JP2018169162A - 固体撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】測定可能距離レンジが広く、強い背景光の環境下においても距離測定が可能な固体撮像装置を小面積で実現する。
【解決手段】固体撮像装置１０は、二次元的に配列された複数の画素を有している。各画素１００は、所定の露光時間内に前記受光素子に到達した入射光を検知する受光回路１１０と、受光回路１１０からの受光信号に基づいて入射光の到達回数を計数するカウンタ回路１２０と、カウンタ回路１２０のカウント値に応じた比較信号を出力する比較回路１３０と、比較回路１３０からの比較信号がオン状態のとき、時間信号を距離信号として記憶する記憶回路１４０とを備え、受光回路１１０、カウンタ回路１２０、比較回路１３０及び記憶回路１４０に使用されるトランジスタがすべて同じ導電型である。
【選択図】図３

Description

本発明は、距離情報の取得が可能に構成された固体撮像装置に関するものである。
従来、固体撮像装置は、画像を高感度、高精細に撮像することに注力されてきたが、それに加えて固体撮像装置からの距離情報も取得できる機能を併せ持つものも近年登場してきた。画像に距離情報が加われば固体撮像装置の撮影対象の３次元的な情報が感知できることになる。例えば、人物を撮影すれば、しぐさ（ジェスチャー）を３次元的に検知できるので、様々な機器の入力装置として使用できる。さらに例示すると、自動車に搭載すれば自車の周囲に存在する物体・人物との距離を認識できるので衝突防止や自動運転などに応用できる。
固体撮像装置から物体までの距離測定に使用される数々の方法の中に、光を固体撮像装置付近から物体に向けて照射されてから、物体により反射し固体撮像装置に帰還するまでの時間を測定するＴＯＦ（Time Of Flight）法がある。複眼方式などの他の方法と比較すれば、固体撮像装置の他に光源が必要になることが短所である。一方、光源を強くすれば、遠方の物体までの距離を高分解能で測定できることが長所である。固体撮像装置にＴＯＦ法を適用して３次元的な情報を得る方法としては、例えば特許文献１に掲載された技術がある。
特許文献１では、投射光（光パルス信号）が物体で反射した光と、投射光をＯＦＦにした状態で得られた背景光との差分を求め、複数のトランスファーゲートによる上記差分の位相差を用いて３次元的な情報を得ている。以下の説明において、このような方法をパルス位相法と呼ぶことにする。
特開２００４−２９４４２０号公報
しかしながら、パルス位相法に、以下の問題点があることを発明者らは気づいた。
第１の問題点として、パルス位相法は、ダイナミックレンジが小さいということがある。言い換えると、パルス位相法は、測定可能な距離のレンジが小さい。受信光の強度は、物体までの距離の二乗に比例する。例えば、距離１ｍの物体からの受信光と、それと同じ物体で距離１００ｍの場合の受信光との強度比は１００００：１になる。ところが、固体撮像装置の単一画素の飽和電子数は通常１００００程度なので、距離１００ｍが検知可能な光学条件に設定した場合、距離１ｍの物体からの受信光は飽和してしまい、パルスの位相情報が失われることになる。背景光が強い場合、さらに飽和しやすくなる。
第２の問題点として、パルス位相法は、強い背景光に対する耐性が低いということがある。以下、具体的に説明する。例えば、特許文献１の図４に記載された駆動シーケンスにおいて、投射光のパルス幅は、距離測定レンジに応じて決定される。例えば、距離測定レンジが１００ｍの場合であれば、投射光のパルス幅として６６７ナノ秒が必要であり、これを小さくすることはできない。一方、背景光成分の信号は投射光のパルス幅に比例して増加し、そのノイズである光ショットノイズは背景光成分の平方根に比例する。したがって、物体で反射した光信号に対して背景光成分の信号がほぼ等しくなる場合がある。この場合、上記光ショットノイズが極めて大きくなり、十分な精度をもって距離を測定できない。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、測定可能距離レンジが広く、かつ、強い背景光の環境下においても距離測定が可能な固体撮像装置を小面積で実現することにある。
本発明の一態様に係る固体撮像装置は、複数の画素が二次元的に配列された固体撮像装置であって、前記各画素は、受光素子を有し、所定の露光時間内に前記受光素子に到達した入射光の有無に応じて変化する受光信号を出力する受光回路と、前記受光信号に基づいて入射光の到達回数を計数し、カウント値として出力するカウンタ回路と、閾値設定信号を受け、当該閾値設定信号に基づいて前記カウント値に応じた閾値を設定するとともに、前記カウント値が当該閾値よりも大きい場合にオン状態となる比較信号を出力する比較回路と、前記比較回路及び前記カウンタ回路による距離測定期間に対応する時間信号を受け、前記比較信号がオン状態のとき、当該時間信号を距離信号として記憶する記憶回路とを備え、前記受光回路、前記カウンタ回路、前記比較回路及び前記記憶回路に使用されるトランジスタがすべて同じ導電型であることを特徴とする。
この構成によれば、測定可能距離レンジが広く、かつ、強い背景光の環境下においても距離測定が可能な固体撮像装置を実現することができる。また、受光回路、カウンタ回路、比較回路及び記憶回路に使用されるトランジスタがすべて第１導電型であるため、第１導電型と異なる導電型のトランジスタのためのウェルを形成する必要がなくなり、画素の回路面積を小さくすることができる。
本発明に係る固体撮像装置によれば、測定可能距離レンジが広く、かつ、強い背景光の環境下においても距離測定ができる。また、そのような固体撮像装置を小面積で実現することができる。
固体撮像装置の構成例を示す概略図である。 第1の実施形態に係る画素の構成例を示すブロック図である。 第1の実施形態に係る画素の構成例を示す回路図である。 固体撮像装置の１フレーム期間に含まれる動作期間を示す図である。 背景光検知期間の動作シーケンスについて説明するための図である。 距離測定期間の動作シーケンスについて説明するための図である。 第２の実施形態に係る画素の構成例を示すブロック図である。 第２の実施形態に係る画素の構成例を示す回路図である。 距離測定期間の動作シーケンスについて説明するための図である。 光照射期間の動作シーケンスについて説明するための図である。
以下、本実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。例えば、具体的なブロック構成や回路構成を開示し、それを参照しながら説明するが、開示した構成はあくまでも一例であり、これに限られるわけではない。
＜第１の実施形態＞
−固体撮像装置の構成−
図１は、本実施の形態にかかる固体撮像装置を含む距離測定装置の構成を示す概略図である。図１に示すように、距離測定装置１は、固体撮像装置１０と、信号処理装置２０と、計算機３０と、光源４０とを備えている。
固体撮像装置１０は、画素領域１２と、垂直シフトレジスタ１３と、画素駆動回路１４と、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling）回路１５と、水平シフトレジスタ１６と、出力回路１７とを備えている。
画素領域１２には、図２および図３に示す画素１００が二次元的に配列されている。
垂直シフトレジスタ１３は、画素領域１２内のある特定の行の画素１００を選択する。この機能は主に、ある特定の画素１００から、その画素で取得された距離信号を順に出力するために使用される。
画素駆動回路１４は、全ての画素１００を同時に制御するために使用される。
ＣＤＳ回路１５は、画素１００からの出力である距離信号に含まれるオフセット成分を除去するための回路である。なお、このオフセット成分は、各画素１００で異なる値となる場合がある。
水平シフトレジスタ１６は、画素１００からの出力のうちで外部に取り出すものを列方向に、順に選択するための回路である。
出力回路１７は、垂直シフトレジスタ１３および水平シフトレジスタ１６によって選択された画素１００から出力された距離信号を出力する。なお、垂直シフトレジスタ１３および水平シフトレジスタ１６が、出力する信号を必要に応じて増幅するようにしてもよい。なお、本実施形態では、固体撮像装置１０が４つの出力回路１７を搭載している例を示しているが、これに限定されない。例えば、固体撮像装置１０の出力回路１７の数が、３つ以下または５つ以上であってもよい。
信号処理装置２０は、アナログフロントエンド２１と、ロジック・メモリ２２とを備えている。
アナログフロントエンド２１は、固体撮像装置１０の出力回路１７から出力された信号であるアナログ出力信号をデジタル出力信号に変換する。また、必要に応じて出力信号の順序を入れ替えて、ロジック・メモリ２２に出力する。なお、出力回路１７からの出力信号がデジタル信号である場合には、ＡＤ変換の機能は不要である。その場合、アナログフロントエンド２１は、信号処理装置２０から省いてもよいが、出力信号の順序を入れ替える機能が必要な場合には必要である。信号処理装置２０から出力された距離信号は、計算機３０に入力される。
計算機３０は、例えばコンピュータであり、信号処理装置２０から受けた距離信号に基づいて、固体撮像装置１０の周囲の三次元情報を構成する。
光源４０は、三次元情報を得たい箇所に光を投射する。光源４０には、必要に応じて光を拡散することにより三次元情報を得たい箇所全体に光を照射する機構が内蔵されている。光源４０からは、時間方向にパルス状の光（以下、単にパルス光という）が出力される。パルス光の出力時刻や幅は、信号処理装置２０によって制御される。また、信号処理装置２０は、光源４０の制御と同期させて固体撮像装置１０を制御する。固体撮像装置１０は、信号処理装置２０からの制御信号にしたがって、画素駆動回路１４等を介して自機に搭載されている画素１００を制御する。
−画素の構成−
図２は、本実施形態にかかる固体撮像装置１０に搭載する画素１００の構成を示すブロック図であり、図３は、同回路図である。なお、以下に説明する各種の信号について、“ＯＮ”とはトランジスタをオン制御する信号（ここではハイレベルの信号）のことをいい、“ＯＦＦ”とはトランジスタをオフ制御する信号（ここではローレベルの信号）であることをいう。また、“ＯＮする”とはハイレベルの電圧値の信号を印加することをいい、“ＯＦＦする”とはローレベルの電圧値の信号を印加することをいう。
図２に示すように、各画素１００は、入射光を受ける受光回路１１０と、カウンタ回路１２０と、比較回路１３０と、記憶回路１４０との４つのブロックによって構成されている。以下、４つのブロックのそれぞれについて、図３を参照しながら具体的な構成および機能を説明する。なお、ここで説明する具体的な構成は、一例を示したものであり、画素１００の構成は、ここに記載したものに限定されない。例えば、同じような機能を有する他の構成であっても、本実施形態と同様の作用効果が得られる。
受光回路１１０は、所定の露光時間内に受光素子１１１に到達した入射光の有無に応じて変化する受光信号をカウンタ回路に出力する機能を有する。具体的には、受光回路１１０は、受光素子１１１と、第１導電型としてのN型のトランスファゲートトランジスタ１１２と、N型のリセットトランジスタ１１４とを有している。受光素子１１１は、例えばフォトダイオードである。そして、受光素子１１１とトランスファゲートトランジスタ１１２とが直列接続されて１組の受光部１１３を構成しており、複数の受光部１１３がグランドと受光回路１１０の出力との間に並列接続されている。リセットトランジスタ１１４は、ソースが受光回路１１０の出力を介して、カウンタ回路１２０の入力に接続されている。また、リセットトランジスタ１１４のドレインは、電源に接続され、ゲートにはハイアクティブのリセット信号ＲＳＴが与えられている。また、各トランスファゲートトランジスタ１１２のゲート端子には、露光信号ＴＲＮが与えられている。
なお、受光回路１１０から出力される受光信号は、入射光の有無に応じて変化する２値化された信号であることが望ましく、以下の説明では受光信号が２値であるものとして説明する。ただし、受光信号は、入射光の強弱に応じて変化するような信号であってもよい。この場合、例えば、回路的に定めた所定の閾値に対する大小で２値として扱えばよい。さらに、受光回路１１０は、画素駆動回路１４から出力された露光信号に応じて、光電変換を行う時間を任意に設定することができる。なお、受光素子１１１が入射光を受光した場合を“受光信号がある”と呼ぶ一方で、受光していない場合を“受光信号がない”と呼ぶことにする。なお、受光回路１１０は、リセット機能が付加されていない構成、すなわち、リセットトランジスタ１１４が設けられていない構成であってもよい。この場合、具体的な図示は省略するが、受光回路１１０には、受光信号を出力すると同時もしくは十分短い時間内に、回路内の電気信号をリセットする機能が付加されているのが望ましい。
カウンタ回路１２０は、受光回路の出力とグランドとの間に接続された電荷蓄積コンデンサ１２１と、入出力間に設けられたカウンタトランジスタ１２２と、カウンタトランジスタ１２２の出力ノードとカウンタ容量制御端子１２３との間に接続されたカウンタ容量１２４とを有している。カウンタ回路１２０は、受光回路１１０から入力される受光信号に基づいて入射光の到達回数を計数し、カウント値として出力する機能を有する。具体的には、画素駆動回路１４から出力されたカウント信号ＣＮＴがＯＮの期間、カウンタトランジスタ１２２がオン制御され、カウンタ回路１２０は受光回路１１０からの受光信号を検知する。そして、受光信号がある場合、カウント値を１つ増加させるように構成されている。すなわち、カウンタ回路１２０は、受光回路１１０への反射光の到達回数をカウントする。さらに、具体的な図示は省略するが、カウンタ回路１２０には、カウント値をリセットする機能が付加されていてもよい。カウンタ回路１２０のリセットは、画素駆動回路１４から出力されたリセット信号（図２参照）にしたがって実行される。
比較回路１３０は、直流カットコンデンサ１３１を介してカウンタ回路の出力がゲートに接続された入力トランジスタ１３２と、クランプトランジスタ１３３と、反転トランジスタ１３４と、閾値設定トランジスタ１３５とを備えている。入力トランジスタ１３２、クランプトランジスタ１３３、反転トランジスタ１３４及び閾値設定トランジスタ１３５は、すべてＮ型のトランジスタである。
反転トランジスタ１３４及び入力トランジスタ１３２は、電源と出力許可信号ＣＳＥＴが入力される許可信号入力端子１３６との間に直列接続されている。反転トランジスタ１３４のゲートには、反転制御信号ＣＭＰが与えられている。クランプトランジスタ１３３は、所定のクランプ電位が与えられたクランプ端子１３７と入力トランジスタ１３２のゲートとの間に設けられ、そのゲートには、クランプ信号ＣＬＰが与えられている。クランプ電圧は、例えば、入力トランジスタ１３２の閾値電圧よりも高い電圧に設定されている。また、反転トランジスタ１３４と入力トランジスタ１３２との間の中間ノードが、閾値設定トランジスタ１３５を介して記憶回路１４０の入力に接続されている。そして閾値設定トランジスタ１３５のゲートには、出力制御信号ＭＥＭが与えられている。出力制御信号ＭＥＭは、画素駆動回路１４から与えられる信号である。このような回路構成にすることにより、カウンタ回路１２０から出力されたカウント値が所定の閾値よりも大きいか否かを判定する比較機能をＮ型トランジスタのみで実現している。
さらに、比較回路１３０は、画素駆動回路１４から出力された閾値設定信号（図２参照）がＯＮのとき、カウンタ回路から入力されたカウント値に応じた閾値を設定することができるように構成されていてもよい。そして、設定された閾値に対し、入力されるカウント値が大きい場合、比較回路１３０からの出力信号である比較信号をＯＮさせる機能を有している。なお、比較回路１３０には、出力許可信号が入力されていてもよい。この場合、出力許可信号がＯＮの場合のみ、比較信号をＯＮ出力するように構成される。
記憶回路１４０は、Ｎ型の距離信号スイッチトランジスタ１４１と、距離記憶コンデンサ１４２と、Ｎ型の距離選択トランジスタ１４３とを有している。具体的には、距離信号スイッチトランジスタ１４１は、ドレインが、ＴＰ端子に接続され、ソースが距離記憶コンデンサ１４２を介してグランドに接続されている。ＴＰ端子には、画素駆動回路１４から出力された時間信号が与えられる。時間信号は、例えば、第ｋ距離測定期間（ｋは任意の自然数）に対して、kに１対１対応する電圧となるよう設定されている。また、距離信号スイッチトランジスタ１４１のゲートには、比較回路１３０から出力された比較信号が与えられている。これにより、比較信号がＯＮしたとき、このタイミングでの時間信号の値が距離記憶コンデンサ１４２に記憶される。
距離選択トランジスタ１４３は、記憶回路１４０の出力ノード（距離信号スイッチトランジスタ１４１と距離記憶コンデンサ１４２の間のノード）と、受光回路１１０の出力との間に設けられている。また、距離選択トランジスタ１４３のゲートには、画素駆動回路１４から出力された出力制御信号ＤＩＳが与えられている。これにより、記憶回路１４０は、距離選択トランジスタ１４３がＯＮしたとき、距離記憶コンデンサ１４２に記憶された時間信号を、距離信号として出力する。また、距離選択トランジスタ１４３の受光回路１１０側には、受光記憶コンデンサ１１５が接続されている。
−固体撮像装置の動作−
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の動作について、具体的に説明する。図４は、固体撮像装置１０の１フレーム期間に含まれる動作期間を示す図である。
図４に示すように、１フレーム期間は、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間に分けられる。固体撮像装置１０は、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間をこの順に繰り返す動作を行う。
図５は、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０の背景光検知期間の動作シーケンスについて説明するための図である。図６は、本実施の形態にかかる固体撮像装置１０の距離測定期間の動作シーケンスについて説明するための図である。
図５に示すように、背景光検知期間では、まず、固体撮像装置１０において、光源４０の出力をＯＦＦのままとする。この状態で、図２に示した画素１００内の受光回路１１０で入射光を検知する。このとき、受光回路１１０には、周囲の環境下に存在する背景光（典型的には、昼間の屋外の場合は太陽光）が撮影対象の物体（測定対象物）で反射し、その反射光が受光回路１１０に入射することになる。受光回路１１０に併せて設置した回路（図示省略）により、光電変換を行う時間（露光時間）をａ秒に設定し、この背景光を受光する。このａ秒間に光が画素まで到達した場合、受光回路１１０により、“受光信号がある”、の状態に設定される。このあと、カウント信号をＯＮする。このとき、受光信号がある場合は、カウント値が１つ増加する。
その後、受光回路１１０のリセット信号をＯＮし、受光回路１１０の内部の電気信号および受光信号をリセットする。この一連の行程をｂ回（ｂは任意の自然数）繰り返す。すなわち、カウンタ回路１２０では、上記ｂ回の露光のうち、何回光が到達したかを計数し、記憶することになる。ここでは、光がｃ回到達したとする。ただし、上記ａが十分小さいか、入射光が十分小さく、入射光が光子数個に分解でき、断続的に入射するとみなせることを前提としている。通常は、ａが数１０ナノ（秒）以下であれば、この前提は十分成立する。
次に、比較回路１３０に対し、閾値設定信号をＯＮし、カウンタ回路１２０の出力値であるｃ回に応じた閾値を設定する。閾値は、カウンタ回路１２０の出力値であるｃそのものでもよいが、ここではｄ＝ｃ＋ｅ（ｅは任意の正の値）に設定する。
次に、距離測定期間の動作を行う。ここでは、距離測定レンジとして、固体撮像装置１０の至近距離からＲメートルまでの範囲にある物体を検出するものとする。また、その分解能はＲ／Ｎメートル（Ｎは１以上の整数）とする。これを実現するため、図６に示すように、距離測定期間では以下のような行程とする。
まず、図６に示すように、距離測定期間をＮ個の期間にさらに分ける。分けられたそれぞれの区間は、０〜Ｒ／Ｎメートルを検知する期間１、Ｒ／Ｎ〜２Ｒ／Ｎメートルを検知する期間２、・・・、（α―１）Ｒ／Ｎ〜αＲ／Ｎメートルを検知する期間α（αは１以上Ｎ以下の整数）、・・・、（Ｎ−１）Ｒ／Ｎ〜Ｒメートルを検知する期間Ｎとする。なお、距離測定期間の分け方はこの通りに限られるものでない。例えば、距離測定期間の分け方が、不等ピッチ、すなわち、各距離測定期間のうちの少なくとも一部の期間が、他の期間と異なるように設定されていてもよい。ただし、説明の便宜上、ここでは上記のように、Ｎ個の等ピッチ期間に分けたものとして説明する。
次に、期間α内での動作について説明する。まず、カウンタ回路１２０のリセット信号をＯＮし、カウント値をリセットする。また、記憶回路１４０に入力する時間信号をαに設定する。記憶回路１４０に入力する時間信号の値は任意に設定することが可能であり、期間１〜期間Ｎで互いに異なっていればよい。さらに、連続的に変化してもよい。なお、説明の便宜上、図６では、時間信号が期間α内で一定値となるものとして説明している。
さらに、光源４０を制御し、ａ秒間の幅を持った光パルスを投射する。この光がもし、期間αで測定する距離に対応した物体、すなわち（α―１）Ｒ／Ｎ〜αＲ／Ｎメートル先にある物体に反射して固体撮像装置１０内のある画素に入射する場合、物体で反射した光パルス（以下、受信光ともいう）は、光源から発射した光パルス（以下、投射光ともいう）が発射した時刻に対して、
Figure 2018169162
 だけ遅れて固体撮像装置１０に到達する。ここで、Ｖは光速である。したがって、受光回路１１０の露光信号ＴＲＮにより、露光をこの時刻に開始しａ秒間だけ露光するように設定すれば、この距離範囲内にある物体からの受信光を検知することができる。このあと、カウンタ回路１２０において、カウント信号ＣＮＴにより受信光を検知した回数、すなわち光の到達回数のカウントを行う。その後、受光回路１１０のリセット信号によりリセットする。
上述した手順で露光をｂ回繰り返し、カウンタ回路１２０で光の到達回数を計数する。もし、期間αに対応する距離範囲内に物体が存在しなければ、計数の期待値は、背景光成分であるｃ回であり、閾値ｄより小さいので、後段の比較回路１３０の動作は変化しない。一方で、期間αに対応する距離範囲内に物体が存在する場合、計数の期待値はｃ回を上回る値であるｆ回となる。すなわち、受信光強度が十分大きい場合、
Figure 2018169162
 を満たす。
その後、比較回路１３０の出力許可信号をＯＮする。上記の式２が満たされている場合は、比較信号がＯＮし、時間信号が距離信号として記憶される。一方で、式２が満たされない場合は、記憶されている距離信号（あるいは初期値の場合もありえる）は変化しない。
その後、期間（α＋１）が続き、期間Ｎで距離測定期間が終了する。このとき、各画素の記憶回路１４０には、各画素が撮影する物体までの距離に対応した信号、すなわち距離信号が記憶されている。
最後に、距離信号出力期間に、各画素１００に記憶された距離信号を出力する。図１に示した距離測定装置１内の固体撮像装置１０の場合は、垂直シフトレジスタ１３および水平シフトレジスタ１６により、順に画素を選択し、距離信号を出力する。この距離信号を信号処理装置２０などで処理することにより、三次元的な情報（すなわち距離画像）が得られる。以下、この距離画像を得るための固体撮像装置１０からの信号を単に距離画像と呼ぶこともある。
ここまでは、背景光検知期間の露光時間と距離測定期間の露光時間は同じ、また背景光検知期間の光パルス数と距離測定期間の光パルス数も同じとしたが、これに限られるものではない。ただし、異ならせる場合は、式２の成立要件が異ならせた値に応じて変形することになる。
さらに、各期間の光パルスの発射時刻に対する露光信号の遅れ時間もこれに限られるものではなく、様々なバリエーションが容易に考えられる。
次に、先行技術文献で使用されているパルス位相法よりも、本実施形態にかかる固体撮像装置１０による距離測定のほうが、距離の測定ダイナミックレンジが広い理由を説明する。
パルス位相法の場合、簡単化して考えると、受信光の強度変化によって距離を測定する方式であるので、画素の飽和レベルを超えた場合には測定不能となる。ところで、受信光強度は物体までの距離の二乗に反比例し、また物体の反射率に比例する。例えば、最大測定距離を１００メートル、測定対象の物体の反射率が１０％〜１００％であるとする。このとき、１メートルの距離にある反射率１００％の物体からの受信光強度と、１００メートルの距離にある反射率１０％の物体からの受信光強度の比は１０００００：１に達する。一方、一般的な固体撮像装置の単一画素の飽和電子数は１００００程度であるので、上記２つを同時に測定できないことを意味している。
一方、固体撮像装置１０による距離測定の場合、測定可能か否かは式２が成立するほど受信光強度が大きいことだけが条件であり、物体までの距離と反射率による受信光強度の変化にはまったく左右されない。したがって、固体撮像装置１０による距離測定のほうが、パルス位相法よりも距離ダイナミックレンジが大きいといえる。
以下において、固体撮像装置１０による距離測定のほうが、パルス位相法よりも背景光強度に対する耐性がよい理由を説明する。測定条件として、上述のように至近距離からＲメートルまでの範囲にある物体を検出することにする。また測定精度はＲ／Ｎメートルを確保するものとする。
このとき、背景光の影響を最も受けるのは、最遠距離、すなわちＲメートル先の物体を測定する場合である。なぜなら、背景光の物体からの反射光強度は、物体までの距離によらないのに対し、光源からの受信光は距離の２乗に反比例するからである。すなわち、受信光におけるＳＮ比は、距離が遠いほど小さくなる。
以下、測定可能である受信光の条件を計算する。以下、エネルギーの単位は光子数であるとする。計算の仮定として、ノイズ成分は、背景光のショットノイズが支配的であるとし、受信光のショットノイズはそれに対し十分小さく無視できるとする。
単一画素への受信光の単位時間当たりの入射ピーク光子数をＳとする（入射ピークパワーを光子数換算した値である）。Ｓは、光源のエネルギーおよび物体の反射率、距離で決定される。この受信光と同時に、背景光が物体に反射することによる成分が重畳する。背景光による入射光成分の単位時間当たりの光子数をＢとする。パルス位相法の場合、パルス幅を
Figure 2018169162
 にしなければならないから、パルス数をＭとすると、単一画素への受信光の合計エネルギーＴは、
Figure 2018169162
 となる。一方、背景光の成分の合計エネルギーは、
Figure 2018169162
 となるが、これに光ショットノイズ
Figure 2018169162
 が重畳している。測定される受信光エネルギーＴを用いて、精度Ｒ／Ｎメートルを算出するための必要条件は、ＴがＴ／Ｎ以下の精度を持って測定できることである。すなわち、
Figure 2018169162
 が条件である。
それに対して、かかる固体撮像装置１０による距離測定に対する式７に対応する式を以下導出する。まず、単一の光パルスの幅およびそれを検知するための露光時間は、期間一つに対応する距離範囲の２倍を光速で通過する時間、すなわち、
Figure 2018169162
 以下であればよい。ここでは、単一の光パルスの幅およびそれを検知するための露光時間は、式８に等しいとする。また、期間一つに単一画素に入射する受信光の合計エネルギーは、
Figure 2018169162
 となる。ただし、ここでは期間ごとのパルス数とピークエネルギーは等しいと仮定した。これと同時に、入射する背景光による光エネルギーは、
Figure 2018169162
 であり、
この光の光ショットノイズは、
Figure 2018169162
 である。
したがって、閾値ｄは、式１０と式１１の合計よりも大きいことが必要となる。加えて、受信光が到達しない期間において到達したと誤って判定することを避けるためには、閾値ｄをさらに大きくするのが望ましい。なお、統計理論によれば、式１１の光ショットノイズが、式１１のγ倍よりも大きくなる確率は、γ=１のとき１６％、γ＝２のとき２．５％、γ＝３のとき０．１５％である。この確率が１／Ｎよりも小さければ、上記誤判定は生じない。例えばＮ＝１００の場合、γ＝３であればよい。すなわち、閾値ｄは、
Figure 2018169162
 であるから、誤判定を生じずに測定するための必要条件は、
Figure 2018169162
 である。
簡単のために、固体撮像装置１０による距離測定において、総パルス数をパルス位相法による測定の場合と一致させる場合を考える。すなわち、固体撮像装置１０による距離測定において、パルス位相法のパルス数Ｍ、測定期間数Ｎ、各測定期間内でのパルス数ｂが、Ｍ＝Ｎｂを満たす場合を考えると、式１３は、
Figure 2018169162
 となる。式１４と式７とを比較すると、少なくともＮ＞γの場合には、かかる固体撮像装置１０による距離測定方法の方が、パルス位相法よりも小さい光源エネルギーで測定を行うことができる、すなわち、背景光に対する耐性が高いことがわかる。ジェスチャー認識、自動車に搭載して障害物検知を行うなどの場合に、固体撮像装置１０による距離測定を用いるのであれば、Ｎ＞１００は少なくとも要求されるため、実質的にパルス位相法よりも小さい光源エネルギーでよいことが分かる。
次に、以下において、背景光成分が小さい場合でも、測距精度が高い理由を説明する。ここではノイズの主成分が受信光成分の光ショットノイズであるとし、他のノイズは無視できるとする。
パルス位相法の場合、受信光成分の光ショットノイズ成分は、大略光エネルギーＴに対する光ショットノイズに等しいと考えて、
Figure 2018169162
 である。精度Ｒ／Ｎメートルを算出するための必要条件は、ＴがＴ／Ｎ以下の精度を持って測定できることである。すなわち、
Figure 2018169162
 である。
固体撮像装置１０による距離計測の場合、簡単のため、Ｍ＝Ｎｂを満たすとすると、単一の測定期間内の受信光子数は、
Figure 2018169162
 である。精度Ｒ／Ｎメートルを得るための必要条件は、単一の測定期間内の受信光エネルギーが１光子以上であることである。すなわち、
Figure 2018169162
 である。式１６と式１８を比較すれば、Ｎ＞１の場合について、パルス位相法よりもかかる固体撮像装置１０による距離測定の方が、小さい光エネルギーで行うことができることがわかる。逆に言うと、同一光エネルギーならば、かかる固体撮像装置１０による距離測定の方が、高い測距精度が得られるといえる。
以上のように、本実施形態にかかる固体撮像装置１０によると、測定可能距離レンジが広く、強い背景光の環境下においても距離測定が可能である。
また、図３に示すように、本実施形態では、画素１００を構成する受光回路１１０、カウンタ回路１２０、比較回路１３０及び記憶回路１４０に使用されるトランジスタが、全てＮ型のトランジスタで構成されている。このように、画素１００にＰ型のトランジスタが含まれないようにすることで、Ｐ型チャネルトランジスタを形成するためのＮ型ウェル領域を形成する必要がなくなり、画素面積を小さくすることができる。なお、具体的な図示は省略するが、受光回路１１０、カウンタ回路１２０、比較回路１３０及び記憶回路１４０に使用されるトランジスタを、全てＰ型のトランジスタで構成することも可能であり、同様の効果を得ることができる。
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態の構成は、高い測距精度が得られるものであるが、物体から反射した受信光および背景光が非常に微弱な場合には、カウンタ回路にて計数する回数が多くなる場合がある。具体的に、物体から反射した受信光および背景光が非常に微弱な場合とは、露光回数ｂに対する、背景光到達回数ｃおよび投射光到達回数ｆが、以下の条件を満たす場合を指す。
Figure 2018169162
そこで、本実施形態では、図７および図８に示すように、第１の実施形態の構成に加えて、スパース光検出回路をさらに備えている。ここで、「スパース光」は、光の最小単位である光子が到達することがスパース、すなわち「疎」であることを意味して、このように呼んでいる。
以下において、第２の実施形態に係る画素およびその駆動方法について具体的に説明する。なお、以下の説明では、第１の実施形態との相違点を中心に説明するものとし、共通する部分や重複する部分について、その説明を省略する場合がある。例えば、距離測定装置１および固体撮像装置の全体的な構成は、第１の実施形態と共通であり、ここではその詳細な説明を省略する。
−スパース光検出回路の概要−
まず、スパース光検出回路１５０の構成および機能の概要について説明する。
スパース光検出回路１５０は、その内部に１つの内部記憶回路１５１を備えており、その内部記憶回路１５１の状態を“Ｈ”（Ｈｉｇｈレベル）または“Ｌ”（Ｌｏｗレベル）にできるように構成されている。そして、受光回路１１０からの受光信号により、受光があった場合、内部記憶回路１５１の状態を“Ｈ”に変化させる。一方、受光がない場合は、内部記憶回路１５１の状態を変化させない。これにより、複数回の露光を繰り返し実施することで、そのうち一度でも受光があった場合に、内部記憶回路１５１が“Ｈ”に変化するようになっている。この状態を、濃縮化信号として後段のカウンタ回路１２０に出力するようにする。その出力後、スパース光リセット信号ＣＲＳにより、内部記憶回路１５１の状態を“Ｌ”に戻すようにする。ここまでの工程を１回として、この工程をｂ回（ｂは任意の自然数）繰り返すことにより、物体から反射した受信光および背景光が非常に微弱な場合でも、第１の実施形態と同様の距離測定が可能となる。換言すると、この“Ｈ”に変化する確率が高められた濃縮化信号を用いて、背景光到達回数ｃおよび受信光到達回数ｆを計数することにより、物体から反射した受信光および背景光が非常に微弱な場合においても、計数回数が増加することなく、第１の実施形態と同様の距離測定が可能となる。
−画素の構成−
以下において、図８を参照しながら具体的に説明する。なお、受光回路１１０、カウンタ回路１２０、比較回路１３０および記憶回路１４０の４つのブロックは、第１の実施形態と共通の構成要素であり、その詳細な説明を省略する場合がある。
スパース光検出回路１５０は、入出力間に並列接続されたスパース光リセットトランジスタ１５２およびスパース光記憶トランジスタ１５３と、スパース光検出回路１５０の出力ノードとグランドとの間に設けられたスパース光記憶コンデンサ１５４と、増幅トランジスタ１５５と、行選択トランジスタ１５６とを備えている。
スパース光リセットトランジスタ１５２のゲートには、画素駆動回路１４から出力されたリセット信号ＣＲＳが与えられている。スパース光記憶トランジスタ１５３のゲートは、スパース光検出回路１５０の出力ノードに接続されている。すなわち、スパース光記憶トランジスタ１５３は、スパース光検出回路１５０の入出力間にダイオード接続されたトランジスタである。増幅トランジスタ１５５および行選択トランジスタ１５６は、電源とＣＤＳ回路の入力端子（図示省略）との間に直列接続されている。
ここで、スパース光リセットトランジスタ１５２、スパース光記憶トランジスタ１５３、増幅トランジスタ１５５および行選択トランジスタ１５６は、すべてＮ型のトランジスタである。すなわち、本実施形態においても、画素を構成する受光回路１１０、スパース光検出回路１５０、カウンタ回路１２０、比較回路１３０及び記憶回路１４０に使用されるトランジスタが、全てＮ型のトランジスタで構成されている。これにより、Ｎ型ウェル領域を形成する必要がなくなり、画素面積を小さくすることができる。
−固体撮像装置の動作−
次に、本実施形態に係る固体撮像装置の動作について、具体的に説明する。ここで、背景光の強度は光源から投射される投射光に対して十分小さいとする。この場合、背景光の検出カウント数ｃは実質的に“０”であり、背景光検知期間を省略することができる。
ここで、第１の実施形態と同様に、１フレーム期間は、図４に示すように、背景光検知期間、距離測定期間および距離信号出力期間に分けられる。なお、背景光検知期間および距離信号出力期間の動作は、第１の実施形態と共通であり、ここでは、その詳細な説明を省略する。
以下において、本実施形態に係る距離測定期間の動作について具体的に説明する。図9は、本実施形態に係る距離測定期間の動作シーケンスについて説明するための図である。また、図１０は、本実施形態に係る受光回路の駆動シーケンスおよび光照射期間の動作シーケンスについて説明するための図である。
まず、図９に示すように、図４に示されている距離測定期間をＮ個の期間にさらに分ける。Ｎ個の期間のうちの、第ｋ番目（ただし、１≦ｋ≦Ｎ）の距離測定期間（以下、第ｋ距離測定期間ともいう）は、リセット・閾値設定期間、光照射期間、閾値越え検出・記憶期間の３つの期間にさらに細分される。図９では、スパース光検出回路部、カウンタ回路部および比較回路部の駆動シーケンスをまとめて示している。
（リセット・閾値設定期間）
最初のリセット・閾値設定期間について、図１０を参照しつつ、受光回路の駆動シーケンスを説明する。図１０には、放射光のタイミングも合わせて示してある。
まず、リセット信号ＲＳＴによりリセットトランジスタ１１４をＯＮして、受光記憶コンデンサ１１５の電荷をリセットする。その後、光源４０から発光パルスを測定物体物に向けて投射する。投射された発光パルスは、測定対象物に反射し、反射光が固体撮像装置１０側に帰還してくる。その反射光の遅れ時間が、第ｋ距離測定期間で設定した遅れ時間αｋと略一致すれば、測定対象物は、第ｋ距離測定期間で測定する距離区間内に存在することになる。ここでは、そうであったと過程する。
露光信号ＴＲＮは、発光パルスが投射されたタイミングに対して、遅れ時間αｋを持ったタイミングでＯＮするように設定されている。露光信号ＴＲＮがＯＮの期間に受光された反射光が受光回路１１０で光電変換され、光電変換後の電荷がトランスファゲートトランジスタ１１２を介して転送され、受光記憶コンデンサ１１５の電圧ＶＦＤが低下する。この電圧を、後段のスパース光検出回路１５０に出力する。その後、リセット信号ＲＳＴによりリセットトランジスタ１１４をＯＮして、再び受光記憶コンデンサ１１５の電荷をリセットする。上記の工程をｂ回（ｂは任意の自然数）繰り返す。このとき、下に述べるように、ｂ回のうち一度でも受光記憶コンデンサ１１５の電圧ＶＦＤが低下した場合、スパース光検出回路１５０内のスパース光記憶コンデンサ１５４にその低下した電圧が記憶される。
次に、スパース光検出回路１５０の動作について説明する。
まず、リセット信号ＣＲＳがＯＮに設定され、スパース光リセットトランジスタ１５２がオン制御される。これにより、スパース光検出回路１５０のスパース光記憶コンデンサ１５４と、受光回路１１０のリセットトランジスタ１１４とが電気的に接続される。このとき、同時にリセット信号ＲＳＴ（図９では図示省略）がＯＮに設定され、スパース光記憶コンデンサ１５４の電荷がリセットされる。その後、リセット信号ＲＳＴがＯＦＦに設定され、次いでＣＲＳをリセット信号ＣＲＳがＯＦＦに設定される。
次に、カウンタ容量制御端子１２３に入力される入力信号ＥＩＶを“Ｌ”にセットし、クランプ信号ＣＬＰによりクランプトランジスタ１３３をＯＮする。これにより、直流カットコンデンサ１３１に、クランプトランジスタ１３３のドレインに与えている電圧、すなわち、クランプ端子１３７に与えられているクランプ電圧が印加される。前述のとおり、クランプ電圧は、入力トランジスタ１３２の閾値電圧よりも高い電圧に設定されている。その後、入力信号ＥＩＶを“Ｈ”にセットし、クランプトランジスタ１３３をＯＦＦする。
（光照射期間）
次に、光照射期間について説明する。
この光照射期間では、スパース光検出回路１５０、カウンタ回路１２０および比較回路１３０の制御パルスはＯＮ／ＯＦＦしない。そして、この光照射期間のいずれかのタイミングにおいて、仮に受光記憶コンデンサ１１５の電圧ＶＦＤが低下した場合、スパース光記憶コンデンサ１５４の電圧ＶＣＮＴが高い電圧に設定されているので、スパース光記憶トランジスタ１５３がＯＮした状態となる。そのため、電圧ＶＣＮＴは、電圧ＶＦＤと、スパース光記憶トランジスタ１５３の閾値電圧とが加算された電圧に設定される。同時に、スパース光記憶トランジスタ１５３はほとんどＯＦＦの状態になり、その後は上記で入力された電圧ＶＦＤの電圧値よりも小さい電圧が入力されない限り、スパース光記憶トランジスタ１５３はＯＮしない。これより、スパース光記憶コンデンサ１５４には、前述の濃縮化信号が蓄積されることになる。
（閾値越え検出・記憶期間）
次に、閾値越え検出・記憶期間について説明する。
まず、カウンタ容量制御端子１２３に入力される入力信号ＥＩＶを“Ｌ”にセットし、反転制御信号ＣＭＰにより反転トランジスタ１３４をＯＮさせ、許可信号入力端子１３６の出力許可信号ＣＳＥＴを“Ｌ”に設定する。このときの挙動は、光検出しなかったとき、すなわち、スパース光記憶コンデンサ１５４の電圧ＶＣＮＴが“Ｈ”のままである場合と、光検出したとき、すなわち電圧ＶＣＮＴが“Ｌ”になった場合とに分かれる。
まず、光検出したときは、比較回路１３０の入力トランジスタ１３２のゲート電圧は閾値電圧よりも低くなる。したがって、入力トランジスタ１３２がＯＦＦする。このとき、閾値設定トランジスタ１３５のドレイン（入力トランジスタ１３２に接続されている側）の電圧が、反転トランジスタ１３４のドレイン電圧である電源電圧にセットされる。なお、このノードの寄生容量によりこの電圧は記憶される。その後、入力信号ＥＩＶを“Ｈ”にセットし、反転制御信号ＣＭＰにより反転トランジスタ１３４をＯＦＦに戻す。
その後、出力制御信号ＭＥＭにより閾値設定トランジスタ１３５がＯＮされ、記憶回路１４０の距離信号スイッチトランジスタ１４１のゲートに、電源電圧、すなわち“Ｈ”がセットされる。そうすると、距離信号スイッチトランジスタ１４１を介して、ＴＰ端子の電圧が距離記憶コンデンサ１４２に書き込まれる。ここで、ＴＰ端子の電圧は、第ｋ距離測定期間に対して、１対１に対応する電圧に設定されている。これにより、距離記憶コンデンサ１４２には、測定対象物（物体）までの距離に対応する電圧が書き込まれることになる。そのあと、許可信号入力端子１３６の出力許可信号ＣＳＥＴが“Ｌ”に戻される。
一方で、光検出しなかったときは、比較回路１３０の入力トランジスタ１３２のゲート電圧は閾値電圧よりも高くなる。これは、この入力トランジスタ１３２のゲート電圧が、あらかじめクランプトランジスタ１３３のドレイン電圧に設定されているからである。したがって、入力トランジスタ３２０がＯＦＦする。その後、入力信号ＥＩＶを“Ｈ”にセットし、反転制御信号ＣＭＰにより反転トランジスタ１３４をＯＦＦに戻す。これにより、閾値設定トランジスタ１３５のドレインはＣＳＥＴの電圧、すなわち“Ｌ”に設定される。
その後、出力制御信号ＭＥＭにより閾値設定トランジスタ１３５がＯＮされ、記憶回路１４０の距離信号スイッチトランジスタ１４１のゲートに、“Ｌ”がセットされる。これにより距離記憶コンデンサ１４２の電圧は変化せず、そのまま次の距離測定期間に移ることになる。
このようにして、全ての距離測定期間が終了した後に、各画素１００に対応する測定対象物（物体）までの距離に対応した電圧が距離記憶コンデンサ１４２に書き込まれていることになる。もしくは、測定対象物（物体）が距離測定範囲内に存在しない場合は、距離記憶コンデンサ１４２がリセット電圧になっていることになる。
その後、距離選択トランジスタ１４３をＯＮすることにより、距離記憶コンデンサ１４２の電圧信号が増幅トランジスタ１５５に出力される。これにより、行選択トランジスタ１５６を介して、距離信号をＣＤＳ回路１５に読み出すことができる。その後、リセット信号ＲＳＴにより、リセットトランジスタ１１４をＯＮして、リセットレベルをＣＤＳ回路１５に読み出すとともに、距離記憶コンデンサ１４２をリセットして、１つの画素１００の工程が終了する。
以上のように、本実施形態によると、反射光の信号光エネルギーが小さい場合においても、精度よく距離測定を行うことができる。
本発明にかかる固体撮像装置は、測定可能距離レンジが広く、かつ、強い背景光の環境下においても距離測定ができるため、自動車用機器、距離測定装置などに用いることができ、衝突防止または自動運転のために応用することができる。
１０ 固体撮像装置
１００ 画素
１１０ 受光回路
１２０ カウンタ回路
１３０ 比較回路
１４０ 記憶回路
１５０ スパース光検出回路

Claims (6)

  1. 複数の画素が二次元的に配列された固体撮像装置であって、
    前記各画素は、
    受光素子を有し、所定の露光時間内に前記受光素子に到達した入射光の有無に応じて変化する受光信号を出力する受光回路と、
    前記受光信号に基づいて入射光の到達回数を計数し、カウント値として出力するカウンタ回路と、
    閾値設定信号を受け、当該閾値設定信号に基づいて前記カウント値に応じた閾値を設定するとともに、前記カウント値が当該閾値よりも大きい場合にオン状態となる比較信号を出力する比較回路と、
    前記比較回路及び前記カウンタ回路による距離測定期間に対応する時間信号を受け、前記比較信号がオン状態のとき、当該時間信号を距離信号として記憶する記憶回路とを備え、
    前記受光回路、前記カウンタ回路、前記比較回路及び前記記憶回路に使用されるトランジスタがすべて第１導電型である、ことを特徴とする固体撮像装置。
  2. 前記比較回路は、前記カウント値がゲートに与えられ、かつ、比較動作期間において、前記カウント値が前記閾値より大きい場合にオン状態となる比較信号を出力する前記第１導電型の入力トランジスタを備え、
    前記入力トランジスタは、前記比較動作期間以外のときには、前記カウント値の大小にかかわらず、非アクティブ状態となるように構成されている、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  3. 前記受光回路と前記カウンタ回路との間に設けられたスパース光検出回路をさらに備え、
    前記受光回路は、前記露光時間内に、複数回の露光を行い、
    前記スパース光検出回路は、前記複数回の露光のうち、少なくとも１回の入射光の到達があった場合に、入射光の到達を示す到達信号を、前記受光信号として前記カウンタ回路に出力するように構成され、
    前記カウンタ回路は、前記スパース光検出回路から受けた到達信号に基づいて、入射光の到達回数を計数する、ことを特徴とする請求項１記載の固体撮像装置。
  4. 前記スパース光検出回路は、前記少なくとも１回の入射光の到達があった場合に、その状態を記憶する内部記憶回路を備えている、ことを特徴とする請求項３記載の固体撮像装置。
  5. 前記内部記憶回路は、入出力間にダイオード接続された前記第１導電型の記憶トランジスタと、前記記憶トランジスタと並列接続され、リセット信号を受けて当該記憶トランジスタの記憶状態を解除する第１導電型のリセットトランジスタを備えている、ことを特徴とする請求項４記載の固体撮像装置。
  6. 前記受光信号が出力される第１のノードと、前記距離信号が出力される第２の出力ノードとを、選択信号でオンオフ制御される前記第１導電型の距離選択トランジスタを介して接続し、前記第１のノードを経由して、前記受光信号と前記距離信号とが選択的に読み出せるように構成されている、ことを特徴とする請求項１から５のうちいずれか１項に記載の固体撮像装置。
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