JP2022135438A - Distance image capture device and distance image capture method - Google Patents

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Yoshiyuki Hitsuoka
友洋 中込
Tomohiro Nakagome
浩成 後藤
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Abstract

To provide a distance image capture device that captures a correct distance image without changing an optical structure in the device and without interrupting the size reduction, the height reduction, the higher definition, and the improvement of the quantum efficiency of the device.SOLUTION: A distance image capture device includes: a light source unit that irradiates a measurement space with optical pulses; a light-reception unit including a photoelectric conversion element that generates charges according to light entering from the measurement space, a plurality of pixel circuits including a plurality of charge accumulation units for accumulating charges in a frame period, and a pixel driving circuit that allocates and accumulates charges in the charge accumulation unit by performing on/off processing of a transfer transistor at a predetermined accumulation timing synchronizing with the emission of the optical pulses; and a distance calculation unit that calculates a distance between a subject and the light-reception unit in the measurement space in accordance with the amount of charges determined based on a first charge amount of the charges accumulated in the charge accumulation unit. The distance calculation unit calculates a distance by subtracting a second charge amount by noise charges being the accumulated charges other than the charges allocated and accumulated in the on/off processing of the transfer transistor from the first charge amount.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、距離画像撮像装置及び距離画像撮像方法に関する。 The present invention relates to a range image capturing device and a range image capturing method.

従来から、光の速度が既知であることを利用し、光の飛行時間に基づいて被写体との距離を測定するタイム・オブ・フライト(Time of Fright以下「ToF」と記す)方式の距離画像撮像装置がある(例えば、特許文献1参照)。
ToF方式距離画像撮像装置は、光を照射する光源部と、距離を測定するための光を検出する画素回路が二次元の行列状(アレイ状)に複数配置された画素アレイを含む撮像部を備えている。上記画素回路の各々は、光の強度に対応する電荷を発生する光電変換素子(例えば、フォトダイオード)を構成要素として有している。
この構成により、ToF方式距離画像撮像装置は、測定空間(三次元空間)において、自身と被写体との間の距離の情報や、被写体の画像を取得(撮像)することができる。
Conventionally, the time-of-flight (hereinafter referred to as "ToF") method of measuring the distance to a subject based on the flight time of light, using the fact that the speed of light is known. There is a device (see, for example, Patent Document 1).
The ToF range imaging device consists of a light source unit that emits light and an imaging unit that includes a pixel array in which a plurality of pixel circuits that detect light for measuring distance are arranged in a two-dimensional matrix (array). I have. Each of the pixel circuits has, as a component, a photoelectric conversion element (for example, a photodiode) that generates an electric charge corresponding to the intensity of light.
With this configuration, the ToF range image capturing device can acquire (capture) information about the distance between itself and the subject and an image of the subject in the measurement space (three-dimensional space).

また、スマートフォンやタブレット端末などの携帯端末に用いるため、距離画像撮像装置の筐体(撮像装置)の小型化、低背化(薄型化)が求められている。
一方、距離画像撮像装置の撮像する画像をより高精細化するため、撮像部における画素数の増加が求められている。
このため、上記画素アレイの中で端部に配置されている画素回路に入射する入射光の入射角が、中央近傍に配置された画素回路に入射する入射光の入射角に比較して大きくなる。
In addition, since it is used in portable terminals such as smartphones and tablet terminals, there is a demand for miniaturization and low profile (thinness) of the housing (imaging device) of the range image imaging device.
On the other hand, there is a demand for an increase in the number of pixels in an imaging unit in order to obtain a higher definition image captured by a distance image capturing device.
Therefore, the incident angle of light incident on the pixel circuits arranged at the ends in the pixel array becomes larger than the incident angle of incident light incident on the pixel circuits arranged near the center. .

画素回路に入射する入射光の入射角が大きくなるに従い、画素回路における光電変換素子のみでなく、当該光電変換素子の周辺の回路、例えば電荷を蓄積する電荷蓄積部などに照射される。
そして、光電変換素子のみでなく周辺回路(電荷蓄積部も含む)においても、光電効果により照射される光に対応した電荷(以下、ノイズ電荷)が発生し、これらが電位の高い電荷蓄積部に流入する。
As the angle of incidence of light incident on the pixel circuit increases, the light irradiates not only the photoelectric conversion element in the pixel circuit but also circuits around the photoelectric conversion element, such as a charge storage section that stores charges.
Then, not only in the photoelectric conversion element but also in the peripheral circuit (including the charge storage section), charges corresponding to the light irradiated by the photoelectric effect (hereinafter referred to as noise charge) are generated, and these charge in the high-potential charge storage section. influx.

これにより、光電変換素子から電荷蓄積部に転送され、測距に用いられる電荷に対して、周辺回路からのノイズ電荷が加わるため、電荷蓄積部に蓄積された電荷に基づいて計算される距離の精度を低下させる。
そのため、上述したノイズ電荷の発生を抑制するための対策として、画素回路において光電変換素子以外の周辺回路に入射光を入射させない構成としている。
As a result, the noise charge from the peripheral circuit is added to the charge transferred from the photoelectric conversion element to the charge storage unit and used for distance measurement. Decrease accuracy.
Therefore, as a countermeasure for suppressing the generation of the noise charge described above, the pixel circuit is configured so that incident light is not incident on peripheral circuits other than the photoelectric conversion element.

例えば、画素回路内の光電変換素子以外の周辺回路への光の入射を抑制する対策としては、画素回路の各々の上部にマイクロレンズを形成し、当該マイクロレンズにより光を集光して、集光した光を光電変換素子に対して入射させる構成が用いられている。これにより、画素回路に対する入射光がマイクロレンズにより集光され、光電変換素子に対してのみ照射され、他の周辺回路への光の照射を抑制する。 For example, as a measure to suppress the incidence of light on peripheral circuits other than the photoelectric conversion element in the pixel circuit, a microlens is formed above each pixel circuit, and the light is collected by the microlens. A configuration is used in which emitted light is made incident on a photoelectric conversion element. As a result, light incident on the pixel circuit is condensed by the microlens so that only the photoelectric conversion element is irradiated with the light, and light irradiation to other peripheral circuits is suppressed.

また、他の画素回路内の光電変換素子以外の周辺回路への光の入射を抑制する対策としては、画素回路直上の層に金属パターンによる遮光層を設け、光電変換素子以外の回路部分を遮光する構成が、FSI(Front Side Illuminated)方式のCMOSイメージセンサにおいて採用されている。 In addition, as a measure to suppress the incidence of light on peripheral circuits other than photoelectric conversion elements in other pixel circuits, a light-shielding layer with a metal pattern is provided in the layer directly above the pixel circuits to shield the circuit parts other than the photoelectric conversion elements. Such a configuration is employed in an FSI (Front Side Illuminated) CMOS image sensor.

特開2015-29054号公報JP 2015-29054 A

しかしながら、マイクロレンズによる集光においては、距離画像撮像装置の低背化要求により、距離画像撮像装置を薄くするに従い、マイクロレンズの厚さも対応して薄くする必要がある。
このため、マイクロレンズは、光電変換素子に入射光を集光するために充分な曲率が設けられずに、光電変換素子のみに光が照射されるような集光を行うことが困難となってきている。
However, in light-condensing by microlenses, it is necessary to reduce the thickness of the microlenses as the thickness of the distance image pickup device is reduced due to the demand for a low profile of the distance image pickup device.
For this reason, the microlens is not provided with a sufficient curvature for condensing the incident light onto the photoelectric conversion element, making it difficult to collect the light so that only the photoelectric conversion element is irradiated with the light. ing.

また、上述した遮光層を設ける構成は、FSI方式においては光電変換素子とマイクロレンズとの間に、画素回路における配線の配線層が配置されているため、この配線層の金属パターンを用いて遮光のための金属パターンを形成することができる。
一方、BSI(Back Side Illuminated)方式においては、画素回路が形成される半導体基板の表面から光を入射するのではなく、当該半導体基板の裏面から光を入射する構成となっている。
In addition, in the FSI method, the wiring layer of the wiring in the pixel circuit is arranged between the photoelectric conversion element and the microlens. can form a metal pattern for
On the other hand, in the BSI (Back Side Illuminated) method, light is not incident from the front surface of a semiconductor substrate on which pixel circuits are formed, but is configured to be incident from the back surface of the semiconductor substrate.

このため、回路が構成されないために配線層が半導体基板の裏面に存在せず、BSI方式の構成においては、FSI方式のように、配線層における金属パターンを用いて、遮光のための金属パターンを形成することができない。
また、BSI方式の構成においては、特許文献1のように、入射光に対する感度を向上させる目的で、量子効率を高めるために、散乱・反射させる構造を設けて半導体基板内における光の光路長を長くする構成を採用している場合がある。
この構成の場合、マイクロレンズによって集光された光が、半導体基板内で散乱されるため、より多くの光が周辺回路に入射し、光電変換素子以外の周辺回路においてノイズ電荷がより発生する原因となる。
Therefore, since no circuit is formed, the wiring layer does not exist on the back surface of the semiconductor substrate. cannot be formed.
In addition, in the configuration of the BSI system, as in Patent Document 1, for the purpose of improving the sensitivity to incident light, in order to increase the quantum efficiency, a scattering/reflecting structure is provided to reduce the optical path length of light within the semiconductor substrate. A lengthening configuration may be adopted.
In this configuration, the light condensed by the microlens is scattered within the semiconductor substrate, so more light enters the peripheral circuit, causing more noise charge to occur in the peripheral circuit other than the photoelectric conversion element. becomes.

本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、装置内の光学的な構成を変えることなく、また装置の小型化、低背化、高精細化及び量子効率の向上を妨げることなく、より正確な距離画像を撮像する距離画像撮像装置及び距離画像撮像方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such circumstances, without changing the optical configuration in the device, without hindering the miniaturization, low profile, high definition, and improvement of the quantum efficiency of the device. An object of the present invention is to provide a range image capturing device and a range image capturing method for capturing more accurate range images.

上述した課題を解決するために、本発明の距離画像撮像装置は、測定空間に光パルスを照射する光源部と、前記測定空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、フレーム周期において前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部を備える複数の画素回路と、前記光パルスの照射に同期した所定の蓄積タイミングで、前記電荷蓄積部の各々に転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行い前記電荷を振分けて蓄積させる画素駆動回路とを有する受光部と、前記電荷蓄積部の各々に蓄積された前記電荷の第1電荷量により、前記測定空間における被写体と前記受光部との距離を計算する距離演算部とを備え、前記距離演算部が前記第1電荷量の各々から、前記光電変換素子以外で発生した電荷であるノイズ電荷の第2電荷量を減算して前記距離の計算を行うことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the distance image pickup apparatus of the present invention includes a light source unit that irradiates a light pulse into a measurement space, a photoelectric conversion element that generates charges according to the light incident from the measurement space, and a frame. a plurality of pixel circuits each having a plurality of charge storage units for accumulating the charge in a cycle; and at predetermined accumulation timing synchronized with irradiation of the light pulse, each of the charge storage units is subjected to ON/OFF processing of the transfer transistor. A distance between the subject and the light receiving section in the measurement space is calculated based on a light receiving section having a pixel drive circuit for distributing and accumulating charges, and a first charge amount of the charges accumulated in each of the charge accumulating sections. a distance calculation unit, wherein the distance calculation unit calculates the distance by subtracting, from each of the first charge amounts, a second charge amount of noise charge, which is a charge generated by a device other than the photoelectric conversion element. characterized by

本発明の距離画像撮像装置は、前記フレームのいずれかを前記第2電荷量の取得を行うノイズ電荷量取得フレームとし、当該ノイズ電荷量取得フレームにおいて、前記光源部から前記光パルスが照射された後、前記画素駆動回路が前記転送トランジスタをオフとして、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に電荷の振分けを行わない状態において、当該電荷蓄積部に蓄積される電荷量を前記第2電荷量とし、前記ノイズ電荷量取得フレーム以降のフレームにおいて、前記画素駆動回路が前記転送トランジスタをオンオフして、前記電荷を前記電荷蓄積部の各々に振分けて蓄積させて、前記第1電荷量とすることを特徴とする。 In the distance image pickup device of the present invention, any one of the frames is a noise charge amount acquisition frame for acquiring the second charge amount, and the light pulse is emitted from the light source unit in the noise charge amount acquisition frame. After that, in a state in which the pixel drive circuit turns off the transfer transistor and does not distribute the charge from the photoelectric conversion element to the charge storage unit, the charge amount stored in the charge storage unit is set as the second charge amount. and, in a frame after the noise charge amount acquisition frame, the pixel drive circuit turns on and off the transfer transistor to distribute and store the charge in each of the charge storage units to obtain the first charge amount. Characterized by

本発明の距離画像撮像装置は、フレームの各々を分割して第1サブフレームと第2サブフレームとを生成し、前記第1サブフレームにおいて、前記光源部から前記光パルスが照射された後、前記画素駆動回路が前記転送トランジスタをオフとして、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に電荷の蓄積を行わない状態において、当該電荷蓄積部に蓄積される電荷量を前記第2電荷量とし、前記第2サブフレームにおいて、前記画素駆動回路が前記転送トランジスタをオンオフして、前記電荷を前記電荷蓄積部の各々に振分けて蓄積させて、前記第1電荷量とすることを特徴とする。 The distance image capturing apparatus of the present invention divides each frame to generate a first sub-frame and a second sub-frame, and in the first sub-frame, after the light pulse is emitted from the light source unit, The charge amount accumulated in the charge accumulation unit is defined as the second charge amount in a state where the pixel drive circuit turns off the transfer transistor and the photoelectric conversion element does not accumulate charges in the charge accumulation unit, and In the second sub-frame, the pixel driving circuit turns on and off the transfer transistor to distribute and accumulate the charge in each of the charge accumulation units to obtain the first charge amount.

本発明の距離画像撮像装置は、前記フレームが前記電荷蓄積部の各々に前記電荷を振分けて蓄積する蓄積期間と、当該電荷蓄積部のそれぞれから蓄積された電荷量を読み出す読出期間とから構成されており、前記蓄積期間を短縮することにより、前記第1サブフレーム及び前記第2サブフレームの各々を構成することを特徴とする。 The distance image pick-up device of the present invention comprises an accumulation period in which the frame distributes and accumulates the charges in each of the charge accumulation sections, and a readout period in which the amount of charge accumulated from each of the charge accumulation sections is read out. and each of the first subframe and the second subframe is configured by shortening the accumulation period.

本発明の距離画像撮像装置は、測定空間に光パルスを照射する光源部と、前記測定空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、フレーム周期において前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部を備える複数の画素回路と、前記光パルスの照射に同期した所定の蓄積タイミングで、前記電荷蓄積部の各々に転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行い前記電荷を振分けて蓄積させる画素駆動回路とを有する受光部と、前記電荷蓄積部の各々に蓄積された前記電荷の第1電荷量によって決定される電荷量により、前記測定空間における被写体と前記受光部との距離を計算する距離演算部とを備え、前記距離演算部が前記第1電荷量の各々から、前記転送トランジスタのオンオフ処理によって振り分けて蓄積した電荷以外の蓄積電荷であるノイズ電荷による第2電荷量を減算して前記距離の計算を行うことを特徴とする。 The distance image pickup device of the present invention comprises a light source unit that irradiates a light pulse into a measurement space, a photoelectric conversion element that generates electric charges according to the light incident from the measurement space, and a plurality of light sources that accumulate the electric charges in a frame cycle. a plurality of pixel circuits each having a charge storage unit; and a pixel drive circuit that performs on/off processing of each transfer transistor in each of the charge storage units at a predetermined accumulation timing synchronized with the irradiation of the light pulse, thereby distributing and storing the charge. and a distance calculation unit configured to calculate the distance between the subject and the light receiving unit in the measurement space based on the charge amount determined by the first charge amount of the charges accumulated in each of the charge storage units. wherein the distance calculation unit subtracts, from each of the first charge amounts, a second charge amount due to noise charges, which are accumulated charges other than the charges distributed and accumulated by the ON/OFF processing of the transfer transistors, to obtain the distances. It is characterized by performing calculations.

本発明の距離画像撮像装置は、前記距離演算部が、前記第1ノイズ電荷量取得フレーム及び前記第2ノイズ電荷量取得フレームの各々における前記振分けの第1振分回数に対して、前記第2ノイズ電荷量取得フレーム以降の前記フレームの各々における前記振分けの第2振分回数が変化した場合、前記第2振分回数を前記第1振分回数で除算した除算結果を調整係数として、当該調整係数を前記第4電荷量に乗算して第5電荷量を算出し、前記第3電荷量に前記第5電荷量を加算して、前記第2電荷量を補正して前記距離の算出に用いることを特徴とする。 In the distance image pickup device of the present invention, the distance calculation unit calculates the second When the second allocation number of the allocation changes in each of the frames after the noise charge amount acquisition frame, the division result obtained by dividing the second allocation number by the first allocation number is used as an adjustment coefficient, and the adjustment is performed. Multiplying the fourth charge amount by a coefficient to calculate a fifth charge amount, adding the fifth charge amount to the third charge amount, correcting the second charge amount, and using the corrected amount to calculate the distance. It is characterized by

本発明の距離画像撮像装置は、前記光源部から照射される光パルスが、近赤外波長帯域の光の所定幅のパルスであることを特徴とする。 The range image pickup apparatus of the present invention is characterized in that the light pulse emitted from the light source unit is a pulse of light in a near-infrared wavelength band with a predetermined width.

本発明の距離画像撮像装置は、前記画素回路の構造がBSI(Back Side Illumination:裏面照射)構造であることを特徴とする。 The distance image pickup device of the present invention is characterized in that the structure of the pixel circuit is a BSI (Back Side Illumination) structure.

本発明の距離画像撮像装置は、前記画素回路が3個以上の電荷蓄積部を有することを特徴とする。
本発明の距離画像撮像装置は、電荷蓄積部の各々に前記電荷を振分けて蓄積させる期間以外おいて、光電変換素子から電荷を排出する一個以上の電荷排出トランジスタが前記画素回路に設けられていることを特徴とする。
The distance image pickup device of the present invention is characterized in that the pixel circuit has three or more charge storage units.
In the distance image pickup device of the present invention, the pixel circuit is provided with one or more charge discharging transistors for discharging charges from the photoelectric conversion elements except for a period during which the charges are distributed and accumulated in each of the charge accumulation units. It is characterized by

本発明の距離画像撮像方法は、光電変換素子と複数の電荷蓄積部からなる複数の画素回路の各々と、光源部と、画素駆動回路と、距離演算部とを備える距離画像撮像装置を制御する距離画像撮像方法であり、前記光源部が、測定空間に光パルスを照射する過程と、前記画素回路が、フレーム周期において、前記測定空間から入射した光に応じて前記光電変換素子が発生した電荷を前記電荷蓄積部に蓄積する過程と、前記画素駆動回路が、前記光パルスの照射に同期した所定の蓄積タイミングで、前記電荷蓄積部の各々に転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行い前記電荷を振分けて蓄積させる画素駆動過程と、前記距離演算部が、前記電荷蓄積部の各々に蓄積された前記電荷の第1電荷量によって決定される電荷量より、前記測定空間における被写体と前記受光部との距離を計算する距離演算過程とを含み、前記距離演算部が前記第1電荷量の各々から、前記転送トランジスタのオンオフ処理によって振り分けて蓄積した電荷以外の蓄積電荷であるノイズ電荷による第2電荷量を減算して前記距離の計算を行うことを特徴とする。 A distance image capturing method of the present invention controls a distance image capturing device including a plurality of pixel circuits each composed of a photoelectric conversion element and a plurality of charge storage units, a light source unit, a pixel driving circuit, and a distance calculation unit. A distance image capturing method, wherein the light source unit irradiates a light pulse into a measurement space, and the pixel circuit generates charge generated by the photoelectric conversion element according to the light incident from the measurement space in a frame period. is stored in the charge storage section, and the pixel driving circuit performs on/off processing of each transfer transistor in each of the charge storage sections at a predetermined accumulation timing synchronized with the irradiation of the light pulse to distribute the charge. and the distance calculation unit determines the distance between the subject and the light receiving unit in the measurement space based on the charge amount determined by the first charge amount of the charges accumulated in each of the charge accumulation units. a distance calculation step of calculating a distance, wherein the distance calculation unit calculates a second charge amount by noise charge, which is an accumulated charge other than the charge distributed and accumulated by the ON/OFF processing of the transfer transistor, from each of the first charge amounts. is subtracted to calculate the distance.

以上説明したように、本発明によれば、装置内の光学的な構成を変えることなく、また装置の小型化、低背化、高精細化及び量子効率の向上を妨げることなく、より正確な距離画像を撮像する距離画像撮像装置及び距離画像撮像方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, a more accurate measurement can be performed without changing the optical configuration in the device, without hindering the miniaturization, low profile, high definition, and improvement of the quantum efficiency of the device. A distance image capturing device and a distance image capturing method for capturing a distance image can be provided.

本図1は、本発明の第1の実施形態の距離画像撮像装置の概略構成を示したブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a range image pickup apparatus according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態の距離画像撮像装置における距離画像センサ32に配置された画素回路321の構成の一例を示した回路図である。3 is a circuit diagram showing an example of a configuration of a pixel circuit 321 arranged in a range image sensor 32 in the range image pickup device according to the first embodiment of the present invention; FIG. 光電変換素子PDで生成された電荷を電荷蓄積部CSの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。FIG. 4 is a timing chart for transferring charges generated by the photoelectric conversion element PD to each of the charge storage units CS; 本実施形態における画素回路321の各トランジスタの配置(レイアウトパターン)の一例を示す図である。3 is a diagram showing an example of the arrangement (layout pattern) of each transistor of the pixel circuit 321 in this embodiment. FIG. 第2の実施形態における電荷蓄積部CSに蓄積されるノイズ電荷の電荷量を取得する処理を説明する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a process of acquiring the charge amount of noise charges accumulated in the charge accumulation unit CS in the second embodiment; ノイズ電荷量取得モードにおける電荷蓄積部CSに対する電荷の蓄積処理を説明する概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating charge accumulation processing in the charge accumulation unit CS in the noise charge amount acquisition mode; 測距離電荷量取得モードにおける電荷蓄積部CSに対する電荷の蓄積処理を説明する概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating charge accumulation processing in the charge accumulation unit CS in the distance measurement charge amount acquisition mode; 第2の実施形態における電荷蓄積部CSに蓄積されるノイズ電荷の電荷量を取得する処理を説明する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating a process of acquiring the charge amount of noise charges accumulated in the charge accumulation unit CS in the second embodiment; 第3の実施形態における電荷蓄積部CSに蓄積されるノイズ電荷の電荷量を取得する処理を説明する図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a process of acquiring the charge amount of noise charges accumulated in the charge accumulation unit CS in the third embodiment; 第3の実施形態における測距離電荷量取得モードにおける電荷蓄積部CSにおける反射光RLに対応したノイズ電荷を説明する概念図である。FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating noise charges corresponding to reflected light RL in the charge accumulation unit CS in the distance measurement charge amount acquisition mode in the third embodiment; 第3の実施形態による距離画像撮像装置1における距離画像センサ32と被写体Sとの距離の算出の処理の動作例を示すフローチャートである。10 is a flowchart showing an operation example of processing for calculating the distance between the distance image sensor 32 and the subject S in the distance image pickup device 1 according to the third embodiment.

<第1の実施形態>
以下、本発明の第1の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態の距離画像撮像装置の概略構成を示したブロック図である。図1に示した構成の距離画像撮像装置1は、光源部2と、受光部3と、距離画像処理部4とを備える。なお、図1には、距離画像撮像装置1において距離を測定する対象物である被写体Sも併せて示している。距離画像撮像素子は、例えば、受光部3における距離画像センサ32(後述)である。
<First embodiment>
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a distance image pickup device according to a first embodiment of the present invention. A distance image pickup device 1 configured as shown in FIG. Note that FIG. 1 also shows a subject S, which is an object whose distance is to be measured in the distance image pickup device 1 . The distance image pickup device is, for example, a distance image sensor 32 (described later) in the light receiving section 3 .

光源部2は、距離画像処理部4からの制御に従って、距離画像撮像装置1において距離を測定する対象の被写体Sが存在する撮影対象の空間に光パルスPOを照射する。光源部2は、例えば、垂直共振器面発光レーザー(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)などの面発光型の半導体レーザーモジュールである。光源部2は、光源装置21と、拡散板22とを備える。 The light source unit 2 irradiates a light pulse PO to a shooting target space in which a subject S whose distance is to be measured in the range image pickup device 1 exists, under the control of the range image processing unit 4 . The light source unit 2 is, for example, a surface emitting semiconductor laser module such as a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser). The light source unit 2 includes a light source device 21 and a diffuser plate 22 .

光源装置21は、被写体Sに照射する光パルスPOとなる近赤外の波長帯域(例えば、波長が850nm~940nmの波長帯域)のレーザー光を発光する光源である。光源装置21は、例えば、半導体レーザー発光素子である。光源装置21は、タイミング制御部41からの制御に応じて、パルス状のレーザー光を発光する。
拡散板22は、光源装置21が発光した近赤外の波長帯域のレーザー光を、被写体Sに照射する面の広さに拡散する光学部品である。拡散板22が拡散したパルス状のレーザー光が、光パルスPOとして出射され、被写体Sに照射される。
The light source device 21 is a light source that emits a laser beam in a near-infrared wavelength band (for example, a wavelength band of 850 nm to 940 nm) as a light pulse PO to irradiate the subject S. FIG. The light source device 21 is, for example, a semiconductor laser light emitting element. The light source device 21 emits pulsed laser light under the control of the timing control section 41 .
The diffuser plate 22 is an optical component that diffuses the laser light in the near-infrared wavelength band emitted by the light source device 21 over a surface on which the subject S is irradiated. The pulsed laser light diffused by the diffusion plate 22 is emitted as a light pulse PO, and the subject S is irradiated with the light pulse PO.

受光部3は、距離画像撮像装置1において距離を測定する対象の被写体Sによって反射された光パルスPOの反射光RLを受光し、受光した反射光RLに応じた画素信号を出力する。受光部3は、レンズ31と、距離画像センサ32とを備える。
レンズ31は、入射した反射光RLを距離画像センサ32に導く光学レンズである。レンズ31は、入射した反射光RLを距離画像センサ32側に出射して、距離画像センサ32の受光領域に備えた画素回路に受光(入射)させる。
The light receiving unit 3 receives the reflected light RL of the light pulse PO reflected by the subject S whose distance is to be measured in the distance image pickup device 1, and outputs a pixel signal corresponding to the received reflected light RL. The light receiving section 3 includes a lens 31 and a distance image sensor 32 .
The lens 31 is an optical lens that guides the incident reflected light RL to the range image sensor 32 . The lens 31 emits the incident reflected light RL to the distance image sensor 32 side and causes the pixel circuits provided in the light receiving area of the distance image sensor 32 to receive the light (incident).

距離画像センサ32は、距離画像撮像装置1に用いられる撮像素子である。距離画像センサ32は、二次元の受光領域に複数の画素回路321、画素回路321の各々を制御する画素駆動回路322とを備える。
上記画素回路321は、1つの光電変換素子(例えば、後述する光電変換素子PD)と、この1つの光電変換素子に対応する複数の電荷蓄積部(例えば、後述する電荷蓄積部CS1からCS4)と、それぞれの電荷蓄積部に電荷を振り分ける構成要素とが設けられている。
The distance image sensor 32 is an image pickup device used in the distance image pickup device 1 . The distance image sensor 32 includes a plurality of pixel circuits 321 and a pixel drive circuit 322 that controls each of the pixel circuits 321 in a two-dimensional light receiving area.
The pixel circuit 321 includes one photoelectric conversion element (for example, a photoelectric conversion element PD to be described later) and a plurality of charge storage units (for example, charge storage units CS1 to CS4 to be described later) corresponding to the one photoelectric conversion element. , and components for distributing charges to the respective charge storage units.

距離画像センサ32は、タイミング制御部41からの制御に応じて、光電変換素子が発生した電荷をそれぞれの電荷蓄積部に振り分ける。また、距離画像センサ32は、電荷蓄積部に振り分けられた電荷量に応じた画素信号を出力する。距離画像センサ32には、複数の画素回路が二次元の行列状に配置されており、それぞれの画素回路の対応する1フレーム分の画素信号を出力する。 The distance image sensor 32 distributes the charges generated by the photoelectric conversion elements to the respective charge storage units according to control from the timing control unit 41 . Also, the distance image sensor 32 outputs a pixel signal corresponding to the amount of charge distributed to the charge storage section. In the range image sensor 32, a plurality of pixel circuits are arranged in a two-dimensional matrix, and pixel signals for one frame corresponding to each pixel circuit are output.

距離画像処理部4は、距離画像撮像装置1を制御し、被写体Sまでの距離を演算する。
距離画像処理部4は、タイミング制御部41と、距離演算部42と、測定制御部43とを備える。
タイミング制御部41は、測定制御部43の制御に応じて、距離の測定に要する様々な制御信号を出力するタイミングを制御する。ここでの様々な制御信号とは、例えば、光パルスPOの照射を制御する信号や、反射光RLを複数の電荷蓄積部に振り分ける信号、1フレームあたりの振り分け回数を制御する信号などである。振り分け回数とは、電荷蓄積部CS(図3参照)に電荷を振り分ける処理を繰返す回数である。
The distance image processing unit 4 controls the distance image capturing device 1 and calculates the distance to the subject S. FIG.
The distance image processing section 4 includes a timing control section 41 , a distance calculation section 42 and a measurement control section 43 .
The timing control section 41 controls the timing of outputting various control signals required for distance measurement under the control of the measurement control section 43 . The various control signals here include, for example, a signal for controlling the irradiation of the light pulse PO, a signal for distributing the reflected light RL to a plurality of charge storage units, a signal for controlling the number of distributions per frame, and the like. The number of distributions is the number of repetitions of the process of distributing charges to the charge storage section CS (see FIG. 3).

距離演算部42は、測定制御部43の制御に応じて、距離画像センサ32から出力された画素信号に基づいて、被写体Sまでの距離を演算した距離情報を出力する。距離演算部42は、複数の電荷蓄積部CSに蓄積された電荷量に基づいて、光パルスPOを照射してから反射光RLを受光するまでの遅延時間Tdを算出する。距離演算部42は、算出した遅延時間Tdに応じて、距離画像撮像装置1から被写体Sまでの距離を演算する。 The distance calculation unit 42 outputs distance information obtained by calculating the distance to the subject S based on the pixel signals output from the distance image sensor 32 under the control of the measurement control unit 43 . The distance calculation unit 42 calculates the delay time Td from the irradiation of the light pulse PO to the reception of the reflected light RL based on the charge amounts accumulated in the plurality of charge accumulation units CS. The distance calculation unit 42 calculates the distance from the distance imaging device 1 to the subject S according to the calculated delay time Td.

測定制御部43は、フレーム周期で繰返されるフレームの各々のモードを、電荷ノイズを取得するフレームであるノイズ電荷量取得モードと、測距離を行う通常のフレームとする測距電荷量取得モードとを選択する。
そして、測定制御部43は、ノイズ電荷量取得モードと測距離電荷量取得モードとの各々のモードに対応して、タイミング制御部41におけるタイミングの制御、距離演算部42における演算の制御を行う(後に詳述する)。ここで、ノイズ電荷とは、光電変換素子以外の領域において、測定空間からの入射光(背景光及び反射光)により発生し、電荷蓄積部CSに蓄積される電荷である。すなわち、ノイズ電荷は、転送トランジスタGのオンオフ処理によって振り分けて蓄積される電荷以外の蓄積電荷である。
The measurement control unit 43 divides each mode of frames repeated in a frame cycle into a noise charge amount acquisition mode, which is a frame for acquiring charge noise, and a distance measurement charge amount acquisition mode, which is a normal frame for distance measurement. select.
Then, the measurement control unit 43 controls the timing in the timing control unit 41 and the calculation in the distance calculation unit 42 corresponding to each of the noise charge amount acquisition mode and the distance measurement charge amount acquisition mode ( later). Here, noise charges are charges generated by incident light (background light and reflected light) from the measurement space in a region other than the photoelectric conversion element and accumulated in the charge accumulation section CS. That is, the noise charges are accumulated charges other than the charges distributed and accumulated by the ON/OFF processing of the transfer transistors G. FIG.

すなわち、本実施形態による距離画像撮像装置は、電荷蓄積部CSに蓄積される電荷により、被写体と距離画像センサ32との距離を算出する。このため、計算測距の計算において、光電変換素子から所定のタイミングで読み出される電荷とは関係なく、各フレームにおいて読み出す時点まで、背景光などによるノイズ電荷が電荷蓄積部CSに蓄積されるため、計算される距離の精度が低下する。 That is, the distance image capturing apparatus according to this embodiment calculates the distance between the object and the distance image sensor 32 based on the charges accumulated in the charge accumulation unit CS. Therefore, in the calculation of the calculated distance measurement, noise charges due to background light or the like are accumulated in the charge accumulation unit CS until the time of readout in each frame, regardless of the charges read out from the photoelectric conversion element at a predetermined timing. Calculated distances are less accurate.

このような構成によって、距離画像撮像装置1では、光源部2が被写体Sに照射した近赤外の波長帯域の光パルスPOが被写体Sによって反射された反射光RLを受光部3が受光し、距離画像処理部4が、被写体Sと距離画像撮像装置1との距離を測定した距離情報を出力する。
なお、図1においては、距離画像処理部4を内部に備えた構成の距離画像撮像装置1を示しているが、距離画像処理部4は、距離画像撮像装置1の外部に備える構成要素であってもよい。
With such a configuration, in the distance image capturing device 1, the light receiving unit 3 receives the reflected light RL that is reflected by the subject S from the light pulse PO in the near-infrared wavelength band that the light source unit 2 irradiates the subject S, A distance image processing unit 4 outputs distance information obtained by measuring the distance between the subject S and the distance image capturing device 1 .
Although FIG. 1 shows the distance image pickup device 1 having a configuration in which the distance image processing unit 4 is provided inside, the distance image processing unit 4 is a component provided outside the distance image pickup device 1. may

ここで、距離画像センサ32における画素回路321の構成について説明する。図2は、本発明の第1の実施形態の距離画像撮像装置における距離画像センサ32に配置された画素回路321の構成の一例を示した回路図である。図2の画素回路321は、4つの画素信号読み出し部RU1からRU4を備えた構成例である。 Here, the configuration of the pixel circuit 321 in the distance image sensor 32 will be described. FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the pixel circuit 321 arranged in the range image sensor 32 in the range image pickup device according to the first embodiment of the present invention. The pixel circuit 321 in FIG. 2 is a configuration example including four pixel signal readout units RU1 to RU4.

画素回路321は、1つの光電変換素子PDと、電荷排出トランジスタGD(後述するGD1、GD2)と、対応する出力端子Oから電圧信号を出力する4つの画素信号読み出し部RU(RU1からRU4)とを備える。画素信号読み出し部RUのそれぞれは、転送トランジスタGと、フローティングディフュージョンFDと、電荷蓄積容量Cと、リセットトランジスタRTと、ソースフォロアトランジスタSFと、選択トランジスタSLとを備える。フローティングディフュージョンFDと電荷蓄積容量Cとは、電荷蓄積部CSを構成している。 The pixel circuit 321 includes one photoelectric conversion element PD, charge discharge transistors GD (GD1 and GD2 described later), and four pixel signal readout units RU (RU1 to RU4) that output voltage signals from corresponding output terminals O. Prepare. Each pixel signal readout unit RU includes a transfer transistor G, a floating diffusion FD, a charge storage capacitor C, a reset transistor RT, a source follower transistor SF, and a selection transistor SL. The floating diffusion FD and the charge storage capacitor C constitute a charge storage section CS.

図2に示した画素回路321において、出力端子O1から電圧信号を出力する画素信号読み出し部RU1は、転送トランジスタG1(転送MOSトランジスタ)と、フローティングディフュージョンFD1と、電荷蓄積容量C1と、リセットトランジスタRT1と、ソースフォロアトランジスタSF1と、選択トランジスタSL1とを備える。画素信号読み出し部RU1では、フローティングディフュージョンFD1と電荷蓄積容量C1とによって電荷蓄積部CS1が構成されている。画素信号読み出し部RU2、RU3及びRU4も同様の構成である。 In the pixel circuit 321 shown in FIG. 2, the pixel signal readout unit RU1 that outputs a voltage signal from the output terminal O1 includes a transfer transistor G1 (transfer MOS transistor), a floating diffusion FD1, a charge storage capacitor C1, and a reset transistor RT1. , a source follower transistor SF1, and a selection transistor SL1. In the pixel signal readout unit RU1, the charge storage unit CS1 is composed of the floating diffusion FD1 and the charge storage capacitor C1. The pixel signal readout units RU2, RU3 and RU4 also have the same configuration.

光電変換素子PDは、入射した光を光電変換して、入射した光(入射光)に応じた電荷を発生させ、発生させた電荷を蓄積する埋め込み型のフォトダイオードである。本実施形態においては、入射光は測定対象の空間から入射される。
画素回路321では、光電変換素子PDが入射光を光電変換して発生させた電荷を4つの電荷蓄積部CS(CS1からCS4)のそれぞれに振り分け、振り分けられた電荷の電荷量に応じたそれぞれの電圧信号を、画素信号処理回路325に出力する。
また、距離画像センサ32に配置される画素回路の構成は、図2に示したような、4つの画素信号読み出し部RU(RU1からRU4)を備えた構成に限定されるものではなく、画素信号読み出し部RUが1個以上の複数の画素信号読み出し部RUを備えた構成の画素回路でもよい。
The photoelectric conversion element PD is an embedded photodiode that photoelectrically converts incident light, generates electric charges corresponding to the incident light (incident light), and accumulates the generated electric charges. In this embodiment, incident light is incident from the space to be measured.
In the pixel circuit 321, the charges generated by the photoelectric conversion element PD photoelectrically converting incident light are distributed to the four charge storage units CS (CS1 to CS4), respectively, and the respective charges corresponding to the charge amounts of the distributed charges are distributed. A voltage signal is output to the pixel signal processing circuit 325 .
Further, the configuration of the pixel circuits arranged in the distance image sensor 32 is not limited to the configuration including the four pixel signal readout units RU (RU1 to RU4) as shown in FIG. A pixel circuit having a configuration in which the readout unit RU includes one or more pixel signal readout units RU may be used.

上記距離画像撮像装置1の画素回路321の駆動において、光パルスPOが照射時間Toで照射され、遅延時間Td遅れて反射光RLが距離画像センサ32に受光される。画素駆動回路322は、タイミング制御部41に制御により、光パルスPOの照射に同期させて、光電変換素子PDに発生する電荷を、転送トランジスタG1、G2、G3、G4に対して、蓄積駆動信号TX1からTX4をそれぞれのタイミングにより供給して振り替えて、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4の順に蓄積させる。 In driving the pixel circuit 321 of the distance image pickup device 1, the light pulse PO is emitted for the irradiation time To, and the reflected light RL is received by the distance image sensor 32 after the delay time Td. Under the control of the timing control unit 41, the pixel driving circuit 322 transfers charges generated in the photoelectric conversion elements PD to the transfer transistors G1, G2, G3, and G4 in synchronization with the irradiation of the light pulse PO as accumulation drive signals. TX1 to TX4 are supplied and switched according to respective timings, and are accumulated in the order of the charge accumulation units CS1, CS2, CS3, and CS4.

そして、画素駆動回路322は、リセットトランジスタRT及び選択トランジスタSLの各々を、駆動信号RST、SELそれぞれにより制御し、電荷蓄積部CSに蓄積された電荷を、ソースフォロアトランジスタSFにより電気信号に変換し、生成された電気信号を端子Oを介して距離演算部42に出力する。
また、画素駆動回路322は、タイミング制御部41に制御により、駆動信号RSTDにより、光電変換素子PDにおいて発生された電荷を電源VDDに流して放電する(電荷を消去する)。
Then, the pixel driving circuit 322 controls the reset transistor RT and the selection transistor SL with the drive signals RST and SEL, respectively, and converts the charge accumulated in the charge storage section CS into an electric signal with the source follower transistor SF. , and outputs the generated electric signal to the distance calculator 42 via the terminal O. FIG.
In addition, the pixel drive circuit 322 discharges the charge generated in the photoelectric conversion element PD to the power supply VDD by the drive signal RSTD under the control of the timing control unit 41 (erases the charge).

図3は、光電変換素子PDで生成された電荷を電荷蓄積部CSの各々に転送するタイミングチャートを示す図である。
図3のタイミングチャートにおいて、縦軸はパルスのレベルを示し、横軸は時間を示している。光パルスPO及び反射光RLの時間軸における相対関係と、転送トランジスタG1からG4の各々に供給する蓄積駆動信号TX1からTX4それぞれのタイミングと、電荷排出トランジスタGDに供給する駆動信号RSTDのタイミングとを示している。
FIG. 3 is a diagram showing a timing chart for transferring charges generated by the photoelectric conversion element PD to each of the charge storage units CS.
In the timing chart of FIG. 3, the vertical axis indicates the pulse level and the horizontal axis indicates time. The relative relationship on the time axis between the light pulse PO and the reflected light RL, the timing of each of the storage drive signals TX1 to TX4 supplied to the transfer transistors G1 to G4, and the timing of the drive signal RSTD to be supplied to the charge discharge transistor GD. showing.

タイミング制御部41は、光源部2に対して光パルスPOを測定空間に対して照射させる。これにより、光パルスPOが被写体に反射し、反射光RLとして受光部3に受光される。そして、光電変換素子PDは、背景光及び反射光RLの各々に対応した電荷を発生する。画素駆動回路322は、光電変換素子PDの発生した電荷を、電荷蓄積部CS1からCS4の各々に対して転送するため、転送トランジスタG1からG4の各々のオンオフを制御する。
すなわち、画素駆動回路322は、蓄積駆動信号TX1からTX4の各々を、所定の時間幅(照射時間Toと同一の幅)の「H」レベルの信号として、転送トランジスタG1からG4それぞれに供給する。
The timing control unit 41 causes the light source unit 2 to irradiate the measurement space with the light pulse PO. As a result, the light pulse PO is reflected by the subject and received by the light receiving section 3 as reflected light RL. Then, the photoelectric conversion element PD generates charges corresponding to each of the background light and the reflected light RL. The pixel driving circuit 322 controls on/off of each of the transfer transistors G1 to G4 in order to transfer the charge generated by the photoelectric conversion element PD to each of the charge storage units CS1 to CS4.
That is, the pixel drive circuit 322 supplies the accumulation drive signals TX1 to TX4 to the transfer transistors G1 to G4 as "H" level signals having a predetermined time width (the same width as the irradiation time To).

画素駆動回路322は、例えば、光電変換素子PDから電荷を電荷蓄積部CS1に転送する転送経路上に設けられた転送トランジスタG1をオン状態にする。これにより、光電変換素子PDにより光電変換された電荷が、転送トランジスタG1を介して電荷蓄積部CS1に蓄積される。その後、画素駆動回路322は、転送トランジスタG1をオフ状態にする。これにより、電荷蓄積部CS1への電荷の転送が停止される。このようにして、垂直走査回路322は、電荷蓄積部CS1に電荷を蓄積させる。他の電荷蓄積部CS2、CS3及びCS4においても同様である。 The pixel drive circuit 322, for example, turns on the transfer transistor G1 provided on the transfer path for transferring the charge from the photoelectric conversion element PD to the charge storage unit CS1. As a result, charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion element PD are accumulated in the charge accumulation unit CS1 via the transfer transistor G1. After that, the pixel drive circuit 322 turns off the transfer transistor G1. As a result, transfer of charges to the charge storage section CS1 is stopped. In this manner, the vertical scanning circuit 322 accumulates charges in the charge accumulation section CS1. The same applies to the other charge storage units CS2, CS3 and CS4.

このとき、電荷蓄積部CSに電荷の振り分けを行なう電荷蓄積期間(フレームにおける電荷蓄積部CSの各々に電荷を蓄積する期間)において、蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3、TX4の各々が、転送トランジスタG1、G2、G3、G4それぞれに供給される蓄積周期が繰返される。
そして、転送トランジスタG1、G2、G3及びG4の各々を介して、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4それぞれに、光電変換素子PDから入射光に対応した電荷が転送される。電荷蓄積期間に複数の蓄積周期が繰返される。
これにより、電荷蓄積期間における電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々の蓄積周期毎に、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4それぞれに電荷が蓄積される。
At this time, in a charge accumulation period (a period during which charges are accumulated in each of the charge accumulation sections CS in a frame) in which charges are distributed to the charge accumulation sections CS, each of the accumulation drive signals TX1, TX2, TX3, and TX4 is a transfer transistor. The accumulation cycle supplied to each of G1, G2, G3 and G4 is repeated.
Charges corresponding to the incident light are transferred from the photoelectric conversion element PD to the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4 via the transfer transistors G1, G2, G3, and G4, respectively. A plurality of accumulation cycles are repeated during the charge accumulation period.
As a result, charge is accumulated in each of the charge accumulation units CS1, CS2, CS3, and CS4 in each accumulation cycle of the charge accumulation units CS1, CS2, CS3, and CS4 in the charge accumulation period.

また、画素駆動回路322は、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々の蓄積周期を繰返す際、電荷蓄積部CS4に対する電荷の転送(振替)が終了した後、光電変換素子PDから電荷を排出する排出経路上に設けられた電荷排出トランジスタGDに対して、「H」レベルの駆動信号RSTDを供給してオンさせる。
これにより、電荷排出トランジスタGDは、電荷蓄積部CS1に対する蓄積周期が開始される前に、直前の電荷蓄積部CS4の蓄積周期の後に光電変換素子PDに発生した電荷を破棄する(すなわち、光電変換素子PDをリセットさせる)。すなわち、電荷排出トランジスタGDは、一個あるいは複数個(一個以上)設けられ、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々の各々に、光電変換素子PDから、入射光により発生した電荷を振分けて蓄積させる期間以外おいて、光電変換素子PDから電荷を排出する。
Further, when repeating the accumulation cycle of each of the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4, the pixel drive circuit 322 transfers the charge from the photoelectric conversion element PD after the transfer (transfer) of the charge to the charge storage unit CS4 is completed. The "H" level drive signal RSTD is supplied to the charge discharging transistor GD provided on the discharging path to turn it on.
As a result, the charge discharge transistor GD discards the charge generated in the photoelectric conversion element PD after the immediately preceding charge storage period of the charge storage section CS4 before the start of the storage period of the charge storage section CS1 (ie, photoelectric conversion). reset device PD). That is, one or a plurality of (one or more) charge discharge transistors GD are provided, and charge generated by incident light from the photoelectric conversion element PD is distributed to each of the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4. Charges are discharged from the photoelectric conversion element PD in periods other than the accumulation period.

そして、画素駆動回路322は、受光部3内に配置された全ての画素回路321の各々から、それぞれ電圧信号を画素回路321の行(横方向の配列)単位で、順次A/D変換処理などの信号処理を行なう。
その後、画素駆動回路322は、信号処理を行った後の電圧信号を、受光部3において配置された列の順番に、順次、距離算出部42に対して出力させる。
Then, the pixel drive circuit 322 sequentially applies voltage signals from all the pixel circuits 321 arranged in the light-receiving unit 3 in units of rows (horizontal arrangement) of the pixel circuits 321 to A/D conversion processing and the like. signal processing.
After that, the pixel driving circuit 322 sequentially outputs the voltage signals after the signal processing to the distance calculating section 42 in the order of the columns arranged in the light receiving section 3 .

上述したような、画素駆動回路322による電荷蓄積部CSへ電荷の蓄積と光電変換素子PDが光電変換した電荷の破棄とが、1フレームに渡って繰り返し行われる。これにより、所定の時間区間に距離画像撮像装置1に受光された光量に相当する電荷が、電荷蓄積部CSのそれぞれに蓄積される。画素駆動回路322は、電荷蓄積部CSのそれぞれに蓄積された、1フレーム分の電荷量に相当する電気信号を、距離演算部42に出力する。 The accumulation of charges in the charge accumulation unit CS by the pixel drive circuit 322 and the discarding of the charges photoelectrically converted by the photoelectric conversion elements PD as described above are repeatedly performed over one frame. As a result, charges corresponding to the amount of light received by the distance image pickup device 1 during a predetermined time interval are accumulated in each of the charge accumulation units CS. The pixel drive circuit 322 outputs to the distance calculation section 42 an electrical signal corresponding to the amount of charge for one frame accumulated in each of the charge accumulation sections CS.

光パルスPOを照射するタイミングと、電荷蓄積部CS(CS1からCS4)のそれぞれに電荷を蓄積させるタイミングとの関係から、電荷蓄積部CS1には、光パルスPOを照射する前の背景光などの外光成分に相当する電荷量が保持される。また、電荷蓄積部CS2、CS3及びCS4には、反射光RL、及び外光成分に相当する電荷量が振り分けられて保持される。電荷蓄積部CS2及びCS3、あるいは電荷蓄積部CS3及びCS4に振り分けられる電荷量の配分(振り分け比率)は、光パルスPOが被写体Sに反射して距離画像撮像装置1に入射されるまでの遅延時間Tdに応じた比率となる。 Due to the relationship between the timing of irradiating the light pulse PO and the timing of accumulating electric charge in each of the charge accumulating units CS (CS1 to CS4), the charge accumulating unit CS1 receives light such as background light before irradiation of the light pulse PO. A charge amount corresponding to the external light component is held. Further, the charge amounts corresponding to the reflected light RL and the external light component are distributed and held in the charge storage units CS2, CS3, and CS4. The distribution (distribution ratio) of the amount of charge distributed to the charge storage units CS2 and CS3 or to the charge storage units CS3 and CS4 is the delay time until the light pulse PO is reflected by the object S and is incident on the distance image pickup device 1. It becomes a ratio according to Td.

図1に戻り、距離演算部42は、この原理を利用して、以下の(1)あるいは(2)式により、遅延時間Tdを算出する。
Td=To×(Q3-Q1)/(Q2+Q3-2×Q1) …(1)
Td=To+To×(Q4-Q1)/(Q3+Q4-2×Q1) …(2)
ここで、Toは光パルスPOが照射された期間、Q1は電荷蓄積部CS1に蓄積された電荷量、Q2は電荷蓄積部CS2に蓄積された電荷量、Q3は電荷蓄積部CS3に蓄積された電荷量、Q4は電荷蓄積部CS4に蓄積された電荷量を示す。距離演算部42は、例えば、Q4=Q1である場合、(1)式で遅延時間Tdを算出し、一方、Q2=Q1である場合、(2)式で遅延時間Tdを算出する。
Returning to FIG. 1, the distance calculator 42 uses this principle to calculate the delay time Td by the following equation (1) or (2).
Td=To×(Q3-Q1)/(Q2+Q3-2×Q1) (1)
Td = To + To x (Q4 - Q1) / (Q3 + Q4 - 2 x Q1) (2)
Here, To is the period during which the light pulse PO is irradiated, Q1 is the amount of charge accumulated in the charge storage section CS1, Q2 is the amount of charge accumulated in the charge storage section CS2, and Q3 is the amount of charge accumulated in the charge storage section CS3. A charge amount Q4 indicates the charge amount accumulated in the charge accumulation section CS4. For example, when Q4=Q1, the distance calculation unit 42 calculates the delay time Td using equation (1), and when Q2=Q1, calculates the delay time Td using equation (2).

(1)式においては、電荷蓄積部CS2及びCS3には反射光により発生された電荷が蓄積されるが、電荷蓄積部CS4には蓄積されない。一方、(2)式においては、電荷蓄積部CS3及びCS4には反射光により発生された電荷が蓄積されるが、電荷蓄積部CS2には蓄積されない。
なお、(1)式あるいは(2)式では、電荷蓄積部CS2、CS3及びCS4に蓄積される電荷量のうち、外光成分に相当する成分が、電荷蓄積部CS1に蓄積された電荷量と同量であることを前提とする。
In the formula (1), charges generated by reflected light are accumulated in the charge accumulation units CS2 and CS3, but are not accumulated in the charge accumulation unit CS4. On the other hand, in the formula (2), charges generated by reflected light are accumulated in the charge accumulation units CS3 and CS4, but are not accumulated in the charge accumulation unit CS2.
Note that, in the formula (1) or the formula (2), among the charge amounts accumulated in the charge accumulation units CS2, CS3, and CS4, the component corresponding to the external light component is the charge amount accumulated in the charge accumulation unit CS1. It is assumed that the amounts are the same.

距離演算部42は、(1)式あるいは(2)式で求めた遅延時間に、光速(速度)を乗算させることにより、被写体Sまでの往復の距離を算出する。
そして、距離演算部42は、上記で算出した往復の距離を1/2とする(遅延時間Td×c(光速度)/2)ことにより、距離画像センサ32(すなわち、距離画像撮像装置1)から被写体Sまでの距離を求める。
The distance calculator 42 calculates the round-trip distance to the subject S by multiplying the delay time obtained by the formula (1) or (2) by the speed of light (velocity).
Then, the distance calculation unit 42 halves the calculated round-trip distance (delay time Td×c (light speed)/2), so that the distance image sensor 32 (that is, the distance image capturing device 1) to the object S is obtained.

図4は、本実施形態における画素回路321の各トランジスタの配置(レイアウトパターン)の一例を示す図である。
この図4のレイアウトパターンは、図3の画素回路321(すなわち、図2の画素回路321)のレイアウトパターンを示している。
また、図4においては、 転送トランジスタG1、G2、G3及びG4と、ソースフォロアトランジスタSF1、SF2、SF3及びSF4と、選択トランジスタSL1、SL2、SL3及びSL4と、リセットトランジスタRT1、RT2、RT3及びRT4と、電荷排出トランジスタGD1及びGD2と、光電変換素子PDとの各々のパターンの配置が示されている。上述したトランジスタの各々は、すべて、p型の半導体基板上に形成されたnチャネル型のMOSトランジスタである。
FIG. 4 is a diagram showing an example of the arrangement (layout pattern) of each transistor of the pixel circuit 321 in this embodiment.
The layout pattern of FIG. 4 shows the layout pattern of the pixel circuit 321 of FIG. 3 (that is, the pixel circuit 321 of FIG. 2).
4, transfer transistors G1, G2, G3 and G4; source follower transistors SF1, SF2, SF3 and SF4; selection transistors SL1, SL2, SL3 and SL4; reset transistors RT1, RT2, RT3 and RT4; , the pattern arrangement of the charge discharge transistors GD1 and GD2, and the photoelectric conversion element PD. Each of the transistors described above is an n-channel MOS transistor formed on a p-type semiconductor substrate.

例えば、リセットトランジスタRT1は、p型の半導体基板上において、ドレインRT1_D(n拡散層(n型不純物の拡散層))と、ソースRT1_S(n拡散層)とゲートRT1_Gとの各々で構成されている。
また、コンタクトRT1_Cは、リセットトランジスタRT1のドレインRT1_D(n拡散層)と、ソースRT1_S(n拡散層)との各々の拡散層に設けられた、不図示の配線と接続するコンタクトを示すパターンである。他の転送トランジスタG1からG4、ソースフォロアトランジスタSF1からSF4、選択トランジスタSL1からSL4、リセットトランジスタRT2からRT4、電荷排出トランジスタGD1及びGD2も同様の構成をしている。
光電変換素子PDは、長方形の形状で形成されており、長辺PDL1と、長辺PDL1に平行に対向するPDL2と、短辺PDS1と、短辺PDS1に平行に対向するPDS2とから成る。
For example, the reset transistor RT1 is composed of a drain RT1_D (n diffusion layer (n-type impurity diffusion layer)), a source RT1_S (n diffusion layer), and a gate RT1_G on a p-type semiconductor substrate. .
A contact RT1_C is a pattern indicating a contact connected to a wiring (not shown) provided in each diffusion layer of the drain RT1_D (n diffusion layer) and the source RT1_S (n diffusion layer) of the reset transistor RT1. . Other transfer transistors G1 to G4, source follower transistors SF1 to SF4, selection transistors SL1 to SL4, reset transistors RT2 to RT4, and charge discharge transistors GD1 and GD2 have the same configuration.
The photoelectric conversion element PD is formed in a rectangular shape, and is composed of a long side PDL1, a PDL2 facing parallel to the long side PDL1, a short side PDS1, and a PDS2 facing parallel to the short side PDS1.

また、転送トランジスタG1は、ドレインとしてのフローティングディフュージョンFD1と、ゲートG1_Gと、ソース(光電変換素子PDのn拡散層)とから形成されている。ここで、フローティングディフュージョンFD1は、転送トランジスタG1のドレインとしての拡散層(n拡散層)であり、光電変換素子PDからの電荷を蓄積する。
また、ドレインG1_Dは、コンタクトG1_Cにより不図示の配線を介して、ソースフォロアトランジスタSF1のゲートSF1_G、及びリセットトランジスタRT1のソースRT1_Sの各々に接続されている。他の転送トランジスタG2、G3及びG4の各々も転送トランジスタG1と同様の構成である。
Also, the transfer transistor G1 is formed of a floating diffusion FD1 as a drain, a gate G1_G, and a source (n diffusion layer of the photoelectric conversion element PD). Here, the floating diffusion FD1 is a diffusion layer (n-diffusion layer) as a drain of the transfer transistor G1, and accumulates charges from the photoelectric conversion element PD.
Also, the drain G1_D is connected to the gate SF1_G of the source follower transistor SF1 and the source RT1_S of the reset transistor RT1 through a wiring (not shown) by a contact G1_C. Each of the other transfer transistors G2, G3 and G4 has the same configuration as the transfer transistor G1.

図4においては、画素回路321の半導体基板上における各トランジスタの各々の配置を示すものであり、配線パターン及び電荷蓄積容量(C1からC4)の各々は省いて示されている。したがって、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々は、フローティングディフュージョンFD1、FD2、FD3、FD4それぞれの位置に配置されている。 FIG. 4 shows the arrangement of each transistor on the semiconductor substrate of the pixel circuit 321, omitting the wiring pattern and the charge storage capacitors (C1 to C4). Therefore, each of the charge storage units CS1, CS2, CS3 and CS4 is arranged at the position of each of the floating diffusions FD1, FD2, FD3 and FD4.

図4において、例えば、電荷蓄積部CSにおけるフローティングディフュージョンFD1と、電荷蓄積部CS1の近傍にある転送トランジスタG1、選択トランジスタSL1、ソースフォロアトランジスタSF1及びリセットトランジスタRT1の各々とは、pn接合を有しており、入射光が照射されることにより、ノイズ電荷となる電荷を発生する。
そして、電荷蓄積部CS1がリセットトランジスタにより電源VRDの電圧にリセットされており、電位が高い状態となっているため、電位の違いによる電界によりノイズ電荷が電荷蓄積部CS1に注入されることになる。
In FIG. 4, for example, the floating diffusion FD1 in the charge storage section CS and each of the transfer transistor G1, the select transistor SL1, the source follower transistor SF1 and the reset transistor RT1 in the vicinity of the charge storage section CS1 has a pn junction. When irradiated with incident light, charges that become noise charges are generated.
Since the charge storage section CS1 has been reset to the voltage of the power supply VRD by the reset transistor and is in a high potential state, noise charges are injected into the charge storage section CS1 due to the electric field caused by the potential difference. .

この結果、電荷蓄積部CS1にノイズ電荷が蓄積される。また、電荷蓄積部CSに電荷を蓄積している期間と、それぞれの電荷が電荷蓄積部CSから読み出されるまで、入射光が継続的に全ての電荷蓄積部CS1からCS4の各々に照射されるため、電荷蓄積部CSに蓄積される電荷量におけるノイズ電荷の比率が高くなる。
また、上述した電荷蓄積部CS1と同様に、電荷蓄積部CS2からCS3の各々も、自身と、自身の近傍にある他のトランジスタが発生するノイズ電荷が流入して蓄積されることになる。
As a result, noise charges are accumulated in the charge accumulation unit CS1. In addition, all the charge storage units CS1 to CS4 are continuously irradiated with the incident light during the period during which the charges are stored in the charge storage units CS and until the charges are read out from the charge storage units CS. , the ratio of the noise charge in the amount of charge accumulated in the charge accumulation section CS increases.
In addition, similarly to the charge storage section CS1 described above, each of the charge storage sections CS2 to CS3 also receives and stores noise charges generated by itself and other transistors in the vicinity thereof.

そのため、上記(1)式及び(2)式で計算される距離は、計算に用いる電荷量Q1、Q2、Q3及びQ4にノイズ電荷が混入することにより精度が低下してしまう。
本実施形態においては、図5に示すように、電荷蓄積部CSに蓄積されるノイズ電荷の電荷量の検出処理を行う。図5は、本実施形態における電荷蓄積部CSに蓄積されるノイズ電荷の電荷量を取得する処理を説明する図である。図5において、インテグレーションタイムがフレームにおける電荷蓄積部CSに電荷を蓄積する期間であり、すでに説明した光電変換素子PDから電荷蓄積部CSに対する電荷の振分け処理が所定数の蓄積周期毎に繰返される。リードタイムがフレームにおける電荷蓄積部CSに蓄積された電荷の電荷量を読み出す期間であり、距離画像センサ32における画素回路321の各々の電荷蓄積部CSに蓄積された電荷の電荷量が順次読み出され、距離演算部42へ出力される。
測定制御部43は、タイミング制御部41を制御して、画素駆動回路322からの蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3及びTX4の各々と、駆動信号RSTDとの出力タイミングを、ノイズ電荷量取得モード及び測距電荷量取得モードとで変更する制御を行う。
Therefore, the accuracy of the distances calculated by the above formulas (1) and (2) is degraded due to noise charges mixed into the charge amounts Q1, Q2, Q3 and Q4 used for calculation.
In this embodiment, as shown in FIG. 5, a process of detecting the amount of noise charges accumulated in the charge accumulation section CS is performed. FIG. 5 is a diagram for explaining the process of acquiring the amount of noise charges accumulated in the charge accumulation unit CS in this embodiment. In FIG. 5, the integration time is the period during which charges are accumulated in the charge storage section CS in a frame, and the previously described charge distribution process from the photoelectric conversion element PD to the charge storage section CS is repeated every predetermined number of accumulation cycles. The read time is a period for reading out the amount of charge accumulated in the charge accumulation section CS in the frame, and the charge amount accumulated in the charge accumulation section CS of each pixel circuit 321 in the distance image sensor 32 is sequentially read out. and output to the distance calculator 42 .
The measurement control unit 43 controls the timing control unit 41 to control the output timing of each of the accumulation drive signals TX1, TX2, TX3 and TX4 from the pixel drive circuit 322 and the drive signal RSTD in the noise charge amount acquisition mode and the output timing of the drive signal RSTD. Control is performed to change between the ranging charge amount acquisition modes.

ここで、ノイズ電荷量取得モードは、測距が開始された際に、1フレーム目で行われる処理のモードを示し、電荷蓄積部CS1からCS4の各々に蓄積される、ノイズ電荷の電荷量QNS1からQNS4それぞれを求めるモードである。
一方、測距電荷量取得モードは、電荷蓄積部CS1からCS4の各々に蓄積される、反射光RLを含む入射光により光電変換素子PDが発生した電荷の電荷量を取得するモードである。
そして、測定制御部43は、距離画像撮像装置1において測距が開始された際で、最初の1フレーム目における画素駆動回路322の動作をノイズ電荷量取得モードとし、以降の2フレーム目から画素駆動回路322の動作を測距離電荷量取得モードとするように、タイミング制御部41を制御する。
Here, the noise charge amount acquisition mode indicates a mode of processing performed in the first frame when distance measurement is started, and the amount of noise charge QNS1 accumulated in each of the charge accumulation units CS1 to CS4 is This is the mode for obtaining each QNS4 from .
On the other hand, the distance measurement charge amount acquisition mode is a mode for acquiring the charge amount of the charge generated by the photoelectric conversion element PD due to the incident light including the reflected light RL, which is accumulated in each of the charge storage units CS1 to CS4.
Then, when the distance measurement is started in the distance image pickup device 1, the measurement control unit 43 sets the operation of the pixel driving circuit 322 in the first frame to the noise charge amount acquisition mode. The timing control unit 41 is controlled so that the drive circuit 322 operates in the distance measurement charge amount acquisition mode.

図6は、ノイズ電荷量取得モードにおける電荷蓄積部CS(CS1、CS2、CS3、CS4)に対する電荷の蓄積処理を説明する概念図である。
図6(a)は、ノイズ電荷量取得モードにおける、光パルスPOの発光と、蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3及びTX4の各々と、駆動信号RSTDとのタイミングを示すタイミングチャートである。図6(a)において、横軸は時間を示し、縦軸は信号レベル(Hレベル(ON)あるいはLレベル(OFF))を示している。
図6(b)は、光電変換素子PDと、転送トランジスタG1、GS2、GS3及びGS4と、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4との構成の概念を示す、図4を簡略化した概念図である。
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating charge accumulation processing for the charge accumulation units CS (CS1, CS2, CS3, and CS4) in the noise charge amount acquisition mode.
FIG. 6A is a timing chart showing timings of light emission of the light pulse PO, each of the accumulation drive signals TX1, TX2, TX3 and TX4, and the drive signal RSTD in the noise charge amount acquisition mode. In FIG. 6A, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates signal level (H level (ON) or L level (OFF)).
FIG. 6B is a simplified schematic diagram of FIG. 4, showing the concept of the configuration of the photoelectric conversion element PD, the transfer transistors G1, GS2, GS3 and GS4, and the charge storage units CS1, CS2, CS3 and CS4. is.

図6(a)に示すように、ノイズ電荷量取得モードにおいては、インテグレーションタイム、すなわち電荷蓄積期間における全ての蓄積周期において、蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3、TX4の全てがLレベルとされているため、転送トランジスタG1、G2、G3、G4それぞれがオフ状態を維持する。
また、このとき、光パルスPOは蓄積周期毎において所定の時間に照射され、駆動信号RSTDがHレベルとされており、電荷排出トランジスタGD1及びGD2はオン状態が維持されている。
As shown in FIG. 6A, in the noise charge amount acquisition mode, all of the accumulation drive signals TX1, TX2, TX3, and TX4 are set to L level during the integration time, that is, in all the accumulation cycles in the charge accumulation period. Therefore, the transfer transistors G1, G2, G3, and G4 are kept off.
At this time, the light pulse PO is emitted at a predetermined time in each accumulation period, the drive signal RSTD is set to H level, and the charge discharge transistors GD1 and GD2 are maintained in the ON state.

これにより、光電変換素子PDが発生した電荷は、全て電源VDDに排出される。そして、転送トランジスタG1、G2、G3及びG4の各々がオフ状態のため、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4それぞれには、光電変換素子PDからの電荷が蓄積されない。
したがって、電荷蓄積部CSに蓄積される電荷は、入射光(背景光及び反射光RL)によって、電荷蓄積部CSにおいて生成される電荷と、電荷蓄積部CS近傍の回路において生成される電荷とのノイズ電荷である。
そして、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々には、インテグレーションタイムにおいて、ノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4それぞれのノイズ電荷が蓄積される。
As a result, all the charges generated by the photoelectric conversion element PD are discharged to the power supply VDD. Since each of the transfer transistors G1, G2, G3, and G4 is in an off state, the charge from the photoelectric conversion element PD is not accumulated in each of the charge accumulation units CS1, CS2, CS3, and CS4.
Therefore, the charge accumulated in the charge storage section CS is a combination of the charge generated in the charge storage section CS and the charge generated in the circuit near the charge storage section CS by incident light (background light and reflected light RL). noise charge.
Then, in each of the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4, the noise charges of the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 are accumulated during the integration time.

また、画素駆動回路322は、リードタイムにおいて、画素回路321の各々から、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4それぞれのノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4を読出し、所定の電気信号として距離演算部42に対して出力する。ここで、説明の簡略化のため、以下の説明においてもノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4として説明する。
距離演算部42は、図示しない記憶部(例えば、距離画像処理部4内に備えられている)に対して、画素回路321毎にノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4を書き込んで記憶させる。
上述した処理により、ノイズ電荷量取得モードが終了する。
Further, the pixel drive circuit 322 reads the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 of the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4 from each of the pixel circuits 321 during the read time, and converts them into predetermined electrical signals to determine the distance. Output to the calculation unit 42 . Here, for simplification of explanation, the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 will also be explained in the following explanation.
The distance calculation unit 42 writes and stores the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 for each pixel circuit 321 in a storage unit (for example, provided in the distance image processing unit 4) not shown.
With the above-described processing, the noise charge amount acquisition mode ends.

図7は、測距離電荷量取得モードにおける電荷蓄積部CS(CS1、CS2、CS3、CS4)に対する電荷の蓄積処理を説明する概念図である。
図7(a)は、測距離電荷量取得モードにおける、光パルスPOの発光と、蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3及びTX4の各々と、駆動信号RSTDとのタイミングを示すタイミングチャートである。図7(a)において、横軸は時間を示し、縦軸は信号レベル(Hレベル(ON)あるいはLレベル(OFF))を示している。
図7(b)は、光電変換素子PDと、転送トランジスタG1、G2、G3、G4と、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4との構成の概念を示す、図4を簡略化した概念図である。
FIG. 7 is a conceptual diagram illustrating charge accumulation processing for the charge accumulation units CS (CS1, CS2, CS3, and CS4) in the distance measurement charge amount acquisition mode.
FIG. 7(a) is a timing chart showing the timing of the light emission of the light pulse PO, each of the accumulation drive signals TX1, TX2, TX3 and TX4, and the drive signal RSTD in the distance measurement charge amount acquisition mode. In FIG. 7A, the horizontal axis indicates time, and the vertical axis indicates signal level (H level (ON) or L level (OFF)).
FIG. 7B is a simplified conceptual diagram of FIG. 4, showing the concept of the configuration of the photoelectric conversion element PD, the transfer transistors G1, G2, G3 and G4, and the charge storage units CS1, CS2, CS3 and CS4. is.

図7(a)に示すように、測距離電荷量取得モードにおいては、インテグレーションタイム、すなわち電荷蓄積期間における全ての蓄積周期において、蓄積駆動信号TX1からTX4の各々が所定のタイミングでHレベル/Lレベルとなるように制御され、転送トランジスタG1、G2、G3、G4それぞれがオンオフ制御され、光電変換素子PDから電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4それぞれへの電荷の振分けが行われる。
また、このとき、光パルスPOは蓄積周期毎において所定の時間に照射され、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4への電荷の振分け期間において駆動信号RSTDがLレベルとされており、電荷排出トランジスタGD1及びGD2はオフ状態が維持されている。
As shown in FIG. 7(a), in the range-finding charge amount acquisition mode, each of the accumulation drive signals TX1 to TX4 is at H level/L at a predetermined timing during the integration time, that is, in all the accumulation cycles in the charge accumulation period. level, the transfer transistors G1, G2, G3, and G4 are controlled to be on/off, and charges are distributed from the photoelectric conversion element PD to the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4, respectively.
At this time, the light pulse PO is emitted at a predetermined time in each accumulation cycle, and the drive signal RSTD is set to L level during the charge allocation period to the charge accumulation units CS1, CS2, CS3, and CS4, and the charge is discharged. The transistors GD1 and GD2 are kept off.

これにより、光電変換素子PDが発生した電荷は、転送トランジスタG1、G2、G3及びG4の各々により、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4それぞれに転送されて、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4に電荷が蓄積さる。
したがって、電荷蓄積部CSに蓄積される電荷の電荷量Qには、光電変換素子PDから振分けられる電荷に対して、入射光(背景光及び反射光RL)によって、電荷蓄積部CSにおいて生成される電荷と、電荷蓄積部CS近傍の回路において生成される電荷とのノイズ電荷とが混入されている。
すなわち、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々において蓄積される電荷量Q1、Q2、Q3、Q4には、それぞれノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4が混入している。
As a result, the charges generated by the photoelectric conversion elements PD are transferred to the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4 by the transfer transistors G1, G2, G3, and G4, respectively. , CS4.
Therefore, the charge amount Q of the charges accumulated in the charge storage portion CS is generated in the charge storage portion CS by incident light (background light and reflected light RL) with respect to the charge distributed from the photoelectric conversion element PD. Charges and noise charges, which are charges generated in circuits near the charge storage section CS, are mixed.
That is, the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3 and QNS4 are mixed in the charge amounts Q1, Q2, Q3 and Q4 accumulated in the charge accumulation units CS1, CS2, CS3 and CS4, respectively.

また、画素駆動回路322は、リードタイムにおいて、画素回路321の各々から、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4それぞれに蓄積されている電荷量Q1、Q2、Q3、Q4を読出し、所定の電気信号として距離演算部42に対して出力する。ここで、説明の簡略化のため、以下の説明においても電荷量Q1、Q2、Q3、Q4として説明する。
距離演算部42は、距離画像センサ32から供給される電荷量Q1、Q2、Q3、Q4の各々により、すでに説明したように、(1)式または(2)式を用いて、距離画像センサ32(すなわち、画素回路321の各々)と被写体Sとの間の距離に対応した遅延時間Tdを算出する。
Further, the pixel drive circuit 322 reads the charge amounts Q1, Q2, Q3, and Q4 respectively accumulated in the charge accumulation units CS1, CS2, CS3, and CS4 from each of the pixel circuits 321 during the read time, It is output to the distance calculator 42 as a signal. Here, for the sake of simplification of explanation, the charge amounts Q1, Q2, Q3, and Q4 will also be explained in the following explanation.
The distance calculator 42 uses the charge amounts Q1, Q2, Q3, and Q4 supplied from the distance image sensor 32 to calculate the distance image sensor 32 using equation (1) or equation (2), as described above. (that is, each of the pixel circuits 321) and the subject S, the delay time Td corresponding to the distance is calculated.

このとき、距離演算部42は、画素回路321毎に対応して、記憶部に記憶されているノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4の各々を読出す。
そして、距離演算部42は、電荷量Q1、Q2、Q3及びQ4の各々から、ノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4それぞれを減算し、補正電荷量QC1、QC2、QC3、QC4を算出する。
すなわち、補正電荷量QC1(=Q1-QNS1)は、電荷量Q1からノイズ電荷量QNS1を除いた、光電変換素子PSから振分け処理により供給されて、電荷蓄積部CS1に蓄積された電荷量である。同様に、補正電荷量QC2(=Q2-QNS2)は、電荷量Q2からノイズ電荷量QNS2を除いた、光電変換素子PSから振分け処理により供給されて、電荷蓄積部CS2に蓄積された電荷量である。補正電荷量QC3(=Q3-QNS3)は、電荷量Q3からノイズ電荷量QNS3を除いた、光電変換素子PSから振分け処理により供給されて、電荷蓄積部CS3に蓄積された電荷量である。補正電荷量QC4(=Q4-QNS4)は、電荷量Q4からノイズ電荷量QNS4を除いた、光電変換素子PSから振分け処理により供給されて、電荷蓄積部CS4に蓄積された電荷量である。
At this time, the distance calculation unit 42 reads the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 stored in the storage unit corresponding to each pixel circuit 321 .
Then, the distance calculator 42 subtracts the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 from the charge amounts Q1, Q2, Q3, and Q4, respectively, to calculate the corrected charge amounts QC1, QC2, QC3, and QC4.
That is, the corrected charge amount QC1 (=Q1-QNS1) is the charge amount supplied from the photoelectric conversion element PS by the sorting process and stored in the charge storage unit CS1, excluding the noise charge amount QNS1 from the charge amount Q1. . Similarly, the corrected charge amount QC2 (=Q2-QNS2) is the charge amount supplied from the photoelectric conversion element PS by the sorting process and stored in the charge storage unit CS2, which is obtained by removing the noise charge amount QNS2 from the charge amount Q2. be. The corrected charge amount QC3 (=Q3-QNS3) is the charge amount supplied from the photoelectric conversion element PS by the sorting process and stored in the charge storage section CS3, which is obtained by subtracting the noise charge amount QNS3 from the charge amount Q3. The corrected charge amount QC4 (=Q4-QNS4) is the charge amount supplied from the photoelectric conversion element PS by the sorting process and stored in the charge storage section CS4, which is obtained by subtracting the noise charge amount QNS4 from the charge amount Q4.

そして、距離演算部42は、(1)式または(2)式に対して、上記補正電荷量QC1、QC2、QC3、QC4の各々を以下に示すように代入して、遅延時間Tdを算出する。
Td=To×(QC3-QC1)/(QC2+QC3-2×QC1) …(1)’
Td=To+To×(QC4-QC1)/(QC3+QC4-2×QC1)…(2)’
そして、2フレーム以降の各フレームにおける距離の計算においては、記憶部に記憶されているノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4の各々を読出し、電荷量Q1、Q2、Q3、Q4それぞれから減算し、補正電荷量QC1、QC2、QC3、QC4を逐次求めて、(1)’式または(2)’式を用いて距離の計算を行う。
Then, the distance calculation unit 42 calculates the delay time Td by substituting each of the corrected charge amounts QC1, QC2, QC3, and QC4 into the equation (1) or (2) as follows. .
Td=To×(QC3−QC1)/(QC2+QC3−2×QC1) (1)′
Td=To+To×(QC4−QC1)/(QC3+QC4−2×QC1) (2)′
In calculating the distance in each frame after the second frame, the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3 and QNS4 stored in the storage section are read out and subtracted from the charge amounts Q1, Q2, Q3 and Q4. , corrected charge amounts QC1, QC2, QC3, and QC4 are sequentially obtained, and the distance is calculated using the equation (1)' or (2)'.

上述した構成により、本実施形態によれば、ノイズ電荷量取得モードのフレームにおいて予め電荷蓄積部CS(CS1、CS2、CS3及びCS4)の各々と、当該電荷蓄積部CSの近傍の回路において、入射光により発生して電荷蓄積部CSに蓄積されるノイズ電荷のノイズ電荷量QNSを取得しておき、以降の測距離電荷量取得モードのフレームにおいて、光電変換素子PSから振分け処理により電荷蓄積部CSの各々に振分けられて蓄積された電荷量Qの各々からノイズ電荷量QNSを減算し、電荷蓄積部CSに蓄積される電荷量Qに混入したノイズ電荷を除去し、光電変換素子PDにおいて入射光により発生した補正電荷量QCを抽出することにより、ノイズ電荷の影響による精度の低下を抑止して、高い精度で被写体Sと距離画像センサ32との距離を算出することができる。 With the above-described configuration, according to the present embodiment, in each of the charge storage units CS (CS1, CS2, CS3, and CS4) in advance in the frame of the noise charge amount acquisition mode, and in the circuits near the charge storage units CS, incident The noise charge amount QNS of the noise charge generated by light and accumulated in the charge storage unit CS is acquired, and in subsequent frames in the distance measurement charge amount acquisition mode, the charge storage unit CS to remove the noise charge mixed in the charge amount Q accumulated in the charge accumulation unit CS, and the incident light in the photoelectric conversion element PD By extracting the corrected charge amount QC generated by the above, it is possible to suppress the decrease in accuracy due to the influence of the noise charge, and to calculate the distance between the object S and the distance image sensor 32 with high accuracy.

また、本実施形態において、距離画像撮像装置1が測距を開始した際、最初のフレームをノイズ電荷量取得モードのフレームとする構成を説明したが、連続する所定のフレーム数のフレーム群における最初のフレームをノイズ電荷量取得モードのフレームとする構成としてもよい。例えば、連続する100フレームをフレーム群とすると、フレーム群の最初のフレームをノイズ電荷量取得モードのフレームとし、2番目から99のフレームを測距離電荷量取得モードのフレームとする。記憶部におけるノイズ電荷量の情報は、新たに取得されたノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4それぞれにより上書きされる。
あるいは、一定時間毎(例えば、5秒毎、1分毎など)に、ノイズ電荷量取得モードのフレームを挿入して、測距の処理を行うようにしてもよい。
Further, in this embodiment, when the distance image pickup device 1 starts distance measurement, the first frame is set to be the frame in the noise charge amount acquisition mode. may be used as the frame of the noise charge amount acquisition mode. For example, if a frame group consists of 100 consecutive frames, the first frame of the frame group is set in the noise charge amount acquisition mode, and the second to 99th frames are set in the distance measurement charge amount acquisition mode. The information on the noise charge amount in the storage unit is overwritten with the newly acquired noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4.
Alternatively, a frame in the noise charge amount acquisition mode may be inserted at regular time intervals (eg, every 5 seconds, 1 minute, etc.) to perform distance measurement processing.

また、本実施形態において、距離画像センサ32における画素回路321全てにおけるノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4を記憶部に記憶していたが、記憶部の容量を低減させるため、画素回路321における電荷蓄積部CS1、CS2、CS4、CS4の各々のノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4の平均値を算出し、平均値を全ての電荷蓄積部CS1、CS2、CS4、CS4のノイズ電荷として用いる構成としてもよい。
また、距離画像センサ32における画素回路321の各々を、所定数の画素回路321からなる画素回路グループに分割し、距離画像センサ32における画素回路321を分割し、それぞれのグループの画素回路321におけるいずれかの画素回路321のノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4を代表値として用いたり、それぞれの平均値を求めてグループにより用いる構成としてもよい。
In the present embodiment, the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 in all the pixel circuits 321 in the distance image sensor 32 are stored in the storage unit. The average value of the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 of each of the charge storage units CS1, CS2, CS4, and CS4 is calculated, and the average value is used as the noise charge of all the charge storage units CS1, CS2, CS4, and CS4. may be configured.
Further, each of the pixel circuits 321 in the range image sensor 32 is divided into pixel circuit groups each including a predetermined number of pixel circuits 321, the pixel circuits 321 in the range image sensor 32 are divided, and any pixel circuit 321 in each group is divided into groups. The noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 of the pixel circuits 321 may be used as representative values, or the average values thereof may be obtained and used by groups.

<第2の実施形態>
以下、本発明の第2の実施形態について、図面を参照して説明する。
第2の実施形態は、図1から図4に示す第1の実施形態と構成は同様である。以下、第2の実施形態について、第1の実施形態と異なる動作の説明を行う。
図8は、本実施形態における電荷蓄積部CSに蓄積されるノイズ電荷の電荷量を取得する処理を説明する図である。
図8において、インテグレーションタイムがフレームにおける電荷蓄積部CSに電荷を蓄積する期間であり、すでに説明した光電変換素子PDから電荷蓄積部CSに対する電荷の振分け処理が繰返される。リードタイムがフレームにおける電荷蓄積部CSに蓄積された電荷の電荷量を読み出す期間であり、距離画像センサ32における画素回路321の各々の電荷蓄積部CSに蓄積された電荷の電荷量が順次読み出される。本実施形態において、フレームが33.3msec(ミリ秒)のフレーム幅であり、1秒間に30フレームのフレーム周期である(30fps(frames per second))。
<Second embodiment>
A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The second embodiment has the same configuration as the first embodiment shown in FIGS. The operation of the second embodiment, which differs from that of the first embodiment, will be described below.
FIG. 8 is a diagram for explaining the process of acquiring the amount of noise charges accumulated in the charge accumulation unit CS in this embodiment.
In FIG. 8, the integration time is the period for accumulating charges in the charge accumulating portion CS in a frame, and the previously described process of distributing charges from the photoelectric conversion element PD to the charge accumulating portion CS is repeated. The read time is a period for reading out the amount of charge accumulated in the charge storage section CS in the frame, and the charge amount of the charge accumulated in each charge storage section CS of the pixel circuit 321 in the distance image sensor 32 is read out sequentially. . In this embodiment, a frame has a frame width of 33.3 msec (milliseconds) and a frame period of 30 frames per second (30 fps (frames per second)).

第2の実施形態においては、図8に示すようにフレームの各々を、第1サブフレームと第2サブフレームとに分割して、第1サブフレームでノイズ電荷量取得モードの処理を行ない、第2サブフレームで測距離電荷量取得モードの処理を行う。ノイズ電荷量取得モードの処理及び測距離電荷量取得モードの処理は、第1の実施形態と同様である。
第1サブフレーム及び第2サブフレームの各々において、それぞれインテグレーションタイム及びリードタイムとが設けられている。
In the second embodiment, each frame is divided into a first subframe and a second subframe as shown in FIG. The distance measurement charge amount acquisition mode is processed in two subframes. The processing in the noise charge amount acquisition mode and the processing in the distance measurement charge amount acquisition mode are the same as in the first embodiment.
An integration time and a lead time are provided in each of the first subframe and the second subframe, respectively.

第1サブフレームにおけるインテグレーションタイムにおいて、ノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4を取得し、リードタイムで読み出して、距離画像処理部4に対して出力する。これにより、距離演算部42は、入力されるノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4を、記憶部に書き込んで記憶させる。
そして、第2サブフレームにおけるインテグレーションタイムにおいて、電荷量Q1、Q2、Q3、Q4を取得し、リードタイムで読み出して、距離画像処理部4に対して出力する。
During the integration time in the first subframe, the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 are obtained, read during the lead time, and output to the distance image processing section 4. FIG. As a result, the distance calculation unit 42 writes and stores the input noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 in the storage unit.
Then, the charge amounts Q1, Q2, Q3, and Q4 are acquired during the integration time in the second subframe, read during the lead time, and output to the distance image processing section 4. FIG.

これにより、距離演算部42は、入力される電荷量Q1、Q2、Q3、Q4の各々から、ノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4それぞれを減算し、補正電荷量QC1、QC2、QC3、QC4を求める。
また、距離演算部42は、求めた補正電荷量QC1、QC2、QC3、QC4により、(1)’式または(2)’式により、距離画像センサ32から被写体Sまでの距離を算出するための遅延時間Tdを求める。
As a result, the distance calculation unit 42 subtracts the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 from the input charge amounts Q1, Q2, Q3, and Q4, respectively, to obtain corrected charge amounts QC1, QC2, QC3, and QC4. Ask for
Further, the distance calculation unit 42 calculates the distance from the distance image sensor 32 to the subject S by the formula (1)' or (2)' based on the calculated corrected charge amounts QC1, QC2, QC3, and QC4. Obtain the delay time Td.

ここで、リードタイムは、距離画像センサ32における画素回路321の各々から、ノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3、QNS4、あるいは電荷量Q1、Q2、Q3、Q4を読み出すため、時間を短縮することができない。
このため、電荷蓄積部CSから電荷を読み出すリードタイムの時間を維持するため、電荷蓄積部CSに対して電荷の蓄積を行うインテグレーションの時間を短縮する(蓄積周期数を低減する)構成となる。
Here, the lead time can be shortened because the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3 and QNS4 or the charge amounts Q1, Q2, Q3 and Q4 are read out from each of the pixel circuits 321 in the distance image sensor 32. Can not.
Therefore, in order to maintain the read time for reading charges from the charge storage section CS, the integration time for storing charges in the charge storage section CS is shortened (the number of storage cycles is reduced).

上述した構成により、本実施形態によれば、同一フレームにおいて、ノイズ電荷量の取得と距離の測定とを行うため、短い時間(例えば秒単位)で環境光の変化が起こる場合、入射光により発生するノイズ電荷量QNSを、リアルタイムに電荷量Qから除去することができ、環境光の変化に対応してノイズ電荷の影響を抑制することが可能となり、測定する距離の精度を向上させることができる。 With the above-described configuration, according to this embodiment, noise charge amount acquisition and distance measurement are performed in the same frame. can be removed from the charge amount Q in real time, the influence of the noise charge can be suppressed in response to changes in ambient light, and the accuracy of the distance to be measured can be improved. .

<第3の実施形態>
以下、本発明の第3の実施形態について、図面を参照して説明する。
第3の実施形態は、図1から図4に示す第1の実施形態と構成は同様である。以下、第3の実施形態について、第1の実施形態と異なる動作の説明を行う。
図9は、本実施形態における電荷蓄積部CSに蓄積されるノイズ電荷の電荷量を取得する処理を説明する図である。図9において、インテグレーションタイムがフレームにおける電荷蓄積部CSに電荷を蓄積する期間であり、すでに説明した光電変換素子PDから電荷蓄積部CSに対する電荷の振分け処理が繰返される。リードタイムがフレームにおける電荷蓄積部CSに蓄積された電荷の電荷量を読み出す期間であり、距離画像センサ32における画素回路321の各々の電荷蓄積部CSに蓄積された電荷の電荷量が順次読み出される。
<Third Embodiment>
A third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The configuration of the third embodiment is similar to that of the first embodiment shown in FIGS. The operation of the third embodiment, which differs from that of the first embodiment, will be described below.
FIG. 9 is a diagram for explaining the process of acquiring the amount of noise charges accumulated in the charge accumulation unit CS in this embodiment. In FIG. 9, the integration time is the period for accumulating charges in the charge accumulating portion CS in a frame, and the previously described process of distributing charges from the photoelectric conversion element PD to the charge accumulating portion CS is repeated. The read time is a period for reading out the amount of charge accumulated in the charge storage section CS in the frame, and the charge amount of the charge accumulated in each charge storage section CS of the pixel circuit 321 in the distance image sensor 32 is read out sequentially. .

本実施形態においては、図9に示すように、測定制御部43の制御により、ノイズ電荷量取得モードのフレームとして、第1ノイズ電荷量取得モードのフレーム(第1フレーム)と、第2ノイズ電荷量取得モードのフレーム(第2フレーム)との2種類が用いられている。また、測距離電荷量取得モードのフレームは、第3フレーム以降のフレームである。本実施形態においても、第1の実施形態と同様に、距離画像の撮像が開始された際、初めの1フレーム及び2フレームをノイズ電荷量取得モードとする構成としてもよいし、周期的、あるいは時間的に複数の測距離電荷量取得モードの時系列のフレームのブロック間に第1ノイズ電荷量取得モード及び第2ノイズ電荷量取得モードを実行する構成としてもよい。 In this embodiment, as shown in FIG. 9, under the control of the measurement control unit 43, a frame of the first noise charge amount acquisition mode (first frame) and a second noise charge amount acquisition mode frame (first frame) are used as frames of the noise charge amount acquisition mode. Two types are used: the frame in the quantity acquisition mode (second frame). Also, the frames in the distance measurement charge amount acquisition mode are the frames after the third frame. In this embodiment, as in the first embodiment, when the imaging of the distance image is started, the noise charge amount acquisition mode may be set for the first 1 frame and 2 frames. A configuration may be employed in which the first noise charge amount acquisition mode and the second noise charge amount acquisition mode are executed between time-series frame blocks of a plurality of distance measurement charge amount acquisition modes.

本実施形態において、第1ノイズ電荷量取得モードは、入射光として背景光のみにより発生して、電荷蓄積部CSに蓄積される第1ノイズ電荷量の取得を行うモードである。
第2ノイズ電荷量取得モードは、入射光として背景光及び反射光RLにより発生して、電荷蓄積部CSに蓄積される第2ノイズ電荷量(第1及び第2実施形態におけるノイズ電荷量に対応)の取得を行うモードである。そして、3フレーム以降が、距離画像を取得する測距離電荷量取得モードのフレームである。
In the present embodiment, the first noise charge amount acquisition mode is a mode for acquiring the first noise charge amount generated only by background light as incident light and accumulated in the charge accumulation unit CS.
In the second noise charge amount acquisition mode, the second noise charge amount (corresponding to the noise charge amount in the first and second embodiments) generated by background light and reflected light RL as incident light and accumulated in the charge accumulation unit CS ) in this mode. The third and subsequent frames are frames in the distance measurement charge amount acquisition mode for acquiring the distance image.

図10は、測距離電荷量取得モードにおける電荷蓄積部CSにおける反射光RLに対応したノイズ電荷を説明する概念図である。
図10は、測距離電荷量取得モードにおける、光パルスPOの発光と、反射光RLと、蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3及びTX4の各々と、駆動信号RSTDと、ノイズ電荷量QNSP(QNSP1、QNSP2、QNSP3、QNSP4)の発生とのタイミングを示すタイミングチャートである。ノイズ電荷量QNSPは、電荷蓄積部CSに蓄積される反射光RLにより発生するノイズ電荷の電荷量である。すなわち、ノイズ電荷量QNSP1は、電荷蓄積部CS1に蓄積される反射光RLによるノイズ電荷の電荷量である。また、ノイズ電荷量QNSP2は、電荷蓄積部CS2に蓄積される反射光RLによるノイズ電荷の電荷量である。ノイズ電荷量QNSP3は、電荷蓄積部CS3に蓄積される反射光RLによるノイズ電荷の電荷量である。ノイズ電荷量QNSP4は、電荷蓄積部CS4に蓄積される反射光RLによるノイズ電荷の電荷量である。
FIG. 10 is a conceptual diagram illustrating noise charges corresponding to the reflected light RL in the charge storage section CS in the distance measurement charge amount acquisition mode.
FIG. 10 shows the light emission of the light pulse PO, the reflected light RL, each of the accumulation drive signals TX1, TX2, TX3 and TX4, the drive signal RSTD, and the noise charge amount QNSP (QNSP1, 4 is a timing chart showing the timing with the occurrence of QNSP2, QNSP3, QNSP4). The noise charge amount QNSP is the amount of noise charge generated by the reflected light RL accumulated in the charge accumulation section CS. That is, the noise charge amount QNSP1 is the amount of noise charge due to the reflected light RL accumulated in the charge accumulation section CS1. Further, the noise charge amount QNSP2 is the amount of noise charge due to the reflected light RL accumulated in the charge accumulation section CS2. The noise charge amount QNSP3 is the amount of noise charge due to the reflected light RL accumulated in the charge accumulation section CS3. The noise charge amount QNSP4 is the amount of noise charge due to the reflected light RL accumulated in the charge accumulation section CS4.

図10に示すように、測距離電荷量取得モードにおいては、インテグレーションタイム、すなわち電荷蓄積期間における全ての蓄積周期において、蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3及びTX4の各々が所定のタイミングでHレベル/Lレベルとなるように制御され、転送トランジスタG1、G2、G3、G4それぞれがオンオフ制御され、光電変換素子PDから電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4それぞれへの電荷の振分けが行われる。
また、このとき、光パルスPOは蓄積周期毎において所定の時間に照射され、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4への電荷の振分け期間において駆動信号RSTDがLレベルとされており、電荷排出トランジスタGD1及びGD2はオフ状態が維持されている。
このとき、ノイズ電荷量QNSP1、QNSP2、QNSP3及びQNSP4の各々は、測距離電荷量取得モードのフレームそれぞれによる振分け回数により変化する。
As shown in FIG. 10, in the range-finding charge amount acquisition mode, each of the accumulation drive signals TX1, TX2, TX3, and TX4 is at H level/at a predetermined timing during the integration time, that is, in all the accumulation cycles in the charge accumulation period. The transfer transistors G1, G2, G3, and G4 are controlled to be at L level, and the transfer transistors G1, G2, G3, and G4 are controlled to be on/off, and the charges are distributed from the photoelectric conversion element PD to the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4, respectively.
At this time, the light pulse PO is emitted at a predetermined time in each accumulation cycle, and the drive signal RSTD is set to L level during the charge allocation period to the charge accumulation units CS1, CS2, CS3, and CS4, and the charge is discharged. The transistors GD1 and GD2 are kept off.
At this time, each of the noise charge amounts QNSP1, QNSP2, QNSP3, and QNSP4 changes according to the number of allocations for each frame in the distance measurement charge amount acquisition mode.

これにより、光電変換素子PDが発生した電荷は、転送トランジスタG1、G2、G3及びG4の各々により、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4それぞれに転送されて、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4に蓄積される電荷に、反射光RLにより発生したノイズ電荷と、背景光により発生したノイズ電荷とが混入されている。
この反射光RLにより発生するノイズ電荷量QNSP1、QNSP2、QNSP3及びQNSP4の各々は、反射率が大きく異なる被写体が撮像された際、オートエクスポージャの機能により、振分け回数が変化する毎に取得する必要がある。
このため、オートエクスポージャによる振分け回数の変更の発生を予測することができないため、頻繁にノイズ電荷量取得モードのフレームを実行する必要がある。
しかしながら、ノイズ電荷量取得モードのフレームを頻繁に処理することにより、時間軸における距離画像の分解能が低下してしまうため、本実施形態においては、以下に説明する方法により、オートエクスポージャによる振分け回数の変更に対応する。
As a result, the charges generated by the photoelectric conversion elements PD are transferred to the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4 by the transfer transistors G1, G2, G3, and G4, respectively. , CS4 are mixed with noise charges generated by the reflected light RL and noise charges generated by the background light.
Each of the noise charge amounts QNSP1, QNSP2, QNSP3, and QNSP4 generated by the reflected light RL needs to be obtained each time the number of allocations changes by the auto-exposure function when an object with a significantly different reflectance is imaged. There is
For this reason, it is not possible to predict the occurrence of a change in the number of distributions by the auto exposure, so it is necessary to frequently execute frames in the noise charge amount acquisition mode.
However, frequent processing of frames in the noise charge amount acquisition mode reduces the resolution of the range image on the time axis. correspond to changes in

図9の第1ノイズ電荷量取得モードの第1フレームにおいて、インテグレーションタイムでは、第1の実施形態と同様に、ノイズ電荷量取得モードの処理が行われる。
しかしながら、測定制御部43は、第1ノイズ電荷量取得モードにおいて、第1の実施形態のノイズ電荷量取得モードと異なり、光パルスPOの発光を光源部2に対して行わせずに、入射光を背景光のみとし、背景光により発生して、電荷蓄積部CSに蓄積されるノイズ電荷のノイズ電荷量QNSNを取得する。すなわち、距離演算部42は、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々における、ノイズ電荷量QNSN1、QNSN2、QNSN3及びQNSN4それぞれを、距離画像センサ32から取得する。
そして、距離演算部42は、取得したノイズ電荷量QNSN1、QNSN2、QNSN3及びQNSN4の各々を、第1ノイズ電荷量取得モードで取得したノイズ電荷量(第1ノイズ電荷量)として記憶部に書き込んで記憶させる。
In the first frame of the first noise charge amount acquisition mode in FIG. 9, the noise charge amount acquisition mode process is performed during the integration time, as in the first embodiment.
However, unlike the noise charge amount acquisition mode of the first embodiment, the measurement control unit 43 does not cause the light source unit 2 to emit the light pulse PO in the first noise charge amount acquisition mode, and the incident light is only the background light, and the noise charge amount QNSN of the noise charges generated by the background light and accumulated in the charge accumulation unit CS is obtained. That is, the distance calculation unit 42 acquires the noise charge amounts QNSN1, QNSN2, QNSN3, and QNSN4 in each of the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4 from the distance image sensor 32, respectively.
Then, the distance calculation unit 42 writes each of the acquired noise charge amounts QNSN1, QNSN2, QNSN3, and QNSN4 to the storage unit as the noise charge amount (first noise charge amount) acquired in the first noise charge amount acquisition mode. Memorize.

また、測定制御部43は、第2ノイズ電荷量取得モードにおいて、第1の実施形態のノイズ電荷量取得モードと同様に、光パルスPOの発光を光源部2に対して行わせて、入射光を背景光及び反射光RLとし、背景光及び反射光RLにより発生して、電荷蓄積部CSに蓄積されるノイズ電荷のノイズ電荷量QNSを取得する。すなわち、距離演算部42は、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々における、ノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3及びQNS4それぞれを、距離画像センサ32から取得する。
そして、距離演算部42は、取得したノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3及びQNS4の各々を、第2ノイズ電荷量取得モードで取得したノイズ電荷量(第2ノイズ電荷量)として記憶部に書き込んで記憶させる。
In addition, in the second noise charge amount acquisition mode, the measurement control unit 43 causes the light source unit 2 to emit the light pulse PO in the same manner as in the noise charge amount acquisition mode of the first embodiment. are the background light and the reflected light RL, and the noise charge amount QNS of the noise charges generated by the background light and the reflected light RL and accumulated in the charge accumulation unit CS is obtained. That is, the distance calculator 42 acquires from the distance image sensor 32 the noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 in the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4, respectively.
Then, the distance calculation unit 42 writes each of the acquired noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4 to the storage unit as the noise charge amount (second noise charge amount) acquired in the second noise charge amount acquisition mode. Memorize.

また、距離演算部42は、第2ノイズ電荷量QNS1、QNS2、QNS3及びQNS4の各々から、第1ノイズ電荷量QNSN1、QNSN2、QNSN3、QNSN4のそれぞれを減算し、第3ノイズ電荷量QNSP1(=QNS1-QNSN1)、QNSP2(=QNS2-QNSN2)、QNSP3(=QNS3-QNSN4)、QNSP4(=QNS4-QNSN4)を求める。
第3ノイズ電荷量QNSP1、QNSP2、QNSP3及びQNSP4の各々は、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3、CS4それぞれにおける、光パルスPOのみにより発生したノイズ電荷のノイズ電荷量である。ここで、第3ノイズ電荷量QNSP1、QNSP2、QNSP3及びQNSP4の各々は、第2ノイズ電荷量取得モードにおける振分け回数、すなわち光源部2が光パルスPOを発光させた回数である発光回数に対応して、反射光RLにより生成されたノイズ電荷のノイズ電荷量である。
そして、距離演算部42は、算出した第3ノイズ電荷量QNSP1、QNSP2、QNSP3及びQNSP4の各々を、記憶部に書き込んで記憶させる。
Further, the distance calculation unit 42 subtracts the first noise charge amounts QNSN1, QNSN2, QNSN3, and QNSN4 from the second noise charge amounts QNS1, QNS2, QNS3, and QNS4, respectively, and calculates the third noise charge amount QNSP1 (= QNS1-QNSN1), QNSP2 (=QNS2-QNSN2), QNSP3 (=QNS3-QNSN4), and QNSP4 (=QNS4-QNSN4) are obtained.
Each of the third noise charge amounts QNSP1, QNSP2, QNSP3, and QNSP4 is the noise charge amount of noise charges generated only by the light pulse PO in each of the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4. Here, each of the third noise charge amounts QNSP1, QNSP2, QNSP3, and QNSP4 corresponds to the number of allocation times in the second noise charge amount acquisition mode, that is, the number of times the light source unit 2 emits light pulses PO. is the amount of noise charge generated by the reflected light RL.
Then, the distance calculation unit 42 writes and stores each of the calculated third noise charge amounts QNSP1, QNSP2, QNSP3, and QNSP4 in the storage unit.

測定制御部43は、3フレーム以降の測距離電荷量取得モードのフレームにおいて、第1の実施形態の測距離電荷量取得モードのフレームと同様に、光パルスPOの発光を光源部2に対して行わせて、入射光を背景光及び反射光RLとし、背景光及び反射光RLにより光電変換素子PDに発生した電荷が振分けられ、電荷蓄積部CSに蓄積される電荷(ノイズ電荷を含む)の電荷量Qを取得する。すなわち、距離演算部42は、電荷蓄積部CS1、CS2、CS3及びCS4の各々における、光電変換素子PDが生成した電荷が振分けられた電荷量Q1、Q2、Q3及びQ4それぞれを、距離画像センサ32から取得する。
そして、距離演算部42は、取得した電荷量Q1、Q2、Q3及びQ4の各々から、第1の実施形態と同様にノイズ電荷量を減算して、補正電荷量QC1、QC2、QC3、QC4のそれぞれを算出する。
The measurement control unit 43 emits the light pulse PO to the light source unit 2 in the third and subsequent frames of the distance measurement charge amount acquisition mode, as in the frames of the distance measurement charge amount acquisition mode of the first embodiment. The background light and the reflected light RL are used as the incident light, and the charges generated in the photoelectric conversion element PD by the background light and the reflected light RL are distributed, and the charges (including noise charges) accumulated in the charge accumulation unit CS are reduced. Get the amount of charge Q. That is, the distance calculation unit 42 outputs the charge amounts Q1, Q2, Q3, and Q4 to which the charges generated by the photoelectric conversion elements PD in each of the charge storage units CS1, CS2, CS3, and CS4 are allocated to the distance image sensor 32, respectively. Get from
Then, the distance calculation unit 42 subtracts the noise charge amount from each of the obtained charge amounts Q1, Q2, Q3, and Q4 in the same manner as in the first embodiment, and obtains the corrected charge amounts QC1, QC2, QC3, and QC4. Calculate each.

本実施形態において、補正電荷量QC1、QC2、QC3及びQC4の各々を求める際、測距離電荷量取得モードのフレームにおけるインテグレーションタイムにおける振分け回数に基づいて、第3ノイズ電荷量QNSP1、QNSP2、QNSP3、QNSP4それぞれが調整される。
すなわち、測距離撮像装置がオートエクスポージャ(自動露光)機能を有している場合、測定制御部43は、インテグレーションタイムにおける振分け回数を反射光RLの強度により、電荷蓄積部CSのいずれかが飽和しないように変更する。
このため、第3ノイズ電荷量QNSP1、QNSP2、QNSP3及びQNSP4の各々は、振分け回数(光パルスの発光回数)により逐次変化する。
In the present embodiment, when obtaining each of the corrected charge amounts QC1, QC2, QC3, and QC4, the third noise charge amounts QNSP1, QNSP2, QNSP3, Each QNSP4 is adjusted.
That is, when the distance measuring imaging device has an auto-exposure function, the measurement control unit 43 determines the number of distributions in the integration time, depending on the intensity of the reflected light RL, so that one of the charge storage units CS is saturated. change it to not
Therefore, each of the third noise charge amounts QNSP1, QNSP2, QNSP3, and QNSP4 changes sequentially according to the number of distributions (the number of times the light pulse is emitted).

距離演算部42は、測距離電荷量取得モードのフレームにおいて距離を算出する際、記憶部に記憶されている予め算出した第3ノイズ電荷量QNSP1、QNSP2、QNSP3及びQNSP4を読み出す。
そして、距離演算部42は、第2ノイズ電荷量取得モードの第2フレームにおける振分け回数により、距離を算出する対象の測距離電荷量取得モードのフレームにおける振分け回数を除算し、調整係数kを算出する。
距離演算部42は、求めた調整係数kを、第3ノイズ電荷量QNSP1、QNSP2、QNSP3及びQNSP4の各々に乗算し、調整第3ノイズ電荷量kQNSP1、kQNSP2、kQNSP3及びkQNSP4を算出する。
When calculating the distance in a frame in the distance measurement charge amount acquisition mode, the distance calculation unit 42 reads the third noise charge amounts QNSP1, QNSP2, QNSP3, and QNSP4 that are stored in the storage unit and are calculated in advance.
Then, the distance calculation unit 42 divides the number of allocations in the frame of the ranging charge amount acquisition mode for which the distance is to be calculated by the number of allocations in the second frame of the second noise charge amount acquisition mode, and calculates the adjustment coefficient k. do.
The distance calculator 42 multiplies each of the third noise charge amounts QNSP1, QNSP2, QNSP3 and QNSP4 by the obtained adjustment coefficient k to calculate the adjusted third noise charge amounts kQNSP1, kQNSP2, kQNSP3 and kQNSP4.

そして、距離演算部42は、第1ノイズ電荷量QNSN1、QNSN2、QNSN3及びQNSN4の各々に対して、調整第3ノイズ電荷量kQNSP1、kQNSP2、kQNSP3及、kQNSP4それぞれを加算して、第4ノイズ電荷量QN1(=QNSN1+kQNSP1)、QN2(=QNSN2+kQNSP2)、QN3(=QNSN3+kQNSP3)、QN4(=QNSN4+kQNSP4)を算出する。
また、距離演算部42は、電荷量Q1、Q2、Q3及びQ4の各々から、第4ノイズ電荷量QN1、QN2、QN3、QN4のそれぞれを減算し、補正電荷量QC1、QC2、QC3、QC4を算出する。
そして、距離演算部42は、第1の実施形態と同様に、(1)’式または(2)’式により、被写体Sと距離画像センサ32との距離を求める際に用いる遅延時間Tdの算出を、上記補正電荷量QC1、QC2、QC3及びQC4の各々を用いて行う。
Then, the distance calculation unit 42 adds the adjusted third noise charge amounts kQNSP1, kQNSP2, kQNSP3, and kQNSP4 to each of the first noise charge amounts QNSN1, QNSN2, QNSN3, and QNSN4 to obtain the fourth noise charge amounts. Quantities QN1 (=QNSN1+kQNSP1), QN2 (=QNSN2+kQNSP2), QN3 (=QNSN3+kQNSP3), and QN4 (=QNSN4+kQNSP4) are calculated.
Further, the distance calculation unit 42 subtracts the fourth noise charge amounts QN1, QN2, QN3, and QN4 from the charge amounts Q1, Q2, Q3, and Q4, respectively, to obtain the corrected charge amounts QC1, QC2, QC3, and QC4. calculate.
Then, similarly to the first embodiment, the distance calculation unit 42 calculates the delay time Td used when obtaining the distance between the subject S and the distance image sensor 32 by the formula (1)′ or (2)′. is performed using each of the correction charge amounts QC1, QC2, QC3 and QC4.

上述した構成により、本実施形態によれば、第1及び第2ノイズ電荷量取得モードのフレームにおいて予め電荷蓄積部CS(CS1、CS2、CS3及びCS4)の各々と、当該電荷蓄積部CSの近傍の回路において、入射光により発生して電荷蓄積部CSに蓄積されるノイズ電荷の第1ノイズ電荷量QNSN及び第3ノイズ電荷量QNSPの各々を求めておき、測距離電荷量取得モードのフレームの各々における振分け回数に対応した調整係数kにより、当該フレームの各々の調整第3ノイズ電荷量kQNSPを算出し、第1ノイズ電荷量QNSNと調整第3ノイズ電荷量kQNSPとを加算し、加算結果の第4ノイズ電荷量QNを電荷量Qから減算して、補正電荷量QC1、QC2、QC3及びQC4の各々を求めて、調整時間の算出を行うため、オートエクスポージャの機能による振分け回数に対応した第4ノイズ電荷量QNに基づく補正電荷量QC1、QC2、QC3、QC4により遅延時間Tdが得られるため、高い精度で被写体Sと距離画像センサ32との距離を算出することができる。 With the above-described configuration, according to the present embodiment, each of the charge storage units CS (CS1, CS2, CS3, and CS4) and the vicinity of the charge storage unit CS in advance in the frames of the first and second noise charge amount acquisition modes In the circuit of (1), each of the first noise charge amount QNSN and the third noise charge amount QNSP of the noise charge generated by the incident light and accumulated in the charge accumulation section CS is obtained, and the frame of the distance measurement charge amount acquisition mode is obtained. The adjusted third noise charge amount kQNSP for each frame is calculated using the adjustment coefficient k corresponding to the number of allocations for each, the first noise charge amount QNSN and the adjusted third noise charge amount kQNSP are added, and the result of the addition is By subtracting the fourth noise charge amount QN from the charge amount Q, each of the corrected charge amounts QC1, QC2, QC3 and QC4 is obtained, and the adjustment time is calculated. Since the delay time Td is obtained from the corrected charge amounts QC1, QC2, QC3, and QC4 based on the fourth noise charge amount QN, the distance between the object S and the distance image sensor 32 can be calculated with high accuracy.

また、本実施形態によれば、第1及び第2ノイズ電荷量取得モードにおいて、第1フレーム及び第2フレームにおいて、第1ノイズ電荷量QNSN及び第3ノイズ電荷量QNSPの各々を求めているため、フレーム毎の振分け回数に対応したノイズ電荷量を得ることができるため、第2の実施形態のように、フレーム毎にノイズ電荷量を求める処理を行う必要がなくなり、かつフレーム毎の振分け回数に対応したノイズ電荷量を求めることが可能となり、計測する距離の精度を容易に向上することができる。 Further, according to the present embodiment, in the first and second noise charge amount acquisition modes, the first noise charge amount QNSN and the third noise charge amount QNSP are obtained in the first frame and the second frame. Since the amount of noise charge corresponding to the number of allocations for each frame can be obtained, it is not necessary to perform the process of obtaining the amount of noise charge for each frame as in the second embodiment. The corresponding noise charge amount can be obtained, and the accuracy of the distance to be measured can be easily improved.

図11は、第3の実施形態による距離画像撮像装置1における距離画像センサ32と被写体Sとの距離の算出の処理の動作例を示すフローチャートである。以下の説明において、距離画像センサ32における画素回路321の各々において、画素回路321(すなわち、距離画像センサ32)から、被写体Sまでの距離の計算が行われる。 FIG. 11 is a flowchart showing an operation example of processing for calculating the distance between the distance image sensor 32 and the subject S in the distance image pickup device 1 according to the third embodiment. In the following description, in each of the pixel circuits 321 in the distance image sensor 32, the distance from the pixel circuit 321 (that is, the distance image sensor 32) to the subject S is calculated.

ステップS101:
測定制御部43は、距離画像撮像装置1が距離測定を開始した場合、タイミング制御部41に対して、第1ノイズ電荷量取得モードの処理を行わせる指示を出力する。
タイミング制御部41は、第1フレームにおいて、背景光のみにより発生するノイズ電荷のノイズ電荷量QNSNを取得するための、蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3及びTX4と、駆動信号RSTDとを距離画像センサ32へ出力する。
これにより、距離画像センサ32は、第1フレームにおいて取得した第1ノイズ電荷量QNSN(QNSN1、QNSN2、QNSN3、QNSN4)を、距離演算部42に対して出力する。
Step S101:
When the distance image capturing device 1 starts distance measurement, the measurement control unit 43 outputs an instruction to the timing control unit 41 to perform processing in the first noise charge amount acquisition mode.
In the first frame, the timing control unit 41 outputs the accumulation drive signals TX1, TX2, TX3 and TX4 and the drive signal RSTD to acquire the noise charge amount QNSN of the noise charge generated only by the background light. 32.
Thereby, the distance image sensor 32 outputs the first noise charge amount QNSN (QNSN1, QNSN2, QNSN3, QNSN4) acquired in the first frame to the distance calculation section .

ステップS102:
測定制御部43は、第1フレームが終了した後、タイミング制御部41に対して、第2ノイズ電荷量取得モードの処理を行わせる指示を出力する。
タイミング制御部41は、第2フレームにおいて、光源部2に対して光パルスPOを放射させ、背景光及び反射光RLにより発生するノイズ電荷のノイズ電荷量QNS(QNS1、QNS2、QNS3、QNS4)を取得するための、蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3及びTX4と、駆動信号RSTDとを距離画像センサ32へ出力する。
これにより、距離画像センサ32は、第2フレームにおいて取得した第2ノイズ電荷量QNSを、距離演算部42に対して出力する。
Step S102:
After the end of the first frame, the measurement control section 43 outputs an instruction to the timing control section 41 to perform processing in the second noise charge amount acquisition mode.
In the second frame, the timing control unit 41 causes the light source unit 2 to radiate the light pulse PO, and determines the noise charge amount QNS (QNS1, QNS2, QNS3, QNS4) of noise charges generated by the background light and the reflected light RL. It outputs accumulation drive signals TX1, TX2, TX3 and TX4 and a drive signal RSTD to the range image sensor 32 for acquisition.
Thereby, the distance image sensor 32 outputs the second noise charge amount QNS acquired in the second frame to the distance calculation section 42 .

ステップS103:
そして、距離演算部42は、第2ノイズ電荷量QNSの各々から、第1ノイズ電荷量QNSNそれぞれを減算し、第3ノイズ電荷量QNSP(QNSP1、QNSP2、QNSP3、QNSP4)を算出する。
距離演算部42は、第1ノイズ電荷量QNSNともに、第3ノイズ電荷量QNSPを、画素回路321単位により電荷蓄積部CS(CS1、CS2、CS3、CS4)毎に記憶部に書き込んで記憶させる。
Step S103:
Then, the distance calculator 42 subtracts each of the first noise charges QNSN from each of the second noise charges QNS to calculate third noise charges QNSP (QNSP1, QNSP2, QNSP3, QNSP4).
The distance calculation unit 42 writes and stores the third noise charge amount QNSP together with the first noise charge amount QNSN into the storage unit for each charge accumulation unit CS (CS1, CS2, CS3, CS4) in pixel circuit 321 units.

ステップS104:
測定制御部43は、第2フレームが終了した後、タイミング制御部41に対して、測距離電荷量取得モードの処理を行わせる指示を出力する。
タイミング制御部41は、第3フレーム(すなわち、第3フレーム以降のフレーム)において、光源部2に対して光パルスPOを放射させ、被写体Sと距離画像センサ32との距離を計測するため、光電変換素子PDから各電荷蓄積部CSに対して電荷を振分ける制御として、蓄積駆動信号TX1、TX2、TX3及びTX4と、駆動信号RSTDとを距離画像センサ32へ出力する。
これにより、距離画像センサ32は、第3フレームにおいて取得した電荷量Q(Q1、Q2、Q3、Q4)の各々を、距離演算部42に対して出力する。
Step S104:
After the end of the second frame, the measurement control unit 43 outputs an instruction to the timing control unit 41 to perform processing in the range-finding charge amount acquisition mode.
In the third frame (that is, the frames subsequent to the third frame), the timing control unit 41 causes the light source unit 2 to emit a light pulse PO, and measures the distance between the subject S and the distance image sensor 32. As control for distributing charges from the conversion element PD to each charge storage section CS, storage drive signals TX1, TX2, TX3 and TX4 and a drive signal RSTD are output to the distance image sensor 32. FIG.
Thereby, the distance image sensor 32 outputs each of the charge amounts Q (Q1, Q2, Q3, Q4) acquired in the third frame to the distance calculation section 42 .

ステップS105:
距離演算部42は、測距離を行う対象の第3フレームの振分け回数を、第2フレームにおける振分け回数により除算し、調整係数kを算出する。
Step S105:
The distance calculation unit 42 divides the number of allocations for the third frame to be distance-measured by the number of allocations for the second frame to calculate an adjustment coefficient k.

ステップS106:
距離演算部42は、記憶部から第3ノイズ電荷量QNSPを読み出し、当該第3ノイズ電荷量QNSPの各々に調整係数kを乗じて、調整第3ノイズ電荷量kQNSP(kQNSP1、kQNSP2、kQNSP3、kQNSP4)それぞれを算出する。
Step S106:
The distance calculation unit 42 reads the third noise charge amount QNSP from the storage unit, multiplies each of the third noise charge amounts QNSP by the adjustment coefficient k, and obtains the adjusted third noise charge amount kQNSP (kQNSP1, kQNSP2, kQNSP3, kQNSP4 ) to calculate each.

ステップS107:
距離演算部42は、記憶部から第1ノイズ電荷量QNSNの各々を読み出し、読み出した第1ノイズ電荷量QNSNそれぞれと、調整第3ノイズ電荷量kQNSPとを加算し、第4ノイズ電荷量QN(QN1、QN2、QN3、QN4)を算出する。
Step S107:
The distance calculation unit 42 reads each of the first noise charge amounts QNSN from the storage unit, adds each of the read first noise charge amounts QNSN and the adjusted third noise charge amount kQNSP, and obtains a fourth noise charge amount QN ( QN1, QN2, QN3, QN4) are calculated.

ステップS108:
距離演算部42は、算出した第4ノイズ電荷量QNの各々を、電荷量Qのそれぞれから減算し、補正電荷量QC(QC1、QC2、QC3、QC4)を算出する。
Step S108:
The distance calculation unit 42 subtracts each of the calculated fourth noise charge amounts QN from each of the charge amounts Q to calculate a correction charge amount QC (QC1, QC2, QC3, QC4).

ステップS109:
距離演算部42は、求めた補正電荷量QCを用いて、(1)’式または(2)’式により、遅延時間Tdを算出する。
Step S109:
The distance calculation unit 42 calculates the delay time Td by using the obtained corrected charge amount QC by the formula (1)′ or (2)′.

ステップS110:
距離演算部42は、求めた遅延時間Tdに高速を乗じて、「2」で除算することにより、距離画像センサ32から被写体Sまでの距離を算出する。
Step S110:
The distance calculator 42 calculates the distance from the distance image sensor 32 to the subject S by multiplying the obtained delay time Td by the high speed and dividing by "2".

ステップS111:
測定制御部43は、測距離を終了する制御信号が入力されたか否かの判定を行う。
このとき、測定制御部43は、測距離の処理を終了する制御信号が入力された場合に処理を終了し、一方、測距離の処理を終了する制御信号が入力されていない場合に処理をステップS104へ進める。
Step S111:
The measurement control unit 43 determines whether or not a control signal for ending distance measurement has been input.
At this time, the measurement control unit 43 terminates the processing when a control signal for terminating the distance measurement processing is input, and when the control signal for terminating the distance measurement processing is not input, the processing is stepped. Proceed to S104.

上述した第1の実施形態、第2の実施形態及び第3の実施形態の構成として、TOF技術による距離画像撮像装置を説明したが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、RGB-IR(Red Green Blue-Infrared)センサなどのフォトダイオードが一つの電荷蓄積部を供給する構造を有するセンサにおいても適用が可能である。
また、入射光によりフォトダイオードで生成された電荷を電荷蓄積部に蓄積する構成であれば、CCD(Charge Coupled Device)イメージセンサあるいはCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサなどにも適用が可能である。
As the configuration of the above-described first, second, and third embodiments, the depth image capturing device using the TOF technique has been described, but the scope of application of the present invention is not limited to this. It can also be applied to a sensor having a structure in which a photodiode supplies one charge storage unit, such as an RGB-IR (Red Green Blue-Infrared) sensor.
In addition, it can be applied to a CCD (Charge Coupled Device) image sensor or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, etc., as long as the charge generated by the photodiode due to incident light is accumulated in the charge accumulation section. .

1…距離画像撮像装置
2…光源部
3…受光部
31…レンズ
32…距離画像センサ(距離画像撮像素子)
321…画素回路
322…画素駆動回路
4…距離画像処理部
41…タイミング制御部
42…距離演算部
43…測定制御部
CS1,CS2,CS3,CS4…電荷蓄積部
FD1,FD2,FD3,FD4…フローティングディフュージョン
G1,G2,G3,G4…転送トランジスタ
GD…電荷排出トランジスタ
ML…マイクロレンズ
PD…光電変換素子
PO…光パルス
RT1,RT2,RT3,RT4…リセットトランジスタ
S…被写体
SF1,SF2,SF3,SF4…ソースフォロアトランジスタ
SL1,SL2,SL3,SL4…選択トランジスタ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Range image pick-up device 2... Light source part 3... Light-receiving part 31... Lens 32... Range image sensor (range image pick-up element)
321... Pixel circuit 322... Pixel driving circuit 4... Distance image processing unit 41... Timing control unit 42... Distance calculation unit 43... Measurement control unit CS1, CS2, CS3, CS4... Charge accumulation unit FD1, FD2, FD3, FD4... Floating Diffusion G1, G2, G3, G4 Transfer transistor GD Charge discharge transistor ML Microlens PD Photoelectric conversion element PO Optical pulse RT1, RT2, RT3, RT4 Reset transistor S Subject SF1, SF2, SF3, SF4 Source follower transistors SL1, SL2, SL3, SL4... select transistors

Claims (11)

測定空間に光パルスを照射する光源部と、
前記測定空間から入射した光に応じた電荷を発生する光電変換素子と、フレーム周期において前記電荷を蓄積する複数の電荷蓄積部を備える複数の画素回路と、前記光パルスの照射に同期した所定の蓄積タイミングで、前記電荷蓄積部の各々に転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行い前記電荷を振分けて蓄積させる画素駆動回路とを有する受光部と、
前記電荷蓄積部の各々に蓄積された前記電荷の第1電荷量によって決定される電荷量により、前記測定空間における被写体と前記受光部との距離を計算する距離演算部と
を備え、
前記距離演算部が前記第1電荷量の各々から、前記転送トランジスタのオンオフ処理によって振り分けて蓄積した電荷以外の蓄積電荷であるノイズ電荷による第2電荷量を減算して前記距離の計算を行う
ことを特徴とする距離画像撮像装置。
a light source unit that irradiates a light pulse into the measurement space;
a plurality of pixel circuits each having a plurality of photoelectric conversion elements that generate charges according to the light incident from the measurement space; a plurality of charge storage units that store the charges in a frame cycle; a light-receiving unit having a pixel drive circuit for performing on/off processing of each transfer transistor in each of the charge storage units at the accumulation timing, and distributing and accumulating the charges;
a distance calculation unit that calculates the distance between the subject and the light receiving unit in the measurement space based on the charge amount determined by the first charge amount of the charges accumulated in each of the charge accumulation units;
The distance calculation unit calculates the distance by subtracting, from each of the first charge amounts, a second charge amount due to noise charges, which are accumulated charges other than the charges distributed and accumulated by the ON/OFF processing of the transfer transistors. A distance image capturing device characterized by:
前記フレームのいずれかを前記第2電荷量の取得を行うノイズ電荷量取得フレームとし、
当該ノイズ電荷量取得フレームにおいて、前記光源部から前記光パルスが照射された後、
前記画素駆動回路が前記転送トランジスタをオフとして、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に電荷の振分けを行わない状態において、当該電荷蓄積部に蓄積される電荷量を前記第2電荷量とし、
前記ノイズ電荷量取得フレーム以降のフレームにおいて、
前記画素駆動回路が前記転送トランジスタをオンオフして、前記電荷を前記電荷蓄積部の各々に振分けて蓄積させて、前記第1電荷量とする
ことを特徴とする請求項1に記載の距離画像撮像装置。
any one of the frames is a noise charge amount acquisition frame for acquiring the second charge amount;
In the noise charge amount acquisition frame, after the light pulse is irradiated from the light source unit,
the amount of charge accumulated in the charge storage unit in a state in which the pixel drive circuit turns off the transfer transistor and does not distribute the charge from the photoelectric conversion element to the charge storage unit as the second charge amount;
In frames subsequent to the noise charge amount acquisition frame,
2. The distance image pickup according to claim 1, wherein the pixel driving circuit turns on and off the transfer transistor to distribute and accumulate the charge in each of the charge accumulation units to obtain the first charge amount. Device.
フレームの各々を分割して第1サブフレームと第2サブフレームとを生成し、
前記第1サブフレームにおいて、前記光源部から前記光パルスが照射された後、
前記画素駆動回路が前記転送トランジスタをオフとして、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に電荷の蓄積を行わない状態において、当該電荷蓄積部に蓄積される電荷量を前記第2電荷量とし、
前記第2サブフレームにおいて、
前記画素駆動回路が前記転送トランジスタをオンオフして、前記電荷を前記電荷蓄積部の各々に振分けて蓄積させて、前記第1電荷量とする
ことを特徴とする請求項1に記載の距離画像撮像装置。
dividing each of the frames to generate a first subframe and a second subframe;
In the first subframe, after the light pulse is emitted from the light source unit,
the amount of charge accumulated in the charge storage unit in a state in which the pixel drive circuit turns off the transfer transistor and does not store the charge from the photoelectric conversion element in the charge storage unit as the second amount of charge;
In the second subframe,
2. The distance image pickup according to claim 1, wherein the pixel driving circuit turns on and off the transfer transistor to distribute and accumulate the charge in each of the charge accumulation units to obtain the first charge amount. Device.
前記フレームが前記電荷蓄積部の各々に前記電荷を振分けて蓄積する蓄積期間と、当該電荷蓄積部のそれぞれから蓄積された電荷量を読み出す読出期間とから構成されており、
前記蓄積期間を短縮することにより、前記第1サブフレーム及び前記第2サブフレームの各々を構成する
ことを特徴とする請求項3に記載の距離画像撮像装置。
the frame is composed of an accumulation period for distributing and accumulating the electric charge in each of the charge accumulation units, and a readout period for reading the amount of electric charge accumulated from each of the charge accumulation units,
4. The range image pickup apparatus according to claim 3, wherein each of said first sub-frame and said second sub-frame is configured by shortening said accumulation period.
前記光源部から前記光パルスが照射されない状態で、前記画素駆動回路が前記転送トランジスタをオフとして、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に電荷の蓄積を行わない状態において、当該電荷蓄積部に蓄積される電荷量を第3電荷量として取得するフレームを第1ノイズ電荷量取得フレームとし、
前記光源部から前記光パルスが照射された後、前記画素駆動回路が前記転送トランジスタをオフとして、前記光電変換素子から前記電荷蓄積部に電荷の蓄積を行わない状態において、当該電荷蓄積部に蓄積される電荷量を前記第2電荷量として取得するフレームを第2ノイズ電荷量取得フレームとし、
前記距離演算部が、前記第2電荷量から前記第3電荷量を減算し、前記光電変換素子以外で前記光パルスにより生成される電荷の電荷量である第4電荷量を求める
ことを特徴とする請求項1に記載の距離画像撮像装置。
In a state in which the light pulse is not irradiated from the light source section, the pixel driving circuit turns off the transfer transistor, and in a state in which the charge is not accumulated in the charge accumulation section from the photoelectric conversion element, the charge is accumulated in the charge accumulation section. The frame for acquiring the charge amount obtained as the third charge amount is the first noise charge amount acquisition frame,
After the light pulse is irradiated from the light source, the pixel driving circuit turns off the transfer transistor, and in a state in which the charge is not accumulated in the charge accumulation section from the photoelectric conversion element, the charge is accumulated in the charge accumulation section. A second noise charge amount acquisition frame is a frame for acquiring the charge amount obtained as the second charge amount,
The distance calculation unit subtracts the third charge amount from the second charge amount to obtain a fourth charge amount, which is the charge amount of the charge generated by the light pulse other than the photoelectric conversion element. The distance image pickup device according to claim 1.
前記距離演算部が、
前記第1ノイズ電荷量取得フレーム及び前記第2ノイズ電荷量取得フレームの各々における前記振分けの第1振分回数に対して、前記第2ノイズ電荷量取得フレーム以降の前記フレームの各々における前記振分けの第2振分回数が変化した場合、前記第2振分回数を前記第1振分回数で除算した除算結果を調整係数として、当該調整係数を前記第4電荷量に乗算して第5電荷量を算出し、
前記第3電荷量に前記第5電荷量を加算して、前記第2電荷量を補正して前記距離の算出に用いる
ことを特徴とする請求項5に記載の距離画像撮像装置。
The distance calculation unit
With respect to the first number of allocations of the allocation in each of the first noise charge amount acquisition frame and the second noise charge amount acquisition frame, the number of allocations in each of the frames after the second noise charge amount acquisition frame When the second number of distributions changes, the result of dividing the second number of distributions by the first number of distributions is used as an adjustment coefficient, and the fourth charge amount is multiplied by the adjustment coefficient to obtain a fifth charge amount. to calculate
6. The range image pickup apparatus according to claim 5, wherein the fifth charge amount is added to the third charge amount to correct the second charge amount and use it for calculating the distance.
前記光源部から照射される光パルスが、近赤外波長帯域の光の所定幅のパルスである
ことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の距離画像撮像装置。
7. The distance imaging apparatus according to claim 1, wherein the light pulse emitted from the light source unit is a pulse of light in a near-infrared wavelength band with a predetermined width.
前記画素回路の構造がBSI(Back Side Illumination:裏面照射)構造である
ことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の距離画像撮像装置。
The range imaging device according to any one of claims 1 to 7, wherein the structure of the pixel circuit is a BSI (Back Side Illumination) structure.
前記画素回路が3個以上の電荷蓄積部を有する
ことを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の距離画像撮像装置。
The range imaging device according to any one of claims 1 to 8, wherein the pixel circuit has three or more charge storage units.
電荷蓄積部の各々に前記電荷を振分けて蓄積させる期間以外おいて、光電変換素子から電荷を排出する一個以上の電荷排出トランジスタが前記画素回路に設けられている
ことを特徴とする請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の距離画像撮像装置。
2. The pixel circuit is provided with one or more charge discharge transistors for discharging charges from the photoelectric conversion elements except for a period in which the charges are distributed and accumulated in each of the charge accumulation units. The range imaging device according to claim 9 .
光電変換素子と複数の電荷蓄積部からなる複数の画素回路の各々と、光源部と、画素駆動回路と、距離演算部とを備える距離画像撮像装置を制御する距離画像撮像方法であり、
前記光源部が、測定空間に光パルスを照射する過程と、
前記画素回路が、フレーム周期において、前記測定空間から入射した光に応じて前記光電変換素子が発生した電荷を前記電荷蓄積部に蓄積する過程と、
前記画素駆動回路が、前記光パルスの照射に同期した所定の蓄積タイミングで、前記電荷蓄積部の各々に転送トランジスタそれぞれのオンオフ処理を行い前記電荷を振分けて蓄積させる画素駆動過程と、
前記距離演算部が、前記電荷蓄積部の各々に蓄積された前記電荷の第1電荷量によって決定される電荷量より、前記測定空間における被写体と前記受光部との距離を計算する距離演算過程と
を含み、
前記距離演算部が前記第1電荷量の各々から、前記転送トランジスタのオンオフ処理によって振り分けて蓄積した電荷以外の蓄積電荷であるノイズ電荷による第2電荷量を減算して前記距離の計算を行う
ことを特徴とする距離画像撮像方法。
A range image capturing method for controlling a range image capturing apparatus comprising: each of a plurality of pixel circuits each composed of a photoelectric conversion element and a plurality of charge storage units; a light source unit; a pixel drive circuit;
a process in which the light source unit irradiates a light pulse into the measurement space;
a process in which the pixel circuit accumulates, in the charge accumulation unit, charges generated by the photoelectric conversion element in response to light incident from the measurement space in a frame period;
a pixel driving process in which the pixel drive circuit turns on and off the transfer transistors in each of the charge storage units at a predetermined accumulation timing synchronized with the irradiation of the light pulse, and distributes and accumulates the charges;
a distance calculation step in which the distance calculation unit calculates the distance between the subject and the light receiving unit in the measurement space from the charge amount determined by the first charge amount of the charges accumulated in each of the charge accumulation units; including
The distance calculation unit calculates the distance by subtracting, from each of the first charge amounts, a second charge amount due to noise charges, which are accumulated charges other than the charges distributed and accumulated by the ON/OFF processing of the transfer transistors. A distance image capturing method characterized by:
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