JP2017107132A - Electronic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電子機器に関する。 The present invention relates to an electronic device.
対象物へ照射した光の反射光を受光することにより、対象物までの距離を測定する、光飛行時間(TOF;Time of Flight)計測法が知られている(例えば特許文献1)。TOF計測法では環境により測距の精度が低下するという問題が知られている。 An optical time-of-flight (TOF) measurement method is known in which a distance to an object is measured by receiving reflected light of light irradiated on the object (for example, Patent Document 1). In the TOF measurement method, there is a known problem that the accuracy of distance measurement is lowered depending on the environment.
本発明の電子機器は、光学系の第1の瞳領域を通過した被写体からの光を受光して第1信号を出力する第1画素と、第1の瞳領領域とは異なる第2の瞳領域を通過した被写体からの光を受光して第2信号を出力する第2画素と、を有する撮像部と、第1画素で受光した第1の瞳領域の被写体の像と第2画素で受光した第2の瞳領域の被写体の像とのずれに基づいて被写体までの距離を測定する第1測距部と、被写体に照射する光を発光する光源部と、光のうち被写体で反射した光を受光した第1画素により出力された第1信号に基づき、光源部での発光から第1画素での受光までの時間を検出して被写体までの距離を測定する第2測距部と、を備える。 An electronic apparatus according to the present invention includes a first pixel that receives light from a subject that has passed through a first pupil region of an optical system and outputs a first signal, and a second pupil that is different from the first pupil region. A second pixel that receives light from a subject that has passed through the region and outputs a second signal; and an image of the subject in the first pupil region received by the first pixel and the second pixel. A first distance measuring unit that measures the distance to the subject based on the deviation of the second pupil region from the subject image, a light source unit that emits light to irradiate the subject, and light reflected by the subject A second distance measuring unit that detects a time from light emission at the light source unit to light reception at the first pixel based on a first signal output by the first pixel that has received light, and measures a distance to the subject; Prepare.
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態に係る撮像装置の構成を模式的に示す断面図である。撮像装置1は、光源部10、撮像光学系11、撮像部12、および制御部13を備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the imaging apparatus according to the first embodiment. The
光源部10は、被測定物2に対して測定光束3を放出する。測定光束3は、例えば可視光である。なお、測定光束3を赤外光としてもよい。測定光束3のうち、被測定物2の表面で反射した反射光束4は、撮像光学系11を通過して撮像部12に入射する。撮像部12は、例えば裏面照射型のCMOSイメージセンサである。
The
制御部13は、不図示のCPUおよびその周辺回路により構成される。制御部13は、所定の制御プログラムを読み込んで実行することにより、撮像装置1全体を制御する。制御部13は、第1測距部13a、第2測距部13b、測光部13c、および焦点調節部13dを有する。制御部13が有するこれらの各部は、上記の制御プログラムによりソフトウェア的に実現される。なお、制御部13が有するこれらの各部を、同等の機能を有する電子回路等により構成してもよい。
The
第1測距部13aおよび第2測距部13bは、撮像部12により出力された光電変換信号に基づき、被測定物2までの距離を測定する(測距する)。第1測距部13aと第2測距部13bは、それぞれ異なる方式で測距を行う。測光部13cは、撮像部12により出力された光電変換信号に基づき、被測定物2を測光する。なお、撮像装置1に撮像部12とは異なる光センサ等を設け、測光部13cがその光センサ等の出力に基づき被測定物2を測光するようにしてもよい。焦点調節部13dは、撮像光学系11の焦点調節を行う。
The first
図2は、撮像部12の構成を模式的に示すブロック図である。撮像部12の撮像面20は、横6×縦4の計24個のブロック21から成る。撮像面20には、5つの測距領域22が設けられている。5つの測距領域22のうち3つは、横長の測距領域22aであり、残りの2つは縦長の測距領域22bである。第1測距部13aおよび第2測距部13bは、5つの測距領域22の各々について測距を行う。
FIG. 2 is a block diagram schematically illustrating the configuration of the
24個のブロック21は、それぞれ、いずれかの測距領域22の一部を含む。24個のブロック21のうち16個は、横長の測距領域22aの一部を含む横ブロック21aである。残りの8個は、縦長の測距領域22bの一部を含む縦ブロック21bである。
Each of the 24
撮像部12は、水平走査回路23と、垂直走査回路24とを有している。水平走査回路23および垂直走査回路24は、ブロック21毎に、そのブロック21に含まれる撮像画素を走査し、光電変換信号を読み出す。
The
図3は、横ブロック21aの構成を模式的に示す平面図である。横ブロック21aには、複数の撮像画素30が二次元状に配列されている。それら複数の撮像画素30には、非測距用画素301と、第1測距用画素302aと、第2測距用画素302bと、の3種類の画素が含まれる。横長の測距領域22a内には、第1測距用画素302aと、第2測距用画素302bとが横方向(x方向)に互い違いに配列される。それ以外の場所には、非測距用画素301が配列される。
FIG. 3 is a plan view schematically showing the configuration of the
横ブロック21aに配列された複数の撮像画素30は、光電変換信号の読み出し時、まず1行目が同時に読み出され、次に2行目以降が順次読み出される。従って、横長の測距領域22a内の第1測距用画素302aおよび第2測距用画素302bから読み出される光電変換信号は、同時性を有している。
In the plurality of
図4は、非測距用画素301および第1測距用画素302aの回路構成を示す図である。非測距用画素301は、フォトダイオードPD、転送トランジスタTX、リセットトランジスタRST、選択トランジスタSEL、および増幅トランジスタAMPを有している。
FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit configuration of the non-distance measuring
フォトダイオードPDは、入射光を光電変換して信号電荷を生成する。生成された信号電荷は、転送トランジスタTXを介してフローティングディフュージョンFDに転送される。増幅トランジスタAMPは、フローティングディフュージョンFDに蓄積されている信号電荷の量に応じた信号を選択トランジスタSELに出力する。垂直走査回路24が選択トランジスタSELをオンすると、フローティングディフュージョンFDに蓄積されている信号電荷の量に応じた信号が制御部13に出力される。フローティングディフュージョンFDに転送された信号電荷は、リセットトランジスタRSTのオンオフによりリセットされる。
The photodiode PD photoelectrically converts incident light to generate a signal charge. The generated signal charge is transferred to the floating diffusion FD via the transfer transistor TX. The amplification transistor AMP outputs a signal corresponding to the amount of signal charge accumulated in the floating diffusion FD to the selection transistor SEL. When the
以下の説明では、便宜上、転送トランジスタTX、選択トランジスタSEL、および増幅トランジスタAMPを含む部分を出力部50と称する。出力部50は、フォトダイオードPDによる光電変換信号を制御部13に出力する。制御部13は、列ごとに1つの受信回路53を有している。受信回路53は、出力部50により出力された光電変換信号を受信する回路である。受信回路53の構成については後に詳述する。
In the following description, a part including the transfer transistor TX, the selection transistor SEL, and the amplification transistor AMP is referred to as an
第1測距用画素302aは、フォトダイオードPDa、第1転送トランジスタTX1、第1リセットトランジスタRST1、第1選択トランジスタSEL1、第1増幅トランジスタAMP1、第2転送トランジスタTX2、第2リセットトランジスタRST2、第2選択トランジスタSEL2、および第2増幅トランジスタAMP2を有している。
The first ranging
第1転送トランジスタTX1、第1リセットトランジスタRST1、第1選択トランジスタSEL1、および第1増幅トランジスタAMP1は、それぞれ、非測距用画素301が有する転送トランジスタTX、リセットトランジスタRST、選択トランジスタSEL、および増幅トランジスタAMPと同様に働く。第2転送トランジスタTX2、第2リセットトランジスタRST2、第2選択トランジスタSEL2、および第2増幅トランジスタAMP2について同様である。
The first transfer transistor TX1, the first reset transistor RST1, the first selection transistor SEL1, and the first amplification transistor AMP1 are respectively the transfer transistor TX, the reset transistor RST, the selection transistor SEL, and the amplification that the
つまり、第1測距用画素302aは、非測距用画素301の出力部50に相当する回路を2セット有している。以下の説明では、便宜上、第1転送トランジスタTX1、第1選択トランジスタSEL1、および第1増幅トランジスタAMP1を含む部分を第1出力部51と称し、第2転送トランジスタTX2、第2選択トランジスタSEL2、および第2増幅トランジスタAMP2を含む部分を第2出力部52と称する。第1測距用画素302aは、フォトダイオードPDaが生成した信号電荷を、第1出力部51および第2出力部52から別個に読み出すことが可能に構成されている。
That is, the first ranging
制御部13は、第1測距用画素302aまたは第2測距用画素302bを含む列に対しては、列ごとに2つの受信回路53を有している。一方の受信回路53は、第1出力部51により出力された光電変換信号を受信する回路である。他方の受信回路53は、第2出力部52により出力された光電変換信号を受信する回路である。
The
なお、第2測距用画素302bの回路構成は、第1測距用画素302aと同一であるため説明を省略する。
Note that the circuit configuration of the second ranging
図5は、制御部13が有する受信回路53の回路構成を示す図である。受信回路53は、相関二重サンプリング(CDS)により、受信した光電変換信号からノイズ成分を取り除く。受信回路53は、ノイズ成分を取り除いた光電変換信号をデジタル値に変換する。受信回路53は、光電変換信号を変換したデジタル値を出力する。
FIG. 5 is a diagram illustrating a circuit configuration of the
受信回路53は、撮像画素30をリセットした直後のフィードスルー期間を紙面上側のスイッチ531でクランプする。受信回路53は、光電変換信号の出力期間を紙面下側のスイッチ532でクランプする。その後、受信回路53は、スイッチ533とスイッチ534とをオンして、クランプした電圧を差動アンプ535に入力し、2つの電圧の差分を取る。受信回路53は、差動アンプ535の出力をAD変換器536で例えば12ビットのデジタル値に変換して出力する。以上のように、制御部13は、アンプ雑音とリセット雑音を除去したデジタル値を画素値として読み出すことができる。
The receiving
図6(a)は、非測距用画素301の構成を模式的に示す断面図であり、図6(b)は、非測距用画素301の構成を模式的に示す平面図である。図6(a)の紙面上側が、被測定物2からの光束の入射面である。すなわち被測定物2からの光束は、図6(a)の紙面上側から紙面下側に向かって入射する。撮像部12の最下層は配線層40である。配線層40の上層には、シリコン基板41、マイクロレンズ43が順に配置されている。
6A is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the
シリコン基板41には、フォトダイオードPD、ソース・ドレイン電極45、および画素分離構造46が形成されている。画素分離構造46は、非測距用画素31同士を電気的に分離する構造である。画素分離構造46は、例えば、いわゆるSTI(シャロートレンチアイソレーション)である。ソース・ドレイン電極45は、図4に示した転送トランジスタTXのソース電極やドレイン電極である。
On the
配線層40には、ゲート電極47および配線48が形成されている。ゲート電極47は、図4に示した転送トランジスタTXのゲート電極である。配線48は、非測距用画素301の各回路を構成する配線である。
A
被測定物2からの光束は、マイクロレンズ43を通過し、シリコン基板41内に形成されたフォトダイオードPDに入射する。フォトダイオードPDは、入射した光束の光量に応じた量の信号電荷を生成する。図6(b)に示すように、フォトダイオードPDは集光効率を高めるため、表面積を可能な限り大きくしている。以上のように構成されたフォトダイオードPDは、撮像光学系11の射出瞳の全体を通過した光束を受光する。
The light beam from the DUT 2 passes through the
図7(a)は、第1測距用画素302aおよび第2測距用画素302bの構成を模式的に示す断面図であり、図7(b)は、第1測距用画素302aおよび第2測距用画素302bの構成を模式的に示す平面図である。
FIG. 7A is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the first ranging
第1測距用画素302aは、マイクロレンズ43aおよびフォトダイオードPDaを有する。フォトダイオードPDaは、図6(b)に示すように、マイクロレンズ43aの右半分に偏って配置される。マイクロレンズ43aとシリコン基板41との間には、遮光部材42が配置されている。遮光部材42は、マイクロレンズ43aの左半分を覆うように配置される。
The first ranging
以上のように構成されたフォトダイオードPDaは、撮像光学系11の射出瞳の全体のうち、一部の瞳領域(マイクロレンズ43aの右半分に対応する瞳領域)を通過した光束を受光する。残りの領域を通過した光束は、遮光部材42により阻まれ、フォトダイオードPDaに到達しない。
The photodiode PDa configured as described above receives a light beam that has passed through a part of the pupil region (a pupil region corresponding to the right half of the
シリコン基板41には、フォトダイオードPDa、ソース・ドレイン電極45、および画素分離構造46が形成されている。ソース・ドレイン電極45は、図4に示した転送トランジスタTX1、TX2のソース電極やドレイン電極である。
On the
配線層40には、ゲート電極471、472および配線48aが形成されている。ゲート電極471は、図4に示した転送トランジスタTX1のゲート電極である。ゲート電極472は、図4に示した転送トランジスタTX2のゲート電極である。配線48aは、第1測距用画素302aの各回路を構成する配線である。
In the
ゲート電極471、472と配線48aは、共に遮光部材42の下部に配置されている。従って、マイクロレンズ43aを通過した光束は、これらの各部に到達しない。これにより、これらの各部は光電効果による影響を受けない。
Both the
第2測距用画素302bは、マイクロレンズ43bおよびフォトダイオードPDbを有する。フォトダイオードPDbは、図6(b)に示すように、マイクロレンズ43bの左半分に偏って配置される。マイクロレンズ43bとシリコン基板41との間には、遮光部材42が配置されている。遮光部材42は、マイクロレンズ43bの右半分を覆うように配置される。
The second ranging
以上のように構成されたフォトダイオードPDbは、撮像光学系11の射出瞳の全体のうち、一部の瞳領域(マイクロレンズ43bの左半分に対応する領域)を通過した光束を受光する。残りの領域を通過した光束は、遮光部材42により阻まれ、フォトダイオードPDbに到達しない。
The photodiode PDb configured as described above receives a light beam that has passed through a part of the pupil area (an area corresponding to the left half of the
シリコン基板41には、フォトダイオードPDb、ソース・ドレイン電極45、および画素分離構造46が形成されている。ソース・ドレイン電極45は、図4に示した転送トランジスタTX1、TX2のソース電極やドレイン電極である。
On the
配線層40には、ゲート電極473、474および配線48bが形成されている。ゲート電極473は、図4に示した転送トランジスタTX1のゲート電極である。ゲート電極474は、図4に示した転送トランジスタTX2のゲート電極である。配線48bは、第2測距用画素302bの各回路を構成する配線である。
In the
ゲート電極473、474と配線48bは、共に遮光部材42の下部に配置されている。従って、マイクロレンズ43bを通過した光束は、これらの各部に到達しない。これにより、これらの各部は光電効果による影響を受けない。
The
図8は、縦ブロック21bの構成を模式的に示す平面図である。縦ブロック21bには、複数の撮像画素30が二次元状に配列されている。それら複数の撮像画素30には、非測距用画素301と、第3測距用画素302cと、第4測距用画素302dと、の3種類の画素が含まれる。縦長の測距領域22b内には、第3測距用画素302cと、第4測距用画素302dとが縦方向(y方向)に互い違いに配列される。それ以外の場所には、非測距用画素301が配列される。
FIG. 8 is a plan view schematically showing the configuration of the
縦ブロック21bに配列された複数の撮像画素30は、光電変換信号の読み出し時、まず1列目が同時に読み出され、次に2列目以降が順次読み出される。従って、縦長の測距領域22b内の第3測距用画素302cおよび第4測距用画素302dから読み出される光電変換信号は、同時性を有している。
In the plurality of
第3測距用画素302cは、xy平面上の第1測距用画素302aを時計回りに90度回転させた構成を有している。すなわち、第3測距用画素302cは、マイクロレンズおよびフォトダイオードを有する。そのフォトダイオードは、マイクロレンズの下半分に偏って配置される。第3測距用画素302cは、そのマイクロレンズの上半分を覆うように配置された遮光部材を有している。従って、第3測距用画素302cが有するフォトダイオードは、撮像光学系11の射出瞳の全体のうち、第1測距用画素302aとも第2測距用画素302bとも異なる一部の瞳領域(マイクロレンズの下半分に対応する瞳領域)を通過した光束を受光する。
The third ranging
第4測距用画素302dは、xy平面上の第2測距用画素302bを時計回りに90度回転させた構成を有している。すなわち、第4測距用画素302dは、マイクロレンズおよびフォトダイオードを有する。そのフォトダイオードは、マイクロレンズの上半分に偏って配置される。第4測距用画素302dは、そのマイクロレンズの下半分を覆うように配置された遮光部材を有している。従って、第4測距用画素302dが有するフォトダイオードは、撮像光学系11の射出瞳の全体のうち、第1測距用画素302aとも第2測距用画素302bとも第3測距用画素302cとも異なる一部の瞳領域(マイクロレンズの上半分に対応する瞳領域域)を通過した光束を受光する。
The fourth ranging
(第1測距部13aによる位相差検出方式の測距の説明)
第1測距部13aによる測距動作を説明する。なお、以下の説明では、横長の測距領域22aの1つを例に挙げて説明を行う。縦長の測距領域22bについては、測距方向および読み出し方向が縦方向であることを除き同一の動作となるため、説明を省略する。
(Description of distance measurement by the phase difference detection method by the first
A distance measuring operation by the first
第1測距部13aは、いわゆる位相差検出方式の測距を行う。第1測距部13aは、横方向に1画素おきに並べられた第1測距用画素302aの各々から、第1出力部51を介して光電変換信号を読み出す。ここで読み出された複数の光電変換信号を、信号列a(i)とおく。第1測距部13aは、横方向に1画素おきに並べられた第2測距用画素302bの各々から、第1出力部51を介して光電変換信号を読み出す。ここで読み出された複数の光電変換信号を、信号列b(i)とおく。信号列a(i)および信号列b(i)を生成するための露光タイミングおよび読み出しタイミングは同一である。
The first
第1測距部13aは、信号列a(i)と信号列b(i)に基づき相関演算を行い、信号列a(i)と信号列b(i)のずれ(位相差)を検出する。そして、このずれ(位相差)に所定の係数を乗じ、被測定物2までの距離を算出する。
The first
なお、信号列a(i)の読み出しを、第2出力部52を用いて行ってもよい。同様に、信号列b(i)の読み出しを、第2出力部52を用いて行ってもよい。
The signal sequence a (i) may be read using the
第1測距部13aは、第3測距用画素302cと第4測距用画素302dとから同様に光電変換信号を読み出して被測定物2までの距離を算出することもできる。第1測距用画素302aと第2測距用画素302bは横方向に配列されているので、被測定物2の横方向に関するずれ(位相差)に基づき測距が行われる。一方で、第3測距用画素302cと第4測距用画素302dは縦方向に配列されているので、被測定物2の縦方向に関するずれ(位相差)に基づき測距が行われる。
The first
(第2測距部13bによるTOF計測方式の測距の説明)
第2測距部13bによる測距動作を説明する。なお、以下の説明では、横長の測距領域22aの1つを例に挙げて説明を行う。縦長の測距領域22bについては、測距方向が縦方向であることを除き同一の動作となるため、説明を省略する。
(Description of distance measurement of the TOF measurement method by the second
A distance measuring operation by the second
第2測距部13bは、いわゆるTOF計測方式の測距を行う。第2測距部13bによる測距に際し、光源部10は、被測定物2に対して測定光束3を放出する。測定光束3は、所定幅を有するパルス光である。つまり、光源部10は、所定期間だけ一定の強さの光を放出する。
The second
光源部から放出された測定光束3は、反射光束4として、第1測距用画素302aに入射する。第2測距部13bは、所定時刻に、第1測距用画素302aの第1出力部51を介して光電変換信号を読み出す。第2測距部13bは、その後、第1測距用画素302aの第2出力部52を介して光電変換信号を読み出す。つまり、第2測距部13bは、第1測距用画素302aによる一定期間分の光電変換信号を、所定時刻を境界とした前後の期間で分割し別々に読み出す。
The measurement light beam 3 emitted from the light source unit enters the first
第2測距部13bは、同一の第1測距用画素302aについて、第1出力部51から読み出された光電変換信号の信号量と、第2出力部52から読み出された光電変換信号の信号量との比を算出する。第2測距部13bは、算出した比から、反射光束4の遅れ時間を算出する。反射光束4の遅れ時間とはすなわち、測定光束3が光源部10を出発してから被測定物2の表面で反射して反射光束4となり撮像部12に達するまでの時間である。第2測距部13bは、この遅れ時間と、既知である光の速度から、被測定物2までの距離を算出する。
The second
なお、第2測距部13bは、第2測距用画素302b、第3測距用画素302c、第4測距用画素302dについても同様に、被測定物2の測距を行うことができる。具体的な測距の手順は上述した第1測距用画素302aの場合と同一であるので、説明を省略する。
The second
(焦点調節処理の説明)
図9は、制御部13が実行する焦点調節処理のフローチャートである。ステップS100において、測光部13cが被測定物2を測光する。ステップS110では、焦点調節部13dが、被測定物2の測光結果である光量が所定のしきい値を上回るか否かを判定する。光量が所定のしきい値を上回る場合、すなわち光量が大きい場合には、焦点調節部13dは処理をステップS120に進める。
(Explanation of focus adjustment process)
FIG. 9 is a flowchart of the focus adjustment process executed by the
ステップS120において、第1測距部13aは、5つの測距領域22に配置されている第1測距用画素302aおよび第2測距用画素302bの第1出力部51から、光電変換信号を読み出す。この読み出しにより、5つの測距領域22の各々に対応する5つの信号列a(i)および信号列b(i)が作成される。ステップS130で、第1測距部13aは、5つの信号列a(i)および信号列b(i)の各々について、のずれ(位相差)を検出する。ステップS140で、第1測距部13aは、5つの測距領域22の各々に対応するずれ(位相差)から、5つの測距領域22の各々に対応する被測定物2の距離を算出する。
In step S120, the first
ステップS110において、光量が所定のしきい値を上回らなかった場合、焦点調節部13dは処理をステップS150に進める。ステップS150では、第2測距部13bが、光源部10に測定光束3を放出させる。ステップS160において、第2測距部13bは、5つの測距領域22に配置されている第1測距用画素302aおよび第2測距用画素302bの第1出力部51から、光電変換信号を読み出す。ステップS170において、第2測距部13bは、5つの測距領域22に配置されている第1測距用画素302aおよび第2測距用画素302bの第2出力部52から、光電変換信号を読み出す。
If the light amount does not exceed the predetermined threshold value in step S110, the
ステップS180で、第2測距部13bは、5つの測距領域22の各々について、第1出力部51から読み出した光電変換信号の信号量と、第2出力部52から読み出した光電変換信号の信号量との比に基づき、測定光束3の遅れ時間を算出する。ステップS190で、第2測距部13bは、5つの測距領域22の各々に対応する遅れ時間に基づき、5つの測距領域22の各々に対応する被測定物2の距離を算出する。
In step S <b> 180, the second ranging
ステップS200において、焦点調節部13dは、ステップS140で算出された被測定物2の距離またはステップS190で算出された被測定物2の距離に基づき、撮像光学系11の焦点調節を行う。なお、被測定物2の距離は5つの測距領域22の各々について算出されるので、焦点調節部13dは、例えば焦点調節の対象とする測距領域22を1つ選択したり、5つの測距領域22の各々について算出された距離から最終的な目標距離を決定したりして焦点調節を行う。
In step S200, the
上述した第1の実施の形態による撮像装置によれば、次の作用効果が得られる。
(1)第1測距用画素302aのフォトダイオードPDaは、撮像光学系11の射出瞳の一部の領域である第1瞳領域を通過した光束を受光して第1信号を出力する。第2測距用画素302bのフォトダイオードPDbは、撮像光学系11の射出瞳の他の一部の領域である第2瞳領域を通過した光束を受光して第2信号を出力する。第1測距部13aは、第1信号と第2信号とのずれ(位相差)に基づき被測定物2までの距離を測定する。第2測距部13bは、光源部10が放出した測定光束3のうち被測定物2で反射し第1瞳領域を通過した光束を受光したフォトダイオードPDaにより出力された第1信号に基づき、測定光束3の放出から受光までの遅れ時間を検出して被測定物までの距離を測定する。このようにしたので、TOF計測法に基づく測距と位相差検出法に基づく測距とを併用することができる。特に、撮像部12を単一の撮像素子とすることができるので、部品点数を増やすことなく2方式の測距を併用可能な柔軟性を得ることができる。
According to the imaging apparatus according to the first embodiment described above, the following operational effects can be obtained.
(1) The photodiode PDa of the first ranging
(2)撮像部12は、第1時刻から第2時刻までの間にフォトダイオードPDaが受光した光束に基づく第1信号を出力する第1出力部51と、第2時刻から第3時刻までの間にフォトダイオードPDaが受光した光束に基づく第1信号を出力する第2出力部52とを有する。第2測距部13bは、第1出力部51から出力された第1信号と第2出力部52から出力された第1信号とに基づき、測定光束3の放出から受光までの遅れ時間を検出する。このようにしたので、位相差検出法が適さない状況において、TOF計測法に基づく測距を行うことができ、状況に応じた柔軟な測距を行うことができる。
(2) The
(3)第2測距部13bは、第1時刻から第2時刻までの間に受光した光束に基づく第1信号と、第2時刻から第3時刻までの間に受光した光束に基づく第1信号との信号量の差に基づき、測定光束3の放出から受光までの遅れ時間を検出する。このようにしたので、位相差検出法が適さない状況において、TOF計測法に基づく測距を行うことができ、状況に応じた柔軟な測距を行うことができる。
(3) The second
(4)焦点調節部13dは、測光部13cにより計測された光量が所定量以上の場合には、第1測距部13aによる測定結果に基づき撮像光学系11の焦点調節を行い、測光部13cにより計測された光量が所定量未満の場合には、第2測距部13bによる測定結果に基づき撮像光学系11の焦点調節を行う。このようにしたので、環境光の光量によらずに、信頼性の高い焦点調節を行うことができる。
(4) When the amount of light measured by the
(5)撮像部12は、マイクロレンズ43とフォトダイオードPDaとを含む第1測距用画素302aと、マイクロレンズ43とフォトダイオードPDbとを含み第1測距用画素302bとは異なる第2測距用画素302bとを有する。このようにしたので、第1測距部13aが、いわゆる位相差方式の測距を行うことができる。
(5) The
(6)第1測距用画素302aは、射出瞳の第1領域とは異なる領域を通過した光束を遮光する遮光部材42を有し、第2測距用画素302bは、射出瞳の第2領域とは異なる領域を通過した光束を遮光する遮光部材42を有する。このようにしたので、フォトダイオードPDaが第1領域以外の領域を通過した光束を受光したり、フォトダイオードPDbが第2領域以外の領域を通過した光束を受光したりすることが防止される。
(6) The first ranging
(7)第1測距用画素302aの遮光部材42により遮光される範囲には、第1出力部51および第2出力部52の一部が配置される。このようにしたので、第1出力部51および第2出力部52が光電効果による影響を受けない。また、第1測距用画素302aが占有する空間を有効利用することができる。
(7) The first output unit 51 and a part of the
(8)撮像部12は、第1領域とも第2領域とも異なる射出瞳の一部の領域である第3領域を通過した光束を受光して第3信号を出力するフォトダイオードを有する第3測距用画素302cと、第1〜第3領域のいずれとも異なる射出瞳の一部の領域である第4領域を通過した光束を受光して第4信号を出力するフォトダイオードを有する第4測距用画素302dとを更に有する。フォトダイオードPDaとフォトダイオードPDbとが並んで配置される方向は、第3測距用画素302cのフォトダイオードと第4測距用画素302dのフォトダイオードとが並んで配置される方向とは異なる。このようにしたので、被測定物2の測距を、互いに異なる方向について行うことができる。
(8) The
(9)第1測距部13aは、位相差検出法に基づく測距を行う。位相差検出法に基づく測距は、光源部10から測定光束3を放出することなしに行うことができるので、光源部10による測定光束3の放出で消費される電力を節約することができる。
(9) The first
(10)第2測距部13bは、TOF計測法に基づく測距を行う。TOF計測法に基づく測距は、光源部10から放出される測定光束3を用いて行うので、暗い環境下であっても精度よく測距を行うことができる。
(10) The second
(第2の実施の形態)
上述した第1の実施の形態では、第2測距部13bによる測距を、測距用画素302が配置された領域でのみ行っていた。第2の実施の形態に係る撮像装置は、撮像面上の全ての領域で第1測距部13aおよび第2測距部13bによる測距を行うことが可能な撮像部12を有する。なお、以下の説明において、第1の実施の形態と同一の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
In the first embodiment described above, the distance measurement by the second
図10は、撮像部12の撮像面の一部を模式的に示す平面図である。撮像部12の撮像面には、画素303が二次元状に配列されている。画素303には、第1画素303a、第2画素303b、第3画素303c、第4画素303dの4種類が含まれる。
FIG. 10 is a plan view schematically showing a part of the imaging surface of the
画素303の形状は正方形である。画素303は、正方形を45度回転させた状態でxy平面上に二次元状に配列される。列121には、第1画素303aと第2画素303bが交互に(1画素おきに)配列される。列121に隣接する列122には、第3画素303cと第4画素303dが交互に(1画素おきに)配列される。
The shape of the
図11は、第1画素303aの拡大図である。第1画素303aは、正方形の形状を有するマイクロレンズ43と、直角三角形の形状を有するフォトダイオードPDとを有する。フォトダイオードPDは、第1画素303aの左半分の領域を占めるように配置される。第1画素303aの残り右半分には、転送トランジスタのゲート電極47や、配線48が配置される。第1画素303aの右半分には、ゲート電極47や配線48を覆う遮光部材42が配置される。遮光部材42により、ゲート電極47および配線48には反射光束4が入射しない。
FIG. 11 is an enlarged view of the
なお、第1画素303aの回路構成は、図4に示した非測距用画素301と同一であるので、説明を省略する。つまり第1画素303aは、測距用画素302のように、2つの出力部51,52を有しているのではなく、単一の出力部50のみを有している。
The circuit configuration of the
第2画素303bは、第1画素303aを時計回りに180度回転させた画素である。同様に、第3画素303cは、第1画素303aを時計回りに90度回転させた画素であり、第4画素303dは、第1画素303aを時計回りに270度回転させた画素である。
The
第1測距部13aによる測距動作を説明する。本実施形態の第1測距部13aは、縦方向と、横方向と、斜め方向についての測距を、撮像面の任意の位置で行うことができる。例えば、横方向に配列された第1画素303aと第2画素303bとから、第1の実施の形態で説明した信号列a(i)および信号列b(i)を作成することにより、横方向に関する測距を行うことができる。同様に、縦方向に配列された第3画素303cと第4画素303dとから、信号列a(i)および信号列b(i)を作成することにより、縦方向に関する測距を行うことができる。斜め方向についても同様である。
A distance measuring operation by the first
第2測距部13bによる測距動作を説明する。本実施形態の第2測距部13bは、TOF計測方式の測距を、撮像面の任意の位置で行うことができる。第2測距部13bは、隣接する2つの画素303には被測定物2の同一位置からの反射光束4が入射すると見なして、TOF計測方式の測距を行う。ここで「隣接する2つの画素303」とは、縦方向、横方向、もしくは斜め方向に隣接する2つの画素303を指す。
A distance measuring operation by the second
第2測距部13bは、所定時刻に、隣接する2つの画素303の一方について、出力部50を介して光電変換信号を読み出す。第2測距部13bは、その後、隣接する2つの画素303の他方について、出力部50を介して光電変換信号を読み出す。それら2つの画素303に被測定物2の同一位置からの反射光束4が入射すると仮定すれば、同一位置からの反射光束4に基づく光電変換信号を、所定時刻を境界とした前後の期間で分割し別々に読み出していることになる。
The second
上述した第2の実施の形態による撮像装置によれば、上述した第1の実施の形態と同様の作用効果に加えて、更に次の作用効果が得られる。
(11)第1測距部13aおよび第2測距部13bは、撮像面上の任意の位置で測距を行う。このようにしたので、測距位置の柔軟性が向上する。
According to the imaging apparatus according to the second embodiment described above, the following functions and effects can be obtained in addition to the same functions and effects as those of the above-described first embodiment.
(11) The first
(12)画素303は、単一の出力部50を有する。このようにしたので、撮像部12の回路構成が簡略化され、撮像部12の製造が容易になる。
(12) The
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。 The following modifications are also within the scope of the present invention, and one or a plurality of modifications can be combined with the above-described embodiment.
(変形例1)
第1の実施の形態において、第1測距用画素302aと第2測距用画素302bが、共に、フォトダイオードPDaとフォトダイオードPDbの両方を有するように構成してもよい。この場合、ゲート電極47や配線48は、撮像部12を二層構造として、フォトダイオードPDaやフォトダイオードPDbが形成される層の下層に設ける。このようにすると、遮光部材42は不要となり、入射光の利用効率が向上する。第3測距用画素302cと第4測距用画素302dについても同様に構成することができる。
(Modification 1)
In the first embodiment, both the first
(変形例2)
上述した各実施の形態では、第1測距部13aによる測距と第2測距部13bによる測距を排他的に行っていたが、これら2方式の測距を同時に行ってもよい。つまり、反射光束4に基づく光電変換信号に対して、位相差方式の測距とTOF計測方式の測距とを並行して(または順次)行い、両方の結果を得るようにしてもよい。TOF計測方式の測距を行う際に第1出力部51から読み出した光電変換信号と、第2出力部52から読み出した光電変換信号とを加算すれば、位相差方式の測距に利用可能な信号となる。この場合、焦点調節部13dは、いずれか一方の測距結果に基づき焦点調節を行ってもよいし、両方の測距結果を平均した距離に基づき焦点調節を行ってもよい。
(Modification 2)
In each of the above-described embodiments, the distance measurement by the first
(変形例3)
上述した各実施の形態では、第1測距部13aによる測距と第2測距部13bによる測距の結果を焦点調節に利用していたが、これとは異なる目的に測距の結果を利用してもよい。例えば、被測定物2の距離を二次元状にマップした、いわゆるデプスマップを作成してもよいし、被測定物2の立体像を作成するために利用してもよい。
(Modification 3)
In each of the above-described embodiments, the results of distance measurement by the first
(変形例4)
受信回路53を、図5とは異なるものにしてもよい。例えば図12(a)に示す受信回路54は、撮像画素30をリセットした直後のフィードスルー期間を入力キャパシタ541およびスイッチ542によりクランプする。その後、光電変換信号を、スイッチ543を介してアンプ544に入力する。AD変換器546は、アンプ544の出力信号をデジタル値に変換する。別の例として、図12(b)に示す受信回路55は、撮像画素30をリセットした直後のフィードスルー期間と光電変換信号とをそれぞれ、スイッチ551、スイッチ552を介してアンプ553に入力する。AD変換器556は、アンプ553の出力信号をデジタル値に変換する。これにより、リセット信号と光電変換信号とが個別にデジタル値に変換される。制御部13は、後者のデジタル値から前者のデジタル値を減算することによりノイズ成分を取り除く。
(Modification 4)
The receiving
(変形例5)
遮光部材42の下部には、第1出力部51および第2出力部52の一部とは異なる回路を配置してもよい。例えば、第1測距部13aや第2測距部13bなど、制御部13の機能の一部を、遮光部材42の下部に電子回路として作り込んでもよい。
(Modification 5)
A circuit different from part of the first output unit 51 and the
(変形例6)
遮光部材42を、光を吸収する材料で構成してもよい。この場合、入射光は遮光部材42に吸収され、結果として、その下部の回路に到達しなくなる。
(Modification 6)
The
(変形例7)
上述した各実施の形態では、入射光をフォトダイオードにより光電変換する撮像素子について説明した。これを、例えば有機材料により形成された光電変換膜等で光電変換する撮像素子とすることも可能である。
(Modification 7)
In each of the above-described embodiments, the image sensor that photoelectrically converts incident light using a photodiode has been described. For example, an imaging element that performs photoelectric conversion using a photoelectric conversion film or the like formed of an organic material may be used.
なお、本実施の形態に係る撮像装置としては、上述したような撮像装置1に限定されない。例えばレンズ一体型のデジタルスチルカメラ、フィルムスチルカメラ、あるいはビデオカメラにも本実施の形態を適用することができる。さらには、携帯電話、スマートホン、タブレットPCなどの電子機器に内蔵される小型カメラモジュール、監視カメラやロボット用の視覚認識装置、車載カメラなどにも本実施の形態を適用できる。
Note that the imaging apparatus according to the present embodiment is not limited to the
本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。 As long as the characteristics of the present invention are not impaired, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and other forms conceivable within the scope of the technical idea of the present invention are also included in the scope of the present invention. .
1…撮像装置、10…光源部、11…光学系、12…撮像部、13…制御部、13a…第1測距部、13b…第2測距部、13c…測光部、13d…焦点調節部
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記第1画素で受光した前記第1の瞳領域の前記被写体の像と前記第2画素で受光した前記第2の瞳領域の前記被写体の像とのずれに基づいて前記被写体までの距離を測定する第1測距部と、
前記被写体に照射する光を発光する光源部と、
前記光のうち前記被写体で反射した光を受光した前記第1画素により出力された前記第1信号に基づき、前記光源部での発光から前記第1画素での受光までの時間を検出して被写体までの距離を測定する第2測距部と、
を備える電子機器。 A first pixel that receives light from a subject that has passed through the first pupil region of the optical system and outputs a first signal; and a subject that has passed through a second pupil region different from the first pupil region. A second pixel that receives the light and outputs a second signal; and
The distance to the subject is measured based on a deviation between the subject image in the first pupil region received by the first pixel and the subject image in the second pupil region received by the second pixel. A first ranging unit to
A light source unit that emits light to irradiate the subject;
Based on the first signal output by the first pixel that receives light reflected by the subject out of the light, the time from light emission at the light source unit to light reception at the first pixel is detected. A second distance measuring unit for measuring the distance to
Electronic equipment comprising.
前記撮像部は、第1時刻から第2時刻までの間に前記第1画素が受光した光に基づく前記第1信号を出力する第1出力部と、前記第2時刻から第3時刻までの間に前記第1画素が受光した光に基づく前記第1信号を出力する第2出力部とを有し、
前記第2測距部は、前記第1出力部から出力された前記第1信号と前記第2出力部から出力された前記第1信号とに基づき、前記光源部での発光から受光までの時間を検出する電子機器。 The electronic device according to claim 1,
The imaging unit includes a first output unit that outputs the first signal based on light received by the first pixel between a first time and a second time, and between the second time and a third time. And a second output unit that outputs the first signal based on the light received by the first pixel,
The second distance measuring unit is a time from light emission to light reception at the light source unit based on the first signal output from the first output unit and the first signal output from the second output unit. Detecting electronic equipment.
前記第2測距部は、前記第1出力部から出力された前記第1信号と前記第2出力部から出力された前記第1信号との信号量の差に基づき、前記光源部での発光から受光までの時間を検出する電子機器。 The electronic device according to claim 2,
The second distance measuring unit emits light from the light source unit based on a signal amount difference between the first signal output from the first output unit and the first signal output from the second output unit. An electronic device that detects the time from light to light reception.
前記被写体を測光する測光部と、
前記測光部により計測された光量が所定量以上の場合には、前記第1測距部による測定結果に基づき前記光学系の焦点調節を行い、前記測光部により計測された光量が前記所定量未満の場合には、前記第2測距部による測定結果に基づき前記光学系の焦点調節を行う焦点調節部と、を更に備える電子機器。 In the electronic device as described in any one of Claims 1-3,
A metering unit for metering the subject;
When the amount of light measured by the photometry unit is greater than or equal to a predetermined amount, the optical system is focused based on the measurement result of the first distance measurement unit, and the amount of light measured by the photometry unit is less than the predetermined amount In this case, an electronic apparatus further comprising: a focus adjusting unit that performs focus adjustment of the optical system based on a measurement result by the second distance measuring unit.
前記第1測距部による測定と前記第2測距部による測定とのうちの一方を選択可能である制御部をさらに備える電子機器。 In the electronic device as described in any one of Claims 1-3,
An electronic apparatus further comprising a control unit capable of selecting one of measurement by the first distance measurement unit and measurement by the second distance measurement unit.
前記被写体を測光する測光部をさらに備え、
前記制御部は、前記測光部により計測された光量に基づいて、前記第1測距部による測定と前記第2測距部による測定とのうちの一方を行う電子機器。 The electronic device according to claim 5,
A metering unit for metering the subject;
The said control part is an electronic device which performs one of the measurement by a said 1st ranging part and the measurement by a said 2nd ranging part based on the light quantity measured by the said photometry part.
前記制御部は、前記測光部により計測された光量が所定量以上の場合には、前記第1測距部による測定を行い、前記測光部により計測された光量が前記所定量未満の場合には、前記第2測距部による測定を行う電子機器。 The electronic device according to claim 6,
The control unit performs measurement by the first distance measuring unit when the light amount measured by the photometry unit is equal to or greater than a predetermined amount, and when the light amount measured by the photometry unit is less than the predetermined amount. Electronic equipment that performs measurement by the second distance measuring unit.
前記第1画素は、マイクロレンズと第1光電変換部とを有し、前記第2画素はマイクロレンズと第2光電変換部とを有する電子機器。 In the electronic device as described in any one of Claims 1-7,
The first pixel includes an electronic device including a microlens and a first photoelectric conversion unit, and the second pixel includes a microlens and a second photoelectric conversion unit.
前記第1画素は、前記第1の瞳領域とは異なる領域を通過した光を遮光する第1遮光部を有し、
前記第2画素は、前記第2の瞳領域とは異なる領域を通過した光を遮光する第2遮光部を有する電子機器。 The electronic device according to claim 8,
The first pixel has a first light shielding portion that shields light that has passed through an area different from the first pupil area,
The electronic device, wherein the second pixel includes a second light shielding unit that shields light that has passed through an area different from the second pupil area.
前記第1画素の前記第1遮光部により遮光される範囲には、前記第1および第2測距部と、前記第1および第2出力部と、の少なくとも一部が配置される電子機器。 The electronic device according to claim 9,
An electronic apparatus in which at least a part of the first and second distance measuring units and the first and second output units are arranged in a range shielded by the first light shielding unit of the first pixel.
前記第1画素は、マイクロレンズと第1光電変換部と第3光電変換部とを有し、前記第2画素はマイクロレンズと第2光電変換部と第4光電変換部とを有する電子機器。 In the electronic device as described in any one of Claims 1-7,
The first pixel includes an electronic device including a microlens, a first photoelectric conversion unit, and a third photoelectric conversion unit, and the second pixel includes a microlens, a second photoelectric conversion unit, and a fourth photoelectric conversion unit.
前記第1光電変換部と前記第4光電変換部とは前記光学系の第1の瞳領域を通過した被写体からの光を受光して第1信号をそれぞれ出力し、前記第2光電変換部と前記第3光電変換部とは前記光学系の第2の瞳領域を通過した被写体からの光を受光して第2信号をそれぞれ出力する電子機器。 The electronic device according to claim 11,
The first photoelectric conversion unit and the fourth photoelectric conversion unit receive light from a subject that has passed through the first pupil region of the optical system and output a first signal, respectively, and the second photoelectric conversion unit The third photoelectric conversion unit is an electronic device that receives light from a subject that has passed through the second pupil region of the optical system and outputs a second signal.
前記撮像部は、前記第1の瞳領域とも前記第2の瞳領域とも異なる第3の瞳領域を通過した光を受光して第3信号を出力する第3画素と、前記第1から第3の瞳領域のいずれとも異なる第4の瞳領域を通過した光を受光して第4信号を出力する第4画素と、を更に有し、
前記第1画素と前記第2画素とが並んで配置される方向は、前記第3画素と前記第4画素とが並んで配置される方向とは異なる電子機器。 In the electronic device as described in any one of Claims 1-12,
The imaging unit receives a light that has passed through a third pupil region that is different from the first pupil region and the second pupil region, and outputs a third signal, and the first to third pixels A fourth pixel that receives light that has passed through a fourth pupil region different from any of the pupil regions and outputs a fourth signal;
The direction in which the first pixel and the second pixel are arranged side by side is different from the direction in which the third pixel and the fourth pixel are arranged side by side.
前記第1画素で受光した前記第1の瞳領域の前記被写体の像と前記第2画素で受光した前記第2の瞳領域の前記被写体の像とのずれに基づいて前記撮像部から前記被写体までの距離を測定する第1測距部と、
前記被写体に照射する光を発光する光源部と、
前記光のうち前記被写体で反射した光を受光した受光部により出力された信号に基づき、前記光源部での発光から前記受光部での受光までの時間を検出して被写体までの距離を測定する第2測距部と、
前記第1測距部による測定と前記第2測距部による測定とのうちの一方を選択可能である制御部と
を備える電子機器。 A first pixel that receives light from a subject that has passed through the first pupil region of the optical system and outputs a first signal; and a subject that has passed through a second pupil region different from the first pupil region. A second pixel that receives the light and outputs a second signal; and
From the imaging unit to the subject based on a deviation between the subject image in the first pupil region received by the first pixel and the subject image in the second pupil region received by the second pixel A first ranging unit for measuring the distance of
A light source unit that emits light to irradiate the subject;
Based on the signal output by the light receiving unit that receives the light reflected by the subject out of the light, the time from the light emission at the light source unit to the light reception at the light receiving unit is detected and the distance to the subject is measured. A second ranging unit;
An electronic apparatus comprising: a control unit capable of selecting one of measurement by the first distance measurement unit and measurement by the second distance measurement unit.
前記被写体を測光する測光部をさらに備え、
前記制御部は、前記測光部により計測された光量に基づいて、前記第1測距部による測定と前記第2測距部による測定とのうちの一方を行う電子機器。 The electronic device according to claim 14,
A metering unit for metering the subject;
The said control part is an electronic device which performs one of the measurement by a said 1st ranging part and the measurement by a said 2nd ranging part based on the light quantity measured by the said photometry part.
前記制御部は、前記測光部により計測された光量が所定量以上の場合には、前記第1測距部による測定を行い、前記測光部により計測された光量が前記所定量未満の場合には、前記第2測距部による測定を行う電子機器。 The electronic device according to claim 15,
The control unit performs measurement by the first distance measuring unit when the light amount measured by the photometry unit is equal to or greater than a predetermined amount, and when the light amount measured by the photometry unit is less than the predetermined amount. Electronic equipment that performs measurement by the second distance measuring unit.
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