループ（例えば偶数行画素グループ）を有する。

第１の画素グループの各画素は、第１の光電変換手段（フォトダイオード）２０６と、第１の電荷蓄積手段（電荷蓄積部）２０８と、第１のリセット手段（ＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ）２０５とを有する。第１の光電変換手段２０６は、対象物への照射パルス光Ｐ１〜Ｐｎの照射による対象物からの反射パルス光ＲＰを電荷に変換する。第１の電荷蓄積手段２０８は、照射パルス光Ｐ１〜Ｐｎのオン時間に同期して、第１の光電変換手段２０６により変換された電荷の蓄積を行う。第１のリセット手段２０５は、照射パルス光Ｐ１〜Ｐｎのオフ時間に同期して、第１の光電変換手段２０６により変換された電荷のリセットを行う。

第２の画素グループの各画素は、第２の光電変換手段（フォトダイオード）２１１と、第２の電荷蓄積手段（電荷蓄積部）２１３と、第２のリセット手段（ＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ）２１０とを有する。第２の光電変換手段２１１は、対象物からの反射パルス光ＲＰを電荷に変換する。第２の電荷蓄積手段２１３は、照射パルス光Ｐ１〜Ｐｎのオンからオフへの変化タイミングに同期して、第２の光電変換手段２１１により変換された電荷の蓄積を行う。第２のリセット手段２１０は、照射パルス光Ｐ１〜Ｐｎのオンからオフへの変化タイミングに同期して、第２の光電変換手段２１１により変換された電荷のリセットを解除する。

第１の画素グループ内の複数の画素では、第１の電荷蓄積手段２０８に蓄積される電荷に対応する第１の光電変換手段２０６の露光時間が一括して制御される。また、第２の画素グループ内の複数の画素では、第２の電荷蓄積手段２１３に蓄積される電荷に対応する第２の光電変換手段２１１の露光時間が一括して制御される。

例えば、第１の画素グループは第１の行の画素グループであり、第２の画素グループは第２の行の画素グループである。

第３の実施形態では、前記第１の画素グループ及び前記第２の画素グループは、それぞれ画素加算を行う対象となる複数の画素ブロックで構成されている。

また、第１〜第３の実施形態では、第１の画素グループの各画素は、第１の光電変換手段２０６により変換された電荷を第１の電荷蓄積手段２０８に転送する第１の電荷転送手段（転送ＭＯＳトランジスタ）２０７を有する。第１のリセット手段２０５は、第１の光電変換手段２０６により変換された電荷を第１の電荷蓄積手段２０８と独立して排出する第１の電荷排出手段である。また、第２の画素グループの各画素は、第２の光電変換手段２１１により変換された電荷を第２の電荷蓄積手段２１３に転送する第２の電荷転送手段（転送ＭＯＳトランジスタ）２１２を有する。第２のリセット手段２１０は、第２の光電変換手段２１１により変換された電荷を第２の電荷蓄積手段２１３と独立して排出する第２の電荷排出手段である。

また、第２の実施形態では、固体撮像素子は、複数の画素を含む第３の画素グループを有する。第３の画素グループの各画素は、第３の光電変換手段２０６、２１１と、第３の電荷蓄積手段２０８、２１３とを有する。第３の光電変換手段２０６、２１１は、対象物からの反射パルス光ＲＰを電荷に変換する。第３の電荷蓄積手段２０８、２１３は、照射パルス光Ｐ１〜Ｐｎのオフ時間内に第３の光電変換手段２０６、２１１により変換された電荷の蓄積を行う。

第４の実施形態の撮像システムは、第１〜第３の実施形態の固体撮像素子５４と、照射パルス光Ｐ１〜Ｐｎを照射するパルス光照射手段（全体制御・演算部）５９と、固体撮像素子５４へ光を結像する光学系（撮影レンズ）５２と、信号処理部５７とを有する。信号処理部５７は、第１の電荷蓄積手段２０８に蓄積された電荷及び第２の電荷蓄積手段２１３に蓄積された電荷を基に対象物までの距離を演算する。

第１〜第４の実施形態によれば、多画素の一般撮影と距離を演算するための距離画像撮影の両方を実現でき、高速に距離画像を取得することができる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

２０１ オーバーフロードレイン
２０２ リセットＭＯＳトランジスタ
２０３ 増幅ＭＯＳトランジスタ
２０４ 選択ＭＯＳトランジスタ
２０５、２１０ ＯＦＤ−ＭＯＳトランジスタ
２０６、２１１ フォトダイオード
２０７、２１２ 第１の転送ＭＯＳトランジスタ
２０８、２１３ 第２の転送ＭＯＳトランジスタ
２０９、２１４ 第２のＭＯＳ転送トランジスタ

Claims (8)

1. それぞれ複数の画素を含む第１の画素グループ及び第２の画素グループを有し、
   前記第１の画素グループの各画素は、
   対象物への照射パルス光の照射による前記対象物からの反射パルス光を電荷に変換する第１の光電変換手段と、
   前記照射パルス光のオン時間に同期して、前記第１の光電変換手段により変換された電荷の蓄積を行う第１の電荷蓄積手段と、
   前記照射パルス光のオフ時間に同期して、前記第１の光電変換手段により変換された電荷のリセットを行う第１のリセット手段とを有し、
   前記第２の画素グループの各画素は、
   前記対象物からの反射パルス光を電荷に変換する第２の光電変換手段と、
   前記照射パルス光のオンからオフへの変化タイミングに同期して、前記第２の光電変換手段により変換された電荷の蓄積を行う第２の電荷蓄積手段と、
   前記照射パルス光のオンからオフへの変化タイミングに同期して、前記第２の光電変換手段により変換された電荷のリセットを解除する第２のリセット手段とを有することを特徴とする固体撮像素子。
2. 前記第１の画素グループ内の複数の画素では、前記第１の電荷蓄積手段に蓄積される電荷に対応する前記第１の光電変換手段の露光時間が一括して制御され、
   前記第２の画素グループ内の複数の画素では、前記第２の電荷蓄積手段に蓄積される電荷に対応する前記第２の光電変換手段の露光時間が一括して制御されることを特徴とする請求項１記載の固体撮像素子。
3. 前記第１の画素グループは第１の行の画素グループであり、前記第２の画素グループは第２の行の画素グループであることを特徴とする請求項１又は２記載の固体撮像素子。
4. 前記第１の画素グループ及び前記第２の画素グループは、それぞれ画素加算を行う対象となる複数の画素ブロックで構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
5. 前記第１の画素グループの各画素は、
   前記第１の光電変換手段により変換された電荷を前記第１の電荷蓄積手段に転送する第１の電荷転送手段を有し、
   前記第１のリセット手段は、前記第１の光電変換手段により変換された電荷を前記第１の電荷蓄積手段と独立して排出する第１の電荷排出手段であり、
   前記第２の画素グループの各画素は、
   前記第２の光電変換手段により変換された電荷を前記第２の電荷蓄積手段に転送する第２の電荷転送手段を有し、
   前記第２のリセット手段は、前記第２の光電変換手段により変換された電荷を前記第２の電荷蓄積手段と独立して排出する第２の電荷排出手段であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
6. さらに、複数の画素を含む第３の画素グループを有し、
   前記第３の画素グループの各画素は、
   前記対象物からの反射パルス光を電荷に変換する第３の光電変換手段と、
   前記照射パルス光のオフ時間内に前記第３の光電変換手段により変換された電荷の蓄積を行う第３の電荷蓄積手段とを有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子と、
   前記照射パルス光を照射するパルス光照射手段と、
   前記固体撮像素子へ光を結像する光学系と、
   前記第１の電荷蓄積手段に蓄積された電荷及び前記第２の電荷蓄積手段に蓄積された電荷を基に前記対象物までの距離を演算する信号処理部と
   を有することを特徴とする撮像システム。
8. それぞれ複数の画素を含む第１の画素グループ及び第２の画素グループを有する固体撮像素子の駆動方法であって、
   前記第１の画素グループの各画素では、
   対象物への照射パルス光の照射による前記対象物からの反射パルス光を電荷に変換する第１の光電変換ステップと、
   前記照射パルス光のオン時間に同期して、前記第１の光電変換ステップにより変換された電荷の蓄積を行う第１の電荷蓄積ステップと、
   前記照射パルス光のオフ時間に同期して、前記第１の光電変換ステップにより変換された電荷のリセットを行う第１のリセットステップとを有し、
   前記第２の画素グループの各画素では、
   前記対象物からの反射パルス光を電荷に変換する第２の光電変換ステップと、
   前記照射パルス光のオンからオフへの変化タイミングに同期して、前記第２の光電変換ステップにより変換された電荷の蓄積を行う第２の電荷蓄積ステップと、
   前記照射パルス光のオンからオフへの変化タイミングに同期して、前記第２の光電変換ステップにより変換された電荷のリセットを解除する第２のリセットステップとを有することを特徴とする固体撮像素子の駆動方法。

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